(57)【要約】【課題】軸方向多段マイクロミキサキャップを提供すること。【解決手段】燃焼缶（１０）の燃焼室（１０１）に半径方向（Ｒ）で燃料を供給する方法、並びに半径方向（Ｒ）から燃料を受け取る軸方向に配列された燃料段（２４０，２５０，２６０）を有するマイクロミキサキャップ（１１１）であって、上記燃料段（２４０，２５０，２６０）が、燃焼用に燃料及び空気の混合気を提供するため同心構成で配列されたマイクロミキサ管（２１０）の異なる半径方向ゾーン（２４９，２５９，２６９）に燃料を供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れ方向（Ｆ）に軸線を有する燃焼缶（１０）であって、
燃焼ライナ（１０７）によって定められる燃焼室（１０１）と、
前記燃焼室（１０１）の上流側にあり、軸方向（Ａ）でスタックされた少なくとも空気段（２３０）及び第１の燃料段（２４０）を有する燃料段スタック（１０３）と、
前記燃料段スタック（１０３）の上流側にあり、端部カバー（１１１）によって定められる空気プレナム（１０５）と、
前記空気プレナム（１０５）と前記燃焼室（１０１）との間に流体接続され、前記燃料段スタック（１０３）を通って延びる複数のマイクロミキサ管（２１０）と、
を備える、燃焼缶（１０）。
【請求項２】
前記第１の燃料段（２４０）が、
前記燃料段（２４０）の半径方向最外外周上の環状部分（２１３）と、
前記環状部分（２１３）の半径方向最外面上の燃料入口（２４１）と、
第１の内側プレート（２０５）、第２の内側プレート（２０７）、及び前記環状部分（２１３）によって定められる燃料チャンバ（２４３）と、
を含む、請求項１に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項３】
前記第２の内側プレート（２０７）が、前記軸方向（Ａ）で２つの燃料段の幅を延びるリップ（２４５）を含み、前記リップ（２４５）が、前記第１の内側プレート（２０５）及び前記第２の内側プレート（２０７）と共に第１の燃料チャンバ（２４３）を形成し、前記第１の燃料チャンバ（２４３）が、前記燃料段スタック（１０３）の半径方向中心部分（２４９）において３燃料段の幅を有する、請求項２に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項４】
前記第１の燃料段（２４０）からの前記第２の内側プレート（２０７）及び第３の内側プレート（２０９）によって定められる第２の燃料段（２５０）を更に備え、前記第３の内側プレート（２０９）が、前記軸方向（Ａ）で１燃料段の幅を延びるリップ（２５５）を含み、前記第３の内側プレートのリップ（２５５）及び前記第２の内側プレートのリップ（２４５）が、前記第２の内側プレート（２０７）及び前記第３の内側プレート（２０９）と共にチャンバを形成し、該チャンバが、前記燃料段スタック（１０３）の半径方向中間部分（２５９）において２燃料段の幅を有する、請求項３に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項５】
前記第２の燃料段（２５０）からの第３の内側プレート（２０９）及び第４の内側プレート（２１１）によって定められる第３の燃料段（２６０）を更に備え、
前記第４の内側プレート（２１１）が、前記環状部分（２１３）、前記第３の内側プレート（２０９）、及び前記第３の内側プレートのリップ（２５５）と共にチャンバを形成し、該チャンバが、前記燃料段スタック（１０３）の半径方向最外部分（２６９）において１燃料段の幅を有する、請求項４に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項６】
前記軸方向（Ａ）で前記環状部分（２１３）を通って延びる２以上の空気チャンネル（２０１）を更に備え、前記空気チャンネル（２０１）が、前記空気プレナム（１０５）と流体接続されている、請求項１に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項７】
前記燃焼ライナ（１０７）の半径方向外表面と、前記燃焼ライナ（１０７）を覆う外側スリーブ（１０９）の半径方向内表面とによって定められる空気通路（１４２）を更に備え、前記空気通路（２３１）が、前記空気チャンネル（２０１）及び前記空気プレナム（１０５）に空気流を供給する、請求項６に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項８】
前記空気チャンネル（２０１）が、前記空気段（２３０）に空気流を供給する、請求項６に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項９】
