JP2023104876A - 燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】燃料と空気との混合特性を向上させて窒素酸化物の発生を最小化し、火炎安定性を高められる燃焼器用ノズル、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】燃焼器用ノズルのモジュールが、燃料供給管１４２０と燃料プレナム１５１０と空気流入口１５１１と複数のチューブ１５２０とスワラ１５３０とを含み、燃料供給管１４２０は前方から後方に燃料を供給し、燃料プレナム１５１０は内部に燃料の流動する燃料流路１５１３が形成され燃料供給管１４２０と連通する。空気流入口１５１１は燃料プレナム１５１０の前方に形成され、チューブ１５２０は燃料プレナム１５１０の前後を貫通して配置されかつ、燃料プレナム１５１０によって支持され、前端が空気流入口１１５１と連通し、側部に燃料流路１５１３と連通する燃料ポートが形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンに関し、より詳しくは、スワラが配置された複数のチューブを含む燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンに関する。

ガスタービンは、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させ、燃焼で発生した高温のガスでタービンを回転させる動力機関である。ガスタービンは、発電機、航空機、船舶、列車などを駆動するのに用いられる。

一般的に、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、外部空気を吸入して圧縮した後、燃焼器に伝達する。圧縮機で圧縮された空気は高圧および高温の状態になる。燃焼器は、圧縮機から流入した圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる。燃焼によって発生した燃焼ガスはタービンに排出される。燃焼ガスによってタービン内部のタービンブレードが回転し、これにより動力が発生する。発生した動力は発電、機械装置の駆動などの多様な分野に使用される。

燃料は各燃焼器内に設けられたノズルを介して噴射され、ノズルは気体燃料および液体燃料を噴射することができる。近年は、二酸化炭素の排出を抑制するために、水素燃料または水素を含む燃料の使用が推奨されている。

しかし、水素は燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器でこれらの燃料を燃焼させた場合に、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎がガスタービン燃焼器の構造物に近づいて加熱し、ガスタービン燃焼器の信頼性から問題を引き起こす可能性がある。

上記の技術的背景に基づき、本発明は、燃料と空気との混合特性を向上させて窒素酸化物の発生を最小化し、火炎安定性を高められる燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンを提供する。

本発明の実施形態に係る燃焼器用ノズルは、ノズルモジュールを含む。ノズルモジュールは、燃料供給管と、燃料プレナムと、空気流入口と、複数のチューブと、スワラとを含む。燃料供給管は、前方から後方に燃料を供給する。燃料プレナムは、内部に燃料の流動する燃料流路が形成され、燃料供給管と連通する。空気流入口は、燃料プレナムの前方に形成される。チューブは、燃料プレナムの前後を貫通して配置されかつ、燃料プレナムによって支持され、前端が空気流入口と連通し、側部に燃料流路と連通する燃料ポートが形成される。スワラは、チューブの内周面から軸方向および円周方向に傾斜して配置されて流体を旋回させる複数の旋回ガイドを含み、チューブの軸方向から眺めると、中央部分が開口する。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、スワラは、チューブの軸方向から眺めると、中央部分が円形に開口できる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、旋回ガイドは、チューブの軸方向から眺めると、連続した環状に配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、旋回ガイドは、チューブの軸方向に沿って延びた直線部と、直線部の後端からチューブの軸方向および円周方向に延びた旋回部とを含むことができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、旋回部は、チューブで曲線の形状に傾斜して形成される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、チューブの軸方向を基準として、旋回部の長さは、直線部の長さより長く形成される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、直線部の前端部には、チューブの内側へいくほど後方に傾斜した傾斜部が形成される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、燃料ポートは、チューブおよび旋回ガイドを貫通し、旋回ガイドに配置される第１燃料ポートを含むことができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、燃料ポートは、チューブおよび旋回ガイドを貫通し、直線部に配置される第１燃料ポートを含むことができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、燃料ポートは、チューブを貫通し、複数の旋回ガイドの間に配置される第２燃料ポートを含むことができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、燃料ポートは、チューブを貫通し、複数の直線部の間に配置される第２燃料ポートを含むことができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、燃料ポートは、チューブを貫通し、複数の旋回部の間に配置される第２燃料ポートを含むことができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、スワラは、チューブの前端部に配置される。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、燃料ポートは、チューブを貫通し、スワラの前方に配置される第３燃料ポートを含むことができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器用ノズルにおいて、燃料ポートは、チューブを貫通し、スワラの後方に配置される第４燃料ポートを含むことができる。

