JP5868114B2 - 遅延希薄噴射マニホルド - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、遅延希薄噴射（ＬＬＩ）マニホルドに関する。

ガスタービンエンジンにおいて、燃料及びガスの混合気は、トランジションピース及びタービンから上流側に配置された燃焼器内で燃焼されて高エネルギー流体を生成し、これから機械エネルギーが取り出され、動力及び電力を生成することができる。高エネルギー流体は、有意なレベルの電力生成を抽出できなくなるまで連続的に再利用され、この時点で大気に排出される。この排出ガスは、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）など、燃焼中に生成される汚染物質を含むことが多い。

燃焼プロセスによって生成される汚染物質の量を低減する労力が費やされ、これには遅延希薄噴射（ＬＬＩ）の開発が含まれる。ＬＬＩは、燃焼器内の通常の燃焼ゾーンから下流側の位置で高エネルギー流体の流れに可燃物を噴射することを必要とする。この下流側位置は、燃焼器ライナのセクション又はトランジションピースのセクションとして定義することができる。何れの場合においても、この位置で噴射される可燃物は、高エネルギー流体の温度及びエネルギーを増大させ、ＬＬＩ燃料流の適切なレベルにおいてＣＯ使用量の増大と、ＮＯｘの皆無か又は無有意の増大をもたらす。

ＬＬＩ作動のためＬＬＩ燃焼器の構築又は現在作動している燃焼器の改修を行うためには、比較的複雑な燃料及び／又はガス管路を利用し、且つ燃焼器ライナ及び／又はトランジションピースに孔を形成してＬＬＩ燃料を噴射できるようにすることが必要であった。しかしながら、燃料を高温の圧縮機吐出プレナムに送り、これを効果的で堅牢且つ耐久性のある方法で燃焼器に供給する上での大きな機械的課題がある。

米国特許第６８６８６７６号明細書

本発明の１つの態様によれば、遅延希薄噴射（ＬＬＩ）マニホルドが提供され、中央ノズル並びにベセルの周囲の所定の円周方向位置に配置された第１及び第２のサイドノズルと、コネクタと、該コネクタが接続され、コネクタと中央ノズルと第１のサイドノズルとの間を燃料が連通できるように中央ノズルから第１のサイドノズルまで延在する管体を画成するように形成された第１のレッグと、中央ノズルと第２のサイドノズルとの間で燃料が連通できるように中央ノズルから第２のサイドノズルまで延在する管体を画成するように形成された第２のレッグと、を含む。

本発明の別の態様によれば、遅延希薄噴射（ＬＬＩ）燃料をガスタービンエンジンのベセル内に噴射するためのノズルが提供され、ＬＬＩ燃料を受け入れ可能なトロイダルチャンバと、半径方向噴射孔の半径方向外向きセクションと、トロイダルチャンバ及び半径方向噴射孔が互いに流体連通する燃料孔とを画成するように形成されるヘッドと、ベセルに固定して取り付けられ、半径方向噴射孔の半径方向内向きセクションを画成するように形成されるパッチと、パッチとヘッドとの間に支持可能に配置され、半径方向噴射孔の半径方向外向きセクションと半径方向内向きセクションとが互いに流体連通する半径方向噴射孔の半径方向中間セクションを画成するように形成されるネックと、を含む。

本発明の更に別の態様によれば、ガスタービンエンジンのベセルのための遅延希薄噴射（ＬＬＩ）マニホルド組立体が提供され、ベセルの所定の孔位置にＬＬＩ燃料を移送する燃料供給導管と、孔位置にてベセルにそれぞれ固定され、各ノズルが、半径方向噴射孔と、該半径方向噴射孔を囲むトロイダルチャンバと、トロイダルチャンバ及び半径方向噴射孔が流体連通する燃料孔を画成するように形成されるノズルと、ＬＬＩ燃料の受け取りのため燃料供給導管に流体結合され且つそれぞれのトロイダルチャンバにＬＬＩ燃料を供給するためノズルに流体結合され、半径方向に並進可能な軸線の周りで曲がる／屈曲することによって変形可能なマニホルドと、を含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

