JP6196868B2

JP6196868B2 - 燃料ノズルとその組立方法

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Publication number: JP6196868B2
Application number: JP2013206866A
Authority: JP
Inventors: グレゴリー・アレン・ボードマン; マーク・アラン・ハドリー; ジョニー・フランクリン・マックコナヘイ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2017-09-13
Anticipated expiration: 2033-10-02
Also published as: CN103822228B; US9222673B2; CN103822228A; EP2719952A2; EP2719952A3; US20140097276A1; JP2014077627A

Description

本発明の分野は、一般にタービンエンジンに関し、特にタービンエンジンに用いる燃料ノズルに関する。

ガスタービン等の回転機械が、しばしば発電機用に電力を生成するために用いられる。例えば、ガスタービンは、一般に、連続的な流れの関係において、吸気口とコンプレッサと燃焼器とタービンとガス出口とを含むガス流路を有する。コンプレッサ部及びタービン部は、ハウジング内において結合される、少なくとも１つの列の、周方向に離間する回転バケット又は動翼を含む。少なくとも幾つかの周知のタービンエンジンはコージェネレーション設備及び発電所で使用される。このようなエンジンは、高比仕事及び出力毎単位質量流量要件を有することがある。作業効率を高めるために、少なくとも幾つかの周知のガスタービンエンジンは、より高い燃焼温度で動作可能である。エンジン効率は、一般に、燃焼ガス温度が高くなると増加する。

米国特許第４９８４９６５号

しかし、周知のタービンエンジンをより高い温度で動作させると、窒素酸化物（ＮＯ_x）等の汚染排出物質の生成も増加しかねない。このような排出物質は一般に望ましくなく、環境に対して有害である場合がある。ＮＯ_x排出物質の低減を促進するために、少なくとも幾つかの周知のガスタービン発電所は、選択触媒還元（ＳＣＲ）システムを用いている。周知のＳＣＲシステムは、触媒を利用してＮＯ_xを窒素分子と水とに変換する。しかし、ＳＣＲシステムは、タービンの運転に付随する全体的なコストを増加させる。

少なくとも幾つかの周知の燃料噴射器アセンブリは、予混合技術を用いることによりＮＯ_x排出物質を減少させようとするものである。このようなアセンブリでは、燃料の一部分と空気が燃焼器の上流において混合され、希薄混合物が生成される。燃料と空気を予混合することにより、燃焼ガスの温度制御が容易になって、ＮＯ_x排出物質が形成される閾値を超えて温度が上昇することがなくなる。幾つかの周知の燃料噴射器アセンブリは、燃焼器シリンダの周壁を貫通して延在する補助バーナを含み、こうしたアセンブリは、燃焼器シリンダに対して半径方向内方に空気を偏向させる通路を含む。しかし、周知の補助バーナでは、燃料空気混合物を適切に混合することができず、一般に液体燃料噴射機能を有さない。

一態様において、燃料ノズルの組み立て方法を提供する。この方法は、背板と前板とこれらの間に形成される混合域とを含むノズル本体を準備するステップを含む。背板は自身内に形成される少なくとも１つの入口を含み、前板は自身内に形成される少なくとも１つの排出部を含む。この方法は、更にまた、前板と背板との間且つ周方向に混合域の周りに複数の旋回翼を配置して、これらの複数の旋回翼が空気を斜め方向に混合域内へと導くようにするステップを含む。少なくとも１つの出口がノズル本体と複数の旋回翼との少なくとも１つに形成され、この少なくとも１つの出口は燃料を混合域内へと噴射するように構成される。

別の態様において、燃料ノズルを提供する。この燃料ノズルは、ノズル本体と複数の旋回翼と少なくとも１つの出口とを含む。ノズル本体は、背板と前板とこれらの間に形成される混合域とを含む。背板は自身内に形成される少なくとも１つの入口を含み、前板は自身内に形成される少なくとも１つの排出部を含む。複数の旋回翼は、背板と前板との間に配置されると共に、混合域の周りにおいて周方向に離間する。複数の旋回翼の各々は、空気を斜め方向に混合域内へと導く。少なくとも１つの出口は、ノズル本体と複数の旋回翼との少なくとも１つに形成され、この少なくとも１つの出口は燃料を混合域内へと噴射するように構成される。

