JP2012042194A - 燃料噴射ノズル本体上の火炎安定化用のディンプル付き／グルーブ付き面及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器で使用する燃料ノズル用の燃料噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】燃料ノズル（１０）用の燃料噴射ヘッド（１４）は、上流端面（２２）、下流端面（２４）及びそれらの間で延びる周壁（２６）が形成されたほぼ中空の本体（２０）を含む。複数の予混合チューブ又は通路（２８）が、中空の本体を貫通して軸方向に延びかつ上流端面における入口（３０）及び下流端面における出口（３２）を備える。下流端面の外部表面には、ほぼ平坦な平面下流端面に比較して該外部表面の全体表面積を増加させた三次元表面特徴形状部（４４、５６、６４、７６、８０、８２、９０）が形成される。
【選択図】 図９

Description

本発明は、総括的にはガスタービン燃焼技術に関し、より具体的には、ガスタービン内における高水素燃料燃焼に最適になった、燃料噴射ノズル用の燃料噴射ヘッドに関する。

本発明は、エネルギー省によって授与れた契約第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４３号に基づき連邦政府の支援を得て為されたものである。従って、連邦政府は、本発明に一定の権利を有する。

一部の最新のガスタービン燃料噴射ノズルは、ＮＯｘエミッションを低下させるように設計された高水素燃料燃焼プロセスに利用される。これらのノズルには、上流及び下流プレート間に捕捉されかつ周壁によって囲まれた多くの小径の燃焼空気チューブ又は通路を内蔵して燃料プレナムとしての働きをする中空の本体を形成した噴射ヘッドが組込まれる。チューブは一般的に、該チューブの壁内に複数の非常に小径の低傾斜角度孔を含み、これらの複数の低傾斜角度孔により、中空の本体からの燃料がチューブの内部内に噴射され、該チューブから流出しかつ燃焼チャンバに流入する前に該チューブ内で燃料及び空気が混合されるようにするのを可能にする。このタイプの燃料噴射ノズルは、２００６年３月７日に付与された本出願と同一出願人の米国特許第７，００７，４７８号に開示されている。一体形のモノリシック構造噴射ヘッドが形成されたこのタイプの別の燃料噴射ノズルは、２００９年９月８日に出願した本出願と同一出願人の同時継続米国特許出願第１２／５５５，１２９号に開示されている。

高水素火炎は一般的に、噴射ノズル本体の正面及び噴射ノズル本体の周りのダンプ面区域の背後で安定化している。しかしながら、ダンプ区域は、完全缶型燃焼器内における噴射ノズルヘッドの数を制限して、チューブ束を通しての大きな圧力降下を克服している。その結果、高水素火炎安定化には、噴射ノズルヘッド面区域のみを使用することができる。同様に、最新の噴射ノズルヘッドは、火炎を安定化するための限られた区域のみを有する。従って、噴射ノズルヘッド設計を改良して高水素燃焼火炎の安定化をさらに最適にし、逆火マージンを高めかつＮＯｘエミッションをさらに低減する方法を開発することが望ましいと言える。

米国特許第７００７４７８号明細書

例示的であるが非限定的な実施形態によると、本発明は、ガスタービン燃焼器で使用する燃料ノズル用の燃料噴射ヘッドに関し、本燃料噴射ヘッドは、上流端面、下流端面及びそれらの間で延びる周壁が形成されたほぼ中空の本体と、中空の本体を貫通して軸方向に延びかつ上流端面における入口及び下流端面における出口を備えた複数の予混合チューブ又は通路とを含み、下流端面の外部表面には、ほぼ平坦な平面下流端面に比較して該外部表面の全体表面積を増加させた三次元表面特徴形状部が形成される。

