WO2006090466A1 - 燃料噴射弁とこれを用いた燃焼器及びその燃料噴射方法 - Google Patents

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air
fuel injection
combustion
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Jun Hosoi
Nagayoshi Hiromitsu
Tomoaki Yoshida
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Ihi Corporation
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection valve used in a combustor such as a gas turbine, a combustor using the same, and a fuel injection method thereof.
  • NOx nitrogen oxides
  • the main cause of NOx is so-called thermal NOx, in which nitrogen in the air is oxidized by a high-temperature flame during combustion. To reduce this thermal NOx, the hot spot in the flame is reduced. It is effective to suppress the occurrence of high-temperature flame. Therefore, conventionally, a low NOx combustor using a premixed fuel injection valve as described below has been proposed (for example, see Patent Document 1).
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a low-NOx combustor for a gas turbine equipped with a conventional premixed fuel injection valve.
  • the conventional low NOx combustor 50 includes a no-rotner burner 58 disposed in the central portion and a plurality of main burners 59 disposed around the center.
  • 52 is a combustor liner
  • 53 is a casing
  • 54 is a spark plug (idaniter)
  • air 56 flows between the casing 53 and the liner 52 to reach the burners 58 and 59.
  • the other part flows into the liner 52 to form flames 57a and 57b, and the generated combustion gas is guided to the gas turbine through the scroll portion, not shown, to drive it. It has become.
  • the main burner 59 includes a main injection valve 59a and a premixing tube 59b arranged coaxially with each other.
  • the main injection valve 59a is also supplied with fuel by external force through the casing 53.
  • As this fuel for example, gas fuel is used.
  • the premixing tube 59b is It is a cylindrical tube with an open end that facilitates mixing of fuel and air inside. That is, the main burner 59 is a premixed lean burner composed of a main injection valve 59a and a premixing tube 59b.
  • fuel can be injected into the premixing pipe 59b by the main injection valve 59a, and the fuel can be premixed with a sufficient amount of air in the premixing pipe 59b, and this can be burnt lean.
  • the fuel is premixed with a sufficient amount of air and this is burnt in a lean manner, which eliminates the generation of high-temperature flames with hot spots and achieves low NOx emissions. There are merits such as being able to do.
  • FIG. 2 is a diagram showing another example of a conventional low-NOx combustor using a lean premixed combustion method.
  • a swirl vane 62 is provided in a mainstream gas flow path 61 through which a large amount of air flows, whereby air flowing in the axial direction of the combustor is introduced into the combustion chamber 63 as a spiral flow, while fuel A gas is ejected in the axial direction toward the combustion chamber, and a large amount of air in a spiral flow and fuel gas are mixed and ignited to perform combustion.
  • the low-NOx combustor with a lean lean premixed combustion system has a problem that stable combustion of lean fuel gas is difficult, and flashback and vibration combustion are likely to occur. Moreover, although low NOx emissions can be obtained by lean premixed combustion, there is a problem that the CO concentration tends to be high due to the low flame temperature.
  • Non-patent Document 1 In order to avoid such problems of the lean premixed combustion method, a low combustion NOx combustor using a swirling flame has been proposed (for example, [Non-patent Document 1]).
  • FIGS. 3A and B In Asymmetric Whirl Combustion of [Non-Patent Document 1], as shown in FIGS. 3A and B, air connected to a side surface near one end of a cylindrical frame tube 71 having a combustion space therein. By blowing air from the jet pipe 72 in the tangential direction of the frame tube to make a swirl flow, and by jetting fuel gas from the fuel gas supply pipe 73 connected to one end face of the frame tube in the axial direction of the frame tube, It promotes mixing of air and fuel gas to reduce NOx in combustion exhaust gas.
  • This asymmetric swirl combustor 70 is different from a conventional swirl (swivel) having a large axial flow velocity in that the air flow does not have an axial component. For this reason, the swirl flame that is formed exhibits a kind of exhaust gas circulation action, and can achieve a low NOx concentration, and has high flame holding properties and stable combustion.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-130675
  • Non-Patent Document 1 H. C. Gabler, et al. "Asymmetric Whirl Combustion: A
  • the above-described conventional premixed combustion type combustor has a problem that backfire, self-ignition, or combustion vibration occurs. That is, as described above, in order to achieve low NOx in this combustor, it is necessary to perform premix combustion, but the premixing section (prevaporization premixing pipe 59b) for mixing air and fuel and combustion Since the area is directly connected by the premixed flow path, if the flow velocity of the premixed gas flowing through the premixed flow path is slower than the combustion speed, the flame in the combustion area flashes back into the premixed flow path. There was a problem.
  • an object of the present invention is to provide a fuel injection valve that can essentially prevent backfire, self-ignition and vibration combustion, and can realize low NOx, a combustor using the fuel injection valve, and a fuel injection method thereof. It is in.
  • a cylindrical injection valve main body whose one end is closed, and a fuel nozzle that is disposed on the central axis of the injection valve main body and injects fuel.
  • the cylindrical portion has a plurality of air injection ports in the circumferential direction for injecting air inwardly in the tangential direction and forming a swirling flow therein, and the fuel nozzle is directed toward the inner peripheral surface of the injection valve body.
  • a fuel injection valve characterized by having a fuel injection port for injecting fuel is provided.
  • air is injected tangentially inward from an air injection port provided in the injection valve main body to form a strong swirl flow, and on the central axis of the injection valve main body. Because the fuel is injected radially outward, that is, the inner peripheral surface of the injection valve body, the fuel that collided with the inner peripheral surface is injected by the air injection locuser. Air (strong swirl flow) can instantly produce fine particles and rapidly mix fuel. This effectively prevents the occurrence of flashback, self-ignition, and vibration combustion without the need for a premixing part like a conventional premixing type fuel injection valve, and achieves low NOx combustion. it can.
