(57)【要約】【課題】ノズル（１０）を提供する。【解決手段】本ノズル（１０）は、燃料をノズル部（４０）に送給する回路（３０）と、回路（３０）とノズル部（４０）の間に配置された弁（５０）とを含み、弁（５０）の開閉は、燃料が弁（５０）に衝突したときの回路（３０）内の燃料圧力に受動的に応答しており、もって弁（５０）によって、燃料が通過する面積の大きさが調整され、それに対応した量の燃料が回路（３０）からノズル部（４０）へと流れる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料をノズル部（４０）に送給する回路（３０）と、
回路（３０）とノズル部（４０）の間に配置された弁（５０）と
を備えるノズル（１０）であって、弁（５０）の開閉が、燃料が弁（５０）に衝突したときの回路（３０）内の燃料圧力に受動的に応答しており、もって弁（５０）によって、燃料が通過する面積の大きさが調整され、それに対応した量の燃料が回路（３０）からノズル部（４０）へと流れる、ノズル（１０）。
【請求項２】
回路（３０）が選択的に動作する、請求項１記載のノズル（１０）。
【請求項３】
燃料をノズル部（４０）に送給するオリフィス（６０）を画成するように構成された本体を含む選択的動作回路（３０）と、
回路（３０）とノズル部（４０）の間に配置された弁であってそこに燃料が衝突したときに回路（３０）内の燃料圧力に応答してオリフィス（６０）を受動的に開閉する弁（５０）と
を備えるノズル（１０）であって、弁（５０）によるオリフィス（６０）の開閉によって、燃料が通過する面積の大きさが調整され、それに対応した量の燃料が回路（３０）からノズル部（４０）へと流れる、
ノズル（１０）。
【請求項４】
燃料が、ノズル部（４０）に送給される別の燃料と比べて比較的低ＢＴＵ燃料である、請求項３記載のノズル（１０）。
【請求項５】
回路本体が、軸方向要素を有する通路としてオリフィス（６０）を画成するように構成された弁シート（３２）を含む、請求項３記載のノズル（１０）。
【請求項６】
弁（５０）が、そこに燃料が衝突するヘッド（８１）と、燃料圧力に応答してヘッド（８１）を弁シート（３２）に向けて付勢して、オリフィス（６０）を強制的に閉鎖させる第１の弾性部材（８４）とを含む、請求項５記載のノズル（１０）。
【請求項７】
弁シート（３２）及び弁（５０）が各々、オリフィス（６０）において相補形段付きプロフィール（１００、１０１）を含む、請求項５記載のノズル（１０）。
【請求項８】
弁シート（３２）及び弁（５０）が各々、オリフィス（６０）において相補形連続可変表面プロフィール（１１０、１１１）を含む、請求項５記載のノズル（１０）。
【請求項９】
オリフィス（６０）からノズル部（４０）の表面に燃料を送給して、ノズル部（４０）をインピンジメント冷却する下流回路（１２０）をさらに含む、請求項５記載のノズル（１０）。
【請求項１０】
燃料をノズル部（４０）に送給する１以上のオリフィス（６０）を画成するように構成された本体を含む選択的動作回路（３０）と、
オリフィス（６０）の各々に付随した弁であって、その各々が回路（３０）とノズル部（４０）の間に配置され、その各々に燃料が衝突したときに回路（３０）内の燃料圧力に応答してそれぞれのオリフィス（６０）を受動的に開閉する弁（５０）と
を備えるノズル（１０）であって、弁（５０）の各々によるそれぞれのオリフィス（６０）の開閉によって、燃料が通過する面積の大きさが調整され、それに対応した量の燃料が回路（３０）からノズル部（４０）へと流れる、ノズル（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、可変面積燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器は、発電並びにオイル及びガス生成用途に広く使用されており、主として天然ガス燃料及び／又は液体燃料で使用されるように設計されている。しかしながら、燃焼器の新規な用途は、燃焼器がより広範囲な燃料自由度を示すことを必要とし始めてきている。例えば、多くのケースでは、現在作動している燃焼器は、天然ガス燃料で動作することができ、次にその燃料流量が倍になるような低イギリス熱単位（ＢＴＵ）燃料に切替えることができ、かつ依然としてエミッション及び動作性要件を満たすことができなければならない。
