JP2010276334A - タービンにおける空気及び燃料の噴射方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン燃料ノズル内での保炎の可能性を低減する。
【解決手段】一実施形態による方法は、タービン燃料ノズル（１２）のカップ（６０）の中へ燃料及び空気を受け取る段階を含む。本方法はまた、カップ（６０）内で燃料及び空気を少なくとも部分的に混合する段階を含む。更に、本方法は、燃料−空気混合物をタービン燃焼器（１６）へ向けて導く段階を含む。本方法はまた、カップ（６０）の内壁（１０４）に沿った保炎の可能性を低減するためにカップ（６０）の内壁（１０４）を保護流体流の覆いで遮蔽する段階を含む。保護流体流は、燃料及び空気より成る可燃性混合物を排除する。
【選択図】図６

Description

本書で開示する内容はタービン・エンジンに関するものであり、より具体的には、保炎(flame holding) の可能性を低減するために設計を改善した燃料ノズルに関するものである。

液体／気体燃料と空気とを混合することは、タービン・エンジンなどのような様々なエンジンにおけるエンジン性能及び排出物に影響を及ぼす。例えば、タービン・エンジンは、燃焼器内での燃料−空気混合を促進させるために１つ以上の燃料ノズルを用いることができる。各々の燃料ノズルは、空気、燃料、及び随意選択による他の燃料を燃焼器の中へ導く構造を含むことができる。燃焼器に入ったとき、燃料−空気混合物が燃焼し、これによってタービン・エンジンを駆動する。条件によっては、火炎がフラッシュバックし及び／又は燃料ノズルの表面に保持されることがある。

米国特許第７２８４３７８号

残念なことに、この火炎の保持（保炎）は燃料ノズルの表面を高温にさらし、これは燃料ノズルを損傷し又は燃料ノズルの性能を低下させ、もってタービン・エンジンの性能を低下させる虞がある。

以下に、「特許請求の範囲」に記載された発明の範囲に相応する特定の実施形態について概要を記載する。これらの実施形態は「特許請求の範囲」に記載された発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ本発明の取り得る形態についての概要を提供しようとするに過ぎない。実際には、本発明は、以下に述べる実施形態と類似するか又はそれらとは異なることのある様々な形態を包含することができる。

第１の実施形態では、タービン・エンジンを含むシステムを提供する。タービン・エンジンは燃焼器を含む。タービン・エンジンはまた、燃焼器内に配置された燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、カップ内で混合するように燃料及び空気を導く燃料通路及び空気通路を含む。燃料ノズルはまた、カップの内壁に沿って流体の流れを導くための邪魔板をカップ内に含み、ここで、流体の流れは、混合された又は混合されていない不燃性混合物である。

第２の実施形態では、タービン燃料ノズルを含むシステムを提供する。タービン燃料ノズルは燃料通路を含む。タービン燃料ノズルはまた空気通路を含む。更に、タービン燃料ノズルは、燃料及び空気通路に結合されたカップを含む。カップは、燃料−空気混合物をタービン燃焼器の方へ導くように構成されている。タービン燃料ノズルはまた、カップの内部に配置された邪魔板を含む。邪魔板は、内壁に沿った保炎の可能性を低減するためにカップの内壁に沿って保護流体の流れを導くための環状通路を画成する。保護流体の流れは燃料及び空気の可燃性混合物を排除する。

第３の実施形態では、方法を提供し、本方法は、タービン燃料ノズルのカップの中へ燃料及び空気を受け取る段階を含む。本方法はまた、カップ内で燃料及び空気を少なくとも部分的に混合する段階を含む。更に、本方法は、燃料−空気混合物をタービン燃焼器へ向けて導く段階を含む。本方法はまた、内壁に沿った保炎の可能性を低減するためにカップの内壁を保護流体の覆い(blanket) で遮蔽する段階を含む。保護流体流は燃料及び空気の可燃性混合物を排除する。

本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付図面を参照した以下の詳しい説明を読むことによってより良く理解されよう。図面では、全図を通じて同様な部品を同様な参照符号で表している。

