JP2023044630A

JP2023044630A - 燃焼器およびこれを含むガスタービン

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Publication number: JP2023044630A
Application number: JP2022103195A
Authority: JP
Inventors: ソンチョ、ウン; Eun Seong Cho; ジュンシン、ヨン; Young Jun Shin
Original assignee: Doosan Enerbility Co Ltd
Current assignee: Doosan Enerbility Co Ltd
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2042-06-28
Also published as: JP7459436B2; US20230089261A1; EP4151907A1; KR102595333B1; KR20230041227A; US11846427B2

Abstract

【課題】燃焼チャンバで発生した火炎がノズル側に逆流してノズルで逆火が発生するのを防止するノズル構造を備えた燃焼器およびこれを含むガスタービンを提供する。【解決手段】燃焼器は燃料および圧縮空気の混合物が燃焼される燃焼チャンバの内部に形成されたインナー缶を含み、インナー缶の前方を覆うヘッドプレートの前方には燃料と圧縮空気とを混合させて後方に供給する複数のノズルアセンブリが設けらる。ノズルアセンブリは、燃料が流入するノズルヘッド１２４と、前方端部がノズルヘッド１２４に結合され、後方端部がヘッドプレートに結合され、供給された燃料と圧縮空気とを混合して後方に供給し、後方へいくほど直径が減少後、増加する形状に形成された複数のノズル手段１３０とを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼器およびこれを含むガスタービンに関し、圧縮機から供給された圧縮空気を燃料と混合して燃焼させる燃焼器、および燃焼器で発生した燃焼ガスをタービンに通過させて電力生成のための動力を発生させるガスタービンに関する。

ターボマシンとは、ターボマシンを通過する流体（特に、気体）を通して、電力生成のための動力を発生させる装置を意味する。したがって、ターボマシンは、通常、発電機と共に設けられて用いられる。このようなターボマシンには、ガスタービン（Ｇａｓｔｕｒｂｉｎｅ）、スチームタービン（Ｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅ）、風力タービン（Ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｔｕｒｂｉｎｅ）などが相当できる。ガスタービンは、圧縮空気と天然ガスとを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成し、このように生成された燃焼ガスを用いて発電のための動力を生成する装置である。スチームタービンは、水を加熱して生成される蒸気を利用して発電のための動力を生成する装置である。風力タービンは、風力を発電用動力に変換させる装置である。

ターボマシンのうち、ガスタービンについて説明すれば、ガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。圧縮機は、圧縮機ケーシング内に複数の圧縮機ベーンと圧縮機ブレードが交互に配置される。そして、圧縮機は、圧縮機入口スクロールストラット（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｉｎｌｅｔｓｃｒｏｌｌｓｔｒｕｔ）を介して外部の空気を吸入する。このように吸入された空気は、圧縮機の内部を通過しながら前記圧縮機ベーンと圧縮機ブレードによって圧縮される。燃焼器は、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を受けて燃料と混合させる。また、燃焼器は、圧縮空気と混合された燃料を点火器で点火して高温高圧の燃焼ガスを生成する。このように生成された燃焼ガスはタービンに供給される。タービンは、タービンケーシング内に複数のタービンベーンとタービンブレードが交互に配置される。そして、タービンは、燃焼器で生成された燃焼ガスを受けて内部に通過させる。タービンの内部を通過する燃焼ガスはタービンブレードを回転させ、タービンの内部を完全に通過した燃焼ガスはタービンディフューザを介して外部に吐出される。

ターボマシンのうち、蒸気タービンについて説明すれば、蒸気タービンは、蒸発器と、タービンとを含む。前記蒸発器は、外部から供給された水を加熱して蒸気を生成する。前記タービンは、ガスタービンでのタービンと同じく、タービンケーシング内に複数のタービンベーンとタービンブレードが交互に配置される。ただし、蒸気タービンでのタービンは、燃焼ガスではない、前記蒸発器で生成された蒸気を内部に通過させて、タービンブレードを回転させる。

一方、ガスタービンの燃焼器は、外部から供給された燃料と、圧縮機から供給された燃料とを混合して、燃焼器の内部に噴射するノズルを備える。そして、燃焼器で燃料と圧縮空気との混合物が燃焼される燃焼チャンバは、ノズルより後方、すなわち燃料－圧縮空気の混合物の流動方向を基準として下流（Ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）側に配置される。

