(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、燃料流量によらず燃料と空気の更なる混合促進を図ることである。【解決手段】  本発明は、ガス燃料が噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルからの燃料と空気が燃焼室に噴出する空気ノズルを設けた空気ノズルプレートとを備え、前記燃料ノズルから噴出された燃料噴流を衝突させるとともに、前記空気ノズルに流入する空気流の乱れを生じさせる障害物を、前記空気ノズル内部に設けたことを特徴とする。【効果】  本発明によれば、燃料流量によらず燃料と空気の更なる混合促進を図ることができる。【選択図】図１
2010060189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス燃料が噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルからの燃料と空気が燃焼室に噴出する空気ノズルを設けた空気ノズルプレートとを備え、
前記燃料ノズルから噴出された燃料噴流を衝突させるとともに、前記空気ノズルに流入する空気流の乱れを生じさせる障害物を、前記空気ノズル内部に設けたことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
請求項１記載の燃焼器において、前記障害物の大きさが前記燃料ノズルの噴孔径よりも大きいことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
請求項１記載の燃焼器において、前記障害物が前記空気ノズルに固定されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項１記載の燃焼器において、前記障害物が前記燃料ノズルに固定されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
請求項１記載の燃焼器において、前記障害物に燃料噴流が衝突する面に窪みを有することを特徴とする燃焼器。
【請求項６】
請求項１記載の燃焼器において、前記燃料ノズルの先端および前記空気ノズル入口にテーパを設けたことを特徴とする燃焼器。
【請求項７】
請求項１記載の燃焼器において、前記障害物が角部を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項８】
請求項１記載の燃焼器において、前記障害物に切り欠きを設けたことを特徴とする燃焼器。
【請求項９】
請求項１記載の燃焼器において、前記空気ノズル入口にテーパ部を設け、前記テーパ部を設けた空気ノズルの区間に、前記障害物を設けることを特徴とする燃焼器。
【請求項１０】
ガス燃料が噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルからの燃料と空気が燃焼室に噴出する空気ノズルを設けた空気ノズルプレートとを備え、
前記燃料ノズルから噴出された燃料が、前記燃料ノズルの下流側に配置された障害物に衝突し、前記障害物の半径方向外側に拡散する第一の工程と、
前記空気ノズルに流入した空気が、前記障害物の外縁に衝突し、前記障害物の下流側に空気流の乱れを生じさせる第二の工程と、
第二の工程で生じた空気流の乱れに燃料を供給する第三の工程とを備えたことを特徴とする燃焼器の燃料供給方法。
【請求項１１】
ガス燃料が噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルからの燃料と空気が燃焼室に噴出する空気ノズルを設けた空気ノズルプレートとを備えた燃焼器の燃料ノズル改造方法であって、
前記燃料ノズルから噴出された燃料噴流を衝突させるとともに、前記空気ノズルに流入する空気流の乱れを生じさせる障害物を設けた障害物付き燃料ノズルを、既存の前記燃料ノズルと交換すると共に、
前記障害物が前記空気ノズル内部に位置するように、前記障害物付き燃料ノズルを設けたことを特徴とする燃焼器の燃料ノズル改造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器，燃焼器の燃料供給方法及び燃焼器の燃料ノズル改造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン燃焼器には、拡散燃焼方式，予混合燃焼方式がある。拡散燃焼方式は、起動から定格負荷条件までのターンダウン比が大きく、広範囲の燃焼安定性を確保するため、燃焼室に燃料を直接噴射する。一方、予混合燃焼方式は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するための燃焼方式である。しかし、予混合燃焼方式は、予混合器内に火炎が入り込んで構造物を焼損する逆火現象が発生するという課題があった。
