(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料焚きガスタービン燃焼器に用いられる燃料ノズルにおいて、
液体燃料に旋回成分を与える旋回器と、
この旋回器により旋回成分を付与された液体燃料を燃焼室に噴出し微粒化する円形の燃料噴出孔と、
この燃料噴出孔から燃焼室に噴射された燃料液滴の数密度に濃淡を付ける手段であって、前記燃料噴出孔の内壁面に周方向に所定間隔で設けられた複数の溝部と、
前記燃料噴出孔の周囲に周方向に所定間隔で設けられ、前記燃料噴出孔を介して噴射された燃料液滴群に対して気体を噴射して衝突させる複数の空気噴出孔とを備え、
前記空気噴出孔は、前記燃料噴出孔から噴射された燃料液滴の数密度の低い領域に空気を導くように前記溝部と位相をずらして設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器用燃料ノズル。
【請求項２】
請求項１のガスタービン燃焼器用燃料ノズルにおいて、前記空気噴出孔は、前記燃料噴出孔の周方向又は径方向の少なくともいずれかに傾斜していることを特徴とするガスタービン燃焼器用燃料ノズル。
【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用の燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、液体燃料の拡散燃焼では微小な多数の燃料液滴群を空気と混合して燃焼させる。この燃焼方法による燃焼反応は、噴霧燃料中の油滴の蒸発、蒸気の拡散、周囲の空気との混合、それによって生じた混合気体の燃焼といった過程を経て進行する。このため燃料ノズルから噴射した燃料液滴径が大きければそれだけ燃料の蒸発が遅れ、これにより空気と燃料の混合状態が悪くなれば酸化反応にも遅れが生じ、その結果、煤の発生を促し煤粒子を肥大化させる場合がある。このことから、通常、煤塵の低減には液体燃料の微粒化及び燃焼空気との混合を促進し、燃料液滴と燃焼空気との接触面積を多く確保することが最も有効と考えられている。
【０００３】
このような観点から、液体燃料焚き燃焼器では空気等のせん断力を利用して液体燃料を微粒化する二流体方式の燃料ノズルがよく用いられる。この燃料ノズルは微粒化の過程で燃料と空気を混合することができるため、極端な燃料過濃領域が形成されないという利点がある。しかしながら、二流体方式の燃料ノズルを採用すると空気を供給する必要があることから、空気源やその制御装置を別途設置しなければならない。またノズル構造が複雑であるため、イニシャルコストやランニングコストの面でも一流体方式のノズル（特許文献１等参照）に比べて不利となる。
【０００４】
一流体方式の燃料ノズルは、液体燃料の供給圧力を高くして液体燃料の噴射速度を大きくして微粒化するもので、液体燃料に旋回成分を与えて燃料ノズル内部に旋回流を形成させ燃料ノズルの噴出孔から燃料を噴射することで、噴射方向下流側に拡がる燃料液滴群を形成するようになっている。この一流体ノズルを採用した場合、空気供給系統等の付帯設備は不要である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２１１５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、ガスタービン燃焼器では燃料ノズルが燃焼器軸中心の上流位置に配置され、燃料ノズルの外周には燃焼空気に旋回成分を与える旋回器が配置される。燃料ノズルから噴射された液体燃料は旋回器から噴射される旋回空気によって循環流を形成し、燃焼器内筒の側部等から燃焼室に流入する燃焼空気と混合し燃焼する。
【０００７】
前述した特開２００４−２１１５５８号公報に開示されている燃料ノズルは液体燃料に旋回成分を与えて微粒化させるため、噴射した燃料液滴が遠心力の作用によって燃料液滴群の外周側に集中しそこに高密度液滴層が形成される。通常、燃料液滴が持つ慣性力は燃焼空気流等の貫通力に比べて大きいため、燃料液滴群の外部から流入する燃焼空気は高密度液滴層に遮断されて燃料液滴群の内部まで到達し難い。その結果、燃料液滴群が形成する領域の内側は空気不足し、それだけ燃料と空気の混合が不十分となって煤塵が発生し易くなる。また燃焼空気と燃料の混合が不十分となれば燃料過濃領域が形成されてしまい、拡散火炎に局部的な高温領域が発生しＮＯｘ排出量を増加させる恐れも生じる。
【０００８】
