JP2012149869A

JP2012149869A - 燃料噴射システム及び方法

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Publication number: JP2012149869A
Application number: JP2011252266A
Authority: JP
Inventors: Jong Ho Uhm; ジョン・ホー・ウーム; Thomas E Johnson; トーマス・エドワード・ジョンソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-11-18
Also published as: DE102011055475A1; JP6059426B2; US8322143B2; FR2970552A1; CN102607062A; FR2970552B1; CN102607062B; US20120180495A1

Abstract

【課題】燃焼ダイナミックスの振幅を低減する燃料ノズル組立体を提供する。
【解決手段】スタッガード型マルチノズル組立体は、第１の軸線６０、６２、６４と、第１の下流側末端部分４８、７２、７４、７６に延びる第１の流路６６、６８、７０とを有する第１の燃料ノズル１２を含み、第１の燃料ノズルが、第１の下流側末端部分において第１の非円形の周囲を有する。スタッガード型マルチノズル組立体はまた、第２の軸線６０、６２、６４と、第２の下流側末端部分４８、７２、７４、７６に延びる第２の流路６６、６８、７０とを含み、第１及び第２の下流側末端部分４８、７２、７４、７６が第１及び第２の軸線６０、６２、６４に対して互いに軸方向にオフセットしている。スタッガード型マルチノズル組立体は更に、少なくとも第１及び第２の燃料ノズル１２の周りで円周方向に配置されてスタッガード型マルチノズル組立体を構築するキャップ部材４２を含む。
【選択図】図２

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、燃焼ダイナミックスの振幅を低減し且つ耐久性、作動性及び信頼性を向上させる特徴要素を備えた燃料ノズル組立体に関する。

ガスタービンエンジンは、燃料及び空気の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生し、これが１以上のタービンを駆動する。詳細には、高温燃焼ガスは、タービンブレードを強制回転させ、これによりシャフトを駆動して１以上の負荷（例えば、発電器）を回転させる。ガスタービンエンジンは、例えば、複数の燃料ノズルを有する燃料ノズル組立体を含み、燃料及び空気を燃焼器に噴射する。特定の実施形態では、燃焼プロセスは、隣接する燃料ノズルの火炎と音響波との間のカップリングに起因して、放熱における周期的振動によって駆動される大きな振幅の圧力振動を発生することができる。これらの大きな圧力振動は、運転上の限界を設け、最終的には燃焼器のハードウェア損傷を生じる可能性がある。

米国特許出願公開２０１０／２１８５０１号明細書

本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。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技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。

第１の実施形態では、システムは、スタッガード型マルチノズル組立体を含む。スタッガード型マルチノズル組立体は、第１の軸線と、第１の下流側末端部分に延びる第１の流路とを有する第１の燃料ノズルを含み、該第１の燃料ノズルが、第１の下流側末端部分において第１の非円形の周囲を有する。スタッガード型マルチノズル組立体はまた、第２の軸線と、第２の下流側末端部分に延びる第２の流路とを含み、第１及び第２の下流側末端部分が第１及び第２の軸線に対して互いに軸方向にオフセットしている。スタッガード型マルチノズル組立体は更に、少なくとも第１及び第２の燃料ノズルの周りで円周方向に配置されてスタッガード型マルチノズル組立体を構築するキャップ部材を含む。

第２の実施形態では、システムは、タービンノズル組立体を含む。タービンノズル組立体は、第１の軸線と、第１の下流側末端部分に延びる第１の複数の予混合管とを有する第１の燃料ノズルを含み、該第１の燃料ノズルが、第１の下流側末端部分にて第１の切頭パイ形周囲を有する。タービンノズル組立体はまた、第２の軸線と、第２の下流側末端部分に延びる第２の複数の予混合管とを有する第２の燃料ノズルを含み、第１及び第２の下流側末端部分が第１及び第２の軸線に対して互いに軸方向にオフセットしている。

