JP2011237167A - ガスターボ機械用の流体冷却噴射ノズル組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスターボ機械用の流体冷却噴射ノズル組立体を提供する。
【解決手段】ターボ機械の流体冷却噴射ノズル組立体３８は、第１の端部１２７を有し先端部分まで延びる本体部を含む内側導管部を含む。本体部は、外面および内面を含む。冷却要素１４０は、内側導管部を通って延びる。冷却要素１４０は、第１の端部セクションを有し第２の端部セクション１４８まで延びる本体要素１４４を含む。本体要素１４４は、外面と、冷却通路を画定する内面とを含む。本体要素１４４の外面は、戻り流路を画定するように内側導管部の内面から離間している。冷却通路１５３を通過する流体は、先端部分１２８に衝突しこの先端部分１２８を対流冷却し、戻り流路に入り、ノズル部材９４から外に向けられる。
【選択図】図３

Description

本明細書に開示した主題事項は、ターボ機械の技術に関し、より詳細には、ガスターボ機械用の流体冷却噴射ノズル組立体に関する。

一般に、ガスターボ機械エンジンは、燃料／空気混合気を燃焼し、それにより熱エネルギーを解放して高温ガス流を形成する。この高温ガス流は、高温ガス経路を介してタービンに送られる。タービンは、高温ガス流からの熱エネルギーを、タービンシャフトを回転させる力学的エネルギーに変換する。タービンは、ポンプや発電機に動力を供給することなど様々な用途に用いることができる。

米国特許第６，６９８，２０７号公報

現在、ターボ機械の排気を低減することが求められている。排気を低減する道の１つは、現在ターボ機械のノズルの先端部にあるパイロット火炎をなくすことにある。典型的には、パイロット火炎は、一次火炎と二次火炎のどちらよりも高い温度で燃焼し、それによりＮＯｘ排気の増加を引き起こす。パイロット火炎をなくすことによって、高ＮＯｘの一因となる燃料回路が、ターボ機械から取り除かれる。

本発明の一態様によれば、ターボ機械は、圧縮機と、タービンと、圧縮機およびタービンに動作可能に結合した燃焼器と、燃焼器に取り付けた流体冷却噴射ノズル組立体とを含む。流体冷却噴射ノズル組立体は、第１の端を有し中間部分を介して第２の端まで延びる本体を含むノズル部材を含む。本体は、外面と、中空内部を画定する内面とを含む。内側導管部は、ノズル部材を通って延びる。内側導管部は、第１の端部を有しノズル部材の第１の端からノズル部材の第２の端を越えて突出する先端部分まで延びる本体部を含む。本体部は、外面および内面を含む。冷却要素は、内側導管部を通って延びる。冷却要素は、第１の端部セクションを有し第２の端部セクションまで延びる本体要素を含む。本体要素は、外面と、冷却通路を画定する内面とを含む。本体要素の外面は、戻り流路を画定するように内側導管部の内面から離間している。冷却通路を通過する流体は、先端部分に衝突し先端部分を対流冷却し、戻り流路に入り、ノズル部材から外に向けられる。

本発明の別な態様によれば、ターボ機械用の流体冷却噴射ノズル組立体は、第１の端を有し中間部分を介して第２の端まで延びる本体を含むノズル部材を含む。本体は、外面と、中空内部を画定する内面とを含む。内側導管部は、ノズル部材を通って延びる。内側導管部は、第１の端部を有しノズル部材の第１の端からノズル部材の第２の端を越えて突出する先端部分まで延びる本体部を含む。本体部は、外面および内面を含む。冷却要素は、内側導管部を通って延びる。冷却要素は、第１の端部セクションを有し第２の端部セクションまで延びる本体要素を含む。本体要素は、外面と、冷却通路を画定する内面とを含む。外面は、戻り流路を画定するように内側導管部の内面から離間している。冷却通路を通過する流体は、先端部分に衝突し先端部分を対流冷却し、戻り流路に入り、ノズル部材から外に向けられる。

本発明のさらに別の態様によれば、流体冷却ターボ機械噴射ノズルを冷却する方法は、流体を流体冷却ターボ機械噴射ノズルのノズル部材の中に案内するステップと、流体の一部を、ノズル部材を通って延びる冷却要素の中に向けるステップと、流体の一部を流体冷却ターボ機械噴射ノズルの内側導管部の先端部に向けて通すステップと、流体の一部を先端部の後面へ通して先端部に衝突させ先端部の対流冷却を行うステップとを含む。

