JP2004360944A

JP2004360944A - ガスタービン用燃料ノズル

Info

Publication number: JP2004360944A
Application number: JP2003157265A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hayashi; 茂林; Shuji Yamada; 秀志山田
Original assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Current assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP4096056B2

Abstract

【課題】本発明は、ノズル先端部の過熱、先端部へのカーボン堆積の問題を解決し、ＮＯｘやスモークの排出を抑制できる新規なガスタービン用燃料ノズル及びそれを含む複合型のガスタービン用燃料ノズルを提供する。
【解決手段】液膜形成体１１の内側に偏流筒体１７を配設し、偏流筒体１７の内側の流路に空気に旋回を与える第３空気旋回器１４ｃを配設する。空気は、偏流筒体１７の燃焼室１８側に向いた壁面１７ｂに沿って半径方向に広がり、燃料噴霧と混合しやすくなり、偏流筒体１７の温度上昇を抑止すると共に、壁面１７ｂが高温ガス塊との直接曝露に起因した酸化防止にも効果的である。喉部１７ａでの絞りによって空気の軸方向速度が速いので、高温ガス塊の接近を防止できる。その結果、燃料と空気との混合がより速く行われ、燃焼室１８内における温度の偏りも小さくなり、ＮＯｘの発生量が抑制される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの燃焼器に使用される燃料ノズルに関するもので、特に液膜形成体を備えた気流微粒化ノズルを燃料微粒化手段とするガスタービン用燃料ノズル、及び同方式の微粒化ノズルの内側に別の微粒化ノズルを同軸に組み合わせた複合型のガスタービン用燃料ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体燃料を使用するガスタービンには、燃料を空気と混合するため燃料を微粒化する装置として燃料ノズルが用いられる。従来は、燃料ノズルとして圧力スワールノズル（スワールアトマイザーとも呼ばれる。）が圧倒的な占有率を誇っていたが、スモークやＮＯｘの排出低減への要求が高まるにつれて燃焼室内に流入する空気によって燃料を微粒化する気流微粒化燃料ノズル（エアブラスト燃料ノズルとも呼ぶ。）の使用が増えている。
【０００３】
圧力スワールノズルでは、液体燃料は、円筒あるいは円錐状の側壁面を持った渦室にその中心軸とねじれの位置の関係にある方向から流入し、渦室内に旋回流を生じさせている。液体燃料は、渦室の側壁面に接する環状部分を流れ、渦室につながる燃料噴射孔から自由空間に流出すると中空円錐状液膜に成長し、まず紐状に分裂し、さらに分裂して液滴になる。渦室の中心部は、空気で満たされている。
【０００４】
一方、気流微粒化燃料ノズルには、気流中に燃料を交差するように噴射する方式もあるが、現在、ガスタービン用燃料ノズルとして実用になっているのは、断面環状をした液膜形成体（プレフィルマーともいう。）の液膜形成面に液体燃料を流出させ、膜状に広げ、液膜表面に接して流れる気流のせん断作用によって液膜を液滴に分裂させる、いわゆる液膜微粒化方式のものである。液膜形成体の内周面及び外周面に接して気流が流されており、通常どちらの気流にも旋回が与えられている。この方式のガスタービン用燃料ノズルは、広く知られており、改良発明の特許が出願されている。例えば、気流の旋回の方向を自動的に切り替える構造を有する液体燃料ノズルが特許文献１に、また、液膜の流出する環状部に多数の絞り溝を付けて液膜厚さを周方向に均等にするエアブラスト燃料ノズルが特許文献２に開示されている。
【０００５】
図６は、従来の液膜方式気流微粒化燃料ノズルの代表的な形態の例を示している。気流微粒化燃料ノズルとして構成される燃料ノズル６において、燃料は、液膜形成体１１の内部に設けられる燃料マニフォールド１５から液膜形成体１１の内周面に開く開口１１ｂを通って液膜形成面１１ａ上に流出し、液膜１２を形成する。液膜１２は液膜形成面１１ａの先端１１ｃから燃焼室１８の自由空間に流出し、主として液膜形成体１１の内側を通る気流１３ｂにより、二次的には液膜形成体１１の外側を通る気流１３ａにより微粒化される。気流１３ａ，１３ｂには、それぞれ旋回羽根からなる第１空気旋回器１４ａと第２空気旋回器１４ｂによって旋回が与えられている。気流１３ｂは液膜形成面１１ａの先端１１ｃの下流で半径方向に広がり、燃料粒子も気流１３ｂに乗って気流１３ａとの混合が進み、燃焼室１８内に分散する。旋回が与えられた気流１３ａ，１３ｂは液膜形成面１１ａに近いほど流速は速くなり、液膜形成面１１ａの先端１１ｃにおいて液膜１２に接する気流速度も速くなるので、微粒化の促進には非常に有効である。
