JP7187174B2

JP7187174B2 - ガスタービン燃焼器で使用するための複数の出口スロットを備えた燃料噴射器

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Publication number: JP7187174B2
Application number: JP2018091114A
Authority: JP
Inventors: シュリーニバス・ラオ・グッバ; マイケル・ジョン・ヒューズ; クリシュナ・カント・アガーワル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2022-12-12
Anticipated expiration: 2038-05-10
Also published as: EP3401602A1; CN108870443A; KR102570807B1; JP2019023551A; CN108870443B; US20180328587A1; KR20180124725A; EP3401602B1; US10718523B2

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、そういった燃焼器に関連する軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）システムと共に使用するための燃料噴射器に関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービン組立体は、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。ガス（例えば、周囲空気）は、圧縮機を通って流れ、そこではガスが１つまたは複数の燃焼器への送達前に圧縮される。各燃焼器では、圧縮された空気は、燃料と組み合わされて点火されて、燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、各燃焼器からタービンまでそしてその中に向けられ、それによってタービンを駆動し、タービンが今度は、タービンに連結された電気発生器に給電する。またタービンは、共通のシャフトまたはロータを用いて圧縮機を駆動することがある。

燃焼器によっては、燃焼ガスの発生は、２つの軸方向に隔置したステージで起こる。そういった燃焼器は、本明細書では、燃料およびオキシダントを１つまたは複数の下流の燃料噴射器に送達する「軸方向燃料ステージング」（ＡＦＳ）システムを含んでいるとして参照される。ＡＦＳシステムを備えた燃焼器では、燃焼器の上流端部の１次燃料ノズルは、燃料および空気（または燃料／空気混合物）を軸方向に１次燃焼ゾーンの中に噴射し、１次燃料ノズルの下流位置に位置するＡＦＳ燃料噴射器は、燃料および空気（または２次燃料／空気混合物）を径方向に１次燃焼ゾーンの下流の２次燃焼ゾーンの中に噴射する。ケースによっては、望ましくは、燃料および空気が２次燃焼ゾーンの中に混合物として導入される。それ故に、ＡＦＳ噴射器の混合能力は、ガスタービンの全体の運転効率および／またはエミッションに影響を及ぼす。

米国特許第９，４００，１１４号公報

本開示は、燃料および空気の混合物を径方向に燃焼器の中に送達してそれによって２次燃焼ゾーンを作り出すためのＡＦＳ燃料噴射器に向けられている。

燃料噴射器は、フレームとフレームに結合されたペアの燃料噴射ボディとを含む。フレームは、第１の流体の通行用の開口を画定する内側側面を有する。第１の流体用の入口流れ経路は、フレームの内側側面およびそれぞれの燃料噴射ボディ間に少なくとも画定される。各燃料噴射ボディは、燃料プレナムを画定すると共に、燃料プレナムと連通する複数の燃料噴射穴を画定する少なくとも１つの燃料噴射表面を含む。出口部材は、入口流れ経路の下流に位置すると共にそれと流体連通する。出口部材は、ストラット、流れ転用体、および／または別個の出口部材を介して、出口部材から出て行く離散または分離した出口流れ経路を作り出すように構成される。

当業者を対象にしたそのベストモードを含む本生産物および方法の完全かつ実施可能な程度の開示内容は、添付図面に言及している本明細書に記載されている。

本開示に係る下流の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１つの態様に係るペアの燃料噴射ボディを有する燃料噴射器の斜視図である。図２の燃料噴射器の底部斜視図である。図２の燃料噴射器の断面斜視図である。本開示の別の態様に係る３つの燃料噴射ボディを有する燃料噴射器の斜視図である。１つの実施形態に係る図５の燃料噴射器の底部斜視図である。図５および６の燃料噴射器の断面斜視図である。別の実施形態に係る図５の燃料噴射器の底部斜視図である。図５および８の燃料噴射器の断面斜視図である。図５および８の燃料噴射器の断面図である。線１１－１１に沿って取った図１０の燃料噴射器の断面図である。線１２－１２に沿って取った図１０の燃料噴射器の断面図である。本開示の態様に係るペアの整列した燃料噴射ボディを有する代わりの燃料噴射器の概略図である。図１３の燃料噴射器の断面図である。図１３の燃料噴射器の出口ダクトの概略図である。本開示の態様に係るペアの角度付けされた燃料噴射ボディを有する代わりの燃料噴射器の概略図である。図１６の燃料噴射器の出口ダクトの概略図である。本開示の態様に係るペアの軸方向に千鳥状の平行な燃料噴射ボディを有する代わりの燃料噴射器の概略図である。図１８の燃料噴射器の出口ダクトの概略図である。

以下の詳細な説明は、様々な燃料噴射器、それらの構成要素部品、および、同製作する方法を、限定ではなく一例として、例証している。説明は、当業者が燃料噴射器を生産して使用することを可能にする。説明は、燃料噴射器を生産して使用するベストモードであると現在思われるものを含む燃料噴射器の幾つかの実施形態を提供する。例示的な燃料噴射器は、電力発生用の発生器に結合されたヘビーデューティガスタービン組立体の燃焼器内部で使用されると本明細書で説明している。しかしながら、企図するのは、本明細書で説明する燃料噴射器が、電力発生以外の様々な分野の広範囲のシステムへの一般的な用途を有するということである。

