JPH08145363A

JPH08145363A - 液体燃料用ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH08145363A
Application number: JP28685294A
Authority: JP
Inventors: Toyohiko Ishimaru; 豊彦石丸; Yasuo Okamoto; 安夫岡本; Isamu Suzuki; 勇鈴木; Akihiro Onoda; 昭博小野田
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1994-11-21
Filing date: 1994-11-21
Publication date: 1996-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】液体燃料を使用するガスタービン燃焼器におい
て、燃料の微粒化を図り、空気との混合を十分に促進さ
せて均一燃焼を行えるようにし、ＮＯｘ発生量を確実に
低減させることができるようにする。【構成】燃焼機ライナ内に形成される燃焼域を、燃焼器
ライナ頭部側の第１段燃焼域と、この第１段燃焼域の下
流側の第２段燃焼域とに分け、第１段燃焼域では液体燃
料の拡散燃焼を行なわせるとともに、第２段燃焼域では
第２段燃料ノズルから予混合ダクトを介して噴射される
液体燃料の稀薄予混合燃料による予混合燃焼を行なわせ
るようにする。第２段燃料ノズル８を、液体燃料を旋回
流として噴射する液体燃料ノズル部２４と、この液体燃
料ノズル部２４の外周側に同軸的に配置され、噴射する
液体燃料に高圧空気を旋回流として噴出してその液体燃
料を微粒化させる燃料微粒化用空気ノズル部２５とを有
する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に発電用ガスタービ
ンプラントに適用される灯油あるいは重油等の液体燃料
を用いるガスタービン燃焼器に係り、とりわけ排気ガス
中に含まれるＮＯｘの低濃度化が図れる液体燃料用ガス
タービン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、発電用ガスタービンの燃焼器の燃
料としては、主に、気体燃料であるＬＮＧ等が適用され
ている。このような気体燃料用ガスタービン燃焼器にお
いては近年、タービン熱効率を向上させるため、タービ
ン入口温度、すなわちガスタービン燃焼器の出口温度の
高温化が図られている。

【０００３】ところが、燃焼器の出口温度が高くなる
と、それに伴って排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃
度も高くなる。ガスタービン燃焼器のＮＯｘ発生の主な
原因としては、ガスタービン燃焼器内における燃焼ガス
の局所的な高温化が挙げられる。従来、燃焼器内で発
生するＮＯｘの低減法としては、２段予混合燃焼方式あ
るいは水や蒸気を注入する方式等が提案されている。２
段予混合燃焼方式は、燃焼器ライナ内の燃焼室の上流側
を第１段燃焼域、その下流側を第２段燃焼域と分け、第
１段燃焼域では、少量の第１段燃料を用いて高温の安定
した火炎（拡散火炎）を形成し、この高温燃焼ガスによ
って、第２段燃焼域に噴出される燃えにくい稀薄予混合
気を安定に燃焼させるようにしたもので、局所的高温部
分の発生を防止するとともに、ＮＯｘの発生を抑制する
方式である。

【０００４】この方式を用いた装置は、例えば特開昭６
１−１０５０２９号公報に示されているように、第２段
燃焼域へ稀薄予混合燃料を導くために、燃料を導入する
ノズルおよび空気を導入するスワーラと、圧力噴霧型燃
料ノズルおよびスワーラから導かれた燃料および空気を
予混合する円管状の予混合蒸発部（予混合ダクト）より
構成されている。

【０００５】図９（ａ），（ｂ）は、従来の圧力噴霧型
燃料ノズル１００の構成を示したものである。これらの
図に示すように、従来のノズルでは燃料導入通路１０１
を内部に有する管状のノズル本体１０２の膨出した先端
閉塞壁１０３に、拡径方向に開口する出口孔１０４を穿
設したもので、同図（ａ）のものは放射状の出口孔１０
４を周方向に複数穿設しており、同図（ｂ）のものは放
射状の出口孔１０４を周方向に複数穿設するとともに、
軸心方向にも穿設している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のガスタ
ービン燃焼器において、圧力噴霧型燃料ノズル１００を
用いた第２段燃料ノズルから予混合ダクトに噴霧された
ＬＮＧ等のガス燃料は、スワーラにて旋回流となった空
気と混合され、下流に行くに従って燃料は均一に空気と
予混合され、予混合ダクトの出口である燃焼室の第２段
燃焼域へと導かれて安定燃焼される。

【０００７】ところが、石油系、例えば灯油あるいは重
油等の液体燃料を用いる場合には、従来の圧力噴霧型燃
料ノズル１００から噴霧される燃料が必ずしも十分に微
粒化されない。発明者の検討によると、噴霧粒子径が例
えば１２０μｍと大きく、予混合ダクト内部で完全に蒸
発しきれず、均一な稀薄予混合燃焼が行なわれないた
め、局所的な高温燃焼部が生じる等によりＮＯｘの低減
特性が良くなく、一般の拡散燃焼器と比較して１／２程
度にしか減少しない。

