(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンの燃焼システムにおいて、燃料ノズル内における燃料−空気混合を高めるシステムを提供する。【解決手段】入口板１２は複数の孔部を含み、複数の管の各管６２は複数の孔部の内の１つの孔部に結合される。入口板１２は、管６２の周辺壁１３４（例えば環状側壁）の周りに配置される複数の混合誘導機構１３を含み、これらの混合誘導機構１３は管６２の上流側軸方向入口１３０に直接配設される。圧縮空気２８（例えば空気流１３２）は、管６２の上流側軸方向入口１３０に流入した後に、燃料ノズル内において燃料２２と混合される。入口板１２の混合誘導機構１３は、管６２の入口１３０付近における流れを撹乱して、混合を促進し且つ／又はより短尺の管６２の場合と同様の混合を達成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々の孔部が入口機構を備える複数の孔部を含む入口板と；
前記入口板に隣接する複数の管であって、各々の管が前記複数の孔部の内の１つの孔部に結合される複数の管とを含む多管燃料ノズルを含み、前記多管燃料ノズルは前記複数の管間で示差的な構成の入口機構を含むシステム。
【請求項２】
前記複数の管の各管は、それぞれの前記管の軸方向端部において前記複数の孔部のそれぞれの孔部に結合されると共に、前記それぞれの孔部を介して空気流を受けるように構成される請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記複数の管の各管は、前記入口板に対して下流の位置に燃料入口を含む請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
各孔部の前記入口機構は少なくとも１つの混合誘導機構を含む請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記示差的な構成の入口機構は、前記複数の孔部間で異なる混合誘導機構を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
各孔部の前記入口機構は少なくとも１つの混合誘導機構を含み、前記混合誘導機構は前記孔部に入り込むように横方向に延在する少なくとも１つの凸部を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの凸部は、前記孔部を通る流れの上流方向又は下流方向に傾斜する請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの凸部は単一の楔形突起を含む請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの凸部は、前記孔部を横切る方向に互いに交差するように延在する格子状部材を含む請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの凸部は、前記孔部を横切る方向に互いに平行に延在する格子状部材を含む請求項６に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの凸部は、前記孔部の軸の周りに対称に配置される複数の突起を含む請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記入口板を共有する複数の多管燃料ノズルを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記多管燃料ノズルを有するタービン燃焼器又はタービンエンジンを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
多管燃料ノズルの管に隣接して取り付けられるように構成される燃料ノズル入口板であって、
前記管の上流側軸方向入口と整合するように構成される孔部と；
前記孔部に配設される混合誘導機構であって、前記孔部に入り込むように横方向に延在する凸部を含み、前記孔部を通り抜けて前記管内に流入する空気流と前記上流側軸方向端部の下流において燃料入口を通って前記管に流入する燃料流との間の混合を高めるように構成される混合誘導機構とを備える燃料ノズル入口板を含むシステム。
【請求項１５】
前記凸部は、前記孔部を単に部分的に横切って延在する請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記凸部は、前記孔部を完全に横切って延在する請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記燃料入口板を有する前記多管燃料ノズルを含む請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記燃料ノズル入口板は、各々が少なくとも１つの混合誘導機構を有する複数の孔部を含み、前記燃料ノズル入口板は、前記多管燃料ノズルの複数の管間で共有される請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
前記凸部は、前記孔部を横切る方向に互いに交差するように延在する格子状部材、前記孔部を横切る方向に互いに平行に延在する格子状部材、前記孔部の軸の周りに対称に配置される複数の突起、単一の楔形突起、又は前記孔部を通る前記空気流の上流方向又は下流方向に傾斜する少なくとも１つの凸部を含む請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
多管燃料ノズルの本体を貫通して延在する複数の管内へと空気を受ける段階であって、前記複数の管の各管は、前記管の上流側軸方向端部に少なくとも１つの混合誘導機構を有する孔部を介して空気を取り入れ、前記複数の管に関連ある前記孔部は、前記複数の管に隣接して設けられる少なくとも１つの入口板に設けられる段階と；
前記管の前記上流側軸方向端部から下流の位置において前記複数の管の各管内へと燃料を受ける段階と；
