(57)【要約】【課題】二次燃料ノズル組立体を提供する。【解決手段】二次燃料ノズル組立体は、基部（２８）と、前記基部に対する燃料供給源と、ノズル本体（１６）と、を含み、前記ノズル本体が、長手方向軸線と第１及び第２の長手方向端部と前記第２の端部に近接した先端領域とを有し、第１の端部が基部に固定され流体連通しているチューブと、チューブから半径方向外向きに延び燃料を噴射して前記ノズル本体（１６）を囲む空気（２０）が該燃料と混合して予混合気を形成するようにその中に形成されたスロットを有する燃料噴射ペグ（１２、１１２）と、前記チューブ内に設置され、前記第１の長手方向端部から燃料噴射ペグの近傍まで延びかつ前記燃料供給源及び燃料ペグと流体連通している第１の通路（１３）、（２６）、（１２６）と、を含む。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器内で使用するための二次燃料ノズル組立体であって、
基部（２８）と、
前記基部に対する燃料供給源と、
ノズル本体（１６）と、
を含み、前記ノズル本体が、
長手方向軸線と第１及び第２の長手方向端部と前記第２の端部に近接した先端領域とを有し、前記第１の端部が前記基部に固定されかつ該基部と流体連通している細長いチューブと、
前記細長いチューブから半径方向外向きに延びかつ該細長いチューブに固定され、燃料を噴射して前記ノズル本体（１６）を囲む空気（２０）が該燃料と混合して予混合気を形成するようにその中に形成された少なくとも１つのスロットを有する少なくとも１つの燃料噴射ペグ（１２、１１２）と、
前記細長いチューブ内に設置され、前記第１の長手方向端部から前記少なくとも１つの燃料噴射ペグの近傍まで延び、かつ前記燃料供給源及び少なくとも１つの燃料ペグと流体連通している第１の通路（１３）、（２６）、（１２６）と、を含む、
二次燃料ノズル組立体。
【請求項２】
複数の前記燃料ペグ（１１２）が設けられ、前記細長いチューブの円周の周りで該細長いチューブから離れる方向に半径方向に突出するように配置される、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
【請求項３】
前記燃料供給ペグ（１２）の少なくとも１つが、燃料を噴射するための少なくとも１つの丸い噴射孔（２２）を有する、請求項２記載の燃料ノズル組立体。
【請求項４】
前記少なくとも１つのスロット（１２２）が、前記細長いチューブの外周とほぼ平行に延びるように湾曲している、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
【請求項５】
複数の前記スロット（１２２）が、前記スロット付き燃料ペグ（１１２）内に形成される、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
【請求項６】
前記スロットの少なくとも１つが、前記スロットの別のものとは異なる円周方向長さを有する、請求項５記載の燃料ノズル組立体。
【請求項７】
前記スロット付き燃料ペグが、実質的に円形の断面を有する、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
【請求項８】
基部（２８）と、前記基部に対する燃料供給源と、ノズル本体（１６）とを有し、前記ノズル本体が、長手方向軸線と第１及び第２の長手方向端部と前記第２の端部に近接した先端領域とを有しまた前記第１の端部が前記基部に固定されかつ該基部と流体連通している細長いチューブを含む二次燃料ノズル組立体の周りの空気通路内に燃料を分散させる方法であって、
前記細長いチューブから半径方向外向きに延び、その中に形成された少なくとも１つのスロット（１２２）を有する少なくとも１つの燃料噴射ペグ（１２）、（１１２）を設ける段階と、
前記燃料供給源から前記細長いチューブ内の第１の通路（１３）、（２６）、（１２６）に沿って前記少なくとも１つの燃料噴射ペグに燃料を流す段階と、
前記少なくとも１つのスロットを通して燃料を噴射して、前記ノズル本体（１６）の外表面に沿って流れる空気（２０）とで予混合気を形成する段階と、
を含む方法。
【請求項９】
複数の前記燃料ペグ（１１２）が設けられ、前記細長いチューブの円周の周りで該細長いチューブから離れる方向に半径方向に突出するように配置される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料供給ペグ（１２）の少なくとも１つが少なくとも１つの丸い噴射孔（２２）を有し、前記噴射孔を通して燃料が噴射される、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改良型の燃料ペグを備えた二次燃料ノズル及び燃料分散方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンからの汚染物質を低減するために、政府機関は、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）などのエミッションの量の減少を要求する数多くの規制を制定してきた。燃焼エミッションの低下は、特に燃料噴射器及びノズルと関係する一層効率の高い燃焼プロセスによって可能となる。初期の燃焼システムは、拡散火炎を形成する拡散炎タイプのノズル、つまり燃料と空気とを別々に噴射し、火炎域内における拡散によって混合が生じるタイプのノズルを利用していた。拡散炎タイプのノズルは、燃料及び空気が高温度で化学量論的に燃焼するという事実により、高いエミッションを発生する。拡散ノズルにおける改良は、燃焼に先立って燃料及び空気が混合して、拡散炎タイプの火炎よりも低温で燃焼しかつより低いＮＯｘエミッションしか発生しない均質な混合気を形成するような何らかの形態の予混合を利用する。予混合は、それが燃焼域の上流である限り、燃料ノズルの内部又は外部のいずれかで行うことができる。図２に示すのは、予混合の形態を使用した先行技術による燃焼システムの実例である。