  • the fuel injection port is disposed so as to inject fuel between the air injection ports adjacent to each other.
  • the injected fuel is atomized by the strong swirl flow described above in the region of the strong shear field formed in the vicinity of the outer peripheral portion of the injection valve body. Promotes rapid mixing and ensures flashback, self-ignition and combustion vibrations. Suppression is improved.
  • the fuel nozzle preferably has a diffusion injection port for diffusing and injecting fuel from the central axis of the injection valve body.
  • the fuel is diffused and rapidly injected from the diffusion injection port even under conditions where combustion is relatively unstable, such as ignition and low load!
  • combustion is relatively unstable, such as ignition and low load!
  • a combustor including a combustion chamber for forming a flame and the fuel injection valve upstream of the combustion chamber.
  • the combustor of the present invention includes a fuel injection valve that rapidly mixes fuel with a strong swirl flow! /, thus effectively preventing the occurrence of backfire, self-ignition and combustion vibration, and low NOx combustion can be realized.
  • air is injected inwardly in the tangential direction from the air injection port provided in the injection valve body to form a strong swirl flow, and the inside of the injection valve body Fuel is injected radially outward from the fuel nozzle force arranged on the mandrel, that is, the inner peripheral surface of the injection valve body, so that the fuel colliding with the inner peripheral surface is injected from the air injection port.
  • the air strong swirl flow
  • the air can be instantly atomized and the fuel can be rapidly mixed, which makes it unnecessary to provide a premixing part like a conventional premixing type fuel injection valve. It has excellent effects such as effective prevention of self-ignition and combustion vibration and low NOx combustion.
  • a hollow cylindrical injection valve body having one end opened to the combustion chamber and the other end closed, and fuel attached to the central axis of the other closed end of the injection valve body
  • a fuel injection nozzle that injects with air, and the injection valve main body includes a plurality of air introduction ports that introduce combustion air inwardly in the vicinity of the inner wall of the cylindrical portion to form a strong swirl flow therein.
  • the fuel injection valve is characterized in that a strong shear region in the outer peripheral portion where a flame extension is caused by the strong swirl flow and a rigid vortex region in the central portion are formed.
  • a combustor comprising a combustion chamber for forming a flame and the fuel injection valve upstream of the combustion chamber.
  • a hollow cylindrical injection valve having one end opened to the combustion chamber and the other end closed. Fuel is injected into the main body alone or with air, and combustion air is introduced tangentially inward in the vicinity of the inner wall of the cylindrical portion of the injection valve body to form a strong swirl flow inside, which causes flame extension due to the strong swirl flow.
  • a fuel injection method characterized by forming a strong shear region at the outer peripheral portion and a rigid vortex region at the central portion.
  • fuel is injected into the strong shear region, mixing of air and fuel is promoted by strong disturbance, and extinguishing action due to flame extension acting thereon. This prevents the formation of a flame in the mixing region, forms a uniform lean air-fuel mixture, and forms a stable flame by the backflow region formed at the center by the rigid body vortex region to hold the flame.
  • low NOx combustion is achieved by a uniform lean mixture close to premixed combustion formed in a strong shear region, and also due to flame extension occurring in the mixing region.
  • the flame extinguishing action prevents back-fired self-ignition in the air-Z fuel mixing section, such as premixed combustion, even at high temperatures and pressures, preventing combustor burnout and increased NOx.
  • the stable flame in the center of the injection valve formed in the backflow region becomes a flame-holding source for low NOx flames close to the premixed flame formed in the outer periphery, and stable combustion is possible without the need for a pilot burner. Can be maintained.
  • the flame extinguishing action caused by the flame extension occurring in the mixed region can essentially prevent backfire, self-ignition and vibration combustion, and low NOx emission can be realized.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a conventional fuel injection valve and a combustor equipped with the same.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a conventional low-NOx combustor using a lean premixed combustion method.
  • FIG. 3 A and B are schematic configuration diagrams of a conventional low-NOx combustor of an asymmetric swirl combustion method.
  • Fig. 3 is an overall configuration diagram of a combustor including a fuel injection valve according to the present invention.
  • FIG. 5A is a structural diagram of an embodiment of a fuel injection valve according to the present invention.
  • FIG. 5B is a view taken along arrows 5B-5B in FIG. 5A.
  • FIG. 6 is a diagram showing a radial velocity distribution of a circumferential velocity component of a strong swirling flow.
  • FIG. 7 is a fuel injection valve according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an embodiment of the low NOx injection valve of the present invention.
  • FIG. 9 A, B and C are explanatory views of the operation of the low NOx injection valve of the present invention.
  • FIG. 4 is an overall configuration diagram of a combustor including a fuel injection valve according to the present invention.
  • the combustor 1 shown in FIG. 4 includes a pilot burner 8 disposed upstream and in the center of the combustion chamber 15, and a plurality of (for example, six) fuel injection valves 10 (main) disposed on the concentric circles of the pilot burner. Pana).
  • 2 is a combustor liner
  • 3 is a casing
  • 4 is a hydrant.
  • the air 6 flows between the casing 3 and the liner 2 and reaches the pilot burner 8 and the fuel injection valve 10, and flows into the combustion chamber 15 through the fuel injection valve 10 and other parts to enter the flame 7 a, 7b is formed, and the combustion gas generated in the combustion chamber 15 is guided to a gas turbine (not shown) through a scroll portion (not shown) to drive it.
  • FIG. 5A is a structural diagram of an embodiment of the fuel injection valve 10 according to the present invention
  • FIG. 5B is a view taken along arrows 5B-5B.
  • the fuel injection valve 10 includes a cylindrical injection valve main body 11 and a fuel nozzle 13 with one end (rear end) closed.
  • the other end portion (tip portion) of the injection valve main body 11 has an opening bent outward in the radial direction.
