JP6327826B2 - ガスタービンの燃料噴射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、水素ガスのような燃料ガスと水蒸気とを燃焼器内への噴射前に均一な濃度分布となるように予混合しておくことで排気ガス中のＮＯｘを効率よく低減することができるガスタービンの燃料噴射装置に関する。
近年のガスタービンシステムにおいては、排気ガスの低ＮＯｘ化およびシステムの高効率化を課題として、燃料と水または水蒸気を燃焼器に噴射する技術が開発されている（例えば特許文献１〜３）。
特開平６−６６１５６号公報 特表２０１０−５３５３０３号公報 特開平１０−１９６４０１号公報
しかしながら、特許文献１の燃料噴射装置の場合、液体燃料ノズル、水蒸気ノズルおよびガス燃料ノズルからの液体燃料、水蒸気およびガス燃料は、燃焼器への噴射後に燃焼室内で初めて混合されるので、燃焼室内における燃料と水蒸気との濃度分布が不均一なり、燃焼後の排気ガス中に含まれるＮＯｘの低減も不十分である。特許文献２の燃料噴射装置の場合、微細な水滴を混入させた水素燃料の噴射による火炎温度の低減を目的としているが、具体的構造が開示されておらず、燃焼後の排気ガス中に含まれるＮＯｘの効果的な低減は期待できない。さらに、特許文献３の燃料噴射装置の場合、液体燃料と水蒸気を予混合したのち、ノズルに供給し、燃料噴射圧の低減、ひいてはＮＯｘ排出量の低減を図る技術が示されているが、燃料として液体燃料を用いているので、燃焼室内の液体燃料と水蒸気の濃度分布の均一化が難しく、したがって、ＮＯｘの大幅な低減も難しい。
本発明の目的は、燃焼室内の燃料ガスと水蒸気の濃度分布の均一化を簡単な構造で、かつ低コストで行え、効果的に低ＮＯｘ化を図ることができるガスタービンの燃料噴射装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンの燃料噴射装置は、燃料ガスと水蒸気とを混合して燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、内部に混合室を有するノズルハウジングと、前記ノズルハウジングの外方から前記混合室に燃料ガスを導入する第１導入通路と、前記ノズルハウジングの外方から前記混合室に水蒸気を導入する第２導入通路と、前記混合室の下流端に連通し、前記混合室からの混合ガスを複数回反転させる複数の反転通路とを備えている。ここで、「反転」とは流れ方向が１８０°曲がることをいう。
この構成によれば、燃料ガスおよび水蒸気は、ノズルハウジングの混合室内に導入されて混合ガスとされたのち、さらに、複数の反転通路で複数回反転を繰り返しながら混合室内で燃料ガスと水蒸気とが長い移動距離と時間をかけて混合される結果、反転通路を設けないで混合する場合に比べ、燃料ガスと水蒸気との予混合が十分に行われ、燃料ガスと水蒸気の濃度分布の均一化が図れる。この燃料ガスと水蒸気の濃度分布が均一化されたものが燃焼室内に噴射されて燃焼するので、効果的な低ＮＯｘ化を達成できる。また、燃料と蒸気を予混合して噴射することで燃焼場に効果的に蒸気を噴射できるから、使用する水蒸気量を低減できるので、ガスタービンシステム全体の効率が向上する。さらに、予混合のためのミキサー等の付帯設備が不要であり，燃料噴射装置も簡単な構造であるので、低コストで製作できる。
本発明の燃料噴射装置において、前記混合ガスを前記混合室の上流側へ反転させる第１反転通路と、前記第１反転通路からの混合ガスを混合室の下流側へ反転させる第２反転通路とを備えていることが好ましい。この構成によれば、第１反転通路と第２反転通路とが混合室の上下流方向に延びて重なるので、コンパクトになる。
好ましくは、前記混合室の径方向外側に前記第１反転通路が配置され、前記第１反転通路の径方向外側に前記第２反転通路が配置されている。この構成によれば、混合室の径方向外側に第１反転通路と第２反転通路とが重なって形成されているので、一層コンパクトになる。
本発明の燃料噴射装置において、前記ノズルハウジングの先端部に最下流の反転通路からの混合ガスを燃焼室に噴射するガス噴射部が設けられ、最下流の前記反転通路と前記ガス噴射部との間に混合ガス集合室が形成されていることが好ましい。この構成によれば、混合ガスが最下流の反転通路から一旦、混合ガス集合室に貯留されることで、この混合ガス集合室内で減速するので、燃料ガスと水蒸気の混合がさらに促進される。
本発明の燃料噴射装置において、前記混合ガス集合室は最下流の反転通路の下流端部の径方向内方に配置されていることが好ましい。この構成によれば、径方向外側に位置する最下流の反転通路から径方向内方の混合ガス集合室までの距離が長くなり、混合ガスがより長い移動距離と時間をかけて混合される。これにより、効果的に燃料ガスと水蒸気の濃度分布の均一化を図ることができる。