第３の実施形態では、方法は、第１の下流側末端部分において第１の非円形の周囲を有する第１の燃料ノズルを通して、燃料及び空気を第１の下流側末端部分に送る段階を含む。本方法はまた、燃焼ダイナミックスの振幅を低減するよう第１の下流側末端部分と互い違いの第２の下流側末端部分に、第２の燃料ノズルを通して燃料及び空気を送る段階を含む。

燃焼ダイナミックスの振幅を低減し且つ耐久性、作動性及び信頼性を向上させる特徴要素を備えたノズル組立体を有するタービンシステムの一実施形態のブロック図。ノズル組立体を備えた、図１の燃焼器の一実施形態の側断面図。図２の線３−３に囲まれた、ノズル組立体の燃料ノズルの一実施形態の側断面図。図２のノズル組立体の一実施形態の側断面図。ノズル組立体を備えた、図１の燃焼器の一実施形態の側断面図。ノズル組立体を備えた、図１の燃焼器の一実施形態の側断面図。ノズル組立体を備えた、図１の燃焼器の一実施形態の側断面図。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。

以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。

本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。

本開示は、燃料ノズル組立体における燃焼ダイナミックスの振幅を低減すると共に、耐久性、作動性及び信頼性を向上させるシステム及び方法に関する。特定の燃焼器は、複数の燃料ノズルを備えた燃料ノズル組立体（すなわち、マルチノズル組立体）を含む。詳細には、マルチノズル組立体は、中央燃料ノズルの周りに円周方向に分配された複数の燃料ノズルを含む。燃料は、燃料ノズルに流入し、該燃料ノズルからの噴射の前に空気と予混合される。燃料ノズルから噴射されると、燃焼空気混合気が燃焼して高温の燃焼生成物を発生する。燃焼器内で起こる燃焼ダイナミックスは、放熱の周期的振動によって駆動される大きな振幅の圧力振動（例えば、スクリーチ）を発生する可能性がある。これらの大きな圧力振動は、隣接する燃料ノズルの火炎と音響波との間のカップリングに起因する場合がある。更に、これらの大きな圧力振動は、運転上の限界を設け、最終的には燃焼器のハードウェア損傷を生じる可能性がある。

本開示の実施形態は、燃焼ダイナミックスの振幅を低減するために、燃料ノズルの高さを互い違いに配置（スタッガート配置）し、又は燃料ノズルを互いに対して軸方向に（すなわち、流れの方向に）変位させる。例えば、互いに対して隣接する燃料ノズルの高さを互い違いに配置することにより、燃料ノズルのそれぞれの火炎間の火炎相互作用を分断し、従って、圧力振動の振幅を低減する。特定の実施形態では、スタガード型マルチノズル組立体は、第１及び第２の燃料ノズルを含み、この各々が、軸線と、それぞれの下流側末端部分に延びる流路とを有する。キャップ部材が燃料ノズルの周りで円周方向に配置され、マルチノズル組立体内でこれらを緊密に組み付ける。燃料ノズルの下流側末端部分は、ノズル組立体のノズル面積全体を取り囲み、従って、空気通路に曝される下流側端部の量及びガスタービン出力を増大させる。第１及び第２の燃料ノズルの下流側末端は、これらのそれぞれの軸線に対して互いに軸方向にオフセットしている。第１及び第２の燃料ノズルは、下流側末端部分において非円形の周囲を含む。第２の燃料ノズルは、円形又は非円形の周囲（例えば、切頭パイ形状）を含むことができる。燃料ノズルの周囲は各々、キャップ部材の周囲によって定められる円形ノズル面積の領域を形成することができる。第３の燃料ノズルは、別の軸線と、別の下流側末端部分に延びる別の流路とを含むことができる。第１及び第３の燃料ノズルの下流側末端は、これらそれぞれの軸線に対して互いから軸方向にオフセットすることができる。また、第１、第２及び第３の燃料ノズルの下流側末端は、これらそれぞれの軸線に対して互いから軸方向にオフセットすることができる。第３の燃料ノズルは、非円形の周囲（例えば、切頭パイ形状）を含むことができる。例えば、第３の燃料ノズルは、円形ノズル面積内の中央部分に円形周囲を含むことができ、同時に、第１及び第２の燃料ノズルは、非円形の周囲を備えた第３の燃料ノズルを囲む。