本発明の目的は、噴射した液体燃料液滴群の内側にも空気を十分に供給し燃料と空気の混合を促進することができるガスタービン燃焼器用燃料ノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、液体燃料焚きガスタービン燃焼器に用いられる燃料ノズルにおいて、液体燃料に旋回成分を与える旋回器と、この旋回器により旋回成分を付与された液体燃料を燃焼室に噴出し微粒化する円形の燃料噴出孔と、この燃料噴出孔から燃焼室に噴射された燃料液滴の数密度に濃淡を付ける手段であって、前記燃料噴出孔の内壁面に周方向に所定間隔で設けられた複数の溝部と、前記燃料噴出孔の周囲に周方向に所定間隔で設けられ、前記燃料噴出孔を介して噴射された燃料液滴群に対して気体を噴射して衝突させる複数の空気噴出孔とを備え、前記空気噴出孔は、前記燃料噴出孔から噴射された燃料液滴の数密度の低い領域に空気を導くように前記溝部と位相をずらして設けられていることを特徴とする。
【００１３】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記空気噴出孔は、前記燃料噴出孔の周方向又は径方向の少なくともいずれかに傾斜していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料ノズルから噴射される燃料液滴群の外周部に周方向に濃淡を付与することができるので、燃料液滴の数密度の低い領域を介し、噴射した液体燃料液滴群の内側にも空気を十分に供給し燃料と空気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】
【００１５】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明のガスタービン燃料器用燃料ノズルを適用したガスタービンプラントの一構成例の概略構成図である。
図１に示したガスタービンプラントは、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される燃焼空気１３と燃料とを混合して燃焼ガス１４を生成する燃焼器３と、この燃焼器３で生成された燃焼ガス１４が導入されるタービン２とを備えている。本例においてタービン２は一軸式のものであり圧縮機１及び発電機４に一体に連結されているが、二軸式のものを用いる場合もある。二軸式の場合はタービンの一方が圧縮機に、他方が発電機に連結される。また本例では負荷機器として発電機４を図示しているが、ポンプ等を用いる場合もある。
【００１６】
上記燃焼器３は、燃焼ガスを生成する内筒７と、液体燃料を微粒化して噴射する燃料ノズル９と、燃焼空気１３に旋回成分を付与する旋回器１０と、燃焼器３を点火する点火栓１１とを、外筒５及びエンドカバー６で密閉した圧力容器で構成されている。燃料ノズル９は内筒７の上流の軸中心位置に配置され、燃料ノズル９の周囲には拡散火炎１６を保持するための旋回器１０が設けられている。旋回器１０の外周には、内筒７の上流側を密閉する内筒キャップ１２が設けられている。
【００１７】
このような構成により、圧縮機１からの燃焼空気１３は、外筒５と内筒７との間に形成された環状の空気流路を通り、内筒７の外周部壁面や内筒キャップ１２に設けられた燃焼孔や冷却孔、或いは旋回器１０等から内筒７の内部空間（燃焼室）に導入されて燃料と混合される。すると点火栓１１によってその混合ガスが点火されて燃焼し、生成した燃焼ガス１４がトランジションピース８を介してタービン２に供給され、その膨張仕事によりタービン２に軸動力が与えられる。タービン２の軸動力の一部は発電機４に伝達されて電気エネルギーに変換され、残りの軸動力は圧縮機１に伝達されて圧縮動力に利用される。
【００１８】
燃焼器３への液体燃料は燃料タンク１８に貯留されており、この粘流尾タンク１８から燃料配管１７を介して導かれる。燃料配管１７には、燃料タンク１８内の液体燃料を吐出し昇圧する昇圧ポンプ１９、燃料の供給を遮断する燃料遮断弁２２、供給燃料の流量を調節する流量調節弁２１、供給燃料の流量を検出する燃料流量計２３が設けられている。また燃料ポンプ１９のバイパスラインには燃焼器３への供給燃料の圧力を調節する圧力調節弁２０が設けられている。このような燃料供給系統によって、燃料ポンプ１９で昇圧された液体燃料が圧力調節弁２０で設定圧力に昇圧された後、流量調節弁２１で設定流量に調整され、燃料遮断弁２２、燃料流量計２３を通過して燃料ノズル９に供給される。
【００１９】
ここで、図２（ａ）は一般的な一流体方式の燃料ノズルの概略構成を表す断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＡ−Ａ断面による断面図である。
