JP7038538B2

JP7038538B2 - ガスタービン燃焼器の燃料噴射器および使用方法

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Publication number: JP7038538B2
Application number: JP2017240121A
Authority: JP
Inventors: リチャード・マーティン・ディシンティオ; セス・レイノルズ・ホフマン; ロニー・レイ・ペンテコスト; ジャヤプラカーシュ・ナタラジャン; ウェイ・ツァオ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: EP4050262A1; US10865992B2; CN108266754B; EP3346187B1; EP3346187A3; JP2018115849A; EP3346187A2; CN108266754A; US20180187893A1

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（ａｘｉａｌｆｕｅｌｓｔａｇｉｎｇ）」（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（Ｌ_INJ）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（Ｌ_COMB）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Ｌ_INJとして表す）と、長手方向軸Ｌ_INJ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（Ｌ_INJ）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Ｌ_INJ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
２００ＡＦＳ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

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）の内側面と第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、第１の燃料噴射体（３４０）が、第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つの外面に沿って第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（３３２）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）。
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る、請求項１に記載の燃料噴射器（１００）。
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）が前記流路（３５２）と流体連通し、さらに前記出口部材（３１０）が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）。
第１の燃料噴射体（３４０）が、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）。
第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が、第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）。
第１の複数の燃料噴射孔のうちの１つ又は複数が、第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）。
第１の複数の燃料噴射孔が、第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、第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）。
第１の組の噴射孔が第１の平面にあり、第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７に記載の燃料噴射器（１００）。
第１の複数の燃料噴射孔が、前記導管継手（３３２）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）。
第１の複数の燃料噴射孔が、第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、第２の端部（３２４，３３８）が、前記導管継手（３３２）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）。
第１の燃料噴射体（３４０）が、第１の燃料プレナム（３５０）を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の組が、第１の複数の燃料噴射孔の第２の組からオフセットしており、第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、第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）。
当該燃料噴射器（１００）が、前記フレーム（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）の内側面と第１の燃料噴射体（３４０）と第２の燃料噴射体（３４０）との間に流路（３５２）が画定され、第２の燃料噴射体（３４０）が、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）。
第２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が、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）。
第２の燃料噴射体（３４０）の第２の複数の燃料噴射孔が、第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、第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）。
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）システムと
を備えており、前記軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）システムが、
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、前記流体連通が、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）と
を含む、燃焼器。