JP6440433B2 - 燃料噴射ノズル、燃料噴射モジュール、及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射ノズルに関する。

環境保護の観点から、ガスタービンから排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減が望まれている。ＮＯｘの排出量を低減する方法の一つとして、予め燃料と空気を混合して混合気を生成し、その混合気を燃料噴射ノズルから噴射して燃焼させる方法（予混合燃焼方式）がある。この方法によれば、混合気における燃料の割合が極力低くなるように制御することで、燃焼室内で低くかつ均一な温度分布が得られ、燃焼温度の上昇を抑えることができる。その結果、燃焼温度の上昇に起因するＮＯｘ（サーマルＮＯｘ）の発生を抑えることができる（特許文献１参照）。

特開２０１０−２１６６６８号公報

ただし、燃料噴射ノズル内で燃料に圧縮空気を予め多量に混合すると、燃焼室の火炎が燃料噴射ノズルに伝播する「逆火」が発生し、燃料噴射ノズルが焼損するおそれがある。特に、燃料として水素ガスなどの反応性が高いものを使用する場合には、逆火が発生しやすい。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスと空気とを予め混合して燃焼室内に噴射する燃料噴射ノズルであって、逆火への耐性が高い燃料噴射ノズルを提供することを目的としている。

本発明のある形態に係る燃料噴射ノズルは、燃料と空気を混合して混合気を生成する予混合流路と、前記予混合流路の下流に位置し、前記混合気を燃焼室に噴射する噴射口と、を備え、前記噴射口は、スリット状であって、その幅が消炎距離の２倍よりも小さくなるように形成されている。かかる構成によれば、予混合燃焼方式を採用することでＮＯｘの発生量を低減することができ、また、噴射口の幅が消炎距離の２倍よりも小さいことから、火炎が噴射口を越えて燃料噴射ノズル内に伝播することはなく、逆火が発生し難い。

また、上記の燃料噴射ノズルにおいて、前記予混合流路は、下流側ほど流路断面積が小さくなるように形成されていてもよい。かかる構成によれば、予混合流路の下流端部に位置する噴射口の流路断面積を小さくすることができるため、燃料噴射ノズルにおける燃料の噴射速度を向上させて、逆火を一層発生し難くすることができる。また、流路断面積が小さくなることで、予混合流路内の予混合が促進される。これにより、混合気における燃料の割合のばらつきが抑えられ、より均一な燃焼を行うことができる。

また、上記の燃料噴射ノズルにおいて、前記予混合流路は、前記燃料と空気を混合し、前記燃料の割合が第１燃料割合となる混合気を生成する第１混合部と、前記第１混合部で生成した混合気と空気を混合し、前記燃料の割合が前記第１燃料割合よりも小さい第２燃料割合となる混合気を生成する第２混合部と、を有するようにしてもよい。かかる構成によれば、第１燃料割合を一定以上高くすることにより、第１混合部に火炎が伝播しにくくなる。そのため、逆火が発生しても、その影響を抑えることができる。

また、上記の燃料噴射ノズルにおいて、前記第１燃料割合は、可燃範囲の上限値よりも１５vol％低い値以上であってもよい。かかる構成によれば、逆火の影響を実質的に抑えることができる。

また、上記の燃料噴射ノズルにおいて、前記予混合流路は、前記第１混合部と前記第２混合部の境界部分に位置し、直径が前記消炎距離の２倍よりも小さい貫通孔が形成された防炎プレートを有していてもよい。かかる構成によれば、火炎が燃料噴射ノズル内に伝播したとしても、火炎が防炎プレートを越えて第１混合部に至ることはなく、逆火による影響を抑えることができる。

本発明のある形態に係る燃料噴射モジュールは、上記のうちいずれかの燃料噴射ノズルを複数備えるとともに、前記複数の燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給部を備え、前記燃料供給部は下流側で分岐して前記燃料噴射ノズルの夫々に燃料を供給するように構成されている。かかる構成によれば、燃料が多点で噴射されることによって、各燃料噴射位置における火炎が小さくなり、その結果、より逆火が発生するリスクを低減できるとともに燃焼を安定させることができる。

