(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記ノズル胴の出口に向かって細くした前記燃料ノズル軸の先端部分を、前記ハブの内部に配置し、且つ前記燃料ノズル軸の先端と前記ハブとの間に形成される空間に燃焼用気体を通過させることを特徴とする予混合ノズル。
【請求項２】
ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記予混合ノズルの出口に向かって径が小さくなる前記ハブの内部に、前記予混合ノズルの出口に向かって径が小さくなる燃料ノズル軸の先端部分を配置して、前記ハブ内周と前記ノズル軸先端との空間に燃焼用空気を通過させることを特徴とする予混合ノズル。
【請求項３】
ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記燃料ノズル軸の一部を細くして、当該燃料ノズル軸の細い部分を、下流方向に向かって細くなる前記ハブの内部に配置したことを特徴とする予混合ノズル。
【請求項４】
ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、
前記ノズル胴内部に、前記ノズル胴の中心に向かう燃焼用気体の流れを形成する流れの偏向手段として、流れ方向に向かって径が小さくなる筒状の偏向リングを前記スワーラ翼に取り付けたことを特徴とする予混合ノズル。
【請求項５】
ノズル胴と、
前記ノズル胴の内壁に一方の端部が取り付けられ、且つ、もう一方の端部は開放したスワーラ翼と、
前記スワーラ翼の端部で囲まれた空間に配置される燃料ノズル軸とを備え、前記燃料ノズル軸に沿って燃焼用気体を流すことによって前記ノズル胴の中心部分に燃焼用気体を流すことを特徴とする予混合ノズル。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の予混合ノズルを内部に備えた燃焼器内筒と、
当該燃焼器内筒を入口側に備え、且つ前記予混合ノズルから噴射された予混合気体を燃焼させて燃焼ガスを形成する筒状の燃焼室と、
を備えたことを特徴とするガスタービンの燃焼器。
【請求項７】
空気を圧縮して燃焼用空気を形成する圧縮機と、
当該圧縮機から送られてきた燃焼用空気に燃料を混合させ、さらに両者の混合気体である予混合気体を燃焼させることで燃焼ガスを形成する請求項６に記載のガスタービンの燃焼器と、
当該ガスタービンの燃焼器で形成された燃焼ガスが噴射されることによって回転駆動力を生み出すタービンと、
を備えたことを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、ガスタービンに関し、さらに詳しくは、フラッシュバックを抑制できる予混合ノズルおよび燃焼器並びにガスタービンに関する。
背景技術
近年のガスタービン燃焼器においては、環境保全等の観点から、サーマルＮＯｘの低減により有利な予混合燃焼方式が使用されてきている。予混合燃焼方式とは、燃料と過剰な空気とを予め混合して燃焼するものであり、燃焼器中におけるすべての領域において燃料が希薄な条件の下で燃焼するためＮＯｘを容易に低減できる。つぎに、ガスタービンの予混合燃焼器について説明しつつ、これまで使用されてきた予混合ノズルについて説明する。
第１４図は、これまで使用されてきたガスタービンの予混合燃焼器および予混合ノズルを示す説明図である。燃焼器外筒６００内には、一定の間隔をおいて燃焼ノズルブロック５０５が設けられており、当該燃焼ノズルブロック５０５の中央部には拡散火炎を形成するためのパイロットコーン６０が設けられている。なお、この燃焼ノズルブロック５０５は、燃焼室内筒５１５に挿入されている。また、パイロットコーン６０は、パイロット燃料供給ノズル６２から供給されるパイロット燃料と、圧縮機（図示せず）から供給される燃焼用空気とを反応させて拡散火炎を形成する。
第１４図からは明らかではないが、予混合火炎を形成するための予混合ノズル８２０は、前記パイロットコーン６０の周囲に８個設けられている。ノズル胴１０の内部には、燃焼用空気に旋回を与えるためのスワーラ翼３２０が取り付けられている。このスワーラ翼３２０は、圧縮機（図示せず）から送られてきた燃焼用空気に旋回を与えることで燃焼用空気の旋回流を作り出し、これによって燃料と燃焼用空気とを混合させる。またスワーラ翼３２０の中心部には、後述する燃料ノズル軸２２０を保持するためのハブ１２０が取り付けられている。
燃料を供給するための燃料ノズル軸２２０は、上述したハブ１２０に挿入されており、スワーラ翼３２０とハブ１２０とによって、ノズル胴１０のほぼ中心に支持されている。また、この燃料ノズル軸２２０には中空のガス燃料供給翼２９が備えられており、燃料ノズル軸２２０内部に備えられた燃料供給通路から送られてきたガス燃料は、このガス燃料供給翼２９内部に導かれる。その後、このガス燃料は、ガス燃料供給翼２９の側面に備えられたガス燃料供給孔４９からノズル胴１０内へ供給される。
ノズル胴１０内に供給された燃料がその内部を下流側に流れる過程で、スワーラ翼３２０によって旋回を与えられた燃焼用空気と十分に混合して予混合気体を形成する。この予混合気体は、ノズル胴１０の出口１０ａから燃焼室内筒５１５内へ噴射され、上記拡散火炎から排出される高温の燃焼ガスによって着火され予混合気体燃焼火炎を形成する。予混合気体火炎からは高温・高圧の燃焼ガスが排出されて、当該燃焼ガスは燃焼器尾筒（図示せず）を通ってタービン第一段ノズルへと導かれる。
ところで、これまでの予混合燃焼器で使用されてきた予混合ノズル８２０は、スワーラ翼３２０によって燃焼用空気に旋回を与えて燃料と燃焼用空気との混合を促進するものである。しかしながら、スワーラ翼３２０によって燃焼用空気に旋回を与えると、この旋回に起因する遠心力によってノズル胴１０の中心近傍における流速が遅くなる（第３図（ａ）参照）。ノズル胴１０の中心近傍で流速が遅くなると、流速の遅い部分に予混合気体が逆流しやすくなる結果フラッシュバックを招いてしまい、ノズル胴１０や燃料ノズル軸２２０を焼損することがあった。この焼損は、予混合ノズルの寿命を短くするので頻繁に修理や交換が必要となり、保守点検に手間を要するという問題があった。
従って、この発明は、ノズル胴内における低流速域の存在を少なくすることでフラッシュバックの発生を抑制して、予混合ノズル等の焼損を抑制できる予混合ノズルおよびガスタービン燃焼器並びにガスタービンを提供することを目的としている。
発明の開示
本発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記ハブの内周面と前記ハブの内部に位置する燃料ノズル軸との間に、燃焼用気体が通過する空間を設け、且つ前記空間を通過した燃焼用気体を前記ノズル胴の中心部に流すことを特徴とする。
この予混合ノズルは、燃料を供給するための燃料ノズル軸とスワーラ翼が連結しているハブとの間に、燃焼用気体を通過させる空間を設けている。従来の予混合ノズルでは、スワーラによって旋回を与えられた燃焼用気体は、旋回の遠心力によってノズル胴の内壁側に向かって流れる結果、ノズル胴中心部に低流速域が発生していた。そして、この低流速域の存在によってフラッシュバックを招き、予混合ノズルを焼損させるおそれがあった。この予混合ノズルでは、上記燃焼用気体を通過させる空間を通って燃焼用気体がノズル胴の中心部に流れるので、この部分における流速を高くできる。これによってフラッシュバックの危険性を低くして、予混合ノズルの焼損を抑制できる。なお、この予混合ノズルはガスタービン燃焼器並びにガスタービンに適用されるものである（以下同様）。そして、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンは、フラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
