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JP2018151124A - 燃焼器用ノズル、燃焼器、及びガスタービン - Google Patents

燃焼器用ノズル、燃焼器、及びガスタービン Download PDF

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Abstract

【課題】逆火が発生した場合に火炎がノズルの先端部に向けて遡上するのを抑制するとともに、燃料に対する熱の影響を少なくする。【解決手段】軸線に沿って延びるノズル本体２を備え、ノズル本体２は、軸線Ａｍに沿って形成され、第一の燃料Ｆ１が流通する第一燃料通路２１と、第一燃料通路２１から先端側に向かうにしたがってノズル本体の外周面に延びて、外周面から第一の燃料を噴出する第一燃料噴出路２２と、第一燃料通路２１よりも軸線の径方向外側で軸線方向Ｄａに延びて、パージ空気ＰＡが流通する空気流通路２４と、空気流通路２４からノズル本体２の先端中央に向かって延びて、先端中央からパージ空気ＰＡを噴出する空気噴出路２５と、を備える燃焼器用ノズルを提供する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼器用ノズル、燃焼器、及びガスタービンに関する。
近年、ガスタービンの燃焼器においては、圧縮機から送られた圧縮空気（燃焼用空気）に予め燃料を混合して混合気を生成して、この混合気を燃焼させる予混合燃焼方式が広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
この種の燃焼器としては、燃焼器の中心軸線上に設けられた第二燃料ノズルと、この第二燃料ノズルと平行に配置された複数の第一燃料ノズルとを有するものが知られている。
このような予混合燃焼方式を採用したガスタービンの燃焼器では、混合気の流速が低い領域において、火炎が混合気の流れ方向に逆行する逆火（フラッシュバック）が発生することがある。
特許文献１には、第一燃料ノズルの先端部から空気を噴出させることによって、混合気の流速が低い領域を減らすとともに、燃料濃度を減少させることによって、逆火の発生を抑制する技術が開示されている。
特開２０１５−１８３８９２号公報
ところで、燃焼器に供給される燃料としては、ガス燃料の他、バックアップの燃料として油燃料があるが、燃料によっては、第一燃料ノズルの周囲を流れる高温の圧縮空気の影響により不具合が生ずる場合がある。
この発明は、逆火が発生した場合に火炎がノズルの先端部に向けて遡上するのを抑制するとともに、燃料に対する熱の影響を少なくすることができる燃焼器用ノズル、燃焼器、及びガスタービンを提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、燃焼器用ノズルは、軸線に沿って延びるノズル本体を備え、前記ノズル本体は、前記軸線に沿って形成され、第一の燃料が流通する第一燃料通路と、前記第一燃料通路から先端側に向かうにしたがって前記ノズル本体の外周面に延びて、前記外周面から前記第一の燃料を噴出する第一燃料噴出路と、前記第一燃料通路よりも前記軸線の径方向外側で前記軸線方向に延びて、パージ空気が流通する空気流通路と、前記空気流通路から前記ノズル本体の先端中央に向かって延びて、前記先端中央からパージ空気を噴出する空気噴出路と、を備える。
このような構成によれば、ノズル本体の先端中央からパージ空気が噴出されることによって、燃焼器用ノズルを備えた燃焼器では、燃焼器用ノズルの先端部近傍で、燃料と圧縮空気とが混合された混合気における燃料濃度を下げることができる。これにより、ノズルの先端部で火炎が発生し難くなる。また、噴出されるパージ空気により、ノズルの先端部における混合気の流速が高まる。これにより、逆火が発生した場合、火炎がノズルの先端部に向けて遡上し難くなる。
また、第一燃料通路が空気流通路よりも径方向内側に配置されていることによって、第一の燃料をノズル本体の周囲を流れる高温の圧縮空気から遠ざけて、第一の燃料に対する熱の影響を少なくすることができる。
上記燃焼器用ノズルにおいて、前記空気流通路は、周方向に延在する環状の通路であり、前記第一燃料通路は、前記空気流通路の径方向内側に配置されてよい。