燃料−空気混合物を前記複数の管から出力する段階とを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の主題は、燃焼システムに関し、特に燃料ノズル内における燃料−空気混合を高めるように改良された設計の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との混合物を燃焼させて高温ガスを生成し、この高温ガスが延いては１つ以上のタービン段を駆動する。特に、高温ガスはタービン翼を付勢して回転させ、以って軸を駆動して１つ以上の負荷、例えば発電機を回転させる。ガスタービンエンジンは、燃焼器内に燃料と空気とを噴射するために燃料ノズルを含む。理解できるように、燃料−空気混合物は、エンジン性能と燃料消費量と排気とを有意に左右する。多管燃料ノズル等の一部の燃料ノズルは、燃料と空気とを混合するように構成される複数の管を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６８０８０１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料ノズルにおいて、管の長さ及び直径は混合の質を左右する。残念なことに、長尺の管又は小直径の管はタービンエンジンの費用と重量と応力とを増大させることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
原特許請求の範囲に記載の本発明の範囲に対応するある一定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載の本発明を制限することを意図するわけではなく、寧ろ本発明の可能な形態の概要を示すことのみを意図している。実際には、本発明は、以下に記載の実施形態と同様であること又は相違することがある様々な形態を包含する。
【０００６】
第１の実施形態において、システムは、入口板とこの入口板に隣接する複数の管とを有する多管燃料ノズルを含む。入口板は複数の孔部を含み、各孔部は入口機構を含む。複数の管の各管は複数の孔部の内の１つの孔部に結合される。多管燃料ノズルは、複数の管の間で示差的な構成の入口機構を含む。
【０００７】
第２の実施形態において、システムは、入口板とこの入口板に隣接する複数の管とを有する多管燃料ノズルを含む。入口板は複数の孔部を含み、各孔部は入口機構を含む。複数の管の各管は軸方向端部とこの軸方向端部より下流の燃料入口とを含む。軸方向端部は、複数の孔部の内の１つの孔部に結合されると共に、それぞれの孔部を介して空気流を受けるように構成される。燃料入口は燃料を受けるように構成され、空気流は燃料と混合されて空気／燃料混合物を形成するようになる。多管燃料ノズルは、複数の管の間で空気／燃料混合物を制御するように構成される、複数の管の間で示差的な構成の入口機構を含む。
【０００８】
第３の実施形態において、方法は、多管燃料ノズルの本体を貫通して延在する複数の管内へと燃料を受ける段階と、入口板を介して複数の管内に示差的に空気を受ける段階とを含む。入口板は、複数の管の各管用に入口機構を含む。入口板は複数の管の間で示差的な構成の入口機構を含む。この方法は、更にまた、複数の管から空気／燃料混合物を出力する段階を含む。
【０００９】
本発明の上記及びその他の特徴と態様と利点とは、図面全体を通して同様の符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、更によく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】混合誘導機構を有する入口板の実施形態を含むタービンシステムのブロック図である。
【図２】複数の多管燃料ノズルを有する図１の燃焼器の実施形態の側断面図である。
【図３】複数の多管燃料ノズル（例えば円形状）を含む燃焼器の実施形態の正面図である。
【図４】複数の多管燃料ノズル（例えば切頭パイ形）を含む燃焼器の実施形態の正面図である。
【図５】混合誘導機構を有する多管燃料ノズルの管の実施形態の断面図である。
【図６】多管燃料ノズルの管に結合される混合誘導機構を有する入口板の実施形態の部分斜視図である。
【図７】混合誘導機構の実施形態の正面図である。
【図８】混合誘導機構の実施形態の正面図である。
【図９】混合誘導機構の実施形態の正面図である。
【図１０】屈曲部を有する混合誘導機構の実施形態の上面図である。
【図１１】屈曲部を有する混合誘導機構の実施形態の側面図である。
【図１２】示差的な構成の混合誘導機構を有する入口板の実施形態の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の１つ以上の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施例を簡潔に説明するために、実際の実施態様の全ての特徴を本明細書に説明しない場合もある。こうしたいかなる実際の実施態様の開発においても、あらゆる技術又は設計プロジェクトの場合と同様に、システム関連及び事業関連の制約事項に準拠すること等の、実施態様毎に異なることもある、開発者の特定の目標を達成するために、その実施態様特有の数多くの決定を行わなければならないことを理解するべきである。さらに、このような開発努力は複雑であり、かつ時間がかかることもあるが、それでもやはり、本開示を利用することができる当業者にとっては、設計、製作及び製造という定常作業であることを理解するべきである。
【００１２】
本発明のさまざまな実施形態の要素を示す場合、「１つの」、「ある」、「この」及び「前記の」という冠詞は、その要素が１つ以上あることを意味することを意図している。「備える」、「含む」及び「有する」という用語は、包含的であることを意図するとともに、列挙された要素以外の付加的な要素が存在する場合もあることを意味する。
【００１３】
