(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービン燃焼器用の燃料噴射器を提供する。【解決手段】液体燃料／空気混合物を燃焼器へ半径方向に導入するための燃料噴射器３００が提供される。燃料噴射器は、入口部分を画定するフレームと、出口部分を画定する出口部材とを有する本体を含む。燃料プレナムは、出口部材内に画定され、燃料プレナムと連通する燃料噴射ポート１１８は、出口部材を通して画定される。本体に固定された燃料供給導管２０２、２０４は、燃料プレナムを介して、液体燃料源と燃料噴射ポートとの間に連通する。あるいは、燃料噴射器は、燃料噴射ポートと連通して出口部材に取り付けられたスワール誘導装置と、スワール誘導装置に固定された燃料供給導管とを含んでもよい。燃料供給導管は、スワール誘導装置を介して、燃料噴射ポートと液体燃料と水の混合物源との間に連通する。【選択図】図３
2019023550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器（２４）用の燃料噴射器（３００）であって、
入口部分（３０８）を画定するフレーム（３０４）、および前記フレーム（３０４）の下流に延び、出口部分を画定する出口部材（３１０）を備える本体（３４０）であって、前記本体（３４０）は、前記入口部分（３０８）から前記出口部分を通る空気流路（３５２）を画定し、前記出口部材（３１０）は、内部で混合チャンバを画定する本体（３４０）と、
前記出口部材（３１０）内に画定された燃料プレナム（３８０、１３８０）と、
前記出口部材（３１０）を通って前記燃料プレナム（３８０、１３８０）と流れ連通するように画定された燃料噴射ポート（３８２、１３８２）と、
前記本体（３４０）に固定され、前記燃料プレナム（３８０、１３８０）を介して、液体燃料源と前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）との間に流れ連通する液体燃料供給導管と
を備える、燃料噴射器（３００）。
【請求項２】
前記液体燃料供給導管が、第１のチューブおよび前記第１のチューブを取り囲む第２のチューブを含む同軸チューブを備え、前記第１のチューブが、前記液体燃料源と流れ連通し、前記第２のチューブが、水源と流れ連通する、請求項１に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項３】
前記第１のチューブおよび前記第２のチューブが、前記燃料プレナム（３８０、１３８０）と流れ連通し、これにより液体燃料と水の混合物が、前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）を通って前記混合チャンバに運ばれる、請求項２に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項４】
前記燃料プレナム（３８０、１３８０）に近接した前記出口部材（３１０）に画定された第２のプレナムと、前記第１の噴射ポートに対して軸方向に離間した前記出口部材（３１０）を通って画定された流体噴射ポート（３７２、１３７２）とを備え、前記流体噴射ポート（３７２、１３７２）が、前記第２のプレナムと流れ連通し、前記第２のチューブが、前記第２のプレナムと流れ連通する、請求項２に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項５】
前記流体噴射ポート（３７２、１３７２）が、前記本体（３４０）を通る前記空気流路（３５２）に対して、前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）の上流に位置する、請求項４に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項６】
前記出口部材（３１０）が、前記燃焼器（２４）を通る燃焼生成物（２６）の流れに対して前縁（４１１）を画定し、前記燃料プレナム（３８０、１３８０）が、前記前縁（４１１）内に配置され、前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）が、前記前縁（４１１）に近接して位置する、請求項１に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項７】
前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）が、複数の燃料噴射ポート（３５４）を備え、前記複数の燃料噴射ポート（３５４）の各ポートが、前記燃料プレナム（３８０、１３８０）と流れ連通する、請求項１に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項８】
前記複数の燃料噴射ポート（３５４）が、前記本体（３４０）を通る前記空気流路（３５２）に対して、軸方向に離間した形態で配置される、請求項７に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項９】
前記複数の燃料噴射ポート（３５４）が、第１の直径を有する第１のポートと、前記第１の直径より小さい第２の直径を有する第２のポートと、前記第２の直径より小さい第３の直径を有する第３のポートとを備え、
前記第１のポートが、前記第２のポートの軸方向上流にあり、前記第２のポートが、前記第３のポートの軸方向上流にある、
請求項８に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項１０】
前記燃料プレナム（３８０、１３８０）が、前記出口部材（３１０）の周囲の少なくとも一部を通って円周方向に延び、前記複数の燃料噴射ポート（３５４）が、前記出口部材（３１０）の前記周囲の前記対応する少なくとも一部の周りに円周方向に配置され、前記複数の燃料噴射ポート（３５４）の各々が、前記燃料プレナム（３８０、１３８０）と流れ連通する、請求項７に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項１１】
前記出口部材（３１０）が、前記燃焼器（２４）を通る燃焼生成物（２６）の流れに対して前縁（４１１）を画定し、前記前記複数の燃料噴射ポート（３５４）が、前記前縁（４１１）の周りに分布する、請求項１０に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項１２】
前記燃料プレナム（３８０、１３８０）が、前記出口部材（３１０）の全周にわたって円周方向に延び、前記複数の燃料噴射ポート（３５４）が、前記出口部材（３１０）の前記全周にわたって円周方向に配置される、請求項１１に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項１３】
前記出口部材（３１０）が、前記燃焼器（２４）を通る燃焼生成物（２６）の流れに対して、前縁（４１１）および前記前縁（４１１）の反対側の後縁（４１５）を画定し、前記出口部材（３１０）がさらに、前記前縁（４１１）と前記後縁（４１５）との間に一対の側壁（４１６、４１８）を画定し、
前記複数の燃料噴射ポート（３５４）が、前記一対の側壁（４１６、４１８）および前記後縁（４１５）に沿ってよりも前記前縁（４１１）の周りでより集中して分布する、
請求項１０に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項１４】
前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）が、前記出口部材（３１０）の内側表面（４１０）に対して傾斜している、請求項１に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項１５】
前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）が、複数の燃料噴射ポート（３５４）を備え、前記複数の燃料噴射ポート（３５４）の各ポートが、前記燃料プレナム（３８０、１３８０）と流れ連通し、前記複数の燃料噴射ポート（３５４）が、前記出口部材（３１０）の前記内側表面（４１０）に対して異なる角度配向の燃料噴射ポートを備える、請求項１４に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項１６】
