JP5523859B2 - 燃料ノズルマニホルド - Google Patents

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Description

本明細書に開示の主題は、燃料ノズルに関し、特に単一の構成要素内に離散的な通路を有する燃料ノズルマニホルドに関する。
従来の炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンによって通常生ずる主たる大気汚染排出物質は、窒素酸化物と一酸化炭素と未燃炭化水素とである。当該技術分野において、空気吸入発動機における窒素分子の酸化は、燃焼装置の反応域での最大高温ガス温度に大きく依存することはよく知られている。熱機関燃焼器の反応域の温度をサーマルNOxが形成されるレベル未満に制御する方法として、燃料と空気とを予混合して希薄混合気にしてから燃焼させること、すなわちしばしば乾式低NOx(DLN)燃焼方式と呼ばれる方法がある。希薄予混合燃焼器の反応域に存在する過剰空気の熱質量は、熱を吸収するとともに、燃焼生成物の温度上昇を、サーマルNOxが有意に減少するレベルまで低下させる。スワラを使用することによって均一な燃料/空気混合流を達成する燃料ノズルの一例を図1に示す。
図1は、ノズルの燃焼用空気の大部分を供給する入口流量調節器10を有する燃料ノズル1の斜視図である。入口流量調節器は、内径において連続的な円筒状内壁12により、外径において多孔性の円筒状外壁13により、上流側端部において多孔性の端部キャップ14により境界づけられる環状流体通路11を含む。流体通路11の中心には、1つ以上の環状転向翼15がある。予混合空気は、排気端部35を除いて組立体全体を取り巻く高圧プレナム21から入口流量調節器10内へ、端部キャップ14と円筒状外壁13との孔部を介して流入する。
燃焼用空気は、入口流量調節器10を出た後に、スワラ組立体(スウォズル組立体と呼ばれることもある)22に流入する。スワラ組立体22は、予混合器を通過する燃焼空気を旋回させる一連のエーロフォイル形転向翼により接続されるハブ23とシュラウド24とを含む。各転向翼は、エーロフォイルの心部を貫通する第1の流体供給路25と第2の流体供給路26とを含む。これらの流体供給路は、エーロフォイルの壁部を貫通する第1の燃料噴射穴(図示せず)と第2の燃料噴射穴(同じく図示せず)とに燃料及び/又は空気を分配する。これらの燃料噴射穴は、転向翼の正圧面側、負圧面側又は両側に配置され得る。燃料は、転向翼内の流体供給路25、26への送給を行う入口ポート31と環状流体通路32、33とを介してスワラ組立体22に流入する。燃料は、スワラ組立体22内で燃焼用空気との混合が開始し、燃料/空気の混合は、環状通路34内において完了する。環状通路34を出た後に、燃料/空気混合物は、燃焼が行われる燃焼器反応域35に流入する。
ノズル組立体の中心に、環状通路43からの燃焼用空気と、ガス穴44を介した燃料を受けるスロット付きガスチップ42を有する従来式の拡散炎燃料ノズル41がある。この燃料ノズルの本体は蛇腹部45を含み、このノズルと予混合器との間の熱膨張差を補償する。
米国特許第6,282,904号 米国特許第6,438,961号 米国特許第7,007,477号
異なる回路において燃料と空気とを移送するのに一般に用いられる図1の多重同心管設計は、少数の回路ではかなり良好に機能するが、回路の個数が増えると、パッケージ化と耐久性の確保とが困難になる。その結果、回路設計が制限される。さらに、ほとんどの燃料ノズルを構成する多数の肉薄同心管のいずれの側をも流体が流れるために、これらの管の金属は異なる金属温度になる。分離した金属管の温度差は、一般にろう付けされる管接続部において熱歪みを引き起こす。軸方向の歪みも問題となる。軸方向の歪みは、蛇腹部又はその他の適切な装置等の伸縮継手部によって緩和され得る一方で、ノズルの費用を増加させるとともに、パッケージ化の制約をもたらす。燃料ノズルの肉薄金属管の半径方向の歪みもノズル設計温度において重要になるが、半径方向の歪みを緩和することは一般に困難である。
肉薄金属管はある程度の曲げ剛性を達成する一方で、ノズルがその内部に使用されるタービンにより曲げ共振で駆動される危険がある。最後に、燃料回路の出口間における軸方向の分離により、回路を分離する継手の設計が厳しく制限され得る。その結果として継手の耐久性が犠牲にされかねない。
