JP3840560B2 - 燃料供給方法および燃料供給装置 - Google Patents

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本発明は燃料供給方法および燃料供給装置に関する。さらに詳しくは、低ＮＯｘを実現できるガスタービンの燃料噴射装置における燃料供給方法および燃料供給装置に関する。
近年、航空用および産業用燃焼器におけるＮＯｘの規制が厳しくなってきているため、燃焼器に用いられる燃料噴射ノズルの低ＮＯｘ化が要求されるようになってきている。この燃料噴射ノズルの低ＮＯｘ化実現のためには、平均火炎温度を下げしかも火炎温度を均一にする必要がある。このように平均火炎温度を低下させしかも火炎温度を均一にするためには、燃料を大量の空気と混合する必要がある。
しかしながら、図３に示すような、従来の単一の燃料経路を有する燃料噴射ノズルＮを用いて燃料を噴出させ、大量の空気と混合して燃焼させ低ＮＯｘ化を図ったのでは、燃料の空間分布を生じやすく、しかも火炎温度にも分布を生じるため好ましくない。また、火炎の安定性に関しては、高出力時における燃焼には問題を生じないが、低中出力時には混合気が希薄になりすぎるために燃焼の不安定を生じる。
このような低中出力時における燃焼の不安定を回避する一手段として、従来の燃料噴射ノズルＮを改造して燃焼用空気を旋回させる旋回羽根を同心円状に複数条設けるとともに、燃料噴射機構を同心円状に複数条設け、エンジンの負荷に応じて作動させる燃料噴射機構を調整し、燃料と混合する空気量を調整することが考えられる。いわゆる、ステージング燃焼をなすことが考えられる。そして、このような燃料噴射機構を有する燃料噴射装置が開発されつつある。
しかしながら、ステージング燃焼をなすために複数の燃料噴射機構を設けた場合、その燃料噴射機構の保持およびそれに対する燃料供給をいかにすべきかが問題となる。
例えば、燃料噴射機構を保持するアームを個々に設け、そのアームを介して燃料を供給するようにした場合、燃焼用空気の流動抵抗の増大および噴射部への供給空気量のバラツキを生ずるという問題がある。また、アームと噴射部との接続部に熱膨張差に起因する損傷が生ずるおそれがあるという問題もある。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、ステージング燃焼をなす燃料噴射装置や燃料噴射機構を複数条有する燃料噴射装置に対する燃料供給方法および燃料供給機構を提供することを目的としている。
本発明の燃料供給方法は、燃料噴射部と、該燃料噴射部を保持するとともに同燃料噴射部に燃料および燃焼用空気を供給する保持供給部とを備えてなる燃料噴射装置における燃料供給方法であって、
前記燃料噴射部は、第１燃料噴射部材と、該第１燃料噴射部材の外周に配設された第１微粒化機構と、該第１微粒化機構の外周に配設された第２燃料噴射部材と、該第２燃料噴射部材の外周に配設された第２微粒化機構と、該第２微粒化機構の外周に配設された外筒とを備え、
前記保持供給部は、前記外筒と接合される外側リング部と、前記第２燃料噴射部材と接合される内側リング部と、前記第１燃料噴射部材と接合される円柱部と、前記外側リング部と接合される燃料供給管装着部とを一体部材に形成してなるものとされ、かつ、前記第１燃料噴射部材へ燃料を供給する第１燃料供給路および前記第２燃料噴射部材へ燃料を供給する第２燃料供給路を内蔵して備え、
前記第１燃料噴射部材への燃料を前記第１燃料供給路により供給し、
前記第２燃料噴射部材への燃料を前記第２燃料供給路により供給し、
燃焼用空気を、前記外側リング部と前記内側リング部との間、および前記内側リング部と前記円柱部との間に形成された空気流路により供給する
ことを特徴とする。
本発明の燃料供給方法においては、第１燃料供給路と第２燃料供給路とが燃焼用空気の流れ方向に縦列状に配設されてなるのが好ましい。
