JP2013148341A - 燃料ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】燃料空気混合、耐保炎性、及び全体性能を改善する燃料ノズルを提供すること。
【解決手段】本出願は、燃料流と空気流を混合する燃料ノズルを提供する。燃料ノズルは、下流面と、燃料流のために下流面の周りに位置付けられた複数の燃料通路と、下流面の周りに位置付けられたノズルカラーとを含むことができる。ノズルカラーは、そこを通る空気流用の複数の空気ベーンと、１以上のパージ孔とを含むことができる。
【選択図】 図１

Description

本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、燃料空気混合、耐保炎性、及び全体性能を改善するため複数のパージ孔を有するノズルカラーを備えた燃料ノズルに関する。

一般に、ガスタービンエンジンは、１以上の燃料ノズルを利用して燃焼器において燃料空気混合を促進させることができる。各燃料ノズルは、燃焼用に燃料流、空気流、及び他の任意選択の流体流を燃焼器に配向することができる。特定の実施形態では、燃焼炎は、燃料ノズルの表面に対して逆火及び／又は保炎を生じる場合がある。保炎は、燃料ノズルに対して大きな損傷を引き起こし、及び／又は燃料ノズル及びガスタービンエンジン全体の性能を低下させる可能性がある。

具体的には、保炎は、可燃性の燃料空気混合気が燃焼源に極めて近接した低速領域に存在する場合に生じる可能性がある。拡散式燃焼システムに使用される燃料ノズルでは、低速領域は一般に、空気力学に起因して燃料ノズルの内壁付近で見ることができる。このような可燃性混合気は、場合によっては燃料ノズル内部で保炎を生じることがある。燃料ノズル内部での保炎は、結果として燃料ノズルの焼き付きをもたらし、すなわち、内部の火炎損傷を生じる可能性がある。

従って、改善された燃料ノズル設計に対する要望がある。好ましくは、このような改善された燃料ノズル設計は、燃料ノズル付近の低速領域において可燃性燃料／空気混合気を制限又は低減し、保炎及び同様のものを制限することができる。保炎の制限は、燃料ノズル及びガスタービンエンジンの全体性能及び耐久性を改善するはずである。

米国特許出願公開第２００８００８３２２９号明細書

従って、本出願及び結果として得られる特許は、燃料流と空気流を混合するための燃料ノズルの１つの実施例を提供する。燃料ノズルは、下流面と、燃料流のために下流面の周りに位置付けられた複数の燃料通路と、下流面の周りに位置付けられたノズルカラーとを含むことができる。ノズルカラーは、そこを通る空気流用の複数の空気ベーンと、１以上のパージ孔とを含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、燃料ノズルの周りの保炎を制限する方法の１つの実施例を提供する。本方法は、燃料ノズルの下流面を通して燃料流を提供するステップと、燃料ノズルのノズルカラーの複数の空気ベーンを通して空気流を提供するステップと、燃料ノズルの下流側で燃料流と空気流を混合するステップと、複数の空気ベーンにおいて複数のパージ孔を通してパージ空気流を提供するステップと、パージ空気流により燃料ノズルの下流側の１以上の再循環ゾーンの生成を制限するステップとを含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンと共に使用する燃焼器の１つの実施例を提供する。燃焼器は、燃焼室と、燃焼室の周りに位置付けられた複数の燃料ノズルとを含むことができる。燃料ノズルの各々がノズルカラーを含むことができる。ノズルカラーは、そこを通るパージ空気流のための１以上のパージ孔を備えた１以上の空気ベーンを含むことができる。

本出願のこれら及び他の特徴並びに改善点は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、及びタービンを示すガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すような圧縮機の１つの実施例の側面図。 本明細書で記載されるノズルカラーを備えた燃料ノズルの１つの実施例の斜視図。 図３のノズルカラーを備えた燃料ノズルの部分側断面図。

次に、複数の図面を通じて同じ参照符号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用できるガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気流２０を加圧する。圧縮機１５は、加圧された空気流２０を燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、加圧された空気流２０を加圧燃料流３０と混合し、該混合気を点火して、燃焼ガス流３５を生成する。単一の燃焼器２５のみが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。次に、燃焼ガス流３５は、タービン４０に送給される。燃焼ガス流３５は、タービン４０を駆動して機械的仕事を生成するようにする。タービン４０において生成された機械的仕事は、シャフト２５を介して圧縮機１５、並びに発電機及び同様のものなどの外部負荷５０を駆動する。他の構成及び他の構成要素を用いることもできる。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプのシンガス、及び／又は他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定ではないが、７又は９シリーズ高出力ガスタービンエンジン及び同様のものなどを含む、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される幾つかの異なるガスタービンエンジンのうちの何れかとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、また、他のタイプの構成要素を用いることができる。他のタイプのガスタービンエンジンもここで用いることができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電機器も、本明細書で共に使用することができる。