【０００８】また、液体燃料の粒子径が大きいために予
混合空気に伴って流れる液滴が少なく、噴霧した燃料が
予混合ダクトの壁面に付着してしまうため、燃料と空気
との予混合および蒸発が促進されず、予混合ダクトのメ
タル温度分布が不均一となり、予混合ダクトが損傷する
おそれもある。このことは、第１段燃料ノズルについて
も同様である。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、第１段または第２段の液体燃料ノズルの構成を
改良して液体燃料の微粒化を図り、空気との混合を十分
に促進させて均一燃焼を行えるようにし、ＮＯｘ発生量
を確実に低減させることができるとともに、液体燃料ノ
ズルを限られた空間内に容易かつ安定に設置することが
できる液体燃料用ガスタービン燃焼器を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
燃焼機ライナ内に形成される燃焼域を、燃焼器ライナ頭
部側の第１段燃焼域と、この第１段燃焼域の下流側の第
２段燃焼域とに分け、前記第１段燃焼域では前記燃焼器
ライナの頭部中心位置に設けた第１段燃料ノズルから噴
射される液体燃料の拡散燃焼を行なわせるとともに、前
記第２段燃焼域では前記燃焼器ライナの外周部に配設し
た第２段燃料ノズルから予混合ダクトを介して噴射され
る液体燃料の稀薄予混合燃料による予混合燃焼を行なわ
せるようにした液体燃料用ガスタービン燃焼器であっ
て、前記第１段燃料ノズルおよび第２段燃料ノズルの少
なくとも一方を、液体燃料を旋回流として噴射する液体
燃料ノズル部と、この液体燃料ノズル部の外周側に同軸
的に配置され、噴射する液体燃料に高圧空気を旋回流と
して噴出してその液体燃料を微粒化させる燃料微粒化用
空気ノズル部とを有する構成としたことを特徴とする。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の液
体燃料用ガスタービン燃焼器において、液体燃料ノズル
部は、この液体燃料ノズル部の中心位置に液体燃料を導
入して流通させる液体燃料導入通路と、この液体燃料導
入通路の下流端側位置で液体燃料の流れ方向を前記液体
燃料導入通路から大径側に放射状に向ける拡径通路と、
この拡径通路に連通する狭隘な筒状通路と、この筒状通
路の下流端側にて液体燃料を周方向に沿う旋回流とする
液体燃料旋回通路と、この液体燃料旋回通路に連通し次
第に小径となる液体燃料縮流通路と、この液体燃料縮流
通路の下流端に開口する液体燃料出口とを有することを
特徴とする。

【００１２】請求項３記載の発明は、請求項１記載の液
体燃料用ガスタービン燃焼器において、燃料微粒化用空
気ノズル部は、請求項２記載の液体燃料ノズル部の液体
燃料導入通路の外周側に配置された筒状の空気導入通路
と、この空気導入通路の下流端側で空気の流れを周方向
に沿う旋回流にする空気旋回通路と、この空気旋回通路
の下流端側で空気を小径側に向ける縮流空気導入通路
と、この空気縮流通路の下流端側で、かつ請求項２記載
の液体燃料出口の周囲部に旋回空気を噴出する燃料微粒
化噴霧用の空気出口とを有することを特徴とする。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項１記載の液
体燃料用ガスタービン燃焼器において、第２段燃料ノズ
ルは燃料微粒化用空気ノズル部を形成するノズル外筒お
よび中間筒と、液体燃料ノズル部を構成する内筒とを備
え、前記ノズル外筒は、上流端側が開口し下流端側が次
第に小径となるテーパ付きの形状とされて上流端側内周
面に雌ねじが形成されるとともに下流端側近傍の内周面
に段部が形成されており、また前記中間筒は、前記ノズ
ル外筒と略相似的な形状でノズル外筒内に同軸的に挿入
され、上流端側の内周面に雌ねじが形成されるととも
に、下流端側近傍の外周面に段部が形成され、かつ下流
端側内部にフランジ面が形成されており、さらに前記内
筒は、上流端側が開口し下流端側が閉塞した有底筒状
で、前記中間筒の雌ねじ部とフランジ面との間に位置し
て前記中間筒内に密接状態で嵌合されて下流端側の周壁
部に拡径通路となる複数の放射状の孔を有するととも
に、その拡径通路の下流側に前記中間筒との間で筒状通
路を形成する小径部を有し、かつ下流端部に液体燃料旋
回通路を形成する環状壁を有しており、前記内筒は前記
中間筒に下流端の環状壁の先端が前記中間筒の下流端の
内面のフランジ面に当接するまで深く挿入して前記中間
筒の雌ねじに螺合した止めねじによるダブルナット構造
で上流端側から押圧固定する一方、前記中間筒は前記ノ
ズル外筒に同軸的に上流端側から挿入しこのノズル外筒
の内周面の段部と前記中間筒の外周面の段部とで燃料微
粒化用空気ノズル部の空気旋回通路を形成するリング状
の旋回器を挟持し、かつ前記中間筒は前記ノズル外筒の
雌ねじに上流端側から螺合および溶接固着したプラグに
よって固定保持したことを特徴とする。

【００１４】請求項５記載の発明は、請求項１記載の液
体燃料用ガスタービン燃焼器において、第１段燃料ノズ
ルは、燃料微粒化用空気ノズル部の外周側に、ガス燃料
を噴射するガス噴射ノズル部を、液体燃料ノズル部と切
換え使用可能に備えたことを特徴とする。

【００１５】

【作用】請求項１の発明によれば、第１段燃料ノズルま
たは第２段燃料ノズルにおいて、液体燃料が液体燃料ノ
ズル部から旋回流として噴出されるとともに、その噴出
される液体燃料が外周側の微粒化用空気ノズル部から噴
出される旋回空気と混合することによって極めて微粒化
された状態となる。

【００１６】このように第１段燃料ノズルで微粒化され
た液体燃料は、均一拡散状態となって燃焼器ライナの第
１燃焼域に供給され、均一に燃焼される。また、第２段
燃料ノズルで微粒化された液体燃料は、予混合ダクト内
で均一，稀薄状態となって予混合，蒸発されて燃焼器ラ
イナの第２燃焼域に供給され、均一に燃焼される。これ
により、液体燃料の微粒化が不十分な従来の燃焼器に比
してＮＯｘ低減率の大幅な改善が図れるようになる。

【００１７】請求項２の発明によれば、上述した第１段
燃料ノズルまたは第２段燃料ノズルの液体燃料ノズル部
での液体燃料の微粒化が、同ノズル部内の通路構成によ
って、より確実に行われる。即ち本発明によれば、供給
される液体燃料が、液体燃料導入通路から拡径通路へと
放射状に流れを変える際の撹拌および液体燃料旋回通路
で縮径方向に沿って旋回しながら噴出される際の撹拌に
よって、複合的かつ強力な微粒化作用を受ける。

