JP2018146193A - Liquid fuel burner - Google Patents

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林 茂
Shigeru Hayashi
茂 林
俊相 春日
Shunso Kasuga
俊相 春日
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Hosei University
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid fuel burner capable of evenly combusting liquid fuel so as to suppress occurrence of NOx without generating a hotspot in a medium or high-load application, and suppressing occurrence of CO and unburned HC in a non-load or low-load application, to thereby maintain stable combustion.SOLUTION: A burner has: a single fuel injection valve configured to inject liquid fuel; a splitter nozzle surrounding the fuel injection valve coaxially, and whose diameter is contracted toward an outlet end; an outer shroud surrounding the splitter nozzle coaxially, and forming an annular air flow passage therearound; and means of imparting revolution force to airflow flowing in the annular air flow passage. The burner is configured to dividedly supply air into an internal flow passage of the splitter nozzle and the annular air flow passage.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、液体燃料用バーナーに係り、特にガスタービン装置に適したバーナーに係る。   The present invention relates to a liquid fuel burner, and more particularly to a burner suitable for a gas turbine apparatus.

燃料の燃焼に伴うNOxの排出量は火炎温度の上昇に伴って指数的に増加するので、火炎温度を下げることがNOxの排出量の抑制には効果的であり、燃料に対する空気の割合を過剰にして燃焼させる希薄燃焼方式が有効とされている。しかし、従来の燃焼室内に液体燃料を直接噴射する拡散燃焼では、燃料液滴を空気中に均質に分散させることが難しいので、燃料の偏在により高温領域ができやすく、また燃料液滴の周囲では燃料濃度が必然的に高いので、この燃焼によりミクロなホットスポットを生じやすく、NOxの排出量を抑えるには限界がある。ミクロなホットスポットの発生を抑制するために、燃料を予蒸発予混合室において過剰の量の空気中に噴射し、燃料液滴を予蒸発させ、空気と予混合した後、燃焼室内にて希薄燃焼させる燃焼方式が考えられた。これは、液体燃料にとってNOx排出量の抑制の観点からは理想的であるが、しかし、空気が高温高圧になると、燃料蒸気と空気の混合気の反応が速くなり、燃料の予蒸発が完全に終る前に自然着火が生じ、燃焼開始が不均一となり、意図したようなNOx排出の抑制はできず、また予蒸発予混合室での燃焼により予蒸発予混合室の壁面が焼損するおそれがある。   NOx emissions associated with fuel combustion increase exponentially as the flame temperature rises, so lowering the flame temperature is effective in reducing NOx emissions, and the ratio of air to fuel is excessive. Thus, a lean combustion method for burning is effective. However, in the conventional diffusion combustion in which liquid fuel is directly injected into the combustion chamber, it is difficult to uniformly disperse the fuel droplets in the air. Since the fuel concentration is inevitably high, a micro hot spot is likely to be generated by this combustion, and there is a limit in suppressing the NOx emission amount. In order to suppress the occurrence of micro hot spots, fuel is injected into an excessive amount of air in the pre-evaporation pre-mixing chamber, fuel droplets are pre-evaporated, pre-mixed with air, and then diluted in the combustion chamber. Combustion method was considered. This is ideal for liquid fuels from the standpoint of reducing NOx emissions, but when the temperature of the air rises to high temperatures and pressures, the reaction of the fuel vapor / air mixture becomes faster and the fuel pre-evaporation is completely eliminated. Spontaneous ignition occurs before the end of the combustion, the start of combustion becomes uneven, NOx emission cannot be suppressed as intended, and the wall of the pre-evaporation premixing chamber may be burned by combustion in the preevaporation premixing chamber .

そこで、予蒸発予混合室における滞留時間を短くし、噴射された燃料の一部が予蒸発し、空気と予混合してできた混合物をそれに自然着火が生ずる前に予蒸発予混合室より燃焼室内へ移動させることが考えられた。この方式は、予蒸発予混合方式に準じて、高負荷時には空燃比を適切に制御することにより、NOxは勿論、COおよび未燃HCの排出も抑制することができるが、一方、無負荷ないし低負荷時には、燃料流量が少ないので、火炎温度が低くなり、燃焼が不安定かつ不完全となり、COおよび未燃HCの排出量が増えるという問題がある。   Therefore, the residence time in the pre-evaporation pre-mixing chamber is shortened, a part of the injected fuel is pre-evaporated, and the mixture pre-mixed with air is combusted from the pre-evaporation pre-mixing chamber before spontaneous ignition occurs. It was considered to be moved indoors. In this method, according to the pre-evaporation premixing method, by appropriately controlling the air-fuel ratio at high load, not only NOx but also CO and unburned HC emissions can be suppressed. When the load is low, the fuel flow rate is small, so that the flame temperature becomes low, the combustion becomes unstable and incomplete, and the emission of CO and unburned HC increases.

かかる問題に対処し、例えば下記の特許文献1や2に記載されている如く、パイロット燃料噴射弁を内側にしてその外側にメイン燃料噴射弁を同軸状に配置し、燃料直噴による拡散燃焼方式であっても、無負荷ないし低負荷時にはパイロット燃料噴射弁により安定した燃焼を確保し、中ないし高負荷時にはパイロット燃料噴射弁とメイン燃料噴射弁の両方の作動により燃焼ガス温度の均一化を図ってNOxを低減することが考えられる。   In order to cope with such a problem, for example, as described in Patent Documents 1 and 2 below, a pilot fuel injection valve is arranged on the inner side and a main fuel injection valve is coaxially arranged on the outer side, and a diffusion combustion system using direct fuel injection However, stable combustion is ensured by the pilot fuel injection valve when there is no load or low load, and the combustion gas temperature is made uniform by operating both the pilot fuel injection valve and the main fuel injection valve during medium to high loads. It is conceivable to reduce NOx.

