JP2016118201A

JP2016118201A - 燃焼器内で冷却空気を利用するシステム及び方法

Info

Publication number: JP2016118201A
Application number: JP2015244707A
Authority: JP
Inventors: キャロリン・アシュレー・アントニオーノ; Ashley Antoniono Carolyn; ヨン・ハン・チョン; Yon Han Chong
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: CH710574B1; CN205746972U; US20160178202A1; CH710574A2; DE102015121649A1; JP6659344B2; US9835333B2

Abstract

【課題】燃焼器内で冷却空気を利用する。【解決手段】システムは、軸方向に延びる中央本体と、該中央本体の少なくとも一部を円周方向に囲むバーナー管と、中央本体とバーナー管との間に定められる予混合通路とを有する燃料ノズルを含む。本システムは更に、キャッププレートと第１のパーティションプレートとの間に定められる第１の冷却空気プレナムと、第２のパーティションプレートと第１のパーティションプレートとの間で第１の冷却空気プレナムから上流側に定められる第２の冷却空気プレナムと、第１の冷却空気プレナムから第２の冷却空気プレナム及び第２のパーティションプレートを通って流体連通を提供する管体と、を有する燃焼器キャップ組立体を含む。本システムは、燃焼器内で冷却空気を利用する方法を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、全体的に、ガスタービン用の燃焼器に関する。より詳細には、本発明は、燃焼器内で冷却空気を利用するシステム及び方法に関する。

空気吸い込み式ターボ機械（例えば、ガスタービン）において、空気は、圧縮機に流入して、燃焼器に向かって送られるときに漸次的に加圧される。圧縮空気は、燃料と予混合され、燃焼器内に定められる燃焼ゾーン内で点火され、結果として高温の燃焼ガスを生成する。次いで、燃焼ガスは、燃焼室からライナ及び／又は移行部品を介してターボ機械のタービンセクションに送られ、ここで燃焼ガスは、固定ベーンと、ロータシャフトに固定されたロータブレードとの交互する列にわたって流れる。燃焼ガスがロータブレードにわたって流れると、運動及び／又は熱エネルギーがロータブレードに伝達され、その結果、ロータシャフトが回転するようになる。

タービン効率を高めるために、現行の燃焼器は高温で作動し、これにより燃焼器内に配置された種々の機械的構成要素に作用する高い熱応力が発生する。結果として、燃焼器に供給される圧縮空気の少なくとも一部は、これらの構成要素を冷却するための冷却空気として使用される。例えば、特定の燃焼器は、燃焼器内で１又はそれ以上の燃料ノズルを少なくとも部分的に囲む略環状の燃焼器キャップ組立体を含む。幾つかの燃焼器キャップ組立体設計は、該燃焼器キャップ組立体の下流側端部に配置されたキャッププレートを含む。燃料ノズルは、通常は燃焼室に実質的に隣接して配置されるキャッププレートを少なくとも部分的に貫通して延びる。その結果、キャッププレートは一般に、極めて高い温度に曝される。

キャッププレートを冷却する方法の１つは、圧縮空気の一部を冷却空気として燃焼器キャップ組立体内に及びキャッププレートの上流側面上に送ることである。次いで、冷却空気は、キャッププレートを貫通して延びる複数の冷却又はエフュージョン孔を通って送られる。冷却空気は、エフュージョン孔から燃焼器内部に定められた反応ゾーン内に流れる。この方法は、エフュージョン冷却として当該産業分野において公知である。しかしながら、複数の冷却孔を通って流れる冷却空気は、燃焼火炎温度よりも遙かに低い温度で燃料と未混合の状態で反応ゾーンに流入する。その結果、ＮＯｘ及び／又はＣＯ２の発生が悪化し、全体のタービン効率を低下させる可能性がある。加えて、冷却空気の冷却能力は、十分には最適化されておらず、すなわち、燃焼器の冷却効率が低下する。従って、燃焼器キャップ組立体内の冷却空気を利用する改善されたシステム及び方法が有用となる。

