JP2016099106A - 集束管状燃料ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器内での燃焼ダイナミックスを軽減するよう構成された改善された集束管状燃料ノズルを提供すること。【解決手段】集束管状燃料ノズルは、燃料分配本体を含む。燃料分配本体は、外面から軸方向に離間した内面を有する実質的に平坦な後方壁と、後方壁の内面から軸方向に離間した燃料ステムカラーと、燃料ステムカラー及び後方壁の間を延びる曲線輪郭の前方壁と、を含む。曲線輪郭の前方壁及び後方壁は、燃料分配本体内に燃料プレナムを定める。集束管状燃料ノズルは更に、燃料プレナムと流体連通した複数の噴射管を含む。各噴射管は、燃料分配本体内で曲線輪郭の前方壁から後方壁に延び、曲線輪郭の前方壁、燃料プレナム及び後方壁を通って予混合通路を定める。【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的に、集束管状燃料ノズルを有する燃焼器に関する。より具体的には、本発明は、燃焼器内の燃焼ダイナミックスを軽減するよう構成された集束管状燃料ノズルにおける燃料分配本体に関する。

燃焼器は、燃料を点火して高温高圧の燃焼ガスを生成する産業及び商用運転において一般的に使用されている。例えば、ガスタービン及び他のターボ機械は通常、出力又は推力を発生させるため１又はそれ以上の燃焼器を含む。電力を発生するのに使用される典型的なガスタービンは、前方に軸流圧縮機と、中間付近に複数の燃焼器と、後方にタービンとを含む。周囲空気が作動流体として圧縮機に流入し、該圧縮機は、作動流体に漸次的に運動エネルギーを与えて、高エネルギー状態の圧縮作動流体を生成する。

圧縮作動流体は、圧縮機から流出して、燃焼器において１又はそれ以上の燃料ノズル及び／又は管体を通って流れ、ここで圧縮作動流体が燃料と混合された後、点火されて高温高圧の燃焼ガスを発生する。特定の構成において、各燃焼器は、複数の集束管体又はマイクロミキサ型の燃料ノズルを含む。複数の集束管体又はマイクロミキサ型燃料ノズルは、燃焼の前に燃焼室から上流側で燃料と作動流体（すなわち、空気）の予混合を可能にするよう構成されている。燃焼ガスは、タービンを通って流れ、ここで膨張して仕事を産出する。例えば、タービンにおける燃焼ガスの膨張によって、発電機に接続されたシャフトを回転させて電気を発生させることができる。

特定の動作条件では、一部の燃焼器は、燃焼プロセス又は火炎ダイナミックスと燃焼器の１又はそれ以上の音響共鳴周波数との相互作用又はカップリングの結果として燃焼不安定性を引き起こす場合がある。例えば、燃焼不安定性の１つのメカニズムは、音圧の脈動により燃料ポートにて質量流量の変動が引き起こされ、この結果として火炎の燃空比変動が生じたときに発生する可能性がある。結果として生じる燃料／空気比変動及び音圧脈動が一定の相挙動（例えば、同相又はほぼ同相）を有するときには、自励フィードバックループが起こる。このメカニズム及び結果として生じる燃焼ダイナミックスの大きさは、燃料の噴射と、火炎ゾーンに到達したときの時間との間の遅延時間に依存し、これは「対流時間」（τ：タウ）として当該技術分野で知られている。一般に、対流時間と周波数との間には反比例の関係があり、すなわち、対流時間が大きくなると、燃焼不安定性の周波数が低下し、対流時間が小さくなると、燃焼不安定性の周波数が上昇する。集束管状燃料ノズルの場合では、対流時間は、一般に、燃料が噴射される各管体内の所定ポイントから決定される管体の出口に燃料及び空気が到達するのに要する時間として測定される。

幾つかの事例では、燃焼ダイナミックスは、１又はそれ以上の燃焼器及び／又は下流側構成部品の耐用寿命を短縮する場合があることが観測された。例えば、燃焼ダイナミックスは、燃料ノズル及び／又は燃焼室内部で圧力パルスを生成することがあり、これは、これらの構成部品の高サイクル疲労寿命、燃焼火炎の安定性、保炎の設計マージン、及び／又は望ましくないエミッションに悪影響を及ぼす可能性がある。代替として又はこれに加えて、特定の周波数及び十分な振幅を有する、同相及びコヒーレントである燃焼ダイナミックスは、タービン及び／又は他の下流側構成部品において望ましくない共振を生じる可能性がある。

