(57)【要約】【課題】燃料ノズルに異なる流れ制御特徴要素を提供すること。【解決手段】システムは複数管燃料ノズル（１２）を含む。複数管燃料ノズル（１２）は、燃料導管（４２）と、燃料導管（４２）に結合された燃料チャンバ（４８）と、燃料チャンバ（４８）を通って複数管燃料ノズル（１２）の下流側末端部分（４６）に延びる複数の管体（５０）と、を含む。複数の管体（５０）は、異なる燃料／空気予混合比、異なる管径、又は前記下流側末端部分（４６）に対する異なる出口距離のうちの少なくとも１つを含む、異なる流れ制御特徴要素を有する。【選択図】      図４
2012149868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数管燃料ノズル（１２）を備えたシステムにおいて、該複数管燃料ノズルが、
燃料導管（４２）と、
前記燃料導管（４２）に結合された燃料チャンバ（４８）と、
前記燃料チャンバ（４８）を通って前記複数管燃料ノズル（１２）の下流側末端部分（４６）に延びる複数の管体（５０）と、
を含み、前記複数の管体（５０）が、異なる燃料／空気予混合比、異なる管径、又は前記下流側末端部分（４６）に対する異なる出口距離を含む、異なる流れ制御特徴要素の少なくとも１つを有する、システム。
【請求項２】
前記複数の管体（５０）の異なる流れ制御特徴要素が、前記複数管燃料ノズル（１２）の中心軸線（８２）から離れて半径方向（８６）で変化する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記複数の管体（５０）が、前記複数管燃料ノズル（１２）の中心軸線（８２）から離れて半径方向（８６）で増大する燃料／空気予混合比、増大する直径、又は増大する出口距離を含む、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記複数の管体（５０）が異なる燃料／空気予混合比を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の管体（５０）の異なる燃料／空気予混合比が、前記複数管燃料ノズル（１２）の中心軸線（８２）から離れて半径方向（８６）で変化する、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の管体（５０）が第１の管体及び第２の管体を含み、前記第１の管体が前記第２の管体よりも多くの燃料入口（１３２）を前記燃料チャンバ（４８）内に有する、請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記複数の管体（５０）が第１の管体及び第２の管体を含み、前記第１の管体が前記燃料チャンバ（４８）内に燃料入口（１３２）の第１のセットを含み、前記第２の管体が前記燃料チャンバ（４８）内に燃料入口（１３２）の第２のセットを含み、前記燃料入口（１３２）の第１及び第２のセットが、互いに異なるサイズ又は形状を有する、請求項４記載のシステム。
【請求項８】
前記複数の管体（５０）が異なる管径を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記複数の管体（５０）の異なる管径が、前記複数管燃料ノズル（１２）の中心軸線（８２）から離れて半径方向（８６）で変化する、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数の管体（５０）が異なる出口距離を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数の管体（５０）の異なる出口距離が、前記複数管燃料ノズル（１２）の中心軸線（８２）から離れて半径方向（８６）で変化する、請求項８記載のシステム。
【請求項１２】
前記複数管燃料ノズル（１２）を有するタービン燃焼器（１６）又はガスタービンエンジンを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
前記管体（５０）の最内列（１０４）が燃料流を有しておらず、或いは、前記管体（５０）の少なくとも最内列（１０４）が、前記複数管燃料ノズル（１２）の下流側末端部分（４６）に対して同一平面に装着される、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
複数管燃料ノズル（１２）を備えたシステムにおいて、該複数管燃料ノズルが、
燃料導管（４２）と、
前記燃料導管（４２）に結合された燃料チャンバ（４８）と、
前記燃料チャンバ（４８）を通って延び、前記複数管燃料ノズル（１２）の中心軸線（８２）から第１の半径方向オフセット値にて配置された第１の軸線を含む第１の管体と、
前記燃料チャンバ（４８）を通って延び、前記第１の軸線に平行な第２の軸線を含む第２の導管と、
を有し、前記第２の軸線が、前記複数管燃料ノズル（１２）の中心軸線（８２）から前記第１の半径方向オフセット値よりも大きい第２の半径方向オフセット値にて配置され、前記第１及び第２の管体が互いに構造的に異なり、異なる流れ制御特徴要素を定める、システム。
【請求項１５】
