(57)【要約】【課題】蒸気噴射を組込んだ補助空気式渦巻き燃料ノズルについて、信頼性が高く補機動力を削減する燃料ノズル構造を提供する。【解決手段】燃料ノズル７はノズルボディ部１０とノズル噴射部１１からなり、液体燃料１０６，補助空気１０３，蒸気１０７はそれぞれ液体燃料流路１７，補助空気流路１８および蒸気流路１９を通ってノズル噴射部１１へ供給される。ノズル噴射部１１の構成部材である液体燃料ノズル３０，補助空気ノズル３７，蒸気流路４４及び燃焼空気環状流路５０を円筒径構造をベースとする一体構造とし、各部材を径方向に密着させて組立て構造とし、蒸気噴射時は補助空気の供給を絞って運転する。【効果】各部材が軸方向にスライド可能であるので、部材間の熱伸び差を吸収し、蒸気噴射時は補助空気用の動力が削減できる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を燃焼させる燃焼室に燃焼室中心軸に沿って該液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、該液体燃料ノズルの外周に配置され空気を噴出する空気ノズルと、該空気ノズルの外周に配置され蒸気を噴出する蒸気ノズルとを備えたガスタービン燃焼器であって、
噴出方向が該燃焼室中心軸と交差するよう該空気ノズル及び該蒸気ノズルを配置したことを特徴とする、ガスタービン燃焼器。
【請求項２】
液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、該液体燃料ノズルの外周に配置され空気を噴出する空気ノズルと、該空気ノズルの外周に配置され蒸気を噴出する蒸気ノズルとを備えた燃料ノズルであって、
噴出方向が該液体燃料ノズルの中心軸と交差するよう該空気ノズル及び該蒸気ノズルを配置したことを特徴とする、燃料ノズル。
【請求項３】
請求項２記載の燃料ノズルであって、
前記燃料ノズルを固定するノズルフランジを備え、該空気ノズル及び該蒸気ノズルを形成する部材の液体燃料ノズル中心軸方向での上流側が、前記ノズルフランジに該部材における上流のネジ部によって固定され、前記部材の下流側は、前記液体燃料ノズル中心軸方向に自由度をもって取り付けられていることを特徴とする、燃料ノズル。
【請求項４】
液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、該液体燃料ノズルの外周に配置され空気を噴出する空気ノズルと、該補助空気ノズルの外周に配置され蒸気を噴出する蒸気ノズルと、該蒸気ノズルの外周に配置され燃焼空気を噴出する燃焼空気ノズルとを備えた燃料ノズルであって、
該蒸気ノズルから該燃焼空気ノズルへ前記蒸気を供給する蒸気バイパス流路を設けたことを特徴とする、燃料ノズル。
【請求項５】
液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、該液体燃料ノズルの外周に配置され空気を噴出する空気ノズルと、該空気ノズルの外周に配置され蒸気を噴出する蒸気ノズルと、該蒸気ノズルの外周に配置され気体燃料を噴出する気体燃料ノズルとを備えた燃料ノズルであって、
前記液体燃料ノズルの中心軸方向に向かって該空気ノズル及び該蒸気ノズルを傾けて設置したことを特徴とする、燃料ノズル。
【請求項６】
液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、該液体燃料ノズルの外周に配置され空気を噴出する空気ノズルと、該空気ノズルの外周に配置され蒸気を噴出する蒸気ノズルとを備え、前記液体燃料ノズルの下流側に設置した燃焼室に該液体燃料を噴出するガスタービン燃焼器の燃料噴射方法であって、
