JP6736284B2 - 予混合燃料ノズル組立体 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービン燃焼器のための予混合燃料ノズル組立体に関する。より具体的には、本発明は、ガス単独運転用に構成された二元燃料予混合燃料ノズル組立体に関する。

発電用ガスタービン燃焼器は、一般に、「二元燃料」運転用又は「ガス単独」運転用に構成された燃料ノズルが利用可能である。「ガス単独」とは、燃料ノズルが、燃焼器の燃焼室における燃焼に天然ガスなどのガス燃料を供給するよう制限されていることを意味する。「二元燃料」とは、燃料ノズルが、燃焼器の運転時の燃焼に液体燃料又はガス燃料の何れかを供給するように構成することができることを意味する。しかしながら、典型的には、燃焼器は、ガス燃料で作動することになり、液体燃料は、ガス燃料が利用できなくなるか又は供給が制限された場合に予備燃料又は代替燃料として使用することができる。特定の構成では、ガスタービン燃焼器は、中央燃料ノズル及び／又は共通の軸方向中心線の周りに環状に配置された複数の「二元燃料」燃料ノズルを含むように設計することができる。

従来の「二元燃料」燃料ノズルでは、液体燃料は、液体燃料ノズル、又は燃料ノズルの中央本体部内を軸方向に延びるカートリッジを通って供給される。ガス燃料は、典型的には、中央本体と外側バーナー管体との間に定められた環状通路を流れる圧縮空気のスワール流に噴射され、従って、燃料ノズルの下流側に定められた燃焼ゾーンに配向される前にガス燃料を圧縮空気と予混合する。特定の構成において、パイロット予混合ノズル又は先端部は、中央本体の先端部に配置され、液体燃料ノズルと同軸に整列される。運転時には、パイロット予混合ノズルを用いて、低空燃比でもガスタービンの拡散運転中にほぼ安定したパイロット火炎を提供し、燃焼器のエミッション性能を向上させることができる。

ガスタービンは、「二元燃料」又は予備燃料機能を有する燃焼器を含むことができるが、このことはオペレータに必要とされない場合があり、或いは、場合によっては、液体燃料が利用できない場合、及び／又はコスト効果がない場合がある。予備燃料機能を必要としないガスタービンでは、液体燃料ノズルの代わりにガス単独カートリッジが設けられ、従って、この他の場合において「二元燃料」の燃料ノズルは、「ガス単独」燃料ノズルに転換される。パージ空気がガス単独カートリッジを介して配向されて、燃焼器の作動中にカートリッジ先端温度を許容可能なレベル内まで保持する。

予混合パイロットノズルを有する特定の燃焼器において、パージ空気は、ガス単独カートリッジから半径方向外向きに流れて、予混合パイロットノズルによって提供されるパイロット火炎に流入する。結果として、パージ空気は、パイロット火炎の安定性を低下させる場合があり、これは燃焼器の性能に影響を及ぼす可能性がある。従って、改善された二元燃料予混合燃料ノズル組立体、詳細には、パイロット予混合ノズルによって提供されるパイロット火炎に対するパージ空気の影響を低減するように構成されたパイロット予混合ノズル及び／又はガス単独カートリッジを有する予混合燃料ノズル組立体が有用であろう。

米国特許第８，３４７，６３１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、予混合燃料ノズル組立体である。予混合燃料ノズル組立体は、中央本体と、中央本体を貫通して軸方向に延びるパイロット予混合燃料ノズル組立体と、予混合通路及び燃料ポートを各々が定める複数の予混合管を有する予混合先端部とを含む。各予混合管の予混合通路は、パイロット空気通路と流体連通する。予混合燃料ノズル組立体は更に、パイロット空気通路内に軸方向に延びるパージ空気カートリッジ組立体を含む。パージ空気カートリッジ組立体は、パイロット空気通路内にパージ空気通路を定める送給管体部及び先端部を含む。先端部は、予混合先端部によって定められる開口を少なくとも部分的に貫通して延びた後壁を備える。後壁は、パージ空気通路と流体連通した単一の軸方向に延びるオリフィスを含む。

本開示の別の実施形態は、燃焼器である。燃焼器は、端部カバーと、中央燃料ノズルの周りで環状に配置され且つ端部カバーに固定連結された複数の予混合燃料ノズル組立体とを含む。予混合燃料ノズル組立体の各々は、二元燃料型予混合燃料ノズル組立体であり、各予混合燃料ノズル組立体は、内面を有するスリーブによって少なくとも部分的に定められた中央本体を含む。パイロット予混合燃料ノズル組立体は、スリーブ内で中央本体を貫通して軸方向に延び、該中央本体内にパイロット空気通路を定める。パイロット予混合燃料ノズル組立体は、各々が入口端部及び出口端部を有し、且つこれらの間に予混合通路を定める複数の予混合管体を有する予混合先端部を含む。各予混合管体は、少なくとも１つの燃料ポートを含む。予混合管体の入口端部は、パイロット空気通路と流体連通する。予混合燃料ノズル組立体は更に、パイロット予混合燃料ノズル組立体と中央本体のスリーブの内面との間で半径方向に定められたパイロット燃料流路と、スリーブの内面と予混合先端部の外面との間に少なくとも部分的に定められた燃料プレナムと、を含む。燃料ポートは、燃料プレナムと予混合通路との間の流体連通をもたらす。各予混合燃料ノズル組立体が更に、パイロット空気通路内で軸方向に延びるパージ空気カートリッジ組立体を含む。パージ空気カートリッジ組立体は、パイロット空気通路内にパージ空気通路を定める送給管体部及び先端部を含む。先端部は、予混合先端部によって定められる開口を少なくとも部分的に貫通して延びた後壁を備える。後壁は、パージ空気通路と流体連通した単一の軸方向に延びるオリフィスを定める。

