特許 6221664 燃料ノズルユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6221664

(24)【登録日】2017年10月13日

(45)【発行日】2017年11月1日

(54)【発明の名称】燃料ノズルユニット

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/28 20060101AFI20171023BHJP

   F23R 3/14 20060101ALI20171023BHJP

   F02C 7/22 20060101ALI20171023BHJP

   F02C 7/232 20060101ALI20171023BHJP

【ＦＩ】

   F23R3/28 B

   F23R3/14

   F02C7/22 C

   F02C7/232 B

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-235204(P2013-235204)

(22)【出願日】2013年11月13日

(65)【公開番号】特開2015-94555(P2015-94555A)

(43)【公開日】2015年5月18日

【審査請求日】2016年9月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】リーヒェルマン ディアク

【審査官】 倉田 和博

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５０６１３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０８９２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０７４４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０４２１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２８０６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５４６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２１７６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−００２８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５６８０７６６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｃ ７／２２，７／２３２

Ｆ２３Ｒ ３／１４−３／２４，

３／２８−３／３２

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒形状で形成され、燃料を噴射する第１燃料噴射機構を一端に備えるノズル本体と、
前記ノズル本体の外周面から径方向に起立し、該ノズル本体の周方向に複数、該ノズル本体の軸方向に対して傾斜角を有して延在する板状部材であり、該ノズル本体の他端側から一端側へ流れる気体に旋回力を付与して旋回気流を発生させる旋回翼と、
前記ノズル本体の外周面において、該ノズル本体の周方向に複数設けられた第２燃料噴射機構と、
を備え、
前記第２燃料噴射機構は、２の燃料噴射孔を備え、
前記第２燃料噴射機構の前記２の燃料噴射孔は、前記燃料を前記ノズル本体の外周面から噴射し、該燃料同士を衝突させて、該ノズル本体の径方向、かつ、前記旋回翼の延長面上に液膜を形成することを特徴とする燃料ノズルユニット。

【請求項2】

前記第２燃料噴射機構は、１のガス噴射孔をさらに備え、前記２の燃料噴射孔から噴射されて衝突した燃料に、さらに該１のガス噴射孔から噴射されるガスを衝突させることを特徴とする請求項１に記載の燃料ノズルユニット。

【請求項3】

前記旋回気流の中央の領域と前記液膜とが接するように前記第２燃料噴射機構が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料ノズルユニット。

【請求項4】

前記旋回気流の周縁の領域と前記液膜とが接するように前記第２燃料噴射機構が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料ノズルユニット。

【請求項5】

前記第２燃料噴射機構の前記２の燃料噴射孔は、前記旋回翼に設けられ、前記燃料を該旋回翼から噴射して前記液膜を形成し、
前記旋回翼の延長面と前記液膜の延長面とが垂直に交差するように前記第２燃料噴射機構が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料ノズルユニット。

【請求項6】

負荷の量に応じて、前記燃料を噴射する対象を、前記第１燃料噴射機構および前記第２燃料噴射機構のいずれか一方または双方の間で切り替える噴射機構切替部をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料ノズルユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスタービンの燃焼器に利用される燃料ノズルユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとがその順に上下流の位置関係となるように構成される。ガスタービンでは、まず、圧縮機により圧縮された空気と、燃焼器に供給された燃料とが混合され、燃焼器内で燃焼されて燃焼ガスが発生する。そして、燃焼ガスがタービンへ供給され、タービンが回転駆動される。

【0003】

液体燃料を燃焼させるガスタービンの燃焼器では、例えば、圧力噴射弁（特許文献１）や気流噴射弁（特許文献２）といった燃料ノズルを用いて燃料を噴射して細かな液滴とする（微粒化する）。そして、微粒化した燃料が気化し、気化した燃料が燃焼器内の空気中に拡散されることで予混合気が形成され、燃料が燃焼される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−１７０２３号公報

