JP2018096684A - ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 液体燃料ディストリビュータを備えた段階式の半径方向空気スワラを提供する。【解決手段】 ノズルは、第１の半径方向スワラと、前記第１の半径方向スワラの軸方向下流の第２の半径方向スワラとによって提供される内側空気通路を備えたノズル本体を含む。第１の燃料回路は、第１の半径方向スワラと第２の半径方向スワラとの間に軸方向に延びている。第２の燃料回路は、第２の半径方向スワラの軸方向下流に延びており、第１の燃料回路及び第２の燃料回路の各々は、それぞれの燃料回路入口からそれぞれの環状の燃料回路出口まで延在している。第２の燃料回路の燃料回路外壁と外側空気通路壁の間に外側空気通路が画定され、この外側空気通路は収束する非旋回式空気通路である。中間空気通路を中間壁と第２の半径方向スワラの間に画定することができ、この中間空気通路は収束する非旋回式空気通路である。【選択図】図１

Description

本開示は、ノズルに関し、より詳細には、産業用ガスタービンエンジンに使用されるような多様な燃料用のノズルに関する。

二重燃料機能は、それ自体を低排出に役立てるのは容易なことではない。例えば産業用ガスタービンエンジンの場合の従来の二重燃料ノズルでは、液体燃料は通常、ノズルの中心線に沿って配置された圧力噴霧器から噴射される。従来のノズルでは、特に大きな直径のノズルにおいては、液体燃料を燃料ノズルの外側の区間に到達させるのは困難である。

従来技術は、その意図された目的に関しては十分であると考えられてきた。しかしながら、改良型の二重燃料ノズルは常に必要とされている。本開示は、このような問題に対する解決策を提供する。

ノズルは、長手方向軸を画定するノズル本体を含む。ノズル本体は、第１の半径方向スワラと、第１の半径方向スワラの軸方向下流にある第２の半径方向スワラとによって提供される内側空気通路を含む。第１の燃料回路は、長手方向軸に対して第１の半径方向スワラと第２の半径方向スワラとの間に軸方向に延びている。第２の燃料回路は、長手方向軸に対して第２の半径方向スワラの軸方向下流に延びており、第１の燃料回路及び第２の燃料回路の各々は、それぞれの燃料回路入口からそれぞれの環状の燃料回路出口まで延在している。第２の燃料回路の燃料回路外壁と外側空気通路壁の間に外側空気通路が画定され、この外側空気通路は収束する非旋回式空気通路である。

第２の燃料回路は、第２の燃料回路の燃料回路外壁と第２の燃料回路の内側燃料回路壁との間に画定することができ、第１の燃料回路は、第１の燃料回路の燃料回路内壁と第１の燃料回路の外側燃料回路壁との間に画定することができる。第１及び第２の燃料回路の少なくとも一方は、複数のらせん状の通路を含むことができ、各らせん状の通路は、それぞれの燃料回路出口に対して接線方向に開放している。らせん状の通路は、長手方向軸に対して少なくとも８５°の流れ出口角を画定することができる。点火装置を長手方向軸上に同心円状に配向してノズル本体の上流壁に配置することができる。

第１及び第２の燃料回路のそれぞれの環状の燃料回路出口は、中間壁によって互いから隔てることができ、中間空気通路が中間壁と第２の半径方向スワラとの間に画定され、この中間空気通路は収束非旋回式空気通路である。第１燃料回路の燃料回路内壁及び外壁と、第２燃料回路の燃料回路内壁及び外壁との少なくとも一部は、長手方向軸に向かって収束する円錐形状を有することができる。

第１の燃料回路の燃料回路入口は、燃料マニホールドと流体連通する複数の円周方向に離間した開口部を含むことができ、第２の燃料回路の燃料回路入口は、燃料マニホールドと流体連通する複数の円周方向に離間した開口部を含むことができる。第１の半径方向スワラは、環状の内側空気入口の周りに互いから円周方向に離間された半径方向スワラ翼を含むことができ、ノズル本体は、各々が円周方向に離間した開口部とそれぞれ接続した複数の管を含んでおり、第１の燃料回路と第２の燃料回路両方の管が、半径方向のスワラ翼の間を軸方向に貫通して通っている。管の第１のセットは、第２の燃料回路の円周方向に離間した開口部と接続することができ、第１の燃料回路を軸方向に貫通して通ることができる。管の第２のセットは、第１の燃料回路の円周方向に離間した開口部と接続することができ、第１の半径方向スワラの翼の間をそれぞれ軸方向に貫通して通ることができる。管の第１のセットの各々の管は、第１の半径方向スワラと第２の半径方向スワラの両方における翼の間を貫通して通ることができる。

