JP2010164298A

JP2010164298A - ターボ機械用の燃料ノズル

Info

Publication number: JP2010164298A
Application number: JP2010003536A
Authority: JP
Inventors: Scott Robert Simmons; スコット・ロバート・シモンズ; Stephen Robert Thomas; スティーブン・ロバート・トーマス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: CN101793399B; EP2208936A2; US20100180603A1; JP5265585B2; US8161750B2; CN101793399A

Abstract

【課題】ターボ機械用の燃料ノズルを提供する。
【解決手段】ターボ機械（２）は、圧縮機（４）と、タービン（１０）と、タービン（１０）に動作可能に接続された燃焼器（６）とを含む。ターボ機械（２）は、燃焼器（６）に取り付けられたキャップ部材（３４）をさらに含む。キャップ部材（３４）は第１の表面（３５）と第２の表面（３６）とを含む。燃焼室（４８）は燃焼器（６）内に画定される。噴射ノズル（３８、３９）はキャップ部材（３４）の第２の表面（３６）で支持される。噴射ノズル（３８、３９）は、内側流路（８８）を通って第２の端部（８６）まで延びる第１の端部（８４）を含む。第１の端部（８４）はある量の第１の流体を受け入れるように構成され、第２の端部（８６）はある量の第２の流体を受け入れるように構成される。第１および第２の流体の混合気は、噴射ノズル（３８、３９）の第２の端部（８６）から吐出される。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示する主題は、ターボ機械に関し、より具体的にはターボ機械用の燃料ノズルに関する。

一般に、ガスタービンエンジンは、熱エネルギーを放出する混合気を燃焼して、高温のガス流を形成する。高温のガス流は高温部を通してタービンに運ばれる。タービンは、高温のガス流からの熱エネルギーを、タービン軸を回転させる機械エネルギーに変換する。タービンは、ポンプまたは発電機に電力を供給するなど、様々な用途に使用されてもよい。

米国特許第４９３８４１８号公報米国特許第７２３７７３０号公報

ガスタービンの場合、燃焼ガス流が高温になるにつれて、エンジン効率が向上する。残念なことに、ガス流が高温になるほど、排出量が連邦および州両方の規制を受ける、生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）量が増加する。したがって、ガスタービンを有効範囲内で動作させることと、ＮＯｘの出力量を確実に指定量未満に保つこととの間で慎重に均衡が維持されている。低いＮＯｘ量を達成する１つの方法は、燃焼前の燃料と空気の良好な混合を確保することである。

本発明の１つの態様によれば、ターボ機械は、圧縮機と、タービンと、タービンに動作可能に接続された燃焼器とを含む。ターボ機械は、燃焼器に取り付けられたエンドカバーと、燃焼器内に位置付けられたキャップ部材とをさらに含む。キャップ部材は第１の表面と第２の表面とを含む。燃焼室は燃焼器内に画定される。それに加えて、少なくとも１つの噴射ノズルがキャップ部材の第２の表面で支持される。少なくとも１つの噴射ノズルは、内側流路を通って第２の端部まで延びる第１の端部を有する主本体を含む。第１の端部はある量の第１の流体を受け入れるように構成され、第２の端部はある量の第２の流体を受け入れるように構成される。第２の端部は、第１および第２の流体の混合気を噴射ノズルから燃焼室内へと吐出する。

本発明の別の態様によれば、ターボ機械用の噴射ノズルは、内側流路を通って第２の端部まで延びる第１の端部を有する主本体を含む。第１の端部はある量の第１の流体を受け入れるように構成され、第２の端部はある量の第２の流体を受け入れるように構成される。第２の端部は、第１および第２の流体の混合気を噴射ノズルから燃焼室内へと吐出する。

本発明のさらに別の態様によれば、第１および第２の流体の可燃混合気を、内側流路を通ってキャップ部材に取り付けられた第２の端部まで延びる第１の端部を有する主本体を含むターボ機械ノズル内へと導入する方法は、噴射ノズルの第１の端部を介して第１の流体を案内することを含む。第２の流体は第２の端部から噴射ノズル内へと導入される。第１および第２の流体は内側流路内で混合されて、可燃混合気を形成する。可燃混合気は第２の端部を介して燃焼室へと流れ込む。