本発明の実施形態に係る燃焼器は、燃焼器用ノズルと、ダクト組立体とを含む。燃焼器用ノズルは、ノズルモジュールを含む。ダクト組立体は、ノズルの一側に結合され、燃料と空気とが内部で燃焼され、燃焼されたガスをタービンに伝達する。ノズルモジュールは、燃料供給管と、燃料プレナムと、空気流入口と、複数のチューブと、スワラとを含む。燃料供給管は、前方から後方に燃料を供給する。燃料プレナムは、内部に燃料の流動する燃料流路が形成され、燃料供給管と連通する。空気流入口は、燃料プレナムの前方に形成される。チューブは、燃料プレナムの前後を貫通して配置されかつ、燃料プレナムによって支持され、前端が空気流入口と連通し、側部に燃料流路と連通する燃料ポートが形成される。スワラは、チューブの内周面から軸方向および円周方向に傾斜して配置されて流体を旋回させる複数の旋回ガイドを含み、チューブの軸方向から眺めると、中央部分が開口する。

本発明の一実施形態に係る燃焼器において、スワラは、チューブの軸方向から眺めると、中央部分が円形に開口する。

本発明の一実施形態に係る燃焼器において、旋回ガイドは、チューブの軸方向に沿って延びた直線部と、直線部の後端からチューブの軸方向および円周方向に延びた旋回部とを含むことができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器において、燃料ポートは、チューブおよび旋回ガイドを貫通し、旋回ガイドに配置される第１燃料ポートを含むことができる。

本発明の実施形態に係るガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。圧縮機は、外部から流入した空気を圧縮する。燃焼器は、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する。タービンは、燃焼器で燃焼された燃焼ガスによって回転する複数のタービンブレードを含む。燃焼器は、ノズルと、ダクト組立体とを含む。ノズルは、ノズルモジュールを含む。ダクト組立体は、ノズルの一側に結合され、圧縮空気と燃料とが内部で燃焼され、燃焼された燃焼ガスをタービンに伝達する。ノズルモジュールは、燃料供給管と、燃料プレナムと、空気流入口と、複数のチューブと、スワラとを含む。燃料供給管は、前方から後方に燃料を供給する。燃料プレナムは、内部に燃料の流動する燃料流路が形成され、燃料供給管と連通する。空気流入口は、燃料プレナムの前方に形成される。チューブは、燃料プレナムの前後を貫通して配置されかつ、燃料プレナムによって支持され、前端が空気流入口と連通し、側部に燃料流路と連通する燃料ポートが形成される。スワラは、チューブの内周面から軸方向および円周方向に傾斜して配置されて流体を旋回させる複数の旋回ガイドを含み、チューブの軸方向から眺めると、中央部分が開口する。

本発明による燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンは、スワラが配置された複数のチューブを含むことで、空気と燃料との混合特性を向上させて窒素酸化物の発生を最小化し、火炎安定性を高められるというメリットがある。

本発明の第１実施形態に係るガスタービンの内部が示される図である。 図１の燃焼器を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るノズルにおいてノズルモジュールがチューブ組立体に結合された様子を示す縦断面図である。 図３におけるチューブおよびスワラを別途に拡大して示す斜視図である。 図３におけるチューブおよびスワラを別途に拡大して示す正面図である。 本発明の第１実施形態に係るスワラの周辺に形成された流速分布を概略的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係るノズルのチューブおよびスワラを別途に拡大して示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るノズルのチューブおよびスワラを別途に拡大して示す縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係るノズルのチューブおよびスワラを別途に拡大して示す縦断面図である。

本発明は多様な変換が加えられて様々な実施例を有することができるが、特定の実施例を例示して詳細な説明に詳しく説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするのではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物または代替物を含むことが理解されなければならない。

本発明で使った用語は単に特定の実施例を説明するために使われたものであり、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明らかに異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本発明において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。この時、添付した図面において、同一の構成要素はできるだけ同一の符号で表していることに留意する。また、本発明の要旨をあいまいにしうる公知の機能および構成に関する詳細な説明は省略する。同様の理由から、添付図面において一部の構成要素は誇張または省略されるか、概略的に示された。

以下、本発明による燃焼器用ノズル、燃焼器およびこれを含むガスタービンについて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るガスタービンの内部が示される図であり、図２は、図１の燃焼器を示す図である。

以下、図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態に係るガスタービンについて説明する。本実施形態に係るガスタービン１０００の熱力学的サイクルは、理想的にはブレイトンサイクル（Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ）によることができる。ブレイトンサイクルは、等エントロピー圧縮（断熱圧縮）、定圧給熱、等エントロピー膨張（断熱膨張）、定圧放熱につながる４つの過程からなる。すなわち、大気の空気を吸入して高圧に圧縮した後、定圧環境で燃料を燃焼して熱エネルギーを放出し、この高温の燃焼ガスを膨張させて運動エネルギーに変換させた後に、残留エネルギーを含む排気ガスを大気中に放出することができる。すなわち、圧縮、加熱、膨張、放熱の４過程でサイクルが行われる。

