(57)【要約】【課題】燃焼器に組込むことができる燃料ノズルを提供する。【解決手段】燃料ノズルは、中心体と、シュラウドであって、中心体とシュラウドとの間に環状通路を画定するために、中心体の少なくとも一部分を円周方向に囲む、シュラウドとを含む。複数のベーンは、環状通路内で中心体とシュラウドとの間に半径方向に延在する。第１のセラミック伸張部は、シュラウドから下流で環状通路の少なくとも一部分を画定するために、シュラウドから下流に延在する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ノズルであって、
ａ．中心体と、
ｂ．シュラウドであって、前記中心体と前記シュラウドとの間に環状通路を画定するために、前記中心体の少なくとも一部分を円周方向に囲む、シュラウドと、
ｃ．前記環状通路内で前記中心体と前記シュラウドとの間に半径方向に延在する複数のベーンと、
ｄ．前記シュラウドから下流で前記環状通路の少なくとも一部分を画定するために、前記シュラウドから下流に延在する第１のセラミック伸張部とを備える燃料ノズル。
【請求項２】
前記シュラウドと前記第１のセラミック伸張部との間にコネクタをさらに備える請求項１記載の燃料ノズル。
【請求項３】
前記コネクタは、前記シュラウドと前記第１のセラミック伸張部との間にアールを含む請求項２記載の燃料ノズル。
【請求項４】
前記環状通路の内部に、前記シュラウド、前記第１のセラミック伸張部、前記コネクタによって形成される実質的に平坦な表面をさらに備える請求項２記載の燃料ノズル。
【請求項５】
前記環状通路の外部に、前記シュラウド、前記第１のセラミック伸張部、および前記コネクタによって形成される実質的に平坦な表面をさらに備える請求項２記載の燃料ノズル。
【請求項６】
前記環状通路に暴露されない、前記第１のセラミック伸張部と前記コネクタとの間にろう材をさらに含む請求項２記載の燃料ノズル。
【請求項７】
前記環状通路に暴露されない、前記シュラウドと前記コネクタとの間にろう材をさらに含む請求項２記載の燃料ノズル。
【請求項８】
前記中心体から下流に延在する第２のセラミック伸張部をさらに備える請求項１記載の燃料ノズル。
【請求項９】
前記中心体と前記第２のセラミック伸張部との間にろう付け接続部をさらに備える請求項８記載の燃料ノズル。
【請求項１０】
燃料ノズルであって、
ａ．中心体と、
ｂ．シュラウドであって、前記中心体と前記シュラウドとの間に環状通路を画定するために、前記中心体の少なくとも一部分を円周方向に囲む、シュラウドと、
ｃ．前記環状通路内で前記中心体と前記シュラウドとの間に半径方向に延在する複数のベーンと、
ｄ．前記中心体から下流に延在する第２のセラミック伸張部とを備える燃料ノズル。
【請求項１１】
前記環状通路に暴露されない、前記第２のセラミック伸張部と前記中心体との間にろう付け接続部をさらに含む請求項１０記載の燃料ノズル。
【請求項１２】
前記環状通路の内部に、前記中心体、前記第２のセラミック伸張部、および前記ろう付け接続部によって形成される実質的に平坦な表面をさらに備える請求項１１記載の燃料ノズル。
【請求項１３】
前記シュラウドから下流に前記環状通路を画定するために前記シュラウドから下流に延在する第１のセラミック伸張部、および、前記シュラウドと前記第１のセラミック伸張部との間のコネクタをさらに備える請求項１０記載の燃料ノズル。
【請求項１４】
前記コネクタは、前記シュラウドと前記第１のセラミック伸張部との間にアールを含む請求項１３記載の燃料ノズル。
【請求項１５】
前記環状通路の内部に、前記シュラウド、前記第１のセラミック伸張部、前記コネクタによって形成される実質的に平坦な表面をさらに備える請求項１３記載の燃料ノズル。
【請求項１６】
前記環状通路の外部に、前記シュラウド、前記第１のセラミック伸張部、前記コネクタによって形成される実質的に平坦な表面をさらに備える請求項１３記載の燃料ノズル。
【請求項１７】
前記環状通路に暴露されない、前記第１のセラミック伸張部と前記コネクタとの間にろう材をさらに含む請求項１３記載の燃料ノズル。
【請求項１８】
前記環状通路に暴露されない、前記シュラウドと前記コネクタとの間にろう材をさらに含む請求項１３記載の燃料ノズル。
【請求項１９】
燃料ノズルであって、
