JP6437099B2 - タービンエンジンの燃焼器内における燃料ノズル用の冷却システム - Google Patents

Description

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明の開発は、米国エネルギー省、高度タービン開発プログラム、契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４により部分的に支援されたものである。従って、米国政府は本発明において一定の権利を有することがある。

発明の分野
本発明は、一般にタービンエンジンに関し、より詳細にはガスタービンエンジンの燃焼器内における燃料システムの構成部分用の冷却システムに関する。

通常、ガスタービンエンジンは、火炎ゾーンの上流の空気と混合させるように燃焼器内に燃料を噴射するための複数の噴射器を有している。従来のタービンエンジンの燃料噴射器は、少なくとも３つの異なる機構のうちの１つに配置することができる。燃料噴射器は希薄予混合火炎システムに設けられていてよく、この希薄予混合火炎システムでは、火炎ゾーンでの燃焼時に空気と燃料が完全に混合されるように、空気・燃料混合物が点火される場所の十分上流の空気流に燃料が噴射される。また、燃料噴射器は、燃料と空気が混合されると同時に燃焼されるような拡散火炎システム内に構成されてもよい。しばしば部分予混合システムと呼ばれるさらに別の構成では、燃料噴射器は、火炎ゾーンの上流に、空気の一部が燃料に混合されるのに十分な距離をおいて、燃料を噴射することができる。部分予混合システムは、希薄予混合火炎システムと拡散火炎システムとの組み合わせである。

加えて、メイン燃焼区域の下流の二次燃焼区域内に、軸方向段燃料ノズルが配置されている。軸方向段燃料ノズルにより、低ＮＯｘで、かつ燃焼ダイナミクスが減じられた高温運転が可能である。軸方向段燃料ノズルは、燃料又は燃料と希釈剤（通常蒸気）との混合物を、メイン燃焼区域の下流に放出することができる。燃料又は希釈蒸気流が遮断されると、軸方向段燃料ノズルは典型的には機能しなくなる。蒸気希釈剤は、クーラントとして使用するのに効果的であるが、高価である。従って、より費用対効果のよい冷却システムが必要である。

燃料ノズルを冷却するために使用可能な、タービンエンジンにおける燃料システム用の冷却システムが開示されている。冷却システムは、燃料ノズルのまわりに配置された１つ以上の冷却システムハウジングを備えていてよく、この冷却システムハウジングは、冷却システムハウジングの内面と、燃料ノズルの外面とによって少なくとも部分的に画定される冷却チャンバを形成している。燃料ノズルは、燃焼器ハウジングによって少なくとも部分的に形成された燃焼器チャンバ内に延在してよい。燃料ノズルは、１つ以上の燃料排出オリフィスを有していてよく、この燃料排出オリフィスは、燃料ノズルの外面における開口を有していて、冷却システム冷却チャンバを形成するハウジングによって制限されずに流体を排出するように形成されている。冷却システムは、燃料ノズルが使用されているか否かに関わらず、冷却システム冷却チャンバ内の燃料ノズルを冷却する冷却流体を供給することができる。

少なくとも１つの実施形態では、冷却システムは、燃焼器ハウジングによって少なくとも部分的に形成される燃焼器チャンバ内に延在する１つ以上の燃料ノズルを備えていてよい。燃料ノズルは、燃料ノズルの外面における開口を備えた１つ以上の燃料排出オリフィスを有していてよい。冷却システムは、燃料ノズルのまわりに位置している冷却システムハウジングを備えていてよい。冷却システムハウジングは、冷却システムハウジングの内面と、燃料ノズルの外面とによって少なくとも部分的に画定される冷却チャンバを形成してよい。少なくとも１つの実施形態では、燃料ノズルは、二次燃焼区域内に配置された軸方向段ノズルであってよい。燃料ノズルは、二次燃焼区域内の高温ガス流の方向に対してほぼ直交するように位置していてよい。燃料ノズルは、燃料源と連通していてよく、かつ蒸気源に連通していてよい。これにより、組み合わされた燃料蒸気ノズルが形成される。

