JP5107220B2

JP5107220B2 - 燃料供給装置及びガスタービン

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Publication number: JP5107220B2
Application number: JP2008315773A
Authority: JP
Inventors: 敏彦齋藤; 元泉; 幸一西田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: JP2010138797A

Description

本発明は、燃焼器に燃料を供給する燃料供給装置及びガスタービンに関する。

従来、燃焼器が燃料を燃焼させることで発生する燃焼ガスからエネルギーを取り出す装置としてガスタービンがある。ガスタービンによってエネルギーが取り出された燃焼ガスは、排気ガスとして排出される。この排気ガスに含まれるＮＯｘを低減する手段の一つとして、燃料に水を添加してから前記燃料を燃焼させる技術がある。

このような技術として、例えば、特許文献１には、水噴射穴から供給される水をガス燃料と混合して噴射するガス燃料ノズルが開示されている。

特許第２９５５０９３号公報

ここで、燃料はガス燃料に限られず、例えば、液体燃料としての油燃料がある。ガス燃焼と同様、油燃料に水を混ぜた燃料（エマルジョン燃料）を燃焼させても、ＮＯｘを低減することができる。しかしながら、水は油と混ざりにくく、油燃料に水を加えても、時間の経過と共に水と油燃料の分離が進行するおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、油燃料と水との混合状態を良好にして、油燃料と水との分離の進行を抑制することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る燃料供給装置は、油燃料と水とが混合したエマルジョン燃料を燃焼器に供給可能な燃料供給通路と、前記燃料供給通路を流れる前記エマルジョン燃料に含まれる前記水の液滴を微細化する水滴微細化手段と、を備え、前記水滴微細化手段は、前記エマルジョン燃料を掻き混ぜる複数のミキサーと、前記複数のミキサーよりも前記エマルジョン燃料の流れの上流側に設けられて、前記各ミキサーに分配する前記エマルジョン燃料の流量を調節可能な燃料分配量調節手段と、を含んで構成され、前記複数のミキサーは、第１ミキサーと、取り扱い可能な前記エマルジョン燃料の流量が前記第１ミキサーよりも大きい第２ミキサーと、から構成され、前記燃料分配量調節手段は、前記第１ミキサーのみに前記エマルジョン燃料を供給する場合と、前記第２ミキサーのみに前記エマルジョン燃料を供給する場合と、前記第１ミキサーと前記第２ミキサーとの両方に前記エマルジョン燃料を供給する場合と、を切り替え可能であることを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るガスタービンは、油燃料と水とが混合したエマルジョン燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料供給装置から供給された前記エマルジョン燃料を燃焼させる燃焼器と、前記エマルジョン燃料が燃焼した燃焼ガスのエネルギーを回転エネルギーに変換するタービン部と、を備え、前記燃料供給装置は、前記エマルジョン燃料を前記燃焼器に供給可能な燃料供給通路と、前記燃料供給通路を流れる前記エマルジョン燃料に含まれる前記水の液滴を微細化する水滴微細化手段と、を備え、前記水滴微細化手段は、前記エマルジョン燃料を掻き混ぜる複数のミキサーと、前記複数のミキサーよりも前記エマルジョン燃料の流れの上流側に設けられて、前記各ミキサーに分配する前記エマルジョン燃料の流量を調節可能な燃料分配量調節手段と、を含んで構成され、前記複数のミキサーは、第１ミキサーと、取り扱い可能な前記エマルジョン燃料の流量が前記第１ミキサーよりも大きい第２ミキサーと、から構成され、前記燃料分配量調節手段は、前記第１ミキサーのみに前記エマルジョン燃料を供給する場合と、前記第２ミキサーのみに前記エマルジョン燃料を供給する場合と、前記第１ミキサーと前記第２ミキサーとの両方に前記エマルジョン燃料を供給する場合と、を切り替え可能であることを特徴とする。

本発明に係る燃料供給装置及びガスタービンは、上記構成により、水滴微細化手段がエマルジョン燃料を混合して前記エマルジョン燃料に含まれる前記水の液滴を微細化するため、油燃料と水との混合が良好となり、油燃料と水との分離の進行を抑制することができる。

ここで、油燃料と水との分離の進行を抑制する方法として、エマルジョン燃料を乳化される乳化剤をエマルジョン燃料に添加する方法が考えられる。しかしながら、エマルジョン燃料に乳化剤を添加する場合、乳化剤を必要とする分、燃料のコストが増加するおそれが考えられる。また、数ある乳化剤の中には、ガスタービンに不向きな成分を含むものもあり、このような乳化剤を使用した場合、ガスタービンの耐久性が低下するおそれも考えられる。

しかしながら、本発明に係る燃料供給装置及びガスタービンは、油燃料と水との混合が良好となり、油燃料と水との分離の進行を抑制することができるため、上述の乳化剤を必要としない。よって、燃料供給装置及びガスタービンは、乳化剤を必要としない分、燃料のコストを低減することができる。また、乳化剤を必要としない分、ガスタービンの耐久性が低下するおそれも抑制できる。

例えば、燃料分配量調節手段が複数のミキサーすべてにエマルジョン燃料を分配した場合、水滴微細化手段全体で扱えるエマルジョン燃料の流量は最大となる。また、例えば、燃料分配量調節手段が複数のミキサーのうち、最も扱えるエマルジョン燃料の流量が少ないミキサーのみにエマルジョン燃料を分配した場合、水滴微細化手段全体で扱えるエマルジョン燃料の流量は最小となる。

このようにして、燃料分配量調節手段が各ミキサーに分配する前記エマルジョン燃料の流量を調節することで、本発明に係る燃料供給装置は、水滴微細化手段全体で扱えるエマルジョン燃料の流量が変化する。これにより、燃料供給装置は、燃焼器に供給するエマルジョン燃料の流量にあわせて燃料分配量調節手段が各ミキサーに分配する前記エマルジョン燃料の流量を調節することで、水滴微細化手段全体で扱えるエマルジョン燃料の流量を調節することができる。

