JPH10205758A - 二元燃料注入装置を備えた低ＮＯｘ型燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低ＮＯｘ型燃焼器用の二元燃料注入装置を提
供する。 【解決手段】 互いに別個の気体燃料マニホルド（40）
と液体燃料マニホルド（42）が一体に結合されてマニホ
ルド組立体（32 35 ）を形成している。各マニホルド組
立体は、燃料と空気を混合する環状通路（23 26 ）の入
口の周りに円周方向に延びている。気体燃料マニホルド
（40）は、その周囲に間隔を置いて設けられた多数の気
体燃料放出ポート（49）を有している。液体燃料マニホ
ルド（42）は、その周囲に間隔を置いて設けられた多数
の液体燃料ノズル（45）を有している。気体燃料放出ポ
ートと液体燃料ノズルは、燃料と空気の混合を促進する
ような態様で燃料を環状通路内に注入するよう差し向け
られている。互いに別個の気体燃料供給管（38）と液体
燃料供給管（39）が、各マニホルドにそれぞれ連結され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン用燃
焼器に関する。より詳細には、本発明は、低ＮＯｘ型燃
焼器用の二元燃料注入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンでは、一又は二以上の燃焼
器内で燃料を圧縮機により得られた圧縮空気内で燃焼さ
せる。従来、かかる燃焼器は、燃料と空気から成るほぼ
理論比の混合気を生じさせ、これを拡散燃焼方式で燃焼
させる一次又はプライマリ燃焼領域を有していた。空気
を一次燃焼領域の下流側で燃焼器内へ追加導入した。全
体的な燃料／空気比（以下、「燃空比」という）は理論
比よりもかなり小さいが、始動時における燃料と空気の
混合気（以下、単に「混合気」という場合もある）への
着火は容易であり、プライマリ燃焼領域内での混合気が
局所的に濃厚なので着火温度の広範囲にわたり良好な火
炎安定性が得られた。

【０００３】燃料／空気比（以下、「燃空比」という場
合もある）全体が理論比よりもかなり小さいが即ち、希
薄であるようにしていた。しかし、希薄燃空比の使用に
もかかわらず、燃料と空気の混合気（以下、単に「混合
気」という場合もある）への始動時における着火は容易
であり、一次燃焼領域内での混合気が局所的に濃厚なの
で広範な着火温度にわたり良好な火炎安定性が得られ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】残念なことに、かかる
ほぼ理論比の混合気を用いると、結果的に、一次燃焼領
域中の温度が非常に高くなっていた。このように温度が
高いために、大気汚染物とみなされる窒素酸化物（ＮＯ
ｘ）の生成が促進された。希薄燃空比で燃焼を行うと、
ＮＯｘ生成量が減少することは知られている。しかしな
がら、かかる希薄燃焼を行うには、局所濃厚域を生じさ
せないで燃焼用空気中へ全体的に十分良く分布させなけ
ればならない。

【０００５】ガスタービンは、気体燃料と液体燃料の両
方で動作することができる。残念ながら、かかる燃料分
布と関連した幾何学的形状は複雑な構造を必要とし、こ
れにより、燃焼器への二元燃料動作能力の組込みが極め
て困難になる。

【０００６】したがって、ＮＯｘの生成を減少させるよ
う極めて希薄な混合気で安定燃焼を行うことができ、し
かも気体燃料だけでなく液体燃料でも動作できる燃焼器
を提供することが望ましい。

【０００７】

【課題を解決するための手段】したがって、本発明の一
般的な目的は、ＮＯｘの生成を減少させるよう極めて希
薄な混合気で安定燃焼を行うことができ、しかも気体燃
料だけでなく液体燃料でも動作できる燃焼器を提供する
ことにある。

【０００８】概要を述べると、本発明のこの目的及び他
の目的は、燃料を空気中で燃焼させることにより高温ガ
スを生じさせる燃焼器であって、燃焼領域と、燃焼領域
と流体連通していて、燃料と空気を混合させる第１の環
状通路と、液体燃料を第１の環状通路内でその周りに円
周方向に分布させるよう第１の環状通路中へ導入する第
１のマニホルドと、気体燃料を第１の環状通路内でその
周りに円周方向に分布させるよう第１の環状通路中へ導
入する第２のマニホルドとを有し、第１のマニホルドと
第２のマニホルドは、互いに結合されて一体マニホルド
組立体を形成していることを特徴とする燃焼器によって
達成される。

