(57)【要約】【課題】燃焼ゾーンに対して高温ゾーン及びＮＯｘエミッションを低減するためのシステムを提供すること。【解決手段】種々の実施形態により、システムはタービン燃料ノズルを含む。タービン燃料ノズルは、下流側混合領域に延在する第１の燃料通路と、タービン燃料ノズルの外部から下流側混合領域に延在する第１の空気通路と、下流側混合領域の上流側の第１の空気通路に延在する第２の燃料通路とを含む。【選択図】      図５
2012198009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ノズルを備えたシステムであって、該燃料ノズルが、
内側燃料通路を有する内側環状部分と、
前記内側環状部分の周りに配置された外側環状部分と、
前記内側及び外側環状部分の間に延在する中間環状部分と、
を含み、前記内側及び外側環状部分が前記中間環状部分の上流側に環状燃料通路を定め、前記外側環状部分が前記中間環状部分から下流側にキャビティを定め、
前記燃料ノズルが更に、
前記外側環状部分の外部から前記外側環状部分及び前記中間環状部分を通って前記キャビティに延在する第１の空気通路と、
前記環状燃料通路から前記中間環状部分を通って前記キャビティに延在する第１の燃料通路と、
前記環状燃料通路から前記中間環状部分を通って前記第１の空気通路に延在する第２の燃料通路と、
を含む、システム。
【請求項２】
前記第２の燃料通路が、前記第１の空気通路を通る空気流路に対して上流側方向に角度が付けられる、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第２の燃料通路が、前記第１の空気通路を通る空気流路に対して下流側方向に角度が付けられる、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記第２の燃料通路が、前記第１の空気通路の中央軸線からオフセットした方向に角度が付けられ、前記第１の空気通路において前記中央軸線を中心とした燃料のスワール流路を形成するようにする、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記環状燃料通路から前記中間環状部分を通って前記第１の空気通路に延在する第３の燃料通路を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記第２及び第３の燃料通路が互いに対して非平行である、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記第２及び第３の燃料通路が互いに対して異なる直径を有する、請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記第２及び第３の燃料通路が、前記第１の空気通路の中央軸線の周りに反対の方向で前記第１の空気通路に配向されて前記中央軸線の周りに反転スワールを生成する燃料経路を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項９】
前記第２及び第３の燃料通路が、収束方向で前記第１の空気通路内に配向される燃料経路を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項１０】
複数の第１の空気通路及び複数の第２の燃料通路を含み、前記複数の第１の空気通路の各第１の空気通路が、前記外側環状部分の外部から前記外側環状部分及び前記中間環状部分を通って前記キャビティに延在しており、前記複数の第２の燃料通路の各第２の燃料通路が、前記環状燃料通路から前記中間環状部分を通って前記複数の第１の空気通路のうちの少なくとも１つの第１の空気通路に延在する、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
複数の第１の燃料通路を含み、該複数の第１の燃料通路の各第１の燃料通路が、前記環状燃料通路から前記中間環状部分を通って前記キャビティに延在する、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
複数の第２の空気通路を含み、該複数の第２の空気通路の各第２の空気通路が、前記外側環状部分の外部から前記外側環状部分及び前記中間環状部分を通って前記キャビティに延在する、請求項１０記載のシステム。
【請求項１３】
前記燃料ノズルを有するタービン燃焼器又はタービンエンジンのうちの少なくとも１つを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
タービン燃料ノズルを備えたシステムであって、該タービン燃料ノズルが、
下流側混合領域に延在する第１の燃料通路と、
前記タービン燃料ノズルの外部から前記下流側混合領域に延在する第１の空気通路と、
前記下流側混合領域の上流側の前記第１の空気通路に延在する第２の燃料通路と、
を含む、システム。
【請求項１５】
第１のチャンバと、
該第１のチャンバから下流側の第２のチャンバと、
前記第１及び第２のチャンバを囲む外側壁部分と、
前記外側壁部分の内部に配置され、前記第１及び第２のチャンバを分離する内側壁部分と、
を含み、前記第１の空気通路が、前記外側壁部分の外部から前記外側壁部分及び前記内側壁部分を通って前記第２のチャンバに延在しており、前記第１の燃料通路が、前記第１のチャンバから前記内側壁部分を通って前記第２のチャンバに延在しており、前記第２の燃料通路が、前記第１のチャンバから前記内側壁部分を通って前記第１の空気通路に延在している、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記第２の燃料通路が、前記第１の空気通路を通る空気流路に対して上流側方向、下流側方向、スワール誘起方向、又はこれらの組み合わせで角度が付けられる、請求項１４記載のシステム。