前記空気の噴出有無に関わらず、前記蒸気を前記液体燃料ノズルの中心軸方向に向けて噴出することを特徴とする、ガスタービン燃焼器の燃料噴射方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン燃焼器とその燃料ノズル及びガスタービン燃焼器の燃料噴射方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ガスタービンに用いられる燃焼器は、軽油，灯油及び軽質重油に代表される液体燃料や気体燃料を用いる。これらの燃料を燃焼室内の燃料ノズルに供給し、液体燃料は通常噴霧として、気体燃料は噴流として燃焼室内に噴射される。しかし、燃料のみの噴射では、ＮＯｘが発生するため、特許文献１にはＮＯｘ低減のために蒸気を燃焼室内に噴射する方法が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２１３４５１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
蒸気ノズルと液体燃料ノズルを隣接構造にすると、液体燃料が蒸気により高温に加熱されてしまう。そこで、特許文献１には、液体燃料ノズルと蒸気ノズルとの間に冷却空気通路を設置した構造が開示されている。しかし、冷却空気は圧縮機の吐出空気圧力よりも高圧の補助空気が必要であり、通常は圧縮機の吐出空気の一部を抽気し、補助圧縮機で昇圧する必要があった。このため、本形式のノズルは補機を必要とし、補助圧縮機を駆動するための動力消費を要する。よって、補助圧縮機を駆動するための動力消費を減らしても、液体燃料を適切に微粒化させることが課題であった。
【０００５】
本発明は、液体燃料の更なる微粒化を図り、ＮＯｘの低減を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液体燃料を燃焼させる燃焼室に燃焼室中心軸に沿って該液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、該液体燃料ノズルの外周に配置され空気を噴出する空気ノズルと、該空気ノズルの外周に配置され蒸気を噴出する蒸気ノズルとを備えたガスタービン燃焼器であって、噴出方向が該燃焼室中心軸と交差するよう該空気ノズル及び該蒸気ノズルを配置したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
図１はガスタービン１の構成を示す。ガスタービン１は、圧縮機２，燃焼器３，タービン４およびロータ５ａ，５ｂより構成される。圧縮機２は、大気１００を吸い込み、昇圧する。昇圧した空気１０１は、燃焼器３に供給する。燃焼器３は、圧縮機による空気１０１を燃焼し、高温の燃焼ガス１０４を排出する。タービン４は、高温の燃焼ガス１０４を膨張させることで動力に変換する。タービン４により得られる動力は、ロータ５ａ，５ｂを介して圧縮機２と発電機６などの負荷を駆動する。タービン４から排出する排気１０５は、高温の熱エネルギーを有しているので、排熱回収ボイラ（図示せず）で熱エネルギーを回収することも可能である。熱エネルギーの回収方法として、蒸気を発生させ、蒸気タービンで動力を得たり、工場蒸気として利用することが考えられる。また、蒸気の一部を抽気して燃料ノズル７に蒸気１０７を供給することも可能である。
【０００８】
本実施例における燃料ノズル断面を図２に示す。燃料ノズル７は、主にノズルボディ部１０とノズル噴射部１１とから構成する。
【０００９】
