JP6779651B2 - 燃料ノズルを有するシステムおよび方法 - Google Patents

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Description

本明細書で開示する主題はガス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料ノズル組立体に関する。
ガスタービンエンジンは燃料と空気の混合物を燃焼させて高温の燃焼ガスを生じさせ、これがひいては１つまたは複数のタービン段を駆動する。特に、高温の燃焼ガスはタービン動翼を強制的に回転させ、それによって軸を駆動させて、例えば発電機などの１つまたは複数の負荷を回転させる。ガスタービンエンジンは、燃料および空気を燃焼器内に噴射するために、１つまたは複数の燃料ノズル組立体を含む。燃料ノズル組立体の設計および構造は、排気エミッション（例えば、窒素酸化物、一酸化炭素など）および燃料ノズル組立体の構成部品の寿命に大きな影響を与え得る。さらに、燃料ノズル組立体の設計および構造は、取付け、取外し、保守、および一般整備の時間、コスト、ならびに複雑さに大きな影響を与え得る。したがって、燃料ノズル組立体の設計および構造を改良することは望ましいことと考えられる。
米国特許出願公開第２０１４／００６００６３号明細書
本来、特許請求される発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡潔な概要を提供することのみを意図する。実際、本発明は様々な形態を含むことができ、それらは、下記に説明する実施形態と同様な場合、または異なる場合がある。
第１の実施形態では、ガスタービンシステムは第１のボディを含み、第１のボディは、混合域から第１のボディの第１の下流端部にある中央出口へ延在する中央通路と、混合域内の燃料出口と、混合域内の酸化剤出口と、第１の下流端部に向かって下流方向に延在する第１の通路、および第１の下流端部から混合域内へ上流方向に延在する第２の通路を含む外側通路とを含む。
第２の実施形態では、ガスタービンシステムは燃料ノズルを含み、燃料ノズルは第１のボディおよび第２のボディを含み、第１のボディは、混合域から第１のボディの第１の下流端部にある中央出口へ延在する中央通路と、混合域に配置された複数の旋回羽根と、第１の下流端部に向かって下流方向に延在する第１の通路、および第１の下流端部から混合域内へ上流方向に延在する第２の通路を備える外側通路とを含み、第２のボディは第１のボディの周りに配置される。第２のボディは、第２のボディの第２の下流端部に延在する流体通路を含む。
第３の実施形態では、方法は、第１の流体を燃料ノズルの第１のボディの第１の下流端部に向かって下流方向に流すステップと、第１の流体を第１の下流端部から混合域内へ上流方向に流すステップと、第１の流体を第２の流体と混合域内で混合して、混合流体を生じさせるステップとを含む。混合域は、複数の旋回羽根、燃料出口、酸化剤出口、またはこれらの組合せを含む。本方法はまた、混合流体を混合域から中央通路を通して、燃料ノズルの第１の下流端部にある中央出口へ流すステップを含む。
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を表わす添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されるであろう。
中央ボディを含む燃料ノズル組立体を有するタービンシステムの実施形態のブロック図である。 図１のタービンシステムの燃焼器の実施形態の断面図であり、燃焼器は中央ボディを有する複数の燃料ノズル組立体を含む。 図１の燃料ノズル組立体および中央ボディの実施形態の断面図であり、中央ボディは、先端冷却通路、および燃料ノズル組立体の混合域の羽根に流体結合する冷却剤回収通路を含む。 中央ボディの実施形態の上面透視図であり、中央ボディは、中央パイロット、中央パイロットの周りを周方向に延在する複数の燃料開口、燃料開口の周りを周方向に延在する旋回羽根、および旋回羽根の周りを周方向に延在する酸化剤出口を含む。 中央ボディの実施形態の断面図であり、中央ボディは、冷却剤回収通路および中央パイロット通路の少なくとも一部分を画定する導管を含み、中央パイロット通路および冷却剤回収通路は、これらの形状が球形となるように、燃料ノズル組立体の中心線軸から離れるように半径方向外向きに非直線的に拡大している。 中央ボディの実施形態の断面図であり、中央ボディは、中央パイロット通路および冷却剤回収通路の少なくとも一部分を画定する導管を含み、冷却剤回収通路および中央パイロット通路は、これらの形状がワイングラス形となるように、燃料ノズル組立体の中心線軸から離れるように半径方向外向きに非直線的に拡大している。 中央ボディの有孔板の実施形態の上面図であり、有孔板は複数のインピンジメント開口を含む。 中央ボディの下流端部の実施形態の断面図であり、中央ボディは、先端冷却通路と冷却剤回収通路を流体結合する冷却室の上流に有孔板を含み、先端冷却通路は冷却流体流れを下流方向に向かって流し、冷却剤回収通路は冷却流体を上流方向に流す。 中央ボディの下流端部の実施形態の断面図であり、先端冷却通路および冷却剤回収通路の両方を画定する壁は有孔板の上流に複数の開口を含む。 図１のタービンシステムの燃焼器の実施形態の断面図であり、燃焼器はローブを有する複数の燃料ノズル組立体を含む。
本開示の１つまたは複数の特定の実装形態を以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実装態様のすべての特徴を説明しないかもしれない。いかなるこうした実際の実装態様の開発に際しても、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトにおけるように、システム関連およびビジネス関連の制約を遵守することなど、実施態様ごとに変わり得る開発者の特定の目標を達成するために、実装態様特有の多くの決定を行われなければならないことを理解されたい。さらに、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する場合があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造の定常作業であることを理解されたい。
本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、それらの要素のうちの１つまたは複数があることを意味することを意図する。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であり、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味することを意図する。
