(57)【要約】【課題】ノズルを冷却するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】本ノズル（１２）は、中心胴体（３４）を含む。シュラウド（３６）が、中心胴体（３４）の少なくとも一部分を円周方向に囲んで、該中心胴体（３４）及びシュラウド（３６）間に環状通路（４０）を画成する。閉ループ冷却回路（４４）が、中心胴体（３４）内部に延在する。ノズル（１２）を冷却する本方法は、該ノズル（１２）内部の閉ループ冷却回路（４４）を通して冷却媒体（３２）を流すステップを含む。【選択図】      図３
2012092832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル（１２）であって、
ａ．中心胴体（３４）と、
ｂ．前記中心胴体（３４）の少なくとも一部分を円周方向に囲んで、該中心胴体（３４）との間に環状通路（４０）を画成するシュラウド（３６）と、
ｃ．前記中心胴体（３４）内部に延在する閉ループ冷却回路（４４）と
を備えるノズル（１２）。
【請求項２】
前記閉ループ冷却回路（４４）を通って流れる冷却媒体（３２）をさらに含む、請求項１記載のノズル（１２）。
【請求項３】
前記冷却媒体（３２）が、蒸気、不活性ガス、冷却剤又は希釈剤の少なくとも１つを含む、請求項２記載のノズル（１２）。
【請求項４】
前記中心胴体（３４）とシュラウド（３６）の間に１以上の翼（４２）をさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のノズル（１２）。
【請求項５】
前記閉ループ冷却回路（４４）が前記１以上の翼（４２）内部に延在する、請求項４記載のノズル（１２）。
【請求項６】
前記閉ループ冷却回路（４４）が、前記１以上の翼（４２）を通る冷却媒体３２のための流体連通を形成する、請求項４又は請求項５記載のノズル（１２）。
【請求項７】
前記閉ループ冷却回路（４４）が、前記シュラウド（３６）に沿って該ノズル（１２）外部に延在する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のノズル（１２）。
【請求項８】
前記閉ループ冷却回路（４４）が供給口（４６）及び戻り口（４８）を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のノズル（１２）。
【請求項９】
ノズル（１２）を冷却する方法であって、
ａ．前記ノズル（１２）内部の閉ループ冷却回路（４４）を通して冷却媒体（３２）を流すステップ
を含む方法。
【請求項１０】
前記ノズル（１２）の中心胴体（３４）内部の前記閉ループ冷却回路（４４）を通して前記冷却媒体（３２）を流すステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ノズル（１２）を囲むシュラウド（３６）外部の前記閉ループ冷却回路（４４）を通して前記冷却媒体（３２）を流すステップをさらに含む、請求項９又は請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
シュラウド（３６）と中心胴体（３４）の間に延在する翼（４２）内部の前記閉ループ冷却回路（４４）を通して前記冷却媒体（３２）を流すステップをさらに含む、請求項９乃至請求項１１のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはノズルを冷却するためのシステム及び方法に関連する。具体的には、本発明の実施形態では、閉ループ冷却回路を通して冷却媒体を供給してノズルの表面を冷却することができる。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、産業用発電運転において広く使用されている。一般的なガスタービンは、前部における軸流圧縮機と、中間部の周りの１以上の燃焼器と、後部におけるタービンとを含む。外気が圧縮機に流入し、圧縮機の動翼及び静翼は、空気に徐々に運動エネルギーを与えて高エネルギー状態の加圧作動流体を生成する。加圧作動流体は、圧縮機から流出しかつノズルを通って燃焼器内に流れ、燃焼器において、加圧作動流体は燃料と混合されかつ点火されて、高い温度及び圧力を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービン内で膨張して仕事を産生する。例えば、タービン内における燃焼ガスの膨張は、発電機に連結されたシャフトを回転させて、電気を生成することができる。
【０００３】
ガスタービンの熱力学的効率は作動温度つまり燃焼ガス温度が高くなるにつれて増大することが、広く知られている。しかしながら、燃料及び空気が燃焼に先立って均一に混合されていない場合には、燃焼器内に局所的ホットスポットが形成されるおそれがある。局所的ホットスポットは、燃焼器内の火炎がノズル内への逆火及び／又はノズル内部での付着を生じて、ノズルの損傷の可能性が増す。逆火及び保炎はあらゆる燃料で発生する可能性があるが、それら逆火及び保炎は、より高い燃焼速度及びより広い可燃範囲を有する、水素のような高反応性燃料の場合により容易に発生する。
