JP6955467B2 - ガスタービンの燃料ノズル及び燃焼器並びにガスタービン - Google Patents

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Description

本開示は、ガスタービンの燃料ノズル及び燃焼器並びにガスタービンに関する。
ガスタービン燃焼器の燃料ノズルにおいて、液体燃料を噴射する場合の燃料の分散性向上や微粒化を目的として、燃料ノズルで液膜状の燃料の流れを形成し、噴射することが提案されている。
例えば、特許文献1に開示されるガスタービンの燃焼器の燃料ノズルは、該燃料ノズルの先端部に設けられた円錐形状のディフレクタと、ディフレクタの先端部に向けて空気を吹き付けるための空気ノズルと、を有している。燃料ノズル内部に形成された燃料通路からの液体燃料がディフレクタに向けて噴出されると、円錐形状のディフレクタの表面で液体燃料の膜が形成され、この液膜は、ディフレクタの表面に沿ってディフレクタの先端部(燃料ノズルの先端部)に向かって流れる。そして、燃料の液膜は、ディフレクタの先端部から離れるとき、空気ノズルから噴き付けられる空気流れによってせん断されることにより液滴となり、燃焼器の燃焼室に流入するようになっている。
特表2015−505596号公報
ところで、燃料ノズルから噴出される液体燃料の液滴の粒径が大きいと、噴霧液滴の蒸発に長い時間を要し、該噴霧液滴が未燃のまま、あるいは、燃焼しきらないうちに燃焼筒の内壁に衝突し、燃焼筒のメタル温度が過度に高くなることによって燃焼筒が焼損する場合がある。
この点、例えば特許文献1に記載される燃料ノズルでは、液膜状の液体燃料を空気流れでせん断することにより液体燃料の液滴を形成するので、液柱状の液体燃料を空気流れでせん断して液滴を形成する場合に比べ、得られる液滴の粒径が小さくなる傾向となり、上述した燃焼筒の焼損が生じる可能性は低減されると考えられる。しかしながら、燃料ノズルから噴射される液体燃料の液滴をより効果的に微粒化できることが望まれる。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、燃料ノズルから噴射される液体燃料の液滴を効果的に微粒化可能なガスタービンの燃料ノズル及び燃焼器並びにガスタービンを提供することを目的とする。
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃料ノズルは、
ノズル本体と、
前記ノズル本体の外表面に開口する噴射口を一端側に有するように前記ノズル本体に形成された燃料噴射孔と、
前記燃料噴射孔の他端側において該燃料噴射孔に接続されるように前記ノズル本体の内部に設けられ、前記燃料噴射孔に液体燃料を供給するための燃料通路と、を備え、
前記燃料噴射孔と前記燃料通路との接続部における前記燃料噴射孔の直径は、前記接続部における前記燃料通路の直径よりも大きく、
前記燃料噴射孔の壁面に開口を有し、該開口を介して前記燃料噴射孔にガスを噴出するためのガス通路をさらに備える。
上記(1)の構成によれば、燃料噴射孔と燃料通路との接続部における燃料噴射孔の直径を該接続部における燃料通路の直径よりも大きく設定するとともに、燃料噴射孔の壁面に開口するガス通路を設けたので、燃料通路から燃料噴射孔に噴出される柱状の液体燃料に向けてガス通路からガスを噴出させることができる。よって、ガス通路からの噴出ガスにより柱状の液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に向けて押し広げて、内壁面に沿って広がる液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。また、このように形成された液膜が燃料噴射孔の噴射口から噴射されるため、液柱状のまま噴射される場合に比べ、噴射後に燃料ノズルの周囲を流れる気体流れに晒される液体燃料の面積が拡大する。よって、噴射後の液体燃料の気体流れでのせん断による微粒化を促進することができ、液体燃料を効果的に微粒化することができる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記燃料噴射孔の中心軸は、前記燃料通路の中心軸に対して傾斜している。
上記(2)の構成によれば、燃料噴射孔の中心軸が、燃料通路の中心軸に対して傾斜するように燃料噴射孔及び燃料通路を設けたので、燃料通路から燃料噴射孔に流入した液体燃料を、燃料噴射孔の壁面に衝突させることができる。このため、燃料噴射孔から噴射される液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(2)の構成において、
前記燃料通路の前記中心軸に対する前記燃料噴射孔の前記中心軸の角度は、30度以上90度以下である。
上記(3)の構成では、燃料通路の中心軸に対する燃料噴射孔の中心軸の角度を30度以上に設定したので、燃料通路から燃料噴射孔に流入した液体燃料を、燃料噴射孔の壁面に効果的に衝突させることができる。また、上記(3)の構成では、燃料通路の中心軸に対する燃料噴射孔の中心軸の角度を90度以下に設定したので、液体燃料が噴出ガスに押し戻されることによる液体燃料の運動エネルギーの低下を抑制することができる。よって、上記(3)の構成によれば、液体燃料の液膜をより効果的に形成するとともに、燃料噴射孔の噴射口から円滑に噴射することができる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の何れかの構成において、
前記燃料ノズルの中心軸に平行であるとともに、前記燃料ノズルの前記中心軸と前記燃料噴射孔の前記中心軸とを含む平面に直交する断面において、前記ノズル本体の周方向における前記燃料噴射孔の大きさは、前記周方向に直交する方向における前記燃料噴射孔の大きさよりも大きい。
ノズル本体の周囲の気体流れは、一般的に、ノズル本体の周方向に直交する方向に沿って流れる。
この点、上記(4)の構成によれば、上述の断面において、該燃料噴射孔の周方向の大きさが、周方向に直交する方向における大きさよりも大きい形状となるようにしたので、燃料噴射孔の内壁面で形成される液体燃料の液膜を周方向に沿って延びた形状とすることができる。よって、燃料噴射孔から噴射された液体燃料の液膜と、ノズル本体の周囲の気体流れとの接触面積が増大するため、該気体流れでのせん断による液体燃料の微粒化をより促進することができる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(4)の何れかの構成において、