【０００９】本発明の好ましい実施形態では、第２のマ
ニホルドは、軸線方向に垂直な平面上に投影された面積
を有し、一体マニホルド組立体に結合された状態の第１
及び第２のマニホルドの前記平面上に投影された面積
は、第２のマニホルドの前記投影面積と実質的に同一で
ある。

【００１０】

【発明の実施の形態】図面を参照すると、図１にはガス
タービン用の燃焼器１、特に、ＮＯｘ生成量が非常に低
レベルになるよう設計された燃焼器が示されている。本
発明の燃焼器１は、空気と燃料を混合させる予混合領域
１０及び予混合領域の下流側に設けられた燃焼領域１２
を有している。前端部にフランジ１３が設けられたハウ
ジング２７が、燃焼器１の予混合領域１０を包囲してい
る。大きな窓形式の開口部３０が、ハウジング２７の周
囲に間隔を置いて設けられており、これら開口部により
燃焼用空気８が燃焼器１に流入することができる。ダク
ト２８がハウジング２７の後端部に取り付けられてい
て、燃焼領域１２を包囲している。冷却通路（図示せ
ず）がダクト２８の周りに形成されていて、フィルム冷
却空気を導入できるようになっている。燃焼器１で生じ
た高温ガスをタービンのタービン部に送り出すための出
口（図示せず）がダクト２８の後端部に形成されてい
る。

【００１１】また、図１に示すように、４つの円筒形ラ
イナ１８〜２１が、燃焼器１の予混合領域１０内に同心
状に配置されていて、４つの環状の燃料予混合通路２３
〜２６を形成しており、隣り合う各ライナ対の間に環状
通路が一つずつ形成されている。環状通路の各々は、入
口端３１及び出口又は送出し端３６を有する。バッフル
又は他の乱流促進装置を通路２３〜２６内に組み込んで
燃料と空気の混合を促進するのが良い。スワール板２２
が環状通路の出口端３６に隣接してライナ１８〜２１の
後端部に取り付けられていて、燃焼器の予混合領域１０
を燃焼領域１２から分離している。複数のスワーラ又は
旋回翼１７がスワール板２２内に配置されていて、排出
端３５に隣接して環状通路２３〜２６の各々の周りに円
周方向に分布して配置されている。スワーラ１７は燃料
及び空気に回転を与えて燃料と空気の混合を促進すると
共にフレームを定着させるのに役立つ再循環状態を生じ
させるようになっている。

【００１２】また、図１に示すように、本発明によれ
ば、二元燃料注入組立体が燃焼器１内に設けられてい
る。二元燃料注入組立体は、４つの同心状のドーナッツ
形又は環状の二元燃料マニホルド組立体３２〜３５で構
成されている。各二元燃料マニホルド組立体３２〜３５
は、環状通路２３〜２６のうちの一つの入口端３１のす
ぐ上流側に配置されている。

【００１３】また、図１及び図２に示すように、軸方向
に延びる燃料供給管３８が４つの二元燃料マニホルド組
立体３２〜３５の各々に連結されていて、気体燃料５０
をマニホルドに差し向けている。さらに又、軸方向に延
びる燃料供給管３９が４つの二元燃料マニホルド組立体
３２〜３５の各々に連結されていて、図１及び図４に示
すように液体燃料５１をマニホルドに差し向けている。
かくして、各二元燃料マニホルド組立体３２〜３５に
は、別個の燃料供給管によって気体燃料と液体燃料の両
方が供給される。流量調節弁５４が、燃料供給管３８，
３９の各々内に設けられていて、各マニホルドへの燃料
供給源（図示せず）からの気体燃料又は液体燃料の流量
を別々に調節することができるようになっている。かく
して、本発明によれば、各環状通路２３〜２６への燃料
の供給は別個に調節できる。好ましい実施例では、気体
燃料は天然ガスであり、液体燃料は蒸留油である。

【００１４】本発明の二元燃料マニホルド組立体のうち
一つが図２〜図５に詳細に示されている。本発明の重要
な特徴によれば、各マニホルド組立体は、互いに別個の
気体燃料マニホルド４０と液体燃料マニホルド４２から
成り、これらは一体ユニットを形成するよう互いに結合
される。

