(57)【要約】【課題】改善された燃料噴射設計を備えた燃料ノズルを提供すること。【解決手段】本システムは燃料ノズル（１２）を含む。燃料ノズル（１２）は、軸線（４５）を有するハブ（４４）と、ハブ（４４）の周りに配置されたシュラウド（４２）と、ハブ（４４）とシュラウド（４２）との間の空気流路（６８）と、ハブ（４４）とシュラウド（４２）との間に延在する複数のベーン（４０）と、複数のベーン（４０）上に配置された複数の第１の燃料出口（５４）につながる第１の燃料経路（５０）とを含む。燃料ノズル（１２）はまた、ハブ（４４）及び／又はシュラウド（４２）の少なくとも１つの上に配置された複数の第２の燃料出口（７０）につながる第２の燃料経路（５４）を含み、該複数の第２の燃料出口（７０）が、ハブ（４４）の下流側端部（７８）から上流側の軸方向距離（７６）にて配置される。【選択図】      図２
2012154612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチ燃料ノズル（１２）を備えたシステムであって、当該マルチ燃料ノズルが、
軸線（４５）を有するハブ（４４）と、
前記ハブ（４４）の周りに配置されたシュラウド（４２）と、
前記ハブ（４４）と前記シュラウド（４２）との間の空気流路（６８）と、
前記ハブ（４４）と前記シュラウド（４２）との間に延在する複数のベーン（４０）と、
前記複数のベーン（４０）上に配置された複数のガス燃料出口（５４）と、
前記ハブ（４４）及び／又は前記シュラウド（４２）の少なくとも１つの上に配置された複数の液体燃料出口（７０）と
を含んでおり、前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記軸線（４５）に対して半径方向（６４）に向けられている、システム。
【請求項２】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記ハブ（４４）の第１の下流側端部（７８）及び前記シュラウド（４２）の第２の下流側端部（８２）から上流側の軸方向距離（７６、８０）に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記軸方向距離（７６）が、前記ハブ（４４）の第１の下流側端部（７８）と前記複数のベーン（４０）のうちの少なくとも１つのベーン（４０）の後縁（８６）との間のベーン距離（８４）の約７５〜約１２５％である、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記複数のベーン（４０）のうちの少なくとも１つのベーン（４０）の後縁（８６）に対して軸方向距離（１４０）にて配置され、前記軸方向距離（１４０）が、前記少なくとも１つのベーン（４０）の軸方向長さ（１４６）の約０〜約５０％であり、前記軸方向距離（１４０）が、前記後縁（８６）から上流側又は下流側にある、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記ハブ（４４）上に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記シュラウド（４２）上に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記ハブ（４４）及び前記シュラウド（４２）上に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記軸線（４５）に対して約９０度よりも小さい角度が付けられた燃料噴射軸（１６８）を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記軸線（４５）に対して約４５度と約９０度の間の角度が付けられた燃料噴射軸（１６８）を有する、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記複数のベーン（４０）間で円周方向（４７）に分配される、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記ハブ（４４）上に前記複数のベーン（４０）間で円周方向（４７）に分配される第１の複数の液体燃料出口（７０）と、前記シュラウド（４２）上に前記複数のベーン（４０）間で円周方向（４７）に分配される第２の複数の液体燃料出口（７０）と、を含む、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記軸線（４５）に沿った第１の軸方向位置（８８）にて前記ハブ（４４）上に配置された第１の複数の液体燃料出口（７０）と、前記軸線（４５）に沿った第２の軸方向位置（９０）にて前記シュラウド（４２）上に配置された第２の複数の液体燃料出口（７０）と、を含み、前記第１及び第２の軸方向位置（８８、９０）が互いから軸方向にオフセットされている、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
