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JP2839777B2 - ガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズル - Google Patents

ガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズル

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Publication number
JP2839777B2
JP2839777B2 JP3341206A JP34120691A JP2839777B2 JP 2839777 B2 JP2839777 B2 JP 2839777B2 JP 3341206 A JP3341206 A JP 3341206A JP 34120691 A JP34120691 A JP 34120691A JP 2839777 B2 JP2839777 B2 JP 2839777B2
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Japan
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injection nozzle
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air
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浩明 岡本
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F23D14/24Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
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    • F23D14/72Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/78Cooling burner parts

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Nozzles For Spraying Of Liquid Fuel (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン燃焼器に
使用される燃料噴射ノズルに係わり、特にその先端中央
部の焼損を極力防止するようにしたガスタービン燃焼器
用燃料噴射ノズルに関する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービン燃焼器の代表的なものとし
ては、例えば図9乃至図11に示すようなものが一般に
知られている。
【0003】ガスタービン燃焼器は空気圧縮機1の吐出
ケーシング2の外周部に複数台配置され、その燃焼器ケ
ーシング3内には、内部燃焼室4を囲撓する燃焼器ライ
ナ5が収納されているとともに、ノズルヘッド6、点火
器7及び火炎検出器(図示せず)などが備えられてい
る。ノズルヘッド6は、ヘッドプレート8に取り付けら
れ、このヘッドプレート8とフロースリーブ9は、燃焼
器ケーシング3に取り付けられている。
【0004】燃料噴射ノズル10は、上記ノズルヘッド
6に取り付けられ、ロッキングプレート11により回り
止めされている。この燃料噴射ノズル10の先端には、
上記燃焼器ライナ5が取り付けられるとともに、上記フ
ロースリーブ9にはライナ支持具12が設置されて燃焼
器ライナ5を支えている。
【0005】燃焼器ライナ5の先端(下流側)には、ト
ランジションピース13が接続され、このトランジショ
ンピース13を介して燃焼器ライナ5はガスタービン1
4の第1段タービン静翼14aに連結されている。
【0006】また、燃料噴射ノズル10の外周部には、
空気入口通路15が形成されているとともに、この空気
入口通路15と内部燃焼室4との間には、旋回羽根16
が配置される。さらに燃料噴射ノズル10の周壁部に
は、このノズル内部と旋回羽根16とを連通する燃料噴
射孔17が穿設されている。
【0007】ここに、燃料噴射ノズル10の先端中央部
