JP7016739B2 - 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
燃料渦巻室には、円周方向に沿った燃料導入孔が設けられており、燃料供給ラインからの燃料は、該燃料導入孔において円周方向に加速されて、燃料渦巻室に導入される。燃料渦巻室に導入された燃料は、燃料渦巻室の円筒部分及びテーパ部において旋回流となり、燃料噴孔を通過するとき、遠心力により薄い液膜となった後、燃焼器の下流に噴出される。
また、燃料噴孔の先端から噴出した薄い液膜の燃料は、燃料噴射弁の外周に設けたスワラを通過した高圧空気の旋回流によって寸断されて微粒化され、燃焼室内に流入するようになっている。
延長管出口の位置において、燃料が延長管壁面近傍に分布する等、得られる燃料分布が比較的良好ではなく、また、空気流れに向かって液柱を噴射することから、空気流れによるせん断によって得られる燃料の液滴の粒径が比較的大きなものであった。これに対し、特許文献1に記載される燃料噴射弁(燃料ノズル)では、噴射孔から液膜の旋回流を噴射し、この薄い液膜を空気の流れで微粒化することにより、燃料の微粒化及び燃料分布の改善が図られている。
しかしながら、渦芯フラッシュバックを抑制するための構造と、液体燃料の微粒化又は燃料分布の改善を図るための構造とを1つの燃料ノズルの中に両立させることは、スペースの制約上困難であった。
ガスタービンの燃料を噴射するための燃料ノズルであって、
前記燃料ノズルの軸方向に沿って延び、前記軸方向における下流端部からパージガスを吐出するためのパージガスラインと、
前記パージガスラインの外周側において前記軸方向に沿って延び、前記軸方向における下流端に環状の噴射口を有する環状通路と、
前記軸方向における前記環状通路の上流側に位置し、前記環状通路に供給される燃料の旋回流を形成するための環状の渦巻室と、を備え、
前記渦巻室の外径RO1は、前記環状通路の外径RO2よりも大きい。
前記軸方向において前記渦巻室の上流側に位置し、前記渦巻室に燃料を供給するための少なくとも1本の供給通路をさらに備え、
前記少なくとも1本の供給通路は、前記渦巻室に近づくにつれて周方向位置がずれるように前記軸方向に対して斜めに延在する。
前記少なくとも1本の供給通路は、前記渦巻室の壁面に開口し、
前記供給通路の前記壁面における開口端は、前記環状通路の上流端よりも径方向外側に位置する。
前記パージガスラインの下流端は、前記軸方向において、前記環状通路の前記噴射口よりも下流側に位置する。
前記燃料ノズルは、
少なくとも前記渦巻室よりも下流側の軸方向範囲において、前記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する。
前記環状通路の内周側に少なくとも部分的に位置し、内部に前記パージガスラインが形成される芯部材を備え、
前記芯部材は、前記軸方向において前記噴射口よりも下流側の軸方向範囲において、前記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する。
前記芯部材は、前記噴射口の軸方向位置よりも下流側において、前記軸方向において前記噴射口よりも上流側の部分の厚さよりも厚い厚肉部を有し、
前記厚肉部は、前記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する。
ガスタービンの燃料を噴射するための燃料ノズルであって、
前記燃料ノズルの軸方向に沿って延び、前記軸方向における下流端に噴射口を有する噴射通路と、
前記軸方向における前記噴射通路の上流側に位置し、前記噴射通路に供給される燃料の旋回流を形成するための渦巻室と、
前記軸方向において前記渦巻室の上流側に位置し、前記渦巻室に燃料を供給するための少なくとも1本の供給通路と、を備え、
前記少なくとも1本の供給通路は、前記渦巻室に近づくにつれて周方向位置がずれるように前記軸方向に対して斜めに延在するとともに、前記渦巻室の第1壁面に開口し、
前記供給通路の前記第1壁面における開口端に前記軸方向において対向する前記渦巻室の第2壁面の前記軸方向に対する角度は、60度以上である。
上記(1)乃至(8)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。
また、上記(9)の構成において、燃料ノズルが上記(8)の構成を有する場合には、供給通路が開口する渦巻室の第1壁面に対向する渦巻室の第2壁面の軸方向に対する角度を60度以上に設定したので、供給通路から渦巻室の第2壁面に向けて燃料を噴射及び衝突させたときに、液体燃料の圧力エネルギーを旋回エネルギーに効果的に変換することができる。よって、渦巻室及び噴射通路において、燃料液膜の旋回流を効果的に形成することができる。
上記(9)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。