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に組み込むことができる例示的な燃焼器の側面斜視図。 本発明の１又はそれ以上の実施形態に組み込むことができる例示的な燃焼器の一部の斜視側面図。 本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図３に示すような燃焼器に組み込むことができる例示的な予混合燃料ノズル組立体の断面側面図。 少なくとも１つの実施形態による、図４に示された、図３に示す燃焼器に組み込むことができる例示的なパイロット予混合燃料ノズル組立体の斜視側面図。 本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図５に示す例示的なパイロット予混合燃料ノズル組立体の下流側部分の拡大断面側面図。 本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図５及び６に示す例示的な予混合燃料ノズル組立体の断面側面図。 本発明の１又はそれ以上の実施形態によるパイロット予混合燃料ノズル組立体を含む、図７に示す予混合燃料ノズル組立体の一部の拡大断面側面図。 本発明の種々の実施形態による、図３及び７に示す予混合燃料ノズル組立体の断面斜視図。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、図９に示す予混合燃料ノズル組立体の一部の拡大断面斜視図。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１０に示す空気カートリッジ組立体の先端部分の拡大断面斜視側面図。 本発明の１つの実施形態による、図１１に示す空気カートリッジ組立体の先端部分の斜視図。 本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図９に示す予混合燃料ノズル組立体を通る燃料及び空気又はパージ媒体の種々の流路を示す予混合燃料ノズル組立体の断面側面図。 本発明の１つの実施形態による、パイロット予混合運転におけるパイロット予混合流ノズル組立体の下流側端部の斜視図。

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「上流側」及び「下流側」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、「上流側」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流側」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ガスタービン燃焼器用の予混合燃料ノズル組立体に関して全体に説明しているが、当業者であれば、本発明の実施形態は、ターボ機械用の任意の様式又は形式の燃焼器に適用でき、特許請求の範囲に特に記載のない限り、陸上発電ガスタービン用の燃焼器又は燃焼システムに限定されないことを容易に理解できるはずである。

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、吸気セクション１２を含み、この吸気セクション１２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ための一連のフィルタ、冷却コイル、湿分分離器、及び／又は他の装置を含むことができる。空気１４は、圧縮機セクションに流入し、ここでは圧縮機１６が漸次的に空気１４に運動エネルギを与えて、圧縮空気１８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２４内で可燃性混合気を生成する。この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、仕事を産出する。例えば、タービン２８は、シャフト３０に連結されて、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を生成するようにすることができる。代替として又はこれに加えて、シャフト３０は、タービン２８を発電機３２に接続して、電力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から下流側にある排気スタック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を浄化して該排気ガス３４から余分な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何らかのタイプの燃焼器とすることができ、本発明は、特許請求の範囲に特に記載のない限り、何れの特定の燃焼器設計に限定されるものではない。例えば、燃焼器２４は、缶アニュラ型又はアニュラ型燃焼器とすることができる。図２は、図１に示すガスタービン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。

例示的な実施形態において、図２に示すように、燃焼器２４は、外部ケーシング４０により少なくとも部分的に囲まれている。外部ケーシング４０は、圧縮機１６（図１）等の圧縮空気源と流体連通している。燃焼器２４は、外部ケーシング４０内で燃焼室４４を少なくとも部分的に定める燃焼ライナ及び／又は移行ダクト等の１又はそれ以上のライナ４２を含むことができる。１又は複数のライナ４２はまた、燃焼ガス２６をタービン２８内に配向する高温ガス経路４６を少なくとも部分的に定めることができる。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等の１又はそれ以上の外側スリーブ４８は、１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。外側スリーブ４８は、１又は複数のライナ４２から半径方向に離間して、圧縮空気１８の一部を燃焼器２４のヘッド末端部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。ヘッド端部５２は、外部ケーシング４０に固定的に接続される端部カバー５４により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、外部ケーシング４０内に配置され又は内部に入れられた複数の燃料ノズル組立体５６を含む。