【０００６】
この空気の旋回は、火炎の安定にも不可欠であることはいうまでもない。旋回によって燃料ノズル出口の下流において中心部分の圧力が低下し、その結果、高温燃焼ガス塊２５が矢印２５ａで示すように燃料ノズル６の出口近傍まで引き戻される、いわゆる循環領域の形成という現象が生じる。混合気は、高温ガス塊２５によって連続的に点火される。
【０００７】
旋回羽根の角度が大きく、旋回の強さが大きい場合には、高温燃焼ガス塊２５は燃料ノズルの中心軸上に発達する逆流領域に沿って上流に遡るので、液膜形成体１１、第２空気旋回器１４ｂの旋回羽根、或いは中心体２７が過熱されたり、それらの一部が焼損するという不具合が起きる。特に、微粒化性能向上を目的とし、液膜形成体１１の先端部での気流速度を上昇させるため中心体２７の先端部の直径を大きくする場合には、中心体２７の先端部近傍に大きな逆流域が形成され、そこに高温燃焼ガス塊２５が戻されるので、過熱・焼損の問題が大きいことが知られている。液膜形成体１１の先端１１ｃの径を絞ることによってこの問題は緩和されるが、液膜形成面１１ａの先端の周長が短くなるので液膜１２が厚くなる傾向があり、微粒化性能が低下するという問題が顕著になることが多い。
【０００８】
気流微粒化燃料ノズルは、燃料粒子と空気との混合の点で本質的に優れているので微粒化が良い条件では、空気量を適切に設定すればスモークやＮＯｘの発生を確実に抑制することができる。ところが、微粒化の性能を表す噴霧粒子の代表径は気流速度に強く依存し、良好な微粒化を行うには秒速数十メートルの気流速度が不可欠である。ガスタービンの始動時には、空気流速が小さいために燃料噴霧の粒子は粗大化するので、可燃範囲の燃料蒸気−空気混合気ができにくく、点火が容易でない。そのため、気流微粒化燃料ノズルは、単独での使用が比較的少なく、圧力スワールノズルと組み合わせて使用されることが多い。
【０００９】
図７は、液膜方式の気流微粒化燃料ノズルと圧力スワールノズルとを組み合わせた複合型の燃料ノズルの例である。図７においては、図６に示す例に用いられた要素又は部位と同じものには、図６において用いた符号と同じ符号を用いることで、再度の説明を省略する。複合型の燃料ノズル７は、それぞれの構造上の制約から、気流微粒化ノズル１０と、気流微粒化ノズル１０の内側に同軸に配置された圧力スワールノズル１９とを備えている。複合型の燃料ノズル７は、圧力スワールノズル１９だけの場合と比べるとスモーク濃度は著しく改善されるが、圧力スワールノズル１９の先端部１９ａにカーボン１９ｃが堆積するという問題がある。圧力スワールノズル１９と気流微粒化ノズル１０の液膜形成体１１との間に形成される環状流路の気流１３ｂには旋回が与えられているため、環状流路内の中心軸寄りの部分では圧力が下がり、図の矢印で示すような逆流２６が生じる。燃料噴霧粒子の一部は逆流２６に乗って上流に運ばれ、圧力スワールノズル１９の先端部１９ａ及びそれに隣接する側壁に付着する。ガスタービン用燃料として、安価な重質油を使用したいという要望は強いが、このカーボン１９ｃの堆積が大きな問題になることが多い。堆積したカーボン１９ｃはエンジン運転中に脱落することがあり、その破片が燃焼ガスによって運ばれてタービン翼に衝突すると、タービン翼やタービンノズルの摩耗が早まり、最悪の場合には破損につながるという問題がある。
【００１０】
圧力スワールノズル１９の噴出孔１９ｂがその周囲に堆積したカーボン１９ｃによって部分的に塞がれると、噴霧に偏りが生じたり微粒化が損なわれ、その結果、点火が不確実になりスモークや未燃焼成分の排出が急増する。燃料と空気の混合にも不具合が生じ、ＮＯｘも急増する。カーボン１９ｃの堆積がそれほどまで成長しない場合でも、スモーク濃度が高くなるため火炎放射が強まり、壁温上昇やスモーク粒子による摩擦のために燃焼器ライナ１６やタービン翼等の寿命が短くなるという問題がある。
【００１１】
将来、ＮＯｘの排出抑制への圧力がさらに強まると、圧力スワールノズルからの噴霧燃料の燃焼による単位燃料当たりのＮＯｘ生成量が気流微粒化のものに比べて数倍も高いことから、パイロット燃料噴射のための燃料ノズルにも気流微粒化燃料ノズルを用いることが必要になると考えられている。その場合においても、高温ガス塊によるノズルの先端部の過熱や焼損、燃料マニフォールドにおける燃料の炭化、それに起因する燃料噴射孔の詰まり、液膜形成体の外周面へのカーボン付着の問題は依然として残る。
【００１２】
【特許文献１】
特開平６−２１３４４９号公報（段落［００１１］〜［００１６］、図１，図２）
【特許文献２】