【特許文献2】特開２００５−１０６４１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一般的に、ガスタービンでは、高負荷で運転される場合における燃料の流量において、燃料が良好に微粒化するように燃料ノズルが設計されている。しかし、ガスタービンが低負荷で運転される場合、燃料ノズルから噴射される燃料の流量が少なくなり、燃料の微粒化が悪化して液滴が大きくなることがある。小さな液滴は、気流に乗り空気と混合され拡散されやすいが、大きな液滴は気流に乗りにくく、多くが噴射方向に飛ばされてしまう。このため、燃料濃度が局所的に高くなり、その結果、燃焼器内で局所的に温度が上昇してしまうおそれがある。燃焼器内で温度が上昇してしまうと、ＮＯｘの排出量が増加するおそれや、タービンが損傷するおそれがある。さらに、燃焼器内での燃料の分布が偏り煤が発生してしまい、燃焼効率が悪くなるおそれもある。また、燃焼しにくい燃料を利用する場合、燃料の微粒化が悪化すると、燃料と空気とが良好に混合されず、より燃えにくくなってしまう。

【0006】

そこで、本発明はこのような課題に鑑み、負荷や燃料の質に拘わらず、燃料を良好に微粒化することができる燃料ノズルユニットを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明の燃料ノズルユニットは、円筒形状で形成され、燃料を噴射する第１燃料噴射機構を一端に備えるノズル本体と、ノズル本体の外周面から径方向に起立し、ノズル本体の周方向に複数、ノズル本体の軸方向に対して傾斜角を有して延在する板状部材であり、ノズル本体の他端側から一端側へ流れる気体に旋回力を付与して旋回気流を発生させる旋回翼と、ノズル本体の外周面において、ノズル本体の周方向に複数設けられた第２燃料噴射機構と、を備え、第２燃料噴射機構は、２の燃料噴射孔を備え、第２燃料噴射機構の２の燃料噴射孔は、燃料をノズル本体の外周面から噴射し、燃料同士を衝突させて、ノズル本体の径方向、かつ、旋回翼の延長面上に液膜を形成することを特徴とする。

【0009】

また、第２燃料噴射機構は、１のガス噴射孔をさらに備え、２の燃料噴射孔から噴射されて衝突した燃料に、さらに１のガス噴射孔から噴射されるガスを衝突させるとしてもよい。

【0011】

また、旋回気流の中央の領域と液膜とが接するように第２燃料噴射機構が設けられるとしてもよい。

【0012】

また、旋回気流の周縁の領域と液膜とが接するように第２燃料噴射機構が設けられるとしてもよい。

【0014】

また、第２燃料噴射機構の２の燃料噴射孔は、旋回翼に設けられ、燃料を旋回翼から噴射して液膜を形成し、旋回翼の延長面と液膜の延長面とが垂直に交差するように第２燃料噴射機構が設けられるとしてもよい。また、負荷の量に応じて、燃料を噴射する対象を、第１燃料噴射機構および第２燃料噴射機構のいずれか一方または双方の間で切り替える噴射機構切替部をさらに備えるとしてもよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、負荷や燃料の質に拘わらず、燃料を良好に微粒化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１の実施形態にかかる燃料ノズルユニットを説明するための図である。

【図2】第１燃料噴射機構が噴射する燃料と旋回気流との位置関係を示すための燃料ノズルユニットの断面図である。

【図3】第２燃料噴射機構から噴射される燃料およびガスを説明するための図である。

【図4】第１の実施形態にかかる燃料ノズルユニットにおいて第２燃料噴射機構より燃料およびガスが噴射された状態を示す図である。

【図5】気体流路を流通する気体の速度を説明するための図である。

【図6】低負荷時と高負荷時における燃料の流量を示す図である。

【図7】噴射機構切替部を説明するための図である。

【図8】第１の実施形態の変形例にかかる燃料ノズルユニットを説明するための図である。

【図9】第２の実施形態にかかる燃料ノズルユニットを説明するための図である。

【図10】第２の実施形態の変形例にかかる燃料ノズルユニットを説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0018】

（第１の実施形態：燃料ノズルユニット１００）
図１は第１の実施形態にかかる燃料ノズルユニット１００を説明するための図であり、図１（ａ）は燃料ノズルユニット１００の斜視図、図１（ｂ）は燃料ノズルユニット１００の正面図である。燃料ノズルユニット１００はガスタービンの燃焼器に設けられ、ノズル本体１１０と、旋回翼１２０と、噴射機構切替部１３０とを含んで構成される。

