JP3712947B2

JP3712947B2 - ガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ｎｏｘ燃焼器

Info

Publication number: JP3712947B2
Application number: JP2001058128A
Authority: JP
Inventors: 武清木村; 康司堂浦; 眞市梶田; 義人鴨頭
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: JP2002257343A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合室で液体燃料を予め空気と混合させて予混合気を作り、この予混合気を下流の燃焼室で燃焼させるようにしたガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンエンジンにおいては、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特にＮＯ_X（窒素酸化物）の排出量の低減が望まれている。この低ＮＯ_X化の手段として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が一般的に採用されてきたが、この方法では、エンジン熱効率の低下、悪い水質によるタービンなどの腐食に伴うエンジン寿命の低下、さらには水質を良くするための前処理に要する設備および維持管理費の高騰などの種々の欠点があった。このような水や蒸気を用いないでＮＯ_Xを低減する方法として、予蒸発・希薄予混合燃焼方式が有効であることがよく知られている。
【０００３】
図４は、上述の予蒸発・希薄予混合燃焼方式を採用した従来の予混合型燃焼器の一例を示す縦断面図である（例えば特開平9-303776号公報参照）。この燃焼器５０では、その中心軸上に配置されたパイロットノズル５１からパイロット液体燃料ＰＦを噴射し、その周囲から燃焼用空気ＣＡを供給して燃焼させる。他方、前記パイロットノズル５１の外周には、環状の予混合室５２が形成されており、その上流の環状通路内にラジアル・スワーラ５３が装着されている。このスワーラ５３を通って旋回流を付与されながら予混合室５２内に供給される空気流ＣＡ中に、低ＮＯ_X化に適した一定の空燃比（燃料と空気の混合比）となるようにメインノズル５４からメイン液体燃料ＭＦを噴射することにより、液体燃料ＭＦの蒸発・混合を行ったのち、この予混合気を燃焼室Ｃ内に供給して、前記パイロットノズル５１から噴射したパイロット液体燃料ＰＦによる燃焼炎によって燃焼させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記予混合型燃焼器５０では、液体燃料ＭＦの液滴を十分に蒸発させることで空気ＣＡと均一に混合させることが、低ＮＯ_X化を達成するための重要なポイントとなる。しかしながら、前記構成とした予混合型燃焼器では、液体燃料ＭＦと空気ＣＡとの混合過程において、メインノズル５４から予混合室５２内に噴射された液体燃料ＭＦが、蒸発が完了する前に予混合室５２の壁面５２ａに衝突してそのまま付着し、壁面５２ａに液膜５７を形成してしまう。このような液膜５７が形成されるのは、液体燃料ＭＦがメインノズル５４から微粒化するために一定の噴射角度に拡げて噴射されるために、その噴射された液体燃料ＭＦ中に蒸発するまでに時間を要する比較的大きな粒の液滴が存在すると、この液滴が、蒸発する以前に壁面５２ａに衝突してしまうからである。
【０００５】
前記液膜５７となった液体燃料ＭＦは、予蒸発されないことから、空気ＣＡと十分に混合されない状態で燃焼室Ｃ内の燃焼領域に向け流出してしまい、予混合室５２の出口で拡散燃焼する。このように、前記燃焼器５０では、液体燃料ＭＦの全てを完全に予蒸発させることができないので、液体燃料ＭＦと空気ＣＡとの均一な混合が行われず、その結果、ＮＯ_Xの発生量を十分に抑制することができない。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、液体燃料の全てを確実に予蒸発させて空気と均一に混合させることにより、所要の空燃比の予混合気を作ることができるガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の構成に係るガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器は、液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、燃焼領域の上流側に形成されて、前記燃料噴射装置から噴射された液体燃料と燃焼用空気とを混合させて予混合気を作る予混合室とを備えており、前記燃料噴射装置が、前記予混合室内に出口を持つ噴射チューブと、この噴射チューブ内にその入口から前記液体燃料を噴射する燃料噴射弁とを有し、前記噴射チューブの入口と前記燃料噴射弁との間に前記噴射チューブ内に空気を流入させる隙間が形成され、前記噴射チューブは、前記燃料噴射弁から噴射された前記液体燃料を噴射チューブの内壁面に衝突させることにより、前記予混合室の内壁面に衝突しないよう液体燃料の噴射チューブからの噴射角度を制限するものである。