内側空気通路、外側空気通路、第１の燃料回路及び第２の燃料回路は、ノズル本体の中での予混合なしで拡散炎を噴射するように構成することができる。内側空気通路は、長手方向軸に沿って第１の半径方向スワラの下流で障害物がない状態であってよい。第１及び第２の燃料回路の各々は、液体燃料を噴射するように構成することができる。第１及び第２の燃料回路は、段階式に作動するように構成することができる。

別の態様において、ノズルは、長手方向軸を画定するとともに、第１、第２、第３及び第４の空気流通路と、第１及び第２の燃料流れ回路と、を含むノズル本体を含んでおり、空気流通路のうちの３つと、２つの燃料流れ回路は全て、少なくとも一部が一対の円錐台状の壁の間に画定され、空気流通路および燃料流れ回路は、ノズルを通して軸方向に流れる流体によって画定される上流から下流の順に、第１の空気流チャネル、第１の燃料流れ回路、第２の空気流チャネル、第３の空気流チャネル、第２の燃料流れ回路、及び第４の空気流チャネルの順序で位置決めされており、第１及び第３の空気流通路は、その中を通って流れる空気を半径方向に旋回させるように構成された翼を有し、第２及び第４の空気流チャネルは、その中を通って流れる空気を半径方向に旋回させるように構成された翼を持たないように構成される。

主題の開示のシステム及び方法のこれらの及び他の特徴は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を図面と併せて利用することによって当業者にとってさらに容易に明らかになるであろう。

主題の開示が属する当業者が、必要以上な実験なしに主題の開示のデバイス及び方法をどのように作成及び使用するかを容易に理解するように、その好ましい実施形態が、一定の図面を参照して本明細書で以下に詳細に説明される。

内側空気通路のための半径方向スワラ翼と、外側空気通路のための非旋回式支柱とを示す、本開示に従って構築されたノズルの一例の実施形態の斜視図である。 第１及び第２の燃料回路を示す、図１のノズルの概略的な側面断面図である。 空気通路及び燃料回路を通る流れを示すための流れ矢印を示す、図１のノズルの概略的な側面断面図である。

ここで図面への参照がなされ、図面では類似の参照符号が主題の開示の類似の構造的特徴または態様を特定する。説明及び例示を目的に、かつ限定を目的とせずに、本開示に従ったノズルの例示的な実施形態の部分的な図が図１に示され、全体的に参照数字１００によって示される。本開示に従ったノズルの他の実施形態、またはその態様が、説明されるように図２〜３において提供される。本明細書に記載のシステム及び方法は、ガスタービンエンジンにおける段階式の燃料の燃焼を実現するために使用され得る。２０１５年３月３１日に提出された米国特許出願第１４／６７４，５８０号は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

ノズル１００は、長手方向軸Ａを画定するノズル本体１０２を含む。ノズル本体１０２は、例えば、内側空気通路１０４に流れ込む４つの空気流通路のうちの最初の通路を画定する第１の半径方向スワラ１０６と、内側空気通路１０４に流れ込む４つの空気流通路のうちの３番目の通路を画定する、長手方向軸Ａに対して第１の半径方向スワラ１０６の下流にある軸方向の第２の半径方向スワラ１０８とによって提供される内側空気通路１０４を含む。第１の燃料回路１１０は、長手方向軸Ａに対して第１の半径方向スワラ１０６と第２の半径方向スワラ１０８との間に軸方向に延びている。第２の燃料回路１１２は、長手方向軸Ａに対して第２の半径方向スワラ１０８の下流に軸方向に延びている。第１の燃料回路１１０と、第２の燃料回路１１２の各々は、それぞれの燃料回路入口１１４及び１１６からそれぞれの環状の燃料回路出口１１８及び１２０まで延在している。例えば内側空気通路１０４に流れ込む４つの空気通路のうちの４番目の空気通路を画定する外側空気通路１２２が、第２の燃料回路１１２の燃料回路外壁１２４と外側空気通路壁１２６の間に画定される。外側空気通路１２２は、収束する非旋回式空気通路である。

