JP2007232325A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ排出量を低減することができるガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】燃料と空気を燃焼させる燃焼室１に向かって空気を流通させる流路であって、内壁に沿って流れる空気２４に流路径方向内向きの速度成分を積極的に付与するように流路面積を縮小させる絞り流路３３を有する空気孔３１と、燃焼室１に向かって燃料を噴射する燃料ノズル３９とを備え、燃料ノズル３９を、空気孔３１内に燃料噴出口４１が臨むように配置し、空気孔３１に流入する空気の一部に積極的に渦流を生じさせるためにノズル先端部を円柱形状とする。
【選択図】図２

Description

本発明はガスタービン燃焼器に関する。

環境に対する規制や社会的要求が日増しに強くなっており、ガスタービンにおいてもさらなる高効率化と窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量の低減化が求められている。そのためガスタービン燃焼器に関しても種々の燃焼方式が研究されている。

そのような燃焼方式の１つに、燃料と空気を同軸噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式がある（特許文献１、特許文献２等参照）。この方式は、予混合燃焼方式と比較して短い距離で燃料と空気を均等に混合することができ、耐逆火性と低ＮＯｘ燃焼の両立を図っている。

特開２００３−１４８７３４号公報 特開２００４−１７００１０号公報

しかし、上記の技術においてもＮＯｘ排出量を一層低減する（例えば、数ｐｐｍオーダー程度）ためには空気と燃料の混合性能を更に改善する必要がある。

本発明の目的はＮＯｘ排出量を低減することができるガスタービン燃焼器を提供することである。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、燃料と空気を燃焼させる燃焼室に向かって空気を流通させる流路であって、内壁に沿って流れる空気に流路径方向内向きの速度成分を積極的に付与するように流路面積を縮小させる絞り部を有する空気流路と、前記燃焼室に向かって燃料を噴射する燃料ノズルとを備え、この燃料ノズルは、前記空気流路内に燃料噴出口が臨むように配置され、前記空気流路に流入する空気の一部に積極的に渦流を生じさせる渦流形成促進手段を前記燃料噴出口の周囲に有するものとする。

（２）本発明は、上記目的を達成するために、燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、片側端面が前記燃焼室に臨むように燃焼ガス流通方向上流側端部位置に配置したプレートと、前記燃焼室に向かって空気を流通させるように前記プレートに設けた流路であって、内壁に沿って流れる空気に流路径方向内向きの速度成分を積極的に付与するように流路面積を縮小させる絞り部を有する複数の空気流路と、この空気流路中を流れる空気噴流に燃料を噴射する複数の燃料ノズルとを備え、この複数の燃料ノズルは、前記空気流路内に燃料噴出口が臨むようにそれぞれ配置され、前記空気流路に流入した空気の一部に積極的に渦流を生じさせる渦流形成促進手段を前記燃料噴出口の周囲に有するものとする。

（３）本発明は、上記目的を達成するために、燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室に向かって空気を流通させる流路であって、内壁に沿って流れる空気に流路径方向内向きの速度成分を積極的に付与するように流路面積を縮小させる絞り部を有する空気流路と、前記燃焼室に向かって燃料を噴射する燃料ノズルとを備え、この燃料ノズルは、前記絞り部の空気流通方向上流側に燃料噴出口が位置するように前記空気流路に挿入され、前記空気流路に流入する空気の一部に積極的に渦流を生じさせる渦流形成促進手段を前記燃料噴出口の周囲に有するものとする。

（４）本発明は、上記目的を達成するために、燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、片側端面が前記燃焼室に臨むように燃焼ガス流通方向上流側端部位置に配置したプレートと、前記燃焼室に向かって空気を流通させるように前記プレートに設けた流路であって、内壁に沿って流れる空気に流路径方向内向きの速度成分を積極的に付与するように流路面積を縮小させる絞り部を有する複数の空気流路と、この空気流路中を流れる空気噴流に燃料を噴射する複数の燃料ノズルとを備え、この複数の燃料ノズルは、前記絞り部の空気流通方向上流側に燃料噴出口が位置するように前記空気流路に挿入され、前記空気流路に流入した空気の一部に積極的に渦流を生じさせる渦流形成促進手段を前記燃料噴出口の周囲に有するものとする。

（５）上記（１）は、好ましくは、前記絞り部は空気流通方向下流側に向かって流路が狭まるテーパ状の絞り流路であるものとする。

（６）上記（５）は、好ましくは、前記絞り流路の内径は、空気流通方向下流側に向かって、第１の方向では一定であり、前記第１の方向に対して直角な第２の方向では狭まるように縮小する絞り流路であるものとする。

（７）上記（５）は、好ましくは、前記絞り流路と空気流通方向下流側で連結している空気流路は、その中心軸が前記絞り流路と空気流通方向上流側で連結している空気流路の中心軸より流路径方向外側に位置するように設けられているものとする。

（８）上記（３）は、好ましくは、前記絞り部は絞り孔を有する絞り部材であるものとする。

（９）上記（８）は、好ましくは、前記絞り部材は入口側に空気流通方向下流側に向かって狭まるテーパ部を有しているものとする。

（１０）上記（８）は、好ましくは、前記絞り部材は出口側に空気流通方向下流側に向かって拡開する逆テーパ部を有しているものとする。

（１１）上記（８）は、好ましくは、前記絞り部材の絞り孔には切れ込みが入っているものとする。

（１２）上記（１１）は、好ましくは、前記切れ込みはＶ字状の切れ込みであるものとする。

（１３）上記（８）は、好ましくは、前記絞り孔は孔中心が前記空気流路の中心軸より流路径方向外側に位置するように設けられているものとする。

（１４）上記（１）は、好ましくは、更に、前記燃料ノズルの側面の周方向にリブを設けるものとする。

（１５）上記（１）は、好ましくは、更に、前記空気流路の入口にはテーパ部が設けられているものとする。

本発明によれば、空気と燃料をより均一に混合できるので、ＮＯｘ排出量を更に低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明のガスタービン燃焼器が備えられるガスタービンの全体概略図である。