前記フレーム（３０４）が、前記燃焼器（２４）を通る燃焼生成物（２６）の流れに対して、前端部壁（３２８）および前記前端部壁（３２８）の反対側の後端部壁（３２８）を画定し、前記フレーム（３０４）がさらに、前記前端部壁（３２８）と前記後端部壁（３２８）との間に一対の側壁（３２６）を画定し、
前記入口部分（３０８）が、前記前端部壁（３２８）から前記後端部壁（３２８）に前記フレーム（３０４）を横切って延びる第１の燃料噴射ベーンをさらに備え、これにより前記空気流路（３５２）が、前記ベーンと前記フレーム（３０４）の前記側壁（３２６）との間に延び、前記ベーンがさらに、内部で第１の燃料チャンバを画定し、前記燃料チャンバおよび前記空気流路（３５２）と流れ連通する燃料噴射開口を有し、
気体燃料供給導管が、前記第１の燃料チャンバを介して、気体燃料源と前記燃料噴射開口との間に流れ連通する、
請求項１に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項１７】
前記第１の燃料噴射ベーンに平行に前記前端部壁（３２８）から前記後端部壁（３２８）に前記フレーム（３０４）を横切って延びる第２の燃料噴射ベーンをさらに備え、前記第２の燃料噴射ベーンが、内部で前記気体燃料供給導管と流れ連通する第２の燃料チャンバを画定し、さらに前記第２の燃料チャンバおよび前記空気流路（３５２）と流れ連通する第２の燃料噴射開口を画定する、請求項１６に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項１８】
ガスタービン燃焼器（２４）用の燃料噴射器（３００）であって、
入口部分（３０８）を画定するフレーム（３０４）、および前記フレーム（３０４）の下流に延び、出口部分を画定する出口部材（３１０）を備える本体（３４０）であって、前記本体（３４０）は、前記入口部分（３０８）から前記出口部分を通る空気流路（３５２）を画定し、前記出口部材（３１０）は、内部で混合チャンバを画定する本体（３４０）と、
前記出口部材（３１０）を通って前記混合チャンバと流れ連通するように画定された燃料噴射ポート（３８２、１３８２）と、
前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）と流れ連通して前記出口部材（３１０）の外側表面（４１２）に取り付けられたスワール誘導装置と、
前記スワール誘導装置に固定され、前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）と液体燃料と水の混合物源との間に流れ連通することで、液体燃料と水の前記混合物が前記スワール誘導装置を介して前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）を通り前記混合チャンバに供給される燃料供給導管と
を備える、燃料噴射器（３００）。
【請求項１９】
前記スワール誘導装置が、中央ハブ（５０２）に接合された複数のベーン（５０６）を備え、これにより流路が、隣接するベーン（５０６）の間に画定される、請求項１８に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項２０】
前記出口部材（３１０）が、前縁（４１１）、前記前縁（４１１）の反対側の後縁（４１５）、および前記前縁（４１１）と前記後縁（４１５）との間に延びる一対の側壁（３２６）を画定し、前記燃料噴射ポート（３８２、１３８２）が、前記前縁（４１１）に沿って位置し、前記スワール誘導装置が、前記前縁（４１１）に近接して取り付けられる、請求項１８に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項２１】
前記フレーム（３０４）が、前記燃焼器（２４）を通る燃焼生成物（２６）の流れに対して、前端部壁（３２８）および前記前端部壁（３２８）の反対側の後端部壁（３２８）を画定し、前記フレーム（３０４）がさらに、前記前端部壁（３２８）と前記後端部壁（３２８）との間に一対の側壁（３２６）を画定し、
前記入口部分（３０８）が、前記前端部壁（３２８）から前記後端部壁（３２８）に前記フレーム（３０４）を横切って延びる第１の燃料噴射ベーンをさらに備え、これにより前記空気流路（３５２）が、前記ベーンと前記フレーム（３０４）の前記側壁（３２６）との間に流れ、前記ベーンがさらに、内部で第１の燃料チャンバを画定し、前記燃料チャンバおよび前記空気流路（３５２）と流れ連通する燃料噴射開口を有し、
第２の燃料供給導管が、前記第１の燃料チャンバを介して、気体燃料源と前記燃料噴射開口との間に流れ連通する、
請求項１８に記載の燃料噴射器（３００）。
【請求項２２】
前記第１の燃料噴射ベーンに平行に前記前端部壁（３２８）から前記後端部壁（３２８）に前記フレーム（３０４）を横切って延びる第２の燃料噴射ベーンをさらに備え、前記第２の燃料噴射ベーンが、内部で前記第２の燃料供給導管と流れ連通する第２の燃料チャンバ、ならびに前記第２の燃料チャンバおよび前記空気流路（３５２）と流れ連通する第２の燃料噴射開口を画定する、請求項２１に記載の燃料噴射器（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、ガスタービン燃焼器用の燃料噴射器に関し、より具体的には、このような燃焼器に関連する軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）システムと共に使用するための二重燃料噴射器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、一般に、圧縮機セクションと、燃焼器を有する燃焼セクションと、タービンセクションとを含む。圧縮機セクションは、作動流体の圧力を徐々に増加させ、圧縮された作動流体を燃焼セクションに供給する。圧縮された作動流体は、燃焼器内を延びる軸方向に延びる燃料ノズルを通っておよび／またはその周りに送られる。燃料が圧縮された作動流体の流れに噴射され、可燃混合物を形成する。可燃混合物は、燃焼チャンバ内で燃焼され、高温、高圧、および高速の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、高温ガス経路を画定する１つまたは複数のライナまたはダクトを通ってタービンセクションに流れる。燃焼ガスは、タービンセクションを通って流れる際に膨張し、仕事を発生する。たとえば、タービンセクションにおける燃焼ガスの膨張は、発電機に接続されたシャフトを回転させて電気を発生させることができる。タービンは、共通のシャフトまたはロータによって圧縮機を駆動することもできる。
【０００３】
燃焼ガスの温度は、熱力学的効率、設計マージン、および燃焼器の結果として生じる排出物に直接影響を及ぼす。たとえば、一般に、燃焼ガス温度が高くなるほど、燃焼器の熱力学的効率が向上する。しかし、燃焼ガス温度が高いと、二原子窒素の解離速度が上昇し、それにより燃焼器の特定の滞留時間の間に窒素酸化物（ＮＯＸ）のような望ましくない排出物の発生を増加させる可能性がある。逆に、燃料流の減少および／または部分負荷動作（ターンダウン）に関連して燃焼ガス温度が低いと、一般に、燃焼ガスの化学反応速度を低下させ、それにより燃焼器の同じ滞留時間の間に一酸化炭素（ＣＯ）および未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）の発生を増加させる。
【０００４】
燃焼器の全体的な排出性能および熱効率最適化のバランスをとるために、ある特定の燃焼器設計は、一次燃焼領域の下流でライナの周りに配置される複数の燃料噴射器を含む。燃料噴射器は、ライナを通して半径方向に第２の燃料／空気混合物を供給して、燃焼ガス流れ場への流体連通を可能にする。このタイプのシステムは、軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）システムとして当技術分野および／またはガスタービン産業で一般的に公知である。
【０００５】
動作中、圧縮された作動流体の一部は、燃料噴射器の各々を通っておよび／またはその周りに送られ、燃焼ガス流れ場に送られる。燃料噴射器からの液体燃料または気体燃料が、圧縮された作動流体の流れに噴射されて第２の可燃混合物を供給し、これは高温燃焼ガスと混合する際に二次燃焼領域で自発的に燃焼する。可燃混合物の二次燃焼領域への導入は、燃焼器の入口温度を上昇させ、燃料噴射器が一次燃焼領域の下流にあるために、一次燃焼領域からの燃焼ガスは第１の滞留時間を有し、二次燃焼領域からの燃焼ガスは第２の（より短い）滞留時間を有する。結果として、燃焼器の全体的な熱力学的効率は、全体的な排出性能を犠牲にすることなく増加させることができる。