例えば、燃料分配量調節手段が第１ミキサーと第２ミキサーの両方にエマルジョン燃料を分配した場合、水滴微細化手段全体で扱えるエマルジョン燃料の流量は最大となる。また、例えば、燃料分配量調節手段が第１ミキサーのみにエマルジョン燃料を分配した場合、水滴微細化手段全体で扱えるエマルジョン燃料の流量は最小となる。また、例えば、燃料分配量調節手段が第２ミキサーのみにエマルジョン燃料を分配した場合、水滴微細化手段全体で扱えるエマルジョン燃料の流量は前記最大と前記最小の間、つまり中間となる。

本発明の好ましい態様としては、前記エマルジョン燃料が前記ミキサーを通過する際に損失した圧力を測定可能な圧力損失測定手段を備え、前記燃料分配量調節手段によって前記各ミキサーに分配される前記エマルジョン燃料の流量を、前記圧力損失測定手段が測定した値に基づいて変更することが望ましい。

一般的に、前記ミキサーが扱えるエマルジョン燃料の流量よりも、前記ミキサーに供給されたエマルジョン燃料の流量が多くなるほど、ミキサーを通過する際にエマルジョン燃料が損失する圧力は大きくなる。本発明に係る燃料供給装置は、ミキサーを通過する際にエマルジョン燃料が損失する圧力に基づいて、前記ミキサーが扱えるエマルジョン燃料の流量よりも、前記ミキサーに供給されたエマルジョン燃料の流量が多いか否かを判定することができる。

これにより、燃料供給装置は、前記ミキサーが扱えるエマルジョン燃料の流量よりも、前記ミキサーに供給されたエマルジョン燃料の流量が多い場合に、燃料分配量調節手段が前記ミキサー以外のミキサーに燃料を分配することができる。これにより、燃料供給装置は、水滴微細化手段全体で扱えるエマルジョン燃料の流量を増加させることができる。

ここで、前記ミキサーが扱えるエマルジョン燃料の流量よりも、前記ミキサーに供給されたエマルジョン燃料の流量が多い場合、燃料供給装置は、エマルジョン燃料の圧力の損失が増大することに起因して、燃焼器に供給可能なエマルジョン燃料の流量が不足するおそれがある。しかしながら、燃料供給装置は、水滴微細化手段全体で扱えるエマルジョン燃料の流量を増加させることができるので、燃焼器に供給可能なエマルジョン燃料の流量が不足するおそれを抑制することができる。

本発明の好ましい態様としては、前記燃焼器が前記エマルジョン燃料を燃焼させる際に燃焼振動を生じた場合、前記燃料分配量調節手段によって前記各ミキサーに分配される前記エマルジョン燃料の流量を変更することが望ましい。

燃焼器が燃焼振動を生じた際は、燃焼の燃焼速度を変えることによって前記燃焼振動を抑制することができる。そこで、本発明に係る燃料供給装置は、エマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさを変化させることによって、燃焼器での水滴の蒸発の時期を変化させ、結果としてエマルジョン燃料の燃焼速度を変化させる。

具体的には、燃料供給装置は、水滴微細化手段全体での許容量を変化させることによって、エマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさを変化させる。ここで、許容量とは、ミキサーが取り扱い可能なエマルジョン燃料の流量である。ミキサーに許容量と同じ流量のエマルジョン燃料が供給されると、ミキサーはエマルジョン燃料を適当に混合することができる。

例えば、ミキサーに供給されるエマルジョン燃料の流量が一定で、ミキサーの許容量が小さくなればなるほどエマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさは小さくなる。一方、ミキサーに供給されるエマルジョン燃料の流量が一定で、ミキサーの許容量が大きくなればなるほどエマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさは大きくなる。

燃料供給装置は、燃料分配量調節手段が各ミキサーに分配するエマルジョン燃料の流量を変化させることによって、水滴微細化手段全体での許容量を変化させる。例えば、燃料供給装置は、第１ミキサーのみにエマルジョン燃料を供給することにより、水滴微細化手段全体での許容量を最小とし、第１ミキサー及び第２ミキサーの両方にエマルジョン燃料を供給することによって水滴微細化手段全体での許容量を最大とする。

燃料供給装置は、このようにして水滴微細化手段全体での許容量を変化させることによって、燃料器に供給するエマルジョン燃料の流量を変化させることなく、エマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさを調節する。これにより、燃料供給装置は、燃焼器での水滴の蒸発の時期を変化さてエマルジョン燃料の燃焼速度を変化させる。結果として、燃料供給装置は、燃料振動を抑制することができる。

本発明の好ましい態様としては、前記水滴微細化手段は、前記エマルジョン燃料が流動可能な外管の内部に静止部材が固定されて構成されるスタティックミキサーを含んで構成されることが望ましい。

スタティックミキサーは、可動部材がない。一般的に可動部材は、静止部材よりも不具合が発生しやすい。よって、燃料供給装置は、可動部材がない分、不具合の発生を抑制することができる。また、可動部材を動かすための構成やエネルギーを必要としないため、燃料供給装置は、部品点数が低減され、コストが低減される。また、部品点数が低減されるため、燃料供給装置は、構成の複雑化が抑制される。

本発明は、油燃料と水との混合状態を良好にして、油燃料と水との分離の進行を抑制することができる。

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、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）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、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

（実施形態１）
図１は、ガスタービンを示す構成図である。本実施形態に係るガスタービン５００は、図１に示すように、気体の流れの上流側から下流側に向けて順に、圧縮部５１０と、燃焼部５２０と、タービン部５３０と、排気部５４０とを含んで構成される。

圧縮部５１０は空気を加圧して、燃焼部５２０へ加圧された空気を送り出す。燃焼部５２０は、前記加圧された空気に燃料を供給すると共に燃料を燃焼させる。タービン部５３０は、燃焼部５２０から送り出された燃焼ガスが持つエネルギーを回転エネルギーに変換する。排気部５４０は、前記燃焼ガスを大気へと排出する。