本開示は、ガスタービンエンジンに使用するための燃料ノズル組立体を対象とする。燃料ノズル組立体は、ガスタービンエンジンの燃焼器の燃焼域（例えば、火炎域）に燃料と酸化剤（例えば、空気）との混合物を供給して火炎を発生させ、それがひいては高温の燃焼ガスを発生させる。タービンは、火炎からの熱エネルギー（例えば、高温の燃焼ガス）を、発電機、ポンプなどの機械に動力を与えるために使用される機械エネルギーに変換する。燃料ノズル組立体は一般に、燃焼ノズル組立体の下流の燃焼域の火炎の特性（例えば、長さ、形状など）ならびにエミッションの発生を制御する。例えば、燃料ノズル組立体は、燃料および空気流を受け入れ、それによって混合物を生じさせる内部容積を画定する支持構造体（例えば、メインボディ）を含む。支持構造体は、燃料と空気の混合物の少なくとも一部分を燃焼域に供給し、燃焼域内で生じる火炎を安定させる中央ボディを含む。燃料ノズル組立体はまた、燃料ノズル組立体の下流端部に、支持構造体に結合されたノズルシュラウドを含む。特定の実施形態では、ノズルシュラウドは、燃料ノズル組立体内へ流れる燃料と空気の混合物の流れを互いに離間した複数の流れに分離することができる。例えば、ノズルシュラウドは、燃料ノズル組立体の下流端部まで延在するローブを含むことができ、それによって、流れが燃料ノズルから出るときに流れを分離することを助ける。燃料と空気の混合物を燃料ノズル組立体で複数の流れに分離することによって、燃焼域で生じる一次火炎を、燃料と空気の混合物を分割しないで生じる一次火炎に比べて長さが短い複数の火炎に分離することができる。
燃料と空気の混合物が燃焼している間、燃料ノズル組立体の下流端部は、摂氏約１０００度（℃）から約２１００℃より高い温度に曝される場合がある。このような高い温度は、燃料ノズル表面に対して熱応力、摩耗、および劣化を引き起こし、それによって、保守および交換コストを増大させる場合がある。燃料ノズル組立体の（例えば、燃焼域に隣接する）下流端部を冷却することによって燃料ノズル組立体の寿命を延ばすために、冷却方法が利用される場合がある。例えば、燃料ノズル組立体の下流端部を、冷却流体（例えば、空気などの酸化剤、不活性ガス、蒸気、燃料、または燃料以外のもの）を使って、フィルム冷却、インピンジメント冷却、または他の適切な冷却技法によって冷却することができる。一般に、冷却流体は、冷却後、燃焼域内に吐出される。吐出された冷却流体（例えば、空気などの燃料以外のもの）は、燃焼域で火炎を生じさせるために使用される燃料と空気の混合物を希釈し、それによって、燃料−空気混合物の燃空比が変化する場合がある。加えて、吐出された冷却流体は、燃料−空気混合物を冷却し、また燃料ノズル組立体の下流端部での圧力を変える場合がある。その結果、本開示の実施形態を用いない場合には、火炎が不安定化し、システム１０の効率が下がり、燃焼エミッションが増加する場合がある。したがって、冷却流体を、下流端部を冷却した後に回収して、燃料ノズル組立体の予混合域に燃料−空気混合物を生じさせるように使用することが望ましい場合がある。このように、還流して予混合することによって、燃焼域内に冷却流体を直接吐出することに伴う燃空比、温度、および圧力の変動を軽減することができる。このようにして、システム効率を上げることができ、また、運転および保守コストを下げることができる。
図１は、タービンシステム１０の実施形態のブロック図を示す。以下に詳細に説明するように、開示されるタービンシステム１０（例えば、ガスタービンエンジン）は、システムの耐久性、操作性、および信頼性を改良することができる、以下に説明する燃料ノズル組立体を使用することができる。図示のように、システム１０は、圧縮機１２（例えば、１つまたは複数の圧縮段を有する）、１つまたは複数のタービン燃焼器１４、およびタービン１６（例えば、１つまたは複数のタービン段を有する）を含む。タービン燃焼器１４は、タービンシステム１０の回転軸の周りを周方向に延在するアニュラ形燃焼器とすることができる、または、システム１０は回転軸の周りを周方向に間隔を置いて配置された複数の燃焼器１４を含むことができる。タービン燃焼器１４は、燃料２２、ならびに、空気、酸素、酸素富化空気、酸素低減空気、またはこれらの任意の組合せなどの加圧酸化剤２４の両方を受け入れるように構成された１つまたは複数の燃料ノズル組立体２０を含むことができる。以下の議論では、酸化剤を空気２４と称するが、開示される実施形態では任意の適切な酸化剤を使用することができる。さらに、特定の実施形態では、１つまたは複数の流体（例えば、燃料、蒸気、窒素および排気再循環（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスなどの不活性ガス、またはこれらの任意の組合せ）を燃料ノズル組立体２０の上流で酸化剤に付加することができる。燃料ノズル組立体２０は、燃料２２（例えば、液体燃料、ならびに／あるいは、天然ガス、合成ガス、またはこれらの組合せなどの気体燃料）をタービン燃焼器１４内に送る。図３〜９を参照して以下でさらに詳細に説明される、各燃料ノズル組立体２０は、冷却流体（例えば、燃料２２および／または空気２４）を回収して燃料ノズル組立体２０の混合域に導く流路を有する中央ボディ２６を含む。例えば、燃料ノズル組立体２０は、空気２４の流れを２つの流れに分割し、一方の流れはメインボディ羽根に流入し（例えば、メインボディ空気）、他方の流れは中央ボディ２６に流入する（例えば、中央ボディ空気）。メインボディ空気流は、燃料ノズル組立体２０を通って流れる全空気２４（例えば、メインボディ羽根と中央ボディ２６を通る空気２４）のうちの約９０％から約９８％の間とすることができる。中央ボディ２６はまた、中央ボディ空気２４を、中央パージジェットと内部先端冷却回収回路に分割することができる。中央ボディ２６は、燃料ノズル組立体２０内に配置され、燃料ノズル支持構造体およびノズルシュラウドの少なくとも一部分に取り囲まれる。中央ボディ２６は、空気２４を２つの流れに分割するように構成される。例えば、中央ボディ２６は、空気２４の第１の流れを、燃料ノズル組立体２０の下流端部２７にある冷却室に流体結合された冷却通路に導くことができ、空気２４の第２の流れを、中央ボディ２６内の中央パージジェットに導くことができる。加えて、中央ボディ２６は、下流端部２７を冷却した後の冷却流体（例えば、空気２４の第１の流れ）を回収し、この回収冷却流体を、中央パイロットに流体結合した予混合域に導くことができる。空気２４の第１の流れからの回収流体は、燃料２２および空気２４の第２の流れと混合され、それによって、燃料−空気混合物を生じさせる。冷却流体を回収し、燃料ノズル組立体２０の予混合域に導いて、燃料−空気混合物を生じさせることによって、燃焼器１４内での燃料−空気混合物の希釈が軽減される。したがって、適切な燃空比が保たれ、それによって、冷却流体を燃焼器１４内に直接吐出する燃料ノズル組立体に比べて燃焼効率を上げることができる。さらに、冷却流体を燃焼器１４内に直接吐出することに伴う下流端部２７での圧力および温度の変動を小さくすることができる。したがって、上流で予混合することによって、燃焼器１４内の燃料−空気混合物から生じる火炎を安定させることができ、燃焼エミッションを低減することができる。
圧縮機動翼は、圧縮機１２の構成部品として含まれる。以下に説明するように、圧縮機１２内の動翼は軸２８に結合され、軸２８がタービン１６によって駆動されて回転すると、回転する。圧縮機１２内で動翼が回転すると、空気取入口３２からの空気３０が圧縮されて加圧空気２４となる。次いで、加圧空気２４は、タービン燃焼器１４の燃料ノズル組立体２０内に送られる。加圧空気２４の第１の部分（例えば、全燃料ノズル空気の約２％から約１０％）は、燃料ノズル中央ボディの先端組立体２０の下流端部２７を（例えば、インピンジメント冷却によって）冷却するために使用されて、中央ボディ２６の予混合域に再還流することができる。したがって、冷却流体（例えば、加圧空気２４）は燃焼器１４内に直接放出されない。さらに、回収流体（例えば、高温空気２４）は、下流端部２７からの熱吸収により、予混合域の燃料２２を予熱することができる。これによって、燃焼器１４内での燃料と空気の混合物の全体的な燃焼効率を上げることができる。加圧空気２４の第２の少量の部分（例えば、燃料ノズル組立体２０を通る全空気２４の約０．１％から約１％）は、パージジェットを経て中央混合域に導かれ、燃料２２の一部分および回収冷却流体と予混合されて、燃料−空気混合物の少なくとも一部分を生じさせることができる。
