JP6410924B2 - デュアルオリフィス噴霧器を備える多機能燃料ノズル - Google Patents

Description

開示された実施の形態は、ガスタービンエンジンなどの燃焼タービンエンジン用の燃料ノズルに関する。より詳細には、開示された実施の形態は、交差する噴霧されたスプレー円錐を形成するように構成されたデュアルオリフィス噴霧器を備える改良された多機能燃料ノズルに関する。

ガスタービンエンジンは、圧縮空気内で燃料を燃焼させることによって高温の作動ガスを発生するように構成された１つまたは複数の燃焼器を有する。燃料を各燃焼器に導入するために、燃料噴射アセンブリまたはノズルが使用される。ユーザに柔軟性を提供するために、このような燃料ノズルは、液体燃料または気体燃料のいずれか、または両方を同時に燃焼させることができるマルチ燃料タイプであってもよい。

ガスタービン燃焼器における燃焼の結果、燃焼されたガスに窒素酸化物（ＮＯｘ）の形成が生じ、これは望ましくないと考えられている。ＮＯｘの形成を低減する１つの技術は、燃料噴射ノズルを介して燃焼器内に燃料とともに水を噴射することを含む。米国特許出願第１３／１６３，８２６号は、液体水噴射とともに、気体燃料または液体燃料のいずれか、または両方を燃焼させることができる燃料ノズルアセンブリを開示している。

本発明の複数の態様を具体化する多機能燃料ノズルの１つの限定でない実施の形態の断面側面図である。 本発明の複数の態様を具体化する多機能燃料ノズルの下流端部に配置された噴霧器の１つの限定でない例の詳細を示す、等角の断片的な断面図である。 図１に示された多機能燃料ノズルの、後方からの等角図である。 図１に示された多機能燃料ノズルの、前方からの等角図である。 本発明の複数の態様を具体化する多機能燃料ノズルの下流端部に配置されたノズルキャップの１つの限定でない例の詳細を示す、等角の断片的な断面図である。 図５に示されたノズルキャップと、ノズルキャップの前面に取り付けられた熱シールドとの断片的な側面図である。 熱シールドを示し、ノズルキャップ内の中央に配置されたボアをさらに示す、前方からの等角図である。 ノズルキャップ内の気体燃料チャネルの概略図である。 熱シールドを示し、ノズルキャップのボアに取り付けられた噴霧器アセンブリの１つの限定でない例をさらに示す、前方からの等角図である。 本発明の別の態様を具体化する多機能燃料ノズルの下流端部に配置された噴霧器の環状の配列を有するノズルキャップの別の限定でない例の詳細を示す、前方からの、断片的な等角図である。 噴霧器の配列内の１つの噴霧器の詳細を示す、断片的な断面等角図である。 噴霧器の環状の配列を具体化する多機能燃料ノズルの１つの限定でない実施の形態の、断面側面図である。 配列内の異なる数の噴霧器と、このような噴霧器配列を備えて形成された排出円錐の異なる拡開角度とを含む、それぞれの限定でない実施の形態を示している。 配列内の異なる数の噴霧器と、このような噴霧器配列を備えて形成された排出円錐の異なる拡開角度とを含む、それぞれの限定でない実施の形態を示している。

本発明の発明者らは、従来のマルチ燃料ノズルに関連して生ずる恐れのある幾つかの問題を認識した。例えば、ＮＯｘエミッションを低減するために、これらのマルチ燃料ノズルは、燃焼器バスケット内に水を噴射することが知られている。この噴射は、通常、バスケットにおける内壁ライナに衝突することができる噴霧されていない（例えばまとまった）水ジェットまたは水流の形式であり、これらの水ジェットまたは水流は、ライナ壁に実質的な熱的問題を課す恐れがあり、結局、このようなライナ壁の寿命を短縮することにつながる恐れがある。