【０００６】
既存のＡＦＳシステムを使用して液体燃料を燃焼ガス流れ場に噴射することの１つの課題は、燃焼ガスの運動量が、一般に、燃焼ガス流れ場への液体燃料の適切な半径方向の浸透を抑制することである。このため、液体燃料の局所的な蒸発が燃料噴射点のまたはその近傍のライナの内側表面に沿って発生することがあり、それにより高温領域および高い熱応力が生じる。液体燃料噴射器に関連する別の課題は、適度に高い温度であっても燃料噴射器がコークス化する傾向があることである。
【０００７】
したがって、混合を向上させるために、液体燃料を燃焼ガス流れ場に噴射するための改良されたシステムが有用であろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第９５９３８５１号明細書
【発明の概要】
【０００９】
本開示は、液体燃料と空気の可燃混合物を半径方向に燃料噴射器から燃焼器に供給し、それにより二次燃焼領域を発生させるための二重燃料ＡＦＳ燃料噴射器に関する。
【００１０】
第１の実施形態によれば、ガスタービン燃焼器用の燃料噴射器は、フレーム、およびフレームの下流に延びる出口部材を備える本体を含む。フレームは、入口部分を画定し、出口部材は、出口部分を画定する。本体は、入口部分から出口部分を通る空気流路を画定し、出口部材は、内部で混合チャンバを画定する。燃料プレナムは、出口部材内に画定され、燃料噴射ポートは、出口部材を通って燃料プレナムと流れ連通するように画定される。燃料供給導管は、本体に固定され、燃料供給導管は、燃料プレナムを介して、液体燃料源と燃料噴射ポートとの間に流れ連通する。
【００１１】
別の実施形態によれば、ガスタービン燃焼器用の燃料噴射器は、フレーム、およびフレームの下流に延びる出口部材を備える本体を含む。フレームは、入口部分を画定し、出口部材は、出口部分を画定する。本体は、入口部分から出口部分を通る空気流路を画定し、出口部材は、内部で混合チャンバを画定する。燃料噴射ポートは、出口部材を通って混合チャンバと流れ連通するように画定される。スワール誘導装置は、燃料噴射ポートと流れ連通して出口部材の外側表面に取り付けられ、燃料供給導管は、スワール誘導装置に固定される。燃料供給導管は、燃料噴射ポートと液体燃料と水の混合物源との間に流れ連通することで、液体燃料と水の混合物がスワール誘導装置を介して燃料噴射ポートを通り混合チャンバに供給される。
【００１２】
その最良の態様を含み、当業者を対象とする、本製品および方法の完全かつ実施可能な程度の開示が本明細書に記載され、以下の添付の図を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本明細書に記載するような１つまたは複数の燃料噴射器を用いることができる、ガスタービンアセンブリの概略図である。
【図２】図１のガスタービンアセンブリに使用することができる、燃焼器の断面図である。
【図３】図２の燃焼器の一部の俯瞰平面図である。
【図４】本開示の一態様による、燃料噴射器の斜視図である。
【図５】図４の燃料噴射器の断面図である。
【図６】図４の燃料噴射器の俯瞰図である。
【図７】図５の７−７に沿った、図４の燃料噴射器の出口部分の断面正面図である。
【図８】本開示の別の態様による、燃料噴射器の断面図である。
【図９】本開示のさらに別の態様による、燃料噴射器の断面図である。
【図１０】本開示の一態様による、燃料噴射器の断面図である。
【図１１】本開示の別の態様による、燃料噴射器の断面図である。
【図１２】噴射器の長手方向平面に沿った、図１１の燃料噴射器の一部の拡大断面図である。
【図１３】本開示の一態様による、燃料噴射器の断面図である。
【図１４】本開示の別の態様による、図１２の線１４−１４に沿った、燃料噴射器の出口部分の断面正面図である。
【図１５】本開示のさらに別の態様による、燃料噴射器の断面図である。
【図１６】本開示の一態様による、燃料噴射器の断面図である。
【図１７】図１６の燃料噴射器に有用なスワーラアセンブリの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
他の指示がない限り、断面図は、それぞれの燃料噴射器の前縁を示す（すなわち、図は、燃焼器を通る燃焼生成物の流れに対して上流に見える後方位置からの軸方向平面に沿った図を示す）。
【００１５】
以下の詳細な説明は、限定ではなく例として、様々な燃料噴射器、それらの構成要素部品、およびそれらを製造する方法を例示する。この説明は、当業者が燃料噴射器を製造し使用することを可能にする。この説明は、燃料噴射器のいくつかの実施形態を提供しており、燃料噴射器の製造および使用の最良の形態であると現在考えられているものを含む。例示的な燃料噴射器は、発電のために使用されるヘビーデューティガスタービンアセンブリの燃焼器内で結合されるものとして本明細書に記載される。しかし、本明細書に記載の燃料噴射器は、発電以外の様々な分野の広範なシステムに一般的に適用されることが企図されている。
【００１６】
本明細書で使用する場合、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図するものではない。「上流」および「下流」という用語は、流体経路における流体の流れに対する相対方向を指す。たとえば、「上流」は、流体が流れてくる方向を指し、「下流」は、流体が流れていく方向を指す。
【００１７】
「半径方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対方向を指し、「軸方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行な相対方向を指す。本明細書で使用する場合、「半径」（またはその任意の変形）という用語は、任意の適切な形状（たとえば、正方形、長方形、三角形、など）の中心から外側に延びる寸法を指し、円形の中心から外側に延びる寸法に限定されない。同様に、本明細書で使用する場合、「円周」（またはその任意の変形）という用語は、任意の適切な形状（たとえば、正方形、長方形、三角形、など）の中心の周りに延びる寸法を指し、円形の中心の周りに延びる寸法に限定されない。
【００１８】
本明細書において単数の噴射ポートと言及する場合は、１つまたは複数の噴射オリフィス、薄膜開口、または単体ノズルを具体化するものとして理解されるべきである。所与の燃料噴射器内の噴射ポートは、数、サイズ、タイプ、および／または角度配向（たとえば、表面に垂直または斜め）が異なっていてもよい。単一の噴射ポート図示され得るが、複数のオリフィスを図示のポートに配置することができることを理解されたい。さらに、複数の噴射ポートが設けられる場合、ポートは同じサイズであっても異なっていてもよく、燃料噴射器の入口部分を通る空気の流れに対して異なるパターンで配置されてもよい。たとえば、パターンは、大きなオリフィスに続く小さなオリフィス、小さなオリフィスに続く大きなオリフィス、第１の流体の単一のオリフィスに続く第２の流体の複数のオリフィス、第１の流体の複数のオリフィスに続く第２の流体の単一のオリフィス、ならびに当業者の知識に基づいておよび／または本開示の実施における日常的な実験に基づいて選択され得るような様々な他の組合せを含んでもよい。
【００１９】
各例は、本発明の限定としてではなく、例示として提示される。実際には、本開示の範囲または精神から逸脱することなく、本燃料噴射器において修正および変形を行うことができることは、当業者には明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として図示または記載された特徴を別の実施形態で使用し、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲に含まれるような修正および変形を包含することが意図されている。本燃料噴射器の例示的な実施形態は、説明の目的でガスタービンに組み込まれた燃焼器に関して一般的に記載されるが、当業者であれば、本開示の実施形態は、任意のターボ機械に組み込まれた任意の燃焼器に適用することができ、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、ガスタービン燃焼器に限定されないことを容易に理解するであろう。