特開2016-41999号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-41999 特開2016-173225号公報JP 2016-173225 A

液体燃料用バーナーは、燃焼室内にてNOxの発生を抑制しつつ液体燃料により高温のガスを発生させる性能が要求されるが、更にバーナーがガスタービン用のバーナーである場合のように広い負荷範囲にわたって運転されるときには、それに加えて無負荷ないし低負荷時にCOおよび未燃HCの発生を抑制して液体燃料の安定した燃焼を確保する性能が要求される。NOxの発生を抑制しつつ高温のガスを発生させるには、燃料の燃焼により生成するガス全体の温度をできるだけ均一に上昇させ、燃焼室内にホットスポットを生じさせないことが重要である。また無負荷ないし低負荷時にCOおよび未燃HCの発生を抑制して液体燃料の安定した燃焼を確保するには、噴射量が低下している燃料に過剰の空気を混合させないようになっていることが重要である。しかし、そのために上記特許文献1或いは2に記載されている如く燃料噴射弁を多重構造とするのでは、それだけバーナーの構造が複雑となり、また多重燃料噴射弁の各々への燃料の配分制御が必要となる。   The liquid fuel burner is required to have a capability of generating high-temperature gas with liquid fuel while suppressing the generation of NOx in the combustion chamber. Further, a wide load range is used as in the case where the burner is a burner for a gas turbine. In addition, when the vehicle is operated over a long period of time, it is required to have the performance of ensuring stable combustion of the liquid fuel by suppressing the generation of CO and unburned HC during no load or low load. In order to generate a high-temperature gas while suppressing the generation of NOx, it is important to raise the temperature of the entire gas generated by the combustion of the fuel as uniformly as possible so as not to generate a hot spot in the combustion chamber. In addition, in order to suppress the generation of CO and unburned HC at the time of no load or low load and ensure stable combustion of the liquid fuel, it is prevented from mixing excess air with the fuel whose injection amount is reduced. This is very important. However, if the fuel injection valve has a multiple structure as described in Patent Document 1 or 2 described above, the structure of the burner becomes complicated accordingly, and it is necessary to control the distribution of fuel to each of the multiple fuel injection valves. It becomes.

本発明は、中ないし高負荷時には、液体燃料を燃焼用空気との混合の過程において気化させつつ空気と高度に均一に混合させることにより、ホットスポットの生成を避け、NOxの発生を抑制して高温のガスを発生させることができ、また燃料噴射量が低減する無負荷ないし低負荷時には、過剰空気による燃料の燃焼不良によるCOおよび未燃HCの発生を抑制する液体燃料用のバーナーを、上記特許文献1或いは2に記載されている如く燃料噴射弁を多重構造とすることなく、単一の燃料噴射弁にて提供することを課題としている。   The present invention avoids the generation of hot spots and suppresses the generation of NOx by mixing liquid fuel highly uniformly with air while evaporating in the process of mixing with combustion air during medium to high loads. A burner for liquid fuel that can generate high-temperature gas and that suppresses the generation of CO and unburned HC due to poor combustion of fuel due to excess air during no-load or low-load when the fuel injection amount is reduced, An object of the present invention is to provide a single fuel injection valve without using multiple structures as described in Patent Document 1 or 2.

上記の課題を解決すべく、本発明は、液体燃料を噴射する単一の燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁を同軸に取り囲み出口端へ向けて縮径されたスプリッターノズルと、前記スプリッターノズルを同軸に取り囲み該スプリッターノズルの周りに環状空気流路を形成するアウターシュラウドと、前記環状空気流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段とを有し、液体燃料が前記燃料噴射弁へ供給され、空気が前記スプリッターノズルの内部流路と前記環状空気流路とに分割されて供給されるようになっていることを特徴とする液体燃料用のバーナーを提案するものである。   In order to solve the above problems, the present invention provides a single fuel injection valve that injects liquid fuel, a splitter nozzle that coaxially surrounds the fuel injection valve and has a diameter reduced toward an outlet end, and the splitter nozzle. An outer shroud that is concentrically surrounded and forms an annular air flow path around the splitter nozzle, and means for imparting a swirling force to the air flow flowing through the annular air flow path, and liquid fuel is supplied to the fuel injection valve Then, the present invention proposes a liquid fuel burner characterized in that air is divided and supplied to an internal flow path of the splitter nozzle and the annular air flow path.

バーナーは、更に前記スプリッターノズルの内部流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段を有していてよい。   The burner may further include means for imparting a turning force to the airflow flowing through the internal flow path of the splitter nozzle.

前記スプリッターノズルの内部流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段は、該スプリッターノズルの内部流路の内周部を流れる空気流と外周部を流れる空気流に対し、互に逆の旋回方向の旋回力を付与するようになっていてよい。   The means for applying a swirling force to the air flow flowing through the internal flow path of the splitter nozzle is a reciprocal swirl for the air flow flowing through the inner peripheral portion and the air flow flowing through the outer peripheral portion of the internal flow path of the splitter nozzle. A direction turning force may be applied.

前記アウターシュラウドの内周面は、前記スプリッターノズルと軸線方向に重なる部分において、前記スプリッターノズルの出口端へ向けて縮径された形状に整合するよう縮径されていてよい。   The inner peripheral surface of the outer shroud may be reduced in diameter so as to match the shape reduced toward the outlet end of the splitter nozzle in a portion overlapping the splitter nozzle in the axial direction.

前記環状空気流路の入口部またはこれに加えて前記スプリッターノズルの入口部は半径方向に向けられたラジアル流路とされていてよい。   The inlet portion of the annular air channel or in addition to the inlet portion of the splitter nozzle may be a radial channel directed in the radial direction.

前記燃料噴射弁は燃料の噴射に加えて燃料微粒化用空気をも噴射することができる二流体噴射構造を有していてよい。   The fuel injection valve may have a two-fluid injection structure capable of injecting fuel atomization air in addition to fuel injection.

バーナーがガスタービン装置のバーナーである場合には、前記スプリッターノズルの内部流路と前記環状空気流路には該ガスタービン装置のタービンにより駆動される圧縮機により圧縮された空気をタービンの排気により加熱した空気が供給され、前記燃料噴射弁により噴射される燃料微粒化用空気としては前記圧縮機により圧縮された空気がタービンの排気により加熱されることなく供給されるようになっていてよい。   When the burner is a burner of a gas turbine device, air compressed by a compressor driven by the turbine of the gas turbine device is supplied to the internal flow channel of the splitter nozzle and the annular air flow channel by exhaust of the turbine. As the air for fuel atomization supplied with the heated air and injected by the fuel injection valve, the air compressed by the compressor may be supplied without being heated by the exhaust of the turbine.

