JP6995696B2 - 燃料噴射装置及びガスタービン - Google Patents

Description

この発明は、燃料噴射装置及びガスタービンに関する。

ガスタービンやボイラー等の燃料噴射装置は、圧縮空気と燃料ガスとを予め混合させた混合気を燃焼器に供給している場合が多い。
特許文献１には、圧縮空気と燃料ガスとを混合した混合気を、円形の基板に規則的に形成された複数の噴出孔から噴出する燃料噴射装置が開示されている。

特開２０１６－０８０２１４号公報

特許文献１に記載されているような燃料噴射装置においては、低ＮＯｘ（窒素酸化物）化する為に、圧縮空気と燃料ガスとを均一に混合することが望まれている。具体的には、圧縮空気と燃料ガスとは、燃料噴射装置の複数の噴出孔に到達するまでに、均一に混合された状態になることが好ましい。
しかしながら、予混合チューブを用いて空気に燃料ガスを噴射して空気と燃料ガスとを混合している場合、空気と燃料ガスとを十分に混合させるためには、予混合チューブの長さを長くする必要がある。予混合チューブが長くなると、部品コストが上昇したり、燃焼安定性が低下して燃焼振動が生じたりする可能性がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、予混合チューブの長さが長くなることを抑制しつつ、空気と燃料ガスとを十分に混合させることが可能な燃料噴射装置及びガスタービンを提供するものである。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明の第一態様によれば、燃料噴射装置は、予混合チューブと、燃料導入部と、下流側プレートと、を備える。予混合チューブは、導入口から内部空間に空気を導入する。予混合チューブは、前記空気と燃料とを混合した混合気を吐出口から吐出する。燃料導入部は、前記内部空間に燃料を導入する。下流側プレートは、前記予混合チューブの前記吐出口側の端部が貫通し、前記予混合チューブの下流側の端部を支持する。前記予混合チューブは、チューブ本体と、案内部と、を備える。チューブ本体には、前記導入口に近い側の上流側端部に内部空間と外部空間とを連通する貫通孔が形成されている。案内部は、前記予混合チューブの軸線を中心とした周方向における前記貫通孔の端部から前記周方向と前記軸線の延びる軸線方向との両方と交差するように延びる。前記案内部は、前記周方向における前記貫通孔の第一端部から、前記導入口の内側で、且つ前記貫通孔の第二端部に近づく側に向かって延びる内側案内部を備え、前記周方向における前記内側案内部の長さは、前記周方向における前記貫通孔の長さよりも短い。
このように構成することで、予混合チューブの内部空間に導入される空気の一部が上流側端部に形成された貫通孔を介して予混合チューブの内部空間に導入される。このとき、空気は、周方向における貫通孔の端部から、周方向および軸線の延びる軸線方向の両方と交差するように延びる案内部によって案内される。この案内部によって案内された空気の流れは、周方向に向かう流れを含む。そのため、予混合チューブの内部空間に導入された空気の流れは、予混合チューブの軸線を中心とした旋回流を含むようになる。そのため、旋回流によって空気と燃料との混合が促進される。
したがって、予混合チューブの長さが長くなることを抑制しつつ、空気と燃料ガスとを十分に混合させることが可能となる。

さらに、内側案内部によって空気を案内させることで、貫通孔を介して内部空間に導入される空気を、周方向における貫通孔の第一端部から第二端部に向かう方向へ旋回させることができる。

この発明の第二態様によれば、燃料噴射装置は、導入口から内部空間に空気を導入し、前記空気と燃料とを混合した混合気を吐出口から吐出する予混合チューブと、前記内部空間に燃料を導入する燃料導入部と、前記予混合チューブの前記吐出口側の端部が貫通、前記予混合チューブの下流側の端部を支持する下流側プレートと、を備え、前記予混合チューブは、前記導入口に近い側の上流側端部に前記内部空間と外部空間とを連通する貫通孔が形成されたチューブ本体と、前記予混合チューブの軸線を中心とした周方向における前記貫通孔の端部から前記周方向と前記軸線の延びる軸線方向との両方と交差するように延びる案内部と、を備え、前記案内部は、前記周方向における前記貫通孔の第二端部から、前記導入口の外側で、且つ前記貫通孔の第一端部に近づく側に向かって延びる外側案内部を備え、前記周方向における前記外側案内部の長さは、前記周方向における前記貫通孔の長さよりも短い。
このように構成された外側案内部によって空気を案内させることで、貫通孔を介して内部空間に導入される空気を、周方向における貫通孔の第一端部から第二端部に向かう方向へ旋回させることができる。

この発明の第三態様によれば、第一又は第二態様に係る案内部及び貫通孔は、前記導入口の周方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。
このように構成することで、空気を複数の貫通孔から内部空間に同時に導入することができる。複数の貫通孔から内部空間に導入される空気は、複数の貫通孔から延びる案内部によって案内されるため、内部空間に導入される空気の旋回流をより一層強めることができる。

この発明の第四態様によれば、第一から第三態様の何れか一つの態様に係る燃料導入部は、ノズルを備えていても良い。ノズルは、前記導入口から前記内部空間に挿入されて、先端部から燃料を噴射する。
このように構成することで、導入口から挿入されたノズルによって予混合チューブの内部空間に燃料を噴射する場合に、ノズルの周囲を流れて下流側に向かって流れる空気の流れに旋回流を生じさせることができる。そのため、ノズルの下流側で旋回流によって空気と燃料とを十分に混合させて吐出口から吐出させることができる。

