JP5399015B2 - ガスタービンエンジン用の燃料ノズル及びそれを製作する方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンで使用するための燃焼システムに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンで使用する燃料ノズルに関する。

ガスタービンエンジンで使用する少なくとも幾つかの公知の燃料ノズルアセンブリは、複数の構成要素から組立てられ、それらが完全に組立てられた時に一体構造の燃料ノズルアセンブリを形成する。公知の複数部品組立て燃料ノズルは、本体部とスリーブ部を含む。多くの構成要素が互いに結合されるので、ノズルアセンブリからの望ましくない流体漏れを防止するために、少なくとも幾つかの公知のノズルアセンブリは、互いに結合された構成要素間に複数のシールを含んでいる。より具体的には、少なくとも幾つかの公知のノズルアセンブリは、本体対スリーブシール、ウオータリップシール、拡散リップシール及び／又はピストンシールを使用している。それらの意図した効力にも拘わらず、それでもなお各シールは、ノズルアセンブリを通ってゆっくりと流れる加圧流体に曝された時又はガスタービンエンジンの燃焼システム内の高温度に曝された時に、漏れ発生可能性区域となるおそれがある。さらに、多くの構成要素を有する燃料ノズルアセンブリは一般的に、ガスタービンエンジン内の少数の構成要素を含むアセンブリよりも、その製作及び組立てに多くの時間及びコストを必要とする。
米国特許第７，１６５，４０５号明細書 米国特許第７，１０４，０６９号明細書 米国特許第６，４４６，４３９号明細書 米国特許第４，９８２，５７０号明細書 米国特許第４，２９２，８０１号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１３０９５５号明細書

１つの態様では、燃料ノズルを製作する方法を提供する。本方法は、第１の端面、第２の端面及びそれらの間で延びる本体を含む単体構造の材料部分を準備するステップを含む。通路は、材料部分の中心線に沿って第１の端面から第２の端面まで延びるように製作される。本方法はさらに、第１の端面内に複数の同心に整列したチャネルを製作するステップと、第２の端面及び本体の外表面の少なくとも１つを貫通して通路及び複数のチャネルの1つの少なくとも１つまで延びる複数の入口を製作するステップを含む。

別の態様では、二次燃料ノズルアセンブリを提供する。本二次燃料ノズルアセンブリは、中央通路と該中央通路に各々が同心に整列した複数の通路とを有するノズル部と、該ノズル部に結合された単体構造ヘッド部とを含む。ヘッド部は、複数の入口を含み、複数の入口の各々は、複数のノズル通路の少なくとも１つと流体連通している。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンで使用するための燃焼器アセンブリを提供する。本燃焼器アセンブリは、燃焼ゾーンと、該燃焼ゾーン内に結合された一次燃料ノズルアセンブリと、該燃焼ゾーン内に結合された二次燃料ノズルアセンブリとを含む。二次燃料ノズルアセンブリは、中央通路と該中央通路にほぼ同心に整列した複数の通路とを有するノズル部と、該ノズル部に結合された単体構造ヘッド部とを含む。ヘッド部は、複数の入口を含み、複数の入口の各々は、複数のノズル通路の少なくとも１つと流体連通している。

図１は、燃料ノズルアセンブリ２００を含む例示的なガスタービンエンジン１００の部分断面図である。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機（図示せず）、燃焼器１０２及びタービン１０４を含む。図１には、タービン１０４の第１段ノズル１０６のみを示している。この例示的な実施形態では、タービンは、複数のロータ（図示せず）を有する圧縮機に対して回転可能に結合され、それらロータは、単一の共通シャフト（図示せず）を介して互いに結合される。圧縮機は、吸入空気１０８を加圧した後に燃焼器１０２に吐出し、燃焼器１０２において、加圧空気は、該燃焼器１０２を冷却しかつ燃焼プロセスのための空気を供給する。より具体的には、燃焼器１０２に送られる空気１０８は、エンジン１００内を通る空気の流れとほぼ反対の方向に流れる。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１００は、エンジンケーシング（図示せず）の周りに円周方向に間隔を置いて配置された複数の燃焼器１０２を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、燃焼器１０２は、それに限定されないが、例えば缶−アニュラ型燃焼器である。

この例示的な実施形態では、エンジン１００は、各燃焼器１０２の出口端部１１２とタービン１０４の入口端部１１４との間で延びて燃焼ガス１１６をタービン１０４内に送る移行ダクト１１０を含む。さらに、この例示的な実施形態では、各燃焼器１０２は、ほぼ円筒形の燃焼器ケーシング１１８を含む。燃焼器ケーシング１１８は、それに限定されないが、例えばボルト（図示せず）、機械的ファスナ（図示せず）、溶接、及び／又は本明細書に説明したようにエンジン１００を機能させるのを可能にするあらゆるその他の適当な結合手段を用いて、エンジンケーシングに結合される。この例示的な実施形態では、燃焼器ケーシング１１８の前端部１２０は、端部カバーアセンブリ１２２に結合される。端部カバーアセンブリ１２２は、例えば気体燃料、液体燃料、空気及び／又は水を燃焼器に送るための供給管、マニフォルド、バルブ、並びに／或いは本明細書に説明したようにエンジン１００を機能させるのを可能にするあらゆるその他の構成要素を含む。

