(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外筒に内筒を挿入して、内筒内を燃焼室に、内筒と外筒の間を空気通路にそれぞれ構成し、空気通路から燃焼室に燃焼用空気を流入させる空気流入口を設け、
燃料通路と蒸気通路をそれぞれ形成した多流体噴射ノズルを設け、多流体噴射ノズルの先端に形成した燃料噴射口を燃焼室に開口し、
蒸気通路と空気通路を接続した円環形状の混合室を設け、混合室において、蒸気通路から流入する水蒸気が空気通路から流入する空気と混合して旋回し、水蒸気は飽和度が低下して水蒸気中の水滴が蒸発し、また、水蒸気中の水滴が旋回による遠心力で混合室の外周面や端面に付着して蒸発し、水蒸気中の水滴が消滅または減少する構成にし、
混合室に形成した混合気噴射口を燃焼室に開口して燃料噴射口の外回りに配置し、混合気噴射口から噴出する水蒸気と空気の混合気が燃料噴射口から噴出する燃料の根本部に衝突する構成にし、
混合気噴射口の外回りに燃焼室より小径の周壁を設けて周壁内を、混合気噴射口から噴出する水蒸気と空気の混合気と燃料噴射口から噴出する燃料とが衝突して混合する衝突空間にし、衝突空間から流出する水蒸気、空気と燃料の混合気が燃焼室で空気流入口から流入する燃焼用空気と混合して燃焼する構成にしたことを特徴とする多流体噴射式燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にガスタービンに使用される、燃料と空気及び水蒸気を噴出して燃焼する多流体噴射式燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンに使用される多流体噴射式燃焼器は、ケーシングとも言われる外筒に、ライナとも言われる内筒を同芯状に挿入し、内筒内を燃焼室に、内筒と外筒の間を空気通路にそれぞれ構成している。
【０００３】
内筒と外筒の頭部には、燃料を燃焼室に噴出する燃料ノズルを貫通して設け、内筒と外筒の間の空気通路の空気を燃焼室に噴出する空気ノズルを設け、また、燃焼室の燃焼火炎の温度上昇を抑えて排気中の窒素酸化物ＮＯXを低減するた  め、水蒸気を噴出する蒸気ノズルを設けている。
【０００４】
そして、水蒸気を噴出する位置によって２種類に大別される。その一は、水蒸気噴出位置が内筒と外筒の間の空気通路である。他は、水蒸気噴出位置が燃焼室である。
【０００５】
水蒸気を内筒と外筒の間の空気通路に噴出する燃焼器においては、水蒸気が混入して酸素濃度が低下した空気が燃焼室に流入して燃焼に使用されるので、火炎の不安定や排気の悪化の原因になる。また、蒸気ノズルと燃料ノズルは、離れた位置に別々に設けるので、製作費や保守費が安価になり難い。
【０００６】
水蒸気を燃焼室に噴出する燃焼器においては、水蒸気が燃焼室の燃焼火炎に直接噴射されるので、少ない水蒸気量で燃焼火炎の温度を低下させることができ  る。水蒸気の消費量が少量で済む。また、蒸気ノズルと燃料ノズルは、近接した位置に設けるので、一体構造にすることができる。製作費や保守費が安価にな  る。
【０００７】
また、水蒸気を燃焼室に噴出する燃焼器は、水蒸気噴出位置と燃焼噴出位置の相対位置によって２種類に分類される。その一は、水蒸気噴出位置が燃焼噴出位置の中心である。他は、水蒸気噴出位置が燃焼噴出位置の外回りである。
【０００８】
