JPH01163426A - 触媒利用燃焼装置用の多ベンチュリ管燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明はエンジン内において燃焼するための燃料−空気
混合物を作る技術に関する。

［従来の技術］ ガスタービンエンジン技術における現代の方向は、窒素
化合物（ＮＯｘ）および炭化水素化合物の排出量の減少
を達成しようとすることである。

そのような排出量の減少を達成する従来技術は、はとん
ど不可避的に熱力学的効率を低下させるかまたは資本コ
ストをいちじるしく増加させた。

ＮＯｘ化合物はガスタービンエンジンの燃焼装置に通常
具られるように高温の空気中における窒素の反応によっ
て発生する。ＮＯｘの発生は燃焼装置における最高火炎
温度を下げることによって低下することができる。燃焼
装置内に水蒸気を注入することにより、熱力学的効率を
犠牲にして、燃焼装置内の最高火炎温度が下げられる。

これはまた水の使用、水の処理および運転のための経費
が余分にかかる。水蒸気注入量およびその付随的経費は
、所望のＮＯｘ減少量に従って増加する。

国によっては、この解決法が将来の方式に対してあまり
好ましくないと思われるほどの大量の水蒸気を必要とす
ると推測されるＮＯｘ減少量の目標が発表されている。

ＮＯＸ化合物をガスタービンエンジンの排気から除くた
めに、たとえば、アンモニアのような試薬を排気流と混
合して、その混合物を大気に放出する前に触媒に通す方
法がある。触媒は試薬とＮＯｘ化合物との反応を促進し
て無害な成分を作る。この方法は、ＮＯｘ化合物を目標
レベルまで減少させることに成功したが、触媒床、この
触媒床を収容する大きな排気装置および排気流中に試薬
を注入するスプレィ装置を設けるための付加的な経費を
必要とする。運転中に使用される大量の試薬に対する経
費もまた必要である。

最高火炎温度は、触媒によって燃焼を支持する触媒利用
燃焼技術を使用して、水蒸気の注入なしに低下させるこ
とができる。燃料−空気混合物は燃焼装置内の多孔性触
媒に通される。触媒は十分低い温度で完全な燃焼を生じ
させてＮＯｘの発生を防止することができる。たとえば
、米国特許第４．５３４，１６５号および同第４．０４
７．８７７号のようないくつかの米国特許には触媒によ
って燃焼を支持する燃焼装置が開示されている。

炭化水素排出物の減少または除去は、燃焼装置内で燃料
を完全に燃焼させることによって達成することができる
。完全な燃焼には希薄な燃料−空気混合物を必要とする
。燃料−空気混合物を希薄にしていくと、燃焼がもはや
支持されない点に到達する。触媒を用いることにより、
触媒なしの場合よりも一層希薄な燃料−空気混合物を燃
焼させることができる。以上のようにして、触媒利用燃
焼技術により両方の種類の大気汚染が減少する。

上記の米国特許によって完全には解決されなかった従来
の重大な課題は、触媒床の全面にわたって燃料−空気混
合物の均一な流れの場を実現することである。すなわち
、燃料−空気混合物およびガス速度は触媒床の面にわた
って変化し、このため触媒による燃焼が不均一になる。

この結果、燃焼効率が低下し、未燃焼炭化水素が排気さ
れることになる。

たとえば、前記米国特許第４，０４７，８７７号におい
ては、液体燃料および空気が触媒床の上流の室内に注入
される。次いで燃料−空気混合物は触媒床を通るように
流され、そこで燃料と空気を反応させている。この米国
特許において指摘されているように、未燃焼燃料が触媒
から出て行くことがある。この未燃焼液体燃料を燃焼す
るために触媒の下流に気体燃料バーナーが設けられてい
る。

