JP2020502473A - ガスタービン用の予混合燃料ノズル及び燃焼器 - Google Patents

Abstract

予混合燃料ノズル（１２、２２）用のノズル先端部（２４）が提供される。ノズル先端部（２４）は、バーナー管（２５）の下流端に面する外側本体外面（３６）を有する外側本体（２６）を含む。外側本体外面（３６）はバーナー管（２５）の断面積よりも小さい断面積を有し、外側本体（２６）からバーナー管（２５）の内壁（２７）に向かって半径方向外向きに放射状に広がる一以上のセグメント（４０）を有し、各セグメント（４０）が、外側本体外面（３６）に隣接して配置された近位端（４４）と、バーナー管（２５）に向かう方向に配置された遠位端（４６）とを有する。各セグメント（４０）が、バーナー管（２５）の長手方向軸（Ｂ）に対してバーナー管（２５）の下流端に向かって傾斜したセグメント下流面（４８）を備える。ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場がバーナー管（２５）を通ってノズル先端部（２４）の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域がセグメント（４０）によりノズル先端部（２４）上に生成される。

Description

本発明は、ガスタービン用の燃焼器に関する。より具体的には、本発明は、ガスタービン用の燃焼器用の改良型燃料ノズルに関する。

典型的なガスタービンは、発電において一般的に使用されているように、高温高圧の燃焼ガスを発生させるために燃焼器を使用して仕事を生み出す。そのようなガスタービンは、典型的には、入口部、圧縮機部、燃焼部、タービン部および排気部を含む。より具体的には、圧縮機部は、圧縮された作動流体を燃焼部に供給する。圧縮された作動流体と燃料は燃焼部内で混合され、高温高圧の燃焼ガスを発生させるために燃焼される。燃焼ガスはタービン部に流れ、そこで膨張して仕事を生み出す。膨張したガスは排気部に放出される。

燃焼部は、一以上の燃焼器を含み、各々が、燃焼ケーシング、端部カバー、キャップ、燃料ノズル（中央予混合ノズルと、中央予混合ノズルを取り囲む複数の外側予混合ノズルを含む）、ライナー、フロースリーブおよびトランジションピースを有する。中央予混合ノズルと外側予混合ノズルは、エンジンの外側の接続部または燃料マニホールド（端部カバー）から直接燃料を取り出してそれを燃焼器に送る。

ノズル要件には、端部カバーによって供給された様々な流体をそれらの所望の噴射口に供給すること、燃焼器が適切に機能するように流れ及び燃料分配を提供すること、必要なメンテナンス期間の間、ノズルに隣接する炎を燃焼器に損傷を与えずに保持すること、及び漏れの無いシールを提供するために適切に通路をシールすることが含まれる。

炎を保持するノズルに関し、大部分の燃焼器は、炎を「保持する」ノズル上の位置を有する。炎を保持するには、流れが一般に遅く滞留時間が比較的長い燃焼器の区域が必要である。この区域は、更に、部分的に燃焼した燃焼生成物を主流領域と交換し、下降させ、それ自身はその区域を高温に保つために燃焼のためのより多くの燃料と空気を与える主流領域によって再チャージされる。

保炎区域では比較的少ない熱放出が起こる。例えば、全燃焼室の熱放出の６％が保炎区域内で発生し得る。しかしながら、これらの区域は、それらが炎の安定性と形状、ひいては燃焼器の成功を定義するため、非常に重要である。

以前の保炎器の概念は、一般に、鈍頭物体または旋回安定化のいずれかであった。鈍頭物体の保炎は、燃焼器の一部がその下流側に低速域を形成する場所であり、ここでは軸方向の流速が、炎がその中に留まることを可能にするほど十分に低く、例えば、米国特許第７，００３，９６１号明細書（Ｋｅｎｄｒｉｃｋら）に見られるように、そのような装置の大部分がそれらの中に閉じ込められたかまたは部分的に閉じ込められた渦を発生させる。旋回安定化の保炎は、例えば米国特許第６，４３８，９６１号明細書（Ｔｕｔｈｉｌｌら）に見られるように、旋回器が流れを旋回させ、その後自然に燃え立たせてその中心に再循環を形成する場所である。炎は生成されたトロイダル渦内に安定して存在することができ、バーナー管を通過する流れの内面を点火することができる。幾何学的形状／膨張比に応じて、流れの外側に渦があってもよく、保炎器を形成していてもよい。あるシステムでは、鈍頭物体と旋回安定化の保炎の組み合わせを使用する。