これらおよび他の利点および特徴は、下記の説明を図面と併せて用いることによってより明らかになろう。

本発明とみなされる主題事項は、本明細書の最後に、特許請求の範囲の中で具体的に指摘され、明確に特許請求されている。本発明の前述および他の特徴および利点は、下記の詳細な説明を添付図面と併せて用いることにより明らかである。

例示的な実施形態によるノズル組立体を含むターボ機械の概略断面側面図である。 図１のターボ機械の燃焼器部分の断面図である。 図１のノズル組立体の断面図である。 図３のノズル組立体の端部についての右上からの斜視図である。

本詳細な説明は、本発明の実施形態を、例によって図面を参照して利点および特徴と共に説明する。

本出願で用いる用語「軸方向の」および「軸方向に」は、バーナチューブ組立体の中央本体の中心長手方向軸とほぼ平行に延びる方向および向きを指している。本出願で用いる用語「半径方向の」および「半径方向に」は、中央本体の中心長手方向軸にほぼ直交して延びる方向および向きを指している。本出願で用いる用語「上流に」および「下流に」は、中央本体の中心長手方向軸に関する軸方向の流れ方向に対する方向および向きを指している。

図１を参照すると、例示的な実施形態により構成したターボ機械が、全体的に２で示されている。ターボ機械２は、圧縮機４と、燃料ノズルまたは噴射装置組立体ハウジング８を備えた少なくとも１つの燃焼器６を有する燃焼器組立体５とを含む。ターボ機械２は、タービン１０も含む。本明細書に記載の開示した例示的な実施形態は、様々なターボ機械の中に組み込むことができることに留意されたい。図示および本明細書に記載のターボ機械２は、１つの例示的な構成に過ぎない。

図２に最も良く示すように、燃焼器６は、圧縮機４およびタービン１０と流体連通で結合している。圧縮機４は、互いに流体連通で結合しているディフューザ２２および圧縮機排出プレナム２４を含む。燃焼器６は、燃焼器６の第１の端に位置する端部カバー３０を含む。以下により十分に述べるように、端部カバー３０は、複数の流体冷却燃料または噴射ノズル組立体３８および３９を構造的に支持する。流体冷却噴射ノズル組立体により、少なくとも噴射ノズル組立体３８および３９が、燃料および／または空気などの流体を用いて冷却されることを理解されたい。燃焼器６は、燃焼器ケーシング４４および燃焼器ライナ４６を含むことも示されている。

図示するように、燃焼器ライナ４６は、燃焼チャンバ４８を画定するように燃焼器ケーシング４４から半径方向内側に位置する。環状の燃焼チャンバ冷却通路４９が、燃焼器ケーシング４４と燃焼器ライナ４６の間に画定されている。移行部５５は、燃焼器６をタービン１０に結合する（図１）。移行部５５は、燃焼チャンバ４８で発生する燃焼ガスを第１段タービンノズル（図示せず）に向かって下流に送る。移行部５５は、その端部に向かって、燃焼チャンバ４８とタービン１０の間に延びるガイドキャビティ７２を画定する内壁６４を含む。

動作中、空気が圧縮機４を通って流れ、圧縮空気が燃焼器６に、より詳細には噴射装置組立体３８および３９に供給される。それと共に、燃料が、噴射装置組立体３８および３９に通されて空気と混合し、可燃混合気を形成する。この可燃混合気は、燃焼チャンバ４８に送られ、点火されて燃焼ガスを形成する。次いで、この燃焼ガスをタービン１０に送り、このタービン１０で燃焼ガスからの熱エネルギーを力学的回転エネルギーに変換する。

ここで、噴射ノズル組立体３８および３９の構造に関する上記の構成は、例示的な実施形態を完全なものにするために、およびそれをより良く理解することを助けるように与えられていることを理解されたい。しかし、各噴射ノズル組立体３８、３９は同じように形成されるので、噴射ノズル組立体３９が同様の構造を含むものと理解して、以下、詳細な説明は、噴射ノズル組立体３８を参照する。

図３および図４に示すように、噴射ノズル組立体３８は、二次空気回路８４、二次燃料回路８５、および伝達回路８６を収容する中央本体８２を含む。中央本体８２は、燃焼チャンバ４８の中に噴射する前に燃料と空気を混合する二次混合ゾーン８９を含む。図示の例示的な実施形態では、噴射ノズル組立体３８は、中央本体８２内に配置されるノズル部材９４を含む。ノズル部材９４は、二次燃料回路８５および伝達回路８６を収容し、第１の端９８を有し中間部分１００を介して第２の端９９まで延びる本体９６を含む。本体９６は、外面１０１と、中空内部１０５を定める内面１０２とを含む。中空内部１０５は、第２の端９９に配置される複数の出口１０８を有するパージ空気通路１０６を画定する。

