(57)【要約】  燃焼器ノズルは、ノズル内に概ね軸方向に延在する燃料経路と、燃料経路の少なくとも一部を半径方向に横切るように延在する特定の面とを含む。面内の突起は、面から概ね軸方向下流に延在しており、面内のくぼみは、突起を半径方向に取り囲む。酸化剤供給源が、酸化剤経路と流体連通しており、酸化剤経路は、燃料経路から半径方向にずらされており、酸化剤出口において終端している。燃焼器に燃料を供給する方法は、面から概ね軸方向下流に延在する面内の突起を通るように燃料を流すステップと、突起を半径方向に取り囲んでいる面内にあるくぼみを通るように燃料を流すステップとを含む。方法はさらに、面内のくぼみを円周方向に取り囲む酸化剤出口を通るように酸化剤を流すステップを含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．ノズル（１４）内に概ね軸方向に延在する燃料経路（３０）と、
ｂ．前記燃料経路（３０）の少なくとも一部を半径方向に横切るように延在する特定の面（３４）と、
ｃ．前記面（３４）から概ね軸方向下流に延在する前記面（３４）内の突起（４４）と、
ｄ．前記突起（４４）を半径方向に囲む前記面（３４）内のくぼみ（４６）と、
ｅ．酸化剤経路（３６）と流体連通する酸化剤供給源（５３）であって、前記酸化剤経路（３６）が、前記燃料経路（３０）から半径方向にずらされ、酸化剤出口（３８）において終端する酸化剤供給源（５３）と
を備える燃焼器ノズル。
【請求項２】
前記燃料および酸化剤経路（３０、３６）の半径方向外側にある複数の希釈剤ポート（４０）をさらに備える、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３】
前記燃料経路（３０）内に複数の燃料スワール羽根（５４）をさらに備える、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項４】
前記面（３４）内の前記突起（４４）を貫通する第１の燃料出口（４８）をさらに備える、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項５】
前記第１の燃料出口（４８）が、前記酸化剤出口（３８）から軸方向上流で終端する、請求項４に記載の燃焼器ノズル。
【請求項６】
前記突起（４４）を半径方向の囲む前記くぼみ（４６）を貫通する複数の第２の燃料出口（５０）をさらに備える、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項７】
前記複数の第２の燃料出口（５０）が、前記ノズル（１４）の軸方向の中心線（３２）に対しておおよそ２０〜８０度で角度が付けられる、請求項６に記載の燃焼器ノズル。
【請求項８】
前記酸化剤出口（３８）が、前記ノズル（１４）の軸方向の中心線（３２）に対しておおよそ２０〜８０度で角度が付けられる、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項９】
前記酸化剤経路（３６）内に複数の酸化剤スワール羽根（５６）をさらに備える、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１０】
前記突起（４４）と前記くぼみ（４６）の間に弓状の面（４７）をさらに備える、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１１】
ａ．特定の面（３４）を画定する中心本体（４２）と、
ｂ．前記面（３４）から概ね軸方向下流に延在する前記面（３４）内の突起（４４）と、
ｃ．前記突起（４４）を半径方向に囲む前記面（３４）内のくぼみ（４６）と、
ｄ．前記突起（４４）を貫通して延在する第１の燃料出口（４８）と、
ｅ．前記くぼみ（４６）を貫通して延在する第２の燃料出口（５０）と、
ｆ．酸化剤経路（３６）と流体連通する酸化剤供給源（５３）であって、前記酸化剤経路（３６）が、前記第２の燃料出口（５０）を円周方向に取り囲む酸化剤出口（３８）において終端する酸化剤供給源（５３）と
を備える燃焼器ノズル。
【請求項１２】
前記中心本体（４２）が、前記酸化剤出口（３８）とおおよそ同じ高さで軸方向に終端する、請求項１１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１３】
