(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービン燃焼器の排気ガス流れの排出物を低減する燃焼ノズルに関し、燃焼ノズルの混合部分の内部で空気と燃料を混合して、空気燃料混合物を生成し、生成した空気燃料混合物を、燃焼ノズルの出口部分を通して、燃焼ゾーンへ噴射する構造を提供する。【解決手段】燃焼ノズル２８は、混合部分３０および出口部分３２を含む。混合部分３０は、空気入口３８および燃料入口３６を含む。出口部分３２は、出口表面４２に所定のパターンで形成された複数のジェットを含む。複数のジェットのコア領域の、出口表面領域に対する比は、０．２５より大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気入口（３８）および燃料入口（３６）を備える混合部分（３０）と、
出口表面（４２）に所定のパターンで形成された複数のジェット（４４）を備える出口部分（３２）とを備える燃焼ノズル（２８）であって、前記複数のジェット（４４）のコア領域の、出口表面領域に対する比が、０．２５より大きい燃焼ノズル（２８）。
【請求項２】
前記パターンが６角形パターンを備える請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項３】
前記パターンが異形態の６角形パターンを備える請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項４】
前記パターンが正方形パターンを備える請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項５】
前記パターンが円形パターンを備える請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項６】
前記複数のジェット（４４）の前記コア領域の、前記出口表面領域に対する比が、０．２５から０．４の範囲にある請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項７】
前記複数のジェット（４４）の前記コア領域の、前記出口表面領域に対する比が、０．４から０．５の範囲にある請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項８】
前記複数のジェット（４４）の前記コア領域の、前記出口表面領域に対する比が、０．５より大きい請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項９】
前記複数のジェット（４４）のコア径の、出口表面の直径に対する比が、０．５から０．６３の範囲にある請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項１０】
前記複数のジェット（４４）のコア径の、出口表面の直径に対する比が、０．６３より大きい請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項１１】
前記複数のジェット（４４）の中の２つの互いに隣接したジェット（４４）間の間隔の、ジェット径に対する比が、１．５から１．９の範囲にある請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項１２】
前記複数のジェット（４４）の中の２つの互いに隣接したジェット（４４）間の間隔の、ジェット径に対する比が、１．９から２．５の範囲にある請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項１３】
前記複数のジェット（４４）の中の２つの互いに隣接したジェット（４４）間の間隔の、ジェット径に対する比が、２．５より大きい請求項１記載の燃焼ノズル（２８）。
【請求項１４】
空気圧縮機（１４）と、
前記圧縮機（１４）に結合された燃焼器（２０）であって、
外筒（２２）と、
前記外筒（２２）の内部の燃焼ゾーン（４０）の上流に配置された燃焼ノズル（２８）であって、
空気入口（３８）および燃料入口（３６）を備える混合部分（３０）、ならびに
出口表面（４２）に所定のパターンで形成された複数のジェット（４４）を備える出口部分（３２）を備える燃焼ノズル（２８）において、前記複数のジェット（４４）のコア領域の、出口表面領域に対する比が、０．２５より大きい燃焼ノズル（２８）とを備える燃焼器（２０）と、