例示的な実施形態にさらによれば、噴射ノズル組立体３８は、ノズル部材９４の中空内部１０５内に配置される内側導管部１２０を含む。内側導管部１２０は、第１の端部１２７を有し第２の端部すなわち先端部分１２８まで延びる本体部１２４を含む。先端部分１２８は、スワラ部材（図示せず）のハブ部（やはり図示せず）内で支持される。例示的な実施形態によれば、先端部分１２８は、シールされており、それによって噴射ノズル組立体３８を流体冷却噴射ノズルとして確立する。先端部分１２８は、ガイド特徴１３０を含み、このガイド特徴１３０は、以下により十分に述べるように、噴射ノズル組立体３８を通過する流体の向きを変える。本体部１２４は、外面１３１および内面１３２を含むことも示されている。内面１３２は、第１の端部１２７で部分的にプレナム１３５を画定する。プレナム１３５は、二次混合ゾーン８９に通じている複数の出口部材を含み、この複数の出口部材のうち１つは１３６で示されている。より詳細には、出口部材１３６は、複数の燃料ペグ１３７に流体接続される。燃料ペグ１３７は、プレナム１３５に流体接続され、ノズル部材９４の外面１０１と中央本体８２の内面（別個の符号なし）との間に延びる。燃料ペグ１３７は、二次混合ゾーン８９に開いているいくつかの出口ポート１３８を含む。この構成の場合、ノズル部材９４の中に入る流体、典型的には燃料は、二次混合ゾーン８９へ外に向かって向けられる。

例示的な実施形態にさらによれば、噴射ノズル組立体３８は、内側導管部１２０内を通る冷却要素１４０を含む。冷却要素１４０は、第１の端部セクション１４７を有し中間部分１４９を介して第２の端部セクション１４８まで延びる本体要素１４４であって、外面１５１と、出口セクション１５５を有する冷却通路１５３を画定する内面１５２とを有する本体要素１４４を含む。冷却要素１４０は、流体、典型的には燃料を受け取る入口１６０と、複数の出口１６２とを含む。以下により十分に述べるように、出口１６２は、流体をプレナム１３５に案内する。冷却要素１４０の外面１５１は、複数の支持部によって内側導管部１２０の内面１３２から離間しており、この複数の支持部のうち１つを１６８で示す。支持部１６８は、冷却要素１４０と内側導管部１２０の間に戻り流路１７３を定める。戻り流路１７３は、先端部分１２８からプレナム１３５まで噴射ノズル組立体３８に沿って軸方向に通じている。

例示的な実施形態によれば、流体は、入口１６０に入る。流体の第１の一部は、出口１６２を通過し、プレナム１３５および燃料ペグ１３７を介して二次混合ゾーン８９に直ちに通る。流体の第２の一部は、冷却通路１５３に沿って先端部分１２８に向かって通る。この流体の第２の一部は、ガイド特徴１３０に衝突し、先端部１２８に衝突させ先端部１２８の対流冷却を行う。ガイド特徴１３０は、流体の第２の一部について戻り流路１７３の中にさらに向きを変える。流体の第２の一部は、戻り流路１７３を通過し、プレナム１３５の中に入る。次いで、流体の第２の一部は、流体の第１の一部と合流し、燃料ペグ１３７を通って二次混合ゾーン８９に出る。

ここで、例示的な実施形態は、先端部分１２８で温度を下げるように構成される冷却要素を含むターボ機械用の流体冷却噴射ノズル組立体を実現することに留意されたい。パイロット回路を取り除くことにより、かなりの費用節約になるだけでなく、排気をかなり削減することにもなる。より詳細には、パイロット回路をなくすことにより、配管、制御弁、および他の関連した制御機能をかなり削減することになり、かなりのレベルのＮＯｘ排気を発生させる燃料回路を取り除くことにもなる。その場合、パイロット回路は、先端部分での温度を、構成要素の寿命の延長をもたらすレベルで維持する冷却要素に置き換えられる。

本発明を、限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明してきたが、本発明は、そのように開示した実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、本発明を修正してこれまで説明していなかった変形形態、変更形態、置換形態、または均等な構成をいくつでも組み込むことができるが、それらは、本発明の精神および範囲に相応するものである。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、説明した実施形態のうちのいくつかを含んでいるものに過ぎないものであり得ることが理解されよう。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると考えられるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

