WO2019181188A1 - ガスタービンの燃料ノズル及び燃焼器並びにガスタービン - Google Patents

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WO2019181188A1
WO2019181188A1 PCT/JP2019/002209 JP2019002209W WO2019181188A1 WO 2019181188 A1 WO2019181188 A1 WO 2019181188A1 JP 2019002209 W JP2019002209 W JP 2019002209W WO 2019181188 A1 WO2019181188 A1 WO 2019181188A1
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WO
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fuel
injection hole
fuel injection
gas
nozzle
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PCT/JP2019/002209
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English (en)
French (fr)
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和明 橋口
純司 野田
Original Assignee
三菱重工業株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/04Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22Fuel supply systems
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22Fuel supply systems
    • F02C7/232Fuel valves; Draining valves or systems
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F23R3/32Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices being tubular

Definitions

  • the present disclosure relates to a fuel nozzle and a combustor of a gas turbine, and a gas turbine.
  • a fuel nozzle of a combustor of a gas turbine disclosed in Patent Document 1 includes a conical deflector provided at a tip portion of the fuel nozzle, and an air nozzle for blowing air toward the tip portion of the deflector. ,have.
  • a liquid fuel film is formed on the surface of the conical deflector, and this liquid film is formed along the surface of the deflector. Flows toward the tip of the fuel (the tip of the fuel nozzle).
  • the fuel liquid film is separated from the tip of the deflector, it is sheared by the air flow sprayed from the air nozzle to form droplets and flow into the combustion chamber of the combustor.
  • the combustion cylinder may be burned out by colliding with the inner wall of the combustion cylinder and the metal temperature of the combustion cylinder becoming excessively high.
  • liquid fuel droplets are formed by shearing liquid film-like liquid fuel with air flow, so that liquid column-like liquid fuel is sheared with air flow.
  • the particle size of the obtained droplets tends to be smaller, and the possibility that the above-mentioned combustion cylinder burns out is reduced.
  • At least one embodiment of the present invention provides a fuel nozzle, a combustor, and a gas turbine of a gas turbine capable of effectively atomizing liquid fuel droplets injected from the fuel nozzle.
  • a fuel nozzle of a gas turbine according to at least one embodiment of the present invention, A nozzle body; A fuel injection hole formed in the nozzle body so as to have an injection port that opens on the outer surface of the nozzle body on one end side; A fuel passage provided inside the nozzle body so as to be connected to the fuel injection hole on the other end side of the fuel injection hole, and for supplying liquid fuel to the fuel injection hole, The diameter of the fuel injection hole in the connection portion between the fuel injection hole and the fuel passage is larger than the diameter of the fuel passage in the connection portion, The fuel injection hole has an opening on the wall surface, and further includes a gas passage for injecting gas into the fuel injection hole through the opening.
  • the diameter of the fuel injection hole in the connection portion between the fuel injection hole and the fuel passage is set larger than the diameter of the fuel passage in the connection portion, and the fuel injection hole is opened on the wall surface of the fuel injection hole. Since the gas passage is provided, the gas can be ejected from the gas passage toward the columnar liquid fuel ejected from the fuel passage to the fuel injection hole. Therefore, it is possible to effectively form a liquid film of liquid fuel that spreads along the inner wall surface by pushing the columnar liquid fuel toward the inner wall surface of the fuel injection hole by the jet gas from the gas passage.
  • the liquid film formed in this way is injected from the injection port of the fuel injection hole, the liquid fuel exposed to the gas flow flowing around the fuel nozzle after injection is compared with the case where the liquid film is injected as a liquid column.
  • the area expands. Therefore, atomization by shearing in the gas flow of the liquid fuel after injection can be promoted, and the liquid fuel can be effectively atomized.
  • the central axis of the fuel injection hole is inclined with respect to the central axis of the fuel passage.
  • the fuel injection hole and the fuel passage are provided so that the central axis of the fuel injection hole is inclined with respect to the central axis of the fuel passage, the fuel injection hole flows into the fuel injection hole.
  • Liquid fuel can be made to collide with the wall surface of the fuel injection hole. For this reason, the liquid film of the liquid fuel injected from the fuel injection hole can be formed more effectively.
  • the angle of the central axis of the fuel injection hole with respect to the central axis of the fuel passage is not less than 30 degrees and not more than 90 degrees.
  • the angle of the central axis of the fuel injection hole with respect to the central axis of the fuel passage is set to 30 degrees or more, so liquid fuel that has flowed from the fuel passage into the fuel injection hole is transferred to the wall of the fuel injection hole It is possible to collide effectively.
  • the angle of the central axis of the fuel injection hole with respect to the central axis of the fuel passage is set to 90 degrees or less, so that the kinetic energy of the liquid fuel is reduced due to the liquid fuel being pushed back to the jet gas. Can be suppressed. Therefore, according to the configuration of (3) above, a liquid film of liquid fuel can be more effectively formed and can be smoothly injected from the injection port of the fuel injection hole.
  • the cross section of the fuel injection hole in the circumferential direction of the nozzle body is parallel to the central axis of the fuel nozzle and perpendicular to a plane including the central axis of the fuel nozzle and the central axis of the fuel injection hole.
  • the size is larger than the size of the fuel injection hole in the direction orthogonal to the circumferential direction.
  • the gas flow around the nozzle body generally flows along a direction orthogonal to the circumferential direction of the nozzle body.
  • the fuel injection hole has a circumferential size larger than the size in the direction perpendicular to the circumferential direction in the above-described cross section.
  • the liquid film of the liquid fuel formed by the inner wall surface of the injection hole can be shaped to extend along the circumferential direction. Therefore, since the contact area between the liquid film of the liquid fuel injected from the fuel injection hole and the gas flow around the nozzle body increases, atomization of the liquid fuel due to shearing in the gas flow can be further promoted. it can.
  • any one of the above configurations (1) to (4) In the axial direction of the fuel injection hole, The distance between the intersection point P1 between the central axis of the fuel injection hole and the central axis of the gas passage and the intersection point P2 between the central axis of the fuel injection hole and the outer surface of the nozzle body is determined by the fuel at the connecting portion. It is larger than twice the diameter of the injection hole.
  • the length of the fuel injection hole is L 1
  • the distance from the other end of the fuel injection hole to the opening of the gas passage in the direction of the central axis of the fuel injection hole is greater than 0 and L 1 / 2 or less.
  • the distance between the above-mentioned points P1 and P2 is set to be larger than twice the diameter of the fuel injection hole in the connecting portion, the fuel is injected from the fuel passage into the fuel injection hole.
  • the length of the region where the liquid fuel flowing into the injection hole and the gas ejected from the gas passage are mixed can be ensured long.
  • the distance between the other end of the fuel injection hole in which the connection portion between the fuel injection hole and the fuel passage is provided and the opening of the gas passage formed on the surface of the fuel injection hole is L Since it is set to 1/2 or less, it is possible to secure a large distance between the opening of the gas passage and the injection port of the fuel injection hole.
  • the distance from when the jet gas from the gas passage collides with the liquid fuel that has flowed into the fuel injection hole from the fuel passage until the liquid fuel is injected from the injection port of the fuel injection hole, that is, the liquid fuel by the jet gas Is pressed against the inner wall surface of the fuel injection hole, and a section where the liquid film is formed can be secured long, so that the liquid film of liquid fuel can be formed more effectively.
  • the angle of the central axis of the gas passage with respect to the central axis of the fuel injection hole is not less than 30 degrees and not more than 90 degrees.
  • the angle of the central axis of the gas passage with respect to the central axis of the fuel injection hole is set to 30 degrees or more and 90 degrees or less, the liquid fuel flowing into the fuel injection hole and the gas passage from the gas passage The collision energy with the jet gas can be increased. For this reason, liquid fuel can be effectively pressed against the inner wall surface of the fuel injection hole by the jet gas, and a liquid film of liquid fuel can be formed more effectively.
  • the fuel passage is connected to the bottom surface of the fuel injection hole on the other end side of the fuel injection hole.
  • the gas passage is connected to the fuel injection hole through the opening formed in the inner peripheral surface of the fuel injection hole.
  • the gas passage is connected to the fuel injection hole via the opening formed in the inner peripheral surface of the fuel injection hole. It can be made to jet along the direction orthogonal to a central axis, and can be made to collide with the liquid fuel from a fuel channel. Therefore, a liquid film of liquid fuel can be effectively formed in the fuel injection hole.
  • the central axis of the gas passage is positioned away from the central axis of the fuel injection hole in the direction orthogonal to the central axis on the above-described cross section (projection plane). Therefore, by causing the jet gas from the gas passage to collide with the inner wall surface of the fuel injection hole, a swirl component can be imparted to the flow of the jet gas to form a swirl flow along the inner wall surface. Therefore, the contact between the liquid fuel and the jet gas in the fuel injection hole can be promoted, and the atomization of the liquid fuel can be promoted also in the fuel injection hole.
  • the central axis of the fuel passage is positioned away from the central axis of the fuel injection hole in the direction perpendicular to the central axis on the above-described cross section (projection plane). Therefore, by causing the liquid fuel from the fuel passage to collide with the inner wall surface of the fuel injection hole, a swirling component can be imparted to the flow of the liquid fuel to form a swirling flow along the inner wall surface. Therefore, the contact between the liquid fuel and the jet gas in the fuel injection hole can be promoted, and the atomization of the liquid fuel can be promoted also in the fuel injection hole.
  • the central axis of the gas passage is in the direction orthogonal to the central axis on the cross section. And located When the fuel passage is projected on the cross section, the central axis of the fuel passage is located off the central axis of the fuel injection hole in a direction perpendicular to the central axis on the cross section.
  • the gas jet direction from the gas passage to the fuel injection hole and the jet direction of the liquid fuel from the fuel passage to the fuel injection hole are the swirl components in the same direction with respect to the central axis of the fuel injection hole. have.
  • a swirling component is imparted to the flow of gas ejected from the gas passage to form a swirling flow along the inner wall surface, and liquid from the fuel passage is formed.
  • a swirl component is imparted to the flow of the fuel to form a swirl flow along the inner wall surface, and the jet direction of the jet gas from the gas passage and the jet direction of the liquid fuel from the fuel passage are the center of the fuel injection hole. It is comprised so that it may have the rotation component of the same direction regarding an axis
  • the fuel nozzle is A swirler vane provided to protrude from the nozzle body to the outside in the radial direction of the nozzle body, configured to swirl the fluid flowing around the nozzle body, and having a gas fuel injection hole opened on a surface thereof.
