JP3142924B2 - ガスタービン燃焼器用ノズル - Google Patents
ガスタービン燃焼器用ノズルInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は石炭ガス化ガス、高炉ガ
ス等の発熱量１０００ｋｃａｌ／Ｎｍ3 のいわゆ低カロ
リーガスを燃料とするガスタービン用燃焼器用ノズルに
関するもので、特に低カロリーガスとともに軽質油も燃
焼可能なガス−油２重焚き用の燃焼器用ノズルに関す
る。
ス等の発熱量１０００ｋｃａｌ／Ｎｍ3 のいわゆ低カロ
リーガスを燃料とするガスタービン用燃焼器用ノズルに
関するもので、特に低カロリーガスとともに軽質油も燃
焼可能なガス−油２重焚き用の燃焼器用ノズルに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】低カロリーガスによるガスタービンの着
火〜昇速域の運転は非定常安定燃焼性の困難さのため、
一般に燃料ノズル中心部に設けた油燃料ノズルにより運
転を行う。
火〜昇速域の運転は非定常安定燃焼性の困難さのため、
一般に燃料ノズル中心部に設けた油燃料ノズルにより運
転を行う。
【０００３】図４はガスと油の二重焚き燃焼用ガスター
ビン用燃焼器の構造を示している。圧縮機１にて１０〜
５０気圧に圧縮された高圧空気２は流れが逆向きとなり
燃焼器３に導かれる。本燃焼器３の頭部に燃料ノズル４
が装着され、燃料ノズル４にはガスタービン着火から約
２５％負荷まで使用する油燃料５ａ、２５〜１００％負
荷まで使用する低カロリーガス５ｂが供給される。また
油燃料５ａを微粒化するための噴霧空気５ｃも供給され
る。
ビン用燃焼器の構造を示している。圧縮機１にて１０〜
５０気圧に圧縮された高圧空気２は流れが逆向きとなり
燃焼器３に導かれる。本燃焼器３の頭部に燃料ノズル４
が装着され、燃料ノズル４にはガスタービン着火から約
２５％負荷まで使用する油燃料５ａ、２５〜１００％負
荷まで使用する低カロリーガス５ｂが供給される。また
油燃料５ａを微粒化するための噴霧空気５ｃも供給され
る。
【０００４】発熱量１０００ｋｃａｌ／Ｎｍ3 程度の低
カロリーガスを燃料とするガスタービン用燃料ノズルと
しては、ＡＳＭＥ７９−ＧＴ−１７２に記載の米国ジェ
ネラルエレクトリック社の形式がある。しかしながらこ
の形式のように、燃料ノズルの中心部近くに燃料ガス噴
口を設けると、ガスタービン負荷が低い条件では排ガス
中に、未燃成分である一酸化炭素濃度が増加し易い傾向
がある。この問題を解決し、燃料ガスを１次空気の混合
を良好にするため、燃料ガス噴口の１部を燃料ノズル中
心部から外径側へ離した位置へ設けた構造が特願昭６２
−２４５７３として日立製作所から提案されている。
カロリーガスを燃料とするガスタービン用燃料ノズルと
しては、ＡＳＭＥ７９−ＧＴ−１７２に記載の米国ジェ
ネラルエレクトリック社の形式がある。しかしながらこ
の形式のように、燃料ノズルの中心部近くに燃料ガス噴
口を設けると、ガスタービン負荷が低い条件では排ガス
中に、未燃成分である一酸化炭素濃度が増加し易い傾向
がある。この問題を解決し、燃料ガスを１次空気の混合
を良好にするため、燃料ガス噴口の１部を燃料ノズル中
心部から外径側へ離した位置へ設けた構造が特願昭６２
−２４５７３として日立製作所から提案されている。
【０００５】図５に燃料ノズル４の詳細を示す。油燃料
５ａは燃料ノズルの中心部から噴射され、低カロリーガ
ス５ｂは安定に燃焼を行わせるよう半径方向２ケ所に分
けられた主燃料噴口６ａ、副燃料噴口６ｂからそれぞれ
噴射される。低カロリーガス用燃料ノズルの径７は、前
述の理由により従来型高カロリーガス用燃料ノズル径に
比べ同一クラスガスタービンでも約２倍と大型化して、
しかも油燃料噴口８とガス燃料噴口の間に広い円盤状空
間９を保有するのが特徴である。
５ａは燃料ノズルの中心部から噴射され、低カロリーガ
ス５ｂは安定に燃焼を行わせるよう半径方向２ケ所に分
けられた主燃料噴口６ａ、副燃料噴口６ｂからそれぞれ
噴射される。低カロリーガス用燃料ノズルの径７は、前
述の理由により従来型高カロリーガス用燃料ノズル径に
比べ同一クラスガスタービンでも約２倍と大型化して、
しかも油燃料噴口８とガス燃料噴口の間に広い円盤状空
間９を保有するのが特徴である。
【０００６】図６は油燃料にて運転中の燃料ノズル状態
を示す。油による火炎１０は燃料ノズル表面付傍では燃
料過剰による若干の不完全燃焼を生じ、循環流１１によ
る円盤状空間９にカーボン付着を生じ易い。また、燃料
ノズル軸心１２は一般にガスタービン中心軸に対し１０
°〜２０°の傾きを有するため、油燃料の１部が噴霧不
十分を生じた場合には液体として円盤状空間９からガス
主燃料噴口６Ａ内に符号１６のようなたれ込みを生じ、
