JP6602004B2 - 燃料噴射器及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射器及びガスタービンに関する。

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、あらかじめ燃料と圧縮空気を十分に混合（完全予混合）し、その混合気を燃料噴射器から噴射して燃焼させる方法がある。この方法によれば、速やかに燃焼が行われるため、燃焼温度の上昇を抑えることができ、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、燃料噴射器内で燃料と圧縮空気を多量に予混合すると、燃焼室の火炎が燃料噴射器に伝播する「逆火」が発生し、燃料噴射器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って、ＮＯｘの発生量を抑えることができ、かつ、逆火の発生を抑えることができる燃料噴射器を提供することを目的としている。

本発明に係る燃料噴射器は、燃焼室に開口する円筒流路と、前記円筒流路の燃焼室側に燃料を導く燃料導入路と、前記円筒流路に燃料が導入される位置よりも上流側において前記円筒流路に圧縮空気を導く空気導入路と、を備え、前記燃料導入路は、横断面視において前記円筒流路の接線方向から燃料を導く。

かかる構成によれば、燃料が円筒流路の内周面に沿って旋回しながら燃焼室に噴射され、燃焼室内でシート状（螺旋帯状）に形成される。このとき、一連の燃料の表面積は広く、表面から中央までの距離は短くなるため、燃焼反応時間を短くし、ＮＯｘの発生量を抑えることができる。また、円筒流路から燃焼室に向けて圧縮空気が流れるため、円筒流路の出口付近での燃焼ガスの滞留が抑制され、安定燃焼が可能である。さらに、燃料と空気が燃料噴射器内で多量に予混合されないため逆火を抑えることができる。

また、上記の燃料噴射器において、前記空気導入路は、前記円筒流路内において圧縮空気を燃料の旋回方向と同じ方向に旋回させるように構成されていてもよい。かかる構成によれば、旋回する圧縮空気により燃料の旋回が一層促され、より確実に燃料をシート状に形成することができる。

また、上記の燃料噴射器において、前記各燃料導入路は、前記各円筒流路の中心軸に垂直な方向に対して前記燃焼室側に傾斜した方向に向かって燃料を導くようにしてもよい。かかる構成によれば、円筒流路の出口付近に水素が滞留し難く、水素ガス等の反応性の高いガスを用いた場合であっても逆火リスクを低減できる。

また、本発明の他の形態に係る燃料噴射器は、燃焼室に開口する複数の円筒流路と、前記複数の円筒流路の夫々の燃焼室側に燃料を導く複数の燃料導入路と、前記複数の円筒流路の燃料が導入される位置よりも上流側において前記複数の円筒流路の夫々に圧縮空気を導く複数の空気導入路と、を備え、前記各燃料導入路は、横断面視において前記円筒流路の接線方向から燃料を導くものである。

本発明に係るガスタービンは、上記のうちいずれかの燃料噴射器を備えている。

以上のとおり、上記の燃料噴射器によれば、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。

図１は、ガスタービン全体の概略構成図である。 図２は、燃焼器の概略構成図である。 図３は、追焚き用燃料噴射器の斜視図である。 図４は、追焚き用燃料噴射器の縦断面図である。 図５は、図４のＡ−Ａ矢視断面図であって、第１燃料導入路を示した図である。 図６は、図４のＡ−Ａ矢視断面図であって、第２燃料導入路を示した図である。 図７は、図４のＡ−Ａ矢視断面図であって、第３燃料導入路を示した図である。 図８は、図４のＢ−Ｂ矢視断面図である。 図９は、図４のＣ−Ｃ矢視断面図である。 図１０は、燃料導入路と空気導入路の位置関係を示す図である。

