(57)【要約】【課題】燃料を供給するための装置つまりノズル及び方法を提供する。【解決手段】本ノズル（３６）は、その各々がそれぞれ第１、第２及び第３の流体を第１、第２及び第３の回転方向に導くように傾斜した第１、第２及び第３のポート（４４、４６及び４８）を含む。第１、第２及び第３の流体は、第１の燃料、第２の燃料、希釈剤及び加圧作動流体からなる群から選択される。ノズル（３６）を通して燃料を供給する方法は、第１の複数のポート（４４）を通して第１の回転方向に第１の流体を噴射するステップと、第２の複数のポート（４６）を通して第２の回転方向に第２の流体を噴射するステップと、第３の複数のポート（４８）を通して第３の回転方向に第３の流体を噴射するステップとを含む。本方法はさらに、第１の燃料、第２の燃料、希釈剤及び加圧作動流体からなる群から第１、第２及び第３の流体を選択するステップを含む。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル（３６）であって、
ａ．第１の流体を第１の回転方向に導くように傾斜した第１の複数のポート（４４）と、
ｂ．前記第１の複数のポート（４４）の周りに配置されかつ第２の流体を第２の回転方向に導くように傾斜した第２の複数のポート（４６）と、
ｃ．前記第２の複数のポート（４６）の周りに配置されかつ第３の流体を第３の回転方向に導くように傾斜した第３の複数のポート（４８）と
を備えており、
ｄ．前記第１、第２及び第３の流体が、第１の燃料、第２の燃料、希釈剤及び加圧作動流体からなる群から選択される、
ノズル（３６）。
【請求項２】
前記第２の回転方向が前記第１の回転方向と反対方向である、請求項１記載のノズル（３６）。
【請求項３】
前記第３の回転方向が前記第１の回転方向と同一方向である、請求項１又は請求項２記載のノズル（３６）。
【請求項４】
前記第２の回転方向が前記第１の回転方向と同一方向である、請求項１記載のノズル（３６）。
【請求項５】
前記第３の回転方向が前記第２の回転方向と反対方向である、請求項１又は請求項４記載のノズル（３６）。
【請求項６】
前記第１の複数のポート（４４）が前記第２の複数のポート（４６）よりも大きい体積流量を噴射する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のノズル（３６）。
【請求項７】
ノズル（３６）を通して燃料を供給する方法であって、
ａ．第１の複数のポート（４４）を通して第１の回転方向に第１の流体を噴射するステップと、
ｂ．第２の複数のポート（４６）を通して第２の回転方向に第２の流体を噴射するステップと、
ｃ．第３の複数のポート（４８）を通して第３の回転方向に第３の流体を噴射するステップと、
ｄ．第１の燃料、第２の燃料、希釈剤及び加圧作動流体からなる群から前記第１、第２及び第３の流体を選択するステップと
を含む方法。
【請求項８】
前記第２の回転方向が前記第１の回転方向と反対方向である、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第３の回転方向が前記第１の回転方向と同一方向である、請求項７又は請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の燃料よりも大きい前記第１の燃料の体積流量を噴射するステップをさらに含む、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には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、ガスタービンにおける燃焼器で使用することができる逆旋回ノズルを含む。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電用の商業運転において広く使用されている。ガスタービンの熱力学的効率は、作動温度つまり燃焼ガス温度が上昇するにつれて、増大することが広く知られている。より高温の燃焼ガスは、より多くのエネルギーを含有し、かつ燃焼ガスがタービン内で膨張する時により多くの仕事を産生する。しかしながら、より高い燃焼温度は多くの場合、燃焼器内に、特に燃焼器ライナに沿って局所的高温スポットを発生させる。局所的高温スポットは、ライナに沿って摩耗を増大させて、より頻繁なライナの検査を必要とさせる可能性がある。さらに、より高い燃焼温度は、望ましくない排気エミッションであるＮＯｘの発生を増大させる。
【０００３】
燃焼温度の上昇を可能にしながら局所的高温スポット及び望ましくないエミッションを最少にする多様な方法が存在する。例えば、燃焼器内に蒸気を噴射して、燃焼器火炎温度を低下させ、それによってＮＯｘの生成を減少させるか又は排除することができる。しかしながら、蒸気噴射は、付加的なかつ費用のかかる装置を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７０１３６４９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、燃焼器に燃料を供給する上での絶え間ない改良の必要性が存在する。燃料を供給するための装置及び方法により燃料混合気の均一性を向上させて、望ましくないエミッションを生じさせる高温スポットが燃焼器内に発生しない状態で燃料のより完全な燃焼を可能にするようにするのが理想的である。
【０００６】
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】
【０００７】
