JP2020085270A - ガスタービン燃焼器およびガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料の噴孔近傍に形成される液柱を速やかに液滴に変換できるとともに、燃焼負荷の変化に伴う液体燃料の到達距離の変動を抑制できるガスタービン燃焼器とガスタービンを提供する。【解決手段】液体燃料８と空気７とを予め混合させる予混合部３４を有するガスタービン燃焼器３において、予混合部３４を流れる空気流３５に対し交差するように液体燃料８を供給する液体燃料噴出孔３０，４２，６１と、液体燃料噴出孔３０，４２，６１から噴出される液体燃料８に向けて流体を噴出して、流体を液体燃料８に衝突させるよう構成された流体噴出孔５０，５５，６２とを備え、流体噴出孔５０，５５，６２の噴出部における流路断面積が、液体燃料噴出孔３０，４２，６１の噴出部における流路断面積に比べて小さいことを特徴とする。【選択図】図２ｂ

Description

本発明は、液体燃料を使用するガスタービン燃焼器およびガスタービンに関するもので，特に液体燃料を空気中に噴出し、予め混合して燃焼するガスタービン燃焼器の構造に関する。

ガスタービン燃焼器やガスタービンでは多種の燃料に対応できる、いわゆる燃料の多様化と燃焼排ガス中の未燃焼分や窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減という、高い環境性能の両立が求められる。

燃料の多様化に対して一部のガスタービンは、燃料の供給状況に応じて天然ガスに代表される燃料ガスの他に軽油やＡ重油等の液体燃料を使用する、いわゆるデュアルフューエル燃焼器を使用する。デュアルフューエル燃焼器は気体燃料と液体燃料の一方の燃料の供給が滞っても他方の燃料を使用して運転できる。

高い環境性能に対して、燃焼により排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）や一酸化窒素（ＣＯ）、煤塵の低減が求められる。このうち、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減に対し、ガスタービン燃焼器では空気中の窒素が高温で酸化されて生じるサーマルＮＯｘの低減が重要視される。サーマルＮＯｘの低減は、燃料に過剰な空気を予め混合させたうえで燃焼させる希薄予混合燃焼方式の適用が有効である。希薄予混合燃焼方式は、燃料の完全燃焼に必要な空気量より多く空気を供給し、燃料と空気を燃焼前に均一に混合したうえで燃焼することで、燃焼温度を均一に低温とする。燃焼時に局所的に高温場を生成しないので、サーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。

液体燃料を使用する際も、上記の希薄予混合燃焼方式の適用がＮＯｘの低減に望ましい。液体燃料の場合、燃焼前に液体燃料を液滴として空気を混合し、液体燃料の成分を予め気化することが望ましい。液体燃料の液滴の分散と微粒化が重要である。

液体燃料と空気の希薄予混合気を得るには、両者の混合距離を長くする方法があるが、この場合、燃焼器の大型化や、火炎が予混合部に侵入するいわゆる逆火が生じやすくなる。このため、短い混合距離で空気と均一に混合する技術が求められる。

液体燃料を空気中に分散し、微粒化する噴霧方法の一つに空気の流れに対し液体燃料を交差させるように吹き込む方法がある（特許文献１）。この方法は高速の空気流により、液体燃料との境界面に働くせん断力により液体燃料を微粒化し、空気の乱れにより液滴を分散させる。また、複数の噴孔から液体燃料を吹き込むことで液体燃料を空気中に分散させる方法もある（特許文献２）。

特開平６−２４１４５８号公報 特開２０１５−６８５３８号公報

空気の流れに対し液体燃料を交差させるように吹き込む方法は液体燃料が噴孔から出た直後での形態から液柱式気流微粒化、または、流体を交差させることからクロスフロー微粒化と一般に呼ばれる。この方法は空気の密度と流路での流速から求まる空気の運動量と、液体燃料の密度と噴孔から噴出する際の流速から求まる液体燃料の運動量、液体燃料の空気流に対する噴射角度等の諸元により液体燃料の到達距離が決まる。液体燃料は噴孔近くでは液柱形状なり、その表面が空気とのせん断力により液滴状に分離することで微粒化が進む。このとき液体を同一重量で比較すると、液柱形状に比べ、液滴形状となることで空気との接触面積が大きくなるので、以下の効果が得られる。

１）空気流との流速差による抵抗を受け、空気流に追随しやすい。このため、液体燃料の到達距離が短くなるとともに、空気流速の乱れにより分散する。
２）表面から蒸発が進み、燃料成分が気化しやすくなる。

このため、液体燃料を空気中に分散し、微粒化させて希薄予混合気を形成するには、速やかに液体燃料を液柱形状から液滴状に変化させることが望ましい。

また、ガスタービン燃焼器で燃焼負荷を変化させる際、一般には液体燃料の噴出量を増加させる。ガスタービンでは一般的に燃焼負荷を変化させる際、液体燃料の噴出量の増加に対し、空気の流量変化は小さい。このため、燃焼負荷の増加により、液体燃料の運動量の増加の方が空気の運動量の増加よりも大きいので、液体燃料を噴孔から噴出したときの到達距離は長くなる。到達距離が長くなることで、液体燃料と空気との混合空間（予混合部）の隔壁に付着する液体燃料が増加する。液体燃料は隔壁に付着すると液膜状となり、液滴状に比べて同一重量での表面積が小さい。このため、燃料成分の気化が遅れる。理想的には、燃焼負荷の変化による液体燃料の噴出量の変化に対し、液体燃料の到達距離が一定となることが望ましい。