前記燃料噴射孔の軸方向における、
前記燃料噴射孔の中心軸と前記ガス通路の中心軸との交点P1と、前記燃料噴射孔の中心軸と前記ノズル本体の前記外表面との交点P2との距離は、前記接続部における前記燃料噴射孔の前記直径の2倍より大きい。
あるいは、幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(4)の何れかの構成において、
前記燃料噴射孔の長さをLとしたとき、前記燃料噴射孔の中心軸の方向における前記燃料噴射孔の前記他端から前記ガス通路の前記開口までの距離は、0より大きくL/2以下である。
上記(5)の構成によれば、上述の点P1と点P2との距離が接続部における燃料噴射孔の直径の2倍よりも大きくように設定したので、燃料噴射孔において、燃料通路から燃料噴射孔に流入した液体燃料と、ガス通路からの噴出ガスが混合する領域の長さを長く確保することができる。あるいは、上記(5)の構成によれば、燃料噴射孔と燃料通路の接続部が設けられる燃料噴射孔の他端と、燃料噴射孔の表面に形成されるガス通路の開口との距離がL/2以下になるようにしたので、ガス通路の開口と燃料噴射孔の噴射口との距離を大きく確保することができる。よって、燃料通路から燃料噴射孔に流入した液体燃料にガス通路からの噴出ガスが衝突してから、液体燃料が燃料噴射孔の噴射口から噴射されるまでの距離、すなわち、噴出ガスによって液体燃料が燃料噴射孔の内壁面に押し付けられて、液膜が形成される区間を長く確保することができるので、液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(5)の何れか一項の構成において、
前記燃料噴射孔の中心軸に対する前記ガス通路の中心軸の角度は、30度以上90度以下である。
上記(6)の構成によれば、燃料噴射孔の中心軸に対するガス通路の中心軸の角度を30度以上90度以下に設定したので、燃料噴射孔に流入した液体燃料と、ガス通路からの噴出ガスとの衝突エネルギーを大きくとることができる。このため、噴出ガスによって液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に効果的に押し付けることができ、液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
(7)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(6)の何れかの構成において、
前記燃料通路は、前記燃料噴射孔の前記他端側において前記燃料噴射孔の底面に接続されている。
上記(7)の構成によれば、燃料通路が、記燃料噴射孔の他端側の底面に接続されているので、燃料通路からの液体燃料を、円滑に燃料噴射孔に流入させることができる。よって、燃料噴射孔において液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。
(8)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(7)の構成において、
前記ガス通路は、前記燃料噴射孔の内周面に形成された前記開口を介して前記燃料噴射孔に接続されている。
上記(8)の構成によれば、ガス通路は、燃料噴射孔の内周面に形成された開口を介して燃料噴射孔に接続されているので、ガス通路からのガスを、燃料噴射孔の中心軸に直交する方向に沿って噴出させて、燃料通路からの液体燃料に衝突させることができる。よって、燃料噴射孔において液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。
(9)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(8)の構成において、
前記燃料噴射孔の前記中心軸に直交する断面に前記ガス通路を投影したとき、前記断面上において、前記ガス通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置している。
上記(9)の構成によれば、上述の断面(投影面)上において、ガス通路の中心軸が、該中心軸に直交する方向において、燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置するようにしたので、ガス通路からの噴出ガスを燃料噴射孔の内壁面に衝突させることにより、噴出ガスの流れに旋回成分を付与して内壁面に沿った旋回流を形成することができる。よって、燃料噴射孔における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔の内部においても、液体燃料の微粒化を促進することができる。
(10)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(9)の何れかの構成において、
前記燃料噴射孔の前記中心軸に直交する断面に前記燃料通路を投影したとき、前記断面上において、前記燃料通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置している。
上記(10)の構成によれば、上述の断面(投影面)上において、燃料通路の中心軸が、該中心軸に直交する方向において、燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置するようにしたので、燃料通路からの液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に衝突させることにより、液体燃料の流れに旋回成分を付与して内壁面に沿った旋回流を形成することができる。よって、燃料噴射孔における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔の内部においても、液体燃料の微粒化を促進することができる。
(11)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(10)の何れかの構成において、
前記燃料噴射孔の前記中心軸に直交する断面に前記ガス通路を投影したとき、前記断面上において、前記ガス通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置し、