第２の燃料回路１１２は、第２の燃料回路１１２の燃料回路外壁１２４と内側燃料回路壁１２８との間に画定される。第１の燃料回路１１０は、燃料回路内壁１３０と外側燃料回路壁１３２との間に画定される。第１及び第２の燃料回路１１０及び１１２の各々は、複数のらせん状の通路１３４及び１３６を含んでおり、各らせん状の通路は、それぞれの燃料回路出口１１８及び１２０に対して接線方向に開放している。らせん状の通路１３４及び１３６は、長手方向軸Ａに対して少なくとも８５°の流れ出口角θを画定することができる（図１に確認される角θは、明確にする目的で軸Ａと直接比較するためにらせん状の通路からずらされている）。

第１及び第２の燃料回路１１０及び１１２のそれぞれの環状の燃料回路出口１１８及び１２０は、中間壁１３８によって互いから隔てられている。中間空気通路１４０、例えば内側空気通路１０４に流れ込む４つの空気通路のうちの３番目の通路が、中間壁１３８と第２の半径方向スワラ１０８の間に画定される。中間空気通路１４０は、収束する非旋回式空気通路であり、第１の燃料回路１１０のための外側空気通路としての働きをする。第１の燃料回路１１０の燃料回路内壁１３０及び外壁１３２と、第２の燃料回路１１２の燃料回路内壁１２８及び外壁１２４の少なくとも一部は、円錐形状の下流部分を有し、例えば壁の一部は、長手方向軸に向かって収束する円錐台状である。中間壁１３８と、外側空気通路壁１２６についても同じことが言える。スペーサ１４２が燃料回路外壁１３２と中間壁１３８の間を接続し、同様に外側空気通路壁１２６と燃料回路外壁１２４の間も接続しており、それらの間に外側空気通路１２２と中間空気通路１４０のための空間を提供しているが、スペーサ１４２は、旋回させるように角度が付けられていないため、外側空気通路１２２と、中間空気通路１４０を通って流れる空気流は旋回されない。

第１の燃料回路１１０の燃料回路入口１１４は、燃料マニホールド１４６と流体連通するための円周方向に離間した１つまたは複数の開口１４４を含むことができる。第２の燃料回路１１２の燃料回路入口１１６は、燃料マニホールド１４６と流体連通するための円周方向に離間した１つまたは複数の開口１４８を含むことができる。第１の半径方向スワラ１０６は、環状の内側空気入口１５０の周りで円周方向に互いから離間された半径方向スワラ翼１０７を含んでおり、ノズル本体１２０は、１つまたは複数のそれぞれの管１５２を含み、各々がそれぞれの開口１４４をマニホールド１４６に接続する。１つまたは複数のそれぞれの管１５４は、各々のそれぞれの開口１４８をマニホールド１４６に接続する。第１及び第２の燃料回路１１０及び１１２の両方の管１５２及び１５４は、第１の半径方向スワラ１０６の半径方向スワラ翼１０７の間を軸方向に貫通して通っている。しかしながら１つまたは複数の管１５４のみが、第１及び第２の半径方向スワラ１０６と１０８の両方のスワラ翼１０７の間を貫通して通る。管１５４は、第１の燃料回路１１０及び中間通路１４０を軸方向に貫通して接続し、その中を通っている。

