JP6962804B2 - 複合燃料を放射方向に流動させるノズル - Google Patents

Description

本開示はノズルに関し、より具体的には、産業用ガスタービンエンジンに用いるような複数の燃料を使用するためのノズルに関する。

複合燃料から得られる性能と低エミッションを両立させることは容易ではない。例えば、産業用ガスタービンエンジン用の従来の複合燃料ノズルにおいては、ノズルの中心線に沿って配設した圧力アトマイザから、通常液体燃料を噴射する。従来型のノズルでは、特に直径が大きいノズルの場合、燃料ノズルが到達させることのできる外側の限界まで液体燃料を供給することは困難である。

従来技術は、これらの意図した目的を果たしていると考えられているが、改良された複合燃料ノズル用にさらなる改良を行う必要がある。本開示は、この課題に対する１つの解決策を提供する。

ノズルは、縦軸を画定するノズル本体を含む。ノズル本体は、放射方向に配設された旋回器によって供給を受け、円錐状の収束断面を有する内部空気通路を含む。第１の燃料回路は、縦軸に対して空気通路から放射方向外側に配設される。第２の燃料回路は、縦軸に対して第１の燃料回路から放射方向外側に配設され、第１の燃料回路及び第２の燃料回路の各々は、それぞれの燃料回路の入口からそれぞれの環状燃料回路の出口まで延在する。外部空気通路は燃料回路外部壁と外部空気通路壁の間に画定され、外部空気通路は非旋回収束外部空気通路である。

第１及び第２の燃料回路のうちの少なくとも１つは、複数の螺旋状通路を含み、各螺旋状通路は、それぞれの燃料回路の出口に対して接線方向に開口する。複数の螺旋状通路は少なくとも８５°の縦軸に対する流れの出口角度を画定し得る。点火器はノズル本体の上流壁に配置され得、縦軸上で同軸方向を向いている。

第２の燃料回路は燃料回路外部壁と中間燃料回路壁の間に画定され得、第１の燃料回路は燃料回路内部壁と中間燃料回路壁の間に画定され、中間燃料回路壁は縦軸に対して内部燃料回路壁から放射方向外側に配設され、外部燃料回路壁は縦軸に対して中間燃料回路壁の放射方向外側に配設される。第１及び第２の燃料回路のそれぞれの環状燃料回路の出口は、中間燃料回路壁のみによって相互から離間され得ると考えられる。燃料回路の内部、外部、及び中間壁の各々の少なくとも一部は、縦軸方向に向かって収束する円錐形を有し得る。

第１の燃料回路の燃料回路の入口は燃料マニフォールドと流体によって連通するように円周方向に離間して配設された複数の開口部を含み得、第２の燃料回路の燃料回路の入口は燃料マニフォールドと流体によって連通するように円周方向に離間して配設された複数の開口部を含み得る。放射方向に配設された旋回器は環状の内部空気入口の周囲に円周方向で相互から離間して放射方向に配設された複数の旋回ベーンを含み得、ノズル本体は複数のチューブを含み、各チューブは円周方向に離間して配設された複数の開口部を接続する。第１及び第２の燃料回路の双方のための複数のチューブは、放射方向に配設された複数の旋回ベーンを軸方向に貫通し得る。

複数のチューブの第１のセットは第１の燃料回路の円周方向に離間して配設された複数の開口部を接続し得、第２の燃料回路を軸方向に貫通し得る。複数のチューブの第２のセットは、第２の燃料回路の円周方向に離間して配設された複数の開口部を接続し得、放射方向に配設された旋回器のそれぞれのベーンを軸方向に貫通し得る。第１のセットの各チューブは、第２のセットのそれぞれのチューブを貫通し得る。

内部空気通路、外部空気通路、第１の燃料回路、及び第２の燃料回路は、ノズル本体内でプレミクシングを行うことなく拡散火炎噴射を行うように構成され得る。内部空気通路は、縦軸に沿って放射方向に配設された旋回器の下流で複数の障害に遭遇することはあり得ない。第２の燃料回路は液体燃料を噴射するように構成され得、第１の燃料回路は気体燃料を噴射するように構成され得る。

