JP5816448B2 - 環状リングマニホルド四次燃料分配器 - Google Patents

Description

本明細書に開示の主題は、ガスタービンの燃焼器に関し、特に、最大で燃焼器燃料の全質量の３０％を収容することにより、燃焼器の不安定性を軽減すると共に、より良好な燃料／空気混合を行い、下流の燃料ノズルの保炎マージンを改善するために用いる、環状リングマニホルド四次燃料分配器に関する。

燃焼器の既存の四次燃料ペグは、例えばガスタービンエンジンの燃焼器のフロースリーブケーシング内壁部を貫通して配設され、燃焼器燃料ノズルの上流にあるフロースリーブとキャップバレルとの間の環状部に配置される。これらのペグの主な機能は、燃料を空気流又は燃料／空気混合物中に噴射すること、並びに、燃焼動作中に燃焼器内及び燃焼器を介した燃焼振動を軽減することである。

米国特許第７２４９４６１Ｂ２号

ところが、既存の四次ペグ設計では、燃焼器内の四次ペグの直ぐ下流で予期せぬ火炎が生じる現象である保炎が発生し易い。保炎は、燃焼器の機械設備の損傷に繋がることがある。また、既存の設計では、四次燃料と空気の混合が比較的不十分になる傾向があり、それによって、高い質量分率の四次燃料を収容する能力が制限され、燃焼器の燃料ノズルの上流における四次燃料−空気の予混合が不十分又は限定的になる。

本発明の一態様により、燃焼器区画を提供するが、この燃焼器区画は、燃焼器のケーシングとキャップアセンブリとの間に形成された環状通路であって、燃料ノズル支持部の上流において、空気及び／又は燃料／空気混合物が流れる環状通路内に取り付けられた１つ以上の環状四次燃料マニホルドを有し、このマニホルドは、四次燃料を内部に収容する本体を有し、この本体には、燃料ノズル支持部の上流の位置において四次燃料を通路の一区画内に噴射する噴射穴が画成されている。

本発明の別の態様により、燃焼器区画を提供するが、この燃焼器区画は、ケーシングと、内部に形成された燃料ノズル支持部を有するキャップアセンブリであって、ケーシング内に配置され、燃料ノズル支持部の上流において、空気及び／又は燃料／空気混合物が流れる環状通路が、ケーシングとこのキャップアセンブリとの間に形成されたキャップアセンブリと、燃料ノズル支持部の上流において、空気及び／又は燃料／空気混合物が流れる通路の一区画内に取り付けられた１つ以上の環状マニホルドとを有し、各マニホルドは、四次燃料を内部に収容する本体を有し、この本体には、四次燃料を通路区画内に噴射する噴射穴が画成されている。

本発明のまた別の態様により、燃焼器の環状燃料マニホルドを提供するが、この環状燃料マニホルドは、ケーシングと、内部に形成された燃料ノズル支持部を有するキャップアセンブリであって、ケーシング内に配置され、燃料ノズル支持部の上流において、空気及び／又は燃料／空気混合物が流れる環状通路が画成されたキャップアセンブリとを含んでおり、この環状燃料マニホルドは、四次燃料を内部に収容すると共に、燃料ノズル支持部の上流において、空気及び／又は燃料／空気混合物が流れる通路の一区画内に四次燃料を噴射する燃料噴射穴が画成された、環状本体を有する。

図面に関連する以下の説明から、これら及びその他の特徴の理解が深まるであろう。

本発明とみなされる主題を本明細書の結びの特許請求の範囲において具体的に指摘し、明確にクレームする。本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、添付図面に関連する以下の発明を実施するための形態から明らかである。

明瞭にする目的で端部カバーを取り外した状態の、ケーシングとキャップアセンブリとを含む燃焼器区画の下流側斜視図である。 四次燃料分配マニホルドと、リングマニホルドと、ケーシング及びキャップアセンブリにより形成された環状部とを強調した、図１の燃焼器の部分拡大斜視図である。 環状燃料マニホルドの本体とその内部を示す拡大斜視図である。 ２つで１組の環状燃料マニホルドの本体とその内部を示す拡大斜視図である。

発明を実施するための形態では、例示目的において、図面を参照しながら本発明の実施形態をその利点及び特徴と併せて説明する。

本発明の態様によると、１つ以上の同心環状リング形マニホルドを、例えばガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼器燃料ノズルの上流側に設けることによって、四次燃料の噴射位置をほぼ均等に分布させ易くすると共に構造的にこれを支持することで、燃料と空気の混合を改善できる。このようなマニホルドでは、比較的大きな四次燃料の質量分率（即ち質量ベースで全システム燃料の約３０％）に対応し、四次燃料の噴射領域と下流の燃焼器燃料ノズル付近の部分とを含む下流側での保炎の発生を減少させ、ＮＯｘ排出量の削減と燃焼の不安定性の緩和に寄与することができる。