内側空気通路１０４、外側空気通路１２２、中間空気通路１４０、第１の燃料回路１１０及び第２の燃料回路１１２は、拡散炎を噴射するように構成されている。内側空気通路１０４は、長手方向軸Ａに沿って第１の半径方向スワラ１０６の下流でパイロットインジェクタなどの障害物がない状態である。図３では、矢印１６２、１６４、１６６、１６８及び１７０は、第１及び第２の半径方向スワラ１０６及び１０８から内側空気通路１０４へと流れ込みその中を流れる旋回する空気流を指している。矢印１７２及び１７４は、外側空気通路１２２を通る旋回しない空気流を指しており、矢印１７５及び１７６は中間空気通路１４０を通る旋回しない空気流を指している。矢印１７８及び１８０は、第１の燃料回路１１０を通る燃料流れを指しており、矢印１８２及び１８４は第２の燃料回路１１２を通る燃料流れを指している。外側空気通路１２０から流れ出る外側空気流と、中間空気通路１４０を通る中間空気流は、収束し、旋回されない。内側空気通路１０４からの内側空気流は分散し旋回される。空気と燃料の混合は、ノズル１００の下流で予混合されないやり方で行われる。ノズル１００によって形成される混合区域によって、ノズル１００の下流での燃料と空気の急速な混合が可能になる。

内側、外側及び中間空気通路１０４、１２２及び１４０の入口は共に半径方向に向かって全て開放しているため、これらは全て半径方向の空気の供給を利用することができる。これにより、例えば逆流燃焼器において、ノズル１００に流れ込む空気流の向きを変える際の圧力降下を小さくすることが可能である。所与の混合レベルに要求される空気流に合わせるために、例えば出口１１８及び１２０の直径などの燃料ディストリビュータの直径を調節することによって混合レベルを制御することができる。

例えば両方の回路が同一タイプの燃料を利用する場合、第１及び第２の燃料回路１１０及び１１２の各々は、液体燃料または気体燃料を噴射するように構成することができる。第１及び第２の燃料回路１１０及び１１２は、段階式に作動するように構成することができ、例えば低電力運転においては燃料回路１１０のみが利用される。図１のマニホールド１４６は、燃料の段階設定を制御することができる。例えば、２段のうちの１段のみで燃料を噴射することによって始動を行うことができ、これは、リッチ燃焼で運転し、その後よりリーン燃焼で運転することが可能であり、始動後はこれら２つの段階によって行われる。内側空気通路１０４の旋回空気の中心部は、ノズル１００を通る空気流の４０％〜５０％を供給することができ、これは従来式ノズルより多い。総体的に、出口１１８の内径は、図２に示されるように出口１２０の内径より小さい。これにより２つの環状の混合区域が形成される。図２に示されるように、始動用に任意選択の点火装置１８６が長手方向軸Ａに沿って同心円状に配向されてノズル本体１０２の上流壁１８８に含まれる場合がある。

上記に記載され図面に示される本開示の方法及びシステムは、従来のノズルと比べて混合作用とターンダウン比が改善されたことを含め、優れた特性を備えた段階式の燃料噴射を実現する。本明細書に開示される実施形態をレトロフィットノズルとして利用することで、燃焼器ドームにおける従来式ノズルに取って代わることができる。主題の開示の装置及び方法が好ましい実施形態を参照して示され、及び記載されたが、当業者は、主題の開示の範囲から逸脱することなく、それらに変更及び／または修正がなされてもよいことを容易に理解するであろう。

１００…ノズル
１０２…ノズル本体
１０４…内側空気通路
１０６…第１の半径方向スワラ
１０７…半径方向スワラ翼
１０８…第２の半径方向スワラ
１２２…外側空気通路
１２４…燃料回路外壁
１４２…スペーサ
１５０…内側空気入口
１５２，１５４…管

Claims (17)

