(57)【要約】【課題】供給管と連結可能な環状部によって、環状部における円周方向流体分布をより均一にする。【解決手段】本装置は、環状部内に配列されて供給管からの流体を受け入れる複数の入口と、環状部に接続されて環状部から半径方向内側に流体を送給する複数の出口とを含む。入口は、環状部内の流体を出口に分配する。入口及び出口は、環状部内の流体静圧が実質的に一定であるように構成される。【選択図】図２
2014052177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給管と連結可能な、環状部における円周方向流体分布装置であって、
前記環状部内に配列されて前記供給管からの流体を受け入れる複数の入口と、
前記環状部に接続されて前記環状部から半径方向内側に流体を送給する複数の出口とを含んでおり、
前記入口は、前記環状部内の流体を前記出口に分配し、前記入口及び前記出口は、前記環状部内の流体静圧が実質的に一定であるように構成される、
装置。
【請求項２】
前記入口は、前記供給管に対して円周方向にオフセットされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記環状部の周囲に前記環状部に沿って軸方向に配置されたタービュレータであって、前記複数の出口の中の最大流量が略線形プロファイルを規定するように質量流量を正規化する前記タービュレータを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
流体流の上流又は下流に面する前記出口に隣接して前記環状部内に配置されたスクープを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記スクープは、流体流を制御するために前記環状部内に優先的に配置される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記スクープの深さ又は角度は流体流を制御するために変化する、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記環状部内の各スクープ間に配置されたタービュレータを更に含む、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
供給管と連結可能な、環状部における円周方向流れ分布装置であって、
前記供給管からの流れを受け入れる前記環状部内の複数の入口と、
前記環状部に接続されて前記環状部から半径方向内側に前記流れを送給する複数の出口とを含んでおり、
前記入口は、前記環状部内の流体を前記出口に分配し、前記入口は、前記環状部の円周方向周囲の静圧が実質的に一定であるように、前記供給管に対して円周方向にオフセットされ、
更に、流体流の上流又は下流に面する前記出口に隣接して前記環状部内に配置されたスクープを含む、
装置。
【請求項９】
前記スクープは、流れを制御するために前記環状部内に優先的に配置される、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記スクープの深さ又は角度は、流れを制御するために変化する、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記環状部内の各スクープ間に配置されたタービュレータを更に含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
供給管と連結可能な複数の入口と、環状部に接続されて前記環状部から半径方向内側に流体を送給する複数の出口とを含む前記環状部における円周方向流体分布方法であって、
前記環状部の円周方向周囲の流体静圧が実質的に一定であるように前記入口及び前記出口を構成するステップと、
前記供給管からの流体を受け入れるステップと、
前記流体を前記出口に分配するステップとを含む、
方法。
【請求項１３】
前記構成するステップは、前記入口を前記供給管に対して円周方向にオフセットして配置することによって実行される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記構成するステップは、スクープを流体流の上流又は下流に面する前記出口に隣接して前記環状部内に配置することによって実行される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の出口の中の最大流量が略線形プロファイルを規定するように前記流体の質量流量を正規化するステップであって、前記環状部の周囲に前記環状部に沿って軸方向にタービュレータを配置することによって実行される前記正規化するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、流体の円周方向分布に関し、より詳細には、ガスタービン用途におけるマニホールド内の燃料等の流体の均一な円周方向分布に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの工学用途において流体を特定の位置に噴射する一般的な機構は、パイプを用いたものであり、このパイプによって流体が環状部領域に供給接続され、その環状部領域で流体が多数の円周方向に配設された出口を通って下流に分配される。計算流体力学（ＣＦＤ）解析から、供給管の近傍並びに供給管の遠端に位置付けられた円周方向出口を通して高流量が見られることが観察されている。供給管近傍の出口は主流に対して直列であるため、それらの領域では高い全圧が見られる。環状部に入った後、速度水頭の一部が静水頭に変わり、静水頭は、流れが環状部領域内で停滞する傾向があるので、最も遠い出口まで増加し続ける。
【０００３】
環状部に接続された複数の出口が存在すると、個々の出口を通る質量流量が平均流の質量流量から変化することがある。しかしながら、一部の工学用途においては、円周方向に配設された出口の全てで均一流が望まれる。各々の出口全体の圧力降下によって、各々の出口を通る流量が決まる。下流圧力は全ての出口で同じだと仮定することができるので、環状部内の上流圧力分布によって流量が決まる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７７２１５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
タービン燃焼器においては、全ての燃料ノズルにわたって燃料流量が均一であることで、ノズルは意図した目的のように機能することが可能になる。不均一分布によって、燃料ノズルは、排出がより多くなるだけでなく、保炎の可能性が増加したり、尾筒の出口の温度分布が望ましくなくなったりする恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的実施形態において、環状部における円周方向流体分布装置は、供給管と連結可能であり、環状部内に配列されて供給管からの流体を受け入れる複数の入口と、環状部に接続されて環状部から半径方向内側に流体を送給する複数の出口とを含む。入口は、環状部内の流体を出口に分配する。入口及び出口は、環状部内の流体静圧が実質的に一定であるように構成される。
