JP2010159957A

JP2010159957A - タービンエンジンにおける燃料噴射方法及び装置

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Publication number: JP2010159957A
Application number: JP2010000291A
Authority: JP
Inventors: Jonathan Dwight Berry; ジョナサン・ドワイト・ベリー; James T Brown; ジェームズ・ティー・ブラウン; Hasan Karim; ハサン・カリム; Girard A Simons; ギラード・エイ・サイモンズ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2010-01-05
Publication date: 2010-07-22
Also published as: US20100170253A1; CN101776285A; EP2206958A2

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器において、燃料と圧縮空気の混合特性を改善する。
【解決手段】ガスタービンシステムは、燃料ノズル１２を有する。この燃料ノズル１２は、複数の燃料通路５６、５８と、燃料通路５６、５８から下流方向にオフセットしている複数の空気通路４８とを含む。空気通路４８からの気流が燃料通路５６、５８からの燃料流に対して一定の角度をなして交差することにより、燃料ノズル１２の下流側で気流及び燃料流が旋回して混合される。
【選択図】図５

Description

本開示は、概してガスタービンエンジンに関し、特に、燃料／空気の混合特性を改善した燃料ノズルに関する。

燃料と空気の混合状態は、ガスタービンエンジンなどの様々なエンジンのエンジン性能と排出機能に影響を与える。例えば、ガスタービンエンジンでは、燃焼器内で燃料と空気が混合し易くなるように、１つ又は複数のノズルが用いられる。ノズルは、一般的に、圧縮空気と英熱単位（すなわち高ＢＴＵ又はＨＢＴＵ）が高い燃料とを混合し易くなるように構成されている。しかし、このようなノズルは、圧縮空気を低ＢＴＵ（ＬＢＴＵ）燃料と混合するには不向きである。例えば、ＬＢＴＵ燃料は、一定体積の燃料当たりに生じる熱量が少ない一方、ＨＢＴＵ燃料は、一定体積の燃料当たりに生じる熱量が高い。その結果、ＨＢＴＵ燃料ノズルでは、ＬＢＴＵ燃料と圧縮空気とを適当な割合又は濃度で混合することができない。

米国特許第２，８８４，７５８号米国特許第４，０８５，５７８号米国特許第４，０９２，０９５号米国特許第４，１０１，２９４号米国特許第４，１１２，６７６号米国特許第４，２３６，３７８号米国特許第４，２５３，３０１号米国特許第４，４３５，１５３号米国特許第４，４４２，６６５号米国特許第４，４９８，２８８号米国特許第４，６５３，２７８号米国特許第５，５８１，９９８号

燃料と圧縮空気とを適当な割合又は濃度で混合する。

本発明の一実施形態において、タービンシステムは燃料ノズルを有し、この燃料ノズルは、複数の燃料通路と、燃料通路から下流方向にオフセットしている複数の空気通路とを含む。この実施形態は、空気通路からの気流が燃料通路からの燃料流に対して一定の角度をなして交差することにより、燃料ノズルの下流側で気流及び燃料流が旋回して混合されるように設計されている。

本発明の以上に記載した特徴、態様、及び利点及びそれ以外の特徴、態様、及び利点を、次にその内容を説明する添付図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。なお、図面において、同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。

本発明の一実施形態に係る、燃焼器に連結された改良型の空気及び燃料混合機構を備えた燃料ノズルを有するタービンシステムのブロック図である。本発明の一実施形態に係る図１のタービンシステムの破断側面図である。本発明の一実施形態に係る、燃焼器のエンドカバーに複数の燃料ノズルが連結された図１の燃焼器の破断側面図である。本発明の一実施形態に係る、図３の燃焼器のエンドカバー及び燃料ノズルの斜視図である。本発明の一実施形態に係る、図４の燃料ノズルの斜視図である。本発明の一実施形態に係る、図５の燃料ノズルの端面図である。本発明の一実施形態に係る、エンドカバー及びライナーを備えた図５の燃料ノズルの側断面図である。

これより、最良の態様を含めた様々な例を用いて本発明を説明する。これにより、当業者は、本発明に係るあらゆる装置又はシステムを作製したり、本発明に係る方法を実行したりすることができる。本発明の特許可能な範囲は、添付の特許請求の範囲に記載されているが、当業者に想起可能なその他の実施形態も含む。かかるその他の実施形態は、特許請求の範囲に記載の文言と相違ない構成要素を有する限り、或いは、特許請求の範囲に記載の文言と本質的に同様な等価の構成要素を有する限り、本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。