この発明の第五態様によれば、第一から第三態様の何れか一つの態様に係る燃料導入部は、前記下流側プレートと、上流側プレートと、燃料供給管と、燃料貫通孔形成部と、を備えていても良い。上流側プレートは、予混合チューブの外壁と、前記下流側プレートとの間にプレナムを形成する。上流側プレートは、前記下流側プレートよりも前記導入口に近い側に配置され、前記予混合チューブを貫通させる上流側貫通孔を有する。燃料供給管は、前記プレナムに燃料を供給する。前記燃料貫通孔形成部は、前記予混合チューブの外壁の一部を形成し、前記予混合チューブの前記外壁を貫通する燃料貫通孔を形成する。 このように構成することで、燃料供給管からプレナムに燃料が供給され、プレナムから内部空間に燃料が供給される場合に、予混合チューブの内部空間に旋回流を形成することができる。したがって、予混合チューブの内部空間でプレナムから供給された燃料と空気とを十分に混合させて吐出口から吐出させることができる。

この発明の第六態様によれば、ガスタービンは、第一から第五態様の何れか一つの態様に係る燃料噴射装置を備える。
このように構成することで、空気と燃料とを十分に混合できるため窒素酸化物を低減できる。さらに、予混合チューブの全長を短くできるため燃焼振動を抑制できる。

上記燃料噴射装置およびガスタービンによれば、予混合チューブの長さが長くなることを抑制しつつ、圧縮空気と燃料ガスとを十分に混合させることが可能となる。

この発明の第一実施形態におけるガスタービンの概略構成を示す構成図である。 この発明の第一実施形態における燃料噴射装置の概略構成を示す断面図である。 この発明の第一実施形態における予混合チューブのチューブ本体の上流側の端部を拡大した斜視図である。 この発明の第一実施形態における予混合チューブのチューブ本体を軸線方向から見た図である。 この発明の第二実施形態における図４に相当する図である。 この発明の第二実施形態における予混合チューブの配置例を示す図である。 この発明の第三実施形態における図４に相当する図である。 この発明の実施形態の他の変形例における図２に相当する図である。

（第一実施形態）
次に、この発明の第一実施形態における燃料噴射装置及びガスタービンを図面に基づき説明する。
図１は、この発明の実施形態におけるガスタービンの概略構成を示す構成図である。
図１に示すように、この実施形態のガスタービン１００は、圧縮機５１と、複数の燃焼器５２と、タービン５３と、を備えている。

圧縮機５１は、外気Ａｏを圧縮して圧縮空気Ａを生成する。圧縮機５１は、圧縮機ロータ５６と、圧縮機車室５７と、複数の圧縮機静翼列５８と、を有している。
圧縮機ロータ５６は、ガスタービン軸線Ａｒを中心として回転する。圧縮機ロータ５６は、圧縮機ロータ軸５９と、複数の圧縮機動翼列６０と、を有している。圧縮機ロータ軸５９は、ガスタービン軸線Ａｒに沿って延びている。複数の圧縮機動翼列６０は、圧縮機ロータ軸５９に取り付けられている。
圧縮機車室５７は、圧縮機ロータ５６を回転可能に覆っている。

複数の圧縮機動翼列６０は、ガスタービン軸線Ａｒの軸線方向に並んでいる。各々の圧縮機動翼列６０は、いずれも、ガスタービン軸線Ａｒの周方向に並んでいる複数の動翼（図示せず）で構成される。複数の圧縮機動翼列６０の下流側には、それぞれ圧縮機静翼列５８が配置されている。

複数の圧縮機静翼列５８は、いずれも、圧縮機車室５７の内側に固定されている。複数の圧縮機静翼列５８は、いずれも、ガスタービン軸線Ａｒの周方向に並んでいる複数の静翼（図示せず）で構成される。

複数の燃焼器５２は、高温・高圧の燃焼ガスＧを生成する。複数の燃焼器５２は、中間車室６７に固定されている。複数の燃焼器５２は、それぞれガスタービン軸線Ａｒの周方向に間隔をあけて配置されている。

複数の燃焼器５２は、それぞれ燃料噴射装置１と燃焼筒６９とを備えている。
燃料噴射装置１は、圧縮機５１で圧縮された圧縮空気Ａと、燃料ガスＦとの混合気を生成して燃焼筒６９に供給する。燃料噴射装置１は、燃焼器５２の外筒（図示せず）の内部に配置されている。

燃焼筒６９は、燃料噴射装置１から供給される混合気を燃焼させて、燃焼した燃焼ガスＧをタービン５３に導く。

タービン５３は、燃焼ガスＧの持つ熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。タービン５３は、タービンロータ６１と、タービン車室６２と、複数のタービン静翼列６３と、を備えている。タービンロータ６１は、ガスタービン軸線Ａｒを中心として回転する。タービンロータ６１は、タービンロータ軸６４と、複数のタービン動翼列６５と、を有している。タービンロータ軸６４は、ガスタービン軸線Ａｒに沿って延びている。タービンロータ６１は、上述した圧縮機ロータ５６と接続され、圧縮機ロータ５６と共にガスタービンロータ６８を構成している。この実施形態におけるガスタービンロータ６８には、負荷として発電機Ｇが接続されている場合を例示している。

複数のタービン動翼列６５は、タービンロータ軸６４に取り付けられている。これら複数のタービン動翼列６５は、ガスタービン軸線Ａｒの軸線方向に並んでいる。複数のタービン動翼列６５は、いずれも、ガスタービン軸線Ａｒの周方向に並んでいる複数の動翼（図示せず）で構成される。

複数のタービン静翼列６３は、複数のタービン動翼列６５の各上流側に配置されている。複数のタービン静翼列６３は、それぞれタービン車室６２の内側に固定されている。複数のタービン静翼列６３は、いずれも、ガスタービン軸線Ａｒの周方向に並んでいる複数の静翼（図示せず）で構成されている。