18の前面は、内部燃焼室4の内部に面してこの一部を
形成するよう構成され、また前記ノズルヘッド6には、
燃料取入口19が形成され、ここからガス燃料20が燃
料噴射ノズル10の内部に導入されるようになってい
る。
【0008】次にガスタービン燃焼器廻りの空気の流れ
について説明する。
【0009】空気圧縮機1から吐出された吐出空気21
は、トランジションピース13のまわりを流れて、燃焼
器ライナ5とフロースリーブ9との間を燃焼ガス22の
流れとは逆の方向に案内される。この吐出空気21は、
3つに大別された空気通路により内部燃焼室4内に導入
される。即ち、燃料噴射ノズル10の周囲の旋回羽根1
6から導入される1次空気23と、燃焼器ライナ5の胴
部に設けられた通気ガイド24より導入される燃焼用の
2次空気25と、この2次空気用の通気ガイド24より
下流側に設けられた孔より導入される希釈用の3次空気
26とである。
【0010】この1次空気23による環状旋回流の内部
には、1次空気23とガス燃料20の安定した環状の渦
領域(保炎域)が形成されて、燃焼火炎を安定・維持さ
せるとともに、この燃焼ガス22が燃焼器ライナ5の出
口側に流れるが、燃焼ガス22と3次空気26とが混合
して燃焼器ライナ5を冷却する一方、ライナ出口温度が
タービン所要温度になるようにガス温度を低下させるよ
うなされている。
【0011】ここで1次空気23、2次空気25、3次
空気26の配分は、燃焼性能をコントロールするために
様々に設けられ、場合によっては2次空気25、3次空
気26のない場合もある。また、1次空気23や2次空
気25とガス燃料20とを予混合させて内部燃焼室4内
に導入する場合もある。
【0012】また、吐出空気21は燃焼器ライナ5を冷
却するためのスロット(図示せず)を通って、内部燃焼
室4に供給される。
【0013】燃料噴射ノズル10の詳細を図10に示
す。
【0014】空気圧縮機1から吐出された吐出空気21
の一部の1次空気23は、空気入口通路15から内部燃
焼室4内に入るのであるが、この時、燃料噴射孔17か
ら噴射されるガス燃料20と混合して燃料噴射ノズル1
0の周囲に設けられた旋回羽根16を通り、旋回しなが
ら内部燃焼室4に噴射されて燃焼が行われる。着火は、
図9に示す点火器7により行われる。燃焼ガス22は、
トランジションピース13を通過してガスタービン14
の第1段タービン静翼14aに導かれ、その熱エネルギ
を利用してタービンロータ(図示せず)を回転させるよ
うになっている。
【0015】また、内部燃焼室4の内部の燃料噴射ノズ
ル10の出口近傍のガスの流れを図11に示す。
【0016】1次空気23は、燃料噴射ノズル10の旋
回羽根16を通り旋回しながら内部燃焼室4内に流入す
る。また、燃焼器ライナ5の胴部に設けられた通気ガイ
ド24により内部燃焼室4内に流入する2次空気25
は、燃料噴射ノズル10を通った空気によって形成され
る旋回流27の内部に流入し、中央部逆流(渦流)保炎
域28と外周部逆流(渦流)保炎域29とを形成する。
この中央部逆流保炎域28の内部の燃焼ガス温度は、局
所的に約2000℃以上の高温となって安定した火炎を
維持するようなっている。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来のガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズル10
においては、上記中央部逆流保炎域28の高温ガスから
の輻射と強制対流によって、燃料噴射ノズル10の先端
中央部18が焼損してしまい、燃料噴射ノズル10の寿
命が短くなってしまうといった問題点があった。
【0018】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、燃料噴射ノズルの先端中央部の焼損を防止する
ことにより、燃料噴射ノズルの長寿命化を図ったガスタ
ービン燃焼器用燃料噴射ノズルを提供することを目的と
する。
【0019】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係るガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズ
ルは、請求項1に記載したように、内部に燃焼室を形成
した燃焼器ライナを、燃料噴射ノズルの先端に取り付
け、この燃料噴射ノズルの先端中央部前面を前記内部燃