図１が示すガスタービンは、大気から取り込んだ空気を圧縮する圧縮機１００と、圧縮機１００から導入される圧縮空気と燃料を混合して燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器２００と、燃焼器２００で生成された燃焼ガスのエネルギーにより軸回転力を得るタービン３００とを備えている。

燃焼器２００は、外筒２と、外筒２の内側に間隔を介して設けられ、燃料と空気が燃焼する燃焼室１を内部に形成する円筒状の燃焼器ライナ３と、ライナ３のタービン３００側の開口部に連接され、燃焼室１で生成された燃焼ガスをタービン３００に導くトラジションピース４と、外筒２とライナ３の間に形成され、圧縮機１００が供給する圧縮空気が流通する環状流路５と、外筒２とトラジションピース４の間に形成される車室６と、燃料を供給する燃料供給系統１２，１３，１４と、燃料供給系統１２と接続している燃料ヘッダ１５と、燃料ヘッダ１５の外周と隣接して環状に設けられ、燃料供給系統１３と接続している燃料ヘッダ１６と、燃料ヘッダ１５，１６それぞれの先端部に複数設けられ、燃焼室１に向かって燃料を噴出する燃料ノズル３９と、ライナ３の燃焼ガス流通方向上流側端部を全面的に塞ぎ、片側端面１７ａが燃焼室１に臨むようにライナ３の中心軸と直交して配置されている略円板状の空気孔プレート１７と、空気孔プレート１７の燃料ノズル３９に対応した箇所に複数設けられ、燃焼室１に向かって空気を流通する空気孔（空気流路）３１とを備えている。

燃料供給系統１４は、燃料流量を調整する燃料制御弁１４ａを有し、この燃料制御弁１４ａの燃料流通方向下流側で燃料供給系統１２と燃料供給系統１３に分岐している。燃料供給系統１２，１３は、それぞれ、燃料流量を調整する燃料制御弁１２ａ，１３ａと、これら制御弁１２ａ，１３ａの下流側に備えられ、燃料流通を遮断する燃料遮断弁１２ｂ，１３ｂとを有している。これら燃料制御弁１２ａ，１３ａによって燃料供給系統１２，１３を流通する燃料流量を個別に制御することができる。

燃料ノズル３９は、空気孔プレート１７と対向するようにして、燃料ヘッダ１５，１６に適宜配列されている。この配列方法には、例えば、燃料ヘッダ１５，１６に対して全体的に概ね均等に配列するものや、燃料ヘッダ１５の中心から径方向外側に向かって燃料ヘッダ１６まで放射状に配列するもの、束状のノズル群を１構成単位として、これを燃料ヘッダ１５の中央に備えるとともに、燃料ヘッダ１６に同様のノズル群を複数環状に均等配列するものをはじめとして種々考えられる。このように燃料ノズル３９を配列すると、燃料制御弁１２ａ，１３ａを用いることによって、燃料ヘッダ１５，１６に供給される燃料流量をそれぞれ独立して制御できるので、燃焼室１内における燃焼状態を段階的に制御することが可能になる。これによってガスタービン運転中の負荷変化に対応した燃焼状態を適宜選択することが可能になる。

空気孔３１は、１本の燃料ノズル３９に対応して１つずつ空気孔プレート１７に設けられている孔であり、上記のような燃料ノズル３９の配列に応じて適宜プレート１７上に複数配列されている。この空気孔３１の径は、比較的小径であり、燃料ノズル３９の径より若干大きい程度が良い。換言すれば、燃料と空気が空気孔３１内を流通する過程で燃料と空気の噴出作用等によって混合（後に詳述）し、空気孔３１出口側では充分混合された予混合気の噴流が形成される程度の径（例えば、予混合気の噴流と同程度の径）とすると良い。

いわゆる同軸噴流燃料方式の燃焼器とは、上記のような１組の燃料ノズル３９と空気孔３１から成る構成単位を空気プレート１７に対して全面的（広範囲）に複数組配置させることによって燃焼器を構成するものである。この燃焼器における各空気孔３１内では、燃料ノズル３９から燃焼室１に向かって噴出される燃料流が空気孔３１に流入する燃焼空気流と同伴し、空気流が燃料流を包み込むような噴流を形成する。さらに、この噴流の作用によって燃料と空気の混合が促進されるので、いわゆる予混合方式の燃焼器と比較して短い混合距離で予混合気を生成することができる。各空気孔３１内でこのように生成された予混合気はプレート１７を介して噴出され、複数の噴流を形成して予混合気を燃焼室１に供給する。このように予混合気の噴流を複数集合させることで燃焼室に供給される燃料量及び空気量を保持しながら、燃焼器全体として安定した低ＮＯｘ燃焼を実現している。更に、上記のように予混合方式の燃焼器と比較して短距離での予混合が可能であるので、逆火による焼損の可能性も低くすることができる。なお、ここでいう同軸噴流燃焼方式とは、燃料ノズルの中心軸と空気孔の中心軸が一致する構成の燃焼器だけを示すのではなく、燃料流と、この燃料流を包み込むような環状の空気流とが空気孔３１内に形成される作用によって両者を予混合することができる構成を有するものを示すものとする。従って、例えば、そのような予混合気の噴流が形成できれば、上記２軸がズレている構成のものも含むものとする。