タービン車室６２は、タービンロータ６１を回転可能に覆っている。このタービン車室６２と、上述した圧縮機車室５７との間に、中間車室６７が配置されている。中間車室６７は、ガスタービン軸線Ａｒを中心とした筒状に形成されている。

上記ガスタービン１００によれば、まず、圧縮機５１に取り込まれた外気Ａｏは、複数の圧縮機静翼列５８と圧縮機動翼列６０とを通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気Ａとなる。この圧縮空気Ａは、燃焼器５２において燃料ガスＦと混合される。この混合された混合気は、燃焼されて高温・高圧の燃焼ガスＧとなる。この燃焼ガスＧは、タービン５３のタービン静翼列６３とタービン動翼列６５とを通過する。その際、タービンロータ軸６４が回転駆動され、ガスタービンロータ６８に連結された発電機Ｇに回転エネルギーが伝達される。この回転エネルギーは、発電機Ｇによって電気エネルギーに変換され出力される。

図２は、この発明の第一実施形態における燃料噴射装置の概略構成を示す断面図である。
図２に示すように、燃料噴射装置１は、燃料供給管８と、複数の予混合チューブ２と、上流側プレート３と、下流側プレート４と、外側壁５と、を備えている。
なお、以下の説明において、燃料供給管８の軸線Ａｔが延びている方向を軸線方向Ｄａとする。また、軸線Ａｔに直交する方向を径方向Ｄｒとし、この径方向Ｄｒで軸線Ａｔから遠ざかる側を径方向外側Ｄｒ１とし、この径方向Ｄｒで軸線Ａｔに近づく側を径方向内側Ｄｒ２とする。また、軸線方向Ｄａの燃料ガスＦが導入されてくる側（図２紙面左側）を上流側Ｄａ１、軸線方向Ｄａの燃料ガスＦが噴射される側（図２紙面右側）を下流側Ｄａ２とする。また、軸線Ａｔを中心とした周方向を、単に周方向Ｄｃとする。

燃料供給管８は、外部から供給される燃料ガスＦを、プレナムＰＦ（詳細を後述する）まで導く流路を形成する。燃料供給管８は、軸線方向Ｄａに延びる管状をなしている。燃料供給管８内の燃料ガスＦは、上流側Ｄａ１から下流側Ｄａ２に向かって流れる。燃料供給管８の下流側Ｄａ２の端部８ａは、上流側プレート３によって支持され、プレナムＰＦ内で開口している。

上流側プレート３は、複数の予混合チューブ２の上流側Ｄａ１の端部（上流側端部）２ａと、燃料供給管８の下流側Ｄａ２の端部８ａと、をそれぞれ支持している。上流側プレート３は、更に、外側壁５の上流側Ｄａ１の開口を閉塞している。上流側プレート３は、軸線Ａｔを中心とする円板状をなしている。上流側プレート３は、その円板状の中心に形成された第一貫通孔３ａと、第一貫通孔３ａの周囲に形成された複数の第二貫通孔（上流側貫通孔）３ｂと、を備えている。

上述した燃料供給管８の下流側Ｄａ２の端部８ａは、第一貫通孔３ａに挿通されている。より具体的には、燃料供給管８の下流側Ｄａ２の端部８ａは、第一貫通孔３ａを通じて、それぞれ上流側プレート３の下流側Ｄａ２に突出するように配置されている。予混合チューブ２の上流側Ｄａ１の端部２ａは、第二貫通孔３ｂに挿通されている。より具体的には、予混合チューブ２の上流側Ｄａ１の端部２ａは、第二貫通孔３ｂを通じて、それぞれ上流側プレート３の上流側Ｄａ１に突出するように配置されている。

下流側プレート４は、複数の予混合チューブ２の下流側Ｄａ２の端部２ｂを支持する。下流側プレート４は、更に、外側壁５の下流側Ｄａ２の開口を閉塞している。下流側プレート４は、軸線Ａｔを中心とした円板状に形成され、上流側プレート３と実質的に同一な外径を有している。

外側壁５は、内部にプレナムＰＦを形成する筒状に形成されている。より具体的には、外側壁５は、軸線Ａｔを中心として軸線方向Ｄａに延びる円筒状をなしている。外側壁５は、上流側Ｄａ１の開口が上流側プレート３により閉塞され、下流側Ｄａ２の開口が下流側プレート４によって閉塞されている。つまり、下流側プレート４と、上流側プレート３とは、外側壁５を介して連結されている。これにより、これら下流側プレート４の下流側Ｄａ２の面４ａと、上流側プレート３の上流側Ｄａ１の面３ｃと、外側壁５の内周面５ａと、予混合チューブ２の外壁２ｄの外周面２ｆと、の間に、燃料ガスＧを収容するプレナムＰＦが画成される。

予混合チューブ２は、軸線方向Ｄａに延びる円筒状に形成されている。予混合チューブ２は、上流側Ｄａ１の導入口２Ａから圧縮空気Ａが導入され、下流側Ｄａ２の吐出口２Ｂから圧縮空気Ａと燃料ガスＦとを混合した混合気ＭＧが吐出される。上述したように、この実施形態における予混合チューブ２の上流側Ｄａ１の端部２ａは、上流側プレート３によって支持され、下流側Ｄａ２の端部２ｂは、下流側プレート４によって支持されている。

この第一実施形態で例示する予混合チューブ２の下流側Ｄａ２の端部２ｂは、下流側プレート４から下流側Ｄａ２に突出せずに、軸線方向Ｄａで下流側プレート４の下流側Ｄａ２の面４ｂと同じ位置に配置されている。言い換えれば、予混合チューブ２の下流側Ｄａ２の端面２ｂｔと、下流側プレート４の下流側Ｄａ２の面４ｂとは、面一となっている。予混合チューブ２の上流側Ｄａ１の端部２ａは、上流側プレート３から上流側Ｄａ１に突出するように形成されている。