少なくとも１つの実施形態では、冷却システムハウジングは、燃料ノズルと同心であってよい。冷却システムハウジングは、円錐形状を有する外面を有していてよい。冷却システムハウジングは、円錐形状を有する内面を有していてよい。冷却システムハウジングの遠位端における燃料ノズルの外面と冷却システムハウジングの内面との間の距離は、燃焼器ハウジングの近位端における燃料ノズルの外面と冷却システムハウジングの内面との間の距離よりも小さくてよい。冷却システムハウジングの遠位端は、燃料ノズルの遠位端よりも、燃焼器ハウジングの近くで終端していてよい。燃料ノズルの遠位端は、冷却システムの遠位端から、１／４インチ〜１と１／４インチの距離で延在していてよい。燃料ノズルの遠位端は、冷却システムの遠位端から、１／４インチ〜３／４インチの距離で延在している。燃料ノズルの遠位端は、１つ以上の燃料排出オリフィスを有していてよく、この燃料排出オリフィスは、冷却システム冷却チャンバを形成するハウジングによって制限されずに流体を排出する。冷却システムはさらに、燃料ノズルのまわりでハウジングの位置を維持するために、冷却システムハウジングの内面から延在している１つ以上のセンタリングストラットを有していてよい。

使用中、燃焼用に、燃焼器チャンバ内にシェル空気が噴射されてよい。シェル空気の一部は、燃焼器チャンバ内に噴射されるのではなく、抽気されて、冷却システムハウジングと燃料ノズルとの間の空間によって形成された冷却チャンバ内に噴射されてよい。従って、冷却システムは、燃料ノズルが使用されているか否かに関わらず燃料ノズルを冷却する少量のシェル空気で燃料ノズルを覆っている。従って、二次燃焼区域内の燃料ノズルは、メイン燃焼区域内の燃料ノズルが使用されている場合に、ガスタービンエンジンの運転中、常時使用される必要はない。そうではなく、冷却システムは、二次燃焼区域内の燃料ノズルを使用することなく、メイン燃焼区域内の燃料ノズルを使用できるという柔軟性を提供している。

この冷却システムの利点は、冷却システムが、燃料ノズルの少なくとも一部を取り囲む冷却チャンバに冷却空気を提供し、これにより、燃焼器が運転中であっても使用されず、燃料ノズルが燃焼チャンバ内にあるとき、燃料ノズルに対する損傷を阻止することにある。ノズルは、冷却チャンバを越えて延在していてよい。何故ならば、冷却空気の膜が通路内に形成され、これによりノズル先端は保護されるからである。

この冷却システムの別の利点は、高温の燃焼ガスによる燃料ノズルに対する損傷を阻止するために、ノズルに対して燃料が遮断されているときもこの燃料ノズルに対して継続的に蒸気を供給しなければならない従来のシステムとは異なり、本発明の冷却システムの使用により、ノズルへの燃料が遮断されているときに、燃料ノズルに接続された蒸気供給を遮断することができることにある。

この冷却システムのさらに別の利点は、センタリングストラットにより燃料ノズルのまわりで冷却システムハウジングが整列させられることにある。

この冷却システムの別の利点は、この冷却システムが、使用中は燃料と蒸気の混合物を放出し、不使用期間中は蒸気又は燃料が流れない燃料ノズルのまわりの冷却チャンバへと冷却空気を供給することにある。

この冷却システムのさらに別の利点は、冷却システムハウジングが、燃料ノズルの冷却を維持するが、燃料ノズル先端からの燃料噴射パターンに影響を与えないことを保証する長さを有することができることにある。

これらの実施の形態及びその他の実施の形態を、以下により詳細に説明する。

本明細書に組み込まれ明細書の一部を成す添付の図面は、本発明の実施形態を示しており、詳細な説明と共に本発明の原理を開示している。

燃料ノズルを保護するための冷却システムを有する二次燃焼区域に配置された燃料ノズルを備える、燃焼器内の燃料システムを含むタービンエンジンの一部を示す断面図である。 燃料ノズルを保護するための冷却システムを有する二次燃焼区域に配置された燃料ノズルを備えた燃焼器を概略的に示す図である。 燃焼器内の二次燃焼区域に配置された燃料ノズルを示す斜視図である。 燃料ノズルのまわりに配置された冷却システムを有する燃焼器内の二次燃焼区域に配置された燃料ノズルを示す斜視図である。 冷却システムハウジングの内面から半径方向内側に延在する複数のセンタリングストラットを有する冷却システムハウジングを示す斜視図である。 図４の６−６線に沿って断面した冷却システムと燃料ノズルの断面図である。

