JP2013139779A

JP2013139779A - ガスタービン燃焼器において燃料を噴射する燃料ノズル

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Publication number: JP2013139779A
Application number: JP2012277539A
Authority: JP
Inventors: Jonathan Dwight Berry; ジョナサン・ドワイト・ベリー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: US20130167539A1; CN103196155A; JP6067364B2; EP2613090B1; EP2613090A3; RU2012158338A; US9366440B2; EP2613090A2; CN103196155B

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器において燃料を噴射する燃料ノズルを提供すること。
【解決手段】液体燃料カートリッジを含むガスタービン用燃料ノズルが提供される。一実施形態では、燃料ノズルは、空気プレナムを燃料プレナムから離隔する燃料プレナムプレートを含む。燃料ノズルはまた、燃料プレナムを通って燃料プレナムプレートからフェースプレートに延びる複数の混合管を含む。各混合管は、空気プレナムから空気を受け取るよう構成された空気入口と、燃料プレナム内の管壁に配置されて、燃料を燃料プレナムから混合管に配向し燃料空気混合気を生成する燃料入口と、燃料空気混合気をフェースプレートから離れて燃焼領域に吐出するよう構成された燃料空気出口とを含む。燃料ノズルが更に、空気プレナム及び燃料プレナムを通ってフェースプレートに延びる液体燃料カートリッジを含む。液体燃料カートリッジが液体燃料通路を含む。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、燃料ノズルに関し、より具体的には、ガスタービン燃焼器用の燃料ノズルに関する。

一般に、ガスタービンは、燃焼器内で加圧空気と燃料との混合気を燃焼して高温燃焼ガスを生成する。高温燃焼ガスは、タービンのブレードを回転させて、発電機などの負荷を駆動するシャフトを回転させる。燃焼器内の燃料ノズルは、燃料及び空気を燃焼器に噴射する。一部の設計において、燃料ノズルは、燃料及び空気が燃焼ゾーンに流入する前に燃料及び空気を予混合する１以上の混合管を含む。例えば、混合管を利用して、ガス燃料を空気と混合することができる。しかしながら、燃料ノズルは、混合管を通して液体燃料を配向するように設計されていない場合がある。例えば、混合管は、混合管のサイズが小さいことに起因して液体燃料により閉塞される可能性がある。

米国特許第７７５２８５０号明細書

最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態では、システムは、ガスタービン燃料ノズルを含む。ガスタービン燃料ノズルは、空気プレナムを燃料プレナムから離隔する燃料プレナムプレートを含む。ガスタービン燃料ノズルはまた、燃料プレナムを通って燃料プレナムプレートからフェースプレートに延びる複数の混合管を含み、各混合管は、空気プレナムから空気を受け取るよう構成された空気入口と、燃料プレナム内の管壁に配置されて、燃料を燃料プレナムから混合管に配向し燃料空気混合気を生成する燃料入口と、燃料空気混合気をフェースプレートから離れて燃焼領域に吐出するよう構成された燃料空気出口とを含む。燃料ノズルは更に、空気プレナム及び燃料プレナムを通ってフェースプレートに延びる液体燃料カートリッジを含み、液体燃料カートリッジは液体燃料通路を含む。

第２の実施形態では、システムは、ガスタービン燃料ノズルを含む。ガスタービン燃料ノズルは、燃料プレナムプレートと、燃料プレナムが間に定められるよう燃料プレナムプレートから間隔を置いて配置されたフェースプレートとを含む。フェースプレートは、液体燃料カートリッジアパーチャの周りに円周方向に配置された混合管アパーチャを含む。ガスタービン燃料ノズルはまた、燃料プレナムプレートから燃料プレナムを通ってフェースプレートに延びる複数の混合管を含む。各混合管は、空気プレナムから空気を受け取るよう構成された空気入口と、燃料プレナム内の管壁に配置されて、燃料を燃料プレナムから前記混合管に配向し燃料空気混合気を生成する燃料入口と、燃料空気混合気をフェースプレートから離れて燃焼領域に吐出するよう構成された燃料空気出口とを含む。燃料ノズルは更に、燃料プレナムプレートを通って延びる液体燃料カートリッジを含む。液体燃料カートリッジは、液体燃料カートリッジアパーチャ内に配置されたノズル部と、該ノズル部に結合された液体燃料通路と、液体燃料通路の周りに配置された空気通路とを含む。

