JP5588696B2 - タービンエンジン内での燃料噴射のためのシステム - Google Patents

Description

本開示は、概してタービンエンジンに関し、より具体的には、改良された液体カートリッジを備える燃料ノズルに関する。

液体燃料と空気との混合は、タービンエンジンなどの様々なエンジンのエンジン性能および排出物質に影響を及ぼす。例えば、タービンエンジンは、燃焼器内での燃料と空気との混合を促進するために１つまたは複数の燃料ノズルを使用することができる。各燃料ノズルは、燃焼器内での液体燃料および空気の分配および混合を可能するための液体カートリッジを有することができる。液体カートリッジは、先端部分と、セントラルボディと、燃料、空気および水の供給装置に連結されるように構成されるフランジとを有することができる。

米国特許第７１０４０７０号公報

残念なことに、先端部の構成およびその構成要素が流れの乱れおよび摩耗の原因となる場合があり、それにより、液体カートリッジの交換および／またはメンテナンスが必要となる場合がある。また、セントラルボディの構成では、流体が流れて通過する本体のチャンバ内に支持物が必要となる。セントラルボディはまた、セントラルボディ内に支持物があるために、先端部に対して特別に位置を調整される必要がある場合があり、それにより液体カートリッジの複雑さが増す。加えて、フランジが複数の構成要素を有する場合もあり、それにより複雑さおよびコストが増大される。その結果、液体カートリッジは、この組立体の複雑さと望ましくない摩損によるメンテナンスとのためにコストが増大する場合がある。

請求項に係る新規の発明の範囲に相応するいくつかの実施形態を以下で概説する。これらの実施形態は、請求される本発明の範囲を限定することを意図せず、単に本発明の考えられる形態の概要を示すことを意図する。実際に、本発明は、以下に記載する実施形態に類似していてよいまたはそれらと異なっていてよい様々な形態を包含することができる。

第１の実施形態では、システムが、タービンエンジンの燃料ノズル内に取り付けられるように構成される液体カートリッジを有し、この液体カートリッジは、噴霧用空気用先端具（ａｔｏｍｉｚｉｎｇ ａｉｒ ｔｉｐ）と、噴霧用空気用先端具内で同軸に配置される水用先端具（ｗａｔｅｒ ｔｉｐ）と、水用先端具内で同軸に配置される燃料用先端具（ｆｕｅｌ ｔｉｐ）とを有する。液体カートリッジはまた、噴霧用空気用先端具と水用先端具との間で同軸に配置され、噴霧用空気用先端具にしっかりと固定されるシュラウドと、燃料用先端具内で同軸に配置される燃料インサート（ｆｕｅｌ ｉｎｓｅｒｔ）とを有しており、燃料インサートは、液体カートリッジを通る流れの下流側の軸方向において径方向に延在する上流側端部分を有する。

第２の実施形態では、システムは、タービンエンジンの燃料ノズル内に取り付けられるように構成される液体カートリッジを有する。液体カートリッジは、液体カートリッジの同軸管を径方向に分離するスタンドオフを有しており、このスタンドオフは、同軸管間に等しいサイズの複数のチャネルを確定しており、液体カートリッジの中心軸を中心として対称である。

第３の実施形態では、システムは端部カバーおよび液体カートリッジを有する。液体カートリッジはタービンエンジンの燃料ノズル内に取り付けられるように構成されており、また、端部カバーに連結されるように構成される一部品のフランジを有し、このフランジは、水入口、空気入口および燃料入口を有する。

複数の図面を通して同様の参照符号が同様の部品を示している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、本発明の上記および他の特徴、態様および利点がより良く理解される。

本技術の一部の実施形態による、改良された液体カートリッジを備える燃料ノズルを有するタービンシステムのブロック図である。 本技術の一部の実施形態による、図１に示したタービンシステムの一部切欠側面図である。 本技術の一部の実施形態による、複数の液体カートリッジが燃焼器の端部カバーに連結されている、図１に示した燃焼器の一部切欠側面図である。 本技術の一部の実施形態による、図３に示した液体カートリッジの斜視図である。 本技術の一部の実施形態による、図４に示した液体カートリッジの側断面図である。 本技術の一部の実施形態による、図４に示した液体カートリッジの端部断面図である。 本技術の一部の実施形態による、噴霧用空気用先端具、水用先端具および燃料インサートを有する、図４に示した液体カートリッジの先端部の詳細な側断面図である。

