JP3986348B2 - ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルおよびガスタービン燃焼器並びにガスタービン - Google Patents
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- F23D2900/14004—Special features of gas burners with radially extending gas distribution spokes
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービンのガスタービン燃焼器に関し、さらに詳しくは、ガスタービンのガスタービン燃焼器に導かれた空気に燃料を供給するガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルおよびこれを備えたガスタービン燃焼器並びに前記ノズルを備えたガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン燃焼器においては、燃料と燃焼用空気とをそれぞれ異なるノズルから噴出して燃焼させる拡散燃焼方式が多く使用されていた。しかし、近年においては、上記拡散燃焼方式に代わってサーマルＮＯｘの低減により有利な予混合燃焼方式も使用されるようになってきている。ここで予混合燃焼方式とは、燃料と燃焼用空気とを予め混合し、同一のノズルから噴出して燃焼させるものをいう。この燃焼方式によれば、燃料が希薄な状態であってもすべての燃焼領域においてその状態で燃焼させることができるため予混合火炎の温度を下げやすく、拡散燃焼方式と比較してＮＯｘの低減に有利である。その反面、拡散燃焼方式と比較して燃焼の安定性が劣り、逆火や予混合気体の自己着火が発生するという問題もある。
【０００３】
図２４は、予混合方式のガスタービン燃焼器の一例を示す軸方向断面図である。また、図２５は、これまで使用されてきた予混合方式のガスタービン燃焼器の主燃料供給ノズルを示す説明図である。ガスタービン燃焼器外筒１０内には、一定の間隔をおいてガスタービン燃焼器内筒２０が設けられており、当該ガスタービン燃焼器内筒２０の中央部には拡散火炎を形成して予混合火炎を安定させるための拡散火炎形成コーン３０が設けられている。そしてパイロット燃料供給ノズル３１から供給されるパイロット燃料と、ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間から供給される燃焼用空気とを反応させて拡散火炎を形成する。
【０００４】
前記拡散火炎形成コーン３０の周囲に設けられている予混合火炎形成ノズル４０の内部には、主燃料を噴射し燃焼用空気と混合して予混合気体を形成する主燃料供給ノズル６１０が設けられている。この主燃料供給ノズル６１０は先端が円錐状をしており、当該主燃料供給ノズル６１０の外周面には主燃料を噴射するための燃料供給孔６１が設けられている。この燃料供給孔６１から噴射された主燃料は、前記ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間から供給される燃焼用空気と混合されて予混合気体を形成し、前記予混合火炎形成ノズル４０から予混合火炎形成ノズル延長管４００を介して燃焼室５０側へ噴射される。
【０００５】
燃焼室５０側へ噴射された予混合気体は、上記拡散火炎から排出される高温の燃焼ガスによって着火され予混合火炎を形成する。この予混合火炎は前記拡散火炎形成コーン３０によって形成された拡散火炎によって安定する。そして、この予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出されて、当該燃焼ガスはガスタービン燃焼器尾筒（図示せず）を通った後、タービン第一段ノズルへと導かれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記主燃料供給ノズル６１０は、当該主燃料供給ノズル６１０の外周表面に主燃料を噴射する燃料供給孔６１が設けられているため、主燃料が主燃料供給ノズル６１０の表面に沿って噴出する。このため主燃料は下流側で拡散しにくくなり、均一に燃焼させることができないという問題があった。この問題を改善するため、特開平６−２８４８号公報には、燃料供給ノズルの径方向に複数の燃料供給孔を備えた円筒状のスポークを当該ノズルに複数設け、そのスポークに設けられた燃料供給孔から燃料を噴射する燃料供給ノズルが開示されている。図２６は、この先行例に係る燃料供給ノズルの説明図である。
【０００７】
この燃料供給ノズル６２０は、円筒状の中空スポーク６８に設けられた複数の燃料供給孔６１から燃料を噴射する。このため、燃料を中空スポーク６８の下流側で拡散させやすく、均一で安定した燃焼状態を保つことができるという利点がある。しかし、中空スポーク６８の断面形状は円形をしていたため、当該中空スポーク６８の後方では燃焼用空気の流れが乱れてしまい、これが原因で逆火を招くという問題があった。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃料を拡散させて均一に燃焼させつつ、ガスタービンの運転時における逆火の発生を抑制できるガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルおよびこれを備えたガスタービン燃焼器並びに前記ノズルを備えたガスタービンに関する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、中空の燃料供給ノズル胴部の周囲に、断面が翼形形状をした複数の中空スポークを設け、当該中空スポークの側面に燃料を供給する複数の燃料供給孔を前記燃料供給ノズル胴部の表面から離して設けるとともに、前記中空スポークの後縁には前進角が設けられることを特徴とする。
【０００９】
この燃料供給ノズルは、中空のスポークの側面に燃料を供給する複数の燃料供給孔をノズル胴部の表面から離して設けているため、スポークの下流側で燃料が拡散しやすくなる。その結果、燃料と燃焼用空気との混合気体が均一に燃焼して局所的な高温部の発生が抑制されるので、従来よりもＮＯｘの発生を低減できる。また、この発明に係るスポークは断面が翼形形状なので、燃焼用空気が滑らかに流れる。このため、スポーク後方における燃焼用空気の乱れが少なくなるので、燃料を拡散させつつ逆火が抑制できる。この結果、ノズル延長管等の焼損を低減できるので、ガスタービン燃焼器の寿命を長くできる。なお、翼形形状には一般的な翼形の他、図１（ｄ）に示すように、上記スポークの断面形状を上流側縁部においては半円形としてその下流側には平面部を設け、さらに燃料供給孔の後流側は滑らかに翼厚を薄くしたような断面形状も含まれるものとする（以下同様）。
【００１０】
なお、本燃料供給ノズルは、ガスタービンの予混合ガスタービン燃焼器に適用すると逆火を抑制する効果が大きいが、拡散ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルとして使用してもよい。この場合も逆火を抑制し、ガスタービン燃焼器の寿命を延ばすことができる。
【００１１】
また、本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、前記本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルにおいて、さらに、燃料と空気とを混合させた燃焼用気体を噴射して火炎を形成する火炎形成ノズルの内部に設けられる、前記燃焼用気体を攪拌するためのスワラーの上流に、前記中空スポークが設けられることを特徴とする。
【００１２】
このガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、中空スポークをスワラーの上流に配置してある。このようにすると、中空スポークの下流に配置したスワラーによって火炎形成ノズル内の燃料と空気とが混合した燃焼用気体に圧力損失が発生する。この圧力損失によって燃焼用気体が攪拌されるので、燃焼用気体中の燃料と空気とはより均一に混合される。これによって、燃焼用気体はさらに均一に燃焼するので局所的な高温部の発生はさらに抑制される。その結果、ＮＯｘの発生をさらに低減できる。
【００１３】
また、本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、前記本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルにおいて、さらに、燃料と空気とを混合させた燃焼用気体を噴射して火炎を形成する火炎形成ノズルの入口よりも上流側に、上記中空スポークの端部における後縁が位置するように上記中空スポークを配置したことを特徴とする。
【００１４】
このガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、火炎形成ノズルの入口よりも上流側に、中空スポークの端部における後縁が位置するようにしてある。このため、火炎形成ノズルの入口から流入する空気は、火炎形成ノズルの入口と中空スポークの端部における後縁との間から火炎形成ノズル内へ流れ込む。これによって、十分な空気量を火炎形成ノズルに供給することができるので、ＮＯｘの発生量を低減できる。ここで後縁とは、図１（ｃ）に示すように、断面が翼形形状をした中空スポークが有する二つの縁のうち、燃焼用空気の流れ方向における下流側の縁をいう（以下同様）。そして、後縁の反対側における縁が前縁である（以下同様）。
【００１５】
また、本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、燃料と空気とを混合させた燃焼用気体を噴射して火炎を形成する火炎形成ノズルの内壁に、断面が翼形形状をした中空スポークを設け、当該中空スポーク内に供給された燃料を前記火炎形成ノズル内に供給する燃料供給孔が、前記中空スポークの側面に前記火炎形成ノズルの径方向に向かって複数設けられるとともに、前記中空スポークの後縁には前進角が設けられることを特徴とする。
【００１６】
この燃料供給ノズルは中空スポークのみで構成されているため、筒状のノズル胴部を備えていない。このため、火炎形成ノズル内部において燃焼用空気が通過する断面積が、筒状のノズル胴部を備えた燃料供給ノズルを使用する場合よりも大きくなる。したがって、流入する燃焼用空気の量が同じであれば、火炎形成ノズルの外形寸法を小さくできる。その結果、上記逆火の抑制およびＮＯｘの低減といった効果に加え、ガスタービン燃焼器全体をコンパクトにできるという効果がある。
【００１７】
また、本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、前記本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルにおいて、さらに、上記中空スポークを、燃焼用空気の進行方向に対して傾けたことを特徴とする。
【００１８】
この燃料供給ノズルは、スポークが燃料供給ノズルの軸方向、すなわち燃焼用空気の進行方向に対して傾けてある。このため、燃焼用空気に旋回を与えることができるので、スポークの後方で燃料と燃焼用空気とを十分に混合できる。その結果、局所高温部の発生を抑制できるので、ＮＯｘの発生をさらに低減できる。また、上記同様にスポークの断面形状が翼形であるから燃焼用空気の剥離が少なく、フィン後方に生ずる流れの乱れを抑制できるので、逆火を低減できる。さらに、スポークで燃焼用空気に旋回を与えるので、その程度によっては、予混合ノズルの燃焼用空気入口近傍に備えられていたスワラーを使用しなくともよい。
【００２０】
上述したように、中空スポークの後縁に前進角が設けると、前縁側から流入した燃焼用空気が後縁に沿って滑らかに流れるので、中空スポーク後流における流れの乱れが少なくなり、逆火を抑制できる。また、上述したように火炎形成ノズルの入口よりも上流側へ中空スポークの端部における後縁が位置するように中空スポークを設けた場合には、逆火を抑制しつつＮＯｘも十分に低減できる。ここで前進角とは、図１（ｃ）に示すように、断面が翼形形状をした中空スポークの後縁が、燃焼用空気の流れ方向上流側に傾いている場合における傾き角をいう（以下同様）。また、後縁については既述した通りである。
【００２１】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器内筒と、前記ガスタービン燃焼器内筒の内部に配置され、パイロット燃料と空気とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成ノズルと、前記ガスタービン燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの間に環状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混合気体によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズルとを備えており、前記拡散火炎形成ノズルまたは前記予混合火炎形成ノズルのうち少なくとも一方は、前記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを有することを特徴とする。
【００２２】
このガスタービン燃焼器は、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを有している。これによって、ＮＯｘの発生を抑制できるので、清浄な排ガスを排出して環境負荷を低減できる。また、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルによって逆火を抑えることができるのでガスタービン燃焼器の寿命が延び、また、保守・点検の手間も軽減できる。さらに、逆火の発生を抑えることによって安定した燃焼状態を維持できる。
【００２３】
また、本発明に係るガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを反応させて燃焼ガスを生成する前記ガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器で生成された燃焼ガスが噴射されることによって駆動されるタービンとを備えたことを特徴とする。
【００２４】
このガスタービンは、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを有するガスタービン燃焼器を備えているので、ＮＯｘを低減できる。これによって、清浄な排ガスによって環境負荷を低減できる。また、逆火の発生も抑制できるので、安定した燃焼状態を維持して信頼性の高い運転ができる。さらに、ガスタービン燃焼器の寿命が延びるので、保守・点検の手間を軽減できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。図１に示すように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６００は、円筒状のノズル胴部６０を備えている。また、その内部は燃料を供給するために中空となっている。
【００２７】
ノズル胴部６０の周囲には、断面形状が翼形をした複数の中空スポーク６２が放射状に設けられている（図１（ｂ））。この中空スポーク６２の側面には、一方の側面につき２個ずつ、計４個の燃料を供給するための燃料供給孔６１がノズル胴部６０の表面から離して設けられている。また、中空スポーク６２の内部は中空であり、中空のノズル胴部６０へ送られた燃料が中空スポーク６２の内部を通って燃料供給孔６１から噴射される。ここで、前記燃料供給孔６１の径が小さくなると、その個数は多くなる。また、燃料供給孔６１の径をあまり小さくすると、燃料の供給が不安定になる。このため、燃料供給孔６１の数は４個に限定されるものではないが、燃料を安定して供給できる径の範囲で個数を定めるのが望ましい。この個数は前記燃料供給孔６１の径にもよるが、一方の側面につき１個から４個、より好ましくは２個または３個である。
【００２８】
図１（ｃ）は、中空スポーク６２に前進角θを設けた状態を示している。このようにすると、燃焼用空気が中空スポーク６２の後縁６２ｔに沿って滑らかに流れるので、燃焼用空気の乱れを抑えることにより逆火を抑制できる。その結果、予混合火炎形成ノズルの焼損を抑えて寿命を長くできるため、中空スポーク６２には図１（ｃ）に示すように前進角θを設けることが好ましい。ここで、前進角θとは、中空スポーク６２の後縁６２ｔが、燃焼用空気の流れ方向上流側に傾いている場合における傾き角θをいう。また、中空スポーク６２の後縁６２ｔは、断面翼型形状の中空スポーク６２に二つ存在する縁６２ｌおよび６２ｔのうち燃焼用空気の流れ方向下流側の縁をいう。そして、上流側の縁が前縁６２ｌとなる。
【００２９】
この燃料供給ノズル６００は、中空の中空スポーク６２の側面に燃料を供給する複数の燃料供給孔６１をノズル胴部６０の表面から離して設けているため、中空スポーク６２の下流側で燃料が拡散しやすくなる。その結果、燃料と燃焼用空気との混合気体が均一に燃焼して局所的な高温部の発生が抑制されるので、従来よりもＮＯｘの発生を低減できる。
【００３０】