火炎形成部外での発火事故を起す可能性、または円盤状
空間９表面上でのカーボン化、メタル剥離さらにはエロ
ージョンが生じる。
を示す。油による火炎１０は燃料ノズル表面付傍では燃
料過剰による若干の不完全燃焼を生じ、循環流１１によ
る円盤状空間９にカーボン付着を生じ易い。また、燃料
ノズル軸心１２は一般にガスタービン中心軸に対し１０
°〜２０°の傾きを有するため、油燃料の１部が噴霧不
十分を生じた場合には液体として円盤状空間９からガス
主燃料噴口６Ａ内に符号１６のようなたれ込みを生じ、
火炎形成部外での発火事故を起す可能性、または円盤状
空間９表面上でのカーボン化、メタル剥離さらにはエロ
ージョンが生じる。
【０００７】従来からある高カロリーガス（発熱量１
０，０００ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）と軽質油の２重焚き燃料
ノズルにおいては油焚き時のノズル表面へのカーボン付
着を防止するため、図７に示すような１次空気の１部を
反せ板によりノズル表面へ沿って流すスウィープリング
１４をもつものがある。この場合、１次空気１３の１部
をスウィープリング１４により、円盤状空間９へ沿って
流すことによりカーボン付着を防止していた。しかしな
がらこのように外径側から中心方向へ空気を流す方法
は、ノズル径７が大きくても１００ｍｍ程度である高カ
ロリーガス用燃料ノズルに対してのみ有効である。
０，０００ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）と軽質油の２重焚き燃料
ノズルにおいては油焚き時のノズル表面へのカーボン付
着を防止するため、図７に示すような１次空気の１部を
反せ板によりノズル表面へ沿って流すスウィープリング
１４をもつものがある。この場合、１次空気１３の１部
をスウィープリング１４により、円盤状空間９へ沿って
流すことによりカーボン付着を防止していた。しかしな
がらこのように外径側から中心方向へ空気を流す方法
は、ノズル径７が大きくても１００ｍｍ程度である高カ
ロリーガス用燃料ノズルに対してのみ有効である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明が対象とする、
低カロリー燃料ガスをガスタービンの全負荷帯にわたっ
て安定に燃焼させるには、（１）大きな燃料噴口面積と
すること、（２）１次空気との混合を良好にするため燃
料噴口を燃焼器断面積の広い範囲に分散させること、等
が必要となるため燃料ノズルの径は従来から使用される
高、中カロリーガス焚き用燃料ノズルに比べかなり大き
くすることが必要となる。
低カロリー燃料ガスをガスタービンの全負荷帯にわたっ
て安定に燃焼させるには、（１）大きな燃料噴口面積と
すること、（２）１次空気との混合を良好にするため燃
料噴口を燃焼器断面積の広い範囲に分散させること、等
が必要となるため燃料ノズルの径は従来から使用される
高、中カロリーガス焚き用燃料ノズルに比べかなり大き
くすることが必要となる。
【０００９】このような燃料ノズルに関する問題点を下
記に列記する。 （１）油燃焼時に未燃カーボンが燃料ノズル表面に付着
する。 （２）油燃料からガス燃料へ切替え運転を行う際に油燃
料がガス噴口にたれ込みを生じ燃焼域以外での発火の危
険性を生じる。 （３）低カロリーガス燃焼時には使用しないノズル中心
部の油燃料ノズル付近に燃焼ガスの再循環流が生じノズ
ル表面温度が高温となる。 （４）油と低カロリーガスの混焼時に１次空気がノズル
外径側から噴射されるガス燃料に消費され、油燃焼域へ
の供給空気が不足し不完全燃焼となる。 （５）図７に示すような１次空気の１部を反せ板により
ノズル表面へ沿って流すスウィープリングをもつ構造の
場合は、ノズル径７が大きくても１００ｍｍ程度である
高カロリーガス用燃料ノズルに対してのみ有効であり、
本発明が対象とするようなノズル径７が小さくても１５
０ｍｍ以上となる低カロリーガス用ノズルには有効では
ない。本発明の目的は、上記問題を解決し信頼性の高い
燃料ノズルを提供することである。
記に列記する。 （１）油燃焼時に未燃カーボンが燃料ノズル表面に付着
する。 （２）油燃料からガス燃料へ切替え運転を行う際に油燃
料がガス噴口にたれ込みを生じ燃焼域以外での発火の危
険性を生じる。 （３）低カロリーガス燃焼時には使用しないノズル中心
部の油燃料ノズル付近に燃焼ガスの再循環流が生じノズ
ル表面温度が高温となる。 （４）油と低カロリーガスの混焼時に１次空気がノズル
外径側から噴射されるガス燃料に消費され、油燃焼域へ
の供給空気が不足し不完全燃焼となる。 （５）図７に示すような１次空気の１部を反せ板により
ノズル表面へ沿って流すスウィープリングをもつ構造の