また別の態様において、ガスタービンアセンブリを提供する。このガスタービンアセンブリは、燃焼器と燃焼器に結合される燃料ノズルとを含む。燃料ノズルは、ノズル本体と複数の旋回翼と少なくとも１つの出口とを含む。ノズル本体は、背板と前板とこれらの間に形成される混合域とを含む。背板は自身内に形成される少なくとも１つの入口を含み、前板は自身内に形成される少なくとも１つの排出部を含む。複数の旋回翼は、背板と前板との間に配置されると共に、混合域の周りにおいて周方向に離間する。複数の旋回翼の各々は、空気を斜め方向に混合域内へと導く。少なくとも１つの出口は、ノズル本体と複数の旋回翼との少なくとも１つに形成され、この少なくとも１つの出口は燃料を混合域内へと噴射するように構成される。

例示的なタービンエンジンの略図である。図１に示すタービンエンジンに用いる例示的な燃焼器アセンブリの断面図である。図２に示す燃焼器アセンブリに用いる例示的な燃料ノズルの斜視図である。図３に示す燃料ノズルの横断面図である。図２に示す燃焼器アセンブリに用いる例示的な燃料ノズルの斜視図である。図５に示す燃料ノズルの横断面図である。図５に示す燃料ノズルの線７−７における斜視図である。図７に示す燃料ノズルの上面図である。図２に示す燃焼器アセンブリに用いる例示的な燃料ノズルの横断面図である。

本発明の実施形態はタービンアセンブリに関し、特にガスタービンエンジンのＮＯ_x排出物質の生成を減少させる燃料ノズルに関する。更に具体的には、本発明の実施形態は、燃料と空気とを燃焼器アセンブリ内での使用に先立って混合可能な半径流二元燃料遅延希薄噴射予混合燃料ノズルに関する。例えば、本明細書において説明する燃料ノズルは、燃焼器アセンブリで用いられる実質的に均一な燃料空気混合物を創出する複数の旋回翼を含む。

この実施例において、旋回翼は、燃料ノズルの混合域の周りに配置されると共に、空気を斜め方向に混合域内へと導く。特に、空気流通路が隣接する旋回翼間に形成され、各旋回翼は燃料ノズルの半径方向中心線から離れる方向に角度をなして、空気流通路を通って送られる空気が燃料ノズルの中心線軸の周りにおいて旋回するようになっている。燃料は、空気が旋回しているときに混合域内に噴射されて、実質的に均一な燃料空気混合物が創出される。更に、この燃料ノズルは、液体燃料及び／又は気体燃料の両方を燃焼用に用いることができる。したがって、本明細書において説明する燃料ノズルは、燃焼によって生じ得るＮＯ_x排出物質の低減を促進する多種燃料型予混合器である。

図１は、例示的なタービンエンジン１００の略図である。特に、この実施例において、タービンエンジン１００は、空気吸気部１１２と吸気部１１２の下流のコンプレッサ部１１４とコンプレッサ部１１４の下流の燃焼部１１６と燃焼部１１６の下流のタービン部１１８と排気部１２０とを含むガスタービンエンジンである。タービン部１１８は、ロータ軸１２２によりコンプレッサ部１１４に結合される。この実施例において、燃焼部１１６は、複数の燃焼器１２４を含む。燃焼部１１６は、各燃焼器１２４がコンプレッサ部１１４と連通するようにコンプレッサ部１１４に結合される。燃料ノズルアセンブリ１２６は、各燃焼器内において結合される。タービン部１１８は、コンプレッサ部１１４と、発電機及び／又は機械駆動機構等であるがこれらに限定されない負荷１２８とにロータ軸１２２を介して結合される。この実施例において、コンプレッサ部１１４とタービン部１１８との各々は、ロータ軸１２２に結合されてロータアセンブリ１３２を形成する少なくとも１つのロータディスクアセンブリ１３０を含む。

運転時において、吸気部１１２は空気をコンプレッサ部１１４の方へと送り、そこで空気がより高圧且つ高温に圧縮された後、燃焼部１１６の方へと排出される。圧縮空気は、各燃料ノズルアセンブリ１２６により供給される燃料及びその他の流体と混合された後に点火され、タービン部１１８の方へと送られる燃焼ガスを発生させる。特に、各燃料ノズルアセンブリ１２６は、天然ガス及び／又は燃料油等の燃料、空気、希釈剤、及び／又は窒素ガス（Ｎ₂）等の不活性ガスをそれぞれの燃焼器１２４内及び空気流中に噴射する。燃料混合物は点火され、タービン部１１８の方へと送られる高温の燃焼ガスを発生させる。タービン部１１８は、燃焼ガスがタービン部１１８及びロータアセンブリ１３２に回転エネルギーを付与する際に、ガス流のエネルギーを機械的な回転エネルギーに変換する。

