(57)【要約】  【課題】  簡単な構成で、主燃料の予混合気をより均一化することが可能で、しかも圧力損失が低い燃焼器予混合燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼器を提供する。  【解決手段】  パイロットノズル３の周囲に複数配設されたメインバーナ６の上流側に、それらをまとめる二重リングを設置し、その内部に枝状予混合ノズル４ａを配設する。二重リングとしては、パイロットノズル３の中心軸に対して略同心状に、それぞれ短い円筒状をした内リング１３及び外リング１４を設けている。これは、パイロットノズル３の中心軸から見て、周囲に複数配設されたメインバーナ６即ちメインバーナ６群のそれぞれ内側及び外側に位置している。そして、内リング１３及び外リング１４の下流端を連結するドーナツ状の平板リング１５を備え、この平板リング１５の下流側面上に複数のメインバーナ６を配設し、二重リングと連設させている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設された予混合器とを有し、該予混合器の上流側に設けた予混合ノズルから前記予混合器を経て、予混合気として前記内筒の下流側にある燃焼室を形成する尾筒内に噴射された燃料が、該尾筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該尾筒内に予混合火炎を生成するようにしたガスタービン燃焼器において、
前記予混合器の上流側に連設され、前記パイロットノズルの中心軸に対して略同心状に設けた内リング及び外リングより成る二重リングを備え、該二重リングの内部に前記予混合ノズルを配設して成ることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
前記予混合ノズルは、前記予混合器の軸心位置に配置したメインノズルを取り囲むように設けたリング状予混合ノズルであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】
前記予混合ノズルは、前記パイロットノズルを取り囲むように設けた全周リング状予混合ノズルであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】
前記予混合ノズルは、横断面周囲が折れ曲がったフィン構造を成し下流側へ向かって開口する錐形状予混合ノズルであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】
内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えたメインノズルとを有し、該メインノズルから予混合気として前記内筒の下流側にある燃焼室を形成する尾筒内に噴射された燃料が、該尾筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該尾筒内に予混合火炎を生成するようにしたガスタービン燃焼器において、
前記予混合器内部に、前記メインノズルを取り囲むように設けたリング状予混合ノズルを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設された予混合器とを有し、該予混合器内部に設けた予混合ノズルから予混合気として前記内筒の下流側にある燃焼室を形成する尾筒内に噴射された燃料が、該尾筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該尾筒内に予混合火炎を生成するようにしたガスタービン燃焼器において、
前記予混合ノズルは、横断面周囲が折れ曲がったフィン構造を成し下流側へ向かって開口する錐形状予混合ノズルであることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器に関するものであり、特に、燃料不均一の改善を図った予混合燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このようなガスタービン燃焼器の、いわゆる予混合気を形成して燃焼を行う予混合バ−ナにおいては、一次空気流に対する燃料の噴入が燃料ノズルの一断面にて集中的に行なわれており、しかも燃料噴出方向が空気流と同一方向であったため、空気と燃料とが均一に混合され難かった。そしてその結果、局部高温燃焼等がおこり、ＮＯｘが発生したり、更には燃焼振動が発生する等の問題が生じていた。このような燃料不均一を改善する手法として，メインノズルのスワラ上流側に設けた枝管から燃料を噴出させる方法が採用されている。
【０００３】
このような従来のガスタービン燃焼器の概要について説明する。図５は、従来よりのガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図である。ガスタービン燃焼器は、同図に示すように、燃焼室としての内部空間を備えた尾筒１２と、予混合気を形成するための機構を備えた内筒１１を有しており、内筒１１の軸心位置には、パイロットコーン５に連通したパイロットノズル３が配置されている。パイロットノズル３の周辺部には、予混合器であるメインバーナ６の軸心位置に、これに連通したメインノズル４が配設されている。
