JP3960222B2 - Gas turbine combustor, fuel injection nozzle for gas turbine combustor, and fuel injection method for gas turbine combustor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン燃焼器及びその燃料噴射ノズルとガスタービン燃焼器の燃料噴射方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービン燃焼器で液体燃料を燃焼させる際の燃料の微粒化技術として、デュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルを用いる技術が挙げられる(特許文献1参照)。このノズルは点火時やそれに続く暖機・昇速過程における燃料流量が少ない条件でもパイロットノズルから噴射される燃料の供給圧力を大きくして圧力噴霧により燃料の微粒化を図り、これらの過程における燃焼安定性を図るものである。また、パイロットノズルの外周側に同心状にメインノズルを配置している。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−320836号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
デュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルでは、メインノズルへの燃料供給を開始してからは、燃焼室へ噴射される燃料流量の大部分はメインノズルが受け持つ。したがって、主にメインノズルのノズル圧力が燃料供給圧力を決めることになる。しかし、パイロットノズルの微粒化を図るためにパイロットノズルの差圧(ノズル圧力と燃焼室内圧との圧力差)を大きくし、また、加圧弁のクラック圧を大きくすると、この加圧弁圧力がメインノズルのノズル圧力に加えられることになるから、燃料供給圧力は必然的に大きくなり、燃料供給ポンプの吐出圧力を大きくする必要がある。よって、それに伴い設備が大型化し、経済性が低下する。また、微粒化を図るためにパイロットノズルのノズル圧力を増加させることはノズルオリフィスの噴出口面積を小さくすることにつながり、信頼性の確保や品質管理の容易さの観点から望ましく無い方向になる。
【0005】
本発明の目的は、デュアルオリフィス形燃料噴射ノズルにおいて、燃料の微粒化、及び、設備の簡略化を図ることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、前記第1の加圧弁よりも下流側の前記メインノズル流路に空気を導入する導入空気流路と、前記ガスタービンの点火時から昇速途中まで、前記導入空気流路に空気を供給する手段と、前記導入空気流路への燃料の侵入を防ぐ第2の加圧弁を前記導入空気流路に設けたことを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明に関わる、メインノズルの供給流路に空気を導入する手段を設けたデュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルは、図3に示すようなガスタービン燃焼器に組み込まれて使用されるものである。ガスタービン燃焼器で液体燃料を燃焼させる際の重要な課題の一つは燃料の微粒化である。微粒化特性の悪い燃料噴射ノズルを使用した場合、ガスタービンの起動時において、着火不良や未燃燃料による白煙の発生が生じる可能性が高くなり、また、すすの発生やガスタービン構成部材の局所的なメタル温度上昇が問題となる可能性が生じる。そこで、本発明に関わるデュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルは、燃料噴射口に達する燃料流路がパイロット燃料とメイン燃料に分かれており、燃料を燃焼室に噴出するためのノズルオリフィスもパイロットノズルとメインノズルとに別れているものである。これらのノズルオリフィスはパイロットノズルが内側になるように同心状(環状)に配置されて燃料噴出口に近接して構成される。メインノズルの上流側には加圧弁が配置されており、燃料流量が小さく、したがって燃料供給圧力が小さい時にはパイロット燃料のみが燃料噴射口から噴射され、燃料流量が大きくなり燃料供給圧力がある設定した圧力(クラック圧)に到達すると加圧弁が開き、パイロット燃料とメイン燃料の両方が燃料噴射口から噴射される。パイロット燃料とメイン燃料は燃料噴射口から噴出する際に混合する。それぞれのノズルオリフィスに到達する前にノズル内で燃料は旋回させられ、燃料噴射口から噴射角を持った微粒液滴となって燃焼室内に噴射される。本発明は、デュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルにおいて意図されている点火時やそれに続く暖機・昇速過程での燃料の微粒化に関し、空気流れのせん断力による微粒化方式を併用して当該過程における燃料の微粒化を更に向上するための新たな提案をするものである。
【0008】
クラック圧について説明する。燃料流量が小さく、したがって燃料供給圧力が小さい時にはパイロット燃料のみが燃料噴射口から噴射され、燃料流量が大きくなり燃料供給圧力がある設定した圧力に到達すると加圧弁が開き、パイロット燃料とメイン燃料の両方が燃料噴射口から噴射される。この加圧弁が開く時のノズル差圧をクラック圧と定義している。
【0009】
まず、図3により本発明に関わるガスタービン燃焼器の実施例を説明する。本実施例のガスタービン燃焼器2は、図示しないガスタービンの周囲に複数缶配置される。各燃焼器2は、少なくとも燃料噴射ノズル1と燃焼室ライナ3を有する。燃焼室ライナ3には、燃焼空気を噴出するための燃焼孔4a,4b,4c,4dが配置される。ただし、燃焼孔4a,4b,4c,4dの個数及び配置も特には限定されない。
【0010】
燃焼用空気10は、図示しない圧縮機から燃焼器2に供給される。そして、燃焼室ライナ3に沿って流れる過程で燃焼孔4a,4b,4c,4dから燃焼室ライナ3内に流入する。また、燃焼用空気10の一部10aは、燃料噴射ノズル1の近傍に到達する。燃料噴射ノズル1には空気旋回器80が配置されており、この部分からも燃焼用空気10aが噴出する。
【0011】
液体燃料は、パイロット燃料20aとメイン燃料20bが燃料噴射ノズル1に供給され、燃焼室5内に噴射される。パイロット燃料20aとメイン燃料20bの配管は、上流側で接続されている。燃焼室5内では、前述した燃焼用空気10により循環流が形成されており、噴射された液体燃料20a,20bと混合して安定した拡散燃焼火炎が形成される。燃焼室5から排出された燃焼ガスは図示しないタービンに送られ、タービンを駆動する。
【0012】
デュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルの構成においては、パイロットノズルのノズルオリフィス噴口面積をメインノズルよりも小さくし、燃料流量に対するノズル差圧(ノズル圧力と燃焼室内圧との圧力差)を大きくしている。なお、オリフィス形状とは、流路が進むほど流路断面積が狭くなる形状を示す。燃料噴出口から噴射される燃料の粒径はノズル差圧が大きいほど小さくなる傾向があるから、パイロットノズルから噴出する燃料液滴の粒径はメインノズルからの燃料液滴よりも小さくなる。
