JP4177812B2 - タービンエンジンの燃料ノズル - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、燃料ノズルの分野にかかわり、さらに詳細には、燃焼器及び燃料濃度分布特性が改善された関連の燃料ノズルにかかわる。

燃焼エンジンは、燃料に貯えられた化学エネルギーを発電や、動力の発生または他の仕事の実行に利用する機械エネルギーに変換する機械である。これらのエンジンは通常、このエネルギー変換プロセスに何らかの形で寄与する幾つかの協働部分を有する。ガスタービンエンジンでは、圧縮機部から排出される空気と燃料供給源から導入される燃料とが混合され、燃焼部で燃焼される。燃焼生成物を、動力として利用するためにタービン部に通してそこで膨張させ、中心のロータを回転させる。

燃焼器の設計は多種多様であるが、それらは所与のエンジンとの適合性の観点から、また所望の性能特性を実現するために選択される。燃焼器のよく普及した設計の１つとして、中央のパイロットノズルと、そのパイロットノズルの周りに円周方向に配置された幾つかの主燃料注入ノズルとを有するものがある。この設計では、ノズルはパイロットフレームゾーンと混合領域とを形成するように配置されている。動作時、パイロットノズルはパイロットフレームゾーンから移動しない安定なフレームを発生するが、主ノズルは混合領域で燃料と空気の混合流を発生させる。混合領域からの燃料と空気の混合流は、パイロットフレームゾーンを通過した後、主燃焼ゾーンに流入するが、そこでさらなる燃焼が起こる。燃焼時に放出されるエネルギーは、下流のコンポーネントにより捕捉されて発電または他の仕事が行われる。

このタイプの燃焼器の１つのバージョンでは、２種類の燃焼が起こる。即ち、渦数が大きい燃焼がパイロットフレームゾーンで、また渦数が小さい燃焼が主燃焼ゾーンで起こる。この分野では周知のように、渦数が大きい燃焼は、回転速度が大きく、縦方向伝播速度が比較的小さい比較的コンパクトなフレームにより特徴付けられる。これとは対照的に、渦数が小さい燃焼は比較的よく拡がったフレームにより特徴付けられる。このタイプの燃焼器は、パイロットフレームゾーン内の渦数が大きい燃焼とそれ以外の箇所の渦数が小さい燃焼とを組み合わせることにより、安定で予測可能な動作と高い監視性を与える。その結果、このタイプの燃焼器は多種多様な動作条件にわたる使用に好適である。さらに、燃焼チェンバ内にエネルギーが広く分布される燃焼方式を提供するため、このタイプの燃焼器には熱音響的励振に対する耐性がある。これらの燃焼器がまた、均等な温度での燃焼及び放出物レベルの減少に役立つ燃料と空気のための比較的長い予燃焼混合経路を与える。従って、このタイプの燃焼器は工業用タービンエンジン用として普及している。

このタイプの燃焼器から最適性能を引き出すには、内部の燃料と空気の流れを充分に混合して局部的に燃料濃度が高い領域が存在しないようにするのが一般的に好ましい。燃料が過剰なポケットが燃焼すると、望ましくない高レベルのＮＯｘ放出物を発生させる高温燃焼が起こる。そのため、燃料と空気の分布を本質的に均等にする燃焼器を製造するための努力がなされている。例えば、スワラー部材により、空気と注入燃料とが均等に混合された燃料／空気流を発生させることが多い。

しかしながら、燃料と空気の均等な分布により放出物の減少を図る試みは場合によっては有効であるが、それらは全ての燃焼器にとって適当というわけではない。例えば、パイロットゾーンの高い渦数の燃焼と主燃焼ゾーンの渦数が小さい燃焼とを組み合わせる上述したような燃焼器を、燃料と空気を均等に分布させるノズルと併用すると、実際は、望ましくない放出物が増加し、音響共鳴が生じるという問題がある。このタイプの燃焼器では、燃料と空気が均等に分布する混合物により主ノズルの先端部にフレームが保持されるため、望ましくない放出物及び音響の問題が深刻になるだけでなく、ノズルの先端部を冷却する必要性が生じ、フラッシュバックの危険性が増加する。従って、燃料と空気を均等に分布させて性能の改善を図る試みは、一部の状況において有効であるが、一部の燃焼器の性能を実際に低下させることがある。従って、パイロットゾーンの渦数が大きい燃焼と主燃焼ゾーンの渦数が小さい燃焼とを組み合わせる燃焼器への使用に好適で性能を向上させるノズルが依然として求められている。このノズルは、燃焼器の全体性能に悪影響を与えることなく、ノズルのすぐ下流の混合領域の外側において燃焼が発生しないようにする必要がある。このノズルは、ノズルの先端部にフレームが保持される傾向を減少させる半径方向に偏りのある燃料濃度分布を形成しなければならない。このノズルはまた、流入燃料及び空気の変動にかかわらず広い範囲の動作条件にわたり所望の燃料濃度分布を与えなければならない。加えて、このノズルは、以前に設置された燃焼器との適応性を備え、設備更新に使用できるものでなければならない。