第３の実施形態では、システムは、ガスタービン燃料ノズルを含む。ガスタービン燃料ノズルは、互いに隣接して配置されて円形断面を形成する複数のセクタノズルを含む。複数のセクタノズルの各セクタノズルは、燃料プレナムから空気プレナムを離隔する燃料プレナムプレートを含む。複数のセクタノズルの各セクタノズルはまた、燃料プレナムプレートから燃料プレナムを通ってフェースプレートに延びる複数の混合管を含む。各混合管は、空気プレナムから空気を受け取るよう構成された空気入口と、燃料プレナム内の管壁に配置されて、燃料を燃料プレナムから混合管に配向し燃料空気混合気を生成する燃料入口と、燃料空気混合気をフェースプレートから離れて燃焼領域に吐出するよう構成された燃料空気出口とを含む。ガスタービン燃料ノズルはまた、同心配列で配置された液体燃料通路及び空気通路を有する液体燃料カートリッジを含む。液体燃料通路及び空気通路が、液体燃料及び空気をフェースプレートから離れて燃焼領域に出力するよう構成されている。

本発明のこれら並びに他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照すると一層よく理解されるであろう。

液体燃料カートリッジを含むセクタ燃料ノズルを利用することができるガスタービンの一実施形態のブロック図。図１の燃焼機の断面図。図１の燃焼機のセクタノズルの一実施形態の断面図。燃焼機の内部にわたって全体として互いに勘合された複数のセクタノズルを備えた燃料ノズル組立体を示す、図１の燃焼機の正面図。液体燃料カートリッジを含むセクタノズルの別の実施形態の正面図。液体燃料カートリッジを含むセクタノズルの別の実施形態の正面図。中心ノズル内に液体燃料カートリッジを含む燃料ノズル組立体の一実施形態の斜視図。図１の燃焼機のセクタノズルの別の実施形態の断面図。

本発明の１以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

本開示は、液体燃料カートリッジを含むセクタノズルに関する。各セクタノズルは、楔形断面などのセグメント化された形状を有することができ、セクタノズルが隣接するセクタノズルと互いに嵌合して、ガスタービンの燃焼器内にセクタノズルの環状リングを形成できるようにする。一連の混合管は、各セクタノズル内に配置され、燃料空気混合気を生成してこれが燃焼ゾーンに配向される。詳細には、混合管は、空気を燃焼器端部カバー付近の空気プレナムから混合管を通してノズル面に配向する。燃料プレナムは、混合管を囲み、燃料プレナムからのガス燃料は、該混合管の側部のアパーチャを通って混合管内に配向されて燃料空気混合気を生成する。セクタノズルはまた、燃料油又は他の蒸留物などの液体燃料を燃焼ゾーンに配向する液体燃料カートリッジを含むことができる。従って、本明細書で記載されるセクタノズルは、液体燃料、ガス燃料、又はこれらの組み合わせで作動する柔軟性を提供することができる。液体燃料カートリッジは、混合管の間のセクタノズル内に位置付けることができ、特定の実施形態では、混合管により半径方向に囲むことができる。従って、液体燃料は、液体燃料により汚損される可能性がある混合管を通って流れること無く、液体燃料カートリッジを通って燃焼ゾーンに配向することができる。

液体燃料カートリッジは、燃焼器端部カバーから燃料プレナムを通ってノズル面に延びる。燃料プレナム内では、液体燃料カートリッジは、該液体燃料カートリッジを燃料プレナム内の燃料から隔離する管体内に装着することができる。液体燃料カートリッジは、該液体燃料カートリッジを通って液体燃料を配向するための内側通路を含み、また、液体燃料カートリッジを通って空気及び／又は水を配向するための１以上の外側通路を含むことができる。ノズル部が液体燃料カートリッジの端部に位置付けられ、燃料を燃焼ゾーンに配向するために、ノズル部を液体燃料カートリッジの端部に位置付けることができる。特定の実施形態によれば、ノズル部は、液体燃料カートリッジの周りに半径方向に配置された混合管に向けて半径方向外向きに液体燃料を排出する。混合管は、燃料及び空気の効率的な混合を促進するよう設計されたパターンで液体燃料カートリッジの周りに半径方向に配置することができる。更に、特定の実施形態では、混合管の周辺列をセクタノズルの外周に配置し、液体燃料がセクタノズルを通過してライナに向けて流れるのを抑制することができる。

図１は、液体燃料カートリッジを含むセクタ燃料ノズルを利用するガスタービンの一実施形態のブロック図である。ガスタービンシステム１０は、単純サイクルシステム又は複合サイクルシステムの一部とすることができる。ガスタービンシステム１０は、燃料１４を燃焼させてガスタービンシステム１０を駆動する燃焼器１２を含む。特定の実施形態によれば、燃料１４は、天然ガス、軽質又は重質蒸留油、ナフサ、原油、残留油、又はシンガスなどの液体又はガス燃料とすることができる。