本発明のある形態に係るガスタービンは、上記のうちいずれかの燃料噴射ノズル又は上記の燃料噴射モジュールを備える。

以上のとおり、上記の燃料噴射ノズルによれば、燃料噴射ノズル内で燃料と空気とを多量に予混合して燃焼室に噴射しても逆火の発生を抑えることができる。

図１は、ガスタービンの概略構成図である。 図２は、燃焼器の端部を拡大した断面図である。 図３は、図２に示すIII−III矢視断面図である。 図４は、燃料噴射ノズルの断面図である。 図５は、燃料噴射ノズルの正面図である。 図６は、混合気の燃料割合と燃焼速度の関係を示した図である。 図７は、変形例に係る燃料噴射ノズルの断面図である。 図８は、燃料噴射器による混合気の噴射方法を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

＜ガスタービンの構成＞
まず、ガスタービン１００の全体構成について説明する。図１は、ガスタービン１００の概略構成図である。本実施形態に係るガスタービン１００は、発電機１０１を駆動する発電用のガスタービンである。ガスタービン１００は、圧縮器１０と、燃焼器１１と、燃料供給装置１２と、タービン１３とを備えている。

燃焼器１１には、圧縮器１０から圧縮された空気１０２が供給されるとともに、燃料供給装置１２からは燃料１０３が供給される。本実施形態では、水素ガスを含有する反応性（燃焼速度）の高い燃料１０３を使用する。この水素ガス含有の燃料１０３には、石油精製工場や石油化学工場で発生する水素ガス含有の副生ガスなどの他、純粋な水素ガスも含まれる。燃焼器１１内では、燃料１０３と空気１０２が燃焼し、これによって生じた高温高圧の燃焼ガス１０４がタービン１３へ供給される。タービン１３は燃焼ガス１０４のエネルギによって回転し、圧縮器１０を介して発電機１０１を駆動する。

＜燃焼器の構成＞
次に、燃焼器１１についてさらに説明する。図２は燃焼器１１の端部を拡大した断面図である。図２に示すように、燃焼器１１は、ハウジング２０と、燃焼筒２１と、燃料噴射器２２と、を備えている。

ハウジング２０は、燃焼器１１の外郭を形成する部材である。ハウジング２０は、円筒状の外管部材２４と、外管部材２４の一方側（紙面左側）の端部に設けられた円盤状のエンドカバー２５を有している。

燃焼筒２１はハウジング２０の内部に収容されており、燃焼筒２１の内部には燃焼室２６が形成されている。燃料噴射器２２は、燃料筒２１の端部に位置している。燃焼筒２１とハウジング２０の間には、環状の空気流路２７が形成されており、圧縮器１０から供給された空気１０２は、この空気流路２７を通り、燃料噴射器２２に向かって（紙面左側に向かって）流れる。尚、本実施形態の燃焼器１１は、空気１０２と燃焼ガス１０４が逆方向に流れる逆流缶型であるが、逆流缶型以外の構造を採用してもよい。

燃料噴射器２２は、空気流路２７を通った空気１０２と、燃料供給部２８を介して燃料供給装置１２から供給された燃料１０３とを取り込むことができるよう構成されている。そして、燃焼噴射器２２は、取り込んだ空気１０２と燃料１０３とを混合して混合気を生成し、その混合気を燃焼室２６に噴射する。燃焼室２６では、混合気が燃焼して燃焼ガス１０４が生成される。生成された燃焼ガス１０４は、紙面右側に向かって流れ、タービン１３（図１参照）に供給される。本実施形態では、混合気における燃料１０３の割合が極力低くなるように制御しており、これにより燃焼室２６内で低くかつ均一な温度分布が得られる。その結果、燃焼温度が抑えられ、ＮＯｘの発生量を低減することができる。