  • the injection valve body 11 has six air injection ports 12 on the outer periphery along the circumferential direction.
  • the air injection ports 12 inject air in the tangential direction from the outside of the injection valve to the inside of the injection valve.
  • the force with six air injection ports 12 is not limited to this, and it is possible to arrange less or more than this.
  • the fuel nozzle 13 is disposed on the central axis of the injection valve main body 11 and has a fuel injection port 14 that injects fuel toward the inner peripheral surface of the injection valve main body 11. Further, the fuel nozzle 13 is configured to inject the fuel 5 in the direction between the air injection ports 12 adjacent to each other.
  • the fuel 5 is injected from the fuel injection port 14 of the fuel nozzle 13 toward the inner peripheral surface of the injection valve body 11. When hit, the fuel 5 collides with the inner wall and forms a fuel liquid film. On the other hand, the air 6 introduced from the air injection port 12 forms a strong swirl flow inside the injection valve. The fuel liquid film is atomized by a strong swirling flow at the lip portion 12a at the outlet of the air injection port 12.
  • Fig. 6 shows the radial velocity distribution of the circumferential velocity component of the strong swirling flow formed when air is injected from the air injection port 12 in the fuel injection valve 10 of the present invention. It is. As is apparent from FIG. 6, the radial velocity distribution has a large velocity gradient in the vicinity of the outer periphery of the injection valve body 11, and this region is a strong shear field. Therefore, the fuel 5 atomized by the lip portion 12a at the outlet 12 of the air injection port 12 is just supplied to this strong shear site, and this strong shear promotes atomization and mixing, A uniform gas mixture can be formed even in a relatively small volume in a short time. This air-fuel mixture advances toward the combustion region while rotating at a high speed with a strong whirling flow, and forms a flame in the combustion region.
  • the air-fuel mixture that travels with the strong swirl flow has an absolute velocity higher than the combustion velocity, so there is no possibility of causing backfire.
  • the mixing region and the mixing time are short, it is possible to further suppress the occurrence of combustion vibration without the possibility of generating self-ignition. In other words, it is possible to prevent the occurrence of flashback and self-ignition, reduce the generation of combustion vibrations, and realize low NOx combustion without providing a long premixing part like a conventional premixing type fuel injection valve be able to.
  • the combustor in the present embodiment is provided with the pilot burner 8. As described above, the combustion of the flame is stabilized according to the present invention, and therefore the pilot burner 8 is not necessarily provided.
  • FIG. 7 is a structural diagram of the fuel injection valve 20 according to the second embodiment of the present invention.
  • a diffusion injection port 23 for diffusing and injecting fuel is provided at the tip of the fuel nozzle 21 located on the central axis of the injection valve body. Speak. Since other configurations are the same as those of the first embodiment described above, description thereof is omitted. By adopting such a configuration, it is not necessary to provide a pilot partner as in the first embodiment. For example, even under conditions where combustion is relatively unstable, such as ignition and low load, diffusion is performed. By diffusing and injecting fuel from the injection port to assist combustion of the air-fuel mixture by rapid mixing Thus, more stable combustion is possible.
  • FIGS. 8A and 8B are embodiments of the low NOx injection valve according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of 8B-8B.
  • the fuel injection valve 30 of the present invention includes an injection valve main body 32 and a fuel injection nozzle 34.
  • the injection valve main body 32 is a hollow cylindrical member having one end 32a opened to the combustion chamber 41 and the other end 32b closed.
  • the injection valve body 32 includes a plurality (four in this example) of air introduction ports 33 in the vicinity of the inner wall of the cylindrical portion, and introduces combustion air inwardly in the tangential direction to form a strong swirl flow 42 inside.
  • the strong swirl flow 42 forms a strong shear region 43 that causes flame extension and a rigid vortex region 4 in the center as shown in FIG. 8B.
  • the fuel injection nozzle 34 is a nozzle that is attached on the central axis of the other closed end 32b of the injection valve main body 32 and injects fuel together with air.
  • the rigid vortex region 44 in the central part forms a circulating flow 46 in which the combustion gas circulates in the central part, and a stable flame holding source 47 is formed in the rigid vortex region 44.
  • the flow rate and flow rate of the air introduced from the air introduction port 33 are set so that a uniform lean mixture 45 and a circulation flow 46 are formed by the strong shear region 43 and the rigid vortex region 44. It is good.
  • the fuel injection method of the present invention uses the low NOx injection valve 30 described above, and the fuel is used alone or in a hollow cylindrical injection valve body 32 having one end opened to the combustion chamber 41 and the other end closed. Injected with air, combustion air is introduced tangentially inward in the vicinity of the inner wall of the cylindrical portion of the injection valve body 32 to form a strong swirl flow 42 inside, and the strong swirl flow 42 causes flame extension. A shear region 43 and a central rigid vortex region 44 are formed.
  • fuel is injected into the strong shear region 42 to promote the mixing of air and fuel by strong turbulence, and in the mixing region 43 by the extinguishing action due to the flame extension acting thereon.
  • a uniform lean mixture 45 is formed by preventing the formation of a flame, and a stable flame holding source 47 is formed and held by a circulating flow 46 formed in the center by a rigid vortex region 44.
  • FIGS. 9A, 9B, and 9C are operation explanatory views of the low NOx injection valve of the present invention.
  • FIG. 9A is a schematic diagram showing the development state of the jet along the wall surface
  • FIG. 9C is a schematic diagram of the rigid vortex region 44.
  • Fig. 9A the velocity distribution in the central portion of the jet immediately after the nozzle force flows along the wall surface is uniform, but this uniform velocity portion is eroded and reduced by the boundary layer that develops both-side forces, It disappears at a certain distance.
  • This part is wedge-shaped and is called the potential core.