図２は、タービンエンジン１００に用いる燃焼器１２４の断面図である。この実施例において、燃焼器１２４は環状筒形燃焼器であるが、これに限定されない。更に、この実施例において、タービンエンジン１００は、二重壁トランジションダクト２６を含む。特に、この実施例において、トランジションダクト２６は、各燃焼器１２４の出口端部２８とタービン部１１８の入口端部３０との間に延在して、燃焼ガス３２をタービン部１１８内へと送る。更に、この実施例においては、各燃焼器１２４は実質的に筒形の燃焼器ケーシング３４を含む。この実施例では、燃焼器ケーシング３４の前端部４０はエンドカバーアセンブリ４２に結合される。エンドカバーアセンブリ４２は、例えば気体燃料、液体燃料、空気及び／又は水を燃焼器に送る供給管、マニホルド、弁、及び／又はタービンエンジン１００を本明細書に記載のように機能させることができるその他の何らかの構成要素を含む。

この実施例において、実質的に筒形のフロースリーブ４６は、燃焼器ケーシング３４内で、フロースリーブ４６がケーシング３４と実質的に同心的に整合するように結合される。フロースリーブ４６は、トランジションダクト２６の後端部４８においてトランジションダクト２６の外壁５０に結合されると共に、燃焼器ケーシング３４の前端部５２において結合される。更に、実施例では、フロースリーブ４６は、自身内において結合される燃焼器内筒６２を含む。燃焼器内筒６２は、後端部６４がトランジションダクト２６の内壁６６に結合されるように、且つ前端部６８が燃焼器内筒キャップアセンブリ７０に結合されるように、フロースリーブ４６内において実質的に同心的に整合する。燃焼器内筒キャップアセンブリ７０は、複数の支柱７２と付随する取付部アセンブリ（図示せず）とにより、燃焼器ケーシング３４内に固定される。この実施例では、第１の空気プレナム７４は、内筒６２とフロースリーブ４６との間且つトランジションダクトの内側及び外側の壁部６６及び５０間に形成される。更に、一実施形態において、燃焼器１２４は、フロースリーブ４６の周りにおいて実質的に同心的に整合するシート８４（図２には図示せず）を含んでおり、第２の空気プレナム９４（図２には図示せず）がシート８４とフロースリーブ４６との間に形成されるようになっている。トランジションダクト外壁５０は、自身内に形成される複数の孔部７６を含み、これらの孔部は、コンプレッサ部１１４（図１には図示せず）からの圧縮空気２０が第１の空気プレナム７４に流入することを可能にする。この実施例において、空気２２は、コンプレッサ部１１４からのコア流（図示せず）の方向と反対の方向にエンドカバーアセンブリ４２の方へと流れる。更に、この実施例では、燃焼器１２４は複数の点火プラグ７８及び複数の火炎伝播管８０も含む。点火プラグ７８及び火炎伝播管８０は、燃焼域８２内において燃焼器内筒キャップアセンブリ７０より下流に形成される内筒６２内のポート（図示せず）を貫通して延在する。点火プラグ７８及び火炎伝播管８０は、各燃焼器１２４内の燃料と空気とに点火して燃焼ガス３２を創出する。

図３は、燃焼器１２４（図２に示す）に用いる例示的な燃料ノズル２００の斜視図であり、図４は燃料ノズル２００の横断面図である。この実施例において、燃料ノズル２００は、燃料空気混合物２０２を燃焼域８２内に噴射する。特に、この実施例では、燃料ノズル２００は燃料空気混合物２０２を燃焼器中心線８６（図２に示す）に対して実質的に半径方向に燃焼域８２内へと噴射する。何らかの適切な個数の燃料ノズル２００が、燃焼器１２４が本明細書に説明するように機能することを可能にする燃焼器内筒６２の周りにおいて周方向に離間配置されてよい。更に、別の実施形態において、燃焼ノズル２００は、燃焼器１２４が本明細書に説明するように機能するように、中心線８６に対して何らかの適切な軸方向位置に配置されてよい。例えば、燃料ノズル２００は、トランジションダクトの内側及び外側の壁部６６及び５０（図２に示す）間に結合されてよい。