本発明の燃料供給機構は、燃料噴射部と、該燃料噴射部を保持するとともに同燃料噴射部に燃料および燃焼用空気を供給する保持供給部とを備えてなる燃料噴射装置における燃料供給機構であって、
前記燃料噴射部は、第１燃料噴射部材と、該第１燃料噴射部材の外周に配設された第１微粒化機構と、該第１微粒化機構の外周に配設された第２燃料噴射部材と、該第２燃料噴射部材の外周に配設された第２微粒化機構と、該第２微粒化機構の外周に配設された外筒とを備え、
前記保持供給部は、前記外筒と接合される外側リング部と、前記第２燃料噴射部材と接合される内側リング部と、前記第１燃料噴射部材と接合される円柱部と、前記外側リング部と接合される燃料供給管装着部とを一体部材に形成してなるものとされ、かつ、前記第１燃料噴射部材へ燃料を供給する第１燃料供給路および前記第２燃料噴射部材へ燃料を供給する第２燃料供給路を内蔵して備え、
前記外側リング部と前記内側リング部との間、および前記内側リング部と前記円柱部との間に空気流路が形成されてなることを特徴とする。
本発明の燃料供給機構においては、第１燃料供給路と第２燃料供給路とが燃焼用空気の流れ方向に縦列状に配設されてなるのが好ましい。
本発明によれば、複数の燃料噴射部を有する燃料噴射装置に対して流動抵抗の増大や熱膨張差に起因するトラブルを生じさせることなく燃料の供給がなし得るという優れた効果が得られる。
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
本発明の一実施形態に係る燃料供給方法が適用されたガスタービンの燃料噴射装置(以下、単に燃料噴射装置という)を図１および図２に示す。
燃料噴射装置Ａは、図１および図２に示すように、燃料を空気と混合して燃焼室(図示省略)に噴射する燃料噴射部１０と、燃料噴射部１０を保持するとともに燃料噴射部１０に燃料および燃焼用空気を供給する保持供給部２０と、を主要構成要素として備えてなるものとされる。
燃料噴射部１０は、図１および図２に示すように、中心に配設された第１燃料噴射部材３０と、その外周に配設され第１燃料噴射部材３０から噴射された燃料を微粒化する第１微粒化機構４０と、その外周に配設された第２燃料噴射部材５０と、その外周に配設され第２燃料噴射部材５０から噴射された燃料を微粒化する第２微粒化機構６０と、その外周に配設された外筒７０とを備えてなるものとされる。
第１燃料噴射部材３０は柱状体とされ、その柱状体には基端中央から中間部中央に向けた燃料供給路３１と、燃料供給路３１の終端に連通形成され中間部中央に位置させられた燃料溜り３２とが設けられている。この燃料溜り３２の内周面には、外周面に向けて所要数の燃料噴射孔３３が同心円状に貫通形成されている。
また、第１燃料噴射部材３０の基端部には保持供給部２０と接合部３４が形成されている。つまり、図１に示すように、基端部に小径部３４ａが段付棒状に形成されている。
第２燃料噴射部材５０は円筒状体とされ、その円筒状体には燃料溜り５１が設けられている。この燃料溜り５１の内周面には、外周面に向けて所要数の燃料噴射孔５２が同心円状に貫通形成されている。
また、第２燃料噴射部材５０の基端部には保持供給部２０と接合部５５が形成されている。つまり、図１に示すように、基端部の内周壁が所定量突出させられている。
第１微粒化機構４０は、第１燃料噴射部材３０の外周と第２燃料噴射部材５０の内周との間に形成された環状の空気流路４１と、第１燃料噴射部材３０と第２燃料噴射部材５０との間に配設された空気旋回機構４３とを備えてなるものとされる。
第２微粒化機構６０は、第２燃料噴射部材５０の外周と、外筒７０の内周との間に形成された環状の空気流路６１と、第２燃料噴射部材５０と外筒７０との間に配設された空気旋回機構６３とを備えてなるものとされる。