水蒸気を燃焼火炎の中心に直接噴出する前者の燃焼器の方が、後者の燃焼器より、燃焼火炎の温度を所定温度に低下させる水蒸気量が少ない。水蒸気の消費量が少量で済む。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、水蒸気は、蒸気ボイラから供給されて燃焼器内に噴出するまでに冷却され、過飽和の水分が凝縮して水滴を含むことがある。燃焼器において、凝縮水の水滴が含まれる水蒸気が噴出されることがある。
【００１０】
また、蒸気ボイラから燃焼器に供給される水蒸気の量が変動することがある。燃焼器において、水蒸気の噴出量が変動することがある。
【００１１】
水蒸気を燃焼室に噴出する燃焼器において、燃焼室の燃料と空気及び水蒸気の混合気に凝縮水の水滴が含まれると、その水滴は、寸法と分散が均一にはならないので、燃料の分散が不均一になって、燃焼効率が悪化したり、水滴が燃焼火炎によって急激に蒸発して燃焼火炎が不安定になったり、消えたりすることがあ  る。また、燃焼室に噴出する水蒸気の量が変動すると、燃料の分散が不均一になって、燃焼効率が悪化したり、燃焼火炎が不安定になったり、消えたりすることがある。
【００１２】
水蒸気噴出位置が燃焼噴出位置の中心である燃焼器の方が、水蒸気噴出位置が燃焼噴出位置の外回りである燃焼器より、水蒸気中の水滴や水蒸気噴出量の変動による影響が大きい。燃焼効率の悪化、燃焼火炎の不安定化や消炎が発生し易  い。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外筒に内筒を挿入して、内筒内を燃焼室に、内筒と外筒の間を空気通路にそれぞれ構成し、空気通路から燃焼室に燃焼用空気を流入させる空気流入口を設け、
燃料通路と蒸気通路をそれぞれ形成した多流体噴射ノズルを設け、多流体噴射ノズルの先端に形成した燃料噴射口を燃焼室に開口し、
蒸気通路と空気通路を接続した円環形状の混合室を設け、混合室において、蒸気通路から流入する水蒸気が空気通路から流入する空気と混合して旋回し、水蒸気は飽和度が低下して水蒸気中の水滴が蒸発し、また、水蒸気中の水滴が旋回による遠心力で混合室の外周面や端面に付着して蒸発し、水蒸気中の水滴が消滅または減少する構成にし、
混合室に形成した混合気噴射口を燃焼室に開口して燃料噴射口の外回りに配置し、混合気噴射口から噴出する水蒸気と空気の混合気が燃料噴射口から噴出する燃料の根本部に衝突する構成にし、
混合気噴射口の外回りに燃焼室より小径の周壁を設けて周壁内を、混合気噴射口から噴出する水蒸気と空気の混合気と燃料噴射口から噴出する燃料とが衝突して混合する衝突空間にし、衝突空間から流出する水蒸気、空気と燃料の混合気が燃焼室で空気流入口から流入する燃焼用空気と混合して燃焼する構成にした。
【００１４】
【発明の効果】
水蒸気は、燃料噴射口から噴出する燃料と混合する前に、円環形状の混合室に流入して空気通路から流入する空気と混合して旋回する。混合室に流入する水蒸気に、凝縮水の水滴が含まれていても、その水蒸気は、混合室に流入し、空気通路から混合室に流入する空気と混合して飽和度が低下し、水蒸気中の水滴が蒸発する。また、水蒸気中の水滴が旋回による遠心力で混合室の外周面や端面に付着して蒸発する。水蒸気中の水滴は、消滅または減少する。
【００１５】
また、多流体噴射ノズルの蒸気通路に供給される水蒸気の量が変動しても、その水蒸気は、混合室に流入し、空気通路から流入する空気と混合して旋回すると、変動が緩和される。混合気噴射口から噴出する混合気中の水蒸気量は、水蒸気の供給量程には変動しない。
【００１６】
更に、水蒸気噴出位置が燃焼噴出位置の外回りであるので、水蒸気中の水滴や水蒸気噴出量の変動による影響が小さい。
【００１７】