別の例示的であるが非限定的な実施形態によると、本発明は、燃料ノズル用の燃料噴射ヘッドに関し、本燃料噴射ヘッドは、上流端面、下流端面及びそれらの間で延びる周壁が形成されたほぼ中空の本体と、中空の本体を貫通して軸方向に延び、上流端面における入口及び下流端面における出口を備えかつその各々には該ほぼ中空の本体内の燃料がそれに流入してその中で空気と混合するのを可能にするようになった複数の噴射孔が設けられた複数の予混合チューブと、ほぼ中空の中心本体に燃料を供給するための燃料供給チューブを受けるようになった上流端面内の中心開口部とを含み、下流端面には、ほぼ平坦な平面端面に比較して該下流端面の表面積を増加させるための手段が設けられる。

さらに別の態様によると、本発明は、燃料／空気混合を強化する拡大再循環パターンを構成した燃料噴射ヘッドを製作する方法に関し、本方法は、（ａ）上流端面、下流端面及びそれらの間で延びる周壁を備えたほぼ中空の本体を形成するステップと、（ｂ）ほぼ中空の本体に燃料を供給するための燃料供給チューブを受けるようになった中心開口部を上流端面内に形成するステップと、（ｃ）ほぼ中空の本体を貫通して軸方向に延びかつ上流端面における入口及び下流端面における出口を備えた複数の予混合チューブを設けるステップと、（ｄ）出口間の区域内において下流端面に三次元表面特徴形状部のパターンを形成するステップとを含む。

次に、以下に特定する図面に関連して、本発明をより詳細に説明する。

公知の燃料噴射ノズルの斜視図。 図１から取出した燃料噴射ヘッドの部分的に断面で示した部分的下流方向拡大斜視図。 火炎再循環特性を示す、図２の燃料噴射ヘッド構造の平坦な端面部分を示す図。 本発明の例示的な実施形態による火炎再循環特性を示す、燃料噴射ヘッドの再設計端面部分を示す図。 本発明の例示的であるが非限定的な実施形態による、表面特徴形状部を備えた燃料噴射ヘッドの部分端面図。 本発明の別の例示的であるが非限定的な実施形態による、表面特徴形状部を備えた燃料噴射ヘッドの部分端面図。 図５及び図６に示す表面特徴形状部の組合せを示す、燃料噴射ヘッドの部分端面図。 本発明のさらに別の例示的であるが非限定的な実施形態による、表面特徴形状部を備えた燃料噴射ヘッドの部分端面図。 本発明のさらに別の例示的であるが非限定的な実施形態による、表面特徴形状部を備えた燃料噴射ヘッドの部分端面図。

図１は、ガスタービン燃料噴射ノズル１０を示しており、ガスタービン燃料噴射ノズル１０は、中心に設置した燃料供給チューブ１６によって連結された燃料ノズル基部１２及び燃料噴射ヘッド１４を含む。燃料噴射ヘッド１４は、燃料供給チューブ１６の下流端部１８に取付けられ、また燃料供給チューブの前端部は、燃料ノズル基部１２の中心部内における内部の環状のショルダ部（図示せず）に当接した状態になっている。本明細書で使用する「上流」及び「下流」などの用語は、燃料噴射ノズル１０を通りかつガスタービン燃焼器（図示せず）の燃焼チャンバ内に至る空気及び燃料の流れの方向に対する表現である。

複数のノズル１０は一般的に、燃焼チャンバに燃料及び空気の混合気を供給するように配置されることが分かるであろう。公知のタービン構成では、そのような燃焼器の環状アレイ（多くの場合に、「缶の環状」アレイと呼ばれる）は、同じ数の移行部品又はダクトによってタービンの第一段に燃焼ガスを供給する。一般的に、各燃焼器内におけるノズル基部１２は、燃焼器端部カバー（図示せず）に固定され、また燃料噴射ヘッド１４は、前方キャップ組立体（図示せず）によって燃焼チャンバ内に支持される。ここでは、本発明は特に、燃料噴射ヘッド１４の外部後方（下流）端面構成に対する設計変更に関係している。

