JP2014173839A

JP2014173839A - マイクロミキシングキャップ組立体

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Publication number: JP2014173839A
Application number: JP2014044485A
Authority: JP
Inventors: James Harold Westmoreland; ジェームズ・ハロルド・ウエストモアランド; Gregory Allen Boardman; グレゴリー・アレン・ボードマン; Patrick Benedict Melton; パトリック・ベネディクト・メルトン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: US9534787B2; US20140260268A1; JP6359843B2; CH707763A2; DE102014102783A1

Abstract

【課題】多重管燃料ノズルのための燃焼器キャップ組立体を含むシステムを提供する。
【解決手段】燃焼器キャップ組立体６０は、空気流を収容するように構成された内部空間を画定する支持構造体１０６と、内部空間内に配設された複数の混合管１８であって、複数の混合管の各々が、それぞれの燃料噴射器を備え、燃焼器キャップ組立体６０から個々に取り外し可能である複数の混合管と、内部空間内に配設され、内部空間によって収容される空気流を複数の混合管の各々に分配するように構成された空気分配装置と、支持構造体１０６に取り外し可能に結合された燃焼器キャップとを含む。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示される主題は一般に、タービン燃焼器に関し、より詳細にはタービン燃焼器のためのキャップに関する。

ガスタービンエンジンは、燃料と空気の混合気を燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成し、この高温燃焼ガスは、１つまたは複数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強制的に回転させ、これによりシャフトを駆動して１つまたは複数の負荷、例えば発電機を回転させる。ガスタービンエンジンは、燃料ノズル組立体、例えば複数の燃料ノズルの燃料ノズル組立体を有して、燃料と空気を燃焼器内へ噴射する。燃料ノズル組立体の設計および構造は、燃料と空気の混合および燃焼に大きな影響を与える可能性があり、このことはガスタービンエンジンの排気物質（例えば酸化窒素、一酸化炭素など）ならびにパワー出力に影響を与える可能性がある。さらに燃料ノズル組立体の設計および構造は、設置、撤去、メンテナンスおよび一般的な保守サービスにかかる時間、コストおよび複雑さに大きな影響を与える可能性がある。したがって燃料ノズル組立体の設計および構造を改善することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１３／０１２５５４９号明細書

本来主張される発明の範囲内に見合う特定の実施形態が以下に概説される。これらの実施形態は、主張される発明の範囲を制限することは意図されておらず、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡潔な概説を提供することが意図されているだけである。当然のことながら、本発明は、以下に記載される実施形態と同様のまたは異なる可能性のある多様な形態を包含する可能性がある。

第１の実施形態では、システムは、多重管の燃料ノズルのための燃焼器キャップ組立体を含む。燃焼器キャップ組立体は、空気流を収容するように構成された内部空間を画定する支持構造体と、内部空間の中に配設された複数の混合管であって、複数の混合管の各々が、それぞれの燃料噴射器を備え、燃焼器キャップ組立体から個々に取り外し可能である複数の混合管と、内部空間内に配設され、内部空間によって収容される空気流を複数の混合管の各々に分配するように構成された空気分配装置と、支持構造体に取り外し可能に結合された燃焼器キャップとを含む。

第２の実施形態では、多重管の燃料ノズルのための燃焼器キャップ組立体は、空気流を収容するように構成された内部空間を画定する支持構造体と、空気分配プレートとを含む。空気分配プレートは、各々が、複数の混合管の１つを収容するように構成された複数のアパーチャと、複数の混合管に空気流を分配するように構成された複数の空気経路とを含む。

第３の実施形態では、システムは、多重管の燃料ノズルのための燃焼器キャップ組立体を含む。燃焼器キャップ組立体は、空気流を収容するように構成された内部空間を画定する支持構造体と、内部空間内に配設された複数の混合管であって、複数の混合管の各々が、内部空間からの空気流を受け取るように構成され、複数の混合管の各々が、燃焼器キャップ組立体から個々に取り外し可能な複数の混合管と、複数の燃料噴射器であって、複数の燃料噴射器の各々が少なくとも部分的に複数の混合管のそれぞれ１つの中に配設され、混合管のそれぞれ１つに燃料流れを噴射するように構成された複数の燃料噴射器と、内部空間内に配設された空気分配装置であって、内部空間内の空気流を複数の混合管に分配するように構成された複数の空気経路を備える空気分配装置と、支持構造体に取り外し可能に結合された燃焼器キャップとを含む。

本発明の上記のおよび他の特徴、態様および利点は、以下の発明を実施するための形態を添付の図面を参照しながら読むことで、より適切に理解され、図面では、同様の符号は、図面を通して同様の部品を表している。

ガスタービンシステムの一実施形態のブロック図である。タービン燃焼器のキャップ組立体に結合された図１のタービン燃焼器の一部の一実施形態の側面断面図である。キャップ組立体を図示する、図２のタービン燃焼器の一部の一実施形態の側面断面図である。図３のキャップ組立体の一実施形態の分解側面断面図である。分配プレートの一部の一実施形態の軸方向の図である。図５の分配プレート内のアパーチャの中に延在する混合管の一部の一実施形態の側面図である。

この書面による記載は、本発明を開示することを目的とした最適な態様を含む例を利用しており、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかな相違点を有する等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

本発明の種々の実施形態の要素を取り上げる際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「前記」は、１つまたは複数の要素があることを意味することが意図されている。用語「備える」、「含む」および「有する」は、包括的であり、記載される要素以外の追加の要素がある可能性があることを意味することが意図されている。

