JP4653985B2 - 燃焼器とガスタービン燃焼器、及び空気を燃焼器に供給する方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器とガスタービン燃焼器、及び空気を燃焼器に供給する方法に関する。

電力自由化に伴い、近年の発電事業を取巻く環境は、従来の大容量の大型発電所に加え、中小容量の分散電源が普及しつつある。中小容量の発電設備には、燃料の供給が比較的容易な液体燃料を用いることが多い。但し、液体燃料を用いる発電設備の燃焼器では、液体燃料ノズル周辺に液体燃料の未燃分がカーボンとなって堆積し、液体燃料の噴霧や空気の流れを妨げたりする課題が発生する。

特許文献１では、燃焼バーナの略軸中心に液体燃料ノズル本体が配置されており、液体燃料ノズルの外周側に、液体燃料ノズルの出口部に燃焼用空気を吹付ける空気ノズルが周方向に渡り形成されている。さらに、空気ノズルの下流側には、空気の流れを液体燃料ノズルの出口部に偏向するためのガイドリングが形成されている。液体燃料ノズルに供給された燃料は、液体燃料ノズルの出口部から噴出し、燃焼バーナの旋回器からの燃焼用空気と混合し燃焼する。特許文献１の燃焼バーナでは、空気ノズルから噴出される空気流によって出口部からの燃料液滴がノズル端面に付着することを防止する効果を有し、さらに、ガイドリングを設置することによってその効果を増大させている。

特開２０００−３９１４８号公報

しかし、液体燃料ノズルと空気ノズルは、燃焼器の運転状態に応じて両者の構成部材に熱伸びが生じる。そのため、液体燃料ノズル出口部と空気ノズル噴出孔との位置関係が一定ではない。したがって、液体燃料ノズルと空気ノズルの位置関係によっては、空気ノズルから噴出する空気流の作用によって、空気ノズルの出口領域や空気ノズルが形成されていない領域などの滞留域に、液体燃料ノズルの出口部から噴出された一部の微小液滴を液体燃料ノズルの出口部外周に衝突させるような循環流が発生する。この循環流に随伴されて液体燃料ノズルの出口部外周に衝突し付着した液体燃料は未燃分カーボンとなり、未燃分カーボンが堆積する。この未燃分カーボンの堆積量が増加すると、空気ノズルから噴出する空気流を妨げたり、液体燃料ノズルの噴出特性が悪化して燃焼性能が低下する可能性があった。

そこで本発明は、燃焼器の運転状態に関わらず、液体燃料ノズルの出口部外周側への未燃分カーボンの付着を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、液体燃料を燃焼室に噴出する、前記液体燃料に旋回成分を与えて噴霧させるノズルチップと、該ノズルチップを覆うノズルカバーと、該ノズルカバーの一部である、前記液体燃料の出口部とを有した圧力式渦巻噴霧ノズルを備える液体燃料ノズルと、前記液体燃料ノズルの外周側に設けられ、前記液体燃料を噴出する前記出口部の外周側に空気を噴出する空気ノズルを備えた燃焼器であって、該燃焼室に燃料を噴出する前記液体燃料ノズルの出口部が、前記空気ノズルの液体燃料噴出方向上流側端面よりも液体燃料噴出方向下流側に位置し、前記液体燃料ノズルの出口部と前記空気ノズルの液体燃料噴出方向上流側端面とを結ぶ直線よりも液体燃料噴出方向上流側に、前記液体燃料ノズルの下流端面が位置し、前記液体燃料ノズルの出口部外周側であって、前記液体燃料の噴出方向に対して上流側の空間に前記空気ノズルから空気を噴出して、前記液体燃料ノズルの軸中心周りに旋回流を形成することを特徴とする。

本発明によれば、燃焼器の運転状態に関わらず、液体燃料ノズルの出口部外周側への未燃分カーボンの付着を抑制することが可能である。

前述のように、燃焼バーナに設けられた液体燃料ノズルと空気ノズルは、燃焼器の運転状態に応じて両者の構成部材に熱伸びが生じる。そして、燃焼バーナの使用用途の一つであるガスタービン燃焼器の燃焼バーナでは、ガスタービン起動から定格負荷までの広い運転条件で使用され、様々な圧力，温度環境に曝される。そのため、ガスタービンの運転条件によって、燃焼バーナや液体燃料ノズル等の構成部品に特に熱伸びが生じやすい。

図２は、ガスタービン燃焼器の構成を側断面図で示すと共に、ガスタービン燃焼器を備えるガスタービンプラントの全体構成図である。図２に示すように、ガスタービンプラントは、主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される燃焼用空気と燃料とを混合して燃焼ガスを生成する燃焼器３と、この燃焼器３で生成された燃焼ガスを供給するタービン２とを備える。なお、圧縮機１とタービン２とは、一つの回転軸で連結されている。

