JP4368112B2 - 燃焼室用の、液体燃料を空気流れ中に噴射する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内に均一空燃混合気を生成することを可能にする空気流れ中に液体燃料を噴射する装置および方法に関する。

本発明は、特に陸上で用いられるガスタービンの作動中に、汚染物質の生成を少なくして高いエネルギー効率を得ることを可能にすることによって、ガスタービンの分野に用途がある。

ガスタービン用の従来の燃焼室では、広範囲の作動条件において安定して燃焼を行うことが、最も重要な優先事項である。

この目的を達成するために最も効果的なやり方では、最初に、化学量論(stoichiometry)に近い条件で、コンプレッサから来る空気の一部分と共に燃焼を行い、次に、得られたガスを、その温度をエキスパンダの許容温度レベルに下げるために、コンプレッサから来る空気の他の部分で希釈する。

しかしながら、燃焼域における温度がとても高くなるので（炎の温度は通常は２０００〜２４００℃の範囲になる）、この方法は、大量の窒素酸化物（サーマルＮＯxとも呼ばれている）を生成するという不利な点を有している。

新しい環境規制を満たすために、ガスタービンのメーカーは、現在、最大能力で、すなわち、大量の空気汚染物質を生成することなく高負荷の条件の下で作動することができる装置の開発に取り組んでいる。

炭化水素の燃焼中にガスタービンによって一般的に生成される汚染物質は、上述した窒素酸化物に加えて、一酸化炭素および未燃焼の炭化水素である。加えて、タービンの燃焼室内における分子状の窒素からサーマルＮＯxへの酸化は、反応域における高温ガスの最高温度に大いに依存する。

したがって、窒素酸化物の形成は、温度の指数関数が増大することによって表される。そのため、燃焼室内のガス温度のピークを抑えることによって、窒素酸化物の形成を制限することが可能である。

この目的のために、いくつかの方法が提案されている。

第１の作動方法によれば、熱に由来する窒素酸化物の形成を制限する助けになる作用を有する水または蒸気を、温度ピークを下げるために燃焼室内に噴射することが提案されている。

しかしながら、この解決策は、全ての不純物を取り除くために、水、および蒸気噴射の場合には蒸気発生器の複雑な取り扱いが必要であり、かつ非常に大きな機械専用であることが合理的に予想できることから、得られる結果に比べて実行することが難しい。さらに、温度を下げると炭化水素の酸化反応が著しく低下し、このことは、時には、一酸化炭素および未燃焼の炭化水素の排出レベルが総合的に増大することにつながる。

他の解決策は、高濃度段階と希薄段階とを含み、一方から他方へ非常に素早く移行する多段燃焼を実施することである。ここで繰り返すと、窒素酸化物ＮＯxを生成する温度ピークが低下し、高濃度域が窒素酸化物の形成を抑えるが、この解決策は未燃焼の炭化水素を大量に生成することにつながる。

温度と汚染物質の排出との両方を制御する第３の解決策は、燃焼の前に、０．３から１の間、好ましくは０．５から０．８の間の範囲の空燃比を得るために、空気と燃料とを希薄混合気の形態で混合することである。

よって、反応域に過度に存在している空気量が、燃料の酸化反応によって生じた熱の一部を吸収して、反応生成物が問題になっている温度を低下させる。さらに、エキスパンダの入口での温度を調節するための冷却空気の条件は著しく低い。したがって、この方法は、他の汚染物質（炭化水素や一酸化炭素など）の排出レベルを実質的に増加させることなく、窒素酸化物の生成を抑えることを効率よく可能にする。

希薄混合条件下での動作によって生じる最も重要な課題は、所望の低排出レベルを達成するために、予混合が十分に均一および均質であることである。

したがって、燃焼域内における空気に燃料を不均質に供給すると、ある領域内に過剰に存在する燃料が、窒素酸化物の形成が制御されない高温箇所を出現させることにつながるということが起こり得る。同様に、空燃比が非常に低い他の領域内では、局所的な冷却が、燃焼を妨げ、やがてはガス状および固体状の未燃焼の残留物を生じさせる。

加えて、ガス状燃料の空気との混合が、分子散乱の影響、とりわけ燃料と空気との間の運動エネルギー比の影響と、空間的広がりをもって配置された噴射ポイントとを通じて起こるのに対して、液体燃料の空気との混合には、混合の質、ひいては燃焼の質を左右する予噴射が付加的に必要である。