米国特許第７，００３，９６１号明細書 米国特許第６，４３８，９６１号明細書

ノズルに対する大部分の設計においては、その下流側先端に炎が固定されることが有利である。先端は、それらが流れ面積を占めるという点において多くの場合、大きくはない。したがって、チップサイズが大きくなるほど、同じ流れ面積を維持するために、バーナー管を大きくする必要がある。あるいは、同じサイズのバーナー管を使用する場合は、流量を増やす必要がある。損失が増加する結果となるからである。可能なかぎり最大の再循環区域を有することは有利であり、典型的にはより安定である。再循環区域は、ノズルによって供給された新鮮な燃料空気混合物と混合するためにノズル中心線に沿って上流の反応区域から高温の生成物をもたらす。再循環区域のサイズを増大させるための一の方法は、流れを旋回させることである。予混合区域内のブレードが流れを回転させる。この流れは、ノズルの端部まで、またはわずかに超えるまで（先端が凹んでいる場合）、環状のパイプを通過する。旋回流が自由空間内で拘束されなくなると、環状管の壁によって加えられる拘束力がなくなるため、流れは拡大する。この拡大した流れはその内側で空気をせん断する。それは外気を下流へ押しているため、置換される空気と置き換えるために空気が中心線上で上流に来なければならない。したがって、外側でせん断する流れは旋回の方向にも回転するため、この流れはトロイダル渦を形成する。

予混合ノズル設計では、多くの構成において、大部分の空気が、ライナーに入って燃焼する前に燃料と混合されるためにライナーの上流面を通過する。

流れを旋回させることは複数の結果をもたらす。例えば２５度に対して４５度で流れを旋回させることは、より高い圧力降下をもたらし、それは、例えば７０ＭＷのガスタービンにおいて３９０ＫＷのエネルギーを使い果たし得る。そのエネルギーは熱として放散され、そのうちの一部分は、サイクルを通してそれが膨張するにつれて回収されるが、全体的な電力と効率の低下につながる。明らかに、流れを全く旋回させないことはさらに大きな利益をもたらすであろう。

圧力損失を減らす一の方法は、バーナー管内の流れの速度を下げることであり、それは損失が速度の２乗に比例するためである。より大きなバーナー管が存在すると、膨張に利用可能な空きキャップスペースがさらに少なくなる結果となる。それはまた、流れ流を互いに接近させて配置し、それが予混合器を出ていく流れ間のせん断速度を増加させる。

旋回流の使用は、円形対称性を有しないノズルを設計することを、非常に困難または不可能にする。さらに、流れの回転特性が、ライナーや隣接するノズルなどの物理的特徴に対してその関係を絶えず変化させているため、円周方向に特性を変えることによって炎の形状を設計することは非常に困難である。旋回が手助けとなる一の分野は混合である。旋回流から生じるより長いらせん流路は、混合を生じさせるためのより長い距離を与える結果となる。

外側ノズルは旋回ベースのシステムにおいて固有の利点を有する。設計／概念上、ノズルは円形対称性を有する。炎の形状および特性は変えることができるが、典型的には、変えることができるのは、燃料プロファイル又は旋回等のような半径方向特性だけである。

燃料ノズル内では、燃焼前に空気と燃料が予混合される。燃料と空気とを予混合することにより、全ての燃料を燃焼させるのに必要とされるよりも多くの空気が燃料と混合されるため、空気は事実上は希釈剤であり、燃料が燃焼すると、燃焼生成物と過剰空気の両方を同時に加熱する。汚染物質であるＮＯ_x（亜酸化窒素）の生成は温度と強く関係する。したがって、炎温度を最小限に抑えることによって、ＮＯ_xの生成が最小限に抑えられる。

下流の炎シートの形状の設計を可能にする、強い局所的な炎の保持（保炎）および炎伝播を生じさせる旋回流よりもむしろ軸流を利用したノズル構造を作ることが望ましいであろう。ノズル先端部の任意の部分が独特であり得るため、これは線形流を有することが可能である。本発明の目的のために「軸流」とは、名目上ゼロの正味渦を有する流れ場を意味することを意図している。定義されたように、「軸方向の流れ」は二次運動をし得る。この場合、半径方向速度および円周方向速度を有する流れの特徴を有し得るが、正味の旋回／半径方向速度は本質的にゼロである。

