(57)【要約】【課題】循環流や乱れ領域を形成することなく燃料と空気を効率よく均一に予混合することができ、これにより使用温度と圧力を高めた場合でも、逆火や自着火を効果的に抑制することができる逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器を提供する。【解決手段】上流側の主噴射弁１２と下流側の予混合管１）が同軸に連結された逆火・自着火防止燃料噴射弁１４を備える。主噴射弁１２は、軸方向に流入空気を通す軸方向開口１２ａと、燃料を流入する空気流に対し垂直に噴射する複数の燃料噴射口１２ｂとを有し、これにより予混合管１３内に軸方向の速度成分のみを有する燃料と空気の予混合気の直進流を形成する。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側の主噴射弁（１２）と下流側の予混合管（１３）が同軸に連結された逆火・自着火防止燃料噴射弁（１４）を備え、
主噴射弁（１２）は、軸方向に流入空気を通す軸方向開口（１２ａ）と、燃料を流入する空気流に対し垂直に噴射する複数の燃料噴射口（１２ｂ）とを有し、これにより予混合管（１３）内に軸方向の速度成分のみを有する燃料と空気の予混合気の直進流を形成する、ことを特徴とする逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項２】
前記主噴射弁（１２）は、半径方向に互いに隙間を隔てかつ同心に配置された複数の燃料リング（１５）を有し、該燃料リングの側面にその隙間を流れる空気流に対し燃料を垂直に噴射する複数の燃料噴射口（１２ｂ）が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項３】
前記燃料噴射口（１２ｂ）の位置及び孔径は、燃料を予混合管内に均一に分布するように設定する、ことを特徴とする請求項１に記載の逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ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、ガスタービン用の低ＮＯｘ燃焼器に係わり、更に詳しくは、逆火や自着火を抑制する逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の発生要因は、燃焼時の高温火炎により空気中の窒素が酸化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、高温火炎の発生をなくすことが効果的である。このため、予混合燃焼方式の低ＮＯｘ燃焼器が用いられている。
【０００３】
図４は、従来のガスタービン用低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燃焼器は、中央部に配置されたパイロットバーナー（図示せず）と、そのまわりに配置された複数（図には２つのみを示す）のメインバーナー９とを備える。なお、この図において、２は燃焼器ライナ、３はケーシングであり、空気６はバーナー９とその他の部分を通ってライナ２内に流入して火炎７を形成し、発生した燃焼ガスが図示しない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。
【０００４】
図４において、メインバーナー９は、互いに同軸に配置された主噴射弁９ａと予混合管９ｂとからなる。主噴射弁９ａには、ケーシング３を通して外部から燃料Ｆ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９ｂは、この図で右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っている。すなわち、メインバーナー９は、主噴射弁９ａと予混合管９ｂで構成された予混合希薄バーナーである。この構成により、主噴射弁９ａにより予混合管９ｂ内に燃料Ｆを噴射し、予混合管９ｂ内で燃料Ｆ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。
か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く、高温火炎の発生をなくし低ＮＯｘ化を実現することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンでは低ＮＯｘ、温度分布均一化が要求され、上述した予混合燃焼方式が広く用いられている。この方式は燃焼する前に燃料と空気を均一に混合することが肝要であり、このため、従来は旋回器（スワール）を設け、空気の旋回を利用して流れ領域に循環流や乱れ領域を作り、燃料と空気の混合を図っていた。