米国特許第６，９２３，００２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、燃焼器内で冷却空気を利用するシステムである。本システムは、軸方向に延びる中央本体と、該中央本体の少なくとも一部を円周方向に囲むバーナー管と、中央本体とバーナー管との間に定められる予混合通路とを有する燃料ノズルを含む。本システムは更に、キャッププレートと第１のパーティションプレートとの間に定められる第１の冷却空気プレナムと、第２のパーティションプレートと第１のパーティションプレートとの間で第１の冷却空気プレナムから上流側に定められる第２の冷却空気プレナムと、第１の冷却空気プレナムから第２の冷却空気プレナム及び第２のパーティションプレートを通って流体連通を提供する管体と、を有する燃焼器キャップ組立体を含む。燃料ノズルは、燃焼器キャップ組立体内で軸方向に延びる。

本発明の別の実施形態は、燃焼器である。燃焼器は、外側ケーシングに結合された端部カバーを含む。端部カバー及び外側ケーシングが、燃焼器の高圧プレナム及びヘッド端部を定める。燃焼器は更に、端部カバーから軸方向下流側に延び且つヘッド端部と流体連通した燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、軸方向に延びる中央本体と、該中央本体の少なくとも一部を円周方向に囲むバーナー管と、中央本体とバーナー管との間に定められる予混合通路と、中央本体内に定められるパージ空気通路とを含む。燃焼器は更に、燃料ノズルの少なくとも一部を円周方向に囲む燃焼器キャップ組立体を含む。燃焼器キャップ組立体が、キャッププレートと第１のパーティションプレートとの間に定められる第１の冷却空気プレナムと、第２のパーティションプレートと第１のパーティションプレートとの間で第１の冷却空気プレナムから上流側に定められる第２の冷却空気プレナムと、管体と、を含む。管体は、第１の冷却空気プレナムから及び／又はその外部に第２の冷却空気プレナム及び第２のパーティションプレートを通って流体連通を提供する。

本発明の別の実施形態は、ガスタービンの燃焼器のような燃焼器内で冷却空気を利用するための方法である。本方法は、燃焼器内に定められた環状流路から、燃焼器キャップ組立体の第２の冷却空気プレナム内に冷却空気を流入させるステップを含む。環状流路は、高圧プレナムと流体連通している。本方法は更に、冷却空気を第１のパーティションプレートを通って燃焼器キャップ組立体の第１の冷却空気プレナム内に流入させ、冷却空気が燃焼器キャップ組立体のキャッププレートの冷却側に衝突して冷却をもたらすようにするステップを含む。本方法は更に、第１の冷却空気プレナムから出る排気冷却空気を管体を介して燃焼器のヘッド端部部分に送るステップを含む。管体は、第１のパーティションプレート内に定められる開口から、第２の冷却空気プレナム及び該第２の冷却空気プレナムを少なくとも部分的に定める第２のパーティションプレートを通って延びる。

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。

添付図面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。

本発明の少なくとも１つ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１又はそれ以上の実施形態による、例示的な燃焼器を含むガスタービンの例示的な燃焼セクションの一部の側断面図。本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図２に示す燃焼器の一部の拡大断面斜視図。本発明の１つの実施形態による、図３に示す燃焼器の例示的な燃焼器キャップ組立体の一部の斜視図。本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図２に示す燃焼器の動作流れ図を示した、図２に示す燃焼器の一部の拡大断面斜視図。本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図２に示す燃焼器内で冷却空気を利用する例示的な方法のフロー図。

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用いている。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した表示を使用している。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。用語「半径方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に対して実質的に垂直な及び／又はある角度をなす相対方向を指し、用語「軸方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行な及び／又は同軸に整列された相対方向を指す。

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、別の実施形態で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、このような修正形態及び変形形態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。本明細書では産業用又は地上設置型のガスタービンの燃焼器が図示され説明されたが、本発明は、請求項において特に指定のない限り、産業用又は地上設置型のガスタービンの燃焼器に限定されない。例えば、本明細書に記載される本発明は、航空機ガスタービン又は船舶用ガスタービンの燃焼器で用いることができる。

次に、幾つかの図を通して同じ参照符号が同じ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、入口セクション１２を含み、該入口セクションは、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に流入する作動流体（例えば、空気）１４を精製及び調整する他の装置を含むことができる。作動流体１４は、圧縮機セクションに流れ、ここで圧縮機１６は、作動流体１４に漸次的に運動エネルギーを与えて、圧縮又は加圧空気１８を生成する。