さらに図２を参照すると、燃料噴射ヘッド１４は、互いにほぼ平行でありかつそれらの間で軸方向に延びる環状の周壁２６を備えた上流端面２２及び後方又は下流端面２４を有するほぼ中空の本体２０として形成することができる。内部空気供給通路又はチューブ２８（予混合チューブとも呼ばれる）は、上流及び下流端面２２、２４間で延びかつ上流入口３０から下流出口内までほぼ均一な直径を有するが、入口３０は、チューブ内へのかつ該チューブを通しての空気の流れを可能にする（また加速する）ように外向きにフレアさせる（ベルマウス形状として形成する）ことができる。予混合チューブ２８は、あらゆる所定の列の予混合チューブ又は通路２８が隣接する列の予混合チューブ又は通路からオフセットした状態になった環状の同心列として配置することができる。しかしながら、本発明は、中空の本体２０内における予混合チューブ２８のいかなる特定の配置にも限定されるものではないことが分かるであろう。

中空の本体２０の中心部は、上流端面２２において開口して燃料供給チューブ１６を受けるための入口ボアを構成して、それを通して予混合チューブ２８が貫通している中空の本体の内部空間３４に燃料が供給されるようになる。

中空の本体２０内には、内部バッフルプレート（図示せず）を形成することができる。バッフルプレートは、それぞれ上流及び下流端面２２、２４間の位置において中空の本体２０の中心部分から半径方向外向きに延びて、予混合チューブ２８の全てではないが大半が該バッフルプレートを貫通した状態になる。バッフルプレートは、下流端面２４に向けて傾斜させるか又は下流端面２４とほぼ平行にしかつ中空の本体の周壁２６との間に半径方向ギャップを残した状態で該外周壁２６の手前で終端させることができる。予混合チューブ２８の各々内には、燃料噴射孔３８の少なくとも１つ、好ましくはそれらのアレイが設けられ、例えばそれぞれのチューブの円周の周りの等間隔の位置において各チューブ内に４つ燃料噴射孔３８が設けられる。燃料噴射孔３８は、中空の本体２０の上流及び下流端面２２、２４と平行でありかつ内部バッフルプレートの上流にあるほぼ共通の平面内に位置する。燃料噴射孔３８は、流れの方向に傾斜させることができ、つまりそれら孔を下流方向に半径方向内向きに（それぞれの予混合チューブ２８の中心線に対して小さい鋭角、例えば１５°で）傾斜させて、該噴射孔３８を通る燃料の流れが予混合チューブ２８を通って流れる空気の方向の速度成分を有するようにすることができる。しかしながら、噴射孔３８は、予混合チューブ２８の長手方向軸線に対して１５°〜ほぼ９０°のあらゆる角度で延びるようにすることができることを理解されたい。内部バッフルプレートは、中空の本体２０を、該バッフルプレートの外側端部と中空の本体の周壁２６との間の半径方向ギャップによって連結された上流及び下流プレナムに効果的に分割することができる。

予混合チューブ２８に対する出口３２を除いて、燃料噴射ヘッド１４の下流又は後方端面２４は閉鎖されていて、燃料供給チューブ１６から流出した高圧水素燃料は、下流燃料プレナム内の予混合チューブ２８間の区域３４内に流れ、次に半径方向ギャップを通って上流プレナム内に逆流することになるようになる。この燃料径路は、燃料噴射孔３８の入口端部における燃料圧力を均等にする傾向を有し、従って予混合チューブ２８に対して燃料をほぼ均一に分配する。高水素燃料は、燃料噴射孔３８を通ってかつ予混合チューブ２８内に流れることになり、後方端面２４において燃料噴射ヘッド１４から燃焼チャンバ内に流出する前に予混合チューブ２８内において燃料及び空気が混合されることになる。

