(57)【要約】【課題】ＮＯｘの放出を規制レベル以下に確実に抑えつつガスタービンを効率のよい範囲内で動作させる。【解決手段】噴射ノズル構体（３８〜４０）は、第２の面まで延在する第１の面を有するキャップ部材（３４）を含む。キャップ部材（３４）は複数の開口部を更に含む。複数の結束小型管構体（９０〜９２）は、キャップ部材（３４）の複数の開口部（３７）に着脱自在に装着される。各結束小型管構体（９０〜９２）は、第１の端部（１１３）及び第２の端部（１１４）を有する本体部分（１１２）を含む。本体部分（１１２）の内部に流体プレナム（１２４）が配置される。第１の端部（１１３）と第２の端部（１１４）との間に複数の管（１１５）が延出する。各管（１１５）は流体プレナム（１２４）に流体接続される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（４）と；
前記圧縮機（４）に動作可能に結合された燃焼器（６）と；
前記燃焼器（６）に装着された端カバー（３０）と；
前記燃焼器（６）に動作可能に結合された噴射ノズル構体（３８、３９、４０）とを具備し、前記噴射ノズル構体（３８、３９、４０）は、
第２の面（３６）まで延在する第１の面（３５）及び複数の貫通開口部（３７）を含むキャップ部材（３４）と；
前記キャップ部材（３４）の前記複数の貫通開口部（３７）のうちそれぞれ対応する開口部に着脱自在に装着された複数の結束小型管構体（９０〜９２）とを含み、前記複数の結束小型管構体（９０〜９２）の各構体は、第１の端部（１１３）及び第２の端部（１１４）を含む本体部分（１１２）と、前記本体部分（１１２）の内部に配置された流体プレナム（１２４）と、前記第１の端部（１１３）と前記第２の端部（１１４）との間に延出する複数の管（１１５）とを含み、各管（１１５）は、前記流体プレナム（１２４）に流体接続された少なくとも１つの開口部（１３０、１３４、１３５）を含むターボ機械（２）。
【請求項２】
前記複数の結束小型管構体（９０〜９２）の各構体は中央受け入れポート（１２０）を含み、前記中央受け入れポート（１２０）は前記流体プレナム（１２４）に流体接続される請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項３】
前記噴射ノズル構体（３８〜４０）は複数の流体管（１００）を含み、前記各流体管（１００）は、前記端カバー（３０）と前記複数の結束小型管構体（９０〜９２）のうちそれぞれ対応する構体にある前記中央受け入れポートとの間に延出する請求項２記載のターボ機械（２）。
【請求項４】
前記燃焼器への燃料及び空気の希薄直接噴射を助けるために、前記複数の管（１１５）の各管の前記少なくとも１つの開口部（１３０、１３４、１３５）は、前記本体部分（１１２）の前記第２の端部（１１４）に隣接して形成される請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項５】
燃料及び空気の予混合を更に完全にするのを容易にするために、前記複数の管（１１５）の各管の前記少なくとも１つの開口部（１３０、１３４、１３５）は、前記本体部分（１１２）の前記第１の端部（１１３）に隣接して形成される請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項６】
燃料及び空気の部分予混合を助けるために、前記複数の管（１１５）の各管の前記少なくとも１つの開口部（１３０、１３４、１３５）は、前記本体部分（１１２）の内部のほぼ中央に形成される請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項７】
前記複数の結束小型管構体（９０〜９２）は、中心の１つの結束小型管構体（１７５）に関して周囲に配列された環状アレイとして前記キャップ部材（３０）に配置される請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項８】
前記複数の結束小型管構体（９０〜９２）は、複数の同心環状アレイとして前記キャップ部材（３４）に配置される請求項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、ターボ機械の結束多管ノズルに関する。
【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。
【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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、ＮＯｘの放出を規制レベル以下に確実に抑えつつガス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。低レベルのＮＯｘ放出を実現する方法の１つは、燃焼前に燃料と空気を十分に混合することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、燃焼器に装着された端カバーと、燃焼器に動作可能に結合された噴射ノズル構体とを含む。噴射ノズル構体は、第２の面まで延在する第１の面を有するキャップ部材を含む。キャップ部材は複数の開口部を更に含む。キャップ部材の複数の開口部のうち対応する開口部に、複数の結束小型管構体が着脱自在に装着される。各結束小型管構体は、第１の端部及び第２の端部を有する本体部分を含む。本体部分の内部に流体プレナムが配置され、第１の端部と第２の端部との間に複数の管が延出する。各管は、流体プレナムに流体接続された少なくとも１つの開口部を含む。