燃焼器１２内では、燃料１４は、加圧空気１６と混合することができ（矢印で示される）、点火を生じて高温燃焼ガス１８を生成し、これがガスタービンシステム１０に動力を供給する。図２に関して以下でより詳細に考察するように、燃焼器１２は、最適な燃焼、エミッション、燃料消費量、及び出力に好適な比率で燃料１４と加圧空気１６とを予混合して該燃料空気混合気を燃焼室に配向するセクタ燃料ノズルを含む。更に、セクタノズルはまた、液体燃料を燃焼室に配向する液体燃料カートリッジを含むことができる。

加圧空気１６は、空気吸入セクション２２を通ってガスタービンシステム１０に流入する吸入空気２０を含む。吸入空気２０は圧縮機２４によって加圧されて加圧空気１６を生成し、燃焼機１２に流入する。セクタ燃焼ノズルは、燃料１４及び加圧空気１６を燃焼機１２の燃焼ゾーンに配向することができる。燃焼ゾーン内では、加圧空気１６は、燃料１４と燃焼して高温の燃焼ガス１８を生成する。高温燃焼ガス１８は、燃焼機１２からタービン２６を通って流れ、該タービンがシャフト２８を介して圧縮機２４を駆動する。例えば、燃焼ガス１８は、タービン２６内のタービンロータブレードに駆動力を加え、シャフト２８を回転させることができる。シャフト２８はまた、とりわけ、発電機、プロペラ、動力伝達装置、又は駆動システムなどの負荷３０に接続することができる。タービン２６を通って流れた後、高温燃焼ガス１８は、排気セクション３２を通ってガスタービンシステム１０から流出することができる。

図２は、燃焼器１２の一実施形態の断面図である。燃焼器１２は、燃料空気混合気を燃焼室３６に噴射するセクタノズル３４を含む。燃焼室３６は、一般に、ケーシング３８、ライナ４０、及び流れスリーブ４２によって定められる。流れスリーブ４２は、ライナ４０の周りに同軸方向及び／又は環状方向に位置付けられ、矢印４３で全体的に示されるように、圧縮機からセクタノズル３４に空気を配向することができる。

セクタノズル３４は、互いに隣接して配列されてほぼ円形の燃料ノズル組立体４４を形成する。特定の実施形態によれば、各セクタノズル３４は、隣接するセクタノズル３４のペアに当接するよう設計された楔形断面を有する。更に、特定の実施形態では、各セクタノズル３４は、中心燃料ノズル４６（図４）の周りに配列することができる。各セクタノズル３４は、中心燃料ノズル４６から外向きに半径方向４７に延びることができる。各セクタノズル３４は、ガス燃料及び空気を混合して燃焼室３６に噴射される燃料空気混合気を形成する混合管４８を含む。セクタノズル３４の１以上はまた、液体燃料を燃焼室３６に噴射する液体燃料カートリッジ５０を含むことができる。図３を参照して以下でより詳細に考察されるように、混合管４８は、液体燃料カートリッジ５０の周りに半径方向に配置することができる。

セクタノズル３４は各々、燃焼器１２の端部カバー５４にセクタノズル３４を固定するベース５２を含む。例えば、ベース５２が端部カバー５４に当接することができ、ボルトのようなファスナーが、ベース５２及び端部カバー５４内の対応する開口を通って挿入され、ベース５２を端部カバー５４に固定することができる。シェル５６は、ベース５２と燃料プレナム５８との間に軸方向６０に延びる。シェル５６は、空気プレナム６２（図３）を全体的に内包し、該空気プレナム６２は、空気を圧縮機からセクタノズル３４の内部を通って混合管４８に配向し、該混合管４８は、燃料プレナム５８を通ってフェースプレート６６に延びている。シェル５６は、圧縮機からの空気を空気プレナム６２に流入させることができる開口６４を含む。燃料供給通路６８（図３）は、ベース５２及び空気プレナム６２を通って延びて、ガス燃料を燃料プレナム５８に配向する。燃料プレナム５８内では、ガス燃料は、混合管４８の側部の孔を通って混合管４８に流入して燃料空気混合気を生成することができ、該燃料空気混合気は、混合管４８を通って流れ、燃焼室３６に流入する。液体燃料カートリッジ５０は、ベース５２、空気プレナム６２、及び燃料プレナム５８を通って延びて、液体燃料を燃焼室３６に配向する。燃焼室３６内では、燃料空気混合気が燃焼して高温燃焼ガス１８を生成する。燃焼ガス１８は、燃焼室３６からトランジションピース７０を通ってタービン２６に流れる。