前記断面に前記燃料通路を投影したとき、前記断面上において、前記燃料通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置し、
前記ガス通路から前記燃料噴射孔への前記ガスの噴出方向及び前記燃料通路からの前記燃料噴射孔への前記液体燃料の噴出方向は、前記燃料噴射孔の前記中心軸に関して、同じ方向の旋回成分を有している。
上記(11)の構成によれば、燃料噴射孔の内部で、ガス通路からの噴出ガスの流れに旋回成分を付与して内壁面に沿った旋回流が形成されるとともに、燃料通路からの液体燃料の流れに旋回成分を付与して内壁面に沿った旋回流が形成され、かつ、ガス通路からの噴出ガスの噴出方向と、燃料通路からの液体燃料の噴出方向は、燃料噴射孔の中心軸に関して同じ方向の旋回成分を有するように構成されている。よって、燃料噴射孔における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔の内部においても、液体燃料の微粒化を効果的に促進することができる。
(12)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(11)の構成において、
前記燃料ノズルは、
前記ノズル本体から該ノズル本体の径方向外側に突出するように設けられ、前記ノズル本体の周囲を流れる流体を旋回させるように構成されるとともに、ガス燃料噴射孔が表面に開口するスワラベーンをさらに備え、
前記ノズル本体は、該ノズル本体の軸方向において前記スワラベーンよりも下流側に位置し、前記下流側に向かうにつれて先細る流線形部を含み、
前記燃料噴射孔の前記噴射口は、前記流線形部の表面に形成されている。
スワラベーン及び流線形のノズル本体を有する燃料ノズルでは、典型的には、スワラベーンに形成された燃料噴射孔からガス燃料を噴出することが可能である。
上記(12)の構成によれば、スワラベーン及び流線形のノズル本体を有するとともに、液体燃料を噴射可能な燃料ノズルにおいて、上記(1)で述べたように、液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。
(13)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃焼器は、
上記(1)乃至(12)の何れかに記載の燃料ノズルと、
前記燃料ノズルから噴射された燃料の燃焼により生じる燃焼ガスの通路を形成する燃焼筒と、
を備える。
上記(13)の構成によれば、燃料噴射孔と燃料通路との接続部における燃料噴射孔の直径を該接続部における燃料通路の直径よりも大きく設定するとともに、燃料噴射孔の壁面に開口するガス通路を設けたので、燃料通路から燃料噴射孔に噴出される柱状の液体燃料に向けてガス通路からガスを噴出させることができる。よって、ガス通路からの噴出ガスにより柱状の液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に向けて押し広げて、内壁面に沿って広がる液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。また、このように形成された液膜が燃料噴射孔の噴射孔から噴射されるため、液柱状のまま噴射される場合に比べ、噴射後に燃料ノズルの周囲を流れる気体流れに晒される液体燃料の面積が拡大する。よって、噴射後の液体燃料の気体流れでのせん断による微粒化を促進することができ、液体燃料を効果的に微粒化することができる。
(14)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、
上記(13)に記載の燃焼器と、
前記燃焼器の前記燃焼筒の下流側に設けられる静翼及び動翼と、
を備える。
上記(14)の構成によれば、燃料噴射孔と燃料通路との接続部における燃料噴射孔の直径を該接続部における燃料通路の直径よりも大きく設定するとともに、燃料噴射孔の壁面に開口するガス通路を設けたので、燃料通路から燃料噴射孔に噴出される柱状の液体燃料に向けてガス通路からガスを噴出させることができる。よって、ガス通路からの噴出ガスにより柱状の液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に向けて押し広げて、内壁面に沿って広がる液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。また、このように形成された液膜が燃料噴射孔の噴射孔から噴射されるため、液柱状のまま噴射される場合に比べ、噴射後に燃料ノズルの周囲を流れる気体流れに晒される液体燃料の面積が拡大する。よって、噴射後の液体燃料の気体流れでのせん断による微粒化を促進することができ、液体燃料を効果的に微粒化することができる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃料ノズルから噴射される液体燃料の液滴を効果的に微粒化可能なガスタービンの燃料ノズル及び燃焼器並びにガスタービンが提供される。
一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。 一実施形態に係る燃焼器の要部を示す断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの軸方向に沿った概略断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの先端部の拡大断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの先端部の拡大断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルを図4及び図5の矢印Bの方向に見た概略図である。 一実施形態に係る燃料ノズルを図4及び図5の矢印Bの方向に見た概略図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの中心軸に直交する模式的な断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの中心軸に直交する模式的な断面図である。 図4に示す燃料ノズルの、燃料噴射孔近傍の模式的な斜視図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