【００２０】
以下、本燃料噴射器の様々な実施形態について詳しく説明するが、その１つまたは複数の例が、添付の図面に示されている。詳細な説明では、図面中の特徴を参照するために数値および文字による記号が使用されている。図面および説明の中で同じまたは類似の記号は、同じまたは類似の部品を参照するために使用されている。
【００２１】
図１は、本開示の様々な実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン１０の機能ブロック図である。示すように、ガスタービン１０は、一般に、一連のフィルタ、冷却コイル、水分分離器、および／またはガスタービン１０に入る作動流体（たとえば、空気）１４を浄化および他のやり方で調整するための他の装置を含むことができる入口セクション１２を含む。作動流体１４は圧縮機セクションに流れ、そこで圧縮機１６が作動流体１４に運動エネルギを徐々に与えることで、圧縮された作動流体１８を発生する。
【００２２】
圧縮された作動流体１８は、気体燃料供給システム２２からの気体燃料２０および／または液体燃料供給システム２３からの液体燃料２１と混合され、１つまたは複数の燃焼器２４内で可燃混合物を形成する。可燃混合物は、燃焼されて高温、高圧、および高速の燃焼ガス２６を発生する。燃焼ガス２６は、タービンセクションのタービン２８を通って流れ、仕事を発生する。たとえば、タービン２８をシャフト３０に接続して、タービン２８の回転が圧縮機１６を駆動して圧縮された作動流体１８を発生するようにしてもよい。あるいはまたはそれに加えて、シャフト３０は、タービン２８を発電機３２に接続して電気を発生させることができる。タービン２８からの排気ガス３４は、タービン２８をタービンの下流の排気スタックに接続する排気セクション（図示せず）を通って流れる。排気セクションは、たとえば、環境に放出される前に排気ガス３４から追加の熱を浄化および抽出するための排熱回収ボイラ（図示せず）を含んでもよい。
【００２３】
燃焼器２４は、当技術分野で公知の任意のタイプの燃焼器であってもよく、本発明は、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、任意の特定の燃焼器設計に限定されない。たとえば、燃焼器２４は、缶型または缶環状型の燃焼器であってもよい。
【００２４】
図２は、ヘビーデューティガスタービン１０の缶環状燃焼システムに含まれ得る燃焼缶２４の概略図である。缶環状燃焼システムでは、複数の燃焼缶２４（たとえば、８、１０、１２、１４、１６、またはそれ以上）が、圧縮機１６をタービン２８に接続するシャフト３０の周りに環状アレイで配置される。
【００２５】
図２に示すように、燃焼缶２４は、燃焼ガス２６を収容してタービンに運ぶライナ１１２を含む。ライナ１１２は、燃焼が起こる燃焼チャンバを画定する。ライナ１１２は、多くの従来の燃焼システムのように、円筒状のライナ部分と、円筒状のライナ部分から分離されたテーパ状の移行部分とを有することができる。あるいは、ライナ１１２は、円筒状部分およびテーパ状部分が互いに一体化された一体型本体（または「ユニボディ」）構成を有してもよい。したがって、本明細書のライナ１１２の説明は、別個のライナおよびトランジションピースを有する従来の燃焼システムと、ユニボディライナを有する燃焼システムの両方を包含することが意図されている。さらに、本開示は、トランジションピースおよびタービンの第１段ノズルが、「移行ノズル」または「一体化出口ピース」と呼ばれることもある、単一のユニットに一体化された燃焼システムにも同様に適用可能である。
【００２６】
ライナ１１２は、外側スリーブ１１４によって取り囲まれ、外側スリーブ１１４は、ライナ１１２の半径方向外側に間隔をおいて配置されてライナ１１２と外側スリーブ１１４との間に環状部１３２を画定する。外側スリーブ１１４は、多くの従来の燃焼システムのように、前方端部に流れスリーブ部分を、後方端部に衝突スリーブ部分を含むことができる。あるいは、外側スリーブ１１４は、流れスリーブ部分および衝突スリーブ部分が軸方向に互いに一体化された一体型本体（または「ユニスリーブ」）構成を有してもよい。前述のように、本明細書の外側スリーブ１１４の説明は、別個の流れスリーブおよび衝突スリーブを有する従来の燃焼システムと、ユニスリーブの外側スリーブを有する燃焼システムの両方を包含することが意図されている。
【００２７】
燃焼缶２４のヘッド端部部分１２０は、１つまたは複数の燃料ノズル１２２を含む。燃料ノズル１２２は、上流（または入口）端部に燃料入口１２４を有する。燃料入口１２４は、燃焼缶２４の前方端部にエンドカバー１２６を介して形成されてもよい。燃料ノズル１２２の下流（または出口）端部は、燃焼器キャップ１２８を通って延びる。
【００２８】
燃焼缶２４のヘッド端部部分１２０は、前方ケーシング１３０によって少なくとも部分的に取り囲まれ、前方ケーシング１３０は、圧縮機吐出ケース１４０に物理的に結合され、流体接続される。圧縮機吐出ケース１４０は、圧縮機１６の出口に流体接続され、燃焼缶２４の少なくとも一部を取り囲む加圧空気プレナム１４２を画定する。空気１８は、外側スリーブ１１４に画定された開口部を介して、圧縮機吐出ケース１４０から燃焼缶の後方端部の環状部１３２に流れる。環状部１３２はヘッド端部部分１２０に流体結合されるので、空気流１８は、燃焼缶２４の後方端部からヘッド端部部分１２０へと上流に移動し、そこで空気流１８が方向転換して燃料ノズル１２２に入る。
【００２９】
燃料２０（および／または２１）ならびに圧縮された空気１８は、燃料ノズル１２２によってライナ１１２の前方端部の一次燃焼領域１５０に導入され、そこで燃料および空気が燃焼されて燃焼ガス２６を形成する。一実施形態では、燃料および空気は、燃料ノズル１２２内で（たとえば、予混合燃料ノズル内で）混合される。他の実施形態では、燃料および空気を一次燃焼領域１５０に別々に導入し、一次燃焼領域１５０内で（たとえば、拡散ノズルで発生し得るように）混合することができる。本明細書において「第１の燃料／空気混合物」と言及する場合は、予混合燃料／空気混合物と拡散タイプの燃料／空気混合物の両方を説明するものとして解釈されるべきであり、いずれも燃料ノズル１２２によって発生し得る。燃焼ガス２６は、燃焼缶２４の後方フレームによって表される、燃焼缶２４の後方端部１１８に向かって下流に移動する。
【００３０】
追加の燃料および空気が、１つまたは複数の燃料噴射器３００によって二次燃焼領域１６０に導入され、そこで燃料および空気が一次燃焼領域１５０からの燃焼ガスによって点火され、複合燃焼ガス生成物流２６を形成する。軸方向に分離された燃焼領域を有するこのような燃焼システムは、「軸方向燃料ステージング」（ＡＦＳ）システム２００として説明され、下流の噴射器３００は、「ＡＦＳ噴射器」と呼ぶことができる。
【００３１】
図示の実施形態では、各ＡＦＳ噴射器３００の燃料（たとえば、液体燃料２１）は、燃焼缶２４の前方端部から、それぞれの燃料入口２５４を介して供給される。各燃料入口２５４は、それぞれのＡＦＳ噴射器３００に結合された燃料供給ライン２０４に結合される。燃料をＡＦＳ噴射器３００に供給する他の方法を用いてもよく、方法は、リングマニホルドから、または圧縮機吐出ケース１４０を通って延びる半径方向に配向された燃料供給ラインから燃料を供給することを含むことを理解されたい。さらに、図３は、燃焼器缶２４の外側表面に沿って燃料噴射器３００に軸方向に延びる液体燃料供給ライン２０４と気体燃料供給ライン２０２の両方を示しているが、気体燃料２０および液体燃料２１の一方または両方が、リングマニホルドから、または圧縮機吐出ケース１４０を通って延びる半径方向に配向された燃料供給ラインから供給されてもよいことを理解されたい。
【００３２】
燃料噴射器３００は、第２の燃料／空気混合物１５６を噴射軸３１２に沿って半径方向に燃焼ライナ１１２に噴射し、それにより二次燃焼領域１６０を形成する。一次および二次燃焼領域からの複合高温ガス２６は、燃焼器缶２４の後方端部１１８を通ってタービンセクションへと下流に移動し、そこで燃焼ガス２６が膨張してタービン２８を駆動する。
【００３３】