なお、図１では燃料ヘッダ及び燃料供給系統を２つずつ有する燃焼器が示されているが、本発明が適用可能な燃焼器はこの構成だけに限られない。例えば、燃料ヘッダ及び燃料供給系統を１つずつ有するものや、それらを２つより多く有するものにも勿論適用可能である。また、本発明は、火力発電所などで広く使用されているガスタービンの燃焼器のようにタービン回転軸に対して放射状に複数缶配列されているものや、単缶型の燃焼器等にも適用可能であることは言うまでもない。

次に、図２を用いて燃料ノズル３９及び空気孔３１付近の詳細な構成について説明する。

図２は本発明の第１の実施の形態における空気孔３９付近の断面を模式的に示す断面図である。図１と同じ部分には同じ符号を付し、説明は省略する。

図２において、燃料ノズル３９は、燃料噴出孔４０と、燃料噴出口４１とを備えており、空気孔３１は、入口流路３２と、絞り流路（絞り部）３３と、出口流路３４とを備えている。

燃料噴出孔４０は、燃料ヘッダ１５，１６から供給される燃料が外部に噴出される際に流通する流路であり、燃料ノズル３９の先端部において燃料噴出口４１として外部に開口している。

燃料ノズル３９は、燃料噴出口４１が空気孔３１内に臨むように配置されている。このように燃料ノズル３９を配置すると、空気孔３１内に流れ込む空気の流速が向上し、後述する渦流５０及び領域６０で形成される収束空気流の形成を促進させる。また、燃料ノズル３９は、燃料噴出口４１の周囲（ノズル３９先端部）を円柱状の形状に形成されている。このノズル先端部の形状は、燃料ノズル３９の側面付近を沿って流れてきた空気流２３がノズル３９先端部までやってきたときに起こる剥離を促進させ、燃料噴出口４１の前方に発生する渦流５０を積極的に形成させるもの（渦流形成促進手段）として空気流２３に作用する。これに加えて、上記のノズル配置の効果によって流速が向上され、燃料ノズル３９の側面付近を沿って流れてきた空気流２３が燃料ノズル３９と平行な速度成分を保持したまま空気孔３１内に導かれるので、渦流５０の形成は更に促進される。即ち、上記のように燃料ノズル３９を構成すると、空気流速の向上作用と空気流剥離の促進作用とが相乗するので、渦流５０の形成を著しく促進することができる。燃料ノズル３９から噴出される燃料はこのように形成された渦流５０と衝突することにより更に空気と混合する。また、このような効果を発揮する本実施の形態のガスタービン燃焼器は、燃料ノズルの配置と形状を工夫するだけで容易に構成することができので、比較的低コストで構築することができる。

なお、ノズル先端部における渦流形成促進手段としては、図２に示した円柱形状のノズルの他に角柱形状のものでも良い。また、畝状のリブや、環状の突起部等を燃料ノズル３９の先端部の周囲に設ける等しても良い。

入口流路３２は、燃料ノズル３９側に開口しており、燃焼空気の入口となっている。出口流路３４は、入口流路３２より小径の流路であって、燃焼室１に開口しており、燃焼室１へ燃料と空気の予混合気を供給している。絞り流路３３は、入口流路３２と出口流路３４とを結ぶ流路であって、空気流通方向下流側に向かって流路面積が除々に狭まるテーパ状の流路となっている。このテーパ形状は、入口流路３２の内壁に沿って流れてきた空気２４に空気孔３１径方向内向きの速度成分を積極的に付与する。これにより内壁を沿って流れてきた空気流２４を絞り流路３３の下流付近（図２中の領域６０）で収束させて収束空気流（図示せず）として、これに燃料ノズル３９から噴出される燃料を衝突させている。このように領域６０で形成される収束空気流に燃料を衝突させることで燃料と空気の混合はより一層促進される。

また、絞り流路３３は、好ましくは、燃料噴出口４０の空気流通方向下流側（即ち、絞り流路３３を主体とすると燃料噴出口４０が空気流通方向上流側に位置する。）に位置するようにすると良い。このように構成すると、渦流５０の下流側に収束空気流が確実に形成されることになるので、これら２種の空気流によってより確実に空気と燃料を混合することができる。

なお、図２ではテーパ状の絞り流路３３のみを示したが、この他にも、入口流路３２と出口流路３４を直接連結して凸字形状の空気孔としてもよい。この場合は、入口流路３２と出口流路３４との継ぎ目である直角の角部付近で渦流が発生するので、この渦流により空気と燃料の混合を促進することができる。また、図２では絞り流路３３を１つのみ有する空気孔３１を示したが、これだけに限らず、複数の絞り流路を有する空気孔を採用してもよい。これは勿論凸状の空気孔等を採用した場合においても同様である。

次に本実施の形態の動作を説明する。

圧縮機１００は大気から取り込んだ空気を圧縮して圧縮空気１９として燃焼器２００へ供給する。圧縮空気１９は、車室６を通過し、外筒２と燃焼器ライナ３の間に形成された環状流路５内を燃料ヘッダ１５，１６方向へ向かって流通していく。圧縮空気１９の一部は、燃焼器ライナ３付近を流通する際に、燃焼器ライナ３に設けられた孔（図示せず）を介して冷却空気２０として燃焼器１内に流入する。他方、その他の圧縮空気１９は、さらに下流へ導かれ、燃料ヘッダ１５，１６付近で進行方向を反転させて、燃焼空気２１として燃料ノズル３９の周辺まで流通する。

