JP2007064227A - ガスタービンエンジンの燃料ノズル及びガスタービンエンジンアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気噴射システムを含むガスタービンエンジンにおいて、蒸気を噴射しないドライモード時に燃料ノズルのパージを確実にすること。
【解決手段】 ガスタービンエンジン１０の燃料ノズル１００は、貫通する対称軸線１４３と、同軸に貫通する第１の流路１４２、第１の流路を取り囲む第２の流路１５２及び第２の流路の半径方向外側に形成された第３の流路１６２を含むノズル本体１１０と、ノズル本体に結合され、第１の流路と流体連通する少なくとも１つの一次排出開口部１７０、第２の流路と流体連通する少なくとも１つの二次排出開口部１７２及び第３の流路と流体連通する少なくとも１つの三次排出開口部を含むノズルチップ１１２とを含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの燃料ノズル及びガスタービンエンジンアセンブリに関する。

大気汚染の問題は全世界に及んでおり、そのため、国内においても、国際的にも、汚染物質の放出に関する基準は厳しさを増している。工業用ガスタービンからの汚染物質の放出量は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の放出量を規制する環境保護庁（ＥＰＡ）の規格に従う。一般に、エンジン放出物質は、炎温度が高いために形成される放出物質（ＮＯｘ）と、炎温度が低く、燃料及び空気の反応が不完全なために形成される放出物質（ＨＣ及びＣＯ）の２種類に分類される。

従って、少なくとも１つの周知の工業用ガスタービンの適用用途は、ガスタービンエンジンからの窒素酸化物の放出の減少を補助するために、燃焼器の内部へ蒸気を噴射するように構成された蒸気噴射システムを含む。しかし、蒸気噴射システムが使用されていないとき、すなわち、ドライ動作中には、隣接する燃料ノズルの間でクロストークが起こる危険を低減し且つ／又はオフボード蒸気システム漏れにより発生する燃料ノズル内への逆流を減少するために、少なくとも１つの周知のガスタービンエンジンは、空気パージ又は燃料パージのうちの少なくとも一方を利用する。ここで使用される用語「クロストーク」は、燃焼器内部における周囲圧力分布が原因となり発生する第１の燃料ノズルを通る流入流れ及び第２の燃料ノズルを通る流出流れの現象として定義される。特に、少なくとも１つの周知のガスタービンエンジンは、相対的に広い蒸気回路流れ面積を含むので、圧縮機の排出抽気の供給は、燃料ノズルをパージングするには不十分である。同様に、燃料ノズルをパージングするためにガスを利用すると、その結果、パージ流れは相対的に小さくなるため、上述の状況を防止するには不十分である。
米国特許第６，３９３，８２３Ｂ１号公報

１つの面においては、ガスタービンエンジンの燃料ノズルが提供される。ガスタービンエンジンの燃料ノズルは、貫通する対称軸と、同軸に貫通する第１の流路、第１の流路を取り囲む第２の流路及び第２の流路の半径方向外側に形成された第３の流路を含むノズル本体と、ノズル本体に結合され、第１の流路と流体連通する少なくとも１つの一次排出開口部、第２の流路と流体連通する少なくとも１つの二次排出開口部及び第３の流路と流体連通する少なくとも１つの三次排出開口部を含むノズルチップとを含む。

別の面においては、ガスタービンエンジンアセンブリが提供される。ガスタービンエンジンアセンブリは、ガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンに結合され、第１のマニホルド及び第２のマニホルドを含み、第１のマニホルドは、ガスタービンエンジンへ第１のガスを送り出すように構成され、第２のマニホルドは、ガスタービンエンジンへ第１の燃料を送り出すように構成された少なくとも２つのマニホルドと、少なくとも１つの燃料ノズルとを含む。燃料ノズルは、貫通する対称軸と、同軸に貫通する第１の流路、第１の流路を取り囲む第２の流路及び第２の流路の半径方向外側に形成された第３の流路を含むノズル本体と、ノズル本体に結合され、第１の流路と流体連通する少なくとも１つの一次排出開口部、第２の流路と流体連通する少なくとも１つの二次排出開口部及び第３の流路と流体連通する少なくとも１つの三次排出開口部を含むノズルチップとを含む。

