JP2010043837A - 燃焼器燃料ノズルにおける超低噴射角燃料孔 - Google Patents

Abstract

【課題】開示するのは、燃焼器用の燃料ノズルである。
【解決手段】本燃焼器用の燃料ノズル（１０）は、それを通して流体が燃焼区域（１６）に向かって導かれる混合通路（３４）と、該混合通路（３４）内に配置された複数のスワーラベーン（１８）とを含む。複数のスワーラベーン（１８）の各スワーラベーン（１８）は、それを通して燃料が該複数のスワーラベーン（１８）の外表面（３０）にほぼ平行な噴射方向において混合通路（３４）に流入し、それによって燃料ノズル（１０）の保炎傾向を減少させる１以上の燃料孔（２８）を含む。さらに開示するのは、燃焼器用の燃料ノズル（１０）を作動させる方法であり、本方法は、複数のスワーラベーン（１８）を通過する混合通路（３４）内に流体を流すステップと、複数のスワーラベーン（１８）の外表面（３０）にほぼ平行な噴射方向において混合通路（３４）内に燃料を噴射するステップとを含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、総括的にはガスタービンに関する。より具体的には、本発明は、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、該ガスタービンの燃焼器セクション内に多数の燃料ノズル（又はスウォズル）を含む。各ノズルは、燃焼のために燃料及び空気の混合気を燃焼室に送給するための１以上の通路を有する部品である。多くの場合、燃料ノズルは、燃焼に先立って燃料及び空気の混合を改善して全体的に均質な混合気にするためのスワーラを含む。スワーラは、ノズルから延びかつ空気力学的輪郭を有する複数のベーンを含む。多くの場合、スワーラベーンは、該スワーラベーンの表面上の燃料孔に燃料を供給する通路を含む。燃料が燃料孔から流出すると、燃料は、スワーラベーンを通過して流れる流体、一般的には空気と混合する。燃料孔は一般的に、スワーラベーン内の燃料プレナムをそこで燃料が空気と混合する通路に連結する直線孔として構成される。従って、燃料孔は一般的に、通過空気に対してほぼ垂直に燃料を噴射する。通過空気流内に燃料が噴射されると、ジェット・イン・クロスフロー現象が生じ、それにより、噴射孔の下流であるが燃焼ゾーンのほぼ上流に低速度流の再循環ゾーンが形成される。

再循環ゾーンは、特に合成ガス、カーボン無含有合成ガス、及び水素−天然ガスブレンドのような高反応性高水素燃料の場合に問題である。これらの燃料は、低速度再循環ゾーン内での燃料の滞留時間よりも極めて短いブローオフ又はブローアウト時間を有し、従って点火源を設けた場合には、再循環ゾーン内におけるあらゆる燃料が着火しかつスワーラベーン近くで燃焼し続けて、燃料ノズル及び場合によってはガスタービンのその他の部品を損傷させるおそれがある。

本発明の１つの態様によると、燃焼器用の燃料ノズルは、それを通して流体が燃焼区域に向かって導かれる混合通路と、該混合通路内に配置された複数のスワーラベーンとを含む。複数のスワーラベーンの各スワーラベーンは、それを通して燃料が該複数のスワーラベーンの外表面にほぼ平行な噴射方向において混合通路に流入し、それによって燃料ノズルの保炎傾向を減少させる１以上の燃料孔を含む。

本発明の別の態様によると、燃焼器用の燃料ノズルを作動させる方法は、複数のスワーラベーンを通過する混合通路内に流体を流すステップと、複数のスワーラベーンの外表面にほぼ平行な噴射方向において混合通路内に燃料を噴射し、それによって燃料ノズルの保炎傾向を減少させるステップとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記の及びその他の目的、特徴並びに利点は、添付図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかである。

燃料ノズルの実施形態の断面図。 図１の燃料ノズルのスワーラの実施形態の斜視図。 図１の燃料ノズルのスワーラベーンの実施形態の断面図。 図３のスワーラベーンにおける燃料孔の実施形態の拡大図。 燃料孔出口の実施形態の平面図。 燃料孔出口の別の実施形態の平面図。

この詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、その利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。

図１に示すのは、スワーラ１２を含む燃料ノズル１０の一部分である。スワーラは、ノズル入口１４から流体流、通常は空気を受けまたその空気を燃料と混合して空気／燃料混合気にするように構成されかつ配置される。空気／燃料混合気は次に、下流に進み、下流において該混合気は、燃焼区域１６内で点火される。図２に最も良く示しているように、スワーラ１２は、中心本体２０の円周方向周りに配置されかつシュラウド２２まで延びる複数のスワーラベーン１８を含む。図１の実施形態のスワーラ１２は、１つの実施形態では、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）法によって製作されるが、例えば鋳造法、溶接法又は機械加工法を含むその他の製作方法も、本開示の技術的範囲内で意図している。

図３に最も良く示しているように、複数のスワーラベーン１８は、１以上の内部プレナム２４を有することができる。プレナム２４は、１以上の中心本体孔２６において中心本体２０に連結され、また該中心本体２０から１以上のプレナム２４を通して燃料を流しかつスワーラベーン外表面３０に配置された１以上の孔２８を通して該プレナム２４から流出させることができるように構成される。図４に示すように、各燃料孔２８は、幾つかの実施形態では円形又はレーストラック形断面を有する調量セクションを含み、この調量セクションは、燃料孔２８の最小断面積であって該燃料孔２８を通って混合通路３４内に流れる燃料流量を調整する。燃料孔２８のリーディング壁３６は、緩やかに湾曲しており、リーディング曲率半径６２を有することができかつ約３３°の角度で外表面３０と交わる。この図示した実施形態では、角度は約３３°であるが、例えば約１５〜５５°の範囲内の角度のようなその他の好適な角度を使用することができることを理解されたい。燃料孔２８のトレーリング壁３８は、リーディング曲率半径６２よりも大きいトレーリング曲率半径６４を有し、かつ該トレーリング壁３８が外表面３０と交わる時に該トレーリング壁３８が該外表面３０に対してほぼ接線方向となるように配置される。さらに、トレーリング曲率半径６４は、例えば調量セクション３２から混合通路３４まで増大するように変化させることができる。得られた燃料孔２８は、調量セクション３２の断面積よりも大きい出口断面積４０を有し、それにより流れの拡散を可能にする。さらに、トレーリング壁３８が外表面３０と接線方向に交わるので、燃料は、矢印４２で示すように、トレーリング壁３８の近くで、混合通路３４を通る空気流４４にほぼ平行に該混合通路３４内に噴射される。空気流４４内に燃料４２を噴射することにより、該空気流４４との燃料４２のほぼ並流が形成されて、典型的な燃料孔構成での燃料の再循環ゾーンとは対照的に高下流方向速度を有する燃料４２で下流区域４６を満たす。

図５及び図６に示すのは、燃料孔２８の出口４８の２つの構成の図である。幾つかの実施形態では、図５に示すように、出口４８は、下流端縁部５０、上流端縁部５２及び２つの側方端縁部５４を含む。図５の実施形態では、側方端縁部５４は、互いにほぼ平行かつ流れ方向５６にほぼ平行であるか、また／又は流れ方向５６にほぼ平行である。他の実施形態では、図６に示すように、出口４８の側方端縁部５４は、出口４８の幅６０が上流端縁部５２においてよりも下流端縁部５０において大きくなるように、流れ方向５６からフレア角度５８で広がって（フレアして）いる。逆に、幾つかの実施形態では、下流端縁部５０における幅６０が上流端縁部５２における幅６０よりも小さくなるように側方端縁部５４をフレアさせるのが有利である場合もある。図５及び図６に示す出口４８の構成は、同一のベーン１８内で又は同一の燃料ノズル１０内で共に利用することができることを理解されたい。さらに、本明細書に記載した出口４８構成は、単なる例示に過ぎず、本発明の技術的範囲内でその他の出口４８構成も考えられる。

