JP3901663B2

JP3901663B2 - 急速混合燃料噴射弁及び低ＮＯｘ燃焼器

Info

Publication number: JP3901663B2
Application number: JP2003134981A
Authority: JP
Inventors: 潤細井; 永兆廣光; 智昭吉田
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: JP2004340416A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン等の燃焼器に用いられる燃料噴射弁、及び低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境保全のために、ガスタービンの燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減することが義務付けられており、わが国では、全国基準でも例えば７０ｐｐｍ以下、大都市（例えば東京）では例えば２５〜３０ｐｐｍ以下にする必要がある。
【０００３】
ＮＯｘの発生原因は、燃焼時の高温火炎により空気中の窒素が酸化するいわゆるサーマルＮＯｘが主であり、このサーマルＮＯｘを低減するには、火炎中のホットスポットを減少させ、高温火炎の発生を抑制するのが効果的である。そこで、従来から、以下に説明するような予混合方式の燃料噴射弁を用いた低ＮＯｘ燃焼器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図５は、従来の予混合方式の燃料噴射弁を備えたガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の全体構成図である。この図に示すように、従来の低ＮＯｘ燃焼器３０は、中央部に配置されたパイロットバーナー８と、その回りに配置された複数のメインバーナー９とを備える。なお、この図において、２は燃焼器ライナ、３はケーシング、４は点火栓（イグナイタ）であり、空気６がケーシング３とライナ２の間を流れてバーナー８、９に達し、このバーナーとその他の部分を通ってライナ２内に流入して火炎７ａ、７ｂを形成し、発生した燃焼ガスが図示しないスクロール部を通って図示しないガスタービンに導かれ、これを駆動するようになっている。
【０００５】
また、図５において、メインバーナー９は、互いに同軸に配置された主噴射弁９ａと予混合管９ｂとからなる。主噴射弁９ａには、ケーシング３を通して外部から燃料が供給される。この燃料には、例えばガス燃料を用いる。予混合管９ｂは、この図で一端部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互いに混合しやすくなっている。すなわち、メインバーナー９は、主噴射弁９ａと予混合管９ｂで構成された予混合希薄バーナーである。この構成により、主噴射弁９ａにより予混合管９ｂ内に燃料を噴射し、予混合管９ｂ内で燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させることができる。かかる予混合燃焼方式の燃焼器では、燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させるものであり、このため、ホットスポットがなく、高温火炎の発生をなくし低ＮＯｘ化を実現することができる等のメリットがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１３０６７５号公報（第２項、第３図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した予混合燃焼方式の燃焼器では、逆火、自着火、又は燃焼振動が発生するという問題があった。すなわち、上述したように、この燃焼器において低ＮＯｘを達成するためには、予混合燃焼を行わせる必要があるところ、空気と燃料を混合する予混合部（予蒸発予混合管９ｂ）と燃焼領域は予混合気の流路により直接つながっているため、予混合流路を流れる予混合気の流速が燃焼速度より遅い場合は、燃焼領域における火炎が予混合流路内に逆火するという問題があった。また、逆火が発生しないとしても、燃焼器入口が高温・高圧の条件となると予混合流路内で予混合気が自己着火するという問題があった。さらに、燃焼により燃焼器内に周期的圧力変動が生じ、この圧力変動による燃焼器内の熱発生量の変動の位相がある条件で一致すると、燃焼振動が発生するという問題があった。燃焼振動が生じると燃焼圧力の変動幅が増幅されて燃焼が不安定になると共に、燃焼器の圧力の周期的変動による高サイクル振動や騒音が発生するようになる。例えば、パイロット炎が不安定になると燃焼器内に噴射される予混合気の着火が安定しなくなるため、噴射された予混合気の燃焼状態が変動するようになる。このため、燃焼器内に周期的圧力変動が生じ燃焼振動に発展しやすくなる。
【０００８】
これら、低ＮＯｘ燃焼器における、逆火、自己着火又は燃焼振動の発生は、場合によっては燃焼器の焼損を招来するほどの重大な問題となり得る。このため、航空機用エンジンでは圧縮機の圧縮比が高く燃焼器入り口温度が上昇することから、この危険性がさらに増大するため、予混合方式の燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器を航空機用エンジンに適用する際の障害となっていた。