図３は、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の斜視側面図を示す。図３に示すように、燃料ノズル組立体５６は、共通の軸方向中心線５８及び／又は中心線５８と実質的に同軸上に整列された中央燃料ノズル組立体６０の周りに環状に配置することができる。種々の実施形態において、各燃料ノズル組立体５６の一端は、端部カバー５４に接続される。燃料ノズル組立体５６、６０は、端部カバー５４及び／又は流体継手（図示せず）を介して燃料源２２（図２）と流体連通することができる。

図４は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図３に示すような燃焼器２４に組み込むことができる例示的な予混合燃料ノズル組立体１００の断面側面図を示す。予混合燃料ノズル組立体１００は、図２及び３に示す燃料ノズル組立体５６、６０のうちの１つ、何れか、又は全てを表すことができ、特許請求の範囲において特に記載のない限り、端部カバー５４に沿って又は燃焼器２４内の特定の箇所又は位置に限定されない。予混合燃料ノズル組立体１００は、「二元燃料」型の予混合燃料ノズルであり、従って、本明細書で提供される予混合燃料ノズル組立体１００は、ガス燃料又は液体燃料の何れか燃焼する又はこれらの何れかに基づいて作動するよう構成又は修正できるあるタイプの予混合燃料ノズルの１つとすることができる。

図４に示すように、予混合燃料ノズル組立体１００は、一般に、機能によって幾つかの領域に分けることができる。図４に示す特定の構成において、予混合燃料ノズル組立体１００は、吸気流コンディショナ１０２、ガス燃料噴射を備えた空気スワーラ組立体１０４、及び環状燃料／空気混合通路１０６を含む。種々の実施形態において、図３に示すように、予混合燃料ノズル組立体１００は、拡散又はパイロット予混合ノズル組立体１０８を含む。パイロット予混合ノズル組立体１０８（図３）は、予混合燃料ノズル組立体１００の中央本体１１０（図４）内に装着又は嵌装される。吸気流コンディショナ１０２は、図４では予混合燃料ノズル組立体１００の一部として示されているが、特許請求の範囲に特に記載のない限り、予混合燃料ノズル組立体１００の必須の構成要素ではない。

特定の実施形態において、図４に示すように、環状燃料／空気混合通路１０６は、概して、外側スリーブ又はバーナー管体１１２と、中央本体１１０との間に定められる。スワーラ組立体１０４は、中央本体１１０と、バーナー管体１１２のような外側スリーブ１１６との間に延びるスワーラベーン１１４を含む。中央本体１１０と外側スリーブ１１６との間には、環状燃料／空気混合通路１０６の上流側に環状通路１１８が定められる。特定の構成において、各スワーラベーン１１４に沿って１又はそれ以上の燃料噴射ポート１２０が形成される。燃料噴射ポート１２０は、中央本体１１０内に形成された１又はそれ以上の燃料回路１２２と環状通路１１８との間の流体連通を提供する。中央本体１１０は、１又はそれ以上の環状スリーブ１２４によって少なくとも部分的に定められる。各スリーブ１２４は、外側又は外面１２８から半径方向に離間した内側又は内面１２６を含む。

作動時には、圧縮空気１８の一部は、吸気流コンディショナ１０２（存在する場合）を介して予混合燃料ノズル組立体１００のスワーラ組立体１０４に流入する。スワーラベーン１１４は、圧縮空気１８が環状通路１１８を通過する際にこの圧縮空気１８に対して角度スワールを加える。天然ガス等のガス燃料は、噴射ポート１２０を介して圧縮空気１８に噴射される。ガス燃料は、スワーラ組立体１０４内で圧縮空気１８と混合を開始し、環状通路１０６内で燃料／空気混合が完了する。燃料／空気混合気６２は、環状通路１０６に流入した後、燃焼室４４又は反応ゾーンに流入し、ここで燃焼が起こる。

図５は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図４に示され、図３に示す燃焼器に組み込むことができる例示的なパイロット予混合燃料ノズル組立体２００の斜視側面図を示す。図６は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による、図５に示す例示的なパイロット予混合燃料ノズル組立体２００の下流側部分２０２の拡大断面側面図を示す。例示的なパイロット予混合燃料ノズル組立体２００は、図３に示すパイロット予混合燃料ノズル組立体１０８のうちの１つ、何れか、又は全てを表すことができ、特許請求の範囲に特に記載のない限り、何らかの特定の予混合燃料ノズル組立体１００に限定されない。

種々の実施形態において、図５に示すように、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００は、環状ステム２０４を含む。ステム２０４の第１の又は上流側の末端部分２０６は、端部カバー５４（図３）のオリフィスと相互連結するよう及び／又はオリフィスの内に嵌装されるように構成又は形成される。ステム２０４は、パイロット予混合空気供給源（図示せず）と流体連通することができる。１つの実施形態において、図５に示すように、１又はそれ以上の位置合わせ又は離隔特徴部２０８は、ステム２０４の外面２１０に沿って形成又は配置される。位置合わせ特徴部２０８は、ステム２０４の外面２１０の周りでクロックする、すなわち円周方向に離間して配置することができる。