本明細書に引用された全ての参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

バーナー管内に配置されたノズル先端部を含むガスタービン用の予混合燃料ノズルが提供される。バーナー管は、内壁と、バーナー管の上流端と下流端との間に延びる長さを有する開放内容積と、長手方向軸と、長手方向軸に垂直な断面積とを有する。ノズル先端部は、バーナー管の下流端に面する外側本体外面を有する外側本体を含む。外側本体外面は、バーナー管の断面積よりも小さい断面積を有する。ノズル先端部は、更に、外側本体からバーナー管の内壁に向かって半径方向外向きに放射状に広がる一以上のセグメントを含み、各セグメントが、外側本体外面に隣接して配置された近位端と、バーナー管に向かう方向に配置された遠位端とを有する。各セグメントは、バーナー管の長手方向軸に対してバーナー管の下流端に向かって傾斜したセグメント下流面を有する。ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場がバーナー管を通ってノズル先端部の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域がセグメントによりノズル先端部上に生成される。

セグメントの少なくとも一の遠位端は、バーナー管の内壁まで部分的又は完全に延びていてもよい。外側本体は内側プレナムを囲んでもよく、内側プレナムは冷却空気を受けるようになっている。ここで、外側本体は開放端部と閉鎖端部とを有し、閉鎖端部は内側プレナムに隣接する内面を有する。閉鎖端は、内面と外側本体外面との間に延びる複数の冷却孔を有してもよい。

各セグメントは、開放近位端と閉鎖遠位端とを有し、開放近位端が内側プレナムと流体連通している内部導管を有していてもよく、空気が内側プレナムから内側導管へ通過するようになっている。各セグメントは、内部導管とセグメント下流面との間にある複数のセグメントボアホールを有していてもよく、空気が内部導管から各セグメントを通過するようにするために、ボアホールが内部導管とセグメント下流面との間の流体連通を提供する。各セグメントのセグメント下流面が平面であってもよい。バーナー管２５の長手方向軸Ｂに対するセグメント下流面の角度が、例えば、１０５〜１６５度の範囲内（例えば約１３５度）であってもよい。バーナー管の内壁まで完全に延びる少なくとも１つのセグメントの遠位端が閉じられており、パージ溝を備えていてもよい。セグメントの各セグメントが、外側本体の周りに円周方向に等間隔で配置されていてもよい。各セグメントの近位端の周方向断面積が各セグメントの遠位端の周方向断面積よりも大きくてもよい。各セグメントがＵ字形の断面を有し、断面がバーナー管の長手方向軸と平行であってもよい。各セグメントが上流面を有し、上流面がセグメント下流面に向かって滑らかに湾曲していてもよい。各セグメントが上流面を有し、各セグメントの上流面が、バーナー管の長手方向軸に対してバーナー管の下流端に向かって傾斜していてもよい。

反応区域と一以上の予混合燃料ノズルを含むガスタービン用の燃焼器もまた提供される。予混合燃料ノズルは、燃料と空気との混合物を反応区域に噴射するためのものである。少なくとも一の予混合燃料ノズルは、燃料空気予混合器とバーナー管内に配置されたノズル先端部とを含んでいてもよい。バーナー管は、内壁と、バーナー管の上流端と下流端との間に延びる長さを有する開放内容積と、長手方向軸と、長手方向軸に垂直な断面積とを有する。ノズル先端部は上述の通りである。ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場がバーナー管を通ってノズル先端部の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域がセグメントによりノズル先端部上に生成される。少なくとも一の予混合燃料ノズルが、単一の中央予混合燃料ノズルであってもよく、燃焼器が、異なるタイプの少なくとも一の外側予混合燃料ノズルを含む。一以上の予混合燃料ノズルが、単一の中央予混合燃料ノズルと、少なくとも一の外側予混合燃料ノズルと含んでもよい。