また、従来、この中空スポーク６２の周方向断面形状は円形であったが、当該断面形状では中空スポーク６２の後方に渦や燃焼用空気の剥離が発生し、これが原因で逆火を発生させていた。これに対し、本実施の形態に係る中空スポーク６２のように、断面を翼形形状とすることで、燃焼用空気が滑らかに流れて中空スポーク６２の後方における燃焼用空気の乱れが少なくなる。したがって、燃料を燃焼用空気に拡散させてＮＯｘの発生を抑制しつつ、逆火も抑制できる。この結果、ノズル延長管等の焼損を低減できるので、ガスタービン燃焼器の寿命を長くできる。また、保守・点検の手間も軽減できる。
【００３１】
上述した中空スポーク６２の断面は翼形であるが、これを板状としても中空スポーク６２の後方における燃焼用空気の乱れを抑制する作用を得ることができる。中空スポーク６２の断面を板状にした場合は、断面を翼形とした場合と比較して上記燃焼用空気の乱れを抑制する効果はやや劣るが、製造は容易になる（以下同様）。
【００３２】
なお、本実施の形態において、スワラーを使用して燃焼用空気に旋回を与える場合には、中空スポーク６２をノズル胴部６０の軸方向に対して傾けて、中空スポーク６２がスワラーで旋回を与えられた燃焼用空気の進行方向に対して平行になるように取付けてもよい。このようにすると、スワラーで向きが変えられた燃焼用空気が中空スポーク６２の表面に沿って滑らかに流れるので、中空スポーク６２の後方における燃焼用空気の乱れが低減される。その結果、スワラーによって燃焼用空気と燃料とを十分に混合して局所高温部の発生を抑制してＮＯｘを低減しつつ、逆火の発生を抑制してノズル延長管等の焼損も低減できる。
【００３３】
図２は、この発明の実施の形態１に係る中空スポークの変形例を示す説明図である。図２（ａ）に示すように、燃焼用空気が進行する方向の下流側における中空スポーク６２ａの後縁６２ａｔに燃料供給孔６１を設けてもよい。この構成は、特に軽油や重油等の液体燃料を供給する場合に適する。
【００３４】
さらに、図２（ｂ）に示すように、中空スポーク６２ｂの断面形状を前縁６２ｂｌにおいては半円形としてその下流側には平面部を設け、さらに燃料供給孔６１の後流側では滑らかに中空スポーク６２ｂの翼厚が薄くなるようにしてもよい。このようにすると、中空スポーク６２ｂの上流側縁部のみが曲面で構成され、それ以外の部分は平面で構成されるので、製造が容易になる。
【００３５】
図３は、燃料供給ノズル６００を拡散火炎形成ノズルに適用した例を示す説明図である。同図（ａ）に示すように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６００を拡散火炎形成ノズル３２に適用してもよい。このようにすると、中空スポーク６２の下流側で燃料が拡散しやすくなるため、燃焼用空気と燃料とが十分に混合されてより均一に燃焼できる。
【００３６】
また、図３（ｂ）に示すように、スワラー３３の上流側に中空スポーク６２を配置してもよい。このようにすると、中空スポーク６２の下流に配置したスワラー３３によって拡散火炎形成ノズル３２内に流れ込んだ空気には圧力損失が発生する。この圧力損失によって空気が攪拌されるので、拡散火炎形成ノズル３２内の燃料と空気とは十分に混合される。これによって、燃料と空気とがさらに均一に燃焼するので局所的な高温部の発生をさらに抑制できる。
【００３７】
（実施の形態２）
図４は、この発明の実施の形態２に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。図４（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６０１は、中空スポーク６３が燃焼用空気の進行方向（図４中矢印Ｄ方向）に対して傾けてある点に特徴がある。このようにすることで、燃焼用空気に旋回を与えることができるので、中空スポーク６３の後方で燃料と燃焼用空気とを十分に混合できる。
【００３８】
その結果、局所高温部の発生を抑制できるので、ＮＯｘの発生をさらに低減できる。また、上記同様に中空スポーク６３の断面形状が翼形であるから燃焼用空気の剥離が少なく、フィン後方で流れが乱れない。このため、逆火を抑制できる。さらに、中空スポーク６３で燃焼用空気に旋回を与えるので、その程度によっては、予混合ノズルの燃焼用空気入口近傍に備えられていたスワラーを使用しなくともよい。
【００３９】
図５は、この発明の実施の形態２に係る燃料供給ノズルの変形例を示す説明図である。同図に示すように、この燃料供給ノズル６０２は、燃焼用空気の進行方向（図５中矢印Ｄ方向）に対して曲率を持って傾けた中空スポーク６４を備えている点に特徴がある。この中空スポーク６４は断面が翼形をしており、さらに燃焼用空気の進行方向に対して曲率を持って傾けてあるので、燃焼用空気は中空スポーク６４の表面に沿って流れ、剥離がほとんど発生しない。したがって、さらに流れの乱れを抑制できるので、逆火をより低減できる。
【００４０】
（実施の形態３）
図６は、この発明の実施の形態３に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。同図に示すように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６０３は、中空スポーク６５を火炎形成ノズル４１の内壁に取付けて構成した点に特徴がある。ここで火炎形成ノズル４１には、燃料と燃焼用空気とを混合して予混合気体を形成し、この予混合気体によって予混合火炎を形成するノズルや、燃焼用空気中に燃料を噴射して燃料を燃焼させて拡散燃焼火炎を形成するノズルが含まれる。また、後述する適用例２における、パイロット燃料と燃焼用空気との混合気体および予混合気体を噴射して予混合火炎を形成ノズルも含まれる。
【００４１】
図６に示すように、火炎形成ノズル４１の内壁側には断面形状が翼形をした４枚の中空スポーク６５で構成された燃料供給ノズル６０３が設けられている。この中空スポーク６５の内部は中空であり、火炎形成ノズル４１の外部に設けられた燃料供給部４５から送られる主燃料が供給されるようになっている。また、この中空スポーク６５の側面には、一方の側面につき２個ずつ、計４個の主燃料を噴射するための燃料供給孔６１が設けられている。なお、前記燃料供給孔６１の径および個数については実施の形態１で説明したものが適用できる。この実施の形態に係る中空スポーク６５は、火炎形成ノズル４１の軸方向に垂直な断面が十字形状をしている。すなわち、中空スポーク６５の枚数は４枚であるが、中空スポーク６５の枚数は４枚には限られるものではない。
【００４２】
また、この中空スポーク６５の後縁６５ｔには前進角θが設けられている。このように前進角θを設けると、空気の剥離を抑えて逆火を抑制できるため好ましい。ここで後縁６５ｔは、図６（ａ）に示すように、中空スポーク６５が有する二つの縁６５ｌおよび６５ｔのうち、燃焼用空気の流れ方向における下流側の縁である。また前進角θは、図６（ａ）に示すように、中空スポーク６５の後縁６５ｔが、燃焼用空気の流れ方向上流側に傾いている場合における傾き角をいう。前進角θは中空スポーク６５の後縁６５ｔにおける空気の剥離を抑制する観点から、１０〜３０度が好ましく、さらには１５〜２５度が好ましい。
【００４３】
火炎形成ノズル４１の入口４６から流入した燃焼用空気は、燃料供給孔６１から火炎形成ノズル４１内に噴射される燃料と混合される。本実施の形態に係る燃料供給ノズル６０３は、実施の形態１で説明した主燃料供給ノズル６００と異なり、中心部に円筒状のノズル胴部６０（図１参照）を備えていない。このため、火炎形成ノズル４１内部において燃焼用空気が通過する断面積は、実施の形態１で説明した燃料供給ノズル６００を使用する場合よりも大きくなる。したがって、流入する燃焼用空気の量が同じであれば、火炎形成ノズル４１の内径を小さくできるので、ガスタービン燃焼器全体をコンパクトにできる。
【００４４】
また、本実施の形態において、スワラーを使用して燃焼用空気に旋回を与える場合には、中空スポーク６５を火炎形成ノズル４１の軸方向に対して傾けて取付けてもよい。このようにすると、スワラーで向きが変えられた燃焼用空気が中空スポーク６５の表面に沿って滑らかに流れるので、中空スポーク６５の後方における燃焼用空気の乱れが低減される。その結果、スワラーによって燃焼用空気と燃料とを十分に混合して局所高温部の発生を抑制してＮＯｘを低減しつつ、逆火の発生を抑制してノズル延長管等の焼損も低減できる。
【００４５】
なお、実施の形態２において説明したように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６０３の中空スポーク６５を燃焼用空気の進行方向に対して傾けることにより燃焼用空気に旋回を与えて、主燃料と十分に混合してもよい。この場合、旋回の程度によっては、燃焼用空気に旋回を与えるスワラーを使用しなくともよい。
【００４６】
（適用例１）
つぎに、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した例を説明する。図７は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第一の例を示す正面図である。図８は、図７に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。図９は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第二の例を示す軸方向断面図である。図１０は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第三の例を示す軸方向断面図である。また、図１１は、このガスタービン燃焼器に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。なお、以下の適用例においては、実施の形態１で説明した燃料供給ノズル６００（図１参照）を適用した場合について説明するが、実施の形態２および３において説明した燃料供給ノズルも同様に適用できる。
【００４７】
図７および図８に示すように、ガスタービン燃焼器内筒２０の内部には拡散火炎形成コーン３０が設けられている。この拡散火炎形成コーン３０の内部には、パイロット燃料を噴射するパイロット燃料供給ノズル３１が設けられており、パイロット燃料供給ノズル３１から噴射されたパイロット燃料は、燃焼用空気と反応して拡散燃焼火炎を形成する。また、前記パイロット燃料供給ノズル３１の周囲には燃焼用空気を攪拌するためのスワラー３３が設けられており、燃焼用空気とパイロット燃料とを十分に混合する。前記拡散火炎形成コーン３０は、燃焼用空気とパイロット燃料とが混合した気体を燃焼室５０側（図８参照）へ噴射して、拡散燃焼火炎を形成する。
【００４８】
図８に示すように、予混合火炎形成ノズル４０はガスタービン燃焼器内筒２０と拡散燃焼火炎を形成する拡散火炎形成コーン３０の間に配置されている。ここで、図８からは明らかではないが、８個の前記予混合火炎形成ノズル４０が前記拡散火炎形成コーン３０の周囲に環状に配置されている。なお、予混合火炎形成ノズル４０の数は８個に限定されるものではなく、ガスタービン燃焼器の仕様に応じて適宜増減することができる。
【００４９】
また、図７および図８に示すように、前記予混合火炎形成ノズル４０の出口には、予混合火炎形成ノズル延長部として予混合火炎形成ノズル延長管（以下ノズル延長管と略称）４１０が設けられている。そして、予混合気体は当該ノズル延長管４１０を介して燃焼室５０側へ噴射される。
【００５０】
図７に示すように、前記ノズル延長管４１０の出口形状は扇形状である。このようにすると、隣り合うノズル延長管４１０同士の間隔はほぼ一定になるため、隣り合うノズル延長管４１０からは均等に空気が流れる。このため、空気の流れが弱い部分に高温の燃焼ガスが逆流することを抑制できるので、ノズル延長管４１０同士が隣り合う部分における焼損を低減できる。また、隣り合うノズル延長管４１０の間、ノズル延長管４１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間およびノズル延長管４１０と拡散火炎形成コーン３０との間からもほぼ均等に空気が流れる。このため、不均一な空気の流れに起因する逆火を抑制できるので、ノズル延長管４１０等の焼損を低減できる。
【００５１】
このノズル延長管４１０は、ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向に存在する前記ノズル延長管４１０の側部のうち、少なくとも前記ガスタービン燃焼器内筒２０の中心軸に近い側部４１１を、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の中心軸に垂直な平面に対して一定の角度αをもって前記ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側に傾けてある（図１１（ａ））。さらに、図１１（ｂ）に示すように、前記ノズル延長管４１０は前記ガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に存在する前記ノズル延長管４１０の側部４１２を、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の中心軸に垂直な平面に対して一定の角度βをもってガスタービン燃焼器内筒２０の周方向へ傾けてある。
【００５２】
このように、ノズル延長管４１０を前記ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ向かって傾けることによって予混合気体に外向きの流れを与えることができる（図１１（ａ）中の矢印Ａ）。さらに周方向へ傾けることによって、当該予混合気体に前記ガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に向かう回転を与えることができる（図１１（ｂ）中の矢印Ｂ）。なお、前記角度αおよびβはガスタービン燃焼器の仕様によって適宜最適な値を選択することができるが、再循環領域を効果的に形成するという観点からは、αおよびβともに２０度から５０度の範囲とすることが好ましい。そして、ノズル延長管４１０における圧力損失をできるだけ少なくしつつ効果的な再循環領域を形成するという観点からは、αおよびβともに３０度から４０度の範囲とすることが望ましい。
【００５３】
次は、図８を参照して説明する。圧縮機（図示せず）から送られてきた空気はガスタービン燃焼器外筒１０内に導かれ、当該ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間を通った後進行方向を１８０度変える。その後、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の後方から予混合火炎形成ノズル４０および拡散火炎形成ノズル３２へ送られて、主燃料およびパイロット燃料と混合される。
【００５４】
拡散火炎形成ノズル３２内に導かれた圧縮空気は、拡散火炎形成ノズル３２内に設けられたスワラー３３によって攪拌され、パイロット燃料供給ノズル３１から噴射されたパイロット燃料と十分に混合される。そして両者の混合気体は拡散火炎を作り、拡散火炎形成コーン３０から燃焼室５０側に向かって拡散火炎が噴出される。この拡散火炎は、予混合火炎形成ノズル４０で作られる予混合気体を速やかに燃焼させ、また、当該予混合気体の燃焼を安定させて予混合火炎の逆火や予混合気体の自己着火を抑制する。
【００５５】
予混合火炎形成ノズル４０内に導かれた圧縮空気は、予混合火炎形成ノズル４０内に設けられたスワラー４２によって攪拌される。そして燃料供給ノズル６００の中空スポーク６２に設けられた燃料供給孔６１から噴射された主燃料と十分に混合されて予混合気体を形成した後、ノズル延長管４１０から燃焼室５０側へ噴射される。ここで、燃料供給孔６１はノズル胴部６０の表面から離して設けてあるため、主燃料は燃焼用空気である前記圧縮空気へ十分に拡散して混合される。なお、予混合気体はＮＯｘの発生を抑制する必要があることから、燃料に対して空気が過剰の状態となっている。この予混合気体は前記拡散火炎から排出される高温の燃焼ガスによって速やかに発火し、予混合火炎を形成して、当該予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出される。
【００５６】
なお、図８に示す予混合火炎形成ノズル４０においては、スワラー４２の下流に中空スポーク６２を配置しているが、図９に示す予混合火炎形成ノズル４０ａのように、スワラー４２の上流に中空スポーク６２を配置してもよい。このようにすると、中空スポーク６２の下流に配置したスワラー４２によって予混合火炎形成ノズル４０ａ内の主燃料と空気とが混合した燃焼用気体に圧力損失が発生する。この圧力損失によって燃焼用気体が攪拌されるので、燃焼用気体中の燃料と空気とはより均一に混合される。これによって、燃焼用気体はさらに均一に燃焼するので局所的な高温部の発生はさらに抑制され、ＮＯｘの発生をさらに低減できるため好ましい。
【００５７】
さらに、図１０に示す予混合ノズル４０ｂのように、予混合火炎形成ノズル４０ｂの入口４０ｉよりも上流側に、中空スポーク６２の端部６２ｘにおける後縁６２ｔが位置するようにしてもよい。このようにすると、予混合火炎形成ノズル４０ｂの入口４０ｉから流入する空気は、予混合火炎形成ノズル４０ｂの入口４０ｉと中空スポーク６２の端部６２ｘにおける後縁６２ｔとの間から、予混合火炎形成ノズル４０ｂ内へ流れ込む。これによって、十分な空気量を予混合火炎形成ノズル４０ｂに供給することができるので、ＮＯｘの発生量を低減できる。ここで後縁６２ｔとは、図１０に示すように、中空スポーク６２が有する二つの縁６２ｌおよび６２ｔのうち、燃焼用空気の流れ方向における下流側の縁をいう。そして、後縁の反対側における縁が前縁６２ｌである。