図１は、保炎抵抗性燃料ノズルを持つ模範的な実施形態のタービン・システムのブロック図である。 図２は、１つ以上の保炎抵抗性燃料ノズルを持つ燃焼器を含む、図１に例示されているようなタービン・システムの模範的な実施形態の垂直断面図である。 図３は、燃焼器の端部カバーに結合された１つ以上の保炎抵抗性燃料ノズルを持つ、図２に例示されているような燃焼器の模範的な実施形態の垂直断面図である。 図４は、図３に例示されているような燃焼器の端部カバー及び保炎抵抗性燃料ノズルの一実施形態の斜視図である。 図５は、図４の線５−５によって指示されているような保炎抵抗性燃料ノズルの模範的な実施形態の垂直断面図である。 図６は、図５の線６−６によって指示されているような保炎抵抗性燃料ノズルの模範的な実施形態の別の垂直断面図である。 図７Ａは、一緒に組み合わせて保炎抵抗性燃料ノズルを形成するやり方を例示するための、図５及び６の燃料ノズル・チップ、環状燃料ノズル・ヘッド、邪魔板及び燃料ノズル・カップの模範的な実施形態の分解斜視図である。 図７Ｂは、一緒に組み合わせて保炎抵抗性燃料ノズルを形成するやり方を例示するための、図５及び６の燃料ノズル・チップ、環状燃料ノズル・ヘッド、邪魔板及び燃料ノズル・カップの模範的な実施形態の別の分解斜視図である。 図８Ａは、内部通路を破線で示した、図７Ａ及び７Ｂに例示されているような燃料ノズル・カップの模範的な実施形態の斜視図である。 図８Ｂは、内部通路を破線で示した、図７Ａ及び７Ｂに例示されているような燃料ノズル・カップの模範的な実施形態の上面図である。 図９Ａは、内部通路を破線で示した、図７Ａ及び７Ｂに例示されているような環状燃料ノズル・ヘッドの模範的な実施形態の斜視図である。 図９Ｂは、内部通路を破線で示した、図７Ａ及び７Ｂに例示されているような環状燃料ノズル・ヘッドの模範的な実施形態の上面図である。 図１０は、図７Ａ及び７Ｂに例示されているような邪魔板の模範的な実施形態の斜視図である。

以下に本発明の１つ以上の特定の実施形態を記述する。これらの実施形態の説明を簡潔にするために、実際の具現化手段の全ての特徴を本明細書で記述することはできない。ここで、任意の工業又は設計計画におけるように、任意のこのような実際の具現化手段の開発において、開発者の特定の目標を達成するために、具現化手段ごとに変わり得るシステム関連及び事業関連の制約の順守のような多数の具現化手段特有の決定を行わなければならないことを理解されたい。また更に、このような開発努力は、複雑で時間がかかることがあるが、それにも拘わらず、この開示内容を利用する通常の技術者にとって設計、製作及び製造についての日常的な仕事であることを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、数を明記しないで記載した要素及び「前記」と付した要素は、１つ以上の要素があることを意味するものとする。また用語「有する」、「含む」及び「持つ」は、排他的なものではなく、列挙した要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味するものとする。

保炎(flame holding) は、燃料ノズル設計において重要な考慮事項である。個々の燃料ノズルは、一般に、実験室試験において保炎について明確に評価される。保炎は、燃料ノズルを有意に損傷し及び／又は燃料ノズルの性能を低下させ、従ってタービン・エンジン全体の性能を低下させる虞がある。本書で開示する実施形態では、燃料ノズル内での保炎、特に拡散燃焼システムに用いられる燃料ノズル内での保炎の可能性を低減する。一般的に云えば、開示した実施形態では、燃料ノズルの壁に近い周辺領域に空気又は別の保護流体（例えば、可燃性の燃料−空気混合物ではない流体）の覆い(blanket) を生成することによって、保炎の可能性を低減する。

一般に、保炎は、熱源に近接近した低速度領域内に有炎燃焼性の混合物が存在する場合に生じ得る。拡散利用の燃焼システムに用いられる燃料ノズルにおいて、低速度領域は、一般に、燃料ノズルの空気力学的特性に起因して燃料ノズルの内壁近くに見出される。燃料ノズルによっては、混合の際の燃料流と空気流との相互作用の結果として、このような低速度領域内に有炎燃焼性の混合物が存在することがあり、この結果、燃料ノズル内部に保炎が生じる可能性がある。燃料ノズル内部での保炎により、燃料ノズルが焼損を生じる（例えば、火炎のフラッシュバックに起因した火炎損傷を受ける）ことがあり、その結果、しばしばタービン・エンジンの予期しない停止を生じさせる。

燃料ノズルは、動作状態（例えば、圧力と温度）、旋回量、流速、燃料特性（例えば、組成及び火炎速度）などのような因子を考慮することによって、保炎の可能性を低減するように設計することができる。更に、燃料ノズルは、燃料ノズル出口における平均速度が所与の動作状態で火炎速度よりも高くなるように設計することができる。しかしながら、これらの設計上の考慮事項は、速度及び燃料−空気比の局部的な変動を計算に入れていない。

前に述べたように、有炎燃焼性の混合物が存在すると共に低速度領域が存在すると、燃料ノズルは保炎を生じ易くなる。これらの低速度領域は、一般に、燃料ノズルの内壁の近くに生じる。開示する実施形態では、邪魔板を流れ分割器として使用することにより、空気又は別の保護流体（例えば、可燃性燃料−空気混合物ではない流体）を、内壁に沿って流れさせることができる。この態様では、保護流体は、内壁を覆う火炎抵抗性保護シート、フィルム又は層を生成する。内壁を覆う保護流体は、より高い速度にし且つ容易に燃焼しない組成物とすることができ、これにより、内壁に火炎が保持される可能性を低減する。換言すると、内壁を覆う保護流体は、保炎の２つの主要な要因、すなわち、低速度領域と可燃性混合物とを実質的に減少又は除去することができる。