場合は、ノズル径７が大きくても１００ｍｍ程度である
高カロリーガス用燃料ノズルに対してのみ有効であり、
本発明が対象とするようなノズル径７が小さくても１５
０ｍｍ以上となる低カロリーガス用ノズルには有効では
ない。本発明の目的は、上記問題を解決し信頼性の高い
燃料ノズルを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために以下のような構成とした。
解決するために以下のような構成とした。
【００１１】（１）ノズルの中心部に燃料油噴口を有
し、その外側に円盤状の空間を介して複数のガス燃料噴
口を有してなり、石炭ガス化ガス等の低カロリーガスと
主燃料とし、油燃料も使用可能なガスタービン燃焼器用
のノズルにおいて、前記円盤状の空間に火焚面に向けて
開口した空気噴口を設けた。
し、その外側に円盤状の空間を介して複数のガス燃料噴
口を有してなり、石炭ガス化ガス等の低カロリーガスと
主燃料とし、油燃料も使用可能なガスタービン燃焼器用
のノズルにおいて、前記円盤状の空間に火焚面に向けて
開口した空気噴口を設けた。
【００１２】（２）前記（１）において、前記円盤状空
間に同円盤状空間を分割するスリットを設け、このスリ
ットを前記空気噴口とした。
間に同円盤状空間を分割するスリットを設け、このスリ
ットを前記空気噴口とした。
【００１３】（３）前記（１）ないし（２）において、
前記空気噴口から噴出する空気の重量流量が油燃料重量
流量の最大値の１〜２倍になるよう空気噴口面積を調整
した。
前記空気噴口から噴出する空気の重量流量が油燃料重量
流量の最大値の１〜２倍になるよう空気噴口面積を調整
した。
【００１４】（４）前記（１）ないし（３）において、
前記空気噴口を前記油燃料噴口を同芯に３列配置した。
前記空気噴口を前記油燃料噴口を同芯に３列配置した。
【００１５】
【作用】上記のように、油燃料ノズルの外周部から噴出
する空気は以下の働きをする。 （１）油燃焼時ノズル表面に付着しようとするカーボン
を吹飛ばす。 （２）油燃焼時に生じるノズル表面の油たれを吹飛ば
す。 （３）ガス燃料燃焼時高温燃焼ガスの再循環域に接する
ノズル表面を冷却する。 （４）油と低カロリーガス混焼時に１次空気が供給され
にくいノズル中心部に空気が供給され、油燃焼を促進す
る。
する空気は以下の働きをする。 （１）油燃焼時ノズル表面に付着しようとするカーボン
を吹飛ばす。 （２）油燃焼時に生じるノズル表面の油たれを吹飛ば
す。 （３）ガス燃料燃焼時高温燃焼ガスの再循環域に接する
ノズル表面を冷却する。 （４）油と低カロリーガス混焼時に１次空気が供給され
にくいノズル中心部に空気が供給され、油燃焼を促進す
る。
【００１６】
【実施例】図１（ａ）および図１（ｂ）に本発明の実施
例である燃焼器用ノズル４の詳細を示す。油燃料５ａは
燃料ノズルの中心部から噴射され、低カロリーガス５ｂ
は安定に燃焼を行わせるよう半径方向２ケ所に分けられ
た主燃料噴口６ａ、副燃料噴口６ｂからそれぞれ噴射さ
れる。低カロリーガス用燃料ノズルの径７は、前述の理
由により従来型高カロリーガス用燃料ノズル径に比べ同
一クラスガスタービンでは約２倍と大型化し、油燃料噴
口８とガス燃料噴口の間に円盤状空間９を保有する。円
盤状空間９には本発明による空気噴口１５が設けられて
いる。
例である燃焼器用ノズル４の詳細を示す。油燃料５ａは
燃料ノズルの中心部から噴射され、低カロリーガス５ｂ
は安定に燃焼を行わせるよう半径方向２ケ所に分けられ
た主燃料噴口６ａ、副燃料噴口６ｂからそれぞれ噴射さ
れる。低カロリーガス用燃料ノズルの径７は、前述の理
由により従来型高カロリーガス用燃料ノズル径に比べ同
一クラスガスタービンでは約２倍と大型化し、油燃料噴
口８とガス燃料噴口の間に円盤状空間９を保有する。円
盤状空間９には本発明による空気噴口１５が設けられて
いる。
【００１７】図２は低カロリーガス燃焼時のノズル状態
を示す。ガス燃料による火炎１７は、燃料ノズルの外周
部より生じ、油燃料噴口８と円盤状空間９付近は、大き
な高温の再循環流１８にさらされることにより、従来は
表面温度は材料の許容温度以上になるが、同空間９に空
気噴口１５を設けられ、空気が噴出されているので、冷
却効果により、表面温度を材料許容温度以下に下げるこ
とができる。
を示す。ガス燃料による火炎１７は、燃料ノズルの外周
部より生じ、油燃料噴口８と円盤状空間９付近は、大き
な高温の再循環流１８にさらされることにより、従来は
表面温度は材料の許容温度以上になるが、同空間９に空
気噴口１５を設けられ、空気が噴出されているので、冷
却効果により、表面温度を材料許容温度以下に下げるこ
とができる。
【００１８】また、円盤状空間９をスリット１９により