【0013】
一方、ガスタービン燃焼器の点火時及びそれに続く暖機時においては特に微細な粒径の燃料が燃焼室に噴射されている必要がある。これは、燃焼空気温度が低い点火時において燃料の粒径が大きいと、たとえ点火栓によって点火栓周囲の燃料を着火できたとしても、可燃燃料蒸気が周囲に十分に存在しないことから火炎伝播せず、点火栓の作動を停止すれば火炎は吹き消えることによる。また、暖機時において点火時燃料流量よりも小さい燃料流量で運用する場合、燃料の粒径が大きいと火炎が安定に形成されるために必要な保炎領域への可燃燃料蒸気の供給が不十分になることから火炎が吹き消える可能性が高くなる。
【0014】
これら想定される不具合に対処するため、デュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルにおいては、パイロットノズルの燃料噴出圧力を大きくして燃料の微粒化を図るようにしている。点火及び暖機過程が終了し、タービン回転速度が上昇する昇速過程に入ると燃焼空気流量と燃料流量及び燃焼空気温度が上昇するから、保炎領域への可燃燃料蒸気の供給量が増加する。このような状態でメインノズル上流側に配置した加圧弁が開となるように設定し、メインノズルに燃料を供給するようにすると、メインノズルから大きな粒径の燃料液滴が噴出するが火炎が吹き消えることは無い。メインノズルへの燃料供給が開始してからは、燃焼室へ噴射される燃料流量の多くの部分はメインノズルが受け持つ。したがって、主にメインノズルのノズル圧力が燃料供給圧力を決めることになる。しかし、パイロットノズルの微粒化を図るためにパイロットノズルの差圧を大きくし、また、加圧弁の設定圧力(クラック圧)を大きくすると、この加圧弁圧力がメインノズルのノズル圧力に加えられることになるから、燃料供給圧力は必然的に大きくなり、燃料供給ポンプの吐出圧力を大きくする必要がある。また、微粒化を図るためにパイロットノズルのノズル圧力を増加させることはノズルオリフィスの噴出口面積を小さくすることにつながり、信頼性の確保や品質管理の容易さの観点から望ましく無い方向になる。
【0015】
上述のデュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルにおける課題を解決する方策の一つとして、エアアシスト形液体燃料噴射ノズルの採用が上げられる。このノズルは、ノズル内にアシスト空気を導入して空気のせん断力によって燃料の微粒化を図るものである。この方式によれば、燃料供給圧力がデュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルよりも小さい状態で微細な粒径で燃料噴出が可能となる。したがって、ノズル噴出口面積を比較的大きくできる。また、本方式においては、デュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルに比べて、コーン状(円錐面)に噴出する燃料噴流の外側に微細な粒径の部分が形成され易い傾向があり、このため点火・暖機時における火炎吹き消えに対し強い耐性を示す。さらに、デュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルに比べて燃料性状による粒径や噴霧角等の微粒化特性に及ぼす影響が小さい特徴を有する。このように、エアアシスト形液体燃料噴射ノズルはデュアルオリフィス形液体燃料噴射ノズルと比較して多くの優れた特性を有するが、噴射ノズルにアシスト空気を供給するための圧縮機が必要である点が問題となる。また、アシスト空気用圧縮機の圧力比を大きくしないために、ガスタービン圧縮機の吐出空気を一部バイパスさせた空気を昇圧するのが一般的であるが、この際、条件によっては例えば400℃近い高温の空気を100℃程度にまで冷却する必要がある。これは、アシスト空気用圧縮機及び燃料噴射ノズルの温度に対する要求仕様を満足させるための措置である。アシスト空気流量は燃焼器に流入する全燃焼空気流量の1〜2%程度になる場合もあるから、冷却用の熱交換設備は比較的大規模なものになる。これらのことから、エアアシスト形液体燃料噴射ノズルには、アシスト空気を噴射ノズルに供給する設備が大規模になる問題がある。
【0016】
(第1の実施例)
第1の実施例の燃料噴射ノズル1の詳細を図1で説明する。前述のように、燃料噴射ノズル1には空気旋回器80が配置されており、この部分から燃焼用空気10aが噴出する。燃料噴射ノズル1の液体燃料流路は、パイロットノズル流路30とメインノズル流路40とに分かれている。パイロットノズル流路30は、旋回器31を介して燃料噴射ノズルの端面6の軸中心に開口部32を有している。一方、メインノズル流路40は、旋回器41を介して燃料噴射ノズル1の端面6に開口部42を有している。メインノズルの開口部42はパイロットノズルの開口部32の外側であり、両者の開口部は同心状(環状)である。また、両者の開口部に至る燃料流路はオリフィス形状となっている。メインノズル流路40の上流側には加圧弁50が配置される。そして、加圧弁50とメインノズル流路40の間に空気15を導入するための導入空気流路60が接続される。燃料噴射ノズル1には、燃料ガス供給口と燃料ガス噴射口を設けて燃焼室5へ燃料ガスを噴射することも可能であり、図1には燃料ガス供給口70と燃料ガス用のマニホールド71も記述されている。
【0017】
なお、導入空気流路60を接続する位置について説明する。導入空気流路60を加圧弁50の上流側に接続した場合、空気15はメインノズルに流れずにパイロットノズルに導入してしまう。導入空気流路60を加圧弁50の下流側に接続することで、メインノズルへ空気を流すことが可能となる。以上の理由から、導入空気流路60は加圧弁50とメインノズル流路40の間に設置することが望ましい。
【0018】
次に、燃料噴射ノズル1の作用・効果について説明する。パイロットノズル流路30とメインノズル流路40は、パイロットノズル流路30が内側になるように同心状(環状)に配置されて燃料噴出口に近接して構成される。この構造により、パイロットノズル圧が大きくてもメインノズル流路40の噴出口に作用する圧力に及ぼす影響は少ないことから、メインノズルに比較的小さい圧力で空気15を導入することが可能である。例えば、ノズル圧を1MPaとしてパイロットノズルに燃料を供給しても、メインノズルに0.1MPa程度の圧力で空気15を導入することができる。ただし、ノズル圧はそれぞれのノズル噴出口面積及び流量にも依存するのは当然である。第1の実施例は、このようにしてメインノズルに空気を導入するとパイロットノズルから噴出する燃料の微粒化が促進され、点火から昇速の途中までの燃焼安定性が改善されることを見出して提案するものである。発明者等による検討によれば、これらのガスタービン運転条件における燃焼器に流入する全燃焼空気流量の0.1%程度の空気流量でメインノズルに空気を導入しても、ノズル噴出口からコーン状(円錐面)に噴出する燃料噴流の外側に微細な粒径の部分が形成されることが分かった。これは前述のエアアシスト形燃料噴射ノズルの場合と同様の作用によって、高速空気流れによるせん断力によって燃料液滴の微粒化が促進されているものと考えられる。また、第1の実施例においては、エアアシスト形燃料噴射ノズルの場合とは異なり、パイロットノズルである程度の微粒化ができていることから、メインノズルに供給する空気流量は少なくて良く、大容量の圧縮機は必要無い。また、噴霧空気を冷却する必要が無く、大規模な熱交換器は不要である。つまり、設備の簡略化が図れる。さらに、第1の実施例によればパイロット燃料の微粒化を改善できることから、パイロットノズルのノズル圧及び加圧弁50の設定圧力を低減できる。これは、ノズル圧の低下により圧力噴霧による微粒化特性が悪くなっても、前述のようにメインノズルから噴出する空気15による微粒化がこれを補って保炎領域への可燃燃料蒸気の供給が促進されることから、点火から昇速途中までの燃焼安定性が悪化しないことによる。前述のように、加圧弁50の設定圧力は燃料供給ポンプの吐出圧力を決定する主要因子の一つであるから、設定圧力の低減により燃料供給ポンプの吐出圧力が低減でき、また所要動力を低減できる。