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、燃料１０３として反応性の高い水素ガスの使用を想定しているが、燃料１０３は天然ガスや液化水素などであってもよい。燃焼器１１内では、燃料１０３と圧縮空気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の概略断面図である。本実施形態に係る燃焼器１１は、圧縮空気１０２と燃焼ガス１０４が逆方向に流れる逆流缶型であって、ハウジング２０と、燃焼筒２１と、メイン燃料噴射器２２と、追焚き用燃料噴射器２３と、を備えている。なお、燃焼器１１は、逆流缶型以外の構造を採用してもよい。

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。燃焼室２６では、燃料１０３と圧縮空気１０２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。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から供給された圧縮空気１０２は、この空気流路２７を通り、メイン燃料噴射器２２に向かって（紙面左側に向かって）流れる。

メイン燃料噴射器２２は、ハウジング２０のエンドカバー２５に取り付けられており、空気流路２７を軸方向に貫通するように設けられている。メイン燃料噴射器２２は、空気流路２７を通った圧縮空気１０２を取り込むことができるように構成されている。そして、燃料供給装置１２から供給された燃料１０３と取り込んだ圧縮空気１０２を同時に燃焼室２６に噴射する。図２では、メイン燃料噴射器２２を１つのみ図示しているが、メイン燃料噴射器２２は複数設けられていてもよい。また、メイン燃料噴射器２２とは別に、少量の燃料を噴射するパイロット燃料噴射器を設けてもよい。

追焚き用燃料噴射器２３は、ハウジング２０の外管部材２４に取り付けられており、空気流路２７を半径方向に貫通するように設けられている。追焚き用燃料噴射器２３は、空気流路２７を通る圧縮空気１０２の一部を取り込むことができるように構成されている。そして、燃料供給装置１２から供給された燃料とともに取り込んだ圧縮空気１０２を同時に燃焼室２６に噴射する。なお、本実施形態では、追焚き用燃料噴射器２３は、燃焼器１１の周方向に等間隔（例えば、９０度おき）で複数配置されている。

＜燃料噴射器の構成＞
次に、追焚き用燃料噴射器２３の構成について詳しく説明する。本実施形態に係る追焚き用燃料噴射器２３は、燃料１０３をシート状に形成して噴射する方式（以下、「シート噴射方式」と称する）の燃料噴射器である。以下では、追焚き用燃料噴射器２３がシート噴射方式である場合について説明するが、メイン燃料噴射器２２及び追焚き用燃料噴射器２３の両方がシート噴射方式であってもよく、メイン燃料噴射器２２のみがシート噴射方式であってもよい。

図３は、追焚き用燃料噴射器２３の斜視図であり、図４は追焚き用燃料噴射器２３の縦断面図である。図３に示すように、追焚き用燃料噴射器２３は、基端側（図３の紙面右上側）に位置する第１円柱部３０と、先端側（図３の紙面左下側）に位置し第１円柱部３０よりも径の大きい第２円柱部３１と、によって構成されている。

図４に示すように、追焚き用燃料噴射器２３は、追焚き用燃料噴射器２３の軸方向に延びる複数の円筒流路３２と、燃料流路３３と、複数の燃料導入路３４と、複数の空気導入路３５と、を備えている。

円筒流路３２は、燃料１０３と圧縮空気１０２を旋回させながら燃焼室２６に導入する流路である。円筒流路３２は、燃焼室２６に開口している。図３に示すように、複数の円筒流路３２のうち、６本の内側円筒流路３２Ａが追焚き用燃料噴射器２３の中心軸周りに周方向に整列して配置されており、１２本の外側円筒流路３２Ｂが内側円筒流路３２Ａの外側で、中心軸周りに周方向に整列して配置されている。

また、図４に示すように、内側円筒流路３２Ａは、第１円柱部３０から第２円柱部３１にわたって形成されている一方、外側円筒流路３２Ｂは、第２円柱部３１にのみ形成されている。なお、本実施形態では、各円筒流路３２は互いに平行になるよう形成されているが、各円筒流路３２は必ずしも互いに平行に形成しなくてもよい。例えば、内側円筒流路３２Ａのみ軸方向に延びるように形成し、外側円筒流路３２Ｂについては軸方向に対して傾斜して半径方向外側に延びるように形成してもよい。