タービン燃焼器１４で燃料−空気混合物が点火、燃焼され、次いで、高温の加圧燃焼ガス３４（例えば、排気）がタービン１６内に流される。タービン動翼は軸２８に結合され、軸２８はまた、タービンシステム１０全体のいくつかの他の構成部品に結合される。燃焼ガス３４がタービン１６内のタービン動翼に当たって、かつそれらの間を流れると、タービン１６は駆動されて回転し、それによって軸２８が回転する。最終的に、燃焼ガス３４は排気出口３６（例えば、排気導管）を経てタービンシステム１０を出る。さらに、軸２８は負荷３８に結合することができ、負荷３８は軸２８の回転によって動力を与えられる。例えば、負荷３８は、発電機、飛行機のプロペラなどの、タービンシステム１０の回転出力によって動力を発生することができる任意の適切な装置とすることができる。
上で論じたように、中央ボディ２６は、加圧空気２４の流れを２つの流れ（例えば、先端冷却流れと中央パイロット流れ）に分離（例えば、分割）し、回収冷却流体（例えば、高温の加圧空気２４）を予混合域に再還流する。予混合域は、中央ボディ２６の中央ハブ内に配置される。以下の議論では、タービンシステム１０の軸方向の軸線または方向４０、半径方向の軸線または方向４２、ならびに／あるいは周方向の軸線または方向４４について言及する場合がある。図２は、タービン燃焼器１４に燃料２２と空気２４の混合物を供給するための１つまたは複数の燃料ノズル組立体２０および関連する中央ボディ２６を有するシステム１０のタービン燃焼器１４（例えば、アニュラ形燃焼器）の斜視図である。以下の議論では、タービン燃焼器１４をアニュラ形燃焼器として言及するが、任意の他の適切な燃焼器構成も本燃料ノズル組立体２０に使用することができる。図示の実施形態では、タービン燃焼器１４は、第１の燃焼器境界４８（例えば、外側環状壁）および第２の燃焼器境界５０（例えば、内側環状壁）によって画定された環状領域４６を含む。壁５０（例えば、第２の燃焼器境界）は回転軸５１の周りを周方向に配置され、領域４６は壁５０の周りを周方向に配置され、壁４８（例えば、第１の燃焼器境界）は領域４６および壁５０の周りを周方向に配置される。タービン燃焼器１４は、環状領域４６内に複数のノズルステム５２（例えば、半径方向の突起、アーム、スポーク、または片持ち部材）を含む。例えば、タービン燃焼器１４は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、または１５個以上のノズルステム５２を含むことができる。各ノズルステム５２は、隣接するノズルステム５２から周方向に（周方向の軸線４４に沿って）距離５３だけ間隔を置いて配置される。ノズルステム５２は、ノズルステム５２をタービン燃焼器１４に結合しやすくして固定するために、取付け構造体（例えば、取付けフランジ）を含むことができる。
図示のノズルステム５２はそれぞれ２つの燃料ノズル組立体２０を含む。例えば、ノズルステム５２は、外側燃料ノズル組立体５４および内側燃料ノズル組立体５６を含むことができる。特定の実施形態では、ノズルステム５２はそれぞれ、１つの燃料ノズル組立体２０、または、任意の数（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０個以上）のノズル組立体２０を含むことができる。上記のように、燃料ノズル組立体２０は、燃料２２と空気２４の混合物をタービン燃焼器１４の燃焼域内に送るように構成される。例えば、燃料ノズル組立体２０は、燃料−空気混合物をタービン燃焼器１４の環状領域４６内に導き、ここで、燃料−空気混合物を燃焼させて熱エネルギーを生じさせ、これを使用してタービン１６に動力を与え、１つまたは複数の機械（例えば、発電機、飛行機のプロペラなど）を駆動する。各ノズルステム５２の外側および内側燃料ノズル組立体５４、５６はそれぞれ、同じまたは異なる種類、成分、および／または量の燃料２２および／または酸化剤２４を、第１のノズル開口５８（例えば、環状の開口）および／または第１の中央パイロット開口６０を通じて出力することができる。例えば、外側燃料ノズル組立体５４が液体燃料２２を出力し、内側燃料ノズル組立体５６が気体燃料２２を出力することができ、または、その逆も可能である。同様に、外側燃料ノズル組立体５４が空気２４（例えば、酸化剤２４）を出力し、内側燃料ノズル組立体５６が天然ガスおよび／または合成ガスを出力することができ、または、その逆も可能である。
図３は、タービン燃焼器１４に燃料２２および空気２４を供給するために使用することができる燃料ノズル組立体２０の実施形態の断面図である。燃料ノズル組立体２０は、中央ボディ２６に加えて、メインボディ７０（例えば、支持構造体）およびノズルシュラウド７２を含む。中央ボディ２６の詳細図は図４〜８に示され、図３の議論全体を通してこれらの図を参照する。一実施形態では、メインボディ７０、ノズルシュラウド７２、および中央ボディ２６は、例えば、ボルト、クランプ、締まりばめ、雌雄継手、またはこれらの任意の組合せなどの取外し可能な締結具によって取外し可能に互いに結合された別々の構造体である。メインボディ７０、ノズルシュラウド７２、および中央ボディ２６はそれぞれ、燃料ノズル組立体２０の軸方向の軸線７６の周りに周方向４４に延在しており、これらの形状は概ね環状とすることができる。特定の実施形態では、燃料ノズル組立体２０の各構成部品（例えば、メインボディ７０、ノズルシュラウド７２、および中央ボディ２６）は、結合機構を介して分離可能である。他の実施形態では、メインボディ７０と中央ボディ２６は単一構造体（例えば、１つの部品として一体に形成される）であり、ノズルシュラウド７２はこの単一構造体（例えば、ボディ２６、７０）に取外し可能に結合された別の構造体である。すなわち、ボディ２６、７０は分離不可能であり、ノズルシュラウド７２は分離可能（例えば、取外し可能）である。留意すべきことは、メインボディ７０、ノズルシュラウド７２、および中央ボディ２６は単一構造体（例えば、分離不可能）とすることができることである。メインボディ７０、ノズルシュラウド７２、および中央ボディ２６が１つの構造体（例えば、取外し不可能な結合）、または別々の構造体（例えば、取外し可能な結合）になるように、メインボディ７０、ノズルシュラウド７２、および中央ボディ２６を３Ｄ印刷／付加製造技法によって製造することができる。メインボディ７０に取外し可能に結合されたノズルシュラウド７２を有する実施形態では、メインボディ７０およびノズルシュラウド７２は、メインボディ７０とノズルシュラウドとの結合および分離をしやすくする、ボルト、ねじ、ねじ付き締結具、ねじ付き接続具、締まりばめ、クランプ、雌雄継手、または任意の他の適切な結合機構などの結合要素を含むことができる。特定の実施形態では、中央ボディ２６は、締まりばめによって、メインボディ７０、ノズルシュラウド７２、またはこれらの組合せに結合することができる。
燃料ノズル組立体２０は、メインボディ７０、ノズルシュラウド７２、および中央ボディ２６によって画定された燃料ノズル組立体２０の内部容積を通って燃料２２および空気２４が流れやすくなる様々な特徴を含む。例えば、中央ボディ２６は、中央パイロット８０を画定する中央パイロット導管７８（例えば、中央環状壁）を含み、中央パイロット８０は、燃料ノズル組立体２０の下流端部２７に第１の中央パイロット開口６０（例えば、軸方向の開口）、および端部２７の軸方向４０上流に第２の中央パイロット開口８２を有する。導管７８（または、壁）は軸方向の軸線７６の周りを周方向４４に延在し、それによって、開口６０と開口８２との間を軸方向４０に延在する軸方向通路８６を画定する。留意すべきことは、開口５８は、開口６０および軸線７６の周りを周方向４４に延在していることである。
