JP7038538B2 - ガスタービン燃焼器の燃料噴射器および使用方法 - Google Patents

ガスタービン燃焼器の燃料噴射器および使用方法 Download PDF

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Description

本開示は、一般に、ガスタービン燃焼器用の燃料噴射器に関し、より詳細には、このような燃焼器に関連する軸方向燃料ステージング(AFS)システムとともに使用するための燃料噴射器に関する。
少なくともいくつかの公知のガスタービンアセンブリは、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。気体(例えば、周囲空気)が圧縮機を通って流れ、そこで気体が圧縮されて1つまたは複数の燃焼器に送られる。各燃焼器において、圧縮空気は燃料と結合され、点火されて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、各燃焼器からタービンに導かれて、タービンを通過し、それによってタービンを駆動し、次いでタービンがタービンに結合された発電機に動力を供給する。タービンは、共通のシャフトまたはロータによって圧縮機を駆動することもできる。
いくつかの燃焼器では、燃焼ガスの発生は2つの軸方向の段で発生する。このような燃焼器は、本明細書では「軸方向燃料ステージング(axial fuel staging)」(AFS)システムを含むものと呼ばれ、それは燃料および酸化剤を1つまたは複数の下流の燃料噴射器に供給する。AFSシステムを有する燃焼器では、燃焼器の上流端の一次燃料ノズルが、燃料および空気(または燃料/空気混合物)を一次燃焼ゾーン内に軸方向に噴射し、一次燃料ノズルの下流に配置されたAFS燃料噴射器が、燃料および空気(または第2の燃料/空気混合物)を一次燃焼ゾーンの下流の二次燃焼ゾーン内に半径方向に噴射する。場合によっては、燃料と空気を混合物として二次燃焼ゾーンに導入することが望ましい。したがって、AFS噴射器の混合能力は、ガスタービンの全体的な動作効率および/または排出物に影響を及ぼす。
米国特許第9400114号明細書
本開示は、燃料と空気の混合物を燃焼器内に半径方向に供給し、それによって二次燃焼ゾーンを生成するためのAFS燃料噴射器に関する。
具体的には、燃料噴射器は、第1の流体の通過のための開口部を画定する内側面を有するフレームと、フレームに結合され、開口部内に配置された少なくとも第1の燃料噴射体であって、第1の流体の流路がフレームの内側面と第1の燃料噴射体との間に画定され、第1の燃料噴射体は、第1の燃料プレナムと、第1の燃料噴射体の少なくとも1つの外面に沿って第1の燃料プレナムと連通する第1の複数の燃料噴射孔と、を画定する、第1の燃料噴射体と、フレームに結合され、第1の燃料プレナムに流体接続された燃料入口と、を含む。
軸方向燃料ステージング(AFS)システムを有するガスタービン用の燃焼器も提供される。燃焼器は、ヘッド端部と、後端部と、ヘッド端部と後端部との間のライナーを貫通する少なくとも1つの開口部と、を画定するライナーを含む。軸方向燃料ステージング(AFS)システムは、燃料噴射器および燃料供給ラインを含む。燃料噴射器は、ライナー内の少なくとも1つの開口部のうちのそれぞれ1つを介して流体連通を提供するように取り付けられ、流体連通はライナーの長手方向軸に対して半径方向に向けられている。燃料供給ラインは、燃料噴射器に結合されている。噴射器は、第1の流体の通過のための開口部を画定する内側面を有するフレームと、フレームに結合され、フレームの内側面と第1の燃料噴射体と第2の燃料噴射体との間に第1の流体の流路が画定されるように開口部内に配置された第1の燃料噴射体および第2の燃料噴射体と、を含む。第1の燃料噴射体は、第1の燃料プレナムと、第1の燃料噴射体の少なくとも1つの外面に沿って第1の燃料プレナムと連通する第1の複数の燃料噴射孔と、を画定し、第2の燃料噴射体は、第2の燃料プレナムと、第2の燃料噴射体の少なくとも1つの外面に沿って第2の燃料プレナムと連通する第2の複数の燃料噴射孔と、を画定する。噴射器は、フレームと一体化され、燃料供給ラインと第1の燃料プレナムと第2の燃料プレナムとの間に流体接続された導管継手と、流体流路と流体連通する出口部材と、をさらに含む。
最良の態様を含み、当業者を対象とする、本製品および方法の完全かつ実施可能な程度の開示が本明細書に記載され、以下の添付の図面を参照する。
本燃料噴射器を含む燃焼缶の概略断面側面図である。 本開示の一態様による、単一の燃料噴射体を有する燃料噴射器の斜視図である。 図2の燃料噴射器の断面図である。 本開示の別の態様による、一対の燃料噴射体を有する燃料噴射器の斜視図である。 図4の燃料噴射器の断面図である。 図2または図4の燃料噴射器に使用することができる燃料噴射器本体の斜視図である。 図2または図4の燃料噴射器に使用することができる燃料噴射器本体の斜視図である。 図2または図4の燃料噴射器に使用することができる燃料噴射器本体の第1の側面の斜視図である。 図8の燃料噴射器本体の第2の側面の斜視図である。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態の断面図であり、燃料噴射体が三角形状に設けられている。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態の断面図であり、燃料噴射体が四角形状に設けられている。