【００１５】気体燃料マニホルド４０は、横断面が全体
として円形であり、それぞれの環状通路２３〜２６の入
口３１の周囲に延びる通路４３を形成している。図２で
最も良く分かるように、気体燃料供給管３８は、ほぼ９
時の位置で気体燃料マニホルド４０の上流側端に連結さ
れている。複数の後方に向いた燃料放出ポート４９が、
気体燃料マニホルド４０の下流側端の周りに分布状態で
設けられている。本発明の好ましい実施形態では、放出
ポート４９は、比較的僅かな間隔を置いて設けられてい
て、気体燃料５０が環状通路２３〜２６の周りに均等に
分布されるようになっている。その上、燃料放出ポート
４９の各々は、燃焼器１の軸線に対して角度Ａをなすよ
うに気体燃料マニホルド４０上で３時の位置を僅かに越
えたところに位置しており、軸線方向は、空気８が環状
通路２３〜２６に流入する方向とほぼ一致している。そ
の結果、放出ポート４９は、気体燃料の細かい流れ６０
を環状通路２３〜２６の各々の中へ半径方向外方へ差し
向け、それにより混合を促進するようになっている。本
発明の好ましい実施形態では、角度Ａは約１８°であ
る。

【００１６】図２に示すように、液体燃料マニホルド４
２は、対応の環状通路２３〜２６の入口３１の周囲に延
びる通路４４を形成している。液体燃料マニホルド４２
は、横断面がほぼ台形の形状となるよう互いに結合され
た３つの円周方向に延びる壁５５〜５７によって構成さ
れている。外側の壁５５は、気体燃料マニホルド４０か
ら軸方向後方に延びており、ほぼ３時の位置、即ち気体
燃料マニホルド上の半径方最も外側の位置と半径方向最
も内側の位置の中間位置において、気体燃料放出ポート
４９のすぐ下で例えば溶接により気体燃料マニホルドに
一体的に取り付けられている。内側の壁５６も又、軸方
向後方に延び、ほぼ６時の位置、即ち半径方向最も内側
の位置で気体燃料マニホルドに取り付けられている。後
方の壁５７は、内壁５６と外壁５５との間に延びてい
る。ほぼ３時の位置と６時の位置との間の気体燃料マニ
ホルドの周囲の一部は、気体燃料通路４３と液体燃料通
路４４を互いに分離している。かくして、液体燃料通路
４４は、３つの側部が壁５５〜５７で境界付けられ、４
番目の側部が気体燃料マニホルド４０の周囲の一部で境
界付けられている。

【００１７】図４に最も良く示されているように、液体
燃料供給管３９は、気体燃料マニホルド４０を貫通し、
気体燃料通路４３と液体燃料通路４４を互いに分離して
いる気体燃料マニホルドの周囲の一部を通って液体燃料
通路４４に入り込んでいる。本発明の重要な特徴によれ
ば、液体燃料マニホルド４２は、環状通路２３〜２６内
への空気流８に対する妨害を最小限に抑えるよう気体燃
料マニホルド４０に取り付けられている。事実、燃焼器
１の軸線に垂直な、即ち、空気流８の方向に垂直な平面
上に投影された面積又は領域について言えば、液体燃料
マニホルド４２の面積は増加せず、換言すると、このマ
ニホルド４２は気体燃料マニホルド４０の投影部分内に
完全に納まっている。

【００１８】複数の後方に向いた燃料ノズル４５が、各
液体燃料マニホルド４２の後壁５７の周囲に分布状態で
設けられている。燃料ノズル４５は好ましくは、パーカ
ー・ハネフィン社により販売されていて、３枚のプレー
トをロウ付けにより互いに結合して構成されたフォトエ
ッチプレート形式のものである。図４に示すように、燃
料ノズル４５中の２つの通路４７は、液体燃料を通路４
８の周囲へ差し向けて燃料に回転を付与するようになっ
ている。通路４８から燃料はオリフィス４６を通って放
出され、このオリフィスは燃料の細かい円錐形の霧又は
スプレー６１を生じさせる。図２に示すように、燃料の
噴霧形状としての円錐６１は夾角Ｄを定めている。

【００１９】図２に示すように、燃料ノズル４５は、マ
ニホルド４２に設けられたネジ孔にねじ込まれている。
しかしながら、燃料ノズル４５も又、マニホルド４２に
ロウ付けするのが良い。本発明の好ましい実施形態で
は、燃料ノズル４５は、比較的僅かな間隔を置いて設け
られていて、液体燃料５０は環状通路２３〜２６の周囲
にぐるりと均等に分布されるようになっている。

