JPWO2003006887A1 - 予混合ノズルおよび燃焼器並びにガスタービン - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ガスタービンに関し、さらに詳しくは、フラッシュバックを抑制できる予混合ノズルおよび燃焼器並びにガスタービンに関する。
背景技術
近年のガスタービン燃焼器においては、環境保全等の観点から、サーマルNOxの低減により有利な予混合燃焼方式が使用されてきている。予混合燃焼方式とは、燃料と過剰な空気とを予め混合して燃焼するものであり、燃焼器中におけるすべての領域において燃料が希薄な条件の下で燃焼するためNOxを容易に低減できる。つぎに、ガスタービンの予混合燃焼器について説明しつつ、これまで使用されてきた予混合ノズルについて説明する。
第14図は、これまで使用されてきたガスタービンの予混合燃焼器および予混合ノズルを示す説明図である。燃焼器外筒600内には、一定の間隔をおいて燃焼ノズルブロック505が設けられており、当該燃焼ノズルブロック505の中央部には拡散火炎を形成するためのパイロットコーン60が設けられている。なお、この燃焼ノズルブロック505は、燃焼室内筒515に挿入されている。また、パイロットコーン60は、パイロット燃料供給ノズル62から供給されるパイロット燃料と、圧縮機(図示せず)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。
第14図からは明らかではないが、予混合火炎を形成するための予混合ノズル820は、前記パイロットコーン60の周囲に8個設けられている。ノズル胴10の内部には、燃焼用空気に旋回を与えるためのスワーラ翼320が取り付けられている。このスワーラ翼320は、圧縮機(図示せず)から送られてきた燃焼用空気に旋回を与えることで燃焼用空気の旋回流を作り出し、これによって燃料と燃焼用空気とを混合させる。またスワーラ翼320の中心部には、後述する燃料ノズル軸220を保持するためのハブ120が取り付けられている。
燃料を供給するための燃料ノズル軸220は、上述したハブ120に挿入されており、スワーラ翼320とハブ120とによって、ノズル胴10のほぼ中心に支持されている。また、この燃料ノズル軸220には中空のガス燃料供給翼29が備えられており、燃料ノズル軸220内部に備えられた燃料供給通路から送られてきたガス燃料は、このガス燃料供給翼29内部に導かれる。その後、このガス燃料は、ガス燃料供給翼29の側面に備えられたガス燃料供給孔49からノズル胴10内へ供給される。
ノズル胴10内に供給された燃料がその内部を下流側に流れる過程で、スワーラ翼320によって旋回を与えられた燃焼用空気と十分に混合して予混合気体を形成する。この予混合気体は、ノズル胴10の出口10aから燃焼室内筒515内へ噴射され、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気体燃焼火炎を形成する。予混合気体火炎からは高温・高圧の燃焼ガスが排出されて、当該燃焼ガスは燃焼器尾筒(図示せず)を通ってタービン第一段ノズルへと導かれる。
ところで、これまでの予混合燃焼器で使用されてきた予混合ノズル820は、スワーラ翼320によって燃焼用空気に旋回を与えて燃料と燃焼用空気との混合を促進するものである。しかしながら、スワーラ翼320によって燃焼用空気に旋回を与えると、この旋回に起因する遠心力によってノズル胴10の中心近傍における流速が遅くなる(第3図(a)参照)。ノズル胴10の中心近傍で流速が遅くなると、流速の遅い部分に予混合気体が逆流しやすくなる結果フラッシュバックを招いてしまい、ノズル胴10や燃料ノズル軸220を焼損することがあった。この焼損は、予混合ノズルの寿命を短くするので頻繁に修理や交換が必要となり、保守点検に手間を要するという問題があった。
従って、この発明は、ノズル胴内における低流速域の存在を少なくすることでフラッシュバックの発生を抑制して、予混合ノズル等の焼損を抑制できる予混合ノズルおよびガスタービン燃焼器並びにガスタービンを提供することを目的としている。
発明の開示
本発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記ハブの内周面と前記ハブの内部に位置する燃料ノズル軸との間に、燃焼用気体が通過する空間を設け、且つ前記空間を通過した燃焼用気体を前記ノズル胴の中心部に流すことを特徴とする。
この予混合ノズルは、燃料を供給するための燃料ノズル軸とスワーラ翼が連結しているハブとの間に、燃焼用気体を通過させる空間を設けている。従来の予混合ノズルでは、スワーラによって旋回を与えられた燃焼用気体は、旋回の遠心力によってノズル胴の内壁側に向かって流れる結果、ノズル胴中心部に低流速域が発生していた。そして、この低流速域の存在によってフラッシュバックを招き、予混合ノズルを焼損させるおそれがあった。この予混合ノズルでは、上記燃焼用気体を通過させる空間を通って燃焼用気体がノズル胴の中心部に流れるので、この部分における流速を高くできる。これによってフラッシュバックの危険性を低くして、予混合ノズルの焼損を抑制できる。なお、この予混合ノズルはガスタービン燃焼器並びにガスタービンに適用されるものである(以下同様)。そして、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンは、フラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
なお、従来の予混合ノズルにおいても燃料ノズル軸とハブとの間には隙間が設けられていたが、この隙間の大きさは燃料ノズル軸をハブに組み込みやすくする程度の大きさである。このため、燃焼用気体はこの隙間を通過することができず、この発明にかかる予混合ノズルのような作用・効果は得られていなかった。
この予混合ノズルにおける燃焼用気体を通過させる上記空間の大きさは、2.0mm以上とするのが好ましく、さらに好ましくは3.0mm以上とするのがよい。また、燃焼用気体とは、天然ガス等のガス燃料または重油や軽油等の液体燃料と燃焼用空気が混ざり合った燃焼用気体のほか、圧縮機から送られてくる燃焼用空気も含むものとする。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記ノズル胴の出口に向かって細くした前記燃料ノズル軸の先端部分を、前記ハブの内部に配置し、且つ前記燃料ノズル軸の先端と前記ハブとの間に形成される空間に燃焼用気体を通過させることを特徴とする。
この予混合ノズルは、ノズル胴の出口に向かって細くした前記燃料ノズル軸の先端部分をハブの内部に配置して、燃料ノズル軸の先端とハブとの間に形成される空間に燃焼用気体を通過させるようにしてある。このため、燃料ノズル軸は、燃料ノズル軸の先端とハブとの間に一定の間隔をもって配置されており、この間隔は2.0mm以上が好ましく、より好ましくは3.0mm以上がよい。この予混合ノズルでは、スワーラ翼の長さを確保しつつ燃焼用気体が通過する空間を十分にとることができるので、ノズル胴の中心部分における流速を高くして、フラッシュバックの発生を抑制できる。また、燃料ノズル軸の位置をノズル胴出口側に移動させればよいので、大幅な設計変更を必要としない。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、フラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記燃料ノズル軸の一部を細くして、当該燃料ノズル軸の細い部分を前記ハブの内部に配置し、且つ前記燃料ノズル軸と前記ハブ内周面との間に形成される空間に燃焼用気体が通過させることを特徴とする。
