JP2013190201A - 複数管燃料ノズルにおける混合を強化するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】複数管燃料ノズルにおける混合を強化するシステムを提供すること。
【解決手段】システムは、燃料ノズルヘッド及び複数の管体を有する複数管燃料ノズルを含む。燃料ノズルヘッドは、チャンバを囲む外壁を含み、該外壁は、燃焼領域に面するように構成された下流側壁部を含む。複数の管体は、チャンバを通って下流側壁部に延び、各管体は、管体への空気入口と、管体の長手方向軸線に対して第１の横方向で管体内に半径方向に延びる突出部を有する第１の燃料入口と、管体からの出口と、を含む。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、タービンエンジンに関し、より具体的には、複数管燃料ノズルにおける燃料空気混合を高めるシステムに関する。

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燃焼ガスを生成し、これが１つ又はそれ以上のタービン段を駆動する。詳細には、高温燃焼ガスがタービンブレードを回転駆動し、これによりシャフトを駆動して発電機などの１つ又はそれ以上の負荷を回転させるようにする。ガスタービンエンジンは、燃料及び空気を燃焼器に噴射する燃料ノズルを含む。燃料及び空気の混合気が良好に混合されない場合、その結果として、不安定な火炎、不完全燃焼、並びに窒素酸化物（ＮＯｘ）及び他の望ましくない副生成物の増加が生じる可能性がある。

米国特許第７，９４２，５６８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の実施形態によれば、システムは、燃料ノズルヘッド及び複数の管体を有する複数管燃料ノズルを含む。燃料ノズルヘッドは、チャンバを囲む外壁を含み、該外壁は、燃焼領域に面するように構成された下流側壁部を含む。複数の管体は、チャンバを通って下流側壁部に延び、各管体は、管体への空気入口と、管体の長手方向軸線に対して第１の横方向で管体内に半径方向に延びる突出部を有する第１の燃料入口と、管体からの出口と、を含む。

第２の実施形態によれば、システムは、複数管燃料ノズル内に装着するよう構成された予混合管体を含む。予混合管体は、予混合管体内への空気入口と、燃料入口と、予混合管体からの出口と、を含む。燃料入口は、予混合管体の長手方向軸線に対して第１の横方向で予混合管体内に半径方向に延びる第１の突出部を有する。空気入口が、第１の燃料入口から上流側に配置され、出口が、空気入口及び第１の燃料入口から下流側に配置されている。

第３の実施形態によれば、システムは、タービン燃料ノズルを含む。タービン燃料ノズルは、予混合管体への空気入口と、予混合管体の長手方向軸線に対して横方向で予混合管体内に半径方向に延びる突出部を有する燃料入口と、予混合管体からの第１の出口と、を備えた予混合管体を含む。空気入口は、燃料入口から上流側に配置され、出口が、空気入口及び燃料入口から下流側に配置されている。

本発明のこれら並びに他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層よく理解されるであろう。

複数管燃料ノズルにおける燃料空気混合を増大させるシステムを含むタービンシステムの１つの実施形態のブロック図。 複数の複数管燃料ノズルを含む燃焼器の１つの実施形態の断面図。 キャップにおいて互いから離間して配置された複数の円形複数管燃料ノズルを示す、図２の線２−２に沿った、燃焼器の１つの実施形態の前方平面図。 複数のセクタ配列で互いに直近で配置された複数の楔形複数管燃料ノズルを示す、図２の線３−３に沿った燃焼器の１つの実施形態の前方平面図。 半径方向に突出する燃料入口を備えた複数の予混合管体を有する複数管燃料ノズルの１つの実施形態の断面図。 長手方向軸線に対して垂直の半径方向に突出する燃料入口を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体の１つの実施形態の部分側断面図。 長手方向軸線に対して横方向で且つ鋭角２１２を形成する半径方向に突出する燃料入口を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体の１つの実施形態の部分側断面図。 対称位置構成の半径方向に突出する燃料入口を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体の１つの実施形態の部分側断面図。 軸方向に交互する構成の半径方向に突出する燃料入口を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体の１つの実施形態の部分側断面図。 管体への半径方向深さ、直径、管状形状、及び構造が異なる半径方向に突出する燃料入口を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体の１つの実施形態の部分側断面図。 中心線に対する角度、管体への半径方向深さ、及び直径が異なる半径方向に突出する燃料入口を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体の１つの実施形態の部分側断面図。 長手方向軸線に向かって直接収束する軸線に半径方向に突出する燃料入口を備えた単一の予混合管体の１つの実施形態の断面図。 管体中心線の周りにスワール流を誘起するよう構成された角度に向けられた半径方向に突出する燃料入口を備えた単一の予混合管体の１つの実施形態の断面図。

本発明の１つ又はそれ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ときに、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ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、複数管燃料ノズルにおける燃料空気混合を高めるシステムに関する。複数管燃料ノズルは、空気流内に燃料を噴射するため１つ又はそれ以上の半径方向に突出する燃料入口を各々が含む複数の予混合管体を有することができる。理解できるように、流体の速度は、予混合管体の中心で最も高く、燃料入口は、この高速領域に近接したジェット侵入を増大させる。結果として、窒素酸化物などの燃焼副生成物の形成は、減少させることができる。更に、予混合管体の長さが短くなり、その結果、より短い長さの燃料ノズル及び燃焼器をもたらすことができる。

図１は、複数の予混合管体６８を備えた燃料ノズル２６（例えば、複数管燃料ノズル）を有するタービンシステム１６の１つの実施形態のブロック図であり、各予混合管体が、燃料空気混合を向上させるため１つ又はそれ以上の半径方向に突出する燃料入口１１を有する。この説明全体を通じて軸線のセットが参照される。これらの軸線は、軸方向１０、半径方向１２、及び円周方向１４における円筒座標系及び点に基づいている。例えば、軸方向１０は、予混合管体の長さ（すなわち、長手方向軸線）に沿って延び、半径方向１２は、長手方向軸線から離れて延び、円周方向１４は、長手方向軸線の周りを延びる。

