JP6871214B2 - タービン設備及び燃焼器ノズル - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タービン設備及び燃焼器ノズルに関する。

タービン設備は、燃料及び酸化剤を燃焼器に供給するノズルを有する。ノズルは、例えば、筒状の複数の壁を有し、当該複数の壁により、燃料が流れる流路や、酸化剤が流れる流路が形成される。また、流路に、旋回流を生じさせるスワラーが設けられることがある。

特開２０１２−１４５０７７号公報

各流路の温度が互いに異なると、複数の壁に熱膨張の差が生じる。例えば、スワラーが流路を形成する二つの壁に接続されると、熱膨張の差によって、スワラーに熱応力が生じる虞がある。スワラーを一方の壁から離間させることで熱応力が抑制されるが、スワラーによる旋回流の発生効率が低下する。

一つの実施形態に係るタービン設備は、ノズルと、燃焼器と、を備える。前記ノズルは、軸方向に延びる第１の流路と、前記軸方向と直交する径方向において前記第１の流路の外側に設けられた第２の流路と、前記径方向において前記第２の流路の外側に設けられた第３の流路と、前記径方向において前記第３の流路の外側に設けられた第４の流路と、前記第２の流路及び前記第４の流路に連通される第５の流路と、が設けられ、前記第１の流路と前記第２の流路とを隔てる第１の壁と、前記第２の流路と前記第３の流路とを隔てる第２の壁と、前記第３の流路と前記第４の流路とを隔てる第３の壁と、前記第２の壁及び前記第３の壁のうち少なくとも一方に接続されるとともに前記第３の流路に配置されたスワラーと、を有し、前記第１の壁、前記第２の壁、前記第３の壁、及びスワラーが一体に作られる。前記燃焼器は、燃料と酸化剤とを燃焼させる。前記ノズルは、前記第１の流路を流れる前記燃料を前記燃焼器に供給し、前記第３の流路を流れるとともに前記燃料より高温の前記酸化剤を前記燃焼器に供給し、前記第４の流路を流れるとともに前記燃料より高温の流体を、前記燃焼器に供給するとともに、前記第５の流路を通じて前記第２の流路に供給する。

図１は、第１の実施形態に係るタービン設備を概略的に示す例示的な系統図である。 図２は、第１の実施形態の燃焼器ノズル及び燃焼器を模式的に示す例示的な断面図である。 図３は、第１の実施形態の燃焼器ノズルを図２のＦ３−Ｆ３線に沿って模式的に示す例示的な断面図である。 図４は、第１の実施形態のノズル部材の一部を模式的に示す例示的な断面図である。 図５は、第２の実施形態に係るノズル部材の一部を模式的に示す例示的な断面図である。

（第１の実施形態）
以下に、第１の実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、本明細書において、実施形態に係る構成要素及び当該要素の説明が、複数の表現で記載されることがある。構成要素及びその説明は、本明細書の表現によって限定されない。構成要素は、本明細書におけるものとは異なる名称で特定され得る。また、構成要素は、本明細書の表現とは異なる表現によって説明され得る。

図１は、第１の実施形態に係るタービン設備１０を概略的に示す例示的な系統図である。本実施形態のタービン設備１０は、例えば発電プラントに設けられ、ＣＯ_２タービンを用いる。なお、タービン設備１０は、他のタービンを用いても良い。

図１に示すように、タービン設備１０は、燃焼器ノズル１１と、燃焼器１２と、タービン１３と、発電機１４と、第１の熱交換器２１と、第２の熱交換器２２と、湿分分離器２３と、圧縮機２４と、酸化剤供給源２５と、燃料供給源２６とを有する。燃焼器ノズル１１は、例えば、燃料噴射ノズルとも称され得る。

燃焼器ノズル１１は、燃焼器１２に接続され、酸化剤Ｆｏ、燃料Ｆｆ、及び作動流体Ｆｗを燃焼器１２に供給する。酸化剤Ｆｏは、例えば超臨界の酸素である。燃料Ｆｆは、例えば、天然ガス及び二酸化炭素を含む超臨界の混合気である。作動流体Ｆｗは、例えば超臨界の二酸化炭素である。なお、酸化剤Ｆｏ、燃料Ｆｆ、及び作動流体Ｆｗは、上記の例に限定されず、他の流体であっても良い。例えば、燃料Ｆｆは、メタンのような他の炭化水素や、石炭ガス化ガスであっても良い。

燃焼器１２は、燃焼器ノズル１１により供給された酸化剤Ｆｏ及び燃料Ｆｆを燃焼させる。酸化剤Ｆｏ及び燃料Ｆｆの流量は、例えば、それぞれが完全に混合した状態において量論混合比（理論混合比）となるように調整されている。

燃焼器１２は、燃焼ガスＦｃを排出する。燃焼ガスＦｃは、燃焼によって生成された二酸化炭素及び水蒸気と、作動流体Ｆｗである二酸化炭素と、を含む。燃焼ガスＦｃは、タービン１３に導入され、タービン１３を回転させる。発電機１４は、タービン１３に接続され、タービン１３の回転により発電する。

タービン１３において膨張仕事をした燃焼ガスＦｃは、第１の熱交換器２１及び第２の熱交換器２２を通る。第２の熱交換器２２において、燃焼ガスＦｃに含まれる水蒸気が凝集して水となる。水は、湿分分離器２３により燃焼ガスＦｃから分離され、配管２８を通って外部に排出される。