前記燃焼器（２０）に結合されたタービン（１６）とを備えるガスタービン（１０）。
【請求項１５】
燃焼ノズル（２８）の混合部分（３０）の内部で、空気と燃料を混合して、空気燃料混合物を生成するステップと、
前記空気燃料混合物を、前記燃焼ノズル（２８）の出口部分（３２）を通して、前記燃焼ノズル（２８）の下流に配置された燃焼ゾーン（４０）へ噴射するステップであって、前記出口部分（３２）が、出口表面（４２）に所定のパターンで形成された複数のジェット（４４）を備え、前記複数のジェット（４４）のコア領域の、出口表面領域に対する比が、０．２５より大きいステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃焼器に関し、より具体的には、燃焼器の内部の燃焼ゾーンの中に空気燃料混合物を噴射するための燃焼ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼器は、エンジンの構成要素または燃焼が起こる領域である。ガスタービンエンジンでは、例えば、圧縮機が燃焼器または燃焼室に対して高圧空気を供給する。次いで、燃焼器が、空気を燃料とともに定圧で加熱する。燃焼の後に、生成された排気ガスが、燃焼器からノズルガイド静翼を介してタービンに供給される。ガスタービンプラントまたは複合サイクルプラントで使用されるこのようなエンジンは、例えば、より高温かつ高圧の条件下で、より高効率を達成するように動作し、排気ガス流れの排出物（例えばＣＯ、ＮＯｘ）が増加する傾向がある。排出物の発生についてはさまざまな要因が知られているが、主要な要因の１つに、燃焼器内の火炎温度がある。
【０００３】
ガスタービンのＣＯ排出物は、ベース負荷（最大出力）条件から離れて動作する必要がある装置に関する重要なパラメータである。ＣＯ排出物の増加は、装置の部分負荷動作に関連した、一般的にはより低い圧力／温度に関連している。このような条件は、火炎前面で生成されたＣＯの不適切な消費によって特徴づけられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８０１５８１４号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の例示の一実施形態によれば、燃焼ノズルが開示される。燃焼ノズルは、混合部分および出口部分を含む。混合部分は、空気入口および燃料入口を含む。出口部分は、出口表面に所定のパターンで形成された複数のジェットを含む。複数のジェットのコア領域の、出口表面領域に対する比は、０．２５より大きい。
【０００６】
本発明の別の例示的実施形態によれば、ガスタービンが開示される。ガスタービンは、空気圧縮機と、圧縮機に結合された燃焼器と、燃焼器に結合されたタービンとを含む。燃焼器は、外筒と、外筒内部の燃焼ゾーンの上流に配置された例示の燃焼ノズルとを含む。
【０００７】
本発明の別の例示的実施形態によれば、方法は、例示の燃焼ノズルの混合部分の内部で空気と燃料を混合して、空気燃料混合物を生成するステップを含む。この方法は、空気燃料混合物を、例示の燃焼ノズルの出口部分を通して、例示の燃焼ノズルの下流に配置された燃焼ゾーンへ噴射するステップをさらに含む。
【０００８】
本発明の別の例示的実施形態によれば、例示の燃焼ノズルを形成する方法が開示される。
【０００９】
本発明の、これらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を解読すれば一層よく理解されるはずであり、各図面を通じて、同じ符号は同じ部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的実施形態による例示の燃焼器を有するガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】本発明の例示的実施形態による例示の燃焼ノズルを有する燃焼器の概略図である。
【図３】本発明の例示的実施形態による燃焼ノズルの出口部分の概略図である。
【図４】本発明の例示的実施形態による燃焼ノズルの出口部分の斜視図である。
【図５】本発明の例示的実施形態による、６角形パターンに配置された複数のノズルジェットの概略図である。