一方、ポンプ等（図示せず）で昇圧された燃料は、燃料供給系統１４内を流通し、燃料供給系統１２，１３に分流する。各燃料供給系統１２，１３に分流した燃料は、燃料制御弁１２ａ，１３ａにおいて適宜流量調整された後に、燃料ヘッダ１５，１６に供給される。燃料ヘッダ１５，１６に供給された燃料は、燃料ノズル３９から空気孔３１を介して燃焼室１に向かって噴出される。このとき、燃料ノズル３９の周辺まで流通してきた燃焼空気２１も空気孔３１の入口に導かれる。こうして各空気孔３１内では、空気孔３１を流通する空気流が燃料ノズル３９から噴出する燃料流を包み込むような噴流が形成される。これによって、燃料と空気が混合した予混合気が空気孔プレート１７に設けられた複数の空気孔３１を介して燃焼室１へ供給される。ここで、燃焼空気２１の中で、燃料ノズル３９まで導入された後に、燃料ノズル３９の側面付近を流れる空気流２３と、入口流路３２の内壁付近を流れる空気流２４は、次のような特徴的な流通形態をして予混合気の生成に寄与するものと考えられる。

燃料ノズル３９の側面付近を流れる空気流２３は、燃料ノズル３９の外周面を沿って空気孔３１内に導かれる。空気孔３１内に導かれた空気流２３は燃料ノズル３９の噴射口４１側に到達すると、剥離を起こしてその周辺で渦流を発生させる。この渦流の影響等によって燃料噴出口４１の前面には渦流５０が形成される。

一方、空気孔３１内に導かれて入口流路３２の内壁付近を流れる空気流２４は、入口流路３２の内壁に沿ってテーパ状に狭まっている絞り流路３３に導かれる。絞り流路３３に差し掛かると、その空気流２４には絞り流路３２のテーパ形状によって流路径方向内側の速度成分が付与されて、空気孔３１の中心軸の方向に収束していく。これにより絞り流路３３の空気流通方向下流側付近の領域６０で収束空気流が形成される。

このように渦流５０や収束空気流等を空気孔３１内に形成する空気流に対して、燃料ノズル３９は燃料ヘッダ１５，１６から供給された燃料を燃焼室１に向かって噴出する。噴出された燃料は、まず、空気流の剥離によって形成された渦流５０と衝突して空気と混合される。このように空気と混合して予混合化した噴流は、続いて、領域６０で収束している収束空気流と衝突することで空気と混合し、燃料濃度を一段と均一にする。このように、燃料は、空気孔３１を通過する際に、周囲を環状に流れる空気流に加えて、燃料ノズル３９の構成及び空気孔３１の流路形状によって形成される渦流５０及び収束空気流と衝突する。これにより、空気孔３１内において空気との更なる急速混合を達成することができるので、空気孔３１の出口における予混合気２５の燃料濃度分布を平準化することができる。

このように燃料と空気が充分に混合された予混合気２５は、複数の空気孔３１を介して燃焼室１へ供給される。燃焼室１内に導入された予混合気２５は火炎を形成し高温高圧の燃焼ガスとなる。上記のように予混合気２５中の燃料濃度分布は平準化されているので、燃焼の際に発生するＮＯｘを低減することができる。この燃焼ガスは、燃焼室１からトラジションピース４を経てタービン３００に導入され、断熱膨張する際に発生する仕事量をタービン３００の軸回転力に変換する。タービン３００は軸を介して発電機（図示せず）と連結されており、この発電機はタービン３００からの軸回転力によって電力を発生させる。

次に本実施の形態の効果を説明する。

ここで、本発明の理解を容易にするために、本発明の比較例について説明する。

図３は比較例のガスタービン燃焼器における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。図３に示す部分以外については、上記実施の形態のガスタービンと同じ構成からなっている。また、既出の図と同じ部分には同じ符号を付し、説明は省略する（以下の説明に用いる図についても同様とする）。

図３が示すように、空気孔１３１は燃焼空気の入口側から出口側（燃焼室１側）まで一定の径を有する円筒状の流路である。また、燃料ノズル４０の燃料噴出口４１は空気孔１３１の外部に配置されている。

この場合、空気孔１３１は円筒状であるため、空気孔１３１の内壁近傍を流れる空気流２４は、進行方向を大きく変えること無く内壁に沿って燃焼室１の方向へ導かれてしまう。また、燃料噴出口４１は空気孔１３１の外部に配置されているので、空気孔１３１の内部における燃焼室１方向の空気流速を充分に得ることが難しい。そのため燃料ノズル３９の先端部付近で空気流の剥離によって発生する渦流も小さくなる傾向にある。

これに対して、本実施の形態は、流路面積が縮小するテーパ状の流路である絞り部３３を空気孔３１に設けるとともに、円柱形状からなる燃料ノズル３９を燃料噴出口４１が空気孔３１内に入り込むように配置している。これにより、空気と燃料の同軸噴流による混合に加えて、更に、燃料噴出口４１の燃料噴出方向に渦流５０及び領域６０に形成される収束空気流等の空気渦流を積極的に形成することによって、燃料噴流と衝突させている。従って、更に燃料と空気が急速に均一混合するので、燃焼室１内でのＮＯｘ排出量を更に低減することができる。また、空気孔３１の形状は単純であり製作が容易であるので、比較的低コストで製作可能である。

また、上記実施の形態において、入口流路３２より小径な出口流路３４や絞り流路３３によって発生する圧力損失がガスタービン効率に影響を与える場合には、次のようにすると良い。