邪魔板の（軸方向及び半径方向の）形状、長さ及び位置は、上述の利点が得られるように様々なやり方で設計することができる。一般に、邪魔板は、様々なやり方で、例えば、空気入口相互の間の金属を使用して、燃料ノズル内部に支持することができる。邪魔板の断面プロフィールは、空気入口近くの位置から始まって、燃料ノズル出口へ向かって上流へ延在することができる。邪魔板と燃料ノズルの内壁との間の流れ面積は、燃料ノズル出口で所望の速度分布を生成するように（例えば、邪魔板の輪郭、形状、半径方向位置など変更することによって）変えることができる。従って、開示した実施形態は、特に燃料ノズルの内壁領域近くでの速度及び燃料−空気比の局部的な変動を考慮している。

次に図面に注目して、先ず図１について説明すると、模範的な実施形態のタービン・システム１０のブロック図が例示されている。開示したタービン・システム１０は、タービン・システム１０における保炎を低減するように設計を改善した複数の燃料ノズル１２を用いることができる。タービン・システム１０は、このタービン・システム１０を駆動するための天然ガス及び／又は水素豊富な合成ガスのような液体又は気体燃料を使用することができる。図示されているように、複数の燃料ノズル１２は、燃料流１４を取り入れて、燃料を空気と混合し、その空気−燃料混合物を燃焼器１６に分配する。空気−燃料混合物は燃焼器１６内の室で燃焼し、これによって高温の加圧された排出ガスを生成する。燃焼器１６は排出ガスを排気出口２０へ向けてタービン１８に差し向ける。排出ガスはタービン１８を通過するとき、１つ以上のタービン羽根に作用して、システム１０の軸に沿ったシャフト２２を回転させる。図示のように、シャフト２２は、圧縮機２４を含めて、タービン・システム１０の様々な構成要素に接続することができる。圧縮機２４はまたシャフト２２に結合することのできる羽根を含む。シャフト２２が回転するとき、圧縮機２４の羽根もまた回転して、これによって空気取入れ部２６から圧縮機２４を通る空気を圧縮して、燃料ノズル１２及び／又は燃焼器１６へ送る。シャフト２２はまた負荷２８に接続することができ、負荷２８は、例えば、発電所の発電機又は飛行機のプロペラのような、乗り物又は定置負荷であってよい。負荷２８は、タービン・システム１０の回転出力によって駆動することのできる任意の適当な装置を含むことができる。

図２は、図１に例示されているようなタービン・システム１０の模範的な実施形態の垂直断面図である。タービン・システム１０は、１つ以上の燃焼器１６の内部に配置された１つ以上の燃料ノズル１２を含む。燃料ノズル１２は、燃料ノズル１２内部での保炎の可能性を低減するように燃料ノズル１２の内壁に沿って保護流体を導くように構成することができる。運転中、空気が空気取入れ部２６を介してタービン・システム１０に入って、圧縮機２４で圧縮される。圧縮された空気は次いで、燃焼器１６内で燃焼のために燃料ガスと混合することができる。例えば、燃料ノズル１２が、燃焼、放出物、燃料消費量及び出力を最適にするための適当な比率で燃料−空気混合物を燃焼器１６内に噴射することができる。燃焼により高温の加圧された排出ガスが発生され、該ガスは次いでタービン１８内の１つ以上の羽根３０を駆動することによりシャフト２２を、従って圧縮機２４及び負荷２８を回転させる。タービン羽根３０の回転はシャフト２２の回転を生じさせ、この結果、圧縮機２２内の羽根３２が、空気取入れ部２６で受け取った空気を引き込んで圧縮する。

図３は、図２に例示されているような燃焼器１６の模範的な実施形態の垂直断面図である。図示のように、複数の燃料ノズル１２が、燃焼器１６の頭端部３６近くで端部カバー３４に取り付けられている。圧縮された空気及び燃料が端部カバー３４及び頭端部３６を通って各々の燃料ノズル１２へ導かれ、これらの燃料ノズル１２は燃料−空気混合物を燃焼器１６の中へ分配する。再び繰り返すが、これらの燃料ノズル１２は、燃料ノズル１２内部での保炎の可能性を低減するために燃料ノズル１２の内壁に沿って保護流体を導くように構成することができる。燃焼器１６は燃焼室３８を含み、燃焼室３８は一般に、燃焼器ケーシング４０と、燃焼器ライナー４２と、流れスリーブ４４とによって画成される。特定の実施形態では、流れスリーブ４４と燃焼器ライナー４２とは互いと同軸であって、中空の環状空間４６を画成する。中空の環状空間４６は、冷却用の空気を通して、頭端部３６及び燃焼室３８に流入させることができる。燃焼器１６の設計は、タービン１８へ向かって遷移部分４８（例えば、先細の部分）を通る空気−燃料混合物の流れを最適にする。例えば、複数の燃料ノズル１２が加圧された空気−燃料混合物を燃焼室３８の中へ分配することができ、燃焼室３８で空気−燃料混合物の燃焼が生じる。その結果の排出ガスが、矢印５０によって示されるように、遷移部分４８を通ってタービン１８へ流れて、タービン１８の羽根３０をシャフト２２と共に回転させる。