上記の如くバーナーが、液体燃料を噴射する単一の燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁を同軸に取り囲み出口端へ向けて縮径されたスプリッターノズルと、前記スプリッターノズルを同軸に取り囲み該スプリッターノズルの周りに環状空気流路を形成するアウターシュラウドと、前記環状空気流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段とを有し、液体燃料が前記燃料噴射弁へ供給され、空気が前記スプリッターノズルの内部流路と前記環状空気流路とに分割されて供給されるようになっていれば、これらの燃料噴射弁、スプリッターノズル、アウターシュラウド、環状空気流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段の適宜の設計により、中ないし高負荷時に燃料噴射弁より噴射された燃料をスプリッターノズルの内部流路へ供給された空気と共にスプリッターノズルの出口端を通って高い流速にて噴出させ、燃料が着火して火炎となる燃焼火炎形成領域をスプリッターノズルの出口端より所定の距離だけ隔置させ、その間に着火を起こさせない火炎リフトオフ領域を形成することができる。この場合、燃料はスプリッターノズル内にて全空気供給量の一部と混合され、燃料成分が濃く、火炎を安定して保持しやすい燃料と空気の混合物となってスプリッターノズルの出口端より軸線方向に流出し、ここでスプリッターノズルの周りの環状空気流路より旋回しつつ流出してくる空気流と混合して旋回力を付与され、攪拌されて燃料成分は放射方向にも拡散する。そこで、燃料噴射弁、スプリッターノズル、アウターシュラウド、環状空気流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段を適宜に設計すれば、燃料を火炎リフトオフ領域にて適宜に気化させつつ拡散させ、燃焼火炎形成領域にては、火炎を安定して保持し、中心部から外周部まで燃料を一様に分散させ、ホットスポットを生じない燃料の燃焼を達成することができる。   As described above, the burner has a single fuel injection valve that injects liquid fuel, a splitter nozzle that coaxially surrounds the fuel injection valve and has a diameter reduced toward the outlet end, and that surrounds the splitter nozzle coaxially and that splits the nozzle. An outer shroud that forms an annular air passage around the air shroud, and means for imparting a swirling force to the air flow that flows through the annular air passage, and liquid fuel is supplied to the fuel injection valve, and air is supplied to the splitter. If the nozzle internal flow path and the annular air flow path are divided and supplied, the swirl force is applied to the air flow flowing through the fuel injection valve, splitter nozzle, outer shroud, and annular air flow path. By appropriate design of the means to be applied, the fuel injected from the fuel injection valve at the time of middle to high load and the air supplied to the internal flow path of the splitter nozzle A flame that does not cause ignition between the outlet end of the splitter nozzle and a combustion flame forming region that is ignited at a high flow rate through the outlet end of the splitter nozzle. A lift-off region can be formed. In this case, the fuel is mixed with a part of the total air supply amount in the splitter nozzle, and the fuel component is concentrated and becomes a mixture of fuel and air that is easy to hold the flame stably and axially from the outlet end of the splitter nozzle. In this case, a swirling force is applied by mixing with the air flow swirling out of the annular air flow path around the splitter nozzle, and the fuel component is diffused in the radial direction by being stirred. Therefore, if the fuel injection valve, splitter nozzle, outer shroud, and means for imparting a swirling force to the air flow flowing through the annular air flow path are appropriately designed, the fuel is diffused while being appropriately vaporized in the flame lift-off region and burned. In the flame formation region, it is possible to stably hold the flame, uniformly disperse the fuel from the central portion to the outer peripheral portion, and achieve the combustion of the fuel without causing a hot spot.

一方、無負荷ないし低負荷時には、燃料噴射弁より噴射された低流量の燃料はスプリッターノズルの内部流路へ供給された同じく低流量の空気と共にスプリッターノズルの出口端を通って緩やかに噴出するが、無負荷ないし低負荷時には空気温度が低いことから燃料液滴は殆ど蒸発しないので、スプリッターノズルより噴出された燃料は、火炎リフトオフ領域にて放射方向に拡散することなく、そのまま燃焼火炎形成領域へ進み、燃焼火炎形成領域では燃料は希薄燃焼には陥らず、燃料の安定した燃焼に必要な十分に高い火炎温度の下にCOおよび未燃HCの発生を抑制して良好に燃焼することができる。   On the other hand, when there is no load or low load, the low flow rate fuel injected from the fuel injection valve is gently ejected through the outlet end of the splitter nozzle together with the same low flow rate air supplied to the internal flow path of the splitter nozzle. In the case of no load or low load, since the air temperature is low, the fuel droplets hardly evaporate. Therefore, the fuel ejected from the splitter nozzle does not diffuse in the radial direction in the flame lift-off region, and goes directly to the combustion flame forming region. In the combustion flame formation region, the fuel does not fall into lean combustion, and can be burned satisfactorily while suppressing the generation of CO and unburned HC under a sufficiently high flame temperature necessary for stable combustion of the fuel. .