本発明の一態様に従って、燃料ノズルを提供する。このノズルは、ノズルチップがその内部に配置されるバーナ管を含む。フランジは、バーナ管に接続されるとともに、それぞれ第1及び第2の流体通路に流体接続される第1及び第2の流体入口を有する。略軸方向に延在する少なくとも第1及び第2の流路を有するステム部も設けられる。ステム部の流路は、互いから周方向に配置されるとともに、それぞれ第1及び第2の流体通路に流体接続される。スワラも含まれる。このスワラは、半径方向に延在する少なくとも第1及び第2の予混合路を有しており、各々の予混合路は、それぞれ第1及び第2の流路に流体接続され、フランジ及びステム部は単一の構成要素からなる。
本発明の他の態様に従って、燃料ノズル内において用いられる燃料ノズルマニホルドを提供する。このマニホルドは、それぞれ第1及び第2の流体通路に流体接続される第1及び第2の流体入口と、少なくとも第1及び第2の流路を有する、略軸方向に延在するステム部とを含み、第1の流路は、第2の流路から、ステム部の軸に対して偏心的に配置される。半径方向に延在する複数の翼を有するスワラを設ける。各々の翼は、半径方向に延在する少なくとも第1及び第2の予混合路を自身内に有しており、これらの予混合路は、それぞれ第1及び第2の流路に流体接続される。フランジ及びステム部の各々は、互いに嵌め合わされるとともに流路をそれぞれ第1及び第2の流体通路に流体接続してフランジとステム部との間において流体接続部を形成する別々の構成要素からなる。
本発明のさらに他の態様に従って、フランジとステム部とスワラとからなる燃料ノズルマニホルドを提供する。フランジは、半径方向に延在する第1の流体通路に流体接続される第1の流体入口を有し、ステム部は、軸方向に延在するとともに部分的にのみ周方向に延在する少なくとも第1の流路を有し、スワラは、半径方向に延在する少なくとも第1の予混合路を有する。フランジ及びステム部は、軸方向に延在する第1の流路を第1の流体通路に流体接続してフランジとステム部との間において流体接続部を形成する第1の同種の構成要素からなり、スワラは、第1の構成要素と一緒に取り付けられるとともに第1の予混合路と第1の流路とを流体接続する第2の構成要素からなる。
上記及びその他の利点と特徴とは、図面を参照して以下の説明を読むことにより、より明らかになろう。
従来技術の燃料ノズルの斜視断面図である。 本発明に従った燃料ノズルの断面図である。 本発明に従った図2のノズルの入れ子状の流体回路の図である。 図3の流体回路の部分端面図である。 本発明に従った燃料ノズルの一部分の分解図である。 図5に示された燃料ノズルの一部分の分解断面図である。 本発明の他の実施形態の分解断面図である。 図7の実施形態の流体回路の図である。 本発明のさらに他の実施形態の分解断面図である。 図9に示された実施形態の流体回路の図である。 本発明のさらにまた他の実施形態の分解断面図である。 図11に示された実施形態の流体回路の図である。
本発明と見なされる主題は、明細書の最後の特許請求の範囲に具体的に示されるとともに、明確に記載される。本発明の上記及びその他の特徴と利点とは、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより明らかになる。
詳細な説明は、図面を参照して、本発明の実施形態を例として利点及び特徴と併せて説明する。
本発明を限定することなく、特定の実施形態を参照して本発明を説明している図2〜6を参照すると、燃料ノズル100の断面図が示される。燃料ノズル100は、中心軸A上に位置するとともにステム部103を有するフランジ102に接続されるバーナ管101を含む。フランジ102及びステム部103は、カートリッジ穴104の入口側開口106と出口側開口108との間において延在するカートリッジ穴104の外周面105により形成される、流体接続される軸方向延在燃料カートリッジ穴104を含む。
フランジ102は、外側端部112と、バーナ管101が取り付けられる内側端部113との間において延在する外周面111を含む。ステム部103は、フランジ102のフィレット部分114から延在する。ステム部103は、端ぐり121まで先細になる外周面115を含む。この端ぐりから、略軸方向に延在する外周面123を有するスピンドル部分122が延在する。周面123は、出口開口107の環状端面124まで延在する。
