JP2017521624A

JP2017521624A - プレフィルム液体燃料カートリッジ

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Publication number: JP2017521624A
Application number: JP2016566932A
Authority: JP
Inventors: マイアーズ，ジェフリー・デイヴィッド; シャーシュニョヴ，ボリス・ボリソヴィッチ; ゲラシモフ，アレクセイ・ユリエビッチ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2034-05-12
Also published as: US10508812B2; CN106461225B; US20170038074A1; EP3143334A1; EP3143334B1; CN106461225A; JP6397511B2; WO2015174880A1

Abstract

プレフィルム液体燃料カートリッジ（１００）は、一次液体燃料通路（１０６）と、一次液体燃料通路（１０６）と流体連通する複数の内側燃料ポート（１１６）及び複数の外側燃料ポート（１２４）を含む。内側プレフィルミング表面（１４２）は、複数の内側燃料ポート（１１６）の下流に定められる。内側プレフィルミング表面（１４２）は、第１の剪断縁（１４０）で終端する。外側プレフィルミング表面（１５２）は、複数の外側燃料ポート（１２４）の下流に定められる。外側プレフィルミング表面（１５２）は、第２の剪断縁（１５４）で終端する。第１及び第２の剪断縁（１４０、１５４）は、第１の剪断縁（１４０）から出る第１のプレフィルム液体燃料シート（１４６）が、第２の剪断縁（１５４）から出る第２のプレフィルム液体燃料シート（１６０）と交差するように相対的に配向され、第１及び第２のプレフィルム液体燃料シート（１４６、１６０）を霧化する。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、ガスタービンの燃焼器のためのプレフィルム液体燃料カートリッジに関する。詳細には、本発明は、燃焼前に燃焼器の中で液体燃料を霧化するための交差する液体燃料シートを有するプレフィルム液体燃料カートリッジに関する。

ガスタービン用燃焼器は、液体燃料、ガス燃料、又はこの両者を燃焼室の中で燃焼させるように構成及び設計することができる。霧化液体燃料を燃焼器の燃焼室に放出するためのプレフィルミング・エアブラスト液体燃料噴射装置は本技術分野では公知である。このタイプの噴射装置では、燃料は薄い連続シートに分散し、その後、噴霧空気の流れに曝される。

１つの構成において、噴霧空気は、ノズル出口において独立したスワール空気流を発生させる同心空気スワール通路を通過する。同時に、液体燃料は、複数の円周方向に配置されたポートを通過し、単一の又は共通のプレフィルミング表面に流れ、燃料は、プレフィルミング表面の端部からクロスフロー空気ストリームに放出される前に、この表面において薄い均一なシートに分散する。燃料が燃焼室に噴射されて燃焼する際に、燃焼ガス内に局所的に高温領域が形成され、ＮＯｘエミッションが増える。燃料ノズルからの燃料−空気を組み合わせたものの混合を燃焼室で旋回する燃料−空気混合でもって強化すると、燃焼室の中のピーク火炎温度が低下し、結果的にＮＯｘエミッションレベルが低下する。加えて、火炎温度をさらに低下させるために燃焼室に水を噴射することができ、さらにＮＯｘエミッションレベルが低下する。

液体燃料を剪断する噴霧空気を使用すると、燃焼器及び／又はガスタービンの他の部品の冷却といった他の目的で利用される空気量が低減するので、ガスタービンの全体効率に影響がある。加えて、十分な運動エネルギーを燃料及び噴霧空気と相互作用させるために十分に高い圧力で大量の水を供給する必要がある。これは高圧ポンプを必要とし、同様にガスタービンの全体効率に影響を与える可能性がある。さらに、液体燃料を霧化するために噴霧空気を使用すると、燃料の比較的大きな液滴がもたらされる場合があり、これは燃焼ライナの内面に集まるか又は湿潤させる可能性があり、一般に内面に沿って設けられる熱障壁コーティングの剥離及び／又は劣化につながる可能性がある。従って、ガスタービンの燃焼器のための改善されたプレフィルム液体燃料カートリッジが有用であろう。