このような構成によれば、第一燃料通路を流れる第一の燃料に対する熱の影響を更に少なくすることができる。また、空気流通路の流路断面積を大きくして空気噴出量を増大させることができる。
上記燃焼器用ノズルにおいて、前記空気流通路と前記第一燃料通路との間に設けられた空気断熱層を有してよい。
このような構成によれば、第一燃料通路を流れる第一の燃料に対する熱の影響を更に少なくすることができる。
上記燃焼器用ノズルにおいて、複数の前記第一燃料噴出路を有し、前記空気噴出路は、前記空気流通路に接続された複数の上流側空気噴出路と、複数の前記上流側空気噴出路の下流側に接続された空気キャビティと、前記空気キャビティと前記ノズル本体の先端中央とを接続する下流側空気噴出路と、を有し、前記第一燃料噴出路と前記上流側空気噴出路とは、周方向の位置が異なり、径方向から見て交差してよい。
このような構成によれば、上流側空気噴出路と第一燃料噴出路とを干渉させることなく、パージ空気をノズル本体の先端中央から噴出させることができる。
上記燃焼器用ノズルにおいて、前記第一燃料流通路の径方向外側に第二の燃料が流通する第二燃料通路を有し、前記第一の燃料は油燃料であり、前記第二の燃料はガス燃料であってよい。
このような構成によれば、燃焼器用のノズルを油燃料又はガス燃料に切り替え可能なデュアル方式の燃焼器に適用することができる。また、油燃料が流れる第一燃料通路が空気流通路の径方向内側に配置されていることによって、油燃料のコーキングを抑制することができる。
上記燃焼器用ノズルにおいて、前記ノズル本体の外周面と前記空気流通路とを接続して、前記ノズル本体の外周面からパージ空気を取り入れる空気取入部を有してよい。
このような構成によれば、外部から圧縮空気を供給する必要がなく、低コストで空気流通路にパージ空気を供給することができる。
本発明の第二の態様によれば、燃焼器は、上記燃焼器用ノズルを保持するとともに、下流側に向かって圧縮空気が流通する内筒と、前記内筒との間で、前記内筒の端部で反転して下流側に向かうように圧縮空気を導入する圧縮空気流路を画成する外筒と、前記ノズル本体の外周面に設けられ、反転する圧縮空気を整流するターニングベーンと、を有し、前記空気取入部は、前記ターニングベーンの上流側に形成されている。
このような構成によれば、より圧力が高い圧縮空気をパージ空気として空気取入部に取り入れることができる。
上記燃焼器において、前記空気取入部は、前記内筒の中心軸を中心とする径方向外側に形成されてよい。
このような構成によれば、反転して径方向内側に向かって流れる圧縮空気を効率よく取り込むことができる。
本発明の第三の態様によれば、燃焼器は、上記燃焼器用ノズルを保持するとともに、下流側に向かって圧縮空気が流通する内筒と、前記内筒との間で、前記内筒の端部で反転して下流側に向かうように圧縮空気を導入する圧縮空気流路を画成する外筒と、圧縮空気を生成する空気供給手段と、前記空気供給手段によって生成された圧縮空気を前記空気流通路に供給する空気導入部と、を有する。
このような構成によれば、ガスタービンの運転状況によらず、空気流通路に安定してパージ空気を供給することができる。
本発明の第四の態様によれば、ガスタービンは、空気を圧縮した圧縮空気を生成する圧縮機と、上記燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動されるタービンと、を備え、前記空気供給手段は、前記圧縮機によって生成された圧縮空気を抽気する抽気部を有する。
このような構成によれば、圧縮機によって生成した圧縮空気を抽気することによって、空気流通路に供給するパージ空気を生成する機器を別途設けることなく、パージ空気を生成することができる。
本発明によれば、ノズルの先端部で火炎が発生し難くなるとともに、逆火が発生した場合、火炎がノズルの先端部に向けて遡上し難くなる。
また、第一の燃料をノズル本体の周囲を流れる高温の圧縮空気から遠ざけて、第一の燃料に対する熱の影響を少なくすることができる。
本発明の第一実施形態のガスタービンの概略構成を示す構成図である。 本発明の第一実施形態の燃焼器の概略構成を示す構成図である。 本発明の第一実施形態の第一燃料ノズルの断面図である。 本発明の第一実施形態の第一燃料ノズルの先端部の断面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図であり、第一燃料ノズルの第一燃料噴出路と上流側空気噴出路の配置を説明する図である。 本発明の第二実施形態の第一燃料ノズルの断面図である。
〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態の燃焼器用ノズル１、燃焼器１０、ガスタービン１００について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のガスタービン１００は、外気Ａｏを圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機５１と、圧縮空気Ａと燃料Ｆとの混合気を燃焼させて燃焼ガスＧを生成する複数の燃焼器１０と、燃焼ガスＧにより駆動するタービン５３と、ガスタービン１００の冷却対象を冷却する冷却装置５４と、を備えている。
圧縮機５１は、ガスタービン軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ５６と、圧縮機ロータ５６を回転可能に覆う圧縮機車室５７と、複数の圧縮機静翼列５８と、を有している。
圧縮機ロータ５６は、ガスタービン軸線Ａｒに沿って延びる圧縮機ロータ軸５９と、圧縮機ロータ軸５９に取り付けられている複数の圧縮機動翼列６０と、を有している。複数の圧縮機動翼列６０は、ガスタービン軸線Ａｒの軸線方向に並んでいる。各々の圧縮機動翼列６０は、いずれも、ガスタービン軸線Ａｒの周方向に並んでいる複数の動翼で構成される。複数の圧縮機動翼列６０の各下流側には、圧縮機静翼列５８が配置されている。各々の圧縮機静翼列５８は、いずれも、圧縮機車室５７の内側に固定されている。各々の圧縮機静翼列５８は、いずれも、ガスタービン軸線Ａｒの周方向に並んでいる複数の静翼で構成される。
タービン５３は、ガスタービン軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ６１と、タービンロータ６１を回転可能に覆うタービン車室６２と、複数のタービン静翼列６３と、を有している。タービンロータ６１は、ガスタービン軸線Ａｒに沿って延びるタービンロータ軸６４と、タービンロータ軸６４に取り付けられている複数のタービン動翼列６５と、を有している。
複数のタービン動翼列６５は、ガスタービン軸線Ａｒの軸線方向に並んでいる。各々のタービン動翼列６５は、いずれも、ガスタービン軸線Ａｒの周方向に並んでいる複数の動翼で構成される。複数のタービン動翼列６５の各上流側には、タービン静翼列６３が配置されている。各々のタービン静翼列６３は、タービン車室６２の内側に固定されている。各々のタービン静翼列６３は、いずれも、ガスタービン軸線Ａｒの周方向に並んでいる複数の静翼で構成されている。
ガスタービン１００は、さらに、ガスタービン軸線Ａｒを中心として筒状の中間車室６７を備えている。中間車室６７は、ガスタービン軸線Ａｒの軸線方向で、圧縮機車室５７とタービン車室６２との間に配置されている。圧縮機ロータ５６とタービンロータ６１とは、同一のガスタービン軸線Ａｒ上に位置し、互いに接続されてガスタービンロータ６８を成している。ガスタービンロータ６８には、例えば、発電機ＧＥＮのロータが接続されている。
燃焼器１０は、圧縮機５１で圧縮された圧縮空気Ａに対して燃料Ｆを供給することで、高温・高圧の燃焼ガスＧを生成するものである。本実施形態の燃焼器１０は、油燃料又はガス燃料に切り替え可能なデュアル方式の燃焼器である。
複数の燃焼器１０は、ガスタービン軸線Ａｒの周方向に互いの間隔をあけて、中間車室６７に固定されている。燃焼器１０は、燃焼器本体１１と、燃焼筒６９とを備えている。燃焼筒６９は、供給された燃料Ｆと圧縮空気Ａとを反応させる燃焼室として機能する。燃焼筒６９は、燃焼器本体１１から流入した燃焼ガスＧの流速を速めて後流のタービン５３に導入する。
圧縮機５１に取り込まれた外気Ａｏは、複数の圧縮機静翼列５８と圧縮機動翼列６０とを通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気Ａとなる。この圧縮空気Ａに対し、燃焼器１０において燃料Ｆが混合されて燃焼されることで高温・高圧の燃焼ガスＧが生成される。そして、燃焼ガスＧがタービン５３のタービン静翼列６３とタービン動翼列６５とを通過することでタービンロータ軸６４が回転駆動され、ガスタービンロータ６８に連結された発電機ＧＥＮに回転動力を付与することで発電を行う。