この例示的な実施形態では、ほぼ円筒形の流れスリーブ１２４は、該スリーブ１２４が燃焼器ケーシング１１８にほぼ同心に整列するように該ケーシング１１８内に結合される。燃焼ライナ１２６は、流れスリーブ１２４内にほぼ同心に結合される。より具体的には、燃焼ライナ１２６は、その後端部１２８において移行ダクト１１０に結合され、またその前端部１３０において燃焼ライナキャップアセンブリ１３２に結合される。流れスリーブ１２４は、その後端部１３４においてライナ１２６の外壁１３６に結合され、またその前端部１３８において燃焼器ケーシング１１８に結合される。それに代えて、スリーブ１２４は、エンジン１００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆるその他の適当な結合アセンブリを使用して、ケーシング１１８及び／又はライナ１２６に結合することができる。この例示的な実施形態では、空気通路１４０は、ライナ１２６と流れスリーブ１２４との間に形成される。流れスリーブ１２４は、その中に形成された複数の開口１４２を含み、これらの開口は、圧縮機からの加圧空気１０８が空気通路１４０に流入するのを可能にする。この例示的な実施形態では、空気１０８は、圧縮機から端部カバーアセンブリ１２２に向かうコア流れ（図示せず）の方向とは逆の方向に流れる。

燃焼ライナ１２６は、一次燃焼ゾーン１４４、ベンチュリスロート領域１４６及び二次燃焼ゾーン１４８を含む。より具体的には、一次燃焼ゾーン１４４は、二次燃焼ゾーン１４８の上流に位置し、一次及び二次燃焼ゾーン１４４及び１４８は、ベンチュリスロート領域１４６によって隔てられる。ベンチュリスロート領域１４６は、それぞれの燃焼ゾーン１４４及び１４８の直径Ｄ₁及びＤ₂よりも一般的に小さい直径Ｄ_Vを有する。より具体的には、スロート領域１４６は、収束壁１５０と発散壁１５２とを含み、収束壁１５０は、直径Ｄ₁からＤ_Vまでテーパしており、また発散壁１５２は、Ｄ_VからＤ₂まで拡大している。従って、ベンチュリスロート領域１４６は、二次燃焼ゾーン１４８から一次燃焼ゾーン１４４への逆火を減少させるのを可能にする空気力学的セパレータ又はアイソレータとして機能する。この例示的な実施形態では、一次燃焼ゾーン１４４は、それを貫通して形成された複数の開口１５４を含み、これらの開口は、空気１０８が空気通路１４０から一次燃焼ゾーン１４４に流入するのを可能にする。

さらに、この例示的な実施形態では、燃焼器１０２はまた、複数のスパークプラグ（図示せず）と複数のクロスファイヤ管（図示せず）とを含む。スパークプラグ及びクロスファイヤ管は、一次燃焼ゾーン１４４のライナ１２６内に形成されたポート（図示せず）を貫通して延びる。スパークプラグ及びクロスファイヤ管は、各燃焼器１０２内で燃料及び空気に点火して燃焼ガス１１６を発生させる。

この例示的な実施形態では、少なくとも１つの二次燃料ノズルアセンブリ２００は、端部カバーアセンブリ１２２に結合される。より具体的には、この例示的な実施形態では、燃焼器１０２は、１つの二次燃料ノズルアセンブリ２００と複数の一次燃料ノズルアセンブリ１５６とを含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、一次燃料ノズルアセンブリ１５６は、燃焼器１０２の中心線１５８の周りにほぼ円形列として配置され、また二次燃料ノズルアセンブリ２００の中心線２０２（図２に示す）は、燃焼器中心線１５８に実質的に整列している。それに代えて、一次燃料ノズルアセンブリ１５６は、非円形列として配置することもできる。別の実施形態では、燃焼器１０２は、１つよりも多い又は少ない二次燃料ノズルアセンブリ２００を含むことができる。本明細書では一次及び二次燃料ノズルアセンブリ１５６及び２００についてのみ記述しているが、２つよりも多い又は少ないタイプのノズルアセンブリ或いはあらゆるタイプの燃料ノズルを燃焼器１０２内に含むことができる。この例示的な実施形態では、二次燃料ノズルアセンブリ２００は、一次燃焼ゾーン１４４を貫通して延びる該二次ノズルアセンブリ２００の一部分を実質的に囲む管アセンブリ１６０を含む。

一次ノズルアセンブリ１５６は、部分的に一次燃焼ゾーン１４４内に延び、また二次ノズルアセンブリ２００は、一次燃焼ゾーンを貫通してスロート領域１４６の後方部分１６２内に延びる。従って、一次ノズルアセンブリ１５６から噴射された燃料（図示せず）は、実質的に一次燃焼ゾーン１４４内で燃焼し、また二次ノズルアセンブリ２００から噴射された燃料（図示せず）は、実質的に二次燃焼ゾーン１４８内で燃焼する。

この例示的な実施形態では、燃焼器１０２は、燃料ノズルアセンブリ１５６及び２００を介して該燃焼器１０２に燃料を供給するようになった燃料供給管（図示せず）に結合される。例えば、パイロット燃料（図示せず）及び／又はメイン燃料（図示せず）は、燃料ノズルアセンブリ１５６及び／又は２００を通して供給することができる。この例示的な実施形態では、以下において一層詳しく述べるように、パイロット燃料及びメイン燃料は両方共、ノズルアセンブリ１５６及び２００への燃料の移送を制御することによって、一次及び二次ノズルアセンブリ１５６及び２００の両方を通して供給される。本明細書で使用する場合に、「パイロット燃料」というのは、パイロット火炎として使用する少量の燃料を意味しており、「メイン燃料」というのは、燃焼ガス１１６の大部分を発生するために使用する燃料を意味している。燃料は、天然ガス、石油製品類、石炭、バイオ燃料、並びに／或いは本明細書に説明したようにエンジン１００を機能させるのを可能にする固体、液体及び／又は気体形態のあらゆるその他の燃料とすることができる。ノズルアセンブリ１５６及び／又は２００を通る燃料流量を制御することによって、燃焼器１０２内の火炎（図示せず）は、燃焼器１０２の排出物（エミッション）及び／又は出力に影響を与えるような所定の形状、長さ及び／又は強さに調節することができる。

