JP2011196373A - 燃焼器内の空気流を警報するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料入口での燃料圧に基づいて空気送給通路に入る空気量を変化させること。
【解決手段】タービンエンジンの燃焼器組立体は、燃焼器に供給される燃料の圧力に基づいて燃焼器の燃焼ゾーンに送給される空気量を選択的に変える機械式空気調節ユニットを備える。第１のタイプの空気調節ユニットは、より多くの量の高発熱量燃料が燃焼器の燃料ノズルに送給されるときに燃焼ゾーンに流入する空気量を増大させるよう機能する。第２のタイプの空気調節ユニットは、より多くの量の低発熱量燃料が燃料ノズルを通って燃焼器に送給されるときに燃焼ゾーンに流入する空気量を減少させるよう機能することができる。
【選択図】 図２

Description

発電産業において使用されるタービンエンジンは通常、圧縮機セクションと、該圧縮機セクションの外側の周りに円周方向に配列することができる１以上の燃焼器と、圧縮機及び燃焼器から下流側に配置されるタービンセクションとを含む。

燃料は、複数の燃料ノズルを介して燃焼器内で１以上の燃焼ゾーンに送給される。燃料ノズルは、可燃燃料の正確に制御された量を送給し、圧縮機セクションからの加圧空気と燃料との混合を助けることを目的としている。次いで、燃料空気混合気は燃焼ゾーン内で点火され、高温燃焼ガスが燃焼器から出てタービンセクションに流入し、タービンエンジン用の駆動力を提供する。

一部のタービンエンジンは、複数の異なるタイプの燃料を燃焼させるよう設計されている。使用される燃料のタイプに関係なく、良好な燃焼を達成するためには燃料の単位体積当たりに一定の空気量を燃料と混合させる必要がある。局所的に燃料／空気比が最適値を超えて増大した場合には、空気の単位体積当たりに最適な量よりも多い燃料が存在することを意味し、混合気が燃料過剰であると考えられる。その結果、局所燃料／空気比が最適値を下回って減少した場合には、空気の単位体積当たりに最適な量よりも少ない燃料が存在することを意味し、混合気が低燃料であると考えられる。

燃焼ゾーンにおいてエンジンが局所的に燃料過剰で稼働しているときには、局所燃料／空気比が最適よりも高いことを意味し、局所燃焼温度が、燃料／空気比の最適な場合に存在するであろう温度を上回って増大する。また、過剰燃料／空気比及び高い燃焼温度は、望ましくない一酸化窒素ガス（ＮＯｘ）の発生につながる可能性がある。

逆に、タービンが燃焼ゾーンにおいて局所的に低燃料／空気で稼働しているときには、燃焼温度は、燃料／空気比が最適である場合に存在するであろう温度よりも低くなる傾向がある。更に、最適未満の燃料／空気比及びより低温の局所燃焼温度は、望ましくないＣＯガスの全てを燃焼し尽くすには不十分となる。

発電産業で使用されるタービンエンジンは、発生する電気量が需要量と一致させることができるようにある範囲の出力を発生可能でなければならない。このことはまた、ある時間期間の間はタービンが軽負荷になり、他の時間期間の間はタービンが高負荷になることを意味している。これらの様々な負荷に対応するために、タービンの燃焼器に供給される燃料の量が調整される。

燃料は、各燃焼器に装着される複数の燃料ノズルによって燃焼器に送給される。また、燃料ノズルによって燃焼器に送給される燃料の量を変更することは比較的容易である。しかしながら、燃焼ゾーン及び該燃焼ゾーンの下流側で送給される空気分割流を選択的に変えることは比較的困難である。

タービンが高出力で運転されているときには、高負荷下では燃料ノズルは比較的多くの量の燃料を燃焼器に送給し、タービンが負荷要件に適合できるようにする。 また、燃焼ゾーンに送給される空気量を制御することは幾分困難であるので、この結果、タービンは、燃焼ゾーンにおいて最適を超える燃料／空気混合気で稼働される傾向となる。上述のように、この結果として、高い燃焼温度及び望ましくないＮＯｘガスの発生をもたらす可能性がある。

逆に、タービンが低出力で運転されるときには、比較的低負荷に対応するために比較的少量の燃料が燃料ノズルによって燃焼器に送給されている。また、使用される燃料の量に適切に適合させるために燃焼ゾーンへの空気分割流を変えることは困難であるので、このことは、燃焼ゾーンにおいて最適未満の燃料／空気混合気をもたらす傾向がある。上述のように、これは低い燃焼温度をもたらす可能性がある。この低い燃焼温度は、燃焼器において燃焼しているＣＯガス及び未燃ＣＯガスの全てが必ずしも最終的にタービンから排出されることにはならない可能性があり、これもまた望ましいことではない。

更に、燃焼ゾーンにおいて局所的に最適未満の燃料／空気混合気で稼働すると、火炎安定性に悪影響を及ぼす可能性がある。従って、より希薄条件下での運転時には、燃焼器がフレームアウトを生じる危険性がある。

タービンエンジンにおける燃料／空気混合気と多少関連する別の問題は、一部のタービンが複数のタイプの燃料を燃焼させるように設計されていることに関して対処しなければならない。従来、タービンは一般に、高メタン含有天然ガスなどの比較的高発熱量の燃料で稼働されていた。近年では、タービンオペレータが、天然ガスのような比較的高発熱量の燃料とシンガスのような比較的低発熱量の燃料との混合気をタービンに供給することが一般的になっている。シンガス及び他の低発熱量の燃料は一般に安価である。また、シンガスは、廃棄物処理プラントでの廃棄物処理の副産物として生成することができる。従って、発電タービンにおいてシンガスを燃焼させることは、廃棄物からエネルギーをリサイクルする１つの手法である。