ノズルボディ部１０は、液体燃料や補助空気，蒸気を、燃焼器外筒カバー５２の外側から燃焼室内に導くための流路を有する。そして、ノズルボディ部１０は各流体の入口部と中継流路１６より構成する。次に、ノズルボディ部１０を構成する部材について説明する。ノズルボディ部１０は、中心部に液体燃料１０６を供給する液体燃料供給管１２を有する。その外周側に補助空気供給内管１３，補助空気供給外管１４を配置して、補助空気を供給する環状流路を形成する。さらに、補助空気を供給する環状流路の外周側に蒸気供給管１５を配置し、蒸気１０７を供給する環状流路を形成する。そして、液体燃料供給管１２の上流端から液体燃料を供給し、下流端は中継流路１６に溶接で接合される。ここで、各種燃料が流れる向きをもとに機器の上流・下流を定義している。同様に、環状の補助空気流路，蒸気流路は、上流端は閉構造で側面にフランジ付の流体流入部を有し、下流端は中継流路１６に溶接で接合されている。したがって、中継流路１６を構成する部材は中心部からそれぞれ液体燃料流路１７，補助空気流路１８，蒸気流路１９を有する。そして、中継流路１６の下流端部は、ノズル噴射部１１とネジ締結するためのネジ要素を有し、部材が張り出した円筒の形状をしている。したがって、中心側から順に、液体燃料流路締結部２０，補助空気流路締結部２１、および蒸気流路締結部２２を有する。中継流路断面を示した図が図３である。液体燃料流路１７は一個の穴流路，補助空気流路１８，蒸気流路１９は複数の穴流路で構成する。
【００１０】
ノズル噴射部１１は、燃焼室内に噴射する各流体の噴射孔を備える。液体燃料ノズル３０，補助空気ノズル３７，蒸気ノズル４３、及び燃焼空気ノズル５０より構成する。
【００１１】
一般に渦巻き噴射弁と呼ばれる液体燃料ノズル３０によって、液体燃料１０６が燃焼室内に噴射される。液体燃料ノズル３０は、液体燃料短管２３と液体燃料旋回器２７及びノズルチップ２９から構成する。液体燃料短管２３は、上流側にノズルボディ部１０の液体燃料流路締結部２０に取り合うネジ部を有する。また、液体燃料旋回器２７は、円盤状継手２４と軸部材２６を有する。そして、ノズルチップ２９は、下流方向に向かって径が縮小し、端部に液体燃料ノズル３０を有する。液体燃料ノズル３０は、円盤状継手２４を介して液体燃料短管２３とノズルチップ２９とを溶接で一体化している。円盤状継手２４は液体燃料入口孔
２５を複数個有する。液体燃料入口孔２５の出口下流側は、ノズルチップ２９と軸部材２６および液体燃料旋回器２７で囲まれた液体燃料溜り３１を形成する。液体燃料溜り３１により、液体燃料を傾斜溝２８に一様に供給する。液体燃料旋回器２７は、ノズルチップ２９の内周に密着している。
【００１２】
図４が液体燃料旋回器の正面図である。なお、本実施例では傾斜溝であるが、傾斜してあけられた孔であっても良い。また、液体燃料旋回器２７は円盤状継手２４のみとし、液体燃料流路に対応する適切な位置に複数の傾斜孔を設けることによっても可能である。
【００１３】
補助空気ノズル３７は、補助空気短管３３，補助空気旋回器３４，補助空気コーン３６から構成される。補助空気短管３３は、中継流路１６と締結するための締結ネジを有する。補助空気旋回器３４は穴あき円盤形状の部材であり、補助空気に旋回成分を与える。この部材は、補助空気流路に対応する位置に複数の補助空気傾斜孔３５を有し、内周壁面はノズルチップ２９の外周壁と密接するように加工されている。したがって、隙間からのリークを小さくするとともに、径方向の位置決めが容易である。補助空気コーン３６は、下流側に向かって径が縮小し、環状の補助空気ノズル３７を形成する。本実施例では、補助空気ノズル３７から噴出する空気は、燃焼室の中心軸方向に対して３０度から４５度の範囲内で傾いた向きに噴出するよう構成している。この構成により、空気の噴出方向が燃焼室の中心軸と交差する。このような傾斜角度範囲とすることで、液体燃料ノズルから噴出される液体燃料を適切に微粒化することが可能である。なお、補助空気は圧縮機吐出空気１０１の一部を抽気して、補助圧縮機９により昇圧されている。
【００１４】