本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を以下で説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するためには、実際の実施態様のすべての特徴を本明細書で説明することはできない。任意のこのような実施態様を開発するにあたって、いかなる工学的プロジェクトまたは設計プロジェクトにおいても、システムに関連する制約および事業に関連する制約に適合させるといったような、実施態様ごとに変わる可能性がある開発者の明確な目的を達成するためには、実装仕様に関する多くの決定を行わなければならないことを理解されたい。また、このような開発努力は複雑で時間がかかるものである可能性があるが、それは、本開示の恩恵を受ける当業者にとって、通常行われている設計、製作および製造の仕事であることを理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入するにあたって、「１つの」、「その」、「この」、「それらの」、「これらの」、「上記の」という表現は、１つまたは複数の要素が存在することを意味するものである。「有する」、「含む」という表現は、包括的であり、列挙された要素以外に追加の要素が存在する可能性があることを意味するものである。

以下で詳細に考察するように、タービンエンジンの性能を向上させるのに、タービン燃料ノズル用の様々な実施形態の液体カートリッジが使用され得る。これらの液体カートリッジはタービン燃料ノズルの内側に配置されてよく、さらに、タービンシステム内で液体燃料を使用するのを可能にするために燃焼器の端部カバーに連結され得る。例えば、複数の実施形態の液体カートリッジは改良された先端部分を有することができ、この場合、逆流および摩耗を軽減するために、シュラウドが噴霧用空気用先端具にしっかりと固定される。また、先端部分は、燃料用先端具を通る燃料流れを改善するように構成される燃料用先端具インサート（ｆｕｅｌ ｔｉｐ ｉｎｓｅｒｔ）を有する。具体的には、燃料用先端具インサートは下流側において径方向に延在しており、それにより、燃料が液体カートリッジを通って滑らかに流れることが可能となる。一実施形態では、液体カートリッジは、セントラルボディ内に、液体カートリッジの剛性を増大させかつ液体カートリッジの複雑さを軽減するように構成されるスタンドオフまたはスペーサを有する。スタンドオフは、例えば、セントラルボディの軸を中心に対称である正方形断面を有していてよい。スタンドオフは、水および／または空気が液体カートリッジの先端部分まで流れるのを可能にするための、等しいサイズの４つのチャネルを形成する。さらに、これらのスタンドオフにより、スタンドオフの回転方向を考慮することなくセントラルボディを先端部分に接続させることが可能となり、それにより液体カートリッジの製造が容易になる。一部の実施形態では、液体カートリッジは、空気入口、水入口および燃料入口を含む単一部品のフランジを有する。この単一部品のフランジは鋳造合金で作られていてよく、それにより、製造工程が簡単になり、分離している構成要素のコストを軽減することができる。さらに、単一部品のフランジでは、フランジ内の構成要素が減少することにより耐久性が向上する。開示する実施形態では、液体カートリッジの性能および耐久性が向上すると共に、その複雑さおよび製造コストが軽減される。

図１は、本技術の一部の実施形態によるタービンシステム１０の一実施形態のブロック図である。以下で詳細に考察するように、開示されるこれらの実施形態は、タービンシステム１０の性能および耐久性を向上させるように設計された改良された液体カートリッジを備える燃料ノズル１２を使用する。タービンシステム１０は、タービンシステム１０を動かすために、液体燃料、および／または、天然ガスなどのガス燃料、および／または、ナフサ、石油蒸留物もしくは成分燃料などの石油ベースの液体燃料を使用することができる。図示されるように、燃料ノズル１２は、燃料供給装置１４から燃料を取り入れて、燃料と空気とを混合して、空気−燃料混合物を燃焼器１６内へと分配する。空気−燃料混合物は燃焼器１６の中のチャンバ内で燃焼され、それにより、圧縮された高温の排気ガスが生成される。燃焼器１６は、タービン１８を介して排気ガスを排気ガスアウトレット２０に送る。排気ガスがタービン１８を通過するとき、排気ガスがタービン羽根を押し込み、それによりシャフト２１がシステム１０の軸に沿って回転する。示されるように、シャフト２１は、圧縮機２２を含めたタービンシステム１０の種々の構成要素に接続されている。圧縮機２２もシャフト２１に連結された羽を有する。したがって、シャフト２１が回転するときに圧縮機２２内の羽も回転し、それにより、空気取入口２４からの空気が圧縮機２２を通って燃料ノズル１２および／または燃焼器１６内へと圧縮される。シャフト２１は、発電所内の発電機または航空機のプロペラなどの、輸送機関または常時荷重であってよい負荷２６にも連結される。負荷２６は、タービンシステム１０の回転出力によって動力を供給される任意適当な装置であってよい。以下で詳細に説明するように、燃料ノズル１２は、タービンシステム１０に動力を供給するのに液体燃料を使用することを可能にするように構成される液体カートリッジを有することができる。また、この液体カートリッジは、先端部分、セントラルボディ内のスタンドオフ、およびフランジを改良したものを有しており、これらにより、複雑さおよびコストが軽減され、性能が向上し、製造が容易になる。