本発明の燃料噴射装置において、さらに、前記第１および第２導入通路の一方は、ノズルハウジングの外周から前記混合室の径方向に燃料ガスおよび水蒸気の一方を導入し、前記両導入通路の他方は、前記混合室にノズルハウジングの軸心方向に燃料ガスおよび水蒸気の他方を導入するように配置されていることが好ましい。この構成によれば、燃料ガスと水蒸気は９０°の角度をなすようにして混合室に導入されることになるので、混合室内で燃料ガスと水蒸気の衝突状態になる。これにより、反転通路に至る前段階でも燃料ガスと水蒸気の混合が効果的に行われる。
本発明によれば、燃料ガスおよび水蒸気は、ノズルハウジングの混合室内に導入されて混合ガスとされたのち、さらに、複数の反転通路で反転を繰り返しながら混合室内で燃料ガスと水蒸気とが長い移動距離と時間をかけて混合される結果、反転通路を設けないで混合する場合に比べ、燃料ガスと水蒸気との予混合が十分に行われ、燃料ガスと水蒸気の濃度分布の均一化が図れる。これにより、効果的な低ＮＯｘ化を達成できる。また、燃料と蒸気を予混合して噴射することで燃焼場に効果的に蒸気を噴射できるから，ガスタービンシステム全体の効率が向上する。さらに、予混合のためのミキサー等の付帯設備が不要であり，燃料噴射装置も簡単な構造であるので、低コストで製作できる。
本発明の好ましい実施形態にかかる燃料噴射装置を適用したガスタービンシステムを示す概略図である。 同燃料噴射装置を有する燃焼器の要部を示す縦断面図である。 同燃料噴射装置の内部構造を示す縦断面図である。 図３のIV−IV線断面図である。 同燃料噴射装置の底面図である。 図３のVI−VI線断面図である。 本発明による燃料噴射装置を用いた場合と、従来の燃料噴射装置を用いた場合のＮＯｘ発生量を実験により求めたグラフである。 図７に示した実験に用いた従来の燃料噴射装置を示す縦断面図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の好ましい実施形態にかかる燃料噴射装置を適用したガスタービンシステムを示す。同図に示すガスタービンシステムＧＴは、空気Ａを圧縮する圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３と、ボイラ１１とを備えている。ボイラ１１はタービン３からの排気ガスＥＧを熱源として水蒸気を発生する。
タービン３の頭部には燃料噴射装置４が設けられている。この燃料噴射装置４の燃料ノズル５の上流側である基端部には、水素ガスのような燃料ガスＨを供給する第１導入通路７と、ボイラ１１からの水蒸気Ｗを供給する第２導入通路８が接続されている。水蒸気Ｗは、燃焼器２の燃焼室２２内の火炎温度を下げて低ＮＯｘ化を図るために供給される。燃料噴射装置４では、第１供給路７から供給された水素ガスＨと第２供給路８から供給された水蒸気Ｗとが予混合されて混合ガスＧを生成する。なお、燃料ガスＨとして水素ガスが最も好ましいが、これに代えて、天然ガスを用いることもできる。
圧縮機１から供給される圧縮空気Ａと、燃料噴射装置４から供給される混合ガスＧとを燃焼室２２で燃焼させ、これにより発生する高温高圧の燃焼ガスＣＧをタービン３に供給し、このタービン３を駆動する。圧縮機１は回転軸９を介してタービン３により駆動され、このタービン３は発電機ＰＵのような負荷を駆動する。
第２供給路８は、その上流側端がボイラ１１に接続されており、このボイラ１１はタービン３からの排気通路１２に設置され、排気ガスＥＧから回収した排熱がボイラ１１での蒸気生成の熱源に利用される。ボイラ１１を通過した排気ガスＥＧは、図示しないサイレンサを通ったのち、外部に排出される。ボイラ１１には、図示しない外部の給水源から水が供給される。
第１導入通路７は、その上流側端がガス圧縮装置１３に接続されている。このガス圧縮装置１３により、図示しない水素ガスボンベのような燃料源から供給される低圧の水素ガスが圧縮されて高圧の水素ガスＨとなって、燃料噴射装置４に供給される。
図２は燃焼器２の頭部を示す。同図に示すように、燃焼器２は単缶型であり、筒状のハウジング２８の内側に燃焼室２２を形成する燃焼筒２９が配置されている。ハウジング２８の頂部はカバー１７により覆われている。燃料噴射装置４は燃焼筒２９と同心上に配置され、カバー１７に取り付けられており、燃料ノズル５の下流側である先端部が、カバー１７を貫通して燃焼室２２に臨んでいる。燃料ノズル５の上流側である基端部に、燃料ガスＨを供給する第１導入通路７を形成する第１導入管２５が、燃料噴射装置４の径方向に接続され、水蒸気Ｗを供給する第２導入通路１６を形成する第２導入管２６が燃料噴射装置４の軸心Ｃに沿って同心状に接続されている。つまり、前記第１導入管２５と第２導入管２６とはほぼ９０°の導入角度をなしている。