次に、補助空気ノズル３７による作用・効果を説明する。補助空気ノズル３７の下流側に位置する補助空気コーン３６は、液体燃料ノズル３０のノズルチップ２９外周に沿って補助空気が噴出するように部材を配置する。すなわち、ノズルチップ２９の形状に合わせて補助空気コーン３６の径を縮小することで、ノズルチップ２９から噴射する燃料噴霧の周囲に補助空気コーン３６から高速の旋回空気を流すことを可能にする。このように、補助空気が噴出する際のエネルギーが、液体燃料噴霧の微粒化促進と噴霧パターンの安定化を果たす。
【００１５】
蒸気ノズル４３は、蒸気短管３９と蒸気旋回器４０及び蒸気コーン４２とから構成される。蒸気短管３９は、上流側に中継流路１６のネジ部と結合するためのネジを有する。蒸気旋回器４０は穴あきの円盤形状部材である。この部材は、蒸気流路に対応する位置に旋回を与えるための蒸気傾斜孔４１を有する。蒸気旋回器４０の内周面は、補助空気短管３３の外周面と密接しており、シール効果を有するとともに径方向の位置決めが可能である。蒸気ノズル４３から噴出する蒸気は、補助空気同様に３０度から４５度の範囲で傾いた向きに噴出するよう構成することが望ましい。すなわち、蒸気ノズル４３から噴出する蒸気流と補助空気ノズル３７から噴出する補助空気流は、燃焼器中心軸に対しほぼ同じ角度に傾いて噴射するように構成されており、下流側出口部（噴出口）において流れる向きがほぼ同一である。
【００１６】
次に、蒸気ノズル４３を備えたことによる作用・効果を説明する。第一に、燃焼室内に蒸気を噴出することで、ＮＯｘを低減することが可能である。第二に、蒸気ノズル４３から噴出する蒸気流と補助空気ノズル３７から噴出する補助空気流が、燃焼器軸に対しほぼ同じ角度に傾いて噴射するように設計することで、蒸気流と補助空気流の流れる向きをほぼ同一にしている。したがって、本来、補助空気が果たす液体燃料の微粒化を、蒸気にも期待することが可能である。すなわち、蒸気ノズル４３を本実施例のように配置することで、蒸気も液体燃料の微粒化を行うことが可能となる。そして、その分の補助空気供給量を低減し、補助圧縮機の動力を低減する。また、液体燃料の微粒化を更に促進することも可能である。
【００１７】
燃焼空気ノズル５０は、燃焼空気を旋回流として燃料ノズル端面近傍に供給する役割を有する。燃焼空気供給流路を形成するために、旋回燃焼空気短管４５と空気旋回器４７及び旋回燃焼空気フード４８より構成される。旋回燃焼空気短管４５は、燃焼空気を供給する旋回燃焼空気流入口４６を有し、燃焼器外筒カバー５２にフランジ３８で固定される。空気旋回器４７は、燃焼空気に旋回成分を与えるための部材であり、更に旋回燃焼空気短管４５と旋回燃焼空気フード４８を繋ぐ役割も有する。旋回燃焼空気フード４８は、下流方向に向かって径が縮小し、出口端面において旋回燃焼空気オリフィス４９を形成する。このように、燃焼空気ノズル５０は、溶接によって、空気旋回器４７を介して一体構造となっている。また、空気旋回器４７の内周壁と蒸気短管３９の外周が密接しているため、径方向の位置決めを容易に行うことが可能である。
【００１８】
以上のように構成された燃料ノズル７は、ノズルフランジ５１によって燃焼器外筒カバー５２に固定する。ノズル噴射部１１は、燃焼器外筒５３と燃焼器外筒カバー５２とに格納された燃焼器ライナ５４の頭部開口から、燃焼器内部にわずかに挿入されて取り付けられている。そして、液体燃料と補助空気および蒸気を適正な条件に整えて、旋回燃焼空気とともに燃焼器内へ供給する。
【００１９】
本実施例の作用・効果について説明する。
【００２０】
第一に、本実施例では、液体燃料を渦巻室３２に加圧条件で旋回流として供給し、出口オリフィスから薄い液膜として噴出させている。これにより、液体燃料の微粒化を行う。この液体燃料ノズルの出口部において、液体燃料ノズルの周囲から補助空気を高速に流すことで、液体燃料の微粒化を促進するとともに、液体燃料の噴霧パターンを安定化させる効果を奏する。
【００２１】