この時、従来のガスタービンによれば、水素のように速い火炎速度を有する物質を燃料として用いる場合、燃焼チャンバで発生する火炎が前方、すなわち燃料－圧縮空気の混合物の流動方向を基準として上流（Ｕｐｓｔｒｅａｍ）側に逆流することにより、ノズルで逆火（Ｆｌａｓｈｂａｃｋ）が発生し、ノズルが損傷を受けるという問題がある。

米国公開特許第２０１２／０１１１０１３号（発明の名称：Ｓｙｓｔｅｍｆｏｒｄｉｒｅｃｔｉｎｇａｉｒｆｌｏｗｉｎａｆｕｅｌｎｏｚｚｌｅａｓｓｅｍｂｌｙ）

本発明は、上記の問題点を解決するために開発されたものであって、ノズルの構造を改善することで、燃焼チャンバで発生した火炎がノズル側に逆流してノズルで逆火が発生するのを防止する燃焼器およびこれを含むガスタービンを提供することを目的とする。

本発明は、圧縮機から供給された圧縮空気を燃料と混合して燃焼させる燃焼器において、外部から燃料が流入するアウター缶と、前記アウター缶の前方に設けられるアウターヘッドと、前記アウター缶の内部に配置され、前記アウター缶との間に圧縮空気が流動し、燃料および圧縮空気の混合物が燃焼される燃焼チャンバが内部に形成されたインナー缶と、前記インナー缶の前方に設けられ、供給された燃料と圧縮空気とを混合して前記インナー缶の内部に供給するインナーヘッドとを含み、前記インナーヘッドは、前記インナー缶の前方を覆うヘッドプレートと、前記ヘッドプレートの前方に設けられ、燃料と圧縮空気とを混合させて後方に供給する複数のノズルアセンブリとを含み、前記ノズルアセンブリは、燃料が流入するノズルヘッドと、前方端部が前記ノズルヘッドに結合され、後方端部が前記ヘッドプレートに結合され、供給された燃料と圧縮空気とを混合して後方に供給し、後方へいくほど直径が減少後増加する形状に形成された複数のノズル手段とを含む燃焼器を提供する。

また、本発明は、外部から供給された空気を圧縮させる圧縮機と、前記圧縮機から供給された圧縮空気を燃料と混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給された燃焼ガスを内部に通過させて電力生成のための動力を発生させるタービンとを含み、前記燃焼器は、外部から燃料が流入するアウター缶と、前記アウター缶の前方に設けられるアウターヘッドと、前記アウター缶の内部に配置され、前記アウター缶との間に圧縮空気が流動し、燃料および圧縮空気の混合物が燃焼される燃焼チャンバが内部に形成されたインナー缶と、前記インナー缶の前方に設けられ、供給された燃料と圧縮空気とを混合して前記インナー缶の内部に供給するインナーヘッドとを含み、前記インナーヘッドは、前記インナー缶の前方を覆うヘッドプレートと、前記ヘッドプレートの前方に設けられ、燃料と圧縮空気とを混合させて後方に供給する複数のノズルアセンブリとを含み、前記ノズルアセンブリは、燃料が流入するノズルヘッドと、前方端部が前記ノズルヘッドに結合され、後方端部が前記ヘッドプレートに結合され、供給された燃料と圧縮空気とを混合して後方に供給し、後方へいくほど直径が減少後増加する形状に形成された複数のノズル手段とを含むガスタービンを提供する。

前記複数のノズルアセンブリは、前記ヘッドプレートの中心部位に１個が配置され、前記中心部位のノズルアセンブリを半径方向外側で残りの複数個が取り囲む構造で設けられ、前記複数のノズル手段は、前記ノズルヘッドの中心部位に１個が配置され、前記中心部位のノズル手段を半径方向外側で残りの複数個が取り囲む構造で設けられる。

前記ノズルヘッドは、中空のプレート形状に形成され、前方に燃料が流入し、前記ノズル手段は、後方へいくほど直径が減少し、前記ノズルヘッドの内部に配置され、前記ノズル手段の内部に流入した燃料が内部に供給されるように壁体に燃料流入ホールが形成されたノズル減少部を含むことができる。

前記ノズル手段は、前記ノズル減少部の後方に配置され、前方から燃料と圧縮空気を受け、前記ノズルヘッドとヘッドプレートとの間で前記ヘッドプレートに結合され、後方へいくほど直径が増加するノズル増加部をさらに含むことができる。