タービンシステム１６は、圧縮機１８、燃焼器２０、及びタービン２２を含む。圧縮機１８は、吸気口２４から空気を受け取り、空気を加圧して燃焼器２０に送給する。燃焼器２０はまた、燃料ノズル２６から燃料を受け取る。空気及び燃料は、最適な燃焼、エミッション、燃料消費量、及び出力に好適な特定の比率で燃焼器２０に送給される。空気及び燃料は、混合されて反応し、燃焼生成物を形成する。空気及び燃料が良好に混合されない場合には、窒素酸化物などの望ましくない燃焼副生成物が形成される可能性がある。タービンシステム１６の特定の実施形態は、形成される燃焼副生成物（特に窒素酸化物）の量を低減するために燃料空気混合を向上させるシステムを含む。高温の燃焼生成物はタービンに送給されて、シャフト２８を回転させるようになる。シャフト２８はまた、圧縮機１８及び負荷３０に結合される。回転シャフト２８は、圧縮機１８にエネルギーを提供し、上述のように空気を加圧する。負荷３０は、発電機、又はシャフトの機械エネルギーを利用できる何れかの装置とすることができる。最終的に、燃焼生成物は、タービン２２から流出し、排気出口３２を通って排出される。

図２は、複数管燃料ノズル２６を含む燃焼器２０の１つの実施形態の側断面図であり、各々が、燃料空気混合を向上させるため１つ又はそれ以上の半径方向に突出する燃料入口１１を備えた予混合管体６８を有する。燃焼器２０は、流れスリーブ又は外側ケーシング４４、端部カバー４６、及び燃料ノズル２６のキャップ部材又は仕切り壁９４及び／又は外壁４８を含む。外側ケーシング４４は、空気入口５０を有し、空気がケーシング４４と燃焼器ライナ５１との間の環状スペース４９に流入することが可能になる。キャップ部材９４及び／又は外壁４８は、燃焼領域５４に面する下流側壁部５２を有する。キャップ部材９４及び、／又は外壁４８は、燃焼領域５４から燃焼器内部を隔離する。複数燃料ノズル２６は、燃焼器２０内に装着される。各燃料ノズル２６は、燃料導管５６及び燃料ノズルヘッド５８を含む。各燃料導管５６は、燃焼器２０のヘッド端部６０を通って上流側端部６２から下流側端部６４に軸方向１０に向けられる。端部カバー４６は、上流側端部６２に配置され、燃料ノズルヘッド５８は、下流側端部６４に配置される。燃料ノズルヘッド５８は、燃料導管５６に結合される燃料チャンバ６６を囲む外壁４８を含む。各複数管燃料ノズル２６の予混合管体６８は、チャンバ６６を通って上流側壁部７０から下流側壁部５２まで延びる。管体６８は、燃料導管５６の下流側部分の周りに円周方向１４に配列される。特定の実施形態において、各複数管燃料ノズル２６は、約１〜１０００、１０〜５００、又は２０〜１００の予混合管体６８を含むことができ、各予混合管体は、燃料空気混合を向上させるため１つ又はそれ以上の半径方向１２に突出する燃料入口を有する。

図示の配列において、空気は、空気入口５０を通って経路７２に沿って環状スペース４９に流れ、次いで、経路７４に沿ってヘッド端部６０に流れる。次いで、空気は、経路７６に沿って予混合管体６８に流れる。燃料は、燃料供給源から燃料導管５６に流入し、燃料チャンバ６６への経路８０を辿る。図示の実施形態において、燃料チャンバ６６はまた、バッフル８２を含み、該バッフルは、燃料をバッフル８２の周りに流して予混合管体６８の半径方向に突出する燃料入口に到達させるようにする。燃料は、半径方向に突出する燃料入口に入り、管体６８内で空気と混合する。燃料空気混合気は、予混合管体６８を通って流れて燃焼領域５４に流入し、ここで混合気が高温の燃焼生成物に転換される。

図３は、キャップチャンバ９４において互いに離間して配置される複数の円形の複数管燃料ノズル２６（例えば、９６、９８）を示す、図２の線３−３に沿った、燃焼器２０の１つの実施形態の前方正面図である。図示のように、燃焼器２０は、燃焼器２０のキャップ部材９４内に中心に位置する中央燃料ノズル９６を含む。燃焼器２０はまた、中央燃料ノズル９６の周りに円周方向に配置された複数の外側燃料ノズル９８を含む。図示のように、６つの外側燃料ノズル９８が中央燃料ノズル９６を囲んでいる。各燃料ノズル２６は、複数の管体６８を含む。図示のように、各燃料ノズル２６の複数の管体６８は、複数のリング１００、１０１で配列されている。リング１００、１０１は、各燃料ノズル２６の中心軸線１０２の周りに同心配列を有する。特定の実施形態において、リング１００、１０１の数、リング１００、１０１当たりの管体６８の数、及び複数の管体６８の配列は変えることができる。この場合も同様に、各管体６８は、各管体６８における燃料空気混合を向上させるため、１つ又はそれ以上（例えば、１〜５０）の半径方向に突出する燃料入口１１を含むことができる。

図４は、複数セクタ配列で互いに直近に配置された複数の楔形複数管燃料ノズル２６（例えば、１１６、１１８）を示す、図２の線３−３に沿った燃焼器２０の１つの実施形態の配列の前方正面図である。燃焼器２０は、燃料ノズル２６の周りを円周方向に延びる外側支持構造体１１４を含む。図示のように、燃焼器２０は、中央燃料ノズル１１６と、該中央燃料ノズル１１６の周りに円周方向に配置された複数の外側燃料ノズル１１８とを含む。６つの外側燃料ノズル１１８は、中央燃料ノズル１１６を囲む。しかしながら、特定の実施形態において、燃料ノズル２６の数並びに燃料ノズル２６の配列は変えることができる。例えば、外側燃料ノズル１１８の数は、１〜２０、１〜１０、又は他の何れかの数とすることができる。明瞭にするために、管体６８の一部だけが外側燃料ノズル１１８及び中央燃料ノズル１１６に図示されている。しかしながら、各燃料ノズル２６は、複数の予混合管体６８を含む。