湿分分離器２３を通過した燃焼ガスＦｃは、圧縮機２４で昇圧され、超臨界の作動流体Ｆｗとなる。すなわち、作動流体Ｆｗは、燃焼器１２から排出され、ドライにされた燃焼ガスＦｃを含む。圧縮機２４の出口において、作動流体Ｆｗの圧力は、例えば、約３０ＭＰａである。なお、作動流体Ｆｗの圧力は、この例に限られない。本実施形態では、作動流体Ｆｗは、７．３８ＭＰａより高い圧力を有し、超臨界流体にされる。

圧縮機２４で昇圧された作動流体Ｆｗの一部は、第１の熱交換器２１において加熱され、燃焼器ノズル１１に供給される。燃焼器ノズル１１は、当該作動流体Ｆｗを、燃焼器１２に供給する。燃焼器ノズル１１に供給される作動流体Ｆｗの温度は、例えば、約６７０℃である。なお、作動流体Ｆｗの温度は、この例に限られない。本実施形態では、作動流体Ｆｗは、３１．１℃より高い温度を有し、超臨界流体にされる。

圧縮機２４で昇圧された作動流体Ｆｗの残りは、配管２９を通って外部に排出される。外部に排出された作動流体Ｆｗは、例えば、回収装置に回収される。また、外部に排出された作動流体Ｆｗ（二酸化炭素）は、例えば、石油採掘現場で用いられているＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｏｉｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）に利用することができる。本実施形態では、例えば、外部に排出される二酸化炭素の量は、燃焼器１２における燃焼で生成された二酸化炭素の生成量に略等しい。

酸化剤供給源２５は、例えば、空気分離機と圧縮機とを有する。酸化剤供給源２５は、空気分離機により空気から分離した酸素（酸化剤Ｆｏ）を、圧縮機により昇圧する。酸化剤供給源２５は、昇圧により超臨界流体となった酸化剤Ｆｏを、燃焼器ノズル１１に供給する。燃焼器ノズル１１に供給される酸化剤Ｆｏの温度は、例えば、約６７０℃である。なお、酸化剤Ｆｏの温度は、この例に限られない。

燃料供給源２６は、例えば、タンクと、バルブと、圧縮機とを有する。圧縮機は、バルブを介してタンクから供給された燃料Ｆｆを昇圧する。燃料供給源２６は、昇圧により超臨界流体となった燃料Ｆｆを、燃焼器ノズル１１に供給する。燃焼器ノズル１１に供給される燃料Ｆｆの温度は、例えば、約４００℃である。なお、燃料Ｆｆの温度は、この例に限られない。

図２は、第１の実施形態の燃焼器ノズル１１及び燃焼器１２を模式的に示す例示的な断面図である。図２に示すように、燃焼器ノズル１１は、ノズル部材４０を有する。ノズル部材４０は、ノズルの一例である。燃焼器ノズル１１は、他の部品をさらに有しても良い。

ノズル部材４０は、第１の壁４１と、第２の壁４２と、第３の壁４３と、凸壁４４と、外壁４５と、端壁４６と、接続部５１と、中間層５２と、複数のスワラー（旋回羽根）５３と、酸化剤供給管５４と、流体供給管５５と、を有する。接続部５１は、例えば、壁とも称され得る。

ノズル部材４０は、例えば、３Ｄプリンタにより積層造形される。このため、第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、凸壁４４、外壁４５、端壁４６、接続部５１、中間層５２、スワラー５３、酸化剤供給管５４、及び流体供給管５５は、一体に作られる。なお、ノズル部材４０は、この例に限られない。

例えば、複数の部材が互いに溶接されることで、第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、凸壁４４、外壁４５、端壁４６、接続部５１、中間層５２、スワラー５３、酸化剤供給管５４、及び流体供給管５５が一体に作られても良い。第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、凸壁４４、外壁４５、端壁４６、接続部５１、中間層５２、スワラー５３、酸化剤供給管５４、及び流体供給管５５は、互いに異なる材料により作られても良いが、互いに連続する。

第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、及び外壁４５はそれぞれ、中心軸Ａｘに沿って延びる略円筒状に形成される。すなわち、第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、及び外壁４５は、同心に配置される。

以下、中心軸Ａｘに沿う方向を軸方向、中心軸Ａｘと直交する方向を径方向、中心軸Ａｘまわりに回転する方向を周方向と称する。すなわち、径方向は、軸方向と直交する。さらに、軸方向のうち一方向を、噴射方向Ｄと称する。図２において、軸方向は左右方向であり、噴射方向Ｄは右方向である。

第２の壁４２は、径方向において第１の壁４１の外側に位置し、間隔を介して第１の壁４１を囲む。第３の壁４３は、径方向において第２の壁４２の外側に位置し、間隔を介して第２の壁４２を囲む。また、第３の壁４３の直径は、噴射方向Ｄに向かうにつれて略段階的に縮小する。

第１の壁４１、第２の壁４２、及び第３の壁４３の噴射方向Ｄにおける端は、軸方向において略同一位置に配置される。第１の壁４１、第２の壁４２、及び第３の壁４３の噴射方向Ｄにおける端は、噴射方向Ｄに向くノズル部材４０の端面４０ａを形成する。なお、ノズル部材４０は、ノズルスカート４０ｂのように、端面４０ａよりも噴射方向Ｄに張り出した部分を有しても良い。

凸壁４４は、周部４４ａと、二つの端部４４ｂと、を有する。周部４４ａは、中心軸Ａｘに沿って延びる略円筒状に形成される。すなわち、周部４４ａは、第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、及び外壁４５と、同心に配置される。周部４４ａは、径方向において第３の壁４３の外側に位置し、間隔を介して第３の壁４３を囲む。軸方向において、周部４４ａは、第３の壁４３よりも短い。端部４４ｂは、軸方向における周部４４ａの両端と、第３の壁４３と、に接続される。