【０００４】
加えて、メインノズル４先端付近外周でメインバーナ６との間には、メインスワラ２が配設されている。なお、本例ではメインノズル４の側面でメインスワラ２の上流側に枝管としての平板７を取り付け、その表面に燃料の噴出孔を設けた平板型ノズルを採用している。概ね以上のようにして、燃焼器１が構成されている。
【０００５】
メインノズルに供給される主燃料はｍで示すように平板７から噴出し、メインバーナ６において予混合気を形成する。一方、パイロットノズル３に供給されるパイロット燃料はパイロットノズル３先端から噴出し、これによりパイロット火炎（拡散火炎）８を生成する。そして、予混合気は尾筒１２に噴射され、尾筒１２内でパイロット火炎８により着火されて、尾筒１２内に予混合火炎９を生成する。
【０００６】
その他、上述した従来の構成と同様にして、スワーラの上流に設けられた中空支柱のガス燃料噴口から燃料ガスを噴出させ、噴射燃料の濃度分布の均一化を図ったガスタービン燃焼器が本出願人により提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
具体的には、先端が閉じ側面に複数のガス燃料噴口が開けられた筒状の燃料ノズル本体と、燃料ノズル本体の外方を囲んで燃料ノズル本体との間に環状断面の空気流路を形成する予混合ノズルと、ガス燃料噴口よりも上流の空気流路に設けられたスワーラと、スワーラの上流に放射状に設けられ、別の複数のガス燃料噴口がそれぞれ開けられた複数の中空支柱とを備えた構成としている。
【特許文献１】特開平６−２８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したような従来のガスタービン燃焼器では、メインノズル側面に設置された枝管から燃料供給を行う構成としているため、その形状を設定するにあたって制約が多く、また、筒状のメインバーナ内に枝管が収められているため、圧力損失も大きくなるという問題があった。本発明は、このような問題点に鑑み、簡単な構成で、主燃料の予混合気をより均一化することが可能で、しかも圧力損失が低い燃焼器予混合燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼器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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、そのパイロットノズルの周辺に配設された予混合器とを有し、その予混合器の上流側に設けた予混合ノズルから前記予混合器を経て、予混合気として前記内筒の下流側にある燃焼室を形成する尾筒内に噴射された燃料が、その尾筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、その尾筒内に予混合火炎を生成するようにした構成において、前記予混合器の上流側に連設され、前記パイロットノズルの中心軸に対して略同心状に設けた内リング及び外リングより成る二重リングを備え、その二重リングの内部に前記予混合ノズルを配設して成ることを特徴とする。
【００１０】
また、前記予混合ノズルは、前記予混合器の軸心位置に配置したメインノズルを取り囲むように設けたリング状予混合ノズルであることを特徴とする。或いは、前記予混合ノズルは、前記パイロットノズルを取り囲むように設けた全周リング状予混合ノズルであることを特徴とする。或いは、前記予混合ノズルは、横断面周囲が折れ曲がったフィン構造を成し下流側へ向かって開口する錐形状予混合ノズルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡単な構成で、主燃料の予混合気をより均一化することが可能で、しかも圧力損失が低い燃焼器予混合燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼器を提供することができる。
【００１２】
具体的には、予混合器の上流側に連設され、パイロットノズルの中心軸に対して略同心状に設けた内リング及び外リングより成る二重リングを備え、二重リングの内部に予混合ノズルを配設することにより、空気流の流速が遅い即ち広い空間で燃料を噴射することができるので、低圧力損失を達成することが可能となり、併せて予混合気をより均一化することが可能となる。また、ノズル形状や配置の自由度も高まり、燃焼器の設計がしやすくなる。
【００１３】
また、予混合器の軸心位置に配置したメインノズルを取り囲むように設けたリング状予混合ノズルを備えることにより、余分な圧力損失を生じさせることなく、特にメインノズル周方向に対する予混合気の均一化を図ることができる。
【００１４】
或いは、パイロットノズルを取り囲むように設けた全周リング状予混合ノズルを備えることにより、余分な圧力損失を生じさせることなく、特にパイロットノズル周方向に対する予混合気の均一化を図ることができる。
【００１５】
