JP2010091259A - 燃料ノズルアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ノズルアセンブリ（１０）を提供する。
【解決手段】本アセンブリは、第１の端部及び第２の端部を有する外側ノズル本体（１１）と、第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つの内側ノズル管（１４）とを含む。ノズル本体（１１）又はノズル管（１４）の一方は、燃料プレナム（３１）及び該燃料プレナムから延びる燃料通路（３２）を含むと同時に、ノズル本体（１１）又はノズル管（１４）の他方は、燃料通路（３２）と摺動可能に整列して、該本体及び管間の接合部においてそれらの間に燃料流路を形成した燃料噴射孔（５６）を含む。ノズル本体（１１）及びノズル管（１４）は、該ノズル本体（１１）及びノズル管（１４）の第１の端部において、相対的移動をしないように固定されて、火炎が該ノズル管（１４）に入った後における熱成長により接合部において燃料通路を閉鎖するのを可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料ノズルに関し、より具体的には、火炎がノズルに入った場合には燃料供給を遮断するノズルに関する。

大多数の予混合燃料ノズル構造は、天然ガス燃料を予混合するように設計されている。現在では、水素燃料を燃焼させる燃料ノズルの設計及び製作に対して重点が置かれている。水素燃料は、はるかに反応性が高く、従って非常に高い火炎速度を有する。予混合式燃焼システム用の燃料ノズルを設計する場合には、空気及び燃料は、燃焼過程が行われる場所の上流に導入される。一般的に、燃料ノズルは、火炎が上流方向に伝播することができるよりも早い速度で該燃料ノズルを通して空気を流すように設計される。使用する燃料が水素である場合には、燃料ノズルの外に火炎を維持することがより一層困難である。火炎が短時間でも予混合器に「フラッシュバック」した場合には、火炎温度がノズル部品の溶融温度よりも殆どの場合高いので燃料ノズルを破損させる。ノズルが、該燃料ノズルの外に火炎を確実に維持することができない場合には、その他の代替手段を考慮しなければならない。

フラッシュバックによる損傷は歴史的に、指標としてＮＯｘエミッション及び排出ガス温度の分散度を使用して検出されてきた。フラッシュバックが発生すると、ＮＯｘが増加し、また排出ガス温度の分散が必ずしもとは限らないが増大することが多い。ＮＯｘの増加は一般的に、フラッシュバックの過酷度に比例する。さらに、排出ガス温度分散度の変化は、フラッシュバックを受けた燃焼器におけるフラッシュバック事象前の状態に応じて減少又は増大のいずれかで変化する可能性がある。エミッションデータの散乱と組合さった排出ガス温度分散度の予測不能な挙動は、ＮＯｘ及び排出ガス分散度指標を使用してフラッシュバックが発生したか否かを判定することを困難にしている。従って、一連の瞬時にわたるＮＯ及び排出ガスプロフィールの変化に依存して火炎が発生したかどうかを判定する方法は、有効でない。

ガスタービンにおけるフラッシュバック事象を検出するその他の方法には、フラッシュバックによる損傷が発生したか否かを判定する定期的基準点チェックが含まれる。この方法は、タービン条件の関数としての排出ガスプロフィール及びＮＯｘの再現性に依存している。経験ベースの限界値と組合せて、これらの値における変化を使用して、たとえ後日であってもフラッシュバックが発生したかどうかが判定される。この方法は、フラッシュバックが発生した瞬間においてフラッシュバック事象を判定するのには役立たない。

一般には、フラッシュバックが発生した時に、フラッシュバック事象を積極的に消滅させるのが有利であると言える。このことは、最初にフラッシュバック事象を検知すること、またフラッシュバックを検出した時に弁を遮断すること、また次に火炎が消滅した後に燃料流を再始動させることを必要とする。上述のように、最初にフラッシュバック事象を検知するプロセスは、信頼性のない又は緩慢なプロセスである。たとえフラッシュバックを瞬時に検出することが可能であったとしても、依然としてノズルへの燃料流を遮断することが必要である。フラッシュバック事象が極めて短時間内で修正されなかった場合、或いはフラッシュバックがノズル内に火炎保持事象を引き起こした場合には、ノズルは修理不能なほど損傷し又は破損するおそれがある。