このようなブレイトンサイクルを実現するガスタービン１０００は、図１に示されるように、圧縮機１１００と、燃焼器１２００と、タービン１３００とを含むことができる。以下の説明は図１を参照するが、本発明の説明は、図１に例として示されたガスタービン１０００と同等の構成を有するタービン機関に対しても幅広く適用可能である。

図１を参照すれば、ガスタービン１０００の圧縮機１１００は、外部から空気を吸入して圧縮することができる。圧縮機１１００は、圧縮機ブレード１１３０によって圧縮された圧縮空気を燃焼器１２００に供給し、また、ガスタービン１０００で冷却が必要な高温領域に冷却用空気を供給することができる。この時、吸入された空気は圧縮機１１００で断熱圧縮過程を経るので、圧縮機１１００を通過した空気の圧力と温度は上昇する。

圧縮機１１００は、遠心圧縮機（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ）や軸流圧縮機（ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）で設計されるが、小型ガスタービンでは遠心圧縮機が適用されるのに対し、図１に示されるような大型ガスタービン１０００は、大量の空気を圧縮しなければならないため、多段軸流圧縮機が適用されることが一般的である。この時、多段軸流圧縮機において、圧縮機１１００の圧縮機ブレード１１３０は、ロータディスクの回転に伴って回転して、流入した空気を圧縮しながら圧縮された空気を後段の圧縮機ベーン１１４０に移動させる。空気は、多段に形成された圧縮機ブレード１１３０を通過しながら次第により高圧に圧縮される。

圧縮機ベーン１１４０は、ハウジング１１５０の内部に装着され、複数の圧縮機ベーン１１４０が段を形成して装着される。圧縮機ベーン１１４０は、前段の圧縮機ブレード１１３０から移動した圧縮空気を後段の圧縮機ブレード１１３０側に案内する。一実施形態において、複数の圧縮機ベーン１１４０の少なくとも一部は、空気の流入量の調節などのために、定められた範囲内で回転可能に装着される。

圧縮機１１００は、タービン１３００から出力される動力の一部を用いて駆動できる。このために、図１に示されるように、圧縮機１１００の回転軸と、タービン１３００の回転軸とは直結可能である。大型ガスタービン１０００の場合、タービン１３００で生産される出力のほぼ半分程度が圧縮機１１００を駆動するのに消耗しうる。したがって、圧縮機１１００の効率を向上させることは、ガスタービン１０００の全体効率を向上させるのに直接的な影響を及ぼす。

タービン１３００は、ロータディスク１３１０と、ロータディスク１３１０に放射状に配置される複数のタービンブレードおよびタービンベーンとを含む。ロータディスク１３１０は、略円板形状を有しており、その外周部には複数の溝が形成されている。溝は屈曲面を有するように形成され、溝にタービンブレードとタービンベーンが挿入される。タービンベーンは、回転しないように固定され、タービンブレードを通過した燃焼ガスの流れ方向を案内する。タービンブレードは、燃焼ガスによって回転しながら回転力を生成する。

一方、燃焼器１２００は、圧縮機１１００の出口から供給される圧縮空気を燃料と混合して、等圧燃焼させて、高いエネルギーの燃焼ガスを作ることができる。図２は、ガスタービン１０００に適用される燃焼器１２００の一例を示す。燃焼器１２００は、燃焼器ケーシング１２１０と、ノズル１２２０と、ダクト組立体１２４０とを含むことができる。

燃焼器ケーシング１２１０は、ノズル１２２０を取り囲み、略円形シリンダ形状からなってもよい。ノズル１２２０は、圧縮機１１００の下流に配置され、環状をなす燃焼器ケーシング１２１０に沿って配置される。ノズル１２２０には少なくとも１つ以上のノズルモジュール１４００が備えられ、このノズルモジュール１４００では、燃料と空気とが適切な比率で混合された後、噴射されて、燃焼に適した状態をなす。

ガスタービン１０００にはガス燃料が使用可能であり、特に、水素を含む燃料が使用可能である。燃料は、水素燃料単独、または水素と天然ガスとを含む燃料からなってもよい。

ダクト組立体１２４０は、ノズル１２２０とタービン１３００との間を連結して高温の燃焼ガスが流動し、ダクト組立体１２４０の外面からは圧縮空気が流れてノズル１２２０側に供給され、この過程で高温の燃焼ガスによって加熱されたダクト組立体１２４０が適切に冷却される。

ダクト組立体１２４０は、ライナー１２４１と、トランジションピース１２４２と、流動スリーブ１２４３とを含むことができる。ダクト組立体１２４０は、ライナー１２４１とトランジションピース１２４２の外を流動スリーブ１２４３が取り囲む二重構造からなっており、圧縮空気は、流動スリーブ１２４３の内側の環状空間内に侵入してライナー１２４１とトランジションピース１２４２を冷却させる。