本発明は、同一の参照番号が同一の要素を示す以下の図面と併せて説明される。

本発明の例示的な実施形態に係る予混合燃料ノズルを有するガスタービン燃焼器の簡略断面立面図である。 図１の燃焼器の、キャップ前面板、予混合ノズルおよびバーナー管の正面等角図である。 図２のキャップ前面板およびバーナー管の背面等角図であり、明確にするために、外側予混合燃料ノズルなしで示されている。 図２のキャップ前面板およびバーナー管の正面立面図である。 図１の予混合燃料ノズル用のノズル先端部の正面立面図である。 図５のノズル先端部の背面図である。 図５のノズル先端部の正面等角図である。 図２のキャップ前面板、予混合ノズル、およびバーナー管の、実質的に図２の線８−８に沿った等角断面図である。 図６の中央ノズル組立体の、実質的に図２の線９−９に沿った等角断面図である。 図１の予混合燃料ノズル用の代替ノズル先端部の正面等角図である。 図１０の予混合燃料ノズル用のノズル先端部の正面立面図である。 図１０のノズル先端部の背面図である。 図６の中央ノズル組立体の、実質的に図１０の線１３−１３に沿った等角断面図である。 本発明のバーナー管を通りノズル先端部の周囲を表す単純化した部分的な模擬の流れ場であり、流れ場はノズル先端部のセグメントの周りに示されている。 本発明とは対照的に、バーナー管を通りかつバーナー管の長手方向軸に対して傾斜していないセグメント下流面を有するノズル先端部の周囲を表す単純化した部分的な模擬の流れ場である。 本発明のバーナー管を通りかつノズル先端部の周囲を表す単純化した部分的な模擬の流れ場であり、流れ場はセグメント間に示されている。 本発明とは対照的に、バーナー管を通りかつバーナー管の長手方向軸に対して傾斜していないセグメント下流面を有するノズル先端部の周囲を表す単純化した部分的な模擬の流れ場であり、流れ場はセグメント間に示されている。

以下の実施形態を参照しながら本発明をより詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されると見なされるべきではないことを理解されたい。

図面を参照しながら、複数の図面において同様の部品番号には同様の要素を参照しており、図１は、本発明の第１の例示的な実施形態に係る予混合ノズル１２、２２を有する燃焼器１０を示している。燃焼器１０の主要な構成要素は、燃焼ケーシング１４、端部カバー１６、キャップ１８、反応区域２０、中央予混合燃料ノズル１２、及び複数の外側予混合燃料ノズル２２を含む。ノズル１２、２２は、空気と燃料の混合物２１を反応区域２０に噴射するためである。

図２〜図９に最もよく示されるように、予混合燃料ノズル１２、２２は、一般に、燃料空気予混合器２３、ノズル先端部２４、およびバーナー管２５を含む。ノズル先端部２４に関わる本発明は、中央予混合燃料ノズル１２および外側予混合燃料ノズルのいくつかまたはすべてと共に十分に使用され得ることに留意されたい。明確にするために、本発明は、ここでは中央予混合ノズルのみに関して一般的に説明するが、本発明のノズル先端部２４は任意のノズル１２、２２と共に使用されてもよい。

ノズル先端部２４は、任意の内側プレナム２８を囲む外側本体２６を含む。バーナー管２５は、内壁２７、解放内容積２９を有し、バーナー管２５の上流端３３と下流端３５との間に延びる長さ３１を有する（図８参照）。バーナー管２５は、長手方向軸線Ｂと、バーナー管２５に垂直な断面積３９（図４ではクロスハッチ領域として示されている）とを有する。

ノズル先端部２４の外側本体２６は、開放端部３０と、閉鎖端部３２と、バーナー管２５の下流端３５に面する閉鎖端部３２上の外側本体外面３６とを有する。外側本体外面３６は、バーナー管２５の下流端３５に面しており、バーナー管２５の断面積３９よりも小さい断面積３７を有する（図４の斜線部分とクロスハッチ部分とを比較されたい）。外側本体外面３６は平面であり得る。

任意の内側プレナム２８は冷却空気を受けるようになっている。ノズル先端部２４の閉鎖端部３２は、内側プレナム２８に隣接する内面３４を有する。閉鎖端部３２は、内面３４と外側本体外面３６との間で延びる複数のボアホール３８を有する。当技術分野で知られているように、これらボアホール３８は、バーナー管２５の長手方向軸線Ｂに対して斜めに配置することができる。