図１〜図６に示すように、燃料ノズル１６を冷却するために使用可能な、タービンエンジン１４内における燃料システム１２用の冷却システム１０が開示されている。冷却システム１０は、燃料ノズル１６のまわりに配置された１つ以上の冷却システムハウジング１８を備えていてよく、この冷却システムハウジング１８は、冷却システムハウジング１８の内面２２と、燃料ノズル１６の外面２４とによって少なくとも部分的に画定される冷却チャンバ２０を形成している。燃料ノズル１６は、燃焼器ハウジング３２によって少なくとも部分的に形成された燃焼器チャンバ２６内に延在してよい。燃料ノズル１６は、図３及び図４に示すように１つ以上の燃料排出オリフィス２８を有していてよい。この燃料排出オリフィス２８は、燃料ノズル１６の外面２４における開口３０を有していて、冷却システム冷却チャンバ２０を形成するハウジング１８によって制限されずに流体を排出するように形成されている。冷却システム１０は、燃料ノズル１６が使用されているか否かに関わらず、冷却システム冷却チャンバ２０内の燃料ノズル１６を冷却する冷却流体を供給することができる。

少なくとも１つの実施形態では、冷却システム１０は、図３に示すように、燃焼器ハウジング３２によって少なくとも部分的に形成される燃焼器チャンバ２６内に延在する１つ以上の燃料ノズル１６を備えていてよい。燃料ノズル１６は、図３及び図４に示すように、燃料ノズル１６の外面２４における開口３０を備えた１つ以上の燃料排出オリフィス２８を有していてよい。冷却システムハウジング１８は、燃料ノズル１６のまわりに位置していてよい。少なくとも１つの実施形態では、燃料ノズル１６は、図１及び図２に示すように、メイン燃焼区域３６の下流にある二次燃焼区域３４内に配置された軸方向段ノズル１６であってよい。燃料ノズル１６は、二次燃焼区域３４内の高温ガス流の方向に対してほぼ直交するように位置していてよい。燃料ノズル１６は、燃料源３８と連通していてよく、かつ蒸気源４０に連通していてよい。これにより、組み合わされた燃料蒸気ノズル１６が形成される。

冷却システムハウジング１８は、図４及び図５に示すように、冷却システムハウジング１８の内面２２と、燃料ノズル１６の外面２４とによって少なくとも部分的に画定される冷却チャンバ２０を形成している。少なくとも１つの実施形態では、冷却システムハウジング１８は、燃料ノズル１６と同心であってよい。図６に示すように、冷却システムハウジング１８は、円錐形状を有する外面を有していてよい。冷却システムハウジング１８は、円錐形状を有する内面２２を有していてよい。少なくとも１つの実施形態では、冷却システムハウジング１８の遠位端４２における燃料ノズル１６の外面２４と冷却システムハウジング１８の内面２２との間の距離は、燃焼器ハウジング３２の近位端４４における燃料ノズル１６の外面２４と冷却システムハウジング１８の内面２２との間の距離よりも小さい。

図４及び図６に示すように、冷却システムハウジング１８の遠位端４２は、燃料ノズル１６の遠位端４６よりも、燃焼器ハウジング３２の近くで終端していてよい。燃料ノズル１６の遠位端４６は、冷却システム１０の遠位端４２から、１／４インチ〜１と１／４インチの距離で延在していてよい。別の実施形態では、燃料ノズル１６の遠位端４６は、冷却システム１０の遠位端４２から、１／４インチ〜３／４インチの距離で延在していてよい。燃料ノズル１６の遠位端４６は、１つ以上の燃料排出オリフィス２８を有していてよく、この燃料排出オリフィス２８は、冷却システム冷却チャンバ２０を形成するハウジング１８によって制限されずに流体を排出する。

冷却システムハウジング１８は、燃焼器チャンバ２６内に生じる高温ガスにさらすことのできる材料から形成されてよい。冷却システムハウジング１８は、ハステロイ及びインコネル材料のような材料から形成されてよいが、これに限定されるものではない。

図５に示すように、冷却システムハウジング１８は、燃料ノズル１６のまわりでハウジング１８の位置を維持するために、１つ以上のセンタリングストラット４８を有していてよく、このセンタリングストラット４８は、ハウジング１８の内面２２からハウジング１８の中心線５０に向かって延在している。センタリングストラット４８は、燃料ノズル１６の外面２４に接触していてもよいし接触していなくてもよい。燃料ノズル１６の外面２４にセンタリングストラット４８が接触している実施形態では、センタリングストラット４８の全長又はセンタリングストラット４８の一部が燃料ノズル１６に接触していてよい。センタリングストラット４８は、冷却システムハウジング１８の全長にわたって、又はハウジング１８の長さの一部にわたって延在していてよい。少なくとも１つの実施形態では、冷却システム１０は、冷却システムハウジング１８から半径方向内側に延在する３つのセンタリングストラット４８を備えていてよい。別の実施形態では、冷却システム１０は、冷却システムハウジング１８から半径方向内側に延在する別の数の、例えば、１つ、２つ、４つ、又はそれ以上のセンタリングストラット４８を備えていてよい。