冷却装置５４は、燃焼器１０へ供給される圧縮空気Ａの一部を抽気し、再び圧縮してガスタービン１００の冷却対象を冷却する装置である。冷却対象は、高温に曝される部品である。
冷却装置５４は、圧縮空気Ａの一部を抽気する抽気部７２と、抽気された圧縮空気Ａを冷却するクーラー７３と、クーラー７３によって冷却された圧縮空気Ａを更に圧縮してパージ空気ＰＡとする強制空冷圧縮機７４と、強制空冷圧縮機７４のサージを防止するためのアンチサージ弁７５と、パージ空気ＰＡを燃焼器１０の第一燃料ノズル１（図２参照）に導入する空気導入部７６を有している。
図２に示すように、空気導入部７６は、マニホールド７７と、空気導入配管７８とを有している。空気導入配管７８は、第一燃料ノズル１の空気流通路２４（図３参照）に接続されている。
強制空冷圧縮機７４によって再び圧縮された圧縮空気Ａは、パージ空気ＰＡとして空気導入部７６を介して第一燃料ノズル１に供給される。パージ空気ＰＡは、冷却用空気としてガスタービン１００の他の冷却対象、例えば、静翼に供給されてよい。
図２に示すように、燃焼器本体１１は、円筒状の内筒１２と、内筒１２の外周側に内筒１２の中心軸Ａｃと同軸状に設けられた外筒１３と、を備えている。外筒１３と内筒１２との間には、内筒１２の端部１２ａで反転して下流側Ｄａ２に向かうように圧縮空気Ａを導入する圧縮空気流路Ｒ１が形成されている。
外筒１３と内筒１２との間から燃焼器本体１１内に流入した圧縮空気Ａは、外筒１３の端壁１３ａで１８０°転回し、内筒１２の内部に供給される。
燃焼器本体１１は、内筒１２内に第二燃料ノズル１５と、第一燃料ノズル１と、を備えている。
外筒１３の内周面には、圧縮空気流路Ｒ１内に燃料を噴射する第三燃料ノズル８が設けられている。第三燃料ノズル８は、外筒１３の内周面から内筒１２の中心軸Ａｃに向かって突出するように形成されている。第三燃料ノズル８は、図示しない燃料供給源に接続されている。燃料は、圧縮空気流路Ｒ１内で圧縮空気Ａと混合される。
第二燃料ノズル１５は、内筒１２の中心軸Ａｃに沿って設けられている。第二燃料ノズル１５は、外部から供給される燃料Ｆを先端側から噴射し、この燃料Ｆに着火することで火炎を生成する。第二燃料ノズル１５は、パイロットコーン１６を備えている。パイロットコーン１６は、第二燃料ノズル１５の先端部１５ａの外周側を囲む筒状に形成されている。パイロットコーン１６は、第二燃料ノズル１５の先端部１５ａ近傍から、火炎の生成方向に向けて、その内径が漸次拡大するテーパコーン部１６ａを有している。テーパコーン部１６ａは、火炎の拡散範囲、方向を規制し、保炎性を高めている。
第一燃料ノズル１は、内筒１２内に複数本設けられている。これら第一燃料ノズル１は、第二燃料ノズル１５の外周側（中心軸Ａｃを中心とする径方向外側）に周方向に間隔をあけて配されている。各第一燃料ノズル１は、内筒１２の中心軸Ａｃに平行に延びている。
第一燃料ノズル１は、第一燃料ノズル本体２と、コーン部材３と、第一燃料ノズル本体２とコーン部材３との間に設けられている旋回羽根４と、を有している。
なお、以下の説明において、第一燃料ノズル１の軸線Ａｍが延びている方向を軸線方向Ｄａとする。また、軸線Ａｍに直交する方向を径方向とし、この径方向で軸線Ａｍから遠ざかる側を径方向外側と言い、この径方向で軸線Ａｍに近づく側を径方向内側という。また、軸方向Ｄａであって、第一燃料ノズル１の基端側を上流側Ｄａ１（図２の左側）、第一燃料ノズル１の先端側を下流側Ｄａ２（図２の右側）という。
第一燃料ノズル本体２は、軸線Ａｍに沿って延在する略円柱形状の部材である。第一燃料ノズル本体２は、下流側Ｄａ２の第一燃料ノズル基部２ａと、上流側Ｄａ１の第一燃料ノズル先端部２ｃと、第一燃料ノズル基部２ａと第一燃料ノズル本体２部とを接続する第一燃料ノズルテーパ部２ｂと、を有している。第一燃料ノズル基部２ａの外径は、第一燃料ノズル先端部２ｃの外径よりも大きい。
第一燃料ノズルテーパ部２ｂは、第一燃料ノズル基部２ａと第一燃料ノズル先端部２ｃとを滑らかに接続するように、下流側Ｄａ２に向かうにしたがって漸次縮径するように形成されている。第一燃料ノズル先端部２ｃは、下流側Ｄａ２に向かってその外径が漸次縮小する略円錐状をなしている。
