JP2014173837A

JP2014173837A - 複数の燃料噴射器を持つ多管式燃料ノズルを有するシステム及び方法

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Publication number: JP2014173837A
Application number: JP2014044465A
Authority: JP
Inventors: James Harold Westmoreland; ジェームズ・ハロルド・ウエストモアランド; Ronald James Chila; ロナルド・ジェームズ・チラ; Gregory Allen Boardman; グレゴリー・アレン・ボードマン; Patrick Benedict Melton; パトリック・ベネディクト・メルトン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: JP6514432B2; DE102014102777A1; US20140338339A1; CH707771A2; US9759425B2; DE102014102777B4

Abstract

【課題】多管式燃料ノズルを含むシステムを提供する。
【解決手段】多管式燃料ノズルは複数の燃料噴射器を含む。各燃料噴射器は、複数の混合管のそれぞれの予混合管の中へ延在するように構成される。各燃料噴射器は、本体、燃料通路、及び複数の燃料ポートを含む。前記燃料通路は前記本体内に配置され、且つ前記本体の一部分内に長手方向に延在する。前記複数の燃料ポートは前記本体の前記一部分に沿って配置され且つ前記燃料通路に結合される。前記複数の燃料ポートを持つ前記本体の前記一部分と前記それぞれの予混合管との間に空間が配置される。
【選択図】図１

Description

本書に開示の発明は、一般的に云えば、ガスタービン・エンジンに関し、より詳しく云えば、ガスタービン燃焼器内の燃料噴射器に関するものである。

ガスタービン・エンジンは燃料及び空気の混合物を燃焼して、高温燃焼ガスを生成し、該高温燃焼ガスは次いで１つ以上のタービン段を駆動する。詳しく述べると、高温燃焼ガスはタービン羽根を回転させ、これによって１つ以上の負荷（例えば、発電機）を回転させるようにシャフトを駆動する。ガスタービン・エンジンは、燃料及び空気を燃焼器内へ噴射するために（例えば、複数の燃料ノズルを持つ）燃料ノズル集成体を含む。燃料ノズル集成体の設計及び製作は、燃料及び空気の混合及び燃焼に有意に影響を及ぼすことがあり、これにより、排気物質（例えば、窒素酸化物、一酸化炭素など）及びガスタービン・エンジンの出力に影響を及ぼす虞がある。更に、燃料ノズル集成体の設計及び製作は、時間、コスト、並びに取付け、取外し、保守及び一般的サービスの複雑さに影響を及ぼす虞がある。従って、燃料ノズル集成体の設計及び製作を改善することが望ましい。

米国特許第８３２７６４２号

以下に、「特許請求の範囲」に記載された発明の範囲に相応する特定の実施形態について概要を記載する。これらの実施形態は「特許請求の範囲」に記載された発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ本発明の取り得る形態についての概要を提供しようとするに過ぎない。実際には、本発明は、以下に述べる実施形態と同様であるか又はそれらとは異なることのある様々な形態を包含することができる。

第１の実施形態では、多管式燃料ノズルを含むシステムが提供される。前記多管式燃料ノズルは複数の燃料噴射器を含む。各燃料噴射器は、複数の混合管のそれぞれの予混合管の中へ延在するように構成される。各燃料噴射器は、本体、燃料通路、及び複数の燃料ポートを含む。前記燃料通路は前記本体内に配置されて、前記本体の一部分内に長手方向に延在する。前記複数の燃料ポートは前記本体の前記一部分に沿って配置され且つ前記燃料通路に結合される。前記複数の燃料ポートを持つ前記本体の前記一部分と前記それぞれの予混合管との間に空間が配置される。

第２の実施形態では、燃焼器端蓋集成体及び多管式燃料ノズルを含むシステムが提供される。前記多管式燃料ノズルは、前記燃焼器端蓋集成体に結合された複数の燃料噴射器を含む。各燃料噴射器は、複数の混合管のそれぞれの予混合管の中へ延在するように構成される。各燃料噴射器は、環状部分、先細部分、燃料通路、及び該燃料通路に結合された複数の燃料ポートを含む。前記先細部分は前記環状部分の下流にある。前記燃料通路は前記環状部分を通って延在する。前記複数の燃料ポートは、前記環状部分、前記先細部分、又はそれらの組合せに配置される。

第３の実施形態では、方法が提供される。該方法は、燃焼器から端蓋集成体及び多管式燃料ノズルを取り外す工程と、前記多管式燃料ノズルから前記端蓋集成体を取り外す工程と、前記端蓋集成体から少なくとも１つの燃料噴射器を取り外す工程とを含む。前記多管式燃料ノズルは複数の予混合管及び複数の燃料噴射器を含み、前記複数の燃料噴射器の各燃料噴射器はそれぞれの予混合管内に配置され、また各燃料噴射器は前記端蓋集成体に結合される。

本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付図面を参照した以下の詳しい説明を読むことによってより良く理解されよう。図面では、全図を通じて同様な部品を同様な参照符号で表している。