なお、従来の予混合ノズルにおいても燃料ノズル軸とハブとの間には隙間が設けられていたが、この隙間の大きさは燃料ノズル軸をハブに組み込みやすくする程度の大きさである。このため、燃焼用気体はこの隙間を通過することができず、この発明にかかる予混合ノズルのような作用・効果は得られていなかった。
この予混合ノズルにおける燃焼用気体を通過させる上記空間の大きさは、２．０ｍｍ以上とするのが好ましく、さらに好ましくは３．０ｍｍ以上とするのがよい。また、燃焼用気体とは、天然ガス等のガス燃料または重油や軽油等の液体燃料と燃焼用空気が混ざり合った燃焼用気体のほか、圧縮機から送られてくる燃焼用空気も含むものとする。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記ノズル胴の出口に向かって細くした前記燃料ノズル軸の先端部分を、前記ハブの内部に配置し、且つ前記燃料ノズル軸の先端と前記ハブとの間に形成される空間に燃焼用気体を通過させることを特徴とする。
この予混合ノズルは、ノズル胴の出口に向かって細くした前記燃料ノズル軸の先端部分をハブの内部に配置して、燃料ノズル軸の先端とハブとの間に形成される空間に燃焼用気体を通過させるようにしてある。このため、燃料ノズル軸は、燃料ノズル軸の先端とハブとの間に一定の間隔をもって配置されており、この間隔は２．０ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは３．０ｍｍ以上がよい。この予混合ノズルでは、スワーラ翼の長さを確保しつつ燃焼用気体が通過する空間を十分にとることができるので、ノズル胴の中心部分における流速を高くして、フラッシュバックの発生を抑制できる。また、燃料ノズル軸の位置をノズル胴出口側に移動させればよいので、大幅な設計変更を必要としない。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、フラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記燃料ノズル軸の一部を細くして、当該燃料ノズル軸の細い部分を前記ハブの内部に配置し、且つ前記燃料ノズル軸と前記ハブ内周面との間に形成される空間に燃焼用気体が通過させることを特徴とする。
この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の一部を細くし、この部分をハブの内部に配置しているので、燃料ノズル軸とハブ内周面との間に形成される燃焼用気体が通過するための空間は、燃焼用空気の流れ方向に対して一定となる。このため、この空間における燃焼用気体の通過する断面積は燃焼用気体の流れ方向にほぼ一定となるので、燃焼用空気の流速はほとんど遅くならない。したがって、この予混合ノズルは上記予混合ノズルと比較して、ノズル胴内における流速分布をより均一にすることができる。その結果、フラッシュバックの発生をより抑制できる。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記予混合ノズルの出口に向かって径が小さくなる前記ハブの内部に、前記予混合ノズルの出口に向かって径が小さくなる燃料ノズル軸の先端部分を配置して、前記ハブ内周と前記ノズル軸先端との空間に燃焼用空気を通過させることを特徴とする。
この予混合ノズルは、ハブの径を下流に向かって小さくしているため、ノズル胴とハブとの間における断面積は、下流に進むにしたがって大きくなる。このため、この部分、すなわちスワーラ翼を通過する燃焼用気体の流速は、スワーラ翼の入口側よりも出口側の方が遅くなる。したがって、スワーラ翼を通過する燃焼用気体との流速と、燃料ノズル軸とハブ内周面との間を通過する燃焼用気体の流速との間には速度差が少なくなるため、ノズル胴内部の流速分布は上記予混合ノズルよりもさらに一様になる。このため、この予混合ノズルにおいては、フラッシュバックの発生をより抑えることができる。なお、燃料ノズル軸とハブ内周面との間に形成される空間は２．０ｍｍ以上とするのが好ましく、さらに好ましくは３．０ｍｍ以上である。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記燃料ノズル軸の一部を細くして、当該燃料ノズル軸の細い部分を、下流方向に向かって細くなる前記ハブの内部に配置したことを特徴とする。
この予混合ノズルは、ノズル胴とハブとの間に形成される空間は、流れ方向に向かってその断面積が大きくなっており、ハブと燃料ノズル軸との間に形成される空間は、流れ方向に向かってその断面積が小さくなっている。このため、ノズル胴とハブとの間を通過する燃焼用気体の流速は、入口側よりも出口側の方が遅くなり、ハブと燃料ノズル軸との間を通過する燃焼用気体の流速は出口側の方が入口側よりも速くなる。このため、スワーラ翼の下流におけるノズル胴内部における流速分布は、上記予混合ノズルよりもさらに一様になる。したがって、この予混合ノズルにおいては、上記予混合ノズルよりもさらにフラッシュバックの危険性を低く抑えることができる。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記燃料ノズル軸の先端を前記ハブの上流側に配置し、且つ前記ハブと前記燃料ノズル軸との間に燃焼用気体を通過させることを特徴とする。
この予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の先端をハブの入口よりも上流側に配置したので、ハブの内部を流れる燃焼用気体の流量を多くとることができる。このため、ノズル胴内部における流速分布が均一になるので、従来の予混合ノズル内部に存在していた低流速域に予混合気体が逆流することを抑制してフラッシュバックの発生を抑えることができる。なお、燃料ノズル軸の先端とハブ入口との距離は、燃料ノズル軸の直径の１／４以上とするのが好ましい。少なくともこれ以上距離を離しておけば、ハブ内部を通過する燃焼用気体の量を十分に確保できるからである。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴内部にスワーラ翼と、当該スワーラ翼と連結する管状のハブと、燃料ノズル軸とを備えたガスタービン燃焼器の予混合ノズルであって、前記ノズル胴内部に、前記ノズル胴の中心に向かう燃焼用気体の流れを形成する流れの偏向手段を備えたことを特徴とする。