米国特許第４７９８３３０号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の１つの実施形態は、プレフィルム液体燃料カートリッジである。プレフィルム液体燃料カートリッジは、一次液体燃料通路と、一次液体燃料通路に流体連通する複数の内側燃料ポート及び複数の外側燃料ポートを含む。内側プレフィルミング表面は、複数の内側燃料ポートの下流に定められる。内側プレフィルミング表面は、第１の剪断縁で終端する。外側プレフィルミング表面は、複数の外側燃料ポートの下流に定められる。外側プレフィルミング表面は、第２の剪断縁で終端する。第１及び第２の剪断縁は、第１の剪断縁から出る第１のプレフィルム液体燃料シートが、第２の剪断縁から出る第２のプレフィルム液体燃料シートと交差するように相対的に配向され、第１のプレフィルム液体燃料シート及び第２のプレフィルム液体燃料シートは霧化される。

本発明の他の実施形態は、プレフィルム液体燃料カートリッジである。プレフィルム液体燃料カートリッジは、内部に一次液体燃料通路を定める流体導管を含む。噴射先端は、流体導管の下流側端部にわたって半径方向及び円周方向に延びる。噴射先端は、少なくとも部分的に、一次液体燃料通路と流体連通する複数の内側燃料ポート及び複数の外側燃料ポートを定める。プレフィルム燃料カートリッジは、燃料噴射先端に隣接する前方端と該前方端の下流で軸方向に配置された後方端とを有するプレフィルム先端を含む。プレフィルム先端は、内側プレフィルミング表面を定める外側と後方端に定められた第１の剪断縁とを有する。複数の内側燃料ポートは、一次燃料通路からの液体燃料の第１の部分を内側プレフィルミング表面に向かわせるように配向される。プレフィルムカラーは、流体導管及びプレフィルム先端の周りで円周方向に延びる。プレフィルムカラーは、外側プレフィルミング表面を定める内側と、該プレフィルムカラーの下流側端部に定められた第２の剪断縁とを含む。複数の外側燃料ポートは、液体燃料の第２の部分を外側プレフィルミング表面に向かわせるように配向される。第１及び第２の剪断縁は、第１の剪断縁から出る第１のプレフィルム液体燃料シートが、第２の剪断縁から出る第２のプレフィルム液体燃料シートと交差するように相対的に配向され、第１のプレフィルム液体燃料シート及び第２のプレフィルム液体燃料シートは燃焼のために霧化される。

本発明の他の実施形態はガスタービンを含む。ガスタービンは、圧縮機、該圧縮機の下流に配置された燃焼器、及び該燃焼器の下流に配置されたタービンを含む。燃焼器は、端部カバーの下流に延びる燃料ノズルを含み、該燃料ノズルは燃料カートリッジ通路を定める。プレフィルム液体燃料カートリッジは、燃料カートリッジ通路の中に延びる。プレフィルム液体燃料カートリッジは、一次液体燃料通路と、一次液体燃料通路に流体連通する複数の内側燃料ポート及び複数の外側燃料ポートを含む。内側プレフィルミング表面は、複数の内側燃料ポートの下流に定められる。内側プレフィルミング表面は、第１の剪断縁で終端する。外側プレフィルミング表面は、複数の外側燃料ポートの下流に定められる。外側プレフィルミング表面は、第２の剪断縁で終端する。第１及び第２の剪断縁は、第１の剪断縁から出る第１のプレフィルム液体燃料シートが、第２の剪断縁から出る第２のプレフィルム液体燃料シートと交差するように相対的に配向され、第１のプレフィルム液体燃料シート及び第２のプレフィルム液体燃料シートは燃焼のために霧化される。

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービンの機能ブロック図。本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的な燃焼器の単純化された断面側面図。本発明の１つの実施形態による例示的な燃焼器の一部の拡大斜視図。本発明の１つの実施形態によるプレフィルム液体燃料カートリッジを含む集束チューブ燃料噴射装置の部分断面斜視図。本開示の１つの実施形態による、プレフィルム液体燃料カートリッジの下流側末端部を含む、図４に示す集束チューブ燃料噴射装置の一部の拡大斜視図。本発明の１つの実施形態による、例示的な予混合燃料ノズルの断面斜視図。本発明の１つの実施形態による、プレフィルム液体燃料カートリッジを含む、図６に示す予混合燃料ノズルの部分断面斜視図。本発明の１つの実施形態による、プレフィルム液体燃料カートリッジの下流側末端部を含む、図７に示す混合燃料噴射装置の一部の拡大斜視図。本発明の種々の実施形態による、図５及び８に示すプレフィルム液体燃料カートリッジの下流側末端部の拡大断面斜視図。本発明の１つの実施形態による、図９に示す予混合液体燃料カートリッジの一部の側面斜視図。本発明の１又は２以上の実施形態による、作動時の図９及び１０に示すプレフィルム液体燃料カートリッジの部分断面側面図。１つの実施形態による、作動時の図９、１０、及び１１に示すプレフィルム液体燃料カートリッジの一部の部分透視図。

ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。用語「半径方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対方向を指し、用語「軸方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行な相対方向を指す。

各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本発明の例示的な実施形態は、一般に、例示目的で、工業用ガスタービンの缶型燃焼器に組み込まれたプレフィルム液体燃料カートリッジに関連して記載されるが、当業者であれば、本発明の実施形態は、限定されるものではないが缶アニュラ型を含む何らかの燃焼器タイプの適用できること、船舶又は航空機ガスタービン等のターボ機械に組み込むことができること、及び請求項に特に記載しない限りは工業用ガスタービン燃焼器に限定されないことを容易に理解できるはずである。

次に、図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン１０の機能ブロック図を提示する。図示のように、ガスタービン１０は、一般に、入口セクション１２を含み、この入口セクション１２は、一連のフィルタ、冷却コイル、水分分離器、及び／又は他の装置を含み、ガスタービン１０に入る作動流体（例えば、空気）１４を浄化するか、さもなければ調節することができる。作動流体１４は、圧縮機セクションに流れ、そこで、圧縮機１６が運動エネルギーを徐々に作動流体１４に与えて、圧縮作動流体１８を生成する。

圧縮作動流体１８は、燃料供給システム２２からの燃料２０と混合されて、１又は２以上の燃焼器２４内で可燃混合物を形成する。燃焼性混合物は燃焼して、高温、高圧及び高速度の燃焼ガス２６を生成する。燃焼ガス２６は、タービンセクションのタービン２８を通って流れて、仕事を発生する。例えば、タービン２８は軸３０に結合するので、タービン２８の回転により圧縮機１６が駆動されて圧縮作動流体１８を生成することができる。代替的に又は付加的に、軸３０は、タービン２８を発電機３２に結合して電力を発生させることができる。タービン２８からの排出ガス３４は、タービン２８を該タービン２８の下流の排出スタック３８に接続する排出セクション３６を通って流れる。排出セクション３６は、例えば、環境へ放出する前に排出ガス３４を浄化して、さらなる熱を取り出すための排熱回収蒸気発生器（図示せず）を含むことができる。

図２は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的な燃焼器２４の単純化された断面を提示する。図示のように、燃焼器２４は、少なくとも部分的に外部ケーシング４０で囲まれている。外部ケーシング４０は、少なくとも部分的に燃焼器２４の周りに高圧プレナム４２を形成することができる。高圧プレナム４２は、圧縮機１６又は圧縮作動流体１８を燃焼器２４に供給するための他の供給源と流体連通することができる。１つの構成において、端部カバー４４は外部ケーシング４０に結合する。端部カバー４４は、燃料供給源２２と流体連通することができる。

図２に示すように、１又は２以上の燃料ノズル４６は、燃焼器２４の軸方向中心線に対して実質的に軸方向で端部カバーから下流に延びる。燃料ノズル４６は、燃料供給源２２から直接、及び／又は端部カバー４４を通して燃料を受け取る。燃焼ライナ及び／又は移行ダクト等の環状ライナ４８の一端は、燃料ノズルの下流側端部５０を囲み、燃焼器２４の中に少なくとも部分的に燃焼室５２を定めるようになっている。ライナ４８は、少なくとも部分的に燃焼ガス２６を燃焼室５２から燃焼器２４を通って送るための高温ガス通路５４を定める。例えば、高温ガス通路５４は、燃焼ガス２６をタービン２８及び／又は排出セクション３６（図１）に向かって送るように構成することができる。

図３は、本発明の１つの実施形態による例示的な燃焼器２４の拡大斜視図である。燃焼器は、本明細書では「缶型」燃焼器として示されかつ説明されるが、本発明は、請求項に特に記載しない限りにおいて、「缶型」燃焼器に限定されない。例えば、燃焼器は、缶アニュラ型、アニュラ型、又は他のタイプの燃焼器とすることができる。図３に示すように、１つの実施形態において、燃料ノズル４６は、少なくとも１つの集束チューブ燃料噴射装置５６を含むことができる。一般に、集束チューブ燃料噴射装置５６は、燃料分配モジュール５８、圧縮空気プレナム６０、及び燃料分配モジュール５８及び圧縮空気プレナム６０を貫通して軸方向に延びる複数の予混合チューブ６２を含む。燃料分配マニホールド５８は、燃料供給源２２及び／又は端部カバー４４と流体連通する燃料プレナム６４を含む。一般に、各予混合チューブ６２は、燃料分配モジュール５８の上流に配置された入口６６と、エフュージョン又はキャッププレート７０の下流に配置された出口６８とを含む。予混合チューブ６２は、入口６６を介して高圧プレナム４２（図２）と流体連通しかつ複数の燃料ポート（図示せず）を介して燃料プレナム６４と流体連通する。液体燃料及び圧縮空気１８の一部は、予混合チューブ６２の中で混合して、燃焼室５２に対して燃料−空気の可燃混合気を提供する。