図１は、複数のマイクロ混合(micromixing) 燃料噴射器を用いるマイクロ混合燃料ノズルを燃焼器内に持つガスタービン・システムの一実施形態のブロック図である。図２は、図１のガスタービン・システムの一実施形態の側断面図であって、該システムの構成部品間の物理的関係を例示する。図３は、図２の線３−３内にある燃焼器の一部分の側断面図であって、該燃焼器の端蓋集成体に結合されたマイクロ混合燃料ノズルを例示する図４は、図３の線４−４内にある燃焼器の部分側断面図であって、マイクロ混合燃料ノズルの詳細を示す。図５は、図４の線５−５内にあるマイクロ混合燃料ノズルのマイクロ混合燃料噴射器及び混合管の一実施形態の側断面図であって、空気ポートを持つ混合管内に配置されるように構成されていて、一定の直径の上流部分、先細の下流部分、及び該先細の下流部分の中まで延在する燃料通路を含んでいるマイクロ混合燃料噴射器スパイクの一実施形態の詳細を示す。図６は、図４の線５−５内にあるマイクロ混合燃料ノズルのマイクロ混合燃料噴射器及び混合管の一実施形態の側断面図であって、空気ポートを持つ混合管内に配置されるように構成されていて、一定の直径の上流部分、相対的に小さい直径の中央部分、先細の下流部分、及び該先細の下流部分の上流で終端する燃料通路を含んでいるマイクロ混合燃料噴射器スパイクの一実施形態の詳細を示す。図７は、図４の線５−５内にあるマイクロ混合燃料ノズルのマイクロ混合燃料噴射器及び混合管の一実施形態の側断面図であって、空気入口領域を持つ混合管内に配置されるように構成されていて、一定の直径の短縮された上流部分、相対的に小さい直径の中央部分、先細の下流部分、及び該先細の下流部分の上流で終端する燃料通路を含んでいるマイクロ混合燃料噴射器スパイクの一実施形態の詳細を示す。図８は、図７のマイクロ混合燃料噴射器スパイクの断面図であって、軸方向成分を含む複数の方向に燃料を方向付けるように様々な軸方向位置及び構成を含む燃料ポートの詳細を示す。図９は、図７の線９−９に沿ったマイクロ混合燃料噴射器スパイクの一実施形態の断面図であって、接線方向成分を含む方向に燃料を方向付ける燃料ポートの詳細を示す。図１０は、燃料噴射器を取り外す方法を例示するための、燃焼器端蓋集成体に結合されたマイクロ混合燃料ノズルの一実施形態の一連の図の内の１つを示す。図１１は、燃料噴射器を取り外す方法を例示するための、燃焼器端蓋集成体に結合されたマイクロ混合燃料ノズルの一実施形態の一連の図の内の別の１つを示す。図１２は、燃料噴射器を取り外す方法を例示するための、燃焼器端蓋集成体に結合されたマイクロ混合燃料ノズルの一実施形態の一連の図の内の別の１つを示す。

以下に本発明の１つ以上の特定の実施形態を記述する。これらの実施形態の説明を簡潔にするために、実際の具現化手段の全ての特徴を本明細書で記述することはできない。ここで、任意の工業又は設計計画におけるように、任意のこのような実際の具現化手段の開発において、開発者の特定の目標を達成するために、具現化手段によって変わり得るシステム関連及び事業関連の制約の順守のような複数の具現化手段特有の意志決定を行わなければならないことを理解されたい。また更に、このような開発努力は、複雑で時間がかかることがあるが、それにも拘わらず、この開示内容を利用する通常の技術者にとって設計、製作及び製造についての日常的な仕事であることを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、数を明記しないで記載した要素及び「前記」と付した要素は、１つ以上の要素があることを意味するものとする。また用語「有する」、「含む」及び「持つ」は、排他的なものではなく、列挙した要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味するものとする。

本書に開示の内容は、ガスタービン・エンジンの燃料ノズル（例えば、多管式燃料ノズル）内で空気及び燃料をマイクロ混合するためのシステムを対象とする。以下に説明するように、多管式燃料ノズルは、互いに離間して大体並列に又は管束にして設けられた複数の混合管（例えば、１０〜１０００個）を含み、各混合管は、燃料入口、空気入口、及び燃料・空気出口を持つ。これらの混合管はまた、各管がその長さに沿って燃料及び空気を比較的小さい規模で混合するので、空気・燃料混合管、予混合管、又はマイクロ混合管と表現することができる。例えば、各混合管は、略０．５〜２、０．７５〜１．７５、又は１〜１．５センチメータの直径を持つことができる。燃料入口は上流軸方向開口に配置することができ、また燃料・空気出口は下流軸方向開口に配置することができ、また空気入口（例えば、１〜１００個の空気入口）は混合管の側壁に沿って配置することができる。更に、各混合管は、該混合管の上流軸方向開口において燃料入口に結合され及び／又は該燃料入口の中へ軸方向に延在する燃料噴射器を含むことができる。燃料噴射器は、多管式燃料ノズルの管レベル燃料噴射器と表現することができるが、１つ以上の軸方向、半径方向、円周方向、又はこれらの任意の組合せのような様々な方向に燃料を混合管の中へ方向付けるように構成することができる。

或る特定の実施形態では、以下に詳しく述べるように、各燃料噴射器は、本体、燃料通路、及び複数の燃料ポートを含む。燃料通路は本体内に配置されて、本体の一部分内を長手方向に延在する。複数の燃料ポートは本体の一部分に沿って配置され、またこれらの燃料ポートは燃料通路に結合される。複数の燃料ポートを持つ該本体部分は、それぞれの予混合管から物理的に且つ熱的に減結合(decouple)されるように構成される。すなわち、それらの構成部品が物理的に接合されていないので、燃料噴射器と予混合管との間の熱伝達が最小にされる。管の本体は、燃料通路を画成する環状部分を含むことができる。複数の燃料ポートは環状部分に配置することができる。実施形態によっては、本体は、上流端、下流端、及び先細部分を含むことができる。先細部分は、上流端から下流端へ向かう方向に先細になっている。燃料通路は先細部分の中まで延在する。複数の燃料ポートは先細部分に配置することができる。他の実施形態では、本体は、上流端、下流端、燃料通路を画成する環状部分、及び上流端から下流端へ向かう方向に先細になっている先細部分を有する。これらの実施形態の燃料通路は先細部分より前に終端することができ、また複数の燃料ポートが環状部分に沿って配置される。更に、環状部分は先細部分と部分的にオーバーラップして、オーバーラップ部分を形成することができ、また前記複数の燃料ポートは該オーバーラップ部分に配置することができる。本体は、それぞれの予混合管の内面に突き当たり接触するように構成された外面を持つ上流部分を含むことができる。実施形態によっては、複数の燃料ポートの内の少なくとも１つの燃料ポートは、それぞれの予混合管の中へ燃料を半径方向に噴射するように構成される。更に、実施形態によっては、複数の燃料ポートの内の少なくとも１つの燃料ポートは、軸方向、半径方向及び接線方向成分を持つ方向に燃料を噴射するように構成される。複数の燃料ポートは、本体の一部分に沿った第１の軸方向位置に配置された第１の燃料ポート、及び本体の一部分に沿った第２の軸方向位置に配置された第２の燃料ポートを含むことができる。