少なくともこのような認識を考慮して、本発明者らは、微細に噴霧された水の円錐の形式で水を噴射するために費用対効果よくかつ確実に有効な革新的な多機能燃料ノズルを提案する。噴霧された円錐は、水の消費を低減し、かつ燃焼ダイナミクス、ライナ壁温度などを含んでもよい関連する燃焼性能要求を満たしながら、ＮＯｘエミッションを低減するように構成されていてもよい。提案された燃料ノズルは、複数の作動的機能性を通じて、作動多様性を高めることができる。この複数の作動的機能性は、選択的に、任意の用途の必要性に応じて相互交換することができる。提案された多機能燃料ノズルの別の態様を以下の開示において説明する。

図１は、本発明の複数の態様を具体化する多機能燃料ノズル１０の１つの限定でない実施の形態の断面側面図である。この実施の形態では、多機能燃料ノズル１０は、第１の流体回路１４および第２の流体回路１６を含む環状の燃料噴射ランス１２を有する。第１の流体回路１４は、燃料噴射ランス１２内の中央に配置されている。第１の流体回路１４は、第１の流体（矢印２０によって概略的に表されている）をランス１２の下流端部２２へ搬送するためにランス１２の長手方向軸線１８に沿って延びている。

第２の流体回路１６は、第２の流体（矢印２４によって概略的に表されている）をランス１２の下流端部２２へ搬送するために、第１の流体回路１４の周囲に環状に配置されている。図３に認められるように、中央に配置された第１の入口１５は、第１の流体２０を第１の流体回路１４へ導入するために使用されてもよい。同様に、第２の入口１７は、第２の流体２４を第２の流体回路１６へ導入するために使用されてもよい。

以下でさらに詳細に説明するように、１つの限定でない実施の形態では、第１または第２の流体２０，２４のうちの一方は、燃焼タービンエンジンの液体燃料作動モードの間に第１および第２の流体回路１４，１６のうちの一方によって搬送される、留出油などの液体燃料を含んでもよい。第１および第２の流体回路１４，１６のうちの他方によって搬送される第１および第２の流体２０，２４のうちの他方は、空気または水などの選択可能な非燃料流体を含んでもよい。

噴霧器３０は、ランス１２の下流端部２２に配置されている。図２に認められるように、１つの限定でない実施の形態では、噴霧器３０は、第１の噴霧された排出円錐（線３４（図１）によって概略的に表されている）を形成するように第１の流体回路１４に応答する第１の排出オリフィス３２を有している。噴霧器３０は、第２の噴霧された排出円錐（線３８（図１）によって概略的に表されている）を形成するように第２の流体回路１６に応答する第２の排出オリフィス３６をさらに有している。つまり、この実施の形態では、噴霧器３０はデュアルオリフィス噴霧器を含むことが認められるであろう。

１つの限定でない実施の形態では、噴霧器３０のオリフィス３２，３６はそれぞれ、噴霧器３０によって形成される第１および第２の排出円錐３４，３８が、所定の角度範囲にわたって互いに交差する円錐などの同心状パターンを含むように構成されている。限定でなく、このようなパターンは、中実円錐、半中実円錐、中空円錐、微細スプレー円錐、空気のシート、または個々の液滴（スプレー）を含んでもよい。

１つの限定でない実施の形態では、第１の噴霧された排出円錐３４の角度範囲（θ１（図１））は、約８０度から約１２０度まで延びている。別の限定でない実施の形態では、第１の噴霧された排出円錐３４の角度範囲θ１は、約９０度から約１１５度まで延びている。さらに別の限定でない実施の形態では、第１の噴霧された排出円錐３４の角度範囲θ１は、約１０４度から約１１０度まで延びている。

１つの限定でない実施の形態では、第２の噴霧された排出円錐３８の角度範囲（θ２）は、約４０度から約９０度まで延びている。別の限定でない実施の形態では、第２の噴霧された排出円錐３８の角度範囲θ２は、約６０度から約８０度まで延びている。

