JP4040156B2 - 二元燃料注入装置を備えた低NOx型燃焼器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン用燃焼器に関する。より詳細には、本発明は、低NOx型燃焼器用の二元燃料注入装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンでは、一又は二以上の燃焼器内で燃料を圧縮機により得られた圧縮空気内で燃焼させる。従来、かかる燃焼器は、燃料と空気から成るほぼ理論比の混合気を生じさせ、これを拡散燃焼方式で燃焼させる一次又はプライマリ燃焼領域を有していた。空気を一次燃焼領域の下流側で燃焼器内へ追加導入した。全体的な燃料/空気比(以下、「燃空比」という)は理論比よりもかなり小さいが、始動時における燃料と空気の混合気(以下、単に「混合気」という場合もある)への着火は容易であり、プライマリ燃焼領域内での混合気が局所的に濃厚なので着火温度の広範囲にわたり良好な火炎安定性が得られた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
残念なことに、かかるほぼ理論比の混合気を用いると、結果的に、一次燃焼領域中の温度が非常に高くなっていた。このように温度が高いために、大気汚染物とみなされる窒素酸化物(NOx)の生成が促進された。希薄燃空比で燃焼を行うと、NOx生成量が減少することは知られている。しかしながら、かかる希薄燃焼を行うには、局所濃厚域を生じさせないで燃焼用空気中へ全体的に十分良く分布させなければならない。
【0005】
ガスタービンは、気体燃料と液体燃料の両方で動作することができる。残念ながら、かかる燃料分布と関連した幾何学的形状は複雑な構造を必要とし、これにより、燃焼器への二元燃料動作能力の組込みが極めて困難になる。
【0006】
したがって、NOxの生成を減少させるよう極めて希薄な混合気で安定燃焼を行うことができ、しかも気体燃料だけでなく液体燃料でも動作できる燃焼器を提供することが望ましい。
【0007】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明の一般的な目的は、NOxの生成を減少させるよう極めて希薄な混合気で安定燃焼を行うことができ、しかも気体燃料だけでなく液体燃料でも動作できる燃焼器を提供することにある。
【0008】
概要を述べると、本発明のこの目的及び他の目的は、燃料を空気中で燃焼させることにより高温ガスを生じさせる燃焼器であって、燃焼領域と、燃焼領域と流体連通していて、燃料と空気を混合させる第1の環状通路と、液体燃料を第1の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第1の環状通路中へ導入する第1のマニホルドと、気体燃料を第1の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第1の環状通路中へ導入する第2のマニホルドとを有し、第2のマニホルドは、円周方向に延びる列状の気体燃料放出ポートを有し、第1のマニホルドは、列状の気体燃料放出ポートから半径方向内方の位置で第2のマニホルドに結合されて一体マニホルド組立体を形成することを特徴とする燃焼器によって達成される。
【0009】
本発明の好ましい実施形態では、第2のマニホルドは、軸線方向に垂直な平面上に投影された面積を有し、一体マニホルド組立体に結合された状態の第1及び第2のマニホルドの前記平面上に投影された面積は、第2のマニホルドの前記投影面積と実質的に同一である。
【0010】
【発明の実施の形態】
図面を参照すると、図1にはガスタービン用の燃焼器1、特に、NOx生成量が非常に低レベルになるよう設計された燃焼器が示されている。本発明の燃焼器1は、空気と燃料を混合させる予混合領域10及び予混合領域の下流側に設けられた燃焼領域12を有している。前端部にフランジ13が設けられたハウジング27が、燃焼器1の予混合領域10を包囲している。大きな窓形式の開口部30が、ハウジング27の周囲に間隔を置いて設けられており、これら開口部により燃焼用空気8が燃焼器1に流入することができる。ダクト28がハウジング27の後端部に取り付けられていて、燃焼領域12を包囲している。冷却通路(図示せず)がダクト28の周りに形成されていて、フィルム冷却空気を導入できるようになっている。燃焼器1で生じた高温ガスをタービンのタービン部に送り出すための出口(図示せず)がダクト28の後端部に形成されている。
【0011】