作動中に、空気１０８は、入口（図示せず）を通してエンジン１００に流入する。空気１０８は、圧縮機内で加圧され、加圧空気１０８は、圧縮機から燃焼器１０２に向けて吐出される。空気１０８は、開口１４２を通して燃焼器１０２に流入し、空気通路１４０を通して端部カバーアセンブリ１２２に向けて送られる。空気通路１４０内を流れる空気１０８は、燃焼器入口端部１６４においてその流れ方向を強制的に反転されて、燃焼ゾーン１４４及び／又は１４８内にまた／或いはスロート領域１４６を通して送られる。燃料は、端部カバーアセンブリ１２２並びにノズルアセンブリ１５６及び／又は２００を通して燃焼器１０２内に供給される。点火は、始めに制御システム（図示せず）がガスタービンエンジン１００の始動シーケンスを開始した時に行われ、火炎が連続的に確立したら、スパークプラグは、一次燃焼ゾーン１４４からが引っ込められる。ライナ１２６の後端部１２８において、高温燃焼ガス１１６は、移行ダクト１１０及びタービンノズル１０６を通してタービン１０４に送られる。

図２は、燃焼器１０２（図１に示す）で使用することができる例示的な二次燃料ノズルアセンブリ２００の断面図である。図３は、二次燃料ノズルアセンブリ２００で使用することができるヘッド部３００の端面図である。

この例示的な実施形態では、燃料ノズルアセンブリ２００は、ヘッド部３００とノズル部２０４とを含む。ヘッド部３００は、ノズルアセンブリ２００を燃焼器１０２内に結合するのを可能にする。例えば、１つの実施形態では、ヘッド部３００は、端部カバーアセンブリ１２２（図１に示す）に結合され、該ヘッド部３００が燃焼器１０２の外部に位置しかつノズル部２０４が端部カバーアセンブリ１２２を貫通して延びるように、複数の機械的ファスナ１６８（図１に示す）を用いて端部カバーアセンブリ１２２に固定される。この例示的な実施形態では、ヘッド部３００は、その各々がそれを通して機械的ファスナを受けるような寸法にされた複数の円周方向に間隔を置いて配置された孔３０２を含む。例えば図３には３つのみのファスナ孔３０２を示しているが、ヘッド部３００は、燃料ノズルアセンブリ２００を燃焼器１０２内に固定しかつ本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる数の孔３０２を含むことができる。さらに、各孔３０２の内表面３０４は、実質的に滑らかであるように図示しているが、孔３０２はネジ付きとすることができる。これに加えて、各孔３０２は、ノズルアセンブリ２００の中心線２０２にほぼ平行に延びるように図示しているが、孔３０２は、二次ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる配向を有することができる。それに代えて、ヘッド部３００は、機械的ファスナ１６８のみを用いて燃焼器１０２に結合されるように限定されるものではなく、二次ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる結合手段を用いて燃焼器１０２に結合することができる。

この例示的な実施形態では、ヘッド部３００は、ほぼ円柱形であり、第１のほぼ平坦な端面３０６、反対側の第２のほぼ平坦な端面３０８、及びそれらの間で延びるほぼ円柱形の本体３１０を含む。さらに、この例示的な実施形態では、ヘッド部３００は、長さＬ₁及び半径Ｒ₁を有する。それに代えて、ヘッド部３００は、ノズルアセンブリ２００及び／又は燃焼器１０２を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆるその他の適当な形状として形成することができる。さらに、この例示的な実施形態では、ヘッド部３００は、単一の連続本体３１０のみとして形成される。より具体的には、ヘッド部３００は、以下においてより詳しく述べるように、単一の中実材料片で形成される。

この例示的な実施形態では、ヘッド部３００は、中央通路３１４と複数の同心に整列したチャネル３１６、３１８及び３２０とを含む。より具体的には、中央通路３１４は、中心線２０２に沿って第１の端面３０６から第２の端面３０８まで延び、半径Ｒ₂を有する。さらに、この例示的な実施形態では、チャネル３１６、３１８及び３２０は各々、以下においてより詳しく述べるように、第２の端面３０８から第１の端面３０６に向けて部分的に延びる。この例示的な実施形態では、第１のチャネル３１６は、内側半径Ｒ₃及び外側半径Ｒ₄を有しかつ第２の端面３０８から測定して深さＤ₁だけ延び、第２のチャネル３１８は、内側半径Ｒ₅及び外側半径Ｒ₆を有しかつ第２の端面３０８から測定して深さＤ₂だけ延び、また第３のチャネル３２０は、内側半径Ｒ₇及び外側半径Ｒ₈を有しかつ第２の端面３０８から測定して深さＤ₃だけ延びる。チャネル３１６、３１８及び３２０の配向の故に、第１のチャネル３１６は、内側半径Ｒ₃と外側半径Ｒ₄との間の差にほぼ等しい幅Ｗ₁を有し、第２のチャネル３１８は、内側半径Ｒ₆と外側半径Ｒ₆との間の差にほぼ等しい幅Ｗ₂を有し、また第３のチャネル３２０は、内側半径Ｒ₇と外側半径Ｒ₈との間の差にほぼ等しい幅Ｗ₃を有する。この例示的な実施形態では、深さＤ₁は、深さＤ₂よりも深く、深さＤ₂は、深さＤ₃よりも深い。さらに、この例示的な実施形態では、半径は、Ｒ₂＜Ｒ₃＜Ｒ₄＜Ｒ₅＜Ｒ₆＜Ｒ₇＜Ｒ₈＜Ｒ₁となるような寸法にされる。