燃焼筒２９の外周には圧縮機１（図１）で圧縮された圧縮空気Ａを燃焼室２２内に送り込む空気通路２４が形成されている。空気通路２４を流れる圧縮空気Ａの一部分は矢印で示すように、燃焼筒２９の頂部における空気通路２４の外周に配置されたスワーラ２７を経て燃焼室２２に旋回しながら導入され、他の部分は燃焼筒２９に設けられた複数の空気孔５０を通って燃焼室２２に導入される。
図３は燃料噴射装置４の内部構造を示す。同図に示すように、燃料ノズル５は、内部に前記軸心Ｃと同心状の横断面円形の混合室３０を有するノズルハウジング３１を有し、このノズルハウジング３１の頭部に第１導入通路７と、第２導入通路８とが接続されている。第１導入通路７および第２導入通路８は、ノズルハウジング３１の外周から前記混合室３０内にそれぞれ燃料Ｈと水蒸気Ｗを９０°の角度で衝突するように導入する。これにより、混合室３０内で燃料ガスＨと水蒸気Ｗの第１段階の混合が行われる。
ノズルハウジング３１の外周の軸方向中央部にはフランジ３３が取り付けられており、このフランジ３３に設けた挿通孔３５に図２に示すボルト３６を挿通して、カバー１７にねじ込むことにより、燃料噴射装置４がカバー１７に支持される。混合室３０は、大径の上流部３０ａと、これと同心状の小径の下流部３０ｂとを有しており、下流部３０の下流側には、この混合室３０の下流端に連通し、混合室３０からの混合ガスＧを反転させる第１反転通路５１および第２反転通路５２が設けられている。第１反転通路５１は、混合室３０の下流部３０ｂの径方向外側に配置されて、混合ガスＧを、混合室３０の底面の外周部を形成する第１衝突面５４に衝突させたのち、前記混合室３０の上流側、つまり、ノズルハウジング３１の頭部方向へ反転させる。また、第２反転通路５２は、前記第１反転通路５１の径方向外側に配置されて前記第１反転通路５１からの混合ガスＧを、混合室３０の頭部３１ａに近い第２衝突面５５に衝突させたのち、混合室３０の下流側、つまり、ノズルハウジング３１の先端部３１ｂ方向へ反転させる。第２反転通路５２の下流部は径方向内側へ拡張されて通路面積が大きい拡張部５２ａとなっている。
図３においては、２つの反転通路５１，５２を設けた場合を示すが、反転通路は３つ以上あってもよい。第１反転通路５１および第２反転通路５２は、図４に示すように、断面円筒形のノズルハウジング３１の外周に、ノズルハウジング３１と同心円状に形成されている。これとは異なり、図３に示す混合室３０の下流部３０ｂを上流部３０ａと同様な大径部とし、下流部３０ｂの中心部分に、円孔形の空間（中空部）を形成し、この空間に、つまり下流部３０ｂの径方向内側に、複数の反転通路を設けてもよい。あるいは、混合室３０の下流端に、さらに下流側へと軸心Ｃの方向に延びる複数の反転通路を設けることもできる。
ノズルハウジング３１の先端部３１ｂには、混合室３０からの混合ガスＧを燃焼室２２に噴射するガス噴射部４０が設けられており、最下流の第２反転通路５２の拡張部５２ａとガス噴射部４０との間に混合ガス集合室５３が形成されている。この混合ガス集合室５３は最下流の第２反転通路５２の下流端部の径方向内方で、かつ混合室３０の下流側に配置されている。第２反転通路５２と混合ガス集合室５３の間は複数の連通孔５７により連通している。
前記ガス噴射部４０は、ノズルハウジング３１の軸心Ｃ上に配置された丸棒状のピン部材３８と、混合ガスＧを噴射するガス噴射孔４１と、空気噴射孔４２と、前記ガス噴射孔４１の上流側に第１および第２ガスヘッダ室４４，４５を形成するノズルブロック４３とを有している。上流側の第１ガスヘッダ室４４は混合ガス集合室５３の下流側に連通し、混合ガスＧを貯留する。第１ガスヘッダ室４４と下流側の第２ガスヘッダ室４５とは連通路４７で接続され、第２ガスヘッダ室４５にはガス噴射孔４１が直接、連通している。なお、前記ガスヘッダ室４４，４５のうち、上流側の第１ガスヘッダ室４４はなくてもよい。
さらに、ノズルブロック４３にはピン部材３８の外表面に冷却用空気を供給する冷却通路４８が形成されている。この冷却通路４８は図２に示す空気通路２４と連通しており、空気通路２４からの圧縮空気Ａの一部が冷却用空気として取り込まれ、ピン部材３８を冷却した後の空気を噴射する空気噴射孔４２に連通している。この冷却通路４８は図６に示すように、ノズルブロック４３に、ピン部材３８の円周上の接線方向に等間隔で複数本（例えば６本）形成されており、隣接する冷却通路４８，４８の間に連通路４７，４７が設けられている。
図５は燃料噴射装置４の底面図を示す。燃料ノズル５の中心部の空気噴射孔４２の周囲に、ガス噴射孔４１が同心円状に複数列、等間隔で設けられている。
つぎに、この燃料噴射装置の動作について説明する。ガスタービンの作動時、図１に示すように、燃料ガスＨは、ガス圧縮装置１３で圧縮されたのち、第１導入通路７から図３に示す混合室３０に導入される。一方、図１のボイラ１１で生成された水蒸気Ｗは、第２導入通路８から混合室３０に導入される。まず、この混合室３０において燃料ガスＨと水蒸気Ｗとが９０°の角度をなすように導入されることで第１段階の混合が行われる。
