JP2009162476A

JP2009162476A - 一体形燃料ノズル吸気流コンディショナ

Info

Publication number: JP2009162476A
Application number: JP2008319546A
Authority: JP
Inventors: Thomas E Johnson; トーマス・エドワード・ジョンソン; John Brandon Macmillan; ジョン・ブランダン・マックミラン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-01-03
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2009-07-23
Also published as: DE102008055596A1; CH698347B1; CH698347A2; US20090173074A1; CN101476725A; CN101476725B

Abstract

【課題】ガスタービン（１０）用の燃料ノズル（２２）を開示する。
【解決手段】本燃料ノズル（２２）は、１以上の燃料通路（６６）を形成した中心本体（６４）と、吸気流コンディショナ（４８）とを含む。吸気流コンディショナ（４８）は、略管状のハブ（５０）と、略管状の外側ランド（５４）と、該ハブ（５０）から外側ランド（５４）まで半径方向外向きに延びる複数のスパー（５２）とを含む。複数のスパー（５２）は、ハブ（５２）及び外側ランド（５４）と共に、燃料ノズル（２２）に流入する流体流から円周方向及び半径方向変化を取り除くことができる複数の流体流路（５６）を形成する。吸気流コンディショナ（４８）は、単一の単体構造構成部品として形成される。さらに、燃料ノズル（２２）を備えたガスタービン（１０）を運転する方法も開示している。
【選択図】図３

Description

本主題発明は、総括的には回転機械に関する。より具体的には、本主題発明は、ガスタービンエンジン用の燃料ノズルに関する。

ガスタービンは一般的に、燃焼器を含み、燃焼器内において、燃料−空気混合気が点火されて燃焼ガスストリームを発生し、燃焼ガスストリームは、タービンに送られる。燃焼器は一般的に、１以上の燃料ノズルを含み、これらノズルは、点火のために燃焼チャンバに燃料−空気混合気を供給する。加圧空気は、多くの場合に圧縮機によって燃料ノズルに供給され、その空気が、燃料ノズル内で燃料と混合される。さらに、燃焼器は、燃料ノズル内への空気流における半径方向及び円周方向変化（変動、バラツキ）を取り除く働きをする吸気流コンディショナ（ＩＦＣ; inlet flow conditioner）を含むことができる。これにより、ノズルが空気及び燃料を均一にかつ予想通りに混合して、燃焼器内で所望の燃料対空気比を正確に達成することが可能になる。ガスタービンがエミッション及び性能要件を満たすのを保証するためには、燃料対空気比の正確な制御が必要となる。

現在では、ＩＦＣアセンブリは一般的に、薄板金属構成部品の加工アセンブリを含む。個別又はＩＦＣアセンブリとしてかのいずれかであるこれらの構成部品は次に、溶接又はその他の適切な方法によって対応する燃料ノズルに固定される。この燃料ノズル−ＩＦＣアセンブリの組立て方法は、コストが掛かり、またこの組立て方法は、幾つかの部品の正確な位置決めに依存しているので、アセンブリ内には望ましくないバラツキが存在し、それがノズル内への空気流に変化を生じさせる。
米国特許出願公開第２００７−０２７７５３０号明細書

ガスタービン用の燃料ノズルは、１以上の燃料通路を形成した中心本体と、吸気流コンディショナとを含む。吸気流コンディショナは、略管状のハブと、略管状の外側ランドと、該ハブから外側ランドまで半径方向外向きに延びる複数のスパーとを含む。複数のスパーは、ハブ及び外側ランドと共に、燃料ノズルに流入する流体流から円周方向及び半径方向変化を取り除くことができる複数の流体流路を形成する。吸気流コンディショナは、単一の単体構造構成部品として形成される。

ガスタービンを運転する方法は、略管状のハブと略管状の外側ランドと該ハブから外側ランドまで半径方向外向きに延びる複数のスパーと有する吸気流コンディショナを設けるステップを含む。複数のスパーは、ハブ及び外側ランドと共に複数の流体流路を形成し、また吸気流コンディショナは、単一の単体構造構成部品として形成される。吸気流コンディショナ内に流体を送り、かつ吸気流コンディショナ内の流体流から円周方向及び半径方向変化を取り除く。