上記の燃焼器３は、液体燃料を下流側の燃焼室６に噴出させる液体燃料ノズル４と、液体燃料ノズル４の外周側から燃焼用空気を噴出する空気ノズル１５と、燃焼用空気と燃料とを混合する燃焼バーナ５と、液体燃料と燃焼用空気とを混合燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼室６と、この燃焼室６を内部に形成する内筒７と、この内筒７からの燃焼ガスをタービン２に導くトランジションピース８と、これらの燃焼バーナ５，内筒７、及びトランジションピース８を内部に収納し密閉する外筒９と閉止板１０、そして、この外筒９に支持され、燃焼室６内で混合ガスを点火させる点火栓１１と、液体燃料ノズル４に液体燃料を供給する手段である液体燃料供給系１２を備える。

燃焼器では、圧縮機１が生成した圧縮空気である燃焼用空気は、図２の矢印１００に示すように燃焼バーナ５から導入され燃料と混合されて混合ガスを生成する。この混合ガスが、点火栓１１により燃焼室６内で点火されて燃焼する。燃焼によって生成した燃焼ガスが、図２の矢印１０１に示す方向に流れる。そして、燃焼ガスは、トランジションピース８を介してタービン２に噴射されてタービン２を駆動する。これにより、タービン２に連結された発電機を駆動して発電する。なお、本実施例では燃焼室６の液体燃料ノズル４側を上流側とし、燃焼ガスが流れるタービン２側を下流側とする。

ここで、液体燃料を噴出する出口部がノズルカバーから突き出ず、ノズルカバー上にあった場合に、ガスタービンの起動時や定格負荷時の燃焼バーナについて説明する。比較例１として、図３では、ガスタービンの定格負荷時における燃焼バーナの状態を示す。比較例１では、ガスタービン起動時に燃焼バーナ３１の空気ノズル３５の噴出孔と液体燃料ノズル３２の下流端面４３に距離Ｌ１が形成されないように構成した。

一般に、液体燃料の温度は２０〜３０℃であり、圧縮された高温の燃焼用空気に比べ低温状態にある。なお、燃焼用空気の温度は、３８０〜３９０℃である。そのため、液体燃料が供給される液体燃料ノズル３２の構成部品は、燃焼用空気温度に比べ低温状態になる。一方、空気ノズル３５が形成された燃焼バーナ５の構成部品は、高温の燃焼用空気に曝されるため、液体燃料ノズル３２の構成部品に比べ高温状態となる。このため、燃焼器上流側の閉止板１０に支持された燃焼バーナ３１を構成する空気ノズル３５と液体燃料ノズル３２には、熱膨張によって燃焼器の下流側に伸びる作用が働く。但し、両者は温度差によって液体燃料ノズル軸方向の伸び量が異なる。また、燃焼バーナ３１と液体燃料ノズル３２は、燃焼器上流側の閉止板１０で固定されているが、閉止板１０以外の個所は固定されていない。そのため、液体燃料ノズル３２は燃焼バーナ３１の空気ノズル３５に対して、液体燃料ノズルの軸方向に移動可能に構成されている。したがって、ガスタービンの定格負荷時には、熱伸びによって液体燃料ノズル３２の下流端面４３と燃焼バーナ３１の空気ノズル３５噴出孔に距離Ｌ１が形成される。その結果、液体燃料ノズル３２の下流端面４３と、空気ノズル３５噴出孔の旋回器と、ガイドリング３６で囲まれた空間には滞留域が形成される。

この滞留域には、空気ノズル３５から噴出した空気流によって循環流が発生する。そのため、液体燃料を噴出する出口部３３がノズルカバーから突き出ず、液体燃料ノズル３２の下流端面４３上に形成された場合、出口部３３から噴出した液体燃料の微小液滴は、空気ノズル３５の出口近傍領域３９，４０の出口部外周に衝突して付着し、未燃分カーボン４２が堆積する。

次に、比較例２として、定格負荷時において燃焼バーナ３１の空気ノズル３５と液体燃料ノズル３２の下流端面４３に、図３の距離Ｌ１が形成されないように、液体燃料ノズル３１を予め距離Ｌ２だけ下流側に突出して配置した例である。図４は、ガスタービン起動時における燃焼バーナの状態を示す。比較例２では、定格運転時は滞留域が発生しないため、未燃分コーキングの発生を抑制できる。但し、ガスタービン起動時や低負荷時には、空気ノズル３５から噴出した空気が液体燃料ノズル３２に衝突し、そのエッジ部分には剥離渦４４が発生する。この剥離渦４４に出口部３３から噴出した微小液滴が随伴し、液体燃料ノズルの下流端面４３に衝突して付着し、未燃焼分コーキングが発生する。