図３は、セクタノズル３４の内部を示すために断面にされたセクタノズル３４の１つを示している。液体燃料カートリッジ５０は、ベース５２におけるアパーチャ７２、空気プレナム６２、及び燃料プレナム５８を通ってフェースプレート６６に延びる。燃料プレナム５８は、全体的に燃料プレナムプレート７４及びフェースプレート６６によって定められる。ハウジング７６は、燃料プレナムプレート７４及びフェースプレート６６に結合され、燃料プレナム５８を内包する。

１以上の燃料供給通路６８は、ベース５２を通って燃料プレナム５８に延びて、ガス燃料を燃料プレナム５８に配向する。混合管４８は、燃料プレナム５８を通って延びて、燃料プレナムプレート７４内のアパーチャ７８及びフェースプレート６６内のアパーチャ８０に取り付けられる。混合管４８は、燃料プレナム５８からの燃料を混合管４８に流入させることを可能にする管壁８４内のアパーチャ８２を含む。空気は、シェル５６内のウィンドウ６４を通ってセクタノズル３４に流入し、次いで、空気プレナム６２を通って流れ、燃料プレナムプレート７４内のアパーチャ７８を通って混合管４８の端部に流入する。混合管４８内では、アパーチャ８２を通って混合管４８内に流入する燃料と空気が混合して、燃料空気混合気を生成し、これが燃焼室３６に配向される。詳細には、燃料空気混合気は、フェースプレート６６内のアパーチャ８０を通って混合管４８から流出する。燃料プレナム５８はまた、混合管４８の一部を内包するハウジング８６を含む。ハウジング８６は、フェースプレート６６に隣接して配置され、特定の実施形態では、フェースプレート６６を冷却するのに用いることができる燃料を含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、ハウジング８６は省略することができる。更に、図８に関して以下で詳細に説明するように、特定の実施形態では、燃料ではなく空気を利用してフェースプレート６６を冷却してもよい。

混合管４８は、液体燃料カートリッジ５０の周りに半径方向に配置され、該液体燃料カートリッジは、燃料プレナムプレート７４内のアパーチャ８８及びフェースプレート６６内のアパーチャ９０を通って延びる。図３に示すように、アパーチャ８８及び９０は、燃料プレナムプレート７４及びフェースプレート６６内でそれぞれ中心に配置される。従って、液体燃料カートリッジ５０は、セクタノズル３４のほぼ中心を通って軸方向に延びる。しかしながら、他の実施形態では、アパーチャ８８及び９０の位置は、セクタノズル３４内の他の位置に液体燃料カートリッジ５０を配置するよう変えることができる。

液体燃料カートリッジ５０は、液体燃料通路９４を定める内側管９２、水通路９８を定める中間管９６、及び空気通路１０２を定める外側管１００を含む。特定の実施形態によれば、液体燃料、水、及び空気（高圧噴霧空気など）は、セクタノズル３４の外部にある液体燃料カートリッジ５０内の入口を通って液体燃料カートリッジ５０に供給することができる。液体燃料カートリッジ５０はまた、通路９４、９８、及び１０２からフェースプレート６６を通って燃焼室３６（図２）内に液体燃料、水、及び空気を放出するノズル部１０４を含む。図示のように、液体燃料カートリッジ５０は、３つの同心管９２、９６、及び１００を含み、３つの別個の流路９４、９８、及び１０２をそれぞれ定める。しかしながら、他の実施形態では、あらゆる数の１以上の管を液体燃料カートリッジ５０内に含めることができる。例えば、特定の実施形態では、液体燃料カートリッジ５０は、液体燃料、又は液体燃料と水の組み合わせを燃焼室に供給する単一の管を含むことができる。

液体燃料カートリッジ５０は、取付管１０６内に配置され、該取付管は、燃料プレナム５８を通って延びて燃料プレナムプレート７４内のアパーチャ８８及びフェースプレート６６内のアパーチャ９０内に取り付けられる。取付管１０６は、アパーチャ８８及び９０内に緊密に収まり、アパーチャ８８及び９０を通るガス燃料の漏出を抑制することができる。取付管１０６は、液体燃料カートリッジ５０上に配置された取付ペグ１１１と接合するよう設計されたリップ１１０を含み、取付管１０６内の液体燃料カートリッジ５０の適正な位置合わせを可能にすることができる。更に、特定の実施形態では、取付ペグ１１１は、取付管１０６と液体燃料カートリッジ５０の外側管１００との間の通路に空気を配向するよう設計された空力的断面を有することができる。しかしながら、更に別の実施形態では、取付管１０６は、液体燃料カートリッジ５０の外側管１００の周りに緊密に収めることができる。