以下に詳細に述べるように、本開示の実施形態は、多管燃料ノズルの各管内における燃料−空気混合を高めるように構成される混合誘導機構を有する多管燃料ノズルを含む。多管燃料ノズルは、複数（例えば１０〜１０００本）の平行な管を含み、これらの管は、管内で内部混合された後に燃焼器（例えばガスタービン燃焼器）内に噴射される燃料と空気との両方を受ける。混合誘導機構は、多管燃料ノズルの各管の長さに沿ったいかなる位置に配設されてもよく、管内において流れの乱れを創出して燃料−空気混合を促進させる流れ撹乱装置であると表現することができる。以下に述べる実施形態において、混合誘導機構は、多管燃料ノズルの各管の入口との関連において説明されるが、混合誘導機構は多管燃料ノズルの各管の何らかの上流部分（例えば各管長さの最初の０〜５０％）に配設されてもよい。混合誘導機構は、入口板、管の変形、付加的突起（例えばタブ、プロング、歯）、ワイヤ、表面の肌理、又は管を貫通する流路に横方向に延在するその他の構造等の、各管と一体化されるか又は分離される様々な構造を含んでよい。例えば、混合誘導機構は、各管の入口において流れを撹乱する１つ以上の入口機構を含んでよい。これらの入口機構は、全ての管にわたって延在する混合促進入口板（例えば共通の板又はその他の構造）に配設されてもよく、又は個別の各管が自身の独自の入口機構を有してもよい。例えば、各管の上流側軸方向端部に結合される入口機構を有する孔部を持つ入口板は、各管に流入する空気流に影響を及ぼし、以って多管燃料ノズルから流出する燃料−空気混合物に影響を及ぼすことができる。以下に述べるように、入口板の各孔部は、空気流に影響を及ぼすことができる入口機構（例えば凸部、楔形、扇形、線形凸部）を有してよい。入口機構は、管の直径及び／又は長さを変更することなしに各管内において渦流の創出、渦の形成、乱流の促進又はその他の方法による空気流の混合促進を行なうことができる。各管に流入する空気流を相違させることができ、それが多管燃料ノズルの各管から流出する燃料−空気混合物の質の相違に繋がる。従って、管間での示差的な構成の入口機構が多管燃料ノズルの燃料−空気混合物に影響を及ぼして、燃焼器内において所望の燃料−空気混合物を得ることができる。
【００１４】
次に図面を参照すると、図１に、本発明の実施形態に従った少なくとも１つの混合誘導機構１３を有する混合促進入口板１２を含むことができるガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図が示されている。システム１０は、圧縮機１４（例えば１つ以上の圧縮段）と１つ以上のタービン燃焼器１６とタービン１８（例えば１つ以上のタービン段）とを含む。各タービン燃焼器１６は、燃料２２（例えば液体及び／又は気体燃料）と空気２４との混合物をそれぞれのタービン燃焼器１６内に噴射する１つ以上の燃料ノズル２０（例えば入口板１２を有する多管燃料ノズル）を含む。圧縮機１４は取入口２６を介して空気２４を受けると共に、圧縮空気２８を燃焼器１６及び燃料ノズル２０内へと送る。圧縮空気２８の少なくとも一部は燃料ノズル２０内において燃料２２と混合されて、燃焼器１６内で燃焼される燃料−空気混合物４０が創出される。以下に更に詳細に述べるように、入口板１２は燃料ノズル２０内、例えば多管燃料ノズル２０の各管内における燃料２２と空気２４との混合を促進させて、以って燃焼器１６内での燃焼により適する燃料−空気混合物４０を生成する。その後、燃焼された燃料−空気混合物が高温の加圧排ガス３０を形成し、このガスがタービン１８を通り抜けて、以ってタービン軸３２を回転駆動した後に排気出口３４を通って流出する。タービン軸３２は、今度は圧縮機１４と発電機等の負荷３６とを回転駆動する。
【００１５】
以下に詳細に述べるように、燃料ノズル２０は、各管内において燃料２２と空気２４とを受け且つ混合する複数（例えば１０〜１０００本）の略平行な管を含む多管燃料ノズルであってよい。ある一定の実施形態において、各燃料ノズル２０は缶形ノズル（例えば環状の外側本体）又は扇形ノズル（例えば楔形又は切頭パイ形の外側本体）であってよい。更に、各燃焼器１６は、中央燃料ノズル２０（例えば図２〜４のノズル２１）の周りに配置される複数の周辺燃料ノズル２０を含んでよい。本開示の実施形態は、各管の上流側端部の入口機構等の混合誘導機構１３を追加することにより、多管燃料ノズル２０の各管内で起こる燃料−空気混合を促進させる。図１の実施形態は、多管燃料ノズル２０内の各々の管用に混合誘導機構１３（例えば入口機構）を含む入口板１２を含む。従って、空気２４（例えば圧縮空気２８）は、入口機構を有する孔部を通って流れた後に各々の管に流入し、以って管に流入する空気流が乱される。この流れの乱れが、延いては各管内における燃料−空気混合を向上させる。本開示の実施形態において、入口板１２は、多管燃料ノズル２０内の各管の上流側軸方向端部に直接配設され、例えば上流側軸方向端部に直接取り付けられるか又は当接する。多管燃料ノズル２０の管内において燃料−空気混合が向上する結果として、燃料ノズル２０により、複数の管間においてより制御された燃料−空気混合分布（例えば均一又は特定の分布形状）が得られて、以って燃焼効率及び出力の向上と汚染物質の排出量の削減と燃焼器１６における望ましくない燃焼挙動の低減とが達成される。
【００１６】
図２は、各々が混合誘導機構１３を有する入口板１２を含む複数の燃料ノズル２０を有する図１の燃焼器１６の実施形態の側断面図である。燃焼器１６は、外筒又はフロースリーブ５０とフロースリーブ５０内に同軸的に配設される内筒５１とエンドカバー５２とヘッドエンド５３とヘッドエンド５３の上流側端部５４とヘッドエンド５３の下流側端部５６とを含む。複数の燃料ノズル２０（例えば多管燃料ノズル）は燃焼器１６内に取り付けられる。各燃料ノズル２０は、上流側端部５４から下流側端部５６まで延在する燃料導管５８と下流側端部５６の燃料ノズルヘッド５９とを含む。燃料ノズルヘッド５９は、複数（例えば１０〜１０００本）の管６２を収容する燃料チャンバ６０を含み、管６２はチャンバ６０内の燃料入口と入口板１２に沿ったチャンバ６０の外側の空気入口とを含む。一部の実施形態では、各燃料ノズルヘッド５９は燃料チャンバ６０を取り巻くノズル壁６１を含む。上述したように、各燃料ノズルヘッド５９のノズル壁６１は、環状ヘッド、楔形又は切頭パイ形ヘッド又は何らかのその他の形状をなしてよい。ヘッド５９の形状に係わりなく、燃料２２は燃焼器１６の外側の燃料源から燃料導管５８に流入すると共に、燃料ノズルヘッド５９内の燃料チャンバ６０へと流れる。一旦ヘッド５９内に入ると、燃料は複数の管６２に流入すると共に、管６２を通過する空気流と混合される。
