JP2014196899A - マルチ噴射器微細混合システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼チャンバー内で燃焼する前に、燃料と空気を予混合するための構成要素を提供する。【解決手段】このシステムは燃料と空気を受け取り混合するように構成された複数の混合管１８を含む。各々の混合管１８は燃料噴射器と一対になっており、燃料噴射器は混合管１８の一部分内で軸方向に配置されている。燃料は燃料噴射器からそれぞれの混合管１８中に注入され、空気は混合管に形成された１以上の開口８２を介して半径方向に各々の混合管１８内に流れる。燃料と空気は混合管１８内で混合され、燃焼のために燃焼チャンバー中に入れられる。【選択図】図５

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、より具体的にはタービン燃焼器の予混合に関する。

ガスタービンシステムは一般に圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。圧縮機は空気取り入れ口からの空気を圧縮し、その後その圧縮された空気は燃焼器に向かう。燃焼器において、圧縮機から受け入れた圧縮された空気が燃料と混合され、燃焼されて燃焼ガスを産み出す。燃焼ガスはタービン中に入れられる。タービンにおいて、燃焼ガスはタービンのタービンブレードを通過することにより、タービンブレード、及びタービンブレードが取り付けられているシャフトを駆動して回転させる。シャフトの回転はさらに、シャフトに連結された発電機のような負荷を駆動し得る。伝統的なガスタービンシステムは製造するのが高価になる可能性があり、修理が困難な可能性がある。従って、効率的な燃焼を提供することに加えて、製造するのがより安価であり、及び／又はより容易な修理が可能なガスタービンシステムに対するニーズが残されている。

米国特許第８３２７６４２号明細書

当初特許請求の範囲に記載の本発明の範囲と釣り合った幾つかの実施形態の概要を以下に示す。これらの実施形態は特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態の簡潔な要約を提供することのみを意図している。実際、本発明は以下に記載の実施形態と類似又は異なり得る多様な形態を包含し得る。

第１の実施形態において、ガスタービンエンジンのための予混合システムは複数の混合管を含む。各々の混合管は混合管内にチャンバーを画定する壁を含み、チャンバーは混合管の第１の端部と第２の端部の間に伸延する。各々の混合管は混合管の壁に形成された１以上の開口を有し、開口は空気流を受け取るように構成されている。加えて、各々の混合管は、混合管の第１の端部内で軸方向に位置する燃料噴射器からの燃料流を受け取るように構成された燃料取り入れ部を有する。各々の混合管はまた混合管の第２の端部に位置する燃料−空気混合物出口を有する。

第２の実施形態において、ガスタービンシステムは燃焼チャンバーを有する燃焼器を含む。燃焼器は複数の混合管を含み、各々の混合管は燃料と空気を受け取り、燃料−空気混合物を燃焼チャンバー中に挿入するように構成されている。空気は、各々の混合管に形成された複数の開口を介して各々の混合管の混合チャンバー中に半径方向に受け入れられる。燃焼器はまた複数の燃料噴射器も含み、各々の燃料噴射器はそれぞれの混合管内で軸方向に位置し、各々の燃料噴射器はそれぞれの混合管の混合チャンバー中に軸方向に及び／又は半径方向に燃料を注入するように構成されている。

第３の実施形態において、方法は燃料噴射器の壁の複数の穴を通して混合管の混合チャンバー中に燃料を注入することを含み、燃料噴射器は混合管の一部分内で軸方向に位置する。この方法はまた、燃焼器のヘッドエンド内の空気キャビティーから混合管の壁の１以上の開口を介して混合管の混合チャンバー中に空気を流し、混合管の混合チャンバー内で空気と燃料を混合して燃料−空気混合物を作り出し、燃料−空気混合物を混合チャンバーから燃焼チャンバー中に挿入することを含む。

本発明の上記及びその他の特徴、局面、及び利点は添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めばより良好に理解される。図面中全図面を通じて類似の符号は類似の部分を表す。

図１は、複数の混合管を有するガスタービンシステムの実施形態の概略図である。 図２は、タービン燃焼器の実施形態の断面側面図の概要であり、燃焼器のヘッドエンド内に位置する複数の混合管の実施形態を図解している。 図３は、図２の実施形態のタービン燃焼器の断面側面図の概要であり、複数の混合管を図解している。 図４は、複数の燃料噴射器を含むエンドカバーの実施形態の透視図である。 図５は、燃料噴射器を含む１つの混合管の実施形態の断面側面図の概要である。 図６は、タービン燃焼器の一部分の実施形態の透視図であり、ガスタービンシステムの組立プロセスの一工程を図解している。 図７は、タービン燃焼器の一部分の実施形態の透視図であり、ガスタービンシステムの組立プロセスの一工程を図解している。 図８は、タービン燃焼器の一部分の実施形態の透視図であり、ガスタービンシステムの組立プロセスの一工程を図解している。 図９は、タービン燃焼器の一部分の実施形態の透視図であり、ガスタービンシステムの組立プロセスの一工程を図解している。

以下、本発明の１以上の具体的な実施形態について説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するするために、本明細書では実際の実施の全ての特徴を記載しないことがある。かかる実際の実施の開発において、あらゆる工学又は設計計画の場合と同様に、実施毎に変わり得るシステム関連及びビジネス関連の制約の遵守のような開発者の特定の目標を達成するために数多くの実施に特有の決定をしなければならないことと認識されたい。また、かかる開発努力は複雑で時間がかかるかもしれないが、それにも関わらず、本開示を利用できる当業者にとっては設計、製作、及び製造の日常的な仕事であろうことが理解されよう。