【０００３】
これらのケースでは、代替燃料の燃料流量は他の燃料の燃料流量よりも大幅に大きくなる可能性があるので、付加的回路を据付けて、燃料送給仕様を満たす燃料側圧力比を維持するようにすることが必要となる。これらの付加的回路は、多くの場合、能動的制御装置、パージ回路及び／又は付加的装置を必要とし、高価でありかつ維持するのに費用がかかる。加えて、回路内における圧力レベルの変化によるダイナミックス作用により、問題が生じるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７４５８２２１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様では、燃料をノズル部に送給する回路と、回路とノズル部の間に配置された弁とを備えるノズルであって、弁の開閉が、燃料が弁に衝突したときの回路内の燃料圧力に受動的に応答しており、もって燃料が通過する面積の大きさを調整して、それに対応した量の燃料が回路からノズル部へと流れるノズルを提供する。
【０００６】
本発明の別の態様では、燃料をノズル部に送給するオリフィスを画成するように構成された本体を含む選択的動作回路と、回路とノズル部の間に配置された弁であってそこに燃料が衝突したときに回路内の燃料圧力に応答してオリフィスを受動的に開閉する弁とを備えるノズルであって、弁によるオリフィスの開閉によって、燃料が通過する面積の大きさが調整され、それに対応した量の燃料が回路からノズル部へと流れるノズルを提供する。
【０００７】
本発明のさらに別の態様では、燃料をノズル部に送給する１以上のオリフィスを画成するように構成された本体を含む選択的動作回路と、オリフィスの各々に付随した弁であって、その各々が回路とノズル部の間に配置され、その各々に燃料が衝突したときに回路内の燃料圧力に応答してそれぞれのオリフィスを受動的に開閉する弁とを備えるノズルであって、各弁によるそれぞれのオリフィスの開閉によって、燃料が通過する面積の大きさが調整され、それに対応した量の燃料が回路からノズル部へと流れるノズルを提供する。
【０００８】
上記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】
本発明とみなされる主題は、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】燃料ノズルの側面断面図。
【図２】実施形態による燃料ノズルの側面断面図。
【図３】別の実施形態による燃料ノズルの側面断面図。
【図４】さらに別の実施形態による燃料ノズルの側面断面図。
【図５】複数燃料ノズルを備えた端部カバーの斜視図。
【図６】実施形態による弁の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明では、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】
二元ガス燃料ノズルは、ハードウェアジオメトリ内で比較的広範囲の分子ウォッベ指標燃料の使用を可能にする。この二元ガス燃料ノズルは、燃料ノズル内に設置した受動的又は能動的制御複数内部燃料通路を利用することによって、高反応性合成ガス又は低反応性希釈ストリームのような最高約１００％天然ガス燃料から標準立方フィート当たり約１００〜約４００ＢＴＵを有する低イギリス熱単位（ＢＴＵ）燃料まで燃焼させることができる。例えば、２つの回路を使用しかつ燃料ノズルの内部に結合し、１つの燃料ストリームが他方の燃料ストリームに遮蔽を与えかつパージされない状態で残留している場合にハードウェア損傷を引き起こす可能性がある高温燃焼器火炎又は燃焼生成物への直接的露出或いはそれらの吸込みから燃料ノズルを保護するようにすることができる。