【００１７】
圧縮空気２８も入口板１２を介して複数の管６２と流体接続される。圧縮空気２８は、一般に矢印６４で示すように、１つ以上の空気入口６６を経てフロースリーブ５０を通って燃焼器１６に流入する。フロースリーブ５０を通過する圧縮空気２８は内筒５１の冷却を促進して、内筒５１によって取り巻かれる燃焼室６８内の燃焼による熱を除去する。圧縮空気２８は、上流側空気流路７０を軸方向７２にエンドカバー５２の方へと辿る。圧縮空気２８は、その後、矢印７６で示すように、内側流路７４内に流入すると共に、下流側空気流路７８に沿って軸方向８０に進んで、入口板１２を通って各燃料ノズル２０の管束８２（例えば管６２）内に流入する。
【００１８】
ある一定の実施形態では、各燃料ノズル２０の管束８２は、互いに略平行な偏移関係にある複数の管６２を含み、これらの管６２の少なくとも一部又は全部が圧縮空気２８と燃料２２とを混合して燃焼室６８内に噴射される燃料−空気混合物４０を創出するように構成される。燃料２２は軸方向８０に各燃料導管５８を通って燃料流路８４に沿って各燃料ノズル２０の下流側端部５６（例えば燃料ノズルヘッド５９）の方へと流れる。燃料導管５８は入口板１２の中央部分を貫通してよい。燃料２２は各燃料ノズルヘッド５９の燃料チャンバ６０に流入し、この燃料が複数の管６２内へと向けられて、入口板１２を通って各管６２の上流側端部内に流入する圧縮空気２８と混合される。図の実施形態において、燃料ノズル２０の各管６２は、燃料２２の受入れより上流で圧縮空気を受け、以って燃料２２を圧縮空気２８の流れに添加する。例えば、各管６２は空気２８を管６２の上流側端部（例えば上流側軸方向端部）において空気入口を介して受ける一方で、管６２は燃料を更に下流（例えば管６２の上流側軸方向端部から管６２の長さの５〜５０％下流）において燃料入口を介して受けてよい。更に、入口板１２は、管６２内への（例えば上流側端部における）空気流２８の混入を誘導するように構成され、以って各管６２内における空気２８と燃料２２との間の混合促進を助ける。
【００１９】
入口板１２（例えば混合誘導機構１３）は、管６２内に流入する空気の分配と、各管６２内における乱流及び空気２８と燃料２２との混合と、各管６２から流出する最終的な燃料−空気混合物４０と、各燃料ノズル２０の複数の管６２間における燃料−空気混合物４０の分布（例えば流量及び燃空比）との制御を助ける。空気流２８が各燃料ノズル２０及びヘッドエンド５３内の各管６２に均一には流れないとすると、入口板１２は燃料ノズル２０及び管６２内に流入する空気流の調整を助ける。例えば、燃料導管５８付近の管６２は、これらの管６２を介して、燃料導管５８から更に離れたその他の管６２とは異なる空気流を受けることがある。同様に、中央燃料ノズル２０、２１内の管５２は、これらの管６２を介して、中央燃料ノズル２０、２１を取り巻く周辺燃料ノズル２０とは異なる空気流を受けることがある。入口板１２は、管６２に流入する共通の流れに対して一般的な流れ調整を行なうために、燃料ノズル２０の管６２から偏移距離だけ離れて配設されるが、入口板１２を管６２の上流側軸方向端部に直接隣接させて又は固着して配置することにより、個別の各管６２内に流入する空気流に適用可能な固有の流れ調整を達成することができる。換言すれば、管６２の上流側軸方向端部に直接隣接するか又は固着される入口板１２は、各管６２用の混合誘導機構１３を用いて、各管６２内における燃料−空気混合を独立的に制御することができる一方で、同時に全ての管６２間における分布又は分散の制御を助ける。入口板１２の配置及び作用については、以下に更に詳細に説明する。
【００２０】
図３は、各燃料ノズルが管６２用の混合誘導機構１３を有する入口板１２を持つ複数の燃料ノズル２０（例えば多管燃料ノズル）を含む燃焼器１６の実施形態の正面図である。燃焼器１６は、複数の燃料ノズル２０を支持するキャップ部材９０を含む。図に示すように、燃焼器１６は、キャップ部材９０内において中央に配置されると共に燃焼器１６の中心軸９２と同軸をなす燃料ノズル２０（例えば中央燃料ノズル２１）を含む。燃焼器１６は、更にまた、中央燃料ノズル２１の周りに周方向に配設される複数の燃料ノズル２０（例えば外側燃料ノズル９４）を含む。図に示すように、６個の外側燃料ノズル２０、９４が中央燃料ノズル２０、２１を取り巻く。しかし、ある一定の実施形態では、燃料ノズル２０の個数と燃料ノズル２０の配置とは様々であってよい。各燃料ノズル２０は複数の管６２を含み、よって各燃料ノズル２０は多管燃料ノズルである。図に示すように、各燃料ノズル２０の複数の管６２は、複数列９６をなして（例えば管６２が同心円をなして）配置される。列９６は各燃料ノズル２０の中心軸９８の周りにおいて同心円状の配置を有すると共に、半径方向１００に燃料ノズル周縁部１０２（例えば周辺壁）の方へと延在してよい。ある一定の実施形態において、列９６の数、列９６毎の管６２の個数及び複数の管６２の配置は様々であってよい。ある一定の実施形態において、各々の燃料ノズル２０は、以下に詳細に説明する示差的な入口板１２構成の少なくとも１つを含んでよい。ある一定の実施形態では、中央燃料ノズル２０、２１のみが示差的な入口板１２を含んでよい。これに代わる方法として、ある一定の実施形態では、外側燃料ノズル２０、９４のみが示差的な入口板１２を含んでよい。一部の実施形態においては、中央２１及び外側９４のいずれの燃料ノズルも示差的な入口板１２を含んでよい。更に、一部の実施形態では、各入口板１２はその他の入口板１２から分離される。これに代わる方法として、１つ以上のノズル２０が共通の入口板１２を有してよい。以下に説明するように、入口板１２は、各管６２内における燃料−空気混合と様々な燃料ノズル２０の複数の管６２間における流れ分布とを制御するように構成される。
【００２１】