この予混合ノズルでは、燃焼用気体をノズル胴の中心に向かって流すための変更手段を備えている。従来の予混合ノズルでは、スワーラによって旋回を与えられた燃焼用気体は、旋回の遠心力によってノズル胴の内壁側に向かって流れる結果、ノズル胴中心部に低流速域が発生していた。したがって、燃焼用気体がノズル胴の中心に向かう内向きの流れを形成するようにすれば、上記遠心力を打ち消すことができるので、ノズル胴内部の流速分布を一様な状態へ近づけることができる。これによって、予混合気体の逆流を抑制してフラッシュバックを抑えることができる。また、燃料ノズル軸とハブとの間に燃焼用気体が通過する隙間を大きく設ける必要はないので、燃料ノズル軸が振動等した場合でも、ハブによって燃料ノズル軸の動きを拘束できる。このため、この予混合ノズルを適用した燃焼器では、振動等に起因する燃焼器の不具合を抑えることができるので、安定した運転ができる。また、この予混合ノズルを適用したガスタービンも、振動に起因する燃焼器尾筒や回転系等の不具合を抑えることができるので、安定した運転ができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルは、ノズル胴と、前記ノズル胴の内壁に一方の端部が取り付けられ、且つ、もう一方の端部は開放したスワーラ翼と、前記スワーラ翼の端部で囲まれた空間に配置される燃料ノズル軸とを備え、前記燃料ノズル軸に沿って燃焼用気体を流すことによって前記ノズル胴の中心部分に燃焼用気体を流すことを特徴とする。
この予混合ノズルは、スワーラ翼の翼端を開放して、この開放端で囲まれる空間に燃料ノズル軸を配置している。この予混合ノズルにおいては、燃料ノズル軸の周りにハブが存在しないため、燃焼用気体の流れがハブによって妨げられず、燃料ノズル軸に沿って滑らかに流れる。このため、ノズル胴の中心部分にも燃焼用気体が流れるようになるのでこの部分の流速を高くでき、ノズル胴内部における流速分布を一様に近づけることができる。その結果、予混合気体の逆流を抑えてフラッシュバックの危険性を低くできる。また、この予混合ノズルを適用したガスタービン燃焼器およびガスタービンも、さらにフラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。
つぎの発明にかかるガスタービンの燃焼器は、上記の予混合ノズルを内部に備えた燃焼器内筒と、当該燃焼器内筒を入口側に備え、且つ前記予混合ノズルから噴射された予混合気体を燃焼させて燃焼ガスを形成する筒状の燃焼室と、を備えたことを特徴とする。このガスタービンの燃焼器は上記予混合ノズルを備えているため、フラッシュバックを抑えて安定した運転ができる。そして、燃焼器の焼損も抑えることができるので、燃焼器の寿命が長くなり、保守・点検の手間も軽減できる。また、予混合ノズル内の低流速域が低減されるため、より確実に燃焼室内で予混合気体を燃焼させることができる。したがって、燃料と燃焼用空気とが燃焼室に進むまでに十分混合されるので、燃焼の際には局所高温部の発生が抑えられてＮＯｘの発生を抑制できる。
つぎの発明にかかるガスタービンは、空気を圧縮して燃焼用空気を形成する圧縮機と、当該圧縮機から送られてきた燃焼用空気に燃料を混合させ、さらに両者の混合気体である予混合気体を燃焼させることで燃焼ガスを形成する上記のガスタービンの燃焼器と、当該ガスタービンの燃焼器で形成された燃焼ガスが噴射されることによって回転駆動力を生み出すタービンと、を備えたことを特徴とする。このガスタービンは、上記ガスタービン燃焼器を備えているため、フラッシュバックを抑えて安定した運転ができる。そして、フラッシュバックによる燃焼器等の焼損を抑えてガスタービン燃焼器等の寿命も長くできる結果、保守・点検の間隔を長くできるので、このガスタービンを使用したプラントは実稼動時間を長くできる。また、ガスタービン燃焼器の燃焼室内でより確実に予混合気体を燃焼させることができるので、予混合気体が十分に混合してＮＯｘの発生も少なくできる。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものが含まれるものとする。
（実施の形態１）
第１図は、この発明の実施の形態１にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、先端に向かって細くなる燃料ノズル軸の先端部をスワーラのハブ内周に配置して、当該燃料ノズル軸の先端部とスワーラのハブ内周面との隙間に燃焼用空気を流す点に特徴がある。そして、この燃焼用空気によってノズル胴中心近傍の流速を高くして、ノズル胴内の流速分布を一様に近づけるものである。
実施の形態１にかかる予混合ノズル８００は、軽油や重油等の液体燃料と天然ガス等のガス燃料とを燃焼用気体である燃焼用空気に供給できる方式の燃料ノズル軸２００を備えている。第２図は、この予混合ノズルに使用する燃料ノズル軸を示す説明図である。第２図（ａ）に示すように、ガス燃料と液体燃料とを供給するために、燃料ノズル軸２００はその内部に液体燃料通路２００ｄとガス燃料通路２００ｅとを備えている。液体燃料は、燃料ノズル軸２００の先端部２００ａに設けられた液体燃料供給孔３０からノズル胴内へ供給され、燃焼用気体と混合される。
また、ガス燃料は、燃料ノズル軸２００の上流側に取り付けられた中空のガス燃料供給翼２０に導かれた後、このガス燃料供給翼２０の側面に設けられたガス燃料供給孔４０から燃焼用空気に噴射され、ガス燃料と燃焼用空気との混合気体である燃焼用気体を形成する。なお、実施の形態１に使用できる燃料ノズル軸はこれに限られず、ガス燃料のみ、あるいは液体燃料のみを供給する方式のものであってもよい（以下同様）。またガス燃料は、ガス燃料供給翼２０を使用して供給してもよいし、燃料ノズル軸２００にガス燃料供給孔４０を設けて供給してもよい（以下同様）。
また、燃焼用気体を滑らかに流すため、燃料ノズル軸２００の先端部２００ａには、当該燃料ノズル軸２００の先端に向かって細くなるテーパーがつけられている。なお、第２図（ａ）に示すように、燃料ノズル軸２００の先端部２００ａのみにテーパーをつけてもよいし、第２図（ｂ）に示すように、燃料ノズル軸２０１全体にわたって先端に向かって細くなるテーパーをつけるようにしてもよい。このようにすると、燃料ノズル軸２０１全体にわたって徐々に燃焼用気体の通過する断面積が変化するので、燃焼用気体の剥離を抑制してより滑らかに燃焼用気体を流すことができる。
この予混合ノズル８００は、ノズル胴１０内部に燃焼用気体を攪拌するためのスワーラ翼３００を備えている（第１図参照）。ここで、スワーラ翼３００は少なくとも１枚備えてあれば燃焼用空気を攪拌する作用は得られるが、より効果的に燃焼用気体を攪拌するためにはスワーラ翼を複数枚備えておくことが望ましい。第１図（ｂ）に示すように、この例においては４枚のスワーラ翼３００を使用している。このスワーラ翼３００の中心部にはハブ１００が取り付けられており、これによって複数のスワーラ翼３００同士を結合させて全体として剛性を高くしている。また、このハブ１００は、燃料ノズル軸２００が運転中の振動等によって動いた場合に、その動きを規制する働きもある。
燃料ノズル軸２００は、その先端部２００ａの一部がハブ１００の内部に配置されている。そして、圧縮機（図示せず）から送られてくる燃焼用空気は、燃料ノズル軸２００の先端部２００ａとハブ１００の上流側端部１００ｂとの間からハブ１００内に流れ込み、当該先端部２００ａとハブ１００の内周面との間を通過してハブ１００の出口側端部１００ａ側へ流れる。すなわち、燃料ノズル軸２００の先端部２００ａとハブ１００内周面との間に存在する空間を燃焼用気体の通路としている。この空間の間隔ｄを従来の２〜３倍以上とすれば、ノズル胴１０内における低速領域を減少させる効果がある。具体的には従来１．０〜１．５ｍｍ程度であったこの空間を、２．０〜３．０ｍｍ以上とすることが望ましい。また、この間隔ｄを、燃料ノズル軸２００の径の１／４以上としてもよい。
