JP6220223B2 - マイクロ・ミキサ・ノズル - Google Patents

Description

本出願および結果として得られる特許は一般的に、ガス・タービン・エンジンに関し、より詳細には、製造を容易にし、構成を容易にし、および動作を全体的に容易にするために構成部品が単純化されたマイクロ・ミキサ・ノズルに関する。

ガス・タービン・エンジンの運転効率および全体的出力は一般的に、高温燃焼ガス・ストリームの温度の増加とともに増加する。しかし、燃焼ガス・ストリーム温度が高いと、高レベルの窒素酸化物および他のタイプの規制排出物が発生する場合がある。したがって、ガス・タービン・エンジンを効率的な温度範囲で動作させることと、一方で、窒素酸化物および他のタイプの規制排出物の出力が確実に強制レベル未満に留まることとの間に、バランス取りが存在する。

窒素酸化物などの排出レベルを低くすることが、燃料ストリームと空気ストリームとを燃焼前に良好に混合することによって促進される場合がある。このような予混合を行なうと、燃焼温度と窒素酸化物の出力とが低下する傾向がある。このような良好な混合を実現する１つの方法は、マイクロ・ミキサ燃焼ノズルを用いることによる。マイクロ・ミキサ燃焼ノズルでは、燃料と空気とをプレナム内の複数のマイクロ・ミキサ・チューブ内で混合すること２６が、燃焼前に行なわれる。

現在のマイクロ・ミキサ・ノズル・デザインによって燃焼性能は向上するが、このようなマイクロ・ミキサ・ノズルの製造は困難な場合がある。前述したように、マイクロ・ミキサ・ノズルは一般的に、複数の小さい孔が内部に設けられた複数の小さいチューブを備えている。このような構成部品は、厳しい許容誤差が必要となる場合があり、したがって製造には時間がかかる場合がある。また、全体的な流れ分布をその中で制御することが難しい場合がある。

米国特許出願公開第２０１２／０１９８８５６号明細書

マイクロ・ミキサ燃焼ノズル・デザインの改善が望まれている。このようなマイクロ・ミキサ燃焼ノズル・デザインの改善によって、良好な燃料／空気混合が促進される一方で、製造および構成が容易になり、より低コストの構成部品および技術とともに用いられる場合がある。

したがって、本出願および最終的な特許によって、ガス・タービン・エンジン内の燃料流と空気流とを混合するためのマイクロ・ミキサ燃焼ノズルが提供される。マイクロ・ミキサ燃焼ノズルは、燃料流と連絡している複数の燃料プレート開口部と燃料プレート通路とを伴う燃料プレートと、空気流と連絡している複数の空気プレート開口部と空気プレート通路とを伴う空気プレートとを備えていても良い。燃料プレート通路と空気プレート通路とは、燃料流と空気流とを部分的に混合するように位置合わせされていても良い。

本出願および最終的な特許によってさらに、燃焼ノズル内の燃料流と空気流とを混合する方法が提供される。本方法は、ガス・プレート上の１または複数のガス・プレート通路を、空気プレート上の１または複数の空気プレート通路と、少なくとも部分的に位置合わせさせるステップと、燃料を複数の燃料プレート開口部を通して１または複数のガス・プレート通路内に流すステップと、空気を１または複数の空気プレート通路内に流すステップと、燃料流と空気流とを混合するステップと、燃料空気混合気を複数の空気プレート開口部を通して流すステップと、を含んでいても良い。

本出願および最終的な特許によってさらに、ガス・タービン・エンジン内の燃料流と空気流とを混合するためのマイクロ・ミキサ燃焼ノズルが提供される。マイクロ・ミキサ燃焼ノズルは、燃料流と連絡している複数の燃料プレート開口部と複数の燃料プレート通路とを伴う燃料プレートと、空気流と連絡している複数の空気プレート開口部と複数の空気プレート通路とを伴う空気プレートと、を備えていても良い。燃料プレート通路と空気プレート通路とを、燃料流と空気流とを混合して燃料空気流にして通路を通すために、部分的に位置合わせしても良い。

本出願および結果として得られる特許のこれらおよび他の特徴および改善は、以下の詳細な説明を複数の図面および添付の請求項とともに検討すれば、当業者には明らかになる。

圧縮機、燃焼器、タービン、および負荷を示すガス・タービン・エンジンの概略図である。 図１のガス・タービン・エンジンとともに用いても良い燃焼器の概略図である。 本明細書で説明する場合があるマイクロ・ミキサ・ノズルの部分斜視図である。 図３のマイクロ・ミキサ・ノズルとともに用いる燃料プレートの部分的な斜視図である。 図３のマイクロ・ミキサ・ノズルとともに用いる空気プレートの斜視図である。 本明細書で説明する場合があるマイクロ・ミキサ・ノズルとともに用いる空気プレートの代替的な実施形態の部分側断面図である。