つづいて、この混合室３０で混合された混合ガスＧを、その下流端に連通し、混合室３０の径方向外側に配置された第１反転通路５１で混合室３０の上流側へ向かって反転させる。さらに、前記第１反転通路５１の径方向外側に配置された第２反転通路５２で、前記第１反転通路５１からの混合ガスＧを混合室３０の下流側へ向かって反転させる。これら第１，第２反転通路５１，５２での反転移動の際に第１および第２衝突面５４，５５に混合ガスＧが衝突することで、混合ガスＧの混合が促進される。
その後、第２反転通路５２からの混合ガスＧは、連通孔５７を通って混合ガス集合室５３で集合して撹拌され、混合が促進される。混合ガス集合室５３からの混合ガスＧはガスヘッダ室４４に入って、さらに減速による混合が促進し、連通路４７からガスヘッダ室４５を経て、ガス噴射孔４１から図２の燃焼室２２内に噴射される。
このように混合室３０内に導入された燃料ガスＨと水蒸気Ｗは従来の装置に比べ、長い移動距離と時間をかけて混合される結果、燃料ガスＨと水蒸気Ｗとの予混合が十分に行われ、燃料ガスＨと水蒸気Ｗの濃度分布の均一化が図れる。混合室３０内に噴射された混合ガスＧは、空気通路２４からスワーラ２７および燃焼筒２９の空気導入孔５０から燃焼室２２内に導入された圧縮空気Ａに混合されて燃焼する。ここで、濃度分布の均一となった混合ガスＧが燃焼するので、燃焼室２２から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘ量が少なくなる。また、燃料と蒸気を予混合して噴射することで燃焼場に効果的に蒸気を噴射できるから、使用する水蒸気量を低減できるので、ガスタービンシステム全体の効率が向上する。さらに、予混合のためのミキサー等の付帯設備が不要であり，燃料噴射装置も簡単な構造であるので、低コストで製作できる。
図３に示すように、混合室３０の径方向外側に配置されて混合ガスＧを前記混合室３０の上流側へ反転させる第１反転通路５１と、この第１反転通路５１の径方向外側に配置されて第１反転通路５１からの混合ガスＧを混合室３０の下流側へ反転させる第２反転通路５２とを備えている。したがって、第１反転通路５１と第２反転通路５２とが混合室３０の上下流方向に延びて重なるので、混合室３０と両反転通路５１，５２とを含む構造がコンパクトになる。ここで、混合室の径方向外側に第１反転通路と第２反転通路とが重なって形成されているので、曲折した反転通路を混合室の径方向内側に形成する場合に比べて、構造が一層コンパクトになる。構造が簡単になる。
また、ノズルハウジング３１の先端部に最下流の反転通路５２からの混合ガスＧを燃焼室２２（図２）に噴射するガス噴射部４０が設けられ、最下流の反転通路５２とガス噴射部４０との間に混合ガス集合室５３を形成したので、混合ガスＧが最下流の反転通路５２から一旦、混合ガス集合室５３に貯留されることで、混合ガスＧが混合ガス集合室５３内で減速して、燃料ガスＨと水蒸気Ｗの混合がさらに促進される。
また、混合ガス集合室５３は最下流の反転通路５２の下流端部５２ａの径方向内方に配置されているので、径方向外側に位置する最下流の反転通路５２から混合ガス集合室５３までの距離が長くなり、混合ガスＧがより長い移動距離と時間をかけて混合される。これにより、効果的に燃料ガスＨと水蒸気Ｗの濃度分布の均一化を図ることができる。
さらに、第１導入通路７はノズルハウジング３１の外周から前記混合室３０の径方向に燃料ガスＨを導入し、第２導入通路８は混合室３０にノズルハウジング３１の軸心Ｃ方向に水蒸気を導入するように配置したので、燃料ガスＨと水蒸気Ｗは９０°の角度をなすようにして混合室３０に導入され、混合室３０内で燃料ガスＨと水蒸気Ｗが衝突する。これにより、反転通路５１，５２に達する前の段階でも燃料ガスＨと水蒸気Ｗの混合が効果的に行われる。なお、第１導入通路７を混合室３０の軸心Ｃ方向に接続し、第２導入通路８を混合室３０の径方向に接続してもよい。
本発明の燃料噴射装置４によるＮＯｘ低減効果を図７に示す。図７は本発明による燃料噴射装置４を用いた場合におけるＮＯｘ発生量と、比較例の燃料噴射装置４Ａを用いた場合におけるＮＯｘ発生量を実験的に測定したグラフである。図９は実験に使用した燃料噴射装置４Ａの縦断面を示す。この燃料噴射装置４Ａは、特許文献１の装置に相当するもので、燃料ガスＨのみが燃料噴射装置４Ａから燃焼室２２に噴射され、水蒸気Ｗはカバー１７を貫通した第２導入通路１６を通って水蒸気ノズル６０からスワーラ２７を経て燃焼室２２に供給され、燃焼室２２で燃料ガスＨと水蒸気Ｗが初めて混合される。