第２の中央パイロット開口８２は、第１の中央パイロット通路９２（例えば、導管）、および１つまたは複数の第２の中央パイロット通路９４（例えば、導管）を有する燃料インジェクタ９０に流体結合される。第１の中央パイロット通路９２は軸方向の軸線７６に沿って延在し、一方、１つまたは複数の第２の中央パイロット通路９４は軸方向の軸線７６から半径方向４２にずれている（図４の詳細図も参照のこと）。特定の実施形態では、通路９２、９４は、互いに同軸または同心、ならびに／あるいは燃料ノズル組立体２０の軸方向の軸線７６と同軸または同心である。例えば、第２の中央パイロット通路９４は、第１の中央パイロット通路９２の周りを周方向４４に配置することができ、その結果、第２の中央パイロット通路９４は第１の中央パイロット通路９２の周りに環を形成する（図４参照）。通路９２、９４は、燃料２２および／または（例えば、圧縮機１２からの）加圧空気２４の少なくとも一部分を受け入れ、燃料２２および／または空気２４を、燃料流を軸方向４０に向ける１つまたは複数の第１および第２のパイロット開口１００、１０２（例えば、軸方向の開口）をそれぞれ経由して、中央パイロット８０に付随した混合域９６（例えば四角の破線で示すように）に供給する。例えば、燃料パイロット通路１０４は通路９４に流体結合されて、燃料２２の少なくとも一部分を（例えば、通路９４を経由して）混合域９６に導く。同様に、以下でさらに詳細に論じるように、一部分（例えば、燃料ノズル組立体２０を通る全燃料ノズル空気２４の約０．１％と約１％の間）は、通路９２を通って混合域９６に流入し、ここで、燃料２２および回収冷却流体と混合する。特定の実施形態では、ノズル燃料２２の一部分（例えば、約０．５％と約２０％の間）は、混合域９６の上流の通路９２で空気２４と混合（例えば、乱流混合）する。留意すべきこととして、特定の実施形態では、燃料２２は通路９２を通って流れることができ、空気２４は通路１０４を通って流れることができる。
第１の混合域９６は、１つまたは複数の羽根１０６（例えば、旋回羽根またはラジアルスワラ）を含んで、燃料２２と空気２４の混合を促進することができる。例えば、第１の混合域９６は、軸線７６の周りを周方向４４に延在する、１、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０枚以上の旋回羽根１０６、および通路９２、９４の少なくとも下流部を含むことができる（図４参照）。以下でさらに詳細に論じるように、第１の混合域９６はまた、１つまたは複数の羽根１０６に流体結合された酸化剤出口１０８（例えば、半径方向の出口）から追加の空気２４（例えば、回収冷却流体）を受け入れる。酸化剤出口１０８は、追加の空気２４の流れを半径方向４２に混合室９６内に導いて、開口１００、１０２をそれぞれ通る燃料２２および空気２４の流れに対して（例えば、直角に）横切るように方向付ける。特定の実施形態では、混合域９６に流入する燃料２２は、空気２４の２つの流れ（例えば、回収冷却流体と通路９２の空気２４）の間を流れる。すなわち、燃料２２は、回収冷却流体（例えば、空気２４）と通路９２からの空気２４との間に「挟まれる」。この流れのパターンは、燃料２２と空気２４の混合を促進して、均質な燃料−空気混合物を生成する。
燃料ノズル組立体２０は、燃料インジェクタ９０に加えて、中央ボディ２６ならびに／あるいは１枚または複数枚のメインボディ羽根１１２（例えば、１から５０枚の羽根）を（例えば、軸方向の軸線７６の周りに）取り囲むメインボディプレナム室１１０（例えば、環状室）を含む。特定の実施形態では、メインボディ羽根１１２のそれぞれは、流れを旋回させて燃料と空気の混合を強化するように構成された、軸方向および／または半径方向旋回羽根などの旋回羽根とすることができる。メインボディプレナム室１１０、および１枚または複数枚のメインボディ羽根１１２（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０枚以上）は、燃料ノズル組立体２０の第２の混合域１２０に配置された混合室１１８の上流にある。１枚または複数枚のメインボディ羽根１１２は、空気２４の流れが混合室１１８に入ること可能にする複数のメイン羽根開口１２４を含む（例えば、羽根１枚当たり１から５０個）。メイン羽根開口１２４は、各羽根１１２の前縁１２６と後縁１２７との間で、後縁１２７に直に、または近接して、あるいは、任意の他の適切な位置で軸方向４０に配置することができる。メインボディ７０は、メインボディ外側壁１３０にメインボディ開口１２８（例えば、半径方向開口）を含んで、（例えば、半径方向の軸線４２に沿った）空気２４の半径方向流れを１枚または複数枚のメインボディ羽根１１２に供給する。メインボディプレナム室１１０からの燃料２２の軸方向４０の流れは、１枚または複数枚のメインボディ羽根１１２からの空気２４と混合する。メインボディ羽根１１２（例えば、旋回羽根）は、混合室１１８で燃料２２と空気２４の混合を促進する。
燃料通路１０４とメインボディプレナム室１１０内の燃料２２は同じ場合もあるし、異なる場合もある。例えば、一実施形態では、燃料通路１０４内の燃料２２は一種類の燃料であり、メインボディプレナム室１１０内の燃料２２は、燃料通路１０４内の第１の種類の燃料２２とは異なる第２の種類の燃料とすることができる。例えば、燃料は、様々な気体燃料、様々な液体燃料、または様々な気体および液体燃料の組合せとすることができる。他の実施形態では、燃料通路１０４とメインボディプレナム室１１０内の両方の燃料２２の種類は同じとすることができる。加えて、燃料通路１０４とメインボディプレナム室１１０内の燃料２２は、同じ成分、または異なる成分とすることができる。複数の燃料噴射通路（例えば、燃料通路１０４およびメインボディプレナム室１１０）によって、燃料ノズル組立体２０は少なくとも２つの異なる燃料を使用することが可能になる。この場合も、燃料は様々な気体燃料および／または液体燃料とすることができる。
特定の実施形態では、燃料ノズル組立体２０は、混合室１１８に流体結合した追加の燃料通路および燃料噴射口を含むことができる。追加の燃料通路（例えば、燃料導管）および燃料口（例えば、燃料出口）は混合室１１８に追加の燃料２２を供給することができる。混合室１１８内では、メインボディプレナム室１１０からの燃料２２、および１枚または複数枚のメインボディ羽根１１２からの空気２４とが、追加の燃料通路からの追加の燃料２２と混合することができる。燃料口（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、または５０個以上）は、軸方向の軸線７６の周りを様々な軸方向、半径方向、および周方向位置に間隔を置いて周方向４４に配置することができ、また、燃料口は、軸方向の軸線７６に対して様々な角度（例えば、平行に、直角に、あるいは、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、または８０度の鋭角）に向けることができる。