これらの及びその他の利点及び特徴は、図面と共になした以下の説明からより明らかになるであろう。

本発明と見なされる本主題事項は、本明細書と共に特許請求の範囲内に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上述の及びその他の目的、特徴及び利点は、添付図面と共になした以下の詳細説明から明らかである。

この詳細説明は、図面を参照して実施例によって、利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明している。

図１に示すのは、ガスタービン軸線１２の周りで延びるガスタービン１０の一部分の断面図である。移行部品１６に連結されたライナ１４は、燃焼器２０から燃焼ガスをタービン１８に送る。燃焼器２０は、該燃焼器内に配列されて点火及び燃焼のために燃料及び空気を燃焼区域２４に送給する１以上の燃料ノズル２２を利用する。燃料は、燃料源（図示せず）によって各燃料ノズル２２に供給される。ライナ１４は、ディフューザケース２６内に配置されかつ該ディフューザケース２６を貫通して延びることができ、図１に示す実施例では、それらの間にライナチャネル３２を形成した内側ライナ２８及び外側ライナ３０を含む。外側ライナ３０は、ライナチャネル３２内への空気の導入を可能にする少なくとも１つの外側ライナ開口部３４を含む。

燃焼器２０は、この実施形態では、ライナ１４に連結された前方ケース３６と、保持ハードウエア（図示せず）により前方ケース３６に結合されかつ該前方ケース３６と共に燃焼器ボリューム４０を囲んだ端部カバー３８とを含む。１以上の燃料ノズル２２は、燃焼器ボリューム４０内で所望の構成で配置され、かつ図１に示す実施例では、端部カバー３８に対して支持可能に取付けられる。燃焼器２０はさらに、燃焼器ボリューム４０を実質的に入口区域４４と燃焼区域２４とに分割するように配置された１以上の入口シュラウド４２を含み、入口シュラウド４２はまた、各燃料ノズル２２が該入口シュラウド４２を貫通して入口区域４４から燃焼区域２４に延びるのを可能にする。

次に図２を参照すると、各燃料ノズル２２は、例えばインベストメント鋳造法によって又は単一の単体構造原材料片から機械加工することによって、単一の単体構造構成部品として形成された一体形ＩＦＣ４８を含む。一体形ＩＦＣ４８は、その形状が略管状であるハブ５０を含む。複数のスパー５２は、ハブ５０から略管状の外側ランド５４まで半径方向外向きに延び、外側ランド５４は、図２に示す実施形態では、ハブ５０と同心である。スパー５２、外側ランド５４及びハブ５０は、図３に最も良く示すように、複数のＩＦＣ通路５６を形成し、ＩＦＣ通路５６は、燃料ノズル２２内への空気流を適切に調整するように構成される。単一の単体構造構成部品である一体形ＩＦＣ４８は、ＩＦＣ組立における不整合を排除して流れ調整作用の改善をもたらし、かつさらにＩＦＣ製造コストを低減する。

図３に示す一体形ＩＦＣ４８のスパー５２は、均等に間隔を置いて配置されかつハブ５０から外側ランド５４まで真っ直ぐに半径方向に延び、それにより、ハブ５０及び外側ランド５４によって形成された環状空間の均等な寸法のかつ均一なセクションであるＩＦＣ通路５６が得られる。一体形ＩＦＣ４８内への空気流は、ハブ５０の周りでの円周方向位置及び／又はハブ５０からの半径方向距離に応じて、異なる圧力及び速度のような特性を有する可能性があるので、多くの場合に、円周方向位置と共にスパー５２の間隔を変化させる、並びに／或いはスパー５２、ハブ５０及び／又は外側ランド５４の輪郭を変化させてその特定の半径方向及び円周方向位置において一体形ＩＦＣ４８に流入する空気流の調整を最適化するように構成されたＩＦＣ通路５６を形成するが有利である。例えば、図４には、不均一なＩＦＣ通路５６を示しており、この不均一なＩＦＣ通路５６では、スパー５２の輪郭、外側ランド５４の輪郭及びハブ５０の輪郭は全て、実質的に非線形である。

