特開 2024-141648 バーナー集合体、ガスタービン燃焼器及びガスタービン

(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】P2024141648

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】バーナー集合体、ガスタービン燃焼器及びガスタービン

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/28 20060101AFI20241003BHJP

   F02C 7/232 20060101ALI20241003BHJP

   F23R 3/30 20060101ALI20241003BHJP

   F23R 3/10 20060101ALI20241003BHJP

   F23D 11/38 20060101ALI20241003BHJP

   F23D 14/48 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

F23R3/28 D

F02C7/232 B

F23R3/30

F23R3/10

F23D11/38 Z

F23D14/48 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023053414

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】福場 信一

(72)【発明者】

【氏名】三浦 圭祐

(72)【発明者】

【氏名】張 志

(72)【発明者】

【氏名】北村 仁

(72)【発明者】

【氏名】中山 知哉

【テーマコード（参考）】

3K017

【Ｆターム（参考）】

3K017CA05

3K017CB01

3K017CD02

3K017CF00

3K017CF02

3K017CF03

(57)【要約】

【課題】フラッシュバックを抑制可能なバーナー集合体を提供する。
【解決手段】燃料及び空気を混合するための複数のバーナーを備えるバーナー集合体であって、複数のバーナーの各々は、空気が供給される混合流路と、混合流路の内部に混合流路の中心軸線に沿って延在し、燃料を噴射するように構成された燃料ノズルと、を含み、燃料ノズルは、燃料ノズルの出口よりも上流にオリフィスを含む。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料及び空気を混合するための複数のバーナーを備えるバーナー集合体であって、
前記複数のバーナーの各々は、
前記空気が供給される混合流路と、
前記混合流路の内部に前記混合流路の中心軸線に沿って延在し、前記燃料を噴射するように構成された燃料ノズルと、
を含み、
前記燃料ノズルは、前記燃料ノズルの出口よりも上流にオリフィスを含む、バーナー集合体。

【請求項2】

前記燃料ノズルにおける前記出口と前記オリフィスとの距離をＬ、前記オリフィスのオリフィス径をＤとすると、Ｌ／Ｄ＞５を満たす、請求項１に記載に記載のバーナー集合体。

【請求項3】

Ｌ／Ｄ≧７．５を満たす、請求項２に記載に記載のバーナー集合体。

【請求項4】

前記混合流路は、前記燃料ノズルの外周側に空気流路を含み、
前記燃料ノズルの出口の流路面積をＡｆ、前記燃料ノズルの軸方向における前記出口の位置での前記空気流路の流路面積をＡａとすると、Ａｆ／Ａａ≧０．１を満たす、請求項１に記載のバーナー集合体。

【請求項5】

請求項１乃至４の何れか１項に記載のバーナー集合体と、
前記バーナー集合体の下流側に火炎が形成される空間を形成する燃焼筒と、
を備える、ガスタービン燃焼器。

【請求項6】

圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮した空気と燃料とが供給され、前記燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させるように構成されたガスタービン燃焼器と、
前記ガスタービン燃焼器で発生した前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、
を備え、
前記ガスタービン燃焼器は、請求項５に記載のガスタービン燃焼器である、ガスタービン。

【請求項7】

前記混合流路は、前記燃料ノズルの外周側に空気流路を含み、
前記ガスタービンの定格運転時において、前記燃料ノズルの出口における前記燃料の密度をρｆ、前記燃料ノズルの出口における前記燃料の流速をＶｆ、前記燃料ノズルの軸方向における前記燃料ノズルの出口の位置での前記空気流路の前記空気の密度をρａ、前記燃料ノズルの軸方向における前記燃料ノズルの出口の位置での前記空気流路の前記空気の流速をＶａとすると、ρｆ×（Ｖｆ）^２＜ρａ×（Ｖａ）^２を満たす、請求項６に記載のガスタービン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、バーナー集合体、ガスタービン燃焼器及びガスタービンに関する。

【背景技術】

【0002】

フラッシュバックのリスクが高い燃料（例えば水素等）に対して、フラッシュバック耐性を有しつつ低ＮＯｘ化を実現するための技術として、バーナー集合体（クラスタバーナ）により多数の独立した短小火炎を形成させる技術がある。

【0003】

この技術では、燃料と空気とを混合する混合流路を複数配置し、燃料混合のスケールを小さくすることで、燃料と空気の混合に旋回流を積極的に利用しなくても、高い混合性能を得ることができる。