図６に示すように、下流側部分２０２は、ステム２０４の下流側末端部分２１２に結合又は連結される。１つの実施形態において、図６に示すように、下流側部分２０２は、カップリングカラー２１４を介してステム２０４の下流側末端部分２１２に結合又は連結される。１つの実施形態において、１又はそれ以上の位置合わせ又は離隔特徴部２１６は、カップリングカラー２１４の外面２１８に沿って形成又は配置される。位置合わせ特徴部２１６は、カップリングカラー２１４の外面２１８の周りでクロックする、すなわち円周方向に離間して配置することができる。

種々の実施形態において、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００は、その一方端でステム２０４の下流側末端部分２１２に及び／又はカップリングカラー２１４に結合され、軸方向に反対側の端部にて流れ膨張カラー２２２に結合される環状ベローズ２２０を含む。特定の実施形態において、ステム２０４、カップリングカラー２１４、ベローズ２２０、及び流れ膨張カラー２２２は、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００の軸方向中心線２２４に対して同軸に整列することができる。

種々の実施形態において、図５及び６に示すように、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００は、中心線２２４に対して流れ膨張カラー２２２から軸方向下流側に延びる予混合先端部２２６を含む。特定の実施形態において、予混合先端部２２６は、中心線２２４に対してステム２０４、カップリングカラー２１４、ベローズ２２０、及び流れ膨張カラー２２２のうちの１又はそれ以上と同軸に整列される。流れ膨張カラー２２２は、ベローズ２２０と予混合先端部２２６との間で軸方向に延びる。ステム２０４、カップリングカラー２１４、ベローズ２２０、流れ膨張カラー２２２、及び予混合先端部２２６の各々は、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００を貫通するパイロット空気通路２２８を少なくとも部分的に定める。

特定の実施形態において、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００は、ベローズ２２０を円周方向に取り囲む環状スリーブ又はライナ２３０を含む。１つの実施形態において、ライナ２３０は、第１の端部にてステム２０４又はカップリングカラー２１４と係合し、第２の端部２３４にて流れ膨張カラー２２２と係合して、従って、ベローズ２２０とライナ２３０との間にプレナム又は間隙２３６を形成する。ライナ２３０は、第１又は第２の端部２３２、２３４にてステム２０４、カップリングカラー２１４、又は流れ膨張カラー２２２と固定係合することができ、又は滑動可能に係合することができる。

１つの実施形態において、ライナ２３０は、第１の端部２３２においてステム２０４又はカップリングカラー２１４と固定係合し、第２の端部２３４において膨張カラー２２２と滑動可能に係合し、従って、ステム２０４及び／又はカップリングカラー２１４と予混合先端部２２６との間の熱膨張が許容される。１つの実施形態において、ライナ２３０は、第１の端部２３２にてステム２０４又はカップリングカラー２１４と滑動可能に係合し、第２の端部２３４にて膨張カラー２２２と固定係合し、従って、ステム２０４及び／又はカップリングカラー２１４と予混合先端部２２６との間の熱膨張が許容される。１つの実施形態において、ライナ２３０は、第１の端部２３２にてステム２０４又はカップリングカラー２１４と固定係合し、第２の端部２３４にて膨張カラー２２２と固定係合し、従って、ベローズ２２０とライナ２３０との間にプレナム又は間隙２３６を少なくとも部分的にシールする。

種々の実施形態において、図５及び６に示すように、予混合先端部２２６は、予混合先端部２２６の外面２４０（図５）付近又はその周りに環状に配置された複数の予混合管体２３８を含む。各管体は、予混合先端部２２６の外面２４０（図５）から半径方向外向きに延びる。特定の実施形態において、図５及び６に示すように、予混合管体２３８は、流れ膨張カラー２２２と予混合先端部２２６の燃料分配ディスク又は壁２４２との間で、中心線２２４に対して軸方向に延びる。特定の実施形態において、外面２４０及び／又は予混合先端部２２６の予混合管体２３８は、流れ膨張カラー２２２の半径方向外面２４４及び／又は燃料分配ディスク２４２の半径方向外面２４６から半径方向に差し込まれている。特定の実施形態において、図５に示すように、円周方向に隣接した各予混合管体２３８の間に谷部又は溝部２４８が形成又は定められる。

図６に示すように、各予混合管体２３８は、入口端部２５０及び出口端部２５２を含む。特定の実施形態において、各予混合管体２３８は、予混合先端部２２６を貫通する予混合流通路２５４を定める。入口端部２５０は、パイロット空気通路２２８と流体連通する。各予混合管体２３８の出口端部２５２は、対応する予混合流通路２５４と燃焼室又は反応ゾーン４４（図２）との間の流体連通をもたらす。特定の実施形態において、予混合管体２３８の各々又は少なくとも一部は、対応する予混合通路２５４への流体連通をもたらす１又はそれ以上の燃料ポート２５６を含む。