更に別の面においては、ガスタービンエンジンにおいて燃料を送り出す方法が提供される。方法は、ノズルチップの少なくとも１つの一次排出開口部を経て燃料が排出されるように、第１の流路を経て燃料を搬送することと、ノズルチップの少なくとも１つの二次排出開口部を経て燃料が排出されるように、第２の流路を経て燃料を搬送することと、第１の動作モードにおいて、ノズルチップの少なくとも１つの三次排出開口部を経て蒸気が排出されるように、第３の流路を経て蒸気を搬送することとを含む。

図１は、ガスタービンエンジン１０の一例の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含む。エンジン１０は、直列の軸流関係で配列された高圧タービン１８及び低圧タービン２０を更に含む。圧縮機１２及びタービン２０は、第１の軸２４により結合され、圧縮機１４及びタービン１８は、第２の軸２６により結合される。一実施形態においては、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナティのGeneral Electric Companyより市販されているLMS100エンジンである。

動作中、空気は、エンジン１０の上流側２８から低圧圧縮機１２を経て流れる。圧縮された空気は、低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。その後、高圧で圧縮された空気は、燃焼器アセンブリ１６へ送り出され、燃焼器において、燃料と混合され且つ点火される。燃焼ガスは、タービン１８及び２０を駆動するために、燃焼器アセンブリ１６から搬送される。

図２は、ガスタービンエンジン１０と共に使用できる燃焼器１６のような燃焼器の横断面図である。燃焼器１６は、内側ライナ３０及び外側ライナ３２を含む。内側ライナ３０及び外側ライナ３２は、上流側端部３６において、ドームアセンブリ４０により接合される。図２に示される横断面図は、ドームアセンブリ４０に装着された複数の旋回羽根アセンブリ４２のうちの１つに関する横断面図である。燃料ライン４４は、旋回羽根アセンブリ４２の入口４８に燃料を供給する燃料ノズル４６へ燃料を送り出す。燃料は、旋回羽根アセンブリ４２において空気と混合され、燃料／空気混合物は、旋回羽根アセンブリ４２の出口５０から燃焼器１６の中へ導入される。

図３は、ガスタービンエンジン１０（図１に示される）のようなガスタービンエンジンと共に使用できる燃料送り出しシステム６０の一例の概略図である。この実施形態においては、燃料送り出しシステム６０は、第１のガス、すなわち、蒸気を送り出す蒸気回路６２と、第１の燃料、すなわち、ガスをガスタービンエンジン１０へ送り出すガス回路６４とを含む。蒸気回路６２及びガス回路６４は、共に、燃料送り出しシステム６０内部において、ガスタービンエンジン１０へ送り出されるべきガスに対して適切な圧力比を実現するように供給量及び大きさが規定されている。蒸気回路６２は、規定された量の蒸気流れをガスタービンエンジン１０へ送り出し、ガス回路６４は、規定された量の第１のガス流れをガスタービンエンジン１０へ送り出す。

蒸気回路６２は、流量調整弁（図示せず）から第１のマニホルド７０まで延出する接続ライン６６を含む。流量調整弁は、蒸気供給源（図示せず）と接続ライン６６との間に配置される。一実施形態においては、第１のガスの供給源は蒸気供給源である。第１のマニホルド７０は、マニホルド７０から図２に示される燃料ノズル４６のような複数の燃料ノズルまで延出する接続ライン７２に接続する。燃料ノズル４６は、ガスタービンエンジン１０に結合される。ガスタービンエンジン１０が所定の長さの時間にわたり動作し続け、初期アイドル速度から加速されているとき、燃料ノズル４６は、二次蒸気流れ及び二次ガス流れをガスタービンエンジン１０へ送り出す。

