JP4547514B2 - 混合気形成噴射器 - Google Patents

Description

本発明は、混合気形成噴射器に関し、特に従来の噴射器に比べ混合気の均質性に優れ且つ逆火が起こりにくく且つ耐久性に優れた混合気形成噴射器に関するものである。

近年、エネルギー資源の有効利用や地球温暖化防止の観点からガスタービンを用いたコージェネレーションシステムによる小型分散発電が注目を集めている。ガスタービンは他の内燃機関に比べ燃料の多様性や排ガスがクリーンであるという利点を持っている。しかし、未利用エネルギーであるバイオマスガス等までの使用を考慮すると、組成変動や低発熱量のためガスタービンの安定した運転は難しく、また環境汚染に対する厳しい規制から窒素酸化物（ＮＯx）に関しては今後更なる低減が求められると予想される。
ガスタービンを含む内燃機関の排ガスの低ＮＯx化を図る手段として、燃料と空気が均質に混合された希薄予混合気を燃焼に供する希薄予混合燃焼を用いた燃焼器が研究、開発されている。希薄予混合燃焼は、予め燃料に大量の空気を混合させた希薄予混合気を燃焼に供するために、燃焼温度が低下しＮＯxの生成を好適に抑制するという利点を持つ反面、燃料と空気が均質に混合されない場合は燃焼振動等の異常燃焼を引き起こしやすく、燃料と空気の混合が急速に行われない場合は自発火や、燃焼室の火炎が遡るという、いわゆる逆火を引き起こしやすく、更には火炎を安定に保持することが難しい等の欠点を併せ持っている。
ところで、上記課題を解決するために、燃料噴射器とは別に燃焼器の側面に混合気噴射器を設け、燃料噴射器によって形成される第１次燃焼領域の下流に混合気を噴射することにより、新たな燃焼領域を生成し、広い当量比の範囲で排ガスの低ＮＯｘ化および高燃焼効率を両立することが可能なガスタービン燃焼器が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。このガスタービン燃焼器に用いられている混合気噴射器は、中心軸上に配設された燃料噴射器の回りに空気の旋回流を発生させるために接線空気流入路、旋回羽根またはベーン等の空気旋回器を有し、燃料と空気の混合気を空気旋回器によって旋回させることにより、燃料と空気が均質に混合した混合気を生成するようにしている。この場合、混合気は旋回流となって既燃焼ガス中に供され、旋回流の中心部近傍は負圧となるため、燃焼室の火炎が混合部に遡る逆火が起きやすくなるという問題がある。特に、ＮＯxの大幅な削減を行う希薄予混合燃焼において、燃料と空気がより均質に混合した混合気を必要とすることから、逆火を起こさずに燃料と空気が均質に混合した混合気を形成することが重要な技術的課題となっている。

特開２００６−１０１９３号公報

上述した通り、従来の混合気噴射器では、空気旋回器に空気を通過させることで旋回した空気流を得て、その空気の旋回力を利用して旋回軸回りに均一な燃料分布を得ると共に空気と燃料の混合を促進させ、燃料と空気が均質に混合した混合気を生成している。
しかし、空気旋回器によって燃料と空気が混合された混合気では、旋回流の中心部近傍が負圧となり、燃焼室の火炎が混合部に遡る逆火が起こりやすくなるという問題がある。
また、従来の混合気噴射器は、２次燃料噴射器の形態で使用される場合、燃焼領域に近接しているため、ガスタービンが作動中は常に高温に曝されるという問題がある。
そこで、本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、従来の噴射器に比べ混合気の均質性に優れ且つ逆火が起こりにくく且つ耐久性に優れた混合気形成噴射器を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の混合気形成噴射器は、燃料と空気が予め混合された混合気を既燃焼ガスに噴射する混合気形成噴射器であって、空気が渦巻き状に旋回しながら燃料と混合するように渦巻き状に形成された複数の流路を有する第１混合流路と、空気が求心して燃料と混合しながら他の混合気と衝突して軸方向に流れるように放射状流路と直線状流路とが組み合わされた第２混合流路とを具備し、前記第１混合流路から流出する第１混合気と前記第２混合流路から流出する第２混合気は互いに交差しながら混合するように構成され、均質性の高い混合気を噴射することを特徴とする。
上記混合気形成噴射器では、先ず空気が第１混合流路によって渦巻き状に旋回しながら燃料と混合することにより第１混合気が生成される。その一方で、空気が第２混合流路によって求心しながら燃料と混合した後に他の混合気と衝突することにより、別途第２混合気が生成される。そして、その第２混合気は軸方向に流れ第１混合気と交差しながら混合することにより新たな混合気が生成されるように構成されている。このように異なる速度成分を有する混合気が更に混合し合うことにより、燃料と空気が更に均質に混合された混合気が好適に生成される。そして、この良質な混合気が燃焼に供されることにより、広い当量比の範囲において安定した燃焼領域が好適に形成され、排ガス中のＮＯxの生成が好適に抑制されるようになる。また、混合気は、中心軸近傍では第２混合気の軸方向の流れが支配的になり周辺部では第１混合気の旋回した流れが支配的となって燃焼に供されるため、中心軸近傍が負圧となることはなく、その結果、燃焼室から混合気へ火炎が遡る逆火が起こりにくくなり、耐逆火性を有するようになる。それに加えて、混合気は周辺部において旋回流を維持した状態で噴射されるため、噴射口から流出後直ちに旋回しながら拡散し、結果、既燃焼ガスとの混合が好適に促進されることとなる。