特に、異なる燃料を有する燃焼器２４の操作性を向上させるために、燃料噴射器３００は、気体燃料２０と液体燃料２１の両方と別々にまたは同時に機能することが望ましい。燃料噴射器３００は、一度に単一の燃料（たとえば、気体燃料２０または液体燃料２１のみ）で動作してもよいし、同時燃焼して、気体燃料２０と液体燃料２１の両方を二次燃焼領域１６０に同時に導入してもよい。燃料噴射器３００および／または燃料供給ライン２０２、２０４は、保護カバー２０６によって損傷から保護することができる。あるいは、保護カバー２０６は、燃料噴射器３００のみを取り囲んでもよいし、燃料噴射器３００への空気１８の流れを調整するための複数のオリフィス（図示せず）を含んでもよい。
【００３４】
図３は、気体燃料２０および液体燃料２１を燃料噴射器３００に供給するための例示的な構成を示している。気体燃料供給源２２からの気体燃料２０は、気体燃料供給ライン２０２に流体結合された上流の気体燃料導管またはマニホルド２０１を通って運ばれてもよい。気体燃料供給ライン２０２は、燃料噴射器３００のそれぞれの気体燃料導管取付具３３２に接合される。
【００３５】
液体燃料供給源２３からの液体燃料２１は、液体燃料供給ライン２０４に流体結合された上流の液体燃料導管またはマニホルド２０３を通って運ばれてもよい。液体燃料供給ライン２０４は、燃料噴射器３００のそれぞれの液体燃料導管取付具３３４に接合される。液体燃料２１のマニホルド２０３は、コークス化の可能性を低減するために水によって冷却されてもよい。
【００３６】
設置を容易にし、ＡＦＳシステム２００の高さを最小限に抑えるために、燃料供給ライン２０２、２０４は、円周方向に互いに間隔をおいて配置されるが、同じ目的のために他の構成を代わりに用いることもできる。たとえば、燃料供給ライン２０４は、燃料供給ライン２０２内に同心に配置されてもよい。
【００３７】
図４〜図１５は、ＡＦＳシステム２００に用いられ得る、燃料噴射器３００の様々な実施形態を示している。様々な特徴を有する燃料噴射器を区別するために、燃料噴射器は、番号３００と共に、本明細書および添付の図面で文字（たとえば、ａ、ｂ、ｃ、など）でラベル付けされる。いずれの燃料噴射器３００も、図１、図２、および図３に示す燃焼器２４に使用できることを理解されたい。または類似の特徴は、可能な限り一般的な数値による記号で参照される。
【００３８】
図４〜図７は、本開示の１つの態様による、上述のＡＦＳシステム２００で使用するための例示的な燃料噴射器３００ａを具体的に示している。図４は、燃料噴射器３００ａの斜視図である。図５は、図４の燃料噴射器３００ａの断面図である。図６は、図４の燃料噴射器３００ａの俯瞰平面図であり、図７は、図４の燃料噴射器３００ａの出口部分の断面正面図である。
【００３９】
例示的な実施形態では、燃料噴射器３００ａは、互いに結合される取り付けフランジ３０２と、フレーム３０４と、出口部材３１０とを含む。一実施形態では、取り付けフランジ３０２、フレーム３０４、および出口部材３１０は、単一ピース構造として製造される（すなわち、互いに一体的に形成される）。あるいは、他の実施形態では、フランジ３０２は、フレーム３０４および／または出口部材３１０と一体的に形成されなくてもよい（たとえば、フランジ３０２は、適切な締結具を使用してフレーム３０４および／または出口部材３１０に結合されてもよい）。さらに、フレーム３０４および出口部材３１０は、たとえば、永久的手段（溶接など）によって、または取り外し可能な手段（相互係止部材または特徴など）によってフランジ３０２に別々に接合される一体化された単一ピースユニットとして作製されてもよい。
【００４０】
フランジ３０２は、略平面状（すなわち、「略平面状」は、フランジ３０２が外側スリーブ１１４の形状に相補的な円周方向にわずかな湾曲を有することができることを意味する）である。フランジ３０２は、燃料噴射器３００ａを外側スリーブ１１４に結合するための締結具（図示せず）を受け入れるように各々サイズ決めされる複数の開口３０６を画定する。燃料噴射器３００ａは、フレーム３０４が外側スリーブ１１４に結合されることを可能にするフランジ３０２の代わりに、またはそれと組み合わせて任意の適切な構造を有することができ、これにより燃料噴射器３００ａが本明細書に記載のように機能する。
【００４１】
フレーム３０４は、燃料噴射器３００ａの入口部分３０８を画定し、本明細書でさらに説明されるように、少なくとも１つの燃料噴射本体３４０のキャリヤである。フレーム３０４は、第１の対の対向して配置された側壁３２６と、側壁３２６を接続する第２の対の対向して配置された端部壁３２８とを含む。側壁３２６は、端部壁３２８より長く、したがってフレーム３０４に軸方向に略長方形の輪郭を提供する。フレーム３０４は、半径方向に略台形状の輪郭を有する（すなわち、側壁３２６は、フランジ３０２に対して傾斜している）。
【００４２】
図５に示すように、フレーム３０４は、フランジ３０２に近接する第１の端部３１８（「近位端部」）と、フランジ３０２に対して遠位の第２の端部３２０（「遠位端部」）とを有する。側壁３２６の第１の端部３１８は、それぞれの長手方向平面において比較した場合に、側壁３２６の第２の端部より燃料噴射器３００の長手方向軸（ＬＩＮＪ）からより遠くに間隔をおいて配置される。１つの例示的な実施形態では、入口部材３０８の遠位端部３２０は、フレーム３０４の近位端部３１８より広くすることができるので、フレーム３０４が遠位端部３２０と近位端部３１８との間で少なくとも部分的にテーパ状（または漏斗状）である。言い換えれば、上述の例示的な実施形態では、側面３２６は、遠位端部３２０から近位端部３１８に向かって厚みが収束する。
【００４３】
出口部材３１０は、フレーム３０４の反対側の側面のフランジ３０２から半径方向に延びる。出口部材３１０は、半径方向および軸方向に均一な、または実質的に均一な断面積を画定する。出口部材３１０は、フレーム３０４とライナ１１２の内部との間の流体連通を提供し、第２の燃料／空気混合物１５６を噴射軸３１２（図５に示す）に沿って二次燃焼領域１６０に供給する。出口部材３１０は、燃料噴射器３００が設置されると、フランジ３０２に近接する第１の端部３２２と、フランジ３０２に対して遠位の（かつライナ１１２に近接する）第２の端部３２４とを有する。さらに、燃料噴射器３００が設置されると、出口部材３１０は、フランジ３０２が外側スリーブ１１４（図２および図３に示す）の外側表面に位置するように、ライナ１１２と外側スリーブ１１４との間の環状部１３２内に位置する。
【００４４】
噴射軸３１２は、例示的な実施形態では略直線状であるが、噴射軸３１２は、他の実施形態では非直線状であってもよい。たとえば、出口部材３１０は、他の実施形態（図示せず）では円弧形状を有してもよい。噴射軸３１２は、燃焼缶２４の長手方向軸１７０（ＬＣＯＭＢ）に対する半径方向寸法「Ｒ」を表す。燃料噴射器３００ａは、噴射軸３１２に略垂直な長手方向寸法（軸ＬＩＮＪとして表す）と、長手方向軸ＬＩＮＪの周りに延びる円周方向寸法「Ｃ」とをさらに含む。
【００４５】
したがって、フレーム３０４は、フランジ３０２から第１の方向に半径方向に延び、出口部材３１０は、フランジ３０２から第１の方向とは反対の第２の方向に半径方向内側に延びる。フランジ３０２は、フレーム３０４の周りに円周方向に（すなわち、外接するように）延びる。フレーム３０４および出口部材３１０は、噴射軸３１２の周りに円周方向に延び、フランジ３０２を横切って互いに流れ連通する。
【００４６】
本明細書に示す実施形態は、フランジ３０２がフレーム３０４と出口部材３１０との間に位置するように示しているが、フランジ３０２は、他の場所に位置してもよいし、他の適切な配向で位置してもよいことを理解されたい。たとえば、フレーム３０４および出口部材３１０は、フランジ３０２から略反対方向に延びなくてもよい。
【００４７】
例示的な実施形態では、燃料噴射器３００ａは、燃料噴射本体３４０と流体連通する気体燃料導管取付具３３２をさらに含む。示すように、気体燃料導管取付具３３２は、フレーム３０４の端部壁３２８の１つと一体的に形成され、これにより気体燃料導管取付具３３２が噴射器３００の長手方向軸（ＬＩＮＪ）に沿って略外側に延びる。気体燃料導管取付具３３２は、気体燃料供給ライン２０２に接続され、そこから気体燃料２０を受け取る。気体燃料導管取付具３３２は、任意の適切なサイズおよび形状を有することができ、導管取付具３３２が本明細書に記載のように機能することを可能にするフレーム３０４の任意の適切な部分と一体的に形成することができ、またはそれと結合することができる（たとえば、導管取付具３３２は、いくつかの実施形態では側壁３２６と一体的に形成されてもよい）。