各外側燃料ノズル１１８は、非円形の外周１２０を含む。図示のように、外周１２０は、対向する側部１２２、１２４及び対向する側部１２６、１２８を備えた楔形状又は切頭パイ形状を含む。側部１２２、１２４は、互いに半径方向１２にオフセットした弓形形状の側部である。側部１２６、１２８は、側部１２２から側部１２４まで互いに向かって線形でほぼ収束している。しかしながら、特定の実施形態において、外側燃料ノズル１１８の外周１２０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。形状に関係なく、各外側燃料ノズル１１８は、複数の予混合管体６８を有する複数管燃料ノズル２６であり、各々が、管体６８において燃料空気混合を向上させるため１つ又はそれ以上（例えば、１〜５０）の半径方向に突出する燃料入口１１を有する。同様に、中央燃料ノズル１１６は、複数の予混合管体６８を有する複数管燃料ノズル２６であり、各々が、管体６８において燃料空気混合を向上させるため１つ又はそれ以上（例えば、１〜５０）の半径方向に突出する燃料入口１１を有する。中央燃料ノズル１１６は、外周１３０（例えば、円周）を含む。特定の実施形態において、外周１３０は、他の形状、例えば、方形、六角形、三角形、又は他の多角形を含むことができる。中央燃料ノズル１１６の外周１３０は、燃焼器２０の中心軸線１３２と同軸とすることができ、また、予混合管体６８の同心リング１３４を含むことができる。

図５は、各々が燃料空気混合を向上させるためそれぞれの突出部１４６を備えた１つ又はそれ以上の半径方向に突出する燃料入口１１、１５４を有する、予混合管体６８を備えた複数管燃料ノズル２６（例えば、燃料ノズル９６、９８、１１６、及び１１８）の１つの実施形態の断面図である。各管体６８は、軸方向１０で中心線１５０の周りに円筒状である。各管体６８は、管体への空気入口１５２、管体に半径方向１２に突出する燃料入口１１、１５４、及び管体から外への出口１５６を有する。図示のように、空気入口１５２は、管体６８の上流側端部１４８にて中心線１５０の方向で軸方向１０に延びる。燃料入口１５４は、管体６８の長手方向軸線（例えば、中心線１５０）に対して横方向（例えば、半径方向１２）で管体６８に延びる突出部１４６（例えば、中空突出部）を備える。空気入口１５２及び出口１５６の両方がチャンバ６６の外部にある。

ヘッド端部６０からの空気は、空気入口１５２を介して各予混合管体６８に流れる。燃料供給部からの燃料は、燃料導管５６を通り、流路１５８を通ってチャンバ６６に移動する。燃料は、バッフル８２と衝突し、これにより燃料が経路１６０を辿ってチャンバ６６を通過するようにし、複数の予混合管体６８の燃料入口１５４に燃料を均一に分布するのを助けるようにする。次いで、燃料は、燃料入口１５４を通って予混合管体６８に流入する。各予混合管体６８内では、空気及び燃料が互いに接触して混合し、出口１５６を通って管体６８から流出し、良好に混合された組成で燃焼領域５４に入る。突出部１４６は、燃料が各管体６８内に（例えば、半径方向１２で）更に侵入するのを助け、これにより管体６８における燃料空気混合を向上させる。突出部１４６はまた、乱流、スワール流、渦流、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、流れを妨げることによって混合を向上させることができる。以下でより詳細に検討するように、各管体６８は、突出部１４６を備えた１〜１００（例えば、１、２、３、４、５、又はそれ以上）の燃料入口１５４を含むことができ、各突出部１４６は、共通の又は異なる直径、半径方向１２高さ、形状、軸線１５０に対する角度、又はこれらの何れかの組み合わせを有することができる。

図６は、長手方向軸線１５０に垂直な半径方向１２に突出する燃料入口１１、１５４を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体６８の１つの実施形態の部分側断面図である。予混合管体６８は、軸方向１０で中心線１５０の周りに対称であり、外側直径１７２、内側直径１７４（例えば、内径）、外側表面１７６、内側表面、及び管状形状１８０を有する。流体流れが利用可能な断面積又は流れ面積１８２は、内側直径１７４によって決まる。管体６８は、空気入口１５２、燃料入口１５４、及び出口１５６を有する。加えて、燃料入口１５４は、空気入口１５２（例えば、端部１５３）及び出口１５６（例えば、端部１５７）からオフセットされ、空気入口端部１５３が燃料入口１５４の上流側にあり、出口端部１５７が、空気入口１５２及び燃料入口１５４両方から下流側にあるようになる。予混合管体６８は、入口端部１５３と出口端部１５７との間の長さ１８４を有する。タービンシステム１６の特定の実施形態において、予混合管体６８の長さ１８４を短くし、燃料ノズル２６及び／又は燃焼器２０のサイズを縮小することが望ましいとすることができる。

突出部１４６が燃料入口１５４に配置され、予混合管体６８の中心線１５０により近接して燃料を噴射するようにする。突出部１４６は、管体６８の開口１８６に結合されたインサート１４７を含むことができる。例えば、インサート１４７は、溶接、ろう付け、又は他の固定又は取り外し可能な接合のような接合部１８７にて開口１８６に結合することができる。代替として、突出部１４６は、単体構造体として管体６８と一体的に形成することができる。単体構造体の場合には、管体６８は鋳造によって形成することができる。従って、突出部１４６（例えば、中空突出部）は、鋳造、変形、パンチング、又は別の手法により形成することができる。