【０００６】
本発明の別の面によれば、ターボ機械の噴射ノズル構体は、第２の面まで延在する第１の面と、複数の開口部とを含むキャップ部材を含む。噴射ノズル構体は、キャップ部材の複数の開口部のうち対応する開口部に着脱自在に装着された複数の結束小型管構体を更に含む。各結束小型管構体は、第１の端部及び第２の端部を有する本体部分と、本体部分の内部に配置された流体プレナムと、第１の端部と第２の端部との間に延出する複数の管とを含む。各管は、流体プレナムに流体接続された少なくとも１つの開口部を含む。
【０００７】
本発明の更に別の面によれば、キャップ部材を含む噴射ノズル構体において可燃性混合物を形成する方法は、キャップ部材に着脱自在に装着された複数の結束小型管構体に向かって第１の流体を案内することを含む。各結束小型管構体は、第１の端部及び第２の端部を有する本体部分を含み、複数の管が本体部分を貫通している。方法は、各結束小型管構体の複数の管に第１の流体を流通させることと、複数の結束小型管構体のうち対応する構体に配置されたプレナムに第２の流体を案内することとを更に含む。更に、方法は、プレナムから各結束小型管構体の複数の管の中へ第２の流体を送り出し、燃料／空気混合物を形成することと、各結束小型管構体からターボ機械の燃焼器の中へ燃料／空気混合物を吐出することとを含む。
【０００８】
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】
【０００９】
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は本発明の一実施形態に従って構成された結束多管噴射ノズルを含むターボ機械の一例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は本発明の実施形態に従って構成された複数の結束多管噴射ノズルを示した横断面図である。
【図４】図４は図３の複数の結束多管噴射ノズルのうち１つの噴射ノズルを詳細に示した横断面図である。
【図５】図５は本発明の一実施形態に係る結束多管噴射ノズル配列を示した立面図である。
【図６】図６は本発明の別の実施形態に係る結束多管噴射ノズル配列を示した立面図である。
【００１０】
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】
【００１１】
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な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して軸方向の流れ方向に対する方向及び向きを表す。
【００１２】
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、燃料ノズル構体筐体又は噴射器構体筐体８を具備する少なくとも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。
【００１３】
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の面及びその反対の側の第２の面３６と、複数の開口部とを含む。開口部の１つは、図３に図中符号３７により示される。キャップ部材３４は端カバー３０から離間して配置され、それにより、圧縮空気が流通する内部流路４１が規定される。以下に更に詳細に説明されるように、キャップ部材３４は、噴射ノズル構体３８の一部を規定する。燃焼器６は、燃焼器筐体４４及び燃焼器ライナ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た位置に配置され、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。
【００１４】
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、特に噴射器構体３８、３９及び４０に供給される。同時に、噴射器構体３８、３９及び４０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。当然、燃焼器６は更に多くの噴射器構体（図示せず）を含んでもよく、ターボ機械２は更に多くの燃焼器（同様に図示せず）を含んでもよいことを理解すべきである。噴射器構体及び燃焼器の数に関わらず、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。
【００１５】
特に、タービン１０は軸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、残留す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。特に、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構体３８〜４０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。