前記空気段（２３０）が、前記燃焼室（１０１）において燃焼側内側プレート（２０３）を含み、該燃焼側内側プレート（２０３）が、前記燃焼室（１０１）に面する前記燃焼側内側プレート（２０３）の表面に冷却流を供給するピン孔（２３５）を含む、請求項１に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項１０】
前記マイクロミキサ管（２１０）が、該マイクロミキサ管（２１０）に燃料を流入させるための注入孔（２１５）を含み、前記マイクロミキサ管（２１０）上の注入孔（２１５）全てが、前記マイクロミキサ管（２１０）の上流側部分の同じ軸方向平面上に配置される、請求項１に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項１１】
前記第１の燃料チャンバ（２４３）、前記第２の燃料チャンバ（２５３）及び前記第３の燃料チャンバ（２６３）が互いから離隔されている、請求項５に記載の燃焼缶（１０）。
【請求項１２】
燃焼缶（１０）において燃焼させるため燃焼室（１０１）に燃料と空気の混合気を供給する方法であって、
燃焼ライナ（１０７）によって定められる燃焼室（１０１）の上流側にある空気プレナム（１０５）に、前記燃焼ライナ（１０７）と燃焼缶（１０）の外側スリーブ（１０９）との間に形成された空気通路（１４２）を通り、及び前記空気通路（２３１）と前記空気プレナム（１０５）との間を流体接続する空気チャンネル（２０１）を通って、前記燃焼缶（１０）の燃焼軸方向（Ａ）とは反対の方向に圧縮空気を供給するステップと、
前記軸方向（Ａ）で前記空気プレナム（１０５）及び前記燃焼室（１０１）を流体接続し且つ燃料チャンバ（２４３，２５３，２６３）を有する少なくとも２つの軸方向にスタックされた燃料段（２４０，２５０，２６０）を含む燃料段スタック（１０３）を通って延びる複数のマイクロミキサ管（２１０）に空気を充填するステップと、
少なくとも１つのタイプの燃料を前記燃料段スタック（１０３）に供給し、前記マイクロミキサ管（２１０）が前記燃料中に浸漬されるようにするステップと、
前記マイクロミキサ管（２１０）の各々上の少なくとも１つの注入孔（２１５）を通じて前記燃料を前記マイクロミキサ管（２１０）に注入するステップと、
前記マイクロミキサ管（２１０）において燃料と空気を混合して、燃料と空気の混合気を形成するステップと、
前記混合気を前記燃焼室（１０１）に供給するステップと、
を含む、方法。
【請求項１３】
前記マイクロミキサ管（２１０）の全てに同じ軸方向平面上で燃料が注入される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料段（２４０，２５０，２６０）の半径方向最外面上で燃料入口（２４１，２５１，２６１）に動作可能に接続された制御バルブ（３１，３３，３５）のセットを用いて燃料の入力を制御するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンシステムに関し、詳細には、産業用ガスタービンエンジンのマイクロミキサキャップ、並びにガスタービンエンジンにおいて燃料及び空気の混合気を燃焼室に分配する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ガスタービンは、空気吸込口、圧縮機セクション、燃焼セクション、タービンセクション、及び排気セクションを含む。燃焼セクションは、燃焼缶に接続される燃料供給部及び空気供給部を含み、該燃焼缶は、燃料及び空気を混合して燃焼ガスを発生させ、排気ガスをタービンセクションに供給する。従来、燃焼缶は、該燃焼缶の軸方向端部において端部カバーの下に一連の燃料管と、燃焼缶の対向する軸方向端部上に燃焼室と、燃焼室に到達する前に燃料と空気を混合する混合ノズルの様々な構成と、を含む。混合ノズルはまた、マイクロミキサ管に燃料を供給するのに標準的な端部カバー及び燃料ノズル機構を用いたマイクロミキサ構成とすることができる。現行のマイクロミキサ構成は、燃料ノズルセクタ幾何形状及び指定の燃料注入ポイントに関係する燃焼缶の丸みのある形状に共形となるようマイクロミキサ組立体の形状を限定することにより、マイクロミキサ構成の融通性を制限している。現行の構成はまた、端部カバー及び燃料ノズル供給部を燃焼缶内部で混合ノズル及び／又はマイクロミキサ組立体に接続することに関する機械的問題を提起する。
【０００３】