また、図1に示すように、4つの円筒形ライナ18〜21が、燃焼器1の予混合領域10内に同心状に配置されていて、4つの環状の燃料予混合通路23〜26を形成しており、隣り合う各ライナ対の間に環状通路が一つずつ形成されている。環状通路の各々は、入口端31及び出口又は送出し端36を有する。バッフル又は他の乱流促進装置を通路23〜26内に組み込んで燃料と空気の混合を促進するのが良い。スワール板22が環状通路の出口端36に隣接してライナ18〜21の後端部に取り付けられていて、燃焼器の予混合領域10を燃焼領域12から分離している。複数のスワーラ又は旋回翼17がスワール板22内に配置されていて、排出端35に隣接して環状通路23〜26の各々の周りに円周方向に分布して配置されている。スワーラ17は燃料及び空気に回転を与えて燃料と空気の混合を促進すると共にフレームを定着させるのに役立つ再循環状態を生じさせるようになっている。
【0012】
また、図1に示すように、本発明によれば、二元燃料注入組立体が燃焼器1内に設けられている。二元燃料注入組立体は、4つの同心状のドーナッツ形又は環状の二元燃料マニホルド組立体32〜35で構成されている。各二元燃料マニホルド組立体32〜35は、環状通路23〜26のうちの一つの入口端31のすぐ上流側に配置されている。
【0013】
また、図1及び図2に示すように、軸方向に延びる燃料供給管38が4つの二元燃料マニホルド組立体32〜35の各々に連結されていて、気体燃料50をマニホルドに差し向けている。さらに又、軸方向に延びる燃料供給管39が4つの二元燃料マニホルド組立体32〜35の各々に連結されていて、図1及び図4に示すように液体燃料51をマニホルドに差し向けている。かくして、各二元燃料マニホルド組立体32〜35には、別個の燃料供給管によって気体燃料と液体燃料の両方が供給される。流量調節弁54が、燃料供給管38,39の各々内に設けられていて、各マニホルドへの燃料供給源(図示せず)からの気体燃料又は液体燃料の流量を別々に調節することができるようになっている。かくして、本発明によれば、各環状通路23〜26への燃料の供給は別個に調節できる。好ましい実施例では、気体燃料は天然ガスであり、液体燃料は蒸留油である。
【0014】
本発明の二元燃料マニホルド組立体のうち一つが図2〜図5に詳細に示されている。本発明の重要な特徴によれば、各マニホルド組立体は、互いに別個の気体燃料マニホルド40と液体燃料マニホルド42から成り、これらは一体ユニットを形成するよう互いに結合される。
【0015】
気体燃料マニホルド40は、横断面が全体として円形であり、それぞれの環状通路23〜26の入口31の周囲に延びる通路43を形成している。図2で最も良く分かるように、気体燃料供給管38は、ほぼ9時の位置で気体燃料マニホルド40の上流側端に連結されている。複数の後方に向いた燃料放出ポート49が、気体燃料マニホルド40の下流側端の周りに分布状態で設けられている。本発明の好ましい実施形態では、放出ポート49は、比較的僅かな間隔を置いて設けられていて、気体燃料50が環状通路23〜26の周りに均等に分布されるようになっている。その上、燃料放出ポート49の各々は、燃焼器1の軸線に対して角度Aをなすように気体燃料マニホルド40上で3時の位置を僅かに越えたところに位置しており、軸線方向は、空気8が環状通路23〜26に流入する方向とほぼ一致している。その結果、放出ポート49は、気体燃料の細かい流れ60を環状通路23〜26の各々の中へ半径方向外方へ差し向け、それにより混合を促進するようになっている。本発明の好ましい実施形態では、角度Aは約18°である。
【0016】
図2に示すように、液体燃料マニホルド42は、対応の環状通路23〜26の入口31の周囲に延びる通路44を形成している。液体燃料マニホルド42は、横断面がほぼ台形の形状となるよう互いに結合された3つの円周方向に延びる壁55〜57によって構成されている。外側の壁55は、気体燃料マニホルド40から軸方向後方に延びており、ほぼ3時の位置、即ち気体燃料マニホルド上の半径方最も外側の位置と半径方向最も内側の位置の中間位置において、気体燃料放出ポート49のすぐ下で例えば溶接により気体燃料マニホルドに一体的に取り付けられている。内側の壁56も又、軸方向後方に延び、ほぼ6時の位置、即ち半径方向最も内側の位置で気体燃料マニホルドに取り付けられている。後方の壁57は、内壁56と外壁55との間に延びている。ほぼ3時の位置と6時の位置との間の気体燃料マニホルドの周囲の一部は、気体燃料通路43と液体燃料通路44を互いに分離している。かくして、液体燃料通路44は、3つの側部が壁55〜57で境界付けられ、4番目の側部が気体燃料マニホルド40の周囲の一部で境界付けられている。
【0017】
図4に最も良く示されているように、液体燃料供給管39は、気体燃料マニホルド40を貫通し、気体燃料通路43と液体燃料通路44を互いに分離している気体燃料マニホルドの周囲の一部を通って液体燃料通路44に入り込んでいる。
