(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジン内で可燃材料の消費をさらに増やして排出物を低減する。【解決手段】ガスタービン用の軸方向燃料多段化噴射器の本体は、上流端部および下流端部を含む。本体は、圧縮空気が中を通って、圧縮空気源からガスタービン燃焼器の移行ダクトに流れる一次圧縮空気流路を画定する。本体は、その内部面上に配置された複数の出口を含む。複数の出口の各出口は、二次燃料源と流体連通しており、二次燃料路を画定する第１の壁を含む二次燃料導管を含む。二次圧縮空気導管は、圧縮空気源と流体連通しており、実質的な共軸環状配置で第１の壁周りに配置された第２の壁を含み、第１の壁および第２の壁は、二次圧縮空気流路を画定する。各出口は、二次燃料と圧縮空気を、一次圧縮空気流路を横断する方向で一次圧縮空気流路の中に噴射して、燃料と空気の混合物を形成するように構成される。【選択図】図１
2017110902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１０）用の軸方向燃料多段化噴射器（７０）であって、
上流端部（１７２）および下流端部（１７４）を備える本体（１７０）を備え、
前記本体（１７０）は、圧縮空気が中を通って、圧縮空気源（６１）からガスタービン燃焼器（１６）の移行ダクト（５４）に流れる一次圧縮空気流路（８２）を画定し、前記本体（１７０）は、その内部面（８０）上に配置された複数の出口（８６）を含み、前記複数の出口（８６）の各出口（８６）は、
二次燃料源（６０）と流体連通する二次燃料導管（１１２）であって、二次燃料路（１１４）を画定する第１の壁（１４８）を含む二次燃流導管（１１２）と、
前記二次燃料導管（１１２）の半径方向に外側に配置され、前記圧縮空気源（６１）と流体連通する二次圧縮空気導管（１２２）であって、実質的な共軸環状配置で前記第１の壁（１４８）周りに配置された第２の壁（１５６）を含み、前記第１の壁（１４８）および前記第２の壁（１５６）は、二次圧縮空気流路（１２４）を画定する、二次圧縮空気導管（１２２）とを含み、
各出口（８６）は、二次燃料と圧縮空気を、前記一次圧縮空気流路（８２）を横断する方向で前記一次圧縮空気流路（８２）の中に噴射し、それによって、燃料と空気の混合物を形成するように構成される、本体（１７０）を備える、軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
【請求項２】
前記噴射器（７０）が、前記燃料と空気の混合物を前記ガスタービン（１０）の燃焼器（１６）の前記移行ダクト（５４）に送るように構成される、請求項１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
【請求項３】
前記二次燃料が、天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、合成ガス、メタン、エタン、ブタンプロパン、バイオガス、消化ガス、埋立ガス、石炭坑内ガス、ガソリン、ディーゼル、ナフサ、灯油、メタノール、バイオ燃料、またはそれらの組合せである、請求項１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
【請求項４】
前記第１の壁（１４８）が、約２．６６７ｍｍ（０．１０５インチ）の内径（１５０）および約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の外径（１５２）を有する、請求項１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
【請求項５】
前記第２の壁（１５６）が、約４．４４５ｍｍ（０．１７５インチ）の内径（１５８）および約４．９５３ｍｍ（０．１９５インチ）の外径（１６０）を有する、請求項１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
【請求項６】
前記本体（７４）の前記内部面（８０）が、実質的な楕円形状を有し、前記二次圧縮空気導管（１２２）が、前記二次燃料導管（１１２）と同心である、請求項１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
【請求項７】
前記本体（７４）の前記内部面（８０）の前記実質的な楕円形状が、前方側部（８８）および後方側部（９０）を含み、前記前方側部および後方側部（８８、９０）が、弓形の端部壁によって結合されており、前記複数の出口（８６）が、前記本体（７４）の前記前方側部（８８）および前記後方側部（９０）に沿って均等に間隔をあけて配置されている、請求項６記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
【請求項８】
軸方向に燃料を多段化する（ＡＦＳ）方法（２００）であって、
二次燃料源（６０）から二次燃料流を受け取ることと、
圧縮空気源（６１）から一次圧縮気流を受け取ることと、
二次圧縮空気流を前記一次圧縮空気流から逸らすことと、
前記二次圧縮気流を実質的な共軸環状配置で前記二次燃料流周りに送ることと、
