JP2013156007A - 結束多管ノズルアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械の排出量を低減する方法が開示される。
【解決手段】方法は、多管ノズルに燃料を供給し、各管に流入する燃料の質量流量の差を低減する段階を含む。改良型多管ノズルもまた開示される。ノズルは、各管に流入する燃料の質量流量の差を低減するアセンブリを含む。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械用のノズルアセンブリに関し、より具体的には、結束多管ノズルアセンブリに関する。

結束多管ノズルは、ガスタービン用の燃料注入ノズルとして使用されてきた。典型的な結束多管ノズルは、主本体セクション及び複数の管を含む。ミニ管ノズルはまた、主本体セクション及び管の外側表面によって画成されるプレナムに燃料入口を含んでおり、そこを通して燃料が運ばれる。燃料はプレナムを満たし、各管の周りに分配される。各管は燃料入口を含む。管に入る燃料は、燃焼室内への希薄（リーン）燃料／空気混合物の注入を容易にするために、管を通過する空気と混合するためのある間隔で提供される。ターボ機械で使用するための代表的な結束多管ノズルは、係属中の米国特許出願公開２０１０／０１８６４１３に記載されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。

ガスタービンからの排出物は、厳しく規制される。特に、窒素酸化物（ＮＯ及びＮＯ₂、総称的にＮＯｘと呼ばれる）の排出物は、厳しい規制枠を受ける。結束多管ノズルは、燃焼前に燃料と空気の良好な混合を保証することによって、低ＮＯｘレベルを達成するために使用されてきた。

ガスタービン用の燃料注入ノズルとして使用される結束多管ノズルでは、燃料供給は、圧縮機放出空気温度より３００〜６００°Ｆ（１５０℃〜３１５℃）（又はそれ以上）冷たい温度にあることが多い。管（管を通って流れる熱い空気を有する）から燃料への熱伝達は、ノズルの管の場所に応じて、管内の燃料開口を通る空気内への注入点において非常に大きな燃料温度差を生じかねない。これらの燃料温度差は、燃料開口を通る注入点において燃料の密度の大きな空間的変動をもたらす。この空間的密度変動は、燃料開口を通って各管に入る燃料の質量流量の著しい差をもたらす。これは、平均よりも燃料リッチな管をもたらし、ＮＯｘ排出量が高くなる。

本発明の一態様では、ターボ機械の排出量を低減する方法は、プレナムと複数の管とを有する燃料ノズルであって各管が１以上の燃料開口を有している燃料ノズルに燃料を供給する段階を含む。本方法はさらに、各管に流入する燃料の質量流量の差を低減する段階を含む。

本発明の別の態様では、燃料ノズルの複数の管の各々における燃空比の差を低減する方法は、各管に入る燃料の温度差を低減する距離で管の周りに燃料を流す段階を含む。

本発明の別の態様では、多管燃料ノズルの複数の管における燃空比の差を低減する方法は、各管に流入する燃料間の燃料温度差を低減する段階を含む。

本発明の別の態様では、燃料ノズルは、筐体と、複数の管であって、各管は１以上の開口を有する、複数の管と、各管に入る燃料質量流量の差を低減するアセンブリとを含む。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付図面を参照して、以下の詳細な説明が読まれると、よりよく理解されるであろう。図面では、同じ記号は、図面全体を通して同じ部品を表す。

従来の結束多管燃料ノズルの断面図である。 本発明の一実施形態に係る結束多管燃料ノズルの側断面図である。 本発明の一実施形態に係る結束多管燃料ノズルの上部断面図である。 本発明の一実施形態に係る結束多管燃料ノズルの部分的等角図である。 本発明の一実施形態に係る結束多管燃料ノズルの側断面図である。 本発明の一実施形態に係る結束多管燃料ノズルの斜視図である。

