JP2014238254A - 管レベルの空気流量調節システム及び方法 - Google Patents

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Patrick Benedict Melton
ロナルド・ジェームズ・チラ
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Gregory Allen Boardman
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Abstract

【課題】タービンシステムの管レベルの空気流量調節を提供する。
【解決手段】システムは、複数管燃料ノズルを含む。複数管燃料ノズルは、複数の管を含む。各々の管は、第1の端部と、第2の端部と、中央通路の周囲に配置された環状壁とを含む。第1の端部は、燃料噴射器の周囲に配置されるように構成される。各々の管は、第1の端部に隣接して配置された複数の空気ポートを有する空気流量調節器を更に含む。複数の空気ポートは、壁を通って中央通路へと延在する。
【選択図】図1

Description

本発明は、タービンシステムの管レベルの空気流量調節に関する。
ガスタービンシステムは、一般的に、圧縮空気と燃料の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する1つ以上の燃焼器を含む。残念なことに、既存の燃焼器は、燃焼器、燃料ノズル、及び関連機器の様々な制約によって変動し得る圧力及び/又は流量の燃料及び空気を受け入れることになる。これらの空気及び燃料の変動は燃料空気比の変動を引き起こし、それによって保炎、逆火、及び/又は排出物(例えば、窒素酸化物)の増加が発生する可能性が高まる。従来のシステムは混合を達成するのが遅いため、システムの全体効率を低下させる可能性もある。
米国特許第8,327,642号公報
従って、より速くより均一な燃料と空気の混合を達成すると共に、耐久性があり容易に保守可能でもあるシステムが必要である。
出願当初に請求された本発明に範囲が相応する特定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、請求された本発明の範囲を限定することを意図しておらず、ただ単に本発明が取り得る形態の概要を提供することを意図している。実際、本発明は、後述の実施形態と同様か又は異なってもよい様々な形態を包含することができる。
第1の実施形態によれば、システムは複数管燃料ノズルを含む。複数管燃料ノズルは、複数の管を含む。各々の管は、第1の端部と、第2の端部と、中央通路の周囲に配置された環状壁とを含む。第1の端部は、燃料噴射器の周囲に配置されるように構成される。各々の管は、第1の端部に隣接して配置された複数の空気ポートを有する空気流量調節器を更に含む。複数の空気ポートは、壁を通って中央通路へと延在する。
第2の実施形態によれば、システムは、燃焼器エンドカバーアセンブリと、燃焼器エンドカバーアセンブリに連結された複数管燃料ノズルとを含む。複数管燃料ノズルは、リテーナプレートと、エンドカバーアセンブリとリテーナプレートの間に配置された複数の管とを含む。各々の管は、エンドカバーアセンブリに隣接した第1の端部と、リテーナプレートに隣接した第2の端部と、中央通路の周囲に配置された環状壁とを含む。第1の端部は、燃料噴射器の周囲に配置されるように構成される。各々の管は、第1の端部に隣接して配置された複数の空気ポートを有する空気流量調節器を更に含む。複数の空気ポートは、壁を通って中央通路へと延在する。
第3の実施形態によれば、複数管燃料ノズルから管を取り外す方法は、リテーナプレートとエンドカバーの間に配置された複数の管を有する複数管燃料ノズルをガスタービンエンジンから取り外すステップを含む。各々の管は、エンドカバーに隣接して燃料噴射器の周囲に配置された第1の端部と、リテーナプレートに隣接して配置された第2の端部と、中央通路の周囲に配置された環状壁とを含む。本方法は、エンドカバーを複数管燃料ノズルから取り外すステップと、各々の管の第2の端部から第1の端部まで複数の管に沿ってリテーナプレートを滑らせることによってリテーナプレートを複数管燃料ノズルから取り外すステップと、少なくとも1つの管を複数管燃料ノズルから取り外すステップとを更に含む。
本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点は、図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解されるようになるであろう。
燃焼器内に複数管燃料ノズルを有す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り、管は空気を均等に分配するように構成されている。 図1のガスタービンシステムの実施形態の切欠側面図である。 図2の燃焼器の実施形態の、線3−3に沿った切欠側面図であり、燃焼器のエンドカバーアセンブリに連結された複数管燃料ノズルを示している。 図3の複数管燃料ノズル及びエンドカバーアセンブリの分解斜視図である。 図3の燃焼器の部分断面側面図であり、複数管燃料ノズルの複数の管及び燃料噴射器を示している。 図5の複数管燃料ノズルの個々の管及びそれぞれの燃料噴射器の第1及び第2の端部の一実施形態の断面側面図である。 個々の混合管の一実施形態の斜視図であり、混合管内の空気ポートを備えた空気流量調節器を示している。 図7の混合管の一実施形態の、線8−8に沿った部分斜視図であり、混合管の第1の端部に沿った空気ポートを備えた空気流量調節器の詳細を示している。 図7の混合管の第1の端部の一実施形態の部分側面図であり、空気ポートを備えた空気流量調節器を示している。 図9の混合管の一実施形態の、空気流量調節器の空気ポートを通る線10−10に沿った断面図である。 図9の混合管の一実施形態の、空気流量調節器の空気ポートを通る線11−11に沿った断面側面図である。 図9の混合管の一実施形態の、空気流量調節器の空気ポートを通る線12−12に沿った断面側面図である。 複数管燃料ノズル及び燃焼器エンドカバーの一実施形態の一連の図であり、複数管燃料ノズルの管を取り外す方法を示している。 複数管燃料ノズル及び燃焼器エンドカバーの一実施形態の一連の図であり、複数管燃料ノズルの管を取り外す方法を示している。 複数管燃料ノズル及び燃焼器エンドカバーの一実施形態の一連の図であり、複数管燃料ノズルの管を取り外す方法を示している。 複数管燃料ノズル及び燃焼器エンドカバーの一実施形態の一連の図であり、複数管燃料ノズルの管を取り外す方法を示している。
