(57)【要約】【課題】掃気空気によるカーボン付着防止効果は維持しつつ、燃料過剰領域の生成を阻止し、煤煙を低減することができるガスタービン機関の燃料噴射ノズルを得る。【解決手段】ノズル先端部の燃料噴射口を燃焼器に開口させ、燃料噴射口から燃焼器へ所定の噴射角で液体燃料を噴霧供給するとともに、ノズル先端部の外周に間隙を有して囲い管６７を外挿することで燃料噴射口と同心円状の円環間隙となる掃気空気出口を形成し、この掃気空気出口からノズル先端部へ掃気空気を供給するガスタービン機関の燃料噴射ノズル５１であって、掃気空気出口から供給される掃気空気を旋回させる旋回付与手段７５を、囲い管６７に設けた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル先端部の燃料噴射口を燃焼器に開口させ、前記燃料噴射口から前記燃焼器へ所定の噴射角で液体燃料を噴霧供給するとともに、前記ノズル先端部の外周に間隙を有して囲い管を外挿することで前記燃料噴射口と同心円状の円環間隙となる掃気空気出口を形成し、該掃気空気出口から前記ノズル先端部へ掃気空気を供給するガスタービン機関の燃料噴射ノズルであって、
前記掃気空気出口から供給される掃気空気を旋回させる旋回付与手段を、前記囲い管に設けたことを特徴とするガスタービン機関の燃料噴射ノズル。
【請求項２】
請求項１記載のガスタービン機関の燃料噴射ノズルであって、
前記旋回付与手段が、
空気の通気路に露出された前記囲い管の外周壁と、
前記囲い管の中心を通る半径方向の仮想線に対して所定角度を有して該外周壁に穿設され前記通気路から前記円環間隙へ空気を導入する掃気空気導入口と
からなることを特徴とするガスタービン機関の燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単筒缶型燃焼器を搭載したガスタービン機関の燃料噴射ノズルに関し、更に詳しくは、ノズル先端部に供給される掃気空気による液体燃料の噴射角減少を防止する改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、発電システムに用いられるガスタービンには液体燃料を使用する単筒缶型燃焼器を搭載したものがある。図６は単筒缶型燃焼器を備えたガスタービンエンジンの断面図、図７は従来の燃料噴射ノズルの外観を表す正面図、図８は図６のイ部拡大図、図９は図８のＢ−Ｂ断面図である。この種のガスタービン１では、吸気口３から吸い込まれた空気が圧縮機５におけるロータ７の回転により圧縮され、高温高圧の状態となって燃焼器９に導かれる。燃焼器９に導かれた空気は、供給燃料と混合して燃焼され、高温高圧の燃焼ガスとなる。燃焼ガスは、タービン部１１で膨張し、そのエネルギーがタービン１３の回転力に変換される。回転力の一部は圧縮機５の動力となり、他の一部はガスタービン１の出力となる。タービン部１１で回転力に変換された後の燃焼ガスは、排気部１５を通過して外部に排出される。
【０００３】
燃焼器９には液体燃料を供給する燃料噴射ノズル１７が設けられる。燃料噴射ノズル１７は、図７に示すように、フランジ部１９を有する。燃料噴射ノズル１７は、フランジ部１９が燃焼器９の外筒蓋体２１に固定されることで下方の管体２３が燃焼器９の内部に挿入される。燃料噴射ノズル１７の上部には第１燃料供給口２５、第２燃料供給口２７が開口され、第１燃料供給口２５から供給された液体燃料は図８に示す第１供給路２９を流下して円錐形状の渦巻き室３１に至る。第２燃料供給口２７から供給された液体燃料は第２供給路３３を通過して渦巻き室３１の側面より供給される。従って、渦巻き室３１で合流した液体燃料は、旋回成分を与えられ、燃焼器９内で開口する燃料噴射口３５から所定の噴射角で噴霧供給される。このようにして噴霧供給された液体燃料は、遠心力によって微粒化される。
【０００４】
ところで、ノズル先端部３７は、液体燃料によって冷却されるため、低温状態にあり、それにより、燃料の燃え残りがカーボンとなって付着し易い状態にある。このため、従来の燃料噴射ノズル１７では、ノズル先端部３７の外周に間隙を有して囲い管３９を外挿することで燃料噴射口３５と同心円状の円環間隙となる掃気空気出口４１を形成し、囲い管３９に穿設した図９に示す掃気空気導入口４３より空気を導入し、掃気空気出口４１からノズル先端部３７へ掃気空気を供給することで、カーボン付着を防止していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の燃料噴射ノズルでは、掃気空気出口から掃気空気が供給されると、燃料噴射口から所定の噴射角で噴霧供給された液体燃料が外側から供給される掃気空気と干渉し、噴射角が減少する影響を受けた。この結果、液体燃料が遠心力によって十分に微粒化されなくなり、煤煙排出の要因の一つとして考えられる燃料過剰領域が生成された。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、掃気空気によるカーボン付着防止効果は維持しつつ、燃料過剰領域の生成を阻止し、煤煙を低減することができるガスタービン機関の燃料噴射ノズルを得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