図２は、タービンシステム１０の一実施形態の一部切欠側面図である。タービンシステム１０は、開示する実施形態の独自の態様に従った、１つまたは複数の燃焼器１６の内側に配置される１つまたは複数の燃料ノズル１２を有する。一実施形態では、６つ以上の燃料ノズル１２が個々の燃焼器１６の基部に環状配列あるいは別の配列で装着されていてよい。また、タービンシステム１０は、環状に配置された複数の燃焼器１６（例えば、４、６、８、１２個）を有することができる。空気は空気取入口２４を通ってタービンシステム１０に入り、圧縮器２２内で圧縮されてよい。圧縮された空気は、次いで、燃焼器１６内で燃焼を行うために、燃料ノズル１２により燃料と混合される。例えば、燃料ノズル１２は、最適な燃焼、排出物質、燃料消費および動力出力に適した比率で燃料−空気混合物を燃焼器内に噴射することができる。燃焼により、圧縮された高温の排気ガスが生成されると、タービン１８内の羽が駆動されてシャフト２１が回転し、次いで圧縮機２２および負荷２６が駆動される。図示されるように、タービン羽根１７が回転することによりシャフト２１が回転し、それにより圧縮機２２内の羽根１９が空気を吸い込んでその空気を圧縮する。したがって、タービンシステム１０の排出ガス性能を向上させるためには、燃料ノズル１２により空気と燃料との流れが適切に混合されて配置されることが重要となる。以下で説明するように、燃料ノズル１２は液体カートリッジを有しており、この液体カートリッジは、複雑さおよびコストを軽減し、性能を向上させ、製造を容易にするような、先端部分、セントラルボディ内のスタンドオフ、およびフランジを改良したものを有する。例えば、液体カートリッジは、セントラルボディ内に、液体カートリッジの剛性を増大させてその複雑さを軽減するように構成されるスタンドオフを有することができる。スタンドオフはセントラルボディの軸を中心に対称であってよく、また、空気および／または水が下流方向に流れるための等しいサイズの複数のチャネルを有することができる。具体的には、これらのスタンドオフは液体カートリッジの支持物を強化するものであり、また、液体カートリッジの他の構成要素から独立して方向付けされることから、製造の複雑さおよびコストが軽減される。

図２に示した燃焼器１６の一実施形態の詳細な図を図３に示す。この図では、複数の燃料ノズル１２が、燃焼器１６の基部に近接する端部カバー３０に装着されている。一実施形態では、６つの燃料ノズル１２が端部カバー３０に装着される。圧縮された空気および燃料は端部カバー３０を介して個々の燃料ノズル１２に送られ、個々の燃料ノズル１２が空気−燃料混合物を燃焼器内１６へと分配する。燃焼器１６は、ケーシング３２、ライナ３４および流れスリーブ（ｆｌｏｗ ｓｌｅｅｖｅ）３６によって概して画定されるチャンバを有する。一部の実施形態では、流れスリーブ３６およびライナ３４は互いに同軸であり、中空の環状空間３５を画定する。圧縮機２２からの空気は、流れスリーブ３６内のパーフォレーションを介して中空の環状空間３５に入ることができ、次いで、端部カバー３０および燃料ノズル１２に向かって上流側へ流れて、燃料ノズル１２を介して燃焼領域に入る前にライナ３４を冷却する。ケーシング３２、ライナ３４および流れスリーブ３６の設計により、トランジションピース３８（例えば、収束区間）を通ってタービン１８に向かう下流方向への空気−燃料混合物の最適な流れが作られる。例えば、燃料ノズル１２は、ライナ３４を介して、圧縮された空気−燃料混合物を燃焼器１６内へ分配することができ、そこで混合物の燃焼が行われる。得られた排気ガスはトランジションピース３８を通ってタービン１８まで流れ、それによりタービン１８の羽根がシャフト２１に沿って回転する。理想的な燃焼プロセスでは、空気−燃料混合物は、燃焼器１６内の燃料ノズル１２の下流で燃焼される。また、各燃料ノズル１２は液体カートリッジ７０を有する。液体カートリッジ７０は燃料ノズル１２内に配置されてよく、先端部分の構成要素用に改良されたデザインを有していてよい。さらに、液体カートリッジ７０は、セントラルボディ内に、燃焼器の製造時において剛性を向上させその複雑さを軽減するように設計されたスタンドオフを有する。液体カートリッジ７０はまた、液体カートリッジ７０を端部カバー３０に連結させるように構成される一部品からなる単純なフランジを有する。