１つの実施形態において、流体導管７２は、燃料プレナム６４と端部カバー４４及び／又は燃料供給源２２（図２）との間の流体連通を可能にする。１つの実施形態において、流体導管７２は、少なくとも部分的に、エフュージョン又はキャッププレート７０を含む集束チューブ燃料噴射装置５６を貫通して延びる燃料カートリッジ通路７４を定める。特定の実施形態において、端部カバー４４は、少なくとも部分的に燃料カートリッジ通路７４を定める。

図４は、本発明の１つの実施形態によるプレフィルム液体燃料カートリッジ１００を含む、図３に示す集束チューブ燃料噴射装置５６の部分断面斜視図を提示する。図５は、本発明の１つの実施形態によるプレフィルム液体燃料カートリッジ１００の下流側末端部１０２を含む図４の集束チューブ燃料噴射装置５６の一部の拡大斜視図である。図４に示すように、プレフィルム液体燃料カートリッジは、端部カバー４４を通って燃料カートリッジ通路７４にブリーチ装填（ｂｒｅａｃｈｌｏａｄｅｄ）することができる。図４及び５に示すように、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００の下流側末端部１０２は、少なくとも部分的にエフュージョン又はキャッププレート７０を貫通して延びて、燃焼室５２（図２）への流体連通を可能にするようになっている。

図６は、本発明の１つの実施形態による例示的な燃料ノズル４６の断面斜視図を提示する。図６に示すように、燃料ノズル４６は、予混合燃料噴射装置７６の軸方向中心線に対して半径方向外向きかつ軸方向に延びる複数のスワーラベーン７８を有する予混合燃料噴射装置７６を含むことができる。予混合燃料噴射装置７６の先端部８０又は下流側端部は、複数の環状に配列された燃料ポート８２を含む。予混合燃料噴射装置７６は、少なくとも部分的に、予混合燃料噴射装置７６を貫通して軸方向に延びる燃料カートリッジ通路８４を定める。

図７は、本発明の１つの実施形態によるプレフィルム液体燃料カートリッジ１００を含む、図６に示す予混合燃料噴射装置７６の部分断面斜視図を提示する。図８は、本発明の１つの実施形態によるプレフィルム液体燃料カートリッジ１００の下流側末端部１０２を含む図７に示す予混合燃料噴射装置７６の一部の拡大斜視図を提示する。図７に示すように、予混合燃料噴射装置７６の上流側端部８６は、端部カバー４４（図２）に取り付けるようになっている。

特定の実施形態において、図７に示すように、端部カバー４４は、少なくとも部分的に燃料カートリッジ通路８４を定める。１つの実施形態において、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００は、端部カバー４４を通って燃料カートリッジ通路８４にブリーチ装填することができる。図７及び８に示すように、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００の下流側末端部１０２は、少なくとも部分的に予混合燃料噴射装置７６の先端部８０又は下流側端部を貫通して延びて、燃焼室５２（図２）への流体連通を可能にするようになっている。

図９は、本発明の種々の実施形態による、図５及び８に示すプレフィルム液体燃料カートリッジ１００の下流側末端部１０２の拡大断面斜視図である。図９に示すように、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００は、内部に少なくとも部分的に一次液体燃料通路１０６を定める流体導管１０４を含む。１つの実施形態において、一次液体燃料通路１０６は、流体導管１０４と内側チューブ１０８との間に少なくとも部分的に定められ、内側チューブ１０８は、流体導管１０４と同軸に整列しかつ内部で実質的に軸方向に延びる。一次液体燃料通路１０６は、液体燃料供給源（図示せず）と流体連通する。１つの実施形態において、内側チューブ１０８は、少なくとも部分的に流体導管１０４の中に二次又はパイロット液体燃料／水通路１１０を定める。二次又はパイロット液体燃料通路１１０は、液体燃料供給源及び／又は水もしくは圧縮空気供給源に流体連通することができる。