特開平８−２６１４１３号公報（段落［００１３］〜［００１６］、図１〜図３）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の液膜気流微粒化方式のガスタービン用燃料ノズルにおいては、微粒化性能を向上し、先端部の過熱を回避する上で、ノズル出口における旋回流を強めて、微粒化された燃料噴霧の拡散と空気との混合を促進すると共に、燃焼室側からの高温のガスの逆流の影響を抑制する点で解決すべき課題がある。
【００１４】
本発明の目的は、従来の液膜形成体を備えた気流微粒化ノズルを燃料微粒化手段とするガスタービン用燃料ノズルにおいて、先端部の過熱の問題を解決することであり、また、液膜方式の気流微粒化燃料ノズルの内側にパイロット燃料噴射用等のために別の微粒化ノズルを同軸に組み合わせた複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいては、パイロット燃料噴射用に圧力スワール燃料ノズルを配設した場合には、その先端部へのカーボン堆積を抑制し、その噴霧の燃焼によるＮＯｘやスモークの排出を一層削減し、別の微粒化ノズルとして気流微粒化ノズルを用いた場合にも、先端部の過熱の問題を解決することができる新規なガスタービン用燃料ノズルを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、本発明によるガスタービン用燃料ノズルは、筒状内面が液膜形成面とされる液膜形成体を備えた気流微粒化ノズルを燃料微粒化手段とするガスタービン用燃料ノズルにおいて、前記液膜形成体の内側に断面環状の偏流筒体を同軸に配設し、前記偏流筒体の外周面と前記液膜形成体の前記液膜形成面との間に形成される環状流路の上流部に第１空気旋回器を配設するとともに前記偏流筒体の内周面を壁面とする流路の上流部に第２空気旋回器を配設し、前記偏流筒体は、前記外周面を定める外径が前記環状流路の先端に向かって増大し、前記内周面を定める内径が前記第２空気旋回器の下流端よりも下流において極小となり、その後、前記流路の先端に向かって増大する形状であることを特徴とする。
【００１６】
上記の形状を有する偏流筒体を採用することによって、液膜形成体の先端における旋回気流の速度を一層加速することができ、液体燃料の微粒化の向上が実現できる。また、半径方向への気流の広がりが促進されるため、燃料粒子を燃焼室内に広く分散させる点でも利点がある。また、偏流筒体の内側の流路に第２空気旋回器を配設したことによって、そこを流れる空気に旋回を与えることにより空気を偏流筒体の燃焼室側に向いた壁面に沿って半径方向に広がるように流すことが可能になり、偏流筒体の温度上昇を抑止する目的だけでなく、壁面が高温ガス塊に直接曝されないので、酸化を防止するのにも効果的である。さらに、流路が絞られていることから、そこでの空気の軸方向速度は速く、高温ガス塊が近づけないようになっている。さらに、この空気も半径方向に拡がるので燃料噴霧と混合しやすくなる。その結果、燃料と空気との混合がより速く行われ、燃焼室内における温度の偏りも小さくなり、ＮＯｘの発生量が抑制される。
【００１７】
また、本発明による複合型のガスタービン用燃料ノズルは、筒状内面が第１液膜形成面とされる第１液膜形成体を備えた気流微粒化ノズルとしての第１微粒化ノズルと、前記第１微粒化ノズルの前記第１液膜形成体の内側に同軸に配設された第２微粒化ノズルとを燃料微粒化手段とするガスタービン用燃料ノズルにおいて、前記第２微粒化ノズルの外周面と前記第１微粒化ノズルの前記第１液膜形成体との間に断面環状の偏流筒体を同軸に配設し、前記偏流筒体の外周面と前記第１液膜形成体との間に形成される第１環状流路の上流部に第１空気旋回器を配設するとともに、前記偏流筒体の内周面と前記第２微粒化ノズルの外周面との間に形成される第２環状流路の上流部に第２空気旋回器を配設し、前記偏流筒体は、前記外周面を定める外径が前記流路の先端に向かって増大し、前記内周面を定める内径が前記第２空気旋回器の下流端よりも下流において極小となり、その後、前記流路の先端に向かって増大する形状であることを特徴としている。
【００１８】
この複合型のガスタービン用燃料ノズルによれば、偏流筒体は内径が第２空気旋回器の下流端よりも下流において極小となり、その後、先端に向かって増大するようにし、液膜形成体を備えた気流微粒化方式の第１微粒化ノズルの液膜形成体の内側に同軸に配設された第２微粒化ノズルの先端部表面に沿って空気流が流れるのを可能にした。その結果、第２微粒化ノズルの先端部表面の高温ガス塊からの放射熱による温度上昇が著しく抑制される。偏流筒体を用いているので、第２微粒化ノズルの先端部表面では従来の液膜微粒化方式燃料ノズルのように流れが剥離することはなく、逆流領域が形成されず、第２微粒化ノズルの先端部表面が高温ガスに曝されることもなくなる。また、燃料噴霧の粒子が逆流により第２微粒化ノズルの先端部に運ばれてその表面に付着し、それが高温ガス塊との接触により炭化し、カーボンとして堆積するという問題も解消される。更に、第２微粒化ノズルからの噴霧と空気との混合が促進され、空気流量をそれほど増やさなくてもスモークの発生がなくなる。その副次的効果として、空気流量を完全燃焼に適した範囲に収めることができ、低ＮＯｘと高い燃焼効率とを同時に実現することができる。
