(57)【要約】【課題】燃焼器に供給される燃料及び空気の上流側圧力振動を低減することによって、燃焼器駆動振動を実質的に低減又は最小限に抑えること。【解決手段】一実施形態では、システムは、燃料ポート（１６３）を有する燃料噴射装置（１６２）と予混合管体（５２）とを含む燃料ノズル（１２）を備える。予混合管体（５２）は、中央通路（２０４）の周りに配置された壁（１０６）と、壁（１０６）を通って中央通路（２０４）内に延びる複数の空気ポート（５８）と、触媒領域（１５８）とを含む。触媒領域（１５８）は、燃料と空気の反応を増大させるように構成され、中央通路（２０４）に沿って壁（１０６）の内側に配置された触媒を含む。【選択図】      図４
2011106805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ポート（１６３）を有する燃料噴射装置（１６２）と、
予混合管体（５２）と、
を含む燃料ノズル（１２）を備えるシステムであって、
前記予混合管体（５２）が、
中央通路（２０４）の周りに配置された壁（１０６）と、
前記壁（１０６）を通って前記中央通路（２０４）内に延びる複数の空気ポート（５８）と、
前記中央通路（２０４）に沿って前記壁（１０６）の内側に配置され、燃料と空気の反応を増大させるように構成された触媒を有する触媒領域（１５８）と、
を含むシステム。
【請求項２】
前記触媒領域（１５８）が、前記壁（１０６）の内側表面に沿って配置された、前記触媒から成る触媒コーティングを含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記触媒領域（１５８）が、前記壁（１０６）の内側表面に沿って配置された、前記触媒から成る触媒インサートを含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記触媒領域（１５８）が、前記中央通路（２０４）に沿って前記壁（１０６）の内側表面から離れて配置された触媒構造を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記触媒構造が、前記内側表面から延びる複数の触媒フィン（１９４）を含む、
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記触媒領域（１５８）が、燃料及び空気の燃料リッチ混合物を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記触媒が貴金属を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記燃料噴射装置（１６２）が、前記触媒領域（１５８）から上流側で前記予混合管体（５２）の内側に配置され、前記複数の空気ポート（５８）が、前記触媒領域（１５８）の上流側に配置された第１の空気ポート（５８）を含み、該複数の空気ポート（５８）が、前記触媒領域（１５８）の下流側に配置された第２の空気ポート（５８）を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数の空気ポート（５８）が、前記中央通路（２０４）を通る流れ方向に沿って交互に配置された、第１の部分（９６）及び第２の部分（９８）を有する涙滴様空気ポート（７７）を含み、前記第２の部分（９８）が前記第１の部分（９６）よりも狭く、前記第２の部分（９８）が前記流れ方向に沿って細長くなっている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記予混合管体（５２）が、前記壁（１０６）の漸次的に拡大する環状部分を有し、該環状部分が釣鐘形を形成した出口を含む、
請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、加圧空気及び燃料を受け入れて燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する１つ又はそれ以上の燃焼器を含む。例えば、ガスタービンエンジンは、回転軸の周りに円周方向に配置された複数の燃焼器を含むことができる。各燃焼器内部の空気圧及び燃料圧力は、時間と共に周期的に変化する場合がある。これらの空気圧及び燃料圧力の変動は、特定の周波数で燃焼ガスの圧力振動を駆動又は引き起こす可能性がある。これらの空気圧及び燃料圧力の変動は、燃空比の変動を駆動又は引き起こし、保炎又はブローバックが起こる可能性を増大させる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，１１７，６７５号公報
【発明の概要】
【０００４】
最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、請求項に記載された本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の概要を示すことのみを意図するものである。当然ながら、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のもの、又は該実施形態と異なるものでもよい様々な形態を包含することができる。
【０００５】
第１の実施形態では、システムは、燃料ポートを有する燃料噴射装置と予混合管体とを含む燃料ノズルを備える。予混合管体は、中央通路の周りに配置された壁と、この壁を通って中央通路内に延びる複数の空気ポートと、触媒領域とを含む。触媒領域は、燃料と空気の反応を増大させるように構成され、中央通路に沿って壁の内側に配置された触媒を含む。
【０００６】
第２の実施形態では、システムは、燃料ポートを有する燃料噴射装置と予混合管体とを含む燃料ノズルを備える。予混合管体は、中央通路の周りに配置された壁と、この壁を通って中央通路内に延びる複数の空気ポートと、出口領域とを含む。出口領域は、釣鐘形壁と火炎安定化装置とを含む。
【０００７】
第３の実施形態では、システムは、燃料ポートを有する燃料噴射装置と予混合管体とを含む燃料ノズルを備える。予混合管体は、中央通路の周りに配置された壁と、この壁を通って中央通路内に延びる複数の空気ポートとを含む。複数の空気ポートは、中央通路を通る流れ方向に沿って交互に配置された第１の部分及び第２の部分を有する第１の涙滴様空気ポートを含み、第２の部分は第１の部分より狭く且つ流れ方向に沿って細長くなっている。
【０００８】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同じ部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の特定の実施形態による、保炎及びブローバックを低減するよう構成され且つ燃焼器に連結された燃料ノズルを有するタービンシステムのブロック図。
【図２】本発明の特定の実施形態による、図１に示すタービンシステムの切り欠き側面図。
【図３】本発明の特定の実施形態による、燃焼器の端部カバーに連結された燃料ノズルを有する図１に示す燃焼器の切り欠き側面図。
【図４】本発明の特定の実施形態による、予混合管体のセットを有する図３に示す燃料ノズルの斜視図。
【図５】本発明の特定の実施形態による、図４に示す燃料ノズルの切り欠き斜視図。
【図６】本発明の特定の実施形態による、図４に示す燃料ノズルの分解斜視図。
【図７】本発明の特定の実施形態による、図４に示す燃料ノズルの断面側面図。
【図８】本発明の特定の実施形態による、図７に示す予混合管体の側面図。
【図９】本発明の特定の実施形態による、図８の線９−９に沿った予混合管体の断面側面図。
【図１０】本発明の特定の実施形態による、図８の線１０−１０に沿った予混合管体の断面側面図。
【図１１】本発明の特定の実施形態による、図８の線１１−１１に沿った予混合管体の断面側面図。
【図１２】本発明の特定の実施形態による、図８の予混合管体に示す涙滴様空気ポートの上面図。
【図１３】本発明の特定の実施形態による、図１２の線１３−１３に沿った涙滴様空気ポートの断面側面図。
【図１４】本発明の特定の実施形態による、予混合管体の部分断面側面図。
【図１５】本発明の特定の実施形態による、予混合管体の部分断面側面図。
【図１６】本発明の特定の実施形態による、図１５の線１６−１６に沿った予混合管体の断面側面図。
【図１７】本発明の特定の実施形態による、予混合管体の断面側面図。
【図１８】本発明の特定の実施形態による、図１７の線１８−１８に沿った予混合管体の断面正面図。
【図１９】本発明の特定の実施形態による、図１７に示す予混合管体の火炎安定化装置の切り欠き図。
【図２０】本発明の特定の実施形態による、図１９の火炎安定化装置の正面斜視図。
