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特開2019-215125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
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-215125(P2019-215125A)
(43)【公開日】2019年12月19日
(54)【発明の名称】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
(51)【国際特許分類】
   F23R 3/32 20060101AFI20191122BHJP
   F23R 3/28 20060101ALI20191122BHJP
【FI】
   F23R3/32
   F23R3/28 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】OL
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2018-112383(P2018-112383)
(22)【出願日】2018年6月13日
(71)【出願人】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000785
【氏名又は名称】誠真IP特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】川上 朋
(72)【発明者】
【氏名】瀧口 智志
(72)【発明者】
【氏名】角田 直樹
(72)【発明者】
【氏名】盛下 光寛
(57)【要約】      (修正有)
【課題】燃焼器の燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応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。
【解決手段】ガスタービンの拡散燃焼式の燃料ノズル32であって、前記複数のノズル孔36の各々は、前記ノズル本体41の軸方向における下流側の端部に燃料を噴射するための噴射口38を有し、前記複数のノズル孔の各々を、前記噴射口における前記ノズル孔の中心軸の位置において前記ノズル孔の中心軸に直交する投影面に投影したとき、前記投影面において、前記ノズル孔は、前記ノズル孔の図心を中心とし、該投影面における前記ノズル孔の面積と等しい面積を有する仮想円から、前記ノズル本体の径方向内側に逸脱する形状を有する。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ノズル本体と、
前記ノズル本体の軸方向に沿って延在し、前記ノズル本体の周方向に沿って配列され、中心軸が前記ノズル本体の軸方向における下流側に向かうにつれて前記ノズル本体の中心軸に向かって傾斜している複数のノズル孔と、
前記ノズル本体の軸方向に沿って延在し、前記複数のノズル孔に接続されて燃料を供給する燃料供給路となる複数の燃料供給孔と、
を備えたガスタービンの拡散燃焼式の燃料ノズルであって、
前記複数のノズル孔の各々は、前記ノズル本体の軸方向における下流側の端部に燃料を噴射するための噴射口を有し、
前記複数のノズル孔の各々を、前記噴射口における前記ノズル孔の中心軸の位置において前記ノズル孔の中心軸に直交する投影面に投影したとき、前記投影面において、前記ノズル孔は、前記ノズル孔の図心を中心とし、該投影面における前記ノズル孔の面積と等しい面積を有する仮想円から、前記ノズル本体の径方向内側に逸脱する形状を有する
ことを特徴とするガスタービンの燃料ノズル。
【請求項2】
前記投影面上において、前記ノズル孔の面積を前記ノズル本体の径方向で二等分する前記ノズル本体の径方向に直交する第1直線が、前記径方向における前記ノズル孔の内側端と外側端との中点よりも、前記径方向において前記外側端寄りに位置する
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。
【請求項3】
前記複数のノズル孔の各々は、前記投影面において、
第1円と、
前記第1円の中心よりも前記ノズル本体の径方向の外側に位置する中心を有し、前記第1円よりも直径が大きい第2円と、
前記第1円と前記第2円の2本の共通接線と、により囲まれる形状を有する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のガスタービンの燃料ノズル。
【請求項4】
前記複数のノズル孔の各々は、前記ノズル本体の前記軸方向に直交する断面において、前記ノズル孔の輪郭が直線状の第1直線状輪郭部及び第2直線状輪郭部を含み、
前記複数のノズル孔は、前記断面において、前記ノズル本体の周方向に隣り合う一対のノズル孔のうち一方のノズル孔の前記第1直線状輪郭部と、前記一対のノズル孔のうち他方のノズル孔の前記第2直線状輪郭部とが前記周方向において隣り合うように設けられた
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のガスタービンの燃料ノズル。
【請求項5】
前記複数のノズル孔の各々の中心軸の前記ノズル孔の上流端における位置と、前記中心軸の前記ノズル孔の下流端における位置とが、前記ノズル本体の前記周方向においてずれている