図７は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による、中央本体１１０内に嵌装又は装着された、図５及び６に示す例示的な予混合燃料ノズル組立体２００を備えた例示的な予混合燃料ノズル組立体１００の断面側面図を示す。図７に示すように、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００は、予混合燃料ノズル組立体１００の中心線１５２に対して中央本体１１０内を軸方向に延びる。特定の実施形態において、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００は、中心線１５２に関して中央本体１１０と同軸に整列される。特定の実施形態において、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００は、その一方端にて燃料分配ディスク２４２にて又はその近傍で中央本体１１０に固定接続することができ、ステム２０４の上流側末端部分２０６において非結合又は非固定とすることができ、従って、燃焼器２４の作動時にベローズ２２０を介して中央本体１１０の内側のパイロット予混合燃料ノズル組立体２００の熱膨張、特に軸方向の熱膨張が許容される。

種々の実施形態において、図７に示すように、パイロット燃料流路２５８は、中央本体１１０（図４）の１又は複数のスリーブ１２４の内面１２６と、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００の少なくとも一部との間に少なくとも部分的に定められる。１つの実施形態において、図７に示すように、パイロット燃料流路２５８は、中央本体１１０の１又は複数のスリーブ１２４の内側又は内面１２６と、ステム２０４、カップリングカラー２１４、ベローズ２２０及び／又はベローズライナ２３０、並びに流れ膨張カラー２２２との間に定められる。種々の実施形態において、パイロット燃料流路２５８は、中央本体１１０内に形成され、スワーラベーン１１４内に定められた燃料噴射ポート１２０に燃料を送給又は供給する１又はそれ以上の燃料回路１２２から半径方向内向きに定められる。パイロット燃料流路２５８は、一般に、端部カバー５４及び／又は燃料源と、パイロット燃料流路２５８との間の流体連通をもたらす入口通路２６０から燃料が送給される。

図８は、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００の一部を含む、図７に示す予混合燃料ノズル組立体１００の一部の拡大断面側面図である。特定の実施形態において、図７及び８に示すように、燃料プレナムは、中央本体１１０の１又は複数のスリーブ１２４の内面１２６と、予混合先端部２２６との間に少なくとも部分的に定められ及び／又は形成される。特定の実施形態において、燃料プレナム２６２は、予混合管体２３８の外面及び／又は予混合先端部２２６の外面２４０（図５）と、１又は複数のスリーブ１２４の内面１２６との間に少なくとも部分的に定められ又は形成される。燃料プレナム２６２は、パイロット燃料流路２５８に流体連通する。種々の実施形態において、燃料ポート２５６は、燃料プレナム２６２と、対応する各予混合管体２３８の予混合通路２５４との間の流路を定める。特定の実施形態において、パイロット燃料流路２５８は、燃焼器２４のパイロット予混合運転時に、端部カバー５４（図３）と燃料プレナム２６２との間の連続した燃料流路をもたらす。

図９は、本発明の種々の実施形態による、図３及び７に示す予混合燃料ノズル組立体１００の断面斜視図を示す。特定の実施形態において、図９に示すように、予混合燃料ノズル組立体１００は、予混合燃料ノズル組立体１００を二元燃料型予混合燃料ノズル組立体１００からガス燃料単独又は「ガス単独」構成に転換又は修正するためのパージ空気カートリッジ組立体３００を含む。パージ空気カートリッジ組立体３００は、中心線１５２に対してほぼ軸方向に延びる。特定の実施形態において、パージ空気カートリッジ組立体３００は、中心線１５２に対してパイロット予混合燃料ノズル組立体２００及び／又は中央本体１１０と同軸に整列される。パージ空気カートリッジ組立体３００は、パイロット空気通路２２８内で、ステム２０４、カップリングカラー２１４、ベローズ２２０、流れ膨張カラー２２２、及び予混合先端部２２６を通り、更に、燃料分配ディスク２４２内に定められ又は形成された開口２６４（図８及び９）を少なくとも部分的に通って軸方向に延びる。

パージ空気カートリッジ組立体３００は、一般に、送給管体部３０２及び先端部３０４を含む。特定の実施形態において、送給管体部３０２は、端部カバー５４に定められた開口を貫通して延びる。パージ空気カートリッジ組立体３００、詳細には送給管体部３０２は、パージ空気供給部（図示せず）と流体連通する。パージ空気カートリッジ組立体３００は、ボルト又は他の好適なファスナ（図示せず）により端部カバー５４に結合又は連結することができる。送給管体部３０２及び先端部３０４は、一般に、パージ空気カートリッジ組立体３００を貫通するパージ空気通路３０８を定める。パージ空気カートリッジ組立体３００は、端部カバー５４を貫通して後装することができる。種々の実施形態において、パイロット空気通路２２８は、パージ空気カートリッジ組立体３００の外面３０６と、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００のステム２０４、カップリングカラー２１４、ベローズ２２０、流れ膨張カラー２２２、及び予混合先端部２２６との間に少なくとも部分的に定められる。