  • the distribution of velocity and turbulence changes even in the fully developed region after the disappearance of the potential core, and these distribution shapes are similar enough downstream.
  • the length of the potential core is about 5-8d, where d is the nozzle height or diameter.
  • the potential core region or the fully developed region in a strong swirl flow is divided into a region with free vortex properties (Fig. 9B) and a region with forced vortex properties (Fig. 9C) at the peak of the maximum velocity.
  • a region with free vortex properties Fig. 9B
  • a region with forced vortex properties Fig. 9C
  • mixing is significantly accelerated by shear. Accordingly, when fuel is injected into this region, flame extension occurs and the flame lump is cooled in a short time, so that it can be prevented from igniting.
  • the swirling flame that is formed exhibits a kind of exhaust gas circulation action, which can achieve both low NOx and a reduction in the amount of CO generated. Highly stable and stable combustion is possible.
  • low NOx combustion can be realized by the homogeneous lean air-fuel mixture 45 close to the premixed combustion formed in the strong shear region 43.
  • the flame extinguishing action caused by the flame extension occurring in the mixing zone 43 prevents back-fire and self-ignition in the air Z fuel mixing section, such as premixed combustion, even at high temperatures and high pressures. Increase can be prevented.
  • the stable flame in the center of the injection valve formed in the backflow region 46 becomes a flame holding source 47 of a low NOx flame close to the premixed flame formed in the outer periphery, and it is stable without the need for a pilot pan. Can maintain combustion.
  • the flame extinguishing action caused by the flame extension occurring in the mixed region can essentially prevent backfire, self-ignition and vibration combustion, and low NOx emission can be realized.

Abstract

　その一端が閉じた円筒状の噴射弁本体と、噴射弁本体の中心軸上に配置され燃料を噴射する燃料ノズルとを備える。噴射弁本体は、その円筒部に、空気を接線方向内方に噴射し内部に旋回流を形成するための空気噴射口を周方向に複数有し、燃料ノズルは、噴射弁本体の内周面に向かって燃料を噴射する燃料噴射口を有する。

Description

明 細 書
燃料噴射弁とこれを用いた燃焼器及びその燃料噴射方法
発明の背景
[0001]
発明の技術分野
[0002] 本発明は、ガスタービン等の燃焼器に用いられる燃料噴射弁とこれを用いた燃焼 器及びその燃料噴射方法に関する。
関連技術の説明
[0003] 環境保全のために、ガスタービンの燃焼排ガス中の NOx (窒素酸ィ匕物）を低減する ことが義務付けられており、わが国では、全国基準でも例えば 70ppm以下、大都市（ 例えば東京）では例えば 25— 30ppm以下にする必要がある。
[0004] NOxの発生原因は、燃焼時の高温火炎により空気中の窒素が酸ィ匕するいわゆる サーマル NOxが主であり、このサーマル NOxを低減するには、火炎中のホットスポッ トを減少させ、高温火炎の発生を抑制するのが効果的である。そこで、従来から、以 下に説明するような予混合方式の燃料噴射弁を用いた低 NOx燃焼器が提案されて いる（例えば、特許文献 1参照。 ) o