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態の断面図であり、燃料噴射体が菱形形状に設けられている。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態の断面図であり、燃料噴射体が五角形状に設けられている。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態の断面図であり、燃料噴射体が、円弧状の前縁を有する五角形状に設けられている。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態を示す図であり、燃料噴射体が六角形状に設けられている。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態の断面図であり、燃料噴射体が八角形状に設けられている。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態の断面図であり、燃料噴射体が台形形状に設けられている。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態の断面図であり、燃料噴射体が翼形形状に設けられている。 図2の燃料噴射器の代替的な実施形態の断面図であり、燃料噴射体上の燃料噴射孔が噴射面に対して傾斜している。 図2の燃料噴射器で使用することができる燃料噴射体および燃料入口の側面図であり、2組のオフセットされた燃料噴射孔およびチューブインチューブ燃料入口を含む。 図20の線I-Iに沿った、図20の燃料噴射体の断面図であり、燃料噴射器内の燃料噴射体をさらに示してある。 図20の線II-IIに沿った、図20の燃料噴射体の断面図であり、燃料噴射器内の燃料噴射体をさらに示してある。
以下の詳細な説明は、限定ではなく例として、様々な燃料噴射器、それらの構成部品、およびそれらを製造する方法を例示する。この説明は、当業者が燃料噴射器を製造し使用することを可能にする。この説明は、燃料噴射器のいくつかの実施形態を提供しており、燃料噴射器の製造および使用の最良の形態であると現在考えられているものを含む。例示的な燃料噴射器は、本明細書では、ヘビー・デューティ・ガスタービン・アセンブリの燃焼器内で結合されるものとして記載される。しかしながら、本明細書に記載された燃料噴射器は、発電以外の様々な分野の広範なシステムに対する一般的な応用が企図されている。
本明細書において使用される「半径」(または、その任意の変形)という用語は、任意の適切な形状(例えば、正方形、長方形、三角形、など)の中心から外側へ延びる寸法を指し、円形の中心から外側へ延びる寸法に限定されない。同様に、本明細書において使用される「円周」(または、その任意の変形)という用語は、任意の適切な形状(例えば、正方形、長方形、三角形、など)の中心の周りに延びる寸法を指し、円形の中心の周りに延びる寸法に限定されない。
図1は、ヘビー・デューティ・ガスタービンの缶環状燃焼システムに含まれ得る燃焼缶10の概略図である。缶環状燃焼システムでは、複数の燃焼缶10(例えば、8、10、12、14、16、またはそれ以上)が、圧縮機をタービンに接続するロータの周りに環状アレイ状に配置される。タービンは、電力を生成する発電機に動作可能に(例えば、ロータによって)接続されてもよい。
図1において、燃焼缶10は、燃焼ガス66を収容してタービンに運ぶライナー12を含む。ライナー12は、多くの従来の燃焼システムのように、円筒状のライナー部分と、円筒状のライナー部分から分離されたテーパがついた移行部分と、を有することができる。あるいは、ライナー12は、円筒状部分とテーパ部分とが互いに一体化された統一体(「ユニボディ」)構成を有してもよい。したがって、本明細書のライナー12の説明は、別個のライナーおよび移行部分を有する従来の燃焼システムと、ユニボディライナーを有する燃焼システムの両方を包含することが意図されている。さらに、本開示は、移行部分およびタービンの第1段ノズルが、「移行ノズル」または「一体型出口ピース」と呼ばれることもある、単一ユニットに一体化された燃焼システムにも同様に適用可能である。
ライナー12は、外側スリーブ14によって取り囲まれており、外側スリーブ14は、ライナー12と外側スリーブ14との間に環状部32を画定するように、ライナー12の半径方向外側に間隔をおいて配置される。外側スリーブ14は、多くの従来の燃焼システムのように、前端部に流れスリーブ部分を、後端部に衝突スリーブ部分を含むことができる。あるいは、外側スリーブ14は、流れスリーブ部分と衝突スリーブ部分とが軸方向に互いに一体化された統一体(または「ユニスリーブ」)構成を有してもよい。前述のように、本明細書における外側スリーブ14の説明は、別個の流れスリーブと衝突スリーブを有する従来の燃焼システムと、ユニスリーブの外側スリーブを有する燃焼システムとの両方を含むことが意図されている。
燃焼缶10のヘッド端部20は、1つまたは複数の燃料ノズル22を含む。燃料ノズル22は、上流(または入口)端部に燃料入口24を有する。燃料入口24は、燃焼缶10の前端部にエンドカバー26を介して形成されてもよい。燃料ノズル22の下流(または出口)端部は、燃焼器キャップ28を貫通して延在する。
燃焼缶10のヘッド端部20は、前方ケーシング30によって少なくとも部分的に取り囲まれており、前方ケーシング30は、圧縮機吐出ケース40に物理的に結合され、流体接続されている。圧縮機吐出ケース40は、圧縮機(図示せず)の出口に流体接続され、燃焼缶10の少なくとも一部を取り囲む加圧空気プレナム42を画定する。空気36は、圧縮機吐出ケース40から燃焼缶の後端部の環状部32に流入する。環状部32はヘッド端部20に流体結合されているので、空気流36は、燃焼缶10の後端部からヘッド端部20まで上流に移動し、そこで空気流36が方向転換して燃料ノズル22に入る。