使用中、燃焼用に、燃焼器チャンバ２６内にシェル空気が噴射されてよい。シェル空気の一部は、燃焼器チャンバ２６内に噴射されるのではなく、抽気されて、冷却システムハウジング１８と燃料ノズル１６との間の空間によって形成された冷却チャンバ２０内に噴射されてよい。従って、冷却システム１０は、燃料ノズル１６が使用されているか否かに関わらず燃料ノズル１６を冷却するために少量のシェル空気で燃料ノズル１６を覆っている。従って、二次燃焼区域３４内の燃料ノズル１６は、メイン燃焼区域３６内の燃料ノズルが使用されている場合に、ガスタービンエンジン１４の運転中、常時使用される必要はない。そうではなく、冷却システム１０は、二次燃焼区域３４内の燃料ノズル１６を使用することなく、メイン燃焼区域３６内の燃料ノズルを使用できるという柔軟性を提供している。

上記説明は、本発明の実施の形態を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (10)

1. タービンエンジン（１４）の燃料システム用の冷却システム（１０）であって、
   燃焼器ハウジング（３２）によって少なくとも部分的に形成される燃焼器チャンバ（２６）内へと延在する少なくとも１つの燃料ノズル（１６）を有しており、該少なくとも１つの燃料ノズル（１６）は、該少なくとも１つの燃料ノズル（１６）の外面（２４）における開口（３０）を備えた少なくとも１つの燃料排出オリフィス（２８）を有していて、
   前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）のまわりに配置された少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）を有しており、前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）は、前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）の内面（２２）と、前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）の前記外面（２４）とによって少なくとも部分的に画定される冷却チャンバ（２０）を形成していて、該冷却チャンバ（２０）は、燃焼器運転中に、前記燃料ノズルが使用されているか否かに関わらず、前記燃料ノズル（１６）を取り囲みこれにより前記燃料ノズル（１６）を冷却するように配向される冷却空気を搬送し、
   前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）の、前記燃焼器ハウジングを基準とした遠位端（４２）は、前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）の、前記燃焼器ハウジングを基準とした遠位端（４６）よりも、前記燃焼器ハウジング（３２）の近くで終端しており、
   前記燃料ノズル（１６）のまわりで前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）の位置を維持するために、少なくとも１つのセンタリングストラット（４８）が、前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）の前記内面（２２）から半径方向内側に延在している
   ことを特徴とする、冷却システム（１０）。
2. 前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）は、二次燃焼区域（３４）内に配置された軸方向段ノズルである、請求項１記載の冷却システム（１０）。
3. 前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）は、前記二次燃焼区域（３４）内の高温ガス流の方向に対してほぼ直交するように位置している、請求項２記載の冷却システム（１０）。
4. 前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）は、燃料源（３８）と連通していて、かつ蒸気源（４０）に連通しており、これにより、組み合わされた燃料蒸気ノズルが形成される、請求項１記載の冷却システム（１０）。
5. 前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）は、前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）と同心である、請求項１記載の冷却システム（１０）。
6. 前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）は円錐形状を有する前記外面（２４）を有していて、前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）は円錐形状を有する前記内面（２２）を有している、請求項１記載の冷却システム（１０）。
7. 前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）の前記遠位端（４２）における前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）の前記外面（２４）と前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）の前記内面（２２）との間の距離は、前記燃焼器ハウジング（３２）の近位端における前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）の前記外面（２４）と前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）の前記内面（２２）との間の距離よりも小さい、請求項１記載の冷却システム（１０）。
8. 前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）の前記遠位端（４６）は、前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）の前記遠位端（４２）から、０．６４センチメートル〜３．１８センチメートルの範囲の距離で延在している、請求項１記載の冷却システム（１０）。
9. 前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）の前記遠位端（４６）は、前記少なくとも１つの冷却システムハウジング（１８）の前記遠位端（４２）から、０．６４センチメートル〜１．９０センチメートルの範囲の距離で延在している、請求項１記載の冷却システム（１０）。
10. 前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６）の前記遠位端（４６）は少なくとも１つの燃料排出オリフィス（２８）を有していて、該燃料排出オリフィス（２８）は、前記少なくとも１つの冷却システム冷却チャンバ（２０）を形成する前記冷却システムハウジング（１８）によって制限されずに流体を排出する、請求項１記載の冷却システム（１０）。

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