燃料流路３３は、燃料供給装置１２（図１参照）から供給された燃料１０３を複数の燃料導入路３４に分岐して供給するための流路である。図４で示すように、燃料流路３３は、追焚き用燃料噴射器２３の中心軸上に位置しており、軸方向に延びている。図４に示すように、燃料流路３３の内周面には、異なる３つの軸方向位置において、それぞれ６つの燃料排出口３６が周方向に等間隔に形成されている。これらの各燃料排出口３６には、それぞれ燃料導入路３４が接続されている。そのため、燃料流路３３内の燃料１０３は、燃料排出口３６を介して燃料導入路３４へ流れる。なお、本実施形態では、燃料流路３３が１本のみ形成されているが、燃料流路３３が複数本形成されていてもよい。

燃料導入路３４は、各円筒流路３２に燃料１０３を導く流路である。以下では、燃料導入路３４のうち、燃焼室２６から遠い燃料排出口３６に接続されたものから順に、「第１燃料導入路３４Ａ」、「第２燃料導入路３４Ｂ」、「第３燃料導入路３４Ｃ」と呼ぶこととする。図５〜図７は、図４のＡ−Ａ矢視断面図であって、それぞれ第１燃料導入路３４Ａ、第２燃料導入路３４Ｂ、第３燃料導入路３４Ｃを図示している。

図５に示すように、第１燃料導入路３４Ａは、燃料流路３３から１２本ある外側円筒流路３２Ｂのうちの６本の外側円筒流路３２Ｂに向かって延びている。そして、第１燃料導入路３４Ａの下流端部分は、断面視において円筒流路３２の接線方向に延びるようにして外側円筒流路３２Ｂに接続されている。なお、第１燃料導入路３４Ａの下流端部分は、追焚き用燃料噴射器２３の半径方向に対してほぼ平行に延びている。

図６に示すように、第２燃料導入路３４Ｂは、燃料流路３３から１２本ある外側円筒流路３２Ｂのうち、第１燃料導入路３４Ａが接続されていない残りの６本の外側円筒流路３２Ｂに向かって延びている。本実施形態では、第１燃料導入路３４Ａが接続される外側円筒流路３２Ｂと、第２燃料導入路３４Ｂが接続される外側円筒流路３２Ｂは、追焚き用燃料噴射器２３の周方向において交互に配置されている。また、第２燃料導入路３４Ｂの下流端部分は、断面視において外側円筒流路３２Ｂの接線方向に延びるようにして外側円筒流路３２Ｂに接続されている。ただし、第２燃料導入路３４Ｂの下流端部分は、第１燃料導入路３４Ａの下流端部とは異なり、追焚き用燃料噴射器２３の半径方向に対して傾斜する方向に延びている。

図７に示すように、第３燃料導入路３４Ｃは、燃料流路３３から６本の内側円筒流路３２Ａに向かって延びている。そして、第３燃料導入路３４Ｃの下流端部分は、断面視において外側円筒流路３２Ｂの接線方向に延びるようにして内側円筒流路３２Ａに接続されている。また、第１燃料導入路３４Ａ、第２燃料導入路３４Ｂ、及び第３燃料導入路３４Ｃの下流部分（燃料導入口４０）は、円筒流路３２の燃焼室２６側に位置している。ここでいう「円筒流路３２の燃焼室２６側」とは、円筒流路３２を軸方向に３等分した領域のうちの最も燃焼室２６寄りの領域であっても良く、円筒流路３２を軸方向に２等分した領域のうちの最も燃焼室２６寄りの領域であっても良い。

