JP3662023B2 - 接線方向から導入する燃料ノズル - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、低NOx燃焼に関するものであり、特に液体燃料の燃焼に関するものである。
背景技術
高温での燃焼は、高温において酸素が窒素と結合することから、NOxや窒素酸化物の形成につながる。NOxは、周知の汚染源であり、この形成を低減させるべく多くの努力が払われている。
現代のガスタービンエンジンでは、燃焼器の前部へと直接燃料を噴射する燃焼システムが用いられている。得られる燃料−空気混合物は、安定、かつ、効率的な燃焼を確実に行う必要がある。これらの流れの予備混合を行わない場合には、上記燃料−空気比は広い範囲で変動してしまう。量論的比に近い限られた領域では、高温燃焼生成物が発生し、高濃度のNOxが発生する。燃焼による上記NOxの放出を減少させるため、上記燃焼器に導入する前に上記燃料と、上記空気と、を予備混合することが注目されている。この方法によると、高温燃焼領域と、そのピーク温度と、の双方を低く抑えることができ、その結果、NOxの形成が低く抑えられることとなる。
この方法は、燃料の相変化を起こさせる必要がないために気体燃料において、より容易に実施することができ、かつ、燃料−空気混合プロセス全体が迅速化できることになる。液体燃料を使用すれば、必然的に液滴界面において高い燃料−空気比が生じることになる。この様な方法では、燃料噴霧と気化と燃料分散と混合プロセスとを適切な水準において同時に行う必要がある。この方法は、ピーク温度を抑えるため、燃料−空気の予備混合を用いるものであり、“乾式"NOx制御と呼ばれ、フランジ温度を抑えるため、スチーム又は水をノズルに注入する“湿式"NOx制御とは対照的なものとなっている。
燃焼は、ノズルへのフラッシュバック（flashback）や再循環が発生せずに上記燃焼器の外部で維持されるようになっていることが望ましい。上記液体燃料は、高出力下では上記燃焼器内に吐出させる前に気化させておく必要がある。上記液体燃料用ノズルと、気体用ノズルとを組み合わすことによって、上記気体の燃焼における良好な気体の特性を低めてしまうことは好ましくない。噴射前に均一に混合させることが望ましいが、これは高濃度領域があると高いNOxが発生してしまうためである。
発明の開示
実質的に円筒形のバーナチャンバは、幾つかの円筒形状部分によって形成されており、それぞれの円筒形状部分の軸は、他の円筒の軸から互いにオフセットしている。スロットは、隣接する複数の円筒形状部分の壁の間に設けられており、このスロットは、所定の長さと、幅と、を有している。また、このスロット壁は、上記チャンバ壁の接線方向に向けて配置されている。燃焼を維持するための空気は、このスロットから供給される。
デュアル燃料ノズルでは、上記気体の分散マニホルドは、上記スロットに隣接して配置されており、かつ、上記空気流がスロットを通過して入る間に上記空気流に気体を供給するようになっている複数の軸方向に離間した開口を有している。
円錐体は、上記チャンバ内において、上記チャンバ軸上に配置されており、上記円錐体の基部が、上記チャンバの上流側にあるとともに、上記チャンバの吐出側端部へと頂部が向けられている。したがって、上記円錐体と上記円筒形のチャンバの間には、空間が設けられている。
噴射領域は、この空間内の環状領域部分として画定され、上記円錐体と同心とされているとともに、円錐体の面から直径“D"までの距離の円錐体の面から30％と80％にある複数の仮想的な円錐により境界が形成されている。この直径"D"は上記チャンバの吐出部の直径である。また、この領域は、上記インレットスロットの軸方向中心から軸方向にある複数の平面によって画定され、その距離は、上記インレットスロットの軸方向の長さの±10％とすることができる。上記噴射領域内には、液体燃料を噴射するための手段が配設されている。
上記液体燃料は、スプラッシュプレート（splash plate）を上記領域内に配置し、上記スプラッシュプレートに液体燃料の流れを向かわせることによって上記噴射領域内に噴霧されるようになっている。上記液体燃料は、それぞれのチューブの先端部にスプレーノズルが取り付けられており、かつ、上記領域にまで延びている燃料チューブによって上記噴射領域内に噴霧される。上記燃料は、ソータ（sauter）平均直径が80ミクロン未満、好ましくは約40ミクロンとなるように噴霧する必要がある。
【図面の簡単な説明】
図１は、ガスタービンエンジンと燃焼室の略図である。
図２は、燃料噴射器の軸方向断面図である。
図３は、図２の３−３に沿った燃料噴射器の断面図である。
図４は、上記燃料噴射領域の断面図である。
図５は、図２で示した燃料噴射器の別実施例である。
発明の好適な実施態様
図１は、燃焼器12に圧縮空気を供給するための圧縮機を備えたガスタービンエンジンを示した略図である。気体は、ガスサプライライン14、又はオイルは、オイルサプライライン16を通して、上記燃焼器へと送られて燃焼するようになっている。上記気体状の燃焼生成物は、タービン18を通過して流れてゆく。