【0019】
次に、第1の実施例の燃料噴射ノズル1を備えたガスタービンにおける運用方法について説明する。ガスタービンの起動指令に対応して、導入空気流路60に空気15を導入する。空気圧力は、メインノズル流路40での圧力が0.05 から0.5MPa となる範囲にすることが望ましい。この範囲よりも低い圧力であると、燃焼器缶毎に導入空気15の流量のバラツキが大きくなる可能性が高くなる。また、この範囲よりも高い圧力であると導入空気流量が大きくなり、大容量の空気圧縮機が必要となる。供給空気圧力は、この圧力に導入空気流路60に至る配管圧損及びフィルタ,弁等の圧損と余裕を考慮して決められる。空気の供給には、ディーゼルあるいはモータ駆動の圧縮機、あるいはガスタービン回転軸にベルトあるいはギアで連結されて駆動される圧縮機等が使用でき、特には限定されない。また、吸入空気も大気から直接導入しても良いし、あるいはガスタービン圧縮機の中間段から抽気しても良い。後者の場合には、インレットフィルタを通過しているからある程度大気中の浮遊固形物が除去され、また、大気圧より圧力が高いので、その分所要圧縮機動力が少なくなる。しかし、大気中の浮遊固形物の除去に関しては、フィルタ等を別個に配置してより確実にするのが望ましい。
【0020】
前記の起動指令から制御設定条件が成立すると、点火栓が作動しパイロットノズル流路30に燃料20aが供給される。パイロット燃料20aは、旋回器31を通過して旋回運動が付与され、開口部32から噴射すると共に微細液滴となる。この時、メインノズルの開口部42から空気15が高速で噴出しているため、燃料液滴はさらに微粒化される。パイロット燃料20aを噴霧する角度(噴霧角)は、60〜70°程度になるようにパイロットノズル形状を設計する。そして、メインノズルへ空気を導入すると、メインノズル開口部42から噴出する空気は半径方向には殆ど広がらず、ほぼ軸方向への噴射となる。したがって、パイロット燃料20aの実質的な噴霧角は例えば30°程度にまで減少してしまう。これは、パイロットノズルを噴出する燃料液滴の遠心力がメインノズルからの軸方向空気噴流により抑制されたと解釈できる。メインノズルの旋回器とオリフィス形状も、燃料液滴が噴出後に遠心力が働くように設定されているが、メインノズルに空気を導入する場合には、密度が小さいために噴霧角を維持するのに十分な遠心力は生じない。このようにパイロット燃料の噴霧角を60〜70°程度に設計したとしても、空気の導入で実質的には大幅な噴霧角の減少となる。噴霧角の減少は点火不良や保炎領域からの火炎の喪失を招く恐れを生じる。そうなると、暖機条件で燃料流量を減少させた時に火炎が吹き消える可能性が増大する。そこで、第1の実施例においては、燃料噴射ノズル1の外側に旋回器80を配置している。旋回器80は燃焼器に流入する燃焼空気の2〜5%が流れるように構成されている。旋回手段としては、ガスタービン燃焼器で使用される通常の旋回器で良いが、パイロットノズルから噴出した燃料20aとメインノズルから噴出した空気15の混合噴流が半径方向に十分に広がる構成になっていることが望ましい。また、旋回器80の噴出口81は、燃料噴射ノズル1の軸中心方向に向いている。このように配置すると、旋回器80から噴出した燃焼用空気10aは一旦中心に向かうが、直ぐに半径方向に広がる。この時、燃料噴射ノズル1から噴出したパイロット燃料20aと導入空気15も同伴するから、パイロット燃料20aの実質的な噴霧角を設定値の60〜70°の範囲に収めることが可能となる。したがって、メインノズルへの導入空気による微粒化の効果が維持され、更に燃焼安定性も向上する。容易に予想されるように、燃料噴霧角は旋回器80の角度や燃焼用空気10aの流量に左右される。しかし、パイロットノズル噴出口32からコーン状(円錐面)に噴出する燃料噴流の外側に、メインノズル開口部42から噴出する空気15の効果によってパイロット燃料20aの微粒化が図れたことから、点火特性に及ぼす旋回器80の影響は比較的小さい。即ち、燃料噴射ノズル1の外側に配置される旋回器80は、噴出口81が燃料噴射ノズル1の軸中心方向に対して平行かあるいは軸中心方向に向かっていれば特には限定されない。
【0021】
ここで、メインノズル流路40に空気15を導入することでパイロット燃料20aの微粒化が図れたことから、パイロット燃料流量に対するパイロットノズル圧を小さくし、さらにメインノズル上流側に配置される加圧弁50の設定圧力を小さくすることが可能となる。例えば、パイロットノズルオリフィスによる圧力噴霧だけでパイロット燃料20aの微粒化を図る時には加圧弁50の設定圧力を1.4MPa 程度にしなければ、点火・暖機時の燃料微粒化を促進したことによる燃焼安定性が得られない場合でも、メインノズル流路40に空気15を導入することで、加圧弁50の設定圧力を0.7MPa 以下としても、燃料の微粒化及び燃焼安定性を同等以上に向上させることが可能である。加圧弁50での設定圧力はメインノズルに燃料20bが供給開始されるとそのまま圧力損失となるから、設定圧力の低減により、燃料供給ポンプの吐出圧力を低減できることになる。
【0022】
導入空気流路60への空気15の導入は、ガスタービンの点火から昇速途中まで実施されるのが望ましい。こうすることで、ガスタービンが点火から暖機に移行する時にパイロット燃料20aの流量が減少しても燃料液滴の微粒化が図れていることから燃焼安定性が得られ、火炎が吹き消えることは無い。導入空気流路60への空気15の導入を停止する具体的なタイミングは、パイロット燃料20aの流量に対する加圧弁50上流側の燃料供給圧力とメインノズル流路40の圧力の変化傾向,導入空気15の空気供給圧力,加圧弁50の設定圧、等から決定される。単純には、加圧弁50上流側の燃料供給圧力とメインノズル流路40の圧力の差が加圧弁50の設定圧よりも大きくなればメインノズル流路40に燃料が供給開始となる。この時、導入空気15の供給圧力がメインノズル流路40の圧力に対して配管圧損を加えても十分大きければ、引き続き空気の導入が可能である。
【0023】