  • the nozzle body includes a streamlined portion that is located downstream of the swirler vane in the axial direction of the nozzle body and tapers toward the downstream side, The injection port of the fuel injection hole is formed on the surface of the streamlined portion.
  • a fuel nozzle having a swirler vane and a streamlined nozzle body it is typically possible to eject gas fuel from a fuel injection hole formed in the swirler vane.
  • the liquid film of the liquid fuel is effectively formed. Can be formed.
  • a combustor of a gas turbine according to at least one embodiment of the present invention, The fuel nozzle according to any one of (1) to (12) above; A combustion cylinder that forms a passage for combustion gas generated by combustion of fuel injected from the fuel nozzle; Is provided.
  • the diameter of the fuel injection hole at the connection portion between the fuel injection hole and the fuel passage is set larger than the diameter of the fuel passage at the connection portion, and the fuel injection hole opens on the wall surface of the fuel injection hole. Since the gas passage is provided, the gas can be ejected from the gas passage toward the columnar liquid fuel ejected from the fuel passage to the fuel injection hole. Therefore, it is possible to effectively form a liquid film of liquid fuel that spreads along the inner wall surface by pushing the columnar liquid fuel toward the inner wall surface of the fuel injection hole by the jet gas from the gas passage.
  • the liquid film formed in this way is injected from the injection hole of the fuel injection hole, the liquid fuel exposed to the gas flow flowing around the fuel nozzle after injection is compared with the case where the liquid film is injected as a liquid column.
  • the area expands. Therefore, atomization by shearing in the gas flow of the liquid fuel after injection can be promoted, and the liquid fuel can be effectively atomized.
  • a gas turbine according to at least one embodiment of the present invention includes: A combustor according to (13) above; A stationary blade and a moving blade provided on the downstream side of the combustion cylinder of the combustor; Is provided.
  • the diameter of the fuel injection hole at the connection portion between the fuel injection hole and the fuel passage is set larger than the diameter of the fuel passage at the connection portion, and the fuel injection hole opens on the wall surface of the fuel injection hole. Since the gas passage is provided, the gas can be ejected from the gas passage toward the columnar liquid fuel ejected from the fuel passage to the fuel injection hole. Therefore, it is possible to effectively form a liquid film of liquid fuel that spreads along the inner wall surface by pushing the columnar liquid fuel toward the inner wall surface of the fuel injection hole by the jet gas from the gas passage.
  • the liquid film formed in this way is injected from the injection hole of the fuel injection hole, the liquid fuel exposed to the gas flow flowing around the fuel nozzle after injection is compared with the case where the liquid film is injected as a liquid column.
  • the area expands. Therefore, atomization by shearing in the gas flow of the liquid fuel after injection can be promoted, and the liquid fuel can be effectively atomized.
  • a fuel nozzle a combustor, and a gas turbine of a gas turbine capable of effectively atomizing liquid fuel droplets injected from a fuel nozzle.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of the fuel nozzle shown in FIG. 4 in the vicinity of a fuel injection hole.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas turbine according to an embodiment.
  • a gas turbine 1 is driven to rotate by a combustion gas, a compressor 2 for generating compressed air, a combustor 4 for generating combustion gas using the compressed air and fuel, and the combustion gas.
  • a turbine 6 configured as described above.
  • a generator (not shown) is connected to the turbine 6.
  • the compressor 2 includes a plurality of stationary blades 16 fixed to the compressor casing 10 side, and a plurality of moving blades 18 implanted in the rotor 8 so as to be alternately arranged with respect to the stationary blades 16. .
  • the air taken in from the air intake 12 is sent to the compressor 2, and this air passes through the plurality of stationary blades 16 and the plurality of moving blades 18 and is compressed so as to be high-temperature and high-pressure. Compressed air.
  • the combustor 4 is supplied with fuel and compressed air generated by the compressor 2, and the fuel is combusted in the combustor 4 to generate combustion gas which is a working fluid of the turbine 6. Is done.
  • the gas turbine 1 has a plurality of combustors 4 disposed in a casing 20 along a circumferential direction around a rotor 8.
  • the turbine 6 is located on the downstream side of the combustor 4, has a combustion gas passage 28 formed by the turbine casing 22, and includes a plurality of stationary blades 24 and moving blades 26 provided in the combustion gas passage 28. Including.
  • the stationary blades 24 are fixed to the turbine casing 22 side, and a plurality of stationary blades 24 arranged along the circumferential direction of the rotor 8 constitutes a stationary blade row.
  • the moving blades 26 are implanted in the rotor 8, and a plurality of moving blades 26 arranged along the circumferential direction of the rotor 8 constitute a moving blade row.
  • the stationary blade rows and the moving blade rows are alternately arranged in the axial direction of the rotor 8.
  • the combustion gas from the combustor 4 flowing into the combustion gas passage 28 passes through the plurality of stationary blades 24 and the plurality of blades 26, so that the rotor 8 is rotationally driven.
  • the generator is driven to generate electric power.
  • the combustion gas after driving the turbine 6 is discharged to the outside through the exhaust chamber 30.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main part of the combustor according to one embodiment.
  • each combustor 4 includes a combustor liner (combustion cylinder) 46 provided in a combustor chamber 40 defined by the casing 20, and a first disposed in the combustor liner 46.
  • the combustor 4 may include other components such as a bypass pipe (not shown) for bypassing the combustion gas.
  • the combustor liner (combustion cylinder) 46 includes an inner cylinder 45a disposed around the first combustion burner 50 and the plurality of second combustion burners 60, and a tail cylinder (not shown) connected to the tip of the inner cylinder. ) And.
  • the combustor liner (combustion cylinder) 46 forms a passage of combustion gas generated by combustion of fuel injected from a fuel nozzle (a first nozzle 54 and a second nozzle 64 described later).
  • the first combustion burner 50 is disposed along the central axis of the combustor liner 46.
  • a plurality of second combustion burners 60 are arranged apart from each other so as to surround the first combustion burner 50.
  • the first combustion burner 50 includes a first nozzle 54 connected to the fuel port 52, a first cone 56 disposed so as to surround the first nozzle 54, and a swirler vane 58 provided on the outer periphery of the first nozzle 54. ,have.
  • the second combustion burner 60 includes a second nozzle 64 connected to the fuel port 62, a burner cylinder 66 disposed so as to surround the second nozzle 64, a burner cylinder 66, and a combustor liner 46 (for example, an inner cylinder).
  • An extension pipe 65 to be connected and a swirler vane 70 provided on the outer periphery of the second nozzle 64 are provided.
  • extension pipe 65 extends from the upstream end face connected to the burner cylinder 66 to the downstream end face (extension pipe outlet 65 a).
  • FIG. 2 shows the central axis O ′ of the second nozzle 64.
  • the combustor 4 having the above configuration functions as follows, for example.
  • the high-temperature and high-pressure compressed air generated by the compressor 2 is supplied into the combustor compartment 40 from the compartment entrance (not shown), and further flows into the burner cylinder 66 from the combustor compartment 40. To do.
  • the compressed air and the fuel supplied from the fuel port 62 are premixed in the burner cylinder 66.
  • the premixed gas mainly forms a swirling flow by the swirler vane 70 and flows into the combustor liner 46.
  • the flow of compressed air in the combustor 4 is indicated by arrows.
  • Compressed air and fuel injected from the first combustion burner 50 through the fuel port 52 are mixed in the combustor liner 46, ignited by a not-shown type fire, and burned to generate combustion gas. At this time, a part of the combustion gas diffuses to the surroundings with a flame, so that the premixed gas flowing into the combustor liner 46 from each second combustion burner 60 is ignited and burned.
  • flame holding for stable combustion of the premixed gas (premixed fuel) from the second combustion burner 60 can be performed by the pilot flame of the pilot fuel injected from the first combustion burner 50.
  • the combustion region is formed in the inner cylinder of the combustor liner 46, for example.
  • premixed fuel may be supplied to the first nozzle 54 of the first combustion burner 50. Further, pilot fuel may be supplied to the second nozzle 64 of the second combustion burner 60.
  • the configuration of the fuel nozzle 100 according to the present embodiment will be described in detail using the second nozzle 64 of the second combustion burner 60 described above as an example.
  • the fuel nozzle 100 according to the present embodiment is not limited to the second nozzle 64 of the second combustion burner 60 described above, and the fuel nozzle 100 is provided in the combustor 4 of the gas turbine 1, for example.
  • the first nozzle 54 of the first combustion burner 50 may be used.
  • the fuel nozzle 100 according to the present embodiment may be a fuel nozzle of a combustion burner that mainly performs diffusion combustion, may be a fuel nozzle of a combustion burner that mainly performs premix combustion, or A fuel nozzle of a combustion burner provided in equipment other than the gas turbine 1 may be used.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view along the axial direction of the fuel nozzle 100 (here, the second nozzle 64 described above) according to an embodiment.
  • 4 and 5 are enlarged cross-sectional views of the tip of the fuel nozzle 100 according to one embodiment. 4 and 5, the illustration of the purge gas supply path 47 and the purge gas injection hole 48 included in FIG. 3 is omitted.
  • the fuel nozzle 100 includes a nozzle body 32, the plurality of swirler vanes 70 described above, a fuel injection hole 38 and a fuel supply path 34 formed in the nozzle body 32. .
  • each of the plurality of swirler vanes 70 is provided so as to protrude in the radial direction of the nozzle body 32, and fluid (combustor casing 40 (see FIG. 2)) flowing around the nozzle body 32. Compressed air from the gas or gas fuel injected from a gas fuel injection hole 71 (to be described later) is swirled.
  • each swirler vane 70 is provided with a gas fuel injection hole 71 that opens on the surface of the swirler vane 70.
  • Gas fuel is supplied to the gas fuel injection hole 71 via a gas fuel supply path (not shown) provided in the nozzle body 32.
  • the gas fuel supplied in this way is It is injected through an opening on the surface of the swirler vane 70.
  • the nozzle body 32 may include a streamlined portion 72 located downstream of the swirler vane 70 in the axial direction of the nozzle body 32 (hereinafter also simply referred to as “axial direction”).