外壁４５は、径方向において第３の壁４３及び凸壁４４の外側に位置し、間隔を介して第３の壁４３及び凸壁４４を囲む。端面４０ａは、外壁４５の噴射方向Ｄにおける端から噴射方向Ｄに離間する。外壁４５の噴射方向Ｄにおける端は、燃焼器１２に接続される。例えば、外壁４５は、燃焼器１２のケーシング１２ａに接続される。外壁４５は、燃焼器ライナに接続されても良い。

端壁４６は、径方向に広がる略円盤状に形成される。第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、及び外壁４５は、端壁４６から噴射方向Ｄに延びる。凸壁４４は、端壁４６から噴射方向Ｄに離間する。端壁４６は、第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、及び凸壁４４のそれぞれよりも厚い。

接続部５１は、第２の壁４２、第３の壁４３、及び端壁４６に接続される。本実施形態において、接続部５１は、多孔質５１ａと、隔壁５１ｂとを有する。なお、接続部５１は、例えば、多孔質５１ａを有さず、第２の壁４２及び第３の壁４３に接続される管であっても良い。

多孔質５１ａは、流体が通過可能な流路、孔、又は空間を形成する多孔性の部分である。本実施形態では、多孔質５１ａは、ジャイロイドの周期極小曲面に沿う壁である。なお、多孔質５１ａは、この例に限らず、例えば、ラティス構造、略平行に延びる孔が設けられた部分、又はスポンジ状の部分であっても良い。隔壁５１ｂは、径方向に広がる略円盤状に形成され、多孔質５１ａに接続される。多孔質５１ａは、端壁４６と隔壁５１ｂとの間に位置する。

中間層５２は、第１の壁４１と第２の壁４２との間に位置し、第１の壁４１及び第２の壁４２に接続される。中間層５２は、端壁４６から端面４０ａまで設けられる。なお、中間層５２は、端壁４６と端面４０ａとの間の一部に設けられても良い。

中間層５２は、流体が通過可能な流路、孔、又は空間を形成する多孔性の部分である。本実施形態では、中間層５２は、略平行に延びるとともに格子状に組み合わされた複数の延部を有するラティス構造である。なお、中間層５２は、この例に限らず、例えば、ジャイロイドの周期極小曲面に沿う壁、略平行に延びる孔が設けられた部分、又はスポンジ状の部分であっても良い。

スワラー５３は、第２の壁４２と第３の壁４３との間に位置し、第２の壁４２及び第３の壁４３のうち少なくとも一方に接続される。本実施形態では、スワラー５３は、第２の壁４２及び第３の壁４３の両方に接続される。

複数のスワラー５３は、周方向に間隔を介して配置される。スワラー５３は、軸方向に向かうに従って周方向に捩れる螺旋状に形成される。スワラー５３は、端壁４６から噴射方向Ｄに離間する。軸方向において、中間層５２の長さは、スワラー５３の長さよりも長い。

図３は、第１の実施形態の燃焼器ノズル１１を図２のＦ３−Ｆ３線に沿って模式的に示す例示的な断面図である。図３に示すように、酸化剤供給管５４は、外壁４５を貫通し、凸壁４４の周部４４ａに接続される。流体供給管５５は、外壁４５に接続される。

図２に示すように、ノズル部材４０に、第１の流路６１と、第２の流路６２と、第３の流路６３と、第４の流路６４と、第５の流路６５と、第６の流路６６と、拡散室６７と、複数の孔６８と、が設けられる。

第１の流路６１は、第１の壁４１により形成され、略円形の断面を有し、軸方向に延びる。燃料出口６１ａが、第１の流路６１の一方の端に連通され、端面４０ａで開口する。さらに、燃料入口６１ｂが、第１の流路６１の他方の端に連通され、端壁４６で開口する。燃料入口６１ｂは、図１の燃料供給源２６に接続される。

第２の流路６２は、第１の壁４１と第２の壁４２との間に設けられ、略円環状の断面を有し、軸方向に延びる。このため、第２の流路６２は、径方向において第１の流路６１の外側に設けられる。第１の壁４１が、第１の流路６１と第２の流路６２とを隔てる。

第２の流路６２は、第１の壁４１、第２の壁４２、及び中間層５２によって形成される。なお、第２の流路６２は、第１の壁４１及び第２の壁４２によって形成されるとともに中間層５２が設けられない部分を有しても良い。流体出口６２ａが、第２の流路６２の一方の端に連通され、端面４０ａで開口する。流体出口６２ａは、第２の流体出口の一例である。

第３の流路６３は、第２の壁４２と第３の壁４３との間に設けられ、略円環状の断面を有し、軸方向に延びる。このため、第３の流路６３は、径方向において第２の流路６２の外側に設けられる。第２の壁４２が、第２の流路６２と第３の流路６３とを隔てる。

第３の流路６３の断面積は、噴射方向Ｄに向かうにつれて略段階的に縮小する。スワラー５３は、第３の流路６３に配置される。酸化剤出口６３ａが、第３の流路６３の一方の端に連通され、端面４０ａで開口する。

第４の流路６４は、第３の壁４３及び凸壁４４と、外壁４５と、の間に設けられ、略円環状の断面を有し、軸方向に延びる。このため、第４の流路６４は、径方向において第３の流路６３の外側に設けられる。第３の壁４３が、第３の流路６３と第４の流路６４とを隔てる。第４の流路６４の断面積は、第２の流路６２の断面積よりも大きい。