第１および第２の噴霧された排出円錐３４，３８の比較的大きな角度差は、液体燃料の点火中、強化された噴霧を提供する傾向があると考えられる。逆に、第１および第２の噴霧された排出円錐３４，３８の比較的小さな角度差は、気体燃料作動中、より強化されたＮＯｘ低減能力を提供する傾向がある。例えば、第１の噴霧された排出円錐３４の角度範囲θ１が約１１０度であり、第２の噴霧された排出円錐３８の角度範囲θ２が約４０度である限定でない組合せは、例えば、第１の噴霧された排出円錐３４の角度範囲θ１が約１１０度であり、第２の噴霧された排出円錐３８の角度範囲θ２が約８０度である別の限定でない組合せと比較して、液体燃料の点火中、強化された噴霧を提供しやすい。上述のように、後者の例の組合せは、気体燃料作動中、強化されたＮＯｘ低減能力を提供しやすい。広くは、第１および第２の噴霧された円錐の交差の所定の角度範囲は、液体燃料の点火中の噴霧性能、ＮＯｘ減少性能などの、エンジンの所望の作動特性を最適化するように調整されてもよい。

開示された実施の形態の複数の態様によれば、第１および第２の流体回路１４，１６によってそれぞれ提供される作動的機能性と、噴霧器３０によって形成される第１および第２の排出円錐３４，３８とは、選択的に、任意の用途の必要性に基づいて相互に交換されてもよい。つまり、第１および第２の流体回路１４，１６によってそれぞれ搬送される流体のタイプは、選択的に、任意の用途の必要性に基づいて相互に交換されてもよい。

例えば、１つの限定でない実施の形態では、液体燃料の点火中、選択可能な非燃料流体は、１つの例の場合に第１の流体回路１４によって搬送される空気を含んでもよく、この場合、第１の噴霧された排出円錐３８は空気の円錐を含み、液体燃料は、第２の流体回路１６によって搬送されるオイル燃料を含む。この場合、第２の噴霧された排出円錐３４は、噴霧されたオイル燃料の円錐を含む。この実施の形態では、液体燃料の点火後、選択可能な非燃料流体は、第１の流体回路１４によって搬送される（空気の代わりの）水を含み、第１の噴霧された排出円錐３４は、噴霧された水の円錐を含む。

１つの代替的な限定でない実施の形態では、液体燃料の点火中、液体燃料は、この代替的な実施の形態では第２の回路１６の代わりに第１の回路１４によって搬送され、ひいては、この場合、第１の噴霧された排出円錐３４は、噴霧されたオイル燃料の円錐を含む。選択可能な非燃料流体は、この場合、第１の回路１４の代わりに第２の回路１６によって搬送される空気を含み、ひいては、第２の噴霧された排出円錐３８は、空気の円錐を含む。液体燃料の点火後、選択可能な非燃料流体は、（空気の代わりに）水を含む。この水はこの代替的な実施の形態では第２の流体回路１６によって搬送され、ひいては、第２の噴霧された排出円錐３８は、噴霧された水から形成された円錐を含む。

１つの限定でない実施の形態では、複数の気体燃料チャネル４０は、燃料ランス１２の長手方向軸線１８の周りに周方向に配置されている。気体燃料チャネル４０は、燃料ランス１２に対して周方向外側に配置されている。ガス入口４２は、気体燃料チャネル４０に（矢印４３によって概略的に表された）気体燃料を導入するために使用されてもよい。１つの限定でない実施の形態では、エンジンの気体燃料作動モードの間、選択可能な非燃料流体は水を含み、この水は、第１および第２の流体回路１４，１６のうちの少なくとも一方によって搬送され、ひいては、第１および第２の排出円錐３８，３４のうちの少なくとも一方は、噴霧された水から形成されたそれぞれの円錐を含む。選択的に、エンジンの気体燃料作動モードの間、複数の気体燃料チャネル４０は、気体燃料と混合された水を、単独で、または第１および第２の流体回路１４，１６のうちの少なくとも一方と組み合わせて搬送するように構成されていてもよい。１つの限定でない実施の形態では、（矢印４５によって概略的に表された）水は、ドーナツ型入口４４（図１）によって複数の気体燃料チャネル４０に導入されてもよい。

図５は、マルチ燃料ノズル１０の下流端部２２に配置されたノズルキャップ５０の１つの限定でない実施の形態の詳細を示す、等角の断片的な断面図である。図６および図７に認められるように、熱シールド６０がノズルキャップ５０に取り付けられている。複数の冷却チャネル６２（図示を簡略にするため、空気（矢印６３（図６）によって概略的に表されている）などの冷却媒体を搬送するために１つの冷却チャネルのみが図６に示されている）は、ノズルキャップの前面５２と、熱シールドの対応する後側６４との間に配置されている。