【００１６】
ここで、例えば噴射ノズル構体３８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上述した構成が提示されることを理解すべきである。図３に最適に示されるように、噴射ノズル構体３８は、キャップ部材３４に形成された開口部３７に着脱自在に装着された複数の結束小型管構体９０〜９２を含む。以下に更に詳細に説明されるように、各結束小型管構体９０〜９２は、端カバー３０から内部流路４１を貫通して延出する対応する燃料入口管１００〜１０２から燃料を受け取る。ここで、各結束小型管構体９０及び９１はほぼ同様の構造を含むので、結束小型管構体９１及び９２がほぼ同様に構成されることを有することを理解したうえで、以下に結束小型管構体９０のみが詳細に説明されることを理解すべきである。当然、所定のシステムにおける結束小型管構体の大きさ、数、並びに各管内部の燃料開口部の数及び配置は、異なってもよいであろう。
【００１７】
図４に最適に示されるように、結束小型管構体９０は、反対側の第２の端部１１４まで延在する第１の端部１１３を含む本体部分１１２を含む。結束小型管構体は複数の小型管を更に含み、そのうち１つの小型管が図中符号１１５により示される。小型管１１５は、内部流路４１及び燃焼室４８を互いに流体接続する。更に、結束小型管構体９０は、内部燃料プレナム１２４に通じる中央受け入れポート１２０を含む。ここで、１つの内部燃料プレナムのみが示され且つ説明されるが、本発明の実施形態は複数の燃料プレナムを含んでもよいことを理解すべきである。燃料プレナムの数に関わらず、中央受け入れポート１２０は燃料入口管１００に流体接続される。図示される実施形態において、小型管１１５は中央受け入れポート１２０に関してアレイを成して配列される。このアレイ配列によって、燃料は燃料入口管１００から中央受け入れポート１２０に流入する。燃料は内部燃料プレナム１２４に充満し、各小型管１１５に配分される。本発明の１つの面によれば、各小型管１１５は、キャップ部材３４の第２の面３６に近接して配置された図中符号１３０により示されるような燃料入口を含む。この構成において、燃料及び空気を燃焼室４８の中へ直接希薄噴射するのを助けるように、小型管１１５に流入した燃料は、内部流路４１を通って供給される空気と短い時間を経た後に混合される。
【００１８】
本発明の別の面によれば、各小型管１１５は、第１の端部１１３と第２の端部１１４との間の中央の位置に配置された開口部１３４を含む。この特定の構成は、燃料及び空気を燃焼室４８の中へ部分予混合噴射するのを助ける。本発明の更に別の面によれば、燃料及び空気を更に完全に予混合された状態で燃焼室４８の中へ噴射するのを容易にするように、各小型管１１５は、第１の端部１１３に隣接して配置された開口部１３５を含む。小型管１１５の長さ及び燃料開口部の配置は、動作の改善に基づく。更に、結束小型管構体９０は、複数の小型管１１５に沿って異なる軸方向場所に複数の燃料開口部を有する２つ以上の燃料プレナムを有してもよいであろう。
【００１９】
図５に最適に示されるように、結束小型管構体９０〜９２は、中心の結束小型管構体１７５に関して広がる結束小型管の環状アレイ１５０全体の一部を成す。この配列により、各結束小型管構体を同様の構成にするか、又は特定の燃焼器の内部の燃焼を制御するために、例えば希薄直接噴射、部分予混合希薄直接噴射及び完全予混合希薄直接噴射などの複数の構成のうちの１つにすることができる。同様に、図６に示されるように、噴射ノズル構体３８は、図中符号２０４、２０６及び２０８により示されるような結束小型管構体の複数の同心環状アレイを有するキャップ部材２００を含んでもよい。上述の構成と同様に、各小型管構体を同一の構造にするか、又は特定の燃焼室の内部における燃焼を制御するために種々の異なる構成で形成することができる。ここで、ターボ機械からの放出を少なくするために、同様の構成及び／又は異なる構成で複数のノズルを単一のキャップ部材において採用できるように、本発明は独自の噴射ノズル構体構成を提供することを理解すべきである。
【００２０】
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】
【００２１】
２    ターボ機械
４    圧縮機
６    燃焼器
８    タービン
２４    圧縮機排気プレナム
３０    端カバー
３４    キャップ部材
３５    第１の面
３６    第２の面
３８    噴射ノズル構体
９０、９１、９２    結束小型管構体
１００、１０１、１０２  燃料入口管
１１２    本体部分
１１３    第１の端部
１１４    第２の端部
１１５    複数の小型管
１２０    中央受け入れポート
１２４    内部燃料プレナム
１３０、１３４、１３５    開口部
１５０    環状アレイ
１７５    中心結束小型管構体
２００    キャップ部材
２０４、２０６、２０８    環状アレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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