分割することにより、材料許容温度以下での熱伸び差を
吸収し応力発生を防止することが可能となる。
分割することにより、材料許容温度以下での熱伸び差を
吸収し応力発生を防止することが可能となる。
【００１９】また、油燃料噴口８からも燃料が噴射され
る低カロリーガス−油２重焚き状態においては、１次空
気はガス燃料の燃焼空気として主に消費されるが、火炎
の最も中心側にあり、燃料過剰になりがちな油燃料火炎
には空気噴口１５からの空気が供給されので、この部分
の燃焼を促進する効果がある。
る低カロリーガス−油２重焚き状態においては、１次空
気はガス燃料の燃焼空気として主に消費されるが、火炎
の最も中心側にあり、燃料過剰になりがちな油燃料火炎
には空気噴口１５からの空気が供給されので、この部分
の燃焼を促進する効果がある。
【００２０】図３は、空間９へ噴出させる空気２０の供
給ルートの１例を示す。噴出空気は火炎面へ直接接触す
るように流す方法がカーボン付着を防止し、かつ、油火
炎への空気供給をスムーズに行う上で効果的であるが、
そのためには空気温度を高めることにより、火炎の安定
を防げぬように１次空気１３の１部をノズル内に作った
空気通路２１を通して供給する。
給ルートの１例を示す。噴出空気は火炎面へ直接接触す
るように流す方法がカーボン付着を防止し、かつ、油火
炎への空気供給をスムーズに行う上で効果的であるが、
そのためには空気温度を高めることにより、火炎の安定
を防げぬように１次空気１３の１部をノズル内に作った
空気通路２１を通して供給する。
【００２１】空気源は１次空気１３の余裕等を考慮した
上で、外部空気源、たとえば図４の噴霧空気５Ｃを用い
ることもできる。また、噴出空気２０の流量は温度と供
に火炎の安定を左右するため、油燃料最大重量流量に対
し１〜２倍と制限する。
上で、外部空気源、たとえば図４の噴霧空気５Ｃを用い
ることもできる。また、噴出空気２０の流量は温度と供
に火炎の安定を左右するため、油燃料最大重量流量に対
し１〜２倍と制限する。
【００２２】
【発明の効果】本発明により、低カロリーガス燃料焚き
燃料ノズルをガスタービン全運転範囲に対して、油燃焼
により低負荷を、低カロリーガス燃焼により中〜高負荷
側を火炎の安定性を損うことなく、燃料ノズルへのカー
ボン付着、油のたれ込みなしに、ノズル材の許容温度以
下での信頼性のある運転ができるガスタービン燃焼器用
ノズルを提供することができる。
燃料ノズルをガスタービン全運転範囲に対して、油燃焼
により低負荷を、低カロリーガス燃焼により中〜高負荷
側を火炎の安定性を損うことなく、燃料ノズルへのカー
ボン付着、油のたれ込みなしに、ノズル材の許容温度以
下での信頼性のある運転ができるガスタービン燃焼器用
ノズルを提供することができる。
【図１ａ】本発明の実施例になる燃焼ノズルの構造を示
す軸方向断面図である。
す軸方向断面図である。
【図１ｂ】図１と異なる角度での軸方向断面図である。
【図２】低カロリー燃焼時の状態を示す図である。
【図３】噴出空気の供給ルートの１例を示す断面図であ
る。
る。
【図４】本発明の実施例になる燃焼ノズルを持つ燃焼器
の構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
【図５ａ】従来の燃焼ノズルの構造を示す軸方向断面図
である。
である。
【図５ｂ】図５ａと異なった角度の軸方向断面図であ
る。
る。
【図６】従来の燃焼ノズルによる油燃料にて運転中の状
態を示す図である。
態を示す図である。
【図７】スウィープリングをそなえた従来の燃焼ノズル
の構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
１ 圧縮機 ２ 空気流 ３ 燃焼器 ４ 燃料ノズル ５ａ 油燃料 ５ｂ 低カロリーガス燃料 ６ａ ガス燃料主噴口 ６ｂ ガス燃料副噴口 ７ 燃料ノズル径 ８ 油燃料噴口 ９ 円盤状空間 １３ １次空気 １４ スウィープリング １５ 空気噴口 １９ スリット ２０ 噴出空気 ２１ 空気通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩井 一躬 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 小泉 浩美 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 猪瀬 博 茨城県日立市幸町三丁目一番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 熊田 和彦 茨城県日立市幸町三丁目一番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 鳥谷 初 茨城県日立市幸町三丁目一番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 実開 昭59−181928（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭51−6532（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F23R 3/36 F02C 7/22 F02C 7/232 F23D 17/00 101 F23R 3/28