第1の実施例によれば、デュアルオリフィス形燃料噴射ノズルにおいて、点火から昇速途中までメインノズルに空気を導入することで燃料の微粒化を図り、かつ燃料噴射ノズルの外側に配置した旋回器により燃焼空気を旋回させて噴射ノズルより噴出する燃料と空気の混合気の噴霧角を適切な範囲に収めて燃焼安定性を改善することができる。また、メインノズル上流側に配置した加圧弁の設定圧力を小さくできる。したがって、ガスタービンの起動を安定に達成できると共に燃料供給ポンプの吐出圧力を小さくできる効果がある。また、エアアシスト形液体燃料噴射ノズルに比べ、大容量の圧縮機は必要無く、大規模な熱交換器は不要である。つまり、設備の簡略化が図れる。
【0024】
(第2の実施例)
図2に、第2の実施例を示す。第1の実施例との違いは、燃料噴射ノズル1の外側に配置した燃焼空気を旋回させる第一の旋回器80に加えて、燃料噴射ノズル1の燃焼室側先端6に接して燃焼空気を旋回させるようにした第二の旋回器90を設けたことである。以下、第1の実施例と同じ部位については同じ記号とし、重複する説明については省略する。
【0025】
第1の実施例で述べたように、ガスタービンの点火から昇速の途中までメインノズル流路40に空気15を導入し、さらに燃料噴射ノズル1の外側に配置した旋回器80により燃料噴射ノズル1を中心にして燃焼空気を旋回させると、パイロットノズル開口部32から噴出する燃料が微粒化されると共に、燃料噴射ノズル1から噴出する混合気の噴霧角を空気15の導入が無い時と同等の範囲に維持できる。しかし、この時、燃焼用空気10aの旋回流により半径方向に広げられた燃料と噴霧空気の混合気の一部が上流方向に逆流し、燃料噴射ノズル1の端面6及びその近傍の部材7に衝突する傾向を示す。この事象により、燃料噴射ノズル1の端面6及びその近傍の部材7に衝突した燃料液滴が当該部分で間欠的に燃焼することから燃焼器構造部材のメタル温度が変動し、また燃料成分の一部がカーボン化してコーキングする等の不具合を誘起する可能性が高くなる。そこで、第2の実施例では、旋回器80による燃焼用空気10aを旋回させる第一の旋回手段とは別に、燃料噴射ノズル1の燃焼室側先端6に向かって開口部91を有する旋回器90により、燃焼用空気10aを旋回させるようにした。ここで、第二の旋回手段である旋回器90からの燃焼空気流量は第一の旋回手段である旋回器80からの燃焼空気流量よりも小さく設定し、燃焼器に流入する全燃焼空気流量の0.1 〜1%程度とする。また、旋回器90による燃焼空気噴出口91は旋回器80による燃焼空気噴出口81よりも上流側に配置し、燃料噴射ノズル1の燃焼室側先端6に接して燃焼用空気10aを旋回させる。こうすることで、パイロットノズルからの燃料20aとメインノズルからの空気15との混合気は、混合気の周囲に燃焼空気の層を形成して燃焼室5に噴出する。旋回器90による燃焼空気流量は小さいので、混合気を半径方向に広げる作用は殆ど無く、混合気が軸方向に噴出するのを補助する。この状態で旋回器80による燃焼空気により半径方向に広げられても、混合気が既に燃料ノズルの端面6から離れているから燃料噴射ノズル1の端面6及びその近傍の部材7への燃料液滴の衝突が大幅に緩和される。したがって、燃焼器構造部材のメタル温度変動や燃料成分の一部がカーボン化してコーキングする等の不具合を大幅に抑制できることになる。
【0026】
第2の実施例によれば、燃料噴射ノズルの端面及びその近傍の部材への燃料液滴の衝突を大幅に緩和することができる。したがって、燃焼器構造部材のメタル温度変動や燃料成分の一部がカーボン化してコーキングする等の不具合を大幅に抑制できる効果がある。
【0027】
(第3の実施例)
図4に、第3の実施例を示す。第3の実施例は、第2の実施例からメインノズル流路40に接続される導入空気流路60に加圧弁100を設けたものである。加圧弁100は、当該部に空気15が流れ始めるクラック圧を1kPa以上に設定したものが選定される。これ以下のクラック圧であると、メイン燃料20bが加圧弁100の上流側に侵入するのを防止できない可能性が生じる。ただし、クラック圧を過大に設定すると導入空気15の供給圧力を不必要に大きくする結果となる。加圧弁100は、メインノズル流路40に近接して配置される。具体的には、逆止弁あるいは加圧弁100を導入空気流路60に設けるが、できる限りメインノズル流路40との接続位置から近い距離に配置するのが望ましい。
【0028】
第3の実施例では、メインノズル流路40の上流側に配置した加圧弁50の圧力がクラック圧に到達した時に、メインノズル流路40に燃料の供給が開始される。この時、空気供給圧力が燃料流量増加によるメインノズル流路40内の圧力上昇に勝る状態では空気15も供給され続ける。そして、メインノズル流路40内の圧力が一定圧力以上になると空気15の供給は停止するが、加圧弁100が設置されているため、メイン燃料20bが加圧弁100の上流側に侵入することは無い。
【0029】
第3の実施例によれば、導入空気流路60に加圧弁100を配置することで、その上流側への燃料の侵入を防止できる。したがって、導入空気流路60に液体燃料20bが残留する事態を避けることができる。
【0030】
(第4の実施例)
図5に、第4の実施例を示す。第4の実施例は、第2の実施例からメインノズルの上流側に配置した加圧弁50の上流側圧力を検出する圧力センサ110と、メインノズル流路40に接続した導入空気流路60の上流側に流路を開閉する弁120を設けたものである。圧力センサ110としては、ガスタービンで通常使用される電気信号を送信できる圧力センサで良く、圧力検出方式は問わない。
【0031】
第4の実施例においては、メインノズルに燃料供給が開始されるのは加圧弁50がクラック圧以上に達した時であるから、加圧弁50の上流側圧力を圧力センサ110で検出し、加圧弁50がクラック圧に到達する以前には弁120を閉止して、弁120の上流側に燃料20bが侵入しないようにする。また、第3の実施例で説明した加圧弁100を弁120の下流側に配置して導入空気配管への燃料の侵入を二重に防ぐ配慮をしている。ただし、場合によっては加圧弁100の配置は省略できる。
【0032】
第4の実施例によれば、加圧弁50の上流側圧力を検出することによりメインノズルへの燃料供給タイミングを検知し、それ以前に加圧弁50の下流側とメインノズルに至る燃料流路の間に空気を導入する配管を開閉する弁120を閉止することができる。したがって、より確実に導入空気配管に液体燃料が侵入するのを防止することができる効果がある。
【0033】
(第5の実施例)
図6に、第5の実施例を示す。第5の実施例は、第2の実施例から、ガスタービンの停止時に燃料噴射ノズル1にパージ空気16を供給するようにしたものである。第5の実施例においても、前述の実施例と重複する説明は省略し、ガスタービン停止時における空気による燃料パージについてのみ説明する。
【0034】
ガスタービンは、停止時にノズル内に燃料が残留したまま放置すると、燃料の一部が余熱によって熱分解し、ノズル内をコーキングすることがあるので、パージ空気によってノズル内の燃料を放出する必要がある。この時、加圧弁50の下流側にあるメインノズルに十分なパージ空気を流すためにはパージ空気圧力をメインノズル上流側に配置した加圧弁50の設定圧力以上に大きくする必要があり、パイロットノズルに必要以上のパージ空気が流れることになる。そこで、第5の実施例では、上述のように点火から昇速の途中まで空気を導入するために設けた加圧弁50の下流側とメインノズルに至る燃料流路の間の空気導入手段からパージ空気を導入する。
【0035】