図１は、タービンシステム１０の一実施形態のブロック図である。以下で詳細に説明するように、開示されるタービンシステム１０（例えば、ガスタービンエンジン）は、マルチノズル組立体における燃焼ダイナミックスの振幅を低減し、システムの耐久性、作動性及び信頼性を向上させるよう構成された複数の燃料ノズル１２を備えるノズル組立体（例えば、マルチノズル組立体）を利用することができる。例えば、燃料ノズル１２は、隣接する燃料ノズル１２間の火炎相互作用を分断し、燃焼ダイナミックスの振幅を低減するために互い違いつまり軸方向にオフセットした下流側末端を含むことができる。タービンシステム１０は、タービンシステム１０を駆動するために、天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガスなどの液体又はガス燃料を利用することができる。図示のように、燃料ノズル１２は、供給燃料１４を吸入し、燃料を空気と混合し、燃料空気混合気を最適な燃焼、エミッション、燃料消費量及び出力を得るのに好適な比率で燃焼器１６内に分配する。タービンシステム１０は、１以上の燃焼器１６内部に位置付けられた１以上の燃料ノズル１２を含むことができる。燃料空気混合気は、燃焼器１６内の燃焼室において燃焼し、これにより高温の加圧排出ガスを生成する。燃焼器１６は、排出ガスをタービン１８に通して排気出口２０に向けて配向する。排出ガスがタービン１８を通過すると、ガスによってタービンブレードがタービンシステム１０の軸線に沿ってシャフト２２を強制的に回転する。図示のように、シャフト２２は、圧縮機２４を含む、タービンシステム１０の種々の構成要素に接続することができる。圧縮機２４はまた、負荷２８に接続することができ、該負荷は、車両、或いは、例えば、発電プラントにおける発電器などの定置負荷、又は航空機のプロペラとすることができる。負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力によって動力供給されるあらゆる好適な装置を含むことができる。

図２は、マルチノズル組立体３６を有する、図１の燃焼器１６の一実施形態の側断面図である。燃焼器１６は、外側ケーシング又は流れスリーブ３８、ノズル組立体３６及び端部カバー４０を含む。ノズル組立体３６は、燃焼器１６内に装着される。ノズル組立体３６（すなわち、マルチノズル組立体）は、キャップ部材４２内で組み付けられた複数の燃料ノズル１２を含む。キャップ部材４２は、複数の燃料ノズル１２の周りに円周方向４３に配置される。各燃料ノズル１２は、ノズル１２の上流側末端部分４６から下流側末端部分４８まで延びる燃料同感４４を含む。加えて、各燃料ノズル１２は、燃料同感４４に結合された燃料チャンバ５０と、該燃料チャンバ５０を通って下流側末端部分４８に延びる複数の予混合管５２とを含む。

図示のように、外側燃料ノズル５４、５６は、中央燃料ノズル５８に隣接したノズル組立体３６内に配置される。燃料ノズル５４、５６及び５８は、それぞれ軸線６０、６２及び６４を含む。図示のように、中央燃料ノズル５８は、キャップ部材４２の下流側末端部分７５に対して陥凹にされる。燃料ノズル５４及び５６の下流側末端部分７２及び７４は、燃料ノズル５８の下流側末端部分７６から、これらそれぞれの軸線６０、６２及び６４に対して軸方向にオフセットされ、軸方向に互い違いになったマルチノズル組立体３６が得られる。詳細には、下流側末端部分７２及び７４は、下流側末端部分７６から軸方向下流側にオフセットされる。しかしながら、以下で詳細に説明されるように、燃料ノズル１２の下流側末端部分４８の軸方向の互い違いは、異なる実施形態ではは変わる可能性がある。特定の実施形態では、１つの燃料ノズル１２の軸方向オフセットした下流側末端部分４８（例えば、７６）は、隣接する燃料ノズル１２（例えば５４）の下流側末端部分４８（例えば７２）の長さ７７の１から９９パーセント、１から５０パーセント、１から２５パーセント、又は１から１０パーセントだけオフセットすることができる。

