JP2023104875A - 燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】中心管を効果的に冷却させ、中心管に火炎が付着したり、および火炎が逆火することを最小化できる燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンを提供する。【解決手段】前方から後方に空気の移動する空気流路が内部に形成され、後端部に開口ホールが形成された中心管と、前記中心管の少なくとも一部が内部に挿入され、前記中心管との間に空気および噴射された燃料の移動する混合流路が形成され、前端に空気流入口が形成されたシュラウドと、前記空気流路と連通する入口から前記混合流路と連通する出口まで後方に延び、前記中心管の側壁部の内部を貫通して形成される複数の冷却チャネルとを含むノズルモジュールを有する燃焼器用ノズル。【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンに関し、より詳しくは、冷却チャネルを含む燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンに関する。

ガスタービンは、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させ、燃焼で発生した高温のガスでタービンを回転させる動力機関である。ガスタービンは、発電機、航空機、船舶、列車などを駆動するのに用いられる。

一般的に、ガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。圧縮機は、外部空気を吸入して圧縮した後、燃焼器に伝達する。圧縮機で圧縮された空気は高圧および高温の状態になる。燃焼器は、圧縮機から流入した圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる。燃焼によって発生した燃焼ガスはタービンに排出される。燃焼ガスによってタービン内部のタービンブレードが回転し、これにより動力が発生する。発生した動力は発電、機械装置の駆動などの多様な分野に使用される。

燃料は各燃焼器内に設けられたノズルを介して噴射され、ノズルは気体燃料および液体燃料を噴射することができる。近年は、二酸化炭素の排出を抑制するために、水素燃料または水素を含む燃料の使用が推奨されている。

しかし、水素は燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器でこれらの燃料を燃焼させた場合に、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎がガスタービン燃焼器の構造物に近づいて加熱し、ガスタービン燃焼器の信頼性から問題を引き起こす可能性がある。

上記の技術的背景に基づき、本発明は、中心管を効果的に冷却させ、中心管に火炎が付着したり、および火炎が逆火することを最小化できる燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る燃焼器用ノズルは、中心管と、シュラウドと、複数の冷却チャネルとを含む。中心管は、前方から後方に空気の移動する空気流路が内部に形成され、後端部に開口ホールが形成される。シュラウドは、中心管の少なくとも一部が内部に挿入され、中心管との間に空気および噴射された燃料の移動する混合流路が形成され、前端に空気流入口が形成される。冷却チャネルは、空気流路と連通する入口から混合流路と連通する出口まで後方に延び、中心管の側壁部の内部を貫通して形成される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、冷却チャネルは、出口が中心管の後端部に形成される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルは、中心管の側壁部の内部には、複数の冷却チャネルをすべて連通させる第１環状流路が形成される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、第１環状流路は、冷却チャネルの入口および出口の間に配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、空気流路には、空気の流動を旋回させるエアスワラが配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、エアスワラは、中心管の後端部と離隔して配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、エアスワラは、冷却チャネルの入口より後方に配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、空気流路には、空気の流動に乱流を形成させる乱流形成部材が配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、乱流形成部材は、中心管の後端部と離隔して配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、乱流形成部材は、冷却チャネルの入口より後方に配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、複数の冷却チャネルは、中心管の側壁部の内部で互いに並んで配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、複数の冷却チャネルは、中心管の側壁部の内部で螺旋状に配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、中心管の開口ホールには、後方へいくほど流動断面積の増加する拡張部が形成される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、冷却チャネルの出口は、中心管の後端部に形成され、拡張部の周辺から軸方向および半径方向に向かって傾斜して形成される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、中心管の後端部および拡張部の周辺には、一端が冷却チャネルの複数の出口とすべて連通し、他端が混合流路と連通する第２環状流路が形成される。