図４は、耐久性の向上およびコストの軽減を可能にする改良点を含む液体カートリッジ７０の一実施形態の斜視図である。図示されるように、液体カートリッジ７０は、液体カートリッジ７０のダウンタイムを低減してその性能を向上させるように設計されたいくつかの構成要素および材料を含む先端部分７２を有する。以下で詳細に説明するように、改良された先端部分７２は、過度の摩耗、過度の過熱、およびメンテナンスに関するその他の問題に対して耐性を有する可能がある成分の、コバルト−クロム合金またはコバルト合金Ｌ６０５などのコバルト基合金を含んでいてよい。さらに、この改良された先端部分７２は、望ましくない空気流れを防止して先端部分７２を通る燃料流れを改善するように設計されていてもよく、それにより液体カートリッジ７０の性能が向上する。液体カートリッジ７０はまた、水、空気および燃料がタービン燃焼器まで流れるのを可能にすることができるセントラルボディ７４を有する。一実施形態では、セントラルボディ７４は、構造的剛性を改善して変形に耐えるために本体およびその空洞内に支持物を有することができる。以下で詳細に説明するように、セントラルボディ７４は、セントラルボディ７４を支持するように設計されたスタンドオフを有することができ、それによりその構造的剛性が改善される。液体カートリッジ７０はまた、孔７８を介して燃焼器の端部カバー３０にボルトで固定されてよいフランジ７６を有する。さらに、フランジ７６は、燃料入口８０、空気入口８２および水入口８４を含む、種々の流体用の入口を有する。フランジ７６の設計は、フランジ７６が鋼または金属合金あるいは他の耐久性の高い材料の鋳造などにより一部品で形成され得るようになされる。フランジ７６が一部品構造体であることにより、フランジを含めた構成要素の数が減少し、それによりフランジ７６の複雑さが軽減される。その結果、製造コスト、摩損、および製造の複雑さが軽減される。別の実施形態では、フランジ７６および液体カートリッジ７０は単一部品として鋳造されてよく、それにより複雑さおよびコストをさらに軽減することができる。また、セントラルボディ７４内のスタンドオフおよび先端部分７２の構成要素の設計により、液体カートリッジ７０の性能および耐久性を向上させることができる。

図５は、液体カートリッジ７０の一実施形態の側断面図である。この液体カートリッジ７０の詳細な断面図は、液体カートリッジ７０内の空洞および構造体を示している。中央燃料管８６が液体カートリッジ７０の中に配置されていてよく、それにより、燃料入口８０からの燃料を先端部分７２に流体連通させることが可能となる。例えば、燃料入口８０は、ホースまたは管を介して燃料タンクなどの液体燃料供給装置に連結されてよい。また、燃料ホースの燃料入口８０への連結は、ねじ込み式連結、溶接、ろう付け、または他の適当な漏れのない連結を含めた任意適当な機構によってなされてよい。燃料管８６内の燃料用の空洞８８を通る燃料入口８０からの液体燃料の流れにより、燃焼を行うために空気および水と混合される燃料が燃焼器に供給され、その燃焼によってタービン羽根が駆動される。

同様に、水管９０が燃料管８６の外側で同軸に配置されていてよい。また、水管９０と燃料管８６との間に位置される水用の空洞９２により、水入口８４からの水を先端部分７２に流体連通させることが可能となる。さらに、燃焼流体の質量を増大させて燃焼タービン全体の動力を上げるために、先端部分７２から燃焼領域に水が噴射される。以下で詳細に考察するように、水用の空洞９２は、液体カートリッジ７０の構造的剛性を改善するために、燃料管８６の壁と水管９０の壁との間でセントラルボディ７４の中央に位置されるスタンドオフ１００を有することができる。

さらに、空気管９４が水管９０の外側で同軸に配置されてよい。空気用の空洞９６が空気管９４と水管９０との間に配置されてよく、それにより、燃焼領域内へ噴射するために空気入口８２からの空気を先端部分７２に流体連通させることが可能となる。また、空気用の空洞９６は、空気管９４の壁と水管９０の壁との間に構造的剛性をもたらしそれらを補強するように構成されておりセントラルボディ７４内の中央に配置されるスタンドオフ１０２または他の構造的支持物を有することができる。

