JP2020139701A - マルチノズルバーナ及び燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチノズルバーナにおいて、保炎性能を向上させる。【解決手段】燃料を燃焼室に供給する燃料ノズルを複数備えるマルチノズルバーナであって、前記燃焼室の上流側にかつ前記燃料ノズルと対応する位置設けられると共に前記燃焼室に向けて空気が噴射される空気孔を有する空気孔プレートを備え、前記燃料ノズルは、先端が前記空気孔プレートから前記燃焼室側へと突出して設けられると共に、前記燃焼室側へと突出している部位において火炎形成方向と交差する方向へと燃料が噴射される燃料噴射口が形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、マルチノズルバーナ及び燃焼器に関するものである。

例えば、特許文献１には、水素含有燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器が開示されている。この特許文献１のガスタービン燃焼器では、燃焼室の上流側に複数の小径の燃料ノズルを備えており、それぞれの燃料ノズルから燃料を供給するマルチノズルバーナを備えている。また、特許文献１のガスタービン燃焼器では、燃料ノズルの下流側に設けられ、空気孔が多数形成された空気孔プレートから、空気と燃料とが共に燃焼室へと噴射される。このように、複数の小径の燃料ノズルから燃料を供給することで、空気との混合が急速に行われ、拡散火炎を形成しつつ、予混合火炎に近い燃焼状態を形成することが可能である。

特開２０１３−１０８６６７号公報

ところで、近年では、低ＮＯｘ化を実現するため、天然ガス等を燃料として燃焼させる場合に、空燃比を大きくすることが行われている。しかしながら、このようなマルチノズルバーナにおいては、各燃料ノズルの近傍において各々火炎が形成されているため、各々の火炎が干渉しづらく、保炎性能が低い。したがって、マルチノズルバーナにおいて低ＮＯｘを目的として空燃比を大きくすることが難しい。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、マルチノズルバーナにおいて、保炎性能を向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためのマルチノズルバーナに係る第１の手段として、燃料を燃焼室に供給する燃料ノズルを複数備えるマルチノズルバーナであって、前記燃焼室の上流側かつ前記燃料ノズルと対応する位置に設けられると共に前記燃焼室に向けて空気が噴射される空気孔を有する空気孔プレートを備え、前記燃料ノズルは、先端が前記空気孔プレートから前記燃焼室側へと突出して設けられると共に、前記燃焼室側へと突出している部位において火炎形成方向と交差する方向へと燃料が噴射される燃料噴射口が形成される、という構成を採用する。

マルチノズルバーナに係る第２の手段として、上記第１の手段において、前記燃料ノズルの先端に設けられると共に、前記燃料ノズルの径方向に向けて燃料を案内するプレートを備える、という構成を採用する。

マルチノズルバーナに係る第３の手段として、上記第１または第２の手段において、前記プレートは、前記燃焼室の径方向において中心側に配置される前記燃料ノズルに設けられる、という構成を採用する。

マルチノズルバーナに係る第４の手段として、上記第１〜３のいずれかの手段において、前記プレートは、隣り合う燃料ノズルの方向に向けて角が形成された多角形形状に形状設定される、という構成を採用する。

燃焼器に係る第１の手段として、請求項１〜４のいずれか一項に記載のマルチノズルバーナと、内部に燃焼室が形成される燃焼器ライナとを備える、という構成を採用する。

本発明によれば、燃料ノズルの周面に形成された燃料噴射口から燃料を径方向外側に向けて噴射することが可能である。これにより、隣り合う燃料ノズル同士から噴射された燃料が干渉することとなる。したがって、各燃料ノズルの近傍において形成された火炎同士が干渉し、保炎性能が向上する。

本発明の第１実施形態に係るマルチノズルバーナを含む模式断面図である。 本発明の第２実施形態に係るマルチノズルバーナを含む模式断面図である。 本発明の第２実施形態に係るマルチノズルバーナの燃料ノズル及び拡散プレートの配置を示す模式正面図である。 燃料ノズルの変形例を示す模式断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るマルチノズルバーナの一実施形態について説明する。

［第１実施形態］
まず、本実施形態に係るマルチノズルバーナ１は、ガスタービン（不図示）に備えられている。ガスタービンは、不図示の圧縮機、タービン及び燃焼器１００を備えている。ガスタービンは、圧縮機において外気から取り込んだ空気を所定圧まで圧縮して燃焼用空気を生成し、燃焼器１００において上記燃焼用空気を酸化剤として燃料を燃焼させる。さらに、ガスタービンは、燃焼室Ｎにおいて燃料を燃焼させることで発生した燃焼ガスによりタービンを回転させることにより回転動力を発生させる。