【０００９】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、逆火、自己着火及び燃焼振動の発生を抑制することができる燃料噴射弁、及び低ＮＯｘ燃焼器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、空気と液体燃料とを予混合する急速混合燃料噴射弁であって、その一端が閉じた円筒状の噴射弁本体と、該噴射弁本体の中心軸上に配置され液体燃料を噴射する燃料ノズルとを備え、前記噴射弁本体は、その円筒部に、空気を接線方向内方に噴射し内部に旋回流を形成するための空気噴射口を周方向に複数有し、前記燃料ノズルは、前記噴射弁本体において互いに隣接する前記空気噴射口の間に位置する内周壁に衝突するように液体燃料を噴射する燃料噴射口を有し、前記噴射弁本体の内部で、前記空気噴射口から供給される空気の旋回流が生成する強せん断場の領域で、旋回流により前記液体燃料を微粒化し、空気と液体燃料とを均一に混合する、ことを特徴とする急速混合燃料噴射が提供される。
【００１１】
上記本発明の構成によれば、噴射弁本体に設けられた空気噴射口から空気を接線方向内方に噴射して強旋回流を形成すると共に、前記噴射弁本体の中心軸上に配置された燃料ノズルから径方向外方、即ち、噴射弁本体の内周面に燃料を噴射するようにしたので、内周面に衝突した燃料は空気噴射口から噴射された空気（強旋回流）により瞬時に微粒化し、燃料を急速混合することができる。これにより、従来の予混合方式の燃料噴射弁のような予混合部を設ける必要がなく、逆火、自己着火、振動燃焼の発生を有効に防止し、かつ、低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【００１３】
また上記本発明の構成により、噴射された燃料は噴射弁本体外周部付近に形成される強せん断場の領域で、上述した強旋回流により微粒化されるため、燃料の混合が促進され、急速混合を確実なものとし逆火、自己着火、燃焼振動の発生の抑制力が向上する。
【００１４】
また、前記燃料ノズルは、前記噴射弁本体の中心軸上から燃料を拡散噴射するための拡散噴射口を有することが好ましい。
【００１５】
このような構成を採用することにより、着火、低負荷時等のように比較的燃焼が不安定となる条件下においても、拡散噴射口から燃料を拡散噴射し急速混合による混合気の燃焼を補助することにより、安定した燃焼を確保することができる。
【００１６】
また本発明によれば、火炎を形成させる燃焼室と、該燃焼室の上流に前記急速混合燃料噴射弁とを備えた、ことを特徴とする低ＮＯｘ燃焼器が提供される。
【００１７】
本発明の低ＮＯｘ燃焼器は、燃料を強旋回流により急速混合する急速混合燃料噴射弁を備えているので、逆火、自己着火、燃焼振動の発生を有効に防止し、かつ、低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１９】
図１は、本発明による急速混合燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器の全体構成図である。図１に示す低ＮＯｘ燃焼器１は、燃焼室１５の上流でかつ中心部に配置されたパイロットバーナー８と、このパイロットバーナーの同心円上に配置された複数（例えば６つ）の急速混合燃料噴射弁１０（メインバーナー）とを備える。なお、この図において２は燃焼器ライナ、３はケーシング、４は点火栓（イグナイタ）である。この構成により空気６がケーシング３とライナ２の間を流れてパイロットバーナー８及び急速混合燃料噴射弁１０に達し、この急速混合燃料噴射弁１０とその他の部分を通って燃焼室１５内に流入して火炎７ａ、７ｂを形成し、燃焼室１５で発生した燃焼ガスがスクロール部（図示せず）を通って図示しないガスタービンに導かれ、これを駆動するようになっている。
【００２０】
急速混合燃料噴射弁１０は、燃料５と空気６を強旋回流により急速混合して燃焼室１５内で燃焼させるものである。図２は、本発明に係る急速混合燃料噴射弁１０の実施形態の構造図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘ矢視図である。この図に示すように、急速混合燃料噴射弁１０は、一端部（後端部）が閉口している円筒形状をなす噴射弁本体１１と、燃料ノズル１３とを備えている。噴射弁本体１１の他端部（先端部）は半径方向外方に屈曲した開口を有している。また、噴射弁本体１１はその外周に周方向に沿って６つの空気噴射口１２を有しており、この空気噴射口１２は空気を噴射弁外部から噴射弁内部へ接線方向に噴射し、噴射弁内部に強旋回流を形成するためのものである。なお、本実施形態では空気噴射口１２を６つとしたが、これに限定されるものではなく、これよりも少なく又は多く配設することもできる。燃料ノズル１３は、噴射弁本体１１の中心軸上に配置され、噴射弁本体１１の内周面に向かって燃料を噴射する燃料噴射口１４を有している。また、燃料ノズル１３は、互いに隣接する空気噴射口１２の間に向かって燃料５を噴射するように構成にされる。
【００２１】