【図２１】本発明の特定の実施形態による、図１９の火炎安定化装置の背面斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の１つ又はそれ以上の具体的な実施形態について以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実施の特徴を全て説明するわけではない。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために多くの実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を紹介する場合に、数詞のない表現は、要素が１又はそれ以上存在することを意味することを意図している。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在できることを意味するものとする。
【００１２】
本開示の実施形態は、空気−燃料混合物の混合を改善し、燃焼器の混合部内部の空気−燃料混合物の安定性を改善し、更にノズル出口における火炎の安定性を改善することができる。燃焼器駆動振動は、燃料及び空気が燃焼器内部に流入し、混合して、燃焼を行う際の燃焼器の圧力振動と定義することができる。燃焼器駆動振動は、燃空比の変動を引き起こし、保炎又はブローバックの危険性を増大させる可能性がある。以下で詳細に論じるように、これらの燃焼器駆動振動は、燃焼器に供給される燃料及び空気の上流側圧力振動を低減することによって実質的に低減又は最小限に抑えることができる。例えば、上流側圧力振動は、タービンエンジンの燃料ノズル内の独自の圧力バランス機構によって実質的に低減又は最小限に抑えることができる。従って、特定の実施形態は、空気ポート及び触媒領域を有する１つ又はそれ以上の予混合管体、例えば中央通路に沿って壁の内側に配置された触媒を有する予混合管体を含めることによって、各燃料ノズル内の燃料及び空気の一部を予備反応させることができる。幾つかの実施形態は、混合物の流れを減速し、混合物の燃焼の前に予混合管体内部の圧力を回復させ、火炎を維持することができる、例えば、釣鐘状壁部及び火炎安定化装置を含む出口領域を備えた予混合管体である。幾つかの実施形態は、複数の空気ポートを有する１つ又はそれ以上の予混合管体を含むことができ、ここで空気ポートは、予混合管体を通る流れ方向に沿って交互に配置された第１の部分及び第２の部分を有する涙滴様空気ポートを含む。涙滴様空気ポートの第２の部分は、第１の部分よりも狭く且つ流れ方向に沿って細長くされ、燃料の混合を改善し、予混合管体内での旋回を増大させるようにする。
【００１３】
ここで図面に移り、最初に図１を参照すると、ガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図が示されている。本図には、燃料ノズル１２と、燃料供給源１４と、燃焼器１６とが含まれている。図示のように、燃料供給源１４は、液体燃料及び／又は天然ガスのようなガス燃料をタービンシステム１０に送り、燃料ノズル１２を通じて燃焼器１６に入る。以下で論じるように、燃料ノズル１２は、燃焼器駆動振動を最小限に抑えながら、燃料を噴射して加圧空気と混合するように構成されている。燃焼器１６は、燃料−空気混合物を点火して燃焼させ、次いで、高温の加圧排出ガスをタービン１８に送り込む。排出ガスは、タービンブレードを通ってタービン１８内に入り、これによりタービン１８を回転駆動させる。次いで、タービン１８内のブレードとシャフト１９との間の連結によって、シャフト１９の回転が生じることになり、図示のように、シャフト１９はまた、タービンシステム１０全体を通じて複数の構成要素に連結される。最終的に、燃焼プロセスの排気は、排気出口２０を通じてタービンシステム１０から出ることができる。
【００１４】
タービンシステム１０の一実施形態では、圧縮機ベーン又はブレードは、圧縮機２２の構成要素として含まれている。圧縮機２２内部のブレードは、シャフト１９に連結することができ、シャフト１９がタービン１８によって回転駆動されるときに回転することになる。圧縮機２２は、吸気口２４を通じてタービンシステム１０に空気を吸入することができる。更に、シャフト１９は、負荷２６に連結することができ、該負荷２６は、シャフト１９の回転によって作動することができる。理解されるように、負荷２６は、発電プラント又は外部機械負荷のような、タービンシステム１０の回転出力によって発電することができるあらゆる好適な装置とすることができる。例えば、負荷２６は、発電機、航空機のプロペラ、その他を含むことができる。吸気口２４は、後続の燃料ノズル１２を通じた燃料供給源１４との空気３０の混合に備えて、冷気吸入口のような好適な機構によって空気３０をタービンシステム１０に引き込む。以下で詳細に論じるように、タービンシステム１０によって取り込まれた空気３０は、圧縮機２２に供給して内部で回転ブレードにより加圧され、加圧空気にすることができる。次いで、加圧空気は、矢印３２で示すように、燃料ノズル１２内に供給することができる。次に、燃料ノズル１２は、数字３４で示すように、加圧空気と燃料とを混合し、燃焼（例えば、燃料を浪費せず、又は過剰なエミッションを生じさせないように、燃料をより完全に燃焼させる燃焼）に好適な混合比を生成することができる。タービンシステム１０の一実施形態は、燃焼器駆動振動を低減し、これによって性能を高め且つエミッションを低減させるように、燃料ノズル１２内部に特定の構造及び構成要素を含む。
【００１５】
図２は、タービンシステム１０の一実施形態の切り欠き側面図を示す。図示のように、本実施形態は、燃焼器１６の環状アレイ（例えば６、８、１０、又は１２個の燃焼器１６）に連結された圧縮機２２を含む。各燃焼器１６は、少なくとも１つ（例えば１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれ以上）の燃料ノズル１２を含み、空気−燃料混合物を各燃焼器１６の内部にある燃焼ゾーンに供給する。燃焼器１６内部での空気−燃料混合物の燃焼により、排出ガスが排気出口２０に向かって通過するときに、タービン１８内部のベーン又はブレードの回転が生じることになる。以下で詳細に論じるように、燃料ノズル１２の特定の実施形態は、燃焼器駆動振動を低減するための様々な独自の特徴部を含み、これにより燃焼を改善し、望ましくない排出エミッションを低減し、且つ燃料消費を改善する。
【００１６】
図２に示す燃焼器１６の一実施形態の詳細図を図３に示す。この図では、燃料ノズル１２は、燃焼器１６の基部又はヘッド端部３９において端部カバー３８に取り付けられている。加圧空気及び燃料は、端部カバー３８を通じて燃料ノズル１２に向けられ、燃料ノズル１２が、空気−燃料混合物を燃焼器１６内に分配させる。燃料ノズル１２は、燃焼器１６の下流側端部から上流側端部（例えばヘッド端部３９）まで燃焼器１６を取り囲み且つ部分的にこれを通る流路を介して、圧縮機２２から加圧空気を受け取る。詳細には、タービンシステム１０は、燃焼器１６のライナ４２及び流れスリーブ４４を取り囲むケーシング４０を含む。加圧空気は、流れスリーブ４４に到達するまで、ケーシング４０と燃焼器１６との間を通過する。流れスリーブ４４に到達すると、加圧空気は、流れスリーブ４４内の穿孔部を通過し、流れスリーブ４４とライナ４２との間の中空の環状空間に入り、ヘッド端部３９に向かって上流側に流れる。このようにして、加圧空気は、燃焼のための燃料との混合に先立って燃焼器１６を効果的に冷却する。ヘッド端部３９に到達すると、加圧空気は燃料ノズル１２に流入して燃料と混合する。次に、燃料ノズル１２は、加圧された空気−燃料混合物を燃焼器１６内に分配させることができ、ここで混合物の燃焼が生じる。結果として得られる排出ガスは、移行部品４８を通ってタービン１８に流れ、タービン１８のブレードをシャフト１９と共に回転させるようにする。一般に、空気−燃料混合物は、燃焼器１６内部の燃料ノズル１２の下流側で燃焼する。空気及び燃料ストリームの混合は、燃料の発熱量、流量、及び温度のような各ストリームの特性に応じて決定することができる。詳細には、加圧空気は、６５０〜９００°Ｆ前後の温度とすることができ、燃料は７０〜５００°Ｆ前後とすることができる。以下で詳細に論じるように、燃料ノズル１２は、燃焼器１６内への噴射に先立って空気流及び／又は燃料流の圧力振動又は変動を低減するための様々な特徴部を含み、これにより燃焼器駆動振動を実質的に低減する。
【００１７】