或いは、横断面周囲が折れ曲がったフィン構造を成し下流側へ向かって開口する錐形状予混合ノズルを備えることにより、主燃料をこのフィン構造に沿うようにして噴射することで、噴流の乱れを抑制しつつ空気との混合を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明では、パイロットノズルの周囲に複数配設されたメインバーナの上流側に、それらをまとめる二重リングを設置し、その内部に燃料噴射ノズルを配設する構成としている。なお、以下の実施例において、前記従来例と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の実施例１に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は上流側から見た図、同図（ｂ）は縦断面図である。本実施例では、同図に示すように、パイロットノズル３の周囲に複数配設されたメインバーナ６の上流側に、それらをまとめる二重リングを設置し、その内部に枝状予混合ノズル４ａを配設する構成としている。
【００１８】
具体的には、パイロットノズル３の中心軸に対して略同心状に、それぞれ短い円筒状をした内リング１３及び外リング１４を設けている。この内リング１３及び外リング１４は、パイロットノズル３の中心軸から見て、周囲に複数配設されたメインバーナ６即ちメインバーナ６群のそれぞれ内側及び外側に位置している。そして、内リング１３及び外リング１４の下流端を連結するドーナツ状の平板リング１５を備え、この平板リング１５の下流側面上に複数のメインバーナ６を配設し、内リング１３及び外リング１４より成る二重リングと連設させている。
【００１９】
前記枝状予混合ノズル４ａは、メインノズル４の側面でメインスワラ２更には平板リング１５の上流側に放射状に複数設けられており、これが前記二重リング内、即ち内リング１３と外リング１４との間に位置している。なお、平板リング１５とメインバーナ６との接合部を、矢印Ｒで示すようにＲ形状断面（或いはテーパ状断面等）とすることにより、通路が徐々に絞り込まれるので、二重リングからメインバーナ６に到る予混合気の流れがスムーズとなる。このことは、以下の実施例においても同様である。その他、パイロットノズル３先端付近外周でパイロットコーン５との間には、パイロットスワラ１０が配設されている。
【００２０】
このように、従来、円筒状の各メインバーナ６内に収められていた燃料噴射ノズルを、まとめて二重リング内に収める構成とすることで、空気流の流速が遅い即ち広い空間で燃料を噴射することができるので、低圧力損失を達成することが可能となり、併せて予混合気をより均一化することが可能となる。また、ノズル形状や配置の自由度も高まり、燃焼器の設計がしやすくなる。なお、図中の矢印Ａは、主燃料の供給方向の一例を示している。このことは、以下の実施例においても同様である。
【実施例２】
【００２１】
図２は、本発明の実施例２に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は上流側から見た図、同図（ｂ）は縦断面図である。本実施例では、上記実施例１の二重リングの構成に加えて、上記枝状予混合ノズル４ａの代わりに、同図に示すように、各メインノズル４を取り囲むように、それぞれ単数或いは複数のリング状予混合ノズル４ｂを設けた構成としている。複数の場合は各メインノズル４の中心軸に対して略同心状に配設されている。
【００２２】
なぜならば、これまでの枝状予混合ノズルでは、メインノズル周方向に対する予混合気の均一化を図る場合、周方向に対して多数のノズルを設置する必要が生じ、大きな圧力損失の原因となるので、これを防止するためである。なお、本実施例で用いるリング状予混合ノズル４ｂは、必ずしも二重リング内のみではなく、従来のメインバーナ内に設けることも可能である。
【００２３】
さて、各メインノズル４における複数のリング状予混合ノズル４ｂは、それぞれ径が異なっており、また必要に応じて空気流方向に対して前後にずらした位置に配設されている。これにより、それぞれのノズルより噴出する主燃料同士の干渉を防止し、予混合気をできるだけ均一化できるようにしている。また、各リング状予混合ノズル４ｂにおいて、周方向に図示しない多数の燃料噴出孔を等間隔に開けることにより、余分な圧力損失を生じさせることなく、メインノズル周方向（全周）に対する予混合気の均一化を図ることができる。
【００２４】
燃料噴出方向としては、燃料噴出孔の位置により、リング状予混合ノズル４ｂの半径方向外方や内方、或いは空気流に対して前後方向等、色々な方向とすることが可能である。また、ノズルの形状は必ずしもリング状ではなく、例えば楕円形状や、三角形や四角形その他の多角形状等、予混合気の均一化や製作上の観点から、様々な形状とすることが可能である。さらに、ノズルの管部の断面形状は、圧力損失を低減するために、空気流方向に対して扁平な楕円形状や、翼形或いは流線形等とすることが望ましい。
【００２５】
なお、同図（ａ）に示すように、各リング状予混合ノズル４ｂ間には十字状に支持アームａが設けてあるが、これはリング状予混合ノズル４ｂ同士を互いに支持するためのものであり、必ずしも要しない。一方、各リング状予混合ノズル４ｂへの主燃料の供給は、メインノズル４側面より放射状に延びる図示しない枝管より行われる。そして、更にこの枝管により、リング状予混合ノズル４ｂを支持する構成としても良い。