図４は、一実施形態の端部カバー３４の斜視図であり、複数の燃料ノズル１２が端部カバー３４の端部カバー表面５２に取り付けられている。図示の実施形態では、複数の燃料ノズル１２は環状の配列で端部カバー表面５２に取り付けられている。しかしながら、任意の適当な数及び配列の燃料ノズル１２を端部カバー表面５２に取り付けることができる。特定の実施形態では、各燃料ノズル１２は内壁に沿って保護流体（例えば、空気、燃料、水、又は一般的に云えば、可燃性の燃料−空気混合物ではない流体）の覆い、フィルム又は層を供給して、燃料ノズル１２の内部又は近くでの保炎の可能性を低減することができる。この態様では、燃料ノズル１２は、燃料−空気混合物及び燃焼を下流方向５４に燃料ノズル１２から離れるようにシフト（すなわち、移動）させるものとして記述することができる。換言すれば、燃料ノズル１２内部で、少なくとも燃料ノズル１２の内壁に沿って生じる燃料−空気混合の量をより少なくすることができる。

燃料ノズル１２の中への空気入口５６はその方向を各燃料ノズル１２の軸５８の方へ内向きに定めることができ、これによって空気流は下流方向５４に燃焼器１６の中へ進行するにつれて燃料流と混合することができる。更に、特定の実施形態では、混合過程をより良好にするために、空気流及び燃料流は互いに反対方向に、例えば、時計回り及び反時計回り方向にそれぞれ旋回させることができる。他の実施形態では、空気流及び燃料流は、システム状態及び他の因子に応じて、混合を改善するために同じ方向に旋回させることができる。

以下により詳しく説明するように、各燃料ノズル１２の燃料ノズル・カップ６０内に邪魔板を使用して、空気流（又は別の保護流体）を燃料ノズル・カップ６０の内壁に沿って導くことによって、燃料ノズル・カップ６０の内壁に近い周辺領域内に空気の覆いを生成させることができる。そうすることによって、空気の覆いは、端部カバー表面５２及び燃料ノズル１２の近辺における保炎の可能性を低減する。理解されるように、或る特定の実施形態の燃料ノズル１２は、空気のみ、燃料のみ、水のみ、又は容易に燃焼しない他の流体のみを、燃料ノズル１２の内壁に沿って導くことができる。

図５は、図４に線５−５によって示されているような燃料ノズル１２の模範的な実施形態の垂直断面図である。図示されているように、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含んでいる。具体的に述べると、複数の燃料入口６２を、環状燃料ノズル・ヘッド６６の軸方向上流側の面６４に配置することができる。特定の実施形態では、燃料６８が燃料入口６２を通って流れることができる。燃料６８は、環状燃料ノズル・ヘッド６６内の複数の燃料通路７０を通る燃料流を生じさせることができる。特定の実施形態では、以下により詳しく説明するように、環状燃料ノズル・ヘッド６６の燃料通路７０は、環状燃料ノズル・ヘッド６６を通る燃料６８の旋回を促進させるように構成することができる。矢印７２によって示されているように、燃料６８は、環状燃料ノズル・ヘッド６６の軸方向下流側の面７６に配置された複数の燃料出口７４を通って環状燃料ノズル・ヘッド６６から出て行くことができる。従って、燃料６８は、燃料ノズル１２の燃料ノズル・カップ６０によって画成された混合域７８に入る。

更に、燃料ノズル・チップ８４の軸方向上流側の面８２に複数の燃料入口８０を配置することができる。特定の実施形態では、燃料８６は燃料入口８０を通って流れることができる。燃料８６は燃料ノズル・チップ８４内の複数の燃料通路８８を通る燃料流を生じさせることができる。燃料ノズル・チップ８４の燃料通路８８はまた、燃料ノズル・チップ８４を通る燃料８６の旋回を促進させるように構成することができる。矢印９０によって示されているように、燃料８６は、燃料ノズル・チップ８４の軸方向下流側の面９４に配置された複数の燃料出口９２を通って燃料ノズル・チップ８４から出て行くことができる。従って、燃料８６も、燃料ノズル・カップ６０内の混合域７８に入る。

特定の実施形態では、環状燃料ノズル・ヘッド６６を通って流れる燃料６８は、燃料ノズル・チップ８４を通って流れる燃料８６と同じものであってよい。しかしながら、他の実施形態では、環状燃料ノズル・ヘッド６６を通って流れる燃料６８は、燃料ノズル・チップ８４を通って流れる燃料８６と異なるものとすることができる（例えば、ガスとガス、液体とガス、ガスと液体、液体と液体、等々）。環状燃料ノズル・ヘッド６６及び燃料ノズル・チップ８４を別々の部品としてここでは説明しているが、特定の実施形態では、環状燃料ノズル・ヘッド６６及び燃料ノズル・チップ８４は単一の部品に一体化することができる。その上、特定の実施形態では、環状燃料ノズル・ヘッド６６及び燃料ノズル・チップ８４は、ここで例示した燃料６８，８６の別々の流れと異なり、燃料の単一の流れを受け取ることができる。