前記第１及び第２の管体の異なる流れ制御特徴要素が、異なる燃料／空気予混合比、異なる管径、又は前記複数管燃料ノズル（１２）の下流側末端部分（４６）に対する異なる出口距離のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４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、タービンエンジンに関し、より具体的には、燃料ノズルの作動性及び耐久性を強化するための改善された設計を有する燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、燃料及び空気の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスが１以上のタービン段を駆動する。詳細には、高温の燃焼ガスは、タービンブレードを回転させ、これによりシャフトを駆動して、例えば発電機などの１以上の負荷を回転させる。ガスタービンエンジンは、燃料及び空気を燃焼器に噴射するための燃料ノズルを含む。残念ながら、燃料ノズルの一部は、高温燃焼生成物の大きな再循環ゾーンを生じる場合があり、この結果として、保炎、フラッシュバック、ホットスポット、及び燃料ノズルの起こり得る損傷を引き起こす場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第２０１０／０２１８５０１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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。
【０００５】
第１の実施形態によれば、システムは複数管燃料ノズルを含む。複数管燃料ノズルは、燃料導管と、該燃料導管に結合された燃料チャンバと、複数管燃料ノズルの中心軸線の周りに複数の列をなして同心状に配列され且つ燃料チャンバを通って複数管燃料ノズルの下流側末端部分に延びる複数の管体と、を含む。複数の管体は、流体流れと、異なる燃料／空気予混合比、異なる管径、又は下流側末端部分に対する異なる出口距離のうちの少なくとも１つを含む異なる流れ制御特徴要素とを有する。
【０００６】
第２の実施形態によれば、システムは複数管燃料ノズルを含む。複数管燃料ノズルは、燃料導管と、該燃料導管に結合された燃料チャンバと、燃料チャンバを通って延びる第１の管体とを含む。第１の管体は、複数管燃料ノズルの中心軸線から第１の半径方向オフセット値にて配置された第１の軸線を含む。複数管燃料ノズルはまた、燃料チャンバを通って延びる第２の管体を含む。第２の管体は、第１の軸線に平行な第２の軸線を含み、該第２の軸線は、複数管燃料ノズルの中心軸線から第２の半径方向オフセット値にて配置され、該第２の半径方向オフセット値は第１の半径方向オフセット値よりも大きく、第１及び第２の管体は流体流れを含み且つ互いに構造的に異なって異なる制御特徴要素を定める。
【０００７】
第３の実施形態によれば、システムは複数管燃料ノズルを含む。複数管燃料ノズルは、第１の導管と、該第１の導管に結合された燃料チャンバと、該燃料チャンバを通って延びる第１の管体とを含む。第１の管体は、複数管燃料ノズルの中心軸線から第１の半径方向オフセット値にて配置された第１の軸線を含む。複数管燃料ノズルは、燃料チャンバを通って延びる第２の管体を含む。第２の管体は、複数管燃料ノズルの中心軸線から第２の半径方向オフセット値にて配置された第２の軸線を含み、第２の半径方向オフセット値は第１の半径方向オフセット値よりも大きい。複数管燃料ノズルは、燃料チャンバを通って延びる第３の管体を含む。第３の管体は、複数管燃料ノズルの中心軸線から第３の半径方向オフセット値にて配置された第３の軸線を含み、該第３の半径方向オフセット値は第２の半径方向オフセット値よりも大きい。第１、第２、及び第３の管体は、流体流れと、異なる燃料／空気予混合比、異なる管径、又は複数管燃料ノズルの下流側末端部分に対する異なる出口距離を含む、少なくとも２つの異なる流れ制御特徴要素とを含む。
【０００８】
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】
【０００９】
【図１】作動性及び耐久性を強化する改善された設計を備えた燃料ノズルを有するタービンシステムの１つの実施形態のブロック図。
【図２】複数の燃料ノズルを備えた、図１の燃焼器の１つの実施形態の側断面図。
【図３】複数の燃料ノズルを含む燃焼器の１つの実施形態の正面平面図。
【図４】線４−４から見た、図３の中央燃料ノズルの１つの実施形態の側断面図。
【図５】線４−４から見た、図３の中央燃料ノズルの１つの実施形態の側断面図。
【図６】線４−４から見た、図３の中央燃料ノズルの１つの実施形態の側断面図。
【図７】線７−７から見た、図４の中央燃料ノズルの１つの実施形態の部分側断面図。
【図８】線７−７から見た、図４の中央燃料ノズルの１つの実施形態の部分側断面図。
【図９】線７−７から見た、図４の中央燃料ノズルの１つの実施形態の部分側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
本開示は、複数管ノズルの作動性及び耐久性を改善するためのシステムに関する。特定の燃焼器は、中央複数管燃料ノズルの周りに円周方向に分布された複数の複数管燃料ノズルを含む。燃料が複数管燃料ノズルの管体に流入し、空気と予混合された後、燃料ノズルから噴射される。空気燃料混合気は、燃料ノズルから噴射されると燃焼して高温燃焼生成物を生成する。残念ながら、開示される実施形態はないが、高温燃焼生成物は、中央複数管燃料ノズル付近で再循環して大きな再循環ゾーンを形成する可能性があり、これは、中央複数管燃料ノズルの中央部分付近でホットスポットを生成する。例えば、中央複数管燃料ノズルの管体は、燃料ノズルの下流側末端部分を越えて延び、保炎／フラッシュバックマージンを改善し、ＮＯｘを低減することができる。中央複数管燃料ノズルから突出する管端部は、火炎を端部上で安定化することが可能になり、燃料ノズルの中央部分付近のホットスポット内で管体に対する損傷を生じる可能性がある。
【００１３】
