JP2013177988A - Gas turbine combustor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable gas turbine combustor that can maintain combustion stability, while preventing soot discharge of the gas turbine combustor, even when liquid fuel is used.SOLUTION: A flow path 26 formed by a protrusion 25, whose cross-sectional area has a minimum value, is provided on a combustion chamber 6 side of a liquid fuel nozzle 12 disposed in the center of a diffusion combustion burner 10, and an air hole for introducing air for combustion to the periphery of the liquid fuel nozzle 12 is provided. An air hole for introducing air for combustion is further provided to the protrusion 25.

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器、特に、バーナを複数個配置したマルチバーナ形式のガスタービン燃焼器の煤塵発生量を低減できる液体燃料および気体燃料の両方に対応したデュアル燃料焚きガスタービン燃焼器に関する。   The present invention relates to a gas turbine combustor, and more particularly to a dual fuel-fired gas turbine combustor compatible with both liquid fuel and gas fuel that can reduce dust generation in a multi-burner type gas turbine combustor having a plurality of burners. .

近年の発電事業では電力需要の逼迫により、燃料の供給が比較的容易な液体燃料など多様な燃料を使用するニーズが増えており、液体燃料用燃焼器を適用するガスタービン発電設備が望まれている。   In the power generation business in recent years, the need to use various fuels such as liquid fuel, which is relatively easy to supply fuel, has been increasing due to tight power demand, and gas turbine power generation equipment that uses a liquid fuel combustor is desired. Yes.

地球環境保護の観点からガスタービン燃焼器の排ガスに対するNOx、煤塵等の環境規制は厳しさを増している。環境規制を満たす一手段として、液体燃料を空気と予め混合してから燃焼する予蒸発予混合燃焼方式がある。その一例として、特許文献1には、中空円錐状の混合室を持つ拡散燃焼バーナを中央に配置し、その外周に燃料と燃焼用空気を混合する円筒状の混合室を備えた複数の予混合燃焼バーナを配置するガスタービン燃焼器が開示されている。   From the viewpoint of protecting the global environment, environmental regulations such as NOx and dust on exhaust gas from gas turbine combustors are becoming stricter. As a means for satisfying environmental regulations, there is a pre-evaporation premix combustion method in which liquid fuel is premixed with air and then burned. As an example, Patent Document 1 discloses a plurality of premixing units in which a diffusion combustion burner having a hollow conical mixing chamber is arranged in the center and a cylindrical mixing chamber for mixing fuel and combustion air is provided on the outer periphery thereof. A gas turbine combustor with a combustion burner is disclosed.

前記拡散燃焼バーナには燃焼用空気に旋回を与える空気孔が配設され、高温の燃焼ガスを外周方向に広げることで予混合燃焼バーナの着火源として作用させ、予混合燃焼バーナの燃焼安定性を向上させている。   The diffusion combustion burner is provided with air holes that swirl the combustion air, and causes high-temperature combustion gas to spread in the outer peripheral direction to act as an ignition source for the premix combustion burner, thereby stabilizing the combustion of the premix combustion burner. Improves sex.

前記予混合燃焼バーナは、略軸中心に液体燃料ノズルを配置し、液体燃料ノズルの下流側に混合室を設け、その混合室壁に複数列の円筒状の空気孔を設けた構造である。前記液体燃料ノズルから噴射される液体燃料は、混合室内で蒸発して空気と混合することで予蒸発予混合燃焼し、NOxおよび煤塵排出量の低減を実現できる。   The premixed combustion burner has a structure in which a liquid fuel nozzle is disposed substantially at the center of the axis, a mixing chamber is provided on the downstream side of the liquid fuel nozzle, and a plurality of rows of cylindrical air holes are provided on the mixing chamber wall. The liquid fuel injected from the liquid fuel nozzle evaporates in the mixing chamber and mixes with air, thereby pre-evaporating premixed combustion, thereby realizing reduction of NOx and dust emission.

特開2010−236739号公報JP 2010-236739 A

マルチバーナ形式のガスタービン燃焼器では、燃料供給量が少ないガスタービンの起動・昇速や低負荷条件では燃料を供給するバーナを限定し、定格に近い負荷条件で全てのバーナに燃料を供給する運用が行われる。特に燃料流量が少ない低負荷条件では拡散燃焼バーナにのみ燃料を供給することで、燃焼ガスの平均温度が低くても燃焼安定性を確保している。しかし、燃料流量が少ない条件や、液体燃料ノズルの微粒化特性の悪い条件では、燃焼の反応速度が低下し、燃焼に要する時間が長くなる。また、液体燃料噴霧角が狭い場合、燃焼用空気の流れに液体燃料が巻き込まれず、液体燃料の液滴の周囲に燃焼に必要な酸素が供給されず、燃焼反応の進行が遅くなる可能性がある。さらに、予混合燃焼バーナに燃料を供給しないときは、予混合燃焼バーナから噴出する燃料用空気により拡散燃焼バーナの燃焼ガスが冷却され、燃焼反応が緩慢になりやすい。これらは煤塵発生の要因となることから、特に低負荷条件での煤塵低減技術が求められている。   In the multi-burner type gas turbine combustor, the fuel supply amount is limited for gas turbines with low fuel supply start-up / acceleration and low load conditions, and fuel is supplied to all burners under load conditions close to the rating. Operation is performed. In particular, under low load conditions where the fuel flow rate is low, fuel is supplied only to the diffusion combustion burner to ensure combustion stability even when the average temperature of the combustion gas is low. However, under conditions where the fuel flow rate is low or conditions where the atomization characteristics of the liquid fuel nozzle are poor, the reaction rate of combustion decreases and the time required for combustion increases. In addition, when the liquid fuel spray angle is narrow, the liquid fuel is not involved in the flow of combustion air, oxygen necessary for combustion is not supplied around the liquid fuel droplets, and the progress of the combustion reaction may be delayed. is there. Further, when the fuel is not supplied to the premixed combustion burner, the combustion gas of the diffusion combustion burner is cooled by the fuel air ejected from the premixed combustion burner, and the combustion reaction tends to become slow. Since these cause dust generation, there is a demand for dust reduction technology particularly under low load conditions.