【００５８】
また、同じく図１０に示すように、中空スポーク６２の後縁６２ｔには前進角θを設けてもよい。前進角θを設けると、空気が後縁６２ｔに沿って滑らかに流れるため、逆火の発生を抑えることができる。これによって、予混合火炎形成ノズル４０ｂの焼損を抑えることができるので、予混合火炎形成ノズル４０ｂの寿命を長くでき、また、保守・点検の手間も軽減でき好ましい。なお、中空スポーク６２の後縁６２ｔにおける空気の剥離を抑制する観点から、前進角θは１０〜３０度が好ましく、さらには１５〜２５度が好ましい。
【００５９】
上述したように、ノズル延長管４１０は、少なくともガスタービン燃焼器内筒２０の中心軸に近い側部をガスタービン燃焼器内筒２０の軸方向に対して一定の角度αを持って前記ガスタービン燃焼器内筒２０の内壁側へ傾けてある。また、前記ノズル延長管４１０の出口は、ガスタービン燃焼器内筒２０の軸方向に対して一定の角度βを持って傾いている。このため、燃焼室５０内における燃焼ガスは前記ガスタービン燃焼器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、いわゆる外向き旋回流となる。
【００６０】
つぎに、ガスタービン燃焼器内筒２０の冷却について説明する。図１２は、冷却手段を取付けたガスタービン燃焼器内筒を示す軸方向断面図である。本発明のガスタービン燃焼器における燃焼ガスの流れは外向き旋回流となるため、燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａに燃焼ガスが衝突する（図１２（ａ）中の矢印Ｃ）。このため、燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの燃焼ガスが衝突する部分が高温となり、この部分の寿命を短くしてしまうこともある。
【００６１】
これを避けるために、燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの周囲に冷却手段を配置して、燃焼ガスの熱を除去することが望ましい。図１２に示した例は、冷却手段として燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａをプレートフィン２１で構成したものである。ここで、プレートフィン２１の構造を図１２（ｂ）に示す。まず、ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間を通ってきた圧縮機からの空気が、プレートフィン２１のガスタービン燃焼器外筒１０側に設けられた冷却空気孔２１ａ（図１２（ｂ）参照）からプレートフィン２１内部に流入する。この空気はプレートフィン２１内部を流れる際に、対流冷却により燃焼室５０側の内筒を冷却する。また、プレートフィン２１内部を流れ終わった空気は、燃焼室５０側へ流れ出る（図中の矢印Ｊ方向）。この空気は燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの表面を流れることで、その表面近傍に温度境界層を形成して、燃焼室５０側における内筒をフィルム冷却する。
【００６２】
なお、冷却手段としては上記プレートフィンには限られず、ＭＴフィンと呼ばれるフィンを使用したり、あるいは燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの周囲に孔を設けて、この孔から冷却空気を噴射して燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａをフィルム冷却したりしてもよい。このような冷却手段によれば、高温の燃焼ガスが燃焼室５０側における内筒の表面に当たってもその部分が冷却されるため、燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの局所的な温度上昇を抑制できる。したがって、より積極的に外向きの流れを作ることができるので予混合気体の混合をさらに促進できる。
【００６３】
従来のガスタービン燃焼器における燃焼ガスは、ガスタービン燃焼器の中心に向かって旋回するいわゆる内向き旋回流であったため、燃焼室５０の中心付近に予混合気体が集中する。その結果、この部分において燃焼が早まり、また局所高温部が発生しやすくなるため、ＮＯｘの発生を十分に抑制をすることができなかった。また、再循環領域が十分に形成されないため、予混合火炎が不安定となって燃焼振動等を発生していた。
【００６４】
これに対して本発明の燃料供給ノズル６００を適用したガスタービン燃焼器は、予混合火炎形成ノズル４０内に設けられた燃料供給ノズル６００によって、予混合気体を十分に混合しているので、局所高温部の発生を抑制できる。さらに、このガスタービン燃焼器では、ノズル延長管４１０に一定の角度を設けることによって、予混合気体にガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側に向かい、且つ周方向に旋回する流れ、すなわち外向き旋回流を与えている。このため、予混合気体は、拡散火炎を取り巻くように流れる過程でさらに混合されながら、燃焼室５０の全領域にわたって均一に燃焼する。これらの相互作用によって、局所高温部の発生が十分に抑制されるため、ＮＯｘの発生を十分に抑制することができる。
【００６５】
また、本発明の燃料供給ノズル６００では中空スポーク６２の断面形状が翼形であるため、中空スポーク６２の表面を燃焼用空気が滑らかに流れる。このため、中空スポーク６２の後方における燃焼用空気の乱れが抑制される結果、燃焼用空気の乱れに起因する逆火が抑制できる。さらに、外向き旋回流によってガスタービン燃焼器の中心部分に形成される再循環領域が拡大する。これらの相互作用によって、予混合火炎の燃焼が安定し燃焼振動も抑制できるので、ガスタービンを安定して運転できる。また、予混合気体は燃焼室５０の全領域にわたって燃焼するため、予混合気体の燃え残りがほとんどなくなって燃料を効率的に利用できる。なお、本実施の形態においては、外向き旋回流を作るためにノズル延長管４１０の出口をガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側および周方向に傾けるだけなので、ノズル延長管４１０の出口内に特別な加工をする必要がなく、製造が容易となる。
【００６６】
つぎに、上記適用例１に係る第一の変形例について説明する。図１３は、第一の適用例に係るガスタービン燃焼器の第一の変形例を示す正面図である。上記適用例１に係るガスタービン燃焼器においては、ノズル延長管４１０（図７参照）の出口形状は扇形状であったが、本変形例のようにノズル延長管４２０の出口形状を楕円形としてもよい。このようにしても、ノズル延長管４２０から噴射される予混合気体は外向き旋回流を形成する。したがって、燃料供給ノズル６００によって十分に燃料が拡散した予混合気体が燃焼室（図示せず）の全体にわたって燃焼するので局所高温部が減少し、ＮＯｘの発生を抑制することができる。なお、本変形例においてノズル延長管４２０の出口形状を円形としてもよい。
【００６７】
図１４は、第一の適用例に係るガスタービン燃焼器の第二の変形例を示す正面図である。この変形例のように、外向きのノズル延長管４３０と外向き旋回流を形成するノズル延長管４２０とを交互に配置してもよい。このようにすると、ノズル延長管４３０による予混合気体の外向きの直進流と、ノズル延長管４２０による予混合気体の外向き旋回流とが衝突する。そして、燃料供給ノズル６００によって十分に燃料が拡散した予混合気体がさらに混合されるため、局所高温部の発生が少なくなってＮＯｘの発生もさらに抑制される。なお、ノズル延長管４３０および４２０の出口形状は図１３や図１４に示した楕円状に限られず、円形あるいは図８に示したような扇形としてもよい。
【００６８】
（適用例２）
図１５は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第二の例を示す正面図である。図１６は、図１５に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。また、図１７は、第二の適用例に係るガスタービン燃焼器に使用する混合気体形成用円筒を示す軸方向断面図である。このガスタービン燃焼器は、混合気体形成用筒７０の内部に主燃料を供給するための燃料供給孔６１を備えた中空スポーク６２とパイロットノズル３６とを備え、当該混合気体形成用筒７０をガスタービン燃焼器内筒２０の内部へ環状に配置した点に特徴がある。
【００６９】
この適用例２で使用する混合気体形成用筒７０は、図１７に示すように、主燃料を噴射する燃料供給孔６１を備えた中空スポーク６２と、内部にパイロット燃料供給ノズル３５を備えたパイロットノズル３６とを備えている。また、前記混合気体形成用筒７０の燃焼用空気取り入れ口側にはスワラー７２が備えられており、燃焼用空気に旋回を与えて主燃料およびパイロット燃料と十分に混合させる。
【００７０】
前記混合気体形成用筒７０の出口側にはノズル延長管４４０が設けられており、燃焼用空気と主燃料およびパイロット燃料とが混合した気体を燃焼室５０側に噴射する。前記ノズル延長管４４０の出口形状は円形をしており、ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ傾けてある。また、前記ノズル延長管４４０は、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に対しても傾けてある。なお、ノズル延長管４４０の出口形状は円形のみならず、実施の形態１で示したような扇形や楕円形としてもよい。以下同様である。
【００７１】
この適用例２におけるガスタービン燃焼器は、出口にノズル延長管４４０を備えた混合気体形成用筒７０を、ガスタービン燃焼器内筒２０（図１５および図１６参照）の内部に５個環状に配置してある。なお、混合気体形成用筒７０の個数は５個に限定されるものではなく、ガスタービン燃焼器の仕様等によって適宜増減することができる。
【００７２】
次は図１６を参照して説明する。圧縮機（図示せず）から送られてきた燃焼用空気はガスタービン燃焼器外筒１０内に導かれ、ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間を通った後１８０度進行方向を変える。そして、前記燃焼用空気は混合気体形成用筒７０の後方からパイロットノズル３６内と混合気体形成用筒７０内とへ導かれる。
【００７３】
次は図１７を参照して説明する。パイロットノズル３６内に導かれた燃焼用空気は、パイロット燃料供給ノズル３５から噴射されたパイロット燃料と十分に混合される。また、混合気体形成用筒７０内に導かれた燃焼用空気は、まず前記混合気体形成用筒７０内に設けられたスワラー７２によって攪拌される。そして中空スポーク６２に設けられた燃料供給孔６１から噴射された主燃料と十分に混合されて予混合気体を形成する。ここで、燃料供給孔６１はパイロットノズル３６の表面から離して設けてあるため、主燃料は燃焼用空気へ十分に拡散して混合される。なお、この予混合気体はＮＯｘの発生を抑制するため、燃料に対して空気が過剰の状態である。
【００７４】
パイロット燃料と燃焼用空気との混合気体および予混合気体は、ノズル延長管４４０を介して燃焼室５０側へ噴射される。燃焼室５０側に噴射されたパイロット燃料と燃焼用空気との混合気体は拡散火炎を形成し、当該拡散火炎から発生する高温の燃焼ガスによって前記予混合気体を速やかに燃焼させる。また、予混合気体の燃焼を安定させて予混合火炎の逆火や予混合気体の自己着火を抑制する。燃焼した予混合気体は予混合火炎を形成して、当該予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出される。
【００７５】
前記パイロット燃料と燃焼用空気との混合気体および予混合気体は、ノズル延長管４４０によって、ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ向かい且つ周方向へ旋回する外向き旋回流となり、燃焼室５０内を流れる。この外向き旋回流によって、予混合気体等が十分に混合されながらガスタービン燃焼器の全域にわたって燃焼が進行する。また、予混合気体は中空スポーク６２によって主燃料が拡散されているため、前記混合作用との相互作用によってさらに局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生が抑制される。
【００７６】
また、前記外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍における圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、内壁近傍と中心近傍との間に循環流が発生し、再循環領域を形成する。また、中空スポーク６２の断面形状は翼形であるので燃焼用空気が滑らかに流れる結果、逆火の発生が抑制される。これらの作用によって、火炎が安定し燃焼振動も低減するので、安定したガスタービンの運転ができる。
【００７７】
（適用例３）
図１８は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第三の例を示す正面図である。この適用例に係るガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器内筒２０の軸方向に垂直な平面上に存在する、異なる大きさのピッチ円Ｄ1およびＤ2（Ｄ1＞Ｄ2）上に複数の予混合ノズルを配置した点に特徴がある。
【００７８】
図１８に示すように、適用例３に係るガスタービン燃焼器では、ガスタービン燃焼器内筒２０の内部に拡散燃焼火炎を形成するコーン３０が備えられており、このコーン３０の周囲には複数の予混合火炎形成ノズル（図示せず）が大きさの異なる少なくとも２個のピッチ円上に配置されている。そして、前記ピッチ円Ｄ1およびＤ2上にはそれぞれ４個の予混合火炎形成ノズルが配置されている。なお、予混合火炎形成ノズルの数は４個に限定されるものではない。
【００７９】
予混合火炎形成ノズルは、その内部に主燃料を噴射する燃料供給ノズル６００（図１参照）を備えている。この燃料供給ノズル６００は、中空スポーク６２に設けられた燃料供給孔６１から主燃料を噴射して、燃焼用空気に主燃料を十分に拡散させる（図１参照）。また、前記予混合火炎形成ノズルの出口側にはノズル延長管４５０が設けられており、燃焼用空気と主燃料とが混合した予混合気体を燃焼室側（図示せず）に噴射する。前記ノズル延長管４５０の出口形状は円形をしており、ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ傾けてある。同時に前記ノズル延長管４５０は、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の周方向へも傾けてある。
【００８０】
前記予混合火炎形成ノズルから噴射された予混合気体はノズル延長管４５０を介して燃焼室側へ噴射される。そして、燃焼室側へ噴射された予混合気体は、ノズル延長管４５０によって外向き旋回流となって、燃焼室内をらせん状に流れる。この適用例に係るガスタービン燃焼器においては、二つのピッチ円Ｄ1およびＤ2上にそれぞれ予混合火炎形成ノズルを配置しているため、ピッチ円Ｄ1およびＤ2上に設けられているそれぞれの予混合火炎形成ノズル群に対応した外向き旋回流が発生する。この二つの外向き旋回流によって、燃焼室の内壁近傍と中心近傍との間、および外側の予混合火炎形成ノズル群による外向き旋回流と内側の予混合火炎形成ノズル群による外向き旋回流との間に循環流が発生する。そして、この外向き旋回流と循環流とによって、燃料供給ノズル６００によって主燃料を十分に拡散された予混合気体はさらに混合される。その結果、局所高温部が少なくなりさらにＮＯｘの発生を抑制できる。
【００８１】
また、燃料供給ノズル６００に設けられている中空スポーク６２の断面形状は翼形であるので、中空スポーク６２の後方においては滑らかに燃焼用空気が流れる。この作用、および上記二つの再循環領域によって予混合火炎がより安定し、燃焼振動等も軽減できる。さらに、本実施の形態に係るガスタービン燃焼器では、二つのピッチ円Ｄ1およびＤ2上にそれぞれ予混合火炎形成ノズルを配置しているため、負荷に応じて使用する予混合火炎形成ノズル群を適宜選択することができる。したがって、部分負荷から全負荷にわたって最適な燃空比で希薄燃焼運転ができるので、すべての負荷領域でＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００８２】
（適用例４）
図１９は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第四の例を示す正面図である。図２０は、第四の適用例に係るガスタービン燃焼器に使用するノズル延長管の軸方向断面図である。本ガスタービン燃焼器は、ノズル延長管４６０の内部に設けたフィンにより予混合気体の方向を調整する点に特徴がある。
【００８３】