ガスタービンエンジンのトランジションピースの斜視図。 貫通部品及びルーティング部品の側面図。 ノズル及び遅延希薄噴射マニホルドの軸方向図。 図３のノズルのうちの１つの斜視図。 図３のノズルのうちの１つの半径方向図。 図１のガスタービンエンジンの軸方向図。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１を参照すると、例えばガスタービンエンジンと共に使用するための遅延希薄噴射（ＬＬＩ）マニホルド組立体１０が、新規の燃焼器に構築され又は現在作動している燃焼器に改造できるＬＬＩ作動を実施するための比較的簡単な組立体として提供される。ガスタービンエンジンは、１次燃焼ゾーンを画成してここで燃料及び／又はガスの燃焼により高エネルギー流体を生成するために１次燃焼運転が行われるように形成される燃焼器ライナを有する燃焼器を含む点は理解されるであろう。次いで、これらの高エネルギー流体は、タービンに通じているトランジションピース内に配向されて通過し、該タービンにおいて高エネルギー流体から機械エネルギーを取り出すことができる。加えて、ＬＬＩ燃料は、主燃焼ゾーンから下流側の所定の位置にて燃焼器ライナ及び／又はトランジションピース内に噴射される。この位置において、噴射されたＬＬＩ燃料が燃焼し、これにより高エネルギー流体の温度及びエネルギーが増大する。

上述のように、ＬＬＩ燃料は、燃焼器ライナ又はトランジションピースの何れか又は両方に噴射され、ＬＬＩに関連する効果を得ることができる。しかしながら、明確且つ簡潔にするために、トランジションピースへのＬＬＩの噴射のみを以下で説明する。但し、当該説明は、皆無かそれに近い修正を行って燃焼器ライナの噴射にも適用可能とすることができる点は理解されたい。

図１に示すように、ＬＬＩマニホルド組立体１０は、ラッパー部品２０に近接して配置される。ラッパー部品２０は、トランジションピースゾーンをガスタービンエンジンの燃焼器ゾーンから軸方向に境界を定め、例えば、圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）空気をトランジションピースゾーン内部及びその周辺に閉じ込めることができる。流れスリーブ２２は、ラッパー部品２０から後方に突出して、トランジションピース２３など、ラッパー部品２０から上流側に配置された燃焼器に流体結合されるベセルと一致し、これにより燃焼運転により生成される高エネルギー流体を受け取る。

ラッパー部品２０に近接して配置されるＬＬＩマニホルド組立体１０では、複数の燃料供給導管３０が設けられ、ラッパー部品２０を通してＬＬＩ燃料を各トランジションピース２３の希釈孔位置に向けて移送する。希釈孔位置は、各トランジションピース２３の合わせ縁部間に画成される。

図２を参照すると、複数の燃料供給導管３０は、ラッパー部品２０を通って軸方向に延在する貫通部品３１と、該貫通部品３１の端部に作動可能に配置されるスプリッタ３３と、ルーティング部品３６とを含む。貫通部品３１は、漏洩を阻止するためその外壁の周りに設けられたシールと共にラッパー部品２０を通って軸方向に延在して、ＬＬＩ燃料が移送される管状導管３２を画成するように形成される。貫通部品３１の端部３１１は、現場での調整を可能にするよう軸方向に調整可能である。

多くの場合、ガスタービンエンジンの燃焼器及びトランジションピース２３は複数存在し、各々のその複数のものが、缶アニュラ型燃焼器アレイ状のように、共通の長手方向軸線の周りに配列されている。例えば、図１及び６に示すように、燃焼器及びトランジションピース２３は、実質的に円形又は卵形配列で、或いは他の何らかの同様の規則的又は不規則的な配列で配置することができる。これらの場合、各ＬＬＩマニホルド組立体１０を利用して、隣接するトランジションピース２３間に円周方向に配置された貫通部品３１を備えたトランジションピース２３のペアにＬＬＩ燃料を供給することができる。すなわち、貫通部品３１の端部３１１は、スプリッタ３３に結合することができ、該スプリッタ３３は、ルーティング部品３６に結合される。別の実施形態によれば、燃焼器及びトランジションピース２３の数は増加又は減少され、更に別の実施形態によれば、燃焼器及びトランジションピース２３の数は必ずしも同じである必要はない点は理解されたい。

ルーティング部品３６は、複数の燃料供給導管３０の最も前方にあるものであり、貫通部品３１とＴ形接続を形成する。ルーティング部品３６は複数存在し、ルーティング導管３７を画成するように形成されて、該ルーティング導管３７を通じてスプリッタ３３から隣接するＬＬＩマニホルド１０にＬＬＩ燃料を移送する働きをする。