本発明の重要な特徴によれば、液体燃料マニホルド42は、環状通路23〜26内への空気流8に対する妨害を最小限に抑えるよう気体燃料マニホルド40に取り付けられている。事実、燃焼器1の軸線に垂直な、即ち、空気流8の方向に垂直な平面上に投影された面積又は領域について言えば、液体燃料マニホルド42の面積は増加せず、換言すると、このマニホルド42は気体燃料マニホルド40の投影部分内に完全に納まっている。
【0018】
複数の後方に向いた燃料ノズル45が、各液体燃料マニホルド42の後壁57の周囲に分布状態で設けられている。燃料ノズル45は好ましくは、パーカー・ハネフィン社により販売されていて、3枚のプレートをロウ付けにより互いに結合して構成されたフォトエッチプレート形式のものである。図4に示すように、燃料ノズル45中の2つの通路47は、液体燃料を通路48の周囲へ差し向けて燃料に回転を付与するようになっている。通路48から燃料はオリフィス46を通って放出され、このオリフィスは燃料の細かい円錐形の霧又はスプレー61を生じさせる。図2に示すように、燃料の噴霧形状としての円錐61は夾角Dを定めている。
【0019】
図2に示すように、燃料ノズル45は、マニホルド42に設けられたネジ孔にねじ込まれている。しかしながら、燃料ノズル45も又、マニホルド42にロウ付けするのが良い。本発明の好ましい実施形態では、燃料ノズル45は、比較的僅かな間隔を置いて設けられていて、液体燃料50は環状通路23〜26の周囲にぐるりと均等に分布されるようになっている。
【0020】
図2に示すように、本発明の重要な特徴によれば、液体燃料マニホルド42の後壁57は、半径方向に対して角度Cをなしている。かくして、燃料ノズル45は、軸線方向に対して角度B(これは角度Cに等しい)をなすことになろう。その結果、各燃料ノズル45は、液体燃料の円錐61をその中心線が軸線方向に対して角度Cをなすように差し向ける。その結果、液体燃料は各環状通路23〜26の半径方向外側領域中へ差し向けられ、それにより混合が促進される。
【0021】
好ましくは、角度Bと角度Cは燃料ノズル45から放出された燃料の円錐夾角Dの半分に等しく、それにより、燃料の円錐61の下縁が半径方向内方へ突き出ないようにする(これは、燃料混合の観点からは望ましくない)。かくして、本発明の一実施形態では、燃料ノズル45は、円錐夾角Dが60°の液体燃料スプレー61を生じさせ、液体燃料マニホルド42の後壁57は半径方向に対して30°の角度をなし、従って燃料ノズル45が軸線方向に対して30°の角度Bをなすようになる。かくして、燃料円錐61の最も下側の部分は、軸線方向に差し向けられ、即ち、約0°の角度をなすので、当初、半径方向内方へ差し向けられる燃料の部分は生じない。
【0022】
作用を説明すると、燃焼用空気8は、各環状通路23〜26を通って流れる流れに分割される。本発明によれば、超希薄燃焼は、気体燃料又は液体燃料を希薄混合気の状態で二元燃料マニホルド32〜35を経て環状通路23〜26中へ導入することにより達成される。燃料が環状通路23〜26を通って流れると、燃料と空気8の高度の混合が得られる。かかる混合により、結果的に生じた燃料と空気の流れが全体にわたって希薄燃空比を有するようになる。その結果、NOxの生成を促進するような局所的に燃料が濃いめの領域は生じない。混合気は、環状通路23〜26の通過後、スワーラ17を経て予混合領域10を出て燃焼領域12に入る。燃焼領域12中において、希薄混合気の燃焼が行われる。
【0023】
本発明は、その精神又は本質的な属性から逸脱しないで他の特定の形態で実施できるので、本発明の範囲を定めるにあたっては、上記説明ではなく特許請求の範囲を参照されたい。
【0024】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の二元燃料注入装置を有する燃焼器の部分概略縦断面図である。
【図2】気体燃料供給管の付近における図1に示す二元燃料マニホルド組立体の詳細図である。
【図3】図1に示すIII-III 線における横断面図である。
【図4】液体燃料供給管の付近における図1に示す二元燃料マニホルド組立体の詳細図である。
【図5】図3に示す液体燃料ノズルのうち一つの詳細図である。
【符号の説明】
1 燃焼器
10 予混合領域
12 燃焼領域
23〜26 環状通路
27 ハウジング
32〜35 マニホルド組立体
38 気体燃料供給管
39 液体燃料供給管
40,42 燃料マニホルド
43,44 燃料通路
45 液体燃料ノズル
49 気体燃料放出ポート
61 円錐状の燃料スプレー
Claims (16)
- 燃料を空気中で燃焼させることにより高温ガスを生じさせる燃焼器であって、
燃焼領域と、
燃焼領域と流体連通していて、燃料と空気を混合させる第1の環状通路と、
液体燃料を第1の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第1の環状通路中へ導入する第1のマニホルドと、
