(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に開示されている発明では、燃料ノズルに生じた圧力変動が絞り部と燃料ノズル孔との間に伝播し、それにより位相差が燃料ノズルに生じてしまう。そのため、燃料ノズル孔における燃料流量が変動するという問題があった。
【0006】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料ノズル孔近傍の圧力変動の増大を抑制することができる燃料ノズル、これを備えた燃焼器及びガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明の燃料ノズル、これを備えた燃焼器及びガスタービンには、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の参考例にかかる燃料ノズルは、燃料ノズル孔と、該燃料ノズル孔に燃料を供給する流路部と、を備えた燃料ノズルにおいて、前記流路部と前記燃料ノズルとの間には、前記燃料ノズル孔の上流側の近傍であって前記燃料ノズル孔に生じる圧力変動に連動する容積を有するとともに前記流路部の流路断面積よりも大きな流路断面積を有する拡大流路部を備えていることを特徴とする。
【0008】
この参考例によれば、拡大流路部は、燃料ノズル孔の圧力変動と連動する容積を有するので、拡大流路部の圧力変動と燃料ノズル孔の圧力変動との間に生じる位相差が減少する。そのため、燃料ノズル孔における燃料流量の変化を低減することができる。従って、燃料流量の変化を起因とした燃料ノズル孔に生じる圧力変動の増大を抑制することができ、燃焼振動の発生を防止することが可能となる。
【0009】
さらに、本発明の参考例にかかる燃料ノズルの拡大流路部は、前記拡大流路部内の圧力変動を減衰する容積を有する共鳴室が接続されることを特徴とする。
【0010】
この参考例によれば、共鳴室は、拡大流路部内の圧力変動を減衰する容積を有しているため、拡大流路部内の圧力変動を更に減じることができる。そのため、燃料ノズル孔における燃料流量の変化をさらに低減することができる。従って、燃料流量の変化を起因とした燃料ノズル孔に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
【0011】
さらに、本発明の参考例にかかる燃料ノズルの拡大流路部は、容積の調整が可能な容積調整手段を備えることを特徴とする。
【0012】
この参考例によれば、拡大流路部の容積を調整することによって拡大流路部の圧力変動の減衰を想定される燃焼振動に対して最適化することができるので、燃料ノズル孔における燃料流量の変化を効果的に低減することができる。従って、燃料流量を起因とした燃料ノズル孔に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
【0013】
さらに、本発明の参考例にかかる燃料ノズルの容積調整手段は、前記拡大流路部内に挿入された多孔質体であることを特徴とする。
【0014】
この参考例によれば、多孔質体の容積を調整することによって拡大流路部の圧力変動の減衰を最適化することができ、また、拡大流路部内の圧力変動が多孔質体によって吸収されるので、燃料ノズル孔における燃料流量の変化をさらに低減することができる。従って、燃料流量の変化を起因とした燃料ノズル孔に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
なお、拡大流路部に備えられる多孔質体は、目詰まりを防ぐために燃料ノズルの上流に設置されるフィルタよりも空隙率が大きいものが好ましい。
【0015】
さらに、本発明の参考例にかかる燃料ノズルの容積調整手段は、前記拡大流路部内に挿入可能とされたスペーサであることを特徴とする。
【0016】
この参考例によれば、スペーサの本数や挿入深さを変更することにより容易に拡大流路部の容積を調節することができるので、拡大流路部の圧力変動の減衰を容易に最適化でき燃料流量の変化を効果的に抑制することができる。従って、燃料流量の変化を起因とした燃料ノズル孔に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
【0017】
また、本発明にかかる燃料ノズルは、燃料ノズル孔と、該燃料ノズル孔に燃料を供給する流路部と、下端の外周に前記燃料ノズル孔が設けられた外筒と、該外筒の下端に収容されている内筒と、を備えた燃料ノズルにおいて、前記流路部は、前記外筒と前記内筒との間に形成されて、その内部に
長手方向に間隔をあけて複数のオリフィスが配置されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる燃料ノズルは、前記流路部の流路断面積が、前記燃料ノズル孔の流路断面積よりも大きいことを特徴とする。
【0018】
燃料ノズル孔から流路部に伝播した圧力変動は、流路部の圧力損失によって低減され流路部の上流に伝播しない。従って、燃料ノズル孔に供給される燃料流量の変化が抑えられるので、燃料ノズル孔に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
また、燃料ノズル孔から流路部に伝播した圧力変動は、流路部