図４は、図３の燃焼器１６に用いることができる燃料ノズル１２の斜視図を示す。燃料ノズル１２は、複数の予混合管体５２を有するミニノズルキャップ５０を含む。第１のウィンドウ５４は、ミニノズルキャップ５０の外周周りに位置付けられ、キャップ５０の下流側部分５５近傍におけるキャップ５０への空気の流入を促進することができる。第２のウィンドウ５６も端部カバー３８により近いミニノズルキャップ５０の外周周りに位置付けられ、キャップ５０の上流側部分５７近傍に付加的な空気流を提供することができる。しかしながら、以下に更に詳細に論じるように、燃料ノズル１２は、下流側部分５５よりも上流側部分５７においてより多くの量の空気流を両方のウィンドウ５４及び５６から予混合管体５２内に向けるように構成することができる。第１のウィンドウ５４及び第２のウィンドウ５６の数は、ミニノズルキャップ５０内への所望の空気流に基づいて変えることができる。例えば、第１及び第２のウィンドウ５４及び５６は各々、ミニノズルキャップ５０の外周周りに分布される、約２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８又は２０個のウィンドウのセットを含むことができる。しかしながら、これらのウィンドウのサイズ及び形状は、特定の燃焼器１６の設計上の考慮事項に適合するように構成することができる。ミニノズルキャップ５０は、端部カバー３８に固定され、完全な燃料ノズル組立体１２を形成することができる。
【００１８】
以下で詳細に論じるように、燃料及び空気は、燃焼器１６内への噴射に先立って、圧力振動を低減するように予混合管体５２内で混合することができる。ウィンドウ５４及び５６からの空気は、予混合管体５２に流入し、端部カバー３８を通って流れる燃料と組み合わせることができる。燃料及び空気は、予混合管体５２の長さに沿って移動するにつれて混合することができる。例えば、各予混合管体５２は、延長した長さ、旋回を誘起させるための傾斜した空気ポート、及び／又は穿孔セクションから下流側の非穿孔セクションを含むことができる。これらの特徴部は、燃料及び空気の滞留時間を実質的に増大させ、予混合管体５２内部の圧力振動を減衰させることができる。燃料−空気混合物は、管体５２から流出すると点火され、高温のガスを発生してタービン１８を作動させることができる。
【００１９】
図５は、図４に示す燃料ノズル１２の断面を表している。この断面は、ミニノズルキャップ５０内部の予混合管体５２を示している。図５で分かるように、各予混合管体５２は、管体５２の長手方向軸線に沿って複数の空気ポート５８を含む。これらの空気ポート５８は、予混合管体５２の壁を通って延び、ウィンドウ５４及び５６からの空気を予混合管体５２内に向ける。空気ポートの数及び各空気ポートのサイズは、各予混合管体５２内への所望の空気流に基づいて変えることができる。燃料は、端部カバー３８を通じて噴射することができ、空気ポート５８を通って流入する空気と混合することができる。この場合も同様に、空気ポート５８の位置、配向及び全体的配列は、滞留時間を実質的に増大させ且つ燃料及び空気における圧力振動を減衰させ、この結果として、燃料ノズル１２から下流側の燃焼器１６内部で生じる燃焼プロセスの振動を実質的に低減するよう構成することができる。例えば、空気ポート５８の割合は、各予混合管体５２の下流側部分５５よりも上流側部分５７において高くすることができる。更に上流側５７で空気ポート５８を通って流入する空気は、予混合管体５２を通ってより長い距離を移動するのに対して、更に下流側５５で空気ポート５８を通って流入する空気は、予混合管体５２を通ってより短い距離を移動する。特定の実施形態では、空気ポート５８は、予混合管体５２の上流側部分５７において相対的に大きなサイズにし、予混合管体５２の下流側部分５５において相対的に小さなサイズにすることができ、或いは、その逆でもよい。例えば、上流側部分５７の空気ポート５８をよりも大きくすると、その結果、予混合管体５２の上流側部分５７を通って入る空気流の割合がより高くなり、ひいては、予混合管体５２での滞留時間をより長くすることができる。幾つかの実施形態では、空気ポート５８を傾斜させて旋回を誘起し、混合を増大させ、滞留時間を延長し、更に、予混合管体５２を通る空気流及び燃料流における圧力振動を減衰させることができる。最終的に、燃料流及び空気流における圧力振動の実質的な減衰後、予混合管体５２は、燃焼のため燃料−空気混合物を燃焼器１６内に噴射する。
【００２０】
図６は、図４に示す燃料ノズル１２の分解図である。この図は更に、ミニノズルキャップ５０内部の予混合管体５２の構成を示している。図６はまた、第１のウィンドウ５４及び第２のウィンドウ５６の別の斜視図を表している。更に、本図は、各予混合管体５２の基部内への燃料供給用経路及び構造を示している。
【００２１】
タービンエンジンは、液体燃料、ガス燃料、又はこれら２つの組み合わせで作動することができる。図６に示す燃料ノズル１２は、予混合管体５２内への液体燃料流及びガス燃料流の両方を可能にする。しかしながら、他の実施形態は、液体燃料又はガス燃料の何れか単独で作動するよう構成することができる。ガス燃料は、ガス噴射プレート６０を通って予混合管体５２に流入することができる。図示のように、このプレート６０は、予混合管体５２にガスを供給する複数のコーン型オリフィス６１を含む。ガスは、端部カバー３８を通ってガス噴射プレート６０に供給することができる。端部カバー３８は、燃料供給源１４からガス噴射プレート６０にガスを向ける複数のギャラリー６２（例えば環状又は弓形の陥凹部）を含むことができる。図示の実施形態は、３つのギャラリー６２、例えば第１のギャラリー６４、第２のギャラリー６６、及び第３のギャラリー６８を含む。第２のギャラリー６６及び第３のギャラリー６８は、複数のセクションに分割されている。しかしながら、代替の実施形態では、連続した環状ギャラリー６６及び６８を利用することができる。ギャラリーの数は、燃料ノズル１２の構成に基づいて変えることができる。本図で分かるように、ガスオリフィス６１は、中央オリフィス６１を取り囲む２つの同心円状に配列される。この構成では、第１のギャラリー６４は中央オリフィス６１にガスを供給することができ、第２のギャラリー６６はオリフィス６１の内円にガスを供給することができ、第３のギャラリー６８は、オリフィス６１の外円にガスを供給することができる。このようにして、ガス燃料を各予混合管体５２に供給することができる。
【００２２】
液体燃料は、複数の液体噴霧スティック又は液体燃料カートリッジ７０を通じて予混合管体５２に供給することができる。各液体燃料カートリッジ７０は、端部カバー３８及びガス噴射プレート６０を通過することができる。以下で論じるように、各液体燃料カートリッジ７０の先端は、各ガスオリフィス６１内部に配置することができる。この構成では、液体燃料及びガス燃料の両方が予混合管体５２に流入することができる。例えば、液体燃料カートリッジ７０は、噴霧液体燃料を各予混合管体５２内に噴射することができる。この噴霧液体は、予混合管体５２内部で噴射ガス及び空気と組み合わせることができる。次いで、この混合物は、燃料ノズル１２から出るときに点火することができる。更に、各液体燃料カートリッジ７０は、液体噴霧（例えば水噴霧）を予混合管体５２内に噴射する流体冷却剤（例えば水）通路を含むことができる。特定の実施形態において、予混合管体５２の独自の特徴部により、空気、ガス燃料、液体燃料、液体冷却剤（例えば水）、又はその何れかの組み合わせを含む流体供給源の圧力変動を実質的に低減することができる。例えば、予混合管体５２内の空気ポート５８は、燃焼器１６内への混合物の噴射に先立って、混合を増大させ、滞留時間を延長し、更に、圧力振動を減衰させるようにして、ガス燃料、液体燃料、及び／又は液体冷却剤（例えば水）を作用させるよう構成することができる。
【００２３】
図７は、図４に示す燃料ノズル１２の断面を示す。先に論じたように、空気は、第１のウィンドウ５４及び第２のウィンドウ５６を通ってミニノズルキャップ５０に流入することができる。本図は、ウィンドウ５４及び５６を通って空気ポート５８に入り、更に空気ポート５８を通過して予混合管体５２に沿って長手方向に流れる空気経路を示している。第１のウィンドウ５４は、空気をミニノズルキャップ５０の下流側部分５５に向け、上流側部分５７で空気が予混合管体５２に流入する前に冷却を促進する。換言すると、空気流は、空気ポート５８を通過して予混合管体５２に流入する前に、下流側部分５５から上流側部分５７まで予混合管体５２の外側に沿って上流側方向５９に流れる。このようにして、空気流５９は、燃焼器１６内の高温の燃焼生成物に最も近い下流側部分５５において一層効果的に燃料ノズル１２及び特に予混合管体５２を実質的に冷却する。第２のウィンドウ５６は、予混合管体５２への空気流入を予混合管体５２の上流側部分５７の空気ポート５８により近接して又は直接的に可能にする。図７には、２つだけの第１のウィンドウ５４及び第２のウィンドウ５６が示されている。しかしながら、図４において最もよく分かるように、これらのウィンドウ５４及び５６は、ミニノズルキャップ５０の外周全体に沿って配列することができる。
