(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル（１２）であって、
ａ．燃料プレナム（４４）と、
ｂ．前記燃料プレナム（４４）の下流の空気プレナム（４８）と、
ｃ．前記燃料プレナム（４４）と流体連通した入口（５４）及び前記空気プレナム（４８）と流体連通した一次空気ポート（５６）を備えた少なくとも１つの一次燃料チャネル（３２）と、
ｄ．前記少なくとも１つの一次燃料チャネル（３２）の半径方向外側に配置されかつ前記燃料プレナム（４４）と流体連通した二次燃料ポート（６２）を備えた複数の二次燃料チャネル（３４）と、
ｅ．前記複数の二次燃料チャネル（３４）を円周方向に囲むシュラウド（３０）と
を備え、
前記少なくとも１つの一次燃料チャネル（３２）が、前記燃料プレナム（４４）から該ノズル（１２）の出口まで延びる円筒形通路（５２）を含む、
ノズル（１２）。
【請求項２】
ノズル（１２）であって、
ａ．燃料プレナム（４４）と、
ｂ．前記燃料プレナム（４４）の下流の空気プレナム（４８）と、
ｃ．前記燃料プレナム（４４）と流体連通した入口（５４）及び前記空気プレナム（４８）と流体連通した一次空気ポート（５６）を備えた少なくとも１つの一次燃料チャネル（３２）と、
ｄ．前記少なくとも１つの一次燃料チャネル（３２）の半径方向外側に配置されかつ前記燃料プレナム（４４）と流体連通した二次燃料ポート（６２）を備えた複数の二次燃料チャネル（３４）と、
ｅ．前記複数の二次燃料チャネル（３４）を円周方向に囲むシュラウド（３０）と、
前記シュラウド（３０）内部に配置されるバリア（３８）と、
を備え、
前記バリア（３８）が、前記燃料プレナム（４４）から前記空気プレナム（４８）を分離する、
ノズル（１２）。
【請求項３】
円環形状のシュラウド（３０）の直径に渡って半径方向に延びる頂部分割板（３６）と、
前記頂部分割板（３６）から軸方向に離れて配置され、前記シュラウド（３０）内に制限された中間分割板（３８）であって、前記頂部分割板（３６）と前記中間分割板（３８）と前記シュラウド（３０）が少なくとも燃料プレナム（４４）を規定する、前記中間分割板（３８）と、
前記中間分割板（３８）から軸方向に離れて配置された底部分割板（４０）であって、前記中間分割板（３８）と前記底部分割板（４０）と前記シュラウド（３０）が少なくとも空気プレナム（４８）を規定する、前記底部分割板（４０）と、
前記中間分割板（３８）から前記底部分割板（４０）を少なくとも貫通するように前記空気プレナム（４８）内を軸方向に延びる、複数の一次燃料チャネル（３２）であって、各一次燃料チャネル（３２）が前記燃料プレナム（４４）と流体連通する入口（５４）を備える、前記複数の一次燃料チャネル（３２）と、
前記複数の一次燃料チャネル（３２）を環状に囲むように配置された複数の二次燃料チャネル（３４）であって、前記頂部分割板（３６）、前記燃料プレナム（４４）及び、前記底部分割板（４０）を貫通して延びる複数のチューブ（５２）を備える、前記複数の二次燃料チャネル（３４）と、
を備える、燃料ノズル（１２）。
【請求項４】
前記複数の一次燃料チャネル（３２）の各々の入口（５４）が、前記頂部分割板（３６）から軸方向に離れて配置される、請求項３記載の燃料ノズル（１２）。
【請求項５】
前記複数の一次燃料チャネル（３２）が、前記入口（５４）と流体連通する互いに平行な複数のチューブを備え、該平行な複数のチューブが、前記空気プレナム（４８）を貫通し、前記燃料ノズルの出口へ出る通路を規定する、請求項３または４に記載の燃料ノズル（１２）。
【請求項６】
前記複数の一次燃料チャネル（３２）の各々が、前記空気プレナム（４８）と流体連通した一次空気ポート（５６）を含み、
前記複数の二次燃料チャネル（３４）の各々が、前記燃料プレナム（４４）と流体連通した二次燃料ポート（６２）を含む、請求項３乃至請求項５のいずれか１項記載の燃料ノ
ズル（１２）。
【請求項７】
前記少なくとも１つの一次燃料チャネル（３２）が、前記燃料ノズル（１２）の中心線（５０）と軸方向に整列している、請求項３乃至請求項６のいずれか１項記載の燃料ノズル（１２）。
【請求項８】