本発明の目的は、ガスタービン燃焼器の燃焼安定性を維持しつつ、煤塵の放出量を低減可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a highly reliable gas turbine combustor capable of reducing the amount of released dust while maintaining the combustion stability of the gas turbine combustor.

上記課題を解決するために、本発明は、液体燃料を混合室に噴出する液体燃料ノズルと、前記混合室を内側に形成する円錐プレートと、前記混合室から流入する燃料を燃焼させる燃焼室と、前記円錐プレートに設けられた複数の空気孔と、前記液体燃料ノズルの周囲に燃焼用空気を噴出する空気孔と、前記円錐プレートに形成された突起部と、該突起部によって形成される断面積が極小値を持つ流路とを有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a liquid fuel nozzle that ejects liquid fuel into a mixing chamber, a conical plate that forms the mixing chamber inside, a combustion chamber that burns fuel flowing from the mixing chamber, A plurality of air holes provided in the conical plate, an air hole for injecting combustion air around the liquid fuel nozzle, a protrusion formed in the conical plate, and a cut formed by the protrusion. And a channel having a local minimum value.

本発明によれば、ガスタービン燃焼器の燃焼安定性を維持しつつ、煤塵の放出量を低減可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the highly reliable gas turbine combustor which can reduce the discharge | emission amount of soot can be provided, maintaining the combustion stability of a gas turbine combustor.

本発明に関わる実施例1におけるガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナ構造を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the diffusion combustion burner structure of the gas turbine combustor in Example 1 in connection with this invention (Example 1). 本発明に関わる実施例1におけるガスタービン燃焼器の構成を示す断面図及びガスタービン発電プラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which shows the structure of the gas turbine combustor in Example 1 in connection with this invention, and the schematic block diagram which shows schematically the whole structure of a gas turbine power plant. 本発明に関わる実施例2におけるガスタービン燃焼器の構成を示す断面図及びガスタービン発電プラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。It is sectional drawing which shows the structure of the gas turbine combustor in Example 2 in connection with this invention, and the schematic block diagram which shows schematically the whole structure of a gas turbine power plant. 本発明に関わるガスタービン燃焼器の実施例2の拡散燃焼バーナ近傍の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the diffusion combustion burner vicinity of Example 2 of the gas turbine combustor concerning this invention.

以下、本発明を用いた液体燃料を燃料として使用するガスタービン燃焼器の実施例について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of a gas turbine combustor using liquid fuel as a fuel according to the present invention will be described with reference to the drawings.

なお、以下に示す本発明の実施例は、拡散燃焼バーナの中心に配置した液体燃料ノズル先端の燃焼室側に流路断面積をその上流より縮小するための突起部を有し、前記突起部に燃焼用空気を導入するための空気孔を備えている。そして、本発明の実施例によれば、燃焼器ガスタービン燃焼器から排出される未燃分、特に液体燃料を燃料とする場合の煤塵の排出量を低減するガスタービン燃焼器を提供できる。   The embodiment of the present invention described below has a protrusion for reducing the cross-sectional area of the flow channel from the upstream side on the combustion chamber side at the tip of the liquid fuel nozzle disposed at the center of the diffusion combustion burner. Are provided with air holes for introducing combustion air. And according to the Example of this invention, the gas turbine combustor which reduces the discharge | emission amount of the unburned part discharged | emitted from a combustor gas turbine combustor, especially when using liquid fuel as a fuel can be provided.

本発明の実施形態の一例である液体燃料を使用できるガスタービン燃焼器について図1および図2により説明する。図2は、ガスタービン燃焼器の構成を断面図で示すと共に、ガスタービン燃焼器を備えるガスタービンシステムの構成図である。図2により本実施例のガスタービンシステムの概略構成を説明する。   A gas turbine combustor that can use liquid fuel as an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 2 is a cross-sectional view of the configuration of the gas turbine combustor and a configuration diagram of a gas turbine system including the gas turbine combustor. The schematic configuration of the gas turbine system of this embodiment will be described with reference to FIG.

本実施例に示すガスタービンシステムは、液体燃料をガスタービンの燃料とするガスタービン発電プラントの一部である。ガスタービン発電プラントは主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気300を生成する圧縮機1と、この圧縮機1から導入される燃焼用空気300と燃料とを混合して燃焼ガス400を生成するガスタービン燃焼器3と、燃焼ガス400を供給するタービン2と、このタービン2の回転によって駆動され発電を行う発電機4とを備えている。   The gas turbine system shown in this embodiment is a part of a gas turbine power plant that uses liquid fuel as fuel for the gas turbine. The gas turbine power plant mainly generates a combustion gas 400 by mixing the compressor 1 that compresses air to generate high-pressure combustion air 300, and the combustion air 300 introduced from the compressor 1 and fuel. A gas turbine combustor 3 that supplies the combustion gas 400, and a generator 4 that is driven by the rotation of the turbine 2 to generate electric power.

上記のガスタービン燃焼器3は、燃料として液体燃料100が供給可能であり、液体燃料100を微粒化して噴射するために噴霧空気350を供給できる構成となっている。噴霧空気350は圧縮機1から抽気して熱交換器30で冷却した後、噴霧空気圧縮機31で昇圧され液体燃料ノズル12に供給される。ガスタービン燃焼器3では液体燃料100と圧縮機1から供給される燃焼用空気300とを混合して、内筒7に形成される燃焼室6で燃焼させ高温の燃焼ガス400を生成させる。前記内筒7を内部に収容した外筒5と、この外筒5の端部を覆う閉止板9と、前記内筒7の下流側に接続して生成した高温の燃焼ガス400をタービン2に導くトランジションピース8とで密閉した圧力容器を構成している。   The gas turbine combustor 3 can supply the liquid fuel 100 as fuel, and can supply the atomized air 350 to atomize and inject the liquid fuel 100. The atomized air 350 is extracted from the compressor 1, cooled by the heat exchanger 30, then pressurized by the atomizing air compressor 31 and supplied to the liquid fuel nozzle 12. In the gas turbine combustor 3, the liquid fuel 100 and the combustion air 300 supplied from the compressor 1 are mixed and burned in the combustion chamber 6 formed in the inner cylinder 7 to generate a high-temperature combustion gas 400. An outer cylinder 5 that houses the inner cylinder 7, a closing plate 9 that covers an end of the outer cylinder 5, and a high-temperature combustion gas 400 that is generated by connecting to the downstream side of the inner cylinder 7 are supplied to the turbine 2. A sealed pressure vessel is constituted by the guiding transition piece 8.

