(57)【要約】【課題】  燃料分布の均一な混合気を形成することによりＮＯｘ発生量を低減することができ、かつ、簡素な構造で製作コストの上昇を抑えたガスタービン用燃料噴射弁及び低ＮＯｘ燃焼器を提供する。【解決手段】  空気とともに燃料を噴射する燃料噴射ノズル２と、燃料噴射ノズル２を囲む同心上に間隔を隔てて順次配置され、その内部を通過した空気を燃料噴射ノズル２から噴射された燃料に衝突させるように形成された複数の空気ノズル３と、該各空気ノズル３の上流側にそれぞれ設けられ、当該各空気ノズル３に流入する空気を旋回させる複数のスワーラ４とを備え、燃料噴射ノズル２とその外側に隣接する空気ノズル３との間、及び各空気ノズル３間に空気を流通させる空気流路を形成し、各空気ノズル３の下流端は、内側に隣接する空気ノズル３の下流端より軸方向下流かつ径方向外方に位置するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気とともに燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、
該燃料噴射ノズルを囲む同心上に間隔を隔てて順次配置され、その内部を通過した空気を前記燃料噴射ノズルから噴射された燃料に衝突させるように形成された複数の空気ノズルと、
該各空気ノズルの上流側にそれぞれ設けられ、当該各空気ノズルに流入する空気を旋回させる複数のスワーラとを備え、
前記燃料噴射ノズルとその外側に隣接する前記空気ノズルとの間、及び前記各空気ノズル間に空気を流通させる空気流路を形成し、
前記各空気ノズルの下流端は、内側に隣接する空気ノズルの下流端より軸方向下流かつ径方向外方に位置する、ことを特徴とするガスタービン用燃料噴射弁。
【請求項２】
前記各空気ノズルのうち少なくとも1つ以上の空気ノズルの下流端は、その内側に隣接する燃料噴射ノズル又は空気ノズルの下流端にて生成された空気と燃料との混合気の半径方向の燃料分布がピーク値を示す部分に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガスタービン用燃料噴射弁と、該ガスタービン用燃料噴射弁の下流側に設けられ、その内部に混合された混合気を燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナーとを備える、ことを特徴とする低ＮＯｘ燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン用燃料噴射弁及び低ＮＯｘ燃焼器に関し、さらに詳しくは、燃料と空気を均一に混合させ、安定な火炎を形成して燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を低減することができるガスタービン用燃料噴射弁及び低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮機で圧縮された空気と燃料を燃焼器で燃焼させ、発生する高温・高圧の燃焼ガスをタービン中で膨張させることによって外部に出力を取り出し、発電機、プロペラ、車両、機械の駆動などに用いられ、高温・高圧の燃焼ガスほど大きな出力を得ることができる。
【０００３】
図４（ａ）は、下記特許文献１において従来例として記載された従来のガスタービン用燃料噴射弁の構成図である。１０１は先端が２重管構造とされた燃料噴射ノズルであって、内部に空気流路１０６を有する内側ボディ１０１ａと、外側ボディ１０１ｂとにより構成され、内側ボディ１０１ａと外側ボディ１０１ｂとの間に燃料流路１０８を形成している。１０４は燃料噴射ノズル１０１の先端外方に間隙をあけて同心上に設けられた円錐状のスリーブであり、燃料噴射ノズル１０１の外側ボディ１０１ｂとスリーブ１０４との間に空気流路１０７を形成している。燃料が燃料噴射ノズル１０１から噴射されるとき、空気流路１０６からの空気と混合されるとともに先端部（リップ部）にて微粒化され、これが空気流路１０７からの空気と更に混合されて燃焼室で燃焼し燃焼ガスとなる。
【０００４】
