JPH07305848A - 燃料ノズル・アセンブリ、ガスタービン装置及び低ＮＯｘガスタービン装置における燃焼不安定性を低減する方法 - Google Patents
燃料ノズル・アセンブリ、ガスタービン装置及び低ＮＯｘガスタービン装置における燃焼不安定性を低減する方法Info
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- JPH07305848A JPH07305848A JP7020435A JP2043595A JPH07305848A JP H07305848 A JPH07305848 A JP H07305848A JP 7020435 A JP7020435 A JP 7020435A JP 2043595 A JP2043595 A JP 2043595A JP H07305848 A JPH07305848 A JP H07305848A
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 燃焼不安定性を低減させることのできる燃料
ノズル・アセンブリを提供する。 【構成】 燃料ノズル３２は、多数の内部通路６０〜６
３を有している実質的に円筒形の本体を有している。通
路の１つは、ノズル３２に取り付けられている複数の燃
料インジェクタ６６に予混合気体燃料を供給する。残り
の通路は、拡散気体、噴霧空気及び液体燃料用にし得
る。残りの通路の１つ以上は、ノズル本体の円筒形側面
に形成されたそれぞれ１群の吐き出しオリフィス７１〜
７３に連結されている。低ＮＯx 運転中、予混合気体を
インジェクタ６６に導入し、残りの通路をすべて空気で
パージし、燃焼室からの火炎ガスの侵入を防止する。こ
うして、側面に形成されたオリフィス７１〜７３から射
出される空気ジェット流は、ノズル３２の先端から流れ
る径間方向のうずを分散し切り刻む。空気ジェット流
は、ノズル３２の長さ方向軸線に対して約４５度の角度
で吐き出されることが好ましい。
ノズル・アセンブリを提供する。 【構成】 燃料ノズル３２は、多数の内部通路６０〜６
３を有している実質的に円筒形の本体を有している。通
路の１つは、ノズル３２に取り付けられている複数の燃
料インジェクタ６６に予混合気体燃料を供給する。残り
の通路は、拡散気体、噴霧空気及び液体燃料用にし得
る。残りの通路の１つ以上は、ノズル本体の円筒形側面
に形成されたそれぞれ１群の吐き出しオリフィス７１〜
７３に連結されている。低ＮＯx 運転中、予混合気体を
インジェクタ６６に導入し、残りの通路をすべて空気で
パージし、燃焼室からの火炎ガスの侵入を防止する。こ
うして、側面に形成されたオリフィス７１〜７３から射
出される空気ジェット流は、ノズル３２の先端から流れ
る径間方向のうずを分散し切り刻む。空気ジェット流
は、ノズル３２の長さ方向軸線に対して約４５度の角度
で吐き出されることが好ましい。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的にはガスタービ
ン燃焼器に関し、特に、燃焼に伴う不安定性を低減する
ガスタービン燃焼器の改良に関する。
ン燃焼器に関し、特に、燃焼に伴う不安定性を低減する
ガスタービン燃焼器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】発電所の設計において、ＮＯx 等の有害
ガスの大気中への放出量を減少させることが一番の関心
事となっている。この問題を解決すべく、過薄（リー
ン）予混合燃焼を用いた低ＮＯx 燃焼器が開発されてい
る。このような燃焼器の一例では、複数のバーナが単一
の燃焼室に取り付けられている。各バーナは、流れ管の
中心に燃料ノズルを設けた構成であって、この燃料ノズ
ルは円筒形ハブを含んでいる。この円筒形ハブは、複数
の燃料インジェクタと、空気スワラとを支持しており、
その下流端に平坦面を有している。低ＮＯx 運転用の予
混合噴射段に加えて、各燃料ノズルには、始動及び緊急
運転用の拡散噴射段と、液体燃料運転用の液体燃料噴射
段とを設けることができる。拡散気体燃料と、液体燃料
とを、燃料ノズルの平坦端面に配置されているオリフィ
スから噴射させることが代表的である。
ガスの大気中への放出量を減少させることが一番の関心
事となっている。この問題を解決すべく、過薄（リー
ン）予混合燃焼を用いた低ＮＯx 燃焼器が開発されてい
る。このような燃焼器の一例では、複数のバーナが単一
の燃焼室に取り付けられている。各バーナは、流れ管の
中心に燃料ノズルを設けた構成であって、この燃料ノズ
ルは円筒形ハブを含んでいる。この円筒形ハブは、複数
の燃料インジェクタと、空気スワラとを支持しており、
その下流端に平坦面を有している。低ＮＯx 運転用の予
混合噴射段に加えて、各燃料ノズルには、始動及び緊急
運転用の拡散噴射段と、液体燃料運転用の液体燃料噴射
段とを設けることができる。拡散気体燃料と、液体燃料
とを、燃料ノズルの平坦端面に配置されているオリフィ
スから噴射させることが代表的である。
【０００３】低ＮＯx （予混合）運転中、燃料を燃料イ
ンジェクタから噴射し、流れ管内でうず巻き空気と混合
させる。予混合運転中、拡散燃料回路及び液体燃料回路
を空気でパージして、火炎ガスを通路の外側に維持す
る。燃焼火炎は、燃料ノズルの後ろ側でのブラッフ・ボ
ディ再循環と、うずが存在する場合にはうず破壊とによ
って、安定化される。予混合系統では、燃焼不安定性の
結果として強い圧力ゆらぎが生じることが代表的であ
る。燃焼不安定性は、燃料ノズルの平坦先端から径間方
向のうずが流れることに関係していると考えられてい
る。
ンジェクタから噴射し、流れ管内でうず巻き空気と混合
させる。予混合運転中、拡散燃料回路及び液体燃料回路
を空気でパージして、火炎ガスを通路の外側に維持す
る。燃焼火炎は、燃料ノズルの後ろ側でのブラッフ・ボ
ディ再循環と、うずが存在する場合にはうず破壊とによ
って、安定化される。予混合系統では、燃焼不安定性の
結果として強い圧力ゆらぎが生じることが代表的であ
る。燃焼不安定性は、燃料ノズルの平坦先端から径間方