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。
【請求項6】
前記複数のノズル孔よりも前記ノズル本体の径方向外側に位置し、前記ノズル本体の軸方向に延びる通路をさらに備え、
前記通路は、前記ノズル本体の軸方向における下流側の端部に空気を噴射するための空気噴射口を有する
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。
【請求項7】
前記燃料供給路は、前記燃料としてガス燃料を前記複数のノズル孔に供給するように構成された
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。
【請求項8】
前記ノズル本体の中心軸に沿って延びる液体燃料ノズルをさらに備え、
前記複数のノズル孔は、前記液体燃料ノズルの径方向外側に位置する
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。
【請求項9】
請求項1乃至8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。
【請求項10】
請求項9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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
石炭ガス化ガス等のガスを燃料とするガスタービンにおいて、燃焼器内で燃料と空気とを拡散混合して拡散燃焼させるための拡散燃焼式の燃料ノズルが用いられることがある。
【0003】
例えば、特許文献1には、ガス化燃料をメイン燃料とするガスタービン燃焼器において、燃料を燃焼器ライナ内に噴出し、燃焼用空気とともに拡散燃焼させるための燃料ノズルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特表2010−506131号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、拡散燃焼式の燃料ノズルにおいて、燃料流量の増大に対応させるため、ノズル孔の断面積を拡大したい場合がある。
【0006】
ここで、典型的な燃料ノズルでは、ノズル本体(ノズルホルダ)に、該ノズル本体の軸方向に延びる複数のノズル孔が形成され、これら複数のノズル孔は、ノズル本体の周方向に配列されるように設けられる。そして、各ノズル孔は、真円形状の断面(孔軸直交断面)を有するとともに、ノズル本体の軸方向において、下流側に向かうにつれてノズル本体の中心軸に近づくように傾斜している。
【0007】
このような燃料ノズルにおいて、ノズル本体の径(サイズ)を大きくすれば、これに対応してノズル孔径も拡大することができると考えられるが、ノズル本体の径やノズル孔の傾斜方向を変化させることは、燃焼器の燃焼特性を変化させてしまうため好ましくない場合がある。
また、燃焼器の燃焼特性を変えないようにするため、ノズル本体の径及びノズル孔の傾斜方向を変えずに、断面形状が真円のままノズル孔の径を拡大すると、隣り合うノズル孔間の間隔が小さくなり、特に、燃料ノズルの下流端部において、隣り合うノズル孔間の肉厚の確保が難しくなる場合がある。
【0008】
この点、特許文献1には、そもそもノズル孔の形状について具体的に開示されておらず、燃焼器の燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応可能とするための構成について開示されていない。
【0009】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、燃焼器の燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
(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、
前記ノズル本体の軸方向に沿って延在し、前記ノズル本体の周方向に沿って配列され、中心軸が前記ノズル本体の軸方向における下流側に向かうにつれて前記ノズル本体の中心軸に向かって傾斜している複数のノズル孔と、
前記ノズル本体の軸方向に沿って延在し、前記複数のノズル孔に接続されて燃料を供給する燃料供給路となる複数の燃料供給孔と、
を備えたガスタービンの拡散燃焼式の燃料ノズルであって、
前記複数のノズル孔の各々は、前記ノズル本体の軸方向における下流側の端部に燃料を噴射するための噴射口を有し、
前記複数のノズル孔の各々を、前記噴射口における前記ノズル孔の中心軸の位置において前記ノズル孔の中心軸に直交する投影面に投影したとき、前記投影面において、前記ノズル孔は、前記ノズル孔の図心を中心とし、該投影面における前記ノズル孔の面積と等しい面積を有する仮想円から、前記ノズル本体の径方向内側に逸脱する形状を有する。
【0011】
上記(1)の構成によれば、ノズル孔が、上述の投影面において、ノズル孔の図心を中心とし、該投影面におけるノズル孔の面積と等しい面積を有する仮想円から、ノズル本体の径方向内側に逸脱する形状を有する。すなわち、噴射口が位置するノズル本体の下流端部において、ノズル孔が、仮想円よりもノズル本体の径方向内側に面積が拡大し、かつ、仮想円よりもノズル本体の周方向のサイズが小さい形状を有するようにしたので、ノズル本体のサイズ及びノズル孔の軸方向に対する傾斜角度を従来のものと比べて大きく変えずに、隣り合うノズル孔間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔の流路面積を拡大することができる。よって、燃焼器における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0012】