【００１９】
この複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、前記第２空気旋回器は、中心に前記第２微粒化ノズルが挿入される円孔を持つ、前記偏流筒体と一体になった環状円盤で、前記円孔の周囲には空気が通過可能な複数の斜め孔が配列された形態とすることができる。第２空気旋回器をこのように構成することにより、製作が容易なだけでなく、第２微粒化ノズルを第１微粒化ノズルから容易に取り外すことができ、交換が自由に行えるという利点がある。
【００２０】
また、上記複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、第２微粒化ノズルとして、微粒化性能が気流速度の影響をまったく受けない圧力スワールノズルを組み込むことができる。第２微粒化ノズルとして圧力スワールノズルを用いることにより、ガスタービンの始動時の点火がより確実に行えるようになるとともに、前記偏流筒体の存在により圧力スワールノズルの先端部表面へのカーボンの付着の問題が解決される。
【００２１】
上記複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、前記第２微粒化ノズルを、中心軸上に配設された燃料噴射筒と、前記燃料噴射筒と同軸の断面環状の第２液膜形成体と、前記燃料噴射筒の外周面と第２液膜形成体の液膜形成面との間において前記燃料噴射筒の側壁面に穿けられた燃料噴射孔よりも軸方向に上流の位置に配設された第３空気旋回器とを備え、燃料を前記燃料噴射孔から前記第２液膜形成体の液膜形成面に向けて放射状に噴出する気流微粒化ノズルとすることができる。燃料噴射筒の側壁面にあけた燃料噴射孔から放射状に噴出した燃料噴流は第２液膜形成体の液膜形成面に衝突し、液膜形成面上で液膜を形成する。燃料噴射筒の外周面と第２液膜形成体の液膜形成面との間の気流には第３空気旋回器により旋回が与えられ、この旋回気流によって液膜が微粒化される。この方式では、燃料マニフォールドと液膜形成体とを別の部品で構成でき、この場合には燃料マニフォールドは単なる筒で済み、燃料噴射孔の加工もきわめて容易で、微粒化ノズルの外形を圧力スワールノズルと同程度に小さくできるという利点がある。
【００２２】
さらに、上記複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、第１微粒化ノズルでは、前記偏流筒体は、その内部に燃料供給を受ける燃料マニフォールドを配設し、前記外周面には前記燃料マニフォールドにつながり燃料を放射状に噴射する燃料噴射孔を開口させることができる。第１微粒化ノズルへの燃料供給は、偏流筒体の内部に配設された燃料マニフォールドから、その外壁面にあけた単純な孔を通して噴射することにより行えるようにしたので、偏流筒体の直径に比べ大きい液膜形成体の壁の最大厚みを薄くすることができ、燃料ノズルを、全体外径を小さくできるとともに軽量化することができる。
【００２３】
さらに、上記複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、前記第１微粒化ノズルを、前記第１液膜形成体の上流内部に燃料マニフォールドを配設し、前記第１液膜形成面上に前記燃料マニフォールドにつながり燃料を流出させる開口を形成した構成とすることができる。第１微粒化ノズルにおいては、燃料マニフォールドを液膜形成体の内部に供え、燃料を内周壁の開口を通して液膜形成面上に流出させるようにしたので、気流を横切って液膜形成面に衝突させることが必要な噴流方式に比べ、非常に小さな燃料噴射圧で済むという利点がある。燃料噴射圧が低いので開口を比較的大きな寸法とすることができ、流路の詰まりが起きにくいという利点がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第１実施例を示す縦断面図である。図１に示すガスタービン用燃料ノズル１においては、図６及び図７に示す従来のガスタービン用燃料ノズル６，７と同等の機能を奏する構成要素及び部位には、同じ符号を付している。気流微粒化ノズル１０の液膜形成体１１の内側に、断面環状の偏流筒体１７が同軸に配設されている。偏流筒体１７の外周面１７ｃと液膜形成体１１の液膜形成面１１ａとの間の第１環状流路２８の上流部に第２空気旋回器１４ｂが配設されており、偏流筒体１７の内周面１７ｄを壁面とする第２環状流路２９の上流部に第３空気旋回器１４ｃが配設されている。偏流筒体１７は、先端部を除く気流微粒化ノズル１０の略全長に渡って、内径及び外径がそれぞれ一定の内周面と外周面を持つ筒体であり、先端部において、その外周面１７ｃを定める外径は流路の先端に向かって増大し、内周面１７ｄを定める内径は第３空気旋回器１４ｃの下流端よりも流路下流において一旦なだらかに縮径して極小となり、その後、先端に向かって増大する形状を有している。