前記ノズル手段は、前記ノズル減少部の前方に連結され、前記ノズルヘッドの前方に突出し、前後に直径が一定に形成され、前方から流入する圧縮空気を前記ノズル減少部に伝達するノズル流入部をさらに含むことができる。

前記ノズル手段は、前記ノズル減少部とノズル増加部との間で前記ノズル減少部とノズル増加部にそれぞれ連結され、前記ノズル減少部からノズル増加部に燃料と圧縮空気を供給し、前後に直径が一定に形成されたノズル連結部をさらに含むことができる。

前記ノズル増加部は、半径方向外側から内側に圧縮空気が流入する空気流入ホールが壁体に貫通形成され、前記空気流入ホールは、前後に互いに離隔配置される複数個で備えられ、前記ノズル増加部の半径方向を基準として外側から内側へいくほど円周方向に沿って曲がった形状に形成されて、前記ノズル増加部の内部に供給される圧縮空気にスワール（Ｓｗｉｒｌ）を形成することができる。

前記燃料流入ホールは、前記ノズル減少部の半径方向を基準として外側から内側へいくほど、前記ノズル減少部の内部で流動する圧縮空気の流動方向を基準として後方に傾斜して形成される。

本発明による燃焼器およびこれを含むガスタービンによれば、インナー缶の前方に設けられるノズル手段が前方から後方へいくほど直径が減少後増加する形状に形成され、燃料はノズル手段における直径の減少する部位に供給されることにより、ノズル手段における直径の減少する部分での流体の流速が速くなることを利用して、燃焼チャンバで発生した火炎が逆流してノズル手段で逆火が発生するのを防止することができる。

また、本発明によれば、２次圧縮空気がノズル手段における直径の増加する部位に供給されることにより、ノズル手段の内周面に隣接して流動する流体の燃料／空気の比率を減少させて、燃焼チャンバで発生した火炎がノズル手段の内周面に沿って逆流するのを防止することができる。具体的には、前記２次圧縮空気は、ノズル手段の内部でスワール（Ｓｗｉｒｌ）効果を誘発して燃料と空気との混合効率を増加させるが、ノズル手段の内部中の中心部位の１次圧縮空気と半径部位の燃料、そしてノズル手段の外部の２次圧縮空気によってノズル手段の出口部位の燃料／空気の比率がＭ字状になり、このため、ノズル手段の中心部位の低い燃料／空気の比率がスワール（Ｓｗｉｒｌ）によって発生する内部再循環（ｉｎｎｅｒｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）の影響によりノズル手段の中心部分の火炎がノズルの内部に入り込む問題を防止することができる。

本発明によるガスタービンの断面図である。図１に示した燃焼器の切開斜視図である。図２に示したノズルアセンブリを前方からみた様子を示す部分切開斜視図である。図３の正面図であって、本発明の第１実施例を示す図である。図４におけるＡ部分の拡大図である。図４におけるＢ部分の拡大図である。図６におけるＣ－Ｃ線に沿ったノズル増加部の断面図である。本発明の第２実施例を示す図である。

本発明は図面に示された実施例を参照して説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形および均等な他の実施例が可能であることを理解するであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は添付した特許請求の範囲の技術的思想によって定められなければならない。

図１を参照すれば、ガスタービン１０は、圧縮機１１と、燃焼器１００と、タービン１２とを含む。気体（圧縮空気または燃焼ガス）の流動方向を基準とした時、ガスタービン１０の上流側には圧縮機１１が配置され、下流側にはタービン１２が配置される。そして、圧縮機１１とタービン１２との間には燃焼器１００が配置される。

圧縮機１１は、圧縮機ケーシングの内部に圧縮機ベーンと圧縮機ロータとを収容し、タービン１２は、タービンケーシングの内部にタービンベーンとタービンロータとを収容する。このような圧縮機ベーンと圧縮機ロータは、圧縮空気の流動方向に沿って多段（Ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ）に配置され、タービンベーンとタービンロータも、燃焼ガスの流動方向に沿って多段に配置される。この時、圧縮機は、吸入された空気が圧縮できるように前段（Ｆｒｏｎｔ－ｓｔａｇｅ）から後段（Ｒｅａｒ－ｓｔａｇｅ）側へいくほど内部空間が減少し、逆に、タービン１２は、燃焼器から供給された燃焼ガスが膨張できるように前段から後段側へいくほど内部空間が大きくなる構造に設計される。