【0004】

特許文献１に記載のバーナーは、燃料ノズルが混合流路の中心軸線に沿って燃料を噴射するよう構成されており、燃料ノズルの中心軸線と混合流路の中心軸線が一致するため、同軸型と称されることがある。このような同軸型のバーナーの場合、混合流路の流路壁から空気の流れと交差する方向に燃料を噴射するクロスフロー型のバーナーよりも、混合流路の壁面近傍の燃料濃度が高くなりにくいため、フラッシュバック（逆火）のリスクを抑制することができる。

【0005】

特許文献２に記載のバーナー集合体は、燃料及び空気を混合するための複数のバーナーを備えており、複数のバーナーの各々は、燃料ノズルと、燃料及び空気が供給される混合流路と、混合流路の流路壁と燃料ノズルとを接続し、燃料ノズルを支持する支持部と、を含む。かかる構成によれば、バーナーの各々において混合流路の流路壁に接続された支持部に燃料ノズルが支持されているため、混合流路の上流側に混合流路の流路壁とは独立して設けられた特許文献１に記載のような大型のヘッダを設ける必要が無い。このため、ヘッダに起因する複数の混合流路間での空気の流量の偏りをなくし、複数の混合流路間での燃料濃度の偏りを小さくすることができる。したがって、低ＮＯｘ化及びフラッシュバックの抑制が可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７－２３２２３４号公報

【特許文献2】特開２０２１－１７３１９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本開示の少なくとも一実施形態は、上記特許文献２に記載の従来技術を更に改良したものであり、フラッシュバックを抑制可能なバーナー集合体並びにこれを備えるガスタービン燃焼器及び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】

【0008】

上記目的を達成するため、本開示の少なくとも一実施形態に係るバーナー集合体は、
燃料及び空気を混合するための複数のバーナーを備えるバーナー集合体であって、
前記複数のバーナーの各々は、
前記空気が供給される混合流路と、
前記混合流路の内部に前記混合流路の中心軸線に沿って延在し、前記燃料を噴射するように構成された燃料ノズルと、
を含み、
前記燃料ノズルは、前記燃料ノズルの出口よりも上流にオリフィスを含む。

【0009】

上記目的を達成するため、本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン燃焼器は、
上記バーナー集合体と、
前記バーナー集合体の下流側に火炎が形成される空間を形成する燃焼筒と、
を備える。

【0010】

上記目的を達成するため、本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、
圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮した空気と燃料とが供給され、前記燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させるように構成されたガスタービン燃焼器と、
前記ガスタービン燃焼器で発生した前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、
を備え、
前記ガスタービン燃焼器は、上記ガスタービン燃焼器である。

【発明の効果】

【0011】

本開示の少なくとも一実施形態によれば、フラッシュバックを抑制可能なバーナー集合体並びにこれを備えるガスタービン燃焼器及びガスタービンが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一実施形態に係るガスタービン１００を示す概略構成図である。

【図2】図１に示す燃焼器４の近傍を示す模式的断面図である。

【図3】一実施形態に係るバーナー集合体３２の中心軸線Ｌに沿った模式的断面図である。

【図4】図３に示すバーナー４２の概略構成の一例を示す模式的断面図である。

【図5】図４における混合流路４６の出口４９近傍を拡大した模式的断面図である。

【図6】比較形態に係る混合流路０４６における燃料ノズル０４３の出口０６０近傍を示す模式的断面図である。

【図7A】図５に示すバーナー４２の混合流路４６について、オリフィス６２が中心軸線Ｏに沿って燃料を噴射するように設計通りに形成された場合における燃料及び空気の軸方向流速の分布の一例を示す図である。

【図7B】図５に示すバーナー４２の混合流路４６について、オリフィス６２の形状が設計形状からずれてオリフィス６２が中心軸線Ｏから傾斜し方向に燃料を噴射するように形成された場合における燃料及び空気の軸方向流速の分布の一例を示す図である。

【図8】図７Ａにおける燃料ノズル４３の出口６０の位置での燃料の軸方向流速の分布Ｃ１と、図７Ｂにおける軸方向における燃料ノズル４３の出口６０の位置での燃料及び空気の軸方向流速の分布Ｃ２とを示す図である。

【図9】図５に示すバーナー４２の混合流路４６について、オリフィス６２の形状が設計形状からずれてオリフィス６２が中心軸線Ｏから傾斜し方向に燃料を噴射するように形成された場合における、Ｌ／Ｄと、混合流路４６の出口４９近傍における流路壁５５の壁面６３の位置での無次元壁面燃空比との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照して本開示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、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。
例えば、「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。
例えば、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。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「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。