また、上記(10)の構成において、燃料ノズルが上記(9)の構成を有する場合には、供給通路が開口する渦巻室の第1壁面に対向する渦巻室の第2壁面の軸方向に対する角度を60度以上に設定したので、供給通路から渦巻室の第2壁面に向けて燃料を噴射及び衝突させたときに、第2壁面において、液体燃料の流れの軸方向の速度成分を、軸方向に対して垂直な速度成分に変換することができ、液体燃料の圧力エネルギーを旋回エネルギーに効果的に変換することができる。よって、渦巻室及び噴射通路において、燃料液膜の旋回流を効果的に形成することができる。
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、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、ノズルの周囲の軸方向流路にスワラ(スワラベーン)が設けられた燃料ノズルであればどのタイプの燃料ノズルに対しても本実施形態の構成を適用可能である。例えば、燃料ノズル100は、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、図5に示す燃料ノズル100は、最先端部の形状を除き、基本的には図3及び図5に示す燃料ノズル100と同様の構成を有している。
軸方向において環状通路86の上流側には、環状の渦巻室82が設けられている。渦巻室82では、環状通路86に供給される燃料の旋回流が形成されるようになっている。
また、渦巻室82の外径RO1(図4参照)は、環状通路86の外径RO2(図4参照)よりも大きく設定されている。
供給通路84の上流側には、環状室78が設けられており、この環状室78は、燃料接続通路80を介して、燃料供給路76と接続されている。
第2壁面36には、環状通路86の上流端86aが開口している。また、第1壁面34には、供給通路84A~84Dの下流側の開口端84bが開口している。
渦巻室82では、旋回成分を持った液膜の旋回流が形成され、この液膜が、渦巻室82の壁面及び環状通路86の壁面を伝って下流側へ流れ、環状の噴射口88から円錐状に噴出される。
ここで、渦巻室82の外径RO1(図4参照)は、環状通路86の外径RO2(図4参照)よりも大きく設定されているので、渦巻室82で形成された旋回流の旋回成分を、環状通路86においてより強めて、旋回の強い旋回流として、噴射口88から燃料を噴出させることができる。
すなわち、供給通路84の上流側の開口端84aと、下流側の開口端84bとは、周方向の位置がずれている。
上述の角度φが45度以上であれば、供給通路84を通って渦巻室82に供給される燃料の軸方向成分が小さくなり過ぎないため、渦巻室82で形成される旋回流の軸方向の推進力を適度に維持することができる。
また、上述の角度φが65度以下であれば、供給通路84を通って渦巻室82に供給される燃料の旋回成分を大きくすることができる。
この点、上述の実施形態のように、渦巻室82の第1壁面34(壁面)における供給通路84の開口端84bが、渦巻室82の下流側に位置する環状通路86の上流端86aよりも径方向外側に位置することで、供給通路84から渦巻室82の下流側端面である第2壁面36に向けて燃料を噴射及び衝突させることができる。これにより、第2壁面36(下流側端面)において、液体燃料の流れの軸方向の速度成分を、軸方向に対して垂直な速度成分に変換することができ、液体燃料の圧力エネルギーを旋回エネルギーに効果的に変換することができる。よって、渦巻室82及び環状通路86において、燃料液膜の旋回流を効果的に形成することができる。
なお、基部材72と芯部材74とは、溶接等により互いに接続されていてもよい。
また、基部材72及び芯部材74は、それぞれ、複数のパーツを溶接等で接続することにより構成された部材であってもよい。例えば、基部材72は、軸方向に配列される複数のパーツにより構成されていてもよい。
あるいは、ノズル本体71を構成する基部材72と芯部材74とは、別々の部材ではなく、一体の部材として形成されていてもよい。例えば、基部材72と芯部材74は、3Dプリンタにより一体として形成されたものであってもよい。
そして、厚肉部75は、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する。
渦巻室82は、噴射通路(環状通路86)に供給される燃料の旋回流を形成するように構成される。また、渦巻室82へは、供給通路84を介して燃料が供給されるようになっている。
供給通路84は、渦巻室82に近づくにつれて周方向位置がずれるように軸方向に対して斜めに延在するとともに、渦巻室82の第1壁面34(図4及び図5参照)に開口している。
そして、供給通路84の第1壁面34における開口端84bに軸方向において対向する渦巻室82の第2壁面36の軸方向に対する角度θ(図4及び図5参照)は、60度以上である。
また、本実施形態においては、パージガスライン94が設けられていなくてもよい。
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
31 壁面
32 壁面
34 第1壁面
36 第2壁面
40 燃焼器車室
46 燃焼器ライナ
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