【００４８】
燃料噴射本体３４０は、気体燃料導管取付具３３２が突出する端部壁３２８と一体的に形成される第１の端部３３６と、燃料噴射器３００ａの反対側の端部の端部壁３２８と一体的に形成される第２の端部３３８とを有する。燃料噴射本体３４０は、端部壁３２８の間でフレーム３０４を横切って略直線状に延び、導管取付具３３２と流体連通する内側燃料チャンバ３５０（図５に示す）を画定する。他の実施形態では、燃料噴射本体３４０は、燃料噴射本体３４０が本明細書に記載のように機能することを可能にするフレーム３０４の任意の適切な部分からフレーム３０４を横切って延びてもよい（たとえば、燃料噴射本体３４０は、側壁３２６の間に延びてもよい）。あるいはまたはそれに加えて、燃料噴射本体３４０は、対向して配置された壁（３２６または３２８）の間に円弧形状を画定してもよい。
【００４９】
上述したように、燃料噴射本体３４０は、内側燃料チャンバ３５０を画定し、かつフレーム３０４の端部壁３２８の間に延びる中空構造を形成する複数の表面を有する。長手方向軸ＬＩＮＪに垂直な断面で見た場合に、図５に示すように、燃料噴射本体３４０（本実施形態では）は、一般に、湾曲した前縁３４２と、対向して配置された後縁３４４と、前縁３４２から後縁３４４に延びる一対の対向する燃料噴射表面３４６、３４８とを備える逆涙滴形状を有する。燃料チャンバ３５０は、（端部壁３２８を通って導管取付具３３２に流体連通していることを除いて）フランジ３０２内またはフレーム３０４内に延びていない。
【００５０】
燃料噴射本体３４０は、前縁３４２が側壁３２６の遠位端部３２０に近接するように配向される（すなわち、前縁３４２は、側壁３２６の近位端部３１８から離れて面する）。後縁３４４は、側壁３２６の近位端部３１８に近接して位置する（すなわち、後縁３４４は、側壁３２６の遠位端部３２０から離れて面する）。したがって、後縁３４４は、前縁３４２よりフランジ３０２のより近くにある。
【００５１】
各燃料噴射表面３４６、３４８は、側壁３２６のそれぞれの内部表面３３０に面し、したがって、後縁３４４の下流で、かつ出口部材３１０（図５）の上流またはその中で互いに交差する一対の流路３５２（図６に見られる）を画定する。流路３５２は、フレーム３０４の遠位端部３２０からフレーム３０４の近位端部３１８まで均一な寸法であるように示されているが、流路３５２が遠位端部３２０から近位端部３１８に向かって収束し、それにより流れを加速することができることを理解されたい。
【００５２】
各燃料噴射表面３４６、３４８は、内側チャンバ３５０と流路３５２との間の流体連通を提供する複数の燃料噴射ポート３５４を含む。燃料噴射ポート３５４は、たとえば、燃料噴射本体３４０が本明細書に記載のように機能することを可能にするのに適した任意の方法（たとえば、１つまたは複数の列）で、燃料噴射表面３４６、３４８（図２を参照）の長さに沿って間隔をおいて配置される。
【００５３】
さらに、図４および図５に示すように、フレーム３０４の側壁３２６は、フランジ３０２に対してある角度で配向され、したがって、フレーム３０４は、側壁３２６の遠位端部３２０から近位端部３１８に向かって収束する。いくつかの実施形態では、端部壁３２８は、さらにまたは代わりに、フランジ３０２に対してある角度で配向されてもよい。側壁３２６および端部壁３２８は、略直線状の断面輪郭を有する。他の実施形態では、側面セグメント３２６および端部セグメント３２８は、フレーム３０４が遠位端部３２０と近位端部３１８との間で少なくとも部分的に収束する（すなわち、テーパ状である）ことを可能にする任意の適切な断面輪郭を有してもよい（たとえば、少なくとも１つの側壁３２６は、端部３２０と端部３１８との間で円弧状に延びる断面輪郭を有してもよい）。あるいは、フレーム３０４は、端部３２０と端部３１８との間でテーパ状でなくてもよい（たとえば、他の実施形態では、側壁３２６および端部壁３２８は各々、噴射軸３１２に対して実質的に平行に配向された実質的に直線状の断面輪郭を有してもよい）。
【００５４】
図７は、図５の線７−７に沿った、燃料噴射器３００の出口部材３１０の断面正面図である。出口部材３１０には、前縁４１１と、後縁４１５と、第１の出口側壁４１６と、第２の出口側壁４１８とが設けられる。出口側壁４１６、４１８は、前縁４１１または後縁４１５より長く、それにより略細長い形状を出口部材３１０に付与する。前縁４１１および後縁４１５は相対的に直線状であるように示されているが、これらの縁４１１および４１５の一方または両方は、代わりに円弧状または湾曲状でもよいことを理解されたい。さらに、前縁４１１および後縁４１５が略等しい長さであるように示されているが、前縁４１１および後縁４１５の一方は、対向する縁（それぞれ４１５または４１１）より長くてもよく、それにより出口部材３１０を長手方向（ＬＩＮＪに沿って）にテーパ状にさせることを理解されたい。
【００５５】
出口部材３１０は、内側表面４１０と、外側表面４１２と、底部表面４１４（図５に示す）とを含む。内側表面４１０、外側表面４１２、および底部表面４１４は、液体燃料導管取付具３３４と流体連通する液体燃料混合物プレナム３６０を少なくとも部分的に画定する。液体燃料混合物プレナム３６０は、液体燃料供給ライン２０４から受け取られる液体燃料と水の混合物を収容する。液体燃料混合物プレナム３６０は、（気体）燃料噴射本体３４０の後縁３４４の下流にある液体燃料混合物噴射ポート３６２に水と液体燃料２１の混合物を供給する。液体燃料混合物プレナム３６０および対応する液体燃料混合物噴射ポート３６２は、出口部材３１０の前縁４１１に沿って位置し、前縁４１１は、ライナ１１２を通る燃焼生成物２６の流れに対する出口部材３１０の上流（または先頭）部分として画定される。
【００５６】
図８は、液体燃料と水の混合物を出口部材３１０に噴射するための代替の構成を示している。この構成では、燃料噴射器３００ｂには、液体燃料混合物噴射ポート３６２の下流に配置される第２の液体燃料混合物噴射ポート３６４および第３の液体燃料混合物噴射ポート３６６が設けられる。一実施形態では、示すように、（第１の）液体燃料混合物噴射ポート３６２は、第２の液体燃料混合物噴射ポート３６４より大きい直径を有し、第２の液体燃料混合物噴射ポート３６４は、第３の液体燃料混合物噴射ポート３６６より大きい直径を有する。異なる直径および減少する直径の液体燃料混合物噴射ポート３６２、３６４、３６６を使用することにより、異なる長さのスプレーアークが発生して異なる流量を出口部材３１０に供給し、これにより、流路３５２を通って流れる空気１８との液体燃料／水混合物の混合を促進することができる。
【００５７】
図９および図１０は、液体燃料２１および水が別々に出口部材３１０に噴射される、本開示の追加の構成を示している。図９は、単一の燃料噴射本体３４０を有する燃料噴射器３００ｃを示し、図１０は、一対の燃料噴射本体３４０ａ、３４０ｂを有する燃料噴射器３００ｄを示している。
【００５８】
これらの実施形態では、液体燃料供給ライン２０４は、液体燃料供給ライン２１６が水供給ライン２１８に取り囲まれるチューブ内チューブアセンブリ２１０に置き換えられる。同様に、液体燃料導管取付具３３４は、液体燃料導管３７６が水導管３７８内に配置される導管内導管取付具３７４に置き換えられる。液体燃料導管３７６は、液体燃料プレナム３８０と流体連通して配置され、液体燃料噴射ポート３８２に流体を供給する。水導管３７８は、水プレナム３７０と流体連通して配置され、流体噴射ポート３７２に流体を供給する。
【００５９】
代替の実施形態では、水供給ライン２１８および水導管３７８は、圧縮された空気１８の源と流体連通する空気供給ラインおよび空気導管（別々に示されていないが、構造的に同一である）に置き換えることができる。
【００６０】
同心チューブ２１０および取付具３７４を使用することにより、液体燃料漏れによる損傷のリスクが最小限に抑えられる。液体燃料漏れの恐れがある場合には、漏れた液体燃料は、最も外側のチューブ２１８または取付具３７８内に収容され、その後、燃料噴射器３００ｃ、３００ｄに運ばれる。必要に応じて、液体燃料供給ライン２１６および／または水供給ライン２１８の圧力を監視するセンサを使用して、噴射器３００ｃ、３００ｄの性能に影響を与える可能性がある液体燃料供給ライン２１６および／または水供給ライン２１８の漏れをそれぞれ検出することができる。