前記複数の液体燃料出口（７０）が、前記複数のガス燃料出口（５４）から下流側に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
前記システムが、マルチ燃料ノズル（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１５】
燃料ノズル（１２）を備えたシステムであって、該燃料ノズルが、
軸線（４５）を有するハブ（４４）と、
前記ハブ（４４）の周りに配置されたシュラウド（４２）と、
前記ハブ（４４）と前記シュラウド（４２）との間の空気流路（６８）と、
前記ハブ（４４）と前記シュラウド（４２）との間に延在する複数のベーン（４０）と、
前記複数のベーン（４０）上に配置された複数の第１の燃料出口（５４）につながる第１の燃料経路（５０）と、
前記ハブ（４４）及び／又は前記シュラウド（４２）の少なくとも１つの上に配置された複数の第２の燃料出口（７０）につながる第２の燃料経路（５４）と
を含み、前記複数の第２の燃料出口（７０）が、前記ハブ（４４）の下流側端部（７８）から上流側の軸方向距離（７６）にて配置される、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、改善された燃料噴射設計を備えた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、燃料と空気の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生し、該燃焼ガスが１以上のタービンを駆動する。詳細には、高温の燃焼ガスが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、１以上の負荷（例えば、発電機）を回転させる。ガスタービンエンジンは、燃焼器に燃料及び空気を噴射するための燃料ノズルを含む。理解されるように、燃料・空気混合気は、エンジン性能、燃料消費量及びエミッションに大きな影響を及ぼす。詳細には、液体燃料の噴霧化又は気化が不十分であること、液体又はガス燃料の混合が不均一であること、又はこれらの両方が、例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）などのエミッションを増大させる可能性がある。噴霧化が不十分であると未燃燃料を生成して出力が低下する可能性があり、或いは、同じ出力を維持するために燃料消費量が増大する可能性がある。
【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の実施形態によれば、システムはマルチ燃料ノズルを含む。マルチ燃料ノズルは、軸線を有するハブと、ハブの周りに配置されたシュラウドと、ハブとシュラウドとの間の空気流路と、ハブとシュラウドとの間に延在する複数のベーンと、複数のベーン上に配置された複数のガス燃料出口とを含む。マルチ燃料ノズルはまた、ハブ及び／又はシュラウドの少なくとも１つの上に配置された複数の液体燃料出口を含み、該複数の液体燃料出口が、軸線に対して半径方向に向けられる。
【０００５】
第２の実施形態によれば、システムは燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、軸線を有するハブと、ハブの周りに配置されたシュラウドと、ハブとシュラウドとの間の空気流路と、ハブとシュラウドとの間に延在する複数のベーンと、複数のベーン上に配置された複数の第１の燃料出口につながる第１の燃料経路とを含む。燃料ノズルはまた、ハブ及び／又はシュラウドの少なくとも１つの上に配置された複数の第２の燃料出口につながる第２の燃料経路を含み、該複数の第２の燃料出口が、ハブの下流側端部から上流側の軸方向距離にて配置される。
【０００６】
第３の実施形態によれば、システムはマルチ燃料ノズルを含む。マルチ燃料ノズルは、軸線を有するハブと、ハブの周りに配置されたシュラウドと、ハブとシュラウドとの間の空気流路と、ハブとシュラウドとの間に延在する複数のベーンと、複数のベーン上に配置された複数の第１の燃料出口につながる第１の燃料経路とを含む。マルチ燃料ノズルはまた、ハブ及び／又はシュラウドの少なくとも１つの上に配置された複数の第２の燃料出口につながる第２の燃料経路を含み、該第１及び第２の燃料経路が、互いに異なる第１及び第２の燃料を流すよう構成されており、複数の第２の燃料出口は、複数のベーンのうちの少なくとも１つのベーンの後縁に対する軸方向距離にて配置され、該軸方向距離は、少なくとも１つのベーンの軸方向長さの約０％〜約５０％であり且つ後縁から上流側又は下流側にある。