図２は、ガスタービンエンジン１０及び同様のものと共に用いることができる燃焼器２５の１つの実施例を示す。燃焼器２５は、複数の燃料ノズル５５を含むことができる。上述のように、燃料ノズル５５の各々は、燃焼のために空気流２０、燃料流３０、及び任意選択の他の流体流を燃焼器２５に配向することができる。あらゆる数の燃料ノズル５５を任意の構成で用いることができる。燃料ノズル５５は、燃焼器２５のヘッド端部６５付近の端部カバー６０に取り付けることができる。空気流２０及び燃料流３０は、端部カバー６０及びヘッド端部６５を通して燃料ノズル５５の各々に配向され、そこで燃料空気混合気を分配させることができる。

燃焼器２５はまた、燃焼室７０を内部に含むことができる。燃焼室７０は、燃焼ケーシング７５、燃焼ライナ８０、流れスリーブ８５、及び同様のものにより定めることができる。ライナ８０及び流れスリーブ８５は、互いに対して同軸に位置付けられ、そこを通る空気流２０のための空気通路９０を定めるようにすることができる。燃焼室７０は、下流側の移行部品９５に通じることができる。空気流２０及び燃料流３０は、燃料ノズル５５の下流側で混合し、燃焼室７０内で燃焼することができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、移行部品９５を介してタービン４０に向けて配向され、有用な仕事を生成することができる。他の構成要素及び他の構成もまた、本明細書で使用することができる。

図３及び４は、本明細書で説明される燃料ノズル１００の１つの実施例を示す。燃料ノズル１００は、外側管体１１０を含むことができる。外側管体１１０は、燃料ノズル先端１３０に通じることができる。外側管体１１０は、複数の燃料通路及び空気通路を内部に含むことができる。具体的には、複数の燃料通路１４０が貫通して延びることができ、下流面１２０の周りに軸方向に位置付けることができる。燃料通路１４０は、燃料流３０と連通することができる。また、複数の先端出口１５０が貫通して延びることができ、燃料ノズル先端１３０の周りに位置付けることができる。先端出口１５０は、燃料流３０、空気流２０、又は他のタイプの流れと連通することができる。燃料通路１４０及び先端出口１５０を通って延びる燃料流３０は、燃焼の性質及び他のタイプのパラメータに応じて、同じ及び／又は異なるタイプの燃料流とすることができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で使用することができる。

燃料ノズル１００はまた、外側管体１１０の下流側端部の周りに位置付けられたノズルカラー１６０を含むことができる。ノズルカラー１６０は、下流面１２０及び燃料ノズル先端１３０を囲むことができる。ノズルカラー１６０は、複数の空気ベーン１７０を含むことができる。空気ベーン１７０は、空気流２０を配向して通し、及び／又はスワールをそこに与えるような角度を付けることができる。空気ベーン１７０は、任意のサイズ、形状、又は構造を有することができる。あらゆる数の空気ベーン１７０を用いることができる。空気ベーン１７０は、空気流２０を燃料通路１４０及び先端出口１５０の周りに配向することができる。空気ベーン１７０は、その端部にて下流側リング１８０を支持することができる。他の構成要素及び他の構造もまた、本明細書で使用することができる。

上述のように、空気流２０と燃料流３０との間の相互作用の結果として、複数の再循環ゾーン１９０を形成する可能性がある。これらの再循環ゾーン１９０は、低速領域による燃料ノズル１００の周りの保炎につながる可能性がある。このため、複数のパージ孔２００を空気ベーン１７０にわたって位置付けることができる。パージ孔２００は、あらゆるサイズ、形状、又は構造を有することができる。あらゆる数のパージ孔２００を本明細書で使用することができる。パージ孔２００は角度を付けることができ、及び／又は複数の角度を本明細書で使用することができる。また、追加のパージ孔が下流側リング１８０及び／又はその他に延びることができる。他の構成要素及び他の構造を本明細書で使用することができる。

従って、パージ孔２００は、そこを通るパージ空気流２１０を空気流２０全体の一部として提供することができる。パージ孔２００を通るパージ空気流２１０は、低速の領域又はその他によって引き起こされる燃料ノズル１００の下流側の再循環ゾーン１９０を阻止することができる。パージ孔２００は、実質的に円周方向での再循環ゾーン１９０の生成をパージ孔２００が阻止するように角度を付けることができる。円周方向に沿ったこれらの再循環ゾーン１９０の排除又は低減は、保炎を低減するはずである。従って、保炎の低減により、耐久性及び寿命が改善された燃料ノズル１００を提供する。更に、ガスタービンエンジン１０全体が、エミッション及び全体性能を改善することができる。パージ空気２１０を流すパージ孔２００の使用は、当初の設備とすることができ、又は後からの組み込み装置の一部として追加することもできる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定められる本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気流
２５ 燃焼器
３０ 燃料流
３５ 燃焼ガスの流れ
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
５５ 燃料ノズル
６０ 端部カバー
６５ ヘッド端部
７０ 燃焼室
７５ ケーシング
８０ ライナ
８５ 流れスリーブ
９０ 通路
９５ 移行部品
１００ 燃料ノズル
１１０ 外側端部
１２０ 下流面
１３０ 燃料ノズル先端
１４０ 燃料通路
１５０ 先端出口
１６０ ノズルカラー
１７０ 空気ベーン
１８０ 下流側リング
１９０ 再循環ゾーン
２００ パージ孔
２１０ パージ空気