の長手方向に
間隔をあけて設けられた
複数のオリフィスによって圧力損失が発生し減衰される。従って、オリフィスがない場合と比べると、流路部の長さを短くして燃料ノズル孔に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
【0023】
また、本発明の燃焼器は、上記のいずれかに記載の燃料ノズルを備えていることを特徴とする。
【0024】
燃焼器の内圧変動を起因とする燃料ノズル孔に生じる圧力変動の増大を抑制し、燃焼による発熱量の変動を低減することができる。従って、燃焼振動に対する燃焼器の構成品の健全性を保つことができる。
【0025】
また、本発明のガスタービンは、上記に記載の燃焼器を備えていることを特徴とする。
【0026】
燃焼器の構成品の健全性を保つことができるので、ガスタービンの信頼性が向上する。
【発明の効果】
【0027】
本発明の燃料ノズルによると、燃料ノズル孔から流路部に伝播した圧力変動は、流路部の圧力損失によって低減され流路部の上流に伝播しない。従って、燃料ノズル孔に供給される燃料流量の変化が抑えられるので、燃料ノズル孔に生じる圧力変動の増大を抑制することができ、燃焼振動の発生を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【0029】
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態にかかるガスタービンの燃料ノズルを備えた燃焼器とガスタービンについて、
図1及び
図2を参照しながら説明する。
図1及び
図2に示す燃焼器10を有したガスタービン(図示せず)は、燃焼器10の他、圧縮機(図示せず)と、タービン(図示せず)とを備えている。ガスタービンは、一般に複数の燃焼器10を有しており、圧縮機により圧縮された空気と、燃焼器10に供給された燃料を混合させ、各々の燃焼器10内で燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させる。この高温の燃焼ガスをタービンへ供給してタービンを回転駆動させている。
【0030】
燃焼器10は、燃焼器ケーシング11内に環状に複数個配置されている(
図1では1個のみ示している)。燃焼器ケーシング11とガスタービンケーシング12とには圧縮空気が充満し、車室13を形成する。この車室13には、圧縮機により圧縮された空気が導入される。導入された圧縮空気は、燃焼器10の上流部に設けられた空気流入口14から、燃焼器10の内部に入る。燃焼器10の燃焼バーナ16の内筒15の内部では、燃焼バーナ16から供給された燃料と圧縮空気が混合され燃焼する。燃焼によって生じた燃焼ガスは、燃焼バーナ16の尾筒17を通ってタービン室側へ供給され、タービンロータ(図示せず)を回転させる。
【0031】
図2には、燃焼バーナ16と、燃焼バーナ16の内筒15と、燃焼バーナ16の尾筒17とが分離して示されている。
燃焼バーナ16は、複数本の主燃焼バーナ18と、1本のパイロット燃焼バーナ19とを有している。
複数本の主燃焼バーナ18は、燃焼バーナ16の内筒15の内部で、かつ、パイロット燃焼バーナ19の周囲を囲むように配置されている。
【0032】
パイロット燃焼バーナ19は、パイロットノズルとパイロットバーナ筒32とを備えている。パイロットバーナ筒32は、パイロットノズルに対して同心状で、かつ、パイロットノズルの先端部を囲繞する状態で配置されている。このため、パイロットノズルの先端部とパイロットバーナ筒32との間には、リング状の空気通路が形成され、この空気通路には、その上流側から下流側に向かって圧縮空気が流通する。パイロットノズルには、その下端に複数個(例えば、8個)の燃料ノズル孔が形成されている。各燃料ノズル孔から噴射された燃料は、圧縮空気と混合されて、燃焼バーナ16の内筒15の内部空間に送られて燃焼することとなる。
主燃焼バーナ18は、主燃料ノズル21と、主バーナ筒22とを主に備えている。主バーナ筒22は、主燃料ノズル21を囲繞する状態で配置されている。このため、主燃料ノズル21の外周面と主バーナ筒22の内周面との間に、空気通路が形成され、この空気通路には、その上流側から下流側に向かって圧縮空気が流通する。主燃料ノズル21には、その下端に複数個の燃料ノズル孔が形成されている。各燃料ノズル孔から噴射された燃料は、圧縮空気と混合されて、燃焼バーナ16の内筒15の内部空間に送られて燃焼することとなる。
【0033】
図3は、
図2に示したパイロット燃焼バーナが備えているパイロットノズルの
図2のA−A部における縦断面概略図である。
パイロットノズル20(燃料ノズル)は、下端の円周に複数個(例えば、8個)の燃料ノズル孔23を有している外筒24と、内筒25と、大流路部26と、流路部27と、拡大流路部28とを有している。
大流路部26は、流路部27の上流に位置し、パイロットノズル20の外筒24によって囲われている。大流路部26は、拡大流路部28よりも大きな容積を有している。
流路部27は、パイロットノズル20の外筒24と、その外筒24の下端に収容されている内筒25との間に形成されている。この流路部27は、通過した燃料の圧力がほぼ一定となって拡大流路部28に供給されるような長さを有している。流路部27の流路断面積は、燃料ノズル孔23の流路断面積よりも大きく、拡大流路部28よりも小さな流路断面積となっている。
