JP2011226773A - 燃料ノズルに関する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼前に燃料と圧縮した作動流体とを予混合できる改良した燃料ノズルを提供する。
【解決手段】燃料ノズル３０は、燃料プレナム３２と、燃料プレナム３２を囲む外側体３４と、外側体３４を長手方向に貫いて延びる穿孔４６とを備える。燃料ノズル３０は、外側体３４に燃料プレナム３２を固定取り付けする手段と、燃料プレナム３２と穿孔４６の間で流体連通をもたらす通路５０とをさらに備える。燃料ノズル３０の製造方法は、外側体３４を長手方向に貫いて穿孔４６を孔開けするステップと、穿孔４６へ至る外側体３４中の通路５０を孔開けするステップとを含む。この方法は、外側体３４の中に燃料プレナム３２を挿入し、通路５０が、穿孔４６と燃料プレナム３２の間で流体連通をもたらすステップと、外側体３４に燃料プレナム３２を取り付けるステップとをさらに含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、燃焼器中の燃料ノズル、およびそのような燃料ノズルの作製方法に関する。

燃焼器は、商業運転で幅広く使用されている。例えば、典型的なガスタービンは、圧縮した作動流体の流れの中に燃料を噴射し、混合気を点火して高温高圧の燃焼ガスを生成する少なくとも１つの燃焼器を備える。燃焼ガスは、燃焼器から出てタービンへ流れ、そこで燃焼ガスは、膨張して機能する。

図１は、当技術分野で知られている燃焼器１０の簡略断面図を示す。ケーシング１２は、圧縮した作動流体を収容するために燃焼器１０を囲む。図１に示すように、ノズルは、端部カバー１６に配置され、例えば、一次ノズル１８は、二次ノズル２０の周りに放射状に配置される。ノズル１８、２０の下流のライナ２２は、スロート２８によって隔てられた上流チャンバ２４および下流チャンバ２６を画定する。圧縮した作動流体は、ケーシング１２とライナ２２の間でノズル１８、２０へ流れる。ノズル１８、２０は、燃料と圧縮した作動流体とを混合し、混合気は、ノズル１８、２０から上流チャンバ２４および下流チャンバ２６の中に流れ、そこで燃焼が起こる。

全力による負荷運転中、ノズル１８、２０を通り抜ける燃料と圧縮した作動流体との混合気の流量は、下流チャンバ２６の中だけで燃焼が起こるように十分に高い。しかし、減出力運転中、一次ノズル１８は、一次ノズル１８からの燃料と圧縮した作動流体との混合気が上流チャンバ２４内で燃焼を起こすように、一次ノズル１８からの燃料と圧縮した作動流体との混合気の流量を減少させた拡散モードで作動する。全ての運転中、二次ノズル２０は、燃焼器が作動するための炎源を与える複合拡散予混合ノズルとして作動する。このようにして、燃焼器の作動範囲全体にわたってＮＯｘの放出を最適化するために、燃焼器の運転負荷に応じて一次ノズル１８および二次ノズル２０を通じて流れる燃料は、調整できる。

米国特許第７，０２４，８６１号公報

より高い反応性燃料のために特別に、改良した予混合能力および拡散能力を有する燃料ノズルを設計および製造するために、様々な努力がなされてきた。例えば、直接金属レーザ焼結法、ロウ付け（ｂｒａｉｓｉｎｇ）、および鋳造は、燃焼前に燃料と圧縮した作動流体とを予混合する燃料ノズルを製造するために以前から使用されている製造技術である。しかし、これら製造技術は、比較的費用と時間がかかり、その他の点でも大規模生産に最適とは言えないものである。したがって、燃焼前に燃料と圧縮した作動流体とを予混合できる改良した燃料ノズルが望まれている。加えて、よりコストのかかる他の技術ではなくそれほど費用のかからない機械加工技術を利用する、そうしたノズルの改良した作製方法が望まれている。

本発明の態様および利点については、以降の説明において後述するか、またはその説明から明らかとすることができるか、または本発明の実施を通じて知ることができる。

本発明の一実施形態は、燃料プレナムと、その燃料プレナムを囲む外側体とを備える燃料ノズルである。外側体は、その外側体を長手方向に貫いて延びる複数の穿孔を備える。燃料ノズルは、外側体に燃料プレナムを固定取り付けする手段と、複数の穿孔のうち少なくともいくつかと燃料プレナムの間の外側体中の複数の通路とをさらに備え、複数の通路は、燃料プレナムと複数の穿孔のうち少なくともいくつかとの間で流体連通をもたらす。