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記投影面上において、前記ノズル孔の面積を前記ノズル本体の径方向で二等分する前記ノズル本体の径方向に直交する第1直線が、前記径方向における前記ノズル孔の内側端と外側端との中点よりも、前記径方向において前記外側端寄りに位置する。
【0013】
上記(2)の構成によれば、投影面上において、上述の第1直線が、ノズル本体の径方向(以下、単に「径方向」ともいう。)におけるノズル孔の内側端と外側端との中点よりも、径方向において外側端寄りに位置するようにしたので、該投影面上において、ノズル孔のうち、第1直線よりも外側端側の部分に比べて、第1直線よりも内側端側の部分は、径方向に長細い形状となる。したがって、ノズル本体の下流端部において、隣り合うノズル孔間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔の流路面積を拡大しやすくなる。
【0014】
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)の構成において、
前記複数のノズル孔の各々は、前記投影面において、
第1円と、
前記第1円の中心よりも前記ノズル本体の径方向の外側に位置する中心を有し、前記第1円よりも直径が大きい第2円と、
前記第1円と前記第2円の2本の共通接線と、により囲まれる形状を有する。
【0015】
上記(3)の構成によれば、ノズル孔は、上述の投影面において、第1円と、該第1円の中心よりも径方向の外側に位置する中心を有し、該第1円よりも直径が大きい第2円と、第1円及び第2円の2本の共通接線と、により囲まれる形状とすることで、上記(1)の構成を実現できる。よって、上記(1)で述べたように、ノズル本体のサイズ及びノズル孔の軸方向に対する傾斜角度を従来のものと比べて大きく変えずに、隣り合うノズル孔間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔の流路面積を拡大することができる。このため、燃焼器における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0016】
(4)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)の構成において、
前記複数のノズル孔の各々は、前記ノズル本体の前記軸方向に直交する断面において、前記ノズル孔の輪郭が直線状の第1直線状輪郭部及び第2直線状輪郭部を含み、
前記複数のノズル孔は、前記断面において、前記ノズル本体の周方向に隣り合う一対のノズル孔のうち一方のノズル孔の前記第1直線状輪郭部と、前記一対のノズル孔のうち他方のノズル孔の前記第2直線状輪郭部とが前記周方向において隣り合うように設けられる。
【0017】
上記(4)の構成によれば、一対のノズル孔の直線状輪郭部同士が周方向に隣り合うように配置されるので、例えば、円弧状部同士が周方向に隣り合うように配置される場合に比べ、一対のノズル孔間の周方向における距離を、径方向の比較的広範囲において確保しやすくなる。よって、隣り合うノズル孔間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔の流路面積を拡大しやすくなる。このため、燃焼器における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0018】
(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、
前記複数のノズル孔の各々の中心軸の前記ノズル孔の上流端における位置と、前記中心軸の前記ノズル孔の下流端における位置とが、前記ノズル本体の前記周方向においてずれている。
【0019】
上記(5)の構成によれば、ノズル孔の中心軸の位置が、ノズル孔の上流端と下流端とでずれるようにノズル孔を設けたので、該ノズル孔を介して噴射口から噴出される燃料に対して旋回成分を持たせることができるとともに、上記(1)で述べたように、ノズル本体のサイズ及びノズル孔の軸方向に対する傾斜角度を従来のものと比べて大きく変えずに、隣り合うノズル孔間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔の流路面積を拡大することができる。このため、ノズルから噴射される燃料に旋回成分を持たせつつ、燃焼器における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0020】
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(5)の何れかの構成において、
前記燃料ノズルは、
前記複数のノズル孔よりも前記ノズル本体の径方向外側に位置し、前記ノズル本体の軸方向に延びる通路をさらに備え、