図４は、中心燃料ノズル４６の周りに配置されたセクタノズル３４を示す燃料ノズル組立体４４の正面図である。セクタノズル３４は、互いに隣接して配置され、ほぼ円形の断面を形成する。例えば、各シェル５６及びハウジング７６（図３）は、隣接するセクタノズル３４のシェル５６及びハウジング７６に近接して配置することができる。セクタノズル３４の各フェースプレート６６は、混合管４８の端部を受けるアパーチャ８０と、液体燃料カートリッジ５０のノズル部１０４を受けるアパーチャ９０とを含む。液体燃料１１３、又は液体燃料、水、及び／又は空気の混合物が、破線で全体的に示されるように、ノズル部１０４から半径方向外向きに噴霧される。特定の実施形態によれば、液体燃料１１３は、アパーチャ８０から流出した燃料空気混合気と混合することができ、これにより液体燃料１１３を燃焼室３６に更に分散させることができる。

各フェースプレート６６はまた、燃料供給通路６８と整列した区域１１４を含む。これらの区域１１４は、アパーチャ８０及び対応する混合管４８が存在せず、燃料が管端部に配向されず、燃料プレナムプレート７４を通って燃料プレナム５８に流入できる。しかしながら、図７に関して以下で詳細に説明するように、他の実施形態では、燃料供給通路６８は、ハウジング７６を通って燃料プレナム５８に流入することができ、これらの実施形態では、フェースプレート６６の実質的に全てが、アパーチャ８０及び対応する混合管４８を含むことができる。図４に示すように、各セクタノズル３４は、液体燃料カートリッジ５０を含む。しかしながら、他の実施形態では、セクタノズル３４のうちの１以上だけが、液体燃料カートリッジ５０を含むことができる。更に、図示のように、５つのセクタノズル３４が中心ノズル４６の周りに配置される。しかしながら、他の実施形態では、あらゆる数のセクタノズル３４を燃料ノズル組立体４４内に含めることができる。更に、特定の実施形態では、中心ノズル４６を省略してもよい。その上、更に別の実施形態では、利用される液体燃料カートリッジ５０の形式は、セクタノズル３４毎に変えてもよい。例えば、特定の実施形態では、あるセクタノズル３４は、燃焼室３６に燃料を配向するよう設計された液体燃料カートリッジ５０を含むむことができ、他方、別のセクタノズル３４は、燃焼室３６に液体蒸留物を配向するよう設計された液体燃料カートリッジ５０を含むことができる。

図５及び６は、混合管４８用のアパーチャ８０と、液体燃料カートリッジ５０用のアパーチャ９０とを含むセクタノズル３４の代替の実施形態を示す。図４に示すように、混合管４８用のアパーチャ８０は、液体燃料カートリッジ５０用のアパーチャ９０の周りにほぼ不規則な配列で配置される。対称的に、図５に示すように、アパーチャ８０は、液体燃料１１３用のアパーチャ８０の間に半径方向流路１１６を形成するようパターン形成配列で半径方向に整列されている。半径方向流路１１６は、液体燃料カートリッジ５０から半径方向外向きに発散し、破線１１３で示すように流路１１６に沿って燃料が流れることができる。特定の実施形態によれば、液体燃料１１３は、これらの流路に沿って移動することができ、これによりフェースプレート６６の周辺１１８に向かう液体燃料１１３の分散を促進することができる。フェースプレート６６はまた、半径方向に整列したアパーチャ８０からオフセットしたアパーチャ８０の周辺列１２０を含む。オフセットしたアパーチャ８０は、フェースプレート６６の周辺１１８を通過する液体燃料１１３の流れを妨げることができ、これによりライナ４０との液体燃料１１３の接触を抑制し、従って、ライナ４０（図２）上のホットスポットを低減することができる。アパーチャ８０は、図５においては半径方向に整列されているが、他の実施形態では、アパーチャ８０は、とりわけ、六角形パターン又は交互パターンなど、他のパターン構成で配置してもよい。

