JP2015105766A - ノズル、燃焼器、及びガスタービン - Google Patents
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Abstract
Description
これらの構成により、燃料が燃焼することにより形成される火炎の長さを、周方向で異ならせ、発熱率を分散させることで燃焼振動を抑えている。
このような燃焼器においても、燃焼振動を有効に抑えることが要求されている。
そこでなされた本発明の目的は、火炎に水を噴射する燃焼器においても、燃焼振動を有効に抑えることのできるノズル、燃焼器、及びガスタービンを提供することである。
このような構成によれば、燃料噴射口から噴射される燃料により生成される火炎に対し、水噴射口から噴射される水は、周方向において不均等に噴射されることとなる。すると、火炎の軸方向位置が周方向において一様ではなくなる。すると、この火炎自体、あるいはこの火炎によって着火される燃料による火炎の軸方向位置を周方向で異ならせ発熱率を分散させることで、燃焼振動を抑えることができる。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水の噴射角度が、ノズルの半径方向に異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水の噴射角度が、ノズルの周方向、つまり水噴射口の位置における接線方向に異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水の噴射量が異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水が、中央部の燃料噴出口から噴出される燃料によって生成される火炎に到達するまでの距離が異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水の噴射量(噴射密度)が異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。
これにより、パイロットノズルで生成する点火用の火炎を周方向に不均等とすることができる。すると、メインノズルから噴射される燃料による火炎も、周方向に不均等となる。
ここで、前記パイロットノズルが中央部に配置され、前記パイロットノズルの外周側に周方向に複数の前記メインノズルが設けられているようにしてもよい。
このようなガスタービンによれば、燃焼器における火炎による燃焼振動を抑えることができる。
以下、本発明に係る第一実施形態の燃焼器3について図を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態のガスタービン1は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機2と、この圧縮機2にて圧縮された圧縮空気Aに燃料を混合して燃焼させる燃焼器3と、燃焼器3から導入された燃焼ガスGの熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン本体4とを備えている。
環状静翼群10は、それぞれ、複数の環状動翼群8と、軸線方向に交互に配置されている。
外筒32の一端側32aは閉塞され、他端側32bは内筒31の外周側で開口している。外筒32の他端側32bの内周面と内筒31の外周面との間から燃焼器3内に流入した圧縮空気Aは、外筒32の一端側32aで180°転回し、内筒31の内部に供給される。
パイロットノズル35は、外筒32の一端側32aから内筒31の中心軸Oに沿って設けられている。パイロットノズル35は、外筒32の一端側32aから不図示の燃料供給経路を介して供給される燃料を先端部35aから噴射し、この燃料に着火することで火炎を生成する。
パイロットコーン36は、筒状で、パイロットノズル35の先端部35aの外周側に設けられている。パイロットコーン36は、パイロットノズル35の先端部35a近傍から、火炎の生成方向に向けて、その内径が漸次拡大するテーパコーン部36cを有し、火炎の拡散範囲、方向を規制し、保炎性を高めている。
メインスワラ38は、各メインノズル37の先端部に設けられている。メインスワラ38の空気流上流側において、メインノズル37の外周面側に、不図示の燃料ノズルノズルから燃料(メイン燃料)が噴出される。そして、この燃料はメインスワラ38の働きにより、メインバーナ34において内筒31内の圧縮空気Aと混合し、予混合気を生成する。
図4、図5に示すように、パイロットノズル35は、先端面(先端)35sの中央に、燃料を噴射する燃料噴射口41を有している。燃料噴射口41には、不図示の燃料供給源からパイロットノズル35内に形成された燃料流路を通して燃料が供給される。
パイロットノズル35の先端面35sの燃料噴射口41の周囲には、周方向に間隔をあけて複数の水噴射口42が形成されている。水噴射口42には、不図示の水供給源からパイロットノズル35内に形成された水流路を通して水が供給される。各々の水噴射口42は、パイロットノズル35の中心軸Oに対し、パイロットノズル半径方向内周側及び周方向に向けて傾斜して形成されている。これにより、各々の水噴射口42から噴射された水は、これら複数の水噴射口42の内周側に位置する燃料噴射口41から噴出する燃料による火炎F1の外縁部に対し、包絡線が重なるように吹きつけられる。
本実施形態において、複数の水噴射口42のうち、周方向の一部の領域の水噴射口42Aは、パイロットノズル35の中心軸Oに対するパイロットノズル35の半径方向内周側への傾斜角度θ1が、残る他の領域にある水噴射口42Bの傾斜角度θ2と異なるよう形成されている。例えば、一部の水噴射口42Aの傾斜角度θ1が、残る他の水噴射口42B(水噴射口の残部)の傾斜角度θ2よりも、小さくなるよう形成されている。
すると、周方向において軸方向位置が異なる火炎F1により、メインバーナ34から噴出される燃料が着火する位置、つまりメイン火炎の生成位置が、周方向において、中心軸Oに沿った方向に異なることとなる。水の噴射角度の傾斜角度θ1が小さいほど、メインバーナ34から噴出される燃料によるメイン火炎の生成位置が、中心軸O方向に沿って火炎生成方向下流側に移行する。
したがって、火炎F1や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。
図7に示すように、本実施形態における燃焼器3において、パイロットノズル35は、燃料噴射口41の周囲に周方向に間隔をあけて形成された複数の水噴射口42のうち、周方向の一部の領域の水噴射口42Cは、パイロットノズル35の中心軸Oに対するパイロットノズル35の周方向(水噴射口42Cが設けられた位置における接線方向)への傾斜角度が、残る他の領域にある水噴射口42Dの傾斜角度と異なるよう形成されている。例えば、一部の水噴射口42Cの傾斜角度が、残る他の水噴射口42Dの傾斜角度よりも、大きくなるよう形成されている。