バーナーが、更に前記スプリッターノズルの内部流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段を有していれば、燃料噴射弁より噴射された燃料液滴をよりよく微粒化すると共に空気流中によりよく分散させてその蒸発を促進することができる。この場合、特にスプリッターノズルの内部流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段が、該スプリッターノズルの内部流路の内周部を流れる空気流と外周部を流れる空気流に対し、互に逆の旋回方向の旋回力を付与するようになっていれば、燃料噴射弁より噴射された燃料液滴を空気流中によりよく分散できると共に、乱れを一層増大して蒸発を促進できるだけでなく、それらは相互に干渉し合い、スプリッターノズルの出口においては中心軸近傍に旋回が実質的にない流れを形成することができ、火炎リフトオフ領域を長くすることができ、そこでの燃料液滴の蒸発、混合を進めることができる。尚、スプリッターノズルの内部流路の内周部を流れる空気流と外周部を流れる空気流に対し、互に逆の旋回方向の旋回力を付与するには、スプリッターノズルの内部流路の入口部に内周部と外周部で羽根の捩れが逆にされたスワーラー等を設ければよい。   If the burner further has means for imparting a swirl force to the air flow flowing through the internal flow path of the splitter nozzle, the fuel droplets injected from the fuel injection valve are atomized better and more easily in the air flow. It can be well dispersed to promote its evaporation. In this case, in particular, the means for imparting the swirling force to the air flow flowing through the internal flow path of the splitter nozzle can be applied to the air flow flowing through the inner peripheral portion and the air flow flowing through the outer peripheral portion of the splitter nozzle. If the swirl force in the reverse swirl direction is applied, not only can the fuel droplets injected from the fuel injection valve be better dispersed in the air flow, but also increase turbulence and promote evaporation, They interfere with each other and can form a substantially swirling flow near the central axis at the outlet of the splitter nozzle, which can lengthen the flame lift-off region, where fuel droplets evaporate, Mixing can proceed. In order to apply a swirl force in the opposite swirl direction to the air flow flowing in the inner peripheral portion of the internal flow path of the splitter nozzle and the air flow flowing in the outer peripheral portion, the inlet portion of the internal flow path of the splitter nozzle A swirler or the like in which the twist of the blades is reversed between the inner peripheral portion and the outer peripheral portion may be provided.

前記アウターシュラウドの内周面が、前記スプリッターノズルと軸線方向に重なる部分において、前記スプリッターノズルの出口端へ向けて縮径した形状に整合するよう縮径されていれば、前記環状空気流路より流出する空気流の流速を大きくすることができ、スプリッターノズルからの混合物噴流との干渉を強め、燃料蒸気と空気との混合と環状空気噴流との混合を促進できる。   If the inner circumferential surface of the outer shroud is reduced in diameter so as to match the shape reduced in diameter toward the outlet end of the splitter nozzle in the portion overlapping the splitter nozzle in the axial direction, the annular air flow path The flow velocity of the flowing out air flow can be increased, the interference with the mixture jet from the splitter nozzle can be strengthened, and the mixing of the fuel vapor and air and the mixing of the annular air jet can be promoted.

前記環状空気流路の入口部またはこれに加えて前記スプリッターノズルの入口部が半径方向に向けられたラジアル流路とされるときには、環状空気流路の入口部またはこれに加えてスプリッターノズルの入口部の設計に高い自由度が得られる。これは、特に、燃焼室外での燃焼用空気が燃焼室内の燃焼ガスの流れの方向と逆向きに流れる逆流型のガスタービン燃焼器への適用に好都合である。   When the inlet portion of the annular air passage or the inlet portion of the splitter nozzle in addition to this is a radial passage directed in the radial direction, the inlet portion of the annular air passage or the inlet of the splitter nozzle in addition thereto A high degree of freedom is obtained in the design of the part. This is particularly advantageous for application to a counterflow type gas turbine combustor in which combustion air outside the combustion chamber flows in the direction opposite to the direction of the flow of combustion gas in the combustion chamber.

前記燃料噴射弁が燃料の噴射に加えて燃料微粒化用空気をも噴射することができる二流体噴射構造を有していれば、別途の燃料微粒化手段を要することなく燃料噴射弁より噴射される燃料をよりよく微粒化し、また燃料微粒化用空気の調整により燃料噴霧の拡がりを調整することもでき、バーナーの無負荷ないし低負荷運転時にも燃料のより安定した燃焼を達成すると共に、かかる燃料微粒化用空気によって燃料噴射弁を火炎による輻射過熱から保護し、また燃料噴射弁内での燃料のコーキングや蒸発を防止することができる。   If the fuel injection valve has a two-fluid injection structure capable of injecting fuel atomization air in addition to fuel injection, the fuel injection valve is injected from the fuel injection valve without requiring separate fuel atomization means. The fuel spray can be adjusted more finely by adjusting the fuel atomization air, and more stable combustion of the fuel can be achieved even when the burner is under no load or low load operation. The fuel atomization air can protect the fuel injection valve from radiant overheating due to the flame, and can prevent coking and evaporation of the fuel in the fuel injection valve.

バーナーがガスタービン装置のバーナーである場合に、前記スプリッターノズルの内部と前記環状空気流路には該ガスタービン装置のタービンにより駆動される圧縮機により圧縮された空気をタービンの排気により加熱した空気が供給され、前記燃料噴射弁により噴射される燃料微粒化用空気としては前記圧縮機により圧縮された空気がタービンの排気により加熱されることなく供給されるようになっていれば、かかるガスタービン装置の熱効率を高めつつ、燃料噴射弁の温度上昇をよりよく抑制でき、燃料噴射弁内での燃料のコーキングや蒸発をよりよく防止することができる。   When the burner is a burner of a gas turbine device, the air compressed by the compressor driven by the turbine of the gas turbine device is heated by the exhaust of the turbine in the inside of the splitter nozzle and the annular air flow path. If the air compressed by the compressor is supplied without being heated by the exhaust of the turbine, the gas turbine While increasing the thermal efficiency of the apparatus, the temperature rise of the fuel injection valve can be better suppressed, and the coking and evaporation of fuel in the fuel injection valve can be better prevented.

本発明によるバーナーの燃料噴射状態を本発明の基本的なバーナー構造に於いて幾分解図的に示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the fuel-injection state of the burner by this invention in some exploded views in the basic burner structure of this invention. 本発明によるバーナーのその他の実施例を示す幾分解図的縦断面図である。FIG. 6 is an exploded longitudinal sectional view showing another embodiment of the burner according to the present invention. 図1に示すバーナーの燃料噴射弁が燃料の噴射に加えて燃料微粒化用空気をも噴射することができる二流体噴射構造を有している場合の一例を示す幾分解図的縦断面図である。1 is an exploded longitudinal sectional view showing an example in which the fuel injection valve of the burner shown in FIG. 1 has a two-fluid injection structure that can inject fuel atomization air in addition to fuel injection. is there. バーナーがガスタービン装置用のバーナーであり、その燃料噴射弁が図3に示す如き二流体噴射構造を有している場合に、前記スプリッターノズルの内部流路と前記環状空気流路にはタービンにより駆動される圧縮機により圧縮された空気をタービンの排気により加熱した空気が供給され、前記燃料噴射弁により噴射される燃料微粒化用空気としては前記圧縮機により圧縮された空気がタービンの排気により加熱されることなく供給されるようになっているガスタービン装置を示す概略図である。When the burner is a burner for a gas turbine device and the fuel injection valve has a two-fluid injection structure as shown in FIG. 3, the internal flow path of the splitter nozzle and the annular air flow path are provided by a turbine. The air compressed by the driven compressor is heated by the exhaust of the turbine, and the air for fuel atomization injected by the fuel injection valve is the air compressed by the compressor by the exhaust of the turbine. It is the schematic which shows the gas turbine apparatus which is supplied without being heated.