本開示は、ガスタービン燃焼器に関する燃料と空気の事前混合システムを対象としている。例えば燃料と空気の事前混合システムは、キャップ組立体を含む場合があり、この場合キャップ組立体は、空気流を収容するように構成された内部空間を画定する支持構造体と、複数の混合管と、空気分配装置と、取り外し可能な燃焼器キャップとを含む。いくつかの実施形態において、キャップは、半径方向のばねによって燃焼器に装着される場合があり、入口空気流を調整することによって、混合管における空気と燃料の事前混合作用の質を改善させることができる。目下のところ記載されるシステムは例えば、製造コストを下げ、修理工程をより簡単にし、装備の寿命を延ばすおよび／または排気を低下させることができる。

図面に注目すると、図１は、ガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図を示している。以下に詳細に示されるように、開示されるタービンシステム１０は、取り外し可能なキャップフェイスと、保持プレートおよび／または分配プレートを含むキャップ組立体を採用することができる。示されるように、システム１０はまた、圧縮機１２と、タービン燃焼器１４と、タービン１６とを含む。タービン燃焼器１４は、例えば多重管燃料ノズルの中に１つまたは複数の混合管１８を含み、これは、燃料２０と、空気、酸素、酸素を多く含む空気、酸素が低下した空気、またはそれらの組み合わせなどの加圧酸化剤２２の両方を受け取るように構成されてよい。以下の考察は、酸化剤を空気２２としているが、任意の好適な酸化剤が開示の実施形態で使用される場合もある。混合管は、マイクロミキシング管として記載される場合もあり、これはおおよそ０．５から２、０．７５から１．７５または１から１．５センチメートルの間の直径を有する可能性がある。混合管１８は、一般に互いに対して平行な並びで、密接に離間した管の１つまたは複数の束で配置されてよい。この構成において、各々の混合管１８は、各々の混合管１８において比較的小さなスケールで混合（例えばマイクロ混合）するように構成されており、これはその後、燃料と空気の混合気を燃焼室に出力する。特定の実施形態において、システム１０は、１０から１０００の混合管１８を含む場合があり、システム１０は、液体燃料ならびに／あるいは天然ガスまたは合成ガスなどのガス燃料２０を使用する場合がある。さらに燃焼器１４は、上記に指摘され図２により詳細に記載されるキャップ組立体を包含する場合があり、これは、取り外し可能なキャップフェイスと、取り外し可能な保持プレートおよび／または分配プレートとを含んでよい。キャップ組立体は、加圧空気２２の流れを調整することで、混合管１８への分配の均一性を改善させることができ、混合管１８およびキャップ組立体自体を含めた燃焼器１４の他の構成要素の検査、メンテナンスおよび／または除去を可能にするために取り外すことができる。

圧縮機１２の構成要素として圧縮機ブレードが含まれている。圧縮機１２内のこのブレードは、シャフト２４に結合され、以下に記載されるように、シャフト２４がタービン１６によって回転駆動される際にブレードは回転する。圧縮機１２内でのブレードの回転によって、その後空気取り入れ口３０からの空気３２を加圧空気２２に圧縮する。加圧空気２２はその後、タービン燃焼器１４の混合管１８へと送り込まれる。加圧空気２２と燃料２０が、混合管１８の中で混合され、燃料２０を浪費したり、過剰な排気を生じさせないように燃焼（例えば燃料をより完全に燃やす燃焼）させるための好適な燃料と空気の混合比率を生成する。

タービン燃焼器１４は、燃料と空気の混合気に点火し、燃焼させ、その後高温の加圧燃焼ガス３４（例えば排ガス）をタービン１６内へ送る。タービンブレードは、シャフト２４に結合されており、このシャフトはまた、タービンシステム１０全体にわたっていくつかの他の構成要素にも結合される。燃焼ガス３４が、タービン１６内でタービンブレードにぶつかり、ブレード間を流れるとき、タービン１６は、回転駆動され、これによりシャフト２４が回転する。最終的には燃焼ガス３４は、排気出口２６を介してタービンシステム１０から出る。さらに、シャフト２４は、負荷２８に結合されてよく、この負荷は、シャフト２４の回転を介して動力が与えられる。例えば負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力を介して動力を生成することができる任意の好適な装置であってよく、例えば発電機、航空機のプロペラなどである。以下の考察において、タービンシステム１０の軸方向の軸または方向３６、半径方向の軸または方向３８ならびに／あるいは円周方向の軸または方向４０について参照される場合がある。