発明の概要

本発明は、パイロットゾーンの渦数が大きい燃焼と主燃焼ゾーンの渦数が小さい燃焼とを組み合わせる燃焼器への使用に好適で性能を向上させるノズルを提供する。このノズルは、燃料源と流体連通関係におかれる燃料供給部材と、少なくとも１つの燃料出口ポートが燃料供給源と流体連通関係にあり、ノズル先端部に隣接する領域にフレームが存在しないようにする流れ調整部材とを有する。本発明の１つの局面において、このノズルは易燃性の半径方向外側領域と、実質的に易燃性でない半径方向内側領域とにより特徴付けられる燃料濃度分布を発生させる。本発明の別の局面において、流れ調整部材は半径方向内側の第１の部分と、半径方向外側の第２の部分とを有し、燃料出口ポートは第２の部分にある。本発明の別の局面において、流れ調整部材は約０．６より小さい渦数により特徴付けられる。本発明の別の局面において、出口ポートは、設計圧力比が約１．１より大きい高いモーメントにより特徴付けられる。本発明の別の局面において、このノズルはパイロットゾーンの渦数が大きい燃焼と、主燃焼ゾーンの渦数が小さい燃焼とを発生させる燃焼器の一部である。

従って、本発明の目的は、燃焼器の全体性能に悪影響を与えることなく、ノズルのすぐ下流の混合領域の外側で燃焼が起きないようにする燃料ノズルを提供することにある。

本願発明の別の目的は、ノズル先端部にフレームが保持される傾向を減少させる半径方向に偏った燃料濃度分布を発生させるノズルを提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、ノズルの入口条件の変動にもかかわらず、広い範囲の動作モードにわたり所望の燃料濃度分布を与えるノズルを提供することにある。

本発明の別の目的は、以前に設置された燃焼器との適応性を備え、設備更新に使用できるノズルを提供することにある。

本発明の他の目的及び利点は、本発明のある特定の実施例を例示的に示す添付図面に関連して記載された以下の説明から明らかになるであろう。図面は本願の一部を構成し、本発明の実施例を含み、本発明の種々の目的及び特徴を示すものである。

本発明のノズル１０を示す添付図面を参照する。図１を参照して、本発明のノズル１０を工業用燃焼タービンエンジン１２に使用するものとして説明する。さらに図２を参照して概観すると、ノズル１０は、燃料源（図示せず）と流体連通関係にある中央の燃料供給部材１４を有する。燃料供給部材１４の周りには円周方向に幾つかの流れ調整部材１６が配置され、これらの流れ調整部材はそれぞれ１またはそれ以上の燃料出口ポート１８を有する。燃料出口ポート１８は燃料供給部材１４に流体結合されている。燃料２０は出口ポート１８を出た後、流れ調整部材１６上を移動する空気２２と一緒になって燃料と空気の混合物２４を形成する。以下に詳述するように、燃料出口ポート１８及び流れ調整部材１６により、空気と燃料の混合物２４の濃度分布２６は、燃料供給部材１４の下流端部２８におけるフレームの形成を実質的に減少させるかフレームを形成させないものとなる。本発明のノズル１０を以下に詳述する。

引き続き図２を、さらに図３を参照すると、本発明のノズル１０は、パイロットフレームゾーン３２の渦数が大きい燃焼と主燃焼ゾーン３４の渦数が小さい燃焼とを組み合わせた燃焼システム３０内の主ノズルとしての使用を特に好適にする特徴を有する。ノズル１０は、下流先端部２８に特徴を有する管体のような細長い燃料供給部材１４を有する。１つの実施例において、燃料供給部材１４はノズルスリーブ３５内に装着され、流れ調整部材１６は燃料供給部材とノズルスリーブとの間を延びる。この実施例において、流れ調整部材１６と燃料供給部材１４とを一体的なユニットとして形成できるが、所望であれば流れ調整部材を別体として形成してもよい。空気入口２２と混合領域３６との間を流体連通関係にするフラッシュバック環状部３７を設けて、ノズルスリーブ３５の下流端部３９でフレームが保持される傾向を小さくなるようにする。