【０００４】
逆火及び保炎を最小にしながらより高い作動温度を可能にする様々な技術的方法が存在する。これらの技術的方法の多くは、局所的ホットスポットを減少させかつ／或いは低流量ゾーンを減少させて逆火及び保炎の発生を防止するか又は減少させる。例えば、ノズル設計における継続的な改良により、燃焼に先立つ燃料及び空気のより均一な混合が得られて、燃焼器内に局所的ホットスポットが形成されるのが減少するか又は防止される。それに代えて又は加えて、ノズルは、該ノズルを通る燃料及び／又は空気の最低流量を保証して、ノズル表面を冷却しかつ／或いは燃焼器火炎がノズル内に逆火するのを防止するように設計されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７５１３１１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、保炎又逆火の発生を減少させかつ／或いは防止するようなノズル設計における継続的な改良は、有用であると言える。
【０００７】
本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態は、ノズルであり、本ノズルは、中心胴体を含む。シュラウドが、中心胴体の少なくとも一部分を円周方向に囲んで、該中心胴体とシュラウドの間に環状通路を画成する。閉ループ冷却回路が、中心胴体内部に延在する。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、ノズルであり、本ノズルは、中心胴体を含む。シュラウドが、中心胴体の少なくとも一部分を円周方向に囲んで、該中心胴体とシュラウドの間に環状通路を画成する。閉ループ冷却回路が、シュラウドに沿ってノズル外部に延在する。
【００１０】
本発明はまた、ノズルを冷却する方法を含む。本方法は、ノズル内部の閉ループ冷却回路を通して冷却媒体を流すステップを含む。
【００１１】
本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。
【００１２】
添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による燃焼器の簡略側面断面図。
【図２】図１に示す燃焼器の軸方向断面図。
【図３】本発明の実施形態によるノズルの簡略側面断面図。
【図４】本発明の一実施形態による翼の斜視図。
【図５】本発明の別の実施形態による翼の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。
【００１５】
各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１６】
本発明の様々な実施形態は、ノズル表面に対して冷却を行なって、保炎の発生を減少させ、また保炎が発生した場合には、ノズル表面に対する損傷を低減及び／又は防止する。具体的な実施形態は、ノズル構成要素を通して及び／又は該ノズル構成要素に隣接して冷却媒体を循環させて、ノズルを冷却する閉ループ冷却回路を含むことができる。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による燃焼器１０の簡略断面図を示している。図示するように、燃焼器１０は一般に、頂部キャップ１４内に半径方向に配列された１以上のノズル１２を含む。ケーシング１６が、燃焼器１０を囲んで、圧縮機（図示せず）から流出した空気又は加圧作動流体を閉じ込めることができる。端部キャップ１８及びライナ２０が、ノズル１２の下流に燃焼チャンバ２２を画成することができる。流れ孔２６を備えた流れスリーブ２４が、ライナ２０を囲んで、該スリーブ２４とライナ２０の間に環状通路２８を画成することができる。
【００１８】
図２は、図１に示す燃焼器１０の頂面図を示している。燃焼器１０の様々な実施形態は、ノズルの異なる数及び構成を含むことができる。例えば、図２に示す実施形態では、燃焼器１０は、半径方向に配置された５つのノズル１２を含む。作動流体は、端部キャップ１８に到達するまでスリーブ２４とライナ２０の間に環状通路２８を通って流れ、端部キャップ１８において、作動流体は、その方向を逆にしてノズル１２を通ってかつ燃焼チャンバ２２内に流れる。
【００１９】
図１及び図２に示すように、ノズル１２に対してマニホルド３０を連結して、該ノズル１２に及び／又は該ノズル１２上に冷却媒体３２を供給することができる。マニホルド３０は、流体連通を形成する当業者に公知の任意のパイプ及びバルブ構成を含むことができる。冷却媒体３２には、熱を除去するのに好適な任意の流体を含むことができる。例えば、冷却媒体３２には、蒸気、冷却剤、不活性ガス、希釈剤、又は当業者に公知の別の好適な流体を含むことができる。冷却媒体３２は、連続して又はノズル１２に対して付加的冷却を行なうのが望ましい時にのみ、ノズル１２に供給することができる。