図示されるように、空気、水および燃料は、燃料ノズル１２を介してタービンの燃焼器１６内へ噴射されるために先端部分７２に向かって下流方向９８に流れることができ、それにより、タービンエンジン１０を駆動させるための燃焼が可能となる。示されるように、管８６、９０および９４が同軸すなわち同心円状に配置されることから、空気、水および燃料の流れは概して互いに同軸すなわち同心となる。同様に、スタンドオフ１００および１０２も同じ軸方向位置または別の軸方向位置で互いに同軸すなわち同心である。スタンドオフ１００および１０２により、液体カートリッジ７０の剛性が改善され、液体カートリッジが力を受けるときの共振および／または曲げも軽減される。具体的には、スタンドオフ１００および１０２により管組立体（８６、９０および９４）の硬さが増大され、液体カートリッジ７０の組立体の共振振動数が変化する。一実施形態では、スタンドオフ１００および１０２は液体カートリッジの共振振動数を機械の回転体の原理的な駆動振動数から変化させる。したがって、スタンドオフ１００および１０２により液体カートリッジ７０の耐久性および性能は向上する。スタンドオフ１００および１０２はスペーサと称されてもよく、これらのスタンドオフまたはスペーサにより、カートリッジのチャンバを介した流体の移動を可能としながら液体カートリッジ７０に構造的支持物が形成される。一実施形態では、内側スタンドオフ１００および外側スタンドオフ１０２が、液体カートリッジ７０の空洞内の支持物を強化するために、同一の軸方向位置でセントラルボディ７４の中央付近に配置される。別の実施形態では、スタンドオフ１００および１０２は複数の軸方向位置に配置されてよく、ここでは、スタンドオフ１００および１０２の軸方向位置は同一であっても異なっていてもよい。例えば、液体カートリッジ７０は、等間隔の軸方向位置のところで離隔される、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、９つまたは１０個のスタンドオフ１００および１０２を有することができる。スタンドオフの数、サイズおよび位置は、液体カートリッジ７０の長さおよびスタンドオフ自体の長さならびに作動条件によって決定されてよい。図示されるように、液体カートリッジ７０は相対的に他のカートリッジより短くてよく、したがって、１つのスタンドオフ１００および１つのスタンドオフ１０２のみを有していてよい。スタンドオフ１００および１０２は、図示されるように、管９４および９０の中で別個に位置を調整されるまたは方向付けされてよい。さらに、セントラルボディ７４の設計により液体カートリッジ７０の剛性を改善することが可能であり、それにより耐久性および性能が向上する。

図６はセントラルボディ７４の端部断面図である。内側スタンドオフ１００が燃料管８６と水管９０との間に配置される。図示されるように、内側スタンドオフ１００は正方形であり、セントラルボディ７４の中心軸すなわち中心点１０５を中心に対称である。外側スタンドオフ１０２が空気管９４と水管９０との間に配置される。外側スタンドオフ１０２もやはり正方形で中心点１０５を中心に対称となっている。図示されるように、内側スタンドオフ１００により空洞すなわちチャネル１０４を通って水が流れることが可能となる。一実施例では、チャネル１０４はすべて同じサイズであり、やはり、図示した断面の中心点１０５を中心に対称である。また、外側チャネル１０６により、液体カートリッジ７０の先端部分７２に向かって空気が流れることが可能となる。さらにまた、空洞すなわちチャネル１０６も等しいサイズで、セントラルボディ７４の断面の中心点１０５を中心に対称である。図示されるように、内側スタンドオフ１００と外側スタンドオフ１０２は、各々のスタンドオフの正方形の側面が平行となるように位置の調整を行うことができる。

一部の実施形態では、内側スタンドオフ１００および外側スタンドオフ１０２は、単純多角形、三角形、五角形、六角形、または、セントラルボディ７４内の空洞を支持するように構成される他の幾何形状を含めた別の形状であってもよい。スタンドオフ１００および１０２は、同一の形状であっても、例えば、正方形および三角形、正方形および五角形、正方形および六角形、五角形および三角形、五角形および六角形などのように、異なる形状であってもよい。また、別の実施形態で内側スタンドオフ１００および外側スタンドオフ１０２の位置を調整することはできない。