まず、幾つかの実施形態に係る燃料ノズル及び燃焼器の適用先の一例であるガスタービンについて、図1を参照して説明する。図1は、一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。
図1に示すように、ガスタービン1は、圧縮空気を生成するための圧縮機2と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器4と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン6と、を備える。発電用のガスタービン1の場合、タービン6には不図示の発電機が連結される。
圧縮機2は、圧縮機車室10側に固定された複数の静翼16と、静翼16に対して交互に配列されるようにロータ8に植設された複数の動翼18と、を含む。
圧縮機2には、空気取入口12から取り込まれた空気が送られるようになっており、この空気は、複数の静翼16及び複数の動翼18を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。
燃焼器4には、燃料と、圧縮機2で生成された圧縮空気とが供給されるようになっており、該燃焼器4において燃料が燃焼され、タービン6の作動流体である燃焼ガスが生成される。図1に示すように、ガスタービン1は、ケーシング20内にロータ8を中心として周方向に沿って複数配置された燃焼器4を有する。
タービン6は、燃焼器4の下流側に位置しており、タービン車室22によって形成される燃焼ガス通路28を有し、該燃焼ガス通路28に設けられる複数の静翼24及び動翼26を含む。
静翼24はタービン車室22側に固定されており、ロータ8の周方向に沿って配列される複数の静翼24が静翼列を構成している。また、動翼26はロータ8に植設されており、ロータ8の周方向に沿って配列される複数の動翼26が動翼列を構成している。静翼列と動翼列とは、ロータ8の軸方向において交互に配列されている。
タービン6では、燃焼ガス通路28に流れ込んだ燃焼器4からの燃焼ガスが複数の静翼24及び複数の動翼26を通過することでロータ8が回転駆動され、これにより、ロータ8に連結された発電機が駆動されて電力が生成されるようになっている。タービン6を駆動した後の燃焼ガスは、排気室30を介して外部へ排出される。
次に、図1及び図2を参照して、一実施形態に係る燃焼器4の構成について説明する。図2は、一実施形態に係る燃焼器の要部を示す断面図である。
図1に示すように、一実施形態に係る燃焼器4は、ロータ8を中心として環状に複数配置されている。図2に示すように、各燃焼器4は、ケーシング20により画定される燃焼器車室40に設けられた燃焼器ライナ(燃焼筒)46と、燃焼器ライナ46内にそれぞれ配置された第1燃焼バーナ50及び複数の第2燃焼バーナ60と、を含む。なお、燃焼器4は、燃焼ガスをバイパスさせるためのバイパス管(不図示)等の他の構成要素を備えていてもよい。
例えば、燃焼器ライナ(燃焼筒)46は、第1燃焼バーナ50及び複数の第2燃焼バーナ60の周囲に配置される内筒45aと、内筒の先端部に連結された尾筒(不図示)と、を有している。燃焼器ライナ(燃焼筒)46は、燃料ノズル(後述する第1ノズル54や第2ノズル64)から噴射された燃料の燃焼により生じる燃焼ガスの通路を形成する。
第1燃焼バーナ50は、燃焼器ライナ46の中心軸に沿って配置されている。そして、第1燃焼バーナ50を囲むように、複数の第2燃焼バーナ60が互いに離間して配列されている。
第1燃焼バーナ50は、燃料ポート52に連結された第1ノズル54と、第1ノズル54を囲むように配置された第1コーン56と、第1ノズル54の外周に設けられたスワラベーン58と、を有している。
第2燃焼バーナ60は、燃料ポート62に連結された第2ノズル64と、第2ノズル64を囲むように配置されたバーナ筒66と、バーナ筒66と燃焼器ライナ46(例えば内筒)をつなぐ延長管65と、第2ノズル64の外周に設けられたスワラベーン70と、を有している。
なお、図2に示すように、延長管65は、バーナ筒66に接続される上流側端面から下流側端面(延長管出口65a)まで延在している。また、図2には、第2ノズル64の中心軸O’を示している。
上記構成を有する燃焼器4は、例えば、以下のように機能する。
該燃焼器4において、圧縮機2で生成された高温高圧の圧縮空気は車室入口(不図示)から燃焼器車室40内に供給され、さらに燃焼器車室40からバーナ筒66内に流入する。そして、この圧縮空気と、燃料ポート62から供給された燃料とがバーナ筒66内で予混合される。この際、予混合気はスワラベーン70により主として旋回流を形成し、燃焼器ライナ46内に流れ込む。
なお、図2において、燃焼器4における圧縮空気の流れを矢印で示している。
また、圧縮空気と、燃料ポート52を介して第1燃焼バーナ50から噴射された燃料とが燃焼器ライナ46内で混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスが発生する。このとき、燃焼ガスの一部が火炎を伴って周囲に拡散することで、各第2燃焼バーナ60から燃焼器ライナ46内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。
すなわち、第1燃焼バーナ50から噴射されたパイロット燃料によるパイロット火炎によって、第2燃焼バーナ60からの予混合気(予混合燃料)の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。その際、燃焼領域は例えば燃焼器ライナ46の内筒に形成される。
なお、他の実施形態では、第1燃焼バーナ50の第1ノズル54には、予混合燃料が供給されるようになっていてもよい。また、第2燃焼バーナ60の第2ノズル64には、パイロット燃料が供給されるようになっていてもよい。
以下、本実施形態に係る燃料ノズル100の構成について、一例として上述した第2燃焼バーナ60の第2ノズル64を用いて詳細に説明する。
なお、本実施形態に係る燃料ノズル100は、上述の第2燃焼バーナ60の第2ノズル64に限定されるものではなく、燃料ノズル100は、例えば、ガスタービン1の燃焼器4に設けられる上述の第1燃焼バーナ50の第1ノズル54であってもよい。また、本実施形態に係る燃料ノズル100は、主として拡散燃焼するタイプの燃焼バーナの燃料ノズルであってもよいし、主として予混合燃焼するタイプの燃焼バーナの燃料ノズルであってもよいし、あるいは、ガスタービン1以外の機器に設けられる燃焼バーナの燃料ノズルであってもよい。
