JP2013234836A5

JP2013234836A5 - 混合機構を有する多管燃料ノズル

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Publication number: JP2013234836A5
Application number: JP2013096687A
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Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2016-06-16
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Description

ガスタービンエンジンは燃料と空気との混合物を燃焼させて高温ガスを生成し、この高温ガスがひいては１つ以上のタービン段を駆動する。特に、高温ガスはタービン翼を付勢して回転させ、以って軸を駆動して１つ以上の負荷、例えば発電機を回転させる。ガスタービンエンジンは、燃焼器内に燃料と空気とを噴射するために燃料ノズルを含む。理解できるように、燃料−空気混合物は、エンジン性能と燃料消費量と排気とを有意に左右する。多管燃料ノズル等の一部の燃料ノズルは、燃料と空気とを混合するように構成される複数の管を含む。

第１の実施形態において、システムは、入口板とこの入口板に隣接する複数の管とを有する多管燃料ノズルを含む。入口板は複数の開口を含み、各開口は入口機構を含む。複数の管の各管は複数の開口のうちの１つの開口に結合される。多管燃料ノズルは、複数の管の間で示差的な構成の入口機構を含む。

第２の実施形態において、システムは、入口板とこの入口板に隣接する複数の管とを有する多管燃料ノズルを含む。入口板は複数の開口を含み、各開口は入口機構を含む。複数の管の各管は軸方向端部とこの軸方向端部より下流の燃料入口とを含む。軸方向端部は、複数の開口のうちの１つの開口に結合されると共に、それぞれの開口を介して空気流を受けるように構成される。燃料入口は燃料を受けるように構成され、空気流は燃料と混合されて空気／燃料混合物を形成するようになる。多管燃料ノズルは、複数の管の間で空気／燃料混合物を制御するように構成される、複数の管の間で示差的な構成の入口機構を含む。

以下に詳細に述べるように、本開示の実施形態は、多管燃料ノズルの各管内における燃料−空気混合を高めるように構成される混合誘導機構を有する多管燃料ノズルを含む。多管燃料ノズルは、複数（例えば１０〜１０００本）の平行な管を含み、これらの管は、管内で内部混合された後に燃焼器（例えばガスタービン燃焼器）内に噴射される燃料と空気との両方を受ける。混合誘導機構は、多管燃料ノズルの各管の長さに沿ったいかなる位置に配設されてもよく、管内において流れの乱れを創出して燃料−空気混合を促進させる流れ撹乱装置であると表現することができる。以下に述べる実施形態において、混合誘導機構は、多管燃料ノズルの各管の入口との関連において説明されるが、混合誘導機構は多管燃料ノズルの各管の何らかの上流部分（例えば各管長さの最初の０〜５０％）に配設されてもよい。混合誘導機構は、入口板、管の変形、付加的突起（例えばタブ、プロング、歯）、ワイヤ、表面の肌理、又は管を貫通する流路に横方向に延在するその他の構造等の、各管と一体化されるか又は分離される様々な構造を含んでよい。例えば、混合誘導機構は、各管の入口において流れを撹乱する１つ以上の入口機構を含んでよい。これらの入口機構は、全ての管にわたって延在する混合促進入口板（例えば共通の板又はその他の構造）に配設されてもよく、又は個別の各管が自身の独自の入口機構を有してもよい。例えば、各管の上流側軸方向端部に結合される入口機構を有する開口を持つ入口板は、各管に流入する空気流に影響を及ぼし、以って多管燃料ノズルから流出する燃料−空気混合物に影響を及ぼすことができる。以下に述べるように、入口板の各開口は、空気流に影響を及ぼすことができる入口機構（例えば突出部、楔形、扇形、線形突出部）を有してよい。入口機構は、管の直径及び／又は長さを変更することなしに各管内において渦流の創出、渦の形成、乱流の促進又はその他の方法による空気流の混合促進を行なうことができる。各管に流入する空気流を相違させることができ、それが多管燃料ノズルの各管から流出する燃料−空気混合物の質の相違に繋がる。従って、管間での示差的な構成の入口機構が多管燃料ノズルの燃料−空気混合物に影響を及ぼして、燃焼器内において所望の燃料−空気混合物を得ることができる。