このように、各構成部品の熱伸び量の差が、液体燃料ノズルの出口部周辺に液体燃料を衝突させる滞留域を形成させ、未燃分カーボンの堆積量が増加する。しかし、燃焼バーナと液体燃料ノズルの位置関係を全ての運転条件において理想的な配置にすることは不可能であるため、全ての運転条件で未燃分コーキングの発生を抑制することが困難であった。また、空気ノズルの噴出孔の一部が塞がれると、空気の流れが変化して新たな循環流が形成され、未燃分カーボンの堆積を助長させる。そして、液体燃料ノズルの出口部やその周辺に堆積した未燃分カーボンによって、液体燃料ノズルの噴出特性が悪化して燃焼性能に影響を与える。

そこで、以下の実施例では、ガスタービン燃焼器に適用した燃焼バーナ構造について説明する。

図１は、液体燃料ノズル４と燃焼バーナ５の詳細構造を表す側断面図である。図１に示すように、燃焼バーナ５には、燃焼室６に供給する燃焼用空気に旋回成分を作用させる旋回器１３と、液体燃料ノズル４の出口部に燃焼用空気の一部を吹付ける空気ノズル１５が設けられている。空気ノズル１５の空気噴出方向は液体燃料ノズル４の軸心側に向けた構造であり、本実施例では、空気ノズルの空気噴出方向が液体燃料ノズル４の中心軸に対してほぼ垂直に形成されている。また、空気ノズル１５から噴出する燃焼用空気には、液体燃料ノズルの中心軸周りに旋回成分が作用するように空気ノズル１５出口の噴出孔に旋回器１６が配置されている。そして、旋回器１６の下流側には環状のガイドリング１７が設置され、ガイドリング１７の中央部は、液体燃料ノズル４から噴出した燃料が燃焼室６に噴出されるように開口している。

液体燃料ノズル４は、液体燃料に旋回成分を作用させる渦巻室１９を形成したノズルチップ２０と、ノズルチップ２０を覆うノズルカバー１８と、ノズルスティ２１で構成された、いわゆる圧力式渦巻噴霧ノズルを用いたノズル構造である。そして、液体燃料ノズル４の出口部は燃焼室６の入側に形成されたノズルカバー１８の一部であり、ノズルチップ２０の渦巻室１９下流側と連通する液体燃料の出口部１４がノズルカバー１８の下流端壁２２から突き出て形成されている。具体的には、出口部１４は、燃焼室６の入側面に形成されたノズルカバー１８の下流端壁２２より、液体燃料ノズル軸方向の下流側に所望の距離だけ離れて形成された噴出孔である。そして、液体燃料ノズルの出口部１４の外周側に液体燃料の噴出方向に対して上流方向に空間が形成されている。

本実施例の出口部１４は、ガスタービンの起動時において、空気ノズル１５の出口に配置した旋回器１６の軸中心位置（図１の一点鎖線）まで突出するよう構成されている。即ち、空気ノズル１５の略軸心の延長線と交差する位置に液体燃料ノズル４の噴出孔である出口部を設けている。

次に、実施例１により得られる作用・効果について説明する。

本実施例では、空気ノズルの空気噴出方向が液体燃料ノズルの軸心側に向かうよう空気ノズルを設置し、液体燃料ノズルから燃焼室に燃料を噴出する出口部の外周側で、液体燃料の噴出方向に対して逆方向である上流方向に空間を形成させているため、燃焼器の運転状態に関わらず、液体燃料ノズルの出口部外周に付着する未燃分カーボンの発生を抑制することが可能である。具体的には、液体燃料ノズル４が燃料を噴出する出口部と出口部外周側とは、液体燃料ノズルの軸方向において高低差を設けている。そのため、出口部の外周側を取り囲むように環状の空間が形成され、この空間へ空気ノズル１５から燃焼用空気が供給される。