図3は、一実施形態に係る燃料ノズル100(ここでは上述の第2ノズル64)の軸方向に沿った概略断面図である。図4及び図5は、それぞれ、一実施形態に係る燃料ノズル100の先端部の拡大断面図である。ただし、図4及び図5において、図3に含まれるパージガス供給路47及びパージガス噴射孔48等の図示を省略している。
図3〜図5に示すように、燃料ノズル100は、ノズル本体32と、上述した複数のスワラベーン70と、ノズル本体32に形成された燃料噴射孔38及び燃料供給路34と、を備えている。
図3に示すように、複数のスワラベーン70は、それぞれ、ノズル本体32の径方向に突出するように設けられており、ノズル本体32の周囲を流れる流体(燃焼器車室40(図2参照)からの圧縮空気や、後述するガス燃料噴射孔71から噴射されるガス燃料)を旋回させるように構成されている。
また、各々のスワラベーン70には、該スワラベーン70の表面に開口するガス燃料噴射孔71が設けられている。ガス燃料噴射孔71には、ノズル本体32の内部に設けられたガス燃料供給路(不図示)を介してガス燃料が供給されるようになっており、このように供給されたガス燃料が、スワラベーン70の表面の開口を介して噴射されるようになっている。
ノズル本体32は、該ノズル本体32の軸方向(以下、単に「軸方向」ともいう。)において上述のスワラベーン70よりも下流側に位置する流線形部72を含んでいてもよい。流線形部72は、ノズル本体32の軸方向において、下流側に向かうにつれて先細る形状を有している。
燃料噴射孔38は、ノズル本体32の外表面32aに開口する噴射口39を有している。また、燃料供給路34は、燃料噴射孔38よりも上流側において軸方向に沿って延びるように設けられている。燃料噴射孔38には、燃料供給路34を介して液体燃料が供給されるようになっており、このように供給された液体燃料が、上述の噴射口39を介して噴射されるようになっている。
なお、燃料噴射孔38の噴射口39は、ノズル本体32のうち、流線形部72の表面に形成されていてもよい。
また、複数の燃料噴射孔38が、ノズル本体32の周方向に沿って複数配列されていてもよい。
このように、本実施形態に係る燃料ノズル100は、気体燃料及び液体燃料の両方を噴出可能なデュアルノズルである。
図3に示す燃料ノズル100は、ノズル本体32に形成されたパージガス供給路47及びパージガス噴射孔48をさらに備えている。パージガス供給路47は、パージガス噴射孔48よりも上流側において軸方向に沿って延びるように設けられており、パージガス噴射孔48は、該パージガス噴射孔48の下流端に位置するとともに、ノズル本体32の先端部における表面に開口するパージガス噴射口を有している。
また、図3に示す例示的な実施形態では、パージガス供給路47は、燃料供給路34の径方向外側に位置する環状の流路である。
パージガス噴射孔48には、該パージガス供給路47を介してパージガス(例えば空気)が供給されるようになっており、パージガス噴射孔48に供給されたパージガスは、パージガス噴射口49を介して噴射されるようになっている。
ガス燃料を噴射可能な燃料ノズル100においては、渦芯フラッシュバック(燃料ガスの旋回流れの渦芯部から火炎の遡上)が生じることがある。そこで、パージガス噴射孔48からパージガスを噴出することで、燃焼器4における渦芯フラッシュバックを抑制することができる。
図4〜図5に示すように、幾つかの実施形態では、ノズル本体32の内部には、燃料噴射孔38に液体燃料を供給するための燃料通路36が設けられている。燃料通路36は、燃料噴射孔38と燃料供給路34との間において、燃料噴射孔38よりも上流側、かつ、燃料供給路34よりも下流側に設けられている。また、燃料通路36は、燃料噴射孔38の両端のうち、噴射口39を有する一端38A側とは反対側の他端38B側において、該燃料噴射孔38に接続されるように設けられている。
燃料供給路34からの液体燃料は、該燃料通路36を介して、燃料噴射孔38に供給されるようになっている。
図4〜図5に示すように、燃料通路36は、燃料噴射孔38の他端38B側において38燃料噴射孔の底面80に接続されるように、設けられていてもよい。
また、ノズル本体32の内部には、燃料噴射孔38にガス(例えば空気等)を噴出するためのガス通路44が設けられている。
ガス通路44は、燃料噴射孔38の壁面(内周面)82に形成された開口45を介して、該燃料噴射孔38に接続されている。また、ガス通路44の上流側には、軸方向に沿って延びるガス供給路42が設けられており、ガス供給路42からのガスが、ガス通路44及び開口45を介して、燃料噴射孔38に噴出されるようになっている。
また、図3に示す例示的な実施形態では、ガス供給路42は、燃料供給路34の径方向外側に位置する環状の流路である。
そして、燃料噴射孔38と燃料通路36との接続部78における燃料噴射孔の直径D1は、接続部78における燃料通路36の直径D2よりも大きく設定される。
ここで、燃料噴射孔38と燃料通路36との接続部78とは、燃料噴射孔38の長さLとしたとき、燃料噴射孔38の中心軸Pの方向において、燃料噴射孔38と燃料通路36との接続位置からの距離が0.2L以下の範囲内の部分をいう。
すなわち、上記接続部78において、燃料通路36から燃料噴射孔38に向かって、液体燃料の通路の断面積が、急拡大する形状となっている。
ここで、図10は、図4に示す燃料ノズル100の、燃料噴射孔38近傍の模式的な斜視図である。なお、図10において、説明の便宜上、燃料噴射孔38、燃料通路36、及びガス通路44を実線で示している。
上述した実施形態(図4、図5及び図10参照)では、燃料噴射孔38と燃料通路36との接続部78における燃料噴射孔38の直径D1を該接続部78における燃料通路36の直径D2よりも大きく設定するとともに、燃料噴射孔38の壁面82に開口するガス通路44が設けられている。このため、図10に示すように、燃料通路36から燃料噴射孔38に噴出される柱状の液体燃料102に向けてガス通路44からガス110を噴出させることができる。よって、ガス通路44からの噴出ガス110により柱状の液体燃料102を燃料噴射孔の壁面82に向けて押し広げて、壁面82に沿って広がる液体燃料の液膜104を効果的に形成することができる。