図５〜図９に示すように、少なくとも１つのセグメント４０が外側本体２６からバーナー管２５の内壁２７に向かって、例えば、等間隔の円周間隔で、外向きに放射状に広がっている。各セグメント４０は、同じ長さでも異なる長さでもよく、バーナー管の内壁２７まで完全に延びるか、またはバーナー管の内壁２７まで部分的に延びることができる。不規則な角度４０’で異なる長さのセグメントを有するバーナー先端部２４’の一例が図１０〜１３に示されている。バーナー先端部２４’は、（後述する）任意のボアホール無しで示されている。

中央予混合ノズル１２に関して、最も簡単な使用法は、外側予混合ノズル２２の数と同数のセグメント４０を有することである。一の置換法は、セグメント４０が外側予混合ノズル２２と並び、中央予混合ノズル１２から外側予混合燃料ノズル２２へと炎を運ぶようにすることである。

図９に最もよくわかるように、各セグメント４０は、内側プレナム２８と流体連通する開放近位端４４（図８参照）を有する内部導管４２を有することができ、ここで空気は内側プレナム２８から内部導管４２内へと通過するように構成されている。各セグメント４０はまた、閉鎖遠位端４６と、外側本体２６の外側本体外面３６に隣接して配置されたセグメント下流面４８（例えば平面）と、任意には、内部導管４２およびセグメント下流面４８の間の複数のセグメントボアホール５０を有する。ボアホール５０は、各セグメント４０を通って内部導管４２から空気が通過するようにするために、内部導管４２とセグメント下流面４８との間に流体連通を与える。各セグメント４０のセグメント下流面４８は、バーナー管２５の長手方向軸線Ｂに対して傾斜し、例えば１０５°から１６５°傾斜し得る。例えば、図９、角度Ｃを参照のこと。

各セグメント４０の閉鎖遠位端４６は、ノズル先端部２４を通過する空気と燃料の混合物の流れが常にあるようにするパージ溝５４を含むことができる。セグメント４０がバーナー管２５とほぼ同じ高さであり、かつバーナー管の内壁２７まで延びる場合（例えば図４および図８に示すように）、パージ溝５４は、２つの部分が接触しているかまたはほぼ接触している場合でも、セグメント４０の遠位端４６の領域が連続的に洗い流されることを確実にする。そのようなパージ溝５４は、図１０〜１３に示すように、より短い長さのセグメント４０’には必要ない。

セグメント４０は、様々な図に示されるような形状であり得る（図２および図４〜図１２参照）。しかしながら、本明細書で述べるような所望の結果を達成するために適切に機能する実質的に任意の細長い構成のセグメントを含むことが本発明の意図である。一般に、様々なセグメント４０の上流部分は、後縁（すなわちセグメント４０のセグメント下流面４８の縁）の上流に分離区域が実質的に存在しないことを確実にするために適切な空気力学的形状を有するべきである。しかしながら、様々なセグメントがそのようなクリーンな空気力学的後縁を有することは、実質的にそれほど重要ではない。ノズル先端部２４上の様々なセグメント４０は、同一の物理的形状を有してもよいが、代替的には、本明細書に記載の所望の結果が達成される限り、強い保炎と強い炎伝播を含み、ノズル先端部２４上の１つ以上のセグメント４０は全く異なる形状を有してもよい。

このように構成されて、ノズル先端部２４は、半径方向の広がりが異なる二以上の再循環領域を形成して、燃料と空気の混合物の不規則なトロイダル再循環領域５２を形成して強い保炎と炎伝播を提供する。通常の旋回ノズルは、回転対象図形である単一のトロイダル渦を有することに留意されたい。本発明では、再循環区域は、異なる半径方向範囲の二以上の区域から構成され、不規則なトロイドであり、即ち、回転対象図形ではない。本発明は、異なる特性を有する異なる炎形状を作り出すように調整し得る、異なるサイズの渦を作り出すものである。

本発明は、実質的に、軸速度が炎速度よりも低く、バーナー管とセグメント４０の遠位端４６との間を通過する流れによって回転する下流側に低速の流れ区域を作り出すために、空気と燃料の混合物の流れに穴をあけるためのセグメント４０を提供するものである。