保持供給部２０は、図１および図２に示すように、外筒７０と接合される外側リング部２１と、第２燃料噴射部材５０と接合される内側リング部２２と、第１燃料噴射部材３０と接合される中心円柱部２３と、外側リング部２１の適宜位置(図示例では頂部)に一体化されている燃料フィードアーム２６と、これらを一体化している一体化部２５とを備えてなるブロック状体、つまり一体部材とされる。この燃料フィードアーム２６の内部には、ガスタービンのケージングを貫通して延伸されている燃料通路と連通する燃料供給路２８，２８が穴あけ形成されている。また、内側リング部２２と中心円柱部２３との間から第１微粒化機構４０に燃焼用空気が供給され、外側リング部２１と内側リング部２２との間から第２微粒化機構６０に燃焼用空気が供給される。
内側リング部２２は、その第２燃料噴射部材５０との対向面に、図１に示すように、第２燃料噴射部材５０の基端部の形状に対応させた嵌合溝２２ａが環状に所定深さで形成され、またその嵌合溝２２ａには燃料供給用孔２２ｂが形成されている。この燃料供給用孔２２ｂに、燃料フィードアーム２６から一体化部２５内部を通して延伸形成されている燃料供給路(第２燃料供給路２７ｂ)２７が接続されている。
中心円柱部２３は、その第１燃料噴射部材３０との対向面に、図１に示すように、第１燃料噴射部材３０の基端部の形状に対応させた嵌合凹部２３ａが所定深さで形成され、またその嵌合凹部２３ａの底面には燃料フィードアーム２６から一体化部２５内部を通して延伸形成されている燃料供給路(第１燃料供給路２７ａ)２７が接続されている。
一体化部２５は、外側リング部２１上部と内側リング部２２とを一体化する上部一体化部２５ａと、内側リング部２２と中心円柱部２３とを一体化する中央部一体化部２５ｂと、内側リング部２２と外側リング部２１下部と一体化する下部一体化部２５ｃとを含むものとされる。この一体化部２５には、前述したように、燃料フィードアーム２６に形成されている燃料供給路２８に接続される燃料供給路２７が形成されている。上部一体化部２５ａおよび中央部一体化部２５ｂに形成される第１燃料供給路２７ａおよび第２燃料供給路２７ｂは、図１に示すように、燃焼用空気の流れ方向に縦列状に配設され、上部一体化部２５ａ、中央部一体化部２５ｂおよび下部一体化部２５ｃの燃焼用空気の流れ方向の幅が必要最小限となるようにされている。これにより、上部一体化部２５ａ、中央部一体化部２５ｂおよび下部一体化部２５ｃを設けたことによる流動抵抗の増大および空気流の乱れが、必要最小限に抑えられる。なお、ここでいう上部および下部は図示例における場合の便宜上の名称であって、実際にガスタービンの燃焼器に装着された場合における上部および下部を必ずしも意味するものではない。
しかして、この燃料噴射装置Ａにおいては、低出力時には第１燃料噴射部材３０のみから燃料を噴射し、その噴射された燃料を第１微粒化機構４０により微粒化するとともに、第１微粒化機構４０を通過する燃焼用空気と混合して燃焼室に送給する。
一方、高低出力時には第１燃料噴射部材３０および第２燃料噴射部材５０から燃料を噴射し、それらの噴射された燃料を第１微粒化機構４０および第２微粒化機構６０によりそれぞれ微粒化するとともに、第１微粒化機構４０および第２微粒化機構６０を通過する燃焼用空気とそれぞれ混合して燃焼室に送給する。
このように、この実施形態の燃料供給方法が適用された燃料供給機構を有する燃料噴射装置Ａにおいては、燃料供給路２７が燃料噴射部１０を保持する保持供給部２０に一体化して内蔵させられ、しかも燃料フィードアーム２６と一体化されているので、燃料供給管を別途に配設する必要がなく、構成の簡素化が図られる。また、独立した燃料供給管が存在しないので、燃料供給管を設けることによるトラブルが解消される。例えば、組付け時における燃料供給管の打損に対する予防措置を講ずる必要がなくなり、組付け作業の効率化が図られる。また、燃料供給管と支持部との温度差による熱膨張差に起因するトラブルも解消される。