本発明の種々の構成要素を単数名詞及び「前記」などの冠詞と共に記載する場合、その構成要素が１つ以上存在することを意味する。また、「有する」「含む」及び「備える」などの用語は、広義において用いられており、共に記載された構成要素以外の構成要素が存在する場合も考えられる。更に、例示する実施形態の動作パラメータ及び／又は環境的な条件は、その他の動作パラメータ及び／又は環境的な条件の可能性を排除するものではない。

後に詳述するように、タービンエンジンの性能を改善するにあたり、燃料ノズルを様々な形態で実施することができる。燃料ノズルは、一実施形態において、例えば交差配列された燃料通路及び空気通路を有し、空気通路は、燃料通路からの燃料流に気流を衝突させるように配向されている。例えば、燃料通路を、燃料ノズルの長手方向中心軸に沿った中央位置に配置し、空気通路を、長手方向中心軸の方向に傾斜させた状態で燃料通路の周囲に配置する。すなわち、本発明に係る燃料ノズルの実施形態により、複数の空気通路を燃料流を取り囲むように配置して、気流を燃料流の方へ半径方向内方に流し、気流を燃料流に交差させることにより、燃料／空気が混合され易くなる。実施形態によっては、気流が長手方向中心軸に対してオフセットするように空気通路を配置することにより、気流と燃料流とを衝突させて、燃料流と衝突の結果生じた混合気を旋回させることもできる。例えば、第１方向及び第２方向を同一の方向又は相互に対して反対方向とする場合、気流を第１方向に旋回させ、燃料流を第２方向に旋回させてもよい。

本発明による燃料ノズルの実施形態では、空気通路を任意の適当な場所に位置付けることができる。例示の実施形態では、空気通路を燃料ノズルの下流側端部分に位置付けることにより、燃料ノズルの下流側で燃料／空気を混合する。この配置は、燃焼温度又は発熱量が他の燃料よりも低い低英熱単位（ＬＢＴＵ）燃料の混合に好適である。例示したような実施形態ではない燃料ノズルの場合、ＬＢＴＵ燃料を使用すると、タービン燃焼器の所望領域よりも上流側で自動的に点火し尚早に火炎が保持されてしまう。例示の実施形態において、空気通路は、燃料ノズルの下流側端部分に位置する環状カラー壁の内面に排気口を有している。カラーは、基部に連結された環状の壁であってよく、この環状の壁により、燃料ポートから下流側の中空中央領域が画定され、環状壁はそこに複数の空気通路を有する。後述するように、例示の燃料ノズルの実施形態では、空気／燃料がより良好に混合され、燃焼器の基部付近又は燃料ノズル自体の内部に火炎が生じにくくなる。

本発明による燃料ノズルの実施形態では、発熱量やエネルギー（ＢＴＵレベル）が高い燃料も低い燃料も、発熱量やエネルギーの高低が様々に異なる燃料も混合することができる。例えば、本発明の実施形態は、コントローラ、制御論理、及び／又はＬＢＴＵ及びＨＢＴＵ燃料を適宜混合してそれぞれの用途に適した発熱量を得るように構成された燃焼制御装置を備えたシステムを含んでよい。燃料のエネルギー特性を、その発熱量を基に知ることができる。例えば、燃料の発熱量は、特定量の燃料を燃焼させることによって放出される熱量と考えることができる。具体的には、発熱量が低い場合（ＬＨＶ）、或る一定の熱量が、（例えば最初に２５°Ｃ又は別の関連する状態で）特定量を燃焼させることによって放出され、且つ、その燃焼生成物の温度を目標温度（例えば１５０°Ｃ）に戻すための熱量であると考えられる。開示の実施形態では、過渡状態（例えば始動時）及び高負荷時に少量のＨＢＴＵ燃料を用い、定常状態または低負荷状態中には、ＬＢＴＵ燃料を使用する。