そして、図１のように、本実施例では、ガスタービンの起動時において、液体燃料ノズル４の下流端面２２と燃焼バーナ５の空気ノズル噴出孔に設けられた旋回器１６との間に滞留域が形成されないように、液体燃料ノズル４を配置している。即ち、液体燃料ノズルの軸方向において、液体燃料ノズル４の出口部外周側である下流端面２２の位置と、空気ノズル１５噴出孔の上流側端面１０２の位置とをほぼ一致させている。なお、液体燃料ノズル４の下流端面２２の位置と、空気ノズル１５噴出孔の上流側端面１０２の位置とは、空気ノズル１５が噴出した空気によって出口部の外周側に循環流や剥離渦が生じない程度であればよい。そして、液体燃料ノズルの出口部外周側に、液体燃料の噴出方向に対して上流方向に空間を形成することで、空気ノズル１５から噴出した燃焼用空気は、その空間部で液体燃料ノズルの軸中心回りに旋回する。燃焼用空気は空間部の壁面に沿うように旋回するため、出口部の外周側（空間部）に液体燃料の液滴が付着することを抑制可能である。

また、液体燃料ノズルの出口部外周は液体燃料の噴出方向に対して上流方向に空間を形成しているため、出口部と出口部外周側では段差を有し、平面形状ではない。具体的には、出口部外周側の下流側端面が出口部に対してへこんだ形状である。このように、出口部は下流側端面から任意の距離だけ離れているため、出口部から噴出した液滴が下流側端面に流れることを抑制している。したがって、出口部の外周側に液体燃料の液滴が付着して未燃分コーキングが発生することを抑制可能である。

次に、ガスタービンの定格運転時においては、燃焼バーナ５と液体燃料ノズル４の熱伸び差によって滞留域が形成され循環流が発生する。具体的には、図３のように、液体燃料ノズルの軸方向において、液体燃料ノズル４より燃焼バーナ５の方が下流側に熱伸びする。そのため、空気ノズル１５から噴出した燃焼用空気によって液体燃料ノズルの出口部周辺（外周側）には滞留域が形成される。この滞留域の中では、燃焼用空気が出口部外周の下流端面２２にぶつかる循環流が生じる。そこで、本実施例では、液体燃料ノズルの出口部外周側に、液体燃料の噴出方向に対して上流方向に空間を形成することで、液体燃料ノズルの下流端面２２より所望の距離だけ下流側に離れた位置に、液体燃料ノズル４の出口部１４が突出て構成されている。このように、液体燃料ノズルの出口部外周側に液体燃料の噴出方向に対して上流方向に空間を設けることで、窪んだ空間内に燃焼用空気による循環流が形成される。そのため、循環流よりも下流側に液体燃料ノズルの出口部が配置され、燃料液滴が滞留域内の循環流へ随伴してしまうことを低減可能である。以上より、液体燃料ノズル出口部の外周側に液体燃料の噴出方向に対して上流方向に空間を形成しておくことで、ガスタービンの定格運転時においても、出口部外周に未燃焼分コーキングの発生を抑制することが可能であり、燃焼器の燃焼安定性を維持することが出来る。

さらに、本実施例では、空気ノズル１５の空気噴出方向の延長線上に液体燃料ノズル４の出口部１４を配置するために、空気ノズル１５の略軸心の延長線と交差する位置に液体燃料ノズル４の出口部を設けている。このように、旋回器１６から噴出する空気の主流部分が液体燃料ノズル４の出口部１４を含む面内を流れるため、出口部１４から噴出した燃料液滴は、旋回器１６から噴出した空気流のせん断力によって微粒化される。したがって、液体燃料ノズル４の出口部１４の位置は、旋回器１６から噴出した空気流のせん断力によって燃料液滴の微粒化が期待できる位置であればよい。このように、燃料液滴の微粒化が促進されると、燃焼器点火時の点火特性が向上し、点火時の白煙の発生を抑制する。また、液体燃料と燃焼用空気との混合を促進し、黒煙の発生を低減する効果が期待でき、燃焼器の燃焼性能を向上することが可能となる。

また、本実施例では空気ノズル１５が噴出する燃焼用空気には、燃焼バーナ５の旋回器１３に供給する燃焼用空気量の１％程度を供給することが望ましい。このように、空気ノズル１５に供給する燃焼用空気量を低く抑えることで、旋回器１３に供給する燃焼用空気量を十分に取ることが出来る。

また、本実施例では、液体燃料ノズル４は、液体燃料に旋回成分を作用させる渦巻室
１９を形成したノズルチップ２０，ノズルチップ２０を覆うノズルカバー１８，ノズルスティ２１で構成された、いわゆる圧力式渦巻噴霧ノズルを用いたノズル構造である。液体燃料の噴出に空気を用いないことで、空気供給系統が不要となる。