本開示の実施形態は、燃料ノズルの作動性及び耐久性を改善するための異なる流れ制御特徴要素を備えた複数管燃料ノズルを含むシステムを提供する。例えば、異なる流れ制御特徴要素は、流れ分布を制御して（例えば、均一な流れ又は制御された流れプロファイルを提供する）、複数管燃料ノズルの下流側端部に沿った高温燃焼生成物の低速ゾーン及び／又は再循環ゾーンを低減するよう構成される。結果として、流れ制御特徴要素は、再循環ゾーンに伴う保炎、フラッシュバック、ホットスポット、及び一般的損傷の可能性を低減する。特定の実施形態において、複数管燃料ノズルは、燃料チャンバを通って下流側末端部分に延びる複数の管体を含み、ここで管体は異なる流れ制御特徴要素を含む。異なる流れ制御特徴要素は、異なる燃料／空気予混合比、異なる管径、又は下流側末端部分に対する異なる出口距離を含むことができる。例えば、流れ制御特徴要素は、複数管燃料ノズルの中心軸線から離れて半径方向に変化することができる。流れ制御特徴要素はまた、管体の異なる数、サイズ、及び形状の燃料入口を含む。別の実施形態において、複数管燃料ノズルは、燃料チャンバから延びる第１の管体及び第２の管体を含み、各管体は燃料ノズルの中心軸線からオフセットした軸線を含む。第２の管体の半径方向オフセットは、第１の管体のオフセットよりも大きく、該第１及び第２の管体は、異なる流れ制御特徴要素を定めるよう互いに構造的に異なっている。更に別の実施形態において、複数の燃料ノズルは、燃料チャンバを通って延びる第１の管体、第２の管体、及び第３の管体を含み、各管体は燃料ノズルの中心軸線からオフセットした軸線を含む。第３の管体の半径方向オフセットは、第１及び第２の管体のオフセットよりも大きく、第２の管体の半径方向オフセットは、第１の管体の半径方向オフセットよりも大きい。第１、第２、及び第３の管体は、複数管燃料ノズルの異なる燃料／空気予混合比、異なる管径、又は下流側末端部分に対する異なる出口距離を有する少なくとも２つの異なる流れ制御特徴要素を含む。これらの実施形態の異なる流れ制御特徴要素は、複数管ノズルの中央部分付近のホットスポットを縮小し、燃料ノズルの作動性及び耐久性を向上させることができる。
【００１４】
次に、図面に移り、図１を参照すると、タービンシステム１０の１つの実施形態のブロック図が示される。以下で詳細に説明するように、開示されるタービンシステム１０（例えば、ガスタービンエンジン）は、改善された設計を備えた１以上の燃料ノズル１２（例えば、複数管燃料ノズル）を利用して、タービンシステム１０における燃料ノズル１２の作動性及び耐久性を向上させることができる。例えば、特定の燃料ノズル１２（例えば、複数管燃料ノズル）は、流れ分布を制御して（例えば、均一な流れ又は制御された流れプロファイルを提供する）、燃料ノズル１２の下流側末端部分に沿った高温燃焼生成物の低速ゾーン及び／又は再循環ゾーンを低減するよう構成された異なる流れ制御特徴要素を含む。結果として、流れ制御特徴要素は、再循環ゾーンに伴う保炎、フラッシュバック、ホットスポット、及び一般的損傷の可能性を低減する。特定の実施形態において、システム１０は、共通平面に沿って配列された、又は互いに軸方向に交互にされた複数の燃料ノズル１２を含む。例えば、複数の燃料ノズル１２（例えば、２から１０個）は、中央燃料ノズル１２の周りに配列することができる。これらの燃料ノズル１２の１以上は、以下で詳細に検討する流れ制御特徴要素を含むことができる。
【００１５】
タービンシステム１０は、タービンシステム１０を駆動するために天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガスなどの液体又はガス燃料を用いることができる。図示のように、１以上の燃料ノズル１２は、供給燃料１４を吸い込み、該燃料を空気と混合して、最適な燃焼、エミッション、燃料消費量、及び出力を得るのに好適な比率で空気燃料混合気を燃焼器１６内に分配する。タービンシステム１０は、１以上の燃焼器１６内部に配置された１以上の燃料ノズル１２を含むことができる。空気燃料混合気は、燃焼器１６内の燃焼チャンバにて燃焼し、これにより高温の加圧排出ガスを生成する。燃焼器１６は、タービン１８を通して排出ガスを排気出口２０に配向する。排出ガスがタービン１８を通過すると、ガスにより、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することができる。圧縮機２４はまた、シャフト２２に結合されたブレードを含む。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、これにより吸気口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内に空気を圧縮する。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、例えば発電プラント内の発電機又は航空機上のプロペラのような輸送手段又は定置負荷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供給することができるあらゆる好適な装置を含むことができる。
【００１６】
図２は、複数の燃料ノズル１２を備えた図１の燃焼器１６の１つの実施形態の側断面図である。燃焼器１６は、外側ケーシング又は流れスリーブ３８と、端部カバー４０とを含む。複数の燃料ノズル１２（例えば、複数管燃料ノズル）は、燃焼器１６内に装着される。各燃料ノズル１２は、燃料ノズル１２の上流側末端部分４４から下流側末端部分４６に延びる燃料導管４２を含む。加えて、各燃料ノズル１２は、以下でより詳細に説明するように下流側末端部分４６付近で燃料導管４２及び複数の管体５０の両方に結合された燃料チャンバ４８を含む。以下で詳細に検討するように、各燃料ノズル１２（例えば、外側燃料ノズル４７、４９及び中央燃料ノズル５１）の管体は、下流側末端部分４６から異なる距離、異なる直径、及び／又は燃料入口の異なる配置（例えば、燃料入口の異なる数、サイズ、及び配置）などの様々な流れ制御特徴要素を有することができる。特定の実施形態において、複数の管体５０は、燃料ノズル１２（例えば、燃料ノズル４７、４９、及び／又は５１）の下流側末端部分４６と同一平面上にあり、１以上の燃料ノズル１２の管体５０は、燃料入口の異なる直径及び／又は異なる配置を有する。他の実施形態において、複数の管体５０は、他の流れ制御特徴要素の有無に拘わらず、燃料ノズル１２（例えば、燃料ノズル４７、４９、及び／又は５０）の下流側末端部分４６を越えて延び又は突出する。１つの実施形態において、外側燃料ノズル４７及び４９は、管体５０の同一平面配置を有し、中央燃料ノズル５１は、管体５０の交互配置を有する。一部の実施形態において、中央燃料ノズル５１及び外側燃料ノズル４７、４９は両方とも、流れ制御特徴要素を含むことができる。