Claims (3)
- 【請求項１】 ノズルの中心部に油燃料噴口を有し、そ
の外側に円盤状空間を介して複数のガス燃料噴口を有し
てなり、石炭ガス化ガス等の低カロリーガスを燃料と
し、油燃料の使用可能なガスタービン燃焼器用のノズル
において、前記油燃料噴口とガス燃料噴口との間の前記
円盤状空間に複数のスリットを設け、これらのスリット
の出口側端を空気噴口にしたことを特徴とするガスター
ビン燃焼器用ノズル。 - 【請求項２】 前記空気噴口から噴出する空気の重量流
量が油燃料重量流量の最大値の１〜２倍になるように空
気噴口面積を調整したことを特徴とする請求項１に記載
のガスタービン燃焼器用ノズル。 - 【請求項３】 前記空気噴口と前記油燃料噴口とを同芯
にして３列配置にしたことを特徴とする請求項１に記載
のガスタービン燃焼器用ノズル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03305933A JP3142924B2 (ja) | 1991-11-21 | 1991-11-21 | ガスタービン燃焼器用ノズル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03305933A JP3142924B2 (ja) | 1991-11-21 | 1991-11-21 | ガスタービン燃焼器用ノズル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05141659A JPH05141659A (ja) | 1993-06-08 |
| JP3142924B2 true JP3142924B2 (ja) | 2001-03-07 |
Family
ID=17951046
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03305933A Expired - Lifetime JP3142924B2 (ja) | 1991-11-21 | 1991-11-21 | ガスタービン燃焼器用ノズル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3142924B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8037689B2 (en) * | 2007-08-21 | 2011-10-18 | General Electric Company | Turbine fuel delivery apparatus and system |
| US8650881B2 (en) * | 2009-06-30 | 2014-02-18 | General Electric Company | Methods and apparatus for combustor fuel circuit for ultra low calorific fuels |
| US20130263605A1 (en) * | 2012-04-04 | 2013-10-10 | General Electric | Diffusion Combustor Fuel Nozzle |
| CN112460631B (zh) * | 2020-10-27 | 2022-01-21 | 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 | 一种燃气轮机燃烧室气体燃料和空气混合装置 |
-
1991
- 1991-11-21 JP JP03305933A patent/JP3142924B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05141659A (ja) | 1993-06-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071222 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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