ａ．中心体と、
ｂ．シュラウドであって、前記中心体と前記シュラウドとの間に環状通路を画定するために、前記中心体の少なくとも一部分を円周方向に囲む、シュラウドと、
ｃ．前記環状通路内で前記中心体と前記シュラウドとの間に半径方向に延在する複数のベーンと、
ｄ．前記シュラウドから下流で前記環状通路の少なくとも一部分を画定するために、前記シュラウドから下流に延在する第１のセラミック伸張部と、
ｅ．前記第１のセラミック伸張部と前記シュラウドとの間にろう付け接続部と、
ｆ．前記中心体から下流に延在する第２のセラミック伸張部とを備える燃料ノズル。
【請求項２０】
前記環状通路の内部に、前記シュラウド、前記第１のセラミック伸張部、前記ろう付け接続部によって形成される実質的に平坦な表面をさらに備える請求項１９記載の燃料ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、たとえば燃焼器に組込むことができるような燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温および高圧を有する燃焼ガスを生成するために、空気と共に燃料に点火するための燃焼器が当技術分野で知られている。たとえば、ガスタービンシステム、航空機エンジン、および多数の他の燃焼ベースシステムは、空気などの作動流体を燃料と混合し、混合物を点火して、高温かつ高圧の燃焼ガスを生成する１つまたは複数の燃焼器を含む。各燃焼器は、一般に、燃焼の前に、作動流体を燃料と混合する１つまたは複数の燃料ノズルを含む。
【０００３】
通常の燃焼器の運転中に、燃焼火炎が、燃料ノズルから下流に、通常は燃焼ノズルの出口の燃焼室内に存在する。燃焼ベースシステムの熱力学的効率が、一般に、運転温度、すなわち燃焼ガス温度が増加するにつれて増加することが広く知られている。より高い燃焼ガス温度では、しかし、「保炎(flame holding)」と呼ばれる事象が発生する場合があり、燃焼火炎は、燃焼ノズルの内部で燃焼室から上流に移動する。たとえば、燃焼火炎が、上流に、燃料ノズル内の燃料ポートの近くに、または、燃料ノズル内の低フローエリアの近くに移動する状況が存在する場合がある。燃料ノズルは、通常、保炎によって生成される高温に耐えるように設計されておらず、保炎は、したがって、比較的短い期間で燃料ノズルに対する望ましくない磨滅をもたらす場合がある。一旦磨滅すると、燃焼器は、燃料ノズルの部分的なまたは完全な修理／置換を可能にするためにシャットダウンされなければならず、予定外のおよび／または長引く停止をもたらす。
【０００４】
保炎の発生を防止または低減するための種々の方法が当技術分野で知られている。たとえば、保炎は、反応性の高い燃料の使用中、または、高い燃料・作動流体比の使用中に発生する可能性が高い。保炎はまた、燃料・作動流体混合物が、低速で燃料ノズルを通して流れる運転中に発生する可能性が高い。したがって、燃焼器は、保炎の発生を防止または低減するために、燃料反応性、燃料・作動流体比、および／または燃料・作動流体混合物速度について特定の安全マージンを持って設計される場合がある。安全マージンは、保炎の発生を防止または低減するには有効であるが、運転限界の低減、さらなる保守、運転寿命の低下、および／または総合的熱力学的効率の低下ももたらす場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２２９５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、保炎の作用に対して高い抵抗性がありうる燃料ノズルが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様および利点は、以下で以下の説明で述べられるか、その説明から明らかになる場合があるか、または、本発明の実施を通して知ることができる。
【０００８】