ライナー１２４１は、燃焼器１２００のノズル１２２０に連結される管部材であって、ライナー１２４１の内部の空間が燃焼室１２３０を形成する。ライナー１２４１の長手方向の一側端部はノズル１２２０に結合され、ライナー１２４１の長手方向の他側端部はトランジションピース１２４２に結合される。

そして、トランジションピース１２４２は、タービン１３００の入口と連結されて、高温の燃焼ガスをタービン１３００に誘導する役割を果たす。トランジションピース１２４２の長手方向の一側端部はライナー１２４１と結合され、トランジションピース１２４２の長手方向の他側端部はタービン１３００と結合される。流動スリーブ１２４３は、ライナー１２４１とトランジションピース１２４２を保護する一方、高温の熱気が外部に直接放出されることを防ぐ役割を果たす。

図３は、本発明の第１実施形態に係るノズルにおいてノズルモジュールがチューブ組立体に結合された様子を示す縦断面図であり、図４は、図３におけるチューブおよびスワラを別途に拡大して示す斜視図であり、図５は、図３におけるチューブおよびスワラを別途に拡大して示す正面図であり、図６は、本発明の第１実施形態に係るスワラの周辺に形成された流速分布を概略的に示す図である。

以下、図３～図６を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０について詳しく説明する。本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、少なくとも１つ以上のノズルモジュール１４００を含む。ノズルモジュール１４００は、燃料供給管１４２０と、チューブ組立体１５００とを含み、チューブ組立体１５００は、スワラ１５３０を含む。

燃料供給管１４２０は、前方から後方に燃料を供給する管状部材である。燃料供給管１４２０の内部には燃料の移動する流路が形成される。燃料供給管１４２０の前端部にはフランジ１４１０が配置され、燃料はフランジ１４１０に供給されて燃料供給管１４２０の内部で流動できる。

チューブ組立体１５００は、燃料プレナム１５１０と、チューブ１５２０と、スワラ１５３０とを含む。燃料プレナム１５１０は、略円筒状に形成され、燃料供給管１４２０の後端側の少なくとも一部を取り囲むように配置される。燃料プレナム１５１０の前端部には、空気が流入できるように開口した空気流入口１５１１が形成される。

燃料プレナム１５１０の後端には支持板１５１２が配置され、燃料プレナム１５１０の後端と空気流入口１５１１との間にも支持板１５１２が配置される。燃料供給管１４２０は、燃料プレナム１５１０の後端と空気流入口１５１１との間に配置された支持板１５１２を貫通し、後端に配置された支持板１５１２まで挿入されて配置される。一方、燃料プレナム１５１０に配置された２つの支持板１５１２の間には空間が形成され、前記空間は燃料供給管１４２０と連通する。これによって、前記空間では燃料の移動する燃料流路１５１３が形成される。

燃料プレナム１５１０にはチューブ１５２０が配置される。チューブ１５２０は、複数個が備えられ、複数のチューブ１５２０は、束の形状に燃料プレナム１５１０に配置される。チューブ１５２０は、燃料プレナム１５１０の後端側に配置された支持板１５１２に挿入されて、２つの支持板１５１２をすべて貫通して配置される。これによって、それぞれのチューブ１５２０は燃料流路１５１３に挿入されて配置される。そして、チューブ１５２０は、２つの支持板１５１２によって支持できる。一方、チューブ１５２０と支持板１５１２との間の隙間は密封処理されて、燃料流路から燃料が外部に漏れるのを防止することができる。

チューブ１５２０の前端部からは空気が流入できる。燃料プレナム１５１０の空気流入口１５１１を通して流入した空気は、複数のチューブ１５２０の前端部にそれぞれ流入できる。流入した空気は、チューブ１５２０を通過してチューブ１５２０の後端部から吐出される。チューブ１５２０の後端部は燃焼室１２３０と連通する。したがって、チューブ１５２０で空気と燃料とが混合され、混合された流体はチューブ１５２０の後端部から吐出されて燃焼室１２３０に噴射される。

チューブ１５２０には燃料ポートが形成される。燃料ポートは、チューブ１５２０の側部に形成される。燃料ポートは、燃料プレナム１５１０の燃料流路１５１３と連通し、チューブ１５２０の内側流路とも連通する。これによって、燃料ポートを介して燃料流路１５１３で流動する燃料がチューブ１５２０の内部に流入できる。チューブ１５２０の内部では空気と燃料とが共に流動するので、空気と燃料とが互いに混合される。

チューブ１５２０の内部にはスワラ１５３０が配置される。スワラ１５３０は、チューブ１５２０で流動する流体、すなわち、空気および燃料の流動を旋回させる構成である。スワラ１５３０は、流体を旋回させる旋回ガイド１５３１を含む。旋回ガイド１５３１は、複数個が備えられる。旋回ガイド１５３１は、チューブ１５２０の内周面に配置される。