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
71 ノズル本体
72 基部材
73 ノズル本体
74 芯部材
75 厚肉部
76 燃料供給路
78 環状室
80 燃料接続通路
82 渦巻室
84,84A~84D 供給通路
84a,84b 開口端
86 環状通路
86a 上流端
88 噴射口
90 パージガス供給路
92 環状室
94 パージガスライン
96 パージガス接続通路
98 下流端
99 下流端部
100 燃料ノズル
Claims (11)
- ガスタービンの燃料を噴射するための燃料ノズルであって、
前記燃料ノズルの軸方向に沿って延び、前記軸方向における下流端部からパージガスを吐出するためのパージガスラインと、
前記パージガスラインの外周側において前記軸方向に沿って延び、前記軸方向における下流端に環状の噴射口を有する環状通路と、
前記軸方向における前記環状通路の上流側に位置し、前記環状通路に供給される燃料の旋回流を形成するための環状の渦巻室と、
前記軸方向に沿って延び、前記渦巻室を介して前記環状通路に前記燃料を供給するための燃料供給路と、
を備え、
前記渦巻室の外径RO1は、前記環状通路の外径RO2よりも大きく、
前記軸方向から視たとき、前記燃料供給路と、前記パージガスラインとが重なる
ことを特徴とするガスタービンの燃料ノズル。 - 前記軸方向において前記渦巻室の上流側に位置し、前記渦巻室に燃料を供給するための少なくとも1本の供給通路をさらに備え、
前記少なくとも1本の供給通路は、前記渦巻室に近づくにつれて周方向位置がずれるように前記軸方向に対して斜めに延在する
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。 - 前記少なくとも1本の供給通路は、前記渦巻室の壁面に開口し、
前記供給通路の前記壁面における開口端は、前記環状通路の上流端よりも径方向外側に位置する
ことを特徴とする請求項2に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 前記パージガスラインの下流端は、前記軸方向において、前記環状通路の前記噴射口よりも下流側に位置する
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。 - 少なくとも前記渦巻室よりも下流側の軸方向範囲において、前記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する
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。 - 前記環状通路の内周側に少なくとも部分的に位置し、内部に前記パージガスラインが形成される芯部材を備え、
前記芯部材は、前記軸方向において前記噴射口よりも下流側の軸方向範囲において、前記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する
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。 - 前記芯部材は、前記噴射口の軸方向位置よりも下流側において、前記軸方向において前記噴射口よりも上流側の部分の厚さよりも厚い厚肉部を有し、
前記厚肉部は、前記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する
ことを特徴とする請求項6に記載のガスタービンの燃料ノズル。 - 前記燃料供給路の外周側において前記軸方向に沿って延び、前記パージガスラインに前記パージガスを供給するためのパージガス供給路を備える
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。 - ガスタービンの燃料を噴射するための燃料ノズルであって、
前記燃料ノズルの軸方向に沿って延び、前記軸方向における下流端に噴射口を有する噴射通路と、
前記軸方向における前記噴射通路の上流側に位置し、前記噴射通路に供給される燃料の旋回流を形成するための渦巻室と、
前記軸方向において前記渦巻室の上流側に位置し、前記渦巻室に燃料を供給するための少なくとも1本の供給通路と、を備え、
前記少なくとも1本の供給通路は、前記渦巻室に近づくにつれて周方向位置がずれるように前記軸方向に対して斜めに延在するとともに、前記渦巻室の第1壁面に開口し、
前記供給通路の前記第1壁面における開口端に前記軸方向において対向する前記渦巻室の第2壁面の前記軸方向に対する角度は、60度以上である
ことを特徴とするガスタービンの燃料ノズル。 - 請求項1乃至9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10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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