これらおよび他の利点と特徴は、以下の説明を図面と併せ読むことによってより明白になるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書の結びに請求項で特に指摘し明確に請求する。本発明の上述および他の特徴と利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せ読むことによって明白である。

本発明の代表的実施形態にしたがって形成されたノズルを含むターボ機械の横断面図である。図１のターボ機械の燃焼器部分の断面図である。本発明の代表的実施形態にしたがって形成されたターボ機械ノズルの断面図である。図３のターボ機械ノズルの分解組立図である。図３のターボ機械ノズルのフロー先端部分の代表的実施形態の断面図である。図３のターボ機械ノズルの別のフロー先端部分の代表的実施形態の断面図である。図３のターボ機械ノズルのさらに別のフロー先端部分の代表的実施形態の断面図である。

詳細な説明では、一例として図面を参照して本発明の実施形態を利点および特徴とともに説明する。

本出願で使用するとき、用語「軸線方向の」および「軸線方向に」は、バーナーチューブアセンブリの中心本体の中心長手方向軸線にほぼ平行に延びる方向および向きを指す。本出願で使用するとき、用語「半径方向の」および「半径方向に」は、中心本体の中心長手方向軸線にほぼ直角に延びる方向および向きを指す。本出願で使用するとき、用語「上流」および「下流」は、中心本体の中心長手方向軸線に関する軸流方向に対する方向および向きを指す。

最初に図１を参照すると、本発明の代表的実施形態にしたがって構築されたターボ機械全体が符号２で示される。ターボ機械２は、圧縮機４と、燃料ノズルまたは噴射器アセンブリハウジング８を備えた少なくとも１つの燃焼器６を有する燃焼器アセンブリ５とを含む。ターボ機械エンジン２はまた、タービン１０と、共通の圧縮機／タービン軸１２とを含む。一実施形態では、ガスタービンエンジン２は、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙ（Ｇｒｅｅｎｖｉｌｌｅ，ＳｏｕｔｈＣａｒｏｌｉｎａ）から市販されている、ＰＧ９３７１９ＦＢＡヘビーデューティガスタービンエンジンである。特に、本発明はいずれか１つの特定のエンジンに限定されず、他のガスタービンエンジンと接続して使用されてもよい。

図２に最も良く示されるように、燃焼器６は、圧縮機４およびタービン１０とフロー連通した状態で連結される。圧縮機４は、互いにフロー連通した状態で連結されたディフューザ２２と圧縮機吐出プレナム（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｌｅｎｕｍ）２４を含む。燃焼器６はまた、その第１の端部に位置付けられたエンドカバー３０と、キャップ部材３４とを含む。キャップ部材３４は、第１の表面３５と対向する第２の表面３６とを含む。さらに十分に後述するように、キャップ部材３４は、より具体的には第１の表面３５は、複数の燃料または噴射ノズルアセンブリ３８および３９に対する構造的支持体となっている。燃焼器６はさらに、燃焼器外筒４４と燃焼器ライナ４６とを含む。図示されるように、燃焼器ライナ４６は、燃焼室４８を画定するように燃焼器外筒４４から半径方向内側に位置付けられる。環状の燃焼室冷却通路４９は、燃焼器外筒４４と燃焼器ライナ４６との間に画定される。尾筒５５は燃焼器６をタービン１０に連結する。尾筒５５は、燃焼室４８内で発生した燃焼ガスを第一段タービンノズル６２に向かって下流へと運ぶ。尾筒５５は、その端部に向かって内壁６４と外壁６５とを含む。外壁６５は、内壁６４と外壁６５との間に画定される環状通路６８につながる複数の開口部６６を含む。内壁６４は、燃焼室４８とタービン１０との間を延びる案内キャビティ７２を画定する。