本発明の1つ又は複数の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するため、実際の実装の全ての特徴が本明細書で説明されるわけではない。いずれのそのような実際の実装の開発においても、あらゆる技術的計画又は設計計画の場合と同様に、実装ごとに異なる可能性があるシステム関連の制約及びビジネス関連の制約との適合など、開発者の具体的な目標を実現するため、多数の実装固有の決定が行われなければならないことを理解されたい。更に、そのような開発努力は複雑で時間がかかる可能性があるが、それでも、本開示の恩恵を受ける当業者には設計、組立、及び製造の日常的な仕事であることを理解されたい。
本発明の様々な実施形態の要素を紹介する時、冠詞である「1つの(a、an)」、「その(該)(the)」及び「前記(said)」は、その要素が1つ以上存在することを意味するものとする。「からなる(comprising)」、「含む(including)」及び「有する(having)」といった用語は包括的であり、その用語には列挙した要素以外の追加要素が存在し得ることを意味するものとする。
本発明は、タービンシステムの複数管燃料ノズル内の空気流量を調節するためのシステムに関する。タービンシステムは、1つ以上の複数管燃料ノズルを含み得る。各々の複数管燃料ノズルは、複数の管(例えば、予混合管)を含んでおり、各々の管は、空気流量調節器及び燃料噴射器を有する。複数管燃料ノズルでは、混合管の環状壁を通って延在する複数の空気ポートを含み得る空気流量調節器を通って加圧空気が各々の混合管に入ることになる。各々の管の環状壁は、中央通路の周囲に配置される。個々の混合管は、各々が、混合管の中央通路に燃料を分散させて燃料空気混合気を生成する燃料噴射器の周囲に配置されるように構成される。空気流量調節器の空気ポートは、特定の圧力降下を目標とし、その後燃焼領域に案内される前に空気と燃料をより均一に混合すべく混合管に入る空気を調節するように構成される。各々の空気流量調節器の空気ポートは、空気側システムの圧力降下を最適化し、最も均一な空気流を提供する様々な機構を備えて構成してもよい。従って、各々の空気流量調節器の空気ポートは、円周方向に略均一である空気圧プロファイルを利用するように環状壁の周囲に円周方向に配置してもよい。各々の混合管上の空気流量調節器は、第1の組及び第2の組の空気ポートを含んでもよく、第2の組の空気ポートは第1の組の空気ポートの下流に位置する。第2の組の空気ポートは、第1の組の空気ポートの面積よりも大きな総面積を有し、燃料ノズル空気プレナム内の下流の低空気圧範囲の領域を補うことができる。各々の空気流量調節器の空気ポートの組は、円周方向に互いにオフセットされた複数の列を含み、圧縮空気が下流に移動するにつれてより均等に空気圧を分配することができる。各々の空気流量調節器の空気ポートは、空気流を混合管へ略半径方向に案内するように構成することができるが、その他の実施形態では、様々な方向成分(例えば、半径方向、斜め軸方向上流、斜め軸方向下流、斜め円周方向時計回り、斜め円周方向反時計回りの任意の組み合わせ)を有する方向に空気流を案内してもよい。これらの傾斜した空気ポート(例えば、斜め円周方向時計回り又は反時計回り)は、混合管の中央通路内に案内される空気に、燃料空気混合気の均一性を向上させることが可能な渦をもたらすことができる。管は、各々、複数管燃料ノズル内のそれらの位置に基づいて略均等に分配された空気流を受け入れるように構成してもよい。
次に図面を検討し、最初に図1を参照すると、ガスタービンシステム10の一実施形態のブロック図が示されている。ガスタービンシステム10は、1つ以上の燃料ノズル12(例えば、複数管燃料ノズル)、燃料供給部14、及び燃焼器16を含む。燃料ノズル12は、空気圧縮機20からの圧縮空気18と、燃料供給部14からの燃料22を受け入れる。本実施形態は、酸化剤としての空気に関連して述べているが、空気、酸素、酸素富化空気、酸素減少空気、酸素混合気、又はそれらの任意の組み合わせを使用してもよい。以下でより詳細に述べるように、燃料ノズル12は、複数の燃料噴射器24(例えば、10〜1000個)及び関連する混合管26(例えば、10〜1000個)を含んでおり、各々の混合管26は、それぞれの管26への空気流を案内及び調節する空気ポート28(例えば、1〜100個)を備えた空気流量調節器27を有し、各々の混合管26は、それぞれの管26に燃料を噴射する個別の燃料噴射器24を(例えば、同軸又は同心配置で)有する。次に、各々の混合管26は、その長さに沿って空気と燃料を混合し、その後、燃料空気混合気30を燃焼器16に出力する。ある実施形態では、混合管26は、約0.5〜2、0.75〜1.75、又は1〜1.5センチメートルの直径を有するミクロ混合管として記載される場合がある。混合管26は、概して互いに対して並列配置で密接に配置された管の1つ以上の束(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個、又はそれ以上)で構成してもよい。この構成において、各々の混合管26は、各々の混合管26内で比較的小さい規模で混合(例えば、ミクロ混合)するように構成され、その後、燃料空気混合気30を燃焼室に出力する。開示された実施形態の空気流量調節器27(例えば、ポート28を備えた)は、管レベルで(即ち、各混合管26毎の)空気調節を行って、各々の管26への、そして複数の管26の間の空気の流量及び/又は圧力を燃料と空気のより良い混合が行われるように制御することができる。