図１９および２０に示すように、ノズル延長管４６０の出口はガスタービン燃焼器内筒２０の内壁に向かって傾けられており、この傾きによって予混合気体に外向きの流れを与える。また、当該ノズル延長管４６０の出口近傍には、予混合気体にガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に向かう旋回を与えるためのフィン４６５が備えられている。フィン４６５の枚数は適宜増減できる。なお、フィン４６５はガスタービン燃焼器内筒２０の内壁に取付けてもよい。この場合にはフィン４６５がより燃焼室（図示せず）の近くに設置されて、より高温にさらされるので、フィルム冷却や対流冷却等の冷却手段によってフィン４６５を冷却することが好ましい。
【００８４】
適用例４に係るガスタービン燃焼器はノズル延長管４６０の出口にフィン４６５が設けられており、また前記ノズル延長管４６０の出口はガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側に傾いている。そして、予混合火炎形成ノズルに備えられている燃料供給ノズル６００（図１参照）によって、主燃料は燃焼用空気に拡散される。前記ノズル延長管４６０から噴射された十分に主燃料が混合した予混合気体は、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、いわゆる外向き旋回流となる。この外向き旋回流によって予混合気体はさらに十分に混合されるので局所高温部はより少なくなり、ＮＯｘの発生をさらに抑制できる。
【００８５】
そして、燃料供給ノズル６００に設けられた中空スポーク６２の断面形状は翼形なので、予混合気体はノズル延長管４６０から滑らかに噴射される。また、上記外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍の圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、内壁近傍と中心近傍との間に大きな循環流が発生し再循環領域が拡大する。これらの作用によって予混合気体が安定して燃焼するので、燃焼振動等が抑制されて、より安定してガスタービンの運転ができる。なお、フィン４６５をガスタービン燃焼器内筒２０の内壁側に取付けた場合も、同様の効果を得ることができる。
【００８６】
図２１は、第四の適用例に係るガスタービン燃焼器の変形例を示す正面図である。図２２は、この変形例に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。上記ガスタービン燃焼器はフィン４６５によって予混合気体に旋回を与えたが、本変形例に係るガスタービン燃焼器はフィン４７５によって予混合気体に外向きの流れを、ノズル延長管の傾きによって旋回を与えるものである。
【００８７】
この変形例に係るガスタービン燃焼器はノズル延長管４７０の出口にフィン４７５が設けられており、前記ノズル延長管４７０の出口は予混合気体にガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に向かう旋回を与えるように傾いている。また、フィン４７５はガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ傾けてあり、予混合気体に当該方向へ向かう流れを与える。なお、このフィン４７５の枚数は適宜増減できる。
【００８８】
前記ノズル延長管４７０から噴射された予混合気体は、ノズル延長管４７０の傾きおよびフィンの傾きによって、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、すなわち外向き旋回流となる。この外向き旋回流および燃料供給ノズル６００（図１参照）によって、予混合気体は十分に混合されるので、局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生が抑制される。また、この外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍における圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、燃焼室５０の内壁と中心との間に循環流が発生し再循環領域を形成する。この再循環領域および燃料供給ノズル６００（図１参照）が燃焼用空気を滑らかに流しつつ主燃料を拡散させる作用によって、予混合火炎が安定して形成される。その結果、燃焼振動等が低減され、さらに安定した運転ができる。
【００８９】
図２３は、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを備えたガスタービンを示す説明図である。このガスタービン１００に備えられたガスタービン燃焼器１０６には、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを備えたガスタービン燃焼器が適用されている。空気取り入れ口１０２から取り込まれた空気は、圧縮機１０４によって圧縮される。そして、高温・高圧の圧縮空気となってガスタービン燃焼器１０６へ送り込まれる。ガスタービン燃焼器１０６では、この圧縮空気に天然ガス等のガス燃料、あるいは軽油や軽重油等の液体燃料を供給して燃料を燃焼させ、作動流体である高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。そして、この高温・高圧の燃焼ガスはタービン１０８に噴射される。タービン１０８を駆動した後の燃焼ガスは、ガスタービン１００の外部へ排出される。
【００９０】
ここで、図２３からは明らかではないが、ガスタービン燃焼器１０６には、この発明に係る燃料供給ノズル６００等が備えられているので、燃料供給ノズル６００等に設けられた中空スポーク６２等（図１等参照）の下流側で燃料が拡散しやすくなる。その結果、燃料と燃焼用空気との混合気体が均一に燃焼して局所的な高温部の発生が抑制されるので、このガスタービン１００においては、従来のガスタービンよりもＮＯｘの発生を低減できる。また、中空スポークの断面形状を翼形とすれば、燃焼用空気をさらに滑らかに流すことができる。このため、中空スポーク後方における燃焼用空気の乱れが少なくなるので、燃料を十分に拡散させつつ逆火が抑制できる。その結果、ノズル延長管等の焼損を低減できるので、このガスタービン１００ではガスタービン燃焼器１０６の寿命を長くでき、保守・点検の手間を軽減できる。また、安定して燃料を燃焼させることができるので、信頼性の高い運転ができる。
【００９１】
さらに、燃焼用空気の進行方向に対して傾けたスポークを使用すれば、燃焼用空気に旋回を与えることができるので、スポークの後方で燃料と燃焼用空気とを十分に混合できる。その結果、局所高温部の発生を抑制できるので、このガスタービン１００においては、従来のガスタービンと比較してＮＯｘの発生をさらに低減できる。また逆火の発生も従来のガスタービンよりも抑制できるので、安定した燃焼状態を維持して信頼性の高い運転ができる。さらに、ガスタービン燃焼器１０６の寿命も長くできるので、保守・点検の手間も軽減できる。
【００９２】
また、図１０に開示した予混合火炎形成ノズル４０ｂを使用すれば、中空スポーク６２による予混合火炎形成ノズル４０ｂへ流入する空気の干渉を抑えることができる。これにより、十分な空気量を予混合火炎形成ノズル４０ｂに供給することができるので、ＮＯｘの発生量を低減できる。さらに、同図に開示したように、中空スポーク６２の後縁６２ｔに前進角θを設けると、空気が後縁６２ｔに沿って滑らかに流れるため、逆火の発生を抑えることができる。これによって、予混合火炎形成ノズル４０ｂの焼損を抑えることができるので、予混合火炎形成ノズル４０ｂの寿命を長くでき、また、保守・点検の手間も軽減できる。
【００９３】
なお、このガスタービン１００においては、ガスタービン燃焼器１０６に備えられた拡散火炎形成ノズル（図示せず）にこの発明に係る燃料供給ノズル６００等（図１等参照）を適用してもよい。このようにすると、スポークの下流側で燃料が拡散しやすくなるため、燃焼用空気と燃料とが十分に混合されてより均一に燃焼できる。その結果、局所高温部の発生を低減できるので、ＮＯｘの発生量を従来のガスタービンよりも低減できる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、断面が翼形形状である中空スポークの側面に燃料を供給する複数の燃料供給孔をノズル胴部の表面から離して設けたので、当該スポークの下流側においては燃料が拡散しやすくなる。その結果、燃料と燃焼用空気との混合気体が均一に燃焼して局所的な高温部の発生が抑制されるので、従来よりもＮＯｘの発生を低減できる。また、この発明に係るスポークの断面は翼形をしているので、燃焼用空気が滑らかに流れる。このためスポーク後方においては燃焼用空気の乱れが低減するため、ＮＯｘの発生を低減させつつ、逆火も抑制できる。
【００９５】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、中空スポークをスワラーの上流に配置した。このため、中空スポークの下流に配置したスワラーによって燃焼用気体に圧力損失が発生するので、燃焼用気体が攪拌される。これによって、燃焼用気体中の燃料と空気とはより均一に混合されるので、燃焼用気体はさらに均一に燃焼する。その結果、局所的な高温部の発生がさらに抑制されて、ＮＯｘをさらに低減できる。
【００９６】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、火炎形成ノズルの入口よりも上流側に、中空スポークの端部における後縁が位置するようにした。このため、中空スポークの影響を小さく抑えて、火炎形成ノズル内へ十分な量の燃焼用空気を供給することができるので、ＮＯｘの発生量を低減できる。
【００９７】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、中空スポークのみで構成した燃料供給ノズルを火炎形成ノズルの内壁に設けた。このため筒状のノズル胴部が不要となり、火炎形成ノズル内部において燃焼用空気が通過する断面積は、筒状のノズル胴部を備えた燃料供給ノズルを使用する場合よりも大きくできる。したがって、流入する燃焼用空気の量が同じであれば、火炎形成ノズルの外形寸法を小さくできる。その結果、ＮＯｘの発生を低減しつつ逆火を抑制し、またガスタービン燃焼器全体をコンパクトにできる。
【００９８】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、スポークを燃焼用空気の進行方向に対して傾けるようにした。このため、燃焼用空気に旋回を与えることができるので、上記燃料の拡散作用との相互作用によって燃料と燃焼用空気とを十分に混合できる。また、スポークの断面形状が翼形であるため燃焼用空気の剥離が少なく、スポーク後方における流れの乱れを抑制できる。その結果、局所高温部の発生を抑制してＮＯｘの発生をさらに低減しつつ、逆火も抑制できる。
【００９９】
また、中空スポークの後縁に前進角を設けることにより、前縁側から流入した燃焼用空気が後縁に沿って滑らかに流れるので、中空スポーク後流における流れの乱れが少なくなり、逆火を抑制できる。
【０１００】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器では、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを備えるようにした。これによって、ＮＯｘの発生を抑制できるので、清浄な排ガスを排出して環境負荷を低減できる。また、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルによって逆火を抑えることができるのでガスタービン燃焼器の寿命が延び、また、保守・点検の手間も軽減できる。
【０１０１】
また、この発明に係るガスタービンでは、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを有するガスタービン燃焼器を備えたので、ＮＯｘを低減できる。これによって、清浄な排ガスによって環境負荷を低減できる。また、逆火の発生も抑制できるので、安定した燃焼状態を維持して信頼性の高い運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る中空スポークの変形例を示す説明図である。
【図３】燃料供給ノズルを拡散火炎形成ノズルに適用した例を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る燃料供給ノズルの変形例を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。
【図７】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第一の例を示す正面図である。
【図８】図７に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。
【図９】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第二の例を示す軸方向断面図である。
【図１０】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第三の例を示す軸方向断面図である。
【図１１】このガスタービン燃焼器に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。
【図１２】冷却手段を取付けたガスタービン燃焼器内筒を示す軸方向断面図である。
【図１３】第一の適用例に係るガスタービン燃焼器の第一の変形例を示す正面図である。
【図１４】第一の適用例に係るガスタービン燃焼器の第二の変形例を示す正面図である。
【図１５】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第二の例を示す正面図である。
【図１６】図１４に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。
【図１７】第二の適用例に係るガスタービン燃焼器に使用する混合気体形成用円筒を示す軸方向断面図である。
【図１８】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第三の例を示す正面図である。
【図１９】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第四の例を示す正面図である。
【図２０】第四の適用例に係るガスタービン燃焼器に使用するノズル延長管の軸方向断面図である。
【図２１】第四の適用例に係るガスタービン燃焼器の変形例を示す正面図である。
【図２２】この変形例に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。
【図２３】この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを備えたガスタービンを示す説明図である。
【図２４】予混合方式のガスタービン燃焼器の一例を示す軸方向断面図である。
【図２５】これまで使用されてきた予混合方式のガスタービン燃焼器の主燃料供給ノズルを示す説明図である。
【図２６】この先行例に係る燃料供給ノズルの説明図である。
【符号の説明】
１０ ガスタービン燃焼器外筒
２０ ガスタービン燃焼器内筒
２１ プレートフィン
３０ 拡散火炎形成コーン
３１、３５ パイロット燃料供給ノズル
３２ 拡散火炎形成ノズル
３３、４２、７２ スワラー
３６ パイロットノズル
４０、４０ａ、４０ｂ 予混合火炎形成ノズル
４１ 火炎形成ノズル
４５ 燃料供給部
４６ 入口
５０ 燃焼室
６０ ノズル胴部
６１ 燃料供給孔
６２、６２ａ、６２ｂ、６３、６４、６５、６８ 中空スポーク
６２ｌ 前縁
６２ｔ 後縁
６２ｘ 端部
７０ 混合気体形成用筒
４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０ ノズル延長管
４１１ 側部
４１２ 側部
６００、６０１、６０２、６０３、６２０ 燃料供給ノズル
６１０ 主燃料供給ノズル
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービンのガスタービン燃焼器に関し、さらに詳しくは、ガスタービンのガスタービン燃焼器に導かれた空気に燃料を供給するガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルおよびこれを備えたガスタービン燃焼器並びに前記ノズルを備えたガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン燃焼器においては、燃料と燃焼用空気とをそれぞれ異なるノズルから噴出して燃焼させる拡散燃焼方式が多く使用されていた。しかし、近年においては、上記拡散燃焼方式に代わってサーマルＮＯｘの低減により有利な予混合燃焼方式も使用されるようになってきている。ここで予混合燃焼方式とは、燃料と燃焼用空気とを予め混合し、同一のノズルから噴出して燃焼させるものをいう。この燃焼方式によれば、燃料が希薄な状態であってもすべての燃焼領域においてその状態で燃焼させることができるため予混合火炎の温度を下げやすく、拡散燃焼方式と比較してＮＯｘの低減に有利である。その反面、拡散燃焼方式と比較して燃焼の安定性が劣り、逆火や予混合気体の自己着火が発生するという問題もある。