動作中、空気が圧縮機４を貫流し、圧縮空気が燃焼器６に、より具体的には噴射器アセンブリ３８および３９に供給される。同時に、燃料が噴射器アセンブリ３８および３９に流れて空気と混ざり、可燃混合気を形成する。可燃混合気は、燃焼室４８に運ばれ、点火されて燃焼ガスを形成する。次に、燃焼ガスはタービン１０に運ばれる。燃焼ガスからの熱エネルギーは、駆動軸１２に使用される機械的回転エネルギーに変換される。

より具体的には、タービン１０は、軸１２（図１に示される）を通して圧縮機４を駆動する。圧縮機４が回転すると、圧縮空気は、関連する矢印によって示されるようにディフューザ２２内へと吐出される。代表的実施形態では、圧縮機４から吐出された空気の大部分は、圧縮機吐出プレナム２４を介して燃焼器６に向かって運ばれ、残りの圧縮空気は、エンジン部品の冷却に使用するために運ばれる。吐出プレナム２４内の圧縮空気は、外壁開口部６６を通して尾筒５５内へと、また環状通路６８内へと運ばれる。次に、空気は、環状通路６８から環状の燃焼室冷却通路４９を介して噴射ノズルアセンブリ３８および３９に運ばれる。燃料および空気は混合されて可燃混合気を形成し、それが点火されて燃焼室４８内に燃焼ガスを形成する。燃焼器外筒４４によって、燃焼室４８およびそれに関連する燃焼プロセスを、例えば、周囲のタービン部品などの外部環境から遮蔽するのが容易になる。燃焼ガスは、燃焼室４８から案内キャビティ７２を介してタービンノズル６２に向かって運ばれる。第一段タービンノズル６２に衝突する熱ガスは回転力を生み出し、それが最終的にタービン２による仕事を生じさせる。

ここで、上述の構造は、本発明の代表的実施形態をより完全に理解するために提示されており、噴射ノズルアセンブリ３８および３９の特定の構造を対象としていることを理解すべきである。しかし、噴射ノズルアセンブリ３８および３９はそれぞれ同様に形成されるので、詳細な説明は噴射ノズルアセンブリ３８を参照して行い、噴射ノズルアセンブリ３９については同様に理解される。

図３および４に最も良く示されるように、噴射ノズルアセンブリ３８は、内側流路８８を画定する第２の端部８６まで延びる第１の端部８４を有する主本体８０を含む。主本体８０は、第１の端部８４に位置付けられた第１の開口部９０と、第２の端部８６に配置された第２の開口部または吐出部９１とを含む。噴射ノズルアセンブリ３８は、燃焼室４８内のキャップ部材３４に取り付けられる。より具体的には、主本体８０の第２の端部８６はキャップ部材３４の第１の表面３５に接続される。より十分に後述するように、燃料は、燃焼室４８内で燃焼される前に、ノズルアセンブリ３８の第２の端部８６に入り、内側流路８８に流れ込んで空気と混ざる。この構成によって、エンドカバー３０上のあらゆる必要な燃料入口取付具が大幅に低減される。それに加えて、ノズルアセンブリ３８をキャップ部材３４に取り付けることによって、より多数のノズルアセンブリの使用が可能になると同時に、エンドカバー３０の複雑さが軽減される。

図３および４にさらに示されるように、噴射ノズルアセンブリ３８は、外側フロースリーブ９４と内側フロースリーブ９５とを含む。内側フロースリーブ９４および外側フロースリーブ９５が接続されて、環状の燃料プレナム１００を画定する。図示されるように、燃料プレナム１００は、複数の開口部１０４を有する第１の入口端部部分１０３と、第２の端部１０６とを含む。噴射ノズルアセンブリ３８はまた、環状の燃料プレナム１００に流体接続された複数の流翼（ｆｌｏｗｖａｎｅｓ）１１８〜１２２を有するスワラまたはタービュレータ部材１１５を含む。より具体的には、流翼１１８〜１２２は、翼１１８と接続された符号１２８で示されるもの、および環状の燃料プレナム１００につながる翼１２２と接続された符号１２９で示されるものなど、複数の吐出ポートを含む。この配置によって、燃料は、開口部１０４を貫流して環状の燃料プレナム１００に流れ込む。燃料は、環状の燃料プレナム１００内を第２の端部１０６へと流れる。次に、燃料は、流翼１１８〜１２２に流れ込み、その後、吐出ポート１２８および１２９を出て、内側流路８８を貫流する空気と混ざる。