燃焼部５２０は、複数の燃焼器５２１を含んで構成される。複数の燃焼器５２１は、それぞれ、内筒５２２と、尾筒５２３と、燃料ノズル５２４とを含んで構成される。内筒５２２は、圧縮空気の通路であって略円筒形状に形成さる。内筒５２２は、燃料ノズル５２４を構成するメインノズルと、パイロットノズルとを内部に支持する。

尾筒５２３は筒状に形成され、内部に燃料が燃焼する燃焼領域が形成される。尾筒５２３は、内筒５２２の軸方向の端部のうち、一方の端部に取り付けられる。内筒５２２の軸方向の端部のうち尾筒５２３とは反対側の他方の端部には、内筒５２２の内部に配置される燃料ノズル５２４に燃料を供給するための燃料供給装置１００の配管が接続される。

ここで、燃料供給装置１００によって燃料ノズル５２４に供給される燃料は、油燃料と水とが混合されたエマルジョン燃料である。燃料供給装置１００は、油燃料と水とを混合させて燃料ノズル５２４にエマルジョン燃料を供給する。以下に燃料供給装置１００の構成を説明する。

図２は、燃料供給装置を示す構成図である。燃料供給装置１００は、油燃料タンク１１１と、水タンク１１２と、油燃料管１１３と、水管１１４と、油燃料ポンプ１１５と、水ポンプ１１６と、油燃料分配器１１７と、水分配器１１８と、燃料供給通路としての複数の燃料供給管１２１と、複数の水供給管１２２とを含んで構成される。油燃料タンク１１１は、油燃料を溜める容器である。油燃料分配器１１７は、供給された油燃料を複数の経路に分配する手段である。

油燃料タンク１１１と油燃料分配器１１７とは、油燃料ポンプ１１５を介して油燃料管１１３で接続される。燃料供給装置１００は、油燃料分配器１１７に複数の燃料供給管１２１が接続される。燃料供給管１２１は、一方の端部が油燃料分配器１１７に接続され、他方の端部が図１に示す複数の燃焼器５２１の燃料ノズル５２４にそれぞれ接続される。

水タンク１１２は、油燃料に混合させる水を溜める容器である。水分配器１１８は、供給された水を複数の経路に分配する手段である。水タンク１１２と水分配器１１８とは、水ポンプ１１６を介して水管１１４で接続される。燃料供給装置１００は、水分配器１１８に複数の水供給管１２２が接続される。水供給管１２２は、一方の端部が水分配器１１８に接続され、他方の端部が複数の燃料供給管１２１にそれぞれ開口する。

上記構成の燃料供給装置１００は、油燃料ポンプ１１５が油燃料管１１３を介して油燃料タンク１１１から油燃料分配器１１７へ油燃料を供給する。油燃料分配器１１７によって複数の燃料供給管１２１に分配された油燃料は、燃料供給管１２１を介して、図１に示す複数の燃料ノズル５２４に導かれる。

また、燃料供給装置１００は、水ポンプ１１６が水管１１４を介して水タンク１１２から水分配器１１８へ水を供給する。水分配器１１８によって複数の水供給管１２２に分配された水は、水供給管１２２を介して複数の燃料供給管１２１に導かれる。これにより、油燃料と水とが混ざってエマルジョン燃料となり、燃料供給装置１００は、このエマルジョン燃料を燃料ノズル５２４に供給する。

ここで、エマルジョン燃料は、時間の経過と共に油燃料と水との分離が進行する。ここで、油燃料と水との分離の進行とは、具体的には、油燃料の中に混在する水の液滴が寄り集まって大きくなることである。以下、エマルジョン燃料の油燃料の中に混在する水の液滴を水滴という。水滴の大きさが適当な大きさよりも大きくなると、ガスタービンは、排気ガスに含まれるＮＯｘやスス低減が不十分となる。

エマルジョン燃料に乳化剤を添加してエマルジョン燃料を乳化させることによっても、油燃料と水との分離の進行は抑制することができる。しかしながら、乳化剤をエマルジョン燃料に添加する場合、乳化剤を必要とする分、燃料のコストが増加するおそれが考えられる。また、数ある乳化剤の中には、ガスタービンに不向きな成分を含むものもあり、このような乳化剤を使用した場合、ガスタービンの耐久性が低下するおそれも考えられる。

そこで、本実施形態の燃料供給装置１００は、乳化剤を添加することなく、エマルジョン燃料の油燃料と水との混合を良好にして、油燃料と水との分離の進行を抑制する。以下にそのための構成を説明する。

図３は、実施形態１の水滴微細化装置を示す構成図である。燃料供給装置１００は、図２に示す水供給管１２２が燃料供給管１２１に開口する部分と図１に示す燃料ノズル５２４との間の燃料供給管１２１に、図３に示す水滴微細化手段としての水滴微細化装置１３０を有する。本実施形態の水滴微細化装置１３０は、スタティックミキサー１３１によって構成される。

スタティックミキサー１３１は、例えば、筒状の部材である。スタティックミキサー１３１は、エマルジョン燃料が流動可能な外管の内部に静止部材が固定されて構成される。

具体的には、スタティックミキサー１３１は、図３に示すように、例えば、筒状に形成された外管１３２と、静止部材としての羽根１３３及び羽根１３４及び複数の突起１３５とを有する。羽根１３３と羽根１３４とは、互いに交差して外管１３２の内部に固定される。羽根１３３及び羽根１３４は、エマルジョン燃料の流れの方向、つまり、外管１３２の軸方向に対して角度を有する面を備える。

複数の突起１３５は、例えば、外管１３２及び羽根１３３よりも、エマルジョン燃料の流れの下流側の外管１３２に固定される。突起１３５は、例えば、外管１３２の径方向内側に向かって外管１３２の内周部に固定される。なお、以下、エマルジョン燃料の流れの下流側を単に下流側といい、エマルジョン燃料の流れの上流側を単に上流側という。