燃焼器16は、燃料空気混合気30に点火し、それによってタービン34に流入する加圧排気ガス32を生成する。加圧排気ガス32は、タービン34のブレードに接触してその間を流れて、タービン34を回転駆動する。タービンブレードはシャフト36に連結され、排気ガス32が燃焼器16から流出するときにこのシャフト36が回転することになる。最終的に、燃焼プロセスの排気ガス32は、排気出口38を介してタービンシステム10から出る。圧縮機20内のブレードは、シャフト36に更に連結され、シャフト36がタービン34によって回転駆動されるときに回転する。圧縮機20内のブレードの回転により、空気取入口42によって圧縮機20に吸い込まれた空気40を圧縮する。得られた圧縮空気18は、上記のように、その後燃焼器16の複数管燃料ノズル12に供給され、そこで燃料22と混合されて点火され、自立したプロセスを形成する。更に、シャフト36は負荷44に連結してもよい。周知のように、負荷44は、発電所又は外部機械負荷等の、タービンシステム10の回転出力を介して発電する任意の適切な装置であってよい。従って、燃料空気混合気30の濃度とガスタービンシステム10の効率的な運転の関係が認められる。各々が空気18を調節するための複数の空気ポート28を備えた空気流量調節器27を有する複数の混合管26の実施態様については、以下でより詳細に述べる。
図2は、図1のガスタービンシステム10の実施形態の切欠側面図を示す。図示のように、本実施形態は、燃焼器16の環状アレイに連結された圧縮機20を含む。各々の燃焼器16は、各々の燃焼器16内に位置する燃焼室46に燃料空気混合気30を供給する少なくとも1つの燃料ノズル12(例えば、複数管燃料ノズル)を含む。以下でより詳細に述べるように、燃料ノズル12の混合管26のある実施形態は、より均一な燃料空気混合気30を生成する圧縮空気18をより均一に分配する独自の機構を含む。燃料空気混合気30の均一性によってより効率的な燃焼がもたらされ、それによって性能が向上し、排出量が減少する。図1に関して上記したように、燃焼器16内の燃料空気混合気30の燃焼によって、排気ガス22(例えば、燃焼ガス)が排気出口38に向かって通るときにタービン24内のベーン又はブレードが回転するようになる。説明全体にわたって、一組の軸を参照する。これらの軸は、円筒座標系に基づき、軸方向48、半径方向50、及び円周方向52を指し示すものである。例えば、軸方向48は燃料ノズル12の長さ又は長手方向軸54に沿って延在し、半径方向50は長手方向軸54から離れて延在し、円周方向52は長手方向軸54の周囲に延在する。
図3は、図2のガスタービンシステム10の燃焼器16の、図2の線3−3に沿った切欠側面図である。図示するように、燃焼器16は、ヘッドエンド56と、燃焼室46とを含む。燃料ノズル12は、燃焼器16のヘッドエンド56内に配置される。燃料ノズル12内には、複数の混合管26(例えば、燃料空気予混合管)が垂設される。圧縮空気18が入って燃料22と混合することができるようにする空気ポート28を備えた空気流量調節器27を有する混合管26の一実施形態が図示されている。混合管26は、燃焼器16のエンドカバーアセンブリ58と燃料ノズル12のキャップフェイスアセンブリ60の間に軸方向に略延在する。混合管26は、以下で更に説明するように、エンドカバーアセンブリ58及びキャップフェイスアセンブリ60に連結してもよい。エンドカバーアセンブリ58は、燃料22を複数の燃料噴射器24に供給するための燃料入口62及び燃料プレナム64を含むことができる。上記のように、各個別の燃料噴射器24は個々の混合管26に連結される。燃焼プロセスの間、燃料22は、エンドカバーアセンブリ58から(燃料噴射器24を介して)キャップフェイスアセンブリ60を通って燃焼室46へと混合管26の各々を軸方向に通り抜ける。燃料ノズル12の長手方向軸54に沿ったこの移動方向は、下流方向66と呼ぶこととする。反対方向は、上流方向68と呼ぶこととする。
上記のように、圧縮機20は、空気取入口42から受け入れた空気40を圧縮する。その結果加圧された圧縮空気18の流れが、燃焼器16のヘッドエンド56内に位置する燃料ノズル12に供給される。この空気は、空気入口70を通って燃料ノズル12に入り、燃焼プロセスで使用されることになる。より詳細には、加圧空気18は、圧縮機20から上流方向68に、燃焼器16のライナー74(例えば、環状ライナー)とフロースリーブ76(例えば、環状フロースリーブ)の間に形成された環状部72を通って流れる。この環状部72の終端で、圧縮空気18が燃料ノズル12の空気入口70に送り込まれ、燃料ノズル12内の空気プレナム78を満たす。空気プレナム78内の加圧空気18は、その後空気流量調節器27の空気ポート28を通って複数の混合管26に入る。空気18が混合管26に入ることができるようにするだけでなく、空気流量調節器27の空気ポート28は、以下で更に説明するように、様々な方法で空気18を調節することができる。混合管26の内部で、空気18はその後燃料噴射器24によって供給された燃料22と混合される。燃料空気混合気30は、混合管26から燃焼室46内へ下流方向66に流れ、そこで点火されて燃焼して燃焼ガス22(例えば、排気ガス)を形成する。燃焼ガス32は、燃焼室46から下流方向66にトランジションピース80へ流れる。燃焼ガス22は、その後トランジションピース80からタービン34へ移動し、そこでタービン34内のブレードの回転を駆動する。
図4は、図3の線4−4に沿った複数管燃料ノズル12の分解斜視図を示す。この図は、エンドカバー58上の複数の燃料噴射器24の、一部の実施形態に従った構成と、複数の混合管26とそれらの関係を更に示す。燃料プレナム64は、燃料22を燃料噴射器24に分配する。上記のように、混合管26は、エンドカバーアセンブリ58とキャップフェイスアセンブリ60の間に配置されるように構成される。個々の混合管26は、各々が個々の燃料噴射器24と対をなし、燃料噴射器24の周囲に(例えば、同軸又は同心配置で)配置されるように構成される。空気ポート28は、燃料噴射器24に近接して混合管26のこの上流68側に位置する。ある実施形態では、燃料噴射器24は、エンドカバーアセンブリ58に取り外し可能に連結してもよい。
更に、図4は、燃料ノズル12内の混合管26及びその他の構造物を囲む燃料ノズル12の支持構造物82(例えば、環状バレル、燃料ノズルキャップ)を示す。支持構造物82は、エンドカバーアセンブリ58からキャップフェイスアセンブリ60まで延在し、概して燃料ノズル12内に配置された構造物を保護及び支持し、燃料ノズル12内の空気プレナム78を画定する。空気入口70は、支持構造物82上に位置し、燃料ノズル12の内部の空気プレナム78へと半径方向に圧縮空気18を案内する。リテーナプレート84は、上流68且つ取り外し可能なキャップフェイスアセンブリ60の近くに位置する。ある実施形態では、ノズル12は、空気入口70を囲む環状の空気流量調節ディフューザー86を含む。