前記通路は、前記ノズル本体の軸方向における下流側の端部に空気を噴射するための空気噴射口を有する。
【0021】
上記(6)の構成によれば、複数のノズル孔よりも径方向外側に、空気噴射口を有する通路を設けたので、燃焼器において、複数のノズル孔から噴射口を介して噴出される燃料と、上述の空気噴射口から噴出される空気とを拡散混合させながら燃焼させることができる。よって、このような拡散燃焼式の燃料ノズルにおいて、上記(1)で述べたように、ノズル本体のサイズ及びノズル孔の軸方向に対する傾斜角度を従来のものと比べて大きく変えずに、隣り合うノズル孔間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔の流路面積を拡大することができる。このため、燃焼器における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0022】
(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、
前記燃料供給路は、前記燃料としてガス燃料を前記複数のノズル孔に供給するように構成される。
【0023】
上記(7)の構成では、拡散燃焼式の燃料ノズルに対してガス燃料を供給するようにしたので、例えば石炭ガス化燃料等の水素を多く含むガス燃料を用いた場合に逆火等が起こりやすい予混合燃焼方式のノズルを採用する場合に比べて、安定した燃焼特性が得られる。
よって、(7)の構成によれば、ガス燃料を用いる燃焼器において、燃焼器における燃焼特性を維持しながら、各々のノズル孔の流路面積を拡大して、燃料流量の増大に対応することができる。
【0024】
(8)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(7)の何れかの構成において、
前記燃料ノズルは、
前記ノズル本体の中心軸に沿って延びる液体燃料ノズルをさらに備え、
前記複数のノズル孔は、前記液体燃料ノズルの径方向外側に位置する。
【0025】
上記(8)の構成によれば、上述の複数のノズル孔よりも径方向内側に位置する液体燃料ノズルを設けたので、複数のノズル孔と、液体燃料ノズルとを用いて複数種の燃料を噴出させることができる。よって、複数種の燃料を用いてガスタービンの運転をより柔軟に行うことができるとともに、上記(1)で述べたように、燃焼器における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0026】
(9)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(8)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。
【0027】
上記(9)の構成によれば、ノズル孔が、上述の投影面において、ノズル孔の図心を中心とし、該投影面におけるノズル孔の面積と等しい面積を有する仮想円から、ノズル本体の径方向内側に逸脱する形状を有する。すなわち、噴射口が位置するノズル本体の下流端部において、ノズル孔が、仮想円よりもノズル本体の径方向内側に面積が拡大し、かつ、仮想円よりもノズル本体の周方向のサイズが小さい形状を有するようにしたので、ノズル本体のサイズ及びノズル孔の軸方向に対する傾斜角度を従来のものと比べて大きく変えずに、隣り合うノズル孔間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔の流路面積を拡大することができる。よって、燃焼器における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0028】
(10)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(9)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。
【0029】
上記(10)の構成によれば、ノズル孔が、上述の投影面において、ノズル孔の図心を中心とし、該投影面におけるノズル孔の面積と等しい面積を有する仮想円から、ノズル本体の径方向内側に逸脱する形状を有する。すなわち、噴射口が位置するノズル本体の下流端部において、ノズル孔が、仮想円よりもノズル本体の径方向内側に面積が拡大し、かつ、仮想円よりもノズル本体の周方向のサイズが小さい形状を有するようにしたので、ノズル本体のサイズ及びノズル孔の軸方向に対する傾斜角度を従来のものと比べて大きく変えずに、隣り合うノズル孔間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔の流路面積を拡大することができる。よって、燃焼器における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【発明の効果】
【0030】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃焼器の燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応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。
【図面の簡単な説明】
【0031】
図1】一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。