【００１８】また、請求項３の発明によれば、液体燃料
ノズル部から噴出する液体燃料をさらに微粒化するため
の空気流が有効的に得られる。即ち本発明によれば、空
気と燃料微粒化用空気ノズル部の筒状の空気導入通路に
設けられたリング状の空気旋回通路で旋回流となり、空
気縮流通路で縮流となって空気出口から燃料噴霧用の出
口の外周側で液体燃料と強力に混合して噴霧状態とな
る。

【００１９】以上の発明においては、液体燃料および空
気の通路を形成するために、各ノズルは複数部品を組み
合せて構成する必要がある。その場合、加圧状態で供給
される液体燃料および空気に旋回流を与える部位では大
きい反力が発生するため、その反力によって部品の結合
に緩みが生じて所定の機能が発揮できなくなる可能性が
ある。

【００２０】そこで、請求項４の発明では、ノズル外
筒、中間筒および内筒を、ダブルナット構造およびねじ
込みと溶接固着構造で固定するようにして、前記の旋回
流の反力に抗して部品の強固な結合関係を保持できると
ともに、比較的簡単な構成でノズル部品を提供でき、前
記の液体燃料の微粒化が有効に実現できるようになる。
さらに、請求項５の発明によれば、燃料微粒化用空気ノ
ズル部の外周側に、ガス燃料を噴射するガス噴射ノズル
部を、液体燃料ノズル部と切換え使用可能に備えたこと
により、必要に応じてガス燃料の燃焼にも供することが
でき、多様な燃焼形態の選択により最適な運用を行うこ
とが可能となる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本実施例によるガスタービン燃焼器の
全体構成を示し、図２は第２段燃料バルブの構成を示
し、図３および図４は部品構成を示し、図５は第１段燃
料バルブの構成を示し、図６は第１段燃料バルブの部品
構成を示している。

【００２２】本実施例のガスタービン燃焼器１は、図示
しない圧縮機とガスタービンとの間に複数個設けられ、
圧縮機からの吐出チャンバ内に収容されている。このガ
スタービン燃焼器１では図１に示すように、燃焼器外筒
２内に燃焼器ライナ３が内筒として収納されている。こ
の燃焼器ライナ３内には燃焼室４が形成され、燃焼器ラ
イナ３と燃焼器外筒２との間に環状の空気流路５が形成
されている。この空気流路５は、フロースリーブ６によ
って外周側が覆われ、このフロースリーブ６の内側を通
ってコンプレッサ４からの吐出空気ａが案内される。

【００２３】燃焼器ライナ３内に形成される燃焼室４
は、燃焼器ライナ３の頭部側の第１段燃焼域４ａと、こ
の第１段燃焼域４ａの下流側の第２段燃焼域４ｂとに分
けられている。燃焼器ライナ３の上流端には、第１段燃
焼域４ａの中心部に位置して、第１段燃料であるパイロ
ット燃料を噴射させる第１段燃料ノズル、即ち、パイロ
ット燃料ノズル７が設けられている。このパイロット燃
料ノズル７の外周側に、第２段燃焼域４ｂへ第２段燃料
であるメイン燃料を供給する第２段燃料ノズル、即ち、
メイン燃料ノズル８が複数個、例えば８個、周方向に間
隔的に設けられている。これらパイロット燃料ノズル７
とメイン燃料ノズル８とは、燃焼器外筒２の開口部を覆
うヘッドプレート９に設けられている。

【００２４】燃焼器ライナ３の上流端にはライナキャッ
プ１０が取付けられ、このライナキャップ１０の中心部
に、前記のパイロット燃料ノズル７の先端部が支持され
るとともに、その周囲部に、空気導入通路５から導かれ
た空気を第１段燃焼域４ａに吹込む旋回用のスワーラ１
１が設けられている。

【００２５】また、燃焼器外筒２の下流端には燃焼器ラ
ッパ１２が設けられる一方、燃焼器ライナ３の下流端に
はトランジションピース１３が装着され、燃焼ガスを図
示しないガスタービンに送給するようになっている。

【００２６】ところで、燃焼器ライナ３の外周側には、
各メイン燃料ノズル８から噴射されるメイン燃料を空気
と予混合させるための予混合ダクト１４が、メイン燃料
ノズル８と同数、周方向に間隔的に配設されている。各
予混合ダクト１４は、燃焼器ライナ３と平行な軸心をも
って筒状に構成されており、その下流端側には複数段、
例えば３段の予混合燃料出口１５，１６，１７が分岐
し、燃焼器ライナ３の軸方向位置の異なる３カ所から第
２段燃焼域４ｂに稀薄予混合燃料を吹込んで燃焼させる
ようになっている。

【００２７】本実施例においては、液体燃料が第１段燃
料ノズルであるパイロット燃料ノズル７と第２段燃料ノ
ズルである複数のメイン燃料ノズル８とに対して、それ
ぞれ第１段燃料系統１８および第２段燃料系統１９から
それぞれ供給されるようになっている。第１段燃料系統
１８はパイロット燃料ノズル７の中心位置に配置された
１本の燃料供給管２０によって構成されている。第２段
燃料系統１９は、ヘッドプレート９に取付けた液体燃料
ヘッダ２１と各メイン燃料ノズル８とをそれぞれ燃料配
管２２で連結して構成されており、燃料ヘッダ２１には
燃料供給管２３を介して燃料タンク（図示せず）から液
体燃料が供給されるようになっている。

【００２８】そして、図２に示すように、メイン燃料ノ
ズル８は、液体燃料ヘッダ２１から燃料配管２２を介し
て供給される液体燃料を旋回流として圧力噴霧する液体
燃料ノズル部２４と、この液体燃料ノズル部２４の外周
側に同軸的に配置され高圧空気を旋回流として液体燃料
ノズル部２４の出口に噴出し液体燃料を微粒化して予混
合ダクト１４内に噴霧させる燃料微粒化用空気ノズル部
２５とを有する構成となっている。