前記酸化剤出口（３８）の半径方向外側にある複数の希釈剤ポート（４０）をさらに備える、請求項１１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１４】
前記第１または第２の燃料出口（４８、５０）の少なくとも一方が、前記酸化剤出口（３８）から上流で軸方向に整列される、請求項１１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１５】
前記第１の燃料出口（４８）が、前記酸化剤出口（３８）とおおよそ同じ高さで軸方向に整列される、請求項１１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１６】
前記突起（４４）を半径方向に囲む前記くぼみ（４６）を貫通する複数の第２の燃料出口（５０）をさらに備える、請求項１１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１７】
前記複数の第２の燃料出口（５０）が、前記ノズル（１４）の軸方向の中心線（３２）に対しておおよそ２０〜８０度で角度が付けられる、請求項１６に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１８】
前記酸化剤出口（３８）が、前記ノズル（１４）の軸方向の中心線（３２）に対しておおよそ２０〜８０度で角度が付けられる、請求項１１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１９】
燃焼器（１０）に燃料を供給するための方法であって、
ａ．特定の面（３４）から概ね軸方向下流に延在する前記面（３４）内の突起（４４）を通るように燃料を流すステップと、
ｂ．前記突起（４４）を半径方向に囲む前記面（３４）内のくぼみ（４６）を通るように燃料を流すステップと、
ｃ．前記面（３４）内の前記くぼみ（４６）を円周方向に囲む酸化剤出口（３８）を通るように酸化剤を流すステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記酸化剤出口（３８）の半径方向外側にある希釈剤出口を通るように希釈剤を流すステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ａ．軸方向の中心線（３２）と、
ｂ．前記軸方向の中心線（３２）とほぼ整列した中心本体（４２）と、
ｃ．ノズル（１４）の少なくとも第１の部分を通る燃料経路（３０）と流体連通する燃料供給源（４３）と、
ｄ．前記ノズル（１４）の少なくとも第２の部分を通る酸化剤経路（３６）と流体連通する酸化剤供給源（５３）であって、前記酸化剤経路（３６）が、酸化剤出口（３８）において終端する酸化剤供給源（５３）とを備え
ｅ．前記燃料経路（３０）が、前記酸化剤経路（３６）とほぼ同軸である燃焼器ノズル。
【請求項２２】
前記中心本体（４２）が、前記酸化剤出口（３８）とおおよそ同じ高さで軸方向に終端する、請求項２１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項２３】
前記酸化剤経路（３６）が、前記燃料経路（３０）の少なくとも一部を円周方向に囲む、請求項２１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項２４】
前記燃料および酸化剤経路（３０、３６）の半径方向外側に複数の希釈剤ポート（４０）をさらに備える、請求項２１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項２５】
前記燃料経路（３０）内に複数の燃料スワール羽根（５４）をさらに備える、請求項２１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項２６】
前記燃料経路（３０）が、前記軸方向の中心線（３２）とほぼ整列した第１の燃料出口（４８）において終端する、請求項２１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項２７】
前記第１の燃料出口（４８）が、前記酸化剤出口（３８）とおおよそ同じ高さで軸方向に整列される、請求項２６に記載の燃焼器ノズル。
【請求項２８】