図5は、図3の線5−5に沿った燃焼器16の部分断面側面図である。燃焼器16のヘッドエンド56には、複数管燃料ノズル12の一部が入る。支持構造物82は、複数管燃料ノズル12と複数の混合管26を囲む。上記のように、一部の実施形態では、各々の混合管26がエンドカバーアセンブリ58とキャップフェイスアセンブリ60の間に軸方向に延在してもよい。混合管26は、キャップフェイスアセンブリ60を通って更に延在して、燃料空気混合気30を燃焼室46に直接供給することができる。各々の混合管26は、燃料噴射器24(例えば、同軸又は同心配置)を囲むように配置され、噴射器24が燃料プレナム64から燃料22を受け入れて、燃料を管26に案内するようになる。燃料プレナム64には、エンドカバーアセンブリ58上に位置する燃料入口62に入った燃料22が供給される。
上記のように、圧縮空気18は、ディフューザー86によって囲まれることになる空気入口70を通って燃料ノズル12に入る。ディフューザー86は、環状で、加圧空気を予調節し、混合管26を横切って燃料ノズル12へと様々な方向に分配するように構成することができる。燃料ノズル12内の空気流の方向は略半径方向内側88になるが、上流68の成分又は下流66の成分を有してもよい。空気流は、燃料ノズル12内の、空気入口70により近い、より半径方向外側90の位置に位置する混合管26を横切るにつれて変化することになる。空気入口70を通って燃料ノズル12に入り、混合管26を横切って移動した後、加圧空気18は、空気流量調節器27の1つ以上の空気ポート28を通って各々の混合管26に入る。ある実施形態では、空気流量調節器27の空気ポート28の構成は、燃料ノズル空気プレナム78内のそれらの半径方向50の位置に基づいて個々の混合管26の間で変化している。このカスタマイズによって、空気圧や混合管26を横切る動きの変動、即ち、半径方向内側88の方向で生じる圧力降下を補うことができる。ある実施形態では、混合管26に沿った空気ポート28の軸方向48の位置は、空気圧の軸方向48の変動を補うように変化させてもよい。加圧空気18の流れの更なる制御のため、空気流量調節器27の空気ポート28は、以下で更に説明するように、様々な形状、寸法、及び配置のいずれかを有するように構成してもよい。同じく図5に示すように、一部の実施形態では、リテーナプレート84及び/又はインピンジメントプレート92を、キャップフェイスアセンブリ60に略近接する混合管26の上流66の端部を囲む燃料ノズル12内に配置してもよい。インピンジメントプレート92は複数のインピンジメント冷却オリフィスを含んでもよく、これによってキャップフェイスアセンブリ60の後面と衝突するように空気の噴流を案内してインピンジメント冷却を行うことができる。
図6には、図5の線6−6に沿った個々の混合管26及び燃料噴射器24の断面図が示されている。管26の中央部分は、第1及び第2の端部94及び96の詳細を示すために省略されている。燃料噴射器24は、概して各々の混合管26の第1の端部94(例えば、上流68の端部)の中央通路98内に配置されることになる。第1の端部94は、エンドカバーアセンブリ58に隣接した複数管燃料ノズル12の上流68の側に位置する。ある実施形態では、空気流量調節器27の空気ポート28は、燃料噴射器24に略近接したこの第1の端部94又はその近くに位置する。ある実施形態では、空気流量調節器27の空気ポート28は、燃料噴射器24から更に上流68又は下流66の位置に位置する。空気ポート28の位置は、燃料ノズル12内の特定の位置の燃料22及び加圧空気18の流れに応じて空気18を様々な経路に選択的に案内するように構成することができる。一部の実施形態では、リテーナプレート84は、下流66の側に位置する混合管26の第2の端部96を支持することができる。ある実施形態では、リテーナプレート84は更に、混合管26の第2の端部96をインピンジメントプレート92に固定するのを補助することができる。
図6は、混合管26、キャップフェイスアセンブリ60及び/又はエンドカバーアセンブリ58の間の空間関係の一実施形態も示す。一部の実施形態では、混合管26を、溶接、ろう接継手、ブラケット、ねじ部品、スナップ嵌め、継手、又はその他の接続部等の様々な締結具又は接続部によって、キャップフェイスアセンブリ60、リテーナプレート84、及び/又はインピンジメントプレート92等の、燃焼器16のヘッドエンド56内の構成要素に取り付けてもよい。その他の実施形態では、混合管26は、浮き構造で保持され、キャップフェイスアセンブリ60、リテーナプレート84、インピンジメントプレート92、各種ばね、又はその他の支持構造物の1つ以上によって単に支持されるだけである。そのような浮き構造は、燃焼器16の混合管26及びその他の構成要素の熱成長に都合よく順応することができる。浮き構造によって、様々な空気ポート28を備えた混合管26のカスタマイズ及び構成をより容易に行うこともできる。燃料空気混合気30が不均一であることがわかった場合、個々の管26を容易に取り外して、燃料ノズル12内の空気圧変動をより良く補う異なる空気ポート28(例えば、空気流量調節器27)構造を有する管26と交換することができる。浮き構造は更に、混合管26の弾性的な軸方向48の支持と動きの制約をもたらす軸方向ばね100を包含することによって実施してもよい。図示の実施形態によれば、軸方向ばね100は、リテーナプレート84とインピンジメントプレート92の間に配置されることになる。更に、半径方向ばね102を燃料噴射器24と混合管26の第1の端部94の間に配置してもよく、この半径方向ばね102は混合管26の動き及び熱成長の弾性的な半径方向50の制約をもたらすことができる。更に、混合管26の円周方向52の動きを防ぐために更なるばね、チャネル及び/又はガイド等の機構が実施される場合がある。