ガス回路６４は、流量調整弁（図示せず）から第２のマニホルド８２まで延出する接続ライン８０を含む。流量調整弁は、ガス供給源（図示せず）と接続ライン８０との間に配置される。一実施形態においては、ガス供給源は天然ガス供給源である。別の実施形態では、ガス供給源は液体燃料源である。第２のマニホルド８２は、マニホルド８２から燃料ノズル４６まで延出する燃料ライン４４に結合される。ガスタービンエンジン１０の初期動作中及びガスタービンエンジン１０が全ての動作条件の下で動作している間に、ガスタービンエンジン１０へ第１の燃料を送り出すために、燃料ノズル４６はガスタービンエンジン１０に結合される。動作中、燃料送り出しシステム６０は、ガスタービンエンジン１０があらゆる動作条件の下で動作可能であるように、蒸気及びガスを送り出すことが可能である。

図４は、ガスタービンエンジン１０及び燃料送り出しシステム６０（図３に示される）と共に使用できる燃料ノズル１００の一例の横断面図である。図５は、燃料ノズル１００（図４に示される）の一部の端面図である。燃料ノズル１００は、第１の燃料入口１０２、第２の燃料入口１０４及び蒸気入口１０６を含む。この実施形態においては、第１の燃料入口１０２及び第２の燃料入口１０４はガス回路６４に結合され、蒸気入口１０６は蒸気回路６２に結合される。燃料ノズル１００は、ノズル本体１１０及びノズルチップ１１２を更に含む。ノズル本体１１０は、第１の端部１２０及び第２の端部１２２を有する。第１の燃料入口１０２、第２の燃料入口１０４及び蒸気入口１０６は、それぞれ、第１の端部１２０に隣接して配置され、ノズルチップ１１２は、第２の端部１２２に隣接して配置される。

この実施形態においては、第１の燃料入口１０２は、ノズル本体１１０から延出し、カップリング１３０を含む。第２の燃料入口１０４は、ノズル本体１１０から延出し、カップリング１３２を含む。それらのカップリング１３０及び１３２により、第１の燃料入口１０２及び第２の燃料入口１０４の各々を燃料ライン４４（図２及び図３に示される）に結合できる。更に、蒸気入口１０６は、蒸気入口１０６を蒸気ライン７２（図３に示される）に結合させるカップリング１３４を含む。

特に、ノズル本体１１０は、ノズル本体１１０の中心線軸線１４３にほぼ沿って位置決めされた第１の流路１４２を規定する第１の壁１４０を含む。この実施形態においては、第１の流路１４２は、カップリング１３０からノズルチップ１１２まで延出し、カップリング１３０からノズルチップ１１２まで燃料を搬送するように構成される。ノズル本体１１０は、第２の壁１５０を更に含む。実施形態においては、第２の壁１５０は、第１の壁１４０から半径方向外側に結合される。第２の流路１５２が第１の壁１４０と第２の壁１５０との間に規定されるように、第２の壁１５０は、第１の壁１４０をほぼ取り囲む。従って、第２の流路１５２は、第１の流路１４２の直径１４４より大きい直径１５４を有する。ノズル本体１１０は、第３の壁１６０を更に含む。この実施形態においては、第３の壁１６０は、第２の壁１５０から半径方向外側に結合される。第３の流路１６２が第２の壁１５０と第３の壁１６０との間に規定されるように、第３の壁１６０は、第２の壁１５０をほぼ取り囲む。従って、第３の流路１６２は、第２の流路の直径１５４より大きい直径１６４を有する。実施形態においては、第３の壁１６０は、ノズル本体１１０の外面１６６を形成する。