本明細書で使用するとき、用語「半径」（またはその任意の変形例）は、任意の適切な形状（例えば、四角、長方形、三角形など）の中心から外方に延びる寸法を指し、丸い形状の中心から外方に延びる寸法に限定されない。同様に、本明細書で使用するとき、用語「周囲」（またはその任意の変形例）は、任意の適切な形状（例えば、四角、長方形、三角形など）の中心のまわりに延びる寸法を指し、丸い形状の中心のまわ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用の缶アニュラ燃焼システムに含めることのできるような燃焼缶１０の概略図である。缶アニュラ燃焼システムでは、複数（例えば、８、１０、１２、１４、１６、あるいはそれより多く）の燃焼缶１０は、圧縮機をタービンに連結するロータの周りでアニュラアレイに位置決めされる。タービンは、電力を作り出すために（例えば、ロータによって）発生器に動作可能に連結されることがある。

図１では、燃焼缶１０は、燃焼ガス４６を収容すると共にタービンに搬送するライナ１２を含む。ライナ１２は、多くの従来の燃焼システムにおけるように、円筒状のライナ部分と、円筒状のライナ部分から分離されている先細の移行部分と、を有することがある。代わりに、ライナ１２は、円筒状の部分および先細の部分が単一部片に相互に統合される統一ボディ（または「ユニボディ」）構造を有することがある。このように、本明細書でのライナ１２の任意の議論は、分離しているライナおよび移行部片を有する従来の燃焼システムと、ユニボディライナを有するそれらの燃焼システムと、の両方を包含することを目的としている。さらに、本開示は、タービンの移行部片およびステージワンノズルが単一ユニット（時々「移行ノズル」または「統合された出口部片」と呼ぶ）に統合されるそれらの燃焼システムに均等に適用可能である。

ライナ１２は、外側スリーブ１４によって少なくとも部分的に囲まれ、外側スリーブ１４は、ライナ１２の径方向外方に隔置されて、ライナ１２と外側スリーブ１４の間に環形３２を画定する。外側スリーブ１４は、多くの従来の燃焼システムにおけるように、前部端部の流れスリーブ部分と、後部端部の衝突スリーブ部分と、を含むことがある。代わりに、外側スリーブ１４は、流れスリーブ部分および衝突スリーブ部分が軸方向に相互に統合される統一ボディ（または「ユニスリーブ」）構造を有することがある。前のように、本明細書での外側スリーブ１４の任意の議論は、分離している流れスリーブおよび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、の両方を包含することを目的としている。

燃焼缶１０のヘッド端部部分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、燃料入口２４を上流（または入口）端部に有する。燃料入口２４は、燃焼缶１０の前部端部に端部カバー２６を通して形成されることがある。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、燃焼器キャップ２８は、ヘッド端部部分２０を径方向にまたがっており、また、ヘッド端部２０を１次燃焼ゾーン５０から分離している。

燃焼缶１０のヘッド端部部分２０は、前部ケーシング３０によって少なくとも部分的に囲まれ、前部ケーシング３０は、圧縮機排出ケース４０に物理的に結合されて流体連結される。圧縮機排出ケース４０は、圧縮機（図示せず）の出口に流体連結され、燃焼缶１０の少なくとも部分を囲む加圧空気プレナム４２を画定する。空気３６は、圧縮機排出ケース４０から燃焼缶の後部端部の環形３２の中に流れる。環形３２がヘッド端部部分２０に流体結合されているので、空気流れ３６は、上流で燃焼缶１０の後部端部からヘッド端部部分２０に進行し、そこで空気流れ３６は、方向を逆にして、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１２の前部端部の１次燃焼ゾーン５０の中に導入され、そこで燃料および空気は、燃焼して、燃焼ガス４６を形成する。１つの実施形態では、燃料および空気は、燃料ノズル２２（例えば、予混合燃料ノズル）内部で混合される。他の実施形態では、燃料および空気は、１次燃焼ゾーン５０の中に別個に導入されて、（例えば、ディフュージョンノズルを用いて起こり得るように）１次燃焼ゾーン５０内部で混合されることがある。本明細書で「第１の燃料／空気混合物」について行っている参照は、予混合燃料／空気混合物およびディフュージョンタイプ燃料／空気混合物（それらのどちらも燃料ノズル２２によって作り出され得る）の両方を記載していると解釈すべきである。

燃焼ガス４６は、後部フレーム１８によって示された燃焼缶１０の後部端部に向けて下流に進行する。追加の燃料および空気は、第２の燃料／空気混合物５６として、１つまたは複数の燃料噴射器１００によって、２次燃焼ゾーン６０の中に導入され、そこでは燃料および空気５６が燃焼ガス４６によって点火され、結合した燃焼ガス生成物ストリーム４６が形成される。軸方向に分離された燃焼ゾーンを有するそういった燃焼システムは、「軸方向燃料ステージング」（ＡＦＳ）システム２００として説明され、下流の噴射器１００は、「ＡＦＳ噴射器」として参照されることがある。

示された実施形態では、各ＡＦＳ噴射器１００用の燃料は、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、燃料供給管路１０４に結合され、燃料供給管路１０４は、それぞれのＡＦＳ噴射器１００に結合される。理解すべきことは、燃料をＡＦＳ噴射器１００に送達する他の方法が、採用されることがあり、リングマニホルドから、または、圧縮機排出ケース４０を通って延びる径方向に配向された燃料供給管路から、燃料を供給することが含まれる、ということである。

図１は、ＡＦＳ噴射器１００が任意選択で燃焼缶１０の長手中心線７０に対して角度θ（シータ）で配向されることがあることをさらに示す。示された実施形態では、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された噴射器１００の部分）は、燃焼缶１０の中心線７０から離して配向され、その一方、噴射器１００の後縁部分は、燃焼缶１０の中心線７０に向けて配向される。噴射器１００の長手軸７５と中心線７０の間に画定される角度θは、０度～４５度、１度～３０度、１度～２０度、または、１度～１０度、あるいは、それらの間の任意の中間値、であることがある。他の実施形態では、噴射器１００を、前縁部分が中心線７０に近位であり、後縁部分が中心線７０から遠位であるように、配向することが望ましいことがある。