予混合チューブ２の外壁２ｄは、径方向に向かって貫通する燃料貫通孔１２ｈを形成する燃料貫通孔形成部１２を備えている。この第一実施形態においては、上述した下流側プレート４と、上流側プレート３と、燃料供給管８と、燃料貫通孔形成部１２と、によって、この発明の燃料供給部が構成されている。

燃料貫通孔１２ｈは、予混合チューブ２の内部空間Ｓ１とプレナムＰＦとを連通させている。これら燃料貫通孔１２ｈを介して、プレナムＰＦに収容されている燃料ガスＦは、予混合チューブ２の内部空間Ｓ１に流入する。燃料貫通孔１２ｈは、例えば、円形状の断面形状をなし、予混合チューブ２の径方向に延びている。この実施形態における燃料貫通孔１２ｈは、予混合チューブ２の周方向に間隔をあけて複数設けられている。複数の予混合チューブ２の燃料貫通孔１２ｈのそれぞれの位置は、軸線方向Ｄａで同一位置となっている。この実施形態で例示する燃料貫通孔１２ｈは、軸線方向Ｄａにおける予混合チューブ２の中央よりも導入口２Ａに近い側に位置している。なお、燃料貫通孔１２ｈの延びる方向は、径方向に限られるものではない。また、複数の予混合チューブ２における燃料貫通孔１２ｈの位置は、軸線方向Ｄａでそれぞれ異なるようにしても良い。

図３は、この発明の第一実施形態における予混合チューブのチューブ本体の上流側の端部を拡大した斜視図である。図４は、この発明の第一実施形態における予混合チューブのチューブ本体を軸線方向から見た図である。
図３、図４に示すように、予混合チューブ２は、チューブ本体２１と、案内部２２と、を備えている。

チューブ本体２１は、導入口２Ａに近い側の上流側Ｄａ１の端部２ａに内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通する貫通孔２３を備えている。貫通孔２３は、上流側Ｄａ１の端部２ａのうち、上流側プレート３よりも上流側Ｄａ１に形成されている。この実施形態における貫通孔２３は、チューブ本体２１の上流側Ｄａ１の端面２ａｔから下流側Ｄａ２に向かって凹むようにして形成されている。より具体的には、貫通孔２３は、上流側Ｄａ１の端面２ａｔから軸線方向Ｄａに延びる第一辺部（第一端部）２３ａ及び第二辺部（第二端部）２３ｂと、これら第一辺部２３ａ及び第二辺部２３ｂの下流側Ｄａ２の端部同士を繋ぐようにチューブ本体２１の軸線Ａ２を中心とした周方向（以下、単に周方向Ｄｃ２と称する）に延びる底辺部２３ｃと、を備えている。

貫通孔２３は、チューブ本体２１の周方向Ｄｃ２に間隔をあけて複数形成されている。この実施形態における貫通孔２３は、チューブ本体２１の周方向Ｄｃ２に等間隔で四つ形成されている。これら貫通孔２３の周方向Ｄｃ２の長さＬｃ１は、周方向Ｄｃ２で隣り合う貫通孔２３同士の間の距離Ｌｃ２よりも長い場合を例示している。この実施形態において、チューブ本体２１の周方向Ｄｃ２の第一側に第一辺部２３ａが配置され、チューブ本体２１の周方向Ｄｃ２の第二側に第二辺部２３ｂが配置されている。この実施形態における貫通孔２３は、第一辺部２３ａ及び第二辺部２３ｂよりも底辺部２３ｃが長く形成されている。そのため、貫通孔２３は、チューブ本体２１の径方向から見て、周方向Ｄｃ２に長い長方形をなしている。

案内部２２は、貫通孔２３を介してチューブ本体２１の内部空間Ｓ１に導入される空気Ａを、チューブ本体２１の軸線Ａ２を中心とした旋回方向に案内する。この実施形態における案内部２２は、内側案内部２２Ｉを備えている。内側案内部２２Ｉは、チューブ本体２１の軸線Ａ２を中心とした周方向Ｄｃ２における貫通孔２３の端部である第一辺部（第一端部）２３ａから、周方向Ｄｃ２および軸線方向Ｄａ（又は、軸線Ａ２の延びる方向）の両方と交差するように延びている。内側案内部２２Ｉは、周方向Ｄｃ２で貫通孔２３が形成されている範囲内に配置されている。

図４に示すように、内側案内部２２Ｉは、チューブ本体２１の軸線Ａ２を中心とした放射方向に延びる仮想直線ＶＬに対して傾斜するように延びている。内側案内部２２Ｉは、第一辺部２３ａから第二辺部２３ｂに向かうにしたがって、チューブ本体２１の中心（言い換えれば、軸線Ａ２）に近づくように傾斜している。図４における内側案内部２２Ｉは、第一辺部２３ａから直線状に延びているが、僅かに湾曲して形成されていても良い。

第一辺部２３ａの径方向内側の端縁における接線ＴＬ１と、内側案内部２２Ｉとのなす角度θ１は９０度から４５度の間にしても良い。また、角度θ１は６０度程度にしても良い。角度θ１を６０度程度とすることで、軸線方向Ｄａにおける燃料貫通孔１２ｈの位置を一定の位置とした場合に、軸線方向Ｄａにおいて空気Ａと燃料ガスＧとが十分に混合される位置を、より導入口２Ａに近い側にすることが可能となる。