図2】一実施形態に係る燃料ノズルの概略断面図である。
図3A】一実施形態に係る燃料ノズルのノズルホルダの側面図である。
図3B図3Aに示すノズルホルダを上流側から視た図である。
図3C図3Aに示すノズルホルダを下流側から視た図である。
図4A】一実施形態に係る燃料ノズルのノズルホルダの側面図である。
図4B図4Aに示すノズルホルダを上流側から視た図である。
図4C図4Aに示すノズルホルダを下流側から視た図である。
図5】投影面に投影された一実施形態に係るノズル孔の形状を示す図である。
図6】投影面に投影された一実施形態に係るノズル孔の形状を示す図である。
図7】投影面に投影された一実施形態に係るノズル孔の形状を示す図である。
図8】一実施形態に係るノズル本体の軸方向に直交する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
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。
【0033】
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にはロータ8を介して不図示の発電機が連結される。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
タービン6は、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。
【0037】
燃焼器4は、燃料を噴射するための燃料ノズル32と、燃料ノズル32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23と、を含む。上述したタービン6の静翼24及び動翼26は、燃焼筒23の下流側に位置しており、燃焼筒23からの燃焼ガスは、静翼24及び動翼26が設けられた燃焼ガス通路28に流れ込むようになっている。
【0038】
以下、幾つかの実施形態に係る燃焼器4の燃料ノズル32についてより詳細に説明する。
図2は、一実施形態に係る燃料ノズル32の概略断面図であり、図3A図4Cは、それぞれ、一実施形態に係る燃料ノズル32のノズル本体41の一部であるノズルホルダ40を示す図である。
図3A及び図4Aは、それぞれ、一実施形態に係る燃料ノズル32のノズルホルダ40の側面図である。図3Bは、図3Aに示すノズルホルダ40を上流側から(即ち図3Aに示すC方向から)視た図であり、図3Cは、図3Aに示すノズルホルダ40を下流側から(即ち図3Aに示すD方向から)視た図である。また、図4Bは、図4Aに示すノズルホルダ40を上流側から(即ち図4Aに示すC方向から)視た図であり、図4Cは、図4Aに示すノズルホルダ40を下流側から(即ち図4Aに示すD方向から)視た図である。
【0039】
なお、図3A図3Cに示す実施形態と、図4A図4Cに示す実施形態とでは、ノズル孔36の断面形状が異なる以外は同じ構成を有するので、以下の説明において、これらの実施形態の共通部分については、図3A図3Cを参照して説明する。
【0040】
図2に示すように、一実施形態に係る燃料ノズル32は、ノズル本体41と、ノズル本体41に形成された複数のノズル孔36と、を有する。
【0041】
ノズル本体41は、ノズル本体41の軸方向(ノズル本体41の中心軸Oの方向;以下、単に「軸方向」ともいう。)において最下流側に位置するノズルホルダ40と、ノズルホルダ40の上流側に位置する燃料通路形成部37と、を含む。
【0042】
図2及び図3A図3Cに示すように、ノズルホルダ40には、軸方向に沿って延在する複数のノズル孔36が形成されており、複数のノズル孔36は、ノズル本体41の周方向に沿って配列されている。各々のノズル孔36は、軸方向における下流側の端部に燃料を噴射するための噴射口38を有している。
【0043】
なお、図2及び図3A図3Cに示す例示的な実施形態では、ノズルホルダ40は、軸方向の下流側端部において、下流側に向かうにつれてノズル本体41の中心軸Oに近づくテーパ面43を有している。複数のノズル孔36の各々の噴射口38は、上述のテーパ面43に形成されている。
【0044】
幾つかの実施形態では、各々のノズル孔36は、該ノズル孔36の中心軸Qの方向に直線状に延在しており、中心軸Qに直交するノズル孔36の断面、及び、中心軸Qに直交する投影面(例えば図2に示す投影面P)に投影されたノズル孔36は、中心軸Q方向の位置によらず同一形状の輪郭を有する。ノズル孔36の中心軸Qの方向に直交する断面形状は、詳しくは後述するが、真円とは異なる形状を有している。中心軸Qは、ノズル孔36の断面形状又は上述の投影面に投影されたノズル孔36の形状の図心を結ぶ直線であってもよい。
【0045】
燃料通路形成部37には、軸方向に沿って延在する燃料供給孔34(燃料供給路)が形成されている。燃料供給孔34の下流端は、ノズル孔36の上流端39に接続されている。
燃料供給孔34には、図示しない燃料供給源から燃料が供給されるようになっており、燃料供給孔34とノズル孔36との接続部を介して、燃料供給孔34からノズル孔36に燃料が供給されるようになっている。
【0046】
幾つかの実施形態では、燃料通路形成部37には複数の燃料供給孔34が形成されており、複数の燃料供給孔34の下流端がそれぞれ複数のノズル孔36の上流端39に接続されていてもよい。あるいは、幾つかの実施形態では、燃料通路形成部37には1つの環状の燃料供給孔34が形成されており、該環状の燃料供給孔34の下流端が、複数のノズル孔36の上流端39に接続されていてもよい。