燃料管及び混合ノズル構成の簡素化及び制御は、開発に対する絶え間ない要求があった。燃焼中に使用される燃料量の制御の改善、及び運転中に生成される燃焼ガス量の制御の改善などの改善が求められている。燃料入力の簡素化はまた、燃料ノズル供給部から燃焼缶内部の混合ノズル及び／又はマイクロミキサ組立体への接続をより容易にすることができる。この簡素化により、燃焼缶が、丸みがあり燃料ノズル幾何形状に関係した状態となっているのではなく、タービン入口の環状セクタにより良好に適合するような形状に変更することが可能となる。マイクロミキサ構成の融通性により、耐久性リスクを抑えるためマイクロミキサキャップの従来的なエフュージョン冷却を維持しながら、ダイナミックス及びエミッションの更なる最適化を可能にすることができる。また、構成が簡素化することで、コストも低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０１９０１７４号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、燃焼缶における燃料入力の軸方向スタック構成を提供する。燃料は、燃焼器端部カバーの下の軸方向にスタックされた燃料段に提供される。燃料段は、複数の燃料段を通って延びるマイクロミキサ管を含み、該マイクロミキサ管は、最初に空気が充填される。燃料は、燃焼缶の半径方向から及び燃料段の半径方向外周上の入口から燃料段の各々に流入し、燃料は、燃焼室に当接する燃料段のスタックの一方側から空気プレナムに当接する燃料段のスタックの反対側まで該燃料段を貫通して延びるマイクロミキサ管を囲む。空気プレナムは、従来の燃料噴射装置の送給管が配置されるはずの場所に代わって配置される。
【０００６】
マイクロミキサ管には、最初に、空気プレナムによって供給される空気が充填され、該空気プレナムは、圧縮機セクションからの圧縮空気を受け取る。燃料は、マイクロミキサ管の縁部に近接して配置された注入孔からマイクロミキサ管に流入する。これにより、燃料が、燃焼室に入る前に管体内で空気と混合するためマイクロミキサ管内に十分な距離を有することが確保される。
【０００７】
軸方向にスタックした燃料段の本発明の構成は、燃料多段機能を保持しながら燃料ノズルを排除することにより燃焼缶を簡素化する。本構成は、燃料と空気の混合、及び燃焼室への燃料及び空気混合気の供給に関してスペース効率及び燃料効率のよい方法を提供する。また、本発明の構成により、燃焼室に入る前にマイクロミキサ管内で空気と燃料の完全な混合を確保するよう、マイクロミキサ管への圧縮空気のより安定した供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】産業用ガスタービンにおける圧縮機、燃料供給源及び排気ダクトに接続された燃焼缶の概略断面図。
【図２】軸方向に配列された燃料段及び空気供給源の本発明の構成を用いた燃焼缶の実施形態の断面図。
【図３】図２に示す燃料段の軸方向に配列されたセットの詳細な断面図。
【図４】燃料段の軸方向に配列されたセットの半径方向最外部分の拡大断面図。
【図５】マイクロミキサ管の無い燃料段の拡大簡易図。
【図６】マイクロミキサ管の無い空気段の簡易断面図。
【図７】空気段に空気流を供給する空気通路を示す空気段の拡大断面図。
【図８】空気段と燃焼室との間の更なるエフュージョン冷却を示す、空気段の別の拡大断面図。
【図９】３つの半径方向ゾーンに描かれたマイクロミキサ管を含む空気段の断面図。
【図１０】マイクロミキサ管の無い第１の燃料段の簡易概略断面図。
【図１１】マイクロミキサ管と第１の燃料段の燃料チャンバに対する端部プレートとして機能する第４の内側プレートとを備えた、第１の燃料段の概略断面図。
【図１２】マイクロミキサ管内部での燃料と空気の混合を示す第１の燃料段の拡大断面図。
【図１３】マイクロミキサ管の無い第２の燃料段の簡易概略断面図。
【図１４】マイクロミキサ管と第２の燃料段の燃料チャンバに対する端部プレートとして機能する第４の内側プレートとを備えた、第２の燃料段の概略断面図。
【図１５】マイクロミキサ管内部での燃料と空気の混合を示す第２の燃料段の拡大断面図。
【図１６】マイクロミキサ管の無い第３の燃料段の簡易概略断面図。
【図１７】マイクロミキサ管と第２の燃料段の燃料チャンバに対する端部プレートとして機能する第４の内側プレートとを備えた、第３の燃料段の概略断面図。
【図１８】マイクロミキサ管内部での燃料と空気の混合を示す第３の燃料段の拡大断面図。
【図１９】燃料段スタックにおけるマイクロミキサ管の線形マルチタウ構成を有する実施形態の構成の断面図。