以下に述べるように、各燃料ノズルはそのそれぞれの混合管から取り外すことができ、また、複数の混合管のための複数の燃料ノズルの同時の取り付け及び取り外しを可能にする共通の装着構造に結合することができる。例えば、共通の装着構造は、燃焼器端蓋集成体、プレート、マニホルド、又は別の構造部材を含むことができ、それらは複数の燃料ノズルの全て又は一部を支持する。従って、取り付けの際、複数の燃料ノズルを持つ装着構造（例えば、端蓋集成体）は、多管式燃料ノズルへ向けて軸方向に動かして、全ての燃料ノズルがそれぞれの混合管の中へ同時に挿入されるようにすることができる。同様に、取り外し、サービス、又は保守作業の際に、複数の燃料ノズルを持つ構造（例えば、端蓋集成体）は、多管式燃料ノズルから離れるように軸方向に動かして、全ての燃料ノズルがそれぞれの混合管から同時に引き出されるようにすることができる。以下に、燃料ノズルの実施形態について、図面を参照して更に詳しく説明する。

次に図面について、先ず図１について説明すると、マイクロ混合燃料ノズル１２を持つガスタービン・システム１０の一実施形態のブロック図が示されている。ガスタービン・システム１０は、１つ以上の燃料ノズル１２（例えば、多管式燃料ノズル）、燃料供給装置１４、及び燃焼器１６を含む。燃料ノズル１２は、空気圧縮機２０から圧縮空気１８及び燃料供給装置１４からの燃料２２を受け取る。本実施形態では酸化剤として空気の場合について説明するが、本実施形態は、空気、酸素、酸素豊富化空気、酸素低減空気、酸素混合物、又はこれらの任意の組合せを使用することができる。以下に更に詳しく述べるように、燃料ノズル１２は複数（例えば、１０〜１０００個）の燃料噴射器２４及び関連した混合管２６（例えば、１０〜１０００個）を含み、各混合管２６は、空気流をそれぞれの管２６へ導いて調整するための空気流調整器２８を持ち、また各混合管２６は、（例えば、同軸又は同心構成で管２６内に配置された）それぞれの燃料噴射器２４を持ち、該燃料噴射器２４はそれぞれの管２６の中へ燃料を噴射するための燃料ポート２５を持つ。各混合管２６はその長さに沿って空気と燃料を混合して、燃焼器１６の中へ空気・燃料混合物３０を出力する。或る特定の実施形態では、混合管２６はマイクロ混合管と表現することができ、これは、略０．５〜２、０．７５〜１．７５、又は１〜１．５センチメータ、及びそれらの間の全ての部分的範囲の直径を持つことができる。これらの燃料噴射器２４及び対応する混合管２６は、一般的には互いに並列な構成で、密な間隔の燃料噴射器２４の１つ以上の束（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上の束）として配置構成することができる。この配置構成では、各混合管２６は、燃料噴射器２４から燃料を受け取って、各混合管２６内で比較的小規模に燃料及び空気を混合（例えば、マイクロ混合）し、次いで燃料・空気混合物３０を燃焼室へ出力するように構成される。燃料噴射器２４の開示した実施形態の特徴は、混合管２６内へ効率よく燃料を分散させることができることである。更に、燃料噴射器２４の開示した実施形態の特徴は、燃料噴射器２４が検査、交換又は修理を簡単にするために容易に取り外すことができるように、予混合管２６から熱的に及び物理的に減結合されていることである。

燃焼器１６は燃料・空気混合物３０に点火して、加圧排出ガス３２を生成し、該ガスはタービン３４へ流れる。加圧排出ガス３２はタービン３４内の羽根に接触し且つ羽根の間を流れて、タービン３４を駆動してシャフト３６を回転させる。最終的には、排出ガス３２は排気出口３８を介してタービン・システム１０を出て行く。圧縮機２０内の羽根が更にシャフト３６に結合されていて、シャフト３６がタービン３４によって回転駆動されたときに回転する。圧縮機２０内の羽根の回転は、空気取入れ口４２から圧縮機２０に引き込まれた空気１８を圧縮する。その結果の圧縮空気１８は、前に述べたように、各々の燃焼器１６内の１つ以上の多管式燃料ノズル１２の中へ供給され、そこで燃料２２と混合され点火されて、実質的に自己持続プロセスを生成する。更に、シャフト３６は負荷４４に結合することができる。当然ことであるが、負荷４４は、発電所又は外部機械的負荷のような、タービン・システム１０のトルクによりパワーを生成することのできる任意の適当な装置であってよい。燃料噴射器２４の実施例を以下により詳しく説明する。

図２は、図１のガスタービン・システム１０の一実施形態の側断面図であって、システム１０の構成部品間の物理的関係を例示する。図示のように、この実施形態では、環状配列の燃焼器１６に結合された圧縮機２０を含む。各燃焼器１６は少なくとも１つの燃料ノズル１２（例えば、多管式燃料ノズル）を含む。各燃料ノズル１２は複数の燃料噴射器２４を含み、これらの燃料噴射器は燃料を複数の混合管２６に分散させ、混合管で燃料が圧縮空気１８と混合される。燃料噴射器２４は、１つ以上の軸方向、半径方向、円周方向、又はこれらの任意の組合せのような様々な方向に燃料を噴射することによって、混合管２６内での燃料と空気の混合を改善することに役立つ。混合管２６は、各燃焼器１６内に位置する燃焼室４６へ燃料・空気混合物３０を供給する。燃焼器１６内での燃料・空気混合物３０の燃焼は、前に述べたように、排出ガス３２（例えば、燃焼ガス）が排気出口３８へ向けて通過するときにタービン３４内の羽根を回転させる。説明全体を通じて、一組の軸を参照する。これらの軸は円筒座標系に基づくものであり、軸方向４８、半径方向５０、及び円周方向５２を指す。例えば、軸方向４８は燃料ノズル１２の長さ又は長手方向軸５４に沿って延在し、半径方向５０は長手方向軸５４から離れるように延在し、また円周方向５２は長手方向軸５４の周りに延在する。加えて、接線方向５５も参照することができる。