前記シュラウド（３０）が、前記空気プレナム（４８）と流体連通する空気ポート（４６）を備える、請求項３乃至請求項７のいずれか１項記載の燃料ノズル（１２）。
【請求項９】
前記中間分割板（３８）が、前記シュラウド（３０）の直径に渡って半径方向に延び、前記底部分割板（４０）が、前記中間分割板（３８）の下流で、前記シュラウド（３０）の直径に渡って半径方向に延びる、請求項３乃至請求項８のいずれか１項記載の燃料ノ
ズル（１２）。
【請求項１０】
前記頂部分割板（３６）により規定された孔と同軸に整列し、前記燃料プレナム（４４）と流体連通した燃料導管（４２）を備える、請求項３乃至請求項９のいずれか１項記載の燃料ノズル（１２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービンに燃料を供給するための装置及び方法に関連する。具体的には、本発明は、ガスタービン内の燃焼器に燃料を供給するために使用することができるノズルについて記述する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、産業用発電運転において広く使用されている。一般的なガスタービンは、前部における軸流圧縮機と、中間部の周りの１以上の燃焼器と、後部におけるタービンとを含む。外気が圧縮機に流入し、圧縮機の回転ブレード及び固定ベーンは、作動流体（空気）に徐々に運動エネルギーを与えて高エネルギー状態の加圧作動流体を生成する。加圧作動流体は、圧縮機から流出しかつノズルを通って燃焼器内に流れ、燃焼器において、加圧作動流体は燃料と混合されかつ点火されて、高い温度、圧力及び速度を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービン内で膨張して仕事を産生する。例えば、タービン内における燃焼ガスの膨張は、発電機に連結されたシャフトを回転させて、電気を生成する。
【０００３】
ガスタービンの熱力学的効率は運転温度つまり燃焼ガス温度が高くなるにつれて増大することが、広く知られている。しかしながら、燃焼に先立って燃料及び空気が均一に混合されていない場合には、ノズル出口付近において燃焼器内に局所的ホットスポットが存在する可能性がある。局所的ホットスポットは、ノズルに損傷を与えるおそれがある逆火及び保炎の発生可能性を増大させる。逆火及び保炎はあらゆる燃料において発生する可能性があるが、それらは、より高い反応性及びより広い燃焼範囲を有する水素のような高反応性燃料の場合に一層容易に発生する。局所的ホットスポットはまた、それらの全てが望ましくない排気エミッションである窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素の発生を増大させる可能性がある。
【０００４】
局所的ホットスポット及び望ましくないエミッションを最少にしながら、より高い運転温度を可能にする種々の技術が存在する。例えば、燃焼に先立ってより高い反応性燃料を作動流体とより均一に混合させるような様々なノズルが、開発されてきた。しかしながら、多くの場合に、より高い反応性燃料ノズルは、複数の混合チューブを含み、これらチューブにより、ノズルにわたるより大きい差圧が生じる。加えて、より高い反応性燃料ノズルは、該ノズルの中心部分に混合チューブを含まないことが多い。中心部分からチューブをなくすことにより、必要な質量流量を満たすためにより高い差圧の必要性が増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５５９２８１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
その結果、次第により高くなる燃焼温度及びより高い反応性燃料を支援することができるノズルにおける継続的な改良は、有用であると言える。
【０００７】
本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの実施形態は、ノズルであり、本ノズルは、燃料プレナムと、燃料プレナムの下流の空気プレナムとを含む。少なくとも１つの一次燃料チャネルが、燃料プレナムと流体連通した入口と空気プレナムと流体連通した一次空気ポートとを含む。少なくとも１つの一次燃料チャネルの半径方向外側に配置された複数の二次燃料チャネルが、燃料プレナムと流体連通した二次燃料ポートを含む。シュラウドが、複数の二次燃料チャネルを円周方向に囲む。