タービンを一定の負荷条件で稼働させるためには、高発熱量燃料よりも低発熱量燃料の量を多く使用する必要がある。良好な完全燃焼を達成するために、低発熱量燃料の単位体積当たりに必要な空気が少なくて済む。従って、何れかの所与のタービン負荷条件において、高発熱量燃料から低発熱量燃料への切り換え時にはより多くの低発熱量燃料が必要とされる。同様に、特定の低い熱含量燃料において、良好な完全燃焼を達成するために低発熱量燃料の単位体積当たりに少ない空気を使用することが望ましいとすることができる。

上述のように、燃料ノズルを介して燃焼器に送給される燃料量を制御することは、比較的容易である。更に上述したように、燃焼ゾーンに供給される空気量を変えることは比較的困難である。

典型的なタービン運転の間、タービンは、高発熱量燃料で始動し、エンジンは、定常状態運転条件になる。この定常状態条件を達成すると、オペレータは、幾らかの量の低発熱量燃料を高発熱量燃料に混合して、燃焼器に送給される混合気を生成し始めることができる。エンジンを負荷条件に維持するために多くの量の低発熱量燃料が必要とされるので、より多くの総燃料量が燃焼器に送給されることになる。しかしながら、上記で与えられた理由により、燃料の単位体積当たりに燃焼ゾーンに供給される空気量を同時に低減することが望ましい場合がある。燃料の単位体積当たりの空気量を低減できない場合、燃焼ゾーンにおいて望ましくない低い燃料／空気が結果として生じる可能性がある。また、上述のように、これにより火炎不安定性、及びＣＯガスの不完全燃焼が生じる可能性がある。

米国特許第６２０３２７２号明細書

第１の態様において、本発明は、細長いハウジングと、ハウジングの長さの少なくとも一部に沿って延在する燃料送給通路と、ハウジングの長さの少なくとも一部に沿って延在する空気送給通路と、燃料供給ラインから燃料を受け取り燃料送給通路と連通する燃料入口と、を含むタービンエンジン用燃料ノズルにおいて具現化することができる。本燃料ノズルはまた、燃料入口に結合された空気調節ユニットを含み、該空気調節ユニットは、燃料入口での燃料圧に基づいて空気送給通路に入る空気量を変化させる。

第２の態様において、本発明は、燃焼器ライナと、該燃焼器ライナ内に装着され且つ燃料供給ラインに結合された燃料ノズルと、燃料供給ラインに結合された空気調節ユニットとを含むタービンエンジン用燃焼器において具現化することができる。空気調節ユニットは、燃料供給ラインにおける燃料圧に基づいて燃焼ゾーンに入る空気の流れを変化させるよう機能する。

別の態様において、本発明は、タービンの燃焼器の燃焼ゾーンへの空気の流れを制御する方法において具現化することができる。本方法は、燃焼器に燃料を供給する燃料供給ラインにおける燃料圧を検知する段階と、前記検知された燃料圧に基づいて燃焼ゾーンへの空気の流れを変える段階とを含む。

タービンエンジンの典型的な燃焼器の断面図。 燃焼器の燃焼セクションに流れる空気量を変える空気調節ユニットを含む燃焼器の断面図。 第１の運転条件下の第１のタイプの空気調節ユニット。 第２の運転条件下の図３の調節ユニット。 第１の運転条件下の第２のタイプの空気調節ユニット。 第２の運転条件下の図５の空気調節ユニット。 空気調節ユニットを含む燃料送給ノズル。 第１の運転条件下の燃料圧に基づいてノズルを通って流れる空気量を変えるのに用いることができる第１のタイプの機構。 第２の運転条件下の図８に示す機構。 第１の運転条件下の燃料圧に基づいたノズルを通って流れる空気量を変えるのに用いることができる第２のタイプの機構。 第２の運転条件下の図１０に示す機構。 燃焼器に送給される空気量を選択的に変えるために燃焼器上に燃料ノズルを移動可能に装着する第１の構成を示す部分断面図。 燃焼器に送給される空気量を選択的に変えるために燃焼器上に燃料ノズルを移動可能に装着する第２の構成を示す部分断面図。 燃焼器組立体上に装着される移動可能要素を備えた燃料ノズルを示す部分断面図。

図１は、発電産業用のタービンエンジンで用いる典型的な燃焼器組立体を示している。燃焼器組立体は、エンジンのタービンセクションに燃焼ガスを送るトランジションダクト２０を含む。トランジションダクト２０の上端は、燃焼器ライナ４０に取り付けられる。流れスリーブ３０は、燃焼器ライナ４０の周りに同心状に配置される。

タービンの圧縮機セクションからの加圧空気は、流れスリーブ３０と燃焼器ライナ４０との間に配置された環状スペースに送られる。図１の矢印４４は、加圧空気の流路を示す。

燃焼器の上流側端部では、複数の燃料ノズル６０は、燃焼器キャップ組立体５０の周りの同心リング内に装着される。一部のタービンでは、２次燃料ノズル７０は、燃焼器の中心に配置される。他のタービンでは、２次燃料ノズルは存在せず、或いは図とは異なってキャップに対して同一平面上にあるか又は凹所に配置することができる。１次燃料ノズル６０及び２次燃料ノズル７０の両方は、燃焼器キャップ組立体５０を貫通して、燃焼器の外部に延在する。