【００１３】
これらの回路の少なくとも１つは、燃料側圧力によって受動的に又は能動的に作動した状態で調整される可変流れ面積を備える。燃料回路内の圧力が質量流量の増加により上昇すると、回路に対して配置された弁又は幾つかのその他の好適な装置が開放し、かつ妥当な燃料供給ストリーム圧力を維持しながら流量要求量を満たす可変燃料流れ面積を形成する。弁設定及び機構は、用途の要求に基づいてカスタム設計することができる。
【００１４】
図１を参照すると、燃料ノズル１０を示している。燃料ノズル１０は、特に限定されないが、ガスタービンエンジンの乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器を始めとする様々な用途に使用できる。燃料ノズル１０は、第１及び第２の燃料をノズル部４０に送給する第１の燃料回路２０及び第２の燃料回路３０を含む。第１の燃料は、固定スロットを通してノズル部４０に送給され、第２の燃料は、弁５０を通してノズル部４０に送給される。弁５０は、第２の燃料回路３０とノズル部４０の間に配置されて、第２の燃料が第２の燃料圧力で弁５０に衝突する。弁５０は、第２の燃料圧力に受動的に応答しており、もって第２の燃料が通過する面積の大きさを調整して、それに対応した量の第２の燃料が第２の燃料回路３０からノズル部４０へと流れる。第２の燃料の流量は、第２の燃料回路３０が動作している限り、弁５０をほぼ平衡状態に維持する。
【００１５】
実施形態では、第２の燃料は、第１の燃料に比べて比較的低ＢＴＵの燃料である。例えば、第１の燃料は、天然ガス又は天然ガスと合成ガス（シンガス）の組合せを含んでいてもよく、第２の燃料はシンガスのみを含んでいてもよい。第２及び第１の燃料は、低ＢＴＵシンガスのような同一の燃料であってもよい。第２の燃料回路３０は、内部及び外部条件、例えば、ある燃料の利用性、また燃料ノズル１０がガスタービンエンジンの部品である場合には利用可能な燃料から所定のエネルギー発生量を要するタービン負荷など、に応じて選択的に動作させることができる。
【００１６】
第１の燃料回路２０及び第２の燃料回路３０は各々環状の形態とし、第２の燃料回路３０を第１の燃料回路２０内に配置してもよい。それら各々は、ノズル部４０に近接した同じ軸方向位置で終端させることができる。第２の燃料回路３０は、回路本体３１を貫通して形成することができ、第１の燃料回路２０が、回路本体３１及び環状ケーシング２１間の環状空間を貫通して形成される。ノズル部４０は、環状ケーシング２１と整列しかつ回路本体３１の端部を部分的に囲むセクション４１を含む。
【００１７】
弁５０は、バネ荷重形として第２の燃料圧力の変化に線形応答するようにしてもよい。つまり、弁５０は、第２の燃料圧力の増減に正比例して開閉することができる。別の実施形態では、弁５０は、第２の燃料圧力の変化に非線形応答する（線形応答しない）ようにしてもよい。その場合、弁５０は、第２の燃料圧力が大きく増減したときに、より大きく又はより小さく応答するように開閉する。さらに別の実施形態では、弁５０は、比較的小さい又は大きい第２の燃料圧力変化に線形応答するようにすることができ、比較的大きい又は小さい第２の燃料圧力変化に線形応答しないようにすることができる。同様に、バネ荷重形弁５０は、第２の燃料圧力変化に受動的応答して面積の大きさを線形及び非線形の少なくとも１つとして調整するように構成することができる。
【００１８】
次に図１〜図４を参照すると、弁５０は、第２の回路３０内の燃料圧力変化に応答してオリフィス６０を受動的に開閉し、もって第２の燃料が通過する面積の大きさを調整して、それに対応した量の第２の燃料が第２の燃料回路３０からノズル部４０へと流れる。回路本体３１は、オリフィス６０を備えた弁シート３２を含み、オリフィス６０は、幾つかのケースではほぼ軸方向要素を有する通路として弁シート３２を貫通して形成することができる。図５及び図６を参照すると、回路本体３１は、半径方向要素１４２及び軸方向要素１４３を有する通路としてオリフィス６０を画成するように構成された端部カバー１４０を含むことができる。