この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の一部を細くし、この部分をハブの内部に配置しているので、燃料ノズル軸とハブ内周面との間に形成される燃焼用気体が通過するための空間は、燃焼用空気の流れ方向に対して一定となる。このため、この空間における燃焼用気体の通過する断面積は燃焼用気体の流れ方向にほぼ一定となるので、燃焼用空気の流速はほとんど遅くならない。したがって、この予混合ノズルは上記予混合ノズルと比較して、ノズル胴内における流速分布をより均一にすることができる。その結果、フラッシュバックの発生をより抑制できる。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記予混合ノズルの出口に向かって径が小さくなる前記ハブの内部に、前記予混合ノズルの出口に向かって径が小さくなる燃料ノズル軸の先端部分を配置して、前記ハブ内周と前記ノズル軸先端との空間に燃焼用空気を通過させることを特徴とする。
この予混合ノズルは、ハブの径を下流に向かって小さくしているため、ノズル胴とハブとの間における断面積は、下流に進むにしたがって大きくなる。このため、この部分、すなわちスワーラ翼を通過する燃焼用気体の流速は、スワーラ翼の入口側よりも出口側の方が遅くなる。したがって、スワーラ翼を通過する燃焼用気体との流速と、燃料ノズル軸とハブ内周面との間を通過する燃焼用気体の流速との間には速度差が少なくなるため、ノズル胴内部の流速分布は上記予混合ノズルよりもさらに一様になる。このため、この予混合ノズルにおいては、フラッシュバックの発生をより抑えることができる。なお、燃料ノズル軸とハブ内周面との間に形成される空間は2.0mm以上とするのが好ましく、さらに好ましくは3.0mm以上である。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記燃料ノズル軸の一部を細くして、当該燃料ノズル軸の細い部分を、下流方向に向かって細くなる前記ハブの内部に配置したことを特徴とする。
この予混合ノズルは、ノズル胴とハブとの間に形成される空間は、流れ方向に向かってその断面積が大きくなっており、ハブと燃料ノズル軸との間に形成される空間は、流れ方向に向かってその断面積が小さくなっている。このため、ノズル胴とハブとの間を通過する燃焼用気体の流速は、入口側よりも出口側の方が遅くなり、ハブと燃料ノズル軸との間を通過する燃焼用気体の流速は出口側の方が入口側よりも速くなる。このため、スワーラ翼の下流におけるノズル胴内部における流速分布は、上記予混合ノズルよりもさらに一様になる。したがって、この予混合ノズルにおいては、上記予混合ノズルよりもさらにフラッシュバックの危険性を低く抑えることができる。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記燃料ノズル軸の先端を前記ハブの上流側に配置し、且つ前記ハブと前記燃料ノズル軸との間に燃焼用気体を通過させることを特徴とする。
この予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の先端をハブの入口よりも上流側に配置したので、ハブの内部を流れる燃焼用気体の流量を多くとることができる。このため、ノズル胴内部における流速分布が均一になるので、従来の予混合ノズル内部に存在していた低流速域に予混合気体が逆流することを抑制してフラッシュバックの発生を抑えることができる。なお、燃料ノズル軸の先端とハブ入口との距離は、燃料ノズル軸の直径の1/4以上とするのが好ましい。少なくともこれ以上距離を離しておけば、ハブ内部を通過する燃焼用気体の量を十分に確保できるからである。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記ノズル胴内部に、前記ノズル胴の中心に向かう燃焼用気体の流れを形成する流れの偏向手段を備えたことを特徴とする。
この予混合ノズルでは、燃焼用気体をノズル胴の中心に向かって流すための変更手段を備えている。従来の予混合ノズルでは、スワーラによって旋回を与えられた燃焼用気体は、旋回の遠心力によってノズル胴の内壁側に向かって流れる結果、ノズル胴中心部に低流速域が発生していた。したがって、燃焼用気体がノズル胴の中心に向かう内向きの流れを形成するようにすれば、上記遠心力を打ち消すことができるので、ノズル胴内部の流速分布を一様な状態へ近づけることができる。これによって、予混合気体の逆流を抑制してフラッシュバックを抑えることができる。また、燃料ノズル軸とハブとの間に燃焼用気体が通過する隙間を大きく設ける必要はないので、燃料ノズル軸が振動等した場合でも、ハブによって燃料ノズル軸の動きを拘束できる。このため、この予混合ノズルを適用した燃焼器では、振動等に起因する燃焼器の不具合を抑えることができるので、安定した運転ができる。また、この予混合ノズルを適用したガスタービンも、振動に起因する燃焼器尾筒や回転系等の不具合を抑えることができるので、安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴と、前記ノズル胴の内壁に一方の端部が取り付けられ、且つ、もう一方の端部は開放したスワーラ翼と、前記スワーラ翼の端部で囲まれた空間に配置される燃料ノズル軸とを備え、前記燃料ノズル軸に沿って燃焼用気体を流すことによって前記ノズル胴の中心部分に燃焼用気体を流すことを特徴とする。
この予混合ノズルは、スワーラ翼の翼端を開放して、この開放端で囲まれる空間に燃料ノズル軸を配置している。この予混合ノズルにおいては、燃料ノズル軸の周りにハブが存在しないため、燃焼用気体の流れがハブによって妨げられず、燃料ノズル軸に沿って滑らかに流れる。このため、ノズル胴の中心部分にも燃焼用気体が流れるようになるのでこの部分の流速を高くでき、ノズル胴内部における流速分布を一様に近づけることができる。その結果、予混合気体の逆流を抑えてフラッシュバックの危険性を低くできる。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかるガスタービンの燃焼器は、上記の予混合ノズルを内部に備えた燃焼器内筒と、当該燃焼器内筒を入口側に備え、且つ前記予混合ノズルから噴射された予混合気体を燃焼させて燃焼ガスを形成する筒状の燃焼室と、を備えたことを特徴とする。このガスタービンの燃焼器は上記予混合ノズルを備えているため、フラッシュバックを抑えて安定した運転ができる。そして、燃焼器の焼損も抑えることができるので、燃焼器の寿命が長くなり、保守・点検の手間も軽減できる。また、予混合ノズル内の低流速域が低減されるため、より確実に燃焼室内で予混合気体を燃焼させることができる。したがって、燃料と燃焼用空気とが燃焼室に進むまでに十分混合されるので、燃焼の際には局所高温部の発生が抑えられてNOxの発生を抑制できる。
