JP5965648B2 - 燃料噴射器 - Google Patents

Description

本明細書に開示した主題は、遅延希薄燃料噴射器に関する。

ガスタービンでは、燃焼器内で可燃性材料を燃焼させ、かつ燃焼によって発生した高エネルギー流体が、トランジションピースを通してタービンに導かれる。タービンにおいて、高エネルギー流体は、タービンブレードと空気力学的に相互作用しかつ該タービンブレードを回転駆動して発電する。高エネルギー流体は次に、さらに別の発電システムに移送されるか又は窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）のような特定の汚染物質と共にエミッションとして排出される。これらの汚染物質は、可燃性材料の理想的でない燃焼により発生する。

近年、可燃性材料のより理想的な燃焼を達成し、それによってエミッション内の汚染物質の量を低減させる努力が行なわれている。これらの努力には、それによってトランジションピース内に可燃性材料を噴射して、トランジションピースを通ってタービンに向けて移動する高エネルギー流体の主流れと混合させる燃料噴射の開発が含まれる。このことは、高エネルギー流体の温度及びエネルギーの増大並びにそれに対応して汚染物質エミッションを低減させるより理想的な燃料の消費をもたらす。

米国特許第６８６８６７６号明細書

本発明の１つの態様によると、燃料噴射器を提供し、本燃料噴射器は、第１及び第２の対向する端部を有しかつ燃料を供給される第１のチューブと、第１のチューブ内に配置されかつその各々が空気を供給される１以上の第２のチューブとを含み、１以上の第２のチューブの各々は、それを通して燃料が該１以上の第２のチューブに流入して空気と混合する噴射孔を形成した側壁と、第１のチューブの出口端部に対応した側壁の出口端部とを有する。

本発明の別の態様によると、燃料噴射器を提供し、本燃料噴射器は、第１及び第２の対向する端部を有しかつ燃料を供給される第１のチューブと、第１のチューブ内に配置されかつその各々が空気を供給される複数の第２のチューブとを含み、複数の第２のチューブの各々は、それを通して燃料が該複数の第２のチューブの各々に流入して空気と混合する噴射孔を形成した側壁と、第１のチューブの第２の端部を貫通する出口端部開口部とを有し、また複数の第２のチューブにおける各チューブの噴射孔の数が、該複数の第２のチューブにおける少なくとも別のチューブの該噴射孔の数とは異なる。

本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンエンジンを提供し、本ガスタービンエンジンは、それを貫通して主流路が上流位置から下流位置まで形成された内部を形成したライナを有するベセルと、第１及び第２の対向する端部を有し、燃料を供給されかつベセルライナと連結可能である第１のチューブ並びに該第１のチューブ内に配置されかつその各々が空気を供給される複数の第２のチューブを備えた燃料噴射器とを含み、複数の第２のチューブの各々は、それを通して燃料が該複数の第２のチューブの各々に流入して空気と混合する噴射孔を形成した側壁と、ベセル内部内への出口端部開口部とを有し、また複数の第２のチューブにおける各チューブの噴射孔の数が、該複数の第２のチューブにおける少なくとも別のチューブの該噴射孔の数とは異なる。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

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おいて具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

燃料噴射器の斜視図。 図１の燃料噴射器の第２のチューブの拡大側面図。 ベセルと連結された複数の燃料噴射器の側面図。

詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１〜図３を参照すると、燃料噴射器１０を示しており、燃料噴射器１０は、燃料を供給される第１のチューブ２０と、空気を供給される複数の第２のチューブ４０の１以上とを含む。第１のチューブ２０は、第１の端部２１及び第２の対向する端部２２を備えたほぼ円筒形であり、かつ例えばガスタービンエンジンのベセル６０と連結可能である。ベセル６０は、燃焼器及びタービン間に流体的に配置されたライナ６１又はトランジションピースとすることができ、ライナ６１は、それを貫通して主流路６５が上流端部７０から下流端部７２まで形成された内部６２を形成する。燃焼器内における燃焼によって発生された高エネルギーかつ高温の流体は、複数の第２のチューブ４０によって流路６５内に噴射された燃料と共に流路６５に沿って流れてタービン内における発電を増大させる。