図１は、本発明の一実施形態による燃料ノズル１２を有するタービンシステム１０の実施形態のブロック図である。後に詳述するように、例示の実施形態には、タービンシステム１０の性能が向上するよう改良された燃料ノズル１２の構造が適用されている。タービンシステム１０を、天然ガス及び／又は（例えば合成ガスなどの）水素に富む合成用ガスなどの液体又はガス燃料により動作させることができる。図示のように、燃料ノズル１２は、ＬＢＴＵ燃料などの供給燃料１４を吸入して、燃料と空気を混合し、混合気を燃焼器１６へ送る。混合気は、燃焼器１６内の室内で燃焼して、高温加圧排気ガスを生じる。排気ガスは、燃焼器１６からタービン１８を介して排気口２０の方へ向かう。排気ガスがタービン１８を通過する際、ガスによって、タービンブレードがシャフト２１をシステム１０の軸に沿って回転させる。図示のように、シャフト２１は、コンプレッサ２２を含めたタービンシステム１０の様々な構成部品に連結されている。コンプレッサ２２はまた、シャフト２１に連結されたブレードを有する。従って、シャフト２１が回転すると、コンプレッサ２２内のブレードが回転し、それによって吸気口２４からコンプレッサ２２を通って燃料ノズル１２及び／又は燃焼器１６内へ進む空気が圧縮される。シャフト２１は、負荷２６にも連結されており、この負荷は、発電所の発電機や航空機のプロペラなどの車両や静止負荷であってよい。負荷２６は、タービンシステム１０の回転出力を動力源とする任意の適当な装置でよい。

後述するように、混合気が下流の燃焼器１６まで進む際の燃料ノズル１２からの空気と燃料との混合状態を改善することにより、タービンシステム１０内でＬＢＴＵ燃料も使用できるようになる。ＬＢＴＵ燃料は、入手が容易であり、ＨＢＴＵ燃料よりも低価格である。ＬＢＴＵ燃料は、例えば、様々な工場での工程の副産物である。残念ながら、これらの副産物を廃棄物として処分していた。そこで、本発明の実施形態により、廃棄されていた副産物をガスタービンエンジンや発電設備の燃料として使用することで、施設や精製所の全体効率が改善するであろう。石炭ガス化工程は、例えば、ＬＢＴＵ燃料を生成するための工場での一工程である。石炭ガス化装置からは、一般的に、ＣＯ及びＨ_２が第一段階で生成される。このＨ_２を、開示の実施形態の燃料ノズル１２に使用することができる。開示の実施形態により、空気／燃料の混合状態を改善し、燃料ノズル１２内ではなく燃焼器内で火炎を発生させることができる。実施形態によっては、ノズル１２は、燃料ポートの下流側に空気ポートを備え、燃料流中に空気を噴射することができるようになっている。それにより、流れが燃料ノズル１２から下流へ移動する際の燃料及び空気の混合状態を改善することができる。例えば、燃料ノズル１２において、燃料ポートを中央位置に配置し、空気ポートを中央位置の周囲の異なる円周上に配置することにより、気流を燃料流に向けて半径方向内方に流し、気流及び燃料流を混合して旋回流を誘発する。

図２は、タービンシステム１０の一実施形態の破断側面図である。タービンシステム１０は、それぞれの実施形態の態様に応じて、１つ又は複数の燃焼器１６の内部に１つ又は複数の燃料ノズル１２を備える。実施形態によっては、６つ以上の燃料ノズル１２を各燃焼器１６の基部に環状に配列することも、その他の配列で取り付けることもできる。更に、システム１０は、複数（例えば４つ、６つ、８つ、１２つ）の燃焼器を環状に備えてもよい。空気は吸気口２４を介してシステム１０に流入し、コンプレッサ２２内で加圧される。次に、圧縮された空気は、燃料ノズル１２を用いてガスと混合され、燃焼器１６内で燃焼する。燃料ノズル１２を用いて、例えば、最適な燃焼、放出量、燃料消費量及び出力に合わせて混合気を燃焼器内へ噴射することができる。燃焼によって高温の加圧排気ガスが生じ、これがタービン１８内でブレード１７を駆動させ、シャフト２１を、従ってコンプレッサ２２及び負荷２６が回転する。上述したように、ブレード１７が回転すると、シャフト２１が回転し、それによってコンプレッサ２２内のブレード１９が空気を引き込んで圧力が生じる。従って、燃料ノズル１２を用いて、気流と燃料流を適当に方向付け、混合することが、タービンシステム１０の排気性能の改善に重要である。

