JPH09509733A - 接線方向から導入する燃料ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 予備混合型の燃料ノズルは、円筒形のチャンバ（２０）に空気を導入するための長軸方向に向いたスロット（２４）を有している。中心体（４２）は、前記チャンバ吐出部（３２）に向かって軸方向に流れ面積を増加させるようになっている。液体燃料は、上記円錐形状の中心体（４２）に隣接している特定位置（５８）から噴霧される。この領域は、気化に際して軸方向に大きな剪断速度を生じさせ、燃焼する前に均一な混合を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】 接線方向から導入する燃料ノズル 技術分野 本発明は、低ＮＯｘ燃焼に関するものであり、特に液体燃料の燃焼に関するも のである。 背景技術 高温での燃焼は、高温において酸素が窒素と結合することから、ＮＯｘや窒素 酸化物の形成につながる。ＮＯｘは、周知の汚染源であり、この形成を低減させ るべく多くの努力が払われている。 現代のガスタービンエンジンでは、燃焼器の前部へと直接燃料を噴射する燃焼 システムが用いられている。得られる燃料−空気混合物は、安定、かつ、効率的 な燃焼を確実に行う必要がある。これらの流れの予備混合を行わない場合には、 上記燃料−空気比は広い範囲で変動してしまう。量論的比に近い限られた領域で は、高温燃焼生成物が発生し、高濃度のＮＯｘが発生する。燃焼による上記ＮＯ ｘの放出を減少させるため、上記燃焼器に導入する前に上記燃料と、上記空気と 、を予備混合することが注目されている。この方法によると、高温燃焼領域と、 そのピーク温度と、の双方を低く抑えることができ、その結果、ＮＯｘの形成が 低く抑えられることとなる。 この方法は、燃料の相変化を起こさせる必要がないために気体燃料において、 より容易に実施することができ、かつ、燃料−空気混 合プロセス全体が迅速化できることになる。液体燃料を使用すれば、必然的に液 滴界面において高い燃料−空気比が生じることになる。この様な方法では、燃料 噴霧と気化と燃料分散と混合プロセスとを適切な水準において同時に行う必要が ある。この方法は、ピーク温度を抑えるため、燃料−空気の予備混合を用いるも のであり、“乾式”ＮＯｘ制御と呼ばれ、フランジ温度を抑えるため、スチーム 又は水をノズルに注入する“湿式”ＮＯｘ制御とは対照的なものとなっている。 燃焼は、ノズルへのフラッシュバック(flashback)や再循環が発生せずに上記 燃焼器の外部で維持されるようになっていることが望ましい。上記液体燃料は、 高出力下では上記燃焼器内に吐出させる前に気化させておく必要がある。上記液 体燃料用ノズルと、気体用ノズルとを組み合わすことによって、上記気体の燃焼 における良好な気体の特性を低めてしまうことは好ましくない。噴射前に均一に 混合させることが望ましいが、これは高濃度領域があると高いＮＯｘが発生して しまうためである。 発明の開示 実質的に円筒形のバーナチャンバは、幾つかの円筒形状部分によって形成され ており、それぞれの円筒形状部分の軸は、他の円筒の軸から互いにオフセットし ている。スロットは、隣接する複数の円筒形状部分の壁の間に設けられており、 このスロットは、所定の長さと、幅と、を有している。また、このスロット壁は 、上記チャンバ壁の接線方向に向けて配置されている。燃焼を維持するための空 気 は、このスロットから供給される。 デュアル燃料ノズルでは、上記気体の分散マニホルドは、上記スロットに隣接 して配置されており、かつ、上記空気流がスロットを通過することで上記空気流 へと気体を供給するようになっている複数の軸方向に離間した開口を有している 。 円錐体は、上記チャンバ内において、上記チャンバ軸上に配置されており、上 記円錐体の基部が、上記チャンバの上流側にあるとともに、上記チャンバの吐出 側端部へと頂部が向けられている。