図2、5及び6に示すように、スワラ(スウォズルとしても知られる)130は、ステム部103のスピンドル部分122に接続されている。スワラ130は、中間部分132と端部部分133とを有する軸方向延在ハブ部131を含む。ハブ部131は、中間部分132の環状当接面136とバーナ管101内において火炎域138に隣接する端部部分133の環状端面137との間に延在する、中心軸Aと同心をなす外周面134と内周面135とを含む。ノズルチップ108は、火炎域138に隣接して配置される。ノズルチップ108は、分かり易くするため、図2以外の全ての図において省略する。
スワラ130は、ステム部103に接続されて、マニホルド140を形成する。特に、環状当接面136は、端ぐり121と共同し、スピンドル部122の外周面123は、スワラ130の中間部分132の内周面135と実質的な係合接触状態となる。
外周面134及びハブ部131から、複数のスワラ翼151が延在する。当該技術分野において周知のように、スワラ翼は、後縁部153より大きい断面形状を持つ前縁部152を有するエーロフォイル形の外面156を有する。スワラ翼151は、外周面134から半径方向に延在するとともに、翼151を横切る方向に不均一な空気流の分配を行う複雑な外面156を有する。
各々の翼151は、第1の外側予混合路154及び第2の内側予混合路155として形成される中空の内部領域を含む。各々の翼151は、予混合路154及び155と外面156との間に延在する複数のオリフィス157を含む。内周面135は、周方向溝の形をなす、それぞれ第1の外側及び第2の内側プレナム161及び162を含む。図6に最も分かり易く示されるように、予混合路154及び155は、出口オリフィス163により第1及び第2のプレナム161及び162に流体接続される。
次に、本発明の流体回路を説明する。流体回路は、マニホルド140内に配置される。図3及び4は、本発明の理解を促進するために、空洞構造である流体回路を示している。分かり易くするため、図5及び6を参照してマニホルド140内の流体回路を、図3及び4に示される同じ参照符号を有する流体回路と互換的に説明する。フランジ102は、該フランジ102の外周面111上に配置される第1の外側予混合流体入口171を含む。カートリッジ穴入口173と内側予混合流体入口174とは、フランジ102の外側端部112に配置される。入口171は、周方向に延在する外側予混合流体通路175と流体接続される一方で、入口174は、半径方向に延在する内側予混合流体通路176と流体接続される。
ステム部103は、外側予混合流体通路175に流体接続されるとともに各々が互いから周方向に配置され、かつ中心軸Aから偏心的に配置される離散的な流路である、略軸方向に延在する複数の外側予混合流路181を含む。本明細書において用いられる場合、偏心的又は偏心的配置とは、流路が中心軸のまわりに配置されるのではなく、燃料ノズル100の中心軸Aから偏移した中心を有することを意味する。3本の離散的な流路181を外側予混合流体通路175から延在させることが考案され、図3及び4には、これらの内の1本の流体通路を示す。さらに、ステム部103は、内側予混合流体通路176に流体接続されるとともに中心軸A及び外側予混合流路181の双方から偏心的に配置される、略軸方向に延在する内側予混合流路182を含む。図3〜6に最も分かり易く示されるように、予混合流路181及び182は、それぞれスピンドル部122上のオリフィス開口183及び184で終端する。ステム部103がスワラ130に取り付けられると、オリフィス183及び184は、それぞれプレナム161及び162と連通して、流路181及び182と予混合流体通路154及び155との間における、それぞれプレナム161及び162を介した流体連通を可能にする。
拡散空気は、半径方向に延在する拡散空気流通路186を介してステム部103内に導入される。図4に最も分かり易く示されるように、軸方向に延在する3本の拡散流路188に個別に流体接続される3本の各流体通路186がある。拡散流路188は、中心軸Aに対して、かつ流路181及び182に対して偏心的に配置される。拡散流路188は、環状端面124のオリフィス開口191で終端する。その後、拡散空気は、図2に示されるように、ハブ部131内において、カートリッジ穴104内に配置される拡散管194とハブ部131の内周面135との間に形成される環状拡散空気流通路193に沿って流れて、最終的に拡散空気は火炎域138内へと流出する。