【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】改善された燃料噴射設計を備えた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】改善された燃料噴射設計を有する燃料ノズルを備えた、図１に示すような燃料ノズルの一実施形態の側断面図。
【図３】ベーンを有する領域における燃料経路及び燃料出口を示す、線３−３で囲まれた図２の燃料ノズルの一実施形態の部分側断面図。
【図４】ベーンを有する領域における燃料経路及び燃料出口を示す、線３−３で囲まれた図２の燃料ノズルの一実施形態の部分側断面図。
【図５】ベーンに隣接する半径方向燃料出口を示す、線５−５で囲まれた図４の燃料ノズルの一実施形態の部分側断面図。
【図６】ベーンに隣接する半径方向燃料出口を示す、線５−５で囲まれた図４の燃料ノズルの一実施形態の部分側断面図。
【図７】ベーン間に円周方向に間隔を置いて配置された半径方向燃料出口を示す、図２及び３の線７−７に沿った、燃料ノズルの一実施形態の断面図。
【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、燃料ノズルへの燃料（液体及び／又はガス）の噴射を改善し、これにより燃料の噴霧、気化及び予混合（例えば、燃料及び空気の予混合）を増強するシステムに関する。詳細には、本開示の実施形態は、ハブ及びシュラウド間に延在するベーン上に位置するガス燃料出口から下流側にあり且つハブの下流側端部から上流側にあるハブ及び／又はシュラウド上に配置された燃料出口を介して液体及び／又はガス燃料を噴射することができる分配燃料噴射回路を含む。特定の実施形態では、マルチ燃料ノズルは、ハブ又はシュラウド上に配置される複数の液体燃料出口を含む。液体燃料出口は、ハブの軸線に対して半径方向に向けられる。複数の液体燃料出口は、ハブ及びシュラウドの両方に配置することができる。液体燃料出口の噴射軸は、液体燃料の直交流噴射を生成するために、ハブの軸線に対して約４５度〜約９０度の角度にすることができる。加えて、液体燃料出口は、ベーン間で円周方向に分布することができる。また、ハブ及びシュラウドの両方に配置される液体燃料出口は、同様の軸方向位置又は異なる軸方向位置に位置付けることができる。別の実施形態では、マルチ燃料ノズルは、ベーン上に配置された複数の第１の燃料出口につながる第１の燃料経路と、ハブ又はシュラウド上に配置された複数の第２の燃料出口につながる第２の燃料経路とを含む。ハブ及び／又はシュラウド上に配置された複数の第２の燃料出口は、ハブの下流側端部から上流側にある軸方向距離に配置される。更に別の実施形態では、第１及び第２の燃料経路は、互いに異なる燃料（例えば、ガスと液体）を流すよう構成される。第２の燃料出口は、ベーンの少なくとも１つの後縁に対してある軸方向距離で配置される。軸方向距離は、少なくとも１つのベーンの軸方向長さの約０％〜約５０％であり、ここで軸方向距離は後縁から上流側又は下流側である。分配燃料噴射回路を利用することにより、ハブ及び／又はシュラウドを介して液体燃料を噴射し、エミッションを低減しながら、液体燃料の噴霧化、気化及び予混合を増強することができる。従って、本開示の実施形態は、エミッション又は噴霧空気を低減して液体燃料を分散させるための水を不要にすることができる。加えて、分布燃料噴射回路においてガス燃料を使用することにより、空気とのガス燃料の予混合を増大させると共にエミッションを低減することができる。
【００１２】
次に、図面に移り、最初に図１を参照すると、タービンシステム１０の一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、本開示のタービンシステム１０（例えば、ガスタービンエンジン）は、タービンシステム１０においてエミッション（例えば、ＮＯｘ）を低減しながら、１以上の燃料（例えば、多燃料）の噴霧化、気化及び予混合を増強するために燃料噴射の改善設計を備えた１以上の燃料ノズル１２を利用することができる。例えば、各燃料ノズル１２は、燃料ノズル１２内の空気との燃料の噴霧化、気化及び予混合を改善するよう構成された分布燃料噴射回路を含むことができる。タービンシステム１０は、該タービンシステム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及び／又はガス燃料を使用することができる。図示のように、１以上の燃料ノズル１２（例えば、マルチ燃料ノズル）は、供給燃料１４（例えば、液体及び／又はガス燃料）を吸い込み、空気と燃料を混合して、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空気燃料混合気を燃焼器１６に分配する。空気燃料混合気は、燃焼器１６内の燃焼室にて燃焼され、これにより高温の加圧排出ガスを生成する。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、ガスがタービンブレードに強制的に送り込まれ、タービンシステム１０の軸線に沿ってシャフト２２を回転させるようになる。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の種々の部品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。