【０００３】
図２４は、予混合方式のガスタービン燃焼器の一例を示す軸方向断面図である。また、図２５は、これまで使用されてきた予混合方式のガスタービン燃焼器の主燃料供給ノズルを示す説明図である。ガスタービン燃焼器外筒１０内には、一定の間隔をおいてガスタービン燃焼器内筒２０が設けられており、当該ガスタービン燃焼器内筒２０の中央部には拡散火炎を形成して予混合火炎を安定させるための拡散火炎形成コーン３０が設けられている。そしてパイロット燃料供給ノズル３１から供給されるパイロット燃料と、ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間から供給される燃焼用空気とを反応させて拡散火炎を形成する。
【０００４】
前記拡散火炎形成コーン３０の周囲に設けられている予混合火炎形成ノズル４０の内部には、主燃料を噴射し燃焼用空気と混合して予混合気体を形成する主燃料供給ノズル６１０が設けられている。この主燃料供給ノズル６１０は先端が円錐状をしており、当該主燃料供給ノズル６１０の外周面には主燃料を噴射するための燃料供給孔６１が設けられている。この燃料供給孔６１から噴射された主燃料は、前記ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間から供給される燃焼用空気と混合されて予混合気体を形成し、前記予混合火炎形成ノズル４０から予混合火炎形成ノズル延長管４００を介して燃焼室５０側へ噴射される。
【０００５】
燃焼室５０側へ噴射された予混合気体は、上記拡散火炎から排出される高温の燃焼ガスによって着火され予混合火炎を形成する。この予混合火炎は前記拡散火炎形成コーン３０によって形成された拡散火炎によって安定する。そして、この予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出されて、当該燃焼ガスはガスタービン燃焼器尾筒（図示せず）を通った後、タービン第一段ノズルへと導かれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記主燃料供給ノズル６１０は、当該主燃料供給ノズル６１０の外周表面に主燃料を噴射する燃料供給孔６１が設けられているため、主燃料が主燃料供給ノズル６１０の表面に沿って噴出する。このため主燃料は下流側で拡散しにくくなり、均一に燃焼させることができないという問題があった。この問題を改善するため、特開平６−２８４８号公報には、燃料供給ノズルの径方向に複数の燃料供給孔を備えた円筒状のスポークを当該ノズルに複数設け、そのスポークに設けられた燃料供給孔から燃料を噴射する燃料供給ノズルが開示されている。図２６は、この先行例に係る燃料供給ノズルの説明図である。
【０００７】
この燃料供給ノズル６２０は、円筒状の中空スポーク６８に設けられた複数の燃料供給孔６１から燃料を噴射する。このため、燃料を中空スポーク６８の下流側で拡散させやすく、均一で安定した燃焼状態を保つことができるという利点がある。しかし、中空スポーク６８の断面形状は円形をしていたため、当該中空スポーク６８の後方では燃焼用空気の流れが乱れてしまい、これが原因で逆火を招くという問題があった。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃料を拡散させて均一に燃焼させつつ、ガスタービンの運転時における逆火の発生を抑制できるガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルおよびこれを備えたガスタービン燃焼器並びに前記ノズルを備えたガスタービンに関する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、中空の燃料供給ノズル胴部の周囲に、断面が翼形形状をした複数の中空スポークを設け、当該中空スポークの側面に燃料を供給する複数の燃料供給孔を前記燃料供給ノズル胴部の表面から離して設けるとともに、前記中空スポークの後縁には前進角が設けられることを特徴とする。
【０００９】
この燃料供給ノズルは、中空のスポークの側面に燃料を供給する複数の燃料供給孔をノズル胴部の表面から離して設けているため、スポークの下流側で燃料が拡散しやすくなる。その結果、燃料と燃焼用空気との混合気体が均一に燃焼して局所的な高温部の発生が抑制されるので、従来よりもＮＯｘの発生を低減できる。また、この発明に係るスポークは断面が翼形形状なので、燃焼用空気が滑らかに流れる。このため、スポーク後方における燃焼用空気の乱れが少なくなるので、燃料を拡散させつつ逆火が抑制できる。この結果、ノズル延長管等の焼損を低減できるので、ガスタービン燃焼器の寿命を長くできる。なお、翼形形状には一般的な翼形の他、図１（ｄ）に示すように、上記スポークの断面形状を上流側縁部においては半円形としてその下流側には平面部を設け、さらに燃料供給孔の後流側は滑らかに翼厚を薄くしたような断面形状も含まれるものとする（以下同様）。
【００１０】
なお、本燃料供給ノズルは、ガスタービンの予混合ガスタービン燃焼器に適用すると逆火を抑制する効果が大きいが、拡散ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルとして使用してもよい。この場合も逆火を抑制し、ガスタービン燃焼器の寿命を延ばすことができる。
【００１１】
また、本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、前記本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルにおいて、さらに、燃料と空気とを混合させた燃焼用気体を噴射して火炎を形成する火炎形成ノズルの内部に設けられる、前記燃焼用気体を攪拌するためのスワラーの上流に、前記中空スポークが設けられることを特徴とする。
【００１２】
このガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、中空スポークをスワラーの上流に配置してある。このようにすると、中空スポークの下流に配置したスワラーによって火炎形成ノズル内の燃料と空気とが混合した燃焼用気体に圧力損失が発生する。この圧力損失によって燃焼用気体が攪拌されるので、燃焼用気体中の燃料と空気とはより均一に混合される。これによって、燃焼用気体はさらに均一に燃焼するので局所的な高温部の発生はさらに抑制される。その結果、ＮＯｘの発生をさらに低減できる。
【００１３】
また、本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、前記本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルにおいて、さらに、燃料と空気とを混合させた燃焼用気体を噴射して火炎を形成する火炎形成ノズルの入口よりも上流側に、上記中空スポークの端部における後縁が位置するように上記中空スポークを配置したことを特徴とする。
【００１４】
このガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、火炎形成ノズルの入口よりも上流側に、中空スポークの端部における後縁が位置するようにしてある。このため、火炎形成ノズルの入口から流入する空気は、火炎形成ノズルの入口と中空スポークの端部における後縁との間から火炎形成ノズル内へ流れ込む。これによって、十分な空気量を火炎形成ノズルに供給することができるので、ＮＯｘの発生量を低減できる。ここで後縁とは、図１（ｃ）に示すように、断面が翼形形状をした中空スポークが有する二つの縁のうち、燃焼用空気の流れ方向における下流側の縁をいう（以下同様）。そして、後縁の反対側における縁が前縁である（以下同様）。
【００１５】
また、本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、燃料と空気とを混合させた燃焼用気体を噴射して火炎を形成する火炎形成ノズルの内壁に、断面が翼形形状をした中空スポークを設け、当該中空スポーク内に供給された燃料を前記火炎形成ノズル内に供給する燃料供給孔が、前記中空スポークの側面に前記火炎形成ノズルの径方向に向かって複数設けられるとともに、前記中空スポークの後縁には前進角が設けられることを特徴とする。
【００１６】
この燃料供給ノズルは中空スポークのみで構成されているため、筒状のノズル胴部を備えていない。このため、火炎形成ノズル内部において燃焼用空気が通過する断面積が、筒状のノズル胴部を備えた燃料供給ノズルを使用する場合よりも大きくなる。したがって、流入する燃焼用空気の量が同じであれば、火炎形成ノズルの外形寸法を小さくできる。その結果、上記逆火の抑制およびＮＯｘの低減といった効果に加え、ガスタービン燃焼器全体をコンパクトにできるという効果がある。
【００１７】
また、本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルは、前記本発明に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルにおいて、さらに、上記中空スポークを、燃焼用空気の進行方向に対して傾けたことを特徴とする。
【００１８】
この燃料供給ノズルは、スポークが燃料供給ノズルの軸方向、すなわち燃焼用空気の進行方向に対して傾けてある。このため、燃焼用空気に旋回を与えることができるので、スポークの後方で燃料と燃焼用空気とを十分に混合できる。その結果、局所高温部の発生を抑制できるので、ＮＯｘの発生をさらに低減できる。また、上記同様にスポークの断面形状が翼形であるから燃焼用空気の剥離が少なく、フィン後方に生ずる流れの乱れを抑制できるので、逆火を低減できる。さらに、スポークで燃焼用空気に旋回を与えるので、その程度によっては、予混合ノズルの燃焼用空気入口近傍に備えられていたスワラーを使用しなくともよい。
【００２０】
上述したように、中空スポークの後縁に前進角が設けると、前縁側から流入した燃焼用空気が後縁に沿って滑らかに流れるので、中空スポーク後流における流れの乱れが少なくなり、逆火を抑制できる。また、上述したように火炎形成ノズルの入口よりも上流側へ中空スポークの端部における後縁が位置するように中空スポークを設けた場合には、逆火を抑制しつつＮＯｘも十分に低減できる。ここで前進角とは、図１（ｃ）に示すように、断面が翼形形状をした中空スポークの後縁が、燃焼用空気の流れ方向上流側に傾いている場合における傾き角をいう（以下同様）。また、後縁については既述した通りである。
【００２１】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器内筒と、前記ガスタービン燃焼器内筒の内部に配置され、パイロット燃料と空気とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成ノズルと、前記ガスタービン燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの間に環状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混合気体によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズルとを備えており、前記拡散火炎形成ノズルまたは前記予混合火炎形成ノズルのうち少なくとも一方は、前記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを有することを特徴とする。
【００２２】
このガスタービン燃焼器は、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを有している。これによって、ＮＯｘの発生を抑制できるので、清浄な排ガスを排出して環境負荷を低減できる。また、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルによって逆火を抑えることができるのでガスタービン燃焼器の寿命が延び、また、保守・点検の手間も軽減できる。さらに、逆火の発生を抑えることによって安定した燃焼状態を維持できる。
【００２３】
また、本発明に係るガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを反応させて燃焼ガスを生成する前記ガスタービン燃焼器と、当該ガスタービン燃焼器で生成された燃焼ガスが噴射されることによって駆動されるタービンとを備えたことを特徴とする。
【００２４】
このガスタービンは、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを有するガスタービン燃焼器を備えているので、ＮＯｘを低減できる。これによって、清浄な排ガスによって環境負荷を低減できる。また、逆火の発生も抑制できるので、安定した燃焼状態を維持して信頼性の高い運転ができる。さらに、ガスタービン燃焼器の寿命が延びるので、保守・点検の手間を軽減できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。図１に示すように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６００は、円筒状のノズル胴部６０を備えている。また、その内部は燃料を供給するために中空となっている。
【００２７】
ノズル胴部６０の周囲には、断面形状が翼形をした複数の中空スポーク６２が放射状に設けられている（図１（ｂ））。この中空スポーク６２の側面には、一方の側面につき２個ずつ、計４個の燃料を供給するための燃料供給孔６１がノズル胴部６０の表面から離して設けられている。また、中空スポーク６２の内部は中空であり、中空のノズル胴部６０へ送られた燃料が中空スポーク６２の内部を通って燃料供給孔６１から噴射される。ここで、前記燃料供給孔６１の径が小さくなると、その個数は多くなる。また、燃料供給孔６１の径をあまり小さくすると、燃料の供給が不安定になる。このため、燃料供給孔６１の数は４個に限定されるものではないが、燃料を安定して供給できる径の範囲で個数を定めるのが望ましい。この個数は前記燃料供給孔６１の径にもよるが、一方の側面につき１個から４個、より好ましくは２個または３個である。
【００２８】
図１（ｃ）は、中空スポーク６２に前進角θを設けた状態を示している。このようにすると、燃焼用空気が中空スポーク６２の後縁６２ｔに沿って滑らかに流れるので、燃焼用空気の乱れを抑えることにより逆火を抑制できる。その結果、予混合火炎形成ノズルの焼損を抑えて寿命を長くできるため、中空スポーク６２には図１（ｃ）に示すように前進角θを設けることが好ましい。ここで、前進角θとは、中空スポーク６２の後縁６２ｔが、燃焼用空気の流れ方向上流側に傾いている場合における傾き角θをいう。また、中空スポーク６２の後縁６２ｔは、断面翼型形状の中空スポーク６２に二つ存在する縁６２ｌおよび６２ｔのうち燃焼用空気の流れ方向下流側の縁をいう。そして、上流側の縁が前縁６２ｌとなる。
【００２９】
この燃料供給ノズル６００は、中空の中空スポーク６２の側面に燃料を供給する複数の燃料供給孔６１をノズル胴部６０の表面から離して設けているため、中空スポーク６２の下流側で燃料が拡散しやすくなる。その結果、燃料と燃焼用空気との混合気体が均一に燃焼して局所的な高温部の発生が抑制されるので、従来よりもＮＯｘの発生を低減できる。
【００３０】
また、従来、この中空スポーク６２の周方向断面形状は円形であったが、当該断面形状では中空スポーク６２の後方に渦や燃焼用空気の剥離が発生し、これが原因で逆火を発生させていた。これに対し、本実施の形態に係る中空スポーク６２のように、断面を翼形形状とすることで、燃焼用空気が滑らかに流れて中空スポーク６２の後方における燃焼用空気の乱れが少なくなる。したがって、燃料を燃焼用空気に拡散させてＮＯｘの発生を抑制しつつ、逆火も抑制できる。この結果、ノズル延長管等の焼損を低減できるので、ガスタービン燃焼器の寿命を長くできる。また、保守・点検の手間も軽減できる。
【００３１】
上述した中空スポーク６２の断面は翼形であるが、これを板状としても中空スポーク６２の後方における燃焼用空気の乱れを抑制する作用を得ることができる。中空スポーク６２の断面を板状にした場合は、断面を翼形とした場合と比較して上記燃焼用空気の乱れを抑制する効果はやや劣るが、製造は容易になる（以下同様）。
【００３２】
なお、本実施の形態において、スワラーを使用して燃焼用空気に旋回を与える場合には、中空スポーク６２をノズル胴部６０の軸方向に対して傾けて、中空スポーク６２がスワラーで旋回を与えられた燃焼用空気の進行方向に対して平行になるように取付けてもよい。このようにすると、スワラーで向きが変えられた燃焼用空気が中空スポーク６２の表面に沿って滑らかに流れるので、中空スポーク６２の後方における燃焼用空気の乱れが低減される。その結果、スワラーによって燃焼用空気と燃料とを十分に混合して局所高温部の発生を抑制してＮＯｘを低減しつつ、逆火の発生を抑制してノズル延長管等の焼損も低減できる。
【００３３】
図２は、この発明の実施の形態１に係る中空スポークの変形例を示す説明図である。図２（ａ）に示すように、燃焼用空気が進行する方向の下流側における中空スポーク６２ａの後縁６２ａｔに燃料供給孔６１を設けてもよい。この構成は、特に軽油や重油等の液体燃料を供給する場合に適する。
【００３４】