図２は、キャップ組立体６０を有する図１の燃焼器１４の一実施形態の断面概略図である。キャップ組立体６０は、取り外し可能なキャップフェイス６２と、保持プレート６４と、空気分配プレート６６とを含む。示されるように、燃焼器１４はさらに、燃焼室６８と、ヘッド端部７０とを含む。複数の混合管１８が、燃焼器１４のヘッド端部７０の中に位置決めされる。混合管１８は、キャップフェイス６２と端部カバー７２の間に概ね延在してよく、軸方向３６に延びることができる。いくつかの実施形態において、混合管１８が、ヘッド端部７０内に吊り下げられ、混合管１８が、端部カバー７２またはキャップフェイス６２に装着されない場合もある。しかしながら代替として、以下にさらに記載されるように混合管１８は、キャップフェイス６２および／または端部カバー７２の少なくとも一方に結合される場合もある。加えて、混合管１８は、空気分配プレート６６の中を通過することができ、この空気分配プレート６６は、混合管１８に対する構造上のおよび振動減衰支持体を提供することができる。そういうものとして、分配プレートは、混合管１８に対応するアパーチャを有することができ、このため混合管１８は、分配プレート６６を通って延在することができる。分配プレート６６は、支持構造体１０６に取り外し可能に結合されてよく、この支持構造体は、混合管１８、保持プレート６４、空気分配プレート６６および燃焼器１４の他の構成要素の周りに円周方向に延在するバレル形の構造体であってよい。端部カバー７２はまた、燃料２０を混合管１８に供給するための燃料プリナム７４を含むことができる。燃料プリナム７４は、燃料が軸方向３６で混合管１８を経由するようにし、その一方で混合管１８は、半径方向３８で空気を受け取る。キャップフェイス６２は、燃焼器１４のヘッド端部７０に取り外し可能に結合されてよく（例えば半径方向のばねまたはボルトなどの締め具によって）、その結果それは、支持構造体１０６から取り外すことができる。さらに保持プレート６４は、キャップフェイス６２の上流で支持構造体１０６に結合されてよい。キャップフェイス６２と同様に、保持プレート６４も支持構造体１０６に取り外し可能に結合されることで（例えばボルト留め、ねじ込みなど）、それを取り外すことで混合管１８およびヘッド端部７０の他の構成要素の検査、メンテナンスおよび／または除去を可能にすることができる。以下により詳細に記載されるように、保持プレート６４は、混合管１８の第２の端部１１２のための付加的な支持体を提供することができる。上記に挙げたように、キャップ組立体６０の１つまたは複数の構成要素は、キャップ組立体６０の構成要素、ならびに混合管１８を含めた燃焼器１４の種々の構成要素の検査、メンテナンスおよび／または除去を可能にするために支持構造体１０６から取り外すことができる。

上記に記載したように、圧縮機１２は、空気取り入れ口３０から空気３２を受け取り、この空気３２を圧縮し、燃焼工程で使用される加圧空気２２の流れを生成する。矢印７６によって示されるように、加圧空気２２は、空気入口７８を介して燃焼器１４のヘッド端部７０に供給され、この空気入口は、混合管１８の側壁に向かって横方向または半径方向３８内向きに空気を誘導する。より具体的には、加圧空気２２は、矢印７６によって指示される方向で、燃焼器１４のライナー８２と流れスリーブ８４の間の環状の部分８０を通って圧縮機１２から流れ、ヘッド端部７０に到達する。ライナー８２は、燃焼室６８の周りに円周方向に位置決めされ、環状部分８０は、ライナー８２の周りに円周方向に位置決めされ、流れスリーブ８４は、環状部分８０の周りに円周方向に位置決めされる。ヘッド端部７０に到達すると、空気２２は、矢印７６によって指示されるように軸方向３６から半径方向３８に向きを変え、入口７８を通って混合管１８に向かう。

加圧空気２２は、分配プレート６６を通過し、１つまたは複数の開口を介して混合管１８の各々に進入し、複数の混合管１８の中で燃料２０と混合される。理解されるように、空気分配プレート６６は、混合管１８へと進む空気２２の均一性を高めることができる。各々の混合管１８は、混合管１８の軸方向の端部部分を介して軸方向３６で燃料２０を受け取り、その一方で混合管１８にある複数の側部開口を介して空気２２を受け取る。よって燃料２０と空気２２が、個々の混合管１８のそれぞれの中で混合される。矢印８６によって示されるように、燃料と空気の混合気は、混合管１８の中を下流に流れ、燃焼室６８に入り、ここで燃料と空気の混合気は、点火され、燃焼されて燃焼ガス３４（例えば排ガス）を形成する。燃焼ガス３４は、タービン燃焼器１４のトランジションピース９０に向かって方向８８に流れる。燃焼ガス３４は、矢印９２によって指示されるようにトランジションピース９０を通過しタービン１６へと向かい、ここで燃焼ガス３４は、タービン１６内のブレードの回転を駆動する。

キャップフェイス６２、保持プレート６４および／または空気分配プレート６６を含むキャップ組立体６０は、混合管１８を含めた燃焼器１４の構成要素の検査、メンテナンスおよび／または除去を可能にするために取り外されるように構成されてよい。加えて、空気分配プレート６６は、混合管１８への空気２２の流れの均一性を改善させることができ、これによりタービンシステム１０の燃焼効率を上げ、排気（ＮＯｘ）を削減させることができる。したがってキャップ組立体６０は、燃焼器１４の寿命を延ばし、その耐用年数コストを削減することができる。

図３は、燃焼器１４内の複数の混合管１８の一部と、キャップ組立体６０の側面断面図である。上記に記載されるようにキャップ組立体６０は、キャップフェイス６２と、保持プレート６４と、分配プレート６６とを含む。キャップフェイス６２は、リップ１０２を含んでおり、これは、キャップフェイス６２の外側縁部から上流方向に延在している。リップ１０２は、半径方向のばね１０４の上に嵌合するように構成され、支持構造体１０６上に位置している。リップ１０２および半径方向のばね１０４は、同様の半径を有するように構成されることで（例えばリップ１０２の半径は、半径方向のばね１０４の半径方向と同一である場合、あるいはこれよりわずかに小さい場合がある）、リップ１０２は、半径方向のばね１０４の上に嵌合することで圧縮またはばね付勢嵌合を形成することができる。半径方向のばね１０４は、半径方向外向きのバイアスを有する場合があり、その結果それはリップ１０２およびキャップフェイス６２を所定の場所に保持し、リップ１０２と半径方向のばね１０４の間の流体の漏出を阻止するように圧縮することができる。