半径方向に突出する燃料入口１５４の突出部１４６は、予混合管体６８における燃料空気混合を向上させるよう構成される。出口端部１５６を通って予混合管体６８から流出するときの燃料空気混合気の混合度はまた、流体速度の影響を受ける。予混合管体６８を通って流れる流体の速度は、流量と、管体中心線１５０からの半径方向１２のオフセットとによって決まる。空気などの流体は、管体中心線１５０にて最大速度を有すると同時に、管体壁（例えば、管体内側表面１７８）に沿って最小速度を有することができる。壁１７８と接触した空気の流れは、基本的にゼロであり、管体中心線１５０からの半径方向１２のオフセットがゼロに近づくにつれて増大する。突出部１４６は、燃料をより高速の空気速度の領域に送給し、混合の改善をもたらす。更に、突出部１４６は、乱流、スワール、及び／又は大きなスケールの渦流及び小さなスケールの渦の形成を誘起し、管体６８内の燃料空気混合を向上させることができる。換言すると、突出部１４６は、一般に流れを妨げると共に、空気流への燃料の半径方向１２侵入を増大させることができる。このようにして、半径方向に突出する燃料入口１５４の突出部１４６は、空気中の燃料のより均一な分布を提供し、これにより各管体６８から流出する燃料空気分布を改善（すなわち、より均一に）することができる。

突出部１４６の管状形状は、円筒、円錐、多面体、又は予混合管体６８に燃料を送給するのに好適な別の幾何形状とすることができる。突出部１４６は、半径方向１２の中心線１８８、外側直径１９０、内側直径１９２、及び半径方向深さ１９４を有する。管体６８の寸法に応じて、突出部１４６の内側直径１９２は、約２５〜５００、５０〜２５０、７５〜１２５、又は約１００ミル未満とすることができる。突出部１４６は、管体内側表面１７８から測定される半径方向深さ１９４で燃料を噴射する。半径方向深さ１９４は、管体内側直径１７４の１％〜５０％、又は５％〜４０％、又は１０％〜３０％の範囲とすることができる。例えば、半径方向深さ１９４は、内側直径１７４の約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、又は４０％よりも大きいとすることができる。一般に、単一の突出部１４６では、深さ１９４が管体中心線１５０に近づくにつれて燃料侵入の度合いが増大する。半径方向深さ１９４はまた、大きくなるにつれて流れの外乱（例えば、乱流）及び混合が漸次的に増大することができる。

図示のように、突出部１４６は、管体中心線１５０に対して横方向（例えば、垂直）に向けられる。突出部中心線１８８は、距離１９６だけ空気入口端部１５３からオフセットされている。特定の実施形態は、突出部１４６を空気入口端部１５３に近接して位置付けて、燃料空気混合の管体６８内の滞留時間を最大にすることができる。別の実施形態において、燃料入口１５４は、管体中心線１５０に対して横方向の向きを有しながら、空気入口端部１５３に直接又はそれに隣接して配置することができる。例えば、距離１９６は、長さ１８４の約０〜７５、１〜５０、５〜２５、又は１０〜１５％とすることができる。特定の実施形態において、突出部１４６の軸線１８８は、中心線１５０に対して角度１８９の向きにすることができ、ここで角度１８９は、中心線１５０に対して約５〜９０、１０〜８０、２０〜７０、３０〜６０、４０〜５０、３０、４５、６０、又は９０度とすることができる。角度１８９は、上流側軸方向１０、下流側軸方向１０、時計回りの円周方向１４、又は半時計回りの円周方向１４に向けることができる。

空気は、空気入口１５２に流入し、予混合管体６８に沿って出口１５６に向けて軸方向１０に流れる。位置１９６において、燃料が燃料入口１５４に流入し、燃料経路２００で示すように、接触区域１９８（例えば、中央領域）にて空気と混合し始める。混合気が管体６８に沿って主として軸方向１０で流れると、燃料−空気は引き続き混合する。混合気が出口端部１５６を通って管体６８から流出するときに、改善された燃料空気分布が達成される。一般に、燃料空気混合気の混合度は、接触区域１９８における最小混合から、出口端部１５６における最大混合まで管長１８４に沿って増大する。流れ分布の程度及び燃料侵入（例えば、半径方向深さ１９４）を増大させることで、突出部１４６により、突出部１４６の無いより長い予混合管体６８と同じ混合度をより短い予混合管体６８が達成できるようになる。同様に、燃料空気混合気の混合度は、突出部１４６の無い同一の長さ１８４の管体６８と比較して、突出部１４６を有する管体６８において増大している。

図７は、中心線１５０に対して横方向で且つ鋭角２１２を形成する半径方向に突出する燃料入口１１、１５４を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体６８の１つの実施形態の部分側断面図である。予混合管体６８及び突出部１４６は、図６で説明された管体及び突出部と構造的に同様である。突出部中心線１８８は、軸方向１０の長手方向軸線（例えば、管体中心線１５０）と鋭角２１２を形成する。突出部１４６は、軸方向１０に角度を付けることができ、鋭角２１２が管体中心線１５０に対して上流側流れ方向２１４又は下流側流れ方向２１６（図示せず）に向けられるようになる。突出部１４６はまた、管体中心線１５０の周りにスワール流を誘起するよう構成された鋭角２１２で円周方向１４に角度を付けることができる。このような場合、突出部中心線１８８は、管体中心線１５０に対して傾斜され、角度２１２は、突出部中心線１８８と、管体中心線１５０に対して平行な（但し、半径方向１２にオフセットした）長手方向軸線とによって定められる。特定の実施形態は、出口端部１５７にて混合度が最大となるような鋭角２１２を選択することができる。加えて、他の実施形態は、１つよりも多い角度付き突出部１４６（例えば、２〜１００個の角度付き突出部１４６）を含むことができ、これには、均一に又は異なるように角度が付けられた突出部１４６（例えば、３０、４５、６０、７５、及び／又は９０度の角度付き突出部１４６）を含むことができる。