【０００６】
しかし、この方式では循環流や乱れ領域を含む複雑な流れが形成されるため、逆火・自着火が起こりやすくなる問題点があった。
すなわち、図５に示すように、混合気温度が高く、入口空気圧力が高いほど予混合気の自然着火遅れが短くなり、これに対応して予混合気は着火しやすくなる。そのため、従来の低ＮＯｘ燃焼器で使用温度と圧力を高めようとすると、循環流や乱れ領域内の温度、圧力の上昇により、逆火や自着火が起こり、噴射弁のみならず燃焼器全体が損傷し、最悪の場合には燃焼器下流のタービンの損傷につながるおそれもあるので、設計に非常に多くの労力を要していた。
【０００７】
本発明はかかる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、循環流や乱れ領域を形成することなく燃料と空気を効率よく均一に予混合することができ、これにより使用温度と圧力を高めた場合でも、逆火や自着火を効果的に抑制することができる逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上流側の主噴射弁（１２）と下流側の予混合管（１３）が同軸に連結された逆火・自着火防止燃料噴射弁（１４）を備え、主噴射弁（１２）は、軸方向に流入空気を通す軸方向開口（１２ａ）と、燃料を流入する空気流に対し垂直に噴射する複数の燃料噴射口（１２ｂ）とを有し、これにより予混合管（１３）内に軸方向の速度成分のみを有する燃料と空気の予混合気の直進流を形成する、ことを特徴とする逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器が提供される。
【０００９】
上記本発明の構成によれば、予混合管（１３）内に軸方向の速度成分のみを有する燃料と空気の予混合気の直進流が形成されるので、循環流や乱れ領域を作らずに燃料と空気の混合を促進することができる。従って、使用温度と圧力を高めた場合でも、逆火や自着火を効果的に抑制することができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記主噴射弁（１２）は、半径方向に互いに隙間を隔てかつ同心に配置された複数の燃料リング（１５）を有し、該燃料リングの側面にその隙間を流れる空気流に対し燃料を垂直に噴射する複数の燃料噴射口（１２ｂ）が設けられている。
【００１１】
この構成により、複数の燃料リング（１５）の隙間を流れる空気流により、予混合管（１３）内に軸方向の速度成分のみを有する空気流を形成することができる。また、この空気流に対し複数の燃料噴射口（１２ｂ）から燃料を垂直に噴射するので、空気流に循環流や乱れ領域を付加することがなく、燃料と空気の予混合気の直進流を形成することができる。
【００１２】
前記燃料噴射口（１２ｂ）の位置及び孔径は、燃料を予混合管内に均一に分布するように設定する。
この構成により、燃料噴射リング上に設けたオリフィス小孔の位置及び孔径を調整することにより、予混合管内の燃料を均一化し、この燃料分布の均一化みより温度分布も均一化できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明による逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器であり、図２は逆火・自着火防止燃料噴射弁の拡大図である。
【００１５】
図１に示す低ＮＯｘ燃焼器１０は、中央部に配置されたパイロットバーナー１７と、そのまわりに配置された複数（例えば４つ）のメインバーナー１４とを備える。なお、この図において２は燃焼器ライナである。
この構成により空気６がバーナー１２、１４に達し、このバーナーとその他の部分を通ってライナ２内に流入して火炎７ａ，７ｂを形成し、発生した燃焼ガスが図示しない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。
なおこの低ＮＯｘ燃焼器１０は、アニュラー型であるのが好ましいが、マルチプル型、その他であってもよい。
【００１６】
図１において、パイロットバーナー１２は、燃料を燃焼室１１内で拡散燃焼させる拡散バーナーである。また、メインバーナー１４は、燃料と空気を予混合して燃焼室内で燃焼させる予逆火・自着火防止燃料噴射弁である。
【００１７】
逆火・自着火防止燃料噴射弁１４は、主噴射弁１２と予混合管１３とからなる。上流側の主噴射弁１２と下流側の予混合管１３は同軸に連結されている。