【００２４】
第１のウィンドウ５４に入る空気は、ガイド又は冷却プレート７２によって、ミニノズルキャップ５０の下流側部分５５に向けることができる。図７で分かるように、燃料ノズル１２は、燃料ノズル１２の長手方向軸線に対して横方向と平行方向の両方に第１のウィンドウ５４から空気流を分配し、例えば、空気流は、全ての予混合管体５２の周りでは横方向に分配し、空気ポート５８に向って上流側方向５９には長手方向に分配する。空気流が予混合管体５２の空気ポート５８を通過すると、ウィンドウ５４からの空気流５９は、最終的にウィンドウ５６からの空気流と組み合わされる。上述のように、ウィンドウ５４からの空気流５９は、下流側部分５５において燃料ノズル１２を実質的に冷却する。従って、下流側部分５５近傍の高温の燃焼生成物に起因して、ウィンドウ５４からの空気流５９は、第２のウィンドウ５６からの空気流よりも約５０〜約１００°Ｆ暖かい可能性がある。従って、各流入源からの空気を混合することにより、予混合管体５２に流入する空気の温度の低下を助けることができる。
【００２５】
本発明の実施形態における第１のウィンドウ５４は、第２のウィンドウ５６の約２倍の大きさがある。この構成により、予混合管体５２に入る空気の温度を低下させながら、ミニノズルキャップ５０の裏面の十分な冷却を確保することができる。しかしながら、ウィンドウサイズの比率は、燃料ノズル１２の特定の設計上の考慮事項に基づいて変えることができる。更に、他の実施形態では、付加的なウィンドウセットを利用することができる。
【００２６】
組み合わされた空気流は、管体５２の穿孔セクション７４に沿って配置された空気ポート５８（矢印で示す）を通って予混合管体５２に流入する。先に論じたように、燃料噴射装置は、ガス燃料、液体燃料、液体冷却剤（例えば水）、又はこれらの組み合わせを予混合管体５２内に噴射することができる。図７に示す構成では、ガス燃料及び液体燃料の両方が噴射される。ガスは、端部カバー３８内の噴射プレート６０の直下に配置されたギャラリー６２によって供給することができる。この実施形態には、図６に示すのと同じ３つのギャラリー構成が利用されている。第１のギャラリー６４は、中央予混合管体５２の下に配置されている。第２のギャラリー６６は、同軸又は同心配列で第１のギャラリー６４を取り囲み、ガスを隣の外側の予混合管体５２に供給する。第３のギャラリー６８は、同軸配列又は同心配列で第２のギャラリー６６を取り囲み、外側予混合管体５２にガスを供給する。ガスは、ガスオリフィス６１を通じて予混合管体５２内に噴射することができる。同様に、液体は、液体燃料カートリッジ７０によって噴射することができる。液体燃料カートリッジ７０は、噴霧化又は液体燃料液滴の形成を誘起するのに十分な圧力で液体燃料（及び任意選択的に液体冷却剤も）噴射することができる。液体燃料は、予混合管体５２の穿孔セクション７４内部のガス燃料及び空気と組み合わせることができる。穿孔セクション７４から下流側の非穿孔セクション７６において、燃料及び空気の付加的な混合を継続することができる。
【００２７】
これら２つのセクション７４及び７６の組み合わせにより、燃焼に先立って燃料及び空気の十分な混合を確保することができる。例えば、非穿孔セクション７６は、空気流５９が更に上流側の上流側部分５７に流れるように強制し、これにより予混合管体５２を通過する全ての空気流の流路及び滞留時間を増大させる。上流側部分５７では、下流側ウィンドウ５４と上流側ウィンドウ５６の両方からの空気流が、穿孔セクション７４の空気ポート５８を通過し、次いで、予混合管体５２を通って燃焼器１６内に流出するまで下流側方向６３に移動する。この場合も同様に、非穿孔セクション７６が本質的に予混合管体５２内への空気流の流入を遮断し、空気流を上流側の穿孔セクション７４の空気流５８に案内するので、非穿孔セクション７６における空気ポート５８を排除することによって、予混合管体５２での空気流の滞留時間が増大するように構成されている。更に、空気ポート５８を上流側に位置付けることによって、更に上流側５７での燃料−空気混合が強化され、これにより燃焼器１６内への噴射に先立って燃料及び空気が混合する時間を増大させることができる。同様に、空気ポートは、横方向の流れを生成してより長い滞留時間により混合を強化し、圧力を均等にするので、空気ポート５８を上流側に配置することによって、流体流（例えば空気流、ガス流、液体燃料流、及び液体冷却剤流）の圧力振動が実質的に低減される。
【００２８】
ギャラリー６２を通って流れるガス燃料はまた、液体燃料カートリッジ７０を離隔する働きをし、液体燃料の温度がコークス化の可能性を低減するのに十分に低く確実に維持できるようにする。コークス化は、燃料に亀裂が生じ始め、カーボン粒子が形成される状況である。これらの粒子は、液体燃料カートリッジ７０の内壁に付着する可能性がある。時間の経過と共に粒子が壁から分離し、液体燃料カートリッジ７０の先端を閉塞する可能性がある。コークス化が生じる温度は燃料によって異なる。しかしながら、典型的な液体燃料に関しては、コークス化は、約２００、２２０、２４０、２６０、又は２８０°Ｆよりも高い温度で生じる可能性がある。図７で分かるように、液体燃料カートリッジ７０は、ギャラリー６２及びガスオリフィス６１内に配置される。従って、液体燃料カートリッジ７０は、流動ガスによって完全に取り囲むことができる。このガスは、液体燃料カートリッジ７０内部の液体燃料を低温状態に保ち、コークス化の可能性を低減させる役割を果たすことができる。
【００２９】
燃料及び空気が予混合管体５２内で適切に混合された後、この混合物が点火して、各予混合管体５２の下流側部分５５から更に下流側に火炎７８を生じさせることができる。上に論じたように、火炎７８は、ミニノズルキャップ５０の下流側部分５５に相対的に近接した位置にあることに起因して燃料ノズル１２を加熱する。従って、先に論じたように、第１のウィンドウ５４からの空気は、ミニノズルキャップ５０の下流側部分５５を通って流れ、燃料ノズル１２のキャップ５０を実質的に冷却する。
【００３０】
作動中の予混合管体５２の数は、所望のタービンシステム出力に基づいて変えることができる。例えば、通常運転中、ミニノズルキャップ５０内部の全ての予混合管体５２は、特定のタービン出力レベルに対して燃料及び空気の十分な混合を行うよう作動することができる。しかしながら、タービンシステム１０がターンダウン運転モードに入ると、機能する予混合管体５２の数を減少させることができる。タービンエンジンがターンダウン又は低出力運転に入ると、燃焼器１６への燃料流は、火炎７８が消失する時点まで低減することができる。同様に、低負荷条件下では、火炎７８の温度が低下する可能性があり、その結果、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）のエミッションが増加することになる。火炎７８を維持し、タービンシステム１０が許容エミッション限度内で確実に作動させるために、燃料ノズル１２内部で作動する予混合管体５２の数を減少させることができる。例えば、外側の液体燃料カートリッジ７０への燃料流を遮断することによって、予混合管体５２の外側リングの動作を停止させることができる。同様に、第３のギャラリー６８へのガス燃料の流れを遮断することができる。このようにして、作動中の予混合管体５２の数を低減することができる。結果として、残りの予混合管体５２によって生成される火炎７８が消失せず、且つエミッションレベルが許容パラメータの範囲内にあることを保証するのに十分な温度に維持することができる。
【００３１】
加えて、各ミニノズルキャップ５０内部の予混合管体５２の数は、タービンシステム１０の設計上の考慮事項に基づいて変えることができる。例えば、より大きいタービンシステム１０は、各燃料ノズル１２の内部により多くの予混合管体５２を用いることができる。予混合管体５２の数は変えることができるが、ミニノズルキャップ５０のサイズ及び形状は、各用途に対して同じにすることができる。換言すると、より高い燃料流量を用いるタービンシステム１０は、予混合管体５２の密度がより高いミニノズルキャップ５０を利用することができる。このようにして、各キャップ５０内部の予混合管体５２の数を変えることができると共に、ほとんどのタービンシステム１０に対して共通のミニノズルキャップ５０を用いることができるので、タービンシステム１０の建設コストを削減することができる。この生産方法は、各用途に対して独自の燃料ノズル１２を設計するよりも安価にすることができる。
【００３２】