１つの限定でない実施の形態では、ノズルキャップ５０は、ノズルキャップ５０の前面５２に周方向に配置された複数のキャスタレーション５３（図５）を有する。隣接するキャスタレーションの相互に対面する側面５４は、ノズルキャップ５０の前面５２におけるそれぞれの凹所を画定している。熱シールド６０の後側６４の第１の部分は、ノズルキャップ５０の前面５２におけるキャスタレーション５３のそれぞれの上面５５に対して当接する。熱シールド６０の後側６４の第２の部分（キャスタレーション５３のそれぞれの上面５５に対して当接しない部分）は、ノズルキャップ５０の前面５２における凹所の対応する上側領域を閉鎖するように配置され、複数の冷却チャネル６２を形成する。

１つの限定でない実施の形態では、熱シールド６０は、ノズル１０の長手方向軸線１８の周りに周方向に配置された複数のスロット６６を有する環状のリップ６５（図７、図９）を有する。スロット６６は、冷却空気を冷却チャネル６２に供給するように配置されている。ノズルキャップ５０は、ノズル１０の燃料ランス１２の下流部分を収容するように構成された、中央に配置されたボア５６（図７）を有する。燃料ランス１２の下流部分は、噴霧器３０などを含んでもよい噴霧器アセンブリ５８（図９）を有する。

１つの限定でない実施の形態では、冷却チャネル６２は、冷却媒体を噴霧器アセンブリ５８の前面に排出するために、中央に配置されたボア５６に向かう方向へ冷却媒体を搬送するように構成されている。

ノズルキャップ５０は、さらに、ノズル１０の長手方向軸線１８の周りに周方向に配置された複数の気体燃料チャネル６８（図８）を有している。気体燃料チャネル６８は、キャスタレーション５３のそれぞれの上面５５に配置された出口７０（図５）を有する。熱シールド６０は、同様に、キャスタレーションのそれぞれの上面に配置された出口７０に対応する複数の開口７２を有する。

１つの限定でない実施の形態では、熱シールド６０は、熱シールド６０の内径から所定の距離だけ半径方向に延びる複数のスリット７４を有している。スリット７４は、熱シールド６０において複数の開口７２の少なくとも幾つかの隣接する対の間に配置されていてもよい。当業者によって認められるように、スリット７４は、熱シールド６０に応力緩和機能を提供する。

図１０〜図１２に示すように、１つの限定でない実施の形態では、中央に配置された噴霧器８０（例えば、単一オリフィス噴霧器）は、線８３（図１２）によって概略的に表された第１の噴霧された排出円錐を形成するように、ノズルキャップ８２の、中央に配置されたボアに配置されていてもよい。この実施の形態では、噴霧器８４の配列は、それぞれの第２の噴霧された排出円錐の配列を形成するようにノズルキャップ８２に取り付けられていてもよい（配列内の１つの円錐が、線８５（図１２）によって概略的に表されている）。噴霧器配列８４は、ランスの長手方向軸線１８の周りに周方向に配置されていてもよい。噴霧器配列８４は、それぞれの第２の噴霧された排出円錐の配列を形成するように、中央に配置された噴霧器８０に対して半径方向外側に配置されていてもよい。１つの限定でない実施の形態では、噴霧器配列８４は環状の配列を含み、ノズルキャップ８２は、ノズルキャップ８２の前面に配置された噴霧器出口８６の環状の配列を含む。

１つの限定でない実施の形態では、エンジンの液体燃料作動モードの間、中央に配置された噴霧器８０は、液体燃料の噴霧された円錐を形成するように、液体燃料を搬送する第１の流体回路８６（図１２）に接続され、周方向に配置された噴霧器８４の配列は、水円錐の噴霧された配列を形成するように、水を搬送する第２の流体回路８８に接続される。

１つの代替的な実施の形態では、エンジンの液体燃料作動モードの間、中央に配置された噴霧器８０は、水の噴霧された円錐を形成するように、この代替的な実施の形態では水を搬送する第１の流体回路８６に接続され、周方向に配置された噴霧器８４の配列は、液体燃料円錐の噴霧された配列を形成するように、この代替的な実施の形態では液体燃料を搬送する第２の流体回路８８に接続される。