ただし、燃焼器の大きさはできるだけ小さくしたいため、ノズル胴１０の径を無闇に大きくはできず、また、燃料ノズル軸２００は内部に燃料の通路を設ける必要があることから、その径をあまり小さくすることはできない。また、ノズル胴１０の中心部分における流速が、ノズル胴１０内部の平均流速の１／２以上あればフラッシュバックはほとんど発生しなくなる。したがって、ノズル胴１０の中心部における流速がこの条件を満たす範囲内で、且つ、上記設計上の要求を満たす範囲内で上記間隔ｄを定めることになる。
圧縮機（図示せず）から送られてくる燃焼用空気は、ノズル胴１０の入口１０ｂから流入した後、スワーラ翼３００によって旋回を与えられてノズル胴１０内を流れる。その過程で、ガス燃料供給孔４０から供給されるガス燃料、および液体燃料供給孔３０から供給される液体燃料と十分に混合されて、予混合気体を形成する。予混合気体はその後、ノズル胴１０の出口１０ａから燃焼室５０内へ噴射されて、パイロットコーン（図示せず）によって形成される拡散火炎によって発火して予混合火炎を形成する。
第３図は、従来の予混合ノズルと実施の形態１にかかる予混合ノズルとのノズル胴内における軸方向の流速分布を示した説明図である。第３図（ａ）に示すように、従来の予混合ノズル８１０（第１４図参照）においては、旋回による遠心力の影響を受けて、ノズル胴内の流速分布は中心部に低流速域を持った分布となっていた。しかし、上述したように、実施の形態１にかかる予混合ノズル８００においては、燃料ノズル軸２００の先端部２００ａとハブ１００内周面との空間から燃焼用気体の一部を流すようになっている。この空間から流れる燃焼用気体によって、実施の形態１にかかるノズル胴内における軸方向の流速分布は、第３図（ｂ）に示すように従来の予混合ノズルと比較して中心部の流速を高くできる。したがって、ノズル胴の中心付近に生ずる低流速域に起因する予混合気体の逆流を抑制できるので、フラッシュバックの発生を低く抑えることができる。
また、従来の予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の先端部付近には上記低流速域が存在することになるので、当該先端部近傍では予混合火炎が保炎されやすくなる。ところが、この部分で予混合火炎が保炎されると、軽油等の液体燃料を使用した場合には蒸発時間が短くなり、また空気との混合距離が短くなって十分に燃焼用空気と混合されなくなる結果、ＮＯｘの発生を十分に抑制し難くなる場合があった。また、ガス燃料を使用した場合には、燃焼用空気との混合距離が短くなるため、両者の混合が不十分になって燃料濃度が高い部分が燃焼して局所高温部が発生する結果、ＮＯｘの発生を十分に抑制し難くなる場合があった。
実施の形態１にかかる予混合ノズルでは、ノズル胴中心部における低流速域の流速が従来よりも高くなるので、予混合火炎はノズル胴の出口よりも下流側で保炎される。このため、液体燃料を使用した場合には蒸発時間および混合距離を十分にとることができる。したがって、燃料の不均一な混合に起因する局所高温部の発生を抑制できるので、ＮＯｘの発生も従来の予混合ノズルよりも低減できる。同様の理由から、ガス燃料を使用した場合でも、ガス燃料と燃焼用空気との混合距離を十分にとることができるため、従来の予混合ノズルと比較して、ＮＯｘの発生を低減できる。
また、この予混合ノズルでは、第１図（ａ）に示すように、テーパーを備えた燃料ノズル軸２００の先端部２００ａをハブ１００の内部に配置している。このため、ハブ１００の径を小さくしても燃料ノズル軸２００の先端部２００ａの位置を調整すれば、燃料ノズル軸２００とハブ１００の内周とによって形成される空間を確保できる。したがって、ハブ１００の径を小さくすることでスワーラ翼３００の長さを大きくできるため、燃焼用気体により強い旋回を与えることができる。その結果、燃料と燃焼用気体とを十分に攪拌してより均一な予混合気体を形成できるので、燃焼時には局所高温部の発生を抑えてＮＯｘの発生を抑制できる。
なお、スワーラ翼の長さを従来よりも短くすることで、燃料ノズル軸とハブ内周面との間に燃焼用気体が通過する空間を設けてもよい。また、第２図（ｃ）および（ｄ）に示すように、燃料ノズル軸２０２の周囲に溝２０２ｆを設けて、この溝２０２ｆに燃焼用気体を通過させてもよい。
（変形例１）
第４図は、この発明の実施の形態１にかかる予混合ノズルの第１の変形例を示す軸方向断面図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の一部分を他の部分よりも細くして、この部分をスワーラのハブ内周に配置し、両者の間に存在する空間を燃焼用空気の通路とする点に特徴がある。そして、この空間から燃焼用気体をスワーラのハブ下流側へ通過させるものである。
燃料ノズル軸２０３はその一部分の径が細くなっており、この部分がハブ１００内に配置されるようになっている。そして、燃料ノズル軸２０３がハブ１００内に配置される部分は、ハブ１００の内周面とこれらの軸方向に向かってほぼ平行になっている。このため、両者の間に形成される空間である隙間はほぼ一定の間隔になっている。また、燃料ノズル軸２０３の先端部２０１ａには、液体燃料を燃焼用空気に供給するための液体燃料供給孔３３が備えられている。そして、燃料ノズル軸２０３の上流側では、ガス燃料供給翼２３の側面に設けられたガス燃料供給孔４３から燃焼用空気へ供給される。
ノズル胴１０の入口１０ｂから流れ込んできた燃焼用空気は、まずガス燃料供給孔４３から天然ガス等のガス燃料を供給されて燃焼用気体を形成し、ノズル胴１０内を下流に流れる。つぎに、この燃焼用気体はスワーラ翼３００によって旋回を与えられてノズル胴１０内を旋回しながら流れる。ここで、前記燃焼用気体の一部は、燃料ノズル軸２０３とハブ１００内周面との間に形成されている隙間を通って、ハブ１００の下流へ流れる。この燃焼用気体とスワーラ翼３００によって旋回を与えられた燃焼用気体とはハブ１００の下流で合流する。
このとき、スワーラ翼３００によって旋回を与えられた燃焼用気体は一定の角速度をもって旋回している。一方、燃料ノズル軸２０３とハブ１００内周面との間に形成されている空間を通過する燃焼用気体はほとんど旋回しないので、角速度はほとんど持っていない。この角速度の違いによって生ずるせん断力によって、スワーラ翼３００を通過した燃焼用気体と前記空間を通過した燃焼用気体とが十分に撹乱される。
ハブ１００の下流では液体燃料供給孔３３から液体燃料が供給されるが、スワーラ翼３００による旋回の効果と角速度の違いによる前記撹乱の効果とで、供給された液体燃料は十分に混合されて予混合気体を形成する。そして、この予混合気体はノズル胴１０の出口１０ａから燃焼室５０へ噴射される。
この予混合ノズル８０３は、燃料ノズル軸２０３の一部分を細くして、この部分のスワーラ翼３００のハブ１００内部に配置している。このため、燃料ノズル軸２０３とハブ１００内周面との間に形成される空間は、燃焼用気体の流れ方向に対して一定となる。ここで、上記の予混合ノズル８００（第１図参照）においては、燃料ノズル軸２００とハブ１００内周面との間に形成される空間が、燃焼用気体の流れ方向に向かって大きくなるため、燃焼用気体がこの部分を通過する際にその流速がやや遅くなっていた。