圧縮空気１８は、燃料スキッドのような燃料源２２からの燃料２０と混合され、１又はそれ以上の燃焼器２４内で可燃性混合気を形成する。可燃性混合気が燃焼して、高温高圧及び高速の燃焼ガス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を通って流れて仕事を生成する。例えば、タービン２８は、シャフト３０に連結されて、その結果、タービン２８の回転により圧縮機１６を駆動して圧縮空気１８を生成することができる。代替的に又は追加的に、シャフト３０は、タービン２８を発電機３２に接続して電気を生成することができる。タービン２８からの排気ガス３４は、タービン２８から下流側の排気スタック３８にタービン２８を接続する排気セクション３６を通って流れる。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を浄化してそこ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。

図２は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による例示的な燃焼器２４の一部の側断面図である。図２に示すように、燃焼器２４は、圧縮機吐出ケーシングなどの少なくとも１つの外側ケーシング４０によって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（図１）と流体連通し、圧縮機１６からの圧縮空気１８の少なくとも一部を受けるようになっている。１つの構成において、図２に示すように、端部カバー４２は、外側ケーシング４０に結合される。外側ケーシング４０及び／又は端部カバー４２は、燃焼器２４を少なくとも部分的に囲む高圧プレナム４４を少なくとも部分的に定める。

少なくとも１つの燃料ノズル４６は、燃焼器２４の軸方向中心線に対して外側ケーシング４０内で軸方向に延びる。特定の構成において、燃焼器２４は、外側ケーシング４０内に軸方向に延びる複数の燃料ノズル４６を含むことができる。燃料ノズル４６は、第１の端部にて端部カバー４２に結合することができる。燃焼ライナ又は移行ダクトなどの１又はそれ以上のライナ４８は、燃料ノズル４６から下流側に延び、外側ケーシング４０内に燃焼反応ゾーン又は燃焼室５０を少なくとも部分的に定めることができる。加えて、ライナ４８は、外側ケーシング４０内に環状の流路５２を少なくとも部分的に定めることができる。特定の実施形態において、環状流路５２は更に、外側ケーシング４０、端部カバー４２、及び／又は該外側ケーシング４０内に定められる他のライナ又は特徴要素によって定めることができる。環状流路５２は、圧縮空気１８の少なくとも一部を高圧プレナム４４及び／又は圧縮機１６（図１）から端部カバー４２のヘッド端部部分５４に向けて配向する流体流路を定める。

特定の実施形態において、燃料ノズル４６は、外側スリーブ又はバーナー管５６を含む。バーナー管５６は、中央本体又はノズル５８の少なくとも一部を円周方向に囲み、これらの間に環状又は予混合通路６０を少なくとも部分的に定めるようにする。バーナー管５６は、端部カバー４０に近接して定められ且つヘッド端部５４と流体連通した予混合通路６０を含む。予混合通路６０は、ヘッド端部５４と流体連通している。特定の実施形態において、バーナー管５６は、少なくとも１つの半径方向開口６４を含む及び／又は定める。半径方向開口６４は、バーナー管５６を通り、中央本体５８とバーナー管５６との間に定められる環状流路６０内への流体連通を提供する。

特定の実施形態において、燃料ノズル４６は、中央本体５８から予混合通路６０内のバーナー管５６に向けて半径方向外向きに延びる複数のスワーラ又は転回ベーン６６を含む。スワーラベーン６６の各々又はその一部は、１又はそれ以上の燃料噴射ポート（図示せず）を含むことができる。作動時には、スワーラベーン６６は、圧縮空気１８の予混合又は燃焼部分６８に対して、これがスワーラベーン６６を越えて環状流路６０を通過するときに角度方向のスワール（旋回）を与えて、燃焼ゾーン５０の上流側で燃料と圧縮空気１８の予混合部分６８の予混合を強化するようにする。半径方向開口６４は、バーナー管５６に沿った何れかの軸方向位置に位置付けることができる。例えば、半径方向開口６４は、スワーラベーン６６から上流側に、又はスワーラベーン６６の位置に、もしくはその下流側に定めることができる。

特定の構成において、中央本体５８は、パージ、冷却及び／又はパイロット燃焼動作の目的で中央本体５８を通じて圧縮空気を送るパージ又はパイロット空気通路７０を少なくとも部分的に定める。１つの実施形態において、中央本体５８は、少なくとも１つのオリフィス７２を含む。１又は複数のオリフィス７２は、中央本体５８を通じたパージ又はパイロット空気通路７０への流体連通を提供する。１つの実施形態において、１又は複数のオリフィス７２は、予混合通路６０又はヘッド端部５４のうちの少なくとも１つとパージ又はパイロット空気通路７０との間に流体連通を提供する。