【0014】

図１は、本開示の一実施形態に係るガスタービン１００を示す概略構成図である。図１に示すように、一実施形態に係るガスタービン１００は、燃焼器４に供給される酸化剤としての空気を圧縮（即ち圧縮空気を生成）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（ガスタービン燃焼器）と、燃焼器４から排出された燃焼ガスにより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１００の場合、不図示の発電機がタービン６に連結されており、タービン６の回転エネルギーによって発電が行われる。

【0015】

ガスタービン１００が備える燃焼器４では、燃料との空気との混合気体を燃焼させることで、上記の燃焼ガスが発生する。燃焼器４で燃焼される燃焼される燃料としては、水素、メタン、軽油、重油、ジェット燃料、天然ガス又はガス化した石炭等が挙げられ、これらの燃料の１種又は２種以上を任意に組み合わせて燃焼できる。

【0016】

圧縮機２は、圧縮機車室１０と、圧縮機車室１０の入口側に設けられ、空気を取り込むための空気取入口１２と、圧縮機車室１０及びタービン車室２２を共に貫通するように設けられたロータ８と、圧縮機車室１０内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、空気取入口１２側に設けられた入口案内翼１４と、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。このような圧縮機２において、空気取入口１２から取り込まれた空気は、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。そして、高温高圧の圧縮空気は圧縮機２から後段の燃焼器４に送られる。

【0017】

燃焼器４は、ロータ８を中心として周方向に間隔を空けて複数配置される。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、燃料を燃焼させることによって、タービン６の作動流体である燃焼ガスが発生する。そして、燃焼ガスは燃焼器４から後段のタービン６に送られる。

【0018】

タービン６は、タービン車室２２と、タービン車室２２内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、タービン車室２２側に固定された複数の静翼２４と、静翼２４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２６と、を含む。タービン６においては、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が回転駆動する。これにより、ロータ８に連結された発電機（図示しない）が駆動される。

【0019】

また、タービン車室２２の下流側には、排気車室２８を介して排気室３０が連結される。タービン６を駆動した後の燃焼ガスは、排気車室２８及び排気室３０を介して外部へ排出される。

【0020】

図２は、燃焼器４の近傍を示す模式的断面図である。燃焼器４は、バーナー集合体３２と、バーナー集合体３２を収容する有底の筒状のケーシング２０と、バーナー集合体３２の下流側に火炎が形成される空間を形成する燃焼筒２５と、を含む。図２において、一点鎖線は、ケーシング２０、バーナー集合体３２、及び燃焼筒２５の各々に共通の中心軸線Ｌである。燃焼器４のケーシング２０の内部にはバーナー集合体３２が配置される。

【0021】

図示する例示的実施形態では、バーナー集合体３２は、ケーシング２０の内部に配置された筒状部材３４の内側に保持されており、筒状部材３４は、中心軸線Ｌの周りに間隔を空けて配置された複数の支持部３５を介してケーシング２０に支持される。ケーシング２０と筒状部材３４の外周面との間（ケーシング２０とバーナー集合体３２の外周面との間）には、車室４０から流入した圧縮空気が流れる空気流路３６が形成される。

【0022】

車室４０から空気流路３６に流入した圧縮空気は、バーナー集合体３２とケーシング２０の底面２１との軸方向の隙間２３を通って、バーナー集合体３２が備える後述の複数の混合流路４６に燃料とともに流入する。バーナー集合体３２で混合された燃料と空気とは、不図示の着火装置により着火されて、燃焼筒２５に火炎が形成されて燃焼ガスを生成する。

【0023】

図３は、一実施形態に係るバーナー集合体３２の中心軸線Ｌに沿った模式的断面図である。

【0024】

図３に示すように、バーナー集合体３２は、燃料及び空気を混合するための複数のバーナー４２を備える。

【0025】

複数のバーナー４２の各々は、燃料を噴射するための燃料ノズル４３と、燃料及び空気が供給される混合流路４６（混合管）と、混合流路４６の流路壁５５（混合流路４６の内周面）と燃料ノズル４３とを接続し、燃料ノズル４３を支持する複数の支持部３９と、を含む。複数のバーナー４２の各々は、バーナー集合体３２の外周面を形成する部分を除き、基本的に同一の構成を有するため、以下では、バーナー４２の各々に共通の構成について説明する。