【００２９】メイン燃料ノズル８の液体燃料ノズル部２
４は、液体燃料を略直線的に流通させる液体燃料導入通
路２６と、この液体燃料導入通路２６の下流端側に液体
燃料の流れ方向を液体燃料導入通路２６から大径側に放
射状に向ける拡径通路２７と、この拡径通路２７に連通
する狭隘な筒状通路２８と、この筒状通路２８のさらに
下流端側にて液体燃料の流れ方向を筒状通路２８から小
径側に向けると同時に旋回させる液体燃料旋回通路２９
と、この液体燃料旋回通路２９に連通し次第に小径とな
る液体燃料縮流通路２９ａと、この液体燃料縮流通路２
９ａの下流端に開口する液体燃料出口３０とを有する構
成となっている。

【００３０】一方、燃料微粒化用空気ノズル２５は液体
燃料ノズル部２４の液体燃料導入通路２６の外周側に配
置され、ヘッダプレート９の空気ヘッダ３１から連通孔
３２を介して空気を導入する筒状の空気導入通路３３
と、この空気導入通路の下流端側に設けられ空気の流れ
を周方向に沿う旋回流にするリング状の空気旋回器３４
と、この空気旋回器３４の下流端側で次第に小径となる
空気縮流通路３５と、この空気縮流通路３５の下流端側
で、かつ液体燃料出口３０の外周側位置で旋回空気を噴
出する燃料微粒化噴霧用の空気出口３６とを有する構成
となっている。

【００３１】このような流路構成を有するメイン燃料ノ
ズル８は、空気ヘッダ３１との連通孔３２を周壁部に有
し下流端に空気出口３６を有するノズル外筒３７と、こ
のノズル外筒３７の内周面側に空気導入通路を形成する
とともにノズル外筒３７との間で空気旋回器３４を保持
する中間筒３８と、この中間筒３８の内周面に嵌合され
内部孔を燃料の液体燃料導入通路２６および液体燃料旋
回通路２９とし下流端に液体燃料出口を有する内筒３９
とを備えた組立て構造となっている。

【００３２】この組立て構造について詳述すると、ノズ
ル外筒３７は、上流端側が開口し下流端側が空気出口３
６として次第に小径となるテーパ付きの形状とされてお
り、上流端側内周面に雌ねじ４０が形成され、下流端側
近傍の内周面に段部４１が形成されている。

【００３３】中間筒３８はノズル外筒３７と略相似的な
形状で、これよりも軸方向長さが小さく、かつノズル外
筒３７の内径よりも外径が小さい。この中間筒３８がノ
ズル外筒３７内に同軸的に挿入されている。この中間筒
３８の上流端側の内周面に雌ねじ４２が形成され、下流
端側近傍の外周面に段部４３が形成され、さらに下流端
側内周面にフランジ面４４が形成されている。

【００３４】内筒３９は、上流端側が開口し下流端側が
閉塞した有底筒状のもので、中間筒よりも短かく、中間
筒３８の雌ねじ４２部とフランジ面４４との間に位置し
て、中間筒３８内に密接状態で嵌合されている。この内
筒３９の下流端側の周壁部に前述した拡径通路２７とな
る複数の孔が放射状に、例えば十文字状に穿設されてい
る。この拡径通路２７よりも下流側に位置する内筒３９
の外径は、他の部分よりも小径とされており、これによ
り中間筒３８との間に筒状の間隙が形成され、この間隙
が筒状通路２８とされている。

【００３５】また内筒３９の下流端部には環状壁４５が
突設され、この環状壁４５には図３に示すように、複数
の溝が螺旋状に穿設され、この溝が液体燃料を中心側に
向けて旋回させる液体燃料旋回通路２９とされている。

【００３６】そして、内筒３９の下流端の環状壁４５の
先端が中間筒３８の下流端の内面のフランジ面４４に当
接するまで内筒３９が中間筒３８に最大限深く挿入さ
れ、中間筒３８の雌ねじ４２に螺合した六角孔あきの一
対の止めねじ４６，４７によるダブルナット構造で内筒
３９が上流端側から押圧固定されている。これによっ
て、螺旋通路２９に液体燃料が通過する場合の回転反力
が内筒３９に発生しても、止めねじ４６，４７の固定力
によって、内筒３９が中間筒３８に対して回転したり緩
みが生じることが防止されている。

【００３７】また、中間筒３８はノズル外筒３７に空気
螺旋用の旋回器３４とともに同軸的に上流端側から挿入
されている。即ち、旋回器３４は中間筒３８の外周面の
段部４３に下流端側から被嵌した状態でノズル外筒３７
に上流端側から挿入され、このノズル外筒３７の内周面
の段部４１に当接し、これら両段部４１，４３との間に
挟持された状態となっている。そして、ノズル外筒３７
の上流端側の雌ねじ４０に螺合したプラグ４８によっ
て、中間筒３８が上流端側から押圧固定されている。プ
ラグ４８とノズル外筒３７とは溶接部４９によってシー
ル状態で固定され、空気洩れが防止されるとともに、旋
回器３４が空気旋回時の反力で回転したり緩むことが防
止されている。なお、プラグ４８と中間筒３８との当接
部分も同様に、溶接部５０によってシール状態で固定さ
れている。プラグ４８には燃料配管２２が接続され、こ
のプラグ４８の内部孔５１を介して液体燃料が液体燃料
導入通路２６に流通するようになっている。

【００３８】なお、空気旋回用の旋回器３４はリング状
をなしており、図４に示すように、軸方向に対して一定
角度の捩れをもって貫通する旋回用通路孔５２が周方向
に等間隔で複数（例えば４個）形成されている。

【００３９】このような構成のメイン燃料ノズル８にお
いては、燃料ヘッダ２１から燃料配管２２を介して供給
される液体燃料が、図２に実線矢印ａで示すように、液
体燃料導入通路２６で下流端側に向って直線的に流動し
た後、拡径通路２７で大径側に放射状に向きを変えてそ
の外周側の筒状通路２８に流れ、その後さらに筒状通路
２８の下流端側の液体燃料旋回通路２９にて小径側に向
きを変えると同時に旋回し、次第に小径となる液体燃料
縮流通路２９ａを経て液体燃料出口３０から予混合ダク
ト１４内に噴出される。