噴射器１００は、第２の燃料／空気混合物５６を径方向に燃焼ライナ１２を通して噴射して、それによって１次燃焼ゾーン５０から軸方向に隔置された２次燃焼ゾーン６０を形成する。１次燃焼ゾーンおよび２次燃焼ゾーンからの結合した高温ガス４６は、燃焼缶１０の後部端部１８を通ってタービンセクションの中へと下流に進行し、そこでは燃焼ガス４６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るためおよびエミッションを減少させるため、噴射器１００にとって望ましいことは、燃料と圧縮ガスを完全に混合させて、第２の燃料／空気混合物５６を形成すること、および、燃料／空気混合物５６をクロスフローとして燃焼ガス４６の流れの中に迅速に導入すること、である。このように、下で説明する噴射器の実施形態は、改善された混合を容易にすると共に、噴射器１００によって作り出されるフレームの表面面積を増加させる。その結果、より多くの量の燃料が噴射器１００を介して導入されることがあり、ライナ１２の長さが短くされることがある。

図２、３、および４は、上で説明したＡＦＳシステム２００で使用するための例示的な燃料噴射器１００を例証している。例示的な実施形態では、燃料噴射器１００は、互いに結合されている取付けフランジ３０２、フレーム３０４、および出口部材３１０を含む。１つの実施形態では、取付けフランジ３０２、フレーム３０４、および出口部材３１０は、（すなわち、相互に一体的に形成される）単一部片構造として製造される。代わりに、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と一体的に形成されることがない（例えば、フランジ３０２は、適切なファスナまたは接合技術を用いてフレーム３０４および／または出口３０２に結合されることがある）。さらに、フレーム３０４および出口３０２は、（例えば、インターロッキング部材によって）フランジ３０２に別々に接合される統合された単一部片ユニットとして作られることがある。

概ね平面状であるフランジ３０２は、複数のアパーチャ３０６を画定し、アパーチャ３０６は、燃料噴射器１００を外側スリーブ１４に結合するためのファスナ（図示せず）を受容するように個々が寸法決めされる。燃料噴射器１００は、フランジ３０２（例えば、ボス）に代えて、または、それと組み合わせて、任意の適切な構造を有することがあり、フランジ３０２は、フレーム３０４が外側スリーブ１４に結合されるのを可能にし、したがって、噴射器１００は、本明細書で説明するやり方で機能する。

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、第１のペアの対向配設された側壁３２６と、第２のペアの対向配設された端部壁３２８と、を含む。側壁３２６は、端部壁３２８よりも長く、したがって、フレーム３０４は、軸方向に概ね矩形の輪郭を具備する。フレーム３０４は、径方向に概ね台形形状の輪郭を有する（すなわち、側壁３２６は、フランジ３０２に対して角度付けされる）。フレーム３０４は、フランジ３０２に近位の第１の端部３１８（「近位端部」）と、フランジ３０２に遠位の第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、燃料噴射器１００の長手軸（Ｌ_ＩＮＪ）から側壁３２６の第２の端部よりも、それらのそれぞれの長手平面で比較したときに、さらに遠くに隔置される。

出口部材３１０は、フレーム３０４とは反対の側のフランジ３０２から径方向に延びる。出口部材３１０は、フレーム３０４とライナ１２の内側との間の流体連通を提供し、第２の燃料／空気混合物５６を２次燃焼ゾーン６０の中に送達する。出口部材３１０は、燃料噴射器１００が設置されるときに、フランジ３０２に近位の第１の端部３２２と、フランジ３０２に遠位の（しかも、ライナ１２に近位の）第２の端部３２４と、を有する。さらに、燃料噴射器１００が設置されるときに、出口部材３１０は、ライナ１２と外側スリーブ１４との間の環形３２の内部に位置し、したがって、フランジ３０２は、（図１に示されるように）外側スリーブ１４の外側表面上に位置する。

例証する実施形態では、出口部材３１０は、出口部材３１０を横切って長手方向に延びるペアのストラット３６０を含む。ストラット３６０は、噴射器１００を通る空気流れの方向に関して発散する空気力学的な形状を有する。すなわち、ストラットは、燃料噴射ボディ３４０に近位の前縁３６２と、出口部材３１０の遠位端部３２４の近くの後縁３６３と、を有する。ストラット３６０および出口部材３１０は、３つのスロット形状の出口流れ経路３１１（「出口スロット」）を画定し、それを通って燃料／空気混合物５６が燃焼器１０の中に搬送される。出口流れ経路３１１は、互いから離散または分離している。

燃料／空気混合物は、多数の平行な噴射軸（図２で全体的にラベル付けされている３１２）に沿って搬送される。噴射軸３１２は、概ね線形である。噴射軸３１２は、燃焼缶１０の長手軸７０（Ｌ_ＣＯＭＢ）に対する径方向寸法「Ｒ」を示す。燃焼噴射器１００はさらに、長手寸法（軸Ｌ_ＩＮＪとして示す）を含み、それは、噴射軸３１２と、長手軸Ｌ_ＩＮＪの周りに延びる周方向寸法「Ｃ」と、に概ね垂直である。上で説明したように、噴射器１００の長手軸Ｌ_ＩＮＪは、燃焼缶の長手軸Ｌ_ＣＯＭＢと一致することがあり、あるいは、燃焼缶の長手軸Ｌ_ＣＯＭＢからオフセットしていることがある。