【請求項１７】
複数の第１の空気通路及び複数の第２の燃料通路を含み、前記複数の第１の空気通路の各第１の空気通路が、前記外側壁部分の外部から前記外側壁部分及び前記中間壁部分を通って前記第２のチャンバに延在しており、前記複数の第２の燃料通路の各第２の燃料通路が、前記第１のチャンバから前記内側壁部分を通って前記複数の第１の空気通路のうちの少なくとも１つの第１の空気通路に延在する、請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
タービンエンジンと、
前記タービンエンジンに結合されたタービン燃料ノズルと、
を備え、前記タービン燃料ノズルが、第１の空気通路と第１の燃料通路とを有する内部予混合壁を含み、前記第１の燃料通路が前記内部予混合壁内で前記第１の空気通路に結合されている、システム。
【請求項１９】
前記第１の空気通路が、前記タービン燃料ノズルの外部から前記内部予混合壁を通って前記タービン燃料ノズルに延在する、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記内部予混合壁内で前記第１の空気通路に結合された第２の燃料通路を備える、請求項１９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には燃焼を改善し排出エミッションを低減するための燃料空気混合特徴要素を備えた燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料空気混合度は、ガスタービンエンジンなどの様々なエンジンにおいて燃焼及び排出エミッションに影響を及ぼす。例えば、排出エミッションは、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む。希釈剤を用いて燃焼温度を低下させ、これによりＮＯｘエミッションを低減することができる。しかしながら、希釈剤を利用すると、コストが増大し、エンジンがより複雑になる。
【発明の概要】
【０００３】
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
【０００４】
第１の実施形態では、システムはタービン燃料ノズルを含む。本タービン燃料ノズルは、内側燃料通路を有する内側環状部分と、内側環状部分の周りに配置された外側環状部分と、内側及び外側環状部分の間に延在する中間環状部分とを含む。内側及び外側環状部分が中間環状部分の上流側に環状燃料通路を定め、外側環状部分が中間環状部分から下流側にキャビティを定める。タービン燃料ノズルはまた、外側環状部分の外部から外側環状部分及び中間環状部分を通ってキャビティに延在する第１の空気通路と、環状燃料通路から中間環状部分を通ってキャビティに延在する第１の燃料通路と、環状燃料通路から中間環状部分を通って第１の空気通路に延在する第２の燃料通路とを含む。
【０００５】
第２の実施形態では、システムはタービン燃料ノズルを含む。タービン燃料ノズルは、下流側混合領域に延在する第１の燃料通路と、タービン燃料ノズルの外部から下流側混合領域に延在する第１の空気通路と、下流側混合領域の上流側の第１の空気通路に延在する第２の燃料通路とを含む。
【０００６】
第３の実施形態では、システムは、タービンエンジンと、該タービンエンジンに結合されたタービン燃料ノズルとを含む。タービン燃料ノズルが、第１の空気通路と第１の燃料通路とを有する内部予混合壁を含み、該第１の燃料通路が内部予混合壁内で第１の空気通路に結合されている。
【０００７】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ＮＯｘ低減燃料ノズルを有するタービンシステムの一実施形態のブロック図。
【図２】１以上のＮＯｘ低減燃料ノズルを有する燃焼器を備えた、図１に示すようなタービンシステムの一実施形態の側断面図。
【図３】燃焼器の端部カバーに結合された１以上のＮＯｘ低減燃料ノズルを有する、図２に示すような燃焼器の一実施形態の切り欠き側面図。
【図４】図３に示すような燃焼器の端部カバー及びＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の斜視図。
【図５】図４の線５−５で示すようなＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の側断面図。
【図６】図４の線６−６で示すようなＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の側断面図。
【図７】ＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の分解正面斜視図。
【図８】ＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の分解正面斜視図。
【図９】破線が内部通路を示す、図７及び８に示すようなＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の斜視図。
【図１０】破線が内部通路を示す、図７及び８に示すようなＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の正面図。
【図１１】図１〜１０に示すようなＮＯｘ低減燃料ノズルの一部の一実施形態の側断面図。
【図１２】燃料通路の異なる配列を示す、図１１の線１２−１２で囲まれたＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の側断面図。