【0019】

図１に示すように、ノズル本体１１０は、円筒形状であり、ノズル本体１１０の一端である円筒形状の円形の面１１０ａ側に燃料を噴射する第１燃料噴射機構１１２が設けられる。第１燃料噴射機構１１２は、例えば圧力噴射弁であり、液体燃料を噴射して微粒化させる。

【0020】

旋回翼１２０は、ノズル本体１１０の外周面から径方向に起立し、ノズル本体１１０の軸方向に対して傾斜角を有して延在する板状部材である。本実施形態では、旋回翼１２０が、ノズル本体１１０の周方向に等間隔に１０枚設けられている。ノズル本体１１０の外周において、ノズル本体１１０の軸方向に気体が流れると、気体は隣り合う旋回翼１２０が形成する気体流路１２２を通って流れる。旋回翼１２０がノズル本体１１０の軸方向に対して傾斜して設けられることから、気体流路１２２を通った気体は旋回力を付与され、旋回気流を形成することとなる。

【0021】

図２は、第１燃料噴射機構１１２が噴射する燃料と旋回気流１２４との位置関係を示すための燃料ノズルユニット１００の断面図である。図２中、点線は燃料ノズルユニット１００の中心軸を示し、一点鎖線および二点鎖線は燃料が噴射される領域を示し、実線矢印は旋回気流１２４の流れる方向を示す。燃料ノズルユニット１００は燃焼器に設けられており、図２に示すように、ノズル本体１１０の外周において、ノズル本体１１０の軸方向に気体が流れると、旋回翼１２０によって燃料ノズルユニット１００と燃焼器の内壁Ｂとの間に旋回気流１２４が形成される。旋回翼１２０導出直後の旋回気流１２４である旋回気流１２４ａは、燃焼器内部側に形成される旋回気流１２４である旋回気流１２４ｂよりもせん断応力が強い。

【0022】

ここで、ガスタービンの高負荷時は燃料の流量が多くなるため、圧力噴射弁から噴射される燃料は高いせん断応力を受けて良好に微粒化される。また、図２に一点鎖線で示すように、第１燃料噴射機構１１２における燃料の噴射角度θは大きくなり、燃料は旋回気流１２４ａに接近する。その結果、燃料と空気とが混合されやすくなり、燃料が燃焼されやすくなる。一方、低負荷時は燃料の流量が少なくなるため、圧力噴射弁から噴射される際に燃料が受けるせん断応力は低くなり、燃料の微粒化が悪化する。また、図２に二点鎖線で示すように、第１燃料噴射機構１１２における燃料の噴射角度θ´は小さくなり、燃料は旋回気流１２４ａから離れる。その結果、燃料と空気とが混合されにくくなり、燃料が燃焼されにくくなる。

【0023】

そこで、本実施形態では、第２燃料噴射機構１１４が設けられる。図１に示すように、燃料ノズルユニット１００では、第２燃料噴射機構１１４は、ノズル本体１１０の円形の面１１０ａ側に設けられている。また、第２燃料噴射機構１１４は、第１燃料噴射機構１１２より外周側に、周方向に等間隔となるように複数（ここでは１０個）設けられる。

【0024】

図３は、第２燃料噴射機構１１４から噴射される燃料およびガスを説明するための図である。第２燃料噴射機構１１４は、２の燃料噴射孔１１４ａと、１のガス噴射孔１１４ｂを備え、２の燃料噴射孔１１４ａの間にガス噴射孔１１４ｂが設けられている。燃料噴射孔１１４ａからは燃料が噴射し、ガス噴射孔１１４ｂからはガスが噴射される。図３中、燃料噴射孔１１４ａから噴射された燃料をハッチングで示す。

【0025】

２の燃料噴射孔１１４ａからそれぞれ噴射された燃料同士は衝突し、さらに１のガス噴射孔１１４ｂから噴射されたガスが、燃料が衝突した衝突点に吹き付けられる。その結果、燃料により液膜Ｌが形成され、微細な噴霧となって良好に微粒化されることとなる。なお、液膜Ｌは形成されず、燃料が噴霧となって微粒化される場合もある。