タービンの圧縮機セクションからの空気は、複数の異なる経路を介して燃焼ゾーン９９に流入することができる。矢印４４で示すように、加圧空気は、流れスリーブ３０と燃焼器ライナ４０との間の環状スペースを上方に移動する。加圧空気は、１８０°転回しなければならない。空気は、ノズルを通って流れて燃焼ゾーン９９に流入することができ、或いは、空気は、燃焼器キャップ５０内のアパーチャを通って燃焼ゾーン９９に流入することができる。燃焼器キャップ５０内のアパーチャは、燃焼器キャップを冷却するために設けることができる。同様に、燃焼器キャップ５０内の環状スペースは、燃料ノズルの各々を囲み、空気の流れをノズルの外側に下って進み、ノズルの冷却を助けることができる。

加えて、希釈孔２２及び冷却孔は、トランジションピース２０内に配置することができる。これにより、圧縮機からの空気の一部がトランジションピースの外部から内部に通過できるようになる。同様に、燃焼器ライナ４０内の希釈孔４２は、空気を燃焼ゾーン９９に流入させることができる。

燃料ノズル６０，７０によって供給される燃料は、加圧空気と混合し、該燃料空気混合気が燃焼ゾーン９９で点火される。

上記で説明したように、場合によっては、最適燃焼を達成するために、燃料ノズルにより供給される燃料と局所的に混合される空気量を変えることが望ましい。燃料及び空気の適正な混合は、良好な燃焼効率を提供し、また、望ましくない燃焼ガスの生成が低減される。

図２は、複数の空気調節ユニット６６，６７を含む燃焼器を示している。以下で説明するように、空気調節ユニットは、燃焼器に送給される空気量を選択的に変えるよう設計される。この実施形態では、空気調節ユニット６６，６７は、燃焼器ライナ４０上に装着される。しかしながら、代替の実施形態では、空気調節ユニットは、燃焼器組立体上の他の位置に装着することができる。例えば、空気調節ユニットは、燃焼器流れスリーブ３０上、又は燃焼器キャップ５０上に配置することができる。空気調節ユニットはまた、トランジションピース２０上など、燃焼ゾーンの下流側端部に配置してもよい。

上記で説明したように、タービンに対する負荷需要が増大すると、より多くの燃料の量を燃焼器に送給し、より高負荷に応じることが必要となる。同様に上記で説明したように、より多くの燃料量が燃焼器に送給されているときには、燃焼ゾーンに送給される空気量を増大させて、望ましくないＮＯｘガスの生成につながる望ましくない高い燃料／空気比でタービンを稼働させることを回避するのが望ましい。図２に示す燃焼器の第１の空気調節ユニット６７は、より多くの量の燃料が燃焼器に供給されているときに燃焼器への補助空気通路を開くよう設計される。

より多くの燃料量をノズルに通して送給することは、燃料ラインの圧力が増大することを意味する。反対に、より少ない量の燃料が燃焼器に送給されると燃料圧が減少する。燃料圧は、燃料が燃焼器に送給されている速度に応じて変化するので、燃料圧を用いて、第１の空気調節ユニット６７内の機械式機構を作動させ、燃焼器の上流側端部に送給される空気量を選択的に変えるようにする。空気調節器の設計は、運転を最適化する要求に応じて燃料圧に対して線形又は非線形的に変化するようなものとすることができる。

図２に示す実施形態では、１次燃料ノズル６０の各々には、第１の燃料供給ライン６２及び第２の燃料供給ライン６４を通じて燃料の２つの異なるタイプが供給される。第１の燃料供給ライン６２を用いて、天然ガスのような高発熱量燃料を１次燃料ノズル６０に送給する。第２の燃料供給ライン６４を用いて、シンガスのような比較的低発熱量燃料を燃料ノズルに送給する。

タービンが、天然ガスのような高発熱量燃料で運転される場合、送給される燃料量が増大するにつれて、燃焼ゾーンに送給される空気量を増大させることが望まれる。またこれを達成するのに、第１の燃料供給ライン６２における変化する圧力が使用される。

図２に示す実施形態では、第１の空気調節ユニット６７は、圧力ライン６３を介して第１の燃料送給ライン６２に結合される。圧力ライン６３は、第１の燃料送給ライン６２の圧力を第１の空気調節ユニット６７に伝達する。第１の燃料送給ライン６２の圧力が増大すると、圧力上昇によって、第１の空気調節ユニット６７内の機構が補助空気通路を開き、追加の空気を燃焼器の上流側端部に流入できるようにする。

図２は、１つだけの第１の空気調節ユニット６７を示しているが、実際の実施形態では、複数の第１の空気調節ユニット６７が燃焼器ライナ４０の外側の周りに延在するリング形態で燃焼器の周りに装着されることになる。代替の実施形態では、追加の第１の空気調節ユニット６７は、図２に示すユニットの下流側位置で燃焼器ライナ４０上に配置することができる。同様に、１以上の第１の空気調節ユニット６７は、或いは流れスリーブ３０又は燃焼器キャップ５０上に装着することができる。装着される場所に関係なく、補助空気通路を開くと、燃焼器の内部に導入される追加の空気が燃焼器の周りに均一に分布されるように第１の空気調節ユニット６７を位置付けるのが望ましいことになる。