次に、図面（複数の図の全体に渡って同様の数字は同様の要素を指す）を参照して、図１は、本明細書で用いても良いガス・タービン・エンジン１０の概略図を示す。ガス・タービン・エンジン１０は圧縮機１５を備えていても良い。圧縮機１５によって、流入空気流２０が圧縮される。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５に送出する。燃焼器２５では、圧縮された空気流２０が加圧された燃料流３０と混合され、混合気が点火されて燃焼ガス流３５が形成される。単一の燃焼器２５のみを示しているが、ガス・タービン・エンジン１０は任意の数の燃焼器２５を備えていても良い。燃焼ガス流３５は次に、タービン４０に送出される。燃焼ガス流３５によってタービン４０が駆動されて、機械仕事が発生する。タービン４０内で発生した機械仕事によって、圧縮機１５がシャフト４５を介して駆動され、外部負荷５０たとえば発電機などが駆動される。

ガス・タービン・エンジン１０では、天然ガス、種々のタイプのシンガス、および／または他のタイプの燃料を用いても良い。ガス・タービン・エンジン１０は、ニュー・ヨーク（ＮｅｗＹｏｒｋ）、スケネクタディ（Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ）のゼネラル・エレクトリック・カンパニによって提供される複数の異なるガス・タービン・エンジンのいずれか１つであっても良い。エンジンには、限定することなく、７または９シリーズのヘビー・デューティ・ガス・タービン・エンジンなどが含まれる。ガス・タービン・エンジン１０は、異なる構成を有していても良く、また他のタイプの構成部品を用いていても良い。本明細書では、他のタイプのガス・タービン・エンジンも用いても良い。本明細書では、複数のガス・タービン・エンジン、他のタイプのタービン、および他のタイプの発電機器も共に用いても良い。

図２に、前述したガス・タービン・エンジン１０とともに用いても良い燃焼器２５の例の概略図を示す。燃焼器２５は、先端部におけるエンド・キャップ５２から、タービン４０の周りの後方端部における尾筒５４まで延びていても良い。複数の燃料ノズル５６が、エンド・キャップ５２の周りに位置していても良い。ライナ５８が、燃料ノズル５６から尾筒５４に向かって延びていても良く、その内部に燃焼ゾーン６０を画定していても良い。ライナ５８は流れスリーブ６２によって囲まれていても良い。ライナ５８と流れスリーブ６２とによって、両者の間に、圧縮機１５または他からの空気流２０に対する流路６４が画定されていても良い。本明細書で説明した燃焼器２５は単に、例を目的とするものである。本明細書では、他の構成部品および他の構成を伴う燃焼器を用いても良い。

図３〜５に、空気流２０と燃料流３０とを混合するための本明細書で説明する場合がある燃焼ノズル１００の一部を示す。燃焼ノズル１００は、マイクロ・ミキサ燃焼ノズル１１０であっても良い。燃焼ノズル１００は、前述した燃焼器２５などとともに用いても良い。燃焼ノズル１００は、任意の好適なサイズ、形状、または構成を有していても良い。

燃焼ノズル１００は、燃料プレート１２０を備えていても良い。燃料プレート１２０は、燃料流３０と連絡していても良い。用語「プレート」を用いることによって、単に燃料通路の下流端を指している。燃料プレート１２０は、他の多くの全体的なデザインと組み合わせても良い。燃料プレート１２０は、第１のサイド１３０と第２のサイド１４０とを有していても良い。燃料プレート１２０は、複数の燃料プレート開口部１５０が第１のサイド１３０から第２のサイド１４０に延びていても良い。燃料プレート開口部１５０は、任意の好適なサイズ、形状、または構成を有していても良い。本明細書では、異なるサイズおよび形状の燃料開口部１５０を共に用いても良い。本明細書では、任意の数の燃料プレート開口部１５０を用いても良い。