図６は、複数の液体燃料カートリッジ５０を含むセクタノズル３４の一実施形態を示す。詳細には、アパーチャ８０及び対応する混合管４８は、３つの液体燃料カートリッジ５０の周りに配列される。特定の実施形態によれば、セクタノズル３４内に複数の液体燃料カートリッジ５０を含めることにより、単一の液体燃料カートリッジ５０と比べて、周辺１１８に向けた液体燃料１１３の分散をより効率的にすることができる。他の実施形態では、１、２、３、４、又はそれ以上の液体燃料カートリッジ５０のあらゆる数をセクタノズル３４内に含めることができる。

図７は、燃料ノズル組立体４４の別の実施形態を示す。図１〜６に関して上述したように、各セクタノズル３４は、アパーチャ８０と、燃料プレナム５８のハウジング７６を通って延びた対応する混合管４８とを含む。しかしながら、１以上の個別のセクタノズル３４に液体燃料カートリッジ５０を含めるのではなく、中心燃料ノズル１２２が液体燃料カートリッジ５０を含む。詳細には、中心燃料ノズル１２２は、中心部１２６の周りに配列された液体燃料カートリッジ５０を収容する外側ハウジング１２４を含む。図７に示すように、中心部１２６は、空気流を旋回させて液体燃料及び空気の混合を強化するスウォズル型ノズルを含む。しかしながら、他の実施形態では、中心部１２６は、マイクロミキサ型ノズル又は他の好適な形式のノズルとすることができる。液体燃料カートリッジ５０の各々は、セクタノズル３４に向けてファン噴霧パターンで半径方向外向きに液体燃料１１３を噴霧するよう設計される。図７に示すように、セクタノズル３４の何れも液体燃料カートリッジ５０を含まない。しかしながら、他の実施形態では、１以上の液体燃料カートリッジ５０は、セクタノズル３４のうちの１以上に含めることができ、中心燃料ノズル１２２内に含まれる液体燃料カートリッジ５０と共に利用することができる。更に、アパーチャ８０及び対応する混合管４８は、図４〜６に関して上述したように、不規則構成又はパターン構成で配列することができる。

燃料ノズル組立体４４はまた、燃料を燃料プレナム５８に配向する燃料供給通路１２８を含む。燃料供給通路１２８は、図１及び２に関して上述した燃料供給通路６８とほぼ同様である。しかしながら、燃料プレナムプレート７４を通って燃料を燃料プレナム５８に配向するのではなく、燃料供給通路１２８は、ハウジング７６を通って燃料を燃料プレナム５８に配向する。従って、アパーチャ８０及び対応する混合管４８は、フェースプレート６６の実質的に全てにわたって配列することができ、アパーチャ８０の無い区域１１４は省略することができる。特定の実施形態によれば、燃料供給通路１２８は、混合管４８を追加することが望ましい場合のセクタノズル３４において特に有利とすることができる。

図８は、燃焼器１２（図１及び２）内で利用できるセクタノズル３４の別の実施形態を示す。図８に示すセクタノズル３４は、図３に関して上述したセクタノズル３４とほぼ同様である。しかしながら、燃料を利用してフェースプレート６６を冷却するのではなく、図８に示す実施形態は、空気を利用してフェースプレート６６を冷却することができる。詳細には、セクタノズル３４は、燃料プレナム１３２及び空気プレナム１３４を内包するハウジング１３０を含む。

空気プレナム１３４は、一般に、内部プレート１３６、ハウジング１３０、及び冷却プレート１３８により定められる。内部プレートは、燃料プレナムプレート７４及びフェースプレート６６にほぼ平行に配置され、ハウジング１３０の内部を燃料プレナム１３２と空気プレナム１３４とに分割する。ハウジング１３０は、空気を空気プレナム１３４に配向する冷却孔１４０を含む。次いで、空気プレナム１３４からの空気は、冷却プレート１３８内の開口を通って流れ、フェースプレート６６に冷却を提供する。

燃料プレナム１３２は、一般に、燃料プレナムプレート７４、ハウジング１３０、及び内部プレート１３６により定められる。燃料供給通路６８は、燃料を燃料プレナム１３２に配向し、ここで燃料がアパーチャ８２を通って混合管４８に流入する。混合管４８は、燃料プレナムプレート７４から、燃料プレナム１３２、内部プレート１３６（すなわち、内部プレート１３６内のアパーチャ）、空気プレナム１３４、及び冷却プレート１３８（すなわち、冷却プレート１３８内のアパーチャ）を通ってフェースプレート６６まで延びる。図３に関して上述したように、空気プレナム６２からの空気が混合管４８の端部に流入して燃料空気混合気を生成し、これがフェースプレート６６内のアパーチャ８０を通って混合管４８から流出する。液体燃料カートリッジ５０はまた、燃料プレナムプレート７４、燃料プレナム１３２、内部プレート１３６（すなわち、内部プレート１３６内のアパーチャ）、空気プレナム１３４、及び冷却プレート１３８（すなわち、冷却プレート１３８内のアパーチャ）を通ってフェースプレート６６まで延び、ここでノズル部１０４が、フェースプレート６６を通って液体燃料、水、及び空気を燃焼室３６（図２）に排出する。