向のうずが流れることに関係していると考えられてい
る。
【０００４】これらの圧力ゆらぎは、装置の運転を厳し
く制限し、場合によっては、燃焼器ハードウェアに物理
的損害を与えるおそれがある。更に、拡散燃料回路及び
液体燃料回路を通してのパージ空気の流れは、再循環領
域に直接噴射される。この直接噴射は、局所温度及び再
循環の強さを低減させ、火炎安定性に悪影響を与える。
く制限し、場合によっては、燃焼器ハードウェアに物理
的損害を与えるおそれがある。更に、拡散燃料回路及び
液体燃料回路を通してのパージ空気の流れは、再循環領
域に直接噴射される。この直接噴射は、局所温度及び再
循環の強さを低減させ、火炎安定性に悪影響を与える。
【０００５】従って、圧力ゆらぎを低減すると共に、パ
ージ空気を再循環領域に直接噴射することによる悪影響
を回避する低ＮＯx 燃焼器が求められている。
ージ空気を再循環領域に直接噴射することによる悪影響
を回避する低ＮＯx 燃焼器が求められている。
【０００６】
【発明の概要】上述した要求を満たす本発明は、ガスタ
ービン燃焼器用の改良された燃料ノズル・アセンブリを
提供する。燃料ノズル・アセンブリは、実質的に円筒形
の本体を含んでおり、この本体の内部には、予混合気体
通路と、拡散気体通路とが形成されている。複数の燃料
インジェクタが、本体の円筒形表面から半径方向外向き
に延在しており、燃料インジェクタの各々は、予混合気
体通路と流体連通している少なくとも１つの噴射口を有
している。複数の吐き出しオリフィスが本体の円筒形表
面に形成されており、拡散気体通路と流体連通してい
る。本体は、複数の同心管と、これらの管の前端に配設
されている吐き出しチップとを含んでいる。予混合気体
通路と、拡散気体通路とは、同心管のうちの隣接してい
る同心管の間に形成されており、吐き出しオリフィス
は、吐き出しチップに形成されている。オリフィスは、
燃料インジェクタの下流に配置されており、その形状は
長方形、円形又は三角形にすることができる。複数の吐
き出しオリフィスは、吐き出しチップに形成されている
複数のチャンネルによって、拡散気体通路に流体連結さ
れている。チャンネルの各々は、本体の長さ方向軸線と
適当な角度、好ましくは約４５度を成している。
ービン燃焼器用の改良された燃料ノズル・アセンブリを
提供する。燃料ノズル・アセンブリは、実質的に円筒形
の本体を含んでおり、この本体の内部には、予混合気体
通路と、拡散気体通路とが形成されている。複数の燃料
インジェクタが、本体の円筒形表面から半径方向外向き
に延在しており、燃料インジェクタの各々は、予混合気
体通路と流体連通している少なくとも１つの噴射口を有
している。複数の吐き出しオリフィスが本体の円筒形表
面に形成されており、拡散気体通路と流体連通してい
る。本体は、複数の同心管と、これらの管の前端に配設
されている吐き出しチップとを含んでいる。予混合気体
通路と、拡散気体通路とは、同心管のうちの隣接してい
る同心管の間に形成されており、吐き出しオリフィス
は、吐き出しチップに形成されている。オリフィスは、
燃料インジェクタの下流に配置されており、その形状は
長方形、円形又は三角形にすることができる。複数の吐
き出しオリフィスは、吐き出しチップに形成されている
複数のチャンネルによって、拡散気体通路に流体連結さ
れている。チャンネルの各々は、本体の長さ方向軸線と
適当な角度、好ましくは約４５度を成している。
【０００７】予混合気体通路及び拡散気体通路の他に、
燃料ノズル・アセンブリには、液体燃料通路と、噴霧空
気通路とを設けることができる。これらの追加の通路は
従来と同様に、燃料ノズル・アセンブリの平坦先端（bl
uff end ）から軸線方向に吐き出すように配置しても、
円筒形表面から吐き出すように配置してもよい。後者の
場合、複数の第２の吐き出しオリフィスが本体の円筒形
表面に形成されて、液体燃料通路と流体連通しており、
又、複数の第３の吐き出しオリフィスが本体の円筒形表
面に形成されて、噴霧空気通路と流体連通している。
燃料ノズル・アセンブリには、液体燃料通路と、噴霧空
気通路とを設けることができる。これらの追加の通路は
従来と同様に、燃料ノズル・アセンブリの平坦先端（bl
uff end ）から軸線方向に吐き出すように配置しても、
円筒形表面から吐き出すように配置してもよい。後者の
場合、複数の第２の吐き出しオリフィスが本体の円筒形
表面に形成されて、液体燃料通路と流体連通しており、
又、複数の第３の吐き出しオリフィスが本体の円筒形表
面に形成されて、噴霧空気通路と流体連通している。
【０００８】低ＮＯx 運転中、予混合ガスを燃料インジ
ェクタに導入する。拡散気体通路、液体燃料通路及び噴
霧空気通路をすべて空気の流れでパージして、火炎ガス
が燃焼室から侵入するのを防止する。吐き出しオリフィ
スの少なくともいくつかは燃料ノズル本体の円筒形表面
に形成されているので、パージ空気は燃焼室内に適当な
角度で、燃焼室への１次流れを横切る方向に射出され
る。このパージ空気は、燃料ノズル・アセンブリの平坦
先端から流れる径間方向うずを分散させたり、切り裂い
たりし、これにより、燃焼不安定性及び圧力ゆらぎを低
減させる。
ェクタに導入する。拡散気体通路、液体燃料通路及び噴
霧空気通路をすべて空気の流れでパージして、火炎ガス
が燃焼室から侵入するのを防止する。吐き出しオリフィ
スの少なくともいくつかは燃料ノズル本体の円筒形表面
に形成されているので、パージ空気は燃焼室内に適当な
角度で、燃焼室への１次流れを横切る方向に射出され
る。このパージ空気は、燃料ノズル・アセンブリの平坦
先端から流れる径間方向うずを分散させたり、切り裂い
たりし、これにより、燃焼不安定性及び圧力ゆらぎを低
減させる。
【０００９】従って、本発明は、パージ空気を角度を成
して射出させることにより、ガスタービン燃焼器の運転
範囲を拡大すると共に、燃焼器への物理的損害を低減さ
せることができる。パージ空気を再循環領域にまっすぐ
に射出しないので、再循環領域温度及び火炎安定性への
パージ空気の悪影響も低減される。もう１つの効果とし
て、角度を成した射出により、再循環領域の大きさが増