【図１３】燃料通路の異なる配列を示す、図１１の線１２−１２で囲まれたＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の側断面図。
【図１４】燃料通路の異なる配列を示す、図１１の線１２−１２で囲まれたＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の側断面図。
【図１５】空気通路に対する燃料通路の異なる軸方向整列を示す、図１１の線１５−１５に沿ったＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の断面図。
【図１６】空気通路に対する燃料通路の異なる軸方向整列を示す、図１１の線１５−１５に沿ったＮＯｘ低減燃料ノズルの一実施形態の断面図。
【図１７】空気通路に対する燃料通路の異なる軸方向整列を示す、図１１の線１５−１５に沿ったＮＯｘ低減燃料ノズルの実施形態の断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１０】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
【００１１】
本発明の開示は、ガスタービンエンジンにおける燃料空気の混合、燃焼、及びエミッション（例えば、ＮＯｘエミッション）を改善するためのシステムに関する。一般に、ガスタービンエンジンは、１以上の燃料ノズルを利用して燃焼器において燃料空気の混合を促進する。各燃料ノズルは、空気、燃料、及び任意選択的に他の流体を燃焼器に配向するための構造を含む。燃焼器内に流入すると、燃料及び空気混合気は燃焼し、これによりタービンエンジンを駆動する。燃焼中、一酸化窒素及び二酸化窒素（総称的にＮＯｘとして知られている）のような政府規制の適用対象である化合物が形成される可能性がある。燃焼プロセス中に形成されるＮＯｘエミッションは、燃料組成、運転モード、及び燃焼機器設計と相関関係にある。ＮＯｘエミッションは、燃焼空気における大気窒素の熱的固定（すなわち、サーマルＮＯｘ）、火炎ゾーン近傍での窒素酸化物の急速形成（すなわち、プロンプトＮＯｘ）、又は燃料中の窒素と酸素との反応（すなわち、燃料ＮＯｘ）によって形成される可能性がある。ＮＯｘ形成の原動力は、燃焼上の燃焼温度及び時間である。ＮＯｘエミッションを低減するために、希釈剤（例えば、蒸気、水、又は煙道ガス）を燃焼ゾーンに噴射することができ、運転コストが増大する結果となる。
【００１２】
本開示の実施形態は、燃焼前に燃料ノズル内で空気と燃料を予混合し、高温のゾーン及びＮＯｘエミッションを低減するよう構成された改善されたタービン燃料ノズル設計を提供する。例えば、タービン燃料ノズルは、環状壁及びベース壁によって定められた下流側キャビティを含むことができ、該ベース壁は、複数の空気通路及び複数の燃料通路を含み、空気及び燃料を予混合するために少なくとも１つの空気通路が少なくとも１つの燃料通路に結合されている。特定の実施形態では、例えば、複数の空気通路は、外面から環状壁及びベース壁を通って下流側キャビティに延在しており、他方、複数の燃料通路は、ベース壁を通って下流側キャビティに延在し、また、複数の燃料通路は、上流側キャビティから燃料ベース壁を通って下流側キャビティまで延在している。更に、各空気通路は、上流側キャビティから通じる分流器燃料通路に結合され、燃料の第１の部分が複数の燃料通路を通って流れ、燃料の第２の部分が分流器燃料通路を通って空気通路に流れるようになる。例えば、第２の部分は、全燃料流の１〜５０、又は１０〜４０％とすることができる。分流器燃料通路は、空気通路内の燃料及び空気を予混合し、これにより燃料空気混合の改善、燃焼の改善、及びエミッションの低減を可能にする。例えば、予混合は、高温ゾーンの低減、従って、ＮＯｘの生成を低減することができる。
【００１３】
図１は、ガスタービンエンジン１１を有するタービンシステム１０の一実施形態のブロック図である。以下で詳細に説明するように、本開示のタービンシステム１０は、タービンシステム１０におけるＮＯｘエミッションを低減する改善された設計を備えた燃料ノズル１２の１以上を利用する。タービンシステム１０は、天然ガス及び／又は合成ガスなどの液体又はガス燃料を用いてタービンシステム１０を駆動することができる。図示のように、１以上の燃料ノズル１２は、供給燃料１４を吸入し、燃料を空気と部分的に混合して、燃料並びに空気燃料混合気を燃焼器１６内に分配し、該燃焼器において燃料と空気との間で更に混合が行われる。空気燃料混合気は、燃焼器１６内の燃焼室で燃焼され、これにより高温の加圧排出ガスが生成される。燃焼器１６は、排出ガスをタービン１８に通して排気出口２０に向けて配向する。排出ガスがタービン１８を通過すると、ガスによってタービンブレードがタービンシステム１０の軸線に沿ってシャフト２２を回転させる。図示のように、シャフト２２は、圧縮機２４を含むタービンシステム１０の種々の構成要素に接続される。圧縮機２４はまた、シャフト２２に結合されるブレードを含む。シャフト２２が回転すると、圧縮機２４内のブレードもまた回転し、これにより空気吸入口２６から圧縮機２４を通って燃料ノズル１２及び／又は燃焼器１６に流れるように空気が加圧される。シャフト２２はまた、負荷２８に接続することができ、該負荷は、例えば、車両、又は発電プラントにおける発電機などの定置負荷、或いは航空機のプロペラとすることができる。負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力によって動力を提供できるあらゆる好適な装置を含むことができる。
【００１４】