【0026】

図４は、第１の実施形態にかかる燃料ノズルユニット１００において第２燃料噴射機構１１４より燃料およびガスが噴射された状態を示す図であり、図４（ａ）は燃料ノズルユニット１００の側面図、図４（ｂ）は燃料ノズルユニット１００の正面図を示す。なお、理解を容易にするため、図４において、第２燃料噴射機構１１４は３つのみを記載し、他の第２燃料噴射機構１１４は記載を省略している。

【0027】

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、第２燃料噴射機構１１４は、液膜Ｌの延長面が、旋回翼１２０における第１燃料噴射機構１１２側の一端１２０ａと接する位置関係となるよう設けられる。このように設けられることで、液膜Ｌが旋回翼１２０により形成される旋回気流１２４ａの中央の領域と接することとなり、燃料を良好に微粒化することができる。

【0028】

図５は、気体流路１２２を流通する気体の速度を説明するための図である。図中、矢印は気体が流通する方向および気体の流速を示し、点線は気体の流速分布を示す。ここでは、１枚の旋回翼１２０を挙げて説明する。また、理解を容易にするために、旋回翼１２０をノズル本体１１０の中心軸と水平に示している。図中矢印で示すように、気体流路１２２を流通する気体は、旋回翼１２０に近接した部分では流速は相対的に低く、旋回翼１２０から離れた部分では流速は相対的に高くなり、図中点線で示す流速分布が生じる。そして、気体流路１２２を通過した後においても流速分布は維持される。したがって、燃料ノズルユニット１００において第２燃料噴射機構１１４により形成される液膜Ｌは、旋回気流１２４ａの中央の領域（気体流路１２２のうち、旋回翼１２０から離れた部分を流通した気体が、気体流路１２２を通過した後に流通する領域）と接するため、相対的に速い旋回気流１２４ａと接することとなる。

【0029】

また、例えば粘性が高い燃料を採用する場合、粘性が高い燃料は速い気流と接することで微粒化が良好となる。したがって、燃料ノズルユニット１００によれば、粘性により微粒化が困難となっていた燃料を使用することが可能となる。

【0030】

また、第１燃料噴射機構１１２において燃料が噴射される場合、図２に示すように、旋回気流１２４ａと接触する燃料は、噴射された燃料の外周側のみであり、内周側の燃料は接触しない。一方、第２燃料噴射機構１１４では、第２燃料噴射機構１１４が噴射する燃料の液膜Ｌの両面において液膜Ｌと旋回気流１２４ａとを接触させることができるため、燃料を微粒化させる効率を向上させることが可能となるとともに、燃料の蒸発特性を向上させることができる。

【0031】

このように、第２燃料噴射機構１１４では燃料を効率的に微粒化することができるため、低負荷時においても良好に燃料を微粒化することができる。したがって、高負荷時に第１燃料噴射機構１１２を利用し、低負荷時に第２燃料噴射機構１１４を利用するといった燃料ノズルユニット１００の利用の仕方が考えられる。

【0032】

図６は、低負荷時と高負荷時における燃料の流量を示す図であり、縦軸が燃料の流量、横軸が負荷を示す。図６に示すように、負荷が増加するに従って燃料の流量は増加する。本実施形態では、負荷が減少することで、第１燃料噴射機構１１２が噴射する燃料と、旋回気流１２４ａ（図２参照）とが接しなくなる前の所定の負荷の値を閾値Ｔとする。そして、閾値Ｔより高い負荷である高負荷時に第１燃料噴射機構１１２を利用し、閾値Ｔ以下の低い負荷である低負荷時に第２燃料噴射機構１１４を利用する。

【0033】

なお、第１燃料噴射機構１１２と第２燃料噴射機構１１４との双方を利用することも可能である。例えば高負荷時に第１燃料噴射機構１１２が噴射する最大の燃料の流量以上の流量の燃料が必要とされる場合、第１燃料噴射機構１１２と第２燃料噴射機構１１４とで燃料を噴射することで、第１燃料噴射機構１１２が噴射する最大の燃料の流量以上の流量の燃料を噴射することができる。

【0034】

図７は、噴射機構切替部１３０を説明するための図であり、燃料ノズルユニット１００の鉛直断面図である。噴射機構切替部１３０は、燃料貯留部１３２と、第１燃料流路１３４と、第２燃料流路１３６とを含んで構成される。