図１０は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、中央本体１１０の一部、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００の予混合先端部２２６、及び空気カートリッジ組立体３００の先端部３０４を含む予混合燃料ノズル組立体１００の一部の拡大断面斜視図を示す。種々の実施形態において、図１０に示すように、パージ空気カートリッジ組立体３００の先端部３０４は、後壁３１０を含む。後壁３１０は、先端部３０４の下流側端部３１４にて又はその近傍でパージ空気カートリッジ組立体３００の軸方向中心線３１２に対して半径方向及び円周方向に延びる。単一のオリフィス３１６は、後壁３１０を貫通して形成される。１つの実施形態において、オリフィス３１６は、中心線３１２と同軸に後壁３１０を貫通して形成される。オリフィス３１６は、後壁３１０の前方側面３１８及び後方側面３２０を貫通して延び、後壁３１０を通るパージ空気通路３０８からの流体連通をもたらす。

図１１は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１０に示す空気カートリッジ組立体３００の先端部３０４の拡大断面斜視側面図を示す。図１０及び１１に示すように、空気カートリッジ組立体３００は、インピンジメントプレート又はインサート３２２を含むことができる。インピンジメントプレート３２２は、後壁３１０の内側３１８から上流側の先端部３０４内で中心線３１２に対して半径方向及び円周方向に延びる。インピンジメントプレート３２２は、後壁３１０の内側３１６から軸方向に離間して配置され、これらの間にインピンジメントプレナム３２４を定めるようにする。インピンジメントプレート３２２は、インピンジメントプレート３２２の上流側面３２８及び下流側面３３０を貫通して延びる複数のインピンジメント孔３２６を含む。インピンジメント孔３２６は、パージ空気通路３０８からインピンジメントプレート３２２を通ってインピンジメントプレナム３２４への流体連通をもたらす。インピンジメント孔３２６は、一般に、パージ媒体供給部（図示せず）及びパージ空気通路３０８からのパージ媒体又は空気３３２の流れを後壁３１０の前側３１８に対して配向するような向きにされ及び／又は構成され、従って、燃焼器２４の運転時に後壁３１０に対してインピンジメント冷却又はジェット冷却を提供する。

図１０に示すように、半径ギャップ又はキャビティ３３４は、カートリッジ組立体３００の後壁３１０の頂部に隣接する先端部３０４と、燃料分配ディスク２４２に定められ又は形成された開口２０１との間に定め又は形成することができる。キャビティ３３４により、後壁３１０での再循環ゾーンの形成が引き起こされ、又はもたらすことができる。

図１２は、本発明の１つの実施形態による、図９−１１に示す空気カートリッジ組立体３００の先端部３０４の斜視図を示す。１つの実施形態において、図１２に示すように、複数のパージ通路３３６は、後壁３１０の面取り部、傾斜部、又は末広側壁部３３８に沿って定められる。パージ通路３３６は、パージ空気３３２の一部を、インピンジメントプレナム３２４及び／又はパージ空気通路３０８から半径方向外向きに、及び円周又は接線方向でキャビティ３３４（図１１）内に流すような向きにされ、又は構成され、従って、燃焼器２４の運転中の再循環ゾーンの形成が阻止される。

図１３は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による、予混合燃料ノズル組立体１００を通る燃料及び圧縮空気のようなパージ媒体の種々の流路を示す予混合燃料ノズル組立体１００の断面側面図を示す。燃焼器２４のパイロット予混合運転中、図１３及び本明細書で提示され説明される種々の図面に示すように、ガス燃料４００は、入口通路２６０を通ってパイロット燃料流路２５８内に送られる。特定の実施形態において、位置合わせ又は離隔特徴部２０８、２１６は、パイロット予混合燃料ノズル組立体２００と、中央本体１１０の１又は複数のスリーブ１２４の内面１２６との間の所望の半径ギャップを維持し、従って、パイロット燃料流路２５８を通るガス燃料の適切な燃料流が確保される。

ガス燃料４００は、燃料プレナム２６２に流入し、予混合先端部２２６の外面２４０の周り及び／又は円周方向に隣接する各予混合管体２３８の間に形成又は定められた溝部２４８内を流れ又は循環する。ガス燃料４００は、予混合先端部２２６及び／又は燃料分配ディスク２４２に対して対流冷却及び／又は伝導冷却をもたらすことができる。次いで、ガス燃料４００は、１又は複数の燃料ポート２５６を介して各予混合管体２３８の予混合通路２５４に噴射される。

同時に、予混合空気４０２は、パイロット空気通路２２８を通って送られる。パイロット予混合空気４０２は、ステム２０４、カップリングカラー２１４、及びベローズ２２０を通って流れ膨張カラー２２２に流入する。パイロット予混合空気４０２の一部は、各予混合管体２３８の入口端部２５０を通過して、１又は複数の燃料ポート２５６から上流側で対応する予混合通路２５４に流入する。ガス燃料４００及びパイロット予混合空気４０２は、１又は複数の予混合通路２５４を流れて各予混合管体２３８のそれぞれの出口端部２５２を通って流出するときに、予混合パイロット燃料−空気混合気４０４を形成する。予混合パイロット燃料−空気混合気４０４は、燃焼室４４及び／又は反応ゾーン４０６に流入し、ここで、予混合パイロット燃料−空気混合気４０４は、パイロット予混合火炎４０８として燃焼する。