図８は、図４の燃料ノズル１２で用いることができる予混合管体５２の側面図である。図８で分かるように、予混合管体５２は、穿孔セクション７４と非穿孔セクション７６とに分割されている。図示の実施形態では、穿孔セクション７４は、非穿孔セクション７６の上流側に位置付けられる。この構成では、空気ポート５８に流入する空気は、燃料噴射装置（図示せず）を介して予混合管体５２の基部を通って流入する燃料と混合することができる。次いで、混合燃料及び空気は、非穿孔部分７６に流入し、ここで付加的な混合を行うことができる。
【００３３】
空気圧及び燃料圧力は通常、ガスタービンエンジン内部で変動する。これらの変動により、特定の周波数で燃焼器振動が生じる場合がある。この周波数がタービンエンジン内の一部又はサブシステムの固有振動数に対応する場合、当該部分又はエンジン全体への損傷が生じる恐れがある。燃焼器１６の混合部内部の空気及び燃料の滞留時間を増大させることにより、燃焼器駆動振動を低減することができる。例えば、空気圧が経時的に変動する場合、燃料液滴の滞留時間をより長くすると、空気圧の変動を平均化させることができる。具体的には、燃焼前に液滴が少なくとも空気圧変動の完全な１サイクルを受ける場合、当該液滴の混合比を燃料ストリーム内の他の液滴と実質的に同様にすることができる。実質的に一定の混合比を維持することにより、燃焼器駆動振動を低減することができる。
【００３４】
燃焼器１６の混合部の長さを増大させることによって、滞留時間を延ばすことができる。本発明の実施形態では、燃焼器１６の混合部は、予混合管体５２に相当する。従って、予混合管体５２が長くなるほど、空気及び燃料の両方に対する滞留時間が増大する。例えば、各管体５２の長さ対直径の比を、少なくとも約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０よりも大きくすることができる。
【００３５】
非穿孔セクション７６は、追加の空気を燃料と混合させることなく、予混合管体５２の長さを増大させる役割を果たすことができる。この構成では、空気ポート５８を通じて空気が噴射された後も空気及び燃料が引き続き混合され、その結果、燃焼器駆動振動を低減することができる。特定の実施形態では、非穿孔セクション７６の長さに対する穿孔セクション７４の長さは、少なくとも約１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、又は１０よりも大きくすることができ、或いは、その逆であってもよい。一実施形態では、穿孔セクション７４の長さを予混合管体５２の長さの約８０％とすることができ、非穿孔セクション７６の長さは、管体５２の長さの約２０％とすることができる。しかしながら、これらのセクション７４及び７６間の長さの比又は割合は、流量及び他の設計上の考慮事項に応じて変えることができる。例えば、各非穿孔セクション７６は、混合時間を増大させ且つ燃焼器駆動振動を低減するために、予混合管体５２の長さの約１５％から３５％の範囲の長さを有することができる。
【００３６】
滞留時間はまた、予混合管体５２の中央通路を通る流体流（例えば燃料液滴）の有効経路長を延長することによって増大させることができる。具体的には、空気を旋回運動状態で予混合管体５２内に噴射することができる。この旋回運動により、液滴が非線形経路（例えばランダム経路又は螺旋経路）に沿って予混合管体５２を通って移動するように誘起され、これによって液滴経路長を効果的に増大させることができる。旋回量は、所望の滞留時間に基づいて変えることができる。
【００３７】
半径方向流入旋回はまた、液体燃料液滴を予混合管体５２の内壁に接触させない働きをすることができる。液滴が壁に付着すると、これらはより長い時間期間の間管体５２内に留まり、燃焼を遅延させる可能性がある。従って、液滴が適切に予混合管体５２から出ることを保証することにより、タービンシステム１０の効率を高めることができる。
【００３８】
加えて、予混合管体５２内部の旋回空気は、液体燃料液滴の噴霧化を改善することができる。旋回空気は、液滴形成を増強し、液滴を予混合管体５２全体にわたってほぼ均等に分散させることができる。その結果、タービンシステム１０の効率を更に向上させることができる。
【００３９】
先に論じたように、空気は、空気ポート５８を通じて予混合管体５２に流入することができる。これらの空気ポート５８は、予混合管体５２の長さに沿って、異なる軸方向位置に一連の同心円状に配列することができる。特定の実施形態では、各同心円は、２４個の空気ポートを有することができ、各空気ポートの直径が約０．０５インチである。空気ポート５８の数及びサイズは変えることができる。例えば、予混合管体５２は、空気の侵入及び混合を増強するよう構成された大型の涙滴様空気ポート７７を含むことができる。加えて、高度の旋回を発生させるために、中間サイズのスロット付き空気ポート７９を予混合管体５２の下流側端部に向けて配置することができる。空気ポート５８は、予混合管体５２の長手方向軸線に垂直な平面に沿って傾斜させることができる。傾斜した空気ポート５８は旋回を生じさせることができ、その大きさは、各空気ポート５８の角度に依存することができる。
【００４０】
図９、図１０、及び図１１は、図８の線９−９、１０−１０、及び１１−１１に沿った予混合管体５２の略断面図であり、更に、管体５２の長さに沿った異なる軸方向位置における空気ポート５８の傾斜した配向を示している。例えば、空気ポート５８と半径方向軸線８１との間の角度８０が図９に示されている。同様に、空気ポート５８と半径方向軸線８３との間の角度８２が図１０に示されている。角度８０及び８２は、約０から９０度、０から６０度、０から４５度、０から３０度、又は０から１５度の間の範囲にわたることができる。更に例を挙げれば、角度８０及び８２は、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、又は４５度、若しくはこれらの間の任意の角度とすることができる。
【００４１】
特定の実施形態では、空気ポート５８の角度は、線９−９、１０−１０、及び１１−１１で表わす各軸方向位置、並びに管体５２の長さに沿った他の軸方向位置において同一とすることができる。しかしながら、図示の実施形態では、空気ポート５８の角度は、管体５２の長さに沿って変えることができる。例えば、角度は、漸次的な増大、減少、方向の交互、又はこれらの組み合わせにすることができる。例えば、図９に示す空気ポート５８の角度８０は、図１０に示す空気ポート５８の角度８２よりも大きい。従って、図９の空気ポート５８によって誘起される旋回の程度は、図１０の空気ポート５８によって誘起される旋回の程度よりも大きくすることができる。
【００４２】
旋回の程度は、予混合管体５２の穿孔部分７４の長さに沿って変えることができる。図８に示す予混合管体５２は、穿孔セクション７４の下部では旋回が無く、中間部では中程度の量の旋回を有し、上部では高度の旋回を有する。これらの旋回の程度は、図１１、図１０及び図９でそれぞれ見ることができる。この実施形態では、旋回の程度は、燃料が予混合管体５２を通って下流側方向に流れるにつれて増大する。
【００４３】
他の実施形態では、旋回の程度は、予混合管体５２の長さに沿って低減させることができる。更なる実施形態では、予混合管体５２の一部は、一方向に空気が旋回することができ、他の部分では、実質的に反対方向に空気を旋回させることができる。同様に、旋回の程度及び旋回の方向は両方とも、予混合管体５２の長さに沿って変えることができる。
【００４４】
更に別の実施形態では、半径方向と軸方向の両方に空気を向けることができる。例えば、空気ポート５８は、予混合管体５２内部で合成角を形成することができる。換言すると、半径方向と軸方向の両方に空気ポート５８を傾斜させることができる。例えば、軸方向角度（すなわち、空気ポート５８と長手方向軸線８４との間の角度）は、約０から９０度、０から６０度、０から４５度、０から３０度、又は０から１５度の間の範囲にわたることができる。更に別の例を挙げれば、軸線角度は、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、又は４５、若しくはこれらの間の任意の角度とすることができる。合成角で傾斜した空気ポート５８は、予混合管体５２の長手方向軸線に垂直な平面内の旋回と軸方向の流れの両方に空気を誘起することができる。空気は、燃料の流れ方向の上流側又は下流側に向けることができる。下流側の流れは、噴霧化を改善することができ、上流側の流れは、燃料及び空気の混合をより良好にすることができる。空気流の軸方向成分の大きさ及び方向は、予混合管体５２の長さに沿った軸方向位置に基づいて変えることができる。
【００４５】