【０００９】
別の実施形態は、ノズルであり、本ノズルは、該ノズルを円周方向に囲むシュラウドと、該ノズルにわたって半径方向に延びかつ燃料プレナム及び空気プレナムを形成した該シュラウド内部の複数のバリアとを含む。空気プレナムは、燃料プレナムの下流に配置される。少なくとも１つの一次燃料チャネルが、燃料プレナムと流体連通した入口と空気プレナムと流体連通した一次空気ポートとを含む。少なくとも１つの一次燃料チャネルの半径方向外側に配置された複数の二次燃料チャネルが、燃料プレナムと流体連通した二次燃料ポートを含む。
【００１０】
本発明の実施形態はまた、燃焼に先立ってノズル内で燃料及び空気を混合する方法を含む。本方法は、燃料プレナムに燃料を流すステップと、燃料プレナムの下流の空気プレナムに空気を流すステップとを含む。本方法はさらに、ノズルの軸方向中心線と整列した少なくとも１つの一次燃料通路を通して燃料プレナムから燃料を噴射するステップを含む。本方法はまた、一次燃料通路の半径方向外側に整列した二次燃料通路を通して燃料プレナムから燃料を噴射するステップと、少なくとも１つの一次燃料通路を通して空気プレナムから空気を噴射するステップとを含む。
【００１１】
本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。
【００１２】
添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の１つの実施形態による燃焼器の簡略断面図。
【図２】本発明の１つの実施形態によるノズルの拡大断面図。
【図３】本発明の１つの実施形態による、図２に示すノズルの一部分の拡大断面図。
【図４】本発明の別の実施形態による、図２に示すノズルの一部分の拡大断面図。
【図５】図１に示す燃焼器の一部分の拡大断面図。
【図６】本発明の１つの実施形態によるノズルの平面図。
【図７】本発明の１つの実施形態による燃焼器頂部キャップの平面図。
【図８】本発明の別の実施形態による燃焼器頂部キャップの平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。
【００１５】
各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１６】
本発明の実施形態は、燃焼に先立って燃料及び空気を混合する複数燃料チャネルを有するノズルを含む。一般的に、燃料は、ノズルの燃料プレナム内に流れる。一般的に圧縮機からの加圧作動流体を含む空気は、燃料プレナムの下流の分離した空気プレナム内に流れる。燃料プレナムからの燃料は次に、ノズルの軸方向中心線と整列した１以上の一次燃料チャネル及び一次燃料チャネルの半径方向外側に配置された複数の二次燃料チャネル内に流れる或いは噴射される。空気プレナムからの空気は、一次燃料チャネル内に流れる或いは噴射されて該一次燃料チャネル内の燃料と混合された後にノズルから流出する。ノズルの外側及び空気プレナムの外側を流れる空気は、二次燃料チャネル内に流れて該二次燃料チャネル内の燃料と混合された後にノズルから流出する。このように、一次及び二次燃料チャネルは、ノズルの下流面半径方向全体にわたってより均一に混合された燃料及び空気を供給する。
【００１７】
図１は、本発明の１つの実施形態による燃焼器１０の簡略断面図を示している。図示するように、燃焼器１０は一般的に、頂部キャップ１４内に半径方向に配列された１以上のノズル１２を含む。ケーシング１６は、燃焼器１０を囲んで、圧縮機（図示せず）から流出する空気又は加圧作動流体を内包することができる。端部キャップ１８及びライナ２０は、ノズル１２の下流に燃焼チャンバ２２を形成することができる。流れ孔２６を備えた流れスリーブ２４が、ライナ２０を囲んで、該スリーブ２４及びライナ２０間に環状通路２８を形成することができる。
【００１８】
