JP2011169573A

JP2011169573A - 多管式予混合噴射器

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Publication number: JP2011169573A
Application number: JP2010271103A
Authority: JP
Inventors: Baifang Zuo; ベイファン・ズオ; Thomas E Johnson; トーマス・エドワード・ジョンソン; Benjamin Paul Lacy; ベンジャミン・ポール・レーシー; Ertan Yilmaz; アータン・イルマズ; Willy Steve Ziminsky; ウィリー・スティーヴ・ジミンスキー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2011-09-01
Also published as: US20110197587A1; DE102010060990A1; CN102192507A; CH702770A2

Abstract

【課題】燃料噴射ノズルを提供する。
【解決手段】本燃料噴射ノズルは、ガス流路を形成したベンチュリ形輪郭を有する少なくとも１つの管（３０２）を含み、管（３０２）は、第１のガスを受けるように作動する入口（４０２）と、ガス流路内に第２のガスを放出するように作動する少なくとも１つのポート（４０６）と、燃焼器内に第１のガス及び第２のガスの混合気を放出するように作動する出口（４０４）とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービンエンジン用の燃料噴射器に関する。

ガスタービンエンジンは、天然ガス及びその他の炭化水素燃料を含む幾つかの異なるタイプの燃料を使用して運転することができる。例えば水素（Ｈ₂）並びに水素及び窒素の混合物のようなその他の燃料をガスタービン内で燃焼させることができ、かつそれによって、一酸化炭素及び二酸化炭素の放出（エミッション）を低減させることができる。

多くの場合に、水素燃料は天然ガス燃料よりも高い反応性を有しており、そのため水素燃料はより容易に燃焼する。従って、天然ガス燃料で使用するように設計した燃料ノズルは、より高い反応性を有する燃料での使用に完全には両立させることができない。これに対して、高い反応性の燃料に合わせて設計した燃料ノズルは、天然ガス燃料の場合に低いエミッションレベルをもたらすことができない。

米国特許第５９０４４７７号明細書

本発明の１つの態様によると、燃料噴射ノズルは、該ノズル内に配置されかつガス流路を形成したベンチュリ形輪郭を有する少なくとも１つの管を含み、管は、第１のガスを受けるように作動する入口と、ガス流路内に第２のガスを放出するように作動する少なくとも１つのポートと、燃焼器内に第１のガス及び第２のガスの混合気を放出するように作動する出口とを含む。

本発明の別の態様によると、燃料噴射ノズルは、第１のガスを受けるように作動する第１のプレナムを形成したハウジング部材と、ハウジング部材に連結された複数の管と、フェースプレート部分とを含み、複数の管の各々は、第２のガスを受けるように作動する入口と、入口及び燃焼器と連通した出口と、第１のプレナムと連通した少なくとも１つのポートとを有し、またフェースプレート部分は、複数の管の１つの管の遠位端に連結された少なくとも第１のセグメントと複数の管の第２の管の遠位端に連結された少なくとも第２のセグメントとを含む。

本発明のさらに別の態様によると、燃料噴射ノズルは、該ノズル内に配置されかつガス流路を形成した少なくとも１つの管を含み、管は、第１のガスを受けるように作動する入口と、ガス流路内に第２のガスを放出するように作動する少なくとも１つのポートと、燃焼器内に第１のガス及び第２のガスの混合気を放出するように作動する出口と、一定直径を有する入口領域と、入口領域に隣接しかつ漸減直径を有する収束形領域と、収束形領域に隣接しかつ一定直径を有する第３の領域とを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。

多管式燃料ノズルの例示的な実施形態の斜視図。多管式燃料ノズルの例示的な実施形態の斜視図。図１の燃料ノズルの燃料プレナム部材及び混合管の斜視図。図１の燃料ノズルの側面断面図。図１の燃料ノズルの側面断面図。図１の燃料ノズルの側面断面図。図１のノズルの前面図。図１の燃料ノズルの別の実施形態の側面断面図。図１の燃料ノズルのさらに別の実施形態の側面断面図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

