(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射ノズル（１００）であって、
下流壁（１０６）に対向する上流壁（１０４）並びに前記上流壁（１０４）及び下流壁（１０６）間に配置された内部壁（１０７）を有する本体部材（１０２）と、
前記上流壁（１０４）の内表面及び前記内部壁（１０７）の表面によって部分的に画成された第１のチャンバ（１２６）と、
前記下流壁（１０６）の内表面及び前記内部壁（１０７）の表面によって部分的に画成された第２のチャンバ（１２８）と、
第１のチャンバ（１２６）と連通して該第１のチャンバ（１２６）内に第１のガスを放出するように作動する第１のガス入口（１０５）と、
前記第１のガス入口の周囲を囲むように形成され、第２のチャンバ（１２８）と連通して該第２のチャンバ（１２８）内に第２のガスを放出するように作動する第２のガス入口（１０３）と、
前記第１のチャンバ（１２６）及び前記第２のチャンバ（１２８）を貫通する複数の混合チューブ（１１４）であって、各々が、
チューブ内表面と、
チューブ外表面と、
前記上流壁（１０４）内の開口と連通して第３のガスを受けるように作動する第１の入口と、
前記チューブ外表面及びチューブ内表面と連通して該混合チューブ（１１４）内に第１のガスを移動させるように作動する第２の入口（１１８）と、
前記チューブ外表面及びチューブ内表面と連通して該混合チューブ（１１４）内に第２のガスを移動させるように作動する第３の入口（１１６）と、
第１のガス、第２のガス及び第３のガスを混合するように作動する混合部分と、
前記下流壁内の開口と連通して前記混合した第１、第２及び第３のガスを放出するように作動する出口と
を有する複数の混合チューブ（１１４）と
を備える燃料噴射ノズル。
【請求項２】
第２のチャンバ（１２８）内に配置されたバッフル部材（１０８）をさらに含む、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項３】
該ノズルが、第１のガス入口と第１のチャンバ（１２６）と第２の入口（１１８）によって画成された第１のガス流路を画成する、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項４】
該ノズルが、第２のガス入口と第２のチャンバ（１２８）と第３の入口（１１６）によって画成された第２のガス流路を画成する、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項５】
各混合チューブ（１１４）が空気流路を画成する、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項６】
前記本体部材（１０２）が、第３のガスの流れに平行な中心長手方向軸線を有する管状である、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項７】
第１のガスが燃料である、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項８】
第２のガスが燃料である、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項９】
第３のガスが空気を含む、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジン用の燃料噴射器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、天然ガス及びその他の炭化水素燃料を含む何種類かの異なるタイプの燃料を使用して運転することができる。例えば水素（Ｈ2）並びに水素及び窒素の混合物のようなその他の燃料をガスタービン内で燃焼させることができ、かつそれによって、一酸化炭素及び二酸化炭素の放出（エミッション）を低減させることができる。
【０００３】
多くの場合に、水素燃料は天然ガス燃料よりも高い反応性を有しており、そのことにより、水素燃料はより容易に燃焼することになる。従って、天然ガス燃料で使用するように設計した燃料ノズルは、より高い反応性を有する燃料での使用に完全には両立させることができない。これに対して、高い反応性の燃料に合わせて設計した燃料ノズルは、天然ガス燃料の場合に低いエミッションレベルをもたらすように最適化することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５９０４４７７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様によると、燃料噴射ノズルは、下流壁に対向する上流壁並びに上流壁及び下流壁間に配置された内部壁を有する本体部材と、上流壁の内表面及び内部壁の表面によって部分的に画成された第１のチャンバと、下流壁の内表面及び内部壁の表面によって部分的に画成された第２のチャンバと、第１のチャンバと連通して該第１のチャンバ内に第１のガスを放出するように作動する第１のガス入口と、第２のチャンバと連通して該第２のチャンバ内に第２のガスを放出するように作動する第２のガス入口と、複数の混合チューブとを含み、複数の混合チューブの各々は、チューブ内表面と、チューブ外表面と、上流壁内の開口と連通して第３のガスを受けるように作動する第１の入口と、チューブ外表面及びチューブ内表面と連通して該混合チューブ内に第１のガスを移動させるように作動する第２の入口と、チューブ外表面及びチューブ内表面と連通して該混合チューブ内に第２のガスを移動させるように作動する第３の入口と、第１のガス、第２のガス及び第３のガスを混合するように作動する混合部分と、下流壁内の開口と連通して該混合した第１、第２及び第３のガスを放出するように作動する出口とを有する。