【図２０】燃料段スタックにおけるマイクロミキサ管の非線形マルチタウ構成を有する実施形態の構成の断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１には、本発明の燃焼缶構成の概略図が示される。燃焼缶１０は、排気ガスを流れ方向Ｆで燃焼缶の下流側にあるタービンセクションに配向する排気経路２０に接続される。燃焼缶は、燃焼室１０１と、軸方向に多段化された燃料段スタック１０３と、空気プレナム１０５と、を含む。燃料段スタック１０３は、燃料供給部１２０に動作可能に接続される。燃焼室１０１は、燃焼ライナ１０７によって囲まれ、該燃焼ライナ１０７は、流れスリーブ１０９により覆われる。圧縮機空気流１３１は、流れスリーブ１０９と燃焼ライナ１０７との間に形成された流路１４２に流れる。圧縮機空気流１３１は、産業用ガスタービンの圧縮機セクション１３０によって供給される。本発明の構成において、圧縮空気流１３１は、燃料段スタック１０３を通り、端部カバー１１１及び燃料スタック１０３により密閉される空気プレナム１０５に流れる。
【００１０】
本開示において定められ且つ図面で示されるように、燃焼缶１０は、燃焼缶の燃焼室から流出する排気ガスの流れ方向Ｆに従う軸線Ａと、該軸線Ａから延びる半径Ｒとを有する。
【００１１】
図２には、燃焼缶の実施形態が断面図で示される。圧縮空気流１３１は、流れスリーブ１０９の入口１４０を通って流れスリーブ１０９と燃焼ライナ１０７との間の流路１４２に流入する。圧縮空気流１３１は、燃料段スタック１０３における空気チャンネル２０１を通って、端部カバー１１１により定められる空気プレナム１０５に入る。圧縮空気１３１は、流れ方向Ｆで燃料段スタック１０３を通って燃焼室１０１に向かって延びたマイクロミキサ管２１０を充填する。
【００１２】
燃料段スタック１０３は、複数の燃料段を含み、該燃料段の各々は、燃焼段の各々に流入する燃料の量をそれぞれ制御する個別の制御バルブ３１，３３，及び３５に接続することができる。マイクロミキサ管２１０内で空気と燃料が混合された後、混合気が燃焼室１０１に流入して燃焼し、燃焼缶の軸方向Ａに従う排気流を生成する。燃料段スタック１０３は、燃焼缶に対して軸方向にスタックされた燃料段を含み、燃料段の燃料入口は、後続の図面にて示されるように、燃料段の半径方向最外部分に配置される。
【００１３】
燃料段スタック１０３は、複数のボルト１１５を用いて、共にボルト締結され且つ他の固定構造体に固定することができる。また、ボルト１１５を用いて、端部カバー１１１を燃料段スタック１０３にシールし、燃料段スタック１０３を流れスリーブ１０９と係合することができる。ボルト１１５は、燃料段スタック１０３の半径方向最外周囲上に配置される。従って、後続の図面には示されていない場合でも、ボルト１１５は、燃料段の各々に取り付けることができる。
【００１４】
図３には、燃料段スタックの詳細断面図が示される。燃料段スタック１０３は、該燃料段スタック１０３の周辺に沿って延びるシールフランジ１１３を含むことができる。シールフランジ１１３は、燃料段スタック１０３を燃焼ライナ１０７に動作可能に接続し、燃料段スタック１０３と燃焼室１０１との間のシール又は支持部としての役割を果たすことができる。
【００１５】
燃料段スタック１０３における燃料段は、本明細書では燃焼缶の流れ方向Ｆとは反対の方向、すなわち、空気プレナム１０５に向かう燃焼室１０１の方向で記載されている。燃料段スタック１０３における各燃料段は、多数の空気チャンネル２０１を収容する環状部分２１３を含み、空気チャンネル２０１は、燃料段２３０，２４０，２５０，及び２６０の各々を分離する内側プレート２０３，２０５，２０７，２０９，及び２１１の半径方向外周に沿って配置される。燃料段２４０，２５０，及び２６０はまた、予混合１、予混合２、及び予混合３、又はＰＭ１、ＰＭ２、及びＰＭ３と呼ばれるような予混合段として知ることができる。
【００１６】
図２に示されるボルト１１５は、環状部分２１３の半径方向最外周に取り付けられて、燃料段を共に係合し、様々な燃焼缶構造体を所定位置に保持することができる。
【００１７】
マイクロミキサ管２１０は、燃料段２３０，２４０，２５０，及び２６０を通って延びて、空気プレナム１０５から燃焼室１０１まで貫通して延びる。マイクロミキサ管２１０は、燃焼缶１０の半径方向で均一に分布することができる。或いは、マイクロミキサ管２１０は、非線形の異なる構成で分布することができる。マイクロミキサ管２１０は、空気／燃料混合を促進させ、直線円筒管体とは異なる追加の特徴要素を有することができる。
【００１８】
燃焼側の内側プレート２０３は、図８に示されるエフュージョン冷却孔２３５を除いて、空気段２３０と燃焼室１０１との間の完全仕切り部を提供する。
【００１９】
第１の内側プレート２０５は、第１の燃料段２４０と空気段２３０との間の仕切り部を提供する。第１の内側プレート２０５は、内側プレートの半径全体に延びて、燃料段スタック１０３における完全な垂直仕切り部を生成する。
【００２０】
第２の内側プレート２０７は、第２の燃料段２５０と第１の燃料段２４０との間の仕切り部を提供する。第２の内側プレート２０７は、第３の内側プレート２０９よりも更に内側プレートの内径に向かって延びる。