図１２は、図８に示す予混合管体５２の涙滴様空気ポート７７の一実施形態の上面図である。涙滴様空気ポート７７は、予混合管体５２の中央通路を通る流れ方向１００に沿って交互に配置された第１の部分９６（例えば大開口）と第２の部分９８（例えば小開口）とを含む。第２の部分９８は、第１の部分９６よりも狭く、第２の部分９８は、流れ方向１００に延びている。例えば、第１の部分９６の第１の幅１０２は、第２の部分９８の第２の幅１０４よりも、約１．５〜５、２〜４、又は約３倍だけ大きくすることができる。図示の実施形態では、第１の部分９６が略円形又は楕円形の開口であるのに対し、第２の部分９８は、ほぼ細長いスロット形開口である。特定の実施形態では、涙滴様空気ポート７７は、第１の部分９６から第２の部分９８に向かって漸次的に幅が減少する翼形開口として構成することができる。先に論じたように、涙滴様空気ポート７７は、空気の侵入及び混合を増強するように構成されている。詳細には、第１の部分９６は、大部分の空気を噴射するように構成され、第２の部分９８は、第１の部分９６を通じて大部分の空気噴射から下流側での再循環（例えば低速ゾーン）を低減又は阻止するように構成されている。
【００４６】
図１３は、図１２の線１３−１３に沿った予混合管体５２の壁１０６の断面図であり、涙滴様空気ポート７７の第１及び第２の部分９６、９８の動作を示している。図示のように、涙滴様空気ポート７７の第１及び第２の部分９６、９８は、予混合管体５２の中央通路を通って移動する流れ１００に第１及び第２の空気流１１０、１１２（又は空気流部分）をそれぞれ噴射する。第１及び第２の空気流１１０、１１２は共に、流れ１００に対して横方向（例えば垂直方向）に配向され、これにより流れ１００を第２の空気流１１２より先に第１の空気流１１０に衝突させる。換言すると、涙滴様空気ポート７７は、涙滴様の空気ストリームを流れ１００に横方向に発射するものと説明することができる。ポート７７が翼形形状にされている場合、ポート７７は、翼形の空気ストリームを流れ１００内に横方向に発射させるものと説明することができる。形状に関係なく、流れ１００は、第２の空気流１１２の上流側の第１の空気流１１０に衝突する。
【００４７】
図示の実施形態では、第１及び第２の空気流１１０、１１２は、サイズの異なる矢印１１０及び１１２で示すように、第１及び第２の部分９６及び９８のサイズに関連付けられた異なる大きさ（例えば空気流量）を有する。例えば、第１の空気流１１０は、約１．５〜５、２〜４、又は３倍だけ第２の空気流１１２よりも大きくすることができる。従って、涙滴様空気ポート７７の第１の部分９６は、予混合管体５２の中央通路を通って移動する流れ１００内に第１の部分９６を通じて空気流１１０をより大きく侵入させ、これによって空気及び燃料の混合を高めるように構成されている。涙滴様空気ポート７７の第２の部分９８は、予混合管体５２の中央通路を通って移動する流れ１００内への空気１１２の侵入をより少なくし、これにより再循環ゾーンの形成を低減又は阻止し、保炎の可能性を減少させる。第１の空気流１１０は、流れ１１０が第１の空気流１１０の直ぐ下流側の領域に到達するのを実質的に遮断することができるので、涙滴様空気ポート７７の細長い第２の部分９８が存在しなければ、第１の部分９６の下流側に再循環ゾーンを形成できるようになる可能性がある。第２の部分９８は、この領域内に第２の空気流１１２を噴射し、これにより第１の空気流１１０の直ぐ下流側で十分な空気流及び混合を保証する。
【００４８】
図１４は、異なる軸方向位置に交互に配置された複数の涙滴様空気ポート７７を示す、予混合管体５２の一実施形態の部分断面図である。図示の実施形態では、各後続の涙滴様空気ポート７７は、予混合管体５２の長さに沿った流れ１００の方向に総面積が変化（例えば増大）している。例えば、直接先行する（すなわち上流側の）ポート７７に対して、各後続の涙滴様空気ポート７７は、約５〜２００パーセント、１０〜１００パーセント、又は２０〜５０パーセントだけ総面積が増大することができる（すなわち増分的増大）。更に例を挙げれば、１つの涙滴様空気ポート７７から別の涙滴様空気ポート７７への増分的増大は、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０パーセントとすることができる。幾つかの実施形態では、予混合管体５２は、流れ１００の方向に沿った各軸方向位置に複数の涙滴様空気ポート７７を含むことができ、ポート７７は、軸方向に整列され、或いは、１つの軸方向位置から別の軸方向位置に互いに対して交互にすることができる。各涙滴様空気ポート７７の総面積の増分的増大は、下流側方向に次第に増大する流れ１００に基づいて、流れ１００内に十分に空気を侵入させるように構成することができる。換言すると、流れ１００が下流側方向に大きさが次第に増大する場合、同じ大きさの涙滴様空気ポート７７は、下流側方向に次第に効果が弱くなる可能性がある。従って、下流側方向に次第にサイズが大きくなる涙滴様空気ポート７７を用いることにより、ポート７７は、燃料と空気の混合を増大させるのに十分な流れ１００への侵入をもたらすことができる。
【００４９】
図１４に更に示すように、各涙滴様空気ポート７７は、予混合管体５２の中央通路の長手方向軸線１２６に非平行な角度１２２で第２の部分９８を配向することができる。加えて、予混合管体５２を通る流れ１００は、予混合管体５２の中央通路の長手方向軸線１２６に非平行な角度１２２に配向することができる旋回流１２４を含むことができる。上に論じたように、涙滴様空気ポート７７の第２の部分９８を旋回流１２４と整列させることにより、第２の部分９８が、第１の部分９６の下流側での再循環ゾーンの形成を低減又は阻止することが可能になる。予混合管体５２の中央通路の長手方向軸線１２６に対する涙滴様空気ポート７７の第２の部分９８の角度１２２は、約０から９０度、５から８５度、５から７５度、５から６０度、５から４５度、５から３０度、又は５から１５度の間の範囲にわたることができる。更に例を挙げれば、角度１２２は、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、又は４５度、若しくはこれらの間の任意の角度とすることができる。
【００５０】
図１５は、図８の予混合管体５２の一実施形態の部分断面正面図であり、旋回を発生させるため、予混合管体５２の下流側端部における中間サイズのスロット付き空気ポート７９の傾斜配向を示している。図８に示すように、中間サイズのスロット付き空気ポート７９は、予混合管体５２の長さに沿ってオフセット又は整列することができる。図１５に示すように、各中間サイズのスロット付き空気ポート７９は、予混合管体５２の長手方向軸線１２６に垂直な平面１３８から離れる角度１３６で空気流１４０を中央通路内に向けるように傾斜させることができる。予混合管体５２の中央通路の長手方向軸線１２６に垂直な平面１３８に対する中間サイズのスロット付き空気ポート７９（及びその空気流１４０）の角度１３６は、約０から９０度、５から８５度、５から６０度、５から４５度、５から３０度、又は５から１５度の間の範囲にわたることができる。更に例を挙げれば、角度１３６は、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、又は４５度、若しくはこれらの間の任意の角度とすることができる。
【００５１】
図１６は、図１５の線１６−１６に沿った予混合管体５２の一部の断面図であり、中間サイズのスロット付き空気ポート７９の矩形開口１４６が、直線状平坦縁部１５０に沿って、予混合管体５２の長手方向軸線１２６を中心とした円周方向に空気流１４８を集中させる方法を示している。詳細には、矢印１４８は、直線状平坦縁部１５０に沿って矩形開口１４６から出るほぼ均一な空気流（例えば均等な空気流速）を表している。これとはかなり相違して、湾曲縁部（例えば円形開口）は、湾曲縁部に沿った様々な位置で空気流を導入し、これにより空気を不均一に導入することになる。換言すると、矩形開口１４６及びその直線状平坦縁部１５０は、予混合管体５２の長手方向軸線１２６に平行に配向され、湾曲縁部は、長手方向軸線１２６に平行にはならない。従って、中間サイズのスロット付き空気ポート７９は、長手方向軸線１２６に平行ではあるがオフセットした空気シートとして空気流１４８を予混合管体５２内に噴射し、これにより、直線状平坦縁部１５０に沿った均一な空気流１４８によってより効果的な旋回流を誘起する。更に、中間サイズのスロット付き空気ポート７９が平坦縁部１５０を持たず、円形形状１５２を含む場合、空気流１４８は、円周方向（すなわち、長手方向軸線１２６と直線上に整列される）には集中することはない。流れ１００との涙滴様空気ポート７７の整列と同様に、流れ１００との中間サイズのスロット付き空気ポート７９の整列によって、ポート７９から下流側での再循環ゾーン（例えば低速領域）形成の可能性が低減される。
【００５２】