前記燃料経路（３０）が、前記軸方向の中心線（３２）の周りに半径方向に配設された複数の第２の燃料出口（５０）において終端する、請求項２１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項２９】
前記複数の第２の燃料出口（５０）が、前記軸方向の中心線（３２）に対しておおよそ２０〜８０度で角度が付けられる、請求項２８に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３０】
前記酸化剤出口（３８）が、前記軸方向の中心線（３２）に対しておおよそ２０〜８０度で角度が付けられる、請求項２１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３１】
ａ．中心本体（４２）と、
ｂ．前記中心本体（４２）の内部で燃料経路（３０）と流体連通する燃料供給源（４３）と、
ｃ．前記中心本体（４２）を通って延在する第１の燃料出口（４８）と、
ｄ．前記中心本体（４２）を通って延在し、前記第１の燃料出口（４８）を円周方向に囲む第２の燃料出口（５０）と、
ｅ．前記燃料経路（３０）の少なくとも一部を円周方向に囲む酸化剤経路（３６）と流体連通する酸化剤供給源（５３）であって、前記酸化剤経路（３６）が、酸化剤出口（３８）において終端する酸化剤供給源（５３）と
を備える燃焼器ノズル。
【請求項３２】
前記中心本体（４２）が、前記酸化剤出口（３８）とおおよそ同じ高さで軸方向に終端する、請求項３１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３３】
前記燃料および酸化剤経路（３０、３６）の半径方向外側にある複数の希釈剤ポート（４０）をさらに備える、請求項３１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３４】
前記燃料経路（３０）内に複数の燃料スワール羽根（５４）をさらに備える、請求項３１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３５】
前記第１の燃料出口（４８）が、前記酸化剤出口（３８）とおおよそ同じ高さで軸方向に整列される、請求項３１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３６】
前記複数の第２の燃料出口（５０）が、前記軸方向の中心線（３２）に対して２０〜８０度で角度が付けられる、請求項３１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３７】
前記酸化剤出口（３８）が、前記軸方向の中心線（３２）に対して２０〜８０度で角度が付けられる、請求項３１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３８】
燃焼器（１０）に燃料を供給するための方法であって、
ａ．燃料出口（４８、５０）を通るように燃料を流すステップと、
ｂ．前記燃料出口（４８、５０）から半径方向にずれた酸化剤出口（３８）を通るように酸化剤を流すステップと、
ｃ．前記燃料および酸化剤出口（４８、５０、３８）の半径方向外側にある希釈剤出口を通るように希釈剤を流すステップと
を含む方法。
【請求項３９】
前記燃料出口（４８、５０）を通って流れる燃料の運動量が、前記酸化剤出口（３８）を通って流れる前記酸化剤の運動量のおおよそ５０パーセント未満になるように前記燃料出口（４８、５０）を通るように燃料を流すステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記燃料または酸化剤の少なくとも一方が渦を巻くようにするステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、燃焼器ノズルおよび燃焼器に燃料を供給する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼器は、燃料を点火して高温および高圧を有する燃焼ガスを生成するために工業および発電事業で一般に利用されている。例えば、ガスタービンは典型的には、１つまたは複数の燃焼器を含むことで電力または推力を生成する。電力を生成するのに使用される典型的なガスタービンは、前方に軸方向圧縮器と、中央辺りの１つまたは複数の燃焼器と、後方にタービンとを含む。