燃料および空気は、燃料ノズル22によって、ライナー12の前端部の一次燃焼ゾーン50に導入され、そこで燃料および空気が燃焼されて燃焼ガス46が形成される。一実施形態では、燃料および空気は、燃料ノズル22内で(例えば、予混合燃料ノズル内で)混合される。他の実施形態では、燃料および空気を一次燃焼ゾーン50に別々に導入し、一次燃焼ゾーン50内で混合することができる(例えば、拡散ノズルで発生することができる)。本明細書において「第1の燃料/空気混合物」と言及する場合は、予混合燃料/空気混合物と拡散タイプの燃料/空気混合物の両方を記述するものとして解釈すべきであり、いずれも燃料ノズル22によって生成される。
燃焼ガス46は、燃焼缶10の後端部18に向かって下流に移動する。追加の燃料および空気が、1つまたは複数の燃料噴射器100によって二次燃焼ゾーン60に導入され、そこで燃料および空気が燃焼ガス46によって点火されて複合燃焼ガス生成物ストリーム66が形成される。軸方向に分離された燃焼ゾーンを有するこのような燃焼システムは、「軸方向燃料ステージング」(AFS)システム200として説明され、下流側の噴射器100は、「AFS噴射器」と呼ぶことができる。
図示する実施形態では、各AFS噴射器100の燃料は、燃焼缶10のヘッド端部から燃料入口54を介して供給される。各燃料入口54は、それぞれのAFS噴射器100に結合された燃料供給ライン104に結合されている。AFS噴射器100に燃料を供給する他の方法を採用してもよく、それはリングマニホールドから、または圧縮機吐出ケース40を貫通して延在する半径方向に配向された燃料供給ラインから燃料を供給することを含むことを理解されたい。
図1はさらに、AFS噴射器100が燃焼缶10の長手方向中心線70に対して角度θ(シータ)に配向されてもよいことを示している。図示する実施形態では、噴射器100の前縁部分(すなわち、ヘッド端部に最も近接して位置する噴射器100の部分)は、燃焼缶10の中心線70から離れるように配向され、噴射器100の後縁部分は、燃焼缶10の中心線70に向いて配向されている。噴射器100の長手方向軸75と中心線70との間に画定される角度θは、1度~45度、1度~30度、1度~20度、または1度~10度、またはこれらの間の任意の中間値であってもよい。他の実施形態では、前縁部分が中心線70に近接し、後縁部分が中心線70に対して遠位にあるように噴射器100を配向させることが望ましい場合がある。
噴射器100は、第2の燃料/空気混合物56を半径方向に燃焼ライナー12内に噴射し、それによって二次燃焼ゾーン60を形成する。一次および二次燃焼ゾーンからの複合高温ガス66は、燃焼缶10の後端部18を通ってタービン部内まで下流に移動し、そこで燃焼ガス66が膨張してタービンを駆動する。
特に、ガスタービンの運転効率を高め、排出物を低減するために、噴射器100が燃料と圧縮ガスを完全に混合して第2の燃料/空気混合物56を形成することが望ましい。したがって、以下に記載する噴射器の実施形態は、改善された混合を促進する。
図2および図3は、それぞれ上述したAFSシステム200で使用される例示的な燃料噴射器100の斜視図および断面図である。例示的な実施形態では、燃料噴射器100は、互いに結合された取り付けフランジ302と、フレーム304と、出口部材310と、を含む。一実施形態では、取り付けフランジ302、フレーム304、および出口部材310は、一体構造として製造される(すなわち、互いに一体的に形成される)。あるいは、他の実施形態では、フランジ302は、フレーム304および/または出口310と一体に形成されなくてもよい(例えば、フランジ302は、適切な締結具を使用してフレーム304および/または出口310に結合されてもよい)。さらに、フレーム304および出口310は、フランジ302に別個に接合された一体化された単一部品ユニットとして作製されてもよい。
フランジ302は、概して平面であり、燃料噴射器100を外側スリーブ14に結合するための締結具(図示せず)を受け入れるようにそれぞれサイズが設定された複数の開口部306を画定する。燃料噴射器100は、フレーム304が外側スリーブ14に結合されることを可能にするフランジ302の代わりに、またはそれと組み合わせて、噴射器100が本明細書に記載するように機能する任意の適切な構造を有することができる。
フレーム304は、燃料噴射器100の入口部分を画定する。フレーム304は、対向して配置された第1の対の側壁326と、対向して配置された第2の対の端壁328と、を含む。側壁326は、端壁328よりも長く、したがって、フレーム304に軸方向にほぼ長方形の輪郭を提供する。フレーム304は、半径方向にほぼ台形状の輪郭を有する(すなわち、側壁326はフランジ302に対して傾斜している)。フレーム304は、フランジ302に近接する第1の端部318(「近位端部」)と、フランジ302に対して遠位の第2の端部320(「遠位端部」)と、を有する。側壁326の第1の端部318は、それぞれの長手方向平面において比較した場合に、側壁326の第2の端部よりも燃料噴射器100の長手方向軸線(LINJ)からより遠くに離れている。