図1に本発明の基本的な構造に於いて示す如く、本発明によるバーナーは、従来例のパイロット燃料噴射弁とメイン燃料噴射弁の如く多重の燃料噴射構造によるのではなく、単一の燃料噴射弁10によるものである。バーナーは、液体燃料を噴射する単一の燃料噴射弁10と、これを同軸に取り囲むスプリッターノズル12と、これを同軸に取り囲みその回りに環状空気流路14を形成するアウターシュラウド16とを有し、液体燃料が燃料噴射弁10へ供給され、空気がスプリッターノズル12によりその内部流路とその外側にある環状空気流路14とに分割(スプリット)されて供給されるようになっている。環状空気流路14の入口部には、環状空気流路14を通って供給される空気流に対し旋回力を付与する手段としてスワーラー18が設けられている。尚、空気流に対し旋回力を付与する手段としては、空気流路にその全体の軸線方向に対し傾斜して開口する空気導入口より空気を流入させることであってもよい。スプリッターノズル12は出口端20へ向けて縮径されている。ここでスプリッターノズル12が出口端20へ向けて縮径されているとは、出口端20には出口へ向けて拡径される部分はないことを意味する。そのようにスプリッターノズル12が出口端20へ向けて縮径されていることにより、出口端に拡径される部分がある場合にそこに付着した燃料液膜が拡径部に沿った気流の渦的広がりに巻き上げられて大粒の液滴となって剥離していく不都合が阻止される。   As shown in FIG. 1 in the basic structure of the present invention, the burner according to the present invention does not have a multiple fuel injection structure like the conventional pilot fuel injection valve and the main fuel injection valve, but a single fuel. This is due to the injection valve 10. The burner has a single fuel injection valve 10 that injects liquid fuel, a splitter nozzle 12 that coaxially surrounds it, and an outer shroud 16 that coaxially surrounds and forms an annular air flow path 14 therearound. The liquid fuel is supplied to the fuel injection valve 10 and the air is divided and supplied to the internal flow path and the annular air flow path 14 on the outside by the splitter nozzle 12. A swirler 18 is provided at the inlet of the annular air channel 14 as means for applying a turning force to the air flow supplied through the annular air channel 14. In addition, as a means to give the turning force to the air flow, air may be introduced into the air flow path from an air inlet opening that is inclined with respect to the entire axial direction. The splitter nozzle 12 is reduced in diameter toward the outlet end 20. Here, that the diameter of the splitter nozzle 12 is reduced toward the outlet end 20 means that the outlet end 20 does not have a portion whose diameter is increased toward the outlet. As the splitter nozzle 12 is reduced in diameter toward the outlet end 20 in this way, when there is a portion to be enlarged at the outlet end, the fuel liquid film adhering to the vortex of the air flow along the enlarged diameter portion Inconvenience of being rolled up to a large extent and becoming large droplets is prevented.

上記の如き構造によれば、燃料噴射弁10、スプリッターノズル12、環状空気流路14を流れる空気流に旋回力を付与する手段(図示の実施例ではスワーラー18)を適宜に設計することにより、中ないし高出力時に燃料噴射弁10より噴射された燃料を、スプリッターノズル12の内部流路へ供給された空気と共にスプリッターノズル12の縮径された出口端20を通って高い流速にて噴出させ、燃料が着火して火炎となる燃焼火炎形成領域22をスプリッターノズル12の出口端20より所定の距離だけ隔置させ、その間に燃料には着火を起こさせない火炎リフトオフ領域24を形成することができる。この場合、燃料はスプリッターノズル12内にて全空気供給量の一部と混合され、燃料成分が濃く、火炎を安定して保持しやすい燃料と空気の混合物となってスプリッターノズル12の出口端20より軸線方向に流出し、ここでスプリッターノズル12の周りの環状空気流路14より旋回しつつ流出してくる空気流と混合して旋回力を付与され、攪拌されて燃料成分は放射方向にも拡散する。そこで、燃料噴射弁10、スプリッターノズル12、アウターシュラウド16、環状空気流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段(スワーラー18)を適宜に設計すれば、燃料を火炎リフトオフ領域24にて適宜に気化させつつ拡散させ、燃焼火炎形成領域22にては、火炎を安定して保持し、中心部から外周部まで燃料を一様に分散させ、ホットスポットを生じない燃料の燃焼を達成することができる。   According to the structure as described above, by appropriately designing the means (swirler 18 in the illustrated embodiment) for applying a swirling force to the air flow flowing through the fuel injection valve 10, the splitter nozzle 12, and the annular air flow path 14, The fuel injected from the fuel injection valve 10 at the time of medium to high output is ejected at a high flow rate through the outlet end 20 having a reduced diameter of the splitter nozzle 12 together with the air supplied to the internal flow path of the splitter nozzle 12. A combustion flame forming region 22 where the fuel is ignited and becomes a flame can be spaced apart from the outlet end 20 of the splitter nozzle 12 by a predetermined distance, and a flame lift-off region 24 can be formed between which the fuel does not ignite. In this case, the fuel is mixed with a part of the total air supply amount in the splitter nozzle 12 to form a mixture of fuel and air, which has a rich fuel component and can easily hold the flame stably, and the outlet end 20 of the splitter nozzle 12. The fuel component flows in the axial direction, and is mixed with the air flow that flows out while swirling from the annular air flow path 14 around the splitter nozzle 12 to be given a swirling force, and the fuel component is also stirred in the radial direction. Spread. Therefore, if the fuel injection valve 10, the splitter nozzle 12, the outer shroud 16, and a means (swirler 18) for applying a swirling force to the air flow flowing through the annular air flow path are appropriately designed, the fuel is appropriately stored in the flame lift-off region 24. In the combustion flame formation region 22, the flame is stably held, the fuel is uniformly dispersed from the central portion to the outer peripheral portion, and combustion of the fuel without causing hot spots is achieved. Can do.