図２に示すように、ノズル１２は一般的に、シュラウド３０、一次又は内側燃料チャネル３２及び二次又は外側燃料チャネル３４を含む。シュラウド３０は、一次及び二次燃料チャネル３２、３４を円周方向に囲みかつノズル１２内部に別個のチャンバ又はセクションを形成した１以上の仕切りプレート又はバリアを含むことができる。例えば、図２に示すように、シュラウド３０内部の頂部、中間及び底部バリア３６、３８、４０は、ノズル１２の幅又は直径にわたって半径方向に延びることができる。このように、燃料は、例えば燃料導管４２を通ってノズル１２に流入し、かつ頂部及び中間バリア３６、３８によって形成された燃料プレナム４４内に流れることができる。同様に、圧縮機からの空気又は加圧作動流体は、シュラウド３０内の１以上の空気ポート４６を通って、中間及び底部バリア３８、４０によって形成された空気プレナム４８内に流れることができる。
【００１９】
一次燃料チャネル３２は一般的に、チューブ又は通路５２、入口５４及び一次空気ポート５６を含む。チューブ又は通路５２は、円形、長円形、方形、三角形又はあらゆる公知の幾何学的形状とすることができる。入口５４は、燃料プレナム４４と流体連通しておりかつチューブ又は通路５２の上流端部内に開口部を単に含むことができる。それに代えて、入口５４は、中間バリア３８を貫通するアパーチャを含むことができる。例えば、図２及び図３に示すように、中間バリア３８は一般的に、一次燃料通路３２の頂部と一致していて、該中間バリア３８を貫通するアパーチャが一次燃料チャネル３２への入口５４として機能するようにすることができる。それに代えて、図４に示すように、中間バリア３８は、一次燃料通路３２の頂部よりも高くすることができる。いずれにしても、入口５４は、可変直径を有し、従ってベンチュリ効果を生じて一次燃料チャネル３２を通る燃料流を加速させることができる。一次空気ポート５６は同様に、空気プレナム４８と流体連通している。従って、圧縮機からの空気又は加圧作動流体は、シュラウド３０内の空気ポート４６を通って空気プレナム４８内に流れることができる。空気は次に、空気プレナム４８から一次空気ポート５６を通して一次燃料チャネル３２内に流れる或いは噴射させることができる。
【００２０】
一次又は内側燃料チャネル３２は一般的に、図２に示すように、ノズル１２の中心線と軸方向に整列する或いは一致しておりかつ単一又は複数の燃料チャネルを含むことができる。図２、図３及び図４に示すように、各一次燃料チャネルは一般的に、燃料プレナム４４から空気プレナム４８を通ってノズル１２の下流出口まで互いに平行に延びる。その結果、各一次燃料チャネル３２は、該一次燃料チャネル３２の長さに応じて、中間又は底部バリア３８、４０の１以上を貫通することができる。例えば、図２に示すように、一次燃料チャネル３２は、中間又は底部バリア３８、４０を貫通することができる。このように、一次燃料チャネル３２は、ノズル１２の最中心部を通して燃焼チャンバ２２に燃料及び空気の混合気を供給することができる。
【００２１】
二次燃料チャネル３４は一般的に、一次燃料チャネル３２の半径方向外側に配置されかつ該一次燃料チャネル３２を囲む。二次燃料チャネルは、前述したように、ノズル１２の軸方向長さに沿って１以上のバリア３６、３８、４０を貫通して互いに平行に延びることができるチューブ又は通路５２を含む。加えて、二次燃料チャネル３４は一般的に、入口５８、出口６０及び二次燃料ポート６２を含む。入口５８及び出口６０は、二次燃料チャネル３４の上流及び下流端部に設けられかつ二次燃料チャネル３４を通る自由な空気の流れを可能にする開口部を単に含むことができる。二次燃料ポート６２は、燃料プレナム４４と流体連通し、燃料は該燃料プレナム４４から二次燃料チャネル３４内に流れる或いは噴射させることができる。設計ニーズに応じて、二次燃料チャネル３４の幾つか又は全ては、１以上の二次燃料ポート６２を含むことができる。二次燃料ポート６２は、ノズル１２の軸方向中心線５０に対して傾斜させて、燃料が二次燃料チャネル３４に流入する角度を変化させ、従って空気と混合する前に燃料が該二次燃料チャネル３４内に貫入する距離を変化させることができる。従って、燃料及び空気は、ノズル１２から燃焼チャンバ２２内に流出する前に、二次燃料チャネル３４内で混合される。
【００２２】