【０００８】
この構成によれば、噴射チューブ内には燃料噴射弁との隙間から空気が流入し、この流入した空気は液体燃料に対しこれの周囲を包み込んで拡がりを制限するため、微粒化のために大きな第１噴射角度で燃料噴射弁から噴射された液体燃料は、噴射チューブ内で小さな第２噴射角度に狭められて、噴射チューブの出口から予混合室内に噴出されるので、予混合室内をこれの壁面に衝突することなく通過して燃焼室内に送給される。また、液体燃料のうちの大きな第１噴射角度で噴射チューブ内に入った液滴は噴射チューブの内壁面に衝突して液膜を形成するが、この液膜は、噴射チューブの内壁に沿いながら流れて噴射チューブの出口から流出した時点で、予混合室内に流入する高速の空気が吹き付けられることにより、微粒化される。これらにより、予混合室内に流入した液体燃料は、その全てが完全に蒸発した状態で空気と混合して、ＮＯ_Xの低減に適した所要の空燃比の予混合気となって燃焼室に送られるから、ＮＯ_Xを所要値に低減することができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態では、前記噴射チューブの出口が、前記予混合室内に突出している。この構成によれば、噴射チューブの出口を予混合室の内壁面上に突出させないで開口させる場合と比較して、噴射チューブ出口で空気の大きな流速が得られるので、噴射チューブの内壁面に形成された液膜が、噴射チューブの内壁に沿いながら流れて噴射チューブの出口から流出した時点で高速流の空気を吹き付けて効果的に霧化することができ、噴射チューブから予混合室内に流入した液体燃料の全てを確実に微粒化して蒸発させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器が適用されるガスタージンエンジンを示した概略構成図である。このガスタービンエンジンは、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を主構成要素としている。燃焼器２は、圧縮機１から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼させ、それにより発生する高温高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。圧縮機１は回転軸５を介してタービン３に連結されて、このタービン３によって駆動される。前記タービン３は減速機４を介して発電機のような負荷７を回転駆動する。燃焼器２には、燃料ポンプ８から送給される液体燃料が、燃料制御装置９を介して供給される。
【００１１】
図２は、本発明の第１実施形態に係る液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器２の要部を示す縦断面図である。この燃焼器２は、燃焼室Ｃを形成する内筒１０と、この内筒１０の外周を覆うハウジング１１とを有し、内筒１０とハウジング１１との間に空気通路１２が形成されている。この燃焼器２は、図１のタービン３にこれの径方向外方に突出して設けられたものであって、図１の圧縮機１から供給された燃焼用の圧縮空気ＣＡが前記空気通路１２を燃焼器２の先端側に向かって流れたのちに、内筒１０内で燃焼ガスＧとなって燃焼器２の基端側に向かって流れ、図示しないトランジション・ダクトを通って図１のタービン３に導入される。
【００１２】
燃焼器２の頂部中央部には、パイロット液体燃料ＰＦを噴射するパイロットノズル１３が設けられ、このパイロットノズル１３の外周にパイロット空気通路１４が設けられている。パイロット空気通路１４の外周には環状の予混合室１７が配設されており、この予混合室１７は、前記内筒１０の径方向外方に向いて前記空気通路１２の空気導入口２２に臨む環状の空気流入口１７ａを有している。この環状の空気流入口１７ａには、空気通路１２から流入する燃焼用空気ＣＡに旋回流を付与するためのラジアル・スワーラ１８が装着されている。予混合室１７の出口１７ｂは、内筒１０の軸方向、つまり、燃焼器２の軸方向に向いており、したがって、予混合室１７は軸心を含む縦断面でＬ字形を呈している。
【００１３】
予混合室１７の頂部における前記スワーラ１８の下流側には、予混合室１７内に予混合用のメイン液体燃料ＭＦを噴射する複数の燃料噴射装置１９が周方向に等間隔の配置で設けられている。この燃料噴射装置１９は、予混合室１７内に出口２０ｂを持つ噴射チューブ２０と、この噴射チューブ２０内にその入口２０ａからメイン液体燃料ＭＦを噴射する燃料噴射弁２１とにより構成されている。