つぎの発明にかかるガスタービンは、空気を圧縮して燃焼用空気を形成する圧縮機と、当該圧縮機から送られてきた燃焼用空気に燃料を混合させ、さらに両者の混合気体である予混合気体を燃焼させることで燃焼ガスを形成する上記のガスタービンの燃焼器と、当該ガスタービンの燃焼器で形成された燃焼ガスが噴射されることによって回転駆動力を生み出すタービンと、を備えたことを特徴とする。このガスタービンは、上記ガスタービン燃焼器を備えているため、フラッシュバックを抑えて安定した運転ができる。そして、フラッシュバックによる燃焼器等の焼損を抑えてガスタービン燃焼器等の寿命も長くできる結果、保守・点検の間隔を長くできるので、このガスタービンを使用したプラントは実稼動時間を長くできる。また、ガスタービン燃焼器の燃焼室内でより確実に予混合気体を燃焼させることができるので、予混合気体が十分に混合してNOxの発生も少なくできる。
発明を実施するための最良の形態
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が含まれるものとする。
(実施の形態1)
第1図は、この発明の実施の形態1にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、先端に向かって細くなる燃料ノズル軸の先端部をスワーラのハブ内周に配置して、当該燃料ノズル軸の先端部とスワーラのハブ内周面との隙間に燃焼用空気を流す点に特徴がある。そして、この燃焼用空気によってノズル胴中心近傍の流速を高くして、ノズル胴内の流速分布を一様に近づけるものである。
実施の形態1にかかる予混合ノズル800は、軽油や重油等の液体燃料と天然ガス等のガス燃料とを燃焼用気体である燃焼用空気に供給できる方式の燃料ノズル軸200を備えている。第2図は、この予混合ノズルに使用する燃料ノズル軸を示す説明図である。第2図(a)に示すように、ガス燃料と液体燃料とを供給するために、燃料ノズル軸200はその内部に液体燃料通路200dとガス燃料通路200eとを備えている。液体燃料は、燃料ノズル軸200の先端部200aに設けられた液体燃料供給孔30からノズル胴内へ供給され、燃焼用気体と混合される。
また、ガス燃料は、燃料ノズル軸200の上流側に取り付けられた中空のガス燃料供給翼20に導かれた後、このガス燃料供給翼20の側面に設けられたガス燃料供給孔40から燃焼用空気に噴射され、ガス燃料と燃焼用空気との混合気体である燃焼用気体を形成する。なお、実施の形態1に使用できる燃料ノズル軸はこれに限られず、ガス燃料のみ、あるいは液体燃料のみを供給する方式のものであってもよい(以下同様)。またガス燃料は、ガス燃料供給翼20を使用して供給してもよいし、燃料ノズル軸200にガス燃料供給孔40を設けて供給してもよい(以下同様)。
また、燃焼用気体を滑らかに流すため、燃料ノズル軸200の先端部200aには、当該燃料ノズル軸200の先端に向かって細くなるテーパーがつけられている。なお、第2図(a)に示すように、燃料ノズル軸200の先端部200aのみにテーパーをつけてもよいし、第2図(b)に示すように、燃料ノズル軸201全体にわたって先端に向かって細くなるテーパーをつけるようにしてもよい。このようにすると、燃料ノズル軸201全体にわたって徐々に燃焼用気体の通過する断面積が変化するので、燃焼用気体の剥離を抑制してより滑らかに燃焼用気体を流すことができる。
この予混合ノズル800は、ノズル胴10内部に燃焼用気体を攪拌するためのスワーラ翼300を備えている(第1図参照)。ここで、スワーラ翼300は少なくとも1枚備えてあれば燃焼用空気を攪拌する作用は得られるが、より効果的に燃焼用気体を攪拌するためにはスワーラ翼を複数枚備えておくことが望ましい。第1図(b)に示すように、この例においては4枚のスワーラ翼300を使用している。このスワーラ翼300の中心部にはハブ100が取り付けられており、これによって複数のスワーラ翼300同士を結合させて全体として剛性を高くしている。また、このハブ100は、燃料ノズル軸200が運転中の振動等によって動いた場合に、その動きを規制する働きもある。
燃料ノズル軸200は、その先端部200aの一部がハブ100の内部に配置されている。そして、圧縮機(図示せず)から送られてくる燃焼用空気は、燃料ノズル軸200の先端部200aとハブ100の上流側端部100bとの間からハブ100内に流れ込み、当該先端部200aとハブ100の内周面との間を通過してハブ100の出口側端部100a側へ流れる。すなわち、燃料ノズル軸200の先端部200aとハブ100内周面との間に存在する空間を燃焼用気体の通路としている。この空間の間隔dを従来の2〜3倍以上とすれば、ノズル胴10内における低速領域を減少させる効果がある。具体的には従来1.0〜1.5mm程度であったこの空間を、2.0〜3.0mm以上とすることが望ましい。また、この間隔dを、燃料ノズル軸200の径の1/4以上としてもよい。
ただし、燃焼器の大きさはできるだけ小さくしたいため、ノズル胴10の径を無闇に大きくはできず、また、燃料ノズル軸200は内部に燃料の通路を設ける必要があることから、その径をあまり小さくすることはできない。また、ノズル胴10の中心部分における流速が、ノズル胴10内部の平均流速の1/2以上あればフラッシュバックはほとんど発生しなくなる。したがって、ノズル胴10の中心部における流速がこの条件を満たす範囲内で、且つ、上記設計上の要求を満たす範囲内で上記間隔dを定めることになる。
圧縮機(図示せず)から送られてくる燃焼用空気は、ノズル胴10の入口10bから流入した後、スワーラ翼300によって旋回を与えられてノズル胴10内を流れる。その過程で、ガス燃料供給孔40から供給されるガス燃料、および液体燃料供給孔30から供給される液体燃料と十分に混合されて、予混合気体を形成する。予混合気体はその後、ノズル胴10の出口10aから燃焼室50内へ噴射されて、パイロットコーン(図示せず)によって形成される拡散火炎によって発火して予混合火炎を形成する。
第3図は、従来の予混合ノズルと実施の形態1にかかる予混合ノズルとのノズル胴内における軸方向の流速分布を示した説明図である。第3図(a)に示すように、従来の予混合ノズル810(第14図参照)においては、旋回による遠心力の影響を受けて、ノズル胴内の流速分布は中心部に低流速域を持った分布となっていた。しかし、上述したように、実施の形態1にかかる予混合ノズル800においては、燃料ノズル軸200の先端部200aとハブ100内周面との空間から燃焼用気体の一部を流すようになっている。この空間から流れる燃焼用気体によって、実施の形態1にかかるノズル胴内における軸方向の流速分布は、第3図(b)に示すように従来の予混合ノズルと比較して中心部の流速を高くできる。したがって、ノズル胴の中心付近に生ずる低流速域に起因する予混合気体の逆流を抑制できるので、フラッシュバックの発生を低く抑えることができる。
また、従来の予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の先端部付近には上記低流速域が存在することになるので、当該先端部近傍では予混合火炎が保炎されやすくなる。ところが、この部分で予混合火炎が保炎されると、軽油等の液体燃料を使用した場合には蒸発時間が短くなり、また空気との混合距離が短くなって十分に燃焼用空気と混合されなくなる結果、NOxの発生を十分に抑制し難くなる場合があった。また、ガス燃料を使用した場合には、燃焼用空気との混合距離が短くなるため、両者の混合が不十分になって燃料濃度が高い部分が燃焼して局所高温部が発生する結果、NOxの発生を十分に抑制し難くなる場合があった。