チューブ１５２０およびスワラ１５３０をチューブ１５２０の軸方向から眺めると、スワラ１５３０の中央部分は開口している。これによって、チューブ１５２０で流体がスワラ１５３０を通過した場合、流体の流動は直線方向に流動する直線流動と、旋回して流動する旋回流動とに分けられる。スワラ１５３０の中央に開口した部分を通過する流体は直線流動する。そして、スワラ１５３０の旋回ガイド１５３１を通過する流体は旋回流動する。この時、流体がスワラ１５３０を通過した後には、中央に直線流動が形成され、直線流動の周囲に旋回流動が取り囲むようになる。

直線流動は、流動抵抗を減少させて圧力損失を最小化し、流体を速い速度で直進させることができる。また、直線流動は、流体を速い速度で押し出すため、火炎が付着したり、火炎が逆火することを最小化できる。旋回流動は、流体を旋回させて空気と燃料との混合度を改善することができる。直線流動と旋回流動は、互いに完全に分離されるのではなく、直線流動に旋回流動がつられていくように形成される。したがって、直線流動と旋回流動が共にに形成されることにより、空気と燃料との混合流体の圧力損失を最小化しながらも、混合度を改善させることができるというメリットがある。

チューブ１５２０およびスワラ１５３０をチューブ１５２０の軸方向から眺めると、スワラ１５３０の中央部分は、円形の形状に開口できる。この場合、直線流動は、横断面が円形に形成される。

また、チューブ１５２０およびスワラ１５３０をチューブ１５２０の軸方向から眺めると、旋回ガイド１５３１は、環状に配置される。この時、旋回ガイド１５３１は、連続した環状に配置される。軸方向から眺めると、互いに隣接した旋回ガイド１５３１は、互いに重なるように配置される。この場合、スワラ１５３０の中央部分を除いた部分はすべて旋回ガイド１５３１が占め、これによって、直線流動の外周を旋回流動がすべて取り囲むことができるようになる。

旋回ガイド１５３１は、直線部１５３２と、旋回部１５３３とを含むことができる。直線部１５３２は、チューブ１５２０の軸方向に沿って長く延びる。直線部１５３２は、チューブ１５２０の内周面からチューブ１５２０の内側に突出し、長手方向に延びて形成される。直線部１５３２は、旋回ガイド１５３１の前方側に配置される。直線部１５３２は、スワラ１５３０に流入する流体をチューブ１５２０の軸方向に案内する構成である。直線部１５３２は、流体が旋回部１５３３を通過する前に流体を軸方向に案内するため、旋回ガイド１５３１での圧力損失を最小化する。

直線部１５３２の後側には旋回部１５３３が配置される。旋回部１５３３は、直線部１５３２の後端から延びて形成される。旋回部１５３３は、チューブ１５２０の内周面からチューブ１５２０の内側に突出できる。旋回部１５３３は、チューブ１５２０の軸方向および円周方向に延びる。すなわち、旋回部１５３３は、軸方向と円周方向との間の方向に傾斜して形成される。旋回部１５３３は、直線部１５３２を通過した流体を旋回させる構成である。

旋回部１５３３は、曲線の形状に傾斜して形成される。旋回部１５３３は、チューブ１５２０の軸方向および円周方向に傾斜して形成されかつ、チューブ１５２０の前端または後端に向かって膨らんで、または凹んで形成される。この場合、旋回部１５３３を通る流体の流動抵抗を低減しながらも、流体を効果的に旋回させることができる。そして、旋回部１５３３と直線部１５３２との出会う部分は、互いに緩やかに連続してつながるように形成される。この場合、旋回部１５３３に流入する流体の流動抵抗を減少させることができる。

チューブ１５２０の軸方向を基準として、旋回部１５３３の長さＬ２は、直線部１５３２の長さＬ１より長く形成される。旋回ガイド１５３１の主な目的は、流体を旋回させることである。したがって、直線部１５３２の長さＬ１を旋回部１５３３の長さＬ２より短く形成すれば、流体を効果的に旋回させながらも、スワラ１５３０全体の大きさをコンパクトに製作できるというメリットがある。

旋回ガイド１５３１の直線部１５３２には傾斜部１５３４が形成される。傾斜部１５３４は、直線部１５３２の前端部に形成される。傾斜部１５３４は、チューブ１５２０の内側へいくほど後方に傾斜して形成される。直線部１５３２は、チューブ１５２０の内周面からチューブ１５２０の内側に向かって突出して形成されるため、流体が直線部１５３２に流入する時、直線部１５３２の前端部では流動抵抗が大きく形成される。この時、直線部１５３２に傾斜部１５３４が配置されると、直線部１５３２に流入する流体の流動抵抗を減少させることができる。

