JP2010185652A - ガス・タービン燃焼器用の燃料噴射 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス・タービン燃焼器の燃料噴射の改良。
【解決手段】
噴射器が、表面（１３２）と、表面（１３２）内に形成された噴射器孔（１２４、５０８）とを備える。また噴射器は、表面（１３２）内に形成された溝（１４０、５１６）であって、噴射器孔（１２４、５０８）を取り囲む溝（１４０、５１６）を備える。本発明の別の態様によれば、燃料噴射器が、流体の流路の境界を付ける表面と、燃料表面内に形成された噴射器孔とを備える。また燃料噴射器は、表面内に形成された溝であって、燃料噴射器孔を取り囲む溝とを備える。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示する主題はガス・タービンに関し、詳細には、ガス・タービン燃焼器用の燃料噴射に関する。

ガス・タービン用の典型的な燃焼器においては、燃料は入力気流に対して直交流噴射によって導入される。直交流噴射に関連する問題の大きさおよび／または重大性を他と比べてわずかに軽減することが、燃料噴流の角度を変えること、および／または燃料排出孔に対して非従来的なデザインを用いることによって達成することができる。それにもかかわらず、直交流にある燃料噴流が原因で、燃料噴流の後方に位置する再循環領域または気泡が形成される。この再循環気泡のサイズは多くの因子に依存する。たとえば、噴流直径、噴流と主ストリーム流との間の運動量比である。再循環気泡は普通は、燃料噴流の直径および運動量とともにサイズが大きくなる。燃料噴流が直交流で導入されると、燃料が燃料噴流の後方に運ばれる結果、可燃性の混合物が噴流後方の再循環領域または気泡内に形成される場合がある。この領域内で保炎が生じて、ハードウェア損傷につながる可能性がある。また燃料噴流によって境界層が崩壊する結果、流れ分離が、ノズル中央のボディ上、翼上、およびディフューザ内で起こる可能性がある。燃料過多な境界層となる傾向（保炎または逆火につながる）も存在する。

米国特許第６，４３８，９６１号明細書

このため、ガス・タービン燃焼器の燃料噴射の改良が求められる。

本発明の一態様によれば、噴射器が、表面と表面内に形成された噴射器孔とを備える。また噴射器は、表面内に形成された溝であって、噴射器孔を取り囲む溝を備える。

本発明の別の態様によれば、燃料噴射器が、流体の流路の境界を付ける表面と、燃料表面内に形成された噴射器孔とを備える。また燃料噴射器は、表面内に形成された溝であって、燃料噴射器孔を取り囲む溝とを備える。

本発明のさらに別の態様によれば、燃料噴射器は、表面を有するボディと、少なくともボディの厚さの一部を通って形成された燃料噴射器孔とを備える。また燃料噴射器は、表面内に形成された溝であって、燃料噴射器孔を取り囲む溝とを備える。

これらおよび他の優位性および特徴が、図面とともに以下の説明からより明らかとなる。

主題（本発明とみなされる）は特に、本明細書の結びにおける請求項において示され、明確に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、添付図面とともに以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の実施形態によるガス・タービン用の燃焼器の一部である予混合器の空気旋回翼または案内羽根スウォズル・アセンブリの一部の斜視図である。 本発明の実施形態による図１の予混合器の燃料噴射器部分の前面図である。 本発明の実施形態による図１の予混合器の燃料噴射器部分の側面図である。 本発明の別の実施形態による図１の予混合器の燃料噴射器部分の前面図である。 本発明の別の実施形態による図１の予混合器の燃料噴射器部分の側面図である。 従来技術による燃料噴射器ペグの斜視図である。 本発明の実施形態による燃料噴射器ペグの斜視図である。

詳細な説明において、本発明の実施形態を、優位性および特徴とともに、図面を参照して一例として説明する。

本発明の種々の実施形態は、入力空気ストリームと直交流にある燃料噴流の進行を制御し、以下に記載する燃料噴射孔の場所にかかわらず多くのタイプの燃料ノズルにおいて適用することができる。図１は、本発明の実施形態によるガス・タービン用の燃焼器の一部である予混合器の空気旋回翼または案内羽根スウォズル・アセンブリ１００の一部である。燃焼空気は通常、吸気流調節器から既知の仕方でスウォズル・アセンブリ１００に送出される。図１において、その空気流の方向は通常下方であるが、まっすぐ下方である代わりに、ある程度角度が付いていても良い。