【図６】本発明の例示的実施形態による、正方形パターンに配置された複数のノズルジェットの概略図である。
【図７】本発明の例示的実施形態による、異形態の６角形パターンに配置された複数のノズルジェットの概略図である。
【図８】本発明の例示的実施形態による、放射状／円形のパターンに配置された複数のノズルジェットの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、燃焼ノズルが開示される。例示の燃焼ノズルは、空気入口を有する混合部分と、燃料入口とを含む。このノズルは、出口表面に所定のパターンで形成された複数のジェットを有する出口部分をさらに含む。複数のジェットのコア領域の、ノズル出口の全表面領域に対する比は、０．２５より大きい。本発明の特定の実施形態によれば、例示の燃焼ノズルを有するガスタービンが開示される。特定の他の実施形態によれば、燃焼ノズルと関連した方法が開示される。部分負荷条件で、例示の燃焼ノズルによって生成されるイントラジェット再循環ゾーンは、燃焼器の火炎前面で生成された一酸化炭素（ＣＯ）を消費するのに十分大きい。
【００１２】
次に図面に移って、最初に図１を参照して、低排出燃焼器１２を有するガスタービン１０を説明する。ガスタービン１０は、周囲空気を圧縮するように構成された圧縮機１４を含む。燃焼器１２は圧縮機１４と流体連通しており、圧縮機１４から圧縮空気１１を受け取って燃料流れを燃焼させ、燃焼器流出ガス流れ１３を生成するように構成される。図示の実施形態では、燃焼器１２は、燃焼域を画定する燃焼器容器２０を含む。一実施形態では、燃焼器１２は、カン燃焼器を含む。代替実施形態では、燃焼器１２は、環状多筒形燃焼器または純粋に環状の燃焼器を含む。さらに、ガスタービン１０は、燃焼器１２の下流に配置されたタービン１６を含む。タービン１６は、外部負荷を駆動するために、燃焼器流出ガス流れ１３を膨脹させるように構成される。図示の実施形態では、圧縮機１４は、タービン１６によって生成された動力によって軸１８を介して駆動される。
【００１３】
燃焼器１２には、圧縮空気１１および燃料流れを受け取り、空気１１と燃料流れを混合して空気燃料混合物を生成し、この空気燃料混合物を燃焼ゾーンに噴射する燃焼ノズルが含まれる。次の図を参照して、燃焼ノズルを、より詳細に説明する。
【００１４】
図２を参照すると、図１の態様による燃焼器１２が示されている。この例示の燃焼器１２は、燃焼室２４を画定する燃焼器容器２２を含む。燃焼器容器２２の一端に、カバー組立体（図示せず）が設けられてよい。燃焼器容器２２の内部に、燃焼器ライナ２６が配置される。燃焼器ライナ２６には複数の希釈孔が備わっていてよい。
【００１５】
燃焼室２４の内部に燃焼ノズル２８が配置されている。例示の燃焼ノズル２８は、混合部分３０および出口部分３２を含む。燃焼器１２は、燃焼室２４に燃料を供給するための燃料プレナム３４をさらに含む。燃料は、混合部分３０に設けられた１つまたは複数の燃料入口孔３６を通って燃焼ノズル２８に入る。混合部分３０は、圧縮機から空気流れ１１を受け取るための空気入口３８も有する。
【００１６】
特定の実施形態では、燃料は、炭化水素、天然ガス、または高水素ガス、または水素、または生物ガス、または一酸化炭素、または合成ガス、または不活性ガス、または水蒸気、または所定量の希釈剤とともに酸化剤を含んでよい。希釈剤は、窒素、二酸化炭素、水、蒸気などを含んでよい。
【００１７】
燃焼ノズル２８の混合部分３０は、空気１１と燃料を混合して空気燃料混合物を生成するように構成される。出口部分３２は、空気燃料混合物を受け取って、これを燃焼室２４の燃焼ゾーン４０に噴射するように構成される。出口部分３２は、燃焼器１２の燃焼ゾーン４０において空気燃料混合物の乱流を生成するように構成される。出口部分３２は、出口表面４２に所定のパターンで形成された複数のジェットを含む。次の図で、複数のジェットを有する出口表面４２を、より詳細に説明する。
【００１８】