  • the streamline portion 72 has a shape that tapers toward the downstream side in the axial direction of the nozzle body 32.
  • the fuel injection hole 38 has an injection port 39 that opens to the outer surface 32 a of the nozzle body 32.
  • the fuel supply path 34 is provided so as to extend along the axial direction on the upstream side of the fuel injection hole 38. Liquid fuel is supplied to the fuel injection hole 38 through the fuel supply path 34, and the liquid fuel supplied in this way is injected through the injection port 39 described above. ing.
  • the injection port 39 of the fuel injection hole 38 may be formed on the surface of the streamlined portion 72 in the nozzle body 32.
  • a plurality of fuel injection holes 38 may be arranged along the circumferential direction of the nozzle body 32.
  • the fuel nozzle 100 is a dual nozzle capable of ejecting both gaseous fuel and liquid fuel.
  • the fuel nozzle 100 shown in FIG. 3 further includes a purge gas supply path 47 and a purge gas injection hole 48 formed in the nozzle body 32.
  • the purge gas supply passage 47 is provided so as to extend in the axial direction on the upstream side of the purge gas injection hole 48, and the purge gas injection hole 48 is located at the downstream end of the purge gas injection hole 48 and the nozzle body 32.
  • a purge gas injection port that opens on the surface of the front end portion of the gas is provided.
  • the purge gas supply path 47 is an annular flow path located on the radially outer side of the fuel supply path 34.
  • a purge gas for example, air
  • the purge gas supplied to the purge gas injection hole 48 is injected through the purge gas injection port 49. It has become so.
  • vortex core flashback flame rises from the vortex core portion of the swirl flow of fuel gas
  • the vortex core flashback in the combustor 4 can be suppressed by ejecting the purge gas from the purge gas injection hole 48.
  • a fuel passage 36 for supplying liquid fuel to the fuel injection hole 38 is provided in the nozzle body 32.
  • the fuel passage 36 is provided upstream of the fuel injection hole 38 and downstream of the fuel supply path 34 between the fuel injection hole 38 and the fuel supply path 34. Further, the fuel passage 36 is provided so as to be connected to the fuel injection hole 38 on the other end 38B side opposite to the one end 38A side having the injection port 39 among both ends of the fuel injection hole 38. .
  • the liquid fuel from the fuel supply path 34 is supplied to the fuel injection hole 38 through the fuel passage 36.
  • the fuel passage 36 may be provided on the other end 38B side of the fuel injection hole 38 so as to be connected to the bottom surface 80 of the 38 fuel injection hole.
  • a gas passage 44 for ejecting gas (for example, air) into the fuel injection hole 38 is provided in the nozzle body 32.
  • the gas passage 44 is connected to the fuel injection hole 38 through an opening 45 formed in the wall surface (inner peripheral surface) 82 of the fuel injection hole 38.
  • a gas supply path 42 extending in the axial direction is provided on the upstream side of the gas passage 44, and the gas from the gas supply path 42 passes through the gas passage 44 and the opening 45, and the fuel injection hole 38. It is supposed to be ejected.
  • the gas supply path 42 is an annular flow path positioned on the radially outer side of the fuel supply path 34.
  • the diameter D1 of the fuel injection hole in the connection portion 78 between the fuel injection hole 38 and the fuel passage 36 is set larger than the diameter D2 of the fuel passage 36 in the connection portion 78.
  • the connecting portion 78 between the fuel injection hole 38 and the fuel passage 36 has a length L 1 of the fuel injection hole 38, and the fuel injection hole 38 and the fuel in the direction of the central axis P of the fuel injection hole 38. distance from the connection position with the passage 36 refers to a portion in the range of 0.2 L 1 below. That is, in the connecting portion 78, the cross-sectional area of the liquid fuel passage suddenly increases from the fuel passage 36 toward the fuel injection hole 38.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view in the vicinity of the fuel injection hole 38 of the fuel nozzle 100 shown in FIG.
  • the fuel injection hole 38, the fuel passage 36, and the gas passage 44 are indicated by solid lines.
  • the diameter D1 of the fuel injection hole 38 in the connection portion 78 between the fuel injection hole 38 and the fuel passage 36 is set to the diameter D2 of the fuel passage 36 in the connection portion 78.
  • a gas passage 44 that opens to the wall surface 82 of the fuel injection hole 38 is provided.
  • the gas 110 can be ejected from the gas passage 44 toward the columnar liquid fuel 102 ejected from the fuel passage 36 to the fuel injection hole 38. Therefore, it is possible to effectively form the liquid film 104 of the liquid fuel spreading along the wall surface 82 by spreading the columnar liquid fuel 102 toward the wall surface 82 of the fuel injection hole by the jet gas 110 from the gas passage 44. it can.
  • liquid film 104 formed in this way is injected from the injection port 39 of the fuel injection hole 38, shearing is caused by a gas flow (air or premixed gas; cross wind in the figure) flowing around the fuel nozzle 100. As a result, a droplet 108 is formed.
  • the gas flow flowing around the fuel nozzle 100 after injection is larger than when the liquid fuel is injected in the form of a liquid column.
  • the area of the liquid fuel (liquid film 104) to be exposed increases. Therefore, it is possible to promote the refinement of the particle diameter of the droplet 108 formed by shearing in the gas flow of the liquid fuel after injection. Therefore, the liquid fuel injected from the fuel nozzle 100 can be effectively atomized.
  • compressed air flowing into the burner cylinder 66 (see FIGS. 2 and 3) from the combustor casing 40 (see FIG. 2) is used as a gas to be ejected from the gas passage 44 to the fuel injection hole 38.
  • the gas supply path 42 has an air introduction hole 74 that opens on the surface of the nozzle body 32 at a position upstream of the swirler vane 70 in the axial direction of the fuel nozzle 100. Also good. From this air introduction hole 74, relatively high pressure air can be introduced into the gas supply path 42 and ejected to the fuel injection hole 38 via the gas passage 44.
  • the compressed air extracted from the compressor 2 of the gas turbine 1 may be used as the gas ejected from the gas passage 44 to the fuel injection hole 38.
  • high-pressure gas generated by a compressor or the like outside the gas turbine 1 may be used as the gas ejected from the gas passage 44 to the fuel injection hole 38.
  • the central axis P of the fuel injection hole 38 and the central axis Q of the fuel passage 36 may be substantially parallel. As shown in FIG. 4, the central axis P of the fuel injection hole 38 and the central axis Q of the fuel passage 36 may be coaxial.
  • the center axis P of the fuel injection hole 38 may be inclined with respect to the center axis Q of the fuel passage 36.
  • the fuel injection hole 38 is changed to the fuel injection hole 38.
  • the liquid fuel that has flowed in can collide with the wall surface 82 of the fuel injection hole 38. For this reason, the liquid film of the liquid fuel injected from the fuel injection hole 38 can be formed more effectively.
  • the angle ⁇ of the central axis P of the fuel injection hole 38 with respect to the central axis Q of the fuel passage 36 may be 20 degrees or more and 90 degrees or less.
  • the angle ⁇ described above may be 40 degrees or greater and 50 degrees or less.
  • the angle ⁇ By setting the angle ⁇ to 20 degrees or more or 90 degrees or more, the liquid fuel that has flowed into the fuel injection hole 38 from the fuel passage 36 can be effectively collided with the wall surface 82 of the fuel injection hole 38.
  • the angle ⁇ by setting the angle ⁇ to 60 degrees or less or 50 degrees or less, it is possible to suppress a decrease in kinetic energy of the liquid fuel due to the collision of the liquid fuel with the wall surface 82 of the fuel injection hole 38. Therefore, by setting the above-described angle ⁇ within the above-described range, a liquid film of liquid fuel can be formed more effectively and can be smoothly injected from the injection port 39 of the fuel injection hole 38.
  • the distance between the point P1 (see FIGS. 4 and 5) and the point P2 (see FIGS. 4 and 5) in the axial direction (the direction of the central axis P) of the fuel injection hole 38 is the connecting portion. It is larger than twice the diameter D1 of the fuel injection hole at 78.
  • the above-mentioned point P1 is the center axis P of the fuel injection hole 38 and the gas.
  • the point P2 is an intersection with the central axis R of the passage 44, and the above-described point P2 is an intersection between the central axis P of the fuel injection hole 38 and the outer surface 32a of the nozzle body 32.
  • the length of the fuel injection hole 38 is L 1 (see FIGS. 4 and 5)
  • the distance L 2 (see FIGS. 4 and 5) from the gas passage 44 to the opening 45 of the gas passage 44 is greater than 0 and less than or equal to L 1/2 .
  • the length L 1 of the fuel injection hole, and by the other end 38B end 38A of the fuel injection holes 38 (the position of the injection port 39) of the line segment cut out from the central axis P is the length.
  • the distance between the above-mentioned points P1 and P2 By setting the distance between the above-mentioned points P1 and P2 to be larger than twice the diameter D1 of the fuel injection hole 38 in the connecting portion 78, the fuel injection hole 38 flows into the fuel injection hole 38 from the fuel passage 36.
  • the length of the region where the liquid fuel and the gas ejected from the gas passage 44 are mixed can be secured long.
  • the angle ⁇ (see FIGS. 4 and 5) of the central axis R of the gas passage 44 with respect to the central axis P of the fuel injection hole 38 is not less than 30 degrees and not more than 90 degrees.
  • the collision energy between the liquid fuel flowing into the fuel injection hole 38 and the gas ejected from the gas passage 44 can be increased by setting the angle ⁇ to 30 degrees or more and 90 degrees or less. For this reason, liquid fuel can be effectively pressed against the wall surface 82 of the fuel injection hole 38 by the jet gas, and a liquid film of liquid fuel can be formed more effectively.
  • FIGS. 6 and 7 respectively show the fuel nozzle 100 according to an embodiment in the direction of arrow B shown in FIGS. 4 and 5 (that is, perpendicular to the central axis O ′ of the fuel nozzle 100 and fuel injection). It is the schematic seen in the direction which passes along the central axis P of the hole 38).
  • the nozzle body in a cross section that is parallel to the central axis O ′ of the fuel nozzle 100 and perpendicular to a plane that includes the central axis O ′ of the fuel nozzle 100 and the central axis P of the fuel injection hole 38.