次に図面を参照すると、図１に、本発明の実施形態に従った少なくとも１つの混合誘導機構１３を有する混合促進入口板１２を含むことができるガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図が示されている。システム１０は、圧縮機１４（例えば１つ以上の圧縮段）と１つ以上のタービン燃焼器１６とタービン１８（例えば１つ以上のタービン段）とを含む。各タービン燃焼器１６は、燃料２２（例えば液体及び／又は気体燃料）と空気２４との混合物をそれぞれのタービン燃焼器１６内に噴射する１つ以上の燃料ノズル２０（例えば入口板１２を有する多管燃料ノズル）を含む。圧縮機１４は吸気口２６を介して空気２４を受けると共に、圧縮空気２８を燃焼器１６及び燃料ノズル２０内へと送る。圧縮空気２８の少なくとも一部は燃料ノズル２０内において燃料２２と混合されて、燃焼器１６内で燃焼される燃料−空気混合物４０が創出される。以下に更に詳細に述べるように、入口板１２は燃料ノズル２０内、例えば多管燃料ノズル２０の各管内における燃料２２と空気２４との混合を促進させて、以って燃焼器１６内での燃焼により適する燃料−空気混合物４０を生成する。その後、燃焼された燃料−空気混合物が高温の加圧排ガス３０を形成し、このガスがタービン１８を通り抜けて、以ってタービン軸３２を回転駆動した後に排気出口３４を通って流出する。タービン軸３２は、今度は圧縮機１４と発電機等の負荷３６とを回転駆動する。

以下に詳細に述べるように、燃料ノズル２０は、各管内において燃料２２と空気２４とを受け且つ混合する複数（例えば１０〜１０００本）の略平行な管を含む多管燃料ノズルであってよい。ある一定の実施形態において、各燃料ノズル２０は缶形ノズル（例えば環状の外側本体）又は扇形ノズル（例えば楔形又は切頭パイ形の外側本体）であってよい。更に、各燃焼器１６は、中央燃料ノズル２０（例えば図２〜４のノズル２１）の周りに配置される複数の周辺燃料ノズル２０を含んでよい。本開示の実施形態は、各管の上流側端部の入口機構等の混合誘導機構１３を追加することにより、多管燃料ノズル２０の各管内で起こる燃料−空気混合を促進させる。図１の実施形態は、多管燃料ノズル２０内の各々の管用に混合誘導機構１３（例えば入口機構）を含む入口板１２を含む。従って、空気２４（例えば圧縮空気２８）は、入口機構を有する開口を通って流れた後に各々の管に流入し、以って管に流入する空気流が乱される。この流れの乱れが、ひいては各管内における燃料−空気混合を向上させる。本開示の実施形態において、入口板１２は、多管燃料ノズル２０内の各管の上流側軸方向端部に直接配設され、例えば上流側軸方向端部に直接取り付けられるか又は当接する。多管燃料ノズル２０の管内において燃料−空気混合が向上する結果として、燃料ノズル２０により、複数の管間においてより制御された燃料−空気混合分布（例えば均一又は特定の分布形状）が得られて、以って燃焼効率及び出力の向上と汚染物質の排出量の削減と燃焼器１６における望ましくない燃焼挙動の低減とが達成される。