空気（例えば、加圧空気）は、矢印７８で全体的に示されるように、１以上の空気入口８０を介して流れスリーブ３８に流入し、上流側空気流路８２を軸方向８４に辿り端部カバー４０に向かう。次いで、空気は、矢印８８で全体的に示されるように、内部流路８６に流れて、下流側空気流路９０に沿って軸方向９２に進み、各燃料ノズル１２の複数の予混合管５２を通る。燃料は、燃料流路６６、６８及び７０に沿って軸方向９２に流れ、各燃料同感４４を通って各燃料ノズル１２の下流側末端部分４８に向かう。次いで、燃料は各燃料ノズル１２の燃料チャンバ５０に流入し、複数の予混合管５２内で空気と混合する。燃料ノズル１２は、燃料空気混合気を最適な燃焼、エミッション、燃料消費量及び出力を得るのに好適な比率で燃焼領域９４内に噴射する。上述のマルチノズル組立体３６のスタガード構成は、隣接する燃料ノズルの燃焼プロセス（例えば火炎）がキャップ部材４２の下流側末端部分７５間に延びる平面９６に沿って相互作用するのを実質的に阻止し、すなわち火炎相互作用を分断する。例えば、スタガード構成は、燃料ノズル５４及び５６からの火炎が燃料ノズル５８からの火炎と相互作用して互いに励起することができない。火炎相互作用を分断することによって、大きな圧力振動又は燃焼ダイナミックスの振幅を低減することができる。

図３は、図２の線３−３で囲まれたノズル組立体３６の燃料ノズル１２のうちの１つについての一実施形態の側断面図である。上述のように、燃料ノズル１２は、燃料導管４４、該燃料導管４４に結合された燃料チャンバ５０及び燃料チャンバ５０を通って下流側末端部分４８に延びる複数の予混合管５２を含む。各管体５２は、複数の予混合管５２の列を提示することができる。特定の実施形態では、燃料ノズル１２の周囲１０５は、円形とすることができ、又は非円形（例えば、切頭パイ形状）とすることができる。燃料ノズル１２が円形周囲１０５を含む実施形態では、管体５２は、燃料ノズル１２の中心軸線１０７の周りを同心の列を成して配列することができる。更に、特定の実施形態では、列の数、列当たりの管体５２の数及び複数の管体５２の配置は変えることができる。図示のように、複数の予混合管５２の各々は、空気入口１０６、燃料チャンバ５０内の燃料入口１０８及び下流側末端部分４８における燃料空気出口１１０を含む。特定の実施形態では、各管体５２上の燃料入口１０８の数は、０から５０まで、１から２５まで、１から１０までの範囲、又は何らかの好適な数とすることができる。更に、燃料入口１０８の数、サイズ及び位置（軸方向及び円周方向）は、ある管体５２と別の管体とで異なる可能性がある。例えば、管体５２当たりの燃料入口１０８の数及び／又はサイズ（例えば、全ての燃料入口１０８の全断面積）は、一般に、軸線１０７から半径方向１０９に増減することができる。

上述のように、空気は、下流側空気流路９０に沿って軸方向９２に流れ、矢印１１２で全体的に示されるように、燃料ノズル１２の複数の予混合管５２の空気入口１０６に流入する。燃料は、燃料流路１１４に沿って軸方向９２に流れ、燃料導管４４を通って燃料ノズル１２の下流側末端部分４８に向かう。次いで、燃料は、燃料チャンバ５０に流入し、矢印１１６で全体的に示されるように、複数の管体５２に向けて分流される。燃料ノズル１２は、燃料チャンバ５０内に燃料流を配向するためのバッフル１１８を含む。燃料は、矢印１２０で示されるように燃料入口１０８に向けて流れ、複数の予混合管５２内で空気と混合する。燃料ノズル７６は、矢印１２２で全体的に示すように、下流側末端部分４８にて燃料空気出口１１０から燃焼領域９４に燃料空気混合気を出力する。