燃料噴射器１０は、段階燃焼プロセスを提供し、段階燃焼プロセスでは、利用可能な燃料及び空気の幾らかの部分が第一燃焼段として燃焼され、また燃料噴射器１０が１以上の後続燃焼段に燃料及び空気を供給する。それらの１以上の後続燃焼段では、第一燃焼段の生成物が、燃焼噴射器１０によって供給された燃料及び空気の燃焼に加わる。このようにして、１以上の後続段において第一段の燃焼生成物を再利用することによって、汚染物質エミッション量を低減させることができる。この低減の程度は、複数燃料噴射器４０の使用によって倍増させることができる。

複数の第２のチューブ４０は、該複数の第２のチューブ４０の各々のそれぞれの長手方向軸線が第１のチューブ２０の長手方向軸線とほぼ整列するように、該第１のチューブ２０内に配置される。従って、複数の第２のチューブ４０の各々は、その位置が第１のチューブ２０の第１の端部２１にほぼ対応した第１の端部４１と、その位置が第１のチューブ２０の第２の端部２２にほぼ対応した出口端部４２と、側壁４５とを有する。出口端部４２は、これもまたその位置が第１のチューブ２０の第２の端部２２に対応した側壁４５の端部に配置される。側壁４５は、複数の噴射孔４６を形成し、それら噴射孔４６を通して、第１のチューブ２０に供給された燃料が複数の第２のチューブ４２の各々と連通可能であって、該複数の第２のチューブ４０に供給された空気と混合する。第１のチューブ２０の第１及び第２の端部２１及び２２は、複数の第２のチューブ４０の各々の第１及び第２の端部４１及び４２と関連する開口部を除いて閉鎖される。従って、燃料及び空気の混合気は、複数の第２のチューブ４０の各々の開口部によって主流路６５に供給することができる。

別の実施形態によると、第１のチューブ２０は、その数を複数としかつベセル６０の周りの様々な軸方向及び円周方向位置に配置することができる。このケースでは、図３に示すように、複数の第２のチューブ４０が、複数の第１のチューブ２０における各チューブ内に配置される。

複数の第２のチューブ４０における各チューブの複数の噴射孔４６の数は、該複数の第２のチューブ４０における少なくとも別のチューブの複数の噴射孔４６の数と異なるものとすることができる。具体的には、複数の第２のチューブ４０における各チューブの複数の噴射孔４６の数は、第１のチューブ２０内における該第２のチューブ４０の位置に従って予め決定することができる。複数の第２のチューブ４０における各チューブの複数の噴射孔４６の数はまた、１以上の少なくとも別の第２のチューブ４０に対する該第２のチューブ４０の位置に従って予め決定することができる。

このようにして、燃料噴射器１０は、幾つか又はすべての第２のチューブ４０において窒素酸化物（ＮＯｘ）の選択的発生を調整するように異なっている燃料／空気比を複数の第２のチューブ４０の各々について有しかつそれが作動していない時にその空気バイパスによる一層大きいターンダウンを可能にするマイクロ混合器として設計することができる。つまり、燃料噴射器１０は、選択時間単位当たりの燃料量をサイジングすることによってＮＯｘ生成を低減するように設計することができる。

実施形態によるとまた図１を参照すると、複数の第２のチューブ４０における各チューブの複数の噴射孔４６の数は、流路６５に沿った流れの方向に沿って減少させることができ、また流路６５に沿った流れの方向に対して垂直な方向にほぼ一定に維持することができる。つまり、上流端部７０に近接した上流第２のチューブ４０１は、最も多数の噴射孔４６を有することができ、下流端部７２に近接した下流第２のチューブ４０３は、最も少数の噴射孔４６を有することができ、また中間第２のチューブ４０２は、中間数の噴射孔４６を有することができる。その結果、上流第２のチューブ４０１は、比較的高い又は低い燃料／空気比を有する燃料／空気混合気を主流路６５に送給することができ、下流第２のチューブ４０３は、比較的低い又は高い燃料／空気比を有する燃料／空気混合気を送給することができ、また中間第２のチューブ４０２は、中間の、高い又は低い燃料／空気比を有する燃料／空気混合気を送給することができる。この構成では、上流第２の孔４０によって主流路６５に送給される燃料は、ベセル６０の半径方向中心領域に向けてかつ該半径方向中心領域内に伝播する最も多くの機会を有する。