種々の実施形態において、１又は複数の燃料ノズル４６の少なくとも一部は、燃焼器キャップ組立体１００を貫通して軸方向に延びる。１又は複数の燃料ノズル４６及び燃焼器キャップ組立体１００は、燃焼器２４内の冷却及び／又は圧縮空気を利用するため個別に又はシステムとして設けることができる。図３は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図２に示す燃焼器２４の拡大側断面図である。図３に示すように、燃焼器キャップ組立体１００は、外側ケーシング４０内で半径方向、円周方向及び軸方向に延びる。燃焼器キャップ組立体１００は、燃料ノズル４６の少なくとも一部を円周方向に囲む少なくとも１つの環状形状のシュラウド１０２を含む。シュラウド１０２は、単一の又は単体構造のシュラウドを含むことができ、又はボルト、溶接又は何らかの田の好適な機械的締結手段を介してそれぞれの端部又はそれに近接して共に結合されて単一の環状形状シュラウドを定めるようにする複数のシュラウドを含むことができる。特定の実施形態において、シュラウド１０２は、外側ケーシング４０内に環状流路５２を少なくとも部分的に定める。

特定の実施形態において、燃焼器キャップ組立体１００は、エフュージョン又はキャッププレート１０４、第１のパーティションプレート１０６、及び第２のパーティションプレート１０８を含む。キャッププレート１０４は、燃焼器キャップ組立体１００の軸方向中心線１１２に対して燃焼器キャップ組立体１００の後端１１０にわたって軸方向、半径方向及び円周方向に延びる。特定の実施形態において、キャッププレート１０４は、一般に途切れのない又は連続的である。特定の実施形態において、キャッププレート１０４は、複数の冷却／エフュージョン孔又は通路１１４を含むことができる。特定の実施形態において、キャッププレート１０４は、１又は複数の燃料ノズル４６を受け取るように定められた１又はそれ以上の燃料ノズル通路１１６を少なくとも部分的に定めることができる。

特定の実施形態において、第１のパーティションプレート１０６は、キャッププレート１０４から上流側で中心線１１２に対してシュラウド１０２内に軸方向、半径方向及び円周方向に延びる。第１のパーティションプレート１０６は、キャッププレート１０４から軸方向に離間して配置され、キャッププレート１０４に実質的に平行に延びる。第１のパーティションプレート１０６及びキャッププレート１０４は、これらの間に第１の冷却空気プレナム１１８を少なくとも部分的に定める。

１つの実施形態において、第１のパーティションプレート１０６は、第１のパーティションプレート１０６を通じて第１の冷却空気プレナム１１８内への流体連通を提供する複数のインピンジメント孔１２０を含む及び／又は定めることができる。種々の実施形態において、第１のパーティションプレート１０６は、１又は複数の燃料ノズル４６のための１又はそれ以上の燃料ノズル通路１２２を少なくとも部分的に定める。特定の実施形態において、１又は複数の燃料ノズル通路１２２は、キャッププレート１０４の１又は複数の燃料ノズル通路１１６と同心状に整列される。

特定の実施形態において、第２のパーティションプレート１０８は、第１のパーティションプレート１０６から上流側で中心線１１２に対してシュラウド１０２内に軸方向、半径方向及び円周方向に延びる。第２のパーティションプレート１０８は、バーナー管５６の入口６２に近接した第１のパーティションプレートから軸方向に離間して配置される。特定の実施形態において、第２のパーティションプレート１０８は、第１のパーティションプレート１０６に実質的に平行である。第２のパーティションプレート１０８及び第１のパーティションプレート１０６は、これらの間に第２の冷却空気プレナム１２４を少なくとも部分的に定める。種々の実施形態において、第２のパーティションプレート１０８は、１又は複数の燃料ノズル４６を受ける１又はそれ以上の燃料ノズル通路１２６を少なくとも部分的に定める。特定の実施形態において、１又は複数の燃料ノズル通路１２６は、キャッププレート１０４の１又は複数の燃料ノズル通路１１６及び／又は第１のパーティションプレート１０６の１又は複数の燃料ノズル通路１２２と同心状に整列される。