示されるように各々の混合管１８は、経路またはチャンバ１０８を有し、これは、混合管１８の第１の端部１１０（例えば軸方向の端部開口）と、第２の端部１１２（例えば軸方向の端部開口）の間に延在している。いくつかの実施形態において、混合管１８の第２の端部１１２は、キャップフェイス６２を貫通して延在する場合があり、その結果、燃料と空気の混合気を、混合管１８から混合管１８の第２の端部１１２に概ね位置する軸方向の端部開口を介して燃焼室６８へと出力させることができる。

いくつかの実施形態において、端部カバー７２は、混合管１８の第１の端部１１０の上流におよびこれに近接して位置決めされてよい。端部カバー７２は、１つまたは複数の燃料入口１１４を含み、これを通って燃料２０が、端部カバー７２内の１つまたは複数の燃料プリナム７４（例えば１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０またはそれ以上）に供給される。さらに各々の燃料プリナム７４は、１つまたは複数の燃料噴射器１１６（例えば１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０またはそれ以上）に流体接続されてよい。示されるように、各々の混合管１８は、それぞれの燃料噴射器を含んでおり、これは矢印１１７によって指示されるように軸方向３６で燃料２０を受け取る。いくつかの実施形態において、端部カバー７２は、混合管１８および関連する燃料噴射器１１６の全てに対して単一の共通の燃料プリナム７４（例えば燃料供給チャンバ）を含む場合がある。他の実施形態において、システム１０は、それぞれが、燃料噴射器１１６のサブグループに燃料２０を供給し、最終的には各々の燃料噴射器１１６に関連する混合管１８に燃料２０を供給する１つ、２つ、３つまたはそれ以上の燃料プリナム７４を含む場合もある。例えば、１つの燃料プリナム７４が、約５、１０、５０、１００、５００、１０００またはそれ以上の燃料噴射器１１６に燃料を供給する場合もある。いくつかの実施形態において、異なる燃料プリナム７４によって燃料が供給される燃料噴射器１１６のサブグループを有する燃焼器１４によって、燃料噴射器１１６の１つまたは複数のサブグループおよび対応する混合管１８が、他のものよりリッチになる、またはリーンになることが可能になり、これにより、例えば燃焼工程のより適切な制御を可能にすることができる。付加的に多数の燃料プリナム７４は、燃焼器１４と共に多様なタイプの燃料２０の利用を可能にする（例えば同時に）ことができる。

図３に示されるように、支持構造体１０６（例えば側壁）は、燃焼器１４のヘッド端部７０を円周方向に取り囲むことができ、支持構造体１０６は、混合管１８およびヘッド端部７０内の他の構造体、例えば保持プレート６４および分配プレート６６などを概ね保護するおよび／または支持することができる。上記に記載したように、いくつかの実施形態において、加圧空気２２は、空気入口７８を介してヘッド端部７０に進入することができる。より具体的には加圧空気２２は、空気入口７８を介してヘッド端部７０内の空気空洞１１８へと流れることができる（例えば矢印１２２によって指示されるように概ね半径方向３８に）。空気空洞１１８は、複数の混合管１８の間にその体積の空間を含み、支持構造体１０６（例えば外壁）によって囲まれている。加圧空気２２は、それが複数の混合管１８の各々に流れる際、空気空洞１１８全体にわたるように拡散する。

いくつかの実施形態において、流れ分配ディフューザ１２０（例えばバッフル、導管または転向ベーン）が燃焼器１４の中に設けられることで、ヘッド端部７０における加圧空気２２の分配を改善させることができる。ディフューザ１２０は、加圧空気２２を複数の混合管１８にわたって前方、半径方向３８内向きおよび／または外部に分配するように構成された環状の流れ調整ディフューザ１２０であってよい。例えば、ディフューザ１２０は、先細の環状の壁１２１を含む場合があり、この壁は、空洞１１８および混合管１８に向かって内向きに半径方向３８に段階的に角度が付いている、または湾曲している。ディフューザ１２０はまた、環状の内側経路１２３を含む場合があり、この経路は、空洞１１８および混合管１８に向かって断面積が段階的に分かれるまたは増大する。いくつかの実施形態において、ディフューザ１２０は、加圧空気２２が、各々の混合管１８に対してほぼ均一に分配されるように加圧空気２２を拡散させることができる。さらに、穴が開けられた分配プレート６６もまた、加圧空気２２を分配するのに貢献することができる。空気分配プレート６６は、ヘッド端部７０の空洞１１８内に設けられる場合もあり、一般に端部カバー７２とキャップフェイス６２の間に位置決めすることができる。空気分配プレート６６における穿孔は、多様な形状およびサイズのいずれかであってよく、一般に付加的な拡散および分散を行なうことで、加圧空気２２の混合管１８へと分配を改善させることができる。空気入口７８を介してヘッド端部７０に進入した後、加圧空気２２は、混合管１８内に形成された１つまたは複数のアパーチャ１１１を介して各々の混合管１８に進入することができる。

図３に示されるように、いくつかの実施形態において、燃焼器１４はまた、保持プレート６４と、そらせ板１２８とを有する。保持プレート６４およびそらせ板１２８は、燃料噴射器１１６の下流に位置決めされ、キャップフェイス６２に概ね近接してよい。キャップフェイス６２、保持プレート６４および／またはそらせ板１２８は、例えば支持構造体１０６から取り外し可能である、あるいは切り離すことができる。保持プレート６４は、それが各々の混合管１８の下流端部（例えば第２の端部１１２）に結合するように構成することができるため、混合管１８のための支持体を形成することができる。そらせ板１２８は、キャップフェイス６２にほぼ隣接して位置決めされてよく、いくつかの実施形態では、そらせ板１２８は、保持プレート６４とキャップフェイス６２の間に位置決めされる場合もある。そらせ板１２８は、混合管１８を支持することができ、これに加えて、または代替として、燃焼器１４内でのキャップフェイス６２の冷却を実現することもできる。