【００６１】
一実施形態では、図示のように、液体燃料噴射ポート３８２と流体噴射ポート３７２の両方は、燃料噴射本体３４０の後縁３４４の下流に位置する。場合によっては、出口部材３１０内の液体燃料２１と空気１８の混合時間を最大にするために燃料噴射ポート３８２と後縁３４４との間の距離を最小限に抑え、かつ横断空気流に液体燃料２１の液滴をより広く浸透させることが望ましい場合がある。
【００６２】
例示された一実施形態では、流体噴射ポート３７２は、液体燃料噴射ポート３８２の上流にあるように示されており、燃料噴射ポート３６２でのコークス化を最小限に抑えることに役立ち得る。しかし、他の例では、流体噴射ポート３７２は、液体燃料噴射ポート３８２の下流に配置されてもよい。
【００６３】
図９および図１０の例示的な実施形態では、水噴射ポート３７２および液体燃料噴射ポート３８２は、同じサイズの直径を有するものとして示されている。しかし、他の例では、流体噴射ポート３７２は、液体燃料噴射ポート３８２より小さくても大きくてもよい。
【００６４】
図９および図１０の例示的な実施形態では、単一の流体噴射ポート３７２が、単一の液体燃料噴射ポート３８２の上流に位置する。しかし、他の例では、２つ以上の流体噴射ポート３７２を、１つまたは複数の燃料噴射ポート３８２の上流で用いることができる。さらに他の例では、流体噴射ポート３７２は、２つ以上の液体燃料噴射ポート３８２の上流で用いられてもよい。複数の噴射ポートが使用される場合、ポート３７２および／または３８２は、半径方向または円周方向（たとえば、出口部材３１０の前縁４１１の周りに、または出口部材３１０の周囲に）配置されてもよいことが企図されている。
【００６５】
図１０に示すように、燃料噴射器３００ｄの入口部分３０８は、適切な数の流路３５２を画定する任意の適切な配向のフレーム３０４を横切って延びる２つ以上の燃料噴射本体３４０（すなわち、燃料噴射本体３４０ａ、３４０ｂ）を含むことができる。たとえば、図１０に示す実施形態では、燃料噴射器３００ｄは、フレーム３０４内に３つの間隔をおいて配置された流路３５２を画定する一対の隣接する燃料噴射本体３４０ａ、３４０ｂを含む。一実施形態では、燃料噴射本体３４０ａ、３４０ｂが噴射軸３１２に対して同じ角度で配向される結果として、流路３５２が等間隔に配置される。各燃料噴射本体３４０ａ、３４０ｂは、上述したように、複数の燃料噴射ポート３５４を少なくとも１つの燃料噴射表面３４６または３４８に含むことで、燃料噴射ポート３５４が各燃料噴射本体３４０ａ、３４０ｂ内に画定されたそれぞれの燃料チャンバ３５０と流体連通する。同様に、燃料チャンバ３５０は、導管取付具３３２と流体連通し、気体燃料２０を気体燃料供給ライン２０２から受け取る。
【００６６】
図１１および図１２は、燃料噴射器３００ｅを示しており、フレーム３０４および／または取り付けフランジ３０２の端部壁３２８は、水プレナム３７０および水と液体燃料が噴射前に混合される混合プレナム３９０を内部に画定する。水は、１つまたは複数の流体噴射ポート３７２を介して水プレナム３７０から噴射される。液体燃料と水の混合物は、混合プレナム３９０から１つまたは複数の液体燃料混合物噴射ポート３９２を介して噴射される。
【００６７】
燃料噴射器３００ｅの端部壁３２８内で、流れ制限器３９４は、混合プレナム３９０の液体燃料が水プレナム３７０に流れるのを制限し、流体噴射ポート３７２を通って噴射されるのを制限する。水導管３７８からの水は、水プレナム３７０と混合プレナム３９０の両方に流れる。液体燃料は、液体燃料導管３７６から混合プレナム３９０に流れ、ここで水と混合する。混合プレナム３９０内に位置した混合装置３９６は、混合装置３９６と液体燃料混合物噴射ポート３９２との間に位置した湾曲部または肘部３９８と同様に、液体燃料と水の混合を促進する。
【００６８】
例示的な実施形態では、流体噴射ポート３７２は、液体燃料混合物噴射ポート３９２の上流にある。水を液体燃料の上流に導入することによって、およびいくつかの実施形態では、液体燃料混合物の導入前に、燃料噴射器３００ｅの入口部分３０８を通って流れる空気の温度および燃料噴射器３００ｅの表面の温度は低下し、それにより液体燃料混合物の自動発火のリスクが軽減される。さらに、水は、壁３２６、３２８および出口部材３１０の内側表面に沿ってフィルムを生成することができ、したがって、液体燃料が内側表面に沿ってコークス化する傾向を低減する。
【００６９】
図１３は、燃料噴射器３００のさらに別の変形である燃料噴射器３００ｆを示している。燃料噴射器３００ｆにおいて、液体燃料混合物プレナム１３６０は、出口部材３１０内に配置され、出口部材３１０の一部またはすべてに外接する。たとえば、液体燃料プレナム３６０は、前縁４１１、出口側壁４１６、４１８、および後縁４１５に沿って延びることができる。液体燃料混合物プレナム３６０は、液体燃料導管取付具３３４と流体連通する。
【００７０】
液体燃料と水の混合物は、出口部材３１０の内側表面４１０に沿って円周方向に分布した複数の液体燃料混合物噴射ポート１３６２を介して、液体燃料混合物プレナム１３６０から噴射される。燃料噴射器３００の入口部分３０８は、示すように、単一の燃料噴射本体３４０、または図１０に示すように、２つ以上の燃料噴射本体（たとえば、３４０ａ、３４０ｂ）を含むことができる。
【００７１】
図１４は、線１４−１４に沿った、図１３の燃料噴射器３００ｆの出口部材３１０の断面正面図である。液体燃料混合物噴射ポート１３６２は、液体燃料混合物プレナム１３６０と流体連通する出口部材３１０の周りに配置される。液体燃料混合物噴射ポート１３６２は、示すように、出口部材３１０の前縁４１１に向かってより集中している。より少ない数のおよび／またはより小さい液体燃料混合物噴射ポート１３６２が、出口部材３１０の側面および後縁４１５に沿って配置されてもよい。あるいは、液体燃料混合物噴射ポート１３６２は、出口部材３１０の円周の周りに均一に分布してもよい。
【００７２】
図１５は、燃料噴射器３００ｇの断面図である。この構成では、液体燃料プレナム１３８０および水プレナム１３７０は、出口部材３１０の側壁４１６および／または側壁４１８に沿って配置される。液体燃料プレナム１３８０は、出口部材３１０の円周部分に沿って１つまたは複数の液体燃料噴射ポート１３８２に液体を供給することができる。同様に、水プレナム１３７０は、出口部材３１０の同じ円周部分に沿って１つまたは複数の流体噴射ポート１３７２に液体を供給することができる。噴射ポート１３７２および／または１３８２は、出口部材３１０の内側表面４１０に垂直に（すなわち、「直角」に）流れを向けることができ、または示すように、出口部材３１０の内側表面４１０に対して非直角（「傾斜して」または「斜め」）に流れを向けることができる。ポート１３７２および／または１３８２は、燃料噴射器３００ｇの入口部分３０８を通る空気の流れに対して、上流方向または下流方向に傾斜してもよい。ポート１３７２は、ポート１３８２の配向とは異なる第１の角度（直角を含む）に配向させることができる。あるいは、出口部材３１０の異なる部分のポート１３７２および／または１３８２は、他のポート１３７２および／または１３８２とは異なる角度でそれぞれ配向されてもよい。
【００７３】
図１５は、出口部材３１０の両方の側壁４１６、４１８に沿って位置した水プレナム１３７０および液体燃料プレナム１３８０を示しているが、水プレナム１３７０および液体燃料プレナム１３８０は、単一の側壁４１６または４１８に沿って位置してもよいことを理解されたい。さらに、水プレナム１３７０および液体燃料プレナム１３８０は、前縁壁４１１および後縁壁４１５の１つまたは複数に沿って、またはその中に配置されてもよいことをさらに理解されたい。言い換えると、水プレナム１３７０および液体燃料プレナム１３８０は、出口部材３１０の円周内に配置されてもよく、対応する噴射ポート１３７２、１３８２は、上述したように、均一にまたは不均一に（たとえば、前縁壁４１１に向かって付勢されて）間隔をおいて配置される。
【００７４】