この例示的な実施形態では、ヘッド部３００内の複数の同心に整列したチャネル分割壁３２２、３２４及び３２６は、チャネル３１６、３１８及び／又は３２０並びに／或いは中央通路３１４を形成する。より具体的には、この例示的な実施形態では、中央通路３１４は、第１の分割壁３２２によって形成され、第１のチャネル３１６は、第１の分割壁３２２及び第２の分割壁３２４間に形成され、第２のチャネル３１８は、第２の分割壁３２４及び第２の分割壁３２６間に形成され、また第３のチャネル３２０は、第３の分割壁３２６及び本体３１０間に形成される。第１の分割壁３２２は、厚さＴ₁を有し、第２の分割壁３２６は、厚さＴ₂を有し、また第３の分割壁３２６は、厚さＴ₃を有する。この例示的な実施形態では、壁厚さＴ₁、Ｔ₂及びＴ₃は、互いにほぼ等しい。それに代えて、厚さＴ₁、Ｔ₂及び／又はＴ₃は、等しくないようにすることもできる。

この例示的な実施形態では、ヘッド部３００はまた、複数の半径方向入口３２８、３３０、３３２及び３３４を含む。第１の半径方向入口３２８は、本体３１０を貫通して中央通路３１４まで延び、第２の半径方向入口３３０は、本体３１０を貫通して第１のチャネル３１６まで延び、第３の半径方向入口３３２は、本体３１０を貫通して第２のチャネル３１８まで延び、また第４の半径方向入口３３４は、本体３１０を貫通して第３のチャネル３２０まで延びる。従って、第１の半径方向入口３２８の長さＬ₁₁は、半径Ｒ₁と半径Ｒ₈との間の差にほぼ等しく、第２の半径方向入口３３０の長さＬ₁₂は、半径Ｒ₁と半径Ｒ₅との間の差にほぼ等しく、第３の半径方向入口３３２の長さＬ₁₃は、半径Ｒ₁と半径Ｒ₄との間の差にほぼ等しく、また第４の半径方向入口３３４の長さＬ₁₄は、半径Ｒ₁と半径Ｒ₂との間の差にほぼ等しい。この例示的な実施形態では、１つのみの半径方向入口３２８、３３０、３３２及び／又は３３４がチャネル３１６、３１８及び／又は３２０並びに／或いは中央通路３１４と流体連通しているが、それに代えて各チャネル３１６、３１８及び／又は３２０並びに／或いは中央通路３１４は、１つよりも多い対応する半径方向入口を含むことができる。

この例示的な実施形態では、各半径方向入口３２８、３３０、３３２及び３３４は、そのそれぞれの入口長さＬ₁₁、Ｌ₁₂、Ｌ₁₃及び／又はＬ₁₄に沿ってほぼ一定の直径ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃及びｄ₄を有する。それに代えて、各半径方向入口３２８、３３０、３３２及び／又は３３４は、非円形断面形状及び／又は変化する直径を有するものとして形成することができる。より具体的には、半径方向入口３２８、３３０、３３２及び／又は３３４は、燃焼器１０２及び／又は二次燃料ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる適当な形状及び／又は配向として構成することができる。さらに、この例示的な実施形態では、第１の半径方向入口３２８は、第１の半径方向ポート３３６を含み、第２の半径方向入口３３０は、第２の半径方向ポート３３８を含み、第３の半径方向入口３３２は、第３の半径方向ポート３４０を含み、また第４の半径方向入口３３４は、第４の半径方向ポート３４２を含む。各ポート３３６、３３８、３４０及び／又は３４２は、例えばポート３３８のようなテーパポート、例えばポート３４２のようなストレートポート並びに／或いは例えばポート３３６及び／又は３４０のようなオフセットポートとすることができる。それに代えて、ポート３３６、３３８、３４０及び／又は３４２は、燃焼器１０２及び／又は二次燃料ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる適当な形状及び／又は配向として構成することができる。

この例示的な実施形態では、ヘッド部３００はまた、複数の軸方向入口３４４、３４６及び３４８を含む。３つの軸方向入口３４４、３４６及び３４８のみを記述しているが、ヘッド部３００は、二次燃料ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる数の軸方向入口を含むことができる。例示の目的で軸方向入口３４４のみについて説明しまた図３に示すが、軸方向入口３４６及び／又は３４８も、本明細書に説明した軸方向入口３４４と本質的に同様でありかつ同様に機能するものと理解されたい。この例示的な実施形態では、軸方向入口３４４は、第１の端面３０６から半径方向入口３２８を貫通して半径方向入口３３２まで延びる。この例示的な実施形態では、軸方向入口３４４は、半径方向入口３２８を貫通して延びるが、軸方向入口３４４は、別の半径方向入口３２８、３３０、３３２及び／又は３３４を貫通した状態で或いは貫通しない状態で、第１の端面３０６からいずれかの半径方向入口３２８、３３０、３３２及び／又は３３４まで延びて、二次燃料ノズルアセンブリ２００が本明細書に説明したように機能するようにすることができる。