図２は、図１に示すようなガスタービンエンジン１１の一実施形態の側断面図である。図示のように、１以上の燃料ノズル１２は、１以上の燃焼器１６の内部に位置付けられ、ここで各燃料ノズル１２は、空気、燃料、又は空気燃料混合気の燃焼器１６への噴射から上流側にある燃料ノズル１２の中間又は内部壁内で空気及び燃料を部分的に予混合するよう構成されている。例えば、各燃料ノズル１２は、空気通路内に燃料を分流し、これにより高温ゾーン及びＮＯｘエミッションを低減するために燃料の一部と空気を部分的に予混合することができる。運転中、空気は、空気吸入口２６を通ってガスタービンエンジン１１に流入し、圧縮機２４において加圧される。次いで、加圧空気は、ガスと混合されて燃焼器１６内で燃焼される。例えば、燃料ノズル１２は、燃焼、エミッション、燃料消費、及び出力が最適となる好適な比率で燃料空気混合気を燃焼器１６内に噴射することができる。燃焼により、高温の加圧排出ガスが生成され、該排出ガスがタービン１８内のタービンブレード３０を駆動してシャフト２２を回転させ、従って圧縮機２４及び負荷２８を駆動する。タービンブレード３０の回転によりシャフト２２の回転が引き起こされ、これにより圧縮機２４内のブレード３２が吸気口２６により受け取られた空気を引き込んで加圧するようにする。
【００１５】
図３は、図２に示すような、燃焼器１６の一実施形態の切り欠き側面図である。図示のように、複数の燃料ノズル１２は、燃焼器１６のヘッド端部３６付近で端部カバー３４に取り付けられる。加圧空気及び燃料は、端部カバー３４及びヘッド端部３６を通って燃料ノズル１２の各々に配向され、燃料空気混合気を燃焼器１６に分配する。この場合も同様に、燃料ノズル１２は、空気、燃料、又は空気燃料混合気の燃焼器１６への噴射から上流側にある燃料ノズル１２の中間又は内部壁内で空気及び燃料の一部を部分的に予混合し、これによりＮＯｘエミッションの形成を低減するよう構成することができる。燃焼器１６は、一般に、燃焼ケーシング４０、燃焼器ライナ４２、及び流れスリーブ４４によって定められる燃焼室３８を含む。特定の実施形態では、流れスリーブ４４及び燃焼器ライナ４２は、互いに同軸に配置されて中空環状スペース４６を定め、これにより冷却並びにヘッド端部３６及び燃焼室３８内への流入のための空気の通過を可能にすることができる。燃焼器１６の設計は、トランジションピース８（例えば、収束セクション）を通ってタービン１８に向かう空気燃料混合気の最適な流れを提供する。例えば、燃料ノズル１２は、燃焼室３８に加圧空気燃料混合気を分配することができ、ここで空気燃料混合気の燃焼が起こる。結果として得られる排出ガスは、矢印５０で示すように、トランジションピース８を通ってタービン１８に流れ、これによりタービン１８のブレード３０がシャフト２２と共に回転を引き起こす。
【００１６】
図４は、端部カバー３４の端部カバー表面５２に取り付けられた複数の燃料ノズル１２を備えた端部カバー３４の一実施形態の斜視図である。図示の実施形態では、燃料ノズル１２は、環状配列で端部カバー表面５２に取り付けられる。しかしながら、あらゆる好適な数及び配列の燃料ノズル１２を端部カバー表面５２に取り付けることができる。特定の実施形態では、各燃料ノズル１２は、燃料ノズル１２の中間又は内部壁内部で燃料の一部と空気を予混合した後、該中間又は内部壁から噴射され、これによりＮＯｘエミッションの形成を低減する。
【００１７】
燃料ノズル１２への空気入口５６は、ある角度にて内向きに各燃料ノズル１２の軸線５８に向けて配向され、これにより、燃焼器１６内に下流側方向５４で移動するときに空気ストリームが燃料ストリームと混合できるようにすることができる。更に、特定の実施形態では、空気ストリーム及び燃料ストリームは、時計回りと反時計回りなど、反対方向でスワールし、より良好な混合プロセスを可能にすることができる。他の実施形態では、空気ストリーム及び燃料ストリームは、システム状態及び他の要因に応じて、混合を改善するために同じ方向にスワールしてもよい。
【００１８】
以下でより詳細に検討するように、内部予混合壁は、各燃料ノズル１２内で用いられ、燃料ストリームの一部を１以上の燃料通路を介して１以上の空気通路内の空気ストリームに配向し、該予混合壁内部で空気ストリーム及び燃料ストリームを予混合することができる。この予混合により、各燃料ノズル１２のカラー６２内に位置付けられるキャビティ又はチャンバ６０内に追加の燃料ストリームと共に噴射されることになる空気燃料混合気を生成する。幾つかの実施形態では、燃料通路は、空気通路に対して角度が付けられ、予混合壁内の空気及び燃料ストリームを混合するためのスワール又は反転スワールを誘起することができる。特定の実施形態では、追加の空気通路は、燃料ノズルカラー６２の内側壁に沿って空気流（又は別の保護流体）を配向し、これにより燃料ノズルカラー６２の内側壁６４に近接した周辺領域内で一面の空気を生成することができる。このようにすることによって、一面の空気により燃料ノズル１２内の保炎の可能性が低減される。理解されるように、燃料ノズル１２の特定の実施形態は、空気のみ、水のみ、又は燃料ノズル１２の内部壁に沿って容易には燃焼可能ではない他の何れかの流体のみを配向することができる。
【００１９】