図５及び６において、第１の空気調節ユニット６７の１つの実施形態が機能的に例示されている。図示のように、第１の燃料送給ライン６２につながる圧力ライン６３は、第１の空気調節ユニット内に配置されたチャンバ１７７に開口している。圧力ライン６３内の燃料の圧力が増大すると、チャンバ１７７内に配置されたピストン１７８に反して作用する。増大した圧力により、ピストン１７８が付勢バネ１７９の作用に反して上方に移動するようになる。付勢バネの設計は、最適性能に基づいて燃料圧に対して線形又は非線型的に空気流を変化させるようなものとすることができる。その結果、このことによって空気流路１７６内に配置された遮断ユニット１７５が引き上げられる。

図５及び６に示す空気調節ユニットが圧力ライン６３を介して第１の燃料送給ライン６２に結合されると、第１の高発熱量の燃料の圧力に基づいて空気流路１７６を通って流れる空気量を変化させることが可能である。従って、より少ない量の第１の高発熱量燃料が比較的低圧力でノズルに供給されるときには、第１の空気調節ユニットが図５に示すように構成されることになる。付勢バネ１７９は、遮断ユニット１７５を空気通路１７６内に下方に押し付けて、空気通路１７６を部分的又は完全に遮断する。しかしながら、第１の高発熱量燃料の圧力が増大すると、多くの量の燃料が燃料ノズルに送給されるので、より高い燃料圧がピストン１７８を上方に押し付けて遮断ユニット１７５を引き上げ、より多くの空気量が空気通路１７６を通って流れることができるようになる。この設計は、流れを燃料圧に対して線形又は非線型的に変えるようなものとすることができる。

燃料供給ライン６２における燃料圧に基づいて作動する、図５及び６に示した機械的リンクは、燃焼ゾーンに流入する空気量を変化させて最適燃焼条件を達成する簡単な機械的手段を提供する。何れかの別個の電気制御される流れ機構に対する必要性がある。実際には、最適燃焼条件を達成するために空気流を自動的に調整するには燃料圧単独で十分である。

第２の空気調節ユニット６６は、タービンが低発熱量燃料で稼働しているときに生じる可能性がある空気供給問題に対処するよう設計される。上記で説明したように、シンガスのような比較的低発熱量の燃料が天然ガスと混合される場合、或いは比較的低発熱量の燃料が単独で使用される場合、特定の運転条件にタービンを維持するためには、高発熱量燃料に比べてより多くの量の低発熱量燃料を使用する必要がある。また、火炎不安定性及び望ましくないＣＯガスの不完全燃焼をもたらす可能性がある望ましくない希薄条件でタービンを稼働するのを回避するために、燃焼ゾーンにおいて燃料の組成に応じて低発熱量燃料の単位体積当たりに少ない空気を使用することが望ましいとすることができる。また、使用される低発熱量燃料が多いほど、燃焼ゾーンに供給される空気量を低減することが望まれる可能性が高い。

第２の空気調節ユニットは、燃料ノズル６０／７０に低発熱量燃料を提供する第２の燃料送給ライン６４内の圧力に基づいて燃焼器に導入される空気を選択的に変えるよう設計される。上述の第１の空気調節ユニット６７と同様に、燃焼器の実際の実施形態では、第２の空気調節ユニット６６は、燃焼器の外側の周りでリング上に装着される。また、追加の第２の空気調節ユニット６６は、図２に示すものの下流側に配置することができる。同様に、第２の空気調節ユニット６６はまた、流れスリーブ３０及び／又は燃焼器キャップ５０上に装着することができる。第１の空気調節ユニット６７と同様に、第２の空気調節ユニット６６は、本機構が燃焼器への空気分割流が変化するように作動させたときに、変化した流れが燃焼器の周りで軸方向に実質的に均一に生じるように燃焼器上に配置される。

圧力ライン６５は、第２の燃料送給ライン６４を第２の空気調節ユニット６６に結合する。また、変化する圧力を用いて、第２の空気調節ユニット６６内に機械的機構を制御し、燃焼器に空気を流入させる補助空気供給通路を選択的に閉鎖する。低発熱量燃料の圧力が増大すると、より多量の低発熱量燃料がノズル６０／７０に送給される燃料に混合されていることを示し、補助空気通路は漸次的に閉鎖される。

第２の空気調節ユニット６６は、本明細書の図３及び４に示すように構成することができる。図３及び４は、上述のものと同様の機構を示しているが、燃焼ゾーンへの空気流は、反対に変化している。

図３に示すように、比較的低い圧力が圧力ライン６５を通ってピストン１６８に適用されている場合、付勢部材１６９がプランジャ１６８を上方に押し付け、遮断ユニット１６５がほぼ完全に空気流路１６８から後退されるようになる。しかしながら、より多くの量の低発熱量燃料が供給され、圧力ライン６５の圧力が増大すると、この増大した圧力がピストン１６８の上部を押し付け、該ピストン及び遮断ユニット１６５を付勢部材１６９の圧力に抗して下方に押し下げる。結果として、遮断部材１６５は、空気流路６６を閉鎖し、燃焼ゾーンに流入する加圧空気の量を低減する。

図３及び４に示す装置は、比較的低発熱量の燃料が燃焼器で使用されるときに最適燃焼条件を達成するよう燃焼ゾーンへの空気流を変化させる簡単な機械的手段を提供する。

図３から６に示す機構は、本発明の概念の例証を意図しているに過ぎない。タービンエンジンで使用される実際の実施形態では、空気調節ユニットは、燃料供給ラインにおける燃料の圧力に基づいて燃焼ゾーンに流入する空気に対して同じ流量制御を依然として達成する限りは、複数の異なる方法で構成することができる。空気流の変動は、性能を最適化する要求に応じて燃料圧に対して線形又は非線型的に変化させるよう設定することができる。従って、図３から６に示す詳細事項は、何らかの限定を意図するものではない。特に、空気調節ユニットの実施形態は、複数の異なる方法で構成することができる。