したがって、上記円錐体と上記円筒状チャン バの間には、空間が設けられている。 噴射領域は、この空間内の環状領域部分として規定され、上記円錐体と同心と されているとともに、円錐体面から直径“Ｄ”までの距離の３０％と８０％の複 数の仮想的な円錐により境界が形成されている。この直径”Ｄ”は上記チャンバ の吐出部の直径である。また、この領域は、上記インレットスロットの軸方向中 心から軸方向にある複数の平面によって画定され、その距離は、上記インレット スロットの軸方向長さの±１０％とすることができる。上記噴射領域内には、噴 霧された液体燃料を噴射するための手段が配設されている。 上記液体燃料は、スプラッシュプレート(splash plate)を上記領域内に配置し 、上記スプラッシュプレートに液体燃料の流れを向かわせることによって上記噴 射領域内に噴霧されるようになっている。上記液体燃料は、それぞれのチューブ の先端部にスプレーノズルが取り付けられており、かつ、上記領域にまで延びて いる燃料チュー ブによって上記噴射領域内に噴霧される。上記燃料は、ソータ(sauter)平均直径 が８０ミクロン未満、好ましくは約４０ミクロンとなるように噴霧する必要があ る。 図面の簡単な説明 図１は、ガスタービンエンジンと燃焼室の略図である。 図２は、燃料噴射器の軸方向断面図である。 図３は、図２の３−３に沿った燃料噴射器の断面図である。 図４は、上記燃料噴射領域の断面図である。 図５は、図２で示した燃料噴射器の別実施例である。 発明の好適な実施態様 図１は、燃焼器１２に圧縮空気を供給するための圧縮機を備えたガスタービン エンジンを示した略図である。気体は、ガスサプライライン１４、又は、オイル サプライライン１６を通して上記燃焼器へと送られて燃焼するようになっている 。上記気体状の燃焼生成物は、タービン１８を通過して流れてゆく。 図２と図３に示すように、実質的に円筒形の燃焼チャンバ２０は、２つの円筒 形部分２２から形成されており、これらの円筒形部分の軸は、互いにオフセット している。空気流インレットスロット２４は、高さ“Ｈ”と幅“Ｗ”とを有して いる。これらのスロットは、その壁２６が実質的に円筒形状チャンバの上記内側 壁２８に対して接線方向となるように配置されている。上記円筒形状部分は、基 板３０に固定されており、また、この基板３０は、上記空気燃料混合 物を排出するための直径が“Ｄ”の開口３２を有している。この直径は、複数の 円筒形状部分の内側部分３４に直交するようにされているとともに、その直径は 、上記燃料ノズルが上記吐出端において直径が減少しつつ延びている場合であっ ても適切な比とされる。 燃焼を保持するための空気流３６は、燃料オリフィス４０を通してマニフホル ド３８へとライン１４を通して上記気体が流入するように別途ガスが供給される ような場合にも、チャンバ２０内で旋回動作を行うように上記スロットを通って 流れるようになっている。この種類の気体噴射ノズルは、１９９２年２月２６日 に出願した係属中の出願、出願番号Ｎｏ．８４１，９４２号に記載のものを挙げ ることができる。円錐形の中心体４２は、上記チャンバにおいて軸方向の中心に 配設されており、その基部４４が、上記上流端に、その頂部４６は、上記下流端 に配置されている。本明細書中で示し、記載するように、この中心体は先端部を 切り取った正確な円錐として記載しているが、この先端部は直線状ではなく放物 線状の面を有していても良い。チャンバ２０を通過して、流入してくる空気の流 れる領域が調整されることが特徴となっており、上記調整された流れ領域によっ て、上記流れの軸方向の平均速度を均一とするようになっている。スプラッシュ プレート、又は、複数のスプラッシュプレート４８は、上記チャンバ２０内に、 上記空気流への障害が最小となるような支持体を有するいかなる従来の方法によ っても保持させることができる。ライン１６からの液体燃料は、開口５０を通し て噴射されるとともに、上記スプラッシュプレート４８に向けられている。