JP2012032143A - 空気導入シュラウドを備えた燃料ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】空気導入シュラウドを備えたタービンエンジン用の燃料ノズルを提供する。
【解決手段】本タービンエンジン用の燃料ノズルは、該燃料ノズルの長さに沿った位置において該燃料ノズルの外部から該燃料ノズルの内部に空気の流れを導入する空気導入シュラウドを含む。空気導入シュラウド内の複数の空気導入アパーチャは、燃料ノズルの内部に導入される空気を該燃料ノズルの内部の周りに回転状態で旋回させるように配置することができる。燃料ノズルがまた、空気導入シュラウドの上流に設置されかつ該燃料ノズル内の空気に該燃料ノズルの内部の周りでの回転状態の旋回を誘起するスワーラベーンを含む場合には、空気導入シュラウドの空気導入アパーチャは、該空気導入シュラウドを通して導入される空気をスワーラベーンによって生じた旋回と反対方向である回転方向に旋回させるのが好ましい。このことは、ノズル内で空気及び燃料をより良好に混合するのに役立つ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、具体的には、タービンエンジンの燃焼器用の燃料ノズルに関する。

発電産業で使用されるタービンエンジンは一般的に、タービンの圧縮機セクションの外部の周りに同心リングの形態で配置された複数の燃焼器を使用している。各燃焼器内では、複数の燃料ノズルにより、加圧空気内に燃料が送給される。空気−燃料混合気は次に、燃焼器内で点火燃焼され、高温燃焼ガスが、エンジンのタービンセクションに導かれる。

多くの燃料ノズルでは、加圧空気がノズル本体の内部を下方に流れ、また加圧空気がノズル内にある間に該空気に燃料が加えられる。一部の燃料ノズルはまた、ノズル本体内側に配置されたスワーラベーンを含む。スワーラベーンは、燃料ノズルの内部の長さを下方に流れる空気を該ノズルの内部の周りに回転状態で旋回させる。この旋回運動は、燃料及び空気を混合するのに役立ち、またこの混合又は予混合は、ＮＯｘのような望ましくない燃焼副生成物の発生を防止するのに役立つ。

米国特許第６９９３９１６号明細書

第１の態様では、本発明は、タービンエンジンの燃焼器用の燃料ノズルとして具現化することができ、本燃料ノズルは、外側ハウジングと、外側ハウジングの長さに沿った中間点に設置された空気導入シュラウドとを含む。空気導入シュラウドは、外側ハウジングの外部に沿って流れる空気が該外側ハウジングの内部に流入するのを可能にする複数の空気導入アパーチャを含む。

別の態様では、本発明は、タービンエンジンの燃焼器用の燃料ノズルとして具現化することができ、本燃料ノズルは、外側ハウジングと、外側ハウジングのほぼ中心部に設置された内側燃料通路と、内側燃料通路の外表面及び外側ハウジングの内表面間の環状空間内に設置された複数のスワーラベーンとを含む。スワーラベーンは、環状空間を下方に流れる空気を該環状空間の周りに第１の回転方向に旋回させる。本燃料ノズルはまた、外側ハウジングの長さに沿った中間点に設置された空気導入シュラウドを含み、空気導入シュラウドは、外側ハウジングの外部に沿って流れる空気がスワーラベーンの下流の位置において環状空間に流入するのを可能にする複数の空気導入アパーチャを含む。

燃料ノズルの一部分の長手方向断面図。 図１に示す燃料ノズルの横断面図。 図１に示す燃料ノズルの一部分の部分断面図。 燃料ノズル用の空気導入シュラウドインサートを示す断面図。

図１は、タービンエンジンの燃焼器で使用することができる典型的な燃料噴射器の下流部分を示している。そのような燃料ノズルは、図１に示す要素の上流に設置された付加的構造を含むことができる。

燃料ノズルは、外側ハウジング１０２と、内側燃料通路１０４とを含む。燃料ノズルはまた、内側燃料通路１０４の中心部を下方に通る中心燃料通路１０６を含む。内側燃料通路１０４の外表面及び外側ハウジング１０２の内表面間に、環状空間１１３が形成される。加圧空気が、この環状空間１１３を通って下方に流れかつ燃料と混合された後に、ノズルから流出する。

複数のスワーラベーン１１０が、環状空間１１３で内側燃料通路の外表面から外側ハウジング１０２の内表面に隣接する位置まで半径方向に延びる。スワーラベーンの上流端部は、燃料ノズルの長手方向軸線に平行に延びる。しかしながら、スワーラベーンの下流端部は、湾曲していて、環状空間１１３を下方に流れる空気を該環状空間の周りに回転状態で旋回させる。

スワーラベーン１１０はまた、図２に示す横断面図に図示している。図２は、どのようにスワーラベーン１１０の下流端部がノズルの長さを下方に流れる空気内に旋回運動を誘起するように湾曲しているかを良好に示している。