【０００３】
図２を参照すると、この図には、燃料及び空気を噴射するための先行技術による燃料ノズル１０を示している。この燃料ノズルは、拡散パイロットチューブ１１と、導管１３から燃料を供給される複数の離散ペグ１２とを含む。拡散パイロットチューブ１１は、ノズル先端においてスワーラ１４を介して直接燃焼室内に燃料を噴射して、安定したパイロット火炎を形成する。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０２７４８２７号公報
【特許文献２】米国特許第６，９１５，６３６号公報
【特許文献３】米国特許第６，９１０，３３６号公報
【特許文献４】米国特許第６，８３７，０５２号公報
【特許文献５】米国特許第６，８１３，８９０号公報
【特許文献６】米国特許第６，７８６，０４７号公報
【特許文献７】米国特許第６，４４６，４３９号公報
【特許文献８】米国特許第５，４７９，７８２号公報
【特許文献９】米国特許第５，３９４，６８８号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例示的実施形態によると、改良型の燃料ペグを提供し、本燃料ペグは、少なくとも１つのスロットを含み、それによって二次燃料ノズル本体の周りに燃料をより良好に分散させ、従がってより均質な燃料空気混合気及び一層完全な燃焼が得られる。
【０００５】
従って、本発明は、ガスタービン燃焼器内で使用するための二次燃料ノズル組立体として具体化することができ、本二次燃料ノズル組立体は、基部と、基部に対する燃料供給源と、ノズル本体とを含み、ノズル本体は、長手方向軸線と第１及び第２の長手方向端部と第２の端部に近接した先端領域とを有し、第１の端部が基部に固定されかつ該基部と流体連通している細長いチューブと、細長いチューブから半径方向外向きに延びかつ該細長いチューブに固定され、燃料を噴射してノズル本体を囲む空気が該燃料と混合して予混合気を形成するようにその中に形成された少なくとも１つのスロットを有する少なくとも１つの燃料噴射ペグと、細長いチューブ内に設置され、第１の長手方向端部から少なくとも１つの燃料噴射ペグの近傍まで延び、かつ燃料供給源及び少なくとも１つの燃料ペグと流体連通している第１の通路とを含む。
【０００６】
本発明はまた、基部と、基部に対する燃料供給源と、ノズル本体とを有し、ノズル本体が、長手方向軸線と第１及び第２の長手方向端部と第２の端部に近接した先端領域とを有しまた第１の端部が基部に固定されかつ該基部と流体連通している細長いチューブを含む二次燃料ノズル組立体の周りの空気通路内に燃料を分散させる方法を提供し、本方法は、細長いチューブから半径方向外向きに延び、その中に形成された少なくとも１つのスロットを有する少なくとも１つの燃料噴射ペグを設ける段階と、燃料供給源から細長いチューブ内の第１の通路に沿って少なくとも１つの燃料噴射ペグに燃料を流す段階と、少なくとも１つのスロットを通して燃料を噴射して、ノズル本体の外表面に沿って流れる空気とで予混合気を形成する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、二次燃料ノズルのための改良型の燃料ペグを提供し、本改良型の燃料ペグは、従来型の燃料放出用ドリル加工孔ではなく少なくとも１つの燃料ペグ内に切込んだ少なくとも１つの湾曲スロットを使用して、より均質な燃料及び空気の混合並びにより一様な燃料分配を可能にする。
【０００８】
図１は、燃焼器１８内に燃料を噴射するように配置された二次燃料ノズル１０を概略的に示している。図１、図２及び図３は、ノズル本体１６の外周の周りの離散的位置に配置されて空気と混合させるための燃料を噴射するようになった燃料ペグ１２を示している。図２の構成では、少なくとも１つの燃料用通路２６が、二次燃料ノズル１０の基部２８から噴射ペグ１２の近傍まで延びる。図３は、図２の構造と同様であるが、燃料ペグ１２まで延びる同心通路１２６を形成しているノズルを示す。付加的通路３０が、燃料ペグ１２の上流から噴射器の先端１４まで二次燃料ノズルを貫通して形成される。
【０００９】
ペグ１２は、燃料を分散させるつまり燃料を空気ストリーム２０内に噴霧して、燃焼室の上流で予混合を達成するために設けられる。ペグの目的は、燃料を二次燃料ノズルの外側本体１６の上方にかつ該外側本体１６から離して保持して、燃料が表面を濡らして外側チューブを焼損するのを回避することである。この点において、ペグは、周囲の空気ストリーム２０内に燃料を噴射するための噴射器として作用する。燃料は、よどみ箇所を回避して無制御点火の可能性を回避するように噴射されるのが好ましい。従来では、丸い燃料分散孔２２を備えた丸い燃料ペグ１２が使用されてきた。しかしながら、燃料噴射孔を設けることは、実際には空気内に燃料を燃料ストリームとしてドサッと放出することになる。