上述のように、燃料ノズル組立体３６の燃料ノズル１２は、ノズル１２の軸方向の互い違い又は相対的配置で変化し、燃料空気出口１１０が異なる燃料ノズル１２間で互いからオフセットされるようになる。図４は、図２のノズル組立体３６の１つの特定の実施形態の正面図である。燃料ノズル組立体３６は、複数の燃料ノズル１２と、キャップ部材４２とを含む。キャップ部材４２は、方向４３で燃料ノズル１２の周りに円周方向に配置されて、ノズル組立体３６を構築する。各燃料ノズル１２は、上記で検討したように列１３２を成して配列された複数の予混合管５２を含む。予混合管５２は、明瞭にするために燃料ノズル１２の一部分上でのみ図示されている。図示するように、燃料ノズル１２は、中央燃料ノズル１３４（符号Ａで表記）と、中央燃料ノズル１３４の周りに円周方向に配置された複数の燃料ノズル１２（外側燃料ノズル１３６）とを含む。図示のように、６つの燃料ノズル１３６（符号Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ及びＧで表記）が中央燃料ノズル１３４を囲んでいる。しかしながら、特定の実施形態では、燃料ノズル１２の数並びに燃料ノズル１２の配列は変えることができる。例えば、外側燃料ノズル１３６の数は、１から２０、１から１０、又は他の何れかの数とすることができる。燃料ノズル１２は、キャップ部材４２内に緊密に配置される。結果として、キャップ部材４２の内周囲１３８は、ノズル組立体３６の円形ノズル面積１４０を定める。燃料ノズル１２の下流側末端部分４８は、円形ノズル面積１４０全体を含む。これは、空気通路に曝される燃料ノズル組立体３６の面積１４０を増大させ、ガスタービンの出力増大を可能にする。各外側燃料ノズル１３６は、非円形の周囲１４２を含む。図示のように、周囲１４２は、２つの平行な辺１４４及び１４６を備えた切頭パイ形状を含む。この辺１４４及び１４６は弓形であるが、辺１４５及び１４７は直線（例えば、半径方向１０９に発散する）である。しかしながら、特定の実施形態では、各外側燃料ノズル１３６の周囲１４２は、他の形状、例えば、３つの辺を備えたパイ形状を含むことができる。各外側燃料ノズル１３６の周囲１４２は、円形ノズル面積１４０の領域を含む。中央燃料ノズル１３４は、円形周囲１４８を含む。特定の実施形態では、周囲１４８は、例えば、方形、六角形、三角形、又は他の多角形などの他の形状を含むことができる。中央燃料ノズル１３４の周囲１４８は、円形ノズル面積１４０の中央部分１５０に配置される。燃料ノズル１２は、空気通路に曝される下流側末端部分４８の面積１４０を増大させるよう緊密に配置される。

上述のように、燃料ノズル１２の下流側末端部分４８は、互い違いにされ、又は軸方向にオフセットされ、火炎相互作用を分断し、又は燃焼ダイナミックスの振幅を低減することができる。また、下流側末端部分４８は、キャップ部材４２内に陥凹にされ、或いは、軸方向８４及び９２でキャップ部材４２を超えて突出することができる。燃料ノズル１２は、個々に軸方向にオフセットすることができる。例えば、中央燃料ノズルの下流側末端部分４８は、外側燃料ノズル１３６（Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ及び／又はＧ）に対して陥凹又は突出させることができる。或いは、燃料ノズル１２は、互いに対して群として軸方向にオフセットすることができる。例えば、外側燃料ノズル１３６（Ｂ、Ｄ及びＦ）の下流側末端部分４８は、外側燃料ノズル１３６（Ｃ、Ｅ及びＧ）及び中央燃料ノズル１３４（Ａ）に対して陥凹又は突出することができる。結果として、中央燃料ノズル１３４の下流側末端部分４８は、外側燃料ノズル１３６の１以上の下流側末端部分４８に対してそれぞれの軸線を基準として軸方向にオフセットすることができる。また、外側燃料ノズル１３６の下流側末端部分４８は、これらのそれぞれの軸線に対して軸方向にオフセットすることができる。例えば、外側燃料ノズル１３６（Ｃ）は、隣接する外側燃料ノズル１３６（Ｂ及びＤ）に対して陥凹又は突出することができる。更に、燃料ノズル１２は、これらそれぞれの軸線に対する変化する軸方向オフセット（図７を参照）を含むことができる。例えば、外側燃料ノズル１３６（Ｃ及びＦ）は、異なる程度に陥凹にすることができ、外側燃料ノズル１３６（Ｃ）は、外側燃料ノズル１３６（Ｆ）よりもキャップ部材４２内に更に陥凹にされる。表１は、他の燃料ノズル１２に対して軸方向にオフセット（上流側又は下流側に）した（すなわち、キャップ部材４２に対して燃料ノズル１２の突出又は陥凹に起因して）燃料ノズル１２の軸方向位置の種々の組み合わせをまとめたものである。しかしながら、表１は、網羅的なものではなく、特定の実施形態では、追加の軸方向位置（すなわち、第４の軸方向位置）を含む、軸方向位置の他の組み合わせも実施可能である点は理解されたい。