また米国特許第４．５３４．１６５号では触媒床が同心
の複数の区域に分割され、各区域にそれぞれ液体燃料−
空気供給装置が設けられている。

この米国特許には、触媒床および燃料−空気供給装置を
複数の区域に分割する利点が個々の区域に燃料を分配す
る能力により生ずることが示されているが、各燃料−空
気供給装置によって供給される触媒床の小さい区域が、
触媒床の動作区域に到達する空気−燃料混合物の均一性
を改善すると考えられている。

流れの場の均一性をさらに改善する例が、１９７９年１
月９および１０日に開催された「予混合、予蒸発燃焼技
術フォーラム」に関する米国航空宇宙局会議報告（ＮＡ
ＳＡ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｌｏｎ
　）第２０７号中に所載された、ロバート・タシーナ（
Ｒｏｂｅｒｔ　Ｔａｃｌｎａ　）による論文「多ベンチ
ュリ燃料−空気準備方式」に開示されている。この論文
には、触媒床に通ずる空気流路を横切って複数の平行な
ベンチュリ管を設けることが開示されている。蒸発した
液体燃料は各ベンチュリの入口に注入される。ベンチュ
リ管を通って流れるときに、空気および燃料は完全に混
合される。すべてのベンチュリ管からでる混合物はさら
にベンチュリ管の下流で一緒に混合されて、下流のガス
混合物全体にわたって速度および燃料−空気混合が実質
的に均一な流れの場を形成する。

［発明が解決しようとする問題点］ ＮＡＳＡ会議において開示された多ベンチュリ管装置は
、本発明に対して期待される用途に対して適していない
欠点を有する。その第１は、多数のベンチュリ管が金属
の単一片から機械加工されていることである。このため
、そのような構造物を作る経費が高くつき、その出口の
所にガスタービン燃焼システムの厳しい運転条件に耐え
得ないような薄い端部が形成される。第２の欠点は、各
ベンチュリ管にそれぞれ小さい直径の個々の燃料管を通
して液体燃料が供給されることである。このような小さ
い燃料管は詰って、対応するベンチュリ管を動作不能に
するような悪い影響を生じると考えられる。大形の装置
においては、そのような燃料管が多数用いられるので、
信頼性に問題がある。

上述の多ベンチュリ管装置の欠点の処理に加えて、本発
明の目的は液体燃料を気体燃料に交換することにある。

触媒反応装置の始動の際には、触媒反応装置が動作温度
に達するまで外部熱が必要である。外部熱を供給する一
つの方法は、多ベンチュリ管集合体の上流に前置燃焼器
を設けることである。気体燃料をベンチュリ管の入口に
注入することは、前置燃焼器へのフラッシュバック（ｆ
’　１ａｓｈ−ｂａｃｋ）またはベンチュリ管入口にお
ける火炎保持が生じると考えられる。これらのいずれの
作用も望ましくない。

発明の目的および要約 本発明の目的は、上記の従来技術の欠点を解決した多ベ
ンチュリ管予混合装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、上流の燃焼器へのフラッシュバッ
クを回避する手段を有する多ベンチュリ管燃料噴射装置
を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、ベンチュリ管と一体に構成
された気体燃料マニホルドを有する多ベンチュリ管燃料
噴射装置を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、気体燃料を各ベンチュリ管
のど部に注入して、その位置に存在する高ガス速度によ
りフラッシュバックを防止するようにした手段を有する
多ベンチュリ管燃料噴射装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明によるガスタービン
エンジン用の燃料噴射装置は、一対の離間した管寄せ板
の内側に設けられた複数の密な間隔の平行なベンチュリ
管を使用する。ベンチュリ管は管寄せ板にろう付けされ
、管寄せ板の外周は封止されて、加圧された気体燃料が
供給されるプレナム室を形成する。オリフィスがプレナ
ム室からベンチュリ管ののど部まで通じていて、それに
より気体燃料をベンチュリ管ののど部に存在する高速の
空気流に直角に注入すなわち噴射する。大きい剪断力が
、注入された燃料に加えられて、燃料と空気の完全な混
合が生ずる。ベンチュリ管ののど部における大きい空気
速度は、フラッシュバックおよび火炎保持を防止する。