図４により詳細に示されるように、空気分配プレート６６は、これを通って混合管１８が延在することができるアパーチャ１４２と、これを通って加圧空気２２が流れることができるアパーチャ１４２の周りの空気経路１４４とを備える。空気経路１４４は一般に、混合管１８に対する加圧空気２２の流れの均一性を改善させることを目的として、加圧空気２２の付加的な拡散および分配を実現することができる。例えば空気分配プレート６６は、混合管１８に対する加圧空気２２の分配の均一性を高めるために速度、圧力、角度および／または加圧空気２２の他の特性を変えることができる。示されるように、加圧空気２２は、それが空気分配プレート６６を横切るように流れ、混合管１８に進入する／これを横切る際、ディフューザ１２０を介して進入し、矢印１２２によって概ね示される方向に流れることができる。空気分配プレート６６は、加圧空気２２の流れに直交することができる（例えば半径方向３８に沿って延在することができる）、または混合管１８を横切るように角度が付けられる場合もある。例えば空気分配プレート６６は、点線１２４によって示されるように角度θ₁で角度が付けられてよい、あるいはプレート６６は、点線１２６によって示されるように角度θ₂でまたは任意の他の好適な角度で角度が付けられてよい。点線１２４および１２６は、半径方向３８に対して角度が付けられた空気分配プレート６６を描いているが、空気分配プレート６６は、空気分配プレート６６のいかなる軸に沿って角度が付けられてもよいことを理解されたい。加えて、角度θ₁およびθ₂は、いずれの角度でもよく、例えば半径方向３８に対しておおよそ５°、１０°、３０°、６０°または８０°である、または５°から６０°、１０°から４５°、または３０°から３０°の間であってよい。空気分配プレート６６は、半径方向のばね（例えばフラシール）、ボルト、蝋付け、または任意の他の好適な結合方法によって、混合管１８に、支持構造体１０６に、あるいはその両方に装着されてよい。このようにして、空気分配プレート６６は、それが加圧空気２２を混合管１８に分配させる際、構造上の支持体または振動減衰支持体を提供することができる。

空気入口７８を介してヘッド端部７０に進入した後、加圧空気２２は、混合管１８に形成された１つまたは複数のアパーチャ１１１を通って各々の混合管１８およびそのそれぞれの混合チャンバ１０８へと進入することができる。アパーチャ１１１は、多様な形状、サイズおよび構成のいずれかを有するように構成されてよい。例えばアパーチャ１１１は、略円形、略楕円形または略矩形の断面形状であってよい。アパーチャ１１１はさらに、おおよそ０．００１センチメートルからおおよそ１．５センチメートルまたはそれ以上の範囲内の直径または寸法を有することができる。アパーチャ１１１はまた、おおよそ０．０１から１．０センチメートル、０．０５から０．５センチメートルまたは０．１から０．２５センチメートルの範囲内の直径または寸法を有する場合もある。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の列のアパーチャ１１１は、混合管１８の各々の円周の周りに（例えば均等に）離間される場合もある。混合管１８に形成されたアパーチャ１１１は、実質的に同様である、あるいは共通の形状、サイズおよび／または角度を有する場合もあるが、その一方で他の実施形態では、アパーチャ１１１は、異なる形状、サイズおよび／または角度を有する場合もある。一般に、アパーチャ１１１は、混合管１８に沿ったいずれかの場所に位置決めされてよい。しかしながら特定の実施形態において、アパーチャ１１１は、燃料２０が燃料噴射器１１６を介して混合管１８に進入する位置から上流に位置決めされる場合もある。さらにアパーチャ１１１は、燃料噴射器１１６の周りに円周方向に離間されることにより、空気を燃料噴射器１１６に向かって半径方向内向きに誘導する場合もある。

上記で考察され図３に示されるように、１つの燃料噴射器１１６が、燃焼器１４の各々の混合管１８に対して設けられる。換言すると１つの燃料噴射器１１６は、それぞれの混合管１８に燃料２０を送達する目的で、各々の混合管１８の一部分の中に位置決めされる。いくつかの実施形態において、燃料噴射器１１６は一般に、燃料噴射器１１６を軸方向３６に各々の混合管１８の第１の端部１１０を介して挿入することによって、各々の混合管１８の中に概ね同軸に位置決めすることができる。よって混合管１８は、各々の混合管１８が対応する燃料噴射器１１６を収容することが可能なサイズ、形状および構造を有することができる。取り外し可能なキャップフェイス６２と、取り外し可能な空気分配プレート６６および／または取り外し可能な保持プレート６４を含むキャップ組立体６０は、個々の混合管１８の交換を可能にする、支持構造体１０６も交換することなくキャップフェイス６２の交換を可能にするために取り外し可能であってよく、混合管１８への空気の分配を改善させることができる。そういうものとして、キャップ組立体６０は、ガスタービンシステム１０の堅牢性を高め、これによりシステム１０の耐用年数コストを削減することができる。