前記二次燃料流と前記二次圧縮空気流を、オリフィスの共軸環状配置（８６）を通して前記一次圧縮空気流を実質的に横断する方向で前記一次圧縮空気流の中に噴射して、燃料と空気の混合物を形成することと、
前記燃料と空気の混合物を前記燃焼器（１６）の先端領域（５０）から下流のガスタービン（１０）の燃焼器（１６）に送ることとを含む方法。
【請求項９】
前記燃料と空気の混合物を前記燃焼器（１６）の移行ダクト（５４）の中に送ることを含む、請求項８記載のＡＦＳ方法（２００）。
【請求項１０】
前記圧縮空気源（６１）が、前記燃焼器（１６）の前記先端領域（５０）である、請求項９記載のＡＦＳ方法（２００）。
【請求項１１】
前記圧縮空気源（６１）は、圧縮機（２６）である、請求項８記載のＡＦＳ方法（２００）。
【請求項１２】
前記二次燃料流を二次燃料導管（１１２）を通して送ることを含む、請求項８記載のＡＦＳ方法（２００）。
【請求項１３】
前記二次空気流を、実質的に共軸環状配置で前記二次燃料導管（１１２）周りに配置されている二次圧縮空気導管（１２２）を通して送ることを含む、請求項１２記載のＡＦＳ方法（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、ガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービンにおいて軸方向に燃料を多段化するための噴射器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、可燃材料（例えば空気と混合される燃料）は燃焼器で燃焼されて、高エネルギー燃焼流体を生成する。燃焼流体は、移行ダクトを通してタービンに送られ、タービンでは、燃焼流体が、タービンブレードと空気力学的に相互作用して、それらを回転させる。タービンは、タービンの回転ブレードが圧縮機を駆動するように、１つまたは複数のシャフトによって圧縮機に連結され得る。タービンは、発電して、負荷または何らかの他の用途に電力を供給するために使用することができる。
【０００３】
ガスタービンエンジンの排出物（例えば、ＮＯX排出物）は、燃焼中の可燃材料の消費を増やし、より完全な燃焼反応をもたらすことによって低減され得る。燃焼流体が移行ダクトを通過する際、燃焼流体に追加的な可燃材料を噴射すること（すなわち「軸方向に燃料を多段化すること」）は、燃焼流体の温度およびエネルギーを高め、燃料をより理想的に消費することにつながり、したがって、排出物（例えばＮＯX排出物）を低減することができる。
【０００４】
次に、図を参照すると、図１は、ターボエンジンシステム（例えばガスタービンエンジン１０）の実施形態のブロック図である。ガスタービンエンジン１０は、ガスタービンエンジン１０を駆動するのに、液体燃料および／または気体燃料を使用する場合がある。燃料は、天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ：ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  ｎａｔｕｒａｌ  ｇａｓ）、合成ガス、関連石油ガス、メタン、エタン、ブタンプロパン、バイオガス、消化ガス、埋立ガス、石炭坑内ガス、ガソリン、ディーゼル、ナフサ、灯油、メタノール、バイオ燃料、または何らかのそれらの組合せなどの、任意の適切なガス状または液状の燃料であってもよい。燃料は、１つまたは複数の燃料供給部１２から燃焼器区分１４に送られることができる。燃料は、燃焼器区分１４の１つまたは複数の点で、空気などの酸化剤と混合され得る。酸化剤と燃料の混合物は、燃焼器区分１４の１つまたは複数の燃焼器１６（例えば燃焼器缶）の中で燃焼し、それによって、高温の加圧燃焼ガスを作成する。
【０００５】
いくつかの実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、シャフト１８の周囲に配置された燃焼器１６を含むことができる。各燃焼器１６は、燃焼ガスを、１つまたは複数の段２２を有し得るタービン２０の中に向けて、排気出口２４の方へ送ることができる。各段２２は、シャフト１８に連結された、それぞれのロータホイールに連結された一組のブレードを含むことができる。燃焼ガスがタービンブレードを回転させるにつれて、シャフト１８は、回転して圧縮機２６を駆動する。最終的に、ガスタービンエンジン１０は、排気出口２４から排気ガスを排出する。
【０００６】
圧縮機２６の１つまたは複数の段２８は、酸化剤取入口３０からの酸化剤（例えば空気）を圧縮する。１つまたは複数の段２８は、シャフト１８に連結されることができる。各段２８は、回転して圧力を上げて圧縮酸化剤を提供するブレードを含む。圧縮機２６の中のブレードが回転するにつれて、酸化剤は、酸化剤供給部３２から引き出される。
【０００７】
圧縮機２６から放出される圧縮された酸化剤は、燃料と混合するために、燃焼器区分１４の中の１つまたは複数の燃焼器１６の中に送られる。例えば、燃焼器区分１４の燃料ノズルは、燃料と圧縮酸化剤を燃焼に適切な割合で燃焼器１６の中に噴射することができる。例えば、適切な燃焼は、排出物を最小限にして、燃料を実質的に完全に燃焼させることができる。
【０００８】
シャフト１８はさらに、航空機のプロペラまたは動力プラント内の発電器などの可動負荷または据置負荷であり得る負荷３４に連結され得る。負荷３４は、ガスタービンエンジン１０の回転性出力によって給電を受けることができる任意の適切な装置を含み得る。