スウォズル・アセンブリ１００は、内側の中央のボディまたはハブ１０４と外側の側板１０８とを備えている。ハブ１０４および側板１０８は、一連の翼形状の案内羽根または翼１１２によって接続されている。翼形状の案内羽根または翼１１２によって旋回が、スウォズル・アセンブリ１００を通る燃焼空気に与えられる。各案内羽根１１２は、主燃料供給通路（当該技術分野で知られている）と副燃料供給通路との両方を備えている。両方の通路は通常、翼または羽根１１２の中心部を通って形成されている。燃料通路から燃料が、一連の主ガス燃料噴射孔１１６と一連の副ガス燃料噴射孔１２０とに分配される。これらのガス燃料噴射孔は、翼または羽根１１２の壁を貫通しており、下方に流れる燃焼空気と直交流の状態で燃料を外に出す。これらの燃料噴射孔１１６、１２０は、案内羽根１１２の圧力側、吸引側、または両側に配置しても良い。燃料が、スウォズル・アセンブリ１００に、吸気口ポートおよび環状通路を通って入ることは、当該技術分野で知られている通りである。吸気口ポートおよび環状通路から、主および副案内羽根通路１１６、１２０それぞれに供給されている。燃料は、スウォズル・アセンブリ１００において燃焼空気との混合を開始し、燃料／空気の混合が環状通路（図示せず）において完了する。環状通路は、当該技術分野で知られているように、スウォズル・ハブ延長部分とスウォズル側板延長部分とによって形成されている。環状通路を出た後で、燃料／空気混合気は燃焼器反応ゾーンに入り、そこで燃焼が起こる。

スウォズル・アセンブリ１００において燃料が、空気力学的な案内羽根１１２の圧力側における孔１１６、１２０を通して噴射されると、空気流場に対する外乱が減る。しかし小さい再循環気泡が、燃料噴流の下流において、それでも存在する可能性がある。加えて、逆火を促進する可能性がある燃料過多な境界層が進行する場合がある。燃料噴射孔１１６、１２０の一部が羽根１１２の吸引側に配置されていても、同じ不利点が当てはまる。加えて、再循環気泡は、全体的な流動状態が同じもとでサイズが増加する可能性があり、燃料噴流によって流れ分離が誘起される可能性がある。

図１は、スウォズル・アセンブリ１００の幾何学的形状の詳細である。前述したように、燃料噴射孔１１６、１２０の２つのグループが各案内羽根１１２の表面上に存在する。たとえば、主燃料噴射孔１１６および副燃料噴射孔１２０である。燃料がこれらの燃料噴射孔に、主および副ガス通路それぞれを通して供給される。これら２つの噴射路を通る燃料流れは独立に制御されて、スウォズル・ハブ１０４からスウォズル側板１０８への半径方向の燃料／空気濃度分布プロファイルを制御することが可能になっている。

図１は、図２Ａおよび２Ｂとともに、本発明の実施形態による付加的な燃料噴射器孔１２４を備える中央のボディまたはハブ１０４である。孔１２４は、形状が円筒型であっても良く、一実施形態においては、孔１２４は、ハブ１０４の厚さ全体を通して形成されている。これを、図２Ａおよび２Ｂに示す。しかし孔１２４は、他の任意の好適な形状を取っても良い。矢印１２８を伴うラインが示すのは、孔１２４を通る燃料の流れであって、ハブ１０４の内側からびハブ１０４を通って、一対の案内羽根１１２が配置されるハブ１０４と側板１０８との間の間隔の中に流れる燃料の流れである（すなわち「燃料噴流」１２８）。側板１０８に面するハブ１０４の内壁１３２（ハブ１０４の境界面１３２として機能する）には、外側に突出する部分１３６が含まれている。突出する部分１３６内にはまた、一実施形態において溝１４０が経路として形成され、突出物１３６の表面はまたハブ１０４の境界面の一部を形成している。一実施形態においては、燃料噴射孔１２４は溝１４０のほぼ最下部の付近に形成されている。