図２と図３に示すように、実質的に円筒形の燃焼チャンバ20は、２つの円筒形状部分22から形成されており、これらの円筒形状部分の軸は、互いにオフセットしている。空気流インレットスロット24は、高さ“H"と幅“W"とを有している。これらのスロットは、その壁26が実質的に円筒形のチャンバの上記内側壁28に対して接線方向となるように配置されている。上記円筒形状部分は、基板30に固定されており、また、この基板30は、上記空気燃料混合物を排出するための直径が“D"の開口32を有している。この直径は、複数の円筒形状部分の内側部分34に直交するようにされているとともに、その直径は、上記燃料ノズルが上記吐出端において直径が減少しつつ延びている場合であっても適切な比とされる。
気体が交互の燃料として供給され、この気体がライン14を通してマニホルド38へと流入し、燃料オリフィス40を通る場合、燃焼を保持するための空気流36は、チャンバ20内で旋回動作を行うように上記スロットを通って流れるようになっている。この種類の気体噴射ノズルは、1992年２月26日に出願した係属中の出願、出願番号No.841,942号に記載のものを挙げることができる。円錐形の中心体42は、上記チャンバにおいて軸方向の中心に配設されており、その基部44が、上記上流端に、その頂部46は、上記下流端に配置されている。本明細書中で示し、記載するように、この中心体は先端部を切り取った正確な円錐として記載しているが、この先端部は直線状ではなく放物線状の面を有していても良い。流入してくる空気がチャンバ20を通過して流れる領域が調整されることが特徴となっており、上記調整された流れ領域によって、上記流れの軸方向の平均速度を均一とするようになっている。スプラッシュプレート、又は、複数のスプラッシュプレート48は、上記チャンバ20内に、上記空気流への障害が最小となるような支持体を有するいかなる従来の方法によっても保持させることができる。ライン16からの液体燃料は、開口50を通して噴射されるとともに、上記スプラッシュプレート48に向けられている。液体燃料は、スプラッシュプレートの表面にフィルムを形成するように上記スプラッシュプレートへと噴射される。旋回する空気流の剪断力によって、上記液体燃料が噴霧され、次いで気化され、空気と混合されることになる。
上記燃焼チャンバ内で上記円錐形部材の回りに発生する上記流れパターンを決定するべく、試験を行った。表面近傍の位置54または上流位置52において導入された燃料は、それぞれが上記円錐体に隣接した流れ領域に規定されていた。この結果、上記吐出面の中心において、燃料濃度が高められた。一方で、下流位置56で導入された燃料は、上記吐出面の周辺部の濃度を高める傾向にあった。燃料がどのように局所的高濃度となっていても、NOxの形成につながる。燃料噴射の所望の配置は、上記空気と、燃料と、を燃焼が起こる位置である吐出面において均一に混合させることである。
上記試験によって、上記燃料を噴霧するべき位置となる噴射領域58を決定することができる。上記領域は、上記円錐の面62から直径“D"で規定される面までの距離の上記円錐の面62から30％の位置にある第１の仮想的円錐面60が径方向の境界となる。第２の仮想的な円錐面64は、上記径方向外側の境界を画成し、これは、上記面62と上記直径“D"との間の距離の80％とされる。
上記領域の軸方向における境界は、第１の面66によって画成され、この面の位置は、インレットスロットの長さ"L"に関係し、上記中央位置から上流に上記インレットスロットの長さ“L"の10％のところにある。下流側の面68は、もう一方の境界を画成しており、これは、上記インレット開口の中央位置の下流側20％のところとされている。
上記噴射領域内において強い軸方向の剪断力が生じているのが観測され、上記液体燃料の混合及び気化が促進され、かつ、吐出部32の吐出面上では、気化した上記燃料が均一に分散されていた。
画成された噴射領域は、約80ミクロン未満の平均液滴径を与えるような噴霧法として適切に用いることができる。燃料をより大きな液滴径の気化物とすると、その慣性特性によって、上記外側壁28に向けて遠心力により外側に向かうこととなり、燃料の濃縮された好ましからざる領域を形成してしまうことになる。
図２では、スプラッシュプレートは、上記噴射領域内で燃料を噴霧するための手段として例示されている。図５は、燃料を複数のスプレーノズル82へと輸送するための複数の燃料チューブ80が上記噴射領域内に配置されている別実施例を示したものである。
中心の空気流チャンバ84は、渦流バン（van）86の有無にかかわらず、上記燃料ノズルを出てゆく上記渦流の再循環を抑制するべく上記円錐体の中心に使用することができる。

Claims (13)

1. ガスタービンエンジン用低NOxバーナであって、このバーナは、軸と、軸方向に延びたチャンバ壁と、上流端と、吐出端と、を有する実質的に円筒形のバーナチャンバ（20）を有し、
   前記吐出端は、直径“D"を有し、さらにこのバーナは、
   前記円筒形のチャンバ（20）壁に長さ方向に延在し、かつ、軸方向の長さと、前記チャンバ壁に対して接線方向に配置されているスロット壁と、を有する少なくとも一 つのスロットと、