【００１７】
空気（例えば、圧縮空気）は、矢印５２で全体的に示されるように、１以上の空気入口５４を介して流れスリーブ３８に流入し、端部カバー４０に向かって軸方向に上流側空気流路５６を辿る。次いで、空気は、矢印６２で全体的に示されるように、内部流路６０に流入し、次いで下流側空気流路６４に沿って軸方向６６に進み、各燃料ノズル１２の複数の管体５０を通過する。燃料は、燃料流路６８に沿って軸方向６６に流れ、各燃料ノズル１２の下流側末端部分４６に向かって各燃料導管４２を通過する。次いで、燃料は、各燃料ノズル１２の燃料チャンバ４８に流入し、複数の管体５０内で空気と混合する。燃料ノズル１２は、最適な燃焼、エミッション、燃料消費量、及び出力を得るのに好適な比率で燃焼領域７０に空気燃料混合気を噴射する。中央燃料ノズル５１の下流側末端部分４６において、開示される実施形態の流れ制御特徴要素がない場合には、燃焼生成物が再循環されて大きな再循環領域７２を形成し、また、中央燃料ノズル５１の部分にホットスポットを生成する可能性がある。しかしながら、開示される実施形態は、流れ制御特徴要素を利用して燃料ノズル１２の下流側末端部分４６にて流れ分布を制御し（例えば、均一な流れ又は制御された流れプロファイルを提供する）、これにより高温燃焼生成物の低速領域及び／又は再循環ゾーンを低減する。結果として、流れ制御特徴要素は、保炎、フラッシュバック、ホットスポット、及び燃料ノズル１２の他の損傷の可能性を低減することができる。
【００１８】
図３は、複数の燃料ノズル１２（例えば、複数管燃料ノズル）を含む燃焼器１６の１つの実施形態の前方平面図である。燃焼器１６は、複数の燃料ノズル１２が貫通して配置されたキャップ部材７４を含む。図示のように、燃焼器１６は、該燃焼器１６のキャップ部材７４内に中心に位置付けられる燃料ノズル１２（すなわち、中央燃料ノズル７６）を含む。燃焼器１６はまた、中央燃料ノズル７６の周りに円周方向に配置された複数の燃料ノズル１２（すなわち、外側燃料ノズル７８）を含む。図示のように、６つの外側燃料ノズル７８が中央燃料ノズル７６を囲んでいる。しかしながら、特定の実施形態において、燃料ノズル１２の数並びに配置は変えることができる。例えば、燃料ノズル１２は、２００９年２月２７に出願され、引用により本明細書に組み込まれる米国特許出願番号１２／３９４，５４４に記載されるように配列することができる。各燃料ノズル１２は、複数の管体５０を含む。図示のように、各燃料ノズル１２の複数の管体５０は、複数の列８０をなして配列される。列８０は、各燃料ノズル１２の中心軸線８２の周りに同心配列を有する。特定の実施形態において、列８０の数、列８０当たりの管体５０の数、及び複数の管体５０の配列は変えることができる。
【００１９】
特定の実施形態において、各外側燃料ノズル７８の複数の管体５０は、下流側末端部分４６と同一平面とすることができ、中央燃料ノズル７６の複数の管体５０の少なくとも一部は、下流側末端部分４６を越えて延び又は突出することができる。上述のように、開示される流れ制御特徴要素（例えば、管体５０の可変突出を含む）は、中央燃料ノズル７６の突出している管端部上の大きな再循環領域７２及び火炎の安定化を低減し、これにより破線の円８４内領域により全体的に示されるホットスポットを縮小するよう構成される。これらホットスポットからの熱は、燃料ノズル７６内に中心に位置付けられたこのホットスポット領域８４内で管体５０に対する損傷を生じる可能性がある。以下で詳細に説明するように、複数の管体５０は、燃料ノズル１２の中心軸線８２から離れて又は外向きの半径方向８６で変化する異なる流れ制御特徴要素（例えば、突出距離、直径、及び燃料入口）を含むことができる。これらの流れ制御特徴要素は、流れを一様にし、中央燃料ノズル７６の下流側末端部分４６にわたる再循環領域７２を排除し、すなわち、下流側末端部分４６にわたって熱をより良好に分布させ且つホットスポットを縮小して、中央燃料ノズル７６の作動性及び耐久性を向上させることができる。例えば、流れ制御特徴要素は、異なる燃料／空気予混合比、異なる管径、又は下流側末端部分４６に対する異なる出口距離を含むことができる。特定の実施形態において、管体５０は、上記の異なる流れ制御特徴要素の少なくとも１つ、２つ、又は３つを含むことができる。特定の実施形態において、中央燃料ノズル７６だけが流れ制御特徴要素を含むことができる。或いは、外側燃料ノズル７８だけが流れ制御特徴要素を含むことができる。幾つかの実施形態において、中央燃料ノズル７６及び外側燃料ノズル７８の両方が流れ制御特徴要素を含むことができる。
【００２０】
図４から９は、高温燃焼生成物の低速度領域又は再循環ゾーンを低減するための異なる流れ制御特徴要素を例示する、線４−４から見た図３の燃料ノズル１２（例えば、中央燃料ノズル７６）の種々の実施形態の側断面図である。以下で検討する流れ制御特徴要素は、それぞれの実施形態に限定されず、燃料ノズル１２の作動性及び耐久性を改善するために組み合わせて用いることができる。図４は、管体５０の交互配列を示す、線４−４から見た図３の中央燃料ノズル７６の１つの実施形態の側断面図である。上述のように、燃料ノズル７６（例えば、複数管燃料ノズル）は、燃料導管４２、該燃料導管４２に結合された燃料チャンバ４８、及び燃料チャンバ４８を通って下流側末端部分４６に延びる複数の管体５０を含む。管体９６、９８、１００、及び１０２は各々、燃料ノズル７６の中心軸線８２の周りに円周方向１１２に配置された管体５０の同心列８０（すなわち、１０４、１０６、１０８、及び１１０）を示すことができる。