しかし、この予混合ノズル８０３においては、前記空間は流れ方向に対してほぼ一定に保たれているので、この部分で燃焼用気体の流速はほとんど遅くならない。したがって、変形例１にかかる予混合ノズル８０３は上記予混合ノズル８００と比較して、ノズル胴１０内における流速分布をより均一にすることができる。その結果、フラッシュバックの危険がより低くなり、また、より確実にノズル胴１０の出口１０ａよりも下流で予混合火炎を保炎できるので、ＮＯｘの発生も低く抑えることができる。
（変形例２）
第５図は、この発明の実施の形態１にかかる予混合ノズルの第２の変形例を示す軸方向断面図である。この予混合ノズルは、先端に向かって細くなる燃料ノズル軸の先端部を、流れ方向に向かって径が小さくなるスワーラのハブ内周に配置して、当該燃料ノズル軸の先端部とスワーラのハブ内周面との隙間に燃焼用気体を流す点に特徴がある。
第５図に示すように、スワーラ翼３０４の一端に連結されているハブ１０４は、燃焼用空気の流れ方向に向かって径が小さくなっている。また、燃料ノズル軸２０４の先端部２０４ａは、先端に向かって径が小さくなるテーパーをつけてあり、この先端部２０４ａがハブ１０４内に配置される。このため、燃焼用気体の通路である燃料ノズル軸２０４の先端側面とハブ１０４の内周面との隙間はほぼ一定の間隔に保たれている。
なお、この間隔はハブ１０４の軸方向にわたって一定としてもよいし、当該軸方向にわたって隙間の間隔を変化させてもよい。特に、ノズル胴１０の下流に向かってこの隙間を小さくすると、ハブ１０４とノズル胴１０との間を通過する燃焼用気体の流速は、ハブ１０４の出口で遅くなり、上記隙間を通過する燃焼用気体の流速はハブ１０４の出口で速くなる。このため、スワーラ翼３０４の下流においては両者の速度差が小さくなるので、ノズル胴１０内における流速分布をより均一に近づけることができる。
ノズル胴１０の入口１０ｂから流れ込んできた燃焼用空気は、ガス燃料供給孔４４からガス燃料を供給されて燃焼用気体を形成した後、その一部がスワーラ翼３０４によって旋回を与えられる。また、残りの一部はハブ１０４の内周面と燃料ノズル軸２０４の先端部２０４ａ側面との間に形成される空間を通ってハブ１０４の下流へ流れる。ハブ１０４の下流では、スワーラ翼３０４を通過した燃焼用気体と前記空間を通過した燃焼用気体とが合流して、さらに液体燃料供給孔３４から軽油等の液体燃料が供給されて予混合気体を形成する。この予混合気体はノズル胴１０の出口１０ａから燃焼室５０へ噴射される。
この予混合ノズル８０４は、ハブ１０４の径が下流に向かって小さくなっているため、ノズル胴１０とハブ１０４との間における断面積は下流に進むにしたがって大きくなる。このため、ノズル胴１０とハブ１０４との間を通過する燃焼用気体、すなわち、スワーラ翼３０４を通過する燃焼用気体は、入口側よりも出口側の方がその流速は遅くなる。したがって、スワーラ翼３０４を通過する燃焼用気体の流速と、ハブ１０４と燃料ノズル軸２０４との隙間を通過する燃焼用気体の流速との間には速度差が少なくなるため、ノズル胴１０内部の流速分布は上記変形例１にかかる予混合ノズル８０３よりも一様になる。このため、変形例２にかかる予混合ノズルではフラッシュバックの危険がより低くなり、また、より確実にノズル胴１０の出口１０ａよりも下流で予混合火炎を保炎できるので、ＮＯｘの発生も低く抑えることができる。
（変形例３）
第６図は、この発明の実施の形態１にかかる予混合ノズルの第３の変形例を示す軸方向断面図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の一部分を他の部分よりも細くして、この部分を流れ方向に向かって径が小さくなるスワーラのハブ内周に配置して、両者の間に存在する隙間を燃焼用空気の通路とする点に特徴がある。すなわち、変形例３にかかる予混合ノズル８０５は、変形例１にかかる燃料ノズル軸２０３（第４図参照）と変形例２にかかるハブ１０４（第５図参照）とを組み合わせたものである。
圧縮機（図示せず）から送られてくる燃焼用空気にはガス燃料供給孔４５からガス燃料が供給されて、燃焼用気体を形成する。この燃焼用気体は、ノズル胴１０とハブ１０４との間に形成される第一の流路１および燃料ノズル軸２０３とハブ１０４内周面との間に形成される第二の流路２に分かれて流れる。第６図に示すように、第一の流路１はノズル胴１０の下流に進むにしたがって燃焼用気体が通過する断面積が大きくなっており、反対に第二の流路２は燃焼用気体が通過する断面積が小さくなっている。
このため、第一の流路１を通過した燃焼用気体は、流路入口よりも出口の方がその流速は遅くなるが、第二の流路２を通過した燃焼用気体の流速は、流路入口よりも出口の方がその流速は速くなる。したがって、ノズル胴１０内における流速分布は、上記変形例２にかかる予混合ノズル８０４（第５図参照）よりもさらに均一になる。その結果、変形例３にかかる予混合ノズルではフラッシュバックの危険がさらに低くなり、また、より確実にノズル胴１０の出口１０ａよりも下流で予混合火炎を保炎できるので、ＮＯｘの発生もより低く抑えることができる。
（実施の形態２）
第７図は、この発明の実施の形態２にかかる予混合ノズルを示す軸方向断面図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の先端をハブの入口よりも上流側に配置した点に特徴がある。この予混合ノズル８０６は、特にガス燃料を単体で使用する場合に適するため、まずガス燃料のみによって予混合気体を形成する場合について説明する。
ノズル胴１０の内部にはスワーラ翼３０６が取り付けてあり、スワーラ翼３０６はその中心部にハブ１０６を備えている。燃料ノズル軸２０６は、先端部２０６ａの径が流れ方向に向かって小さくなっており、先端部２０６ａはハブ１０６の入口１０６ｂよりも上流側に配置されている。ガス燃料供給翼２６に設けられたガス燃料供給孔４６からは、圧縮機（図示せず）から送られてくる燃焼用空気にガス燃料が供給されて、燃焼用気体を形成する。
この燃焼用気体の一部は、ノズル胴１０とハブ１０６との間を通過する間に、スワーラ翼３０６によって旋回を与えられる。残りの燃焼用気体は、燃料ノズル軸２０６の先端２０６ａとハブ１０６の入口１０６ｂとの間に形成されている空間を通過して、ハブ１０６内へ流れる。ハブ１０６の出口１０６ａの下流で二つに分かれた燃焼用気体が合流し、ノズル胴１０の下流へ流れる過程で両者は十分に混合される。
この予混合ノズル８０６では、ハブ１０６内を流れる燃焼用気体の流量を多くすることができるので、ノズル胴１０内における流速分布を一様に近づけることができる。このため、予混合気体の逆流を抑制してフラッシュバックの発生を抑えることができる。また、予混合気体が流速の遅い部分へ逆流しなくなるので、燃焼室５０内で予混合火炎は保持される。このため、ガス燃料と燃焼用空気との混合距離を十分に確保できるので、局所高温部の発生を抑制してＮＯｘの発生を抑えることができる。なお、第７図（ｂ）に示すように、ハブ１０７の径を下流に向かって小さくするようにしてもよい。このようにすると、ハブ１０７の出口１０７ａにおける燃焼用気体の流速は、入口１０７ｂにおける流速よりも速くなるので、ノズル胴１０内における流速分布をさらに均一にできる。これによってフラッシュバックおよびＮＯｘの発生をさらに抑えることができる。