更に、本実施例では、燃料ノズル下流端２２の軸中心部における１箇所に、液体燃料ノズル４の出口部１４を下流側に突き出して配置した。仮に、燃料ノズル下流端２２に出口部１４が複数個形成された場合、燃焼室半径方向の燃料噴出量を均一にすることは非常に困難である。また、出口部１４の個数を増加させると、液体燃料が低流量の時（低供給圧力時）に出口部１４から噴出する燃料流量に偏差が生じ、燃焼室６半径方向の燃料噴出量を均一にすることが困難である。更に、燃料噴出量を均一にするため、出口部１４の孔径を小さくすると、燃料が孔内部でコーキングする不具合を生じる。これに対して本実施例のように、１つの出口部１４から、液体燃料ノズルの軸方向に沿って燃料を噴出することで、燃焼室６の径方向における燃料噴出量を均一にすることが可能となる。そして、燃焼室６内壁のメタル温度が周方向で均一になり（ホットスポットが発生しにくい）信頼性を向上することができる。なお、液体燃料ノズルの出口部から円錐状に噴霧するよう構成すると、燃焼室の径方向における燃料噴出量をより均一にすることが可能である。

次に、実施例２のガスタービン燃焼器における燃焼バーナを説明する。本実施例は、液体燃料と気体燃料の何れも燃焼することが可能な燃焼バーナである。図５に示すように、燃焼バーナ４５には、燃焼室６に供給する燃焼用空気４６に旋回成分を作用させる旋回器４７と、液体燃料ノズル４８の出口部に燃焼用空気の一部を吹付ける空気ノズル５９が設けられ、旋回器４７の軸方向略中央部の側面には気体燃料５１を噴射するガス燃料孔５２が形成されている。液体燃料ノズル４８は、ノズルカバー５３と、ノズルチップ５４と、ノズルスティ５５で構成されたいわゆる圧力式渦巻噴霧ノズルを用いている。そして、本実施例のノズルカバー５３には、燃焼バーナ４５の空気ノズル５９から噴出する空気流に旋回成分を作用させる旋回器５６を形成した。また、燃焼室６の入側に形成された液体燃料ノズル４８の出口部外周には壁面５７が形成され、旋回器５６から出口部４９に至る壁面５７は滑らかな曲線で形成されている。本実施例では、液体燃料ノズルの出口部外周側は、壁面５７の旋回器５６近傍に該当する。以上より、本実施例においても、液体燃料ノズルの出口部外周側には壁面５７によって区画された、液体燃料の噴出方向に対して上流方向の空間が形成される。

次に、上記構成の本実施例におけるガスタービン燃焼器により得られる作用について説明する。

前述のように、燃焼バーナ４５と液体燃料ノズル４８間には、ガスタービンの運転状態によって熱伸び差が生じる。そして、液体燃料ノズル４８の出口部周辺に発生する滞留域により、液体燃料ノズルの出口部外周側に未燃分カーボンの堆積量が増加する可能性がある。

特に、近年は環境負荷低減のため、予混合燃焼を行うことで窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記載する）の排出量を低減させる傾向にある。しかし、予混合燃焼バーナと共有する拡散燃焼バーナは、拡散燃焼バーナの軸方向長さが長くなるため、燃焼バーナと液体燃料ノズル間の熱伸び差が大きくなる傾向にある。その結果、液体燃料ノズルの出口部外周側の滞留域により液体燃料ノズルに発生する未燃分カーボンが増加する可能性がある。

しかしながら、実施例２によれば、液体燃料ノズル４８のノズルカバー５３に、出口部４９に供給する空気流に旋回成分を作用させる旋回器５６を形成する。即ち、液体燃料ノズル４８の熱伸びに合わせて、旋回器５６も移動する。そのため、燃焼バーナ４５と液体燃料ノズル４８間に熱伸び差が生じても、出口部４９と旋回器５６との位置関係は一定であり、旋回器５６内周部には、熱伸びによる循環流（燃焼器軸方向に旋回する流れ）が発生する滞留域が形成され難い。したがって、液体燃料ノズルの出口部外周側における未燃分カーボンの発生を抑制することが可能である。

図６は、図５のノズルカバー５３を燃焼器下流側から見た部分拡大図である。本実施例によれば、出口部４９周りの６箇所の旋回器５６から流入した空気流４６ａにより旋回流４６ｂが形成され、出口部外周側である壁面５７への燃料液滴の付着を防止する。しかし、旋回器５６が形成されていない領域には、旋回器５６から噴出した空気流４６ａによって、液体燃料ノズルの周方向に旋回する循環流４６ｃ，４６ｄが発生する可能性がある。そこで、本実施例では、液体燃料ノズル４８の出口部４９の外周側に、液体燃料の噴出方向に対して上流方向に空間を形成することで、液体燃料ノズル４８の出口部が出口部外周より所望の距離だけ下流側に離れた位置に形成されている。そのため、ノズルカバー５３の下流側に形成された内周壁５８や壁面５７に燃料液滴が衝突して付着し、未燃分コーキングが発生することを抑制することが可能である。具体的には、液体燃料ノズル４８の出口部４９が、循環流４６ｃ，４６ｄが発生する領域より下流側に突出て構成されている。