出口部材310は、フレーム304の反対側の側面のフランジ302から半径方向に延在する。出口部材310は、半径方向および軸方向に均一な、または実質的に均一な断面積を画定する。出口部材310は、フレーム304とライナー12の内部との間の流体連通を提供し、第2の燃料/空気混合物56を噴射軸312に沿って二次燃焼ゾーン60に供給する。出口部材310は、燃料噴射器100が取り付けられるときに、フランジ302に近接する第1の端部322と、フランジ302に対して遠位にある(かつライナー12に近接する)第2の端部324と、を有する。さらに、燃料噴射器100が取り付けられているとき、出口部材310は、フランジ302が外側スリーブ14(図1に示す)の外面上に位置するように、ライナー12と外側スリーブ14との間の環状部32内に配置される。
図3に示す例示的な実施形態では、噴射軸312は概して直線的であるが、噴射軸312は、他の実施形態では非直線的であってもよい。例えば、出口部材310は、他の実施形態(図示せず)では円弧形状を有してもよい。
噴射軸312は、燃焼缶10の長手方向軸70(LCOMB)に対する半径方向寸法「R」を表す。燃料噴射器100は、噴射軸312にほぼ垂直な長手方向寸法(軸LINJとして表す)と、長手方向軸LINJの周りに延在する円周方向寸法「C」と、をさらに含む。
したがって、フレーム304はフランジ302から第1の方向に半径方向に延在し、出口部材310はフランジ302から第1の方向とは反対の第2の方向に半径方向内向きに延在する。フランジ302は、フレーム304の周りに円周方向に(すなわち、囲むように)延在している。フレーム304および出口部材310は、噴射軸312の周りに円周方向に延在し、フランジ302を横切って互いに流体連通している。
本明細書に示す実施形態は、フランジ302をフレーム304と出口部材310との間に配置するように示しているが、フランジ302は、他の場所に配置されてもよいし、他の適切な向きに配置されてもよいことを理解されたい。例えば、フレーム304および出口部材310は、フランジ302から概ね反対方向に延在していなくてもよい。
1つの例示的な実施形態では、入口部材308の遠位端部320は、フレーム304の近位端部318よりも広くすることができるので、フレーム304が遠位端部320と近位端部318との間で少なくとも部分的にテーパつき(または漏斗状)になる。言い換えれば、上述の例示的な実施形態では、側面326は、遠位端部320から近位端部318に向かって厚みが収束する。
さらに、図2および図3に示すように、フレーム304の側壁326は、フランジ302に対してある角度をなして配向され、したがって、フレーム304は、側壁326の遠位端部320から近位端部318に向かって収束する。いくつかの実施形態では、端壁328は、さらにまたは代わりに、フランジ302に対してある角度で配向されてもよい。側壁326および端壁328は、ほぼ直線の断面輪郭を有する。他の実施形態では、側面セグメント326および端部セグメント328は、フレーム304が遠位端部320と近位端部318との間で少なくとも部分的に収束する(すなわちテーパがつけられる)ことを可能にする任意の適切な断面輪郭を有してもよい(例えば、少なくとも1つの側壁326は、端部320と端部318との間で円弧状に延在する断面輪郭を有してもよい)。あるいは、フレーム304は、端部320と端部318との間でテーパがつけられなくてもよい(例えば、他の実施形態では、側壁326および端壁328のそれぞれが、噴射軸312に対して実質的に平行に配向された実質的に直線の断面輪郭を有してもよい)。
例示的な実施形態では、燃料噴射器100は、導管継手332および燃料噴射体340をさらに含む。導管継手332はフレーム304の端壁328のうちの1つと一体に形成され、そのようにして導管継手332は噴射器100の長手方向軸(LINJ)に沿って概ね外側に延在する。導管継手332は、燃料供給ライン104に接続され、燃料供給ライン104から燃料を受け取る。導管継手332は、任意の適切なサイズおよび形状を有することができ、導管継手332が本明細書に記載するように機能することを可能にするフレーム304の任意の適切な部分と一体的に形成することができ、またはそれと結合することができる(例えば、いくつかの実施形態では、導管継手332は側壁326と一体に形成されてもよい)。
燃料噴射体340は、導管継手332が貫通して突出する端壁328と一体に形成された第1の端部336と、燃料噴射器100の反対側の端部の端壁328と一体に形成された第2の端部338と、を有する。燃料噴射体340は、端壁328の間でフレーム304を横切って概ね直線的に延在し、導管継手332と流体連通する内部燃料プレナム350を画定する。他の実施形態では、燃料噴射体340は、燃料噴射体340が本明細書に記載するように機能することを可能にするフレーム304の任意の適切な部分からフレーム304を横切って延在してもよい(例えば、燃料噴射体340が側壁326の間に延在してもよい)。それに代えて、またはそれに加えて、燃料噴射体340は、対向して配置された壁(326または328)の間に円弧状の形状を画定することができる。
上述したように、燃料噴射体340は、内部プレナム350を画定し、かつフレーム304の端壁328の間に延在する中空構造を形成する複数の表面を有する。長手方向軸LINJに垂直な断面で見た場合に、燃料噴射体340(本実施形態)は、一般に、湾曲した前縁342と、反対側に配置された後縁344と、前縁342から後縁344まで延在する一対の対向する燃料噴射面346、348と、を備える逆涙滴形状を有する。燃料プレナム350は、(端壁328を通って導管継手332に流体連通していることを除いて)フランジ302内またはフレーム304内に延在していない。