燃料プレート１２０は、内部に、複数の燃料プレート通路１６０が第２のサイド１４０の周りに形成されていても良い。燃料プレート通路１６０は、燃料プレート１４０の第２のサイド１４０内に溝として形成されていても良いし、または別の方法でそこに形成されていても良い。燃料プレート開口部１５０は、燃料プレート通路１６０と位置合わせされていても良い。この例では、燃料プレート通路１６０は、複数の同心円１７０という形を取っている。同心円１７０は連続的および／または断続的であっても良い。燃料プレート通路１６０は、任意の好適なサイズ、形状、または構成を有していても良い。本明細書では、任意の数の燃料プレート通路１６０を用いても良い。本明細書では、異なるサイズおよび形状の燃料プレート通路１６０を共に用いても良い。本明細書では、他の構成部品および他の構成を用いても良い。

燃焼ノズル１００は、空気プレート１８０を備えていても良い。空気プレート１８０は、圧縮機１５０または他の場所からの空気流２０と連絡していても良い。用語「プレート」を用いることによって、単に空気通路の下流端を指している。空気プレート１８０を、他の多くの全体的なデザインと組み合わせても良い。空気プレート１８０は、燃料プレート１２０を全体的または部分的に囲んでいても良いし、または対応する位置を逆にしても良い。空気プレート１８０は、第１のサイド１９０と第２のサイド２００とを備えていても良い。燃料プレート１２０の第２のサイド１４０は、空気プレート１８０の第１のサイド１９０に面していても良い。空気プレート１８０は、複数の空気プレート開口部２１０が、そこを通って第１のサイド１９０から第２のサイド２００まで延びていても良い。空気プレート開口部２１０は、任意の好適なサイズ、形状、または構成を有していても良い。任意の数の空気プレート開口部２１０を用いても良い。空気プレート開口部２１０は一般的に、燃料プレート開口部１５０（このようなものを用いても良いが）と直接位置合わせされていなくても良く、そこからずれていても良い。また、本明細書では、異なる数の空気プレート開口部２１０および燃料プレート開口部１５０を用いても良い。本明細書では、異なるサイズおよび形状の空気プレート開口部２１０を共に用いても良い。

また空気プレート１８０は、複数の空気プレート通路２２０を有していても良い。空気プレート通路２２０は、任意の好適なサイズ、形状、または構成を有していても良い。本明細書では、任意の数の空気プレート通路２２０を用いても良い。空気プレート通路２２０を、空気プレート１８０の第１のサイド１９０に形成しても良い。空気プレート通路２２０は、空気プレート１８０の第１のサイド１９０内に溝として形成されていても良いし、または別の方法でそこに形成されていても良い。本明細書では、この例において、複数の直線状の空気プレート通路２３０を用いても良い。また、１または複数の円形状の空気プレート通路セグメント２４０を用いても良い。空気プレート開口部２１０は、直線状の空気プレート通路２３０および円形状の空気プレート通路セグメント２４０および他の場所内に位置していても良い。図示したように、本明細書では、異なるサイズおよび形状の空気プレート通路２２０を共に用いても良い。本明細書では、他の構成部品および他の構成を用いても良い。

使用時、燃料流３０は、燃料プレート１２０に達し、燃料プレート開口部１５０を通って、その第２のサイド１４０上の燃料プレート通路１６０内に入る。燃料流３０は、小さい燃料プレート開口部１５０を通るときに加速される場合がある。空気流２０は、空気プレート１８０に達し、空気プレート通路２２０を通って流れる。燃料プレート通路１６０と空気プレート通路２２０とを結びつけることによって、ある種の混合チューブ２５０であって、燃料流３０の加速と相まってその中で良好な燃料空気混合が促進される混合チューブ２５０が形成される。こうして、燃料空気混合気２６０は、空気プレート開口部２１０を出て、燃焼ゾーン６０内での燃焼に備える。本明細書では、他の構成部品および他の構成を用いても良い。

本明細書では、種々の開口部および通路のサイズ、形状、および構成を変えても良い。たとえば、図６に示すのは、角度の付いた複数の空気プレート開口部２８０を伴う空気プレート２７０の例である。そして、角度の付いた空気プレート開口部２８０は、ある角度で、空気プレート２７０の第１のサイド１９０から第２のサイド２００まで延びている。本明細書では、任意の角度を用いても良い。角度の付いた空気開口部２８０を、前述したように空気プレート１８０の第１のサイド１９０から垂直に延びる空気プレート開口部２１０と用いても良い。本明細書では、空気プレート開口部の任意の組み合わせを用いても良い。角度の付いた空気プレート開口部２８０を用いることによって、高温ガスが空気プレート２７０の第２のサイド２００の周りで再循環することが最小になる場合がある。