【0035】

第１燃料供給管１１２ａは、ノズル本体１１０の内部を通る管であり、圧力噴射弁である第１燃料噴射機構１１２の一部である。噴射機構切替部１３０の燃料貯留部１３２は燃料を貯留し、第１燃料流路１３４を介して第１燃料供給管１１２ａへ燃料を供給する。第１燃料流路１３４には第１燃料遮断弁１３４ａが設けられ、第１燃料遮断弁１３４ａを開くことで、燃料貯留部１３２から第１燃料流路１３４を介して第１燃料供給管１１２ａへ燃料が流通される。また、第１燃料遮断弁１３４ａを閉じることで第１燃料供給管１１２ａへの燃料の流通が遮断される。第１燃料供給管１１２ａを流通する燃料は、第１燃料供給管１１２ａに設けられた旋回翼１１２ｂと接することで旋回力が付与され旋回流が形成される。第１燃料噴射機構１１２から噴射された燃料は、旋回流によって円錐状に噴射されることとなる。

【0036】

また、第２燃料供給管１１４ｃはノズル本体１１０の内部を通る管であり、第２燃料噴射機構１１４の一部である。噴射機構切替部１３０の燃料貯留部１３２は、第２燃料流路１３６を介して第２燃料供給管１１４ｃへ燃料を供給する。第２燃料流路１３６には第２燃料遮断弁１３６ａが設けられ、第２燃料遮断弁１３６ａを開くことで、燃料貯留部１３２から第２燃料流路１３６を介して第２燃料噴射機構１１４へ燃料が流通される。

【0037】

噴射機構切替部１３０では、負荷が閾値Ｔより高い負荷である高負荷となったとき、第２燃料遮断弁１３６ａを閉じて第１燃料遮断弁１３４ａを開き、燃料を噴射する対象を第２燃料噴射機構１１４から第１燃料噴射機構１１２に切り替える。また、負荷が閾値Ｔ以下の低負荷となったとき、第１燃料遮断弁１３４ａを閉じて第２燃料遮断弁１３６ａを開き、燃料を噴射する対象を第１燃料噴射機構１１２から第２燃料噴射機構１１４に切り替える。なお、第１燃料噴射機構１１２と第２燃料噴射機構１１４との双方を利用する際は、噴射機構切替部１３０は、第１燃料遮断弁１３４ａおよび第２燃料遮断弁１３６ａを開いて燃料を噴射させる。

【0038】

以上説明したように、燃料ノズルユニット１００によれば、高負荷時において燃料の微粒化に適した噴射孔である第１燃料噴射機構１１２と、低負荷時において燃料の微粒化に適した噴射孔である第２燃料噴射機構１１４とを切り替えることができるため、負荷に拘わらず広い燃料の流量範囲において、燃料を良好に微粒化することが可能となる。

【0039】

また、ガスタービンには、燃料ノズルユニット１００が設けられたバーナが、タービンの周方向に複数設けられる。従来、低負荷時に噴射すべき燃料が少なくなると、複数設けられたバーナのうち、利用するバーナの数が少なくなるように制御することで、バーナ１つ当たりの燃料の流量の減少を抑えていた。本実施形態の燃料ノズルユニット１００によれば、低負荷時にも燃料を良好に微粒化することができるため、燃料ノズルユニット１００が設けられた全てのバーナの利用を維持することができる。したがって、燃焼器において燃料を燃焼させ、発生した燃焼ガスが燃焼器からタービンに供給される際に、タービンの周方向に形成される燃焼ガスの偏りを低減することができ、タービンを良好に駆動させることが可能となる。