一方、無負荷ないし低負荷時には、燃料噴射弁10より噴射された低流量の燃料はスプリッターノズル12の内部流路へ供給された同じく低流量の空気と共にスプリッターノズル12の出口端20を通って緩やかに噴出するが、無負荷ないし低負荷時には空気温度が低いことから燃料液滴は殆ど蒸発しないので、スプリッターノズル12より噴出された燃料は、火炎リフトオフ領域24にて放射方向に拡散することなく、そのまま燃焼火炎形成領域22へ進み、燃料は希薄燃焼には陥らず、燃料の安定した燃焼に必要な十分に高い火炎温度の下にCOおよび未燃HCの発生を抑制して良好に燃焼することができる。   On the other hand, at the time of no load or low load, the low flow rate fuel injected from the fuel injection valve 10 gradually passes through the outlet end 20 of the splitter nozzle 12 together with the same low flow rate air supplied to the internal flow path of the splitter nozzle 12. However, since the fuel droplets hardly evaporate because the air temperature is low during no load or low load, the fuel ejected from the splitter nozzle 12 does not diffuse in the radial direction in the flame lift-off region 24. Proceed to the combustion flame formation region 22 as it is, and the fuel does not fall into lean combustion, and burns satisfactorily while suppressing the generation of CO and unburned HC under a sufficiently high flame temperature necessary for stable fuel combustion. Can do.

図1は上記の通り本発明によるバーナーの基本的な構造を示しているが、バーナーは更にスプリッターノズル12の内部流路を通って流れる空気流にも旋回力を付与するようになっていてもよく、またアウターシュラウド16の内周面は、スプリッターノズル12と軸線方向に重なる部分において、スプリッターノズル12の出口端20へ向けて縮径された形状に整合するよう縮径されていてもよく、また環状空気流路14の入口部またはこれに加えてスプリッターノズル12の入口部は半径方向に向けられたラジアル流路とされていてもよい。そのような本発明のその他の実施例が図2に例示されている。図2の図Aは、スプリッターノズル12の内部流路を通って流れる空気流に旋回力を付与する手段としてスワーラー26が設けられた実施例を示している。このようにしてスプリッターノズル12の内部流路を通って流れる空気流に旋回力が付与されれば、燃料噴射弁10より噴射された燃料液滴をよりよく微粒化すると共に空気流中によりよく分散させてその蒸発を促進することができる。この場合、特にスワーラー26が、スプリッターノズル12の内部流路の内周部を流れる空気流と外周部を流れる空気流に対し、互に逆の旋回方向の旋回力を付与するようになっていれば、燃料噴射弁10より噴射された燃料液滴を空気流中によりよく分散できると共に、乱れを一層増大して蒸発を促進できるだけでなく、それらは相互に干渉し合い、スプリッターノズル12の出口においては中心軸近傍に旋回が実質的にない流れを形成することができ、火炎リフトオフ領域24を長くすることができ、そこでの燃料液滴の蒸発、混合を進めることができる。スプリッターノズル12の内部流路の内周部を流れる空気流と外周部を流れる空気流に対し、互に逆の旋回方向の旋回力を付与するには、特に図示はしないが、スワーラー26が内周部と外周部で羽根の捩れが逆にされたスワーラーとされればよい。   FIG. 1 shows the basic structure of the burner according to the present invention as described above. However, the burner may also apply a turning force to the air flow flowing through the internal flow path of the splitter nozzle 12. In addition, the inner peripheral surface of the outer shroud 16 may be reduced in diameter so as to match the shape reduced toward the outlet end 20 of the splitter nozzle 12 in a portion overlapping the splitter nozzle 12 in the axial direction. Further, the inlet portion of the annular air passage 14 or in addition to this, the inlet portion of the splitter nozzle 12 may be a radial passage directed in the radial direction. Such another embodiment of the present invention is illustrated in FIG. FIG. 2A shows an embodiment in which a swirler 26 is provided as means for imparting a turning force to the airflow flowing through the internal flow path of the splitter nozzle 12. In this way, if a swirl force is applied to the air flow flowing through the internal flow path of the splitter nozzle 12, the fuel droplets injected from the fuel injection valve 10 are better atomized and better dispersed in the air flow. The evaporation can be promoted. In this case, in particular, the swirler 26 applies a turning force in the opposite turning direction to the air flow flowing through the inner peripheral portion of the internal flow path of the splitter nozzle 12 and the air flow flowing through the outer peripheral portion. For example, the fuel droplets injected from the fuel injection valve 10 can be better dispersed in the air flow and can not only increase turbulence and promote evaporation, but they also interfere with each other at the outlet of the splitter nozzle 12. Can form a flow substantially free of swirling in the vicinity of the central axis, can lengthen the flame lift-off region 24, and can evaporate and mix fuel droplets there. Although not shown in particular, the swirler 26 can be used to apply a swirl force in opposite swirl directions to the air flow flowing in the inner peripheral portion of the internal flow path of the splitter nozzle 12 and the air flow flowing in the outer peripheral portion. A swirler in which the twist of the blade is reversed between the peripheral portion and the outer peripheral portion may be used.