別の態様において、ノズルは縦軸を画定し、第１及び第２の空気流通路及び第１及び第２の燃料流回路を含むノズル本体を含み、空気流通路及び燃料流回路はいずれも、少なくともその一部が複数対の切頭円錐台状の壁の間に画定され、空気流通路及び燃料流回路は、ノズルを介する軸方向に流れる流体によって決定されるように、第１の空気流通路、第１の燃料流回路、第２の燃料流回路、及び第２の空気流通路の順番で、上流から下流に向かう順番に配設され、第１の空気流通路は、空気の流れを旋回するように構成された複数の第１の旋回ベーンを介して空気の供給を受け、第２の空気流通路は、空気の流れを旋回するように構成されていない複数の第２のベーンを介して空気の供給を受ける。

主題の開示のシステム及び方法のこれら及び他の特徴は、下記の好適な実施形態の詳細な説明を図面と合わせて利用することによって当業者に容易に明らかになるであろう。

本主題の開示に関係する当業者は、過度の実験を行うことなく本主題の開示のデバイス及び方法をどのように作成しかつどのように使用するかを容易に理解するため、これらの好適な実施形態をいくつかの図面を参照してその詳細を下記に記載する。

本開示に従って構成したノズルの例示的な実施形態の斜視図であり、内部空気通路のために放射方向に配設した複数の旋回器ベーン及び外部空気通路のためのスタンドオフ型非旋回器を示す。 図１のノズルの概略側面断面図であり、第１の燃料回路及び第２の燃料回路を示す。 図１のノズルの概略側面断面図であり、空気通路及び燃料回路を通る流れを矢印で示す。

次に、図面を参照するが、これらの図面では、同じ参照番号は主題の開示の同様の構造的特徴または態様を識別する。限定目的ではなく、説明及び例示の目的で、本開示によるノズルの例示的な実施形態の部分図を図１に示し、ノズルは一般的に参照文字１００によって表す。本開示によるノズルの他の実施形態または態様は、下記に記載するように図２及び図３に示す。本明細書に記載するシステム及び方法は、ガスタービンエンジン内で複合燃料を燃焼させるために用いられ得、その結果、例えば産業用ガスタービンエンジンは、液体燃料及び／または気体燃料を使用することが可能になり、要求に応じて液体燃料と気体燃料を切り替えるまたは振り分けることが可能になる。２０１５年３月３１に出願された米国特許出願番号１４／６７４，５８０は、その全体が参照用に本明細書に組み込まれる。

ノズル１００は、縦軸Ａを画定するノズル本体１０２を含む。ノズル本体１０２は、放射方向に配設した旋回器１０６によって空気の供給を受ける内部空気通路１０４を含み、例えば、２つの空気通路のうちの第１の空気通路は内部空気通路１０４に空気を供給し、図２の断面図に示すように、円錐状の収束断面を有する。第１の燃料回路１０８は、縦軸Ａに対して、空気通路１０４から放射方向外側に配設される。第２の燃料回路１１０は、縦軸Ａに対して、第１の燃料回路１０８から放射方向外側に配設される。第１の燃料回路１０８及び第２の燃料回路１１０は、それぞれの燃料回路の入口１１２及び１１４からそれぞれの環状燃料回路の出口１１６及び１１８に延在する。内部空気通路１０４内に空気を供給する外部空気通路１２０、例えば２つの空気通路のうちの第２の空気通路は、燃料回路外部壁１２２及び外部空気通路壁１２４の間に画定され、ここで、外部空気通路１２０は非旋回収束外部空気通路である。複数のスペーサ１２６には、燃料回路外部壁１２２及び外部空気通路壁１２４を接続し、その間に外部空気通路１２０のためのスペースを設けるが、複数のスペーサ１２６は旋回のために角度を変更しない、外部空気通路１２０を通過する空気流は旋回しない。

第１及び第２の燃料回路１０８及び１１０のそれぞれは、それぞれ複数の螺旋状通路１２８及び１３０を含み、各螺旋状通路は、各燃料回路の出口１１６及び１１８に対して接線方向に開口している。複数の螺旋状通路１３０は、少なくとも８５°の縦軸Ａに対して、流れの出口角度θを画定し得る（図１を参照のこと）。