一方、圧縮機１１の最後段部側に位置した圧縮機ロータと、タービン１２の最前段部側に位置したタービンロータとの間には、タービン１２で発生した回転トルクを前記圧縮機１１に伝達するトルク伝達部材としてのトルクチューブが配置される。前記トルクチューブは、図１に示されるように、計３つの段からなる複数のトルクチューブディスクで構成されるが、これは、本発明の様々な実施例のうちの１つに過ぎず、前記トルクチューブは、４つ以上の段または２つ以下の段からなる複数のトルクチューブディスクで構成されてもよい。

前記圧縮機ロータは、圧縮機ディスクと、圧縮機ブレードとを含む。前記圧縮機ケーシングの内部には、複数（例えば、１４枚）の圧縮機ディスクが備えられ、前記それぞれの圧縮機ディスクは、タイロッドによって軸方向に離隔しないように締結される。さらに詳しくは、前記それぞれの圧縮機ディスクは、中心部が前記タイロッドによって貫通した状態で互いに軸方向に沿って整列される。そして、隣接するそれぞれの圧縮機ディスクは、対向する面が前記タイロッドによって圧着されて、互いに相対的な回転ができないように配置される。

前記圧縮機ディスクの外周面には、複数の圧縮機ブレードが放射状に結合される。また、前記圧縮機ブレードの間には、同じ段（Ｓｔａｇｅ）を基準とした時、前記圧縮機ケーシングの内周面に環状に設けられる複数の圧縮機ベーンがそれぞれ配置される。前記圧縮機ベーンは、前記圧縮機ディスクとは異なって回転しないように固定された状態を維持し、圧縮機ブレードを通過した圧縮空気の流れを整列して、下流側に位置する圧縮機ブレードに圧縮空気を案内する役割を果たす。この時、前記圧縮機ケーシングと圧縮機ベーンは、前記圧縮機ロータと区分するために、圧縮機ステータという包括的な名称で定義される。

前記圧縮機ステータは、前記圧縮機ケーシングと圧縮機ベーンのほか、圧縮機入口スクロールストラットをさらに含む。前記圧縮機入口スクロールストラットは、前記圧縮機ケーシングの前段に連結され、外部の空気を前記圧縮機ケーシングの入口にガイドする。一方、前記圧縮機ベーンのうち、最も前段に位置したものをインレットガイドベーンという。前記インレットガイドベーンは、前記圧縮機ケーシングに流入する空気を、後段に配置された圧縮機ブレードと圧縮機ベーンにガイドする役割を果たす。

前記タイロッドは、前記複数の圧縮機ディスクと、後述するタービンディスクの中心部とを貫通するように配置され、一側端部は圧縮機１１の最前段部側に位置した圧縮機ディスク内に締結され、他側端部は固定ナットによって締結される。

前記タイロッドの形態は、ガスタービンによって多様な構造からなるので、必ずしも図１に提示された形態に限定されるものではない。すなわち、図示のように、１つのタイロッドが圧縮機ディスクとタービンディスクの中央部とを貫通する形態を有してもよく、複数のタイロッドが円周上に配置される形態を有してもよいし、これらの混用も可能である。

図示しないが、ガスタービンの圧縮機には、流体の圧力を高めた後、燃焼器の入口に入る流体の流動角を設計流動角に合わせるために案内羽根の役割を果たすデスワーラ（Ｄｅｓｗｉｒｌｅｒ）が設けられる。

前記燃焼器１００から出た高温、高圧の燃焼ガスは、上述したタービン１２に供給される。タービン１２に供給された高温高圧の燃焼ガスは、タービン１２の内部を通過しながら膨張し、それによって、後述するタービンブレードに衝動および反動力を加えて回転トルクを発生させる。このように得られた回転トルクは、上述したトルクチューブを経て圧縮機に伝達され、圧縮機の駆動に必要な動力を超える部分は発電機などを駆動するのに使用される。

前記タービン１２は、基本的には圧縮機１１の構造と類似する。すなわち、前記タービン１２にも、圧縮機１１の圧縮機ロータと類似する複数のタービンロータが備えられる。したがって、前記タービンロータも、タービンディスクと、これから放射状に配置される複数のタービンブレードとを含む。前記タービンブレードの間にも、同じ段を基準とした時、前記タービンケーシングに環状に設けられる複数のタービンベーンが備えられ、前記タービンベーンは、タービンブレードを通過した燃焼ガスの流動方向をガイドする。この時、前記タービンケーシングとタービンベーンも、前記タービンロータと区分するために、タービンステータという包括的な名称で定義される。