請求項２に記載の混合気形成噴射器では、前記第１混合気と前記第２混合気は、前記直線状流路の下流に拡径して形成された混合室において交差しながら混合し、中心軸近傍では軸方向に流れ且つ周辺部近傍では旋回して流れるように構成されていることとした。
上記混合気形成噴射器では、上記構成とすることにより、第１混合気と第２混合気の混合が完了するのに要する行程、いわゆる混合距離を十分確保することができ、その結果、燃料と空気が更に混合された均質な混合気が、中心軸近傍では軸方向に流れ且つ周辺部近傍では旋回して流れるようになる。

請求項３に記載の混合気形成噴射器では、前記第１混合流路は、空気流に対し交差して燃料を噴射する複数の第１燃料噴射孔を内周面に有し、且つ前記第２混合流路は、同複数の第２燃料噴射孔を内周面に有していることとした。
上記混合気形成噴射器では、上記構成とすることにより、液体燃料の場合には微粒化が促進され、気体燃料の場合と同じように均一分散させることができ、結果、燃料と空気が均質に混合された混合気の生成に好適に寄与するようになる。

請求項４に記載の混合気形成噴射器では、前記第１燃料噴射孔は前記第１混合流路の上流近傍に配設され、且つ前記第２燃料噴射孔は前記第２混合流路の上流近傍に配設されていることとした。
上記混合気形成噴射器では、上記構成とすることにより、燃料と空気が混合し合う混合距離を第１混合流路および第２混合流路の双方において十分に確保することが出来る。

請求項５に記載の混合気形成噴射器では、燃料を貯蔵する燃料室を具備し、該燃料室から前記第１燃料噴射孔へ燃料を供給する第１燃料分配流路は直線状に延伸し前記第１混合流路の間および前記第２混合流路の間に周方向にわたり均等に配設され且つ、同前記第２燃料噴射孔へ燃料を供給する第２燃料分配流路は前記放射状流路に交差して周方向にわたり均等に配設されていることとした。
上記混合気形成噴射器では、上記構成とすることにより、好適に第１燃料噴射孔および第２燃料噴射孔に燃料を供給すると共に、燃料が第１燃料分配流路および第２燃料分配流路を流れる際に、燃料が内部を冷却し内部の温度上昇を好適に抑制するようになる。