図6に更に示すように、燃料噴射器24は内部燃料通路104の周囲に環状壁103を有しており、この内部燃料通路104は、混合管26の内側に(例えば、同軸又は同心配置で)配置された燃料噴射器24のテーパ状部分108の1つ以上の燃料ポート106に通じる。運転中、燃料噴射器24は、1つ以上の燃料ポート106を介して燃料プレナム64から混合管26の内側の領域まで下流66に燃料22を流す。ある実施形態では、燃料ポート106は、空気ポート28に対して、軸方向上流68、軸方向下流66、軸方向一列に、又はそれらの任意の組み合わせで配置することができる。図示の実施形態では、燃料ポート106はテーパ状部分108上に位置しており、このテーパ状部分108は下流方向66に直線又は曲線テーパを有することになる。例えば、テーパ状部分108は、円錐壁、内側曲線環状壁(例えば、噴射器24の軸に向かって内側に曲線状)、外側曲線環状壁(例えば、噴射器24の軸から離れて外側に曲線状)、又はそれらの組み合わせとして形成することができる。図示の実施形態では、テーパ状部分108は、混合管26の空気ポート28の上流68の第1の位置から空気ポート28の下流66の第2の位置まで延在する。図示するように、燃料噴射器24のテーパ状部分108は下流方向66に段階的に直径が減少(即ち、収束)し、それによって燃料噴射器24と混合管26の間の断面積が下流方向66に段階的に増大する。このようにして、図示の実施形態は燃料噴射器24と混合管26の間の段階的な圧力降下をもたらし、それによって燃料と空気の流れ及び混合の向上を促進する。図示の実施形態では、混合管26に沿った空気流量調節器27(例えば、空気ポート28)と燃料噴射器24(例えば、テーパ状部分108)に沿った燃料ポート106は両方とも、燃料噴射器24の先端109から上流に配置されて、空気と燃料が燃料噴射器24と混合管26の間の断面積の減少に伴って少なくとも部分的に混合するようになる。更にまた、図示の空気ポート28は、燃料ポート106の上流の圧力を上昇させるために燃料ポート106の上流に配置される。
ある実施形態では、燃料ポート106及び空気ポート28(例えば、ポートの軸)は、半径方向50、軸方向48、軸方向上流角度、軸方向下流角度、円周方向52(例えば、時計回り又は反時計回り)に、又はそれらの任意の組み合わせで配向することができる。更にまた、燃料及び空気ポート106及び28は、同じ方向及び/又は異なる方向に配向してもよい。例えば、燃料ポート106を半径方向外側に配向すると共に、空気ポート28を半径方向外側に配向してもよく、燃料ポート106は空気ポート28と同じ及び/又は反対の円周方向52に配向してもよい。ポート28及び/又は106の円周方向は、旋回流を促進するために使用することができる。燃料ポート106及び空気ポート28の配向は、各々の管26の周囲の円周方向52、各々の管26に沿った軸方向に、又はそれらの組み合わせで変化させてもよい。更にまた、燃料ポート106及び空気ポート28の配向は、複数の混合管26の間である管26から他の管26へ変化させてもよい。このようにして、燃料ポート106及び空気ポート28の配向は、各々の管26における燃料空気混合を向上させると共に、複数管燃料ノズル12内の流れ及び圧力変動を調整するために使用することができる。ポート28及び106、特に空気ポート28の配向を変化させるこの機能によって、複数の混合管26の間の管レベルの空気流量調節が可能になる。
燃料ポート106及び空気ポート28の数、寸法、及び/又は形状は、互いに同じ及び/又は別々であってもよい。ある実施形態では、空気ポート28は、燃料ポート106の穴径と同等、その穴径以上、及び/又はその穴径未満の穴径を有してよい。例えば、空気ポート28は、燃料ポート106の直径の約0.1〜10倍、0.2〜5倍、0.3〜4倍、0.4〜3倍、又は0.5〜2倍の直径を有してもよい。ある実施形態では、空気ポート28の数は、燃料ポート106の数と同等、その数以上、及び/又はその数未満であってよい。例えば、空気ポート28の数は、燃料ポート106の数の約0.5〜50倍、0.5〜25倍、1〜10倍、又は2〜5倍であってもよい。一例として、各々の混合管26の空気流量調節器27は、5〜500個、10〜100個、又は15〜50個の空気ポート28を有することになる。ある実施形態では、燃料ポート106及び空気ポート28の形状は、円形ポート、方形ポート、楕円形ポート、三角形ポート、多角形ポート、又はそれらの任意の組み合わせであってよい。配向の変化に加えて、燃料ポート106及び空気ポート28の数、寸法、及び/又は形状もまた、各々の管26の周囲で円周方向52に、各々の管26に沿って軸方向に、又はそれらの任意の組み合わせで変化させてもよい。更にまた、燃料ポート106及び空気ポート28の数、寸法、及び/又は形状は、複数の混合管26の間である管26から他の管26へ変化させてもよい。このようにして、燃料ポート106及び空気ポート28の数、寸法、及び/又は形状は、各々の管26における燃料空気混合を向上させると共に、複数管燃料ノズル12内の流れ及び圧力変動を調整するために使用することができる。ポート28及び106、特に空気ポート28の数、寸法、及び/又は形状を変化させるこの機能によって、複数の混合管26の間の管レベルの空気流量調節が可能になる。
図7は、燃料ノズル12から分離した単一の混合管26の図である。ある実施形態では、混合管26は、修理、点検、又は交換のために燃料ノズル12から取り外し可能であってよい。上記のように、混合管26は、選択的に取り外し、燃料ノズル12内の圧力降下をより良く補うことができる代替構造の空気ポート28を有する混合管の中で交換することができる。混合管26の取り外し及び交換方法については、以下でより詳細に述べる。図7は、混合管26全体を更に示しており、一部の実施形態では概して空気ポート28が位置する第1の端部94と、混合管26がキャップフェイスアセンブリ60、リテーナプレート84及び/又はインピンジメントプレート92に連結される第2の端部96とを備えている。各々の混合管26は、様々な形状及び寸法のいずれかを更に有してよい。一部の実施形態では、各々の混合管26は略円筒形状を有してもよく、例えば、略円形断面を有してもよい。更に、一部の代表的な実施形態では、混合管26は、約5〜20mm、5〜10mm、10〜15mm、及びそれらの間の全ての下位数値群の直径を有することになる。例えば、混合管26は、5、10、15、又は20ミリメートル、或いは任意のその他の直径を有してもよい。ある実施形態では、混合管26は、約6.35ミリメートルの直径を有することになる。燃焼器16内の全ての混合管26は略同様の直径を有してもよいが、ある実施形態では、混合管26が様々な直径を有するのが好都合な場合があることを理解されたい。更にまた、各々の混合管26は、約10〜300cm、20〜200cm、30〜150cm、或いはこれらの範囲内の任意の増分長さ又は範囲の軸方向長さを有してもよい。例えば、各々の混合管26は、10、15、20、35、30、75、80、85、90、又は150cm、或いは任意のその他の長さの軸方向長さを有することになる。ある実施形態では、燃焼器16内の混合管26は略同様の長さを有してもよいが、一部の実施形態では、混合管26は2つ以上の異なる長さを有してもよい。更にまた、空気流量調節器27(例えば、空気ポート28)は、例えば、管26の上流端部94から測定した各々の管26の長さの0〜10、0〜20、0〜30、0〜40、又は0〜50パーセント内の、各々の管26の任意の軸方向部分に沿って配置することができる。空気流量調節器27はまた、各々の管26に沿った1つ以上の軸方向領域において密接に配置された空気ポート28の1つ以上の群を含むこともできる。