図６〜１１は、混合誘導機構１３の様々な実施形態を示す、入口板１２の図である。図に示すように、各実施形態の入口板１２は、少なくとも１つの横方向の流れ妨害部又は流れ撹乱装置１６０を有する混合誘導機構１３を含む。各流れ撹乱装置１６０は、入口板１２の開口１６２に配設されて、管６２内における混合を向上させる。開口１６２は管６２の軸方向入口１３０と略整合し（例えば同軸又は同心をなし）、管６２と実質的に同じ直径１４０を有してよい。しかし、流れ撹乱装置１６０は、管６２の周辺壁１３４の外側境界を超えて内方に、例えば半径方向１６５に管６２の直径１４０の約１〜１００、５〜７５、１０〜５０又は１５〜２５％の距離だけ延在する。流れ撹乱装置１６０は、各管６２に流入する空気流１３２の全体又は一部分を変化させる、開口１６２の周縁部１６６から開口１６２に入り込む入口板１２の何らかの種類の突出部１６４を含んでよい。例えば、流れ撹乱装置１６０は、ワイヤ、格子又は網目、歯、矩形タブ、三角タブ、表面の肌理又は溝、又はこれらの何らかの組合せを含んでよい。

流れ撹乱装置１６０は、各管６２内において渦流１４４（例えば大規模な渦及び／又は小規模な渦）を生じさせて、よって各管内における混合を促進させ且つ／又は空気流１３２にある一定の流れ特性を与える。入口板１２を通過すると、空気流１３２は渦流１４４を伴って実質的に直ちに管６２に流入し、この渦流１４４が、その後、燃料入口１３１（例えば１〜１００個の入口）を通って流入する燃料２２との燃料−空気混合を容易にする。一部の実施形態において、入口板１２は、入口板１２が各管６２の上流側軸方向入口１３０に直接当接するように且つ／又は上流側軸方向入口１３０を取り巻くように、複数の管６２と結合される。例えば、入口板１２は、開口１６０が管６２の入口１３０内へと直接繋がるように正位置に溶接、ロウ付け又はボルト止めされてよい。１つの実施形態において、入口板１２は、各管６２の軸方向入口１３０を受け且つ密封する陥凹溝１６７を含む。また他の実施形態では、各管６２は入口板１２に螺入されてよい。この場合も、各板１２は単一の管６２用の単一の開口１６２と関連ある突出部１６４とを含んでもよく、又は各板が複数の管６２を収容するために複数の開口１６２と関連ある突出部１６４とを有してもよい。

図６は、開口１６２に入り込む楔形又は三角翼形突出部１６８として整形された突出部１６４を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板２を持つ管６２の実施形態の部分斜視図である。この楔形１６８は、軸方向入口１３０において管６２内に流入する空気流１３２中に渦流１４４を発生させる。単一の楔形１６８は局所領域又は管６２全体における混合に影響を与える一方で、開口１６２を通る空気流１３２の一部分のみを妨害する。混合誘導機構１３の下流において、燃料入口１３１は管６２の周縁部１３４を貫通して延在すると共に、燃料２２を空気流１３２中に噴射する。また他の実施形態では、流れ撹乱装置１６０は、図７に示すように開口１６２に入り込むように複数の楔形１６８を含んでよい。

図７は、開口１６２及び管６２の軸１３６の周りにおいて離間する楔形又は三角翼形突出部１６８として整形された複数の突出部１６４を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板１２の実施形態の正面図である。複数の楔形１６８は、単一の楔形１６８を上回る渦流１４４を誘導することにより、管６２内における混合を促進させる。この実施形態では、各楔形１６８は、軸１３６の方へと半径方向１６５内方に管６２の直径１４０の約５〜４０又は１０〜２５％の半径方向距離だけ延在してよい。

図８は、開口１６２及び管６２の軸１３６へと収束する複数（例えば４つ）の突出部１６４を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板１２の実施形態の正面図である。換言すれば、突出部１６４は互いに横方向に延在する一方で、同時に互いに交差して格子又は網目１７０を形成する。例えば、網目１７０は、互いに垂直に又はその他の交差関係で交差して「Ｘ」形の網目１７０又は「＋」形の網目を形成する第１の横断部材１７２と第２の横断部材１７４とを含んでよい。このような態様で、網目１７０は開口１６２の４つの扇形又は四分円を形成し、これらの四分円は部材１７２及び１７４により分割される。