図４は本発明の第１の実施の形態の変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。図４において、入口流路３２はテーパ部３７を有している。テーパ部３７は、空気孔３１の入口側（入口流路３２の入口側）に設けられており、空気流通方向下流側に向かって狭まっている。このようにテーパ部３７を設けると空気孔３１の入口における圧力損失を低減することができるので、絞り流路３３や出口流路３４を設けることによって発生する圧力損失を低減することができる。これにより圧力損失の増加によるガスタービン効率の低下を抑制しつつ、燃料と空気の急速混合を実現することができる。

また、テーパ部３７は、好ましくは、曲面形状若しくは丸に近い滑らかな形状とすると良い。この場合の空気孔３１付近の断面図を図５に示す。図５に示すテーパ部３８は、図４に示したテーパ部３７と異なり、曲面形状を有している。このように空気孔３１の入口側に設けられるテーパ部を曲面形状とすることにより、空気孔３１入口における圧力損失を更に低減することができる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。

図６は本発明の第２の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。図７は図６中のVII−VII断面における断面図である。

本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、入口流路３２Ａの中心軸７０が出口流路３４Ａの中心軸７１より流路径方向外側に位置しており、絞り流路３３Ａにおいて不均等なテーパ部が形成されている点である。その他については第１の実施の形態とほぼ同様である。

図６において、空気孔３１Ａは、入口流路３２Ａと、絞り流路３３Ａと、出口流路３４Ａとを備えている。中心軸７０は入口流路３２Ａの中心軸であり、中心軸７１は出口流路３４Ａの中心軸である。

入口流路３２Ａは、その中心軸７０が出口流路３４Ａの中心軸７１より流路径方向外側に位置するように設けられている。このため、これら流路３２Ａ，３４Ａを連絡している絞り流路３３Ａは、第１の実施の形態と異なり、各中心軸７０，７１のズレに応じて不均等に狭まるテーパ部を形成している。図６及び図７に示したものは、その１例であり、入口流路３２Ａを出口流路３４Ａ及び燃料ノズル３９に対して図６及び図７中の右方向に移動させたものである。そのため、片方（図中右側）には大きなテーパ部３５が形成され、他方（図中左側）には小さなテーパ部３６が形成されている。

このように絞り流路３３Ａを不均等に狭まるテーパ部とすると、小テーパ部３６付近を流通する空気流と比較して、大テーパ部３５付近を流通する空気流の方が流路径方向内向きの速度成分を大きく付与される。これによって大テーパ部３５付近を流通した空気流が絞り流路３３Ａの下流端で剥離して渦流５１を発生させる。また、図７に示すように、絞り流路３３Ａの内壁近傍を流通する空気流の流路径方向の速度ベクトル２９は不均一になる。このため、絞り流路３３Ａの空気流通方向下流側における空気の流れが非対称となり、２次流れ（図示せず）を発生させその周辺の空気流を乱すので更に渦流（図示せず）が形成される。なお、本実施の形態においても第１の実施の形態同様に、絞り流路３３Ａの下流側の領域６１では収束空気流が形成される。

燃料ノズル３９から噴出される燃料は、燃料ノズル３９先端付近に形成される渦流５０や、領域６１に形成される収束空気流に加えて、上記のように形成された渦流５１及び２次流れによる渦流に対して噴出される。これにより燃料噴出流は渦流５０，５１、及び２次流れによる渦流などに衝突して空気と急速に混合される。これにより予混合気２５中の燃料濃度分布が平準化されるので、予混合気２５が燃焼室１で燃焼される際に発生するＮＯｘ量を低減することができる。

なお、本実施の形態においては、燃料ノズル３９の中心軸と出口流路３４Ａの中心軸４３が一致しているが、上記効果が得られる構成はこれのみではない。燃料流を空気流が包み込むような同軸噴流が形成される程度の軸芯同士のズレの範囲内であれば、燃料ノズル３９の中心軸と中心軸７１がズレていても勿論適用可能である。

（第２の実施の形態：変形例）
次に本実施の形態の変形例について説明する。

図８は本発明の第２の実施の形態の変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図であり、図９は図８中のIX−IX断面における断面図である。

本変形例が第２の実施の形態と相違する点は、入口流路３２Ｂの形状が円筒形とは異なっている点である。その他については、第２の実施の形態とほぼ同様である。

図８及び図９において、空気孔３１Ｂは、入口流路３２Ｂと、絞り流路３３Ｂと、出口流路３４Ｂとを備えている。ここで説明のために、図９に示すように、図の左右方向をＸ方向とし、これと直交する図の上下方向をＹ方向とする。

出口流路３４Ｂは円筒形状の流路を有している。入口流路３２Ｂは、流路縦断面における第１の方向（図９のＹ方向）では出口流路３４Ｂの径と同じ内径を有し、前記第１の方向と直角を成す第２の方向（図９のＸ方向）では出口流路３４Ｂの径より大きい内径を有している。絞り流路３３Ｂは、前記第１の方向では出口流路３４Ｂと同じ内径を有し、前記第２の方向では空気流通方向下流側に向かって入口流路３２Ｂの寸法から出口流路３４Ｂの径まで狭まる内径を有している。

空気流路３１Ｂをこのような形状にすると、図９に示すように、上記第２の実施の形態と比較して、絞り流路３３Ｂの内壁付近を流通する空気流の流路径方向の速度ベクトル２９Ｂの分布が前記第２の方向（図９のＸ方向）に一層偏る。これにより絞り流路３３Ｂの空気流通方向下流側における流れの非対称性を更に強めることができ、第２の実施の形態より強い２次流れが発生するので、空気孔３１Ｂ内に２次流れによって大きな渦流が形成される。このようにしても燃料と空気の混合性能を向上することができる。