図４について前に述べたように、複数の空気入口５６は燃料ノズル・カップ６０の壁９６を通して配置することができる。空気９８は空気入口５６を通って入って、燃料ノズル・カップ６０内の混合域７８へ向かって導くことができる。しかしながら、混合域７８内で燃料６８，８６と直接に混合する代わりに、空気９８は先ず邪魔板（ｂａｆｆｌｅ）１００に遭遇させることができる。邪魔板１００は、様々なやり方で、混合域７８内の所定の場所に保持することができる。例えば、空気入口５６相互の間の金属により、邪魔板１００を所定の場所に保持することができる。邪魔板１００は、空気９８の流れを２つの空気流へ分割するように機能する。この２つの空気流は、邪魔板１００と燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４との間の外側空気流１０２と、混合域７８の中心へ向かう内側空気流１０６である。換言すると、邪魔板１００は、空気９８を外側及び内側空気流１０２，１０６に偏向させて通すための不動の壁として作用する。以下に更に詳しく説明するように、外側空気流１０２は速度を増し及び／又は内壁１０４に沿った流体の可燃性を低減し、これによって保炎の可能性を低減する。

一般に、邪魔板１００の断面プロフィールは、空気入口５６近くの前縁１０８から始まって、燃料ノズル１２の出口１１２の直ぐ上流にある後縁１１０まで延在することができる。特定の実施形態では、邪魔板１００の断面プロフィールの輪郭は、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４の輪郭と大体同じにすることができる。しかしながら、他の実施形態では、邪魔板１００と燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４との間の環状通路１１４は、外側空気流１０２の下流方向において、先細に、又は末広に、或いは中細にすることができる。例えば、先細になる空気流は、空気の速度を増大させ且つ内壁１０４に沿った保炎の可能性を低減するのに役立つことができる。

外側及び内側空気流１０２，１０６への空気９８の分割は、具現化手段及び特定の状態の間で変えることができる。例えば、特定の実施形態では、邪魔板１００は環状燃料ノズル・ヘッド６６の軸方向下流側の面７６に一層近付けて配置することができる。このような実施形態では、より多くの空気９８を内側空気流１０６よりも外側空気流１０２の方へ分割することができる。逆に、他の実施形態では、邪魔板１００を環状燃料ノズル・ヘッド６６の軸方向下流側の面７６から更に離して配置することができる。このような実施形態では、より多くの空気９８を外側空気流１０２よりも内側空気流１０６の方へ分割することができる。このように邪魔板１００の軸方向位置を変えることに加えて、邪魔板１００の輪郭、形状、半径方向位置及び他の特性を変えることによって、外側空気流１０２へ分割される空気９８の量を変えることもできる。一般に、外側空気流１０２へ分割される空気９８の量は、空気９８の全流量の４０％未満にすることができる。しかしながら、この割合は、５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、又はこの範囲内の任意の他の別個の値（例えば、１２％）に変えることができる。これらの割合は、質量流量、容積、又は空気流の任意の他の比較し得る測度に基づいて定めることができる。

図６は、図５に線６−６によって示されているような燃料ノズル１２の模範的な実施形態の別の垂直断面図である。空気９８を外側及び内側空気流１０２，１０６に分割することによって、邪魔板１００は燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に沿った保炎の可能性を低減することができる。一般に、外側空気流１０２は、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４の近くにある混合域７８の周辺領域内に空気の覆いを生成することができる。換言すれば、環状燃料ノズル・ヘッド６６及び燃料ノズル・チップ８４からの燃料６８，８６が邪魔板１００と燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４との間の環状通路１１４に入ることを、或る程度まで、阻止することができる。従って、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４の近くにある有炎燃焼性の混合物の量を減少させることができる。その上、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に沿った空気の速度を、内壁１０４に沿った従前の流れに比して及び／又は混合域７８の中央部分を通る流れに比して、少なくともほぼ５、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０又は１００パーセント（又は、この範囲内の任意の他の別個の値）だけ増大させることができる。混合域７８内の相対的に速度の低い領域は典型的には相対的に保炎を生じ易いので、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に沿って空気の速度を増大させると、保炎の可能性を更に低減することができる。このように、一部としてこれらの両方を考慮した結果として、燃料ノズル１２の燃料ノズル・カップ６０内での保炎の生じる機会が少なくなる。

ここでは空気９８の流れを分割するものとして記述しているが、特定の実施形態では、邪魔板１００はまた、混合域７８の中への他の流体の流れを分割するために使用することもできる。例えば、特定の実施形態では、邪魔板１００は混合域７８の中への別の燃料の流れを分割するために使用することができる。また更に、他の実施形態では、邪魔板１００は混合域７８の中への希釈剤の流れを分割するために使用することができる。より詳しく述べると、特定の実施形態では、環状燃料ノズル・ヘッド６６が環状燃料ノズル・ヘッド６６の外周に沿って複数の希釈剤通路を含むことができる。これらの希釈剤通路は、空気９８とは対照的に、希釈剤が邪魔板１００を横切って流れるようにすることができる。