特定の実施形態において、圧縮空気などのパージ又は冷却媒体４１０は、パージ空気通路３０８に送られる。１又はそれ以上の実施形態において、パージ媒体４１０は、インピンジメント通路３２６を通って流れて、後壁３１０の前側３１８に衝突又は突き当たり、従って、後壁３１０に対するインピンジメント冷却又はジェット冷却をもたらす。パージ媒体４１０は、軸方向に延びるオリフィス３１６を通って流れ、パイロット予混合火炎４０８と同軸で反応ゾーンに流入する。１つの実施形態において、パージ媒体４１０の一部（すなわち、２０％未満）は、パージ通路３３６に送られて半径方向ギャップ３３４をパージすることができる。

図１４は、軸方向に延びるオリフィス３１６を通過するパージ媒体４１０と、反応ゾーン４０６内のパイロット予混合フレーム４０８との間の空間的関係の斜視図である。一般にパージ媒体を半径方向外向きに流動又は配向する結果としてパイロット予混合火炎４０８の消炎を生じる可能性がある従来のガス単独カートリッジに比べた場合に、反応ゾーン４０６に入るパージ媒体４１０の軸方向の流れ方向及びパイロット予混合火炎４０８によって予混合パイロット火炎の安定性が向上する。パイロット予混合火炎４０８の消炎は、一般に、望ましくはない又は非最適のパイロット火炎及びカートリッジパージ空気の相互作用、パイロット火炎での最適ではない反応速度をもたらし、従って、エミッション性能に影響を及ぼし、パイロット火炎を囲む最適温度よりも低い温度となり、最適ではない動的反応速度をもたらす可能性がある。

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 吸気セクション
１４ 作動流体
１６ 圧縮機
１８ 圧縮作動流体
２０ 燃料
２２ 燃料供給システム
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 外部ケーシング
４２ 高圧プレナム
４４ 燃焼室
４６ 燃料ノズル
４８ 外側スリーブ
５０ 環状流路
５２ ヘッド末端部
５４ 端部カバー
５６ 燃料ノズル組立体
５８ 共通軸方向中心線
６０ 中央燃料ノズル組立体
６２ 燃料／空気混合気
１００ 予混合燃料ノズル組立体
１０２ 吸気流コンディショナ
１０４ 空気スワーラ組立体
１０６ 環状燃料／空気混合通路
１０８ パイロット予混合ノズル組立体
１１０ 中央本体
１１２ バーナー管体
１１４ スワーラベーン
１１６ 外側スリーブ
１１８ 環状通路
１２０ 燃料噴射ポート
１２２ 燃料回路
１２４ 環状スリーブ
１２６ 内側又は内面
１２８ 外側又は外面
２００ パイロット予混合燃料ノズル組立体
２０２ 下流側部分
２０４ ステム
２０６ 末端部分（ステム）
２０８ 位置合わせ又は離隔特徴部
２１０ 外面（ステム）
２１２ 下流側末端部分（ステム）
２１４ カップリングカラー
２１６ 位置合わせ又は離隔特徴部
２１８ 外面（カップリングカラー）
２２０ ベローズ
２２２ 流れ膨張カラー
２２４ 軸方向中心線（パイロット予混合燃料ノズル）
２２６ 予混合先端部
２２８ パイロット空気通路
２３０ スリーブ又はライナ（ベローズ）
２３２ 第１の端部（ライナ）
２３４ 第２の端部（ライナ）
２３６ プレナム又は間隙
２３８ 予混合管体
２４０ 外面（予混合先端部）
２４２ 燃料分配ディスク
２４４ 外面（流れ膨張カラー）
２４６ 外面（燃料分配ディスク）
２４８ 谷部又は溝部
２５０ 入口端部（予混合管体）
２５２ 出口端部（予混合管体）
２５４ 予混合流通路
２５６ 燃料ポート
２５８ パイロット燃料流路
２６０ 入口通路
２６２ 燃料プレナム
２６４ 開口（カートリッジ用）
３００ パージ空気カートリッジ組立体
３０２ 送給管体部
３０４ 先端部
３０６ 外面（パージ空気カートリッジ組立体）
３０８ パージ空気通路
３１０ 後方壁
３１２ 中心線
３１４ 下流側端部（先端部）
３１６ 軸方向に延びるオリフィス
３１８ 前方側面（後方壁）
３２０ 後方側面（句法壁）
３２２ インピンジメントプレート
３２４ インピンジメントプレナム
３２６ インピンジメント孔
３２８ 上流側部
３３０ 下流側面
３３２ パージ媒体又は空気
３３４ 半径ギャップ又はキャビティ
３３６ パージ通路
３３８ 面取り部、傾斜部、又は末広側壁部
４００ ガス燃料
４０２ パイロット予混合空気
４０４ 予混合パイロット燃料−空気混合気
４０６ 反応ゾーン
４０８ パイロット予混合火炎
４１０ パージ又は冷却媒体