さらに、図２（ｂ）に示すように、中空スポーク６２ｂの断面形状を前縁６２ｂｌにおいては半円形としてその下流側には平面部を設け、さらに燃料供給孔６１の後流側では滑らかに中空スポーク６２ｂの翼厚が薄くなるようにしてもよい。このようにすると、中空スポーク６２ｂの上流側縁部のみが曲面で構成され、それ以外の部分は平面で構成されるので、製造が容易になる。
【００３５】
図３は、燃料供給ノズル６００を拡散火炎形成ノズルに適用した例を示す説明図である。同図（ａ）に示すように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６００を拡散火炎形成ノズル３２に適用してもよい。このようにすると、中空スポーク６２の下流側で燃料が拡散しやすくなるため、燃焼用空気と燃料とが十分に混合されてより均一に燃焼できる。
【００３６】
また、図３（ｂ）に示すように、スワラー３３の上流側に中空スポーク６２を配置してもよい。このようにすると、中空スポーク６２の下流に配置したスワラー３３によって拡散火炎形成ノズル３２内に流れ込んだ空気には圧力損失が発生する。この圧力損失によって空気が攪拌されるので、拡散火炎形成ノズル３２内の燃料と空気とは十分に混合される。これによって、燃料と空気とがさらに均一に燃焼するので局所的な高温部の発生をさらに抑制できる。
【００３７】
（実施の形態２）
図４は、この発明の実施の形態２に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。図４（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６０１は、中空スポーク６３が燃焼用空気の進行方向（図４中矢印Ｄ方向）に対して傾けてある点に特徴がある。このようにすることで、燃焼用空気に旋回を与えることができるので、中空スポーク６３の後方で燃料と燃焼用空気とを十分に混合できる。
【００３８】
その結果、局所高温部の発生を抑制できるので、ＮＯｘの発生をさらに低減できる。また、上記同様に中空スポーク６３の断面形状が翼形であるから燃焼用空気の剥離が少なく、フィン後方で流れが乱れない。このため、逆火を抑制できる。さらに、中空スポーク６３で燃焼用空気に旋回を与えるので、その程度によっては、予混合ノズルの燃焼用空気入口近傍に備えられていたスワラーを使用しなくともよい。
【００３９】
図５は、この発明の実施の形態２に係る燃料供給ノズルの変形例を示す説明図である。同図に示すように、この燃料供給ノズル６０２は、燃焼用空気の進行方向（図５中矢印Ｄ方向）に対して曲率を持って傾けた中空スポーク６４を備えている点に特徴がある。この中空スポーク６４は断面が翼形をしており、さらに燃焼用空気の進行方向に対して曲率を持って傾けてあるので、燃焼用空気は中空スポーク６４の表面に沿って流れ、剥離がほとんど発生しない。したがって、さらに流れの乱れを抑制できるので、逆火をより低減できる。
【００４０】
（実施の形態３）
図６は、この発明の実施の形態３に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。同図に示すように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６０３は、中空スポーク６５を火炎形成ノズル４１の内壁に取付けて構成した点に特徴がある。ここで火炎形成ノズル４１には、燃料と燃焼用空気とを混合して予混合気体を形成し、この予混合気体によって予混合火炎を形成するノズルや、燃焼用空気中に燃料を噴射して燃料を燃焼させて拡散燃焼火炎を形成するノズルが含まれる。また、後述する適用例２における、パイロット燃料と燃焼用空気との混合気体および予混合気体を噴射して予混合火炎を形成ノズルも含まれる。
【００４１】
図６に示すように、火炎形成ノズル４１の内壁側には断面形状が翼形をした４枚の中空スポーク６５で構成された燃料供給ノズル６０３が設けられている。この中空スポーク６５の内部は中空であり、火炎形成ノズル４１の外部に設けられた燃料供給部４５から送られる主燃料が供給されるようになっている。また、この中空スポーク６５の側面には、一方の側面につき２個ずつ、計４個の主燃料を噴射するための燃料供給孔６１が設けられている。なお、前記燃料供給孔６１の径および個数については実施の形態１で説明したものが適用できる。この実施の形態に係る中空スポーク６５は、火炎形成ノズル４１の軸方向に垂直な断面が十字形状をしている。すなわち、中空スポーク６５の枚数は４枚であるが、中空スポーク６５の枚数は４枚には限られるものではない。
【００４２】
また、この中空スポーク６５の後縁６５ｔには前進角θが設けられている。このように前進角θを設けると、空気の剥離を抑えて逆火を抑制できるため好ましい。ここで後縁６５ｔは、図６（ａ）に示すように、中空スポーク６５が有する二つの縁６５ｌおよび６５ｔのうち、燃焼用空気の流れ方向における下流側の縁である。また前進角θは、図６（ａ）に示すように、中空スポーク６５の後縁６５ｔが、燃焼用空気の流れ方向上流側に傾いている場合における傾き角をいう。前進角θは中空スポーク６５の後縁６５ｔにおける空気の剥離を抑制する観点から、１０〜３０度が好ましく、さらには１５〜２５度が好ましい。
【００４３】
火炎形成ノズル４１の入口４６から流入した燃焼用空気は、燃料供給孔６１から火炎形成ノズル４１内に噴射される燃料と混合される。本実施の形態に係る燃料供給ノズル６０３は、実施の形態１で説明した主燃料供給ノズル６００と異なり、中心部に円筒状のノズル胴部６０（図１参照）を備えていない。このため、火炎形成ノズル４１内部において燃焼用空気が通過する断面積は、実施の形態１で説明した燃料供給ノズル６００を使用する場合よりも大きくなる。したがって、流入する燃焼用空気の量が同じであれば、火炎形成ノズル４１の内径を小さくできるので、ガスタービン燃焼器全体をコンパクトにできる。
【００４４】
また、本実施の形態において、スワラーを使用して燃焼用空気に旋回を与える場合には、中空スポーク６５を火炎形成ノズル４１の軸方向に対して傾けて取付けてもよい。このようにすると、スワラーで向きが変えられた燃焼用空気が中空スポーク６５の表面に沿って滑らかに流れるので、中空スポーク６５の後方における燃焼用空気の乱れが低減される。その結果、スワラーによって燃焼用空気と燃料とを十分に混合して局所高温部の発生を抑制してＮＯｘを低減しつつ、逆火の発生を抑制してノズル延長管等の焼損も低減できる。
【００４５】
なお、実施の形態２において説明したように、本実施の形態に係る燃料供給ノズル６０３の中空スポーク６５を燃焼用空気の進行方向に対して傾けることにより燃焼用空気に旋回を与えて、主燃料と十分に混合してもよい。この場合、旋回の程度によっては、燃焼用空気に旋回を与えるスワラーを使用しなくともよい。
【００４６】
（適用例１）
つぎに、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した例を説明する。図７は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第一の例を示す正面図である。図８は、図７に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。図９は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第二の例を示す軸方向断面図である。図１０は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第三の例を示す軸方向断面図である。また、図１１は、このガスタービン燃焼器に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。なお、以下の適用例においては、実施の形態１で説明した燃料供給ノズル６００（図１参照）を適用した場合について説明するが、実施の形態２および３において説明した燃料供給ノズルも同様に適用できる。
【００４７】
図７および図８に示すように、ガスタービン燃焼器内筒２０の内部には拡散火炎形成コーン３０が設けられている。この拡散火炎形成コーン３０の内部には、パイロット燃料を噴射するパイロット燃料供給ノズル３１が設けられており、パイロット燃料供給ノズル３１から噴射されたパイロット燃料は、燃焼用空気と反応して拡散燃焼火炎を形成する。また、前記パイロット燃料供給ノズル３１の周囲には燃焼用空気を攪拌するためのスワラー３３が設けられており、燃焼用空気とパイロット燃料とを十分に混合する。前記拡散火炎形成コーン３０は、燃焼用空気とパイロット燃料とが混合した気体を燃焼室５０側（図８参照）へ噴射して、拡散燃焼火炎を形成する。
【００４８】
図８に示すように、予混合火炎形成ノズル４０はガスタービン燃焼器内筒２０と拡散燃焼火炎を形成する拡散火炎形成コーン３０の間に配置されている。ここで、図８からは明らかではないが、８個の前記予混合火炎形成ノズル４０が前記拡散火炎形成コーン３０の周囲に環状に配置されている。なお、予混合火炎形成ノズル４０の数は８個に限定されるものではなく、ガスタービン燃焼器の仕様に応じて適宜増減することができる。
【００４９】
また、図７および図８に示すように、前記予混合火炎形成ノズル４０の出口には、予混合火炎形成ノズル延長部として予混合火炎形成ノズル延長管（以下ノズル延長管と略称）４１０が設けられている。そして、予混合気体は当該ノズル延長管４１０を介して燃焼室５０側へ噴射される。
【００５０】
図７に示すように、前記ノズル延長管４１０の出口形状は扇形状である。このようにすると、隣り合うノズル延長管４１０同士の間隔はほぼ一定になるため、隣り合うノズル延長管４１０からは均等に空気が流れる。このため、空気の流れが弱い部分に高温の燃焼ガスが逆流することを抑制できるので、ノズル延長管４１０同士が隣り合う部分における焼損を低減できる。また、隣り合うノズル延長管４１０の間、ノズル延長管４１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間およびノズル延長管４１０と拡散火炎形成コーン３０との間からもほぼ均等に空気が流れる。このため、不均一な空気の流れに起因する逆火を抑制できるので、ノズル延長管４１０等の焼損を低減できる。
【００５１】
このノズル延長管４１０は、ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向に存在する前記ノズル延長管４１０の側部のうち、少なくとも前記ガスタービン燃焼器内筒２０の中心軸に近い側部４１１を、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の中心軸に垂直な平面に対して一定の角度αをもって前記ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側に傾けてある（図１１（ａ））。さらに、図１１（ｂ）に示すように、前記ノズル延長管４１０は前記ガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に存在する前記ノズル延長管４１０の側部４１２を、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の中心軸に垂直な平面に対して一定の角度βをもってガスタービン燃焼器内筒２０の周方向へ傾けてある。
【００５２】
このように、ノズル延長管４１０を前記ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ向かって傾けることによって予混合気体に外向きの流れを与えることができる（図１１（ａ）中の矢印Ａ）。さらに周方向へ傾けることによって、当該予混合気体に前記ガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に向かう回転を与えることができる（図１１（ｂ）中の矢印Ｂ）。なお、前記角度αおよびβはガスタービン燃焼器の仕様によって適宜最適な値を選択することができるが、再循環領域を効果的に形成するという観点からは、αおよびβともに２０度から５０度の範囲とすることが好ましい。そして、ノズル延長管４１０における圧力損失をできるだけ少なくしつつ効果的な再循環領域を形成するという観点からは、αおよびβともに３０度から４０度の範囲とすることが望ましい。
【００５３】
次は、図８を参照して説明する。圧縮機（図示せず）から送られてきた空気はガスタービン燃焼器外筒１０内に導かれ、当該ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間を通った後進行方向を１８０度変える。その後、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の後方から予混合火炎形成ノズル４０および拡散火炎形成ノズル３２へ送られて、主燃料およびパイロット燃料と混合される。
【００５４】
拡散火炎形成ノズル３２内に導かれた圧縮空気は、拡散火炎形成ノズル３２内に設けられたスワラー３３によって攪拌され、パイロット燃料供給ノズル３１から噴射されたパイロット燃料と十分に混合される。そして両者の混合気体は拡散火炎を作り、拡散火炎形成コーン３０から燃焼室５０側に向かって拡散火炎が噴出される。この拡散火炎は、予混合火炎形成ノズル４０で作られる予混合気体を速やかに燃焼させ、また、当該予混合気体の燃焼を安定させて予混合火炎の逆火や予混合気体の自己着火を抑制する。
【００５５】
予混合火炎形成ノズル４０内に導かれた圧縮空気は、予混合火炎形成ノズル４０内に設けられたスワラー４２によって攪拌される。そして燃料供給ノズル６００の中空スポーク６２に設けられた燃料供給孔６１から噴射された主燃料と十分に混合されて予混合気体を形成した後、ノズル延長管４１０から燃焼室５０側へ噴射される。ここで、燃料供給孔６１はノズル胴部６０の表面から離して設けてあるため、主燃料は燃焼用空気である前記圧縮空気へ十分に拡散して混合される。なお、予混合気体はＮＯｘの発生を抑制する必要があることから、燃料に対して空気が過剰の状態となっている。この予混合気体は前記拡散火炎から排出される高温の燃焼ガスによって速やかに発火し、予混合火炎を形成して、当該予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出される。
【００５６】
なお、図８に示す予混合火炎形成ノズル４０においては、スワラー４２の下流に中空スポーク６２を配置しているが、図９に示す予混合火炎形成ノズル４０ａのように、スワラー４２の上流に中空スポーク６２を配置してもよい。このようにすると、中空スポーク６２の下流に配置したスワラー４２によって予混合火炎形成ノズル４０ａ内の主燃料と空気とが混合した燃焼用気体に圧力損失が発生する。この圧力損失によって燃焼用気体が攪拌されるので、燃焼用気体中の燃料と空気とはより均一に混合される。これによって、燃焼用気体はさらに均一に燃焼するので局所的な高温部の発生はさらに抑制され、ＮＯｘの発生をさらに低減できるため好ましい。
【００５７】
さらに、図１０に示す予混合ノズル４０ｂのように、予混合火炎形成ノズル４０ｂの入口４０ｉよりも上流側に、中空スポーク６２の端部６２ｘにおける後縁６２ｔが位置するようにしてもよい。このようにすると、予混合火炎形成ノズル４０ｂの入口４０ｉから流入する空気は、予混合火炎形成ノズル４０ｂの入口４０ｉと中空スポーク６２の端部６２ｘにおける後縁６２ｔとの間から、予混合火炎形成ノズル４０ｂ内へ流れ込む。これによって、十分な空気量を予混合火炎形成ノズル４０ｂに供給することができるので、ＮＯｘの発生量を低減できる。ここで後縁６２ｔとは、図１０に示すように、中空スポーク６２が有する二つの縁６２ｌおよび６２ｔのうち、燃焼用空気の流れ方向における下流側の縁をいう。そして、後縁の反対側における縁が前縁６２ｌである。
【００５８】
また、同じく図１０に示すように、中空スポーク６２の後縁６２ｔには前進角θを設けてもよい。前進角θを設けると、空気が後縁６２ｔに沿って滑らかに流れるため、逆火の発生を抑えることができる。これによって、予混合火炎形成ノズル４０ｂの焼損を抑えることができるので、予混合火炎形成ノズル４０ｂの寿命を長くでき、また、保守・点検の手間も軽減でき好ましい。なお、中空スポーク６２の後縁６２ｔにおける空気の剥離を抑制する観点から、前進角θは１０〜３０度が好ましく、さらには１５〜２５度が好ましい。
【００５９】
上述したように、ノズル延長管４１０は、少なくともガスタービン燃焼器内筒２０の中心軸に近い側部をガスタービン燃焼器内筒２０の軸方向に対して一定の角度αを持って前記ガスタービン燃焼器内筒２０の内壁側へ傾けてある。また、前記ノズル延長管４１０の出口は、ガスタービン燃焼器内筒２０の軸方向に対して一定の角度βを持って傾いている。このため、燃焼室５０内における燃焼ガスは前記ガスタービン燃焼器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、いわゆる外向き旋回流となる。
【００６０】
つぎに、ガスタービン燃焼器内筒２０の冷却について説明する。図１２は、冷却手段を取付けたガスタービン燃焼器内筒を示す軸方向断面図である。本発明のガスタービン燃焼器における燃焼ガスの流れは外向き旋回流となるため、燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａに燃焼ガスが衝突する（図１２（ａ）中の矢印Ｃ）。このため、燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの燃焼ガスが衝突する部分が高温となり、この部分の寿命を短くしてしまうこともある。