前記ガスタービン燃焼器3に備えられた内筒7の上流側の軸中心位置には、燃焼安定性の良い拡散燃焼バーナ10が設置され、その周囲には予混合燃焼バーナ11が複数個配置される。予混合燃焼バーナ11の外周側には、拡散燃焼バーナ10と予混合燃焼バーナ11を囲鐃するバーナカバー21が配置され、バーナカバー21の下流端には拡散燃焼バーナ10と予混合燃焼バーナ11を支持するためのプレート19がバーナカバー21と一体となって配置されている。   A diffusion combustion burner 10 with good combustion stability is installed at the axial center position upstream of the inner cylinder 7 provided in the gas turbine combustor 3, and a plurality of premixed combustion burners 11 are arranged around it. The A diffusion burner 10 and a burner cover 21 surrounding the premixed combustion burner 11 are disposed on the outer peripheral side of the premixed combustion burner 11, and the diffusion combustion burner 10 and the premixed combustion burner 11 are disposed at the downstream end of the burner cover 21. Is disposed integrally with the burner cover 21.

ガスタービン燃焼器3に備えられた予混合燃焼バーナ11には、予混合燃焼バーナ11の上流側軸中心位置に液体燃料100を供給するための液体燃料ノズル13が設置される。液体燃料ノズル13から噴射された液体燃料100は、混合室11a内で予混合燃焼バーナ11の壁面に設けられた複数の空気孔16から流入する燃焼用空気300と混合しながら燃焼室6へ噴出する。液体燃料100の蒸発・混合が混合室11aで促進されるため、未燃分が少ない燃焼が可能となる。   The premix combustion burner 11 provided in the gas turbine combustor 3 is provided with a liquid fuel nozzle 13 for supplying the liquid fuel 100 to the upstream axial center position of the premix combustion burner 11. The liquid fuel 100 injected from the liquid fuel nozzle 13 is jetted into the combustion chamber 6 while being mixed with the combustion air 300 flowing in from the plurality of air holes 16 provided in the wall surface of the premixed combustion burner 11 in the mixing chamber 11a. To do. Since evaporation / mixing of the liquid fuel 100 is promoted in the mixing chamber 11a, combustion with less unburned content becomes possible.

拡散燃焼バーナ10は、内側に混合室10aを形成する中空円錐形状の円錐プレート10bが設置された構造であり、この円錐プレート10bの壁面には燃焼用空気300を混合室10aに噴出するための複数個の空気孔15が配設されている。前記拡散燃焼バーナ10の軸中心位置には、拡散燃焼用の液体燃料100を噴射する液体燃料ノズル12が配置されており、中心から液体燃料100が噴射され、その周囲から噴霧空気350が供給されることで燃料が微粒化される。液体燃料100は燃焼用空気300と混合室10aで混合しながら燃焼室6へ流入して燃焼し、高温の燃焼ガス400となりタービン2を駆動する。   The diffusion combustion burner 10 has a structure in which a conical plate 10b having a hollow conical shape forming a mixing chamber 10a is installed on the inner side, and the combustion air 300 is ejected to the mixing chamber 10a on the wall surface of the conical plate 10b. A plurality of air holes 15 are provided. A liquid fuel nozzle 12 for injecting the liquid fuel 100 for diffusion combustion is disposed at the axial center position of the diffusion combustion burner 10. The liquid fuel 100 is injected from the center, and the spray air 350 is supplied from the periphery thereof. As a result, the fuel is atomized. The liquid fuel 100 flows into the combustion chamber 6 while being mixed with the combustion air 300 in the mixing chamber 10 a and burns to become a high-temperature combustion gas 400 to drive the turbine 2.

次に、本発明のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンシステムの燃料供給系統および運転方法を説明する。   Next, the fuel supply system and operation method of the gas turbine system provided with the gas turbine combustor of the present invention will be described.

液体燃料タンク110に貯蔵された液体燃料100は加圧ポンプ101で昇圧され、液体燃料供給系統120と液体燃料供給系統121から閉止板9を介し拡散燃焼バーナ10および予混合燃焼バーナ11に供給される。燃料流量は、ガスタービンの負荷に応じて制御する構成となっており、ガスタービンを起動から昇速させて低負荷条件で運転する場合には液体燃料100を拡散燃焼バーナ10のみに供給して単独で運転させる。ガスタービンの高負荷条件では燃料流量が増加するため、拡散燃焼バーナ10に加えて、予混合燃焼バーナ11にも液体燃料100を供給する。拡散燃焼と予混合燃焼の燃料流量の比率は、低NOxと安定燃焼の両立を図るように制御する。   The liquid fuel 100 stored in the liquid fuel tank 110 is pressurized by a pressurizing pump 101 and supplied from the liquid fuel supply system 120 and the liquid fuel supply system 121 to the diffusion combustion burner 10 and the premixed combustion burner 11 through the closing plate 9. The The fuel flow rate is controlled according to the load of the gas turbine. When the gas turbine is accelerated from the start-up and operated under a low load condition, the liquid fuel 100 is supplied only to the diffusion combustion burner 10. Drive alone. Since the fuel flow rate increases under high load conditions of the gas turbine, the liquid fuel 100 is supplied to the premixed combustion burner 11 in addition to the diffusion combustion burner 10. The ratio of the fuel flow rate between diffusion combustion and premixed combustion is controlled so as to achieve both low NOx and stable combustion.