【００４０】一方、燃料微粒化用空気ノズル２５におい
ては、図示しないコンプレッサから空気ヘッダ３１に供
給された加圧空気が、図２に破線矢印ｂで示すように、
ノズル外筒３７の連通孔３２を介して筒状の空気導入通
路３３に導入され、この空気導入通路３３の下流端側の
空気旋回器３４で周方向に沿う旋回流となって、空気縮
流通路３５で次第にノズル中心側に縮流され、空気出口
３６から液体燃料出口３０の外周側位置に吹出される。
この場合、液体燃料が旋回状態で吹出されるとともに、
噴霧用の空気流も旋回状態であることから、液体燃料は
極めて微粒な状態となる（試験の結果、後述するよう
に、１０〜２０μｍまで微粒化できることが確認され
た）。

【００４１】こうして微細化された液体燃料は、予混合
ダクト１４の上流端で図１に矢印ｃで示すように、空気
流路５から導入された燃焼用空気と均一に混合されて蒸
発し、稀薄予混合燃料ガスとして予混合ダクト１４の３
つに分れた予混合燃料出口１５，１６，１７から燃焼器
ライナ３に噴出されて燃焼される。なお、燃焼器ライナ
３の冷却は、図１に矢印ｄ，ｅで示すように、空気流路
５内を流通する空気流による外面冷却およびフィルム冷
却孔５３を介してライナ内に導入される空気流によるフ
ィルム冷却によって行われる。

【００４２】また、メイン燃料ノズル８は図２に示すよ
うに、ノズル外筒３７、中間筒３８および内筒３９を、
止めねじ４６，４７によるダブルナット構造およびプラ
グ４８によるねじ込みと溶接固着構造とで固定するよう
にしたので、液体燃料および空気の旋回流の反力に抗し
て部品の強固な結合関係を保持できるとともに、比較的
簡単な構成でノズル部品を提供でき、液体燃料の微粒化
が有効に実現できるようになる。

【００４３】次に、図５および図６によってパイロット
燃料ノズル７の構成および作用を詳細に説明する。図５
はパイロット燃料ノズル７全体の組立て構成を示し、図
６は一部の構成部材を分解して示している。

【００４４】これらの図に示すように、パイロット燃料
ノズル７は液体燃料ノズル部５４と燃料微粒化用空気ノ
ズル部５５とを有する点で、基本的にメイン燃料ノズル
８と同様である。ただし、パイロット燃料ノズル７で
は、加えてガス燃料ノズル部５６を最外周側に有する
点、そのための構成部品が増加した点、および水噴射ノ
ズル部５７を有する点等でメイン燃料ノズル８と異なっ
ている。

【００４５】すなわち、パイロット燃料ノズル７は軸心
位置に液体燃料を旋回流として圧力噴霧する液体燃料ノ
ズル部５４を有するとともに、液体燃料ノズル部５４の
外周側に高圧空気を旋回流として液体燃料ノズル部５４
の液体燃料出口に噴出し液体燃料を微粒化して燃焼器ラ
イナ３に噴霧する燃料微粒化用空気ノズル部５５を有
し、加えて燃料微粒化用空気ノズル部５５の外周側でガ
ス燃料を噴出するガス燃料ノズル部５６を有し、さらに
ガス燃料ノズル部５６の外周側で水を噴射する水噴射ノ
ズル部５７を有している。

【００４６】詳述すると、パイロット燃料ノズル７の液
体燃料ノズル部５４は、液体燃料を第２段燃料系統１８
の燃料配管２０からガス燃料取入れ口５８ａを介して略
直線的に流通させる液体燃料導入通路５８と、この液体
燃料導入通路５８の下流端側に液体燃料の流れ方向を液
体燃料導入通路５８から大径側に放射状に向ける拡径通
路５９と、この拡径通路５９に連通する狭隘な筒状通路
６０と、この筒状通路６０のさらに下流端側にて液体燃
料の流れ方向を筒状通路６０から小径側に向けると同時
に旋回させる液体燃料旋回通路６１と、この液体燃料旋
回通路６１に連通し次第に小径となる液体燃料縮流通路
６１ａと、この液体燃料縮流通路６１ａの下流端に開口
する液体燃料出口６２とを有する構成となっている。

【００４７】燃料微粒化用空気ノズル部５５は液体燃料
ノズル部５４の液体燃料導入通路５８の外周側に配置さ
れ、図示しない空気ヘッダから空気取入れ口６４を介し
て空気を導入する筒状の空気導入通路６５と、この空気
導入通路６５の下流端側に設けられ空気の流れを周方向
に沿う旋回流にするリング状の空気旋回器６６と、この
空気旋回器６６の下流端側で次第に小径となる空気縮流
通路６７と、この空気縮流通路６７の下流端側で、かつ
液体燃料出口６２の外周側位置で旋回空気を噴出する燃
料微粒化噴霧用の空気出口６８とを有する構成となって
いる。

【００４８】ガス燃料ノズル部５６は燃料微粒化用空気
ノズル部５５の空気導入通路６５の外周側に配置され、
図示しないガス燃料供給系統からガス燃料取入れ口６９
を介してガス燃料を導入する筒状のガス燃料導入通路７
０と、このガス燃料導入通路７０の下流端側で段階的に
小径となる第１，第２のガス燃料縮流通路７１，７２
と、第２のガス燃料縮流通路７２の下流端側からスワー
ラ１１の内面に向う斜め外周方向にガス燃料を噴出する
ガス燃料出口７３とを有する構成となっている。

【００４９】水噴射ノズル部５７は、図示しない噴射水
系統から噴射水供給口７４および噴射水配管７５を介し
て供給される噴射水を受けるプレート９ａの噴射水ヘッ
ダ７６と、この噴射水ヘッダ７６に連通する噴射水導入
通路７７と、この噴射水導入通路７７の下流端側に設け
られ水を斜め内周側のスワーラ１１に向けて噴射する水
噴射ノズルチップ７８とを有する構成となっている。