【０００９】
図２は、例示的な燃焼器１６の概略図である。燃焼器は、一次燃料供給部１２からの燃料が、圧縮機２６からの空気と混合される先端部５０を有する。燃料／空気混合物は、第１の燃焼帯５２で燃焼される。次いで、流体は、燃焼器１６を流下して、第２の燃焼帯５６を含む移行ダクト５４に入る。移行ダクト５４は、１つまたは複数の軸平面に、移行ダクト５４の周囲で円周方向に分散された複数の軸方向燃料多段化（ＡＦＳ：ａｘｉａｌ  ｆｕｅｌ  ｓｔａｇｉｎｇ）噴射器５８を含むことができる（噴射器５８は、図２では２つの平面に位置する）。しかしながら、ＡＦＳは、燃焼器ライナと移行ダクトの組合せ、または一体型燃焼器にも適用することができる。ＡＦＳ噴射器は、二次燃料源６０からの第２の燃料を噴射し、第２の燃料を圧縮空気源６１（例えば圧縮機２６）からの圧縮空気と混合し、混合物を、主流方向６２を概ね横断する方向に噴射する。第２の燃料と空気の混合物は、第２の燃焼帯５６で燃焼することができる。いくつかの実施形態では、二次燃料は、二次燃料供給部６０から提供することができ、この場合には、二次的単一のまたは複数の燃料は、一次燃料（例えば、天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）などの任意の適切なガス状または液状燃料、合成ガス、関連石油ガス、メタン、エタン、ブタンプロパン、バイオガス、消化ガス、埋立ガス、石炭坑内ガス、ガソリン、ディーゼル、ナフサ、灯油、メタノール、バイオ燃料、または何らかのそれらの組合せ）より高い揮発性を有していてもよい。いくつかの実施形態では、二次燃料は、一次燃料と同じであってもよく、一次燃料供給部１２から提供されてもよい。第２の燃料／空気混合物を移行ダクト５４（ならびに先端部５０）の中で噴射することは、特定の排出物（例えばＮＯX排出物）を低減することができるより完全な燃焼を促進するのに役立つ。
【００１０】
図３は、ＡＦＳ噴射器５８が移行ダクト５４の周囲で円周方向４０に配置されている、移行ダクト５４の斜視断面図を示す。このような噴射器５８は、同一出願人による米国特許出願第１３／２３３，１２７号に記載されるものと同じであっても、または類似していてもよく、同出願の開示を参考文献として本明細書に援用する。図３からわかるように、ＡＦＳ噴射器５８は、それらが、（円周方向４０に）幅広というより、軸方向３６に長いことから、「スロット型」である。圧縮機２６からの圧縮空気は、各ＡＦＳ噴射器５８の中に通される。次いで、各ＡＦＳ噴射器５８は、二次燃料をオリフィスから圧縮空気の流路の中に噴射する。スロット型ＡＦＳ噴射器５８は、逆流領域または冷却スリーブを通って燃焼器１６を取り囲む圧縮機放出容積の中に半径方向３８に延びている。ＡＦＳ噴射器５８は、軸方向３６にも延びており、これは、移行ダクト５４を通る主流路６２に実質的と揃っている。ＡＦＳ噴射器５８は、さらに円周方向４０にも延びている。
【００１１】
軸方向に燃料を多段化するための前述の噴射器システムは、ある程度の利点を持っているが、ガスタービンエンジン内で可燃材料の消費をさらに増やして排出物を低減するために、軸方向に燃料を多段化するためのハードウェアおよび技術をさらに開発することが望ましい。このような目的に、本開示は取り組む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第９０１０１２０号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本来の特許請求の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲を制限することは意図されておらず、むしろ、これらの実施形態は、請求される主題の可能な形態の概要を提示することが意図されているに過ぎない。実際に、特許請求の範囲は、以下に述べる実施形態と類似していてもよい、または異なっていてもよいさまざまな形態を包含し得る。
【００１４】
１つの実施形態では、ガスタービン用の軸方向燃料多段化噴射器は、本体を含む。本体は、上流端部および下流端部を含む。本体は、圧縮空気が中を通って、圧縮空気源からガスタービン燃焼器の移行ダクトに流れる一次圧縮空気流路を画定する。本体は、その内部面上に配置された複数の出口を含む。複数の出口の各出口は、二次燃料源と流体連通しており、二次燃料路を画定する第１の壁を含む二次燃料導管を含む。二次圧縮空気導管は、圧縮空気源と流体連通しており、実質的な共軸環状配置で第１の壁周りに配置された第２の壁を含み、第１の壁および第２の壁は、二次圧縮空気流路を画定する。各出口は、二次燃料と圧縮空気を、一次圧縮空気流路を横断する方向で一次圧縮空気流路の中に噴射して、燃料と空気の混合物を形成するように構成される。
【００１５】