燃料ポートは、第１燃料ポート１５２１を含むことができる。第１燃料ポート１５２１は、旋回ガイド１５３１に配置される燃料ポートである。図面では、第１燃料ポート１５２１が旋回ガイド１５３１のチューブ１５２０の内側端に形成されたものとして示されているが、第１燃料ポート１５２１は、旋回ガイド１５３１の側部に形成されてもよい。第１燃料ポート１５２１は、チューブ１５２０の内外部と旋回ガイド１５３１をすべて貫通して形成される。これによって、燃料プレナム１５１０の燃料流路１５１３の燃料が第１燃料ポート１５２１を通過して、旋回ガイド１５３１から燃料が噴射できる。第１燃料ポート１５２１が旋回ガイド１５３１に配置されることにより、直線流動または旋回流動する流体に燃料を直接噴射することができる。第１燃料ポート１５２１は、旋回ガイド１５３１の直線部１５３２または旋回部１５３３に形成可能である。

第１燃料ポート１５２１が直線部１５３２に形成される場合、流体がスワラ１５３０に流入するやいなや直ちに燃料が噴射できる。この時、第１燃料ポート１５２１は、直線部１５３２の傾斜部１５３４に配置される。この場合、第１燃料ポート１５２１から噴射された燃料は、流動が直線流動と旋回流動とに分離できる。

スワラ１５３０は、チューブ１５２０の前端部に配置される。この時、チューブ１５２０の前端部とは、必ずしもチューブ１５２０の前方端部分のみを称するのではなく、チューブ１５２０の前方端部分とその周辺を称するのである。したがって、スワラ１５３０の旋回ガイド１５３１は、チューブ１５２０の前方端部分と当接してもよく、やや離隔して配置されてもよい。スワラ１５３０がチューブ１５２０の前端部に配置される場合、流体の旋回がチューブ１５２０の前端部から始まるので、チューブ１５２０の全体的な長さを低減できるというメリットがある。

図６には、スワラ１５３０周辺の流体の流速が概略的に示している。スワラ１５３０を通過する前の流速が第１速度Ｖ１であり、スワラ１５３０を通過した後の直線流動の流速が第２速度Ｖ２であり、スワラ１５３０を通過した後の旋回流動の流速が第３速度Ｖ３である。

第１速度Ｖ１～第３速度Ｖ３の中で第２速度Ｖ２が最も速く形成される。スワラ１５３０の中央開口した部分を通過しながら流動断面積が減少し、これによって、流動が直線流動に切り替えられながら流速が第１速度Ｖ１から第２速度Ｖ２に増加する。そして、旋回流動の第３速度Ｖ３は、大きさが第１速度Ｖ１よりは大きいが、第２速度Ｖ２よりは小さく形成される。旋回ガイド１５３１によって流体が旋回されるため、流速が減少するが、第２速度Ｖ２である直線流動との相互作用によって、旋回流動の流速は第１速度Ｖ１よりは大きく形成される。

図７は、本発明の第２実施形態に係るノズルのチューブおよびスワラを別途に拡大して示す斜視図である。

以下、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０について詳しく説明する。本発明の第２実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、第２燃料ポート１５２２を除けば、本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０と同一であるので、これと重複する説明は省略する。

本発明の第２実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、燃料ポートが第２燃料ポート１５２２を含む。第２燃料ポート１５２２は、チューブ１５２０を貫通して形成され、複数の旋回ガイド１５３１の間に配置される。第２燃料ポート１５２２は、燃料プレナム１５１０の燃料流路１５１３と連通し、チューブ１５２０の内部と連通する。第２燃料ポート１５２２は、旋回ガイド１５３１の間毎に燃料を噴射することができる。これによって、第２燃料ポート１５２２から噴射された燃料は、スワラ１５３０で旋回流動が形成される部分に直接的に噴射されて、空気と燃料との混合度が改善できる。

第２燃料ポート１５２２は、複数の直線部１５３２の間に配置されてもよく、複数の旋回部１５３３の間に配置されてもよい。第２燃料ポート１５２２が複数個備えられて、複数の直線部１５３２の間および複数の旋回部１５３３の間にすべて配置されてもよい。

図８は、本発明の第３実施形態に係るノズルのチューブおよびスワラを別途に拡大して示す縦断面図である。

以下、図８を参照して、本発明の第３実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０について詳しく説明する。本発明の第３実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、第３燃料ポート１５２３を除けば、本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０と同一であるので、これと重複する説明は省略する。