複数のベンチュリ管の各々からの流れはそれらの下流で
混合して、流れの場全体にわたって均一な速度および均
一な燃料−空気混合物を生ずる。この流れの場はベンチ
ュリ管の下流に設けようとする触媒床に使用するのに適
している。

本発明の実施例によれば、ガスタービンエンジンの燃焼
装置用の燃料噴射装置が提供され、これは、燃焼装置内
に設けられた複数のベンチュリ管を有し、複数のベンチ
ュリ管は実質的にすべての上流のガス流が強制的にこれ
らの複数のベンチュリ管の中を通るようにする構造を備
え、各ベンチュリ管は断面が次第に縮小する入口部分、
断面が最も狭いのど部、および断面が次第に拡大するデ
ィフューザ部分を有し、各ベンチュリ管ののど部には少
くとも一つのオリフィスが設けられており、さらに、気
体燃料を少くとも一つのオリフィスに供給して、それに
より燃料をのど部のガス流に注入させる手段を有する。

本発明の特徴によれば、ガスタービンエンジンの燃焼装
置用の燃料噴射装置が提供され、これは、燃焼装置内の
ガス流に対して横方向に延びる上流側管寄せ板、上流側
管寄せ板の下流に隔たって配置された下流側管寄せ板、
上流側および下流側管寄せ板を貫通する複数のベンチュ
リ管、複数のベンチュリ管を上流側および下流側管寄せ
板に封止して、ガス流が強制的に複数のベンチュリ管を
通るようにした第１手段、上流側および下流側管寄せ板
の周囲を一緒に封止して、複数のベンチュリ管を囲む両
管寄せ板間の部分にプレナム室を形成する第２手段、な
らびに気体燃料をプレナム室に供給する手段を有し、各
ベンチュリ管はその中の中央通路とプレナム室との間に
少くとも一つのオリフィスを有し、気体燃料がオリフィ
スを通ってガス流に注入される。

本発明の別の特徴によれば、ガスタービンエンジン用の
燃焼装置が提供され、これは、前置燃焼器、前置燃焼器
に燃料および空気を供給する手段、ならびに前置燃焼器
の下流に設けた気体燃料噴射装置を有し、気体燃料噴射
装置は複数の平行なベンチュリ管および実質的にすべて
のガス流を強制的に前置燃焼器からベンチュリ管を通し
て流する手段を含み、さらに前記燃焼装置は、複数のベ
ンチュリ管の各々に気体燃料を供給する手段、および気
体燃料噴射装置の下流に設けた触媒床を有し、気体燃料
噴射装置からの燃料および空気の混合物が触媒床を通る
間に燃焼反応して、高エネルギーガスを触媒床から下流
に放出する。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は、添付
図面を参照した下記の説明から明らかになるであろう。

好ましい実施例の説明 通常のガスタービンエンジンは軸線の周りに円周上に設
けられた複数の平行な燃焼装置を使用している。燃料−
空気混合物が各燃焼装置内において燃焼して高温高エネ
ルギーガス流を発生する。

各燃焼装置からのガスは遷移部を通り、そこでガス流は
大体円形の場から円弧に近い場に変換される。すべての
遷移部の出口は、完全な円を形成するように配列されて
、タービンブレードに通ずる。

上記のすべては普通のことで、この技術に通じた人には
詳細な説明は必要ないと思われる。したがって、以下の
説明は唯一っの燃焼装置について行うが、ガスタービン
エンジンの他のすべての燃焼装置も実質的に同じである
。また、燃焼装置を運転する状況を理解するために必要
なガスタービンエンジンの部分のみを図示し説明する。