焼室の内壁の一部として形成し、前記燃料噴射ノズルの
外周部に形成される空気入口通路から前記内部燃焼室に
環状旋回流として空気を供給する旋回羽根を複数個配置
し、前記燃料噴射ノズルの周壁部にノズル内部と旋回羽
根部とを連通する燃料噴射孔を穿設し、さらに、前記旋
回羽根の上流側から燃料噴射ノズルのノズル先端中央部
の前面に達する冷却孔を燃料噴射ノズルに穿設し、上記
冷却孔に前記旋回羽根の旋回角度と同じ向きの旋回角度
を持たせたものである。
【0020】また、上述した課題を解決するため、本発
明に係るガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズルは、請求
項2に記載したように、内部に燃焼室を形成した燃焼器
ライナを、燃料噴射ノズルの先端に取り付け、この燃料
噴射ノズルの先端中央部前面を前記内部燃焼室の内壁の
一部として形成し、前記燃料噴射ノズルの外周部に形成
される空気入口通路から前記内部燃焼室に環状旋回流と
して空気を供給する旋回羽根を複数個配置し、前記燃料
噴射ノズルの周壁部にノズル内部と旋回羽根部とを連通
する燃料噴射孔を穿設し、さらに、前記燃料噴射ノズル
のノズル内部であってノズル先端中央部に空気ヘッダを
設け、この空気ヘッダと前記旋回羽根の上流側とをパイ
プで接続する一方、上記空気ヘッダから燃料噴射ノズル
の先端中央部前面に達する複数個の冷却孔を形成したも
のである。
【0021】
【作用】上記のように構成した請求項1記載の本発明に
よれば、燃料噴射ノズルの先端中央部を、冷却孔を通っ
てこの前面に導かれる空気によって強制対流冷却すると
ともに、この空気によって燃料噴射ノズルのノズル先端
中央部に形成される空気層でノズル先端中央部をフィル
ム冷却することができ、これによって燃料噴射ノズルの
焼損を防止することができる。
【0022】また、請求項2記載の本発明によれば、燃
料噴射ノズルのノズル内部であってノズル先端中央部に
空気ヘッダを設け、この空気ヘッダから燃料噴射ノズル
の先端中央部前面に達する複数個の冷却孔を形成したの
で、燃料噴射ノズルのノズル先端中央部が受ける熱量の
分布に応じて冷却孔を自由に配置でき、ノズル先端中央
部を積極的かつ有効的に冷却することができ、これによ
って燃料噴射ノズルの焼損を防止することができる。
【0023】
【実施例】以下、本発明の実施例を図1乃至図8を参照
して説明する。
【0024】図1乃至図4は本発明に係るガスタービン
燃焼器用燃料噴射ノズルの第1の実施例を示すものであ
り、従来の燃料噴射ノズルと同一の構成部品には同一の
符号を付して説明を省略する。
【0025】本発明の燃料噴射ノズルは従来の燃料噴射
ノズルと燃料噴射ノズル10のノズル先端中央部の冷却
構造を基本的に相違する。燃料噴射ノズル10の外周部
には、燃料空気を内部燃焼室4内に流入させる複数個の
旋回羽根16が円周方向に均等に配置され、この旋回羽
根16の付け根部に燃料噴射孔17が設けられている点
である。そして、この燃料噴射ノズル10が、燃焼取入
口19を備えたノズルヘッド6に締結されており、燃料
噴射ノズル10の周壁には、各燃料噴射孔17の間に位
置して、旋回羽根16の上流側から燃料噴射ノズル10
のノズル先端中央部18の前面に達する冷却孔30が穿
設されている。
【0026】この冷却孔30は、ノズル先端中央部18
の前面に対して内向角度γを有して設けてあり、また、
図3に示すように、旋回羽根16の旋回角度αと同じ向
きの旋回角度成分βを有するようなされている。
【0027】次に、燃料噴射ノズル10の第1実施例の
作用を図4を参照して説明する。
【0028】空気圧縮機1(図9参照)から吐出される
吐出空気21の一部が、1次空気23として旋回羽根1
6を通り内部燃焼室4内に環状旋回流となって流入し、
これによって中央部逆流(渦流)保炎領域28が形成さ
れる。
【0029】この時、吐出空気21の一部は、冷却空気
31として冷却孔30内に流入し、この冷却空気31が
燃料噴射ノズル10のノズル先端中央部18の前面から
流入する熱を強制対流冷却によって奪いながら、中央部
逆流保炎領域28の前面に流出する。一方、この中央部
逆流保炎領域28の前面に流出した空気は、燃料噴射ノ
ズル10の先端中央部18の前面に空気層を形成して、
この前面をフィルム冷却によって燃焼ガスから保護する
ことになる。
【0030】特に、冷却孔30に旋回羽根16と同じ旋