図４は、各燃料ノズルが管６２用の混合誘導機構１３を有する入口板１２を持つ複数の燃料ノズル２０（例えば多管燃料ノズル）を含む燃焼器１６のまた他の実施形態の正面図である。燃焼器１６は、軸９２の周りにおいて周方向１０４に燃料ノズル２０の周りに周方向に延在する周辺支持部１０３を含む。図に示すように、燃焼器１６は、中央燃料ノズル２０、２１と、中央燃料ノズル２０、２１の周りに周方向１０４に配置される複数の外側燃料ノズル２０、１０６とを含む。図に示すように、６個の外側燃料ノズル１０６が中央燃料ノズル２０、２１を取り巻く。しかし、ある一定の実施形態では、燃料ノズル２０の個数と燃料ノズル２０の配置とは様々であってよい。例えば、外側燃料ノズル１０６の個数は、１〜２０個、１〜１０個又は何らかのその他の個数であってよい。燃料ノズル２０は周辺支持部１０３の内側に密に配置される。その結果として、周辺支持部１０３の内側周縁部１０７は燃焼器１６の円形ノズル領域１０８を画定する。燃料ノズル２０のノズル壁６１は円形ノズル領域１０８全体を包含する。各外側燃料ノズル１０６は非円形周縁部１１０を含む。図に示すように、周縁部１１０は、２つの略平行な側部１１２及び１１４を有する楔形又は切頭パイ形の形状を含む。側部１１２及び１１４は弓形である一方で、側部１１６及び１１８は直線状（例えば半径方向１００に末広状）である。しかし、ある一定の実施形態では、外側燃料ノズル１０６の周縁部１１０はその他の形状、例えば３つの側部を有するパイ形を含んでよい。各外側燃料ノズル１０６の周縁部１１０は円形ノズル領域１０８を含む。中央燃料ノズル２０、２１は周縁部１２０（例えば円形周縁部）を含む。ある一定の実施形態において、周縁部１２０はその他の形状、例えば四角形、六角形、三角形又はその他の多角形を含んでよい。中央燃料ノズル２１の周縁部１２０は、燃焼器１６の中心軸９２を中心とする円形ノズル領域１０８の中心部１２２に配置される。
【００２２】
各燃料ノズル２０（例えば２１及び１０６）は複数の管６２を含む。図４では、わかりやすくするために、一部の燃料ノズル２０の一部分のみに管６２を示す。図に示すように、各燃料ノズル２０の複数の管６２は複数の列９６をなして配置される。外側燃料ノズル１０６の管６２の列９６は燃焼器１６の中心軸９２の周りにおいて同心状の配置を有する。中央燃料ノズル２０、２１の管６２の列９６も燃焼器１６の中心軸９２の周りにおいて同心状の配置を有する。ある一定の実施形態では、列９６の数、列９６毎の管６２の個数及び複数の管６２の配置は様々であってよい。燃料ノズル２０は以下に詳細に説明する示差的な入口板１２構成の少なくとも１つを含んでよい。ある一定の実施形態では、中央燃料ノズル２１のみが示差的な入口板１２を含んでよい。これに代わる方法として、ある一定の実施形態では、外側燃料ノズル１０６のみが示差的な入口板１２を含んでよい。一部の実施形態においては、中央２１及び外側１０６のいずれの燃料ノズルも示差的な入口板１２を含んでよい。以下に説明するように、入口板１２は、各管６２内における燃料−空気混合と様々な燃料ノズル２０の複数の管６２間における流れ分布とを制御するように構成される。
【００２３】
圧縮空気２８（例えば空気流１３２）は、管６２の上流側軸方向入口１３０に流入した後に、上記の燃料ノズル２０内において燃料２２と混合される。図５は、管６２の上流側軸方向入口１３０に配設された混合誘導機構１３を有する入口板１２を示す、図１〜４の燃料ノズル２０に取り付けられるように構成された１つの管６２の実施形態の図である。入口板１２（混合誘導機構１３を有する）は個別の管６２の専用であってもよく、又は入口板１２が複数の管６２の一部又は全部に共通のものであってもよい。いずれの構成でも、入口板１２は、管６２の流路に入り込むように横方向に延在する少なくとも１つの混合誘導機構１３（例えば突起、タブ、歯、流れ撹乱装置等）を含む。図の実施形態において、入口板１２は、管６２の周辺壁１３４（例えば環状側壁）の周りに配置される複数の混合誘導機構１３を含み、これらの混合誘導機構１３は管６２の上流側軸方向入口１３０に直接配設される。しかし、混合誘導機構１３を管６２の何らかの上流部分１２９に配設して、空気流１３２が燃料２２用の燃料入口１３１の上流において混合誘導機構１３を通り抜けるようにしてもよい。その結果として、混合誘導機構１３は、燃料−空気混合物４０として排出される前に、管６２内における空気流１３２（例えば圧縮空気２８）と燃料２２との混合促進を助ける。
【００２４】
説明のために、入口板１２とそれに付随する混合誘導機構１３とがない場合には、管６２内における燃料−空気混合は、多少制限されると共に、管６２の幾つかの設計パラメータに基づくものになることがある。一般に、乱流は層流より高い混合作用をもたらす。入口板１２を有さない管６２に流入する流れの場合、管６２の周辺壁１３４付近では、この領域で層流が優勢であることから拡散による緩やかな混合が起こる一方で、上流側軸方向入口１３０付近における大部分の混合は、噴出する入来流体の乱流によって引き起こされる管６２の中心付近（例えばその長手軸１３６沿い）における噴流によってもたらされる混合である。入口板１２がない場合には、噴流によってもたらされる混合は、直径１４０に対する長さ１３８（Ｌ／Ｄ）の比が約２〜１０の間で優勢となるが、主に長手軸１３６の周りにおける管６２の中央部分に限られる。入口板１２がなければ、Ｌ／Ｄ比が約１０を超える場合に拡散混合と、管６２と流体との間の摩擦による長さ混合とが優勢となる。入口板１２がなければ、約１５〜２０のＬ／Ｄの混合長さを用いて、管６２の出口１４２までに十分な混合を達成することができる。例えば、入口板１２がなければ、Ｌ／Ｄ比が２０未満の場合は、圧縮空気２８と燃料２２とは部分的に混合されるだけとなり、中心部（例えば軸１３６沿い）から流出する燃料−空気混合物４０は周辺壁１３４付近から流出する燃料−空気混合物４０よりよく混合されたものとなる。しかし、入口板１２がなければ、混合物４０が燃料組成、温度及び圧力の変化に対応できる程度に十分に健全なものになるように所望の混合レベルを確保するためにＬ／Ｄ比を更に高くすることが必要になる場合がある。管６２のＬ／Ｄ比は、各管６２の直径１４０を減少させること及び／又は長さ１３８を増加させることによって増加するが、それでも直径１４０の減少及び長さ１３８の増加にはある一定の欠点がある。例えば、小さい直径１４０を有する管６２は、摩擦による有意な圧力損失を有することがあり、より大きい直径１４０を有する管６２と同じ流量を通すことはできない。加えて、多数の小直径管６２は、嵩高く、高費用であり、且つ維持管理又は修理が複雑になりかねず、より少数のより大直径の管６２より余分な加工処理と取扱いとを必要とする。より長尺の管６２は高費用であり、且つ／又は、十分な混合のためには特定の用途に望ましい線形空間より大きい線形空間を占める。従って、Ｌ／Ｄ比を調節することによって達成されるいかなる混合促進も多少限定的且つ高費用となる。それでもやはり、完全に混合された燃料−空気混合物４０は燃焼器１６内において最適な燃焼を可能にする。