大し、これにより火炎安定性が向上する。更に、吐き出
しオリフィスが燃料ノズル・アセンブリの平坦先端にで
はなく、側面に配置されているので、吐き出しオリフィ
スは燃焼室から火炎を取り込み難い。拡散モード及び／
又は液体燃料モードで運転しているときに、角度を成し
た射出により燃料混合が向上する。混合が向上すると、
ＮＯx 放出量が減少し、点火性能が上昇する。
して射出させることにより、ガスタービン燃焼器の運転
範囲を拡大すると共に、燃焼器への物理的損害を低減さ
せることができる。パージ空気を再循環領域にまっすぐ
に射出しないので、再循環領域温度及び火炎安定性への
パージ空気の悪影響も低減される。もう１つの効果とし
て、角度を成した射出により、再循環領域の大きさが増
大し、これにより火炎安定性が向上する。更に、吐き出
しオリフィスが燃料ノズル・アセンブリの平坦先端にで
はなく、側面に配置されているので、吐き出しオリフィ
スは燃焼室から火炎を取り込み難い。拡散モード及び／
又は液体燃料モードで運転しているときに、角度を成し
た射出により燃料混合が向上する。混合が向上すると、
ＮＯx 放出量が減少し、点火性能が上昇する。
【００１０】本発明の他の目的及び効果は、図面を参照
した以下の詳細な記載から明らかになるであろう。
した以下の詳細な記載から明らかになるであろう。
【００１１】
【実施例】本発明の要旨は、上に説明した通りである
が、以下に図面を参照しながら、本発明の具体的な構成
を説明する。図面において、同一の参照番号は同一の構
成要素を示す。図１は本発明によるガスタービンの１つ
の燃焼器の部分断面図である。ガスタービン１０は、圧
縮機１２（一部のみを図示）と、複数の燃焼器１４（便
宜上及び明確にするため、１つのみを図示）と、タービ
ン１６（図面では単一のブレードによって代表させてい
る）とを含んでいる。図示していないが、タービン１６
は共通軸線に沿って、圧縮機１２に駆動連結されてい
る。圧縮機１２は入口空気を圧縮し、次いで圧縮された
入口空気は、燃焼器１４に反対方向に流れ、こうして、
圧縮空気を用いて燃焼器を冷却すると共に、燃焼過程に
空気を供給する。燃焼器１４を１つしか示していない
が、ガスタービン１０には複数の燃焼器１４が円周状に
配置されている。二重壁移行ダクト１８が、各燃焼器１
４の出口端をタービン１６の入口端と連結しており、高
熱の燃焼生成物をタービン１６に送り出す。
が、以下に図面を参照しながら、本発明の具体的な構成
を説明する。図面において、同一の参照番号は同一の構
成要素を示す。図１は本発明によるガスタービンの１つ
の燃焼器の部分断面図である。ガスタービン１０は、圧
縮機１２（一部のみを図示）と、複数の燃焼器１４（便
宜上及び明確にするため、１つのみを図示）と、タービ
ン１６（図面では単一のブレードによって代表させてい
る）とを含んでいる。図示していないが、タービン１６
は共通軸線に沿って、圧縮機１２に駆動連結されてい
る。圧縮機１２は入口空気を圧縮し、次いで圧縮された
入口空気は、燃焼器１４に反対方向に流れ、こうして、
圧縮空気を用いて燃焼器を冷却すると共に、燃焼過程に
空気を供給する。燃焼器１４を１つしか示していない
が、ガスタービン１０には複数の燃焼器１４が円周状に
配置されている。二重壁移行ダクト１８が、各燃焼器１
４の出口端をタービン１６の入口端と連結しており、高
熱の燃焼生成物をタービン１６に送り出す。
【００１２】各燃焼器１４は、実質的に円筒形の燃焼ケ
ーシング２４を含んでいる。燃焼ケーシング２４は、開
口した前端の位置でタービンケーシング２６にボルト２
８によって固定されている。燃焼ケーシング２４の後端
は、端部カバー・アセンブリ３０によって閉じられてい
る。端部カバー・アセンブリ３０は、気体、液体燃料及
び空気（そして所望により、水）を燃焼器１４に供給す
るための通常の供給管、マニホールド及び関連した弁等
から構成されている。端部カバー・アセンブリ３０は、
複数（例えば、５つ）の燃料ノズル・アセンブリ３２
（便宜上及び明確のため、１つのみを図示）を含んでお
り、複数の燃料ノズル・アセンブリ３２は、燃焼器１４
の長さ方向軸線の周りに円形配列に配設されている。各
燃料ノズル・アセンブリ３２は、気体燃料、液体燃料及
び空気（そして所望により、水）を受け取る入口を有し
ている後方供給部５２と、前方送り出し部５４とを含ん
でいる実質的に円筒形の本体である。
ーシング２４を含んでいる。燃焼ケーシング２４は、開
口した前端の位置でタービンケーシング２６にボルト２
８によって固定されている。燃焼ケーシング２４の後端
は、端部カバー・アセンブリ３０によって閉じられてい
る。端部カバー・アセンブリ３０は、気体、液体燃料及
び空気（そして所望により、水）を燃焼器１４に供給す
るための通常の供給管、マニホールド及び関連した弁等
から構成されている。端部カバー・アセンブリ３０は、
複数（例えば、５つ）の燃料ノズル・アセンブリ３２
（便宜上及び明確のため、１つのみを図示）を含んでお
り、複数の燃料ノズル・アセンブリ３２は、燃焼器１４
の長さ方向軸線の周りに円形配列に配設されている。各
燃料ノズル・アセンブリ３２は、気体燃料、液体燃料及
び空気（そして所望により、水）を受け取る入口を有し
ている後方供給部５２と、前方送り出し部５４とを含ん
でいる実質的に円筒形の本体である。
【００１３】燃焼ケーシング２４内には、実質的に円筒
形の流れスリーブ３４が実質的に同心関係をもって装着
されている。流れスリーブ３４の前端は、二重壁移行ダ
クト１８の外壁３６に連結されている。流れスリーブ３
４の後端は半径方向フランジ３５によって、燃焼器ケー
シング２４の前方部分と後方部分とを接合している突合
せ継手３７の位置で、燃焼ケーシング２４に連結されて
いる。
形の流れスリーブ３４が実質的に同心関係をもって装着
されている。流れスリーブ３４の前端は、二重壁移行ダ
クト１８の外壁３６に連結されている。流れスリーブ３
４の後端は半径方向フランジ３５によって、燃焼器ケー
シング２４の前方部分と後方部分とを接合している突合
せ継手３７の位置で、燃焼ケーシング２４に連結されて
いる。