この例示的な実施形態では、軸方向入口３４４は、ほぼ一定の直径ｄ₅を有する。それに代えて、軸方向入口３４４は、非円形断面形状及び／又は可変直径を有することができる。さらに、この例示的な実施形態では、軸方向入口３４４は、テーパポート３５０を含む。それに代えて、ポート３５０は、燃焼器１０２及び／又は二次燃料ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる適当な形状を有することができる。

この例示的な実施形態では、ノズル部２０４は、例えば該ノズル部２０４をヘッド部３００に対して溶接することによって該ヘッド部３００に結合される。この例示的な実施形態では、ノズル部２０４は、長さＬ₁₁及び外側半径Ｒ₁₁を有する。この例示的な実施形態では、ノズル部２０４は円筒形であるが、ノズル部２０４は、二次燃料ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる適当な形状とすることができる。

この例示的な実施形態では、ノズル部２０４は、複数のほぼ同心に整列した管２０６、２０８、２１０及び２１２を含む。管２０６、２０８、２１０及び２１２は、ノズル部２０４内に複数のほぼ同心の通路２１４、２１６、２１８及び２２０が形成されるように、互に配向される。より具体的には、この例示的な実施形態では、中央通路２１４は、第１の管２０６内に形成され、第１の通路２１６は、第１の管２０６と第２の管２０８との間に形成され、第２の通路２１８は、第２の管２０８と第３の管２１０との間に形成され、また第３の通路２２０は、第３の管２１０と第４の管２１２との間に形成される。この例示的な実施形態は、４つの同心に整列した管２０６、２０８、２１０及び２１２を含んでいるが、ノズル部２０４は、二次燃料ノズルアセンブリ２００及び／又は燃焼器１０２を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる数の管２０６、２０８、２１０及び２１２も含むことができる。この例示的な実施形態では、管２０６、２０８、２１０及び２１２の数は、これらの管２０６、２０８、２１０及び２１２によって形成された通路２１４、２１６、２１８及び２２０の数が、ヘッドチャネル３１６、３１８及び３２０並びにヘッド中央通路３１４の数に等しくなるようになっている。

この例示的な実施形態では、通路２１６、２１８及び／又は２２０は、チャネル３１６、３１８及び３２０にほぼ同心に整列している。さらに、ノズル中央通路２１４は、ヘッド中央通路３１４とほぼ同心に整列している。従って、第１の管２０６は、第１のヘッド分割壁３２２に実質的に整列し、第２の管２０８は、第２のヘッド分割壁３２４に実質的に整列し、また第３の管２１０は、第３のヘッド分割壁３２６に実質的に整列している。この例示的な実施形態では、第４の管２１２は、該第４の管２１２の内表面２２２がヘッドチャネル３２０の半径方向外表面３５２に実質的に整列するように、整列している。さらに、この例示的な実施形態では、第１の管２０６は、第１の分割壁厚Ｔ₁にほぼ等しい厚さＴ₁₁を有し、第２の管２０８は、第２の分割壁厚Ｔ₂にほぼ等しい厚さＴ₁₂を有し、また第３の管２１０は、第３の分割壁厚Ｔ₃にほぼ等しい厚さＴ₁₃を有する。従って、第１のノズル通路２１６は、第１のチャネル幅Ｗ₁にほぼ等しい幅Ｗ₁₁を有し、第２のノズル通路２１８は、第２のチャネル幅Ｗ₂にほぼ等しい幅Ｗ₁₂を有し、第３のノズル通路２２０は、第３のチャネル幅Ｗ₃にほぼ等しい幅Ｗ₁₃を有し、またノズル中央通路２１４は、本体中央通路半径Ｒ₂にほぼ等しい半径Ｒ₁₂を有する。

この例示的な実施形態では、ノズル部２０４は、管２０６、２０８、２１０及び／又は２１２に結合された先端部２２４を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、先端部２２４は、例えば溶接法を用いて管２０６、２０８、２１０及び／又は２１２に結合される。この例示的な実施形態では、先端部２２４は、管延長部２２６、外側先端２２８及び内側先端２３０を含む。それに代えて、先端部２２４は、二次燃料ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆる適当な構成を有することができる。この例示的な実施形態では、管延長部２２６は、例えば結合リング２３２を使用して第３の管２１０及び第４の管２１２に結合される。結合リング２３２は、第３の通路２２０内を流れる流体（図示せず）が先端部２２４を通して吐出されないように、第３の通路２２０をシールするのを可能にする。それに代えて、第３の通路２２０は、先端部２２４を通して流体連通して結合される。

この例示的な実施形態では、内側先端２３０は、第１の突出部２３４、第２の突出部２３６、中心孔２３８及び複数の出口開口（図示せず）を含む。内側先端２３０は、それぞれ第１の突出部２３４及び第２の突出部２３６を使用して第１の管２０６及び第２の管２０８に結合される。従って、この例示的な実施形態では、中央通路２１４及び／又は３１４内を流れる流体（図示せず）は、中心孔２３８及び／又は出口開口を通して吐出され、また第１の通路２１６内を流れる流体（図示せず）は、出口開口を通して吐出される。さらに、この例示的な実施形態では、外側先端２２８は、複数の出口開口（図示せず）を含み、内側先端２３０及び管延長部２２６に結合される。従って、第２の通路２１８内を流れる流体（図示せず）は、外側先端２２８及び／又は内側先端２３０内に形成された出口開口を通して吐出される。