気体燃料を第1の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第1の環状通路中へ導入する第2のマニホルドとを有し、
第2のマニホルドは、円周方向に延びる列状の気体燃料放出ポートを有し、
第1のマニホルドは、列状の気体燃料放出ポートから半径方向内方の位置で第2のマニホルドに結合されて一体マニホルド組立体を形成することを特徴とする燃焼器。 - 第1の環状通路は、入口を有し、第1及び第2のマニホルドは各々、ドーナッツ形をしており、第1の環状通路の入口の周りに円周方向に延びていることを特徴とする請求項1記載の燃焼器。
- 第1及び第2のマニホルドにそれぞれ形成された第1及び第2のドーナッツ形通路を更に有し、第1及び第2のドーナッツ形通路は、前記マニホルドの一方の壁で分離されていることを特徴とする請求項2記載の燃焼器。
- 燃焼器は、軸線方向を定めており、第2のマニホルドは、前記軸線方向に垂直な平面上に投影された面積を有し、一体マニホルド組立体に結合された第1及び第2のマニホルドの前記平面上に投影された面積は、第2のマニホルドの前記投影面積と実質的に同一であることを特徴とする請求項1記載の燃焼器。
- 第2のマニホルドの横断面形状は、実質的に円形であり、第1のマニホルドの横断面形状は、実質的に台形であることを特徴とする請求項1記載の燃焼器。
- 第2のマニホルドは、第1の半径方向最も外側の位置及び第2の半径方向最も内側の位置を有し、第1のマニホルドは、前記第1の位置と第2の位置との間の第3の位置で第2のマニホルドに結合されていることを特徴とする請求項1記載の燃焼器。
- 第3の位置は、第1の位置と第2の位置のほぼ中間にあることを特徴とする請求項6記載の燃焼器。
- 第1のマニホルドは、前記第2の位置で第2のマニホルドに結合されていることを特徴とする請求項6記載の燃焼器。
- 第1のマニホルドは、前記第2の位置から実質的に前記軸線方向に延びる壁を有することを特徴とする請求項8記載の燃焼器。
- 第1のマニホルドは、第1の壁を有し、第1の壁は、半径方向に対し角度をなして延びていることを特徴とする請求項1記載の燃焼器。
- 第1のマニホルドの第1の壁に設けられた複数の液体燃料ノズルを更に有し、液体燃料ノズルは、液体燃料を前記軸線方向に対して第1の角度で放出することを特徴とする請求項10記載の燃焼器。
- 液体燃料ノズルは、液体燃料を円錐の形状のスプレーパターンで放出する手段を有し、前記円錐は夾角を定め、前記第1の角度は前記円錐の夾角の半分にほぼ等しいことを特徴とする請求項11記載の燃焼器。
- 燃焼領域と流体連通していて、燃料と空気を混合させる第2及び第3の環状通路と、
液体燃料を第2及び第3の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第2及び第3の環状通路中へ導入する第3及び第4のマニホルドと、
気体燃料を第2及び第3の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第2及び第3の環状通路中へ導入する第5及び第6のマニホルドとを更に有し、
第3のマニホルドと第5のマニホルドは、互いに結合されて第2の一体マニホルド組立体を形成し、
第4のマニホルドと第6のマニホルドは、互いに結合されて第3の一体マニホルド組立体を形成していることを特徴とする請求項1記載の燃焼器。 - 燃料を空気中で燃焼させることにより高温ガスを生じさせる燃焼器であって、
燃焼領域と、
第1及び第2の燃料と空気の流れを受け入れる入口を有し、燃焼領域と流体連通していて、第1及び第2の燃料と空気を混合させる環状通路と、
第1及び第2の燃料を環状通路の入口に注入するマニホルド組立体を有し、
マニホルド組立体は、環状通路の入口の近くに設けられると共にその周りに円周方向に延びる第1及び第2のリングを有し、第1のリングは、第1の燃料を環状通路の入口に導入する手段を有し、第2のリングは、第2の燃料を環状通路の入口に導入する手段を有し、第2のリングは少なくとも一部が、第1のリング上でその第1の位置に一体に結合された第1の壁によって形成されていることを特徴とする燃焼器。 - 第2のリングは少なくとも一部が、第1のリング上でその第2の位置に一体に結合された第2の壁によって形成されていることを特徴とする請求項14記載の燃焼器。
- 第2のリングは少なくとも一部が第3の壁によって形成され、第1、第2及び第3の壁は、第2の燃料を収容する通路の境界部の少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項15記載の燃焼器。
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