本発明の実施形態に係る燃焼器は、燃焼器用ノズルと、ダクト組立体とを含む。ダクト組立体は、ノズルの一側に結合され、燃料と空気とが内部で燃焼され、燃焼されたガスをタービンに伝達する。ノズルは、中心管と、シュラウドと、複数の冷却チャネルとを含む。中心管は、前方から後方に空気の移動する空気流路が内部に形成され、後端部に開口ホールが形成される。シュラウドは、中心管の少なくとも一部が内部に挿入され、中心管との間に空気および噴射された燃料の移動する混合流路が形成され、前端に空気流入口が形成される。冷却チャネルは、空気流路と連通する入口から混合流路と連通する出口まで後方に延び、中心管の側壁部の内部を貫通して形成される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器は、空気流路に燃料の流動に乱流を形成させる乱流形成部材が配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器は、複数の冷却チャネルが中心管の側壁部の内部で螺旋状に配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器は、中心管の開口ホールには、後方へいくほど流動断面積の増加する拡張部が形成される。

本発明の実施形態に係るガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。圧縮機は、外部から流入した空気を圧縮する。燃焼器は、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する。タービンは、燃焼器で燃焼された燃焼ガスによって回転する複数のタービンブレードを含む。燃焼器は、燃焼器用ノズルと、ダクト組立体とを含む。ダクト組立体は、ノズルの一側に結合され、圧縮空気と燃料とが内部で燃焼され、燃焼された燃焼ガスをタービンに伝達する。ノズルは、中心管と、シュラウドと、複数の冷却チャネルとを含む。中心管は、前方から後方に空気の移動する空気流路が内部に形成され、後端部に開口ホールが形成される。シュラウドは、中心管の少なくとも一部が内部に挿入され、中心管との間に空気および噴射された燃料の移動する混合流路が形成され、前端に空気流入口が形成される。空気流路と連通する入口から混合流路と連通する出口まで後方に延び、中心管の側壁部の内部を貫通して形成される。

本発明による燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンは、中心管に冷却チャネルが形成されて、中心管を効果的に冷却させることができ、中心管に火炎が付着したり、および火炎が逆火することを最小化できるというメリットがある。

本発明の第１実施形態に係るガスタービンの内部が示される図である。 図１の燃焼器を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るノズルモジュールの全体的な様子を示す縦断面図である。 図３における冷却チャネル部分を別途に拡大して示す図である。 本発明の第１実施形態に係るノズルモジュールの中心管の後端部における流速と温度分布を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るノズルモジュールの冷却チャネルを拡大して示す図である。 本発明の第３実施形態に係るノズルモジュールの冷却チャネルを拡大して示す図である。 本発明の第４実施形態に係るノズルモジュールの冷却チャネルを拡大して示す図である。 図８の変形例を示す図である。

本発明は多様な変換が加えられて様々な実施例を有することができるが、特定の実施例を例示して詳細な説明に詳しく説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするのではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物または代替物を含むことが理解されなければならない。

本発明で使った用語は単に特定の実施例を説明するために使われたものであり、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明らかに異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本発明において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。この時、添付した図面において、同一の構成要素はできるだけ同一の符号で表していることに留意する。また、本発明の要旨をあいまいにしうる公知の機能および構成に関する詳細な説明は省略する。同様の理由から、添付図面において一部の構成要素は誇張または省略されるか、概略的に示された。

以下、本発明による燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンについて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るガスタービンの内部が示される図であり、図２は、図１の燃焼器を示す図である。

以下、図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態に係るガスタービンについて説明する。本実施形態に係るガスタービン１０００の熱力学的サイクルは、理想的にはブレイトンサイクル（Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ）によることができる。ブレイトンサイクルは、等エントロピー圧縮（断熱圧縮）、定圧給熱、等エントロピー膨張（断熱膨張）、定圧放熱につながる４つの過程からなる。すなわち、大気の空気を吸入して高圧に圧縮した後、定圧環境で燃料を燃焼して熱エネルギーを放出し、この高温の燃焼ガスを膨張させて運動エネルギーに変換させた後に、残留エネルギーを含む排気ガスを大気中に放出することができる。すなわち、圧縮、加熱、膨張、放熱の４過程でサイクルが行われる。

このようなブレイトンサイクルを実現するガスタービン１０００は、図１に示されるように、圧縮機１１００と、燃焼器１２００と、タービン１３００とを含むことができる。以下の説明は図１を参照するが、本発明の説明は、図１に例示として示されたガスタービン１０００と同等の構成を有するタービン機関に対しても幅広く適用可能である。