実際上、燃焼はいつもガス相で起こるので、燃料を可能な限り小さな直径を有する小さな滴からなる煙状のものに変える必要があり、この場合には、その液滴の直径が小さいので、燃料の蒸発ができる限り早くなっている。この燃料蒸発は、一方は気化室を備え、他方は液体燃料インジェクタを備えている複数の装置によって２段階に行われる。気化特性は、大まかには気化室の形状によって決まる。

米国特許第６，０９４，９１６号明細書には、例えば、空気と燃料との混合を、流体流れの回転運動を生じさせるラジアルブレードを備えた据付装置によって加圧下で行う装置が提案されている。燃料噴射パイプが、その装置の各ブレードの間に軸方向に位置している。燃料は、その装置の半径方向に対して６０°の開口角度をもってそのパイプに設けられた開口を通じて噴射される。

この場合には、ブレードの壁上にコークスが形成されることが結果として避けられない、装置の構成材料の寿命およびタービンの排出レベルについての性能に関してかなりのダメージにつながる、燃料を装置のブレード上に直接飛ばすという作用があるので、そのような構成は、燃料を液体状態で噴射するのに適していない。さらに、本願出願人は、そのような噴射は、液体燃料の噴射の場合には、最適な噴射と均一混合とを行うことができないということを知得している。

したがって、本発明の目的は、燃料と空気との均一希薄混合気を燃焼の前に得ることを可能にする装置を提供することである。

本発明によれば、希薄燃焼条件の下で動作するガスタービンの作動条件の範囲の全体にわたって安定した燃焼状態を得ることが可能である。

よって、実質的に円筒状の中央容積を形成している、縦軸方向の中空の円筒状のボディと、ボディの縦軸に対して実質的に放射状に配置され、かつ加圧空気の流れを通すことができるようにボディの外縁上に形成されている流体流路と、流体流路の内側に設けられ、少なくとも１つの供給ポイントのそばで少なくとも１つの燃料入口に接続している軸方向燃料噴射パイプとを有している、特に燃焼室用の、液体燃料を加圧空気の流れ中に噴射する装置は、前記燃料噴射パイプが、ボディの中央容積上に開口している、実質的に流体流路内の流れ方向に向けられている開口があけられており、前記燃料噴射パイプが、前記パイプの燃料供給ポイントへの距離に応じて変化する内側断面を有していることを特徴とする。

他の特徴によれば、流路の中央軸が、円筒状のボディの半径との間に２０°から６０°の間の角度を成していてもよい。

有利なことに、流体流路は、加圧空気の流れが流体流路を通って流れるときに生じる圧力低下を最小限にするように作られている三次元形状を有していてもよい。

開口は、燃料噴射パイプの軸方向に直線状に配置されていてもよい。

他の形態では、本装置はまた、円筒状の中央容積上に開口している、流体流路内の流れ方向に対して実質的に垂直に向けられている開口があけられている、ガス状の燃料を噴射する軸方向パイプを有していてもよい。

ガス状燃料噴射パイプは、流体流路内の加圧空気の流れ方向に関して、液体燃料供給パイプの上流側に位置していてもよい。

本発明によれば、液体燃料を加圧された空気の流れ中に噴射する方法は、
加圧空気を、少なくとも１つの燃焼域よりも上流側の容積内に送る段階と、
加圧空気の流れを、容積の外縁上に形成された複数の流路を通すことによって、空気のスワール運動を容積内に生じさせる段階と、
前記流路の内側に設けられ、少なくとも１つの供給ポイントのそばで少なくとも１つの燃料入口に接続している燃料噴射パイプであって、前記燃料噴射パイプの燃料供給ポイントへの距離に応じて変化する内側断面を有している燃料噴射パイプによって、液体燃料を、流路内へ、実質的に加圧空気の流れ方向に噴射する段階と、
を実行することを特徴とする。

有利なことに、空気を、その流速が約１０ｍ／ｓから約２００ｍ／ｓの範囲になるように容積内に噴射してもよい。

あるいは、ガス状燃料を、流路内へ、加圧空気の流れ方向に対して実質的に垂直に噴射してもよい。

水を、燃料の代替物として、液体の状態または蒸気の状態で噴射してもよい。

本発明による装置および／または方法の他の特徴および利点は、非制限的な例として与えられる以下の説明を、添付の図面を参照しながら読むことによって明らかになるであろう。