【実施例３】
【００２６】
図３は、本発明の実施例３に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は上流側から見た図、同図（ｂ）は縦断面図である。本実施例では、上記二重リングの構成に加えて、上記メインノズル４の代わりに、同図に示すように、パイロットノズル３を取り囲むように、単数或いは複数の全周リング状予混合ノズル４ｃを設け、これが前記二重リング内に位置した構成としている。複数の場合はパイロットノズル３の中心軸に対して略同心状に配設されている。これにより、燃焼器１全体の予混合気の均一化を図っている。なお、主燃料の供給は、例えば上流側から全周リング状予混合ノズル４ｃに対して直接行う。また、メインバーナ６内の予混合気の旋回をスムーズに行わせるために、メインスワラ２の内側にはメインノズル４の形状を模した中心体１６が設けられている。
【００２７】
さて、複数の全周リング状予混合ノズル４ｃは、それぞれ径が異なっており、また必要に応じて空気流方向に対して前後にずらした位置に配設しても良い。これにより、それぞれのノズルより噴出する主燃料同士の干渉を防止し、予混合気をできるだけ均一化できるようにしている。また、各全周リング状予混合ノズル４ｃにおいて、周方向に図示しない多数の燃料噴出孔を等間隔に開けることにより、余分な圧力損失を生じさせることなく、パイロットノズル周方向（全周）に対する予混合気の均一化を図ることができる。
【００２８】
燃料噴出方向としては、燃料噴出孔の位置により、全周リング状予混合ノズル４ｃの半径方向外側や内側、或いは空気流に対して前後方向等、色々な方向とすることが可能である。また、ノズルの形状は必ずしもリング状ではなく、例えば楕円形状や、三角形や四角形その他の多角形状等、予混合気の均一化や製作上の観点から、様々な形状とすることが可能である。さらに、ノズルの管部の断面形状は、圧力損失を低減するために、空気流方向に対して扁平な楕円形状や、翼形或いは流線形等とすることが望ましい。
【実施例４】
【００２９】
図４は、本発明の実施例４に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は上流側から見た図、同図（ｂ）は縦断面図、同図（ｃ）はノズル部の変形例である。本実施例では、上記二重リングの構成に加えて、上記メインノズル４の代わりに、同図（ａ），（ｂ）に示すように、各メインバーナ６の上流側で二重リング内に、下流側へ向かって開口する錐形状予混合ノズル４ｄを設けた構成としている。また、メインバーナ６内の予混合気の旋回をスムーズに行わせるために、メインスワラ２の内側にはメインノズル４の形状を模した中心体１６が設けられている。
【００３０】
錐形状予混合ノズル４ｄの横断面は、周囲が星形のように折れ曲がったフィン構造をしており、主燃料をこのフィン構造に沿うようにして噴射することで、噴流の乱れを抑制しつつ空気との混合を促進する形状となっている。また、同図（ｃ）に示すように、錐形状予混合ノズル４ｄを、その中心軸周りに螺旋状にヒネリを加えた形状とすることにより、主燃料の噴流を旋回させ、空気との混合を促進することができる。なお、本実施例で用いる錐形状予混合ノズル４ｄは、必ずしも二重リング内のみではなく、従来のメインバーナ内に設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例１に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の実施例２に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図。
【図３】本発明の実施例３に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図。
【図４】本発明の実施例４に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図。
【図５】従来よりのガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１    燃焼器
２    メインスワラ
３    パイロットノズル
４    メインノズル
４ａ    枝状予混合ノズル
４ｂ    リング状予混合ノズル
４ｃ    全周リング状予混合ノズル
４ｄ    錐形状予混合ノズル
５    パイロットコーン
６    メインバーナ
７    平板
８    パイロット火炎
９    予混合火炎
１０    パイロットスワラ
１１    内筒
１２    尾筒
１３    内リング
１４    外リング
１５    平板リング
１６    中心体
【図１】
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【図２】
2005195288.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005195288.tif 000006
【図５】
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