ノズル先端部２４のセグメント４０は、外側予混合ノズル２２と一直線に配置した場合に常に作動している中央予混合ノズル１２が炎を共有し、ガスタービン負荷プロセス中にオンまたはオフとなる外側予混合ノズル２２を点火し得る装置を提供する。ここでは、流れは中央ノズル先端部の外側から外側ノズルに向かって移動する。

本発明によって解決される問題は、旋回流ではなく直線流を使用するノズル構造の創出にある。本発明は、二以上のサイズのトロイダルフロー機構を有するノズル先端部上に再循環区域を形成する。これは強い局所的な保炎と炎伝播を生み出すが、流れ場の単純さは下流側の炎シートの形状の明示的な設計、即ちその特性（設計の物理的限界内において）を可能にするものである。

本発明の目的は、ノズル先端部の下流側で半径方向が異なる再循環領域を形成することである。旋回設計では、先端部は円形対称性を有し、流れの旋回性のために回転形状を有する。本発明のように、直線流を用いる設計では、それは必要ではない。先端のどの部分も独特であり得る。

本発明の利点は、より大きなノズルの特徴の一部をより小さなノズルにもたらすことにある。例えば、本発明は
・ノズルの下流で再循環する質量流量を増加させてより強固にする。
・キャップ上の流れを照らすために炎をバーナー管の外側半径に運ぶ。
・ノズル先端部に異なる性質を与えることを可能にすることであり、それは他の部分を変更することなく炎の形状に影響を及ぼし得ることであって、
o各セグメントのサイズ（高さ/幅/形状/傾斜）および他のセグメントとの角度の関係は任意であり、これにより大きな柔軟性が与えられる。
・複数の半独立の保炎器の存在が、消え始めている場合には様々な部分が光を横切ることを可能にする。これにより、例外的なリーンブローアウト（ＬＢＯ）、即ち、ノズルが依然として確実に炎を保持することができる最低の化学両論比がもたらされる。

本発明は、炎の形状／幾何学的特性を直接設計する能力を提供する。過去においては、炎の特性の変化を引き起こすためにノズルの特徴が変えられたが、その変化の正確な性質はよく知られていなかった。燃焼器の比較的単純な幾何学的環境を有していたとしても、旋回流の複雑な相互作用は真の設計を事実上不可能にする場合がある。旋回の効果は、任意の特性の計時が軸方向の距離と共に変化することを意味し、そのため、その変化はある点では有利であり、別の点では不利である可能性がある。

本発明は、各セグメント４０が、バーナー管２５の下流端に向かってバーナー管の長手方向軸線Ｂに対して傾斜したセグメント下流面４８を有することを必要とすることに留意されたい。下流面４８が傾斜しているという事実により、ガスタービンが作動しているとき、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場がバーナー管を通ってノズル先端部の周りを流れ、そして半径方向が異なる２つ以上の再循環領域が流れる。セグメントによってノズル先端部に広がりが生じ、強い保炎性と炎伝播性が得られる。

セグメントが存在する場合この結果は生じないが、セグメントの下流面は、バーナー管の長手方向軸に対してバーナー管の下流端に向かって傾斜していない。セグメント４０がバーナー管の長手方向軸線Ｂに対して傾斜した下流面４８を有する本発明のバーナー管２５を通りノズル先端部２４の周りの部分的に簡略化された模擬流れ場を示す図１４ａと図１５ａと、セグメント４０ｂがバーナー管２５ｂの長手方向軸線Ｂ’に対して傾斜していない（即ち、バーナー管２５ｂの長手方向軸線Ｂ’に対して垂直な）下流面４８ｂを有する本発明のバーナー管２５ｂを通りノズル先端部２４ｂの周りの模擬流れ場を示す図１４ｂと図１５ｂとを比較されたい。図１４ａは、セグメントの高さと同様の大きさの再循環領域を示し、図１４ｂは示していない。