[0005] 図 1は、従来の予混合方式の燃料噴射弁を備えたガスタービン用低 NOx燃焼器の 全体構成図である。この図に示すように、従来の低 NOx燃焼器 50は、中央部に配置 されたノ ィロットパーナ 58と、その回りに配置された複数のメインパーナ 59とを備える 。なお、この図において、 52は燃焼器ライナ、 53はケーシング、 54は点火栓 (ィダナ イタ）であり、空気 56がケーシング 53とライナ 52の間を流れてパーナ 58、 59に達し、 このパーナとその他の部分を通ってライナ 52内に流入して火炎 57a、 57bを形成し、 発生した燃焼ガスが図示しな 、スクロール部を通って図示しな 、ガスタービンに導か れ、これを駆動するようになっている。
[0006] また、図 1において、メインパーナ 59は、互いに同軸に配置された主噴射弁 59aと 予混合管 59bとからなる。主噴射弁 59aには、ケーシング 53を通して外部力も燃料が 供給される。この燃料には、例えばガス燃料を用いる。予混合管 59bは、この図で一 端部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互いに混合しやすくなつて いる。すなわち、メインパーナ 59は、主噴射弁 59aと予混合管 59bで構成された予混 合希薄パーナである。この構成により、主噴射弁 59aにより予混合管 59b内に燃料を 噴射し、予混合管 59b内で燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させるこ とができる。カゝかる予混合燃焼方式の燃焼器では、燃料を十分な空気量と予混合し これを希薄燃焼させるものであり、このため、ホットスポットがなぐ高温火炎の発生を なくし低 NOxィ匕を実現することができる等のメリットがある。
[0007] 上述したように、従来のガスタービン等の燃焼器では希薄予混合燃焼を行わせるこ とで NOxの低減を図って!/、るものが多 、。
すなわち、従来は、燃料と空気を均一に混合する予混合部を設け、この予混合部 で予め燃料と空気を混合する予混合方式が主流であった。
[0008] 図 2は従来の希薄予混合燃焼方式の低 NOx燃焼器の別の例を示す図である。
この燃焼器 60では、大量の空気が流れる主流ガス流路 61内にスワールべーン 62 を設け、これにより燃焼器の軸方向に流れる空気を螺旋流として燃焼室 63内に導入 する一方、燃料ガスを燃焼室内に向けて軸方向に噴出し、螺旋流となった大量の空 気と燃料ガスとを混合して、これに着火することでその燃焼を行って 、る。
すなわち、この例では大量の空気と燃料ガスとを混合して希薄燃料ガスを生成する ことで火炎のホットスポットをなくして高温燃焼時に主に発生する NOxの低減を図つ ている。
[0009] ここで燃料ガスの濃度が希薄になるとその着火が困難となるため、従来の希薄予混 合燃焼を行う燃焼器では保炎を行うパイロットパーナを燃焼室内に設け、これにより 火炎基部を形成して希薄予混合燃焼ガスの連続燃焼の確保を図っていた。
[0010] しカゝし希薄予混合燃焼方式の低 NOx燃焼器は、希薄燃料ガスの安定燃焼が困難 であり、逆火 (flashback)や振動燃焼が発生しやすい問題点がある。また、希薄予 混合燃焼により低 NOxィ匕が得られるものの、火炎温度が低いため CO濃度が高くなり やすい問題点がある。
[0011] このような希薄予混合燃焼方式の問題点を回避するために、旋回火炎を用いた拡 散燃焼方式の低 NOx燃焼器が提案されている (例えば [非特許文献 1])。 [0012] [非特許文献 1]の Asymmetric Whirl Combustion (非対称旋回燃焼）では、 図 3A, Bに示すように、内部に燃焼空間を有する円筒形状のフレームチューブ 71の 一端近傍の側面に連結した空気噴出管 72から空気をフレームチューブの接線方向 に噴出して旋回流とするとともに、フレームチューブの一端面に連結した燃料ガス供 給管 73から燃料ガスをフレームチューブの軸方向に噴出することによって、空気と燃 料ガスとの混合を促進し燃焼排ガス中の NOxの低減を図るものである。
[0013] この非対称旋回燃焼器 70では、空気流が軸方向成分を持たない点で、軸方向の 流速が大きい従来のスワール (旋回器）と相違する。そのため、形成される旋回火炎 がー種の排ガス循環作用を示し、低 NOxィ匕が達成できるとともに、保炎性が高く安 定燃焼が可能である特徴を有する。
[0014] 特許文献 1：特開 2002 - 130675号公報
[0015] 非特許文献 1 :H. C. Gabler, et al. "Asymmetric Whirl Combustion: A
New Approach for Non— Premixed Low Nox Gas Turbine Combusto r Design", AIAA- 98- 3530
[0016] しかし、上述した従来の予混合燃焼方式の燃焼器では、逆火、自着火、又は燃焼 振動が発生するという問題があった。すなわち、上述したように、この燃焼器において 低 NOxを達成するためには、予混合燃焼を行わせる必要があるところ、空気と燃料 を混合する予混合部 (予蒸発予混合管 59b)と燃焼領域は予混合気の流路により直 接つながっているため、予混合流路を流れる予混合気の流速が燃焼速度より遅い場 合は、燃焼領域における火炎が予混合流路内に逆火するという問題があった。また、 逆火が発生しないとしても、燃焼器入口が高温 ·高圧の条件となると予混合流路内で 予混合気が自己着火するという問題があった。さらに、燃焼により燃焼器内に周期的 圧力変動が生じ、この圧力変動による燃焼器内の熱発生量の変動の位相がある条 件で一致すると、燃焼振動が発生するという問題があった。燃焼振動が生じると燃焼 圧力の変動幅が増幅されて燃焼が不安定になると共に、燃焼器の圧力の周期的変 動による高サイクル振動や騒音が発生するようになる。例えば、パイロット炎が不安定 になると燃焼器内に噴射される予混合気の着火が安定しなくなるため、噴射された予 混合気の燃焼状態が変動するようになる。このため、燃焼器内に周期的圧力変動が 生じ燃焼振動に発展しやすくなる。