周辺空気が圧縮器に供給されてよく、圧縮器における回転ブレードおよび固定羽根が次第に作用流体（空気）に運動エネルギーを与えることで、圧縮された作用流体を高度に活性化された状態で生成する。圧縮された作用流体は、圧縮器を出て、各々の燃焼器内にある１つまたは複数のノズルを通って流れ、そこで圧縮作用流体は、燃料と混ざり、点火されて高温および高圧を有する燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、タービン内で膨張することで仕事量を生み出す。例えば、タービ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生成することができる。
【０００３】
一部のガスタービン用途では、周辺空気以外の作用流体が圧縮器に供給される場合もあり、その結果、圧縮器によって生成される圧縮作用流体は、酸素が欠乏したものになる。例えば、オキシ燃料または化学量論的排ガス再循環（ＳＥＧＲ）用途では、タービンからの排気の一部が、圧縮器への作用流体として供給される場合もあり、したがって燃焼器に供給された圧縮作用流体は酸素が欠乏している可能性がある。その結果、酸化剤を別個に燃焼器に供給することで、燃焼前に燃料と直接混合させる場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２２４４０１４号明細書
【発明の概要】
【０００５】
ガスタービンの熱力学的効率は、運転温度、すなわち燃焼ガス温度が上昇する際に増大することが広く知られている。しかしながら燃料と、酸化剤は、燃焼前に均一に混合されない場合があり、局所的に高温の箇所が、ノズル出口付近で燃焼器内に形成される可能性がある。局所的な高温の箇所は、燃料リッチ領域における亜酸化窒素の生成を増大させる可能性があり、その一方で、燃料リーン領域は、一酸化炭素および未燃焼の炭化水素を増大させる可能性があり、それらは全て望ましくない排気物質である。これに加えて、燃料リッチ領域は、燃焼器内の火炎がノズルへと逆火となって引き込まれる、および／またはノズルの内側に付着して、これによりノズルを損傷させる可能性のある確率を高める可能性がある。火炎の逆火および保炎は、いずれの燃料の場合にも生じる可能性があるが、それらは高い反応性燃料、例えば、より高い燃焼速度およびより広範な可燃度範囲を有する水素などの場合により発生し易い。したがって燃焼器ノズル設計および燃焼器に燃料を供給するための方法の継続的な改良は、燃焼器の効率を高め、望ましくない排気を抑える、および／または逆火および保炎事象を阻止するのに有益である。
【０００６】
本発明の態様および利点は、以下の記載においてこの後に記載されている、あるいはこの記載から明白である場合もあり、あるいは本発明の実施を通して学ぶこともできる。
【０００７】
本発明の一実施形態は、ノズル内に概ね軸方向に延在する燃料経路と、燃料経路の少なくとも一部を半径方向に横切るように延在する面とを含む燃焼器ノズルである。この面内の突起は、面から概ね軸方向下流に延在しており、面内のくぼみが突起を半径方向に取り囲む。酸化剤の供給源が、酸化剤経路と流体連通しており、酸化剤経路は、燃料経路から半径方向にずらされており、酸化剤の出口において終端している。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、特定の面を画定する中心本体を含む燃焼器ノズルである。この面内の突起は、面から概ね軸方向下流に延在しており、面内のくぼみが、突起を半径方向に取り囲む。第１の燃料出口は、突起を貫通して延在し、第２の燃料出口は、くぼみを貫通して延在している。酸化剤供給源が、酸化剤経路と流体連通しており、酸化剤経路は、第２の燃料出口を円周方向に取り囲む酸化剤出口において終端している。
【０００９】
本発明の特定の実施形態はまた、燃焼器に燃料を供給する方法を含むことができる。この方法は、面内の突起を通るように燃料を流すステップであって、この場合突起は、この面から概ね軸方向下流に延在するステップと、面内にあるくぼみを通るように燃料を流すステップであって、この場合くぼみは、突起を半径方向に取り囲むステップとを含むことができる。方法はさらに、面内のくぼみを円周方向に取り囲む酸化剤出口を通るように酸化剤を流すステップを含む。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、軸方向の中心線と、軸方向の中心線とほぼ整列した中心本体とを含む燃焼器ノズルである。燃料供給源は、ノズルの少なくとも第１の部分を介して燃料経路と流体連通している。酸化剤供給源は、少なくともノズルの第２の部分を介して酸化剤経路と流体連通している。酸化剤経路は、酸化剤出口において終端しており、燃料経路は、酸化剤経路とほぼ同軸である。