しかし、図４（ａ）のガスタービン用燃料噴射弁では、スリーブ１０４により燃料噴射ノズル１０１から噴射される燃料に更に空気を衝突させ混合させることにより、燃料の希釈、燃料及び空気の混合性を向上させることができるものの、図４（ｂ）に示すように、燃料噴射弁径Ｄ（縦軸）と燃料分布濃度Ｇ（横軸）との関係が、外側ボディ１０１ｂの先端近傍位置において、中央部が希薄になるとともに、その周囲が濃厚になる傾向が生じ、これらの燃料濃度の不均一により、燃料の濃厚な部分の高温化に基づいてＮＯｘの生成量が多くなり、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度が高くなってしまうという技術課題が残される。そこで、ＮＯｘ低減を図ったガスタービン用燃料噴射弁に関する技術が下記特許文献２に開示されている。
【０００５】
図５は、特許文献２の「ガスタービン用低ＮＯｘバーナ」の構成を示す図である。このバーナは、第１空気旋回器２０１と、第１空気旋回器２０１につながり断面が出口に向けて縮小又はその後拡大する第１空気通路２０２と、第１空気通路内２０２を流れる空気流中に燃料を噴射する第１燃料ノズル２０３と、第１空気通路２０２の外周部に第１空気通路２０２の出口部と同軸に取り付けられた環状の第２空気旋回器２０４と、第２空気旋回器２０４の羽根によって仕切られた環状通路内の複数の通路からなる第２空気通路２０５と、第２空気通路２０５を流れる空気流に燃料を噴射する第２燃料ノズル２０６とを備えたことを特徴としている。このような構成により、第１及び第２の空気旋回器２０１、２０４による激しい乱れのために、燃焼領域での空気と燃料の混合を激しくして燃料分布を均一化し、これによりＮＯｘ排出量を低減している。なお、その他のガスタービン燃料噴射弁に関する先行技術は、例えば下記特許文献３に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１５８８９２号公報
【特許文献２】特開平９−１５２１０５号公報
【特許文献３】特開２００２−１３９２２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献２、３に開示されているようなガスタービン用燃料噴射弁は、燃料分布の均一化によりＮＯｘ発生量を低減することができるものの、複数の燃料系統を必要とするため構造が複雑となるとともに、製作コストが上昇するという問題があった。
【０００８】
本発明は、これらの問題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、燃料分布の均一な混合気を形成することによりＮＯｘ発生量を低減することができ、かつ、簡素な構造で製作コストの上昇を抑えたガスタービン用燃料噴射弁及び低ＮＯｘ燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明のガスタービン用燃料噴射弁は、空気とともに燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルを囲む同心上に間隔を隔てて順次配置され、その内部を通過した空気を前記燃料噴射ノズルから噴射された燃料に衝突させるように形成された複数の空気ノズルと、該各空気ノズルの上流側にそれぞれ設けられ、当該各空気ノズルに流入する空気を旋回させる複数のスワーラとを備え、前記燃料噴射ノズルとその外側に隣接する前記空気ノズルとの間、及び前記各空気ノズル間に空気を流通させる空気流路を形成し、前記各空気ノズルの下流端は、内側に隣接する空気ノズルの下流端より軸方向下流かつ径方向外方に位置する、ことを特徴とする。
【００１０】
また、上記本発明のガスタービン用燃料噴射弁において、好ましくは、前記各空気ノズルのうち少なくとも１つ以上の空気ノズルの下流端は、内側に隣接する燃料噴射ノズル又は空気ノズルの下流端にて生成された空気と燃料との混合気の半径方向の燃料分布がピーク値を示す部分に位置する。
【００１１】
また、本発明の低ＮＯｘ燃焼器は、上記ガスタービン用燃料噴射弁と、該ガスタービン用燃料噴射弁の下流側に設けられ、その内部に混合された混合気を燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナーとを備える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように構成された本発明のガスタービン用燃料噴射弁によれば、各空気ノズルの下流端（リップ部）がその内側に隣接する空気ノズルの下流端より軸方向下流かつ径方向外方に位置するので、内側に隣接するリップ部からの噴霧の一部がその外側に隣接するリップに衝突して、燃料が再微細化することで、燃料の分布範囲を広げ半径方向の燃料分布を均一化することができる。