図５は、図４において線５−５で示されるような、燃料空気混合を改善し、燃焼を改善して、エミッションを低減するよう設計された燃料ノズル１２の一実施形態の側断面図である。燃料ノズル１２は、内側壁部分７４（例えば、内側環状部分）、中間壁部分７６（例えば、中間環状部分）、及び外側壁部分７８（例えば、外側環状部分）を含む。燃料ノズル１２の外側環状部分７８はカラー６２を含む。外側環状部分７８は、例えば、互いに同軸又は同心状に内側壁部分７４の周りに配置される。中間環状部分７６が内側壁部分７４と外側環状部分７８との間で半径方向に延在し、これにより上流側キャビティ又はチャンバ８２及び下流側キャビティ又はチャンバ８４を定める。上流側チャンバ８２は、内側壁部分７４と外側環状部分７８との間で中間環状部分７６の上流側に配置される。下流側チャンバ８４は、外側環状部分７８内、例えば、カラー６２内部の中間環状部分７６の下流側に配置される。従って、中間環状部分７６は、下流側チャンバ８４又は内部予混合壁のベース壁として説明することができる。以下で詳細に検討するように、中間環状部分７６は、チャンバ８４の上流側で空気及び燃料のストリームを予混合するよう構成される。
【００２０】
図示のように、燃料ノズル１２は、空気及び燃料が燃料ノズル１２の一部を通過するための複数の通路を含む。例えば、内側環状部分７４は、燃料通路９２（例えば、内側燃料通路）を有する。実際には、燃料通路９２は、中央燃料通路９０に面する燃料入口９６から内側壁部分７４の端壁９４を通って延在する。特定の実施形態では、燃料９８は、燃料入口９６を通って流れ、燃料通路９２を通過する燃料ストリームを生成する。図示のように、入口９６及び通路９２は、内側環状部分７４の下流側端部１００にて端壁９４に沿って内側及び外側環状配列１０２、１０３で配列される。しかしながら、入口９６及び通路９２のあらゆる好適な数及び配列を燃料ノズル１２において用いることができる。また、特定の実施形態では、入口９６及び通路９２の数は変えることができる。入口９６及び通路９２の数は、約１〜１００又はそれ以上の範囲にわたることができる。上流側チャンバ８２はまた、内側部分７４と環状部分７８との間に別の燃料通路、例えば、環状燃料通路を定める。以下で詳細に検討するように、上流側チャンバ８２（又は環状燃料通路）は、複数の燃料通路に燃料１０４を供給し、少なくとも一部の燃料を複数の空気通路に分流し、中間環状部分７６において燃料及び空気を予混合可能にする。特定の実施形態では、燃料は、上流側チャンバ８２（又は環状燃料通路）にのみ供給され、中央燃料通路９０には供給しないようにすることができ、或いは、その逆もまた可能である。
【００２１】
図６はまた、燃料ノズル１２の一部を通る空気及び燃料のための通路を示す。図６は、図４の線６−６で示すような、ＮＯｘ低減燃料ノズル１２の一実施形態の側断面図である。図６は、内側環状部分７４が図示されていないことを除けば、図５で上述したものと同じである。図６で図示されるように、中間環状部分７６は、中間環状部分（すなわち、予混合壁）を通って延在する空気通路１１２と燃料通路１１４、１１６とを含む。図示するように、燃料ノズル１２は、外側環状部分７８（すなわち、外側壁部分７８）及び中間環状部分７６（すなわち、内側壁部分又は予混合壁）を通って外側環状部分７８の外部１１８から下流側チャンバ８４まで延在した１以上の空気通路１１２を含む。換言すると、空気通路１１２は、燃料ノズル１２の外部１１８から内部予混合壁７６を通って燃料ノズル１２の内部１１９に延在する。空気通路１１２は、燃料ノズル１２の軸線５８に対して角度を付けることができる。空気入口１２０は、外側環状部分７８の外部１１８上に位置する。特定の実施形態では、空気１２２は、空気入口１２０を通って流れ、空気通路１１２を通る空気ストリームを生成することができる。特定の実施形態では、入口１２０及び通路１１２の数は変えることができる。例えば、入口１２０及び対応する通路１１２の数は、約１〜５０、１〜２５、又は１〜１０の範囲に及ぶことができる。図７〜１０に示すような別の実施形態では、燃料ノズル１２は、燃料ノズルカラー６２の内側壁６４に沿って空気流（又は別の保護流体）を配向し、これにより、燃料ノズルカラー６２の内側壁６４に近接する周辺領域において一面の空気を生成し、燃料ノズル１２の近傍において保炎の可能性を低減するための追加の空気通路を含むことができる。
【００２２】
上述のように、燃料ノズル１２は、別の燃料通路１０４（例えば、環状燃料通路）を含む。図示のように、１以上の燃料通路１１６は、環状燃料通路１０４の上流側チャンバ８２から下流側チャンバ８４まで中間環状部分７６（すなわち、内側壁部分）を通って延在する。燃料通路１１６は、燃料ノズル１２の軸線５８に対して角度を付けることができる。燃料入口１２６は、中間環状部分７６内側面１３０の中央部分１２８上に位置する。特定の実施形態では、燃料９８は、燃料入口２６を通って流れ、燃料通路１１６を通る燃料ストリームを生成することができる。図示のように、入口１２６及び通路１１６は、中間環状部分７６及びその内部で環状配列になっている。しかしながら、入口１２６及び通路１１６のあらゆる好適な数及び配列を燃料ノズル１２内に配置することができる。例えば、入口１２６及び対応する通路１１６の数は、約１〜４０、１〜２０、又は１〜１０の範囲に及ぶことができる。
【００２３】
また、１以上の通路１１４は、環状燃料通路１０４の上流側チャンバ８２から１以上の空気通路１１２まで中間環状部分７６（すなわち、内側壁部分）を通って延在する。燃料通路１１４の空気通路１１２への結合により、内部予混合壁７６の空気通路１１２内で空気１２２と燃料９８の予混合が可能になる。以下で詳細に説明するように、燃料通路１１４は、空気通路１１２を通る空気流路に対して角度を付けることができる。燃料入口１３２は、中間環状部分７６の内側面１３０の周辺部分１３４上に位置する。特定の実施形態では、燃料９８は、燃料入口１３２を通って流れ、燃料通路１１４を通る燃料ストリームを生成することができる。図示のように、入口１３２及び通路１１４は、中間環状部分７６及びその内部で環状配列になっている。図示するように、入口１３２及び通路１１４は、内側環状配列１３６及び外側環状配列１３８で配置される。しかしながら、入口１２６及び通路１１６のあらゆる好適な数及び配列を燃料ノズル１２内で用いることができる。