第一燃料ノズル先端部２ｃには、油燃料を噴出する複数の第一燃料噴出孔２３（図３参照）が形成されている。第一燃料ノズル先端部２ｃの先端中央には、空気を噴出する空気噴出孔２６が形成されている。
コーン部材３は、第一燃料ノズル先端部２ｃの外周側に設けられている。コーン部材３は、筒状で、第一燃料ノズル本体２の第一燃料ノズル先端部２ｃを外周側から囲うように設けられている。コーン部材３は、内筒１２の中心側のパイロットコーン１６に近接する側３ａが、火炎の生成方向に向けて漸次外周側に傾斜して形成されている。コーン部材３は、第一燃料ノズル１との間に圧縮空気Ａが流れる主流路Ｒ２を形成する。
複数の旋回羽根４は、主流路Ｒ２における流れに旋回力を付与する。複数の旋回羽根４には、ガス燃料Ｆ２を噴出する複数の第二燃料噴出孔２９が形成されている。第一燃料ノズル１内には、油燃料Ｆ１又はガス燃料Ｆ２が供給され、第一燃料ノズル１から旋回羽根４にガス燃料Ｆ２が供給される。
各々の旋回羽根４は、第一燃料ノズル１の外周面から径方向に張り出して、コーン部材３の内周面に接続されている。旋回羽根４は、下流側Ｄａ２に流れる圧縮空気Ａを軸線Ａｍ回りに旋回させるように形成されている。
図３に示すように、第一燃料ノズル本体２は、第一の燃料である油燃料Ｆ１が導入される第一燃料通路２１と、第一燃料通路２１の下流側Ｄａ２に接続された３つの第一燃料噴出路２２（図３には二つのみ示す。）と、パージ空気ＰＡが導入される空気流通路２４と、空気流通路２４の下流側Ｄａ２に接続された空気噴出路２５と、第二の燃料であるガス燃料Ｆ２が導入される第二燃料通路２７と、第二燃料通路２７と、第二燃料噴出孔２９とを接続する第二燃料噴出路２８と、を備えている。
第一燃料通路２１は、第一燃料ノズル本体２の径方向の中心位置において、軸線Ａｍに沿って形成されている。第一燃料通路２１は、第一燃料ノズル本体２の軸線Ａｍ上に配置されている。
第一燃料噴出路２２は、第一燃料ノズル本体２の先端側に向かうにしたがって第一燃料ノズル本体２の外周面２ｆに延びている。第一燃料噴出路２２は、第一燃料ノズル本体２の外周面２ｆに開口している第一燃料噴出孔２３に接続されている。第一燃料通路２１には、第一の燃料として油燃料Ｆ１が流通する。
３つの第一燃料噴出路２２は、軸線Ａｍを中心とする周方向に等間隔に設けられている。各々の第一燃料噴出路２２は、下流側Ｄａ２に向かうにしたがって漸次径方向外側に向かうように傾斜している。
第一燃料通路２１に供給された油燃料Ｆ１は、３つの第一燃料噴出路２２に分かれて、第一燃料噴出孔２３から噴出される。なお、第一燃料噴出路２２の数は３つに限ることはない。
空気流通路２４は、第一燃料通路２１の径方向外側に配置され、軸線方向Ｄａに延びる環状の通路である。空気流通路２４は、軸線方向Ｄａからみた断面形状が環状をなしている。空気流通路２４は、第一燃料ノズル本体２の第一燃料ノズル基部２ａから第一燃料ノズル先端部２ｃまで延在している。
第一燃料ノズル基部２ａの下流側Ｄａ２端部近傍には、空気流通路２４と第一燃料ノズル本体２の外周面とを接続する空気導入孔３０が形成されている。空気導入孔３０は、空気流通路２４から、燃焼器１０の内筒１２の中心軸Ａｃ（図２参照）に向けて延在している。空気流通路２４には、冷却装置５４の空気導入部７６及び空気導入孔３０を介してパージ空気ＰＡが供給される。
空気噴出路２５は、空気流通路２４と空気噴出孔２６とを接続する流路である。図４に示すように、空気噴出路２５は、空気流通路２４に接続された３つの上流側空気噴出路３１（図４には二つのみ示す。）と、３つの上流側空気噴出路３１の下流側Ｄａ２に接続された空気キャビティ３２と、空気キャビティ３２と、空気噴出孔２６とを接続する下流側空気噴出路３３と、を有している。
３つの上流側空気噴出路３１は、軸線Ａｍを中心とする周方向に等間隔に設けられている。上流側空気噴出路３１は、第一燃料ノズル本体２の外周面に沿うように形成されている。上流側空気噴出路３１は、径方向から見て第一燃料噴出路２２と交差している。
空気キャビティ３２は、第一燃料噴出孔２３よりも上流側Ｄａ１に形成された空間である。下流側空気噴出路３３は、軸線Ａｍ上に形成されている。