図３は、図２におけるIII−III矢視断面図である。図３に示すように、燃料噴射器２２は、複数の燃料噴射モジュール３０を備えている。各燃料噴射モジュール３０は、正面視において（燃焼室２６から見て）六角形の形状を有しており、それぞれ７つの燃料噴射ノズル３１を有している。本実施形態の燃料噴射器２２では、中央に１つの燃料噴射モジュール３０が配置されており、その周りに６つの燃料噴射モジュール３０が配置されており、さらにその周りに１２の燃料噴射モジュール３０が配置されている。また、図２に示すように、各燃料噴射モジュール３０は燃料供給部２８と複数の燃料噴射ノズル３１を有している。燃料供給部２８は下流側で分岐し、燃料噴射モジュール３０の各燃料噴射ノズル３１に個別に連結されている。この構成により、燃料供給装置１２から供給された燃料１０３は燃料噴射モジュール３０ごとに分配され、各燃料噴射モジュール３０において燃料供給部２８から各燃料噴射ノズル３１に燃料が供給される。

＜燃料噴射ノズルの構成＞
次に、燃料噴射モジュール３０を構成する燃料噴射ノズル３１について詳しく説明する。図４は燃料噴射ノズル３１の断面図である。また、図５は、燃料噴射ノズル３１の正面図（燃焼室２６から見た図）である。図４及び図５に示すように、燃料噴射ノズル３１は、外側部材５１と、内側部材５２と、中間部材５３と、を備えている。

外側部材５１は、燃料噴射ノズル３１のうち半径方向外側の部分にあたる部材であり、円筒状に形成されている。外側部材５１は、上流側部分では同じ内径を維持し、上流側部分から軸方向中央付近に向かって徐々に内径が小さくなり、さらに軸方向中央付近から下流側端部に向かって徐々に内径が大きくなるように形成されている。

内側部材５２は、外側部材５１との間に隙間が生じるように、外側部材５１の内部に配置されている。内側部材５２は、外側部材５１と軸方向寸法が同じであり、また、上流側部分を除き略中実筒状の形状を有している。内側部材５２は、上流側部分では同じ外径を維持し、上流側部分から軸方向中央付近に向かって徐々に外径が小さくなり、さらに軸方向中央付近から下流側端部に向かって徐々に外径が大きくなるように形成されている。また、内側部材５２の上流側部分は円筒状に形成されており、内部に燃料取入部５４が形成されている。

中間部材５３は、円筒状の形状を有しており、外側部材５１と内側部材５２との間に形成された隙間のうち、外側部材５１及び内側部材５２の軸方向中央付近よりも下流側の部分に配置されている。中間部材５３は、厚みが一定であり、上流側部分は同じ外径を維持し、軸方向中央付近から下流側端部に向かって徐々に外径が小さくなるように形成されている。

内側部材５２と中間部材５３の間には環状の第１混合部３５が形成されており、外側部材５１と内側部材５２の間であって軸方向中央付近よりも下流側の部分では環状の第２混合部３６が形成されている。なお、第２混合部３６は、下流ほど流路断面が小さくなるように形成されている。この第１混合部３５と第２混合部３６とによって予混合流路３４が構成されている。また、外側部材５１と内側部材５２の間の下流側端部には環状の噴射口３３が形成されている。さらに、外側部材５１と中間部材５３の間には環状の空気供給流路４１が形成されている。上記の各流路等についての詳しい説明は以下のとおりである。

噴射口３３は、予混合流路３４の下流に位置し、混合気を燃焼室２６に噴射する部分である。図５に示すように、噴射口３３は、円環状に形成されているとともに、スリット状に形成されている。そして、噴射口３３は、その幅（スリットが延びる方向に対して垂直な方向の寸法）が消炎距離以上であって消炎距離の２倍より小さくなるように形成されている。この「消炎距離」とは、火炎が金属部品に近づくことができる最小距離をいう。火炎が消炎距離よりも金属部品に近づくと、金属部品に熱が奪われて燃焼が維持できなくなって消炎する。

消炎距離には、平板消炎距離と円環消炎距離が含まれる。「平板消炎距離」とは２枚の平板間での消炎距離をいい、「円管消炎距離」とは円管内での消炎距離をいう。平板消炎距離は、およそ円管消炎距離の０.７倍に等しい。消炎距離は、燃料の成分、周囲の圧力、及び周囲の温度を含む使用条件の他、燃料吹き出し口の幾何学的な形状によっても異なる。なお、常温・大気圧下の水素の平板消炎距離は０.６ｍｍ程度と言われている。そのため、水素ガスを燃料１０３として使用する場合には、上記の例でいうと、噴射口３３はその幅が０.６ｍｍ以上であって１.２ｍｍより小さくなるように形成される。