【００２０】図２に示すように、本発明の重要な特徴に
よれば、液体燃料マニホルド４２の後壁５７は、半径方
向に対して角度Ｃをなしている。かくして、燃料ノズル
４５は、軸線方向に対して角度Ｂ（これは角度Ｃに等し
い）をなすことになろう。その結果、各燃料ノズル４５
は、液体燃料の円錐６１をその中心線が軸線方向に対し
て角度Ｃをなすように差し向ける。その結果、液体燃料
は各環状通路２３〜２６の半径方向外側領域中へ差し向
けられ、それにより混合が促進される。

【００２１】好ましくは、角度Ｂと角度Ｃは燃料ノズル
４５から放出された燃料の円錐夾角Ｄの半分に等しく、
それにより、燃料の円錐６１の下縁が半径方向内方へ突
き出ないようにする（これは、燃料混合の観点からは望
ましくない）。かくして、本発明の一実施形態では、燃
料ノズル４５は、円錐夾角Ｄが６０°の液体燃料スプレ
ー６１を生じさせ、液体燃料マニホルド４２の後壁５７
は半径方向に対して３０°の角度をなし、従って燃料ノ
ズル４５が軸線方向に対して３０°の角度Ｂをなすよう
になる。かくして、燃料円錐６１の最も下側の部分は、
軸線方向に差し向けられ、即ち、約０°の角度をなすの
で、当初、半径方向内方へ差し向けられる燃料の部分は
生じない。

【００２２】作用を説明すると、燃焼用空気８は、各環
状通路２３〜２６を通って流れる流れに分割される。本
発明によれば、超希薄燃焼は、気体燃料又は液体燃料を
希薄混合気の状態で二元燃料マニホルド３２〜３５を経
て環状通路２３〜２６中へ導入することにより達成され
る。燃料が環状通路２３〜２６を通って流れると、燃料
と空気８の高度の混合が得られる。かかる混合により、
結果的に生じた燃料と空気の流れが全体にわたって希薄
燃空比を有するようになる。その結果、ＮＯｘの生成を
促進するような局所的に燃料が濃いめの領域は生じな
い。混合気は、環状通路２３〜２６の通過後、スワーラ
１７を経て予混合領域１０を出て燃焼領域１２に入る。
燃焼領域１２中において、希薄混合気の燃焼が行われ
る。

【００２３】本発明は、その精神又は本質的な属性から
逸脱しないで他の特定の形態で実施できるので、本発明
の範囲を定めるにあたっては、上記説明ではなく特許請
求の範囲を参照されたい。

【００２４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の二元燃料注入装置を有する燃焼器の部
分概略縦断面図である。

【図２】気体燃料供給管の付近における図１に示す二元
燃料マニホルド組立体の詳細図である。

【図３】図１に示すIII-III 線における横断面図であ
る。

【図４】液体燃料供給管の付近における図１に示す二元
燃料マニホルド組立体の詳細図である。

【図５】図３に示す液体燃料ノズルのうち一つの詳細図
である。

【符号の説明】

１ 燃焼器 １０ 予混合領域 １２ 燃焼領域 ２３〜２６ 環状通路 ２７ ハウジング ３２〜３５ マニホルド組立体 ３８ 気体燃料供給管 ３９ 液体燃料供給管 ４０，４２ 燃料マニホルド ４３，４４ 燃料通路 ４５ 液体燃料ノズル ４９ 気体燃料放出ポート ６１ 円錐状の燃料スプレー