燃料噴射体340は、前縁342が側壁326の遠位端部320に近接するように配向される(すなわち、前縁342が側壁326の近位端部318から離れて面する)。後縁344は、側壁326の近位端部318に近接して配置される(すなわち、後縁344は側壁326の遠位端部320から離れて面する)。したがって、後縁344は、前縁342よりもフランジ302のより近くにある。
各燃料噴射面346、348は、側壁326のそれぞれの内面330に面し、したがって、後縁344の下流で、かつ出口部材310の上流またはその中で互いに交差する一対の流路352を画定する。流路352は、フレーム304の遠位端部320からフレーム304の近位端部318まで均一な寸法であるように示されているが、流路352が遠位端部320から近位端部318に向かって収束してもよく、それによって流れを加速することができることを理解されたい。
各燃料噴射面346、348は、内部プレナム350と流路352との間の流体連通を提供する複数の燃料噴射ポート354を含む。燃料噴射ポート354は、例えば、燃料噴射体340が本明細書で記載するように機能することを可能にするのに適した任意の態様(例えば、1つまたは複数の列)で、燃料噴射面346、348(図2を参照)の長さに沿って離間される。
特に、燃料噴射器100は、適切な数の流路352を画定する任意の適切な向きでフレーム304を横切って延在する2つ以上の燃料噴射体340を有することができる。例えば、図4および図5に示す実施形態では、燃料噴射器100は、フレーム304内に3つの離間した流路352を画定する一対の隣接する燃料噴射体340を含む。一実施形態では、燃料噴射体340が噴射軸312に対して同じ角度で配向されている結果として、流路352が等間隔に配置される。各燃料噴射体340は、上述したように、少なくとも1つの燃料噴射面346または348に複数の燃料噴射ポート354を含み、燃料噴射ポート354は、各燃料噴射体340内に画定されたそれぞれのプレナム350と流体連通している。次に、プレナム350は、燃料供給ライン104から燃料を受け取る導管継手332と流体連通する。
ここで、図2~図5に示す単一噴射体および二重噴射体の両方の実施形態を参照すると、燃焼缶10の特定の動作中に、圧縮ガスがフレーム304に流入し、流路352を通って流れる。同時に、燃料は、燃料供給ライン104を通り、導管継手332を通って、1つまたは複数の燃料噴射体340の内部プレナム350に運ばれる。燃料はプレナム350から各燃料噴射体340の燃料噴射面346および/または348上の燃料噴射ポート354を介して、噴射軸312に対して実質的に半径方向に、流路352内に流れ、そこで燃料は圧縮空気と混合する。燃料および圧縮空気は、第2の燃料/空気混合物56を形成し、第2の燃料/空気混合物56は出口部材310を介して二次燃焼ゾーン60に噴射される(図1を参照)。
図6~図22は、1つまたは複数の燃料噴射体を有する燃料噴射器100に使用することができる、本開示のさらなる追加の実施形態を説明する。例示的な実施形態では、燃料噴射体340の各燃料噴射面346、348は、実質的に直線の断面輪郭を有し、それぞれの壁側セグメント330と実質的に平行に配向されるが、他の実施形態では、各燃料噴射面346、348は任意の適切な配向を有してもよい。燃料噴射ポート354は、燃料噴射体340の各燃料噴射面346、348に配置されていると説明したが、燃料噴射ポート354は、単一の燃料噴射面(すなわち、346または348)に沿って配置されてもよいことを理解されたい。さらに、燃料噴射ポート354は、燃料噴射面326(および延長によって328)の長さに沿って均等に離間して示されているが、例えば、図6および図7に示すように、燃料噴射ポート354が不均一に離間していてもよいことを理解されたい。図8および図9は、対向する燃料噴射面346、348を示しており、燃料噴射ポート354、355は異なる面に配置されている。燃料噴射体は、例えば図10~図18に示すように、他の実施形態では概ね涙滴形状でなくてもよい。
それに加えて、またはそれに代えて、図3および図5では、燃料噴射ポート354が噴射軸312に対して垂直に配向するように示されているが、燃料噴射ポート354は、例えば図19に示すように、噴射軸312に関してある角度で配向されてもよいことを理解されたい。さらに、図20~図22は、燃料噴射体340が、燃料噴射面346、348上の各燃料噴射ポート354、356に流体接続された2つの燃料プレナム350、351を画定する実施形態を示す。
ここで図6を参照すると、代表的な燃料噴射体340が示されており、燃料噴射ポート354のより大きい部分が、燃料噴射面346の導管継手332と反対側の部分に配置され、燃料噴射ポート354のより小さな部分が、燃料噴射面346の導管継手332に最も近い部分に配置されている。すなわち、燃料噴射ポート354は、燃料噴射面346の導管継手332の反対側の部分に沿って互いにより近接して配置されている。
図7は、代替的な例示的な燃料噴射体340を示しており、燃料噴射ポート354のより大きい部分が、燃料噴射面346の導管継手332に最も近い部分に配置され、燃料噴射ポート354のより小さな部分が、燃料噴射面346の導管継手332と反対側の部分に配置されている。すなわち、燃料噴射ポート354は、導管継手332の近くにある燃料噴射面346の部分に沿って互いにより近接して配置されているが、それに対して、導管継手332の反対側では燃料噴射ポート354は離間して配置されている。