図１０は、本発明の１つの実施形態による、図９に示す予混合液体燃料カートリッジ１００の一部の側面斜視図である。１つの実施形態において、図９及び１０に示すように、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００は、噴射先端１１２を含む。噴射先端１１２は、流体導管１０４の下流側端部１１４の少なくとも一部にわたって半径方向及び円周方向に延びる。複数の内側燃料ポート１１６は、噴射先端１１２の下流又は後方側面１１８にわたって環状に配列される。内側燃料ポート１１６は、一次液体燃料通路１０６（図９）と流体連通する。特定の実施形態において、内側燃料ポート１１６は、一次液体燃料通路１０６から下流又は後方側面１１８を通る流体連通を可能にする。１つの実施形態において、図１０に示すように、内側燃料ポート１１６は、一次液体燃料通路１０６（図９）からの液体燃料１２２の第１の部分１２０の流れを、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００の軸方向中心線に対して略半径方向内向きの方向に向かわせるように配向される。

１つの実施形態において、図９及び１０に示すように、複数の外側燃料ポート１２４は、噴射先端１１２の半径方向外側又は外周１２６の周りで円周方向に配列される。外側燃料ポート１２４は、一次液体燃料通路１０６（図９）に流体連通する。特定の実施形態において、外側燃料ポート１２４は、一次液体燃料通路１０６（図９）から半径方向外側面１２６（図１０）を通る流体連通を可能にする。１つの実施形態において、図９及び１０に示すように、外側燃料ポート１２４は、一次燃料通路１０６からの液体燃料１２２の第２の部分１２８の流れを、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００の軸方向中心線に対して半径方向外向き方向に向かわせるように配向される。

１つの実施形態において、図９に示すように、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００は、燃料噴射先端１１２に接近又は隣接した前方端１３２、及び前方端１２６の下流に配置された後方端１３４を有するプレフィルム先端１３０を含む。プレフィルム先端１３０は、外側１３６、内側１３８、及び後方端１３４に沿って又は隣接して定められた第１の剪断縁１４０を含む。１つの実施形態において、外側１３６は、少なくとも部分的に、内側燃料ポート１１６の下流に配置されかつ第１の剪断縁１４０で終端する内側プレフィルミング表面１４２を定める。１つの実施形態において、内側プレフィルミング表面１４２はアーチ形である。１つの実施形態において、プレフィルム先端１３０は円錐形である、及び／又は前方端１３２から後方端１３４に向かって半径方向外向きにテーパーが付いている。

１つの実施形態において、図９及び１０に示すように、複数の内側燃料ポート１１６は、一次燃料通路１０６からの液体燃料１２２の第１の部分１２０を第１の剪断縁１４０の上流の内側プレフィルミング表面１４２の上に向かわせるように配向される。１つの実施形態において、図１０に示すように、複数の内側燃料ポート１１６は、内側プレフィルミング表面１４２に沿って液体燃料１２２の第１の部分１２０に角度スワール（ａｎｇｕｌａｒｓｗｉｒｌ）を付与するように配向される。例えば、複数の内側燃料ポート１１６は、予混合液体燃料カートリッジ１００の軸方向中心線に対して第１の角度１４４で設定又は配向することができる。各内側燃料ポート１１６は、同じ角度で設定又は配向すること、又は内側燃料ポート１１６の一部を異なる角度に設定することができる。以下の図１１及び１２で示すように、各内側燃料ポート１１６は、内側プレフィルミング表面１４２に沿って液体燃料１２２の第１の部分１２０の別個の第１のプレフィルム液体燃料シート１４６をもたらす。

１つの実施形態において、図９に示すように、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００は、プレフィルムカラー１４８又はスリーブを含む。プレフィルムカラー１４８は、流体導管１０４及びプレフィルム先端１３０の少なくとも一部の周りで円周方向に延びる。プレフィルムカラー１４８は、外側プレフィルミング表面１５２を定める内側１５０を含む。外側プレフィルミング表面１５２は、複数の外側燃料ポート１２４の下流に設けられる。外側プレフィルミング表面はアーチ形とすることができる。さらに、プレフィルムカラー１４８は、プレフィルムカラー１４８の下流側端部１５６に形成された第２の剪断縁１５４を含む。外側プレフィルミング表面１５２は、第２の剪断縁１５４で終端する。