本発明の実施形態による燃料孔２８は、種々の製作方法により形成することができる。幾つかの実施形態では、燃料孔２８は、複数のスワーラベーン１８の直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）時に形成される。

本明細書に記載した燃料孔２８により、空気流４４にほぼ平行な混合通路３４内への燃料４２の噴射が得られ、それにより、燃焼ゾーン（図示せず）に向かう高速度の燃料４２の流れが生じる。高速度の流れは、再循環ゾーンの形成を縮小し、それによって燃料ノズル１０の保炎傾向を減少させる。

限られた数の実施形態のみに関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るものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。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、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみ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ものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ 燃料ノズル
１２ スワーラ
１４ ノズル入口
１６ 燃焼区域
１８ スワーラベーン
２０ 中心本体
２２ シュラウド
２４ プレナム
２６ 中心本体孔
２８ 燃料孔
３０ 外表面
３２ 調量セクション
３４ 混合通路
３６ リーディング壁
３８ トレーリング壁
４０ 断面積
４２ 矢印
４４ 空気流
４６ 下流区域
４８ 出口
５０ 下流端縁部
５２ 上流端縁部
５４ 側方端縁部
５６ 流れ方向
５８ フレア角度
６０ 幅
６２ 曲率
６４ 曲率

Claims (10)

1. 燃焼器用の燃料ノズル（１０）であって、
   それを通して流体が燃焼区域（１６）に向かって導かれる混合通路（３４）と、
   前記混合通路（３４）内に配置された複数のスワーラベーン（１８）と、を含み、
   前記複数のスワーラベーン（１８）の各スワーラベーン（１８）が、それを通して燃料が該複数のスワーラベーン（１８）の外表面（３０）にほぼ平行な噴射方向において前記混合通路（３４）に流入し、それによって該燃料ノズル（１０）の保炎傾向を減少させる１以上の燃料孔（２８）を
   含む燃料ノズル（１０）。
2. 前記１以上の燃料孔（２８）が、前記外表面（３０）と接線方向に交差したトレーリング壁（３８）を含む、請求項１記載の燃料ノズル（１０）。
3. 前記トレーリング壁（３８）が、前記１以上の燃料孔（２８）の対向可能に配置されたリーディング壁（３６）よりも大きい曲率半径（６２）を有する、請求項２記載の燃料ノズル（１０）。
4. 前記リーディング壁（３６）が、約１５〜約５５°の範囲内の角度で前記外表面（３０）と交差する、請求項３記載の燃料ノズル（１０）。
5. 前記トレーリング壁（３８）の構成が、前記外表面（３０）に対する、前記混合通路（３４）内への燃料の噴射角度を決定する、請求項２記載の燃料ノズル（１０）。
6. 前記噴射角度が、前記トレーリング壁（３８）が前記外表面（３０）と交差する箇所においてほぼ０°である、請求項５記載の燃料ノズル（１０）。
7. 前記複数のスワーラベーン（１８）の各スワーラベーン（１８）が、前記１以上の燃料孔（２８）を介して前記混合通路（３４）に連結された１以上の燃料プレナム（２４）を含む、請求項１記載の燃料ノズル（１０）。
8. 燃焼器用の燃料ノズル（１０）を作動させる方法であって、
   複数のスワーラベーン（１８）を通過する混合通路（３４）内に流体を流すステップと、
   前記複数のスワーラベーン（１８）の外表面（３０）にほぼ平行な噴射方向において前記混合通路（３４）内に燃料を噴射し、それによって前記燃料ノズル（１０）の保炎傾向を減少させるステップと
   を含む方法。
9. 前記複数のスワーラベーン（１８）内に配置された１以上の燃料孔（２８）を通して前記混合通路（３４）内に燃料を噴射するステップを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記１以上の燃料孔（２８）が、前記外表面（３０）と接線方向に交差したトレーリング壁（３８）を含む、請求項９記載の方法。

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