スタティックミキサー１３１に供給されたエマルジョン燃料は、まず羽根１３３及び羽根１３４によって流れが変化する。ここで、羽根１３３及び羽根１３４は、エマルジョン燃料を切り刻む機能も実現する。スタティックミキサー１３１は、羽根１３３及び羽根１３４によってエマルジョン燃料の流れを変化すると共に、エマルジョン燃料に含まれる水滴を切り刻むことによって、エマルジョン燃料の油燃料に混在する水滴を微細化する。

さらに、エマルジョン燃料は、羽根１３３及び羽根１３４を通過した後、複数の突起１３５と衝突する。これにより、スタティックミキサー１３１は、エマルジョン燃料を構成する油燃料と水との混合を促進して、エマルジョン燃料の油燃料に混在する水滴をさらに微細化する。

スタティックミキサー１３１は、本実施形態では、燃料供給管１２１の一部に直列に取り付けられる。つまり、本実施形態では、スタティックミキサー１３１は、燃料供給管１２１の一部をバイパスせずに取り付けられる。以下に、燃料供給管１２１の一部に直列に取り付けられると好ましい理由及び効果を説明する。

水滴微細化装置１３０は、エマルジョン燃料がスタティックミキサー１３１を通過することによって、油燃料に混在する水滴を微細化する。よって、水滴微細化装置１３０は、より多くのエマルジョン燃料をスタティックミキサー１３１に供給する方が油燃料に混在する水滴を微細化することができる。

燃料供給管１２１を流れるエマルジョン燃料の量が同じであれば、スタティックミキサー１３１が燃料供給管１２１の一部に直列に取り付けられる場合にスタティックミキサー１３１を通過するエマルジョン燃料の量は、スタティックミキサー１３１が燃料供給管１２１の一部をバイパスして燃料供給管１２１に取り付けられる場合にスタティックミキサー１３１を通過するエマルジョン燃料の量よりも多い。

これにより、水滴微細化装置１３０は、スタティックミキサー１３１が燃料供給管１２１の一部に直列に取り付けられることによって、より多くのエマルジョン燃料の油燃料の中に含まれる水滴を微細化することができる。

但し、スタティックミキサー１３１が燃料供給管１２１の一部をバイパスして燃料供給管１２１に取り付けられる場合であっても、エマルジョン燃料の一部はスタティックミキサー１３１を通過する。よって、水滴微細化装置１３０は、スタティックミキサー１３１が燃料供給管１２１の一部をバイパスして燃料供給管１２１に取り付けられる場合でも、燃料供給管１２１にスタティックミキサー１３１が全く取り付けられない場合よりは、より多くのエマルジョン燃料の油燃料の中に含まれる水滴を微細化することができる。

スタティックミキサー１３１が燃料供給管１２１の一部に直列に取り付けられる場合、燃料供給装置１００は、例えば、燃料供給管１２１の一部が切除されて、この切除された部分にスタティックミキサー１３１が溶接によって取り付けられる。また、燃料供給装置１００は、スタティックミキサー１３１の両端部にフランジが形成され、スタティックミキサー１３１の前記フランジが燃料供給管１２１に形成されたフランジに取り付けられることによって燃料供給管１２１に取り付けられてもよい。

なお、スタティックミキサー１３１の構成は上記構成に限定されない。燃料供給装置１００は、スタティックミキサー１３１が有する羽根の数、羽根の形状、突起の数、突起の形状、羽根と突起との位置関係等が自由に変更されてかまわない。

また、スタティックミキサー１３１は、羽根１３３及び羽根１３４及び突起１３５が外管１３２に固定されて外管１３２に対して動かない構成、つまり、すべて静止部材で構成されているが、水滴微細化装置１３０は、このようなスタティックミキサー１３１に替えて、可動部材を含んで構成されるダイナミックミキサーによって構成されてもよい。可動部材を含んで構成されるダイナミックミキサーとは、例えば、外管の中心軸を軸に回転可能に外管の内部に支持される羽根車を含んで構成されるミキサーである。

前記ミキサーは、例えば、モーターの回転が前記羽根車に伝わるように構成される。これにより、前記羽根車が回転して外管の内部を通過するエマルジョン燃料を掻き混ぜる。このようなミキサーによって構成されても、水滴微細化装置１３０は、エマルジョン燃料の油燃料に混在する水滴を微細化することができる。

但し、スタティックミキサー１３１は、可動部材がないため可動部材を動かすためのエネルギーを必要としない。これにより、スタティックミキサー１３１は、エマルジョン燃料の油燃料に混在する水滴を微細化するために必要なエネルギーを抑制することができる。

また、スタティックミキサー１３１は、可動部材を動かすための構成、例えば、モーターや、モーターに電気を供給するための電源装置及び配線を必要としない。これにより、スタティックミキサー１３１は、燃料供給装置１００の部品点数の増加や、構成の複雑化を抑制することができる。

また、一般的に可動部材は、静止部材よりも不具合が発生しやすい。スタティックミキサー１３１は、可動部材がないため、燃料供給装置１００は、不具合の発生を抑制することができる。

スタティックミキサー１３１は、エマルジョン燃料の油燃料に混在する水滴を、例えば、３μｍから１０μｍまでの直径になるまで微細化する。これは、近年の研究によって、エマルジョン燃料の油燃料に混在する水滴の大きさが３μｍから１０μｍまでの直径である場合に、排気ガスに含まれるＮＯｘやススを好適に抑制できることが判明したためである。

エマルジョン燃料は、燃焼器で燃焼する際に、まず油燃料に含まれる水が蒸発して急膨張する。この水の急膨張によって油燃料の液滴が微細化してエマルジョン燃料の燃焼速度が向上する。ここで、水滴の大きさが変化すると、水が蒸発する時期が変化する。これにより、油燃料の液滴が微細化する時期も変化して、結果的にエマルジョン燃料の燃焼速度も変化する。

このような原理を踏まえて、排気ガスに含まれるＮＯｘやススを好適に抑制することができる燃焼速度を実現できる水滴の大きさを実験によって調査したところ、エマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさは、３μｍから１０μｍまでが好ましいと判明した。