例えば、各列１０４、１０６、１０８、及び１１０は、複数の管体５０（例えば、２から５０個の管体５０）を環状配列又は円形パターンで表すことができる。以下の管体５０の説明はまた、それぞれの列８０にも適用することができる。換言すると、管体５０（例えば、９６、９８、１００、及び１０２）のあらゆる検討は、それぞれの列１０４、１０６、１０８、及び１１０（例えば、列当たりに複数の管体）を含めることを意図している。各管体５０は、燃料ノズル７６の中心軸線８２からの半径方向オフセット値（すなわち、１２２、１２４、１２６、及び１２８）にて配置された軸線（すなわち、１１４、１１６、１１８、及び１２０）を含む。例えば、管体９６、９８、１００、及び１０２は、それぞれ軸線１１４、１１６、１１８、及び１２０を含む。これらの軸線１１４、１１６、１１８、及び１２０は、図示の実施形態において互いに対して平行である。しかしながら、軸線１１４、１１６、１１８、及び１２０は、他の実施形態では非平行（例えば、収束又は発散）とすることができる。半径方向オフセット値１２２、１２４、１２６、及び１２８は、燃料ノズル７６の中心軸線８２から離れて半径方向８６で増大する。結果として、管体１０２の半径方向オフセット値１２８は、それぞれの管体９６、９８、１００の半径方向オフセット値１２２、１２４、及び１２６よりも大きい。同様に、管体１００の半径方向オフセット値１２６は、それぞれの管体９６及び９８の半径方向オフセット値１２２及び１２４よりも大きく、管体９８の半径方向オフセット値１２４は、管体９６の半径方向オフセット値１２２よりも大きい。図示の実施形態において、管体５０間の半径方向間隔はほぼ一定である。しかしながら、他の実施形態では、半径方向８６で管体５０の非均一な半径方向間隔（例えば、増加又は減少）を有することができる。図示のように、燃料ノズル７６は、４つの列１０４、１０６、１０８、及び１１０を含む。以下で説明するように、これらの管体９６、９８、１００、及び１０２（並びにこれらのそれぞれの列１０４、１０６、１０８、及び１１０）は構造的に異なり、異なる流れ制御特徴要素を定めることができる。更に、特定の実施形態において、列８０の数、列８０当たりの管体５０の数、及び複数の管体５０の配列は変わることができる。例えば、列の数は、２から１０又はそれ以上の範囲にわたることができ、列当たりの管体の数は、４から１００の範囲にわたることができる。
【００２１】
上述のように、空気は、下流側空気流路６４に沿って軸方向６６に流れ、燃料ノズル７６の複数の管体５０を通過する。燃料は、燃料流路６８に沿って軸方向６６に流れ、各燃料ノズル１２の下流側末端部分４６に向けて各燃料導管４２を通過する。次いで、燃料は、燃料チャンバ４８内に流入し、矢印１３０で全体的に示されるように、複数の管体５０に向かって分流される。特定の実施形態において、燃料ノズル１２は、燃料チャンバ４８内で燃料流を配向するバッフルを含むことができる。燃料は、矢印１３４で全体的に示すように、燃料入口１３２に向かって流れ、複数の管体５０内で空気と混合する。燃料ノズル７６は、矢印１３６で全体的に示すように、空気燃料混合気を管体５０から最適な燃焼、エミッション、燃料消費量、及び出力を得るのに好適な比率で燃焼領域７０に噴射する。
【００２２】
上述のように、燃料ノズル７６は、該燃料ノズル７６の中心軸線８２から離れて又は外向きに半径方向８６で変化する流れ制御特徴要素を含む。例えば、流れ制御特徴要素は、管体５０の出口距離、管体５０の直径、及び管体５０上の燃料入口１３２の配列を含むことができる。図示のように、流れ制御特徴要素は、燃料ノズル７６の下流側末端部分４６と複数の管体５０の末端部分１３８との間に異なる出口距離１４０、１４２、１４４、及び１５６（図５を参照）を含む。実際に、複数の管体５０の出口距離１４０、１４２、１４４、及び１５６は、燃料ノズル７６の中心軸線８２から離れて半径方向８６で変化する。例えば、出口距離１４０、１４２、１４４、及び１５６は、燃料ノズル１２（例えば、７６）のヘッド部分１３９の軸方向長さ１３７に対して変わることができる。出口距離１４０、１４２、１４４、及び１５６は、軸方向長さ１３７の約０から５０、０から２５、又は０から１５パーセントの範囲にわたることができる。例えば、出口距離１４０、１４２、１４４、及び１５６は、約０．１、５、１０、１５、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０パーセント、或いは、これらの間のあらゆるパーセントとすることができる。出口距離１４０、１４２、１４４、及び１５６は、約０．０１Ｄから１．２Ｄ（ここでＤは、管体５０の内径）の範囲にわたることができる。例えば、出口距離１４０、１４２、１４４、及び１５６は、０．０１Ｄ、０．２Ｄ、０．４Ｄ、０．６Ｄ、０．８Ｄ、１．０Ｄ、又は１．２Ｄ、或いはこれらの間のあらゆる距離とすることができる。図示のように、管体９６は、燃料ノズル７６の下流側末端部分４６に対して同一平面に装着され、従って、０（ゼロ）の出口距離１５６を有する。管体９８は、燃料ノズル７６の下流側末端部分４６から突出し、末端部分１３８と下流側末端部分４６との間に出口距離１４４を有する。管体１００及び１０２の末端部分１３８は、燃料ノズル７６の下流側末端部分４６から同じ出口距離１４２及び１４０付近に突出する。特定の実施形態において、出口距離１４０、１４２、１４４、及び１５６は、１つの管体５０から別の管体まで等量又は可変量で増分的に変化する。例えば、出口距離１４０、１４２、１４４、及び１５６は、１つの管体５０から別の管体まで半径方向８６で１から５０、１から２５、又は５から１５パーセントずつ増分的に変化することができる。図示のように、出口距離１４４は、管体９６から管体９８で増大する。管体１００及び１０２の出口距離１４２及び１４０は、管体９８の出口距離１４４から増大している。特定の実施形態において、少なくとも管体９６及び９８の両方は同一平面に装着することができる。しかしながら、図示の実施形態では、管体９６が同一平面に装着されている。管体９６を同一平面に装着することによって燃焼生成物との接触が回避され、管体９８の突出を管体１００及び１０２に対して少なくする（すなわち、出口距離１４４がより少ない）ことにより燃焼生成物との接触が低減される。これは、ホットスポット内の管体部分が少なくなり、火炎の安定化をもたらす。加えて、このことは、制御された流れ分布が高温燃焼生成物７２の再循環領域を低減し、これにより、燃料ノズル７６の下流側末端部分４６の中央領域１４６付近のホットスポットの可能性を低減することができる。