【０００３】
この課題に対して、燃焼室の上流側に燃料ノズルと空気ノズルプレートを配置し、燃料と空気を同軸流として燃焼室に供給する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４８７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
環境に対する規制や社会的要求が日増しに強くなっており、特許文献１の構造を用いる燃焼器においても、さらなる低ＮＯｘ化が課題であった。
【０００６】
また、特許文献１の燃焼器構造では、運動量を持った燃料噴流が空気ノズル内部に噴出される。そのため、特に燃料流量の多い条件では、燃料ノズル出口に形成される空気流の乱れ領域を貫通してしまい、燃料と空気の混合が不十分となる課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、燃料流量によらず燃料と空気の更なる混合促進を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ガス燃料が噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルからの燃料と空気が燃焼室に噴出する空気ノズルを設けた空気ノズルプレートとを備え、前記燃料ノズルから噴出された燃料噴流を衝突させるとともに、前記空気ノズルに流入する空気流の乱れを生じさせる障害物を、前記空気ノズル内部に設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料流量によらず燃料と空気の更なる混合促進を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明について、以下の実施例で説明する。
【実施例１】
【００１１】
図３１は、本実施例によるガスタービン燃焼器の全体断面図を示す。圧縮機５で圧縮された空気１０は、デフューザ７を通って燃焼器１００に流入し、外筒２と燃焼器ライナ３の間を通過する。その空気１０の一部は、燃焼器ライナ３の冷却空気１１として燃焼室１に流入する。また、その空気１０の残りは空気流１２として空気ノズル２１を通り燃焼室１に流入する。燃焼室１と燃料ノズル２２との間には、空気ノズル２１を設けた空気ノズルプレート２０が配置されている。
【００１２】
燃料供給系統１５および燃料供給系統１６は、制御弁１４ａを備えた燃料供給系統１４から分割されている。また、燃料供給系統１５は制御弁１５ａ、燃料供給系統１６は制御弁１６ａを備えており、個別に制御を行うことができる。また、それぞれの制御弁の下流には、遮断弁１５ｂ，１６ｂが備えられている。
【００１３】
図に示すように、本実施例の燃焼器は複数本の燃料ノズル２２を備える。燃料ノズル２２は、複数個の燃料ノズルに燃料を分配する燃料ヘッダー２３に接続されている。燃料ヘッダー２３の内部は複数の部屋に分かれており、燃料ノズルを群分けしている。燃料供給系統１５，１６から供給される燃料は、燃料ヘッダー２３の部屋に流入し、それぞれの燃料ノズル群に供給される。各燃料供給系統は制御弁を備えているため、複数本ある燃料ノズル２２のうちの一部を一纏めにして制御することが可能である。燃料ノズル２２から噴出された燃料は空気流１２とともに同軸流として燃焼室１に流入し、均質で安定な火炎を形成する。発生した高温燃焼ガスはタービン６に入り仕事をして排気される。
【００１４】
図１から図４に、燃料ノズル２２と空気ノズル２１の詳細を示す。図２は軸方向下流の燃焼室１から上流方向を見た図である。図１は図２中のＡ−Ａ断面、図３はＢ−Ｂ断面、図４はＣ−Ｃ断面である。
【００１５】
図１において、燃料ノズル２２の燃料噴孔から噴出した燃料噴流２９は、燃料ノズル２２の軸方向に流れる。また、空気ノズルプレート２０の上流側における空気流１２は、燃料ノズル２２の外周側に沿って空気ノズル２１に流入する。空気ノズル２１は、空気ノズルプレート２０に設けられた円柱形状の中空部によって構成される。空気ノズル２１という非常に狭い空間に流入した空気流１２は、燃料噴流２９の外周側に、環状の層を形成する。このように、燃料ノズル２２から噴出する燃料噴流２９の外周側を環状の空気流１２が包み込みながら、燃料と空気が空気ノズル２１の内部を流れるように、燃料ノズル２２及び空気ノズル２１が配置される。
【００１６】
また、燃料ノズル２２の燃料噴孔よりも燃料ノズル軸方向下流側であり、空気ノズル内部には障害物２４が配置されている。そのため、燃料噴流２９は障害物２４に衝突し、燃料ノズル２２の中心軸に対して垂直方向に分散する。即ち、円板形状の障害物２４に衝突した燃料噴流２９は、円板平面の半径方向に分散する。本実施例において、「軸方向」は燃料ノズル２２の中心軸に沿った方向であり、「半径方向」は障害物の円板平面に対する半径方向とする。