特定の実施形態において、燃焼器キャップ組立体１００は、外側支持スリーブ１２８を含む。図４は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による、キャッププレート１０４、第１のパーティションプレート１０６、及び外側支持スリーブ１２８の一部を含む、燃焼器キャップ組立体１００の一部の断面斜視図を示す。図３及び４に示すように、外側支持スリーブ１２８は、環状流路５２（図３）内でシュラウド１０２から外側ケーシング４０（図３）に向かって軸方向、半径方向及び円周方向に延びる。

１つの実施形態において、図３に示すように、外側支持スリーブ１２８は、燃焼器キャップ組立体１００を外側ケーシング４０に結合する。１つの実施形態において、図３及び４に示すように、外側支持スリーブ１２８は、１又はそれ以上の通路１３０を少なくとも部分的に定める。１又は複数の通路１３０は、高圧プレナム４４（図２）と第２の冷却空気プレナム１２４との間を流体連通する流路を提供する。図３及び４に示すように、１又は複数の通路１３０は、中心線１１２に対して外側支持スリーブ１２８を通じてほぼ又は実質的に半径方向に延びることができる。特定の実施形態において、外側支持スリーブ１２８は、複数の軸方向に延びる貫通孔１３２を定めることができる。貫通孔１３２は、圧縮空気１８が環状流路５２を通ってヘッド端部５４に向けて流れるときに圧縮空気１８の一部の流れ調整を提供することができる。例えば、貫通孔１３２は、ヘッド端部５４での圧力又は流速を低減することができる。

種々の実施形態において、図３及び４に全体的に示すように、燃焼器キャップ組立体１００は、複数の管体１３４を含む。各管体１３４は、第１のパーティションプレート１０６内及び／又は第１のパーティションプレート１０６によって定められる対応する開口１３６から、第２の冷却空気プレナム１２４を通って燃焼器２４のヘッド端部５４（図３）に向けて延びる。特定の実施形態において、図３に示すように、管体１３４は、第２のパーティションプレート１０８を通ってヘッド端部５４に向けて延びる。各管体１３４は、排気口又は出口１３８を含む。

管体１３４は、第１の冷却空気プレナム１１８から、第２の冷却空気プレナム１２４を通って燃焼器２４のヘッド端部５４まで、又は少なくともヘッド端部５４に向けて流体連通を提供する。管体１３４は、一般に、冷却プレナム１２４から圧縮空気などの冷却媒体の流れを分離することができる。管体１３４は、中心線１１２に対してほぼ軸方向に延びることができる。他の実施形態において、図３において破線により例示されるように、管体１３４は、第２の冷却空気プレナム１２４を通る蛇行流路を定めるように湾曲又は非直線状にすることができる。各管体は出口を含む。特定の実施形態において、図３において破線により例示されるように、管体１３４のうちの少なくとも１つの管体の出口１３４は、バーナー管５６の環状流路６０への入口６２の上流側及び／又は近接して配置される。特定の実施形態において、図３に示すように、管体１３４のうちの少なくとも１つの管体の出口１３８は、バーナー管５６に定められる半径方向開口６４の上流側及び／又は近接して配置される。

図５は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による、本明細書で説明され図２、３及び４で図示されたような、燃焼器２４の拡大側断面図であり、作動中の燃焼器２４の一部の流れ図を示している。作動時には、高圧プレナム４４からの圧縮空気１８の一部は、第１の温度（Ｔ１）で冷却空気２００として第２の冷却空気プレナム１２４に送られる。Ｔ１は、高圧プレナム４４内の圧縮空気１８の温度と実質的に等しいとすることができる。特定の実施形態において、冷却空気２００は、１又は複数の通路１３０を介して第２の冷却空気プレナム１２４に送られる。

冷却空気２００は、インピンジメント孔１２０を通って第１の冷却空気プレナム１１８内に流れる。インピンジメント孔１２０は、冷却空気２００のジェット又はカラムをキャッププレート１０４の前方又は低温側面１４０に向けて配向し、従って、キャッププレート１０４にインピンジメント／ジェット冷却もしくは対流冷却のうちの少なくとも１つを提供するよう構成又は形成することができる。キャッププレート１０４から抽出された熱エネルギーは、第１の冷却空気プレナム内の冷却空気２００の温度を第２の温度（Ｔ２）まで上昇させる。