燃料噴射ヘッド１４の端面２４の表面積を増加させることによって、特に高水素燃焼の場合に、燃料／空気混合及び火炎安定化を強化することができまたチューブ内での保炎及び逆火を回避することができる。図３は、本明細書で上述しかつ図２に示したような最新の燃料噴射ヘッド設計の火炎再循環特性を示している。図４は、本発明の第１の例示的であるが非限定的な実施形態による、燃料噴射ヘッドの火炎再循環特性を示している。以下により詳細に説明するように、燃料噴射ヘッドの端面は、燃料／空気混合を強化しかつより大きな逆火マージンをもたらして、それによって予混合チューブ４６内の保炎及び逆火を回避する拡大又は伸長再循環パターンを構成した三次元表面凹状部（１つを参照符号４４で示す）を含むように形成した。火炎安定化及び逆火マージンの向上の結果として、Ｎ０ｘエミッションもまた低減される。

以下に説明する各構成では、燃料噴射ヘッド端面区域は、図３及び図４の比較から分かるように、表面凹状部がない状態のほぼ平坦な平面端面に比較して空気力学的安定渦流によって生じる再循環領域の拡大及び伸長の増大が生じた。

燃料噴射ヘッド４０の端面４２の表面積を増加させる種々の方法が存在することが分かるであろう。例えば、図４及び図５に示すように、燃料噴射ヘッド４０の後方端面４２には、予混合チューブ４６の出口の隣接する環状列４６間に半径方向に設置された環状の円周方向のグルーブの形態で一連の凹状部４４を形成することができる。グルーブ４４の深さ及び幅は、特定の用途に応じて変化させることができる。

図６では、燃料噴射ヘッド５４の後方端面５２の表面区域には、予混合チューブの出口の隣接するほぼ半径方向の列５８間に円周方向に設置された一連のほぼ半径方向に延びるグルーブ５６が形成される。

図７では、燃料噴射ヘッド６２には、ほぼ半径方向のグルーブ６６と組合わされて、予混合チューブ７０に対する４つの出口の各群の中央部に形成された交差部を有するグリッドパターンを構成した環状のグルーブ６４（グルーブ５６と同様な）が形成される。

図８は、燃料噴射ヘッド７４の後方端面７２上に形成されたディンプルのパターンを示している。ディンプルは、円形ディンプル７６、長円形ディンプル８０、細長い長円形ディンプル８２などを含む様々な形状を有することができる。燃料噴射ヘッド７４上のディンプルは、これらの形状の１つのアレイ或いは２つ又はそれ以上のそのような形状のあらゆる組合せのアレイを予混合チューブ８４に対する出口間の区域内における端面７２の周りのあらゆる所望のパターンとして有することができる。

環状の及び半径方向のグルーブの幅、ディンプルの直径、並びにグルーブ及びディンプル両方の深さは、おそらく予混合チューブ又は通路の直径の約０．１〜１．５倍の範囲内にあることになる。

図９は、燃料噴射ヘッド８６のさらに別の実施例としての実施形態を示しており、この実施形態では、その端面８８には、予混合チューブ又は通路９２に対する４つの周囲の出口の各群間の区域内において不規則形状のディンプル９０の形態の凹状部が形成されている。従って、ディンプル９０は、予混合チューブも持たない閉鎖中心領域を除いて、４つの周囲の予混合チューブ又は通路を連結した境界部を有して、端面８８の全体表面を効果的に占有したディンプルのラティス又はグリッド状のパターンを形成する。

現時点で最も実用的か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べきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ 燃料ノズル
１４ 燃料噴射ヘッド
１６ 供給チューブ
２０ 中空の本体
２２ 上流端面
２４ 下流端面
２６ 周壁
２８ 予混合チューブ又は通路
３０ 入口
３２ 出口
３４ 内部空間
３８ 噴射孔
４４ 環状のグルーブ
４６ 隣接する環状列
５６、６６ 半径方向のグルーブ
６４ 環状のグルーブ
７６、８０、８２、９０ 凹状のディンプル

Claims (11)