上記の構成を持つガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナの構造を図1で説明する。
拡散燃焼バーナ10の軸中心位置には液体燃料100を噴霧空気350で微粒化して燃焼室6へ噴射するための二流体噴霧方式の液体燃料ノズル12が配置されている。液体燃料ノズル12の周囲に設置した中空円錐形状の円錐プレート10bには空気孔15a、15b、15cおよび15dがそれぞれ周方向に複数個配設されている。各空気孔から供給された燃焼用空気300は液体燃料ノズル12から噴射された液体燃料100と混合して混合気50となり、燃焼室6で燃焼する。
The structure of the diffusion combustion burner of the gas turbine combustor having the above configuration will be described with reference to FIG.
A two-fluid spray type liquid fuel nozzle 12 for atomizing the liquid fuel 100 with the atomizing air 350 and injecting it into the combustion chamber 6 is disposed at the axial center position of the diffusion combustion burner 10. A plurality of air holes 15 a, 15 b, 15 c, and 15 d are arranged in the circumferential direction in a hollow conical conical plate 10 b installed around the liquid fuel nozzle 12. Combustion air 300 supplied from each air hole is mixed with the liquid fuel 100 injected from the liquid fuel nozzle 12 to become an air-fuel mixture 50 and combusts in the combustion chamber 6.

液体燃料ノズル12の先端周囲には、空気孔15aが円周方向に傾斜して配設されている。液体燃料ノズル12の下流位置には円錐プレート10bと一体となった突起部25が設けられ、その中心に流路断面積が極小値を持つ流路26が形成されている。突起部25には流路26へ燃焼用空気300を供給するための空気孔15bが配設され、空気孔15bには周方向および軸方向に傾斜が与えられている。流路26の出口は円錐プレート10bに開口されており、流路26を抜けると断面積が急拡大する形状となっている。燃焼室6に面した円錐プレート10bには周方向および軸方向に傾斜した空気孔15c、15dが配設されている。   Around the tip of the liquid fuel nozzle 12, air holes 15 a are disposed so as to be inclined in the circumferential direction. A protrusion 25 integrated with the conical plate 10b is provided at a downstream position of the liquid fuel nozzle 12, and a flow path 26 having a minimum flow cross-sectional area is formed at the center thereof. The protrusion 25 is provided with an air hole 15b for supplying the combustion air 300 to the flow path 26, and the air hole 15b is inclined in the circumferential direction and the axial direction. The outlet of the flow path 26 is opened to the conical plate 10b, and the cross-sectional area rapidly expands after passing through the flow path 26. The conical plate 10b facing the combustion chamber 6 is provided with air holes 15c and 15d inclined in the circumferential direction and the axial direction.

上記の構造を持つ拡散燃焼バーナ10近傍の流れとそれによる効果を説明する。
液体燃料ノズル12から噴出する液体燃料100及び噴霧空気350は各空気孔から供給される燃焼用空気300と共に流路26及び混合室10aを通り燃焼室6へ供給され燃焼ガス400となる。
The flow in the vicinity of the diffusion combustion burner 10 having the above structure and the effects thereof will be described.
The liquid fuel 100 and the atomized air 350 ejected from the liquid fuel nozzle 12 are supplied to the combustion chamber 6 through the flow path 26 and the mixing chamber 10a together with the combustion air 300 supplied from the air holes to become the combustion gas 400.

本実施例の拡散燃焼バーナ10では、円錐プレート10bに突起部25を設け、液体燃料ノズル12と混合室10aとの間に、断面積が極小値を持つ流路26を形成している。流路26には液体燃料ノズル12の下流に生じる後流渦や突起部25入口での燃焼用空気300の収縮による剥離渦などの細かい乱れ構造を含んで流下する流れが形成される。混合室10aに噴出する液体燃料100と燃焼用空気300の混合気50は、流路26の狭い空間で限定されていた渦が大きく拡大して崩壊するにつれて、急速に混合される。   In the diffusion combustion burner 10 of the present embodiment, a projection 25 is provided on the conical plate 10b, and a flow path 26 having a minimum cross-sectional area is formed between the liquid fuel nozzle 12 and the mixing chamber 10a. In the flow path 26, a flow that flows down including fine turbulence structures such as a wake vortex generated downstream of the liquid fuel nozzle 12 and a separation vortex caused by contraction of the combustion air 300 at the inlet of the protrusion 25 is formed. The mixture 50 of the liquid fuel 100 and the combustion air 300 ejected into the mixing chamber 10a is rapidly mixed as the vortex limited in the narrow space of the flow path 26 expands and collapses.

さらに、円周方向に傾斜した空気孔15aから供給された燃焼用空気300は、液体燃料ノズル12近傍で旋回流を形成する。流路26では断面積が減少し、液体燃料ノズル12から噴出した液体燃料100と空気孔15aから供給された燃焼用空気300の混合気50の角速度は上昇する。大きな角速度を持った混合気50は流路26下流で壁の拘束がなくなると急速に外周方向に広がり、円錐プレート10bに配設された空気孔15c、15dから流入する燃焼用空気300と衝突する。燃焼用空気300との衝突により、液体燃料100の液滴にせん断力が作用し微粒化が進行する。急拡大で急速混合し、燃焼用空気300によるせん断力の作用で微粒化された液体燃料100の液滴群内部に空気孔15c、15dから流入する燃焼用空気300が拡散するため、酸化反応が進行して燃え残りである煤塵の発生量を低減できる。   Further, the combustion air 300 supplied from the air holes 15 a inclined in the circumferential direction forms a swirling flow in the vicinity of the liquid fuel nozzle 12. In the flow path 26, the cross-sectional area decreases, and the angular velocity of the mixture 50 of the liquid fuel 100 ejected from the liquid fuel nozzle 12 and the combustion air 300 supplied from the air holes 15a increases. The air-fuel mixture 50 having a large angular velocity spreads rapidly in the outer circumferential direction when the wall is no longer restrained downstream of the flow path 26, and collides with the combustion air 300 flowing in from the air holes 15c and 15d provided in the conical plate 10b. . Due to the collision with the combustion air 300, a shearing force acts on the droplets of the liquid fuel 100 and atomization proceeds. The combustion air 300 flowing from the air holes 15c and 15d diffuses inside the droplet group of the liquid fuel 100 that is rapidly mixed by rapid expansion and atomized by the action of the shearing force by the combustion air 300, so that the oxidation reaction occurs. It is possible to reduce the generation amount of soot that is unburned.