【００１４】流れスリーブ３４内には、燃焼ライナ３８
が同心に配設されている。燃焼ライナ３８の前端は、移
行ダクト１８の内壁４０に連結されている。燃焼ライナ
３８の後端は、燃焼ライナ・キャップ・アセンブリ４２
によって支持されており、一方、燃焼ライナ・キャップ
・アセンブリ４２は燃焼ケーシング２４内に、複数の支
柱３９によって支持されている。移行ダクト１８の外壁
３６、及び燃焼ケーシング２４をタービン・ケーシング
２６にボルト２８でボルト締めしている位置の前方に延
在している流れスリーブ３４の部分には、それぞれの周
面に分布している開口（アパーチャ）４４が形成されて
おり、これにより空気は、（図１に流れ矢印で示すよう
に）圧縮機１２からこれらの開口４４を通って、流れス
リーブ３４とライナ３８との間の環状空間に、燃焼器１
４の上流端又は後端に向かって反対方向に流れる。
が同心に配設されている。燃焼ライナ３８の前端は、移
行ダクト１８の内壁４０に連結されている。燃焼ライナ
３８の後端は、燃焼ライナ・キャップ・アセンブリ４２
によって支持されており、一方、燃焼ライナ・キャップ
・アセンブリ４２は燃焼ケーシング２４内に、複数の支
柱３９によって支持されている。移行ダクト１８の外壁
３６、及び燃焼ケーシング２４をタービン・ケーシング
２６にボルト２８でボルト締めしている位置の前方に延
在している流れスリーブ３４の部分には、それぞれの周
面に分布している開口（アパーチャ）４４が形成されて
おり、これにより空気は、（図１に流れ矢印で示すよう
に）圧縮機１２からこれらの開口４４を通って、流れス
リーブ３４とライナ３８との間の環状空間に、燃焼器１
４の上流端又は後端に向かって反対方向に流れる。
【００１５】燃焼ライナ・キャップ・アセンブリ４２
は、各燃料ノズル・アセンブリ３２当たり１つずつの複
数の予混合管４６を支持している。具体的には、各予混
合管４６はその前端及び後端で、前部プレート４７及び
後部プレート４９によって燃焼ライナ・キャップ・アセ
ンブリ４２内に支持されており、前部プレート４７及び
後部プレート４９の各々には、端部の開口した予混合管
４６と心合わせされた開口が設けられている。予混合管
４６は、その内部に燃料ノズル・アセンブリ３２の前方
送り出し部分５４が同心状に配設されるように支持され
ている。
は、各燃料ノズル・アセンブリ３２当たり１つずつの複
数の予混合管４６を支持している。具体的には、各予混
合管４６はその前端及び後端で、前部プレート４７及び
後部プレート４９によって燃焼ライナ・キャップ・アセ
ンブリ４２内に支持されており、前部プレート４７及び
後部プレート４９の各々には、端部の開口した予混合管
４６と心合わせされた開口が設けられている。予混合管
４６は、その内部に燃料ノズル・アセンブリ３２の前方
送り出し部分５４が同心状に配設されるように支持され
ている。
【００１６】後部プレート４９には、後方に延在してい
る複数の浮遊カラー４８（各予混合管４６について１
つ）が後部プレート４９の開口と実質的に心合わせ関係
に配列されて、装着されている。各浮遊カラー４８は、
環状空気スワラ５０を包囲関係でそれぞれの燃料ノズル
・アセンブリ３２に支持している。半径方向燃料インジ
ェクタ６６がスワラ５０の下流に設けられており、気体
燃料を予混合管４６内に配置されている予混合区域６９
に吐き出す。これらの要素は、空気が以下の順路で流れ
るように構成されている。ライナ３８と流れスリーブ３
４との間の環状空間に流れる空気は、再度反対方向に
（端部キャップ・アセンブリ３０とスリーブ・キャップ
・アセンブリ４２との間で）燃焼器１４の後端に押し込
まれ、次いでスワラ５０及び予混合管４６に流れ、その
後、予混合管４６の下流のライナ３８内の燃焼領域又は
燃焼室７０に入る。点火は、多重燃焼器１４内でスパー
ク・プラグ２０によって、クロス・ファイア管２２（１
つのみを示す）と関連して通常の態様で達成される。
る複数の浮遊カラー４８（各予混合管４６について１
つ）が後部プレート４９の開口と実質的に心合わせ関係
に配列されて、装着されている。各浮遊カラー４８は、
環状空気スワラ５０を包囲関係でそれぞれの燃料ノズル
・アセンブリ３２に支持している。半径方向燃料インジ
ェクタ６６がスワラ５０の下流に設けられており、気体
燃料を予混合管４６内に配置されている予混合区域６９
に吐き出す。これらの要素は、空気が以下の順路で流れ
るように構成されている。ライナ３８と流れスリーブ３
４との間の環状空間に流れる空気は、再度反対方向に
（端部キャップ・アセンブリ３０とスリーブ・キャップ
・アセンブリ４２との間で）燃焼器１４の後端に押し込
まれ、次いでスワラ５０及び予混合管４６に流れ、その
後、予混合管４６の下流のライナ３８内の燃焼領域又は
燃焼室７０に入る。点火は、多重燃焼器１４内でスパー
ク・プラグ２０によって、クロス・ファイア管２２（１
つのみを示す）と関連して通常の態様で達成される。
【００１７】図２に、本発明の燃料ノズル・アセンブリ
３２の一実施例を線図的に断面図にて示す。燃料ノズル
・アセンブリ３２をガスタービン１０に装備するものと
して説明したが、これは具体的に説明するために過ぎ
ず、燃料ノズル・アセンブリ３２は他の設計のガスター
ビンにも等しく適用することができる。前方送り出し部
５４は、４つの同心な管５６〜５９と、これらの同心な
管の前方端、即ち下流端に配設されている吐き出しチッ
プ５５とを含んでいる。これらの管は半径方向に離間し
ており、隣接する管同士で相互の間に環状の通路を画定
している。同心な第１の管５６と第２の管５７と（即
ち、半径方向最外側の２つの同心な管）は相互の間に、
後方供給部５２からの予混合気体燃料を受け取る予混合
気体通路６０を画定している。予混合気体通路６０は複
数の半径方向燃料インジェクタ６６と連通しており、燃
料インジェクタ６６の各々には複数の燃料噴射口（又は
孔）６８が設けられており、気体燃料を予混合管４６内
に配置されている予混合区域６９に吐き出す。噴射され
た燃料は圧縮機１２から反対方向に流れて来る空気と混
ざって、半径方向インジェクタ６６の上流で燃料ノズル
・アセンブリ３２を包囲している環状スワラ５０によっ