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明かかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態では燃料噴射部材は第１および第２燃料噴射部材３０，５０の２個とされているが、第２燃料噴射部材５０の外周に第３燃料噴射部材を設けるようにしてもよい。
また、実施形態における位置は説明の便宜上の位置であって、実際の位置を表すものではない。例えば、実施形態の燃料噴射装置Ａが環状燃焼器に装着される場合、燃料噴射装置Ａが環状燃焼器の下部に位置するときには、前記図示説明における上部は下部を意味し、下部が上部を意味することになる。
本発明は複数の燃料噴射部を有する燃料噴射装置に対する燃料供給に適用できる。
本発明の一実施形態に係る燃料噴射機構を有する燃料噴射装置の長手方向断面図である。 同正面図である。 従来の燃料噴射ノズルの長手方向断面図である。
符号の説明
Ａ 燃料噴射装置
１０ 燃料噴射部
２０ 保持供給部
２１ 外側リング部
２２ 内側リング部
２３ 中心円柱部
２５ 一体化部
２６ 燃料フィードアーム
２７ 燃料供給路
３０ 第１燃料噴射部
４０ 第１微粒化機構
５０ 第２燃料噴射部
６０ 第２微粒化機構
７０ 外筒

Claims (4)

  1. 燃料噴射部と、該燃料噴射部を保持するとともに同燃料噴射部に燃料および燃焼用空気を供給する保持供給部とを備えてなる燃料噴射装置における燃料供給方法であって、
    前記燃料噴射部は、第１燃料噴射部材と、該第１燃料噴射部材の外周に配設された第１微粒化機構と、該第１微粒化機構の外周に配設された第２燃料噴射部材と、該第２燃料噴射部材の外周に配設された第２微粒化機構と、該第２微粒化機構の外周に配設された外筒とを備え、
    前記保持供給部は、前記外筒と接合される外側リング部と、前記第２燃料噴射部材と接合される内側リング部と、前記第１燃料噴射部材と接合される円柱部と、前記外側リング部と接合される燃料供給管装着部とを一体部材に形成してなるものとされ、かつ、前記第１燃料噴射部材へ燃料を供給する第１燃料供給路および前記第２燃料噴射部材へ燃料を供給する第２燃料供給路を内蔵して備え、
    前記第１燃料噴射部材への燃料を前記第１燃料供給路により供給し、
    前記第２燃料噴射部材への燃料を前記第２燃料供給路により供給し、
    燃焼用空気を、前記外側リング部と前記内側リング部との間、および前記内側リング部と前記円柱部との間に形成された空気流路により供給する
    ことを特徴とする燃料供給方法。
  2. 第１燃料供給路と第２燃料供給路とが燃焼用空気の流れ方向に縦列状に配設されてなることを特徴とする請求項１記載の燃料供給方法。
  3. 燃料噴射部と、該燃料噴射部を保持するとともに同燃料噴射部に燃料および燃焼用空気を供給する保持供給部とを備えてなる燃料噴射装置における燃料供給機構であって、
    前記燃料噴射部は、第１燃料噴射部材と、該第１燃料噴射部材の外周に配設された第１微粒化機構と、該第１微粒化機構の外周に配設された第２燃料噴射部材と、該第２燃料噴射部材の外周に配設された第２微粒化機構と、該第２微粒化機構の外周に配設された外筒とを備え、
    前記保持供給部は、前記外筒と接合される外側リング部と、前記第２燃料噴射部材と接合される内側リング部と、前記第１燃料噴射部材と接合される円柱部と、前記外側リング部と接合される燃料供給管装着部とを一体部材に形成してなるものとされ、かつ、前記第１燃料噴射部材へ燃料を供給する第１燃料供給路および前記第２燃料噴射部材へ燃料を供給する第２燃料供給路を内蔵して備え、
    前記外側リング部と前記内側リング部との間、および前記内側リング部と前記円柱部との間に空気流路が形成されてなる
    ことを特徴とする燃料供給機構。
  4. 第１燃料供給路と第２燃料供給路とが燃焼用空気の流れ方向に縦列状に配設されてなることを特徴とする請求項３記載の燃料供給機構。
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