上述したように、第１の空気プレナム７４は、フロースリーブ４６と燃焼器内筒６２との間にあり、コンプレッサ部１１４（図１に示す）から圧縮空気２０（図２に示す）を受けるように構成される。よって、この実施例では、第１の空気プレナム７４は、空気２２の少なくとも一部分を燃料ノズル２００内へと導く。更に、空気プレナム７４は、燃料ノズル２００で使用されない残りの部分の空気２２を燃料ノズル２００より下流で使用するために送る。例えば、空気２２は、内筒６２の冷却に用いられること及び／又は燃焼器１２４内においてその他の予混合器（図示せず）に用いられてよい。

燃料ノズル２００の構造を以下により詳細に説明するが、以下の説明は燃料ノズル３００（図３及び４には図示せず）にも適用可能であることを理解されたい。この実施例において、燃料ノズル２００は、実質的に筒形であると共に背板２１２と前板２１４とこれらの間に形成される混合域とを含むノズル本体２１０を含む。燃料ノズル２００がフロースリーブ４６を介して挿入されると、背板２１２はフロースリーブ４６に結合され、前板２１４は内筒６２に結合される。複数の旋回翼が背板２１２と前板２１４との間においてノズル本体２１０の半径方向外側部分２２６に配置される。更に、実施例では、旋回翼２５０が、混合域２２８の周り及びノズル本体２１０の中心軸２９０の周りにおいて周方向に離間する。

この実施例において、少なくとも１つの入口２１６が背板２１２内に形成され、少なくとも１つの排出部２１８が前板２１４内に形成される。この実施例では、少なくとも１つの入口２１６が、背板２１２内に各々形成される第１の入口２２０と第２の入口２２２とを含む。この実施例において、第１の入口２２０はノズル本体２１０の半径方向中心部分２２４内に形成され、第２の入口２２２はノズル本体２１０の半径方向外側部分２２６内に形成される。ノズル本体２１０は、この実施例では実質的に筒形であるが、ノズル本体２１０は、ノズル２００が本明細書に説明するように機能することを可能にするいかなるその他の形状を有してもよい。

この実施例において、ノズル本体２１０は、背板２１２から中心軸２９０に沿って延在する中心体２３０を含む。中心体２３０は背板２１２から延在すると共に、中心体２３０の少なくとも一部分が燃料ノズル２００の混合域２２８内まで延在することを可能にする何らかの適切な長さを有する。この実施例において、中心体２３０は実質的に筒形の形状を有する。別の実施形態において、中心体２３０は、先細状の断面形状等であるがこれに制限されないいかなる適切な断面形状を有してもよい。中心体２３０は、流体通路２３２により第１の入口２２０と連通して結合される、自身内に形成される少なくとも１つの出口２３４を有する。

中心体２３０は、第１の動作モードにある場合には自身を介して液体燃料を送り、中心体２３０が第２の動作モードにある場合には自身を介して空気を送る。中心体２３０が第１の動作モードにある場合は、出口２３４が液体燃料を予混合のために混合域２２８内へと排出する。更に、この実施例において、出口２３４は、燃焼に先立って液体燃料のエアブラスト処理、霧化又は予蒸発を行って燃料液滴２３６にし易くする。中心体２３０が第２の動作モードにある場合は、この中心体を介して空気が送られることで、燃料空気混合物２０２が燃料ノズル２００内へと戻る方向に再循環しにくくなり、燃焼器１２４を通って送られる主流２８０の流れ構造を改善することができる。

上述したように、中心体２３０が第１の動作モードにある場合は、出口２３４は液体燃料を混合域２２８内へと排出する。したがって、中心体２３０が第１の動作モードにある場合は、複数の出口２３４が中心体先端部２３８に形成されると共に、中心線軸２９０の周りにおいて離間配置される。したがって、複数の出口２３４によって、液体燃料を実質的に半径方向に混合域２２８内へと噴射し易くなる。中心体２３０が第２の動作モードにある場合は、出口２３４は中心体先端部２３８内にあって、空気が中心線軸２９０に対して実質的に同軸的に燃焼域８２内へと放出されるようになっている。本明細書において用いる場合、「軸」、「軸方向」、又は「同軸的」という用語は、中心線軸２９０又は燃焼器中心線８６に沿う方向又は中心線軸２９０又は燃焼器中心線８６に対して実質的に平行な方向を指す。更に、本明細書において用いる場合、「半径」又は「半径方向」という用語は、中心線軸２９０又は燃焼器中心線８６に対して実質的に垂直な方向を指す。