空気は、空気入口１５２に流入し、予混合管体６８に沿って出口１５６に向けて軸方向１０に流れる。位置１９６において、燃料が燃料入口１５４に流入し、燃料経路２００で示すように、接触区域１９８（例えば、中央領域）にて空気と混合し始める。混合気が管体６８に沿って主として軸方向１０で流れると、燃料−空気は引き続き混合する。混合気が出口端部１５６を通って管体６８から流出するときに、改善された燃料空気分布が達成される。具体的には、鋭角２１２が乱流、スワール、及び／又は大きなスケールの渦流及び小さなスケールの渦の形成を更に増大させ、管体６８内の燃料空気混合を向上させることができる。例えば、鋭角２１２が上流側流れ方向２１４に向けられている場合には、管体６８内の燃料空気混合の滞留時間を増大させることができる。加えて、鋭角２１２が下流側流れ方向２１６に向けられている場合には、管体６８を通る燃料空気混合の速度を増大させることができ、燃料空気混合気の乱流を増大させることができる。

図８は、対称位置構成の半径方向に突出する燃料入口１１、１５４を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体６８の１つの実施形態の部分側断面図である。突出部１４６、２２８は、管体中心線１５０に対して共通の軸方向位置２３０で対称位置構成である。突出部２２８は、管体中心線１５０に対して横方向（例えば、半径方向１２）で管体６８内に半径方向１２に延びる。予混合管体６８は、管体６８が２つの半径方向１２に対向する燃料入口１５４及び２３２を有すること以外は、図６で説明された予混合管体と構造的に同様である。他の実施形態によれば、燃料入口及び突出部の数は、約２〜１００、３〜５０、４〜２５、又は５〜１０の間で変えることができる。突出部１４６及び２２８は、管体中心線１５０に向けて燃料を配向する。突出部２２８は、突出部１４６と同じ又は異なることができる。例えば、突出部１４６、２２８は、管体６８への半径方向深さ１９４、２３４、中心線１５０に対する角度１８９、２３６、直径１９２、２３８、管状形状２３９、２４０、又はこれらの何れかの組み合わせの点で異なることができる。図示のように、突出部１４６、２２８は、共通の軸方向位置２３０を共有すると同時に、互いに対して円周方向１４にオフセット（例えば、中心線１５０の周りに円周方向１４に１８０度回転）している。他の実施形態では、突出部１４６、２２８は、共通の軸方向位置２３０を共有することができるが、約１０〜１８０、３０〜１５０、又は４５〜１３５度など、異なる角度で互いに対して円周方向１４にオフセットすることができる。図示のように、突出部１４６、２２８の軸方向位置２３０は共に、軸方向距離１９６だけ空気入口端部１５３からオフセットしている。特定の実施形態において、距離１９６は、突出部１４６、２２８が空気入口端部１５３に近接させて、管体６８内の燃料空気混合の滞留時間を最大になるように選ぶことができる。詳細には、燃料入口１５４、２３２は、管体６８の上流側部分に沿って配置することができ、長さ１８４の約０〜７５、１〜５０、又は５〜２５％の距離１９６内にあるようにすることができる。更に、突出部１４６、２２８は、図７で検討したのと同じ又は異なる角度にすることができる。

空気は、空気入口１５２に流入し、予混合管体６８に沿って出口１５６に向けて軸方向１０に流れる。位置１９６において、燃料が燃料入口１５４、２３２に流入し、燃料経路２００、２４４で示すように、接触区域１９８、２４２（例えば、中央領域）にて空気と混合し始める。特定の実施形態において、燃料入口１５４、２３２は、接触区域１９８を共有することができる（例えば、区域１９８において燃料ジェットが互いに直接衝突する）。混合気が管体６８に沿って主として軸方向１０で流れると、燃料空気混合気は引き続き混合する。混合気が出口端部１５６を通って管体６８から流出するときに、改善された燃料空気分布が達成される。具体的には、対向する燃料入口１５４、２３２は更に、乱流、スワール、及び／又は大きなスケールの渦流及び小さなスケールの渦の形成を増大させ、管体６８内の燃料空気混合を向上させることができる。例えば、対向する燃料入口１５４、２３２により、各出口１５４、２３２からの燃料が互いに衝突し、接触区域１９８、２４２での乱流を増大させるようにすることができる。従って、対向する燃料入口１５４、２３２は、管体６８内の燃料空気混合を向上させ、管体６８を短くすることを可能とすることができる。

図９は、異なる軸方向位置２３０、２５６にて軸方向１０に交互する構成２５５の半径方向に突出する燃料入口１１（例えば、１５４、２３２）を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体６８の１つの実施形態の部分側断面図である。予混合管体６８は、燃料入口１５４、２３２が交互する構成２５５であること以外は、図８で説明された予混合管体と構造的に同様である。突出部２２８は、突出部１４６と同じ又は異なることができる。例えば、突出部１４６、２２８は、管体６８への半径方向深さ１９４、２３４、中心線１５０に対する角度１８９、２３６、直径１９２、２３８、管状形状２３９、２４０、又はこれらの何れかの組み合わせの点で異なることができる。図示のように、突出部１４６の軸方向位置２３０は、距離１９６だけ空気入口端部１５３から軸方向１０にオフセットしている。加えて、突出部２２８の軸方向位置２５６は、距離２５８だけ空気入口端部１５３から軸方向１０にオフセットしている。距離１９６及び２５６は、同じ又は異なることができる。しかしながら、図示のように、距離１９６及び２５６は、燃料入口１５４、２３２と関連する突出部１４６、２２８との間で軸方向スペース又はオフセット２６０を定めるように異なっている。特定の実施形態において、スペース２６０は、管体６８の長さ１８４の約０〜７５、１〜５０、５〜２５、又は１０〜１５％とすることができる。更に別の実施形態では、スペース２６０は、管体６８の内側直径１７４の約１〜１０００、１０〜１５０、又は２０〜９０％とすることができる。理解できるように、管体６８は、あらゆる数（例えば、約２〜１００、５〜５０、１０〜２５）の燃料入口（１５４、２３２）と、種々の軸方向１０位置、半径方向１２深さ、角度、円周方向１４位置、又はこれらの何れかの組み合わせの関連突出部（例えば、１４６、２２８）を有することができる。