混合室１１８は、第１の中央ボディ導管１３４（例えば、壁）の一部分、およびノズルシュラウド壁１３６（例えば、環状壁）の少なくとも一部分によって画定される。第１の中央ボディ導管１３４は、軸方向の軸線７６の周りを周方向４４に概ね延在する（例えば、環状壁１３４）。特定の実施形態では、導管１３４は、上流端部１３８に向かって上流方向に、軸線７６から離れるように半径方向外向き４２に（例えば、直線的に、非直線的に、または湾曲して）徐々に拡がることができる。特定の実施形態では、導管１３４は、第１のノズル開口５８に向かって下流方向に、軸線７６から離れるように半径方向外向き４２に徐々に拡がることができる。ノズルシュラウド壁１３６は、軸方向の軸線７６、および導管１３４の少なくとも一部分の周りを周方向４４に概ね延在する（例えば、環状壁１３６）。混合室１１８は、下流端部２７の開口５８の上流にある。特定の実施形態では、開口５８は、周方向４４に間隔を置いて配置された複数のローブ１４０を含むことができ、これらのローブ１４０は、混合室１１８内に生じた燃料−空気混合物を、燃焼域４６内への流入前に、離散した流路に分離する（例えば、周方向４４に分割する）（例えば図１０参照）。例えば、ローブ１４０は、燃料−空気混合物を燃焼域４６内に導くローブ通路１４２を画定する。図示の実施形態では、混合室１１８の半径方向の寸法１４６（例えば、導管１３４の一部分とノズルシュラウド壁１３６との間）は、羽根１１２の後縁１２７から壁１３６の突出部１４２（例えば、小さな断面流路面積を有する領域を画定する環状の突出部）へ下流方向に小さくなる。断面流路面積を小さくすると、羽根１１２の下流で燃料２２と空気２４の混合を促進することができる。例えば、燃料−空気流は断面流路面積で収束され、これに伴って圧力が下がり、流体速度が上がり、それによって、第２の混合域１２０を通過する流れの燃料−空気の混合が強化される。さらに、半径方向の寸法１４６が突出部１４２の下流で大きくなる（例えば、突出部１４２と第１のノズル開口５８との間の断面流路面積が拡がる）と、これはまた、燃料−空気混合物が室１１８内で滞留する時間が長くなり、それによって、第２の混合域１２０内での燃料２２と空気２４の混合を強化することができる。特定の実施形態では、室１１８は第１のノズル開口５８と後縁１２７または突出部１４２との間にローブを含み、これらのローブは、燃料と空気の混合物を、燃焼域４６への流入前に、離散した流路に分離する。燃料−空気混合物を離散した流路に分離すると、燃料と空気の混合物を分割しない流れから生じる一次火炎に比べて長さが短い複数の一次火炎を生じさせることによって、一次火炎の長さを短くすることができる。したがって、火炎の温度が高い（例えば、１５００℃を超える温度）場合に、燃料と空気の混合物の燃焼から生じるエミッションを低減することができ、かつ／または、小さな反応域を有する小さな燃焼器を使用することができる。
上で論じたように、燃焼域４６内での燃料と空気の混合物の燃焼は１０００℃を超える温度になる場合がある。高温によって引き起こされる燃料ノズル組立体２０の劣化を軽減するために、燃料ノズル組立体２０の下流端部２７は冷却流体１４８で冷却される。本開示の実施形態を用いない場合には、冷却流体（例えば、空気２４）は、燃料ノズル組立体の下流端を冷却したあと、燃焼域の内へ、および／または第１の中央パイロット開口６０に隣接する中央パイロット８０の領域内へ吐出される場合がある。冷却流体を燃焼域４６内へ、および／または第１の中央パイロット開口６０に隣接して吐出することは、燃焼域４６内の燃空比および火炎安定性に影響を与える場合がある。さらに、吐出された冷却流体は、下流端部２７で圧力および温度の変動を引き起こす場合があり、その結果、燃料−空気混合物が燃焼域４６に不均一に流入し、一様でない燃焼となる。冷却流体を直接燃焼域４６内に吐出することによる、燃空比、圧力、および温度の変動は、一次火炎を不安定化させる場合があり、その結果、エミッション（例えば、ＮＯｘおよびＣＯ）を増大させ、システム１０の効率を低下させる。したがって、本開示の実施形態では、冷却流体を回収して、燃料−空気混合物を（例えば、混合域９６内に）生じさせるように使用する。加えて、冷却流体を混合域９６に供給すると、燃料２２を予熱することができ、それによって、システム１０の燃焼効率を上げることができる。
上で論じたように、中央ボディ２６は、燃焼域４６内で火炎を生じさせるために使用される燃料２２および空気２４の一部分を受け入れる。中央ボディ２６は、空気２４の軸方向４０の流れを２つの別々の流れに分離する。例えば、空気２４の第１の部分（例えば、中央ボディ２６およびメインボディ７０などの燃料ノズル組立体２０を通る空気２４の全流量のうちの約０．１％から約１％）は、通路９２を通して混合域９６に供給することができ、空気２４の第２の部分（例えば、燃料ノズル組立体２０を通る空気２４の全流量のうちの約２％から約１０％）は、燃料ノズル組立体２０の下流端部２７を冷却するため、および、混合域９６に追加の空気２４を供給して燃料−空気混合物を生じさせるために使用することができる。したがって、中央ボディ２６は先端冷却通路１５０（例えば、外側通路）を含み、先端冷却通路１５０は、軸方向の軸線７６および中央パイロット８０から半径方向４２にずれて、導管１３４の少なくとも一部分と、導管１３４から軸方向４０に延在する第２の中央ボディ導管１５２（例えば、環状壁）と、第３の中央ボディ導管１５４（例えば、環状壁）とによって画定される。先端冷却通路１５０は、軸方向の軸線７６の周りを周方向４４に間隔を置いて配置された複数の離散した通路、および／または軸方向の軸線７６の周りを周方向４４に延在する共通の環状の通路を含むことができる。特定の実施形態では、先端冷却通路１５０は、中央パイロット８０と（例えば、軸方向の軸線７６に沿って）同軸または同心とすることができる。先端冷却通路１５０（例えば、導管１３４、１５２、および１５４の間）は、下流端部２７で、中央パイロット８０（例えば、導管７８）の少なくとも一部分を周方向４４に取り囲む。
図示の実施形態では、導管１３４は、導管１５４の第１の部分および中央軸線７６の周りを周方向４４に概ね延在する。導管１５２は、導管１５４の第２の部分の周りを（例えば、導管１５４の上流端で）、および軸線７６の周りを周方向４４に概ね延在する。導管１５４は、軸線７６および導管７８（例えば、環状壁７８）の周りを周方向４４に概ね延在する。中央ボディ２６はまた、冷却剤回収通路１６０（例えば、内側環状通路）を含む。通路１６０は、導管１５４および導管７８によって画定される。したがって、通路１６０は、導管１５４の反対側にある通路１５０に隣接して配置される。以下でさらに詳細に論じるように、冷却剤回収通路１６０は、冷却流体（例えば、燃料２２、酸化剤２４、またはこれらの組合せ）を、出口１０８を経て混合域９６に導く。
通路１５０は、下流端部２７に向かって下流方向に延在し、通路１６０は、下流端部２７から混合域９６へ上流方向に延在する。通路１５０、１６０は、軸方向の軸線７６および中央パイロット８０の周りを周方向４４に概ね延在し（例えば、環状通路１５０、１６０）、通路１５０は、通路１６０の周りを周方向４４に概ね延在する。中央パイロット８０の半径方向の寸法１７０は矢印１７０で示され、通路１５０の半径方向の寸法１７２は矢印１７２（例えば、導管１３４／１５２と導管１５４との間）で示され、通路１６０の半径方向の寸法１７４は矢印１７４（例えば、導管７８と導管１５４との間）で示される。