[0017] これら、低 NOx燃焼器における、逆火、自己着火又は燃焼振動の発生は、場合に よっては燃焼器の焼損を招来するほどの重大な問題となり得る。このため、航空機用 エンジンでは圧縮機の圧縮比が高く燃焼器入り口温度が上昇することから、この危険 性がさらに増大するため、予混合方式の燃料噴射弁を備えた低 NOx燃焼器を航空 機用エンジンに適用する際の障害となっていた。
[0018] 本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本 発明の目的は、逆火、自着火および振動燃焼を本質的に防止でき、かつ低 NOxィ匕 が実現できる燃料噴射弁とこれを用いた燃焼器及びその燃料噴射方法を提供するこ とにある。
発明の要約
[0019] 本発明によれば、その一端が閉じた円筒状の噴射弁本体と、該噴射弁本体の中心 軸上に配置され燃料を噴射する燃料ノズルとを備え、前記噴射弁本体は、その円筒 部に、空気を接線方向内方に噴射し内部に旋回流を形成するための空気噴射口を 周方向に複数有し、前記燃料ノズルは、前記噴射弁本体の内周面に向カゝつて燃料 を噴射する燃料噴射口を有する、ことを特徴とする燃料噴射弁が提供される。
[0020] 上記本発明の構成によれば、噴射弁本体に設けられた空気噴射口から空気を接 線方向内方に噴射して強旋回流を形成すると共に、前記噴射弁本体の中心軸上に 配置された燃料ノズル力ゝら径方向外方、即ち、噴射弁本体の内周面に燃料を噴射す るようにしたので、内周面に衝突した燃料は空気噴射ロカゝら噴射された空気 (強旋回 流）により瞬時に微粒ィ匕し、燃料を急速混合することができる。これにより、従来の予 混合方式の燃料噴射弁のような予混合部を設ける必要がなぐ逆火、自己着火、振 動燃焼の発生を有効に防止し、かつ、低 NOx燃焼を実現することができる。
[0021] また、前記燃料噴射口は、互いに隣接する前記空気噴射口の間に向カゝつて燃料を 噴射するように配設されることが好まし ヽ。
[0022] このような構成を採用することにより、噴射された燃料は噴射弁本体外周部付近に 形成される強せん断場の領域で、上述した強旋回流により微粒化されるため、燃料 の混合が促進され、急速混合を確実なものとし逆火、自己着火、燃焼振動の発生の 抑制力が向上する。
[0023] また、前記燃料ノズルは、前記噴射弁本体の中心軸上から燃料を拡散噴射するた めの拡散噴射口を有することが好ましい。
[0024] このような構成を採用することにより、着火、低負荷時等のように比較的燃焼が不安 定となる条件下にお!/ヽても、拡散噴射口から燃料を拡散噴射し急速混合による混合 気の燃焼を補助することにより、安定した燃焼を確保することができる。
[0025] また本発明によれば、火炎を形成させる燃焼室と、該燃焼室の上流に前記燃料噴 射弁とを備えた、ことを特徴とする燃焼器が提供される。
[0026] 本発明の燃焼器は、燃料を強旋回流により急速混合する燃料噴射弁を備えて!/、る ので、逆火、自己着火、燃焼振動の発生を有効に防止し、かつ、低 NOx燃焼を実現 することができる。
[0027] 以上説明したように、本発明によれば、噴射弁本体に設けられた空気噴射口から 空気を接線方向内方に噴射して強旋回流を形成すると共に、前記噴射弁本体の中 心軸上に配置された燃料ノズル力ゝら径方向外方、即ち、噴射弁本体の内周面に燃 料を噴射するようにしたので、内周面に衝突した燃料は空気噴射口から噴射された 空気 (強旋回流）により瞬時に微粒ィ匕し、燃料を急速混合することができ、これにより 、従来の予混合方式の燃料噴射弁のような予混合部を設ける必要がなぐ逆火、自 己着火、燃焼振動の発生を有効に防止し、かつ、低 NOx燃焼を実現することができ る等の優れた効果を奏する。
[0028] また、本発明によれば、一端が燃焼室に開口し他端が閉じた中空円筒形の噴射弁 本体と、該噴射弁本体の閉じた他端の中心軸上に取り付けられ燃料を空気と共に噴 射する燃料噴射ノズルとを備え、前記噴射弁本体は、その円筒部内壁近傍に燃焼用 空気を接線方向内方に導入し内部に強旋回流を形成する複数の空気導入ポートを 備え、該強旋回流により火炎伸長を起こす外周部の強剪断領域と中心部の剛体渦 領域を形成する、ことを特徴とする燃料噴射弁が提供される。
また本発明によれば、火炎を形成させる燃焼室と、該燃焼室の上流に前記燃料噴 射弁とを備えた、ことを特徴とする燃焼器が提供される。
[0029] また、本発明によれば、一端が燃焼室に開口し他端が閉じた中空円筒形の噴射弁 本体内に燃料を単独あるいは空気と共に噴射し、噴射弁本体の円筒部内壁近傍に 燃焼用空気を接線方向内方に導入し内部に強旋回流を形成し、該強旋回流により 火炎伸長を起こす外周部の強剪断領域と中心部の剛体渦領域を形成する、ことを特 徴とする燃料噴射方法が提供される。
[0030] 本発明の好ま ヽ実施形態によれば、前記強剪断領域に燃料を噴射して、強!ヽ乱 れにより空気と燃料の混合を促進し、かつそこに作用する火炎伸長による消炎作用 によってその混合領域での火炎の形成を防 、で均一な希薄混合気を形成し、前記 剛体渦領域によって中心部に形成される逆流領域により、安定した火炎を形成し保 炎する。
[0031] 上記本発明の方法及び装置によれば、強剪断領域において形成される予混合燃 焼に近い均一な希薄混合気により、低 NOx燃焼を実現するとともに、混合領域で生 ずる火炎伸長による消炎作用により、高温，高圧下でも予混合燃焼のような空気 Z燃 料混合部での逆火'自着火を防止でき、燃焼器の焼損や NOxの増加を防げる。 また、逆流領域で形成される噴射弁中心部の安定した火炎が、外周部に形成され る予混合火炎に近い低 NOx火炎の保炎源となり、パイロットパーナなどを設けなくて も安定した燃焼を維持できる。
従って、混合領域で生ずる火炎伸長による消炎作用により、逆火、自着火および振 動燃焼を本質的に防止でき、かつ低 NOxィ匕が実現できる。
図面の簡単な説明
[0032] [図 1]従来の燃料噴射弁とこれを備えた燃焼器の全体構成図である。
[図 2]従来の希薄予混合燃焼方式の低 NOx燃焼器の模式的構成図である。
[図 3]A, Bは、従来の非対称旋回燃焼方式の低 NOx燃焼器の模式的構成図である 圆 4]本発明による燃料噴射弁を備えた燃焼器の全体構成図である。
[図 5A]本発明に係る燃料噴射弁の実施形態の構造図である。