【００１７】
また、障害物２４は空気流１２の流れも阻害しており、障害物縁の下流領域４４では非常に大きな速度差が発生する。その速度差に起因して、障害物２４は空気流１２の流れに強い乱れ２６を発生させる。
【００１８】
この時、燃料噴流２９が半径方向外側に広く分散するため、半径方向の速度成分は小さくなり、障害物２４の縁から半径方向外側には大きく広がらないと考えられる。そのため、燃料噴流２９は乱れが発生する領域４４に容易に取り込まれ、空気との混合が行われる。
【００１９】
ここで、図２９を用いて比較例を説明する。比較例は、燃料ノズル下流側に障害物を設けず、燃料ノズル先端にリブを設けた場合を示す。比較例においても、燃料ノズル先端のリブにより、燃料ノズル先端より下流側に空気流の乱れ２６を発生させることはできる。しかし、燃料噴流２９は運動量を有し空気流の乱れ２６に対抗するため、燃料と空気の混合は限定的となる。特に部分負荷条件で局所的に燃空比が高くなる場合や、水素又は一酸化炭素を多く含み体積あたりのカロリーが低い燃料を使用する場合、乱れ２６の発生領域を燃料噴流が貫通し、燃料と空気の混合が不十分となる。
【００２０】
従って本実施例は、燃料噴流２９を一度障害物に衝突させることで、燃料流量にかかわらず、燃料噴流２９が持っている運動量を大きく減衰させることができる。また、空気ノズル内部に、空気ノズルに流入する空気流の乱れを生じさせる障害物を設けることにより、燃料と空気の混合を図ることが可能である。そして、障害物の下流側に生じる空気流の乱れ２６へ、運動量が減衰した燃料を効率的に送りこみ、燃料と空気の混合を更に促進させることが可能である。
【００２１】
このように、比較例と比べ、速度差の大きい空気流の乱れ２６に燃料を供給することができるため、より一層の混合促進効果が得られる。また、障害物代表長さ３２は、燃料噴流を受け止めるだけの大きさ、つまり燃料噴孔径３１よりも同等以上の大きさにすることが効果的である。なお、燃料噴孔径３１は、燃料ノズル２２において燃料が流れる中空部の断面積を示す。
【００２２】
本実施例は、メタンを主成分とする天然ガス以外にも、製鉄所などから鉄鋼の精製過程で発生するＣＯＧ（Coke Oven Gas）や石炭ガス化ガスなどのように、水素や一酸化炭素を多く含むガス燃料に適用可能である。これらの燃料を使用する場合は、比較例に対する混合促進効果はより大きくなる。本実施例では、この他にも燃料中に窒素や二酸化炭素を多量に含み、体積あたりのカロリーの低い燃料でも有効である。
【００２３】
このように、本実施例ではガス燃料を使用する。ガス燃料は、液体燃料に比べ、粘度・密度が低いため慣性力が小さい。そのため、障害物にぶつかったガス燃料は空気ノズル２１の内壁にぶつかることなく、障害物の下流側へ流れる。即ち、障害物にぶつかったガス燃料は空気ノズル２１の内壁にぶつからず下流側へ流れるため、ガス燃料が流れる領域は障害物の外縁に沿った非常に狭い部分となる。
【００２４】
そして、障害物が空気ノズル内部に配置されているため、障害物の外縁に沿った下流側に空気流の乱れが発生する。本実施例では、空気流の乱れ２６とガス燃料が流れる領域、それぞれの大きさがほぼ等しくなるため、効率的にガス燃料と空気の混合を促進することが可能である。
【００２５】
図１に示すように、燃料ノズル２２の先端も空気ノズル２１の内部にある場合、障害物代表長さ３２を燃料ノズル先端部における外径３３より大きくし、燃料ノズル周囲を流れる空気流１２が障害物に直接ぶつかるようにすることが効果的である。この障害物代表長さ３２は、障害物が円形状の場合、障害物の直径を表す。また、障害物が正方形の場合、障害物代表長さ３２は一辺の長さを示す。障害物代表長さ３２を燃料ノズル先端部における外径３３より大きくすることで、障害物２４の下流側により強い乱れ２６を発生させることが可能である。なお、燃料ノズル先端部の外径３３は、燃料が流れる中空部の断面積に加え、燃料ノズル配管の肉厚部における断面積も加えた外径を示す。
【００２６】
一方で、図１９に示すように、燃料ノズル２２の先端が空気ノズル２１の外部にある場合、燃料ノズル先端部の外径３３と比べ、障害物代表長さ３２が小さくても良い。燃料ノズル２２の先端が空気ノズル２１の入口面積を狭めないため、空気流１２が障害物２４に直接ぶつかり、障害物２４の下流に強い乱れ２６を発生させることができる。
【００２７】
図２，図３に示すように、障害物２４を支持するとともに、空気ノズル２１と障害物２４をつなぐため、支持部材２５が設けられている。本実施例の障害物２４の形状は円形平板であり、障害物２４の下流に乱れ２６が環状に広く分布し、燃料と空気を均一に混合させることができる。