【0040】

（第１の実施形態の変形例：燃料ノズルユニット２００）
図８は第１の実施形態の変形例にかかる燃料ノズルユニット２００を説明するための図であり、図８（ａ）は燃料ノズルユニット２００の側面図、図８（ｂ）は燃料ノズルユニット２００の正面図、図８（ｃ）は図８（ｂ）中の一点鎖線で囲われた領域の拡大図を示す。図８（ａ）に示すように、燃料ノズルユニット２００では、第２燃料噴射機構２１４は、ノズル本体１１０の円形の面１１０ａに設けられている。また、図８（ｂ）に示すように、第２燃料噴射機構２１４は、第１燃料噴射機構１１２より外周側に、周方向に複数（ここでは１０個）設けられる。図８（ｃ）に示すように、第２燃料噴射機構２１４は２の燃料噴射孔２１４ａと、１のガス噴射孔２１４ｂを含んで構成される。なお、理解を容易にするため、図８（ａ）、（ｂ）において、第２燃料噴射機構２１４は３つのみを記載し、他の第２燃料噴射機構２１４は省略している。

【0041】

図８（ｂ）に示すように、第２燃料噴射機構２１４は、液膜Ｌの延長面が、隣り合う旋回翼１２０と旋回翼１２０との間、すなわち、気体流路１２２に位置する位置関係となるよう設けられる。したがって、液膜Ｌは、旋回気流１２４ａの周縁の領域（気体流路１２２のうち、旋回翼１２０と近接した部分を流通した気体が、気体流路１２２を通過した後に流通する領域）と接することとなる。旋回翼１２０と近接した部分を流通した気体は、気体の流速が相対的に遅い（図５参照）。このため、第２燃料噴射機構２１４によれば、液膜Ｌを安定して形成することが可能となる。

【0042】

（第２の実施形態：燃料ノズルユニット３００）
ところで、燃料は、燃料濃度（空気に対する燃料の割合）によって燃焼速度が変わる傾向にある。燃料濃度が予め定められた値を超えるまでは、燃料濃度が上昇するに従って燃焼速度も上昇するが、燃料濃度が予め定められた値を超えると、燃料濃度が上昇するに従って燃焼速度は減少する。ガスタービンにおいては燃料濃度が予め定められた値より低い条件で燃料が燃焼されるため、燃料濃度を上昇させることで、燃焼速度を上昇させることができる。

【0043】

燃焼しにくい燃料の場合、吹き消えやすく、また着火しにくく、燃えるまでに時間を要するため、燃料の燃焼が不安定となる場合がある。そこで、本実施形態では、燃焼器内で局所的に燃料濃度を上昇させることで、燃料濃度が上昇した領域の燃料を燃えやすくする。燃料が燃えると雰囲気の温度が上がり、燃えた燃料の周囲の燃料を燃えやすくすることができる。したがって、燃焼器内において、燃料濃度が相対的に高い領域および燃料濃度が相対的に低い領域が含まれる燃料の濃度分布を形成することで、燃焼しにくい燃料を良好に燃焼させることができる。第２の実施形態にかかる燃料ノズルユニット３００では、燃料を良好に微粒化することで燃料濃度が相対的に高い領域および燃料濃度が相対的に低い領域が含まれる燃料の濃度分布を形成し、燃焼しにくい燃料における燃焼の安定性を向上する。

【0044】

図９は、第２の実施形態にかかる燃料ノズルユニット３００を説明するための図であり、図９（ａ）は燃料ノズルユニット３００の側面図、図９（ｂ）は燃料ノズルユニット３００の斜視図を示す。燃料ノズルユニット３００は、ノズル本体１１０と、旋回翼１２０と、噴射機構切替部１３０とを含んで構成される。またノズル本体１１０には、第１燃料噴射機構１１２と第２燃料噴射機構３１４とが設けられている。なお、上述した第１の実施形態における構成要素として既に述べたノズル本体１１０、旋回翼１２０、噴射機構切替部１３０、第１燃料噴射機構１１２は、実質的に機能が等しいので重複説明を省略し、ここでは、構成が相違する第２燃料噴射機構３１４を主に説明する。