図１は、筐体１１及び燃料入口ポート１３を有する従来の多管ノズル９を表す。筐体は、複数の管１５を支持する。図１では、上部の５つの管１５は断面で示され、底部の６つの管１５は側面で示される。各管１５は、管入口１７（近位端）と、管出口１９（遠位端）と、１以上の燃料開口２１を含む。燃料開口２１は、好ましくは、管入口１７の近くに配設されることができる。筐体１１及び管１５の外部表面はプレナム２３を画成する。プレナム２３は、多管ノズルアセンブリ１０の作動中に燃料を充填される空間である。多管ノズル９の作動中に、圧縮空気（図１で矢印２５で示す）が、各管１５の管入口１７に流入する。プレナム２３からの燃料は、燃料開口２１を通って流れ、圧縮空気と混合する。空気燃料混合物（図１で矢印２７で示す）は、管出口１９から燃焼器（図示せず）に流入する。図１は、従来の多管ノズル９の燃料経路２８を示す。図１から、燃料入口ポート１３から燃料開口２１への燃料経路２８は、開口２１がどこにあるかに応じて大幅に変動することが認識されうる。例えば、燃料入口ポート１３の最も近くに位置する管１５への燃料経路２８は、燃料入口ポート１３から最も遠くに位置する管への燃料経路２８より著しく短い。

燃料供給は、圧縮機放出空気温度より３００〜６００°Ｆ（１４９〜３１５℃）（又はそれ以上）冷たい温度にあることが多いため、管１５（管を通って流れる熱い空気を有する）から燃料への熱伝達は、多管ノズル９内の管１５の位置に応じて、燃料開口２１を通る注入点において非常に大きな燃料温度差を生成しうる。この大きな燃料温度の空間的変動は、燃料の密度の大きな空間的変動をもたらす。この空間的密度変動は、各管に入る燃料の質量流量の著しい差をもたらす。管に入る燃料流の大きな空間的変動は、低排出物を達成するときの１つの主要な設計目標が、同じ量の空気及び燃料を各管に供給することであるため問題になる。各管が同じ量の空気を有する場合、管に入る燃料流の変動は、一部の管が平均より燃料リッチになるが、これは高いＮＯｘに直接つながる。

図２は、より均一な流れ分布を実現する本発明の実施形態に係る多管ノズルアセンブリ１０を示す。この実施形態の多管ノズルアセンブリ１０は、管１５に直交して配設された第１のバッフル２９及び第２のバッフル３１を含む。第１のバッフル２９及び第２のバッフル３１は、燃料経路（矢印３３で示す）に沿う燃料の流れ（矢印３２で示す）を制限するように設計された筐体１１内に挿入されたプレートとすることができる。図２の例では、バッフル２９は、筐体１１の上部の内部表面から筐体１１の底部の内部表面のすぐ上の地点まで延在し、燃料がそこを通って流れるギャップ３４を提供する。同様に、第２のバッフル３１は、筐体１１の底部の内部表面から筐体１１の上部の内部表面のすぐ下の地点まで延在し、燃料がそこを通って流れるギャップ３５を提供する。図２に示す実施形態は２つのバッフルを示すが、単一バッフル及び３つ以上のバッフルが、多管ノズルアセンブリ１０で使用されることができることが理解されるべきである。同様に、任意の数の管１５が、多管ノズルアセンブリ１０で使用されることができる。

図３には、本発明による多管ノズルアセンブリ１０の別の実施形態が示される。この実施形態では、燃料分布アセンブリ３７は、プレナム２３内に燃料をより均一に分布させるために設けられる。燃料分布アセンブリ３７は、プレナム２３内への燃料の均等分布をもたらす複数の孔４１を有する部分シリンダ３９を備えることができる。燃料分布アセンブリ３７は、燃料が半径方向に流れることを可能にする前に、燃料を周方向に分布させる。燃料分布アセンブリ３７は、多孔質材料、拡散器及び同様なものなどの、プレナム２３内に燃料を均等に分散させる任意の手段を備えることができる。

図４には、本発明による多管ノズルアセンブリ１０の別の実施形態が示される。この実施形態では、角度付きバッフル４３が設けられ、角度付きバッフル４３は、管１５を横切って配設され、筐体１１の底部内部表面の上のある地点に向かってある角度で筐体１１の上部内部表面から延在し、それにより、開口４５を提供し長い燃料経路３３を画成する。多管ノズルアセンブリ１０はまた、複数の孔又は開口４１を有する部分シリンダシート３９を含む燃料分布アセンブリ３７を含むことができる。標準化アセンブリ４６は、同様に、燃料開口２１の下流に配設されることができる。一実施形態では、標準化アセンブリ４６は、例えば複数のオリフィス４８を有するパネル４７などの拡散器又は多孔質パネル４７とすることができる。標準化アセンブリ４６は、圧力損失を導入し、燃料開口２１の位置するプレナム２３の領域に均一な燃料質量分布を強制する。