図５から７は、燃料ノズル組立体３６内の互い違いの又は軸方向にオフセットした燃料ノズル１２の別の実施形態を示す。図５から７は、ノズル組立体３６を備えた図１の燃焼器１６の実施形態の側断面図である。燃焼器１６及び燃料ノズル組立体３６は、図２において上記で説明した通りである。図５に示すように、外側燃料ノズル５４及び５６は、中央燃料ノズル５８に隣接するノズル組立体３６内に配置される。中央燃料ノズル５８は、キャップ部材４２の下流側末端部分４８間を延びる平面９６を超えて突出する。燃料ノズル５８の下流側末端部分７６は、燃料ノズル５４及び５６の下流側末端部分７２及び７４からそれぞれの軸線６４、６０及び６２に対して軸方向にオフセットされ、スタッガード型マルチノズル組立体３６が得られる。詳細には、下流側末端部分７６は、下流側末端部分７２及び７４から下流側（すなわち軸方向９２で）に軸方向にオフセットされる。

図６に示すように、外側燃料ノズル５４は、キャップ部材４２の下流側末端部分７５間に延びる平面９６を超えて突出する。燃料ノズル５４の下流側末端部分７２は、燃料ノズル５６及び５８の下流側末端部分７４及び７６からそれぞれの軸線６０、６２及び６４に対して軸方向にオフセットされ、スタッガード型マルチノズル組立体３６が得られる。詳細には、下流側末端部分７２は、下流側末端部分７４及び７６から下流側（すなわち軸方向９２で）に軸方向にオフセットされる。従って、外側燃料ノズル５４は、中央燃料ノズル５８及び外側燃料ノズル５６の両方に対して互い違い又はオフセットされる。

図７に示すように、外側燃料ノズル５４及び５６は、キャップ部材４２の下流側末端部分７５間に延びる平面９６を超えて突出する。外側燃料ノズル５４は、外側燃料ノズル５６よりも平面９６を超えて突出する。燃料ノズル５４、５６及び５８の下流側末端部分７２、７４及び７６は全て、互いからそれぞれの軸線６０、６２及び６４に対して軸方向にオフセットされ、スタッガード型マルチノズル組立体３６が得られる。詳細には、下流側末端部分７２は、下流側末端部分７４及び７６から下流側に軸方向にオフセットされ、下流側末端部分７４は、下流側末端部分７６から下流側に軸方向にオフセットされる。従って、燃料ノズル５４、５６及び５８は、互いに対して異なる高さ又は長さで軸方向にオフセットすることができる。上記で検討するように、マルチノズル組立体３６の種々のスタガード構成の実施形態は、隣接する燃料ノズル１２の燃焼プロセス（例えば火炎）が同じ平面９６に沿って相互作用するのを実質的に阻止する。換言すると、スタガード構成は、隣接する燃料ノズル１２間の火炎相互作用を分断する。火炎相互作用を分断することにより、大きな圧力振動又は燃焼ダイナミックスの振幅を低減することができる。燃焼ダイナミックスの振幅の低減及び空気通路に曝される下流側末端部分４８の面積１４０の増大によって、ガスタービン出力の増大、並びに作動性、耐久性及び信頼性の向上を行うことができる。