燃焼ダイナミックスを軽減する現行のシステム及び／又は方法は、１つの特定の周波数及び／又は限定的な周波数範囲を軽減するよう設計された減衰システムを含む。集束管状燃料ノズルに関連する他のシステムは、集束管状燃料ノズルの燃料プレナム部分から下流側の個々の管体の長さを可変にし、従って、対流時間に影響を与えて、特定の周波数が燃焼器内で生じるのを軽減又は阻止することを含む。しかしながら、現行のシステムは、一般に複雑で、製造及び維持するのに高コストとなる場合がある。従って、燃焼器内での燃焼ダイナミックスを軽減するよう構成された改善された集束管状燃料ノズルが有用となる。

米国特許第４，１１７，３０２号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の１つの実施形態は、集束管状燃料ノズルである。集束管状燃料ノズルは、燃料分配本体を含む。燃料分配本体は、外面から軸方向に離間した内面を有する実質的に平坦な後方壁と、後方壁の内面から軸方向に離間した燃料ステムカラーと、燃料ステムカラー及び後方壁の間を延びる曲線輪郭の前方壁と、を含む及び／又は定める。曲線輪郭の前方壁及び後方壁は、燃料分配本体内に燃料プレナムを定める。集束管状燃料ノズルは更に、燃料プレナムと流体連通した複数の噴射管を含む。各噴射管は、燃料分配本体内で曲線輪郭の前方壁から後方壁に延び、曲線輪郭の前方壁、燃料プレナム及び後方壁を通って予混合通路を定める。

本開示の第２の実施形態は、集束管状燃料ノズルである。集束管状燃料ノズルは、外面から軸方向に離間した内面を含む実質的に平坦な後方壁を有する及び／又は定める燃料分配本体を含む。外壁は、後方壁の外周を囲み、燃料ステムカラーは、後方壁の内面から軸方向に軸方向に離間している。曲線輪郭の前方壁は、燃料ステムカラーと外壁との間を延びる。曲線輪郭の前方壁、外壁、及び後方壁は、燃料分配本体内に燃料プレナムを定める。複数の噴射管は、曲線輪郭の前方壁から後方壁に軸方向に延びる。各噴射管が、曲線輪郭の前方壁の外面にて又は外面に沿って終端する。各噴射管が、曲線輪郭の前方壁、燃料プレナム及び後方壁を通って予混合通路を定める。各噴射管がまた、燃料プレナムと予混合通路との間に流体連通を提供する少なくとも１つの燃料ポートを含む。

本発明はまた、燃焼器を含む。燃焼器は、外側ケーシングに結合された端部カバーと、集束管状燃料ノズルと、を含む。集束管状燃料ノズルは、燃料ステムを介して端部カバーに流体結合された燃料分配本体と、平行に集束状態で配列された複数の管体と、を含む。各管体は、出口端部から軸方向に分離された入口端部を含む。燃料分配本体は、外面から軸方向に離間した内面を有する実質的に平坦な後方壁と、後方壁の内面から軸方向に離間し、燃料ステムに結合された燃料ステムカラーと、燃料ステムカラー及び後方壁の間を延びた曲線輪郭の前方壁と、を含む。曲線輪郭の前方壁及び後方壁が、燃料分配本体内に燃料プレナムを少なくとも部分的に定める。燃料分配本体は更に、燃料プレナムと流体連通した複数の噴射管を含む。各噴射管は、曲線輪郭の前方壁から後方壁まで延び、曲線輪郭の前方壁、燃料プレナム及び後方壁を通って予混合通路を定める。各噴射管は、燃料プレナムと予混合通路との間に流体連通を提供する燃料ポートを含む。複数の管体の各管体は、燃料分配本体の対応する予混合通路から下流側に延びている。

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービンの機能ブロック図。 本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的な燃焼器の側方斜視図。 本発明の１つの実施形態による、図２に示すような燃焼器の一部の上流側の図。 本発明の種々の実施形態による例示的な集束管状燃料ノズルの下流側斜視図。 少なくとも１つの実施形態による、図４に示すような集束管状燃料ノズルの拡大側断面図。 本発明の種々の実施形態による図４及び５に示すような燃料分配本体の側断面図。 本発明の１つの実施形態による、例示的な燃料分配本体の側断面図。

ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を用いている。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。

各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。本発明の例示的な実施形態は、例示の目的で、陸上発電用ガスタービン燃焼器のための集束管状燃料ノズルに関して全体に説明しているが、本発明の実施形態は、ターボ機械の燃焼器の何らかのスタイル又はタイプに適用することができ、請求項に別途記載のない限り、陸上発電用ガスタービン燃焼器用の燃焼器又は燃焼システムに限定されないことは、当業者には容易に理解されるであろう。