スワーラベーン１１０内には、複数の燃料送給アパーチャ１１２を形成することができる。燃料は、燃料ノズル１００の外側ハウジング１０２内の環状空間１１３を下方に流れる空気の流れ内に、燃料送給アパーチャ１１２を通して放出される。加えて、又はそれに代えて、燃料は、様々な構造体を通して空気の流れ内に送給することができる。スワーラベーン１１０の湾曲端部によって誘起された旋回運動は、それが燃料ノズルの長さを下方に移動するので、空気及び燃料を混合するのに役立つ。

燃料ノズルはまた、空気導入シュラウド１２０を含み、空気導入シュラウド１２０は、該空気導入シュラウド１２０の上流側に設置された複数の空気導入アパーチャ１２２を含む。外側ハウジング１０２の外部を下方に流れる空気は、空気導入アパーチャ１２２に流入し、空気は次に、空気導入シュラウド１２０の環状通路１２４内に受けられる。空気は次いで環状通路１２４を通してスワーラベーン１１０の下流に設置された環状空間１３０内に導かれる。

空気導入アパーチャ１２２及び環状通路１２４を通してノズル内側の環状空間１３０に流入した空気は次に、スワーラベーン１１０の下流の環状空間１３０の周りで旋回する燃料−空気混合気と混合する。燃料−空気混合気は次に、燃料ノズルの下流端部１２５に移動し、この燃料ノズルの下流端部１２５において、燃料−空気混合気は燃料ノズルから流出する。燃料ノズルから流出した燃料−空気混合気は次に、タービンエンジンの燃焼器内で点火燃焼される。

図３には、燃料ノズル上の空気導入シュラウドの一部分の拡大断面図を示している。空気導入シュラウドの幾つかの実施形態では、空気導入アパーチャ１２２は、燃料ノズルの長手方向軸線に対してある角度で傾斜して延びる。その結果、空気導入アパーチャ１２２を通って流れる空気は、ある角度で傾斜して環状空間１２４に流入して、環状空間１２４内の空気をその内部の周りに回転状態で旋回させる。この旋回空気流は次に、依然として回転状態で旋回しながらスワーラベーンの下流の環状空間１３０に流入する。

図３では、空気導入アパーチャ１２２の１つの長手方向軸線を参照符号１３０として特定している。燃料ノズルの中心長手方向軸線に平行な直線は、参照符号１３２で特定している。長手方向軸線１３０及び燃料ノズルの長手方向軸線に平行な直線１３２は両方とも、空気導入アパーチャ１２２の直ぐ上方の位置において空気導入シュラウド１２０の外側円筒形表面に接した平面に平行である平面内に位置している。図３に示すように、空気導入アパーチャ１２２の長手方向軸線１３０と燃料ノズルの中心長手方向軸線に平行な直線１３２との間には、角度θ₂が形成される。

角度θ₂が比較的小さい場合には、環状通路１２４に流入する空気は、僅かな量のみ旋回する。角度θ₂がより大きくなるにつれて、環状通路１２４に流入する空気は、該環状通路１２４の周りにより大きい回転速度での旋回を誘起する。

図３はまた、環状通路１２４の壁が燃料ノズルの長手方向軸線に対して内向きに傾斜していることを示している。図３に示すように、環状通路１２４の外側壁１２７の内表面は、燃料ノズルの中心長手方向軸線に平行である直線１３５に対して角度θ₁を形成する。その結果、環状通路１２４を通って流れる空気は、スワーラベーン１１０の下流に設置された環状空間１３０内に下方に導かれる。角度θ₁で示した僅かな収束により、軸方向の燃料−空気混合気が強まり、このことは、スワーラベーン１１０の直ぐ下流における保炎の問題を回避するのに役立つ。

空気導入シュラウドを通して燃料ノズルに流入する空気が、燃料ノズルの内部の周りに、スワーラベーン１１０上を通過した空気の旋回方向と反対方向である回転方向に旋回することが望ましい。空気導入シュラウドを通して燃料ノズルに流入する空気流を燃料ノズルの内部の周りに既に旋回している燃料−空気混合気と反対方向である回転方向に旋回させることは、ノズル内での空気及び燃料のより良好な混合を誘起させるのに役立つ。また、この空気及び燃料のより良好な混合により、ＮＯｘのような望ましくない燃焼副生成物の低減が生じる。

上述のように、図２は、その上流端部から見た燃料ノズルの横断面図を示している。従って、燃料ノズルの長さを下方に流れる空気は、図２に示すページの平面内に向けて流れている。スワーラベーン１１０が湾曲している方向故に、スワーラベーン１１０横切って流れる空気は、燃料ノズルの上流端部から見て反時計方向に旋回する。

従って、空気導入シュラウド１２０の空気導入アパーチャ１２２が、該空気導入シュラウド１２０を通して流入する空気に燃料ノズルの上流端部から見て時計方向である回転方向への旋回を誘起することが望ましい。空気導入シュラウドを通して燃料ノズルに流入する空気をスワーラベーン１１０よって誘起された旋回方向と反対方向である時計方向に旋回させることは、ノズル内で空気及び燃料をより良好に混合するのに役立つ。また、２つの空気ストリーム間の長手方向速度の差により、２つの空気ストリーム間にせん断層が形成され、このせん断層もまた、空気及び燃料の混合を高める。