特定の実施形態では、タービンシステムを作動させる方法は、燃料及び空気を第１の燃料ノズル１２を通して第１の下流側末端部分４８に送る段階を含むことができる。第１の燃料ノズル１２は、第１の下流側末端部分４８にて非円形の周囲を有する。特定の実施形態では、非円形の周囲は、切頭パイ形周囲を含む。本方法はまた、燃料及び空気を第２の燃料ノズル１２を通して第２の下流側末端部分４８に送る段階を含むことができる。第２の下流側末端部分４８は、非円形（例えば、切頭パイ形状）又は円形の周囲を有することができる。第１及び第２の下流側末端部分４８は、スタッガート配置され、燃焼ダイナミックス（例えば、スクリーチ）の振幅を低減する。特定の実施形態では、燃料及び空気を第１の燃料ノズル１２に通して送る段階が、第２の下流側末端部分４８に対して上流側位置にて第１の下流側末端部分４８から燃料空気混合気を出力する段階を含む。他の実施形態では、燃料及び空気を第１の燃料ノズル１２に通して送る段階が、第２の下流側末端部分４８に対して下流側位置にて第１の下流側末端部分４８から燃料空気混合気を出力する段階を含む。

開示される実施形態の技術的作用は、燃焼ダイナミックスの振幅を低減するシステム及び方法を含む。本明細書で開示される実施形態は、例えば、ガスタービンエンジンなどの燃焼システムにおいて、ノズル組立体３６内の隣接する燃料ノズル１２の下流側末端部分４８を互い違いに又は軸方向にオフセットすることにより燃焼ダイナミックスの振幅を低減する。隣接する燃料ノズルの下流側末端部分４８を互い違いにすることにより、ノズル間の火炎相互作用を分断する。加えて、ノズル組立体のノズル面積１４０を増大させることにより、より多くの空気通路を可能にする。全体として、燃焼ダイナミックスの振幅の低減及びノズル面積１４０の増大は、タービンシステムの作動性、耐久性及び信頼性を向上させることができる。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０タービンシステム
１２燃料ノズル
１４供給燃料
１６燃焼器
１８タービン
２０排気出口
２２シャフト
２４圧縮機
２６空気吸入口
２８負荷
３６ノズル組立体
３８流れスリーブ
４０端部カバー
４２キャップ部材
４４燃料導管
４６上流側末端部分
４８下流側末端部分
５０燃料チャンバ
５２予混合管
５４外側燃料ノズル
５６外側燃料ノズル
５８中央燃料ノズル
６０軸線
６２軸線
６４軸線
６６流路
６８流路
７０流路
７２下流側末端部分
７４下流側末端部分
７５下流側末端部分
７６下流側末端部分
７７長さ
７８矢印
８０空気入口
８２上流側空気流路
８４軸方向
８６内部流路
８８矢印
９０下流側空気流路
９２軸方向
９４燃焼領域
９６平面
１０５周囲
１０６空気入口
１０７中央軸線
１０８燃料入口
１０９半径方向
１１０燃料空気出口
１１２矢印
１１４燃料流路
１１６矢印
１１８バッフル
１２０矢印
１２２矢印
１３２列
１３４中央燃料ノズル
１３６外側燃料ノズル
１３８内周囲
１４０円周ノズル面積
１４２非円周囲
１４４平行な辺
１４６平行な辺
１４８円形周囲
１５０中央部分