例えば、上述の実施形態では、空気調節ユニットは、燃焼器の上流側端部に配置される。代替の実施形態では、空気調節ユニットは、例えばトランジションピース２０上など、燃焼器の下流側端部に配置することができる。しかしながら、空気調節ユニットが燃焼器の下流側端部に配置されるときには、反対に作動する必要がある。

例えば、空気調節ユニットがトランジションピース２０上に配置されて、燃焼器に高発熱量燃料を送給する燃料供給ライン６２に接続される場合、空気調節ユニットは、高発熱量燃料の圧力が増大したときに補助空気通路を閉鎖する必要がある。これにより、下流側端部においては燃焼器に流入する空気量が減少し、上流側端部においては流入する空気量が増大し、燃焼ゾーンにおいて望ましくないリッチ燃空比を回避する効果がある。

反対に、空気調節ユニットがトランジションピース２０上に配置され、低発熱量燃料を燃焼器に送給する燃料供給ライン６４に接続される場合、空気調節ユニットは、低発熱量燃料の圧力が増大したときに補助空気通路を解放する必要がある。これにより、下流側端部にて燃焼器に流入する空気量が増大し、上流側端部にて流入する空気量を減少させ、燃焼ゾーンにおいて望ましくない希薄燃空比を回避する効果がある。

上述の実施形態では、空気調節ユニットは、燃焼ゾーン９９に流れる空気量を直接的に制御する。代替の実施形態では、同様の空気調節ユニットを用いて、燃料ノズル自体の外側を通る、及び／又はその周囲に流れる空気量を制御することができる。

以下の説明において、図７は、ノズル内の空気流の制御に関する基本概念を例証するのに用いられる。次に、図８から１４を参照しながら、ノズルを通る及び／又はその周囲の空気流を制御するのに用いることができる機構の一部の実施例を説明する。

多くのノズルにおいて、空気はノズル自体を通って流れる。空気はノズル内で燃料と混合することができ、或いは、ノズルの下流側端部から出た後、ノズルの外で燃料と混合することもできる。図７は、燃料ノズルの機能図を示している。この図は、タービンで使用される実際のノズルに類似することを意図していない。それよりもむしろ、図７に示すノズル内の要素は機能ブロックとして提供される。実際の燃料ノズルにおいて、機能ブロックにより実行される機能は様々な異なる方法で実施することができる。

図７に示すように、燃料ノズル１００は外側ハウジング１０４を含む。複数の燃料及び空気通路は、外側ハウジング１０４内に配置される。

１次燃料送給通路１５２はノズルの長さまで延在している。１次燃料通路１５２は、複数の半径方向に延在する燃料噴射装置１４０に燃料を送給する。半径方向に延在する燃料噴射装置１４０の各々は、複数の燃料アパーチャ１４２を含む。主燃料通路１５２を通って送給される燃料は、燃料アパーチャ１４２を通り、燃料ノズルの外側まで延在する加圧空気の流れに直接流出する。代替の実施形態では、燃料アパーチャは、本体の外側に沿って形成することができ、及び／又はノズルの外側に装着されるスワーラ機構の一部とすることができる。スワーラ機構は、ノズルの外側に沿って流れる空気を誘起してノズルの周りに旋回させ、燃焼ゾーンにて点火される前に燃料と空気の混合を促進することができる。

図７に示す実施形態では、追加の燃料通路１５４は、ノズルの遠位端１０２に燃料を送給するために設けられる。図７に示す燃料ノズルはまた、空気をノズルの遠位端１０２に送給する空気送給通路１５６を含む。燃料ノズルの実際の実施形態では、燃料通路１５４及び空気送給通路１５６は様々な構成を有することができる。また、１つの燃料送給通路１５４と１つの空気送給通路１５６のみが図示されているが、実際の実施形態では、複数の燃料送給通路と複数の空気送給通路とを設けることができる。更に、これらの通路は、図７では別々に示されているが、実際の実施形態では、燃料及び空気送給通路は、ノズルにおいて一体となって燃料及び空気をノズル内で混合可能にすることができる。

第１の空気送給通路１５６は、第１の空気調節ユニット１６２及び第２の空気調節ユニット１６４に結合される。空気入口ライン１３０は第１及び第２の空気調節ユニット１６２，１６４に結合される。空気入口ライン１３０は、側部から流入するように示されているが、以下で説明するように、実際のノズルにおいて空気入口は単に、圧縮機から加圧空気の流れを受けるように位置決めされたノズル内の入口開口とすることができる。

第１の燃料供給ライン１１０は、高発熱量燃料をノズルに供給する。圧力ライン１１２は、第１の空気調節ユニット１６２を第１の燃料供給ライン１１０に接続する。第１の燃料供給ライン１１０内の燃料圧は、圧力ライン１１２を介して第１の空気調節ユニット１６２に伝達される。燃料供給ライン１１０における燃料圧の上昇により、第１の空気調節ユニット１６２が空気送給通路１５６に流れる空気量を増大させるようにする。図５及び６に示す機構は、第１の空気調節ユニット１６２として用いることができる。

第２の燃料供給ライン１２０を用いて、比較的低発熱量の燃料を燃料ノズルに送給することができる。圧力ライン１２２は、第２の燃料供給ライン１２０内の燃料圧を第２の空気調節ユニット１６４に伝達する。第２の燃料供給ライン１２０における燃料圧の上昇により、第２の空気調節ユニット１６４が空気送給通路１５６に流れる加圧空気の量を減少させるようにする。図３及び４に示す機構は、第２の空気調節ユニット１６４として用いることができる。