図１を参照すると、燃焼器区画１０が示されているが、この燃焼器区画１０は、ケーシング４０とキャップアセンブリ５０との間に画成された環状通路３０内に取り付けられた、環状マニホルド２０を含む。ケーシング４０は、第１及び第２のケーシングフランジ４１及び４２と四次燃料分配マニホルド４３とを含む。四次燃料分配マニホルド４３は、第１及び第２のケーシングフランジ４１及び４２間に軸方向に挿入される。キャップアセンブリ５０は、燃焼器燃料ノズルをその内部に配置できる、複数の燃料ノズル支持部６０を備える。空気及び／又は燃料空気混合物が、環状通路３０を通って流れ、最終的には燃料ノズル支持部６０に配置された燃焼器燃料ノズルを通過する。

図２〜４を参照すると、マニホルド２０は、場合によってはキャップアセンブリ５０を周縁方向に取り囲む、環状本体２１を含む。このように、マニホルド２０では、ほぼ均等に配置された噴射穴２３によって、ほぼ均等に燃料を分配することができ、それによって、通路３０内における四次燃料と流入空気及び／又は燃焼用燃料／空気混合物との混合を実質的に改善できる。加えて、マニホルド２０では、下流の燃焼器燃料ノズルによって、燃料／空気の混合が比較的改善される。

環状本体２１は、第１及び第２の対向側部２５及び２６を有する内部が画成された、全周リング形ケーシング２４を有し、これらの対向側部の少なくとも一方は、主たる流入燃料の方向に沿ってテーパ状になっており、これによって、後縁部の流れ剥離（再循環）が減少し、したがって、場合によっては、局所的な保炎発生の可能性が低下する。この内部は、燃料収容スペース２２として機能し、所定量の燃料の収容に十分な大きさである。場合によって、この量は、最大で燃焼器燃料の全質量の３０％である。本体２１は更に、燃料を燃料収容スペース２２から通路３０の区画３１内に噴射する、噴射穴２３が画成されるように形成されている。噴射穴２３がマニホルド２０の周りに周縁方向に配列され、これによって、四次燃料を通路３０内、特に区画３１内にほぼ均等に分配することができる。

ケーシング２４のテーパ部は、区画３１において、通路３０を通る空気及び／又は燃料／空気混合物の主な流れの方向に対応する方向に画成される。このため、比較的平坦な側部２６が到来する流れに面し、テーパ状の側部２５が下流方向に延びている。燃料噴射穴２３を、ケーシング２４上の様々な位置に、互いに異なる間隔で配列しても、ほぼ均等な間隔で配列してもよい。別の実施形態によると、燃料噴射穴２３を、テーパ状の側部２５の近傍に、半径方向内側及び半径方向外側を向く表面上に形成して、燃料が区画３１内へとほぼ半径方向内側及び半径方向外側に噴射されるようにする。

また別の実施形態によると、燃料噴射穴２３を、環状本体２１の最大半径部分と最小半径部分とに配置する。

通路３０の区画３１は、燃料ノズル支持部６０の上流において、空気及び／又は燃料／空気混合物が流れる通路３０の一部分である。また、区画３１は、空気及び／又は燃料／空気混合物が、通路３０のその他の区画における比較的低速ではあるがゼロではない流速に比べて比較的高速の局所速度で流れる、通路３０の一部分でもあり得る。実施形態によると、この高い流速は、通路３０の幅がその他の部分と比較して一部の領域で比較的狭くなっていること、その他の空力的な問題、別の流れが存在する可能性を含む、これらに限定されない様々な要因によって生じる。

実施形態によると、区画３１は、ケーシング４０とキャップアセンブリ５０との間に半径方向に介在する。更なる実施形態によると、キャップアセンブリ５０は、キャップアセンブリ５０の縁部から軸方向に延在するバッフル７０を含む。これらの実施形態において、区画３１が、ケーシング４０とバッフル７０との間に半径方向に介在してもよい。

通路３０は、燃料ノズル支持部６０と半径方向に整合する第１の区間３３と、燃料ノズル支持部６０の半径方向外側に配置された第２の区間３４とを有して画成される。第２の区間３４は第１の区間３３の上流側にあり、通路３０が通常は鉤状に内側に湾曲しており、空気及び／又は燃料／空気混合物がこの第１及び第２の区間３３及び３４に沿って相互に反対の方向に流れるようになっている。空気及び／又は燃料／空気混合物が流れる通路３０の区画３１を、第１の区間３３と第２の区間３４との少なくとも一方に沿って配置しても、通路３０が鉤状に湾曲する区間３３及び３４間の領域内に配置してもよい。

図３及び４に示すように、マニホルド２０は、単一型であっても多重型であってもよい。マニホルド２０が多重型の場合は、少なくとも１つのマニホルド２０が、他のマニホルド２００の半径方向外側に位置する。実施形態によると、多重型のマニホルド２０、２００はほぼ同軸であるが、これは必須ではなく、マニホルド２０を軸方向に互い違いに配置してもよいことを理解されたい。また、１つ以上の環状マニホルド２０、２００が、異なる燃料、希釈剤、及び／又は蒸気の補給又は供給を互いに対して独立的に受けてもよい。