図３は、図２の線３−３内にある燃焼器１６の一部分の側断面図である。図示のように、燃焼器１６はヘッド・エンド５６及び燃焼室４６を含む。燃料ノズル１２が燃焼器１６のヘッド・エンド５６内に配置される。燃料ノズル１２内には複数の混合管２６（例えば、空気・燃料予混合管）が懸架されている。これらの混合管２６は、一般に、燃焼器１６の端蓋集成体５８と燃料ノズル１２のキャップ面集成体６０との間に軸方向４８に延在する。混合管２６は端蓋集成体５８とキャップ面集成体６０との間で燃料ノズル１２内に浮遊構成で取り付けるように構成することができる。例えば、実施形態によっては、各混合管２６は、燃料ノズル１２の動作中の管２４の熱膨張によって惹起され得る軸方向及び半径方向運動を吸収するように１つ以上の軸方向バネ及び／又は半径方向バネによって浮遊構成で支持することができる。端蓋集成体５８は、燃料２２を複数の燃料噴射器２４へ供給するために燃料入口６２及び燃料プレナム６４を含むことができる。前に述べたように、各個別の燃料噴射器２４は個別の混合管２６内に取外し可能な態様で配置される。或る特定の実施形態では、燃料噴射器２４及び混合管２６は別々の構成部品であり、これらは物理的に別々であって、燃料噴射器２４への熱伝達を妨げるのに役立つように熱的に減結合されている。燃焼プロセスの際、燃料２２は、軸方向に端蓋集成体５８から（燃料噴射器２４を介して）各々の混合管２６を通ってキャップ面集成体６０を通ることにより、燃焼室４６へ移動する。燃料ノズル１２の長手方向軸５４に沿ったこの移動方向は、下流方向６６と呼ばれる。その反対方向は、上流方向６８と呼ばれる。

前に述べたように、圧縮機２０は、空気取入れ口４２から受け取った空気４０を圧縮する。その結果の圧縮空気１８の流れは、燃焼器１６のヘッド・エンド５６内に位置する燃料ノズル１２へ供給される。空気は、燃焼プロセスで用いるために空気入口７０（例えば、半径方向空気入口）を介して燃料ノズル１２に入る。より具体的に述べると、圧縮空気１８は、圧縮機２０から、燃焼器１６のライナー７４（例えば、環状ライナー）と流れスリーブ７６（例えば、環状流れスリーブ）との間に形成された環状路７２の中を上流方向６８に流れる。環状路７２が終端している場合、圧縮空気１８は燃料ノズル１２の空気入口７０に流入するように強制されて、燃料ノズル１２内の空気プレナム７８を充たす。次いで、空気プレナム７８内の圧縮空気１８は、空気流調整器２８（例えば、複数の空気ポート又は空気入口領域）を通って複数の混合管２６に入る。混合管２６の中では、空気１８が燃料噴射器２４によって供給された燃料２２と混合される。燃料・空気混合物３０が混合管２６から燃焼室４６の中へ下流方向６６に流れて、燃焼室４６で点火されて燃焼して、燃焼ガス３２（例えば、排出ガス）を生成する。燃焼ガス３２は燃焼室４６から下流方向６６に燃焼器尾筒８０へ流れる。燃焼ガス３２は、次いで、燃焼器尾筒８０からタービン３４へ流れ、そこで燃焼ガス２２はタービン３４内の羽根を回転駆動する。

図４は、図３の線４−４内にある燃焼器１６の部分側断面図である。燃焼器１６のヘッド・エンド５６は多管式燃料ノズル１２の一部分を収容する。支持構体８２が多管式燃料ノズル１２及び複数の混合管２６を取り囲んで、空気プレナム７８を画成する。前に述べたように、実施形態によっては、各混合管２６は端蓋集成体５８とキャップ面集成体６０との間に軸方向に延在することができる。混合管２６は更に、燃料・空気混合物３０を燃焼室４６へ直接に供給するために、キャップ面集成体６０を通って延在することができる。各混合管２６は、燃料噴射器２４を（例えば、同軸又は同心構成で）取り囲むように配置して、噴射器２４が燃料２２を燃料プレナム６４から受け取って、該燃料を管２６の中へ導くようにする。各混合管２６は空気流調整器２８を含み、これは管２６に入るときの空気を調整する。以下に開示する燃料噴射器２４の特徴により、噴射器２４が管２６内の圧縮空気１８の中へ燃料を効率よく分散させることができるようにする。燃料プレナム６４には、端蓋集成体５８に配置された燃料入口６２から燃料２２が供給される。実施形態によっては、保持板８４及び／又は衝突板９２が燃料ノズル１２内に配置されて、キャップ面集成体６０に大体近接して混合管２６の下流端９６を取り囲む。衝突板９２は、複数の衝突冷却オリフィスを含むことができ、該オリフィスは、衝突冷却を行うためにキャップ面集成体６０の後面に対して衝突するように空気の噴流を方向付けすることができる。