図９は、管６２の開口１６２を横切る方向に互いに略平行をなす複数の突出部１６４（例えば２つの突出部１７８及び１８０）を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板１２の実施形態の正面図である。換言すれば、突出部１６４は格子１７６を形成する。例えば、格子１７６は、開口１６２を複数（例えば３つ）の平行な区画に分ける第１の平行部材１７８と第２の平行部材１８０とを含んでよい。その他の実施形態では、いかなる個数（例えば１、２、３、４、５、６、７，８、９、１０個又は１０個以上）の平行部材が開口１６２を横切る方向に平行配置で配設されてもよい。その他の実施例において、突出部１６４は開口１６２を複数の非平行区画に分割してもよい。

図１０及び１１は、管６２内へと半径方向１６５と軸方向８０との両方に延在する突出部１６４を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板１２のまた他の実施形態の上面図及び側面図である。図６の実施形態と同様に、図１０及び１１の突出部１６４は、屈曲部又は傾斜部１８４も含む単一の楔形突出部１８２である。図１１の傾斜部１８４は板１２の平面１８６から離れるように下流側軸方向に傾斜又は屈曲するが、その他の実施形態の傾斜部１８４は、板１２の平面１８６から離れるように上流側軸方向１８６に傾斜又は屈曲してよい。この傾斜部は、図１〜９を参照して上記に説明したいずれの実施形態にも適用可能である。例えば、図５〜９の各々の混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）は、入口１３０における混合を促進するために上方傾斜部及び／又は下方傾斜部を含んでよい。

ある一定の実施形態において、混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）は、入口板１２と一体的に（例えば一体形に）形成されてよい一方で、その他の実施形態の混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）は入口板１２とは別途であるが入口板１２に取り付けられるものであってよい。一体構成の板１２において、混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）は、打抜き、鋳造、機械加工又はその他の方法で板１２から少なくとも一部の材料を除去して開口１６２を形成する一方で、開口１６２内に少なくとも一部の材料を残して突出部１６４を形成することによって形成されてよい。一部の実施形態においては、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）又はその他の付加的な加工技術を用いて流れ撹乱装置１６０を有する入口板１２を形成することができる。更に、突出部１６４の傾斜部１８４は、板１２上に同時に又は別途に形成されてよい。例えば、１回の打抜き作業により、開口１６２と突出部１６４と突出部１６４の傾斜部１８４とを同時に創出することができる。しかし、いかなる適切な技術を用いて突出部１６４を創出してもよい。その他の実施形態では、突出部は、溶接、ロウ付け、ボルト止め又はその他の締結装置により板１２に取り付けられてよい。加えて、入口板１２は、フロースリーブ５０、燃料導管５８又は燃料ノズル２０に結合されてよい。

一部の実施形態において、入口板１２の各開口１６２は管６２に対応する。１つの実施例では、各開口１６２は管束８２の対応する管６２と同心をなす。この管６２と同心的な開口１６２を有する入口板１２を持つ実施形態において、流れ撹乱装置１６０は各管６２に流入する空気流１３２を変化させる。これに代わる方法として、入口板１２の各開口１２は管束８２のそれぞれの各管６２と同心をなさなくてもよく、寧ろ各開口１６２の周縁部１６６が部分的に管６２の軸方向入口１３０に被さるように延在してよい。例えば、各管軸１３６を開口軸から偏移させて、周縁部１６６を軸方向入口１３０に被さるように延在させることができる。入口板１２をこのように構成すると、各開口１６２の流れ撹乱装置１６０と軸方向入口１３０に被さるように延在する周縁部１６６とのいずれもが管６２に流入する空気流１３２を変化させる。