【0026】

図４は、バーナー４２の概略構成の一例を示す模式的断面図である。図５は、図４における混合流路４６の出口４９近傍を拡大した模式的断面図である。

【0027】

例えば図４に示すように、燃料ノズル４３は、管状に形成されており、混合流路４６の内部に混合流路４６の中心軸線Ｏに沿って延在している。燃料ノズル４３の内部には中心軸線Ｏ上に燃料流路４５が形成されている。燃料ノズル４３の先端には燃料ノズル４３の出口６０（燃料流路４５の出口）が形成されている。また、燃料ノズル４３は、燃料流路４５における燃料ノズル４３の出口６０よりも上流にオリフィス６２を含む。燃料ノズル４３のオリフィス６２は、中心軸線Ｏ上に位置し、図５の矢印ａ１に示すように中心軸線Ｏに沿って燃料を噴射するように構成されている。以下において「軸方向」とは、特記しない限り、中心軸線Ｏに平行な方向、すなわち、燃料ノズル４３の軸方向（混合流路４６の軸方向）を意味する。

【0028】

例えば図４に示すように、混合流路４６は、管状に形成されており、中心軸線Ｏに沿って延在している。混合流路４６における燃料ノズル４３の外周側、すなわち、混合流路４６の流路壁５５と燃料ノズル４３の外周面４４との間には、空気流路４７が形成されており、混合流路４６の入口５１から混合流路４６に流入した上述の圧縮空気は、図５の矢印ｂに示すように空気流路４７を通過した後、燃料ノズル４３の出口６０から噴射された燃料と混合される。

【0029】

例えば図４に示すように、支持部３９の内部及び流路壁５５の内部には、燃料ノズル４３に燃料を供給するための燃料流路４８が形成されており、燃料流路４８は燃料ノズル４３の燃料流路４５に接続している。不図示の燃料供給源からバーナー集合体３２に供給された燃料は、燃料流路４８を通って（すなわち流路壁５５の内部及び支持部３９の内部を通って）燃料ノズル４３の燃料流路４５に供給され、燃料ノズル４３の燃料流路４５を通って燃料ノズル４３の出口６０から混合流路４６に噴射される。

【0030】

例えば図５に示すように、オリフィス６２は、燃料流路４５の流路壁５８から中心軸線Ｏに向かって突出する環状の突出部として構成される。また、オリフィス６２のオリフィス径をＤ、燃料流路４５におけるオリフィス６２よりも下流側での燃料流路４５の流路幅をＷｄ、燃料流路４５におけるオリフィス６２よりも上流側での燃料流路４５の流路幅をＷｕとすると、Ｗｄ＞Ｄ及びＷｕ＞Ｄを満たす。なお、典型的には、燃料流路４５の流路断面の形状及びオリフィス６２の流路断面の形状は円形であり、この場合、オリフィス径Ｄはオリフィス６２の直径であり、燃料流路４５の流路幅Ｗｕ，Ｗｄは燃料流路４５の直径である。また、図示する例示的形態では、燃料流路４５の流路幅Ｗｕ，Ｗｄの各々は、軸方向の位置によらず一定である。また、混合流路４６の流路壁５５は、流路幅一定部７４，７８及び絞り部７６を含む。流路幅一定部７４及び流路幅一定部７８の各々の流路幅Ｈは、軸方向の位置によらず一定である。絞り部７６の流路幅Ｈは、下流側に向かうにつれて狭くなる。図示する例示的形態では、混合流路４６の上流側から順に流路幅一定部７４、絞り部７６及び流路幅一定部７８が設けられており、絞り部７６は、軸方向において燃料ノズル４３の出口６０よりも上流側に位置する。

【0031】

上記バーナー集合体３２によれば、図４等に示したように、バーナー４２の各々において混合流路４６の流路壁５５の壁面６３に接続された支持部３９に燃料ノズル４３が支持されているため、混合流路４６の上流側に混合流路４６の流路壁５５とは独立して構成された特許文献１に記載のような大型のヘッダを設ける必要が無い。このため、ヘッダに起因する複数の混合流路間での空気の流量の偏りをなくし、複数の混合流路４６間での燃料濃度の偏りを小さくすることができる。したがって、低ＮＯｘ化及びフラッシュバックの抑制が可能となる。

【0032】

次に、燃料ノズル４３のオリフィス６２を燃料ノズル４３の出口６０よりも上流に設けることの技術的意義について比較形態との比較に基づき説明する。図６は、比較形態に係る混合流路０４６における燃料ノズル０４３の出口０６０近傍を示す模式的断面図である。