【００２１】
第３の内側プレート２０９は、流れ方向Ｆで燃料段スタック１０３における第２の内側プレートである。第３の内側プレート２０９は、第３の燃料段２６０と第２の燃料段２５０との間の仕切り部を提供する。第３の内側プレート２０９は、内側プレートの半径方向外周に沿って短い距離だけ延びることができる。
【００２２】
第４の内側プレート２１１は、図１及び２に示すように空気プレナム１０５に当接する。第４の内側プレート２１１は、流れ方向Ｆにおける第２の内側プレートである。マイクロミキサ管２１０は、第４の内側プレート２１１上の開口から空気流を受ける。第４の内側プレート２１１は、燃料段２３０，２４０，２５０，及び２６０内部の空気プレナム１０５とチャンバとの間の仕切り部を生成する。
【００２３】
図４には、燃料段スタック１０３の半径方向最外部分の詳細が更に示される。空気チャンネル２０１は、燃料段２６０，２５０，２４０，及び２３０を通って延びる。燃料段２６０，２５０及び２４０の各々は、環状部分２１３の半径方向最外部分の縁部においてそれぞれ燃料入口２６１，２５１，及び２４１を有する。空気段２３０は、他の燃料段と同じそれぞれの場所に対応する燃料入口を有しておらず、通路２３１によって空気が供給される。
【００２４】
燃料段２６０，２５０及び２４０の各々は、同じタイプの燃料又は異なるタイプの燃料を受け取り、それぞれの燃料段に供給することができる。
【００２５】
図５は、マイクロミキサ管又はそれらの貫通部の無い状態の燃料段及び内側プレートの各々の簡易分解図を示す。内側プレートの各々、特に第２の内側プレート２０７及び第３の内側プレート２０９の詳細が図示されている。第４の内側プレート２１１は、第３の燃料段２６０及び燃料段スタック１０３全体の端部プレートとみなすことができる。この図では、詳細を示すために離隔されたプレート及び燃料段が拡大されている。実際の燃料段スタック１０３は、複数の別個の要素から形成することができ、或いは、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）プロセス又は他の同等のプロセスによる製造のように単体としてプリンティングすることができる。
【００２６】
燃焼側の内側プレート２０３は、空気段２３０及び燃料段スタック１０３全体の端部プレートとみなすことができる。燃焼側の内側プレート２０３は、燃料段の半径全体にわたって延びる垂直プレートである。燃焼側の内側プレート２０３は、燃焼側の内側プレート２０３、環状部分２１３、及び第１の内側プレート２０５の間にチャンバを定める。空気段２３０のチャンバは、チャンバ全体にわたって単一の燃料段と同じ幅を有する。図８に示すように、燃焼側の内側プレート２０３は、空気段２３０のチャンバからの冷却空気が燃焼室１０１に流入するのを可能にするエフュージョン冷却孔２３５を含む。
【００２７】
第１の内側プレート２０５は、内側プレートの半径方向最外縁部から、燃焼缶の軸線に延び、該燃焼缶の軸中心を通って延びる。第１の内側プレート２０５は、第１の燃料段２４０と空気段２３０との間を分離する半径方向内側プレートとみなすことができる。第２の内側プレート２０７の半径方向内側縁部は、リップ２４５を含み、該リップ２４５は、第１の内側プレート２０５、環状部分２１３、第２の内側プレート２０７、第２の内側プレート２０７上のリップ２４５、及び第４の内側プレート２１１の間に配置されるチャンバを第１の燃料段２４０に定める。換言すると、第１の燃料段２４０用のチャンバは、内側プレートの半径方向最外部分において第２の内側プレート２０７と第１の内側プレート２０５との間に１燃料段幅を有し、リップ２４５内の軸方向中心部上の軸方向最外部分において３燃料段幅を有する。チャンバは、第２の燃料段２５０用の燃料入口２５１を通って流入する供給燃料１２３を受け取る。
【００２８】
第２の内側プレート２０７は、内側プレートの半径方向最外縁部から（又は環状部分の半径方向最内縁部から）、燃焼缶の軸線に向かって延びるが、燃焼缶の軸中心までは延びない。
【００２９】
第２の内側プレート２０７の半径方向内側縁部は、リップ２４５を含み、該リップ２４５は、リップ２４５、第２の内側プレート２０７、環状部分２１３、及び第３の内側プレート２０９の間に配置されるチャンバを第２の燃料段２５０に定める。リップ２４５は、軸方向に延びる２燃料段幅を有する。第２の内側プレート２０７上のリップ２４５は、第３の内側プレート２０９上のリップ２５５の２倍の幅を有する。リップ２４５は、燃料段スタックにおけるリップ２５５を超えて延び、第２の燃料段２５０用のチャンバを第４の内側プレート２１１とシールする。
【００３０】