例えば、入口１２６及び対応する通路１１６の数は、約１〜８０、１〜４０、１〜２０、又は１〜１０の範囲に及ぶことができる。上述のように、燃料通路１１４の空気通路１１２への結合により、燃料９８の一部が空気１２２と混合できるようになる。例えば、各燃料ノズル１２から燃焼ゾーンに供給される全燃料の５〜５０、又は１０〜３５パーセントを燃料通路１１４を通って空気通路１１２に分流することができる。このパーセンテージは、燃料流の質量流量、容積、又は他の何れかの同等の測定単位に基づくことができる。これにより、燃料９８の一部を下流側チャンバ８４内への噴射前に空気１２２と予混合することができ、従って、高温ゾーン及びＮＯｘエミッションの両方の低減が可能になる。燃料９８はまた、燃料通路９２及び１１６を介して下流側チャンバ８４に供給される。また、上述のように、空気１２２は、追加の空気通路を介して供給され、カラー６２の内側壁６４に沿った一面の空気を形成し、燃料ノズル１２の近傍での保炎の可能性を低減する。
【００２４】
図７及び８は、燃料ノズル１２を形成するために構成要素をどのように互いに嵌合するかを示す、図５のＮＯｘ低減燃料ノズル１２の実施形態の分解図である。図示のように、燃料ノズル１２は、カラー６２、主本体１４４、及び内側環状部分７４を含む。主本体１４４は、上述のように、外側環状部分７８及び中間環状部分７６を含む。図示のように、内側環状部分７４は、一般に、燃料ノズル１２の軸線５８に沿って主本体１４４を通る円形開口１４６内に堅固に嵌合するよう構成される。図示するように、内側環状部分７４と主本体１４４は燃料ノズル１２の別個の要素である。別個の要素として、別個の燃料を内側環状部分７４と主本体１４４の中間環状部分７６とに通して配向することができる。特定の実施形態では、内側環状部分７４と主本体１４４は１つの要素に一体化してもよい。また、図示するように、主本体１４４及びカラー６２は別個の要素である。特定の実施形態では、主本体１４４及びカラー６２は１つの要素に一体化してもよい。
【００２５】
図示のように、カラー６２は、一般に、主本体１４４の中間環状部分７６付近に位置し、カラー６２は、中間環状部分７６の外側面１５０に沿って環状に配列された空気出口１４７及び空気出口１４８の一部の上に位置付けられるようにする。カラー６２のネック部１５２は、中間環状部分７６の直径よりも小さい直径を有することができる。この構成により、外側環状部分７８に沿って円周方向に位置する空気入口１５４を介して流入する空気１２２が空気出口１４７を介して流出してカラー６２の内側壁６４に沿って一面の空気１２２を形成し、燃料ノズル１２の近傍における保炎の可能性を低減できるようになる。
【００２６】
図示のように、主本体１４４の外側環状部分７８は、外側面１１８に沿って円周方向に間隔を置いて配置された空気入口１２０を含む。対応する空気出口１４８は、空気出口１４７と燃料出口１５６との間の中間環状部分７６の外側面１５０に沿って環状に配列される。図６において上記で説明したように、空気１２２は空気入口１２０を介して流入し、空気通路１１２内で燃料９８と予混合される。燃料９８は、上述のように燃料入口１３２を介して流入し、燃料通路１１４を介して空気通路１１２に流入する。次いで、空気燃料混合気は、空気出口１４８を介して空気通路１１２から流出する。上述のように、内部予混合壁７６における空気１２２と燃料９８の予混合により、高温ゾーン及びＮＯｘエミッションの形成が低減される。空気燃料混合気中における燃料９８とは別に、燃料９８は、中間環状部分７６の外側面１５０に沿って環状に配列された燃料出口１５６と、内側環状部分７４の外側面１６０に沿って環状に配列された燃料出口１５８とから流出することができる。上述のように、燃料９８は、燃料入口１２６を介して燃料通路１１６に流入し、次いで、燃料出口１５６を介して流出する。図示のように、出口１４７、１４８、１５６、及び１５８は、環状配列になっている。しかしながら、出口１４７、１４８、１５６、及び１５８のあらゆる好適な数及び配列を燃料ノズル１２において用いることができる。また、図示のように、入口１２０及び１５４は、外側環状部分７８に沿って円周方向で間隔を置いた配列になっている。しかしながら、入口１２０及び１５４のあらゆる好適な数及び配列を燃料ノズル１２において用いることができる。
【００２７】
上述のように、特定の実施形態では、燃料ノズル１２の構成要素は、内部予混合壁７６内部の下流側チャンバ８４の上流側で空気及び燃料の予混合を可能にし、これにより高温ゾーン及びＮＯｘエミッションの形成が低減される。例えば、図９及び１０は、それぞれ、全てではなく一部の内部通路を破線で示した、図７及び８に示すようなＮＯｘ低減燃料ノズル１２の一実施形態の斜視図と平面図である。図示のように、燃料ノズル１２の主本体１４４は、外側環状部分７８の外部１１８から中間環状部分７６の外側面１５０まで、外側環状部分７８を通って中間環状部分７６に延在する空気通路１１２及び１６８を含む。空気通路１１２は、空気入口１２０から空気出口１４８に延在する。上述のように、特定の実施形態では、空気１２２は、空気入口１２０を通って流れ、空気通路１１２を通して空気ストリームを生成し燃料９８と予混合することができる。空気通路１６８は、空気入口１５４から空気出口１４７まで延在する。上述のように、特定の実施形態では、空気１２２は、空気入口１５４を通って流れ、空気通路１６８を通る空気ストリームを生成してカラー６２の内側壁６４に沿った一面の空気１２２を形成し、燃料ノズル１２の近傍において保炎の可能性を低減することができる。
【００２８】
