(57)【要約】【課題】火炎耐性一次ノズル設計を提供する。【解決手段】燃料ノズルは、環状空洞を形成した側壁（１５２、２５２、３５２、４５２）を備えたノズル本体と、ノズル本体の外表面の周りに円周方向に配置されたスワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）とを含む。複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）が、側壁内に形成されかつノズル本体の周りに円周方向に間隔を置いて配置される。ポートは、側壁を貫通して流体連通を構成する。複数のポートは、側壁を貫通して連通した燃料ジェットがスワーラベーンの下流と連通するような位置又は配向で配置される。【選択図】      図４
2012083097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ノズルであって、
環状空洞（１４４、２４４、３４４、４４４）を形成した側壁（１５２、２５２、３５２、４５２）及び前壁を備えたノズル本体（１４２、２４２、３４２、４４２）と、
前記ノズル本体の外表面の周りに円周方向に配置されたスワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）と、
前記側壁及び前壁の１つ内に形成され、該側壁及び前壁の１つの周りに円周方向に間隔を置いて配置されかつ該側壁又は前壁を貫通して流体連通を構成した複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）と
を備えていて、前記複数のポートが、前記側壁又は前壁内に形成されかつ該側壁又は前壁を貫通して連通した燃料ジェットが前記スワーラベーンの下流と連通するような位置又は配向の少なくとも１つで配置される、燃料ノズル。
【請求項２】
前記側壁（１５２、２５２、３５２、４５２）が、前記スワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）を越えて軸方向に延びる軸方向下流方向長さを含み、前記複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）が、前記スワーラベーンの下流に位置した前記側壁又は前壁の一部分内に形成される、請求項１記載の燃料ノズル。
【請求項３】
前記複数のポートが、前記燃料ジェットが前記スワーラベーンの下流と連通するような角度で配向される、請求項２記載の燃料ノズル。
【請求項４】
前記複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）が、前記燃料ジェットが前記スワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）の下流と連通しかつ半径方向内向き又は外向きになるような合成角度で配向される、請求項３記載の燃料ノズル。
【請求項５】
前記複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）が、前記燃料ジェットが前記スワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）の下流と連通するような角度で配向される、請求項１記載の燃料ノズル。
【請求項６】
前記側壁（１５２、２５２、３５２、４５２）が、前記ノズル本体が部分円錐形形状になるようにテーパしており、前記ポート（１５８、２５８、３５８、４５８）が、軸方向でありかつ前記側壁に対して少なくとも約９０°である角度で配向される、請求項１記載の燃料ノズル。
【請求項７】
前記側壁（１５２、２５２、３５２、４５２）が、前記ノズル本体が部分円錐形形状になるようにテーパしており、前記ポート（１５８、２５８、３５８、４５８）が、軸方向でありかつ前記側壁に対して約９０°よりも大きい角度で配向される、請求項１記載の燃料ノズル。
【請求項８】
前記スワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）の下流と連通した前記燃料ジェットが、予混合空気及び低反応性ウォッベ燃料の少なくとも１つのための空間を形成する、請求項１記載の燃料ノズル。
【請求項９】
燃料ノズルであって、
環状空洞（１４４、２４４、３４４、４４４）を形成した側壁（１５２、２５２、３５２、４５２）及び前壁を備えかつ前記側壁がそれを部分円錐形形状にするようにテーパしているノズル本体（１４２、２４２、３４２、４４２）と、
前記ノズル本体の外表面の周りに円周方向に配置されたスワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）と、
前記側壁内に形成され、該側壁の周りに円周方向に間隔を置いて配置されかつ該側壁を貫通して流体連通を構成した複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）と
を備えており、前記複数のポートが、軸方向でありかつ前記側壁に対して約９０°よりも大きい角度で配向される、燃料ノズル。
【請求項１０】