図１〜４を参照すると、燃焼器区画１０は更に、四次燃料分配マニホルド４３の外面の半径方向外側に配置されたフランジ８０等の燃料供給源を含み得る。燃料管路フランジ８０は、四次燃料分配マニホルド４３の区画８１に取り付けられている。ほぼ半径方向に配向された供給管路９０を、四次燃料分配マニホルド４３の部材として形成してもよい。供給管路９０は、燃料分配マニホルド４３とマニホルド２０とに結合され、これによって、燃料が燃料管路フランジ８０からマニホルド２０へ、特にその内部の燃料収容スペース２２へと供給される。四次燃料分配マニホルド４３とマニホルド２０は、互いにほぼ軸方向に整合している。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明したが、本発明がこうした開示の実施形態に限定されないことは明らかであろう。むしろ、本発明を修正して、これまで説明しなかった変形、改変、置換、又は等価の措置を幾つでも取り入れることができ、これらも本発明の特許請求の範囲に含まれる。また、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部を含むのみでもよいことを理解されたい。故に、本発明は、以上の説明によって限定されると解釈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。

１０ 燃焼器区画
２０ 環状マニホルド
２１ 環状本体
２２ 燃料収容スペース
２３ 噴射穴
２４ リング形ケーシング
２５ 第１の側部
２６ 第２の側部
３０ 環状通路
３１ 区画
３３ 第１の区間
３４ 第２の区間
４０ ケーシング
４１ 第１のケーシングフランジ
４２ 第２のケーシングフランジ
４３ 分配マニホルド
５０ キャップアセンブリ
６０ 燃料ノズル支持部
７０ バッフル
８０ 燃料管路フランジ
８１ 区画
９０ 供給管路
２００ マニホルド

Claims (9)

1. 燃焼器区画（１０）であって、当該燃焼器区画（１０）が、
   燃焼器のケーシング（４０）とキャップアセンブリ（５０）との間に画成されていて燃料ノズル支持部（６０）の上流で空気及び／又は燃料／空気混合物が流れる環状通路（３０）内の一区画（３１）内に取り付けられた１つ以上の環状四次燃料マニホルド（２０）
   を備えていて、前記環状通路（３０）が、空気及び／又は燃料／空気混合物が燃料ノズル支持部（６０）の半径方向外側の区間で逆方向に流れ、燃料ノズル支持部（６０）と半径方向に整合する区間で順方向に流れるように構成されていて、前記環状通路（３０）内の前記一区画（３１）が、空気及び／又は燃料／空気混合物が逆方向に流れる部分に位置しており、
   前記環状四次燃料マニホルド（２０）の各々が、四次燃料を収容する本体（２１）を有していて、前記本体（２１）には、前記燃料ノズル支持部の軸方向に上流の位置において前記四次燃料を前記環状通路内の前記一区画（３１）内に噴射する噴射穴（２３）が画成されており、
   当該燃焼器区画（１０）が、前記キャップアセンブリ（５０）から局所的流れ方向に沿って軸方向に延在して複数の燃料ノズル支持部（６０）を囲繞する環状バッフル（７０）をさらに備えていて、前記環状通路（３０）内の前記一区画（３１）が、半径方向に、前記ケーシング（４０）と前記環状バッフル（７０）との間に位置しているとともに、軸方向に、前記燃料ノズル支持部の軸方向位置と、空気及び／又は燃料／空気混合物の流れが逆方向から順方向に反転する軸方向位置との間に位置している、燃焼器区画（１０）。
2. 前記１つ以上の環状四次燃料マニホルド（２０）は、最大で燃焼器燃料の全質量の３０％を収容する、請求項１に記載の燃焼器区画（１０）。
3. 前記噴射穴（２３）は、前記環状四次燃料マニホルド（２０）の各々の周りに周縁方向に配列される、請求項１又は請求項２に記載の燃焼器区画（１０）。
4. 前記１つ以上の環状四次燃料マニホルド（２０）の本体（２１）は、少なくとも一方がテーパ状の第１及び第２の対向側部（２５、２６）を有し、前記テーパ状の第１及び第２の対向側部が、流入する流れの方向に整合している、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃焼器区画（１０）。
5. 前記１つ以上の環状四次燃料マニホルド（２０）が多重型であり、多重型の環状四次燃料マニホルドの少なくとも１つが、他の環状四次燃料マニホルドの半径方向外側に位置する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃焼器区画（１０）。
6. 前記多重型の環状四次燃料マニホルド（２０）が互いに独立して、異なる燃料の供給を受ける、請求項５に記載の燃焼器区画（１０）。
7. 前記多重型の環状四次燃料マニホルド（２０）が軸方向に互い違いに配置される、請求項５に記載の燃焼器区画（１０）。
8. 燃料供給源（８０）と、燃料供給源（８０）と結合した半径方向に配向した供給管路（９０）とをさらに備えている、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃焼器区画（１０）。
9. 前記環状通路（３０）内の前記一区画（３１）での空気及び／又は燃料／空気混合物の流速が、前記環状通路（３０）の他の区間における空気及び／又は燃料／空気混合物の流速よりも高い、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃焼器区画（１０）。