空気は、空気入口１５２に流入し、予混合管体６８に沿って出口１５６に向けて軸方向１０に流れる。位置１９６、２５８において、燃料が燃料入口１５４、２３２に流入し、燃料経路２００、２４４で示すように、接触区域１９８、２４２（例えば、中央領域）にて空気と混合し始める。混合気が管体６８に沿って主として軸方向１０で流れると、燃料−空気混合気は引き続き混合する。混合気が出口端部１５６を通って管体６８から流出するときに、改善された燃料空気分布が達成される。具体的には、交互する燃料入口１５４、２３２が、乱流、スワール、及び／又は大きなスケールの渦流及び小さなスケールの渦の形成を更に増大させ、管体６８内の燃料空気混合を向上させることができる。例えば、交互する燃料入口１５４、２３２により、各入口１５４、２３２からの燃料が、管体内側表面１７８の対向する側部上に衝突し、接触区域１９８、２４２での乱流を増大させるようにすることができる。従って、対向する燃料入口１５４、２３２により、管体６８内の燃料空気混合を向上させ、管体６８を短くすることを可能とすることができる。

図１０は、管体への半径方向１２深さ、直径、管状形状、及び構造が異なる半径方向に突出する燃料入口１１を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体６８の１つの実施形態の部分側断面図である。詳細には、予混合管体６８は、管体への半径方向１２深さ、直径、管状形状、及び構造が異なる、燃料入口１１に付随する突出部１４６、２２８、２７２、２７４、２７６、２７８、２８０、２８２、２８４、及び２８６を有する。図１０は、上記の突出部特性の多くの変形及び組み合わせを示している。図１０は、本明細書で開示された特徴要素の何れも共に使用することができ、従って、相互排他的ではないことを示すものである点は理解されたい。

燃料入口１１の突出部１４６、２２８は、半径方向深さ１９４を有し、燃料入口１１の突出部２７２、２７４は、半径方向深さ２８７を有し、燃料入口１１の突出部２７６、２７８は、半径方向深さ２８８を有する。半径方向深さ１９４、２８７、２８８は、互いに異なり、下流側流れ方向２１６で漸次的に増大している。他の実施形態では、半径方向深さ１９４、２８７、２８８は、下流側流れ方向２１６で漸次的に減少し、或いは、増大及び減少の両方とすることができる。図示のように、燃料入口１１の突出部１４６、２２８、２７２、２７４、２７６、２７８は、管状形状２４０（例えば、円筒形）を有するが、突出部２８０、２８２、２８４、２８６は、異なる管状形状２９０（例えば、円錐形）を有する。図示のように、円錐突出部２８０、２８２、２８４、２８６は各々、それぞれの突出部の中心軸線３０２に対して角度３００にて収束している。一般に、角度３００は、約１〜４０、２〜３０、３〜２０、又は４〜１０度とすることができる。更に、突出部２８０、２８２、２８４、及び２８６は、等しい又は異なる角度３００を有することができる。

加えて、突出部１４６、２２８は直径２９２を有し、突出部２７２、２７４は直径２９３を有し、突出部２７６、２７８は直径２９４を有する。直径２９２、２９３、２９４は、互いに異なっており、下流側流れ方向２１６で漸次的に減少している。他の実施形態では、直径２９２、２９３、２９４は、下流側流れ方向２１６で漸次的に増大し、或いは、増大及び減少の両方とすることができる。図示のように、突出部１４６は、突出部２２８に対して対向構成であり、突出部２７２は、突出部２７４に対して対向構成であり、突出部２７６は、突出部２７８に対して対向構成である。更に、対向する突出部の各セットは、共通の特徴要素（例えば、直径、半径方向深さ）有するが、他のセットと比べて異なる特徴要素を有する。

更に、突出部２８２、２８４は、異なる軸方向位置２９６、２９８にて交互する構成で配列される。同様に、突出部２８０、２８６は、交互する構成になっている。更にまた、突出部１４６、２２８は、突出部２７２、２７４、２７６、２７８、２８０、２８２、２８４、２８６に対して交互している。理解できるように、突出部は、管体６８の同じ側部又は対向する側部上で交互することができる。図１０に示すように、突出部１４６、２２８、２７２、２７４、２７６、２７８、２８０、２８２、２８４、２８６の何れかは、管体６８と一体的に形成することができ、或いは、上記で検討したように接合部１８７を介して管体６８に結合されたインサート１４７とすることができる。
更にまた、管体６８は、突出部１４６、２２８と突出部２７２、２７４との間のスペース３０４、及び突出部２７２、２７４と突出部２７６、２７８との間のスペース３０６を有する。図示のように、スペース３０４、３０６は、下流側流れ方向２１６で管体６８の長さ１８４に沿って漸次的に減少する。他の実施形態では、スペース３０４、３０６は、漸次的に増大することができ、或いは、管体６８の長さ１８４に沿って不規則とすることができる。

図１１は、中心線１５０に対する角度、管体への半径方向１２深さ、及び直径が異なる半径方向に突出する燃料入口１１を示す、図５の線６−６に囲まれた単一の予混合管体６８の１つの実施形態の部分側断面図である。図１１は、本明細書で開示された特徴要素の何れも共に使用することができ、従って、相互排他的ではないことを示すものである点は理解されたい。