また、このように形成された液膜104が燃料噴射孔38の噴射口39から噴射されると、燃料ノズル100の周囲を流れる気体の流れ(空気や予混合気;図中の横風)によってせん断されて、液滴108が形成される。
このように、噴射口39から噴射される液体燃料が液膜104を形成している場合、液体燃料が液柱状のまま噴射される場合に比べ、噴射後に燃料ノズル100の周囲を流れる気体流れに晒される液体燃料(液膜104)の面積が拡大する。よって、噴射後の液体燃料の気体流れでのせん断により形成される液滴108の粒径の微細化を促進することができる。よって、燃料ノズル100から噴射される液体燃料を効果的に微粒化することができる。
なお、燃料噴射孔38又は燃料通路36の断面形状が円形以外(例えば、楕円形や矩形等)である場合も考慮して、燃料噴射孔38の直径D1又は燃料通路36の直径D2として、流路断面積Afと濡れ縁長さWpで表される等価直径De(De=4Af/Wp)を採用してもよい。
幾つかの実施形態では、ガス通路44から燃料噴射孔38に噴出するガスとして、燃焼器車室40(図2参照)からバーナ筒66(図2及び図3参照)内に流入した圧縮空気を利用してもよい。この場合、図3に示すように、ガス供給路42は、燃料ノズル100の軸方向におけるスワラベーン70よりも上流側の位置において、ノズル本体32の表面に開口する空気導入孔74を有していてもよい。この空気導入孔74から、比較的高圧の空気をガス供給路42に導入し、ガス通路44を介して燃料噴射孔38に噴出させることができる。
また、幾つかの実施形態では、ガス通路44から燃料噴射孔38に噴出するガスとして、ガスタービン1の圧縮機2から抽気された圧縮空気を用いるようにしてもよい。
あるいは、幾つかの実施形態では、ガス通路44から燃料噴射孔38に噴出するガスとして、ガスタービン1の外部において圧縮機等により生成された高圧ガスを用いるようにしてもよい。
幾つかの実施形態では、例えば図4に示すように、燃料噴射孔38の中心軸Pと、燃料通路36の中心軸Qとは、略平行であってもよい。また、図4に示すように、燃料噴射孔38の中心軸Pと、燃料通路36の中心軸Qとは、同軸であってもよい。
幾つかの実施形態では、例えば図5に示すように、燃料噴射孔38の中心軸Pは、燃料通路36の中心軸Qに対して傾斜していてもよい。
このように、燃料噴射孔38の中心軸Pが、燃料通路36の中心軸Qに対して傾斜するように燃料噴射孔38及び燃料通路36を設けることにより、燃料通路36から燃料噴射孔38に流入した液体燃料を、燃料噴射孔38の壁面82に衝突させることができる。このため、燃料噴射孔38から噴射される液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
上述のように、燃料噴射孔38の中心軸Pは、燃料通路36の中心軸Qに対して傾斜させる場合、燃料通路36の中心軸Qに対する燃料噴射孔38の中心軸Pの角度θ(図5参照)は、20度以上90度以下であってもよい。あるいは、上述の角度θは、40度以上50度以下であってもよい。
上述の角度θを20度以上又は90度以上に設定することにより、燃料通路36から燃料噴射孔38に流入した液体燃料を、燃料噴射孔38の壁面82に効果的に衝突させることができる。また、上述の角度θを60度以下又は50度以下に設定することにより、液体燃料が燃料噴射孔38の壁面82へ衝突することによる液体燃料の運動エネルギーの低下を抑制することができる。よって、上述の角度θを上述の範囲内にすることで、液体燃料の液膜をより効果的に形成するとともに、燃料噴射孔38の噴射口39から円滑に噴射することができる。
幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の軸方向(中心軸Pの方向)における点P1(図4及び図5参照)と点P2(図4及び図5参照)との距離は、接続部78における燃料噴射孔の直径D1の2倍より大きい。ただし、図4及び図5に示す断面(燃料ノズル100の中心軸O’及び燃料噴射孔38の中心軸Pを通る断面)において、上述の点P1は、燃料噴射孔38の中心軸Pとガス通路44の中心軸Rとの交点であり、上述の点P2は、燃料噴射孔38の中心軸Pとノズル本体32の外表面32aとの交点である。
あるいは、幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の長さをL(図4及び図5参照)としたとき、燃料噴射孔38の中心軸Pの方向における燃料噴射孔38の他端38Bからガス通路44の開口45までの距離L(図4及び図5参照)は、0より大きくL/2以下である。
ここで、燃料噴射孔の長さLとは、燃料噴射孔38の一端38A(噴射口39の位置)と他端38Bとによって中心軸Pから切り出した線分の長さである。
上述の点P1と点P2との距離を接続部78における燃料噴射孔38の直径D1の2倍よりも大きく設定することにより、燃料噴射孔38において、燃料通路36から燃料噴射孔38に流入した液体燃料と、ガス通路44からの噴出ガスが混合する領域の長さを長く確保することができる。あるいは、上述の距離Lを0より大きくL/2以下に設定することにより、ガス通路44の開口45と燃料噴射孔38の噴射口39との距離を大きく確保することができる。よって、燃料通路36から燃料噴射孔38に流入した液体燃料にガス通路44からの噴出ガスが衝突してから、液体燃料が燃料噴射孔38の噴射口39から噴射されるまでの距離、すなわち、噴出ガスによって液体燃料が燃料噴射孔38の壁面82に押し付けられて、液膜が形成される区間を長く確保することができる。よって、液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の中心軸Pに対するガス通路44の中心軸Rの角度φ(図4及び図5参照)は、30度以上90度以下である。
上述の角度φを30度以上90度以下に設定することにより、燃料噴射孔38に流入した液体燃料と、ガス通路44からの噴出ガスとの衝突エネルギーを大きくとることができる。このため、噴出ガスによって液体燃料を燃料噴射孔38の壁面82に効果的に押し付けることができ、液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
図6及び図7は、それぞれ、一実施形態に係る燃料ノズル100を、図4及び図5に示す矢印Bの方向(すなわち、燃料ノズル100の中心軸O’に垂直であり、かつ、燃料噴射孔38の中心軸Pを通る方向)に見た概略図である。