２つの空気調節ユニット１６２及び１６４は、ノズルを通過する空気量を自動的に調整するよう機能し、更に、燃焼器の燃焼ゾーン内に導入される。第１の空気調節ユニット１６２は、より多量の高発熱量燃料が供給されたときに追加の空気を導入し、最適を超える燃料／空気混合気を回避するよう機能する。同様に、より多量の低発熱量燃料が燃焼器に導入されたときに、当該燃料の組成に応じて、第２の空気調節ユニット１６４を利用して、供給される空気量を減少させ、望ましくない希薄燃料／空気混合気での運転を回避することができる。

実際の燃料ノズルにおいて、１以上の空気調節ユニットは、ノズルの入口に位置付けられてノズルへの空気の流れを制御することができる。図８及び９は、この機能を実施する装置の第１のタイプを示している。ここで図示するように、空気入口ポート２０２は、ノズルの入口において第１の直径を有し、該直径はノズル内に深くなるほど大きくなる。可動プランジャ２０４は、この入口に位置付けられる。可動プランジャ２０４は、バネなどの付勢要素によってノズルの上流側端部に向けて付勢される。

可動プランジャ２０４の前端又は上流側端部は、ノズルに流入する高発熱量燃料によって作用されることになる。軽負荷条件下では、より少ない量の燃料が可動プランジャ２０４に抗して作用し、付勢部材の力は、ノズルの上流側端部に向けて位置付けられたプランジャ２０４を保持することになる。結果として、可動プランジャの下流側端部はノズルへの流入を部分的に遮断し、ノズルを通過する空気量を制限する。

タービンがより高負荷であり、より多くの量の高発熱量燃料がノズルに流れているときには、燃料流のより大きな力が付勢部材に抗して働き、可動プランジャをノズルに向けて下流側方向で更に押し付けるようにする。図９に示すように、これにより可動プランジャ２０４の下流側端部は、より大きな直径を有する入り口ポート２０２の一部に移動するようになる。また、これにより更に多くの空気量がノズル内及びここを通って流れることができる。従って、図８及び９に示す機構は、図５及び６に示す第１の空気調節ユニットと同様に機能し、より多くの量の高発熱量燃料がタービンにおいて燃焼しているときに燃焼ゾーンに流入する空気量を増大させる。この設計は、性能を最適化する要求に応じて空気流が燃料圧に対して線形又は非線形的に変わり得るようなものとすることができる。

図１０及び１１は、必要に応じて燃料の組成に基づいて燃焼されている低発熱量燃料の量に従って空気流を調節するのに用いることができる別のタイプの機構を示している。これらの図に示すように、ノズルへの入口２０２は、ノズル内への深さが大きくなるにつれて漸次的に減少する直径を有する。可動プランジャ２０４は、依然として入口に装着され、付勢部材は、上流側方向に向けて可動プランジャ２０４を付勢する。この実施形態では、プランジャ２０４は、低発熱量燃料の流れによって作用されることになる。

図１０及び１１に示す実施形態では、より少量の低発熱量燃料がノズルに流入するときには、付勢部材は、図１０に示すようにノズルの上流側端部に可動プランジャ２０４を保持する。これにより、プランジャ２０４の下流側端部と入口通路２０２との間のエアギャップが比較的大きいままに確保され、より多くの空気量がノズルに流入して、燃焼ゾーンを通過することができる。

より多くの量の低発熱量燃料がノズルに流入すると、より大きな燃料圧の低発熱量燃料が、図１１に示すようにノズル内により深く可動プランジャ２０４を押し込むことになる。また、この位置において、プランジャ２０４の下流側端部は、入口２０２とプランジャ２０４との間のエアギャップのより大きな部分を閉鎖し、これによりノズルを通る空気流を低減する。従って、図１０及び１１に示す機構は、図３及び４に示す空気調節ユニットと同様に作動し、より多くの量の低発熱量燃料がタービンにおいて燃焼されているときに燃焼ゾーンに導入される空気量を低減する。

図８〜１１に示すプランジャ機構は、このような機構をどのように構成できるかに関しての機能的表現を意図しているに過ぎない。この機構の実施は、多くの形態をとることができる。例えば、プランジャ機構は、ノズルへの入口に配置することができ、或いは、このような機構は、ノズルを通る各空気流通路内に個々に配置することができる。

同様に、プランジャは、複数の異なる方法でノズル内に移動することができる。燃料は、上述のようにプランジャの上流側端部に直接衝突することができ、或いは、燃料供給ライン内の圧力により、プランジャを何らかの他の方式で移動させることができる。何れの場合でも、この概念は、燃料圧が機械式装置を通じて空気流を選択的に変えるよう作用することを目的とする。空気流は、性能を最適化する要求に応じて燃料圧に対して線形又は非線形的に変わることができる。

図８から１１に示す機構は、ノズルを通る空気の流れを選択的に変えることを意図している。図１２及び１３は、中心配置の２次ノズルを利用するシステムにおける１次ノズル用など、ノズル出口から幾分下流側に燃焼ゾーンがあるときに用いるためにノズルの外側に沿って通過する空気の流れを選択的に変えるのに使用可能な機構を示している。