なお、上記第２の実施の形態およびその変形例も、第１の実施の形態同様に、絞り流路３３Ａ，３３Ｂは燃料ノズル３９の燃料噴出口４１の下流側に位置するように配置するのが好ましい。更に、第１の実施の形態の変形例のように空気孔３１Ａ，３１Ｂの入口にテーパ部を設ければ、圧力損失の低減が可能なことはいうまでもない。

（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。

図１０は本発明の第３の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。

本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、空気孔３１Ｃが絞り流路３３の代わりにオリフィス部８０を有している点である。その他については、第１の実施の形態とほぼ同様である。

図１０において、空気孔３１Ｃは、入口流路３２Ｃと、オリフィス部８０（絞り部材）と、出口流路３４Ｃとを有している。オリフィス部８０は、燃料ノズル３９の空気流通方向下流側に設けられており、中心部に絞り孔８１を有している。

入口流路３２Ｃの内壁付近を流れる空気流２４はオリフィス部８０で流路面積が縮小されることにより、絞り孔８１付近の領域６２において収束空気流（図示せず）を形成する。更に、絞り孔８１を通過した空気流は、絞り孔８１の出口側で流路面積が急拡大することにより流れが不安定になって渦流５３を発生させる。このように領域６２で形成される収束空気流、更にその下流側に形成される渦流５３、及び、燃料ノズル３９先端付近に形成される渦流５０によって、燃料ノズル３９から噴出される燃料噴流は空気と急速混合される。これにより、本実施の形態においても、予混合気が燃焼室１で燃焼される際に発生するＮＯｘ量を低減することができる。なお、本実施の形態では、入口流路３２Ｃと出口流路３４Ｃとの径は同じであるが、異なる径としても良い。

また、オリフィス部８０を設けることによって発生する圧力損失が大きくなる場合には次のようにすると良い。

（第３の実施の形態：第１変形例）
図１１は本発明の第３の実施の形態の第１の変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。図１１において、オリフィス部８０Ｄは、空気流の入口側に空気流通方向下流側に向かって狭まるテーパ部８２と、中心部に設けられた絞り孔８１Ｄを有している。このように入口側にテーパ部８２を有するオリフィス部８０Ｄを設けると、オリフィス部８０と比較して空気流がスムーズに絞り孔８１Ｄに導かれるので、絞り孔８１Ｄ入口側で発生する圧力損失を低減することができる。これにより燃焼器における圧力損失を低減することができるので、ガスタービン全体の効率低下を抑制することができる。

また、オリフィス部８０Ｄを設けてもなお圧力損失が大きい場合には、オリフィス部の出口側に逆テーパ部を設けても良い。この場合の空気孔付近の断面図を図１２に示す。

（第３の実施の形態：第２変形例）
図１２は本発明の第３の実施の形態の第２の変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。図１２において、オリフィス８０Ｅは、空気流の入口側に空気流通方向下流側に向かって狭まるテーパ部８２と、空気流の出口側に空気流通方向下流側に向かって拡開する逆テーパ部８３と、中心部に設けられた絞り孔８１Ｅとを有している。このようにテーパ部８２に加えて出口側にも逆テーパ部８３を有するオリフィス部８０Ｅを設けることにより、圧力損失を更に低減することができる。

なお、上記第３の実施の形態及びその変形例においても、第１の実施の形態の変形例のように空気孔３１Ｃ，３１Ｄ，３１Ｅの入口にテーパ部を設ければ、更に圧力損失を低減することができる。

（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態について説明する。

図１３は本発明の第４の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図であり、図１４は図１３中のXIV−XIV断面における断面図である。

本実施の形態が第３の実施の形態と相違する点は、絞り孔８１Ｆの中心が空気孔３１Ｆの中心軸７２より流路径方向外側に位置している点である。その他については第３の実施の形態とほぼ同様である。

図１３及び図１４において、オリフィス部８０Ｆは絞り孔８１Ｆを有している。中心軸７３は絞り孔８１Ｆの中心を通る軸であり、中心軸７２は空気孔３１Ｆの中心軸（即ち、入口流路３２Ｆ及び出口流路３４Ｆの中心軸）である。

絞り孔８１Ｆは、その中心が空気孔３１Ｆの中心軸７２より流路径方向外側に位置するように、オリフィス部８０Ｆに設けられている。このように絞り孔８１Ｆの中心位置を中心軸７２からずらすと、燃焼室１方向に向かって入口流路３２Ｆを流通してくる空気流の中で、絞り孔８１Ｆの中心軸７３から離れたところを流通してくる空気流ほど、絞り孔８１Ｆを通過する際に流路径方向内向きの速度成分を大きく付与される。従って、中心軸７３から離れたところを流通してきた空気流が主に絞り孔８１Ｆ付近の領域６３において収束空気流を形成する。さらに、この収束空気流は、絞り孔８１Ｆを通過する際に流路面積の急拡大によって乱れ、オリフィス部８０Ｆの出口側に渦流５４を形成する。

燃料ノズル３９から噴出される燃料は、燃料ノズル３９先端付近に形成される渦流５０に加えて、上記のように領域６３に形成された収束空気流や、渦流５４に対して噴出される。これにより燃料噴出流は渦流５０、収束空気流、渦流５４などに衝突して空気と急速混合される。これにより、本実施の形態においても、予混合気が燃焼室１で燃焼される際に発生するＮＯｘ量を低減することができる。

なお、本実施の形態においても、第１の実施の形態の変形例のように空気孔３１Ｆの入口にテーパ部を設ければ、更に圧力損失を低減することができる。

（第５の実施の形態）
次に本発明の第５の実施の形態について説明する。

図１５は本発明の第５の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図であり、図１６は図１５中のXVI−XVI断面における断面図である。