１つの実施形態において、図９及び１０に示すように、複数の外側燃料ポート１２４は、一次燃料通路１０６からの液体燃料１２２の第２の部分１２８を、第２の剪断縁１５４の上流の外側プレフィルミング表面１５２の上に向かわせるように配向される。１つの実施形態において、図１０に示すように、複数の外側燃料ポート１２４は、外側プレフィルミング表面１５２に沿って液体燃料１２２の第２の部分１２８に角度スワールを付与するように配向される。例えば、複数の外側燃料ポート１２４は、予混合液体燃料カートリッジ１００の軸方向中心線に対して第２の角度１５８で設定又は配向することができる。各外側燃料ポート１２４は、同じ角度で設定又は配向すること、又は外側燃料ポート１２４の一部は異なる角度で設定することができる。図１０、１１、及び１２に示すように、各外側燃料ポート１２４は、外側プレフィルミング表面１５２に沿って液体燃料１２２の第２の部分１２８の別個の第２のプレフィルム液体燃料シート１６０をもたらす。

１つの実施形態において、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００は、プレフィルムカラー１４８の内側プレフィルミング表面１５２とプレフィルム先端１３０の外側プレフィルミング表面１４２との間に定められた圧縮空気通路１６２を備える。圧縮空気通路１６２は、少なくとも部分的に、プレフィルムカラー１４８と流体導管１０４との間に定めることができる。圧縮空気通路１６２は、予混合燃料噴射装置７６（図８）を介して、集束チューブ燃料噴射装置５６（図５）の圧縮空気プレナム６０及び／又は高圧プレナム４２（図２）と流体連通する。１つの実施形態において、予混合液体燃料カートリッジは、圧縮空気通路１６２と流体導管１０４との間に配置された熱シールド又はスリーブ１６６、又は障壁を含む。熱シールド１６６は、流体導管１０４の少なくとも一部の周りで円周方向に延びる。熱シールド１６６は、流体導管１０４から半径方向に離間しその間に空気又は熱間隙を形成して、一次液体燃料通路１０６の中の圧縮空気１８と液体燃料１２２との間の熱伝達を低減又は制限するようになっている。

図１１は、１又は２以上の実施形態による、作動時のプレフィルム液体燃料カートリッジ１００の部分断面側面図を提示する。図１２は、１つの実施形態による、作動時のプレフィルム液体燃料カートリッジ１００の一部の部分透視図である。作動時、液体燃料１２２の第１の部分１２０は、内側燃料ポート１１６から内側プレフィルミング表面１４２に向けられ、液体燃料１２２の第２の部分１２８は、外側燃料ポート１２４から外側プレフィルミング表面１５２に向けられる。圧縮空気１８の比較的小さな部分は、第１のプレフィルム液体燃料シート１４６と第２のプレフィルム液体燃料シート１６０との間の圧縮空気通路１６２を通して送ることができ、液体燃料１２２の第１及び第２の部分１２０、１２８を内側及び外側プレフィルミング表面１４２、１５２を横切って薄膜にする又は押し進める。特定の実施形態において、液体燃料１２２は、水と混合され、火炎温度を下げてＮＯｘエミッションを低減するようになっている。

第１のプレフィルム液体燃料シート１４６及び第２のプレフィルム液体燃料シート１６０は、それぞれ第１の剪断縁１４０及び第２の剪断縁１５４を横切って流れる際に、液体燃料シート１４６、１６０の部分的霧化が生じる可能性がある。図１１に示すように、第１の剪断縁１４０及び第２の剪断縁１５４は、第１の剪断縁１４０から出る第１のプレフィルム液体燃料シート１４６が第２の剪断縁１５４から出る第２のプレフィルム液体燃料シート１６０と交差するように相対的に配向される。例えば、第１の剪断縁１４０及び第２の剪断縁１５４は所定の相対角度１６４で配向することができる。第１のプレフィルム液体燃料シート１４６及び第２のプレフィルム液体燃料シート１６０は交差するので、第１のプレフィルム液体燃料シート１４６及び第２のプレフィルム液体燃料シート１６０それぞれの運動エネルギーによってさらなる霧化が起こる。