回向き旋回角度成分βを設け、更に内向角度γを設ける
ことにより、冷却空気31を燃料ノズル10のノズル先
端中央部18の前面に旋回させながら拡がらせ、これに
よって高いフィルム冷却効果を得るようにすることがで
きる。
【0031】このように、本実施例によれば、燃料噴射
ノズル10のノズル先端中央部18を冷却孔30を通る
冷却空気31による強制対流冷却と、空気層によりフィ
ルム冷却によって冷却することができ、これによって燃
料噴射ノズル10のノズル先端中央部18の焼損を防止
することができる。
【0032】図5はガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズ
ルの第2の実施例を示すもので、上記第1の実施例に示
す燃料噴射ノズルと異なる点は、パイプ32と空気ヘッ
ダ33とを備え、吐出空気21の一部を冷却空気31と
して一旦パイプ32によって空気ヘッダ33の内部に導
き、ここから複数個の冷却孔30を通して燃料噴射ノズ
ル10の先端中央部18の前面に流出させるようにした
点である。
【0033】空気ヘッダ33は燃料噴射ノズル10のノ
ズル内部であって少なくともノズル先端中央部18に設
けられ、上記空気ヘッダ33と旋回羽根16の上流側空
気入口通路15とはパイプ32によって連通される。空
気ヘッダ33から燃料噴射ノズル10のノズル先端中央
部18の前面に通じる複数の冷却孔30が形成されてい
る。
【0034】この実施例によれば、冷却孔30を燃料噴
射ノズル10の先端中央部18に微細かつ自由に配置す
ることができるため、冷却孔32の形成や配置の自由度
が高く、燃焼ガス20から燃料噴射ノズル10に入る熱
量の分布に応じて必要最少限の冷却空気を分配して、燃
料噴射ノズル10のノズル先端中央部18の前面をより
均一に効率よく冷却するようにすることができる。
【0035】図6はガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズ
ルの第3の実施例を示すもので、燃料噴射ノズル10の
外周部には、燃焼空気を流入させる複数個の旋回羽根1
6が周方向に均等に配置され、旋回羽根16の付け根部
には燃料噴射孔17が設けてあり、これが燃料取入口1
9を設けたノズルヘッド9に締結されている。ノズルヘ
ッド9の中央に、ガス燃料20を燃料噴射ノズル10の
ノズル先端中央部18の内面に噴流として導く冷却手段
としてのパイプ34を設置したものである。
【0036】この実施例の場合、空気圧縮機1(図9参
照)から吐出される吐出空気21の一部が1次空気23
として空気入口通路15から内部燃焼室4内に流入する
のであるが、ガス燃料20は、燃料取入口19から流入
しパイプ34を通って噴流となって燃料噴射ノズル10
の内部に流出しノズル先端中央部18の内面に衝突する
ことで、ここを強制対流冷却によって冷却する。その
後、ガス燃料20は、燃料噴射孔17から噴出され、1
次空気23と混合して燃料噴射ノズル10の周囲に設け
られた旋回羽根16を通り、内部燃焼室4内に環状旋回
流となって流出し、中央部逆流(渦流)保炎域28を形
成するようなされている。
【0037】また図7に示すように、燃料噴射ノズル1
0のノズル先端中央部18の内面にガス燃料20を衝突
させて強制対流冷却する際に、燃焼室4内との温度差に
より発生する熱応力を低減するため、燃料噴射ノズル1
0のノズル先端中央部18の前面に酸化ジルコニア等の
熱伝導率が燃料噴射ノズル10の構成金属より低い物質
35をコーティング(サーマルバリアコーティング)す
るようにすることもできる。
【0038】このように本実施例によれば、燃料噴射ノ
ズル10のノズル先端中央部18の内面をガス燃料20
により強制対流冷却することができるので、燃料噴射ノ
ズル10の焼損を防止することができる。
【0039】さらに、図8に示すように、冷却手段とし
てのパイプ34の先端に多孔板36を設置して、燃料噴
射ノズル10の先端中央部18の内面を複数の衝突噴流
によって冷却するようにすることもできる。
【0040】
【発明の効果】上記のように請求項1記載の本発明によ
れば、燃料噴射ノズルのノズル先端中央部を、冷却孔を
通る冷却空気による強制対流冷却とフィルム冷却によっ
て冷却することができ、これによって燃料噴射ノズルの
ノズル先端中央部の前面にフィルム冷却空気層を積極的
に形成してノズル先端中央部の焼損を防止して燃料噴射