本発明のマニホルド140は、流体回路を形成するために、フランジ102とステム部103とからなる厚壁の単一ステム部構成要素195内において、周方向に分離した燃料及び空気流路181、182及び188を用いる。これらの分離した流路は、中心軸Aに対して偏心しており、それゆえ多数の構成が可能である。図2〜6の実施形態において、フランジ102及びステム部103の各々は、互いに嵌め合わされる単一の構成要素からなり、流体回路の独特な構成を可能にする。フランジ102及び103の各々の単一の構成要素は、各々が単一の一体的構成要素となるようにインベストメント鋳造法によるか、離散的な個別部品を溶接して単一の構成要素を形成させることによるか、又はその他の周知の製造方法によって形成され得る。実際に、マニホルド140全体が、インベストメント鋳造法、ダイカスト又は本明細書に記載または当該技術分野において周知のその他の製造方法の一つ等によって、製造時に単一の構成要素の状態に形成され得る。
燃料は、流体通路175及び176に流入する一方で、拡散空気は、フランジ102とステム部103との両方を介してステム部構成要素195内の流体通路186に流入する。燃料は、流体通路175、176から流出して、プレナム161及び162に送給を行うとともにさらにスワラ翼151内の個別の予混合路154及び155に送給を行う、軸方向に分離した流路181及び182内に流入する。拡散空気は、環状拡散空気流通路193に送給を行う、軸方向に分離した流路188内に流入する。
厚壁のステム部構成要素195は、燃料ノズル内の温度勾配による熱歪みを改善する。特に、壁の厚さと高温及び低温の回路の分離とによって、熱歪みは最小限に抑えられる。工数及び部品点数もマニホルド140により大幅に減少する。マニホルド140は、ステム部構成要素195と、インベストメント鋳造法、ダイカスト、離散的な個別部品を溶接して単一の構成要素を形成させること又はその他の周知の製造方法等により、一体的な構成要素の状態に製造された単一鋳物部品であるスワラ130とからなることが理解されよう。マニホルド140は、さらにまた、図1に示した蛇腹部45と多数の同心管とこれらの同心管を接続するために必要なろう付けとを排除することを可能にする。また、厚壁の構成要素のマニホルド140により、有意な曲げ剛性が達成される。流体回路は、軸方向に分離するため、流路181、182及び188は連続した真鍮部分からなり、薄壁の管を互いに取り付ける場合につきものの応力集中が解消される。
次に、本発明のまた他の実施形態を示し、同様の構成要素が同様の参照符号で示す図7及び8を参照すると、ステム部構成要素295は、多数の流体通路275、276及び277を含む。流体通路275、276及び277は、それぞれ多数の流路281、282及び283に送給を行う。流路281、282及び283は、それぞれスワラ230の内周面235上に配置される燃料プレナム261、262及び263に送給を行うとともに、これらのプレナムと連通し、これらのプレナムは、周方向溝の形状をなす。スワラ230の追加の燃料プレナム264及び265は、流路(図示せず)から送給を受ける。
本発明のステム部構成要素195又は295内に、流路及び燃料プレナムをいくつでも内蔵させ得ることが理解されよう。さらに、流路は、個別の流体プレナム又は多数の所定の流体プレナムと連通し得る。本実施形態において、燃料プレナム261、262、263、264及び265は、それぞれ燃料プレナム261、262、263、264及び265から延在する個別の予混合路251、252、253、254及び255と連通する。多数の予混合路は、各燃料プレナムから延在し得る。例えば、多数の予混合流体通路252は、図8に示すように、燃料プレナム262から延在する。各々の予混合路251、252、253、254及び255は、個別の出口オリフィス257で終端する。この「高度に調整可能な」実施形態は、独立して分配される燃料流をスワラ翼229の負圧面側(圧力流が減ずる)及び/又はスワラ翼229の正圧面側(圧力流が加圧される)だけでなく、各々のスワラ翼229上の内側、中央及び/又は外側位置において半径方向に導くことができる非常に柔軟な燃料ノズルを得ることを意図するものである。この柔軟性により、システムは様々な燃料混合方法を探ることができ、これは、排出量と出力と効率との兼ね合いにおいて利点となり得る。特定の要件に合わせて、先行技術ほど複雑ではない燃料ノズルを作ることができるとともに、燃焼効率と出力と排出量とにおいて技術を進歩させることができる。複雑ではない燃料ノズルにローカルな複数の「スイートスポット」を作ることができ、燃焼効率、出力及び排出量において優れた結果をもたらす。