この予混合ノズル８０６に使用する燃料ノズル軸２０６の先端部２０６ａに液体燃料供給孔を設けて液体燃料を供給すると、下流側のハブ１０６によって液体燃料の分散が妨げられてしまう。したがって、この予混合ノズル８０６で液体燃料も燃焼させる場合には、第７図（ｃ）に示すように、中空のスワーラ翼３０７を使用して、下流側におけるスワーラ翼３０７の縁に液体燃料供給孔３７を設けて、ここから燃焼用気体に液体燃料を供給してもよい。このようにすれば、実施の形態２にかかる予混合ノズルでも液体燃料を使用することができる。
（実施の形態３）
第８図は、この発明の実施の形態３にかかる予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、ノズル胴内に、燃焼用気体の流れ方向をノズル胴の中心へ向かわせる手段を備えた点に特徴がある。ノズル胴の中心において低流速域が発生するのは、スワーラによって旋回を与えられた燃焼用気体が、旋回の遠心力によってノズル胴の径方向外側へ向かうことが原因である。実施の形態３にかかる予混合ノズルは、前記流れ方向をノズル胴の中心へ向かわせる手段によって、ノズル胴の外側へ向かおうとする流れを内向きにすることで、ノズル胴内における流速分布を均一にするものである。
第８図（ａ）に示すように、この予混合ノズル８０７は、流れ方向をノズル胴１０の中心へ向かわせる手段として、流れ方向に向かって径が小さくなる筒状の偏向リング８０を使用する。この偏向リング８０はスワーラ翼３０８に取り付けられている。ノズル胴１０の入口１０ｂから流れ込んできた燃焼用空気に、天然ガス等のガス燃料が供給されて、燃焼用気体を形成する。この燃焼用気体はノズル胴１０内に備えられたスワーラ翼３０８によって旋回を与えられる。同時に、この燃焼用気体にはスワーラ翼３０８に取り付けられた偏向リング８０によってノズル胴１０の中心に向かう流れが与えられる。
実施の形態３にかかる予混合ノズル８０７は、この中心に向かう流れによって旋回に起因する遠心力を緩和するので、ノズル胴１０内における流速分布を均一にできる。そして、この予混合ノズル８０７は、燃料ノズル軸２０７とハブ１０７との間隔を大きくしなくとも、偏向リング８０によってノズル胴１０内の流速分布を均一に近づけることができる。このため、燃料ノズル軸２０７が振動等によって動いた場合でも、ハブ１０７によってその動きを小さく抑えることができるので、実施の形態１または２にかかる予混合ノズルと比較して振動等の外乱に強い。また、偏向リング８０が補強部材としても作用するので、スワーラ翼３０８の振動等を抑制して安定した運転ができる。
上記例においては偏向リング８０をスワーラ翼３０８に取り付けたが、偏向リング８０はスワーラ翼３０７の下流に配置してもよい。なお、スワーラ翼３０８の上流に偏向リング８０を配置してもよいが、この場合は旋回による遠心力を緩和する作用はやや弱くなる。
また、燃焼用気体の流れ方向をノズル胴１０の中心へ向かわせる手段として、第８図（ｂ）に示すようにスワーラ翼３０９のハブ１０７側に流れの偏向部３０９ａを設け、この部分で燃焼用気体にノズル胴１０の中心に向かう流れを与えてもよい。このようにすると、これまでの予混合ノズルとほとんど構造が変わらないため、既存技術の延長線上で製造や保守・点検ができる。
（実施の形態４）
第９図は、この発明の実施の形態４にかかる予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸をその軸方向に貫く燃焼用気体の通過孔を備えた燃料ノズル軸を使用する点に特徴がある。この予混合ノズル８０８では、ノズル胴１０内に、燃焼用気体である燃焼用空気をスワーラ翼３１０の下流側へ流すための通過孔を備えた燃料ノズル軸２０８が備えられている。
第９図（ｂ）に示すように、燃料ノズル軸２０８は、その内部に燃料ノズル軸２０８をその軸方向に貫く内筒１５０が、燃焼用空気の通過孔として備えられている。この内筒１５０の入口１５０ｂは、燃料ノズル軸２０８の上流側に開口しており（第９図（ａ））、燃焼用空気を取り込みやすいように、入口１５０ｂの形状は漏斗状としてある。なお、入口１５０ｂの形状は漏斗状に限られるものではない。
内筒１５０の出口１５０ａは（第９図（ｂ））、燃料ノズル軸２０８の先端部２０８ａに開口しており、入口１５０ｂに流入した燃焼用空気はこの出口１５０ａからスワーラ翼３１０の下流側へ流れる。なお、第９図（ｂ）に示すように、内筒１５０の出口１５０ａに絞りを設けると燃焼用空気の流速を速くできるので、ノズル胴１０内の流速分布をより一定に近づけることができる。
圧縮機（図示せず）から送られてきた燃焼用空気の一部は、内筒１５０の入口１５０ｂから内筒１５０内部へ流入する。残りの燃焼用空気は、ガス燃料供給孔４８から供給されるガス燃料と燃焼用気体を形成して、ノズル胴１０の下流へ流れる。そして、この燃焼用気体はスワーラ翼３１０で旋回を与えられ、スワーラ翼３１０の下流においては旋回の遠心力によってノズル胴１０の径方向外側へ向かう旋回流となって流れる。
このままだと、ノズル胴１０の中心部近傍に低流速域を形成してしまうが、この予混合ノズル８０８では、内筒１５０の出口１５０ａから燃焼用空気が流れ出しているため、ノズル胴１０の中心部における流速は低下しない。このためノズル胴１０内における流速分布は一様に近くなるので、フラッシュバックやＮＯｘを低減できる。また、実施の形態４にかかる予混合ノズル８０８においては、実施の形態１または２にかかる予混合ノズルほど燃料ノズル軸２０８とハブ１０８との間隔を大きくとる必要はない。このため、燃料ノズル軸２０８が振動等によって動いた場合でも、ハブ１０８によってその動きを小さく抑えることができる。したがって、この予混合ノズル８０８は、実施の形態１または２にかかる予混合ノズルと比較して振動等の外乱に強く、運転状況に関わらず安定した燃焼ができる。
（実施の形態５）
第１０図は、この発明の実施の形態５にかかる予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、スワーラのハブを使用しないで、端部が開放された複数のスワーラ翼で囲まれた空間に燃料ノズル軸を配置する点に特徴がある。ノズル胴１０内にはスワーラ翼３１１の一端が取り付けられており、もう一方の端部は開放されている。スワーラ翼３１１の開放端部３１１ａで囲まれた空間（第１０図（ｂ）中Ａで囲んだ部分）には、燃料ノズル軸２０９が配置されている。
圧縮機（図示せず）から送られてきた燃焼用気体である燃焼用空気の一部は、ガス燃料供給孔４９から供給されるガス燃料と燃焼用気体を形成して、ノズル胴１０の下流へ流れる。そして、この燃焼用気体はスワーラ翼３１１で旋回を与えられ、旋回の遠心力によってノズル胴１０の径方向外側へ向かう旋回流となって流れる。従来の予混合ノズルにおいては、第１４図に示すように、燃料ノズル軸２２０をハブ１２０の内部に配置していたので、このハブ１２０によって燃焼用気体の流れが妨げられる結果、ノズル胴１０の中心付近には燃焼用気体が流れていかなかった。しかし、この予混合ノズル８０９ではハブを使用しないため、燃焼用気体の流れが妨げられることはない。また、燃焼用気体は燃料ノズル軸２０９の表面にそって剥離せずに滑らかに流れる。したがって、ノズル胴１０の中心付近にも燃焼用気体が流れるようになるので、ノズル胴１０内の流速分布が平均化される。その結果、ノズル胴１０内における流速分布は一様に近くなるので、フラッシュバックやＮＯｘを低減できる。
（変形例）