この実施例において、各旋回翼２５０は、自身内に形成される燃料出口を含む。例えば、旋回軸２５０は、自身内に形成される第１の気体燃料出口２５２と第２の気体燃料出口２５４と第３の気体燃料出口２５６とを含む。気体燃料出口２５２、２５４及び２５６は、燃料を予混合のために混合域２２８内へと噴射するように構成される。この実施例は３つの気体燃料出口を含むが、燃料ノズル２００は、燃料ノズル２００が本明細書に記載のように機能するようないかなる適切な個数の気体燃料出口を含んでもよい。

この実施例において、第２の入口２２２は、気体燃料通路２５８を介して気体燃料出口２５２、２５４及び２５６と連通して結合される。特に、気体燃料通路２５８は、背板２１２内に形成されると共に中心線軸２９０に対して背板２１２を周方向に貫通して延在する。よって、気体燃料通路２５８は、各旋回翼２５０の各燃料出口２５２、２５４及び２５６と連通して結合される。

図５は、燃焼器１２４（図２に示す）に用いる燃料ノズル３００の斜視図であり、図６は、燃料ノズル３００の横断面図である。この実施例において、燃料ノズル３００は燃料空気混合物２０２を燃焼域８２内に噴射する。特に、この実施例では、燃料ノズル３００が燃料空気混合物２０２を燃焼器中心線８６（図２に示す）に対して実質的に半径方向に燃焼域８２内へと噴射する。

この実施例において、燃料ノズル３００は、背板２１２と前板２１４と前板２１４から延在するノズル部分２４２とを含む。したがって、燃料ノズル３００がシート８４を貫通して挿入されると、背板２１２がシート８４に結合され、前板２１４がフロースリーブ４６に結合され、ノズル部分２４２が内筒６２に結合される。

上述したように、第１の空気プレナム７４がフロースリーブ４６と燃焼器内筒６２との間に形成され、第２の空気プレナム９４がフロースリーブ４６とシート８４との間に形成される。よって、この実施例では、第２の空気プレナム９４が空気９２を燃料ノズル３００内に導くように構成され、第１の空気プレナム７４が空気２２を燃料ノズル３００の下流で使用するために自身を介して送るように構成される。例えば、空気２２を用いて、燃焼によってもたらされる高温生成物から内筒６２を冷却すること、及び／又は空気２２を燃焼器１２４内においてその他の予混合器（図示せず）に用いることができる。

図７は、線７−７における燃料ノズル３００の斜視横断面図であり、図８は、図７に示す燃料ノズル３００の上面図である。この実施例において、各旋回翼２５０は、混合域２２８の周り及び中心線軸２９０の周りにおいて周方向に離間して、空気２２又は９２（図３〜６に示す）がノズル本体２１０の半径方向中心線２９２に対して斜め方向に混合域２２８内へと導かれるようになっている。特に、実施例において、各旋回翼２５０は、半径方向中心線２９２に対して約１５°〜約６０°の角度θ₁をなして斜めに配向される中心線２９４を有する。旋回翼２５０が中心線軸２９０の周りにおいて離間配置されると、空気流通路２７０が隣接する旋回翼２５０間に形成される。したがって、各空気流通路は、半径方向中心線２９２に対して約１５°〜約６０°の角度θ₂をなして斜めに配向される中心線２９６を有する。

したがって、旋回翼２５０は、混合域２２８内における空気と燃料との旋回を促進させるように構成される。特に、各旋回翼２５０が半径方向中心線２９２から離れる方向に角度をなすと、空気流通路２７０を介して送られる空気は、混合域２２８内において中心線軸２９０の周りで旋回するように促される。よって、旋回翼２５０の配向が混合域２２８内における実質的に均一な燃料空気混合物２０２の形成を促進させ、この燃料空気混合物が、排出部２１８を介して導かれ、燃焼域８２で用いられる。

この実施例において、旋回翼２５０は、涙滴形の横断面形状を有する。しかし、旋回翼２５０は、空気２２又は９２を半径方向中心線２９２に対して斜め方向に混合域２２８内に導くことができるいかなるその他の形状を有してもよい。この実施例では、旋回翼２５０は、半径方向内側の第１の端部２６２と半径方向外側の第２の端部２６４とを含み、気体燃料出口２５２、２５４及び２５６は、旋回翼の第２の端部２６４内に形成される。よって、気体燃料出口２５２、２５４及び２５６から排出される気体燃料は、空気２２又は９２により混合域２２８内へと導かれると共に、空気流通路２７０を通って送られる。更に、この実施例では、各旋回翼２５０は、気体燃料通路２６８（図４に示す）を介した気体燃料出口２５２、２５４及び２５６と第２の出口２２２との間における連通を促進する旋回翼通路２６０を含む。