図１を参照すれば、ガスタービン１０００の圧縮機１１００は、外部から空気を吸入して圧縮することができる。圧縮機１１００は、圧縮機ブレード１１３０によって圧縮された圧縮空気を燃焼器１２００に供給し、また、ガスタービン１０００で冷却が必要な高温領域に冷却用空気を供給することができる。この時、吸入された空気は圧縮機１１００で断熱圧縮過程を経るので、圧縮機１１００を通過した空気の圧力と温度は上昇する。

圧縮機１１００は、遠心圧縮機（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ）や軸流圧縮機（ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）で設計されるが、小型ガスタービンでは遠心圧縮機が適用されるのに対し、図１に示されるような大型ガスタービン１０００は、大量の空気を圧縮しなければならないため、多段軸流圧縮機が適用されることが一般的である。この時、多段軸流圧縮機において、圧縮機１１００の圧縮機ブレード１１３０は、ロータディスクの回転に伴って回転して、流入した空気を圧縮しながら圧縮された空気を後段の圧縮機ベーン１１４０に移動させる。空気は、多段に形成された圧縮機ブレード１１３０を通過しながら次第により高圧に圧縮される。

圧縮機ベーン１１４０は、ハウジング１１５０の内部に装着され、複数の圧縮機ベーン１１４０が段を形成して装着される。圧縮機ベーン１１４０は、前段の圧縮機ブレード１１３０から移動した圧縮空気を後段の圧縮機ブレード１１３０側に案内する。一実施形態において、複数の圧縮機ベーン１１４０の少なくとも一部は、空気の流入量の調節などのために、定められた範囲内で回転可能に装着される。

圧縮機１１００は、タービン１３００から出力される動力の一部を用いて駆動できる。このために、図１に示されるように、圧縮機１１００の回転軸と、タービン１３００の回転軸とは直結可能である。大型ガスタービン１０００の場合、タービン１３００で生産される出力のほぼ半分程度が圧縮機１１００を駆動するのに消耗しうる。したがって、圧縮機１１００の効率を向上させることは、ガスタービン１０００の全体効率を向上させるのに直接的な影響を及ぼす。

タービン１３００は、ロータディスク１３１０と、ロータディスク１３１０に放射状に配置される複数のタービンブレードおよびタービンベーンとを含む。ロータディスク１３１０は、略円板形状を有しており、その外周部には複数の溝が形成されている。溝は屈曲面を有するように形成され、溝にタービンブレードとタービンベーンが挿入される。タービンベーンは、回転しないように固定され、タービンブレードを通過した燃焼ガスの流れ方向を案内する。タービンブレードは、燃焼ガスによって回転しながら回転力を生成する。

一方、燃焼器１２００は、圧縮機１１００の出口から供給される圧縮空気を燃料と混合して、等圧燃焼させて、高いエネルギーの燃焼ガスを作ることができる。図２は、ガスタービン１０００に適用される燃焼器１２００の一例を示す。燃焼器１２００は、燃焼器ケーシング１２１０と、ノズル１２２０と、ダクト組立体１２４０とを含むことができる。

燃焼器ケーシング１２１０は、ノズル１２２０を取り囲み、略円形シリンダ形状からなってもよい。ノズル１２２０は、圧縮機１１００の下流に配置され、環状をなす燃焼器ケーシング１２１０に沿って配置される。ノズル１２２０には少なくとも１つ以上のノズルモジュール１４００が備えられ、このノズルモジュール１４００では、燃料と空気とが適切な比率で混合された後、噴射されて、燃焼に適した状態をなす。

ガスタービン１０００にはガス燃料が使用可能であり、特に、水素を含む燃料が使用可能である。燃料は、水素燃料単独、または水素と天然ガスとを含む燃料からなってもよい。

ダクト組立体１２４０は、ノズル１２２０とタービン１３００との間を連結して高温の燃焼ガスが流動し、ダクト組立体１２４０の外面からは圧縮空気が流れてノズル１２２０側に供給され、この過程で高温の燃焼ガスによって加熱されたダクト組立体１２４０が適切に冷却される。