【００１３】
図２は、エミッションを低減しながら、燃料の噴霧化、気化及び予混合を増強するための改善された燃料噴射設計を示す、図１の燃料ノズル１２の実施形態の側断面図である。燃料ノズル１２は、中央本体３８（例えば、環状内側本体）、複数のベーン４０（例えば、スワールベーン）及びシュラウド４２（例えば、環状外側本体）を含み、各々が軸線４５の周りに配置される。中央本体３８は、シュラウド４２の内部に配置され且つ該シュラウド４２と同心状のハブ４４（例えば、環状壁）を含み、シュラウド４２及びハブ４４は、半径方向ギャップ４３だけ互いからオフセットされている。ベーン４０は、シュラウド４２とハブ４４との間に半径方向に延在しており、軸線４５の周りで円周方向４７に分布される。シュラウド４２は、ハブ４４及び複数のベーン４０の周りに円周方向４７に配置され、ベーン４０は、ハブ４４とシュラウド４２との間に延在する。燃料ノズル１２は、以下でより詳細に説明するように、あらゆる数のベーン４０を含むことができる。中央本体３８はまた、燃料通路４６、４８（例えば、環状燃料通路）を含む。特定の実施形態では、中央本体３８は、該中央本体３８の周りの円周方向４７で燃料通路４８と交互する空気通路を含む。
【００１４】
燃料ノズル１２は、全体的に矢印５０、５２で示される複数の燃料経路を含む。燃料経路５０、５２は、互いに独立して同じ又は異なる燃料を流すよう構成することができる。例えば、第１の燃料経路５０は、ガス燃料を流すよう構成することができ、第２の燃料経路５２は、液体燃料を流すよう構成することができ（例えば、マルチ燃料ノズル）、その逆もまた同様である。しかしながら、第１及び第２の燃料経路５０、５２は、２つの異なるガス燃料、２つの異なる液体燃料、或いは、燃料のあらゆる組み合わせを流すことができる。特定の実施形態では、燃料経路５０、５２は、同じ燃料（例えば、ガス燃料）を流すよう構成されてもよい。第１の燃料経路５０は、燃料通路４６を通って延在して、複数のベーン４０上に配置された複数の燃料出口５４（例えば、ガス燃料出口）につながっている。各ベーン４０は、１以上の燃料出口５４を含む。各ベーン４０上の燃料出口５４の数は、１〜５０、１〜１０、４〜２０又は４〜１０の範囲、或いは、あらゆる数とすることができる。例えば、各ベーン４０は、各側部上に１以上の燃料出口５４（例えば、１〜１０）を含むことができる。各ベーン４０はまた、中空の区画又は通路５６、５８を含む。複数のベーン４０は、空気と燃料を混合する間、空気をスワール又は回転させるよう構成される。例えば、燃料（例えば、ガス燃料）は、燃料通路４６内の壁６２に当接するまで燃料通路４６を通って軸方向６０に流れる。壁６２に当接すると、燃料は、各ベーン４０の燃料区画５６内に半径方向６４で流入し、該燃料区画５６から燃料出口５４を介して混合領域６６内に流出する。図示のように、燃料ノズル１２は、ハブ４４とシュラウド４２との間で、全体的に矢印６８で示される空気流路（例えば、環状吸気流路）を含む。空気は、軸方向６０で空気流路６８を通り、各ベーン４０を囲む混合領域６６に流入する。各ベーン４０の混合領域６６において、燃料出口５４からの燃料は、空気と相互作用する。燃料空気混合気は、ベーン４０によってスワールされて適正な燃料のため燃料及び空気の混合を助け、矢印６９で全体的に示すように、燃料ノズル１２の出口６７に向かって下流側に流れる。
【００１５】
第２の燃料経路５２は、燃料通路４８を通って延在して、図示のように、ハブ４４（すなわち、燃料出口７２）及びシュラウド４２（すなわち、燃料出口７４）上に配置される複数の燃料出口７０（例えば、液体燃料出口）につながっている。燃料出口７０は、ハブ４５の軸線４５に対して半径方向６４に向けられる。特定の実施形態では、燃料出口７０は、ハブ４４上にのみ又はシュラウド４２上にのみ、或いは、ハブ４４及びシュラウド４２上の両方に配置することができる。図示の燃料出口７２、７４は各々、複数のベーン４０（図７を参照）間にそれぞれハブ４４及びシュラウド４２の周りで円周方向４７に配置された１以上の燃料出口７０に相当することができる。
【００１６】