【0047】
幾つかの実施形態では、燃料供給孔34には、ガス燃料が供給されるようになっている。このガス燃料は、石炭又はバイオマス等をガス化炉で処理することにより得られる、CO及び/又はH等を含むシンガスであってもよい。
【0048】
ノズル本体41の径方向外側には、該ノズル本体41の軸方向に延びる空気通路形成部92が設けられている。そして、空気通路形成部92の内周面によって、軸方向に延びる空気通路94(通路)が形成されている。空気通路94には、例えば、圧縮機2から燃焼器4の車室(不図示)に流入した圧縮空気が供給されるようになっている。また、空気通路94は、軸方向における下流側の端部に、空気を噴射するための空気噴射口96を有している。
なお、図2に示すように、空気通路94は、ノズル本体41の外周面と、空気通路形成部92の内周面との間に形成されていてもよい。
【0049】
空気通路94は、複数のノズル孔36の径方向外側に位置する環状の通路であってもよい。
【0050】
ノズル本体41の径方向内側には、ノズル本体41の中心軸Oに沿って延びる液体燃料ノズル82が設けられている。すなわち、複数のノズル孔36は、液体燃料ノズル82の径方向外側に位置する。
液体燃料ノズル82には、軸方向に沿って液体燃料通路84が形成され、液体燃料通路84は、軸方向における下流端に、液体燃料を噴射するための液体燃料噴射口46を有する。液体燃料ノズル82には、図示しない液体燃料供給源から、液体燃料が供給されるようになっている。
【0051】
液体燃料ノズル82によって噴射される液体燃料は、ガスタービン1の起動用の燃料であってもよい。
【0052】
図2に示す例示的な実施形態では、液体燃料ノズル82の径方向外側且つノズル本体41の径方向内側に、空気通路88が設けられている。この空気通路88には、例えば、圧縮機2から燃焼器4の車室(不図示)に流入した圧縮空気が供給されるようになっており、空気通路88の下流端に形成される空気噴射口90から空気が噴射されるようになっている。
【0053】
図2及び図3Aに示すように、ノズル本体41のノズルホルダ40に形成された複数のノズル孔36の各々の中心軸Qは、ノズル本体41の軸方向における下流側に向かうにつれてノズル本体41の中心軸Oに向かって傾斜している。
図2において、ノズル本体41の中心軸Oに対する、ノズル孔36の中心軸Qの傾斜角度はθである。
【0054】
また、幾つかの実施形態では、図2図3B及び図3Cに示されるように、複数のノズル孔36の各々について、ノズル孔36の上流端における中心軸Qの位置q1と、ノズル孔36の下流端における中心軸Qの位置q2とが、ノズル本体41の周方向においてずれている。すなわち、ノズル孔36の各々は、ノズル本体41の周方向に傾斜している。このように、ノズル本体41が周方向に傾斜していることで、ノズル孔36から噴射される燃料に旋回成分が付与される。これにより、ノズル孔36から噴射される燃料と、空気通路94等から噴射される空気との混合を促進することができる。
【0055】
上述のように構成を有する燃料ノズル32を有する燃焼器4では、燃料ノズル32から噴射口38を介して噴射された燃料と、空気通路94から空気噴射口96を介して噴射される空気及び/又は空気通路88から空気噴射口90を介して噴射された空気とが、燃料ノズル32の下流側において混合されながら拡散燃焼されるようになっている。
【0056】
なお、ガスタービン1の起動時には、燃料供給孔34には空気(例えば、圧縮機2から燃焼器4の車室(不図示)に流入した圧縮空気)が供給され、ノズル孔36には、燃料供給孔34から空気が供給されるようになっていてもよい。
すなわち、ガスタービン1の起動時には、燃焼器4において、ノズル孔36から噴射口38を介して空気が噴射されるとともに、液体燃料ノズル82から液体燃料が噴射され、燃料ノズル32の下流側においてこれらの空気と液体燃料が混合されながら燃焼するようになっていてもよい。
【0057】
これに対し、ガスタービン1の通常運転時(定格運転時等)には、上述したように、燃料供給孔34には燃料が供給されるようになっており、ノズル孔36から燃料が噴射されるとともに、空気通路94及び/又は空気通路88から空気が噴射され、燃料ノズル32の下流側においてこれらの燃料と空気とが混合されながら拡散燃焼されるようになっていてもよい。このとき、液体燃料ノズル82からの液体燃料の噴射は停止されていてもよい。
【0058】
幾つかの実施形態では、ガスタービン1の通常運転時等には、ノズル孔36から噴射口38を介して、空気が混入されていない燃料のみが噴射されるようになっている。
【0059】
図5図7は、それぞれ、投影面P(図2参照)に投影されたノズル孔36の形状を示す図である。このうち、図5図6は、図3A図3Cに示す実施形態に係るノズル孔36の形状を示し、図7は、図4A図4Cに示す実施形態に係るノズル孔36の形状を示す。ここで、上述の投影面Pは、ノズル孔36の噴射口38におけるノズル孔36の中心軸Qの位置においてノズル孔36の中心軸Qに直交する投影面である。
すなわち、投影面Pにおけるノズル孔36の形状は、下流端部におけるノズル孔36の形状を表す。
なお、図5図7において、直線L1は、ノズル本体41の径方向の直線を示す。
