(57)【要約】【課題】改善されたターボ機械のノズルを提供する。【解決手段】ターボ機械（２）は、圧縮機（４）と、圧縮機（４）に動作可能に結合された燃焼器（６）と、燃焼器（６）に動作可能に結合された噴射ノズル（３８、３９）とを含む。噴射ノズル（３８、３９）は、第２の端部（８５）まで延在することにより内部流路（８６）を規定する第１の端部（８４）を有する本体（８２）を含む。噴射ノズルは、本体（８２）の第２の端部（８５）に配置された出口（９０、１４１）と、本体（８２）の内部に延出し且つ出口（９０）に流体接続された少なくとも１つの流路（１００、１０１）と、内部流路（８６）と少なくとも１つの流路（１０１、１０１）との間に延出する少なくとも１つの導管（１１４）とを更に含む。【選択図】図２
2010169386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（４）と；
前記圧縮機に動作可能に結合された燃焼器（６）と；
前記燃焼器（６）に動作可能に結合された噴射ノズル（３８、３９）とを具備し、前記噴射ノズル（３８、３９）は、
第２の端部（８５）まで延在することにより内部流路（８６）を規定する第１の端部（８５）を有する本体（８２）と；
前記本体（８２）の前記第２の端部（８５）に配置された出口（９０、１４１）と；
前記本体（８２）の内部に延出し且つ前記出口（９０）に流体接続された少なくとも１つの流路（１００、１０１）と；
前記内部流路（８６）と前記少なくとも１つの流路（１００、１０１）との間に延出する少なくとも１つの導管（１１４、１１５）とを含むターボ機械（２）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの流路（１００、１０１）は第１の流路（１００）及び第２の流路（１０１）を含み、前記第１の流路（１００）及び前記第２の流路（１０１）の各々は、前記本体（８２）の前記第２の端部（８５）に配置される請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの導管（１１４、１１５）は、前記内部流路（８６）と前記第１の流路（１００）との間に延出する第１の複数の導管（１１４）と、前記内部流路（８６）と前記第２の流路（１０１）との間に延出する第２の複数の導管（１１５）とを含む請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項４】
前記本体（８２）の内部に配置された少なくとも１つのプレナム（１５０、１５１）を更に具備し、前記少なくとも１つのプレナム（１５０、１５１）は、前記内部流路（８２）と前記第１の流路（１００）及び前記第２の流路（１０１）のうち一方の流路との間に流体接続される請求項２記載のターボ機械（２）。
【請求項５】
前記内部流路（１３７）と前記少なくとも１つのプレナム（１５０、１５１）との間に延出する第１の複数の導管（１５５、１６０）と、前記少なくとも１つのプレナム（１５０、１５１）と前記第１の流路（１００）及び前記第２の流路（１０１）のうち一方の流路との間に延出する第２の複数の導管（１５８、１６１）とを更に具備する請求項２記載のターボ機械（２）。
【請求項６】
前記少なくとも１つのプレナム（１５０、１５１）は、前記内部流路（１３７）と前記第１の流路（１００）との間に流体接続された第１のプレナム（１５０）と、前記内部流路（１３７）と前記第２の流路（１０１）との間に流体接続された第２のプレナム（１５１）とを含む請求項５記載のターボ機械（２）。
【請求項７】
前記出口（９０、１４１）に配置された複数の吐出流路出口（９４、１４４）を更に具備する請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項８】
前記第１の端部（８４）は、第１の流体を受け入れる入口（８８）を規定する請求項１記載のターボ機械（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械の分野に関し、特に、ターボ機械のノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンエンジンは、燃料／空気混合物を燃焼することにより熱エネルギーを放出し、高温ガス流れを形成する。高温ガス流れは、高温ガス流路を経てタービンへ送り出される。タービンは、高温ガス流れからの熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、機械エネルギーはタービン軸を回転する。タービンは、ポンプ又は発電機に動力を供給するなどの多様な用途で使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ガスタービンにおいて、燃焼ガス流れの温度が高いほどエンジン効率は向上する。