てうず状に旋回させられる。
３２の一実施例を線図的に断面図にて示す。燃料ノズル
・アセンブリ３２をガスタービン１０に装備するものと
して説明したが、これは具体的に説明するために過ぎ
ず、燃料ノズル・アセンブリ３２は他の設計のガスター
ビンにも等しく適用することができる。前方送り出し部
５４は、４つの同心な管５６〜５９と、これらの同心な
管の前方端、即ち下流端に配設されている吐き出しチッ
プ５５とを含んでいる。これらの管は半径方向に離間し
ており、隣接する管同士で相互の間に環状の通路を画定
している。同心な第１の管５６と第２の管５７と（即
ち、半径方向最外側の２つの同心な管）は相互の間に、
後方供給部５２からの予混合気体燃料を受け取る予混合
気体通路６０を画定している。予混合気体通路６０は複
数の半径方向燃料インジェクタ６６と連通しており、燃
料インジェクタ６６の各々には複数の燃料噴射口（又は
孔）６８が設けられており、気体燃料を予混合管４６内
に配置されている予混合区域６９に吐き出す。噴射され
た燃料は圧縮機１２から反対方向に流れて来る空気と混
ざって、半径方向インジェクタ６６の上流で燃料ノズル
・アセンブリ３２を包囲している環状スワラ５０によっ
てうず状に旋回させられる。
【００１８】同心な第２の管５７と第３の管５８とは相
互の間に、拡散気体通路６１を画定しており、同心な第
３の管５８と第４の管５９とは相互の間に、噴霧空気通
路６２を画定している。第４の管５９、即ち最内側の同
心な管は内部に、中心液体燃料通路６３を形成してい
る。気体燃料を予混合気体通路６０に供給する他に、後
方供給部５２は又、気体燃料を拡散気体通路６１に、空
気を噴霧空気通路６２に、そして液体燃料を液体燃料通
路６３にそれぞれ供給する。後方供給部５２の動作は、
当業界で周知の通りである。例えば、ボーコウィクス
（R. Borkowicz）等の米国特許番号第５２５９１８４号
（１９９３年１１月９日発行）に記載されている後方供
給部が適当であり、ここに参照されるべきものである。
燃料を噴射するのに用いないときには（即ち、予混合モ
ード運転中には）、通路６１及び６３を空気の流れでパ
ージして、燃焼室７０から火炎ガスが侵入するのを防止
する。
互の間に、拡散気体通路６１を画定しており、同心な第
３の管５８と第４の管５９とは相互の間に、噴霧空気通
路６２を画定している。第４の管５９、即ち最内側の同
心な管は内部に、中心液体燃料通路６３を形成してい
る。気体燃料を予混合気体通路６０に供給する他に、後
方供給部５２は又、気体燃料を拡散気体通路６１に、空
気を噴霧空気通路６２に、そして液体燃料を液体燃料通
路６３にそれぞれ供給する。後方供給部５２の動作は、
当業界で周知の通りである。例えば、ボーコウィクス
（R. Borkowicz）等の米国特許番号第５２５９１８４号
（１９９３年１１月９日発行）に記載されている後方供
給部が適当であり、ここに参照されるべきものである。
燃料を噴射するのに用いないときには（即ち、予混合モ
ード運転中には）、通路６１及び６３を空気の流れでパ
ージして、燃焼室７０から火炎ガスが侵入するのを防止
する。
【００１９】燃料ノズル・アセンブリ３２には所望に応
じて、当業者によって理解され得る態様でＮＯx を低減
させるために、燃焼室７０に水を供給する追加の通路
（図示していない）を設けることができる。このような
水通路を用いる場合には、水通路が噴霧空気通路６２の
半径方向内側に配置されるように、追加の同心な管を設
ける。当業者には理解され得るように、本発明では、水
噴射の使用をなるべく控えるべきである。１次過薄（リ
ーン）予混合モードの運転がＮＯx 放出量を低減する態
様として好適であるからである。
じて、当業者によって理解され得る態様でＮＯx を低減
させるために、燃焼室７０に水を供給する追加の通路
（図示していない）を設けることができる。このような
水通路を用いる場合には、水通路が噴霧空気通路６２の
半径方向内側に配置されるように、追加の同心な管を設
ける。当業者には理解され得るように、本発明では、水
噴射の使用をなるべく控えるべきである。１次過薄（リ
ーン）予混合モードの運転がＮＯx 放出量を低減する態
様として好適であるからである。
【００２０】吐き出しチップ５５の円筒形側面には、通
路６１〜６３にそれぞれ対応している３組の吐き出しオ
リフィス７１〜７３が設けられている。これら３組の各
々は、半径方向燃料インジェクタ６６の下流で且つ燃料
ノズル・アセンブリ３２の平坦先端近くで、吐き出しチ
ップ５５の周囲に配設されている複数のオリフィスを含
んでいる。吐き出しチップ５５には複数の内部チャンネ
ル７４〜７６が設けられており、吐き出しオリフィス７
１〜７３をそれらに対応している通路に流体連結してい
る。具体的には、第１の組のオリフィス７１の各々は、
チャンネル７４によって拡散気体通路６１に連結されて
おり、第２の組のオリフィス７２の各々は、チャンネル
７５によって噴霧空気通路６２に連結されており、第３
の組のオリフィス７３の各々は、チャンネル７６によっ
て液体燃料通路６３に連結されている。
路６１〜６３にそれぞれ対応している３組の吐き出しオ
リフィス７１〜７３が設けられている。これら３組の各
々は、半径方向燃料インジェクタ６６の下流で且つ燃料
ノズル・アセンブリ３２の平坦先端近くで、吐き出しチ
ップ５５の周囲に配設されている複数のオリフィスを含
んでいる。吐き出しチップ５５には複数の内部チャンネ
ル７４〜７６が設けられており、吐き出しオリフィス７
１〜７３をそれらに対応している通路に流体連結してい
る。具体的には、第１の組のオリフィス７１の各々は、
チャンネル７４によって拡散気体通路６１に連結されて
おり、第２の組のオリフィス７２の各々は、チャンネル
７５によって噴霧空気通路６２に連結されており、第３
の組のオリフィス７３の各々は、チャンネル７６によっ
て液体燃料通路６３に連結されている。
【００２１】オリフィス７１〜７３は、従来のように吐
き出しチップの裏面に設けられているのではなく、吐き
出しチップ５５の外側円筒面に形成されているので、オ
リフィス７１〜７３からの吐き出しは燃焼室７０内に、