「上流側」および「下流側」の用語は、この説明では、本装置内の空気の循環方向に関して用いている。

図１は、例えばガスタービンの予備段または主段の燃焼室２上に開口している、燃料噴射および空気供給を行う装置１の断面図である。

この装置１は、縦軸ＹＹ’に関して、実質的に環状の形状の供給パイプまたはランプ４に燃料を導く液体燃料入口パイプ３を有している。噴射ポイント１６によってパイプ４に連通している多数の流路またはパイプ５が、実質的に円筒形状の中空のボディ１０の２つのブレード６の間に含まれている空間内を実質的に軸方向に延びており、この空間は、図２においてより明確に理解できるように、流体が通ることができる流路１２を形成している。

中空のボディ１０は、断面が図２に示されている中央領域１１を形成している。空気がブレード６の間を通ることによって起こる空気のスワール運動は、空間１１および燃焼室２内の燃焼ガスの循環を促進することによって、燃焼をより良好に安定化させることを可能にする。

パイプ５は、その全長にわたって、実質的に流路１２内の空気の流れ方向に開口し、液体燃料をブレード同士の間に実質的に半径方向に噴射させることを可能にし、その上、この燃料を、例えばタービン（不図示）のコンプレッサによって加圧されて流れている空気７と混合させる開口９が形成されている。

中空のボディ１０は、公知の技術によって、本装置の固定部８に固定されている。

図２は、図１に示した円筒状のボディ１０の断面を概略的に示している。

加圧空気は、ブレード６によって形成された流体流路１２を通り、中空の円筒状のボディ１０を通って流れる。流路１２の中央軸ＸＸ’が、ボディ１０の中心とパイプ５の中心との間の半径Ｒとの間に角度θを成している。角度θは、中央領域１１内におけるスワール運動が燃焼ガスの再循環をできるだけ効果的にするように、当業者によって選択される。例えば、角度θは、大まかには２０°から６０°の間の範囲である。

液体燃料噴射パイプ５は、各流路１２内に位置している。図２に示された形態では、一例として、ボディ１０の周囲に沿って均等に配置され、加圧空気７を通すことが可能になっている、１２本の燃料噴射パイプ５が間に挟まれている１２枚のブレード６によって形成された、１２本の流体流路１２がある。

もちろん、この実施形態は実例として示されており、ブレードの数、それらの形状、および空気を通すことが可能になっている流体流路の形状は、当業者が任意の公知技術を用いることによって、本装置の技術的な特徴に従って最適化されるであろう。

図３Ａおよび図３Ｂは、流体流路１２およびその中にあるパイプ５の、横断面および縦断面をそれぞれ示している。

加圧空気７は、矢印１７で示されているように流体流路１２を通って流れ、その流路の中で、噴射ポイント１６から来て開口９から矢印１８で示されている方向に流れ出る燃料と混合する。矢印１７と矢印１８は図３Ａおよび図３Ｂにおいて同一直線上にあり、すなわち、パイプ５は、中空の円筒状のボディの中央容積上に、流体流路内の空気の流れ方向に実質的に開口している開口があけられている。

この形態は、液体噴射の場合では、ブレードの壁１９上にコークスが形成されることを抑え、かつ、流体流路１２内において、空気と燃料との混合、およびパイプ５の下流への上述した原理に従った燃料噴射を向上させるという利点を有している。

したがって、空気７の高速な流れによって生成されるパイプ５の後方の乱流域が、液体燃料の噴射を大いに促進し、その乱流域内での空燃混合の均一性を向上させるのに役立つことが、本願出願人によって知得されている。本発明の枠組み内で行われた結果はまた、上記の噴射および混合を促進させるためには、空気の流速が約１０ｍ／ｓのオーダー、好ましくは約１００ｍ／ｓのオーダーでなければならず、燃料の速度ができるだけ低い（０．１ｍ／ｓから１０ｍ／ｓのオーダー、好ましくは約０．５ｍ／ｓから２ｍ／ｓの間）でなければならないことを示している。

これらの図に示されているように、矢印１４および１５によって示されている流体流路の断面は、流体流路内の空気の速度を上げて流れの乱れを大きくするために、流体流路が上流から下流に向かって著しく狭くなっていることを示している。