内側スタンドオフ１００および外側スタンドオフ１０２が対称型構成であることにより、先端部分７２を含めた液体カートリッジ７０の隣接する構成要素から独立させてセントラルボディ７４を方向付けすることが可能となる。セントラルボディ７４は、中心軸すなわち中心点１０５を中心としたその回転方向とは無関係に方向付けされ得る。具体的には、内側スタンドオフ１００および外側スタンドオフ１０２により、液体カートリッジ７０内の流れおよび空洞に対してのスタンドオフの位置の調整を考慮することなく、任意の回転方向でセントラルボディ７４を先端部分７２に接続することが可能となる。スタンドオフとは無関係に方向付けすることで、スタンドオフ１００および１０２によってもたらされる流れ用の空洞の対称性により、使用者は、液体カートリッジ７０の回転方向を考慮することなく、液体カートリッジを先端７２およびフランジ７６などの隣接する構成要素と組み合わせることができる。詳細には、このような対称性により、管を通る流れ場がスタンドオフ１００および１０２に位置の影響を受けることがなくなる。１つのスロットを有する、すなわち１つのスロットを介して複数のスタンドオフが位置を調整されるような、非対称の実施形態では、流体が作り出す流れ方向は、先端部の出口流れ用スワール（ｅｘｉｔ ｆｌｏｗ ｓｗｉｒｌ）に到達するように方向付けされなければならない場合がある。対称性のスタンドオフ１００および１０２は流れの回転を引き起こさないことから、出口において流れに影響を与えない。一部の実施形態では、スタンドオフ１００および／または１０２は、中心点１０５を中心に非対称性の流路配置を画定してもよい。このような実施形態では、液体カートリッジの隣接する構成要素から独立させてセントラルボディ７４を方向付けすることはできない。例えば、スタンドオフ１００および１０２は、流れのための単一のチャネルを備えるＣ形であってよく、その場合、先端部分７２に対して位置を調整する必要があり、組み立ておよび製造がさらに複雑になる。

図７は、耐久性および性能を強化するために設計および材料における改良点を含んでいる、先端部分７２の詳細な側断面図である。先端部分７２は、先端部分７２の外側に噴霧用空気用先端具１１０を有する。シュラウド１１２が噴霧用空気用先端具１１０の内側で同軸に配置される。また、シュラウド１１２は、ジョイント１１４を介して噴霧用空気用先端具１１０にしっかりと固定される。ジョイント１１４は、流体流れを阻止しかつ先端部分７２が受ける熱、摩耗および引裂きに耐えるのに十分である任意適当な機構を介して２つの構成要素を連結させることができる。例えば、ジョイント１１４には、シュラウド１１２と噴霧用空気用先端具１１０との間に直接に挟まれるろう付けジョイントが含まれてよい。ろう付けジョイント１１４は、空気用先端具１１０とシュラウド１１２との間を迂回するような流れを防止するために密閉状態を保つことができる。また、ジョイント１１４は摩耗に耐えることができることから、それによりシステムの耐久性および性能が向上する。先端部分７２はまた、シュラウド１１２の内側で同軸に配置される水用先端具１１６を有することができる。水用先端具１１６はスウォズル型（ｓｗｏｚｚｌｅ）の孔１１８を有していてよく、この孔１１８は、空気が孔１１８を通過するときに渦運動を引き起こすように構成されており、それにより、空気と燃料との混合が強められる。噴霧用空気用先端具１１０および水用先端具１１６は、溶接または耐久性のある他の連結技術により空気管９４および水管９０のそれぞれに固定される。

加えて、燃料用先端具１２０が水用先端具１１６の内側で同軸に配置されてよく、この燃料用先端具１２０は、流体が流れるのを可能にしかつ燃料用先端具１２０を通って下流方向９８に流れている液体燃料の混合を可能にするように構成されている。燃料用先端具１２０はまたスウォズル型の孔１２２を有しており、この孔１２２は、水が下流方向９８に燃焼器内へと流れているときに水を旋回させるように構成されている。燃料用先端具１２０は燃料インサート１２４を配置するための空洞を有しており、燃料インサート１２４は、液体燃料流れを燃焼器に向かうように送り出し、燃料が先端部７２から流れ出るときの燃料と空気および／または水との混合を強めるように構成されていてよい。先端部のインサート１２４は、径方向に延在する傾斜部分１２８に接続されている滑らかなフラットフェース表面１２６（例えば、中心軸１０５に対して垂直である）を有する。図示されるように、フラットフェース表面１２６および径方向に延在する傾斜部分１２８は、下流方向９８の液体燃料の流れが液体カートリッジ７０を通過するときによりその流れをより滑らかな層流とするように構成されている。傾斜部分１２８は湾曲したまたは円錐形状の表面を有していることから、燃料インサート１２４の周りの流れおよびそこを通過する流れがより一様になる。傾斜部分１２８は、フェース表面１２６に近接する上流側の端部分から下流側の円筒形部分１３０まで径方向に延在する。