本実施形態の燃料噴射ノズル３１は金属製であり、上記のとおり、噴射口３３の幅が消炎距離の２倍より小さい。そのため、噴射口３３に侵入しようとする火炎は、噴射口３３を挟んで対向する金属製の両部分の少なくとも一方との距離が消炎距離よりも小さくなる。その結果、噴射口３３に侵入しようとする火炎は消炎し、燃料噴射ノズル３１内に火炎が伝播することはなく、逆火が発生することはない。

なお、噴射口３３の幅を小さくすると、混合気の流路断面積が小さくなることから混合気の噴射速度が上昇する。この噴射速度の上昇も、逆火の防止に有効である。これに対し、本実施形態のように水素ガス含有の燃料１０３を使用する場合には、燃料１０３の燃焼速度が天然ガスの場合よりも大きいことから、混合気の噴射速度が大きくとも火炎が遠くにまで及びにくく、燃焼が不安定になりにくい。

また、本実施形態の噴射口３３は円環状に形成されているが、スリット状であれば他の形状であってもよい。例えば、噴射口３３は、直線を交差させたような形状であってもよく、複数の直線を平行に並べたような形状であってもよく、円と直線を合わせたような形状であってもよい。なお、噴射口３３は多数の貫通孔によって形成してもよいが、貫通孔を連続させたに等しいスリット状に形成した方が、噴射口３３の面積（すなわち混合気の流路断面積）が小さくなり過ぎず、安定した燃焼を行うことができる。

続いて、予混合流路３４について説明する。予混合流路３４は、燃料１０３と空気１０２を混合して混合気を生成する流路である。図４に示すように、予混合流路３４は、円筒状に形成されており、第１混合部３５と、第２混合部３６とを有している。本実施形態では、燃料１０３と空気１０２を混合するにあたり、第１混合部３５で１回目の混合を行い、第２混合部３６で２回目の混合を行っている。つまり、本実施形態では、二段階で燃料１０３と空気１０２の混合を行っている。

第１混合部３５は、予混合流路３４の上流部分にあたる。第１混合部３５は、燃料１０３と空気１０２を混合して、燃料割合が比較的高い（燃料リッチな）混合気を生成する。燃料噴射ノズル３１の噴射口３３とは反対側の面（図４の紙面左側の面）には、燃料供給部２８（図２参照）に連結される燃料取入口３７と、この燃料取入口３７を囲む環状の第１空気取入口３８が形成されている。第１混合部３５には、燃料取入口３７から取り入れた燃料１０３が燃料取入部５４及び燃料供給通路４０を介して供給されるとともに、第１空気取入口３８から取り入れた空気１０２も供給される。そして、第１混合部３５に供給された燃料１０３と空気１０２は、第１混合部３５内で混合されながら第２混合部３６に向かって流れる。

第２混合部３６は、予混合流路３４の下流部分にあたる。第２混合部３６は、第１混合部３５で生成された混合気と空気１０２を混合して、燃料割合が比較的低い（燃料リーンな）混合気を生成する。燃料噴射ノズル３１の噴射口３３とは反対側の面には、第１空気取入口３８を囲む環状の第２空気取入口３９が形成されている。第２混合部３６には、第１混合部３５から混合気が供給されるとともに、第２空気取入口３９から取り入れた空気１０２が空気供給通路４１を介して供給される。そして、第２混合部３６に供給された混合気と空気１０２は、第２混合部３６内で混合されながら噴射口３３に向かって流れる。

ここで、図６は、燃料１０３が水素ガスである場合における、混合気の燃料割合（混合気全体に対する燃料の体積割合；vol％）と燃焼速度（cm/s）の関係を示した図である。図６において、横軸が燃料割合であり、縦軸が燃焼速度である。なお、図６は、燃料１０３が水素ガスである場合を示しているが、燃料１０３が水素ガス以外であっても同じような傾向となる。ここで、混合気を燃焼させることができる燃料割合の範囲（一般に「可燃範囲（又は燃焼範囲）」と呼ばれている）が存在し、この可燃範囲は燃料１０３の成分に応じて定まる。燃料１０３が水素ガスである場合には、可燃範囲の下限値は４vol％であり、上限値は７５vol％である。さらに、図６に示すように、燃料１０３が水素ガスである場合には、燃料割合が約４０vol％のときに燃焼速度がピークとなる。