図示した一流体方式の燃料ノズルは、主にノズルキャップ１０２、ノズルボディ１０３、ノズルチップ１０４で構成されている。燃料１０９はノズルボディ１０３及びノズルチップ１０４に設けられた燃料流路１０１，１０６を通り、ノズルキャップ１０２とノズルチップ１０４の間に形成された環状流路１０７に流入する。ノズルチップ１０４には環状流路１０７を流通する液体燃料１０９に旋回成分を付与する旋回器１１２が設けられている。環状流路１０７がノズルチップ１０４の前面側に回り込んで旋回室１０８に接続するが、旋回器１１２は旋回室１０８とこれと環状流路１０７とを接続する複数の旋回溝１１３によって構成されている。旋回溝１１３は、図２（ｂ）に示すようにノズル軸方向から見て旋回室１０８に接線方向から接続するように設けられている。このような構成することにより液体燃料１０９は旋回室１０８内部で旋回流１１０を形成し、燃焼室に臨むようにノズルキャップ１０２の先端に穿設された噴出孔１０５を介し微粒化されて燃焼室に噴射される。噴出孔１０５から噴射された燃料液滴は、旋回成分の作用により噴射方向下流（図２（ａ）中右方向）に向かって拡開する円錐状の領域に燃料液滴群１１１を形成する。
【００２０】
図３（ａ）は図２（ａ）及び図２（ｂ）に示した燃料ノズルを搭載したガスタービン燃焼器の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示したガスタービン燃焼器を燃焼室側から見た正面図である。
これらの図に示すように、一般に一流体方式の燃料ノズルでは、燃料に旋回成分を与えて噴射するため、燃料ノズル９から噴射された燃料液滴は遠心力の作用を受ける。したがって、燃料液滴は燃料液滴群１１１の外周側に数的に集中し、燃料液滴群１１１の外周側の空間的な数密度が高くなる傾向がある。
【００２１】
通常、燃料ノズル９から噴射された液体燃料は、内筒７の外周部壁面や内筒キャップ１２に設けられた空気孔１１５、旋回器１０等から燃焼室に流入する燃焼空気と混合されて燃焼する。しかし前述したように、燃料液滴群１１１の外周部には、燃料液滴の空間的な数密度が高い高密度燃料液滴層１１６（図３（ｂ）参照）が形成される。そのため、例えば空気孔１１５から流入する燃焼空気流１１４等は、高密度燃料液滴層１１６に阻害されて燃料液滴群１１１の内部の低密度燃料液滴層１１７まで到達し難い。したがって、低密度燃料液滴層１１７では空気不足から液体燃料と空気の混合が促進されず、煤塵発生量の増大に繋がる恐れがある。また燃料と空気の混合状態が不十分となれば燃料過濃領域が形成されるため、拡散火炎に局部的な高温領域が発生しＮＯｘ排出量を増加させる恐れもある。また低負荷燃焼時の燃焼効率が低下することも考えられ、ＣＯやＴＨＣ等の未燃分の排出を増加させる可能性もある。
【００２２】
図４（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃料ノズルの断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＢ−Ｂ矢視部の部分拡大図、図４（ｃ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃料ノズルから噴射される液体燃料の模式図である。これらの図において先の各図と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。
本実施の形態の燃料ノズルは、図４（ｂ）に示すようにノズルキャップ１０２の先端に形成している円形の噴出孔２０１の内壁面に周方向に所定間隔で複数の溝部２０２を設けた点以外の点は図２（ａ）及び図２（ｂ）に示した燃料ノズルとほぼ同様の構成である。これら溝部２０２は、燃料噴出孔２０１から燃焼室に噴射された燃料液滴の数密度に濃淡を付ける役割を果たす。
【００２３】
一般に一流体燃料ノズルの微粒化機構は、図４（ｃ）に示すように、液体燃料に強力な旋回成分を与えられるため、噴出孔２０１の内壁面に薄い液膜２０３が形成される。噴出孔２０１から噴射される際にこの液膜２０３が分裂し、微細な液滴となって燃焼室に噴出する。本実施の形態では、液膜２０３が形成される噴出孔２０１の内壁面に所定間隔で溝部２０２を設けている。これにより図４（ｃ）に示すように、液膜２０３の溝部２０２に対応する部分には溝部２０２の深さ分だけ厚みを増した液膜２０６が形成される。したがって、液膜２０６が分裂して液滴となる箇所は燃料液滴群１１１の中でも液滴の数密度が高い領域２０４となる。
【００２４】
燃料液滴の数密度が高い領域２０４は、溝部２０２の配置に対応して燃料液滴群１１１の外周部に複数形成され、これらの領域２０４の燃料液滴の密度が高くなる分だけ他の部分の燃料液滴の数密度が減少する。そのため、燃料液滴群１１１の外周部には燃料液滴の数密度が高い領域２０４と低い領域２０５が交互に形成され、燃料液滴群１１１の周方向に燃料液滴の数密度の濃淡が付くようになっている。
【００２５】