さらに、ノズルカバー５３下流側の壁面５７は、旋回器５６の出口から出口部４９に至るまで滑らかな曲線で形成されている。したがって、出口部４９の外周側に循環流が発生しにくいため、未燃分コーキングの発生を抑制することが可能である。

また、燃焼バーナ４５の一部である空気ノズル５９の噴出孔における燃焼器軸方向の長さは、液体燃料ノズル４８に形成された旋回器５６の軸方向長さよりも長く形成されている。これは、液体燃料ノズル４８と燃焼バーナ４５の熱伸び差を考慮したものである。このように、空気ノズル５９の噴出孔における燃焼器軸方向の長さを設定することで、燃焼バーナ４５と液体燃料ノズル４８の熱伸び差による旋回器５６の閉塞を防ぐことが可能である。そして、ガスタービンの広い運転範囲において、旋回器５６から噴出する空気が、出口部４９から噴出した燃料液滴の微粒化を促進することが可能であり、長期間にわたって燃焼器の燃焼性能を維持することが可能となる。

さらに、本実施例では燃焼バーナ４５の旋回器４７の軸方向における略中心部に気体燃料を供給している。そのため、気体燃料のみで本実施例の燃焼バーナを稼動した場合、燃焼器下流側の燃焼室６に生成された燃焼ガスにより、上流側の液体燃料ノズル４８の出口部４９が加熱され焼損してしまう可能性がある。しかし、本実施例のように、空気ノズル５９から噴出した空気が液体燃料ノズル４８の出口部に吹き付ける構造にすることで、液体燃料を用いないガス燃焼時においても、ノズルカバー５３に設置した旋回器５６から噴出する空気によって出口部４９が冷却される。したがって、液体燃料ノズル４８の出口部４９が焼損する可能性を低減することが可能である。

次に、実施例３の形態を説明する。図７は、燃焼バーナの詳細構造を表す側断面図である。

図７に示すように、混合室６０を形成する混合室壁６１は燃焼室方向に向かって拡開した中空円錐状の形状をしている。この混合室壁６１の円錐の頂点部分には、混合室壁６１の軸心線とほぼ同軸方向となるように液体燃料を噴出する液体燃料ノズル６２が設けられている。また、混合室壁６１には、その周方向の複数箇所に空気ノズルである空気導入孔６３，６４，６５，６６が形成されている。そして、圧縮機１からの燃焼用空気を混合室内６０に導入する空気導入孔６３，６４，６５，６６の配列は、混合室軸方向に複数段
（本実施例では４段）となるように、軸方向上流側（図７の左側）から順に穿設されている。

上記の空気導入孔６３，６４，６５，６６は、燃焼用空気の混合室６０への導入角度が混合室壁６１の周方向に向かって偏向するように設けられている。そして、混合室壁６１の外周側には、上記の空気導入孔６４，６５，６６のそれぞれの上流側に、気体燃料を噴出する複数の気体燃料ノズル６７が空気導入孔６４，６５，６６のそれぞれと対向するように設けられている。この気体燃料ノズル６７は、空気導入孔６４，６５，６６の軸心線とほぼ同軸方向に気体燃料を噴出できるように構成されている。

また、混合室６０の軸中心において上流側に設置した液体燃料ノズル６２の出口部６８は、混合室６０に設けられた最も上流側の空気導入孔６３の略軸心の延長線と交差する位置（図７の一点鎖線）まで突き出て形成されている。即ち、本実施例では、空気導入孔
６３が液体燃料ノズルの出口部に空気を吹き付ける空気ノズルに該当する。

液体燃料の燃焼時、出口部６８から噴出した燃料液滴は、空気導入孔６３，６４，６５，６６から流入した燃焼用空気と混合室壁６１内部で混合し燃焼する。液体燃料ノズル
６２を配置した混合室６０の上流端部には、ガスタービンの運転条件によって、空気導入孔６３から流入した空気流により様々な循環流が形成される。そして、液体燃料ノズル
６２の出口部６８は燃焼室の入側に形成され、出口部６８の外周側に、液体燃料の噴出方向に対して逆方向である上流方向に空間を形成する。また、循環流の発生する領域より下流側に突き出て形成されている。そのため、液体燃料ノズル６２から噴出した微小な液滴が循環流に随伴され難くなり、出口部の外周側に未燃分コーキングの発生を抑制することが可能となる。