実施の形態1にかかる予混合ノズルでは、ノズル胴中心部における低流速域の流速が従来よりも高くなるので、予混合火炎はノズル胴の出口よりも下流側で保炎される。このため、液体燃料を使用した場合には蒸発時間および混合距離を十分にとることができる。したがって、燃料の不均一な混合に起因する局所高温部の発生を抑制できるので、NOxの発生も従来の予混合ノズルよりも低減できる。同様の理由から、ガス燃料を使用した場合でも、ガス燃料と燃焼用空気との混合距離を十分にとることができるため、従来の予混合ノズルと比較して、NOxの発生を低減できる。
また、この予混合ノズルでは、第1図(a)に示すように、テーパーを備えた燃料ノズル軸200の先端部200aをハブ100の内部に配置している。このため、ハブ100の径を小さくしても燃料ノズル軸200の先端部200aの位置を調整すれば、燃料ノズル軸200とハブ100の内周とによって形成される空間を確保できる。したがって、ハブ100の径を小さくすることでスワーラ翼300の長さを大きくできるため、燃焼用気体により強い旋回を与えることができる。その結果、燃料と燃焼用気体とを十分に攪拌してより均一な予混合気体を形成できるので、燃焼時には局所高温部の発生を抑えてNOxの発生を抑制できる。
なお、スワーラ翼の長さを従来よりも短くすることで、燃料ノズル軸とハブ内周面との間に燃焼用気体が通過する空間を設けてもよい。また、第2図(c)および(d)に示すように、燃料ノズル軸202の周囲に溝202fを設けて、この溝202fに燃焼用気体を通過させてもよい。
(変形例1)
第4図は、この発明の実施の形態1にかかる予混合ノズルの第1の変形例を示す軸方向断面図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の一部分を他の部分よりも細くして、この部分をスワーラのハブ内周に配置し、両者の間に存在する空間を燃焼用空気の通路とする点に特徴がある。そして、この空間から燃焼用気体をスワーラのハブ下流側へ通過させるものである。
燃料ノズル軸203はその一部分の径が細くなっており、この部分がハブ100内に配置されるようになっている。そして、燃料ノズル軸203がハブ100内に配置される部分は、ハブ100の内周面とこれらの軸方向に向かってほぼ平行になっている。このため、両者の間に形成される空間である隙間はほぼ一定の間隔になっている。また、燃料ノズル軸203の先端部201aには、液体燃料を燃焼用空気に供給するための液体燃料供給孔33が備えられている。そして、燃料ノズル軸203の上流側では、ガス燃料供給翼23の側面に設けられたガス燃料供給孔43から燃焼用空気へ供給される。
ノズル胴10の入口10bから流れ込んできた燃焼用空気は、まずガス燃料供給孔43から天然ガス等のガス燃料を供給されて燃焼用気体を形成し、ノズル胴10内を下流に流れる。つぎに、この燃焼用気体はスワーラ翼300によって旋回を与えられてノズル胴10内を旋回しながら流れる。ここで、前記燃焼用気体の一部は、燃料ノズル軸203とハブ100内周面との間に形成されている隙間を通って、ハブ100の下流へ流れる。この燃焼用気体とスワーラ翼300によって旋回を与えられた燃焼用気体とはハブ100の下流で合流する。
このとき、スワーラ翼300によって旋回を与えられた燃焼用気体は一定の角速度をもって旋回している。一方、燃料ノズル軸203とハブ100内周面との間に形成されている空間を通過する燃焼用気体はほとんど旋回しないので、角速度はほとんど持っていない。この角速度の違いによって生ずるせん断力によって、スワーラ翼300を通過した燃焼用気体と前記空間を通過した燃焼用気体とが十分に撹乱される。
ハブ100の下流では液体燃料供給孔33から液体燃料が供給されるが、スワーラ翼300による旋回の効果と角速度の違いによる前記撹乱の効果とで、供給された液体燃料は十分に混合されて予混合気体を形成する。そして、この予混合気体はノズル胴10の出口10aから燃焼室50へ噴射される。
この予混合ノズル803は、燃料ノズル軸203の一部分を細くして、この部分のスワーラ翼300のハブ100内部に配置している。このため、燃料ノズル軸203とハブ100内周面との間に形成される空間は、燃焼用気体の流れ方向に対して一定となる。ここで、上記の予混合ノズル800(第1図参照)においては、燃料ノズル軸200とハブ100内周面との間に形成される空間が、燃焼用気体の流れ方向に向かって大きくなるため、燃焼用気体がこの部分を通過する際にその流速がやや遅くなっていた。
しかし、この予混合ノズル803においては、前記空間は流れ方向に対してほぼ一定に保たれているので、この部分で燃焼用気体の流速はほとんど遅くならない。したがって、変形例1にかかる予混合ノズル803は上記予混合ノズル800と比較して、ノズル胴10内における流速分布をより均一にすることができる。その結果、フラッシュバックの危険がより低くなり、また、より確実にノズル胴10の出口10aよりも下流で予混合火炎を保炎できるので、NOxの発生も低く抑えることができる。
(変形例2)
第5図は、この発明の実施の形態1にかかる予混合ノズルの第2の変形例を示す軸方向断面図である。この予混合ノズルは、先端に向かって細くなる燃料ノズル軸の先端部を、流れ方向に向かって径が小さくなるスワーラのハブ内周に配置して、当該燃料ノズル軸の先端部とスワーラのハブ内周面との隙間に燃焼用気体を流す点に特徴がある。
第5図に示すように、スワーラ翼304の一端に連結されているハブ104は、燃焼用空気の流れ方向に向かって径が小さくなっている。また、燃料ノズル軸204の先端部204aは、先端に向かって径が小さくなるテーパーをつけてあり、この先端部204aがハブ104内に配置される。このため、燃焼用気体の通路である燃料ノズル軸204の先端側面とハブ104の内周面との隙間はほぼ一定の間隔に保たれている。
なお、この間隔はハブ104の軸方向にわたって一定としてもよいし、当該軸方向にわたって隙間の間隔を変化させてもよい。特に、ノズル胴10の下流に向かってこの隙間を小さくすると、ハブ104とノズル胴10との間を通過する燃焼用気体の流速は、ハブ104の出口で遅くなり、上記隙間を通過する燃焼用気体の流速はハブ104の出口で速くなる。このため、スワーラ翼304の下流においては両者の速度差が小さくなるので、ノズル胴10内における流速分布をより均一に近づけることができる。
ノズル胴10の入口10bから流れ込んできた燃焼用空気は、ガス燃料供給孔44からガス燃料を供給されて燃焼用気体を形成した後、その一部がスワーラ翼304によって旋回を与えられる。また、残りの一部はハブ104の内周面と燃料ノズル軸204の先端部204a側面との間に形成される空間を通ってハブ104の下流へ流れる。ハブ104の下流では、スワーラ翼304を通過した燃焼用気体と前記空間を通過した燃焼用気体とが合流して、さらに液体燃料供給孔34から軽油等の液体燃料が供給されて予混合気体を形成する。この予混合気体はノズル胴10の出口10aから燃焼室50へ噴射される。
この予混合ノズル804は、ハブ104の径が下流に向かって小さくなっているため、ノズル胴10とハブ104との間における断面積は下流に進むにしたがって大きくなる。このため、ノズル胴10とハブ104との間を通過する燃焼用気体、すなわち、スワーラ翼304を通過する燃焼用気体は、入口側よりも出口側の方がその流速は遅くなる。したがって、スワーラ翼304を通過する燃焼用気体の流速と、ハブ104と燃料ノズル軸204との隙間を通過する燃焼用気体の流速との間には速度差が少なくなるため、ノズル胴10内部の流速分布は上記変形例1にかかる予混合ノズル803よりも一様になる。このため、変形例2にかかる予混合ノズルではフラッシュバックの危険がより低くなり、また、より確実にノズル胴10の出口10aよりも下流で予混合火炎を保炎できるので、NOxの発生も低く抑えることができる。