第二に、各種の流体を噴射するノズル噴射部１１において、部材間の温度差と線膨張差による熱伸び差が生じることによる熱応力の発生や、逆に、部材間における間隙の発生による噴射流体のリークといった問題があった。特に、最新の高温・高圧ガスタービンや低ＮＯｘ化のために蒸気をノズル噴射部１１から噴射する場合には、流体の温度差が大きくなるため、この問題が顕著であった。そこで、本実施例では、ノズル噴射部１１の固定個所を上流の中継流路１６に対してのみとして、下流の出口部では燃焼器軸方向に自由度を持たせるよう構成した。すなわち、補助空気流路１８に設置した補助空気旋回器３４の内周壁と液体燃料のノズルチップ２９外周壁が溶接されておらず、燃焼器軸方向に自由度を有した密接構造とすることで、液体燃料ノズル３０と補助空気ノズル３７の軸方向変位を自由にしたものである。また、当初から液体燃料ノズル３０と補助空気ノズル３７が燃焼器軸方向に自由度を有した構造であるため、各部材の間隙によるリークを抑制することが可能である。以上の関係は、蒸気旋回器４０内周と補助空気流路１８外周との関係においても同様である。
【００２２】
第三に、蒸気ノズル４３を補助空気ノズル３７の外周に設置することで、蒸気による液体燃料の過熱を防止することが可能である。これは、補助空気流路の空気層が断熱効果を有するために、蒸気の熱が液体燃料に伝わらないためである。よって、液体燃料流路と蒸気流路を近接配置することが可能である。
【００２３】
第四に、蒸気ノズル４３から噴出する蒸気と補助空気ノズル３７から噴出する空気の流れをほぼ同一にすることで、低ＮＯｘ用の蒸気を補助空気の流れと同じパターンで、燃料噴霧に対し高速に流すことができる。したがって、液体燃料の微粒化を補助空気のみで行った場合に比べ、補助空気と蒸気を併用することで液体燃料の更なる微粒化促進を果たすことが可能である。また、補助空気の供給を最小限に絞ることもできるため、補助圧縮機を駆動する動力消費を低減することもできる。通常のガスタービン起動は補助空気圧縮機で昇圧された補助空気を燃料ノズルに供給して運転する。しかし、ガスタービンの出力が上昇し、計画された蒸気が得られる条件に到達すると、補助空気を徐々に減じながら蒸気の供給量を増やし、蒸気噴射による微粒化促進で運転する。すなわち、燃料ノズルに供給する蒸気は液体燃料の微粒化促進とＮＯｘ低減の両方の機能を果たすことになる。
【００２４】
更に、蒸気が十分供給できる環境下では、補助空気を流さず、蒸気のみで燃焼器を稼動することも可能である。この場合、補助圧縮機の動力を全く使用しない効果を奏する。
【００２５】
（第２の実施例）
図５は第２の実施例の燃料ノズル断面を示す。本実施例では、第１の実施例と主要部は同じであるが、蒸気旋回器４０の上流側であり、かつ、蒸気ノズル４３の壁面に蒸気バイパス流路５４を設置している。この蒸気バイパス流路５４は空気旋回器４７の下流につながる。これにより、低ＮＯｘのために蒸気噴射量を多くする必要がある場合、例えば、概略の目安として蒸気を燃料と同等かそれ以上を噴射する時には、蒸気の一部を旋回燃焼空気に混入させて噴射する。このようにすることで、蒸気供給による燃料噴霧中の過度な空気不足を防ぎ、蒸気噴射による燃焼性能への悪影響を抑制できる。なお、蒸気は従来用いられている燃焼器頭部の空気流中や圧縮機吐出空気中へ噴射する方法と併用も可能である。
【００２６】
次に本実施例における作用・効果を説明する。図６は、液体燃料に対し蒸気の量を増加させた場合のＮＯｘ排出量を示した図である。縦軸にＮＯｘ排出量、横軸に液体燃料に対する蒸気量の比を示す。ノズル噴射部１１に蒸気を流す時の蒸気の役割には、液体燃料の微粒化促進と低ＮＯｘ化が挙げられる。
【００２７】