ダクト組立体１２４０は、ライナー１２４１と、トランジションピース１２４２と、流動スリーブ１２４３とを含むことができる。ダクト組立体１２４０は、ライナー１２４１とトランジションピース１２４２の外を流動スリーブ１２４３が取り囲む二重構造からなっており、圧縮空気は、流動スリーブ１２４３の内側の環状空間内に侵入してライナー１２４１とトランジションピース１２４２を冷却させる。

ライナー１２４１は、燃焼器１２００のノズル１２２０に連結される管部材であって、ライナー１２４１の内部の空間が燃焼室１２３０を形成する。ライナー１２４１の長手方向の一側端部はノズル１２２０に結合され、ライナー１２４１の長手方向の他側端部はトランジションピース１２４２に結合される。

そして、トランジションピース１２４２は、タービン１３００の入口と連結されて、高温の燃焼ガスをタービン１３００に誘導する役割を果たす。トランジションピース１２４２の長手方向の一側端部はライナー１２４１と結合され、トランジションピース１２４２の長手方向の他側端部はタービン１３００と結合される。流動スリーブ１２４３は、ライナー１２４１とトランジションピース１２４２を保護する一方、高温の熱気が外部に直接放出されることを防ぐ役割を果たす。

図３は、本発明の第１実施形態に係るノズルモジュールの全体的な様子を示す縦断面図であり、図４は、図３における冷却チャネル部分を別途に拡大して示す図であり、図５は、本発明の第１実施形態に係るノズルモジュールの中心管の後端部における流速と温度分布を示す図である。

以下、図３～図５を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０について詳しく説明する。本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、少なくとも１つのノズルモジュール１４００を含み、ノズルモジュール１４００は、中心管１４２０と、シュラウド１４３０と、冷却チャネル１４５０とを含む。

中心管１４２０は、管状部材である。中心管１４２０は、所定の厚さを有する側壁部１４２１を含むことができる。中心管１４２０の前端部にはフランジ１４１０が配置される。フランジ１４１０には燃料が供給できる。中心管１４２０の内部または側壁部１４２１の内部には、前方から後方に空気の移動する空気流路１４２３が形成される。そして、中心管１４２０の後端部１４２２には開口した開口ホール１４２４が形成される。したがって、空気流路１４２３の空気は、開口ホール１４２４を介して外部に吐出される。中心管１４２０には空気流入ポート１４２５が形成される。空気流入ポート１４２５は、中心管１４２０を貫通して中心管１４２０の内外部を連通させることができる。空気流入ポート１４２５は、中心管１４２０においてフランジ１４１０のすぐ後ろまたはフランジ１４１０とやや離隔した位置に形成される。空気流入ポート１４２５を介して流入した空気は、中心管１４２０の空気流路１４２３で流動する。

シュラウド１４３０の内部には、中心管１４２０の少なくとも一部が挿入される。中心管１４２０は、フランジ１４１０を除いた部分がシュラウド１４３０に挿入される。この時、空気流入ポート１４２５が形成された部分はシュラウド１４３０に挿入されず、空気流入ポート１４２５がシュラウド１４３０の前方に配置される。

シュラウド１４３０の前端には空気流入口１４５１、１４３２が形成される。空気流入口１４５１、１４３２からは空気が流入する。シュラウド１４３０の前端には、空気の流入を案内し、流動抵抗を低減できるようにベルマウス１４３１が形成される。シュラウド１４３０は、中心管１４２０を取り囲みかつ、中心管１４２０と離隔して配置される。これによって、シュラウド１４３０と中心管１４２０との間には空間が形成される。前記空間では、空気流入口１４５１、１４３２から流入した空気と、別途に噴射された燃料とが共に流動する。したがって、前記空間を混合流路１４３３と称する。

中心管１４２０には燃料ポート１４２８が形成される。燃料ポート１４２８は、混合流路１４３３に燃料を噴射する構成である。フランジ１４１０側からは燃料が流入し、燃料ポート１４２８はフランジ１４１０側と連通可能である。中心管１４２０の側壁部１４２１には、燃料が満たされる燃料プレナム１４２７が形成される。燃料プレナム１４２７は、側壁部１４２１から円周方向に延びて環状の空間を形成することができる。燃料プレナム１４２７はフランジ１４１０側と連通し、燃料プレナム１４２７は燃料ポート１４２８と連通することができる。これによって、フランジ１４１０側から流入した燃料が、燃料プレナム１４２７を経て燃料ポート１４２８から外部に噴射される。