以上の理由により、エマルジョン燃料の油燃料に混在する水滴を、例えば、３μｍから１０μｍまでの直径になるまで微細化することができるスタティックミキサー１３１を備えることで、燃料供給装置１００は、排気ガスに含まれるＮＯｘやススをより好適に抑制することができる。

ここで、本実施形態では、燃料供給装置１００は、ガスタービンの燃焼器にエマルジョン燃料を供給するものとして説明したが、燃料供給装置１００は、例えば、空調装置のボイラにエマルジョン燃料を供給してもよい。この場合でも、燃料供給装置１００は、油燃料と水との混合が良好となり、油燃料と水との分離の進行を抑制することができる。

（実施形態２）
図４は、実施形態２の水滴微細化装置を示す構成図である。ここで、スタティックミキサーには、個体や種類によって適当に混合することができる液体の流量がある。なお、ここでは、水滴の大きさは、３μｍから１０μｍまでの大きさに微細化することができる場合を「適当」とする。以下、スタティックミキサーが適当に混合することができるエマルジョン燃料の流量をスタティックミキサーの許容量という。

スタティックミキサーは、例えば、外管の径が大きいほど許容量が増加する。仮に、スタティックミキサーの許容量よりも、スタティックミキサーに供給されるエマルジョン燃料の流量が少ない場合、燃料供給装置は、エマルジョン燃料に含まれる水滴の微細化が不十分になるおそれがある。

これは、スタティックミキサー内でのエマルジョン燃料の圧力が不足して、例えば、エマルジョン燃料が図３に示す突起１３５と衝突する際のエネルギーが小さくなるためである。このようにして、燃料供給装置は、エマルジョン燃料に含まれる水滴の微細化が不十分になるおそれがある。

また、仮に、図１に示す燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が増加すると、スタティックミキサーに供給されるエマルジョン燃料の流量も増加する。これによって、スタティックミキサーの許容量よりも、スタティックミキサーに供給されるエマルジョン燃料の流量が多くなる場合、燃料供給装置は、スタティックミキサーでの圧力の損失によって、燃料ノズルに供給されるエマルジョン燃料が不足するおそれがある。

実施形態２の燃料供給装置２００が備える水滴微細化装置２３０は、図１に示す燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が変化しても、燃料ノズルに供給することができるエマルジョン燃料が不足するおそれを抑制することができると共に、エマルジョン燃料に含まれる水滴を微細化することができる点に特徴がある。以下、水滴微細化装置２３０の構成を説明する。

水滴微細化装置２３０は、図４に示すように、第２ミキサーとしての大容量スタティックミキサー２３１と、第１ミキサーとしての小容量スタティックミキサー２３２と、バイパス管２３３と、燃料分配量調節手段としての大容量側バルブ２３４と、燃料分配量調節手段としての小容量側バルブ２３５とを備える。大容量スタティックミキサー２３１は、小容量スタティックミキサー２３２よりも、許容量が多いスタティックミキサーである。大容量側バルブ２３４及び小容量側バルブ２３５は、自身よりも下流側に流すエマルジョン燃料の流量を調節するためのバルブである。

燃料供給装置２００は、燃料供給管１２１に、上流側から下流側に向かって順に、大容量側バルブ２３４と、大容量スタティックミキサー２３１とが配置される。また、燃料供給装置２００は、バイパス管２３３が大容量側バルブ２３４及び大容量スタティックミキサー２３１をバイパスして設けられる。

つまり、バイパス管２３３は、一方の端部が大容量側バルブ２３４よりも上流側の燃料供給管１２１に開口し、他方の端部が大容量スタティックミキサー２３１よりも下流側に開口する。燃料供給装置２００は、バイパス管２３３に、上流側から下流側に向かって順に、小容量側バルブ２３５及び小容量スタティックミキサー２３２が配置される。

上記構成により、大容量側バルブ２３４が開弁し、小容量側バルブ２３５も開弁している場合には、燃料供給装置２００は、大容量スタティックミキサー２３１及び小容量スタティックミキサー２３２の両方にエマルジョン燃料が供給される。

また、大容量側バルブ２３４が開弁し、小容量側バルブ２３５が閉弁している場合には、燃料供給装置２００は、大容量スタティックミキサー２３１のみにエマルジョン燃料が供給される。

また、大容量側バルブ２３４が閉弁し、小容量側バルブ２３５が開弁している場合には、燃料供給装置２００は、小容量スタティックミキサー２３２のみにエマルジョン燃料が供給される。

ガスタービン５００のオペレータは、燃料ノズル５２４に供給する燃料の流量によって、大容量側バルブ２３４及び小容量側バルブ２３５を操作する。具体的には、例えば、図１に示す燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量を「最大」と「中間」と「最小」との三段階に分け、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が最大の段階の際には、オペレータは、大容量側バルブ２３４及び小容量側バルブ２３５を開弁する。

また、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が三段階の内の中間の段階の際には、オペレータは、大容量側バルブ２３４を開弁し、小容量側バルブ２３５を閉弁する。また、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が最小の段階の際には、オペレータは、大容量側バルブ２３４を閉弁し、小容量側バルブ２３５を開弁する。

オペレータがこのように大容量側バルブ２３４及び小容量側バルブ２３５を操作することにより、燃料供給装置２００は、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が、三段階の内最大の段階の際に、大容量スタティックミキサー２３１及び小容量スタティックミキサー２３２の両方にエマルジョン燃料が供給される。

また、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が三段階の内の中間の段階の際には、燃料供給装置２００は、大容量スタティックミキサー２３１のみにエマルジョン燃料が供給される。また、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が最小の段階の際には、燃料供給装置２００は、小容量スタティックミキサー２３２のみにエマルジョン燃料が供給される。

これにより、燃料供給装置２００は、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が変化しても、それにともなってオペレータが大容量側バルブ２３４及び小容量側バルブ２３５を操作することによって、水滴微細化装置２３０全体で扱えるエマルジョン燃料の流量が変化する。以下、水滴微細化装置全体で扱えるエマルジョン燃料の流量を水滴微細化装置全体の許容量という。