図示のように、複数の燃料出口７０は、複数の燃料出口５４（例えば、ガス燃料出口）から下流側に配置される。詳細には、燃料出口７０は、ハブ４４の下流側端部７８から上流側の軸方向距離７６と、シュラウド４２の下流側端部８２から上流側の軸方向距離８０とに配置される。軸方向距離７６は、ハブ４４の下流側端部７８と、複数のベーン４０のうちの少なくとも１つのベーン４０の後縁８６との間のベーン距離８４の約５０〜１５０％、７５〜１２５％又は９０〜１１０％の範囲に及ぶことができる。例えば、軸方向距離７６は、ベーン距離８４の約５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０又は１５０％、或いはこれらの間の他の何れかの％とすることができる。軸方向距離８０は、シュラウド４２の下流側端部８２と複数のベーン４０のうちの少なくとも１つのベーン４０の後縁８６との間のベーン距離８５の約約５０〜１５０％、７５〜１２５％又は９０〜１１０％の範囲に及ぶことができる。例えば、軸方向距離８０は、ベーン距離８５の約５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０又は１５０％、或いはこれらの間の他の何れかの％とすることができる。燃料出口７０（すなわち、７２）は、矢印８８で全体的に示される軸方向位置でハブ４４上に配置される。燃料出口７０（すなわち、７４）は、矢印９０で全体的に示される別の軸方向位置でシュラウド４２上に配置される。図示のように、軸方向位置８８及び９０は、燃料出口７２、７４について同じである。特定の実施形態では、燃料出口７２、７４の軸方向位置８８及び９０は、互いから軸方向にオフセットすることができる（図４を参照）。
【００１７】
燃料（例えば、液体燃料）は、燃料通路４８を通って軸方向６０に流れる。燃料の一部（例えば、液体燃料の約５０％又はそれ未満）は、ハブ４４の軸線４５に交差し且つ燃料（例えば、ガス燃料）と空気の混合領域６６の下流側のハブ４４上で配置される燃料出口７２から流出する。燃料（例えば、液体燃料）の他の部分は、各ベーン４０内の通路５８（例えば、ベーン通路）を通って半径方向６４で流れ、出口９２を介してエンクロージャ９４内に流出する。エンクロージャ９４は、シュラウド４２の周りで円周方向４７に配置される。燃料は、矢印９６で全体的に示されるように、軸方向６０に流れ、ハブ４４の軸線４５に交差し且つ燃料（例えば、ガス燃料）と空気の混合領域６６の下流側のシュラウド７４上で配置される燃料出口７４から流出する。
【００１８】
以下でより詳細に説明されるように、燃料出口７０（すなわち、７２及び７４）の配置は、燃料出口７２及び７４からの燃料（例えば、液体燃料）の半径方向噴射を可能にする。例えば、燃料出口７２、７４は、互いに（例えば、外向き６４及び内向き６５の半径方向で）且つ軸線４５に対して交差した向きにされる。燃料の液体運動量比は、燃料出口７２、７４からの燃料のジェットがハブ４４及びシュラウド４２の壁９８、１００にそれぞれ衝突する可能性を低減するよう制御することができる。矢印１０２で全体的に示されるように、燃料出口７２からの噴射燃料は、ハブ４４及びシュラウド４２間の通路１０４内でスワール（すなわち、ハブ４４の壁９８からシュラウド４２の壁１００に向けて）を伴って流れる傾向がある。矢印１０６で全体的に示されるように、より高い半径で（すなわち、シュラウド４２にて）位置する燃料出口７４から噴射される燃料は、最初にハブ４４の壁９８に向かってスワールとは反対方向に流れ、次いで、シュラウド４２の壁１００に向かって流れる傾向がある。燃料出口７４の半径がより高いほど、燃料気化のためのより大きな区域を提供する。また、燃料出口７４の半径がより高いほど、出口７４からの燃料ジェットが互いに衝突するのが阻止され、噴霧化が増強される。全体として、燃料出口７４の半径がより高いほど、燃料の噴霧化、気化及び予混合が増強される。
【００１９】
特定の実施形態では、燃料ノズル１２は、燃料／空気混合を増強し、ノズル１２を冷却するための１以上の空気出口を含むことができる。例えば、空気出口又は通路は、燃料通路４８又はベーン４０に沿って冷却空気を配向し、コーキングの可能性を低減することができる。更に別の実施形態では、空気出口は、燃料出口７０の下流側のシュラウド４２及び／又はハブ４４上に配置され、噴霧化を増強すると共に、燃料ノズル１２の通路１０４内で保炎の可能性を低減することができる。
【００２０】
図３から７は、燃料出口７０の実施形態を示す、図２の燃料ノズル１２の部分側断面図である。図３は、ベーン４０のうちの１つ、燃料経路５０、５２及び燃料出口５４、７０を有する領域を示す、線３−３で囲まれた図２の燃料ノズル１２の一実施形態の側断面図である。燃料は、上述のように、燃料経路５０、５２に沿って出口５４、７０に流れる。例えば、燃料（例えば、ガス燃料）は、燃料通路４６（例えば、ガス燃料通路）を通って流れ、矢印１１４で示すように転回してベーン４０内の燃料区画５６に入る。次いで、燃料は、矢印１１６で示すように燃料出口５４（例えば、ガス燃料出口）から流出し、通路１０４の混合領域６６内で空気流路６８に流れる空気１１８と混合する。また、上述のように、燃料（例えば、ガス又は液体燃料）は、燃料通路４８（例えば、ガス又は液体通路）を通って流れ、ここで燃料の一部は、矢印１２０で示すようにベーン４０内の通路５８を通って半径方向６４に分流される。燃料は、矢印１２１で示すように、出口９２を介してエンクロージャ９４に流出し、矢印１２２で示すように、シュラウド４２上に配置された燃料出口７４（例えば、ガス又は液体燃料出口）を介して通路１０４に交差して噴射される。燃料の別の部分は、矢印１２４で示すように、ハブ４４上に配置された燃料出口７２（例えば、ガス又は液体燃料出口）に向かって流れ、同様に、矢印１２６で示されるように出口７２を介して通路１０４内に交差して噴射される。