図３に、図２の燃焼器１６の実施形態を詳細に示す。図面では、複数の燃料ノズル１２が、燃焼器１６の基部付近でエンドカバー３０に取り付けられている。一実施形態では、６つの燃料ノズル１２がエンドカバー３０に取り付けられる。圧縮空気及び燃料が、エンドカバー３０を介して燃料ノズル１２の各々に向かって送られ、混合気は、燃料ノズルから燃焼器１６内へ送られる。燃焼器１６は、ケーシング３２、ライナー３４及び流動スリーブ３６によりその全体が画定されたチャンバを有する。実施形態によっては、流動スリーブ３６及びライナー３４が互いに同軸状であって、これらが中空の環状空間３５を画定している。冷却用の空気、及び（例えばライナー３４を介して）燃焼帯に流入する空気が、流動スリーブ３６及びライナー３４を通る。ケーシング３２、ライナー３４及び流動スリーブ３６をこのように構成することにより、（例えば収束部分のような）トランジションピース３８を介してタービン１８に向かう混合気の流量を最適にすることができる。例えば、加圧混合気を、燃料ノズル１２からライナー３４及び流動スリーブ３６を介して燃焼器１６内へ送り、混合気を燃焼させる。その結果生じた排気ガスは、トランジションピース３８を通ってタービン１８へと流れ、タービン１８のブレードとシャフト２１が回転する。燃焼プロセスとしては、混合気が燃焼器１６内で、燃料ノズル１２の下流側で燃焼することが望ましい。気流と燃料流の混合状態は、例えば燃料発熱量、流量及び温度などのそれぞれの流れの特性によって決まる。加圧空気の温度は約６５０〜９００°Ｆであり、燃料の温度は約７０〜５００°Ｆであることが好ましい。燃料、材料、温度及び／又は幾何学形状の違いに応じて、燃料出口の下流側で気流が燃料流に交差するように空気を噴射することができる。その結果、混合プロセスが燃料ノズル１２の下流側へ移動するので、ＬＢＴＵ燃料の混合及び燃焼状態を改善することができる。燃料ノズル１２をこのように配置することで、タービンシステム１０に、様々な燃料、幾何学形状、並びに混合気を使用することができる。

図４は、基部又はエンドカバー面４０に複数の燃料ノズル１２を設けたエンドカバー３０の実施形態の詳細な斜視図である。図面では、６つの燃料ノズル１２が環状にエンドカバー面４０に取り付けられているが、任意の適当な数及び配列形状で、燃料ノズル１２をエンドカバー面４０に取り付けることができる。後に詳述するように、ノズル１２は、ノズル１２の下流方向４３において、ノズル１２から離れた場所に、空気／燃料の混合及び点火が移動するように設計されている。ボルト及びライザーを用いてバッフルプレート４４をエンドカバー面４０に取り付け、燃料ノズル１２の基部を覆うように燃焼器１６内に希釈流用の通路を設けてもよい。例えば、吸気口を各燃料ノズル１２の軸４５に向かって内側に向けることにより、気流が下流方向４３に燃焼器１６のトランジション領域を通って進む時に、気流と燃料流を混合するようにしてもよい。また、気流及び燃料流をそれぞれ反対方向に、例えば時計回りと反時計回りに旋回させることにより、混合プロセスを改善してもよい。システムの状態及び他のファクタに応じて、代替的に、気流及び燃料流を同一方向に旋回させてもよい。図示のように、外側空気ポートは、気流を軸４５の方に向かわせる、傾斜した空気通路に繋がっている。燃料ノズル１２をこのように構成すると、空気／燃料が混合され点火する場所が、エンドカバー面４０及び燃料ノズル１２から更に離れるように移動するので、表面４０及び燃料ノズル１２の近傍で尚早に火炎が生じる不都合が生じる可能性を低減することができる。すなわち、空気及び燃料の混合プロセスの場所を下流４３とすることにより、燃焼器１６の中央部分の更に下流側で燃焼プロセスが生じるので、ノズル自体の内部で火炎が発生することによるノズルの破損を回避することができる。

図５は、図４の燃料ノズル１２の実施形態の詳細を示す斜視図である。図示のように、燃料ノズル１２は、１つ又は複数の環状同軸部分を備えるほぼ円筒形の構造を有する。燃料ノズル１２は、例えば、下流側端部分４７に半径方向カラー４６を有し、半径方向カラーは、圧縮空気流と燃料流とを交差させるように構成されている。この実施形態では、半径方向カラー４６は、燃焼器１６のエンドカバー面４０から下流方向４３に離れた位置にある。半径方向カラー４６は空気通路４８を有し、空気通路４８は、半径方向カラー４６の環状壁（例えば円周部分）に沿って異なる角度位置に離間配置される。その結果、空気通路により、ノズル軸４５に向かう環状の気流が全体的に画定される。更に、空気通路４８は、半径方向カラー４６の外側環状面４９に沿って吸気口５０と、半径方向カラー４６の内側環状面５１に沿って排気口５２とを有する。

