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
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。
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。
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。
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。
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。
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L1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L1/2以下である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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L1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0.2L1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。
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。
ここで、燃料噴射孔の長さL1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。
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LCであり短軸がLA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LCであり短辺がLAである。
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LCが、周方向に直交する方向における大きさLA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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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1に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 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。 - 前記燃料噴射孔の長さをL1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L1/2以下である
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 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4の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 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5の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 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6の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 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7の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 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8の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 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9の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 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。 - 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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