第２の実施形態では、ガスタービンエンジンは、圧縮機および燃焼器を含む。圧縮機は、空気を圧縮するように構成される。燃焼器は、圧縮機から圧縮空気を受け取り、一次燃料源から一次燃料を受け取り、圧縮空気と一次燃料との混合物を燃焼して、結果的に燃焼流体が生じるように構成される。燃焼器は、移行ダクトと、軸方向燃料多段化噴射器とを含む。移行ダクトは、燃焼器をタービンに流体連結し、燃焼流体をタービンの方へ送るように構成される。軸方向燃料多段化噴射器は、移行ダクトに連結されており、本体と、本体の内部面上に配置される複数の出口とを含む。本体は、圧縮空気が中を通って、圧縮空気源からガスタービン燃焼器の移行ダクトへ流れる一次圧縮空気流路を画定する。複数の出口の各出口は、二次燃料源と流体連通しており、二次燃料路を画定する第１の壁を含む二次燃料導管を含む。二次圧縮空気導管は、圧縮空気源と流体連通しており、実質的な共軸環状配置で第１の壁周りに配置された第２の壁を含み、第１の壁および第２の壁は、二次圧縮空気流路を画定する。各出口は、二次燃料と圧縮空気を、一次圧縮空気流路を横断する方向で一次圧縮空気流路の中に噴射して、燃料と空気の混合物を形成するように構成される。
【００１６】
第３の実施形態では、軸方向に燃料を多段化する（ＡＦＳ）方法は、二次燃料源から二次燃料流を受け取ることと、圧縮空気源から一次圧縮空気流を受け取ることと、二次圧縮空気流を一次圧縮空気流から逸らすことと、二次圧縮空気流を実質的な共軸環状配置で二次燃料流周りに送ることと、二次燃料流と二次圧縮空気流を、オリフィスの共軸環状配置を通して一次圧縮空気流を実質的に横断する方向で一次圧縮空気流の中に噴射して、燃料と空気の混合物を形成することと、燃料と空気の混合物をガスタービンエンジンの燃焼器の中に送ることとを含む。
【００１７】
図面の全体にわたって類似の符号が類似の部分を表している添付図面を参照して以下の詳細説明を読めば、本発明についての前述および他の特徴、態様、および利点は、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガスタービンエンジンの実施形態のブロック図である。
【図２】本開示の態様による燃焼器の１つの実施形態の概略図である。
【図３】軸方向燃料多段化（ＡＦＳ）噴射器が、本開示の態様による移行ダクトの周囲で円周方向に配置されている、移行ダクトの斜視断面図である。
【図４】本開示の態様による共軸環状出口ＡＦＳ噴射器の１つの実施形態の斜視図である。
【図５】本開示の態様による、線Ｖ−Ｖに沿った、図４の共軸環状出口ＡＦＳ噴射器の１つの実施形態の概略断面図である。
【図６】本開示の態様によるＡＦＳ噴射器の２つの共軸環状出口の１つの実施形態の斜視断面図である。
【図７】本開示の態様による共軸環状出口の１つの実施形態の断面図である。
【図８】本開示の態様による軸方向燃料多段化工程の１つの実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下１つまたは複数の特定の実施形態を説明する。これらの実施形態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、本明細書に記載しているわけではない。何らかの工学的プロジェクトまたは設計プロジェクトにおいて、何らかのそのような実際の実施態様を開発するに当たって、ある実施態様と別の実施とでは変わり得る、システム関連および事業関連の制約条件の順守などの、開発者の特定の目的を達成するために、実施態様に特有の決定を多数下さなければならないことを理解されたい。そのうえ、このような開発作業は、複雑で時間のかかるものであるかもしれないが、それでもやはり、本開示の恩恵を受ける当業者にとって、設計、製作、および製造のルーチン的な事業であることを理解されたい。
【００２０】
本開示のさまざまな実施形態の要素を紹介するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、「前記（ｓａｉｄ）」は、１つまたは複数の要素があることを意味することが意図される。「備えること（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」「含むこと（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有すること（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であり、列挙された要素以外に追加的な要素があり得ることを意味することが意図される。さらに、以下の考察におけるどのような数値例も、非限定的であることが意図されており、したがって、追加的な数値、値域、および割合が、開示される実施形態の範囲に含まれる。
【００２１】
可燃材料は、ガスタービンエンジンの燃焼器の中で燃焼されて、高エネルギーの燃焼流体を形成し、この燃焼流体は、移行ダクトを通ってタービンに送られる。タービンでは、燃焼流体は、空気力学的にブレードと相互作用して、タービンのブレードを回転させる。燃焼流体が移行ダクトを通って移動する際に、それらに追加的な可燃材料を噴射する（すなわち、軸方向に燃料の多段化する）ことによって、より完全な燃焼反応を実現することができ、結果的に、大部分の可燃材料が消費され、かつ排出物が低減され得る。共軸環状配置の燃料と圧縮空気を、先端部から移行ダクトへ向かう圧縮空気の流れの中に噴射することによって、燃料は、より高い運動量を有するようになり、結果的に、噴射が、スロット型ダクトを通って一次圧縮空気の中へよりうまく進入するようになる。このことにより、ひいては、燃料が圧縮空気と完全に混合することが可能になる。このように軸方向に多段化された燃料と空気の混合物は、移行ダクト内で燃焼流体に到達すると、より完全に混合される。