特定の実施形態では、中央パイロット８０および／または通路１５０、１６０は円錐台形とすることができる。したがって、中央パイロット８０および通路１５０、１６０に関係する半径方向の寸法１７０、１７２、および／または１７４は軸方向４０に可変とすることができる、かつ／または一定とすることができる。例えば、図５および６に示すように、中央パイロット８０と関係する導管７８は、混合域９６から下流端部２７に向かって下流方向に、軸方向の軸線７６から離れるように半径方向外向き４２に（例えば、直線的に、非直線的に、湾曲して）概ね拡がり、したがって、半径方向の寸法１７０は、下流方向に（例えば、直線的に、非直線的に、または湾曲して）徐々に大きくなる。導管７８は、円筒形、円錐形、凹面形、および／または凸面形の任意の組合せとすることができる。例えば、図５および６は、中央パイロット８０の半径方向の寸法１７０が非直線的に（例えば、湾曲して）大きくなっていることを示している。図５に示すように、導管７８は、中央パイロット８０の形状が球形となるように、凹面形とすることができる。しかしながら、導管７８および中央パイロット８０は、円筒形、円錐形、凹面形、および／または凸面形の任意の組合せとすることができる。例えば、他の実施形態では、図６に示すように、導管７８は凸面形とすることができ、中央パイロット８０はワイングラス形とすることができる。いくつかの実施形態では、半径方向の寸法１７０は、ある軸方向長さで小さくする、かつ／または一定のままとした後に、下流方向に大きくすることができる。留意すべきことは、特定の実施形態では、導管７８は、軸線７６から離れるように半径方向に拡がらない場合があることである。むしろ、導管７８は軸線７６と同軸とすることができ、その結果、半径方向の寸法１７０は、混合域９６とパイロット開口６０との間で一定となる。
導管１３４／１５２、１５４は、中央パイロット８０の形状に合わせることができる、または、合わせないこともできる。例えば、特定の実施形態では、通路１５０、１６０に関係する半径方向の寸法１７２、１７４のうちの少なくとも１つは、半径方向の寸法１７０の下流方向の変化とは逆の変化をさせる（例えば、狭める、または拡げる）ことができる。したがって、壁１３４／１５２、１５４のうちの少なくとも１つは、上流端部１３８に向かって上流方向に、軸線７６から離れるように半径方向外向き４２に（例えば、直線的に、非直線的に、または湾曲して）徐々に拡がることができる。図３に示すように、壁１５４は、上流方向に軸線７６から半径方向外向きに徐々に拡がることができ、その結果、通路１６０の半径方向の寸法１７４は、上流端部１３８に向かって（例えば、半径方向の寸法１７０が拡がる方向とは反対の方向に）徐々に拡がる。通路１５０の半径方向の寸法１７２は、半径方向の寸法１７４と同じ方向に、または、逆方向に拡がることができる。例えば、図３に示すように、通路１５０を画定する壁１３４、１５２の少なくとも一部分は、下流方向に軸線７６から離れるように半径方向４２に（例えば、下流端部２７に向かって）徐々に拡がることができる。したがって、通路１５０の半径方向の寸法１７２は、通路１６０の半径方向の寸法１７４とは逆に、下流端部２７に向かって下流方向に拡がる。特定の実施形態では、導管１３４、１５２は、上流方向に中央軸線７６から離れるように半径方向外向き４２に徐々に拡がる。したがって、通路１５０の半径方向の寸法１７２は、上流端部１３８に向かって半径方向の寸法１７４と同じ方向に徐々に大きくなる。
他の実施形態では、壁１３４／１５２、１５４の少なくとも一部分は中央パイロット８０の形状に合う。一例として、図５および６は、導管７８、１５４の両方が、下流方向に軸線７６から半径方向外向き４２に拡がっていることを示している。したがって、通路１６０に関係する半径方向の寸法１７４は、半径方向の寸法１７０と同じ方向に（例えば、下流端部２７に向かって）増大している。特定の実施形態では、通路１５０、１６０に関係する半径方向の寸法１７２、１７４は、各導管１３４／１５２、１５４間で一定とすることができる。他の実施形態では、通路８０、１５０、１６０は可変の（例えば、下流方向に徐々に増大および／または減少する）半径方向の寸法１７０、１７２、１７４を有することができる。
上で論じたように、通路１５０、１６０は、冷却流体１４８（例えば、下流方向への加圧空気２４）を、下流端部２７に向かって下流方向、および混合域９６に向かって上流方向に流す。以下の議論では、冷却流体１４８を空気２４と称する。しかしながら、特定の実施形態では、冷却流体１４８はまた、燃料２２、蒸気、不活性ガス、または任意の他の適切な流体およびこれらの組合せも含むことができる。通路１５０は、冷却流体１４８を下流端部２７に向かって軸方向４０に流すことができる。上で論じたように、中央ボディ２６は、空気２４の軸方向流れ４０を、（例えば、通路１５０を通る）先端冷却流れと（例えば、通路９２を通る）中央パイロット流れに分割する。例えば、燃料ノズル組立体２０（例えば、中央ボディ２６およびメインボディ７０）を通る空気２４の全流量のうちの約２％から約１０％が、通路１５０を通って流れることができ、全燃料ノズル空気２４のうちの約０．１％から約１％が通路９２を通って流れることができる。冷却流体１４８は、矢印１４８で示すように、先端冷却通路１５０（例えば、導管１３４／１５２と導管１５４との間）を通って、下流端部２７に向かって下流方向に流れて、燃料ノズル組立体２０の下流端部２７を（例えば、フィルム冷却、インピンジメント冷却、または任意の他の適切な冷却技法によって）冷却する。例えば、図示の実施形態では、冷却流体１４８は、下流端部２７近くの有孔冷却板１８６（例えば、インピンジメント冷却板および／またはフィルム冷却板）の１つまたは複数（例えば、１個から１００個）の軸方向のインピンジメント開口１８２を通って流れて、燃料ノズル組立体２０の冷却室１８８（例えば、半径方向通路）の内面１９０（例えば、軸方向端板）に衝突し、それによって、内面１９０を冷却する。以下でさらに詳細に論じるように、冷却室１８８は、通路１５０と通路１６０を流体結合して、冷却流体１４８を、内面１９０冷却後、上流方向に混合域９６へ導く。
各インピンジメント開口１８２の直径は、（例えば、インピンジメント開口１８２の上流の）冷却通路１５０の半径方向の寸法１７２に比べて小さい。このようにして、インピンジメント開口１８２を通って流れる冷却流体１４８の速度は速くなり、それによって、冷却流体１４８の衝突および内面１９０の冷却が促進される。全体として、冷却流体１４８は、インピンジメント開口１８２を通って内面１９０に向かって軸方向４０に流れる。しかしながら、冷却流体１４８の軸方向流れ４０は、内面１９０の特定の領域に到達することができない。例えば、インピンジメント開口１８２の位置に基づくと、冷却流体１４８は、縁１９２近くの領域を効率的に冷却するように適切な速度で、内面１９０の縁１９２（例えば、導管１３４に隣接する縁）に衝突することができない。したがって、以下でさらに詳細に論じるように、軸方向の軸線７６に対してある角度（例えば、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、または８０度の鋭角）にインピンジメント開口１８２の一部分１９６を向けることが望ましい場合がある。