燃料インサート１２４は、孔またはポート１３２を有する円筒形部分１３０を有しており、孔またはポート１３２は、燃料が先端部分７２の出口領域１３４に向かって移動するときに燃料が燃料インサート１２４内を流れて旋回するのを可能にする。燃料インサート１２４の幾何形状により、燃料流れ内での霧化および渦化を強化することができ、それにより混合および燃焼が改善される。図示されるように、燃料ポート１３２は、燃料用先端具７２の中心を通る軸１０５の接線方向に対して角度が付けられていることから、燃料がポート１３２を流れるときに燃料を旋回させることが可能である。さらに、燃料ポートは、方向９８においてもわずかに角度が付けられており、流れを出口領域１３４に向かわせることが可能である。また、噴霧用空気用先端具１１０、シュラウド１１２、水用先端具１１６、燃料用先端具１２０および燃料インサート１２４は、先端部分が受ける熱および摩耗に耐えられるように、コバルト基合金などの耐久性の高い材料から構成されていてよい。この実施形態では、液体燃料、空気および水の３つのすべての流体の流れは先端部分７２を出るときに旋回され得るため、液体燃料、空気および水を出口領域１３４内で混合することができる。さらに、旋回しながら混合される燃料、空気および水は、方向１３６へと流れて燃焼室に入り、タービンエンジンを駆動するために燃焼される。

本発明の技術的効果には、開示した実施形態の改善された設計、構成、材料、および連結機構により、燃料用先端具分７２の構成要素の耐久性を向上させることが含まれる。さらに、セントラルボディ７４内のスタンドオフ１００および１０２の設計および位置により、流体流れ性能および構成要素の耐久性を向上させることができ、同時に、液体カートリッジ７０の組立体の複雑さを軽減することができる。また、フランジ７６の構成および設計により、システムの耐久性を向上させながら製造の複雑さを軽減することができる。

記述した説明では、最良の形態を含めて本発明を開示するために、ならびに、任意の装置またはシステムを製作および使用することと任意の方法を組み入れて実行することとを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にするために、いくつかの実施例を使用した。本発明の特許を受けられる範囲は特許請求の範囲によって定義されるが、これは当業者が思いつく別の実施例を含むことができる。このような別の実施例は、これらの実施例が特許請求の範囲の文字通りの意味と違わない構造要素を有する場合、または、これらの実施例が、特許請求の範囲の文字通りの意味とほとんど違わない同等の構造要素を有する場合に特許請求の範囲に含まれることを意図する。

１０ タービンシステム
１２ 燃料ノズル
１４ 燃料供給装置
１６ 燃焼器
１７ タービン羽根
１８ タービン
１９ 圧縮機羽根
２０ 排気ガスアウトレット
２１ シャフト
２２ 圧縮機
２４ 空気取入口
２６ 負荷
３０ 端部カバー
３２ ケーシング
３４ ライナ
３５ 中空の環状空間
３６ 流れスリーブ
３８ トランジションピース
７０ 液体カートリッジ
７２ 先端部分
７４ セントラルボディ
７６ フランジ
７８ 孔
８０ 燃料入口
８２ 空気入口
８４ 水入口
８６ 中央燃料管
８８ 燃料用の空洞
９０ 水管
９２ 水用の空洞
９４ 空気管
９６ 空気用の空洞
９８ 下流方向
１００ スタンドオフ
１０２ スタンドオフ
１０４ 空洞またはチャネル
１０５ 中心軸または中心点
１０６ 外側チャネル
１１０ 噴霧用空気用先端具
１１２ シュラウド
１１４ ジョイント
１１６ 水用先端具
１１８ スウォズル型の孔
１２０ 燃料用先端具
１２２ スウォズル型の孔
１２４ 燃料インサート
１２６ 滑らかなフラットフェース表面
１２８ 径方向に延在する傾斜部分
１３０ 下流側の円筒形部分
１３２ 孔またはポート
１３４ 出口領域
１３６ 方向

Claims (10)