本発明の混合気形成噴射器によれば、予め燃料と空気が混合された混合気が、交差しながら、混合距離が十分確保された混合室において更に混合し合う構成となっているため、均質性の高い混合気が好適に生成されることになる。従って、その混合気が燃焼に供されると、燃焼室において広い当量比の範囲において安定した燃焼領域が好適に形成され、排ガス中のＮＯxの生成が好適に抑制される。また、混合気は、中心軸近傍では第２混合流路から流出する第２混合気の流れが支配的になり、一方、周辺部では第１混合流路から流出する第１混合気の流れが支配的となって燃焼に供されるため、混合気流の中心軸近傍が負圧となることはなく、その結果、燃焼室から混合気へ火炎が遡る逆火が起こりにくくなり、耐逆火性を有するようになる。それに加えて、混合気は周辺部において旋回流を維持した状態で噴射されるため、噴射口から流出後直ちに旋回しながら拡散し、結果、既燃焼ガスとの混合が好適に促進されることとなる。
また、内部に燃料を貯蔵する燃料室を有し且つ第１燃料分配流路が第１混合流路の間および第２混合流路の間を軸方向に延伸しながら周方向にわたり均等に配設され且つ第２燃料分配流路が第２混合流路に交差して均等に配設されているため、燃料が内部を好適に冷却し燃焼に伴う内部の温度上昇を好適に抑制するようになる。特に、第１燃料分配流路および第２燃料分配流路は、本体部の外周面近傍に配設されているため、火炎および燃焼ガスからの伝熱に対し好適に熱抵抗となる。その結果、従来の噴射器に比べ熱応力による疲労が起こりにくく耐久性が大幅に向上するようになる。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の混合気形成噴射器１００を示す部分断面説明図である。
この混合気形成噴射器１００は、空気を渦巻き状に旋回させ燃料との混合を促進させることにより空気と燃料が均質に混合された第１混合気を生成する第１混合流路１と、後述する第１燃料噴射孔２１へ燃料を供給すると共に燃料を流すことにより本体部を冷却し本体部の温度上昇を抑制する第１燃料分配流路２と、第２空気口３１から入る空気を中央に集合させ燃料との混合を促進させることにより空気と燃料が均質に混合された第２混合気を生成する第２混合流路３と、後述する第２燃料噴射孔４１へ燃料を供給すると共に燃料を流すことにより本体部を冷却し本体部の温度上昇を抑制する第２燃料分配流路４と、第１燃料分配流路２および第２燃料分配流路４に供給する燃料室５と、燃料室５に燃料を補充する燃料供給管６と、第１混合気および第２混合気を混合させて更に燃料と空気が均質に混合した第３混合気を生成する混合室７１を有する本体部７と、第３混合気を噴射する噴射口８１を有する頭部８とを具備して構成されている。

第１混合流路１は、詳細については図２を参照しながら後述するが、渦巻き状に形成され、第１空気口１１から入った空気は渦巻き状に旋回しながら燃料と混合して、燃料と空気が均質に混合された第１混合気を生成する。また、この第１混合気が中央近傍に形成された混合室７１において直線状流路３ｂから流出する第２混合気と混合することにより、更に空気と燃料が均質に混合された第３混合気を生成する。

従来の混合気噴射器は、中心軸上に配設された燃料噴射器の回りに空気の旋回流を発生させるために接線空気流入路、旋回羽根またはベーン等の空気旋回器を有し、燃料と空気の混合気を空気旋回器によって旋回させることにより、燃料と空気が均質に混合した混合気を生成するように構成されていた。このような構成では、生成される混合気も旋回流となってしまうため、旋回流の中心が負圧となり火炎が混合気へ遡る逆火が起こる虞があったが、本発明の混合気形成噴射器１００によって生成される混合気は、中心軸近傍では第２混合流路３から流出する第２混合気の軸方向の流れが支配的になり、一方、周辺部では第１混合流路１から流出する第１混合気の旋回した流れが支配的となって燃焼に供されるため、混合気流の中心軸近傍が負圧となることはなく、燃焼室から混合気へ火炎が遡る逆火が起こりにくくなり、耐逆火性を有するようになる。なお、混合気は、周辺部においては、第１混合気の流れが支配的であり、依然として旋回流が存在することになる。そのため、混合気は噴射口８１から流出後直ちに旋回しながら拡散し、その結果、既燃焼ガスとの混合が好適に促進されることとなる。

第１燃料分配流路２は、詳細については図２を参照しながら後述するが、燃料室５から軸方向に伸びて隣接する第１混合流路の間に配設されている。燃料は、第１混合流路１の内周面に備わる第１燃料噴射孔２１から第１混合流路１を流れる空気に交差するように噴射される。本実施形態では、例えば８個の第１燃料分配流路２が第１混合流路の間に配設され、一の第１混合流路１は例えば６個の第１燃料噴射孔２１を備えている。他方、第１燃料分配流路２を燃料が流れると、火炎からの輻射熱並びに燃焼器および燃焼ガスからの伝熱は、第１燃料分配流路２を流れる燃料の潜熱によって好適に吸収され、その結果、本体部７の温度上昇が好適に抑制され、耐久性が向上するようになる。

第２混合流路３は、詳細については図３を参照しながら後述するが、放射状流路３ａおよび直線状流路３ｂから成り、第２空気口３１から入った空気は、放射状流路３ａを流れ燃料と混合しながら空気と燃料が均質に混合された第２混合気を生成する。この第２混合気は直線状流路３ｂを流れ、中央近傍に形成された混合室７１において第１混合流路１から流出する第１混合気と混合する。