別の実施形態によれば、より多くの又はより少ない燃焼器及びトランジションピース２３を配列してもよく、各ＬＬＩマニホルド組立体１０は、１、２、又はそれ以上の燃焼器及びトランジションピース２３と関連して設けられ、及び／又は１つ又はそれ以上の他のＬＬＩマニホルド組立体１０に接続することができる点は理解されたい。ここでは１：１の関係が定められているが、１：２の関係の場合よりもラッパー部品２０の貫通の数を多くする必要がある。反対に、１：４の関係では、一部のルーティング部品３６は比較的短い距離（例えば、隣接するトランジションピース２３につながるもの）に沿って配置されるが、他のルーティング部品３６は比較的長い距離（例えば、遠位のトランジションピース２３につながるもの）に沿って配置されることになるので、ルーティング部品３６は比較的複雑であることが必要とされる。これは、全てのルーティング部品３６の長さが実質的に同じであるように、前者のルーティング部品３６を緩やかに設けることが必要となる場合がある。

Ｔ形接続モジュール５０は、該ルーティング部品３６が各トランジションピース２３のＬＬＩマニホルド７０にＬＬＩ燃料を供給できるようにルーティング部品３６の端部に設けることができる。

各トランジションピース２３は、希釈孔位置のような３つ又はそれ以上の孔位置を画成するように形成することができ、これら孔位置は、実質的に同じ円周方向距離で、又は場合によっては不均一な円周方向距離で互いに円周方向に離隔される。このため、トランジションピースゾーン内に含まれるＣＤＣ空気は、トランジションピース２３に噴射することができる。

図３、４、及び５を参照すると、中央ノズル８０並びに第１及び第２のサイドノズル８１及び８２は、特定のトランジションピース２３の希釈孔にて当該トランジションピース２３にシールすることができる。ノズル８０、８１、及び８２の各々は、流体（例えば、ＣＤＣ空気）が通過してトランジションピース２３に噴射される半径方向噴射孔、半径方向噴射孔を囲むトロイダルチャンバ、並びに該トロイダルチャンバ及び半径方向噴射孔が流体連通する燃料孔を画成するように形成される。各ＬＬＩマニホルド７０は、ＬＬＩ燃料の受け取りのためＴ形接続モジュール５０を介して対応するルーティング部品３６に流体結合される。ＬＬＩマニホルドは更に、それぞれのトロイダルチャンバにＬＬＩ燃料を供給するためノズル８０、８１、及び８２の各々に結合される。

この構成において、タービン作動中にトランジションピース２３は熱的に膨張及び収縮するので、中央ノズル８０（図３を参照）は、トランジションピース２３の熱膨張に伴って半径方向寸法が変わる。これと同時に、ＬＬＩマニホルド７０の第１及び第２のレッグ７１、７２は、中央ノズル８０が半径方向に並進すると共に中央ノズル８０を通って定められる共通軸線の周りで曲がる／屈曲することにより変形する。

第２のサイドノズル８２を詳細に例示した図４を参照すると、各ノズル８０、８１、及び８２は、ヘッド１００、パッチ１２０、及びネック１３０のような同様の特徴部を含む。ヘッド１００は、ＬＬＩマニホルド７０の第１及び第２のレッグ７１、７２の対応する一方又は両方からＬＬＩ燃料を受け入れ可能なトロイダルチャンバ１０１と、ＣＤＣ空気がトランジションピース２３に噴射される半径方向噴射孔１０３の半径方向外向きセクション１０２と、トロイダルチャンバ１０１及び半径方向噴射孔１０３が互いに流体連通する燃料孔１０４とを画成するように形成される。

図４及び５に示すように、ヘッド１００は更に、第１及び第２のレッグ７１、７２が接続される一体形ボスを含む。従って、中央ノズル８０は、ヘッド１００の各側部に１つずつ、２つのこのようなボスを含む。同様に、第１及び第２のサイドノズル８１、８２は各々、それぞれのヘッド１００の一方の側部にのみこのような単一のボスを含むことになる。ボスと、第１及び第２のレッグ７１、７２との間の接続は、例えば、溶接（例えば突き合わせ溶接）によって達成することができる。

パッチ１２０は、トランジションピース２３の本体にシールされ、半径方向噴射孔１０３の半径方向内向きセクション１０５を画成するように形成される。ネック１３０は、パッチ１２０とヘッド１００との間に支持可能に配置される。このため、ネックは、半径方向噴射孔１０３の半径方向外向きセクション１０２と半径方向内向きセクション１０５が互いに流体連通する半径方向噴射孔１０３の半径方向中間セクション１０６を画成するように形成される。