図３を参照すると、複数のジェット４４を有する出口表面４２が示されている。本発明の実施形態によれば、複数のジェット４４が、出口表面４２の大面積を占領するように離隔されている。図示の実施形態では、複数のジェット４４のコア領域は、複数のジェット４４の中で表面の中心４６から最も遠いジェットによって境界づけられる領域と定義される。図示の実施形態では、複数のジェット４４のコア領域の周囲は、円４８によって表される。複数のジェット４４は、次の図を参照しながら説明されるように、別のパターンに配置されてよい。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、複数のジェットのコア領域の、出口表面領域に対する比は、０．２５より大きい。所望のジェット分布を有する出口部分の一実施形態では、複数のジェット４４のコア領域の、出口表面領域に対する比は、０．２５から０．４の範囲にある。代替の所望のジェット分布を有する出口部分の別の実施形態では、複数のジェット４４のコア領域の、出口表面領域に対する比は、０．４から０．５の範囲にある。代替の所望のジェット分布を有する出口部分のさらに別の実施形態では、複数のジェット４４のコア領域の、出口表面領域に対する比は、０．５より大きい。本明細書では、円形のノズルが示されているが、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきでないことに留意されたい。本発明の態様は、非円形のノズルにも適用可能である。
【００２０】
所望のジェット分布を有する出口部分のいくつかの実施形態では、複数のジェット４４のコア領域の直径の、出口表面の直径に対する比は、０．５から０．６３の範囲にある。代替の所望のジェット分布を有する出口部分の他の特定の実施形態では、複数のジェットのコア領域の直径の、出口表面の直径に対する比は、０．６３より大きい。
【００２１】
以前に論じたように、ガスタービンのＣＯ排出物は、ベース負荷（最大出力）条件から離れて動作する必要がある装置に関する重要なパラメータである。ＣＯ排出物の増加は、装置の部分負荷動作に関連した、一般的にはより低い圧力／温度に関連している。このような条件で、ジェット相の配列に基づく従来型の燃焼ノズルによって生成されるイントラジェット再循環ゾーンは、燃焼器の火炎前面で生成されたＣＯを消費するのに十分な大きさではない。
【００２２】
本明細書では、ノズルの出口部分の出口表面の「ブラフ領域」が、ＣＯの発生をもたらすことに留意されたい。本発明の実施形態によれば、ノズルの部分の出口表面の、「ブラフ領域」が最小限の分散ジェットにより、燃焼器の火炎前面で生成されたＣＯを消費するのに十分大きいイントラジェット再循環ゾーンを発生させることができる。換言すれば、複数のジェット４４が、出口表面４２の「大面積」を占領するようなやり方で離隔されている。
【００２３】
図４を参照すると、本発明の一実施形態によるノズルの出口部分３２が示されている。出口部分３２は、複数のジェット４４を有する出口表面４２を含む。以前に論じたように、複数のジェット４４が、出口表面４２の大面積を占領するように離隔されている。複数のジェット４４の中の２つの互いに隣接したジェット間の間隔が、一方のジェットの中心から他方のジェットの対応する中心へ延びる距離を表すようなやり方で、複数のジェット４４が離隔されている。図示の実施形態では、２つの互いに隣接したジェット間の間隔は「ｓ」で表され、各ジェットの直径は「ｄ」で表される。
【００２４】
所望のジェット間隔を有する出口部分３２の一実施形態では、複数のジェットの中の２つの互いに隣接したジェット間の間隔「ｓ」の、ジェット径「ｄ」に対する比は、１．５から１．９の範囲にある。代替の所望のジェット間隔を有する出口部分３２の別の実施形態では、複数のジェット４４の中の２つの互いに隣接したジェット間の間隔「ｓ」の、ジェット径「ｄ」に対する比は、１．９から２．５の範囲にある。代替の所望のジェット間隔を有する出口部分３２のさらに別の実施形態では、複数のジェットの中の２つの互いに隣接したジェット間の間隔「ｓ」の、ジェット径「ｄ」に対する比は、２．５より大きい。
【００２５】
図５を参照すると、ノズルの出口部分の出口表面に６角形パターンで形成された複数のジェット４４が示されている。以前に論じたように、複数のジェット４４は、ノズルの出口表面の大面積を占領するように離隔されている。以前に論じたように、複数のジェット４４の中の２つの互いに隣接したジェット間の間隔が、一方のジェットの中心から他方のジェットの対応する中心へ延びる距離を表すようなやり方で、複数のジェット４４が離隔されている。各点線は、２つの互いに隣接したジェット間の間隔を表す。３つの互いに隣接したジェット４４の任意の組が、３角形を形成する。複数の３角形が、ジェットの配置の６角形パターンを形成する。