ノズルの長寿命化を図ることができる。
【0041】また、請求項2記載の発明によれば、燃料
噴射ノズルのノズル内部であってノズル先端中央部に空
気ヘッダを設け、この空気ヘッダから燃料噴射ノズルの
先端中央部の前面に通じる複数の冷却孔を形成したもの
であり、この冷却孔の形成や配置の自由度が大きく、燃
料噴射ノズルのノズル先端部が受ける熱量の分布に応じ
て冷却空気を有効的に供給し、ノズル先端中央部の全面
をより均一にかつ効率よく冷却することができ、燃料噴
射ノズルのノズル先端中央部の焼損を防止して燃料噴射
ノズルの長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るガスタービン燃焼器用燃料噴射ノ
ズルの第1の実施例を示す断面図(図2のB−B線断面
図)。
【図2】図1に示すガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズ
ルのA方向矢視図。
【図3】図2のC−C線に沿う断面図。
【図4】ガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズルの燃焼室
内の旋回流と2次空気の流れの関係を示す説明図。
【図5】本発明の第2の実施例を示す断面図。
【図6】本発明の第3の実施例を示す断面図。
【図7】図6の変形例を示す断面図。
【図8】図6の更に他の変形例を示す断面図。
【図9】従来のガスタービン燃焼器を示す断面図。
【図10】図9のガスタービン燃焼器に備えられる燃料
噴射ノズルの要部拡大図。
【図11】従来の燃料噴射ノズルの燃焼室内の旋回流と
2次空気の流れの関係を示す説明図。
【符号の説明】
1 空気圧縮機 4 内部燃焼室 6 ノズルヘッド 10 燃料噴射ノズル 14 ガスタービン 15 空気入口通路 16 旋回羽根 17 燃料噴射孔 18 ノズル先端中央部 20 ガス燃料 27 旋回流 30 冷却孔 31 冷却空気 33 空気ヘッダ 34 パイプ(冷却手段)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F23R 3/28 F23R 3/14 F23R 3/20

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部に燃焼室を形成した燃焼器ライナ
    を、燃料噴射ノズルの先端に取り付け、この燃料噴射ノ
    ズルの先端中央部前面を前記内部燃焼室の内壁の一部と
    して形成し、前記燃料噴射ノズルの外周部に形成される
    空気入口通路から前記内部燃焼室に環状旋回流として空
    気を供給する旋回羽根を複数個配置し、前記燃料噴射ノ
    ズルの周壁部にノズル内部と旋回羽根部とを連通する燃
    料噴射孔を穿設し、さらに、前記旋回羽根の上流側から
    燃料噴射ノズルのノズル先端中央部の前面に達する冷却
    孔を燃料噴射ノズルに穿設し、上記冷却孔に前記旋回羽
    根の旋回角度と同じ向きの旋回角度を持たせたことを特
    徴とするガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズル。
  2. 【請求項2】 内部に燃焼室を形成した燃焼器ライナ
    を、燃料噴射ノズルの先端に取り付け、この燃料噴射ノ
    ズルの先端中央部前面を前記内部燃焼室の内壁の一部と
    して形成し、前記燃料噴射ノズルの外周部に形成される
    空気入口通路から前記内部燃焼室に環状旋回流として空
    気を供給する旋回羽根を複数個配置し、前記燃料噴射ノ
    ズルの周壁部にノズル内部と旋回羽根部とを連通する燃
    料噴射孔を穿設し、さらに、前記燃料噴射ノズルのノズ
    ル内部であってノズル先端中央部に空気ヘッダを設け、
    この空気ヘッダと前記旋回羽根の上流側とをパイプで接
    続する一方、上記空気ヘッダから燃料噴射ノズルの先端
    中央部前面に達する複数個の冷却孔を形成したことを特
    徴とするガスタービン燃焼器用噴射ノズル。
JP3341206A 1991-12-24 1991-12-24 ガスタービン燃焼器用燃料噴射ノズル Expired - Fee Related JP2839777B2 (ja)

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