燃焼室７０への１次流れに沿ってではなく、１次流れを
横切る方向に噴射される。チャンネル７４〜７６は、燃
料ノズル・アセンブリ３２の長さ方向軸線に対してある
角度で配設されており、適当な噴射角をもたらす。チャ
ンネル７４〜７６と、燃料ノズル・アセンブリ３２の長
さ方向軸線との成す角度を９０°以下とすることができ
るが、約４５°の角度が最適と考えられる。図２に示す
ように半径方向において長さ方向軸線に対して適当な角
度を成す他に、チャンネル７４〜７６は、円周方向にも
適当な角度に傾斜させて、予混合管４６を通って流れる
空気のうず流と同じか又は反対のうず流を生成すること
ができる。
き出しチップの裏面に設けられているのではなく、吐き
出しチップ５５の外側円筒面に形成されているので、オ
リフィス７１〜７３からの吐き出しは燃焼室７０内に、
燃焼室７０への１次流れに沿ってではなく、１次流れを
横切る方向に噴射される。チャンネル７４〜７６は、燃
料ノズル・アセンブリ３２の長さ方向軸線に対してある
角度で配設されており、適当な噴射角をもたらす。チャ
ンネル７４〜７６と、燃料ノズル・アセンブリ３２の長
さ方向軸線との成す角度を９０°以下とすることができ
るが、約４５°の角度が最適と考えられる。図２に示す
ように半径方向において長さ方向軸線に対して適当な角
度を成す他に、チャンネル７４〜７６は、円周方向にも
適当な角度に傾斜させて、予混合管４６を通って流れる
空気のうず流と同じか又は反対のうず流を生成すること
ができる。
【００２２】前述したように、通路６１〜６３の各々
は、角度を成して吐き出しをするように配列されてい
る。しかしながら、このことは燃焼不安定性の低減を図
る上で必須ではない。他の例では、噴霧空気通路６２
を、又は噴霧空気通路６２及び液体燃料通路６３の両方
を、従来行われているように、燃料ノズル・アセンブリ
３２の平坦先端から実質的に軸線方向に吐き出すように
構成することができる。このような実質的に軸線方向の
吐き出しが前述の米国特許番号第５２５９１８４号に記
載されている。拡散気体通路６１は、前述した態様で角
度を成した噴射をするように配設したままにする。
は、角度を成して吐き出しをするように配列されてい
る。しかしながら、このことは燃焼不安定性の低減を図
る上で必須ではない。他の例では、噴霧空気通路６２
を、又は噴霧空気通路６２及び液体燃料通路６３の両方
を、従来行われているように、燃料ノズル・アセンブリ
３２の平坦先端から実質的に軸線方向に吐き出すように
構成することができる。このような実質的に軸線方向の
吐き出しが前述の米国特許番号第５２５９１８４号に記
載されている。拡散気体通路６１は、前述した態様で角
度を成した噴射をするように配設したままにする。
【００２３】図３〜図６に示すように、各組の吐き出し
オリフィス７１〜７３は、吐き出しチップ５５の円周の
周りに等間隔に配設されている。隣接しているオリフィ
スの間の円周方向間隔は、代表的な運転条件では、境界
層の厚さ程度とすることが好ましいが、それに限定され
ない。３組のオリフィス７１〜７３を、図３に示すよう
に軸線方向に整列させても、又は図４に示すように１組
ごとに互い違いにしてもよい。オリフィス７１〜７３を
図３及び図４に示す長方形の断面形状に限定する必要は
ない。図５及び図６にそれぞれ示すように、オリフィス
７１〜７３を三角形又は円形の断面形状として効果を最
適にすることもできる（尚、ここで用いる用語「円形」
は、楕円形状を包含するものである。）。オリフィス７
１〜７３は図３〜図６では、燃料ノズル・アセンブリ３
２の長さ方向軸線に平行に向けられているものとして示
されている。しかしながら、これは図示の目的に過ぎ
ず、必ずしも実際の配向ではない。オリフィス７１〜７
３を、予混合管４６に流れる空気のうず流に揃うか又は
反対向きに配向させることが好ましい。
オリフィス７１〜７３は、吐き出しチップ５５の円周の
周りに等間隔に配設されている。隣接しているオリフィ
スの間の円周方向間隔は、代表的な運転条件では、境界
層の厚さ程度とすることが好ましいが、それに限定され
ない。３組のオリフィス７１〜７３を、図３に示すよう
に軸線方向に整列させても、又は図４に示すように１組
ごとに互い違いにしてもよい。オリフィス７１〜７３を
図３及び図４に示す長方形の断面形状に限定する必要は
ない。図５及び図６にそれぞれ示すように、オリフィス
７１〜７３を三角形又は円形の断面形状として効果を最
適にすることもできる（尚、ここで用いる用語「円形」
は、楕円形状を包含するものである。）。オリフィス７
１〜７３は図３〜図６では、燃料ノズル・アセンブリ３
２の長さ方向軸線に平行に向けられているものとして示
されている。しかしながら、これは図示の目的に過ぎ
ず、必ずしも実際の配向ではない。オリフィス７１〜７
３を、予混合管４６に流れる空気のうず流に揃うか又は
反対向きに配向させることが好ましい。
【００２４】運転時には、各燃焼器１４の各燃料ノズル
・アセンブリ３２が同様に機能する。始動時には、拡散
気体燃料を拡散気体通路６１及び内部チャンネル７４を
通して供給し、オリフィス７１を介してライナ３８の内
側の燃焼室７０内に吐き出し、燃焼室７０で拡散気体燃
料を燃焼空気と混合する。この混合物をスパーク・プラ
グ２０で点火し、燃焼室７０内で燃焼させる。緊急運転
用には拡散噴射モードを用いることもできる。液体燃料
運転の場合には、液体燃料を液体燃料通路６３及びチャ
ンネル７６を通して供給し、オリフィス７３を通して吐
き出す。この液体燃料を、噴射空気通路６２及びチャン
ネル７５からオリフィス７２を通して吐き出される空気
によって霧化し、燃焼室７０で燃焼させる。液体燃料噴
射モードは主として、１次低ＮＯx 運転モードに対する
バックアップ・システムとして設けられている。
・アセンブリ３２が同様に機能する。始動時には、拡散
気体燃料を拡散気体通路６１及び内部チャンネル７４を
通して供給し、オリフィス７１を介してライナ３８の内
側の燃焼室７０内に吐き出し、燃焼室７０で拡散気体燃
料を燃焼空気と混合する。この混合物をスパーク・プラ