しかし、ガス流れの温度が高くなると、合衆国及び州の双方の法規により規制される放出物である窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出レベルも高くなる。従って、ＮＯｘの放出を規制レベル以下に確実に抑えつつタービンを効率のよい範囲内で動作させるように、双方のバランスが慎重に考慮されている。現在の統合ガス化複合サイクル、マルチノズル静音燃焼器（ＩＧＣＣ ＭＮＱＣ）ノズルは、常に拡散モードで燃料を燃焼し、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ１）一次ノズルは拡散モードで燃焼する場合がある。ＩＧＣＣターボ機械の場合、ＮＯｘを許容レベルに維持するためには大量の希釈剤が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの面によれば、ターボ機械は、圧縮機と、圧縮機に動作可能に結合された燃焼器と、燃焼器に動作可能に結合された噴射ノズルとを含む。噴射ノズルは、第２の端部まで延在することにより内部流路を規定する第１の端部を有する本体を含む。噴射ノズルは、本体の第２の端部に配置された出口と、本体の内部に延出し且つ出口に流体接続された少なくとも１つの流路と、内部流路と少なくとも１つの流路との間に延出する少なくとも１つの導管とを更に含む。
【０００５】
本発明の別の面によれば、ターボ機械の燃焼器に可燃性混合物を導入する方法は、第２の端部まで延在することにより本体を規定する第１の端部を有する噴射ノズルの内部流路に第１の流体を導入することを含む。本体は第２の端部に配置された出口を含む。方法は、本体の第２の端部を貫通する少なくとも１つの流路の中へ第２の流体を送り出すことと、内部流路から少なくとも１つの流路の中へ第１の流体を案内することにより、第１の流体を第２の流体と混合して可燃性混合物を形成することと、出口を経てターボ機械の燃焼器の中へ可燃性混合物を吐出することとを更に含む。
【０００６】
本発明の更に別の面によれば、ターボ機械の噴射ノズルは、第２の端部まで延在することにより内部流路を規定する第１の端部を有する本体と、本体の第２の端部に配置された出口と、本体の内部に延出し且つ出口に流体接続された少なくとも１つの流路と、内部流路と少なくとも１つの流路との間に延出する少なくとも１つの導管とを含む。
【０００７】
上記の利点及び特徴、並びに他の利点及び特徴は、添付の図面と関連させた以下の説明から更に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明を成すと考えられる主題は、本明細書の末尾の特許請求の範囲において特定され且つ明確に特許請求される。本発明の上記の特徴及び利点、並びに他の特徴及び利点は、添付の図面と関連させた以下の詳細な説明から明らかである。
【図１】図１は本発明の実施形態に従って形成された噴射ノズルを含むターボ機械を示した横断面側面図である。
【図２】図２は図１のターボ機械の燃焼器部分を示した横断面図である。
【図３】図３は本発明の一実施形態に従って構成された噴射ノズルを示した上部斜視図である。
【図４】図４は図３の噴射ノズルを示した横断面図である。
【図５】図５は本発明の別の実施形態に従って構成された噴射ノズルを示した横断面図である。
【０００９】
以下に、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に詳細に説明する。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本出願において使用される場合の用語「軸方向」及び「軸方向に」は、バーナ管構体の本体の中心長手方向軸とほぼ平行である方向及び向きを表す。本出願において使用される場合の用語「半径方向」及び「半径方向に」は、本体の中心長手方向軸に対してほぼ直交する方向及び向きを表す。本出願において使用される場合の用語「上流側」及び「下流側」は、本体の中心長手方向軸に関する軸方向の流れ方向に対する方向及び向きを表す。
【００１１】
まず図１を参照すると、図中符号２は、本発明の実施形態に従って構成されたターボ機械を示す。ターボ機械２は、圧縮機４と、少なくとも１つの燃焼器６を有する燃焼器構体５とを含む。ターボ機械エンジン２は、タービン１０及び共通圧縮機／タービン軸１２を更に含む。一実施形態において、ガスタービンエンジン２は、サウスカロライナ州グリーンヴィルのGeneral Electric Companyより市販されているPG9371 9FBA Heavy Duty Gas Turbine Engineである。しかし、本発明はどの特定のエンジンにも限定されず、他のガスタービンエンジンと関連して使用されてもよい。
【００１２】