突起部25が形成されていることによるもう一つの効果として、液体燃料ノズル12と燃焼室6に形成される火炎との輻射伝熱量の減少による液体燃料ノズル12の温度上昇防止がある。熱分解による液体燃料ノズル12内でのコークス生成を予防できるため、燃料供給系統の閉塞のリスクを低減した信頼性の高い燃焼器が提供できる。   Another effect of the formation of the protrusion 25 is prevention of a temperature rise of the liquid fuel nozzle 12 due to a decrease in the amount of radiant heat transfer between the liquid fuel nozzle 12 and the flame formed in the combustion chamber 6. Since coke generation in the liquid fuel nozzle 12 due to thermal decomposition can be prevented, a highly reliable combustor with reduced risk of blockage of the fuel supply system can be provided.

突起部25が形成されていることによるさらにもう一つの効果として、流路断面積が極小となる流路26内の流速を上昇させて周囲より圧力が低い領域を作るエジェクタ効果を生じさせ、空気孔15aおよび15bから流入する燃焼用空気300を増加させることがある。流路26に液体燃料ノズル12から液体燃料100および噴霧空気350が高速で噴出することで、液体燃料100の周囲に供給される燃焼用空気300を増加させることができる。液体燃料100の蒸発・混合が促進されるとともに、燃空比が低下して火炎温度の上昇箇所を少なくできるため、NOx排出量を低減できる。   As another effect due to the formation of the protrusion 25, an ejector effect that creates a region where the pressure is lower than the surroundings by increasing the flow velocity in the flow channel 26 where the flow channel cross-sectional area is minimized is generated. The combustion air 300 flowing in from the holes 15a and 15b may be increased. The liquid fuel 100 and the atomized air 350 are ejected from the liquid fuel nozzle 12 into the flow path 26 at a high speed, so that the combustion air 300 supplied around the liquid fuel 100 can be increased. Evaporation / mixing of the liquid fuel 100 is promoted, and the fuel-air ratio is lowered, so that the number of points where the flame temperature rises can be reduced. Therefore, the NOx emission amount can be reduced.

次に、空気孔15bが突起部25に設けられていることによる効果を説明する。空気孔15bを突起部25に設けることにより、燃焼用空気300が突起部25の表面を覆うように流入するため、流路26への液体燃料100の付着およびコークスの析出を防止できる。なお、空気孔15bを軸方向、円周方向に傾けることで、流路26への液体燃料100の付着およびコークスの析出防止効果は更に向上する。また、液体燃料100や噴霧空気350の流量増加に伴いエジェクタ効果も増大するため、空気孔15bから流入する燃焼用空気300の流量も増加する。これにより、突起部25の表面を覆う燃焼用空気300も増加するため、壁面に燃料が付着することによるコークスの生成を防止する効果も大きくなり、流路26の断面積減少や閉塞による燃焼安定性の低下に起因したガスタービン燃焼器の信頼性低下を防止できる。   Next, the effect by providing the air hole 15b in the projection part 25 is demonstrated. By providing the air hole 15b in the protrusion 25, the combustion air 300 flows in so as to cover the surface of the protrusion 25, so that the liquid fuel 100 can be prevented from adhering to the flow path 26 and coke deposition. Note that, by inclining the air holes 15b in the axial direction and the circumferential direction, the effect of preventing the liquid fuel 100 from adhering to the flow path 26 and coke deposition is further improved. Further, since the ejector effect increases with the increase in the flow rate of the liquid fuel 100 and the spray air 350, the flow rate of the combustion air 300 flowing from the air holes 15b also increases. As a result, the combustion air 300 covering the surface of the protrusion 25 also increases, so that the effect of preventing the generation of coke due to the fuel adhering to the wall surface is increased, and the combustion stability due to the reduction in the cross-sectional area of the flow path 26 and the blockage. Therefore, it is possible to prevent the reliability of the gas turbine combustor from being lowered due to the deterioration of the performance.

なお、本実施例では、液体燃料100の噴射で液体燃料ノズル12の下流に形成されるコーン形状の噴霧軌跡が流路26の内面に衝突せず、かつ流路26から最も離れた位置に液体燃料ノズル12の先端が配置されている。高速で噴射される液体燃料100の運動量を燃焼用空気300に伝達することで、流路26を通過する燃焼用空気300の流速を上げてエジェクタ効果を得る。運動量の伝達が充分でない場合はエジェクタ効果が低下するため、液体燃料ノズル12を流路26から離して設置することで運動量伝達の時間を長くし、流路26での燃焼用空気300の平均流速を上げ、エジェクタ効果を増加する。これにより液体燃料100の蒸発・混合時間も長くなり、促進されるため、局所的な火炎温度の上昇箇所を少なくできNOx排出量を低減できる。   In the present embodiment, the cone-shaped spray trajectory formed downstream of the liquid fuel nozzle 12 by the injection of the liquid fuel 100 does not collide with the inner surface of the flow path 26 and the liquid is located farthest from the flow path 26. The tip of the fuel nozzle 12 is disposed. By transmitting the momentum of the liquid fuel 100 injected at high speed to the combustion air 300, the flow velocity of the combustion air 300 passing through the flow path 26 is increased, and an ejector effect is obtained. When the momentum is not sufficiently transmitted, the ejector effect is reduced, so that the liquid fuel nozzle 12 is placed away from the flow path 26 to lengthen the momentum transmission time, and the average flow velocity of the combustion air 300 in the flow path 26. Increases the ejector effect. As a result, the evaporation / mixing time of the liquid fuel 100 is lengthened and promoted, so that the number of local rises in the flame temperature can be reduced and the NOx emission amount can be reduced.