本実施の形態は第３の実施の形態における第１の変形例に類似しており、その相違点は、絞り孔８１Ｇに切れ込み８４が入っている点である。その他については第３の実施の形態における第１の変形例とほぼ同様である。

図１５及び図１６において、絞り孔８１Ｇは切れ込み８４を有している。切れ込み８４は、Ｖ字状であって、絞り孔８１Ｇに対して均等に４つ配されている。なお、この切れ込み８４の形状は、Ｖ字状のみに限られず、矩形状、Ｗ字状、半楕円状等でも良い。また、その数も勿論図に示した４つのみに限定されない。

このように構成すると、第３の実施の形態と同様の作用によって形成される渦流５３などに加えて、入口流路３２Ｇの内壁付近を流通してきた空気流２４がＶ字状の切れ込み８４を通過することにより、切れ込み８４の出口側にたて渦５５が発生する。このたて渦５５は出口流路３４G内の空気流の乱れを増幅させるので、出口流路３４Ｇ内を通過する燃料噴流を更に均一に空気と混合することができる。これにより本実施の形態によっても燃料と空気を急速混合できるので、予混合気が燃焼室１で燃焼される際に発生するＮＯｘ量を低減することができる。

なお、上記において説明した切れ込みの適用先は、第３の実施の形態の第１の変形例のみに限られず、第３の実施の形態、第３の実施の形態の第２の変形例、及び、第４の実施の形態にも適用可能なことはいうまでもない。また、本実施の形態においても、第１の実施の形態の変形例のように空気孔３１Ｇの入口にテーパ部を設ければ、更に圧力損失を低減することができる。

（第６の実施の形態）
次に本発明の第６の実施の形態について説明する。

図１７は本発明の第６の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。

本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、気体燃料を噴出する燃料ノズル３９に代えて液体燃料を噴出する液体燃料ノズル９０を備えることにより、上記第１〜５の実施の形態のような同軸噴流燃料方式に代えて、いわゆる予混合燃焼方式の燃焼器に本発明を適用した点である。その他については第１の実施の形態とほぼ同様である。

図１７において、液体燃料ノズル９０は、ボディ９１と、ノズル９２と、燃料噴出口９３を備えている。ボディ９１は、円柱形状からなっており、中央部にノズル９２を有している。ノズル９２は、液体燃料供給系統（図示せず）と接続しており、この液体燃料供給系統を介してポンプ等で圧送されてきた液体燃料（例えば、灯油や軽油、重油等）を噴霧している。

本実施の形態においても、第１の実施の形態同様に、液体燃料ノズル９０は燃料噴出口９３が空気孔３１内に入り込むように配置されているので、液体燃料ノズル９０の燃料噴出方向前方において空気流の剥離による渦流５０が形成される。また、同様に、絞り流路３３の下流付近（領域６０）に収束空気流が形成される。

このように空気孔３１内に形成される渦流５０、収束空気流等に対して、液体燃料ノズル９０は液体燃料を燃焼室１に向かって噴霧する。まず、渦流５０と衝突することによって、液体燃料は微粒化されて空気と混合される。また、この微粒化した液体燃料は、空気孔３１中を燃焼室１方向に向かって流通する間に、ガスタービン燃焼器内の高温空気によって加熱されることで蒸発し、予混合化が促進される。次に、このように予蒸発した燃料は、空気孔３１内を更に進み、領域６０付近で収束空気流と衝突することによって空気と更に均一に混合される。このように液体燃料を用いた場合においても、空気孔内に形成される収束空気流等の渦流に衝突させるまでに燃料を蒸発させておけば、渦流の作用によって燃料と空気の混合を促進することができるので、第１の実施の形態同様の効果を得ることができる。

また、液体燃料の蒸発時間を更に短縮するには次のような燃料ノズルを用いると良い。

（第６の実施の形態：変形例）
図１８は本発明の第６の実施の形態の変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。

図１８において、液体燃料ノズル９０Ｈは、ボディ９１Ｈと、ノズル９２Ｈと、環状ノズル９４とを有している。環状ノズル９４は、ノズル９１Ｈの外周側に設けられた環状空気流路であり、ノズル先端部の空気噴出口から空気を噴霧する。環状ノズル９４の噴出口は、燃料噴出口９３を環状に取り巻いてノズル径方向内側（燃料流方向）を向いて設けられており、燃料流を取り囲むような円錐状の空気流２７を噴出する。このように環状ノズル９４を設けると、ノズル９１Ｈから噴出される燃料に対して空気流２７が衝突するので燃料流中の液体燃料の微粒化が促進する。これにより上記第６の実施の形態と比較して液体燃料の蒸発時間を短縮することができる。従って燃料と空気の混合を更に促進させることができる。また、空気の代わりに気体燃料を環状ノズル９４に供給すれば、気体燃料と液体燃料のいずれも燃焼可能な、いわゆるデュアル燃焼器として利用することも可能である。この場合も、環状ノズル９４に空気を供給する場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態およびその変形例においても、第１の実施の形態同様に、絞り流路３３は液体燃料ノズル９０，９０Ｈの燃料噴出口の下流側に位置するように配置するのが好ましい。更に、第１の実施の形態の変形例のように空気孔３３の入口にテーパ部を設ければ、圧力損失の低減が可能なことはいうまでもない。