【００１０】
本発明によると、例えば図１、図２及び／又は図３に示す構造の燃料ペグ１２の１つ又はそれ以上は、スロット付き燃料ペグ１１２で置き換えられる。より具体的には、噴射ペグ１１２の燃料出口１２２は、燃料をストリームとして放出するのではなく、燃料を燃焼の方向に一層効果的に噴霧するようなスロット１２２である。従って、本発明の例示的実施形態では、従来型の丸い燃料分散孔を設けるのではなく、１つ又はそれ以上の燃料ペグ内に少なくとも１つのスロット開口１２２が形成される。
【００１１】
スロット１２２を設けることにより、従来型のドリル加工孔２２を通して起こるような大量の一方向に向いた燃料放出ではなく、吐出燃料は、一様な噴霧パターンとして一層効果的に分散される。この図示した例示的実施形態では、スロット１２２は湾曲している。この点に関して、二次燃料ノズルは、キャップ中央本体２４と呼ばれる丸いチューブ状の構成部品内に封入される。ノズル本体１６とキャップ中央本体２４の間に形成された円周方向通路内に噴霧をより一様に分配するのを助けるために、スロットは、湾曲させるのが有利である。しかしながら、スロットは、湾曲せるのではなく直線状になるように形成することもできることを理解されたい。
【００１２】
この図示した実施形態では、単一の燃料ペグ１１２内に３つのスロット１２２を示しているが、３つではなく１つだけ又はそれよりも多くのスロットを設けることができることを理解されたい。スロットの大きさ（高さ及び円周方向長さ）は、必要な燃料流量及び混合の最適化に応じて変化させることができる。従って、この図示した例示的実施形態は、それぞれのスロットの大きさ又は形状に関して限定しようとするものではない。さらに、特定のスロットは、噴霧パターン及び測定流量そしてまた関連する分析に応じてではあるが、従来型の丸い燃料分散孔の断面積にほぼ対応する断面積を有することができると考えられる。従って、図４のスロットは、概念を明らかにするために不釣合いに大きくしており、燃料ペグに対するスロットの比率、スロットの高さ及び幅、又はスロットの数を反映すことを意図しておらず、その理由は、そのようなパラメータは、必要な燃料流量、燃焼器サイズ、燃料タイプ、並びに所望の噴霧パターン、測定流量及び分析に基づいて決定されることになるからであることを理解されたい。例示的実施形態では、スロット１２２の断面積は、約０．００２〜０．０５平方インチ、より具体的には非限定的な例示的実施形態での約０．００３８平方インチであり、これはその断面積が直径約０．０７インチの丸孔に匹敵する。
【００１３】
提案した設計の湾曲スロットは、キャップ中央本体２４と二次燃料ノズル１０との間に燃料を分散させるのを可能にする。このより良好な燃料分散は、より良好かつ一様な燃料空気混合気を保持するように開口の下流まで保たれることになる。従って、スロットを設けた少なくとも１つの燃料ペグを通して本発明の例示的実施形態に従がって燃料を噴射することにより、よどみ箇所及び無制御噴射の可能性が回避される。
【００１４】
本発明の例示的実施形態による湾曲スロットは、穴鋸タイプのカッタを使用して形成することができる。カッタが切り込む深さにより、スロットの幅（円周方向長さ）が決定され、従ってより多量又は少量の燃料をそれぞれのスロットにおいて吐出可能にするように調節することができる。さらに、複数のスロットを設けた場合には、少なくとも幅（円周方向長さ）を含むスロットの寸法は、図４に概略的に示すように、二次燃料ノズル本体により近接して吐出される燃料の量対二次燃料ノズル本体から遠方に吐出される燃料の量を変化させるように調節することができる。
【００１５】
二次燃料ノズルの全ての燃料ペグは、本明細書で提案したようなスロット付き燃料ペグ１１２とすることができる。別の実施形態では、ドリル加工燃料孔ペグ１２及びスロット付き燃料ペグ１１２の両方を設けることができる。例えば、燃料ペグは、所望の混合プロフィールを得るようなスロット及びドリル加工孔を有するように交互配置することができる。スロット付き燃料ペグの数、ドリル加工ペグの数並びにそれぞれの燃料ペグ内にそれぞれ設けられる孔及びスロットの数は、所望の燃料噴射量及びパターンが得られるように変化させることができることを理解されたい。
【００１６】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃焼器内における二次燃料ノズルの部位を示す概略図。
【図２】従来型の燃料ペグを有する二次燃料ノズルの概略図。
【図３】二次燃料ノズル内における従来型の燃料ペグの拡大概略図。
【図４】本発明の例示的実施形態による燃料ペグ内の燃料噴射スロットの概略拡大斜視図。
【符号の説明】
【００１８】
１０  燃料ノズル
１１  拡散パイロットチューブ
１２  ドリル加工燃料ペグ
１３  燃料導管
１４  スワーラ
１６  ノズル本体
１８  燃焼器
２０  空気ストリーム
２２  ドリル加工燃料分散孔
２４  キャップ中央本体
２６  燃料通路
２８  基部
３０  付加的通路
１１２  スロット付き燃料ペグ
１２２  同心通路
１２６  燃料出口スロット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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