【０００６】
本発明の別の態様によると、燃料噴射システムは、第１のガス源と、第２のガス源と、空気源と、燃料噴射ノズルとを含み、燃料噴射ノズルは、下流壁に対向する上流壁並びに上流壁及び下流壁間に配置された内部壁を有する本体部材と、上流壁の内表面及び内部壁の表面によって部分的に画成された第１のチャンバと、下流壁の内表面及び内部壁の表面によって部分的に画成された第２のチャンバと、第１のチャンバ及び第１のガス源と連通して該第１のチャンバ内に第１のガスを放出するように作動する第１のガス入口と、第２のチャンバ及び第２のガス源と連通して該第２のチャンバ内に第２のガスを放出するように作動する第２のガス入口と、複数の混合チューブとを有し、複数の混合チューブの各々は、チューブ内表面と、チューブ外表面と、上流壁内の開口と連通して空気源から第３のガスを受けるように作動する第１の入口と、チューブ外表面及びチューブ内表面と連通して該混合チューブ内に第１のガスを移動させるように作動する第２の入口と、チューブ外表面及びチューブ内表面と連通して該混合チューブ内に第２のガスを移動させるように作動する第３の入口と、第１のガス、第２のガス及び第３のガスを混合するように作動する混合部分と、下流壁内の開口と連通して該混合した第１、第２及び第３のガスを放出するように作動する出口とを有する。
【０００７】
本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンエンジンシステムは、燃焼器部分と、燃料噴射ノズルとを含み、燃料噴射ノズルは、下流壁に対向する上流壁並びに上流壁及び下流壁間に配置された内部壁を有する本体部材と、上流壁の内表面及び内部壁の表面によって部分的に画成された第１のチャンバと、下流壁の内表面及び内部壁の表面によって部分的に画成された第２のチャンバと、第１のチャンバ及び第１のガス源と連通して該第１のチャンバ内に第１のガスを放出するように作動する第１のガス入口と、第２のチャンバ及び第２のガス源と連通して該第２のチャンバ内に第２のガスを放出するように作動する第２のガス入口と、複数の混合チューブとを有し、複数の混合チューブの各々は、チューブ内表面と、チューブ外表面と、上流壁内の開口と連通して空気源から第３のガスを受けるように作動する第１の入口と、チューブ外表面及びチューブ内表面と連通して該混合チューブ内に第１のガスを移動させるように作動する第２の入口と、チューブ外表面及びチューブ内表面と連通して該混合チューブ内に第２のガスを移動させるように作動する第３の入口と、第１のガス、第２のガス及び第３のガスを混合するように作動する混合部分と、下流壁内の開口と連通して該混合した第１、第２及び第３のガスを燃焼器部分内に放出するように作動する出口とを有する。
【０００８】
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
【０００９】
本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】マルチチューブ燃料ノズルの一部分の例示的な実施形態の部分断面斜視図。
【図２】図１のマルチチューブ燃料ノズルの一部分の側面断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１２】
ガスタービンエンジンは、様々な燃料を使用して運転することができる。例えば、天然ガス（ＮＧ）及び合成ガス（シンガス）の使用は、燃料コストの節減をもたらしかつ炭素及びその他の望ましくないエミッションを低減する。幾つかのガスタービンエンジンは、燃焼器内に燃料を噴射し、燃焼器内において、燃料を空気ストリームと混合しかつ点火燃焼させる。燃焼器内で燃料及び空気を混合することの１つの欠点は、燃焼に先立って混合気を均一に混合することができないことである。均一でない燃料空気混合気の燃焼は、該混合気の他の部分よりも高い温度で燃焼する混合気の幾つかの部分が生じる可能性がある。局所的により高い火炎温度により、ＮＯｘのような望ましくない汚染物質のより高いエミッションが生じるおそれがある。
【００１３】
燃焼器内における不均一な燃料／空気混合気を克服する１つの方法は、燃焼器内に混合気を噴射するのに先立って、燃料及び空気を混合することを含む。本方法は、例えばマルチチューブ燃料ノズルによって行なわれる。マルチチューブ燃料ノズルを使用して例えば天然ガス及び空気を混合することにより、混合気の点火燃焼に先立って燃焼器内に均一な燃料及び空気混合気を噴射させることが可能になる。燃料として水素ガス（Ｈ2）、シンガス、並びに水素及び例えば窒素ガスの混合物を使用することにより、ガスタービンから放出される汚染物質の更なる低減がもたらされる。