燃料分配本体は、必要となる修正がゼロ又は最小で既存の集束管状燃料ノズルに後付けすることができる。噴射管高さが変化することで、燃料分配本体の軸方向中心線に対して燃料プレナム内の同じ平面又は異なる平面の何れにも燃料ポートを配置できるようになる。燃料分配本体の曲線輪郭の前方壁部分は、従来の燃料分配本体よりも必要な材料が少なく、従って、集束管状燃料ノズルの全体重量が低減され、これによりコストが低減され、組み立てられた集束管状燃料ノズルの堅牢さが向上する。加えて、燃料分配本体内での可変の噴射管長さは、可能性のある燃焼ダイナミックスの問題を軽減及び／又は阻止することができる。加えて、燃料プレナム内の噴射管に沿った燃料ポート位置を変えることで、所望の対流時間を提供し、従って、非均一な複数タウ（τ）動的手法を用いて燃焼ダイナミックスを軽減することができる。加えて、燃料分配本体の曲線輪郭の前方壁は、従来の平坦面前壁とは対照的に３５度又はそれよりも大きい増角を可能にし、従来の平坦面前壁は、平坦な前面のための噴射管前方壁境界部においてコーン又はフィレットの構築を必要とし、従って、コスト及び重量が付加される。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン１０の機能ブロック図を示す。図示のように、ガスタービン１０は、一般に、一連のフィルタ、冷却コイル、湿分分離器、及び／又はガスタービン１０に流入する空気１４又は他の作動流体を浄化及び他の方法で調和させる他の装置を含むことができる入口セクション１２を含む。空気１４は、圧縮機セクションに流れ、ここで圧縮機１６は、空気１４に漸次的に運動エネルギーを与えて、圧縮空気を生成する。

圧縮空気１８は、燃料供給システム２２からの燃料２０と混合されて、１又はそれ以上の燃焼器２内で可燃性混合気を形成する。可燃性混合気が燃焼して、高温高圧高速の燃焼ガス２６を生成する。燃焼ガス２６は、タービンセクションのタービン２８を流れて仕事を産出する。例えば、タービン２８は、シャフト３０に接続することができ、タービン２８の回転が圧縮機１６を駆動して、圧縮空気１９を生成するようになる。代替として、又はこれに加えて、シャフト３０は、電力を生成するためにタービン２８を発電機３２に接続することができる。タービン２８からの排気ガス３４は、タービン２８を該タービン２８から下流側の排気スタック３８に接続する排気セクション３６を流れる。排気セクション３６は、例えば、環境に放出する前に排気ガス３４を清浄にしてこれから追加の熱を抽出する熱回収蒸気発生器（図示せず）を含むことができる。

燃焼器２４は、当該技術分野で公知のあらゆるタイプの燃焼器とすることができ、本発明は、請求項に記載のない限り、何らかの特定の燃焼器設計に限定されない。例えば、燃焼器２４は、缶アニュラ型又はアニュラ燃焼器とすることができる。図２は、図１に示されるガスタービン１０に組み込むことができ、また、本発明の１又はそれ以上の実施形態を組み込むことができる例示的な燃焼器２４の一部の斜視側面図を示す。図３は、１つの実施形態による燃焼器の一部の上流側上面図を示す。

図２に示すような例示的な実施形態において、燃焼器２４は、外側ケーシング４０により少なくとも部分的に囲まれる。外側ケーシング４０は、圧縮機１６などの圧縮空気供給源と流体連通している。燃焼器は、外側ケーシング内に燃焼室４４を少なくとも部分的に定める燃焼ライナ及び／又は移行ダクトのような１又はそれ以上のライナ４２を含むことができる。特定の構成において、流れスリーブ又はインピンジメントスリーブのような１又はそれ以上の外側スリーブ４８は、１つ又は複数のライナ４４を少なくとも部分的に囲むことができる。１つ又は複数の外側スリーブ４８は、１つ又は複数のライナ４２から半径方向に離間した配置され、圧縮空気１８の一部を燃焼器２４のヘッド末端部分５２に向けて配向するための環状流路５０を定めるようにする。ヘッド末端部分５２は、外側ケーシング４０に固定接続された端部カバー５４によって少なくとも部分的に定めることができる。

種々の実施形態において、燃焼器２４は、外側ケーシング４０内に配置又は包まれた複数の集束管状燃料ノズル１００を含む。図２及び３に示すように、複数の集束管状燃料ノズル１００は、共通の軸中心線１０２の周りに環状に配列することができる。種々の実施形態において、各集束管状燃料ノズル１００は、燃料ステム５６を介して端部カバー５４に接続される。燃料ステム５６は、燃料スキッド及び／又は端部カバー５４などの燃料供給源（図示せず）と流体連通している。

図３に示すような特定の実施形態において、集束管状燃料ノズル１００は、中心線１０２と実質的に同軸に整列した中心燃料ノズル１０４の周りに環状に配列することができる。特定の構成において、中心燃料ノズル１０４は、図３に示すようなスウォズル又は予混合燃料ノズルとすることができ。或いは、集束管状又はマイクロミキサ型の燃料ノズルとすることができる。