【００２２】
図４は、共軸環状ＡＦＳ噴射器７０の斜視断面図を示す。共軸環状ＡＦＳ噴射器７０は、半径方向３８に移行ＡＦＳダクト５４の壁まで延びる。共軸環状ＡＦＳ噴射器７０は、外に面する部分７２および本体７４を備える。外に面する部分７２は、燃焼器１６の縦軸に関して外に向いている。本体７４は、軸方向３６に延びる長さ７６を有し、これは、移行ダクト５４を通る主流路６２に実質的に揃っている。さらに、本体７４は、深さ７８を有する。共軸環状ＡＦＳ噴射器７０は、一次圧縮空気流路８２を画定する内部面８０を有することができる。外に面する部分７２は、二次燃料および圧縮空気を一次圧縮空気流路８２の中に噴射するための共軸環状ＡＦＳ噴射器７０の上流端部に配置された噴射システム８４を含む。図４に示すように、噴射システム８４は、共軸環状ＡＦＳ噴射器７０の内部面８０上に配置されたいくつかの出口８６を含み得る。出口８６は、共軸環状ＡＦＳ噴射器７０の前方側部８８および後方側部９０の一方または両方に配置され得る。共軸環状ＡＦＳ噴射器７０のそれぞれの側部８８、９０上に配置された任意の数の出口８６が存在し得る。例えば、可能な実施形態は、それぞれの側部８８、９０上に、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１２、１４、１６、１８、２０、２２、２４、２６、２８、３０、または何らかの別の個数の出口８６を有することができる。いくつかの実施形態では、共軸環状ＡＦＳ噴射器７０の深さ７８に沿って配置された出口８６が、さらに存在し得る。各出口８６は、二次燃料オリフィス９２と、共軸環状式で二次燃料オリフィス９２の周囲に配置された二次圧縮空気オリフィス９４とを含み得る。圧縮空気が、一次圧縮空気流路８２に沿って、半径方向３８に共軸環状ＡＦＳ噴射器７０の内部を通って流れる際に、出口８６は、二次燃料（例えば二次燃料オリフィス９２から）および圧縮空気（例えば二次圧縮空気オリフィス９４から）を、圧縮空気流路８２を概ね横断する方向で一次圧縮空気流８２の中に噴射する。共軸環状配置の出口８６から噴射される圧縮空気および二次燃料は、結果的に、二次燃料および圧縮空気のより完全な混合をもたらすことが判明した。図５〜図７に関してさらに詳細に検討するように、出口８６は、圧縮空気および二次燃料を共軸環状式で一次圧縮空気流路８２の中に噴射するように構成され得る。
【００２３】
図５は、本開示による、図４の線Ｖ−Ｖから見た、共軸環状オリフィスＡＦＳ噴射器７０の断面概略図である。ＡＦＳ噴射器７０の中の２つの共軸環状出口８６の斜視断面図を、図６に示す。
【００２４】
図５に示すように、二次燃料源からの二次燃料は、二次の燃料マニホルド１１０を通って、二次燃料流路１１４を画定する二次燃料導管１１２の中に引き出される。一次圧縮空気流路８２は、噴射器７０の上流端部１１６から、移行ダクト５４と接触している、噴射器７０の下流端部１１８まで通る。一部の一次圧縮空気流は、二次圧縮空気マニホルド１２０から、二次燃料導管１１４と同心である（半径方向に外側で囲んでいる）実質的に楕円形の二次圧縮空気導管１２２に送られる。二次燃料および圧縮空気が、共軸環状流れとして、一次圧縮空気流路８２の方向を横断する方向で一次圧縮空気流路８２の中に噴射されるように、二次圧縮空気流路１２４は、共軸環状式（管の中に管のある組立体として説明することができる）の二次燃料流路１１４周りに送られる。二次燃料導管１１２および二次圧縮空気導管１５４は共に、一次圧縮空気流路８２と流体連通する二次圧縮空気流路１２４を画定する。
【００２５】
いくつかの共軸環状出口８６は、共軸環状ＡＦＳ噴射器７０の長さおよび深さに沿って位置し、共軸環状の二次燃料／空気流を導入するための複数の噴射点を提供することができる。図５は、共軸環状ＡＦＳ噴射器７０の前方側部８８、後方側部９０のそれぞれの上の単一の出口８６を示しているが、前方側部８８および後方側部９０の一方または両方は、複数の出口８６と、圧縮空気および二次燃料をそれぞれの導管１１２、１２２に配送するように構成された、マニホルド１１０、１２０に流体連結されたそれぞれの導管１１２、１２２とを含むことができることを理解されたい。各出口８６は、図６および図７に示すように、二次燃料導管１１２および二次圧縮空気導管１２２を含む、管の中に管のある組立体によって形成される。圧縮空気流路８２の中に二次燃料および圧縮空気を噴射することは、二次燃料と圧縮空気とを混合することと、二次燃料の運動量を上昇させ、それによって、よりうまく進入させて圧縮空気と混合することとを改善するのに役立つ。
【００２６】