中心管１４２０とシュラウド１４３０との間にはスワラ１４４０が配置される。スワラ１４４０は、シュラウド１４３０の内周面に形成されるか、中心管１４２０の外周面に形成されてもよく、別途に備えられてシュラウド１４３０と中心管１４２０との間にそれぞれ結合されて配置されてもよい。スワラ１４４０は、空気または、空気および燃料を旋回させるための構成である。スワラ１４４０は、好ましくは、シュラウド１４３０の前端部近傍またはベルマウス１４３１のすぐ後方に配置される。そして、燃料ポート１４２８は、スワラ１４４０に配置される。もし、スワラ１４４０が中心管１４２０と一体に形成される場合、燃料ポート１４２８は、中心管１４２０およびスワラ１４４０をすべて貫通して形成される。燃料ポート１４２８がスワラ１４４０に配置される場合、旋回され始める空気に直に燃料を噴射可能で空気および燃料の混合度が改善でき、燃料ポート１４２８が燃焼室と遠くなって逆火を最小化できる。

中心管１４２０には冷却チャネル１４５０が形成される。冷却チャネル１４５０は、複数個備えられる。冷却チャネル１４５０は、入口１４５１および出口１４５２を含む。冷却チャネル１４５０の入口１４５１は空気流路１４２３と連通し、出口１４５２は混合流路１４３３と連通する。冷却チャネル１４５０は、側壁部の内部を貫通して形成され、後方に延びて形成される。すなわち、縦断面からみると、冷却チャネル１４５０は、左右に延びて形成されかつ、上下が側壁部１４２１に取り囲まれるように形成される。複数の冷却チャネル１４５０は、側壁部１４２１の一部を挟んで空気流路１４２３を取り囲むように配置される。この時、複数の冷却チャネル１４５０は、側壁部１４２１で互いに並んで配置される。冷却チャネル１４５０では空気が流動する。空気流路１４２３の空気が冷却チャネル１４５０に流入して混合流路１４３３に吐出される。この過程で中心管１４２０が冷却される。

冷却チャネル１４５０は、中心管１４２０の後端部１４２２に形成される。中心管１４２０の後端部１４２２は、燃焼室と近いため、高熱に露出しうる。中心管１４２０の後端部１４２２では、燃焼室の火炎が逆火して火炎が付着することがあり、そうでないとしても、燃焼室と近いため、比較的高い熱に露出してしまう。したがって、冷却チャネル１４５０は、中心管１４２０の後端部１４２２に形成されることが好ましい。

側壁部１４２１には第１環状流路１４５３が形成される。第１環状流路１４５３は、側壁部１４２１の内部で中心管１４２０の円周方向に沿って延びて環状に形成される。すなわち、第１環状流路１４５３において側壁部１４２１は二重壁の構造であり、第１環状流路１４５３と空気流路１４２３との間に側壁部１４２１が配置され、第１環状流路１４５３と混合流路１４３３との間に側壁部１４２１が配置される。第１環状流路１４５３は、複数の冷却チャネル１４５０とすべて連通する。複数の冷却チャネル１４５０で流動していた空気は、第１環状流路１４５３に流入して流動する。第１環状流路１４５３は、冷却チャネル１４５０の入口１４５１および出口１４５２の間に形成される。この場合、入口１４５１に流入した空気が第１環状流路１４５３に流入した後、側壁部１４２１で円周方向に循環した後、再度それぞれの出口１４５２に吐出される。第１環状流路１４５３が側壁部１４２１に形成されることにより、複数の冷却チャネル１４５０で空気の流動が均一に形成できる。

空気流路１４２３にはエアスワラ１４６０が配置される。エアスワラ１４６０は、中心管１４２０の空気流路１４２３で空気の流動を旋回させるための構成である。エアスワラ１４６０は、複数の旋回羽根（図示せず）を備えることができる。エアスワラ１４６０を経た空気の流動は旋回し、旋回された空気の流動は、遠心力によって中心管１４２０の側壁部１４２１の内周面に密着することができる。これによって、中心管１４２０の冷却性能がさらに向上できる。