液体 燃料は、スプラッシュプレートの表面にフィルムを 形成するように上記スプラッシュプレートへと噴射される。渦流する空気流の剪 断力によって、上記液体燃料が噴霧され、次いで気化され、空気と混合されるこ とになる。 上記燃焼チャンバ及び上記円錐形部材により発生する上記流れパターンを決定 するべく、試験を行った。表面近傍の上流位置５２、又は、５４において導入さ れた燃料は、それぞれが上記円錐体に隣接した流れ領域に規定されていた。この 結果、上記吐出面の中心において、燃料濃度が高められた。一方で、下流位置５ ６で導入された燃料は、上記吐出面の周辺部の濃度を高める傾向にあった。燃料 がどのように局所的高濃度となっていても、ＮＯｘの形成につながる。燃料噴射 の所望の配置は、上記空気と、燃料と、を燃焼が起こる位置である吐出面におい て均一に混合させることである。 上記試験によって、上記燃料を噴霧するべき位置となる噴射領域５８を決定す ることができる。上記領域は、直径“Ｄ”で規定される円筒内面に向かって上記 円錐形状の面６２から距離が３０％の位置にある第１の円錐形状の仮想的面６０ が径方向の境界となる。第２の仮想的な円錐形状の面６４は、上記径方向外側の 境界を画成し、これは、上記面６２と上記直径“Ｄ”との間の距離の８０％とさ れる。 上記領域の軸方向における境界は、第１の面６６によって画成され、この面の 位置は、上記中央位置から上記インレットスロットの上流に長さ”Ｌ”の１０％ 以内にある。下流側の面６８は、もう一方の境界を画成しており、これは、上記 インレット開口の中央位置の下流側２０％以内とされている。 上記噴射領域内において強い軸方向の剪断力が生じているのが観測され、上記 液体燃料の混合及び気化が促進され、かつ、吐出部３２の吐出面上では、気化し た上記燃料が均一に分散されていた。 画成された噴射領域は、約８０ミクロン未満の平均液滴径を与えるような噴霧 法として適切に用いることができる。燃料をより大きな液滴径の気化物とすると 、その慣性特性によって、上記外側壁２８に向けて遠心力により外側に向かうこ ととなり、燃料の濃縮された好ましからざる領域を形成してしまうことになる。 図２では、スプラッシュプレートは、上記噴射領域内で燃料を噴霧するための 手段として例示されている。図５は、燃料を複数のスプレーノズル８２へと輸送 するための複数の燃料チューブ８０が上記噴射領域内に配置されている別実施例 を示したものである。 中心の空気流チャンバ８４は、渦流バン(van)８６の有無にかかわらず、上記 燃料ノズルを出てゆく上記渦流の再循環を抑制するべく上記円錐体の中心に使用 することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロスフジョルド，トーマス ジェイ. アメリカ合衆国，コネチカット 06074, サウス ウィンザー，オーチャード ヒル ドライブ 175 (72)発明者 マクヴイ，ジョン ビー. アメリカ合衆国，コネチカット 06033, グラストンベリー，シダー ミル ロード 223 (72)発明者 ヒュー，アーロン エス. アメリカ合衆国，コネチカット 06106, ハートフォード，アレンデール ロード 39 (72)発明者 シュライン，バリー シー. アメリカ合衆国，コネチカット 06109, ウエザーズフィールド，ハートフォード アベニュー 263

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ガスタービンエンジンの低ＮＯｘバーナであって、このバーナは、軸と、 軸方向に延びたチャンバ壁と、上流端と、吐出端と、を有する実質的に円筒形状 のバーナチャンバを有し、 前記吐出端の直径が“Ｄ”とされ、 前記円筒状チャンバの壁に延在し、かつ、軸方向に延ばされているとともに、 長軸方向に延びた少なくとも一つのスロットを有し、かつ、スロット壁は、前記 チャンバ壁に対して接線方向に配置されているバーナであり、 