図４は、本発明の種々の実施形態による燃料ステム５６を含む例示的な集束管状燃料ノズル１００の下流側斜視図を示す。図５は、少なくとも１つの実施形態による、図４に示すような集束管状燃料ノズル１００の拡大側断面図を示す。図４及び５に示すような特定の実施形態において、集束管状燃料ノズル１００は、燃料ステム５６に流体接続される燃料分配本体１０６を含む。特定の実施形態において、集束管状燃料ノズル１００は、集束状態で配列された複数の管体１０８を含む。複数の管体１０８の各管体１０８は、互いに平行で燃料分配本体１０６から下流側に延びる。

図５に示すように、各管体１０８は、出口端部１１２から軸方向に分離された入口端部１１０を含む。図３に示すように、各管体１０８の出口端部１１２は、端部キャップ又はプレート１１４を通って又は部分的に通って延びることができる。燃料ステム５６は、図２に示すように燃焼器２４に設置されたときに、端部カバー５４から軸方向下流側に延び、燃料分配本体１０６は、燃料ステム５６から軸方向下流側に延び、複数の管体１０８は、図４に示すように燃料分配本体１０６から下流側に延びる。管体１０８の出口端部１１２は、一般に、燃焼室４４（図２）から上流側で及び／又は隣接して終端する。

図６は、本発明の種々の実施形態による、図４及び５に示す燃料分配本体１０６の側断面図を示す。図７は、本発明の別の実施形態による、図４及び５に示す燃料分配本体１０６の側断面図である。図６に示すような種々の実施形態において、燃料分配本体１０６は、実質的に平坦な後方壁１１６を含む。後方壁１１６は、燃料分配本体１０６の軸方向中心線１２２に対して外側又は外面１２０から軸方向に離間した内側又は内面１１８を含む及び／又は定める。図４及び６に示すような特定の実施形態において、燃料分配本体１０６は、後方壁１１６の外周を囲む外壁１２４を含む及び／又は定める。

図６に示すような種々の実施形態において、燃料分配本体１０６は更に、中心線１２２に対して後方壁１１６の内面１１８から軸方向に離間した燃料ステムカラー１２６を含む及び／又は定める。燃料ステムカラー１２６は、一般に、燃料分配本体１０６の上流側末端部分１２８に位置付けられる。図５に示すような特定の実施形態において、燃料ステム５６は、燃料ステムカラー１２６を介して燃料分配本体１０６に接続又は結合される。

図４に示すような種々の実施形態において、燃料分配本体１０６は、曲線輪郭の前方壁１３０を含む及び／又は定める。本明細書で使用される場合、用語「曲線輪郭」は、限定ではないが、弓形、湾曲、又は波状の面又は壁など、実質的に平坦でない面又は壁を含む。図５及び６において最も明確に示されるように、曲線輪郭の前方壁１３０は、燃料ステムカラー１２６と後方壁１１６との間に延びる。特定の実施形態において、曲線輪郭の前方壁１３０は、燃料ステムカラー１２６と外壁１２４との間に延びる。外壁１２４は、種々の図において示されているが、本発明は、請求項に別途指定されない限り、外壁１２４を有する燃料分配本体１０６に限定されるものではない。例えば、曲線輪郭の前方壁１３０は、燃料ステムカラー１２６から後方壁１１６に延びることができる。図６に示すような特定の実施形態において、曲線輪郭の前方壁１３０は、中心線１２２に対して燃料ステムカラー１２６から後方壁１１６に向かって半径方向外向きに末広になっている。図４及び７に示すような特定の実施形態において、曲線輪郭の前方壁１３０は、燃料分配本体１０６の周りに円周方向（図４）及び／又は軸方向（図７）に波状に、すなわち上下することができる。

図５及び６に示すように、曲線輪郭の前方壁１３０及び後方壁１１６は、燃料分配本体１０６内で燃料プレナム１３２を少なくとも部分的に定める。特定の実施形態において、曲線輪郭の前方壁１３０、外壁１２４、及び後方壁１１６は、燃料分配本体１０６内で燃料プレナム１３２を少なくとも部分的に定める。図５及び６に示すような種々の実施形態において、燃料分配本体１０６は、燃料プレナム１３２と流体連通した複数の噴射管１３４を含む及び／又は定める。各噴射管１３４は、燃料プレナム１３２を通じて、後方壁１１６及び／又は後方壁１１６の内面１１８から燃料ステムカラー１２６に向けって軸方向に延びる。各噴射管１３４は、曲線輪郭の前方壁１３０にて終端し及び／又は曲線輪郭の前方壁１３０内に連続して一体化することができる。複数の噴射管１３４のうちの各個々の噴射管１３４の所望又は所要の軸方向長さＡ_Ｌは、一般に、曲線輪郭の前方壁１３０の形状又は曲線輪郭を決定付ける。