【００５０】このような流路構成を有するパイロット燃
料ノズル７は、図５に示すように、ガス燃料ノズル部５
６を構成する外側ノズルチップ７９、空気ノズル部５５
を構成する中間ノズルチップ８０および液体燃料ノズル
部５４を構成する内側ノズルチップ８１を有し、これら
各ノズルチップ７９，８０，８１が外側保持筒８２，中
間保持筒８３，内側保持筒８４にそれぞれねじ部８５，
８６，８７を介して螺合され、かつ溶接固着されてい
る。空気旋回器６６はメイン燃料ノズル８の空気旋回器
３４の場合と同様に、中間ノズルチップ８０の段部と内
側ノズルチップ８１の段部とに挟持されている。

【００５１】また、図５および図６に示すように、内側
ノズルチップ８１の内部には、液体燃料ノズル部５４の
拡径通路５９，筒状通路６０，液体燃料旋回通路６１を
構成するリング状チップ８８が挿入され、このリング状
チップ８８は、内側ノズルチップ８１に螺合したリテー
ナ８９によって押圧固定されている。

【００５２】そして、燃料取入れ口５８ａを介して供給
される液体燃料は、液体燃料導入通路５８で下流端側に
向って直線的に流動した後、拡径通路５９で大径側に放
射状に向きを変えてその外周側の筒状通路６０に流れ、
その後さらに筒状通路６０の下流端側の液体燃料旋回通
路６１にて小径側に向きを変えると同時に旋回し、次第
に小径となる液体燃料縮流通路６１ａを経て液体燃料出
口６２から燃焼器ライナ３内に噴出される。

【００５３】一方、空気取入れ口６４から供給される燃
料微粒化用の加圧空気は、空気導入通路６５に導入さ
れ、この空気導入通路６５の下流端側の空気旋回器６６
で周方向に沿う旋回流となって、空気縮流通路６７で次
第にノズル中心側に縮流され、空気出口６３から液体燃
料出口６２の外周側位置に吹出される。この場合、液体
燃料が旋回状態で吹出されるとともに、噴霧用の空気流
も旋回状態であることから、液体燃料は１０〜２０μｍ
まで微粒化できる。

【００５４】なお、ガス燃料による燃焼を行う場合に
は、図示しないガス燃料系統の切換え弁を操作してガス
燃料取入口６９からガス燃料をガス燃料ノズル部５６の
ガス燃料導入通路７０に供給する。供給されたガス燃料
は、燃料縮流通路７１，７２を経てガス燃料出口７３か
らスワーラ１１側に噴出し、スワーラ１１で空気と混合
して旋回流となり、燃焼器ライナ３内に噴出される。

【００５５】さらに、必要な場合には噴射水供給口７４
に水を供給し、水噴射ノズルチップ７８から水を噴射す
る。噴射された水はスワーラ１１で空気と混合して噴霧
状態の旋回流となり、燃焼器ライナ３に噴射され、低Ｎ
Ｏｘ化に供される。

【００５６】次に、本実施例における燃焼作用を説明す
る。

【００５７】図示しない圧縮器から吐出される空気は、
図１に矢印ｄで示すように、燃焼器ライナ３とフロース
リーブ６との間を燃焼器上流側に向って流通し、同図に
矢印ｆで示すようにスワーラ１１を介して一次燃焼用空
気として燃焼器ライナ３の第１段燃焼域４ａに流入する
とともに、同図に矢印ｃで示すように、予混合ダクト１
４内に二次燃焼用の稀釈空気として流入する。なお、一
部の空気は同図に矢印ｅで示すように、燃焼機ライナ３
にフィルム冷却孔５３等からライナ冷却用として流入す
る。

【００５８】第１段燃料系統１８の液体燃料は、パイロ
ット燃料ノズル７から燃焼器ライナ３の第１段燃焼域４
ａに圧縮空気とともに微粒化された状態で噴出され、一
次燃焼用空気と主に拡散混合して拡散燃焼される。

【００５９】第２段燃料系統１９の液体燃料は、メイン
燃料ノズル８から圧縮空気とともに微粒化された状態で
予混合ダクト１４内に噴出され、予混合ダクト１４内を
流動する間に二次燃焼用空気と均一に予混合されて稀薄
予混合ガスとなって各予混合燃料出口１５，１６，１７
から燃焼器ライナ３の第２段燃焼域４ｂに流入し、パイ
ロット火炎によって予混合燃焼される。

【００６０】本実施例では、液体燃料がパイロット燃料
ノズル７およびメイン燃料ノズル８の液体燃料ノズル部
２４，５４からそれぞれ旋回流として噴射するととも
に、燃料微粒化用空気ノズル部２５，５５から旋回状態
で吹出される高圧空気と接触することにより、液体燃料
が１０〜２０μｍまで微粒化し、均一な状態で拡散燃焼
および予混合燃焼が行え、したがってＮＯｘ発生量も従
来に比して大幅に低減できる。

【００６１】図７は、本実施例の液体燃料ノズル構成に
よる液体燃料の微粒化特性を示すグラフであり、縦軸に
粒径比、横軸に空気量対燃料量をそれぞれ表している。
ここで、縦軸の粒径比（Ｄ／Ｄ₀）は、液体燃料のみを
従来の圧力噴霧型燃料ノズルによって圧力噴霧した場合
の粒径（Ｄ₀）と、液体燃料を本実施例の液体燃料ノズ
ルで微粒化用空気によって微粒化した場合の粒径（Ｄ）
との比である。また、横軸の空気量対燃料量は、例えば
燃料流量を一定として、空気量比率を次第に増加させて
試験したものである。

【００６２】この図７により、本実施例の液体燃料ノズ
ル構成を適用して液体燃料を旋回空気で微粒化して噴射
した場合には、ノズル出口で圧力噴霧された液体燃料が
空気によって従来に比して大幅に微粒化され、粒径は１
０〜２０μｍまで微粒化できることが確認された。この
結果、特にメイン燃料の予混合燃焼域４ｂでの燃焼が均
一化され燃焼温度が低くなり、ＮＯｘの発生量を大幅に
低減することができた。