第２燃料分配流路４は、詳細については同じく図３を参照しながら後述するが、燃料室５から軸方向に伸びて放射状流路３ａに交差している。燃料は、第２燃料噴射孔４１から放射状流路３ａを流れる空気に交差するように噴射される。本実施形態では、例えば１個の第２燃料噴射孔４１が放射状流路３ａの内周面に形成されている。また、第１燃料分配流路２と同様に、燃料が流れることにより、本体部７を冷却し本体部７の温度上昇を抑制する。

燃料室５は、混合気噴射口８１に対し反対の端部に配設され、第１燃料分配流路２および第２燃料分配流路４の燃料源となる。また、燃料供給管６を介して燃料の補充を受ける構成となっている。また、燃料としては、例えば、バイオマスガス、天然ガス等のガス燃料の他、液体燃料を使用することも可能である。

頭部８は、混合気の噴射口８１となると共に、第１混合流路１の内周面の一部となっている。

図２は、図１のＡ−Ａ’断面を示す説明図である。
第１混合流路１は、渦巻き状に形成された流路であり、第１空気口１１から第１混合流路１に流入した空気は第１燃料噴射孔２１から噴射された燃料と混合し渦巻き状に旋回しながら第１混合気となって、本体部７の中央部近傍に形成された混合室７１に流入する。そして、第２混合流路３の直線状流路３ｂから流出し同じく混合室７１へ流入する第２混合気と混合する。第１混合気および第２混合気とも共に燃料と空気が均質に混合した混合気であるが、混合室７１において更に混合し合い、その結果、燃料と空気が更に均質に混合された新たな第３混合気が生成されることとなる。また、第３混合気は、中心軸近傍では軸流となり周辺部では旋回流となって噴射口８１から既燃焼ガスに供されることになる。これにより、第３混合気および既燃焼ガスによって形成される燃焼領域は、燃焼圧が安定すると共にＮＯxの生成を好適に抑制するようになる。加えて、第３混合気の流れは中心軸近傍が負圧となることはなくなり、逆火が起こりにくくなる。また、第３混合気は周辺部において旋回流を維持した状態で噴射されるため、噴射口８１から流出後直ちに旋回しながら拡散し、結果、既燃焼ガスとの混合が好適に促進されることとなる。

また、第１燃料分配流路２は、隣接する第１混合流路の間に配設されている。このように配設することにより、第１混合流路１の肉厚部に蓄熱する顕熱と燃料との間で熱交換が行われ、その結果、その顕熱が奪われ、その肉厚部が冷却され、ひいては本体部７の温度上昇が好適に抑制されることとなる。また、その熱交換の過程で、液体燃料であれば一部は気化し、空気との混合が促進され易い形態となっている。

また、第１燃料噴射孔２１は、第１空気口１１の近傍に設けることが好ましい。このようにすることにより、いわゆる燃料と空気の混合距離を長く確保することができ、混合気（第１混合気）の均質性が向上するようになる。

図３は、図１のＢ−Ｂ’断面を示す説明図である。
第２混合流路３は、本体部７の中心近傍から放射状に伸びる放射状流路３ａと、放射状流路３ａと連続して軸流方向に伸びる直線状流路３ｂとから成る。第２空気口から放射状流路３ａに流入した空気は第２燃料噴射孔４１から噴射された燃料と混合し本体部７の中心近傍において他の流路からの混合気と衝突しながら混合し合い第２混合気となって、直線状流路３ｂに沿って流れ混合室７１に流入し、第１混合気と混合する。

また、第１燃料分配流路２は、隣接する第２混合流路の間に配設されている。このように配設することにより、第２混合流路３の肉厚部に蓄熱する顕熱と燃料との間で熱交換が行われ、その結果、その顕熱が奪われ、その肉厚部が冷却され、ひいては本体部７の温度上昇が好適に抑制されることとなる。また、その熱交換の過程で、液体燃料であれば一部は気化し、空気との混合が促進され易い形態となっている。

また、第２燃料噴射孔４１は、第１空気口１１の近傍に設けることが好ましい。このようにすることにより、いわゆる燃料と空気の混合距離を長く確保することができ、混合気（第２混合気）の均質性が向上するようになる。