ガスタービンが停止すると、所定の制御に従ってパージ空気16は、開閉弁130aを介してパイロットノズル流路30に供給される。また、開閉弁130bを介して、導入空気流路60にも供給される。導入空気流路60はメインノズル流路40に接続されており、パージ空気16は加圧弁50の下流側に供給されることになる。したがって、ガスタービン停止時にメインノズル流路40に残った燃料20bは、加圧弁50の設定クラック圧よりも低い空気圧力でパージすることが可能である。パイロットノズル流路30及びメインノズル流路40に至るパージ空気配管の流路にはそれぞれ加圧弁140及び加圧弁100が配置される。これらの加圧弁は、燃料が加圧弁の上流側に侵入するのを防止するものである。また、それぞれのクラック圧を調整することで、パイロットノズル流路30及びメインノズル流路40へ供給されるパージ空気16の流量を適正範囲に調整することができる。
【0036】
ここで、パージ空気16の供給手段と、点火から昇速途中までメインノズル流路40に導入空気15を供給する手段とが同じ圧縮機であっても良い。加圧弁50の下流側にパージ空気16を導入することでパージ空気圧力を低減できるため、導入空気15とパージ空気16との共用が容易となっている。また、メインノズル流路40への導入空気15用開閉弁120とパージ空気16用開閉弁130bを共用することも可能である。
【0037】
第5の実施例によれば、メインノズルに供給するパージ空気圧力を加圧弁50の設定圧力よりも小さくできる。したがって、パージ空気用の圧縮機の吐出圧が小さくても良く、またパイロットノズルとメインノズルの両方に適正範囲でパージ空気流量を供給できる効果がある。
【0038】
【発明の効果】
本発明により、デュアルオリフィス形燃料噴射ノズルにおいて、燃料の微粒化、及び、設備の簡略化を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に関する燃料噴射ノズルの断面図。
【図2】本発明の第2の実施例に関する燃料噴射ノズルの断面図。
【図3】本発明の第1の実施例に関する燃料噴射ノズルを組み込んだガスタービン燃焼器の断面図。
【図4】本発明の第3の実施例に関する燃料噴射ノズルの断面図。
【図5】本発明の第4の実施例に関する燃料噴射ノズルの断面図。
【図6】本発明の第5の実施例に関する燃料噴射ノズルの断面図。
【符号の説明】
1…燃料噴射ノズル、2…燃焼器、5…燃焼室、10,10a…燃焼用空気、15…導入空気、16…パージ空気、20a…パイロット燃料、20b…メイン燃料、30…パイロットノズル流路、40…メインノズル流路、50,100…加圧弁、60…導入空気流路、80,90…旋回器、110…圧力センサ、120,130a,130b…開閉弁。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine combustor, a fuel injection nozzle thereof, and a fuel injection method for the gas turbine combustor.
[0002]
[Prior art]
As a technique for atomizing fuel when a liquid fuel is burned by a gas turbine combustor, a technique using a dual orifice type liquid fuel injection nozzle can be cited (see Patent Document 1). This nozzle increases the supply pressure of the fuel injected from the pilot nozzle even when the fuel flow rate is low during ignition and the subsequent warm-up / acceleration process, and atomizes the fuel by pressure spraying. It is intended for stability. Further, a main nozzle is disposed concentrically on the outer peripheral side of the pilot nozzle.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2000-320836 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the dual-orifice liquid fuel injection nozzle, after the fuel supply to the main nozzle is started, most of the fuel flow rate injected into the combustion chamber is handled by the main nozzle. Therefore, the nozzle pressure of the main nozzle mainly determines the fuel supply pressure. However, if the pilot nozzle differential pressure (pressure difference between the nozzle pressure and the combustion chamber pressure) is increased in order to atomize the pilot nozzle, and the crack pressure of the pressurization valve is increased, the pressurization valve pressure is Therefore, the fuel supply pressure is inevitably increased, and the discharge pressure of the fuel supply pump needs to be increased. As a result, the equipment becomes larger and the economy is reduced. In addition, increasing the nozzle pressure of the pilot nozzle for atomization leads to a reduction in the nozzle orifice area of the nozzle orifice, which is an undesirable direction from the viewpoint of ensuring reliability and ease of quality control.
[0005]