示差的な構成の入口板１２を用いて、異なる燃料ノズル２０用に異なる質の燃料−空気混合物４０を創出することができる。図１２に、入口板の下流において複数の管６２間で示差的な構成の入口機構（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する複数の開口１６２を持つ入口板１２の実施形態の部分図を示す。１つの実施形態では、第１列１９０の各開口１６２は開口１６２に入り込む単一の突出部１６４（例えば図６）を有してよく、第２列１９２の各開口１６２は開口１６２を横切る方向に網目１７０（例えば図８）を有してよく、第３列１９４の各開口１６２は開口１６２の周りにおいて離間する複数の楔形突出部１８２（例えば図７）を有してよい。入口板１２を横切る方向の示差的な構成の流れ撹乱装置１６０は、列（例えば１９０、１９２及び１９４）をなす開口１６２に制限されるわけではない。例えば、入口板１２の第１区画１９８の開口１６２は第１の流れ撹乱装置１６０を有してよく、第２区画２００の開口１６２は第２の流れ撹乱装置１６０を有してよく、第３区画２０２の開口１６２は第３の流れ撹乱装置１６０を有してよい。更にまた、同じ流れ撹乱装置１６０の配向が入口板１２を横切る方向に異なってもよい。

一部の流れ撹乱装置１６０は、その他のものより管６２内における混合を促進することがある。一部の実施形態おいて、流れ撹乱装置１６０は、各ノズル２０用に特定の燃料−空気混合物４０を生成するために選択的に配置されてよい。一部の流れ撹乱装置１６０は、噴射される燃料−空気混合物４０をある一定の条件のためにより健全なものにする特定の空気流特性（例えば渦流の方向、急速混合）を燃料−空気混合物４０に与えることができる。一部の実施形態では、特定の流れ撹乱装置１６０を有する入口板１２が、このような条件を呈する燃焼室６８の領域内に燃料−空気混合物４０を噴射するある一定の管６２の入口に配設されてよい。例えば、中央燃料ノズル２１に隣接する燃焼室６８の領域で再循環が見られ、傾斜部１８４を有する楔形突出部１８２は再循環を減少させる渦流を燃料−空気混合物４０中に生じさせる場合には、入口板１２の中央燃料２１用の開口１６２は傾斜部１８４を有する楔形突出部１８２を含んでよい。

その他の実施形態において、各開口１６２は、燃料ノズル２０及び／又は燃焼器１６内における管６２の位置に基づいて、各管６２用に異なる種類の流れ撹乱装置１６０を含んでよい。このため、各燃料ノズル２０は、全体としての流れ分布と複数の管６２間における燃料−空気混合とを制御するために、いかなる個数（１〜１００個又は１００個以上）の異なる種類の流れ撹乱装置１６４を含んでもよい。上述したように、管６２内での混合は、燃料ノズル２０内における管６２の位置に影響される。例えば、噴流によってもたらされる混合は、ノズル２０の周縁部１０２付近の管と比べると、各ノズル２０の中心軸９８付近の管６２の入口において優勢である。これは燃料−空気混合物４０の不完全な混合に繋がりかねない。同様に、噴流によってもたらされる混合は、燃焼器１６の周縁部付近の管６２と比べると、燃焼器１６の中心軸９２付近の管６２において優勢である。この特性を呈する各管６２の開口１６２に特定の流れ撹乱装置１６０を含ませて、管６２内において乱流を創出することにより、この特性を打ち消すと共にそれぞれの管６２における混合を向上させることができる。

図１〜１０を参照して混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）の特定の実施形態を例証し且つ説明したが、流れ撹乱装置１６０は、回転対称（例えば図７）及び非対称の突出部（例えば図６）、規則的及び不規則な形状、その他の混合機構と交差する混合機構（例えば図９）及び開口１６２の全部又は一部分を横切る混合機構（例えば図９及び１０）を含めて、開口１６２に入り込むいかなる種類、形状又はパターンの突出部１６４を含んでもよい。