図６の噴射管１３４は、該噴射管１３４が燃料分配本体１０６の外周又は外壁１２４に最も近い噴射管１３４から半径方向内向きに軸方向中心線１２２に向かって軸方向長さＡＬが増大するようなパターンで配列されているが、噴射管１３４は、噴射管１３４の軸方向長さＡＬが変化するあらゆるパターンで配列できることは、本明細書で十分に企図される。例えば、中心線１２２に最も近い噴射管１３４の少なくとも一部が、半径方向外向きに離間した噴射管１３４よりも小さい軸方向長さＡ_Ｌを有していてもよい。結果として、曲線輪郭の前方壁１３０は、種々の噴射管１３４の軸方向長さＡ_Ｌに対応する異なるプロファイル又は形状を有することになる。

図６に示すように、各噴射管１３４は、曲線輪郭の前方壁１３０、燃料プレナム１３２、及び後方壁１１６を通って流体連通を提供する予混合通路１３６を少なくとも部分的に定める。例えば、図４及び６に示すような種々の実施形態において、各予混合通路１３６の入口部分１３８は、曲線輪郭の前方壁１３０の外面１４０に沿って定められる。入口部分１３８は、外面１４０と面一又は実質的に面一となる。結果として、入口部分はほぼ長円形状である。

図６に示すように、各予混合通路１３６の出口部分１４２は、後方壁１１６の外面１２０に沿って定められる。図５に示すような特定の実施形態において、複数の管体１０８のうちの各管体１０８の入口端部又は部分１１０は、出口部分１４２において対応する噴射管１３４の予混合通路１３６と同心状に整列される。複数の管体１０８のうちの各管体１０８は、対応する予混合通路１３６と流体連通している。

図６に示すように、噴射管１３４の少なくとも一部は、１又はそれ以上の燃料ポート１４４を含むことができる。１つ又は複数の燃料ポート１４４は、一般に、燃料プレナム１３２内の対応する噴射管１３４に沿って定められ、各燃料ポート１４４は、燃料プレナム１３２と予混合通路１３６との間に流路を定めることができる。特定の実施形態において、種々の管体の燃料ポート１４４は、中心線１２２に対して互いに軸方向にオフセットしている。例えば、１つの実施形態において、複数の噴射管１３４のうちの第１の噴射管１４８の第１の燃料ポート１４６は、中心線１２２に対して複数の噴射管１３４のうちの第２の噴射管１５２の第２の燃料ポート１５０から軸方向にオフセットしており、ここで第１及び第２の燃料ポート１４６，１５０は、燃料プレナム１３２と、第１及び第２の噴射管１４８，１５２それぞれとの間で流体連通を提供する。１つの実施形態において、複数の噴射管１３４のうちの第３の噴射管１５６の第３の燃料ポート１５４は、第１及び第２の燃料ポート１４６，１５０のうちの少なくとも１つから軸方向にオフセットしている。特定の実施形態において、種々の燃料ポート１４４の正確な軸方向位置及び／又はオフセット距離は、所望の対流時間及び／又は燃焼器２４内で軽減又は排除されることになる特定の周波数に基づいて決定付けられる。

作動時には、圧縮空気１８の一部は、ヘッド端部５２及び／又は端部カバー５４に向かって流れ、ここで方向を反転して各予混合通路１３６の入口部分１４０に流れる。燃料は、燃料ステム５６を介して燃料プレナム１３２に提供される。燃料は、燃料プレナム１３２から各対応する噴射管１３４の燃料ポート１４４を介して、予混合通路１３６の各々に噴射される。燃料は、各予混合通路１３６の出口部分１４２に向けて中心線１２２に対して軸方向距離Ａ_Ｄを移動するときに、各予混合通路１３６内で圧縮空気１８と予混合される。燃料及び空気混合気は、各予混合通路１３６の出口部分から出て、複数の管体１０８の対応する管体１０８を下方に移動した後、燃焼室４４内に流出し、ここで燃焼して燃焼ガス２６を生成する。