燃料噴射ポート354は、燃料噴射面346(および/または348)の1つの領域において異なるサイズであってもよいと考えられる。すなわち、燃料噴射ポート354のうちの1つまたは複数は、同じ燃料噴射面346(または348)または同じ燃料噴射体(例えば340)または同じ燃料噴射器100内に配置された他の燃料噴射ポート354より大きくてもよいし、小さくてもよい。
図8および図9は、燃料噴射ポート354を備える第1の燃料噴射面346と、燃料噴射ポート355を備える第2の燃料噴射面348と、を有する燃料噴射体340の例示的な実施形態を示す。図示するように、第1の燃料噴射面346の燃料噴射ポート354は、第1の平面を規定する列に配置され、第2の燃料噴射面348の燃料噴射ポート355は、第1の平面とは異なる第2の平面を規定する列に配置される。この例示的な実施形態では、燃料噴射体340には単一の内部プレナム350が設けられており、それは両方の燃料噴射ポート354、355を供給する。しかしながら、燃料噴射ポート354、355は異なる平面に配置されているので、噴射ポート354、355から後端部18までの燃料/空気混合物の滞留時間はわずかに異なる。
複数の平面における燃料噴射ポートの同様の配置は、図4および図5に示す燃料噴射器100などの複数の燃料噴射体340を有する燃料噴射器で達成できることを理解されたい。例えば、第1の燃料噴射体340の燃料噴射ポート354は、第1の平面(あるいは第1および第2の平面)に配置することができ、第2の燃料噴射体340の燃料噴射ポート354は、異なる第3の平面(あるいは第3および第4の平面)に配置することができる。さらに、単一の燃料噴射体の噴射器であっても、複数の燃料噴射体340を有する噴射器であっても、異なる平面における燃料噴射ポート354の多くの可能な分布を採用することができる。
図10~図18は、図2の燃料噴射器100に使用することができる燃料噴射体340の例示的な形状を示す。単一の燃料噴射体340が示されているが、本明細書に記載する目的に適したものと判断される、同じまたは異なる形状を有する複数の燃料噴射体を使用できることを理解されたい。
図10では、燃料噴射体340がほぼ三角形状を有しており、前縁342が(図3または図5に示すように円弧状ではなく)実質的に直線である。図11は、正方形の断面形状を有する燃料噴射体340を示しており、前縁342と後縁344が実質的に互いに平行であり、前縁342と後縁344が燃料噴射面346、348に対してほぼ垂直である。図12では、燃料噴射体340がほぼ菱形であり、2つの前縁342が後縁344の反対側に存在し、燃料噴射面346、348が後縁344で交差している。
図13は、断面が五角形の断面を有する燃料噴射体340を示している。燃料噴射体340は、直線状の前縁342と、一対の燃料噴射面346、348と、前縁342と各燃料噴射面346、348との間に位置する一対の中間面347、349と、燃料噴射面346、348の交差部にある後縁344と、を含む。図14は、代替的な五角形の断面を有する燃料噴射体340を示す。この実施形態では、燃料噴射体340は、円弧状の前縁342と、一対の燃料噴射面346、348と、燃料噴射面346、348と後縁344との間に位置する一対の中間面347、349と、中間面347、349の交差部にある後縁344と、を有する。したがって、図13および図14の例示的な実施形態は、円弧状または直線状の前縁および中間面347、349の異なる位置(すなわち、燃料噴射面346、348の上流または下流のいずれか)を提供する。
図15は、ほぼ六角形状を有する例示的な燃料噴射体340を示しており、前縁342と後縁344は互いにほぼ平行である。2つの中間面347、349は、前縁342と燃料噴射面346、348との間にそれぞれ配置される。燃料噴射面346、348は、後縁344と交差する。図16では、燃料噴射体340はほぼ八角形状である。再び、前縁342および後縁344は、互いに実質的に平行であり、燃料噴射面346、348は後縁344と交差し、中間面347、349はそれぞれ、燃料噴射面346、348のすぐ上流に配置されている。この例示的な実施形態では、第2の対の中間面341、343が、第1の対の中間面347、349と前縁342との間に配置される。図17は、反対側に配置された後縁344に平行な前縁342を有するほぼ台形状を有する例示的な燃料噴射体340を示す。この実施形態では、燃料噴射面346、348は、前縁342および後縁344に対して傾斜しており、燃料噴射器100のフレーム304の側壁326にほぼ平行である。
図18は、さらに別の例示的な燃料噴射体340を示しており、燃料噴射体340は、翼形形状を有するものとして画定されている。燃料噴射体340は、正圧側面346および負圧側面348を含み、その一方または両方が燃料噴射面として機能することができる。燃料噴射器100の上流部分では、正圧側面346と負圧側面348とが前縁342で交差する。後縁344は、前縁342に対向しており、燃料噴射器100の出口部材310の上流に配置されている。図18は、噴射軸312に関して非対称である燃料噴射体340の一例として示されている。
図19は、図2の燃料噴射体340の一実施形態を示し、燃料噴射ポート354が噴射軸312に対してある角度(すなわち斜め)に配向されている。必要に応じて、燃料噴射ポート354に任意の角度を採用することができることを理解されたい。