【００１８】
図２において、主噴射弁１２は、軸方向に流入空気を通す軸方向開口１２ａと、燃料を流入する空気流に対し垂直に噴射する複数の燃料噴射口１２ｂとを有する。
【００１９】
主噴射弁１２は、半径方向に互いに隙間を隔てかつ同心に配置された複数の燃料リング１５を有する。複数の燃料リング１５はこの例では、軸心に沿って延びる線状パイプ１５ａと、これを囲む円筒形リング１５ｂと、予混合管１３の上流側に連接した環状リング１５ｃとからなる。なお本発明はこの構成に限定されず、その他の構成、例えば線状パイプ１５ａを別の円筒形リングで置き換えてもよい。
【００２０】
軸方向開口１２ａはこの例では、線状パイプ１５ａ、円筒形リング１５ｂおよび環状リング１５ｃの間に設けられた隙間であり、この隙間を軸方向に流入空気６を通すようになっている。
【００２１】
また、燃料リング１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）は、少なくとも部分的に中空であり、この中空部が燃料供給ラインに連結されている。また、燃料リング１５の側面にその隙間を流れる空気流６に対し燃料Ｆを垂直に噴射する複数の燃料噴射口１２ｂが設けられている。
【００２２】
この燃料噴射口１２ｂの位置及び孔径は、燃料を予混合管内に均一に分布するように設定され、これにより予混合管１３内に軸方向の速度成分のみを有する燃料と空気の予混合気の直進流を形成するようになっている。
【００２３】
図３は、燃料噴射における貫通距離を示す実験結果である。この図において、（Ａ）は空気流６に対し燃料Ｆを垂直に噴射する場合の燃料分布模様を示す図、（Ｂ）は貫通距離ｘと燃料噴射速度Ｖｆ、空気流速Ｖａとの関係を示す図である。なおこの図において、ｄ０は燃料噴射口１２ｂの孔径、ｚは燃料噴射口１２ｂからの軸方向位置である。
【００２４】
図３から、燃料噴射における貫通距離は、ｄ０、Ｖｆ、Ｖａ、ｚにより、わずかのばらつきで決まることがわかる。従って、燃料噴射口１２ｂの位置及び孔径により、燃料を予混合管内に均一に分布するように設定することができることがわかる。
【００２５】
上述した本発明の構成によれば、予混合管１３内に軸方向の速度成分のみを有する燃料と空気の予混合気の直進流が形成されるので、循環流や乱れ領域を作らずに燃料と空気の混合を促進することができる。従って、使用温度と圧力を高めた場合でも、逆火や自着火を効果的に抑制することができる。
【００２６】
また、複数の燃料リング１５の隙間を流れる空気流により、予混合管１３内に軸方向の速度成分のみを有する空気流を形成することができる。また、この空気流に対し複数の燃料噴射口１２ｂから燃料を垂直に噴射するので、空気流に循環流や乱れ領域を付加することがなく、燃料と空気の予混合気の直進流を形成することができる。
【００２７】
さらに、燃料噴射リング上に設けたオリフィス小孔の位置及び孔径を調整することにより、予混合管内の燃料を均一化し、この燃料分布の均一化みより温度分布も均一化できる。
【００２８】
なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器は、循環流や乱れ領域を形成することなく燃料と空気を効率よく均一に予混合することができ、これにより使用温度と圧力を高めた場合でも、逆火や自着火を効果的に抑制することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による逆火・自着火防止燃料噴射弁を備えた低ＮＯｘ燃焼器の全体構成図である。
【図２】本発明の逆火・自着火防止燃料噴射弁の拡大図である。
【図３】燃料噴射における貫通距離を示す実験結果である。
【図４】従来のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の構成図である。
【図５】混合気の温度及び圧力と自然着火遅れとの関係図である。
【符号の説明】
２　燃焼器ライナ、３　ケーシング、６　空気、
７，７ａ，７ｂ　火炎、９　メインバーナー、
９ａ　主噴射弁、９ｂ　予混合管、
１０　低ＮＯｘ燃焼器、１１　燃焼室、
１２　主噴射弁、１２ａ　軸方向開口、１２ｂ　燃料噴射口、
１３　予混合管、１４　逆火・自着火防止燃料噴射弁、１５　燃料リング
【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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