【００２３】
図５は、線４−４から見た、図３の中央燃料ノズル７６（例えば、複数管燃料ノズル）の別の実施形態の側断面図である。図５は、管体９６は燃料ノズル７６の下流側末端部分４６に対して同一平面に装着されていないこと以外は、図４において上記で説明したのと同様である。その代わりに、管体９６の末端部分は、下流側末端部分４６を越えて突出し、出口距離１５６を定める。それぞれの管体１０２、１００、及び９８の異なる出口距離１４０、１４２、及び１４４は、管体９６の出口距離１５６よりも大きい。実際に、出口距離１４４は、出口距離１４４は、管体９６から管体９８まで増大し、管体９８から管体１００及び１０２まで燃料入口１４２は更に増大する。上述と同様に、管体１００及び１０２と比べて管体９６及び９８の突出が少ない（すなわち、出口距離１５６及び１４４が小さい）ことにより燃焼生成物との接触が低減され、燃料ノズル７６の作動性及び耐久性が向上する。
【００２４】
出口距離が異なることに加えて、燃料ノズル７６は、燃料ノズル７６の作動性及び耐久性を改善するための他の流れ制御特徴要素（例えば、異なる管径）を含むことができる。図６は、線４−４から見た、図３の中央燃料ノズル７６（例えば、複数管燃料ノズル）の別の実施形態の側断面図である。全体的に、燃料ノズル７６は、下流側末端部分４６を越える同じ出口距離を有する複数の管体５０などの幾つかの相違点を除くと、図５及び６において上記で説明したのと同様である。加えて、複数の管体５０は異なる管径を含む。実際に、複数の管体５０の異なる管径は、燃料ノズル７６の中心軸線８２から離れて半径方向８６で変化する。より具体的には、管体９６は直径１６６を有し、管体９８は直径１６７を有し、管体１００は直径１６８を有し、管体１０２は直径１６９を有する。特定の実施形態において、直径１６６、１６７、１６８、及び１６９は、１つの管体５０から別の管体５０までおよそ０から２００、０から１００、又は０から５０、或いは０から２５ずつ増分的に増大することができる。別の実施例によれば、管体９６、９８、１００、及び１０２は、最内側管体９６から最外側管体１０２までおよそ５から５００、１０から２５０、又は２５から１００パーセントずつ累積的に増大することができる。更に、２以上の管体５０は、少なくとも１つの他の管体５０の直径とは異なる同じ直径を有することができる。例えば、特定の実施形態において、複数の管体５０の異なる管径は、燃料ノズル７６の中心軸線８２から離れて半径方向８６で、管体５０の第１の列１０４（例えば、管体９６）までのみ、或いは、最大でも管体５０の第２の列１０６（例えば、管体９８）まで変化することができる。図示の実施形態において、管体９８、１００、及び１０２は、管体９６の直径１６６よりも大きい等しい直径１６７、１６８、１６９を有する。しかしながら、特定の実施形態においては、管体９８、１００、及び１０２の直径は異なることもでき、例えば、管体９８、１００、及び１０２間の直径は、軸線８２（図９を参照）から外向きに又はここから離れて半径方向８６で増大することができる。図示のように、流れ制御特徴要素は、管体９６から管体９８まで増大する直径を含む。管径１６６及び１６８は、およそ０．０５インチから０．３インチまでの範囲にわたることができる。例えば、管径１６６及び１６８は、およそ０．０５、０．１、０．１５、０．２０、０．２５、又は０．３０インチ、或いはこれらの間のあらゆる直径とすることができる。管径１６６及び１６８は更に、以下で説明するように燃料／空気予混合比に影響を及ぼす可能性がある。
【００２５】
複数の管体５０の流れ制御特徴要素はまた、異なる燃料／空気予混合比を含む。実際に、複数の管体５０の異なる燃料／空気予混合比は、燃料ノズル７６の中心軸線８２から離れて半径方向８６で変化する。より具体的には、複数の管体５０は、中心軸線８２から外向きに又はこれから離れて半径方向８６で増大（又は減少）する燃料／空気予混合比を含むことができる。特定の実施形態において、燃料／空気予混合比は、半径方向８６で１つの管体５０から別の管体５０までおよそ０から１００、５から５０、又は１０から２５パーセントずつ変化することができる。例えば、燃料／空気予混合比は、管体９６から９８、管体９８から１００、及び管体１００から１０２までおよそ１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０パーセントよりも大きく増大することができる。図示のように、管体９６（例えば、管体５０の最内列１０４）は、燃料入口１３２を含まず、従って、空気だけが管体９６を流れ、空気及び燃料の予混合は生じない。その結果、管体９６での燃料／空気混合比は０（ゼロ）である。また、上記で検討したように、管体９６は、管体９８、１００、及び１０２よりも小さな直径１６６を有する。直径１６６が比較的小さく且つ燃料入口１３２が存在しないことに起因して、燃料ノズル７６の下流側末端部分４６の中央領域１４６は、周囲領域１４７よりも希薄な燃料空気混合気を有し、これにより中央領域１４６内のホットスポットが縮小される。換言すると、管体９６は障壁（例えば、空気）を生成して中央領域１４６における燃焼を低減し、これにより更に制御された熱分配を提供する。結果として、高温ゾーンを縮小することができ、燃料ノズル７６の作動性及び耐久性が向上する。