第１１図は、実施の形態５の変形例にかかる予混合ノズルを示す説明図である。この予混合ノズルは、燃料ノズル軸の表面に溝を形成し、この溝にスワーラ翼の開放端部を挿入した点に特徴がある。実施の形態５にかかる予混合ノズルはハブを使用しないので、スワーラ翼の端部のみで燃料ノズル軸を保持することになる。このため、運転中に燃料ノズル軸が振動等を起こした場合にはこの振動を十分に抑えることができず、燃料の供給に支障をきたしたり、燃焼器の各部に不具合を与えたりするおそれがある。この予混合ノズルは、この問題を解決するものである。
燃料ノズル軸２１０の表面にはスワーラ翼の開放端部を挿入するための溝２１０ｆが形成されている。ノズル胴１０内にはスワーラ翼３１１の一端が取り付けられており、もう一方の端部は開放されている。実施の形態５にかかる予混合ノズル８０９（第１０図参照）と同様に、スワーラ翼３１１の開放端部で囲まれた空間には、燃料ノズル軸２１０が配置される。このとき、燃料ノズル軸２１０に形成された溝２１０ｆに、スワーラ翼３１１の開放端部３１１ａを挿入する。なお、燃料ノズル軸２１０をスワーラ翼３１１に組み込みやすくするため、スワーラ翼３１１の開放端部３１１ａを第１１図（ｃ）に示すように燃料ノズル軸２１０に形成された溝２１０ｆと平行に形成するとよい。このようにすると、容易に燃料ノズル軸２１０をスワーラ翼３１１に組み込むことができるので、組立て作業に手間を要さない。
この予混合ノズル８１０は、スワーラ翼３１１の開放端部３１１ａを溝２１０ｆへ挿入することで燃料ノズル軸２１０を保持するので、燃料ノズル軸２１０の自由な運動を抑制できる。したがって、この予混合ノズル８１０は、上記実施の形態５にかかる予混合ノズル８０９で奏される効果に加え、振動等の外乱に強くガスタービン運転状況に関わらず安定した運転ができるという効果も得ることができる。
（実施の形態６）
実施の形態６においては、ガスタービン燃焼器およびガスタービンにこの発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用した例について説明する。第１２図は、この発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用したガスタービンの燃焼器を示す説明図である。このガスタービンの燃焼器７３０は、拡散火炎形成ノズル６３と燃焼器内筒との間に、この発明にかかる予混合ノズル８００（第１図参照）を備えている。第１２図からは明らかでないが、予混合ノズル８００は拡散火炎形成ノズル６３の周囲に８個備えられている。この数は８個に限定されるものではなく、燃焼器やガスタービンの仕様によって適宜変更できる。なお、上記燃焼器７３０に適用できる予混合ノズルはこれに限られず、上述したこの発明にかかる予混合ノズルはいずれも適用できる。燃焼器内筒５１０の出口には燃焼室内筒５１５が備えられており、この燃焼室内筒５１５で囲まれた筒状の空間が燃焼室５０を形成する。また、燃焼器内筒５１０および燃焼室内筒５１５の外側には燃焼器外筒６００が備えられており、これによって燃焼器内筒５１０および燃焼室内筒５１５が保持されている。
第１３図は、この発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用したガスタービンを示す部分断面図である。このガスタービン７００は、導入された空気を圧縮して燃焼用空気とする圧縮機７２０と、圧縮機７２０から送られてくる燃焼用空気に天然ガス等のガス燃料および軽油等の液体燃料を噴射して高温の燃焼ガスを発生させる燃焼器７３０と、この燃焼ガスによって回転駆動力を発生させるタービン７４０とを備えている。ここで、燃焼器７３０は上述した燃焼器７３０である。
つぎに、このガスタービン燃焼器およびガスタービンの動作を、第１２図および第１３図に沿って説明する。ガスタービン７００の圧縮機７２０はタービン７４０と連結されており、タービン７４０の回転によって駆動されて、圧縮機入口７２１から取り込まれた空気を圧縮する。圧縮機７２０で圧縮された空気の大半は燃焼用空気として使用され、残りの圧縮空気はガスタービンの動翼、静翼あるいは尾筒といった高温部材を冷却するために使用される。
圧縮機７２０から送られてくる燃焼用空気は、燃焼器外筒６００と燃焼器内筒５１０との間を通って、燃焼器内筒５１０の入口側から予混合ノズル８００および拡散火炎形成ノズル６３内へ流れ込む。拡散火炎形成ノズル６３は、その中心部分にパイロット燃料供給ノズル６２を備えており、ここからパイロット燃料が燃焼用空気に噴射されて拡散火炎を形成する。また、拡散火炎形成ノズル６３の出口には拡散火炎形成コーン６０が備えられており、ここから拡散火炎が燃焼室５０内へ噴射される。
予混合ノズル８００内に流入した圧縮空気はスワーラ翼３００によって旋回を与えられてノズル胴１０内を流れる。その過程で、ガス燃料供給孔４０から供給されるガス燃料、および液体燃料供給孔３０から供給される液体燃料と十分に混合されて、予混合気体を形成する。その後予混合気体は、ノズル胴１０の出口１０ａから燃焼室５０内へ噴射されて、パイロットコーン６０によって形成される拡散火炎によって発火して予混合火炎を形成する。予混合燃焼においては燃料に対して空気が過剰な状態で燃焼するため、拡散燃焼よりも火炎温度が低くでき、これによってＮＯｘの発生を抑制することができる。
また、この燃焼器７３０においてはこの発明にかかる予混合ノズルを使用しているため、予混合気体の逆流を抑えてフラッシュバックを抑制し、安定して予混合火炎を形成できる。さらに、この燃焼器７３０では予混合気体の逆流がほとんど発生しないため、予混合気体は燃焼室５０内で安定して燃焼する。このため、燃料が供給されてから燃焼室５０まで進行する過程で燃料と燃焼用空気とは十分に混合されるので、両者の混合気体である予混合気体には燃料濃度の高い部分がほとんど存在しなくなる。その結果、予混合気体が燃焼する際には局所高温部の発生が抑制されるため、ＮＯｘの発生をさらに低減できる。
予混合火炎から生ずる高温・高圧の燃焼ガスは燃焼室５０から燃焼器尾筒７５０へ導かれ、タービン７４０へ噴射される。この燃焼ガスによってタービン７４０が回転することで、回転動力を生み出す。その一部は圧縮機７２０を駆動するために費やされ、残りの動力が発電機等を駆動するために使用される。タービン７４０を駆動した燃焼ガスは、排気ガスとなってタービン外部へ排出される。この排気ガスはまだ高温度を保っているので、ＨＲＳＧ（Ｈｅａｔ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｓｔｅａｍ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：排熱回収ボイラ）等によってその熱エネルギーを回収することもできる。
このガスタービンはこの発明にかかる予混合ノズルを使用しているため、フラッシュバックを抑制して安定した運転ができる。また、この発明にかかる予混合ノズルはＮＯｘの発生を抑制する効果も得られるので、環境に対する負荷も小さくできる。さらに、フラッシュバックを抑えて燃焼器等の焼損を抑制できる結果、燃焼器等の寿命が長くなり保守・点検の手間が軽減できる。その結果、このガスタービンを使用したプラントは実稼動時間を長くできるので、需要に合わせた柔軟な運転をし易くなる。