前記スロットを通過させて空気を供給するための供給手段と、 前記スロットに隣接して配設され、かつ、前記スロットを通過させることで前 記空気流に気体を供給するための軸方向に離間した複数の開口を有する気体分散 マニホルドと、 前記チャンバ内において前記チャンバの軸上に配置された円錐体であって、前 記円錐体の基部は、前記チャンバの上流端に向いており、かつ、前記円錐体の頂 部は、前記チャンバの吐出端に向いている円錐体と、 環状領域を画定する前記円錐体と同心の噴射領域であって、前記円錐体の面か ら直径“Ｄ”で規定される内面までの距離の３０％と８０％にある複数の仮想的 な面によって境界づけられ、かつ、前記インレットスロットの軸方向中心から前 記基部に向かって軸方向に１０％までの距離にある面と、前記インレットスロッ トの軸方向中心から軸方向に、前記吐出端に向かって２０％までにある面と、に よって画定される噴射領域と、 前記噴射領域内において燃料を噴霧させるための液体燃料噴射手段と、を有す ることを特徴とする、ガスタービン用低ＮＯｘバーナ。 ２． 前記液体燃料噴射手段は、スプラッシュプレートを有し、少なくとも前記 スプラッシュプレートの一部が前記噴射領域内に配置されるようになっているス プラッシュプレートと、前記スプラッシュプレートに向けて液体燃料を流す手段 と、を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用低ＮＯ ｘバーナ。 ３． 前記液体燃料噴射手段は、前記噴射領域にまで延びた無孔の複数の燃料チ ューブと、前記燃料チューブのそれぞれの端部に配設されたスプレーノズルと、 を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用低ＮＯｘバ ーナ。 ４． 実質的に前記円筒形状チャンバは、複数の円筒形状部分から形成され、か つ、これらの円筒形状部分の軸は、それぞれ互いにオフセットしていて、隣接す る前記円筒形状部分の壁の間には、複数のスロットが形成されていることを特徴 とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用低ＮＯｘバーナ。 ５． 円筒形状部分の数と、スロットの数は、それぞれ２つとされていることを 特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン用低ＮＯｘバーナ。 ６． ガスタービンエンジンの低ＮＯｘバーナであって、このバーナは、軸と、 軸方向に延びたチャンバ壁と、上流端と、吐出端と、を有する実質的に円筒形状 のバーナチャンバを有し、 前記吐出端の直径が“Ｄ”とされ、 前記円筒状チャンバの壁に延在し、かつ、軸方向に延ばされているとともに、 長軸方向に延びた少なくとも一つのスロットを有し、かつ、スロット壁は、前記 チャンバ壁に対して接線方向に配置されているバーナであり、 前記スロットを通過させて空気を供給するための供給手段と、前記スロットを 通過させることで前記空気流に気体を供給するための気体分散マニホルドと、 前記チャンバの中心軸上に配置され、かつ、中心体を取り囲んだ環状の流れ領 域を、前記チャンバの前記吐出端に向かって広がるようにしている中心体と、 前記中心体表面から前記直径“Ｄ”で規定される内面までの距離の３０％から ８０％にある複数の仮想的な面によって境界づけられ、かつ、前記中心体と同心 の環状領域と、前記インレットスロットの軸方向中心から軸方向に前記基部に向 かって１０％までの距離にある面と、前記インレットスロットの軸方向中心から 軸方向、かつ、前記吐出端に向かって２０％までにある面と、によって画成され ている噴射領域と、 前記噴射領域内において燃料を噴霧させるための液体燃料噴射手段と、を有す ることを特徴とする、低ＮＯｘバーナ。 ７． 