図５は、図４の線５−５内にあるマイクロ混合燃料ノズルのマイクロ混合燃料噴射器２４（例えば、燃料噴射器スパイク９３）及び混合管２６の一実施形態の側断面図である。マイクロ混合燃料ノズル１２の混合管２６の中へ軸方向に延在するマイクロ混合燃料噴射器２４の詳細が示されている。燃料噴射器２４は、上流部分１０２及び下流部分１０４を持つ本体１００を含む。或る特定の実施形態では、上流部分１０２の外面１０９の直径１０６は軸方向４８に一定に維持される。燃料噴射器２４の下流部分１０４の外面１０９の直径１０８は、軸方向下流方向６６に減少し、これにより燃料噴射器２４は先端部１１０まで次第に先細になっていて、スパイク９３（例えば、先細環状部分又は円錐形部分）を形成する。燃料噴射器２４の上流部分１０２は混合管２６の内面１１２に直接隣接する。下流部分１０４は混合管２６内で直径が減少して、燃料噴射器２４と混合管２６との間に空間（例えば、混合領域）を画成し、そこで燃料２２及び空気１８が管２６内で遭遇して混合する。混合管２６が燃焼室４６が近接している結果、管２６に熱が伝達される。燃料噴射器２４及び混合管２６は、燃料噴射器２４への熱伝達を最小にすることができるように、物理的に及び熱的に減結合される。図示のように、燃料噴射器２４の上流端１１４が端蓋集成体５８に結合される。燃料噴射器２４は、様々な継手によって、例えば、鑞付け継手、溶接継手、ボルト又はネジ接続、楔嵌め、締まり嵌め、或いはこれらの任意の組合せによって、端蓋集成体５８に結合することができる。以下に更に説明するように、開示する実施形態は、燃料噴射器２４が検査のため及び／又は端蓋集成体５８から取り外すためにアクセス可能であり且つ容易に再取付けできるようにする。燃料噴射器２４は、燃料通路１１６を画成する環状部分１１５を含む。環状部分１１５は上流部分１０２全体にわたって延在し且つオーバーラップ部分１１７においてスパイク２４の先細下流部分１０４とオーバーラップしてオーバーラップ部分１１７を形成する。燃料噴射器２４が端蓋集成体５８に取り付けられているとき、図示のように、燃料通路１１６は、端蓋集成体５８内に配置された燃料ノズル１２の燃料プレナム６４に結合される。この結合により、燃料噴射器２４は端蓋集成体５８の燃料プレナム６４から燃料２２を受け取ることが可能になる。或る特定の実施形態では、燃料を受け取る燃料通路１１６は、燃料噴射器２４の上流部分１０２では一定であり且つ燃料噴射器２４の先細下流部分１０４では次第に減少する直径１１８を持つ。

燃料噴射器２４の下流部分１０４には、複数の燃料ポート２５が設けられており、これらの燃料ポート２５は燃料噴射器２４の環状部分１１５を通って延在していて、燃料を燃料噴射器２４から混合管２６の中へ外向きの方向（例えば、半径方向、円周方向及び／又は軸方向の成分を持つ方向）に流れさせることができる。燃料噴射器２４には、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又は任意の他の数の燃料ポート２５を設けることができる。燃料ポート２５は、燃料噴射器の本体１００に沿って同じ軸方向４８の位置において燃料噴射器２４の円周に沿って配置することができ、又は本体１００に沿った様々な軸方向４８の位置を持つことができる。例えば、燃料噴射器２４は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上の軸方向位置に配置された１つ以上の燃料ポート２５を持つことができ、それらは互いから軸方向にずれている。空気流調整器２８が、スパイク２４上の燃料ポート２５よりも上流６８に且つ混合管２６に配置されている。この実施形態では、空気流調整器２８は、圧縮空気１８を燃料ノズルの燃料プレナム６４から混合管２６の中へ方向付ける複数の空気ポート１２０を含む。前に述べたように、空気ポート１２０は、燃料ノズルの空気プレナム７８からの空気が混合管２６に入ることができるようにする。燃料噴射器２４の下流部分１０４の先細形状は、予混合管２６内のブラッフボディ(bluff-body)伴流を除くか又は最小にする空気力学的形状とすることができる。火炎保持の可能性もまた燃料噴射器２４の空気力学的形状によって最小にすることができる。噴射器スパイク９３が徐々に先細になっていることにより、燃料・空気混合物３０は徐々に拡散して、実質的に一様な燃料・空気混合物３０を生成することができる。本実施形態では、燃料ポート２５は燃料を実質的に半径方向５０に（例えば、燃料噴射器２４の長手方向軸１２２に対して或る合成角を持つ方向に）方向付ける。他の実施形態では、以下に説明するように、燃料ポート２５は燃料を様々な方向に（例えば、軸方向４８及び／又は接線方向５５の成分を持つ方向に）方向付けるように構成することができる。燃料ポート２５の接線方向５５は、燃料を軸１２２の周りの円周方向５２に方向付けて、旋回流を生じさせるように構成される。更に、他の実施形態では、燃料ポート２５は、空気ポート１２０の場所よりも上流の位置に配置することができる。

図６は、図４の線５−５内にあるマイクロ混合燃料ノズル１２のマイクロ混合燃料噴射器２４，１３０及び混合管２６の別の実施形態の側断面図であって、マイクロ混合燃料噴射器スパイク１３０の一実施形態の詳細を示す。上記の実施形態と同様に、燃料噴射器１３０は、混合管２６の内径１３６に略等しいか又はそれより僅かに小さい直径１３４の外面１３５を持つ上流部分１３２を含む。燃料噴射器１３０は更に軸方向中央部分１３８を持ち、その外面１３５の直径１４０は、上流部分１３２の外面１３５の直径１３４よりもかなり小さい。中央部分１３８より下流方向６６に、燃料噴射器１３０の下流部分１４２はその外面１３５の直径１４４が徐々に減少し、これにより燃料噴射器１３０は先端部１４６まで徐々に先細になって、スパイク９３，１４７を画成する。燃料噴射器１３０の下流部分１４２の先細形状は、予混合管２６内のブラッフボディ(bluff-body)伴流及び火炎保持を除くか又は最小にする空気力学的形状である。

燃料通路１４８が燃料噴射器１３０の上流端１５０から燃料噴射器１３０の中央部分１３８を通って延在する。端蓋集成体５８内に配置されている燃料通路１４８の上流部分１５２が燃料プレナム６４から燃料を受け取り、該上流部分１５２は、燃料通路１４８の下流部分１５４の直径１５８よりも大きい直径１５６を持つ。燃料噴射器１３０の中央部分１３８に沿って、燃料通路１４８の直径１５８は、上流部分１５２の直径１５６よりも相対的に小さく且つ軸方向４８に沿って一定である。燃料通路１４８の中央部分１６０は段差を設けて先細に（例えば、円錐状に）形成されて、燃料通路１４８の上流部分１５２と下流部分１５４との間に段階的な移行部を作成する。燃料通路１４８のこの構成により、燃料２２は、燃料プレナム６４から燃料通路１４８の上流部分１５２を通って燃料通路１４８の下流部分１５４まで実質的に滑らかに移行することができる。燃料通路１４８のこの段階的な狭小（例えば、円錐状の減少）により、燃料２２が燃料供給装置１４から燃料噴射器１３０へ移動するときに、伴流及び乱流のような擾乱を最小にすることができる。本実施形態では、燃料通路１４８は燃料噴射器１３０の先細の下流部分１４２よりも上流６８で終端する。そこで、燃料ポート２５が、燃料噴射器１３０の本体を通って延在して、燃料通路１４８に結合される。燃料ポート２５は、混合管２６の空気ポート１２０よりも下流６６の軸方向４８位置で、燃料噴射器１３０の中央部分１３８に配置される。従って、空気１８及び燃料２２は、燃料噴射器スパイク１３０の（直径１４０が一定である）中央部分１３８と軸方向に同じである位置から入る。燃料噴射器１３０は、燃料噴射器１３０の中央部分１３８、混合管２６の空気ポート１２０及び燃料噴射器１３０の燃料ポート２５よりも下流６６で先細になっているので、燃料２２及び空気１８は下流方向６６に移動するにつれて徐々に拡散して混合することができる。