図１に示すように、燃焼器１００は、燃焼器ライナ１１０と、ケーシングと、マルチノズルバーナ１とを備えている。

マルチノズルバーナ１は、燃焼器ライナ１１０に対して設けられ、燃焼器ライナ１１０に燃料を噴射する装置であり、図１に示すように、燃料供給部２と、空気孔プレート３とを備えている。

燃料供給部２は、燃料供給管２ａと、複数の燃料ノズル２ｂとを備えている。燃料供給管２ａは、外部の燃料タンクと接続されると共に複数の燃料ノズル２ｂと接続され、ヘッダ管として機能する。

燃料ノズル２ｂは、燃料供給管２ａに対して一端が接続されると共に、空気孔プレート３の後述する空気孔ｈから先端が突出された状態で、先端を燃焼器ライナ１１０に向けて配置されている管状部材である。燃料ノズル２ｂは、複数配置されていると共に、それぞれ燃料を燃焼器ライナ１１０へと案内する。また、燃料ノズル２ｂは、先端が閉塞されており、先端の近傍の周面（燃焼室Ｎ側に突出した部位）に燃料噴射口ｎが複数形成されている。燃料ノズル２ｂに流入した燃料は、燃料噴射口ｎより燃料ノズル２ｂの径方向、すなわち火炎形成方向と交差し、隣り合う燃料ノズル２ｂに向けて噴射される。

空気孔プレート３は、燃料ノズル２ｂの噴射口側に設けられた円盤状の部材であり、燃料ノズル２ｂの噴射口と対応する位置に空気孔ｈが形成されている。すなわち、空気孔プレート３には、複数の空気孔ｈが形成されており、燃焼器ライナ１１０側から見て、各空気孔ｈが各燃料ノズル２ｂの噴射口を囲むように配置される。このような空気孔プレート３は、燃焼器ライナ１１０の端部に固定されている。

燃焼器ライナ１１０は、略円筒状とされ、不図示のケーシングにより周囲を囲まれている。燃焼器ライナ１１０の内部は燃焼室Ｎとされ、火炎が内部に形成される。
また、燃焼器ライナ１１０を囲うケーシングと燃焼器ライナ１１０周面との間隙は、火炎形成方向の下流側から上流側に向けて燃焼用空気を案内する燃焼用空気流路とされている。すなわち、燃焼用空気は、火炎形成方向の逆方向からケーシング内へと流入する。燃焼用空気流路は、ケーシングと燃焼器ライナ１１０周面との間隙から、燃料ノズル２ｂと空気孔プレート３との間を介して燃焼器ライナ１１０の内部へと形成されている。燃焼用空気流路上には、整流器が設けられている。

このような燃焼器ライナ１１０の動作を説明する。
燃焼器ライナ１１０において、燃焼器１００のケーシング内に供給された燃焼用空気は、燃焼用空気流路を通り、空気孔プレート３の空気孔ｈを介して噴射される。このとき、燃焼用空気は燃料ノズル２ｂの周囲を囲みつつ、燃料ノズル２ｂ軸方向へと流れる。そして、空気孔ｈより燃焼器ライナ１１０へと噴射された燃焼用空気は、燃料ノズル２ｂから噴射された燃料と接触する。そして、燃料と燃焼用空気とが混合されて燃焼ガスとなりながら、循環流を形成して、燃焼器ライナ１１０内部に広がる。

このとき、燃料は、燃料供給部２の燃料供給管２ａを介して燃料ノズル２ｂへと案内される。燃料ノズル２ｂの周面の燃料噴射口ｎより噴射された燃料は、燃料ノズル２ｂの径方向に向けて拡散される。全ての燃料ノズル２ｂにおいて、燃料が径方向に向けて噴射されるため、各燃料ノズル２ｂの近傍においては、噴射された燃料同士が干渉しつつ着火する。したがって、各燃料ノズル２ｂの火炎同士が干渉することとなり、保炎性能が向上する。これにより、天然ガス等を燃焼させる際に、従来よりも空燃比を大きくしても保炎が可能となり、ＮＯｘをより低減可能となる。

［第２実施形態］
第１実施形態に係るマルチノズルバーナ１の変形例について、第２実施形態として、図２を参照して説明する。なお、上記第１実施形態と同一の構成については、符号を同一とし、説明を省略する。

本実施形態に係るマルチノズルバーナ１は、燃料供給部２が、拡散プレート２ｃをさらに備えている。また、本実施形態においては、拡散プレート２ｃは、図２に示すように、燃料ノズル２ｂの有底端部に、燃料噴射方向（火炎形成方向と直交する方向）に沿って設けられる平板状部材である。拡散プレート２ｃは、図３に示すように、正面視で六角形状とされ、燃焼器ライナ１１０の軸中心側の複数（本実施形態においては４か所）の燃料ノズル２ｂに設けられている。このような拡散プレート２ｃが設けられた燃料ノズル２ｂは、噴射された燃料が拡散プレート２ｃにより径方向に向けて案内される。