流体出口６４ａが、第４の流路６４の一方の端に連通され、外壁４５の噴射方向Ｄにおける端で開口する。流体出口６４ａは、第１の流体出口の一例である。さらに、流体入口６４ｂが、第４の流路６４に連通される。流体入口６４ｂは、流体供給管５５を介して、図１の第１の熱交換器２１に接続される。

第５の流路６５は、接続部５１の多孔質５１ａにより形成される。第５の流路６５は、第２の流路６２及び第４の流路６４に連通される。また、第５の流路６５は、隔壁５１ｂによって第３の流路６３から隔てられる。流体入口６４ｂは、軸方向において、第５の流路６５と流体出口６４ａとの間に位置する。

第６の流路６６は、スワラー５３の内部に設けられる。すなわち、本実施形態のスワラー５３は中空である。第６の流路６６は、第２の流路６２及び第４の流路６４に連通される。第６の流路６６は、第５の流路６５から噴射方向Ｄに離間する。スワラー５３が、第６の流路６６と第３の流路６３とを隔てる。

拡散室６７は、第３の壁４３と凸壁４４との間に設けられ、略円環状の断面を有し、軸方向に延びる空間である。このため、拡散室６７は、径方向において第３の流路６３の外側に設けられる。凸壁４４が、拡散室６７と第４の流路６４との間を隔てる。酸化剤入口６７ａが、拡散室６７に連通する。酸化剤入口６７ａは、酸化剤供給管５４を介して、図１の酸化剤供給源２５に接続される。

複数の孔６８は、第３の壁４３に設けられ、周方向及び軸方向に並べられる。図３に示すように、孔６８は、酸化剤入口６７ａに面する部分から外れた位置で、第３の壁４３に設けられる。孔６８は、第３の流路６３及び拡散室６７に連通される。孔６８が設けられた第３の壁４３の一部は、ストレイナ（分散板）Ｓを形成する。図２に示すように、スワラー５３は、軸方向において、孔６８と酸化剤出口６３ａとの間に位置する。

燃料Ｆｆは、燃料入口６１ｂから第１の流路６１に供給される。燃料Ｆｆは、第１の流路６１を流れ、燃料出口６１ａから燃焼器１２の内部に噴射される。これにより、ノズル部材４０の燃料出口６１ａは、燃料Ｆｆを燃焼器１２に供給する。

図３に示すように、酸化剤入口６７ａは、酸化剤供給管５４を流れる酸化剤Ｆｏを、拡散室６７に供給する。酸化剤Ｆｏは、第３の壁４３に衝突し、拡散室６７で拡散する。拡散室６７を流れる酸化剤Ｆｏは、複数の孔６８を通って、第３の流路６３に供給される。ストレイナＳは、複数の孔６８により酸化剤Ｆｏの流量を均一化し、酸化剤Ｆｏ及び燃料Ｆｆの燃焼効率を向上させる。

図４は、第１の実施形態のノズル部材４０の一部を模式的に示す例示的な断面図である。図４に示すように、酸化剤Ｆｏは、第３の流路６３を流れ、スワラー５３によって中心軸Ａｘまわりに旋回する旋回流になる。スワラー５３は、酸化剤Ｆｏを旋回流にすることで、酸化剤Ｆｏ及び燃料Ｆｆの燃焼効率を向上させる。さらに、第３の流路６３の断面積の縮小により、酸化剤Ｆｏの流速が増加する。図２に示すように、酸化剤Ｆｏは、酸化剤出口６３ａから燃焼器１２の内部に噴射される。これにより、ノズル部材４０の酸化剤出口６３ａは、酸化剤Ｆｏを燃焼器１２に供給する。

図３に示すように、流体入口６４ｂは、流体供給管５５を流れる作動流体Ｆｗを、第４の流路６４に供給する。図２に示すように、作動流体Ｆｗの一部は、第４の流路６４を流れ、流体出口６４ａから燃焼器１２の内部に噴射される。これにより、ノズル部材４０の流体出口６４ａは、作動流体Ｆｗを燃焼器１２に供給する。

図４に示すように、ノズル部材４０は、作動流体Ｆｗの他の一部を、第５の流路６５を通じて第２の流路６２に供給する。図２に示すように、作動流体Ｆｗは、第２の流路６２を流れ、流体出口６２ａから燃焼器１２の内部に噴射される。これにより、ノズル部材４０の流体出口６２ａは、作動流体Ｆｗを燃焼器１２に供給する。図４に示すように、第２の流路６２を流れる作動流体Ｆｗの一部は、第６の流路６６を通じて第４の流路６４に戻される。

図２に示すように、燃料出口６１ａが燃料Ｆｆを噴射し、酸化剤出口６３ａが燃料出口６１ａの周囲から酸化剤Ｆｏを噴射する。噴射された燃料Ｆｆと酸化剤Ｆｏとが、燃焼器１２で燃焼反応を生じ、燃焼ガスＦｃを生成する。流体出口６２ａから噴射された作動流体Ｆｗは、燃料Ｆｆ、酸化剤Ｆｏ、及び燃焼ガスＦｃに混合される。

流体出口６４ａは、径方向における酸化剤出口６３ａの外側から作動流体Ｆｗを噴射する。作動流体Ｆｗは、例えば、燃焼領域とケーシング１２ａとの間に供給され、ケーシング１２ａが燃焼に曝されることを抑制するとともに、ケーシング１２ａやトランジションピース（尾筒）のような燃焼器ノズル１１以降の部品を冷却する。作動流体Ｆｗは、例えば、燃焼器ライナとケーシング１２ａとの間に供給され、燃焼器ライナを冷却しても良い。この場合、作動流体Ｆｗは、希釈孔から燃焼器ライナ内の燃焼領域の下流側に流入する。