排気冷却空気２０２は、管体１３４を介してＴ２で第１の冷却空気プレナム１１８から流出する。管体１３４は、第２の冷却空気プレナム１２４及び第２のパーティションプレート１０８を通じて排気冷却空気２０２を送る。特定の実施形態において、管体１３４は、高圧プレナム４４から第２の冷却空気プレナム１２４内に流れる新規の冷却空気２００から管体内の排気冷却空気２０２を流体的に分離する。排気冷却空気２０２は、第２のパーティションプレート１０８と第２の冷却空気プレナム１２４の外部にある端部カバー４２との間に位置、例えば、燃焼器２４のヘッド端部５４にて又はその近傍の位置にて各それぞれの管体１３４の出口１３８から流出する。

１つの実施形態において、排気冷却空気２０２の少なくとも一部は、バーナー管５６内に定められる１又は複数の半径方向開口６４を通って流れ、燃料ノズル４６の予混合通路６０に流入する。排気冷却空気２０２は、半径方向通路６６の軸方向位置に応じて、スワーラベーン６６の上流側、又はスワーラベーン６６にて、又はその下流側など、バーナー管５６に沿った任意の箇所にて予混合通路６０に流入することができる。このようにして、排気冷却空気２０２は、予混合通路６０をパージするのに用いることができる。加えて又は代替として、高圧プレナム４４からヘッド端部まで第３の温度（Ｔ３）で流れる圧縮空気１８の１次部分２０４よりも暖かい温度Ｔ２の排気冷却空気２０２を用いて、予混合通路６０における燃料−空気の予混合を強化し、従って、燃焼器全体の効率を高めることができる。

１つの実施形態において、圧縮空気１８の１次部分２０４は、ヘッド端部５４から上流側で外側支持スリーブ１２８の貫通孔１３２を通って流れ、従って、圧縮空気１８がヘッド端部５４に向けて流れるときに圧縮空気１８の１次部分２０４の流速又は他の流れ特性を調整又は修正する。圧縮空気１８の１次部分２０４の少なくとも一部は、燃焼器２４のヘッド端部５４に近接して及び／又は該ヘッド端部５４にて排気冷却空気２０２と混合することができる。

１つの実施形態において、排気冷却空気２０２の少なくとも一部は、中央本体５８内に定められた１又は複数のオリフィス７２を介してパージ又はパイロット空気通路７０内に流入する。このようにして、排気冷却空気２０２を用いて、中央本体５８をパージすることができ、及び／又は燃焼器のパイロット動作に用いることができる。

予混合通路６０及び／又はパージ又はパイロット空気通路７０内への排気冷却空気２０２の再導入により、燃焼、冷却及び／又はパージに利用可能な圧縮空気の量が増大する。結果として、高圧プレナムからのより多くの圧縮空気１８を用いて、燃焼器２４及び／又はタービン２８内の１又は複数のライナ４８及び／又は他のハードウェアを冷却することができる。加えて、排気冷却空気２０２を再利用してパージ又はパイロット空気通路７０をパージすることで、排気冷却空気がＴ１及びＴ３よりも暖かい温度Ｔ２で提供されることに起因して、エンジンエミッションの低減をもたらすことができる。

本明細書で記載され図２〜５に示された種々の実施形態は、燃焼器２４内で冷却空気２００を利用する方法３００を提供する。図６は、１つの実施形態による方法３００のフロー図を示す。３０２において、方法３００は、燃焼器２４内に定められた環状流路５２から、該環状流路５２が高圧プレナム４４と流体連通している第２の冷却空気プレナム１２４内に冷却空気２００を流すステップを含む。３０４において、方法３００は、冷却空気２００を第１のパーティションプレート１０６を通って第１の冷却空気プレナム１１８に流入させ、冷却空気２００がキャッププレート１０４の冷却側１４０に衝突して冷却をもたらすようにするステップを含む。３０６において、方法３００は、第１の冷却空気プレナム１１８から出る排気冷却空気２０２を管体１３４を介して燃焼器２４のヘッド端部部分５４に送るステップを含む。管体１３４は、第１のパーティションプレート１０６内に定められる開口１３６から、第２の冷却空気プレナム１２４及び第２のパーティションプレート１０８を通って延び、ここで第２のパーティションプレート１０８が、第２の冷却空気プレナム１２４を少なくとも部分的に定める。

