JP4689777B2 - 二種燃料ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸発及び燃焼の前の液体燃料にさらされる燃焼器燃料噴射装置の上で燃料クラッキングが生じて固体炭素樹脂が形成されるような温度と圧力で液体燃料を燃やすガスタービン燃焼器用の二種燃料ノズルに関し、特に、液体燃料燃焼モードでの運転時に気体燃料−空気供給表面上への炭素の付着を防止する二種燃料ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン用二種燃料燃焼装置では、気体燃料と液体燃料が別々に用いられてガスタービン内で燃焼する。幾つかの理由で、例えば、乾式低ＮＯｘ運転を目標として、従来の開発の重点は気体燃料ノズルの効率的な使用に置かれており、液体燃料ノズルは通例代用物としてのみ用いられそして時々用いられるだけである。しかし、最近実証されたように、ガスタービン燃焼器において液体燃料を気体燃料の代わりに用いると、ガス／空気燃料ノズルの様々な通路に残留炭素が付着し堆積する傾向があり、これは気体燃料タービン運転に戻ることを不可能にするおそれがある。
【０００３】
さらに詳述すると、液体燃料噴射近辺での炭素堆積物の急速な増大の結果、危険な燃焼器故障が発生している。液体燃料運転中に生じた炭素堆積物は、燃焼器ライナへの気体燃料または液体燃料入口を閉塞してする傾向があり、これにより燃料の逆流を引起こす。この結果、燃焼器ライナの外部で点火と保炎が生じて、熱的故障を招く。この故障は火炎を消滅させることはなく、また燃焼圧力容器の破損が生じるまで排気温度を著しく変化させないことがあるので、このような故障は制御装置での検出前に明らかにならないおそれがある。従って、重大な安全性の問題が発生し、このため、堆積速度が著しくなると知られている負荷範囲におけるタービンの運転したがって燃焼器の運転を制限するように、負荷の制限が必要とされた。例えば、炭素形成速度の高い不利な条件で運転した場合、１２時間未満で何らかの故障が生じることが報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
炭素付着問題を排除またはそれに対処するための様々な方策が既に提案されている。例えば、液体燃料が衝突すると予想される表面を空気力学的に掃除することが、付着防止に十分な掃除空気速度を発生するのに十分な燃焼器ライナ圧力降下が生じる場所では有効であることが既に実証されている。また、例えば８００゜Ｆを超える燃焼器表面金属温度も炭素付着を防止し得る。しかし、両方式はそれぞれの欠点を持ち、例えば、他の箇所でもっと有利に用い得るはずの入口空気をかなり多く使用するという問題、また金属の冷却の問題が生じる。その結果、空気、液体燃料および気体燃料ノズル表面上での炭素付着を最少にするか又はその開始を防止するような燃料噴射分布および燃焼器空気力学的特性を持つ二種燃料ノズル装置を提供することが必要とされている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、二種燃料ノズルは気体／液体燃料ノズルを含み、気体／液体燃料ノズルは、液体燃料ノズル・チップで終端している中央の軸方向配置液体燃料ノズルを取り囲む気体燃料ノズルを有する。液体燃料運転モードでは、霧化用空気と液体燃料とが組み合わされて、火炎安定域へ向かって液体燃料ノズル・チップの下流へ大体円錐形液体燃料液滴噴霧パターンをなすように噴射され。二種燃料ノズルの先細スリーブが気体／液体燃料ノズルの少なくとも下流部分を取り囲んでいる。燃焼器で液体燃料を使用中、例えば圧縮機からの入口空気が、気体／液体燃料ノズルの周囲のスリーブにより画成された先細流路またはダクトの上流部分を通って、下流方向に流れてスリーブののど域を通過し、そして円錐状に流出する液体燃料噴霧の周囲を流れる。気体燃料は一連の周方向に間隔を置いて設けられた開口を経て先細空気流路またはダクト内に供給される。
【０００６】