邪魔板１００と燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４との間の環状通路１１４の中へどの流体（例えば、空気９８、別の燃料、希釈剤など）が分流されたとしても、その流体は、一般的に、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に沿った保炎から燃料ノズル１２を保護する保護流体として表すことができる。このように、保護流体は燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に沿った保炎の可能性を低減する。保護流体は、それが空気９８、燃料、希釈剤、又はそれらの流体の任意のものの組合せであるかどうかに拘わらず、一般に不燃性とすることができる。例えば、特定の実施形態では、保護流体は、空気、水、窒素又は別の希釈剤のような不燃性流体の混合物とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、保護流体は、可燃性領域内に入らない流体の混合物とすることができる。従って、燃料ノズル１２は、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に沿って可燃性混合物及び保炎を生じる可能性が少なくなる。

図７Ａ及び７Ｂは、図５及び６の燃料ノズル・チップ８４、環状燃料ノズル・ヘッド６６、邪魔板１００及び燃料ノズル・カップ６０の模範的な実施形態の分解斜視図であり、これらの構成要素を一緒に組み合わせて燃料ノズル１２を形成するやり方を例示する。例示しているように、燃料ノズル・チップ８４は一般に、燃料ノズル１２の軸１１８に沿って環状燃料ノズル・ヘッド６６を貫通する円形開口１１６内にしっかりと嵌合するように構成することができる。前に述べたように、特定の実施形態では、燃料ノズル・チップ８４及び環状燃料ノズル・ヘッド６６は、一体化して一つの部品に形成することができる。しかしながら、図７Ａ及び７Ｂに例示された実施形態では、燃料ノズル・チップ８４及び環状燃料ノズル・ヘッド６６は燃料ノズル１２の別々の部品とすることができる。前に述べたように、燃料ノズル・チップ８４及び環状燃料ノズル・ヘッド６６を別々の部品とする１つの理由は、燃料ノズル・チップ８４及び環状燃料ノズル・ヘッド６６を介して別々の燃料８６，６８をそれぞれ導くことが可能になるからである。

図示のように、邪魔板１００は一般に、邪魔板１００が環状燃料ノズル・ヘッド６６の軸方向下側の面７６上の燃料出口７４と燃料ノズル・カップ６０との間に配置されるように、環状燃料ノズル・ヘッド６６の近くに配置することができる。図５及び６について前に述べたように、この構成により、邪魔板１００は、邪魔板１００と燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４との間に画成された環状通路１１４の内側の燃料６８，８６から空気９８又は別の保護流体を隔離することができる。以下に更に詳しく説明するように、特定の実施形態では、邪魔板１００は、邪魔板１００の半径方向外側の壁１２２に１つ以上の溝１２０を含むことができる。更に、他の実施形態では、燃料ノズル・カップ６０は、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に１つ以上の溝を含むことができる。これらの溝は、邪魔板１００と燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４との間に画成された環状通路１１４の中を通る空気９８又は他の保護流体を時計回り又は反時計回り方向に旋回させることのできる旋回機構として機能することができる。

図示のように、燃料ノズル・カップ６０は、燃料ノズル・カップ６０の外壁１２４に沿って円周方向に間隔を置いて複数の空気入口５６を含むことができる。空気入口５６は空気９８のための入り口として機能し、空気９８は燃料ノズル・カップ６０の中の混合域７８内の燃料６８，８６と混合することができる。ここでは複数の別々の空気入口５６として例示されているが、特定の実施形態では、これらの空気入口５６は連続した環状の開口と置き換えることができる。邪魔板１００の前縁１０８は、一般に、空気９８を邪魔板１００によって分割することができるように空気入口５６の近くに配置することができる。更に、一般に、燃料ノズル・チップ８４、環状燃料ノズル・ヘッド６６及び邪魔板１００は全て燃料ノズル・カップ６０内に配置することができる。より詳しく述べると、燃料ノズル・チップ８４及び環状燃料ノズル・ヘッド６６は、燃料ノズル・カップ６０の壁９６の軸方向上流側部分１２６内にしっかりと嵌合するように構成することができる。より詳しく述べると、環状燃料ノズル・ヘッド６６の外壁１２８は、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４の軸方向上流側部分１２６に隣接してしっかりと嵌合するように構成することができる。