図8は、図7の混合管26の第1の端部94の詳細図であり、混合管26上の空気流量調節器27(例えば、空気ポート28)の一実施形態を示している。上記のように、空気ポート28は、様々な形状、寸法、配向、数、及び構造を有することができる。図8は、混合管26の周囲に円周方向52に配置された2つの組110及び112の楕円形空気ポート28を備えた構造を示しており、第1の組110の空気ポート28は第2の組112の空気ポート28から軸方向上流68に配置されている。本実施形態では、第1の組110の個々の空気ポート28は、第2の組112の空気ポート28の断面積114よりも実質的に大きな断面積114を有する。より下流の空気ポート28の面積114が大きいことによって、空気プレナム78内で管26を横切るときに受ける下流の圧力降下を補うことができる。その他の実施形態では、空気ポート28は、断面形状が円形、涙滴形又は長方形、或いは任意のその他の形状であってよい。空気ポート28の各々の図示の組110及び112は、混合管26の周囲に円周方向52に均等に配置された空気ポート28の複数の列116及び118(例えば、2つの列)を含んでおり、第1の列116の空気ポート28は、第2の列118の空気ポート28から軸方向48及び円周方向52にオフセット(例えば、千鳥配置)されている。一部の実施形態では、次の列118は、円周方向52にオフセット(例えば、千鳥配置)されず、その代わりに前の列116の空気ポート28と(例えば、軸方向線において)円周方向一列であってもよい。その他の実施形態では、次の列118は互いに部分的にオフセットしてもよい。一部の実施形態では、空気ポート28は、約1平方mm〜100平方mm、10平方mm〜50平方mm、25平方mm〜75平方mm、又はそれらの間の任意の下位数値群で面積114が変化することになる。例えば、個々の空気ポート28は、1、5、10、15、20、25、30、75、80、85、90、95、又は100平方ミリメートルの面積、或いは任意のその他の面積を有してもよい。図示の実施形態では、空気流量調節器27は、2つの組110及び112の空気ポート28において2つの列116及び118の空気ポート28を含む。その他の実施形態では、空気流量調節器27は、異なる寸法、形状、配向、パターン、又はそれらの組み合わせを有する1〜1000個、2〜500個、3〜250個、4〜100個、又は5〜25個以上の組及び列の空気ポート28を含んでもよい。例えば、空気流量調節器27は1〜100個の組の異なる寸法の空気ポート28を有してもよく、各々の組は1〜100個の列の等しい又は異なる間隔、傾斜、又は形状の空気ポート28を有する。更なる実施例により、空気ポート28の寸法、数、及び/又は角度は、各々の混合管26に沿って軸方向48及び/又は円周方向52において同じであっても、増加、及び/又は減少していてもよい。ある実施形態では、空気ポート28は、混合管26に沿ってある列から他の列へ直径が段階的に増加又は減少する(或いはその交互になる)ことになる。
図9は、混合管26の第1の端部94上の空気流量調節器27(例えば、空気ポート28)の一実施形態であり、空気ポート28は実質的に同じ形状及び断面積114である。このような空気ポート28の一実施形態は、軸方向48又は円周方向52いずれの方向においても見込まれる圧力降下がごくわずかである領域を利用することができる。本実施形態の空気ポート28は、6個の列116に配置される。各々の列116の間の軸方向48の間隔は等しく、各々の列116の空気ポート28は混合管26の周囲で円周方向52に均等に配置される。更に、各々の列116は、次の列118から円周方向52に十分にオフセット、例えば、千鳥配置される。
図10は、図9の混合管26の、図9の線10−10に沿った断面である。図示するように、空気ポート28が混合管26の中心軸119に向かって内側に直接配向され、それによって矢印で示すように混合管26への空気の半径方向内側噴射が可能になる。上記のように、圧縮空気18は、燃料ノズル12の空気プレナム78を介して混合管26に入る。空気18は、ディフューザー86と空気入口70によって空気プレナム78へと略半径方向内側74の方向に案内される。空気18が混合管26に入るとき、空気流量調節器27の空気ポート28が混合管26への空気流の案内、分配、及び略調節を助け、燃料噴射器24からの燃料22との混合を向上させる。本実施形態では、空気ポート28が半径方向軸48と平行であるため、混合管26に入る空気18に渦運動は与えない。
図11は、図9の混合管26の、図9の線11−11に沿った断面である。矢印で示すように、空気ポート28は、混合管26の中心軸119に向かって半径方向内側に配向されるが、中心軸119からオフセットされる。言い換えれば、空気ポート28は、角度120で示すように、半径方向軸50に対して略傾斜して、管26の中心軸119の周囲で円周方向52に旋回流を与えるようになっている。図示するように、半径方向軸50に対する空気ポート28の角度120はゼロより大きい。個々の空気ポート28の角度120は、約0〜45度、0〜30度、15〜45度、15〜30度、又はそれらの間の下位数値群の間で変化することになる。例えば、一部の空気ポート28の角度120は、5、10、15、20、25、30、35、40、又は45度、或いは任意のその他の角度であってよく、残りの空気ポート28の角度120は、5、10、15、20、25、30、40又は45度、或いは任意のその他の角度であってよい。一部の実施形態では、空気ポート28を時計回り方向に空気を旋回させるように構成する一方、残りの空気ポート28を反時計回り方向に空気を旋回させるように構成してもよい。この変更は、燃料ノズル12の空気プレナム78内の圧縮空気18の流れをより良く捕らえるために、燃料ノズル12の空気入口70に対する個々の混合管26の円周方向位置に基づいて行うことができる。