図１７は、燃料ノズル１２の予混合管体５２の一実施形態の断面図であり、上流側燃料噴射セクション１５４、下流側火炎安定化セクション１５６、中間触媒セクション１５８、及び中間空気噴射セクション１６０を示している。図示の実施形態では、上流側燃料噴射セクション１５４は、予混合管体５２の壁１０６の内側に配置された１つ又はそれ以上の燃料ポート１６３を有する燃料噴射装置１６２を含む。中間触媒セクション１５８は、壁１０６から予混合管体５２内へ半径方向に延びる触媒構造１６５を有する内部触媒領域１６４を含む。火炎安定化セクション１５６は、火炎安定化装置１６８の周りに同心円状に配置された釣鐘状構造１６７を有する出口領域１６６を含み、火炎安定化装置１６８は、予混合管体５２の壁１０６に延びる複数のストラット１７２によって支持された中央本体１７０を含む。以下で詳細に論じるように、釣鐘形構造１６７は、該釣鐘形構造１６７の長さ１７８にわたって上流側端部（例えば上流側直径１７４）から下流側端部（例えば下流側直径１７６）まで漸次的に拡大する環状構造である。中間空気噴射セクション１６０は、予混合管体５２の長手方向軸線１８０に対して横方向に、例えば予混合管体５２内側の中央通路１８１に沿った流れ１８２に対して横方向に空気を噴射するための複数の空気ポート５８を含む。図示のように、空気ポート５８は、燃料噴射装置１６２と火炎安定化装置１６８との間に軸方向に位置付けられるが、内部触媒領域１６４の上流側及び下流側の両方にも位置付けられている。以下で論じるように、内部触媒領域１６４は、予混合管体５２内部の燃料及び空気間の反応を増大させるように構成されている。
【００５３】
燃料は、触媒領域１６４の上流側の燃料噴射装置１６２を介して噴射され、複数の空気ポート５８を通じて予混合管体５２の中央通路１８１に流入する空気と混合することができる。幾つかの実施形態では、複数の空気ポートは、触媒領域１６４の上流側に配置された第１の空気ポート５８と、触媒領域１６４の下流側に配置された第２の空気ポート５８とを含む。空気及び燃料の混合物は、予混合管体５２の中央通路１８１を通って下流１８２に流れて触媒領域１６４に入り、ここで触媒が空気−燃料混合物の一部を予備反応させ、燃焼器１６内で生じる燃焼を安定化させる。
【００５４】
触媒領域１６４は、予混合管体５２の壁１０６の内側表面に沿って直接又は間接的に配置された触媒材料から成る触媒コーティングを含むことができる。例えば、基板材料（例えばウオッシュコート）を予混合管体５２の壁１０６の内側表面に堆積させ、次いで、触媒材料を基板材料上に堆積させることができる。幾つかの実施形態では、触媒領域１６４は、予混合管体５２の壁１０６の内側表面に沿って配置された触媒から成る触媒インサートを含むことができ、又は、触媒領域１６４において触媒インサートにより壁１０６全体を定めることができる。加えて、図示の触媒領域１６４の実施形態は、壁１０６から予混合管体５２内に半径方向に延びる触媒構造１６５を含む。触媒構造１６５は、全体的に触媒材料で作ることができ、或いは、触媒構造１６５は、非触媒コア構造の表面に沿った触媒材料から成る触媒コーティングを含むことができる。他の実施形態では、触媒構造１６５は、予混合管体５２の中央通路１８１に沿った壁１０６の内側表面から離れてオフセットすることができる。一般に、触媒領域１６４では、予混合管体５２の内側で燃料及び空気を予備反応させるのに十分な表面積上に触媒材料を提供する。特定の実施形態では、触媒材料は、金、プラチナ、パラジウム、又はロジウムのような貴金属、セリウム又はランタンのような希土類金属、ニッケル又は銅のような他の金属、或いはこれらの金属の任意の組み合わせを含めることができる。更に、特定の実施形態では、触媒領域１６４を通る流れは、燃料及び空気の燃料リッチ混合物を含む。例えば、燃料対空気の比は、約１．５対１０、２対８、３対７、又は４対６の間の範囲にわたることができる。更に例を挙げれば、燃空比は、約１．５、２、３、４、又は５、若しくはこれらの間の任意の比よりも少なくとも大きくすることができる。燃料リッチの流れは、軸方向の速度が相対的に低い場合の自動点火又は保炎の可能性を低減させる。
【００５５】
図１７に更に示すように、出口領域１６６は、圧力ダンプ損失を低減し、予混合管体５２から下流側の火炎を安定化するように構成されている。詳細には、出口領域１６６は、釣鐘形構造１６７（例えば環状釣鐘形壁）を含み、釣鐘形状で上流側端部１７４から下流側端部１７６まで長さ１７８に沿って漸次的に拡大する。漸次的拡大は、釣鐘形構造１６７の長さに沿って非線形に生起することができる。特定の実施形態では、下流側直径１７６は、上流側直径１７４よりも少なくとも５、１０、１５、２０、２５、５０、７５、又は１００パーセント大きくすることができる。例えば、下流側直径１７６は、上流側直径１７４よりも約１．１〜１０倍大きくすることができる。しかしながら、この倍数は、約１から１０、１から５、１から３、１から２、又は１から１．５の間の範囲にわたることができる。直径１７４と１７６との間の比率又は割合は、流量及び他の考慮事項に応じて変えることができる。釣鐘形構造１６７を通る漸次的拡大により、空気及び燃料の混合物の流れ１８２の速度が漸次的に低下し、これにより火炎安定化に先立って圧力回復が可能となる。
【００５６】
出口領域１６６はまた、釣鐘形構造１６７の内側に火炎安定化装置１６８を含む。特定の実施形態では、火炎安定化装置１６８は、釣鐘形構造１６７の拡大部分１８３の上流側に、及び／又は直接同心状に位置することができる。図示の実施形態では、火炎安定化装置１６８は、拡大部分１８３から上流側であると共に、依然として釣鐘形構造１６７の内部に示されている。しかしながら、代替の実施形態では、火炎安定化装置１６８は、拡大部分１８３内に下流側に移動させることができる。図示のように、火炎安定化装置１６８は、外側リング１８４と、中央本体１７０と、外側リング１８４から中央本体１７０まで延びる複数のストラット１７２とを含む。例えば、中央本体１７０は、全体的に下流側方向１８２に直径が拡大する空気力学的構造又は拡大円筒構造（例えばコーン構造）を有することができる。複数のストラット１７２は、放射状ストラット又は支持体と説明することができ、特定の実施形態では、１から２０、２から１０、又は４から６のストラットの範囲にわたることができる。以下で詳細に論じるように、中央本体１７０は、上流側から下流側まで中央本体１７０を通って軸方向に延び、これによって流れ１８２の一部を中央本体１７０の下流側部の直ぐ下流側領域内に向ける中央通路２０４を含む。このようにして、中央通路２０４により、中央本体１７０の下流に低速領域が形成される可能性が低減され、従って、中央本体１７０上への直接的な保炎の可能性が低減される。換言すると、中央通路２０４は、中央本体１７０から離れた更に下流側に火炎を進める役割を果たすことができる。
【００５７】
図１８は、図１７の線１８−１８に沿った予混合管体５２の断面正面図であり、中央通路１８１の内側に複数の触媒構造１６５を有する触媒領域１６４の一実施形態を示している。図示の実施形態では、触媒構造１６５は、壁１０６の内側表面１９６から予混合管体５２の中央長手方向軸線に向かって半径方向内向きに延びる複数のフィン１９４を含む。フィン１９４は、種々の実施形態において数、サイズ、及び形状を変えることができる。しかしながら、図示の実施形態は、長手方向軸線１８０の周りで中央領域に向かって収束する８つのフィン１９４を含む。これらのフィン１９４は、長手方向軸線１８０と整列した平坦なプレートとすることができる。幾つかの実施形態では、フィン１９４は、全体を貴金属のような触媒材料で作ることができる。しかしながら、フィン１９４の他の実施形態は、触媒コーティングを有する非触媒材料で作ることができる。更に、壁１０６の内側表面１９６が触媒コーティングを含むことができ、壁１０６の１セクションが全体的に触媒材料で作ることができる。例えば、触媒領域１６４は、フィン１９４を有する環状壁セクションを含むことができ、この場合、環状壁セクション及びフィン１９４は、全体が触媒材料で作られる。更に例を挙げれば、触媒領域１６４は、フィン１９４を有する環状壁セクションを含むことができ、この場合、環状壁セクション及びフィン１９４は、触媒コーティングを有する非触媒材料で作られる。上述のように、触媒材料は、金、プラチナ、パラジウム、又はロジウムのような貴金属、セリウム又はランタンのような希土類金属、ニッケル又は銅のような他の金属、或いは、これらの金属の任意の組み合わせを含むことができる。
【００５８】