実施形態によっては、空気通路４８で燃料と空気を混合し易くするために、燃料ノズル１２に、例えば燃料通路５６及び５８のような１つ又は複数の燃料通路を備える。燃料ノズル１２は、例えば、半径方向カラー４６及び空気通路４８の上流側において、燃料通路５６及び５８を内側端面５４に沿って有してよい。その結果、燃料流が燃料通路５６及び５８を通り、半径方向カラー４６の中空内部を下流方向４３に空気通路４８の方へ流れる。燃料流が空気通路４８に至ると、気流と燃料流とが衝突して混合され、任意の適宜の旋回流が生じる。図示のように、空気通路４８は、半径方向カラーの環状壁部分だけを通って延在し、ノズル基部６０を通っていない。同様に、燃料通路５６及び５８は、ノズル基部６０だけを通って延在し、半径方向カラー４６の環状壁を通っていない。その結果、燃料ノズル１２の下流側端部分だけに気流が誘導される。

燃料通路５６及び５８を用いて、条件に合わせて様々な燃料を供給することができる。例えば、燃料通路５６及び５８により、液体燃料、ガス燃料又はこれらを組み合わせたものを供給することができる。更なる例として、様々な動作状態に応じて、燃料通路５６及び５８により、同一燃料、異なった燃料又はその両方を供給することができる。実施形態によっては、燃料通路５６及び５８により、例えば始動時などの過渡状態、定常状態といった様々な動作状態や負荷などに応じて、ＬＢＴＵ燃料及びＨＢＴＵ燃料、ＬＢＴＵ燃料だけ、或いは、ＨＢＴＵ燃料だけを供給することができる。例えば、（例えば始動時などの）過渡状態又は高負荷時には、燃料通路５８にＨＢＴＵ燃料を供給する一方、燃料通路５６にＬＢＴＵを供給してもよい。定常状態または低負荷状態では、燃料通路５６及び５８の両方に、同じＬＢＴＵ燃料など、ＬＢＴＵ燃料を供給してもよい。

例示の実施形態では、燃料通路５８及び空気通路４８間の半径方向に燃料通路５６が配置されている。例えば、空気通路４８が第１環状配列を画定しており、それが燃料通路５６の第２環状配列を取り囲み、この第２環状配列が燃料通路５８の中央配列を取り囲んでいる。実施形態に応じて、内側端面５４の形状は、完全に平坦、部分的に平坦、完全に湾曲状、又は部分的に湾曲状であるか、その他の適宜の幾何学形状であってよい。例えば、燃料通路５８を、端面５４のドーム形部分上に配置してもよい。燃料通路５６及び／又は５８は、長手方向軸４５に平行に、又は、軸４５に対してゼロではない任意の角度をなして設置される。例えば、燃料通路５６及び５８の向きは、軸４５に向かって内方、軸４５から外方、又は、それらの向きを組み合わせたものである。更なる例では、燃料通路５６及び５８を軸４５に対してオフセットさせることにより、軸４５を中心とする時計回りの旋回流、軸４５を中心とする反時計回りの旋回流、又は、その両方の旋回流を誘発するようにしてもよい。この燃料の旋回流の方向は、空気通路４８からの旋回流と同一方向であっても反対方向であってもよい。

燃料ノズル１２の作用を説明すると、燃料通路５６及び／又は５８は、燃料流を下流方向４３の空気通路４８の方へ向かわせる。空気通路は、気流を半径方向内方に向かわせて燃料流と衝突させる。燃料と空気の混合状態を改善するために、燃料流及び気流の旋回流の方向を、同一方向とすることも、反対方向とすることもできる。例えば、気流を、ガス燃料流、液体燃料流、又は、これらを組み合わせたものと衝突させることができ、燃料流には、ＬＢＴＵ燃料、ＨＢＴＵ燃料、又は、その両方を含めることができる。一実施形態において、燃料通路５８から、天然ガス、或いは、ガス又は液体高ＢＴＵ燃料を供給することができる。通路５８から放出された燃料は、下流方向４３に進んで、軸４５の方に向けられた空気通路４８からの気流と混合される。始動時、燃料通路５８を介して天然ガスを流すことによって、タービンサイクルの開始時に燃焼用の高濃度ガスを供給することができる。中央燃料チップ５９を、オイル流用の液体燃料チップと交換することもできる。始動後、中央燃料チップ５９から液体又はガスＬＢＴＵ燃料が放出され、燃料ノズル１２から下流方向において、この燃料流が空気通路４８からの空気と混合される。