本発明は上記の課題を鑑みたものであり、その目的は、液体燃料の噴孔近傍に形成される液柱を速やかに液滴に変換できるとともに、燃焼負荷の変化に伴う液体燃料の到達距離の変動を抑制できるガスタービン燃焼器とガスタービンを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、液体燃料と空気とを予め混合させる予混合部を有するガスタービン燃焼器において、前記予混合部を流れる空気流に対し交差するように前記液体燃料を供給する液体燃料噴出孔と、前記液体燃料噴出孔から噴出される前記液体燃料に向けて流体を噴出して、前記流体を前記液体燃料に衝突させるよう構成された流体噴出孔とを備え、前記流体噴出孔の噴出部における流路断面積が、前記液体燃料噴出孔の噴出部における流路断面積に比べて小さいことを特徴とする。

本発明によれば、液体燃料噴出孔から噴出される液体燃料を液柱状から液滴状に速やかに変換できるとともに、燃焼負荷の変化に伴う液体燃料の到達距離の変動を抑制できるので、空気流内での液体燃料の分散と気化が促進して短距離で希薄予混合気体を生成できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態によるガスタービンとガスタービン燃焼器の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態によるガスタービン燃焼器の構成の一部を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態によるガスタービン燃焼器の液体燃料噴出時の構成の一部を示すＣ−Ｃ矢視断面図である。 本発明の第１の実施形態によるガスタービン燃焼器の別の構成の一部を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態によるガスタービン燃焼器の構成の一部を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態によるガスタービン燃焼器の液体燃料噴出時の構成の一部を示すＤ−Ｄ矢視断面図である。 本発明の第２の実施形態によるガスタービン燃焼器の別の構成の一部を示す正面図である。 本発明の第３の実施形態によるガスタービン燃焼器の構成の一部を示す正面図である。 本発明の第３の実施形態によるガスタービン燃焼器の液体燃料噴出時の構成の一部を示すＥ−Ｅ矢視断面図を示す。

本発明の実施形態に係るガスタービンとガスタービン燃焼器について，図面を用いて以下に説明する。なお，説明において同一構成部品には同符号を使用し，説明を省略することがある。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態に係るガスタービン燃焼器について図１と図２ａ及び図２ｂを用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係るガスタービンの模式図の一例である。図２ａ及び図２ｂは図１に示すガスタービン燃焼器の予混合部の模式図であり、第１の実施形態の予混合部を示す。

図１に示すようにガスタービン１は、圧縮機２と、ガスタービン燃焼器３（以下、燃焼器３という。）と、タービン４と、発電機５とを備え，駆動軸６にて圧縮機２，タービン４と発電機５が接続されている。空気（燃焼用空気）７は圧縮機２で圧縮され高圧となり、燃焼器３で液体燃料８と混合されて燃焼される。燃焼器３で生成した高温，高圧の燃焼排ガス９はタービン４を回転し、それにより発生した回転エネルギーは発電機５で電力となる。

圧縮機２は、羽根車の回転運動によって気体を圧送する機械で、吸気部（図示せず）から吸い込まれた空気７を燃焼器３に圧送する。燃焼器３は、燃料を空気と混合させて燃焼させる装置で、圧縮機２から圧送された空気７と液体燃料８を混合させて燃焼させ、高温の燃焼ガス９を生成しタービン４に供給する。タービン４は、流体がもっているエネルギーを機械的動力に変換する回転式の原動機で、燃焼器３から供給された燃焼ガス９により回転駆動する。

図１は、燃焼器３はその頭部１０を圧縮機２側に，尾部１１をタービン４側に配置し、複数の燃焼器３を駆動軸６の周囲に環状に配置したガスタービン１について、１つの燃焼器３を拡大して示したものである。図１は燃焼器３を駆動軸６の周囲に環状に複数個配置したが、駆動軸６とは別に１個、または複数個設置することも可能である。また，図１は１つの駆動軸６に圧縮機２，タービン４と発電機５を接続したガスタービン発電機を示すが，駆動軸を複数に分割して設けること（すなわち複数軸のガスタービンとすること）も可能である。さらに、発電機５に変えて他の回転体の駆動に用いることも可能である。

図１において拡大して示す燃焼器３は、円筒状の側壁により形成されている外周隔壁１２と、外周隔壁１２の内側に設置された円筒状の側壁であるライナ１４と、外周隔壁１２とライナ１４との間に形成された空気流路１３と、ライナ１４の内部に形成された燃焼室１５と、燃焼器３の中心軸上に配置され燃焼室１５に液体燃料８を供給するパイロットバーナ１６と、パイロットバーナ１６の周囲かつライナ１４の内側に配置され、液体燃料８と空気７を予混合させた燃料を燃焼室１５に供給する複数のメインバーナ１７と、外周隔壁１２を形成する円筒部材の一方（燃焼ガス９の流れに対して上流側）の端部を閉塞するエンドカバー（頭部）１０と、を備える。パイロットバーナ１６とメインバーナ１７には液体燃料８を供給する燃料配管１９,２０が接続される。

燃焼用空気７は、圧縮機２で圧縮された後に空気流路１３を通り、頭部１０からパイロットバーナ１６やメインバーナ１７に設けた流路を通り燃焼室１５に供給される。液体燃料８を燃焼する場合、パイロットバーナ１６は、燃焼器３の中心軸上に設けた燃料配管１９における燃焼室側の端部に設けられた噴霧ノズル２１から燃焼室１５に液体燃料８を噴霧し、液体燃料８を燃焼用空気７の一部と燃焼室１５内で混合して燃焼させる。一方、メインバーナ１７は燃焼時に生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、液体燃料８と空気７を予め混合した上で燃焼させる予混合燃焼方式を用いる。このため、メインバーナ１７は、燃料配管２０から供給される液体燃料８を、メインノズル３０を介して予混合部３４内に噴射し、メインバーナ１７の出口までに燃焼用空気７の一部と混合した上で燃焼室１５に供給して燃焼する。