グ２０で点火し、燃焼室７０内で燃焼させる。緊急運転
用には拡散噴射モードを用いることもできる。液体燃料
運転の場合には、液体燃料を液体燃料通路６３及びチャ
ンネル７６を通して供給し、オリフィス７３を通して吐
き出す。この液体燃料を、噴射空気通路６２及びチャン
ネル７５からオリフィス７２を通して吐き出される空気
によって霧化し、燃焼室７０で燃焼させる。液体燃料噴
射モードは主として、１次低ＮＯx 運転モードに対する
バックアップ・システムとして設けられている。
【００２５】低ＮＯx 運転を行うためには、予混合気体
燃料を予混合気体通路６０に供給し、半径方向燃料イン
ジェクタ６６の噴射口６８から吐き出す。予混合燃料
は、燃焼ライナ３８と流れスリーブ３４との間の環状空
間から予混合管４６に入ってスワラ５０を通過する空気
と混ざり合う。混合物は燃焼室７０に流れ、燃焼室７０
で拡散モードの運転から先に存在している火炎によって
点火される。この燃料及び空気混合物の流れを、ここで
は燃焼室７０への１次流れと言う。
燃料を予混合気体通路６０に供給し、半径方向燃料イン
ジェクタ６６の噴射口６８から吐き出す。予混合燃料
は、燃焼ライナ３８と流れスリーブ３４との間の環状空
間から予混合管４６に入ってスワラ５０を通過する空気
と混ざり合う。混合物は燃焼室７０に流れ、燃焼室７０
で拡散モードの運転から先に存在している火炎によって
点火される。この燃料及び空気混合物の流れを、ここで
は燃焼室７０への１次流れと言う。
【００２６】予混合、低ＮＯx 運転中、通路６１〜６３
を空気の流れでパージして、燃焼室７０から火炎ガスが
侵入するのを防止する。こうすると、燃焼室７０への一
時流れを横切る向きのパージ空気の個別のジェット流
が、吐き出しチップ５５の吐き出しオリフィス７１〜７
３の各々から射出される。これらのジェット流は、燃料
ノズル・アセンブリ３２の平坦先端から流れる径間方向
のうずを分散したり又はずたずたに切り、これにより、
燃焼不安定及び圧力変動を小さくする。更に、パージ空
気が角度を成して噴射されることにより、再循環領域の
寸法が大きくなり、パージ空気が再循環領域温度及び火
炎安定性に与える悪影響が少なくなる。空気が剪断層に
よってよく混合されるからである。そして、拡散モード
及び／又は液体燃料モードで運転しているとき、通常の
端面からの噴射に比べて、剪断層はオリフィス７１〜７
３を通して噴射される燃料の混合を高める。混合が改良
されると、ＮＯx 放出量が減少し、点火性能が向上す
る。
を空気の流れでパージして、燃焼室７０から火炎ガスが
侵入するのを防止する。こうすると、燃焼室７０への一
時流れを横切る向きのパージ空気の個別のジェット流
が、吐き出しチップ５５の吐き出しオリフィス７１〜７
３の各々から射出される。これらのジェット流は、燃料
ノズル・アセンブリ３２の平坦先端から流れる径間方向
のうずを分散したり又はずたずたに切り、これにより、
燃焼不安定及び圧力変動を小さくする。更に、パージ空
気が角度を成して噴射されることにより、再循環領域の
寸法が大きくなり、パージ空気が再循環領域温度及び火
炎安定性に与える悪影響が少なくなる。空気が剪断層に
よってよく混合されるからである。そして、拡散モード
及び／又は液体燃料モードで運転しているとき、通常の
端面からの噴射に比べて、剪断層はオリフィス７１〜７
３を通して噴射される燃料の混合を高める。混合が改良
されると、ＮＯx 放出量が減少し、点火性能が向上す
る。
【００２７】上述したように、本発明のガスタービン燃
焼器用の改良された燃料ノズル・アセンブリは、燃焼器
の運転範囲を拡大し、圧力変動による疲労を低減する。
本発明の特定の実施例について説明したが、本発明の要
旨から逸脱しない範囲内で、上述の実施例に種々の変更
を加え得ることが、当業者には明らかである。
焼器用の改良された燃料ノズル・アセンブリは、燃焼器
の運転範囲を拡大し、圧力変動による疲労を低減する。
本発明の特定の実施例について説明したが、本発明の要
旨から逸脱しない範囲内で、上述の実施例に種々の変更
を加え得ることが、当業者には明らかである。
【図１】本発明によるガスタービンの１つの燃焼器の部
分断面図である。
分断面図である。
【図２】本発明の燃料ノズル・アセンブリの断面図であ
る。
る。
【図３】図２の燃料ノズル・アセンブリの前方端の第１
の実施例を示す平面図である。
の実施例を示す平面図である。
【図４】図２の燃料ノズル・アセンブリの前方端の第２
の実施例を示す平面図である。
の実施例を示す平面図である。
【図５】図２の燃料ノズル・アセンブリの前方端の第３
の実施例を示す平面図である。
の実施例を示す平面図である。
【図６】図２の燃料ノズル・アセンブリの前方端の第４
の実施例を示す平面図である。
の実施例を示す平面図である。
１０ ガスタービン １４ 燃焼器 ３２ 燃料ノズル・アセンブリ ４６ 予混合管 ５０ スワラ ５４ 前方送り出し部 ５５ 吐き出しチップ ５６〜５９ 同心管 ６０ 予混合気体通路 ６１ 拡散気体通路 ６２ 噴霧空気通路 ６３ 液体燃料通路 ６６ 燃料インジェクタ ６８ 噴射口 ７０ 燃焼室 ７１〜７３ 吐き出しオリフィス ７４〜７６ チャンネル
Claims (10)
- 【請求項１】 長さ方向軸線と、第１及び第２の内部通
路とを有している実質的に円筒形の本体と、 該本体の円筒形表面から半径方向外向きに延在している
複数の燃料インジェクタであって、該燃料インジェクタ
の各々は、前記第１の通路と流体連通している少なくと
も１つの噴射口を有している、複数の燃料インジェクタ
と、 前記本体の円筒形表面に形成されていると共に、前記第
２の通路と流体連通している複数の吐き出しオリフィス
とを備えた燃料ノズル・アセンブリ。 - 【請求項２】 前記吐き出しオリフィスを前記第２の通
路に連結している複数のチャンネルを更に含んでおり、
該チャンネルの各々は、前記長さ方向軸線とある角度を
成している請求項１に記載の燃料ノズル・アセンブリ。 - 【請求項３】 前記本体は、複数の同心管と、該管の前
端に設けられている吐き出しチップとを含んでおり、前
記第１及び第２の通路は、前記管のうちの隣接している