図６は、図５の燃料ノズル１２の実施形態の端面図である。この実施形態において、燃料ノズル１２は、ノズル基部６０、気流通路４８、燃料通路５６及び燃料通路５８を有する。一実施形態において、燃料通路５６の角度向きは、長手方向中心軸４５と半径方向破線６２との間に矢印６３で示した角度６１である。実施形態によっては、半径方向破線６２は、軸４５に沿った平面である。このため、角度６１は、紙面の平面上に、又は紙面に垂直な平面上に画定され、矢印６３は、矢印６３の平面の下流方向（紙面から外方）の燃料流の方向を示している。いずれの場合も、角度６１は、軸４５を中心とする旋回流を誘発するように定められる。実施形態に応じて、角度６１は、約０〜７５度、０〜６０度、０〜４５度、０〜３０度、０〜１５度、又は、所望の旋回力が得られる任意の適宜の角度であってよい。矢印６４は、燃料流が燃料通路５６及び／又は５８から出る時に旋回する反時計回りの方向を示す。

矢印６６は、空気通路４８の傾斜向きによって生じる時計回りの旋回方向を示す。すなわち、実施形態に応じて、燃料流の旋回方向と気流の旋回方向とを反対方向とすることができる。代替例として、空気通路４８は旋回挙動を全く有さない一方で、燃料通路５６及び／又は５８だけが方向６４又は６６の旋回流を有していてもよい。別の代替例として、燃料通路５６及び／又は５８は旋回挙動を全く有さない一方で、空気通路４８は方向６４又は６６の旋回流を有していてもよい。また別の代替例として、燃料及び空気通路５６、５８及び４８がそれぞれ同一方向の旋回流を有する向きであってよい。通路４８からの気流が方向６６に旋回することにより、方向６４に旋回する燃料流との混合プロセスがより迅速且つ強力になる。空気通路４８の角度は、線６２に対して燃料通路と同様であっても異なっていてもよい。実施形態に応じて、空気通路４８の角度は、約０〜７５度、０〜６０度、０〜４５度、０〜３０度、０〜１５度、又は、所望の旋回力が得られる適宜の任意の角度でよい。燃料通路５８の角度６１及び空気通路４８の角度は、（６４又は６６の）いずれかの方向の旋回流を生じるように設定される。

明らかなように、気流及び燃料流の混合状態は、燃料発熱量、燃料温度、空気温度、流量及び他のタービン状態などのファクタによって定まる。通路４８、５６及び５８を、燃料流及び気流が下流方向４３で混合されるような向きとすることで、燃焼器１６内の所望位置で燃焼を生じることができる。実施形態によっては、燃料の種類及びその他のタービンの条件に応じて、燃料流及び気流が同一方向に旋回するように通路を構成してもよい。代替的に、真っ直ぐで旋回しない気流及び／又は燃料流を生じるように通路を配向してもよい。例えば、一実施形態では、燃料通路５８をノズル１２の中心（すなわち軸４５）から外方に向けることにより、燃料流を空気通路４８からの気流と混合する。

図７は、図５及び図６の燃料ノズル１２の実施形態及びタービンシステム１０の周辺構成部材の側部断面図である。図示のように、燃料ノズル１２は、空気及び燃料が燃料ノズル１２の部分を通過するための幾つかの通路を有する。一実施形態において、燃料入口６８が、ノズル基部６０内の燃料室内部に配置される。例えば、ＬＢＴＵ燃料を燃料入口６８に向かって方向７２に流し、燃料通路５６を通る燃料流を生じる。この燃料流は、燃焼器１６内の燃焼領域に向かって下流方向４３に移動する際、空気と混合される。ノズルチップ部分５９内の中央室７５には、入口７４が設置されており、天然ガス又はＨＢＴＵ燃料が下流方向７６に流れ、燃料通路５８を通りこの入口７４を介して燃料ノズル１２から流出する。上述したように、タービンの始動時に、天然ガスなどの高濃度又はＨＢＴＵ燃料を中央室７５を通過させることにより、始動時の動力を増大することができる。燃料は、中央室７５を介して、燃料通路５８を通ってカラー４６の内部へ進み、燃焼器１６内の下流方向４３において気流と混合される。明らかなように、空気及び燃料流が燃焼器１６の過渡領域を通過する時に完全に混合することにより、その後、混合気を燃焼器１６内の所望領域の内部で燃焼させてタービン１８を駆動させるためのエネルギーを供給することができる。