図８に示すように、混合管４８は、図３に関して上述したのと同様にして液体燃料カートリッジ５０の周りに半径方向に配置される。しかしながら、他の実施形態では、図８のセクタノズル３４は、液体燃料カートリッジ５０及び混合管４８の他の配列と合わせて利用することができる。例えば、混合管４８は、図５に関して上述した半径方向流路を形成するよう配列することができ、或いは、図６に関して上述したように、複数の液体燃料カートリッジ５０をセクタノズル３４内に含めることができる。更に、図８に示すセクタノズル３４は、図７に関して上述した中心燃料ノズル１２２と合わせて利用することができる。

上述のように、本明細書で記載されるセクタノズルは、ガス燃料空気混合気を生成するために液体燃料カートリッジ及び混合管を含む燃料ノズル組立体に特に好適とすることができる。特定の実施形態では、セクタノズルは、混合管と共に、個々のセクタノズル内に配置された液体燃料ノズルを含む。更に、他の実施形態では、セクタノズルは、１以上の液体燃料カートリッジを含む、中心燃料ノズルの周りに配列することができる。従って、セクタノズルは、ガス燃料が混合管を通って配向することができ、液体燃料が液体燃料カートリッジを通って配向することができる点で融通性を提供する。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ガスタービンシステム
１２燃焼機
１４燃料
１６矢印
１８高温燃焼ガス
２０吸入空気
２２空気吸入セクション
２４圧縮機
２６タービン
２８シャフト
３０負荷
３２排気セクション
３４セクタノズル
３６燃焼室
３８ケーシング
４０ライナ
４２流れスリーブ
４３矢印
４４燃料ノズル組立体
４６中心燃料ノズル
４７半径方向
４８混合管
５０液体燃料カートリッジ
５２ベース
５４端部カバー
５６シェル
５８燃料プレナム
６０軸方向
６２空気プレナム
６４開口
６６フェースプレート
６８燃料供給通路
７０トランジションピース
７２アパーチャ
７４燃料プレナムプレート
７６ハウジング
７８アパーチャ
８０アパーチャ
８２アパーチャ
８４管壁
８６ハウジング
８８アパーチャ
９０アパーチャ
９２管
９４通路
９６管
９８通路
１００管
１０２通路
１０４ノズル部
１０６管
１０８通路
１１０リップ
１１１取付ペグ
１１２アパーチャ
１１３破線
１１４区域
１１６流路
１１８周辺
１２０周辺列
１２２中心燃料ノズル
１２４ハウジング
１２６中心部
１２８燃料噴射装置
１３０ハウジング
１３２燃料プレナム
１３４空気プレナム
１３６プレート
１３８冷却プレート
１４０冷却孔