本発明の一実施形態は、中心体と、シュラウドであって、中心体とシュラウドとの間に環状通路を画定するために、中心体の少なくとも一部分を円周方向に囲む、シュラウドとを含む燃料ノズルである。複数のベーンは、環状通路内で中心体とシュラウドとの間に半径方向に延在する。第１のセラミック伸張部は、シュラウドから下流で環状通路の少なくとも一部分を画定するために、シュラウドから下流に延在する。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、中心体と、シュラウドであって、中心体とシュラウドとの間に環状通路を画定するために、中心体の少なくとも一部分を円周方向に囲む、シュラウドとを含む燃料ノズルである。複数のベーンは、環状通路内で中心体とシュラウドとの間に半径方向に延在する。第２のセラミック伸張部は、中心体から下流に延在する。
【００１０】
本発明のなおさらなる実施形態では、燃料ノズルは、中心体と、シュラウドであって、中心体とシュラウドとの間に環状通路を画定するために、中心体の少なくとも一部分を円周方向に囲む、シュラウドとを含む。複数のベーンは、環状通路内で中心体とシュラウドとの間に半径方向に延在する。第１のセラミック伸張部は、シュラウドから下流で環状通路の少なくとも一部分を画定するために、シュラウドから下流に延在する。ろう付け接続部は、第１のセラミック伸張部とシュラウドとの間にある。第２のセラミック伸張部は、中心体から下流に延在する。
【００１１】
本明細書を検討すると、こうした実施形態の特徴および態様ならびに他の特徴および態様を、当業者はよりよく認識するであろう。
【００１２】
本発明の完全でかつ実施可能な開示が、当業者にとっての最良のモードを含めて、添付図面に対する参照を含んで、本明細書の残りの部分でより詳細に述べられる。
【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略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料ノズルの側断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による、図２に示す燃料ノズルの一部分の拡大図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による、図２に示す燃料ノズルの一部分の拡大図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による、図２に示す燃料ノズルの一部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
その１つまたは複数の例が添付図面に示される本発明の実施形態を提示するために、ここで参照が詳細に行われる。詳細な説明は、図面において特徴を参照するために数字および文字表示を使用する。図面および説明における同じまたは同様の表示は、本発明の同じまたは同様の部品を指すために使用された。本明細書で使用されるとき、用語「第１の(first)」、「第２の(second)」、「第３の(third)」、は、１つのコンポーネントと別のコンポーネントを識別するために交換可能に使用することができ、個々のコンポーネントの場所または重要性を意味することを意図されない。さらに、用語「上流の(upstream)」および「下流の(downstream)」は、流体通路におけるコンポーネントの相対的場所を指す。たとえば、流体がコンポーネントＡからコンポーネントＢに流れる場合、コンポーネントＡはコンポーネントＢから上流にある。逆に、コンポーネントＢが、コンポーネントＡから流体流を受取る場合、コンポーネントＢはコンポーネントＡから下流にある。
【００１５】
各例は、本発明の制限ではなく、本発明の説明のために提供される。実際には、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、本発明において変更および変形が行われうることが当業者に明らかになるであろう。たとえば、一実施形態の一部として示されまたは述べられる特徴は、なおさらなる実施形態をもたらすために別の実施形態に関して使用することができる。そのため、本発明は、添付特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入るこうした変更および変形を包含することが意図される。
【００１６】