本発明の第３実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、燃料ポートが第３燃料ポート１５２３を含む。第３燃料ポート１５２３は、第１燃料ポート１５２１および第２燃料ポート１５２２とは異なり、スワラ１５３０の前方に配置される燃料ポートである。第３燃料ポート１５２３が配置されるためには、チューブ１５２０の前端部とスワラ１５３０との間に第３燃料ポート１５２３が配置される領域が必要なため、本発明の第３実施形態は、スワラ１５３０がチューブ１５２０の前端部と離隔して配置された場合に適用可能である。

しかし、第３燃料ポート１５２３が配置されるとしても、スワラ１５３０は、チューブ１５２０の前方側により近く配置されることが好ましい。すなわち、スワラ１５３０は、チューブ１５２０の前端部と若干の隙間で離隔し、その隙間に第３燃料が配置されることが好ましい。例えば、前記隙間の間隔は、スワラ１５３０の軸方向の長さより小さく形成される。これによって、第３燃料ポート１５２３が配置されても、チューブ１５２０の長さを最小化できる。

第３燃料ポート１５２３は、チューブ１５２０を貫通して形成され、燃料プレナム１５１０の燃料流路１５１３と連通し、チューブ１５２０の内部と連通する。したがって、第３燃料ポート１５２３は、燃料流路１５１３の燃料をスワラ１５３０の前方に噴射することができる。この場合、空気がスワラ１５３０を通過する前に、空気に燃料が噴射可能で、スワラ１５３０の前方ですでに空気と燃料とが混合できる。これによって、空気と燃料とがすでに混合された後に、再びスワラ１５３０を経てもう一度混合されて、空気および燃料の混合度が改善できる。

図９は、本発明の第４実施形態に係るノズルのチューブおよびスワラを別途に拡大して示す縦断面図である。

以下、図９を参照して、本発明の第４実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０について詳しく説明する。本発明の第４実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、第４燃料ポート１５２４を除けば、本発明の第１実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０と同一であるので、これと重複する説明は省略する。

本発明の第４実施形態に係る燃焼器用ノズル１２２０は、燃料ポートが第４燃料ポート１５２４を含む。第４燃料ポート１５２４は、第１燃料ポート１５２１および第２燃料ポート１５２２とは異なり、スワラ１５３０の後方に配置される燃料ポートである。第４燃料ポート１５２４は、スワラ１５３０の後方に配置されるため、本発明の第３実施形態とは異なり、スワラ１５３０がチューブ１５２０の前端部に配置される。

第４燃料ポート１５２４は、スワラ１５３０と近い位置に配置されることが好ましい。そうでなくスワラ１５２４と遠くなる場合、空気および燃料の混合度が低下しうる。例えば、第４燃料ポート１５２４とスワラ１５３０との間の間隔は、スワラ１５３０の軸方向の長さより小さく形成される。

第４燃料ポート１５２４は、チューブ１５２０を貫通して形成され、燃料プレナム１５１０の燃料流路１５１３と連通し、チューブ１５２０の内部と連通する。したがって、第４燃料ポート１５２４は、燃料流路１５１３の燃料をスワラ１５３０の後方に噴射することができる。この場合、スワラ１５３０の後方から燃料を追加的にさらに噴射できるため、空気および燃料の混合において燃料の比率を追加的に増加させることができるというメリットがある。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想を逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除または追加などによって本発明を多様に修正および変更可能であり、これも本発明の権利範囲内に含まれる。

１０００：ガスタービン
１１００：圧縮機
１２００：燃焼器
１２１０：燃焼器ケーシング
１２２０：ノズル
１２３０：燃焼室
１２４０：ダクト組立体
１３００：タービン
１３１０：ロータディスク
１４００：ノズルモジュール
１４１０：フランジ
１４２０：燃料供給管
１５００：チューブ組立体
１５１０：燃料プレナム
１５１１：空気流入口
１５１２：支持板
１５１３：燃料流路
１５２０：チューブ
１５２１：第１燃料ポート
１５２２：第２燃料ポート
１５２３：第３燃料ポート
１５２４：第４燃料ポート
１５３０：スワラ
１５３１：旋回ガイド
１５３２：直線部
１５３３：旋回部
１５３４：傾斜部

Claims (20)