  • 32 in the circumferential direction (hereinafter, simply “circumferential direction” and also referred to.) size L C of the fuel injection holes 38 in is greater than the size L a of the fuel injection holes 38 in a direction perpendicular to the circumferential direction (FIG. 6 And FIG. 7).
  • the shape of the fuel injection hole 38 in the above cross-section is elliptical, the minor axis has the long axis of the ellipse is at L C is L A. Further, in FIG. 7, the shape of the fuel injection hole 38 in the above cross-section is rectangular, the rectangle long sides be L C short sides is L A.
  • the gas flow around the nozzle body generally flows along a direction orthogonal to the circumferential direction of the nozzle body 32.
  • the circumferential size L C of the fuel injection hole 38 is larger than the size L A in the direction orthogonal to the circumferential direction.
  • the liquid film of the liquid fuel formed by the wall surface 82 of the fuel injection hole 38 can be formed to extend in the circumferential direction. Therefore, since the contact area between the liquid film of the liquid fuel injected from the fuel injection hole 38 and the gas flow around the nozzle body 32 increases, atomization of the liquid fuel due to shearing in the gas flow is further promoted. be able to.
  • FIG. 8 and 9 are schematic cross-sectional views orthogonal to the central axis P of the fuel nozzle 100 according to the embodiment, respectively, and positions of the fuel injection hole 38, the gas passage 44, and / or the fuel passage 36. It is a figure which shows a relationship. In FIG. 9, the nozzle main body 32 is not shown.
  • the central axis R of the gas passage 44 is shifted from the central axis P of the fuel injection hole 38 in the direction orthogonal to the central axis R.
  • the central axis R of the gas passage 44 and the central axis P of the fuel injection hole 38 are separated by a distance d1 in the direction orthogonal to the central axis R of the gas passage 44. ing.
  • the central axis R of the gas passage 44 is positioned away from the central axis P of the fuel injection hole 38 in a direction orthogonal to the central axis R.
  • the swirl along the wall surface (inner circumferential surface) 82 is imparted to the flow of the ejected gas by causing the ejected gas from the gas passage 44 to collide with the wall surface (inner circumferential surface) 82 of the fuel injection hole 38.
  • a flow can be formed (see arrows in FIG. 8). Therefore, the contact between the liquid fuel and the jet gas in the fuel injection hole 38 can be promoted, and the atomization of the liquid fuel can be promoted also in the fuel injection hole 38.
  • the central axis Q is shifted from the central axis P of the fuel injection hole 38 in the direction orthogonal to the central axis Q.
  • the center axis Q of the fuel passage 36 and the center axis P of the fuel injection hole 38 are separated by a distance d2 in the direction orthogonal to the center axis Q of the fuel passage 36.
  • the center axis Q of the fuel passage 36 is positioned away from the center axis P of the fuel injection hole 38 in the direction perpendicular to the center axis Q on the above-described cross section (projection plane).
  • the liquid fuel from the fuel passage 36 is caused to collide with the wall surface (inner peripheral surface) 82 of the fuel injection hole 38, thereby imparting a swirling component to the flow of the liquid fuel and swirling flow along the wall surface (inner peripheral surface) 82. Can be formed. Therefore, the contact between the liquid fuel and the jet gas in the fuel injection hole 38 can be promoted, and the atomization of the liquid fuel can be promoted also in the fuel injection hole 38.
  • the direction of gas ejection from the gas passage 44 into the fuel injection hole 38 (see arrow VA in FIG. 9) and the ejection of liquid fuel from the fuel passage 36 into the fuel injection hole 38.
  • direction (see arrow V B of FIG. 9) is, with respect to the central axis P of the fuel injection hole 38 has the same direction of the swirling component. That is, in FIG. 9, both the arrow V A indicating the gas ejection direction from the gas passage 44 and the arrow V B indicating the liquid fuel ejection direction from the fuel passage 36 are both the central axis of the fuel injection hole 38. With respect to P, it has a turning component in the counterclockwise direction.
  • the jet direction of the jet gas from the gas passage 44 and the jet direction of the liquid fuel from the fuel passage 36 are configured to have a swirl component in the same direction with respect to the central axis P of the fuel injection hole 38. . Therefore, the contact between the liquid fuel and the jet gas in the fuel injection hole 38 can be promoted, and the atomization of the liquid fuel can be effectively promoted also in the fuel injection hole 38.
  • Air may be used.
  • the purge gas supply path 47 has an air introduction hole 76 that opens on the surface of the nozzle body 32 at a position upstream of the swirler vane 70 in the axial direction of the fuel nozzle 100. Also good. From this air introduction hole 76, relatively high pressure air can be introduced into the purge gas supply passage 47, and the purge gas can be ejected from the purge gas injection port 49 via the purge gas injection hole 48.
  • compressed air extracted from the compressor 2 of the gas turbine 1 may be used as the gas supplied from the purge gas supply path 47 to the purge gas injection hole 48.
  • a high-pressure gas generated by a compressor or the like outside the gas turbine 1 may be used as the gas supplied from the purge gas supply path 47 to the purge gas injection hole 48.
  • the gas supply path 42 may be located between the fuel supply path 34 and the purge gas supply path 47 in the radial direction of the fuel nozzle 100.
  • the gas supply path 42 is sandwiched between the fuel supply path 34 through which the liquid fuel passes and the purge gas supply path 47 through which the purge gas passes.