この実施形態においては、ノズルチップ１１２は、端部分１６７及び本体部部分１６８を含む。本体部分１６８は、端部分１６７に結合され、ノズルチップ１１２がほぼ円筒形の横断面輪郭形状を有するように、端部分１６７をほぼ取り囲む。実施形態においては、ノズルチップ１１２は、端部分１６７を貫通して形成された少なくとも１つの第１の開口部１７０を含む。第１の開口部１７０は、中心線軸線１４３に沿って配置される。特に、第１の開口部１７０は、第１の流路１４２を経て搬送される燃料を、ノズルチップの端部分１６７を経て燃焼器１６の内部へ排出するように構成される。ノズルチップ１１２は、ノズルチップの端部分１６７を貫通して形成された第２の複数の開口部１７２を更に含む。第２の複数の開口部１７２は、第１の開口部１７０から半径方向外側に配置される。この実施形態においては、第２の複数の開口部１７２は、第２の流路１５２を経て搬送される燃料を、ノズルチップの端部分１６７を経て燃焼器１６の内部へ排出するように構成される。ノズルチップ１１２は、ノズルチップの端部分１６７を貫通して形成された第３の複数の開口部１７４を更に含む。第３の複数の開口部１７４は、第２の複数の開口部１７２から半径方向外側に配置される。実施形態においては、第３の複数の開口部１７４は、第３の流路１６２を経て搬送される蒸気を、ノズルチップの端部分１６７を経て燃焼器１６の内部へ排出するように構成される。この実施形態においては、第１の開口部１７０、第２の複数の開口部１７２及び第３の複数の開口部１７４は、それぞれ、中心線軸線１４３とほぼ平行である流路に沿って、燃料又は蒸気のいずれかをノズルチップ１１２を経て排出するように構成される。

ノズルチップ１１２は、ノズルチップの本体部分１６８を貫通して形成された第４の複数の開口部１７６を更に含む。第４の複数の開口部１７６は、第３の複数の開口部１７４から上流側に配置される。この実施形態においては、第４の複数の開口部１７６は、第３の流路１６２を経て搬送される蒸気を、第４の複数の開口部１７６を経て燃焼器１６の内部へ排出するように構成される。実施形態においては、第４の複数の開口部１７６は、中心線軸線１４３に関してあらかじめ規定された角度で配置された流路に沿って、ノズルチップの本体部分１６８を経て蒸気を排出するように構成される。更に、実施形態においては、動作中、第３の複数の開口部１７４を経て搬送される第２の量の蒸気より少ない第１の量の蒸気が第４の複数の開口部１７６を経て搬送されるように、第４の複数の開口部１７６は、第３の複数の開口部１７４の直径１８２より小さい直径１８０を有する。

図６は、第１の動作モードの間の燃料ノズル１００（図４に示される）の拡大横断面図である。図７は、第２の動作モードの間の燃料ノズル１００（図４に示される）の拡大横断面図である。動作中、ガスタービン１０及び燃料ノズル４６は、第１のモード又は第２のモードのいずれかで動作される。この実施形態においては、第１のモードは、能動モードと呼ばれる。すなわち、蒸気は、燃料ノズル１００を経て燃焼器１６の内部へ搬送される。一方、ここでは非能動モード又はドライモードと呼ばれる第２のモードの間には、蒸気は、燃料ノズル１００を経て燃焼器１６へ搬送されない。

従って、燃料ノズル１００が能動モード（図６に示される）で動作されているとき、蒸気は、蒸気回路６２からカップリング１３４を経てノズル１００へ搬送される。特に、蒸気は、蒸気回路６２から第３の流路１６２へ搬送される。その後、蒸気は、ノズル本体の第１の端部１２０からノズル本体の第２の端部１２２へ、従って、ノズルチップ１１２へ搬送される。この実施形態においては、能動モードの間、蒸気は、開口部１７４及び開口部１７６を経て燃焼器１６へ搬送される。特に、第１の量の蒸気は、開口部１７４を経て搬送され、第１の量の蒸気より少ない第２の量の蒸気は、開口部１７６を経て搬送される。例えば、開口部１７４が開口部１７６より大きい直径を有するので、能動モードにおいては、蒸気の大半は、開口部１７４を経て搬送される。従って、能動モードの間に開口部１７４及び１７６を経て蒸気を搬送することにより、ガスタービン１０の燃料効率の向上が促進される。