【００１１】
本発明のさらに別の実施形態において、燃焼器ノズルは、中心本体と、中心本体の内部の燃料経路と流体連通する燃料供給源とを含む。第１の燃料出口は、中心本体を通って延在し、第２の燃料出口は、中心本体を通って延在しており、この場合、第２の燃料出口は、第１の燃料出口を円周方向に取り囲む。酸化剤供給源は、燃料経路の少なくとも一部を円周方向に取り囲む酸化剤経路と流体連通しており、酸化剤経路は酸化剤出口において終端している。
【００１２】
本発明の実施形態はまた、燃焼器に燃料を供給するための方法を含んでいる。方法は、燃料出口を通るように燃料を流すステップと、燃料出口から半径方向にずれた酸化剤出口を通るように酸化剤を流すステップとを含む。方法はさらに、燃料および酸化剤出口の半径方向外側にある希釈剤出口を通るように希釈剤を流すステップを含む。
【００１３】
当業者は、この明細書を精査することで、このような実施形態およびその他の実施形態の特徴および態様をより適切に理解するであろう。
【００１４】
本発明の完全なかつ可能な開示は、当業者に対するその最適な態様を含め、明細書の残りの部分により詳細に記載されており、これには添付の図面を参照することが含まれている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による燃焼器の簡素化された側部断面図である。
【図２】線Ａ−Ａに沿って切り取った図１に示される燃焼器の上流の軸方向の図である。
【図３】本発明の一実施形態による図２に示されるノズルの斜視的な部分切り欠き図である。
【図４】図３に示されるノズルの側部平面図である。
【図５】本発明の代替の一実施形態による、図３に示されるノズルの側部平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に本発明の当面の実施形態を詳細に参照されたく、その１つまたは複数の例が、添付の図面に示されている。この詳細な記載は、図面中の特徴的な機構を指すのに数字と文字による名称を使用している。図面中の同様のまたはほぼ同類の名称および記載は、本発明の同様のまたはほぼ同類の部品を指すのに使用されている。
【００１７】
各々の例は、本発明を説明するために提供されており、本発明を限定するものではない。実際には、本発明の精神および範囲から逸脱せずに本発明に修正および変形を行なうことができることは当業者には明らかであろう。例えば一実施形態の一部として例示され記載される特徴を別の実施形態に対して使用することでさらに別の実施形態を生む場合がある。よって、本発明は、このような修正形態および変形形態を添付の特許請求およびその等価物の範囲内にあるものとして包含することが意図されている。
【００１８】
本発明の種々の実施形態は、燃焼器ノズルおよび燃焼器に燃料を供給するための方法を提供する。本発明の特定の実施形態において、燃焼器ノズルは、オキシ燃料または化学量論的排ガス再循環（ＳＥＧＲ）燃焼器に組み込まれてよい。具体的には、ノズルは、燃料および酸化剤を実質的に同心または同軸の燃料経路と酸化剤経路を通って燃焼室へと供給することができる。この方法において、より低い運動量の燃料と、より高い運動量の酸化剤との間の剪断層が、燃焼前の燃料と酸化剤の混合作用を高めることができる。燃料および酸化剤の半径方向の外側にある希釈剤ポートを介して希釈剤が供給されることで、燃焼前の燃料と酸化剤の混合作用をさらに高めるおよび／またはノズルに最も近い火炎温度を調整することもできる。特定の実施形態では、燃料および／または酸化剤経路における、あるいはこれらの経路の端部におけるスワール羽根または傾斜付き出口が、燃焼前の燃料と酸化剤の混合作用をさらに高める場合もある。ガスタービンの燃焼器に組み込まれた燃焼器ノズルの文脈において概ね記載されているが、本発明の実施形態は、いずれの燃焼器にも適用されてよく、特許請求の範囲に具体的に列記されない限り、ガスタービン燃焼器に限定されるものではない。