よって、燃料供給装置２００は、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が変化しても、燃料ノズルに供給されるエマルジョン燃料が不足するおそれを抑制しつつ、エマルジョン燃料に含まれる水滴を微細化することができる。

なお、水滴微細化装置２３０は、大容量側バルブ２３４及び小容量側バルブ２３５に替えて、エマルジョン燃料の流路を、大容量スタティックミキサー２３１側と、小容量スタティックミキサー２３２側とのうちのどちらか一方に切り替える切り替えバルブを備えてもよい。

この場合、図１に示す燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量を例えば二段階に分け、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が多い段階の際には、オペレータは、前記切り替えバルブを大容量側バルブ２３４側に切り替える。また、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が少ない段階の際には、オペレータは、前記切り替えバルブを小容量側バルブ２３５側に切り替える。

このように、前記切り替えバルブを備える場合であっても、燃料供給装置２００は、燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が変化しても、それにともなってオペレータが前記切り替えバルブを操作することによって、水滴微細化装置２３０全体の許容量が変化する。

よって、燃料供給装置２００は、燃料ノズルに供給されるエマルジョン燃料が不足するおそれを抑制しつつ、エマルジョン燃料に含まれる水滴を微細化することができる。さらに、前記切り替えバルブを備えることにより、水滴微細化装置２３０は、必要なバルブの数が低減される。よって、水滴微細化装置２３０は、構成の複雑化を抑制することができる。

（実施形態３）
図５は、実施形態３の水滴微細化装置を示す構成図である。実施形態２の水滴微細化装置２３０は、オペレータによって大容量側バルブ２３４と小容量側バルブ２３５とが操作されたが、図５に示す実施形態３の燃料供給装置３００は、自動で大容量側バルブ２３４の開度と小容量側バルブ２３５の開度とが変更される。

水滴微細化装置３３０は、燃料分配量調節手段としての大容量側流量調整装置３３４と、燃料分配量調節手段としての小容量側流量調整装置３３５と、圧力損失測定手段としての大容量側圧力損失測定装置３３６と、圧力損失測定手段としての小容量側圧力損失測定装置３３７と、制御装置３４０とを含んで構成される。

大容量側流量調整装置３３４は、水供給管１２２が燃料供給管１２１に開口する部分と、大容量スタティックミキサー２３１との間の燃料供給管１２１に設けられる。これにより、大容量側流量調整装置３３４は、大容量スタティックミキサー２３１に供給するエマルジョン燃料の流量を調節する。

小容量側流量調整装置３３５は、小容量スタティックミキサー２３２よりも上流側のバイパス管２３３に設けられる。これにより、小容量側流量調整装置３３５は、小容量スタティックミキサー２３２に供給するエマルジョン燃料の流量を調節する。大容量側流量調整装置３３４及び小容量側流量調整装置３３５は、例えば、それぞれ弁体と、弁体を動作させるモーターやアクチュエータなどの駆動装置とを含んで構成される。

大容量側圧力損失測定装置３３６は、大容量側流量調整装置３３４と大容量スタティックミキサー２３１との間の燃料供給管１２１内の圧力と、大容量スタティックミキサー２３１よりも下流側の圧力との差を測定する。つまり、大容量側圧力損失測定装置３３６は、エマルジョン燃料が大容量スタティックミキサー２３１を通過する際の圧力の損失を測定する。

小容量側圧力損失測定装置３３７は、小容量側流量調整装置３３５と小容量スタティックミキサー２３２との間のバイパス管２３３内の圧力と、小容量スタティックミキサー２３２よりも下流側の圧力との差を測定する。つまり、小容量側圧力損失測定装置３３７は、エマルジョン燃料が小容量スタティックミキサー２３２を通過する際の圧力の損失を測定する。

制御装置３４０は、大容量側圧力損失測定装置３３６及び小容量側圧力損失測定装置３３７に電気的に接続される。これにより、制御装置３４０は、大容量側圧力損失測定装置３３６及び小容量側圧力損失測定装置３３７から、エマルジョン燃料が大容量スタティックミキサー２３１を通過する際に損失した圧力及びエマルジョン燃料が小容量スタティックミキサー２３２を通過する際に損失した圧力を取得する。

また、制御装置３４０は、大容量側流量調整装置３３４及び小容量側流量調整装置３３５の駆動装置と電気的に接続される。これにより、制御装置３４０は、前記駆動装置を制御する。以下に、制御装置３４０が大容量側圧力損失測定装置３３６及び小容量側圧力損失測定装置３３７から取得した値に基づいて、大容量側流量調整装置３３４及び小容量側流量調整装置３３５を制御する具体的な一例を説明する。

以下、大容量側圧力損失測定装置３３６の値、つまり大容量スタティックミキサー２３１での圧力の損失を大容量側圧損Ｐ１とする。また、小容量側圧力損失測定装置３３７の値、つまり小容量スタティックミキサー２３２での圧力の損失を小容量側圧損Ｐ２とする。

また、大容量スタティックミキサー２３１での圧力の損失の許容値を大容量側許容最小値Ｐ１ｍｉｎ以上大容量側許容最大値Ｐ１ｍａｘ以下の範囲とする。つまり、この範囲であれば、大容量スタティックミキサー２３１に供給されるエマルジョン燃料の流量が適当の範囲となり、大容量スタティックミキサー２３１は、大容量スタティックミキサー２３１に供給されるエマルジョン燃料に含まれる水滴を３μｍから１０μｍの大きさまで微細化することができる。

また、小容量スタティックミキサー２３２での圧力の損失の許容値を小容量側許容最小値Ｐ２ｍｉｎ以上小容量側許容最大値Ｐ２ｍａｘ以下の範囲とする。つまり、この範囲であれば、小容量スタティックミキサー２３２に供給されるエマルジョン燃料の流量が適当の範囲となり、小容量スタティックミキサー２３２は、小容量スタティックミキサー２３２に供給されるエマルジョン燃料に含まれる水滴を３μｍから１０μｍの大きさまで微細化することができる。