第１すなわち内側スワーラ（ｓｗｉｒｌｅｒ）が空気流路またはダクトの上流部分内に配置されていて、ダクトを通流する空気を旋回させてスリーブの下流のど域に旋回空気パターンを形成する。それに加えて、スリーブの下流部分の外側に第２すなわち外側スワーラが設けら、外側スワーラは圧縮機からの入口空気を旋回させて、液体燃料ノズル・チップの下流でスリーブののど域を出た旋回空気の周囲に旋回空気を送給する。従って、スリーブは両空気流、すなわち内側スワーラを通り且つ中央の気体燃料および液体燃料ノズルにより画成されたダクトを通る先細空気流と、スリーブの外側を通り且つ外側スワーラを通る空気流との間に境界を形成する。従ってダクトは両スワーラ間で空気流を分離し調整する。内側スワーラの出口面は好ましくは液体燃料噴射面より軸方向前方すなわち上流に配置され、そして気体／液体燃料ノズルと先細スリーブとにより画成された先細環状域内に空気を放出する。従って、空気はダクトを通流し且つダクト内で連続的に加速されてダクト出口すなわちスリーブの下流端に達する。これは、ダクト内に液体燃料を引き込んで炭素堆積物を形成するおそれのある再循環域を無くする。少なくとも５％の先細率がダクトに与えられる。すなわち、ダクト出口に隣接する下流面積を上流面積より５％以上少なくすべきである。スリーブ端の空気力学的のど出口はまた、気体燃料運転中、スリーブ内への逆火に対する強力な障壁として作用する。
【０００７】
第２すなわち外側スワーラは、液体燃料が出口の渦の中で蒸発するので二種燃料ノズルの金属表面に付着しようとする液体燃料液滴に対する他の空気力学的障壁を形成する。第２スワーラによる圧力降下も、液体燃料がスリーブの表面に接触することを防止する。さらに、両スワーラの空気力学的特性により液体燃料通路の中心線に沿って再循環が発生して、ノズルの下流の点火と火炎安定性に役立つ。
【０００８】
本発明による好適実施例では、ガスタービン燃焼器用の二種燃料ノズルが提供される。この二種燃料ノズルは、ａ）軸線を定めている気体／液体燃料ノズルであって、液体燃料を該ノズルの下流の火炎域に向けて噴霧パターンをなすように噴射するための液体燃料ノズル・チップで終端している液体燃料ノズルを含む気体／液体燃料ノズルと、ｂ）前記気体／液体燃料ノズルの少なくとも一部分を取り囲んでいて、前記軸線に向かって下流方向に先細になっている大体軸方向に延在する空気流路を部分的に画成するスリーブであって、前記液体燃料ノズル・チップよりも上流に達していない軸平面で終端しており、前記軸方向流路は該流路を通る空気流を加速するように断面積が下流方向に減少しているスリーブと、ｃ）前記燃料ノズル・チップより上流に配置されていて、前記空気流路に導入された空気を旋回させて、この旋回空気を前記液体燃料噴霧パターンの周囲に送給する第１空気スワーラと、ｄ）前記スリーブの周囲に且つ前記第１空気スワーラより軸方向下流に配置されていて、前記スリーブの周囲に導かれた空気を旋回させて、この旋回空気を前記液体燃料噴霧パターンの周囲に流す第２空気スワーラとを有し、これにより前記気体／液体燃料ノズルへの液体燃料の衝突を実質的に防止する。
【０００９】
本発明による他の好適実施例では、ガスタービン燃焼器用の二種燃料ノズルが提供される。この二種燃料ノズルは、ａ）軸線を定めている気体／液体燃料ノズルであって、液体燃料を該ノズルの下流の火炎域に向けて噴霧パターンをなすように噴射するための液体燃料ノズル・チップで終端している液体燃料ノズルを含む気体／液体燃料ノズルと、ｂ）前記気体／液体燃料ノズルの少なくとも一部分を取り囲んでいて、前記軸線に向かって下流方向に先細になっている大体軸方向に延在する空気流路を部分的に画成する空気流路画成手段であって、前記液体燃料ノズル・チップよりも上流に達していない軸平面で終端している空気流路画成手段と、ｃ）前記燃料ノズル・チップより上流に配置されていて、前記空気流路に導入された空気を旋回させて、この旋回空気を前記液体燃料噴霧パターンの周囲に送給する第１空気スワーラと、ｄ）前記空気流路画成手段の周囲に且つ前記第１空気スワーラより軸方向下流に配置されていて、前記空気流路画成手段の周囲に導かれた空気を旋回させて、この旋回空気を前記液体燃料噴霧パターンの周囲に流す第２空気スワーラとを有し、これにより前記気体／液体燃料ノズルへの液体燃料の衝突を実質的に防止する。
【００１０】