【００１４】
図１は、マルチチューブ燃料ノズル１００（噴射器）の一部分の例示的な実施形態の部分断面斜視図である。噴射器１００は、上流壁１０４、内部壁１０７及び下流壁１０６を有する本体部材１０２を含む。上流壁１０４及び内部壁１０７は、第１のガスチャンバ１２６を画成する。バッフル部材１０８が、本体部材１０２内に配され、かつ第２のガスチャンバ１２８の上流チャンバ１１０及び下流チャンバ１１２を画成する。複数の混合チューブ１１４が、本体部材１０２内に配置される。混合チューブ１１４は、第１のガスチャンバ１２６と該混合チューブ１１４の内表面との間を連通した入口１１８と、上流チャンバ１１０と該混合チューブ１１４の内表面との間を連通した入口１１６とを含む。
【００１５】
運転中に、空気は、矢印１０１で示す経路に沿って流れる。空気は、上流壁１０４内の開口を介して混合チューブ１１４に流入する。例えば天然ガス、シンガス、水素ガス空気、不活性ガス、又はそれらガスの混合物のような第１のガスは、矢印１０５で示す経路に沿って第１の燃料空洞１３０を通って流れる。第１のガスは、第１のガスチャンバ１２６において本体部材１０２に流入する。第１のガスは、第１のガスチャンバ１２６の中心部から半径方向外向きに流れる。第１のガスは、入口１１８に流入しかつ混合チューブ１１４内に流れる。例えば天然ガス、シンガス、水素ガス空気、不活性ガス、又はそれらガスの混合物のような第２のガスは、矢印１０３で示す経路に沿って第２のガス空洞１２０を通って第２のガスチャンバ１２８内に流れる。第２のガスは、下流チャンバ１１２において本体部材１０２に流入する。第２のガスは、下流チャンバ１１２の中心部から半径方向外向きにかつ上流チャンバ１１０内に流れる。第２のガスは、入口１１６に流入しかつ混合チューブ１１４内に流れる。第１のガス、第２のガス及び空気は、混合チューブ１１４内で混合されかつ混合チューブからタービンエンジンの燃焼器部分１２２内に燃料−空気混合気として放出される。燃料−空気混合気は、燃焼器部分１２２の反応ゾーン１２４において燃焼させる。
【００１６】
図２は、噴射器１００の一部分の側面断面図を示しており、噴射器１００の作動をさらに説明する。第１のガス流は、矢印１０５で示している。第１のガス（第１のガス源２０２からの）は、噴射器１００の中心軸線２０１に平行な経路に沿って第１のガス空洞１３０を介して第１のガスチャンバ１２６に流入する。第１のガスは、入口１１８を通して混合チューブ１１４に流入しかつ該混合チューブ１１４内で空気（矢印１０１で示す）と混合する。この図示した実施形態では、入口１１８は、軸方向に対して燃料が２０〜９０°の角度３３０で噴射されるのを助長するように傾斜させることができる。第２のガス流は、矢印１０３で示している。第２のガス（第２のガス源２０４からの）は、噴射器１００の中心軸線２０１に平行な経路に沿って下流チャンバ１１２に流入する。第２のガスが下流チャンバ１１２に流入すると、第２のガスは、中心軸線２０１から半径方向外向きに流れる。第２のガスは、バッフル部材１０８の外側リップ部を通過した後に上流チャンバ１１０内に流れる。第２のガスは、上流チャンバ１１０を通って流れ、入口１１６に流入しかつ混合チューブ１１４内に流れる。この図示した実施形態では、入口１１６は、軸方向に対して燃料が２０〜９０°の角度３３１で噴射されるのを助長するように傾斜させることができる。燃料−空気の混合が、入口１１６の下流における混合チューブ１１４内で生じる。第２のガスは、空気よりも低温にすることができる。下流チャンバ１１２内での混合チューブ１１４の表面の周りの第２のガスの流れは、混合チューブ１１４を冷却しかつ混合チューブ１１４の内部での燃料−空気混合気の着火又は持続燃焼を防止するのを助ける。この図示した実施形態は、ノズル１００に流入するのに先立って空気と混合させることができる第３の燃料源２０６を含む。例えば、第３の燃料源は、天然ガスを含み、混合チューブ１１４に流入するのに先立って空気が１０〜２０％の天然ガスを含むように混合されるようにすることができる。
【００１７】
この図示した実施形態は、上流チャンバ１１０及び下流チャンバ１１２を含む。その他の実施形態では、同じように構成したあらゆる数の付加的チャンバを含むことができる。
【００１８】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００１９】
１００  燃料ノズル
１０１  矢印
１０２  本体部材
１０４  上流壁
１０５  矢印
１０６  下流壁
１０７  内部壁
１０８  バッフル部材
１１０  上流チャンバ
１１２  下流チャンバ
１１４  混合チューブ
１１６  入口
１１８  入口
１２０  第２のガス空洞
１２２  燃焼器部分
１２４  反応ゾーン
１２６  第１のガスチャンバ
１２８  第２のガスチャンバ
１３０  第１の燃料空洞
２０１  中心軸線
２０２  第１のガス源
２０４  第２のガス源
３３０  角度
３３１  角度
【図１】
0005571495.tif 000002
【図２】
0005571495.tif 000003