【００６３】図８は、本実施例の燃焼器によるＮＯｘ特
性を従来の燃焼器のそれとの対比で示した特性図であ
る。この特性は、１３００℃級ガスタービン用燃焼機に
ついてのものであり、縦軸にＮＯｘ低減率、横軸にガス
タービン負荷をそれぞれ表している。ここでＮＯｘ低減
率は、図９に示す従来の圧力噴霧型燃料ノズルを用いて
拡散燃焼のみを行なった場合（特性線Ｘ）の１００％負
荷に対するＮＯｘ発生量を１として算定したものであ
る。特性線Ｙは、同圧力噴霧型燃料ノズルを第１段およ
び第２段燃料ノズルとして用い拡散燃焼と予混合燃焼と
を行なう２段燃焼器の特性を表し、特性線Ｚは、本実施
例による燃料微粒化式構成の燃料ノズルを第１段および
第２段燃料ノズルとして用い拡散燃焼と予混合燃焼とを
行なう２段燃焼器の特性を表している。ガスタービン負
荷が２５％を越えたところで、２段燃焼を開始した。

【００６４】この図８に示すように、ガスタービン負荷
が１００％の状態で、本実施例によるＮＯｘ発生率（特
性線Ｚ）は、拡散燃焼のみを行なう従来の燃焼器（特性
線Ｘ）の約１／５になり、また２段燃焼を行なう従来の
燃焼器（特性線Ｘ）に対しては約１／３に減少すること
が分かる。

【００６５】なお、前記実施例においては、第１段燃料
ノズルであるパイロット燃料ノズル７として、図５およ
び図６に示すように旋回空気による燃料微粒化機能を有
する構成を適用したが、本発明ではパイロット燃料ノズ
ルとして図９に示す圧力噴霧型のノズル構成を適用する
ことも可能である。

【００６６】

【発明の効果】以上で詳述したように、請求項１の発明
によれば、第１段燃料ノズルで微粒化された液体燃料
は、均一拡散状態となって燃焼器ライナの第１燃焼域に
供給され、均一に燃焼され、また第２段燃料ノズルで微
粒化された液体燃料は、予混合ダクト内で均一，稀薄状
態となって予混合，蒸発されて燃焼器ライナの第２燃焼
域に供給され、均一に燃焼されることにより、液体燃料
の微粒化が不十分な従来の燃焼器に比してＮＯｘ低減率
の大幅な改善が図れる。

【００６７】請求項２の発明によれば、第１段燃料ノズ
ルまたは第２段燃料ノズルの液体燃料ノズル部での液体
燃料の微粒化が、液体燃料導入通路から拡径通路へと放
射状に流れを変える際の撹拌および液体燃料旋回通路で
縮径方向に沿って旋回しながら噴出される際の撹拌によ
って、より確実に行われる。

【００６８】請求項３の発明によれば、第１段燃料ノズ
ルまたは第２段燃料ノズルにおいて、微粒化用の圧力空
気は燃料微粒化用空気ノズル部の筒状の空気導入通路に
設けられたリング状の空気旋回通路で旋回流となって、
空気出口から燃料噴霧用の出口の外周側で液体燃料と強
力に混合することにより、液体燃料の微粒化が極めて効
果的に行なわれる。

【００６９】請求項４の発明によれば、ノズル外筒、中
間筒および内筒を、ダブルナット構造およびねじ込みと
溶接固着構造で固定するようにして、前記の旋回流の反
力に抗して部品の強固な結合関係を保持できるととも
に、比較的簡単な構成でノズル部品を提供でき、前記の
液体燃料の微粒化が有効に実現できるようになる。

【００７０】請求項５の発明によれば、燃料微粒化用空
気ノズル部の外周側に、ガス燃料を噴射するガス噴射ノ
ズル部を、液体燃料ノズル部と切換え使用可能に備えた
ことにより、必要に応じてガス燃料の燃焼にも供するこ
とができ、多様な燃焼形態の選択により最適な運用を行
うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器の
全体構成を示す図。