図２に最適に示されるように、燃焼器６は、圧縮機４及びタービン１０と流体連通状態で結合される。圧縮機４は、互いに流体連通状態で結合されたディフューザ２２及び圧縮機排気プレナム２４を含む。燃焼器６は、第１の端部に配置された端カバー３０と、キャップ部材３４とを更に含む。キャップ部材３４は、第１の面３５と、その反対側の第２の面３６とを含む。以下に更に詳細に説明されるように、キャップ部材３４に複数の燃料ノズル又は噴射ノズル３８及び３９が装着される。燃焼器６は燃焼器筐体４４及び燃焼器４６を更に含む。図示されるように、燃焼器ライナ４６は燃焼器筐体４４から半径方向内側に離間して配置され、それにより、燃焼室４８が規定される。燃焼器筐体４４と燃焼器ライナ４６との間に、環状の燃焼室冷却流路４９が規定される。接合部材５５は燃焼器６をタービン１０に結合する。接合部材５５は、燃焼室４８で生成された燃焼ガスを下流側の第１段タービンノズル６２へ送り出す。その目的のために、接合部材５５は内側壁６４及び外側壁６５を含む。外側壁６５は、内側壁６４と外側壁６５との間に規定された環状流路６８に通じる複数の開口部６６を含む。内側壁６４は、燃焼室４８とタービン１０との間に延在する案内空胴７２を規定する。
【００１３】
動作中、空気は圧縮機４を通って流れ、圧縮された空気は燃焼器６に、特に噴射ノズル３８及び３９に供給される。同時に、噴射ノズル３８及び３９に燃料が供給され、そこで空気と混合されて可燃性混合物を形成する。可燃性混合物は燃焼室４８へ送り出され、そこで点火されて燃焼ガスを生成する。その後、燃焼ガスはタービン１０へ送り出される。燃焼ガスからの熱エネルギーは、タービン軸１２を駆動するために使用される機械的回転エネルギーに変換される。
【００１４】
特に、タービン１０はタービン軸１２（図１に示される）を介して圧縮機４を駆動する。圧縮機４が回転するにつれて、関連する矢印により示されるように、圧縮空気はディフューザ２２の中へ排出される。本実施形態において、圧縮機４から排出された空気の大半は、圧縮機排気プレナム２４を通って燃焼器６に向かって送り出され、残る圧縮空気はエンジン部品を冷却するために使用される。排気プレナム２４内部の加圧圧縮空気は、外側壁開口部６６を経て接合部材５５の中へ送り出され、環状流路６８に流入する。その後、空気は、環状流路６８から環状燃焼室冷却流路４９を通って噴射ノズル３８及び３９に入る。燃料と空気は混合されて可燃性混合物を形成する。可燃性混合物は燃焼室４８の内部で点火されて、燃焼ガスを生成する。燃焼器筐体４４は、例えばタービン部品を取り囲む部分などの外側環境から燃焼室４８及びそれに関連する燃焼過程を遮蔽するのを容易にする。燃焼ガスは、燃焼室４８から案内空胴７２を通ってタービンノズル６２に向かって送り出される。第１段タービンノズル６２に衝突した高温ガスは、最終的にタービン２からの仕事を生成する回転力を発生する。
【００１５】
ここで、以上説明した構成は、例えば噴射ノズル３８及び３９の特定の構造に関連する本発明の実施形態をより良く理解するために提示されることを理解すべきである。しかし、各噴射ノズル３８、３９は類似の構成を有するので、以下、噴射ノズル３９が類似の構造を含むことを理解したうえで、噴射ノズル３８に関連して構造を詳細に説明する。
【００１６】
図３及び図４に最適に示されるように、噴射ノズル３８は、第２の端部８５まで延在することにより内部空胴又は内部流路８６を規定する第１の端部８４を有する本体８２を含む。第１の端部８４は、燃料などの第１の流体を受け入れる入口８８を含み、第２の端部８５は、以下に更に詳細に説明されるように燃料と空気の可燃性混合物を供給する出口９０を含む。その目的のために、噴射ノズル３８は、出口９０に配置された複数の吐出流路出口９４を含む。
【００１７】
図示される実施形態によれば、噴射ノズル３８は、本体８２を貫通する第１の流路１００及び第２の流路１０１を含む。２つの流路、すなわち流路１００及び１０１のみが示されるが、本体８２の周囲に複数の流路１０１、１０１が配列されてもよいことを理解すべきである。流路の数に関わらず、各流路１００、１０１は、複数の吐出流路出口９４及び内部流路８６に流体接続される。特に、噴射ノズル３８は、内部流路８６と第１の流路１００との間に延出する第１の複数の導管１１４と、内部流路８６と第２の流路１０１との間に延出する第２の複数の導管１１５とを含む。
【００１８】
この構成によって、矢印Ａより示される空気などの第２の流体は、噴射ノズル３８に沿って流れ、流路１００及び１０１に流入する。矢印Ｂにより示される燃料は、入口８８を経て噴射ノズル３８に流入する。その後、燃料は導管１１４及び１１５に入り、流路１００及び１０１に流入して空気と混合され、可燃性混合物を形成する。矢印Ｃにより示されるように、可燃性混合物は複数の吐出流路出口９４を通過し、噴射ノズル３８から燃焼室４８に流入する。
【００１９】