本発明の１つの実施形態は、ノズルである。本ノズルは、第１の流体を第１の回転方向に導くように傾斜した第１の複数のポートと、第１の複数のポートの周りに配置されかつ第２の流体を第２の回転方向に導くように傾斜した第２の複数のポートと、第２の複数のポートの周りに配置されかつ第３の流体を第３の回転方向に導くように傾斜した第３の複数のポートとを含む。第１、第２及び第３の流体は、第１の燃料、第２の燃料、希釈剤及び加圧作動流体からなる群から選択される。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、燃焼器であり、本燃焼器は、該燃焼器の一部分を周囲で囲んで燃焼チャンバを形成したライナと、ライナの一端部に設置されたノズルとを含む。一次ポートが、ノズル内に配置されかつ第１の燃料を第１の回転方向に噴射するように傾斜している。二次ポートが、一次ポートの周りに配置されかつ第２の流体を第１の回転方向と反対方向である第２の回転方向に噴射するように傾斜している。三次ポートが、二次ポートの周りに配置されかつ希釈剤又は加圧作動流体の少なくとも１つを第２の回転方向と反対方向である第３の回転方向に噴射するように傾斜している。
【０００９】
本発明はまた、ノズルを通して燃料を供給する方法を含む。本方法は、第１の複数のポートを通して第１の回転方向に第１の流体を噴射するステップと、第２の複数のポートを通して第２の回転方向に第２の流体を噴射するステップと、第３の複数のポートを通して第３の回転方向に第３の流体を噴射するステップとを含む。本方法はさらに、第１の燃料、第２の燃料、希釈剤及び加圧作動流体からなる群から第１、第２及び第３の流体を選択するステップを含む。
【００１０】
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。
【００１１】
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】
【００１２】
【図１】本発明の技術的範囲内にあるガスタービンの簡略断面図。
【図２】図１に示す燃焼器の簡略断面図。
【図３】図２に示すノズル組立体の斜視図。
【図４】図３に示すノズルの１つの分解斜視図。
【図５】本発明の技術的範囲内にある一次、二次及び三次ポートの別の実施形態の簡略図。
【図６】本発明の技術的範囲内にある一次、二次及び三次ポートのさらに別の実施形態の簡略図。
【図７】本発明の技術的範囲内にある一次、二次及び三次ポートのさらに別の実施形態の簡略図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、その１つ又はそれ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。
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明の技術的範囲内にある典型的なガスタービン１０を示している。ガスタービン１０は、前部における圧縮機１２と、中間部の周りの１つ又はそれ以上の燃焼器１４と、前部におけるタービン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１８を共有する。圧縮機１２は、作動流体（空気）に運動エネルギーを与えて、
作動流体をより高いエネルギー状態にする。加圧作動流体は、圧縮機１２から流出し、かつ各燃焼器１４の下流に位置するプレナム２０に流れる。
【００１６】
図２を参照すると、各燃焼器１４は、一端部におけるノズル組立体２４と、他端部におけるトランジションピース２６とを含む。ケーシング２８は、各燃焼器１４を囲んで、プレナム２０内に加圧作動流体を収容する。ケーシング２８内部のシュラウドつまりライナが、各燃焼器１４の一部分を周囲で囲んで、各燃焼器１４内にチャンバ３２を形成する。加圧作動流体は、プレナム２０から流出し、希釈孔３４を通って流入しかつライナ３０の外側に沿って（矢印で示すように）移動して該ライナ３０を冷却する。加圧作動流体の一部分は、混合孔３５を通ってチャンバ３２に流入し、また加圧作動流体の残りの部分は、ノズル組立体２４を通ってチャンバ３２に流入する。
【００１７】
図３は、図２に示すノズル組立体２４の斜視図を示している。各ノズル組立体２４は、燃料を加圧作動流体と混合する１つ又はそれ以上のノズル３６を含む。燃料及び作動流体の混合気は、チャンバ３２内で点火燃焼されて、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、トランジションピース２６を通ってタービン１６に流れ、タービン１６において、燃焼ガスは、膨張して仕事を産生する。
【００１８】
図４は、図３に示すノズルの１つの分解斜視図を示している。図示するように、各ノズル３６は、燃料、希釈剤及び／又は加圧作動流体を共に送るほぼ同心の一次、二次及び三次組立体３８、４０及び４２を含む。本発明の技術的範囲内にある別の実施形態では、一次、二次及び三次組立体は、別個の組立体に代えて、単一の部品として構成することができる。
【００１９】
一次組立体３８は、ノズル３６の中心部に設置されかつ第１の複数のポートつまり一次ポート４４を含む。一次ポート４４は、それを通して第１の燃料、希釈剤及び／又は加圧作動流体のような流体が流れる通路を含む。一次ポート４４は、流体を第１の回転方向（つまり、時計方向又は反時計方向）に燃焼チャンバ３２内に噴射するように傾斜している。
【００２０】