図2の図BとCは、アウターシュラウド16の内周面が、スプリッターノズル12と軸線方向に重なる部分において、スプリッターノズル12の出口端20へ向けて縮径した形状に整合するよう縮径された実施例を、図1に示す本発明の基本形の場合と、スプリッターノズル12の内部流路の入口部にもスワーラー26が設けられる場合について示している。このようにアウターシュラウド16の内周面が、スプリッターノズル12と軸線方向に重なる部分において、スプリッターノズルの出口端へ向けて縮径した形状に整合するよう縮径されていれば、環状空気流路14より流出する空気流の流速を大きくすることができ、スプリッターノズル12からの混合物噴流との干渉を強め、燃料蒸気と空気との混合と環状空気噴流との混合を促進できる。   2B and 2C of FIG. 2 are reduced in diameter so that the inner peripheral surface of the outer shroud 16 is aligned with the shape reduced toward the outlet end 20 of the splitter nozzle 12 in a portion overlapping the splitter nozzle 12 in the axial direction. The embodiment shown in the case of the basic form of the present invention shown in FIG. 1 and the case where the swirler 26 is also provided at the inlet of the internal flow path of the splitter nozzle 12 are shown. If the inner peripheral surface of the outer shroud 16 is reduced in diameter so as to be aligned with the shape reduced toward the outlet end of the splitter nozzle in the portion overlapping the splitter nozzle 12 in the axial direction, the annular air flow path 14 can increase the flow velocity of the air flow flowing out from the nozzle 14, strengthen the interference with the mixture jet from the splitter nozzle 12, and promote the mixing of the fuel vapor and air and the annular air jet.

図2の図Dは、環状空気流路14の入口部が半径方向に向けられたラジアル流路とされている実施例を、また図2の図Eは、環状空気流路14の入口部に加えてスプリッターノズル12の入口部も半径方向に向けられたラジアル流路とされている実施例を示している。このように環状空気流路14の入口部またはそれに加えてスプリッターノズル12の入口部も半径方向に向けられたラジアル流路とされるときには、環状空気流路14やスプリッターノズル12の入口部の設計に高い自由度が得られる。これは、特に、燃焼室外での燃焼用空気が燃焼室内の燃焼ガスの流れの方向と逆向きに流れる逆流型のガスタービン燃焼器への適用に好都合である。   FIG. 2D shows an embodiment in which the inlet portion of the annular air passage 14 is a radial passage oriented in the radial direction, and FIG. 2E shows the inlet portion of the annular air passage 14. In addition, an embodiment is shown in which the inlet portion of the splitter nozzle 12 is also a radial channel directed in the radial direction. In this way, when the inlet portion of the annular air passage 14 or the inlet portion of the splitter nozzle 12 in addition thereto is a radial passage directed in the radial direction, the design of the inlet portion of the annular air passage 14 and the splitter nozzle 12 is designed. High degree of freedom. This is particularly advantageous for application to a counterflow type gas turbine combustor in which combustion air outside the combustion chamber flows in the direction opposite to the direction of the flow of combustion gas in the combustion chamber.

図3は、図1に示すバーナー構造に於いて、燃料噴射弁10が燃料の噴射に加えて燃料微粒化用空気をも噴射することができる二流体噴射構造を有する例を、燃料噴射弁10がその中心軸線に沿って延在する燃料噴射管28と該燃料噴射管の周りに延在する燃料微粒化用空気通路30とを有する構造とされている実施例として示している。この場合、燃料は燃料噴射弁10の中心軸線に沿って設けられた燃料噴射管28を通って供給され、燃料微粒化用の空気が燃料噴射管28の周りに設けられた燃料微粒化用空気通路30を通って供給されるようになっている。図示の例では、燃料微粒化用空気通路30には更にそこを通って流れる空気流に旋回を付与する空気流旋回手段32が設けられている。尚、燃料噴射弁を燃料の噴射に加えて燃料微粒化用空気をも噴射することができる二流体噴射構造とすることは、図3に示す燃料噴射管28の中心軸線に沿って更に燃料微粒化用空気通路を設け、燃料の噴流をその外側と内側の両方から空気流の層で挟み込むような構造とされてもよい。いずれにしても、燃料噴射弁10が燃料の噴射に加えて燃料微粒化用空気をも噴射することができる二流体噴射構造とされることにより、噴射される燃料をよりよく微粒化し、バーナーの無負荷ないし低負荷運転時にも燃料のより安定した燃焼を達成すると共に、かかる燃料微粒化用空気によって燃料噴射弁10を火炎による輻射過熱から保護することができる。かかる燃料噴射弁10の変更は、図2の図A〜Eに示す実施例にも同様に適用されてよい。   FIG. 3 shows an example in which the fuel injection valve 10 in the burner structure shown in FIG. 1 has a two-fluid injection structure capable of injecting fuel atomization air in addition to fuel injection. Is shown as an embodiment having a structure having a fuel injection pipe 28 extending along its central axis and a fuel atomization air passage 30 extending around the fuel injection pipe. In this case, the fuel is supplied through a fuel injection pipe 28 provided along the central axis of the fuel injection valve 10, and fuel atomization air is provided around the fuel injection pipe 28. It is supplied through the passage 30. In the illustrated example, the air atomizing air passage 30 is further provided with air flow swirling means 32 for imparting swirling to the air flow flowing therethrough. The fuel injection valve having a two-fluid injection structure capable of injecting fuel atomization air in addition to fuel injection further increases the fuel atomization along the central axis of the fuel injection pipe 28 shown in FIG. An air passage for gasification may be provided, and the fuel jet may be sandwiched between the outer and inner sides of the air flow layer. In any case, since the fuel injection valve 10 has a two-fluid injection structure that can inject fuel atomization air in addition to fuel injection, the injected fuel can be atomized better, and the burner It is possible to achieve more stable combustion of the fuel even during no-load or low-load operation, and to protect the fuel injection valve 10 from radiant overheating due to the flame by such fuel atomization air. Such a change of the fuel injection valve 10 may be similarly applied to the embodiment shown in FIGS.