第２の燃料回路１１０は、燃料回路外部壁１２２と中間燃料回路壁１３２の間に画定され、第１の燃料回路１０８は、燃料回路内部壁１３４と中間燃料回路壁１３２の間に画定される。中間燃料回路壁１３２は、縦軸Ａに対して、内部燃料回路壁１３４から放射方向外側に配設され、外部燃料回路壁１２２は、縦軸Ａに対して、中間燃料回路壁１３２の放射方向外側に配設される。第１の燃料回路１０８及び第２の燃料回路１１０のそれぞれの環状燃料回路の出口１１６及び１１８は、中間燃料回路壁１３２のみによって相互から離間されているため、燃料が第１の燃料回路１０８から流出しても、または第２の燃料回路１１０から流出しても、あるいはその双方から流出しても、これらの燃料はほぼ同じ環状位置から流出すると考えられる。図２に示すように、燃料回路内部壁１３４、燃料回路外部壁１３２、及び燃料回路中間壁１２２の各々の下流部は、縦軸Ａに向かって収束する円錐形状、例えば切頭円錐台状を有する。同様に、外部空気通路壁１２４は、縦軸Ａに向かって収束する円錐形状の下流部を有する。

例えば、第２の燃料回路１１０は、液体燃料を噴射するように構成され得、第１の燃料回路１０８は、気体燃料を噴射するように構成され得る。従って、マニフォールド１３６は、別個のタイプの燃料、例えば、液体燃料と気体燃料を別個の燃料回路１０８及び１１０に供給するための二重または複合燃料マニフォールドであり得る。第１の燃料回路１０８の燃料回路の入口１１２は、燃料マニフォールド１３６と流体によって連通するように円周方向に離間して配設された１つまたは複数の開口部１４４を含み得、第２の燃料回路１１０の燃料回路の入口１１４は、燃料マニフォールド１３６と流体によって連通するように、円周方向に離間して配設された１つまたは複数の開口部１４６を含み得る。放射方向に配設された旋回器１０６は、環状の内部空気の入口１３８の周囲に円周方向に相互に離間して配設された放射方向に配設された複数の旋回ベーン１０７を含む。ノズル本体は、複数のチューブ１４０及び１４２を含む。それぞれのチューブ１４０及び１４２は、円周方向に離間して配設された開口部１４４及び１４６のそれぞれをマニフォールド１３６に接続する。第１の燃料回路１０８及び第２の燃料回路１１０の双方のための複数のチューブ１４０及び１４２は、放射方向に配設された複数の旋回ベーン１０７のそれぞれを軸方向に貫通するため、複数のベーン１０７は、複数の燃料チューブ１４０及び１４２のための熱シールドの役目を果たし得る。１つまたは複数のチューブ１４０は、第１の燃料回路１０８からの流れを遮断しながら、任意に第２の燃料回路１１０の円周方向に離間して配設された複数の開口部１４６をマニフォールド１３６に接続することが可能であり、かつ第１の燃料回路１０８を軸方向に貫通することが可能であるため、２つの燃料回路１０８及び１１０からの燃料が混合することはない。１つまたは複数のチューブ１４２は、第１の燃料回路１０８の円周方向に離間して配設された開口部１４４をマニフォールド１３６に接続することが可能であり、かつ放射方向に配設された旋回器の複数のベーン１０７のそれぞれを軸方向に貫通することも可能である。図２に破線で示したチューブ１４２のように、１つまたは複数のチューブ１４０は、任意に２つの燃料回路１０８及び１１０からの燃料を混合することなく複数のチューブ１４２のそれぞれを貫通することが可能である。

