(57)【要約】【課題】  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化が実現できる液体燃料用低ＮＯｘ噴射弁とその燃料噴射方法を提供する。【解決手段】  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１２と、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１４とを備える。噴射弁本体１２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１３を備え、この強旋回流により火炎伸長を起こす外周部の強剪断領域３と中心部の剛体渦領域４を形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、ことを特徴とする液体燃料用低ＮＯｘ噴射弁。
【請求項２】
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、ことを特徴とする液体燃料の噴射方法。
【請求項３】
前記強剪断領域に燃料を噴射して、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での火炎の形成を防い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２に記載の液体燃料の噴射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン用の低ＮＯｘ燃焼器に係り、更に詳しくは、液体燃料用低ＮＯｘ噴射弁とその燃料噴射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では環境保護のため、ガスタービンや焼却炉の燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の低減が義務付けられている。そのため、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の低減を図っているものが多い。
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。
【０００３】
図３は従来の希薄予混合燃焼方式の低ＮＯｘ燃焼器の一例を示す図である。
この燃焼器６０では、大量の空気が流れる主流ガス流路６１内にスワールベーン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いる。
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の低減を図っている。
【０００４】
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バ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。
【０００５】
しか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化が得られるものの、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。
【０００６】
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］）。また、未公開の関連出願として、本願発明者等は、［特許文献１］  ［特許文献２］  ［特許文献３］等を出願している。
【０００７】
［非特許文献１］のＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｗｈｉｒｌ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ（非対称旋回燃焼）では、図４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。
【０００８】
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一種の排ガス循環作用を示し、低ＮＯｘ化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。
【０００９】
【非特許文献１】Ｈ．Ｃ．Ｇａｂｌｅｒ，ｅｔ  ａｌ．"Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｗｈｉｒｌ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ：  Ａ  Ｎｅｗ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  Ｎｏｎ-Ｐｒｅｍｉｘｅｄ  Ｌｏｗ  Ｎｏｘ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ  Ｄｅｓｉｇｎ"，  ＡＩＡＡ-９８-３５３０
【００１０】
【特許文献１】特願２００２−２５８４３１号明細書
【特許文献２】特願２００２−３２７３９５号明細書
【特許文献３】特願２００３−１３４９８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、予混合部で予め燃料と空気を混合する予混合方式の燃焼器では、燃焼可能な予混合気が上流側に存在するため、逆火や自着火あるいは振動燃焼が発生することがあり、最悪の場合、燃焼器が焼損するおそれがあった。特に航空機用の圧縮機は、性能向上のため圧縮比がますます高くなり、燃焼器入口温度が上昇する傾向にあることから、このリスクがさらに増すため、予混合燃焼を用いた低ＮＯｘ燃焼器の航空機用エンジンへの適用のネックとなっていた。
【００１２】
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、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化が実現できる液体燃料用低ＮＯｘ噴射弁とその燃料噴射方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、ことを特徴とする液体燃料用低ＮＯｘ噴射弁が提供される。
【００１４】
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、ことを特徴とする液体燃料の噴射方法が提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記強剪断領域に燃料を噴射して、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での火炎の形成を防い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。
【発明の効果】
【００１６】
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／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、パイロットバ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化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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て使用する。
【００１８】
図１は、本発明の低ＮＯｘ噴射弁の実施形態図である。この図において、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）はＡ-Ａ断面図である。この図に示すように、本発明の液体燃料用低ＮＯｘ噴射弁１０は、噴射弁本体１２と燃料噴射ノズル１４とを備える。
【００１９】
噴射弁本体１２は、一端１２ａが燃焼室１に開口し、他端１２ｂが閉じた中空円筒形の部材である。この噴射弁本体１２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１３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２を形成する。この強旋回流２により、図１Ｂに示すように、外周部に火炎伸長を起こす強剪断領域３と中心部の剛体渦領域４が形成される。
【００２０】
燃料噴射ノズル１４は、噴射弁本体１２の閉じた他端１２ｂ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。
【００２１】
この構成により、強剪断領域３において予混合燃焼に近い均一な希薄混合気５を形成する。また、中心部の剛体渦領域４により、燃焼ガスが中心部に循環する循環流６を形成し、剛体渦領域４に安定した保炎源７を形成するようになっている。
【００２２】
なお、空気導入ポート１３から導入する空気は、この強剪断領域３と剛体渦領域４により、均一な希薄混合気５と循環流６が形成されるように流量と流速を設定するのがよい。
【００２３】
また、本発明の液体燃料の噴射方法は、上述した低ＮＯｘ噴射弁１０を用い、一端が燃焼室１に開口し他端が閉じた中空円筒形の噴射弁本体１２内に燃料を空気と共に噴射し、噴射弁本体１２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２を形成し、この強旋回流２により火炎伸長を起こす外周部の強剪断領域３と中心部の剛体渦領域４を形成する。
【００２４】
さらに詳しくは、強剪断領域２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３での火炎の形成を防いで均一な希薄混合気５を形成し、剛体渦領域４によって中心部に形成される循環流６により、安定した保炎源７を形成し保炎する。
【００２５】
図２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、（Ａ）は壁面に沿った噴流の発達状態を示す模式図であり、（Ｂ）は強剪断領域３の模式図、（Ｃ）は剛体渦領域４の模式図である。
【００２６】
図２Ａにおいて、壁面に沿ってノズルから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、両側から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。
【００２７】
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２Ｂ）と強制渦的性質を有する領域（図２Ｃ）とに分けられ、そのうち自由渦領域（強剪断領域３）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４）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。
【００２８】
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３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５により、低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。また、混合領域３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／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６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７となり、パイロットバ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化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の低ＮＯｘ噴射弁の実施形態図である。
【図２】本発明の低ＮＯｘ噴射弁の作用説明図である。
【図３】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４】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。
【符号の説明】
【００３０】
１  燃焼室、２  強旋回流、３  強剪断領域、４  剛体渦領域、
５  希薄混合気、６  循環流、７  保炎源、
１０  低ＮＯｘ噴射弁、１２  噴射弁本体、１２ａ  一端、１２ｂ  他端、
１３  空気導入ポート、１４  燃料噴射ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005076989.tif 000005
【図４】
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