１０ガスタービンシステム
１２入口板
１３混合誘導機構
１４圧縮機
１６タービン燃焼器
１８タービン
２０燃料ノズル
２１中央燃料ノズル
２２燃料
２４空気
２６吸気口
２８圧縮空気
３０排ガス
３２タービン軸
３４排気出口
４０燃料−空気混合物
５０フロースリーブ
５１内筒
５２エンドカバー
５３ヘッドエンド
５４上流側端部
５６下流側端部
５８燃料導管
６０燃料チャンバ
６１ノズル壁
６２管
６４矢印
６６空気入口
６８燃焼室
７０上流側空気流路
７２軸方向
７４内側流路
７６矢印
７８下流側空気流路
８０軸方向
８２管束
８４燃料流路
９０キャップ部材
９２中心軸
９４外側燃料ノズル
９６複数列
９８中心軸
１００半径方向
１０２燃料ノズル周縁部
１０３周辺支持部
１０４周方向
１０６外側燃料ノズル
１０７内側周縁部
１０８円形ノズル領域
１１０非円形周縁部
１１２平行な側部
１１４平行な側部
１１６側部
１１８側部
１２０周縁部
１２２中心部
１３０軸方向入口
１３１燃料入口
１３２空気流
１３４管の周縁部
１３６中心
１３８長さ
１４０直径
１４２出口
１４４乱流
１６０流れ撹乱装置
１６２開口
１６４突出部
１６５半径方向
１６６周縁部
１６７陥凹溝
１６８楔形
１７０網目
１７２第１の横断部材
１７４第２の横断部材
１７６格子
１７８突出部
１８０突出部
１８２楔形突出部
１８４屈曲部
１９０第１列
１９２第２列
１９４第３列
１９８第１区画
２００第２区画
２０２第３区画

Claims

多管燃料ノズルを含むシステムであって、多管燃料ノズルが、
各々の開口が入口機構を備える複数の開口を含む入口板と、
前記入口板に隣接する複数の管であって、各々の管が前記複数の開口のうちの１つの開口に結合される複数の管と
を含んでおり、前記多管燃料ノズルが前記複数の管の間で示差的な構成の入口機構を含み、各開口の前記入口機構が少なくとも１つの混合誘導機構を含んでいて、前記混合誘導機構が前記開口に入り込むように横方向に延在する少なくとも１つの突出部を含む、システム。
前記複数の管の各管は、それぞれの前記管の軸方向端部で前記複数の開口のそれぞれの開口に結合されると共に、前記それぞれの開口を介して空気流を受けるように構成される、請求項１に記載のシステム。
前記複数の管の各管は、前記入口板に対して下流の位置に燃料入口を含む、請求項２に記載のシステム。
前記示差的な構成の入口機構は、前記複数の開口間で異なる混合誘導機構を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
前記少なくとも１つの突出部は、前記開口を通る流れの上流方向又は下流方向に傾斜する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
前記少なくとも１つの突出部は単一の楔形突起を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
前記少なくとも１つの突出部は、前記開口を横切る方向に互いに交差するように延在する格子状部材を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
前記少なくとも１つの突出部は、前記開口を横切る方向に互いに平行に延在する格子状部材を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
前記少なくとも１つの突出部は、前記開口の軸の周りに対称に配置される複数の突起を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
前記入口板を共有する複数の多管燃料ノズルを含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のシステム。
前記多管燃料ノズルを有するタービン燃焼器又はタービンエンジンを含む、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のシステム。
多管燃料ノズルの本体を貫通して延在する複数の管内へと空気を受ける段階であって、前記複数の管の各管は、前記管の上流側軸方向端部に少なくとも１つの混合誘導機構を有する開口を介して空気を取り入れ、前記複数の管に関連ある前記開口は、前記複数の管に隣接して設けられる少なくとも１つの入口板に設けられる段階と、
前記管の前記上流側軸方向端部から下流の位置において前記複数の管の各管内へと燃料を受ける段階と、
燃料−空気混合物を前記複数の管から出力する段階と
を含む方法であって、前記混合誘導機構が前記開口に入り込むように横方向に延在する少なくとも１つの突出部を含む、方法。