【0033】

図６に示す比較形態に係る燃料ノズル０４３は、燃料ノズル０４３の出口０６０の位置にオリフィス０６２を有する。すなわち、比較形態に係る燃料ノズル０４３の燃料流路０４５の流路幅は、燃料ノズル０４３の出口０６０の位置で最小となっている。このような構成の場合、仮に、バーナー集合体の製造時にオリフィス０６２の形状や寸法等が設計点から外れてしまった場合（例えば図６の矢印ａ２に示すように、オリフィス０６２が中心軸線Ｏから傾斜した方向に燃料を噴射するように形成された場合）には、燃料ノズル０４３のオリフィス０６２（燃料ノズル０４３の出口０６０）から混合流路０４６の流路壁０５５に向けて燃料が噴射されることになるため、混合流路０４６の流路壁０５５近傍の燃料の濃度が局所的に高くなり、フラッシュバックの発生リスクが高くなる。

【0034】

これに対し、図４及び図５等に示した実施形態では、バーナー集合体３２の製造時にオリフィス６２の形状や寸法等が設計点から外れてしまった場合（例えば図５の矢印ａ２に示すように、オリフィス６２が中心軸線Ｏから傾斜した方向に燃料を噴射するように形成された場合）であっても、燃料ノズル４３のオリフィス６２が燃料ノズル４３の出口６０よりも上流に位置するため、オリフィス６２から噴射された燃料が燃料ノズル４３の出口６０に到達するまでの間に燃料ノズル４３の内部の燃料流路４５で整流され、燃料ノズル４３の出口６０の位置における燃料の偏流を抑制することができる。このため、燃料ノズル４３の出口６０から出た燃料が混合流路４６の流路壁５５側に拡散することを抑制し、フラッシュバックの発生リスクを低減できる。

【0035】

図７Ａは、上述したバーナー４２の混合流路４６について、オリフィス６２が中心軸線Ｏに沿って燃料を噴射するように設計通りに形成された場合における燃料及び空気の軸方向流速の分布の一例を示す図である。図７Ｂは、上述したバーナー４２の混合流路４６について、オリフィス６２の形状が設計形状からずれてオリフィス６２が中心軸線Ｏから傾斜し方向に燃料を噴射するように形成された場合における燃料及び空気の軸方向流速の分布の一例を示す図である。図８は、図７Ａにおける軸方向における燃料ノズル４３の出口６０の位置での燃料及び空気の軸方向流速の分布Ｃ１と、図７Ｂにおける軸方向における燃料ノズル４３の出口６０の位置での燃料及び空気の軸方向流速の分布Ｃ２とを示す図である。

【0036】

図７Ａと図７Ｂを比較すると、図７Ａでは、燃料の軸方向流速は、中心軸線Ｏに対して略対称的な分布を有しているのに対し、図７Ｂでは、オリフィス６２から噴射された直後の燃料の噴流を示す領域Ａ１では、燃料の軸方向流速は、中心軸線Ｏに対して下側の方が上側よりも大きくなっており、中心軸線Ｏに対して燃料の噴流に偏りが生じている。しかしながら、ノズル４３の出口６０よりも上流側にオリフィス６２が設けられているため、オリフィス６２から噴射された燃料が燃料ノズル４３の出口６０に到達するまでの間に燃料ノズル４３の内部の燃料流路４５で整流され、ノズル４３の出口６０の位置では、燃料の軸方向流速は、中心軸線Ｏに対して略対称的な分布を示している。このため、図８に示すように、上記分布Ｃ１と上記分布Ｃ２とは、略同一の分布となっている。このように、上記バーナー集合体３２によれば、オリフィス６２の形状が設計形状からずれてオリフィス６２が中心軸線Ｏから傾斜し方向に燃料を噴射するように形成された場合であっても、燃料ノズル４３の出口６０の位置における燃料の偏流を抑制することができるため、燃料ノズル４３の出口６０から出た燃料が混合流路４６の流路壁５５側に拡散することを抑制し、フラッシュバックの発生リスクを低減できる。

