(57)【要約】【課題】燃料ノズルベースアセンブリの入口領域で、燃料のより均一な流れをもたらす燃料ノズルアセンブリを提供すること。【解決手段】燃料ノズルアセンブリが有する燃料ノズルベースアセンブリの入口領域は、燃料ノズルアセンブリ内に燃料のより均一な流れを供給する。本明細書で説明される実施形態が提供する、燃料流れを調整する構成要素は、燃料環内の燃料の均一性を管理し、割り当てられた空間をより効率的に使用することにより、全体の燃料ノズルアセンブリに課せられた空間的制約を克服する。【選択図】図１
2015210074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を受け取るように構成されたエンドカバーと、
前記エンドカバーによって画定され、前記エンドカバーの一部分を通して前記燃料を送るように構成された燃料チャネルと、
燃料ノズルの入口領域を有する燃料ノズルベースアセンブリであって、前記エンドカバーに対して隣接して配置されて動作可能に結合されている燃料ノズルベースアセンブリと、
前記エンドカバーと前記燃料ノズルベースアセンブリの間に配設されたオリフィス板であって、前記オリフィス板を通って複数の開口が延在するオリフィス板と、
前記エンドカバーおよび前記オリフィス板によって少なくとも部分的に画定された環状の燃料プレナムとを備える燃料ノズルアセンブリ。
【請求項２】
前記エンドカバーと、前記燃料ノズルベースアセンブリと、前記オリフィス板とが、軸のまわりで同軸に配向されており、前記環状の燃料プレナムが前記軸のまわりで周方向に延在する請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項３】
前記環状の燃料プレナムが前記軸のまわりに３６０度延在する請求項２記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項４】
前記燃料チャネルが前記軸に対して角をなして配向されている請求項２記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項５】
前記燃料を、前記エンドカバーを通して前記環状の燃料プレナムに送るように構成された複数の燃料チャネルをさらに備える請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項６】
前記オリフィス板が、溶接、ろう付け、および機械的締結のうち少なくとも１つによって、前記燃料ノズルベースアセンブリの前記燃料ノズルの入口領域に動作可能に結合されている請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項７】
前記燃料ノズルの入口領域が、前記オリフィス板から前記燃料ノズルベースアセンブリの内部へ前記燃料が通ることを可能にするように構成された複数の開口を備える請求項６記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項８】
前記オリフィス板が前記軸のまわりに３６０度延在する請求項２記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項９】
周方向に互いに隣接して配置されて３６０度のオリフィス板アセンブリを形成する複数のオリフィス板をさらに備える請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１０】
主燃料入口を有する燃料ノズルベースアセンブリと、
前記燃料ノズルベースアセンブリによって少なくとも部分的に画定された燃料マニホールドであって、前記主燃料入口を通して供給された燃料を受け取るように構成されている燃料マニホールドと、
前記燃料マニホールドから燃料環へ延在し、互いから周方向に離隔されている複数の燃料通路とを備える燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１１】
前記燃料ノズルベースアセンブリに動作可能に結合されたカバー板をさらに備える請求項１０記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１２】
前記燃料マニホールドが、前記カバー板および前記燃料ノズルベースアセンブリによって画定される請求項１１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１３】
前記主燃料入口が、前記カバー板および前記燃料ノズルベースアセンブリによって画定された孔を備える請求項１１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１４】
前記燃料ノズルベースアセンブリが軸のまわりに配向されており、複数の燃料通路のそれぞれが前記軸に対して角をなして配向されている請求項１１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１５】