本発明の様々な実施形態の要素を導入する際、単数形態の用語はそれらの要素が１以上存在することを意味している。用語「からなる」、「含む」及び「有する」は包括的であることを意図しており、リストされている要素以外の追加の要素があり得ることを意味している。

ガスタービンエンジンは、燃焼チャンバー内で燃焼させる前に燃料と空気を予混合するための構成要素を含み得る。開示されている実施形態は複数の混合管（例えば、１０〜１０００の混合管）を有する燃料と空気の予混合システムに関し、各々の混合管は燃料噴射器と一対になっている。幾つかの実施形態において、各々の混合管はおよそ１、２、３、４、又は５センチメートル未満の直径を有し得る。例えば、各々の混合管はおよそ０．５〜２、０．７５〜１．７５、又は１〜１．５センチメートルの直径を有し得る。幾つかの実施形態において、燃料噴射器は燃料を軸方向で混合管中に注入するが、加圧された空気は半径方向で混合管中に移される。現在記載されているシステムは、例えば、より低い製造コスト、より容易な修理手順、燃料に関する柔軟性、実質的に均一な空気と燃料の分配、及び／又は低い排出を提供し得る。

ここで図面を参照すると、図１は、ガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図を示す。図に示されているように、システム１０は圧縮機１２、タービン燃焼器１４、及びタービン１６を含んでいる。タービン燃焼器１４は、燃料２０と加圧された酸化剤２２、例えば空気、酸素、酸素富化空気、酸素減少空気、又はこれらの任意の組合せの両方を受け取るように構成された１以上の混合管１８（例えば、１０〜１０００の混合管）を含み得る。以下の考察では酸化剤２２として空気について述べるが、開示された実施形態ではあらゆる適切な酸化剤を使用し得る。ここでも、混合管はおよそ０．５〜２、０．７５〜１．７５、又は１〜１．５センチメートルの直径を有し得る微細混合管として記載され得る。混合管１８は、一般に互いに対して平行に配置された近接した間隔の管の１以上の束として配列され得る。この構成において、各々の混合管１８は、各々の混合管１８内で比較的小規模に混合する（例えば、微細混合する）ように構成されており、その後燃料−空気混合物を燃焼チャンバー中に出力する。幾つかの実施形態において、システム１０は液体燃料及び／又は天然ガス若しくは合成ガスのような気体燃料２０を使用し得る。

圧縮機ブレードが圧縮機１２の構成要素として含まれる。圧縮機１２内のブレードはシャフト２４に結合されており、以下に説明するようにシャフト２４がタービン１６によって駆動されて回転すると回転する。圧縮機１２内のブレードの回転により、空気取り入れ口３０からの空気３２が圧縮されて加圧空気２２になる。次に、加圧された空気２２はタービン燃焼器１４の混合管１８中に供給される。加圧された空気２２と燃料２０は混合管１８内で混合されて燃焼（例えば、燃料２０を浪費しないように、又は余分な排出を生じないように燃料をより完全に燃焼させる燃焼）に適した燃料−空気混合物比を産み出す。

タービン燃焼器１４は燃料−空気混合物を点火燃焼させ、その後高温の加圧された燃焼ガス３４（例えば、排気ガス）をタービン１６中に送る。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内の幾つかの他の構成要素にも結合されている。燃焼ガス３４がタービン１６内のタービンブレードにぶつかって、またタービンブレードの間を流れると、タービン１６が駆動されて回転し、その結果シャフト２４が回転させられる。最終的に、燃焼ガス３４は排出口２６を介してタービンシステム１０から出て行く。さらに、シャフト２４は負荷２８に連結され得、この負荷はシャフト２４の回転により動力を供給される。例えば、負荷２８は、発電機、飛行機のプロペラ、などのような、タービンシステム１０の回転出力を介して動力を発生し得るいかなる適した装置であってもよい。

図２は、図１の燃焼器１４の実施形態の概略断面図である。図に示されているように、燃焼器１４は燃焼チャンバー３６及びヘッドエンド３８を含む。複数の混合管１８が燃焼器１４のヘッドエンド３８内に位置しており、これらの混合管１８は一般にキャップ４０とエンドカバー４２の間に伸延し得る。幾つかの実施形態において、混合管１８は、エンドカバー４２またはキャップ４０に取り付けられないでヘッドエンド３８内に懸架(suspend)される。しかし、その代わりに、混合管１８は、以下でさらに説明するように、キャップ４０またはエンドカバー４２の少なくとも１つに結合され得る。エンドカバー４２はまた燃料を混合管１８に供給するための燃料プレナム４４も含み得る。以下の考察においては、燃焼器１４の軸４に沿って軸方向２といい、軸４から離れるか又は軸４に向かって半径方向６といい、軸４の回りを円周方向８といい得る。混合管１８は軸方向２に延び、一般に互いに平行である。燃料プレナム４４は燃料を混合管１８に軸方向３で送り、混合管１８は半径方向６に空気を受け取る。