[図 5B]図 5Aの 5B— 5B矢視図である。
[図 6]強旋回流の周方向速度成分の半径方向速度分布を示した図である。
[図 7]本発明の別の実施形態による燃料噴射弁である。 [図 8]A, Bは、本発明の低 NOx噴射弁の実施形態図である。
[図 9]A, B, Cは、本発明の低 NOx噴射弁の作用説明図である。
好ましい実施例の説明
[0033] 以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、 各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
[0034] 図 4は、本発明による燃料噴射弁を備えた燃焼器の全体構成図である。図 4に示す 燃焼器 1は、燃焼室 15の上流でかつ中心部に配置されたパイロットパーナ 8と、この ノ ィロットパーナの同心円上に配置された複数 (例えば 6つ）の燃料噴射弁 10 (メイン パーナ）とを備える。なお、この図において 2は燃焼器ライナ、 3はケーシング、 4は点 火栓 (ィダナイタ)である。この構成により空気 6がケーシング 3とライナ 2の間を流れて ノ ィロットパーナ 8及び燃料噴射弁 10に達し、この燃料噴射弁 10とその他の部分を 通って燃焼室 15内に流入して火炎 7a、 7bを形成し、燃焼室 15で発生した燃焼ガス がスクロール部（図示せず）を通って図示しな 、ガスタービンに導かれ、これを駆動す るようになっている。
[0035] 燃料噴射弁 10は、燃料 5と空気 6を強旋回流により急速混合して燃焼室 15内で燃 焼させるものである。図 5Aは、本発明に係る燃料噴射弁 10の実施形態の構造図で あり、図 5Bはその 5B— 5B矢視図である。この図に示すように、燃料噴射弁 10は、一 端部 (後端部）が閉口して 、る円筒形状をなす噴射弁本体 11と、燃料ノズル 13とを 備えている。噴射弁本体 11の他端部 (先端部）は半径方向外方に屈曲した開口を有 している。また、噴射弁本体 11はその外周に周方向に沿って 6つの空気噴射口 12を 有しており、この空気噴射口 12は空気を噴射弁外部から噴射弁内部へ接線方向に 噴射し、噴射弁内部に強旋回流を形成するためのものである。なお、本実施形態で は空気噴射口 12を 6つとした力 これに限定されるものではなぐこれよりも少なく又 は多く配設することもできる。燃料ノズル 13は、噴射弁本体 11の中心軸上に配置さ れ、噴射弁本体 11の内周面に向カゝつて燃料を噴射する燃料噴射口 14を有している 。また、燃料ノズル 13は、互いに隣接する空気噴射口 12の間に向カゝつて燃料 5を噴 射するように構成にされる。
[0036] 燃料ノズル 13の燃料噴射口 14から噴射弁本体 11の内周面に向カゝつて燃料 5が噴 射されると、この燃料 5は内壁に衝突し燃料液膜を形成する。一方、空気噴射口 12 から導入された空気 6は、噴射弁内部で強旋回流を形成する。そして、前記燃料液 膜は空気噴射口 12出口のリップ部 12aで強旋回流により微粒ィ匕される。
[0037] ここで、図 6は本発明の燃料噴射弁 10において、空気噴射口 12から空気を噴射し た場合に形成される強旋回流の周方向速度成分の半径方向速度分布を示したもの である。図 6において明らかなように、半径方向速度分布は噴射弁本体 11内の外周 部付近で大きな速度勾配をもつ分布となり、この領域は強せん断場となる。したがつ て、空気噴射口 12出口のリップ部 12aで微粒ィ匕された燃料 5は、ちょうどこの強せん 断場に供給されることになり、この強せん断により微粒化と混合が促進され、短時間 に比較的小さな体積でも均一な混合気を形成することができる。この混合気は強旋 回流とともに高速旋回しながら燃焼領域に向かって進行し、燃焼領域において火炎 を形成する。
[0038] このとき、強旋回流とともに進行する混合気は、その絶対速度が燃焼速度よりも早 いため、逆火を発生させるおそれはない。また、混合領域及び混合時間が短いため 自己着火を発生させるおそれもなぐさらに燃焼振動の発生を抑制することができる。 すなわち、従来の予混合方式の燃料噴射弁のような長い予混合部を設けることなぐ 逆火、自己着火の発生を防止し、かつ燃焼振動の発生を低減できるとともに、低 NO X燃焼を実現することができる。
[0039] なお、本実施形態における燃焼器は、パイロットパーナ 8を備えている力 上述した ように、本発明により火炎の燃焼が安定するため、パイロットパーナ 8は必ずしも備え る必要はない。
[0040] 図 7は、本発明の第 2の実施形態による燃料噴射弁 20の構造図である。本実施形 態では、噴射弁本体の中心軸上に位置する燃料ノズル 21の先端に、第 1実施形態 と同様の燃料噴射口 22に加えて燃料を拡散噴射する拡散噴射口 23を有して ヽる。 その他の構成は上述した第 1実施形態と同様であるので説明は省略する。このような 構成を採用することにより、第 1実施形態のようなパイロットパーナを設ける必要がなく 、例えば、着火、低負荷時等のように比較的燃焼が不安定となる条件下においても、 拡散噴射口から燃料を拡散噴射し急速混合による混合気の燃焼を補助することによ り、より安定した燃焼が可能となる。
[0041] 図 8A, Bは、本発明の第 3の実施形態による低 NOx噴射弁の実施形態図である。
この図において、図 8Aは横断面図、図 8Bは 8B-8B断面図である。この図に示すよ うに、本発明の燃料噴射弁 30は、噴射弁本体 32と燃料噴射ノズル 34とを備える。
[0042] 噴射弁本体 32は、一端 32aが燃焼室 41に開口し、他端 32bが閉じた中空円筒形 の部材である。この噴射弁本体 32は、その円筒部内壁近傍に複数 (この例で 4つ）の 空気導入ポート 33を備え、燃焼用空気を接線方向内方に導入して内部に強い旋回 流 42を形成する。この強旋回流 42により、図 8Bに示すように、外周部に火炎伸長を 起こす強剪断領域 43と中心部の剛体渦領域 4が形成される。
[0043] 燃料噴射ノズル 34は、噴射弁本体 32の閉じた他端 32bの中心軸上に取り付けら れ、燃料を空気と共に噴射するノズルである。