   前記スロットを通過させて空気を供給するための供給手段と、
   前記チャンバ（20）内においてこのチャンバの軸上に配置された中心体（42）であって、この中心体（42）を取 り囲んだ環状の流れ領域を、前記チャンバ（20）の前記 吐出端（32）に向かって広げるように配置されている中 心体（42）と、
   環状領域として画定される前記円錐体と同心の噴射領域（58）であって、前記円錐体の面から直径“D"までの距離の前記円錐体の面から30％と80％にある仮想的な面（60,64）によって境界が形成される噴射領域（58）と、
   前記噴射領域（58）内において燃料を噴霧させるための液体燃料噴射手段と、を有することを特徴とする、ガスタービンエンジン用低NOxバーナ。
2. 前記噴射領域（58）は、前記インレットス ロットの軸方向中心から前記基部に向かって軸方向に前 記インレットスロットの軸方向の長さの10％の距離にあ る面（66）と、前記インレットスロットの軸方向中心か ら前記吐出端に向かって軸方向に前記インレットスロッ トの軸方向の長さの20％の距離にある面（68）と、によ って境界が形成されることを特徴とする請求項１に記載 のガスタービンエンジン用低NOxバーナ。
3. 前記噴射領域（58）は、前記インレットス ロットの軸方向中心近傍に位置する別の仮想的な面によ って境界が形成されることを特徴とする請求項１に記載 のガスタービンエンジン用低NOxバーナ。
4. 前記液体燃料噴射手段は、スプラッシュプレート（48）と、このスプラッシュプレートに向けて液 体燃料を流す手段と、を有し、少なくとも前記スプラッシュプレートの一部が前記噴射領域（58）内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用低NOxバーナ。
5. 前記液体燃料噴射手段は、前記噴射領域にまで延びた無孔の複数の燃料チューブと、これらの燃料チューブのそれぞれの端部に配設されたスプレーノズルと、を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用低NOxバーナ。
6. 前記実質的に円筒形のチャンバ（20）は、複数の円筒形状部分（22）から形成され、かつ、これらの円筒形状部分のそれぞれの軸は、互いにオフセットしていて、隣接する前記円筒形状部分の壁の間には、複数のスロットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用低NOxバーナ。
7. 円筒形状部分（22）の数と、スロットの数は、それぞれ２つとされていることを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン用低NOxバーナ。
8. 空気流が前記スロットを通過する間に、前記空気流に気体を供給するための気体分散マニホルドを有すること特徴とする請求項１に記載のガスタービンエ ンジン用低NOxバーナ。
9. 前記気体分散マニホルドは、前記スロット に隣接し、かつ、軸方向に離間した複数の開口を有することを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン用低NOxバーナ。
10. 前記中心体（42）は、円錐形であり、前 記中心体の基部（44）は、前記チャンバの上流端にあ り、前記中心体の頂部（46）は、前記チャンバの吐出端に向いていることを特徴とする請求項１に記載のガスタ ービンエンジン用低NOxバーナ。
11. 前記中心体（42）は、基部（44）から頂 部（46）に向かってテーパが付けられているとともに、 前記中心体の基部は、前記チャンバの上流端にあり、前 記中心体の頂部は、前記チャンバの吐出端に向いていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジ ン用低NOxバーナ。
12. 前記中心体（42）は、大きな直径の基部 （44）を、前記チャンバの上流端に有し、頂部（46） を、前記チャンバの吐出端に向けて有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用低NOxバーナ。
13. 燃焼に際し予備混合するタイプのガスタービンエンジンの燃焼器の液体燃料燃焼方法において、
    中心体（42）を有し、直径“D"の実質的に円筒形のチャンバ（20）の吐出端に向けて軸方向の流れ領域が増大している実質的に円筒形のチャンバ（20）に、長さ“L"のスロットを通して燃焼用空気を接線方向から供給し、
    前記実質的に円筒形のチャンバ（20）の噴射領域（58）に分散させるべく前記燃焼用空気に、液体燃料を噴霧し、前記噴射領域（58）は、前記スロットの中心から上流側へ長さ“L"の10％の位置から、前記スロットの中心 から下流側へ長さ“L"の20％の位置まで、かつ、前記中心体から前記直径“D"までの長さの前記中心体から30％と80％の間の領域に配置されており、
    主気体流を前記実質的に円筒形のチャンバの外部で燃焼させることを特徴とする液体燃料燃焼方法。

Images