これに対し、燃料ノズル１００がドライモードで動作されているときには、蒸気は、燃料ノズル１００を経て搬送されない。特に、ノズル１００がドライモードで動作されているとき、旋回羽根４２における空気圧の降下により、開口部１７４と開口部１７６との間に圧力差が発生するため、気流１９０は、強制的に開口部１７６を経て第３の流路１６２に入り、その後、開口部１７４を通過する。従って、非能動モードの間、開口部１７６は、燃料ノズル１００のパージングを助ける。特に、ドライ動作中、旋回羽根４２の空気圧降下は、ノズルチップ１１２を横断するパージ流れに対して駆動圧力を供給する。更に、設計変数を適切に選択することにより、ガス／蒸気放出性能に著しい影響を及ぼさずに、周囲圧力勾配及び蒸気システム漏れを防止できる。

以上説明したガスタービンエンジンの燃料ノズルは、費用効率及び信頼性に優れている。燃料ノズルは、燃料ノズルの最も外側の環に配置された別個の蒸気噴射回路を含む。更に、ノズルステムは、蒸気回路の外側境界を形成する。特に、上述の燃料ノズルは、旋回羽根／ノズル境界のすぐ上流側に、ノズルステムを貫通して形成された一連のオリフィスを含む。そのため、能動動作中、蒸気の一部は、それらの「上流側の穴」を経て排出され、残る部分は、チップから噴射される。一方、ドライ動作中には、旋回羽根における空気圧降下により、ノズルチップのパージ流れに対する駆動圧力が供給される。設計変数を適切に選択することにより、ガス／蒸気放出性能に著しい影響を及ぼさずに、周囲圧力勾配及び蒸気システム漏れに対する防護が維持される。

種々の特定の実施形態に関して本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは、当業者には認識されるであろう。

ガスタービンエンジンを示した一例の概略図である。 図１に示されるガスタービンエンジンと共に使用される燃焼器の一例を示した横断面図である。 図１に示されるガスタービンエンジンの燃料送り出しシステムの一例を示した概略図である。 図１に示されるガスタービンエンジンと共に使用できる燃料ノズルの一例を示した横断面図である。 図４に示される燃料ノズルの一部を示した端面図である。 第１の動作モードの間の図４に示される燃料ノズルを示した横断面図である。 第２の動作モードの間の図４に示される燃料ノズルを示した横断面図である。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジン、１６…燃焼器アセンブリ、４２…旋回羽根アセンブリ、４４…燃料ライン、４６…燃料ノズル、６０…燃料送り出しシステム、６２…蒸気回路、６４…ガス回路、６６…接続ライン、７０…第１のマニホルド、７２、８０…接続ライン、８２…第２のマニホルド、１００…燃料ノズル、１０２…第１の燃料入口、１０４…第２の燃料入口、１０６…蒸気入口、１１０…ノズル本体、１１２…ノズルチップ、１４２…第１の流路、１４３…中心線軸線、１５２…第２の流路、１６２…第３の流路、１７０…少なくとも１つの第１の開口部（一次排出開口部）、１７２…第２の複数の開口部（二次排出開口部）、１７４…第３の複数の開口部（三次排出開口部）、１７６…第４の複数の開口部（第４の排出開口部）