図１は本発明のガスタービン燃焼器が備えられるガスタービンの全体概略図である。 図２は本発明の第１の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図３は従来のガスタービン燃焼器における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図４は本発明の第１の実施の形態の第１変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図４は本発明の第１の実施の形態の第２変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図６は本発明の第２の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図６中のVIIーVII断面における断面図である。 図８は本発明の第２の実施の形態の変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図９は図８中のIXーIX断面における断面図である。 図１０は本発明の第３の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図１１は本発明の第３の実施の形態の第１変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図１２は本発明の第３の実施の形態の第２変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図１３は本発明の第４の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図１４は図１３中のXIVーXIV断面における断面図である。 図１５は本発明の第５の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図１６は図１５中のXVIーXVI断面における断面図である。 図１７は本発明の第６の実施の形態における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。 図１８は本発明の第６の実施の形態の変形例における空気孔付近の断面を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 燃焼室
３ ライナ
１７ 空気プレート
２３ 空気流
２４ 空気流
２５ 予混合気
２７ 空気流
３１ 空気孔
３２ 入口流路
３３ 絞り流路
３４ 出口流路
３５ 大テーパ部
３６ 小テーパ部
３７ テーパ部
３９ 燃料ノズル
４１ 燃料噴出口
５０ 渦流
５５ たて渦
７０ 中心軸
７１ 中心軸
７２ 中心軸
７３ 中心軸
８０ オリフィス部
８１ 絞り孔
８２ テーパ部
８３ 逆テーパ部
８４ 切れ込み
９０ 液体燃料ノズル
９１ ボディ
９２ ノズル
９３ 燃料噴出口
９４ 環状ノズル
１００ 圧縮機
２００ 燃焼器
３００ タービン

Claims (15)

1. 燃料と空気を燃焼させる燃焼室に向かって空気を流通させる流路であって、内壁に沿って流れる空気に流路径方向内向きの速度成分を積極的に付与するように流路面積を縮小させる絞り部を有する空気流路と、
   前記燃焼室に向かって燃料を噴射する燃料ノズルとを備え、
   この燃料ノズルは、前記空気流路内に燃料噴出口が臨むように配置され、前記空気流路に流入する空気の一部に積極的に渦流を生じさせる渦流形成促進手段を前記燃料噴出口の周囲に有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、
   片側端面が前記燃焼室に臨むように燃焼ガス流通方向上流側端部位置に配置したプレートと、
   前記燃焼室に向かって空気を流通させるように前記プレートに設けた流路であって、内壁に沿って流れる空気に流路径方向内向きの速度成分を積極的に付与するように流路面積を縮小させる絞り部を有する複数の空気流路と、
   この空気流路中を流れる空気噴流に燃料を噴射する複数の燃料ノズルとを備え、
   この複数の燃料ノズルは、前記空気流路内に燃料噴出口が臨むようにそれぞれ配置され、前記空気流路に流入した空気の一部に積極的に渦流を生じさせる渦流形成促進手段を前記燃料噴出口の周囲に有することを備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室に向かって空気を流通させる流路であって、内壁に沿って流れる空気に流路径方向内向きの速度成分を積極的に付与するように流路面積を縮小させる絞り部を有する空気流路と、
   前記燃焼室に向かって燃料を噴射する燃料ノズルとを備え、
   この燃料ノズルは、前記絞り部の空気流通方向上流側に燃料噴出口が位置するように前記空気流路に挿入され、前記空気流路に流入する空気の一部に積極的に渦流を生じさせる渦流形成促進手段を前記燃料噴出口の周囲に有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、
   片側端面が前記燃焼室に臨むように燃焼ガス流通方向上流側端部位置に配置したプレートと、
   前記燃焼室に向かって空気を流通させるように前記プレートに設けた流路であって、内壁に沿って流れる空気に流路径方向内向きの速度成分を積極的に付与するように流路面積を縮小させる絞り部を有する複数の空気流路と、
   この空気流路中を流れる空気噴流に燃料を噴射する複数の燃料ノズルとを備え、
   この複数の燃料ノズルは、前記絞り部の空気流通方向上流側に燃料噴出口が位置するように前記空気流路に挿入され、前記空気流路に流入した空気の一部に積極的に渦流を生じさせる渦流形成促進手段を前記燃料噴出口の周囲に有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１記載のガスタービン燃焼器において、
   前記絞り部は空気流通方向下流側に向かって流路が狭まるテーパ状の絞り流路であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項５記載のガスタービン燃焼器において、
   前記絞り流路の内径は、空気流通方向下流側に向かって、第１の方向では一定であり、前記第１の方向と直角を成す第２の方向では狭まるように縮小する絞り流路であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 請求項５記載のガスタービン燃焼器において、
   前記絞り流路と空気流通方向下流側で連結している空気流路は、その中心軸が前記絞り流路と空気流通方向上流側で連結している空気流路の中心軸より流路径方向外側に位置するように設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 請求項３記載のガスタービン燃焼器において、
   前記絞り部は絞り孔を有する絞り部材であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
9. 請求項８記載のガスタービン燃焼器において、
   前記絞り部材は入口側に空気流通方向下流側に向かって狭まるテーパ部を有していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
10. 請求項８記載のガスタービン燃焼器において、
    前記絞り部材は出口側に空気流通方向下流側に向かって拡開する逆テーパ部を有していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
11. 請求項８記載のガスタービン燃焼器において、
    前記絞り部材の絞り孔には切れ込みが入っていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
12. 請求項１１記載のガスタービン燃焼器において、
    前記切れ込みはＶ字状の切れ込みであることを特徴とするガスタービン燃焼器。
13. 請求項８記載のガスタービン燃焼器において、
    前記絞り孔は孔中心が前記空気流路の中心軸より流路径方向外側に位置するように設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
14. 請求項１記載のガスタービン燃焼器において、
    更に、前記燃料ノズルの側面の周方向にリブを設けることを特徴とするガスタービン燃焼器。
15. 請求項１記載のガスタービン燃焼器において、
    更に、前記空気流路の入口にはテーパ部が設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。

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