また、図7及び8の実施形態は、ステム部構成要素295内の拡散空気に関する従来的な構成を示している。拡散空気は、流体通路281及び282を介してステム部構成要素295内に導入される。その後、拡散空気は、カートリッジ穴204内において周方向に流れる。
図9及び10の実施形態において、フランジ302及びステム部303は、それぞれ独立した構成要素を形成する。独立した構成要素のフランジ302、ステム部303及びスワラ構成要素330は、互いに嵌め合わされると、マニホルド340を形成する。この変化に対応するため、外側予混合燃料プレナム311及び内側予混合燃料プレナム312は、それぞれ半径方向に延在する流体通路175及び176と軸方向に延在する流体通路181及び182との間に挿入される。フランジ302は、内側に凹部が成形されて燃料プレナム311及び312を形成する内周面305を有するソケット部304を含む。組立時に、ソケット部304は、ステム部303のスリーブ部306を受けて、燃料プレナム311及び312をそれぞれ流路181及び182と流体連通させる。
図11及び12に示されるさらにまた他の実施形態において、ステム部構成要素495は、一連の内側周方向隆起部405と隆起部405を分離する一連の軸方向延在凹状溝部406とによって形成される拡散燃料カートリッジ穴404を有する。内側隆起部405は、穴404の内径を定める一方で、軸方向に延在する一連の凹状溝部406は、燃料カートリッジ穴404の外径を定める。内側隆起部405により、図11の切取部分として示す拡散燃料カートリッジ407を支持する追加の剛性と、燃料ノズルの根本的な曲げ周波数を高めるさらに一段と高い曲げ剛性とがもたらされる。
限られた実施形態のみに関して本発明を詳細に説明したが、本発明がこのような開示の実施形態に限定されないことは、容易に理解されよう。むしろ、本発明を改変して、上記には記載されていないが、本発明の精神及び範囲に相応するいかなる変形例、変更、置換又は同等の構成を組み込むこともできる。また、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は、上記の実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
45 蛇腹部
100 燃料ノズル
101 バーナ管
102 フランジ
103 ステム部
104 カートリッジ穴
105 外周面
106 入口側開口
107 出口開口
108 出口側開口
111 外周面
112 外側端部
113 内側端部
114 フィレット部分
115 外周面
121 端ぐり
122 スピンドル部分
123 周面
124 環状端面
130 スワラ
131 ハブ部
132 中間部分
133 端部部分
134 外周面
135 内周面
136 当接面
138 火炎域
140 マニホルド
151 スワラ翼
152 前縁部
153 後縁部
154 第1の外側予混合路
155 第2の内側予混合路
156 外面
157 複数のオリフィス
161 第1の内側プレナム
162 第2の内側プレナム
163 出口オリフィス
171 第1の外側予混合流体入口
173 カートリッジ穴入口
174 内側予混合流体入口
175 外側予混合流体通路
176 内側予混合流体通路
181 外側予混合流路
182 内側予混合流路
183 オリフィス開口
184 オリフィス開口
186 拡散空気流通路
188 拡散流路
191 オリフィス開口
193 環状拡散空気流通路
194 拡散管
195 単一ステム部構成要素
229 スワラ翼
251 予混合路
252 予混合路
253 予混合路
254 予混合路
255 予混合路
257 出口オリフィス
261 燃料プレナム
262 燃料プレナム
263 燃料プレナム
264 燃料プレナム
265 燃料プレナム
275 多数の流体通路
276 多数の流体通路
277 多数の流体通路
281 多数の流路
282 多数の流路