図２ａと図２ｂに図１に示すメインバーナ１７の１つを拡大して示す。図２ｂは図２ａのＣ−Ｃ矢視断面図である。

メインバーナ１７は、パイロットバーナ１６の周囲に複数配置され、燃焼室１５内に予混合気を供給する装置で、円筒状の側壁により形成された隔壁３３と、隔壁３３により囲まれた空間（予混合部）３４と、隔壁３３の中心軸１００上に配置されたメインノズル（燃料ノズル）３０を有する。

メインノズル３０は、液体燃料８を予混合部３４に噴出するノズルである。図１に示すように、メインノズル３０には燃料配管２０から液体燃料８が注入される。メインノズル３０の内部には図２ｂに示すように油流路３１を設けられ、油流路３１における燃料流通方向の下流側にはメインノズル３０の側面に設けられた油噴孔（液体燃料噴出孔）３２が接続されている。

油流路３１は、燃料配管２０から供給された液体燃料８を油噴孔３２に給送するための流路である。

油噴孔３２は、メインノズル３０の下流側の端部側面に穿たれた円孔であり、油流路３１に接続されている。図２ｂに示すように、油噴孔３２は、その中心軸（軸線）Ａがメインノズル３０の径方向に沿うように形成されており（例えば、油噴孔３２の中心軸Ａがメインノズル３０の中心軸１０１に対して垂直となるように形成しても良い）、油噴孔３２からはメインノズル３０の径方向に沿って液体燃料８が噴出される。

また、メインバーナ１７には隔壁３３に囲まれた筒状の空間（予混合部）３４が形成されている。予混合部３４には空気流３５が、頭部１０側(上流側)から燃焼室１５側(下流側)へ向かって流れている。そして、油噴孔３２は空間３４を流れる空気流３５に対し軸線（中心軸）Ａが交差する。

油噴孔３２から噴出する液体燃料８は油噴孔３２の近傍では液柱形状３６で噴出されるが、その周囲の空気流３５との速度差により表面に作用するせん断力によって微粒化されて油噴孔３２から離れるに従って液滴３７となる。液滴３７は空気流３５の乱れにより分散され、予混合気を形成する。この液体燃料８と空気流３５の予混合気は、燃料濃度が均一で、かつ、液滴３７が燃焼室１５に入る前に蒸発する方が、燃焼時の局所的な温度が均一に低く抑制され、燃焼時に生成する窒素酸化物（ＮＯｘ）を抑制できる。このため液体燃料８を液滴３７へと早期に微粒化し、空気流３５と混合しやすくすることが望ましい。

なお、図２ａ，２ｂでは油噴孔３２を１つ記載するが、油噴孔３２をメインノズル３０の周方向に複数個設けても良い。また、空間３４の上流側の空気流３５に旋回流速成分を与える旋回羽根（図示せず）をメインノズル３０に設けても良い。油噴孔３２を複数個設けることで、液体燃料８と空気流３５との混合箇所が増え、予混合気の燃料濃度が均一化する。また、空気流３５に旋回流速成分を与えることで空気流３５の乱れが増え、予混合気の燃料濃度が均一化する。但し、油噴孔３２を複数個設けると個々の油噴孔３２の断面積が狭まり閉塞の可能性が高まることや、構造物が複雑化して製造コストが高くなることが懸念され得る。このため、油噴孔３２の数は、１つのメインノズル３０あたり２〜５個が好ましい。

本実施形態の燃焼器は液体燃料８を液滴３７へと微粒化し、空気流と混合するために、油噴孔３２の上流側に油噴孔３２の開口部面積に比べて小断面積である小噴孔（流体噴出孔）５０を有する。小噴孔５０は、図２ａ及び図２ｂに示す本実施形態では、油噴孔３２と同様に上流側が油流路３１に接続する。

ここで、油噴孔(液体燃料噴出孔)３２を主噴孔とし、その上流側に設けた小噴孔５０を副噴孔とする。副噴孔５０の開口部は、メインノズル３０の側面において、主噴孔３２の開口部に対して空気流３５における上流側に位置するように配置されている。さらに、副噴孔５０の液体燃料８を噴出される部分（副噴孔５０の噴出部）の直径ｄ２は、主噴孔３２の噴出部の直径ｄ１より小さくなっており(図２ｂ参照)、副噴孔５０の噴出部の流路断面積は、主噴孔３２の噴出部の流路断面積に比べて小さくなっている。

また、主噴孔（油噴孔）３２の中心軸（軸線）Ａと副噴孔（小噴孔）５０の中心軸（軸線）Ｂが交差することで、主噴孔３２から噴出する液体燃料８に、副噴孔５０から噴出する液体燃料８が衝突する。主噴孔３２から噴出する液体燃料８は出口近傍では液柱形状３６を形成するが、この部分に副噴孔５０から噴出する液柱形状５１の液体燃料８が衝突することで、液柱形状３６,５１の表面に乱れが生じ、液滴３７へと分離し易くなる。液滴３７とすることで重量当たりの空気との接触表面積が大きくなる。このため、空気流３５との流速差による抵抗を受け、空気流３５に追随しやすくなり、空気流速の乱れにより分散する。また、表面から蒸発が進み、燃料成分が気化しやすくなる。このため燃料成分が短い距離で空気と均一に混合し、希薄予混合気体となる。この希薄予混合気体を予混合部３４の下流の燃焼室１５で燃焼させることで、局所的な高温部が生成せずに、燃焼により窒素酸化物、いわゆるサーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。また、微粒化が進むことで液滴３７として燃焼する液体燃料８も燃焼反応が進み、一酸化炭素（ＣＯ）やばいじんの生成を抑制できる。