【００２１】
構造的には、燃料出口５４、７０は上述した通りである。燃料出口５４（例えば、ガス燃料出口）は、少なくとも約１００ミルの直径１２８を有する。燃料出口７０（例えば、ガス又は液体燃料出口）は、約１５〜１００ミル、２０〜８０ミル、２０〜６０ミル又は２０〜４０ミルの範囲に及ぶことができる直径１３０を有する。例えば、直径１３０は、約２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５又は６０ミル、或いは、これらの間の他の何れかの寸法とすることができる。燃料出口７０の直径１３０は、出口７０内の燃料の閉塞の可能性を低減するのに十分に大きい。特定の実施形態では、複数の燃料出口５４のうちの各燃料出口５４の直径１２８は、複数の燃料出口７０の各燃料出口７０と同じとすることができる。他の実施形態では、複数の燃料出口７０（例えば、液体燃料出口）の各燃料出口７０（例えば、液体燃料出口）の直径は、複数の燃料出口５４（例えば、ガス燃料出口）のうちの各燃料出口５４（例えば、ガス燃料出口）の直径１２８よりも小さい。例えば、各燃料出口７０の直径１３０は、各燃料出口５４の直径の約１０〜７０％又は３０〜６０％の範囲に及ぶことができる。燃料出口７０の直径１３０を変えることにより、液体運動量比を制御可能にすることができる。
【００２２】
図４は、ベーン４０のうちの１つ、燃料経路５０、５２及び燃料出口５４、７０を有する領域を示す、線３−３で囲まれた図２の燃料ノズル１２の一実施形態の部分側断面図である。図示の燃料出口７２（すなわち、１４８、１５２、１５６）及び燃料出口７４（すなわち、１５０、１５４、１５８）は各々、複数のベーン４０（図７を参照）間にそれぞれハブ４４及びシュラウド４２の周りで円周方向４７に配置された燃料出口７０のセットに相当することができる。例えば、燃料出口１５８のセット１４１は、シュラウド４２の周りに円周方向４７に配置される。燃料出口７０の各セットは、１〜５０、１〜１０又は１〜５の燃料出口を含むことができる。例えば、燃料出口７０の各セットは、少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０個、或いは他のあらゆる数の燃料出口７０を含むことができる。
【００２３】
図示のように、複数の燃料出口７０は、ベーン４０の後縁８６の上流側、下流側又は上流側及び下流側の両方で軸方向に位置付けることができる。燃料出口７２（例えば、液体燃料出口）は、軸線４５に沿った軸方向領域８８（例えば、３つの軸方向位置）でハブ４４上に配置され、燃料出口７４（例えば、液体燃料出口）は、軸線４５に沿った軸方向領域９０（例えば、３つの軸方向位置）でシュラウド４２上に配置される。特定の実施形態では、燃料出口７２、７４の軸方向領域８８、９０（例えば、３つの軸方向位置）は、同じ（燃料出口１５２、１５４）とすることができる。他の実施形態では、燃料出口７２、７４の軸方向領域８８及び９０（例えば、３つの軸方向位置）は、互いにからオフセットすることができる。例えば、燃料出口１４８、１５０が軸方向にオフセットすることができ、燃料出口１５２、１５４が軸方向にオフセットすることができ及び／又は、燃料出口１５６及び１５８がオフセットすることができる。図示のように、軸方向領域８８、９０は、ベーン９０の下流側端部又は後縁８６に重なり合い、例えば、燃料出口１４８、１５０は後縁８６から上流側にあり、燃料出口１５２、１５４は後縁８６に位置し、燃料出口１５６及び１５８は後縁８６から下流側にある。
【００２４】
詳細には、上流側燃料出口１４８、１５０は、少なくとも１つのベーン４０の後縁８６に対して軸方向距離１４０で配置される。燃料出口１５２、１５４は、少なくとも１つのベーン４０の後縁８６に対してほぼゼロの軸方向距離１４２で配置される。下流側燃料出口１５６及び１５８は、少なくとも１つのベーン４０の後縁８６に対して軸方向距離１４４で配置される。更に、燃料出口１４８、１５０、１５２、１５４、１５６及び１５８の全ては、燃料出口５４から下流側にあり、ハブ４４及びシュラウド４２の端部７８及び８２から上流側にある。例えば、軸方向距離１４０、１４４は、少なくとも１つのベーン４０の軸方向長さ１４６の約０〜７０％、０〜５０％、０〜３０％又は０〜１５％とすることができる。別の例証として、軸方向距離１４０、１４４は、軸方向長さ１４６の約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５又は５０％、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、ここで距離１４０は後縁８６から上流側にあり、距離１４４は下流側にある。幾つかの実施形態では、燃料出口７０、７２は、上流側燃料出口１４８、１５０のみ、後縁８６における燃料出口１５２、１５４のみ又は下流側燃料出口１５６、１５８のみを含むことができる。しかしながら、燃料ノズル１２の実施形態は、後縁８６に対して上流側、下流側又は縁部に並んだ燃料出口のあらゆる組み合わせを含むことができる。