【００２８】
図４に示すように支持部材２５の断面は矩形である。そして、支持部材自体も乱流発生体となって、乱れ２６を発生させ、空気と燃料の混合を補助する。ただし、圧力損失増加の要因となるため、強度に問題ない程度の太さに抑えることが望ましい。
【００２９】
図５から図７に本実施例の製作例を示す。図５に示すように空気ノズルプレート２０は、２つに分割された２０−１と２０−２を張り合わせて製作する。また、図６に示すように、障害物２４と支持部材２５は一体部品として作成する。図７に示すように、空気ノズルプレート２０−１は溝２７を設け、溝２７に支持部材２５をはめ込めるようにする。このような構成とすることで、障害物２４を空気ノズル中心に正確に配置することができ、障害物２４の面を流れに対し垂直に相対させることができる。本製作方法では空気ノズルと障害物の位置関係を正確に管理しやすいため、各空気ノズルへの空気流入量を一定にすることができる。そのため、燃焼室１の内部における燃空比に空間的なばらつきが生じることを抑制し、ＮＯｘを低下させることが可能である。また、図６のように障害物２４と支持部材２５の一体部品をプレス加工により大量生産することで、コストを低減することが可能である。
【００３０】
図８，図９に他の製作例を示す。本製作例では、前述の製作例と同様に障害物２４と支持部材２５は一体部品とする。但し、空気ノズルプレート２０を１枚の板で構成するため、空気ノズルプレート２０に対して、上流側から溝２７を深く掘り込む。そして、図８のように障害物２４と支持部材２５の一体部品は、溝２７に挿入し固定する。本製作例では、空気ノズルプレートを分割する必要がないという効果を有する。
【００３１】
図１０は支持部材２５の断面形状のバリエーションを示す。図１０（ａ）は断面形状が三角形となっており、頂点が上流側を向くように配置する。三角形の支持部材は矩形の支持部材同様に支持部材下流に剥離流４５が発生し、空気流に乱れを誘発する。矩形に比べて上流側の流れがスムーズとなるため、圧力損失を若干低減できる。
【００３２】
図１０（ｂ）の支持部材２５の断面は、ひし形である。矩形形状や三角形状に比べて、下流にできる剥離流４５が小さくなり、圧力損失を低減できるため、ノズル全体における圧力損失を低減できる。
【００３３】
図１０（ｃ）の支持部材２５の断面は円形であり、下流にできる剥離流４５が最も小さく、圧力損失を大きく抑制することができる。
【００３４】
図１１には障害物２４の支持方法のバリエーションを示す。これまでに説明してきた支持方法は２点で支持を行っていたが、本バリエーションでは３点で支持を行う。そして、図１１（ｂ）に示すように、障害物２４と支持部材２５を一体部品とする。図１１（ｂ）の支持部材は３点支持されるため、図５から図９で示した制作方法で空気ノズル２１に取り付ける場合、障害物２４の平面を燃料ノズル軸方向に対して垂直に配置することが容易である。
【００３５】
図１２にも同様に障害物２４の支持方法のバリエーションを示す。本バリエーションではさらに支持点数が増加し、４点で支持している。３点支持の場合と同様に、障害物２４の平面を燃料ノズル軸方向に対して垂直に配置することが容易であり、強度も増加する。
【００３６】
図１３は、障害物形状のバリエーションを示す。本バリエーションでは障害物２４は三角形状である。本形状では、障害物２４の下流に生じる剥離流による乱れの発生とともに、角部５４が空気の通過する領域に突起しているため、障害物２４の角部５４から下流に向けて縦渦４１が発生する。この縦渦４１は、さらなる乱れを発生させ、燃料と空気の混合を促進することができる。ただし、縦渦は一般的に寿命が長く減衰しにくいという特性を有する。そのため、火炎面から遠い位置に配置された空気ノズルに、三角形状の障害物２４を適用することが望ましい。
【００３７】
図１４（ａ）は、図１３と同様に障害物の形状のバリエーションを示したものである。本バリエーションの障害物２４は四角形となっており、図１３のバリエーションに比べて角部５４が多いため、縦渦の発生位置を多くすることができる。また、角部５４の角度が小さいため発生する縦渦は弱くなることが考えられる。そのため、空気ノズルを出るまでに縦渦を減衰させることができれば、空気ノズル内に満遍なく乱れを発生させることができる。
【００３８】
また、角部の多い多角形や星形など空気の通過する流路に対し突起物を有する形状でも同様な効果が得られる。例えば図１４（ｂ）にあげるような障害物２４の形状が考えられる。
【００３９】