図２を参照すれば、本発明による燃焼器１００は、アウター缶１１０と、アウターヘッド１１１と、インナー缶１２０と、インナーヘッド１２１とを含む。前記アウター缶１１０は、中空の円筒形状に形成され、外部から燃料が流入する。前記アウターヘッド１１１は、前記アウター缶１１０の前方から前記アウター缶１１０を覆う。前記インナー缶１２０は、前記アウター缶１１０の内部に配置され、中空の円筒形状に形成される。そして、前記インナー缶１２０とアウター缶１１０との間には、圧縮空気が後方から前方に移動し、前方を通して燃料と圧縮空気が内部に注入される。そして、前記インナー缶１２０の内部に注入された燃料と圧縮空気との混合物が燃焼されるにつれ、高温高圧の火炎および燃焼ガスが発生する。ここで、前記インナー缶１２０の内部で燃焼が行われる空間を燃焼チャンバ１１２という。前記インナーヘッド１２１は、前記インナー缶１２０の前方に設けられ、供給された燃料と圧縮空気とを混合して前記インナー缶１２０の内部に供給する。

図３および図４を参照すれば、前記インナーヘッド１２１は、ヘッドプレート１２２と、複数のノズルアセンブリ１２３とを含む。前記ヘッドプレート１２２は、前記インナー缶１２０の前方を覆う。前記複数のノズルアセンブリ１２３は、前記ヘッドプレート１２２の前方に設けられ、燃料と圧縮空気とを混合させて後方に供給する。前記ノズルアセンブリ１２３は、ノズルヘッド１２４と、複数のノズル手段１３０とを含む。前記ノズルヘッド１２４は、前記ヘッドプレート１２２の前方に離隔配置され、燃料が内部に流入する。前記複数のノズル手段１３０は、前方端部が前記ノズルヘッド１２４に結合され、後方端部が前記ヘッドプレート１２２に結合され、供給された燃料と圧縮空気とを混合して後方に供給する。この時、前記複数のノズル手段１３０は、前方端部から後方端部へいくほど直径が減少後増加する形状に形成される。

図２および図３を参照すれば、前記複数のノズルアセンブリ１２３は、前記ヘッドプレート１２２の中心部位に１個が配置され、前記中心部位のノズルアセンブリ１２３を半径方向外側で残りの複数個が取り囲む構造で設けられる。前記複数のノズル手段１３０は、前記ノズルヘッド１２４の中心部位に１個が配置され、前記中心部位のノズル手段１３０を半径方向外側で残りの複数個が取り囲む構造で設けられる。

図３および図４を参照すれば、前記ノズルヘッド１２４は、中空のプレート形状に形成され、前方に燃料が流入する。前記ノズル手段１３０は、ノズル減少部１３１と、ノズル増加部１３２と、ノズル流入部１３３と、ノズル連結部１３４とを含む。

前記ノズル減少部１３１は、後方へいくほど直径が減少し、前記ノズルヘッド１２４の内部に配置され、前記ノズル手段１３０の内部に流入した燃料が内部に供給されるように壁体に燃料流入ホール１３５が形成される。前記燃料流入ホール１３５は、前記ノズル減少部１３１の円周方向に沿って離隔配置される複数個で備えられる。前記ノズル増加部１３２は、前記ノズル減少部１３１の後方に配置され、前方から燃料と圧縮空気を受け、前記ノズルヘッド１２４とヘッドプレート１２２との間で前記ヘッドプレート１２２に結合され、後方へいくほど直径が増加する。

前記ノズル流入部１３３は、前記ノズル減少部１３１の前方に連結され、前記ノズルヘッド１２４の前方に突出し、前後に直径が一定に形成され、前方から流入する圧縮空気を前記ノズル減少部１３１に伝達する。前記ノズル連結部１３４は、前記ノズル減少部１３１とノズル増加部１３２との間で前記ノズル減少部１３１とノズル増加部１３２にそれぞれ連結され、前記ノズル減少部１３１からノズル増加部１３２に燃料と圧縮空気を供給し、前後に直径が一定に形成される。