【００１９】
図１は、一例の燃焼器１０の簡素化された断面図を示しており、これは例えば、本発明の一実施形態によるガスタービンに含まれるようなものである。ケーシング１２が燃焼器１０を囲むことで、燃焼器１０に流れる圧縮作用流体を収容することができる。示されるように、燃焼器１０は、頂部キャップ１６と端部カバー１８の間に半径方向に配置された１つまたは複数のノズル１４を含むことができる。頂部キャップ１６およびライナー２０が、ノズル１４から下流に位置する燃焼室２２を概ね取り囲む。本明細書で使用されるように、用語「上流」および「下流」は、流体通路における構成要素の相対的な位置を指している。例えば、構成要素Ａは、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂに流れる場合、構成要素Ａは構成要素Ｂの上流にある。逆に、構成要素Ｂが構成要素Ａからの流体流れを受け取る場合、構成要素Ｂは構成要素Ａの下流にある。流れ穴２６を備えた流れスリーブ２４が、ライナー２０を取り囲むことで、流れスリーブ２４とライナー２０の間の環状経路２８を画定する。圧縮された作用流体が、流れスリーブ２４内の流れ穴２６を通過することで、ライナー２０の外側に沿って流れ、ライナー２０に対してフィルム冷却または対流冷却を行なうことができる。圧縮作用流体が端部カバー１８に到達したとき、圧縮作用流体は、方向を逆転させて１つまたは複数のノズル１４を通って流れ、そこでそれは、燃焼室２２において点火される前に燃料と混合され、高温および高圧を有する燃焼ガスを生成する。
【００２０】
図２は、線Ａ−Ａに沿って切り取った図１に示される燃焼器１０の上流の軸方向の図面を提供している。燃焼器１０の種々の実施形態は、異なる数と配置のノズルを含むことができる。例えば図２に示される実施形態では、燃焼器１０は、頂部キャップ１６内に半径方向に配置された５つのノズル１４を含む。図１に関して先に記載したように、作用流体は、それが、端部カバー１８に到達し、そこで方向を逆転させてノズル１４を通って燃焼室２２へと（図２から外へ）流れるまで流れスリーブ２４とライナー２０間の環状経路２８を通って（図２内に）流れる。
【００２１】
図３は、本発明の一実施形態による図２に示されるノズル１４の斜視的な部分切り欠き図を提供している。示されるように各々のノズル１４は、ノズル１４を通って燃焼室２２へと流れる流体連通を実現する複数の実質的に同心または同軸の流体経路を含むことができる。例えば、燃料経路３０は、ノズル１４の軸方向の中心線３２と実質的に整列され、燃料経路３０の少なくとも一部を半径方向に横切るように延在する特定の面３４において終端している。燃料経路３０を介して供給される見込みのある燃料には、例えば、高炉ガス、一酸化炭素、コークス炉ガス、天然ガス、メタン、気化された液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、合成ガス、ブタン、プロパン、オレフィンおよびその混合物が含まれてよい。焼成する前に、燃料は不活性ガスと混合されて、燃焼反応速度を制御することができる。酸化剤経路３６は、燃料経路３０の少なくとも一部を円周方向に取り囲むことで、それは燃料経路３０から半径方向にずらされ、面３４を半径方向の取り囲む酸化剤出口３８において終端している。酸化剤経路３６を介して供給される酸化剤は、純粋な酸素（Ｏ2）、あるいは 二酸化窒素（Ｎ2Ｏ4）および過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）などの化合物を含有する酸素などの実質的にいかなる酸素リッチ流体も含むことができる。燃焼室２２へと噴射する前に酸化剤は、不活性ガスと混合されて、例えば酸化剤の流量を増大させることができる。複数の希釈剤アパーチャまたは希釈剤ポート４０が、燃料および酸化剤経路３０、３６を取り囲む場合がある。希釈剤ポート４０を介して供給される見込みのある希釈剤には、水、蒸気、燃料添加物、種々の不活性ガス、例えば窒素および／または種々の不燃性ガス、例えば二酸化炭素または圧縮器（図示せず）から燃焼器１０に供給される燃焼排ガスが含まれてよい。この方法において、燃料および酸化剤経路３０、３６は、端部カバー１８からノズル１４を通って燃焼室２２へと流れる流体連通を実現することができ、燃料および酸化剤経路３０、３６の半径方向外側にある複数の希釈剤ポート４０は、ノズル１４を通って燃焼室２２へと流れる流体連通を実現することができる。