図７は、有孔冷却板１８６に沿って様々な半径方向および周方向位置に、軸方向の軸線７６の周りに間隔を置いて周方向４４に配置された複数（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、または５０個以上）のインピンジメント開口１８２、１９６を有する有孔冷却板１８６の一部分の上面図である。縁１９２の冷却を促進するために、インピンジメント開口１９６は、壁１５４から半径方向の距離１９８だけ離れて配置することができる。インピンジメント開口１９６は、導管１３４に向かう方向（例えば、軸線７６に対して外向きの鋭角）に向けられる。したがって、インピンジメント開口１９６は、縁１９２に向けて冷却流体１４８を導くことができ、それによって、冷却流体１４８が、効率的なインピンジメント冷却のために適切な速度で縁１９２近くの領域の内面１９０に到達することができる。特定の実施形態では、インピンジメント開口１８２、１９６の直径２００は、隣接する開口１８２、１９６の直径２００に対して、軸方向の軸線７６から半径方向４２に離れるとともに小さくすることができる。例えば、導管１５４に隣接するインピンジメント開口１８２の直径２００は、導管１３４に隣接するインピンジメント開口１８２、１９６の直径２００に比べて大きくすることができる。特定の実施形態では、導管１５４に隣接するインピンジメント開口１８２の直径２００は、導管１３４に隣接するインピンジメント開口１８２、１９６の直径２００より１．１から５倍、１．２から４倍、１．２から３倍、１．４から２倍大きくすることができる。これは、燃焼域４６内の燃料−空気混合物の燃焼中の内壁１９０の温度勾配にある程度よっている。例えば、内壁１９０の温度は、一次火炎の位置によって、中央軸線７６から半径方向外側４２に離れるにしたがって高くなる場合がある。したがって、インピンジメント冷却効率は、冷却流体１４８の衝突速度に関係するので、導管１３４近くの内面１９０の領域（例えば、軸線７６から半径方向４２に最も離れた内面１９０の領域）を冷却する冷却流体１４８の衝突速度は、導管１５４近くの内面１９０の領域（例えば、軸線７６に半径方向４２に最も近い内面１９０の領域）を冷却する冷却流体１４８の衝突速度に比べて速くすることができる。
図８は、燃料ノズル組立体２０の下流端部２７の中央ボディ２６の一部分を示す。上で論じたように、冷却流体１４８は、インピンジメント開口１８２、１９６を通って冷却室１８８（例えば、半径方向の通路）に流入して、内面１９０に衝突し、それによって、燃料ノズル組立体２０の下流端部２７の中央ボディ２６を冷却する。内面１９０に衝突した後、冷却室１８８内を流れる冷却流体１４８（この時には、加熱流体２０６）は流れ方向を変える。例えば、加熱流体２０６は、軸線７６に向かって半径方向４２に流れて通路１６０（例えば、導管７８と導管１５４との間）に入ることができる。加熱流体２０６は、通路１６０内では、導管７８と導管１５４との間を軸方向４０上流に流れる。すなわち、加熱流体２０６は、通路１５０内（例えば、導管１３４と動管１５４との間）の冷却流体１４８が流れる方向とは反対の方向に流れる。図３に示すように、通路１６０は、加熱流体２０６を第１の混合域９６に向かって上流に導き、そこで、加熱流体２０６は、導管７８（例えば、中央パイロット８０の環状壁）を貫通する１つまたは複数（例えば、１個から１００個）の開口１０８を経て通路１６０から第１の混合域９６内に出る。開口１０８は、混合域９６内にあり、羽根１１２に流体結合される（例えば、羽根１１２間に間隔をおいて配置される）。したがって、加熱流体２０６は混合域９６に流入して、通路９２、９４からの燃料２２および空気２４と混合することができる。複数（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、または５０個以上）の半径方向の開口１０８を、軸方向の軸線７６の周りを周方向４４に間隔を置いて、導管７８に沿って様々な軸方向および周方向位置に配置することができ、また、半径方向の開口１０８を、軸方向の軸線７６に対して様々な角度（例えば、直角、または１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、または８０度の鋭角）に向けることができる。加熱流体２０６は、羽根１０６間を流れて、燃料インジェクタ９０から第１の混合域９６に出る燃料２２および空気２４と混合する。このようにして、加熱流体２０６（例えば、加圧空気２４）を回収して、燃料と空気の混合物を混合域９６内に生じさせるように使用することができ、それによって、燃焼域４６内に冷却流体を直接吐出する燃料ノズル組立体で一般的に付随する、下流端部２７での燃空比の変化および圧力変動から生じる火炎の不安定化を軽減することができる。さらに、流体１４８、２０６を回収して、燃料−空気混合物を混合域９６内に生じさせるように使用すると、不安定な火炎に伴うエミッションを低減することができる。
特定の実施形態では、導管１５４は、導管１５４の一部分に沿って配置された開口を含むことができる。例えば、図９は、導管１５４の長さの少なくとも一部分に沿って軸方向４０に間隔を置いて配置された開口２１０を示す。開口２１０はまた、導管１５４に沿った様々な軸方向位置で、軸方向の軸線７６の周りを周方向４４に延在することができ、また、半径方向の軸線４２に対してある角度（例えば、直角、あるいは、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、または８０度の鋭角）に向けることができる。例えば、特定の実施形態では、開口２１０は、下流端部２７に向かって半径方向の軸線４２から離れるように向けることができる。他の実施形態では、開口２１０は、上流端部１３８に向かって半径方向の軸線４２から離れるように向けることができる。開口２１０は、冷却流体１４８の少なくとも一部分を有孔板１８６の上流で通路１６０内に導くことができる。冷却流体１４８は、通路１６０内で加熱流体２０６と混合することができ、それによって、混合域９６で燃料２２と混合する前に流体２０６の温度を下げることができる。加えて、開口１８２、１９６と同様に、開口２１０は導管７８をインピンジメント冷却することができる。
上で論じたように、燃料ノズル組立体２０の特定の実施形態は、冷却後に冷却流体を混合域に導く冷却流体回収通路を含む。回収冷却流体は、燃焼域に中央パイロットを経て供給する燃料−空気混合物の一部分を生じさせために使用され、それによって、燃焼器１４の反応域（例えば、燃焼域）での火炎の安定を促進する。燃料ノズル組立体２０は、冷却流体回収通路１６０に流体結合した先端冷却通路１５０を有する中央ボディ２６を含む。冷却通路１５０は、冷却流体１４８（例えば、空気２４）を、有孔板１８６に配置されたインピンジメント開口１８２、１９６を経て冷却室１８８に導く。インピンジメント開口１８２、１９６は、冷却流体１４８の流速を上げて、下流端部２７の内面１９０へのインピンジメント冷却を促進する。インピンジメント開口１９６を、燃料ノズル組立体２０の中心線軸７６に対してある角度に向けて、冷却流体１４８の軸方向の流れが行きにくい内面１９０の特定の領域へのインピンジメント冷却を促進することができる。冷却室１８８は、通路１５０、１６０に流体結合され、加熱された冷却流体（例えば、加熱流体２０６）の回収を可能にする。通路１６０は、加熱流体２０６を羽根１０６（例えば、スワラ）に導き、羽根１０６は、燃料２２、加熱流体２０６、および通路９２、９４からの空気２４の混合を促進する。このようにして、冷却流体を燃焼域内に直接吐出することに一般的に付随した下流端部２７での燃空比、圧力、および温度の変動を軽減することができる。したがって、燃料−空気混合物を生じさせるように冷却流体を回収、使用しない燃料ノズル組立体に比べて、システム１０の火炎の安定および燃焼効率を向上することができ、燃焼エミッションおよび運転／保守コストを削減することができる。
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例も含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。
１０ タービンシステム
１２ 圧縮機
１４ タービン燃焼器
１６ タービン
２０ 燃料ノズル組立体
２２ 燃料
２４ 加圧酸化剤、加圧空気
２６ 中央ボディ
２７ 下流端部