このような本実施形態においても、燃料が径方向に向けて噴射されるため、各燃料ノズル２ｂの近傍においては、噴射された燃料同士が干渉しつつ着火する。したがって、各燃料ノズル２ｂの火炎同士が干渉することとなり、保炎性能が向上する。これにより、天然ガス等を燃焼させる際に、従来よりも空燃比を大きくしても保炎が可能となり、ＮＯｘをより低減可能となる。

さらに、本実施形態において拡散プレート２ｃは、燃焼時に燃料ノズル２ｂの燃料噴射口ｎから噴射された燃料を径方向に向けて案内する。これにより、拡散プレート２ｃが設けられた燃料ノズル２ｂから噴射された燃料は、径方向に向けて、より確実に案内されることとなり、火炎がより干渉しやすくなる。

また、本実施形態に係るマルチノズルバーナ１によれば、拡散プレート２ｃが六角形、すなわち隣り合う燃料ノズル２ｂに向けて角度を形成する多角形形状とされている。拡散プレート２ｃに沿って燃料が拡散される際に、中心から拡散プレート２ｃの角に向かう方向に多く燃料が案内される。したがって、このような拡散プレート２ｃの角を隣り合う燃料ノズル２ｂに向けて配置することにより、隣り合う燃料ノズル２ｂへとより確実に燃料を案内可能であり、隣り合う火炎がより干渉しやすくなる。

また、燃焼器ライナ１１０の軸中心側においては、軸方向に沿う流れが強く、燃料が軸方向へと流れやすい。拡散プレート２ｃを、中心側の燃料ノズル２ｂに対して設けることにより、燃焼器ライナ１１０の軸中心側における保炎性能が向上する。したがって、マルチノズルバーナ１の複数の燃料ノズル２ｂにより生ずる火炎が、一体となって１つの火炎を形成することが容易となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、燃料は、燃料ノズル２ｂから径方向外側に向けて、火炎形成方向に略直交するように噴射されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。燃料は、図４に示すように、径方向から傾いて燃料噴射口ｎが斜めに形成されることにより、燃料ノズル２ｂから、径方向外側よりも火炎形成方向側に傾いた方向へと噴射されるものとしてもよい。この場合、形成される火炎が、上記実施形態において形成される火炎よりも空気孔プレート３から離れるため、空気孔プレート３が高温に晒されにくくなる。

また、上記第２実施形態においては、拡散プレート２ｃを中心側の複数の燃料ノズル２ｂにのみ設けるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、拡散プレート２ｃは、全ての燃料ノズル２ｂに対して設けるものとしてもよい。この場合、燃料の径方向への拡散性がより向上し、保炎性能をより向上させることが可能である。

また、上記第２実施形態においては、拡散プレート２ｃを六角形に形状設定されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。燃料ノズル２ｂの配置に応じて、様々な多角形形状とすることが可能である。また、拡散プレート２ｃは、円形としてもよい。

１ マルチノズルバーナ
２ 燃料供給部
２ａ 燃料供給管
２ｂ 燃料ノズル
２ｃ 拡散プレート
３ 空気孔プレート
１００ 燃焼器
１１０ 燃焼器ライナ
ｎ 燃料噴射口
ｈ 空気孔
Ｎ 燃焼室

Claims (5)

1. 燃料を燃焼室に供給する燃料ノズルを複数備えるマルチノズルバーナであって、
   前記燃焼室の上流側かつ前記燃料ノズルと対応する位置に設けられると共に前記燃焼室に向けて空気が噴射される空気孔を有する空気孔プレートを備え、
   前記燃料ノズルは、先端が前記空気孔プレートから前記燃焼室側へと突出して設けられると共に、前記燃焼室側へと突出している部位において火炎形成方向と交差する方向へと燃料が噴射される燃料噴射口が形成される
   ことを特徴とするマルチノズルバーナ。
2. 前記燃料ノズルの先端に設けられると共に、前記燃料ノズルの径方向に向けて燃料を案内するプレートを備えることを特徴とする請求項１記載のマルチノズルバーナ。
3. 前記プレートは、前記燃焼室の径方向において中心側に配置される前記燃料ノズルに設けられることを特徴とする請求項２記載のマルチノズルバーナ。
4. 前記プレートは、隣り合う燃料ノズルの方向に向けて角が形成された多角形形状に形状設定されることを特徴とする請求項２または３に記載のマルチノズルバーナ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のマルチノズルバーナと、
   内部に燃焼室が形成される燃焼器ライナと
   を備えることを特徴とする燃焼器。

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