(変形例3)
第6図は、この発明の実施の形態1にかかる予混合ノズルの第3の変形例を示す軸方向断面図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の一部分を他の部分よりも細くして、この部分を流れ方向に向かって径が小さくなるスワーラのハブ内周に配置して、両者の間に存在する隙間を燃焼用空気の通路とする点に特徴がある。すなわち、変形例3にかかる予混合ノズル805は、変形例1にかかる燃料ノズル軸203(第4図参照)と変形例2にかかるハブ104(第5図参照)とを組み合わせたものである。
圧縮機(図示せず)から送られてくる燃焼用空気にはガス燃料供給孔45からガス燃料が供給されて、燃焼用気体を形成する。この燃焼用気体は、ノズル胴10とハブ104との間に形成される第一の流路1および燃料ノズル軸203とハブ104内周面との間に形成される第二の流路2に分かれて流れる。第6図に示すように、第一の流路1はノズル胴10の下流に進むにしたがって燃焼用気体が通過する断面積が大きくなっており、反対に第二の流路2は燃焼用気体が通過する断面積が小さくなっている。
このため、第一の流路1を通過した燃焼用気体は、流路入口よりも出口の方がその流速は遅くなるが、第二の流路2を通過した燃焼用気体の流速は、流路入口よりも出口の方がその流速は速くなる。したがって、ノズル胴10内における流速分布は、上記変形例2にかかる予混合ノズル804(第5図参照)よりもさらに均一になる。その結果、変形例3にかかる予混合ノズルではフラッシュバックの危険がさらに低くなり、また、より確実にノズル胴10の出口10aよりも下流で予混合火炎を保炎できるので、NOxの発生もより低く抑えることができる。
(実施の形態2)
第7図は、この発明の実施の形態2にかかる予混合ノズルを示す軸方向断面図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の先端をハブの入口よりも上流側に配置した点に特徴がある。この予混合ノズル806は、特にガス燃料を単体で使用する場合に適するため、まずガス燃料のみによって予混合気体を形成する場合について説明する。
ノズル胴10の内部にはスワーラ翼306が取り付けてあり、スワーラ翼306はその中心部にハブ106を備えている。燃料ノズル軸206は、先端部206aの径が流れ方向に向かって小さくなっており、先端部206aはハブ106の入口106bよりも上流側に配置されている。ガス燃料供給翼26に設けられたガス燃料供給孔46からは、圧縮機(図示せず)から送られてくる燃焼用空気にガス燃料が供給されて、燃焼用気体を形成する。
この燃焼用気体の一部は、ノズル胴10とハブ106との間を通過する間に、スワーラ翼306によって旋回を与えられる。残りの燃焼用気体は、燃料ノズル軸206の先端206aとハブ106の入口106bとの間に形成されている空間を通過して、ハブ106内へ流れる。ハブ106の出口106aの下流で二つに分かれた燃焼用気体が合流し、ノズル胴10の下流へ流れる過程で両者は十分に混合される。
この予混合ノズル806では、ハブ106内を流れる燃焼用気体の流量を多くすることができるので、ノズル胴10内における流速分布を一様に近づけることができる。このため、予混合気体の逆流を抑制してフラッシュバックの発生を抑えることができる。また、予混合気体が流速の遅い部分へ逆流しなくなるので、燃焼室50内で予混合火炎は保持される。このため、ガス燃料と燃焼用空気との混合距離を十分に確保できるので、局所高温部の発生を抑制してNOxの発生を抑えることができる。なお、第7図(b)に示すように、ハブ107の径を下流に向かって小さくするようにしてもよい。このようにすると、ハブ107の出口107aにおける燃焼用気体の流速は、入口107bにおける流速よりも速くなるので、ノズル胴10内における流速分布をさらに均一にできる。これによってフラッシュバックおよびNOxの発生をさらに抑えることができる。
この予混合ノズル806に使用する燃料ノズル軸206の先端部206aに液体燃料供給孔を設けて液体燃料を供給すると、下流側のハブ106によって液体燃料の分散が妨げられてしまう。したがって、この予混合ノズル806で液体燃料も燃焼させる場合には、第7図(c)に示すように、中空のスワーラ翼307を使用して、下流側におけるスワーラ翼307の縁に液体燃料供給孔37を設けて、ここから燃焼用気体に液体燃料を供給してもよい。このようにすれば、実施の形態2にかかる予混合ノズルでも液体燃料を使用することができる。
(実施の形態3)
第8図は、この発明の実施の形態3にかかる予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、ノズル胴内に、燃焼用気体の流れ方向をノズル胴の中心へ向かわせる手段を備えた点に特徴がある。ノズル胴の中心において低流速域が発生するのは、スワーラによって旋回を与えられた燃焼用気体が、旋回の遠心力によってノズル胴の径方向外側へ向かうことが原因である。実施の形態3にかかる予混合ノズルは、前記流れ方向をノズル胴の中心へ向かわせる手段によって、ノズル胴の外側へ向かおうとする流れを内向きにすることで、ノズル胴内における流速分布を均一にするものである。
第8図(a)に示すように、この予混合ノズル807は、流れ方向をノズル胴10の中心へ向かわせる手段として、流れ方向に向かって径が小さくなる筒状の偏向リング80を使用する。この偏向リング80はスワーラ翼308に取り付けられている。ノズル胴10の入口10bから流れ込んできた燃焼用空気に、天然ガス等のガス燃料が供給されて、燃焼用気体を形成する。この燃焼用気体はノズル胴10内に備えられたスワーラ翼308によって旋回を与えられる。同時に、この燃焼用気体にはスワーラ翼308に取り付けられた偏向リング80によってノズル胴10の中心に向かう流れが与えられる。
実施の形態3にかかる予混合ノズル807は、この中心に向かう流れによって旋回に起因する遠心力を緩和するので、ノズル胴10内における流速分布を均一にできる。そして、この予混合ノズル807は、燃料ノズル軸207とハブ107との間隔を大きくしなくとも、偏向リング80によってノズル胴10内の流速分布を均一に近づけることができる。このため、燃料ノズル軸207が振動等によって動いた場合でも、ハブ107によってその動きを小さく抑えることができるので、実施の形態1または2にかかる予混合ノズルと比較して振動等の外乱に強い。また、偏向リング80が補強部材としても作用するので、スワーラ翼308の振動等を抑制して安定した運転ができる。
上記例においては偏向リング80をスワーラ翼308に取り付けたが、偏向リング80はスワーラ翼307の下流に配置してもよい。なお、スワーラ翼308の上流に偏向リング80を配置してもよいが、この場合は旋回による遠心力を緩和する作用はやや弱くなる。
また、燃焼用気体の流れ方向をノズル胴10の中心へ向かわせる手段として、第8図(b)に示すようにスワーラ翼309のハブ107側に流れの偏向部309aを設け、この部分で燃焼用気体にノズル胴10の中心に向かう流れを与えてもよい。このようにすると、これまでの予混合ノズルとほとんど構造が変わらないため、既存技術の延長線上で製造や保守・点検ができる。
(実施の形態4)