本発明の種々の実施形態は、たとえば燃焼器において使用するための燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、一般に、中心体と、シュラウドであって、中心体とシュラウドとの間に環状通路を画定するために、中心体の少なくとも一部分を円周方向に囲む、シュラウドと、環状通路内で中心体とシュラウドとの間に半径方向に延在する複数のベーンとを含む。中心体、シュラウド、ベーン、および環状通路は、燃焼ノズルから下流の燃焼室に達する前に、燃料、希釈液、および／または他の添加剤の間の混合を高める。特定の実施形態では、燃料ノズルは、燃料ノズルの有効寿命および／または強度を増す、シュラウドおよび／または中心体から下流の１つまたは複数のセラミック伸張部をさらに含むことができる。セラミック伸張部は、保炎が発生した場合にさらなる熱耐性を提供し、一般に、通常運転中の燃料ノズルの磨滅特性を高める。本発明の例示的な実施形態が、例証のためにガスタービンに組込まれる燃焼器の文脈で一般に述べられるが、本発明の実施形態は、特許請求の範囲で特に述べない限り、任意の燃焼器に適用することができ、また、ガスタービン燃焼器に限定されないことを当業者は容易に認識するであろう。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による、ガスタービンに含まれることになるような例示的な燃焼器１０の略断面図を示す。ケーシング１２は、燃焼器１０に流れる作動流体を収容するために燃焼器１０を囲むことができる。１つまたは複数の燃料ノズル１４が、端キャップ１６と端カバー１８との間で半径方向に配列(arrange)されうる。燃料ノズル１４から下流のライナー２０は、端キャップ１６に結合して、燃料ノズル１４から下流の燃焼室２２を少なくとも部分的に囲むかつ／または画定することができる。
【００１８】
ライナー２０から下流のトランジションピース２４は、燃焼チャンバ２２をタービン入口２６に接続する。フロー穴３０を有するインピンジメントスリーブ２８は、トランジションピース２８を囲んで、インピンジメントスリーブ２８とトランジションピース２４との間に環状通路３２を画定することができる。圧縮された作動流体は、インピンジメントスリーブ２８のフロー穴３０を通過して、環状通路３２を通って流れ、トランジションピース２８およびライナー２０に対して対流冷却を提供することができる。圧縮された作動流体は、端カバー１８に達すると、方向を反転して、燃料ノズル１４の１つまたは複数を通って流れ、燃料ノズル１４にて、作動流体は、高温および高圧を有する燃焼ガスを生成する燃焼チャンバ２２内で点火される前に燃料と混合される。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態による燃料ノズル１４の側断面図を提供する。図２に示すように、燃料ノズル１４は、一般に、中心体４０と、シュラウド４２と、複数のベーン４４とを含む。中心体４０は、端カバー１８に取付けられ、一般に、端カバーから下流に延在して、燃料ノズル１４の軸方向中心線４６を画定する。中心体４０内の１つまたは複数の通路は、燃料、希釈液、および／または他の添加剤が、端カバー１８および中心体４０を通って燃料ノズル１４に供給されるように、中心体４０を通る流体連通を提供することができる。たとえば、図２に示すように、中心体４０内のプレナム４８は、端カバー１８を通って燃料ノズル１４内に流れるための、燃料、希釈液、および／または他の添加剤用の流体連通を提供することができる。
【００２０】
シュラウド４２は、中心体４０の少なくとも一部分を円周方向に囲んで、中心体４０とシュラウド４２との間に環状通路５０を画定し、ベーン４４は、環状通路５０内で中心体４０とシュラウド４２との間に半径方向に延在することができる。ベーン４４は、上流縁５２および下流縁５４を含むことができ、また、環状通路５０を通って流れる流体に接線速度または渦巻を与えるために、軸方向中心線４６に対して湾曲するまたは角度が付けられうる。たとえば、特定の実施形態では、ベーン４４は、プレナム４８を通して供給される燃料が、ベーン４４を出て流れて、環状通路５０を通って流れる作動流体と混合するように、１つまたは複数の燃料ポート５６を含むことができる。燃料ポート５６の径および角度は、結合して、燃料が環状通路５０に適切に侵入することを保証し、また、燃料が、中心体４０、シュラウド４２、および／またはベーン４４に沿って単純に流れることを防止する。こうして、燃料および作動流体は、燃焼チャンバ２２に入り、燃焼する前に環状通路５０内で混合する。