ノズル部材４０において、酸化剤Ｆｏ及び作動流体Ｆｗはそれぞれ、燃料Ｆｆよりも高温である。このため、一体に作られたノズル部材４０において、温度が不均一となり、熱移動が生じる。

例えば、燃料Ｆｆが流れる第１の流路６１に接する第１の壁４１は、第２の壁４２及び第３の壁４３よりも低温になる。第２の流路６２を流れる作動流体Ｆｗは、第１の壁４１との熱伝導により、第４の流路６４を流れる作動流体Ｆｗよりも低温になる。しかし、第２の流路６２を流れる作動流体Ｆｗは、燃料Ｆｆよりも高温であり、超臨界に保たれる。

第２の流路６２に接する第２の壁４２は、第３の壁４３よりも低温になる。しかし、第２の壁４２と第３の壁４３との温度差は、第１の壁４１と第３の壁４３との温度差よりも小さい。

接続部５１は、例えば第２の壁４２と熱伝導する。このため、第５の流路６５を流れる作動流体Ｆｗの温度は、作動流体Ｆｗと接続部５１との熱伝導により低下し、第２の流路６２を流れる作動流体Ｆｗの温度に近づく。

ノズル部材４０における温度の不均一は、熱膨張の不均一を生じる。熱膨張量が異なる部分どうしを接続する部分には、熱応力が生じる虞がある。しかし、例えば、第２の壁４２と第３の壁４３との温度差が小さいため、第２の壁４２及び第３の壁４３に接続されるスワラー５３の熱応力は小さくなる。従って、熱応力によるスワラー５３の損傷は抑制される。

第１の壁４１、第２の壁４２、及び中間層５２は、一つの厚肉壁Ｗを形成する。すなわち、厚肉壁Ｗは、第２の流路６２を形成する中間層５２を内部に有する。厚肉壁Ｗは、第３の壁４３よりも厚く、高い剛性を有する。また、中間層５２と第１の壁４１及び第２の壁４２との接続部分の断面積の合計は、スワラー５３と第２の壁４２及び第３の壁４３との接続部分の断面積の合計よりも大きい。加えて、第２の流路６２を流れる作動流体Ｆｗの温度は、第１の流路６１を流れる燃料Ｆｆの温度より高く、且つ第３の流路６３を流れる酸化剤Ｆｏの温度よりも低い。このため、中間層５２の熱応力は小さくなり、熱応力による中間層５２の損傷が抑制される。

以上説明された第１の実施形態に係るタービン設備１０において、ノズル部材４０の第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、及びスワラー５３は一体に作られる。スワラー５３は、第２の壁４２及び第３の壁４３のうち少なくとも一方に接続されるとともに第３の流路６３に配置される。燃料Ｆｆが、第１の流路６１を流れる。燃料Ｆｆより高温の酸化剤Ｆｏが、第３の流路６３を流れる。燃料Ｆｆより高温の作動流体Ｆｗが、第４の流路６４を流れるとともに、第５の流路６５を介して通じて第２の流路６２に供給される。これにより、第２の壁４２が、高温の作動流体Ｆｗが供給される第２の流路６２と、高温の酸化剤Ｆｏが流れる第３の流路６３と、の間に配置される。また、第３の壁４３が、高温の酸化剤Ｆｏが流れる第３の流路６３と、高温の作動流体Ｆｗが流れる第４の流路６４と、の間に配置される。これにより、第２の壁４２と第３の壁４３との熱膨張の差が低減される。

スワラー５３が第２の壁４２及び第３の壁４３に接続されると、第２の壁４２と第３の壁４３との熱膨張の差によりスワラー５３に熱応力が生じることがある。しかし、上述の熱膨張差の低減により、スワラー５３に生じる熱応力が低減される。従って、スワラー５３を第２の壁４２及び第３の壁４３に接続することができ、スワラー５３による旋回流の発生効率が低下することが抑制される。

第２の流路６２が第１の流路６１と第３の流路６３との間に設けられることで、ノズル部材４０における温度勾配が緩やかになり、ノズル部材４０が均熱化される。このため、スワラー５３に限らず、ノズル部材４０に生じる熱応力が低減される。

スワラー５３が、第２の壁４２及び第３の壁４３に接続される。これにより、酸化剤Ｆｏが、スワラー５３と、第２の壁４２又は第３の壁４３との間の隙間を通過することが抑制される。従って、スワラー５３による旋回流の発生効率が低下することが抑制される。

第６の流路６６は、スワラー５３の内部に設けられるとともに、第２の流路６２及び第４の流路６４に連通される。このため、第２の流路６２に供給された作動流体Ｆｗは、第６の流路６６を通って第４の流路６４に戻ることができる。従って、第４の流路６４から燃焼器１２に供給される作動流体Ｆｗの流量が低減することが抑制される。

接続部５１が、第２の壁４２及び第３の壁４３に接続されるとともに、第５の流路６５の少なくとも一部を形成する。接続部５１と、第２の流路６２を流れる作動流体Ｆｗに接する第２の壁４２とは、互いに熱伝導を行う。このため、第５の流路６５を流れる作動流体Ｆｗの温度は、接続部５１を介した熱伝導により、第２の流路６２を流れる作動流体Ｆｗの温度に近づく。接続部５１は多孔性であるため表面積が大きく、第５の流路６５を流れる作動流体Ｆｗと、第２の流路６２を流れる作動流体Ｆｗとが、熱伝導しやすい。これにより、ノズル部材４０における温度勾配が緩やかになり、温度差によってノズル部材４０に熱応力が生じることが抑制される。