エアスワラ１４６０は、中心管１４２０の後端部１４２２と離隔して配置される。エアスワラ１４６０が中心管１４２０の後端部１４２２の端に位置すれば、中心管１４２０の内部に旋回された空気の流動がほとんどないため、冷却性能が低下することがあり、これによって、エアスワラ１４６０の位置は、中心管１４２０の後端部１４２２とは離隔して配置されることが好ましい。

しかし、エアスワラ１４６０が中心管１４２０の後端部１４２２と過度に離隔する場合、エアスワラ１４６０による冷却性能が低下しうる。旋回された空気は、流動の進行に伴って徐々に直進性が高くなり、これによって、エアスワラ１４６０が過度に離隔すれば、中心管１４２０の後端部１４２２では空気の旋回流動がほとんど及ばず、冷却性能が低下しうるのである。したがって、エアスワラ１４６０は、中心管１４２０の後端部１４２２近傍に配置されることが好ましい。

しかし、この場合にも、エアスワラ１４６０が冷却チャネル１４５０の入口１４５１より前方に配置される場合、冷却チャネル１４５０に空気が円滑に流入しないことがあるので、エアスワラ１４６０は、冷却チャネル１４５０の入口１４５１よりは後方に配置されることが好ましい。

図６は、本発明の第２実施形態に係るノズルモジュールの冷却チャネルを拡大して示す図である。

以下、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０について詳しく説明する。本発明の第２実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、エアスワラ１４６０および乱流形成部材１４７０を除けば、本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０と同一であるので、これと重複する説明は省略する。

本発明の第２実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、エアスワラ１４６０が乱流形成部材１４７０に代替可能である。乱流形成部材１４７０は、中心管１４２０の空気流路で空気流動に乱流を形成するための構成である。乱流形成部材１４７０は、側壁部１４２１の内周面で突起の形状に形成され、複数の突起で構成されてもよい。空気が乱流形成部材１４７０を経ると空気の流動に乱流が形成され、これにより、側壁部１４２１の内周面に供給される空気の流量が増加できる。これによって、中心管１４２０の冷却性能がさらに向上できる。

乱流形成部材１４７０は、中心管１４２０の後端部１４２２と離隔して配置される。乱流形成部材１４７０が中心管１４２０の後端部１４２２の端に位置すれば、中心管１４２０の内部で空気の乱流流動がほとんど形成されないため、冷却性能が低下することがあり、これによって、乱流形成部材１４７０の位置は、中心管１４２０の後端部１４２２とは離隔して配置されることが好ましい。

しかし、乱流形成部材１４７０が中心管１４２０の後端部１４２２と過度に離隔する場合、乱流形成部材１４７０による冷却性能がむしろ減少しうる。乱流で形成された空気の流動は、流動の進行に伴って徐々に層流に変化できる。したがって、乱流形成部材１４７０が中心管１４２０の後端部１４２２と過度に離隔した場合、中心管１４２０の後端部１４２２では層流の空気流動が流れるので、冷却性能が低下しうる。したがって、乱流形成部材１４７０は、中心管１４２０の後端部１４２２近傍に配置されることが好ましい。

しかし、この場合にも、乱流形成部材１４７０が冷却チャネル１４５０の入口１４５１より前方に配置される場合、冷却チャネル１４５０に空気が円滑に流入しないことがあるため、乱流形成部材１４７０は、冷却チャネル１４５０の入口１４５１よりは後方に配置されることが好ましい。

図７は、本発明の第３実施形態に係るノズルモジュールの冷却チャネルを拡大して示す図である。

以下、図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０について詳しく説明する。本発明の第３実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、冷却チャネル１４５０を除けば、本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０と同一であるので、これと重複する説明は省略する。

本発明の第３実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、複数の冷却チャネル１４５０が螺旋状に形成される。複数の冷却チャネル１４５０は、中心管１４２０の側壁部１４２１の内部で、入口１４５１から出口１４５２に向かって螺旋状に形成される。すなわち、複数の冷却チャネル１４５０は、多重螺旋状の形状に形成される。