拡大流路部28は、流路部27と燃料ノズル孔23との間であり、かつ、燃料ノズル孔23の上流近傍に設けられている。拡大流路部28は、パイロットノズル20の内筒25と外筒24との間にリング状に形成されている。拡大流路部28の容積は、燃料ノズル孔23に供給される燃料の流速の最大値と最小値との比が最小となる大きさを有している。
【0034】
流路部27は、
図4(a)に示すように、パイロットノズル20の外筒24と内筒25との間にリング状に形成され、燃料がその上流側から下流側に向かい流通する。なお、流路部27は、
図4(b)に示すように、パイロットノズル20の外筒24と内筒25との間に内筒25の外周に均等に複数個(例えば、8個)配置されても良い。
【0035】
以上の通り、本実施形態にかかるパイロットノズル20によれば以下の作用効果を奏する。
拡大流路部28は、燃料ノズル孔23に供給される燃料の流速の最大値と最小値との比が最小となる容積(燃料ノズル孔23の圧力変動と連動する容積)を有しているので、拡大流路部28の圧力変動と燃料ノズル孔23の圧力変動との間に生じる位相差が減少する。そのため、燃料ノズル孔23における燃料流量の変化を低減することができる。従って、燃料流量の変化を起因とした燃料ノズル孔23に生じる圧力変動の増大を抑制することができ、燃焼振動の発生を防止することが可能となる。
なお、拡大流路部28の容積は、燃焼器10に生じる内圧変動の周波数に基づいて求めることができる。
【0036】
さらに、本実施形態にかかるパイロットノズル20を有する燃焼器によれば、燃焼器の内圧変動を起因とした燃料ノズル孔23に生じる圧力変動の増大を抑制し、燃焼による発熱量の変動を抑制することができる。従って、燃焼振動によって燃焼器の構成品の健全性が損なわれること防止することができる。
【0037】
さらに、本実施形態にかかるパイロットノズル20を備えた燃焼器を有するガスタービンによれば、燃焼器の構成品の健全性を保つことができるので、ガスタービンの信頼性が向上する。
【0038】
[第1参考実施形態]
以下、本発明の第1参考実施形態について、
図5に基づき説明する。本実施形態のパイロットノズル及び燃焼器の構成は、拡大流路部に接続されている共鳴室を有している点において第1実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
共鳴室29は、燃料の流通方向に対して直交する方向に拡大流路部28と接続されている。共鳴室29は、流路部27の下端のパイロットノズル20の内筒25と外筒24との間に形成されている。共鳴室29は、拡大流路部28内の上流側の圧力変動を減衰する容積を有している。
【0039】
以上の通り、本実施形態にかかるパイロットノズル20によれば以下の作用効果を奏する。
共鳴室29は、拡大流路部28内の圧力変動を減衰する容積を有しているため、拡大流路部28内の圧力変動を更に減じることができる。そのため、燃料ノズル孔23における燃料流量の変化をさらに低減することができる。従って、燃料流量の変化を起因とした燃料ノズル孔23に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
なお、共鳴室29の容積は、燃焼器に生じる内圧変動の周波数に基づいて求めることができる。
【0040】
[第2参考実施形態]
以下、本発明の第2参考実施形態について、
図6に基づき説明する。本実施形態のパイロットノズル及び燃焼器の構成は、拡大流路部に多孔質体が挿入されている点において第1実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
多孔質体(容量調整手段)30は、拡大流路部28内の上流側に挿入されている。多孔質体30は、拡大流路部28の容積の半分を占めている。
【0041】
以上の通り、本実施形態にかかるパイロットノズル20によれば以下の作用効果を奏する。
拡大流路部28の容積を調整することによって拡大流路部28の圧力変動の減衰を最適化することができ、かつ、拡大流路部28の圧力変動が多孔質体30によって吸収されるので、燃料ノズル孔23における燃料流量の変化を効果的に低減することができる。従って、燃料流量の変化を起因とした燃料ノズル孔23に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
なお、多孔質体30が拡大流路部28に占める容積は、燃焼器に生じる内圧変動の周波数に基づいて求めることができ、多孔質体30の空隙率については、実験等によって得られた情報に基づく値を用いることができる。
【0042】
なお、拡大流路部28に備えられている多孔質体30は、目詰まりを防ぐためにパイロットノズル20の上流に設置されているフィルタ(図示ぜず)よりも空隙率が大きいものが好ましい。
【0043】
[第3参考実施形態]
以下、本発明の第3参考実施形態について、
図7に基づき説明する。本実施形態のパイロットノズル及び燃焼器の構成は、拡大流路部内に挿入可能とされたスペーサを有している点において第1実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