燃料が個々の予混合通路１３６内に噴射された時間から燃料が燃焼室に到達した時間の間の時間は、従来から「対流時間」及び／又は（タウ：τ）として当該技術分野で周知である。燃焼不安定性及び結果として生じる燃焼ダイナミックス大きさをもたらすメカニズムは、少なくとも１つには対流時間に依存することが示されている。一般に、対流時間と周波数との間には反比例の関係がある。例えば、対流時間が大きくなると、燃焼不安定性の周波数が低下し、対流時間が小さくなると、燃焼不安定性の周波数が上昇する。燃焼ダイナミックスは、一部の場合複数の周波数で、対流時間を変化させることにより影響を及ぼし又は軽減することができることが示されている。これは、燃焼ダイナミックスを軽減する複数タウ動的手法として知られている。特定の実施形態において、各噴射管１３４の軸方向長さＡ_Ｌは、集束管状燃料ノズル１００を流れる燃料及び空気の対流時間、従って、複数タウ動的手法を介した燃焼ダイナミックスの可能性のある作用の軽減に影響を及ぼすように決定又は選択することができる。例えば、噴射管１３４の第１の部分は、該噴射管１３４の第２、第３、第４、又はそれよりも大きい部分よりも長い軸方向長さＡ_Ｌを有することができる。これに加えて、又は代替形態において、種々の噴射管１３４の燃料ポート１４４間の軸方向オフセットは、集束管状燃料ノズル１００を流れる燃料及び空気の対流時間を増加及び／又は減少させ、従って、複数タウ動的手法を介した複数周波数の燃焼ダイナミックスの可能性のある悪影響を排除又は低減するよう調整又は決定することができる。

コスト及び重量を低減するため、並びに複雑に入り組んで形成された曲線輪郭の前方壁１３０及び／又は変化する軸方向長さＡ_Ｌの噴射管１３４及び／又は上述のような燃料分配本体１０６の１つ又は複数の燃料ポート１４４の軸方向位置の正確な位置決めを提供するために、燃料分配本体１０６は、少なくとも部分的に又は全体的に１又はそれ以上の付加製造技法又はプロセスを介して製造又は形成することができ、このようにすることで、従来の製造プロセスによってこれまで生産可能であったものに比べて、燃料分配本体１０６内でより優れた精度及び／又はより複雑に入り組んだ詳細部を提供する。本明細書で使用される場合、用語「付加製造された」又は「付加製造技法又はプロセス」は、限定ではないが、押し出し成膜、ワイヤ、粒状材料結合、粉体床及びインクジェットヘッド３Ｄプリンティング、積層及び光重合などの様々な既知の３Ｄプリンティング製造法を含む。

１つの実施形態において、直接金属レーザ焼結ＤＭＬＳは、本明細書で記載される燃料分配本体１０６を製造するのに好ましい方法である。ＤＭＬＳは、３次元情報（例えば、燃料分配本体１０６の３次元コンピュータモデル）を用いて金属構成部品を作製する既知の製造プロセスである。３次元情報は、複数のスライスに変換され、ここで各スライスは、構成部品の断面を所定高さのスライスとして定義する。次いで、燃料分配本体１０６は、終了するまでスライス単位で又は層単位で「積層」される。燃料分配本体１０６の各層は、レーザを用いた金属粉体を溶融することにより形成される。

曲線輪郭の前方壁１３０及び／又は変化する軸方向長さＡ_Ｌの噴射管１３４及び／又は１つ又は複数の燃料ポート１４４の軸方向位置の正確な位置決めを含む、燃料分配本体１０６を製造する方法は、本明細書で好ましい方法としてＤＭＬＳを用いて説明したが、製造の当業者は、層毎の構成又は付加製造を用いた他の何れかの好適な迅速製造法を用いることもできる点は理解されるであろう。これらの代替の迅速製造法には、限定ではないが、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェット及びレーザジェットによるなどの３Ｄプリンティング、ステレオリソグラフィー（ＳＬＳ）、直接選択的レーザ焼結（ＤＳＬＳ）、電子ビーム焼結（ＥＢＳ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、レーザ光学ネットシェイプ（ＬＥＮＳ）、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）、及び直接金属堆積（ＤＭＤ）が挙げられる。

燃焼ダイナミックスを軽減するために本明細書で提供される集束管状燃料ノズル１００は、集束管状燃料ノズルを有する燃焼器に対する既存の燃焼ダイナミックス軽減システムに優る幾つかの技術的利点がある。例えば、集束管状燃料ノズル１００、詳細には本明細書で提供される燃料分配本体１０６は、燃料分配本体１０６から下流側の構成部品を修正することによるのではなく、燃料分配本体１０６を利用した複数タウ手法により燃料体積、対流時間、及び管体長さを最適化する。

この構成はまた、既存の燃焼器における燃焼ダイナミックス周波数を軽減又は調整するための既存の集束管状燃料ノズルのコスト効率のよい後付けを可能にすることができる。例えば、燃料分配本体１０６の下流側に延びる複数の管体１０８は、限定ではないがキャッププレート１１４などの燃焼ハードウェアの複数の他の要素に一体化されるので、これらの管体１０８の長さを一定に維持することが一般に望ましい。しかしながら、噴射管１３４の軸方向長さＡＬを修正することにより、必要に応じて対流時間を増減させ、集束管状燃料ノズル１００の全体の軸方向長さに影響を及ぼすことなく燃焼器内の特定の周波数に対処することができる。