【０００７】
別の例示的実施形態において、環状部における円周方向流れ分布装置は、供給管と連結可能であり、供給管からの流れを受け入れる環状部内の複数の入口と、環状部に接続されて環状部から半径方向内側に流れを送給する複数の出口とを含む。入口は、環状部内の流体を出口に分配する。入口は、環状部の円周方向周囲の静圧が実質的に一定であるように、供給管に対して円周方向にオフセットしてもよい。スクープは、出口に隣接して環状部内に配置される。
【０００８】
更に別の例示的実施形態において、環状部における流体流の円周方向分布方法は、環状部の円周方向周囲の流体静圧が実質的に一定であるように入口及び出口を構成するステップと、供給管からの流体を受け入れるステップと、流体を出口に分配するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービンの概略図である。
【図２】環状部内の燃料マニホールドを示す断面図である。
【図３】スクープの使用を示す斜視図である。
【図４】タービュレータを備えた環状部を示す。
【図５】スクープ及びタービュレータを含む環状部を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、一般的なガスタービン１０を示す。図示するように、ガスタービン１０は、一般に、前部の圧縮機１２と、中央部の周囲の１つ以上の燃焼器１４と、後部のタービン１６とを含む。圧縮機１２及びタービン１６は、一般的に、共通のロータを共有する。一般的に、圧縮機１２は入口空気を加圧し、この空気が次いで燃焼器１４へと方向転換又は逆流させられ、そこで燃焼器を冷却し、更に燃焼プロセスへ空気を提供するために使用される。燃焼器１４は、圧縮された作動流体の流れに燃焼を噴射し、混合物に点火して高温、高圧及び高速度を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器１４から出て、タービン１６へと流れ、そこで膨張して仕事を発生する。
【００１１】
ケーシングは、各々の燃焼器１４を囲んで、圧縮機１２からの圧縮された作動流体を収容する。ノズルは端部カバー内に配設され、例えば、外側ノズルが中央ノズルの周囲に半径方向に配設される。圧縮機１２からの圧縮された作動流体は、ケーシングとライナーの間を外側ノズル及び中央ノズルへと流れ、それらのノズルは燃料を圧縮された作動流体と混合し、その混合物が外側ノズル及び中央ノズルから上流室及び下流室に流入し、そこで燃焼が生じる。
【００１２】
タービンの燃焼領域の内部の燃焼用の燃料は、環状部領域に接続されたパイプによって供給され、そして複数の円周方向に配設された出口を通って下流に分配される。多くの用途においては、円周方向に配設された出口で均一な燃料流が望まれる。図２は、供給管１８と接続された環状部１７を示す断面図である。複数の入口１９は、環状部１７内に配列されて、供給管１８からの燃料を受け入れて分配する。複数の出口２０は、環状部に接続されて、環状部１７から半径方向内側に燃料を送給する。入口１９及び出口２０は、好ましくは、環状部１７内の燃料静圧が実質的に均一であるように構成される。図２に示す配列では、この配列は、入口１９を供給管１８に対して円周方向にオフセットすることによって達成される。既存の複数の入口マニホールドと対照的に、出口２０を通る質量流量は、図２に示すオフセット配列によって、入口が供給管と整列している単一の入口マニホールド又は複数の入口マニホールドと比較して、はるかに均一にすることができる。
【００１３】
均一な燃料分布を促進するための追加的又は代替的構造特徴を図３に示す。図示するように、タービュレータ２１は、環状部の周囲に環状部に沿って軸方向に配置されて、複数の出口の中の最大流量が略線形プロファイルを規定するように質量流量を正規化する。線形プロファイルは、燃焼器の特定領域内に所望量の流体流量を得るための出口穴の配置及び寸法決定に役立つ。タービュレータは一般に、金属表面全体の熱伝達を向上させるために使用されている（例えば、米国特許第５，７３８，４９３号公報参照）。この用途においては、タービュレータ２１は、環状部内の圧力分布を徐々に変化させるために使用される。
【００１４】
図４を参照すると、環状部は、出口に隣接して環状部内に配置されたスクープ２２を含むことができる。「スクープ」という用語は、片側だけ開放しているエンクロージャ、チャネル、又はトラフを指す。スクープ２２は同様に、円周方向流れ分布の不均一性を減少させる。一般的なスクープは、出口を完全又は部分的に囲む（例えば、スクープは上部の有無にかかわらず半円筒の形状であってよい）か、或いは開口部を部分的又は完全に覆い、部分球形にすることができる。同様の流れ捕捉機能性を提供するその他の形状も使用することができる。本発明の構成の範囲内で、スクープ２２の開放側は流れ方向に向かって角度をつけてもよい。スクープ２２は、単独で、或いは全てのスクープが単一動作で固定されているストリップ又はシートとして製造することができる。
【００１５】
使用時、流体はスクープ２２によって導かれ、このスクープ２２は環状部内に突き出て、停滞と方向転換の組み合わせによって、それらを通る流れを駆動する静圧差の不足により出口を既に通過した流体を捕捉する。
【００１６】
出口２０を通る流量がわかっていると、スクープ２２を環状部内の各出口における流体静圧を制御するために優先的に配置して、静圧降下ひいては流量が出口の中で実質的に一定であるようにすることができる。コンピュータシミュレーションを実行して、スクープの効果を実証してもよい。追加的又は代替的には、スクープの深さを同様に変化させて流体流を制御してもよい。
【００１７】
図５は、タービュレータ２１及びスクープ２２を利用した例示的実施形態を示しており、タービュレータ２１は環状部の壁上に配置されている。
【００１８】
均一な流量（燃料、希釈剤、空気、蒸気等）は、排出、保炎、及び温度分布に関する局所的な問題を削減するのに役立つであろう。
【００１９】
現時点で最も実用的且つ好適な実施形態であると考えられるものに関連して本発明を説明したが、本発明は、開示された実施形態に限定されてはならず、むしろ添付の特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲内に含まれる種々の変形及び等価の構成を含むことが意図されると理解すべきである。
【符号の説明】
【００２０】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１７  環状部
１８  供給管
１９  入口
２０  出口
２１  タービュレータ
２２  スクープ
【図１】
2014052177.tif 000003
【図２】
2014052177.tif 000004
【図３】
2014052177.tif 000005
【図４】
2014052177.tif 000006
【図５】
2014052177.tif 000007