図５に示すように、第一燃料噴出路２２と上流側空気噴出路３１とは、周方向に間隔をあけて互い違いに形成されている。即ち、第一燃料噴出路２２と上流側空気噴出路３１とは、第一燃料噴出路２２と上流側空気噴出路３１とが互いに隣り合うように形成されている。第一燃料噴出路２２と上流側空気噴出路３１とをこのような配置とすることによって、これらを径方向から見て交差させた場合においても、これらをバランスよく配置することができる。
図３に示すように、第二燃料通路２７は、空気流通路２４の径方向外側に配置されている。第二燃料通路２７は、第一燃料ノズル基部２ａから第一燃料ノズル先端部２ｃまで延在している。第二燃料通路２７は、環状に形成された流路であるが、径方向に複数に分割された流路でもよい。
第一燃料ノズル本体２の外周面には、ターニングベーン７が設けられている。ターニングベーン７は、外筒１３の端壁１３ａで１８０°転回して内筒１２の内部に供給される圧縮空気Ａ（図２参照）を整流する。ターニングベーン７は、内筒１２の上流側Ｄａ１の端部よりも上流側Ｄａ１、かつ、外筒１３の端壁１３ａよりも下流側Ｄａ２に配置されている。
図４に示すように、第一燃料通路２１と空気流通路２４との間には、空気断熱層６が形成されている。空気断熱層６は、軸線方向Ｄａに延在する環状の空間である。
次に、本実施形態のガスタービン１００の動作及び作用について説明する。
圧縮機５１は、外気Ａｏを吸い込んでこれを圧縮する。圧縮機５１で圧縮された空気は、燃焼器１０の第一燃料ノズル１及び第二燃料ノズル１５に導かれる。第一燃料ノズル１及び第二燃料ノズル１５には、燃料Ｆが供給される。第一燃料ノズル１は、燃料Ｆと圧縮空気Ａとが混同された混合気を燃焼器本体１１内に噴出する。この混合気は、燃焼器本体１１内で予混合燃焼する。
第二燃料ノズル１５は、燃焼器本体１１内に、燃料Ｆと圧縮空気Ａとをそれぞれ噴出する。この燃料Ｆは、燃焼器本体１１内で拡散燃焼または予混合燃焼する。燃焼器本体１１内での燃料Ｆの燃焼で発生した高温高圧の燃焼ガスＧは、尾筒７０によりタービン５３の燃焼ガス流路内に導かれ、タービンロータ６１を回転させる。
コーン部材３には、圧縮機５１で圧縮された空気がその上流端から導入される。圧縮空気Ａは、第一燃料ノズル１の複数の旋回羽根４より軸線Ａｍを中心として旋回する。ガス燃料Ｆ２は、複数の旋回羽根４の第二燃料噴出孔２９からコーン部材３内に噴射される。油焚き運転の際は、油燃料Ｆ１が、第一燃料噴出孔２３から燃焼器本体１１内に噴出される。
旋回羽根４の第二燃料噴出孔２９から噴出されたガス燃料Ｆ２と、旋回しつつ下流側Ｄａ２に流れる圧縮空気Ａとは、コーン部材３内で予混合された後、混合気としてコーン部材３の下流端から燃焼器本体１１内に噴出される。
複数の旋回羽根４の第二燃料噴出孔２９から燃焼器本体１１内に噴出されたガス燃料Ｆ２は、複数の旋回羽根４により形成される旋回流により、圧縮空気Ａとの混合が促進される。また、混合気は、コーン部材３から旋回しつつ燃焼器本体１１内に噴出することにより、混合気の燃焼により形成される予混合火炎の保炎効果が高まる。
冷却装置５４にて生成されたパージ空気は、空気導入部７６を介して空気流通路２４に導入される。空気流通路２４に導入されたパージ空気ＰＡは、空気噴出路２５を介して空気噴出孔２６から噴出される。これにより、第一燃料ノズル１の先端部近傍で、燃料Ｆと圧縮空気Ａとが混合された混合気の燃料濃度が下がる。また、噴出されるパージ空気ＰＡにより、第一燃料ノズル１の先端部における混合気の流速が高まる。
上記実施形態によれば、第一燃料ノズル本体２の先端中央からパージ空気ＰＡが噴出されることによって、第一燃料ノズル１の先端部近傍で、燃料Ｆと圧縮空気Ａとが混合された混合気における燃料濃度を下げることができる。これにより、第一燃料ノズル１の先端部で火炎が発生し難くなる。また、噴出されるパージ空気ＰＡにより、第一燃料ノズル１の先端部における混合気の流速が高まる。これにより、逆火が発生した場合、火炎が第一燃料ノズル１の先端部に向けて遡上し難くなる。
また、第一燃料通路２１が空気流通路２４よりも径方向内側に配置されていることによって、油燃料Ｆ１を第一燃料ノズル本体２の周囲を流れる高温の圧縮空気Ａから遠ざけて、油燃料Ｆ１に対する熱の影響（コーキング）を少なくすることができる。
また、空気流通路２４を環状の通路とし、第一燃料通路２１を空気流通路２４の径方向内側に配置することによって、油燃料Ｆ１に対する熱の影響を更に少なくすることができる。また、空気流通路２４の流路断面積を大きくしてパージ空気ＰＡの噴出量を増大させることができる。