内側案内部２２Ｉの長さＬ１は、周方向Ｄｃ２における貫通孔２３の長さＬｃ１よりも短い。なお、内側案内部２２Ｉの長さＬ１は、貫通孔２３の長さＬｃ１の半分程度の長さとしても良い。内側案内部２２Ｉは、例えば、切削加工等により導入口２Ａのチューブ本体２１に切り込みを入れて、チューブ本体２１の一部を曲げ加工することで形成するようにしても良い。このようにすることで、容易に内側案内部２２Ｉを形成することができる。

上述した第一実施形態では、予混合チューブ２の内部空間Ｓ１に導入される空気Ａの一部が上流側Ｄａ１の端部２ａに形成された貫通孔２３を介して予混合チューブ２の内部空間Ｓ１に導入される。このとき、空気Ａは、貫通孔２３の周方向Ｄｃ２の端部である第一辺部２３ａから、周方向Ｄｃ２および軸線方向Ｄａの両方と交差する方向に延びる内側案内部２２Ｉによって案内される。この内側案内部２２Ｉによって案内された空気Ａの流れは、周方向Ｄｃ２に向かう流れを含む。そのため、予混合チューブ２の内部空間Ｓ１に導入された空気Ａの流れは、予混合チューブ２の軸線Ａ２を中心とした旋回流を含むようになる。そのため、この旋回流によって空気Ａと燃料Ｆとの混合が促進される。
その結果、予混合チューブ２の長さが長くなることを抑制しつつ、空気Ａと燃料Ｆとを十分に混合させることが可能となる。

上述した第一実施形態での内側案内部２２Ｉは、周方向Ｄｃ２における貫通孔２３の第一辺部２３ａから、導入口２Ａの内側で、且つ貫通孔２３の第二辺部２３ｂに近づく側に向かって延びている。そのため、このように構成された内側案内部２２Ｉによって空気Ａを案内させることで、貫通孔２３を介して内部空間Ｓ１に導入される空気Ａを、周方向Ｄｃ２における貫通孔２３の第一辺部２３ａから第二辺部２３ｂに向かう方向へ旋回させることができる。

上述した第一実施形態の内側案内部２２Ｉ及び貫通孔２３は、導入口２Ａの周方向Ｄｃ２に間隔をあけて複数設けられている。そのため、空気Ａを複数の貫通孔２３から内部空間Ｓ１に同時に導入することができる。複数の貫通孔２３から内部空間Ｓ１に導入される空気Ａは、複数の貫通孔２３から延びる内側案内部２２Ｉによって案内されるため、内部空間Ｓ１に導入される空気Ａの旋回流をより一層強めることができる。

上述した第一実施形態の上流側プレート３は、予混合チューブ２の外壁２ｄと、下流側プレート４との間にプレナムＰＦを形成している。上流側プレート３は、下流側プレート４よりも導入口２Ａに近い側に配置され、予混合チューブ２を貫通させる第二貫通孔３ｂを有している。燃料供給管８は、プレナムＰＦに燃料Ｆを供給している。燃料貫通孔形成部１２は、予混合チューブの外壁２ｄの一部を形成し、予混合チューブ２の外壁２ｄを貫通する燃料貫通孔１２ｈを形成している。そのため、燃料供給管８からプレナムＰＦに燃料Ｆが供給され、プレナムＰＦから内部空間Ｓ１に燃料Ｆが供給される。

このようにプレナムＰＦから燃料貫通孔１２ｈを介して燃料Ｆが供給される場合に、燃料貫通孔１２ｈよりも上流側Ｄａ１に配置された内側案内部２２Ｉによって予混合チューブ２の内部空間Ｓ１に旋回流を形成することができる。したがって、予混合チューブ２の内部空間Ｓ１でプレナムＰＦから供給された燃料Ｆと空気Ａとを十分に混合させて吐出口２Ｂから吐出させることができる。

第一実施形態のガスタービン１００は、上述した構成を備えた燃料噴射装置１を備えることで、空気Ａと燃料Ｆとを十分に混合できるため、窒素酸化物を低減できる。さらに、予混合チューブ２の全長を長く形成しなくても空気Ａと燃料Ｆとを十分に混合させることができる。そのため、窒素酸化物を低減しつつ予混合チューブ２の全長を短くして燃焼振動を抑制できる。
さらに、予混合チューブ２の外側に案内部２２（内側案内部２２Ｉ）が配置されないため、案内部２２同士が干渉して隣り合う予混合チューブ２同士の間隔が増大することを抑制できる。

（第二実施形態）
次に、この発明の第二実施形態を図面に基づき説明する。この第二実施形態の燃料噴射装置は、上述した第一実施形態の燃料噴射装置１に対して、案内部の構成のみが異なる。そのため、図２を援用し、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。

この第二実施形態における燃料噴射装置は、第一実施形態と同様に、燃料供給管８と、複数の予混合チューブ２０２と、上流側プレート３と、下流側プレート４と、外側壁５と、を備えている。

図５は、この発明の第二実施形態における図４に相当する図である。
図５に示すように、予混合チューブ２０２は、軸線方向Ｄａ（図２参照）に延びる円筒状に形成されている。予混合チューブ２０２は、チューブ本体２１と、案内部２２と、を備えている。チューブ本体２１は、第一実施形態のチューブ本体２１と同様に、導入口２Ａに近い側である上流側Ｄａ１（図２参照）の端部２ａに内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通する貫通孔２３を備えている。この第二実施形態における貫通孔２３は、チューブ本体２１の上流側Ｄａ１の端面２ａｔから下流側Ｄａ２（図２参照）に向かって凹むようにして形成されている。貫通孔２３は、第一実施形態と同様に、上流側Ｄａ１の端面２ａｔから軸線方向Ｄａに延びる第一辺部２３ａ及び第二辺部２３ｂと、これら第一辺部２３ａ及び第二辺部２３ｂの下流側Ｄａ２の端部同士を繋ぐ周方向Ｄｃ２に延びる底辺部２３ｃと、を備えている。