図７は、図４の線５−５内にあるマイクロ混合燃料ノズル１２のマイクロ混合燃料噴射器２４，１７０及び混合管２６，１７２の一実施形態の側断面図であって、空気入口領域１７４を持つ混合管２６，１７２内に配置されるように構成されたマイクロ混合燃料噴射器１７０の詳細を示す。混合管１７２の上流６８に空気入口領域１７４を含む空気流調整器２８を備えた混合管１７２の一実施形態が図示されている。この実施形態の燃料ノズル１２では、燃料噴射器１７０の本体が、混合管１７２から部分的に軸方向にずらされている。この物理的離間（例えば、軸方向ずれ）により、空気が空気入口領域１７４（例えば、混合管１７２のベルマウス形の空気入口領域）を通って混合管１７２に入ることができ、そこで空気は混合管１７２の内部で燃料２２と混合する。混合管１７２は、複数のストラット(strut) 支持体１７８（例えば、半径方向アーム）によって支持され、該支持体１７８は、半径方向内向きに延在していて、空気１８を軸方向４８に通過させながら燃料噴射器１７０を囲む。ストラット支持体１７８は、空気力学的翼形形状を持つことができる。１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれ以上のストラット支持体１７８を設けることができる。空気入口領域１７４の近くに設けられた隙間を最大にするため、燃料噴射器１７０の本実施形態は、短縮された上流部分１８０を持ち、その外面１８１の直径１８２は、燃料噴射器１７０の中央部分１８６の外面１８１の直径１８４よりもほんの僅か大きい。中央部分１８６は端蓋集成体５８から混合管１７２の中へ軸方向に延在する。燃料通路１８８が、燃料噴射器１７０の上流端１９０から燃料噴射器１７０の中央部分１８６を通って延在する。端蓋集成体５８内に配置された燃料通路１８８の上流部分１９２は、燃料噴射器１７０の中央部分１８６内にある燃料通路１８８の下流部分１９６よりも大きい直径１９４を持つ。燃料通路１８８はまた中央部分１９８を持ち、該中央部分は、燃料２２を燃料通路１８８のより狭い下流部分１９６の中へ徐々に導くように湾曲して先細（例えば、円錐状）になっている。前に述べたように、燃料通路１４８のこの構成により、燃料は燃料プレナム６４から燃料噴射器１７０へ滑らかに移行することができる。複数の燃料ポート２５が燃料噴射器の環状部分１８９を通って延在して、燃料通路１８８に結合される。図示のように、それらの燃料ポート２５は、燃料噴射器１７０の先細の下流部分２００（例えば、先細の環状部分、円錐形部分、又はスパイク）よりも上流の燃料噴射器１７０の中央部分１８６に配置される。燃料噴射器１７０の先細の部分２００よりも上流の燃料ポート２５の位置により、空気１８及び燃料２２は（燃料噴射器１７０が一定の直径の外面１８１を含んでいる）一定の直径１８４の区域で遭遇することができる。従って、燃料及び空気は、下流方向６６に移動するにつれて、燃料噴射器スパイク１７０の先細の下流部分２００にわたって徐々に混合することができる。

図８は、図７の燃料噴射器２４，１７０の断面図であって、一定の直径１８４の中央部分１８６及び先細の下流部分２００を示す。一実施形態の燃料ポート２１０，２１１の詳細を示している。前に述べたように、複数の管２６，１７２の間で分配される空気の圧力及び速度は、燃料ノズル１２内での位置によって変化することがある（例えば、空気入口７０からの距離が増すにつれて空気圧力は低くなる）。複数の管２６，１７２の間で混合の一様性を改善するために、それぞれの管２６と対になっている燃料噴射器１７０に設けられる複数の燃料ポート２１０，２１１を、燃料噴射器１７０の環状部分２０９上の様々な軸方向４８位置に配置することができる。更に、燃料ポート２１０，２１１は、管２６，１７２及び燃料噴射器２４，１７０の主長手方向軸２１４に対して様々な角度２１２で燃料を送り出すように構成することができる。燃料ポート２１０，２１１の角度は、上流方向６８又は下流方向６６に、０〜９０、１０〜８０、２０〜７０、３０〜６０、４０〜５０、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、又は９０度とすることができる。第１の軸方向位置に複数の燃料ポート２１０が、また第２の上流６８の軸方向位置に別の一組の燃料ポート２１１が、燃料噴射器１７０に配置され且つ燃料通路２１５に結合される。図示のように、下流６６側の燃料ポート２１０は、下流方向６６軸方向成分を持つ方向（例えば、矢印２１６で示した軸方向下流方向）に燃料２２を混合管２６内へ分配するように構成される。上流の燃料ポート２１１は、軸方向成分を持たない半径方向２１７（例えば、直角の角度２１２）に燃料を方向付けるように構成される。燃料ポート２１０，２１１の位置及びそれらが燃料を送り出す方向によって、燃料噴射は、個々の混合管２４内の予想される状態に対応させることができる。他の実施形態では、燃料ポート２５は、より大きい又はより小さい下流方向６６軸方向成分を持つ方向に燃料を方向付けるように構成することができる。燃料ポート２１０の方向を下流方向６６に構成することによって、入って来る高圧の空気１８によって燃料ポート２１０において燃料の閉塞が発生することを防止し又は最小にすることができる。この代わりに、燃料ポート２１０は、上流方向６８軸方向成分を持つ方向に燃料２２を方向付けるように構成することができる。燃料ポート２１０の角度構成のこれらの変形は、燃料・空気混合物３０の一様性に影響を及ぼすことのある燃料ノズル１２内の様々な状態（例えば、空気１８の圧力及び軸方向速度の局部的な変化）を補償することができる。