283 多数の流路
295 ステム部構成要素
302 フランジ
303 ステム部
304 ソケット部
305 内周面
306 スリーブ部
311 外側予混合燃料プレナム
312 内側予混合燃料プレナム
330 スワラ構成要素
404 拡散燃料カートリッジ穴
405 内側隆起部
406 凹状溝部
407 拡散燃料カートリッジ
495 ステム部構成要素

Claims (9)

  1. 中心軸と、該中心軸に配置されるノズルチップとを有するバーナ管(101)と、
    前記バーナ管(101)に接続されるとともに、それぞれ第1及び第2の流体通路(175、176)に流体接続される第1び第2の流体入口(171、174)を有するフランジ(02)と、
    略軸方向に延在する少なくとも第1及び第2の流路(181、182)を有するステム部(103)であって、前記第1及び第2の流路(181、182)は互いから周方向に離間して配置されるとともに、それぞれ前記少なくとも第1及び第2の流体通路(175、176)に流体接続されるステム部(103)と、
    半径方向に延在する少なくとも第1及び第2の予混合路(154、155)を有するスワラ(130)であって、各々の前記予混合路は、それぞれ少なくとも第1及び第2の流路(181、182)に流体接続されるスワラ(130)と
    を含む燃料ノズル(100)であって
    前記フランジ(02)及び前記ステム部(103)は、それぞれ単一の構成要素を備えており、前記ステム部(103)が、略軸方向に延在する第3の流路(188)を含んでいて、第3の流路(188)が、半径方向に延在する第3の流体通路(186)と前記ステム部(103)の内面上の環状チャンバ(193)との間に延在しているとともに、前記第3の流路(188)は、前記第3の流体通路(186)と前記環状チャンバ(193)とに流体接続される、燃料ノズル(100)。
  2. 前記スワラ(130)は、前記ステム部(103)と一緒に取り付けられる単一の構成要素である、請求項1に記載の燃料ノズル(100)。
  3. 第1及び第2の流体通路(175、176)は、前記第1及び第2の流路(181、182)に半径方向に送給を行う、請求項1又は請求項2に記載の燃料ノズル(100)。
  4. 前記スワラ(130)は、複数の翼(151)を含み、前記翼(151)の各々は、前記半径方向に延在する少なくとも第1又は第2の予混合路(154、155)の少なくとも一方を有し、前記翼(151)の各々は、外面上において少なくとも第1のオリフィス(157)と第2のオリフィス(157)とを含み、前記少なくとも第1及び第2のオリフィス(157)の各々は、前記少なくとも第1及び第2の予混合路(154、155)の一方のみに流体接続される、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料ノズル(100)。
  5. 前記第3の流路(188)は、前記中心軸から偏心的に配置される、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の燃料ノズル(100)。
  6. 前記第1の流路(181)と前記第1の予混合路(154)とに流体接続される第1のプレナム(161)を含む、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の燃料ノズル(100)。
  7. 前記第2の流路(182)と前記第2の予混合路(155)とに流体接続される第2のプレナム(162)を含む、請求項に記載の燃料ノズル(100)。
  8. 前記スワラ(130)は、前記ステム部(103)と連通する内面を有し、前記第1及び第2のプレナム(161、162)の各々は、前記内面上において少なくとも部分的に延在する周方向溝を備える、請求項に記載の燃料ノズル(100)。
  9. 前記フランジ(102)と前記ステム部(103)の各々は、流体接続される軸方向延在燃料カートリッジ穴(404)を含み、前記穴(404)は、軸方向に延在する一連の凹状溝部(406)と隆起部(40を備える外面により形成される、請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の燃料ノズル(100)。
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