本実施形態では、第１混合部３５で生成される混合気の燃料割合（以下、「第１燃料割合」と称す）は、可燃範囲の上限値よりも高くなるように設定される。燃料１０３が水素ガスであれば、前述のとおり可燃範囲の上限値が７５vol％であるから、第１燃料割合は７５vol％よりも高くなるように設定される。かかる構成によれば、火炎が燃料噴射ノズル３１内に侵入したとしても、その火炎が第１混合部３５に伝播することはなく、確実に逆火を防ぐことができる。ただし、第１燃料割合は、可燃範囲の上限値よりも１５vol％低い値以上に設定しても良い。上記の例でいえば、第１燃料割合は、可燃範囲の上限値である７５vol％よりも１５vol％低い６０vol％以上に設定してもよい。このように設定すれば、実質的に逆火を防ぐことができる。

また、第２混合部３６で生成される混合気の燃料割合（以下、「第２燃料割合」と称す）は、可燃範囲の下限値以上、かつ燃焼速度がピークとなる燃料割合以下となるように設定される。ただし、ＮＯｘの発生量を考慮すると、第２燃料割合の上限値は低い方が望ましい。上記のように、燃料１０３が水素ガスの場合、可燃範囲の下限値は４vol％であり、燃焼速度がピークとなるのは約４０vol%である。そこで、燃料１０３が水素ガスの場合であれば、エンジンの運転状況によっても異なるが、例えば、第２燃料割合を４〜１５vol％に設定する。このように、第２燃料割合、すなわち燃焼室２６に噴射される混合気の燃料割合を低くかつ均一にすることで、燃焼温度が抑えられ、ＮＯｘの発生量を低減することができる。

また、逆火への対策としては、上述したものの他、図７に示すように、第１混合部３５と第２混合部３６の境界部分に防炎プレート４２を設けてもよい。この防炎プレート４２には、多数の貫通孔４３が形成されており、各貫通孔４３は、直径が円管消炎距離以上であって円管消炎距離の２倍以下となるように形成されている。このような防炎プレート４２を設けることにより、混合気は貫通孔４３を通過するものの、火炎は防炎プレート４２を越えて第１混合部３５に伝播することはない。そのため、図４に示す場合に比べてより確実に逆火の影響を低減することができる。

＜燃料の噴射方法＞
次に、燃料噴射器２２による燃料１０３の噴射方法について説明する。本実施形態では、ガスタービン１００の運転状況に応じて、燃料１０３（混合気）を噴射する燃料噴射モジュール３０（燃料噴射ノズル３１）の数を変更している。前述のとおり、本実施形態では、燃料噴射モジュール３０ごとに燃料１０３を供給することができるため、燃料１０３を噴射する燃料噴射モジュール３０の数（燃料噴射ノズル３１の数）を変更することができる。図８は、図３に対応する図であって、破線で描かれている燃料噴射モジュール３０は燃料１０３を噴射しないことを示しており、実線で描かれている燃料噴射モジュール３０は燃料１０３を噴射することを示している。

ガスタービン１００の起動時においては、図８の（ａ）で示すように、１つの燃料噴射モジュール３０から燃料１０３を噴射する。本実施形態では、中央に位置する燃料噴射モジュール３０のみから燃料１０３が噴射されるが、中央以外の部分に位置する燃料噴射モジュール３０のみから燃料１０３を噴射してもよい。例えば、点火栓に最も近い燃料噴射モジュール３０のみから燃料を噴射してもよい。

ガスタービン１００の起動後から、ガスタービン１００が定常回転数に至るまでは、図８の（ｂ）で示すように、中央に位置する燃料噴射モジュール３０とこれを囲む燃料噴射モジュール３０から燃料１０３を噴射する。つまり、燃料噴射器２２の（燃料噴射ノズル３１全体での）燃料噴射量が増えるのに伴って、燃料１０３を噴射する燃料噴射モジュール３０の数を増やす。