液体燃料の微粒化促進のみを考えた場合、液体燃料に対する蒸気量の比は０．５程度で目的を達成することが可能である。しかし、図６を見ると分かるように、液体燃料に対する蒸気量の比が０．５程度では、ＮＯｘ排出量が環境基準値（７５ｐｐｍ  ）を超える問題があった。そのため、ＮＯｘ排出量が環境基準値を超えないようにするには、液体燃料に対する蒸気量の比を０．５  以上にする必要がある。液体燃料に対する蒸気量の比を高くするほど、低ＮＯｘ化が可能であり、環境基準値を達成できる蒸気量は、燃料の種類やガスタービンの運転条件によって異なるが、概ね燃料と同量である。但し、液体燃料に対する蒸気量の比を１．０  程度よりも高くすると、燃焼空気が不足し、火炎が吹き消えるといった燃焼安定性の低下が顕著となる。そこで、本実施例では、蒸気バイパス流路５４を設置して、液体燃料に対する蒸気量の比が１．０  程度を超えて運転する必要がある時（図６におけるα）、Ａの範囲に相当する量を蒸気バイパス流路５４に流すための構造である。以上のように、蒸気バイパス流路５４を設置することで、蒸気流量を増加した時に燃焼安定性が低下する問題を回避することが可能である。
【００２８】
（第３の実施例）
液体燃料と気体燃料を供給する二種燃料ノズルに適用した場合の実施例が図７である。本実施例において、燃焼器中心から液体燃料，補助空気，蒸気の流路を配置する点は、第１・第２の実施例と同様である。蒸気流路の外周に気体燃料流路を備えた点が相違する。
【００２９】
ノズル噴射部１１は中心部から液体燃料ノズル３０，補助空気ノズル３７，蒸気ノズル４３，気体燃料ノズル５８，旋回燃焼空気フード４８の順に構成する。そして、ノズル噴射部１１の構成部材は全て一体構造であり、それぞれが軸方向に熱伸びを吸収できる構造で組み立てられている。
【００３０】
気体燃料ノズル５８は円筒状部材であり、気体燃料の環状流路５９を形成する。気体燃料ノズル５８の上流側は、中継流路１６の気体燃料流路締結部５７と取り合うネジを有する。また、気体燃料ノズル５８の下流側は、徐々に径を縮小してテーパ部を形成する。テーパ部には、燃焼空気の流路に開口する気体燃料噴孔６０を有し、テーパ部の端面は蒸気ノズル４３に対してシール部を形成する。この部分には金属製のＯリング等を用いてもよい。
【００３１】
本実施例では、二種燃料ノズルにおいても蒸気を用いることが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によって、液体燃料の更なる微粒化を図り、ＮＯｘの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンの簡略図。
【図２】燃料ノズルの縦断面図。
【図３】燃料ノズルボディ接続部の横断面図。
【図４】渦巻噴射ノズルのノズルチップの横断面図。
【図５】燃料ノズルの縦断面図。
【図６】液体燃料に対し蒸気の量を増加させた場合のＮＯｘ排出量を示した図。
【図７】本発明の二種燃料ノズルの実施例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…圧縮機、３…燃焼器、４…タービン、７…燃料ノズル、１０…ノズルボディ部、１１…ノズル噴射部、２３…液体燃料短管、２４…円盤状継手、２５…液体燃料入口孔、２７…液体燃料旋回器、２８…傾斜溝、２９…ノズルチップ、３０…液体燃料ノズル、３３…補助空気短管、３４…補助空気旋回器、３５…補助空気傾斜孔、３６…補助空気コーン、３７…補助空気ノズル、３９…蒸気短管、４０…蒸気旋回器、４１…蒸気傾斜孔、４２…蒸気コーン、４５…旋回燃焼空気短管、４７…空気旋回器、４８…旋回燃焼空気フード、４９…旋回燃焼空気オリフィス。
【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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