前記燃料マニホールドが前記軸のまわりに３６０度延在する請求項１４記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１６】
その中に燃料を受け取るように構成された燃料ノズルベースアセンブリと、
前記燃料ノズルベースアセンブリの上流端に画定された燃料環と、
前記燃料ノズルベースアセンブリに直接結合され、前記燃料を内部の前記燃料環に送るように構成されている前置オリフィス構造体とを備える燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１７】
前記燃料ノズルベースアセンブリと前記燃料環が軸のまわりで同軸に配向されており、前記燃料環が前記軸のまわりに３６０度延在する請求項１６記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１８】
前記燃料環内に配設された流れ操作構成要素であって、前記燃料環を通って流れる燃料の少なくとも１つの流量特性を変えるように構成されている流れ操作構成要素をさらに備える請求項１６記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１９】
互いから周方向に離隔された複数の流れ操作構成要素をさらに備える請求項１８記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項２０】
前記前置オリフィス構造体が、溶接、ろう付け、機械的締結、および圧入嵌合のうち少なくとも１つによって前記燃料ノズルベースアセンブリに動作可能に結合されている請求項１６記載の燃料ノズルアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は燃料ノズルアセンブリに関し、より詳細には、そのようなアセンブリの入口部分における燃料の流れ特性に関連した態様に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ノズルアセンブリは、大抵の場合、アセンブリの入口領域において、またはその近くで、流れが不均一になる傾向がある。燃料ノズルアセンブリ内の環状機構に燃料を送るために、単一の入口ポートが設けられることが多い。燃料ノズルアセンブリの滑らかな輪郭の内壁のために、燃料ノズルアセンブリ内の燃料噴射孔に高速ジェットが残存して、結果として静的圧力場およびその中の質量分布が変動する。これによって、燃料噴射孔のうちのいくつかが、まずいことに他のものよりも多くの燃料を受け取ることになり、それによって環状機構のまわりに大量の周方向の変動をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８２３４８７１号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様によれば、燃料ノズルアセンブリは、燃料を受け取るように構成されたエンドカバーを含む。エンドカバーによって画定され、エンドカバーの一部分を通して燃料を送るように構成された燃料チャネルも含まれる。燃料ノズルの入口領域を有する燃料ノズルベースアセンブリがさらに含まれ、エンドカバーに対して隣接して配置されて動作可能に結合されている。エンドカバーと燃料ノズルベースアセンブリの間に配設されたオリフィス板がさらに含まれ、オリフィス板を通って複数の開口が延在する。エンドカバーおよびオリフィス板によって少なくとも部分的に画定された環状の燃料プレナムも含まれる。
【０００５】
本発明の別の態様によれば、燃料ノズルアセンブリは、主燃料入口を有する燃料ノズルベースアセンブリを含む。燃料ノズルベースアセンブリによって少なくとも部分的に画定された燃料マニホールドも含まれ、主燃料入口を通して供給された燃料を受け取るように構成されている。燃料マニホールドから燃料環へ延在する複数の燃料通路がさらに含まれ、互いから周方向に離隔されている。
【０００６】
本発明のさらに別の態様によれば、燃料ノズルアセンブリは、燃料を受け取るように構成された燃料ノズルベースアセンブリを含む。燃料ノズルベースアセンブリの上流端に画定された燃料環も含まれる。燃料ノズルベースアセンブリに直接結合された前置オリフィス構造体がさらに含まれ、燃料を内部の燃料環に送るように構成されている。
【０００７】
これらおよび他の利点および特徴は、以下の説明を図面とともに解釈することから、より明らかになるであろう。
【０００８】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結びで特許請求の範囲において詳細に指摘され、明確に特許請求される。本発明の上記および他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付図面とともに解釈することから明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】第１の実施形態による燃料ノズルアセンブリの入口領域の斜視図である。