本実施形態では、燃焼負荷が相対的に高く、液体燃料量の相対的に多い高負荷時には、主噴孔３２と副噴孔５０から噴出する液体燃料８がいずれも増える。このとき主噴孔３２と副噴孔５０から噴出する液柱形状３６,５１の燃料同士が衝突する運動量が増えることで、液柱形状３６,５１に乱れが生じ、液滴３７へと分離し易くなる。液滴３７とすることで空気流３５との流速差による抵抗を受け、空気流３５に追随しやすくなり、主噴孔３２から噴出した液体燃料８が中心軸Ａ方向に沿って到達する距離（以下、到達距離）Ｄ１(図２ｂ参照)を抑制できる。

また、隔壁３３への液体燃料８の付着を抑制し、微粒化が進むことで液滴３７として燃焼する液体燃料８も燃焼反応が進み、一酸化炭素（ＣＯ）やばいじんの生成を抑制できる。

また、燃焼負荷が相対的に低く、液体燃料量の相対的に少ない低負荷時には、液体燃料８がいずれも減る。このとき主噴孔３２と副噴孔５０から噴出する液柱形状３６,５１の燃料同士が衝突する運動量が減ることで、液柱形状３６，５１に生じる乱れが減少し、液滴３７へと分離し難くなる。液滴３７になりにくいので、空気流３５との流速差による抵抗が減り、空気流３５に追随し難くなり、液体燃料８の到達距離Ｄ１を維持できる。このように本実施形態によれば変化する燃焼負荷に対し、メインノズル３０内での液体燃料８の到達距離Ｄ１を一定に調節できる。

なお、図２ａ，２ｂに示すメインノズル３０では主噴孔３２と副噴孔５０が構成する１組の噴出孔は１つであるが、この１組の噴出孔を例えば周方向に複数組設けてもよい。

なお、図２ａ，２ｂに示す主噴孔３２と副噴孔５０の交差位置は主噴孔３２の出口直後であるが、主噴孔３２と副噴孔５０の距離（間隔）Ｗ１（図２ａ参照）は、主噴孔３２と副噴孔５０の中心を結ぶ直線方向における主噴孔３２の幅（直径）ｄ１の約１０倍以内の出口近傍とすることが望ましい。主噴孔３２の中心軸Ａと副噴孔５０の中心軸Ｂの交差位置のメインノズル３０からの距離を短くすることで、主噴孔３２と副噴孔５０の液柱形状３６，５１同士を衝突しやすくできる。一方、主噴孔３２の中心軸Ａと副噴孔５０の中心軸Ｂの交差位置のメインノズル３０からの距離を長くすると液体燃料８が衝突前に液滴状となっていることがあり、この場合、衝突により小液滴が合体し大液滴となり、重量当たりの空気との接触表面積が小さくなり、均一な予混合気の形成を妨げる可能性が生じる。

主噴孔３２から噴出する液体燃料８は主噴孔３２からの噴出直後の出口近傍では液柱形状である。この出口近傍での主噴孔３２からの噴流は、噴流の中心部の流速が同一の領域を形成し、下流になるに従い周囲の空気流３５とのせん断力により流速が低下する。この噴流の中心部で流速が同一の領域をポテンシャルコアと呼ぶ。ポテンシャルコアが存在する領域やその直後の領域では、噴流の中心部は噴出時の流速に近く、周囲の空気流速の乱れの影響を受けにくい。本発明では主噴孔３２の中心軸Ａと副噴孔５０の中心軸Ｂの交差位置を主噴孔３２の出口直後であり主噴孔３２の直径ｄ１の約１０倍以内とし、噴流の中心部の周囲の空気流速の乱れの影響を受けにくい領域に、副噴孔５０からの流体が衝突することで液柱形状３６，５１に乱れが生じさせる。このため、主噴孔３２から噴出する液体燃料８はポテンシャルコアの存在する領域が狭まり、液滴３７へと分離し易くなる。液柱形状３６，５１を液滴３７とすることで重量当たりの空気７との接触表面積が大きくなる。このため、空気流３５との流速差による抵抗を受け、空気流３５に追随しやすくなり、空気流速の乱れにより分散することができる。

また、本発明の副噴孔５０の噴出部の流路断面積を、主噴孔３２の噴出部の流路断面積に比べて小さくすることを特徴とする。副噴孔５０の流路断面積を狭め、噴出する流量を少なくすることで、主噴孔３２からの液体燃料８の運動量に比べて副噴孔３２からの液体燃料８の運動量は小さくなる。このため主噴孔３２から噴出する液柱形状３６の燃料（流体）の液滴状への変化を早めるものの、燃料（流体）の流れ方向の変化は微小となり、液体燃料８の噴出方向への影響を抑制できる。

また、副噴孔５０と空気流３５との交差角は主噴孔３２と空気流３５との交差角に比べて小さいことが望ましい。副噴孔５０からの流れは主噴孔３２からの流れに比べて流量が少ないので空気流３５の影響を受けやすい。主噴孔３２と副噴孔５０の流れを衝突させる際、副噴孔５０と空気流３５の交差角を小さくすることで、副噴孔５０からの流れは空気流３５の影響を受けにくくなる。

上述の効果により、本実施形態に係る燃焼器３は、液体燃料８と空気流３５との予混合気を形成する機構を有するデュアルフューエル型のガスタービン燃焼器として、多種の燃料に対応し、かつ、燃焼排ガス中の未燃焼分や窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減という、高い環境性能の両立が可能となる。