上に記載したように、圧縮機１２は空気取り入れ口３０から空気３２を受け取り、その空気３２を圧縮し、燃焼プロセスで使用される加圧された空気２２の流れを生成する。矢印４６で示されているように、加圧された空気２２は空気入口４８を通って燃焼器１４のヘッドエンド３８に供給される。この空気入口４８は空気を混合管１８の側壁に向けて側方または半径方向６に導く。より具体的には、加圧された空気２２は、圧縮機１２から、燃焼器１４のライナー５２とフロースリーブ５４との間の環状部５０を通って、矢印４６で示されている軸方向２に流れ、ヘッドエンド３８に到達する。ライナー５２は燃焼チャンバー３６の回りの周辺に配置され、環状部５０はライナー５２の回りの周辺に配置され、フロースリーブ５４は環状部５０の回りの周辺に配置されている。ヘッドエンド３８に到達すると、空気２２は矢印４６で示されているように軸方向２から半径方向６へ回転し入口４８を通って混合管１８に向かう。

加圧された空気２２は複数の混合管１８内で燃料２０と混合される。以下で述べるように、各々の混合管１８は混合管１８の軸端部分を介して軸方向２に燃料２０を受け取り、また混合管１８の複数の側部開口を介して空気２２も受け取る。こうして、燃料２０と空気２２は各個々の混合管１８内で混合される。矢印５６で示されているように、燃料−空気混合物は混合管１８内を下流に流れて燃焼チャンバー３６に入り、そこで燃料−空気混合物は点火され燃焼して燃焼ガス３４（例えば、排気ガス）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６０に向かう方向５８に流れる。燃焼ガス３４はトランジションピース６０を通過して矢印６２で示されているようにタービン１６に向けて進み、そこで燃焼ガス３４はタービン１６内のブレードの回転を駆動する。

図３は、燃焼器１４内の複数の混合管１８の略図である。図に示されているように、各々の混合管１８は、混合管１８の第１の端部６６（例えば、軸端開口）と第２の端部６８（例えば、軸端開口）との間に延びる通路又はチャンバー６４を有する。幾つかの実施形態において、混合管１８の第２の端部６８はキャップ４０を通って伸延し得、その結果燃料−空気混合物は混合管１８から、一般に混合管１８の第２の端部６８に位置する軸端開口を通って燃焼チャンバー３６中に出力され得る。

幾つかの実施形態において、エンドカバー４２は混合管１８の第１の端部６６の上流に近接して配置され得る。エンドカバー４２は１以上の燃料入口７０を含み得、ここを通って燃料２０がエンドカバー４２内の１以上の燃料プレナム４４（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上）に供給される。さらに、各々の燃料プレナム４４は１以上の燃料噴射器７２（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上）と流体連結され得る。図解されているように、各々の混合管１８は、矢印４５で示されているように軸方向２に燃料２０を受け取るそれぞれの燃料噴射器７２を含んでいる。幾つかの実施形態において、エンドカバー４２は混合管１８及び付随する燃料噴射器７２の全てに対して単一の共通燃料プレナム４４（例えば、燃料供給チャンバー）を含み得る。他の実施形態において、システム１０は、各々が燃料噴射器７２のサブグループ、及び最終的に各々の燃料噴射器７２に関連する混合管１８に燃料２０を供給する１、２、３、又はそれ以上の燃料プレナム４４を含み得る。例えば、１つの燃料プレナム４４が燃料〜約５、１０、５０、７０、１００、５００、１０００、又はそれ以上の噴射器７２に燃料を供給し得る。幾つかの実施形態において、異なる燃料プレナム４４により供給される燃料噴射器７２のサブグループを有する燃焼器１４は、燃料噴射器７２の１以上のサブグループ及び対応する混合管１８が他より富化した又は不足した状態で作動するのを可能にし得、その結果、例えば燃焼プロセスのより良好な制御を可能にし得る。加えて、多数の燃料プレナム４４は、燃焼器１４と共に多種類の燃料２０を（例えば、同時に）使用することを可能にし得る。

図３に示されているように、支持構造体７４（例えば、側壁）は燃焼器１４のヘッドエンド３８の周辺を包囲し得、また支持構造体７４はヘッドエンド３８内の混合管１８及びその他の構造体の全体を保護及び／又は支持し得る。例えば、支持構造体７４は外部環状壁であり得る。上に記載したように、幾つかの実施形態において、加圧された空気２２は空気入口４８を通ってヘッドエンド３８に入り得る。より具体的には、加圧された空気２２は空気入口４８を通ってヘッドエンド３８内の空気キャビティー７８中へ側方に（例えば、矢印４６で示されているようにほぼ半径方向６に）流れ得る。空気キャビティー７８はヘッドエンド３８内で複数の混合管１８の間に、支持構造体７４（例えば、外壁）により包囲された空間体積を含んでいる。加圧された空気２２は複数の混合管１８の各々に流れて空気キャビティー７８全体に拡がる。幾つかの実施形態において、燃焼器１４に流れ分配ディフューザー７６（例えば、バッフル、導管、又は案内羽根）を設けて、ヘッドエンド３８内の加圧された空気２２の分配を改良し得る。ディフューザー７６は複数の混合管１８を横切って前方に、半径方向６内方に、及び／又は外方に加圧された空気２２を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ーであり得る。例えば、ディフューザー７６はテーパー付き環状壁７５を含み得、この環状壁は半径方向６でキャビティー７８及び混合管１８に向けて内方に徐々に曲がるか又は湾曲する。ディフューザー７６はまた環状の内部通路７７も含み得、この内部通路は一般にキャビティー７８及び混合管１８に向けて断面積が大きくなる。幾つかの実施形態において、ディフューザー７６は、加圧された空気２２が各々の混合管１８に実質的に均等に分配されるように、加圧された空気２２を拡散させ得る。加えて又は代わりに、図３に破線で示されている穴の開いた空気分配プレート８０を、ヘッドエンド３８のキャビティー７８内に設け得、この空気分配プレート８０は一般にエンドカバー４２とキャップ４０との間に配置され得る。空気分配プレート７８の穴は多様な形状と大きさのいかなるものでもよく、一般に加圧された空気２２の追加の拡散及び分配を提供して、加圧された空気２２の混合管１８への分配を改良し得る。空気入口４８を通ってヘッドエンド３８内に入った後、加圧された空気２２は混合管１８内に形成された１以上の開口８２を通って各々の混合管１８に入り得る。