An object of the present invention is to achieve atomization of fuel and simplification of equipment in a dual orifice type fuel injection nozzle.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides: An introduction air passage for introducing air into the main nozzle passage downstream of the first pressurizing valve, and means for supplying air to the introduction air passage from the time of ignition of the gas turbine to the middle of the speed increase And a second pressurizing valve for preventing fuel from entering the introduction air flow path in the introduction air flow path. It is provided.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The dual orifice type liquid fuel injection nozzle provided with means for introducing air into the supply flow path of the main nozzle according to the present invention is used by being incorporated in a gas turbine combustor as shown in FIG. One of the important issues when burning liquid fuel in a gas turbine combustor is atomization of the fuel. If a fuel injection nozzle with poor atomization characteristics is used, there is a high possibility that ignition failure or white smoke will be generated due to unburned fuel when starting up the gas turbine. A local metal temperature rise may become a problem. Therefore, in the dual orifice liquid fuel injection nozzle according to the present invention, the fuel flow path reaching the fuel injection port is divided into the pilot fuel and the main fuel, and the nozzle orifice for injecting the fuel into the combustion chamber is also the pilot nozzle and the main fuel. It is separated from the nozzle. These nozzle orifices are arranged concentrically (annularly) so that the pilot nozzle is inside, and are configured close to the fuel outlet. A pressurizing valve is arranged on the upstream side of the main nozzle, and when the fuel flow rate is small and therefore the fuel supply pressure is low, only pilot fuel is injected from the fuel injection port, the fuel flow rate is increased and the fuel supply pressure is set. When the pressure (crack pressure) is reached, the pressurization valve opens and both pilot fuel and main fuel are injected from the fuel injection port. The pilot fuel and the main fuel are mixed when ejected from the fuel injection port. Before reaching each nozzle orifice, the fuel is swirled in the nozzle and injected into the combustion chamber as fine droplets having an injection angle from the fuel injection port. The present invention relates to fuel atomization at the time of ignition intended for a dual orifice type liquid fuel injection nozzle and subsequent warm-up / acceleration process, and the process is performed in combination with the atomization method based on the shear force of air flow. New proposals to further improve the atomization of fuel.
[0008]
The crack pressure will be described. When the fuel flow rate is low and therefore the fuel supply pressure is low, only pilot fuel is injected from the fuel injection port.When the fuel flow rate increases and the fuel supply pressure reaches a certain set pressure, the pressurization valve opens and the pilot fuel and main fuel Both are injected from the fuel injection port. The nozzle differential pressure when the pressurizing valve opens is defined as the crack pressure.