【００２１】
環状通路５０が、保炎を助長する環境を生成する場合があることを、運転経験、試験、および数値流体力学計算が示している。たとえば、ベーン４４の下流縁５４は、保炎を助長する低フローエリアまたはフロー分離エリアを生成する場合がある。結果として、本発明の種々の実施形態は、燃料ノズル１４についての熱耐性および磨滅耐性の増加を提供するために、シュラウド４２および／または中心体４０から下流に１つまたは複数のセラミック伸張部を含むことができる。セラミック伸張部は、シュラウド４２および／または中心体４０の特定の径および／または厚さに適合するように製造されるかつ／または機械加工することができ、それにより、燃料ノズル１４に沿って実質的に平坦な表面を生成する。特定の実施形態では、溶接デバイス、ろう付けデバイス、および／または他の機械的デバイスが使用されて、セラミック伸張部がシュラウド４２および／または中心体４０に接続されうる。溶接またはろう付けされる場合、溶接またはろう付け継手の設計は、継手の完全性を保護するために、継手の温度感応性部分が、環状通路５０の内部に存在する場合がある高温に暴露されないことを保証することができる。たとえば、継手の感応性部分は、環状通路５０に関連する高温に暴露されない、セラミック伸張部、シュラウド４２、および／または中心体４０の表面上に配置することができる。
【００２２】
図２に示す特定の実施形態では、燃料ノズル１４は、シュラウド４２から下流に延在する第１のセラミック伸張部６０および中心体４０から下流に延在する第２のセラミック伸張部６２を含む。第１のセラミック伸張部６０は、シュラウド４２と同様のサイズおよび形状を有し、シュラウド４２から下流に環状通路５０を少なくとも部分的に画定することができる。同様に、第２のセラミック伸張部６２は、中心体４０に対してサイズおよび形状が適合することができ、第２のセラミック伸張部６２を通した流体連通を提供するために、第２のセラミック伸張部６２内に画定されたプレナム４８を含むことができる。セラミック伸張部６０、６２は、ベーン４４の下流縁５４に近接してそれぞれのシュラウド４２および／または中心体４０に接続することができる。こうして、セラミック伸張部６０、６２は、保炎を受け易い場所で燃料ノズル１４の所望の熱特性を提供することができる。しかし、特許請求の範囲で特に述べられない限り、本発明の実施形態がセラミック伸張部６０、６２についての特定の接続点に限定されないことを当業者は本明細書の教示から容易に認識するであろう。
【００２３】
図３は、本発明の第１の実施形態によるセラミック伸張部６０、６２との接続部をより明瞭に示すために、図２に示す燃料ノズル１４の一部分の拡大図を提供する。図示するように、燃料ノズル１４は、セラミック伸張部６０、６２をそれぞれのシュラウド４２および／または中心体４０に接合するコネクタ７０を含むことができる。コネクタ７０は、セラミック伸張部６０、６２をそれぞれのシュラウド４２および／または中心体４０に取付けるまたは接合するためのネジ込み式係合または他の機械式デバイスを含むことができる。あるいは、図３に示すように、コネクタ７０は、セラミック伸張部６０、６２がそれぞれのシュラウド４２および／または中心体４０に溶接またはろう付けされることを可能にする、適した合金から製造することができる。たとえば、コネクタ７０は、セラミック伸張部６０、６２をそれぞれのシュラウド４２および／または中心体４０に溶接またはろう付けするための適したトランジションピースを提供するために鉄、ニッケル、およびコバルトの合金を含むことができる。適したろう材７２は、たとえばパラジウム、アルミニウムシリコン、銅、銅銀、真鍮、および／またはニッケル合金を含むことができる。コネクタ７０は、セラミック伸張部６０、６２とそれぞれのシュラウド４２および／または中心体４０との間のろう付け接続部の完全性を保護するために、シュラウド４２、中心体４０、および／またはコネクタ７０が環状通路５０に関連する温度からろう材７２をシールドすることを可能にするように設計することができる。たとえば、図３に示す特定の実施形態に示すように、シュラウド４２とコネクタ７０との間のろう材７２は、環状通路５０に暴露されず、環状通路５０に関連する高温からろう材７２をシールドする。