【００２６】
図７から９は、複数の管体５０の燃料／空気予混合比に影響を及ぼす種々の特徴要素を示す、図４の線７−７で囲まれた燃料ノズル１２の部分側断面図である。図７から９に示すように、各管体５０は燃料入口１３２のセットを含む。管体９６、９８、１００、及び１０２は、燃料入口１３２のセット１７８、１８０、１８２、及び１８４を含む。特定の実施形態において、燃料入口１３２のセット１７８、１８０、１８２、及び１８４は、互いに異なる形状（例えば、直線、鍵穴、その他）又は配列（例えば、異なるパターン、分布、位置、その他）を含むことができる。例えば、図７に示すように、各管体５０上の燃料入口１３２は、同じ軸方向位置６６にて半径方向８６で整列される。特定の実施形態において、各管体５０上の燃料入口１３２はまた、軸方向６６で順々に整列され、互いに対して半径方向及び軸方向に整列することができる（図８及び９）。幾つかの実施形態において、燃料入口１３２のセット１８２及び１８４は、同じ特徴要素を含むことができる。他の実施形態において、燃料入口１３２のセット１８０、１８２、及び１８４は、同じ特徴要素を含むことができる。
【００２７】
図７に示すように、燃料入口１３２のセット１７８、１８０、１８２、及び１８４は、互いに対して異なるサイズを有する。各セット１７８、１８０、１８２、及び１８４内の燃料入口１３２のサイズは、管体９６から管体１０２まで漸次的に増大し、すなわち、中心軸線８２から外向きに半径方向８６で増大する。例えば、管体９８上の燃料入口１３２のセット１８０のサイズは、管体９６上の燃料入口１３２のセット１７８のサイズよりも大きく、管体１００上の燃料入口１３２のセット１８２のサイズは、管体９８上の燃料入口１３２のセット１８０のサイズよりも大きく、管体１０２上の燃料入口１３２のセット１８４のサイズは、管体１００上の燃料入口１３２のセット１８２のサイズよりも大きい。例えば、燃料入口１３２の直径は変化することができる（例えば、半径方向８６で１つの管体５０から別の管体までおよそ０．１から２０、０．１から１０、又は０．１から５倍ずつ増える）。増大する燃料出口サイズの結果として、燃料／空気予混合比もまた、半径方向８６で管体９６から管体１０２まで増大する。管体５０上の燃料入口１３２の増大するサイズの結果として、各管体内の燃料流は半径方向８６で増大する。燃料ノズル７６の中央領域１４６に向かってより希薄になる燃料流では、可変サイズの燃料入口１３２により、燃料ノズル７６の下流側末端部分４６にわたる高温燃焼生成物７２の再循環領域を実質的に低減することができる。従って、可変サイズの燃料入口１３２は、ホットスポットを低減して、中央燃料ノズル７６の作動性及び耐久性を向上させる助けとなる。幾つかの実施形態において、セット１７８内の燃料入口１３２のサイズだけが異なり、他のセット１８０、１８２、１８４の燃料入口１３２のサイズは同じである。他の実施形態では、両方のセット１７８及び１８０の燃料入口１３２のサイズが互いに且つ他のセット１８２及び１８４とは異なり、セット１８２及び１８４の燃料入口１３２のサイズは同じである。
【００２８】
図８に示すように、燃料入口１３２のセット１７８、１８０、１８２、及び１８４は、異なる数の燃料入口１３２を含む。図示のように、各セット１７８、１８０、１８２、及び１８４は、半径方向８６で変化する可変数の燃料入口１３２を有する。例えば、管体９８は、燃料チャンバ４８において管体９６の燃料入口１３２の数（例えば、合計で２つ）よりも多くの数の燃料入口１３２を有し（例えば、合計で４つ）、管体１００は、燃料チャンバ４８において管体９８の燃料入口１３２の数（例えば、合計で４つ）よりも多くの数の燃料入口１３２を有し（例えば、合計で６つ）、管体１０２は、燃料チャンバ４８において管体１００の燃料入口１３２の数（例えば、合計で６つ）よりも多くの数の燃料入口１３２を有する（例えば、合計８つ）。各セット１７８、１８０、１８２、及び１８４内の燃料入口１３２の数は、管体９６から管体１０２まで増大し、従って、中心軸線８２から外向きに半径方向８６で増大し、半径方向８６の燃料／空気比を変化させる。例えば、燃料入口１３２の数は、半径方向８６で１つの管体５０から別の管体までおよそ０から５０、０から２０、又は０から１０パーセントずつ変化（例えば、増大）することができる。例えば、燃料入口１３２の数は、半径方向８６で１つの管体５０から別の管体まで少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０、或いは他の何れかの数だけ変化（例えば、増大）することができる。半径方向８６での各管体５０上の燃料入口１３２の数が増大することにより、各管体５０内への燃料流量が増大し、これにより燃料／空気比が増大する。燃料ノズル７６の中央領域１４６に向かってより希薄になる燃料流では、可変数の燃料入口１３２により、燃料ノズル７６の下流側末端部分４６にわたる再循環領域７２を実質的に低減し、その結果、下流側末端部分４６にわたって熱をより良好に分布させることができる。従って、可変数の燃料入口１３２は、ホットスポットを低減して、中央燃料ノズル７６の作動性及び耐久性を向上させる助けとなる。特定の実施形態において、可変サイズ及び数（例えば、増大）の燃料入口１３２は、半径方向８６で管体５０上に配置することができる。幾つかの実施形態において、セット１７８内の燃料入口１３２の数は異なり、他のセット１８０、１８２、及び１８４の燃料入口１３２の数は同じである。他の実施形態において、両方のセット１７８及び１８０の燃料入口１３２の数は、互いに且つ他のセット１８２及び１８４とは異なり、セット１８２及び１８４の燃料入口１３２の数は同じである。
【００２９】