【0037】

幾つかの実施形態では、例えば図５に示すように、燃料ノズル４３における出口６０とオリフィス６２との距離をＬ、オリフィス６２のオリフィス径をＤとすると、燃料ノズル４３は、Ｌ／Ｄ＞５を満たしていてもよく、より望ましくは、Ｌ／Ｄ≧７．５を満たしていてもよい。すなわち、燃料ノズル４３における出口６０とオリフィス６２との距離Ｌをオリフィス６２のオリフィス径Ｄで除算した値は、５より大きくてもよく、より望ましくは７．５以上であってもよい。以下、Ｌ／Ｄ＞５を満たすことの技術的意義及びＬ／Ｄ≧７．５を満たすことの技術的意義について、図９を用いて説明する。

【0038】

図９は、上述したバーナー４２の混合流路４６について、オリフィス６２の形状が設計形状からずれてオリフィス６２が中心軸線Ｏから傾斜した方向ｂ（図５参照）に燃料を噴射するように形成された場合における、上記Ｌ／Ｄと、混合流路４６の出口４９近傍における流路壁５５の壁面６３の位置での無次元壁面燃空比との関係を示す図である。なお、燃空比とは、空燃比の逆数であり、燃料質量を空気質量で割った無次元量であり、無次元壁面燃空比とは、壁面６３の位置での燃空比を当該位置を含む流路断面全体の平均燃空比で除算することで算出した無次元量である。

【0039】

図９に示すように、Ｌ／Ｄ≦５を満たす範囲では、混合流路４６の出口４９近傍における流路壁５５の壁面６３の位置での無次元壁面燃空比はＬ／Ｄの値によらずに略一定であるのに対し、Ｌ／Ｄ＞５を満たす範囲では、Ｌ／Ｄが大きくなるにつれて該無次元壁面燃空比が小さくなる。また、Ｌ／Ｄ≧７．５を満たす範囲では、Ｌ／Ｄ≦５を満たす範囲と比較して、混合流路４６の出口４９近傍における流路壁５５の壁面６３の位置での無次元壁面燃空比が有意に且つ大幅に小さくなる。

【0040】

したがって、バーナー集合体３２の製造時にオリフィス６２の形状や寸法等が設計点から外れてしまった場合であっても、Ｌ／Ｄ＞５を満たすことにより、オリフィス６２から噴射された燃料が燃料ノズル４３の出口６０に到達するまでの間に燃料ノズル４３の内部で整流されて燃料ノズル４３の出口６０の位置における燃料の偏流を抑制することができ、混合流路４６の出口４９近傍における流路壁５５の壁面６３での燃空比の上昇を抑制することができる。また、Ｌ／Ｄ≧７．５を満たすことにより、オリフィス６２から噴射された燃料が燃料ノズル４３の出口６０に到達するまでの間に燃料ノズル４３の内部で良好に整流されて燃料ノズル４３の出口６０の位置における燃料の偏流を大幅に抑制することができ、混合流路４６の出口４９近傍における流路壁５５の壁面６３での燃空比の上昇を有意に且つ大幅に抑制することができるため、フラッシュバックの発生リスクを効果的に低減できる。なお、Ｌ／Ｄ＞５又はＬ／Ｄ≧７．５を満たす場合において、燃料ノズル４３の管内流れの完全発達による燃料ノズル４３の内壁面側の流速の低下を抑制するために、更にＬ／Ｗｄ＜２５を満たしていてもよい。

【0041】

幾つかの実施形態では、例えば図４及び図５等に示す構成において、燃料ノズル４３の出口６０の流路面積をＡｆ、軸方向における出口６０の位置での空気流路４７の流路面積をＡａとすると、流路面積Ａａに対する流路面積Ａｆの比率が、Ａｆ／Ａａ≧０．１を満たしていてもよい。

【0042】

かかる構成では、従来のバーナー集合体よりもＡｆ／Ａａを大幅に大きくしており、燃料ノズル４３の軸方向における出口６０の位置での燃料の流速を空気の流速に対して積極的に小さくすることにより、燃料ノズル４３の出口６０に残った燃料の偏流を空気流路４７の空気によって良好に整流することができ、燃料ノズル４３から噴射された燃料が混合流路４６の流路壁５５に到達することを抑制することができる。これにより、混合流路４６の出口４９近傍における流路壁５５の壁面６３での燃空比の上昇を抑制することができるため、フラッシュバックの発生リスクを効果的に低減できる。なお、Ａｆ／Ａａ≧０．１を満たす場合において、空気流路４７の圧力損失の増大を抑制する観点から、Ａｆ／Ａａ＜０．６５を更に満たしていてもよい。