従って、排気中の窒素酸化物ＮＯXを低減する水蒸気に起因する燃焼効率の悪化、燃焼火炎の不安定化や消炎が発生し難い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
参照例と実施形態例について説明する。
＜第１例、参照例（図１〜図６参照）＞
［構 成］
本例の多流体噴射式燃焼器は、図１と図５に示すように、ケーシングの円形断面の外筒１にライナの円形断面の内筒２を同芯状に挿入し、外筒１と内筒２の頭部を円環形状の取付部材３で固定している。内筒２内は、燃焼室４に構成している。燃焼室４は、図５に示すように、内筒２の頭部側の小径の室と、これに同芯状に接続した大径の室の２室からなる。外筒１と内筒２の間は、空気通路５に構成している。
【００１９】
外筒１と内筒２の頭部及び取付部材３には、多流体噴射ノズル６を同芯状に貫通して複数のボルト７で取外可能に取り付けている。多流体噴射ノズル６は、洗浄や交換の際、取外が容易である。
【００２０】
多流体噴射ノズル６は、図１に示すように、円形断面の細長い第１燃料通路  １１と中空円盤形状の第２燃料通路１２を同芯状に設け、第１燃料通路１１の先端を第２燃料通路１２の中心部に接続している。
【００２１】
第１燃料通路１１は、図１に示すように、基端に燃料供給口１３を同芯状に設けている。第２燃料通路１２は、図１と図２に示すように、先端壁と外周壁の間の円錐筒形状の面取り壁に多数の円形断面の燃料噴射口１４を周方向等間隔位置に貫通している。各燃料噴射口１４は、その貫通位置の面取り壁と直交する方向に開口している。
【００２２】
即ち、多流体噴射ノズル６は、先端に多数の燃料噴射口１４を円上に等間隔に配列して形成し、各燃料噴射口１４を燃焼室４に開口している。
【００２３】
第１燃料通路１１の外回り位置には、図１に示すように、円輪断面の細長い蒸気通路１５を同芯状に設けている。蒸気通路１５は、基端の外周壁に蒸気供給口１６を径方向に設け、先端の外周壁に複数の蒸気流出口１７を周方向等間隔位置に貫通している。各蒸気流出口１７は、図３に示すように、その貫通位置の外周壁内面の接線方向に開口している。
【００２４】
多流体噴射ノズル６の外周面と取付部材３の内周面の間には、図１に示すように、円環形状の空間１８を設けている。即ち、蒸気通路１５の先端の外回り位置には、円環形状の混合室１８を同芯状に設けている。
【００２５】
混合室１８は、内周中央に各蒸気流出口１７を接続し、外周壁の先端側に複数の空気流入口１９を周方向等間隔位置に貫通している。各空気流入口１９は、図４に示すように、その貫通位置の外周壁内面の接線方向に開口している。
【００２６】
空気通路５の空気を混合室１８に流入させる空気流入口１９は、総断面積が、水蒸気を混合室１８に流入させる蒸気流出口１７と同等またはそれより少ない。水蒸気と空気の混合気が旋回して流れる混合室１８は、断面積が、空気流入口  １９の総断面積と蒸気流出口１７の総断面積の和と同等またはそれより少ない。
【００２７】
また、混合室１８は、図１と図２に示すように、先端壁の内周側に円輪断面の混合気噴射口２０を同芯状に貫通している。混合気噴射口２０は、これと同芯の円上に配列した燃料噴射口１４に近接してその外回りで基端側に配置している。
【００２８】
燃料供給装置は、図５に示すように、都市ガスの配管４１をガスコンプレッサ４２、電磁開閉弁４３、電磁開閉弁４４と流量制御弁４５を経て多流体噴射ノズル６の燃料供給口１３に接続している。電磁開閉弁４３と電磁開閉弁４４の間のガス通路は、ガスパージ用に電磁開閉弁４６を経て大気に開放している。
【００２９】