この構成は、有利なことに、空気と燃料との混合と、流体流路１２内への燃料の噴射とを向上させることが可能である。しかしながら、流路１２の断面は、本装置を通って流れる空気によって生じる圧力低下を最善にするために、矩形または当業者に知られている他の任意の形状であってもよい。さらに、その構成は、タービンの負荷に応じて燃焼段の空気の流れを調節することを可能にする、負荷を低下させて動作させるのを助けるスロットル装置を備えていてもよい。

したがって、どのような動作条件が考慮に入れられても安定した燃焼を生じさせるとても均一な希薄燃焼混合気が、図１，２，３Ａ，および３Ｂに示されている装置によって、流体流路の出口で得られる。

加えて、ボディ１０の流路１２を通る流体の流れによって生じる、中央領域１１内の流体のスワール運動は、燃焼室内における動作条件に関わらず燃焼の安定化を促す、高温の燃焼生成物の再循環も可能にする。

図４は、本発明による、液体燃料噴射パイプ５の考えられる実施形態を示している。

このパイプは、パイプ内の燃料噴射ポイント１６への距離と相関関係にある、漸進的に変化する断面４０１を有している。

したがって、そのパイプは、噴射開口９への燃料の通路を形成する中空部分４０３と、噴射ポイント１６の近くから自由端までのパイプ内の燃料の流れ断面を段階的に制限するために、当業者に知られている任意の技術にしたがって作られた中実部分４０４との、２つの異なる部分を有している。この構成により、各開口９について、燃料の流量を簡単で経済的な手法で実質的に同じに保つことが可能になる。

本願出願人によって行われた結果は、そのようなパイプに関して、流体流路の出口での液滴の平均直径が空燃質量流量比とは実質的に無関係であり、その平均直径は流体流路の全部の出口部分にわたって実質的に一定であるということを示している。この特性により、燃焼室の種々の動作条件に適した同じ噴射性能を保ち続けることが可能になる。

本発明の他の実施形態が、流体流路１２およびその中にあるガス状の燃料用のパイプ５０５の横断面と縦断面とをそれぞれ示している図５Ａおよび図５Ｂによって示されている。図３Ａおよび図３Ｂに関連して説明した液体噴射装置とは異なり、噴射開口５０９が、流体流路内の空気の平均的な流れ方向に対して垂直に向けられている。この実施形態では、混合気の流速は、ガス状燃料の流速と空気の流速との間の比が高いときに、いっそう効率的である。

本発明の範囲から逸脱することなく、図３Ａ，３Ｂと図５Ａ，５Ｂとに関連して説明したそれらの実施形態を組み合わせて、液体をガス中に気化させて燃焼室に供給して動作させることを可能にしてもよい。

ガス状燃料噴射パイプへのガス状燃料の供給は、実質的に環状の形状で、図１に関連して示したパイプと実質的に同じような第２の供給パイプを通して行われる。

図６は、図２に関連して説明したボディと同じような、液体をガス中に気化させて動作させることを可能にする噴射装置と組み合わされた円筒状のボディ６００の断面を概略的に示している。

この気化は、単一の装置内において、図３Ａ，３Ｂと図５Ａ，５Ｂとに関連して説明したような液体燃料噴射パイプとガス状燃料噴射パイプとを組み合わせることによって成される。中空の円筒状のボディのブレード６の間では、パイプ５がもっぱら液体燃料を噴射し、パイプ５０５がガス状燃料を噴射することが可能になっている。パイプ５０５は、流体流路内のパイプ５の上流側に設けられている。

ガスタービンは、燃料供給装置を変えることなく、かつタービンを停止することなく、ガス状燃料または液体燃料を交互にまたは同じサイクルで用いることが可能であるので、２つの供給ランプを用いることが、ガスタービンの燃焼室内の別個の噴射パイプに融通性を持たせることにつながる。さらに、噴射装置は、依然として小型にまとまっており、かつ有利なことに、ランプが損傷した場合（ガスまたは液体）または燃料（ガスまたは液体）の供給に問題が生じた場合に一方から他方に変えることが可能である。

本発明の範囲から逸脱することなく、本装置の作動中に、上述したような２つのパイプ５またはパイプ５０５のうちの１つを、液体か蒸気のいずれかの状態の水を燃焼室内に噴射させるのに用いることが可能である。上述した従来技術によれば、このやり方によって、窒素酸化物の排出を減らすという利点が得られる。

本装置および／または本方法は、明確な用途があるとはいえ、ガスタービンの分野に限られるものではなく、燃料を液体の状態で供給し、燃焼の前に燃料と空気とを均一に混合することを必要とする、任意の燃焼装置または方法にそれを使用することを検討することが可能である。