図１９は、図１７の線１９−１９で囲まれた火炎安定化装置１６８の一実施形態の切り欠き断面側面図である。図示のように、中央本体１７０は、該中央本体１７０の上流側部２００から下流側部２０２まで漸次的に拡大する先細外側表面１９８を含む。先細外側表面１９８は、長さ２１０に沿って上流側直径２０６から下流側直径まで下流側方向１８２に全体的に直径が拡大する、空気力学的表面又は拡大円筒表面（例えばコーン表面）とすることができる。例えば、先細外側表面１９８は、長手方向軸線１８０に対して角度２１２を有することができる。加えて、先細外側表面１９８は、上流側部２００から下流側部２０２まで中央本体１７０を貫通して延びる中央通路２０４と同軸又は同心である。上述のように、中央通路２０４は、中央本体１７０の直ぐ下流側（すなわち下流側部２０２に隣接する）での低速領域すなわち保炎の可能性を低減する。
【００５９】
図１９に示すように、流れ１８２は、火炎安定化装置１６８の中央本体１７０に到達すると、第１の流れ部分２１４と第２の流れ部分２１６とに分かれる。詳細には、第１の流れ部分２１４は先細外側表面１９８に沿って延び、第２の流れ部分２１６は中央通路２０４を通って延びる。第１の流れ部分２１４は、中央本体１７０を外部冷却し（例えば外部対流冷却）、第２の流れ部分２１６は、中央本体１７０を内部冷却する（例えば内部対流冷却）。先細外側表面１９８の拡大する直径により、第１の流れ部分２１４が表面１９８に極めて近接して流れ、これにより冷却が向上し、表面１９８に沿った低速領域及び保炎の可能性が確実に低減される。第２の流れ部分２１６は、流れを中央本体１７０から下流側の他の低速領域方向に直接（すなわち下流側２０２から下流側に直接）送り、これによって中央本体１７０に極めて近接した状態での保炎の可能性を低減又は阻止する。換言すると、中央通路２０４は、第２の流れ部分２１６を下流側２０２の中央部分内に向け、これにより火炎を中央本体１７０から離れて更に下流側に押し進める下流側方向の流れを生成する。従って、中央通路２０４は、再循環の可能性を制限し、中央本体１７０の下流側の所望のオフセット位置に保炎を配置する。特定の実施形態では、中央本体１７０から下流側の火炎のオフセットを制御するために、中央通路２０４の直径及び長さを変えることができる。例えば、直径を大きくするとオフセットを増大させることができ、直径を小さくすると、オフセットを減少させることができる。特定の実施形態では、中央本体１７０は、長手方向軸線１８０に対する中央位置及び偏心位置にて１つよりも多い通路２０４、例えば１〜１０の通路を含むことができる。
【００６０】
平行軸２１８で示すように、長手方向軸線１８０に対する中央本体１７０の先細外側表面１９８の角度２１２は、中央本体１７０の周りの境界層及び中央本体１７０の周りの第１の流れ部分２１４の速度に影響を及ぼす。例えば、角度２１２を増大させて、第１の流れ部分２１４の境界層を減少させることができ、角度２１２を減少させて、第１の流れ部分２１４の境界層を増大させることができる。特定の実施形態では、予混合管体５２は、流れ１８２及び下流側方向１８２の旋回の大きさを漸次的に増大させ、これにより流れ１８２が中央本体１７０の周りで釣鐘形構造１６７を通って拡大する傾向を向上させる。従って、中央本体１７０の先細外側表面１９８の角度２１２は、流れ１８２が下流側方向１８２に拡大又は拡散する傾向を強める。特定の実施形態では、角度２１２は、約０から９０度、０から６０度、０から４５度、０から３０度、又は０から１５度の間の範囲にわたることができる。更に例を挙げれば、角度２１２は、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、又は４５度、若しくはこれらの間の任意の角度とすることができる。
【００６１】
角度２１２はまた、中央本体１７０の下流側端部における直径２０８と中央本体１７０の上流側端部における直径２０６との比を基準として定めることができる。下流側端部における直径２０８と上流側端部における直径２０６との間の比が大きくなると、角度２１２が増大する。直径２０６と直径２０８との比はまた、予混合管体５２を通る流れ１８２の遮断量に影響を及ぼす。中央本体１７０の下流側端部における直径２０８を増大させると、流れ１８２の遮断が増大し、その結果、より良好な火炎安定化が得られるが、圧力低下が大きくなる。中央本体１７０の直径は、該中央本体１７０の長さ２１０に沿って変えることができる。下流側端部における直径２０８と上流側端部における直径２０６との比は、約８対１、６対１、４対１、３対１、又は２対１の間の範囲にわたることができる。更に例を挙げれば、比は、約５、４、３、２、又は１．５とすることができる。幾つかの実施形態では、中央本体１７０の下流側端部における直径２０８は、中央本体１７０の上流側端部２０６における直径の約５０％とすることができる。
【００６２】
図２０及び図２１は、図１７に示す火炎安定化装置１６８の一実施形態の正面斜視図及び背面斜視図である。図示の実施形態では、中央本体１７０は、等間隔に配置された５つのストラット１７２によってリング１８４内部に支持される。しかしながら、ストラット１７２の任意の数、形状、及び構成を用いて、中央本体１７０をリング１８４内部に支持することができる。ストラット１７２は、予混合管体５２内の流れ抵抗を低減するために、ほぼ平坦なプレート構造物又は空力学的構造物とすることができる。図示の実施形態では、ストラット１７２は、予混合管体５２の内側に旋回流を生じさせ、及び／又はこれと位置合わせされるように傾斜されている。しかしながら、代替の実施形態では、ストラット１７２は、長手方向軸線１８０と一直線上に配向することができる。図２１に更に示すように、ストラット１７２は、上流側部分２２０と、これに続く下流側部分２２２とを含むことができ、下流側部分２２２は、上流側部分２２０に対して先細にされている。下流側部分２２２の先細は、空気力学的特性を高め、これにより流れ抵抗を低減し且つストラット１７２の下流側での再循環（例えば低速領域及び保炎）の可能性を低減するよう構成することができる。全体として、火炎安定化装置１６８は、一体的対流冷却（例えば内部及び外部）を可能にすると同時に、中央本体１７０から下流側の火炎位置を制御するように構成されている。
【００６３】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００６４】
１０  ガスタービンシステム
１２  燃料ノズル
１４  燃料供給源
１６  燃焼器
１８  タービン
1９  シャフト
２０  排気出口
２２  圧縮機
２４  吸気口
２６  負荷
３０  空気
３２  加圧空気
３４  加圧空気及び燃料
３８  端部カバー
３９  ヘッド端部
４０  ケーシング
４２  ライナ
４４  流れスリーブ
４８  移行部品
５０  ミニノズルキャップ
５２  予混合管体
５４  第１のウィンドウ
５５  キャップの下流側部分
５６  第２のウィンドウ
５７  キャップの上流側部分
５８  空気ポート
５９  空気流
６０  ガス噴射プレート
６１  コーン型オリフィス
６２  ３つのギャラリー
６３  下流側方向
６４  第１のギャラリー
６６  第２のギャラリー
６８  第３のギャラリー
７０  液体燃料カートリッジ
７２  冷却プレート
７４  穿孔セクション
７６  非穿孔セクション
７７  大型涙滴様空気ポート
７８  火炎
７９  中間サイズのスロット付き空気ポート
８０  角度
８１  半径方向軸線
８２  角度
８３  半径方向軸線
８４  長手方向軸線
９６  涙滴様空気ポートの第１の部分
９８  涙滴様空気ポートの第２の部分
１００  空気
１０２  第１の幅
１０４  第２の幅
１０６  予混合管体の壁
１１０  第１の空気流
１１２  第２の空気流
１２２  角度
１２４  旋回流
１２６  長手方向軸線
１３６  角度
１３８  垂直面
１４０  空気流
１４６  矩形開口
１４８  均一空気流
１５０  直線状平坦縁部
１５２  円形形状
１５４  上流側燃料噴射セクション
１５６  火炎安定化セクション
１５８  中間触媒セクション
１６０  中間空気噴射セクション
１６２  燃料噴射装置
１６３  燃料ポート
１６４  内部触媒領域
１６５  触媒構造
１６６  出口領域
１６７  釣鐘形構造
１６８  火炎安定化装置
１７０  中央本体
１７２  ストラット
１７４  直径上流側
１７６  直径下流側
１７８  釣鐘形構造の長さ
１８０  長手方向軸線
１８２  流れ
１８３  拡大部分
１８４  外側リング
１９４  フィン
１９６  内側表面
１９８  先細外側表面
２００  上流側（部）
２０２  下流側（部）
２０４  中央通路
２０６  下流側直径
２０８  上流側直径
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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