この例示的な実施形態では、ノズル部２０４はまた、第４の管２１２から半径方向外向きに延びるペグ２４０（本明細書においては、「ベーン」とも呼ぶ）を含む。それに代えて、ペグ２４０は、ノズル部２０４から斜めに延びることができる。さらに、図２には２つのみのペグ２４０を示しているが、ノズル部２０４は、２つよりも多い又は少ないペグ２４０を含むことができる。この例示的な実施形態では、ペグ２４０は、結合リング２３２に近接して第３の通路２２０の下流端部２４２に配置される。それに代えて、その他の位置において、１つ又はそれ以上のペグ２４０を第３の通路２２０に対して配置することができる。この例示的な実施形態では、ペグ２４０は各々、複数の出口開口（図示せず）を含み、第３の通路２２０内を流れる流体（図示せず）がペグ出口開口を通して吐出されるようになる。

この例示的な実施形態では、ヘッド部３００は、それに限定されないが、例えば棒材、中実金属ロッド及び／又はあらゆるその他の適当な単体構造材料片等の単一の材料片（図示せず）で形成される。さらに、この例示的な実施形態では、ヘッド部３００を形成するために使用する材料は、その形状がほぼ円柱形であるが、燃焼器１０２の構成に応じて、その他の形状を有する材料を使用して、ヘッド部３００を製作することができる。より具体的には、この例示的な実施形態では、ヘッド部３００を製作するために使用する材料の部分は、２つのほぼ平坦な対向する面を含み、ヘッド部３００が第１のほぼ平坦な端面３０６と第２のほぼ平坦な端面３０８とほぼ円柱形の本体３１０とを含むようになる。

この例示的な実施形態では、ヘッド部３００は、例えばガンドリル加工法を用いて製作される。それに代えて、ヘッド部３００は、二次燃料ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆるその他の適当な製作方法を用いて製作することができる。この例示的な実施形態では、中央通路３１４は、一方の端面３０６又は３０８を貫通して実質的に中心線２０２に沿って他方の端面３０６又は３０８まで形成される。さらに、この例示的な実施形態では、孔３０２及び／又は通路３１４の各々は、一方の端面３０６又は３０８から他方の端面３０６又は３０８まで本体３１０を貫通して一度の機械加工作業によって製作される。

この例示的な実施形態では、チャネル３１６、３１８及び／又は３２０は各々、第２の端面３０８内に機械加工される。従って、分割壁３２２、３２４及び３２６は、本体３１０内でチャネル３１６、３１８及び３２０並びに／或いは中央通路３１４間に形成される。チャネル３１６、３１８及び／又は３２０は、第１の端面３０６内に機械加工して、該チャネル３１６、３１８及び／又は３２０が第１の端面３０６内に形成された時に、第１の端面３０６に対してノズル部２０４を結合するようにすることができることが理解されるであろう。さらに、この例示的な実施形態では、各入口３２８、３３０、３３２、３３４、３４４、３４６及び／又は３４８並びにそれぞれのポート３３６、３３８、３４０、３４２及び／又は３５０は、第１の端面３０６及び／又は本体３１０内に形成される。より具体的には、各入口３２８、３３０、３３２、３３４、３４４、３４６及び／又は３４８並びにそれぞれのポート３３６、３３８、３４０、３４２及び／又は３５０は、チャネル３１６、３１８及び／又は３２０、中央通路３１４並びに／或いはその他の入口３２８、３３０、３３２、３３４、３４４、３４６及び／又は３４８まで延びる単一の切削で形成することができる。それに代えて、各入口３２８、３３０、３３２、３３４、３４４、３４６及び／又は３４８は、一度の切削で形成することができ、また各それぞれのポート３３６、３３８、３４０、３４２及び／又は３５０は、二度目の切削で形成することができる。この例示的な実施形態では、入口３２８、３３０、３３２、３３４、３４４、３４６及び／又は３４８とそれぞれのポート３３６、３３８、３４０、３４２及び／又は３５０との相対的な位置は、燃焼器１０２の構成に基づいて選択される。

この例示的な実施形態では、ノズル部２０４は、それに限定されないが、例えば溶接法を用いてヘッド部３００に結合される。より具体的には、この例示的な実施形態では、各管２０６、２０８、２１０及び／又は２１２は、前述したようにノズル通路２１４、２１６、２１８及び／又は２２０がヘッドチャネル３１６、３１８及び／又は３２０並びに／或いはヘッド中央通路３１４に実質的に整列するように、ヘッド部３００に結合される。この例示的な実施形態では、先端部２２４は、ノズル部２０４が前述のように構成されるように、管２０６、２０８、２１０及び／又は２１２に溶接される。より具体的には、この例示的な実施形態では、管延長部２２６は、例えば結合リング２３２を使用して管２１２及び２１０に溶接され、内側先端２３０は、それぞれの突出部２３６及び２３４を使用して第２の管２０８及び第１の管２０６に溶接され、また外側先端２２８は、内側先端２３０に溶接される。それに代えて、ノズル部２０４は、二次燃料ノズルアセンブリ２００を本明細書に説明したように機能させるのを可能にするあらゆるその他の適当な製作法を用いて製作することができる。