第１図は、全体的に符号１０で示したガスタービンエン
ジンに含まれた、本発明の実施例による燃焼装置１２を
示す。燃焼装置の前置燃焼器部分１４が燃焼用および希
釈用空気を、複数の曲りだ矢印１８で示すように、前置
燃焼器ライナ１６を通してうけとる。始動の際、前置燃
焼器燃料ノズル２０が前置燃焼器部分１４における燃焼
用に燃料管２２を介して燃料流をうけとる。ガスタービ
ンエンジン１０の一層多く負荷をかけた状態では、燃料
を前置燃焼器燃料ノズル２０から遮断することができる
。

前置燃焼器１４における空気と燃焼生成物は多ベンチュ
リ管燃料噴射装置２４を通って流れ、そこで付加的な燃
料が流れの場に加えられて流体運動量混合部分２６へと
進む。下記にさらに一層詳細に説明するように、多ベン
チュリ管燃料噴射装置２４は複数の平行なベンチュリ管
を有し、空気と付加的な燃料とを強力に混合する。複数
のベンチュリ管から流体運動量混合部分２６に流入した
混合物は、流体運動量混合部分２６に沿って触媒床２８
に達するまで移動する間、さらに混合される。燃料−空
気混合物が触媒床２８を通過する間、触媒床２８中の触
媒材料との接触により燃焼反応が起る。その結果の高温
高エネルギーガスは、触媒床２８から出て反応区域３０
を通過し、その後遷移部３２において（図示しない）タ
ービンに供給するために方向が変えられて整流される。

前置燃焼器部分１４の長さおよび形状は、前置燃焼器加
熱用に使用される燃料の種類に応じて定められる。図示
の実施例は前置燃焼器燃料ノズル２０に天然ガスを使用
するのに適している。このことは前置燃焼器部分１４に
他の気体燃料または液体燃料を使用することを禁止する
ものと考えるべきではない。そのような他の燃料を前置
燃焼器部分１４において使用する場合、当業者には燃料
に合わせて適当な変更たとえば形状または大きさの変更
が必要であることが理解されよう。ところで、そのよう
な変更は普通のことであり、その詳細は当業者にとって
説明の必要がないであろう。

第２図および第３図において、多ベンチュリ管燃料噴射
装置２４は、例えばろう付けのような通常の手段によっ
て上流側管寄せ板３６に封止して固定された複数のベン
チュリ管３４を有する。下流側管寄せ板３８（第３図）
が上流側管寄せ板３６から下流に離間して設けられ、好
ましくはろう付けにより同様にベンチュリ管３４に封止
して固定されている。上流側および下流側管寄せ板３６
および３８の周囲にろう付けされたシールリング４０が
、すべてのベンチュリ管３４の周囲で上流側および下流
側管寄せ板３６および３８の間に密封したプレナム室４
２（第３図）を形成する。加圧された気体燃料が、気体
燃料供給管４４を通ってプレナム室４２に供給される。

第４図に示すように、各ベンチュリ管３４は断面が次第
に縮小する入口部分４６、断面が最も狭いのど部４８、
およびそこから出口５２までの断面が徐々に拡大するデ
ィフューザ部分５０を有する。隣り合うベンチュリ管３
４の出口５２はできるだけ密接させることに注意された
い。複数の、たとえば４個のオリフィス５４が各ベンチ
ュリ管３４のど部４８とプレナム室４２を連通させる。

運転中、前置燃焼部分１４の燃焼生成物と共に空気流が
第４図の左から右に流れて、入口部分４６に入って出口
部分５２から出て行く。公知のように、ベンチュリ管を
通るガスはのど部４８において最高速度に加速され、デ
ィフューザ部分５０を通る間に減速される。オリフィス
５４を通って直角に、のど部を流れる高速空気流に注入
される気体燃料は、大きい剪断力および撹拌をうけて、
ディフューザ部分５０を出るときに空気との完全な混合
を生じる。