この発明の請求項１記載の燃料噴射ノズル５１は、ノズル先端部３７の燃料噴射口３５を燃焼器９に開口させ、前記燃料噴射口３５から前記燃焼器９へ所定の噴射角で液体燃料を噴霧供給するとともに、前記ノズル先端部３７の外周に間隙を有して囲い管６７を外挿することで前記燃料噴射口３５と同心円状の円環間隙８３となる掃気空気出口４１を形成し、該掃気空気出口４１から前記ノズル先端部３７へ掃気空気を供給するガスタービン機関１の燃料噴射ノズル５１であって、前記掃気空気出口４１から供給される掃気空気を旋回させる旋回付与手段７５を、前記囲い管６７に設けたことを特徴とする。
【０００７】
この燃料噴射ノズル５１では、掃気空気出口４１からノズル先端部３７へ掃気空気が供給される燃料噴射ノズル５１において、掃気空気出口４１から供給される掃気空気を旋回させる旋回付与手段７５が囲い管６７に設けられ、掃気空気出口４１から供給される掃気空気がノズル先端部３７に接触する旋回流として供給され、ノズル先端部３７に対するカーボン付着が防止されるとともに、旋回成分を有する掃気空気によって半径方向外側に向かうガスの流れが誘引され、液体燃料の噴射角が広げられる。これにより、液体燃料の微粒化が促進され、燃料過剰領域が生成され難くなり、煤煙が低減されることになる。
【０００８】
請求項２記載の燃料噴射ノズル５１は、請求項１記載のガスタービン機関の燃料噴射ノズル５１であって、前記旋回付与手段７５が、空気の通気路６９に露出された前記囲い管６７の外周壁７３と、前記囲い管６７の中心７９を通る半径方向の仮想線８１に対して所定角度αを有して該外周壁７３に穿設され前記通気路６９から前記円環間隙８３へ空気を導入する掃気空気導入口７７とからなることを特徴とする。
【０００９】
この燃料噴射ノズル５１では、通気路６９に陽圧の空気が通され、通気路６９に露出されている囲い管６７の掃気空気導入口７７からこの空気が囲い管６７の内側に導入される。囲い管６７の内側にはノズル先端部３７との間に円環空間となる間隙が形成され、この円環空間は掃気空気出口４１となって燃料噴射口３５を包囲して開口される。そして、掃気空気導入口７７を介して囲い管６７の内側に導入される空気は、掃気空気導入口４１が囲い管６７の中心７９を通る半径方向の仮想線８１に対して所定角度αを有していることで、囲い管６７の軸線回りに旋回しながら流下し、掃気空気出口４１から旋回掃気空気流となって供給される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン機関の燃料噴射ノズルの好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る燃料噴射ノズルの外観を表す正面図、図２は燃焼器に取付けられた燃料噴射ノズルの断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。なお、図６〜図９に示した部材と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
【００１１】
燃料噴射ノズル５１は、本体５３の下部が、フランジ部１９を境に管体２３となる。本体５３には、第１燃料供給口２５と、第２燃料供給口２７とが開口されている。図２に示すように、管体２３は、外管５５と、内管５７とからなる。内管５７は、間隙を有して外管５５の内部に装着され、本体５３の上面に螺着される栓体５９により皿バネ６１を介して押圧固定される。
【００１２】
内管５７の内部は、軸線方向に延在する第１供給路２９となり、上記第１燃料供給口２５と通じる。また、内管５７と外管５５との間隙は、第２供給路３３となり、上記第２燃料供給口２７と通じる。外管５５の先端には渦巻き室３１が固設される。渦巻き室３１には、第１供給路２９が同軸に接続され、その側面には連通孔６３を介して第２供給路３３が接続される。渦巻き室３１の先端は、燃料噴射口３５となって燃焼器９の内筒６５に開口される。
【００１３】
第１燃料供給口２５から供給された液体燃料は第１供給路２９を流下して円錐形状の渦巻き室３１に至る。第２燃料供給口２７から供給された液体燃料は第２供給路３３を通過して渦巻き室３１の側面より供給される。従って、渦巻き室３１で合流した液体燃料は、旋回成分を与えられ、燃焼器９内で開口する燃料噴射口３５から所定の噴射角で噴霧供給される。このようにして噴霧供給された液体燃料は、遠心力によって微粒化される。
【００１４】
外管５５の先端には間隙を有して囲い管６７が外挿される。ノズル先端部３７の外周に間隙を有して囲い管６７を外挿することで、管体２３の先端には、燃料噴射口３５と同心円状の円環間隙となる掃気空気出口４１が形成される。
【００１５】
燃焼器９の内筒６５は、通気路６９を介して燃焼器９の外筒蓋体７１に覆われる。燃料噴射ノズル５１は、フランジ部１９が外筒蓋体７１に固定される一方、燃料噴射口３５が燃焼器９の内筒６５内で開口されることで、その中間部分である囲い管６７の外周壁７３が通気路６９に露出される。この通気路６９に露出した囲い管６７には旋回付与手段７５が設けられている。