以上のとおり、各燃料導入路３４の下流端部分は、いずれも断面視において円筒流路３２の接線方向に延びるようにして円筒流路３２に接続されている。そのため、円筒流路３２の中心軸に垂直な断面視（横断面視）において、円筒流路３２の接線方向から円筒流路３２に燃料１０３が導かれることになる。これにより、円筒流路３２に導入された燃料１０３は、円筒流路３２の内周面に沿って旋回（図５〜図７では時計回りに旋回）した後、燃焼室２６に噴射されることになる。このように、燃料１０３が円筒流路３２の内周面に沿って旋回することにより、燃料１０３はシート状に形成される。

また、図４に示すように、第１燃料導入路３４Ａは、軸方向に延びる第１縦流路部３７を有しており、第２燃料導入路３４Ｂは、第１縦流路部３７よりも短く、軸方向に延びる第２縦流路部３８を有している。これに対し、第３燃料導入路３４Ｃは、軸方向に延びる流路部を有していない。各燃料導入路３４をこのように構成することにより、全ての円筒流路３２において、燃料１０３が導入される燃料導入口４０が円筒流路３２の出口からほぼ同じ距離となるように構成されている。

空気導入路３５は、各円筒流路３２に圧縮空気１０２を導く流路である。図３に示すように、第１円柱部３０には内側円筒流路３２Ａ用の空気取入口４１Ａが形成されており、第２円柱部３１Ａ、Ｂには外側円筒流路３２Ｂ用の空気取入口４１Ｂが形成されている。いずれの空気取入口４１Ａ、４１Ｂも軸方向に延びてスリット状に形成されている。図４に示すように、空気導入路３５は、第１円柱部３０に形成された空気取入口４１Ａと内側円筒流路３２Ａとをつなぐとともに、第２円柱部３１に形成された空気取入口４１Ｂと外側円筒流路３２Ｂとをつないでいる。これにより、追焚き用燃料噴射器２３の外部の圧縮空気１０２を各円筒流路３２に導入することができる。

なお、図４に示すように、空気導入路３５は、燃料導入路３４（燃料導入口４０）よりも上流側に位置している。これにより、円筒流路３２において、圧縮空気１０２は燃料１０３よりも上流側に導かれる。そのため、燃料１０３は圧縮空気１０２とともに、圧縮空気１０２に押し出されるようにして燃焼室２６へ噴射される。

図８は図４のＢ−Ｂの矢視断面図であり、図９は図４のＣ−Ｃ矢視断面図である。図８及び図９に示すように、空気導入路３５は、いずれも断面視において円筒流路３２の接線方向に延びるようにして円筒流路３２に接続されている。そのため、空気導入路３５は、円筒流路３２の中心軸に垂直な断面視（横断面視）において、円筒流路３２の接線方向から円筒流路３２に圧縮空気１０２を導くことができる。これにより、円筒流路３２に導入された圧縮空気１０２は、円筒流路３２の内周面に沿って旋回（図８及び図９では時計回りに旋回）しながら燃焼室２６に噴射されることになる。

ここで、図１０は、燃焼室２６側から見た燃料導入路３４と空気導入路３５の位置関係を示す図である。図１０では、燃料導入路３４が円筒流路３２の紙面右側に接続されており、空気導入路３５が円筒流路３２の紙面下側に接続されている。そして、燃料１０３は紙面下方から円筒流路３２の紙面右側に導入され、円筒流路３２の内周面に沿って反時計回りに旋回する。一方、圧縮空気１０２は紙面左方から円筒流路３２の紙面下側に導入され、円筒流路３２の内周面に沿って反時計回りに旋回する。このように、本実施形態では、圧縮空気１０２を燃料１０３の旋回方向と同じ方向に旋回する。そのため、例えば圧縮空気１０２が軸方向に直線的に流れる場合に比べ、本実施形態では燃料１０３がより旋回しやすくなり、ひいては燃料１０３がシート状により形成されやすくなる。