燃料孔１０４は、半径方向噴射孔１０３の周りに環状アレイとして画成することができる。この環状アレイは、円形又は卵形、平坦／平面、又は交互にすることができ、燃料孔１０４は互いから実質的に均一に分離され、又は互いから不均一に分離される。燃料孔１０４が互いから不均一に分離される場合、該燃料孔１０４は、様々な間隔を繰り返すことによって分離され、或いは局所的な円周方向位置に集中させることができる。

ＣＤＣ空気がトランジションピース２３に噴射されると、空気流の流れ強度又は運動量は、燃料孔１０４を通るＬＬＩ燃料の流れを取り込む傾向がある。このようにして、ＣＤＣ空気及びＬＬＩ燃料は、図４に示すようにトランジションピース２３を通って高温ガス流と実質的に混合することができる。その上、ＬＬＩ作動を比較的高度な制御で行うことができるように、燃料孔１０４の連続的な流れを維持又は他の方法で制御することができる。

トランジションピース２３内に形成される希釈孔は、トランジションピース２３の縁部から軸方向に機械加工され、凹部を形成することができる。パッチ１２０は、この凹部に密接に適合するよう形成される。このため、パッチ１２０は、トランジションピース２３と実質的に同様の厚みを有するネック１３０に結合されたほぼ平面的な部材である。

パッチ１２０は、実質的に直線状の第１の縁部１２２、実質的に直線状の側縁１２３、及び湾曲縁部１２４を有する。側縁１２３及び湾曲縁部１２４は、凹部の対応する縁部と密接に嵌合する。加えて、パッチ１２０は、トランジションピース２３の対応する輪郭と実質的に類似した輪郭１２５を備え、パッチ１２０及びトランジションピース２３が、高温ガス流の伝播するほぼ環状の複合本体を形成するようにする。パッチ１２０は、例えば、溶接（例えば突き合わせ溶接）によってトランジションピース２３にシールすることができ、ＣＤＣ空気がトランジションピース２３の縁部とパッチ１２０の対応する縁部との間でトランジションピース２３に流入するのが妨げられるようにする。代替の実施形態において、パッチ１２０はまた、何らかの接着及び／又は追加の構造支持体を介してシールすることができる。パッチ１２０とトランジションピース２３との間のシールの結果として、パッチ１２０は、トランジションピース２３に一体的に接続され、このため、トランジションピース２３の熱膨張及び収縮中にパッチ１２０は、希釈孔の位置でトランジションピース２３にシールされたままである。従って、熱変形に伴う応力は、ＬＬＩマニホルド７０の第１及び第２の縁部７１、７２内に実質的に拘束され、歪みが阻止されることになる。

第１のレッグ７１は、接続モジュール５０から中央ノズル８０及び第２のサイドノズル８２にＬＬＩ燃料が供給される管状供給導管７４を画成するように形成される管状側壁７３を含む。同様に、第２のレッグ７２は、中央ノズルから第１のサイドノズル８１にＬＬＩ燃料が供給される管状供給導管７６を画成するように形成される管状側壁７５を含む。

第１及び第２のレッグ７１、７２は各々、対応するトランジションピース２３の円周方向湾曲に実質的に類似した円周方向湾曲を有する。第１及び第２のレッグ７１、７２は、他のガスタービンエンジン部品の可能な存在を考慮し、ＬＬＩマニホルド７０の構造上の剛直性を増大又は低減するために、半径方向及び軸方向寸法の更なる湾曲を含むことができる。しかしながら、一般的には、第１及び第２のレッグ７１、７２は、トランジションピース２３の熱膨張及び熱収縮の間に中央ノズル８０並びに第１及び第２のサイドノズル８１、８２が半径方向に並進すると共に中央ノズル８０並びに第１及び第２のサイドノズル８１、８２の周りで曲がる／屈曲することにより変形するよう構成される。