換言すると、第２の燃料段２５０用のチャンバは、内側プレートの半径方向最外部分上で第３の内側プレート２０９と第２の内側プレート２０７との間に１燃料段幅を有し、内側プレートの半径方向内側部分上でリップ２５５とリップ２４５との間に２燃料段幅を有する。第２の燃料段２５０用のチャンバは、燃料入口２５１を通って流入する供給燃料１２３を受け取る。
【００３１】
第３の内側プレート２０９は、内側プレートの半径方向最外縁部から（又は環状部分の半径方向最内縁部から）、燃焼缶の軸線に向かって延びるが、燃焼缶の軸中心までは延びない。第３の内側プレート２０９は、内側プレートの半径方向最外縁部から燃焼缶の軸線に向かって延びる。第３の内側プレート２０９の半径方向内側縁部は、リップ２５５を含み、該リップ２５５は、リップ２５５、第３の内側プレート２０９、環状部分２１３、及び第４の内側プレート２１１間に配置されるチャンバを第３の燃料段２６０に定める。リップ２５５は、燃焼缶の軸方向に１燃料段幅を有することができる。換言すると、チャンバは、１燃料段幅を有する。第３の燃料段２６０用のチャンバは、燃料入口２６１を通って流入する供給燃料１２５を受け取る。
【００３２】
リップ２４５によって密閉される区域は、第１の燃料段２４０のマイクロミキサ管が通過することができるようなサイズにされる。リップ２５５とリップ２４５との間の区域は、第２の燃料段２５０のマイクロミキサ管が通過することができるようなサイズにされる。同様に、プレート２０９及びリップ２５５の半径方向外周によって密閉される区域は、第３の燃料段のマイクロミキサ管が通過することができるようなサイズにされる。
【００３３】
図６〜１８には、燃料段の各々が詳細に描かれている。図６〜９には、空気段２３０が断面で示される。空気段２３０は、内周上に多数の空気チャンネル２０１を収容する環状部分２１３を含む。断面で示されるように、空気段２３０用の空気チャンバ２３３は、空気チャンネル２０１から空気チャンネル２０１の各々にて空気チャンバ２３３内に設けられる空気通路２３１を通って空気を受け取る。
【００３４】
圧縮空気１３１が環状部分２１３において空気チャンネル２０１を通過すると、圧縮空気１３１は、端部カバーの下の空気プレナム１０５に配向される。第２の空気流１３３が圧縮空気１３１から分離され、空気通路２３１を通り、燃焼側内側プレート２０３、環状部分２１３及び第１の内側プレート２０５によって定められる空気チャンバ２３３に流入する。空気チャンバ２３３内では、第２の空気流１３３が、燃焼室１０１と燃料段２４０，２５０，及び２６０との間に冷却流障壁を生成する。ピン孔２３５を付加して、空気段２３０から燃焼室１０１の間に空気通路を設けることができる。ピン孔２３５は、燃焼側内側プレート２０３を通って延び、燃焼室１０１において燃焼側内側プレート２０３の表面を冷却するのに用いられる第３の空気流１３５を提供することができる。
【００３５】
従来から知られるように、マイクロミキサ管は、上流側部分に燃料入口を含む空気導管を設けて、例えば、マイクロミキサ管を出る前に空気及び燃料を強制的に層状流から乱流にする管内キンクの助けを借りて、マイクロミキサ管内部で燃料が空気と混合できるようにすることにより、効率的な方式で空気と燃料を予混合するのに使用される。
【００３６】
本発明の構成に従来のマイクロミキサ管を適用すると、燃料段スタック１０３におけるマイクロミキサ管２１０は、燃料段２３０，２４０，２５０及び２６０の各々を通って延びる。マイクロミキサ管２１０は、そこからマイクロミキサ管２１０が燃料を受け取ることになる異なる燃料チャンバ及び燃料段の各々に応じて区分化される。空気段２３０に関して図９に概略的に図示されているように、マイクロミキサ管２１０は、燃焼缶の半径方向で同心構成に区分化される。マイクロミキサ管２１０の半径方向最外ゾーン２６９は、第３の燃料段２６０から燃料を受け取り、マイクロミキサ管２１０の半径方向中間ゾーン２５９は、第２の燃料段２５０から燃料を受け取り、マイクロミキサ管２１０の半径方向最内ゾーン２４９は、第１の燃料段２４０から燃料を受け取る。
【００３７】
図１０〜１２には、第１の燃料段２４０が断面図で概略的に示されている。第１の燃料段２４０は、内周上に多数の空気チャンネル２０１を収容する環状部分２１３を含む。空気チャンネル２０１からの圧縮空気は、第１の燃料段２４０に流入しない。燃料入口２４１は、第１の燃料段２４０用の環状部分２１３の半径方向最外縁部上に設けられる。第１の燃料１２１は、燃料入口２４１に流入し、第１の燃料段２４０用の第１の燃料チャンバ２４３を充填することができる。第１の燃料１２１は、第１の内側プレート２０５、環状部分２１３、第２の内側プレート２０７、リップ２４５、及び第４の内側プレート２１１によって定められる第１の燃料チャンバ２４３のみを充填し、第４の内側プレート２１１は、第１の燃料チャンバ２４３を閉鎖する。第１の燃料チャンバ２４３は、第１の内側プレート２０５から第４の内側プレート２１１までで３燃料段幅を延びる。