幾つかの実施形態では、燃料ノズル100の中心軸O’に平行であるとともに、燃料ノズル100の中心軸O’と燃料噴射孔38の中心軸Pとを含む平面に直交する断面において、ノズル本体32の周方向(以下、単に「周方向」ともいう。)における燃料噴射孔38の大きさLは、周方向に直交する方向における燃料噴射孔38の大きさLよりも大きい(図6及び図7参照)。
なお、図6においては、上述の断面における燃料噴射孔38の形状は楕円であり、該楕円の長軸がLであり短軸がLである。
また、図7においては、上述の断面における燃料噴射孔38の形状は長方形であり、該長方形の長辺がLであり短辺がLである。
ノズル本体の周囲の気体流れは、一般的に、ノズル本体32の周方向に直交する方向に沿って流れる。
この点、上記実施形態のように、上述の断面において、燃料噴射孔38の周方向の大きさLが、周方向に直交する方向における大きさLよりも大きい形状となるようにすることで、燃料噴射孔38の壁面82で形成される液体燃料の液膜を周方向に沿って延びた形状とすることができる。よって、燃料噴射孔38から噴射された液体燃料の液膜と、ノズル本体32の周囲の気体流れとの接触面積が増大するため、該気体流れでのせん断による液体燃料の微粒化をより促進することができる。
図8及び図9は、それぞれ、一実施形態に係る燃料ノズル100の中心軸Pに直交する模式的な断面図であり、燃料噴射孔38と、ガス通路44及び/又は燃料通路36との位置関係を示す図である。なお、図9において、ノズル本体32の図示を省略している。
幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の中心軸Pに直交する断面にガス通路44を投影したとき(図8及び図9参照)、例えば図8及び図9に示すように、上述の断面上において、ガス通路44の中心軸Rは、該中心軸Rに直交する方向において、燃料噴射孔38の中心軸Pとは、ずれて位置している。例えば、図8及び図9に示す実施形態では、ガス通路44の中心軸Rに直交する方向において、ガス通路44の中心軸Rと、燃料噴射孔38の中心軸Pとは、距離d1だけ離れている。
このように、上述の断面(投影面)上において、ガス通路44の中心軸Rが、該中心軸Rに直交する方向において、燃料噴射孔38の中心軸Pとはずれて位置するようにすることで、ガス通路44からの噴出ガスを燃料噴射孔38の壁面(内周面)82に衝突させることにより、噴出ガスの流れに旋回成分を付与して壁面(内周面)82に沿った旋回流を形成することができる(図8の矢印参照)。よって、燃料噴射孔38における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔38の内部においても、液体燃料の微粒化を促進することができる。
幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の中心軸Pに直交する断面に燃料通路36を投影したとき(図9参照)、図9に示すように、上述の断面上において、燃料通路36の中心軸Qは、該中心軸Qに直交する方向において、燃料噴射孔38の中心軸Pとは、ずれて位置している。例えば、図9に示す実施形態では、燃料通路36の中心軸Qに直交する方向において、燃料通路36の中心軸Qと、燃料噴射孔38の中心軸Pとは、距離d2だけ離れている。
このように、上述の断面(投影面)上において、燃料通路36の中心軸Qが、該中心軸Qに直交する方向において、燃料噴射孔38の中心軸Pとはずれて位置するようにしたので、燃料通路36からの液体燃料を燃料噴射孔38の壁面(内周面)82に衝突させることにより、液体燃料の流れに旋回成分を付与して壁面(内周面)82に沿った旋回流を形成することができる。よって、燃料噴射孔38における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔38の内部においても、液体燃料の微粒化を促進することができる。
図9に示す例示的な実施形態では、ガス通路44から燃料噴射孔38へのガスの噴出方向(図9の矢印V参照)及び燃料通路36からの燃料噴射孔38への液体燃料の噴出方向(図9の矢印V参照)は、燃料噴射孔38の中心軸Pに関して、同じ方向の旋回成分を有している。すなわち、図9では、ガス通路44からのガスの噴出方向を示す矢印V、及び、燃料通路36からの液体燃料の噴出方向を示す矢印Vは、どちらも、燃料噴射孔38の中心軸Pに関して、反時計回り方向の旋回成分を有している。
このように、ガス通路44からの噴出ガスの噴出方向と、燃料通路36からの液体燃料の噴出方向が、燃料噴射孔38の中心軸Pに関して同じ方向の旋回成分を有するように構成されている。よって、燃料噴射孔38における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔38の内部においても、液体燃料の微粒化を効果的に促進することができる。
幾つかの実施形態では、パージガス供給路47からパージガス噴射孔48に供給されるガスとして、燃焼器車室40(図2参照)からバーナ筒66(図2及び図3参照)内に流入した圧縮空気を利用してもよい。この場合、図3に示すように、パージガス供給路47は、燃料ノズル100の軸方向におけるスワラベーン70よりも上流側の位置において、ノズル本体32の表面に開口する空気導入孔76を有していてもよい。この空気導入孔76から、比較的高圧の空気をパージガス供給路47に導入し、パージガス噴射孔48を介して、パージガス噴射口49からパージガスを噴出させることができる。
幾つかの実施形態では、パージガス供給路47からパージガス噴射孔48に供給されるガスとして、ガスタービン1の圧縮機2から抽気された圧縮空気を用いるようにしてもよい。
あるいは、幾つかの実施形態では、パージガス供給路47からパージガス噴射孔48に供給されるガスとして、ガスタービン1の外部において圧縮機等により生成された高圧ガスを用いるようにしてもよい。
幾つかの実施形態では、ガス供給路42は、燃料ノズル100の径方向において、燃料供給路34と、パージガス供給路47との間に位置していてもよい。
この場合、液体燃料が通る燃料供給路34と、パージガスが通るパージガス供給路47との間に、ガス供給路42が挟まれる。よって、例えば、高温のパージガスが用いられる場合、ガス供給路42に比較的低温のガスを流すことにより、燃料供給路34を通る液体燃料を、高温のパージガスから遮熱することができる。これにより、燃料供給路34のコーキングを抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