ガスタービン１００が定常回転数に至った後においては、ガスタービン１００の負荷に応じて燃料１０３を噴射する燃料噴射モジュール３０の数を変更する。つまり、ガスタービン１００の負荷が大きくなるに従って、図８の（ｃ）、（ｄ）に示す順で、燃料１０３を噴射する燃料噴射モジュール３０の数を増やす。なお、燃料１０３を噴射する燃料噴射モジュール３０の数は、１つずつ増やしてもよく、複数ずつ増やしてもよい。

上記のとおり、本実施形態によれば、燃料噴射ノズル３１全体での燃料噴射量が大きく変化したとしても、その変化に応じて燃料１０３を噴射する燃料噴射ノズル３１の数を変えるため、燃料噴射ノズル３１個々での燃料噴射量は大きく変化しない。そのため、各燃料噴射ノズル３１において、第１混合部３５及び第２混合部３６で生成する混合気の燃料割合を、前述した第１燃料割合及び第２燃料割合に維持することができる。

以上が本実施形態の説明である。なお、以上では、燃料噴射器２２（燃料噴射ノズル３１）が燃焼筒２１の端部に設けられる場合について説明したが、燃料筒２１の他の位置に設けてもよい。例えば、燃料噴射モジュール３０の１つを燃焼筒２１の軸方向中央付近に設け、その燃焼噴射モジュール３０をいわゆる追焚きバーナーとして使用してもよい。

また、以上では、燃料噴射ノズル３１（燃料噴射モジュール３０）が、ガスタービン１００に使用される場合について説明したが、上述した燃料噴射ノズル３１（燃料噴射モジュール３０）はガスタービンに限らすボイラや吸収式冷凍機等に使用してもよい。また、以上では、燃料１０３に水素ガスが含有されている場合について説明したが、上述した燃料噴射ノズル３１は水素ガスが含まれない燃料にも使用することができる。

本発明に係る燃料噴射ノズルによれば、ＮＯｘの発生量を抑え、かつ、逆火の発生を抑えることができる。よって、燃料噴射ノズルの技術分野において有益である。

２６ 燃焼室
３０ 燃料噴射モジュール
３１ 燃料噴射ノズル
３３ 噴射口
３４ 予混合流路
３５ 第１混合部
３６ 第２混合部
４２ 防炎プレート
４３ 貫通孔
１００ ガスタービン
１０２ 空気
１０３ 燃料

Claims (6)

1. 燃料と空気を混合して混合気を生成する予混合流路と、
   前記予混合流路の下流に位置し、前記混合気を燃焼室に噴射する噴射口と、を備え、
   前記噴射口は、スリット状であって、その幅が消炎距離の２倍よりも小さくなるように形成されており、
   前記予混合流路は、
   前記燃料と空気を混合し、前記燃料の割合が第１燃料割合となる混合気を生成する第１混合部と、
   前記第１混合部で生成した混合気と空気を混合し、前記燃料の割合が前記第１燃料割合よりも小さい第２燃料割合となる混合気を生成する第２混合部と、を有する、燃料噴射ノズル。
2. 前記予混合流路は、下流側ほど流路断面積が小さくなるように形成されている、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
3. 前記第１燃料割合は、可燃範囲の上限値よりも１５vol％低い値以上である、請求項１又は２に記載の燃料噴射ノズル。
4. 前記予混合流路は、前記第１混合部と前記第２混合部の境界部分に位置し、直径が前記消炎距離の２倍よりも小さい貫通孔が形成された防炎プレートを有する、請求項１乃至３のうちいずれか一の項に記載の燃料噴射ノズル。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一の項に記載の燃料噴射ノズルを複数備えるとともに、
   前記複数の燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給部を備え、
   前記燃料供給部は下流側で分岐して前記燃料噴射ノズルの夫々に燃料を供給するように構成されている、燃料噴射モジュール。
6. 請求項１乃至４のうちいずれか一の項に記載の燃料噴射ノズル又は請求項５に記載の燃料噴射モジュールを備えるガスタービン。