ガスタービンエンジンは、様々な燃料を使用して運転することができる。例えば、天然ガス（ＮＧ）及び合成ガス（シンガス）の使用は、燃料コストの節減をもたらしかつ炭素及びその他の望ましくないエミッションを低減する。幾つかのガスタービンエンジンは、燃焼器内に燃料を噴射し、燃焼器内において、燃料を空気ストリームと混合しかつ点火燃焼させる。燃焼器内で燃料及び空気を混合することの１つの欠点は、燃焼に先立って混合気を均一に混合することができないことである。均一でない燃料空気混合気の燃焼は、該混合気の他の部分よりも高い温度で燃焼する混合気の幾つかの部分が生じる可能性がある。局所的により高い火炎温度により、ＮＯｘのような望ましくない汚染物質のより高いエミッションが生じるおそれがある。

燃焼器内における不均一な燃料／空気混合気を克服する１つの方法は、燃焼器内に混合気を噴射するのに先立って、燃料及び空気を混合することを含む。本方法は、例えば多管式燃料ノズルによって行なわれる。多管式燃料ノズルを使用して例えば天然ガス及び空気を混合することにより、混合気の点火燃焼に先立って燃焼器内に均一な燃料及び空気混合気を噴射させることが可能になる。燃料として水素ガス（Ｈ₂）、シンガス、並びに水素及び例えば窒素ガスの混合物を使用することにより、ガスタービンから放出される汚染物質の更なる低減がもたらされる。

例えば、水素ガス及びシンガスは、天然ガスよりも高い反応性を有する。これらの燃料のより高い反応性特性は、燃料が燃焼器に到達する前に燃料ノズル内で燃焼する望ましくない火炎フラッシュバック（逆火）作用を引き起こす可能性がある。逆火は、ノズルを損傷させるおそれがある。

図１は、多管式燃料ノズル（噴射器）１００の例示的な実施形態の斜視図を示している。噴射器１００は、燃料管路１０７に連結された燃料入口部分１０４を有する燃料プレナムハウジング部材（燃料プレナム部材）１０２と、燃料プレナム部材１０２と組合された管状シュラウド部分１０６とを含む。シュラウド部分１０６は、例えば加圧空気のような加圧ガスを受けるように作動する複数のポート１０８を含むことができる。燃料プレナム部材１０２及びシュラウド部分１０６は、例えばファスナ４０１（図４に示す）を使用してフランジ１０９及び１１１において互いに固定することができる。

図２は、噴射器１００の別の斜視図を示している。この図示した実施形態では、シュラウド部分１０６内にポート２０２を含むことができ、このポート２０２を使用して、例えば噴射器１００内に配置することができる熱電対のようなセンサ（図示せず）用のコネクタを径路配置することができる。

図３は、複数の混合管３０２に連結された燃料プレナム部材１０２の斜視図を示している。混合管３０２は、下流壁３１０において燃料プレナム部材１０２に連結されかつ遠位に延びてフェースプレート部分３０４を形成する。フェースプレート部分３０４は、複数の分離したフェースプレートセグメント３０６を含む。各フェースプレートセグメント３０６は、混合管３０２に連結される。燃料プレナム部材１０２は、フランジ１０９内に雌型チャネル３０８を含むことができる。チャネル３０８は、対応する***雄型リッジ４０３に係合し（図４に示す）、それにより燃料プレナム部材１０２とシュラウド部分１０６（図１の）との間の整列及びシールを向上させることができる。

図４は、噴射器１００の側面断面図を示している。燃料プレナム部材１０２は、ファスナ４０１でシュラウド部分１０６に連結される。燃料プレナム部材１０２及びシュラウド部分１０６は、チャネル３０８及びリッジ４０３により整列させかつシールすることができる。混合管３０２は、管入口４０２と管出口４０４とを含む。各混合管３０２は、燃料プレナム部材１０２によって形成された燃料プレナム４０８と連通した少なくとも１つのポート４０６を含む。この図示した実施形態では、ポート４０６は、角度（α）に位置決め配置される。角度αは、混合管３０２の長手方向軸線４０７に対して２０〜４５°になっているが、角度αは、９０°を含むあらゆる角度とすることができる。燃料プレナム部材１０２の下流壁３１０は、シュラウド部分１０６に接合する。シュラウドプレナム４１２が下流壁３１０、シュラウド部分１０６の内表面、及びフェースプレート部分３０４の内表面によって形成される。ポート１０８は、シュラウドプレナム４１２と連通している。