Claims

ガスタービン燃料ノズルを含むシステムであって、該ガスタービン燃料ノズルが、
燃料プレナムから空気プレナムを離隔する燃料プレナムプレートと、
前記燃料プレナムプレートから前記燃料プレナムを通ってフェースプレートに延びる複数の混合管と
を備え、前記各混合管が、
前記空気プレナムから空気を受け取るよう構成された空気入口と、
前記燃料プレナム内の管壁に配置されて、燃料を前記燃料プレナムから前記混合管に配向し燃料空気混合気を生成する燃料入口と、
前記燃料空気混合気を前記フェースプレートから離れて燃焼領域に吐出するよう構成された燃料空気出口と
を含み、
前記ガスタービン燃料ノズルが更に、
前記空気プレナム及び前記燃料プレナムを通って前記フェースプレートに延びる液体燃料カートリッジを備え、前記液体燃料カートリッジが液体燃料通路を含む、システム。
前記液体燃料カートリッジが、前記フェースプレート内で実質的に中心に配置される、請求項１記載のシステム。
前記液体燃料カートリッジが、前記液体燃料通路の周りの空気通路を形成する管内に取り付けられる、請求項１記載のシステム。
前記燃料プレナムプレート及び前記フェースプレートが各々、楔形断面を含む、請求項１記載のシステム。
前記空気プレナム及び前記燃料プレナムプレートを通って延びてガス燃料を前記燃料プレナムに配向する燃料供給通路を備える、請求項１記載のシステム。
前記燃料プレナムを内包するハウジングと、
前記ハウジング内に配置されて、前記燃料プレナムを前記ハウジング内に配置された内部空気プレナムから離隔する内部プレートと
を更に備える、請求項１記載のシステム。
前記燃料ノズルを有するタービン燃焼機又は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。
ガスタービン燃料ノズルを含むシステムであって、該ガスタービン燃料ノズルが、
燃料プレナムプレートと、
燃料プレナムを間に定めるよう前記燃料プレナムプレートから間隔を置いて配置されて、液体燃料カートリッジアパーチャの周りに円周方向に配置された混合管アパーチャを含むフェースプレートと、
前記燃料プレナムプレートから前記燃料プレナムを通って前記フェースプレートに延びる複数の混合管と
を備え、前記各混合管が、
前記空気プレナムから空気を受け取るよう構成された空気入口と、
前記燃料プレナム内の管壁に配置されて、燃料を前記燃料プレナムから前記混合管に配向し燃料空気混合気を生成する燃料入口と、
前記燃料空気混合気を前記フェースプレートから離れて燃焼領域に吐出するよう構成された燃料空気出口と
を含み、
前記ガスタービン燃料ノズルが更に、
前記燃料プレナムプレートを通って延びる第１の液体燃料カートリッジを備え、前記第１の液体燃料カートリッジが、前記液体燃料カートリッジアパーチャ内に配置されたノズル部と、該ノズル部に結合された液体燃料通路と、前記液体燃料通路の周りに配置された空気通路とを含む、システム。
前記混合管アパーチャが、互いに半径方向に整列したアパーチャの第１のセットと、前記半径方向に整列したアパーチャからオフセットした周辺アパーチャの第２のセットとを含む、請求項８記載のシステム。
前記混合管アパーチャが、前記液体燃料カートリッジアパーチャの周りに不規則な構成で配置される、請求項８記載のシステム。
前記第１の液体燃料カートリッジが、前記燃料プレナム内に配置された取付管と接合するよう構成された位置合わせペグを含む、請求項８記載のシステム。
前記燃料プレナムプレートが、前記混合管アパーチャと軸方向に整列した入口アパーチャを含む、請求項８記載のシステム。
第２の液体燃料カートリッジを更に備え、該第２の液体燃料カートリッジが、前記液体燃料を前記燃料プレナムを通って前記フェースプレート内に配置された前記第２の液体燃料カートリッジの出口端部に配向するよう構成されている、請求項８記載のシステム。
タービン燃料ノズルを有するタービン燃焼機又はガスタービンエンジンを備える、請求項８記載のシステム。
ガスタービン燃料ノズルを含むシステムであって、該ガスタービン燃料ノズルが、
互いに隣接して配置されて円形断面を形成する複数のセクタノズルを備え、該複数のセクタノズルの各セクタノズルが、
燃料プレナムから空気プレナムを離隔する燃料プレナムプレートと、
前記燃料プレナムプレートから前記燃料プレナムを通ってフェースプレートに延びる複数の混合管と
を含み、前記各混合管が、
前記空気プレナムから空気を受け取るよう構成された空気入口と、
前記燃料プレナム内の管壁に配置されて、燃料を前記燃料プレナムから前記混合管に配向し燃料空気混合気を生成する燃料入口と、
前記燃料空気混合気を前記フェースプレートから離れて燃焼領域に吐出するよう構成された燃料空気出口と
を含み、
前記ガスタービン燃料ノズルが更に、
同心配列で配置された液体燃料通路及び空気通路を有する液体燃料カートリッジを備え、前記液体燃料通路及び空気通路が、液体燃料及び空気を前記フェースプレートから離れて燃焼領域に出力するよう構成されている、システム。
前記液体燃料カートリッジが、前記セクタノズルのうちの１つ内に配置される、請求項１５記載のシステム。
前記複数のセクタノズルの各セクタノズルが、前記複数の混合管内に実質的に中心に配置された液体燃料カートリッジを含む、請求項１５記載のシステム。
前記液体燃料カートリッジが、前記複数のセクタノズルによって囲まれた中心燃料ノズル内に配置される、請求項１５記載のシステム。
前記中心燃料ノズルが、中心スウォズルの周りに配置された複数の液体燃料カートリッジを含む、請求項１８記載のシステム。
前記複数の液体燃料カートリッジが、前記複数のセクタノズルに向けて半径方向外向きに前記液体燃料を配向するよう構成されている、請求項１８記載のシステム。