図９は、燃焼器１２４（図２に示す）に用いる燃料ノズル４００の横断面図である。この実施例において、燃料ノズル４００は燃料管３１０、３２０、３３０、３４０及び３５０と燃料通路３１２、３２２、３３２、３４２及び２５８と燃料出口３１４、３２４、３３４、３４４及び３５４とを含む。燃料出口３１４、３２４、３３４、３４４及び３５４は、燃料ノズル４００内において、実質的に均一な燃料空気混合物２０２が形成されるような何らかの適切な位置に形成される。特に、この実施例では、燃料管３１０は、前板２１４を貫通して実質的に半径方向に延在すると共に、燃料通路３１２と連通して結合される。燃料通路３１２は、燃料を予混合のために燃料出口３１４及び／又は気体燃料出口２５２、２５４及び２５６に供給するように構成される。燃料管３２０は、実質的に軸方向に背板２１２を貫通して延在すると共に、燃料通路３２２と連通して結合される。燃料通路３２２は、燃料を予混合のために燃料出口３２４に供給するように構成される。燃料管３３０は、中心体２３０の流体通路２３２内において実質的に軸方向に延在すると共に、燃料通路３３２と連通して結合される。燃料通路３３２は、燃料を予混合のために燃料出口３３４に供給するように構成される。燃料管３４０は、流体通路２３２内において実質的に軸方向に背板２１２からノズル先端部２３８まで延在すると共に、燃料通路３４２と連通して結合される。燃料通路３４２は、燃料を直接燃焼域８２内に噴射するために出口３４４に燃料を供給するように構成される。燃料管３５０は、実質的に半径方向に背板２１２を貫通して延在すると共に、燃料通路２５８と連通して結合される。燃料通路２５８は、燃料を予混合のために燃料出口３５４及び／又は気体燃料出口２５２、２５４及び２５６に供給するように構成される。

上述した燃料通路２５８と同様に、各燃料通路３１２、３２２、３３２及び３４２は、燃料ノズル４００を貫通して、中心線軸２９０に対して周方向に延在する。したがって、いかなる適切な個数の燃料出口３１４、３２４、３３４、３４４及び３５４を燃料通路３１２、３２２、３３２、３４２及び２５８と連通させて結合して、燃料ノズル４００が本明細書に記載のように機能するようにしてもよい。更に、一実施形態では、実質的に均一な燃料空気混合物２０２が形成されるように、燃料出口３１４、３２４、３３４、３４４及び３５４が、中心線軸２９０の周りにおいて実質的に均等に離間配置される。幾つかの実施形態では、燃料出口３１４、３２４、３３４、３４４及び３５４が、中心線軸２９０の周りにおいて実質的に均等に離間配置されるわけではない。

動作時において、燃料ノズル２００、３００、及び４００は、燃焼用に気体燃料、液体燃料又はこれらを組み合わせたものを用いることができる。この実施例は、燃料ノズル２００、３００及び４００が一度に気体燃料のみ又は液体燃料のみを使用する、即ち二元燃料型の実施形態である。別の実施形態は、燃料ノズル２００、３００及び４００は、動作時に気体燃料と液体燃料との両方を同時に使用できる、即ち二元燃焼型の実施形態である。

よって、一実施形態において、気体燃料は第２の入口２２２（図４に示す）又は燃料管３５０を通って気体燃料通路２５８に流入する。気体燃料は、気体燃料が各旋回翼通路２６０を通って導かれるように、実質的に気体燃料通路２５８を満たす。旋回翼通路２６０は、気体燃料が気体燃料出口２５２、２５４及び２５６を通って排出されるように、気体燃料出口２５２、２５４及び２５６と連通して結合される。よって、空気流通路２７０（図８に示す）を通って送られる空気２２又は９２は、混合域２２８に流入する前に、気体燃料出口２５２、２５４及び２５６から排出される気体燃料と混合される。

更に、一実施形態において、中心体２３０が第１の動作モードにある場合、液体燃料が入口２２０（図４に示す）に流入すると共に、流体通路２３２を通って送られる。液体燃料は、その後、出口２３４（図４に示す）から排出されると共に、混合域２２８内において空気２２又は９２と混合される。予混合期間の後に、空気燃料混合物２０２は、排出部２１８を通って燃焼域８２に流入する。よって、空気燃料混合物２０２は、主流２８０と混合されると共に、燃焼域８２内において点火される。