図７は、図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った、共軸環状出口８６の断面図である。二次燃料は、二次燃料導管１１２の中の二次燃料流路１１４を通って流れる。二次燃料導管は、内径１５０および外径１５２を備えた第１の壁１４８を有する。図示する例示的な実施形態では、第１の壁１４８の内径１５０は、約２．６６７ｍｍ（０．１０５インチ）であり、第１の壁１４８の外径は、約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）であるが、他の寸法であってもよい。圧縮空気は、二次圧縮空気導管１２２を通る二次圧縮空気流路１２４を通って流れる。二次圧縮空気導管１２２は、内径１５８および外径１６０を備えた第２の壁１５６を有する。図示する例示的な実施形態では、第２の壁１５６の内径１５８は、約４．４４５ｍｍ（０．１７５インチ）であり、第２の壁１５６の外径１６０は、約４．９５３ｍｍ（０．１９５インチ）であるが、他の寸法であってもよい。描写するように、二次圧縮空気流路１２４が、実質的に共軸環状の、いくつかの実施形態では同軸の装置の中で、二次燃料流路１１４の周囲に配置されていることに留意されたい。
【００２７】
図８は、軸方向燃料多段化工程２００の１つの実施形態の流れ図である。ブロック２０２では、二次燃料流が、二次燃料源から受け取られる。二次燃料は、天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、合成ガス、関連石油ガス、メタン、エタン、ブタンプロパン、バイオガス、消化ガス、埋立ガス、石炭坑内ガス、ガソリン、ディーゼル、ナフサ、灯油、メタノール、バイオ燃料、または何らかのそれらの組合せなどの任意の適切なガス状または液状の燃料であってもよい。あるいは、二次燃料は、一次燃料供給部から受け取られてもよく、したがって、同じ種類の燃料であってもよい。二次燃料流は、二次燃料マニホルド１１０によって受け取られることができ、１つまたは複数の二次燃料導管１１２に配送され得る。ブロック２０４では、一次圧縮空気流が、圧縮空気源から受け取られることができる。圧縮空気流は、圧縮機２６から直接に、または他の圧縮空気源から来てもよい。
【００２８】
ブロック２０６では、二次圧縮空気流は、一次圧縮空気流８２から逸らされ、二次圧縮空気マニホルド１２０を通って、１つまたは複数の二次圧縮空気導管１２２に配送される。二次圧縮空気流を一次圧縮空気流から逸らすことの１つの実施形態は、図５に関して図示して検討された。ブロック２０８では、二次圧縮空気流は、共軸環状配置の中の二次燃料路１１４周りに送られ得る。例えば、二次圧縮空気流は、図５に関して図示して検討したように、二次燃料導管１１２と実質的に共軸環状になっており、一部の場合では同軸である二次圧縮空気導管１２２を通して送られてもよい。二次燃料導管１１２および二次圧縮空気導管１２２の１つの実施形態を図７に示す。図７の実施形態では、第１の壁１４８は、二次燃料流路１１４を画定する。共軸環状配置で第１の壁１４８周りに配置される、第２の壁１５６と第１の壁１４８とが、二次圧縮空気流路１２４を画定する。二次燃料流および二次圧縮空気流は、それぞれの導管１１２、１２２を通して、１つまたは複数の共軸環状出口８６に送られる。
【００２９】
ブロック２１０では、二次燃料流および二次圧縮空気流は、一次圧縮空気流路８２を実質的に横断する方向で、（例えばＡＦＳ噴射器７０の本体７４を通って）一次圧縮空気流８２の中に（例えば共軸環状出口８６を通って）噴射される。二次燃料は、それが流れるときに、圧縮空気と混合して、燃料と空気の混合物を形成する。ブロック２１２では、燃料と空気の混合物は、ガスタービンエンジン１０の燃焼器１６の移行ダクト５４の中に送られる。
【００３０】
本発明の技術的な効果は、二次燃料および圧縮空気を、ガスタービン燃焼器の移行ダクトに送られる圧縮空気流れの中に共軸環状噴射することを含む。開示した技術は、圧縮空気と二次燃料の混合を改善し、結果的に、ガスタービンエンジンの排出物を低減する。
【００３１】
本噴射器７０の具体例は、単一対の共軸環状出口８６を含んでいるが、任意の数の出口８６を使用してもよいことを理解されたい。加えて、記述の全体にわたって、燃焼器１６の移行ダクト５４で起こる軸方向に燃料を多段化することについて言及してきたが、本噴射器７０は、ライナ（先端部５０と移行ダクト５４との間の）の後方端部で使用され得ること、またはそれが、一体化したライナおよび移行ダクトを有する（「一体型」と呼ばれることもある）燃焼器の中の先端部５０から下流の任意の場所で使用され得ることを理解されたい。したがって、「移行ダクト」という用語は、適切には、燃焼器１０の先端部５０からタービン区分２０まで高温燃焼ガスを運ぶための構造として解釈される。
【００３２】
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者であれば本発明を実施することができるようにしている。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画定されており、当業者であれば想起される他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内であることを意図されている。
【００３３】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
ガスタービン（１０）用の軸方向燃料多段化噴射器（７０）であって、
上流端部（１７２）および下流端部（１７４）を備える本体（１７０）を備え、前記本体（１７０）は、圧縮空気が中を通って、圧縮空気源（６１）からガスタービン燃焼器（１６）の移行ダクト（５４）に流れる一次圧縮空気流路（８２）を画定し、前記本体（１７０）は、その内部面（８０）上に配置された複数の出口（８６）を含み、前記複数の出口（８６）の各出口（８６）は、