次に図３を参照すると、内部空気通路１０４、外部空気通路１２０、第１の燃料回路１０８、及び第２の燃料回路１１０は、すなわち、ノズル本体１０２内でプレミクシングを行うことなく拡散火炎噴射を行うように構成され、その結果火炎が、燃焼器のドーム壁１４８、及びそれぞれの出口１１６、１１８、並びに外部空気回路１２０の出口１５０の下流に存在する。内部空気通路１０４は、縦軸Ａに沿って放射方向に配設した旋回器１０６の下流で、パイロット噴射器のような障害に遭遇することはない。図３において、矢印１５２及び１５４は、内部空気回路１０４を通る空気の流れを示し、矢印１５６及び１５８は外部空気回路１２０を通る空気の流れを示し、矢印１６０及び１６２は第１の燃料回路１０８を通る燃料の流れを示し、及び矢印１６４及び１６６は第２の燃料回路１１０を通る燃料の流れを示す。外部空気通路１２０から流出した外部空気の流れは収束するが、旋回することはない。内部空気通路１０４からの内部空気の流れは発散し、旋回する。空気と燃料の混合は、ノズル１００の下流において、非プレミクス方式によって行われる。ノズル１００によって作られる混合ゾーンは、ノズル１００の下流で燃料と空気を素早く混合することを可能にする。

内部空気通路１０４及び外部空気通路１２０の両方の入口が放射方向に向かって開口しているため、両方の入口によって、空気を放射方向へ供給することが可能になる。これによって、例えば逆流型燃焼器内でノズル１００内に空気の流れを転動させる場合、圧力低下をより小さくすることが可能になる。混合レベルは、燃料分配器の直径、例えば出口１１６及び１１８の直径を調整することによって制御可能であり、その結果、所定の混合レベルに対して要求される空気の流れを確保することができる。

内部空気通路１０４の旋回している空気のコアは、ノズル１００を通過する空気の流れの４０％から５０％の量を供給可能であり、この供給量は従来のノズルよりもより大きい。図２に示すように、任意の点火器１６８はノズル本体１０２の上流壁１７０に含まれても良く、起動用に、縦軸Ａに沿って同軸方向に配置される。

上記で説明し、並びに図面に示したように、本開示の方法及びシステムによって、優れた特性を有する複合燃料噴射が提供される。これらの特性には、潜在的に大きな直径を備える噴射器を有する拡散火炎噴射、２つの燃料の配分状況に影響されない一貫した火炎、および低いエミッションが含まれる。ここで開示した実施形態は、燃焼器のドーム内で用いる従来型のノズルに取って代わる改良型ノズルとして使用可能である。好適な実施形態を参照して主題の開示の装置及び方法を示し、説明してきたが、当業者は、装置及び方法に対する変更及び／または改良が主題の開示の範囲から逸脱することなく行われ得ることを容易に理解するだろう。

Claims (14)