以上説明したように、この発明にかかる予混合ノズルでは、燃料を供給するための燃料ノズル軸とスワーラ翼が連結しているハブとの間に、燃焼用気体を通過させる空間を設けるようにした。このため、上記燃焼用気体を通過させる空間を通って燃焼用気体がノズル胴の中心部に流れるので、この部分における流速を高くできる。これによってノズル胴内部における燃焼用気体の流速分布を一様に近づけてフラッシュバックの危険性を低くすることで、予混合ノズルの焼損を抑制できる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、ノズル胴の出口に向かって細くした前記燃料ノズル軸の先端部分をハブの内部に配置して、燃料ノズル軸の先端とハブとの間に形成される空間に燃焼用気体を通過させるようにした。このため、スワーラ翼の長さを確保しつつ燃焼用気体が通過する空間を十分にとることができるので、燃焼用気体に強い旋回を与えつつノズル胴の中心部分における流速を高くできる。これによってフラッシュバックの発生を抑制でき、また強い旋回によって燃料と燃焼用空気とを十分に混合できるので、ＮＯｘも低く抑えることができる。また、燃料ノズル軸の位置をノズル胴出口側に移動させればよいので、大幅な設計変更を要しない。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の一部を細くし、この部分をハブの内部に配置するようにしたので、燃料ノズル軸とハブ内周面との間に形成される燃焼用気体が通過するための空間は、燃焼用空気の流れ方向に対して一定となる。このため、この空間における燃焼用気体の通過する断面積がほぼ一定になるため、この空間を通過する燃焼用気体の流速はほとんど遅くならない。したがって、この予混合ノズルは上記予混合ノズルと比較して、ノズル胴内における流速分布をより均一にできるので、フラッシュバックの発生をより抑制できる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、ハブの径をノズル胴の下流に向かって小さくしたので、ノズル胴とハブとの間における断面積は、ノズル胴の下流に進むにしたがって大きくなる。このため、スワーラ翼を通過する燃焼用気体の流速はスワーラ翼の出口で遅くなるので、燃料ノズル軸とハブ内周面との間を通過する燃焼用気体の流速との速度差を小さくできる。このため、ノズル胴内部の流速分布は上記予混合ノズルよりもさらに一様になるので、フラッシュバックの危険をより低く抑えることができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の一部を細くして、当該燃料ノズル軸の細い部分を、下流方向に向かって細くなるハブの内部に配置した。このため、ノズル胴とハブとの間を通過する燃焼用気体の流速は、入口側よりも出口側の方が遅くなり、ハブと燃料ノズル軸との間を通過する燃焼用気体の流速は出口側の方が入口側よりも速くなる。したがって、スワーラの下流における両者の流速差が少なくなるので、スワーラ翼の下流におけるノズル胴内部における流速分布は上記予混合ノズルよりもさらに一様にできる。その結果、上記予混合ノズルよりもさらにフラッシュバックの危険性を低く抑えることができ、予混合ノズルの寿命を伸ばすことができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、燃料ノズル軸の先端をハブの入口よりも上流側に配置したので、ハブの内部を流れる燃焼用気体の流量を多くとることができる。このため、ノズル胴内部における流速分布を一様に近づけることができるので、従来の予混合ノズル内部に存在していた低流速域に予混合気体が逆流することを抑制し、フラッシュバックの発生を抑えて、予混合ノズルの焼損を抑制できる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、ノズル胴内部に燃焼用気体をノズル胴の中心に向かって流すための変更手段を備えた。このため、旋回の遠心力によって発生するノズル胴の内壁側に向かう燃焼用気体の流れをノズル胴中心部に向けることができるので、ノズル胴内部の流速分布を一様な状態へ近づけることができる。これによって、予混合気体の逆流を抑制してフラッシュバックを抑えることができる。
つぎの発明にかかる予混合ノズルでは、スワーラ翼の翼端を開放して、この開放端で囲まれる空間に燃料ノズル軸を配置した。このため、燃料ノズル軸の周囲にはハブが存在しないので、燃焼用気体は燃料ノズル軸に沿って滑らかに流れる。その結果、ノズル胴の中心部分にも燃焼用気体を流してこの部分の流速を高くできるので、ノズル胴内部における流速分布を一様に近づけることができる。したがって、予混合気体の逆流を抑えてフラッシュバックの危険性を低くできる。
つぎの発明にかかるガスタービンの燃焼器では、上記予混合ノズルによって予混合気体を形成して燃焼させるので、フラッシュバックを抑えて安定した運転ができる。そして、燃焼器の焼損も抑えることができるので、燃焼器の寿命が長くなり、保守・点検の手間も軽減できる。
つぎの発明にかかるガスタービンでは、上記ガスタービンの燃焼器によって燃焼ガスを備えているため、フラッシュバックを抑えて安定した運転ができる。また、フラッシュバックが抑制できるため、燃焼器等の焼損を抑えてガスタービン燃焼器の寿命も長くできる結果、保守・点検の間隔を長くできる。このため、このガスタービンを使用したプラントにおいては実稼動時間を長くでき、需要に合わせた運転がし易くなる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる予混合ノズルおよび燃焼器並びにガスタービンは、ガスタービンに有用であり、フラッシュバックの発生を抑制して予混合ノズルや燃焼器の焼損を抑制することに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の実施の形態１にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを示す説明図であり、第２図は、この予混合ノズルに使用する燃料ノズル軸を示す説明図であり、第３図は、従来の予混合ノズルと実施の形態１にかかる予混合ノズルとのノズル胴内における軸方向の流速分布を示した説明図であり、第４図は、この発明の実施の形態１にかかる予混合ノズルの第１の変形例を示す軸方向断面図であり、第５図は、この発明の実施の形態１にかかる予混合ノズルの第２の変形例を示す軸方向断面図であり、第６図は、この発明の実施の形態１にかかる予混合ノズルの第３の変形例を示す軸方向断面図であり、第７図は、この発明の実施の形態２にかかる予混合ノズルを示す軸方向断面図であり、第８図は、この発明の実施の形態３にかかる予混合ノズルを示す説明図であり、第９図は、この発明の実施の形態４にかかる予混合ノズルを示す説明図であり、第１０図は、この発明の実施の形態５にかかる予混合ノズルを示す説明図であり、第１１図は、実施の形態５の変形例にかかる予混合ノズルを示す説明図であり、第１２図は、この発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用したガスタービンの燃焼器を示す説明図であり、第１３図は、この発明にかかるガスタービン燃焼器の予混合ノズルを適用したガスタービンを示す部分断面図であり、第１４図は、これまで使用されてきたガスタービンの予混合燃焼器および予混合ノズルを示す説明図である。
【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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