  • the liquid fuel passing through the fuel supply path 34 can be shielded from the high temperature purge gas by flowing a relatively low temperature gas through the gas supply path 42. Thereby, coking of the fuel supply path 34 can be suppressed.
  • an expression representing a relative or absolute arrangement such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial”. Represents not only such an arrangement strictly but also a state of relative displacement with tolerance or an angle or a distance to obtain the same function.
  • an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
  • expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes not only represent shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes in a strict geometric sense, but also within a range where the same effects can be obtained.
  • a shape including an uneven portion or a chamfered portion is also expressed.
  • the expression “comprising”, “including”, or “having” one constituent element is not an exclusive expression for excluding the existence of another constituent element.

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Abstract

ガスタービンの燃料ノズルは、ノズル本体と、前記ノズル本体の外表面に開口する噴射口を一端側に有するように前記ノズル本体に形成された燃料噴射孔と、前記燃料噴射孔の他端側において該燃料噴射孔に接続されるように前記ノズル本体の内部に設けられ、前記燃料噴射孔に液体燃料を供給するための燃料通路と、を備え、前記燃料噴射孔と前記燃料通路との接続部における前記燃料噴射孔の直径は、前記接続部における前記燃料通路の直径よりも大きく、前記燃料噴射孔の壁面に開口を有し、該開口を介して前記燃料噴射孔にガスを噴出するためのガス通路をさらに備える。

Description

ガスタービンの燃料ノズル及び燃焼器並びにガスタービン
 本開示は、ガスタービンの燃料ノズル及び燃焼器並びにガスタービンに関する。
 ガスタービン燃焼器の燃料ノズルにおいて、液体燃料を噴射する場合の燃料の分散性向上や微粒化を目的として、燃料ノズルで液膜状の燃料の流れを形成し、噴射することが提案されている。
 例えば、特許文献1に開示されるガスタービンの燃焼器の燃料ノズルは、該燃料ノズルの先端部に設けられた円錐形状のディフレクタと、ディフレクタの先端部に向けて空気を吹き付けるための空気ノズルと、を有している。燃料ノズル内部に形成された燃料通路からの液体燃料がディフレクタに向けて噴出されると、円錐形状のディフレクタの表面で液体燃料の膜が形成され、この液膜は、ディフレクタの表面に沿ってディフレクタの先端部(燃料ノズルの先端部)に向かって流れる。そして、燃料の液膜は、ディフレクタの先端部から離れるとき、空気ノズルから噴き付けられる空気流れによってせん断されることにより液滴となり、燃焼器の燃焼室に流入するようになっている。
特表2015-505596号公報
 ところで、燃料ノズルから噴出される液体燃料の液滴の粒径が大きいと、噴霧液滴の蒸発に長い時間を要し、該噴霧液滴が未燃のまま、あるいは、燃焼しきらないうちに燃焼筒の内壁に衝突し、燃焼筒のメタル温度が過度に高くなることによって燃焼筒が焼損する場合がある。
 この点、例えば特許文献1に記載される燃料ノズルでは、液膜状の液体燃料を空気流れでせん断することにより液体燃料の液滴を形成するので、液柱状の液体燃料を空気流れでせん断して液滴を形成する場合に比べ、得られる液滴の粒径が小さくなる傾向となり、上述した燃焼筒の焼損が生じる可能性は低減されると考えられる。しかしながら、燃料ノズルから噴射される液体燃料の液滴をより効果的に微粒化できることが望まれる。
 上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、燃料ノズルから噴射される液体燃料の液滴を効果的に微粒化可能なガスタービンの燃料ノズル及び燃焼器並びにガスタービンを提供することを目的とする。
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃料ノズルは、
 ノズル本体と、
 前記ノズル本体の外表面に開口する噴射口を一端側に有するように前記ノズル本体に形成された燃料噴射孔と、
 前記燃料噴射孔の他端側において該燃料噴射孔に接続されるように前記ノズル本体の内部に設けられ、前記燃料噴射孔に液体燃料を供給するための燃料通路と、を備え、
 前記燃料噴射孔と前記燃料通路との接続部における前記燃料噴射孔の直径は、前記接続部における前記燃料通路の直径よりも大きく、
 前記燃料噴射孔の壁面に開口を有し、該開口を介して前記燃料噴射孔にガスを噴出するためのガス通路をさらに備える。
 上記(1)の構成によれば、燃料噴射孔と燃料通路との接続部における燃料噴射孔の直径を該接続部における燃料通路の直径よりも大きく設定するとともに、燃料噴射孔の壁面に開口するガス通路を設けたので、燃料通路から燃料噴射孔に噴出される柱状の液体燃料に向けてガス通路からガスを噴出させることができる。よって、ガス通路からの噴出ガスにより柱状の液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に向けて押し広げて、内壁面に沿って広がる液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。また、このように形成された液膜が燃料噴射孔の噴射口から噴射されるため、液柱状のまま噴射される場合に比べ、噴射後に燃料ノズルの周囲を流れる気体流れに晒される液体燃料の面積が拡大する。よって、噴射後の液体燃料の気体流れでのせん断による微粒化を促進することができ、液体燃料を効果的に微粒化することができる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
 前記燃料噴射孔の中心軸は、前記燃料通路の中心軸に対して傾斜している。
 上記(2)の構成によれば、燃料噴射孔の中心軸が、燃料通路の中心軸に対して傾斜するように燃料噴射孔及び燃料通路を設けたので、燃料通路から燃料噴射孔に流入した液体燃料を、燃料噴射孔の壁面に衝突させることができる。このため、燃料噴射孔から噴射される液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(2)の構成において、
 前記燃料通路の前記中心軸に対する前記燃料噴射孔の前記中心軸の角度は、30度以上90度以下である。
 上記(3)の構成では、燃料通路の中心軸に対する燃料噴射孔の中心軸の角度を30度以上に設定したので、燃料通路から燃料噴射孔に流入した液体燃料を、燃料噴射孔の壁面に効果的に衝突させることができる。また、上記(3)の構成では、燃料通路の中心軸に対する燃料噴射孔の中心軸の角度を90度以下に設定したので、液体燃料が噴出ガスに押し戻されることによる液体燃料の運動エネルギーの低下を抑制することができる。よって、上記(3)の構成によれば、液体燃料の液膜をより効果的に形成するとともに、燃料噴射孔の噴射口から円滑に噴射することができる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の何れかの構成において、
 前記燃料ノズルの中心軸に平行であるとともに、前記燃料ノズルの前記中心軸と前記燃料噴射孔の前記中心軸とを含む平面に直交する断面において、前記ノズル本体の周方向における前記燃料噴射孔の大きさは、前記周方向に直交する方向における前記燃料噴射孔の大きさよりも大きい。
 ノズル本体の周囲の気体流れは、一般的に、ノズル本体の周方向に直交する方向に沿って流れる。
 この点、上記(4)の構成によれば、上述の断面において、該燃料噴射孔の周方向の大きさが、周方向に直交する方向における大きさよりも大きい形状となるようにしたので、燃料噴射孔の内壁面で形成される液体燃料の液膜を周方向に沿って延びた形状とすることができる。よって、燃料噴射孔から噴射された液体燃料の液膜と、ノズル本体の周囲の気体流れとの接触面積が増大するため、該気体流れでのせん断による液体燃料の微粒化をより促進することができる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(4)の何れかの構成において、
 前記燃料噴射孔の軸方向における、
前記燃料噴射孔の中心軸と前記ガス通路の中心軸との交点P1と、前記燃料噴射孔の中心軸と前記ノズル本体の前記外表面との交点P2との距離は、前記接続部における前記燃料噴射孔の前記直径の2倍より大きい。
 あるいは、幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(4)の何れかの構成において、
 前記燃料噴射孔の長さをLとしたとき、前記燃料噴射孔の中心軸の方向における前記燃料噴射孔の前記他端から前記ガス通路の前記開口までの距離は、0より大きくL/2以下である。
 上記(5)の構成によれば、上述の点P1と点P2との距離が接続部における燃料噴射孔の直径の2倍よりも大きくように設定したので、燃料噴射孔において、燃料通路から燃料噴射孔に流入した液体燃料と、ガス通路からの噴出ガスが混合する領域の長さを長く確保することができる。あるいは、上記(5)の構成によれば、燃料噴射孔と燃料通路の接続部が設けられる燃料噴射孔の他端と、燃料噴射孔の表面に形成されるガス通路の開口との距離がL/2以下になるようにしたので、ガス通路の開口と燃料噴射孔の噴射口との距離を大きく確保することができる。よって、燃料通路から燃料噴射孔に流入した液体燃料にガス通路からの噴出ガスが衝突してから、液体燃料が燃料噴射孔の噴射口から噴射されるまでの距離、すなわち、噴出ガスによって液体燃料が燃料噴射孔の内壁面に押し付けられて、液膜が形成される区間を長く確保することができるので、液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(5)の何れか一項の構成において、
 前記燃料噴射孔の中心軸に対する前記ガス通路の中心軸の角度は、30度以上90度以下である。
 上記(6)の構成によれば、燃料噴射孔の中心軸に対するガス通路の中心軸の角度を30度以上90度以下に設定したので、燃料噴射孔に流入した液体燃料と、ガス通路からの噴出ガスとの衝突エネルギーを大きくとることができる。このため、噴出ガスによって液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に効果的に押し付けることができ、液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
(7)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(6)の何れかの構成において、
 前記燃料通路は、前記燃料噴射孔の前記他端側において前記燃料噴射孔の底面に接続されている。
 上記(7)の構成によれば、燃料通路が、記燃料噴射孔の他端側の底面に接続されているので、燃料通路からの液体燃料を、円滑に燃料噴射孔に流入させることができる。よって、燃料噴射孔において液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。
(8)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(7)の構成において、
 前記ガス通路は、前記燃料噴射孔の内周面に形成された前記開口を介して前記燃料噴射孔に接続されている。
 上記(8)の構成によれば、ガス通路は、燃料噴射孔の内周面に形成された開口を介して燃料噴射孔に接続されているので、ガス通路からのガスを、燃料噴射孔の中心軸に直交する方向に沿って噴出させて、燃料通路からの液体燃料に衝突させることができる。よって、燃料噴射孔において液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。
(9)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(8)の構成において、
 前記燃料噴射孔の中心軸に直交する断面に前記ガス通路を投影したとき、前記断面上において、前記ガス通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置している。