以上説明したような燃料ノズル，空気ノズル、および障害物を１つの組合せとし、これらを複数備えたガスタービン燃焼器では、非常に短い距離で燃料と空気を混合させ、なおかつ燃焼室１に燃料と空気を満遍なく均質に供給することができる。そのため、ＮＯｘの排出量が非常に少ない燃焼を実現することができる。また、燃料流量の多少によって燃料と空気の混合状態が大きく左右されず、安定した混合性能を有している。従って、燃空比の高いとき、又はカロリーの低い燃料を使用したときに燃料流量が増加しても、混合特性の悪化を抑制できる。また、燃空比の高いとき、又はカロリーの低い燃料を使用したときは、燃料の噴出速度が速くなり、燃料が障害物に衝突した際に広範囲に分散する。そのため、空気流との境界面積が確保されると共に混合が十分に行われ、ＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００４０】
なお、本発明は、非常に短い距離で二つの流体を混合させることができるため、ガスタービン燃焼器に用いるだけでなく、２つの流体を短い距離で混合させる混合器やその他の燃焼器として用いることが可能である。
【００４１】
また、特許文献１に示す既存の燃焼器において、本実施例の空気孔プレートと交換することにより、燃焼器を改造することも可能である。
【実施例２】
【００４２】
実施例２を図１５に示す。図１６は、燃料ノズル先端部と障害物の拡大図である。本実施例は実施例１に対し、障害物形状を変更している。障害物２４が空気ノズル２１の内部かつ燃料ノズルの下流側に配置される点は、実施例１と同様である。そして、その障害物２４の上流側の面が円錐状に掘り込まれており、窪み５６を有する。このような形状にすると、燃料噴流２９が障害物２４と衝突することで噴出方向と逆方向成分の速度ベクトルを付与することでき、燃料流の渦４３が発生する。また、燃料ノズル２２から噴出した燃料噴流は、障害物２４の窪み５６に沿って大きく凹むため、燃料噴流の凹みに空気が流入することで空気側にも渦４２が発生する。これらの渦がお互いに干渉し強めあう結果、強い乱れとなって空気と燃料が攪拌される。そして、燃料噴流２９は渦成分をもったまま、障害物２４の縁から発生する強い乱れ発生領域に取り込まれて、さらに空気と燃料の混合が行われる。
【００４３】
このように本実施例は、障害物上流側で第一段階の混合が行われ、乱れ成分を予め付与することができる。また、障害物下流側で第二段階の混合が行われ、さらなる混合促進効果を得られる。
【００４４】
実施例１と同様に、本実施例の燃料ノズル・空気ノズルを多数配置したガスタービン燃焼器を構成することにより、非常に短い距離で燃料と空気を混合させ、なおかつ燃焼室１に燃料と空気を満遍なく均質に供給することができるため、ＮＯｘの排出量が非常に少ない燃焼を実現することができる。
【実施例３】
【００４５】
実施例３を図１８に示す。本実施例は、実施例１に対し空気ノズルの形状および燃料ノズルの形状を変更したものである。実施例１と同様に、障害物２４は空気ノズル２１の内部に配置され、かつ燃料ノズル２２の下流に配置されており、燃料噴流２９が障害物２４に衝突する位置関係となっている。
【００４６】
図１７は、実施例１において、燃料ノズル２２の中心軸が空気ノズル２１および障害物２４の中心軸から大きくずれた場合を示している（Ｙ方向下側に偏芯）。このような場合、空気ノズル２１に流入する空気流１２の流れに偏りが生じる。空気流１２は、流路が大きく開いている方へより多く流入するため、Ｙ方向上側により多くの空気が流入する。その結果、Ｙ方向上側における燃料ノズル２２の先端に大きな剥離流４５が生じる。
【００４７】
一方、燃料ノズル２２から噴出された燃料噴流２９はより流れやすい方へ流れていくため、強い剥離流４５とは逆方向（Ｙ方向下側）へより多く流れていく。その結果、障害物２４の下流で燃料の分布に偏りが生じ、空気ノズル２１の出口においても燃料の分布に偏りが残る恐れがある。偏りが残ったまま燃焼すると局所的に火炎温度の高い領域が発生し、その結果、ＮＯｘが増加してしまう。
【００４８】
そこで、本実施例では空気ノズル２１の入口にテーパ部５０を設けるとともに、燃料ノズル２２の先端にも先細りのテーパ部５１を設けている。このような構成とすることで、障害物２４に到達するまでの空気流１２の流れがスムーズとなり、燃料ノズル２２の先端には図１７の剥離流４５が発生しない。その結果、燃料ノズル２２と空気ノズル２１および障害物２４の中心軸がずれた場合でも、燃料分布の偏りを最小限に抑えることができる。従って、燃料分布の偏りに起因するＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。
【００４９】
燃料ノズルと空気ノズルおよび障害物の中心軸を合わせるためには、製作時に加工精度を管理する必要がある。しかし、本実施例では中心軸のズレによるＮＯｘの排出量増加を極力抑えることが出来る。また、各部材の加工精度を下げても、燃料と空気の混合性能を維持し、ＮＯｘを抑えることが可能なため、コストを削減することが可能である。