【００２５】
本開示の実施形態において、混合誘導機構１３を有する入口板１２は、上述のパラメータ（例えばＬ／Ｄ比）を調節することによる混合促進の制限に対処する。入口板１２の混合誘導機構１３は、管６２の入口１３０付近における流れを撹乱して、混合を促進し且つ／又はより短尺１３８の管６２の場合と同様の混合を達成する。曲線１４４で示すように、入口板１２の混合誘導機構１３は、燃料入口１３１の上流において空気流１３２の中に大規模な渦及び／又は小規模な渦（例えば乱流又は渦流１４４）を生じさせ、以って燃料２２が入口１３１を通って管６２内に流入する時に燃料２２の混合を実質的に高める。ある一定の実施形態において、入口板１２の混合誘導機構１３は、燃料入口１３１から軸方向偏移距離１４６に配設されてよく、この軸方向偏移距離１４６は管６２の全長１３８の約０〜７５、１０〜５０又は１５〜２５％である。軸方向入口１３０付近で発生した渦流１４４は軸方向入口１３０付近のあらゆる層流の全体又は一部分を撹乱して、よって管６２全体にわたって混合を高める。渦流１４４は管６２の全直径１４０を横切る方向の混合を促進させ、以って燃料−空気混合物４０が管６２から流出する時点でより均一になることを保証する。理解できるように、渦流１４４は、入口１３０から出口１４２へと管６２を通る流れの方向１３２とは逆の回転流の領域である。渦流１３３は、上記に詳細に説明した噴流によってもたらされる混合、拡散、長さ混合を補足する混合促進要素である。更に、渦流１４４は、Ｌ／Ｄ比とは無関係の混合促進要素である。例えば、混合誘導機構１３により発生する渦流１４４を有する短尺管６２は、こうした付加的な混合誘導機構１３を有さないより長尺１３８又はより小直径１４０の管６２より良好な混合の質と健全性とを有する。更にまた、燃料−空気混合物４０の健全性を高めることにより、燃料ノズル２０を異なる燃料２２で動作させること及び異なる温度及び圧力でより優れた特性を持たせて動作させることができる。更に、入口板１２を備える燃料ノズル２０は、より幅広い範囲の燃料−空気混合物４０にわたって、より優れた混合性能を有して動作する。
【００２６】
図６〜１１は、混合誘導機構１３の様々な実施形態を示す、入口板１２の図である。図に示すように、各実施形態の入口板１２は、少なくとも１つの横方向の流れ妨害部又は流れ撹乱装置１６０を有する混合誘導機構１３を含む。各流れ撹乱装置１６０は、入口板１２の孔部１６２に配設されて、管６２内における混合を向上させる。孔部１６２は管６２の軸方向入口１３０と略整合し（例えば同軸又は同心をなし）、管６２と実質的に同じ直径１４０を有してよい。しかし、流れ撹乱装置１６０は、管６２の周辺壁１３４の外側境界を超えて内方に、例えば半径方向１６５に管６２の直径１４０の約１〜１００、５〜７５、１０〜５０又は１５〜２５％の距離だけ延在する。流れ撹乱装置１６０は、各管６２に流入する空気流１３２の全体又は一部分を変化させる、孔部１６２の周縁部１６６から孔部１６２に入り込む入口板１２の何らかの種類の凸部１６４を含んでよい。例えば、流れ撹乱装置１６０は、ワイヤ、格子又は網目、歯、矩形タブ、三角タブ、表面の肌理又は溝、又はこれらの何らかの組合せを含んでよい。
【００２７】
流れ撹乱装置１６０は、各管６２内において渦流１４４（例えば大規模な渦及び／又は小規模な渦）を生じさせて、よって各管内における混合を促進させ且つ／又は空気流１３２にある一定の流れ特性を与える。入口板１２を通過すると、空気流１３２は渦流１４４を伴って実質的に直ちに管６２に流入し、この渦流１４４が、その後、燃料入口１３１（例えば１〜１００個の入口）を通って流入する燃料２２との燃料−空気混合を容易にする。一部の実施形態において、入口板１２は、入口板１２が各管６２の上流側軸方向入口１３０に直接当接するように且つ／又は上流側軸方向入口１３０を取り巻くように、複数の管６２と結合される。例えば、入口板１２は、孔部１６０が管６２の入口１３０内へと直接繋がるように正位置に溶接、ロウ付け又はボルト止めされてよい。１つの実施形態において、入口板１２は、各管６２の軸方向入口１３０を受け且つ密封する陥没溝１６７を含む。また他の実施形態では、各管６２は入口板１２に螺入されてよい。この場合も、各板１２は単一の管６２用の単一の孔部１６２と関連ある凸部１６４とを含んでもよく、又は各板が複数の管６２を収容するために複数の孔部１６２と関連ある凸部１６４とを有してもよい。
【００２８】
図６は、孔部１６２に入り込む楔形又は三角翼形凸部１６８として整形された凸部１６４を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板２を持つ管６２の実施形態の部分斜視図である。この楔形１６８は、軸方向入口１３０において管６２内に流入する空気流１３２中に渦流１４４を発生させる。単一の楔形１６８は局所領域又は管６２全体における混合に影響を与える一方で、孔部１６２を通る空気流１３２の一部分のみを妨害する。混合誘導機構１３の下流において、燃料入口１３１は管６２の周縁部１３４を貫通して延在すると共に、燃料２２を空気流１３２中に噴射する。また他の実施形態では、流れ撹乱装置１６０は、図７に示すように孔部１６２に入り込むように複数の楔形１６８を含んでよい。
【００２９】