【0060】
図5に示すように、図3A図3Cに示す実施形態に係るノズル孔36は、投影面Pにおいて、直径D1の第1円42と、直径D2の第2円44と、第1円42と第2円44の2本の共通接線46A,46Bと、によって囲まれる形状を有する。ここで、第2円44の中心44aは、第1円42の中心42aよりもノズル本体41の径方向外側に位置し、第2円44の直径D2は、第1円42の直径D1よりも大きい。
なお、図5では、第1円42の中心42aと、第2円44の中心44aとを結ぶ直線はL1と同一であり、ノズル本体41の径方向に一致している。ただし、第1円42の中心42aと、第2円44の中心44aとを結ぶ直線と、ノズル本体41の径方向とは一致していなくてもよく、例えば、これらのなす角度が30度以下であってもよい。
【0061】
また、図7に示すように、図4A図4Cに示す実施形態に係るノズル孔36は、投影面Pにおいて、ノズル孔36の輪郭は、直線状の第1直線状輪郭部52、第2直線状輪郭部54、第3直線状輪郭部48及び第4直線状輪郭部50を含む四角形に近い形状を有し、これらの直線状輪郭部48〜54は、上述の四角形の角に位置する接続部55A〜55Dによって接続されている。
上述の四角形において、第1直線状輪郭部52と、第2直線状輪郭部54とは互いに対向して位置し、第3直線状輪郭部48と第4直線状輪郭部50とは互いに対向して位置する。
なお、直線状輪郭部48〜54は、完全な直線でなくてもよく、比較的小さな曲率を有した曲線形状を有していてもよい。
【0062】
幾つかの実施形態では、投影面Pにおけるノズル孔36の輪郭は他の形状を有していてもよく、例えば、全体として三角形、又は五角形等の多角形の形状を有していてもよい。
【0063】
幾つかの実施形態では、例えば図5及び図7に示すように、上述の投影面Pにノズル孔36を投影したとき、投影面Pにおいて、ノズル孔36は、ノズル孔36の図心(重心)Rを中心とし、投影面Pにおけるノズル孔36の面積と等しい面積を有する仮想円56から、ノズル本体41の径方向内側に逸脱する部分58(図5及び図7における斜線部分)を含む形状を有する。
ノズル孔36の下流端部における形状を上述のようにすることで、以下の理由により、燃焼器4における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0064】
すなわち、燃料ノズルにおいて、燃焼特性の変化を抑制しながら流路面積を拡大したい場合、ノズル孔が形成されるノズルホルダ(ノズル本体)のサイズを変えず、また、ノズル本体の軸方向や周方向におけるノズル孔の傾斜角度を変えずに、流路面積を拡大する必要がある。
例えば、従来の典型的な拡散燃焼式の燃料ノズル(即ち、ノズル孔が真円の断面形状を有し、ノズル孔の中心軸が、ノズル本体の中心軸に対して傾斜しているような燃料ノズル)について、ノズル本体のサイズやノズル孔の傾斜角度を変えずに流路面積(すなわち、孔径)を拡大しようとすると、隣り合うノズル孔間の間隔が小さくなり、特に、ノズルホルダの下流端部において、隣り合うノズル孔間の肉厚(図3CにおけるA1部分参照)の確保が難しくなる場合がある。また、ノズルホルダの上流端部では、ノズル孔とノズルホルダ外周縁との間の肉厚(図3BにおけるA2部分参照)の確保が難しくなる場合がある。
【0065】
この点、上述の実施形態によれば、ノズル孔36が、上述の投影面Pにおいて、ノズル孔36の図心Rを中心とし、該投影面Pにおけるノズル孔36の面積と等しい面積を有する仮想円56から、ノズル本体41の径方向内側に逸脱する部分58を含む形状を有する。すなわち、噴射口38が位置するノズル本体41の下流端部において、ノズル孔36が、仮想円56よりもノズル本体41の径方向内側に面積が拡大し、かつ、仮想円56よりもノズル本体41の周方向のサイズが小さい形状を有するようにしたので、ノズル本体41の径(サイズ)及びノズル孔36の軸方向に対する傾斜角度θ(図2参照)を従来のものと比べて大きく変えずに、隣り合うノズル孔36間の肉厚や、ノズル孔36とノズルホルダ40(ノズル本体41)の外周縁との間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔36の流路面積を拡大することができる。よって、燃焼器4における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0066】
幾つかの実施形態では、例えば図6に示すように、投影面P上において、ノズル孔36の面積(S1+S2)を二等分するノズル本体41の径方向(直線L1の方向)に直交する第1直線L2が、径方向におけるノズル孔36の内側端60と外側端62との中点64よりも、径方向において外側端62寄りに位置する。すなわち、外側端62と第1直線L2との間の距離は、内側端60と第1直線L2との間の距離よりも短い。
【0067】
なお、図6に示す例において、ノズル孔36のうち、第1直線L2よりも径方向内側の部分の面積S1と、第1直線L2よりも径方向外側の部分の面積S2とは等しい。また、投影面Pにおいて、ノズル孔36の図心Rは、第1直線L2上に位置する。
【0068】