Claims

スタッガード型マルチノズル組立体（３６）を備えるシステムであって、
第１の軸線（６０、６２、６４）と、第１の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）に延びる第１の流路（６６、６８、７０）とを有し、前記第１の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）において第１の非円形の周囲（１４２）を有する第１の燃料ノズル（１２）と、
第２の軸線（６０、６２、６４）と、第２の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）に延びる第２の流路（６６、６８、７０）とを有し、前記第１及び第２の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）が前記第１及び第２の軸線（６０、６２、６４）に対して互いに軸方向にオフセットしている、第２の燃料ノズル（１２）と、
少なくとも前記第１及び第２の燃料ノズル（１２）の周りで円周方向に配置されて前記スタッガード型マルチノズル組立体（３６）を構築するキャップ部材（４２）と
を備えるシステム。
前記第１の非円形の周囲（１４２）が、前記キャップ部材（４２）の周囲（１３８）によって定められる円形ノズル面積（１４０）の第１の領域を含む、請求項１記載のシステム。
前記第２の燃料ノズル（１２）が第２の非円形の周囲（１４２）を含み、該第２の非円形の周囲（１４２）が前記円形ノズル面積（１４０）の第２の領域を含む、請求項２記載のシステム。
第３の軸線（６０、６２、６４）と、第３の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）に延びる第３の流路（６６、６８、７０）とを有する第３の燃料ノズル（１２）を備え、前記第１及び第３の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）が、前記第１及び第３の軸線（６０、６２、６４）に対して互いから軸方向にオフセットされ、前記第３の燃料ノズル（１２）が、前記円形ノズル面積（１４０）内の中央部分（１５０）にて円形周囲（１４８）を含む、請求項３記載のシステム。
第１、第２及び第３の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）が、第１、第２及び第３の軸線（６０、６２、６４）に対して互いから軸方向にオフセットされる、請求項４記載のシステム。
前記第２の燃料ノズル（１２）が円形周囲（１４８）を含む、請求項１記載のシステム。
前記第１の燃料ノズル（１２）が、第１の燃料導管（４４）と、該第１の燃料導管（４４）に結合された第１の燃料チャンバ（５０）と、各々が第１の空気入口（１０６）を含み且つ前記第１の燃料チャンバ（５０）を通って延びる第１の複数の予混合管（５２）と、第１の燃料入口（１０８）と、前記第１の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）にある第１の燃料空気出口（１１０）とを含む、請求項１記載のシステム。
前記第２の燃料ノズル（１２）が、第２の燃料導管（４４）と、該第２の燃料導管（４４）に結合された第２の燃料チャンバ（５０）と、各々が第２の空気入口（１０６）を含み且つ前記第２の燃料チャンバ（５０）を通って延びる第２の複数の予混合管（５２）と、第２の燃料入口（１０８）と、前記第２の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）にある第２の燃料空気出口（１１０）とを含む、請求項１記載のシステム。
前記スタッガード型マルチノズル組立体（３６）を有するタービン燃焼器（１６）を備える、請求項１記載のシステム。
前記スタッガード型マルチノズル組立体（３６）を有する前記タービン燃焼器（１６）を含むガスタービンエンジンを備える、請求項１記載のシステム。
タービンノズル組立体（３６）を備えるシステムであって、該タービンノズル組立体（３６）が、
第１の軸線（６０、６２、６４）と、第１の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）に延びる第１の複数の予混合管（５２）とを有し、前記第１の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）にて第１の切頭パイ形周囲を有する第１の燃料ノズル（１２）と、
第２の軸線（６０、６２、６４）と、第２の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）に延びる第２の複数の予混合管（５２）とを有し、前記第１及び第２の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）が前記第１及び第２の軸線（６０、６２、６４）に対して互いから軸方向にオフセットされた第２の燃料ノズル（１２）と
を備える、システム。
前記第２の燃料ノズル（１２）が円形周囲（１４８）を含む、請求項１１記載のシステム。
前記第１の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）が、前記第２の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）から下流側に軸方向にオフセットされる、請求項１２記載のシステム。
前記第２の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）が、前記第１の下流側末端部分（４８、７２、７４、７６）から下流側に軸方向にオフセットされる、請求項１２記載のシステム。
前記第２の燃料ノズル（１２）が第２の切頭パイ形周囲を含む、請求項１１記載のシステム。