図７は、孔部１６２及び管６２の軸１３６の周りにおいて離間する楔形又は三角翼形凸部１６８として整形された複数の凸部１６４を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板１２の実施形態の正面図である。複数の楔形１６８は、単一の楔形１６８を上回る渦流１４４を誘導することにより、管６２内における混合を促進させる。この実施形態では、各楔形１６８は、軸１３６の方へと半径方向１６５内方に管６２の直径１４０の約５〜４０又は１０〜２５％の半径方向距離だけ延在してよい。
【００３０】
図８は、孔部１６２及び管６２の軸１３６へと収束する複数（例えば４つ）の凸部１６４を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板１２の実施形態の正面図である。換言すれば、凸部１６４は互いに横方向に延在する一方で、同時に互いに交差して格子又は網目１７０を形成する。例えば、網目１７０は、互いに垂直に又はその他の交差関係で交差して「Ｘ」形の網目１７０又は「＋」形の網目を形成する第１の横部材１７２と第２の横部材１７４とを含んでよい。このような態様で、網目１７０は孔部１６２の４つの扇形又は四分円を形成し、これらの四分円は部材１７２及び１７４により分割される。
【００３１】
図９は、管６２の孔部１６２を横切る方向に互いに略平行をなす複数の凸部１６４（例えば２つの凸部１７８及び１８０）を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板１２の実施形態の正面図である。換言すれば、凸部１６４は格子１７６を形成する。例えば、格子１７６は、孔部１６２を複数（例えば３つ）の平行な区画に分ける第１の平行部材１７８と第２の平行部材１８０とを含んでよい。その他の実施形態では、いかなる個数（例えば１、２、３、４、５、６、７，８、９、１０個又は１０個以上）の平行部材が孔部１６２を横切る方向に平行配置で配設されてもよい。その他の実施例において、凸部１６４は孔部１６２を複数の非平行区画に分割してもよい。
【００３２】
図１０及び１１は、管６２内へと半径方向１６５と軸方向８０との両方に延在する凸部１６４を含む混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する入口板１２のまた他の実施形態の上面図及び側面図である。図６の実施形態と同様に、図１０及び１１の凸部１６４は、屈曲部又は傾斜部１８４も含む単一の楔形凸部１８２である。図１１の傾斜部１８４は板１２の平面１８６から離れるように下流側軸方向に傾斜又は屈曲するが、その他の実施形態の傾斜部１８４は、板１２の平面１８６から離れるように上流側軸方向１８６に傾斜又は屈曲してよい。この傾斜部は、図１〜９を参照して上記に説明したいずれの実施形態にも適用可能である。例えば、図５〜９の各々の混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）は、入口１３０における混合を促進するために上方傾斜部及び／又は下方傾斜部を含んでよい。
【００３３】
ある一定の実施形態において、混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）は、入口板１２と一体的に（例えば一体形に）形成されてよい一方で、その他の実施形態の混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）は入口板１２とは別途であるが入口板１２に取り付けられるものであってよい。一体構成の板１２において、混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）は、打抜き、鋳造、機械加工又はその他の方法で板１２から少なくとも一部の材料を除去して孔部１６２を形成する一方で、孔部１６２内に少なくとも一部の材料を残して凸部１６４を形成することによって形成されてよい。一部の実施形態においては、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）又はその他の付加的な加工技術を用いて流れ撹乱装置１６０を有する入口板１２を形成することができる。更に、凸部１６４の傾斜部１８４は、板１２上に同時に又は別途に形成されてよい。例えば、１回の打抜き作業により、孔部１６２と凸部１６４と凸部１６４の傾斜部１８４とを同時に創出することができる。しかし、いかなる適切な技術を用いて凸部１６４を創出してもよい。その他の実施形態では、凸部は、溶接、ロウ付け、ボルト止め又はその他の締結装置により板１２に取り付けられてよい。加えて、入口板１２は、フロースリーブ５０、燃料導管５８又は燃料ノズル２０に結合されてよい。
【００３４】
一部の実施形態において、入口板１２の各孔部１６２は管６２に対応する。１つの実施例では、各孔部１６２は管束８２の対応する管６２と同心をなす。この管６２と同心的な孔部１６２を有する入口板１２を持つ実施形態において、流れ撹乱装置１６０は各管６２に流入する空気流１３２を変化させる。これに代わる方法として、入口板１２の各孔部１２は管束８２のそれぞれの各管６２と同心をなさなくてもよく、寧ろ各孔部１６２の周縁部１６６が部分的に管６２の軸方向入口１３０に被さるように延在してよい。例えば、各管軸１３６を孔部軸から偏移させて、周縁部１６６を軸方向入口１３０に被さるように延在させることができる。入口板１２をこのように構成すると、各孔部１６２の流れ撹乱装置１６０と軸方向入口１３０に被さるように延在する周縁部１６６とのいずれもが管６２に流入する空気流１３２を変化させる。
【００３５】
示差的な構成の入口板１２を用いて、異なる燃料ノズル２０用に異なる質の燃料−空気混合物４０を創出することができる。図１２に、入口板の下流において複数の管６２間で示差的な構成の入口機構（例えば流れ撹乱装置１６０）を有する複数の孔部１６２を持つ入口板１２の実施形態の部分図を示す。１つの実施形態では、第１列１９０の各孔部１６２は孔部１６２に入り込む単一の凸部１６４（例えば図６）を有してよく、第２列１９２の各孔部１６２は孔部１６２を横切る方向に網目１７０（例えば図８）を有してよく、第３列１９４の各孔部１６２は孔部１６２の周りにおいて離間する複数の楔形凸部１８２（例えば図７）を有してよい。入口板１２を横切る方向の示差的な構成の流れ撹乱装置１６０は、列（例えば１９０、１９２及び１９４）をなす孔部１６２に制限されるわけではない。例えば、入口板１２の第１区画１９８の孔部１６２は第１の流れ撹乱装置１６０を有してよく、第２区画２００の孔部１６２は第２の流れ撹乱装置１６０を有してよく、第３区画２０２の孔部１６２は第３の流れ撹乱装置１６０を有してよい。更にまた、同じ流れ撹乱装置１６０の配向が入口板１２を横切る方向に異なってもよい。