このように、フレーム３０４は、フランジ３０２から径方向外方に第１の方向に延び、出口部材３１０は、フランジ３０２から径方向内方に第１の方向と反対の第２の方向に延びる。フランジ３０２は、フレーム３０４の周り（すなわち、取り囲む）に周方向に延びる。フレーム３０４および出口部材３１０は、噴射軸３１２の近辺で周方向に延びると共に、フランジ３０２を横切って相互に流体連通する。

本明細書で例証する実施形態は、フランジ３０２がフレーム３０４と出口部材３１０との間に位置するように提示しているが、理解すべきことは、フランジ３０２が、何らかの他の場所であるいは何らかの他の適した配向で位置していてもよいということである。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びないことがある。

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よりも幅広であることがあり、したがって、フレーム３０４は、遠位端部３２０および近位端部３１８間で少なくとも部分的に先細（または、漏斗の形状）である。違う言い方をすると、上で説明した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の方に厚さが収斂する。

さらに、図２、３および４に示すように、フレーム３０４の側壁３２６は、フランジ３０２に対して或る角度で配向され、それを原因として、フレーム３０４は、側壁３２６の遠位端部３２０から近位端部３１８にかけて収斂する。実施形態によっては、端部壁３２８は、同じくまたは代わりに、フランジ３０２に対して或る角度で配向されることがある。側壁３２６および端部壁３２８は、概ね線形の断面輪郭を有する。他の実施形態では、側壁３２６および端部壁３２８は、任意の適切な断面輪郭を有することがあり、それにより、フレーム３０４は、遠位端部３２０および近位端部３１８間で少なくとも部分的に収斂（すなわち、先細）することができる（例えば、少なくとも１つの側壁３２６は、端部３２０および３１８間にアーチ状に延びる断面輪郭を有することがある）。交代に、フレーム３０４は、遠位端部３２０および近位端部３１８間が先細でないことがある（例えば、他の実施形態では、側壁３２６および端部壁３２８の個々が中心噴射軸３１２に実質上平行に配向される実質上線形の断面輪郭を有することがあるとき）。

例示的な実施形態では、燃料噴射器１００はさらに、コンジット取付部品３３２（図２に示す）と、ペアの燃料噴射ボディ３４０（図２および４に示す）と、を含む。コンジット取付部品３３２は、フレーム３０４の端部壁３２８の１つと一体的に形成される。１つの実施形態では、コンジット取付部品３３２は、噴射器１００の長手軸（Ｌ_ＩＮＪ）に沿って概ね外方に延びる。コンジット取付部品３３２は、燃料供給管路１０４（図１にも示す）に連結されると共に、そこから燃料を受容する。コンジット取付部品３３２は、任意の適切な寸法および形状を有することがあると共に、本明細書で説明するようにコンジット取付部品３３２が機能するの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されあるいはそれに結合されることがある（例えば、コンジット取付部品３３２は、実施形態によっては側壁３２６と一体的に形成されることがある）。

各燃料噴射ボディ３４０は、そこからコンジット取付部品３３２が突出する端部壁３２８と一体的に形成される第１の端部３３６と、燃料噴射器１００の反対端部（すなわち、燃焼缶１０を通る燃焼生成物４６の流れに関して下流端部）の端部壁３２８と一体的に形成される第２の端部３３８と、を有する。端部壁３２８間でフレーム３０４を横切って概ね線形に延びる各燃料噴射ボディ３４０は、コンジット取付部品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、燃料噴射ボディ３４０は、本明細書で説明するように燃料噴射ボディ３４０が機能するの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を横切って延びることがある（例えば、燃料噴射ボディ３４０は、側壁３２６間を延びることがある）。代わりにまたは追加として、燃料噴射ボディ３４０は、対向配設された壁（３２６または３２８）の間にアーチ形状を画定することがある。

上で述べたように、各燃料噴射ボディ３４０は、内部プレナム３５０を画定ししかもフレーム３０４の端部壁３２８間に延びる中空構造を形成する複数の表面を有する。長手軸Ｌ_ＩＮＪに垂直に取った断面で見たときに、各燃料噴射ボディ３４０（現在の実施形態の）は、湾曲した前縁３４２と、対向配設された後縁３４４と、前縁３４２から後縁３４４に延びるペアの対向する燃料噴射表面３４６、３４８と、を備えた逆涙形の形状を概ね有する。燃料プレナム３５０は、フランジ３０２の中にもフレーム３０４の内部にも延びない（端部壁３２８を通ってコンジット取付部品３３２の中への流体連通以外）。

各燃料噴射表面３４６、３４８は、内部プレナム３５０と、それぞれの流れ経路３５２のうちの１つと、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、本明細書で説明するように燃料噴射ボディ３４０が機能するのを可能にするのに適したやり方（例えば、１つ又は複数の列）で、燃料噴射表面３４６、３４８の長さに沿って隔置される。

各燃料噴射ボディ３４０は、前縁３４２が側壁３２６の遠位端部３２０に近位であ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から離れて面している）。後縁３４４は、側壁３２６の近位端部３１８の近位に位置する（すなわち、後縁３４４は、側壁３２６の遠位端部３２０から離れて面している）。このように、後縁３４４は、前縁３４２よりもフランジ３０２に近接している。