幾つかの実施形態では、空気導入シュラウドは、燃料ノズルの長さ内に挿入されたインサートとして構成することができる。図４は、そのような実施形態を示している。図４に示すように、空気導入シュラウド１２０は実際には、燃料ノズルの上流端部１０２ａ及び該燃料ノズルの下流端部１０２ｂ間に挿入されたインサートである。

図４に示すように、複数の空気導入アパーチャ１２２は、空気を導入し（進入させ）、空気は、燃料ノズルの上流端部１０２ａの外部を下方に環状通路１２４内に流れる。空気導入孔１２２は、燃料ノズルの長手方向軸線に対してある角度で傾斜している。その結果、環状通路１２４に流入する空気は、空気導入シュラウドの内部の周りに回転状態で旋回する傾向になる。

幾つかの実施形態では、環状通路１２４の表面上にまた、複数の乱流誘起突起１２６を設置することができる。幾つかの乱流誘起突起１２６は、環状通路１２４の内側面１２１上に設置することができる。乱流誘起突起１２９もまた、環状通路１２４の外部壁１２７の表面上に設置することができる。乱流誘起突起によって誘起された乱流は、さらに、ノズル内で空気及び燃料を混合するのに役立つ。

幾つかの実施形態では、乱流誘起突起は、環状通路１２４の壁の一方又は両方の周りに同心リングの形態で配置される。他の実施形態では、乱流誘起突起は、環状通路の壁上にその他のタイプのパターンとして設置することができる。乱流誘起突起はまた、環状通路１２４を通って流れる空気の旋回運動を維持するのに役立つパターンとして設置することができる。また、乱流誘起突起はまた、環状通路１２４を通って流れる空気の旋回運動を維持するのに役立つ形状を有することができる。

空気導入アパーチャ１２２を設けることはまた、燃焼器ダイナミックスに対して有利な作用を有することができる。燃焼器のヘッド端部内の空間は、吸収ボリュームとして作用することができる。空気導入アパーチャ１２２の数、位置及びアパーチャ寸法を選択的に変化させることによって、所定の不都合な振動周波数を吸収することができる。空気導入アパーチャ１２２の数、位置及びアパーチャ寸法を変化させることにより、吸収における一部の特定周波数を目標対象とすることができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１００ 燃料ノズル
１０２ 外側ハウジング
１０２ａ 上流端部
１０２ｂ 下流端部
１０４ 内側燃料通路
１０６ 中心燃料通路
１１０ スワーラベーン
１１２ 燃料送給アパーチャ
１１３ 環状空間
１２０ 空気導入シュラウド
１２１ 内側面
１２２ 空気導入アパーチャ
１２４ 環状通路
１２５ 下流端部
１２６／１２９ 乱流誘起突起
１２７ 外側壁
１２７ 外部壁
１３０ 環状空間
１３０ 長手方向軸線
１３２ 参照符号
１３２／１３５ 直線

Claims (10)

1. タービンエンジンの燃焼器用の燃料ノズルであって、
   外側ハウジングと、
   前記外側ハウジングの長さに沿った中間点に設置された空気導入シュラウドと
   を備えており、前記空気導入シュラウドが、前記外側ハウジングの外部に沿って流れる空気が該外側ハウジングの内部に流入するのを可能にする複数の空気導入アパーチャを含む、燃料ノズル。
2. 複数のスワーラベーンが、前記外側ハウジング内側に設置され、前記スワーラベーンが、前記外側ハウジングの内部を下方に流れる空気を該外側ハウジングの内部の周りに第１の回転方向に旋回させる、請求項１記載の燃料ノズル。
3. 前記空気導入アパーチャが、該空気導入アパーチャを通して前記外側ハウジングの内部に流入する空気を該外側ハウジングの内部の周りに旋回させる、請求項２記載の燃料ノズル。
4. 前記空気導入アパーチャが、該空気導入アパーチャを通して前記外側ハウジングの内部に流入する空気を該外側ハウジングの内部の周りに前記第１の回転方向と反対方向である第２の回転方向に旋回させる、請求項２記載の燃料ノズル。
5. 各空気導入アパーチャの長手方向軸線が、該気導入アパーチャに直ぐ隣接した位置において前記空気導入シュラウドの外部円筒形表面にほぼ接した平面内で該燃料ノズルの長手方向軸線に対してある角度傾斜して延びる、請求項４記載の燃料ノズル。
6. 前記角度が１０°〜６０°である、請求項５記載の燃料ノズル。
7. 前記角度が約４５°である、請求項５記載の燃料ノズル。
8. 前記空気導入アパーチャが、該空気導入アパーチャを通して前記外側ハウジングの内部に流入する空気を該外側ハウジングの内部の周りに回転方向に旋回させる、請求項１記載の燃料ノズル。
9. 各空気導入アパーチャの長手方向軸線が、該気導入アパーチャに直ぐ隣接した位置において前記空気導入シュラウドの外部円筒形表面にほぼ接した平面内で該燃料ノズルの長手方向軸線に対してある角度傾斜して延びる、請求項８記載の燃料ノズル。
10. 前記角度が１０°〜６０°である、請求項９記載の燃料ノズル。