前に述べたように、特定の実施形態では、燃料ノズル１２の構成要素は、燃料ノズル１２の中の空気９８、燃料６８，８６、及び他の流体の旋回を促進させることができる。例えば、図８Ａ及び８Ｂは、図７Ａ及び７Ｂに例示されているような燃料ノズル・カップ６０の模範的な実施形態の斜視図及び上面図である。図示のように、燃料ノズル・カップ６０は、空気９８を燃料ノズル・カップ６０に流入させるように通すことのできる複数の矩形の空気入口通路１２９を形成する複数の切り出し部分を含むことができる。空気入口５６及び空気入口通路１２９は大体矩形であるとして例示しているが、空気入口５６及び空気入口通路１２９は、円形、半円形などのような他の形状にすることができる。しかしながら、空気入口通路１２９の大体矩形の形状は、一部は、環状燃料ノズル・ヘッド６６の隣接した軸方向下流側の面７６により形成することができる。

図示のように、特定の実施形態では、空気入口通路１２９は混合域７８を通る空気９８の旋回を促進させることができる。具体的に述べると、空気入口通路１２９は、空気入口通路１２９を通る軸１３０が燃料ノズル１２の軸１１８を直接通過しないように構成することができる。換言すれば、空気９８は軸１１８へ向かって直接に混合域７８に入ることができない。むしろ、空気９８は軸１１８の周りを幾分か回転（例えば、旋回）運動して混合域７８に入ることができる。空気９８の旋回運動は燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に沿った保炎の可能性を更に低減することができる。具体的に述べると、空気９８がより大きい円周方向速度成分を含むことができるので、空気９８は一般的に、混合域７８の中へ直接進行する代わりに、邪魔板１００と燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４との間の環状通路１１４を通って進行する傾向が大きくなる。

図９Ａ及び９Ｂは、図７Ａ及び７Ｂに例示されているような環状燃料ノズル・ヘッド６６の模範的な実施形態の斜視図及び上面図である。図示のように、環状燃料ノズル・ヘッド６６は、環状燃料ノズル・ヘッド６６の軸方向上流側の面６４に設けた複数の燃料入口６２から、環状燃料ノズル・ヘッド６６の軸方向下流側の面７６に設けた複数の燃料出口７４まで延在する複数の燃料通路７０を含むことができる。特定の実施形態では、燃料通路７０はまた、混合域７８を通る空気９８の旋回を促進させることができる。具体的に述べると、燃料通路７０は、燃料通路７０を通る軸１３２がまた燃料ノズル１２の軸１１８を直接通過しないように構成することができる。換言すれば、燃料６８は軸１１８へ向かって直接に混合域７８に入ることができない。むしろ、燃料６８は軸１１８の周りを幾分か回転（例えば、旋回）運動して混合域７８に入ることができる。燃料６８の旋回運動は燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に沿った保炎の可能性を更に低減することができる。具体的に述べると、燃料６８が軸方向及び円周方向の両方の速度成分を含むことができるので、燃料６８は、邪魔板１００と燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４との間の環状通路１１４に入るのではなく、混合域７８内に留まる傾向が大きくなる。

図１０は、図７Ａ及び７Ｂに例示されているような邪魔板１００の模範的な実施形態の斜視図である。前に述べたように、邪魔板１００は、邪魔板１００の半径方向外側の壁１２２に１つ以上の溝１２０を含むことができる。図示されているように、溝（１つ又は複数）１２０は、大体螺旋状に邪魔板１００の半径方向外側の壁１２２の周りに延在することができる。溝（１つ又は複数）１２０のこの螺旋状の形状は、邪魔板１００と燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４との間に画成された環状通路１１４を通る空気９８又は他の保護流体の旋回を更に促進させることができる。

前に述べたように、図８〜図１０に示されているような燃料ノズル・カップ６０、環状燃料ノズル・ヘッド６６及び邪魔板１００によって促進される旋回は、燃料ノズル１２から燃料及び空気流の所望の混合を生じさせるのに役立つことができるという点で、有益であろう。例えば、特定の実施形態では、空気流及び燃料流は、混合過程をより良好にするために、互いに反対方向に、例えば、時計回り及び反時計回り方向にそれぞれ旋回させることができる。他の実施形態では、空気流及び燃料流は、システム状態及び他の因子に応じて、混合を改善するために同じ方向に旋回させることができる。空気及び燃料流の旋回の性質は、燃料ノズル１２内の保炎の可能性を低減するのに役立つことができる。更に、特定の実施形態では、空気流及び／又は燃料流の速度は、燃料ノズル１２により所望の混合を確立するために変えることができる。

開示した実施形態の技術的効果は、保護流体流の覆いで燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４を遮蔽して、燃料ノズル・カップ６０の内壁１０４に沿った保炎の可能性を低減するためのシステム及び方法を提供することを含む。本書で開示された実施形態は、任意の燃料ノズル１２、特に拡散燃焼用に設計された燃料ノズル１２内での保炎を防止するのに役立つ。保炎の防止により、結果として、燃料ノズル寿命が延長され、またタービン・システム１０の燃焼器１６の動作の信頼性がより高くなる。開示した実施形態の別の主要な利点は、燃料ノズルの焼損（例えば、火炎のフラッシュバックに起因した火炎損傷）による予期しない運転停止が低減されることである。更に、発電システムにおいて発熱量の低い合成ガス及び他の燃料の需要が増大していることに伴い、開示した実施形態は、性能及び耐久性に基づいて燃料ノズル１２を区別することができるので、競争上の優位性を提供する。また更に、開示した実施形態は、本書で開示したシステム及び方法により既存の燃料ノズル１２を改造するために容易に用いることができる。