この場合、冷却チャネル１４５０は、側壁部１４２１から側壁部１４２１の円周方向および軸方向に沿って延びて形成される。螺旋状構造の冷却チャネル１４５０では、冷却に用いられる空気が側壁部１４２１でより均一に流動するため、中心管１４２０の冷却性能がさらに増加できるというメリットがある。

図８は、本発明の第４実施形態に係るノズルモジュールの冷却チャネルを拡大して示す図であり、図９は、図８の変形例を示す図である。

以下、図８および９を参照して、本発明の第４実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０について詳しく説明する。本発明の第４実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、拡張部１４２６を除けば、本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０と同一であるので、これと重複する説明は省略する。

本発明の第４実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、拡張部１４２６をさらに含む。拡張部１４２６は、中心管１４２０の後端部１４２２に形成され、拡張部１４２６は、中心管１４２０の開口ホール１４２４に形成される。拡張部１４２６は、後方へいくほど、または上流から下流へいくほど流動断面積が増加する部分である。中心管１４２０の後端に位置した開口ホール１４２４に拡張部１４２６が形成される場合、中心管１４２０から空気が吐出されながら、空気が半径方向に広がっていくことが可能で、中心管１４２０の冷却性能がさらに改善できる。

中心管１４２０に拡張部１４２６が形成される場合、冷却チャネル１４５０の出口１４５２は、拡張部１４２６の周辺から中心管１４２０の軸方向および半径方向に沿って傾斜して形成される。具体的には、冷却チャネル１４５０の出口１４５２は、拡張部１４２６の拡張された流路の形状に対応して、拡張部１４２６の断面と並んで延びて形成される。この場合、冷却チャネル１４５０から吐出される空気が、軸方向だけでなく、半径方向にも延びていくようになるので、冷却性能がさらに改善できる。

中心管１４２０に拡張部１４２６が形成される場合、拡張部１４２６の周辺には第２環状流路１４５４が形成される。第２環状流路１４５４は、中心管１４２０の側壁部１４２１から円周方向に沿って環状につながった流路である。第２環状流路１４５４は、断面が拡張部１４２６の断面に対応して形成される。これによって、第２環状流路１４５４が形成された側壁部１４２１の部分は、二重壁の構造に形成される。第２環状流路１４５４には、複数の冷却チャネル１４５０の出口１４５２がすべて連通する。これにより、冷却チャネル１４５０の出口１４５２から吐出された空気は、すべて第２環状流路１４５４に流入して、循環した後、中心管１４２０の後端部１４２２から外部に吐出される。第２環状流路１４５４が形成されることにより、冷却チャネル１４５０から吐出される空気の流動がさらに均一に形成可能であり、中心管１４２０でのより高い冷却性能を期待できるというメリットがある。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想を逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除または追加などによって本発明を多様に修正および変更可能であり、これも本発明の権利範囲内に含まれる。

１０００：ガスタービン
１１００：圧縮機
１２００：燃焼器
１２１０：燃焼器ケーシング
１２２０：ノズル
１２３０：燃焼室
１２４０：ダクト組立体
１３００：タービン
１３１０：ロータディスク
１４００：ノズルモジュール
１４１０：フランジ
１４２０：中心管
１４２１：側壁部
１４２２：後端部
１４２３：空気流路
１４２４：開口ホール
１４２５：空気流入ポート
１４２６：拡張部
１４２７：燃料プレナム
１４２８：燃料ポート
１４３０：シュラウド
１４３１：ベルマウス
１４３２：空気流入口
１４３３：混合流路
１４４０：スワラ
１４５０：冷却チャネル
１４５１：冷却チャネルの入口
１４５２：冷却チャネルの出口
１４５３：第１環状流路
１４５４：第２環状流路
１４６０：エアスワラ
１４７０：乱流形成部材

Claims (20)