図20~図22は、第1の内部プレナム350および第2の内部プレナム351を画定する燃料噴射体340を示しており、それらは燃料噴射体340内に配置されたバッフルプレート360によって画定される。このような実施形態では、各プレナム350、351は、別個の燃料供給源(図示せず)によって供給される別個の導管継手332、333によって供給され、それと流体連通する。導管継手332、333は、図示するようにチューブインチューブ構成として、または2つの別個の導管継手として構成することができる。燃料噴射ポート354は、図21に示すように、第1のプレナム350と流体連通しており、燃料噴射ポート356は、図22に示すように、第2のプレナム351と流体連通している。別個に給油されたプレナム350、351および対応する燃料噴射ポート354、356を設けることにより、本AFSシステム200(図1に示す)の動作範囲および/またはターンダウン能力を向上させることができる。
本明細書に記載の方法およびシステムは、燃焼器内の燃料および圧縮ガスの強化された混合を促進する。より具体的には、本方法およびシステムは、燃料噴射器を通る圧縮ガスの流れの途中に燃料噴射体を配置することを容易にし、それによって圧縮ガス全体にわたる燃料の分配を容易にする。したがって、本方法およびシステムは、タービンアセンブリ内のAFSシステムの燃料噴射器内の燃料と圧縮ガスの強化された混合を促進する。したがって、本方法およびシステムは、例えばタービンアセンブリ内の燃焼器などの燃焼器の全体的な動作効率を向上させることを容易にする。これは、出力を増加させ、例えばタービンアセンブリ内の燃焼器などの燃焼器の動作に関連するコストを低減する。
燃料噴射器の例示的な実施形態およびその製造方法について、上で詳細に説明している。本明細書に記載の方法およびシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、これらの方法およびシステムの構成要素は、本明細書に記載の他の構成要素から独立かつ別個に利用することが可能である。例えば、本明細書に記載の方法およびシステムは、本明細書に記載のタービンアセンブリにおける実施に限定されない他の用途を有することができる。むしろ、本明細書に記載の方法およびシステムは、種々の他の産業に関連して実施および利用することが可能である。
本発明を種々の具体的な実施形態に関して説明したが、本発明を、特許請求の範囲の技術的思想および技術的範囲の範囲内で、変更を伴って実施できることを、当業者であれば理解できるであろう。
10 燃焼缶
12 燃焼ライナー
14 外側スリーブ
18 後端部
20 ヘッド端部
22 燃料ノズル
24 燃料入口
26 エンドカバー
28 燃焼器キャップ
30 前方ケーシング
32 環状部
36 空気流
40 圧縮機吐出ケース
42 加圧空気プレナム
46 燃焼ガス
50 一次燃焼ゾーン
54 燃料入口
56 第2の燃料/空気混合物
60 二次燃焼ゾーン
66 複合高温ガス
70 長手方向中心線
75 長手方向軸
100 燃料噴射器
104 燃料供給ライン
200 AFSシステム
302 取り付けフランジ
304 フレーム
306 開口部
308 入口部材
310 出口部材
312 噴射軸
318 近位端部
320 遠位端部
322 第1の端部
324 第2の端部
326 側壁
328 端壁
330 壁側セグメント
332 導管継手
333 導管継手
336 第1の端部
338 第2の端部
340 燃料噴射体
341 中間面
342 前縁
343 中間面
344 後縁
346 燃料噴射面
347 中間面
348 第2の燃料噴射面
349 中間面
350 内部燃料プレナム
351 第2の内部プレナム
352 流路
354 燃料噴射ポート
355 燃料噴射ポート
356 燃料噴射ポート
360 バッフルプレート

Claims (15)

  1. 燃料噴射器(100)であって、
    当該燃料噴射器(100)を燃焼器(10)の外側スリーブ(14)に結合するための取り付けフランジ(302)と、
    前記取り付けフランジ(302)から半径方向外側に延在し、かつ対向して配置された側壁(326)及び対向して配置された端壁(328)を含むフレーム(304)であって、前記端壁(328)及び前記側壁(326)が、第1の流体の通過のための開口部を画定する内側面を有しており、前記フレーム(304)の内側面は、前記側壁(326)が前記端壁(328)よりも長い長方形を画定する、フレーム(304)と、
    前記フレーム(304)の端壁(328)に結合された第1の燃料噴射体(340)であって、第1の燃料噴射体(340)が、前記取り付けフランジ(302)の半径方向外側でかつ前記開口部内に配置されて、前記フレーム(304)の内側面と1の燃料噴射体(340)との間に第1の流体のための流路(352)が画定され、1の燃料噴射体(340)1の燃料プレナム(350)を画定するとともに、第1の燃料噴射体(340)の少なくとも1つの外面に沿って1の燃料プレナム(350)と連通する第1の複数の燃料噴射孔(354)を画定する、第1の燃料噴射体(340)と、
    前記フレーム(304)に結合され、かつ第1の燃料プレナム(350)に流体接続された導管継手(33であって、前記フレームの外側から延在し、かつ前記端壁(328)の一方のみを通して第1の燃料プレナム(350)と接続している導管継手(332)と
    を備える燃料噴射器(100)。
  2. 前記フレーム(304)が、前記フランジ(302)に近接する第1の端部(318)と前記フランジ(302)に対して遠位の第2の端部(320)とを有しており、前記長方形は、第2の端部(320)から第1の端部(318)に向かって断面積が収束す、請求項1に記載の燃料噴射器(100)。