外径の増加の仕方は滑らか且つ緩やかであるが、内径の増加の仕方は極小となった位置より下流においては外径の増加よりも急であって、流路の先端側では、実質的に外径に追いついて尖端化している。なお、ガスタービン用燃料ノズル１は、中心軸線に対して点対称構造であり、後述する以下の各ガスタービン用燃料ノズル２〜５においても同様である。なお、図１に限らず、液膜形成面１１ａは、直円筒面として描かれているが、下流側に向かって滑らかに拡大するテーパ面であってもよい。また、図の簡素化のため、先端側の上下端縁を結ぶ線は省略してある。
【００２５】
燃料は、液膜形成体１１の内部の燃料マニフォールド１５から開口１１ｂを通って液膜形成面１１ａ上に流出し、液膜１２を形成する。燃料マニフォールド１５からの燃料は、開口１１ｂを液膜形成面１１ａに対して接線方向に傾け、旋回を与えて液膜形成面１１ａ上に流出させてもよいし、液膜形成面１１ａとの間の環状のスリットから軸方向に、あるいは旋回を与えて流出させてもよい。液膜１２は、液膜形成面の先端１１ｃから燃焼室１８の自由空間に流出し、主として気流１３ｂにより微粒化される。気流１３ａも二次的に燃料の微粒化に寄与するが、液膜１２が液膜形成体１１の背面に回り込むのを防ぐのが主な役割である。
【００２６】
気流１３ａ，１３ｂには、それぞれ旋回羽根からなる第１空気旋回器１４ａ、第２空気旋回器１４ｂによって旋回が与えられている。気流１３ｂは液膜形成面１１ａの先端１１ｃの下流で半径方向に広がり、燃料粒子もこの気流に乗って気流１３ａとの混合が進み、燃焼器ライナ１６で形成される燃焼室１８に分散する。旋回が与えられると液膜形成面１１ａに近い層ほど流速は加速されており、液膜形成面１１ａの先端１１ｃにおいて液膜１２に接する気流速度も速くなるので、微粒化の促進には非常に有効である。偏流筒体１７の外周面１７ｃが先端部において半径方向に広がっていない場合は、外周面１７ｃの先端部付近は気流１３ｂの旋回のために圧力が低く、高温燃焼ガスが逆流する可能性があり、液膜形成体１１の先端部が過熱、あるいは焼損する危険性が高い。ガスタービンの圧縮機出口における空気流速の断面における偏りや、その周期的な変化、あるいは振動燃焼による燃焼室１８内の圧力変動などがある場合には、特にそのような問題が起きやすい。
【００２７】
偏流筒体１７は、外周面１７ｃが先端部において半径方向に広がっており、液膜形成面１１ａの先端における気流１３ａを加速する。一方、第３空気旋回器１４ｃにより旋回を与えられた気流１３ｃは、偏流筒体１７の内径が極小となる喉部１７ａで絞られるが、喉部１７ａを過ぎると旋回のため内周面１７ｄの拡径する壁面１７ｂに沿って広がる。気流１３ｃは、偏流筒体１７への高温燃焼ガスからの放射熱を取り去るのに有効なだけでなく、偏流筒体１７が火炎や高温ガスに直接、曝されるのを防止するのにも有効である。旋回が与えられないと、この気流は壁面１７ｂに沿って流れることできず前方に噴流となって流出し、そのため、高温燃焼ガスの逆流現象によって、特に壁面１７ｂが過熱されたり過度に酸化されたりする。
【００２８】
図２は、本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第２実施例を示す縦断面図である。図２に示すガスタービン用燃料ノズル２においては、図１に示すガスタービン用燃料ノズル１と同等の機能を奏する主要な構成要素及び部位については同じ符号を付すことで、再度の説明を省略する。ガスタービン用燃料ノズル２は、液膜形成体１１を持つ気流微粒化ノズル１０、その内側に同軸に配設されている微流化ノズルとしての圧力スワールノズル１９、及び液膜形成体１１と圧力スワールノズル１９との間に配置されている偏流筒体１７を備えている。気流微粒化ノズル１０の微粒化性能向上についての偏流筒体１７の作用・効果についての説明は、第１実施例の説明と重複するので省略する。
【００２９】
ガスタービン用燃料ノズル２は、圧力スワールノズル１９によって、次のような作用・効果を奏する。偏流筒体１７と圧力スワールノズル１９との間の環状流路を流れる気流１３ｃは、偏流筒体１７が有する喉部１７ａによって中心軸方向に曲げられ、圧力スワールノズル１９の表面に沿って流れる。圧力スワールノズル１９の燃料噴射孔と喉部１７ａとの軸方向距離や、喉部１７ａの前後における偏流筒体１７の内周面１７ｄを定める内径の変化を適切に設定することにより、気流１３ｃと圧力スワールノズル１９の燃料噴霧との干渉を強めることができ、少ない導入空気量でスモークの抑制やＮＯｘを低減させることが可能になる。このことは、始動時の確実な点火に有利である。また、圧力スワールノズル１９の先端への噴霧粒子の付着も起こらないので、図７において１９ｃで示すようなカーボンの堆積がなくなる。なお、偏流筒体１７の拡大する壁面１７ｂの広がりが急すぎると、旋回が強くても気流１３ｃは壁面１７ｂを完全には覆うことができなくなり、壁面１７ｂの先端部にはスモークが着きやすくなる。