図５（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃料ノズルを搭載したガスタービン燃焼器の断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示したガスタービン燃焼器を燃焼室側から見た正面図である。これらの図において先の各図と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本実施の形態の燃料ノズルであれば、燃料液滴群１１１の周方向に燃料液滴の数密度の高い領域２０４と低い領域２０５を形成することがでるため、密度の低い領域２０５に向かって流入する燃焼空気２０７は燃料液滴１１１の内側の領域まで容易に到達する。さらに、燃料液滴の数密度が高い領域２０４にも周囲から燃焼空気２０６，２０７が供給されるため、燃料液滴をより多くの空気と接触させることができる。
【００２６】
このようにして燃料ノズルから噴射される燃料液滴群の周方向に燃料液滴の空間的な数密度の濃淡を付与し、燃料液滴の数密度の低い領域に空気を積極的に供給することで、燃料と空気の混合を促進し煤塵の発生を抑制することができる。また、空気と燃料の混合が促進されることで燃料過濃領域の発生を抑えることができるので、拡散火炎の局部的な高温領域の形成を抑えることができ、ＮＯｘやＣＯ、ＴＨＣ等の排出量の低減も期待できる。
【００２７】
図６（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る燃料ノズルの断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）中のＣ−Ｃ矢視部の部分拡大図である。これらの図において先の各図と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。
本実施の形態の燃料ノズルは外周部に空気ノズルを備えている。この空気ノズルはノズルキャップ１０２の外周を覆うように空気ノズルボディ３０１を配置し、空気ノズルボディ３０１とノズルキャップ１０２の間に形成された空気流路３０２に空気が流通するようになっている。そして空気ノズルボディ３０１の先端には空気流路３０２を流通する空気を燃焼室に噴射する空気噴出孔３０３が設けられている。
【００２８】
空気噴出孔３０３は、図６（ｂ）に示すように、燃料噴出孔１０５の周囲を囲むようにして、燃料噴出孔１０５の周囲に周方向に所定間隔で複数箇所設けられている。これら空気噴出孔３０３から噴射された気体（空気）は燃料噴出孔１０５を介して噴射された燃料液滴群１１１に衝突し、これによって燃料噴出孔１０５から燃焼室に噴射された燃料液滴の数密度に濃淡が付くようになっている。その他の構成について、本実施の形態は図２（ａ）及び図２（ｂ）の燃料噴射ノズルである。
【００２９】
本実施の形態において、外周部の空気ノズルには例えば別途設置した圧縮機（図示せず）等から供給し、その圧縮機からの圧縮空気３０４はノズルキャップ１０２と空気ノズルボディ３０１の間に形成される環状の空気流路３０２を通って複数の空気噴出孔３０３から燃料液滴群１１１に向かって噴射される。なお、空気ノズルの空気源としては、別途設置した圧縮機以外にも、例えば圧縮機１（図１参照）からの抽気空気や燃焼空気、空気以外の媒体（蒸気等）を用いることが考えられる。
【００３０】
本実施の形態によれば、燃料噴出孔１０５から噴射した燃料液滴群１１１の外周部の高密度液滴層には、周方向に所定間隔で空気噴出孔３０３から噴射した高圧空気に吹き飛ばされる箇所が生じる。高圧空気に吹き飛ばされた箇所は燃料液滴の数密度が低下しているので周囲からの空気が流通し易くなる。さらに、空気噴出孔３０３から噴射された高圧空気が燃料液滴に衝突することにより、高圧空気のせん断力によって燃料液滴をさらに微粒化することもできる。
【００３１】
このように、燃料液滴群１１１の周方向に燃料液滴の数密度の濃淡を付与することができるので第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、さらに図６（ａ）に示すように液滴の大きい領域３０５と小さい領域３０６を燃料液滴群１１１の周方向に交互に形成することができる。言うまでもなく燃料液滴の小さい領域３０６では液滴の慣性力が小さくなるため、より効果的に空気流を燃料液滴群１１１の内部に供給することが可能となる。また、空気噴出孔３０３からの空気流自体が燃料噴出孔１０５から噴出した燃料液滴と混合されるため、燃料と空気の混合性もより向上させることができる。
【００３２】
なお、本実施の形態は空気噴出孔３０３の向きが燃焼器の軸方向に沿うように形成してあるが、例えば図７（ａ）に示したように、空気噴出孔３０３を燃料噴出孔１０５の軸中心に向けて燃料噴出孔１０５の径方向内向きに傾斜させることで、燃料液滴群１１１の中心部に向かって圧縮空気３０４を供給することができ、燃料と空気の混合をさらに促進することができる。また、図７（ｂ）に示したように、燃料の旋回方向（矢印１１０参照）と逆向きの旋回成分が高圧空気３０７に与えられるように燃料噴出孔１０５の周方向に空気噴出孔３０３を傾斜させることで、燃料液滴と高圧空気を対向させることができるため、燃料液滴と高圧空気３０７の相対速度を大きくすることができ、さらなる微粒化促進の効果が期待される。勿論、図７（ａ）と図７（ｂ）の構成を組み合わせて燃料噴出孔１０５の径方向及び周方向に空気噴出孔３０３を傾斜させることも考えられる。