本明細書に提示される種々の実施形態は、既存のプレフィルム液体燃料カートリッジ又は燃料噴射装置に対する種々の技術的利点をもたらす。例えば、本明細書に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ１００は、従来のプレフィルム霧化装置に比べて、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００に供給される最小限の圧縮空気１８及び最小限の液体燃料圧及び／又は水圧でもって、液体燃料１２２をより効率的に空間的に分散及び霧化するので、ガスタービン又は動力システムの全体効率が改善される。特に、請求項に記載されかつ本明細書に記載のプレフィルム先端は、燃料圧力を低下させかつガスタービン１０又は複合サイクルガスタービン（ＣＣＧＴ）の寄生負荷を低下させるので、従来のプレフィルム燃料噴射装置を有する燃焼器と比べた場合に高い正味効率がもたらされる。第１及び第２の液体燃料シート１４６、１６０、並びに圧縮空気１８の相互作用により、比較的小さな先端圧力損失及び噴霧空気の欠如にもかかわらずより効率的な霧化が容易になる。加えて、プレフィルム液体燃料カートリッジ１００は、蒸留物＃２として知られる液体燃料と水の２つの不混合流体の混合物を噴射及び霧化するために特別に調整することができる。本明細書に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ１００は、第１及び第２のプレフィルム液体燃料シート１４６、１６０の交差点での液体燃料及び水の混合物への大きな物体力の付与を阻止する。その結果、水及び液体燃料は、蒸発時及び燃焼時に接近したままなので、噴射された水の単位当たりの最大ピーク火炎温度の低下につながり、結果的に所定の燃焼器出口温度及び水／燃料比率での可能な限り低いＮＯｘレベルがもたらされる。

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、また、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組み込み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。

１００プレフィルム液体燃料カートリッジ
１０６一次液体燃料通路
１１６内側燃料ポート
１２４外側燃料ポート
１４０第１の剪断縁
１４２内側プレフィルミング表面
１４６第１のプレフィルム液体燃料シート
１５２外側プレフィルミング表面
１５４第２の剪断縁
１６０第２のプレフィルム液体燃料シート