  3. 当該燃料噴射器(100)が出口部材(310)をさらに備えており、前記出口部材(310)記流路(352)と流体連通し、さらに前記出口部材(310)均一な断面積を画定する、請求項1又は請求項2に記載の燃料噴射器(100)。
  4. 1の燃料噴射体(340)、涙滴形状、翼形形状、三角形状、四角形状、五角形状、六角形状、八角形状、菱形形状、台形形状のうちの1つを画定する断面を有する、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料噴射器(100)。
  5. 1の燃料噴射体(340)が、涙滴形状を画定する断面を有しており、前記涙滴形状、前縁(342)と、前記前縁(342)に対向する後縁(344)と、前記前縁(342)と前記後縁(344)との間の一対の外面とを有し、前記一対の外面の少なくとも一方1の複数の燃料噴射孔を画定する前記少なくとも1つの外面である、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料噴射器(100)。
  6. 1の複数の燃料噴射孔のうちの1つ又は複数1の燃料噴射体(340)の少なくとも1つの外面に対して垂直であるか或いは傾斜している、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の燃料噴射器(100)。
  7. 1の複数の燃料噴射孔1の燃料噴射体(340)の第1の外面(346)に沿って配置された第1の組の燃料噴射孔と、1の燃料噴射体(340)の第2の外面(348)に沿った第2の組の燃料噴射孔とを含む、請求項1に記載の燃料噴射器(100)。
  8. 1の組の噴射孔第1の平面にあり、2の組の噴射孔が第1の平面からオフセットされた第2の平面にある、請求項に記載の燃料噴射器(100)。
  9. 1の複数の燃料噴射孔記導管継手(33)に近接する第1の燃料噴射体(340)の端部に、より多くの燃料噴射孔が配置されるようなパターンで配置される、請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の燃料噴射器(100)。
  10. 1の複数の燃料噴射孔1の燃料噴射体(340)の第2の端部(324,338)に、より多くの燃料噴射孔が配置されるようなパターンで配置され、2の端部(324,338)、前記導管継手(33)の反対側にある、請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の燃料噴射器(100)。
  11. 1の燃料噴射体(340)第1の燃料プレナム(350)2つの別個の燃料プレナム(350,351)に分割するバッフルプレート(360)を含んでおり第1の複数の燃料噴射孔の第1の組第1の複数の燃料噴射孔の第2の組からオフセットており、1の組が前記2つの別個の燃料プレナムのうちの一方と流体連通し、2の組が前記2つの別個の燃料プレナムのうちの他方と流体連通する、請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の燃料噴射器(100)。
  12. 当該燃料噴射器(100)が、記フレーム(304)に結合されかつ前記開口部内に配置された第2の燃料噴射体(340)をさらに備えており、前記フレーム(304)の内側面と1の燃料噴射体(340)と2の燃料噴射体(340)との間に流路(352)が画定され、2の燃料噴射体(340)、第2の燃料プレナムを画定するとともに、第2の燃料噴射体(340)の少なくとも1つの外面に沿って第2の複数の燃料噴射孔を画定する、請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の燃料噴射器(100)。
  13. 2の燃料噴射体(340)、涙滴形状を画定する面を有しており、前記涙滴形状が、前縁(342)と、前記前縁(342)に対向する後縁(344)と、前記前縁(342)と前記後縁(344)との間の一対の外面とを有し、前記一対の外面の少なくとも一方第2の複数の燃料噴射孔を画定する前記少なくとも1つの外面である、請求項12に記載の燃料噴射器(100)。
  14. 2の燃料噴射体(340)の第2の複数の燃料噴射孔2の燃料噴射体(340)の第3の外面に沿って配置された第3の組の燃料噴射孔と、2の燃料噴射体(340)の第4の外面に沿った第4の組の燃料噴射孔とを含む、請求項12又は請求項13に記載の燃料噴射器(100)。
  15. ガスタービン用の燃焼器であって、当該燃焼器が、
    外側スリーブ(14)と、
    前記外側スリーブ(14)によって取り囲まれたライナー(12)であって、燃焼室を画定するとともに、ヘッド端部(20)後端部(18)、及び前記ヘッド端部(20)と前記後端部(18)との間でライナーを貫通する少なくとも1つの開口部を画定するライナー(12)と、
    軸方向燃料ステージング(AFS)システム
    を備えており、前記軸方向燃料ステージング(AFS)システム
    請求項1乃至請求項14のいずれか1項に記載の燃料噴射器(100)であって、該燃料噴射器(100)が、前記ライナー内の少なくとも1つの開口部のうちのそれぞれ1つを介して流体連通を提供するように前記外側スリーブ(14)に取り付けられており、前記流体連通、前記ライナーの長手方向軸(75)に対して半径方向に向けられている、燃料噴射器(100)と、
    前記燃料噴射器(100)に結合された燃料供給ライン(104)
    を含む、燃焼器。
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