本発明の別の実施形態は、外側体を備える燃料ノズルであり、外側体は、その外側体を長手方向に貫いて延びる複数の穿孔を備える。燃料プレナムは、外側体の中に挿入され、外側体と燃料プレナムの間に接続があり、外側体は、燃料プレナムに固定され、燃料プレナムから取り外し可能である。複数の通路は、複数の穿孔のうち少なくともいくつかと燃料プレナムの間の外側体中にあり、複数の通路は、燃料プレナムと複数の穿孔のうち少なくともいくつかとの間で流体連通をもたらす。

本発明のさらなる実施形態は、燃料ノズルの製造方法である。この方法は、外側体を長手方向に貫いて複数の穿孔を孔開けするステップと、複数の穿孔のうち少なくともいくつかまで外側体中の複数の通路を孔開けするステップとを含む。この方法は、外側体の中に燃料プレナムを挿入し、外側体中の複数の通路が、複数の穿孔のうち少なくともいくつかと燃料プレナムの間で流体連通をもたらすステップと、外側体に燃料プレナムを取り付けるステップとをさらに含む。

当業者は、本明細書を検討すれば、そのような実施形態の特徴および態様、ならびに他のことをより良く理解されよう。

当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の十分かつ実施可能な開示は、添付図面の参照を含む本明細書の残りにより詳細に説明されている。

当技術分野で知られている燃焼器の簡略断面図である。 本発明の一実施形態による燃料ノズルの斜視断面図である。 本発明の代替実施形態による燃料ノズルの断面図である。

ここで、本発明の本実施形態への言及を詳細に行うことにし、本実施形態の１つまたは複数の例を添付図面に例示する。図面中の特徴を指し示すために、詳細な説明は、番号および文字の符号を用いる。図面および詳細な説明中の同一または類似の符号は、本発明の同一または類似の部分を指し示すために用いられている。

各例は、本発明を説明するために与えるものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲および精神から逸脱することなく修正形態および変形形態を本発明において作製できることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明した特徴は、さらなる実施形態を与えるために別の実施形態に用いられてもよい。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入るそのような修正形態および変形形態を対象として含むものである。

本発明の実施形態は、予混合直噴（ＰＤＩ）燃料ノズルの設計を作り出すために機械加工され、組み立てられ得る。一般に、燃料ノズルの設計は、２つの構成要素を含み、この２つの構成要素は、その後の組立てのために別個に機械加工または製造することができる。一方の部品は、チップまたは外側体と呼ばれ得るものであり、他方の部品は、燃料カートリッジまたは燃料プレナムと呼ばれ得る。燃料プレナムは、前壁に衝突冷却をもたらすために、燃料を下流へ向けて外側体の前壁に当てる。前壁と衝突した後、次いで燃料は、通路を通じて外側体中の穿孔へ流れ、そこで燃料は、燃料ノズルから出て燃焼チャンバに流れ込む前に、穿孔を貫いて流れる流体と混合する。燃料プレナムと、様々な穿孔および他の通路を有する外側体とは、直接金属レーザ焼結法などのよりコストのかかるプロセスを必要とする代わりに機械加工によって容易に製造することができる。その結果、本発明の様々な実施形態による燃料ノズルは、製造にそれほど費用がかからないものとすることができると共に、さらに、燃料ノズルに対する冷却および燃焼前の燃料の予混合に改良をもたらす。

図２は、本発明の一実施形態による燃料ノズル３０の斜視断面図を示す。説明する通り、燃料ノズル３０は、概して、２つのモジュール式の構成要素、すなわち燃料カートリッジもしくは燃料プレナム３２と、外側体３４とを備えており、これら燃料カートリッジもしくは燃料プレナム３２と、外側体３４とは、その後の組立てのために別個に機械加工または製造することができる。燃料プレナム３２は、燃料ノズル３０へ流れ、燃料ノズル３０を通り抜ける燃料のためのチャンバまたは導管を与える。例えば、図２に示すように、燃料プレナム３２は、燃料ノズル３０内の中央に位置する長手方向通路３６を備えてもよい。燃料プレナム３２への入口３８は、燃料供給源（図示せず）に接続することができる。商用の燃焼機関に供給され、商用の燃焼機関によって使用されると考えられる燃料には、例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化された液化天然ガス（ＬＮＧ）、プロパン、および水素が含まれる。燃料プレナム３２は、複数の穴４０をさらに備え得る。穴４０は、例えば、図２に示すように、燃料プレナム３２の下流部に位置することができる。複数の穴４０により、燃料が、燃料プレナム３２を通り抜けて、燃料プレナム３２から流出することが可能になる。