1. タービンエンジン（１０）の燃料ノズル（１２）内に取り付けられるように構成される液体カートリッジ（７０）であって、
   噴霧用空気用先端具（１１０）と、
   前記噴霧用空気用先端具（１１０）内で同軸に配置される水用先端具（１１６）と、
   前記水用先端具（１１６）内で同軸に配置される燃料用先端具（１２０）と、
   前記噴霧用空気用先端具（１１０）と前記水用先端具（１１６）との間に同軸に配置され、前記噴霧用空気用先端具（１１０）にしっかりと固定されるシュラウド（１１２）と、
   前記液体カートリッジ（７０）を通る流れの下流側の軸方向において径方向に延在する上流側端部分（１２８）を有する、前記燃料用先端具（１２０）内で同軸に配置される燃料インサート（１２４）と、
   を有する、液体カートリッジ（７０）
   を有するシステム。
2. 前記噴霧用空気用先端具（１１０）、前記水用先端具（１１６）、前記燃料用先端具（１２０）、前記シュラウド（１１２）および前記燃料インサート（１２４）がコバルト基合金を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記シュラウド（１１２）が前記噴霧用空気用先端具（１１０）に直接にろう付けされる、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記液体カートリッジ（７０）が、水入口、空気入口および燃料入口を有する一部品の取付フランジ（７６）を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記燃料インサート（１２４）が、
   複数のポート（１３２）を有する中空円筒形の下流部分（１３０）と、
   傾斜部分（１２８）により中空円筒形の前記下流側部分（１３０）に連結されている実質的に平坦な上流側の端部分（１２６）とを有しており、
   前記下流部分（１３０）の下流端が、前記燃料用先端具（１２０）の先端の内壁に結合し、
   前記燃料用先端具（１２０）の開口部の直径が前記下流部分（１３０）の直径よりも小さく、
   前記複数のポート（１３２）は、燃料が前記シュラウド（１１２）の出口領域（１３４）に向かって移動するときに、燃料が前記燃料インサート（１２４）の前記下流部分（１３０）の外側から前記下流部分（１３０）の内側に流れ、旋回するのを可能にする、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記液体カートリッジ（７０）が、
   前記燃料用先端具（１２０）の上流端に接続し、前記燃料インサート（１２４）よりも上流に配置され、前記燃料インサート（１２４）に液体燃料を送る燃料管（８６）と、
   前記燃料管（８６）の外側で同軸に配置された水管（９０）であって、前記水管（９０）と前記燃料管（８６）との間の水用の空洞（９２）を通して水を前記水用先端具（１１６）に送ることを可能とする前記水管（９０）と、
   前記水管（９０）の外側で同軸に配置された空気管（９４）であって、前記空気管（９４）と前記水管（９０）との間の空気用の空洞（９６）を通して空気を前記噴霧用空気用先端具（１１０）に送ることを可能とする前記空気管（９４）と、
   前記燃料管（８６）と前記水管（９０）とを径方向に分離する内側スタンドオフ（１００）と、
   前記水管（９０）と前記空気管（９４）とを径方向に分離する外側スタンドオフ（１０２）とを有しており、
   前記内側及び外側スタンドオフ（１００、１０２）が前記液体カートリッジ（７０）の中心軸を中心に対称である、請求項５に記載のシステム。
7. 前記内側及び外側スタンドオフ（１００、１０２）の各々が、前記燃料管（８６）と前記水管（９０）の間及び、前記水管（９０）と前記空気管（９４）の間の各々にサイズが等しく対称に離隔された複数の流れチャネルを画定する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記水用先端具（１１６）は複数のスウォズル型の孔（１１８）を備える外面を有していており、前記水用先端具（１１６）の前記複数のスウォズル型の孔（１１８）は、空気が通過するときに渦運動を引き起こして、空気と燃料との混合を強め、
   前記燃料用先端具（１２０）は複数のスウォズル型の孔（１２２）を備える外面を有しており、前記燃料用先端具（１２０）の前記複数のスウォズル型の孔（１２２）は、水が下流方向（９８）へ流れているときに水を旋回させるように構成されている、請求項６または７に記載のシステム。
9. 前記液体カートリッジ（７０）を備える前記燃料ノズル（１２）を有する燃焼器（１６）を具備するタービンエンジン（１０）を有する、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。
10. タービンエンジン（１０）の燃料ノズル（１２）内に取り付けられるように構成される液体カートリッジ（７０）であって、
    噴霧用空気用先端具（１１０）と、
    前記噴霧用空気用先端具（１１０）内で同軸に配置される水用先端具（１１６）と、
    前記水用先端具（１１６）内で同軸に配置される燃料用先端具（１２０）と、
    前記噴霧用空気用先端具（１１０）と前記水用先端具（１１６）との間に同軸に配置され、前記噴霧用空気用先端具（１１０）にしっかりと固定されるシュラウド（１１２）と、
    前記液体カートリッジ（７０）を通る流れの下流側の軸方向において径方向に延在する上流側端部分（１２８）を有する、前記燃料用先端具（１２０）内で同軸に配置される燃料インサート（１２４）と、
    前記液体カートリッジ（７０）の同軸管（８６、９０、９４）を径方向に分離し、前記同軸管（８６、９０、９４）の間に等しいサイズの複数のチャネルを画定しており、前記液体カートリッジ（７０）の中心軸を中心に対称であるスタンドオフ（１００、１０２）と、
    を有する、液体カートリッジ（７０）
    を有するシステム。
    

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