図７において、▲印は従来の装置で天然ガスと水蒸気を燃焼させた場合、△印は従来の装置で水素ガスと水蒸気を燃焼させた場合、●印は本発明の装置で天然ガスと水蒸気を燃焼させた場合、○印は本発明の装置で水素ガスと水蒸気を燃焼させた場合のＮＯｘ発生量をそれぞれ示す。本発明の装置を用いた場合では、水蒸気を加える燃料が水素ガスか天然ガスであるにかかわりなく、傾向として水蒸気と燃料ガスの重量比である水燃比が増加するにともない、従来の装置よりもＮＯｘの発生が抑制されていることが判った。
以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
ＧＴ…ガスタービンシステム
２…燃焼器
４…燃料噴射装置
５…燃料ノズル
７…第１導入通路
８…第２導入通路
２２…燃焼室
２５…第１導入管
２６…第２導入管
３０…混合室
３１…ノズルハウジング
３８…ピン部材
４０…ガス噴射部
４１…ガス噴射孔
４２…空気噴射孔
４３…ノズルブロック
４４，４５…ガスヘッダ室
４７…連通路
４８…冷却通路
５１…第１反転通路
５２…第２反転通路
５３…混合ガス集合室
５７…連通孔

Claims (6)

  1. 燃料ガスと水蒸気とを混合して燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、
    内部に燃料ガスと水蒸気とを混合する混合室を有するノズルハウジングと、
    前記ノズルハウジングの外方から前記混合室に燃料ガスを導入する第１導入通路と、
    前記ノズルハウジングの外方から前記混合室に水蒸気を導入する第２導入通路と、
    前記混合室の下流端に連通し、前記混合室からの混合ガスを複数回反転させる複数の反転通路とを備えたガスタービンの燃料噴射装置。
  2. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、前記混合ガスを前記混合室の上流側へ反転させる第１反転通路と、前記第１反転通路からの混合ガスを混合室の下流側へ反転させる第２反転通路とを備えたガスタービンの燃料噴射装置。
  3. 請求項２に記載の燃料噴射装置において、前記混合室の径方向外側に前記第１反転通路が配置され、前記第１反転通路の径方向外側に前記第２反転通路が配置されたガスタービンの燃料噴射装置。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置において、前記ノズルハウジングの先端部に最下流の反転通路からの混合ガスを燃焼室に噴射するガス噴射部が設けられ、最下流の前記反転通路と前記ガス噴射部との間に混合ガス集合室が形成されているガスタービンの燃料噴射装置。
  5. 請求項４に記載の燃料噴射装置において、前記混合ガス集合室は最下流の反転通路の下流端部の径方向内方に配置されているガスタービンの燃料噴射装置。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料噴射装置において、前記第１および第２導入通路の一方は、ノズルハウジングの外周から前記混合室の径方向に燃料ガスおよび水蒸気の一方を導入し、前記両導入通路の他方は、前記混合室にノズルハウジングの軸心方向に燃料ガスおよび水蒸気の他方を導入するように配置されているガスタービンの燃料噴射装置。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6327826B2 (ja) 2013-10-11 2018-05-23 川崎重工業株式会社 ガスタービンの燃料噴射装置
JP2017023301A (ja) * 2015-07-17 2017-02-02 株式会社大一商会 遊技機
US20170254264A1 (en) 2016-03-03 2017-09-07 Technische Universität Berlin Swirl-stabilised burner having an inertisation front and related methods
EP3214367B1 (de) * 2016-03-03 2020-07-15 Technische Universität Berlin Drallstabilisierter brenner, insbesondere h2/o2-brenner mit einer inertisierungsfront zum schutz der eindüsungsöffnungen des brenners sowie ein zugehöriges verfahren
JP6722491B2 (ja) * 2016-04-01 2020-07-15 川崎重工業株式会社 ガスタービンの燃焼器
DE102017214481A1 (de) * 2017-08-21 2019-02-21 Robert Bosch Gmbh Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