制御装置３４０は、大容量側圧損Ｐ１が、大容量側許容最小値Ｐ１ｍｉｎ以上大容量側許容最大値Ｐ１ｍａｘ以下の場合は、大容量側流量調整装置３３４を開弁とし、小容量側流量調整装置３３５を閉弁とする。これにより、水滴微細化装置３３０全体の許容量は、三段階のうち中間の段階に設定される。

また、制御装置３４０は、小容量側圧損Ｐ２が、小容量側許容最小値Ｐ２ｍｉｎ以上小容量側許容最大値Ｐ２ｍａｘ以下の場合は、大容量側流量調整装置３３４を閉弁とし、小容量側流量調整装置３３５を開弁とする。これにより、水滴微細化装置３３０全体の許容量は、三段階のうち最小の段階に設定される。

また、制御装置３４０は、大容量側圧損Ｐ１が大容量側許容最大値Ｐ１ｍａｘを超える場合は、大容量側流量調整装置３３４及び小容量側流量調整装置３３５を共に開弁とする。これにより、水滴微細化装置３３０全体の許容量は、三段階のうち最大の段階に設定される。

ここで、水滴微細化装置３３０全体の許容量が、三段階のうち最大の段階に設定されている時に、大容量側圧損Ｐ１が大容量側許容最小値Ｐ１ｍｉｎ未満になった場合、または、小容量側圧損Ｐ２が小容量側許容最小値Ｐ２ｍｉｎ未満になった場合、制御装置３４０は、小容量側流量調整装置３３５のみを閉弁する。これにより、水滴微細化装置３３０全体の許容量は、三段階のうち中間の段階に設定される。

水滴微細化装置３３０全体の許容量が、三段階のうち中間の段階に設定されている時に、大容量側圧損Ｐ１が、大容量側許容最小値Ｐ１ｍｉｎ未満になった場合、制御装置３４０は、大容量側流量調整装置３３４を閉弁し、小容量側流量調整装置３３５を開弁する。これにより、水滴微細化装置３３０全体の許容量は、三段階のうち最小の段階に設定される。

また、水滴微細化装置３３０全体の許容量が、三段階のうち中間の段階に設定されている時に、大容量側圧損Ｐ１が、大容量側許容最大値Ｐ１ｍａｘを超える場合、制御装置３４０は、小容量側流量調整装置３３５を開弁する。これにより、水滴微細化装置３３０全体の許容量は、三段階のうち最大の段階に設定される。

水滴微細化装置３３０全体の許容量が、三段階のうち最小の段階に設定されている時に、小容量側圧損Ｐ２が、小容量側許容最大値Ｐ２ｍａｘを超える場合、制御装置３４０は、大容量側流量調整装置３３４を開弁し、小容量側流量調整装置３３５を閉弁する。これにより、水滴微細化装置３３０全体の許容量は、三段階のうち中間の段階に設定される。

このように、制御装置３４０は、大容量側圧力損失測定装置３３６及び小容量側圧力損失測定装置３３７から大容量側圧損Ｐ１及び小容量側圧損Ｐ２を定期的に取得して、大容量側圧損Ｐ１及び小容量側圧損Ｐ２に基づいて大容量側流量調整装置３３４及び小容量側流量調整装置３３５を制御する。

上記構成により、燃料供給装置３００は、図１に示す燃料ノズル５２４に供給しようとするエマルジョン燃料の流量が変化しても、大容量側圧損Ｐ１及び小容量側圧損Ｐ２に基づいて、制御装置３４０が自動で大容量側流量調整装置３３４及び小容量側流量調整装置３３５を制御する。これにより、燃料供給装置３００は、水滴微細化装置３３０全体の許容量が自動で調節される。

これにより、燃料供給装置３００は、オペレータの操作を必要とせずに、水滴微細化装置３３０での圧力の損失に起因する燃料ノズルに供給されるエマルジョン燃料が不足するおそれを抑制することができる。また、燃料供給装置３００は、水滴微細化装置３３０に供給されるエマルジョン燃料の流量が、水滴微細化装置３３０の許容量に対して過小となることに起因するエマルジョン燃料に含まれる水滴の微細化が不十分となるおそれを抑制することができる。

（実施形態４）
図６は、実施形態４の水滴微細化装置を示す構成図である。実施形態４の燃料供給装置４００は、図５に示す制御装置３４０に替えて制御装置４４０を備える点で実施形態３の燃料供給装置３００と異なる。制御装置４４０は、図１に示すガスタービン５００に燃焼振動が生じた際に、大容量側流量調整装置３３４及び小容量側流量調整装置３３５を制御して前記燃焼振動を抑制する点に特徴がある。

上述したように、エマルジョン燃料を燃焼させるガスタービンでは、エマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさが変化すると、前記水が蒸発する時期が変化する。具体的には、水滴微細化装置４３０の許容量が、実際に水滴微細化装置４３０に供給されているエマルジョン燃料の流量よりも大きくなると、エマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさが大きくなる。これにより、前記水が蒸発する時期は、現在よりも遅くなる。

また、水滴微細化装置４３０全体の許容量が、実際に水滴微細化装置４３０に供給されているエマルジョン燃料の流量よりも小さくなると、エマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさが小さくなって、前記水が蒸発する時期が現在よりも早くなる。

このように、前記水滴の大きさが変化すると、前記水が蒸発する時期が変化して、エマルジョン燃料に含まれる油燃料の液滴の大きさが変化する。すると、前記油燃料が燃焼する時期が変化して、結果として、ガスタービン５００は、エマルジョン燃料の燃焼速度が変化する。

一般的に、燃焼振動が生じた際は、燃料の燃焼速度を変化させることで前記燃焼振動を抑制することができる。制御装置４４０は、この原理に基づいて、エマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさを変化させて、燃焼振動を抑制する。以下に、燃焼振動が生じた際に、制御装置４４０が、大容量側流量調整装置３３４及び小容量側流量調整装置３３５の状態を現在から変化させる具体的な一例を説明する。

例えば、水滴微細化装置４３０全体の許容量が、三段階のうち最大の段階に設定されている時に燃焼振動が生じた場合、制御装置４４０は、小容量側流量調整装置３３５のみを閉弁する。これにより、水滴微細化装置４３０全体の許容量は、三段階のうち中間の段階に変化する。