前記ノズル増加部１３２は、半径方向外側から内側に圧縮空気が流入する空気流入ホール１３６が壁体に貫通形成される。前記空気流入ホール１３６は、前記ノズル増加部１３２の円周方向に沿って互いに離隔配置される複数個で備えられる。そして、前記複数の空気流入ホール１３６は、前後に、すなわち前記ノズル増加部１３２の内部で流動する流体の流動方向に沿って互いに離隔配置される複数の列（Ｒｏｗ）で備えられる。前記空気流入ホール１３６は、前記ノズル増加部１３２の半径方向を基準として外側から内側へいくほど円周方向に沿って曲がった形状に形成されて、前記ノズル増加部の内部に供給される圧縮空気にスワール（Ｓｗｉｒｌ）を形成する。

図２～図４を参照すれば、前記インナー缶１２０とアウター缶１１０との間を通して前記ノズルアセンブリ１２３の前方に流入した圧縮空気は、前記ノズル流入部１３３の前方に流入した後、前記ノズル減少部１３１に供給される。そして、燃料は、外部から前記アウター缶１１０の内部に流入した後、前記ノズルヘッド１２４の内部に流入する。参照として、図面では、外部から前記ノズルヘッド１２４に燃料を供給するパイプラインが省略されている。前記ノズルヘッド１２４の内部に流入した燃料は、前記複数の燃料流入ホール１３５を通して前記ノズル減少部１３１の内部に供給される。そして、前記ノズル減少部１３１の内部で燃料と圧縮空気とは混合された後、前記ノズル連結部１３４を介して前記ノズル増加部１３２に供給される。

図５を参照すれば、前記ノズル減少部１３１は、後方へいくほど直径が次第に減少するので、前記ノズル減少部１３１での圧縮空気の流動は、前記ノズル減少部１３１の半径方向内側に収斂（Ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ）する。そして、前記ノズル減少部１３１の後方へいくほど前記ノズル減少部１３１での圧縮空気の流速が速くなる。そして、燃料は、このように圧縮空気の流速が増加する部位に供給される。この場合、前記ノズル減少部１３１の内周面で逆火（Ｆｌａｓｈｂａｃｋ）が発生するのを防止することができる。

図６および図７を参照すれば、前記ノズル増加部１３２に供給された燃料と圧縮空気との混合物は後方に供給された後、前記ヘッドプレート１２２を通過した後、前記燃焼チャンバ１１２に注入される。この時、前記インナー缶１２０とアウター缶１１０との間を通して前記ヘッドプレート１２２の前方に供給された圧縮空気中の一部は、前記複数の空気流入ホール１３６を通して前記ノズル手段１３０の外部から前記ノズル増加部１３２の内部に流入する。前記複数の空気流入ホール１３６は、それぞれ前記ノズル増加部１３２の半径方向を基準として外側から内側へいくほど円周方向に沿って曲がった形状に形成されるので、前記複数の空気流入ホール１３６を通して前記ノズル増加部１３２の内部に流入する圧縮空気の流動にはスワール（Ｓｗｉｒｌ）が発生する。

前記ノズル減少部１３１の内部空間は、中心部位が内周面と隣接した部位より空気に比べて燃料の量が相対的に低い。すなわち、前記ノズル減少部１３１の内部空間は、中心部位から内周面と隣接した部位へいくほど空気に比べて燃料の量が増加する。前記複数の燃料流入ホール１３５を通して前記ノズル減少部１３１の内周面に燃料が供給されるからである。前記ノズル増加部１３２の内部空間は、中心部位から内周面と隣接した部位へいくほど空気に比べて燃料の量が増加後減少する。前記ノズル減少部１３１とは逆に、前記ノズル増加部１３２は、内周面に、燃料ではない圧縮空気が供給されるからである。