一実施形態においては、溝１４０の最下部（図２Ａおよび２Ｂに見られる）は、燃料噴射孔１２４の直下で始まって、ハブ１０４の外壁１３２の表面に沿って、主空気ストリームに対して上流方向に延びても良い。主空気ストリームは、図２Ｂにおいて矢印１４４を伴うラインで示す。その結果、主空気ストリーム１４４は、燃料噴射孔１２４を出る燃料と直交流にある。溝１４０が局所的な主空気流の方向１４４と大まかに位置合わせされていると、他と比べて最大の利点が得られる。空気流は、利用可能な流れ領域内に広がり、その結果、空気流は最終的に溝１４０を埋める。これを、矢印１４８を伴うラインによって示す。溝１４０の内部に捕捉された空気は、溝１４０によって画定される経路に沿って流れる。燃料噴流１２８に近いところでは、空気流は、燃料噴流１２８によって遮られるとともに溝１４０の側壁によって制限される。溝１４０が燃料噴流１２８よりも広い場合、経路１４０内の空気流は、燃料噴流１２８の後方（普通は再循環気泡が形成されたであろう場所）に生じた低圧によって圧力勾配が大きくなるために、燃料噴流１２８の周りを動く。燃料噴流１２８の下流の溝１４０の最下部において（図２Ａおよび２Ｂに見られる）、経路１４０内に捕捉された空気流は、主ストリーム内に（燃料噴流１２８の下流の再循環領域において）放出される。これを、ライン１４８によって示す。その結果、新しい空気がこの領域に加えられるため、保炎が防止される。この領域内に排出される空気流の量は、溝１４０のサイズに依存する。さらに、溝１４０の最下部の形状に応じて、経路空気流１４８を、壁１３２に垂直に排出するか（図２Ｂ）、または壁１３２に沿って送って（図３Ｂ）、境界層を強化し、流れ分離および／または燃料過多な境界層を回避することもできる。

図３Ａおよび３Ｂはそれぞれ、本発明の別の実施形態による図１のスウォズル・アセンブリ１００の燃料噴射器部分の前面および側面図である。この実施形態は図２Ａおよび２Ｂの実施形態とある程度同様であるため、同様の参照数字によって同様の要素を指す。図３Ａおよび３Ｂの実施形態と図２Ａおよび２Ｂのそれとの違いは、溝１４０がさらに下方に延長されて、「Ｖ」形状の構成で終了する部分１５２となっていることであるる。図３Ｂには示していないが、燃料再循環気泡が形成される場合があるが、この実施形態においては、気泡はハブ１０４の内壁の表面１３２には付着せず、そのため、わずかな保炎の発生も防止される。図３Ａおよび３Ｂの実施形態では、ハブ１０４の壁１３２内に形成される溝１４０の形状を制御することによって、経路空気流の方向を制御できるという事実を例示している。図３Ｂでは、経路空気流１４８を壁１３２に沿って送っており、経路空気流を壁１３２と垂直に排出する図２Ｂのそれとは対照的である。

代替的な実施形態においては、ハブ１０４（図１）内への燃料の導入を、ハブの上面に形成された孔１６０を通して行なっても良い。１つまたは複数の燃料回路をハブ１０４のボディ内部に形成して燃料を燃料噴射孔１２４に送り、そこから前述のように外へ放出することを図っても良い。

溝１４０を、図２および３に示すように突出物１３６内に形成することもできるし、ハブの外面１３２内に刻み付けることもできる。溝は単に、燃料排出孔の上流で空気で満たされるように十分に長い必要があるだけである。計算流体力学（ＣＦＤ）を用いて、溝１４０の内部に捕捉される流れの予想される挙動を検証している。

図４は、従来技術の燃料噴射器ペグ４００である。ペグ４００は通常、ガス・タービンの燃焼器の予混合器部分の一部である。ペグ４００は、バーナーのケーシングによって既知の方法で一端（たとえば、図４に見られるように右端部）で支持しても良いし、またはペグ４００を、ケーシングによっておよびたとえば中心に配置された拡散バーナーによって両端で支持しても良い。さらに、複数のペグ４００を設けても良い。ペグ４００は、形状が円筒型であると示しているが、任意の好適な形状とすることができる。ペグ４００は、燃料供給から燃料を与える働きをし、燃料はペグ４００の長さ４０４に沿って下方に（すなわち、図４に見られるように右から左に）移動して、ペグ４００をたとえば２つの開口部４０８から出る。２つより多いかまたは少ない開口部４０８を設けても良く、開口部を互いに対して任意の仕方で配向しても良い。各開口部４０８から出る燃料噴流は通常、流入空気流４１２に対してある角度（たとえば、４５度、９０度など）に配向されている。次に燃料をある程度まで空気流と混合した後に、通常は、予混合器内のチャンバに与えて、そこでさらなる混合が一般的に行なわれる。