図５に示すのは、一体形ＩＦＣ４８の別の実施形態である。この実施形態では、ＩＦＣ通路５６の１以上は、スパー５２間で延びる少なくとも１つのターニングベーン５８によって分割されている。ターニングベーン５８は、一体形ＩＦＣ４８への空気流料を計量しかつ案内するのを支援するために利用され、所望に応じて一体形ＩＦＣ４８に流入する空気流の圧力及び速度の範囲に対処するような種々の形状及び寸法のものとすることができる。図６に示すように、例えば、ターニングベーン５８は、軸方向に真っ直ぐ延びることができ、或いはそれに代えて図７に示すように、ターニングベーン５８は、略軸方向にスパー５２にわたって延び、次に図７の矢印によって示すように空気流を方向転換させるのを助けるスクープ６０を弓形に半径方向外向き形成することができる。本明細書に記載したターニングベーン５８の数量及び構成は、単なる実施例であり、その他のターニングベーン５８の数量及び構成が本開示の範囲内で考えられることを理解されたい。

再び図２及び図３を参照すると、一体形ＩＦＣ４８は、例えば、鋳造によって又は単一の原材料片から機械加工することによって、燃料ノズル２２との単一の単体構造構成部品として形成される。燃料ノズル２２は、ノズル基部６２と、ノズル基部６２から一方向に延びる中心本体６４とを含む。中心本体６４は、略管状であり、その中に１以上の燃料通路６６を形成している。燃料ノズル２２はさらに、スワーラ６８を含む。スワーラ６８は、中心本体６４から半径方向外向きに延びる複数のスワーラベーン７０を含む。スワーラベーン７０は、中空でありかつ１以上の燃料通路６６に結合された複数の噴射ポート（図示せず）を含む。図３に示す実施形態は１つのスワーラベーン７０の列を含むが、より多いスワーラベーンの列を含むことができることを理解されたい。別の実施形態では、図２に示すように、一体形ＩＦＣ４８及び燃料ノズル２２は、別個に形成され、例えば接合部７２において溶接又はロウ付けによって接合される。

再び図１を参照すると、空気は、図１にその全体を矢印で示すように、例えば圧縮機（図示せず）から燃料ノズル２２に流れる。空気は、圧縮機吐出開口部７４を通ってディフューザケース２６に流入する。空気は、開口部３４を通って流入してライナチャネル３２内に流れ、該ライナチャネル３２を通って入口区域４４内に流れる。次に図２を参照すると、空気は、一体形ＩＦＣ４８を通って流れ、一体形ＩＦＣ４８内で、流れ内における半径方向及び円周方向変化が取り除かれ、スワーラ６８に向かって流れる。燃料は、燃料源（図示せず）から１以上の燃料通路６６を通して強制的に圧送されかつスワーラベーン７０内の複数の噴射ポートから流出する。スワーラベーン７０の構成により、燃料は通過空気流と混合し、燃料／空気混合気は、下流に移動して、下流においてライナ１４内で点火される。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、これまで記述しなかったが、本発明の技術思想及び技術的範囲に属する幾つもの変形形態、変更形態、置換又は均等な構成を組み入れるように修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様が記述した実施形態の一部だけを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されると見なすべきではなく、提出した特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

ガスタービンの部分断面図。一体形ＩＦＣを備えた燃焼器ノズルの断面図。図２の燃焼器ノズルの部分斜視図。別のＩＦＣ通路の端面図。ターニングベーンを備えた一体形ＩＦＣの斜視図。図５の一体形ＩＦＣの断面図。図５の一体形ＩＦＣの別の実施形態の断面図。

符号の説明

１０ガスタービン
１２ガスタービン軸線
１４ライナ
１６移行部品
１８タービン
２０燃焼器
２２燃料ノズル
２４燃焼区域
２６ディフューザケース
２８内側ライナ
３０外側ライナ
３２ライナチャネル
３４外側ライナ開口部
３６前方ケース
３８端部カバー
４０燃焼器ボリューム
４２入口シュラウド
４４入口区域
４８一体形ＩＦＣ
５０ハブ
５２スパー
５４外側ランド
５６ＩＦＣ通路
５８ターニングベーン
６０スクープ
６２ノズル基部
６４中心本体
６６燃料通路
６８スワーラ
７０スワーラベーン
７２接合部
７４圧縮機吐出開口部