Claims (14)

1. 予混合燃料ノズル組立体（１００）であって、
   内面を有するスリーブ（１２４）によって少なくとも部分的に定められる中央本体（１１０）と、
   前記スリーブ内で前記中央本体を貫通して軸方向に延び、前記中央本体内にパイロット空気通路（２２８）を定めるパイロット予混合燃料ノズル組立体（２００）と、
   を備え、
   前記パイロット予混合燃料ノズル組立体が、複数の予混合管体（２３８）を有する予混合先端部（２２６）を含み、前記各予混合管体が予混合通路（２５４）及び燃料ポート（２５６）を定め、前記予混合通路が、前記パイロット空気通路と流体連通しており、
   前記予混合燃料ノズル組立体（１００）が更に、
   前記パイロット空気通路内に軸方向に延び、前記パイロット空気通路内にパージ空気通路（３０８）を定める送給管体部（３０２）及び先端部（３０４）を有するパージ空気カートリッジ組立体（３００）と、
   を備え、前記先端部が、前記予混合先端部によって定められる開口（２６４）を少なくとも部分的に貫通して延びた後壁（３１０）を含み、該後壁が単一の軸方向に延びるオリフィス（３１６）を有し、該オリフィスが、前記パージ空気通路と流体連通している、予混合燃料ノズル組立体（１００）。
2. 前記オリフィスが、前記パージ空気カートリッジ組立体及び前記パイロット予混合燃料ノズル組立体のうちの少なくとも１つの軸方向中心線と同心状に整列されている、請求項１に記載の予混合燃料ノズル組立体。
3. 前記パージ空気カートリッジ組立体が更に、前記後壁の前方側面（３１８）から上流側で前記パイロット空気通路内に配置されたインピンジメントプレート（３２２）を含む、請求項１に記載の予混合燃料ノズル組立体。
4. 前記インピンジメントプレートが、前記後壁の前方側面に対してパージ媒体（３３２）の流れを配向するような向きにされた複数のインピンジメント孔（３２６）を含む、請求項３に記載の予混合燃料ノズル組立体。
5. 前記インピンジメントプレートが、該インピンジメントプレートと前記後壁との間にインピンジメントプレナム（３２４）を少なくとも部分的に定める、請求項３又は請求項４に記載の予混合燃料ノズル組立体。
6. 前記後壁が、傾斜側壁（３３８）と、該傾斜側壁を通って半径方向に延びる複数のパージ通路（３３６）とを含み、該パージ通路が、前記パージ空気通路と流体連通している、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の予混合燃料ノズル組立体。
7. 前記パージ空気カートリッジ組立体の後壁が、前記パイロット予混合燃料ノズル組立体の予混合先端部に定められる開口（２６４）内で半径方向キャビティ（３３４）を少なくとも部分的に定め、前記複数のパージ通路が、前記キャビティに向けられる、請求項６に記載の予混合燃料ノズル組立体。
8. 前記パイロット予混合燃料ノズル組立体が、前記予混合先端部から上流側で順番に連結されたステム（２０４）、カップリングカラー（２１４）、ベローズ（２２０）、及び流れ膨張カラー（２２２）を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の予混合燃料ノズル組立体。
9. 前記ベローズを円周方向で取り囲むライナ（２３０）を更に備え、前記ベローズ及び前記ライナが、これらの間にプレナム（２３６）を少なくとも部分的に定める、請求項８に記載の予混合燃料ノズル組立体。
10. 燃焼器（２４）であって、
    端部カバー（５４）と、
    中央燃料ノズル（６０）の周りで環状に配置された複数の予混合燃料ノズル組立体（１００）と、
    を備え、前記複数の予混合燃料ノズル組立体の各予混合燃料ノズル組立体及び前記中央燃料ノズルが、前記端部カバーに固定連結され、前記予混合燃料ノズル組立体の各々が請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の予混合燃料ノズル組立体である、燃焼器（２４）。
11. 前記複数の予混合燃料ノズル組立体の各々が、前記パイロット予混合燃料ノズル組立体と前記中央本体のスリーブの内面との間で半径方向に定められたパイロット燃料流路（２５８）を含む、請求項１０に記載の燃焼器。
12. 前記複数の予混合燃料ノズル組立体の各々が、前記中央本体のスリーブの内面と前記予混合先端部の外面との間に少なくとも部分的に定められた燃料プレナム（２６２）を含んでおり、前記燃料ポートが、前記燃料プレナムと前記予混合通路との間の流体連通をもたらす、請求項１０又は請求項１１に記載の燃焼器。
13. 前記パイロット予混合燃料ノズル組立体の複数の予混合管体が、前記燃料プレナム内に配置される、請求項１２に記載の燃焼器。
14. 前記複数の予混合管体の出口端部が、前記予混合先端部の燃料分配ディスク部（２４２）の周りで環状に配置される、請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項に記載の燃焼器。