従って、本発明の主目的は、ガスタービンの全運転範囲にわたって燃焼器金属表面への液体燃料の衝突を無くすることにより空気、気体燃料および液体燃料ノズル表面上の炭素付着の開始を防止するようにしたガスタービン燃焼器用の二種燃料ノズルを提供することである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明による二種燃料ノズルを総体的に符号１０で示す。ノズル１０は気体／液体燃料ノズルＮを含み、気体／液体燃料ノズルＮは、スリーブ１６のような流路画成手段内に一体構造体の一部分を形成する液体燃料ノズル１２と気体燃料ノズル１４とを有する。スリーブ１６は、燃焼器ハウジング２２内で第１すなわち内側スワーラ１８と第２すなわち外側スワーラ２０とを担持している。液体燃料ノズル１２と気体燃料ノズル１４自体は従来通りのものである。液体（例えば油）燃料ノズル１２には同心の中間管２４と内側管２６が含まれ、両管間に環状通路２８を画成しており、この通路により霧化用空気が液体燃料ノズル１２のチップ３０の複数の開口を通流する。内管２６は中央の軸方向通路を画成して液体燃料を液体燃料ノズル・チップ３０に送給する。中間管２４の周囲には外側管状部材または外管３４が設けられて環状通路３６を画成し、この通路により気体燃料が開口３８を通流して後述のダクトまたは空気流路Ｄに流入する。燃焼器の運転の大部分は気体燃料モードであるが、既にわかっているように、液体燃料ノズル・チップ３０から出た液体または油の円錐形噴霧パターンからの液体または油の液滴が、燃料ノズル出口と付属構造体の様々な金属表面に衝突して有害な炭素堆積物を形成し、この炭素堆積物が燃料流を遮断して燃料の逆流を引起こし、ひいては前述のような熱的故障を引起こすおそれがある。その結果、二種燃料ノズル面上の炭素の付着を無くすることにより、熱的故障を回避すると共に、火炎が空気／ガス通路内で安定しないことを保証し、空燃混合をさらに促進して長期間にわたって二種燃料ノズルの効率的な信頼し得る作用を確保することが必要であった。
【００１２】
上記のことを達成するために、本発明では、気体／液体燃料ノズルＮと大体同軸であり、従ってそれを大体同心的に囲んでいるスリーブを設ける。具体的に述べると、流路画成手段、例えばスリーブ１６は、好ましくは、ノズルＮの外壁３４から隔てられた第１上流環状部分４０と、同様にノズルＮの先細壁４４から隔てられた先細部分４２とを有する。スリーブ１６は、気体および液体燃料ノズルの外壁との間に環状空気流路またはダクトＤを形成する。このダクトは、例えば圧縮機（図示せず）からの空気を流すもので、ノズルＮの軸線に向かって下流方向に先細になっていることを理解されたい。さらに詳述すると、スリーブ１６はノズルＮの先細外壁４４の周囲で先細になっており、下流方向に縮小する断面積を画定している。この縮小断面形状は通路を通る空気の流れを加速する。図１に示すようにスリーブ１６とノズルＮの壁４４は下流方向に相互に対して末広になっているが、下流方向におけるダクト内の断面積の正味の減少により、ダクトＤを通る空気流を加速する。好ましくは、ダクトの断面積は少なくとも５％の先細比を有する。すなわち、下流面積を上流面積より５％以上少なくすべきである。ダクトＤはスリーブ以外のものとして、例えば、燃焼器ハウジングの一体部分として形成され得ることを理解されたい。
【００１３】
図示のように、スリーブ１６の上流端部すなわち環状部４０は、複数の羽根４４で構成した内側スワーラ１８を担持する。羽根４４は、それらを通りかつスリーブ１６と壁４４との間のダクトを通って流れる空気を旋回させるように設計される。さらに、スリーブ１６の下流端には第２すなわち外側スワーラ２０が設けられ、外側スワーラ２０は同様にスリーブ１６の外周に沿って下流方向に流れる空気を旋回させる複数の羽根４６を有する。内側スワーラ１８の羽根４４と外側スワーラ２０の羽根４６は、空気を同方向または相反する方向に旋回させることができる。
【００１４】
図１を再度参照すればわかるように、内側スワーラ１８は液体燃料ノズル・チップ３０および気体燃料開口３８より前方すなわち上流に配置されている。スリーブ１６は好ましくは液体燃料ノズルのチップ３０より下流の平面内にある下流端で終端しているが、この下流端は液体燃料ノズル・チップ３０と軸方向に合致していてもよい。
【００１５】
スワーラ１８，２０は両スワーラの下流と液体燃料ノズル・チップ３０の下流に保炎のための強力な再循環域を生成することを理解されたい。スリーブ１６は両スワーラ空気流間の境界を形成し、内側スワーラ１８のシュラウドから外側スワーラ２０のハブまで延在する。このように形成されたダクトは流れを分離して調整する。すなわち、空気流を下流方向に先細にして加速して、ダクト壁からの空気流の剥離を防止する。従って、ダクトを通る先細加速空気流は、液体燃料運転モードの時に液体燃料ノズル・チップ３０から出現する円錐形油噴霧分布パターンの軸線に向かって下流かつ半径方向内方に導かれる。