引き続き図２及び３を参照して、流れ調整部材１６はエアフォイル形のスワラーであり、燃料供給部材１４から半径方向外側に延びている。特に図２を参照して、流れ調整部材１６は、ノズル１０と主燃焼ゾーン３４との間の混合領域３６に半径方向に偏った燃料濃度分布２６が発生されるように各側に位置する、好ましくは３つの燃料出口ポート１８を備えている。詳述すると、燃料出口ポート１８は流れ調整部材１６の半径方向外側部分３８内にあり、流れ調整部材の半径方向外側部分と燃料供給部材との間を延びる流れ調整部材の半径方向内側部分４０には燃料出口ポートは存在しない。半径方向の最も内側の燃料出口ポート１８と燃料供給部材との間の距離Ｄは通路高さＳ_Rの約３０％乃至４０％の範囲内にある。燃料出口ポート１８は半径方向外側部分３８内にほぼ均等な燃料の分布を生ぜしめるように離隔されているが、通路の中心の方に偏ったような他の適当な分布を所望に応じて使用できる。燃料出口ポート１８は半径方向外側部分３８内にほぼ均等な燃料の分布を発生させるように離隔されているが、フラッシュバック環状部３７の性能を向上させるために）環状部の中間の方に偏ったような他の適当な分布を所望に応じて用いることが可能である。また、流れ調整部材１６のエアフォイル形断面は必要条件ではなく、所望に応じて、静止混合要素を含む乱流を増加させる他の適当な形状にしてもよいことに注意されたい。また、全ての流れ調整部材１６が各側に３つの燃料入口ポート１８を備える必要はなく、それより多数または少数のポートを設けるか、または、一部の流れ調整部材に出口ポートを設けなくてもよいことに注意されたい。

本発明の目的に合わせて、燃料出口ポート１８は比較的大きいモーメントを有する燃料流２０を発生するような寸法及び形状を有する。例えば、燃料出口ポート１８は約１．２の設計圧力で特徴付けられ、好ましい設計圧力は約１．１と約１．４の間にある。燃料出口ポート１８は、一般的に、流れ調整部材１６の表面に垂直に形成されるが、所望であればこれを変更してもよく、動作範囲にわたり円周方向において所要の混合物分布を実現できるように直径を変えるか均等にすることができる。大きいモーメントの噴流の使用は必要条件でないが、このように燃料を注入すると、燃料濃度分布２６の安定性が向上し、燃料の分布がノズル入口条件の変動に感応しなくなる。

１つの実施例において、流れ調整部材１６は、圧縮機部４２により供給される空気２２と燃料供給部材１４により導入される燃料との混合物２４のような流体の流れに小さい渦数を与えるような形状のスワラーである。多種多様な特性を有するスワラーを使用可能であるが、渦数が約０．２と約０．６の間の範囲にある流れを誘起するスワラーが望ましい。

本願において、用語「渦数」は、所与の流体の流れのノズル出口平面における縦方向モーメントと回転方向モーメントとの間の比率を規定する公知の測定用語のことである。この実施例において、流れ調整部材は、混合領域及び主燃焼領域において約０．４の渦数で特徴付けられる流体の流れの発生に寄与する。

特に図１及び３を参照して、本発明のノズル１０は多段燃焼システム３０の主ノズルとして働く。動作時、幾つかの（例えば８個の）主ノズル１０をパイロットノズル４４と共にグループ化して、燃料２０と空気２２の混合物２４を燃焼させる。上述したように、この燃焼生成物は高エネルギーの作動流体４６を提供するが、この流体は関連のエンジン１２のタービン部４８へ下流方向に移送され、タービン部でエネルギーが抽出されてさらなる仕事が行われる。主ノズル１０及びパイロットノズル４４の下流の燃焼器ライナー５８は、主燃料領域の境界を画定し、移行部６０とインターフェイスして、燃焼生成物４６をタービン部４８内へ案内する。

図３に示す燃焼システム３０において、パイロット燃料ノズル４４はパイロットフレームゾーン３２内に安定なフレームを形成するが、このパイロットフレームゾーンは図示のような円錐体５０の境界を有する。燃料２０と空気２２とは主ノズル１０から下流に流れて混合領域３６を通過するが、そこで半径方向に偏った燃料濃度分布（図２に示す）を有する混合物２４を形成する。この構成によると、ノズルスリーブ３５の近くを流れる燃料空気混合物２４の半径方向外側部分５２は易燃性であり、混合物の半径方向内側部分５４は易燃性でない。その結果、本発明のノズル１０はノズルの下流端部または先端部２８に隣接する再循環ゾーン５６では燃焼を支えない。１つの実施例において、燃料空気混合物２４の易燃性の半径方向外側部分５２は、通路の中心と外側との間の半径方向間隔の外側のほぼ７５％を占める。燃料濃度分布２６は外側の７５％を占める必要はなく、６０％と９０％の間の範囲内の大きさを占めればよい。この構成によると、再循環ゾーン５６は本質的にフレームが存在しない状態を維持するが、主燃焼領域３４では渦数が小さい燃焼が支持される。引き続き燃料空気混合物２４は下流に移動してパイロットフレームゾーン３２と接触する。このパイロットフレームゾーン３２は移動しないフレームを提供し、主燃焼ゾーン３４における継続的な燃焼を支える。本発明のノズル１０は新しいエンジン１２に使用可能であるが、設備更新のために既存の燃焼システム３０に組み込むことができる。