1. 前方から後方に空気の移動する空気流路が内部に形成され、後端部に開口ホールが形成された中心管と、
   前記中心管の少なくとも一部が内部に挿入され、前記中心管との間に空気および噴射された燃料の移動する混合流路が形成され、前端に空気流入口が形成されたシュラウドと、
   前記空気流路と連通する入口から前記混合流路と連通する出口まで後方に延び、前記中心管の側壁部の内部を貫通して形成される複数の冷却チャネルとを含むノズルモジュールを有する燃焼器用ノズル。
2. 前記冷却チャネルは、
   前記出口が前記中心管の前記後端部に形成される、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
3. 前記中心管の前記側壁部の内部には、
   前記複数の冷却チャネルをすべて連通させる第１環状流路が形成される、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
4. 前記第１環状流路は、
   前記冷却チャネルの前記入口および前記出口の間に配置される、請求項３に記載の燃焼器用ノズル。
5. 前記空気流路には、
   前記空気の流動を旋回させるエアスワラが配置される、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
6. 前記エアスワラは、
   前記中心管の後端部と離隔して配置される、請求項５に記載の燃焼器用ノズル。
7. 前記エアスワラは、
   前記冷却チャネルの前記入口より後方に配置される、請求項５に記載の燃焼器用ノズル。
8. 前記空気流路には、
   前記空気の流動に乱流を形成させる乱流形成部材が配置される、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
9. 前記乱流形成部材は、
   前記中心管の後端部と離隔して配置される、請求項８に記載の燃焼器用ノズル。
10. 前記乱流形成部材は、
    前記冷却チャネルの前記入口より後方に配置される、請求項８に記載の燃焼器用ノズル。
11. 前記複数の冷却チャネルは、
    前記中心管の前記側壁部の内部で互いに並んで配置される、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
12. 前記複数の冷却チャネルは、
    前記中心管の前記側壁部の内部で螺旋状に配置される、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
13. 前記中心管の前記開口ホールには、
    後方へいくほど流動断面積の増加する拡張部が形成される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃焼器用ノズル。
14. 前記冷却チャネルの前記出口は、
    前記中心管の前記後端部に形成され、前記拡張部の周辺から軸方向および半径方向に向かって傾斜して形成される、請求項１３に記載の燃焼器用ノズル。
15. 前記中心管の前記後端部および前記拡張部の周辺には、
    一端が前記冷却チャネルの前記出口とすべて連通し、他端が前記混合流路と連通する第２環状流路が形成される、請求項１３に記載の燃焼器用ノズル。
16. 燃焼器用ノズルと、前記燃焼器用ノズルの一側に結合され、燃料と空気とが内部で燃焼され、燃焼されたガスをタービンに伝達するダクト組立体とを含む燃焼器において、
    前記燃焼器用ノズルは、
    前方から後方に空気の移動する空気流路が内部に形成され、後端部に開口ホールが形成された中心管と、
    前記中心管の少なくとも一部が内部に挿入され、前記中心管との間に空気および噴射された燃料の移動する混合流路が形成され、前端に空気流入口が形成されたシュラウドと、
    前記空気流路と連通する入口から前記混合流路と連通する出口まで後方に延び、前記中心管の側壁部の内部を貫通して形成される複数の冷却チャネルとを含むノズルモジュールを有する燃焼器。
17. 前記空気流路には、
    前記燃料の流動に乱流を形成させる乱流形成部材が配置される、請求項１６に記載の燃焼器。
18. 前記複数の冷却チャネルは、
    前記中心管の前記側壁部の内部で螺旋状に配置される、請求項１６に記載の燃焼器。
19. 前記中心管の前記開口ホールには、
    後方へいくほど流動断面積の増加する拡張部が形成される、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の燃焼器。
20. 外部から流入した空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で燃焼された燃焼ガスによって回転する複数のタービンブレードを含むタービンとを含むガスタービンにおいて、
    前記燃焼器は、燃焼器用ノズルと、前記燃焼器用ノズルの一側に結合され、前記圧縮空気と燃料とが内部で燃焼され、燃焼された前記燃焼ガスを前記タービンに伝達するダクト組立体とを含み、
    前記燃焼器用ノズルは、
    前方から後方に空気の移動する空気流路が内部に形成され、後端部に開口ホールが形成された中心管と、
    前記中心管の少なくとも一部が内部に挿入され、前記中心管との間に空気および噴射された燃料の移動する混合流路が形成され、前端に空気流入口が形成されたシュラウドと、
    前記空気流路と連通する入口から前記混合流路と連通する出口まで後方に延び、前記中心管の側壁部の内部を貫通して形成される複数の冷却チャネルとを含むノズルモジュールを有するガスタービン。

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