本発明による噴射装置の部分断面図である。 図１の２−２線に沿った断面図である。 本発明による装置の細部を示す部分拡大図である。 図３Ａの３−３線に沿った断面図である。 液体燃料噴射パイプの考えられる実施形態の縦方向断面図である。 本発明の変形例を図３Ａおよび図３Ｂと同様な図で示す概略図である。 本発明の変形例を図３Ａおよび図３Ｂと同様な図で示す概略図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。

Claims (12)

1. 実質的に円筒状の中央容積（１１）を形成している、縦軸（ＹＹ'）方向の中空の円筒状のボディ（１０）と、ボディ（１０）の縦軸に対して実質的に放射状に配置され、かつ加圧空気の流れを通すことができるように前記ボディの外縁上に形成されている流体流路（１２）と、前記流体流路の内側に設けられ、少なくとも１つの供給ポイント（１６）のそばで少なくとも１つの燃料入口（３）に接続している燃料噴射パイプ（５）とを有している、特に燃焼室用の、液体燃料を加圧空気の流れ（７）中に噴射する装置において、
   前記燃料噴射パイプは、前記ボディ（１０）の中央容積（１１）上に開口している、実質的に流体流路（１２）内の流れ方向に向けられている開口（９）があけられており、前記燃料噴射パイプ（５）は、前記燃料噴射パイプの燃料供給ポイント（１６）への距離に応じて変化する内側断面を有していることを特徴とする、特に燃焼室用の、液体燃料を加圧された空気流れ中に噴射する装置。
2. 流路（１２）の中央軸（ＸＸ'）が、円筒状のボディ（１０）の半径（Ｒ）との間に２０°から６０°の間の角度（θ）を成している、請求項１に記載の噴射装置。
3. 流体流路（１２）は、加圧空気の流れ（７）が流体流路（１２）を通って流れるときに生じる圧力低下を最小限にするように作られている三次元形状を有している、請求項１または２に記載の噴射装置。
4. 開口（９）は、燃料噴射パイプ（５）の軸方向に直線状に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の噴射装置。
5. 前記円筒状の中央容積上に開口している、流体流路（１２）内の流れ方向に対して実質的に垂直に向けられている開口（９）があけられている、ガス状の燃料用の軸方向噴射パイプ（５０５）をさらに有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の噴射装置。
6. ガス状燃料噴射パイプ（５０５）は、流体流路（１２）内の加圧空気の流れ方向に関して、液体燃料供給パイプ（５）の上流側に位置している、請求項５に記載の噴射装置。
7. 液体燃料を加圧空気の流れ中に噴射して混合する方法において、
   加圧空気を、少なくとも１つの燃焼域よりも上流側の容積内に送る段階と、
   前記加圧空気の流れを、前記容積の外縁上に形成された複数の流路（１２）を通すことによって、前記空気のスワール運動を前記容積内に生じさせる段階と、
   前記流路（１２）の内側に設けられ、少なくとも１つの供給ポイント（１６）のそばで少なくとも１つの燃料入口（３）に接続している燃料噴射パイプ（５）であって、前記燃料噴射パイプの燃料供給ポイント（１６）への距離に応じて変化する内側断面を有している燃料噴射パイプ（５）によって、前記液体燃料を、前記流路内へ、実質的に前記加圧空気の流れ方向に噴射する段階と、
   を実行することを特徴とする、液体燃料を加圧空気の流れ中に噴射して混合する方法。
8. 空気を、流速が１０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓの範囲になるように前記容積内に噴射する、請求項７に記載の噴射方法。
9. あるいは、ガス状燃料を、前記流路内へ、前記加圧空気の流れ方向に対して実質的に垂直に噴射する、請求項７または８に記載の噴射方法。
10. 水を、液体燃料またはガス状燃料の代替物として、液体の状態または蒸気の状態で噴射する、請求項７から９のいずれか１項に記載の噴射方法。
11. 請求項１から６のいずれか１項に記載の噴射装置および／または請求項７から１０のいずれか１項に記載の噴射方法を、少なくとも１つの燃焼段を有しているガスタービンの主燃焼段に適用する方法。
12. 請求項１から６のいずれか１項に記載の噴射装置および／または請求項７から１０のいずれか１項に記載の噴射方法を、複数の燃焼段を有しているガスタービンの予備燃焼段に適用する方法。

Images