各ノズルに対してフラッシュバック検知装置、制御装置及び制御弁を付加する費用は、高価なものとなる。加えて、常に水素リッチ燃料を燃焼させることが必要となると思われる多くの個々の噴射装置上に制御システムを実装することは現実的ではない。

米国特許第５２３５８１４号明細書 米国特許第７１９７８７９号明細書

これらの事実を、フラッシュバック事象を正確にかつ急速に検知することができないことと組合せたとすると、別の代替手段が必要であることは明らかである。

本発明の１つの態様によると、燃料ノズルアセンブリを提供する。本アセンブリは、第１の端部及び第２の端部を有する外側ノズル本体と、第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つの内側ノズル管とを含む。ノズル本体又はノズル管の一方は、燃料プレナム及び該燃料プレナムから延びる燃料通路を含むと同時に、ノズル本体又はノズル管の他方は、燃料通路と摺動可能に整列して、該本体及び管間の接合部においてそれらの間に燃料流路を形成した燃料噴射孔を含む。ノズル本体及びノズル管は、該ノズル本体及びノズル管の第１の端部において、相対的移動をしないように固定される。

本発明の別の態様によると、火炎がノズルに入った場合には燃料ノズルへの燃料供給を受動的に消滅させる方法を提供する。燃料ノズルは、第１の端部及び第２の端部を有する外側ノズル本体と第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つの内側ノズル管とを含み、ノズル本体又はノズル管の一方は、燃料プレナム及び該燃料プレナムから延びる燃料通路を含む。ノズル本体又はノズル管の他方は、燃料通路に隣接して配置されて該本体及び管間の接合部においてそれらの間に燃料流路を形成した燃料噴射孔を含む。本方法は、それら第１の端部において相対的移動をしないようにノズル本体及びノズル管を固定するステップと、ノズル管に入った火炎に応答してノズル管又はノズル本体のいずれかが他方に対して摺動するのを可能にするステップと、接合部において燃料流路を閉鎖して火炎を消滅させるステップとを含む。

これら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説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる本主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述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。

本発明の燃料ノズルアセンブリの断面図。 図１による図２と表記した区域の詳細図。 本発明の燃料ノズルアセンブリの断面で示した斜視図。 本発明の燃料ノズルアセンブリの前面斜視図。 本発明の燃料ノズルアセンブリの後面斜視図。

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

受動的な燃料消滅及びノズルに関する本発明は、火炎がノズルに入った場合には燃料ノズルに供給される燃料供給を遮断しようとするものである。ノズル本体及びノズル管の一端部は固定されているが、反対側端部は、火炎によって生じた熱膨張により自由に成長する。熱成長（熱膨張）は、それらの間に燃料流路を形成したほぼ整列状態の位置から燃料噴射オリフィス（又は孔）の１つをガス通路に対して平行移動させる。オリフィス及び通路が整列状態から外れて平行移動すると、燃料プレナムとノズルの内部との間でのガス噴射が遮断される。その結果、火炎が消滅する。

次に、それに限定されないが、特定の実施形態を参照して本発明を説明する図１を参照すると、燃料ノズル１０の断面を示している。燃料ノズル１０は、外周表面１２及び内周表面１３を有する外側ノズル本体１１を含む。燃料ノズル１０はまた、外周表面１５及び内周表面１６を有する内側ノズル管１４を含む。ノズル本体１１及びノズル管１４は、中心線Ａに沿って軸方向に延び、かつ後方端部２１において隔壁２２によって所定の位置に同心に保持される。

燃料は、前方端部２３において燃料ノズル１０内に噴射される。マニホルドプレート２４が、外側ノズル本体１１の内周表面１３に対して剛性連結される。マニホルドプレート２４内に設置されかつ円周方向に延びているのは、燃料プレナム３１である。燃料通路３２が、燃料プレナム３１からノズル本体１１及びノズル管１４間の接合部３３まで延びる。一連の開口部３４が、環状リング３７を形成したマニホルドプレート２４を貫通して外側面３５と内側面３６との間で延びる。環状グルーブ４１が、開口部３４の中心線から半径方向にかつ側面３５及び３６間で延びて燃料ポケットを形成する。より深い環状グルーブ４２及び４３が、環状リング３７内に機械加工され、つまり環状グルーブ４２は外側面３５とグルーブ４１との間に配置され、一方、環状グルーブ４３はグルーブ４１と内側面３６との間に配置される。