図３に示されているように、幾つかの実施形態において、燃焼器１４はまたリテーナ８４及び／又は衝突プレート８６も有する。リテーナ８４及び／又は衝突プレート８６は燃料噴射器７２の下流で通常キャップ４０に近接して位置し得る。幾つかの実施形態において、キャップ４０、リテーナ８４、及び／又は衝突プレート８６は例えば支持構造体７４から取り外し可能又は分離可能であり得る。リテーナ８４及び／又は衝突プレート８６は混合管１８のための支持を提供し得る。衝突プレート８６はさらに又は代わりに燃焼器１４内のキャップ４０の冷却を提供するように構成され得る。

上に述べたように、また図３に示されているように、燃焼器１４の各々の混合管１８に対して１つの燃料噴射器７２が具備される。言い換えると、１つの燃料噴射器７２はそれぞれの混合管１８に燃料２０を送り出すために各々の混合管１８の一部分内に配置される。幾つかの実施形態において、燃料噴射器７２は、各々の混合管１８の第１の端部６６を通して燃料噴射器７２を軸方向２に挿入することにより、各々の混合管１８内に通常同軸に配置され得る。従って、混合管１８は、各々の混合管１８が対応する燃料噴射器７２を受け入れられる大きさと形状を有し得る。

幾つかの実施形態において、複数の燃料噴射器７２は、図４に最もよく示されているように、燃焼器１４のエンドカバー４２に連結され得る。エンドカバー４２と燃料噴射器７２は併せて燃料噴射器アセンブリ又はモジュールとして記載し得る。幾つかの実施形態において、燃料噴射器７２は取り外し可能なようにエンドカバー４２に連結され得る。例えば、燃料噴射器７２はエンドカバー４２にろう付けされてもよいし、また燃料噴射器７２をネジエンドカバー４２に連結してもよい。幾つかの実施形態において、燃料噴射器７２はネジで連結し、さらにエンドカバー４２に対して密閉することができる。一般に、燃料噴射器７２は機械加工又はネジの逆回転によって取り外されるように構成され得る。燃料噴射器７２は燃料噴射器アセンブリ又はモジュールとしてエンドカバー４２に連結されるが、混合管１８は混合管アセンブリ又はモジュールとして支持構造体７４内に支持され得る。従って、燃料噴射器モジュールと混合管モジュールにより、これら２つのモジュールを互いに組み立てることで、全ての混合管１８及び付随する燃料噴射器７２の迅速で簡単な組立が可能になる。

図４は、複数の燃料プレナム４４を有するエンドカバー４２を図解する。幾つかの実施形態において、各々の燃料プレナム４４はエンドカバー４２に取り外し可能に連結され得る。例えば、燃料プレナム４４はエンドカバーにボルトで止めてもよく、従って点検、取り外し、及び／又は交換のためにボルトを緩めて外すことができる。加えて、幾つかの実施形態において、エンドカバー４２は複数の燃料プレナム４４を有し得、各々の燃料プレナム４４は上に記載したように燃料噴射器７２のサブグループに供給する。具体的には、図４は、５つの燃料プレナム４４を有する実施形態を図解しており、各々の燃料プレナム４４は燃料噴射器のサブグループに供給する。各々の燃料プレナム４４は５〜５００、１０〜４００、２０〜３００、３０〜２００、又は４０〜１００の燃料噴射器７２のサブグループに供給し得る。上に述べたように、燃料噴射器７２を個別に取り外し得るだけでなく、各々の燃料プレナム４４（及びその付随するサブグループの燃料噴射器７２）もまたエンドカバー４２から取り外し除去することができる。結果として、記載された実施形態は、燃料噴射器７２の取り外し、点検、修理、及び／又は交換のための多数の選択肢を提供する。各々の燃料プレナム４４は円形、三角形、四角形、又は一般に多角形であり得る。図示した実施形態において、各々の燃料プレナム４４は扇形形状又は切頭形形状を有し、収束する半径方向の壁８５、内側の湾曲した壁８７、及び外側の湾曲した壁８５により包囲され得る。