図１６は、噴射前に液体燃料／水混合物が液体燃料混合物導管取付具３３４によってスワーラアセンブリ５００を通って運ばれる燃料噴射器３００ｈを示している。スワーラアセンブリ５００は、出口部材３１０の前縁４１１の外側表面４１２に取り付けられる。スワーラアセンブリ５００（図１７に示す）は、スワーラハウジング５０４によって外接される中央ハブ５０２を含む。複数の翼形状のスワールベーン５０６が、中央ハブ５０２とスワーラハウジング５０４との間に延びる。スワールベーン５０６は、液体燃料／水混合物が液体燃料混合物噴射ポート２３６２を通って運ばれるとき、旋回運動量を混合物に付与する。スワーラハウジング５０４の半径方向外側には、スワーラアセンブリ５００を出口部材３１０に取り付けるために使用される一対の取り付けフランジ５０８が存在する。
【００７５】
ここで、燃料噴射器３００ａ〜３００ｈを参照すると、燃焼缶２４のある特定の動作中、圧縮されたガス１８がフレーム３４０へと流路３５２を通って流れる。燃料噴射器３００（３００ａ〜３００ｈのいずれか）が液体燃料で動作しているとき、液体燃料２１は、液体燃料供給ライン２０４によって供給される液体燃料導管取付具３３４を介して、液体／水混合物の一部として、または液体燃料供給ライン２１６によって供給される液体燃料導管３７６と、水供給ライン２１８によって供給される水導管３７８とを有する導管内導管アセンブリ３７４を介して、水からの別個の供給として、燃料噴射器３００に供給される。液体燃料および水は、１つまたは複数の噴射ポート（たとえば、３５４、３６２、３６４、３６６、３７２、１３６２、１３７２、１３８２、２３６２）を通って燃料噴射器３００の出口部材３１０に噴射される。液体燃料は、フレーム３０４を通って流れる圧縮された空気１８によって霧化され、出口部材３１０を通って燃焼器ライナ１１２内の二次燃焼領域１６０に運ばれる（図２に示すように）。
【００７６】
同時燃焼動作では、気体燃料２０が気体燃料供給ライン２０２を通り、導管取付具３３２を通って１つまたは複数の燃料噴射本体３４０の内側燃料チャンバ３５０に運ばれる。気体燃料２０は、燃料チャンバ３５０から各燃料噴射本体３４０の燃料噴射表面３４６および／または３４８の燃料噴射ポート３５４を通って噴射軸３１２に対して実質的に半径方向に流路３５２を通過し、そこで気体燃料２０が圧縮された空気１８と混合する。気体燃料２０および圧縮された空気１８は、燃料／空気混合物を形成し、液体燃料混合物と共に出口部材３１０を通って二次燃焼領域１６０に噴射される（図２に示すように）。
【００７７】
本明細書に記載の方法およびシステムは、燃焼器の下流の燃料段への液体燃料を導入を容易にする。より具体的には、方法およびシステムは、圧縮されたガス全体にわたる液体燃料の分配を改善するような方法で、燃料噴射器を通って液体燃料および水を供給することを容易にする。したがって、方法およびシステムは、たとえば、タービンアセンブリの燃焼器などの燃焼器の全体的な動作効率を向上させることを容易にする。これは、出力を増加させ、たとえば、タービンアセンブリの燃焼器などの燃焼器の動作に関連するコストを低減する。さらに、本燃料噴射器は、燃料噴射器が液体燃料と天然ガスの両方を順次または同時に燃焼させるように構成されている点で、より大きな操作上の柔軟性を提供する。
【００７８】
燃料噴射器の例示的な実施形態およびその製造方法について、上で詳細に説明している。本明細書に記載の方法およびシステムは、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、方法およびシステムの構成要素は、本明細書に記載の他の構成要素から独立してかつ別々に利用することが可能である。たとえば、本明細書に記載の方法およびシステムは、本明細書に記載のタービンアセンブリにおける実施に限定されない他の用途を有することができる。むしろ、本明細書に記載の方法およびシステムは、様々な他の産業に関連して実施および利用することが可能である。
【００７９】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者は、本発明が特許請求の範囲の精神および範囲内の修正を加えて実施できることを認識するであろう。
【符号の説明】
【００８０】
１０  ヘビーデューティガスタービン
１２  入口セクション
１４  作動流体
１６  圧縮機
１８  圧縮された作動流体、圧縮された空気、圧縮されたガス、空気流
２０  気体燃料
２１  液体燃料
２２  気体燃料供給システム、気体燃料供給源
２３  液体燃料供給システム、液体燃料供給源
２４  燃焼器、燃焼缶、燃焼器缶
２６  燃焼ガス、燃焼生成物、複合高温ガス、複合燃焼ガス生成物流
２８  タービン
３０  シャフト
３２  発電機
３４  排気ガス
１１２  燃焼器ライナ、燃焼ライナ
１１４  外側スリーブ
１１８  後方端部燃料噴射ポート
１２０  ヘッド端部部分
１２２  燃料ノズル
１２４  燃料入口
１２６  エンドカバー
１２８  燃焼器キャップ
１３０  前方ケーシング
１３２  環状部
１４０  圧縮機吐出ケース
１４２  加圧空気プレナム
１５０  一次燃焼領域
１５６  第２の燃料／空気混合物
１６０  二次燃焼領域
１７０  長手方向軸
２００  軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）システム
２０１  マニホルド
２０２  気体燃料供給ライン
２０３  マニホルド
２０４  液体燃料供給ライン
２０６  保護カバー
２１０  チューブ内チューブアセンブリ
２１６  液体燃料供給ライン
２１８  水供給ライン、チューブ
２５４  燃料入口
３００  ＡＦＳ噴射器、燃料噴射器
３００ａ  燃料噴射器
３００ｂ  燃料噴射器
３００ｃ  燃料噴射器
３００ｄ  燃料噴射器
３００ｅ  燃料噴射器
３００ｆ  燃料噴射器
３００ｇ  燃料噴射器
３００ｈ  燃料噴射器
３０２  取り付けフランジ
３０４  フレーム
３０６  開口
３０８  入口部分、入口部材
３１０  出口部材
３１２  噴射軸
３１８  近位端部、第１の端部
３２０  遠位端部、第２の端部
３２２  第１の端部
３２４  第２の端部
３２６  側壁、側面、側面セグメント
３２８  端部壁、端部セグメント
３３０  内部表面
３３２  気体燃料導管取付具
３３４  液体燃料混合物導管取付具
３３６  第１の端部
３３８  第２の端部
３４０  燃料噴射本体、フレーム
３４０ａ  燃料噴射器、燃料噴射本体
３４０ｂ  燃料噴射器、燃料噴射本体
３４２  前縁
３４４  後縁
３４６  燃料噴射表面
３４８  燃料噴射表面
３５０  内側燃料チャンバ
３５２  流路
３５４  燃料噴射ポート
３６０  液体燃料混合物プレナム
３６２  第１の液体燃料混合物噴射ポート
３６４  第２の液体燃料混合物噴射ポート
３６６  第３の液体燃料混合物噴射ポート
３７０  水プレナム
３７２  流体噴射ポート、水噴射ポート
３７４  導管内導管取付具、導管内導管アセンブリ
３７６  液体燃料導管
３７８  水導管、取付具
３８０  液体燃料プレナム
３８２  液体燃料噴射ポート
３９０  混合プレナム
３９２  液体燃料混合物噴射ポート
３９４  流れ制限器
３９６  混合装置
３９８  湾曲部または肘部
４１０  内側表面
４１１  前縁、前縁壁
４１２  外側表面
４１４  底部表面
４１５  後縁、後縁壁
４１６  第１の出口側壁
４１８  第２の出口側壁
５００  スワーラアセンブリ
５０２  中央ハブ
５０４  スワーラハウジング
５０６  スワールベーン
５０８  取り付けフランジ
１３６０  液体燃料混合物プレナム
１３６２  液体燃料混合物噴射ポート
１３７０  水プレナム
１３７２  流体噴射ポート
１３８０  液体燃料プレナム
１３８２  液体燃料噴射ポート
２３６２  液体燃料混合物噴射ポート
【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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【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】
2019023550.tif 000016
【図１５】
2019023550.tif 000017
【図１６】
2019023550.tif 000018
【図１７】
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【外国語明細書】
2019023550000001.pdf