【0043】

幾つかの実施形態では、ガスタービンの定格運転時において、燃料ノズル４３の出口６０における燃料の密度をρｆ、燃料ノズル４３の出口６０における燃料の流速をＶｆ、軸方向における燃料ノズル４３の出口６０の位置での空気流路４７の空気の密度をρａ、軸方向における燃料ノズル４３の出口６０の位置での空気流路４７の空気の流速をＶａとすると、ρｆ×（Ｖｆ）^２＜ρａ×（Ｖａ）^２を満たしていてもよい。すなわち、ガスタービンの定格運転時において、燃料ノズル４３の出口６０における燃料の運動量よりも、軸方向における燃料ノズル４３の出口６０の位置での空気流路４７の空気の運動量の方が大きくてもよい。

【0044】

かかる構成では、燃料ノズル４３の出口６０に残った燃料の偏流を空気流路４７の空気によって良好に整流することができ、燃料ノズル４３から噴射された燃料が混合流路４６の流路壁５５に到達することを抑制することができる。これにより、混合流路４６の出口４９近傍における流路壁５５の壁面６３での燃空比の上昇を抑制することができるため、フラッシュバックの発生リスクを効果的に低減できる。

【0045】

本開示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。

【0046】

例えば、図５に示した例示的な実施形態では、混合流路４６の流路壁５５は、燃料ノズル４３の出口６０より上流に絞り部７６を有していたが、混合流路４６の流路壁５５は、絞り部７６を有していなくてもよく、混合流路４６の入口５１から出口４９まで、混合流路４６の流路幅は一定であってもよい。

【0047】

図５等に示した燃料ノズル４３の内部に形成される燃料流路４５の流路幅は、オリフィス６２の下流側において軸方向の位置によらず一定であったが、燃料流路４５は、オリフィス６２の下流側において、下流側に向かうにつれて燃料流路４５の流路幅が大きくなる区間を有していてもよい。

【0048】

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

【0049】

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係るバーナー集合体（例えば上述のバーナー集合体３２）は、
燃料及び空気を混合するための複数のバーナー（例えば上述のバーナー４２）を備えるバーナー集合体であって、
前記複数のバーナーの各々は、
前記空気が供給される混合流路（例えば上述の混合流路４６）と、
前記混合流路の内部に前記混合流路の中心軸線に沿って延在し、前記燃料を噴射するように構成された燃料ノズル（例えば上述の燃料ノズル４３）と、
を含み、
前記燃料ノズルは、前記燃料ノズルの出口よりも上流にオリフィス（例えば上述のオリフィス６２）を含む。

【0050】

上記（１）に記載のバーナー集合体によれば、バーナー集合体の製造時にオリフィスの形状や寸法等が設計点から外れてしまった場合であっても、燃料ノズルのオリフィスが燃料ノズルの出口よりも上流に位置するため、オリフィスから噴射された燃料が燃料ノズルの出口に到達するまでの間に燃料ノズルの内部で整流され、燃料ノズルの出口の位置における燃料の偏流を抑制することができる。このため、燃料ノズルの出口から出た燃料が混合流路の流路壁側に拡散することを抑制し、フラッシュバックの発生リスクを低減できる。

【0051】

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のバーナー集合体において、
前記燃料ノズルにおける前記出口と前記オリフィスとの距離をＬ、前記オリフィスのオリフィス径をＤとすると、Ｌ／Ｄ＞５を満たす。

【0052】

上記（２）に記載のバーナー集合体によれば、バーナー集合体の製造時にオリフィスの形状や寸法等が設計点から外れてしまった場合であっても、Ｌ／Ｄ＞５を満たすことにより、オリフィスから噴射された燃料が燃料ノズルの出口に到達するまでの間に燃料ノズルの内部である程度整流されるため、燃料ノズルの出口の位置における燃料の偏流を抑制することができる。これにより、混合流路の流路壁の壁面における燃空比の上昇を抑制することができるため、フラッシュバックの発生リスクを低減できる。

【0053】

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載のバーナー集合体において、
Ｌ／Ｄ≧７．５を満たす。

【0054】

上記（３）に記載のバーナー集合体によれば、バーナー集合体の製造時にオリフィスの形状や寸法等が設計点から外れてしまった場合であっても、Ｌ／Ｄ≧７．５を満たすことにより、オリフィスから噴射された燃料が燃料ノズルの出口に到達するまでの間に燃料ノズルの内部で良好に整流されるため、燃料ノズルの出口の位置における燃料の偏流を大幅に抑制することができる。これにより、混合流路の流路壁の壁面における燃空比の上昇を有意且つ大幅に抑制することができるため、フラッシュバックの発生リスクを効果的に低減できる。