1 ガスタービン
2 圧縮機
4 燃焼器
6 タービン
8 ロータ
10 圧縮機車室
12 空気取入口
16 静翼
18 動翼
20 ケーシング
22 タービン車室
24 静翼
26 動翼
28 燃焼ガス通路
30 排気室
32 ノズル本体
32a 外表面
34 燃料供給路
36 燃料通路
38 燃料噴射孔
38A 一端
38B 他端
39 噴射口
40 燃焼器車室
42 ガス供給路
44 ガス通路
45 開口
45a 内筒
46 燃焼器ライナ
47 パージガス供給路
48 パージガス噴射孔
49 パージガス噴射口
50 第1燃焼バーナ
52 燃料ポート
54 第1ノズル
56 第1コーン
58 スワラベーン
60 第2燃焼バーナ
62 燃料ポート
64 第2ノズル
65 延長管
65a 延長管出口
66 バーナ筒
70 スワラベーン
71 ガス燃料噴射孔
72 流線形部
74 空気導入孔
76 空気導入孔
78 接続部
80 底面
82 壁面
100 燃料ノズル
102 液体燃料
104 液膜
108 液滴
110 噴出ガス

Claims (12)

  1. ノズル本体と、
    前記ノズル本体の外表面に開口する噴射口を一端側に有するように前記ノズル本体に形成された燃料噴射孔と、
    前記燃料噴射孔の他端側において該燃料噴射孔に接続されるように前記ノズル本体の内部に設けられ、前記燃料噴射孔に液体燃料を供給するための燃料通路と、を備え、
    前記燃料噴射孔と前記燃料通路との接続部における前記燃料噴射孔の直径は、前記接続部における前記燃料通路の直径よりも大きく、
    前記燃料噴射孔の壁面に開口を有し、該開口を介して前記燃料噴射孔にガスを噴出するためのガス通路をさらに備え
    前記燃料通路は、前記燃料噴射孔の前記他端側において前記燃料噴射孔の底面に接続され、
    前記燃料噴射孔の中心軸は、前記燃料通路の中心軸に対して傾斜している
    ことを特徴とするガスタービンの燃料ノズル。
  2. 前記燃料通路の前記中心軸に対する前記燃料噴射孔の前記中心軸の角度は、30度以上60度以下である
    ことを特徴とする請求項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  3. 前記燃料ノズルの中心軸に平行であるとともに、前記燃料ノズルの前記中心軸と前記燃料噴射孔の前記中心軸とを含む平面に直交する断面において、前記ノズル本体の周方向における前記燃料噴射孔の大きさは、前記周方向に直交する方向における前記燃料噴射孔の大きさよりも大きい
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  4. 前記燃料噴射孔の長さをLとしたとき、前記燃料噴射孔の中心軸の方向における前記燃料噴射孔の前記他端から前記ガス通路の前記開口までの距離は、0より大きくL/2以下である
    ことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  5. 前記燃料噴射孔の中心軸に対する前記ガス通路の中心軸の角度は、45度以上90度以下である
    ことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  6. 前記ガス通路は、前記燃料噴射孔の内周面に形成された前記開口を介して前記燃料噴射孔に接続されている
    ことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  7. 前記燃料噴射孔の前記中心軸に直交する断面に前記ガス通路を投影したとき、前記断面上において、前記ガス通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置している
    ことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  8. 前記燃料噴射孔の前記中心軸に直交する断面に前記燃料通路を投影したとき、前記断面上において、前記燃料通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置している
    ことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  9. 前記燃料噴射孔の前記中心軸に直交する断面に前記ガス通路を投影したとき、前記断面上において、前記ガス通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置し、
    前記断面に前記燃料通路を投影したとき、前記断面上において、前記燃料通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置し、
    前記ガス通路から前記燃料噴射孔への前記ガスの噴出方向及び前記燃料通路からの前記燃料噴射孔への前記液体燃料の噴出方向は、前記燃料噴射孔の前記中心軸に関して、同じ方向の旋回成分を有している
    ことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  10. 前記ノズル本体から該ノズル本体の径方向外側に突出するように設けられ、前記ノズル本体の周囲を流れる流体を旋回させるように構成されるとともに、ガス燃料噴射孔が表面に開口するスワラベーンをさらに備え、
    前記ノズル本体は、該ノズル本体の軸方向において前記スワラベーンよりも下流側に位置し、前記下流側に向かうにつれて先細る流線形部を含み、
    前記燃料噴射孔の前記噴射口は、前記流線形部の表面に形成された
    ことを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  11. 請求項1乃至10の何れか一項に記載の燃料ノズルと、
    前記燃料ノズルから噴射された燃料の燃焼により生じる燃焼ガスの通路を形成する燃焼筒と、
    を備えることを特徴とするガスタービンの燃焼器。
  12. 請求項11に記載の燃焼器と、
    前記燃焼器の前記燃焼筒の下流側に設けられる静翼及び動翼と、
    を備えることを特徴とするガスタービン。
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