本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施することができるようにするために、様々な例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの記載から実質的に差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０ タービン・システム
２０ 排気出口
２２ シャフト
３０ タービン羽根
３２ 圧縮機の羽根
３４ 端部カバー
３６ 頭端部
３８ 燃焼室
４０ 燃焼器ケーシング
４２ 燃焼器ライナー
４４ 流れスリーブ
４６ 中空の環状空間
４８ 遷移部分
５０ 排出ガスの流れ
５２ 端部カバー表面
５４ 下流方向
５６ 空気入口
５８ 燃料ノズル軸
６０ 燃料ノズル・カップ
６２ 燃料入口
６４ 軸方向上流側の面
６６ 環状燃料ノズル・ヘッド
６８ 燃料
７０ 燃料通路
７２ 燃料の流れ
７４ 燃料出口
７６ 軸方向下流側の面
７８ 混合域
８０ 燃料入口
８２ 軸方向上流側の面
８４ 燃料ノズル・チップ
８６ 燃料
８８ 燃料通路
９０ 燃料の流れ
９２ 燃料出口
９４ 軸方向下流側の面
９６ 壁
９８ 空気
１００ 邪魔板
１０２ 外側空気流
１０４ 内壁
１０６ 内側空気流
１０８ 前縁
１１０ 後縁
１１２ 出口
１１４ 環状通路
１１６ 円形開口
１１８ 燃料ノズル軸
１２０ 溝
１２２ 半径方向外側の壁
１２４ 外壁
１２６ 軸方向上流側部分
１２８ 外壁
１２９ 矩形の空気入口通路
１３０ 軸
１３２ 軸

Claims (10)

1. タービン・エンジン（１０）を含むシステムであって、
   前記タービン・エンジン（１０）は、燃焼器（１６）と、前記燃焼器（１６）内に配置された燃料ノズル（１２）とを有し、
   前記燃料ノズル（１２）は、カップ（６０）内で混合するように燃料及び空気を導く燃料通路（６８、７０）及び空気通路（９８）を有し、また燃料ノズル（１２）は、前記カップ（６０）の内壁（１０４）に沿って流体の流れを導くための邪魔板（１００）を前記カップ（６０）内に有し、ここで、前記流体の流れが、混合された又は混合されていない不燃性混合物であること、
   を特徴とするシステム。
2. 前記流体の流れが空気流のみであり、前記邪魔板（１００）は 、前記空気通路（９８）からの空気流を、前記邪魔板（１００）と前記カップ（６０）との間の第１の空気流（１０２）と、前記邪魔板（１００）の内側の第２の空気流（１０６）とに分割する、請求項１記載のシステム。
3. 前記第１の空気流（１０２）は、前記空気通路（９８）からの空気流のほぼ４０パーセント未満を有している、請求項２記載のシステム。
4. 前記第１の空気流（１０２）は、前記空気通路（９８）からの空気流のほぼ１５〜２０パーセントを有している、請求項２記載のシステム。
5. 前記流体の流れが燃料流のみである、請求項１記載のシステム。
6. 前記燃料ノズル（１２）は希釈剤通路を有しており、前記流体の流れが希釈剤の流れを有している、請求項１記載のシステム。
7. 前記邪魔板（１００）及び前記カップ（６０）は前記流体の流れのための環状通路（１１４）を画成しており、更に前記邪魔板（１００）又は前記カップ（６０）は、前記流体の流れを時計回り又は反時計回り方向に旋回させるように構成された旋回機構（１２０）を有している、請求項１記載のシステム。
8. 前記邪魔板（１００）及び前記カップ（６０）は前記流体の流れの下流方向に環状通路（１１４）を画成している、請求項１記載のシステム。
9. タービン燃料ノズル（１２）のカップ（６０）の中へ燃料及び空気を受け取る段階と、
   前記カップ（６０）で燃料及び空気を少なくとも部分的に混合する段階と、
   燃料−空気混合物をタービン燃焼器（１６）へ向けて導く段階と、
   前記カップ（６０）の内壁（１０４）に沿った保炎の可能性を低減するために前記カップ（６０）の内壁（１０４）を保護流体流の覆いで遮蔽する段階であって、該保護流体流により燃料及び空気の可燃性混合物を排除する段階と、
   有している方法。
10. 前記方法は、邪魔板（１００）により前記保護流体流を分割して、前記カップ（６０）と前記邪魔板（１００）との間に第１の流体流（１０２）、及び前記邪魔板（１００）の内側に第２の流体流（１０６）を形成する段階を有し、前記第１の流体流（１０２）が空気流のみ、又は燃料流のみ、又は希釈剤の流れのみ、或いは空気流、燃料流及び／又は希釈剤の流れの組合せである、請求項９記載の方法。