以上のように、本実施例の構成では、液体燃料の微粒化および液体燃料と燃焼用空気との混合が促進されるため煤塵のような大気汚染物質の発生量を低減できる。また、突起部25の表面へのコークス生成を防止できるため、信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供できる。さらに、液体燃料ノズルの先端やその上流でコークスが生成して燃料が供給不能となる可能性を低減し、信頼性が高い燃焼器を提供できる。   As described above, in the configuration of the present embodiment, atomization of liquid fuel and mixing of liquid fuel and combustion air are promoted, so that the amount of air pollutants such as dust can be reduced. Moreover, since coke production | generation to the surface of the protrusion part 25 can be prevented, a reliable gas turbine combustor can be provided. Furthermore, it is possible to provide a highly reliable combustor by reducing the possibility that coke is generated at the tip of the liquid fuel nozzle or upstream thereof and fuel cannot be supplied.

液体燃料の流量が増加するほど液体燃料の周囲に流入する燃焼用空気の流量が増加傾向になるため燃焼温度が低下傾向となり、燃料の予蒸発を促進することで局所の燃焼温度を低下しNOx排出量の増加を抑制できる。   As the flow rate of the liquid fuel increases, the flow rate of the combustion air flowing around the liquid fuel tends to increase, so the combustion temperature tends to decrease, and by promoting the pre-evaporation of the fuel, the local combustion temperature decreases and NOx Increase in emissions can be suppressed.

なお、本実施例では噴霧空気を用いる二流体噴霧方式の液体燃料ノズルを用いて説明したが、渦巻噴射弁方式のような一流体ノズルを用いても効果が期待できる。   In the present embodiment, the description has been given using the two-fluid spray type liquid fuel nozzle using the spray air, but the effect can be expected even if a single fluid nozzle such as a spiral injection valve type is used.

本発明の実施形態の一例である液体燃料と気体燃料の両方を燃料として使用できるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器について、図3を用いて説明する。本実施例のガスタービン発電プラントは図2に示した構成に加えて、ガスタービン燃焼器3に気体燃料200を供給可能にした構成であり、相違箇所について説明する。   A dual-fuel compatible gas turbine combustor that can use both liquid fuel and gaseous fuel as an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The gas turbine power plant of the present embodiment has a configuration in which the gas fuel 200 can be supplied to the gas turbine combustor 3 in addition to the configuration shown in FIG.

本発明のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンシステムの燃料供給系統は、実施例1に示した液体燃料100を供給するための液体燃料供給系統120、121に加えて、気体燃料200を気体燃料タンク210から供給するための気体燃料供給系統220、221を備えている。それぞれの系統は閉止板9に接続され、拡散燃焼バーナ10および予混合燃焼バーナ11に気体燃料200が供給される。   In addition to the liquid fuel supply systems 120 and 121 for supplying the liquid fuel 100 shown in the first embodiment, the fuel supply system of the gas turbine system including the gas turbine combustor according to the present invention uses the gaseous fuel 200 as the gaseous fuel. Gas fuel supply systems 220 and 221 for supplying from the tank 210 are provided. Each system is connected to a closing plate 9, and gaseous fuel 200 is supplied to the diffusion combustion burner 10 and the premixed combustion burner 11.

拡散燃焼バーナ10および予混合燃焼バーナ11には、気体燃料200を混合室10a、11aへ供給するための気体燃料ノズル14、気体燃料噴孔17が設けられている。気体燃料ノズル14は拡散燃焼バーナ10の円錐プレート10bに設けた空気孔15の上流側に近接した位置に配置されている。気体燃料200は空気孔15内および混合室10aで燃焼用空気300と混合しながら燃焼室6へ供給される。他方の気体燃料噴孔17は、予混合燃焼バーナ11の軸中心に設けた液体燃料ノズル13の下流側の混合室11aに設けられた複数の空気孔16の壁面に設けられている。気体燃料噴孔17から供給された気体燃料200は空気孔16および混合室11a内で燃焼用空気300と混合しながら燃焼室6へ供給される。液体燃料100を供給する場合と同様に、気体燃料200と燃焼用空気300の混合気は燃焼室6で燃焼し、高温の燃焼ガス400となり、タービン2を駆動する。   The diffusion combustion burner 10 and the premixed combustion burner 11 are provided with a gaseous fuel nozzle 14 and a gaseous fuel injection hole 17 for supplying the gaseous fuel 200 to the mixing chambers 10a and 11a. The gaseous fuel nozzle 14 is disposed at a position close to the upstream side of the air hole 15 provided in the conical plate 10 b of the diffusion combustion burner 10. The gaseous fuel 200 is supplied to the combustion chamber 6 while being mixed with the combustion air 300 in the air holes 15 and in the mixing chamber 10a. The other gaseous fuel injection hole 17 is provided on the wall surface of a plurality of air holes 16 provided in the mixing chamber 11 a on the downstream side of the liquid fuel nozzle 13 provided in the axial center of the premixed combustion burner 11. The gaseous fuel 200 supplied from the gaseous fuel injection hole 17 is supplied to the combustion chamber 6 while being mixed with the combustion air 300 in the air hole 16 and the mixing chamber 11a. As in the case of supplying the liquid fuel 100, the mixture of the gaseous fuel 200 and the combustion air 300 is combusted in the combustion chamber 6 to become a high-temperature combustion gas 400 and drives the turbine 2.

上記の構成を持つガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナ近傍の構造を図4で説明する。   The structure in the vicinity of the diffusion combustion burner of the gas turbine combustor having the above configuration will be described with reference to FIG.

実施例1に示したガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナと同様に、拡散燃焼バーナ10の軸中心位置には液体燃料100を燃焼室6へ噴射するための二流体噴霧方式の液体燃料ノズル12を配置しており、その周囲の円錐プレート10bには、空気孔15a、15b、15cおよび15dがそれぞれ周方向に複数個配設される。   Similar to the diffusion combustion burner of the gas turbine combustor shown in the first embodiment, a liquid fuel nozzle 12 of a two-fluid spray system for injecting the liquid fuel 100 into the combustion chamber 6 is provided at the axial center position of the diffusion combustion burner 10. A plurality of air holes 15a, 15b, 15c, and 15d are arranged in the circumferential direction in the surrounding conical plate 10b.