二次燃料源（６０）と流体連通する二次燃料導管（１１２）であって、二次燃料路（１１４）を画定する第１の壁（１４８）を含む二次燃流導管（１１２）と、
前記二次燃料導管（１１２）の半径方向に外側に配置され、前記圧縮空気源（６１）と流体連通する二次圧縮空気導管（１２２）であって、実質的な共軸環状配置で前記第１の壁（１４８）周りに配置された第２の壁（１５６）を含み、前記第１の壁（１４８）および前記第２の壁（１５６）は、二次圧縮空気流路（１２４）を画定する、二次圧縮空気導管（１２２）とを含み、
各出口（８６）は、二次燃料と圧縮空気を、前記一次圧縮空気流路（８２）を横断する方向で前記一次圧縮空気流路（８２）の中に噴射し、それによって、燃料と空気の混合物を形成するように構成される、本体（１７０）を備える、
ガスタービン（１０）用の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
［実施態様２］
前記噴射器（７０）が、前記燃料と空気の混合物を前記ガスタービン（１０）の燃焼器（１６）の前記移行ダクト（５４）に送るように構成される、実施態様１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
［実施態様３］
前記二次燃料が、天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、合成ガス、メタン、エタン、ブタンプロパン、バイオガス、消化ガス、埋立ガス、石炭坑内ガス、ガソリン、ディーゼル、ナフサ、灯油、メタノール、バイオ燃料、またはそれらの組合せである、実施態様１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
［実施態様４］
前記第１の壁（１４８）が、約２．６６７ｍｍ（０．１０５インチ）の内径（１５０）および約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の外径（１５２）を有する、実施態様１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
［実施態様５］
前記第２の壁（１５６）が、約４．４４５ｍｍ（０．１７５インチ）の内径（１５８）および約４．９５３ｍｍ（０．１９５インチ）の外径（１６０）を有する、実施態様１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
［実施態様６］
前記本体（７４）の前記内部面（８０）が、実質的な楕円形状を有し、前記二次圧縮空気導管（１２２）が、前記二次燃料導管（１１２）と同心である、実施態様１記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
［実施態様７］
前記本体（７４）の前記内部面（８０）の前記実質的な楕円形状が、前方側部（８８）および後方側部（９０）を含み、前記前方側部および後方側部（８８、９０）が、弓形の端部壁によって結合されており、前記複数の出口（８６）が、前記本体（７４）の前記前方側部（８８）および前記後方側部（９０）に沿って均等に間隔をあけて配置されている、実施態様６記載の軸方向燃料多段化噴射器（７０）。
［実施態様８］
ガスタービン（１０）であって、
空気を圧縮するように構成される圧縮機（２６）と、
前記圧縮機（２６）から圧縮空気を受け取り、一次燃料源（１２）から一次燃料を受け取り、かつ前記圧縮空気と一次燃料との混合物を燃焼して、結果的に燃焼流体が生じるように構成される燃焼器（１６）とを備え、前記燃焼器（１６）が、
前記燃焼器（１６）をタービン（１０）に流体連結しており、前記燃焼流体を前記タービン（１０）の方へ送るように構成される移行ダクト（５４）と、
前記移行ダクト（５４）に連結された軸方向燃料多段化噴射器（７０）とを備え、前記軸方向燃料多段化噴射器（７０）は、
上流端部（１１６）と、下流端部（１１８）とを含む本体（７４）であって、圧縮空気が中を通って、圧縮空気源（６１）からガスタービン燃焼器（１６）の移行ダクト（５４）へ流れる一次圧縮空気流路（８２）を画定する本体（７４）と、
前記本体（７４）の内部面（８０）上に配置された複数の出口（８６）とを備え、前記複数の出口（８６）の各出口（８６）が、
二次燃料源（６０）と流体連通する二次燃料導管（１１２）であって、前記二次燃料路（１１４）を画定する第１の壁（１４８）を含む二次燃料導管（１１２）と、
前記二次燃料導管（１１２）の半径方向に外側に配置され、前記圧縮空気源（６１）と流体連通する二次圧縮空気導管（１２２）であって、実質的な共軸環状配置で前記第１の壁（１４８）周りに配置された第２の壁（１５６）を含み、前記第１の壁（１４８）および前記第２の壁（１５６）が、二次圧縮空気流路（１２４）を画定する、二次圧縮空気導管（１２２）とを含み、
各出口（８６）が、二次燃料と圧縮空気を、前記一次圧縮空気流路（８２）を横断する方向で前記一次圧縮空気流路（８２）の中に噴射して、それによって、燃料と空気の混合物を形成するように構成される、
ガスタービン（１０）。
［実施態様９］