【００２２】
図４および図５は、本発明の種々の実施形態による線Ｂ−Ｂに沿って切り取った図２に示されるノズル１４の簡素化された断面図を提供している。単一または複数部品の中心本体４２が、ノズル１４の軸方向の中心線３２と整列されることで燃料経路３０および／または面３４を画定し、ノズル１４を通る燃料供給源４３のための流体連通を実現することができる。図４に示されるように、中心本体４２は、さらに酸化剤出口３８および／または希釈剤ポート４０とおおよそ同じ高さで軸方向に終端することができる。あるいは、中心本体４２は、図５に示されるように、酸化剤出口３８および／または希釈剤ポート４０の少なくとも一部から上流で終端する場合もある。
【００２３】
燃料経路３０の少なくとも一部を半径方向に横切るように延在する面３４は、突起４４と、くぼみ４６を画定することができる。突起４４は、軸方向の中心線３２に沿って面３４から概ね軸方向下流に延在し、くぼみ４６は、突起４４を半径方向に取り囲む。突起４４とくぼみ４６の間の面３４は、図４に示されるように湾曲したまたは弓状の面４７である、あるいは図５に示されるようにほぼ直線の面４９である場合もある。
【００２４】
突起４４は、面３４を通る第１のまたはパイロット燃料出口４８を含むことで、燃料経路３０から、面３４内の突起４４を通って、燃焼室２２へと流れるように燃料のための流体連通を実現することができる。図４に示されるように、第１の燃料出口４８は、酸化剤出口３８および／または希釈剤ポート４０とおおよそ同じ高さで、または同一平面内で軸方向に整列されてよい。あるいは、第１の燃料出口４８は、図５に示されるように酸化剤出口および／または希釈剤ポート４０から上流で軸方向に整列される場合もある。くぼみ４６が同様に、突起４４を半径方向に囲む１つまたは複数の第２の燃料出口５０を含むことで、燃料経路３０から面３４内のくぼみ４６を通って、燃焼室２２へと流れる燃料のための流体連通を実現することができる。図３〜図５に示されるように、突起４４内の第１の燃料出口４８は、円形であってよく、その一方でくぼみ４６内の第２の燃料出口５０は、矩形であってよく、種々の燃料出口４８、５０の特定の形状または配向は、特許請求の範囲において具体的に記載されない限り、本発明を限定するものではない。
【００２５】
シュラウド５２が、中心本体４２の少なくとも一部を円周方向に取り囲むことで中心本体４２とシュラウド５２の間のノズル１４の少なくとも一部を通る酸化剤経路３６を画定している。酸化剤経路３６は、ノズル１４を通る酸化剤供給源５３のための流体連通を実現する。
【００２６】
図４および図５にさらに示されるように、燃料経路３０および／または酸化剤経路３６は、スワール羽根または傾斜付き出口を含むことで各々の経路を通って流れる流体に渦巻きを与えることができる。例えば図４に示されるように、酸化剤出口３８は、軸方向の中心線３２に対しておおよそ２０〜８０度で角度が付けられてよい、および／または時計回りまたは反時計回りに渦を巻くことで、ノズル１４を出て燃焼室２２へと進入する酸化剤に渦巻きを与える／再循環させることができる。同様に、燃料経路３０は、１つまたは複数の燃料スワール羽根５４を含むことで、軸方向の中心線３２と整列したくぼみ４６内の第２の燃料出口５０を通ってノズル１４を出て行く燃料に渦巻きを与えることができる。代替として、図５に示されるように、酸化剤経路３６および／または酸化剤出口３８は、１つまたは複数の酸化剤スワール羽根５６を含むことで、ノズル１４を出て燃焼室２２に進入する酸化剤に渦巻きを与えることができ、くぼみ４６内の第２の燃料出口５０は、軸方向の中心線３２に対して角度が付けられることで、ノズル１４を出て燃焼室２２へと進入する燃料に渦巻きを与える／再循環させることができる。特定の実施形態では、くぼみ４６内の第２の燃料出口５０は、燃料経路３０の半径のおおよそ２０〜８０パーセントだけ軸方向の中心線３２から半径方向に隔てられており、軸方向の中心線３２に対しておおよそ２０〜８０度で角度が付けられてよい。
【００２７】