Claims

一次液体燃料通路と、
前記一次液体燃料通路に流体連通する複数の内側燃料ポート及び複数の外側燃料ポートと、前記複数の内側燃料ポートの下流に定められ、第１の剪断縁で終端する内側プレフィルミング表面と、
前記複数の外側燃料ポートの下流に定められ、第２の剪断縁で終端する外側プレフィルミング表面と、
を備えるプレフィルム液体燃料カートリッジであって、
前記第１及び第２の剪断縁は、前記第１の剪断縁から出る第１のプレフィルム液体燃料シートが、前記第２の剪断縁から出る第２のプレフィルム液体燃料シートと交差するように相対的に配向される、プレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記内側プレフィルミング表面と前記外側プレフィルミング表面との間に定められた圧縮空気通路をさらに備える、請求項１に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記内側プレフィルミング表面はアーチ形である、請求項１に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記内側プレフィルミング表面は、少なくとも部分的に円錐形先端によって定められる、請求項１に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記複数の内側燃料ポートは、前記内側プレフィルミング表面に沿って前記液体燃料に対して角度スワールを付与するように配向される、請求項１に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記複数の外側燃料ポートは、前記外側プレフィルミング表面に沿って前記液体燃料に対して角度スワールを付与するように配向される、請求項１に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記複数の内側燃料ポートは、内側プレフィルミング表面に沿って前記一次液体燃料通路からの液体燃料の第１の部分に対して第１の回転方向のスワールを付与するように配向され、前記複数の外側燃料ポートは、前記外側プレフィルミング表面に沿って前記一次燃料通路からの前記液体燃料の第２の部分に対して第２の方向のスワールを付与するように配向され、前記第１の回転方向は、前記第２の回転方向とは反対方向である、請求項１に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
内部に一次液体燃料通路を定める流体導管と、
前記流体導管の下流側端部にわたって半径方向及び円周方向に延び、前記一次液体燃料通路と流体連通する複数の内側燃料ポート及び複数の外側燃料ポートを定める噴射先端と、
前記燃料噴射先端に隣接する前方端と前記前方端の下流で軸方向に配置された後方端とを有し、内側プレフィルミング表面を定める外側と前記後方端に定められた第１の剪断縁とを有し、前記複数の内側燃料ポートが、前記一次燃料通路からの液体燃料の第１の部分を前記内側プレフィルミング表面に向かわせるように配向される、プレフィルム先端と、
前記流体導管及び前記プレフィルム先端の周りで円周方向に延びるプレフィルムカラーであって、前記プレフィルムカラーは、外側プレフィルミング表面を定める内側と、該プレフィルムカラーの下流側端部に定められた第２の剪断縁とを有し、前記複数の外側燃料ポートは、前記液体燃料の第２の部分を前記外側プレフィルミング表面に向かわせるように配向される、プレフィルムカラーと、
を備えるプレフィルム液体燃料カートリッジであって、
前記第１及び第２の剪断縁は、前記第１の剪断縁から出る第１のプレフィルム液体燃料シートが、前記第２の剪断縁から出る第２のプレフィルム液体燃料シートと交差するように相対的に配向される、プレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記プレフィルムカラーの前記内側プレフィルミング表面と前記プレフィルム先端の前記外側プレフィルミング表面との間に定められた圧縮空気通路をさらに備える、請求項８に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記流体導管の中で前記一次液体燃料通路から半径方向内側に定められたパイロット液体燃料通路をさらに備える、請求項８に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記流体導管の外面と前記プレフィルムカラーの内面との間に配置された熱スリーブをさらに備え、前記熱障壁スリーブは、前記外面から半径方向に離間して、その間に熱間隙を形成する、請求項８に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記内側プレフィルム表面と前記外側プレフィルム表面の少なくとも一方は、アーチ形である、請求項８に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記プレフィルム先端は、円錐形又は鐘形である、請求項８に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記複数の内側燃料ポートは、前記内側プレフィルミング表面に沿って前記液体燃料の前記第１の部分に対して角度スワールを付与するように向けられている、請求項８に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記複数の外側燃料ポートは、前記外側プレフィルミング表面に沿って前記液体燃料の前記第２の部分に対して角度スワールを付与するように向けられている、請求項８に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
前記複数の内側燃料ポートは、前記内側プレフィルミング表面に沿って前記液体燃料の前記第１の部分に対して第１の回転方向の角度スワールを付与し、前記複数の外側燃料ポートは、前記外側プレフィルミング表面に沿って前記液体燃料に対して第２の回転方向の角度スワールを付与するように配向され、前記第１の回転方向は、前記第２の回転方向とは反対方向である、請求項８に記載のプレフィルム液体燃料カートリッジ。
圧縮機、前記圧縮機の下流に配置された燃焼器、及び前記燃焼器の下流に配置されたタービンを備える、ガスタービンであって、前記燃焼器は、端部カバーの下流に延びる燃料ノズルを含み、前記燃料ノズルは燃料カートリッジ通路を定めるようになっており、
前記ガスタービンは、
前記燃料カートリッジ通路の中に延びるプレフィルム液体燃料カートリッジ、
をさらに備え、
前記プレフィルム液体燃料カートリッジは、
一次液体燃料通路と、
前記一次液体燃料通路に流体連通する複数の内側燃料ポート及び複数の外側燃料ポートと、前記複数の内側燃料ポートの下流に定められ、第１の剪断縁で終端する内側プレフィルミング表面と、
前記複数の外側燃料ポートの下流に定められ、第２の剪断縁で終端する外側プレフィルミング表面と、
を備え、
前記第１及び第２の剪断縁は、前記第１の剪断縁から出る第１のプレフィルム液体燃料シートが、前記第２の剪断縁から出る第２のプレフィルム液体燃料シートと交差するように相対的に配向される、ガスタービン。
前記燃料ノズルは、燃料供給源と流体連通する燃料モジュールと、前記燃料モジュールと流体連通するチューブ束と、前記チューブ束を囲む外側シュラウドによって定められる圧縮空気プレナムとを有する集束チューブ燃料噴射装置を備え、前記燃料カートリッジ通路は、前記空気プレナムを通過し、前記プレフィルム液体燃料カートリッジは、前記内側プレフィルミング表面と前記外側プレフィルミング表面との間に定められる圧縮空気通路をさらに備え、前記圧縮空気通路は、前記圧縮空気プレナムと流体連通する、請求項１７に記載のガスタービン。
前記複数の内側燃料ポートは、前記内側プレフィルミング表面に沿って前記液体燃料の前記第１の部分に対して第１の回転方向の角度スワールを付与するように配向され、前記複数の外側燃料ポートは、前記外側プレフィルミング表面に沿って前記液体燃料に対して第２の回転方向の角度スワールを付与するように配向され、前記第１の回転方向は、前記第２の回転方向とは反対方向である、請求項１７に記載のガスタービン。
前記内側プレフィルミング表面及び前記第１の剪断縁は、プレフィルム先端によって定められ、前記複数の内側燃料ポートは、前記第１の端部の周りで環状に配列され、前記外側プレフィルミング表面及び前記第２の剪断縁は、前記プレフィルム先端の周りを円周方向に延びるプレフィルムカラーによって定められ、前記圧縮空気通路は、少なくとも部分的に、前記プレフィルムカラーと前記プレフィルム先端との間に定められ、前記プレフィルム先端は円錐形又は鐘形である、請求項１７に記載のガスタービン。