1. 長手方向軸を画定するとともに、第１、第２、第３及び第４の空気流通路と、第１及び第２の燃料流れ回路と、を含むノズル本体を備えたノズルであって、前記空気流通路のうちの３つと、前記燃料流れ回路の両方は全て、少なくとも一部が一対の円錐台状の壁の間に画定され、前記空気流通路および前記燃料流れ回路は、前記ノズルを通して軸方向に流れる流体によって画定される上流から下流の順に、第１の空気流チャネル、第１の燃料流れ回路、第２の空気流チャネル、第３の空気流チャネル、第２の燃料流れ回路、及び第４の空気流チャネルの順序で位置決めされており、前記第１及び前記第３の空気流通路は、その中を通って流れる空気を半径方向に旋回させるように構成された翼を有し、前記第２及び前記第４の空気流チャネルは、その中を通って流れる空気を半径方向に旋回させるように構成された翼を持たない、ノズル本体を備えたノズル。
2. 長手方向軸を画定するノズル本体であって、
   第１の半径方向スワラと、前記第１の半径方向スワラの軸方向下流の第２の半径方向スワラと、によって提供される内側空気通路と、
   前記長手方向軸に対して前記第１の半径方向スワラと前記第２の半径方向スワラの間に軸方向に延びる第１の燃料回路と、
   前記長手方向軸に対して前記第２の半径方向スワラの軸方向下流に延びる第２の燃料回路であって、前記第１の燃料回路及び前記第２の燃料回路の各々が、それぞれの燃料回路入口からそれぞれの環状の燃料回路出口まで延在している、第２の燃料回路と、
   前記第２の燃料回路の燃料回路外壁と外側空気通路壁の間に画定された、収束する非旋回式空気通路である外側空気通路と、
   を含むノズル本体を備えた、ノズル。
3. 前記第１及び前記第２の燃料回路の少なくとも一方が、複数のらせん状の通路を含み、各らせん状の通路が、それぞれの燃料回路出口に対して接線方向に開放している、請求項２に記載のノズル。
4. 前記らせん状の通路が、前記長手方向軸に対して少なくとも８５°の流れ出口角を画定する、請求項３に記載のノズル。
5. 前記第２の燃料回路が、前記第２の燃料回路の前記燃料回路外壁と、前記第２の燃料回路の内側燃料回路壁と、の間に画定され、前記第１の燃料回路が、前記第１の燃料回路の燃料回路内壁と、前記第１の燃料回路の外側燃料回路壁と、の間に画定される、請求項２に記載のノズル。
6. 前記第１及び第２の燃料回路のそれぞれの環状の燃料回路出口が、中間壁によって互いから隔てられており、前記中間壁と前記第２の半径方向スワラの間に中間空気通路が画定され、前記中間空気通路が収束する非旋回式空気通路である、請求項５に記載のノズル。
7. 前記第１の燃料回路の前記燃料回路内壁及び外壁と、前記第２の燃料回路の前記燃料回路内壁及び外壁の少なくとも一部が、前記長手方向軸に向かって収束する円錐形状を有する、請求項５に記載のノズル。
8. 前記第１の燃料回路の前記燃料回路入口が、燃料マニホールドと流体連通する複数の円周方向に離間した開口部を含み、前記第２の燃料回路の前記燃料回路入口が、前記燃料マニホールドと流体連通する複数の円周方向に離間した開口部を含む、請求項２に記載のノズル。
9. 前記第１の半径方向スワラが、環状の内側空気入口の周りで円周方向に互いから離間された半径方向スワラ翼を含んでおり、前記ノズル本体が、円周方向に離間した前記複数の開口部とそれぞれ接続した複数の管を含んでおり、前記第１及び第２の燃料回路の両方の前記管が、前記半径方向スワラ翼の間を軸方向に通る、請求項８に記載のノズル。
10. 前記管の第１のセットが、前記第２の燃料回路の円周方向に離間した開口部と接続し、かつ前記第１の燃料回路を軸方向に貫通して通っている、請求項８に記載のノズル。
11. 前記管の第２のセットが、前記第１の燃料回路の円周方向に離間した開口部と接続し、かつ前記第１の半径方向スワラの翼の間をそれぞれ軸方向に貫通して通っている、請求項１０に記載のノズル。
12. 前記管の第１のセットにおける各々の管が、前記第１及び第２の半径方向スワラの両方における翼の間を貫通して通っている、請求項１１に記載のノズル。
13. 前記内側空気通路、外側空気通路、第１の燃料回路及び第２の燃料回路が、前記ノズル本体の中での予混合なしで拡散炎を噴射するように構成される、請求項２に記載のノズル。
14. 前記内側空気通路は、前記第１の半径方向スワラの下流において前記長手方向軸に沿って障害物がない状態である、請求項２に記載のノズル。
15. 前記第１及び第２の燃料回路の各々が、液体燃料を噴射するように構成される、請求項２に記載のノズル。
16. 前記第１及び第２の燃料回路が、段階式に作動するように構成される、請求項２に記載のノズル。
17. 前記ノズル本体の上流壁に、前記長手方向軸と同心円状に配向された点火装置が配置される、請求項２に記載のノズル。

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