【００２０】
図３は、本発明の一実施形態によるノズル１２の簡略断面図を示している。図３に示すように、ノズル１２は一般に、中心胴体３４及びシュラウド３６を含む。中心胴体３４は一般に、ノズル１２の軸方向中心線３８に沿って延在する。シュラウド３６は、中心胴体３４の少なくとも一部分を円周方向に囲んで、該中心胴体３４とシュラウド３６の間に環状通路４０を画成する。ノズル１２はさらに、中心胴体３４とシュラウド３６の間の環状通路４０内に１以上の翼４２を含むことができ、これら翼４２は、該翼４２上を流れる燃料及び／又は作動流体に接線方向速度を与えることができる。このようにして、作動流体は、環状通路４０を通って流れかつ中心胴体３４及び／又は翼４２から該環状通路４０内に噴射された燃料と混合させることができる。
【００２１】
図３に示すように、ノズル１２はさらに、ノズル１２を通して及び／又は該ノズル１２の周りで冷却媒体３２のための流体連通を形成した閉ループ冷却回路４４を含むことができる。本明細書で使用する場合に、「閉ループ」というには、冷却媒体３２が冷却回路４４から意図的に放出されることなく、ノズル１２を通ってかつ／又は燃焼チャンバ２２内に流れることを意味している。図３に示すように、閉ループ冷却回路４４は、中心胴体３４、翼４２並びに／或いはシュラウド３６の１以上内に、それらの周りに並びに／或いはそれらを通って延在することができる。例えば、閉ループ冷却回路４４は、中心胴体３４内部に延在して該中心胴体３４から熱を除去する、従って該中心胴体３４の外部表面を冷却することができる。同様に、閉ループ冷却回路４４は、シュラウド３６に沿ってノズル１２外部に延在して、該シュラウド３６の内部表面を冷却することができる。図４及び図５により詳細に示すように、閉ループ冷却回路４４はさらに、翼４２内部に延在して、該翼４２を通る却媒体３２のための流体連通を形成することができる。例えば、図４に示すように、閉ループ冷却回路４４は、翼４２を通って該翼４２の外部表面を冷却する蛇行流路を含むことができる。それに代えて、図５に示すように、閉ループ冷却回路４４は、翼４２に対する入口５０及び出口５２を含み、該翼４２を通る冷却媒体３２のための流体連通を形成することができる。このようにして、冷却媒体３２は、閉ループ冷却回路４４を通って流れて、中心胴体３４、翼４２及び／又はシュラウド３６から熱を除去してノズル１２のそれぞれの表面を冷却する。
【００２２】
閉ループ冷却回路４４が様々な位置に供給口４６及び戻り口４８接続部を備えて、マニホルド３０から該閉ループ冷却回路４４を通りかつマニホルド３０に戻るように流れる冷却媒体３２のための流体連通を形成することができることは、当業者には容易に分かるであろう。例えば、閉ループ冷却回路４４は、シュラウド３６を貫通する供給口及び戻り口接続部４６、４８を含むことができる。このようにして、冷却媒体３２は、マニホルド３０からシュラウド３６を通りまた翼４２及び／又は中心胴体３４を通って流れた後に、シュラウド３６を通ってマニホルド３０に戻ることができる。それに代えて又は加えて、閉ループ冷却回路４４は、シュラウド３６を貫通する供給口接続部４６及び中心胴体３４を貫通する戻り口接続部４８を含むことができる。このようにして、冷却媒体３２は、マニホルド３０からシュラウド３６を通りまた翼４２及び／又は中心胴体３４を通って流れた後に、中心胴体３４を通ってマニホルド３０に戻ることができる。閉ループ冷却回路４４におけるこれらの及びその他の流路は、本発明の様々な実施形態の技術的範囲内にある。
【００２３】
図３、図４及び図５に関して前述しかつ図示した実施形態がノズルを冷却する方法を提供することは、当業者には容易に分かるであろう。例えば、本方法は、ノズル１２内部の閉ループ冷却回路４４を通して冷却媒体３２を流すステップを含むことができる。具体的な実施形態では、本方法はさらに、中心胴体３４内部の、翼４２内部の及び／又はシュラウド３６外部の閉ループ冷却回路４４を通して冷却媒体３２を流して、ノズル１２から熱を除去するステップを含むことができる。
【００２４】
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】
【００２５】
１０  燃焼器
１２  ノズル
１４  頂部キャップ
１６  ケーシング
１８  端部キャップ
２０  ライナ
２２  燃焼チャンバ
２４  流れスリーブ
２６  流れ孔
２８  環状通路
３０  マニホルド
３２  冷却媒体の供給源
３４  中心胴体
３６  シュラウド
３８  軸方向中心線
４０  環状通路
４２  翼
４４  閉ループ冷却回路
４６  供給口
４８  戻り口
５０  翼入口
５２  翼出口
【図１】
2012092832.tif 000003
【図２】
2012092832.tif 000004
【図３】
2012092832.tif 000005
【図４】
2012092832.tif 000006
【図５】
2012092832.tif 000007
【外国語明細書】
2012092832000001.pdf