【実施例４】
【００５０】
実施例４を図１９に示す。本実施例は実施例１における燃料ノズル，空気ノズルの形状および燃料ノズルの先端位置に変更を施しており、特にカロリーが低く流量が多くなる燃料に有効である。
【００５１】
燃料流量が多くなると燃料ノズル内部における流速が早くなり、圧力損失が増加する。そのため、燃料の元圧を高くし、バルブの仕様を変更する必要が生じるなど、プラント全体のコストが増加する恐れがある。コスト増加を回避するためには、燃料ノズルの内径を大きくし、ノズル内流速を遅くする必要がある。しかし、図１の構成では、燃料ノズル２２を太くすると空気ノズル２１の流路を大きく閉塞する。その結果、空気流側の圧力損失が増加し、ガスタービン全体の効率が低下する。
【００５２】
また、図２９に示す比較例の燃料ノズルと空気ノズルの組合せにおいては、燃料ノズル先端に設けたリブ５２によって空気流に乱れを起こし、燃料と空気の混合を促している。しかし、空気ノズルの閉塞を回避するために燃料ノズル２２の先端を空気ノズル２１の入口より上流側に配置すると、リブ周囲は広い空間に面し周囲の空気流速が遅くなる。そのため、リブ５２から発生する乱れ２６が弱くなり、混合促進効果は損なわれてしまう。
【００５３】
一方、本実施例では空気ノズル２１の入口部にテーパ部５０を設けるとともに、燃料ノズル２２の先端が空気ノズル２１の入口よりも上流に配置されている。このテーパ部５０は、空気ノズル２１の入口部において、空気流路断面積が入口部から下流側へ次第に減少するように、空気ノズルプレート２０に設けられている。そのため、燃料ノズル２２を太くしても空気ノズル流路を大きく閉塞することはない。
【００５４】
また、障害物２４は空気ノズル２１の内部に配置されており、障害物２４の周囲を通過する空気の流速は早く、障害物２４の下流に強い乱れ２６が発生する。そのため、燃料と空気の混合を促進することができる。
【００５５】
そして、燃料噴流２９は一度障害物２４に衝突し運動量を大きく失う。そのため、燃料流量の増加によって混合促進効果が大きく制限されることはない。以上のように、本実施例は水素リッチ燃料などのカロリーが低く流量が増加する燃料において、燃料および空気の圧力損失の増加を抑えつつ、燃料と空気の混合を図ることができる。
【００５６】
本実施例では、空気ノズル入口にテーパ部５０を設けている。但し、燃焼器全体における圧力損失に余裕があり、燃料ノズル先端と空気ノズル入口の間の流路面積が十分に確保されていれば、テーパを設けなくても問題ない。
【００５７】
本実施例は、特に水素リッチ燃料に有効である。水素リッチ燃料は、非常に燃焼速度が速く、逆火の恐れが非常に高い燃料である。そのため、ガスタービンに水素リッチ燃料を用いる場合、予混合燃焼器では予混合距離が長く逆火の恐れがあるため、拡散燃焼器が使用されている。拡散燃焼器においてＮＯｘの排出量を抑制するために、窒素や水蒸気を燃焼室内に噴霧し火炎温度を低下させる必要があり、プラント全体としての効率は低下してしまう問題がある。
【００５８】
本実施例の構成では、非常に短い距離で燃料と空気を混合することができるため、逆火のリスクは小さい。また、窒素や水蒸気を燃焼室に噴霧することなくＮＯｘの排出量も抑制することができるため、信頼性が高くかつプラント全体の効率も高く運用することができる。
【実施例５】
【００５９】
実施例５を図２０に示す。本実施例は、実施例１において障害物の形状に変更を施している。本実施例では障害物２４を細長い板とし、障害物自体が支持機能を有している。実施例１と同様に、障害物２４は空気ノズル２１の内部に配置され、かつ燃料ノズル２２の下流に配置されており、燃料噴流２９が障害物２４に衝突する位置関係となっている。障害物２４は燃料噴流２９を受け止めて運動量を減衰させる機能を有するために、障害物代表長さ３２は少なくとも燃料ノズル２２の噴孔径３１よりも太くすることが好ましい。本実施例における障害物代表長さ３２は、板幅に相当する。
【００６０】
障害物２４の下流には、空気流の乱れ２６が発生し燃料と空気の混合を促進する。このように障害物２４の形状を簡略化することでコスト低減を図ることができる。
【００６１】
図２１（ａ），（ｂ）は障害物２４における他のバリエーションを示した図である。本案では図２０とは違い、角部５３を有する。図２２の角部拡大図に示すように、角部５３では、障害物２４に衝突して流れ方向を変えた空気流４６とそのまま角部５３をすり抜ける空気流４７が交差し、流れ方向の異なる空気流が多数衝突するため、強い乱れが発生すると考えられる。障害物に衝突した燃料噴流は、前述の空気流の乱れへ流入してくるため燃料と空気の混合が行われる。また、角部が多くなればなるほど障害物下流における燃料の分布も均一化され、燃料と空気の混合に有利である。
【実施例６】
【００６２】