図12は、図9の混合管26の、図9の線12−12に沿った断面である。矢印で示すように、空気ポート28は、混合管26の中心軸119に向かって半径方向内側に配向されるが、中心軸119からオフセットされる。言い換えれば、空気ポート28は、角度120で示すように、半径方向軸50に対して略傾斜して、管26の中心軸119の周囲で円周方向52に旋回流を与えるようになっている。図11とは対照的に、図12の空気ポート28の角度120は、大きな旋回流を与えるためにより大きくなっている。即ち、半径方向軸50に対する空気ポート28の角度120は、図11の角度120よりも大きな値である。例えば、空気ポート28の角度120は、約45〜90度、60〜90度、45〜75度、又は60〜75度、或いはそれらの間の任意の下位数値群の間で変化することになる。また、空気ポート28の組の中の個々の空気ポート28は、燃料ノズル12内の圧縮空気18の流れをカスタマイズするように様々な角度120で構成してもよいと考えられる。例えば、一部の実施形態では、より半径方向外側且つ空気入口70のより近くの位置の燃料ノズル12内に設置された混合管26は、空気入口70から更に離れた、燃料ノズル12内のより半径方向内側位置に設置された混合管26上の空気ポートよりも大きな角度120を有する空気ポート28を有するように構成することができる。一部の実施形態では、混合管26上の空気ポート28は、軸方向48の成分を有する方向に空気を案内するように傾斜してもよい。即ち、空気ポート28は、下流66又は上流68の成分を有する方向に圧縮空気を案内して、混合管26内の圧縮空気18の流れを更に制御するように構成してもよい。空気ポート28の角構成のこれらの変更によって、混合管26内の圧縮空気流の変動、燃料噴射器24から噴射された燃料22の分散の変動、又は燃料空気混合気30の均一性に影響を及ぼす可能性がある燃料ノズル12内の環境のその他の変動条件を補うことができる。
図13〜16は、燃料ノズル12の斜視図であり、ある実施形態に従った少なくとも1つの混合管26を取り外す方法の一連のステップを示している。図13に示すように、複数管燃料ノズル12は、燃焼器16のヘッドエンド56から取り外して、エンドカバーアセンブリ58に連結される。支持構造物82とキャップフェイスアセンブリ60によって連結された燃料入口62を備えたエンドカバーアセンブリ58が図示されている。混合管26にアクセスするために、図14に示すように、エンドカバーアセンブリ58が支持構造物82とキャップフェイスアセンブリ60から分離される。図14は、燃料ノズル12のエンドカバーアセンブリ58に連結された燃料噴射器24を示している。次に、図15に示すように、リテーナプレート84は、混合管26の第2の端部96から第1の端部94まで上流68の方向に混合管26に沿ってリテーナプレート84を滑らせることによって、キャップフェイスアセンブリ60から取り外される。図16に示すように、混合管26は、その後キャップフェイスアセンブリ60上でそれらの位置から取り外される。1つ以上の混合管26を取り外すことによって、燃料ノズル12の製造、設置、及び運転の過程にある検査、交換、修理、又は任意のその他の目的を可能にすることができる。混合管26の設置は、図13〜16に示すステップを逆の順序で辿ることによって行われる。即ち、1つ以上の混合管26をキャップフェイスアセンブリ60上の適当な位置に挿入し(図16)、次いで、管26がキャップフェイスアセンブリ60及び/又はインピンジメントプレート92と同一平面上になるまで、リテーナプレート84を第1の端部94から第2の端部96まで混合管26を横切って滑らせることによって設置する(図15)ことができる。次いで、混合管26をそれらのそれぞれの燃料噴射器24と一列に並べることにより、支持構造物82がエンドカバーアセンブリ58によって連結される(図14)。次いで、組み立てられた燃料ノズル12(図13)を燃焼器16のヘッドエンド56内に設置することができる。
開示された実施形態の技術的効果には、ガスタービンシステムの複数管燃料ノズル12内の空気と燃料の混合を向上させるシステム及び方法が含まれる。特に、燃料ノズル12は、空気ポート28(例えば、空気流量調節器27)を有する複数の混合管26を備えており、燃料ノズル12に入る加圧された圧縮空気18がその空気ポート28を通って案内されて、複数の燃料噴射器24によって噴射された燃料22と混合する。空気ポート28は、様々な形状、寸法、空間配置で構成し、様々な角度で空気を案内するように構成することができる。このカスタマイズによって混合及び均一性が向上し、複数管燃料ノズル12の複数の燃料噴射器24の間で異なる空気18及び燃料22の圧力を補う。空気18と燃料22の混合の向上によって、燃焼器16内の火炎安定性が増加し、望ましくない燃焼副産物の量が減少する。個々の混合管26の取り外し及び交換方法は、燃料ノズル12の費用効果的且つ効率的な修理を可能にする。
本開示では一部の代表的な寸法を上記で提示しているが、説明した燃焼器の様々な構成要素は拡大又は縮小すると共に、様々な種類の燃焼器や様々な用途に合わせて個別に調整することができることを理解されたい。本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明の実施形態を開示し、更にあらゆる装置又はシステムを製作且つ使用すること及びあらゆる組み込まれた方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになるものとする。
10 ガスタービンシステム
12 燃料ノズル
14 燃料供給部
16 燃焼器
18 圧縮空気
20 圧縮機
22 燃料
24 燃料噴射器
26 混合管
27 空気流量調節器
28 空気ポート
30 燃料空気混合気
32 加圧排気ガス
34 タービン
36 シャフト
38 排気出口
40 空気
42 空気取入口
44 負荷
46 燃焼室
48 軸方向
50 半径方向
52 円周方向
54 長手方向軸
56 ヘッドエンド
58 エンドカバーアセンブリ
60 キャップフェイスアセンブリ
62 エンドカバー燃料入口
64 エンドカバー燃料プレナム
66 下流方向
68 上流方向
70 空気入口
72 環状部