図５を参照すると、燃料噴射器７２が中に配置されている１つの混合管１８の実施形態が図解されている。上に記載したように、混合管１８は、混合管１８の第１の端部６６と第２の端部６８の間に延びる１つのチャンバー６４（例えば、通路）を有し得る。幾つかの実施形態において、混合管１８は通常エンドカバー４２とキャップ４０の間に延び得、さらに、燃料−空気混合物が燃焼チャンバー３６中に送り出され得るように、キャップ４０を通って隣接する燃焼チャンバー３６中に延び得る。幾つかの実施形態において、混合管１８はろう付け、溶接、ネジ、ブラケット、クランプ、又は締まり嵌めによりキャップ４０及び／又はエンドカバー４２に取り付けられ得る。しかし、幾つかの実施形態において、混合管１８はエンドカバー４２又はキャップ４０に固定して取り付けられない。さらに、混合管１８は燃焼器１４内のいかなる構成要素にも永久に取り付けられなくてもよい。むしろ、混合管１８は、例えば、燃焼器１４内の１以上の構造体により支持されて、ヘッドエンド３８内に浮遊又は懸架していてもよい。幾つかの実施形態において、混合管１８はキャップ４０、リテーナ８４、衝突プレート８６、各種バネ、若しくはその他の支持構造体、又はこれらの任意の組合せの１以上により支持され得る。例えば、バネ８８を設けて混合管１８を支持し得る。図示した実施形態において、バネ８８はリテーナ８４と衝突プレート８６の間に位置し、このバネ８８は一般に混合管１８に対して軸方向の制約を提供し得るが、移動、振動、熱膨張若しくは収縮、又はこれらの任意の組合せに応答した軸方向の運動を可能にする。

例えば、かかる浮遊している構成は燃焼器１４の混合管１８及びその他の構成要素の熱的成長に対する順応を可能にし得る。作動中、燃焼器１４内で発生した熱は混合管１８及びリテーナ８４や衝突プレート８６のような支持構造体の熱的成長を起こし得る。混合管１８が浮遊している、すなわち、リテーナ８４や衝突プレート８６のような近くの構造体に支持されているが取り付けられてない場合、この熱的成長はより容易に容認され得る。従って、かかる構成においては、例えば、構成要素の劣化及び／又は構成要素間の低減した剪断力が低下され得る。

燃焼器１４内の各々の混合管１８はさらに多様な形状と大きさを有し得る。幾つかの実施形態において、各々の混合管１８は、例えば、ほぼ円筒形状であり得、ほぼ円形の断面を有し得る。加えて、幾つかの実施形態において、混合管１８はおよそ０．５センチメートル〜およそ３センチメートル、又はそれ以上の直径を有し得る。他の実施形態において、混合管１８はおよそ０．５〜２、０．７５〜１．７５、又は１〜１．５センチメートルの直径を有し得る。幾つかの実施形態において、混合管１８はおよそ０．７５センチメートルの直径を有し得る。燃焼器１４内の全ての混合管１８が実質的に同様の直径を有し得るが、幾つかの実施形態において混合管１８は異なる直径を有し得ることが理解されよう。さらに、各々の混合管１８は、幾つかの実施形態においておよそ１センチメートル〜およそ７５センチメートルの長さを有し得る。幾つかの実施形態において、混合管はおよそ１０〜６０、１５〜５０、２０〜４０、又は３０〜３５センチメートルの長さを有し得る。幾つかの実施形態において、燃焼器１４内の混合管１８は実質的に類似の長さを有し得るが、幾つかの実施形態において混合管１８は２以上の異なる長さを有し得る。

上に述べたように、空気入口４８を通ってヘッドエンド３８に入った後、加圧された空気２２は混合管１８に形成された１以上の開口８２を通って各々の混合管１８に入り得る。開口８２は多様な形状、大きさ、及び配列のいずれかを有するように構成され得る。例えば、開口８２は一般に横断面形状が円形、楕円形、又は四角形であり得る。開口８２はさらにおよそ０．００１センチメートル〜およそ１．５センチメートル又はそれ以上の範囲の直径又は寸法を有し得る。開口８２はまた、例えばおよそ０．０１〜１、０．０５〜０．５、又は０．１〜０．２５センチメートルの範囲の直径又は寸法も有し得る。幾つかの実施形態において、開口８２の１以上の列が混合管１８の周囲に間隔をあけて（例えば、均等に）配置され得る。さらに、開口８２は混合管１８に対してある角度で配置され得る。言い換えると、開口８２は、加圧された空気２２が開口８２を通り、混合管１８の壁に対してある角度α_１で混合管１８のチャンバー６４中に流れるように構成され得る。幾つかの実施形態において、加圧された空気２２がチャンバー６４に流れ込むときの角度α_１は９０度であり得、又はそれ以上若しくはそれ以下であろう。例えば、角度α_１はおよそ１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、又は８０度であり得る。混合管１８内に形成される開口８２は実質的に類似の形状、大きさ、及び／又は角度を有し得るが、幾つかの実施形態において開口８２は異なる形状、大きさ、及び／又は角度を有し得る。一般に、開口８２は混合管１８に沿った任意の位置に配置され得る。しかしながら、幾つかの実施形態において、開口８２は、燃料２０が燃料噴射器７２を通って混合管１８中に入る位置より上流に位置し得る。さらに、開口８２は燃料噴射器７２の周りで円周方向に間隔をあけて配置され得、それにより燃料噴射器７２に向けて半径方向内方に空気を向ける。