[0009]
First, an embodiment of a gas turbine combustor according to the present invention will be described with reference to FIG. A plurality of cans of the
[0010]
The
[0011]
As for the liquid fuel,
[0012]
In the configuration of the dual orifice type liquid fuel injection nozzle, the nozzle orifice area of the pilot nozzle is made smaller than that of the main nozzle, and the nozzle differential pressure (pressure difference between the nozzle pressure and the combustion chamber pressure) with respect to the fuel flow rate is increased. . The orifice shape indicates a shape in which the cross-sectional area of the flow path becomes narrower as the flow path advances. Since the particle size of the fuel injected from the fuel injection port tends to be smaller as the nozzle differential pressure is larger, the particle size of the fuel droplet ejected from the pilot nozzle is smaller than the fuel droplet from the main nozzle.
[0013]
On the other hand, particularly when the gas turbine combustor is ignited and when it is warmed up, it is necessary that fuel with a fine particle size be injected into the combustion chamber. This is because if the fuel particle size is large at the time of ignition when the combustion air temperature is low, even if the fuel around the spark plug can be ignited by the spark plug, there is not enough combustible fuel vapor in the surrounding area to propagate the flame. Without stopping the operation of the spark plug, the flame will blow out. Also, when operating at a fuel flow rate smaller than the ignition fuel flow rate during warm-up, if the fuel particle size is large, the supply of combustible fuel vapor to the flame holding region, which is necessary for the stable formation of the flame, is not possible. The possibility of the flame blowing out increases because it becomes sufficient.
[0014]
In order to cope with these possible problems, in the dual orifice type liquid fuel injection nozzle, the fuel injection pressure of the pilot nozzle is increased to atomize the fuel. When the ignition and warm-up process ends and the turbine speed increases, the combustion air flow rate, fuel flow rate, and combustion air temperature rise, so the amount of combustible fuel vapor supplied to the flame holding region increases. . In such a state, when the pressure valve arranged on the upstream side of the main nozzle is set to be opened and fuel is supplied to the main nozzle, a large droplet of fuel droplets is ejected from the main nozzle, but a flame is generated. It will never blow out. After the fuel supply to the main nozzle is started, the main nozzle takes charge of most of the fuel flow rate injected into the combustion chamber. Therefore, the nozzle pressure of the main nozzle mainly determines the fuel supply pressure. However, if the pilot nozzle differential pressure is increased in order to atomize the pilot nozzle and the set pressure (crack pressure) of the pressurizing valve is increased, this pressurizing valve pressure is added to the nozzle pressure of the main nozzle. Therefore, the fuel supply pressure inevitably increases, and it is necessary to increase the discharge pressure of the fuel supply pump. In addition, increasing the nozzle pressure of the pilot nozzle for atomization leads to a reduction in the nozzle orifice area of the nozzle orifice, which is an undesirable direction from the viewpoint of ensuring reliability and ease of quality control.
[0015]
As one of the measures for solving the problems in the dual orifice type liquid fuel injection nozzle described above, an air assist type liquid fuel injection nozzle is adopted. This nozzle introduces assist air into the nozzle and atomizes the fuel by the shearing force of the air. According to this method, fuel can be ejected with a fine particle size while the fuel supply pressure is smaller than that of the dual orifice liquid fuel injection nozzle. Therefore, the nozzle outlet area can be made relatively large. Further, in this method, compared to the dual orifice type liquid fuel injection nozzle, there is a tendency that a fine particle size portion tends to be formed outside the fuel jet jetted in a cone shape (conical surface). Strong resistance to flame blowout during warm-up. Furthermore, it has a feature that the influence on the atomization characteristics such as the particle diameter and the spray angle by the fuel property is small as compared with the dual orifice type liquid fuel injection nozzle. As described above, the air assist type liquid fuel injection nozzle has many excellent characteristics as compared with the dual orifice type liquid fuel injection nozzle, but a compressor for supplying assist air to the injection nozzle is necessary. It becomes a problem. Moreover, in order not to increase the pressure ratio of the compressor for assist air, it is common to increase the pressure of air partially bypassing the discharge air of the gas turbine compressor. It is necessary to cool the near high temperature air to about 100 ° C. This is a measure for satisfying the required specifications for the temperature of the compressor for assist air and the temperature of the fuel injection nozzle. Since the assist air flow rate may be about 1 to 2% of the total combustion air flow rate flowing into the combustor, the heat exchange equipment for cooling becomes relatively large. For these reasons, the air assist type liquid fuel injection nozzle has a problem that the facility for supplying the assist air to the injection nozzle becomes large.
[0016]
(First embodiment)
Details of the
[0017]
In addition, the position which connects the introduction
[0018]
Next, the operation and effect of the
[0019]
Next, an operation method in the gas turbine provided with the
[0020]
When the control setting condition is established from the start command, the spark plug is activated and the
[0021]
Here, since the atomization of the
[0022]
It is desirable that the introduction of the
[0023]
According to the first embodiment, in the dual orifice type fuel injection nozzle, the atomization of the fuel is achieved by introducing air into the main nozzle from the ignition to the middle of the acceleration, and the swirler disposed outside the fuel injection nozzle Thus, the combustion air can be swirled and the spray angle of the mixture of fuel and air ejected from the injection nozzle can be kept within an appropriate range to improve combustion stability. Further, the set pressure of the pressurizing valve arranged on the upstream side of the main nozzle can be reduced. Therefore, it is possible to stably start the gas turbine and reduce the discharge pressure of the fuel supply pump. Further, compared with the air-assisted liquid fuel injection nozzle, a large-capacity compressor is not necessary, and a large-scale heat exchanger is not necessary. That is, the facility can be simplified.