多孔性の中間層５２が、第１の壁４１及び第２の壁４２に接続されるとともに、第２の流路６２の少なくとも一部を形成する。軸方向において、中間層５２の長さは、スワラー５３の長さよりも長い。これにより、中間層５２が設けられた区間において、第１の壁４１、第２の壁４２、及び中間層５２が一体の厚肉壁Ｗとなる。従って、ノズル部材４０の剛性が向上するとともに、中間層５２が熱応力により損傷することが抑制される。また、多孔性の中間層５２により、第２の流路６２を流れる作動流体Ｆｗは、第１の壁４１を介して燃料Ｆｆと熱伝導しやすくなるとともに、第２の壁４２を介して酸化剤Ｆｏと熱伝導しやすくなる。これにより、ノズル部材４０における温度勾配が緩やかになり、温度差によってノズル部材４０に熱応力が生じることが抑制される。

流体入口６４ｂは、軸方向において、第５の流路６５と流体出口６４ａとの間に位置する。すなわち、第５の流路６５は、流体入口６４ｂよりも上流側で、第２の流路６２に作動流体Ｆｗを供給する。第５の流路６５を流れる作動流体Ｆｗは、流体出口６２ａから燃焼器１２に供給される。これにより、第２の流路６２が第１の流路６１の上流から下流まで、当該第１の流路６１に沿って設けられる。従って、第１の壁４１と第２の壁４２との間でより長い区間に第２の流路６２を設けることができ、第２の壁４２と第３の壁４３との熱膨張の差が低減される。

作動流体Ｆｗは、燃焼器１２から排出される燃焼ガスＦｃを有する。このため、タービン設備１０は、燃焼器１２における燃焼に伴って発生する燃焼ガスＦｃを、作動流体Ｆｗとして再利用することができる。

（第２の実施形態）
以下に、第２の実施形態について、図５を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明において、既に説明された構成要素と同様の機能を持つ構成要素は、当該既述の構成要素と同じ符号が付され、さらに説明が省略される場合がある。また、同じ符号が付された複数の構成要素は、全ての機能及び性質が共通するとは限らず、各実施形態に応じた異なる機能及び性質を有していても良い。

図５は、第２の実施形態に係るノズル部材４０の一部を模式的に示す例示的な断面図である。図５は、図２のＦ５−Ｆ５線の位置におけるノズル部材４０の断面を示すとともに、外壁４５を省略する。

図５に示すように、第２の実施形態のノズル部材４０は、スワラー５３の代わりに、複数の第１のスワラー７１、複数の第２のスワラー７２、複数の第３のスワラー７３、複数の第４のスワラー７４を有する。

第１のスワラー７１、第２のスワラー７２、第３のスワラー７３、及び第４のスワラー７４はそれぞれ、スワラーの一例である。第１のスワラー７１、第２のスワラー７２、第３のスワラー７３、及び第４のスワラー７４は、第１の壁４１、第２の壁４２、第３の壁４３、凸壁４４、外壁４５、端壁４６、接続部５１、中間層５２、酸化剤供給管５４、及び流体供給管５５と一体に作られる。

第１のスワラー７１、第２のスワラー７２、第３のスワラー７３、及び第４のスワラー７４はそれぞれ、第２の壁４２と第３の壁４３との間に位置し、軸方向に向かうに従って周方向に捩れる螺旋状に形成される。第１のスワラー７１、第２のスワラー７２、第３のスワラー７３、及び第４のスワラー７４は、端壁４６から噴射方向Ｄに離間する。軸方向において、中間層５２の長さは、第１のスワラー７１、第２のスワラー７２、第３のスワラー７３、及び第４のスワラー７４のそれぞれの長さよりも長い。

第１のスワラー７１及び第２のスワラー７２は、第２の壁４２に接続され、第３の壁４３から僅かな隙間Ｇを介して離間する。第１のスワラー７１及び第２のスワラー７２は、周方向に間隔を介して交互に配置される。

第３のスワラー７３及び第４のスワラー７４は、第３の壁４３に接続され、第２の壁４２から僅かな隙間Ｇを介して離間する。第３のスワラー７３及び第４のスワラー７４は、周方向に間隔を介して交互に配置される。

第１のスワラー７１と第４のスワラー７４とは、周方向に僅かな隙間を介して隣接する。第１のスワラー７１と第４のスワラー７４との間の距離は、第１のスワラー７１と第２のスワラー７２との間の距離よりも短い。また、第１のスワラー７１と第４のスワラー７４との間の距離は、第１のスワラー７１と第３のスワラー７３との間の距離よりも短い。

第２のスワラー７２と第３のスワラー７３とは、周方向に僅かな隙間を介して隣接する。第３のスワラー７３と第２のスワラー７２との間の距離は、第３のスワラー７３と第４のスワラー７４との間の距離よりも短い。また、第３のスワラー７３と第２のスワラー７２との間の距離は、第３のスワラー７３と第１のスワラー７１との間の距離よりも短い。

第３の壁４３の内周面４３ａに、複数の第１の凹部７６が設けられる。第１の凹部７６は、凹部の一例である。内周面４３ａは、径方向の内側に向く第３の壁４３の表面であり、第３の流路６３の一部を形成する。

第１の凹部７６にそれぞれ、対応する第１のスワラー７１の一部が収容される。第１の凹部７６は、対応する第１のスワラー７１に応じて、周方向に間隔を介して配置され、軸方向に向かうに従って周方向に捩れる螺旋状に形成される。