前記側壁（１５２、２５２、３５２、４５２）が、前記スワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）を越えて軸方向に延びる軸方向下流方向長さを含み、前記複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）が、前記スワーラベーンの下流に位置した前記側壁の一部分内に形成される、請求項９記載の燃料ノズル。
【請求項１１】
前記複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）が、前記燃料ジェットが前記スワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）の下流と連通しかつ半径方向内向き又は外向きになるような合成角度で配向される、請求項１０記載の燃料ノズル。
【請求項１２】
一次燃料ノズルベーン内部での保炎リスクを低減する方法であって、
（ａ）側壁（１５２、２５２、３５２、４５２）を備えかつ環状空洞を形成したノズル本体を形成するステップと、
（ｂ）前記ノズル本体の外表面の周りに円周方向にスワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）を配置するステップと、
（ｃ）前記側壁内に位置し、該側壁の周りに円周方向に間隔を置いて配置されかつ該側壁を貫通して流体連通を構成した複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）を形成して、該複数のポートが、該側壁内に形成されかつ該側壁を貫通して連通した燃料ジェットが前記スワーラベーンの下流と連通するような位置又は配向の少なくとも１つで配置されるようにするステップと
を含む方法。
【請求項１３】
前記側壁（１５２、２５２、３５２、４５２）が、前記スワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）を越えて軸方向に延びる軸方向下流方向長さを含み、前記ステップ（ｃ）が、前記複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）を前記スワーラベーンの下流に位置した前記側壁の一部分内に形成するステップによって実施される、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ｃ）が、前記複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）を前記燃料ジェットが前記スワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）の下流と連通するような角度で配向するステップによって実施される、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記ステップ（ｃ）が、前記複数のポート（１５８、２５８、３５８、４５８）を前記燃料ジェットが前記スワーラベーン（１４６、２４６、３４６、４４６）の下流と連通しかつ半径方向内向き又は外向きになるような合成角度で配向するステップによって実施される、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器燃料ノズルに関し、より具体的には、高反応性低ウォッベ運転時における一次燃料ノズルベーン内部での保炎リスクを低減する機構を備えた燃焼器燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電用の商用運転において広く使用されている。図１は、当技術分野で公知の一般的なガスタービン１０を示している。図１に示すように、ガスタービン１０は一般的に、前部における圧縮機１２と、中間部の周りの１つ又はそれ以上の燃焼器１４と、後部におけるタービン１６とを含む。圧縮機１２及びタービン１６は一般的に、共通のロータを共有する。圧縮機１２は、作動流体を徐々に加圧しかつ加圧作動流体を燃焼器１４に吐出する。燃焼器１４は、加圧作動流体の流れ内に燃料を噴射しかつその混合気を点火燃焼させて、高い温度、圧力及び速度を有する燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼器１４から流出しかつタービン１６に流れて、タービン内で膨張して仕事を産生する。
【０００３】
図２は、当技術分野で公知の燃焼器２０の簡略断面図を示している。ケーシング２２が、燃焼器２０を囲んで、圧縮機１２からの加圧作動流体を閉じ込める。端部カバー内に複数のノズルを配置して、例えば図２に示すように、一次ノズル２８が、二次ノズル３０の周りに半径方向に配置されるようにする。ノズル２８、３０の下流に位置したライナ３２により、ベンチュリスロート３８によって分離された上流チャンバ３４及び下流チャンバ３６が形成される。圧縮機１２からの加圧作動流体は、ケーシング２２及びライナ３２間を通って一次ノズル２８及び二次ノズル３０に流れる。一次ノズル２８及び二次ノズル３０は、燃料を加圧作動流体と混合し、かつその混合気は、一次ノズル２８及び二次ノズル３０からそこで燃焼が行なわれる上流チャンバ３４及び下流チャンバ３６内に流れる。