第9図は、この発明の実施の形態4にかかる予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸をその軸方向に貫く燃焼用気体の通過孔を備えた燃料ノズル軸を使用する点に特徴がある。この予混合ノズル808では、ノズル胴10内に、燃焼用気体である燃焼用空気をスワーラ翼310の下流側へ流すための通過孔を備えた燃料ノズル軸208が備えられている。
第9図(b)に示すように、燃料ノズル軸208は、その内部に燃料ノズル軸208をその軸方向に貫く内筒150が、燃焼用空気の通過孔として備えられている。この内筒150の入口150bは、燃料ノズル軸208の上流側に開口しており(第9図(a))、燃焼用空気を取り込みやすいように、入口150bの形状は漏斗状としてある。なお、入口150bの形状は漏斗状に限られるものではない。
内筒150の出口150aは(第9図(b))、燃料ノズル軸208の先端部208aに開口しており、入口150bに流入した燃焼用空気はこの出口150aからスワーラ翼310の下流側へ流れる。なお、第9図(b)に示すように、内筒150の出口150aに絞りを設けると燃焼用空気の流速を速くできるので、ノズル胴10内の流速分布をより一定に近づけることができる。
圧縮機(図示せず)から送られてきた燃焼用空気の一部は、内筒150の入口150bから内筒150内部へ流入する。残りの燃焼用空気は、ガス燃料供給孔48から供給されるガス燃料と燃焼用気体を形成して、ノズル胴10の下流へ流れる。そして、この燃焼用気体はスワーラ翼310で旋回を与えられ、スワーラ翼310の下流においては旋回の遠心力によってノズル胴10の径方向外側へ向かう旋回流となって流れる。
このままだと、ノズル胴10の中心部近傍に低流速域を形成してしまうが、この予混合ノズル808では、内筒150の出口150aから燃焼用空気が流れ出しているため、ノズル胴10の中心部における流速は低下しない。このためノズル胴10内における流速分布は一様に近くなるので、フラッシュバックやNOxを低減できる。また、実施の形態4にかかる予混合ノズル808においては、実施の形態1または2にかかる予混合ノズルほど燃料ノズル軸208とハブ108との間隔を大きくとる必要はない。このため、燃料ノズル軸208が振動等によって動いた場合でも、ハブ108によってその動きを小さく抑えることができる。したがって、この予混合ノズル808は、実施の形態1または2にかかる予混合ノズルと比較して振動等の外乱に強く、運転状況に関わらず安定した燃焼ができる。
(実施の形態5)
第10図は、この発明の実施の形態5にかかる予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、スワーラのハブを使用しないで、端部が開放された複数のスワーラ翼で囲まれた空間に燃料ノズル軸を配置する点に特徴がある。ノズル胴10内にはスワーラ翼311の一端が取り付けられており、もう一方の端部は開放されている。スワーラ翼311の開放端部311aで囲まれた空間(第10図(b)中Aで囲んだ部分)には、燃料ノズル軸209が配置されている。
圧縮機(図示せず)から送られてきた燃焼用気体である燃焼用空気の一部は、ガス燃料供給孔49から供給されるガス燃料と燃焼用気体を形成して、ノズル胴10の下流へ流れる。そして、この燃焼用気体はスワーラ翼311で旋回を与えられ、旋回の遠心力によってノズル胴10の径方向外側へ向かう旋回流となって流れる。従来の予混合ノズルにおいては、第14図に示すように、燃料ノズル軸220をハブ120の内部に配置していたので、このハブ120によって燃焼用気体の流れが妨げられる結果、ノズル胴10の中心付近には燃焼用気体が流れていかなかった。しかし、この予混合ノズル809ではハブを使用しないため、燃焼用気体の流れが妨げられることはない。また、燃焼用気体は燃料ノズル軸209の表面にそって剥離せずに滑らかに流れる。したがって、ノズル胴10の中心付近にも燃焼用気体が流れるようになるので、ノズル胴10内の流速分布が平均化される。その結果、ノズル胴10内における流速分布は一様に近くなるので、フラッシュバックやNOxを低減できる。
(変形例)
第11図は、実施の形態5の変形例にかかる予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の表面に溝を形成し、この溝にスワーラ翼の開放端部を挿入した点に特徴がある。実施の形態5にかかる予混合ノズルはハブを使用しないので、スワーラ翼の端部のみで燃料ノズル軸を保持することになる。このため、運転中に燃料ノズル軸が振動等を起こした場合にはこの振動を十分に抑えることができず、燃料の供給に支障をきたしたり、燃焼器の各部に不具合を与えたりするおそれがある。この予混合ノズルは、この問題を解決するものである。
燃料ノズル軸210の表面にはスワーラ翼の開放端部を挿入するための溝210fが形成されている。ノズル胴10内にはスワーラ翼311の一端が取り付けられており、もう一方の端部は開放されている。実施の形態5にかかる予混合ノズル809(第10図参照)と同様に、スワーラ翼311の開放端部で囲まれた空間には、燃料ノズル軸210が配置される。このとき、燃料ノズル軸210に形成された溝210fに、スワーラ翼311の開放端部311aを挿入する。なお、燃料ノズル軸210をスワーラ翼311に組み込みやすくするため、スワーラ翼311の開放端部311aを第11図(c)に示すように燃料ノズル軸210に形成された溝210fと平行に形成するとよい。このようにすると、容易に燃料ノズル軸210をスワーラ翼311に組み込むことができるので、組立て作業に手間を要さない。
この予混合ノズル810は、スワーラ翼311の開放端部311aを溝210fへ挿入することで燃料ノズル軸210を保持するので、燃料ノズル軸210の自由な運動を抑制できる。したがって、この予混合ノズル810は、上記実施の形態5にかかる予混合ノズル809で奏される効果に加え、振動等の外乱に強くガスタービン運転状況に関わらず安定した運転ができるという効果も得ることができる。
(実施の形態6)
実施の形態6においては、ガスタービン燃焼器およびガスタービンにこの発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用した例について説明する。第12図は、この発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用したガスタービンの燃焼器を示す説明図である。このガスタービンの燃焼器730は、拡散火炎形成ノズル63と燃焼器内筒との間に、この発明にかかる予混合ノズル800(第1図参照)を備えている。第12図からは明らかでないが、予混合ノズル800は拡散火炎形成ノズル63の周囲に8個備えられている。この数は8個に限定されるものではなく、燃焼器やガスタービンの仕様によって適宜変更できる。なお、上記燃焼器730に適用できる予混合ノズルはこれに限られず、上述したこの発明にかかる予混合ノズルはいずれも適用できる。燃焼器内筒510の出口には燃焼室内筒515が備えられており、この燃焼室内筒515で囲まれた筒状の空間が燃焼室50を形成する。また、燃焼器内筒510および燃焼室内筒515の外側には燃焼器外筒600が備えられており、これによって燃焼器内筒510および燃焼室内筒515が保持されている。