管の間に形成されており、前記吐き出しオリフィスは、
前記吐き出しチップに形成されている請求項１に記載の
燃料ノズル・アセンブリ。 - 【請求項４】 前記本体に設けられている第３の通路
と、前記本体の円筒形表面に形成されており、前記第３
の通路と流体連通している複数の第２の吐き出しオリフ
ィスとを更に含んでいる請求項１に記載の燃料ノズル・
アセンブリ。 - 【請求項５】 少なくとも１つの燃料ノズル・アセンブ
リを備えたガスタービン装置であって、前記燃料ノズル
・アセンブリは、 予混合気体通路と、拡散気体通路とを内部に有している
実質的に円筒形の本体と、 該本体の円筒形表面から半径方向外向きに延在している
複数の燃料インジェクタであって、該燃料インジェクタ
の各々は、前記予混合気体通路と流体連通している少な
くとも１つの噴射口を有している、複数の燃料インジェ
クタと、 前記本体の円筒形表面に形成されていると共に、前記拡
散気体通路と流体連通している複数の吐き出しオリフィ
スとを含んでいるガスタービン装置。 - 【請求項６】 前記本体は、複数の同心管と、該管の前
端に設けられている吐き出しチップとを含んでおり、前
記予混合気体通路と、前記拡散気体通路とは、前記管の
うちの隣接している管の間に形成されており、前記吐き
出しオリフィスは、前記吐き出しチップに形成されてい
る請求項５に記載のガスタービン装置。 - 【請求項７】 前記吐き出しオリフィスを前記拡散気体
通路に流体連結するように前記吐き出しチップに形成さ
れている複数のチャンネルを更に含んでいる請求項６に
記載のガスタービン装置。 - 【請求項８】 前記チャンネルの各々は、前記本体の長
さ方向軸線とある角度を成している請求項７に記載のガ
スタービン装置。 - 【請求項９】 前記本体に設けられている液体燃料通路
と、 前記本体の円筒形表面に形成されており、前記液体燃料
通路と流体連通している複数の第２の吐き出しオリフィ
スと、 前記本体に設けられている噴霧空気通路と、 前記本体の円筒形表面に形成されており、前記噴霧空気
通路と流体連通している複数の第３の吐き出しオリフィ
スとを更に含んでいる請求項５に記載のガスタービン装
置。 - 【請求項１０】 少なくとも１つの燃焼室を有している
低ＮＯx ガスタービン装置における燃焼不安定性を低減
する方法であって、 パージ空気を前記燃焼室に、該燃焼室への１次流れを横
切る方向に射出する工程を備えた低ＮＯx ガスタービン
装置における燃焼不安定性を低減する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US194554 | 1994-02-10 | ||
| US08/194,554 US5408830A (en) | 1994-02-10 | 1994-02-10 | Multi-stage fuel nozzle for reducing combustion instabilities in low NOX gas turbines |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07305848A true JPH07305848A (ja) | 1995-11-21 |
| JP2928125B2 JP2928125B2 (ja) | 1999-08-03 |
Family
ID=22718038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7020435A Expired - Fee Related JP2928125B2 (ja) | 1994-02-10 | 1995-02-08 | ガスタービン装置を動作させる方法及び低ＮＯｘ ガスタービン装置における燃焼不安定性を低減する方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5408830A (ja) |
| EP (1) | EP0667492B1 (ja) |
| JP (1) | JP2928125B2 (ja) |
| DE (1) | DE69513542T2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6250065B1 (en) | 1998-04-21 | 2001-06-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Gas turbine combustion system and combustor ignition method therefor |
| JP2001510885A (ja) * | 1997-07-17 | 2001-08-07 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 燃焼設備用特にガスタービン燃焼器用のバーナ装置 |
| JP2001248833A (ja) * | 2000-01-07 | 2001-09-14 | Alstom Power Schweiz Ag | 流体動力機械内部の渦流を抑制するための方法及び装置 |
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| JP2009270816A (ja) * | 2008-05-09 | 2009-11-19 | General Electric Co <Ge> | ガスタービンエンジン用の燃料ノズル及びそれを製作する方法 |
| JP2010534782A (ja) * | 2007-07-27 | 2010-11-11 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 予混合バーナとその運転方法 |
| WO2012057282A1 (ja) * | 2010-10-28 | 2012-05-03 | 三菱重工業株式会社 | ガスタービンおよびこれを備えたガスタービンプラント |
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