【００３０】
図３は、本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第３実施例を示す縦断面図である。図３に示すガスタービン用燃料ノズル３においては、図１や図２に示されているガスタービン用燃料ノズル１，２と同等の機能を奏する主要な構成要素及び部位については同じ符号を付すことで、再度の説明を省略する。ガスタービン用燃料ノズル３は、液膜形成体１１を持つ第１微粒化ノズルとしての気流微粒化ノズル１０、その内側に同軸に配設されている第２微流化ノズルとしての気流微粒化ノズル２０、及び液膜形成体１１と気流微粒化ノズル２０との間に配置されている偏流筒体１７を備えている。気流微粒化ノズル１０の微粒化性能向上についての偏流筒体１７の作用・効果についての説明は、第１実施例や第２実施例の説明と重複するので省略する。
【００３１】
気流微粒化ノズル２０は、中心軸上に配設された燃料噴射筒２３と、それと同軸の断面環状の液膜形成体２１と、燃料噴射筒２３の外周面と液膜形成体２１の液膜形成面２１ａとの間の流路の上流部に配設された第３空気旋回器１４ｄとを備えている。燃料は、燃料噴射筒２３の燃料噴射孔２３ａから液膜形成体２１の液膜形成面２１ａに向けて放射状に噴出され、液膜形成体２１の液膜形成面２１ａに衝突して液膜２２を形成する。液膜２２となった燃料は、液膜形成面２１ａの先端で気流１３ｄにより微粒化される。偏流筒体１７は、気流１３ｃが液膜形成体２１の外周面にできるだけ沿って流れるように導き、気流１３ｄによる液膜２２の微粒化がより効果的に行われるようにする役目を果たしている。
【００３２】
図４は、本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第４実施例を示す縦断面図である。図４に示すガスタービン用燃料ノズル４と図２に第２実施例として示したガスタービン用燃料ノズル２との違いは、気流微粒化ノズル１０において燃料マニフォールド１５が偏流筒体３７の壁内部に設けられていることである。図４において、ガスタービン用燃料ノズル２と同等の機能を奏する主要な構成要素及び部位については同じ符号を付すことにより、それらについての再度の説明を省略する。偏流筒体３７は、喉部３７ａ、拡大する壁面３７ｂ、外周面３７ｃ及び内周面３７ｄを備えているが、燃料マニフォールド１５を内部に設けるため肉厚に構成されている。燃料は、偏流筒体３７のマニフォールド１５につながり外周面３７ｃ壁に開口する燃料噴射孔２１から放射状に噴射され、液膜形成体１１の液膜形成面１１ａに衝突して液膜１２を形成し、液膜１２の先端において気流１３ｂによって微粒化される。
【００３３】
図５は、本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第５実施例を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は第３空気旋回器の正面図、（ｃ）は第３空気旋回器の側面図である。図５に示すガスタービン用燃料ノズル５と図２に第２実施例として示したガスタービン用燃料ノズル２との違いは、第３空気旋回器の具体的な構造にある。図５において、ガスタービン用燃料ノズル２と同等の機能を奏する主要な構成要素及び部位については同じ符号を付すことにより、それらについての再度の説明を省略する。ガスタービン用燃料ノズル５において、偏流筒体１７の第３空気旋回器１４ｃは、第２微粒化ノズルとしての圧力スワールノズル１９が挿入される円孔２３を中心に持ち、偏流筒体１７と一体になった環状円盤形状を有しており、円孔２３の周囲には空気が通過可能な複数の斜め孔２４（一部のみ符号を付す）が等間隔に配列されている。この形態は第２、第３、第４の各実施例にも適用できる。このような形態にすれば、第２微粒化ノズルと第１微粒化ノズルとの分離や交換が自由に行えるという利点がある。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、液膜形成体を備えた気流微粒化ノズルを燃料微粒化手段とするガスタービン用燃料ノズルにおいて、微粒化ノズルの液膜形成体の内側に断面環状の偏流筒体を同軸に配設し、この偏流筒体の外周面と液膜形成体の液膜形成面との間に形成される環状流路の上流部に第１空気旋回器を配設し、偏流筒体の外周面を定める外径は先端に向かって増大するようにしたので、液膜形成面に沿って流れる気流の速度が加速され先端での流速が大きくなり、微粒化性能を向上させることができる。また、偏流筒体の内周面を壁面とする流路の上流部に第２空気旋回器を配設し、偏流筒体の内周面を定める内径は第２空気旋回器の下流端よりも下流において極小となり、その後、流路の先端に向かって増大する形状としたので、偏流筒体の内側を流れる気流には旋回が与えられ、この流路の喉部より先において半径方向に拡がり、偏流筒体の燃焼室に向いた径方向に拡大する壁面に沿って流れる。この旋回気流は、偏流筒体への高温燃焼ガスからの放射熱を取り去るのに有効なだけでなく、偏流筒体が火炎や高温ガスに直接に曝されるのを防止するのにも有効である。また、偏流筒体の喉部を通る気流の軸方向速度は大きくなるので、高温ガス塊が通路内に進入するのを防ぎ、燃料ノズル先端の過熱や焼損を防止することができる。