本明細書に記載の燃料ノズルは、空気の一部分と燃料とを予混合して燃焼ガス温度を制御することにより、ＮＯ_x排出物の低減を促進する。更に、このノズルは、燃料ノズルの混合域の周りにおいて周方向に離間する複数の旋回翼を含む。各旋回翼は、燃焼器の空気流通路から燃料ノズルに流入する空気が混合域内において旋回するように、燃料ノズルの半径方向中心線から離れる方向に角度をなす。よって、燃焼域内への噴射に先立って混合域において実質的に均一な空気燃料混合物が形成されるので、燃焼ガス温度が、ＮＯ_x排出物が形成される閾値を超えることの防止が容易になる。

上記の説明は、例を用いて、最良の形態を含めた本発明の開示を行なうと共に、当業者による何らかの装置又はシステムの製作及び使用と何らかの具体化された方法の実施とを含めた本発明の実施を可能にするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められると共に、当業者が想到するその他の例を含むことがある。このようなその他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの表現と相違しない構造要素を有する場合又は特許請求の範囲の文字通りの表現と実質的な相違がない等価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とする。

２０圧縮空気
２２空気
２６トランジションダクト
２８出口端部
３０入口端部
３２燃焼ガス
３４燃焼器ケーシング
４０前端部
４２カバーアセンブリ
４６フロースリーブ
４８後端部
５０外壁
５２前端部
６２内筒
６４後端部
６６内壁
６８前端部
７０燃焼器内筒キャップアセンブリ
７２支柱
７４第１の空気プレナム
７６孔部
７８点火プラグ
８０火炎伝播管
８２燃焼域
８４シート
８６燃焼器中心線
９２空気
９４第２の空気プレナム
１００タービンエンジン
１１２吸気部
１１４コンプレッサ部
１１６燃焼部
１１８タービン部
１２０排気部
１２２ロータ軸
１２４燃焼器
１２６燃料ノズルアセンブリ
１２８負荷
１３０ロータディスクアセンブリ
１３２ロータアセンブリ
２００燃料ノズル
２０２燃料空気混合物
２１０ノズル本体
２１２背板
２１４前板
２１６入口
２１８排出部
２２０第１の入口
２２２第２の入口
２２４半径方向中心部分
２２６半径方向外側部分
２２８混合域
２３０中心体
２３２流体通路
２３４出口
２３６燃料液滴
２３８中心体先端部
２４２ノズル部分
２５０旋回翼
２５２第１の気体燃料出口
２５４第２の気体燃料出口
２５６第３の気体燃料出口
２５８気体燃料通路
２６０旋回翼通路
２６２半径方向内側の第１の端部
２６４半径方向外側の第２の端部
２７０空気流通路
２８０主流
２９０中心線軸
２９２半径方向中心線
２９４中心線
２９６中心線
３００燃料ノズル
３１０燃料管
３１２燃料通路
３１４燃料出口
３２０燃料管
３２２燃料通路
３２４燃料出口
３３０燃料管
３３２燃料通路
３３４燃料出口
３４０燃料管
３４２燃料通路
３４４燃料出口
３５０燃料管
３５４燃料出口
４００燃料ノズル