【００１４】
前記燃料噴射弁２１は、噴射チューブ２０の入口２０ａから若干離れて、入口２０ａとの間に隙間２７を有する配置で設けられており、この隙間２７から空気ＣＡが噴射チューブ２０内に流入するようになっている。また、噴射チューブ２０は、これの出口２０ｂを予混合室１７内に突出させた配置で設けられているが、この噴射チューブ２０の予混合室１７内への突出量ｄは、ラジアル・スワーラ１８の通路幅（軸方向幅）Ｗの１／５以上で、且つ１／２以下に設定されている。前記パイロットノズル１３からは始動時および通常運転時の全てにわたってパイロット液体燃料ＰＦが噴射され、前記各燃料噴射弁２１からは通常運転時のみ液体燃料ＭＦが噴射されるが、これら液体燃料ＰＦ，ＭＦの噴射量などの制御は図１の燃料制御装置９によって行われる。
【００１５】
つぎに、この第１実施形態の動作を説明する。図１の圧縮機１から供給される燃焼用の圧縮空気ＣＡは、図２の空気通路１２を経て、その一部が内筒１０の周壁に設けられた燃焼用および希釈用の空気孔（図示せず）から燃焼室Ｃ内に流入し、他の一部が空気通路１２から空気導入口２２およびパイロット空気通路１４を経て燃焼室Ｃ内へ入り、残りがラジアル・スワーラ１８を経て予混合室１７内へ流入する。パイロット空気通路１４から燃焼室Ｃ内に吹き込まれる空気ＣＡ中に、パイロットノズル１３から噴射されて微粒化したパイロット液体燃料ＰＦが混入されて霧化し、これが燃焼して拡散燃焼領域Ｓ１が形成される。
【００１６】
他方、各燃料噴射弁２１からは、メイン液体燃料ＭＦが、微粒化を促進するために大きな第１噴射角度αの範囲内で噴射チューブ２０の内方に噴射され、この噴射チューブ２０を通って予混合室１７内に向け噴射される。このとき、噴射チューブ２０には、これの内部に噴射された液体燃料ＭＦによって生じる負圧で空気ＣＡが燃料噴射弁２１との隙間２７から流入し、この流入した空気ＣＡは液体燃料ＭＦに対しこれの周囲を包み込んで拡がりを制限する。そのため、液体燃料ＭＦは、小さな第２噴射角度βに狭められて噴射チューブ２０の出口２０ｂから予混合室１７内に噴出されるので、予混合室１７内をこれの内側の両周壁面１７ｄに衝突することなく通過して、燃焼室Ｃ内に送給される。
【００１７】
また、液体燃料ＭＦのうちの大きな噴射角度で噴射チューブ２０内に入った液滴は噴射チューブ２０の内壁面に衝突して液膜を形成するが、この液膜は、噴射チューブ２０の内壁に沿いながら流れて噴射チューブ２０の出口２０ｂから流出した時点で、ラジアル・スワーラ１８によって旋回流を付与されながら高速で流動する空気ＣＡが吹き付けられることにより、微粒化される。すなわち、噴射チューブ２０の予混合室１７内への突出量ｄは、上述したようにラジアル・スワーラ１８の通路幅Ｗの１／５以上で、且つ１／２以下に設定されているから、前記液膜は、噴射チューブ２０の出口２０ｂから出た時点で高速旋回流の空気ＣＡが吹き付けられることによって効果的に霧化されるから、その全てが確実に微粒化される。
【００１８】
噴射チューブ２０の前記突出量ｄを１／５以下に設定した場合、出口２０ｂが予混合室１７の頂部の内壁面１７ｅに近づくために、噴射チューブ２０の出口２０ｂにおいて液体燃料ＭＦに吹き付けられる空気ＣＡの流速が小さくなってしまい、一方、突出量ｄを１／２以上に設定した場合、空気ＣＡが噴射チューブ２０に当たって流速低下が生じるとともに、噴射チューブ２０の出口２０ｂから流出した液体燃料ＭＦに空気ＣＡが十分当たらなくなる。そのため、何れの場合にも液体燃料ＭＦを霧化させる効果が小さくなる。
【００１９】
上述したように、液体燃料ＭＦは予混合室１７の内壁面１７ｄに衝突することのない第２噴射角度βに制限されて予混合室１７内に噴射される。しかも、噴射チューブ２０の内壁面に衝突した液滴によって形成された液膜が、噴射チューブ２０の出口２０ｂを出た時点で高速旋回流の空気ＣＡによって微粒化される。したがって、予混合室１７内に流入した液体燃料ＭＦは、その全てが確実に蒸発して空気ＣＡと混合し、ＮＯ_Xの低減に適した所定の空燃比の予混合気となって燃焼室Ｃに送られ、拡散燃焼領域Ｓ１の燃焼炎によって燃焼し、拡散燃焼領域Ｓ１の外側から下流側にかけて拡がる希薄予混合燃焼領域Ｓ２を形成する。したがって、この燃焼器２はＮＯ_Xを効果的に低減することができる。
【００２０】
なお、第２噴射角度βは、縦断面において、噴射チューブ２０の出口２０ｂの左右の内周縁と予混合室１７の出口１７ｂの左右の内周縁とを結ぶ２つの直線Ｌ１，Ｌ２がなす角度以下であれば、予混合室１７の内壁面１７ｄに液体燃料ＭＦが付着するおそれがなくなる。ただし、前記角度を若干越えてもよく、その場合、液体燃料ＭＦは内壁面１７ｄにわずかに接触するだけなので、内壁面１７ｄ上での液膜の形成を抑制できる。