入口流れ経路３５２は、圧縮機排出ケース４０の内部に画定されたプレナム４２から圧縮空気３６を受容する。入口流れ経路３５２は、第１の側壁３２６の内側表面３３０と第１の燃料噴射ボディ３４０の燃料噴射表面３４６との間、第１の燃料噴射ボディ３４０の燃料噴射表面３４８と第２の燃料噴射ボディ３４０の燃料噴射表面３４６との間、および、第２の燃料噴射ボディの燃料噴射表面３４８と第２の側壁３２６のそれぞれの内側表面３３０との間、に画定される。入口流れ経路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にかけて均一な寸法であるように示されているが、理解すべきことは、流れ経路３５２が遠位端部３２０から近位端部３１８にかけて収斂することがあり、それによって流れを加速させるということである。入口流れ経路３５２は、燃料噴射ボディ３４０の後縁３４４の下流およびストラット３６０の上流で交差して、その後に、流れを、出口部材３１０の遠位端部３２４の出口流れ経路３１１から排出された離散または分離したストリームに分割する。

特に、燃料噴射器は、適切な数の流れ経路３５２を画定する任意の適切な配向でフレーム３０４を横切って延びる燃料噴射ボディ３４０を２個を超えて有することがある。例えば、図５～１２に示す実施形態では、燃料噴射器１１０は、４つの隔置した入口流れ経路３５２をフレーム３０４内部に画定する３つの隣接する燃料噴射ボディ３４０を含む。１つの実施形態では、流れ経路３５２は、噴射軸３１２に対して同じ角度で配向される燃料噴射ボディ３４０に起因して、均等に隔置される。各燃料噴射ボディ３４０は、上で説明したように、複数の燃料噴射ポート３５４を少なくとも１つの燃料噴射表面３４６または３４８上に含み、したがって、燃料噴射ポート３５４は、各燃料噴射ボディ３４０内部に画定されたそれぞれのプレナム３５０と流体連通する。次には、プレナム３５０は、燃料を燃料供給管路１０４から受容するコンジット取付部品３３２（図２に示す）と流体連通する。

燃料噴射器１１０は、フレーム３０４によって画定される入口部分３０８を含む。フレーム３０４は、ペアの対向配設された側壁３２６と、ペアの対向配設された端部壁３２８と、を含み、したがって、フレーム３０４は、取付けフランジ３０２に平行に描いた平面で概ね長方形の形状を有する。燃料コンジット取付部品３３２（図２に示す）は、燃料を３つの燃料噴射ボディ３４０の個々の中に方向付ける。燃料は、第１の側壁３２６の内側表面３３０と第１の燃料噴射ボディ３４０の第１の燃料噴射表面３４６との間、第１の燃料噴射ボディ３４０の第２の燃料噴射表面３４８と第２の燃料噴射ボディ３４０のそれぞれの第１の燃料噴射表面３４６との間、第２の燃料噴射ボディ３４０のそれぞれの第２の燃料噴射表面３４８と第３の燃料噴射ボディ３４０のそれぞれの第１の燃料噴射表面３４６との間、および、第３の燃料噴射ボディ３４０のそれぞれの第２の燃料噴射表面３４８と第２の側壁３２６の内側表面３３０との間、に画定（図７の左から右に）される４つの入口流れ経路３５２のうちの１つの中に、複数の燃料噴射ポート３５４を介して、燃料噴射ボディ３４０から、送達される。

燃料噴射器１１０はさらに、図２～４に示したものと同様の出口部材３１０を含む。出口部材３１０は、取付けフランジ３０２から燃焼器ライナ１２（図１に示す）に向けて径方向内方に突出する。例証するように、入口流れ経路３５２は、ペアの空気力学的な形状のストラット３６０の上流で混合チャンバ３７０の中に方向付けられる。ストラット３６０の形状は、相互に関連すると共に出口部材３１０のそれぞれの側壁に関連して、それぞれの噴射軸３１２に沿って収斂する一連の出口流れ経路３１１を作り出し、こうして、燃焼缶１０に入る平行で軸方向に整列されたストリームとして、噴射器１１０（または１００）から出る燃料／空気混合物５６の流れを加速させる。

図５～７に示す噴射器１１０の変形例は、図８～１２で燃料噴射器１２０として示している。１つの実施形態では、燃料噴射器１２０の入口部分３０８は、図５および７に示すものと同じである。出口部分３１０は、入口部分３０８の形状に相補的な概ね長方形の形状を画定する。出口部分３１０は、それぞれの出口側壁４１６に連結されている前縁端部壁４１２および後縁端部壁４１４を含む。気づくかもしれないが、ペアのストラット３６５、３６６は、前縁端部壁４１２から後縁端部壁４１４に出口部材３１０を横切って長手方向に延びており、ペアの流れ転用体３６４、３６７は、出口側壁４１６に沿って配設されることがある。

ストラット３６５、３６６は、既に議論した空気力学的なストラット３６０とは異なって形状付けされ、したがって、燃料噴射器１２０から出る燃料／空気混合物５６のストリームは、噴射器の長手軸（Ｌ_ＩＮＪ）から離れて前縁端部壁４１２から後縁端部壁４１４に発散する。すなわち、出口側壁４１６に近位の出口スロット３１１は、噴射器長手軸Ｌ_ＩＮＪに沿って配設された（中心）出口スロット３１１に対して傾斜または角度付けされる。

さらに、ストラット３６５、３６６は、ストラット前縁で接合されしかも前縁端部壁４１２での狭い寸法から後縁端部壁４１４での幅広の寸法までテーパになっている、平らな側面３７５、３７６とアーチ状の側面３８５、３８６とを含む。流れ転用体３６４、３６７は、対向する寸法変化を有し、前縁端部４１２で出口流れ経路の中に第１の（大きめの）距離突出し、後縁端部４１４で流れ経路の中に第２の（小さめの）距離突出する。その結果、第１の出口流れ経路３１１は、長手軸Ｌ_ＩＮＪに沿ってストラット３６５、３６６の平らな側面３７５、３７６間に画定される。追加の流れ経路４１１は、ストラット３６５のアーチ状の側壁３８５と出口側壁４１６の一方に沿って配設された流れ転用体３６４との間、および、ストラット３６６のアーチ状の側壁３８６と対向する出口側壁４１６に沿って配設された流れ転用体３６７との間、に画定される。