スペーサ(容量調整手段)31は、パイロットノズル20の外筒24の内周側に2本設けられている。スペーサ31は、外周にねじ山を有するねじ込固定式となっており、パイロットノズル20の外筒24の外側からねじによって埋設され、拡大流路部28に突出している。
【0044】
以上の通り、本実施形態にかかるパイロットノズル20によれば以下の作用効果を奏する。
スペーサ31の本数や挿入深さを変更することにより、容易に拡大流路部28の容積を調節できるので、拡大流路部28の圧力変動の減衰を容易に最適化でき燃料流量の変化を効果的に抑制することが可能となる。従って、燃料流量の変化を起因とした燃料ノズル孔23に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
なお、スペーサ31の本数や挿入深さは、実験等によって得られた情報に基づく値を用いることができる。
【0045】
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態について、
図8に基づき説明する。本実施形態のパイロットノズル及び燃焼器の構成は、拡大流路部を有しない点において第1実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
流路部27は、パイロットノズル20の外筒24と内筒25との間に形成され、燃料ノズル孔23から伝播した圧力変動が流路部27の圧力損失によって抑制可能な長さを有している。流路部27は、パイロットノズル20の外筒24の下端の外周に設けられている複数個(例えば、8個)の燃料ノズル孔23に連通している。
【0046】
以上の通り、本実施形態にかかるパイロットノズル20によれば以下の作用効果を奏する。
燃料ノズル孔23から流路部27に伝播した圧力変動は、流路部27の圧力損失によって低減され流路部27の上流には伝播しない。従って、燃料ノズル孔23に供給される燃料流量の変化が抑えられるので、燃料ノズル孔23に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
なお、流路部27の長さは、実験等によって得られた情報に基づいた値を用いることができる。
【0047】
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態について、
図9に基づき説明する。本実施形態のパイロットノズル及び燃焼器の構成は、拡大流路部を有さず流路部がラビリンス形状である点において第1実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
流路部27は、パイロットノズル20の外筒24と内筒25との間に形成され、その外筒24の下端の外周に設けられている複数個の燃料ノズル孔23(例えば、8個)に連通している。パイロットノズル20の外筒24の内周と内筒25の外周とには、複数の絞り片を設けたラビリンス形状32が設けられている。
【0048】
以上の通り、本実施形態にかかるパイロットノズル20によれば以下の作用効果を奏する。
燃料ノズル孔23から流路部27に伝播した圧力変動は、流路部27のラビリンス形状32によって圧力損失が発生し減衰される。従って、ラビリンス形状32がない場合と比べると、流路部27の長さを短くして燃料ノズル孔23に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
【0049】
[第4実施形態]
以下、本発明の第4実施形態について、
図10に基づき説明する。本実施形態の主燃焼バーナ及び燃焼器の構成は、拡大流路部を有さず流路部にオリフィスを備えている点において第1実施形態と相違し、そのほかは同様である。したがって、同一の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
流路部27は、パイロットノズル20の外筒24と内筒25との間に形成され、その外筒24の下端の外周に設けられている複数個の燃料ノズル孔23(例えば、8個)に連通している。流路部27には、円盤状の薄板で構成されている絞り機構であるオリフィス33がパイロットノズル20の外筒24の内周側と内筒25の外周側との相対する位置に3個所設けられている。各オリフィス33は、流路部27の上流から下流に向かって均等な間隔毎に設けられている。
【0050】
以上の通り、本実施形態にかかるパイロットノズル20によれば以下の作用効果を奏する。
燃料ノズル孔23から流路部27に伝播した圧力変動は、流路部27に設けられているオリフィス33によって圧力損失が発生し減衰される。従って、オリフィス33がない場合と比べると、流路部27の長さを短くして燃料ノズル孔23に生じる圧力変動の増大を抑制することができる。
なお、オリフィス33を設置する間隔、オリフィス33の数及び形状は、オリフィス33を通過する圧力変動が圧力損失によって流路部27の上流に伝播することを低減できるものとし、実験等によって得られた情報に基づく値を用いることができる。
【0051】
また、上記各実施形態において、燃料ノズルとしてパイロットノズル20を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば主燃料ノズル21(
図2参照)としても良い。