図４および図５に示されるノズル１４の種々の実施形態はしたがって、燃料、酸化剤および希釈剤を燃焼室２２に供給することで、燃焼器１０の１つまたは複数の作動パラメータを向上させる。具体的には、燃料および酸化剤出口５０、４８、３８の位置ならびに燃料と酸化剤の間の相対的な渦巻きが、燃料と酸化剤との間に剪断層を形成することで、燃焼前の燃料と酸化剤の混合作用を強化する。燃料および／または酸化剤の運動量は、おおよそ２０〜５０パーセントの酸化剤の運動量を有するより低い運動量の燃料が、剪断層の混合作用をさらに強化することができるようにさらに調節することができる。これに加えて、燃料および酸化剤出口５０、３８の半径方向外側にある希釈剤ポート４０を介しての希釈剤の噴射を利用して、燃焼室２２での反応速度および火炎温度を調節することができる。最後に、計算による燃料力学モデルは、軸方向の中心線３２に対してくぼみ４６内の第２の燃料出口５０を介して角度を付けて噴射される燃料が、ノズル１４の面３４から下流に１つまたは複数の安定した再循環領域５８を形成することで火炎の安定性を促進し、燃焼器１０の全体の効率を高め、突起４４内の第１の燃料出口４８を介して噴射される燃料は、ピーク火炎温度を下げることを指摘している。
【００２８】
図２〜図５に示される実施形態は、ノズル１４の軸方向の中心線３２と軸方向に整列された燃料経路３０、および燃料経路３０の周りを軸方向に取り囲む、またはそれを囲むように延在している酸化剤経路３６を示しているが、燃料および酸化剤経路３０、３６の相対的な位置は、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、本発明を限定するものではない。例えば、当業者は、代替の実施形態において酸化剤経路３６が、ノズル１４の軸方向の中心線３２と軸方向に整列され、燃料経路３０が酸化剤経路３６の周りを軸方向に取り囲む、またはそれを囲むように延在する場合もあることを容易に理解することが可能であり、代替の構成のさらなる例示は必要ではない。
【００２９】
図１〜図５に関して記載され例示された種々の実施形態はさらに、燃焼器１０に燃料を供給するための方法を提供する場合がある。方法は、１つまたは複数の燃料出口４８、５０を通るように燃料を流すステップと、１つまたは複数の燃料出口４８、５０から半径方向にずれた酸化剤出口３８を通るように酸化剤を流すステップとを含む。方法はさらに、燃料および酸化剤出口４８、５０、３８の半径方向外側にある希釈剤ポート４０を通るように希釈剤を流すステップを含む。特定の実施形態では、方法はさらに、燃料または酸化剤の少なくとも一方が渦を巻くようにする、ならびに／あるいはノズル１４の軸方向の中心線３２に対しておおよそ２０〜８０度の角度で燃料または酸化剤出口４８、５０、３８の各々を通るように燃料または酸化剤を流すステップを含む場合がある。方法はさらに、燃料がおおよそ２０〜５０パーセントの運動量の酸化剤を有することで燃料と酸化剤との間の剪断層混合作用をさらに高めるように燃料および／または酸化剤の流量を調節するステップを含む場合がある。
【００３０】
この書面による記載は、本発明を開示することを目的とした最適な態様を含む例を利用しており、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかな相違点を有する等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００３１】
１０  燃焼器
１２  ケーシング
１４  ノズル
１６  頂部キャップ
１８  端部カバー
２０  ライナー
２２  燃焼室
２４  流れスリーブ
２６  流れ穴
２８  環状経路
３０  燃料経路
３２  軸方向の中心線
３４  面
３６  酸化剤経路
３８  酸化剤出口
４０  希釈剤ポート
４２  中心本体
４３  燃料供給源
４４  突起
４６  くぼみ
４７  弓状の面
４８  第１の燃料出口、パイロット燃料出口
４９  ほぼ直線の面
５０  第２の燃料出口
５２  シュラウド
５３  酸化剤供給源
５４  燃料スワール羽根
５６  酸化剤スワール羽根
５８  再循環領域
【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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【国際調査報告】
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