図９および１０は、後縁端部壁４１４に向けて下流を見ている断面図である。図１１は、線１１－１１に沿って取った図１０の断面図である。この図では、１次燃焼ゾーン５０からの燃焼ガス４６の流れは、矢印によって示すように、右から左の方向に移動する。図１２は、線１２－１２に沿って取った図１０の断面図である。この図では、１次燃焼ゾーン５０からの燃焼ガス４６の流れは、矢印によって示すように、左から右の方向に移動する。

図２～１２に例証する実施形態では、燃料噴射ボディ３４０は、共通フレーム３０４内部に保持され、燃料／空気混合物を、共通の出口部材３１０の離散した流れ経路３１１（４１１）を通して供給する。しかしながら、可能なことは、２つ以上の噴射器５００をグループ化することであり、個々が、同様の結果を達成するために、それ自体のフレーム５０４と単一の燃料噴射ボディ５４０とを有する。そういった実施形態は、図１３～１９に例証している。

図１３は、ペアの平行で軸方向に整列したフレーム５０４を有する燃料噴射器５００の上から見た概略図を提供し、各フレーム５０４は、本明細書で説明した燃料噴射ボディ３４０と同様に機能する単一の燃料噴射ボディ５４０を含む。フレーム５０４は、図１４に示すような共通または共用の取付けフランジ５０２から径方向外方に延びる。燃料噴射ボディ５４０は、前縁５４２、後縁５４４、および、前縁５４２を後縁５４４に連結するペアの燃料噴射表面５４６、５４８を含む。燃料噴射ボディ５４０は、流体コンジット（図示せず）と流体連通する燃料プレナム５５０をその中に画定する。燃料プレナム５５０からの燃料は、それぞれの燃料噴射表面５４６、５４８に画定された燃料噴射ポート５５４を介して、フレーム側壁５２６の内側表面５３０とそれぞれの燃料噴射表面５４６、５４８との間に画定されるそれぞれの入口流れ経路３５２の中に送達される。

図１４および１５に示すように、燃料噴射器５００は、取付けフランジ５０２から径方向内方（燃焼器の長手軸に対して）に延びるペアの平行で軸方向に整列された出口部材５１０を含む。燃料／空気混合物は、離散して周方向に隔置された出口流れ経路５１１に沿って送達される。

図１６および１７は、ペアのフレーム５０４を有する燃料噴射器５５０を概略例示し、各フレーム５０４は、上で説明した燃料噴射ボディ５４０を含み、共通または共用の取付けフランジ５０２から径方向外方に延びる。燃料噴射器５５０では、フレーム５０４（したがって、燃料噴射ボディ５４０およびそれぞれの出口部材５１０）は、噴射器の長手軸（Ｌ_ＩＮＪ）に対して傾斜し、したがって、フレーム５０４は、燃料噴射器５５０の前縁では相互により接近し、燃料噴射器５５０の後縁ではより離れている。

図１８および１９は、ペアのフレーム５０４を有する燃料噴射器５１５を概略例示し、各フレームは、上で説明した燃料噴射ボディ５４０を含み、共通または共用の取付けフランジ５０２から径方向外方に延びる。燃料噴射器５１５では、フレーム５０４（したがって、燃料噴射ボディ５４０およびそれぞれの出口部材５１０）は、相互に平行であり、相互に対して軸方向にオフセットしている。

上で説明した燃料噴射器５００、５５０、および５１５のどれにおいても、２つのフレーム５０４およびそれぞれの燃料噴射ボディだけが例証されているが、理解すべきことは、複数のフレーム５０４が共通の取付けフランジ５０２に接合されてもよいということである。さらに、フレーム５０４およびそれらのそれぞれの出口部材５１０は、要望によって平行な構成、軸方向に千鳥状の構成、および傾斜した構成、あるいはそれらの組合せに構成されてもよい。

さて、本明細書で説明する２重および３重の噴射ボディ燃料噴射器（例えば、１００、１１０）の双方を参照すると、燃焼缶１０のある種の動作中、圧縮ガスは、フレーム３０４に流れ込んで流れ経路３５２を通る。同時に燃料は、燃料供給管路１０４を通って、また、コンジット取付部品３３２を通って、燃料噴射ボディ３４０の内側プレナム３５０まで搬送される。燃料は、プレナム３５０から各燃料噴射ボディ３４０の燃料噴射表面３４６および／または３４８の燃料噴射ポート３５４を通って噴射軸３１２に対して実質上径方向に通過し、入口流れ経路３５２の中に入り、そこでは燃料が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、それは、出口部材３１０の出口スロット３１１（および４１１）を通って２次燃焼ゾーン６０（図１に示すように）の中に噴射される。

複数の出口スロットを備えた本噴射器は、単一の出口スロットを有する類似の噴射器に対して次の利点、すなわち、フレーム表面面積の増加；燃焼生成物ストリームの中への第２の燃料／空気混合物の噴射の混合の向上；ライナ長さの削減（混合の改善と第２の燃料／空気混合物のより迅速な燃焼とに起因）；および噴射器を通る体積流量の増加（すなわち、ヘッド端部の燃料ノズルによるより高い燃料／空気の分裂）のためのより大きな容量、を提供する。評価されてきたことは、本噴射器が、単一の出口スロットを有する同様の噴射器に関連したそれらに匹敵するかまたはそれより低いＮＯＸエミッションのレベルを提供することである。