空気孔15aは液体燃料ノズル12の先端周囲に設けられ、燃焼用空気300が液体燃料ノズル12の外周からノズル先端方向へ供給される。液体燃料ノズル12先端の下流位置には円錐状プレート10bと一体となった突起部25が設けられ、その間に形成された流路26へ燃焼用空気300を供給するための空気孔15bが突起部25に配設される。空気孔15bの入口は、円錐プレート10bに設けられた空気孔15cの壁面に配置されており、空気孔15bは空気孔15cと連通するように形成されている。そのため、空気孔15cに流入した燃焼用空気300の一部が、流路26へ供給される。また、空気孔15c、15dの上流側に近接した位置には、空気孔15c、15dに気体燃料200を供給する気体燃料ノズル14が配置されており、燃料ヘッダ18に供給された気体燃料200を空気孔15c、15dを介して混合室10aに供給できるように構成している。   The air holes 15 a are provided around the tip of the liquid fuel nozzle 12, and combustion air 300 is supplied from the outer periphery of the liquid fuel nozzle 12 toward the nozzle tip. A protrusion 25 integrated with the conical plate 10b is provided at a downstream position of the tip of the liquid fuel nozzle 12, and an air hole 15b for supplying the combustion air 300 to the flow path 26 formed therebetween is a protrusion. 25. The inlet of the air hole 15b is disposed on the wall surface of the air hole 15c provided in the conical plate 10b, and the air hole 15b is formed to communicate with the air hole 15c. Therefore, a part of the combustion air 300 that has flowed into the air hole 15 c is supplied to the flow path 26. Further, a gas fuel nozzle 14 for supplying the gaseous fuel 200 to the air holes 15c and 15d is disposed at a position close to the upstream side of the air holes 15c and 15d, and the gaseous fuel 200 supplied to the fuel header 18 is supplied to the gaseous fuel 200. It is configured so that it can be supplied to the mixing chamber 10a through the air holes 15c and 15d.

突起部25の燃焼室6側は曲面形状となっており、燃焼用空気300がコアンダ効果で曲面に沿って外周方向へ広がりながら流出する。流路26から流出する燃焼用空気300は、空気孔15cおよび空気孔15dから流出する気体燃料200と燃焼用空気300との混合気51と衝突して混合室10aで混合し、燃焼室6で高温の燃焼ガス400となる。   The combustion chamber 6 side of the protrusion 25 has a curved surface shape, and the combustion air 300 flows out while spreading in the outer circumferential direction along the curved surface due to the Coanda effect. The combustion air 300 flowing out from the flow path 26 collides with the gas mixture 200 of the gaseous fuel 200 and the combustion air 300 flowing out from the air holes 15c and 15d and mixes in the mixing chamber 10a. A high-temperature combustion gas 400 is obtained.

気体燃料200を使用する場合、気体燃料200が空気孔15c内に供給されるため、エジェクタ効果で空気孔15cへ流入する燃焼用空気が増加する。しかし、気体燃料200の流速が速いと、空気孔15cの燃焼室6側壁面に衝突してそのまま空気孔15c内の壁面に沿って混合室10aへ流出するため、燃焼用空気300との接触面積が狭く、混合しにくい。空気孔15c内に空気孔15bの入口を設けたことで、燃焼用空気300が空気孔15b側にも流れ、気体燃料200も空気孔15b側に引き寄せられ、空気孔15cの燃焼室6側壁面に衝突しにくくなる。気体燃料200が空気孔15cの中心付近を流れることで燃焼用空気300との接触面積が増加し、混合が促進されるため局所の燃焼温度の上昇を防止できNOx排出量の低減が可能となる。   When the gaseous fuel 200 is used, since the gaseous fuel 200 is supplied into the air holes 15c, the combustion air flowing into the air holes 15c increases due to the ejector effect. However, if the flow rate of the gaseous fuel 200 is high, it collides with the side wall surface of the combustion chamber 6 of the air hole 15c and flows out to the mixing chamber 10a along the wall surface in the air hole 15c. Is narrow and difficult to mix. By providing the inlet of the air hole 15b in the air hole 15c, the combustion air 300 flows also to the air hole 15b side, the gaseous fuel 200 is also drawn to the air hole 15b side, and the side wall surface of the combustion chamber 6 of the air hole 15c It becomes difficult to collide with. When the gaseous fuel 200 flows in the vicinity of the center of the air hole 15c, the contact area with the combustion air 300 is increased and mixing is promoted, so that an increase in local combustion temperature can be prevented and NOx emission can be reduced. .

このような構成を持つガスタービン燃焼器で液体燃料100を使用する場合、流路26では液体燃料100の進行方向に対して垂直方向から燃焼用空気300を供給するため、液滴にせん断力が働きやすく、液体燃料100の微粒化を促進できる。同様に、突起部25の下流で進行方向とのなす角度が垂直に近い混合気50と燃焼用空気300が衝突するため、液体燃料100の微粒化を促進できる。これらの効果で燃焼速度の上昇で煤塵の発生量を低減できる。   When the liquid fuel 100 is used in the gas turbine combustor having such a configuration, since the combustion air 300 is supplied from the direction perpendicular to the traveling direction of the liquid fuel 100 in the flow path 26, shear force is applied to the droplets. It is easy to work and can promote atomization of the liquid fuel 100. Similarly, since the air-fuel mixture 50 and the combustion air 300 that collide with the traveling direction on the downstream side of the protrusion 25 are perpendicular to each other, the atomization of the liquid fuel 100 can be promoted. These effects can reduce the generation amount of dust by increasing the combustion speed.

また、突起部25の出口部が曲面となることで、火炎からの熱輻射に起因した円錐プレート10bへの応力集中を防止でき、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保できる。なお、本効果は、実施例1の突起部25の燃焼室側に曲面部を形成した場合にも得ることができる。   Moreover, since the exit part of the projection part 25 becomes a curved surface, the stress concentration to the conical plate 10b resulting from the thermal radiation from a flame can be prevented, and the reliability of a gas turbine combustor can be ensured. This effect can also be obtained when a curved surface portion is formed on the combustion chamber side of the protrusion 25 of the first embodiment.