第13図は、この発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用したガスタービンを示す部分断面図である。このガスタービン700は、導入された空気を圧縮して燃焼用空気とする圧縮機720と、圧縮機720から送られてくる燃焼用空気に天然ガス等のガス燃料および軽油等の液体燃料を噴射して高温の燃焼ガスを発生させる燃焼器730と、この燃焼ガスによって回転駆動力を発生させるタービン740とを備えている。ここで、燃焼器730は上述した燃焼器730である。
つぎに、このガスタービン燃焼器およびガスタービンの動作を、第12図および第13図に沿って説明する。ガスタービン700の圧縮機720はタービン740と連結されており、タービン740の回転によって駆動されて、圧縮機入口721から取り込まれた空気を圧縮する。圧縮機720で圧縮された空気の大半は燃焼用空気として使用され、残りの圧縮空気はガスタービンの動翼、静翼あるいは尾筒といった高温部材を冷却するために使用される。
圧縮機720から送られてくる燃焼用空気は、燃焼器外筒600と燃焼器内筒510との間を通って、燃焼器内筒510の入口側から予混合ノズル800および拡散火炎形成ノズル63内へ流れ込む。拡散火炎形成ノズル63は、その中心部分にパイロット燃料供給ノズル62を備えており、ここからパイロット燃料が燃焼用空気に噴射されて拡散火炎を形成する。また、拡散火炎形成ノズル63の出口には拡散火炎形成コーン60が備えられており、ここから拡散火炎が燃焼室50内へ噴射される。
予混合ノズル800内に流入した圧縮空気はスワーラ翼300によって旋回を与えられてノズル胴10内を流れる。その過程で、ガス燃料供給孔40から供給されるガス燃料、および液体燃料供給孔30から供給される液体燃料と十分に混合されて、予混合気体を形成する。その後予混合気体は、ノズル胴10の出口10aから燃焼室50内へ噴射されて、パイロットコーン60によって形成される拡散火炎によって発火して予混合火炎を形成する。予混合燃焼においては燃料に対して空気が過剰な状態で燃焼するため、拡散燃焼よりも火炎温度が低くでき、これによってNOxの発生を抑制することができる。
また、この燃焼器730においてはこの発明にかかる予混合ノズルを使用しているため、予混合気体の逆流を抑えてフラッシュバックを抑制し、安定して予混合火炎を形成できる。さらに、この燃焼器730では予混合気体の逆流がほとんど発生しないため、予混合気体は燃焼室50内で安定して燃焼する。このため、燃料が供給されてから燃焼室50まで進行する過程で燃料と燃焼用空気とは十分に混合されるので、両者の混合気体である予混合気体には燃料濃度の高い部分がほとんど存在しなくなる。その結果、予混合気体が燃焼する際には局所高温部の発生が抑制されるため、NOxの発生をさらに低減できる。
予混合火炎から生ずる高温・高圧の燃焼ガスは燃焼室50から燃焼器尾筒750へ導かれ、タービン740へ噴射される。この燃焼ガスによってタービン740が回転することで、回転動力を生み出す。その一部は圧縮機720を駆動するために費やされ、残りの動力が発電機等を駆動するために使用される。タービン740を駆動した燃焼ガスは、排気ガスとなってタービン外部へ排出される。この排気ガスはまだ高温度を保っているので、HRSG(Heat Recovery Steam Generator:排熱回収ボイラ)等によってその熱エネルギーを回収することもできる。
このガスタービンはこの発明にかかる予混合ノズルを使用しているため、フラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。また、この発明にかかる予混合ノズルはNOxの発生を抑制する効果も得られるので、環境に対する負荷も小さくできる。さらに、フラッシュバックを抑えて燃焼器等の焼損を抑制できる結果、燃焼器等の寿命が長くなり保守・点検の手間が軽減できる。その結果、このガスタービンを使用したプラントは実稼動時間を長くできるので、需要に合わせた柔軟な運転をし易くなる。
以上説明したように、この発明にかかる予混合ノズルでは、燃料を供給するための燃料ノズル軸とスワーラ翼が連結しているハブとの間に、燃焼用気体を通過させる空間を設けるようにした。このため、上記燃焼用気体を通過させる空間を通って燃焼用気体がノズル胴の中心部に流れるので、この部分における流速を高くできる。これによってノズル胴内部における燃焼用気体の流速分布を一様に近づけてフラッシュバックの危険性を低くすることで、予混合ノズルの焼損を抑制できる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、ノズル胴の出口に向かって細くした前記燃料ノズル軸の先端部分をハブの内部に配置して、燃料ノズル軸の先端とハブとの間に形成される空間に燃焼用気体を通過させるようにした。このため、スワーラ翼の長さを確保しつつ燃焼用気体が通過する空間を十分にとることができるので、燃焼用気体に強い旋回を与えつつノズル胴の中心部分における流速を高くできる。これによってフラッシュバックの発生を抑制でき、また強い旋回によって燃料と燃焼用空気とを十分に混合できるので、NOxも低く抑えることができる。また、燃料ノズル軸の位置をノズル胴出口側に移動させればよいので、大幅な設計変更を要しない。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の一部を細くし、この部分をハブの内部に配置するようにしたので、燃料ノズル軸とハブ内周面との間に形成される燃焼用気体が通過するための空間は、燃焼用空気の流れ方向に対して一定となる。このため、この空間における燃焼用気体の通過する断面積がほぼ一定になるため、この空間を通過する燃焼用気体の流速はほとんど遅くならない。したがって、この予混合ノズルは上記予混合ノズルと比較して、ノズル胴内における流速分布をより均一にできるので、フラッシュバックの発生をより抑制できる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、ハブの径をノズル胴の下流に向かって小さくしたので、ノズル胴とハブとの間における断面積は、ノズル胴の下流に進むにしたがって大きくなる。このため、スワーラ翼を通過する燃焼用気体の流速はスワーラ翼の出口で遅くなるので、燃料ノズル軸とハブ内周面との間を通過する燃焼用気体の流速との速度差を小さくできる。このため、ノズル胴内部の流速分布は上記予混合ノズルよりもさらに一様になるので、フラッシュバックの危険をより低く抑えることができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の一部を細くして、当該燃料ノズル軸の細い部分を、下流方向に向かって細くなるハブの内部に配置した。このため、ノズル胴とハブとの間を通過する燃焼用気体の流速は、入口側よりも出口側の方が遅くなり、ハブと燃料ノズル軸との間を通過する燃焼用気体の流速は出口側の方が入口側よりも速くなる。したがって、スワーラの下流における両者の流速差が少なくなるので、スワーラ翼の下流におけるノズル胴内部における流速分布は上記予混合ノズルよりもさらに一様にできる。その結果、上記予混合ノズルよりもさらにフラッシュバックの危険性を低く抑えることができ、予混合ノズルの寿命を伸ばすことができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の先端をハブの入口よりも上流側に配置したので、ハブの内部を流れる燃焼用気体の流量を多くとることができる。