ノズルキャップ８２は、さらに、長手方向軸線１８の周りに周方向に配置された複数の気体燃料チャネル９０を有している。複数の気体燃料チャネル９０は、噴霧器８４の配列に対して半径方向外側に配置されている。

１つの限定でない実施の形態では、エンジンの気体燃料作動モードの間、噴霧器８４の配列は、水円錐の噴霧された配列を形成するように、水を搬送する第１の流体回路８６に接続される。１つの代替的な実施の形態では、エンジンの気体燃料作動モードの間、中央に配置された噴霧器８０は、水の噴霧された円錐を形成するように、この代替的な実施の形態において水を搬送する第２の流体回路８８に接続される。

図１３および図１４において概念的に認められるように、配列内の噴霧器の数および／またはそれぞれの第２の噴霧された排出円錐の拡開角度は、燃焼器バスケット９２における所望のゾーンを目標にするように配置されてもよい。図１３は、配列内の噴霧器の数が１２であり、各円錐の拡開角度が約５０度であるような限定でない実施の形態を示している。図１４は、配列内の噴霧器の数が６であり、各円錐の拡開角度が約７０度であるような限定でない実施の形態を示している。

１つの限定でない実施の形態では、噴霧器８４の配列は、それぞれのねじ山付き接続部９４（図１１）によってノズルキャップ８２に固定されてもよい。これは、噴霧器の配列内のそれぞれの噴霧器の取外しおよび交換を容易にする。１つの選択的な実施の形態では、配列８４における噴霧器の数は、噴霧器のうちの少なくとも幾つかを取り外し、取り外された噴霧器によってそれまで占められていた出口をそれぞれの適切なプラグ９４で塞ぐことを含んでもよい（図１０は、塞がれた出口の一例を示している）。

作動中、開示された多機能燃料ノズルの複数の態様は、適切なマージン内でＮＯｘ目標レベルを満たすことを事実上許容し、さらに、燃焼器バスケットのライナ壁への水衝突を事実上排除することを許容する。これは、ライナ耐久性を高め、かつタービンエンジンのこれらの構成部材に関連した所定の整備間隔を適切に満たすことにつながる。

本開示の実施の形態が例示的な形式で開示されているが、以下の請求項に示されるように、発明およびその均等物の思想および範囲から逸脱することなく、本開示の実施の形態において多くの変更、付加および削除をなすことができることは当業者に明らかになるであろう。

Claims (11)