したがって、前記ノズル増加部１３２の内周面の隣接部位は、燃料に比べて空気の量が相対的に多いため、逆火（Ｆｌａｓｈｂａｃｋ）が発生するのを防止することができる。また、前記複数の空気流入ホール１３６を通して前記ノズル増加部１３２の内部に流入する圧縮空気の流動にはスワール（Ｓｗｉｒｌ）が形成されるので、前記ノズル増加部１３２の内部での燃料と圧縮空気とがより均一に効果的に混合されるようにし、前記燃焼チャンバ１１２で発生する火炎から前記ノズル増加部１３２の内周面を保護することができる。ノズル流入部１３３に流入する圧縮空気を１次圧縮空気とし、空気流入ホール１３６に流入する圧縮空気を２次圧縮空気とした時、２次圧縮空気によるスワール（Ｓｗｉｒｌ）によって発生する内部再循環（ｉｎｎｅｒｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）の影響によりノズル手段１３０の中心部位の火炎がノズルの内部に入り込む問題が発生しうるが、これは、ノズル手段１３０の中心部位の１次圧縮空気の軸方向速度によってノズル手段１３０の中心部位が低い燃料／空気の比率を維持させることができ、１次圧縮空気の軸方向速度によってノズル手段１３０の内部の空気再循環領域を後方に押し出して、上記のような問題を防止することができる。

図５を参照すれば、本発明の第１実施例において、前記複数の燃料流入ホール１３５は、それぞれ前記ノズル減少部１３１の半径方向に沿って、すなわち前記ノズル減少部１３１の内部空間中の中心部位で流動する流体の流動方向に対して直交するように形成される。図８を参照すれば、本発明の第２実施例において、前記複数の燃料流入ホール１３５は、それぞれ前記ノズル減少部１３１の半径方向を基準として外側から内側へいくほど、前記ノズル減少部１３１の内部で流動する圧縮空気の流動方向を基準として後方に傾斜して形成される。