或いは、開口８２ではなく、１以上の混合管１８が、第１の端部６６で拡がった直径を有して、加圧された空気２２が空気キャビティー７８から混合管１８中に通過し得る。言い換えると、第１の端部６６が拡がってベル様の形状９１を有し得る。かかる構成の場合、加圧された空気２２は混合管１８の拡がった第１の端部６６を通って混合管１８に入り得る。例えば、加圧された空気２２は空気入口４８を介して軸方向及び／又は半径方向内方に空気キャビティー７８中及び混合管１８を横切ってエンドプレート４２の方へ分配され得る。その後、加圧された空気２２は混合管１８の拡がった第１の端部６６を介して混合管１８に入り得る。幾つかの実施形態において、燃焼器１４内の１以上の混合管１８は混合管１８の第１の端部６６を通して加圧された空気２２を受け取るように構成され得、一方１以上の混合管１８は混合管１８の壁に形成された開口８２を介して加圧された空気２２を受け取るように構成され得る。

燃料噴射器７２は混合管１８内に配置されるように設定される。上に記載したように、燃料噴射器７２は取り外し可能なようにエンドカバー４２に連結され得る。さらに、燃料噴射器７２は一般ショルダー１００（例えば、第１の管状部分）から末端部分１０２（例えば、第２の管状部分）まで延び得る。幾つかの実施形態において、ショルダー１００は末端部分１０２より大きい直径を有し得、末端部分１０２はテーパー付き（例えば、円錐形状のようなテーパー付き環状形状）であって、ショルダー１００から末端部分１０２の遠い部品１０４まで直径が次第に低下する。幾つかの実施形態において、末端部分１０２は、図５に示されているように、末端端部１０４でスパイクを形成し得るか、又は一般に先が細くなって尖っている。例えば円筒形状、四角形形状、又は六角形形状を有する末端部分１０２のような燃料噴射器７２の末端部分１０２の他の形状及び構成が考えられる。加えて、燃料噴射器７２は多様な適した長さのいずれかを有するように設定され得、さらに様々なショルダー１００長さと末端部分１０２長さを有し得る。例えば、幾つかの実施形態において、各々の燃料噴射器７２はおよそ０．１センチメートル〜およそ２５センチメートル又はそれ以上の長さを有し得る。幾つかの実施形態において、燃料噴射器７２はおよそ２〜１５、４〜１０、又は５〜８センチメートルの長さを有し得る。さらに、幾つかの実施形態において、燃焼器１４内の燃料噴射器７２は実質的に同様の長さを有し得るが、他の実施形態において、燃料噴射器７２は２又はそれ以上の異なる長さを有し得る。加えて、燃料噴射器７２のショルダー１００の長さと末端部分１０２の長さとの比はおよそ１：１であり得るが、他の実施形態において、この比は例えばおよそ２：１又は１：２、３：１又は１：３、４：１又は１：４又はその他任意の適切な比であり得る。幾つかの実施形態において、さらに、半径方向のバネのようなバネ９０を、燃料噴射器７２のショルダー１００の一部分に提供して燃料噴射器７２を支持し得る。

上に述べたように、燃料２０はエンドカバー４２上又はその内部に位置する燃料プレナム４４から燃料入口１０５を通って燃料噴射器７２内の燃料通路１０６中に流れ得る。燃料２０は燃料噴射器７２上に位置する１以上の穴１０８（例えば、燃料出口）で燃料通路１０６を出ることができる。穴１０８は燃料噴射器７２の任意の適切な位置に位置し得る。例えば、幾つかの実施形態において、穴１０８は燃料噴射器７２のショルダー１００に位置し得る。他の実施形態において、穴１０８は燃料噴射器７２の末端部分１０２に位置し得る。さらに、穴１０８は燃料噴射器７２の実質的に円筒状の部分、又は燃料噴射器７２の実質的にテーパー付き若しくは円錐部分に位置し得る。

さらに、穴１０８は多様な様式のいずれで構成してもよく、より具体的には、穴１０８は多様な形状、角度、及び大きさのいずれかを有し得る。例えば、幾つかの実施形態において、穴１０８は実質的に円形の横断面形状を有し得る。幾つかの実施形態において、１以上の穴１０８は、燃料２０が燃料噴射器７２の壁に対してある角度α_２で混合管１８のチャンバー６４中に注入されるように構成され得る。例えば、穴１０８は、燃料２０が燃料噴射器７２の壁に対しておよそ９０度に等しい、それより大きい、又はそれより小さい角度α_２でチャンバー６４中に注入されるように構成され得る。他の実施形態において、穴１０８は、燃料２０が燃料噴射器７２の壁に対しておよそ１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、又は８０度の角度α_２でチャンバー６４に注入されるように構成され得る。穴１０８は一般に、燃焼器の保炎特性か改良されるように構成され得る。加えて、幾つかの実施形態において、１以上の穴１０８は燃料噴射器７２の回りで円周方向に配置され得る。例えば、穴１０８は燃料噴射器７２の周囲で均等に間隔をあけ得る。幾つかの実施形態において、穴１０８は、燃料２０が、半径方向に排出され、矢印１１０で示されているように半径方向外方に拡がり、混合管１８のチャンバー６４中に入るように構成され得る。穴１０８は実質的に同じ大きさであり得るが、他の実施形態において穴１０８は異なる大きさほ有し得る。各々の燃料噴射器７２上に複数の穴１０８を有する幾つかの実施形態において、複数の穴１０８は実質的に同様の大きさ、形状、及び／又は角度を有するように構成され得る。或いは、複数の穴１０８は１以上の異なる大きさ、形状、及び／又は角度を有するように構成され得る。