なお、各空気導入路３５は、各円筒流路３２の中心軸に対して垂直な方向に延びている。燃料１０３の場合とは異なり、旋回した圧縮空気１０２と導入された圧縮空気１０２が干渉したとしても、燃料１０３をシート状に形成することへの影響は少ない。

以上が本実施形態の説明である。以上のとおり、本実施形態では、燃料１０３がシート状に形成されるため、燃料１０３の表面と燃料１０３の中心までの距離が短く、燃料１０３の燃焼反応時間が短い。その結果、ＮＯｘの発生を抑えることができる。

また、以上では、空気導入部３５は、横断面視において円筒流路３２の接線方向に延びるようにして円筒流路３２に接続されることで、円筒流路３２内において圧縮空気１０２を燃料１０３の旋回方向と同じ方向に旋回させるように構成されているが、空気導入部３５はこのような構成に限定されない。例えば、空気導入部３５は、円筒流路３２の外周に位置するスワラー（旋回案内翼；swirler）を有し、これにより円筒流路３２内において圧縮空気１０２を燃料１０３の旋回方向と同じ方向に旋回させるように構成されていてもよい。

また、以上では、燃料噴射器２３が、複数の円筒流路３２、複数の燃料導入路３４、及び複数の空気導入路３５を備えている場合について説明したが、燃料噴射器２３はこれらの構成要素を複数備えていなくてもよい。例えば、燃料噴射器２３が１つの円筒流路３２、１つの燃料導入路３４、及び１つの空気導入路３５を備える構成であってもよい。

また、以上では、円筒流路３２、燃料流路３３、及び燃料導入路３４が、第１円筒部３０及び第２円筒部３１に形成されている場合について説明したが、各流路３２〜３４は必ずしも同一の部材に形成されていなくてもよい。例えば、各流路３２〜３４は、それぞれ独立した管部材によって形成されており、これらを連結して燃料噴射器２３を構成してもよい。

また、以上では、燃料噴射器２３をガスタービン１００に用いる場合について説明したが、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。

本発明に係る燃料噴射器によれば、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、燃料噴射器の技術分野において有益である。

２２ メイン燃料噴射器
２３ 追焚き用燃料噴射器
２６ 燃焼室
３２ 円筒流路
３２Ａ 内側円筒流路
３２Ｂ 外側円筒流路
３４ 燃料導入路
３４Ａ 第１燃料導入路
３４Ｂ 第２燃料導入路
３４Ｃ 第２燃料導入路
３５ 空気導入路
４０ 燃料導入口
１００ ガスタービン
１０２ 圧縮空気
１０３ 燃料

Claims (4)

1. 燃料を噴射する燃料噴射器であって、
   当該燃料噴射器の中心軸周りに周方向に整列して配置され、燃焼室に開口する複数の円筒流路と、
   前記複数の円筒流路の夫々の燃焼室側に燃料を導く複数の燃料導入路と、
   当該燃料噴射器の中心軸上に位置し、燃料を前記複数の燃料導入路に分岐して供給する燃料流路と、
   前記複数の円筒流路の燃料が導入される位置よりも上流側において前記複数の円筒流路の夫々に圧縮空気を導く複数の空気導入路と、を備え、
   前記各燃料導入路は、前記燃料流路と前記各円筒流路の間に位置し、横断面視において前記燃料流路から径方向外方に延びて前記燃料流路と前記各円筒流路を個別につなぎ、横断面視において前記円筒流路の接線方向から燃料を導く、燃料噴射器。
2. 前記各空気導入路は、前記各円筒流路内において圧縮空気を燃料の旋回方向と同じ方向に旋回させるように構成されている、請求項１に記載の燃料噴射器。
3. 前記各燃料導入路は、前記各円筒流路の中心軸に垂直な方向に対して前記燃焼室側に傾斜した方向に向かって燃料を導く、請求項１又は２に記載の燃料噴射器。
4. 前記請求項１乃至３のうちいずれか一の項に記載の燃料噴射器を備えたガスタービン。
   

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