図示のように、突出部１４６、２２８（例えば、中心線１８８）は共に、下流側流れ方向２１６で管体中心線１５０に対して鋭角２１２に向けられる。加えて、突出部２７６、２７８（例えば、中心線３１２）は共に、下流側流れ方向２１４で管体中心線１５０に対して鋭角３１４に向けられる。一般に、鋭角２１２、３１４は、例えば、１〜８９、５〜８５、２０〜７０、又は３５〜５５度など、互いに同じ又は異なることができる。図示のように、突出部１４６、２２８は、半径方向深さ１９４を有し、突出部２７２、２７４は、半径方向深さ２８７を有し、燃料入口１１の突出部２７６、２７８は、半径方向深さ２８８を有する。半径方向深さ１９４、２８７、２８８は、互いに異なり、下流側流れ方向２１６で漸次的に減少している。他の実施形態では、半径方向深さ１９４、２８７、２８８は、下流側流れ方向２１６で漸次的に増大し、或いは、増大及び減少の両方とすることができる。加えて、突出部１４６、２２８は直径２９２を有し、突出部２７２、２７４は直径２９３を有し、突出部２７６、２７８は直径２９４を有する。直径２９２、２９３、２９４は、互いに異なっており、管体６８の長さに沿って増大及び減少している。他の実施形態では、直径２９２、２９３、２９４は、下流側流れ方向２１６で漸次的に減少し、或いは、増大及び減少の両方とすることができる。

図１２は、長手方向軸線（例えば、中心線１５０）に向かって直接収束する軸線に半径方向１２に突出する燃料入口１１を備えた単一の予混合管体６８の１つの実施形態の断面図である。管体６８は、各突出部中心線１８８、３２６、３２８、３３０が管体中心線１５０と交差するときに、管体中心線１５０の周りにスワール流を誘起しない突出部１４６、２２８、２７２、及び２７４を含む。他の実施形態では、突出部１４６、２２８、２７２、及び２７４は、中心線１５０の周りに円周方向１４に均一に又は異なるように間隔を置いて配置することができる。

図１３は、管体中心線１５０の周りにスワール流を誘起するよう構成された角度に向けられた半径方向１２に突出する燃料入口１１（例えば、突出部１４６、２２８、２７２、及び２７４）を備えた単一の予混合管体６８の１つの実施形態の断面図である。詳細には、各燃料入口１１（例えば、突出部１４６、２２８、２７２、及び２７４）は、半径又は半径方向線３５２に対して角度３５０に向けられている。例えば、角度３５０は、管体６８、半径方向線３５２、及び各それぞれの突出部１４６の軸線１８８、３２６、３２８、及び３３０間の好転に定めることができる。角度３５０は、突出部毎に同じ又は異なるものとすることができる。更に、角度３５０は、約１〜９０、５〜６０、１０〜４５、又は２０〜３０度とすることができる。図示の配列によって、反時計回りの方向３４２にスワール流が誘起される。異なる配列によって、時計回りの方向のスワール流を生成することもできる。更に、特定の実施形態において、突出部１４６、２２８、２７２、及び２７４は、中心線１５０の周りに円周方向１４で均一又は異なるように間隔を置いて配置することができる。

開示された実施形態の技術的作用は、複数管燃料ノズルを有する燃焼器において燃料空気混合を向上させるシステムを含む。予混合管体上の燃料入口に配置される突出部は、燃料のジェット侵入を増大させる。流体速度は、管体の中心で最も大きく、突出部により燃料をこの高速領域に近接して噴射することが可能になる。窒素酸化物などの燃焼副生成物の形成は、空気及び燃料の不十分な混合に直接相関性がある。従って、混合管体上の燃料入口に配置される突出部は、予混合管体の窒素酸化物エミッションを低減する。突出部はまた、流れの外乱をもたらし、燃料空気混合を更に向上させる。
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 軸方向
１１ 燃料入口
１２ 半径方向
１４ 円周方向
１６ タービンシステム
１８ 圧縮機
２０ 燃焼器
２２ タービン
２４ 吸気口
２６ 燃料ノズル
２８ シャフト
３０ 負荷
３２ 排気出口
４４ 流れスリーブ／外側ケーシング
４６ 端部カバー
４８ 外壁
４９ 環状スペース
５０ 空気入口
５１ 燃焼器 ライナ
５２ 下流側壁部
５４ 燃焼領域
５６ 燃料導管
５８ 燃料ノズルヘッド
６０ ヘッド端部
６２ 上流側端部
６４ 下流側端部
６６ 燃料チャンバ
６８ 予混合管体
７０ 上流側壁部
７２ 経路
７４ 経路
７６ 経路
８０ 経路
８２ バッフル
９４ キャップ部材
９６ 中央燃料ノズル
９８ 外側燃料ノズル
１００ リング
１０１ リング
１０２ 中心軸線
１１４ 支持構造体
１１６ 中央燃料ノズル
１１８ 外側燃料ノズル
１２０ 外周
１２２ 対向側部
１２４ 対向側部
１２６ 対向側部
１２８ 対向側部
１３０ 外周
１３２ 中心軸線
１３４ 同心リング
１４６ 突出部
１５０ 中心線
１５２ 空気入口
１５３ 入口端部
１５４ 突出燃料入口
１５６ 出口
１５７ 出口端部
１５８ 流路
１６０ 経路
１７２ 外側直径
１７４ 内側直径
１７６ 外側表面
１７８ 内側表面
１８０ 環状形状
１８２ 流れ面積
１８４ 長さ
１８６ 開口
１８７ 接合部
１８８ 中心線
１８９ 角度
１９０ 外側直径
１９２ 内側直径
１９４ 半径方向深さ
１９６ 距離
１９８ 接触区域
２００ 燃料経路
２１２ 鋭角
２１４ 上流側流れ方向
２１６ 下流側流れ方向
２２８ 突出部
２３０ 共通の軸方向位置
２３２ 燃料入口
２３４ 半径方向深さ
２３６ 角度
２３８ 直径
２３９ 環状形状
２４０ 環状形状
２４２ 接触区域
２４４ 燃料経路
２５５ 交互する構成
２５６ 軸方向位置
２５８ 距離
２６０ スペース
２７２ 突出部
２７４ 突出部
２７６ 突出部
２７８ 突出部
２８０ 突出部
２８２ 突出部
２８４ 突出部
２８６ 突出部
２８７ 半径方向深さ
２８８ 半径方向深さ
２９２ 直径
２９３ 直径
２９４ 直径
２９６ 軸方向位置
２９８ 軸方向位置
３００ 角度
３０２ 中心軸線
３０４ スペース
３０６ スペース
３２６ 突出中心線
３２８ 突出中心線
３３０ 突出中心線
３５０ 角度
３５２ 半径方向ライン