さらに、図示される代表的実施形態によれば、燃料ノズルアセンブリ３８は、内側流路８８を通って長手方向に延びるフローカートリッジ１４０を含む。フローカートリッジ１４０は、燃料ノズルアセンブリ３８の第２の端部８６に隣接して位置付けられたフロー先端（ｆｌｏｗｔｉｐ）１４３を含む。図５に最も良く示されるように、フロー先端１４３は、環状壁１４５および末端部１４６を有する主本体１４４を含む。末端部１４６は、符号１４７で全体が示される複数の開口部を備える。この構成によって、フロー先端１４３はフローカートリッジ１４０上に設けられる基準先端（ｂａｓｅｌｉｎｅｔｉｐ）を確立する。基準１４３に加えて、フローカートリッジ１４０は、所望の燃焼特性および／または排出制御に応じて他の様々なフロー先端を備えることができる。例えば、図６に示されるように、フロー先端１５０は、ほぼ平滑な内表面１５８を有する主本体１５５を含む。この配置によって、フロー先端１５０は非旋回式の（ｎｏｎ−ｓｗｉｒｌｅｄ）フロー先端を画定し、その中では、フローカートリッジ１４０を貫流する空気の一部分はほぼ攪拌されないままである。反対に、フローカートリッジ１４０は、図７の符号１７０で示されるものなど、旋回式のフロー先端を備えることができる。フロー先端１７０は、複数のタービュレータ部材１７８を備えた環状リブ１７５を有する主本体１７３を含む。フロー先端１７０は、フローカートリッジ１４０内を流れる空気の部分に対して旋回作用を付与する。上述のものに加えて、フロー先端１５０および１７０は、追加のガスまたは液体フロー回路、点火器、火炎検出器などを提供する部品など、任意の部品を受け入れるように設計される。

ここで、上述の代表的実施形態は、燃料噴射器をより多数にし、エンドカバーの幾何学形状の複雑さを軽減させることができるように、燃焼器の幾何学形状の柔軟性を向上させる噴射ノズルアセンブリを提供することを理解すべきである。それに加えて、噴射ノズルアセンブリは、各燃焼器に燃料を供給する単一の燃料回路の使用を可能にするとともに、単一の燃料回路を可能にする。本発明の代表的実施形態に関連して示したターボ機械は一例に過ぎないことも理解すべきである。より少数もしくはより多数の燃焼器および／または噴射器アセンブリを含む他のターボ機械も使用することができる。それに加えて、キャップ部材は、単一の噴射器アセンブリのみを、または取り付けることができる任意の数の噴射器アセンブリを支持するように構成できることを理解すべきである。

限定された数の実施形態にのみ関連して本発明を詳細に記載してきたが、本発明は、開示したそのような実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。さらに正確に言えば、本発明は、上述していないが本発明の趣旨および範囲に相応する多数の変形、変更、代替、または等価の配置を組み込むように修正することができる。それに加えて、本発明の様々な実施形態を記載してきたが、本発明の態様は記載した実施形態のいくつかのみを含んでもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、上述の説明によって限定されるものと見なされず、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