実施例６を図２３から図２５に示す。図２３はＤ−Ｄ断面における断面図、図２４は正面図およびＦ−Ｆ矢視図、図２５はＥ−Ｅ断面図である。本実施例は実施例１と同様に、障害物２４は空気ノズル２１の内部に配置され、かつ燃料ノズル２２の下流に配置されており、燃料噴流２９が障害物２４に衝突する位置関係となっている。実施例１において、障害物２４は支持部材２５によって空気ノズル２１に固定されていた。しかし、本実施例では図２５に示すように、支持部材２５によって燃料ノズル２２に固定されている点が相違する。
【００６３】
本実施例のメリットとして、支持部材２５が空気ノズル２１の流路を塞がないため、空気流側の圧力損失増加を抑制することができる。また、障害物２４が燃料ノズル２２に固定されているため、障害物２４と燃料ノズル２２の中心軸（芯）を合わせやすい。
【００６４】
図３０は、本実施例の加工例を示す。図２９に示す比較例の燃料ノズルでは燃料噴流の内部流路５７が燃料ノズル先端まで貫通している。本加工例では図３０のように、燃料噴流の内部流路５７を燃料ノズル先端部５９まで貫通させない。そして、領域５８のうち支持部分となる一部を残して削ることにより、燃料ノズル先端の下流に障害物を配置した構成を得ることができる。燃料ノズル先端部５９が障害物の役割を果たし、燃料ノズル２２の内部を流れる燃料流４８は燃料ノズル先端で一度衝突し、周囲に広く拡散する。このような製作方法を取ることで燃料ノズルと障害物，支持部材を一体で製作することができる。また、燃料ノズルと障害物の芯合わせなど加工の精度を出しやすくし、部品点数を減らすことができる。
【００６５】
そして、特許文献１に示す既存の燃焼器において、本実施例の燃料ノズルと交換することにより、燃焼器を改造することも可能である。具体的には、第１に、燃料ノズルから噴出された燃料噴流を衝突させると共に、空気ノズルに流入する空気流の乱れを生じさせる障害物を設けた障害物付き燃料ノズル（図２３の燃料ノズル２２に相当）を既存の燃料ノズルと交換する。第２に、障害物が空気ノズル内部に位置するように、燃料ノズルと空気ノズルプレートとの位置関係を調整する。このような手順により、既存の燃焼器においても容易に改造を行い、燃料流量によらず燃料と空気の更なる混合促進を図ることができる。
【実施例７】
【００６６】
実施例７を図２６に示す。図２６は空気ノズルおよび障害物の正面図を示したものである。本実施例は実施例６と同様に、燃料ノズルの下流に障害物２４を設置し、その障害物は空気ノズル内部に配置されている。また、障害物２４は支持部材によって燃料ノズルに固定されている。実施例６では障害物は円形平板であったのに対し、本実施例の障害物２４は円形平板から切り込み５５を多数設けた点が異なる。
【００６７】
本実施例では、実施例６と同様に燃料ノズルから噴出された燃料噴流は障害物２４に衝突し、障害物２４の半径方向外側に広がる。一方、図２２に示した現象と同様に、切り込み５５をすり抜ける空気流と障害物２４に衝突し流れ方向を変えて流入してくる空気が出会うため、向きが大きく異なる流れの境界面で渦が発生し、強い乱れを発生する。そこへ燃料も流入してくるため、燃料と空気を急速に混合させることができる。
【００６８】
本実施例に示す障害物２４の形状は、空気ノズル側に障害物を固定する場合でも有効である。また、図１３や図１４に示した形状は、燃料ノズルに障害物を固定する場合でも同様に有効である。
【実施例８】
【００６９】
実施例８を図２７，図２８に示す。図２７は空気ノズル，燃料ノズル，障害物を示した断面図、図２８は空気ノズル２１を燃焼室側から見た正面図である。本実施例は実施例１と同様に、燃料ノズルの下流に障害物を配置しており、燃料噴流を障害物に衝突させるような位置関係を有している。一方で、実施例１とは異なり、本実施例では空気ノズル２１にテーパ部５０を設け、空気ノズル２１の入口断面に、障害物２４の上流壁面が接するように、障害物２４を配置している。即ち、障害物２４は、空気ノズル２１の空気流路断面積が最も大きい入口断面に配置される。空気ノズル２１にテーパ部５０を設けることにより、空気ノズル２１の入口断面における開口面積が増大する。そのため、障害物代表長さ３２を大きくしても空気流路の開口面積を十分確保でき、空気流側の圧力損失の増加を防ぐことができる。また、障害物２４を大きくすることによって燃料と空気の境界面積を増加させることができる。この効果によって燃料と空気の混合を促進させることができる。
【００７０】
本実施例を図８，図９の方法で製作した場合、溝２７を浅くすることができるため、障害物および支持部材を空気ノズルプレートに取り付けやすいといったメリットがある。
【００７１】