加えて、燃料分配本体１０６を形成する付加製造プロセスにより、画一的でないより優れた設計上の融通性があることに起因して、部品重量の低減、構築時間及びコストの低減、並びに材料体積の低減を可能にする。加えて、本明細書で提供される集束管状燃料ノズルは、高周波及び低周波燃焼ダイナミックスの両方の軽減を可能にする。結果として、燃焼ダイナミックスの可能性のある悪影響が低減され、ガスタービンの作動性が向上する。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を含む場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン
１２ 入口セクション
１４ 作動流体
１６ 圧縮機
１８ 圧縮作動流体
２０ 燃料
２２ 燃料供給源
２４ 燃焼器
２６ 燃焼ガス
２８ タービン
３０ シャフト
３２ 発電機／モータ
３４ 排気ガス
３６ 排気セクション
３８ 排気スタック
４０ 外側ケーシング
４２ ライナ
４４ 燃焼室
４６ 高温ガス経路
４８ 外側スリーブ
５０ 環状流路
５２ ヘッド端部
５４ 端部カバー
５６ 燃料ステム
１００ 集束管状燃料ノズル
１０２ 軸方向中心線
１０４ 中心燃料ノズル
１０６ 燃料分配本体
１０８ 管体
１１０ 入口端部
１１２ 出口端部
１１４ キャッププレート
１１６ 平坦後方壁
１１８ 内側／内面
１２０ 外側／外面
１２２ 中心線
１２４ 外壁
１２６ 燃料ステムカラー
１２８ 上流側端部／部分
１３０ 曲線輪郭の前方壁
１３２ 燃料プレナム
１３４ 噴射管
１３６ 予混合通路
１３８ 入口部分
１４０ 外面−曲線輪郭の前方壁
１４２ 出口部分−後方壁
１４４ 燃料ポート
１４６ 第１の燃料ポート
１４８ 第１の噴射管
１５０ 第２の燃料ポート
１５２ 第２の噴射管
１５４ 第３の燃料ポート
１５６ 第３の噴射管

Claims (20)