なお、副噴孔５０は図２ａに示すように主噴孔３２に対し１つ設ける場合の他、複数設けることも可能である。図３に副噴孔５０を主噴孔３２に対し２つ設けた場合を示す。副噴孔５０を複数設けることで、複数の液柱形状５１を１つの液柱形状３６に衝突させることができ、液柱形状３６の表面の乱れを生じやすくなる。また、油流路３１を流れる液体燃料８に水を混合することもできる。液体燃料８に水を混合することで燃焼時の温度を低減し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図ることができる。

また、本発明は予混合気を形成する予混合部３４を有する燃焼器３を対象としたものであり、液体燃料８と空気７を混合するメインノズル３０を有するメインバーナ１７の数やパイロットバーナ１６の有無は適宜選択できる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係る燃焼器３の構成及び動作の概略について説明する。

図４ａと図４ｂに本発明の第２実施形態のメインバーナ４０の１つを拡大して示す。図４ｂは図４ａのＤ−Ｄ矢視断面図である。図２ａ，ｂに示す第１の実施形態のメインバーナ１７との違いは、副噴孔５５を主噴孔４２の下流側に設けたことである。また、副噴孔５５と空気流３５との交差角が主噴孔４２と空気流３５との交差角に比べて大きい。その他の構成は第１の実施形態と同一であり、同一構成での効果は同じである。以下、構成の異なることによる効果のみ記述する。

本発明は液体燃料８の液滴３７を微粒化し、空気流３５と混合するために、上記の主噴孔４２について、その下流側に主噴孔４２の噴出部の流路断面積に比べて小断面積である副噴孔５５を有することを特徴とする。図４ａと図４ｂに示す本発明の第２の実施形態では、主噴孔４２と副噴孔５５の上流側はいずれも同じ油流路３１に接続する。

主噴孔４２の中心軸Ａと副噴孔５５の中心軸Ｂが予混合部３４で交差することで、主噴孔４２から噴出する液体燃料８に、副噴孔５５から噴出する液体燃料８が衝突する。主噴孔４２から噴出する液体燃料８は噴出部近傍では液柱形状３６であるが、この部分に副噴孔５５から噴出する液体燃料８の液柱形状５１が衝突することで、液柱形状３６,５１の流体の表面に乱れが生じ、液滴３７へと分離し易くなる。

主噴孔４２から噴出される液体燃料８が形成する液柱形状３６のうち、空気流３５の上流側に面した部分は、周囲の空気流３５との速度差により表面にせん断力が働き、微粒化され液滴３７となりやすい。一方、空気流３５の下流側に面した部分は液柱形状３６により空気の流れが妨げられるため、周囲の空気流３５との速度差により表面にせん断力が働きにくく、微粒化されず液滴３７となりにくい。第２の実施形態では空気流３５の下流側に面した部分に副噴孔５５から噴出する液柱形状５１の液体燃料８が衝突することで、液柱形状３６,５１の流体の表面に乱れが生じ、液滴３７へと分離し易くなる。また、副噴孔５５からの液柱形状５１の噴流はその上流側に主噴孔４２の液柱形状３６の噴流が存在し、空気の流れが妨げられる。このため、副噴孔５５と空気流３５との交差角を大きくして、直角（９０度）近くしても空気流３５の影響を受けにくくなる。

なお、副噴孔５５は図４ａに示す主噴孔４２に対し１つ設ける場合の他、第１の実施形態の図３で示したように副噴孔５５を主噴孔４２に対し複数設けることも可能である。また、副噴孔５５は図４ａに示す主噴孔４２に対し下流にだけ設ける場合の他、主噴孔４２に対し上流にも設けることも可能である。図５に主噴孔４２に対し上流に副噴孔５０、下流に副噴孔５５を設けた場合を示す。主噴孔４２に対し上流に副噴孔５０、下流に副噴孔５５を設けることで、液柱形状３６の上流側と下流側の両方の表面に乱れを生じやすくすることができ、液滴３７へと分離し易くなる。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態に係る燃焼器３の構成及び動作の概略について説明する。

本発明の第３の実施形態によるメインバーナ６０を、図６ａ，図６ｂを用いて説明する。図６ａ，図６ｂはメインノズル６４の液体燃料８を噴出する部分を拡大した模式図であり、図６ａは正面図、図６ｂは燃料噴出時におけるメインノズル６４のＥ−Ｅ矢視断面図である。

図６に本発明の第３の実施形態のメインバーナ６０の１つを拡大して示す。図２ａ，ｂに示す第１の実施形態のメインバーナ１７との違いは、主噴孔６１と副噴孔６２の上流側が別の油流路３１,６３と接続することである。その他の構成は第１の実施形態と同一であり、同一構成での効果は同じである。以下、構成の異なることによる効果のみ記述する。

第３の実施形態では、副噴孔６２から噴出する流体の流量を主噴孔６１からの液体燃料８の流量とは別個に調整することができる。副噴孔６２から噴出する流体量を調節することで、主噴孔６１から噴出される液体燃料８が形成する液柱形状３６に与える乱れと、それに伴う主噴孔６１から噴出する液体燃料８の到達距離Ｄ３と微粒化を制御できる。

従来は燃焼負荷の増加に伴い、主噴孔６１から噴出する液体燃料量が増加すると、主噴孔６１での流速と運動量が増加することで液体燃料８が空気の流れ（空気流３５）に追随しにくくなった。液体燃料８の到達距離Ｄ３が延びるため、予混合部３４の隔壁３３に付着する液体燃料量が増え、隔壁３３上で液膜となるため微粒化が悪化する課題があった。