【００２６】
図６を参照すると、ノズルの出口部分の出口表面に正方形パターンで形成された複数のジェット４４が示されている。複数のジェット４４の中の２つの互いに隣接したジェット間の間隔が、一方のジェットの中心から他方のジェットの対応する中心へ延びる距離を表すようなやり方で、複数のジェット４４が離隔されている。各点線は、２つの互いに隣接したジェット間の間隔を表す。４つの互いに隣接したジェット４４の任意の組が、４角形を形成する。複数の４角形が、ジェットの配置の正方形パターンを形成する。
【００２７】
図７を参照すると、ノズルの出口部分の出口表面に異形態の６角形パターン（扇形）で形成された複数のジェット４４が示されている。複数のジェット４４の中の２つの互いに隣接したジェット間の間隔が、一方のジェットの中心から他方のジェットの対応する中心へ延びる距離を表すようなやり方で、複数のジェット４４が離隔されている。各点線は、２つの互いに隣接したジェット間の間隔を表す。図示の実施形態では、各行のジェットは、直線に沿って（すなわち１８０度に配向されて）配置されている。いくつかの実施形態では、ジェットは直線に沿って配置されなくてもよい。このような実施形態では、複数のジェット４４の中の２つの互いに隣接したジェット間の間隔は、１つのジェットの中心から互いに隣接したジェットの中心へ延びる「弧長」でよい。
【００２８】
図８を参照すると、ノズルの出口部分の出口表面に放射状／円形のパターンで形成された複数のジェット４４が示されている。複数のジェット４４の中の２つの互いに隣接したジェット間の間隔が、一方のジェットの中心から他方のジェットの対応する中心へ延びる距離を表すようなやり方で、複数のジェット４４が離隔されている。一実施形態では、互いに隣接したジェット４４間の間隔は、参照数字４６によって表される直線に沿った距離である。別の実施形態では、互いに隣接したジェット４４間の間隔は、参照数字４８によって表される弧長である。他の実施形態では、他の適切なパターンのジェット配置も構想される。例えば、ジェット４４は、卵形のパターン、楕円のパターンなどで配置されてよい。本明細書では、図３〜図８を参照しながら論じられた特徴の置換および組合せもすべて構想されることに留意されたい。
【００２９】
上記で論じられた実施形態によれば、ノズルジェット間の間隔を最適にすることにより、ガスタービンからのＣＯ排出物の低減が促進される。ジェット間の間隔が最適であると、火炎前面で生成されたＣＯを消費するためのジェット間の再循環ゾーンのサイズが増加する。本発明の実施形態は、ノズルの出口表面のブラフ領域が最小限の分散ジェットを開示する。ＣＯ排出物が少ないことにより、ガスタービンの部分負荷動作が可能になる。
【００３０】
本発明の、単なる特定の特徴が本明細書に示され説明されてきたが、当業者なら多くの修正形態および変更形態を思いつくことができるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのような修正形態および変更形態のすべてが、本発明の真の精神の範囲内に入る対象として含まれるように意図されていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ガスタービン
１１  圧縮空気
１２  燃焼器
１３  燃焼器流出ガス流れ
１４  圧縮機
１６  タービン
１８  軸
２０  燃焼器容器
２２  燃焼器容器
２４  燃焼室
２６  燃焼器ライナ
２８  燃焼ノズル
３０  混合部分
３２  出口部分
３４  燃料プレナム
３６  燃料入口孔
３８  空気入口
４０  燃焼ゾーン
４２  出口表面
４４  ジェット
４６  表面の中心
４８  円
【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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【図７】
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【図８】
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