【００６１】
これを避けるために、燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの周囲に冷却手段を配置して、燃焼ガスの熱を除去することが望ましい。図１２に示した例は、冷却手段として燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａをプレートフィン２１で構成したものである。ここで、プレートフィン２１の構造を図１２（ｂ）に示す。まず、ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間を通ってきた圧縮機からの空気が、プレートフィン２１のガスタービン燃焼器外筒１０側に設けられた冷却空気孔２１ａ（図１２（ｂ）参照）からプレートフィン２１内部に流入する。この空気はプレートフィン２１内部を流れる際に、対流冷却により燃焼室５０側の内筒を冷却する。また、プレートフィン２１内部を流れ終わった空気は、燃焼室５０側へ流れ出る（図中の矢印Ｊ方向）。この空気は燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの表面を流れることで、その表面近傍に温度境界層を形成して、燃焼室５０側における内筒をフィルム冷却する。
【００６２】
なお、冷却手段としては上記プレートフィンには限られず、ＭＴフィンと呼ばれるフィンを使用したり、あるいは燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの周囲に孔を設けて、この孔から冷却空気を噴射して燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａをフィルム冷却したりしてもよい。このような冷却手段によれば、高温の燃焼ガスが燃焼室５０側における内筒の表面に当たってもその部分が冷却されるため、燃焼室５０側におけるガスタービン燃焼器内筒２０ａの局所的な温度上昇を抑制できる。したがって、より積極的に外向きの流れを作ることができるので予混合気体の混合をさらに促進できる。
【００６３】
従来のガスタービン燃焼器における燃焼ガスは、ガスタービン燃焼器の中心に向かって旋回するいわゆる内向き旋回流であったため、燃焼室５０の中心付近に予混合気体が集中する。その結果、この部分において燃焼が早まり、また局所高温部が発生しやすくなるため、ＮＯｘの発生を十分に抑制をすることができなかった。また、再循環領域が十分に形成されないため、予混合火炎が不安定となって燃焼振動等を発生していた。
【００６４】
これに対して本発明の燃料供給ノズル６００を適用したガスタービン燃焼器は、予混合火炎形成ノズル４０内に設けられた燃料供給ノズル６００によって、予混合気体を十分に混合しているので、局所高温部の発生を抑制できる。さらに、このガスタービン燃焼器では、ノズル延長管４１０に一定の角度を設けることによって、予混合気体にガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側に向かい、且つ周方向に旋回する流れ、すなわち外向き旋回流を与えている。このため、予混合気体は、拡散火炎を取り巻くように流れる過程でさらに混合されながら、燃焼室５０の全領域にわたって均一に燃焼する。これらの相互作用によって、局所高温部の発生が十分に抑制されるため、ＮＯｘの発生を十分に抑制することができる。
【００６５】
また、本発明の燃料供給ノズル６００では中空スポーク６２の断面形状が翼形であるため、中空スポーク６２の表面を燃焼用空気が滑らかに流れる。このため、中空スポーク６２の後方における燃焼用空気の乱れが抑制される結果、燃焼用空気の乱れに起因する逆火が抑制できる。さらに、外向き旋回流によってガスタービン燃焼器の中心部分に形成される再循環領域が拡大する。これらの相互作用によって、予混合火炎の燃焼が安定し燃焼振動も抑制できるので、ガスタービンを安定して運転できる。また、予混合気体は燃焼室５０の全領域にわたって燃焼するため、予混合気体の燃え残りがほとんどなくなって燃料を効率的に利用できる。なお、本実施の形態においては、外向き旋回流を作るためにノズル延長管４１０の出口をガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側および周方向に傾けるだけなので、ノズル延長管４１０の出口内に特別な加工をする必要がなく、製造が容易となる。
【００６６】
つぎに、上記適用例１に係る第一の変形例について説明する。図１３は、第一の適用例に係るガスタービン燃焼器の第一の変形例を示す正面図である。上記適用例１に係るガスタービン燃焼器においては、ノズル延長管４１０（図７参照）の出口形状は扇形状であったが、本変形例のようにノズル延長管４２０の出口形状を楕円形としてもよい。このようにしても、ノズル延長管４２０から噴射される予混合気体は外向き旋回流を形成する。したがって、燃料供給ノズル６００によって十分に燃料が拡散した予混合気体が燃焼室（図示せず）の全体にわたって燃焼するので局所高温部が減少し、ＮＯｘの発生を抑制することができる。なお、本変形例においてノズル延長管４２０の出口形状を円形としてもよい。
【００６７】
図１４は、第一の適用例に係るガスタービン燃焼器の第二の変形例を示す正面図である。この変形例のように、外向きのノズル延長管４３０と外向き旋回流を形成するノズル延長管４２０とを交互に配置してもよい。このようにすると、ノズル延長管４３０による予混合気体の外向きの直進流と、ノズル延長管４２０による予混合気体の外向き旋回流とが衝突する。そして、燃料供給ノズル６００によって十分に燃料が拡散した予混合気体がさらに混合されるため、局所高温部の発生が少なくなってＮＯｘの発生もさらに抑制される。なお、ノズル延長管４３０および４２０の出口形状は図１３や図１４に示した楕円状に限られず、円形あるいは図８に示したような扇形としてもよい。
【００６８】
（適用例２）
図１５は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第二の例を示す正面図である。図１６は、図１５に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。また、図１７は、第二の適用例に係るガスタービン燃焼器に使用する混合気体形成用円筒を示す軸方向断面図である。このガスタービン燃焼器は、混合気体形成用筒７０の内部に主燃料を供給するための燃料供給孔６１を備えた中空スポーク６２とパイロットノズル３６とを備え、当該混合気体形成用筒７０をガスタービン燃焼器内筒２０の内部へ環状に配置した点に特徴がある。
【００６９】
この適用例２で使用する混合気体形成用筒７０は、図１７に示すように、主燃料を噴射する燃料供給孔６１を備えた中空スポーク６２と、内部にパイロット燃料供給ノズル３５を備えたパイロットノズル３６とを備えている。また、前記混合気体形成用筒７０の燃焼用空気取り入れ口側にはスワラー７２が備えられており、燃焼用空気に旋回を与えて主燃料およびパイロット燃料と十分に混合させる。
【００７０】
前記混合気体形成用筒７０の出口側にはノズル延長管４４０が設けられており、燃焼用空気と主燃料およびパイロット燃料とが混合した気体を燃焼室５０側に噴射する。前記ノズル延長管４４０の出口形状は円形をしており、ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ傾けてある。また、前記ノズル延長管４４０は、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に対しても傾けてある。なお、ノズル延長管４４０の出口形状は円形のみならず、実施の形態１で示したような扇形や楕円形としてもよい。以下同様である。
【００７１】
この適用例２におけるガスタービン燃焼器は、出口にノズル延長管４４０を備えた混合気体形成用筒７０を、ガスタービン燃焼器内筒２０（図１５および図１６参照）の内部に５個環状に配置してある。なお、混合気体形成用筒７０の個数は５個に限定されるものではなく、ガスタービン燃焼器の仕様等によって適宜増減することができる。
【００７２】
次は図１６を参照して説明する。圧縮機（図示せず）から送られてきた燃焼用空気はガスタービン燃焼器外筒１０内に導かれ、ガスタービン燃焼器外筒１０とガスタービン燃焼器内筒２０との間を通った後１８０度進行方向を変える。そして、前記燃焼用空気は混合気体形成用筒７０の後方からパイロットノズル３６内と混合気体形成用筒７０内とへ導かれる。
【００７３】
次は図１７を参照して説明する。パイロットノズル３６内に導かれた燃焼用空気は、パイロット燃料供給ノズル３５から噴射されたパイロット燃料と十分に混合される。また、混合気体形成用筒７０内に導かれた燃焼用空気は、まず前記混合気体形成用筒７０内に設けられたスワラー７２によって攪拌される。そして中空スポーク６２に設けられた燃料供給孔６１から噴射された主燃料と十分に混合されて予混合気体を形成する。ここで、燃料供給孔６１はパイロットノズル３６の表面から離して設けてあるため、主燃料は燃焼用空気へ十分に拡散して混合される。なお、この予混合気体はＮＯｘの発生を抑制するため、燃料に対して空気が過剰の状態である。
【００７４】
パイロット燃料と燃焼用空気との混合気体および予混合気体は、ノズル延長管４４０を介して燃焼室５０側へ噴射される。燃焼室５０側に噴射されたパイロット燃料と燃焼用空気との混合気体は拡散火炎を形成し、当該拡散火炎から発生する高温の燃焼ガスによって前記予混合気体を速やかに燃焼させる。また、予混合気体の燃焼を安定させて予混合火炎の逆火や予混合気体の自己着火を抑制する。燃焼した予混合気体は予混合火炎を形成して、当該予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出される。
【００７５】
前記パイロット燃料と燃焼用空気との混合気体および予混合気体は、ノズル延長管４４０によって、ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ向かい且つ周方向へ旋回する外向き旋回流となり、燃焼室５０内を流れる。この外向き旋回流によって、予混合気体等が十分に混合されながらガスタービン燃焼器の全域にわたって燃焼が進行する。また、予混合気体は中空スポーク６２によって主燃料が拡散されているため、前記混合作用との相互作用によってさらに局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生が抑制される。
【００７６】
また、前記外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍における圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、内壁近傍と中心近傍との間に循環流が発生し、再循環領域を形成する。また、中空スポーク６２の断面形状は翼形であるので燃焼用空気が滑らかに流れる結果、逆火の発生が抑制される。これらの作用によって、火炎が安定し燃焼振動も低減するので、安定したガスタービンの運転ができる。
【００７７】
（適用例３）
図１８は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第三の例を示す正面図である。この適用例に係るガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器内筒２０の軸方向に垂直な平面上に存在する、異なる大きさのピッチ円Ｄ1およびＤ2（Ｄ1＞Ｄ2）上に複数の予混合ノズルを配置した点に特徴がある。
【００７８】
図１８に示すように、適用例３に係るガスタービン燃焼器では、ガスタービン燃焼器内筒２０の内部に拡散燃焼火炎を形成するコーン３０が備えられており、このコーン３０の周囲には複数の予混合火炎形成ノズル（図示せず）が大きさの異なる少なくとも２個のピッチ円上に配置されている。そして、前記ピッチ円Ｄ1およびＤ2上にはそれぞれ４個の予混合火炎形成ノズルが配置されている。なお、予混合火炎形成ノズルの数は４個に限定されるものではない。
【００７９】
予混合火炎形成ノズルは、その内部に主燃料を噴射する燃料供給ノズル６００（図１参照）を備えている。この燃料供給ノズル６００は、中空スポーク６２に設けられた燃料供給孔６１から主燃料を噴射して、燃焼用空気に主燃料を十分に拡散させる（図１参照）。また、前記予混合火炎形成ノズルの出口側にはノズル延長管４５０が設けられており、燃焼用空気と主燃料とが混合した予混合気体を燃焼室側（図示せず）に噴射する。前記ノズル延長管４５０の出口形状は円形をしており、ガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ傾けてある。同時に前記ノズル延長管４５０は、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の周方向へも傾けてある。
【００８０】
前記予混合火炎形成ノズルから噴射された予混合気体はノズル延長管４５０を介して燃焼室側へ噴射される。そして、燃焼室側へ噴射された予混合気体は、ノズル延長管４５０によって外向き旋回流となって、燃焼室内をらせん状に流れる。この適用例に係るガスタービン燃焼器においては、二つのピッチ円Ｄ1およびＤ2上にそれぞれ予混合火炎形成ノズルを配置しているため、ピッチ円Ｄ1およびＤ2上に設けられているそれぞれの予混合火炎形成ノズル群に対応した外向き旋回流が発生する。この二つの外向き旋回流によって、燃焼室の内壁近傍と中心近傍との間、および外側の予混合火炎形成ノズル群による外向き旋回流と内側の予混合火炎形成ノズル群による外向き旋回流との間に循環流が発生する。そして、この外向き旋回流と循環流とによって、燃料供給ノズル６００によって主燃料を十分に拡散された予混合気体はさらに混合される。その結果、局所高温部が少なくなりさらにＮＯｘの発生を抑制できる。
【００８１】
また、燃料供給ノズル６００に設けられている中空スポーク６２の断面形状は翼形であるので、中空スポーク６２の後方においては滑らかに燃焼用空気が流れる。この作用、および上記二つの再循環領域によって予混合火炎がより安定し、燃焼振動等も軽減できる。さらに、本実施の形態に係るガスタービン燃焼器では、二つのピッチ円Ｄ1およびＤ2上にそれぞれ予混合火炎形成ノズルを配置しているため、負荷に応じて使用する予混合火炎形成ノズル群を適宜選択することができる。したがって、部分負荷から全負荷にわたって最適な燃空比で希薄燃焼運転ができるので、すべての負荷領域でＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００８２】
（適用例４）
図１９は、本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第四の例を示す正面図である。図２０は、第四の適用例に係るガスタービン燃焼器に使用するノズル延長管の軸方向断面図である。本ガスタービン燃焼器は、ノズル延長管４６０の内部に設けたフィンにより予混合気体の方向を調整する点に特徴がある。
【００８３】
図１９および２０に示すように、ノズル延長管４６０の出口はガスタービン燃焼器内筒２０の内壁に向かって傾けられており、この傾きによって予混合気体に外向きの流れを与える。また、当該ノズル延長管４６０の出口近傍には、予混合気体にガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に向かう旋回を与えるためのフィン４６５が備えられている。フィン４６５の枚数は適宜増減できる。なお、フィン４６５はガスタービン燃焼器内筒２０の内壁に取付けてもよい。この場合にはフィン４６５がより燃焼室（図示せず）の近くに設置されて、より高温にさらされるので、フィルム冷却や対流冷却等の冷却手段によってフィン４６５を冷却することが好ましい。
【００８４】
適用例４に係るガスタービン燃焼器はノズル延長管４６０の出口にフィン４６５が設けられており、また前記ノズル延長管４６０の出口はガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側に傾いている。そして、予混合火炎形成ノズルに備えられている燃料供給ノズル６００（図１参照）によって、主燃料は燃焼用空気に拡散される。前記ノズル延長管４６０から噴射された十分に主燃料が混合した予混合気体は、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、いわゆる外向き旋回流となる。この外向き旋回流によって予混合気体はさらに十分に混合されるので局所高温部はより少なくなり、ＮＯｘの発生をさらに抑制できる。
【００８５】
そして、燃料供給ノズル６００に設けられた中空スポーク６２の断面形状は翼形なので、予混合気体はノズル延長管４６０から滑らかに噴射される。また、上記外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍の圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、内壁近傍と中心近傍との間に大きな循環流が発生し再循環領域が拡大する。これらの作用によって予混合気体が安定して燃焼するので、燃焼振動等が抑制されて、より安定してガスタービンの運転ができる。なお、フィン４６５をガスタービン燃焼器内筒２０の内壁側に取付けた場合も、同様の効果を得ることができる。