本発明のある特定の実施例を図示説明したが、本発明は図示説明した特定の実施例または部品の構成に限定されないことを理解されたい。本発明の範囲から逸脱することなく変形、再構成及び置換を含む種々の変形例が可能であることが当業者に明らかであろう。また、本発明は図面に示し明細書に説明したものに限定されないと考えるべきである。本発明の範囲は頭書の特許請求の範囲により規定される。

本発明のノズルを用いる燃焼エンジンの側立面図である。 本発明のノズルの側断面図である。 図２に示すノズルを用いた燃焼器の部分側立面図である。

Claims (17)

1. 燃料源と燃料連通関係にされ、下流端部を有する燃料供給部材と、
   燃料供給部材に隣接し、燃料供給部材と燃料連通関係にある燃料出口ポートを有する流れ調整部材とより成り、
   燃料出口ポートは易燃性の半径方向外側領域と、実質的に易燃性でない半径方向内側領域とにより特徴付けられる燃料濃度分布を発生するように構成され、
   燃料濃度分布は燃料供給部材の下流端部に隣接する領域に実質的にフレームが存在しないように作用する燃焼器用ノズル。
2. 流れ調整部材は燃料供給部材から半径方向に延びる請求項１のノズル。
3. ノズルは燃料供給部材の下流端部に隣接する再循環ゾーンを形成し、燃料濃度分布は再循環ゾーンが実質的に易燃性でないようにされる請求項１のノズル。
4. 流れ調整部材は半径方向内側の第１の部分と、半径方向外側の第２の部分とを有し、燃料出口ポートは第２の部分内に位置する請求項１のノズル。
5. 流れ調整部材は、第２の部分内に位置する複数の燃料出口ポートを有する請求項４のノズル。
6. 半径方向外側の第２の部分と、燃料供給部材の縦方向軸とは、流れ調整部材の半径方向高さの約３０％乃至４０％の距離だけ離隔している請求項４のノズル。
7. 流れ調整部材は、約０．６未満の渦数により特徴付けられる流体の流れを下流に誘起するように構成されている請求項４のノズル。
8. 燃料出口ポートは、予め選択された動作条件が変化しても燃料濃度分布を実質的に不変に保つモーメントにより特徴付けられる態様で燃料を導入する設計圧力比により特徴付けられる請求項１のノズル。
9. 設計圧力比は約１．１より大きい請求項８のノズル。
10. 設計圧力比は約１．１と約１．４との間の範囲にある請求項９のノズル。
11. 流れ調整部材は、第２の部分内に位置する複数の燃料出口ポートを有する請求項８のノズル。
12. 半径方向外側の第２の部分と、燃料供給部材の縦方向軸とは、流れ調整部材の半径方向高さの約３０％乃至４０％の距離だけ離隔している請求項８のノズル。
13. 流れ調整部材は、約０．６より小さい渦数により特徴付けられる流体の流れを下流に誘起するように構成されている請求項８のノズル。
14. 燃料源と、
    パイロットフレームゾーン及び主燃焼ゾーンにより特徴付けられる内部領域を画定するライナー部材と、
    ライナー部材の第１の端部に隣接し、燃料源と燃料連通関係にあって、パイロットフレームをパイロットフレームゾーンに与えるパイロットノズルと、
    ライナー部材の第１の端部に隣接し、燃料源と流体連通関係にあり、下流端部を有する燃料供給部材を備えた主ノズルと、
    燃料供給部材に隣接し、燃料供給部材と流体連通関係にある燃料出口ポートを有する流れ調整部材であって、燃料出口ポートと流れ調整部材とが易燃性の半径方向外側領域及び実質的に易燃性でない半径方向内側領域とにより特徴付けられる燃料濃度分布を有する混合物を発生させる流れ調整部材とより成り、
    混合物は主燃焼ゾーンで燃焼し、燃料濃度分布は燃料供給部材の下流端部に隣接する領域に実質的にフレームが存在しないようにする分布である燃焼器。
15. 流れ調整部材は、約０．６より小さい渦数により特徴付けられる流体の流れを下流に誘起するように構成されている請求項１４の燃焼器。
16. 燃料出口ポートは、予め選択された動作条件が変化しても燃料濃度分布を実質的に不変に保つモーメントにより特徴付けられる態様で燃料を導入する設計圧力比により特徴付けられる請求項１４の燃焼器。
17. 設計圧力比は約１．１より大きい請求項１６の燃焼器。

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