1. 燃焼タービンエンジン用の多機能燃料ノズルであって、
   第１の流体回路（１４）および第２の流体回路（１６）を含む環状の燃料噴射ランス（１２）を備え、
   前記第１の流体回路（１４）は前記ランス内の中央に配置されており、前記第１の流体回路は、第１の流体を前記ランスの下流端部（２２）へ搬送するために前記ランスの長手方向軸線に沿って延びており、
   前記第２の流体回路（１６）は、第２の流体を前記ランスの前記下流端部へ搬送するために前記第１の流体回路の周囲に環状に配置されており、前記第１の流体および前記第２の流体のうちの一方は、前記燃焼タービンエンジンの液体燃料作動モードの間、前記第１の流体回路および前記第２の流体回路のうちの一方によって搬送される液体燃料を含み、
   前記第１の流体回路および前記第２の流体回路のうちの他方によって搬送される前記第１の流体および前記第２の流体のうちの他方は、選択可能な非燃料流体を含み、
   前記ランスの前記下流端部に配置された噴霧器（３０）を備え、該噴霧器は、第１の噴霧された排出円錐（３４）を形成するように前記第１の流体回路に応答する第１の排出オリフィス（３２）を有し、前記噴霧器は、第２の噴霧された排出円錐（３８）を形成するように前記第２の流体回路に応答する第２の排出オリフィス（３６）をさらに有し、前記噴霧器の前記第１の排出オリフィスおよび前記第２の排出オリフィスは、前記噴霧器によって形成された前記第１の排出円錐および前記第２の排出円錐が、所定の角度範囲にわたって互いに交差した同心状の円錐を含むようにそれぞれ構成されており、
   前記ランスの前記長手方向軸線の周りに周方向に配置された複数の気体燃料チャネル（４０）をさらに備え、該複数の気体燃料チャネルは、前記環状のランスに対して周方向外側に配置されており、前記エンジンの気体燃料作動モードの間、前記選択可能な非燃料流体は、前記第１の流体回路および前記第２の流体回路のうちの少なくとも一方によって搬送される水を含み、前記第１の排出円錐および前記第２の排出円錐のうちの少なくとも一方は、噴霧された水から形成されたそれぞれの円錐を含み、前記第１の噴霧された排出円錐と前記第２の噴霧された排出円錐との比較的大きな交差角度差は、前記液体燃料の点火中、強化された噴霧を生じさせ、前記第１の噴霧された排出円錐と前記第２の噴霧された排出円錐との比較的小さな交差角度差は、気体燃料作動中、ＮＯｘ減少を高めることを特徴とする、燃焼タービンエンジン用の多機能燃料ノズル。
2. 前記燃焼タービンエンジンの液体燃料作動モードにおいて、前記第１の噴霧された排出円錐は、前記液体燃料または前記選択可能な非燃料流体のうちの一方を含み、前記第２の噴霧された排出円錐は、前記液体燃料または前記選択可能な非燃料流体のうちの他方を含む、請求項１記載の多機能燃料ノズル。
3. 前記液体燃料の点火中、前記選択可能な非燃料流体は、前記第１の流体回路によって搬送される空気を含み、前記第１の噴霧された排出円錐は、空気の円錐を含み、前記液体燃料は、前記第２の流体回路によって搬送されるオイル燃料を含み、前記第２の噴霧された排出円錐は、噴霧されたオイル燃料の円錐を含み、さらに、前記液体燃料の点火後、前記選択可能な非燃料流体は、前記第１の流体回路によって搬送される水を含み、前記第１の噴霧された排出円錐は、噴霧された水の円錐を含む、請求項２記載の多機能燃料ノズル。
4. 前記液体燃料の点火中、前記液体燃料は、前記第１の回路によって搬送されるオイル燃料を含み、前記第１の噴霧された排出円錐は、噴霧されたオイル燃料の円錐を含み、前記選択可能な非燃料流体は、前記第２の回路によって搬送される空気を含み、前記第２の噴霧された排出円錐は、空気の円錐を含み、さらに、前記液体燃料の点火後、前記選択可能な非燃料流体は、前記第２の流体回路によって搬送される水を含み、前記第２の噴霧された排出円錐は、前記噴霧されたオイル燃料の円錐と混合された、噴霧された水から形成された円錐を含む、請求項２記載の多機能燃料ノズル。
5. 前記エンジンの気体燃料作動モードの間、前記選択可能な非燃料流体は、前記第１の流体回路および前記第２の流体回路のうちの少なくとも一方によって搬送される水を含み、前記第１の排出円錐および前記第２の排出円錐のうちの少なくとも一方は、噴霧された水から形成されたそれぞれの円錐を含む、請求項３記載の多機能燃料ノズル。
6. 前記エンジンの気体燃料作動モードの間、前記複数の気体燃料チャネルのうちの少なくとも幾つかは、燃料ガスと混合された水を搬送する、請求項１記載の多機能燃料ノズル。
7. 前記第１の噴霧された排出円錐の角度範囲は、約８０度から約１２０度まで延びている、請求項１記載の多機能燃料ノズル。
8. 前記第１の噴霧された排出円錐の角度範囲は、約９０度から約１１５度まで延びている、請求項７記載の多機能燃料ノズル。
9. 前記第１の噴霧された排出円錐の角度範囲は、約１０４度から約１１０度まで延びている、請求項８記載の多機能燃料ノズル。
10. 前記第２の噴霧された排出円錐の角度範囲は、約４０度から約９０度まで延びている、請求項１または請求項７から９までのいずれか１項記載の多機能燃料ノズル。
11. 前記第２の噴霧された排出円錐の角度範囲は、約６０度から約８０度まで延びている、請求項１０記載の多機能燃料ノズル。

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