[0044] この構成により、強剪断領域 43において予混合燃焼に近い均一な希薄混合気 45 を形成する。また、中心部の剛体渦領域 44により、燃焼ガスが中心部に循環する循 環流 46を形成し、剛体渦領域 44に安定した保炎源 47を形成するようになって 、る。
[0045] なお、空気導入ポート 33から導入する空気は、この強剪断領域 43と剛体渦領域 4 4により、均一な希薄混合気 45と循環流 46が形成されるように流量と流速を設定する のがよい。
[0046] また、本発明の燃料噴射方法は、上述した低 NOx噴射弁 30を用い、一端が燃焼 室 41に開口し他端が閉じた中空円筒形の噴射弁本体 32内に燃料を単独あるいは 空気と共に噴射し、噴射弁本体 32の円筒部内壁近傍に燃焼用空気を接線方向内 方に導入し内部に強旋回流 42を形成し、この強旋回流 42により火炎伸長を起こす 外周部の強剪断領域 43と中心部の剛体渦領域 44を形成する。
[0047] さら〖こ詳しくは、強剪断領域 42に燃料を噴射して、強い乱れにより空気と燃料の混 合を促進し、かつそこに作用する火炎伸長による消炎作用によってその混合領域 43 での火炎の形成を防いで均一な希薄混合気 45を形成し、剛体渦領域 44によって中 心部に形成される循環流 46により、安定した保炎源 47を形成し保炎する。
[0048] 図 9A, B, Cは、本発明の低 NOx噴射弁の作用説明図である。この図において、 図 9Aは壁面に沿った噴流の発達状態を示す模式図であり、図 9Bは強剪断領域 3の 模式図、図 9Cは剛体渦領域 44の模式図である。
[0049] 図 9Aにおいて、壁面に沿ってノズル力 流出した直後の噴流中央部の速度分布 は一様であるが、この一様速度部分は、両側力 発達する境界層によって浸食され て減少し、ある距離のところで消滅する。この部分はくさび状であって、ポテンシャル コアと呼ばれる。またポテンシャルコアが消失したあとの完全発達領域でも速度およ び乱れの分布は変化し、十分下流ではこれらの分布形状は相似となる。ポテンシャ ルコアの長さは、ノズルの高さ又は直径を dとした場合、 5— 8d程度である。
[0050] 強旋回流中のポテンシャルコア領域または完全発達領域では、速度最大のピーク を境として自由渦的性質を有する領域 (図 9B)と強制渦的性質を有する領域 (図 9C) とに分けられ、そのうち自由渦領域 (強剪断領域 43)ではせん断によって混合が著し く促進される。従って、この領域に燃料を噴射すると、火炎伸張が生じ火炎塊は短時 間に冷却される消炎作用が作用し、着火を防止することができる。
また、強制渦的性質を有する領域 (剛体渦領域 44)では、形成される旋回火炎が 一種の排ガス循環作用を示し、低 NOx化と CO発生量の低減の両方が達成できると ともに、保炎性が高く安定燃焼が可能となる。
[0051] 上述したように、本発明の方法及び装置によれば、強剪断領域 43において形成さ れる予混合燃焼に近い均一な希薄混合気 45により、低 NOx燃焼を実現することが できる。また、混合領域 43で生ずる火炎伸長による消炎作用により、高温'高圧下で も予混合燃焼のような空気 Z燃料混合部での逆火 ·自着火を防止でき、燃焼器の焼 損や NOxの増加を防げる。
また、逆流領域 46で形成される噴射弁中心部の安定した火炎が、外周部に形成さ れる予混合火炎に近い低 NOx火炎の保炎源 47となり、ノ ィロットパーナなどを設け なくても安定した燃焼を維持できる。
従って、混合領域で生ずる火炎伸長による消炎作用により、逆火、自着火および振 動燃焼を本質的に防止でき、かつ低 NOxィ匕が実現できる。
[0052] なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲 で種々変更できることは勿論である。

Claims

請求の範囲
[1] その一端が閉じた円筒状の噴射弁本体と、該噴射弁本体の中心軸上に配置され燃 料を噴射する燃料ノズルとを備え、
前記噴射弁本体は、その円筒部に、空気を接線方向内方に噴射し内部に旋回流 を形成するための空気噴射口を周方向に複数有し、
前記燃料ノズルは、前記噴射弁本体の内周面に向かって燃料を噴射する燃料噴 射口を有する、ことを特徴とする燃料噴射弁。
[2] 前記燃料噴射口は、互いに隣接する前記空気噴射口の間に向カゝつて燃料を噴射す るように配設される、ことを特徴とする請求項 1記載の燃料噴射弁
[3] 前記燃料ノズルは、前記噴射弁本体の中心軸上から燃料を拡散噴射するための拡 散噴射口を有する、ことを特徴とする請求項 1又は請求項 2記載の燃料噴射弁。
[4] 一端が燃焼室に開口し他端が閉じた中空円筒形の噴射弁本体と、該噴射弁本体の 閉じた他端の中心軸上に取り付けられ燃料を単独あるいは空気と共に噴射する燃料 噴射ノズノレとを備え、
前記噴射弁本体は、その円筒部内壁近傍に燃焼用空気を接線方向内方に導入し 内部に強旋回流を形成する複数の空気導入ポートを備え、該強旋回流により火炎伸 長を起こす外周部の強剪断領域と中心部の剛体渦領域を形成する、ことを特徴とす る燃料噴射弁。
[5] 火炎を形成させる燃焼室と、該燃焼室の上流に請求項 1ないし 4のいずれかに記載 の燃料噴射弁とを備えた、ことを特徴とする燃焼器。
[6] 一端が燃焼室に開口し他端が閉じた中空円筒形の噴射弁本体内に燃料を空気と共 に噴射し、
噴射弁本体の円筒部内壁近傍に燃焼用空気を接線方向内方に導入し内部に強 旋回流を形成し、
該強旋回流により火炎伸長を起こす外周部の強剪断領域と中心部の剛体渦領域 を形成する、ことを特徴とする燃料噴射方法。
[7] 前記強剪断領域に燃料を噴射して、強 ヽ乱れにより空気と燃料の混合を促進し、か つそこに作用する火炎伸長による消炎作用によってその混合領域での火炎の形成 を防レヽで均一な希薄混合気を形成し、
前記剛体渦領域によって中心部に形成される逆流領域により、安定した火炎を形 成し保炎する、ことを特徴とする請求項 6に記載の燃料噴射方法。
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