1. 縦軸を画定するノズル本体を備えるノズルであって、
   前記ノズル本体は、
   放射方向に配設された旋回器によって供給を受け、円錐状の収束断面を有する内部空気通路と、
   前記縦軸に対して前記空気通路から放射方向外側に配設された第１の燃料回路と、
   前記縦軸に対して前記第１の燃料回路から放射方向外側に配設された第２の燃料回路であって、前記第１の燃料回路及び前記第２の燃料回路の各々は、それぞれの燃料回路の入口からそれぞれの環状燃料回路の出口まで延在する前記第２の燃料回路と、
   燃料回路外部壁と外部空気通路壁の間に画定された外部空気通路であって、前記外部空気通路は非旋回収束外部空気通路である前記外部空気通路と、
   を備え、
   前記ノズル本体は、複数のチューブを含み、前記複数のチューブの第１のセットは前記第２の燃料回路の円周方向に離間して配設された複数の開口部に接続され、前記第１の燃料回路を軸方向に通過し、前記複数のチューブの第２のセットは、前記第１の燃料回路の円周方向に離間して配設された前記複数の開口部に接続され、前記放射方向に配設された旋回器のそれぞれのベーンを軸方向に貫通し、前記第１のセットの各チューブは、前記第２のセットのそれぞれのチューブを貫通する、前記ノズル。
2. 前記第１の燃料回路及び前記第２の燃料回路のうちの少なくとも１つは、複数の螺旋状通路を含み、前記各螺旋状通路は、それぞれの燃料回路の出口に対して接線方向に開口する、請求項１に記載の前記ノズル。
3. 前記複数の螺旋状通路は少なくとも８５°の縦軸に対する流れの出口角度を画定する、請求項２に記載の前記ノズル。
4. 前記第２の燃料回路は燃料回路外部壁と中間燃料回路壁の間に画定され、前記第１の燃料回路は燃料回路内部壁と前記中間燃料回路壁の間に画定され、前記中間燃料回路壁は前記縦軸に対して前記燃料回路内部壁から放射方向外側に配設され、前記燃料回路外部壁は前記縦軸に対して前記中間燃料回路壁の放射方向外側に配設される、請求項１に記載の前記ノズル。
5. 前記第１及び第２の燃料回路の前記それぞれの環状燃料回路の出口は、前記中間燃料回路壁のみによって相互から離間されている、請求項４に記載の前記ノズル。
6. 前記燃料回路の内部、外部、及び中間壁の各々の少なくとも一部は、前記縦軸方向に向かって収束する円錐形を有する、請求項４に記載の前記ノズル。
7. 前記第１の燃料回路の前記燃料回路の入口は燃料マニフォールドと流体によって連通するように円周方向に離間して配設された前記複数の開口部を含み、前記第２の燃料回路の前記燃料回路の入口は前記燃料マニフォールドと流体によって連通するように円周方向に離間して配設された前記複数の開口部を含む、請求項１に記載の前記ノズル。
8. 前記放射方向に配設された旋回器は環状の内部空気入口の周囲に円周方向で相互から離間して放射方向に配設された複数の旋回ベーンを含み、前記ノズル本体は前記複数のチューブを含み、前記各チューブは円周方向に離間して配設された前記複数の開口部に接続され、前記第１及び第２の燃料回路用の前記複数のチューブは前記複数の放射方向に配設された旋回ベーンを軸方向に貫通する、請求項７に記載の前記ノズル。
9. 前記内部空気通路、前記外部空気通路、前記第１の燃料回路、及び前記第２の燃料回路は、前記ノズル本体内でプレミクシングを行うことなく拡散火炎噴射を行うように構成される、請求項１に記載の前記ノズル。
10. 前記内部空気通路は、前記縦軸に沿って、前記放射方向に配設された旋回器の下流で複数の障害に遭遇することはない、請求項１に記載の前記ノズル。
11. 前記第２の燃料回路は液体燃料を噴射するように構成される、請求項１に記載の前記ノズル。
12. 前記第１の燃料回路は気体燃料を噴射するように構成される、請求項１に記載の前記ノズル。
13. 点火器は前記ノズル本体の上流壁に配設され、前記縦軸上で同軸方向を向いている、請求項１に記載の前記ノズル。
14. 縦軸を画定し、第１及び第２の空気流通路及び第１及び第２の燃料流回路を含むノズル本体を備えるノズルであって、
    前記空気流通路及び前記燃料流回路はいずれも、少なくともその一部が複数対の切頭円錐台状の壁の間に画定され、
    前記空気流通路及び前記燃料流回路は、前記ノズルを介する軸方向に流れる流体によって決定されるように、前記第１の空気流通路、前記第１の燃料流回路、前記第２の燃料流回路、前記第２の空気流通路の順番で、上流から下流に向かう順番に配設され、
    前記第１の空気流通路は、空気の流れを旋回するように構成された複数の第１の旋回ベーンを介して空気の供給を受け、
    前記第２の空気流通路は、空気の流れを旋回するように構成されていない複数の第２のベーンを介して空気の供給を受け、
    前記ノズル本体は、複数のチューブを含み、前記複数のチューブの第１のセットは前記第２の燃料回路の円周方向に離間して配設された複数の開口部に接続され、前記第１の燃料回路を軸方向に通過し、前記複数のチューブの第２のセットは、前記第１の燃料回路の円周方向に離間して配設された前記複数の開口部に接続されており、前記第１の空気通路に空気を供給する放射方向旋回器のそれぞれの前記第１の旋回ベーンを軸方向に貫通し、前記第１のセットの各チューブは、前記第２のセットのそれぞれのチューブを貫通する、前記ノズル。

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