【０００４】
全速ベース負荷運転時には、一次ノズル２８及び二次ノズル３０を通る燃料及び加圧作動流体混合気の流れ速度は十分に高く、下流チャンバ３６内でしか燃焼が起こらないようになる。しかしながら、低出力運転時には、一次ノズル２８は、該一次ノズル２８からの燃料及び加圧作動流体混合気の流れ速度が低下して該一次ノズル２８からの燃料及び加圧作動流体混合気が上流チャンバ３４で行なわれるようになる拡散モードで作動する。
【０００５】
天然ガスのようなより低反応性燃料は一般的に、より低い火炎速度を有する。より低い天然ガス火炎速度のために、拡散モードで作動している一次ノズル２８からの燃料及び加圧作動流体混合気の流れ速度は、上流チャンバ３４内での燃焼が該燃焼により一次ノズル２８を過度に加熱しかつ／又は溶融させるのを防止するのに十分な該一次ノズル２８からの距離において行なわれるようになるのに十分なほど高くなる。しかしながら、合成ガス、水素、一酸化炭素、エタン、ブタン、プロパン、又はより高反応性炭化水素の混合物のようなより高反応性燃料は一般的に、より高い火炎速度を有する。より高反応性燃料の高い火炎速度により、上流チャンバ３４内での燃焼が一次ノズル２８により接近して移動する。上流チャンバ３４内での拡散モード作動下における局所的火炎温度は、一次ノズル２８材料の融点よりも非常に高くなる可能性がある。その結果、拡散モードで作動している一次ノズル２８は、過度な加熱を受けて、早期かつ／又は壊滅的損傷を生じるおそれがある。
【０００６】
燃料ポートは一般的に、ベーン間に設置されて、ベーン間で流入空気内に燃料を噴射する。ベーン間の空間は限られており、高反応性燃料の場合には、拡散モード作動時にノズルに対して損傷を生じさせるおそれがある燃料ジェット内での保炎の発生可能性が増大し、それによって燃焼システムの燃料自由度が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，５７８，１３０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
例示的な実施形態では、燃料ノズルは、環状空洞を形成した側壁及び前壁を備えたノズル本体と、ノズル本体の外表面の周りに円周方向に配置されたスワーラベーンとを含む。複数のポートが、側壁及び前壁の１つ内に形成されかつ該側壁及び前壁の１つの周りに円周方向に間隔を置いて配置される。複数のポートは、側壁又は前壁を貫通して流体連通を構成する。複数のポートは、側壁又は前壁内に形成されかつ該側壁又は前壁を貫通して連通した燃料ジェットがスワーラベーンの下流と連通するような位置又は配向の少なくとも１つで配置される。
【０００９】
別の例示的な実施形態では、燃料ノズルは、環状空洞を形成した側壁を備えかつ該側壁がそれを部分円錐形形状にするようにテーパしているノズル本体を含む。スワーラベーンが、ノズル本体の外表面の周りに円周方向に配置される。複数のポートが、側壁内に形成されかつ該側壁の周りに円周方向に間隔を置いて配置される。複数のポートは、側壁を貫通して流体連通を構成する。複数のポートは、軸方向でありかつ側壁に対して約９０°よりも大きい角度で配向される。
【００１０】
さらに別の例示的な実施形態では、一次燃料ノズルベーン内部での保炎リスクを低減する方法は、（ａ）側壁を備えかつ環状空洞を形成したノズル本体を形成するステップと、（ｂ）ノズル本体の外表面の周りに円周方向にスワーラベーンを配置するステップと、（ｃ）側壁内に位置し、該側壁の周りに円周方向に間隔を置いて配置されかつ該側壁を貫通して流体連通を構成した複数のポートを形成して、該複数のポートが、該側壁内に形成されかつ該側壁を貫通して連通した燃料ジェットがスワーラベーンの下流と連通するような位置又は配向の少なくとも１つで配置されるようにするステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ガスタービの簡略断面図。
【図２】燃焼器の簡略断面図。
【図３】既存の燃料ノズルの断面図。
【図４】軸方向延長長さを有する燃料ノズルを示す断面図。
【図５】角度配向された燃料ポートを示す断面図。
【図６】軸方向延長長さ及び角度配向された燃料ポートの両方を有する燃料ノズルを示す断面図。
【図７】前面内に燃料ポートを有する燃料ノズルを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態を詳細に説明するが、本発明の１つ又はそれ以上の実施例を添付図面に示している。詳細な説明では、数字及び文字表示を使用して、図面における特徴要素を説明する。図面及び説明における同じ又は同様の表示は、本発明の同じ又は同様の部分を説明するために使用している。
【００１３】
図３は、従来型のノズル４０の断面図を示している。ノズル４０は一般的に、内部に環状空洞４４を形成したノズル本体４２と、ノズル本体４２の下流外表面の周りに円周方向に配置されたスワーラベーン４６とを含む。ノズル本体４２に供給された燃料は、環状空洞４４を通って流れかつスワーラベーン４６の近傍に流出する。圧縮機１２からの加圧作動流体は、環状空洞４４からの燃料と混合されかつノズル４０から上流燃焼チャンバ３４内に流れる。