【００８６】
図２１は、第四の適用例に係るガスタービン燃焼器の変形例を示す正面図である。図２２は、この変形例に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。上記ガスタービン燃焼器はフィン４６５によって予混合気体に旋回を与えたが、本変形例に係るガスタービン燃焼器はフィン４７５によって予混合気体に外向きの流れを、ノズル延長管の傾きによって旋回を与えるものである。
【００８７】
この変形例に係るガスタービン燃焼器はノズル延長管４７０の出口にフィン４７５が設けられており、前記ノズル延長管４７０の出口は予混合気体にガスタービン燃焼器内筒２０の周方向に向かう旋回を与えるように傾いている。また、フィン４７５はガスタービン燃焼器内筒２０の径方向外側へ傾けてあり、予混合気体に当該方向へ向かう流れを与える。なお、このフィン４７５の枚数は適宜増減できる。
【００８８】
前記ノズル延長管４７０から噴射された予混合気体は、ノズル延長管４７０の傾きおよびフィンの傾きによって、前記ガスタービン燃焼器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、すなわち外向き旋回流となる。この外向き旋回流および燃料供給ノズル６００（図１参照）によって、予混合気体は十分に混合されるので、局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生が抑制される。また、この外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍における圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、燃焼室５０の内壁と中心との間に循環流が発生し再循環領域を形成する。この再循環領域および燃料供給ノズル６００（図１参照）が燃焼用空気を滑らかに流しつつ主燃料を拡散させる作用によって、予混合火炎が安定して形成される。その結果、燃焼振動等が低減され、さらに安定した運転ができる。
【００８９】
図２３は、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを備えたガスタービンを示す説明図である。このガスタービン１００に備えられたガスタービン燃焼器１０６には、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを備えたガスタービン燃焼器が適用されている。空気取り入れ口１０２から取り込まれた空気は、圧縮機１０４によって圧縮される。そして、高温・高圧の圧縮空気となってガスタービン燃焼器１０６へ送り込まれる。ガスタービン燃焼器１０６では、この圧縮空気に天然ガス等のガス燃料、あるいは軽油や軽重油等の液体燃料を供給して燃料を燃焼させ、作動流体である高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。そして、この高温・高圧の燃焼ガスはタービン１０８に噴射される。タービン１０８を駆動した後の燃焼ガスは、ガスタービン１００の外部へ排出される。
【００９０】
ここで、図２３からは明らかではないが、ガスタービン燃焼器１０６には、この発明に係る燃料供給ノズル６００等が備えられているので、燃料供給ノズル６００等に設けられた中空スポーク６２等（図１等参照）の下流側で燃料が拡散しやすくなる。その結果、燃料と燃焼用空気との混合気体が均一に燃焼して局所的な高温部の発生が抑制されるので、このガスタービン１００においては、従来のガスタービンよりもＮＯｘの発生を低減できる。また、中空スポークの断面形状を翼形とすれば、燃焼用空気をさらに滑らかに流すことができる。このため、中空スポーク後方における燃焼用空気の乱れが少なくなるので、燃料を十分に拡散させつつ逆火が抑制できる。その結果、ノズル延長管等の焼損を低減できるので、このガスタービン１００ではガスタービン燃焼器１０６の寿命を長くでき、保守・点検の手間を軽減できる。また、安定して燃料を燃焼させることができるので、信頼性の高い運転ができる。
【００９１】
さらに、燃焼用空気の進行方向に対して傾けたスポークを使用すれば、燃焼用空気に旋回を与えることができるので、スポークの後方で燃料と燃焼用空気とを十分に混合できる。その結果、局所高温部の発生を抑制できるので、このガスタービン１００においては、従来のガスタービンと比較してＮＯｘの発生をさらに低減できる。また逆火の発生も従来のガスタービンよりも抑制できるので、安定した燃焼状態を維持して信頼性の高い運転ができる。さらに、ガスタービン燃焼器１０６の寿命も長くできるので、保守・点検の手間も軽減できる。
【００９２】
また、図１０に開示した予混合火炎形成ノズル４０ｂを使用すれば、中空スポーク６２による予混合火炎形成ノズル４０ｂへ流入する空気の干渉を抑えることができる。これにより、十分な空気量を予混合火炎形成ノズル４０ｂに供給することができるので、ＮＯｘの発生量を低減できる。さらに、同図に開示したように、中空スポーク６２の後縁６２ｔに前進角θを設けると、空気が後縁６２ｔに沿って滑らかに流れるため、逆火の発生を抑えることができる。これによって、予混合火炎形成ノズル４０ｂの焼損を抑えることができるので、予混合火炎形成ノズル４０ｂの寿命を長くでき、また、保守・点検の手間も軽減できる。
【００９３】
なお、このガスタービン１００においては、ガスタービン燃焼器１０６に備えられた拡散火炎形成ノズル（図示せず）にこの発明に係る燃料供給ノズル６００等（図１等参照）を適用してもよい。このようにすると、スポークの下流側で燃料が拡散しやすくなるため、燃焼用空気と燃料とが十分に混合されてより均一に燃焼できる。その結果、局所高温部の発生を低減できるので、ＮＯｘの発生量を従来のガスタービンよりも低減できる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、断面が翼形形状である中空スポークの側面に燃料を供給する複数の燃料供給孔をノズル胴部の表面から離して設けたので、当該スポークの下流側においては燃料が拡散しやすくなる。その結果、燃料と燃焼用空気との混合気体が均一に燃焼して局所的な高温部の発生が抑制されるので、従来よりもＮＯｘの発生を低減できる。また、この発明に係るスポークの断面は翼形をしているので、燃焼用空気が滑らかに流れる。このためスポーク後方においては燃焼用空気の乱れが低減するため、ＮＯｘの発生を低減させつつ、逆火も抑制できる。
【００９５】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、中空スポークをスワラーの上流に配置した。このため、中空スポークの下流に配置したスワラーによって燃焼用気体に圧力損失が発生するので、燃焼用気体が攪拌される。これによって、燃焼用気体中の燃料と空気とはより均一に混合されるので、燃焼用気体はさらに均一に燃焼する。その結果、局所的な高温部の発生がさらに抑制されて、ＮＯｘをさらに低減できる。
【００９６】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、火炎形成ノズルの入口よりも上流側に、中空スポークの端部における後縁が位置するようにした。このため、中空スポークの影響を小さく抑えて、火炎形成ノズル内へ十分な量の燃焼用空気を供給することができるので、ＮＯｘの発生量を低減できる。
【００９７】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、中空スポークのみで構成した燃料供給ノズルを火炎形成ノズルの内壁に設けた。このため筒状のノズル胴部が不要となり、火炎形成ノズル内部において燃焼用空気が通過する断面積は、筒状のノズル胴部を備えた燃料供給ノズルを使用する場合よりも大きくできる。したがって、流入する燃焼用空気の量が同じであれば、火炎形成ノズルの外形寸法を小さくできる。その結果、ＮＯｘの発生を低減しつつ逆火を抑制し、またガスタービン燃焼器全体をコンパクトにできる。
【００９８】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルでは、スポークを燃焼用空気の進行方向に対して傾けるようにした。このため、燃焼用空気に旋回を与えることができるので、上記燃料の拡散作用との相互作用によって燃料と燃焼用空気とを十分に混合できる。また、スポークの断面形状が翼形であるため燃焼用空気の剥離が少なく、スポーク後方における流れの乱れを抑制できる。その結果、局所高温部の発生を抑制してＮＯｘの発生をさらに低減しつつ、逆火も抑制できる。
【００９９】
また、中空スポークの後縁に前進角を設けることにより、前縁側から流入した燃焼用空気が後縁に沿って滑らかに流れるので、中空スポーク後流における流れの乱れが少なくなり、逆火を抑制できる。
【０１００】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器では、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを備えるようにした。これによって、ＮＯｘの発生を抑制できるので、清浄な排ガスを排出して環境負荷を低減できる。また、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルによって逆火を抑えることができるのでガスタービン燃焼器の寿命が延び、また、保守・点検の手間も軽減できる。
【０１０１】
また、この発明に係るガスタービンでは、上記ガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを有するガスタービン燃焼器を備えたので、ＮＯｘを低減できる。これによって、清浄な排ガスによって環境負荷を低減できる。また、逆火の発生も抑制できるので、安定した燃焼状態を維持して信頼性の高い運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る中空スポークの変形例を示す説明図である。
【図３】燃料供給ノズルを拡散火炎形成ノズルに適用した例を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る燃料供給ノズルの変形例を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを示す説明図である。
【図７】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第一の例を示す正面図である。
【図８】図７に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。
【図９】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第二の例を示す軸方向断面図である。
【図１０】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第三の例を示す軸方向断面図である。
【図１１】このガスタービン燃焼器に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。
【図１２】冷却手段を取付けたガスタービン燃焼器内筒を示す軸方向断面図である。
【図１３】第一の適用例に係るガスタービン燃焼器の第一の変形例を示す正面図である。
【図１４】第一の適用例に係るガスタービン燃焼器の第二の変形例を示す正面図である。
【図１５】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第二の例を示す正面図である。
【図１６】図１４に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。
【図１７】第二の適用例に係るガスタービン燃焼器に使用する混合気体形成用円筒を示す軸方向断面図である。
【図１８】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第三の例を示す正面図である。
【図１９】本発明に係る燃料供給ノズルをガスタービン燃焼器に適用した第四の例を示す正面図である。
【図２０】第四の適用例に係るガスタービン燃焼器に使用するノズル延長管の軸方向断面図である。
【図２１】第四の適用例に係るガスタービン燃焼器の変形例を示す正面図である。
【図２２】この変形例に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。
【図２３】この発明に係るガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを備えたガスタービンを示す説明図である。
【図２４】予混合方式のガスタービン燃焼器の一例を示す軸方向断面図である。
【図２５】これまで使用されてきた予混合方式のガスタービン燃焼器の主燃料供給ノズルを示す説明図である。
【図２６】この先行例に係る燃料供給ノズルの説明図である。
【符号の説明】
１０ ガスタービン燃焼器外筒
２０ ガスタービン燃焼器内筒
２１ プレートフィン
３０ 拡散火炎形成コーン
３１、３５ パイロット燃料供給ノズル
３２ 拡散火炎形成ノズル
３３、４２、７２ スワラー
３６ パイロットノズル
４０、４０ａ、４０ｂ 予混合火炎形成ノズル
４１ 火炎形成ノズル
４５ 燃料供給部
４６ 入口
５０ 燃焼室
６０ ノズル胴部
６１ 燃料供給孔
６２、６２ａ、６２ｂ、６３、６４、６５、６８ 中空スポーク
６２ｌ 前縁
６２ｔ 後縁
６２ｘ 端部
７０ 混合気体形成用筒
４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０ ノズル延長管
４１１ 側部
４１２ 側部
６００、６０１、６０２、６０３、６２０ 燃料供給ノズル
６１０ 主燃料供給ノズル
Claims (7)
- 中空の燃料供給ノズル胴部の周囲に、断面が翼形形状をした複数の中空スポークを備え、当該中空スポークの側面に燃料を供給する複数の燃料供給孔を前記燃料供給ノズル胴部の表面から離して設けるとともに、前記中空スポークの後縁には前進角が設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給ノズル。
- さらに、前記中空スポークに設けられる燃料供給孔から噴射された燃料と空気とを混合させた燃焼用気体を噴射して火炎を形成する火炎形成ノズルの内部に設けられる、前記燃焼用気体を攪拌するためのスワラーの上流に、上記中空スポークが設けられる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の燃料供給ノズル。
- さらに、前記中空スポークに設けられる燃料供給孔から噴射された燃料と空気とを混合させた燃焼用気体を噴射して火炎を形成する火炎形成ノズルの入口よりも上流側に、上記中空スポークの端部における後縁が位置するように上記中空スポークを配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズル。
- 燃料と空気とを混合させた燃焼用気体を噴射して火炎を形成する火炎形成ノズルの内壁に、断面が翼形形状をした中空スポークを設け、当該中空スポーク内に供給された燃料を前記火炎形成ノズル内に供給する燃料供給孔が、前記中空スポークの側面に前記火炎形成ノズルの径方向に向かって複数設けられるとともに、前記中空スポークの後縁には前進角が設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給ノズル。
- さらに、上記中空スポークを、燃焼用空気の進行方向に対して傾けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給ノズル。
- ガスタービン燃焼器内筒と、
前記ガスタービン燃焼器内筒の内部に配置され、パイロット燃料と空気とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成ノズルと、
前記ガスタービン燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの間に環状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混合気体によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズルとを備えており、
前記拡散火炎形成ノズルまたは前記予混合火炎形成ノズルのうち少なくとも一方は、請求項１〜５のいずれか１項に記載したガスタービン燃焼器の燃料供給ノズルを有することを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 空気を圧縮する圧縮機と、
当該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを反応させて燃焼ガスを生成する請求項６に記載したガスタービン燃焼器と、
当該ガスタービン燃焼器で生成された燃焼ガスが噴射されることによって駆動されるタービンとを備えたことを特徴とするガスタービン。
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