Claims

燃焼器用の燃料ノズル（２００）であって、
前記燃焼器の内筒に直接結合される前板（２１４）であって、前記内筒が、前記燃焼器の燃焼域を少なくとも部分的に規定し、前記燃焼器の中心線の周りに延在する、前記前板（２１４）と、
背板（２１２）であって、該背板（２１２）が、前記燃焼器のフロースリーブに直接結合されるように前記前板（２１４）と離れて位置づけられ、前記フロースリーブが、前記内筒の周りに配置されて両者間に第１の空気プレナム（７４）が形成される、前記背板（２１２）と、
前記背板（２１２）と前記前板（２１４）との間に形成される混合域（２２８）と、
を含むノズル本体（２１０）を備え、
前記背板は自身内に形成される少なくとも１つの入口（２１６）を含み、
前記前板は自身内に形成される少なくとも１つの排出部（２１８）を含み、
前記燃料ノズル（２００）は、
前記背板と前記前板との間に配置されると共に、前記混合域の周りにおいて周方向に離間する複数の旋回翼（２５０）であって、各々が空気を斜め方向に前記混合域内へと導くように配向される複数の旋回翼（２５０）と、
前記ノズル本体と前記複数の旋回翼との少なくとも１つに形成される少なくとも１つの出口（２３４、２５２）であって、燃料を前記混合域内へと噴射するように構成される少なくとも１つの出口（２３４、２５２）とを含み、
前記燃料ノズル（２００）は、前記内筒を通り、少なくとも前記フロースリーブから半径方向に延在するように構成される、燃料ノズル（２００）。
前記少なくとも１つの入口が、気体燃料入口（２２２）と液体燃料入口（２２０）とを含み、前記気体燃料入口が、前記少なくとも１つの出口と連通して結合され、前記少なくとも１つの出口が、前記複数の旋回翼の少なくとも１つに形成される、請求項１に記載のノズル。
前記複数の旋回翼の少なくとも１つが自身内に形成される気体燃料通路（２６０）を含み、前記気体燃料通路が、燃料を前記少なくとも１つの入口から前記少なくとも１つの出口へと送り、前記少なくとも１つの出口が、前記複数の旋回翼の少なくとも１つの半径方向外側端部（２６４）内に形成される、請求項１に記載のノズル。
前記ノズル本体は、更に、前記背板から延在する中心体（２３０）を含み、前記中心体は、前記少なくとも１つの出口と連通して結合される、自身内に形成される流体通路（２３２）を含み、前記流体通路は、前記中心体が第１の動作モードにある場合に、自身を介して液体燃料を送るように構成され、前記流体通路は、前記中心体が第２の動作モードにある場合に、自身を介して空気を送るように構成される、請求項１に記載のノズル。
前記複数の旋回翼の各々が、前記ノズル本体の半径方向中心線に対して約１５°〜約６０°の角度をなして斜めに配向される中心線（２９４）を含む、請求項１に記載のノズル。
前記複数の旋回翼の各々が涙滴形の横断面を有する、請求項１に記載のノズル。
前記複数の旋回翼が、複数の空気流通路（２７０）が隣接する旋回翼間に形成されるように、前記ノズル本体の中心線軸（２９０）の周りにおいて離間し、前記複数の空気流通路の各々が、前記ノズル本体の半径方向中心線に対して約１５°〜約６０°の角度をなして斜めに配向される、請求項１に記載のノズル。
内筒とフロースリーブとを有する燃焼器（１２４）であって、前記内筒が、前記燃焼器の燃焼域を少なくとも部分的に規定し、前記燃焼器の中心線の周りに延在し、、前記フロースリーブが、前記内筒の周りに配置されて両者間に第１の空気プレナム（７４）が形成される前記燃焼器（１２４）と、
前記燃焼器に結合される燃料ノズル（２００）であって、前記内筒を通り、少なくとも前記フロースリーブから半径方向に延在するように構成される、前記燃料ノズル（２００）とを含み、
背板（２１２）と前板（２１４）とこれらの間に形成される混合域（２２８）とを含むノズル本体（２１０）であって、前記背板は自身内に形成される少なくとも１つの入口（２１６）を含み、前記前板は自身内に形成される少なくとも１つの排出部（２１８）を含むノズル本体（２１０）と、
前記背板と前記前板との間に配置されると共に、前記混合域の周りにおいて周方向に離間する複数の旋回翼（２５０）であって、各々が空気を斜め方向に前記混合域内へと導くように配向される複数の旋回翼（２５０）と、
前記ノズル本体と前記複数の旋回翼との少なくとも１つに形成される少なくとも１つの出口（２３４、２５２）であって、燃料を前記混合域内へと噴射するように構成される少なくとも１つの出口（２３４、２５２）とを備える燃料ノズル（２００）と、
を含み、
前記背板（２１２）が、前記燃焼器のフロースリーブに直接結合され、
前記前板（２１４）が前記燃焼器の内筒に直接結合され、
前記燃料ノズルから出た燃料空気混合物が、前記燃焼域に向けて、前記中心線に対して半径方向に向けられる、ガスタービンアセンブリ（１００）。
前記燃焼器が、更に、前記フロースリーブの周りに配置されて両者間に第２の空気プレナム（９４）が形成されるようになっているシート（８４）を含み、前記背板が前記シートに結合され、前記前板が前記フロースリーブに結合されることで、前記第２の空気プレナムが空気を前記燃料ノズル内へと導くように構成される、請求項８に記載のアセンブリ。