図９は、複数の管体５０の別の実施形態を示す。図示のように、管体５０上の燃料入口１３２の各セット１７８、１８０、１８２、及び１８４は、異なる数の燃料入口１３２を有し、上述のように燃料／空気比に影響を与える。加えて、複数の管体５０は異なる直径を有する。実際に、複数の管体５０は、中心軸線８２から離れて又は外向きに半径方向８６で増大する直径を有する。管体９６、９８、１００、及び１０２は、それぞれ直径１９４、１９６、１９８、及び２００を有する。管径１９４、１９６、１９８、及び２００は、およそ０．０５インチから０．３インチの範囲にわたることができる。例えば、管径１９４、１９６、１９８、及び２００は、０．０５、０．１、０．１５、０．２０、０．２５又は０．３０、或いはこれらの間のあらゆる距離とすることができる。管径１９４、１９６、１９８、及び２００は、管体９６から管体１０２まで半径方向８６で増大する。例えば、管体９８の直径１９６は、管体９６の直径１９４から増大し、管体１００の直径１９８は、管体９８の直径１９６から増大し、管体１０２の直径２００は、管体１００の直径１９８から増大する。特定の実施形態において、管体５０の直径は、半径方向８６で１つの管体５０から別の管体５０までおよそ０．１から１０、０．１から５、又は０．５から２倍ずつ変化（例えば、増大）することができる。特定の実施形態において、等量の空気が各管体５０を流れることができ、従って、直径が増大することにより、半径方向８６で１つの管体５０から別の管体５０まで流速の低下をもたらす可能性がある。他の実施形態では、管体５０の直径が増大することにより、半径方向８６で１つの管体５０から別の管体５０まで流量の増大をもたらす可能性がある。加えて、燃料入口１３２の数が変化する（例えば、半径方向８６で１つの管体５０から別の管体５０まで増大する）。従って、図示の実施形態において、燃料入口１３２の可変の管径と可変の数との組み合わせは、低い速度領域又は再循環領域を低減し、これにより保炎、フラッシュバック、ホットスポット、及び燃料ノズル１２（例えば、７６）に対する損傷の可能性を低減するための流れ制御特徴要素として機能する。幾つかの実施形態において、流れ制御特徴要素は、管体５０の可変直径、燃料入口１３２の可変数、燃料入口１３２の可変サイズ、下流側末端部分４６からの管体５０の可変距離、又はこれらのあらゆる組み合わせを含むことができる。特定の実施形態において、複数の管体５０の異なる管径は、燃料ノズル１２の中心軸線８２から離れて半径方向８６で、管体５０の第１の列１０４（例えば、管体９６）までのみ、或いは、最大でも管体５０の第２の列１０６（例えば、管体９８）まで変化することができる。幾つかの実施形態において、セット１７８内の燃料入口１３２の数は異なり、他のセット１８０、１８２、及び１８４の燃料入口１３２の数は同じである。他の実施形態において、両方のセット１７８及び１８０の燃料入口１３２の数は、互いに且つ他のセット１８２及び１８４とは異なり、セット１８２及び１８４の燃料入口１３２の数は同じである。
【００３０】
開示された実施形態の技術的効果は、燃料ノズル１２（例えば、複数管燃料ノズル）に異なる流れ制御特徴要素を提供することを含む。異なる流れ制御特徴要素は、燃料ノズル１２における管体の一定の列８０まで燃料ノズル１２の中心軸線８２から離れて半径方向８６で変化することができる。詳細には、流れ制御特徴要素は、燃料／空気混合気をより希薄にし、又は管体５０と燃料ノズル１２の中央領域１４６付近の火炎との間の接触を低減することができる。例えば、流れ制御特徴要素は、燃料ノズル１２の異なる燃料／空気予混合比、異なる管径、又は下流側末端部分に対する異なる出口距離を含むことができる。これらの流れ制御特徴要素は、下流側末端部分４６にわたる再循環領域を実質的に低減し、その結果、ホットスポットを縮小して燃料ノズル１２の作動性及び耐久性を向上させることができる。
【００３１】
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】
【００３２】
１０  タービンシステム
１２  燃料ノズル
１４  供給燃料
１６  燃料器
１８  タービン
２０  排気出口
２２  シャフト
２４  圧縮機
２６  吸気口
２８  負荷
３８  流れスリーブ
４０  端部カバー
４２  燃料導管
４４  上流側末端部分
４６  下流側末端部分
４７  外側燃料ノズル
４８  燃料チャンバ
４９  外側燃料ノズル
５０  複数の管体
５１  中央燃料ノズル
５２  矢印
５４  空気入口
５６  上流側流路
５８  軸方向
６０  内部流路
６２  矢印
６４  下流側流路
６６  軸方向
６８  燃料流路
７０  燃焼領域
７２  再循環領域
７４  キャップ部材
７６  中央燃料ノズル
７８  外側燃料ノズル
８０  列
８２  中心軸線
８４  破線の円
８６  半径方向
９６  管体
９８  管体
１００  管体
１０２  管体
１０４  列
１０６  列
１０８  列
１１０  列
１１２  円周方向
１１４  軸線
１１６  軸線
１１８  軸線
１２０  軸線
１２２  半径方向オフセット値
１２４  半径方向オフセット値
１２６  半径方向オフセット値
１２８  半径方向オフセット値
１３０  矢印
１３２  燃料入口１
１３４  矢印
１３６  矢印
１３７  軸方向長さ
１３８  末端部分
１３９  ヘッド部分
１４０  出口距離
１４２  出口距離
１４４  出口距離
１４６  中央領域
１４７  周囲領域
１５６  出口距離
１６６  直径
１６７  直径
１６８  直径
１６９  直径
１７８  セット
１８０  セット
１８２  セット
１８４  セット
１９４  管径
１９６  管径
１９８  管径
２００  管径
【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】
2012149868.tif 000010
【図９】
2012149868.tif 000011
【外国語明細書】
2012149868000001.pdf