この例示的な実施形態では、二次燃料ノズルアセンブリ２００は、例えばファスナ孔３０２に貫通挿入された機械的ファスナ（図示せず）を使用して燃焼器端部カバーアセンブリ１２２に結合される。二次燃料ノズルアセンブリ２００は、燃料供給管と流体連通して結合される。この例示的な実施形態では、メイン燃料は、チャネル３２０及び通路２２０を通して燃焼器１０２に供給され、またパイロット燃料は、チャネル３１６及び通路２１６を通して燃焼器１０２に供給される。チャネル３１８、中央通路３１４並びにそれぞれの通路２１８及び２１４は、燃焼器１０２に対するパイロット燃料の供給とメイン燃料の供給との間で移行するように構成される。従って、チャネル３１８、中央通路３１４並びにそれぞれのノズル通路２１８及び２１４は、「移送」通路と呼ぶことができる。この例示的な実施形態では、チャネル３２０、通路２２０並びに移送通路２１４、３１４、２１８及び３１８を使用することによって、先端部２２４及び／又はペグ２４０を介して燃焼器１０２内に、より具体的には二次燃焼ゾーン１４８内にメイン燃料を噴射することができる。この例示的な実施形態では、ノズル通路２１４、２１６、２１８及び／又は２２０、ノズル先端部２２４並びに／或いはノズルペグ２４０の構成は、所定のパイロット及び／又はメイン燃料流量に基づいて選択される。例えば、所定の燃料流量は、ノズル通路２１４、２１６、２１８及び／又は２２０、ノズル先端部２２４並びに／或いはノズルペグ２４０のいずれかを貫通して所定の寸法の孔（図示せず）を機械加工することによって得ることができる。

上記の燃料ノズルアセンブリ及びその製作方法は、公知のヘッド部アセンブリと比べて必要とする構成要素が少ないヘッド部を有する燃料ノズルアセンブリを作り出す。より具体的には、上記の二次燃料ノズルアセンブリの製作は単体構造本体部を使用するので、ノズルアセンブリの製作は、燃料ノズルヘッド内に複数の構成要素を含む公知の燃料ノズルアセンブリの製作と比べて、コスト及び時間の点で一層効率的である。より具体的には、本発明の単体構造ヘッド部は、公知のヘッド部アセンブリが含む複数のシールを排除するのを可能にする。例えば、本発明は、公知のヘッドアセンブリにおいて一般的に必要とされる本体対スリーブシール、ウオータリップシール、拡散リップシール及び複数のピストンシールを排除するのを可能にする。従って、そのようなシールで生じる可能性がある多数の漏れ発生可能性区域が排除される。さらに、燃料ノズルアセンブリ内の構成要素及び溶接部の数を減少させることによって、単体構造ヘッド部は、複数の構成要素を含むノズルアセンブリと比べて、燃料ノズルアセンブリのコストを低減するのを可能にする。

さらに、上記の燃料ノズルアセンブリ及びその製作方法は、ヘッド部内の構成要素の数を減少させることによって、燃料ノズルアセンブリの信頼性を向上させるのを可能にする。より具体的には、本発明の単体構造ヘッド部は、唯一つの構成要素、つまりヘッド部そのものしか含まないので、燃料ノズルアセンブリは、複数構成要素のヘッド部を含む公知の燃料ノズルアセンブリと比べて、使用時に摩耗する可能性がある構成要素をより少数しか含まない。さらに、上記の燃料ノズルアセンブリは、燃焼器に基づいてあらゆる適当な構成として製作することができる。より具体的には、ヘッド部内に形成した入口、ポート、通路及び／又はチャネルは、燃焼器の構成に基づいてあらゆる配向として及び／又は位置に製作することができる。従って、本発明の燃料ノズルアセンブリは、複数構成要素のヘッド部アセンブリを含む燃料ノズルアセンブリと比べて、燃焼器内への燃料ノズルの改造導入を可能にする。

加えて、上記の二次燃料ノズルは、複数燃料流路を制御しかつ操作して、エミッション、火炎形状、動力学的特性及び／又はその他の燃焼特性を制御するのを可能にするために使用することができる。ノズルを貫通した複数通路は、複数経路に対する並びに／又は複数燃焼器の出力、エミッション及び／又は制御サイクルを得るための燃料の独立流量制御を可能にする。そのような独立流量制御により、複数の独立制御可能な燃料流路を含まない燃料ノズルと比べて、より多くの燃料分配制御を行うことが可能になる。

以上、ガスタービンで使用するための燃料ノズルアセンブリの例示的な実施形態を詳細に説明している。本燃料ノズルアセンブリは、本明細書に説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ本燃料ノズルアセンブリの構成要素は、本明細書に説明したその他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。例えば、ヘッド部はまた、その他の燃焼システム及び／又は燃料ノズルアセンブリと組合せて使用することができ、本明細書に説明したような燃焼システムのみでの実施に限定されるものではない。むしろ、本発明は、多くのその他の燃料燃焼用途に関連して実施しかつ利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