【図３】図２の実施形態の燃料ノズルアセンブリのオリフィス板の第１の側からの入口領域の斜視図である。
【図４】図２の実施形態の燃料ノズルアセンブリのオリフィス板の第２の側からの入口領域の斜視図である。
【図５】第２の実施形態による燃料ノズルアセンブリの斜視図である。
【図６】図５の実施形態の燃料ノズルアセンブリの、カバー板を除去した斜視図である。
【図７】図５の実施形態の燃料ノズルアセンブリの、部分的に透明な側面図である。
【図８】第３の実施形態による燃料ノズルアセンブリの斜視図である。
【図９】図８の実施形態による燃料ノズルアセンブリの端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明を実施するための形態は、本発明の実施形態を、図面を参照しながら利点および特徴とともに一例として説明するものである。
【００１１】
図１を参照すると、本発明の例示的実施形態によって構築されたガスタービンエンジン１０が概略的に示されている。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機部分１２、燃焼アセンブリ１４、タービン部分１６、シャフト１８および燃料供給システム２０（本明細書では燃料ノズルアセンブリとも称される）を含む。ガスタービンエンジン１０の一実施形態が、複数の圧縮機部分１２、燃焼アセンブリ１４、タービン部分１６、および／またはシャフト１８を含み得ることを理解されたい。圧縮機部分１２とタービン部分１６は、シャフト１８によって結合されている。シャフト１８は、単一のシャフトまたはシャフト１８を形成するために互いに結合された複数のシャフト部分でよい。
【００１２】
動作において、圧縮機部分１２に空気が流れ込み、圧縮されて高圧流体になる。高圧ガスは、燃焼アセンブリ１４に供給され、たとえばプロセスガスおよび／または合成ガスといった燃料２２と混合される。あるいは、燃焼アセンブリ１４は、それだけではないが、天然ガスおよび／または重油を含んでいる燃料を燃焼させることができる。本発明は、ガスと液体燃料の両方で動作するように構成されたガスタービンエンジン１０に適用され得るが、本明細書で説明される実施形態は、一般的にはガス燃料通路に関係するものである。燃料／空気または燃焼性の混合物が点火されて、高圧高温の燃焼ガス流れを形成する。その後、燃焼アセンブリ１４は燃焼ガス流れをタービン部分１６に流し、タービン部分１６は熱エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する。
【００１３】
次に図２〜図４を参照すると、燃焼アセンブリ１４に燃料２２を送るように構成された燃料供給システム２０が、本発明の一実施形態よってより詳細に示されている。より具体的には、燃料供給システム２０の入口領域２４が示されている。入口領域２４は、燃料２２が、上記で言及された燃料２２と高圧ガス（たとえば圧縮空気）を混合するように構成された下流領域（図示せず）へ送られるように、燃料ノズルベースアセンブリ２６の中へ導入される領域を全般的に指す。空気と燃料を混合する効率は、燃料ノズルベースアセンブリ２６の中へ導入される燃料２２の流れの均一性によって影響される。そのため、入口領域２４の設計は、流れの均一性の、したがって総合的なシステム性能、操作性、および効率の、重要な要因である。
【００１４】
エンドカバー２８は、入口領域２４に隣接した１つまたは複数の燃料ノズルベースアセンブリ２６に動作可能に結合されるが、本明細書では単一の燃料ノズルベースアセンブリ２６が示されている。結合は、機械的締結、溶接、または他の適切な接合方法でなされてよい。エンドカバー２８の中には燃料チャネル３０が画定されており、エンドカバー２８を通して燃料２２を送るように構成されている。図示の実施形態において、燃料チャネル３０は、軸３２の角度に対して非平行な角度で配向されているが、平行配置が採用され得るように企図されている。加えて、単一の燃料チャネル３０が示されているが、複数の燃料チャネルが設けられてよく、軸３２に対して類似の角度または異なる角度で配向されてよい。
【００１５】
燃料チャネル３０は、エンドカバー２８の、燃料ノズルベースアセンブリ２６の入口領域に直接隣接する位置において、エンドカバー２８の中に形成された環状のプレナム３４に燃料２２を送る。環状のプレナム３４は、軸３２のまわりで、周方向に、一般的には軸３２のまわりで３６０度延在する。環状のプレナム３４の幅および深さなどの正確な幾何的寸法は、その用途に依拠して変更され得ることを理解されたい。加えて、環状のプレナム３４は、上記に列挙された同一の制約および幾何学的な可能性の範囲内で、燃料ノズルベースアセンブリ２６に対して再配置されてよい。