貫通孔２３は、チューブ本体２１の周方向Ｄｃ２に間隔をあけて複数形成されている。この第二実施形態で例示する貫通孔２３も、第一実施形態の貫通孔２３と同様に、チューブ本体２１の周方向Ｄｃ２に等間隔で四つ形成されている。なお、第二実施形態において、貫通孔２３の周方向Ｄｃ２の長さＬｃ１と、周方向Ｄｃ２で隣り合う貫通孔２３同士の間の距離Ｌｃ２とが、第一実施形態と同様の関係になっている場合を例示している。

案内部２２は、上述した第一実施形態と同様に、貫通孔２３を介してチューブ本体２１の内部空間Ｓ１に導入される空気Ａを、チューブ本体２１の軸線Ａ２を中心とした旋回方向に案内する。この第二実施形態における案内部２２は、外側案内部２２Ｏを備えている。外側案内部２２Ｏは、第二辺部２３ｂから、周方向Ｄｃ２および軸線方向Ｄａの両方と交差するように延びている。言い換えれば、外側案内部２２Ｏは、チューブ本体２１の軸線Ａ２を中心とした径方向ＤｒＡに延びる仮想直線ＶＬに対して傾斜するように延びている。

外側案内部２２Ｏは、第二辺部２３ｂから、径方向ＤｒＡにおける外側ＤｒＡ１で、且つ、チューブ本体２１の周方向Ｄｃ２で第一辺部２３ａに近づく側に向かって延びている。これにより、外側案内部２２Ｏの第一辺部２３ａに近い側の端部２２Ｏｔは、チューブ本体２１の径方向Ｄｒ２で、第一辺部２３ａや第二辺部２３ｂよりも外側に配置されている。この第二実施形態における外側案内部２２Ｏの第一辺部２３ａに近い側の端部２２Ｏｔは、第二辺部２３ｂの径方向外側ＤｒＡ１の端縁を通る接線ＴＬ２よりも径方向外側ＤｒＡ１に配置されている。なお、外側案内部２２Ｏは、第二辺部２３ｂから接線ＴＬ２方向に延びるようにしても良い。

外側案内部２２Ｏは、軸線方向Ｄａから見て、第二辺部２３ｂから直線状に延びる場合を例示したが、外側案内部２２Ｏは、軸線方向Ｄａから見た場合に、僅かに湾曲する曲線状に形成されていても良い。この第二実施形態における外側案内部２２Ｏも第一実施形態の内側案内部２２Ｉと同様に、切削加工等により導入口２Ａのチューブ本体２１に切り込みを入れて、チューブ本体２１の一部を曲げ加工することで形成するようにしても良い。このようにすることで、容易に外側案内部２２Ｏを形成することができる。

外側案内部２２Ｏの長さＬ２は、周方向Ｄｒ２における貫通孔２３の長さＬｃ１よりも短い。外側案内部２２Ｏの長さＬ２は、貫通孔２３の長さＬｃ１の半分程度の長さとしてもよい。

図６は、この発明の第二実施形態における予混合チューブの配置例を示す図である。
この第二実施形態の複数の予混合チューブ２０２は、図６のように配置することができる。これら予混合チューブ２０２の四つの外側案内部２２Ｏのうち、予混合チューブ２０２の軸線Ａ２を挟んで対向配置された所定の二つの外側案内部２２Ｏは、軸線Ａ２に直交する第一の方向Ｄ１に延びるように配置されている。また、図６に示す外側案内部２２Ｏのうちの残りの二つは、軸線Ａ２及び第一の方向Ｄ１に直交する方向に延びている。この図６のように配置することで、複数の予混合チューブ２０２の間隔を低減しつつ、隣り合う予混合チューブ２０２の外側案内部２２Ｏ同士が干渉することを抑制できる。

上述した第二実施形態の外側案内部２２Ｏは、周方向Ｄｃ２における貫通孔２３の第二辺部２３ｂから、径方向外側ＤｒＡ１で、且つ貫通孔２３の第一辺部２３ａに近づく側に向かって延びている。そのため、外側案内部２２Ｏによって空気Ａを案内させることで、第一実施形態と同様に、貫通孔２３を介して内部空間Ｓ１に導入される空気Ａを、周方向Ｄｃ２における貫通孔２３の第一辺部２３ａから第二辺部２３ｂに向かう方向へ旋回させることができる。

上述した第二実施形態の外側案内部２２Ｏ及び貫通孔２３は、周方向Ｄｃ２に間隔をあけて複数設けられている。そのため、空気Ａを複数の貫通孔２３から内部空間Ｓ１に同時に導入することができる。複数の貫通孔２３から内部空間Ｓ１に導入される空気Ａは、複数の貫通孔２３から延びる外側案内部２２Ｏによって案内されるため、内部空間Ｓ１に導入される空気Ａの旋回流をより一層強めることができる。

第二実施形態の予混合チューブ２０２の内部空間Ｓ１には、案内部２２（外側案内部２２Ｏ）が配置されない。そのため、例えば、予混合チューブ２０２の内部空間Ｓ１に流入した空気Ａの圧力損失が増大することを抑制できる。

（第三実施形態）
次に、この発明の第三実施形態を図面に基づき説明する。この第三実施形態の燃料噴射装置は、第一、第二実施形態に対して案内部の構成のみが相違する。そのため、図２を援用し、第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明し、重複する説明を省略する。
図７は、この発明の第三実施形態における図４に相当する図である。
図７に示すように、この第三実施形態の燃料噴射装置の予混合チューブ３０２は、チューブ本体２１と、案内部２２と、を備えている。
チューブ本体２１は、上流側Ｄａ１の端部２ａ（図２参照）に内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通する貫通孔２３を備えている。