例示的なガスタービン燃焼システムの部分断面図。 図１に示す燃焼システムで使用することができる例示的な燃料ノズルの断面図。 図２に示す燃料ノズルヘッド部の平面図。

符号の説明

１００ ガスタービンエンジン
１０２ 燃焼器
１０４ タービン
１０６ 第１段ノズル
１０８ 空気
１１０ 移行ダクト
１１６ 燃焼ガス
１１８ 燃焼器ケーシング
１２２ 端部カバーアセンブリ
１２４ 流れスリーブ
１２６ 燃焼ライナ
１３２ 燃焼ライナキャップアセンブリ
１３６ 燃焼ライナの外壁
１４０ 空気通路
１４２ 流れスリーブ内の開口
１４４ 一次燃焼ゾーン
１４６ ベンチュリスロート領域
１４８ 二次燃焼ゾーン
１５０ ベンチュリスロート領域の収束壁
１５２ ベンチュリスロート領域の発散壁
１５４ 一次燃焼ゾーンの開口
１５６ 一次燃料ノズルアセンブリ
１５８ 燃焼器の中心線
１６０ 管アセンブリ
１６８ 機械的ファスナ
２００ 二次燃料ノズルアセンブリ
２０２ 二次燃料ノズルアセンブリの中心線
２０４ ノズル部
２０６，２０８，２１０，２１２ ノズル部の管
２１４ ノズル中央通路
２１６，２１８，２２０ ノズル通路
２４０ ノズル部のペグ
３００ ヘッド部
３０２ ヘッド部内のファスナ孔
３０６ ヘッド部の第１の端面
３０８ ヘッド部の第２の端面
３１０ ヘッド部の円柱形本体
３１４ ヘッド部内の中央通路
３１６，３１８，３２０ ヘッド部内のチャネル
３２８，３３０，３３２，３３４ ヘッド部の半径方向入口
３３６，３３８，３４０，３４２，３５０ 半径方向ポート
３４４，３４６，３４８ ヘッド部の軸方向入口

Claims (10)

1. 中央通路（２１４）と前記中央通路に各々が同心に整列した複数の通路（２１６，２１８，２２０）とを含むノズル部（２０４）と、
   第１の端面（３０６）と第２の端面（３０８）とそれらの間に延びる円柱形本体（３１０）とを含む単体構造ヘッド部（３００）であって、前記ノズル部が前記第２の端面（３０８）に結合していて第２の端面から外側に延びており、複数の入口（３２８，３３０，３３２，３３４）を備えている単体構造ヘッド部（３００）と
   を含んでいる二次燃料ノズルアセンブリ（２００）であって、
   前記複数の入口の各々が前記複数のノズル通路の少なくとも１つと流体連通しており、
   前記複数の入口が、
   前記単体構造ヘッド部（３００）を貫通して延びる中心線（２０２）に垂直な複数の半径方向入口（３２８、３３０、３３２、３３４）であって、その少なくとも１つが、半径方向ポート部（３３６、３３８、３４０、３４２）と、その半径方向内側に延びる管状部分（３２８、３３０、３３２、３３４）とを有していて、前記半径方向ポート部（３３６、３３８、３４０、３４２）の半径が管状部分（３２８、３３０、３３２、３３４）の半径よりも大きい、複数の半径方向入口（３２８、３３０、３３２、３３４）と、
   前記第１の端面（３０６）から前記中心線（２０２）に平行に前記単体構造ヘッド部（３００）内に延びる複数の軸方向入口（３４４、３４６、３４８）であって、前記複数の軸方向入口（３４４、３４６、３４８）の第１のものが前記複数の半径方向入口（３２８、３３０、３３２、３３４）の１つと流体連通しており、前記複数の軸方向入口（３４４、３４６、３４８）の第２のものが前記複数の半径方向入口（３２８、３３０、３３２、３３４）の２つ以上と流体連通している、複数の軸方向入口（３４４、３４６、３４８）と
   を含んでいる、二次燃料ノズルアセンブリ（２００）。
2. 前記ノズル部（２０４）が、該ノズル部から外向きに延びる少なくとも１つのペグ（２４０）をさらに含む、請求項１記載の二次燃料ノズルアセンブリ（２００）。
3. 複数の軸方向入口（３４４、３４６、３４８）の少なくとも１つがテーパポートを含む、請求項１記載の二次燃料ノズルアセンブリ（２００）。
4. 前記単体構造ヘッド部が、前記第１の端面（３０６）内に形成された複数のチャネル（３１４、３１６，３１８）をさらに含み、前記複数のチャネルが、互いに同心に整列している、請求項１記載の二次燃料ノズルアセンブリ（２００）。
5. 前記複数のチャネル（３１４、３１６，３１８）の各々が、前記複数のノズル部通路（２１６，２１８，２２０）の１つに同心に整列している、請求項４記載の二次燃料ノズルアセンブリ（２００）。
6. 前記複数のチャネル（３１４、３１６，３１８）の各々が、前記複数のヘッド入口の少なくとも１つと流体連通している、請求項４記載の二次燃料ノズルアセンブリ（２００）。
7. 前記ヘッド部（３００）が、前記第１の端面（３０６）から第２の端面（３０８）まで延びる中央通路（３１４）をさらに含み、前記中央通路が、前記複数のチャネル（３１４、３１６，３１８）に対して同心に整列している、請求項４記載の二次燃料ノズルアセンブリ（２００）。
8. ガスタービンエンジン（１００）で使用するための燃焼器アセンブリ（１０２）であって、
   燃焼ゾーン（１４４）と、
   前記燃焼ゾーン内に結合された一次燃料ノズルアセンブリ（１５６）と、
   前記燃焼ゾーン内に結合された請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の二次燃料ノズルアセンブリ（２００）と
   を含む、燃焼器アセンブリ（１０２）。
9. 前記二次燃料ノズルアセンブリの出口が、前記一次燃料ノズルアセンブリ（１５６）の出口（１１２）の下流に位置する、請求項８記載の燃焼器アセンブリ（１０２）。
10. 複数の前記一次燃料ノズルアセンブリ（１５６）をさらに含む、請求項８記載の燃焼器アセンブリ（１０２）。
    

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