【００１６】
燃料ノズルベースアセンブリ２６の内側のフランジ３８と外側のフランジ４０によって画定された凹部内の燃料ノズルベースアセンブリ２６の入口領域２４に、オリフィス板３６が固定されている。このオリフィス板３６は、従来燃料チャネル３０内に含まれているオリフィスプラグに加えられてよく、またはそのプラグの代わりであってもよい。一実施形態では、オリフィス板３６は、内側のフランジ３８および外側のフランジ４０に溶接されるが、ろう付けまたは機械的締結の固定などによってオリフィス板３６を固定する他の方法が採用され得ることを理解されたい。それに加えて、オリフィス板３６は、上記で説明された固定方法のうち少なくとも１つによって、エンドカバー２８にさらに固定されてよい。図示のように、オリフィス板３６は環状のプレナム３４から燃料ノズルベースアセンブリ２６への燃料流れを助長するように、環状のプレナム３４と実質的に位置合わせして配置されている。オリフィス板３６を通って複数の開口４２が延在している。複数の開口４２は、軸３２に対して、燃料２２の望ましい流れ特性をもたらす任意の構成および角度で配置されてよい。たとえば、全体的に示されるように、複数の開口４２は、クラスタ化されるかもしくは片寄らせられてよく、または均等に離隔されてよく、燃料２２の流れの中で渦を誘起するように角を成してもよい。一般に、複数の開口４２は、燃料ノズルベースアセンブリ２６の内部４３への均一の燃料流れを増進するように、３６０度の環状のプレナムに対して均等に分散される。オリフィス板３６は、燃料ノズルベースアセンブリ２６への燃料２２の進入の間の流れコンディショナとして働く。燃料２２がオリフィス板３６から燃料ノズルベースアセンブリ２６の内部４３に通ることを可能にする一方で、オリフィス板３６を取り付けるための機械的支持および構造をもたらすように、１つまたは複数の開口４４が燃料ノズルベースアセンブリ２６の端部によって画定されている。
【００１７】
図示の実施形態では単一のオリフィス板が示されているが、代替実施形態は、周方向に３６０度のオリフィス板アセンブリを形成するように互いに隣接して配設された複数のオリフィス板を含んでいる。あるいは、中央カートリッジのない燃料ノズルベースアセンブリ２６の場合のように、オリフィス板３６は環状円盤ではなく円形でよい。
【００１８】
次に図５〜図７を参照すると、燃焼アセンブリ１４に燃料２２を送るように構成された燃料供給システム１２０（本明細書では燃料ノズルアセンブリとも称される）が、本発明の別の実施形態よってより詳細に示されている。より具体的には、燃料供給システム１２０の入口領域１２４が示されている。第１の実施形態と関連して上記で説明されたように、入口領域１２４は、燃料２２が、燃料２２と高圧ガス（たとえば圧縮空気）を混合するように構成された下流領域（図示せず）へ送るように、燃料ノズルベースアセンブリ１２６の中へ導入される領域を全般的に表す。
【００１９】
燃料ノズルベースアセンブリ１２６は、外ライナ１２７に動作可能に結合されている。結合は、機械的締結、溶接、または他の適切な接合方法でなされてよい。燃料ノズルベースアセンブリ１２６は、燃料供給源（図示せず）と燃料ノズルベースアセンブリ１２６内に部分的に画定された燃料マニホールド１５２とを流体結合する主燃料入口１５０を開口または孔の形で含む。示されるように、燃料ノズルベースアセンブリ１２６は軸１３２のまわりに配向されている（図７）。燃料マニホールド１５２は、軸１３２のまわりに、周方向に、一般的には軸１３２のまわりに３６０度延在する。カバー板１５４は、燃料マニホールド１５２内の燃料を軸方向に含有するやり方で燃料ノズルベースアセンブリに固定されている。特に、カバー板１５４は、燃料マニホールド１５２に対して実質的に位置合わせするように配置されている。
【００２０】
主燃料入口１５０は、燃料ノズルベースアセンブリによって完全に画定されてよく、あるいは燃料ノズルベースアセンブリとカバー板１５４の組合せによって画定されてもよい。特に、燃料ノズルベースアセンブリおよび／またはカバー板１５４は、図示のように、一緒に主燃料入口１５０を形成する開口部を有し得る。あるいは、主燃料入口１５０は、カバー板１５４によって完全に画定されてもよい。主燃料入口１５０は、正確な構成に関係なく、燃料マニホールド１５２に燃料２２を送る。
【００２１】
燃料ノズルベースアセンブリ１２６の中には、燃料マニホールド１５２から燃料環１５８へ燃料２２を送るように構成された、少なくとも１つの、一般的には複数の燃料通路１５６が画定されている。図示の実施形態において、複数の燃料通路１５６のそれぞれが、軸１３２の角度に対して非平行な角度で配向されているが、平行配置が採用され得るように企図されている。加えて、複数の燃料通路１５６は軸１３２に対して類似の角度または異なる角度で配向されてよい。
【００２２】