本実施例の構成では、ガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナに液体燃料が供給される場合、液体燃料の微粒化および液体燃料と燃焼用空気との混合が促進されるため煤塵のような大気汚染物質の発生量を低減できる。また、液体燃料ノズルの先端やその上流でコークスが生成して燃料が供給不能となることを防止でき、信頼性を確保できる。さらに、気体燃料を用いる場合でも気体燃料と燃焼用空気の混合を促進することでNOx排出量の低減ができるガスタービン燃焼器を提供できる。   In the configuration of this embodiment, when liquid fuel is supplied to the diffusion combustion burner of the gas turbine combustor, atomization of the liquid fuel and mixing of the liquid fuel and the combustion air are promoted, so that air pollution such as dust The amount of substances generated can be reduced. Further, it is possible to prevent the coke from being generated due to the tip of the liquid fuel nozzle or upstream thereof, thereby making it impossible to supply fuel, thereby ensuring reliability. Furthermore, even when gaseous fuel is used, it is possible to provide a gas turbine combustor that can reduce NOx emission by promoting mixing of gaseous fuel and combustion air.

なお、ここでは煤塵が発生しやすい液体燃料を拡散燃焼バーナに供給する場合について説明したが、気化しやすい液体燃料については燃料の蒸発により突起における流速がさらに上昇し、突起に供給される燃焼用空気の流量が増加するため、局所の燃焼温度を低下してNOx排出量を低減にも有効である。   Here, the case where liquid fuel that is likely to generate soot is supplied to the diffusion combustion burner has been described. However, for liquid fuel that is easily vaporized, the flow velocity at the protrusion further increases due to evaporation of the fuel, and the combustion fuel supplied to the protrusion Since the air flow rate increases, it is also effective in reducing the local combustion temperature and reducing NOx emissions.

1 圧縮機
2 タービン
3 ガスタービン燃焼器
4 発電機
5 外筒
6 燃焼室
7 内筒
8 トランジションピース
9 閉止板
10 拡散燃焼バーナ
10a、11a 混合室
10b 円錐プレート
11 予混合燃焼バーナ
12、13 液体燃料ノズル
14 気体燃料ノズル
15、15a、15b、15c、16 空気孔
17 気体燃料噴孔
18 燃料ヘッダ
19 プレート
21 バーナカバー
25 突起部
26 流路
27 ディフューザ
30 熱交換器
31 噴霧空気圧縮機
50、51 混合気
100、150 液体燃料
101、151 加圧ポンプ
110 液体燃料タンク
120、121 液体燃料供給系統
210 気体燃料タンク
220、221 気体燃料供給系統
300 燃焼用空気
350 噴霧空気
400 燃焼ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compressor 2 Turbine 3 Gas turbine combustor 4 Generator 5 Outer cylinder 6 Combustion chamber 7 Inner cylinder 8 Transition piece 9 Closure plate 10 Diffusion combustion burner 10a, 11a Mixing chamber 10b Conical plate 11 Premixed combustion burner 12, 13 Liquid fuel Nozzle 14 Gaseous fuel nozzle 15, 15 a, 15 b, 15 c, 16 Air hole 17 Gaseous fuel injection hole 18 Fuel header 19 Plate 21 Burner cover 25 Protrusion 26 Channel 27 Diffuser 30 Heat exchanger 31 Atomizing air compressor 50, 51 Gas 100, 150 Liquid fuel 101, 151 Pressurization pump 110 Liquid fuel tank 120, 121 Liquid fuel supply system 210 Gas fuel tank 220, 221 Gas fuel supply system 300 Combustion air 350 Spray air 400 Combustion gas

Claims (5)

液体燃料を混合室に噴出する液体燃料ノズルと、
前記混合室を内側に形成する円錐プレートと、
前記混合室から流入する燃料を燃焼させる燃焼室と、
前記円錐プレートに設けられた複数の空気孔とを有するガスタービン燃焼器であって、
前記液体燃料ノズルの周囲に燃焼用空気を噴出する空気孔と、
前記円錐プレートに形成された突起部とを有し、
該突起部によって、前記液体燃料ノズルと前記混合室との間に、断面積が極小値を持つ流路が形成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
A liquid fuel nozzle for jetting liquid fuel into the mixing chamber;
A conical plate forming the mixing chamber on the inside;
A combustion chamber for burning fuel flowing in from the mixing chamber;
A gas turbine combustor having a plurality of air holes provided in the conical plate,
An air hole for injecting combustion air around the liquid fuel nozzle;
A protrusion formed on the conical plate,
A gas turbine combustor characterized in that a flow path having a minimum cross-sectional area is formed between the liquid fuel nozzle and the mixing chamber by the protrusion.
請求項1に記載のガスタービン燃焼器であって、
燃焼用空気を導入するための空気孔が、前記突起部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。
A gas turbine combustor according to claim 1,
A gas turbine combustor, wherein an air hole for introducing combustion air is provided in the protrusion.
請求項2に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記円錐プレートに設けられた空気孔に気体燃料を供給する気体燃料ノズルを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
A gas turbine combustor according to claim 2,
A gas turbine combustor comprising a gaseous fuel nozzle for supplying gaseous fuel to an air hole provided in the conical plate.
請求項3に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記突起部に設けられた空気孔が、
前記円錐プレートに設けられた空気孔と連通するように形成されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
A gas turbine combustor according to claim 3,
Air holes provided in the protrusions are
A gas turbine combustor formed so as to communicate with an air hole provided in the conical plate.
請求項1〜4の何れかに記載のガスタービン燃焼器であって、
前記突起部が燃焼室側に曲面部を持つことを特徴とするガスタービン燃焼器。
A gas turbine combustor according to any one of claims 1 to 4,
The gas turbine combustor, wherein the protrusion has a curved surface on the combustion chamber side.
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