 上記(9)の構成によれば、上述の断面(投影面)上において、ガス通路の中心軸が、該中心軸に直交する方向において、燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置するようにしたので、ガス通路からの噴出ガスを燃料噴射孔の内壁面に衝突させることにより、噴出ガスの流れに旋回成分を付与して内壁面に沿った旋回流を形成することができる。よって、燃料噴射孔における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔の内部においても、液体燃料の微粒化を促進することができる。
(10)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(9)の何れかの構成において、
 前記燃料噴射孔の中心軸に直交する断面に前記燃料通路を投影したとき、前記断面上において、前記燃料通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置している。
 上記(10)の構成によれば、上述の断面(投影面)上において、燃料通路の中心軸が、該中心軸に直交する方向において、燃料噴射孔の中心軸とはずれて位置するようにしたので、燃料通路からの液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に衝突させることにより、液体燃料の流れに旋回成分を付与して内壁面に沿った旋回流を形成することができる。よって、燃料噴射孔における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔の内部においても、液体燃料の微粒化を促進することができる。
(11)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(10)の何れかの構成において、
 前記燃料噴射孔の中心軸に直交する断面に前記ガス通路を投影したとき、前記断面上において、前記ガス通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置し、
 前記断面に前記燃料通路を投影したとき、前記断面上において、前記燃料通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置し、
 前記ガス通路から前記燃料噴射孔への前記ガスの噴出方向及び前記燃料通路からの前記燃料噴射孔への前記液体燃料の噴出方向は、前記燃料噴射孔の前記中心軸に関して、同じ方向の旋回成分を有している。
 上記(11)の構成によれば、燃料噴射孔の内部で、ガス通路からの噴出ガスの流れに旋回成分を付与して内壁面に沿った旋回流が形成されるとともに、燃料通路からの液体燃料の流れに旋回成分を付与して内壁面に沿った旋回流が形成され、かつ、ガス通路からの噴出ガスの噴出方向と、燃料通路からの液体燃料の噴出方向は、燃料噴射孔の中心軸に関して同じ方向の旋回成分を有するように構成されている。よって、燃料噴射孔における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔の内部においても、液体燃料の微粒化を効果的に促進することができる。
(12)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(11)の構成において、
 前記燃料ノズルは、
 前記ノズル本体から該ノズル本体の径方向外側に突出するように設けられ、前記ノズル本体の周囲を流れる流体を旋回させるように構成されるとともに、ガス燃料噴射孔が表面に開口するスワラベーンをさらに備え、
 前記ノズル本体は、該ノズル本体の軸方向において前記スワラベーンよりも下流側に位置し、前記下流側に向かうにつれて先細る流線形部を含み、
 前記燃料噴射孔の前記噴射口は、前記流線形部の表面に形成されている。
 スワラベーン及び流線形のノズル本体を有する燃料ノズルでは、典型的には、スワラベーンに形成された燃料噴射孔からガス燃料を噴出することが可能である。
 上記(12)の構成によれば、スワラベーン及び流線形のノズル本体を有するとともに、液体燃料を噴射可能な燃料ノズルにおいて、上記(1)で述べたように、液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。
(13)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃焼器は、
 上記(1)乃至(12)の何れかに記載の燃料ノズルと、
 前記燃料ノズルから噴射された燃料の燃焼により生じる燃焼ガスの通路を形成する燃焼筒と、
を備える。
 上記(13)の構成によれば、燃料噴射孔と燃料通路との接続部における燃料噴射孔の直径を該接続部における燃料通路の直径よりも大きく設定するとともに、燃料噴射孔の壁面に開口するガス通路を設けたので、燃料通路から燃料噴射孔に噴出される柱状の液体燃料に向けてガス通路からガスを噴出させることができる。よって、ガス通路からの噴出ガスにより柱状の液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に向けて押し広げて、内壁面に沿って広がる液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。また、このように形成された液膜が燃料噴射孔の噴射孔から噴射されるため、液柱状のまま噴射される場合に比べ、噴射後に燃料ノズルの周囲を流れる気体流れに晒される液体燃料の面積が拡大する。よって、噴射後の液体燃料の気体流れでのせん断による微粒化を促進することができ、液体燃料を効果的に微粒化することができる。
(14)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、
 上記(13)に記載の燃焼器と、
 前記燃焼器の前記燃焼筒の下流側に設けられる静翼及び動翼と、
を備える。
 上記(14)の構成によれば、燃料噴射孔と燃料通路との接続部における燃料噴射孔の直径を該接続部における燃料通路の直径よりも大きく設定するとともに、燃料噴射孔の壁面に開口するガス通路を設けたので、燃料通路から燃料噴射孔に噴出される柱状の液体燃料に向けてガス通路からガスを噴出させることができる。よって、ガス通路からの噴出ガスにより柱状の液体燃料を燃料噴射孔の内壁面に向けて押し広げて、内壁面に沿って広がる液体燃料の液膜を効果的に形成することができる。また、このように形成された液膜が燃料噴射孔の噴射孔から噴射されるため、液柱状のまま噴射される場合に比べ、噴射後に燃料ノズルの周囲を流れる気体流れに晒される液体燃料の面積が拡大する。よって、噴射後の液体燃料の気体流れでのせん断による微粒化を促進することができ、液体燃料を効果的に微粒化することができる。
 本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃料ノズルから噴射される液体燃料の液滴を効果的に微粒化可能なガスタービンの燃料ノズル及び燃焼器並びにガスタービンが提供される。
一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。 一実施形態に係る燃焼器の要部を示す断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの軸方向に沿った概略断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの先端部の拡大断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの先端部の拡大断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルを図4及び図5の矢印Bの方向に見た概略図である。 一実施形態に係る燃料ノズルを図4及び図5の矢印Bの方向に見た概略図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの中心軸に直交する模式的な断面図である。 一実施形態に係る燃料ノズルの中心軸に直交する模式的な断面図である。 図4に示す燃料ノズルの、燃料噴射孔近傍の模式的な斜視図である。
 以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
 まず、幾つかの実施形態に係る燃料ノズル及び燃焼器の適用先の一例であるガスタービンについて、図1を参照して説明する。図1は、一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。
 図1に示すように、ガスタービン1は、圧縮空気を生成するための圧縮機2と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器4と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン6と、を備える。発電用のガスタービン1の場合、タービン6には不図示の発電機が連結される。
 圧縮機2は、圧縮機車室10側に固定された複数の静翼16と、静翼16に対して交互に配列されるようにロータ8に植設された複数の動翼18と、を含む。
 圧縮機2には、空気取入口12から取り込まれた空気が送られるようになっており、この空気は、複数の静翼16及び複数の動翼18を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。
 燃焼器4には、燃料と、圧縮機2で生成された圧縮空気とが供給されるようになっており、該燃焼器4において燃料が燃焼され、タービン6の作動流体である燃焼ガスが生成される。図1に示すように、ガスタービン1は、ケーシング20内にロータ8を中心として周方向に沿って複数配置された燃焼器4を有する。
 タービン6は、燃焼器4の下流側に位置しており、タービン車室22によって形成される燃焼ガス通路28を有し、該燃焼ガス通路28に設けられる複数の静翼24及び動翼26を含む。
 静翼24はタービン車室22側に固定されており、ロータ8の周方向に沿って配列される複数の静翼24が静翼列を構成している。また、動翼26はロータ8に植設されており、ロータ8の周方向に沿って配列される複数の動翼26が動翼列を構成している。静翼列と動翼列とは、ロータ8の軸方向において交互に配列されている。
 タービン6では、燃焼ガス通路28に流れ込んだ燃焼器4からの燃焼ガスが複数の静翼24及び複数の動翼26を通過することでロータ8が回転駆動され、これにより、ロータ8に連結された発電機が駆動されて電力が生成されるようになっている。タービン6を駆動した後の燃焼ガスは、排気室30を介して外部へ排出される。
 次に、図1及び図2を参照して、一実施形態に係る燃焼器4の構成について説明する。図2は、一実施形態に係る燃焼器の要部を示す断面図である。
 図1に示すように、一実施形態に係る燃焼器4は、ロータ8を中心として環状に複数配置されている。図2に示すように、各燃焼器4は、ケーシング20により画定される燃焼器車室40に設けられた燃焼器ライナ(燃焼筒)46と、燃焼器ライナ46内にそれぞれ配置された第1燃焼バーナ50及び複数の第2燃焼バーナ60と、を含む。なお、燃焼器4は、燃焼ガスをバイパスさせるためのバイパス管(不図示)等の他の構成要素を備えていてもよい。
 例えば、燃焼器ライナ(燃焼筒)46は、第1燃焼バーナ50及び複数の第2燃焼バーナ60の周囲に配置される内筒45aと、内筒の先端部に連結された尾筒(不図示)と、を有している。燃焼器ライナ(燃焼筒)46は、燃料ノズル(後述する第1ノズル54や第2ノズル64)から噴射された燃料の燃焼により生じる燃焼ガスの通路を形成する。
 第1燃焼バーナ50は、燃焼器ライナ46の中心軸に沿って配置されている。そして、第1燃焼バーナ50を囲むように、複数の第2燃焼バーナ60が互いに離間して配列されている。
 第1燃焼バーナ50は、燃料ポート52に連結された第1ノズル54と、第1ノズル54を囲むように配置された第1コーン56と、第1ノズル54の外周に設けられたスワラベーン58と、を有している。
 第2燃焼バーナ60は、燃料ポート62に連結された第2ノズル64と、第2ノズル64を囲むように配置されたバーナ筒66と、バーナ筒66と燃焼器ライナ46(例えば内筒)をつなぐ延長管65と、第2ノズル64の外周に設けられたスワラベーン70と、を有している。
 なお、図2に示すように、延長管65は、バーナ筒66に接続される上流側端面から下流側端面(延長管出口65a)まで延在している。また、図2には、第2ノズル64の中心軸O’を示している。
 上記構成を有する燃焼器4は、例えば、以下のように機能する。
 該燃焼器4において、圧縮機2で生成された高温高圧の圧縮空気は車室入口(不図示)から燃焼器車室40内に供給され、さらに燃焼器車室40からバーナ筒66内に流入する。そして、この圧縮空気と、燃料ポート62から供給された燃料とがバーナ筒66内で予混合される。この際、予混合気はスワラベーン70により主として旋回流を形成し、燃焼器ライナ46内に流れ込む。
 なお、図2において、燃焼器4における圧縮空気の流れを矢印で示している。
 また、圧縮空気と、燃料ポート52を介して第1燃焼バーナ50から噴射された燃料とが燃焼器ライナ46内で混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスが発生する。このとき、燃焼ガスの一部が火炎を伴って周囲に拡散することで、各第2燃焼バーナ60から燃焼器ライナ46内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。
 すなわち、第1燃焼バーナ50から噴射されたパイロット燃料によるパイロット火炎によって、第2燃焼バーナ60からの予混合気(予混合燃料)の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。その際、燃焼領域は例えば燃焼器ライナ46の内筒に形成される。