さらに、実施例１，２と同様に、液体燃料ノズル６２の出口部６８が空気導入孔６３
（空気ノズル）の略軸心の延長線と交差する位置に配置される。そのため、出口部６８から噴出した燃料液滴は、最も上流側の空気導入孔６８から噴出した空気流のせん断力によって微粒化された後、その下流の空気導入孔６４，６５，６６から噴出する空気流によってさらに微粒化が促進される。したがって、燃焼器点火時の点火特性が向上し、点火時の白煙の発生を抑制したり、燃焼用空気との混合が促進され黒煙の発生を低減したりする効果が期待できる。また、燃焼器の燃焼性能を向上することが可能となる。

次に、気体燃料の燃焼時、気体燃料ノズル６７より噴射した気体燃料は、空気導入孔
６４，６５，６６の内部で燃焼用空気と一次混合する。そして、混合室６０に噴出した際に発生する循環流によって二次混合をして燃焼するため、空気と気体燃料との混合が促進され、ＮＯｘ排出量を低減することが可能である。

また、空気導入孔６３には気体燃料が供給されないように構成されている。そのため、気体燃料燃焼時には、空気導入孔６３から流入した空気によって液体燃料ノズル６２が冷却され、液体燃料ノズル６２が焼損する可能性を低減することが可能である。

次に、実施例４を説明する。図８は、燃焼バーナの詳細構造を表す側断面図である。図８に示すように、本実施例の燃焼バーナ６９では、混合室壁７０の拡がり角度を実施例３の混合室壁６１よりも小さくしつつ軸方向長さを長く形成している。そして、空気ノズルである空気導入孔７１，７２，７３を混合室壁７０の上流側に集中して設けたものである。これら空気導入孔７１，７２，７３は、実施例３と同様に、燃焼用空気の混合室７４への導入角度が混合室壁７０の周方向に向かって偏向するように設けられている。

また、混合室７４の軸中心上流側に設置した液体燃料ノズル７５の出口部７６は、混合室７４に設けられた最も上流側の空気導入孔７１の略軸心の延長線と交差する位置（図８の一点鎖線）に形成されている。したがって、本実施例では空気導入孔７１が液体燃料ノズルの出口部に空気を吹付ける空気ノズルに該当する。混合室７４の上流端部には、空気導入孔７１から流入した空気流によって循環流が形成される。但し、液体燃料ノズル７５の出口部７６は、その外周側に液体燃料の噴出方向に対して上流方向に空間を形成しているため、燃焼室に連通する混合室７４に面した液体燃料ノズル７５の出口部の外周より下流側に離されて配置されている。そのため、出口部７６は、循環流が発生する上流端部より下流側に突き出て形成され、実施例３と同様に未燃分コーキングの発生を抑制することが可能となる。

さらに、実施例３と同様に、液体燃料ノズル７５の出口部７６が空気導入孔７１（空気ノズル）の略軸心の延長線と交差する。そのため、出口部７６から噴出した燃料液滴は、空気導入孔７１から噴出した空気流のせん断力によって微粒化された後、その下流の空気導入孔７２，７３から噴出する空気流によってさらに微粒化が促進される。そして、本実施例のように混合室４５の軸方向長さを長く形成すると、微粒化した液滴が高温の燃焼用空気によって蒸発，混合し、混合室７４の下流では予混合燃焼を行うことが可能となる。

以上より、本実施例によれば液体燃料ノズル７５の出口部７６を液体燃料ノズルの軸方向下流側に突き出すことによって、液体燃料ノズル７５の出口部７６の外周側に未燃分コーキングの発生を抑制することができる。また、出口部７６から噴出した燃料液滴は燃焼用空気流のせん断力を利用することによって、微粒化が促進されて蒸発し、予混合燃焼を行うことでＮＯｘ排出量を低減することが可能となる。

次に、実施例５を説明する。実施例１乃至４では、液体燃料ノズルの出口部に供給する空気として、燃焼用空気の一部を利用していた。しかし、実施例５では旋回器４５に供給する燃焼用空気の一部に加えて、別の空気系統より空気を供給する。図９は、実施例２
（図５）の構成部品に適用したものであり、主要な構成部品は図５と同様である。

実施例５では、燃焼バーナ４５の空気ノズル５９から噴出する空気流に旋回成分を作用させる旋回器５６をノズルカバー５３に形成する。そして、空気ノズル５９とは別に、噴出空気旋回器７７，噴出空気流路７８をノズルカバー５３に形成し、噴出空気旋回器７７に噴出空気７９を供給する噴出空気供給手段である噴出空気供給系８０を配置したものである。