1. ガスタービン燃焼器で使用する燃料ノズル（１０）用の燃料噴射ヘッド（１４）であって、
   上流端面（２２）、下流端面（２４）及びそれらの間で延びる周壁（２６）が形成されたほぼ中空の本体（２０）と、
   前記中空の本体を貫通して軸方向に延びかつ前記上流端面における入口（３０）及び前記下流端面における出口（３２）を備えた複数の予混合チューブ又は通路（２８）と
   を含み、前記下流端面（２４）の外部表面には、ほぼ平坦な平面下流端面に比較して該外部表面の全体表面積を増加させて燃料／空気混合を強化する拡大再循環パターンを構成した三次元表面特徴形状部（４４、５６、６４、７６,８０、８２、９０）が形成される、燃料噴射ヘッド。
2. 前記ほぼ中空の本体（２０）に燃料を供給するための燃料供給チューブ（１６）を受けるようになった前記上流端面内の中心開口部をさらに含み、前記予混合チューブ又は通路（２８）の各々内に燃料噴射孔（３８）を設け、それによって前記ほぼ中空の本体（２０）内の燃料が該複数の予混合チューブ又は通路内に噴射されるのを可能にする、請求項１記載の燃料噴射ヘッド。
3. 前記複数の予混合チューブ又は通路（２８）が、１つの列内の予混合チューブ又は通路が隣接する列内の予混合チューブ又は通路からオフセットした状態で同心環状列として配置される、請求項１記載の燃料噴射ヘッド。
4. 前記三次元表面特徴形状部が、複数のほぼ凹状のディンプル（７６、８０、８２）を含む、請求項１記載の燃料噴射ヘッド。
5. 前記三次元表面特徴形状部が、複数のほぼ同心の環状のグルーブ（４４）を含む、請求項１記載の燃料噴射ヘッド。
6. 前記三次元表面特徴形状部が、複数のほぼ半径方向配向のグルーブ（５６）を含む、請求項１記載の燃料噴射ヘッド。
7. 前記三次元表面特徴形状部が、前記複数の同心の環状のグルーブ（６４）に交差した複数のほぼ半径方向配向のグルーブ（６６）をさらに含む、請求項５記載の燃料噴射ヘッド。
8. 前記複数のほぼ凹状のディンプル（７６、８０、８２）が円形又は長円形形状を有する、請求項４記載の燃料噴射ヘッド。
9. 前記複数のほぼ凹状のディンプル（９０）が各々、４つの周囲の予混合チューブ又は通路の群間の全空間をほぼ満たす不規則形状を有する、請求項４記載の燃料噴射ヘッド。
10. 前記表面特徴形状部が、環状のグルーブ、半径方向のグルーブ及び凹状のディンプル（７６、８０、８２）のいずれか１つを含み、前記環状の及び半径方向のグルーブの幅寸法、前記ディンプルの直径、並びに該グルーブ及びディンプルの深さ寸法が、前記予混合チューブ又は通路（２８）の直径の０．１〜１．５倍の範囲内にある、請求項１記載の燃料噴射ヘッド。
11. 燃料／空気混合を強化する拡大再循環パターンを構成した燃料噴射ヘッド（１４）を製作する方法であって、
    ａ）上流端面（２２）、下流端面（２４）及びそれらの間で延びる周壁（２６）を備えたほぼ中空の本体（２０）を形成するステップと、
    ｂ）前記ほぼ中空の本体（２０）に燃料を供給するための燃料供給チューブ（１６）を受けるようになった中心開口部を前記上流端面内に形成するステップと、
    ｃ）前記ほぼ中空の本体を貫通して軸方向に延びかつ前記上流端面における入口（３０）及び前記下流端面における出口（３２）を備えた複数の予混合チューブ又は通路（２８）を設けるステップと、
    ｄ）前記出口（３２）間の区域内において前記下流端面（２４）に三次元表面特徴形状部（４４、５６、６４、７６,８０、８２、９０）のパターンを形成するステップと
    を含む方法。