Claims (20)

1. 複数管燃料ノズルを備えたシステムであって、前記複数管燃料ノズルが、
   チャンバを囲む外壁を含み、該外壁が燃焼領域に面するように構成された下流側壁部を有する燃料ノズルヘッドと、
   前記チャンバを通って前記下流側壁部に延びる複数の管体と、
   を備え、前記複数の管体の各管体が、前記管体への空気入口と、前記管体の長手方向軸線に対して第１の横方向で前記管体内に半径方向に延びる第１の突出部を有する第１の燃料入口と、前記管体からの出口と、を含む、システム。
2. 前記各管体が、前記第１の燃料入口から上流側に配置された空気入口を有し、前記各管体が、前記空気入口及び前記第１の燃料入口から下流側に配置された出口を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記各管体が、前記管体の上流側端部に軸方向に延びる空気入口を有する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記各管体が、上流側壁部から下流側壁部まで前記チャンバを通って延び、前記各管体が、空気入口と、前記チャンバの外部にある出口とを有する、請求項２に記載のシステム。
5. 前記各管体が、前記管体の長手方向軸線に対して第２の横方向で前記管体内に半径方向に延びる第２の突出部を有する第２の燃料入口を含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記各管体が、前記第１及び第２の突出部を前記長手方向軸線に対して共通の軸方向位置にて対向構成で配列させる、請求項５に記載のシステム。
7. 前記各管体が、前記第１及び第２の突出部を前記長手方向軸線に対して異なる軸方向位置にて交互する構成で配列させる、請求項５に記載のシステム。
8. 前記各管体が、前記管体への異なる半径方向深さ、前記長手方向軸線に対する異なる角度、異なる直径、異なる管状形状、又はこれらの何れかの組み合わせを備えた前記第１及び第２の突出部を有する、請求項５に記載のシステム。
9. 前記各管体が、前記長手方向軸線に対して垂直に向けられた前記第１の突出部を有する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記各管体が、前記第１の突出部を前記長手方向軸線に対して上流側流れ方向又は下流側流れ方向で鋭角に向けるようにする、請求項１に記載のシステム。
11. 前記各管体が、前記第１の突出部を前記長手方向軸線の周りにスワール流を誘起するよう構成された鋭角に向けるようにする、請求項１に記載のシステム。
12. 前記各端部が、前記第１の突出部を前記管体と単体構造体として一体的に形成されるようにする、請求項１に記載のシステム。
13. 前記各端部が、前記管体内に前記第１の突出部を定めるように前記管体内に第１の開口に結合された第１のインサートを有する、請求項１に記載のシステム。
14. 複数管燃料ノズルを有するタービン燃焼器、前記タービン燃焼器を有するガスタービンエンジン、又はこれらの組み合わせを備えた、請求項１に記載のシステム。
15. 複数管燃料ノズル内に装着するよう構成された予混合管体を備えるシステムであって、前記予混合管体が、
    前記予混合管体内への空気入口と、
    前記予混合管体の長手方向軸線に対して第１の横方向で前記予混合管体内に半径方向に延びる第１の突出部を有する第１の燃料入口と、
    前記予混合管体からの出口と、
    を含み、前記空気入口が、前記第１の燃料入口から上流側に配置され、前記出口が、前記空気入口及び前記第１の燃料入口から下流側に配置されている、システム。
16. 前記複数管燃料ノズルが複数の予混合管体を有し、前記複数管燃料ノズルを有するタービン燃焼器と、前記タービン燃焼器を有するガスタービンエンジンと、又はこれらの組み合わせを更に備える、システム。
17. 前記予混合管体が、前記長手方向軸線に対して第２の横方向で前記予混合管体内に半径方向に延びた第２の突出部を有する第２の燃料入口を含み、前記第１及び第２の突出部が、前記予混合管体への異なる半径方向深さ、前記長手方向軸線に対する異なる角度、異なる直径、異なる管状形状、又はこれらの何れかの組み合わせを有する、請求項１５に記載のシステム。
18. 第１の予混合管体を含むタービン燃料ノズルを備えたシステムであって、前記予混合管体が、
    前記第１の予混合管体への第１の空気入口と、
    前記第１の予混合管体の第１の長手方向軸線に対して第１の横方向で前記第１の予混合管体内に半径方向に延びる第１の突出部を有する第１の燃料入口と、
    前記第１の予混合管体からの第１の出口と、
    を有し、前記第１の空気入口が、前記第１の燃料入口から上流側に配置され、前記第１の出口が、前記第１の空気入口及び前記第１の燃料入口から下流側に配置される、システム。
19. 前記タービン燃料ノズルが、第１の予混合管体と、燃料チャンバを通って延びる第２の予混合管体とを有する複数管燃料ノズルを含み、
    前記第２の予混合管体が、前記第２の予混合管体への第２の空気入口と、前記第２の予混合管体の第２の長手方向軸線に対して第２の横方向で前記第２の予混合管体内に半径方向で延びる第２の突出部を有する第２の燃料入口と、前記第２の予混合管体からの第２の出口とを含み、
    前記第２の空気入口が、前記第２の燃料入口から上流側に配置され、前記第２の出口が、前記第２の空気入口及び前記第２の燃料入口から下流側に配置されている、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記第１の予混合管体が、前記第１の予混合管体内に前記第１の突出部を定めるように前記第１の予混合管体内に第１の開口に結合された第１のインサートを有し、前記第１のインサートが、約１００ミルよりも小さい内部直径を有する、請求項１８に記載のシステム。

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