図示のように、特定の実施形態では、燃料ノズル１２の主本体１４４は、環状燃料通路１０４から中間環状部分７６を通って延在する燃料通路１１４、１１６を含む。燃料通路１１６は、燃料入口１２６から燃料出口１５６に延在する。上述のように、特定の実施形態では、燃料９８は、燃料入口１２６を通って流れ、燃料通路１１６を通る燃料ストリームを生成することができる。燃料通路１１４は、燃料入口１３２から空気通路１１２内に位置する空気出口１７０まで延在する。上述のように、特定の実施形態では、燃料９８は、燃料入口１３２を通って流れて燃料通路１１４を通る燃料ストリームを生成し、空気通路１１２内で空気１２２と予混合することができる。
【００２９】
図１１〜１７は、ＮＯｘ低減燃料ノズル１２の内部予混合壁７６内での燃料９８及び空気１２２の予混合の種々の実施形態を示す。図１１は、空気通路１１２及び燃料通路１１４、１１６の配列を示す、ＮＯｘ低減燃料ノズル１２の一部の一実施形態の側断面図である。上述のように、空気通路１１２は、外側環状部分７８（すなわち、外側壁部分）及び中間環状部分７６（すなわち、内側壁部分）を通って外側環状部分７８の外部１１８から下流側チャンバ８４まで延在する。また、上述のように、燃料通路１１６は、中間環状部分７６を通って環状燃料通路１０４から下流側チャンバ８４まで延在する。更に、１以上の燃料通路１１４は、中間環状部分７６を通って環状燃料通路１０４から空気通路１１２まで延在する。上述のように、空気１２２は、外側環状部分７８の外部１１８から空気通路１１２を介して下流側チャンバ８４に流れる。燃料９８は、環状燃料通路１０４から燃料通路１１４を介して空気通路１１２に流れる。燃料通路１１４からの燃料９８は、下流側チャンバ８４に流出する前に内部予混合壁７６内の空気通路１１２内で空気１２２と予混合する。この空気１２２と燃料９８の予混合は、高温ゾーン並びにＮＯｘエミッションを低減する。
【００３０】
図示のように、２つの燃料通路１７８、１８０は、空気通路１１２に結合される。しかしながら、あらゆる好適な数の燃料通路１１４が環状燃料通路１０４から延在して、空気通路１１２に結合することができる。各空気通路１１２に結合される燃料通路１１４の数は、約１〜１５、１〜１０、又は１〜５の範囲にわたることができる。例えば、１、２、３、４、又は５つの燃料通路１１４が各空気通路１１２に結合することができる。図示のように、燃料通路１７８、１８０は、空気通路１１２を通る空気流路１８２（すなわち、空気流のストリーム）に対して同じ下流側方向の角度が付けられる。また、燃料通路１７８、１８０は互いに平行にされる。しかしながら、以下でより詳細に説明するようなあらゆる好適な配列の燃料通路１１４を用いることができる。更に、燃料通路１７８、１８０は各々、互いに同じ直径１８４及び１８６をそれぞれ含む。以下で更に詳細に検討するように、燃料通路１７８、１８０の直径１８４、１８６は異なるものであってもよい。
【００３１】
上述のように、燃料通路１１４の数及び配列は変えることができる。図１２〜１４は、燃料通路１１４の異なる配列を示す、ＮＯｘ低減燃料ノズル１２の実施形態の側断面図である。例えば、図１２は、互いに対して非平行に配列された燃料通路１７８、１８０を示している。燃料通路１８０は、空気流路１８２に対して下流側方向に角度が付けられ、燃料通路１７８は、空気通路１１２を通る空気流路１８２に対して上流側方向に（すなわち、空気流のストリームに抗して）角度が付けられる。換言すると、燃料通路１７８、１８０は、拡大する方向で空気通路１１２に配向された燃料経路１９２、１９４を含む。空気流のストリームに抗して上流側に燃料経路１９２を配向することにより、空気１２２及び燃料９８がより良好に混合できるようにすることができる。更に、燃料通路１７８は、燃料経路１９４の直径１８６とは異なる直径１８４を含む。図示のように、直径１８４は直径１８６よりも大きく、従って、空気流のストリームと同伴する燃料よりも、空気流のストリームに抗する燃料の方ががより多く分流され、環状燃料通路１０４から分流される燃料９８のより多くの部分を空気１２２とより良好に予混合するようになる。しかしながら、特定の実施形態では、直径１８６は直径１８４よりも大きく、空気流のストリームに抗する燃料よりも、空気流のストリームと同伴する燃料の方をより多く分流することができる。
【００３２】
或いは図１３における別の非平行な配列では、燃料通路１７８は、下流側方向に角度が付けられ、燃料通路１８０は、空気流路１８２に対して上流側方向に僅かに角度が付けられている。換言すると、燃料通路１７８、１８０は、収束方向で空気通路１１２に配向される燃料経路１９２、１９４を含む。燃料９８を収束区域に集中させることにより、空気１２２と予混合される燃料９８の量を増大させ、従って、高温ゾーン及びＮＯｘエミッションの形成を低減することができる。
【００３３】
更に、図１４における別の非平行な配列では、燃料通路１７８は、上流側方向に角度が付けられ、燃料通路２０６は、空気流路１８２に対しほぼ垂直な中間方向で角度が付けられ、燃料通路１８０は、空気流路１８２に対して下流側方向で角度が付けられる。図１１〜１４の種々の配列は、内部予混合壁７６内での空気通路１１２における空気１２２と燃料９８を予混合し、高温ゾーン及びＮＯｘエミッションの形成を低減するよう構成されている。
【００３４】