別の実施形態において、方法３００は、燃料ノズル４６の中央本体５８内に定められるパージ空気通路７０内に排気冷却空気２０２を流入させるステップを含む。１つの実施形態において、方法３００は更に、燃料ノズル４６の予混合通路６０内に排気冷却空気２０２を流入させるステップを含む。１つの実施形態において、方法３００は、圧縮空気１８を高圧プレナム４４から環状流路５２を介してヘッド端部５４内に流入させ、冷却排気空気２０２を圧縮空気１８と混合するステップを含む。１つの実施形態において、方法３００は、管体１３４を介して第２の冷却空気プレナム１２４内に流れる冷却空気２００から排気冷却空気２０２を流体的に分離するステップを含む。他の実施形態において、方法３００は、スワーラベーン６６の上流側、又はスワーラベーン６６にて、又はその下流側で予混合通路６０内に排気冷却空気２０２を流入させるステップを含むことができる。

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有する場合、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／空気
１６圧縮機
１８圧縮空気
２０燃料
２２燃料源
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端部カバー
４４高圧プレナム
４６燃料ノズル
４８ライナ
５０燃焼／反応ゾーン
５２環状流路
５４ヘッド端部
５６外側スリーブ／バーナー管
５８中央本体
６０環状／予混合通路
６２入口
６４半径方向開口
６６スワーラ／転回ベーン
６８予混合部分−圧縮空気
７０パージ／パイロット空気通路
７２オリフィス−中央本体
１００燃焼器キャップ組立体
１０２シュラウド
１０４エフュージョン／キャッププレート
１０６インピンジメントプレート
１０８パーティションプレート
１１０後端
１１２中心線
１１４冷却／エフュージョン孔
１１６燃料ノズル通路
１１８インピンジメントプレナム
１２０インピンジメント孔
１２２燃料ノズル通路
１２４冷却空気プレナム
１２６燃料ノズル通路
１２８外側支持スリーブ
１３０通路
１３２貫通孔
１３４管体
１３６開口
１３８出口
１４０低温側
２００冷却空気
２０２排気冷却空気
２０４圧縮空気の１次部分
３００方法
３０２ステップ
３０４ステップ
３０６ステップ