【００２５】
図５及び６は、ベーン４０に隣接する半径方向燃料出口１４８、１５０、１５２、１５４、１５６及び１５８を示す、線５−５で囲まれた図４の燃料ノズル１２の実施形態の部分側断面図である。燃料出口１４８、１５２及び１５６は、ハブ４４上に配置された燃料出口７０、７２に相当し、燃料出口１５０、１５４及び１５８は、シュラウド４２上の燃料出口燃料出口７０、７４に相当する。上述のように、矢印１７０で全体的に示される燃料（例えば、ガス又は液体燃料）は、燃料通路４８又はエンクロージャ９４内で軸方向６０に流れた後、燃料出口７０から流出する。燃料出口７０は、軸線４５に対して半径方向６４に向けられる。燃料出口７０は、平角又は合成角を有することができる。燃料出口７０は、軸線４５に対して約４５〜９０度、４５〜７５度又は４５〜６０度の角度が付けられた噴射軸１６８を有することができる。例えば、燃料出口７０は、軸線４５に対して約４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５又は９０度の角度、或いはこれらの間のあらゆる角度が付けられた噴射軸１６８を有することができる。特定の実施形態では、噴射軸１６８は、軸線４５に対して約９０度未満の角度にすることができる。図５に示すように、燃料出口７０の噴射軸１６８の全ては、軸線４５に対して約９０度である。結果として、噴射軸１６８に沿った燃料流は、通路１０４を通る空気流に対して垂直である。図６に示すように、噴射軸１６８の角度は、軸線４５に対して軸方向６０で減少する。燃料出口１４８及び１５０、１５２及び１５４、並びに１５６及び１５８は、軸線４５に対してそれぞれ、９０度、６０度及び４５度の角度を有する噴射軸１６８の実施例を提供する。結果として、これらの噴射軸１６８に沿った燃料流は、通路１０４を通る空気流にほぼ交差している。特定の実施形態では、噴射軸１６８の角度は、燃料出口７０のセット内で及び／又はセット間で異なることができる。例えば、噴射軸１６８の角度は、燃料出口１４８、１５０から燃料出口１５２、１５４まで、並びに燃料出口１５２、１５４から燃料出口１５６、１５８まで漸次的に変化（例えば、増加又は減少）することができる。燃料出口７０の１つの軸方向位置から別の軸方向位置までの角度の変化量は、約５〜９０度、５〜６０度、５〜４５度又は１０〜３０度とすることができる。
【００２６】
図７は、図２及び３の線７−７に沿った燃料ノズル１２の一実施形態の断面図である。上述のように、燃料ノズル１２（例えば、マルチ燃料ノズル）は、中央本体３８、ハブ４４、シュラウド４２及びハブ４４とシュラウド４２との間に半径方向に延在する複数のベーン４０を含む。中央本体３８は、燃料通路４８（例えば、環状燃料通路）を含む。燃料ノズル１２はまた、シュラウド４２の周りに円周方向４７に配置されたエンクロージャ９４を含む。更に、燃料ノズル１２は、複数のベーン４０間に円周方向４７に分布された例えば、ガス又は液体燃料出口などの燃料出口７０（すなわち、７２及び７４）を含む。燃料出口７０は、図示のようにベーン４０間及びベーンの境界内に分布させることができる。或いは、燃料出口７０は、ベーン４０間で且つベーン４０から離れて軸方向６０の下流側に円周方向４７に分布させることができる。
【００２７】
各燃料ノズル１２は、あらゆる数のベーン４０を含むことができる。例えば、各燃料ノズル１２は、１〜２０又は２〜１０、或いは、これらの間の何れかの数のベーン４０を含むことができる。各燃料ノズル１２の周りの円周方向４７で、ベーン４０は、燃料出口７０を介して通路１０４内に液体又はガス燃料を噴射するために通路１０４を複数のセクタ１８２に分割する。例えば、燃料ノズル１２の周囲１８４の周りに配置された１０個のベーン４０は、各々が約３６度の１０個のセクタ１８２をもたらすことができる。図示のように、燃料ノズル１２の周囲１８４の周りに均等に配置された６個のベーン４０は、各々が約６０度の６つのセクタ１８２をもたらす。図示のように、燃料ノズル１２は、ハブ４４上に複数のベーン４０間に円周方向４７に分配された第１の複数の燃料出口７２（例えば、液体燃料出口）と、シュラウド４２上に複数のベーン４０間に円周方向４７に分布された第２の複数の燃料出口７４とを含む。