蒸気供給装置は、図５に示すように、蒸気ボイラ５１を減圧弁５２、開閉弁  ５３、固定絞り５４、電磁開閉弁５５と逆止弁５６を経て多流体噴射ノズル６の蒸気供給口１６に接続している。開閉弁５３と固定絞り５４の間の蒸気通路は、ドレーン排出用に電磁開閉弁５７を経て大気に開放している。
【００３０】
燃焼室４は、図５に示すように、上流端に点火プラグ６１を突出し、下流端をガスタービン６２のガス流入口に接続している。空気通路５には、ガスタービン６２と連結した空気圧縮機６３の空気出口を接続している。本例の多流体噴射式燃焼器は、ガスタービンプラントに使用されている。
【００３１】
［作  用］
本例の多流体噴射式燃焼器を作動する場合、ガスコンプレッサ４２を起動し、１３Ａと呼ばれる都市ガスを９気圧程度に昇圧させる。ガスタービン６２は、スタータモータで起動する。空気圧縮機６３も回転駆動される。点火プラグ６１  は、通電する。電磁開閉弁４３と電磁開閉弁４４は、開放する。
【００３２】
すると、都市ガスのガス燃料は、流量制御弁４５で設定された流量で多流体噴射ノズル６に供給され、燃料噴射口１４から燃焼室４に噴出する。また、空気通路５の空気は、混合室１８を経て混合気噴射口２０から燃焼室４に噴出する。燃焼室４に形成される燃料と空気の混合気は、点火プラグ６１によって着火して拡散燃焼または予混合燃焼する。
【００３３】
一方、蒸気ボイラ５１を起動し、圧力が１０気圧程度で温度が１８０℃位の水蒸気を発生させる。開閉弁５３と電磁開閉弁５７は、開放する。ドレーンを排出すると共に、蒸気通路を昇温する。ガスタービン６２が所定の回転速度に達したところで、電磁開閉弁５７を閉鎖して電磁開閉弁５５を開放する。
【００３４】
すると、水蒸気は、減圧弁５２で設定された圧力と固定絞り５４で設定された流量で多流体噴射ノズル６に供給され、混合室１８を経て混合気噴射口２０から燃焼室４に噴出する。
【００３５】
多流体噴射ノズル６に供給されたガス燃料は、第１燃料通路１１の先端でジェットになって第２燃料通路１２の先端壁に衝突し、第２燃料通路１２を径方向に流れ、燃料噴射口１４から先広の円錐筒形状に噴出する。第２燃料通路２の先端壁は、外面が燃焼室４の燃焼火炎で加熱されるが、内面に６０℃位の温度のガス燃料が衝突することにより冷却される。
【００３６】
空気通路５の空気は、燃焼室４の熱で加熱されて温度が３００℃位になり、空気流入口１９から混合室１８に流入し、混合室１８を旋回して流れる。混合室  １８を構成する取付部材３は、燃焼室４の熱で加熱され、混合室１８の外周面と先端側端面の温度が３００〜４００℃位になる。
【００３７】
多流体噴射ノズル６に供給された水蒸気は、蒸気通路１５を通過中に冷却されるが、６０℃位の温度のガス燃料が流れる第１燃料通路１１の外回りを流れることにより温度低下が抑制される。
【００３８】
蒸気通路１５を流れる水蒸気は、蒸気流出口１７から混合室１８に流入し、混合室１８を旋回して流れる。混合室１８での水蒸気の旋回は、混合室１８での空気の旋回と同方向である。混合室１８は、水蒸気と空気が流入して混合する。
【００３９】
蒸気ボイラ５１で発生した水蒸気は、供給配管の途中で冷却され、多流体噴射ノズル６の蒸気通路１５に流入するときには温度が１５０℃位に低下し、凝縮水の水滴を含むことがある。
【００４０】
混合室１８に流入する水蒸気に凝縮水の水滴が含まれていても、その水蒸気  は、空気通路５から混合室１８に流入する３００℃位の温度の空気と混合して飽和度が低下することにより、水蒸気中の水滴が蒸発して消滅または減少する。また、水蒸気中の水滴が水蒸気と空気の混合気の旋回による遠心力で混合室１８の３００〜４００℃位の温度の外周面や先端側端面に付着して蒸発する。