本発明のセグメント化ノズル先端部２４の重要な特徴は、セグメント下流面４８の下流に異なるサイズの二以上の渦を形成するこの能力である。ノズル先端部２４のバーナー管２５とセグメント下流面４８と外側本体２６との間を通過する流れは、セグメント下流面４８の下流で空気をせん断する。このせん断運動は流れを下流に運ぶ。したがって、空気と燃料の混合物２１の流れは、ノズルの中心線上に移動して、変位した流れを置き換える。非常に急速な後流れがバーナー管２５下方へ通過し始めると、ノズル先端部２４の下流に渦が増える。ノズル先端部２４およびセグメント４０の外面は異なる半径方向寸法を有するため、これらの構造に関連する渦も同様に異なるサイズとなる。各セグメント４０の下流に、セグメント４０間の各領域に一つずつ形成された渦がある。したがって、渦構造の総数は、セグメント４０の数の２倍に等しく、単一のセグメント４０については最低２つである。

この結果は、例えば米国特許第７，００３，９６１号（Ｋｅｎｄｒｉｃｋら）の図４の保炎器（上記の背景技術で論じた）に示されている鈍頭物体システムでは起こらない。より具体的には、中心体および支柱が流れを変位させ、それらの下流に低速な流れの領域を作り出す。中央の保炎剤捕捉キャビティ内の流れは、温度が上昇して密度が大幅に低下するため、燃焼するにつれて膨張する。生成された体積は、中心本体内の被駆動キャビティを通過する高速流を移動させる場合に比べてより低抵抗の経路であるため、支柱の下流の低速区域に部分的に膨張する。この流れは、支柱の両側を通過する流れによって外側に移動しせん断される。このせん断は、設計の詳細に応じて、フォン・カルマン渦放出または一対の安定した渦のどちらかを励起するであろう。

これらの渦の回転軸は、溝の前面に平行であるか、または燃焼器の中心線に対して半径方向にある。これらの特性を有する流れの特徴は、バーナー管２５の長手方向軸線Ｂに対してバーナー管２５の下流端に向かって傾斜した下流面４８を有するセグメントを有するノズル先端部２４の場合と同様に、ノズル／燃焼器の中心線上への流れの再循環を引き起こさない。

本発明は特定の実施態様を参照して詳細に説明してきたたが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

１０…燃焼器
１２…予混合（燃料）ノズル
１４…燃焼ケーシング
１６…端部カバー
１８…キャップ
２０…反応区域
２１…混合物
２２…予混合（燃料）ノズル
２３…燃料空気予混合器
２４…セグメント化ノズル先端部
２４’…バーナー先端部
２４ｂ…ノズル先端部
２５…バーナー管
２５ｂ…バーナー管
２６…外側本体
２７…内壁
２８…内側プレナム
２９…解放内容積
３０…開放端部
３２…閉鎖端部
３３…上流端
３４…内面
３５…下流端
３６…外側本体外面
３７…断面積
３８…ボアホール
３９…断面積
４０…セグメント
４２…内部導管
４４…開放近位端
４６…閉鎖遠位端
４８…セグメント下流面
５０…ボアホール
５２…トロイダル再循環領域
５４…パージ溝

Claims (17)