空気プレート開口部２１０のサイズを変えることを用いて、そこを通る燃料空気混合気２６０に対する消炎を制御しても良い。燃料プレート通路１６０および空気プレート通路２２０のサイズを変えて、そこを通る圧力低下を制御しても良い。燃焼ノズル１００の全体的な調整を、プレート１２０、１８０、開口部１５０、２１０、および通路１６０、２２０のサイズおよび形状を変えることによって行なっても良い。また、対応する開口部１５０、２１０および通路１６０、２２０の時間を測定して、微細な調整を図っても良い。また、燃料プレート２２０および空気プレート１８０の対応する位置を逆にしても良い。異なるタイプの充填材を空気通路２２０に加えて、消炎能力を維持して保炎を制御しても良い。このような充填材は、内部における化学反応を高める一方で保炎を抑止する触媒であっても良い。また、空気プレート１８０の層を用いて、消炎距離を維持し通路２２０の流路面積を増加させても良い。本明細書では、他の構成部品および他の構成を用いても良い。

以上、本明細書で説明した燃焼ノズル１００によって、構成部品が実質的にモジュール方式になる場合があり、製造が容易になる場合がある。また、燃焼ノズル１００の再構成が容易になる場合がある。これらの製造上の利益は、複数の動作優位性を併せ持つ。たとえば、非常に高い保炎限界、低排出、急速燃焼に対する短炎、および圧力低下の減少である。具体的には、燃焼ノズル１００によって、空気および燃料分配の制御が向上する。

当然のことながら、前述したことは、本出願および結果として得られる特許のある特定の実施形態のみに関している。本明細書では、多くの変形および変更を、以下の請求項およびその均等物によって規定される本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく当業者が行なっても良い。

Claims (6)

1. ガス・タービン・エンジン内の燃料流と空気流とを混合するためのマイクロ・ミキサ燃焼ノズルであって、
   前記燃料流と連絡し、複数の燃料プレート開口部と燃料プレート通路とを備える燃料プレートと、
   前記燃料プレートと位置合わせされ、前記空気流と連絡する空気プレートと、
   を備え、
   前記燃料プレートは、
   第１のサイドおよび第２のサイドと、
   前記第１のサイドから前記第２のサイドまで前記燃料プレートを通って延在する複数の燃料プレート開口部と、
   前記燃料プレートの前記第２のサイド上に形成された少なくとも１つの燃料プレート通路と、
   を含み、
   前記少なくとも１つの燃料プレート通路は、前記燃料プレートの前記第２のサイド上の溝を含み、
   前記複数の燃料プレート開口部の少なくとも一部は、前記少なくとも１つの燃料プレート通路と位置合わせされ、前記少なくとも１つの燃料プレート通路内に出、
   前記空気プレートは、
   第１のサイドおよび第２のサイドと、
   前記第１のサイドから前記第２のサイドまで前記空気プレートを通って延在する複数の空気プレート開口部と、
   前記空気プレートの前記第１のサイド上に形成された少なくとも１つの空気プレート通路と、
   を含み、
   前記少なくとも１つの空気プレート通路は、前記空気プレートの前記第１のサイド上の溝を含み、
   前記複数の空気プレート開口部の少なくとも一部は、前記少なくとも１つの空気プレート通路と位置合わせされ、
   前記少なくとも１つの燃料プレート通路と前記少なくとも１つの空気プレート通路は、少なくとも部分的に重なり合って混合チューブを形成し、
   前記燃料流が、前記複数の燃料プレート開口部を通って、前記少なくとも１つの燃料プレート通路および前記混合チューブに流れ、
   前記燃料流が、前記少なくとも１つの空気プレート通路からの前記空気流と混合され、前記複数の空気プレート開口部から出る燃料空気混合気を生成する、
   マイクロ・ミキサ燃焼ノズル。
2. 前記少なくとも１つの燃料プレート通路は、同心円が含まれる、請求項１に記載の前記マイクロ・ミキサ燃焼ノズル。
3. 前記少なくとも１つの空気プレート通路は、直線状の空気プレート通路が含まれる、請求項１に記載の前記マイクロ・ミキサ燃焼ノズル。
4. 前記少なくとも１つの空気プレート通路は、円形状の空気プレート通路セグメントが含まれる、請求項１に記載の前記マイクロ・ミキサ燃焼ノズル。
5. 前記複数の空気プレート開口部は、前記複数の燃料プレート開口部とずれている、請求項１に記載の前記マイクロ・ミキサ燃焼ノズル。
6. 前記複数の空気プレート開口部は、角度の付いた空気プレート開口部が含まれる、請求項１に記載の前記マイクロ・ミキサ燃焼ノズル。