74 ライナー
76 フロースリーブ
78 空気プレナム
80 トランジションピース
82 支持構造物
84 リテーナプレート
86 ディフューザー
88 半径方向内側方向
90 半径方向外側
92 インピンジメントプレート
94 混合管の第1の端部
96 混合管の第2の端部
98 混合管中央通路
100 軸方向ばね
102 半径方向ばね
103 燃料噴射器の環状壁
104 燃料噴射器の内側燃料通路
106 燃料噴射器上の燃料ポート
108 テーパ状部分
109 燃料噴射器の先端
110 第1の組の空気ポート
112 第2の組の空気ポート
114 空気ポートの面積
116 第1の列の空気ポート
118 第2の列の空気ポート
120 角度

Claims (20)

  1. 複数管燃料ノズルを備え、前記複数管燃料ノズルは、
    複数の管を備えており、各々の管は、
    第1の端部と、
    第2の端部と、
    中央通路の周囲に配置された環状壁であって、前記第1の端部が燃料噴射器の周囲に配置されるように構成される、前記環状壁と、
    前記第1の端部に隣接して配置された複数の空気ポートを有する空気流量調節器であって、前記複数の空気ポートが前記壁を通って前記中央通路へと延在する、前記空気流量調節器とを備えている、
    システム。
  2. 前記複数の空気ポートは前記環状壁の周囲に円周方向に配置される、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記複数の空気ポートは第1の組の空気ポートと第2の組の空気ポートからなっており、前記第2の組の空気ポートが前記第1の端部に対して前記第1の組の空気ポートの下流に位置する、請求項2に記載のシステム。
  4. 前記第1の組の空気ポートの各々の空気ポートの第1の総面積は、前記第2の組の空気ポートの各々の空気ポートの第2の総面積よりも大きい、請求項3に記載のシステム。
  5. 前記第1の組の空気ポートは、前記環状壁の周囲に円周方向に配置された第1の列及び第2の列の空気ポートからなり、前記第1の列の空気ポートは、前記第2の列の空気ポートから円周方向にオフセットされる、請求項3に記載のシステム。
  6. 前記第2の組の空気ポートは、前記環状壁の周囲に円周方向に配置された第3の列及び第4の列の空気ポートからなり、前記第3の列の空気ポートは、前記第4の列の空気ポートから円周方向にオフセットされる、請求項5に記載のシステム。
  7. 前記第1の組の空気ポートは、空気流を前記中央通路へと半径方向に案内するように構成される、請求項3に記載のシステム。
  8. 前記第2の組の空気ポートは、前記中央通路の中心軸の周囲の渦運動によって前記空気を案内するように構成される、請求項7に記載のシステム。
  9. 前記複数の空気ポートは、複数の寸法、形状、角度、間隔、又はそれらの任意の組み合わせを有する、請求項1に記載のシステム。
  10. 前記複数の管の各々の管は、前記空気流量調節器を介して均等に分配された空気流を受け入れるように構成される、請求項1に記載のシステム。
  11. 前記複数管燃料ノズルを有するガスタービンエンジン又は燃焼器からなる、請求項1に記載のシステム。
  12. 燃焼器エンドカバーアセンブリと、
    前記燃焼器エンドカバーアセンブリに連結された複数管燃料ノズルとを備え、前記複数管燃料ノズルは、
    リテーナプレートと、
    前記エンドカバーアセンブリと前記リテーナプレートの間に配置された複数の管とを備えており、各々の管は、
    前記エンドカバーアセンブリに隣接した第1の端部と、
    前記リテーナプレートに隣接した第2の端部と、
    中央通路の周囲に配置された環状壁であって、前記第1の端部が燃料噴射器の周囲に配置されるように構成される、前記環状壁と、
    前記第1の端部に隣接して配置された複数の空気ポートを有する空気流量調節器であって、前記複数の空気ポートが前記壁を通って前記中央通路へと延在する、前記空気流量調節器とを備えている、
    システム。
  13. 前記複数の管の各々の管は、前記エンドカバーアセンブリと前記リテーナプレートから個別に取り外されるか、又はその間に設置されるように構成される、請求項12に記載のシステム。
  14. 前記リテーナプレートは、前記エンドカバーアセンブリの取り外し時、各々の管の前記第1の端部から前記第2の端部まで前記複数の管に沿って前記リテーナプレートを滑らせることによって、前記複数管燃料ノズルから取り外されるように構成される、請求項13に記載のシステム。
  15. 前記複数の空気ポートは前記環状壁の周囲に円周方向に配置される、請求項12に記載のシステム。
  16. 前記複数の空気ポートは第1の組の空気ポートと第2の組の空気ポートからなっており、前記第2の組の空気ポートが前記第1の端部に対して前記第1の組の空気ポートの下流に位置する、請求項15に記載のシステム。
  17. 前記第1の組の空気ポートの各々の空気ポートの第1の総面積は、前記第2の組の空気ポートの各々の空気ポートの第2の総面積よりも大きい、請求項16に記載のシステム。
  18. 前記第1の組の空気ポートは、空気流を前記中央通路へと半径方向に案内するように構成される、請求項16に記載のシステム。
  19. 前記第2の組の空気ポートは、前記中央通路の中心軸の周囲の渦運動によって前記空気を案内するように構成される、請求項18に記載のシステム。
  20. 燃焼器エンドカバーアセンブリと、
    前記燃焼器エンドカバーアセンブリに連結された複数管燃料ノズルとを備え、前記複数管燃料ノズルは、
    リテーナプレートと、
    前記エンドカバーアセンブリと前記リテーナプレートの間に配置された管とを備えており、前記管は、
    前記エンドカバーアセンブリに隣接した第1の端部と、
    前記リテーナプレートに隣接した第2の端部と、
    中央通路の周囲に配置された環状壁であって、前記第1の端部が燃料噴射器の周囲に配置されるように構成される、前記環状壁と、
    前記第1の端部に隣接して配置された複数の空気ポートを有する空気流量調節器であって、前記複数の空気ポートが前記壁を通って前記中央通路へと延在する、前記空気流量調節器とを備えている、
    システム。
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