図５は、本発明による多管ノズルアセンブリ１０のさらに別の実施形態を示す。この実施形態では、角度付きバッフル４３が設けられる。その実施形態はまた、プレナム２３内に燃料をより均一に分布させるために設けられる燃料分布アセンブリ３７を含む。

図６には、本発明による多管ノズルアセンブリ１０のさらに別の実施形態が示される。この実施形態では、ヘリカルバッフル４９が、管１５の外側表面の周りにヘリカル燃料経路３３を生成するために設けられる。

バッフルの付加によって、燃料は、十分な長さの所定の流路に沿って流れることを強制され、それにより、個々の管に対して流路長が変動するため、さらなる熱ピックアップがプレナム２３内の燃料用の相対密度に著しい影響を及ぼすポイントまで、燃料の温度が増加する。熱伝達の増加は、異なる管１５の燃料開口２１における燃料の温度差を減少させる。燃料経路が長ければ長いほど、燃料が長く管１５と接触状態になり（先のプレナム２３参照）、燃料開口２１で観測される低い温度差をもたらす。図２〜図６に示す異なる実施形態によって提供される長い燃料経路は、多管ノズルアセンブリ１０の管１５の燃料開口２１の周りの燃料密度空間変動量を制限する。要するに、燃料は、十分な熱をピックアップするのに十分な経路長に沿って流れることを強制されるため、燃料温度の空間変動は、燃料開口２１の場所で最小になる。燃料は、十分な回数、多くの管１５にわたって前後に流れることを強制されるため、燃料温度は、管１５を通って流れる空気温度に非常に近くなる。その時点で、燃料は、その温度をさらに上げることなく、燃料開口２１に送られることができ、これは、全ての燃料開口２１において実質的に均一な燃料温度を保証し、それは、圧力場が均一である場合、実質的に同じ量の燃料が各管１５に送出されることをもたらす。数値流体力学（ＣＦＤ：computational fluid dynamics）モデルによる結果に基づいて、バッフルがない図１に示すアセンブリなどの従来のアセンブリは、一部の管が、平均より１５％多いか又は少ない燃料及び６％を超える相対的燃料流量標準偏差を受取ることをもたらすことが示された。しかし、バッフルの付加によって、管１５に入る燃料の温度は、実質的に均一に維持され、そのことは、３％未満の相対的燃料質量流量変動で、管１５に入る燃料の最大変動を５％以内に減少することがＣＦＤモデルによって示された。

複数の管１５にわたって各燃料開口２１間の燃料流量の差を減少させることによって、排出物の著しい改善が達成されうる。図４〜図６に示す多管ノズルアセンブリ１０の異なる実施形態の利点は、燃料開口２１の領域が、低密度の高温燃料を収容するために同じ圧力降下についてサイズが増加しうることである。従来の多管ノズル９において一般的に見られる小さな燃料開口領域は、現場での詰まりの重大なリスクを呈する。燃料開口２１の領域を増大させることは、この詰まりのリスクを軽減する。さらに、大きな燃料開口２１によって、開口用の領域の均一性を維持するために必要とされる公差が緩和される（すなわち、大きな径の燃料開口２１用の公差は、小さな燃料開口２１用の公差より大きい）場合があり、燃料開口を作製するのを容易にかつ安価にする。

上述されるかつ／又は本明細書で特許請求される方法及び装置は、例示的な実施形態を参照して上述されるが、上述されるかつ／又は本明細書で特許請求される方法及び装置の範囲から逸脱することなく、種々の変更が行われることができ、また、等価物が、その要素と置換されることができることが当業者によって理解されるであろう。さらに、上述されるかつ／又は本明細書で特許請求される方法及び装置の範囲から逸脱することなく、特定の状況に適応するために、上記の教示に対して多くの修正が行われることができる。したがって、上述されるかつ／又は本明細書で特許請求される方法及び装置は、本発明を実施するために開示される実施形態に限定されるのではなく、本発明は、意図される添付特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。さらに、用語、第１、第２などの使用は、重要度の順序を示すのではなく、むしろ、用語、第１、第２などは、１つの要素を別の要素と区別するために使用される。