この混合物は隣接する出口５２からかなりの運動エネル
ギをもった乱流として流出する。これにより隣り合うベ
ンチュリ管３４からのガス流が混合されて、流体運動量
混合部分２６（第１図）の端部へ移動した後で、触媒床
２８に入るときに実質的に均一な速度の均一な燃料−空
気混合物が流れの場全体にわたって達成される。「発明
の背景」の項に記載したように、本発明によって得られ
るような、均一な速度および均一な燃料−空気混合物を
有する流入ガス流は、触媒床２８の作用を効率よくする
のに必要である。

のど部４８のガス流に対して直角に気体燃料を注入する
点は、触媒床２８の上流の系の内の最高速度の点に定め
られる。のど部４８における高速空気は前置燃焼器燃料
ノズル２ｏに向う上流へのフラッシュバックを防止し、
また多ベンチュリ管燃料噴射装置２４内に火炎を保持す
ることを防止する。したがって、始動の際に空気流が前
置燃焼器部分１４内で燃料ノズル２０の動作によって加
熱されるときでも、フラッシュバックを生じることなく
、空気流に気体燃料を注入することが可能どなる。同様
に入口部分４６における一層低い空気速度はすべての運
転状態の間フラッシュバックを防止するのに十分な余裕
を与えるほどには高くない。

多ベンチュリ管燃料噴射装置２４を製造するのに使用さ
れる技術は、ボイラ管を溶接して管シートを形成する際
に使用される通常の技術によく似ている。したがって、
製造技術は説明するまでもなく当業者には明らかであろ
う。

第２図において、気体燃料供給管４４は多ベンチュリ管
燃料噴射装置２４を支持する支持構造の一部として作用
する。破線で示した三つの付加的な支持体５６．５８お
よび６０を多ベンチュリ管燃料噴射装置２４の付加的な
支持のため設けることができる。本発明者は、単一の気
体燃料供給管４４によって多ベンチュリ管燃料噴射装置
２４のすべてのベンチュリ管３４に均一に気体燃料を流
入させ得ると信するが、支持を行う支持体５６゜５８お
よび６０の１つ以上を多ベンチュリ管燃料噴射装置２４
に気体燃料を供給する付加的な手段として使用すること
もできる。