この従来技術のペグ・デザインの問題点は、直交流にある燃料噴流によって、燃料噴流の後方に位置する再循環領域または気泡が形成されることである。前述したように、この再循環気泡のサイズは多くの因子に依存し、たとえば噴流直径、および噴流と主ストリーム流との間の運動量比である。再循環気泡は普通は、燃料噴流の直径および運動量とともにサイズが大きくなる。燃料噴流が直交流で導入されると、燃料が燃料噴流の後方に運ばれる結果、可燃性の混合物が噴流後方の再循環領域または気泡内に形成される場合がある。この領域内で保炎が生じて、たとえば予混合器の損傷につながる可能性がある。

図５は、本発明の実施形態による燃料噴射器ペグ５００である。この実施形態のペグ５００は、従来技術のペグ４００とある程度同様である。すなわち、燃料流れがペグ５００の長さ５０４に沿って下方に与えられ、各燃料噴流は付随の開口部５０８を通って出る。各燃料噴流は流入空気ストリーム５１２に対して直交流の角度方向にある。図５の実施形態のペグ５００に伴う主な違いは、溝５１６がペグ５００の表面内に形成されていることである。図５に示すように、一実施形態においては、溝５１６は２つの開口部５０８の間の円周長さ全体に渡って形成されて、これらの開口部を接続している。溝５１６の目的は、前述した図２および３の実施形態の溝１４０と同様である。すなわち、流入空気ストリーム５１２からの空気の一部が、溝５１６内に捕捉されて溝５１６内を動き、最終的にそこから放出されて、主空気ストリーム内に入る。これにより、再循環気泡の形成が防止され、その結果、開口部５０８を出る燃料噴流の後方の領域において保炎が発生することが防止される。

本発明の実施形態について、ハブ１０４の外面１３２を参照して説明してきたが、本発明の種々の実施形態を、流路に境界を付けて燃料噴射用に利用できる他の任意の表面（たとえば、側板または案内羽根でさえ）において用いても良いことを理解されたい。

本発明の実施形態は、直交流にある噴流の進行を制御し、燃料噴射孔の場所にかかわらず、すべての燃料ノズルにおいて適用することができる。加えて、本発明の実施形態は、このような燃料噴射に関連する性能特性（たとえば、燃料噴流貫通および燃料／空気混合特性）を改善する燃料噴射を提供する。直交流にある燃料噴流の進行を制御および支援する堅固なメカニズムも提供される。同時に、直交流噴射に関連する主な不利点が取り除かれる。たとえば、噴流の後方に位置する再循環気泡である。燃料噴流が直交流で導入されると、燃料が燃料噴流の後方に運ばれて、噴流の後方の再循環気泡内に可燃性の混合物が形成されることになり、この領域内で破壊的な保炎が起こる可能性がある。本発明の実施形態により、再循環気泡が形成される可能性がなくなるか、または再循環気泡の内部の容積および／または燃空比が制御される。

本発明を、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明してきたが、本発明は、このような開示された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。むしろ本発明を変更して、これまで説明していないが本発明の趣旨および範囲に対応する任意の数の変化、変更、代用、または等価な配置を取り入れることができる。さらに、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲のみによって限定される。

Claims (8)

1. 表面（１３２）と、
   表面（１３２）内に形成された噴射器孔（１２４、５０８）と、
   表面（１３２）内に形成された溝（１４０、５１６）であって、噴射器孔（１２４、５０８）を取り囲む溝（１４０、５１６）と、を備える噴射器。
2. 表面（１３２）がスウォズル・アセンブリ（１００）の境界面を含む請求項１に記載の噴射器。
3. 表面（１３２）がペグ（５００）の表面を含む請求項１に記載の噴射器。
4. 噴射器孔（１２４、５０８）が、好適に成形された孔を含む請求項１に記載の噴射器。
5. 第１の流体（１２８）の流れが、噴射器孔（１２４、５１６）を通って噴射器孔（１２４、５１６）を出て、第２の流体（１４４）の流れが溝（１４０、５１６）を通り、第１の流体（１２８）の流れは、溝（１４０、５１６）を通る第２の流体（１４４）の流れに対してある角度で、噴射器孔（１２４、５１６）を出る請求項１に記載の噴射器。
6. 溝（１４０、５１６）は、第２の流体（１４４）の流れの方向と位置合わせされている請求項５に記載の噴射器。
   
7. 第１の流体（１２８）は可燃性の燃料を含む請求項５に記載の噴射器。
8. 第２の流体（１４４）は空気を含む請求項５に記載の噴射器。

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