1. 燃料分配本体（１０６）を備えた集束管状燃料ノズル（１００）であって、前記燃料分配本体が、
   外面（１２０）から軸方向に離間した内面（１１８）を有する実質的に平坦な後方壁（１１６）と、
   前記後方壁の内面から軸方向に離間した燃料ステムカラー（１２６）と、
   前記燃料ステムカラー及び前記後方壁の間を延び、該後方壁と共に前記燃料分配本体内に燃料プレナム（１３２）を定める曲線輪郭の前方壁（１３０）と、
   前記燃料プレナムと流体連通し、前記曲線輪郭の前方壁から前記後方壁まで各々が延びる複数の噴射管（１３４）と、
   を備え、前記各噴射管が、前記曲線輪郭の前方壁、前記燃料プレナム及び前記後方壁を通って予混合通路（１３６）を定める、集束管状燃料ノズル（１００）。
2. 前記曲線輪郭の前方壁が、前記集束管状燃料ノズルの軸方向中心線に対して前記燃料ステムカラーから前記後方壁まで半径方向外向きに末広になっている、請求項１に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
3. 前記曲線輪郭の前方壁が、前記燃料ステムカラーと前記後方壁との間で波状に起伏している、請求項１に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
4. 前記各噴射管が、前記燃料プレナムと前記予混合通路との間で流体連通を提供する燃料ポート（１４４）を含む、請求項１に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
5. 前記複数の噴射管のうちの第１の噴射管の第１の燃料ポートが、前記複数の噴射管のうちの第２の噴射管の第２の燃料ポートから軸方向にオフセットしており、前記第１及び第２の燃料ポートが、前記燃料プレナムと、前記複数の噴射管の第１及び第２の噴射管との間の流体連通を提供する、請求項１に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
6. 前記複数の噴射管のうちの第３の噴射管の第３の燃料ポートが、前記第１及び第２の燃料ポートの少なくとも一方から軸方向にオフセットしている、請求項５に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
7. 前記燃料ステムカラーに一方端において結合され、燃料供給源（２２）と流体連通した燃料ステム（５６）を更に備える、請求項１に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
8. 平行に集束状態で配列された複数の管体（１０８）を更に備え、前記各管体が、出口端部（１１２）から軸方向に分離された入口端部（１１０）を有し、前記各管体が、対応する予混合通路（１３６）と同心状に整列され、前記複数の管体の各管体が、前記対応する予混合通路と流体連通している、請求項１に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
9. 燃料分配本体（１０６）を備えた集束管状燃料ノズル（１００）であって、前記燃料分配本体が、
   外面（１２０）から軸方向に離間した内面（１１８）を有する実質的に平坦な後方壁（１１６）と、
   前記後方壁の外周を囲む外壁（１２４）と、
   前記後方壁の内面から軸方向に離間した燃料ステムカラー（１２６）と、
   前記燃料ステムカラー及び前記後方壁の間を延び、前記外壁及び前記後方壁と共に前記燃料分配本体内に燃料プレナム（１３２）を定める曲線輪郭の前方壁（１３０）と、
   前記曲線輪郭の前方壁から前記後方壁まで軸方向に延び、前記曲線輪郭の前方壁の外面（１２０）にて各々が終端する複数の噴射管（１３４）と、
   を備え、前記各噴射管が、前記曲線輪郭の前方壁、前記燃料プレナム及び前記後方壁を通って予混合通路（１３６）を定め、前記各噴射管が、前記燃料プレナムと前記予混合通路との間で流体連通を提供する燃料ポート（１４４）を含む、集束管状燃料ノズル（１００）。
10. 前記曲線輪郭の前方壁が、前記集束管状燃料ノズルの軸方向中心線に対して前記燃料ステムカラーから前記外壁まで半径方向外向きに末広になっている、請求項９に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
11. 前記曲線輪郭の前方壁が、前記燃料ステムカラーと前記外壁との間で波状に起伏している、請求項９に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
12. 前記複数噴射管のうちの第１の噴射管の第１の燃料ポートが、前記複数の噴射管のうちの第２の噴射管の第２の燃料ポートから軸方向にオフセットしている、請求項９に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
13. 前記燃料ステムカラーに一方端において結合され、燃料供給源（２２）と流体連通した燃料ステム（５６）を更に備える、請求項９に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
14. 平行に集束状態で配列された複数の管体（１０８）を更に備え、前記各管体が、出口端部（１１２）から軸方向に分離された入口端部（１１０）を有し、前記各管体が、対応する予混合通路と同心状に整列されている、請求項９に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
15. 前記複数の管体の各管体が、前記燃料分配本体の複数の予混合通路のうちの対応する予混合通路と流体連通している、請求項９に記載の集束管状燃料ノズル（１００）。
16. 燃焼器（２４）であって、
    外側ケーシング（４０）に結合された端部カバー（５４）と、
    燃料ステム（５６）を介して前記端部カバーに流体結合された燃料分配本体（１０６）と、平行に集束状態で配列され、各々が出口端部（１１２）から軸方向に分離された入口端部（１１０）を有する複数の管体（１０８）と、を含む集束管状燃料ノズル（１００）と、
    を備え、前記燃料分配本体が、
    外面（１２０）から軸方向に離間した内面（１１８）を有する実質的に平坦な後方壁（１１６）と、
    前記後方壁の内面から軸方向に離間し、前記燃料ステムに結合された燃料ステムカラー（１２６）と、
    前記燃料ステムカラー及び前記後方壁の間を延び、該後方壁と共に前記燃料分配本体内に燃料プレナム（１３２）を定める曲線輪郭の前方壁（１３０）と、
    前記燃料プレナムと流体連通し、前記曲線輪郭の前方壁から前記後方壁まで各々が延びる複数の噴射管（１３４）と、
    を含み、前記各噴射管が、前記曲線輪郭の前方壁、前記燃料プレナム及び前記後方壁を通って予混合通路（１３６）を定め、前記複数の管体の各管体が、前記燃料プレナムと前記予混合通路との間で流体連通を提供する燃料ポート（１４４）を含み、前記複数の管体の各管体が、前記燃料分配本体の対応する予混合通路から下流側に延びている、燃焼器（２４）。
17. 前記曲線輪郭の前方壁が、前記集束管状燃料ノズルの軸方向中心線に対して前記燃料ステムカラーから前記後方壁に向けて半径方向外向きに末広になっている、請求項１６に記載の燃焼器（２４）。
18. 前記曲線輪郭の前方壁が、前記燃料ステムカラーと前記後方壁との間で波状に起伏している、請求項１６に記載の燃焼器（２４）。
19. 前記複数の噴射管のうちの第１の噴射管の第１の燃料ポートが、前記複数の噴射管のうちの第２の噴射管の第２の燃料ポートから軸方向にオフセットしている、請求項１６に記載の燃焼器（２４）。
20. 前記複数の噴射管のうちの第３の噴射管の第３の燃料ポートが、前記第１及び第２の燃料ポートの少なくとも一方から軸方向にオフセットしている、請求項１９に記載の燃焼器（２４）。