Claims

ガスタービン（１０）用の燃料ノズル（２２）であって、
１以上の燃料通路（６６）を形成した中心本体（６４）と、
吸気流コンディショナ（４８）と、
を含み、前記吸気流コンディショナ（４８）が、
略管状のハブ（５０）と、
略管状の外側ランド（５４）と、
前記ハブ（５０）から前記外側ランド（５４）まで半径方向外向きに延びる複数のスパー（５２）と、を含み、
前記複数のスパー（５２）が、前記ハブ（５２）及び外側ランド（５４）と共に、該燃料ノズル（２２）に流入する流体流から円周方向及び半径方向変化を取り除くことができる複数の流体流路（５６）を形成し、
前記吸気流コンディショナ（４８）が、単一の単体構造構成部品として形成される、
燃料ノズル（２２）。
前記吸気流コンディショナ（４８）及び中心本体（６４）が、単一の単体構造構成部品として形成される、請求項１記載の燃料ノズル（２２）。
スワーラ（６８）をさらに含み、
前記スワーラ（６８）が、前記中心本体（６４）から半径方向外向きに延びる複数のスワーラベーン（７０）を含む、
請求項２記載の燃料ノズル（２２）。
前記複数のスパー（５２）の少なくとも１つのスパー（５２）が、可変輪郭を有する、請求項１記載の燃料ノズル（２２）。
少なくとも１つの流体流路（５６）が、前記流体流路（５６）にわたって円周方向に配置された少なくとも１つのターニングベーン（５８）を含み、
前記少なくとも１つのターニングベーン（５８）が、前記吸気流コンディショナ（４８）に流入する流体流を方向転換させることができる、
請求項１記載の燃料ノズル（２２）。
前記少なくとも１つのターニングベーン（５８）が、略軸方向に延びる、請求項５記載の燃料ノズル（２２）。
前記少なくとも１つのターニングベーン（５８）が、半径方向外向きに延びる部分を含む、請求項５記載の燃料ノズル（２２）。
タービン（１８）と、
前記タービン（１８）と流れ連通状態になっておりかつ少なくとも１つの燃料ノズル（２２）を備えた燃焼器（２０）と、
を含み、前記燃料ノズル（２２）が、
１以上の燃料通路（６６）を形成した中心本体（６４）と、
吸気流コンディショナ（４８）と、
を有し、前記吸気流コンディショナ（４８）が、
略管状のハブ（５０）と、
略管状の外側ランド（５４）と、
前記ハブ（５０）から前記外側ランド（５４）まで半径方向外向きに延びる複数のスパー（５２）と、を含み、
前記複数のスパー（５２）が、前記ハブ（５２）及び外側ランド（５４）と共に、前記燃料ノズル（２２）に流入する流体流から円周方向及び半径方向変化を取り除くことができる複数の流体流路（５６）を形成し、
前記吸気流コンディショナ（４８）が、単一の単体構造構成部品として形成される、
ガスタービン（１０）。
ガスタービン（１０）を運転する方法であって、
略管状のハブ（５０）と略管状の外側ランド（５４）と前記ハブ（５０）から前記外側ランド（５４）まで半径方向外向きに延びかつ該ハブ（５２）及び外側ランド（５４）と共に複数の流体流路（５６）を形成した複数のスパー（５２）と有しかつ単一の単体構造構成部品として形成された吸気流コンディショナ（４８）を設けるステップと、
前記吸気流コンディショナ（４８）内に流体を送るステップと、
前記吸気流コンディショナ（４８）内の流体流から円周方向及び半径方向変化を取り除くステップと、を含む、
方法。
前記吸気流コンディショナ（４８）内に流体を送るステップが、前記複数の流体流路（５６）の少なくとも１つの流体流路（５６）にわたって円周方向に配置された少なくとも１つのターニングベーン（５８）により、前記流体流を方向転換させるステップをさらに含む、請求項９記載の方法。