【００３５】
液膜形成体を備えた第１微粒化ノズルと、第１微粒化ノズルの液膜形成体の内側に同軸に第２微粒化ノズルとを燃料微粒化手段として配設した複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、第２微粒化ノズルの外周面と第１微粒化ノズルの液膜形成体との間に形成される環状通路に断面環状の偏流筒体を同軸に配設し、この偏流筒体の外周面と第１微粒化ノズルの液膜形成体との間に形成される環状流路の上流部に第１空気旋回器を配設するとともに、この偏流筒体の内周面と第２微粒化ノズルの外周面との間に形成される環状流路に第２空気旋回器を配設し、この偏流筒体の外周面を定める外径を先端に向かって増大させ、内周面を定める内径を第２空気旋回器の下流端よりも下流において極小となり、その後、流路の先端に向かって増大するような形状としたので、前述の効果に加え、第２微粒化ノズルの燃料噴霧と偏流筒体の内周面による流路を流れる気流との干渉を強めることができ、燃料と空気の混合が促進され、少ない導入空気量でスモークの抑制やＮＯｘの低減が可能になるという効果がある。このことは始動時の確実な点火に有利である。
【００３６】
複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、第２空気旋回器は、第２微粒化ノズルが挿入される円孔を中心に持ち、前記偏流筒体と一体になった環状円盤形状に構成され、円孔の周囲には空気の通る複数の斜め孔が配列された形態としたので、第２燃料ノズルと第１燃料ノズルとの分離や交換が自由に行えるという利点がある。
【００３７】
複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、第２微粒化ノズルが圧力スワールノズルの場合には、偏流筒体の存在により空気の流れが適正にされるので、燃料ノズルの先端部近傍への高温燃焼ガス塊の逆流がほぼ完全に排除される。したがって、噴霧粒子が先端部壁面に付着することはなくなり当然、カーボンが堆積することもなくなる。また、燃料ノズルの加熱が抑制され、燃料噴霧と空気との混合が促進されるのでスモーク生成も著しく抑制され、ＮＯｘの生成も抑えられる。この燃料ノズルは、微粒化性能が気流速度の影響をまったく受けないので、ガスタービンの始動時の点火がより確実に行えるようになるとともに、偏流筒体の存在により圧力スワールノズルの先端部表面へのカーボンの付着の問題が解決される。
【００３８】
複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、第２微粒化ノズルが、中心軸上に燃料噴射筒を配設し、その外側に同軸に断面環状の第２液膜形成体を配設し、燃料を燃料噴射筒の側壁面にあけた燃料噴射孔から第２液膜形成体の液膜形成面に向けて放射状に噴出するようにした場合には、これまで述べた効果に加え、外径寸法を小さくでき、加工も容易である。
【００３９】
複合型のガスタービン用燃料ノズルにおいて、偏流筒体の内部に配設された燃料マニフォールドから、その外壁面に穿けた単純な孔を通して燃料を放射状に噴射できるようにした場合には、偏流筒体の直径に比べ大きい液膜形成体の壁の最大厚みを薄くすることができるので、燃料ノズル全体の外径を小さくできるとともに、軽量化が可能になる。
【００４０】
また、第１微粒化ノズルにおいて燃料マニフォールドを液膜形成体の内部に備え、内周壁の開口を通して液膜形成面上に流出させるようにしたものでは、単純な外向き孔と異なり内向きの開口は加工に工数がかかるが、気流を横切って液膜形成面に衝突させることが必要な噴流方式に比べ、非常に小さな燃料噴射圧で済むという利点がある。燃料噴射圧が低いので開口を比較的大きな寸法とすることができ、流路が詰まりにくいという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第１実施例を示す縦断面図である。
【図２】本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第２実施例を示す縦断面図である。
【図３】本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第３実施例を示す縦断面図である。