図４は、キャップフェイス６２と、空気分配プレート６６と、保持プレート６４とを含むキャップ組立体６０の分解側面断面図を示している。図３に関して上記に記載したように、キャップフェイス６２は、半径方向のシール１０４（例えばフラシール）または何らかの他の締め具（例えばボルト）を介して支持構造体１０６に取り外し可能に装着させることができる。キャップフェイス６２のリップ１０２は、半径方向のシール１０４の上を摺動するように構成されてよく、このシールは、支持構造体１０６の円周の周りに延在することができる。半径方向のシール１０４は、リップ１０２が、シール１０４の上に嵌合したとき、半径方向内向きに圧縮することができる。シール１０４は、半径方向のシール１０４とリップ１０２の間の接触面全体にわたる流体の漏出を阻止するように構成されてよく、シール１０４は、キャップフェイス６２を支持構造体１０６に取り外し可能に結合することができる。保持プレート６４は、キャップフェイス６２の上流で支持構造体１０６に取り外し可能に結合されてよく（例えばボルト締め、ねじ込みなど）、その結果それを除去することで、混合管１８の検査、メンテナンスおよび／または除去を可能にすることができる。保持プレート６４もまた、混合管１８のための支持体を提供することができ、これはそれぞれの下流端部１１２において保持プレート６４に装着させることができる。空気分配プレート６６は、単独の部品または多重部品のプレート構造であってよく、プレート６６は、キャップフェイス６２と保持プレート６４の両方の上流に位置することができる。さらに、空気分配プレート６６は、空気ディフューザ１２０および空気入口７８に隣接して、またはちょうどその上流に位置することができる。空気分配プレート６６は、加圧空気２２がアパーチャ１１１を介して混合管１８に進入する前に、それを分配するのに役立つことができる。

上記に指摘したように、いくつかの実施形態において、空気分配プレート６６は、複数の混合管１８の各々の軸に対して、あるいは支持構造体１０６に対して角度が付けられる場合がある。さらに空気分散器６６は、複数のアパーチャ１４２を含むことがあり、混合管１８がこのアパーチャを通って延在するように構成されてよい。アパーチャ１４２を複数の空気経路１４４が取り囲むことができ、この経路を通って加圧空気２２が流れることができる。空気経路１４４は、アパーチャ１４２の周りに小さい穿孔を含む場合がある、あるいはそれらはアパーチャ１４２に沿ってまたはアパーチャ１４２の間に延在するより大きな切り抜き部である場合もある。空気分配プレート６６にある空気経路１４４は、多様な形状およびサイズのいずれかであってよく、ベンチュリ、または加圧空気２２が空気分配プレート６６を横切るように流れる際、望ましくない圧力降下を抑えることができる起伏が形成された形状を含むことができる。例えば、空気経路１４４は略円形、略楕円形、略多角形または略矩形の断面形状であってよく、混合管１８の間にまたは混合管１８に沿って延在することができる。空気経路１４４は、おおよそ０．００１センチメートルからおおよそ１．５センチメートルまたはそれ以上の範囲内の直径または寸法を有することができる。さらに空気経路１４４は、ほぼ同様の形状、サイズおよび構成を有することができる、あるいは多様な形状、サイズおよび構成を有する場合もある。空気経路１４４および／またはアパーチャ１４２の起伏は、加圧空気２２が空気経路１４４を通過する際、一時的にそれを制限する目的で形成することができ、そのため加圧空気２２が空気分配プレート６６を横切るように流れる際、その速度を上げることができる。

いくつかの実施形態において、少なくとも１つのアパーチャ１４２は、半径方向のばね１４６を含む場合があり、このばねは、そこを通過する混合管１８を固定するように構成されてよい。半径方向のばね１４６は、混合管１８がアパーチャ１４２の中を通過する際、その周りをしっかり締めるように係合することができ、混合管１８のための支持構造体を提供することができる。付加的に半径方向のばね１４６は、混合管１８に対する振動減衰支持体を提供する場合もあり、振動、揺れまたは混合管１８が遭遇する他の動作を抑える場合もある。他の実施形態において、混合管１８と空気分配プレート６６の間に別の締め具が使用され、混合管１８に対する構造上のおよび振動減衰支持体を提供する場合もある。半径方向のばね１４６による構造上および振動減衰支持体は、混合管１８の堅牢性を高めることができる。キャップ組立体６０の一部として、空気分配プレート６６は、ガスタービンシステム１０の信頼性および操作性を高め、これによりガスタービンシステム１０の耐用年数コストを削減することができる。

示されるように、キャップ組立体６０の構成要素（例えばキャップフェイス６２、保持プレート６４および／または空気分配プレート６６）は各々支持構造体１０６から取り外すことができる。この取り外し可能なキャップ組立体６０によって、混合管１８に接触することが可能になり、混合管１８はその後、個別に検査、メンテナンスおよび／または除去することができる。さらにキャップ組立体６０の構成要素は、独立して取り外すまたは交換することができ、タービンシステム１０の他の構成要素、例えば支持構造体１０６などの除去または交換を必要としない場合がある。キャップ組立体６０は、燃焼器１４に対して、よりモジュール組立式であり、容易に交換可能であり、保守し易い構造を与える。付加的にキャップ組立体６０は、燃焼器の構成要素（例えば混合管１８）に接触し易くし、空気分配プレート６６を介する混合管１８への加圧空気２２の分配を改善することによって燃焼器１４の堅牢性を高めることができる。より均一に加圧空気２２を分配することによって、燃料２０と加圧空気２２の混合効率を高めることができ、これによりガスタービンシステム１０の排気（ＮＯｘ）（例えば高温の加圧燃焼ガス３４または排ガスにおける）を低下させることができる。燃焼器１４の保守性、操作性および堅牢性を高めることによって、キャップ組立体６０は、燃焼器１４の寿命を延ばし、その操作およびメンテナンスコストを削減することができる。