また順次配置された空気ノズルのリップ部により燃料を空気と混合するので比較的短時間に均一な混合気を形成することができる。また、混合気の外周側に位置する燃料は均一な混合の妨げとなる比較的大きな粒径をもつが、これらはその外側に隣接するリップで再微粒化されるので、混合気の燃料の平均粒径も小さくできる。さらに、複数位置からの燃料の微粒化及び空気との混合にあたり、燃料噴射は中心部に設けられた燃料噴射ノズルのみにより行うため、噴射弁の構造を簡素化することができ、かつ複数の燃料系統を必要としないため、製作コストの上昇も抑えられる。
【００１３】
また、前記各空気ノズルのうち少なくとも１つ以上の空気ノズルの下流端を、その内側に隣接する燃料噴射ノズル又は空気ノズルの下流端にて生成された空気と燃料との混合気の半径方向の燃料分布がピーク値を示す部分に位置決めすることにより、燃料分布が相対的に大きい部分を確実に微粒化することができ、混合気の均一化をより促進できる。
【００１４】
また、本発明の低ＮＯｘ燃焼器は、上記のガスタービン用燃料噴射弁を備えているので、燃料分布の均一な混合気により燃焼ガス中のＮＯｘ発生量を低減することができる。
【００１５】
したがって、本発明のガスタービン用燃料噴射弁および低ＮＯｘ燃焼器は、燃料分布の均一な混合気を形成することにより燃焼ガス中のＮＯｘ発生量を低減することができ、かつ、簡素な構造で製作コストの上昇を抑えることができる等の優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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する。
【００１７】
図１は本発明に係るガスタービン用燃料噴射弁と、これを備えた低ＮＯｘ燃焼器の実施形態の概略構成図である。この図に示すように、低ＮＯｘ燃焼器１０は、その内部に燃焼室１４を形成する燃焼器ライナー１６と、点火プラグ１７と、燃焼器ライナー１６の上流側に接続され燃料を空気と混合して噴射する燃料噴射弁１とを備えている。
【００１８】
燃料噴射弁１は、燃料噴射ノズル２と、空気ノズル３と、スワーラ４とを備えている。燃料噴射ノズル２は、内側ノズルと、内側ノズルに嵌合する外側ノズルとからなり、内側ノズルから空気を噴出し、内側ノズルと外側ノズルとの間から燃料を噴出するようになっている。
【００１９】
空気ノズル３は、上流側を形成する円筒部と、円筒部の下流側に接続され断面積が漸減する絞込み部とから構成された燃料噴射ノズル２を囲む部材であり、燃料噴射ノズル２と同心上に間隔を隔てて順次配置されている。この例において、空気ノズルは３ａ、３ｂ、３ｃの３つであり、燃料噴射ノズル２とその外側に隣接する空気ノズル３ａとの間、空気ノズル３ａとその外側に隣接する空気ノズル３ｂとの間、及び空気ノズル３ｂとその外側に隣接する空気ノズル３ｃとの間に空気を流通させる空気流路を形成している。この空気流路は、流通する空気を燃料噴射ノズル２から噴射された燃料に衝突させるように形成されている。
【００２０】
また、空気ノズル３の下流端（リップ部）は、その内側に隣接する空気ノズルの下流端（リップ部）より軸方向下流（燃焼室１４側）かつ径方向外方に位置決めされている。すなわち、空気ノズル３ｂの下流端は、その内側に隣接する空気ノズル３ａの下流端よりも軸方向下流かつ径方向外方に位置し、空気ノズル３ｃの下流端は、その内側に隣接する空気ノズル３ｂの軸方向下流かつ径方向外方に位置している。なお、以下、空気ノズル３及び燃料噴射ノズル２の下流端、すなわち燃料を微粒化する部分を「リップ部」と呼称する。
【００２１】
図２は、空気ノズル３ｂの下流端のＡ−Ａ断面における噴霧分布（燃料分布）を示したものである。この図に示すように、各空気ノズル３のうち少なくとも１つ以上の空気ノズルのリップ部が燃料分布のピーク値を示す位置と一致するようにする。つまり、各空気ノズル３のリップ部を、内側に隣接する燃料噴射ノズル又は空気ノズルのリップ部にて生成された混合気の半径方向の燃料分布がピーク値を示す部分に位置決めするのが好ましい。なお、この例において、最も内側に位置する空気ノズル３ａの下流端は燃料噴射ノズル２からの混合気が衝突する位置に設定されていないが、これを燃料噴射ノズル２からの混合気が衝突する位置に設定しても良い。