【図４】本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第４実施例を示す縦断面図である。
【図５】本発明によるガスタービン用燃料ノズルの第５実施例を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は第３空気旋回器の正面図、（ｃ）は第３空気旋回器の側面図である。
【図６】従来の液膜方式気流微粒化ノズルとしてのガスタービン用燃料ノズルの代表的な形態の例を示す断面図である。
【図７】液膜方式の気流微粒化燃料ノズルと圧力スワールノズルとを組み合わせた従来の複合型の燃料ノズルの一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５ガスタービン用燃料ノズル
１０気流微粒化ノズル１１液膜形成体
１１ａ液膜形成面１１ｂ開口
１１ｃ液膜形成面の先端１２液膜
１３ａ気流１３ｂ気流
１３ｃ気流１３ｄ気流
１４ａ第１空気旋回器１４ｂ第２空気旋回器
１４ｃ第３空気旋回器
１５燃料マニフォールド１６燃焼器ライナー
１７，３７偏流筒体
１７ａ偏流筒体の喉部１７ｂ偏流筒体の拡大する壁面
１７ｃ偏流筒体の外周面１７ｄ偏流筒体の内周面
１８燃焼室１９圧力スワールノズル
１９ａ圧力スワールノズルの先端部
１９ｂ圧力スワールノズルの燃料噴射孔
２０第２気流微粒化ノズル２１燃料噴射孔
２２燃料噴射筒２３円孔
２４斜め孔２５高温燃焼ガス塊
２６逆流２７中心体
２８第１環状流路２９第２環状流路

Claims

筒状内面が液膜形成面とされる液膜形成体を備えた気流微粒化ノズルを燃料微粒化手段とするガスタービン用燃料ノズルにおいて、前記液膜形成体の内側に断面環状の偏流筒体を同軸に配設し、前記偏流筒体の外周面と前記液膜形成体の前記液膜形成面との間に形成される環状流路の上流部に第１空気旋回器を配設するとともに前記偏流筒体の内周面を壁面とする流路の上流部に第２空気旋回器を配設し、前記偏流筒体は、前記外周面を定める外径が前記環状流路の先端に向かって増大し、前記内周面を定める内径が前記第２空気旋回器の下流端よりも下流において極小となり、その後、前記流路の先端に向かって増大する形状であることを特徴とするガスタービン用燃料ノズル。
筒状内面が第１液膜形成面とされる第１液膜形成体を備えた気流微粒化ノズルとしての第１微粒化ノズルと、前記第１微粒化ノズルの前記第１液膜形成体の内側に同軸に配設された第２微粒化ノズルとを燃料微粒化手段とするガスタービン用燃料ノズルにおいて、前記第２微粒化ノズルの外周面と前記第１微粒化ノズルの前記第１液膜形成体との間に断面環状の偏流筒体を同軸に配設し、前記偏流筒体の外周面と前記第１液膜形成体との間に形成される第１環状流路の上流部に第１空気旋回器を配設するとともに、前記偏流筒体の内周面と前記第２微粒化ノズルの外周面との間に形成される第２環状流路の上流部に第２空気旋回器を配設し、前記偏流筒体は、前記外周面を定める外径が前記流路の先端に向かって増大し、前記内周面を定める内径が前記第２空気旋回器の下流端よりも下流において極小となり、その後、前記流路の先端に向かって増大する形状であることを特徴とするガスタービン用燃料ノズル。
前記第２空気旋回器は、中心に前記第２微粒化ノズルが挿入される円孔を持つ、前記偏流筒体と一体になった環状円盤で、前記円孔の周囲には空気が通過可能な複数の斜め孔が配列された形態であることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン用燃料ノズル。
前記第２微粒化ノズルは、圧力スワールノズルであることを特徴とする請求項２又は３に記載のガスタービン用燃料ノズル。
前記第２微粒化ノズルは、中心軸上に配設された燃料噴射筒と、前記燃料噴射筒と同軸の断面環状の第２液膜形成体と、前記燃料噴射筒の外周面と第２液膜形成体の液膜形成面との間において前記燃料噴射筒の側壁面に穿けられた燃料噴射孔よりも軸方向に上流の位置に配設された第３空気旋回器とを備え、燃料は前記燃料噴射孔から前記第２液膜形成体の液膜形成面に向けて放射状に噴出する気流微粒化ノズルであることを特徴とする請求項２又は３に記載のガスタービン用燃料ノズル。
前記第１微粒化ノズルにおいて、前記偏流筒体は、その内部に燃料供給を受ける燃料マニフォールドが配設され、前記外周面には前記燃料マニフォールドにつながり燃料を放射状に噴射する燃料噴射孔が開口していることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のガスタービン用燃料ノズル。
前記第１微粒化ノズルにおいて、前記第１液膜形成体の上流内部に燃料マニフォールドが配設され、前記第１液膜形成面上には前記燃料マニフォールドにつながり燃料を流出させる開口が形成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のガスタービン用燃料ノズル。