1. バーナー管内に配置されたノズル先端部を備え、前記バーナー管が、内壁と、前記バーナー管の上流端と下流端との間に延びる長さを有する開放内容積と、長手方向軸と、前記長手方向軸に垂直な断面積とを有するガスタービン用の予混合燃料ノズルであって、前記ノズル先端部が、
   （ａ）前記バーナー管の前記下流端に面する外側本体外面を有する外側本体であって、前記外側本体外面が前記バーナー管の前記断面積よりも小さい断面積を有する、外側本体と、
   （ｂ）前記外側本体から前記バーナー管の前記内壁に向かって半径方向外向きに放射状に広がる一以上のセグメントであって、各セグメントが、前記外側本体外面に隣接して配置された近位端と、前記バーナー管に向かう方向に配置された遠位端とを有し、各セグメントが、前記バーナー管の前記長手方向軸に対して前記バーナー管の前記下流端に向かって傾斜したセグメント下流面を備える、セグメントと
   とを備え、
   ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場が前記バーナー管を通って前記ノズル先端部の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域が前記セグメントにより前記ノズル先端部上に生成される、ガスタービン用の予混合燃料ノズル。
2. 前記セグメントの少なくとも一の前記遠位端が、前記バーナー管の前記内壁まで部分的に延びている、請求項１記載の予混合燃料ノズル。
3. 前記セグメントの少なくとも一の前記遠位端が、前記バーナー管の前記内壁まで完全に延びている、請求項１記載の予混合燃料ノズル。
4. 前記外側本体は内側プレナムを囲み、前記内側プレナムは冷却空気を受けるようになっており、前記外側本体は開放端部と閉鎖端部とを有し、前記閉鎖端部は前記内側プレナムに隣接する内面を有する請求項１記載の予混合燃料ノズル。
5. 前記閉鎖端は、前記内面と前記外側本体外面との間に延びる複数の冷却孔を有する、請求項４記載の予混合燃料ノズル。
6. 各セグメントが、
   （ａ）開放近位端と閉鎖遠位端とを有し、前記開放近位端が前記内側プレナムと流体連通している内部導管であって、空気が前記内側プレナムから前記内側導管へ通過するようになっている内部導管と、
   （ｂ）内部導管と前記セグメント下流面との間にある複数のセグメントボアホールであって、空気が前記内部導管から各セグメントを通過するようにするために、前記ボアホールが前記内部導管と前記セグメント下流面との間を流体連通するセグメントボアホールと、
   とを備える請求項４記載の予混合燃料ノズル。
7. 各セグメントの前記セグメント下流面が平面である、請求項１記載の予混合燃料ノズル。
8. 前記バーナー管の長手方向軸に対する前記セグメント下流面の角度が１０５〜１６５度の範囲内である、請求項１記載の予混合燃料ノズル。
9. 前記バーナー管の前記内壁まで完全に延びる前記少なくとも１つのセグメントの前記遠位端が閉じられており、パージ溝を備える、請求項３記載の予混合燃料ノズル。
10. 前記セグメントの各セグメントが、前記外側本体の周りに円周方向に等間隔で配置されている、請求項１記載の予混合燃料ノズル。
11. 各セグメントの前記近位端の周方向断面積が各セグメントの前記遠位端の周方向断面積よりも大きい、請求項１記載の予混合燃料ノズル。
12. 各セグメントがＵ字形の断面を有し、断面が前記バーナー管の前記長手方向軸と平行である、請求項７記載の予混合燃料ノズル。
13. 各セグメントが上流面を有し、前記上流面が前記セグメント下流面に向かって滑らかに湾曲している、請求項１記載の予混合燃料ノズル。
14. 各セグメントが上流面を有し、各セグメントの上流面が、前記バーナー管の長手方向軸に対して前記バーナー管の下流端に向かって傾斜している、請求項１記載の予混合燃料ノズル。
15. 反応区域と、燃料と空気との混合物を前記反応区域に噴射するための一以上の予混合燃料ノズルとを備えるガスタービン用の燃焼器であって、前記少なくとも一の前記予混合燃料ノズルが、
    （ａ）燃料空気予混合器と、
    （ｂ）バーナー管内に配置されたノズル先端部であって、前記バーナー管が、内壁と、前記バーナー管の上流端と下流端との間に延びる長さを有する開放内容積と、長手方向軸と、前記長手方向軸に垂直な断面積とを備え、前記ノズル先端部が、
    （ｉ）前記バーナー管の前記下流端に面する外側本体外面を有する外側本体であって、前記外側本体外面が前記バーナー管の前記断面積よりも小さい断面積を有する、外側本体と、
    （ｉｉ）前記外側本体から前記バーナー管の前記内壁に向かって半径方向外向きに放射状に広がる少なくとも一のセグメントであって、各セグメントが、前記外側本体外面に隣接して配置された近位端と、前記バーナー管に向かう方向に配置された遠位端とを有し、各セグメントが、前記バーナー管の長手方向軸に対して前記バーナー管の前記下流端に向かって傾斜したセグメント下流面を備える、セグメントと
    を備え、
    ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場が前記バーナー管を通って前記ノズル先端部の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域が前記セグメントにより前記ノズル先端部上に生成される、ガスタービン用の燃焼器。
16. 前記少なくとも一以上の予混合燃料ノズルが、単一の中央予混合燃料ノズルであり、前記燃焼器が、異なるタイプの少なくとも一の外側予混合燃料ノズルを含む、請求項１５記載の燃焼器。
17. 前記一以上の予混合燃料ノズルが、単一の中央予混合燃料ノズルと、少なくとも一の外側予混合燃料ノズルとを備える、請求項１５記載の燃焼器。

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