外側体３４は、燃料プレナム３２の下流で、燃料プレナム３２中の複数の穴４０のすぐ近くにある前壁４２を含む。前壁４２は、一般に、燃焼炎に最も近い、燃料ノズル３０の部分であり、したがって、燃料ノズル３０の残りの部分より高い温度を受ける。複数の穴４０を貫いて流れる燃料は、燃料プレナム３２から出て前壁４２に衝突して、前壁４２に衝突冷却をもたらす。

外側体３４は、燃料プレナム３２と外側体３４の間に空間または環状プレナム４４を作り出して、燃料プレナム３２を全体的に囲む。外側体３４は、外側体３４を長手方向に貫いて延びる複数の穿孔４６をさらに備える。穿孔４６は、任意の所望のパターンで配置することができる。例えば、図２に示すように、穿孔４６は、燃料プレナム３２の周りに同心円に配置されてもよい。穿孔４６は、形状がほぼ円筒形であるが、特許請求の範囲に特に説明していない限り、本発明は、穿孔４６をいずれかの特定の形状に限定しない。各穿孔４６は、一般に、入口４８を含み、この入口４８は、穿孔４６の中に入り、穿孔４６を通り抜ける流体の流れが一様に分布することを促進するために、図２に示すように傾斜されてもよい。

外側体３４は、穿孔４６のうち少なくともいくつかと燃料プレナム３２の間に複数の通路５０をさらに備える。複数の通路５０は、燃料プレナム３２と複数の穿孔４６のうち少なくともいくつかとの間で流体連通をもたらす。具体的には、複数の穴４０を通じて燃料プレナム３２から出る燃料は、前壁４２に衝突して、前壁４２に衝突冷却をもたらす。次いで、燃料は、環状プレナム４４を通じて流れ、複数の通路５０のうち１つに到達して初めてそこで燃料は関連した穿孔４６に流れ込む。このようにして、燃料は、穿孔４６から出て燃焼チャンバに入る前に、穿孔４６を貫いて流れる流体（例えば、圧縮器からの圧縮した作動流体）と混合する。

燃料プレナム３２および外側体３４は、その後の組立てのために別個に機械加工および製造することができる。例えば、燃料プレナム３２および／または外側体３４は、溶融金属から鋳造されてもよい。次いで、外側体３４中の様々な穿孔４６および通路５０は、正確に、費用をかけないで外側体３４中の様々な要素の位置を特定し、これら要素の大きさに作製し、これら要素の向きを合わせるように、孔開けすることができる。必要であれば、様々な穿孔４６への入口４８は、傾斜面を含むようにさらに機械加工されてもよく、または他の方法で、特別な設計検討事項に応じて特定の穿孔４６について入口４８の表面積を増大させてもよい。次いで、燃料プレナム３２は、外側体３４によって画定された環状プレナム４４の中に挿入され、外側体３４に取り付けできる。

外側体３４に燃料プレナム３２を取り付け、または接続する様々な方法および手段が、当技術分野で知られている。例えば、外側体３４に燃料プレナム３２を取り付け、または接続するためのロウ付け、溶接、相補的なねじ、シールリング、ならびに他の均等な技法および接続が、当技術分野で知れられている。特定の設計が必要とするところに応じて、燃料プレナム３２と外側体３４の間の接続は、恒久的であってもよく、またはメンテナンスまたは修理中に燃料プレナム３２を取り外すことを可能にするために一時的であってもよい。図２に示す特定の実施形態は、燃料プレナム３２と外側体３４の間に連続溶接ビード５２を備える。加えて、この特定の実施形態は、燃料プレナム３２と外側体３４の間にねじ接続５４も備える。本発明の範囲内の代替実施形態は、外側体３４に燃料プレナム３２を取り付け、または接続するこれら手段、および／またはタック溶接などの他の溶接技術、および／または燃料プレナム３２と外側体３４の間の他の機械的な取付具または接続のうち１つだけを備えてもよい。