１０ 多管ノズルアセンブリ
１１ 筐体
１３ 燃料入口ポート
１５ 管
１７ 管入口
１９ 管出口
２１ 燃料開口
２３ プレナム
２５ 圧縮空気
２７ 空気燃料混合物
２８ 燃料経路
２９ 第１のバッフル
３１ 第２のバッフル
３２ 燃料
３３ 長い燃料経路
３４ 第１の開口
３５ 第２の開口
３７ 燃料分布アセンブリ
３９ プレート
４１ 孔
４３ 角度付きバッフル
４５ バッフル開口
４６ 標準化アセンブリ
４７ パネル
４８ 孔
４９ ヘリカル（スパイラル）バッフル

Claims (25)

1. ターボ機械の排出量を低減する方法であって、
   プレナムと複数の管とを有する燃料ノズルであって各管が１以上の燃料開口を有している燃料ノズルに燃料を供給する段階と、
   各管の開口を通して、各管毎の質量流量で燃料を各管に流入させる段階と、
   各管に流入する燃料の質量流量の差を低減する段階と
   を含む方法。
2. 質量流量の差を低減する段階が、管から燃料への熱伝達を増大させるためプレナムを通る燃料の流路を増大させる段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 流路を増大させる段階が、プレナム内の１以上のバッフルの周りに燃料を流す段階を含む、請求項２記載の方法。
4. １以上のバッフルが１以上のセグメント状バッフルを備える、請求項３記載の方法。
5. １以上のセグメント状バッフルがノズルによって規定される長手軸を横断して配設される、請求項４記載の方法。
6. １以上のセグメント状バッフルがノズルによって規定される長手軸に直交して配設される、請求項３記載の方法。
7. １以上のバッフルが１以上のヘリカルバッフルを備える、請求項３記載の方法。
8. 開口の上流に配設された標準化アセンブリであって、複数のオリフィスを有するプレートを備える標準化アセンブリをさらに備えている、請求項３記載の方法。
9. 燃料ノズルの複数の管の各々における燃空比の差を低減する方法であって、
   各管に入る燃料の温度差を低減する距離で管の周りに燃料を流す段階
   を含む方法。
10. 管の周りに燃料を流す段階が１以上のバッフルの周りに燃料を流す段階を含む、請求項９記載の方法。
11. 燃料を半径方向に流す前に、燃料を周方向に分布させることをさらに含む、請求項９記載の方法。
12. 多管燃料ノズルの複数の管における燃空比の差を低減する方法であって、
    各管に流入する燃料の燃料温度差を低減する段階
    を含む方法。
13. 燃料温度差を低減する段階が、管からの熱伝達によって実質的に均一な温度まで燃料温度を上げるのに十分に長い流路で管の周りに燃料を流す段階を含む、請求項１２記載の方法。
14. 管の周りに燃料を流す段階が、流路長を増加させる１以上のバッフルの周りに燃料を流す段階を含む、請求項１３記載の方法。
15. バッフルがセグメント状バッフルである、請求項１４記載の方法。
16. バッフルがヘリカルバッフルである、請求項１４記載の方法。
17. 燃料ノズルであって、
    複数の管であって、各管が外側表面と近位端と遠位端とを有していて、各管が、燃料をある流量で管内に流入させることのできる１以上の開口を有している、複数の管と、
    管を囲繞する筐体であって、筐体の内側表面と管の外側表面とがプレナムを画成している筐体と、
    プレナムに燃料を供給するためプレナムと結合した燃料ポートと、
    各管に入る燃料質量流量の差を低減するアセンブリと
    を備える燃料ノズル。
18. 前記アセンブリが、燃料経路を延長する部品を備える、請求項１７記載の燃料ノズル。
19. 前記部品がプレナム内に配設された１以上のバッフルを備える、請求項１８記載の燃料ノズル。
20. １以上のバッフルが１以上のセグメント状バッフルを備える、請求項１９記載の燃料ノズル。
21. １以上のバッフルがプレナム内に配設された１以上のヘリカルバッフルを備える、請求項１９記載の燃料ノズル。
22. 燃料分布アセンブリをさらに備える、請求項１８記載の燃料ノズル。
23. 燃料分布アセンブリが複数の孔を有する部分シリンダシートを備える、請求項２２記載の燃料ノズル。
24. プレナムの開口近傍の領域で均一な燃料質量分布を強制する流れ標準化アセンブリをさらに備える、請求項１８記載の燃料ノズル。
25. 流れ標準化アセンブリが多孔質プレートを備える、請求項２４記載の燃料ノズル。