【００１９】
図１を参照すると、弁５０は、その各々上に第２の燃料が衝突する上流ヘッド８１及び下流ヘッド８２と、上流及び下流ヘッド８１及び８２間で延びる軸部８３とを含み、かつ弁シート３２によって支持して、第２の燃料圧力及び第１の弾性部材８４により軸方向に移動可能にすることができる。第１の弾性部材８４は、バネとすることができかつ第２の燃料圧力に線形及び非線形の少なくとも１つとして応答するようにすることができる。第１の弾性部材８４は、下流ヘッド８１２を弁シート３２の下流表面に向けて付勢して、オリフィス６０を強制的に閉鎖させる。
【００２０】
この構成の場合には、弁５０は、第１の弾性部材８４を圧縮するのに十分な所定の第２の燃料圧力で第２の燃料をノズル部４０に流入させまた第２の燃料圧力が増大しかつ下流ヘッド８２が弁シート３２から後退するように第２の燃料の量を増加させ続ける。
【００２１】
図２に示すように、弁シート３２及び弁５０は各々、オリフィス６０において相補形段付きプロフィール１００、１０１を含むことができる。このようにして、位置Ａにおいて、プロフィール１００、１０１は、弁シート３２及び弁５０が互いに当接しかつ第２の燃料をノズル部に流入させない（つまり、オリフィス６０が閉鎖されている）ように構成される。しかしながら、第２の燃料圧力が増大しかつ弁５０が位置Ｂ及びＣに近づくと、弁シート３２及び弁５０は、それらの間内に空間を有しかつ第２の燃料がノズル部４０に流入する（つまり、オリフィス６０が開放している）ことができる。さらに、Ｃ位置はＢ位置よりも大きい開口部に特徴があるので、より多くの燃料が、Ｃ位置開口部を通して流れることができる。従って、弁５０が第２の燃料圧力に線形又は非線形に応答するかに関係なく、弁５０は、増大した第２の燃料圧力で第２の燃料の異なる量を流入させることができる。別の実施形態では、図２に示すように、弁シート３２及び弁５０は各々、オリフィス６０において相補形連続可変表面プロフィール１１０、１１１を含むことができる。
【００２２】
図４を参照すると、下流回路１２０は、回路本体３１から軸方向に延びるように構成して、オリフィス６０を通過した第２の燃料をノズル部４０の表面１３０に送給して表面１３０をインピンジメント冷却するようにすることができる。従って、下流回路１２０は、部分的にノズル部４０の円錐形セクション４１内に配置されかつ弁シート３２から延びる側壁１２１と表面１３０に近接した端部１２２とを含み、端部１２２は、表面１３０に向けて第２の燃料を導く貫通孔１２３を形成するように構成される。
【００２３】
上述したようにまた図５及び図６を参照すると、回路本体３１は、燃料チャネル溝１４１を画成するように構成された端部カバー１４０を含みかつ燃料チャネル溝１４１とノズル部４０の間の通路としてオリフィス６０を形成することができる。従って、オリフィス６０は、燃料チャネル溝１４１の側壁から半径方向内向きに延びる半径方向要素１４２と、半径方向要素１４２と連通状態になっておりかつノズル部４０に向けて軸方向に延びる軸方向要素１４３とを含む。
【００２４】
弁５０は、オリフィス６０に沿って配置されたボス１５０と、そこに第２の燃料が衝突する表面１６１を有する弁本体１６０と、バネを含むことができかつ第２の燃料圧力に受動的に応答する第２の弾性部材１７０とを含むことができる。第２の弾性部材１７０は、弁本体１６０をボス１５０に向けて付勢し、オリフィス６０を強制的に閉鎖させるように働く。
【００２５】
この構成の場合には、オリフィス６０の閉鎖は、第２の弾性部材１７０を圧縮して弁本体１６０及びボス１５０の相補形表面プロフィール１７１、１７２が互いに当接するようになるのは不十分な所定の第２の燃料圧力で達成される。弁５０は、第２の弾性部材１７０を圧縮するのに十分な所定の第２の燃料圧力で第２の燃料をノズル部４０に流入させまた第２の燃料圧力が増大しかつ弁本体１６０がボス１５０から後退するように第２の燃料の量を増加させ続ける。