図３は、本発明の代替実施形態による燃料ノズル５６の断面図を示す。本実施形態における燃料プレナム３２および外側体３４は、以前に図２中で説明および例示した実施形態とほぼ同様であり、したがって、同じ参照番号が用いられる。この特定の実施形態では、外側体３４に燃料プレナム３２を取り付け、または接続する手段は、燃料プレナム３２の外周部の周りに連続溶接ビード５２をやはり備える。加えて、この特定の実施形態の断面図は、燃料プレナム３２から別々の距離に位置する穿孔４６どうしの間における複数の通路５０を示す。このようにして、燃料は、より一様に分布され、特に選択した穿孔４６において混合され得る。

本明細書は、例を用いて、最良の形態を含む本発明を開示しており、いずれかの装置またはシステムを生産および使用し、いずれかの組み込まれた方法を実施することなど、当業者が本発明を実施することも可能にする。本発明の特許性の範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、そうした他の例が、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的要素を含む場合、またはそうした他の例が、特許請求の範囲の文言とは実質的に差のない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。

１０ 燃焼器
１２ ケーシング
１６ 端部カバー
１８ 一次ノズル
２０ 二次ノズル
２２ ライナ
２４ 上流チャンバ
２６ 下流チャンバ
２８ スロート
３０ 燃料ノズル（図２）
３２ 燃料プレナム
３４ 外側体
３６ 長手方向通路
３８ 燃料プレナムの入口
４０ 燃料プレナムの穴
４２ 前壁
４４ 環状プレナム
４６ 穿孔
４８ 傾斜した入口
５０ 外側体中の通路
５２ 溶接ビード
５４ ねじ接続
５６ 燃料ノズル（図３）

Claims (10)

1. ａ．燃料プレナム（３２）と、
   ｂ．前記燃料プレナム（３２）を囲む外側体（３４）であって、外側体（３４）を長手方向に貫いて延びる複数の穿孔（４６）を備える外側体（３４）と、
   ｃ．前記外側体（３４）に前記燃料プレナム（３２）を固定取り付けする手段と、
   ｄ．前記複数の穿孔（４６）のうち少なくともいくつかと前記燃料プレナム（３２）の間の前記外側体（３４）中の複数の通路（５０）であって、前記燃料プレナム（３２）と前記複数の穿孔（４６）のうち少なくともいくつかとの間で流体連通をもたらす複数の通路（５０）と
   を備える、燃料ノズル（３０）。
2. 前記複数の穿孔（４６）が、前記燃料プレナム（３２）の周りに実質的に同心円状に配置される、請求項１に記載の燃料ノズル（３０）。
3. 前記外側体（３４）が、前記燃料プレナム（３２）の下流に前壁（４２）を備える、請求項１に記載の燃料ノズル（３０）。
4. 前記燃料プレナム（３２）が、前記前壁（４２）のすぐ近くにある複数の穴（４０）を備える、請求項３に記載の燃料ノズル（３０）。
5. 前記燃料プレナム（３２）と前記外側体（３４）の間に環状プレナム（４４）をさらに備える、請求項１に記載の燃料ノズル（３０）。
6. 前記複数の穿孔（４６）のそれぞれが、傾斜した入口（４８）を備える、請求項１に記載の燃料ノズル（３０）。
7. 前記外側体（３４）に前記燃料プレナム（３２）を固定取り付けする前記手段が、前記燃料プレナム（３２）と前記外側体（３４）の間に連続溶接（５２）を含む、請求項１に記載の燃料ノズル（３０）。
8. 前記外側体（３４）に前記燃料プレナム（３２）を固定取り付けする前記手段が、ねじ係合（５４）を含む、請求項１に記載の燃料ノズル（３０）。
9. 燃料ノズル（３０）を製造する方法であって、
   ａ．外側体（３４）を長手方向に貫いて複数の穿孔（４６）を孔開けするステップと、
   ｂ．前記複数の穿孔（４６）のうち少なくともいくつかへ至る前記外側体（３４）中の複数の通路（５０）を孔開けするステップと、
   ｃ．前記外側体（３４）の中に燃料プレナム（３２）を挿入し、前記複数の穿孔（４６）のうち少なくともいくつかへ至る前記外側体（３４）中の前記複数の通路（５０）が、前記複数の穿孔（４６）のうち少なくともいくつかと前記燃料プレナム（３２）の間で流体連通をもたらすステップと、
   ｄ．前記外側体（３４）に前記燃料プレナム（３２）を取り付けるステップと
   を含む方法。
10. 前記複数の穿孔（４６）のそれぞれについて傾斜した入口（４８）を機械加工するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。