CN108895452A (zh) * 2018-07-31 2018-11-27 浙江滨特热能科技股份有限公司 一种高效燃气空气混合器
JP7260365B2 (ja) * 2019-03-29 2023-04-18 川崎重工業株式会社 予混合燃焼バーナ
US11306661B1 (en) 2020-12-04 2022-04-19 General Electric Company Methods and apparatus to operate a gas turbine engine with hydrogen gas
US20240159397A1 (en) * 2022-11-10 2024-05-16 General Electric Company Gas turbine combustion section having an integrated fuel cell assembly

Family Cites Families (55)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1591679A (en) * 1921-01-15 1926-07-06 Peoples Savings & Trust Compan Process for the combustion of ash-containing fuels
BE460697A (ja) * 1939-12-09
US4041699A (en) * 1975-12-29 1977-08-16 The Garrett Corporation High temperature gas turbine
US4298338A (en) * 1976-12-30 1981-11-03 Owens-Illinois, Inc. Liquid fuel burners
US4549402A (en) * 1982-05-26 1985-10-29 Pratt & Whitney Aircraft Of Canada Limited Combustor for a gas turbine engine
JPH0666156B2 (ja) 1984-06-09 1994-08-24 松下電工株式会社 放電灯点灯装置
US4928478A (en) * 1985-07-22 1990-05-29 General Electric Company Water and steam injection in cogeneration system
US5054279A (en) * 1987-11-30 1991-10-08 General Electric Company Water spray ejector system for steam injected engine
US4986068A (en) * 1988-09-16 1991-01-22 General Electric Company Hypersonic scramjet engine fuel injector
JP3174634B2 (ja) 1992-08-11 2001-06-11 三菱重工業株式会社 ガスタービンの燃料噴射装置
US5305608A (en) * 1992-10-15 1994-04-26 Hughes Aircraft Company Liquid fuel power plant and method
US5628184A (en) * 1993-02-03 1997-05-13 Santos; Rolando R. Apparatus for reducing the production of NOx in a gas turbine
US5377483A (en) * 1993-07-07 1995-01-03 Mowill; R. Jan Process for single stage premixed constant fuel/air ratio combustion
US5479781A (en) * 1993-09-02 1996-01-02 General Electric Company Low emission combustor having tangential lean direct injection
JPH07269865A (ja) * 1994-03-29 1995-10-20 Hitachi Ltd 燃焼器用保炎器
US5617716A (en) * 1994-09-16 1997-04-08 Electric Power Research Institute Method for supplying vaporized fuel oil to a gas turbine combustor and system for same