本開示の燃焼器１４は多様な様式のいずれかで作動し得る。例えば、図５に示した実施形態において、加圧された空気２２は上に記載したように１以上の開口８２を通って混合管１８に入り得る。幾つかの実施形態において、開口８２は、混合管１８中に燃料２０を注入する穴１０８の上流に形成され得る。かかる実施形態において、加圧された空気２２は各々の混合管１８のチャンバー６４中に入り、燃料噴射器７２の周りを、矢印１１０で示されているように燃焼チャンバー３６に向けて全体として下流へ流れる。燃料２０は矢印１１２で示されているように穴１０８を通って矢印１１０で示される加圧された空気２２のクロスフロー流中に注入され得る。加えて、矢印１１２で示され、上に記載したように、燃料２０はある角度α_２でチャンバー６４中に注入され得る。言い換えると、燃料２０は燃料噴射器７２から外方へ、及び／又は燃焼チャンバー３６に向けて注入され得る。加圧された空気２２と燃料２０を混合管１８のチャンバー６４内に注入するためのメカニズムと位置に関係なく、矢印５６で示されているように構成成分が混合管１８を通って燃焼チャンバー３６の方へ流れるにつれて、燃料２０はチャンバー６４内で加圧された空気２２と混合され得る。燃料−空気混合物は混合管１８の第２の端部６８で混合管１８から出ると拡がり得、この燃料−空気混合物は燃焼チャンバー３６の内部で燃焼し得る。

本開示では幾つかの典型的な大きさと寸法を上に示したが、記載された燃焼器の様々な構成要素はその規模を拡大又は縮小することができ、各種タイプの燃焼器及び様々な用途向けに個別に調節することができるものと理解されたい。加えて、多様な他の適切な構成要素を本明細書に記載したガスタービンシステム１０に組み込むことができるものと理解されたい。例えば、燃料と空気の混合を助ける１以上の渦巻ノズル、液体燃料霧化噴射器、点火装置、又は燃焼チャンバー３６及びエンドカバー４２と連通するセンサーを、記載した実施形態のいずれかに組み込み得る。

図６−９は、ガスタービンシステム１０の様々な構成要素を本開示に従って一緒に組み立て、配列し、及び／又は連結し得る方法を図解する。図６に示されているように、取り外し可能なキャップ４０を支持構造体７４の末端端部１２０に挿入し得る。図７に示されているように、複数の混合管１８を組み立て、キャップ４０（例えば、穴の開いたキャップ）の上流で支持構造体７４内に配置し得る。キャップ４０は、混合管１８を受け取り支持する複数の開口又はリセプタクル１１８を含み得る。図示したリテーナ８４（例えば、穴の開いたリテーナプレート）のような１以上の付加的な支持体を混合管１８の周りに配置し得る。例えば、図示したリテーナ８４は、燃料噴射器７２及び／又は混合管１８を受け取り支持する複数の開口又はリセプタクル１２０を含む。上に述べたように、衝突プレート８６及び／又はバネも利用して混合管１８を支持構造体７４内に支持し得る。図８に示されているように、中に混合管１８が配置されている支持構造体７４はエンドプレート４２に連結され得る。より具体的には、図示されているように、複数の燃料噴射器７２は、支持構造体７４とエンドプレート４２が互いに連結されたとき各々の燃料噴射器７２がその対応する混合管１８中に挿入され得るように、エンドプレート４２に取り外し可能に取り付けられ得る。言い換えると、支持構造体７４とエンドプレート４２が一旦連結されると、各々の混合管１８はその中に同軸に配置された１つの燃料噴射器７２を有する。図９は、本開示に従う燃焼器１４の一部分の図解する。図示されているように、燃料入口７０はエンドプレート４２に連結され得る。キャップ４０を貫通する混合管１８が示されており、こうして燃料−空気混合物は混合管からキャップ４０の下流に位置する燃焼チャンバー３６中に入ることができる。

上に記載したように、ガスタービンエンジンシステムは、燃焼チャンバー内で燃焼させる前に燃料と空気を予混合するための構成要素を含んでいる。開示された実施形態は一般に複数の混合管（例えば、１０〜１０００の混合管）を有する燃料と空気の予混合系に関し、各々の混合管は燃料噴射器と一対になる。幾つかの実施形態において、燃料噴射器は混合管中で軸方向及び／又は半径方向に燃料を注入し、一方加圧された空気は混合管中で半径方向に移される。次に、燃料と空気は混合管内のチャンバーで混合され、燃料−空気混合物が燃焼のために燃焼チャンバー中に入れられる。

本明細書に記載されている実施形態は燃焼系にとって多様な利点を提供し得る。例えば、様々な部品は比較的低コストで、製造、及び一新するのが容易であり得る。さらに、部品の多くは、評価、交換及び／又は修理のために、燃焼器全体を分解する必要なく、容易にアクセスすることができ、及び／又は取り外すことができる。例えば、個々の燃料噴射器、混合管、及び／又は燃料プレナムにアクセスするか、又はこれを取り外すことができる。さらに、燃料及び／又は加圧された空気は複数の混合管により均一に分配し得、より効率的な燃焼が得られ得る。予混合作用はより効果的であり得るので、予混合用の構成要素をより小さく、より短くし得、より小さく、より短い予混合空間が可能となり、さらに製造の際の材料とコストがより少なくなり得る。最後に、本明細書に記載されている構成は有利なことに増大した保炎マージン、特に高い水素含量を提供し得る。もちろん、上に挙げた利益は本開示に従って構成される幾つかの燃焼器で期待し得る利益の幾つかに過ぎない。