図９は、図７の線９−９に沿ったマイクロ混合燃料噴射器１７０の断面図であって、別の実施形態の燃料ポート２５，２２０の詳細を示している。或る実施形態に従って、燃料ポート２５，２２０が、接線方向成分２２２を持つ方向に燃料２２を混合管２６，１７２の中へ分散させるように構成されることを示している。すなわち、半径方向軸５０に対する燃料ポート２２０の角度２２４がゼロよりも大きい。例えば、燃料ポート２２０の角度２２４は、略０〜４５度、０〜３０度、１５〜４６度、１５〜３０度、４５〜９０度、６０〜９０度、４５〜７５度、又は６０〜７５度、及びそれらの間の全ての部分的範囲にすることができる。角度２２４は、噴射された燃料を軸２１４の周りの円周方向５２に方向付けして、旋回燃料流を供給するように設定することができ、この旋回燃料流は、結果として生じる燃料・空気混合物３０の一様性を改善することができる。例えば、幾つかの燃料ポート２２０の角度２２４を、略５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、又は４５度、或いは任意の他の角度とすることができ、また他の燃料ポート２２０の角度２２４を、５、１０、１５、２０、２５、３０、４０又は４５度、或いは任意の他の角度とすることができる。実施形態によっては、燃料ポート２２０は、燃料を軸２１４の周りに時計方向回りに旋回させるように構成することができ、また他の燃料ポート２２０は、燃料を軸２１４の周りに反時計方向回りに旋回させるように構成することができる。旋回方向のこの変化は、燃料ノズル１２の空気入口７０に対する個々の燃料噴射器２４，１７０及び対応する混合管２６，１７２の円周方向位置に基づいて作ることができる。

図１０〜図１２は、燃焼器端蓋集成体５８に結合されたマイクロ混合燃料ノズル１２の一実施形態の一連の図であって、燃料噴射器２４を取り外す方法を例示する。図１０は、燃焼器１６のヘッド・エンド５６から取り外され且つ端蓋集成体５８に結合された多管式燃料ノズル１２を示す。燃料入口６２を持つ端蓋集成体５８が支持構体８２及びキャップ面集成体６０と結合されていることを示す。燃料噴射器２４にアクセスするために、図１１に示されているように、端蓋集成体５８が支持構体８２及びキャップ面集成体６０から分離される。支持構体８２及びキャップ面集成体６０を取り外すと、燃料ノズル１２の端蓋集成体５８に結合された燃料噴射器２４が現れる。次いで、図１２に示されているように、燃料噴射器２４を端蓋集成体５８上のそれらの位置から取り外すことができる。前に述べたように、燃料噴射器２４は、様々な継手によって、例えば、鑞付け継手、溶接継手、ボルト又はネジ接続、締まり嵌め、楔嵌め、或いはこれらの任意の組合せによって、端蓋集成体５８に結合することができる。実施形態によっては、噴射器２４が端蓋集成体５８にネジ込まれている場合、噴射器２４はネジを緩めることによって取り外すことができる。１つ以上の燃料噴射器２４の取外しにより、検査、交換、修繕を行うことができ、或いは燃料ノズル１２の製造、取り付け及び動作の際に見い出された任意の他の目的を行うことができる。燃料噴射器２４の取り付けは、図１０〜図１２に例示された工程を逆の順序にすれば達成される。すなわち、１つ以上の燃料噴射器２４をキャップ面集成体６０上の所定位置に挿入（例えば、鑞付け又は螺入）することができる（図１２）。次いで、燃料噴射器２４をそれぞれの混合管２６と整列させて、支持構体８２を端蓋集成体５８と結合する（図１１）。次いで、組み立てられた燃料ノズル１２（図１２）を燃焼器１２のヘッド・エンド５６に取り付けることができる。

開示した実施形態の技術的効果として、ガスタービン・システム１０の多管式燃料ノズル１２内での燃料１４と空気１８との混合を改善するためのシステム及び方法が挙げられる。詳しく述べると、燃料ノズル１２は、それぞれ予混合管２６内に１つずつ配置された複数の燃料噴射器２４を備えている。各燃料噴射器スパイク２４は燃料ポート２５を含み、該燃料ポート２５により燃料ノズル１２に入る燃料が方向付けられて、空気流調整器２８を通って入る空気と混合する。燃料噴射器スパイク２４及び混合管２６が物理的に減結合されているので、それらはまた熱的に減結合されており、これによって燃料ノズル１２の動作中に生じることのある熱膨張に対して簡単化した管理を行うことができる。燃料ポート２５は、異なる数、形状、大きさ、空間的配列で構成することができ、また燃料を様々な角度に方向付けるように構成することができる。このカスタマイズにより混合及び一様性を増大させ、多管式燃料ノズル１２内の複数の燃料噴射器２４の間での変化する空気１８及び燃料２２の圧力を補償することができる。燃料２２及び空気１８の混合の増大により、燃焼器１６内での火炎安定性が増大し、且つ望ましくない燃焼副産物の量が低減される。個別の燃料噴射器２４を取り外し交換する方法により、燃料ノズル１２の費用効果の高い且つ効率の良い修理が可能である。