US5657631A (en) * 1995-03-13 1997-08-19 B.B.A. Research & Development, Inc. Injector for turbine engines
JPH10196401A (ja) 1997-01-13 1998-07-28 Hitachi Ltd コージェネレーションシステム
US6003299A (en) * 1997-11-26 1999-12-21 Solar Turbines System for modulating air flow through a gas turbine fuel injector
JP3657778B2 (ja) * 1998-06-16 2005-06-08 株式会社豊田中央研究所 多流体噴射式燃焼器
DE59810347D1 (de) * 1998-09-10 2004-01-15 Alstom Switzerland Ltd Schwingungsdämpfung in Brennkammern
US6357237B1 (en) * 1998-10-09 2002-03-19 General Electric Company Fuel injection assembly for gas turbine engine combustor
JP2001041454A (ja) * 1999-07-27 2001-02-13 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 非発兼用燃料噴射ノズル
JP2002038970A (ja) 2000-07-25 2002-02-06 Hitachi Ltd ガスタービン燃焼器
US6523350B1 (en) * 2001-10-09 2003-02-25 General Electric Company Fuel injector fuel conduits with multiple laminated fuel strips
JP2003279042A (ja) * 2002-03-22 2003-10-02 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd ガスタービンのガス混合機構
US6715295B2 (en) * 2002-05-22 2004-04-06 Siemens Westinghouse Power Corporation Gas turbine pilot burner water injection and method of operation
JP2007285122A (ja) * 2006-04-12 2007-11-01 Central Res Inst Of Electric Power Ind ガスタービンエンジン
WO2008097320A2 (en) * 2006-06-01 2008-08-14 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Premixing injector for gas turbine engines
US8701416B2 (en) * 2006-06-26 2014-04-22 Joseph Michael Teets Radially staged RQL combustor with tangential fuel-air premixers
EP1990578A1 (de) 2007-05-08 2008-11-12 ALSTOM Technology Ltd Gasturbine mit Wassereinspritzung
US8671658B2 (en) * 2007-10-23 2014-03-18 Ener-Core Power, Inc. Oxidizing fuel
US20100175386A1 (en) * 2009-01-09 2010-07-15 General Electric Company Premixed partial oxidation syngas generation and gas turbine system
JP4756078B2 (ja) * 2009-03-13 2011-08-24 川崎重工業株式会社 ガスタービン燃焼器
US8333075B2 (en) * 2009-04-16 2012-12-18 General Electric Company Gas turbine premixer with internal cooling
US8607569B2 (en) * 2009-07-01 2013-12-17 General Electric Company Methods and systems to thermally protect fuel nozzles in combustion systems