しかし、第３の実施形態では、燃焼負荷が高く、液体燃料量の多い高負荷時に副噴孔６２から噴出する流体量を増やすことで、主噴孔６１の出口近傍の液柱形状３６に乱れが生じ、液滴３７へと微粒化し易くなる。液滴３７とすることで空気流３５との流速差による抵抗を受け、空気流３５に追随しやすくなり、液体燃料８の到達距離Ｄ３を抑制できる。

また、燃焼負荷が低く、液体燃料量の少ない低負荷時に副噴孔６２から噴出する流体量を減らすことで、主噴孔６１の出口近傍の液柱形状３６の乱れを抑制し、液滴３７へと微粒化し難くすることで、空気流３５に追随し難くなり、液体燃料８の到達距離Ｄ３を維持できる。このように燃焼負荷や液体燃料量に応じて副噴孔６２からの噴出する流体量を制御することで、液体燃料８の到達距離Ｄ３を調節できる。このため、液体燃料成分を短い距離で空気と均一に混合し、希薄予混合気体を生成しやすくなる。この希薄予混合気体を予混合部３４の下流で燃焼させることで、局所的な高温部が生成せずに、燃焼により窒素酸化物、いわゆるサーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。

また、隔壁３３への液体燃料８の付着を抑制し、微粒化が進むことで液滴３７として燃焼する液体燃料８も燃焼反応が進み、一酸化炭素（ＣＯ）やばいじんの生成を抑制できる。

また、第１の実施形態に係るメインノズル３０における主噴孔３２と副噴孔５０の流量の比率と、第２の実施形態に係るメインノズル４１における主噴孔４２と副噴孔５５からの流量の比率は同一であったが、第３の実施形態に係るメインノズル６４では主噴孔６１と副噴孔６２の流量の比率を調整できるため、主噴孔６１からの液体燃料８の到達距離の維持や燃焼状態に合わせた制御が容易となる。

また、第３の実施形態に係るメインノズル６４では副噴孔６２に接続する油流路６３は液体燃料８の他、別の流体として水や蒸気、空気（圧縮空気）を使用することができる。水や蒸気を使用することで、燃焼時の温度を低減し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図ることができる。

なお、第１の実施形態に係るメインノズル３０と第２の実施形態に係るメインノズル４１と同様に、第３の実施形態に係るメインノズル６４に副噴孔６２を複数設けることや、副噴孔６２を主噴孔６１の下流側に設けることも可能であり、その効果は第１の実施形態に係るメインノズル３０と第２の実施形態に係るメインノズル４１と同様となる。

＜まとめ＞
上記の第１，第２，第３の実施形態に係るガスタービン燃焼器が備える代表的な特徴について説明する。

（１）上記のガスタービン燃焼器３は、液体燃料８と空気７とを予め混合させる予混合部３４を有し、予混合部３４を流れる空気流３５に対し交差するように液体燃料８を供給する主噴孔（液体燃料噴出孔）３２，４２，６１と、主噴孔３２，４２，６１から噴出される液体燃料８に向けて流体を噴出して、前記流体を液体燃料８に衝突させるよう構成された副噴孔（流体噴出孔）５０，５５，６２とを備える。

そのため、主噴孔３２，４２，６１から噴出される液体燃料８の液柱形状３６の表面に乱れが生じ、液柱形状３６が液滴３７へと微粒化し易くなる。液柱形状３６が液滴３７へ微粒化されることにより液体燃料８は空気流３５との接触表面積が大きくなる。このため、空気流３５に追随しやすくなり、空気流３５と液体燃料８の流速差による抵抗と空気流の乱れにより分散化が増大する。また、空気流３５との接触面積が大きくなることにより液体燃料８は蒸発が進み、気化しやすくなる。このため、液体燃料８と空気７を短距離で均一に混合することが可能となり、希薄予混合気体を容易に生成できる。

また、副噴孔５０，５５，６２の噴出部における流路断面積を、主噴孔３２，４２，６１の噴出部における流路断面積に比べて小さくすることで、主噴孔３２，４２，６１から噴出される流体量に対して副噴孔５０，５５，６２から噴出される流体量を調節している。これにより主噴孔３２，４２，６１の噴出部に形成される液柱に与える乱れと、それに伴う主噴孔３２，４２，６１から噴出する液体燃料の到達距離を制御できる。このため、液体燃料成分を短い距離で空気と均一に混合し、希薄予混合気体を生成しやすくなる。また、隔壁への液体燃料の付着が抑制され微粒化を促進できる。

（２）上記のガスタービン燃焼器３は、主噴孔３２，４２，６１の軸線Ａと副噴孔５０，５５，６２の軸線Ｂとが予混合部３４で交差する。そのため、主噴孔３２，４２，６１から噴出される液体燃料８に対して、副噴孔５０，５５，６２から噴出する流体を正確に衝突させることができる。

（３）上記のガスタービン燃焼器３は、副噴孔５０，５５，６２が空気流の方向における主噴孔３２，４２，６１の上流側または下流側の少なくとも一方に設けられている。このことにより、主噴孔３２，４２，６１から噴出する液体燃料８の液柱形状３６の上流側と下流側の少なくとも一方の表面に乱れを生じやすくすることができ、液滴３７へと微粒化し易くなる。

（４）上記のガスタービン燃焼器３は、主噴孔３２，４２，６１と副噴孔５０，５５，６２との距離Ｗ１が、主噴孔３２，４２，６１と副噴孔５０，５５，６２の中心を結ぶ直線方向における主噴孔３２，４２，６１の幅ｄ１の約１０倍以内である。このことにより、主噴孔３２，４２，６１と副噴孔５０，５５，６２との距離は短くなり、主噴孔３２，４２，６１の液柱形状３６と副噴孔５０，５５，６２の液柱形状５１を衝突しやすくできる。