【００３８】
第１の燃料チャンバ２４３の３燃料段幅ある部分は、リップ２４５と共にマイクロミキサ管２１０の半径方向最内ゾーン２４９を定める。半径方向最内ゾーン２４９に適用されるマイクロミキサ管２１０は、燃料段スタック１０３全体を通って延び、軸方向で３段幅ある第１の燃料チャンバ２４３において第１の燃料１２１に浸漬される。
【００３９】
第１の燃料１２１は、第１の燃料チャンバ２４３を充填し、燃料を好ましくはできる限りマイクロミキサ管２１０の入口に近接してマイクロミキサ管２１０の上流側部分の少なくとも１つの注入孔２１５を通じてマイクロミキサ管２１０に提供し、マイクロミキサ管２１０から燃焼室１０１内に流出する前に空気流１３９と第１の燃料１２１の混合気２８０を完全に生成するのに十分な時間をマイクロミキサ管において確保するようにする。第１の燃料１２１は、第１の燃料段２４０用の第１の燃料チャンバ２４３において３燃料段幅を移動する。
【００４０】
同様に、図１３〜１５には、第２の燃料段２５０が断面図で概略的に示されている。第２の燃料段２５０は、内周上に多数の空気チャンネル２０１を収容する環状部分２１３を含む。空気チャンネル２０１からの圧縮空気は、第２の燃料段２５０に流入しない。燃料入口２５１は、第２の燃料段２５０用の環状部分２１３の半径方向最外縁部上に設けられる。第２の燃料１２３は、燃料入口２５１に流入し、第２の燃料段２５０用の第２の燃料チャンバ２５３を充填することができる。第２の燃料１２３は、第２の内側プレート２０７、リップ２４５、環状部分２１３、第３の内側プレート２０９、リップ２５５、及び第４の内側プレート２１１によって定められる第２の燃料チャンバ２５３のみを充填し、第４の内側プレート２１１は、第２の燃料チャンバ２５３を閉鎖する。第２の燃料チャンバ２５３は、第２の内側プレート２０７から第４の内側プレート２１１までリップ２４５とリップ２５５の間で２燃料段幅を延びる。
【００４１】
第２の燃料チャンバ２５３の２燃料段幅ある部分は、リップ２４５とリップ２５５との間で、マイクロミキサ管２１０の半径方向中間ゾーン２５９を定める。半径方向中間ゾーン２５９に適用されるマイクロミキサ管２１０は、燃料段スタック１０３全体を通って延び、軸方向で２段幅ある第２の燃料チャンバ２５３において第２の燃料１２３に浸漬される。
【００４２】
第２の燃料１２３は、第２の燃料チャンバ２５３を充填し、燃料を好ましくはできる限りマイクロミキサ管２１０の入口に近接してマイクロミキサ管２１０の上流側部分の少なくとも１つの注入孔２１５を通じてマイクロミキサ管２１０に提供し、マイクロミキサ管２１０から燃焼室１０１内に流出する前に空気流１３９と第２の燃料１２３の混合気２８０を完全に生成するのに十分な時間をマイクロミキサ管において確保するようにする。第２の燃料１２３は、第２の燃料段２５０用の第２の燃料チャンバ２５３において２燃料段幅を移動する。
【００４３】
同様に、図１６〜１８には、第３の燃料段２６０が断面図で概略的に示されている。第３の燃料段２６０は、内周上に多数の空気チャンネル２０１を収容する環状部分２１３を含む。空気チャンネル２０１からの圧縮空気は、第３の燃料段２６０に流入しない。燃料入口２６１は、第３の燃料段２６０用の環状部分２１３の半径方向最外縁部上に設けられる。第３の燃料１２５は、燃料入口２６１に流入し、第３の燃料段２６０用の第３の燃料チャンバ２６３を充填することができる。第３の燃料１２５は、第３の内側プレート２０９、リップ２５５、環状部分２１３、及び第４の内側プレート２１１によって定められる第３の燃料チャンバ２６３のみを充填し、第４の内側プレート２１１は、第３の燃料チャンバ２６３を閉鎖する。第３の燃料チャンバ２６３は、第３の内側プレート２０９から第４の内側プレート２１１までリップ２５５によって定められる１燃料段幅を延びる。図１６に示すように、燃料は、燃料分配孔２６７を通って第３の燃料チャンバ２６３の異なる部分に分配することができる。燃料分配孔はまた、第１の燃料１２１及び第２の燃料１２３をそれぞれ分配するために、第１の燃料チャンバ２４３及び第２の燃料チャンバ２５３にも存在することができる。
【００４４】
リップ２５５と環状部分２１３との間で１段幅ある第３の燃料チャンバ２６３の部分は、マイクロミキサ管２１０の半径方向最外ゾーン２６９を定める。図１７は、半径方向最外ゾーン２６９に適用されるマイクロミキサ管２１０が、燃料段スタック１０３全体を通って延び、軸方向で１段幅ある第３の燃料チャンバ２６３において第３の燃料１２５に浸漬されることを示している。