図4は、図3に示すバーナーを燃焼室34に組付け、タービン36、圧縮機38、熱交換器40と組み合わせたガスタービン装置において、スプリッターノズル12の内部流路と環状空気流路14にはタービン36により駆動される圧縮機38により圧縮された空気を熱交換器40にてタービン36の排気により加熱した空気が供給され、燃料微粒化用空気通路30には圧縮機38により圧縮された空気がタービン36の排気により加熱されることなく供給されるようになっている構成を示す概略図である。このようにスプリッターノズル12の内部流路と環状空気流路14には圧縮機により圧縮されタービン排気により加熱された空気が供給され、燃料微粒化用空気通路30には圧縮機により圧縮された空気がタービン排気により加熱されることなく供給されるようになっていれば、かかるガスタービン装置の熱効率を高めつつ、燃料噴射弁10を火炎による輻射過熱からよりよく保護してその温度上昇を抑制でき、燃料噴射弁10内での燃料のコーキングや蒸発を防止することができる。   4 shows a gas turbine apparatus in which the burner shown in FIG. 3 is assembled in the combustion chamber 34 and combined with the turbine 36, the compressor 38, and the heat exchanger 40, and the internal flow path of the splitter nozzle 12 and the annular air flow path 14 are combined. The air compressed by the compressor 38 driven by the turbine 36 is supplied with the air heated by the exhaust gas of the turbine 36 in the heat exchanger 40, and compressed into the fuel atomization air passage 30 by the compressor 38. FIG. 3 is a schematic view showing a configuration in which air is supplied without being heated by exhaust of a turbine 36. Thus, the air compressed by the compressor and heated by the turbine exhaust is supplied to the internal flow path of the splitter nozzle 12 and the annular air flow path 14, and the air compressed by the compressor is supplied to the fuel atomization air passage 30. Can be supplied without being heated by the turbine exhaust, it is possible to improve the thermal efficiency of the gas turbine apparatus and to better protect the fuel injection valve 10 from radiant overheating caused by the flame and suppress the temperature rise. In addition, coking or evaporation of fuel in the fuel injection valve 10 can be prevented.

以上に於いては本発明を基本的実施例とその他の実施例について詳細に説明したが、これらの実施例について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。   Although the present invention has been described in detail with reference to the basic embodiments and other embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made to these embodiments within the scope of the present invention. I will.

10…燃料噴射弁、12…スプリッターノズル、14…環状空気流路、16…アウターシュラウド、18…スワーラー、20…スプリッターノズルの出口端、22…燃焼火炎形成領域、24…火炎リフトオフ領域、26…スワーラー、28…燃料噴射管、30…燃料微粒化用空気通路、32…空気流旋回手段、34…燃焼室、36…タービン、38…圧縮機、40…熱交換器   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel injection valve, 12 ... Splitter nozzle, 14 ... Annular air flow path, 16 ... Outer shroud, 18 ... Swirler, 20 ... Outlet end of splitter nozzle, 22 ... Combustion flame formation area, 24 ... Flame lift-off area, 26 ... Swirler 28 ... Fuel injection pipe 30 ... Air passage for atomizing fuel 32 ... Air flow swirling means 34 ... Combustion chamber 36 ... Turbine 38 ... Compressor 40 ... Heat exchanger

Claims (7)

液体燃料を噴射する単一の燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁を同軸に取り囲み出口端へ向けて縮径されたスプリッターノズルと、前記スプリッターノズルを同軸に取り囲み該スプリッターノズルの周りに環状空気流路を形成するアウターシュラウドと、前記環状空気流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段とを有し、液体燃料が前記燃料噴射弁へ供給され、空気が前記スプリッターノズルの内部流路と前記環状空気流路とに分割されて供給されるようになっていることを特徴とする液体燃料用のバーナー。   A single fuel injection valve for injecting liquid fuel; a splitter nozzle coaxially surrounding the fuel injection valve and having a diameter reduced toward the outlet end; and an annular air flow around the splitter nozzle coaxially surrounding the splitter nozzle An outer shroud that forms a path, and means for imparting a swirling force to the air flow flowing through the annular air flow path, wherein liquid fuel is supplied to the fuel injection valve, and air is provided to the internal flow path of the splitter nozzle. A liquid fuel burner characterized by being divided and supplied to the annular air flow path. 更に前記スプリッターノズルの内部流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段を有していることを特徴とする請求項1に記載のバーナー。   The burner according to claim 1, further comprising means for imparting a turning force to the airflow flowing through the internal flow path of the splitter nozzle. 前記スプリッターノズルの内部流路を流れる空気流に旋回力を付与する手段は、該スプリッターノズルの内部流路の内周部を流れる空気流と外周部を流れる空気流に対し、互に逆の旋回方向の旋回力を付与するようになっていることを特徴とする請求項2に記載のバーナー。   The means for applying a swirling force to the air flow flowing through the internal flow path of the splitter nozzle is a reciprocal swirl for the air flow flowing through the inner peripheral portion and the air flow flowing through the outer peripheral portion of the internal flow path of the splitter nozzle. The burner according to claim 2, wherein a turning force in a direction is applied. 前記アウターシュラウドの内周面は、前記スプリッターノズルと軸線方向に重なる部分において、前記スプリッターノズルの出口端へ向けて縮径された形状に整合するよう縮径されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のバーナー。   The inner peripheral surface of the outer shroud is reduced in diameter so as to match a shape reduced in diameter toward the outlet end of the splitter nozzle in a portion overlapping the splitter nozzle in the axial direction. The burner in any one of 1-3. 前記環状空気流路の入口部またはこれに加えて前記スプリッターノズルの入口部は半径方向に向けられたラジアル流路とされていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のバーナー。   The burner according to any one of claims 1 to 4, wherein an inlet portion of the annular air passage or an inlet portion of the splitter nozzle in addition to the inlet portion is a radial passage directed in the radial direction. . 前記燃料噴射弁は燃料の噴射に加えて燃料微粒化用空気をも噴射することができる二流体噴射構造を有していることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のバーナー。   6. The burner according to claim 1, wherein the fuel injection valve has a two-fluid injection structure capable of injecting fuel atomization air in addition to fuel injection. バーナーがガスタービン装置のバーナーである場合には、前記スプリッターノズルの内部流路と前記環状空気流路には該ガスタービン装置のタービンにより駆動される圧縮機により圧縮された空気をタービンの排気により加熱した空気が供給され、前記燃料噴射弁により噴射される燃料微粒化用空気としては前記圧縮機により圧縮された空気がタービンの排気により加熱されることなく供給されるようになっていることを特徴とする請求項6に記載のバーナー。   When the burner is a burner of a gas turbine device, air compressed by a compressor driven by the turbine of the gas turbine device is supplied to the internal flow channel of the splitter nozzle and the annular air flow channel by exhaust of the turbine. Heated air is supplied, and as air for atomizing fuel injected by the fuel injection valve, air compressed by the compressor is supplied without being heated by the exhaust of the turbine. The burner according to claim 6, characterized in that:
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