【００２６】
図５及び図６にはオリフィス６０の軸方向要素１４３内に配置されたものとして弁５０を示しているが、これは単なる例示にすぎずまた弁５０は半径方向要素１４２内に配置することができることを理解されたい。さらに、弁５０は、その各々が半径方向及び軸方向要素１４２、１４３内に配置された状態で、対として設けることができることを理解されたい。このケースでは、一対の弁５０の各々は、同じ又は異なる第２の燃料圧力で開閉させることができる。
【００２７】
ボス１５０は、半径方向及び軸方向要素１４２、１４３内に着脱自在に挿入可能であるインサート１８０の部品として構成することができる。このケースでは、インサート１８０は、ネジ頂部１８１を含むことができ、オリフィス６０のインサート及び側壁の両方は、リフィス６０内にインサート１８０をねじ込んで締結するようにできるようになった相補形ネジ付き部を含むことができる。いうまでもなく、これは、単なる例示にすぎず、インサート１８０のためのその他の締結システムを設けることができる。
【００２８】
第２の弾性部材１７０は、ボス１５０の下流で第２のボス１９０に据付けることができる。この場合に、第２のボス１９０は、リフィス６０の側壁の一部として或いはさらに別個の部品として形成することができる。いずれのケースでも、第２のボス１９０は、第２の燃料圧力に対して第２の弾性部材１７０及び弁本体１６０を支持する。
【００２９】
図５に示すように、端部カバー１４０は、１以上の複数ノズル組立体４２を有することができる。このケースでは、弁５０及びリフィス６０は各々、その数が複数でありかつ第２の回路３０に対して複数位置に配置することができる。具体的には、弁５０及びリフィス６０は、回路本体３１の周りにほぼ均一な間隔でかつ／又は相補的方向で配置することができる。さらに、弁５０は各々、リフィス６０内で半径方向及び軸方向の少なくとも１つの方向に配向することができる。
【００３０】
上記の説明を適用して、ＤＬＮ及び／又は多ノズル静粛燃焼器（ＭＮＱＣ）、単一ノズルアレイ或いは燃焼器内に複数燃料回路を必要とするあらゆる燃料ノズルにおける空気パージの必要性を排除することができる。パージ回路及び装置を排除することにより、過度なレベルで増加する可能性があるハードウェア及び維持費用の大幅な節減を得ることができる。また、受動的制御弁は、システムの動作範囲にわたって燃料ウォッベ指標を変更する可変面積ジオメトリを可能にし、システムの燃料自由度を高める。さらに、可変面積ジオメトリは、燃料側圧力変動の減少により、ダイナミックス作用を軽減させる。
【００３１】
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みなすべきではなく、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】
【００３２】
１０  燃料ノズル
２０  第１の燃料回路
３０  第２の燃料回路
４０  ノズル部
５０  弁
５５  面積
３１  回路本体
２１  環状ケーシング
６０  オリフィス
３２  弁シート
１４０  端部カバー
１４２  半径方向要素
１４３  軸方向要素
８１  上流ヘッド
８２  下流ヘッド
８４  弾性部材
１００  段付きプロフィール
１０１  段付きプロフィール
１１０  表面プロフィール
１１１  表面プロフィール
１２０  下流回路
１３０  表面
１２１  側壁
１２２  端部
１２３  貫通孔
１４１  燃料チャネル溝
１５０  ボス
１６０  弁本体
１６１  表面
１７０  第２の弾性部材
１７１、１７２  相補形表面プロフィール
１８０  インサート
１８１  ネジ頂部
１９０  第２のボス
【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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