なお、空気ノズル入口に限らずテーパ部５０の範囲であれば、空気ノズル２１の断面流路は広い。そのため、テーパ部５０が設けられた空気ノズルの区間に、障害物２４を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施例１における燃料ノズル，空気ノズルおよび障害物とその位置関係ならびに空気流，燃料噴流の流れを示した断面図である。
【図２】実施例１の空気ノズルを空気ノズル下流から見た正面図である。
【図３】実施例１における燃料ノズル，空気ノズル，障害物，支持部材とその位置関係ならびに空気流，燃料噴流の流れを示した断面図である。
【図４】実施例１における空気ノズルおよび支持部材の断面図である。
【図５】実施例１における空気ノズルおよび空気ノズルプレート，障害物，支持部材の構成例を示した断面図である。
【図６】実施例１における障害物と支持部材の構成例を示した図である。
【図７】実施例１における空気ノズルプレートおよび溝加工の例を示した断面図および正面図である。
【図８】実施例１における空気ノズルおよび空気ノズルプレート，障害物，支持部材の構成例を示した断面図である。
【図９】実施例１における空気ノズルプレートおよび溝加工の例を示した断面図および後方図である。
【図１０】実施例１における支持部材の断面形状の例を示した断面図である。
【図１１】実施例１における障害物の支持方法例および障害物と支持部材の構成例を示した図である。
【図１２】実施例１における障害物の支持方法例を示した図である。
【図１３】実施例１における障害物の形状のバリエーションを示した図および縦渦の発生を示した図である。
【図１４】実施例１における障害物の形状のバリエーションを示した図である。
【図１５】実施例２における燃料ノズル，空気ノズルおよび障害物とその位置関係ならびに空気流，燃料噴流の流れを示した断面図である。
【図１６】実施例２における燃料ノズル先端部および障害物の拡大図である。
【図１７】燃料ノズルと空気ノズルの中心軸がずれた場合における、燃料ノズル，空気ノズルおよび障害物とその位置関係の例ならびに空気流，燃料噴流の流れを示した断面図である。
【図１８】実施例３における燃料ノズル，空気ノズルおよび障害物とその位置関係ならびに空気流，燃料噴流の流れを示した断面図である。
【図１９】実施例４における燃料ノズル，空気ノズルおよび障害物とその位置関係ならびに空気流，燃料噴流の流れを示した断面図である。
【図２０】実施例５における空気ノズルおよび障害物を示した正面図である。
【図２１】実施例５における空気ノズルおよび障害物の例を示した正面図である。
【図２２】実施例５における障害物の角部をすり抜ける空気流の流れを示した拡大図である。
【図２３】実施例６における燃料ノズル，空気ノズルおよび障害物とその位置関係ならびに空気流，燃料噴流の流れを示した断面図である。
【図２４】実施例６における空気ノズルと障害物の正面図及び、空気ノズル，支持部材，燃料ノズルを示した断面図である。
【図２５】実施例６における燃料ノズル，空気ノズルおよび障害物，支持部材とその位置関係ならびに空気流，燃料噴流の流れを示した断面図である。
【図２６】実施例７における空気ノズルおよび障害物の正面図である。
【図２７】実施例８における燃料ノズル，空気ノズルおよび障害物とその位置関係ならびに空気流，燃料噴流の流れを示した断面図である。
【図２８】実施例８における空気ノズルおよび障害物，支持部材の正面図である。
【図２９】比較例の燃料ノズルと空気ノズルおよび空気流と燃料噴流の流れの例を示した断面図である。
【図３０】実施例６における燃料ノズルおよび障害物，支持部材の加工方法例である。
【図３１】ガスタービン燃焼器の全体を表す概略図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  燃焼室
２  外筒
３  燃焼器ライナ
４  トランジションピース
５  圧縮機
６  タービン
７  デフューザ
８  エンドカバー
１０  空気
１１  冷却空気
１２  空気流
１４，１５，１６  燃料供給系統
１４ａ，１５ａ，１６ａ  制御弁
１４ｂ，１５ｂ，１６ｂ  遮断弁
２０  空気ノズルプレート
２１  空気ノズル
２２  燃料ノズル
２３  燃料ヘッダー
２４  障害物
２５  支持部材
２６  乱れ（渦）
２７  溝
２９  燃料噴流
３１  燃料噴孔径
３２  障害物代表長さ（直径，幅）
３３  燃料ノズル先端部の外径
４１  縦渦
４５  剥離流
４８  燃料流
５０，５１  テーパ部
５２  リブ
５３，５４  角部
５５  切り込み
５６  窪み
５７  燃料噴流の内部流路
５９  燃料ノズル先端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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