図５は、空気分配プレート６６の部分的な軸方向の図を示しており、複数のアパーチャ１４２と空気経路１４４とを図示している。空気分配プレート６６は、混合管１８が中を通って延在することができる複数のアパーチャ１４２と、混合管１８のアパーチャ１１１への加圧空気２２の分配を改善させるように構成された空気経路１４４とを含む。上記に指摘したように、空気経路１４４は、アパーチャ１４２に沿って、その間に、またはそれを囲むように延在してよく、多様な形状、サイズおよび構成のいずれかを有することができる。例えば空気経路１４４は、略矩形、略円形、略楕円形、略多角形または略三角形の断面形状であってよく、空気経路１４４は、１つ、２つ、３つまたはそれ以上のアパーチャ１４２に沿って延在することができる。付加的に特定の実施形態において、空気経路１４４は、ワイヤメッシュなどで見られるような微細な穿孔の場合もある。空気経路１４４は、おおよそ０．０００１センチメートルからおおよそ１．５センチメートルまたはそれ以上の直径を有することができる。いくつかの実施形態において、空気経路１４４は、アパーチャ１４２の周りに均等に分散されてよい、あるいは空気経路１４４は、１つまたは複数のアパーチャ１４２に沿って、またはその間に延在する場合もある。空気経路１４４はさらに、加圧空気２２の圧力、角度、方向または他の特性を変えることによって、より最適に分配されるように加圧空気２２を調整するような起伏を有している場合もある。

さらに図５に示されるように、一部のアパーチャ１４２は、半径方向のばね１４６（例えば金属ばね、フラシール、布リングなど）を含む場合もあり、これはアパーチャ１４２の内周または寸法の周りに延在することができる。半径方向のばね１４６は、混合管１８に対する構造上のおよび振動減衰支持体を提供することができ、この混合管１８は、アパーチャ１４２の中を通過することができる。さらに、空気経路１４４は、望ましくない圧力降下を緩和させることができる、もしくは加圧空気２２を調整することで尾翼側の後流を抑えることができる起伏が形成される、または形状を有する場合がある。空気分配プレート６６によって、加圧空気２２を、より均等に混合管１８に分配することができ、加圧空気２２を拡散させ調整する際に、加圧空気２２の温度の均一性を高めることができる。これは、各々の混合管１８におけるより均一な加圧された空気と燃料の混合気に貢献することができる。加圧空気２２の流れを変えることによって、空気分配プレート６６は、混合管１８への空気流の質を改善させる、および／または加圧空気２２が混合管１８に分配される際、その温度の均一性を高めることができる。

図６は、起伏が形成された開口（例えばアパーチャ１４２）を有する空気分配プレート６６の一実施形態の部分的な図を示している。図６に示されるように、混合管１８は、空気分配プレート６６内のアパーチャ１４２の中を通過することができる。アパーチャ１４２は、アパーチャ１４２への入口１４８と、アパーチャ１４２からの出口１５０の間を一時的に狭めるように構成されてよい。例えばアパーチャ１４２は、集束する部分、スロート部分および逸れる部分を含むように起伏を形成するベンチュリを有するように構成されてよい。加圧空気２２は、矢印１５２によって指示されるようにアパーチャ１４２の中を流れることができる。アパーチャ１４２の入口１４８と出口１５０の間でアパーチャ１４２を一時的に狭めることによって、アパーチャ１４２を通過する加圧空気２２の圧力を低下させ、加圧空気２２の速度を高めることができる。換言すると、加圧空気２２がアパーチャ１４２の中を流れる際、それは、アパーチャ１４２の断面半径または寸法が縮小することによって制限することができる。アパーチャ１４２または空気経路１４４は、このような起伏形成を利用することで、加圧空気２２が混合管１８に対して分配される際、その流れを調整することができることを理解されたい。例えば図６に示される実施形態では、加圧空気２２は、それがアパーチャ１４２の中を流れる際、矢印１５２によって指示されるように混合管１８から離れるように広がることができる。ベンチュリまたは他の形状によって調整することによって、加圧空気２２の速度を高めることができる、またはそうでなければ加圧空気２２がアパーチャ１４２の中を流れる際、それを調整することで、加圧空気２２の分配を改善させることもできる。この方法において、とりわけ混合管１８に進入する加圧空気２２の温度の均一性を改善させることができる。加圧空気２２の分配を改善させ、温度の均一性を高めることによって、燃料２０と加圧空気２２の混合工程の効率を高め、これによりガスタービンシステム１０の効率および操作性を高めることができる。

上記に記載したように、開示される実施形態は、燃焼器キャップ組立体６０を含んでおり、これはキャップフェイス６２、保持プレート６４および空気分配プレート６６を含むことができる。例えばキャップフェイス６２は、指示構造体１０６に取り外し可能に結合されてよく、保持プレート６４および空気分配プレート６６は、燃焼器１４のヘッド端部７０において複数の混合管１８に取り外し可能に結合されてよい。付加的に空気分配プレート６６は、混合管１８全体にわたる加圧空気２２の分配を改善させることができ、キャップ組立体６０は、取り外し可能に構成されてよく、これにより燃焼器１４の他の構成要素のメンテナンス、検査および／または除去を可能にすることができる。