【００３６】
一部の流れ撹乱装置１６０は、その他のものより管６２内における混合を促進することがある。一部の実施形態おいて、流れ撹乱装置１６０は、各ノズル２０用に特定の燃料−空気混合物４０を生成するために選択的に配置されてよい。一部の流れ撹乱装置１６０は、噴射される燃料−空気混合物４０をある一定の条件のためにより健全なものにする特定の空気流特性（例えば渦流の方向、急速混合）を燃料−空気混合物４０に与えることができる。一部の実施形態では、特定の流れ撹乱装置１６０を有する入口板１２が、このような条件を呈する燃焼室６８の領域内に燃料−空気混合物４０を噴射するある一定の管６２の入口に配設されてよい。例えば、中央燃料ノズル２１に隣接する燃焼室６８の領域で再循環が見られ、傾斜部１８４を有する楔形凸部１８２は再循環を減少させる渦流を燃料−空気混合物４０中に生じさせる場合には、中央燃料２１用の入口板１２の孔部１６２は傾斜部１８４を有する楔形凸部１８２を含んでよい。
【００３７】
その他の実施形態において、各孔部１６２は、燃料ノズル２０及び／又は燃焼器１６内における管６２の位置に基づいて、各管６２用に異なる種類の流れ撹乱装置１６０を含んでよい。このため、各燃料ノズル２０は、全体としての流れ分布と複数の管６２間における燃料−空気混合とを制御するために、いかなる個数（１〜１００個又は１００個以上）の異なる種類の流れ撹乱装置１６４を含んでもよい。上述したように、管６２内での混合は、燃料ノズル２０内における管６２の位置に影響される。例えば、噴流によってもたらされる混合は、ノズル２０の周縁部１０２付近の管と比べると、各ノズル２０の中心軸９８付近の管６２の入口において優勢である。これは燃料−空気混合物４０の不完全な混合に繋がりかねない。同様に、噴流によってもたらされる混合は、燃焼器１６の周縁部付近の管６２と比べると、燃焼器１６の中心軸９２付近の管６２において優勢である。この特性を呈する各管６２の孔部１６２に特定の流れ撹乱装置１６０を含ませて、管６２内において乱流を創出することにより、この特性を打ち消すと共にそれぞれの管６２における混合を向上させることができる。
【００３８】
図１〜１０を参照して混合誘導機構１３（例えば流れ撹乱装置１６０）の特定の実施形態を例証し且つ説明したが、流れ撹乱装置１６０は、回転対称（例えば図７）及び非対称の凸部（例えば図６）、規則的及び不規則な形状、その他の混合機構と交差する混合機構（例えば図９）及び孔部１６２の全部又は一部分を横切る混合機構（例えば図９及び１０）を含めて、孔部１６２に入り込むいかなる種類、形状又はパターンの凸部１６４を含んでもよい。
【００３９】
本明細書は、最良の形態を含めて、例を用いて本発明を開示するとともに、さらにまた、何らかの装置又はシステムの製作及び使用と本明細書に組み込まれた何らかの方法の実行とを含めて、あらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするものである。本発明の特許可能範囲は、特許請求の範囲により定められるとともに、当業者が考えつくその他の例を含みうる。このようなその他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構造要素を有する場合又は特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内に含まれることを意図している。
【符号の説明】
【００４０】
１０  ガスタービンシステム
１２  入口板
１３  混合誘導機構
１４  圧縮機
１６  タービン燃焼器
１８  タービン
２０  燃料ノズル
２１  中央燃料ノズル
２２  燃料
２４  空気
２６  取入口
２８  圧縮空気
３０  排ガス
３２  タービン軸
３４  排気出口
４０  燃料−空気混合物
５０  フロースリーブ
５１  内筒
５２  エンドカバー
５３  ヘッドエンド
５４  上流側端部
５６  下流側端部
５８  燃料導管
６０  燃料チャンバ
６１  ノズル壁
６２  管
６４  矢印
６６  空気入口
６８  燃焼室
７０  上流側空気流路
７２  軸方向
７４  内側流路
７６  矢印
７８  下流側空気流路
８０  軸方向
８２  管束
８４  燃料流路
９０  キャップ部材
９２  中心軸
９４  外側燃料ノズル
９６  複数列
９８  中心軸
１００  半径方向
１０２  燃料ノズル周縁部
１０３  周辺支持部
１０４  周方向
１０６  外側燃料ノズル
１０７  内側周縁部
１０８  円形ノズル領域
１１０  非円形周縁部
１１２  平行な側部
１１４  平行な側部
１１６  側部
１１８  側部
１２０  周縁部
１２２  中心部
１３０  軸方向入口
１３１  燃料入口
１３２  空気流
１３４  管の周縁部
１３６  中心
１３８  長さ
１４０  直径
１４２  出口
１４４  乱流
１６０  流れ撹乱装置
１６２  孔部
１６４  凸部
１６５  半径方向
１６６  周縁部
１６７  陥没溝
１６８  楔形
１７０  網目
１７２  第１の横部材
１７４  第２の横部材
１７６  格子
１７８  凸部
１８０  凸部
１８２  楔形凸部
１８４  屈曲部
１９０  第１列
１９２  第２列
１９４  第３列
１９８  第１区画
２００  第２区画
２０２  第３区画
【図１】
2013234836.tif 000003
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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