２ターボ機械
４圧縮機
５燃焼器アセンブリ
６燃焼器
８噴射器アセンブリハウジング
１０タービン
１２圧縮機／タービン軸
２２ディフューザ
２４圧縮機吐出プレナム
３０エンドカバー
３４キャップ部材
３５第１の表面
３６第２の表面
３８燃料／噴射器ノズルアセンブリ
３９燃料／噴射器ノズルアセンブリ
４４燃焼器外筒
４６燃焼器ライナ
４８燃焼室
４９環状の燃焼室冷却通路
５５尾筒
６２第一段タービンノズル
６４内壁（５５）
６５外壁（５５）
６６複数の開口部
６８環状通路
７２案内キャビティ
８０主本体
８４第１の端部
８６第２の端部
８８内側流路
９０第１の開口部
９１第２の開口部／吐出部
９４外側フロースリーブ
９５内側フロースリーブ
１００燃料プレナム
１０３第１の端部
１０４複数の開口部
１０６第２の端部
１１５タービュレータ部材
１１８複数の流翼
１１９複数の流翼
１２０複数の流翼
１２１複数の流翼
１２２複数の流翼
１２８吐出ポート（１１８）
１２９吐出ポート（１２２）
１４０フローカートリッジ
１４３フロー先端
１４４主本体
１４５環状壁
１４６末端部
１４７開口部
１５０フロー先端
１５５主本体
１５８ほぼ平滑な内表面
１７０フロー先端
１７３主本体
１７５リブ
１７８タービュレータ部材

Claims

圧縮機（４）と、
タービン（１０）と、
前記タービン（１０）に動作可能に接続された燃焼器（６）と、
前記燃焼器（６）に取り付けられたエンドカバー（３０）と、
前記燃焼器（６）内に位置付けられたキャップ部材（３４）であって、第１の表面（３５）と第２の表面（３６）とを含むキャップ部材（３４）と、
前記燃焼器（６）内に画定された燃焼室（４８）と、
前記キャップ部材（３４）の前記第２の表面（３６）で支持される少なくとも１つの噴射ノズル（３８、３９）であって、内側流路（８８）を通って第２の端部（８６）まで延びる第１の端部（８４）を有する主本体（８０）を含み、前記第１の端部（８４）がある量の第１の流体を受け入れるように構成され、前記第２の端部がある量の第２の流体を受け入れるように構成され、前記第２の端部（８６）が、前記第１および第２の流体の混合気を前記噴射ノズル（３８、３９）から前記燃焼室（６）内へと吐出する、少なくとも１つの噴射ノズル（３８、３９）とを備える、ターボ機械（２）。
前記少なくとも１つの噴射ノズル（３８、３９）が、前記第１の流体にフロー特性を付与するフロー先端（１４３）を含む内側フローカートリッジ（１４０）を含む、請求項１記載のターボ機械（２）。
前記フロー先端（１４３）が非旋回式の先端である、請求項２記載のターボ機械（２）。
前記フロー先端（１４３）が、内部リブ部材（１７５）を含む旋回式の先端である、請求項２記載のターボ機械（２）。
前記フロー先端（１４３）が、複数の開口部（１４７）が形成された壁部分（１４５）を含む基準先端である、請求項２記載のターボ機械（２）。
前記少なくとも１つの噴射ノズル（３８、３９）が、前記主本体（８０）の前記第２の端部（８６）に配置された少なくとも１つの燃料入口（１０３）を有する環状の燃料プレナム（１００）を含む、請求項１記載のターボ機械（２）。
前記少なくとも１つの噴射ノズル（３８、３９）が内側フロースリーブ（９５）および外側フロースリーブ（９４）をさらに含み、前記内側フロースリーブ（９５）が前記環状の燃料プレナム（１００）を画定するように前記外側フロースリーブ（９４）に取り付けられた、請求項６記載のターボ機械（２）。
前記少なくとも１つの噴射ノズル（３８、３９）が複数の流翼（１１８〜１２２）を有するタービュレータ部材（１１５）を含み、前記タービュレータ部材（１１５）が前記少なくとも１つの噴射ノズル（３８、３９）の前記内側流路（８８）に沿って配置された、請求項６記載のターボ機械（２）。
前記複数の流翼（１１８〜１２２）がそれぞれ、前記環状の燃料プレナム（１００）に流体接続された吐出ポート（１２８、１２９）を含む、請求項８記載のターボ機械（２）。