また、空気流通路２４と第一燃料通路２１との間に空気断熱層６が設けられていることによって、油燃料Ｆ１に対する熱の影響を更に少なくすることができる。
また、第一燃料噴出路２２と上流側空気噴出路３１とは周方向の位置が異なり、径方向から見て交差していることによって、上流側空気噴出路３１と第一燃料噴出路２２とを干渉させることなく、パージ空気ＰＡを第一燃料ノズル１の先端中央から噴出させることができる。
また、空気供給手段である冷却装置５４を用いてパージ空気ＰＡを生成することにより、ガスタービン１００の運転状況によらず、空気流通路２４に安定してパージ空気ＰＡを供給することができる。
また、圧縮機５１によって生成された圧縮空気Ａを抽気する抽気部７２を有する冷却装置５４を用いることによって、空気流通路２４に供給するパージ空気ＰＡを生成する機器を別途設けることなく、空気を生成することができる。
なお、上記実施形態では、パージ空気ＰＡを生成する機器として冷却装置５４を用いているがこれに限ることはなく、例えば、別途圧縮機を用意してパージ空気ＰＡを供給する構成としてもよい。
〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態の燃焼器用ノズル１Ｂ、燃焼器１０、ガスタービン１００について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の第一燃料ノズル１Ｂは、空気噴出孔２６から噴出されるパージ空気ＰＡの供給源が第一実施形態の第一燃料ノズル１と異なっている。第一実施形態の第一燃料ノズル１が冷却装置５４から供給されるパージ空気ＰＡを噴射しているのに対し、本実施形態の第一燃料ノズル１Ｂは、圧縮空気流路Ｒ１を流れる圧縮空気Ａを直接的に空気流通路２４に導入している。
本実施形態の第一燃料ノズル１Ｂの第一燃料ノズル本体２には、第一実施形態の空気導入孔３０の代替として空気取入口３５（空気取入部）が形成されている。空気取入口３５は、第一燃料ノズル本体２の外周面２ｆに形成されている。空気取入口３５は、ターニングベーン７の上流側Ｄａ１、かつ、外筒１３の端壁１３ａの下流側Ｄａ２に形成されている。
また、空気取入口３５は、内筒１２の中心軸Ａｃ（図２参照）を中心とした径方向外側に形成されている。換言すれば、空気取入口３５は、内筒１２の中心軸Ａｃを中心とした径方向外側に開口している。
上記実施形態によれば、外部から圧縮空気Ａを供給する必要がなく、低コストで空気流通路２４にパージ空気ＰＡを供給することができる。
また、空気取入口３５がターニングベーン７の上流側Ｄａ１に形成されていることによって、より圧力が高い空気を空気取入口３５に取り入れることができる。
また、空気取入口３５が内筒１２の中心軸Ａｃを中心とする径方向外側に形成されていることによって、反転して径方向内側に向かって流れる圧縮空気Ａを効率よく取り込むことができる。
なお、空気取入口３５は、内筒１２の中心軸Ａｃを中心とする径方向外側に形成する必要はなく、内筒１２の中心軸Ａｃを中心とする径方向内側に形成してもよい。
また、空気取入口３５は、例えば、上流側Ｄａ１または下流側Ｄａ２に向かって傾斜させて、圧縮空気Ａの取り入れ効率を向上させることもできる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、空気流通路２４を円環状としたが、これに限ることはない。例えば、空気流通路２４を複数形成して周方向に間隔をあけて配置してもよい。
また、上記実施形態では、燃焼器１０を油燃料Ｆ１又はガス燃料Ｆ２に切り替え可能なデュアル方式の燃焼器としたが、これに限ることはなく、ガス燃料のみを用いる燃焼器にも適用可能である。
１ 第一燃料ノズル（燃焼器用ノズル）
２ 第一燃料ノズル本体（ノズル本体）
２ａ 第一燃料ノズル基部
２ｂ 第一燃料ノズルテーパ部
２ｃ 第一燃料ノズル先端部
３ コーン部材
４ 旋回羽根
６ 空気断熱層
７ ターニングベーン
８ 第三燃料ノズル
１０ 燃焼器
１１ 燃焼器本体
１２ 内筒
１３ 外筒
１３ａ 端壁
１５ 第二燃料ノズル
１６ パイロットコーン
２１ 第一燃料通路
２２ 第一燃料噴出路
２３ 第一燃料噴出孔
２４ 空気流通路
２５ 空気噴出路
２６ 空気噴出孔
２７ 第二燃料通路
２８ 第二燃料噴出路