【0045】

図９に示すように、燃料ノズルユニット３００では、第２燃料噴射機構３１４の２の燃料噴射孔３１４ａは、ノズル本体１１０の外周面に複数（ここでは１０個）設けられる。２の燃料噴射孔３１４ａのうち、一方の燃料噴射孔３１４ａは、隣り合う旋回翼１２０と旋回翼１２０との間のノズル本体１１０の外周面に設けられ、他方の燃料噴射孔３１４ａは、旋回翼１２０の一端１２０ａとノズル本体１１０の円形の面１１０ａとの間のノズル本体１１０の外周面に設けられる。また、第２燃料噴射機構３１４のガス噴射孔３１４ｂは、旋回翼１２０の一端１２０ａに設けられる。１の旋回翼１２０に対して１の第２燃料噴射機構３１４が設けられるが、理解を容易にするため、図９において、第２燃料噴射機構３１４は２つのみを記載し、他の第２燃料噴射機構３１４は省略している。なお、第２燃料噴射機構３１４において、ガス噴射孔３１４ｂは、ノズル本体１１０の外周面に設けられてもよい。

【0046】

図９に示すように、燃料ノズルユニット３００において、第２燃料噴射機構３１４により形成される液膜Ｌは、ノズル本体１１０の外周面から垂直方向に形成され、また旋回翼１２０の延長面上に形成される。したがって、燃料ノズルユニット３００において形成される液膜Ｌは旋回気流１２４ａと接することとなり、燃料を良好に微粒化することができる。

【0047】

また、燃料をノズル本体１１０の外周面から噴射するため、旋回気流１２４ａの流動態様（流速や流量）に応じて、液膜Ｌと旋回翼１２０との相対位置を径方向および流路方向に調整することができる。

【0048】

燃焼器内において、燃料濃度が相対的に高い領域および燃料濃度が相対的に低い領域が含まれる燃料の濃度分布を形成するために、燃料ノズルユニット３００では、第１燃料噴射機構１１２と第２燃料噴射機構３１４とで燃料を噴射する。第２燃料噴射機構３１４はノズル本体１１０の外周面に設けられているため、第１燃料噴射機構１１２によって噴射された燃料が接近する旋回気流１２４ａの一部には、第２燃料噴射機構３１４によって噴射され微粒化された燃料が含まれることとなる。その結果、燃焼器内において燃料の濃度の高い領域と低い領域が形成され、燃焼しにくい燃料でも、燃料濃度が相対的に高い領域で燃料が燃えやすくなり、燃料の濃度が相対的に低い周囲の領域でも燃料が燃えやすくなる。したがって、燃料ノズルユニット３００によれば、燃焼しにくい燃料における燃焼の安定性を向上させることができる。

【0049】

また、第２燃料噴射機構３１４の燃料噴射孔３１４ａは、第１燃料噴射機構１１２の噴射孔が設けられたノズル本体１１０の一端である円形の面１１０ａよりも上流側（円形の面１１０ｂ側）に位置している。このため、第２燃料噴射機構３１４の燃料噴射孔３１４ａから噴射された燃料は、ノズル本体１１０の一端に到達するまでに時間を要すこととなる。燃料が燃料噴射孔３１４ａからノズル本体１１０の一端側に到達するまでの間に燃料が旋回気流１２４ａにさらされる時間が長くなり、燃料が蒸発しやすくなるため、仮に蒸発しにくい燃料を用いたとしても十分に燃料を蒸発させ燃焼させることが可能となる。

【0050】

さらに、第２燃料噴射機構３１４の燃料噴射孔３１４ａから噴射された燃料は、ノズル本体１１０の一端側に到達する間に蒸発し、空気と混合される。つまり、燃料の一部が予混合気となり予混合燃焼されることとなる。一方で、第１燃料噴射機構１１２から噴射される燃料は、流量が少ない場合、多くが拡散燃焼により燃焼される。したがって、燃料ノズルユニット３００によれば、燃料の流量が少ない場合でも燃料を予混合燃焼できるため、燃料を燃焼しやすくすることができる。

【0051】

（第２の実施形態の変形例：燃料ノズルユニット４００）
図１０は、第２の実施形態の変形例にかかる燃料ノズルユニット４００を説明するための図であり、図１０（ａ）は燃料ノズルユニット４００の正面図、図１０（ｂ）は燃料ノズルユニット４００の斜視図を示す。

【0052】

図１０に示すように燃料ノズルユニット４００では、第２燃料噴射機構４１４の２の燃料噴射孔４１４ａおよび１のガス噴射孔４１４ｂは、旋回翼１２０の一端１２０ａに設けられる。第２燃料噴射機構４１４は複数（ここでは１０個）設けられ、全ての旋回翼１２０に設けられるが、理解を容易にするため、図１０において、第２燃料噴射機構４１４は２つのみを記載し、他の第２燃料噴射機構４１４は省略している。