【0055】

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかに記載のバーナー集合体において、
前記混合流路は、前記燃料ノズルの外周側に空気流路（例えば上述の空気流路４７）を含み、
前記燃料ノズルの出口の流路面積をＡｆ、前記燃料ノズルの軸方向における前記出口の位置での前記空気流路の流路面積をＡａとすると、Ａｆ／Ａａ≧０．１を満たす。

【0056】

上記（４）に記載のバーナー集合体によれば、従来のバーナー集合体よりもＡｆ／Ａａを大幅に大きくしており、燃料ノズルの軸方向における出口の位置での燃料の流速を空気の流速に対して積極的に小さくすることにより、燃料ノズルの出口に残った燃料の偏流を空気流路の空気によって良好に整流することができ、燃料ノズルから噴射された燃料が混合流路の流路壁に到達することを抑制することができる。これにより、混合流路の出口近傍における流路壁の壁面での燃空比の上昇を抑制することができるため、フラッシュバックの発生リスクを効果的に低減できる。

【0057】

（５）本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン燃焼器（例えば上述の燃焼器４）は、
上記（１）乃至（４）の何れかに記載のバーナー集合体と、
前記バーナー集合体の下流側に火炎が形成される空間を形成する燃焼筒（例えば上述の燃焼筒２５）と、
を備える、ガスタービン燃焼器。

【0058】

上記（５）に記載のバーナー集合体によれば、上記（１）乃至（４）の何れかに記載のバーナー集合体を備えるため、フラッシュバックの発生リスクを低減できる。

【0059】

（６）本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン（例えば上述のガスタービン１００）は、
圧縮機（例えば上述の圧縮機２）と、
前記圧縮機によって圧縮した空気と燃料とが供給され、前記燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させるように構成されたガスタービン燃焼器（例えば上述の燃焼器４）と、
前記ガスタービン燃焼器で発生した前記燃焼ガスにより駆動するタービン（例えば上述のタービン６）と、
を備え、
前記ガスタービン燃焼器は、上記（５）に記載のガスタービン燃焼器である。

【0060】

上記（６）に記載のバーナー集合体によれば、上記（５）に記載のガスタービン燃焼器を備えるため、フラッシュバックの発生リスクを低減できる。

【0061】

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）に記載のガスタービンにおいて、
前記混合流路は、前記燃料ノズルの外周側に空気流路（例えば上述の空気流路４７）を含み、
前記ガスタービンの定格運転時において、前記燃料ノズルの出口における前記燃料の密度をρｆ、前記燃料ノズルの出口における前記燃料の流速をＶｆ、前記燃料ノズルの軸方向における前記燃料ノズルの出口の位置での前記空気流路の前記空気の密度をρａ、前記燃料ノズルの軸方向における前記燃料ノズルの出口の位置での前記空気流路の前記空気の流速をＶａとすると、
ρｆ×（Ｖｆ）^２＜ρａ×（Ｖａ）^２を満たす。

【0062】

上記（７）に記載のガスタービンによれば、燃料ノズルの軸方向における出口の位置における空気の運動量（ρａ×（Ｖａ）^２）が燃料ノズルの出口における燃料の運動量（ρｆ×（Ｖｆ）^２）よりも大きいため、燃料ノズルの出口に残った偏流を空気流路の空気によって整流し、燃料ノズルの出口に残った偏流が混合流路の流路壁に到達することを抑制することができる。したがって、フラッシュバックの発生リスクを効果的に低減できる。

【符号の説明】

【0063】

２ 圧縮機
４ 燃焼器
６ タービン
８ ロータ
１０ 圧縮機車室
１２，５１ 入口
１４ 入口案内翼
１６，２４ 静翼
１８，２６ 動翼
２０ ケーシング
２１ 底面
２２ タービン車室
２３ 隙間
２５ 燃焼筒
２８ 排気車室
３０ 排気室
３２ バーナー集合体
３４ 筒状部材
３５，３９ 支持部
３６，４７ 空気流路
４９，６０ 出口
４０ 車室
４２ バーナー
４３ 燃料ノズル
４４ 外周面
４５，４８ 燃料流路
４６ 混合流路
５５，５８ 流路壁
６２ オリフィス
６３ 壁面
７４，７８ 流路幅一定部
７６ 絞り部
１００ ガスタービン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】