案内部２２は、貫通孔２３を介してチューブ本体２１の内部空間Ｓ１に導入される空気Ａを、チューブ本体２１の軸線Ａ２を中心とした旋回方向に案内する。この第三実施形態における案内部２２は、内側案内部２２Ｉと外側案内部２２Ｏと、を備えている。

内側案内部２２Ｉは、上述した第一実施形態の内側案内部２２Ｉと同様の構成であり、貫通孔２３の端部である第一辺部２３ａから、周方向Ｄｃ２および軸線方向Ｄａの両方と交差する方向に延びている。つまり、内側案内部２２Ｉは、チューブ本体２１の軸線Ａ２を中心とした放射方向に延びる仮想直線ＶＬに対して傾斜するように延びている。なお、第一実施形態と同様に、内側案内部２２Ｉは、第一辺部２３ａから直線状に延びているが、僅かに湾曲して形成されていても良い。

外側案内部２２Ｏは、上述した第二実施形態の外側案内部２２Ｏと同様の構成であり、貫通孔２３の端部である第二辺部２３ｂから、周方向Ｄｃ２および軸線方向Ｄａの両方と交差する方向に延びている。つまり、外側案内部２２Ｏは、チューブ本体２１の軸線Ａ２を中心とした放射方向に延びる仮想直線に対して傾斜するように延びている。第二辺部２３ｂの外側の端縁を通る接線ＴＬ２に対する外側案内部２２Ｏの傾斜角度θ２は、第一辺部２３ａの内側の端縁を通る接線ＴＬに対する内側案内部２２Ｉの傾斜角度θ１よりも小さくなっている。

内側案内部２２Ｉ及び外側案内部２２Ｏは、第一、第二実施形態と同様に、例えば、切削加工等により導入口２Ａのチューブ本体２１に切り込みを入れて、チューブ本体２１の一部を曲げ加工することで形成するようにしても良い。この際、第三実施形態においては、周方向Ｄｃ２における貫通孔２３の中央付近に軸線方向Ｄａに切り込みを形成し、この切込よりも第一辺部２３ａに近い部分を内側案内部２２Ｉ、第二辺部２３ｂに近い部分を外側案内部２２Ｏとすればよい。このようにすることで、容易に内側案内部２２Ｉ及び外側案内部２２Ｏを形成することができる。

上述した第三実施形態では、案内部２２が内側案内部２２Ｉと外側案内部２２Ｏとを備えている。そのため、貫通孔２３を通る空気Ａを、内側案内部２２Ｉと外側案内部２２Ｏとの両方によって案内することができる。したがって、内側案内部２２Ｉと外側案内部２２Ｏとの何れか一方のみによって空気Ａを案内する場合と比較して、より安定して旋回流を生じさせることができる。

上述した第三実施形態では、接線ＴＬ２に対する外側案内部２２Ｏの傾斜角度θ２よりも接線ＴＬに対する内側案内部２２Ｉの傾斜角度θ１の方が大きい。このように構成されることで、外側案内部２２Ｏによって貫通孔２３の内部に案内された空気Ａは、チューブ本体２１の内部空間Ｓ１で内側案内部２２Ｉに衝突して内側案内部２２Ｉによって案内される。その結果、貫通孔２３を通過する空気Ａの流れる向きを、外側案内部２２Ｏと内側案内部２２Ｉとによって段階的に径方向内側ＤｒＡ２に向かわせるようにできる。その結果、より円滑に予混合チューブ２の内部空間Ｓ１に旋回流を生じさせることができる。

（他の変形例）
図８は、この発明の実施形態の他の変形例における図２に相当する図である。
上述した各実施形態において、燃料導入部が、燃料供給管８からプレナムＰＦに燃料Ｆを供給し、その後、プレナムＰＦから内部空間Ｓ１に燃料Ｆを供給する場合を一例にして説明した。しかし、燃料導入部の構成は、上述した各実施形態の構成に限られない。

例えば、図８に示す他の変形例の燃料噴射装置１０１のように、燃料導入部ＦＩが、先端部３１から燃料Ｆを噴射する燃料ノズル３０を備えている場合にも、上記第一から第三実施形態の案内部２２（図８において図示せず）を適用できる。燃料ノズル３０は、複数設けられ、それぞれ予混合チューブ２と同様に軸線方向Ｄａに延びている。燃料ノズル３０は、予混合チューブ２の内径よりも小さい外径を有し、燃料ノズル３０は、それぞれ予混合チューブ２に挿入されている。燃料ノズル３０と予混合チューブ２の内周面２ｉとの間には、空気Ａの流れる内部空間Ｓ１が形成されている。なお、図８に示す変形例において、燃料ノズル３０の先端部３１は、軸線方向Ｄａにおける予混合チューブ２の中央よりも導入口２Ａに近い位置に配置されている。

この変形例の燃料噴射装置１０１のように構成することで、上述した第一から第三実施形態と同様に、上流側の端部２ａに形成された貫通孔２３から内部空間Ｓ１に流入する空気Ａを案内部２２によって案内して旋回流を生成することができる。この旋回流を含む流れは、内周面２ｉと燃料ノズル３０の外周面３０ｆとの間に形成される内部空間Ｓ１を吐出口２Ｂに向かって流れる。そして、旋回流を含む空気Ａに、燃料ノズル３０の先端部３１から噴射される燃料Ｆが混合される。その後、空気Ａと燃料Ｆとの混合は、旋回流によって吐出口２Ｂに近づくにつれて進み、十分に混合された混合気ＭＧが吐出口２Ｂから吐出される。