図５は、噴射器１００の作動の実施例を示している。図４と同様な噴射器１００の側面断面図を示している。作動中に、第１のガス５０１が、管入口４０２を介して混合管３０２に流入する。第１のガス５０１は、例えば空気、或いは空気を含むガス及び窒素又は燃料のようなその他のガスの混合気を含むことができる。第２のガス５０３が、燃料管路１０７及び燃料入口部分１０４を介して燃料プレナム４０８に流入する。第２のガス５０３は、ポート４０６を介して混合管３０２に流入しかつ第１のガス５０１と混合する。第１のガス５０１及び第２のガス５０３の混合気は、タービンの燃焼器部分内に放出されかつ火炎領域５０７内で燃焼する。例えば加圧空気のような第３のガス５０５が、ポート１０８を介してシュラウドプレナム４１２に流入することができる。第３のガス５０５は、混合管３０２及びシュラウド部分１０６を冷却しかつフェースプレート部分３０４内の出口から放出させることができる。

図６は、図４及び図５と同様であり、混合管３０２のベンチュリ形輪郭を示している。混合管３０２のベンチュリ形輪郭は、その管出口４０２に第１の一定直径（ｘ）を有する入口部分６０１を含む。混合管３０２の直径は、収束形領域６０３内において第２の直径（ｘ’）に漸減する。混合管３０２は、領域６０５内において一定直径を有する。混合管３０２の直径は、発散形領域６０７内において管出口４０４における領域６０９の第３の直径（ｘ’’）に漸増する。

作動中に、混合管３０２のベンチュリ形輪郭は、該混合管３０２の直径がｘからｘ’に減少するので第１のガス５０１（図５の）の速度を増大させる。ポート４０６は、第２の直径ｘ’の近傍において第２のガス５０３（図５の）を混合管３０２内に放出する。第１及び第２のガス５０１及び５０３は、ポート４０６の下流における混合管３０２内で混合する。第１のガス５０１の速度の増大により、第２のガス５０３が第１のガス５０１のガス流に流入しかつ該ガス流と混合し始める時における領域内での保炎発生の可能性が低下する。第２のガス５０３の流入領域における第１のガスの流れのより高い速度は、混合管３０２内で燃料が燃焼する可能性を減少させるように作用する。第１のガス５０２及び第２のガス５０３は、一定直径領域６０５内で混合し続ける。一定直径を保つことにより、下流の圧力損失が減少する。混合管３０２は、発散形領域６０７内においてその直径が領域６０９内における第３の直径ｘ’’に増大して、幾らかの動圧の回復を可能にする。管出口４０４における第３の直径ｘ’’は、第１の直径ｘと同様又は等しくすることができる。管入口４０２における第１の直径ｘ及び管出口４０４における第３の直径ｘ’’が同様であることにより、ガス混合気の出口速度が低下しかつ混合管３０２における全体圧力損失が減少する。

図７は、フェースプレート部分３０４を含むノズル１００の前面図を示している。各混合管３０２は、フェースプレートセグメント３０６に連結される。フェースプレートセグメント３０６は、分離されて、シュラウドプレナム４１２（図４の）及び燃焼器部分５０２と連通したギャップ７０２を形成する。作動中に第３のガス５０５（図５の）は、ノズル１００を冷却しかつシュラウドプレナム４１２からギャップ７０２を介して燃焼器部分５０２内に放出される。ギャップ７０２の寸法は、ノズル１００のための冷却ガス流量仕様を満たすように設計することができる。幾つかの実施形態では、フェースプレートセグメント３０６は、シュラウドプレナム４１２及び燃焼器部分５０２と連通したポート７０４を含むことができる。ポート７０４の寸法、位置及び数は、冷却ガス流量仕様を満たすように変化させることができる。

作動中に混合管３０２の各々及びシュラウド部分１０６は、熱に曝されかつノズル１００の熱的、寸法及び材料変動により異なる割合で膨張又は収縮する可能性がある。フェースプレートセグメント３０６及びシュラウド部分１０６はギャップ７０２によって分離されているので、フェースプレートセグメント３０６は、ノズル１００内の隣接する構成要素に外力を与えることなく、互いに対してまたシュラウド部分１０６に対して移動することができる。例えば、各混合管３０２は、燃料プレナム部材１０２の下流壁３１０に連結されているが、フェースプレートセグメント３０６によって形成されたギャップで他の混合管３０２及びシュラウド部分１０６から分離されているので、各混合管３０２は燃料プレナム部材１０２から独立して線形に膨張及び収縮することができる。