【００３３】
図８（ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る燃料ノズルの断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）中のＤ−Ｄ矢視部の部分拡大図である。これらの図において先の各図と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示したように、本実施の形態の燃料ノズルは、前の第１及び第２の実施の形態を組合せた構成であり、燃料噴出孔２０１の内壁面に溝部２０２を設け、さらに図６（ａ）及び図６（ｂ）と同容に燃料噴出孔２０１の周囲に空気噴出孔３０３を設けたもので、溝部２０２と空気噴出孔３０３は周方向に位相をずらして配置してある。
【００３４】
本実施の形態において、外周部に設けた空気ノズルに供給する空気４０１は、例えば燃焼器３に供給される燃焼空気１３の一部を分岐して導くものとする。但し前の実施の形態と同様に別途設けた圧縮機を空気源としても良い。また空気噴出孔３０３は、図７（ａ）や図７（ｂ）のように燃料噴出孔２０１の径方向又は周方向の少なくともいずれかに傾斜するように構成することも考えられる。その他の構成については、前の各実施の形態と同様である。
【００３５】
このように構成した燃料ノズルによれば、第１及び第２の実施の形態の効果を併せて得ることができる。それに加え、溝部２０２に対応して燃料液滴の数密度の低い領域２０４と高い領域２０５が生じるので、溝部２０２と位相をずらして空気噴出孔３０３を設けることで、燃料液滴の数密度の低い領域２０４に高圧空気が噴出される。そのため、より効率的に燃料液滴群１１１の内部に高圧空気を侵入させることができる。燃焼空気１３の一部を分岐させて空気噴出孔３０３から噴出させる場合、空気流の貫通力を十分に確保することが難しいが、上記のように燃料密度を低下させたところに空気を噴射することにより、貫通力の小さい空気流でも効率良く燃料と混合させることができる。よって、専用の圧縮機を新たに設けずとも、圧縮機１からの圧縮空気を利用してシステムを構成し易いことも大きなメリットである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のガスタービン燃料器用燃料ノズルを適用したガスタービンプラントの一構成例の概略構成図である。
【図２】一般的な一流体方式の燃料ノズルの概略構成を表す断面図、及びこの図２中のＡ−Ａ断面による断面図である。
【図３】一般的な一流体方式の燃料ノズルを搭載したガスタービン燃焼器の断面図、及びこの図に示したガスタービン燃焼器を燃焼室側から見た正面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る燃料ノズルの断面図、この図中のＢ−Ｂ矢視部の部分拡大図、及び本発明の第１の実施の形態に係る燃料ノズルから噴射される液体燃料の模式図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る燃料ノズルを搭載したガスタービン燃焼器の断面図、及びこの図に示したガスタービン燃焼器を燃焼室側から見た正面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃料ノズルの断面図、及びこの図中のＣ−Ｃ矢視部の部分拡大図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る燃料ノズルの他の構成例の側断面図、及び本発明の第２の実施の形態に係る燃料ノズルのさらに他の構成例の部分拡大正面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る燃料ノズルの断面図、及びこの図中のＤ−Ｄ矢視部の部分拡大図である。
【符号の説明】
【００３７】
３      燃焼器
９      燃料ノズル
１０５  燃料噴出孔
１０９  燃料
１１１  燃料液滴群
１１２  旋回器
２０１  燃料噴出孔
２０２  溝部
３０３  空気噴出孔
３０４  空気
４０１  空気
【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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