２ ターボ機械
４ 圧縮機
５ 燃焼器組立体
６ 燃焼器
８ 組立体ハウジング
１０ タービン
２２ ディフューザ
２４ 圧縮機排出プレナム
３０ 端部カバー
３８、３９ 噴射ノズル組立体
４４ 燃焼器ケーシング
４６ 燃焼器ライナ
４８ 燃焼チャンバ
４９ チャンバ冷却通路
５５ 移行部
６４ 内壁
７２ ガイドキャビティ
８２ 中央本体
８４ 二次空気回路
８５ 二次燃料回路
８６ 伝達回路
８９ 二次混合ゾーン
９４ ノズル部材
９６ 本体
９８ 第１の端
９９ 第２の端
１００、１４９ 中間部分
１０１ 外面
１０２ 内面
１０５ 中空内部
１０６ 空気通路
１０８ 出口
１２０ 内側導管部
１２４ 本体部
１２７ 第１の端部
１２８ 先端部分
１３０ ガイド特徴
１３１、１５１ 外面
１３２、１５２ 内面
１３５ プレナム
１３７ 燃料ペグ
１３８ 出口ポート
１４０ 冷却要素
１４４ 本体要素
１４７ 第１の端部セクション
１４８ 第２の端部セクション
１５３ 冷却通路
１５５ 出口セクション
１６０ 入口
１６２ 出口
１６８ 支持部
１７３ 戻り流路

Claims (10)

1. 圧縮機（４）と、
   タービン（１０）と、
   前記圧縮機（４）および前記タービン（１０）に動作可能に結合した燃焼器（６）と、
   前記燃焼器（６）に取り付けた流体冷却噴射ノズル組立体（３８、３９）と
   を備えるターボ機械（２）であって、前記流体冷却噴射ノズル組立体（３８、３９）が、
   第１の端（９８）を有し中間部分（１００）を介して第２の端（９９）まで延びる本体（９６）を含むノズル部材（９４）であって、前記本体（９６）が、外面（１０１）と、中空内部（１０５）を画定する内面（１０２）とを含む、ノズル部材（９４）と、
   前記ノズル部材（９４）を通って延び、第１の端部（１２７）を有し前記ノズル部材（９４）の前記第１の端（９８）から前記ノズル部材（９４）の前記第２の端（９９）を越えて突出する先端部分（１２８）まで延びる本体部（１２４）を含む内側導管部（１２０）であって、前記本体部（１２４）が、外面（１３１）および内面（１３２）を含む、内側導管部（１２０）と、
   前記内側導管部（１２０）を通って延びる冷却要素（１４０）であって、前記冷却要素（１４０）が、第１の端部セクション（１４７）を有し第２の端部セクション（１４８）まで延びる本体要素（１４４）を含み、前記本体要素（１４４）が、外面（１５１）と、冷却通路（１５３）を画定する内面（１５２）とを含み、前記本体要素（１４４）の前記外面（１５１）が、戻り流路（１７３）を画定するように前記内側導管部の前記内面（１３２）から離間している、冷却要素（１４０）とを備え、前記冷却通路（１５３）を通過する流体が、前記先端部分（１２８）に衝突し前記先端部分（１２８）を対流冷却し、前記戻り流路（１７３）に入り、前記ノズル部材（９４）から外に向けられる、ターボ機械（２）。
2. 前記流体冷却噴射ノズル組立体（３８、３９）が、流体入口を含み、前記流体入口が、前記本体要素（１４４）の前記第１の端部セクションに流体接続される、請求項１記載のターボ機械（２）。
3. 前記流体冷却噴射ノズル組立体が、前記内側導管部の前記第１の端部（１２７）に配置される出口部材を含む、請求項２記載のターボ機械（２）。
4. 前記出口部材が、前記ノズル部材（９４）を通って延びる、請求項３記載のターボ機械（２）。
5. 前記冷却要素（１４０）が、前記出口部材に流体連結した出口を含む、請求項２記載のターボ機械（２）。
6. 前記出口が、前記本体要素（１４４）の前記第１の端部セクションに配置される、請求項５記載のターボ機械（２）。
7. 前記冷却要素（１４０）が、前記本体要素（１４４）の前記第２の端部セクションに配置される出口セクションを含み、前記出口セクションが、前記戻り流路（１７３）に流体接続される、請求項１記載のターボ機械（２）。
8. 前記内側導管部の前記先端部分（１２８）が、シールされている、請求項１記載のターボ機械（２）。
9. 前記先端部分（１２８）が、前記冷却通路（１５３）に露出したガイド特徴を含み、前記ガイド特徴が、冷却流体を前記冷却通路（１５３）から前記戻り流路（１７３）に向かって向ける、請求項８記載のターボ機械（２）。
10. 流体冷却噴射ノズル組立体（３８、３９）が、前記本体部の前記外面（１３１）と前記本体（９６）の前記内面（１０２）との間に配置されるパージ空気通路を含む、請求項１記載のターボ機械（２）。