【００２１】
図３は、本発明の第２実施形態に係る液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器２Ａの要部を示す縦断面図であり、同図において、図２と同一若しくは相当するものには同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。この燃焼器２Ａでは、予混合室１７が、上端部に空気流入口１７ａを有する直管形状になっており、その空気流入口１７ａが内筒１０の上方の空気導入口２２に対向するように、上端部が内筒１０の径方向外方に向けて傾斜している。前記空気流入口１７ａには、第１実施形態のラジアル・スワーラ１８に代えて、軸流スワーラ２３が設けられている。
【００２２】
また、燃料噴射弁２１と共に燃料噴射装置１９を構成する噴射チューブ２４は、予混合室１７に対しこれの空気流に対して小さな交差角度で液体燃料ＭＦを噴射できる相対位置に配置して設けられている。噴射チューブ２４の入口２４ａと燃料噴射弁２１との間に隙間２７が設けられているのは、第１実施形態と同様であるが、軸流スワーラ２３の通路幅Ｗに対し、第１実施形態と同様の突出量ｄに設定して予混合室１７内に突出された噴射チューブ２４の出口２４ｂは、予混合室１７内の空気流との交差角度が小さくなるように斜めにカットされた形状になっている。前記突出量ｄは、出口２４ｂの最大突出量である。
【００２３】
この燃焼器２Ａでは、第１実施形態で説明したのと同様の効果を得られるのに加えて、燃料噴射弁２１から噴射されて噴射チューブ２４を通過したのちに予混合室１７内に流入した液体燃料ＭＦは、軸流スワーラ２３を通過して旋回流を付与された空気ＣＡによって加速されることにより、一層迅速に微粒化されて、燃焼室Ｃ内に噴霧されることになる。
【００２４】
前記第１および第２の実施形態では、燃料噴射弁２１および噴射チューブ２０，２４からなる燃料噴射装置１９が、図４の従来のメインチューブ５４よりも数多く設けられている。これにより、各燃料噴射弁２１は、個々に分担する液体燃料ＭＦの噴射流量が少なくなるので、液体燃料ＭＦをより一層微粒化して噴射することができ、従来のメインチューブ５４のように比較的粒の大きな液滴を噴出することが殆ど無くなる。液体燃料ＭＦは、小さく微粒化されて予混合室１７内に噴射されることにより、短時間で蒸発して空気ＣＡと十分混合するので、一層好ましい空燃比の予混合気とすることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器によれば、予混合室内に流入した液体燃料は、その全てが確実に蒸発した状態で空気と混合し、ＮＯ_Xの低減に適した所要の空燃比の予混合気となって燃焼室に送られるから、ＮＯ_Xを効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器が適用されるガスタージンエンジンを示した概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器の要部を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器の要部を示す縦断面図である。
【図４】従来の予混合型燃焼器の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
２，２，２Ａ…燃焼器、１７…予混合室、１７ｄ…内壁面、１９…燃料噴射装置、２０，２４…噴射チューブ、２０ａ，２４ａ…噴射チューブの入口、２０ｂ，２４ｂ…噴射チューブの出口、２１…燃料噴射弁、２７…隙間、ＣＡ…燃焼用空気、Ｇ…燃焼ガス、ＭＦ…液体燃料、Ｓ１，Ｓ２…燃焼領域。

Claims

液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、
燃焼領域の上流側に形成されて、前記燃料噴射装置から噴射された液体燃料と燃焼用空気とを混合させて予混合気を作る予混合室とを備え、
前記燃料噴射装置が、前記予混合室内に出口を持つ噴射チューブと、この噴射チューブ内にその入口から前記液体燃料を噴射する燃料噴射弁とを有し、
前記噴射チューブの入口と前記燃料噴射弁との間に前記噴射チューブ内に空気を流入させる隙間が形成され、
前記噴射チューブは、前記燃料噴射弁から噴射された前記液体燃料を噴射チューブの内壁面に衝突させることにより、前記予混合室の内壁面に衝突しないよう液体燃料の噴射チューブからの噴射角度を制限するものである液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器。
請求項１において、前記噴射チューブの出口は、前記予混合室内に突出している液体燃料焚き低ＮＯ_X燃焼器。