【００２２】
スワーラ４は、各空気ノズル３の上流側（空気入口部）にそれぞれ設けられ、空気流路を流れる空気を旋回させ旋回流を生じさせるようになっている。
【００２３】
次にこの実施形態の動作を図３を参照して説明する。ガスタービンの運転中、燃料噴射ノズル２の燃料入口部と空気入口部から燃料と図示しない圧縮機により圧縮された空気が流入し、先端（下流端）で燃料と空気を混合した混合気を噴射する。このとき噴射される燃料は、先端のリップ部で最初の微粒化が行われる。
【００２４】
一方、空気ノズル３のそれぞれの空気入口部からは、スワーラ４を介して空気が空気流路に流入する。このとき空気はスワーラ４により強制的に旋回流となり、各空気ノズル３の絞り込み部を通るときに加速され、燃料噴射ノズル２から噴射された混合気に衝突する。すなわち、燃料噴射ノズル２から噴射され最初の微粒化が行われた混合気内の燃料は、空気ノズル３ａ又は空気ノズル３ｂのリップ部に衝突して再微粒化され、さらにその外側の空気ノズル３ｃのリップ部に衝突して再微粒化される（図３（ａ））。
【００２５】
なお、各スワーラ４による旋回流の旋回方向は、それぞれ同じくすることができるが、所望ならば、図３（ａ）のようにそれぞれの旋回流の旋回方向は交互に逆方向としてもよい。回転方向は、燃料噴射弁１の大きさと構成、及び特定の燃焼室設計における作動条件に応じて決定することができる。
【００２６】
そして混合気となり微粒化された燃料は、燃焼室１４に入り点火プラグ１７により着火され、燃焼火炎を形成し、生成した燃焼ガスが図示しないタービンに導かれる。
【００２７】
したがって、本発明によれば、混合気内の燃料を複数回にわたり微粒化することにより、燃料の分布範囲を広げ半径方向の燃料分布を均一化することができる（図３（ｂ））。しかも、各空気ノズルのうち少なくとも１つ以上の空気ノズルの下流端は、内側に隣接する燃料噴射ノズル又は空気ノズルの下流端にて生成された空気と燃料との混合気の半径方向の燃料分布がピーク値を示す部分に位置決めされているので、燃料分布が相対的に大きい部分を確実に微粒化することができ、混合気の均一化をより促進できる。
【００２８】
また順次配置された空気ノズルのリップ部により燃料を空気と混合するので比較的短時間に均一な混合気を形成することができる。また、混合気の外周側に位置する燃料は均一な混合の妨げとなる比較的大きな粒径をもつが、これらはその外側に隣接するリップ部で再微粒化されるので、混合気の燃料の平均粒径も小さくできる。さらに、複数位置からの燃料の微粒化及び空気との混合にあたり、燃料噴射は中心部に設けられた燃料噴射ノズルのみにより行うため、噴射弁の構造を簡素化することができ、かつ複数の燃料系統を必要としないため、製作コストの上昇も抑えられる。
【００２９】
なお、上述した実施形態において、燃料噴射弁１の空気ノズル３は３つ設けられていたが、２つ或いは４つ以上とすることも可能である。また、燃焼室１４の種類は特に限定されず、アニュラ型、カン型、カニュラ型のいずれにも構成することができる。
【００３０】
その他、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し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るガスタービン用燃料噴射弁とこれを備えた低ＮＯｘ燃焼器の実施形態の概略構成図である。
【図２】空気ノズルの下流端の断面における混合気の噴霧分布を示す図である。
【図３】本発明に係るガスタービン用燃料噴射弁による混合気の生成の様子と燃料分布を模式的に示す図である。
【図４】従来のガスタービン用燃料噴射弁の構成図である。
【図５】特許文献２の「ガスタービン用低ＮＯｘバーナ」の構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃料噴射弁
２  燃料噴射ノズル
３  空気ノズル
３ａ、３ｂ、３ｃ  空気ノズル
４  スワーラ
１０  燃焼器
１４  燃焼室
１６  燃焼器ライナー
１７  点火プラグ
【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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