【００４１】
従って、混合気噴射口２０から噴出する水蒸気と空気の混合気は、水滴を含まない、または、ほとんど含まない。
【００４２】
また、蒸気ボイラ５１から多流体噴射ノズル６に供給される水蒸気は、供給量が変動することがある。水蒸気の供給量が変動しても、水蒸気は、混合室１８に流入し、空気通路５から流入する空気と混合することにより、その変動が緩和される。混合気噴射口２０から噴出する混合気中の水蒸気量は、水蒸気の供給量程には変動しない。
【００４３】
混合室１８を旋回する水蒸気と空気の混合気は、混合気噴射口２０から円筒形状に噴出し、これと同芯状に燃料噴射口１４から先広円錐筒形状に噴出する燃料の根本部の外周面に衝突して、燃料と混合する。水蒸気と空気の混合気は、燃焼火炎の周囲に噴出する。
【００４４】
水蒸気中の水滴や水蒸気供給量の変動に起因する燃焼効率の悪化、燃焼火炎の不安定化や消炎が発生し難い。燃焼火炎の温度上昇が抑えられて窒素酸化物    ＮＯXの発生が抑制される。
【００４５】
［実  験］
本例の多流体噴射式燃焼器において、水蒸気を噴出しないときの排気の窒素酸化物ＮＯX濃度に対して水蒸気を噴出したときの排気の窒素酸化物ＮＯX濃度が低減した割合を示す低減率と、理論空燃比に対する実際の空燃比の割合を示す運転当量比の関係を求めた。
【００４６】
ガス燃料の供給流量に対する水蒸気の供給流量の重量割合が０．６程度であると、図６に実線で示すように、運転当量比が０．２８程度になる定格運転時に  は、窒素酸化物ＮＯX濃度低減率が半分近くになる。ガス燃料の供給流量に対する水蒸気の供給流量の重量割合を１以下にすることにより、排気の窒素酸化物  ＮＯX濃度が十分に低い燃焼を実現することができる。
【００４７】
比較のため、本例の多流体噴射式燃焼器において、多流体噴射ノズル６の蒸気供給口１６にガス燃料を、燃料供給口１３に水蒸気をそれぞれ供給し、水蒸気を燃焼火炎の中心に噴出し、排気の窒素酸化物ＮＯX濃度低減率と運転当量比の関係を同様にして求めた。
【００４８】
すると、図６に破線で示すように、排気の窒素酸化物ＮＯX濃度が非常に低くなるが、水蒸気に水滴が含まれると、特に局部に溜った凝縮水が塊になって噴出されると、直ちに燃焼火炎が吹き消える。実用化が困難である。
【００４９】
水蒸気噴出位置が燃焼噴出位置の中心である場合は、水蒸気噴出位置が燃焼噴出位置の外回りである場合より、水蒸気中の水滴や水蒸気噴出量の変動による影響が大きい。
【００５０】
＜第２例、実施形態例（図７〜図９参照）＞
本例の多流体噴射式燃焼器は、第１例のそれを改良したものである。
【００５１】
蒸気流出口１７は、図７と図８に示すように、数が多く、開口方向が蒸気通路１５や混合室１８の径方向である。空気流入口１９は、図７と図９に示すよう  に、数が多い。
【００５２】
燃焼室４は、１室からなる。取付部材３と内筒２の間には、図７に示すよう  に、円輪形状の気流旋回器付きの空気流入口７１を設け、空気通路５の空気を旋回して燃焼室４の上流端に流入する構成にしている。
【００５３】
混合気噴射口２０の外回りには、図７に示すように、燃焼室４より小径の周壁７２を設けている。周壁７２内は、混合気噴射口２０から噴出する水蒸気と空気の混合気と燃料噴射口１４から噴出する燃料とが衝突して混合する衝突空間７３にしている。衝突空間７３から流出する水蒸気、空気と燃料の混合気は、燃焼室４で空気流入口７１から流入する燃焼用空気と混合して燃焼する。
その他の点は、第１例におけるのとほぼ同様である。
【００５４】
＜第３例、参照例（図１０と図１１参照）＞