【００１４】
ノズル本体４２は、環状空洞４４の形状を形成した側壁５２を含む。複数のオリフィス５８又はポートが、側壁５２内に形成されかつ該側壁５２の周りに円周方向に間隔を置いて配置されて、該側壁５２を貫通して流体連通を構成する。
【００１５】
この従来型の構造では、環状空洞４４内の燃料は、オリフィス５８を介して噴出されて、スワーラベーン４６内の空気と混合する（図３における矢印Ａ及びＢを参照）。図示するように、燃料ポートは、周囲のハードウェア（ベーン、バーナチューブなど）に向けて導かれ、特に高反応性燃料の場合に保炎が発生しそれによってハードウェアに損傷を与えるリスクがある。
【００１６】
図４〜図７を参照すると、ノズルは、ノズル側壁（又は前面−図７）を貫通して連通した燃料ジェットがスワーラベーンの下流と連通するような位置及び／又は配向で燃料ポートが配置されるように修正される。図４では、ノズル１４０は軸方向に延びており、つまり側壁１５２は、スワーラベーン１４６を越えて軸方向に延びる軸方向下流方向長さを有する。図示するように、燃料ポート１５８は、スワーラベーン１４６の下流に位置したサイド壁１５２の一部分内に形成される。
【００１７】
図５には、別の構造を示している。この実施形態では、燃料ポート２５８は、燃料ジェットがスワーラベーン２４６の下流と連通するような角度で配向される（図５における矢印Ａ参照）。図６は、軸方向に延びる側壁を配向燃料ポートと組合せた別の構造を示しており、ポート３５８が、スワーラベーン３４６の下流に位置しかつ燃料ジェットがスワーラベーン３４６のさらに下流と連通するような角度で配向される（図６における矢印Ａ参照）。図５及び図６に示す構造はまた、燃料をさらに下流に導くことによってノズルバーナチューブ２４７、３４７を保護する働きをする。
【００１８】
ポート２５８、３５８はまたさらに、燃料ジェットがスワーラベーン２４６、３４６の下流と連通しかつ半径方向内向き又は外向きになる合成角度で配向することができる。合成角度は、燃焼に先立って燃料及び空気をより良好に混合するのを促進する。
【００１９】
側壁１５２、２５２、３５２は、ノズル本体１４２、２４２、３４２が部分円錐形形状になるようにテーパしているのが好ましい。図４に示す実施形態では、燃料ポート１５８は、軸方向でありかつ側壁１５２に対して約９０°である角度で配向される。図５及び図６に示す実施形態では、燃料ポート２５８、３５８は、軸方向でありかつ側壁２５２、３５２に対して９０°よりも大きい角度で配向される。
【００２０】
図７は、燃料ポート４５８が側壁４５２の前方でノズル本体４４２内の空洞４４４の前面内に形成されたさらに別のノズル４４０を示している。燃料は、前面を通して真直ぐに（実線矢印Ａ）或いはスワーラベーン４４６（及びノズルバーナチューブ）の下流への角度（破線矢印Ａ）で導くことができる。
【００２１】
説明した実施形態の構造では、燃料ジェットは、スワーラベーンの下流と連通して、それによってハードウェア損傷を招くおそれがある保炎リスクを低減する。導き直した燃料ジェットはまた、燃料ジェットの貫入により生じる空気遮蔽を減少させて予混合のためのより多くの空気を可能にする。つまり、燃料がスワーラベーンの外側に噴射されるので、特に低ウォッベ燃料の場合に、本構造は、予混合を意図した流入スワーラ空気に対する遮蔽を殆ど生じない。また、極度の低反応性ウォッベ燃料の場合には空気流れを減少させて、燃料噴射ポートのためのより多くの空間を可能にすることができる。
【００２２】
現時点で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、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、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。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
２０  燃焼器
２２  ケーシング
２８  一次ノズル
３０  二次ノズル
３２  ライナ
３４  上流チャンバ
３６  下流チャンバ
３８  ベンチュリスロート
４０、１４０、２４０、３４０、４４０  ノズル
４２、１４２、２４２、３４２、４４２  ノズル本体
４４、１４４、２４４、３４４、４４４  環状空洞
４６、１４６、２４６、３４６、４４６  スワーラベーン
２４７、３４７  ノズルバーナチューブ
５２、１５２、２５２、３５２、４５２  側壁
５８、１５８、２５８、３５８、４５８  オリフィス
【図１】
2012083097.tif 000003
【図２】
2012083097.tif 000004
【図３】
2012083097.tif 000005
【図４】
2012083097.tif 000006
【図５】
2012083097.tif 000007
【図６】
2012083097.tif 000008
【図７】
2012083097.tif 000009