本書に開示では幾つかの典型的な大きさ及び寸法を与えたが、記述した燃焼器の様々な構成部品は拡大又は縮小し、また様々な種類の燃焼器及び様々な用途に合わせて個別に調節することができることを理解されたい。本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が、任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施できるようにするために、幾つかの例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０ガスタービン・システム
１２マイクロ混合燃料ノズル
１８圧縮空気
２２燃料
２４燃料噴射器
２５燃料ポート
３０空気・燃料混合物
３２加圧排出ガス
３６シャフト
４６燃焼室
４８軸方向
５０半径方向
５２円周方向
５４長手方向軸
５５接線方向
５６ヘッド・エンド
５８端蓋集成体
６０キャップ面集成体
６２燃料入口
６４燃料プレナム
６６下流方向
６８上流方向
７０空気入口
７２環状路
７４ライナー
７６流れスリーブ
７８空気プレナム
８０燃焼器尾筒
８２支持構体
８４保持板
９２衝突板
９６下流端
９３燃料噴射器スパイク
１００本体
１０２上流部分
１０４下流部分
１０６直径
１０８直径
１０９外面
１１０先端部
１１２内面
１１４上流端
１１５環状部分
１１６燃料通路
１１７オーバーラップ部分
１１８直径
１２０空気ポート
１２２長手方向軸
１３０マイクロ混合燃料噴射器
１３２上流部分
１３４直径
１３５外面
１３６内径
１３８軸方向中央部分
１４０直径
１４２下流部分
１４４直径
１４６先端部
１４７スパイク
１４８燃料通路
１５０上流端
１５２上流部分
１５６直径
１５８直径
１５４下流部分
１６０中央部分
１７０マイクロ混合燃料噴射器
１７２混合管
１７４空気入口領域
１７８ストラット支持体
１８０短縮された上流部分
１８２直径
１８１外面
１８４直径
１８６中央部分
１８８燃料通路
１８９環状部分
１９０上流端
１９２上流部分
１９４直径
２００先細の下流部分
２１０燃料ポート
２１１燃料ポート
２０９環状部分
２１２角度
２１４主長手方向軸
２１５燃料通路
２１６軸方向下流方向
２１７半径方向
２２０燃料ポート
２２２接線方向成分
２２４角度

Claims

多管式燃料ノズルを有するシステムであって、
前記多管式燃料ノズルは複数の燃料噴射器を有し、各燃料噴射器は、複数の混合管のそれぞれの予混合管の中へ延在するように構成され、また各燃料噴射器は、本体と、前記本体内に配置され且つ前記本体の一部分内に長手方向に延在する燃料通路と、前記本体の前記一部分に沿って配置され且つ前記燃料通路に結合された複数の燃料ポートとを有し、前記本体の前記一部分と前記それぞれの予混合管との間に空間が配置されていること、
を特徴とするシステム。
前記本体は、前記燃料通路を画成する環状部分を有する、請求項１記載のシステム。
前記複数の燃料ポートは前記環状部分に配置されている、請求項２記載のシステム。
前記本体は、上流端、下流端、及び先細部分を有しており、前記先細部分は、前記上流端から前記下流端へ向かう方向に先細になっている、請求項１記載のシステム。
前記燃料通路は前記先細部分の中まで延在している、請求項４記載のシステム。
前記複数の燃料ポートは前記先細部分に配置されている、請求項５記載のシステム。
前記燃料通路が前記先細部分より前に終端し、且つ前記複数の燃料ポートが前記上流端と前記先細部分との間の環状部分に沿って配置されている、請求項４記載のシステム。
前記本体は、前記それぞれの予混合管の内面に突合せ接触するように構成された外面を持つ上流部分を有する、請求項１記載のシステム。
前記複数の燃料ポートの内の少なくとも１つの燃料ポートは、前記それぞれの予混合管の中に半径方向に燃料を噴射するように構成されている、請求項１記載のシステム。
前記複数の燃料ポートの内の少なくとも１つの燃料ポートは、前記燃料噴射器の長手方向軸に対して角度を成して燃料を噴射するように構成されている、請求項１記載のシステム。
前記角度は、前記長手方向軸に対して軸方向上流方向へ又は軸方向下流方向へ配向されている、請求項１０記載のシステム。
前記角度は、前記燃料噴射器の長手方向軸を中心にして円周方向に燃料を方向付けるように接線方向に配向されている、請求項１０記載のシステム。
前記複数の燃料ポートは、前記本体の前記一部分に沿った第１の軸方向位置に配置された第１の燃料ポート、及び前記本体の前記一部分に沿った第２の軸方向位置に配置された第２の燃料ポートを有している、請求項１記載のシステム。
前記システムは燃焼器端蓋集成体を有し、該燃焼器端蓋集成体に前記複数の燃料噴射器が結合されている、請求項１記載のシステム。
前記システムは、前記多管式燃料ノズルを持つガスタービン・エンジン又は燃焼器を有している、請求項１記載のシステム。
燃焼器端蓋集成体と、
前記燃焼器端蓋集成体に結合された複数の燃料噴射器を有する多管式燃料ノズルであって、各燃料噴射器が複数の混合管の内のそれぞれの予混合管の中へ延在するように構成され、また各燃料噴射器は、環状部分、前記環状部分の下流にある先細部分、前記環状部分を通って延在する燃料通路、及び前記燃料通路に結合された複数の燃料ポートを有し、前記複数の燃料ポートは、前記環状部分、前記先細部分、又はそれらの組合せに配置されている、多管式燃料ノズルと、
を有するシステム。
前記環状部分は前記先細部分と部分的にオーバーラップして、オーバーラップ部分を形成し、また前記複数の燃料ポートは前記オーバーラップ部分に沿って配置されている、請求項１６記載のシステム。
前記複数の燃料噴射器の各燃料噴射器は、個々に前記燃焼器端蓋集成体から取り外し又はそれに取り付けられるように構成されている、請求項１６記載のシステム。
燃焼器端蓋集成体と、
前記燃焼器端蓋集成体に結合された燃料噴射器を有する多管式燃料ノズルであって、前記燃料噴射器が予混合管の中へ延在するように構成され、また前記燃料噴射器は、環状部分、前記環状部分の下流にある先細部分、前記環状部分を通って延在する燃料通路、及び前記燃料通路に結合された複数の燃料ポートを有し、前記複数の燃料ポートは、前記環状部分、前記先細部分、又はそれらの組合せに配置されている、多管式燃料ノズルと、
を有するシステム。
前記環状部分は前記先細部分と部分的にオーバーラップして、オーバーラップ部分を形成し、また前記複数の燃料ポートは前記オーバーラップ部分に沿って配置されている、請求項１９記載のシステム。