１０ガスタービンシステム
１２圧縮機
１４燃焼器
１６タービン
１８混合管
２０燃料
２２加圧空気
２４シャフト
２６排気出口
２８負荷
３０空気取り入れ口
３２空気
３４燃焼ガス
３６軸方向の軸または方向
３８半径方向の軸または方向
４０円周方向の軸または方向
６０キャップ組立体
６２キャップフェイス
６４保持プレート
６６空気分散プレート
７０ヘッド端部
７２端部カバー
７４燃料プリナム
７６矢印
７８空気入口
８０環状部分
８２ライナー
８４流れスリーブ
８６矢印
８８燃焼ガスの流れる方向
９０トランジションピース
９２矢印
１０２リップ
１０４半径方向のばね、半径方向のシール
１０６支持構造体
１０８混合チャンバ
１１０混合管１８の第１の端部
１１１混合管１８のアパーチャ
１１２混合管１８の第２の端部
１１４燃料入口
１１６燃料噴射器
１１７矢印
１１８空洞
１２０ディフューザ
１２１環状の壁
１２２矢印
１２３内側経路
１２４角度θ₁を表す点線
１２６角度θ₂を表す点線
１４２空気分散プレート６６のアパーチャ
１４４空気経路
１４６半径方向のばね
１４８アパーチャの入口
１５０アパーチャの出口
１５２矢印

Claims

多重管燃料ノズルのための燃焼器キャップ組立体を備えるシステムであって、前記燃焼器キャップ組立体が、
空気流を収容するように構成された内部空間を画定する支持構造体と、
前記内部空間内に配設された複数の混合管であって、該複数の混合管の各々が、それぞれの燃料噴射器を備え、前記燃焼器キャップ組立体から個々に取り外し可能である複数の混合管と、
前記内部空間内に配設され、前記内部空間によって収容される前記空気流を前記複数の混合管の各々に分配するように構成された空気分配装置と、
前記支持構造体に取り外し可能に結合された燃焼器キャップとを備えるシステム。
前記燃焼器キャップが、半径方向のばねによって前記支持構造体に取り外し可能に結合される、請求項１記載のシステム。
前記空気分配装置が、複数のアパーチャを備え、前記複数の混合管の各々が、前記複数のアパーチャの１つの中を通って延在する、請求項１記載のシステム。
前記複数のアパーチャの少なくとも１つが、前記複数の混合管の１つの支持する半径方向のばねを備える、請求項３記載のシステム。
前記複数のアパーチャの少なくとも１つが、ベンチュリ形状を備える、請求項３記載のシステム。
前記内部空間内に配設され、前記内部空間に取り外し可能に結合された保持プレートを備え、該保持プレートが、前記複数の混合管を少なくとも部分的に支持するように構成される、請求項１記載のシステム。
前記空気分配装置がワイヤメッシュを備える、請求項１記載のシステム。
前記空気分配装置が、複数の空気経路を備えるプレートを備える、請求項１記載のシステム。
前記空気分配装置が、前記内部空間内で前記複数の混合管の各々の軸に対して一定の角度で配設される、請求項８記載のシステム。
多重管燃料ノズルのための燃焼器キャップ組立体であって、
空気流を収容するように構成された内部空間を画定する支持構造体と、
各々が複数の混合管の１つを収容するように構成された複数のアパーチャ、および
前記複数の混合管に前記空気流を分配するように構成された複数の空気経路を備える空気分配プレートとを備える燃焼器キャップ組立体。
前記複数の空気経路の各々が共通のサイズおよび形状を有する、請求項１０記載の燃焼器キャップ組立体。
前記複数の空気経路の少なくとも１つが、前記複数のアパーチャの少なくとも３つに沿って延在する、請求項１０記載の燃焼器キャップ組立体。
前記空気分配プレートが、多重部品構成を備える、請求項１０記載の燃焼器キャップ組立体。
前記空気分配プレートが、半径方向のばねによって前記支持構造体に結合される、請求項１０記載の燃焼器キャップ組立体。
前記空気分配プレートが、前記内部空間内で前記複数の混合管の各々の軸に対して一定の角度で配設される、請求項１４記載の燃焼器キャップ組立体。
前記複数の空気経路の少なくとも１つが、前記空気分配プレートでの圧力降下を緩和させるように構成された起伏を備える、請求項１０記載の燃焼器キャップ組立体。
多重管燃料ノズルのための燃焼器キャップ組立体を備えるシステムであって、前記燃焼器キャップ組立体が、
空気流を収容するように構成された内部空間を画定する支持構造体と、
前記内部空間内に配設された複数の混合管であって、該複数の混合管の各々が、前記内部空間からの前記空気流を受け取るように構成され、該複数の混合管の各々が、前記燃焼器キャップ組立体から個々に取り外し可能な複数の混合管と、
複数の燃料噴射器であって、該複数の燃料噴射器の各々が少なくとも部分的に前記複数の混合管のそれぞれ１つの中に配設され、前記混合管のそれぞれ１つに燃料流れを噴射するように構成された複数の燃料噴射器と、
前記内部空間内に配設された空気分配装置であって、前記内部空間内の前記空気流を前記複数の混合管に分配するように構成された複数の空気経路を備える空気分配装置と、
前記支持構造体に取り外し可能に結合された燃焼器キャップとを備えるシステム。
前記複数の混合管が、前記空気分配装置によって前記内部空間内に少なくとも部分的に支持される、請求項１７記載のシステム。
前記燃焼器キャップが、半径方向のばねによって前記支持構造体に結合される、請求項１７記載のシステム。
前記空気分配装置が、前記内部空間内で前記複数の混合管の各々の軸に対して一定の角度で配設される、請求項１７記載のシステム。