矢印が圧縮機からの空気又は加圧作動流体の様々な流れ径路を示している、図１に示す燃焼器１０の一部分の拡大断面図を示している。図示するように、空気は、流れスリーブ２４内の流れ孔２６を通って環状通路２８に流入することができる。空気は次に、環状通路２８を通ってノズル１２に向けて流れることができる。空気がノズル１２に到達しかつシュラウド３０の外側に沿って流れると、空気の一部が、空気ポート４６を通って空気プレナム４８内に流れることができる。空気プレナム４８内に流入すると、空気は、一次空気ポート５６を通して一次燃料チャネル３２内に流れ或いは噴射させ、一次燃料チャネル３２において、空気は、ノズル１２から燃焼チャンバ２２内に流出する前に燃料と混合させることができる。シュラウド３０の外側に沿って流れる空気の残りの部分は、端部キャップ１８に到達し、端部キャップ１８において、それら空気は、その方向を反転しかつ二次燃料チャネル３４の入口５８内に流れる。二次燃料チャネル３４内に流れると、空気は、ノズル１２から燃焼チャンバ２２内に流出する前に、二次燃料ポート６２を通って流入する燃料と混合される。
【００２３】
図６、図７及び図８は、燃焼チャンバ２２から上流方向に見た頂部キャップ１４の様々な平面図を示している。例えば、図６は、前に説明しかつ図示したノズル１２の平面図を示している。図６に示すように、一次及び二次燃料チャネル３２、３４は、円形をしている。入口５４は、一次燃料チャネル３２内に見ることができ、また二次燃料チャネル３４は、一次燃料チャネル３２の半径方向外側に配置されかつ該一次燃料チャネル３２を囲む。図７及び図８に示すように、ノズル１２は、円形、三角形、方形、長円形、又は事実上あらゆる形状とすることができかつ様々な幾何学的配置として配列することができる。例えば、ノズル１２は、図７に示すように、単一のノズルを囲む６つのノズルとして配列することができる。それに代えて、図８に示すように、一連のパイ形状のノズル６４により、円形ノズル１２を囲むことができる。本発明は、特許請求の範囲において特に記載しない限り、個々のノズル又はノズル構成のいかなる特定の幾何学的配置にも特定されるものではないことを、当業者には理解されたい。
【００２４】
本発明の様々な実施形態により、既存のノズルに優る幾つかの利点を得ることができる。例えば、一次及び二次燃料チャネル３２、３４の使用により、ノズル１２を通るより多くの燃料及び空気の流量を可能にし、従ってノズル１２を通って流れる空気に生じる圧力降下を減少させることができる。さらに、一次及び二次燃料チャネル３２、３４は、ノズル１２の下流側表面全体を通して混合状態の燃料及び空気を燃焼チャンバ２２に供給する。これにより、一層均一な燃料及び空気の流れが燃焼チャンバ２２内に供給され、それによってノズル１２の出口におけるあらゆる再循環ゾーンが減少する。さらに、ノズル１２のより大きな部分における燃料及び空気の流れは、該ノズル１２の下流面に対して付加的冷却を与え、それによって該ノズル１２の下流面に対する寄生冷却の必要性を減少させる。最後に、本発明の技術的範囲内にあるノズル１２は、既存の燃焼器内に据付けて、既存の燃焼器の安価な改造を可能にすることができる。
【００２５】
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することを意図している。
【符号の説明】
【００２６】
１０  燃焼器
１２  ノズル
１４  頂部キャップ
１６  ケーシング
１８  端部キャップ
２０  ライナ
２２  燃焼チャンバ
２４  流れスリーブ
２６  流れ孔
２８  環状通路
３０  シュラウド
３２  一次燃料チャネル
３４  二次燃料チャネル
３６  頂部バリア
３８  中間バリア
４０  底部バリア
４２  燃料導管
４４  燃料プレナム４４
４６  空気ポート
４８  空気プレナム
５０  軸方向中心線
５２  （一次及び二次燃料チャネルの）チューブ又は通路
５４  （一次燃料チャネルの）入口
５６  一次空気ポート
５８  （二次燃料チャネルの）入口
６０  （二次燃料チャネルの）出口
６２  二次燃料ポート
６４  パイ形状のノズル
【図１】
0005860621.tif 000002
【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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