Claims

燃焼器（２４）内で冷却空気を利用するためのシステムであって、
軸方向に延びる中央本体（５８）と、該中央本体の少なくとも一部を円周方向に囲むバーナー管（５６）と、前記中央本体と前記バーナー管との間に定められる予混合通路（６０）とを有する燃料ノズル（４６）と、
燃焼器キャップ組立体（１００）と、
を備え、
前記燃焼器キャップ組立体が、
キャッププレート（１０４）と第１のパーティションプレート（１０６）との間に定められる第１の冷却空気プレナム（１１８）と、
第２のパーティションプレート（１０８）と前記第１のパーティションプレートとの間で前記第１の冷却空気プレナムから上流側に定められる第２の冷却空気プレナム（１２４）と、
前記第１の冷却空気プレナムから前記第２の冷却空気プレナム及び前記第２のパーティションプレートを通って流体連通を提供する管体（１３４）と、
を有し、前記燃料ノズルが、前燃焼器キャップ組立体内で軸方向に延びる、システム。
前記管体が、前記第１の冷却空気プレナムと前記予混合通路との間の流体連通を提供する、請求項１に記載のシステム。
前記燃料ノズルが、前記中央本体内に軸方向に延びるパージ空気通路（７０）を含み、前記管体が、前記第１の冷却空気プレナムと前記パージ空気通路との間の流体連通を提供する、請求項１に記載のシステム。
前記管体が、前記燃料ノズルに実質的に平行に前記第２の冷却空気プレナムを通って延びる、請求項１に記載のシステム。
前記第２の冷却空気プレナム内で前記管体の少なくとも一部が湾曲している、請求項１に記載のシステム。
前記管体が、前記第１の冷却空気プレナムからの排気冷却空気を前記第２の冷却空気プレナムから流体的に分離する、請求項１に記載のシステム。
前記燃焼器キャップ組立体が更に、該燃焼器キャップ組立体のシュラウド（１０２）から半径方向外向きに延びる外側支持スリーブ（１２８）を含み、前記外側支持スリーブが、貫通して前記燃焼器のヘッド端部部分に向けて流れる圧縮空気を調整するよう構成された複数の軸方向に延びる貫通孔（１３２）を含む、請求項１に記載のシステム。
燃焼器（２４）であって、
外側ケーシング（４０）に結合され、該外側ケーシングと共に前記燃焼器の高圧プレナム（４４）及びヘッド端部（５４）を定める端部カバー（４２）と、
前記端部カバーから軸方向下流側に延び且つ前記ヘッド端部と流体連通した燃料ノズル（４６）と、
を備え、
前記燃料ノズルが、軸方向に延びる中央本体（５８）と、該中央本体の少なくとも一部を円周方向に囲むバーナー管（５６）と、前記中央本体と前記バーナー管との間に定められる予混合通路（６０）と、前記中央本体内に定められるパージ空気通路（７０）とを含み、
前記燃焼器が更に、
前記燃料ノズルの少なくとも一部を円周方向に囲む燃焼器キャップ組立体（１００）を備え、
該燃焼器キャップ組立体が、
キャッププレート（１０４）と第１のパーティションプレート（１０６）との間に定められる第１の冷却空気プレナム（１１８）と、
第２のパーティションプレート（１０８）と前記第１のパーティションプレートとの間で前記第１の冷却空気プレナムから上流側に定められる第２の冷却空気プレナム（１２４）と、
前記第１の冷却空気プレナムから前記第２の冷却空気プレナム及び前記第２のパーティションプレートを通って流体連通を提供する管体（１３４）と、
を有し、前記燃料ノズルが、前燃焼器キャップ組立体を貫通して延びる、燃焼器。
前記管体が、前記第１の冷却空気プレナムと前記予混合通路との間の流体連通を提供する、請求項８に記載の燃焼器。
前記管体が、前記第１の冷却空気プレナムと前記パージ空気通路との間の流体連通を提供する、請求項８に記載の燃焼器。
前記管体が、前記燃料ノズルに実質的に平行に前記第２の冷却空気プレナムを通って延びる、請求項８に記載の燃焼器。
前記第２の冷却空気プレナム内で前記管体の少なくとも一部が湾曲している、請求項８に記載の燃焼器。
前記管体の出口が、前記バーナー管の半径方向開口（６４）、前記予混合通路への入口（６２）、及び前記中央本体内に定められるオリフィス（７２）のうちの少なくとも１つに近接して定められる、請求項８に記載の燃焼器。
前記第２の冷却空気プレナムが、前記高圧プレナムと流体連通しており、前記管体が、前記第１の冷却空気プレナムからの排気冷却空気を前記第２の冷却空気プレナム内の冷却空気から流体的に分離する、請求項８に記載の燃焼器。
前記燃焼器キャップ組立体が更に、該燃焼器キャップ組立体のシュラウド（１０２）から外側ケーシング（４０）に向けて半径方向外向きに延びる外側支持スリーブ（１２８）を含み、前記外側支持スリーブが、複数の軸方向に延びる貫通孔（１３２）を含む、請求項８に記載の燃焼器。
燃焼器（２４）内で冷却空気を利用するための方法（３００）であって、
前記燃焼器内に定められ且つ高圧プレナム（４４）と流体連通した環状流路（５２）から、燃焼器キャップ組立体（１００）の第２の冷却空気プレナム（１２４）内に冷却空気（２００）を流入させるステップ（３０２）と、
前記冷却空気（２００）を前記第２の冷却空気プレナム（１２４）から第１のパーティションプレート（１０６）を通って前記燃焼器キャップ組立体の第１の冷却空気プレナム（１１８）内に流入させ、前記冷却空気が前記燃焼器キャップ組立体のキャッププレート（１０４）の冷却側（１４０）に衝突して冷却をもたらすようにするステップ（３０４）と、
前記第１の冷却空気プレナムから出る排気冷却空気（２０２）を管体（１３４）を介して前記燃焼器のヘッド端部部分（５４）に送るステップ（３０６）と、
を含み、前記管体が、前記第１のパーティションプレート内に定められる開口（１３６）から、第２の冷却空気プレナム（１２４）及び該第２の冷却空気プレナムを少なくとも部分的に定める第２のパーティションプレート（１０８）を通って延びる、方法。
前記燃焼器キャップ組立体を軸方向に通過して延びる燃料ノズル（４６）の中央本体（５８）に定められるパージ空気通路（７０）内に前記排気冷却空気を流入させるステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
前記燃焼器キャップ組立体を軸方向に通過して延びる燃料ノズル（４６）内に定められる予混合通路（６０）内に前記排気冷却空気を流入させるステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
前記環状流路を介して前記ヘッド端部内に圧縮空気（１８）を流入させて、前記圧縮空気と前記排気冷却空気を混合させるステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
前記排気冷却空気を前記第２の冷却空気プレナム内の冷却空気から流体的に分離するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。