ダクト内のこの加速と先細は、ダクト内に液体燃料を引き込んで金属表面に炭素堆積物を形成するおそれのある再循環域の発生の防止に役立つ。ダクトの出口における空気力学的のど域は、ダクト内の逆火に対する強力な障壁として作用する。すなわち、スリーブの先細と空気流の加速は先細ダクト内での火炎点火を防止する。火炎はダクト内で保持され得ない。換言すると、安定な火炎はスリーブ１６の出口面より下流で生じるように強制される。また、外側スワーラ２０の前後間の圧力降下により液体燃料の液滴と外側スワーラ２０の表面との接触が防止されることを理解されたい。一般に、両スワーラにより発生した空気流は、旋回方向が互いに同じであろうと逆であろうと、ノズル１２の軸線に沿って、ノズルより下流で優れた点火と火炎安定性（保炎）に役立つ再循環域を生成する。また、外側スワーラがない場合は、スワーラの代わりに利用されるその区域の金属を当然冷却しなければならず、従って、液体燃料ノズルの周囲の金属表面上に炭素が付着する可能性が増大する。
【００１６】
以上、本発明の最適実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変と対等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成された二種燃料ノズルの断面図である。
【図２】図１の二種燃料ノズルを部分的に構成するスリーブと１対のスワーラの拡大断面図である。
【図３】図２に示したスリーブとノズルの斜視図である。
【符号の説明】
１０ 二種燃料ノズル
１２ 液体燃料ノズル
１４ 気体燃料ノズル
１６ スリーブ
１８ 内側スワーラ
２０ 外側スワーラ
３０ 液体燃料ノズル・チップ
Ｎ 気体／液体燃料ノズル
Ｄ ダクト（空気流路）

Claims (4)

1. ガスタービン燃焼器用の二種燃料ノズル（１０）であって、当該二種燃料ノズル（１０）が、
   軸線を定めている気体／液体燃料ノズル（Ｎ）であって、液体燃料を該ノズルの下流の火炎域に向けて噴霧パターンをなすように噴射するための液体燃料ノズル・チップ（３０）で終端している液体燃料ノズル（１２）を含む気体／液体燃料ノズル（Ｎ）と、
   前記気体／液体燃料ノズル（Ｎ）の少なくとも一部分を取り囲んでいて、前記軸線に向かって下流方向に先細になっている大体軸方向に延在する空気流路（Ｄ）を部分的に画成するスリーブ（１６）であって、前記液体燃料ノズル・チップ（３０）よりも上流に達していない軸平面で終端しており、前記軸方向空気流路（Ｄ）は該空気流路（Ｄ）を通る空気流を加速するように断面積が下流方向に減少しているスリーブ（１６）と、
   を有しており、前記気体／液体燃料ノズル（Ｎ）が、前記スリーブ（１６）と前記液体燃料ノズル（１２）との間の管状部材（３４）からなる気体燃料ノズル（１４）であって、前記液体燃料ノズル（１２）の周囲に環状通路（３６）を画成し、かつ気体燃料を前記先細の空気流路（Ｄ）に流す複数の開口（３８）を前記液体燃料ノズル・チップ（３０）の上流の位置の該管状部材（３４）に有する気体燃料ノズル（１４）を含んでおり、当該二種燃料ノズル（１０）が、さらに、
   前記燃料ノズル・チップ（３０）及び前記開口（３８）より上流に配置されていて、前記空気流路（Ｄ）に導入された空気を旋回させて、この旋回空気を前記液体燃料噴霧パターンの周囲に送給する第１空気スワーラ（１８）と、
   前記スリーブ（１６）の周囲に且つ前記第１空気スワーラ（１８）より軸方向下流であって気体／液体燃料ノズル（Ｎ）の先細外壁の周囲で先細になっているスリーブ（１６）の下流端に配置されていて、前記スリーブ（１６）の周囲に導かれた空気を旋回させて、この旋回空気を前記液体燃料噴霧パターンの周囲に流す第２空気スワーラ（２０）と
   を有しており、これにより前記気体／液体燃料ノズル（Ｎ）への液体燃料の衝突を実質的に防止することを特徴とするガスタービン燃焼器用の二種燃料ノズル。
2. 前記スリーブ（１６）は前記液体燃料ノズル・チップ（３０）より下流の軸平面で終端している請求項１記載のノズル。
3. 前記先細の空気流路（Ｄ）は、該空気流路（Ｄ）を画成する壁からの流れの剥離を阻止するために、下流断面積より大きな上流断面積を有している請求項１記載のノズル。
4. 前記第２スワーラ（２０）は、液体燃料と前記第２スワーラ（２０）との接触を阻止するように圧力降下を生じる請求項１記載のノズル。

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