中間第２のチューブ４０２の数は、上流第２のチューブ４０１及び下流第２のチューブ４０３のそれぞれの数よりも多く又は少なくすることができる。従って、中間燃料／空気比を有する燃料／空気混合気を送給する第２のチューブ４０の数は、比較的多くされることになり、また様々なタイプのベセルでの及び様々なタイプの運転条件における燃料噴射器１０の使用を可能にする。

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てきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができ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ものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ 燃料噴射器
２０ 第１のチューブ
２１ 第１の端部（第１のチューブの）
２２ 第２の端部（第１のチューブの）
４０ 第２のチューブ
４０１ 上流第２のチューブ
４０２ 中間第２のチューブ
４０３ 下流第２のチューブ
４１ 第１の端部（第２のチューブの）
４２ 出口端部
４５ 側壁
４６ 噴射孔
６０ ベセル
６１ ライナ
６２ 内部
６５ 主流路
７０ 上流端部（ライナの）
７２ 下流端部（ライナの）

Claims (11)

1. 対向する第１及び第２の端部（２１，２２）を有しかつ燃料が供給される第１のチューブ（２０）であって、その第２の端部（２２）でベセル（６０）と連結できる第１のチューブ（２０）と、
   第１のチューブ内に配置された複数の第２のチューブ（４０）であってその各々に空気が供給される複数の第２のチューブ（４０）と
   を備える燃料噴射器（１０）であって、前記複数の第２のチューブ（４０）の各々が、
   前記複数の第２のチューブの各々に燃料を流入させて空気と混合させるための噴射孔（４６）を形成する側壁（４５）と、
   第１のチューブの第２の端部（２２）に対応した前記側壁の出口端部（４２）と
   を有しており、前記ベセル（６０）を貫通して上流位置から下流位置まで主流路（６５）が形成されていて、前記複数の第２のチューブの各々における噴射孔の数が、前記主流路（６５）に沿った流れの方向に沿って減少する、燃料噴射器。
2. 前記複数の第２のチューブの各々における噴射孔の数が、前記主流路（６５）に沿った流れの方向に対して垂直な方向に沿ってほぼ一定に維持される、請求項１記載の燃料噴射器。
3. 前記噴射孔の数の減少分が漸増する、請求項１記載の燃料噴射器。
4. 前記複数の第２のチューブにおいて中間的な数の噴射孔を有するチューブの数が、多数及び少数の噴射孔を有するチューブの数よりも多い、請求項３記載の燃料噴射器。
5. 対向する第１及び第２の端部（２１，２２）を有しかつ燃料が供給される第１のチューブ（２０）と、
   第１のチューブ内に配置された複数の第２のチューブ（４０）であってその各々に空気が供給される複数の第２のチューブ（４０）と
   を備える燃料噴射器（１０）であって、前記複数の第２のチューブ（４０）の各々が、前記複数の第２のチューブの各々に燃料を流入させて空気と混合させるための噴射孔（４６）を形成する側壁（４５）と、第１のチューブの第２の端部（２２）を貫通する出口端部開口部とを有しており、前記複数の第２のチューブの各チューブの噴射孔の数が、前記複数の第２のチューブの別の少なくとも１つのチューブの噴射孔の数とは異なる、燃料噴射器。
6. 第１のチューブが、第１のチューブの出口端部（２２）でベセル（６０）と連結可能であり、前記ベセルを貫通して上流位置から下流位置まで主流路（６５）が形成される、請求項５記載の燃料噴射器。
7. 前記複数の第２のチューブの各々における噴射孔の数が、前記主流路（６５）に沿った流れの方向に沿って減少する、請求項６記載の燃料噴射器。
8. 前記噴射孔の数の減少分が漸増する、請求項７記載の燃料噴射器。
9. 前記複数の第２のチューブにおいて中間的な数の噴射孔を有するチューブの数が、多数及び少数の噴射孔を有するチューブの数よりも多い、請求項８記載の燃料噴射器。
10. 前記複数の第２のチューブの各々における噴射孔の数が、前記主流路（６５）に沿った流れの方向に対して垂直な方向に沿ってほぼ一定に維持される、請求項６記載の燃料噴射器。
11. それを貫通して上流位置から下流位置まで主流路（６５）が形成される内部を形成するライナ（６１）を有するベセル（６０）と、
    請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の燃料噴射器（１０）と
    を備えるガスタービンエンジン。