ピストンリング５２及び５３が、それぞれグルーブ４２及び４３内に設置され、かつ接合部３３において環状リング３７と対向するノズル管１４の平行移動表面５４と摩擦係合する。平行移動表面５４は、ノズル管１４のフランジ部分５５の最外側周面を形成する。フランジ部分５５内に設置されているのは、燃料噴射孔（又はオリフィス）５６である。図示するように、燃料噴射孔は、ノズル管１４の内部混合域（又は潜在的火炎域）６０に対して斜めに燃料を導くように配置される。燃料噴射孔５６は、燃焼システム全体の要件に適合するようなあらゆる配向で配置することができることが分かるであろう。フランジ部分５５の端面６１は、内部混合域６０から外向きに拡大して、ノズル管１４が該管１４の熱膨張時においてさえも空気源との接触を維持することができる。管１４の熱膨張は、内部混合域６０から端面６１までの不均一な温度の伝播により、フランジ部分５５の端面６１の幾らか不均一な移動を引き起こすことを理解されたい。

正常作動時には、空気は端面６１においてノズル管１４内に噴射されるのに対して、燃料は燃料プレナム３１内に噴射され、それによって該燃料は燃料通路３２を通って環状グルーブ４１により形成された燃料ポケット内に流体として流れ、次に燃料噴射オリフィス５６を通って管１４の内部混合域６０内に流体として流れる。内部混合域６０において、空気及び燃料は混合されかつ対象燃焼領域１０１内に放出される。対象燃焼領域１０１において燃焼を発生させるために、ノズルは、火炎が上流方向に伝播することができるよりも早い速度で該ノズルを通して空気を流すように設計される。しかしながら、水素を使用した場合には、燃料ノズルの外に火炎を維持することは困難である。このことが発生した場合には、火炎はノズル管１４の内部混合域６０内にフラッシュバックする。時の経過と共に、或いは火炎が内部混合域６０内に保持された場合には、火炎の温度は部品の溶融温度よりも高いので、火炎は燃料ノズルを破損させる。

火炎が内部混合域６０に入った場合には、管１４は加熱される。ノズル管１４及びノズル本体１１間の環状断熱空間６２は、ノズル本体１１が同様に加熱されないように保つ。内部混合域６０内において火炎により生じた加熱プロセスは、約８００°Ｆの正常作動から４０００°Ｆもの高さまで温度を高める可能性がある。自然熱膨張は次に、ノズル本体１１に対してノズル管１４を成長させる。ノズル本体１１及びノズル管１４の両方は、隔壁２２において固定されているが、接合部３３においては固定されていないので、ノズル管１４のフランジ部分５５は、図２を参照すると、「軸方向成長における変化」として示すほぼ軸方向の状態で平行移動する。燃料噴射孔５６はその時、ピストンリング５２と接触状態に或いは該ピストンリング５２を通過さえした状態に平行移動して、内部火炎域６０への燃料流を有効に遮断する。燃料噴射孔５６への燃料流が封止されると、火炎は、燃料の不足により自然と消滅する。火炎が消滅した後に、ノズル管１４は熱収縮して燃料ノズル１０の作動状態に戻り、従って燃料プレナム３１と内部火炎域６０との間での燃料流路が再び開かれる。

本発明の設計は、受動的な機構を利用して、ノズルアセンブリの望ましくない領域内に燃料ガスが漏洩するのを阻止するシールを依然として構成しながら、ノズル管１４が高温になった時に該ノズル管１４への燃料を遮断する。燃料プレナム３１と内部混合域６０との間の燃料流路用のシールは、それぞれグルーブ４２及び４３内に捕捉されまた接合部３３において平行移動表面５４に沿って摩擦係合しかつ摺動することが可能になったピストンリングによって行われる。