【００１６】
本実施の形態において、旋回付与手段７５は、外周壁７３に穿設される掃気空気導入口７７によって構成されている。掃気空気導入口７７は、図３に示すように、囲い管６７の中心７９を通る半径方向の仮想線８１に対して所定角度αを有して、外周壁７３に穿設されている。外管５５の先端外周は縮径された小径部８２となっている。外管５５に外挿された囲い管６７は、この小径部８２との間が円環間隙８３となる。陽圧である通気路６９内の空気は、この掃気空気導入口７７から円環間隙８３内へと導入される。なお、図２中、８５は、スワラー（渦巻翼）を表す。
【００１７】
上記のように構成された燃料噴射ノズル５１では、通気路６９に例えば陽圧の空気（例えば圧縮機５で圧縮された高温高圧空気又は燃焼空気）が通され、通気路６９に露出されている囲い管６７の掃気空気導入口７７からこの空気が囲い管６７の内側に導入される。囲い管６７の内側にはノズル先端部３７（外管５５の小径部８１）との間に円環空間となる間隙（円環間隙８３）が形成され、この円環間隙８３は掃気空気出口４１となって燃料噴射口３５を包囲して開口される。そして、掃気空気導入口７７を介して囲い管６７の内側に導入される空気は、掃気空気導入口７７が囲い管６７の中心７９を通る半径方向の仮想線８１に対して所定角度αを有していることで、囲い管６７の軸線回りに旋回しながら流下し、掃気空気出口４１から旋回掃気空気流となって燃焼器９内に供給される。
【００１８】
従って、上記の燃料噴射ノズル５１によれば、掃気空気出口４１から供給される掃気空気がノズル先端部３７に接触する旋回流として供給され、ノズル先端部３７に対するカーボン付着が防止されるとともに、旋回成分が有する掃気空気によって半径方向外側に向かうガスの流れが誘引され、液体燃料の噴射角が広げられる。これにより、液体燃料の微粒化が促進され、燃料過剰領域が生成され難くなり、煤煙が低減されることになる。また、旋回を与えた掃気空気を燃料噴射口３５の近傍に導入することで、液体燃料と空気との混合が促進され、排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ  を低減する効果も得ることができる。
【００１９】
上記実施の形態の構成で製作した対策後の燃料噴射ノズルと、従来構成の対策前の燃料噴射ノズルとをガスタービンに用い、排気スモークレベルと、ＮＯｘ  −ＣＯレベルを比較した結果を図４、図５に示す。
図４から明らかなように、対策後の燃料噴射ノズルを用いたガスタービンでは、対策前の燃料噴射ノズルを用いたガスタービンに比べ、全ての負荷率において排気スモークレベルの低減することが認められた。また、図５から明らかなように、対策後の燃料噴射ノズルを用いたガスタービンでは、対策前の燃料噴射ノズルを用いたガスタービンに比べ、排気ガス中のＮＯｘ  −ＣＯレベルの低減することが認められた。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガスタービン機関の燃料噴射ノズルによれば、掃気空気出口からノズル先端部へ掃気空気を供給する燃料噴射ノズルにおいて、掃気空気出口から供給される掃気空気を旋回させる旋回付与手段を、囲い管に設けたので、掃気空気出口から供給される掃気空気をノズル先端部に接触する旋回流として供給でき、ノズル先端部に対するカーボン付着を防止できるとともに、旋回成分を有する掃気空気によって半径方向外側に向かうガスの流れを誘引させて、液体燃料の噴射角を広げることができる。この結果、液体燃料の微粒化を促進させて、燃料過剰領域の生成を阻止し、煤煙を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料噴射ノズルの外観を表す正面図である。
【図２】燃焼器に取付けられた燃料噴射ノズルの断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明に係る燃料噴射ノズルと従来ノズルとの排気スモークレベルを比較した説明図である。
【図５】本発明に係る燃料噴射ノズルと従来ノズルとのＮＯｘ  −ＣＯレベルを比較した説明図である。
【図６】単筒缶型燃焼器を備えたガスタービンエンジンの断面図である。
【図７】従来の燃料噴射ノズルの外観を表す正面図である。
【図８】図６のイ部拡大図である。
【図９】図８のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
１…ガスタービン機関
９…燃焼器
３５…燃料噴射口
３７…ノズル先端部
４１…掃気空気出口
５１…燃料噴射ノズル
６７…囲い管
６９…通気路
８３…円環間隙
７３…外周壁
７５…旋回付与手段
７７…掃気空気導入口
７９…囲い管の中心
８１…半径方向の仮想線
α…所定角度
【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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