燃料ノズル１３の燃料噴射口１４から噴射弁本体１１の内周面に向かって燃料５が噴射されると、この燃料５は内壁に衝突し燃料液膜を形成する。一方、空気噴射口１２から導入された空気６は、噴射弁内部で強旋回流を形成する。そして、前記燃料液膜は空気噴射口１２出口のリップ部１２ａで強旋回流により微粒化される。
【００２２】
ここで、図３は本発明の急速混合燃料噴射弁１０において、空気噴射口１２から空気を噴射した場合に形成される強旋回流の周方向速度成分の半径方向速度分布を示したものである。図３において明らかなように、半径方向速度分布は噴射弁本体１１内の外周部付近で大きな速度勾配をもつ分布となり、この領域は強せん断場となる。したがって、空気噴射口１２出口のリップ部１２ａで微粒化された燃料５は、ちょうどこの強せん断場に供給されることになり、この強せん断により微粒化と混合が促進され、短時間に比較的小さな体積でも均一な混合気を形成することができる。この混合気は強旋回流とともに高速旋回しながら燃焼領域に向かって進行し、燃焼領域において火炎を形成する。
【００２３】
このとき、強旋回流とともに進行する混合気は、その絶対速度が燃焼速度よりも早いため、逆火を発生させるおそれはない。また、混合領域及び混合時間が短いため自己着火を発生させるおそれもない。さらに、均一な混合気により火炎の燃焼が安定し、燃焼振動の発生を抑制させることができる。すなわち、従来の予混合方式の燃料噴射弁のような長い予混合部を設けることなく、逆火、自己着火の発生を防止し、かつ燃焼振動の発生を低減できるとともに、低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【００２４】
なお、本実施形態における燃焼器は、パイロットバーナー８を備えているが、上述したように、本発明により火炎の燃焼が安定するため、パイロットバーナー８は必ずしも備える必要はない。
【００２５】
図４は、本発明の第２の実施形態による急速混合燃料噴射弁２０の構造図である。本実施形態では、噴射弁本体の中心軸上に位置する燃料ノズル２１の先端に、第１実施形態と同様の燃料噴射口２２に加えて燃料を拡散噴射する拡散噴射口２３を有している。その他の構成は上述した第１実施形態と同様であるので説明は省略する。このような構成を採用することにより、第１実施形態のようなパイロットバーナーを設ける必要がなく、例えば、着火、低負荷時等のように比較的燃焼が不安定となる条件下においても、拡散噴射口から燃料を拡散噴射し急速混合による混合気の燃焼を補助することにより、より安定した燃焼が可能となる。
【００２６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、噴射弁本体に設けられた空気噴射口から空気を接線方向内方に噴射して強旋回流を形成すると共に、前記噴射弁本体の中心軸上に配置された燃料ノズルから径方向外方、即ち、噴射弁本体の内周面に燃料を噴射するようにしたので、内周面に衝突した燃料は空気噴射口から噴射された空気（強旋回流）により瞬時に微粒化し、燃料を急速混合することができ、これにより、従来の予混合方式の燃料噴射弁のような予混合部を設ける必要がなく、逆火、自己着火、燃焼振動の発生を有効に防止し、かつ、低ＮＯｘ燃焼を実現することができる等の優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による急速混合燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器の全体構成図である。
【図２】本発明に係る急速混合燃料噴射弁の実施形態の構造図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘ矢視図である。
【図３】強旋回流の周方向速度成分の半径方向速度分布を示した図である。
【図４】本発明の別の実施形態による急速混合燃料噴射弁である。
【図５】従来の燃料噴射弁と、これを備えた燃焼器の全体構成図である。
【符号の説明】
１低ＮＯｘ燃焼器
２ライナ
３ケーシング
４イグナイタ
５燃料
６空気
７ａ，７ｂ火炎
８パイロットバーナー
９メインバーナー
９ａ主噴射弁
９ｂ予混合管
１０急速混合燃料噴射弁
１１噴射弁本体
１２空気噴射口
１２ａリップ部
１３燃料ノズル
１４燃料噴射口
１５燃焼室
２０急速混合燃料噴射弁
２１燃料ノズル
２２燃料噴射口
２３拡散噴射口

Claims

空気と液体燃料とを予混合する急速混合燃料噴射弁であって、
その一端が閉じた円筒状の噴射弁本体と、該噴射弁本体の中心軸上に配置され液体燃料を噴射する燃料ノズルとを備え、
前記噴射弁本体は、その円筒部に、空気を接線方向内方に噴射し内部に旋回流を形成するための空気噴射口を周方向に複数有し、
前記燃料ノズルは、前記噴射弁本体において互いに隣接する前記空気噴射口の間に位置する内周壁に衝突するように液体燃料を噴射する燃料噴射口を有し、
前記噴射弁本体の内部で、前記空気噴射口から供給される空気の旋回流が生成する強せん断場の領域で、旋回流により前記液体燃料を微粒化し、空気と液体燃料とを均一に混合する、ことを特徴とする急速混合燃料噴射弁。
前記燃料ノズルは、前記噴射弁本体の中心軸上から燃料を拡散噴射するための拡散噴射口を有する、ことを特徴とする請求項１記載の急速混合燃料噴射弁。
火炎を形成させる燃焼室と、該燃焼室の上流に請求項１又は２記載の急速混合燃料噴射弁とを備えた、ことを特徴とする低ＮＯｘ燃焼器。