理解すべきことは、本明細書で例証する例示的な噴射器が、本開示の精神および範囲から逸脱せずに、その性能を最適化するために修正できるということである。修正できる特徴は、出口スロットの長さ、出口スロットの幅、出口スロットの長さ対出口スロットの幅の比、隣接する出口スロット間のギャップ、出口スロットの相互に対する相対軸方向位置、出口スロットの相互に対する相対傾斜（角度）、出口スロットの角の丸みを含む。

本明細書で説明するシステムは、燃焼器の中の燃料および圧縮ガスの混合の向上を容易にする。より具体的には、本システムは、相互に対して平行かまたは傾斜すると共に軸方向に千鳥状にまたはオフセットし得る少なくとも２つの出口スロットを通して燃料／空気混合物を方向付けることを容易にする。このように、システムは、タービン組立体のＡＦＳシステムの燃料噴射器の中の燃料および圧縮ガスの混合の向上を容易にする。したがって、システムは、例えば、タービン組立体の燃焼器などの燃焼器の全体的な運転効率の向上を容易にする。このことは、例えば、タービン組立体の燃焼器などの燃焼器の運転に関連するアウトプットを増加させると共にコストを削減させる。

燃料噴射器および同製作する方法の例示的な実施形態については、上で詳細に説明している。本明細書で説明するシステムは、本明細書で説明する特定の実施形態に限定されず、むしろ、システムの構成要素は、本明細書で説明する他の構成要素から独立して切り離して利用されることがある。例えば、本明細書で説明するシステムは、本明細書で説明するようなタービン組立体と共に実施することに限定されない他の用途を有することがある。むしろ、本明細書で説明するシステムは、様々な他の産業と関連して実行および利用することができる。

本発明について、様々な特定の実施形態の観点から説明してきたが、当業者なら理解するであろうことは、本発明は、添付した特許請求の範囲の精神および範囲内の変更であれば、実施できるということである。

１０燃焼缶
１２ライナ
１４外側スリーブ
１８後部フレーム
２０ヘッド端部部分
２２燃料ノズル
２４燃料入口
２６端部カバー
２８燃焼器キャップ
３０前部ケーシング
３２環形
３６空気
４０圧縮機排出ケース
４２加圧空気プレナム
４６燃焼ガス
５０１次燃焼ゾーン
５４燃料入口
５６燃料／空気混合物
６０２次燃焼ゾーン
７０中心線
７５長手軸
１００ＡＦＳ噴射器
１０４燃料供給管路
１１０燃料噴射器
１２０燃料噴射器
２００ＡＦＳシステム
３０２フランジ
３０４フレーム
３０６アパーチャ
３０８入口部材
３１０出口部材
３１１出口流れ経路
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端部壁
３３０内側表面
３３２コンジット取付部品
３３６第１の端部
３３８第２の端部
３４０燃料噴射ボディ
３４２前縁
３４４後縁
３４６燃料噴射表面
３４８燃料噴射表面
３５０燃料プレナム
３５２入口流れ経路
３５４燃料噴射ポート
３６０ストラット
３６２前縁
３６３後縁
３６４流れ転用体
３６５ストラット
３６６ストラット
３６７流れ転用体
３７０混合チャンバ
３７５平らな側面
３７６平らな側面
３８５アーチ状の側面
３８６アーチ状の側面
４１１出口流れ経路
４１２前縁端部壁
４１４後縁端部壁
４１６出口側壁
５００燃料噴射器
５０２取付けフランジ
５０４フレーム
５１０出口部材
５１１出口流れ経路
５１５燃料噴射器
５２６フレーム側壁
５３０内側表面
５４０燃料噴射ボディ
５４２前縁
５４４後縁
５４６燃料噴射表面
５４８燃料噴射表面
５５０燃料噴射器
５５４燃料噴射ポート