Claims (20)

1. 燃料流と空気流を混合するための燃料ノズルであって、
   下流面と、
   前記燃料流を通すため前記下流面の周りに位置付けられた複数の燃料通路と、
   前記下流面の周りに位置付けられたノズルカラーと
   を含み、前記ノズルカラーが、そこを通る空気流用の複数の空気ベーンを備え、前記複数の空気ベーンの１以上が、１以上のパージ孔を有する、燃料ノズル。
2. 前記下流面に貫通して延びた前記複数の燃料通路を有する外側管体を更に含む、請求項１記載の燃料ノズル。
3. 前記下流面が、そこに位置付けられた燃料ノズル先端を備える、請求項１記載の燃料ノズル。
4. 前記燃料ノズル先端が、そこを通る燃料流及び／又は空気流のために位置付けられた１以上の先端出口を備える、請求項３記載の燃料ノズル。
5. 前記複数の燃料通路を通る燃料流が、第１の燃料流を含み、前記１以上の先端出口を通る燃料流が、第２の燃料流を含む、請求項４記載の燃料ノズル。
6. 前記ノズルカラーが、前記複数の空気ベーンに隣接した下流側リングを備える、請求項１記載の燃料ノズル。
7. 燃焼室の周りに位置付けられた複数の燃料ノズルを更に含む、請求項１記載の燃料ノズル。
8. 前記１以上のパージ孔を通るパージ流を更に含む、請求項１記載の燃料ノズル。
9. 前記１以上のパージ孔を通るパージ流が、前記燃料ノズルの下流側で前記燃料流及び前記空気流の再循環ゾーンを制限する、請求項８記載の燃料ノズル。
10. 前記燃料ノズルの下流側での前記燃料流及び前記空気流の再循環ゾーンの制限により、前記燃料ノズルの周りの保炎が制限される、請求項９記載の燃料ノズル。
11. 燃料ノズルの周りの保炎を制限する方法であって、
    前記燃料ノズルの下流面を通して燃料流を提供するステップと、
    前記燃料ノズルのノズルカラーの複数の空気ベーンを通して空気流を提供するステップと、
    前記燃料ノズルの下流側で前記燃料流と空気流を混合するステップと、
    前記複数の空気ベーンにおいて複数のパージ孔を通してパージ空気流を提供するステップと、
    前記パージ空気流により前記燃料ノズルの下流側の１以上の再循環ゾーンの生成を制限するステップと
    を含む、方法。
12. 前記燃料流を提供するステップが、燃料流を複数の燃料流を通して提供するステップを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記燃料流を提供するステップが、燃料ノズル先端における複数の先端出口を通じて燃料流を提供するステップを含む、請求項１１記載の方法。
14. 複数の空気ベーンを通じて空気流を提供するステップが、複数の角度付き空気ベーンを通じて空気流を提供するステップを含む、請求項１１記載の方法。
15. 前記１以上の再循環ゾーンの生成を制限するステップが、円周方向に延びる１以上の再循環ゾーンの生成を制限するステップを含む、請求項１１記載の方法。
16. ガスタービンエンジンと共に使用する燃焼器であって、
    燃焼室と、
    前記燃焼室の周りに位置付けられた複数の燃料ノズルと
    を備え、前記複数の燃料ノズルの各々がノズルカラーを含み、該ノズルカラーが、１以上のパージ孔を備えた１以上の空気ベーンを有する、燃焼器。
17. 前記複数の燃料ノズルの各々が、燃料流が通るための複数の燃料通路と、空気流が通る１以上の空気ベーンと、パージ空気流が通る１以上のパージ孔とを含む、請求項１６記載の燃焼器。
18. 前記複数の燃料ノズルが、端部カバーの周りに位置付けられる、請求項１６記載の燃焼器。
19. 前記複数の燃料ノズルの各々が、貫通して延びる複数の燃料通路を備えた下流面を含む、請求項１６記載の燃焼器。
20. 前記下流面が、貫通して延びる１以上の先端出口を備えて位置付けられる燃料ノズル先端を含む、請求項１９記載の燃焼器。