この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、上述した各実施形態では、燃料噴射装置１，１０１をガスタービン１００に用いる場合について説明した。しかし、ガスタービン１００に限られない。例えば、上記燃料噴射装置１，１０１は、ガスタービン１００以外のボイラーやバーナー等に適用してもよい。

上述した各実施形態では案内部２２として軸線方向Ｄａから見て直線状の内側案内部２２Ｉや外側案内部２２Ｏを備える場合について説明した。しかし、案内部２２は、周方向Ｄｃ２および軸線方向Ｄａの両方と交差するように延びていればよく、上述した各実施形態の形状に限られない。内側案内部２２Ｉや外側案内部２２Ｏは、例えば、直線と曲線とを組み合わせた形状等、他の形状であっても良い。

上述した各実施形態では、貫通孔２３が径方向外側ＤｒＡ２から見て、周方向Ｄｃ２に長い長方形状に形成される場合について説明した。しかし、貫通孔２３の形状は、上記形状に限られず、空気Ａを径方向外側ＤｒＡ２から導入可能な形状であれば如何なる形状であっても良い。

１，１０１ 燃料噴射装置
２，２０２，３０２ 予混合チューブ
２ａ 端部（上流側端部）
２Ａ 導入口
２ａｔ 端面
２ｂ 端部
２Ｂ 吐出口
２ｂｔ 端面
２ｄ 外壁
２ｆ 外周面
２ｉ 内周面
３ 上流側プレート
３ａ 第一貫通孔
３ｂ 第二貫通孔（上流側貫通孔）
３ｃ 面
４ 下流側プレート
４ａ 面
４ｂ 面
５ 外側壁
５ａ 内周面
８ 燃料供給管
８ａ 端部
１２ 燃料貫通孔形成部
１２ｈ 燃料貫通孔
２１ チューブ本体
２２ 案内部
２２Ｉ 内側案内部
２２Ｏ 外側案内部
２２Ｏｔ 端部
２３ 貫通孔
２３ａ 第一辺部（第一端部）
２３ｂ 第二辺部（第二端部）
２３ｃ 底辺部
３０ 燃料ノズル
３０ｆ 外周面
３１ 先端部
５１ 圧縮機
５２ 燃焼器
５３ タービン
５６ 圧縮機ロータ
５７ 圧縮機車室
５８ 圧縮機静翼列
５９ 圧縮機ロータ軸
６０ 圧縮機動翼列
６１ タービンロータ
６２ タービン車室
６３ タービン静翼列
６４ タービンロータ軸
６５ タービン動翼列
６７ 中間車室
６８ ガスタービンロータ
６９ 燃焼筒
１００ ガスタービン

Claims (6)

1. 導入口から内部空間に空気を導入し、前記空気と燃料とを混合した混合気を吐出口から吐出する予混合チューブと、
   前記内部空間に燃料を導入する燃料導入部と、
   前記予混合チューブの前記吐出口側の端部が貫通、前記予混合チューブの下流側の端部を支持する下流側プレートと、
   を備え、
   前記予混合チューブは、
   前記導入口に近い側の上流側端部に前記内部空間と外部空間とを連通する貫通孔が形成されたチューブ本体と、
   前記予混合チューブの軸線を中心とした周方向における前記貫通孔の端部から前記周方向と前記軸線の延びる軸線方向との両方と交差するように延びる案内部と、を備え、
   前記案内部は、前記周方向における前記貫通孔の第一端部から、前記導入口の内側で、且つ前記貫通孔の第二端部に近づく側に向かって延びる内側案内部を備え、
   前記周方向における前記内側案内部の長さは、前記周方向における前記貫通孔の長さよりも短い燃料噴射装置。
2. 導入口から内部空間に空気を導入し、前記空気と燃料とを混合した混合気を吐出口から吐出する予混合チューブと、
   前記内部空間に燃料を導入する燃料導入部と、
   前記予混合チューブの前記吐出口側の端部が貫通、前記予混合チューブの下流側の端部を支持する下流側プレートと、
   を備え、
   前記予混合チューブは、
   前記導入口に近い側の上流側端部に前記内部空間と外部空間とを連通する貫通孔が形成されたチューブ本体と、
   前記予混合チューブの軸線を中心とした周方向における前記貫通孔の端部から前記周方向と前記軸線の延びる軸線方向との両方と交差するように延びる案内部と、を備え、
   前記案内部は、前記周方向における前記貫通孔の第二端部から、前記導入口の外側で、且つ前記貫通孔の第一端部に近づく側に向かって延びる外側案内部を備え、
   前記周方向における前記外側案内部の長さは、前記周方向における前記貫通孔の長さよりも短い燃料噴射装置。
3. 前記案内部及び前記貫通孔は、前記導入口の周方向に間隔をあけて複数設けられている請求項１又は２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記燃料導入部は、前記導入口から前記内部空間に挿入されて、先端部から燃料を噴射するノズルを備える請求項１から３の何れか一項に記載の燃料噴射装置。
5. 前記燃料導入部は、
   前記下流側プレートと、
   前記下流側プレートよりも前記導入口に近い側に配置され、前記予混合チューブを貫通させる上流側貫通孔を有し、前記予混合チューブの外壁と、前記下流側プレートとの間にプレナムを形成する上流側プレートと、
   前記プレナムに燃料を供給する燃料供給管と、
   前記予混合チューブの外壁の一部を形成し、前記予混合チューブの前記外壁を貫通する燃料貫通孔を形成する燃料貫通孔形成部と、を備える請求項１から３の何れか一項に記載の燃料噴射装置。
6. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載の燃料噴射装置を備えるガスタービン。

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