本発明の設計では、あらゆる数のノズル管１４を燃料ノズルアセンブリ１０内に組込むことができることが分かるであろう。図３Ａ〜図３Ｃに示すように、単一のノズル本体１１内には３つのノズル管が含まれ、各ノズル管には、上記で説明したように空気−燃料混合気が噴射される。火炎がノズル管１４のいずれか１つの内部混合域６０に入った時には、そのノズル管が熱収縮して正常作動状態になるまで、その個々のノズルへの燃料は遮断される。さらに、ノズル管１４は、必要であるあらゆる寸法のアセンブリとして構成することができ、またノズル本体１１内に無制限の数のノズル管を含むことができることが分かるであろう。本発明はまた、ノズル管１４が熱サイクルに対する長期露出による熱疲労に起因して損傷した場合には、容易な個々のノズル管１４の交換を可能にする。

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多数の変形形態、変更形態、代替形態又は均等な構成を組込むように修正することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、記載した実施形態の幾つか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、前述の説明によって限定されると見なすべきではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ 燃料ノズル
１１ 外側ノズル本体
１２ 外周表面
１３ 内周表面
１４ 内側ノズル管
１５ 外周表面
１６ 内周表面
２１ 後方端部
２２ 隔壁
２３ 前方端部
２４ マニホルドプレート
３１ 燃料プレナム
３２ 燃料通路
３３ 接合部
３４ 開口部
３５ 外側面
３６ 内側面
３７ 環状リング
４１ 環状グルーブ
４２、４３ 環状グルーブ
５２、５３ ピストンリング
５４ 平行移動表面
５５ フランジ部分
５６ 燃料噴射孔（又はオリフィス）
６０ 内部混合域（又は潜在的火炎域）
６１ 端面
１０１ 対象燃焼領域

Claims (10)

1. 第１の端部及び第２の端部を有する外側ノズル本体（１１）と、
   第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つの内側ノズル管（１４）と
   を含む燃料ノズルアセンブリ（１０）であって、前記ノズル本体（１１）又はノズル管（１４）の一方が、燃料プレナム（３１）及び該燃料プレナムから延びる燃料通路（３２）を含んでおり、前記ノズル本体（１１）又はノズル管（１４）の他方が、前記燃料通路（３２）と移動可能に整列して、該ノズル本体（１１）及びノズル管（１４）間の接合部においてそれらの間に燃料流路を形成した燃料噴射孔（５６）を含み、前記ノズル本体（１１）及び少なくとも１つのノズル管（１４）が、それぞれの第１の端部において、相対的移動をしないように固定される、燃料ノズルアセンブリ（１０）。
2. 前記ノズル本体（１１）が、前記燃料プレナム（３１）及び燃料通路を含む、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（１０）。
3. 前記ノズル本体（１１）及び少なくとも１つのノズル管（１４）が、隔壁（２２）に対して固定される、請求項２記載の燃料ノズルアセンブリ（１０）。
4. 前記ノズル本体（１１）及び少なくとも１つのノズル管（１４）が、第１の端部において隔壁（２２）に対して固定される、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（１０）。
5. 前記接合部（３３）が、前記ノズル本体（１１）の内周表面（４１）と、前記少なくとも１つのノズル管の対応する外周表面（５４）と、前記燃料流路を隔離するシール部材とを含む、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（１０）。
6. 前記内周表面（４１）が、前記燃料通路（３２）に隣接して配置されてその中に前記シール部材を受ける環状グルーブ（４２及び４３）を含んでいて、前記シール部材が、前記外周表面（５４）と摩擦係合する、請求項５記載の燃料ノズルアセンブリ（１０）。
7. 前記シール部材がピストンリング（５２及び５３）である、請求項６記載の燃料ノズルアセンブリ（１０）。
8. 前記燃料通路（３２）及び燃料噴射孔（５６）に隣接して設置されて前記燃料流路を隔離するシール部材を含む、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（１０）。
9. 前記接合部が、前記燃料通路（３２）及び燃料噴射孔（５６）間に配置されかつ該燃料通路（３２）及び燃料噴射孔（５６）と流体連通した燃料ポケットを前記ノズル本体（１１）又は少なくとも１つのノズル管（１４）の１つの周面上に含む、請求項８記載の燃料ノズルアセンブリ（１０）。
10. 前記接合部が、前記燃料通路（３２）及び燃料噴射孔（５６）間に配置されかつ該燃料通路（３２）及び燃料噴射孔（５６）と流体連通した燃料ポケットを前記ノズル本体（１１）又は少なくとも１つのノズル管（１４）の１つの周面上に含む、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（１０）。

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