[0024]
(Second embodiment)
FIG. 2 shows a second embodiment. The difference from the first embodiment is that in addition to the
[0025]
As described in the first embodiment, the
[0026]
According to the second embodiment, the collision of the fuel droplets with the end face of the fuel injection nozzle and the members in the vicinity thereof can be greatly reduced. Therefore, there is an effect that it is possible to greatly suppress problems such as metal temperature fluctuations of the combustor structural member and part of the fuel component being carbonized and coking.
[0027]
(Third embodiment)
FIG. 4 shows a third embodiment. In the third embodiment, the pressurizing
[0028]
In the third embodiment, the supply of fuel to the
[0029]
According to the third embodiment, by disposing the
[0030]
(Fourth embodiment)
FIG. 5 shows a fourth embodiment. The fourth embodiment includes a
[0031]
In the fourth embodiment, the supply of fuel to the main nozzle is started when the
[0032]
According to the fourth embodiment, the fuel supply timing to the main nozzle is detected by detecting the upstream pressure of the pressurizing
[0033]
(Fifth embodiment)
FIG. 6 shows a fifth embodiment. In the fifth embodiment, the
[0034]
If the gas turbine is left with the fuel remaining in the nozzle when it is stopped, a part of the fuel may be thermally decomposed by residual heat and caulked inside the nozzle. Therefore, it is necessary to discharge the fuel in the nozzle with purge air. is there. At this time,
[0035]
When the gas turbine is stopped, the
[0036]
Here, the supply means for the
[0037]
According to the fifth embodiment, the purge air pressure supplied to the main nozzle can be made smaller than the set pressure of the pressurizing
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the dual orifice type fuel injection nozzle, it is possible to atomize the fuel and simplify the equipment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel injection nozzle according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a fuel injection nozzle according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a gas turbine combustor incorporating a fuel injection nozzle according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of a fuel injection nozzle according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of a fuel injection nozzle according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of a fuel injection nozzle according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1の加圧弁よりも下流側の前記メインノズル流路に空気を導入する導入空気流路と、
前記ガスタービンの点火時から昇速途中まで、前記導入空気流路に空気を供給する手段と、
前記導入空気流路への燃料の侵入を防ぐ第2の加圧弁を前記導入空気流路に設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。A pilot nozzle flow path leading to the opening of the pilot nozzle for jetting fuel, is disposed on an outer periphery of the pilot nozzle, and a main nozzle flow path leading to the opening of the main nozzle for injecting fuel, the main nozzle passage A gas turbine combustor provided with a first pressurizing valve,
An introduction air flow path for introducing air into the main nozzle flow path downstream of the first pressurization valve;
Means for supplying air to the introduction air flow path from the time of ignition of the gas turbine to the middle of the ascending speed;
A gas turbine combustor, wherein a second pressurizing valve for preventing fuel from entering the introduction air passage is provided in the introduction air passage .
前記第1の加圧弁よりも下流側の前記メインノズル流路に空気を導入する導入空気流路と、
前記ガスタービンの点火時から昇速途中まで、前記導入空気流路に空気を供給する手段と、
前記導入空気流路への燃料の侵入を防ぐ第2の加圧弁を前記導入空気流路に設け、
前記燃料噴射ノズル前方へ燃焼空気を旋回させながら供給する第1の旋回器を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズル。A pilot nozzle passage leading to an opening of a pilot nozzle that ejects fuel; and a main nozzle passage disposed on an outer periphery of the pilot nozzle and leading to an opening of a main nozzle that ejects fuel. A gas turbine combustor fuel injection nozzle provided with a first pressurizing valve;
An introduction air flow path for introducing air into the main nozzle flow path downstream of the first pressurization valve;
Means for supplying air to the introduction air flow path from the time of ignition of the gas turbine to the middle of the ascending speed;
A second pressurizing valve for preventing fuel from entering the introduction air passage is provided in the introduction air passage;
A fuel injection nozzle for a gas turbine combustor comprising a first swirler for supplying combustion air while swirling the fuel injection nozzle forward.
前記燃料噴射ノズルの燃焼室側先端の面に接して燃焼空気を旋回させるようにした第二の旋回器とを設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズル。A fuel injection nozzle for a gas turbine combustor according to claim 2,
Gas turbine combustor fuel injection nozzle, characterized in that a and a second swirler so as to pivot the combustion air in contact with the surface of the combustion chamber side front end of the fuel injection nozzle.
前記メインノズル流路の上流側に配置した前記第1の加圧弁の上流側圧力を検出する手段を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズル。A fuel injection nozzle for a gas turbine combustor according to claim 2,
A fuel injection nozzle for a gas turbine combustor, comprising means for detecting an upstream pressure of the first pressurizing valve arranged upstream of the main nozzle flow path .
前記第1の加圧弁よりも下流側の前記メインノズル流路に空気を導入する導入空気流路と、前記導入空気流路への燃料の侵入を防ぐ第2の加圧弁を前記導入空気流路に設け、
前記ガスタービンの点火時から昇速途中まで、前記導入空気流路から該空気を導入するようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料噴射方法。A main nozzle is disposed on the outer periphery of the pilot nozzle and the pilot nozzle, the downstream outlet of both is formed into an orifice shape, and a first pressurizing valve is disposed upstream of the main nozzle passage leading to the outlet of the main nozzle. , wherein the first pressure valve is less than the crack pressure preset is supplied fuel only to said pilot nozzle, on the cracking pressure or fuel is supplied to both of the pilot nozzle and the main nozzle, said pilot nozzle A fuel injection method for a gas turbine combustor having a combustion chamber on the downstream side,
An introduction air passage for introducing air into the main nozzle passage downstream of the first pressurization valve, and a second pressurization valve for preventing fuel from entering the introduction air passage are provided as the introduction air passage. provided on the,
A fuel injection method for a gas turbine combustor , wherein the air is introduced from the introduction air flow path from the time of ignition of the gas turbine to the middle of the speed increase.
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