これによって、メインバーナ34から噴出される燃料に火炎F1が伝搬し、燃料が着火する位置が、中心軸Oに沿った方向に異なることとなる。すると、図6に示すように、燃焼器3内において、メイン火炎による発熱率が、周方向において、中心軸O方向に沿って分散する。
その結果、火炎F1や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。
図8に示すように、本実施形態における燃焼器3において、パイロットノズル35は、燃料噴射口41の周囲に周方向に間隔をあけて形成された複数の水噴射口42のうち、周方向の一部の領域の水噴射口42Eは、その開口径D1が、残る他の領域にある水噴射口42Fの開口径D2と異なるよう形成されている。例えば、一部の水噴射口42Eの開口径D1が、残る他の水噴射口42Fの開口径D2よりも、大きくなるよう形成されている。
これによって、メインバーナ34から噴出される燃料に火炎F1が伝搬し、燃料が着火する位置が、中心軸Oに沿った方向に異なることとなる。すると、図6に示すように、燃焼器3内において、メイン火炎による発熱率が、周方向において、中心軸O方向に沿って分散する。
その結果、火炎F1や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。
図9に示すように、本実施形態における燃焼器3において、パイロットノズル35は、燃料噴射口41の周囲に周方向に間隔をあけて形成された複数の水噴射口42のうち、周方向の一部の領域の水噴射口42Gは、パイロットノズル35の径方向における位置が、残る他の領域にある水噴射口42Hの開口径D2と異なるよう形成されている。例えば、一部の水噴射口42Gの開口径D1が、残る他の水噴射口42Hの開口径D2よりも、パイロットノズル35の径方向外周側に配置されている。
これによって、メインバーナ34から噴出される燃料に火炎F1が伝搬し、燃料が着火する位置が、中心軸Oに沿った方向に異なることとなる。すると、図6に示すように、燃焼器3内において、メイン火炎による発熱率が、周方向において、中心軸O方向に沿って分散する。
その結果、火炎F1や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。
図10に示すように、本実施形態における燃焼器3において、パイロットノズル35は、燃料噴射口41の周囲に周方向に間隔をあけて形成された複数の水噴射口42のうち、周方向の一部の領域の水噴射口42Jは、パイロットノズル35の周方向における設置間隔が、残る他の領域にある水噴射口42Kの設置間隔とは異なるよう形成されている。例えば、一部の領域の水噴射口42Jの周方向における設置間隔P1が、残る他の領域における水噴射口42Kの設置間隔P2よりも小さくなるよう形成されている。
これによって、メインバーナ34から噴出される燃料に火炎F1が伝搬し、燃料が着火する位置が、中心軸Oに沿った方向に異なることとなる。すると、図6に示すように、燃焼器3内において、メイン火炎による発熱率が、周方向において、中心軸O方向に沿って分散する。
その結果、火炎F1や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態では、複数の水噴射口42は、周方向に不均等に形成する例として、周方向の一部の領域の水噴射口42A,42C,42E,42G,42Jと、周方向の残る他の領域の水噴射口42B,42D,42F,42H,42Kとに分けたが、これに限るものではない。周方向において、より多くの区分に分けて、水噴射口42を不均等に形成してもよい。
さらに、複数の水噴射口42の傾斜角度、開口径、径方向の位置、設置間隔を、周方向の一部の領域と残る他の領域とで、2段階に形成したが、3段階以上に形成してもよい。
加えて、上記第一〜第五実施形態を適宜組み合わせて構成することも可能である。
さらに、上記実施形態では、燃焼器3が、中央部にパイロットノズル35を有し、外周側に複数のメインノズル37を備える構成としたが、燃焼器3を構成するノズルの少なくとも一つに本発明の構成が適用されているのであれば、燃焼器3はいかなる構成であってもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
3 燃焼器
4 タービン本体
31 内筒
32 外筒
33 パイロットバーナ
34 メインバーナ
35 パイロットノズル(ノズル)
35s 先端面(先端)
37 メインノズル
41 燃料噴射口
42 水噴射口
42A,42C,42E,42G,42J 水噴射口
42B,42D,42F,42H,42K 水噴射口
F1 火炎
Claims (9)
- 先端の中央に燃料を噴射する燃料噴射口が形成されるとともに、前記先端の前記燃料噴射口の周囲に周方向に間隔をあけて複数の水噴射口が形成され、
前記水噴射口は、周方向に不均等に形成されていることを特徴とするノズル。 - 複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの中心軸に対する前記ノズルの半径方向への傾斜角度が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項1に記載のノズル。
- 複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの中心軸に対する前記ノズルの周方向への傾斜角度が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のノズル。
- 複数の前記水噴射口のうち一部は、その開口径が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のノズル。
- 複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの径方向における位置が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のノズル。
- 複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの周方向における設置間隔が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のノズル。
- 燃料を噴射するメインノズルと、
前記メインノズルから噴射される燃料に点火するための火炎を生成するパイロットノズルと、を備え、
前記パイロットノズルが請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のノズルであることを特徴とする燃焼器。 - 前記パイロットノズルが中央部に配置され、
前記パイロットノズルの外周側に周方向に複数の前記メインノズルが設けられていることを特徴とする請求項7に記載の燃焼器。 - 請求項7又は請求項8に記載の燃焼器と、
前記燃焼器により生成された燃焼ガスにより駆動されるタービン本体と、
を備えることを特徴とするガスタービン。
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