上述の実施形態では、投影面P上において、第1直線L2が、ノズル本体41の径方向におけるノズル孔36の内側端60と外側端62との中点64よりも、径方向において外側端62寄りに位置するようにしたので、ノズル孔36のうち、第1直線L2よりも外側端62側の部分(面積S2の部分)に比べて、第1直線L2よりも内側端60側の部分(面積S1の部分)は、径方向に長細い形状となる。したがって、ノズル本体41の下流端部において、隣り合うノズル孔36間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔36の流路面積を拡大しやすくなる。
【0069】
図8は、一実施形態に係るノズル本体41の軸方向に直交する断面図であり、図2のB−B断面に相当する図である。なお、図8は、図4A図4Cに示す実施形態に係るノズル孔36を有するノズル本体41の断面である。
なお、図8では、周方向に隣り合う一対のノズル孔36A,36Bが示されている。図8に示すノズル孔36A,36Bの輪郭は、それぞれ、直線状の第1直線状輪郭部52A,52B、第2直線状輪郭部54A,54B、第3直線状輪郭部48A,48B及び第4直線状輪郭部50A,50Bを含む四角形に近い形状を有する。これらの第1〜第4直線状輪郭部は、図7における第1〜第4直線状輪郭部に対応している。
【0070】
幾つかの実施形態では、例えば図8に示すように、上述の断面において、周方向に隣り合う一対のノズル孔36A,36Bのうち一方のノズル孔36Aの第1直線状輪郭部52Aと、他方のノズル孔36Bの第2直線状輪郭部54Bとが周方向において隣り合うように設けられている。
【0071】
この場合、一対のノズル孔36A,36Bの直線状輪郭部同士が周方向に隣り合うように配置されるので、例えば、円弧状部同士が周方向に隣り合うように配置される場合に比べ、一対のノズル孔36A,36B間の周方向における距離K(図8参照)を、径方向の比較的広範囲において確保しやすくなる。よって、隣り合うノズル孔36A,36B間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔36の流路面積を拡大しやすくなる。このため、燃焼器4における燃焼特性を維持しながら、燃料流量の増大に対応することができる。
【0072】
上述の断面において、周方向に隣り合う一対のノズル孔36A,36Bのうち一方のノズル孔36Aの第1直線状輪郭部52Aと、他方のノズル孔36Bの第2直線状輪郭部54Bとがなす角度(図8参照)は、例えば、25度以下であってもよい。
この場合、一対のノズル孔36A,36B間の周方向における距離K(図8参照)を、径方向の比較的広範囲においてより確実に確保しやすくなる。よって、隣り合うノズル孔36A,36B間の肉厚を確保しながら、各々のノズル孔36の流路面積をより拡大しやすくなる。
【0073】
図4A図4Cに示す例示的な実施形態では、例えば図4Cに示すように、ノズル孔36は、該ノズル孔36の下流端(噴射口38;又はノズルホルダ40の下流端)において、ノズルホルダ40(ノズル本体41)の内周縁66に沿って延在するの直線状輪郭部(図に示す第3直線状輪郭部48)を含んでいてもよい。
このように、ノズル本体41の内周縁66に沿うように延在する直線状輪郭部を有することで、ノズル孔36の下流端側において、ノズル孔36の形状を、径方向内側に向かって流路面積が大きく拡大された形状とすることができる。これにより、より効果的に、各々のノズル孔36の流路面積を拡大することができる。
【0074】
また、図4A図4Cに示す例示的な実施形態では、例えば図4Bに示すように、ノズル孔36は、該ノズル孔36の上流端39(又はノズルホルダ40の上流端)において、ノズルホルダ40(ノズル本体41)の外周縁68に沿って延在する直線状輪郭部(図に示す第4直線状輪郭部50)を含んでいてもよい。
このように、ノズル本体41の外周縁68に沿うように延在する直線状輪郭部を有することで、ノズル孔36の上流端側において、ノズル孔36の形状を、径方向外側に向かって流路面積が大きく拡大された形状とすることができる。これにより、より効果的に、各々のノズル孔36の流路面積を拡大することができる。
【0075】
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。
【0076】
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。
【符号の説明】
【0077】
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
23 燃焼筒
24 静翼
26 動翼
28 燃焼ガス通路
30 排気室
32 燃料ノズル
34 燃料供給孔
36 ノズル孔
37 燃料通路形成部
38 噴射口
39 上流端
40 ノズルホルダ
41 ノズル本体
42 第1円
42a 中心
43 テーパ面
44 第2円
44a 中心
46 液体燃料噴射口
46A,46B 共通接線
48 第3直線状輪郭部
50 第4直線状輪郭部
52 第1直線状輪郭部
54 第2直線状輪郭部
55A〜55D 接続部
56 仮想円
58 部分
60 内側端
62 外側端
64 中点
66 内周縁
68 外周縁
82 液体燃料ノズル
84 液体燃料通路
88 空気通路
90 空気噴射口
92 空気通路形成部
94 空気通路
96 空気噴射口
L2 第1直線
O 中心軸
P 投影面
Q 中心軸
R 図心(重心)
図1
図2
図3A
図3B
図3C
図4A
図4B
図4C
図5
図6
図7
図8