【0053】

旋回翼１２０の延長面と液膜Ｌとの延長面とは垂直に交差する。このため、液膜Ｌが旋回気流１２４ａと接することとなり、燃料ノズルユニット４００によっても、燃料の良好な微粒化を行うことが可能となる。したがって、第１燃料噴射機構１１２と第２燃料噴射機構４１４とが燃料を噴射することで、燃焼器内で燃料濃度が相対的に高い領域および燃料濃度が相対的に低い領域が含まれる燃料濃度の分布を形成することができ、燃焼しにくい燃料における燃焼の安定性を向上させることができる。

【0054】

また、燃料を旋回翼１２０の一端１２０ａから噴射するため、ノズル本体１１０の径方向における燃料濃度の調整が可能となる。

【0055】

また、旋回気流１２４ａのうち速い気流に接触させることができるため、蒸発した燃料、燃料と空気とが混合された予混合気をより遠くまで広げることができる。その結果、燃料の濃度が燃料室内で局所的に上昇し、燃焼速度が低下してしまうおそれを低減することが可能となる。

【0056】

また、旋回翼１２０の一端１２０ａから燃料が噴射されるため、燃料が旋回翼１２０に付着してコーキングが起きる可能性を低減することができる。

【0057】

なお、第２の実施形態にかかる燃料ノズルユニット３００、および第２の実施形態の変形例にかかる燃料ノズルユニット４００についても、噴射機構切替部１３０を利用することができる。例えば、燃焼しにくい燃料を利用する場合、噴射機構切替部１３０により第１燃料噴射機構１１２および第２燃料噴射機構３１４、４１４の双方を利用して燃料を噴射し、燃焼しやすい燃料を利用する場合、第１燃料噴射機構１１２のみを利用して燃料を噴射するといったように、燃料の性質により燃料を噴射する対象を切り替えることができる。燃料ノズルユニット４００では、第２燃料噴射機構４１４のみを利用することで、ノズル本体１１０を利用せず、旋回翼１２０のみから燃料を噴射することが可能となる。

【0058】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0059】

例えば、上述した燃料ノズルユニット１００、２００、３００、４００における第１燃料噴射機構１１２は圧力噴射弁としたが、気流噴射弁を利用してもよい。

【0060】

また、上述した燃料ノズルユニット１００、２００、３００、４００における旋回翼１２０は１０枚、第２燃料噴射機構１１４、２１４、３１４、４１４は１０個設けることとしたが、旋回翼１２０の数と第２燃料噴射機構１１４、２１４、３１４、４１４の数とが一致する必要はない。また燃料ノズルユニット１００、２００、３００、４００に設けられる旋回翼１２０および第２燃料噴射機構１１４、２１４、３１４、４１４の数は１０より多くても良いし、１０より少なくても良く、奇数でも偶数でも良い。

【0061】

また、上述した燃料ノズルユニット１００、２００、３００、４００における第２燃料噴射機構１１４、２１４、３１４、４１４では、２の燃料噴射孔１１４ａ、２１４ａ、３１４ａ、４１４ａから噴射された燃料に１のガス噴射孔１１４ｂ、２１４ｂ、３１４ｂ、４１４ｂから噴射されたガスを衝突させることで燃料を微粒化させるとした。しかしながら、旋回翼１２０の形状、燃料の種類等により、ガスの噴射を省略できる場合がある。

【産業上の利用可能性】

【0062】

本発明は、ガスタービンの燃焼器に利用される燃料ノズルユニットに利用することができる。

【符号の説明】

【0063】

１００、２００、３００、４００ 燃料ノズルユニット
１１０ ノズル本体
１１０ａ、１１０ｂ 円形の面
１１２ 第１燃料噴射機構
１１４、２１４、３１４、４１４ 第２燃料噴射機構
１１４ａ、２１４ａ、３１４ａ、４１４ａ 燃料噴射孔
１１４ｂ、２１４ｂ、３１４ｂ、４１４ｂ ガス噴射孔
１２０ 旋回翼
１３０ 噴射機構切替部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】