次に図５を参照して、本発明の別の実施形態に従って構成された噴射ノズル１３０を説明する。図示されるように、噴射ノズル１３０は、第２の端部１３６まで延在することにより内部空胴又は内部流路１３７を規定する第１の端部１３５を有する本体１３３を含む。第１の端部１３５は、燃料などの第１の流体を受け入れる入口１４０を含み、第２の端部１３６は、以下に更に詳細に説明されるように燃料と空気の可燃性混合物を供給する出口１４１を含む。その目的のために、噴射ノズル１３０は、出口１４１に配置された複数の吐出流路出口１４４を含む。
【００２０】
図示される実施形態によれば、噴射ノズル１３０は、第２の端部１３６において本体１３３を貫通する第１の流路１４８及び第２の流路１４９を含む。２つの流路、すなわち流路１４８及び１４９のみが示されるが、本体１３３の周囲に複数の流路が配列されてもよいことを理解すべきである。以下に更に詳細に説明されるように、第１の流路１４８及び第２の流路１４９は、複数の吐出流路出口１４４及び内部流路１３７に流体接続される。
【００２１】
図示される実施形態において、噴射ノズル１３０は、本体１３３の内部に延在し且つ第１の流路１４８と接続する第１のプレナム１５０と、本体１３３の内部に延在し且つ第２の流路１４９と接続する第２のプレナム１５１とを含む。特に、第１のプレナム１５０は第１の流路１４８の周囲に延在して、第１の流路１４８と接続し、第２のプレナム１５１は第２の流路１４９の周囲に延在して、第２の流路１４９と接続する。ここで、プレナム１５０及び１５１の特定の数、配置及び形状は設計上の条件に応じて変更されてもよいことを理解すべきである。更に図５に示されるように、噴射ノズル１３０は、内部流路１３７と第１のプレナム１５０との間に延出する第１の複数の導管１５５と、第１のプレナム１５０と第１の流路１４８との間に延出する第２の複数の導管１５８とを含む。同様に、第３の複数の導管１６０は、内部流路１３７と第２のプレナム１５１との間に延出し、第４の複数の導管１６１は、第２のプレナム１５１と第２の流路１４９との間に延出する。
【００２２】
この構成によって、矢印Ａにより示される空気などの第２の流体は、噴射ノズル１３０に沿って流れ、第１の流路１４８及び第２の流路１４９に流入する。矢印Ｂにより示される燃料は、入口１４０を経て噴射ノズル１３０に流入する。その後、燃料は第１の複数の導管１５５及び第３の複数の導管１６０に入り、第１のプレナム１５０及び第２のプレナム１５１にそれぞれ流入する。燃料は第１のプレナム１５０及び第２のプレナム１５１から第２の複数の導管１５８及び第４の複数の導管１６１のそれぞれを通って更に流れ、第１の流路１４８及び第２の流路１４９に流入して空気と混合され、可燃性混合物を形成する。その後、矢印Ｃにより示されるように、可燃性混合物は、複数の吐出流路出口１４４を通過し、噴射ノズル１３０から燃焼室４８に流入する。ここで、本発明の実施形態は、ターボ機械の燃焼器へ送り出される可燃性混合物を形成するために第１の流体と第２の流体とを混合するシステムを提供することを理解すべきである。
【００２３】
限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明したが、本発明が開示された実施形態に限定されないことを容易に理解すべきである。本明細書においては説明されなかったが、本発明の趣旨及び範囲と一致する任意の数の変形、変更、置き換え又は同等の構成を取り入れるために本発明を変更できる。更に、本発明の種々の実施形態を説明したが、本発明の面は説明された実施形態の一部のみを含んでもよいことを理解すべきである。従って、本発明は以上の説明によって限定されるとみなされてはならず、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２４】
２    ターボ機械
４    圧縮機
６    燃焼器
１０    タービン
３８、３９    燃料／噴射ノズル
８２    本体
８４    第１の端部
８５    第２の端部
８６    内部流路
９０    出口
９４    複数の吐出流路出口
１００    第１の流路
１０１    第２の流路
１１４    第１の複数の導管
１１５    第２の複数の導管
１３０    噴射ノズル
１３３    本体
１３５    第１の端部
１３６    第２の端部
１３７    内部流路
１４１    出口
１４４    複数の吐出流路出口
１４８    第１の流路
１４９    第２の流路
１５０    第１のプレナム
１５１    第２のプレナム
１５５    第１の複数の導管
１５８    第２の複数の導管
１６０    第３の複数の導管
１６１    第４の複数の導管
【図１】
2010169386.tif 000003
【図２】
2010169386.tif 000004
【図３】
2010169386.tif 000005
【図４】
2010169386.tif 000006
【図５】
2010169386.tif 000007