図１２は、燃焼器キャップ３０２上に装着されるノズルを示す。小さなエアギャップ３１２がノズルの外側と、ノズルが装着される燃焼器キャップ３０２内のアパーチャとの間に維持される。このエアギャップ３１２により、空気の流れがノズルの外周に沿って通過することができ、この空気流がノズルを冷却して燃焼器内の燃焼ゾーンに入る。

ノズルが装着されるアパーチャ３０４は、下流側方向でアパーチャ内により深くなるにつれて該アパーチャ３０４の直径が増大するような角度付き面を有する。ノズルの外側はまた、アパーチャ３０４の角度付き面と合致する角度付き面を有する。

ノズルは、矢印３０９の方向に移動できるように、燃焼器キャップ３０２内に移動可能に装着される。付勢部材は、上流側方向に向かってノズルを付勢するために設けられる。高発熱量燃料の力は、ノズルに作用して、該ノズルを下流側方向に移動させるようにする。より少ない量の高発熱量燃料がノズルに流れるときには、ノズルはその可動範囲の上流側端部に向けて位置付けられ、該可動範囲が比較的小さなエアギャップ３１２をノズルの外側と燃焼器キャップ３０２内のアパーチャ３０４との間に維持する。これにより、比較的少ない空気量がエアギャップを流れ、更に燃焼器の燃焼ゾーン内に流れることができることが保証される。

より多くの量の高発熱量燃料がノズルに送給されるときには、より大きな燃料圧によって、ノズルが付勢部材の力に抗して下流側方向に移動するようになる。また、ノズルが下流側方向に移動するときにエアギャップ３１２が増大し、より多くの空気量がギャップを通って燃焼のゾーンに流れることができるようになる。従って、該機構は、図５及び６に示す空気調節ユニットと同様に、高発熱量燃料の圧力に従って空気流を選択的に変化させる。

図１３に示す機構を用いて、低発熱量燃料の圧力に従って空気流を選択的に変化させることができる。この装置では、ノズル３２２はまた、該ノズルが矢印３１９の方向に移動できるように、燃焼器キャップ３０２内に移動可能に装着される。同様に、付勢部材が下流側端部に向けてノズル３２２を付勢する。しかしながら、この機構において、ノズルが装着されるアパーチャの壁は、アパーチャの直径が下流側方向で減少するように角度が付けられる。

より少ない量の低発熱量燃料が流れているときには、付勢部材が移動の上流側端部にてノズル３２２を保持し、より多くの空気流がノズルと燃焼器キャップとの間を流れることができる。低発熱量燃料の量が増大すると、燃料の圧力によってノズルが下流側方向に移動し、これは、ノズルの外側と燃焼器キャップ３０２内のアパーチャとの間のギャップを低減するよう機能する。従って、より多くの量の低発熱量燃料が燃焼すると、燃焼ゾーンに流れる空気量が減少する。よってこの機構は、図３及び４に示す空気調節機構と同様に作動する。

図１２及び１３に示す機構は単に例証を意図しているに過ぎない。実際の実施形態では、この機構は、ノズルを複数の異なる方法で移動させるよう機能することができる。最も簡単な実施形態では、ノズルへの燃料の流れは、燃焼器キャップに対してノズルを移動させるのに用いられる。より複雑な実施形態では、燃料圧は、種々の機械式装置によってノズルを燃焼器キャップに対して移動させるよう機能することができる。

また、幾つかの実施形態では、ノズル全体が燃焼器キャップに対して移動することができ、他の実施形態では、燃焼器キャップのアパーチャ内に配置されたノズルの一部だけが移動することができる。更に他の実施形態では、ノズル自体は固定したままであってもよく、燃焼器キャップがノズルに対して移動することができる。

図１２及び１３に示す機構では、本機構は、高発熱量燃料の圧力又は低発熱量燃料の圧力の何れかに基づいて空気流を選択的に変えることができる。図１４は、両方の燃料圧に基づいてノズルの外側の周りに流れる空気量を選択的に変える機構を示している。

図１４に示す機構では、可動カラー６１がノズル６０の外側上に装着されている。可動カラー６１は、燃料ノズル６０に沿ってキャップ５０に対して矢印６９の方向に移動することができる。設計に応じて、カラー及びノズルはユニットとして移動することができ、或いは、ノズルとは独立してカラー単独で移動することができる。可動カラー６１の外側上の角度付き面は、燃焼器キャップ５０内のアパーチャ上の対応する角度付き内面と協働する。従って、可動カラー６１が下流側方向に移動するときに、この移動により可動カラー６１の外側と燃焼器キャップ組立体５０上の角度付き内面との間に配置された空気流通路が開放する。反対に、可動カラー６１が上流方向に移動する場合、この移動により、空気流通路のサイズが減少し、空気流通路を通る空気流が少なくなる。

１以上の簡単な機械式機構を用いて、可動カラー６１を高発熱量及び低発熱量燃料の圧力に基づいて上流側及び下流側方向に移動させることができる。

高発熱量燃料供給ラインに結合された第１の機械式空気調節機構により、高発熱量燃料ライン内の圧力が増大したときに可動カラー６１が下流側方向に移動するようになる。これは、タービンの燃焼ゾーンに流入する空気量を増大させる。

低発熱量燃料供給ラインに結合された第２の空気調節機構は、低発熱量燃料供給ライン内の圧力が増大したときに可動カラー６１が上流側方向に移動するようになる。これは、タービンの燃焼ゾーンに流入する空気量を減少させる。

２つの機構は、両機構を設けることによって可動カラーに反対方向で作用するが、空気流は、高発熱量燃料の圧力と低発熱量燃料の圧力の両方に基づいて選択的に変えることができる。