【図２】本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器の
第２段燃料バルブの構成を示す図。

【図３】第２段燃料ノズルの構成部である燃料旋回通路
を示す図で、図２のＡ−Ａ線断面図。

【図４】第２段燃料ノズルの構成部品である空気旋回器
を示す図で、図２のＢ−Ｂ線断面図。

【図５】本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器の
第１段燃料バルブの構成を示す図。

【図６】図５に示す第１段燃料バルブの構成部品の分解
斜視図。

【図７】本発明の一実施例による液体燃料の微粒化作用
を示す特性図。

【図８】本発明の一実施例によるＮＯｘ低減率を従来例
をの関係において示す特性図。

【図９】（ａ），（ｂ）はそれぞれ従来の燃料噴霧式ノ
ズル構成を示す図。

【符号の説明】

１ガスタービン燃焼器２燃焼器外筒３燃焼器ライナ４燃焼室５空気流路６フロースリーブ４ａ第１段燃焼域４ｂ第２段燃焼域７パイロット燃料ノズル８メイン燃料ノズル９ヘッドプレート９ａプレート１０ライナキャップ１１スワーラ１２燃焼器ラッパ１３トランジションピース１４予混合ダクト１５，１６，１７予混合燃料出口１８第１段燃料系統１９第２段燃料系統２０燃料供給管２１液体燃料ヘッダ２２燃料配管２３燃料供給管２４液体燃料ノズル部２５燃料微粒化用空気ノズル部２６液体燃料導入通路２７拡径通路２８筒状通路２９液体燃料旋回通路２９ａ液体燃料縮流通路３０液体燃料出口３１空気ヘッダ３２連通孔３３空気導入通路３４空気旋回器３５空気縮流通路３６空気出口３７ノズル外筒３８中間筒３９内筒４０雌ねじ４１段部４２雌ねじ４３段部４４フランジ面４５環状壁４６，４７止めねじ４８プラグ４９溶接部５０溶接部５１内部孔５２旋回用通路孔５４液体燃料ノズル部５５燃料微粒化用空気ノズル部５６ガス燃料ノズル部５７水噴射ノズル部５８液体燃料導入通路５８ａ燃料取入れ口５９拡径通路６０筒状通路６１液体燃料旋回通路６１ａ液体燃料旋回通路６２液体燃料出口６４空気取入れ口６５空気導入通路６６空気旋回器６７空気縮流通路６８空気出口６９ガス燃料取入れ口７０ガス燃料導入通路７１第１のガス燃料縮流通路７２第２のガス燃料縮流通路７３ガス燃料出口７４噴射水供給口７５噴射水配管７６の噴射水ヘッダ７７噴射水導入通路７８水噴射ノズルチップ７９外側ノズルチップ８０中間ノズルチップ８１ノズルチップ８２外側保持筒８３中間保持筒８４内側保持筒８５，８６，８７ねじ部８８リング状チップ８９リテーナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ２３Ｒ 3/34 (72)発明者鈴木勇神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者小野田昭博神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼機ライナ内に形成される燃焼域を、
燃焼器ライナ頭部側の第１段燃焼域と、この第１段燃焼
域の下流側の第２段燃焼域とに分け、前記第１段燃焼域
では前記燃焼器ライナの頭部中心位置に設けた第１段燃
料ノズルから噴射される液体燃料の拡散燃焼を行なわせ
るとともに、前記第２段燃焼域では前記燃焼器ライナの
外周部に配設した第２段燃料ノズルから予混合ダクトを
介して噴射される液体燃料の稀薄予混合燃料による予混
合燃焼を行なわせるようにした液体燃料用ガスタービン
燃焼器であって、前記第１段燃料ノズルおよび第２段燃
料ノズルの少なくとも一方を、液体燃料を旋回流として
噴射する液体燃料ノズル部と、この液体燃料ノズル部の
外周側に同軸的に配置され、噴射する液体燃料に高圧空
気を旋回流として噴出してその液体燃料を微粒化させる
燃料微粒化用空気ノズル部とを有する構成としたことを
特徴とする液体燃料用ガスタービン燃焼器。
【請求項２】請求項１記載の液体燃料用ガスタービン
燃焼器において、液体燃料ノズル部は、この液体燃料ノ
ズル部の中心位置に液体燃料を導入して流通させる液体
燃料導入通路と、この液体燃料導入通路の下流端側位置
で液体燃料の流れ方向を前記液体燃料導入通路から大径
側に放射状に向ける拡径通路と、この拡径通路に連通す
る狭隘な筒状通路と、この筒状通路の下流端側にて液体
燃料を周方向に沿う旋回流とする液体燃料旋回通路と、
この液体燃料旋回通路に連通し次第に小径となる液体燃
料縮流通路と、この液体燃料縮流通路の下流端に開口す
る液体燃料出口とを有することを特徴とする液体燃料用
ガスタービン燃焼器。
【請求項３】請求項１記載の液体燃料用ガスタービン
燃焼器において、燃料微粒化用空気ノズル部は、請求項
２記載の液体燃料ノズル部の液体燃料導入通路の外周側
に配置された筒状の空気導入通路と、この空気導入通路
の下流端側で空気の流れを周方向に沿う旋回流にする空
気旋回通路と、この空気旋回通路の下流端側で空気を小
径側に向ける縮流空気導入通路と、この空気縮流通路の
下流端側で、かつ請求項２記載の液体燃料出口の周囲部
に旋回空気を噴出する燃料微粒化噴霧用の空気出口とを
有することを特徴とする液体燃料用ガスタービン燃焼
器。
【請求項４】請求項１記載の液体燃料用ガスタービン
燃焼器において、第２段燃料ノズルは燃料微粒化用空気
ノズル部を形成するノズル外筒および中間筒と、液体燃
料ノズル部を構成する内筒とを備え、前記ノズル外筒
は、上流端側が開口し下流端側が次第に小径となるテー
パ付きの形状とされて上流端側内周面に雌ねじが形成さ
れるとともに下流端側近傍の内周面に段部が形成されて
おり、また前記中間筒は、前記ノズル外筒と略相似的な
形状でノズル外筒内に同軸的に挿入され、上流端側の内
周面に雌ねじが形成されるとともに、下流端側近傍の外
周面に段部が形成され、かつ下流端側内部にフランジ面
が形成されており、さらに前記内筒は、上流端側が開口
し下流端側が閉塞した有底筒状で、前記中間筒の雌ねじ
部とフランジ面との間に位置して前記中間筒内に密接状
態で嵌合されて下流端側の周壁部に拡径通路となる複数
の放射状の孔を有するとともに、その拡径通路の下流側
に前記中間筒との間で筒状通路を形成する小径部を有
し、かつ下流端部に液体燃料旋回通路を形成する環状壁
を有しており、前記内筒は前記中間筒に下流端の環状壁
の先端が前記中間筒の下流端の内面のフランジ面に当接
するまで深く挿入して前記中間筒の雌ねじに螺合した止
めねじによるダブルナット構造で上流端側から押圧固定
する一方、前記中間筒は前記ノズル外筒に同軸的に上流
端側から挿入しこのノズル外筒の内周面の段部と前記中
間筒の外周面の段部とで燃料微粒化用空気ノズル部の空
気旋回通路を形成するリング状の旋回器を挟持し、かつ
前記中間筒は前記ノズル外筒の雌ねじに上流端側から螺
合および溶接固着したプラグによって固定保持したこと
を特徴とする液体燃料用ガスタービン燃焼器。
【請求項５】請求項１記載の液体燃料用ガスタービン
燃焼器において、第１段燃料ノズルは、燃料微粒化用空
気ノズル部の外周側に、ガス燃料を噴射するガス噴射ノ
ズル部を、液体燃料ノズル部と切換え使用可能に備えた
ことを特徴とする液体燃料用ガスタービン燃焼器。