Claims (20)

1. 複数の混合管を含む、ガスタービンエンジンの予混合システムであって、
   各々の混合管が、
   混合管内にチャンバーを画定する壁、ここで、チャンバーは混合管の第１の端部と第２の端部との間に延び、
   混合管の壁内に形成された１以上の開口、ここで、１以上の開口は空気流を受け取るように構成されており、
   混合管の第１の端部内で軸方向に配置された燃料噴射器から燃料流を受け取るように構成された燃料取り入れ部、及び
   混合管の第２の端部に位置する燃料−空気混合物出口
   を含む、前記システム。
2. 複数の混合管の各々がキャップアセンブリに連結されている、請求項１記載のシステム。
3. 複数の混合管の各々がキャップアセンブリ、リテーナ、衝突プレート、又はバネにより支持されている、請求項１記載のシステム。
4. さらに、燃焼器のフロースリーブとライナーとの間の環状部からの空気を、各々の混合管の壁上に位置する複数の開口に分配するように構成されたディフューザーを含む、請求項１記載のシステム。
5. 複数の燃料噴射器を含み、各々の燃料噴射器がそれぞれの混合管に連結され、各々の燃料噴射器が実質的に円筒状のショルダー部分及びテーパー付き末端部分を含む、請求項１記載のシステム。
6. 各々の燃料噴射器が燃料噴射器の壁上に複数の穴を含み、複数の穴が燃料噴射器内の通路からそれぞれの混合管のチャンバー中に燃料を運ぶように構成されている、請求項５記載のシステム。
7. 複数の穴が燃料噴射器のテーパー付き末端部分に配置されている、請求項６記載のシステム。
8. 混合管の壁の開口が燃料噴射器の壁の穴の上流に位置する、請求項６記載のシステム。
9. 燃料噴射器が、燃料噴射器に燃料を供給するように構成されている燃料プレナムと流体連通している、請求項５記載のシステム。
10. 燃焼器を含む、ガスタービンシステムであって、
    燃焼器が、
    燃焼チャンバー、
    複数の混合管であり、各々の混合管は、燃料及び空気を受け取り、燃料−空気混合物を燃焼チャンバー中に挿入するように構成されており、空気は、各々の混合管に形成された複数の開口を通って各々の混合管の混合チャンバー中に半径方向に受け取られる、前記複数の混合管、並びに
    複数の燃料噴射器であり、ここで各々の燃料噴射器は複数の混合管の１つに連結され、各々の燃料噴射器はそれぞれの混合管内で軸方向に配置され、各々の燃料噴射器はそれぞれの混合管の混合チャンバー中に軸方向及び／又は半径方向で燃料を注入するように構成されている、前記複数の燃料噴射器
    を含む、前記システム。
11. 複数の混合管の各々がキャップアセンブリ、リテーナ、衝突プレート、又はバネにより支持されている、請求項１０記載のシステム。
12. さらに、燃焼器のフロースリーブとライナーとの間の環状部からの空気を、各々の混合管に形成された複数の開口に分配するように構成されたディフューザーを含む、請求項１０記載のシステム。
13. 各々の燃料噴射器が円筒状ショルダー部分及びテーパー付き末端部分を含む、請求項１０記載のシステム。
14. 燃料噴射器の壁に配置された複数の穴を含み、複数の穴が各々の燃料噴射器内の燃料通路から混合管の混合チャンバー中に燃料を流すように構成されている、請求項１３記載のシステム。
15. 複数の穴が燃料噴射器のテーパー付き末端部分に配置されている、請求項１４記載のシステム。
16. 複数の燃料プレナムを含み、各々の燃料プレナムが複数の燃料噴射器の少なくとも幾つかに燃料を供給するように構成されている、請求項１０記載のシステム。
17. 燃料噴射器の壁の複数の穴を介して混合管の混合チャンバー中に燃料を注入し、ここで燃料噴射器は混合管の上流部分内で軸方向に配置され、
    タービン燃焼器のヘッドエンド部分の空気キャビティーから、混合管の壁の１以上の開口を介して、混合管の混合チャンバー中に空気を流し、
    混合管の混合チャンバー内で空気と燃料を混合して燃料−空気混合物を作り出し、
    燃料−空気混合物を混合チャンバーからタービン燃焼器の燃焼チャンバー中に挿入する
    ことを含んでなる方法。
18. 混合管がヘッドエンド部分と燃焼チャンバーとの間に浮遊しており、混合管がキャップアセンブリ、リテーナ、衝突プレート、又はバネにより支持されている、請求項１７記載の方法。
19. タービン燃焼器のフロースリーブとライナーとの間に形成された環状部から空気キャビティー中に空気を流すことを含む、請求項１７記載の方法。
20. タービン燃焼器のヘッドエンド部分で環状部と空気キャビティーとの間に配置された空気ディフューザーにより、空気を環状部からの空気流として空気キャビティー中に拡散させることを含む、請求項１９記載の方法。