燃料通路１１４は、同じ軸方向位置内で整列され、又は異なる軸方向位置に沿って向きが定められ、空気１２２と燃料９８の予混合に関して異なる作用をもたらすようにすることができる。図１５〜１７は、例えば軸線２１４など、空気通路１１２に対して燃料通路１１４の異なる軸方向整列を示す、線１２−１２に沿ったＮＯｘ低減燃料ノズル１２の実施形態の断面図である。例えば、図１５は、周囲２１２並びに中心軸線２１４を中心とした同じ軸方向整列内での１以上の燃料通路１１４の整列を示している。結果として、燃料経路２１６内の燃料９８は、一般に、空気通路１１２の周囲２１２付近の同じ箇所２１８から通路１１２の中心軸線２１４に向かって流出する。軸線２１４に対する同じ軸方向整列内では、燃料通路１１４は、軸線２１４に沿った異なる軸方向位置において互いに対して平行又は非平行とすることができる。加えて、燃料通路１１４は、上流側方向、垂直方向、又は下流側方向で空気通路１１２に配向することができる。更に、燃料通路１１４の燃料経路２１６は、収束方向又は拡大方向で空気通路１１２に配向することができる。
【００３５】
しかしながら、上述のように、燃料通路は、例えば軸線２１４などの空気通路１１２に対して異なる軸方向位置に沿って向きを定めることができる。例えば、図１６は、燃料通路２２６及び２２８を実線及び破線で示した、軸線２１４に沿った異なる軸方向位置における通路２２６及び２２８の整列を示している。加えて、燃料通路２２６及び２２８は、空気通路１１２の周囲２１２の周りの異なる円周方向位置に位置する。実際には、燃料通路２２６及び２２８は、空気通路１１２の中央軸線２１４からオフセットした方向２３０及び２３２（すなわち、スワールを誘起する方向）でそれぞれ角度が付けられている。個々には、各燃料通路２２６及び２２８は、空気通路１１２において中心軸線２１４の周りで燃料９８のスワール流路（全体的に、矢印２３４及び２３６でそれぞれ示される）をもたらす。図示の実施形態では、燃料通路２２６、２２８は周囲２１２に対して接線方向にあり、互いにほぼ平行である。他の実施形態では、燃料通路２２６、２２８は、空気通路１１２に向かって異なるように角度を付けることができる。図示のように、燃料通路２２６、２２８は、空気通路１１２の中央軸線２１４の周りに反対方向２３０、２３２で空気通路１１２に配向された燃料経路２３８、２４０を含み、中央軸線２１４の周りに矢印２３４及び２３６で全体的に示される反対方向のスワール（すなわち、時計方向と反時計方向のスワール）を生成してより良好な混合プロセスを可能にする。燃料通路２２６、２２８は、軸線２１４に沿って上流側方向、垂直方向、又は下流側方向で空気通路１１２に配向することができる。加えて、燃料通路２２６、２２８の燃料経路２３８、２４０は、収束方向又は拡大方向で空気通路１１２に配向することができる。
【００３６】
或いは、図１７に示すように、燃料通路２２６、２２８は、異なる軸方向位置にあることができるが、燃料９８の流れは、空気通路１１２の中央軸線２１４に向かって配向されている。図示のように、燃料通路２２６、２２８は、該通路２２６、２２８の実線と破線とで示すように、軸線２１４に沿ってなる軸方向位置に位置する。加えて、燃料通路２２６、２２８は、燃料経路２３８、２４０で示すように、非平行な方向で空気通路１１２に向けて配向される。図示のように、燃料通路２３８、２４０の燃料経路２３８及び２４０は、全体的に矢印２４２、２４４で示されるように、収束方向で中央軸線２１４に向けて配向される。燃料経路２３８、２４０は、上流側方向、垂直方向、又は下流側方向で空気通路１１２に配向することができる。中央軸線２１４に向かう燃料９８の収束により、空気１２２とより多くの燃料９８を予混合することができる。実際には、上記の燃料通路の種々の配列の全ては、空気燃料混合気の下流側チャンバ８４への噴射の前に予混合壁７６内で空気１１２と燃料９８を予混合することを目的としている。予混合の結果として、高温ゾーン及びＮＯｘエミッションの形成を燃料ノズル１２において低減することができる。
【００３７】
本開示の実施形態の技術的効果は、燃焼ゾーンに対して高温ゾーン及びＮＯｘエミッションを低減するためのシステムを提供することを含む。加えて、本システムは、燃料ノズル１２の近傍内での保炎の可能性を低減する。本明細書で開示される実施形態は、燃料ノズル１２の内部予混合壁７６内で空気と全噴射燃料の一部を予混合することによって、高温ゾーン及びＮＯｘエミッションの低減を可能にする。燃料ノズル１２のキャビティ８０の上流側での空気及び燃料の予混合により、キャビティ８０内で単に空気と燃料とを混合するよりも、高温ゾーン及びＮＯｘエミッションのより大きな低減が得られることになる。中間環状部分７６内で空気と燃料の予混合を介した高温ゾーン及びＮＯｘエミッションの低減により、ＮＯｘエミッション低減をするために少ない希釈剤を用いることが可能になる。加えて、本開示の実施形態は、ＮＯｘエミッション低減に伴って稼働コストを低減する。更に、燃料ノズル１２は、燃料ノズルカラー６２の内側壁６４に沿って空気流（又は別の保護流体）を配向するため追加の空気通路を含み、これにより燃料ノズルカラー６２の内側壁６４に近接した周辺領域において一面の空気を生成し、燃料ノズル１２の近傍での保炎の可能性を低減することができる。
【００３８】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３９】
１２  燃料ノズル
６２  燃料ノズルカラー
７４  内側環状部分（内側壁部分）
７６  中間壁部分
７８  外側環状部分（外側壁部分）
８２  上流側キャビティ又はチャンバ
８４  下流側キャビティ又はチャンバ
９０  中央燃料通路
９２  燃料通路
９４  端壁
９６  燃料入口
９８  燃料
１００  下流側端部
１０２  内側環状配列
１０３  外側環状配列
１０４  燃料
【図１】
2012198009.tif 000003
【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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【外国語明細書】
2012198009000001.pdf