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１０）の燃料ノズル（１００）において、
   貫通する対称軸線（１４３）を有し、同軸に貫通する第１の流路（１４２）、前記第１の流路を取り囲む第２の流路（１５２）及び前記第２の流路の半径方向外側に形成された第３の流路（１６２）を具備するノズル本体（１１０）と；
   前記ノズル本体に結合され、前記第１の流路と流体連通する少なくとも１つの一次排出開口部、前記第２の流路と流体連通する少なくとも１つの二次排出開口部（１７２）及び前記第３の流路と流体連通する少なくとも１つの三次排出開口部を具備するノズルチップ（１１２）とを具備する燃料ノズル（１００）。
2. 前記ノズルチップ（１１２）は、前記第３の流路（１６２）と流体連通する複数の第４の排出開口部（１７６）を更に具備し、前記複数の第４の排出開口部は、前記少なくとも１つの三次排出開口部（１７４）から上流側に形成される請求項１記載の燃料ノズル（１００）。
3. 前記複数の第４の排出開口部（１７６）は、前記少なくとも１つの三次排出開口部（１７４）を経て前記燃料ノズルをパージングするために、前記ノズルチップ（１１２）の中へ冷却空気を搬送するように構成される請求項２記載の燃料ノズル（１００）。
4. 前記第１の流路（１４２）及び前記第２の流路（１５２）は、前記ノズルチップ（１１２）の少なくとも１つの一次排出開口部（１７０）及び二次排出開口部（１７２）を経て下流側へ燃料を排出するように構成される請求項１記載の燃料ノズル（１００）。
5. 前記第３の流路（１６２）は、前記ノズルチップ（１１２）の三次排出開口部及び前記ノズルチップの複数の第４の排出開口部（１７６）を経て下流側へ蒸気を搬送するように構成される請求項１記載の燃料ノズル（１００）。
6. 前記第３の流路（１６２）は、前記少なくとも１つの三次排出開口部（１７４）を経て第１の体積の蒸気を搬送し、前記複数の第４の排出開口部（１７６）を経て第２の体積の蒸気を搬送するように構成される請求項５記載の燃料ノズル（１００）。
7. 前記第３の流路（１６２）は、前記少なくとも１つの三次排出開口部（１７４）を経て第１の体積の蒸気を搬送し、前記複数の第４の排出開口部（１７６）を経て第２の体積の蒸気を搬送するように構成され、前記第１の体積の蒸気は、前記第２の体積の蒸気より多い請求項５記載の燃料ノズル（１００）。
8. ガスタービンエンジン（１０）と、
   前記ガスタービンエンジンに結合され、第１のマニホルド（７０）及び第２のマニホルド（８２）を具備し、前記第１のマニホルドは、前記ガスタービンエンジンへ第１のガスを送り出すように構成され、前記第２のマニホルドは、前記ガスタービンエンジンへ第１の燃料を送り出すように構成される少なくとも２つのマニホルドと、
   前記マニホルドに結合された燃料ノズル（１００）と
   を備え、
   前記燃料ノズル（１００）が、
   貫通する対称軸線（１４３）を有し、同軸に貫通する第１の流路（１４２）、前記第１の流路を取り囲む第２の流路（１５２）及び前記第２の流路の半径方向外側に形成された第３の流路（１６２）を具備するノズル本体（１１０）と、
   前記ノズル本体に結合され、前記第１の流路と流体連通する少なくとも１つの一次排出開口部、前記第２の流路と流体連通する少なくとも１つの二次排出開口部及び前記第３の流路と流体連通する少なくとも１つの三次排出開口部（１７４）を具備するノズルチップ（１１２）と
   を有する、ガスタービンエンジンアセンブリ。
9. 前記ノズルチップ（１１２）は、前記第３の流路（１６２）と流体連通する複数の第４の排出開口部（１７６）を更に具備し、前記複数の第４の排出開口部は、前記少なくとも１つの三次排出開口部（１７４）から上流側に形成される請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）アセンブリ。
10. 前記複数の第４の排出開口部（１７６）は、前記少なくとも１つの三次排出開口部（１７４）を経て前記燃料ノズル（１００）をパージングするために、前記ノズルチップ（１１２）の中へ冷却空気を搬送するように構成される請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）アセンブリ。

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