Claims

圧縮機から供給された圧縮空気を燃料と混合して燃焼させる燃焼器において、
外部から燃料が流入するアウター缶と、
前記アウター缶の前方に設けられるアウターヘッドと、
前記アウター缶の内部に配置され、前記アウター缶との間に圧縮空気が流動し、燃料および圧縮空気の混合物が燃焼される燃焼チャンバが内部に形成されたインナー缶と、
前記インナー缶の前方に設けられ、供給された燃料と圧縮空気とを混合して前記インナー缶の内部に供給するインナーヘッドとを含み、
前記インナーヘッドは、
前記インナー缶の前方を覆うヘッドプレートと、
前記ヘッドプレートの前方に設けられ、燃料と圧縮空気とを混合させて後方に供給する複数のノズルアセンブリとを含み、
前記ノズルアセンブリは、
燃料が流入するノズルヘッドと、
前方端部が前記ノズルヘッドに結合され、後方端部が前記ヘッドプレートに結合され、供給された燃料と圧縮空気とを混合して後方に供給し、後方へいくほど直径が減少後増加する形状に形成された複数のノズル手段とを含む燃焼器。
前記複数のノズルアセンブリは、前記ヘッドプレートの中心部位に１個が配置され、前記中心部位のノズルアセンブリを半径方向外側で残りの複数個が取り囲む構造で設けられ、
前記複数のノズル手段は、前記ノズルヘッドの中心部位に１個が配置され、前記中心部位のノズル手段を半径方向外側で残りの複数個が取り囲む構造で設けられる、請求項１に記載の燃焼器。
前記ノズルヘッドは、中空のプレート形状に形成され、前方に燃料が流入し、
前記ノズル手段は、
後方へいくほど直径が減少し、前記ノズルヘッドの内部に配置され、前記ノズル手段の内部に流入した燃料が内部に供給されるように壁体に燃料流入ホールが形成されたノズル減少部を含む、請求項１に記載の燃焼器。
前記ノズル手段は、
前記ノズル減少部の後方に配置され、前方から燃料と圧縮空気を受け、前記ノズルヘッドとヘッドプレートとの間で前記ヘッドプレートに結合され、後方へいくほど直径が増加するノズル増加部をさらに含む、請求項３に記載の燃焼器。
前記ノズル手段は、
前記ノズル減少部の前方に連結され、前記ノズルヘッドの前方に突出し、前後に直径が一定に形成され、前方から流入する圧縮空気を前記ノズル減少部に伝達するノズル流入部をさらに含む、請求項３に記載の燃焼器。
前記ノズル手段は、
前記ノズル減少部とノズル増加部との間で前記ノズル減少部とノズル増加部にそれぞれ連結され、前記ノズル減少部からノズル増加部に燃料と圧縮空気を供給し、前後に直径が一定に形成されたノズル連結部をさらに含む、請求項４に記載の燃焼器。
前記ノズル増加部は、半径方向外側から内側に圧縮空気が流入する空気流入ホールが壁体に貫通形成され、
前記空気流入ホールは、前後に互いに離隔配置される複数個で備えられ、前記ノズル増加部の半径方向を基準として外側から内側へいくほど円周方向に沿って曲がった形状に形成されて、前記ノズル増加部の内部に供給される圧縮空気にスワール（Ｓｗｉｒｌ）を形成する、請求項４に記載の燃焼器。
前記燃料流入ホールは、前記ノズル減少部の半径方向を基準として外側から内側へいくほど、前記ノズル減少部の内部で流動する圧縮空気の流動方向を基準として後方に傾斜して形成された、請求項３に記載の燃焼器。
外部から供給された空気を圧縮させる圧縮機と、
前記圧縮機から供給された圧縮空気を燃料と混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から供給された燃焼ガスを内部に通過させて電力生成のための動力を発生させるタービンとを含み、
前記燃焼器は、
外部から燃料が流入するアウター缶と、
前記アウター缶の前方に設けられるアウターヘッドと、
前記アウター缶の内部に配置され、前記アウター缶との間に圧縮空気が流動し、燃料および圧縮空気の混合物が燃焼される燃焼チャンバが内部に形成されたインナー缶と、
前記インナー缶の前方に設けられ、供給された燃料と圧縮空気とを混合して前記インナー缶の内部に供給するインナーヘッドとを含み、
前記インナーヘッドは、
前記インナー缶の前方を覆うヘッドプレートと、
前記ヘッドプレートの前方に設けられ、燃料と圧縮空気とを混合させて後方に供給する複数のノズルアセンブリとを含み、
前記ノズルアセンブリは、
燃料が流入するノズルヘッドと、
前方端部が前記ノズルヘッドに結合され、後方端部が前記ヘッドプレートに結合され、供給された燃料と圧縮空気とを混合して後方に供給し、後方へいくほど直径が減少後増加する形状に形成された複数のノズル手段とを含むガスタービン。
前記複数のノズルアセンブリは、前記ヘッドプレートの中心部位に１個が配置され、前記中心部位のノズルアセンブリを半径方向外側で残りの複数個が取り囲む構造で設けられ、
前記複数のノズル手段は、前記ノズルヘッドの中心部位に１個が配置され、前記中心部位のノズル手段を半径方向外側で残りの複数個が取り囲む構造で設けられる、請求項９に記載のガスタービン。
前記ノズルヘッドは、中空のプレート形状に形成され、前方に燃料が流入し、
前記ノズル手段は、
後方へいくほど直径が減少し、前記ノズルヘッドの内部に配置され、前記ノズル手段の内部に流入した燃料が内部に供給されるように壁体に燃料流入ホールが形成されたノズル減少部を含む、請求項９に記載のガスタービン。
前記ノズル手段は、
前記ノズル減少部の後方に配置され、前方から燃料と圧縮空気を受け、前記ノズルヘッドとヘッドプレートとの間で前記ヘッドプレートに結合され、後方へいくほど直径が増加するノズル増加部をさらに含む、請求項１１に記載のガスタービン。
前記ノズル手段は、
前記ノズル減少部の前方に連結され、前記ノズルヘッドの前方に突出し、前後に直径が一定に形成され、前方から流入する圧縮空気を前記ノズル減少部に伝達するノズル流入部をさらに含む、請求項１１に記載のガスタービン。
前記ノズル手段は、
前記ノズル減少部とノズル増加部との間で前記ノズル減少部とノズル増加部にそれぞれ連結され、前記ノズル減少部からノズル増加部に燃料と圧縮空気を供給し、前後に直径が一定に形成されたノズル連結部をさらに含む、請求項１２に記載のガスタービン。
前記ノズル増加部は、半径方向外側から内側に圧縮空気が流入する空気流入ホールが壁体に貫通形成され、
前記空気流入ホールは、前後に互いに離隔配置される複数個で備えられ、前記ノズル増加部の半径方向を基準として外側から内側へいくほど円周方向に沿って曲がった形状に形成されて、前記ノズル増加部の内部に供給される圧縮空気にスワール（Ｓｗｉｒｌ）を形成する、請求項１２に記載のガスタービン。
前記燃料流入ホールは、前記ノズル減少部の半径方向を基準として外側から内側へいくほど、前記ノズル減少部の内部で流動する圧縮空気の流動方向を基準として後方に傾斜して形成された、請求項１１に記載のガスタービン。