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を空気中で燃焼させることにより高
   温ガスを生じさせる燃焼器であって、燃焼領域と、燃焼
   領域と流体連通していて、燃料と空気を混合させる第１
   の環状通路と、液体燃料を第１の環状通路内でその周り
   に円周方向に分布させるよう第１の環状通路中へ導入す
   る第１のマニホルドと、気体燃料を第１の環状通路内で
   その周りに円周方向に分布させるよう第１の環状通路中
   へ導入する第２のマニホルドとを有し、第１のマニホル
   ドと第２のマニホルドは、互いに結合されて一体マニホ
   ルド組立体を形成していることを特徴とする燃焼器。
2. 【請求項２】 第２の環状通路は、入口を有し、第１及
   び第２のマニホルドは各々、ドーナッツ形をしており、
   第１の環状通路の入口の周りに円周方向に延びているこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
3. 【請求項３】 第１及び第２のマニホルドにそれぞれ形
   成された第１及び第２のドーナッツ形通路を更に有し、
   第１及び第２のドーナッツ形通路は、前記マニホルドの
   一方の壁で分離されていることを特徴とする請求項２記
   載の燃焼器。
4. 【請求項４】 燃焼器は、軸線方向を定めており、第２
   のマニホルドは、前記軸線方向に垂直な平面上に投影さ
   れた面積を有し、一体マニホルド組立体に結合された状
   態の第１及び第２のマニホルドの前記平面上に投影され
   た面積は、第２のマニホルドの前記投影面積と実質的に
   同一であることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
5. 【請求項５】 第２のマニホルドの横断面形状は、実質
   的に円形であり、第１のマニホルドの横断面形状は、実
   質的に台形であることを特徴とする請求項１記載の燃焼
   器。
6. 【請求項６】 第２のマニホルドには、円周方向に延び
   る列状の気体燃料放出ポートが形成されており、第１の
   マニホルドは、列状気体燃料放出ポートから半径方向内
   方の位置で第２のマニホルドに結合されていることを特
   徴とする請求項１記載の燃焼器。
7. 【請求項７】 第２のマニホルドは、第１の半径方向最
   も外側の位置及び第２の半径方向最も内側の位置を有
   し、第１のマニホルドは、前記第１の位置と第２の位置
   との間の第３の位置で第２のマニホルドに結合されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
8. 【請求項８】 第３の位置は、第１の位置と第２の位置
   のほぼ中間にあることを特徴とする請求項７記載の燃焼
   器。
9. 【請求項９】 第１のマニホルドは又、前記第２の位置
   で第２のマニホルドに結合されていることを特徴とする
   請求項７記載の燃焼器。
10. 【請求項１０】 第１のマニホルドは、前記第２の位置
    から実質的に前記軸線方向に延びる壁を有することを特
    徴とする請求項９記載の燃焼器。
11. 【請求項１１】 第１のマニホルドは、第１の壁を有
    し、第１の壁は、半径方向に対し角度をなして延びてい
    ることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
12. 【請求項１２】 第１のマニホルドの第１の壁に設けら
    れた複数の液体燃料ノズルを更に有し、液体燃料ノズル
    は、液体燃料を前記軸線方向に対して第１の角度で放出
    することを特徴とする請求項１１記載の燃焼器。
13. 【請求項１３】 液体燃料ノズルは、液体燃料を円錐の
    形状のスプレーパターンで放出する手段を有し、前記円
    錐は、夾角を定め、前記第１の角度は前記円錐の夾角の
    半分にほぼ等しいことを特徴とする請求項１２記載の燃
    焼器。
14. 【請求項１４】 燃焼領域と流体連通していて、燃料と
    空気を混合させる第２及び第３の環状通路と、液体燃料
    を第２及び第３の環状通路内でその周りに円周方向に分
    布させるよう第２及び第３の環状通路中へ導入する第３
    及び第４のマニホルドと、気体燃料を第２及び第３の環
    状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第２及
    び第３の環状通路中へ導入する第５及び第６のマニホル
    ドとを更に有し、第３のマニホルドと第５のマニホルド
    は、互いに結合されて第２の一体マニホルド組立体を形
    成し、第４のマニホルドと第６のマニホルドは、互いに
    結合されて第３の一体マニホルド組立体を形成している
    ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
15. 【請求項１５】 燃料を空気中で燃焼させることにより
    高温ガスを生じさせる燃焼器であって、燃焼領域と、燃
    焼領域と流体連通していて、第１及び第２の燃料と空気
    を混合させる環状通路とを有し、環状通路は、第１及び
    第２の燃料と空気の流れを受け入れる入口を有し、前記
    燃焼器は更に、第１及び第２の燃料を環状通路の入口に
    注入するマニホルド組立体を有し、マニホルド組立体
    は、環状通路の入口の近くに設けられると共にその周り
    に円周方向に延びる第１及び第２ののリングを有し、第
    １のリングは、第１の燃料を環状通路の入口に導入する
    手段を有し、第２のリングは、第２の燃料を環状通路の
    入口に導入する手段を有し、第２のリングは少なくとも
    一部が、第１のリング上でその第１の位置に一体に結合
    された第１の壁によって形成されていることを特徴とす
    る燃焼器。
16. 【請求項１６】 第２のリングは少なくとも一部が、第
    １のリング上でその第２の位置に一体に結合された第２
    の壁によって形成されていることを特徴とする請求項１
    ５記載の燃焼器。
17. 【請求項１７】 第２のリングは少なくとも一部が第３
    の壁によって形成され、第１、第２及び第３の壁は、第
    ２の燃料を収容する通路の境界部の少なくとも一部を形
    成することを特徴とする請求項１６記載の燃焼器。