 なお、他の実施形態では、第1燃焼バーナ50の第1ノズル54には、予混合燃料が供給されるようになっていてもよい。また、第2燃焼バーナ60の第2ノズル64には、パイロット燃料が供給されるようになっていてもよい。
 以下、本実施形態に係る燃料ノズル100の構成について、一例として上述した第2燃焼バーナ60の第2ノズル64を用いて詳細に説明する。
 なお、本実施形態に係る燃料ノズル100は、上述の第2燃焼バーナ60の第2ノズル64に限定されるものではなく、燃料ノズル100は、例えば、ガスタービン1の燃焼器4に設けられる上述の第1燃焼バーナ50の第1ノズル54であってもよい。また、本実施形態に係る燃料ノズル100は、主として拡散燃焼するタイプの燃焼バーナの燃料ノズルであってもよいし、主として予混合燃焼するタイプの燃焼バーナの燃料ノズルであってもよいし、あるいは、ガスタービン1以外の機器に設けられる燃焼バーナの燃料ノズルであってもよい。
 図3は、一実施形態に係る燃料ノズル100(ここでは上述の第2ノズル64)の軸方向に沿った概略断面図である。図4及び図5は、それぞれ、一実施形態に係る燃料ノズル100の先端部の拡大断面図である。ただし、図4及び図5において、図3に含まれるパージガス供給路47及びパージガス噴射孔48等の図示を省略している。
 図3~図5に示すように、燃料ノズル100は、ノズル本体32と、上述した複数のスワラベーン70と、ノズル本体32に形成された燃料噴射孔38及び燃料供給路34と、を備えている。
 図3に示すように、複数のスワラベーン70は、それぞれ、ノズル本体32の径方向に突出するように設けられており、ノズル本体32の周囲を流れる流体(燃焼器車室40(図2参照)からの圧縮空気や、後述するガス燃料噴射孔71から噴射されるガス燃料)を旋回させるように構成されている。
 また、各々のスワラベーン70には、該スワラベーン70の表面に開口するガス燃料噴射孔71が設けられている。ガス燃料噴射孔71には、ノズル本体32の内部に設けられたガス燃料供給路(不図示)を介してガス燃料が供給されるようになっており、このように供給されたガス燃料が、スワラベーン70の表面の開口を介して噴射されるようになっている。
 ノズル本体32は、該ノズル本体32の軸方向(以下、単に「軸方向」ともいう。)において上述のスワラベーン70よりも下流側に位置する流線形部72を含んでいてもよい。流線形部72は、ノズル本体32の軸方向において、下流側に向かうにつれて先細る形状を有している。
 燃料噴射孔38は、ノズル本体32の外表面32aに開口する噴射口39を有している。また、燃料供給路34は、燃料噴射孔38よりも上流側において軸方向に沿って延びるように設けられている。燃料噴射孔38には、燃料供給路34を介して液体燃料が供給されるようになっており、このように供給された液体燃料が、上述の噴射口39を介して噴射されるようになっている。
 なお、燃料噴射孔38の噴射口39は、ノズル本体32のうち、流線形部72の表面に形成されていてもよい。
 また、複数の燃料噴射孔38が、ノズル本体32の周方向に沿って複数配列されていてもよい。
 このように、本実施形態に係る燃料ノズル100は、気体燃料及び液体燃料の両方を噴出可能なデュアルノズルである。
 図3に示す燃料ノズル100は、ノズル本体32に形成されたパージガス供給路47及びパージガス噴射孔48をさらに備えている。パージガス供給路47は、パージガス噴射孔48よりも上流側において軸方向に沿って延びるように設けられており、パージガス噴射孔48は、該パージガス噴射孔48の下流端に位置するとともに、ノズル本体32の先端部における表面に開口するパージガス噴射口を有している。
 また、図3に示す例示的な実施形態では、パージガス供給路47は、燃料供給路34の径方向外側に位置する環状の流路である。
 パージガス噴射孔48には、該パージガス供給路47を介してパージガス(例えば空気)が供給されるようになっており、パージガス噴射孔48に供給されたパージガスは、パージガス噴射口49を介して噴射されるようになっている。
 ガス燃料を噴射可能な燃料ノズル100においては、渦芯フラッシュバック(燃料ガスの旋回流れの渦芯部から火炎の遡上)が生じることがある。そこで、パージガス噴射孔48からパージガスを噴出することで、燃焼器4における渦芯フラッシュバックを抑制することができる。
 図4~図5に示すように、幾つかの実施形態では、ノズル本体32の内部には、燃料噴射孔38に液体燃料を供給するための燃料通路36が設けられている。燃料通路36は、燃料噴射孔38と燃料供給路34との間において、燃料噴射孔38よりも上流側、かつ、燃料供給路34よりも下流側に設けられている。また、燃料通路36は、燃料噴射孔38の両端のうち、噴射口39を有する一端38A側とは反対側の他端38B側において、該燃料噴射孔38に接続されるように設けられている。
 燃料供給路34からの液体燃料は、該燃料通路36を介して、燃料噴射孔38に供給されるようになっている。
 図4~図5に示すように、燃料通路36は、燃料噴射孔38の他端38B側において38燃料噴射孔の底面80に接続されるように、設けられていてもよい。
 また、ノズル本体32の内部には、燃料噴射孔38にガス(例えば空気等)を噴出するためのガス通路44が設けられている。
 ガス通路44は、燃料噴射孔38の壁面(内周面)82に形成された開口45を介して、該燃料噴射孔38に接続されている。また、ガス通路44の上流側には、軸方向に沿って延びるガス供給路42が設けられており、ガス供給路42からのガスが、ガス通路44及び開口45を介して、燃料噴射孔38に噴出されるようになっている。
 また、図3に示す例示的な実施形態では、ガス供給路42は、燃料供給路34の径方向外側に位置する環状の流路である。
 そして、燃料噴射孔38と燃料通路36との接続部78における燃料噴射孔の直径D1は、接続部78における燃料通路36の直径D2よりも大きく設定される。
 ここで、燃料噴射孔38と燃料通路36との接続部78とは、燃料噴射孔38の長さLとしたとき、燃料噴射孔38の中心軸Pの方向において、燃料噴射孔38と燃料通路36との接続位置からの距離が0.2L以下の範囲内の部分をいう。
 すなわち、上記接続部78において、燃料通路36から燃料噴射孔38に向かって、液体燃料の通路の断面積が、急拡大する形状となっている。
 ここで、図10は、図4に示す燃料ノズル100の、燃料噴射孔38近傍の模式的な斜視図である。なお、図10において、説明の便宜上、燃料噴射孔38、燃料通路36、及びガス通路44を実線で示している。
 上述した実施形態(図4、図5及び図10参照)では、燃料噴射孔38と燃料通路36との接続部78における燃料噴射孔38の直径D1を該接続部78における燃料通路36の直径D2よりも大きく設定するとともに、燃料噴射孔38の壁面82に開口するガス通路44が設けられている。このため、図10に示すように、燃料通路36から燃料噴射孔38に噴出される柱状の液体燃料102に向けてガス通路44からガス110を噴出させることができる。よって、ガス通路44からの噴出ガス110により柱状の液体燃料102を燃料噴射孔の壁面82に向けて押し広げて、壁面82に沿って広がる液体燃料の液膜104を効果的に形成することができる。
 また、このように形成された液膜104が燃料噴射孔38の噴射口39から噴射されると、燃料ノズル100の周囲を流れる気体の流れ(空気や予混合気;図中の横風)によってせん断されて、液滴108が形成される。
 このように、噴射口39から噴射される液体燃料が液膜104を形成している場合、液体燃料が液柱状のまま噴射される場合に比べ、噴射後に燃料ノズル100の周囲を流れる気体流れに晒される液体燃料(液膜104)の面積が拡大する。よって、噴射後の液体燃料の気体流れでのせん断により形成される液滴108の粒径の微細化を促進することができる。よって、燃料ノズル100から噴射される液体燃料を効果的に微粒化することができる。
 なお、燃料噴射孔38又は燃料通路36の断面形状が円形以外(例えば、楕円形や矩形等)である場合も考慮して、燃料噴射孔38の直径D1又は燃料通路36の直径D2として、流路断面積Afと濡れ縁長さWpで表される等価直径De(De=4Af/Wp)を採用してもよい。
 幾つかの実施形態では、ガス通路44から燃料噴射孔38に噴出するガスとして、燃焼器車室40(図2参照)からバーナ筒66(図2及び図3参照)内に流入した圧縮空気を利用してもよい。この場合、図3に示すように、ガス供給路42は、燃料ノズル100の軸方向におけるスワラベーン70よりも上流側の位置において、ノズル本体32の表面に開口する空気導入孔74を有していてもよい。この空気導入孔74から、比較的高圧の空気をガス供給路42に導入し、ガス通路44を介して燃料噴射孔38に噴出させることができる。
 また、幾つかの実施形態では、ガス通路44から燃料噴射孔38に噴出するガスとして、ガスタービン1の圧縮機2から抽気された圧縮空気を用いるようにしてもよい。
 あるいは、幾つかの実施形態では、ガス通路44から燃料噴射孔38に噴出するガスとして、ガスタービン1の外部において圧縮機等により生成された高圧ガスを用いるようにしてもよい。
 幾つかの実施形態では、例えば図4に示すように、燃料噴射孔38の中心軸Pと、燃料通路36の中心軸Qとは、略平行であってもよい。また、図4に示すように、燃料噴射孔38の中心軸Pと、燃料通路36の中心軸Qとは、同軸であってもよい。
 幾つかの実施形態では、例えば図5に示すように、燃料噴射孔38の中心軸Pは、燃料通路36の中心軸Qに対して傾斜していてもよい。
 このように、燃料噴射孔38の中心軸Pが、燃料通路36の中心軸Qに対して傾斜するように燃料噴射孔38及び燃料通路36を設けることにより、燃料通路36から燃料噴射孔38に流入した液体燃料を、燃料噴射孔38の壁面82に衝突させることができる。このため、燃料噴射孔38から噴射される液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
 上述のように、燃料噴射孔38の中心軸Pは、燃料通路36の中心軸Qに対して傾斜させる場合、燃料通路36の中心軸Qに対する燃料噴射孔38の中心軸Pの角度θ(図5参照)は、20度以上90度以下であってもよい。あるいは、上述の角度θは、40度以上50度以下であってもよい。
 上述の角度θを20度以上又は90度以上に設定することにより、燃料通路36から燃料噴射孔38に流入した液体燃料を、燃料噴射孔38の壁面82に効果的に衝突させることができる。また、上述の角度θを60度以下又は50度以下に設定することにより、液体燃料が燃料噴射孔38の壁面82へ衝突することによる液体燃料の運動エネルギーの低下を抑制することができる。よって、上述の角度θを上述の範囲内にすることで、液体燃料の液膜をより効果的に形成するとともに、燃料噴射孔38の噴射口39から円滑に噴射することができる。
 幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の軸方向(中心軸Pの方向)における点P1(図4及び図5参照)と点P2(図4及び図5参照)との距離は、接続部78における燃料噴射孔の直径D1の2倍より大きい。ただし、図4及び図5に示す断面(燃料ノズル100の中心軸O’及び燃料噴射孔38の中心軸Pを通る断面)において、上述の点P1は、燃料噴射孔38の中心軸Pとガス通路44の中心軸Rとの交点であり、上述の点P2は、燃料噴射孔38の中心軸Pとノズル本体32の外表面32aとの交点である。
 あるいは、幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の長さをL(図4及び図5参照)としたとき、燃料噴射孔38の中心軸Pの方向における燃料噴射孔38の他端38Bからガス通路44の開口45までの距離L(図4及び図5参照)は、0より大きくL/2以下である。
 ここで、燃料噴射孔の長さLとは、燃料噴射孔38の一端38A(噴射口39の位置)と他端38Bとによって中心軸Pから切り出した線分の長さである。
 上述の点P1と点P2との距離を接続部78における燃料噴射孔38の直径D1の2倍よりも大きく設定することにより、燃料噴射孔38において、燃料通路36から燃料噴射孔38に流入した液体燃料と、ガス通路44からの噴出ガスが混合する領域の長さを長く確保することができる。あるいは、上述の距離Lを0より大きくL/2以下に設定することにより、ガス通路44の開口45と燃料噴射孔38の噴射口39との距離を大きく確保することができる。よって、燃料通路36から燃料噴射孔38に流入した液体燃料にガス通路44からの噴出ガスが衝突してから、液体燃料が燃料噴射孔38の噴射口39から噴射されるまでの距離、すなわち、噴出ガスによって液体燃料が燃料噴射孔38の壁面82に押し付けられて、液膜が形成される区間を長く確保することができる。よって、液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
 幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の中心軸Pに対するガス通路44の中心軸Rの角度φ(図4及び図5参照)は、30度以上90度以下である。
 上述の角度φを30度以上90度以下に設定することにより、燃料噴射孔38に流入した液体燃料と、ガス通路44からの噴出ガスとの衝突エネルギーを大きくとることができる。このため、噴出ガスによって液体燃料を燃料噴射孔38の壁面82に効果的に押し付けることができ、液体燃料の液膜をより効果的に形成することができる。
 図6及び図7は、それぞれ、一実施形態に係る燃料ノズル100を、図4及び図5に示す矢印Bの方向(すなわち、燃料ノズル100の中心軸O’に垂直であり、かつ、燃料噴射孔38の中心軸Pを通る方向)に見た概略図である。