二次組立体４０は、一次ポート４４の周りに配置されかつ第２の複数のポートつまり二次ポート４６を含む。二次ポート４６は、それを通して第２の燃料、希釈剤及び／又は加圧作動流体のような流体が流れる通路を含む。二次ポート４６は、流体を第２の回転方向（つまり、反時計方向又は時計方向）に燃焼チャンバ３２内に噴射するように傾斜している。第２の回転方向は、第１の回転方向と同一方向又は該第１の回転方向と反対方向とすることができる。
【００２１】
三次組立体４２は、２次ポート４６の周りに配置されかつ第３の複数のポートつまり三次ポート４８を含む。三次ポート４８は、それを通して第１の燃料、第２の燃料、希釈剤及び／又は加圧作動流体のような流体が流れる通路を含む。三次ポート４８は、流体を第３の回転方向（つまり、反時計方向又は時計方向）に燃焼チャンバ３２内に噴射するように傾斜している。第３の回転方向は、第２の回転方向と同一方向又は該第２の回転方向と反対方向とすることができる。
【００２２】
図５、図６及び図７は、本発明の技術的範囲内にある別の実施形態により配置した一次、二次及び三次ポート４４、４６及び４８の概略図を示している。各実施形態では、一次、二次及び三次ポート４４、４６及び４８は、第１の燃料、第２の燃料、希釈剤及び／又は加圧作動流体の様々な組合せを燃焼チャンバ３２内に噴射するために使用することができる。第１及び第２の燃料は、燃焼に好適なあらゆる液体又は気体燃料とすることができる。商業用燃焼エンジンで使用可能な燃料には、例えば高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化液化天然ガス（ＬＮＧ）、プロパン及び水素が含まれる。実際の使用燃料は、所望の発熱量、利用可能性、コスト等のような幾つかの作動要因により変化する。第１及び第２の燃料に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲内にある別の実施形態では、第１及び第２の燃料の両方と同一の燃料を使用することができる。希釈剤は、燃料を希釈するのに使用する蒸気、空気及び水のようなあらゆる流体とすることができる。加圧作動流体は、圧縮機１２又はその他の供給源により供給される加圧空気又はその他の流体とすることができる。
【００２３】
図５に示す実施形態では、一次ポート４４は、僅かに傾いた円形パターンとして配置されかつ燃料希釈剤及び／又は加圧作動流体に時計方向回転を与えるように傾斜している。二次ポート４６は、円形パターンとして配置されかつ燃料希釈剤及び／又は加圧作動流体に反時計方向回転を与えるように傾斜している。三次ポート４８は、円形パターンとして配置されかつ燃料希釈剤及び／又は加圧作動流体に時計方向回転を与えるように傾斜している。図６に示す実施形態は、同一方向の反時計方向に傾斜した一次ポート４４及び二次ポート４６を有し、一方、三次ポート４８は、反対方向の時計方向に傾斜している。図７は、二次ポート４６及び三次ポート４８が同一方向の時計方向に傾斜しまた一次ポート４４が反対方向の反時計方向に傾斜している実施形態を示している。
【００２４】
一次、二次及び三次ポート４４、４６及び４８の角度は、各特定の用途に固有の幾つかの変数により決まる。例えばノズル周辺部に対して接線方向の線に近接して傾斜したポートは、噴射流体により多くの回転を与えるが、噴射流体は半径方向により小さい距離だけ貫入する。逆に、ノズル周辺部に対して接線方向の線から離れて傾斜したポートは、噴射流体により少ない回転を与えるが、噴射流体は半径方向により大きい距離まで貫入する。
【００２５】
同様に、一次、二次及び三次ポート４４、４６及び４８の寸法及び個数並びにそれらを通る流量は、所望の設計目標により選択することができる。例えば、設計目標は、第１及び第２の燃料により燃焼のための特定の発熱量を得ることを必要とすることができる。従って、一次及び二次ポート４４及び４６における寸法、個数及び流量は、所望の発熱量を達成するように選択することができる。
【００２６】
計算流体力学モデル化を行なって、本発明の技術的範囲内に属するノズル及び燃焼器の性能を実証した。燃料及び希釈剤が同一方向に旋回するようになった基準モデルと燃料及び希釈剤が反対方向に旋回するようになった本発明の実施形態により構成したノズル及び燃焼器との間で、比較を行なった。モデル化によると、本発明の実施形態により構成したノズル及び燃焼器の燃焼ライナ付近において燃料の兆候である一酸化炭素の減少を示している。燃焼ライナ付近における一酸化炭素の減少は、燃焼チャンバ内にノズルから流出する流体を低旋回状態にする燃料及び希釈剤の反対方向回転によるものである。さらに、モデル化によると、本発明の実施形態により製作したノズル及び燃焼器は、基準モデルと比較して燃焼ライナ温度をおよそ１００〜４００°Ｆほど低下させることができることを示している。
【００２７】
特許請求の範囲に記載したような本発明の技術的範囲及び技術思想並びにその均等物から逸脱せずに本明細書に記載した本発明の実施形態に対して改良及び変更を加えることができることは当業者には分かるであろう。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  ロータ
２０  プレナム
２２  ケーシング
２４  ノズル組立体
２６  トランジションピース
２８  ケーシング
３０  ライナ
３２  チャンバ
３４  希釈孔
３５  混合孔
３６  ノズル
３８  一次組立体
４０  二次組立体
４２  三次組立体
４４  一次ポート
４６  二次ポート
４８  三次ポート
【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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