第３の壁４３は、第１の凹部７６を形成する第１の凹面７６ａを有する。第１の凹面７６ａは、僅かな隙間Ｇを介して第１のスワラー７１に面する。第１の凹面７６ａと第１のスワラー７１との間の距離は、第４のスワラー７４と第１のスワラー７１との間の距離に略等しい。

第２の壁４２の外周面４２ａに、複数の第２の凹部７７が設けられる。第２の凹部７７は、凹部の一例である。外周面４２ａは、径方向の外側に向く第２の壁４２の表面であり、第３の流路６３の一部を形成する。

第２の凹部７７にそれぞれ、対応する第３のスワラー７３の一部が収容される。第２の凹部７７は、対応する第３のスワラー７３に応じて、周方向に間隔を介して配置され、軸方向に向かうに従って周方向に捩れる螺旋状に形成される。

第２の壁４２は、第２の凹部７７を形成する第２の凹面７７ａを有する。第２の凹面７７ａは、僅かな隙間Ｇを介して第３のスワラー７３に面する。第２の凹面７７ａと第３のスワラー７３との間の距離は、第２のスワラー７２と第３のスワラー７３との間の距離に略等しい。

第１のスワラー７１と第１の凹面７６ａとの間の隙間Ｇ、第１のスワラー７１と第４のスワラー７４との間の隙間、及び第４のスワラー７４と第２の壁４２との間の隙間Ｇは、ラビリンスシールのように酸化剤Ｆｏの通過を抑制する。また、第３のスワラー７３と第２の凹面７７ａとの間の隙間Ｇ、第２のスワラー７２と第３のスワラー７３との間の隙間、及び第２のスワラー７２と第３の壁４３との間の隙間Ｇは、ラビリンスシールのように酸化剤Ｆｏの通過を抑制する。

以上説明された第２の実施形態のタービン設備１０において、第１のスワラー７１が第２の壁４２に接続され、第３の壁４３から離間する。第１の実施形態と同じく熱膨張差が低減されることにより、第１のスワラー７１と、第３の壁４３と、の間の距離が熱膨張により変化することが抑制される。このため、第１のスワラー７１と第３の壁４３との間の隙間を低減させても、第１のスワラー７１が第３の壁４３に干渉したり、第１のスワラー７１が第３の壁４３からさらに離間したりすることが抑制される。従って、第１のスワラー７１と第３の壁４３との間の隙間を通過する酸化剤Ｆｏの量を低減でき、第１のスワラー７１による旋回流の発生効率が低下することが抑制される。

第１のスワラー７１は、第２の壁４２に接続され、第３の壁４３から隙間Ｇを介して離間する。第３の壁４３は、第１の凹部７６を形成する第１の凹面７６ａを有する。第１の凹面７６ａは、隙間Ｇを介して第１のスワラー７１に面する。これにより、第１のスワラー７１と第３の壁４３との間の隙間Ｇを通過する酸化剤Ｆｏの量を低減でき、第１のスワラー７１による旋回流の発生効率が低下することが抑制される。

第４のスワラー７４は、第１のスワラー７１に隙間を介して隣接する。これにより、第１のスワラー７１と第３の壁４３との間の隙間Ｇ、第１のスワラー７１と第４のスワラー７４との間の隙間、及び第４のスワラー７４と第２の壁４２との間の隙間Ｇを通過する酸化剤Ｆｏの量を低減でき、第１のスワラー７１による旋回流の発生効率が低下することが抑制される。

以上説明された少なくとも一つの実施形態によれば、ノズルの第１の壁、第２の壁、第３の壁、及びスワラーは一体に作られる。スワラーは、第２の壁及び第３の壁のうち少なくとも一方に接続されるとともに第３の流路に配置される。燃料が、第１の流路を流れる。燃料より高温の酸化剤が、第３の流路を流れる。燃料より高温の流体が、第４の流路を流れるとともに、第５の流路を介して通じて第２の流路に供給される。これにより、第２の壁が、高温の流体が供給される第２の流路と、高温の酸化剤が流れる第３の流路と、の間に配置される。また、第３の壁が、高温の酸化剤が流れる第３の流路と、高温の流体が流れる第４の流路と、の間に配置される。これにより、第２の壁と第３の壁との熱膨張の差が低減される。

スワラーが第２の壁及び第３の壁のうち一方の壁に接続された場合、上述の熱膨張差の低減により、スワラーと、第２の壁及び第３の壁のうち他方の壁と、の間の距離が熱膨張により変化することが抑制される。このため、スワラーと他方の壁との間の隙間を低減させても、スワラーが他方の壁に干渉したり、スワラーが他方の壁からさらに離間したりすることが抑制される。従って、スワラーと他方の壁との間の隙間を通過する酸化剤の量を低減でき、スワラーによる旋回流の発生効率が低下することが抑制される。

一方で、スワラーが第２の壁及び第３の壁に接続された場合、第２の壁と第３の壁との熱膨張の差によりスワラーに熱応力が生じることがある。しかし、上述の熱膨張差の低減により、スワラーに生じる熱応力が低減される。従って、スワラーを第２の壁及び第３の壁に接続することができ、スワラーによる旋回流の発生効率が低下することが抑制される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…タービン設備、１１…燃焼器ノズル、１２…燃焼器、４０…ノズル部材、４１…第１の壁、４２…第２の壁、４３…第３の壁、５１…接続部、５２…中間層、５３…スワラー、６１…第１の流路、６２…第２の流路、６２ａ…流体出口、６３…第３の流路、６４…第４の流路、６４ａ…流体出口、６４ｂ…流体入口、６５…第５の流路、６６…第６の流路、７１…第１のスワラー、７２…第２のスワラー、７３…第３のスワラー、７４…第４のスワラー、７６…第１の凹部、７７…第２の凹部、Ｆｏ…酸化剤、Ｆｆ…燃料、Ｆｗ…作動流体、Ｆｃ…燃焼ガス。