また、例えば、水滴微細化装置４３０全体の許容量が、三段階のうち中間の段階に設定されている時に燃焼振動が生じた場合、制御装置４４０は、小容量側流量調整装置３３５を開弁する。これにより、水滴微細化装置４３０全体の許容量は、三段階のうち最大の段階に変化する。または、大容量側流量調整装置３３４を閉弁し、小容量側流量調整装置３３５を開弁する。これにより、水滴微細化装置４３０全体の許容量は、三段階のうち最小の段階に変化する。

また、例えば、水滴微細化装置４３０全体の許容量が、三段階のうち最小の段階に設定されている時に燃焼振動が生じた場合、制御装置４４０は、大容量側流量調整装置３３４を開弁し、小容量側流量調整装置３３５を閉弁する。これにより、水滴微細化装置４３０全体の許容量は、三段階のうち中間の段階に変化する。

上記構成により、燃料供給装置４００は、制御装置４４０がエマルジョン燃料に含まれる水滴の大きさを調節して燃焼振動を抑制することができる。

以上のように、本実施形態に係る燃料供給装置は、ガスタービンの燃焼器にエマルジョン燃料を供給する技術に適している。

ガスタービンを示す構成図である。燃料供給装置を示す構成図である。実施形態１の水滴微細化装置を示す構成図である。実施形態２の水滴微細化装置を示す構成図である。実施形態３の水滴微細化装置を示す構成図である。実施形態４の水滴微細化装置を示す構成図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００燃料供給装置
１１１油燃料タンク
１１２水タンク
１１３油燃料管
１１４水管
１１５油燃料ポンプ
１１６水ポンプ
１１７油燃料分配器
１１８水分配器
１２１燃料供給管（燃料供給通路）
１２２水供給管
１３０、２３０、３３０、４３０水滴微細化装置（水滴微細化手段）
１３１スタティックミキサー（ミキサー）
１３２外管
１３３羽根（静止部材）
１３４羽根（静止部材）
１３５突起（静止部材）
２３１大容量スタティックミキサー（第２ミキサー）
２３２小容量スタティックミキサー（第１ミキサー）
２３３バイパス管
２３４大容量側バルブ（燃料分配量調節手段）
２３５小容量側バルブ（燃料分配量調節手段）
３３４大容量側流量調整装置（燃料分配量調節手段）
３３５小容量側流量調整装置（燃料分配量調節手段）
３３６大容量側圧力損失測定装置（圧力損失測定手段）
３３７小容量側圧力損失測定装置（圧力損失測定手段）
３４０、４４０制御装置
５００ガスタービン
５１０圧縮部
５２０燃焼部
５２１燃焼器
５３０タービン部
５４０排気部

Claims

油燃料と水とが混合したエマルジョン燃料を燃焼器に供給可能な燃料供給通路と、
前記燃料供給通路を流れる前記エマルジョン燃料に含まれる前記水の液滴を微細化する水滴微細化手段と、
を備え、
前記水滴微細化手段は、
前記エマルジョン燃料を掻き混ぜる複数のミキサーと、
前記複数のミキサーよりも前記エマルジョン燃料の流れの上流側に設けられて、前記各ミキサーに分配する前記エマルジョン燃料の流量を調節可能な燃料分配量調節手段と、
を含んで構成され、
前記複数のミキサーは、
第１ミキサーと、
取り扱い可能な前記エマルジョン燃料の流量が前記第１ミキサーよりも大きい第２ミキサーと、
から構成され、
前記燃料分配量調節手段は、
前記第１ミキサーのみに前記エマルジョン燃料を供給する場合と、
前記第２ミキサーのみに前記エマルジョン燃料を供給する場合と、
前記第１ミキサーと前記第２ミキサーとの両方に前記エマルジョン燃料を供給する場合と、
を切り替え可能であることを特徴とする燃料供給装置。
前記エマルジョン燃料が前記ミキサーを通過する際に損失した圧力を測定可能な圧力損失測定手段を備え、
前記燃料分配量調節手段によって前記各ミキサーに分配される前記エマルジョン燃料の流量を、前記圧力損失測定手段が測定した値に基づいて変更することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
前記燃焼器が前記エマルジョン燃料を燃焼させる際に燃焼振動を生じた場合、
前記燃料分配量調節手段によって前記各ミキサーに分配される前記エマルジョン燃料の流量を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料供給装置。
前記水滴微細化手段は、
前記エマルジョン燃料が流動可能な外管の内部に静止部材が固定されて構成されるスタティックミキサーを含んで構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
油燃料と水とが混合したエマルジョン燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料供給装置から供給された前記エマルジョン燃料を燃焼させる燃焼器と、
前記エマルジョン燃料が燃焼した燃焼ガスのエネルギーを回転エネルギーに変換するタービン部と、
を備え、
前記燃料供給装置は、
前記エマルジョン燃料を前記燃焼器に供給可能な燃料供給通路と、
前記燃料供給通路を流れる前記エマルジョン燃料に含まれる前記水の液滴を微細化する水滴微細化手段と、
を備え、
前記水滴微細化手段は、
前記エマルジョン燃料を掻き混ぜる複数のミキサーと、
前記複数のミキサーよりも前記エマルジョン燃料の流れの上流側に設けられて、前記各ミキサーに分配する前記エマルジョン燃料の流量を調節可能な燃料分配量調節手段と、
を含んで構成され、
前記複数のミキサーは、
第１ミキサーと、
取り扱い可能な前記エマルジョン燃料の流量が前記第１ミキサーよりも大きい第２ミキサーと、
から構成され、
前記燃料分配量調節手段は、
前記第１ミキサーのみに前記エマルジョン燃料を供給する場合と、
前記第２ミキサーのみに前記エマルジョン燃料を供給する場合と、
前記第１ミキサーと前記第２ミキサーとの両方に前記エマルジョン燃料を供給する場合と、
を切り替え可能であることを特徴とするガスタービン。