２８ 軸
３０ 空気
３２ 空気取入口
３４ 燃焼ガス
３６ 排気出口
３８ 負荷
４０ 軸方向
４２ 半径方向
４４ 周方向
４６ 環状領域、燃焼域
４８ 第１の燃焼器境界
５０ 第２の燃焼器境界
５２ ノズルステム
５３ 距離
５４ 外側燃料ノズル組立体
５６ 内側燃料ノズル組立体
５８ 第１のノズル開口
６０ 第１の中央パイロット開口
７０ メインボディ
７２ ノズルシュラウド
７６ 軸方向の軸線
７８ 中央パイロット導管
８０ 中央パイロット、通路
８２ 第２の中央パイロット開口
８６ 軸方向通路
９０ 燃料インジェクタ
９２ 第１の中央パイロット通路
９４ 第２の中央パイロット通路
９６ 混合域
１００ 第１のパイロット開口
１０２ 第２のパイロット開口
１０４ 燃料パイロット通路
１０６ 羽根
１０８ 酸化剤出口、開口
１１０ メインボディプレナム室
１１２ メインボディ羽根
１１８ 混合室
１２０ 第２の混合域
１２４ メイン羽根開口
１２６ 前縁
１２７ 後縁
１２８ 本体開口
１３０ 本体外側壁
１３４ 第１の中央ボディ導管、壁
１３６ ノズルシュラウド壁
１３８ 上流端部
１４０ ローブ
１４２ 突出部、ローブ通路
１４６ 半径方向の寸法
１４８ 冷却流体
１５０ 先端冷却通路
１５２ 第２の中央ボディ導管、壁
１５４ 第３の中央ボディ導管、壁
１６０ 冷却剤回収通路
１７０ 半径方向の寸法
１７２ 半径方向の寸法
１７４ 半径方向の寸法
１８２ インピンジメント開口
１８６ 有孔冷却板
１８８ 冷却室
１９０ 内面
１９２ 縁
１９６ ンピンジメント開口
１９８ 半径方向の距離
２００ 直径
２０６ 加熱流体
２１０ 開口

Claims (13)

  1. 燃料ノズル（２０）を備えるガスタービンシステム（１０）であって、前記燃料ノズル（２０）が第１のボディ（２６）を備え、前記第１のボディ（２６）が、
    混合域（９６）から前記第１のボディ（２６）の第１の下流端部（２７）の中央出口（６０）まで延在する中央通路（８０）であって、該中央通路（８０）が第１の環状壁（７８）によって画定されており、該中央通路（８０）の中心軸線（７６）に対する前記第１の環状壁（７８）の半径方向距離が、第１の下流端部（２７）に向かって下流方向に拡がっている、中央通路（８０）と、
    前記第１のボディ（２６）の上流端部（１３８）から前記混合域（９６）内に軸方向に延在する環状パイロット燃料出口（１０２）であって、空気（２４）と燃料（２２）を前記混合域（９６）に供給するように構成された中央パイロット燃料通路（１００）の周りを取り囲んでいるとともに前記中心軸線（７６）と平行に配向している環状パイロット燃料出口（１０２）と、
    前記混合域（９６）内の酸化剤出口（１０８）と、
    前記第１の下流端部（２７）に向かって下流方向に延在する第１の通路（１５０）及び前記第１の下流端部（２７）から前記混合域（９６）内へ上流方向に延在する第２の通路（１６０）を備える外側通路であって、前記第１の下流端部（２７）に隣接する第２の通路（１６０）の第１の半径方向寸法が前記混合域（９６）に隣接する第２の通路（１６０）の第２の半径方向寸法よりも小さくなるように、前記中心軸線（７６）に対する前記第２の通路（１６０）の半径方向距離が上流方向に拡がっている、外側通路と
    を備えており、前記燃料ノズル（２０）が前記第１の通路（１５０）、前記第２の通路（１６０）及び前記酸化剤出口（１０８）を通して前記混合域（９６）内に流体を流すように構成されている、ガスタービンシステム（１０）。
  2. 前記混合域（９６）が複数の羽根（１０６，１１２）を備える、請求項１に記載のガスタービンシステム（１０）。
  3. 前記複数の羽根（１０６，１１２）が、前記中央通路（８０）内へ内向きに延在する複数の旋回羽根及び／又は複数の半径方向の通路のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のガスタービンシステム（１０）。
  4. 前記複数の羽根（１０６，１１２）が、前記中央通路（８０）の中央ハブの周りに配置される、請求項２又は請求項３に記載のガスタービンシステム（１０）。
  5. 前記第１の通路（１５０）と前記第２の通路（１６０）が同心の環状通路である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のガスタービンシステム（１０）。
  6. 前記第１のボディ（２６）が、前記第１の通路（１５０）と前記第２の通路（１６０）との間に延在する複数の半径方向の通路を備える、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のガスタービンシステム（１０）。
  7. 前記第１のボディ（２６）が、前記第１の環状壁（７８）の周りに配置された第２の壁（１５４）を備え、前記第１の通路（１５０）及び前記第２の通路（１６０）が前記第２の壁（１５４）の両側に配置され、前記第２の壁（１５４）が複数のインピンジメント口（２１０）を備える、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のガスタービンシステム（１０）。
  8. 前記外側通路が、前記第１の下流端部に隣接して配置された冷却室（１８８）、あるいは、半径方向の入口、軸方向の入口又はそれらの組合せを備える、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のガスタービンシステム（１０）。
  9. 複数のインピンジメント口（１８２，１９６）を有するインピンジメント板（１８６）を備え、前記冷却室（１８８）が前記インピンジメント板（１８６）と前記第１の下流端部（２７）との間に配置される、請求項８に記載のガスタービンシステム（１０）。
  10. 前記第１のボディ（２６）の周りに配置された第２のボディを備え、前記第２のボディが、前記第２のボディの第２の下流端部に延在する流体通路を備える、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のに記載のガスタービンシステム（１０）。
  11. 前記燃料ノズル（２０）を有するガスタービン燃焼器（１４）、ガスタービンエンジン、又はそれらの組合せを備える、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のガスタービンシステム（１０）。
  12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載のガスタービンシステム（１０）を運転する方法であって、
    第１の流体（１４８）を燃料ノズル（２０）の第１のボディ（２６）の第１の下流端部（２７）に向かって下流方向に流すステップと、
    前記第１の流体（１４８）を前記第１の下流端部から混合域（９６）内へ上流方向に流すステップと、
    前記第１の流体（１４８）を第２の流体と混合域（９６）内で混合して、混合流体を生じさせるステップと、
    前記混合流体を前記混合域（９６）から中央通路（８０）を通して、前記燃料ノズル（２０）の前記第１の下流端部にある中央出口（６０）へ流すステップと
    を含む方法。
  13. 前記燃料ノズル（２０）の前記第１の下流端部（２７）を前記第１の流体（１４８）で冷却するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
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