Claims

第１の流体の通行用の開口を画定する内側側面を有するフレーム（３０４）と、
第１の燃料噴射ボディ（３４０）および第２の燃料噴射ボディ（３４０）であって、前記第１の燃料噴射ボディ（３４０）および前記第２の燃料噴射ボディ（３４０）は、前記フレーム（３０４）に結合されると共に前記開口の内部に位置決めされ、したがって、前記第１の流体用の入口流れ経路（３５２）は、前記フレーム（３０４）の前記内側側面および前記第１の燃料噴射ボディ（３４０）間と、前記フレーム（３０４）の前記内側側面および前記第２の燃料噴射ボディ（３４０）間と、に少なくとも画定され、各燃料噴射ボディ（３４０）は、燃料プレナム（３５０）を画定すると共に、前記燃料プレナム（３５０）と連通する複数の燃料噴射穴を画定する少なくとも１つの燃料噴射表面（３４６）を含む、第１の燃料噴射ボディ（３４０）および第２の燃料噴射ボディ（３４０）と、
前記入口流れ経路（３５２）の下流の、前記入口流れ経路（３５２）と流体連通する出口部材（３１０）であって、前記出口部材（３１０）は、前記出口部材（３１０）から出て行く離散した出口流れ経路（４１１）を作り出すように構成される、出口部材（３１０）と、
を含み、
前記出口部材（３１０）は、前縁端部壁（４１２）と、後縁端部壁（４１４）と、前記前縁端部壁（４１２）および前記後縁端部壁（４１４）を連結するペアの出口側壁（４１６）と、を含み、前記出口部材（３１０）は、前記前縁端部壁（４１２）から前記後縁端部壁（４１４）まで長手方向に延びるペアのストラット（３６５、３６６）をさらに含む、燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。
燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）であって、
燃焼器（１０）を囲む圧縮機排出ケース（４０）内に画定されたプレナム（４２）からの圧縮空気の通過のために、第１の流体の通行用の開口を画定する内側側面を有するフレーム（３０４）と、
第１の燃料噴射ボディ（３４０）および第２の燃料噴射ボディ（３４０）であって、前記第１の燃料噴射ボディ（３４０）および前記第２の燃料噴射ボディ（３４０）は、前記フレーム（３０４）に結合されると共に前記開口の内部に位置決めされ、したがって、前記圧縮空気用の入口流れ経路（３５２）は、前記フレーム（３０４）の前記内側側面および前記第１の燃料噴射ボディ（３４０）間と、前記フレーム（３０４）の前記内側側面および前記第２の燃料噴射ボディ（３４０）間と、に少なくとも画定され、前記第１の燃料噴射ボディ（３４０）は第１の燃料プレナム（３５０）を画定し、前記第２の燃料噴射ボディ（３４０）は第２の燃料プレナム（３５０）を画定し、前記第１および第２の燃料噴射ボディ（３４０）の各々は、それぞれ対応する第１または第２の燃料プレナム（３５０）と連通する複数の燃料噴射穴を画定する少なくとも１つの燃料噴射表面（３４６）を含む、第１の燃料噴射ボディ（３４０）および第２の燃料噴射ボディ（３４０）と、
前記入口流れ経路（３５２）の下流の、前記入口流れ経路（３５２）と流体連通する出口部材（３１０）とを含み、
前記出口部材（３１０）は、
前記出口部材（３１０）から出て行く離散した出口流れ経路（４１１）を作り出すように構成されるペアのストラット（３６５、３６６）と、
前縁端部壁（４１２）と、
前記前縁端部壁（４１２）に実質的に平行な後縁端部壁（４１４）と、
前記前縁端部壁（４１２）および前記後縁端部壁（４１４）を連結し、前記前縁端部壁（４１２）から前記後縁端部壁（４１４）まで長手方向に延びるペアの出口側壁（４１６）と、
を含み、
前記燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）は、前記燃焼器（１０）のライナ（１２）を介して圧縮空気と燃料の混合物を噴射するために、前記燃焼器（１０）の外面に取り付けられるように構成されている、燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。
前記フレーム（３０４）に結合されると共に前記第１および第２の燃料プレナム（３５０）の各々に流体連結されるコンジット取付部品（３３２）をさらに含み、前記コンジット取付部品（３３２）は、燃料供給管路（１０４）に流体連結される、請求項２に記載の燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。
前記ペアのストラット（３６５、３６６）の各ストラット（３６５、３６６）は、前記燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）を通る流れの方向に発散する形状を含み、各ストラット（３６５、３６６）は、前記第１の燃料噴射ボディ（３４０）および前記第２の燃料噴射ボディ（３４０）の少なくとも一方に近位の前縁と、前記前縁に対向する後縁と、を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。
第３の燃料噴射ボディをさらに含み、入口流れ経路（３５２）の数は、出口流れ経路（４１１）の数よりも大きい、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。
前記ペアのストラット（３６５、３６６）の各ストラット（３６５、３６６）は、平らな表面およびアーチ状の表面を含み、前記平らな表面および前記アーチ状の表面は、前縁で連結され、前記ペアのストラット（３６５、３６６）は、第１のストラット（３６５）の前記平らな表面が、第２のストラット（３６６）の前記平らな表面に隣接して配設されて
、それらの間に中央出口スロットが画定される、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。
前記複数のストラット（３６５、３６６）の各ストラット（３６５、３６６）は、前記前縁端部壁（４１２）の狭い寸法から前記後縁端部壁（４１４）の幅広の寸法にテーパになっている、請求項５に記載の燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。
前記ペアの出口側壁（４１６）の第１の出口側壁に沿って配設される第１の流れ転用体（３６４）と、前記ペアの出口側壁（４１６）の第２の出口側壁に沿って配設される第２の流れ転用体（３６７）と、をさらに含み、前記第１の流れ転用体（３６４）および前記第２の流れ転用体（３６７）は、前記出口流れ経路（４１１）の中に突出する、請求項７に記載の燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。
前記第１の流れ転用体（３６４）および前記第２の流れ転用体（３６７）は、前記出口流れ経路（４１１）の中に第１の距離、前記前縁端部壁（４１２）から前記後縁端部壁（４１４）の第２の距離まで突出し、前記第１の距離は、前記第２の距離より長く、前記出口流れ経路（４１１）は、前記燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）の長手軸に沿った中央の出口流れ経路（４１１）と、前記燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）の前記長手軸に対して第１の方向に傾斜した第１の出口流れ経路と、前記燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）の前記長手軸に対して第２の方向に傾斜した第２の出口流れ経路と、を含み、
前記中央の出口流れ経路（４１１）と、前記第１の出口流れ経路と、前記第２の出口流れ経路とは、前記前縁端部壁（４１２）で相互に近位であり、前記第１の出口流れ経路および前記第２の出口流れ経路は、前記後縁端部壁（４１４）で前記長手軸から離れて傾斜する、請求項８に記載の燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。
前記フレームおよび前記出口部材（５１０）間に配設され、前記燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）を前記燃焼器の外面に固定する取付けフランジ（５０２）をさらに含む、請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料噴射器（１１０、１２０、５００、５１５、５５０）。