このため、ノズル胴内部における流速分布を一様に近づけることができるので、従来の予混合ノズル内部に存在していた低流速域に予混合気体が逆流することを抑制し、フラッシュバックの発生を抑えて、予混合ノズルの焼損を抑制できる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、ノズル胴内部に燃焼用気体をノズル胴の中心に向かって流すための変更手段を備えた。このため、旋回の遠心力によって発生するノズル胴の内壁側に向かう燃焼用気体の流れをノズル胴中心部に向けることができるので、ノズル胴内部の流速分布を一様な状態へ近づけることができる。これによって、予混合気体の逆流を抑制してフラッシュバックを抑えることができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、スワーラ翼の翼端を開放して、この開放端で囲まれる空間に燃料ノズル軸を配置した。このため、燃料ノズル軸の周囲にはハブが存在しないので、燃焼用気体は燃料ノズル軸に沿って滑らかに流れる。その結果、ノズル胴の中心部分にも燃焼用気体を流してこの部分の流速を高くできるので、ノズル胴内部における流速分布を一様に近づけることができる。したがって、予混合気体の逆流を抑えてフラッシュバックの危険性を低くできる。
つぎの発明にかかるガスタービンの燃焼器では、上記予混合ノズルによって予混合気体を形成して燃焼させるので、フラッシュバックを抑えて安定した運転ができる。そして、燃焼器の焼損も抑えることができるので、燃焼器の寿命が長くなり、保守・点検の手間も軽減できる。
つぎの発明にかかるガスタービンでは、上記ガスタービンの燃焼器によって燃焼ガスを備えているため、フラッシュバックを抑えて安定した運転ができる。また、フラッシュバックが抑制できるため、燃焼器等の焼損を抑えてガスタービン燃焼器の寿命も長くできる結果、保守・点検の間隔を長くできる。このため、このガスタービンを使用したプラントにおいては実稼動時間を長くでき、需要に合わせた運転がし易くなる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる予混合ノズルおよび燃焼器並びにガスタービンは、ガスタービンに有用であり、フラッシュバックの発生を抑制して予混合ノズルや燃焼器の焼損を抑制することに適している。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の実施の形態1にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを示す説明図であり、第2図は、この予混合ノズルに使用する燃料ノズル軸を示す説明図であり、第3図は、従来の予混合ノズルと実施の形態1にかかる予混合ノズルとのノズル胴内における軸方向の流速分布を示した説明図であり、第4図は、この発明の実施の形態1にかかる予混合ノズルの第1の変形例を示す軸方向断面図であり、第5図は、この発明の実施の形態1にかかる予混合ノズルの第2の変形例を示す軸方向断面図であり、第6図は、この発明の実施の形態1にかかる予混合ノズルの第3の変形例を示す軸方向断面図であり、第7図は、この発明の実施の形態2にかかる予混合ノズルを示す軸方向断面図であり、第8図は、この発明の実施の形態3にかかる予混合ノズルを示す説明図であり、第9図は、この発明の実施の形態4にかかる予混合ノズルを示す説明図であり、第10図は、この発明の実施の形態5にかかる予混合ノズルを示す説明図であり、第11図は、実施の形態5の変形例にかかる予混合ノズルを示す説明図であり、第12図は、この発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用したガスタービンの燃焼器を示す説明図であり、第13図は、この発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用したガスタービンを示す部分断面図であり、第14図は、これまで使用されてきたガスタービンの予混合燃焼器および予混合ノズルを示す説明図である。
Claims (10)
- ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記ハブの内周面と前記ハブの内部に位置する燃料ノズル軸との間に、燃焼用気体が通過する空間を設け、且つ前記空間を通過した燃焼用気体を前記ノズル胴の中心部に流すことを特徴とする予混合ノズル。 - ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記ノズル胴の出口に向かって細くした前記燃料ノズル軸の先端部分を、前記ハブの内部に配置し、且つ前記燃料ノズル軸の先端と前記ハブとの間に形成される空間に燃焼用気体を通過させることを特徴とする予混合ノズル。 - ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記燃料ノズル軸の一部を細くして、当該燃料ノズル軸の細い部分を前記ハブの内部に配置し、且つ前記燃料ノズル軸と前記ハブ内周面との間に形成される空間に燃焼用気体が通過させることを特徴とする予混合ノズル。 - ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記予混合ノズルの出口に向かって径が小さくなる前記ハブの内部に、前記予混合ノズルの出口に向かって径が小さくなる燃料ノズル軸の先端部分を配置して、前記ハブ内周と前記ノズル軸先端との空間に燃焼用空気を通過させることを特徴とする予混合ノズル。 - ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記燃料ノズル軸の一部を細くして、当該燃料ノズル軸の細い部分を、下流方向に向かって細くなる前記ハブの内部に配置したことを特徴とする予混合ノズル。 - ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記燃料ノズル軸の先端を前記ハブの上流側に配置し、且つ前記ハブと前記燃料ノズル軸との間に燃焼用気体を通過させることを特徴とする予混合ノズル。 - ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記ノズル胴内部に、前記ノズル胴の中心に向かう燃焼用気体の流れを形成する流れの偏向手段を備えたことを特徴とする予混合ノズル。 - ノズル胴と、
前記ノズル胴の内壁に一方の端部が取り付けられ、且つ、もう一方の端部は開放したスワーラ翼と、
前記スワーラ翼の端部で囲まれた空間に配置される燃料ノズル軸とを備え、前記燃料ノズル軸に沿って燃焼用気体を流すことによって前記ノズル胴の中心部分に燃焼用気体を流すことを特徴とする予混合ノズル。 - 請求の範囲第1項〜第8項のいずれか一つに記載の予混合ノズルを内部に備えた燃焼器内筒と、
当該燃焼器内筒を入口側に備え、且つ前記予混合ノズルから噴射された予混合気体を燃焼させて燃焼ガスを形成する筒状の燃焼室と、
を備えたことを特徴とするガスタービンの燃焼器。 - 空気を圧縮して燃焼用空気を形成する圧縮機と、
当該圧縮機から送られてきた燃焼用空気に燃料を混合させ、さらに両者の混合気体である予混合気体を燃焼させることで燃焼ガスを形成する請求の範囲第9に記載のガスタービンの燃焼器と、
当該ガスタービンの燃焼器で形成された燃焼ガスが噴射されることによって回転駆動力を生み出すタービンと、
を備えたことを特徴とするガスタービン。
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