本例の多流体噴射式燃焼器は、燃料に、第１例と第２例におけるガス燃料に代えて、液体燃料を使用するものである。
【００５５】
多流体噴射ノズル６は、図１０に示すように、円形断面の燃料通路１１を同芯状に設け、燃料通路１１の基端に燃料供給口１３を設け、燃料通路１１の先端に燃料噴射口を燃焼室４に開口して設けている。燃焼室４は、１室からなる。燃料通路１１に供給された液体燃料は、燃料噴射口から燃焼室４に噴出する。
【００５６】
燃料通路１１の外回り位置には、図１０に示すように、円輪断面の蒸気通路  １５を同芯状に設け、蒸気通路１５の基端に蒸気供給口１６を設けている。ま  た、燃料通路１１の外回り位置には、円環形状の混合室１８を同芯状に設け、混合室１８の後端に蒸気通路１５の先端の蒸気流出口を接続している。蒸気通路  １５に供給された水蒸気は、混合室１８に流入する。
【００５７】
混合室１８は、外周壁に複数の空気流入口１９を周方向等間隔位置に貫通している。各空気流入口１９は、図１１に示すように、その貫通位置の外周壁内面の接線方向に開口している。
【００５８】
また、混合室１８は、図１０に示すように、先端側に円環形状の気流旋回器  ８１を同芯状に設け、先端に円輪断面の混合気噴射口２０を燃焼室４に開口して同芯状に設けている。混合気噴射口２０は、これと同芯の燃料噴射口に近接してその外回りに配置している。
【００５９】
多流体噴射ノズル６の外周面と取付部材３の内周面の間には、図１０と図１１に示すように、円環形状の空間８２を設け、取付部材３の内周面と外周面の間に空気流入通路８３を周方向等間隔位置に径方向に貫通している。空気通路５の空気は、空気流入通路８３、空間８２と空気流入口１９を経て混合室１８に流入して旋回する。
【００６０】
混合室１８に流入した水蒸気と空気は、混合して旋回し、気流旋回器８１を通過して旋回速度を高め、混合気噴射口２０から旋回しつつ噴出し、水蒸気と空気の旋回混合気の中心部に燃料噴射口から液体燃料が噴出し、この液体燃料に水蒸気と空気の混合気が衝突し、液体燃料が微粒化されて水蒸気と空気の混合気と混合する。
【００６１】
液体燃料の微粒子と空気及び水蒸気の混合気は、先広円錐筒形状に噴出し、点火プラグ６１によって着火して燃焼する。
【００６２】
その他の点は、第１例におけるのとほぼ同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１例、参照例の多流体噴射式燃焼器の頭部の縦断側面図。
【図２】  図１のＡ−Ａ線矢視図。
【図３】  図１のＢ−Ｂ線端面図。
【図４】  図１のＣ−Ｃ線端面図。
【図５】  同多流体噴射式燃焼器を使用したガスタービンプラントの概略図。
【図６】  同多流体噴射式燃焼器におけるＮＯX濃度低減率と運転当量比の関係を示す線図。
【図７】  第２例、実施形態例の多流体噴射式燃焼器の頭部の縦断側面図。
【図８】  図７のＤ−Ｄ線端面図。
【図９】  図７のＥ−Ｅ線端面図。
【図１０】  第３例、参照例の多流体噴射式燃焼器の頭部の縦断側面図。
【図１１】  図１０のＦ−Ｆ線端面図。
【符号の説明】
１  外筒
２  内筒
４  燃焼室
５  空気通路
６  多流体噴射ノズル
１１，１２  燃料通路
１４  燃料噴射口
１５  蒸気通路
１８  混合室
２０  混合気噴射口
７１  空気旋回器付きの空気流入口
７２  周壁
７３  衝突空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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