２９ 第二燃料噴出孔
３０ 空気導入孔
３１ 上流側空気噴出路
３２ 空気キャビティ
３３ 下流側空気噴出路
３５ 空気取入口
５１ 圧縮機
５３ タービン
５４ 冷却装置
７２ 抽気部
７３ クーラー
７４ 強制空冷圧縮機
７５ アンチサージ弁
７６ 空気導入部
７８ 空気導入配管
１００ ガスタービン
Ａ 圧縮空気
Ａｃ 軸線
Ａｍ 軸線
Ａｒ 軸線
Ｄａ 軸線方向
Ｄａ１ 上流側
Ｄａ２ 下流側
Ｇ 燃焼ガス
ＰＡ パージ空気
Ｒ１ 圧縮空気流路
Ｒ２ 主流路

Claims (10)

  1. 軸線に沿って延びるノズル本体を備え、
    前記ノズル本体は、
    前記軸線に沿って形成され、第一の燃料が流通する第一燃料通路と、
    前記第一燃料通路から先端側に向かうにしたがって前記ノズル本体の外周面に延びて、前記外周面から前記第一の燃料を噴出する第一燃料噴出路と、
    前記第一燃料通路よりも前記軸線の径方向外側で前記軸線方向に延びて、パージ空気が流通する空気流通路と、
    前記空気流通路から前記ノズル本体の先端中央に向かって延びて、前記先端中央からパージ空気を噴出する空気噴出路と、を備える燃焼器用ノズル。
  2. 前記空気流通路は、周方向に延在する環状の通路であり、
    前記第一燃料通路は、前記空気流通路の径方向内側に配置されている請求項１に記載の燃焼器用ノズル。
  3. 前記空気流通路と前記第一燃料通路との間に設けられた空気断熱層を有している請求項１又は請求項２に記載の燃焼器用ノズル。
  4. 複数の前記第一燃料噴出路を有し、
    前記空気噴出路は、前記空気流通路に接続された複数の上流側空気噴出路と、複数の前記上流側空気噴出路の下流側に接続された空気キャビティと、前記空気キャビティと前記ノズル本体の先端中央とを接続する下流側空気噴出路と、を有し、
    前記第一燃料噴出路と前記上流側空気噴出路とは、周方向の位置が異なり、径方向から見て交差している請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃焼器用ノズル。
  5. 前記第一燃料通路の径方向外側に第二の燃料が流通する第二燃料通路を有し、
    前記第一の燃料は油燃料であり、前記第二の燃料はガス燃料である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃焼器用ノズル。
  6. 前記ノズル本体の外周面と前記空気流通路とを接続して、前記ノズル本体の外周面からパージ空気を取り入れる空気取入部を有する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃焼器用ノズル。
  7. 請求項６に記載の燃焼器用ノズルを保持するとともに、下流側に向かって圧縮空気が流通する内筒と、
    前記内筒との間で、前記内筒の端部で反転して下流側に向かうように圧縮空気を導入する圧縮空気流路を画成する外筒と、
    前記ノズル本体の外周面に設けられ、反転する圧縮空気を整流するターニングベーンと、を有し、
    前記空気取入部は、前記ターニングベーンの上流側に形成されている燃焼器。
  8. 前記空気取入部は、前記内筒の中心軸を中心とする径方向外側に形成されている請求項７に記載の燃焼器。
  9. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃焼器用ノズルを保持するとともに、下流側に向かって圧縮空気が流通する内筒と、
    前記内筒との間で、前記内筒の端部で反転して下流側に向かうように圧縮空気を導入する圧縮空気流路を画成する外筒と、
    圧縮空気を生成する空気供給手段と、
    前記空気供給手段によって生成された圧縮空気を前記空気流通路に供給する空気導入部と、を有する燃焼器。
  10. 空気を圧縮した圧縮空気を生成する圧縮機と、
    請求項９に記載の燃焼器と、
    燃焼器によって生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、を備え、
    前記空気供給手段は、前記圧縮機によって生成された圧縮空気を抽気する抽気部を有するガスタービン。
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