本発明の混合気形成噴射器１００によれば、予め燃料と空気が混合された混合気が、交差しながら、混合距離が十分確保された混合室において更に混合し合う構成となっているため、均質性の高い混合気が好適に生成されることになる。従って、その混合気が燃焼に供されると、燃焼室において広い当量比の範囲において安定した燃焼領域が好適に形成され、排ガス中のＮＯxの生成が好適に抑制される。また、混合気は、中心軸近傍では第２混合流路３から流出する第２混合気の流れが支配的になり、一方、周辺部では第１混合流路１から流出する第１混合気の流れが支配的となって燃焼に供されるため、混合気流の中心軸近傍が負圧となることはなく、その結果、燃焼室から混合気へ火炎が遡る逆火が起こりにくくなり、耐逆火性を有するようになる。それに加えて、混合気は周辺部において旋回流を維持した状態で噴射されるため、噴射口８１から流出後直ちに旋回しながら拡散し、結果、既燃焼ガスとの混合が好適に促進されることとなる。
また、内部に燃料を貯蔵する燃料室５を有し且つ第１燃料分配流路２が第１混合流路１の間および第２混合流路の間を軸方向に延伸しながら周方向にわたり均等に配設され且つ第２燃料分配流路４が第２混合流路３に交差して均等に配設されているため、燃料が内部を好適に冷却し燃焼に伴う内部の温度上昇を好適に抑制するようになる。特に、第１燃料分配流路２および第２燃料分配流路４は、本体部７の外周面近傍に配設されているため、火炎および燃焼ガスからの伝熱に対し好適に熱抵抗となる。その結果、従来の噴射器に比べ熱応力による疲労が起こりにくく耐久性が大幅に向上するようになる。

本発明の混合気形成噴射器は、ガスタービン燃焼器、特にガス燃料仕様のガスタービン燃焼器で、低ＮＯx排出が要求されるガスタービン燃焼器に対し好適に適用することが出来る。

本発明の混合気形成噴射器１００を示す部分断面説明図である。 図１のＡ−Ａ’断面を示す説明図である。 図１のＢ−Ｂ’断面を示す説明図である。

符号の説明

１ 第１混合流路
１１ 第１空気口
２ 第１燃料分配流路
２１ 第１燃料噴射孔
３ 第２混合流路
３ａ 放射状流路
３ｂ 直線状流路
３１ 第２空気口
４ 第２燃料分配流路
４１ 第２燃料噴射孔
５ 燃料室
６ 燃料供給管
７ 本体部
７１ 混合室
８ 頭部
８１ 噴射口
１００ 混合気形成噴射器

Claims (5)

1. 燃料と空気が予め混合された混合気を既燃焼ガスに噴射する混合気形成噴射器であって、空気が渦巻き状に旋回しながら燃料と混合するように渦巻き状に形成された複数の流路を有する第１混合流路と、空気が求心して燃料と混合しながら他の混合気と衝突して軸方向に流れるように放射状流路と直線状流路とが組み合わされた第２混合流路とを具備し、前記第１混合流路から流出する第１混合気と前記第２混合流路から流出する第２混合気は互いに交差しながら混合するように構成され、均質性の高い混合気を噴射することを特徴とする混合気形成噴射器。
2. 前記第１混合気と前記第２混合気は、前記直線状流路の下流に拡径して形成された混合室において交差しながら混合し、中心軸近傍では軸方向に流れ且つ周辺部近傍では旋回して流れるように構成されている請求項１に記載の混合気形成噴射器。
3. 前記第１混合流路は、空気流に対し交差して燃料を噴射する複数の第１燃料噴射孔を内周面に有し、且つ前記第２混合流路は、同複数の第２燃料噴射孔を内周面に有している請求項１又は２に記載の混合気形成噴射器。
4. 前記第１燃料噴射孔は前記第１混合流路の上流近傍に配設され、且つ前記第２燃料噴射孔は前記第２混合流路の上流近傍に配設されている請求項３に記載の混合気形成噴射器。
5. 燃料を貯蔵する燃料室を具備し、該燃料室から前記第１燃料噴射孔へ燃料を供給する第１燃料分配流路は直線状に延伸し前記第１混合流路の間および前記第２混合流路の間に周方向にわたり均等に配設され且つ、同前記第２燃料噴射孔へ燃料を供給する第２燃料分配流路は前記放射状流路に交差して周方向にわたり均等に配設されている請求項１から４の何れかに記載の混合気形成噴射器。

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