次に、上記構成の実施例５により得られる作用について説明する。

実施例５では、実施例２で得られる作用に加え、燃焼器の点火時に噴出空気旋回器７７に燃焼用空気より高圧の噴出空気を供給する。そのため、液体燃料ノズルの出口部４９や出口部外周側に発生する未燃分カーボンを更に抑制することができる。

さらに、噴出空気旋回器７７から高速に噴出する噴出空気のせん断力によって、出口部４９から噴出した燃料液滴を微粒化することができる。したがって、空気ノズル５９からの空気のみの場合に比べて、燃焼器点火時の点火特性が一層向上し、点火時の白煙の発生を抑制することが可能となる。

実施例１乃至５では、液体燃料ノズルに出口部が単一のいわゆる、シンプレックス型圧力式渦巻噴霧ノズルを用いた例について説明した。但し、同心円上に配置された２つのオリフィスを組み合わせたデュアルオリフィス型圧力式渦巻噴霧ノズルに本発明を適用しても問題はなく、さらに、圧力式渦巻噴霧ノズル以外の空気噴霧式ノズルなどの液体燃料ノズルにも適用できる。

ガスタービン燃焼器のみならず、液体燃料を燃焼する燃焼バーナの燃料ノズル噴出部やその外周側における未燃分コーキング防止対策に広く適用できる。

実施例１の燃焼バーナの詳細構造を表す側断面図である。 実施例１におけるガスタービン燃焼器の構成を側断面図及びガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。 ガスタービンの定格負荷時における燃焼バーナの詳細構造を示す。 ガスタービン起動時における燃焼バーナの詳細構造を示す。 実施例２の燃焼バーナの詳細構造を表す側断面図である。 図５のノズルカバー５３を燃焼器下流側から見た部分拡大図である。 実施例３の燃焼バーナの詳細構造を表す側断面図である。 実施例４の燃焼バーナの詳細構造を表す側断面図である。 実施例５の燃焼バーナの詳細構造を表す側断面図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…タービン、３…燃焼器、４…液体燃料ノズル、５…燃焼バーナ、１４…出口部、１５…空気ノズル、１６，５６…旋回器、５２…ガス燃料孔、５３…ノズルカバー、６１…混合室壁、６４…空気導入孔、６７…気体燃料ノズル、７７…噴出空気旋回器。

Claims (2)

1. 液体燃料を燃焼室に噴出する、前記液体燃料に旋回成分を与えて噴霧させるノズルチップと、該ノズルチップを覆うノズルカバーと、該ノズルカバーの一部である、前記液体燃料の出口部とを有した圧力式渦巻噴霧ノズルを備える液体燃料ノズルと、
   前記液体燃料ノズルの外周側に設けられ、前記液体燃料を噴出する前記出口部の外周側に空気を噴出する空気ノズルを備えた燃焼器であって、
   該燃焼室に燃料を噴出する前記液体燃料ノズルの出口部が、前記空気ノズルの液体燃料噴出方向上流側端面よりも液体燃料噴出方向下流側に位置し、
   前記液体燃料ノズルの出口部と前記空気ノズルの液体燃料噴出方向上流側端面とを結ぶ直線よりも液体燃料噴出方向上流側に、前記液体燃料ノズルの下流端面が位置し、
   前記液体燃料ノズルの出口部外周側であって、前記液体燃料の噴出方向に対して上流側の空間に前記空気ノズルから空気を噴出して、前記液体燃料ノズルの軸中心周りに旋回流を形成することを特徴とする燃焼器。
2. 液体燃料を燃焼室に噴出する、前記液体燃料に旋回成分を与えて噴霧させるノズルチップと該ノズルチップを覆うノズルカバーと、該ノズルカバーの一部である、前記液体燃料の出口部とを有した圧力式渦巻噴霧ノズルを備える液体燃料ノズルと、
   前記液体燃料ノズルの外周側に設けられ、前記液体燃料を噴出する前記出口部の外周側に燃焼用空気を噴出する空気ノズルを備えた燃焼器を用いた液体燃料の噴出方法であって、
   前記液体燃料ノズルの出口部外周より前記液体燃料の噴出方向に対して下流側に離れた位置に設けた前記液体燃料ノズルの出口部から液体燃料を噴出させるとともに、前記液体燃料ノズルの出口部外周側であって、前記液体燃料の噴出方向に対して上流側の空間に前記空気ノズルから燃焼用空気を噴出して、前記液体燃料ノズルの軸中心周りに旋回流を形成することで、前記出口部外周側に形成された燃焼用空気の循環流内への液体燃料の随伴を抑制することを特徴とする液体燃料の噴出方法。

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