（５）上記のガスタービン燃焼器３は、主噴孔３２，４２，６１の上流側に設けられた副噴孔５０，６２の中心軸Ｂと空気流３５との交差角が、主噴孔３２，４２，６１の中心軸Ａと空気流３５との交差角に比べて小さい。主噴孔３２，４２，６１の上流側に設けられた副噴孔５０，６２から噴出される液体燃料８は主噴孔３２，４２，６１から噴出される液体燃料８に比べて流量が少ないので空気７の気流に影響を受けやすいが、上記の交差角とすることで、副噴孔５０，６２から噴出する液体燃料８に対する空気流３５の影響を減少させ、副噴孔５０，６２から噴出する液体燃料８が主噴孔３２，４２，６１から噴出する液体燃料８と衝突しやすくできる。

（６）上記のガスタービン燃焼器３は、主噴孔３２，４２，６１の下流側に設けられた副噴孔５５の中心軸Ｂと空気流３５との交差角が、主噴孔３２，４２，６１の中心軸Ａと空気流３５との交差角に比べて大きい。このため、主噴孔３２，４２，６１から噴出した液体燃料８の液柱形状３６の空気流３５の下流側に面した部分に副噴孔５５から噴出する液体を衝突させることができ、液柱形状３６の表面に乱れを生させ、液滴３７へと微粒化し易くすることができる。なお、副噴孔５５から噴出する流体はその上流側に主噴孔３２，４２，６１の液柱形状３６が存在し、空気流３５が妨げられ、副噴孔５５と空気流３５との交差角を大きくして、直角（９０度）近くしても空気流３５の影響を受けにくくなる。このため、主噴孔３２，４２，６１から噴出した液体燃料８の液柱形状３６の空気流３５の下流側に面した部分に副噴孔５５から噴出する液体を衝突しやすくできる。

（７）上記のガスタービン燃焼器３は、主噴孔３２，４２と副噴孔５０，５５が、上流側で同じ流路に接続する。このことにより、高負荷時に液体燃料量が多くなった場合には、主噴孔３２，４２と副噴孔５０，５５から噴出する液体燃料８がいずれも増える。このとき、主噴孔３２，４２と副噴孔５０，５５から噴出する液柱形状３６、５１の噴出量も増え、衝突の乱れも増加し、液滴化する液体燃料８も増加する。そして、液滴化した液体燃料８の増加により、空気流３５に追随しやすくなり、液体燃料８が主噴孔３２，４２から噴出して到達する距離Ｄ１，Ｄ２(図２ｂ、４ｂ参照)を抑制できる。一方、低負荷時に液体燃料量が少なくなった場合には、主噴孔３２，４２と副噴孔５０，５５から噴出する液体燃料８がいずれも減る。このとき主噴孔３２，４２と副噴孔５０，５５から噴出する液柱形状３６、５１の運動量も減ることで、衝突の乱れが減少し、液滴化する液体燃料８も減少する。そして、液滴化した液体燃料８の減少により、空気流３５に追随し難くなり、液体燃料８が主噴孔３２，４２から噴出して到達する距離Ｄ１，Ｄ２は減少することなく維持できる。このように液体燃料量が増減しても、液体燃料８が主噴孔３２，４２から噴出して到達する距離Ｄ１，Ｄ２の変動を抑制できる。したがって、燃焼負荷に対し、液体燃料８の到達距離Ｄ１，Ｄ２を一定に調節できる。

（８）上記のガスタービン燃焼器３は、主噴孔６１と副噴孔６２が、上流側で異なる流路に接続することもできる。このことにより、副噴孔６２から噴出する流体の流量を、主噴孔６１からの液体燃料８の流量とは別個に調整することが容易となる。副噴孔６２から噴出する流体量を調節することで、主噴孔６１の液柱形状３６に与える乱れと、液体燃料８が主噴孔６１から噴出して到達する距離（到達距離）Ｄ３を調整することができる。そのため、主噴孔６１から噴出する液体燃料量を増加させたときに、液体燃料８の到達距離Ｄ３が延びて予混合部３４の隔壁３３に液体燃料８が付着する量が増加し液膜となり微粒化が悪化することを防止できる。また、主噴孔６１から噴出させる液体燃料８を増加させた時に、副噴孔６２から噴出する流体量を増やすことで、到達距離Ｄ３が増加することを防ぐことができる。また、主噴孔６１から噴出させる液体燃料８を減少させた時に、副噴孔６２から噴出する流体量を減らすことで、到達距離Ｄ３が減少することを防ぐことができ、液体燃料８の到達距離Ｄ３を維持できる。また、主噴孔６１から噴出する液体燃料８と、副噴孔６２から噴出する流体の流量を個別に調整できるため、主噴孔６１から噴出する液体燃料８と、副噴孔６２から噴出する流体の流量の比率を容易に調整することができ、燃焼状態に合わせた制御が容易となる。また、第１、第２の実施形態に係る主噴孔３２，４２と副噴孔５０，５５の流量の比率が同一であったが、第３の実施形態に係る主噴孔６１と副噴孔６２では流量の比率を調整できるため、主噴孔６１からの液体燃料８の到達距離の維持や燃焼状態に合わせた制御が容易となる。

（９）上記のガスタービン燃焼器３は、副噴孔６２により噴出される流体が、気体または水である。このことにより、燃焼時の温度を低減し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図ることができる。

（１０）上記のガスタービン燃焼器３は、主噴孔３２，４２，６１と副噴孔５０，５５，６２とが１組の噴出孔を構成しており、１組の噴出孔が複数組設けられている。このことにより、液体燃料８と空気流３５との混合箇所が増え、予混合気の燃料濃度が均一化することができる。