代替の実施形態では、可動カラー６１は、高発熱量燃料供給ラインのみ、又は低発熱量供給ラインのみに結合することができる。更に、ある種の付勢機構は、可動リングが燃料送給ラインの圧力によって一方向又は別方向に移動していないときには常に中央又はニュートラル位置に確実に戻すことができる。

中心に配置される２次ノズルを含まないシステムのように、燃焼ゾーンがノズル出口のすぐ傍にあるシステムでは、図１２、１３、及び１５に示す機構の利用は逆になる。すなわち、図１３に示すような機構は、ノズルの周りの空気流を低減し、これにより高発熱量燃料の流れが増大したときにより多くの空気をノズルに送り込むのに用いられる。反対に、図１２に示すような機構は、燃料の組成に基づいて必要に応じてより多くの低発熱量燃料が使用されるときには、ノズルの周りの空気をバイパスし、ノズルを通る空気流を低減するのに用いられる。

上述のものと同様の装置は、空気の代わりに酸素又は酸素富化空気が使用される場合、或いは、他の何らかの酸素／空気組み合わせガスが使用される場合にも利用することができる。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

２０ トランジションダクト
２２，４２ 希釈孔
３０ 流れスリーブ
４０ 燃焼器ライナ
４４，６９，３０９，３１９ 矢印
５０ 燃焼器 ｃａｐ 組立体
６０，１００ 燃料ノズル
６１ 可動カラー
６２，１１０ 第１の燃料供給ライン
６３，６５，１１２ 圧力ライン
６４ 第２の燃料供給ライン
６６，６７ 空気調節ユニット
７０ ２次燃料ノズル
９９ 燃焼ゾーン
１０２ 遠位端
１０４ 外側ハウジング
１０６ マニホルド
１１０ 燃料供給ライン
１１２ 圧力ライン
１２０ 燃料供給ライン
１２２ 圧力ライン
１３０ 空気入口ライン
１４０ 燃料噴射装置
１４２ 燃料アパーチャ
１５２ 送給通路
１５４ 燃料通路
１５６ 空気送給通路
１６２，１６４ 空気調節ユニット
１６５ 遮断ユニット
１６６，１７５，１７６ 空気流通路
１６７ アパーチャ
１６８ プランジャ
１６９ 付勢部材
１７７ チャンバ
１７８ ピストン
１７９ 付勢バネ
２００ 燃料ノズル
２０２ 空気入口ポート
２０４ 可動プランジャ
２０６ 角度付き入口
３００ 燃料ノズル
３０２ 燃焼器キャップ
３０４ アパーチャ
３０６ 角度付き入口
３０９ 方向矢印
３１０ 可動カラー
３１２ 小さなエアギャップ
３１９ 方向矢印
３２０ 燃料ノズル
３２２ ノズル

Claims (9)

1. タービンエンジン用の燃料ノズルであって、当該燃料ノズルが、
   細長いハウジングと、
   前記ハウジングの長さの少なくとも一部に沿って延在する燃料送給通路と、
   前記ハウジングの長さの少なくとも一部に沿って延在する空気送給通路と、
   燃料供給ラインから燃料を受け取り、前記燃料送給通路と連通する燃料入口と、
   前記燃料入口に結合された空気調節ユニットと
   を備えており、上記空気調節ユニットが、燃料入口での燃料圧又は燃料差圧に基づいて空気送給通路に入る空気量を変化させる、燃料ノズル。
2. 前記空気調節ユニットは、前記燃料入口での燃料圧又は燃料差圧が増大したときに前記空気送給通路への空気の流れを増大させる、請求項１記載の燃料ノズル。
3. 前記空気調節ユニットは、前記燃料入口での燃料圧又は燃料差圧が増大したときに前記空気送給通路への空気の流れを減少させる、請求項１記載の燃料ノズル。
4. 前記空気調節ユニットは、前記燃料入口での燃料圧又は燃料差圧に基づいて前記空気送給通路への空気の流れを線形的に変化させる、請求項１記載の燃料ノズル。
5. 前記空気調節ユニットは、前記燃料入口での燃料圧又は燃料差圧に基づいて前記空気送給通路への空気の流れを非線形的に変化させる、請求項１記載の燃料ノズル。
6. 前記燃料入口が第１の燃料入口を備え、前記空気調節ユニットが第１の空気調節ユニットを備え、該第１の空気調節ユニットが、第１の燃料入口での燃料圧又は燃料差圧に基づいて前記空気送給通路に入る空気量を第１の方法で変化させ、
   前記燃料ノズルが更に、第２の燃料入口と該第２の燃料入口に結合された第２の空気調節ユニットとを備えており、第２の空気調節ユニットが、第２の燃料入口での燃料圧又は燃料差圧に基づいて前記空気送給通路に入る空気量を第２の方法で変化させる、請求項１記載の燃料ノズル。
7. 第２の方法が第１の方法と反対である、請求項６記載の燃料ノズル。
8. 第１の空気調節ユニットは、第１の燃料入口での燃料圧又は燃料差圧が増大したときに前記空気送給通路への空気の流れを増大させ、第２の空気調節ユニットは、第２の燃料入口での燃料圧又は燃料差圧が増大したときに前記空気送給通路への空気の流れを減少させる、請求項６記載の燃料ノズル。
9. 前記空気送給通路が、第１の空気送給通路及び第２の空気送給通路を備え、第１の空気調節ユニットが第１の空気送給通路への空気の流れを制御し、第２の空気調節ユニットが第２の空気送給通路への空気の流れを制御する、請求項６記載の燃料ノズル。