本発明の態様によれば、上述のように、接続モジュール５０を介してＬＬＩマニホルド７０に供給されるＬＬＩ燃料は、プレオリフィスの前後で圧力低下を生じ、ノズル８０、８１及び８２を介して希釈孔の各々にＬＬＩ燃料を分配する。ＣＤＣ空気の比較的高い運動量がＬＬＩ燃料を取り込み、これをコア燃焼高温ガス流に押し込む。それまでの間、比較的高い歪みを生じることなく熱変形に対処される。一般に、燃焼ライナ又はトランジションピース２３は、ＬＬＩマニホルド７０よりも相当高い温度になり、従って、ＬＬＩマニホルド７０よりも自己中心線と関連付けて半径方向に延在するのが望ましい。しかしながら、ＬＬＩマニホルド７０は第１及び第２のレッグ７１、７２の円弧状管体を含むので、円弧状管体は、変形した燃焼器ライナ又はトランジションピース２３を収容するよう簡単に屈曲する。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ ＬＬＩマニホルド組立体
２０ ラッパー部品
２２ 流れスリーブ
２３ トランジションピース
３０ 燃料供給導管
３１ 貫通部品
３１１ 端部
３２ 管状導管
３３ スプリッタ
３６ ルーティング部品
３７ ルーティング導管
５０ 接続モジュール
７０ ＬＬＩマニホルド
７１，７２ 第１及び第２のレッグ
７３，７５ 管状側壁
７４，７６ 管状導管
８０ 中央ノズル
８１，８２ 第１及び第２のサイドノズル
１００ ヘッド
１０１ トロイダルチャンバ
１０２ 半径方向外向きセクション
１０３ 半径方向噴射孔
１０４ 燃料孔
１０５ 半径方向内向きセクション
１０６ 半径方向中間セクション
１２０ パッチ
１２２ 第１の縁部
１２３ 側縁
１２４ 湾曲縁部
１２５ 輪郭

Claims (9)

1. 複数の燃焼器とその下流に各々配置された複数のトランジションピース（２３）とを備えるガスタービンエンジン用のマルチ遅延希薄噴射（ＬＬＩ）マニホルドであって、当該マルチＬＬＩマニホルドの各々が、
   中央ノズル（８０）並びに前記燃焼器又はトランジションピース（２３）のいずれかの周囲の所定の円周方向位置に配置された第１及び第２のサイドノズル（８１、８２）と、
   マルチＬＬＩマニホルドの隣接する２つのＬＬＩマニホルドを流体接続する貫通部品（３１）からマルチＬＬＩマニホルドの各々に供給される燃料を受け取るコネクタ（５０）と、
   前記中央ノズル（８０）からそれぞれ第１及び第２のサイドノズル（８１、８２）まで延在する管体を画成する第１及び第２のレッグ（７１、７２）であって、第１のレッグ（７１）に前記コネクタ（５０）が接続され、前記コネクタ（５０）と中央ノズル（８０）と第１及び第２のサイドノズル（８１、８２）との間を燃料が連通できる第１及び第２のレッグ（７１、７２）と
   を備える、ガスタービンエンジン用マルチＬＬＩマニホルド。
2. 当該マルチＬＬＩマニホルドの各々について、前記中央ノズル（８０）及び第１及び第２のサイドノズル（８１、８２）が均一な間隔で配列される、請求項１記載のガスタービンエンジン用マルチＬＬＩマニホルド。
3. 当該マルチＬＬＩマニホルドの各々について、前記中央ノズル（８０）及び第１及び第２のサイドノズル（８１、８２）が不均一な間隔で配列される、請求項１記載のガスタービンエンジン用マルチＬＬＩマニホルド。
4. 当該マルチＬＬＩマニホルドの各々のコネクタ（５０）がＴ形接続モジュールである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービンエンジン用マルチＬＬＩマニホルド。
5. 当該マルチＬＬＩマニホルドの各々の第１及び第２のレッグ（７１、７２）が各々、前記燃焼器又はトランジションピース（２３）のいずれかの円周方向湾曲に実質的に類似した円周方向湾曲を有する。、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガスタービンエンジン用マルチＬＬＩマニホルド。
6. 前記燃焼器又はトランジションピース（２３）のいずれかの熱膨張中に前記中央ノズル（８０）及び第１及び第２のサイドノズル（８１、８２）の半径方向並進が起こる、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガスタービンエンジン用マルチＬＬＩマニホルド。
7. 当該マルチＬＬＩマニホルドの各々について、第１及び第２のレッグ（７１、７２）が、半径方向に並進する中央ノズル（８０）を通って定められる共通軸線の周りで、変形できるように構成されている、請求項６記載のガスタービンエンジン用マルチＬＬＩマニホルド。
8. 前記ガスタービンエンジンが、燃焼器ゾーンからトランジションピースゾーンの軸方向境界を定めるラッパー部品（２０）であって、圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）空気をトランジションピースゾーン（２３）内に閉じ込められるように構成されたラッパー部品（２０）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項記載のガスタービンエンジン用マルチＬＬＩマニホルド。
9. 貫通部品（３１）が前記ラッパー部品（２０）を軸方向に貫通している、請求項８記載のガスタービンエンジン用マルチＬＬＩマニホルド。