図８および図９を参照すると、燃焼アセンブリ１４に燃料２２を送るように構成された燃料供給システム２２０（本明細書では燃料ノズルアセンブリとも称される）が、本発明の別の実施形態よってより詳細に示されている。より具体的には、燃料供給システム２２０の入口領域２２４が示されている。上記の実施形態と関連して前述されたように、入口領域２２４は、燃料２２が、燃料２２と高圧ガス（たとえば圧縮空気）を混合するように構成された下流領域（図示せず）へ送るように、燃料ノズルベースアセンブリ２２６の中へ導入される領域を全般的に指す。
【００２３】
図示の実施形態では、前置オリフィス構造体２５０が、燃料ノズルベースアセンブリ２２６によって画定された主燃料入口２５２の内部に固定されている。主燃料入口２５２は、燃料ノズルベースアセンブリ２２６を通って相対的に軸方向に延在する孔である。主燃料入口２５２内に固定された前置オリフィス構造体２５０は、入口領域２２４に隣接して圧力降下を与えるように構成されたオリフィスを含む。前置オリフィス構造体２５０は、たとえば圧入嵌合または溶接を含む任意の適切なやり方で、主燃料入口２５２内に固定されてよい。燃料２２は、前置オリフィス構造体２５０を通って、燃料ノズルベースアセンブリ２２６内に画定された燃料環２５４へと流れる。示されるように、燃料ノズルベースアセンブリ２２６は、軸２３２のまわりで燃料環２５４と同軸に配向されている。燃料環２５４は、軸２３２のまわりで、周方向に、一般的には軸２３２のまわりで３６０度延在する。燃料２２は、燃料環２５４に入る際に、前置オリフィス構造体２５０のすぐ近くで、高速ジェットに分解するのを促進するように急転回部２５６を通る。
【００２４】
燃料環２５４内に、少なくとも１つの、一般的には複数の流れ操作構成要素２５８が配設され、互いから周方向に離隔されている。複数の流れ操作構成要素２５８は、燃料環２５４内の燃料の流れの望ましい調整を促進する任意の幾何学図形に形成されてよい。
【００２５】
有利には、本明細書で説明された燃料ノズルアセンブリの実施形態は、燃料ノズルベースアセンブリの入口領域で、燃料のより均一な流れをもたらす。燃料流れの均一性を改善することにより、燃焼システムの総合効率が達成される。さらに、本明細書で説明された特定の実施形態は、割り当てられた空間をより効率的に利用し、全体の燃料ノズルアセンブリに課せられた空間的制約を克服するものである。
【００２６】
本発明を、限定された数の実施形態だけに関連して詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、本発明はこれまでに説明されていない任意数の変形形態、変更形態、代替形態または同等な機構を組み込むように修正することができるが、それらは本発明の趣旨および範囲と相応するものである。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の各態様が、説明された実施形態のうちのいくつかしか含まない可能性があることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものと見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の適用範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮機部分
１４  燃焼アセンブリ
１６  タービン部分
１８  シャフト
２０  燃料供給システム
２２  燃料
２４  入口領域
２６  燃料ノズルベースアセンブリ
２８  エンドカバー
３０  燃料チャネル
３２  軸
３４  環状のプレナム
３６  オリフィス板
３８  内側のフランジ
４０  外側のフランジ
４２  開口
４３  燃料ノズルベースアセンブリ２６の内部
４４  開口
１２０  燃料供給システム
１２４  入口領域
１２６  燃料ノズルベースアセンブリ
１２７  外ライナ
１３２  軸
１５０  主燃料入口
１５２  燃料マニホールド
１５４  カバー板
１５６  燃料通路
１５８  燃料環
２２０  燃料供給システム
２２４  入口領域
２２６  燃料ノズルベースアセンブリ
２３２  軸
２５０  前置オリフィス構造体
２５２  主燃料入口
２５４  燃料環
２５６  急転回
２５８  流れ操作構成要素
【図１】
2015210074.tif 000003
【図２】
2015210074.tif 000004
【図３】
2015210074.tif 000005
【図４】
2015210074.tif 000006
【図５】
2015210074.tif 000007
【図６】
2015210074.tif 000008
【図７】
2015210074.tif 000009
【図８】
2015210074.tif 000010
【図９】
2015210074.tif 000011
【外国語明細書】
2015210074000001.pdf