Claims (14)

1. 軸方向に延びる第１の流路と、前記軸方向と直交する径方向において前記第１の流路の外側に設けられた第２の流路と、前記径方向において前記第２の流路の外側に設けられた第３の流路と、前記径方向において前記第３の流路の外側に設けられた第４の流路と、前記第２の流路及び前記第４の流路に連通される第５の流路と、が設けられ、前記第１の流路と前記第２の流路とを隔てる第１の壁と、前記第２の流路と前記第３の流路とを隔てる第２の壁と、前記第３の流路と前記第４の流路とを隔てる第３の壁と、前記第２の壁及び前記第３の壁のうち少なくとも一方に接続されるとともに前記第３の流路に配置されたスワラーと、を有し、前記第１の壁、前記第２の壁、前記第３の壁、及び前記スワラーが一体に作られた、ノズルと、
   燃料と酸化剤とを燃焼させる燃焼器と、
   を具備し、
   前記ノズルは、前記第１の流路を流れる前記燃料を前記燃焼器に供給し、前記第３の流路を流れるとともに前記燃料より高温の前記酸化剤を前記燃焼器に供給し、前記第４の流路を流れるとともに前記燃料より高温の流体を、前記燃焼器に供給するとともに、前記第５の流路を通じて前記第２の流路に供給する、
   タービン設備。
2. 前記スワラーが、前記第２の壁及び前記第３の壁に接続された、請求項１のタービン設備。
3. 前記ノズルは、前記スワラーの内部に設けられるとともに前記第２の流路及び前記第４の流路に連通される第６の流路が設けられた、請求項２のタービン設備。
4. 前記スワラーは、前記第２の壁及び前記第３の壁のうち一方の壁に接続され、前記第２の壁及び前記第３の壁のうち他方の壁から隙間を介して離間し、
   前記他方の壁は、凹部を形成する凹面を有し、
   前記凹面が、前記隙間を介して前記スワラーに面する、
   請求項１のタービン設備。
5. 前記ノズルは、前記第２の壁及び前記第３の壁に接続されるとともに、前記第５の流路の少なくとも一部を形成する多孔性の接続部を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか一つのタービン設備。
6. 前記ノズルは、前記第１の壁及び前記第２の壁に接続されるとともに前記第２の流路の少なくとも一部を形成する多孔性の中間層を有し、
   前記軸方向において、前記中間層の長さは、前記スワラーの長さよりも長い、
   請求項１乃至請求項５のいずれか一つのタービン設備。
7. 前記ノズルは、前記第４の流路に連通されて前記流体を供給される流体入口と、前記第４の流路に連通されて前記燃焼器に前記流体を供給する第１の流体出口と、前記第２の流路に連通されて前記燃焼器に前記流体を供給する第２の流体出口と、が設けられ、
   前記流体入口は、前記軸方向において、前記第５の流路と前記第１の流体出口との間に位置する、
   請求項１乃至請求項６のいずれか一つのタービン設備。
8. 前記流体は、前記燃焼器から排出される燃焼ガスを有する、請求項１乃至請求項７のいずれか一つのタービン設備。
9. 軸方向に延びる第１の流路と、前記軸方向と直交する径方向において前記第１の流路の外側に設けられた第２の流路と、前記径方向において前記第２の流路の外側に設けられた第３の流路と、前記径方向において前記第３の流路の外側に設けられた第４の流路と、前記第２の流路及び前記第４の流路に連通される第５の流路と、が設けられ、前記第１の流路と前記第２の流路とを隔てる第１の壁と、前記第２の流路と前記第３の流路とを隔てる第２の壁と、前記第３の流路と前記第４の流路とを隔てる第３の壁と、前記第２の壁及び前記第３の壁のうち少なくとも一方に接続されるとともに前記第３の流路に配置されたスワラーと、を有し、前記第１の壁、前記第２の壁、前記第３の壁、及び前記スワラーが一体に作られた、ノズル、
   を具備する燃焼器ノズル。
10. 前記スワラーが、前記第２の壁及び前記第３の壁に接続された、請求項９の燃焼器ノズル。
11. 前記ノズルは、前記スワラーの内部に設けられるとともに前記第２の流路及び前記第４の流路に連通される第６の流路が設けられた、請求項１０の燃焼器ノズル。
12. 前記スワラーは、前記第２の壁及び前記第３の壁のうち一方の壁に接続され、前記第２の壁及び前記第３の壁のうち他方の壁から隙間を介して離間し、
    前記他方の壁は、凹部を形成する凹面を有し、
    前記凹面が、前記隙間を介して前記スワラーに面する、
    請求項９の燃焼器ノズル。
13. 前記ノズルは、前記第２の壁及び前記第３の壁に接続されるとともに、前記第５の流路の少なくとも一部を形成する多孔性の接続部を有する、請求項９乃至請求項１２のいずれか一つの燃焼器ノズル。
14. 前記ノズルは、前記第１の壁及び前記第２の壁に接続されるとともに前記第２の流路の少なくとも一部を形成する多孔性の中間層を有し、
    前記軸方向において、前記中間層の長さは、前記スワラーの長さよりも長い、
    請求項９乃至請求項１３のいずれか一つの燃焼器ノズル。

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