図８は、噴射器１００の別の例示的な実施形態の側面断面図を示している。この図示した実施形態では、管入口８０４に第１の一定直径（ｙ）を有する入口部分８０１を備えたベンチュリ形輪郭を有する混合管８０２が含まれる。混合管８０２の直径は、収束形領域８０３内において第２の直径（ｙ’）に漸減する。混合管８０２は、領域８０５内でかつ管出口８０７において一定直径ｙ’を有する。

図９は、噴射器１００のさらに別の例示的な実施形態の側面断面図を示している。この図示した実施形態では、管入口９０４に第１の一定直径（ｚ）を有する入口部分９０１を備えたベンチュリ形輪郭を有する混合管９０２が含まれる。混合管９０２の直径は、収束形領域９０３内において第２の直径（ｚ’）に漸減する。混合管９０２は、領域９０５内において一定直径を有する。混合管９０２の直径は、第２の収束形領域９０７内において管出口９１１における領域９０９の第３の直径（ｚ’’）に漸減する。作動中に、ガス流路の流れ速度は、第２の収束形領域９０７内で増大する。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１００噴射器
１０２燃料プレナム部材
１０４燃料入口部分
１０６シュラウド部分
１０７燃料ライン
１０８ポート
１０９フランジ
１１１フランジ
２０２ポート
３０２混合管
３０４フェースプレート部分
３０６フェースプレートセグメント
３０８チャネル
４０１ファスナ
４０２管入口
４０４管出口
４０６ポート
４０８燃料プレナム
４１２シュラウドプレナム
５０１第１のガス
５０３第２のガス
５０５第３のガス
５０７火炎領域
６０１入口部分
６０３収束形領域
６０５領域
６０７発散形領域
６０９領域
７０２ギャップ
７０４ポート

Claims

ガス流路を形成したベンチュリ形輪郭を有する少なくとも１つの管（３０２）を備える燃料噴射ノズルであって、前記管が、
第１のガスを受けるように作動する入口（４０２）と、
前記ガス流路内に第２のガスを放出するように作動する少なくとも１つのポート（４０６）と、
燃焼器内に前記第１のガス及び第２のガスの混合気を放出するように作動する出口（４０４）と
を含んでいる、ノズル。
前記管（３０２）のベンチュリ形輪郭が、
一定直径を有する入口領域（６０１）と、
前記入口領域（６０１）に隣接しかつ漸減直径を有する収束形領域（６０３）と、
前記収束形領域（６０３）に隣接しかつ一定直径を有する第３の領域（６０５）と、
前記第３の領域（６０５）に隣接しかつ漸増直径を有する発散形領域（６０７）と、を含む、
請求項１記載のノズル。
前記管のベンチュリ形輪郭が前記発散形領域（６０７）に隣接しかつ一定直径を有する第５の領域（６０９）を含む、請求項２記載のノズル。
前記入口領域（６０１）の直径が前記第３の領域（６０５）の直径よりも大きい、請求項２記載のノズル。
前記第５の領域（６０９）の直径が前記第３の領域（６０５）の直径よりも大きい、請求項３記載のノズル。
前記入口領域（６０１）の直径が前記第５の領域（６０９）の直径に等しい、請求項３記載のノズル。
前記管（３０２）が、燃料管路（１０７）及び前記ポート（４０６）と連通した第１のプレナム（４０８）を形成した第１のハウジング部材（１０２）に連結される、請求項１記載のノズル。
該ノズルが、前記管（３０２）の周りに第２のプレナム（４１２）を部分的に形成したシュラウド部分（１０６）をさらに含む、請求項１記載のノズル。
該ノズルが、前記管（３０２）の遠位端に連結された第１のフェースプレートセグメント（３０６）及び第２の管（３０２）の遠位端に連結された第２のフェースプレートセグメント（３０６）をさらに含む、請求項１記載のノズル。
前記第１のフェースプレートセグメント（３０６）及び第２のフェースプレートセグメント（３０６）が、該第１のフェースプレートセグメント（３０６）及び第２のフェースプレートセグメント（３０６）間にギャップ（７０２）を形成する、請求項９記載のノズル。