1. ノズルモジュールを含む燃焼器用ノズルにおいて、
   前記ノズルモジュールは、
   前方から後方に燃料を供給する燃料供給管と、
   内部に燃料の流動する燃料流路が形成され、前記燃料供給管と連通する燃料プレナムと、
   前記燃料プレナムの前方に形成された空気流入口と、
   前記燃料プレナムの前後を貫通して配置されかつ、前記燃料プレナムによって支持され、前端が前記空気流入口と連通し、側部に前記燃料流路と連通する燃料ポートが形成された複数のチューブと、
   前記チューブの内周面から軸方向および円周方向に傾斜して配置されて流体を旋回させる複数の旋回ガイドを含み、前記チューブの軸方向から眺めると、中央部分が開口したスワラとを含む燃焼器用ノズル。
2. 前記スワラは、
   前記チューブの軸方向から眺めると、前記中央部分が円形に開口した、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
3. 前記旋回ガイドは、
   前記チューブの軸方向から眺めると、連続した環状に配置された、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
4. 前記旋回ガイドは、
   前記チューブの軸方向に沿って延びた直線部と、
   前記直線部の後端から前記チューブの軸方向および円周方向に延びた旋回部とを含む、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
5. 前記旋回部は、
   前記チューブで曲線の形状に傾斜して形成された、請求項４に記載の燃焼器用ノズル。
6. 前記チューブの軸方向を基準として、
   前記旋回部の長さは、前記直線部の長さより長く形成される、請求項４に記載の燃焼器用ノズル。
7. 前記直線部の前端部には、
   前記チューブの内側へいくほど後方に傾斜した傾斜部が形成される、請求項４に記載の燃焼器用ノズル。
8. 前記燃料ポートは、
   前記チューブおよび前記旋回ガイドを貫通し、前記旋回ガイドに配置される第１燃料ポートを含む、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
9. 前記燃料ポートは、
   前記チューブおよび前記旋回ガイドを貫通し、前記直線部に配置される第１燃料ポートを含む、請求項４に記載の燃焼器用ノズル。
10. 前記燃料ポートは、
    前記チューブを貫通し、前記複数の旋回ガイドの間に配置される第２燃料ポートを含む、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
11. 前記燃料ポートは、
    前記チューブを貫通し、複数の前記直線部の間に配置される第２燃料ポートを含む、請求項４に記載の燃焼器用ノズル。
12. 前記燃料ポートは、
    前記チューブを貫通し、複数の前記旋回部の間に配置される第２燃料ポートを含む、請求項４に記載の燃焼器用ノズル。
13. 前記スワラは、
    前記チューブの前端部に配置される、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
14. 前記燃料ポートは、
    前記チューブを貫通し、前記スワラの前方に配置される第３燃料ポートを含む、請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
15. 前記燃料ポートは、
    前記チューブを貫通し、前記スワラの後方に配置される第４燃料ポートを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の燃焼器用ノズル。
16. ノズルモジュールを含む燃焼器用ノズルと、前記燃焼器用ノズルの一側に結合され、燃料と空気とが内部で燃焼され、燃焼されたガスをタービンに伝達するダクト組立体とを含む燃焼器において、
    前記ノズルモジュールは、
    前方から後方に燃料を供給する燃料供給管と、
    内部に燃料の流動する燃料流路が形成され、前記燃料供給管と連通する燃料プレナムと、
    前記燃料プレナムの前方に形成された空気流入口と、
    前記燃料プレナムの前後を貫通して配置されかつ、前記燃料プレナムによって支持され、前端が前記空気流入口と連通し、側部に前記燃料流路と連通する燃料ポートが形成された複数のチューブと、
    前記チューブの内周面から軸方向および円周方向に傾斜して配置されて流体を旋回させる複数の旋回ガイドを含み、前記チューブの軸方向から眺めると、中央部分が開口したスワラとを含む燃焼器。
17. 前記スワラは、
    前記チューブの軸方向から眺めると、前記中央部分が円形に開口した、請求項１６に記載の燃焼器。
18. 前記旋回ガイドは、
    前記チューブの軸方向に沿って延びた直線部と、
    前記直線部の後端から前記チューブの軸方向および円周方向に延びた旋回部とを含む、請求項１６に記載の燃焼器。
19. 前記燃料ポートは、
    前記チューブおよび前記旋回ガイドを貫通し、前記旋回ガイドに配置される第１燃料ポートを含む、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の燃焼器。
20. 外部から流入した空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で燃焼された燃焼ガスによって回転する複数のタービンブレードを含むタービンとを含むガスタービンにおいて、
    前記燃焼器は、ノズルモジュールを含む燃焼器用ノズルと、前記燃焼器用ノズルの一側に結合され、前記圧縮空気と燃料とが内部で燃焼され、燃焼された前記燃焼ガスを前記タービンに伝達するダクト組立体とを含み、
    前記ノズルモジュールは、
    前方から後方に燃料を供給する燃料供給管と、
    内部に燃料の流動する燃料流路が形成され、前記燃料供給管と連通する燃料プレナムと、
    前記燃料プレナムの前方に形成された空気流入口と、
    前記燃料プレナムの前後を貫通して配置されかつ、前記燃料プレナムによって支持され、前端が前記空気流入口と連通し、側部に前記燃料流路と連通する燃料ポートが形成された複数のチューブと、
    前記チューブの内周面から軸方向および円周方向に傾斜して配置されて流体を旋回させる複数の旋回ガイドを含み、前記チューブの軸方向から眺めると、中央部分が開口したスワラとを含むガスタービン。