（１１）上記のガスタービン燃焼器３は、１つの主噴孔３２，４２，６１に対して複数の前記副噴孔５０，５５，６２を備えることもできる。このことにより、１つの液柱形状３６に対して複数の液柱形状５１が衝突し液柱形状３６の表面の乱れを生じやすくすることができる。

（１２）上記のガスタービン１は、ガスタービン燃焼器３を有する。このため、ガスタービン燃焼器３が有する作用と効果を享有することができる。

（その他）
本発明は，上記の各実施形態に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば，本発明は，上記の各実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず，その構成の一部を削除したものも含まれる。また，ある実施形態に係る構成の一部を，他の実施形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

上記の各実施形態では、メインノズル３０，４１，６４と、主噴孔３２，４２，６１と、副噴孔５０，５５，６２との関係をそれぞれの中心軸１００，１０１，Ａ，Ｂを用いて説明したが、これらのメインノズル３０，４１，６４や孔３２，４２，６１，５０，５５，６２の内部において自身の中心軸と平行な線（本稿では「軸線」と称する）を適宜設定して、その軸線を基準にしてメインノズル３０，４１，６４や孔３２，４２，６１，５０，５５，６２の関係を定義しても良い。すなわち、例えば、第１の実施形態において、主噴孔３２と副噴孔５０は互いの中心軸が予混合部３４で交差する必要はなく、互いの軸線が予混合部３４で交差するように構成すれば良く、このように２つの孔３２，５０を配置すれば液体燃料同士を衝突させ得る。

また、油流路３１を流れる液体燃料８に水を混合することもできる。液体燃料８に水を混合することで燃焼時の温度を低減し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図ることができる。

また、本発明に係る燃焼器３は、メインノズル３０，４１，６４を有するメインバーナ１７，４０，６０の数やパイロットバーナ１６の有無は適宜選択できる。

また、上記の各実施形態における孔３２，４２，６１，５０，５５，６２の断面形状は円としたが、円以外の形状にも適宜変更可能である。

また、上記の各実施形態におけるメインノズル３０，４１，６４の構成は、液体燃料と気体燃料を選択的に噴出可能な燃料ノズルを有するデュアルフューエル型のガスタービン燃焼器にも適用可能である。この種の燃焼器に適用することで、多種の燃料に対応し、かつ、燃焼排ガス中の未燃焼分や窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減という、高い環境性能の両立が可能となる。

１：ガスタービン，２：圧縮機，３：燃焼器，４：タービン，５：発電機，６：駆動軸，７：燃焼用空気，８：液体燃料，９：燃焼排ガス，１０：燃焼器の頭部，１１：燃焼器の尾部，１２：外周隔壁，１３：空気流路，１４：隔壁（ライナ），１５：燃焼室，１６：パイロットバーナ，１７,６０：メインバーナ，１９,２０：燃料配管，２１：噴霧ノズル，３０：メインノズル，３１：油流路，３２,４２，６１：油噴孔（主噴孔，液体燃料噴出孔），３３：隔壁，３４：筒状の空間（予混合部），３５：空気流，３６,５１：液柱形状，３７：液滴，５０,５５,６２：副噴孔（小噴孔，流体噴出孔），６３：流路，ｄ１：主噴孔の直径，ｄ２：副噴孔の直径

Claims (12)

1. 液体燃料と空気とを予め混合させる予混合部を有するガスタービン燃焼器において、
   前記予混合部を流れる空気流に対し交差するように前記液体燃料を供給する液体燃料噴出孔と、
   前記液体燃料噴出孔から噴出される前記液体燃料に向けて流体を噴出して、前記流体を前記液体燃料に衝突させるよう構成された流体噴出孔と、を備え、
   前記流体噴出孔の噴出部における流路断面積が、前記液体燃料噴出孔の噴出部における流路断面積に比べて小さいことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記液体燃料噴出孔の軸線と前記流体噴出孔の軸線とが前記予混合部で交差することを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１または２のガスタービン燃焼器において、
   前記流体噴出孔は、前記液体燃料噴出孔の上流側または下流側の少なくとも一方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。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のガスタービン燃焼器において、
   前記液体燃料噴出孔と前記流体噴出孔との距離が、前記液体燃料噴出孔と前記流体噴出孔の中心を結ぶ直線方向における前記液体燃料噴出孔の幅の約１０倍以内とすることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のガスタービン燃焼器において、
   前記液体燃料噴出孔の上流側に設けられた前記流体噴出孔の中心軸と前記空気流との交差角が、前記液体燃料噴出孔の中心軸と前記空気流との交差角に比べて小さいことを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項１から４のいずれかに記載のガスタービン燃焼器において、
   前記液体燃料噴出孔の下流側に設けられた前記流体噴出孔の中心軸と前記空気流との交差角が、前記液体燃料噴出孔の中心軸と前記空気流との交差角に比べて大きいことを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のガスタービン燃焼器において、
   前記液体燃料噴出孔と前記流体噴出孔は、上流側で同じ流路に接続することを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 請求項１から６のいずれかに記載のガスタービン燃焼器において、
   前記液体燃料噴出孔と前記流体噴出孔は、上流側で異なる流路に接続することを特徴とするガスタービン燃焼器。
9. 請求項８に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記流体噴出孔により噴出される前記流体が、気体または水であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
10. 請求項１から９のいずれかに記載のガスタービン燃焼器において、
    前記液体燃料噴出孔と前記流体噴出孔とが１組の噴出孔を構成しており、
    前記１組の噴出孔が複数組設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のガスタービン燃焼器において、
    １つの前記液体燃料噴出孔に対して複数の前記流体噴出孔を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載のガスタービン燃焼器を有するガスタービン。

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