図示のように、ベーン４０のペア間の各セクタ１８２は、ハブ４４上に配置された少なくとも１つの燃料出口７２と、シュラウド４２上に配置された少なくとも１つの燃料出口７４とを含む。しかしながら、各図示の燃料出口７０は、軸線６０に対する異なる軸方向位置において複数の燃料出口７０又は異なる円周方向位置４７において複数の燃料出口７０に相当することができる。図示のような燃料出口７０は、ハブ４４及びシュラウド４２両方のベーン４０間の中心に間隔を置いて配置される。換言すると、燃料出口７０、７２は、ハブ４４上の隣接するベーン４０間で円周方向４７に中心に配置され、燃料出口７０、７４は、シュラウド４２上の隣接するベーン４０間で円周方向４７に中心に配置される。或いは、燃料出口７０は、ベーン４０間で中心に間隔を置いて配置されなくてもよい。各燃料出口７０は、矢印１８６で示すように、流れにほぼ交差した半径方向６４で通路１０４内に燃料を噴射し、噴霧化、気化及び予混合を増強すると共に、エミッション（例えば、ＮＯｘ）を低減する。
【００２８】
特定の実施形態では、燃料出口７０は、ベーン４０間の各セクタ１８２内に分配されない場合がある。例えば、セクタ１８２は、ハブ４４及び／又はシュラウド４２に沿って出口７０と空気出口とを交互に配置することができる。換言すると、燃料ノズル１２は、各セクタ１８２において空気噴射と燃料噴射とを交互に配置することができ、或いは、各セクタ１８２は、ハブ４４燃料噴射／シュラウド４２空気噴射と、ハブ４４空気噴射／シュラウド４２燃料噴射とを交互に配置することができる。また、特定の実施形態では、燃料ノズル１２は、軸方向６０で燃料出口７０の下流側のシュラウド４２及び／又はハブ４４上に配置された空気出口を含み、噴霧化を増強すると共に、燃料ノズル１２内で保炎の可能性を低減することができる。
【００２９】
本開示の実施形態の技術的作用は、燃料ノズル１２内への燃料（液体又はガス）の噴射を改善するためのシステムを提供することができる。ベーン４０からのガス燃料噴射の下流側に位置する燃料出口７０は、空気流に交差する燃料（例えば、液体又はガス燃料）のハブ４４及び／又はシュラウド４２噴射を可能にする。燃料は、様々な角度（例えば、０から９０度）でのクロスフロー噴射のためにこれらの燃料出口７０間に分配することができる。改善された設計により、噴霧化、気化及び予混合が増強される。加えて、本設計によりエミッションが低減される。改善された設計によって、空気及び水を噴霧化する必要性がなくなり、従って、これらに付随するコストが低減される。
【００３０】
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】
【００３１】
１０  タービンシステム
１２  燃料ノズル
１４  供給燃料
１６  燃焼器
１８  タービン
２０  排気出口
２２  シャフト
２４  圧縮機
２６  空気吸入口
２８  負荷
３８  中央本体
４０  複数のベーン
４２  シュラウド
４３  半径方向ギャップ
４４  ハブ
４５  軸線
４６  燃料通路
４７  円周方向
４８  燃料通路
５０  燃料経路
５２  燃料経路
５４  燃料出口
５６  燃料区画
５８  通路
６０  軸方向
６２  当接壁
６４  半径方向
６５  内向き半径方向
６６  混合領域
６７  出口
６８  矢印
６９  矢印
７０  燃料出口
７２  燃料出口
７４  燃料出口
７６  軸方向距離
７８  下流側端部
８０  軸方向距離
８２  下流側端部
８４  ベーン距離
８５  ベーン距離
８６  後縁
８８  軸方向位置
９０  軸方向位置
９２  出口
９４  エンクロージャ
９６  矢印
９８  壁
１００  壁
１０２  矢印
１０４  通路
１０６  矢印
１１４  矢印
１１６  矢印
１１８  空気
１２０  矢印
１２１  矢印
１２２  矢印
１２４  矢印
１２６  矢印
１２８  直径
１３０  直径
１４０  軸方向距離
１４１  セット
１４２  軸方向距離
１４４  軸方向距離
１４６  軸方向長さ
１４８  燃料出口
１５０  燃料出口
１５２  燃料出口
１５４  燃料出口
１５６  燃料出口
１５８  燃料出口
１６８  噴射軸線
１７０  矢印
１７２  空気流
１８２  セクタ
１８４  周囲
１８６  矢印
【図１】
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【図２】
2012154612.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2012154612.tif 000007
【図６】
2012154612.tif 000008
【図７】
2012154612.tif 000009
【外国語明細書】
2012154612000001.pdf