US8474265B2 (en) * 2009-07-29 2013-07-02 General Electric Company Fuel nozzle for a turbine combustor, and methods of forming same
US8984886B2 (en) * 2010-02-12 2015-03-24 General Electric Company Systems and methods of operating a catalytic reforming assembly for use with a gas turbine engine system
JP5325819B2 (ja) * 2010-03-17 2013-10-23 株式会社日立製作所 液体燃料焚きガスタービン
US8691182B2 (en) * 2010-05-27 2014-04-08 Shawn Grannell Ammonia flame cracker system, method and apparatus
JP2012159212A (ja) * 2011-01-31 2012-08-23 Hitachi Ltd 高湿分空気利用ガスタービンシステムの加湿構造
US8899494B2 (en) * 2011-03-31 2014-12-02 General Electric Company Bi-directional fuel injection method
EP2520858A1 (en) * 2011-05-03 2012-11-07 Siemens Aktiengesellschaft Fuel cooled pilot fuel lance for a gas turbine
US8973366B2 (en) * 2011-10-24 2015-03-10 General Electric Company Integrated fuel and water mixing assembly for use in conjunction with a combustor
JP5816522B2 (ja) * 2011-11-02 2015-11-18 川崎重工業株式会社 ガスタービンシステム
US20130192237A1 (en) * 2012-01-31 2013-08-01 Solar Turbines Inc. Fuel injector system with fluidic oscillator
JP6327826B2 (ja) 2013-10-11 2018-05-23 川崎重工業株式会社 ガスタービンの燃料噴射装置
JP6395363B2 (ja) * 2013-10-11 2018-09-26 川崎重工業株式会社 ガスタービンの燃料噴射装置
US20150321155A1 (en) * 2014-05-12 2015-11-12 General Electric Company Fuel delivery system and method of operating a power generation system
US10378448B2 (en) * 2014-06-03 2019-08-13 Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd. Method for purging fuel channel, purging device for executing said method, and gas turbine installation provided with said device
JP6317631B2 (ja) * 2014-06-12 2018-04-25 三菱日立パワーシステムズ株式会社 噴霧ノズル、噴霧ノズルを備えた燃焼装置、及びガスタービンプラント
JP6463947B2 (ja) * 2014-11-05 2019-02-06 川崎重工業株式会社 バーナ、燃焼器、及びガスタービン
US9939155B2 (en) * 2015-01-26 2018-04-10 Delavan Inc. Flexible swirlers
US9765972B2 (en) * 2015-01-30 2017-09-19 Delavan Inc. Fuel injectors for gas turbine engines
US10215414B2 (en) * 2015-04-22 2019-02-26 General Electric Company System and method having fuel nozzle

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