実施形態に応じて、燃料室７０、７５及び関連の燃料通路５６、５８に、ガス燃料、液体燃料、ＨＢＴＵ燃料、ＬＢＴＵ燃料、又は、これらのいずれかを組み合わせたものなどの様々な燃料を流すことができる。燃料は、燃料室７０、７５及び関連の燃料通路５６、５８内で同一でも異なってもよい。場合によっては、様々な動作状態に合わせて燃料室７０、７５及び関連の燃料通路５６、５８を、燃料流と選択的に接続したり切り離したりしても、燃料種類を変更しても、或いは、その両方を行うことができる。一実施形態において、合成ガス又はＬＢＴＵ燃料を燃料室７０を介して流す一方で、天然ガスを中央室７５を介して流すことにより、この燃料流を空気通路４８からの空気流と混合した流れを生じる。代替的に、タービンシステム１０の状態によっては、合成ガスなどの同一燃料を両室７５及び７０に流すことができる。

空気通路４８は、軸４５に対する角度７７に沿って配置される。角度７７は、移動中の燃料流と気流が最適に混合された方向４３の流れを生じるように定められる。角度７７は、気流が燃料ノズル１２から下流に向かい、燃料ノズル１２及びエンドカバー面４０（図４）から離れた場所で燃料／空気が混合するように定められる。例えば、角度７７は、約０〜７５度、０〜６０度、０〜４５度、０〜３０度又は０〜１５度である。実施形態によっては、角度７７は、約１５〜４５度である。

上述したように、燃料は、燃料通路５６を下流に向かって方向７８に通過して、軸４５に向かう矢印７９で示した気流と混合される。図示のように、方向７８の燃料流は、下流方向４３において軸４５に向かって内方に傾斜している一方、燃料通路５８からの燃料流の方向は、軸４５にほぼ整合している。実施形態によっては、内側端面５４は、円錐形又はドーム形であって、燃料通路５８は軸４５から離れるように（例えば下流方向４３において軸４５から外方に）少なくともわずかに傾斜している。しかし、燃料通路５６及び５８が傾斜している方向は、例えば軸４５に対して内方、外方又はその両方といった燃料流が下流４３全体の任意方向に向かうような方向である。

燃焼器１６内において、空気は、ライナー８４の外部分に沿って空気通路４８の方へ流れる時、矢印８０及び８２で示すように流れる。方向７９に流れる気流は次に、方向４３に流れる燃料と混合される。高温燃焼ガスが、ノズル１２及びスプラッシュプレート８６の方へ戻って再循環する。空気８２により、冷却穴５５を介してスプラッシュプレート８６及びノズル前面５３を冷却することができる。混合気は、燃焼器１６の過渡部分を下流方向４３に通過してライナー８４の内側で燃焼し、タービン１８を駆動させる。

明らかなように、通路４８、５６及び５８を軸方向及び半径方向の両方において様々な角度に傾斜させることにより、流れを分けたり旋回させたりすることで、燃料ノズル１２において、燃料流と気流とを所望通り混合することができる。また、半径方向カラー４６、空気通路４８，ライナー８４、バッフルプレート４４及びスプラッシュプレート８６の配置及び設計を変更して、気流８０及び８２の方向を変更することもできる。任意の適宜の措置により、気流８０及び８２の経路を画定して、燃料ノズル１２の下流でＬＢＴＵ燃料流と気流を混合することもできる。加えて、燃料通路５６を任意の適宜の措置により構成し、空気と燃料を下流側で混合することもできる。低コストのＬＢＴＵ燃料を利用して適当な燃焼を生じることができるように、ノズル内で空気と燃料を混合する代わりに、方向７９の空気を方向４３の燃料流中に下流方向に噴射することで、燃料ノズル１２の下流まで空気と燃料との混合を遅らせてもよい。燃料及びシステムの状態に応じて、気流及び燃料流を旋回させることにより、空気と燃料をより良好に混合することができる。

本発明による技術的効果の１つとして、ＬＢＴＵ燃料及び空気の希薄混合が可能になり、タービンシステムでの燃料使用の融通性が向上することが挙げられる。混合機構を改良したことにより、燃料ノズルの下流において混合気を生じることができる。一実施形態では、燃焼器及び燃料ノズル構成部品内での尚早な火炎発生、フラッシュバック及び／又は自然発火の可能性を低下させることができる。燃料ノズルの下流で空気と燃料を混合することにより、燃焼器内の下流位置で燃焼を生じることができるので、タービン燃焼プロセスを最適化し、効率的に行うことができる。その結果、タービンの性能が向上し、排気が減少する。