前記実質的に円筒形状のチャンバは、二つの円筒形状部分から形成され、 かつ、これらの円筒形状部分のそれぞれの軸は、互いにオフセットしていて、隣 接する前記円筒形状部分の壁の間には、複数のスロットが形成されていることを 特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン用低ＮＯｘバーナ。 ８． ガスタービンエンジンの低ＮＯｘバーナであって、このバーナは、軸と、 軸方向に延びたチャンバ壁と、上流端と、吐出端と、を有する実質的に円筒形状 のバーナチャンバを有し、 前記吐出端の直径が“Ｄ”とされ、 前記円筒状チャンバの壁に延在し、かつ、軸方向に延ばされているとともに、 長軸方向に延びた少なくとも一つのスロットを有し、かつ、スロット壁は、前記 チャンバ壁に対して接線方向となるように配置されているバーナであって、 前記スロットを通過させて空気を供給するための供給手段と、 基部から頂部に向かってテーパが付けられているとともに、前記チャンバの中 心軸上に配置され、かつ、前記中心体を取り囲んだ環状の流れ領域を、前記チャ ンバの前記吐出端に向かって広がるようにしている中心体と、 前記中心体表面から前記直径“Ｄ”で規定される内面までの距離の３０％から ８０％の複数の仮想的な面によって境界づけられ、かつ、前記中心体と同心とさ れている環状領域と、前記インレットスロットの軸方向中心から軸方向に前記基 部に向かって１０％までの 距離にある面と、前記インレットスロットの軸方向中心から軸方向に、前記吐出 端に向かって２０％までにある面と、によって画成されている噴射領域と、 前記噴射領域内において燃料を噴霧させるための液体燃料噴射手段と、を有す ることを特徴とする、低ＮＯｘバーナ。 ９． ガスタービンエンジンの低ＮＯｘバーナであって、このバーナは、軸と、 軸方向に延びたチャンバ壁と、上流端と、吐出端と、を有する実質的に円筒形状 のバーナチャンバを有し、 前記吐出端の直径が“Ｄ”とされ、 前記円筒状チャンバの壁に延在し、かつ、軸方向に延びているとともに、長軸 方向に延びた少なくとも一つのスロットを有し、かつ、スロット壁は、前記チャ ンバ壁に対して接線方向となるように配置されているバーナであり、 前記スロットを通過させて空気を供給するための供給手段と、 前記チャンバの上流側端の直径が大きくされ、前記チャンバの前記吐出端に向 かって前記中心体の頂部が向けられており、かつ、前記チャンバの中心軸上に配 置されている中心体と、 前記中心体表面から前記直径“Ｄ”で規定される内面までの距離の３０％から ８０％の複数の仮想的な面によって境界づけられ、かつ、前記中心体と同心の環 状領域と、前記インレットスロットの軸方向の中心近傍と、によって画成されて いる噴射領域と、 前記噴射領域内において燃料を噴霧させるための液体燃料噴射手段と、を有す ることを特徴とする、低ＮＯｘバーナ。 １０． 前記実質的に円筒形状のチャンバは、二つの円筒形状部分から形成され 、かつ、これらの円筒形状部分のそれぞれの軸は、互いにオフセットしていて、 隣接する円筒形状部分の前記壁の間には、複数のスロットが形成されていること を特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン用低ＮＯｘバーナ。 １１． 燃焼に際し予備混合するタイプのガスタービンエンジンの燃焼器の液体 燃料燃焼方法において、 中心体を有し、直径“Ｄ”の実質的な円筒状チャンバの吐出端に向けて軸方向 流れ面積が増大している実質的に円筒形のチャンバに、長さ“Ｌ”のスロットを 通して燃焼用空気を接線方向から供給し、 実質的に円筒形の前記チャンバの噴射領域に分散させるべく前記燃焼用空気に 、液体燃料を噴霧させ、前記噴射領域は、前記スロットの中心の上流側の長さ“ Ｌ”の１０％から、長さ“Ｌ”の２０％下流側以内、かつ、前記中心体から前記 直径“Ｄ”で規定される内面までの３０％から８０％までの領域に配置されてお り、 主気体流を前記実質的に円筒形のチャンバの外部で燃焼させることを特徴とす る燃焼に際し予備混合するタイプのガスタービンエンジンの燃焼器の液体燃料燃 焼方法。