【００２４】
図３に示す特定の実施形態では、第１のセラミック伸張部６０用のコネクタ７０はアール７４を含む。アール７４は、第１のセラミック伸張部６０の径に適合して、わずかに異なる径を有するシュラウド４２にピッタリ合う。結果として、安価なコネクタ７０のアール７４は、同じセラミック伸張部６０が、複数の燃料ノズル１４のサイズにピッタリ合うことを可能にするために必要に応じてより容易に調整されうる。対照的に、第２のセラミック伸張部６２用のコネクタ７０はアール７４を含まない。代わりに、第２のセラミック伸張部６２用のコネクタ７０は、図３に示す特定の実施形態では、全体が真っすぐであり、第２のセラミック伸張部６２と中心体４０の両方とのフルラップ継手を形成し、第２のセラミック伸張部６２が中心体４０に当接することを可能にする。結果として、第２のセラミック伸張部６２と中心体４０との間のろう付け接続部は、プレナム４８内に実質的に平坦な表面７６を生成して、プレナム７６の内部の液流に対する抵抗を減らす。
【００２５】
図４および図５は、本発明のなおさらなる実施形態による図２に示す燃料ノズル１４の一部分の拡大図を提供する。図４に示すように、第１のセラミック伸張部６０用のコネクタ７０は、第１セラミック伸張部６０およびシュラウド４２の両方とのハーフラップ継手を形成する。結果として、第１セラミック伸張部６０とュラウド４２との間のろう付け接続部は、環状通路５０の内部と外部の両方で実質的に平坦な表面７６を生成する。さらに、ハーフラップ継手は、ろう付け接続部の完全性を保護するために、第１のセラミック伸張部６０、シュラウド４２、および／またはコネクタ７０が環状通路５０に関連する温度からろう材７２をシールドすることを可能にする。図５に示す特定の実施形態では、第１および第２のセラミック伸張部６０、６２用のコネクタ７０は、Ｔ状であり、主に環状通路５０の外部に配置される。こうして、ろう付け接続部は、環状通路５０に関連する高温からのろう材７２の保護を同様に高めながら、環状通路５０の内部に実質的に平坦な表面を提供する。考えられる多くの設計の組合せがコネクタ７０について存在し、また、特許請求の範囲が特に述べない限り、本発明の種々の実施形態が、コネクタ７０について任意の特定の設計または場所に限定されないことを当業者は容易に認識するであろう。
【００２６】
この書面による説明は、本発明を、その最良のモードを含めて開示するために、また、当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作り使用すること、および任意の組込まれた方法を実施することを含めて本発明を実施することを可能にするために、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって規定され、かつ、当業者が思いつく他の例を含むことができる。こうした他の例は、特許請求の範囲の字義通りの言葉に相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義通りの言葉とごくわずかな差違を有する等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００２７】
１０  燃焼器
１２  ケーシング
１４  燃料ノズル
１６  端キャップ
１８  端カバー
２０  ライナー
２２  燃焼チャンバ
２４  トランジションピース
２６  タービン入口
２８  インピンジメントスリーブ
３０  フロー穴
３２  環状通路
４０  中心体
４２  シュラウド
４４  ベーン
４６  軸方向中心線
４８  プレナム
５０  環状通路
５２  ベーンの上流縁
５４  ベーンの下流縁
５６  燃料ポート
６０  第１のセラミック伸張部
６２  第２のセラミック伸張部
７０  コネクタ
７２  ろう材
７４  アール
７６  平坦表面
【図１】
2013231433.tif 000003
【図２】
2013231433.tif 000004
【図３】
2013231433.tif 000005
【図４】
2013231433.tif 000006
【図５】
2013231433.tif 000007