以上、本発明の特徴の一部のみに関連して本発明を説明してきたが、これらの様々な修正及び改変形態が当業者には想起可能であろう。添付の特許請求の範囲には、かかる修正及び改変形態の全てが、本質的に含まれていることを理解されたい。

Claims

燃料ポート（５６、５８）に通じる複数の燃料通路（５６、５８）を有する基部（６０）と、
該基部（６０）に連結された環状壁（４６）と
を有する燃料ノズル（１２）を備えたタービンシステム（１０）であって、
前記環状壁（４６）が、燃料ポート（５６、５８）から下流側に中空中央領域を画定し、且つ、該中空中央領域を取り囲む内面（５１）上の空気ポート（５２）に通じる複数の空気通路（４８）を有し、
前記空気ポート（５２）が、前記燃料ポート（５６、５８）の下流にあり、且つ、前記燃料ノズル（１２）の長手方向中心軸（４５）に対して内方に傾斜している、タービンシステム。
前記燃料ポート（５６、５８）が、前記燃料ノズル（１２）の前記長手方向中心軸（４５）を中心とする旋回流（６４）を誘発するよう傾斜している、請求項１に記載のタービンシステム（１０）。
前記空気ポート（５２）が、前記燃料ノズル（１２）の前記長手方向中心軸（４５）を中心とする旋回流（６６）を誘発するよう傾斜している、請求項１に記載のタービンシステム（１０）。
前記空気ポート（５２）が、前記燃料ノズル（１２）の前記長手方向中心軸（４５）を中心とする第１方向（６６）の旋回流を誘発するよう傾斜しており、
前記燃料ポート（５６、５８）が、前記燃料ノズル（１２）の前記長手方向中心軸（４５）を中心とする第２方向（６４）の旋回流を誘発するよう傾斜しており、
前記第１方向（６６）及び第２方向（６４）は、相互に対して概ね反対方向である、請求項１に記載のタービンシステム（１０）。
前記燃料通路（５６、５８）が、中央に配列された第１組の燃料通路（５８）と、該中央に配列された通路を取り囲んで環状に配列された第２組の燃料通路（５６）とを有し、
該第１組の燃料通路（５８）と該第２組の燃料通路（５６）とは、それぞれに異なる燃料源に接続されている、請求項１に記載のタービンシステム（１０）。
前記第１組の燃料通路（５８）が、前記燃料ノズル（１２）の前記長手方向中心軸（４５）を中心とする第１方向の旋回流を誘発するよう傾斜しており、
前記第２組の燃料通路（５６）が、前記燃料ノズル（１２）の前記長手方向中心軸（４５）を中心とする第２方向の旋回流を誘発するよう傾斜しており、
前記第１方向及び第２方向は、相互に対して概ね反対方向である、請求項５に記載のタービンシステム（１０）。
前記燃料ポート（５６、５８）が、前記環状壁（４６）の上流側端部分の第１テーパ面（５４）に配置されており、
前記空気ポート（５２）が、前記環状壁（４６）の下流側端部分の第２テーパ面（５１）に配置されている、請求項１に記載のタービンシステム（１０）。
燃料ポート（５６、５８）に通じる複数の燃料通路（５６、５８）を有する燃料ノズル（１２）の基部（６０）と、
該基部（６０）の下流部分に連結され、前記燃料ノズル（１２）の長手方向中心軸（４５）を中心とする第１方向（６６）の旋回流を誘発するよう構成された空気ポート（５２）を有する環状壁（４６）とを備えたタービンシステム（１０）であって、
前記燃料ポート（５６、５８）は、前記燃料ノズル（１２）の前記長手方向中心軸（４５）を中心とする第２方向（６４）の旋回流を誘発するよう傾斜しており、
前記第１方向（６６）及び第２方向（６４）は、相互に対して概ね反対方向である、タービンシステム（１０）。
前記環状壁（４６）が、前記燃料ポート（５６、５８）から中空中央領域を画定し、且つ、該中空中央領域を取り囲む内面（５１）上の空気ポート（５２）に通じる複数の空気通路（４８）を有しており、
前記空気ポート（５２）が、前記燃料ポート（５６、５８）の下流にあり、且つ、前記燃料ノズル（１２）の長手方向中心軸（４５）に対して内方に傾斜している、請求項８に記載のシステム。
前記燃料通路（５６、５８）が、前記燃料ノズル（１２）の上流部分だけに配置され、
前記複数の空気通路（４８）が、前記燃料ノズル（１２）の下流部分だけに配置されている、請求項９に記載のシステム。