前記複数の出口（８６）が、前記本体（１７０）の前記上流端部（１７２）の前記内部面（８０）上に配置される、実施態様８記載のガスタービン（１０）。
［実施態様１０］
複数の軸方向燃料多段化噴射器（７０）が、前記移行ダクト（５４）の周囲で円周方向および軸方向に配置される、実施態様８記載のガスタービン（１０）。
［実施態様１１］
前記二次燃料および前記一次燃料が、同じである、実施態様８記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１２］
前記本体（１７０）の前記内部（８０）面が、実質的な楕円形状を有し、前方側部（８８）および後方側部（９０）を含み、前記前方側部および後方側部（８８、９０）が、弓形の端部壁によって結合されており、前記複数の出口（８６）が、前記本体（１７０）の前記前方側部（８８）および前記後方側部（９０）に沿って均等に間隔をあけて配置されている、実施態様８記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１３］
前記第１の壁（１４８）が、約２．６６７ｍｍ（０．１０５インチ）の内径（１５０）および約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の外径（１５２）を有する、実施態様８記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１４］
前記第２の壁（１５６）が、約４．４４５ｍｍ（０．１７５インチ）の内径（１５０）および約４．９５３ｍｍ（０．１９５インチ）の外径（１５２）を有する、実施態様８記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１５］
軸方向に燃料を多段化する（ＡＦＳ）方法（２００）であって、
二次燃料源（６０）から二次燃料流を受け取ることと、
圧縮空気源（６１）から一次圧縮気流を受け取ることと、
二次圧縮空気流を前記一次圧縮空気流から逸らすことと、
前記二次圧縮気流を実質的な共軸環状配置で前記二次燃料流周りに送ることと、
前記二次燃料流と前記二次圧縮空気流を、オリフィスの共軸環状配置（８６）を通して前記一次圧縮空気流を実質的に横断する方向で前記一次圧縮空気流の中に噴射して、燃料と空気の混合物を形成することと、
前記燃料と空気の混合物を前記燃焼器（１６）の先端領域（５０）から下流のガスタービン（１０）の燃焼器（１６）に送ることとを含む方法。
［実施態様１６］
前記燃料と空気の混合物を前記燃焼器（１６）の移行ダクト（５４）の中に送ることを含む、実施態様１５記載のＡＦＳ方法（２００）。
［実施態様１７］
前記圧縮空気源（６１）が、前記燃焼器（１６）の前記先端領域（５０）である、実施態様１６記載のＡＦＳ方法（２００）。
［実施態様１８］
前記圧縮空気源（６１）は、圧縮機（２６）である、実施態様１５記載のＡＦＳ方法（２００）。
［実施態様１９］
前記二次燃料流を二次燃料導管（１１２）を通して送ることを含む、実施態様１５記載のＡＦＳ方法（２００）。
［実施態様２０］
前記二次空気流を、実質的に共軸環状配置で前記二次燃料導管（１１２）周りに配置されている二次圧縮空気導管（１２２）を通して送ることを含む、実施態様１９記載のＡＦＳ方法（２００）。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ガスタービンエンジン
１２  燃料供給部
１４  燃焼器区分
１６  燃焼器
１８  シャフト
２０  タービン
２２  段
２４  排気出口
２６  圧縮機
２８  段
３０  酸化剤取入口
３２  酸化剤供給部
３４  負荷
３６  軸方向
３８  半径方向
４０  円周方向
５０  先端部
５２  第１の燃焼帯
５４  移行ダクト
５６  第２の燃焼帯
５８  燃料多段化噴射器（ＡＦＳ）
６０  二次燃料供給部、供給源
６１  圧縮空気源
６２  主流方向、主流路
７０  軸方向燃料多段化噴射器
７２  外に面する部分
７４  本体
７６  長さ
７８  深さ
８０  内部面
８２  一次圧縮空気流路
８４  噴射システム
８６  共軸環状出口
８８  前方側部
９０  後方側部
９２  二次燃料オリフィス
９４  二次圧縮空気オリフィス
１１０  二次燃料マニホルド
１１２  二次燃料導管
１１４  二次燃料路
１１６  上流端部
１１８  下流端部
１２０  二次圧縮空気マニホルド
１２２  二次圧縮空気導管
１２４  二次圧縮空気流路
１４８  第１の壁
１５０  内径
１５２  外径
１５６  第２の壁
１５８  内径
１６０  外径
１７０  本体
１７２  上流端部
１７４  下流端部
【図１】
2017110902.tif 000003
【図２】
2017110902.tif 000004
【図３】
2017110902.tif 000005
【図４】
2017110902.tif 000006
【図５】
2017110902.tif 000007
【図６】
2017110902.tif 000008
【図７】
2017110902.tif 000009
【図８】
2017110902.tif 000010
【外国語明細書】
2017110902000001.pdf