 幾つかの実施形態では、燃料ノズル100の中心軸O’に平行であるとともに、燃料ノズル100の中心軸O’と燃料噴射孔38の中心軸Pとを含む平面に直交する断面において、ノズル本体32の周方向(以下、単に「周方向」ともいう。)における燃料噴射孔38の大きさLは、周方向に直交する方向における燃料噴射孔38の大きさLよりも大きい(図6及び図7参照)。
 なお、図6においては、上述の断面における燃料噴射孔38の形状は楕円であり、該楕円の長軸がLであり短軸がLである。
 また、図7においては、上述の断面における燃料噴射孔38の形状は長方形であり、該長方形の長辺がLであり短辺がLである。
 ノズル本体の周囲の気体流れは、一般的に、ノズル本体32の周方向に直交する方向に沿って流れる。
 この点、上記実施形態のように、上述の断面において、燃料噴射孔38の周方向の大きさLが、周方向に直交する方向における大きさLよりも大きい形状となるようにすることで、燃料噴射孔38の壁面82で形成される液体燃料の液膜を周方向に沿って延びた形状とすることができる。よって、燃料噴射孔38から噴射された液体燃料の液膜と、ノズル本体32の周囲の気体流れとの接触面積が増大するため、該気体流れでのせん断による液体燃料の微粒化をより促進することができる。
 図8及び図9は、それぞれ、一実施形態に係る燃料ノズル100の中心軸Pに直交する模式的な断面図であり、燃料噴射孔38と、ガス通路44及び/又は燃料通路36との位置関係を示す図である。なお、図9において、ノズル本体32の図示を省略している。
 幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の中心軸Pに直交する断面にガス通路44を投影したとき(図8及び図9参照)、例えば図8及び図9に示すように、上述の断面上において、ガス通路44の中心軸Rは、該中心軸Rに直交する方向において、燃料噴射孔38の中心軸Pとは、ずれて位置している。例えば、図8及び図9に示す実施形態では、ガス通路44の中心軸Rに直交する方向において、ガス通路44の中心軸Rと、燃料噴射孔38の中心軸Pとは、距離d1だけ離れている。
 このように、上述の断面(投影面)上において、ガス通路44の中心軸Rが、該中心軸Rに直交する方向において、燃料噴射孔38の中心軸Pとはずれて位置するようにすることで、ガス通路44からの噴出ガスを燃料噴射孔38の壁面(内周面)82に衝突させることにより、噴出ガスの流れに旋回成分を付与して壁面(内周面)82に沿った旋回流を形成することができる(図8の矢印参照)。よって、燃料噴射孔38における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔38の内部においても、液体燃料の微粒化を促進することができる。
 幾つかの実施形態では、燃料噴射孔38の中心軸Pに直交する断面に燃料通路36を投影したとき(図9参照)、図9に示すように、上述の断面上において、燃料通路36の中心軸Qは、該中心軸Qに直交する方向において、燃料噴射孔38の中心軸Pとは、ずれて位置している。例えば、図9に示す実施形態では、燃料通路36の中心軸Qに直交する方向において、燃料通路36の中心軸Qと、燃料噴射孔38の中心軸Pとは、距離d2だけ離れている。
 このように、上述の断面(投影面)上において、燃料通路36の中心軸Qが、該中心軸Qに直交する方向において、燃料噴射孔38の中心軸Pとはずれて位置するようにしたので、燃料通路36からの液体燃料を燃料噴射孔38の壁面(内周面)82に衝突させることにより、液体燃料の流れに旋回成分を付与して壁面(内周面)82に沿った旋回流を形成することができる。よって、燃料噴射孔38における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔38の内部においても、液体燃料の微粒化を促進することができる。
 図9に示す例示的な実施形態では、ガス通路44から燃料噴射孔38へのガスの噴出方向(図9の矢印V参照)及び燃料通路36からの燃料噴射孔38への液体燃料の噴出方向(図9の矢印V参照)は、燃料噴射孔38の中心軸Pに関して、同じ方向の旋回成分を有している。すなわち、図9では、ガス通路44からのガスの噴出方向を示す矢印V、及び、燃料通路36からの液体燃料の噴出方向を示す矢印Vは、どちらも、燃料噴射孔38の中心軸Pに関して、反時計回り方向の旋回成分を有している。
 このように、ガス通路44からの噴出ガスの噴出方向と、燃料通路36からの液体燃料の噴出方向が、燃料噴射孔38の中心軸Pに関して同じ方向の旋回成分を有するように構成されている。よって、燃料噴射孔38における液体燃料と噴出ガスとの接触を促進させることができ、燃料噴射孔38の内部においても、液体燃料の微粒化を効果的に促進することができる。
 幾つかの実施形態では、パージガス供給路47からパージガス噴射孔48に供給されるガスとして、燃焼器車室40(図2参照)からバーナ筒66(図2及び図3参照)内に流入した圧縮空気を利用してもよい。この場合、図3に示すように、パージガス供給路47は、燃料ノズル100の軸方向におけるスワラベーン70よりも上流側の位置において、ノズル本体32の表面に開口する空気導入孔76を有していてもよい。この空気導入孔76から、比較的高圧の空気をパージガス供給路47に導入し、パージガス噴射孔48を介して、パージガス噴射口49からパージガスを噴出させることができる。
 幾つかの実施形態では、パージガス供給路47からパージガス噴射孔48に供給されるガスとして、ガスタービン1の圧縮機2から抽気された圧縮空気を用いるようにしてもよい。
 あるいは、幾つかの実施形態では、パージガス供給路47からパージガス噴射孔48に供給されるガスとして、ガスタービン1の外部において圧縮機等により生成された高圧ガスを用いるようにしてもよい。
 幾つかの実施形態では、ガス供給路42は、燃料ノズル100の径方向において、燃料供給路34と、パージガス供給路47との間に位置していてもよい。
 この場合、液体燃料が通る燃料供給路34と、パージガスが通るパージガス供給路47との間に、ガス供給路42が挟まれる。よって、例えば、高温のパージガスが用いられる場合、ガス供給路42に比較的低温のガスを流すことにより、燃料供給路34を通る液体燃料を、高温のパージガスから遮熱することができる。これにより、燃料供給路34のコーキングを抑制することができる。
 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
 本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
 例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
 また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
 また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
1   ガスタービン
2   圧縮機
4   燃焼器
6   タービン
8   ロータ
10  圧縮機車室
12  空気取入口
16  静翼
18  動翼
20  ケーシング
22  タービン車室
24  静翼
26  動翼
28  燃焼ガス通路
30  排気室
32  ノズル本体
32a 外表面
34  燃料供給路
36  燃料通路
38  燃料噴射孔
38A 一端
38B 他端
39  噴射口
40  燃焼器車室
42  ガス供給路
44  ガス通路
45  開口
45a 内筒
46  燃焼器ライナ
47  パージガス供給路
48  パージガス噴射孔
49  パージガス噴射口
50  第1燃焼バーナ
52  燃料ポート
54  第1ノズル
56  第1コーン
58  スワラベーン
60  第2燃焼バーナ
62  燃料ポート
64  第2ノズル
65  延長管
65a 延長管出口
66  バーナ筒
70  スワラベーン
71  ガス燃料噴射孔
72  流線形部
74  空気導入孔
76  空気導入孔
78  接続部
80  底面
82  壁面
100 燃料ノズル
102 液体燃料
104 液膜
108 液滴
110 噴出ガス

Claims (14)

  1.  ノズル本体と、
     前記ノズル本体の外表面に開口する噴射口を一端側に有するように前記ノズル本体に形成された燃料噴射孔と、
     前記燃料噴射孔の他端側において該燃料噴射孔に接続されるように前記ノズル本体の内部に設けられ、前記燃料噴射孔に液体燃料を供給するための燃料通路と、を備え、
     前記燃料噴射孔と前記燃料通路との接続部における前記燃料噴射孔の直径は、前記接続部における前記燃料通路の直径よりも大きく、
     前記燃料噴射孔の壁面に開口を有し、該開口を介して前記燃料噴射孔にガスを噴出するためのガス通路をさらに備える
    ことを特徴とするガスタービンの燃料ノズル。
  2.  前記燃料噴射孔の中心軸は、前記燃料通路の中心軸に対して傾斜している
    ことを特徴とする請求項1に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  3.  前記燃料通路の前記中心軸に対する前記燃料噴射孔の前記中心軸の角度は、30度以上60度以下である
    ことを特徴とする請求項2に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  4.  前記燃料ノズルの中心軸に平行であるとともに、前記燃料ノズルの前記中心軸と前記燃料噴射孔の前記中心軸とを含む平面に直交する断面において、前記ノズル本体の周方向における前記燃料噴射孔の大きさは、前記周方向に直交する方向における前記燃料噴射孔の大きさよりも大きい
    ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  5.  前記燃料噴射孔の長さをLとしたとき、前記燃料噴射孔の中心軸の方向における前記燃料噴射孔の前記他端から前記ガス通路の前記開口までの距離は、0より大きくL/2以下である
    ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  6.  前記燃料噴射孔の中心軸に対する前記ガス通路の中心軸の角度は、45度以上90度以下である
    ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  7.  前記燃料通路は、前記燃料噴射孔の前記他端側において前記燃料噴射孔の底面に接続されている
    ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  8.  前記ガス通路は、前記燃料噴射孔の内周面に形成された前記開口を介して前記燃料噴射孔に接続されている
    ことを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  9.  前記燃料噴射孔の中心軸に直交する断面に前記ガス通路を投影したとき、前記断面上において、前記ガス通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置している
    ことを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  10.  前記燃料噴射孔の中心軸に直交する断面に前記燃料通路を投影したとき、前記断面上において、前記燃料通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置している
    ことを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  11.  前記燃料噴射孔の中心軸に直交する断面に前記ガス通路を投影したとき、前記断面上において、前記ガス通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置し、
     前記断面に前記燃料通路を投影したとき、前記断面上において、前記燃料通路の中心軸は、該中心軸に直交する方向において、前記燃料噴射孔の前記中心軸とはずれて位置し、
     前記ガス通路から前記燃料噴射孔への前記ガスの噴出方向及び前記燃料通路からの前記燃料噴射孔への前記液体燃料の噴出方向は、前記燃料噴射孔の前記中心軸に関して、同じ方向の旋回成分を有している
    ことを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  12.  前記ノズル本体から該ノズル本体の径方向外側に突出するように設けられ、前記ノズル本体の周囲を流れる流体を旋回させるように構成されるとともに、ガス燃料噴射孔が表面に開口するスワラベーンをさらに備え、
     前記ノズル本体は、該ノズル本体の軸方向において前記スワラベーンよりも下流側に位置し、前記下流側に向かうにつれて先細る流線形部を含み、
     前記燃料噴射孔の前記噴射口は、前記流線形部の表面に形成された
    ことを特徴とする請求項1乃至11の何れか一項に記載のガスタービンの燃料ノズル。
  13.  請求項1乃至12の何れか一項に記載の燃料ノズルと、
     前記燃料ノズルから噴射された燃料の燃焼により生じる燃焼ガスの通路を形成する燃焼筒と、
    を備えることを特徴とするガスタービンの燃焼器。
  14.  請求項13に記載の燃焼器と、
     前記燃焼器の前記燃焼筒の下流側に設けられる静翼及び動翼と、
    を備えることを特徴とするガスタービン。
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