以」二、図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明
したが、本発明がこれらの詳細な実施例に限定されるも
のでなく、種々の変更および変型を特許請求の範囲に記
載した本発明の範囲および精神から離れることな〈実施
しうろことを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の燃焼装置を示すガスタービン
エンジンの一部の部分断面側面図である。 第２図は第１図の多ベンチュリ管燃料噴射装置の端面図
である。 第３図は第２図の■−■線に沿う断面図である。 第４図は第３図はベンチュリ管の一つを示す拡大断面図
である。 ［主な符号の説明］ １０・・・ガスタービンエンジン、１２・・・燃焼装置
、１４・・・前置燃焼器部分、１６・・・前置燃焼器ラ
イナ、２０・・・燃料ノズル、２２・・・燃料管、２４
・・・燃料噴射装置、２６・・・流体運動量混合部分、
２８・・・触媒床、３０・・・反応区域、３４・・・ベ
ンチュリ管、３６・・・上流側管寄せ板、３８・・・下
流側管寄せ板、４０・・・シールリング、４２・・・プ
レナム室、４４・・・気体燃料供給管、４６・・・入口
部分、４８・・・のど部、５０・・・ディフューザ部分
、５２・・・出口、５４・・・オリフィス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスタービンエンジンの燃焼装置用の燃料噴射装置
   において、 前記燃焼装置内に設置された複数のベンチュリ管を有し
   、 前記複数のベンチュリ管が実質的にすべての上流のガス
   流を強制的に前記複数のベンチュリ管に通させる手段を
   備え、 前記ベンチュリ管の各々は断面が次第に縮小する入口部
   分、断面が最も狭いのど部、および断面が次第に拡大す
   るディフューザ部分を有し、前記各ベンチュリ管はまた
   少くとも一つのオリフィスを前記のど部に有しており、 さらに、気体燃料を前記オリフィスに供給して、前記気
   体燃料を前記のど部の所で前記ガス流に注入させる手段
   が設けられている、燃料噴射装置。 ２、前記オリフィスが前記のど部を通るガス流の流れに
   対して直角に延在し、前記気体燃料が前記ガス流に対し
   て直角に注入される、請求項１記載の燃料噴射装置。 ３、ガスタービンエンジンの燃焼装置用の燃料噴射装置
   において、 前記燃焼装置内のガス流の方向に対して横方向に延びる
   上流側管寄せ板、 前記上流側管寄せ板の下流に離間して配置された下流側
   管寄せ板、 前記上流側および下流側管寄せ板を貫通する複数のベン
   チュリ管、 前記複数のベンチュリ管を前記上流側および下流側管寄
   せ板に封止して、前記ガス流を強制的に前記複数のベン
   チュリ管に通させる第１シール手段、 前記上流側および下流側管寄せ板の周囲を一緒に封止し
   て、前記複数のベンチュリ管の部分を囲むプレナム室を
   両管寄せ板間に形成する第２シール手段、ならびに 気体燃料を前記プレナム室に供給する手段を有し、 前記各ベンチュリ管がその中の中央通路と前記プレナム
   室との間に少なくとも一つのオリフィスを有し、前記気
   体燃料が前記オリフィスを通って前記ガス流に注入され
   る、燃料噴射装置。 ４、前記オリフィスが前記各ベンチュリ管の外周にそっ
   て間隔をおいて３つ以上設けられている、請求項３記載
   の燃料噴射装置。 ５、前記各ベンチュリ管は、断面が次第に縮小する入口
   部分、断面が最も狭いのど部、および断面が次第に拡大
   するディフューザ部分を有し、前記オリフィスが前記の
   ど部に設けられている、請求項３記載の燃料噴射装置。 ６、前記第１シール手段がろう付け部である、請求項３
   記載の燃料噴射装置。 ７、前記第２シール手段が前記両管寄せ板の周囲に設け
   たシールリングを有する、請求項３記載の燃料噴射装置
   。 ８、前記第２シール手段が前記上流側管寄せ板と前記シ
   ールリングとの間および前記下流側管寄せ板と前記シー
   ルリングとの間のろう付け部を含む、請求項７記載の燃
   料噴射装置。 ９、ガスタービンエンジン用の燃焼装置において、 前置燃焼器、 前記前置燃焼器に燃料および空気を供給する手段、 前記前置燃焼器の下流にある気体燃料噴射装置であって
   、複数の平行なベンチュリ管および実質的にすべてのガ
   ス燃料を強制的に前記前置燃焼器から前記ベンチュリ管
   に通して流れさせる導流手段を含む、気体燃料噴射装置
   、 前記複数のベンチュリ管の各々に気体燃料を供給する手
   段、ならびに 前記気体燃料噴射装置の下流に設けた触媒床を有し、 前記気体燃料噴射装置からの気体燃料および空気の混合
   物が前記触媒床を通っている間に燃焼反応して高エネル
   ギーガスを前記触媒床の下流に放出するようにした燃焼
   装置。 １０、前記導流手段が前記ガス流に対して横方向に延在
   するプレナム室を有し、前記プレナム室が前記複数のベ
   ンチュリ管に封止して固定され、前記気体燃料を供給す
   る前記手段が前記各ベンチュリ管に設けられた少くとも
   一つのオリフィスを含み、前記オリフィスが前記プレナ
   ム室と前記ベンチュリ管との間を連通している、請求項
   ９記載の燃焼装置。 １１、前記各ベンチュリ管は、断面が次第に縮小する入
   口部分、断面の最も狭いのど部、および断面が次第に拡
   大するディフューザ部分を有し、前記オリフィスが前記
   のど部に設けられている、請求項１０記載の燃焼装置。