【００４５】
図１８に示すように、第３の燃料１２５は、第３の燃料チャンバ２６３を充填し、燃料を好ましくはできる限りマイクロミキサ管２１０の入口に近接してマイクロミキサ管２１０の上流側部分の少なくとも１つの注入孔２１５を通じてマイクロミキサ管２１０に提供し、マイクロミキサ管２１０から燃焼室１０１内に流出する前に空気流１３９と第３の燃料１２５の混合気２８０を完全に生成するのに十分な時間をマイクロミキサ管において確保するようにする。第３の燃料１２５は、第３の燃料段２６０用の第３の燃料チャンバ２６３において１燃料段幅を移動する。
【００４６】
マイクロミキサ管２１０上の注入孔２１５は、半径方向最外ゾーン２６９、半径方向中間ゾーン２５９、及び半径方向最内ゾーン２４９全てにおいて同じ軸方向平面上に配置されるのが好ましい。
【００４７】
本発明の構成は、燃料段を通るマイクロミキサ管の選択した部分にのみ燃料を提供できる能力を有することにより燃焼速度を制御する方法を提供する。例えば、燃料は、第１の燃料段２４０にのみ提供されて、マイクロミキサ管の半径方向最内ゾーン２４９のみが供給燃料を受け取り、従って、半径方向最内ゾーン２４９のみが燃焼のための燃料及び空気の混合気を提供できることになる。他の２つの燃料段及び対応するマイクロミキサ管のゾーンは、燃焼室に供給空気のみを提供することができる。
【００４８】
同じ技法を種々の組み合わせで燃料段に適用することができる。加えて、燃料段スタックに供給される燃料の量はまた、燃焼中の好ましい設定に応じて変えることができる。
【００４９】
別の実施形態において、マイクロミキサ管２１０は、異なる半径方向ゾーンにおいては空気プレナム１０５内部に異なる高さであるように複数の構成を有することができる。第４の内側プレート２１１は、マイクロミキサ管２１０のマルチタウ構成に従う。図１９は、線形構成の１つの実施例を示し、ここでは半径方向最内ゾーン２４９は、第４の内側プレート２１１から空気プレナム１０５内に最も長く突出しており、半径方向中間ゾーン２５９は、半径方向最内ゾーン２４９よりも短い距離だけ第４の内側プレート２１１から突出しており、半径方向最外ゾーン２６９は、第４の内側プレート２１１から突出していない。
【００５０】
図２０は、別のマルチタウ構成を示しており、ここでは半径方向ゾーンにおけるマイクロミキサ管２１０は高さが変化して提供される。産業用ガスタービンの燃焼要求に好ましいものとして、他のマルチタウ構成を利用してもよい。
【００５１】
マルチタウマイクロミキサ管とは、異なる長さの管体を意味している。これは、管体の音響長さを変化させ、単一の管体音響長さに基づいて燃焼トーンが生じるのを防ぐために行われる。マルチタウ構成は、損傷を生じる可能性がある燃焼ダイナミックスから外れるように燃焼システムを調整する別の方法を提供する。
【００５２】
本願において示された燃料段は、３つの燃料段を備えて燃料段スタックにおいて用いることができる１つの構成である。燃料段スタックには１又はそれ以上の燃料段が存在することができる。燃料段の最大数は、その時点で望ましい構成及び燃焼要求の複雑さによって決定付けられる。
【００５３】
燃料段は、それぞれの燃料段の各々におけるマイクロミキサ管のパッケージングに必要とされる軸方向幅を有することができる。
【００５４】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【００５５】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
流れ方向（Ｆ）に軸線を有する燃焼缶であって、
燃焼ライナによって定められる燃焼室と、
上記燃焼室の上流側にあり、軸方向（Ａ）でスタックされた少なくとも空気段及び第１の燃料段を有する燃料段スタックと、
上記燃料段スタックの上流側にあり、端部カバーによって定められる空気プレナムと、
上記空気プレナムと上記燃焼室との間に流体接続され、上記燃料段スタックを通って延びる複数のマイクロミキサ管と、
を備える、燃焼缶。
［実施態様２］
上記第１の燃料段が、
上記燃料段の半径方向最外外周上の環状部分と、
上記環状部分の半径方向最外面上の燃料入口と、
第１の内側プレート、第２の内側プレート、及び上記環状部分によって定められる燃料チャンバと、
を含む、実施態様１に記載の燃焼缶。
［実施態様３］
上記第２の内側プレートが、上記軸方向（Ａ）で２つの燃料段の幅を延びるリップを含み、上記リップが、上記第１の内側プレート及び上記第２の内側プレートと共に第１の燃料チャンバを形成し、上記第１の燃料チャンバが、上記燃料段スタックの半径方向中心部分において３燃料段の幅を有する、実施態様２に記載の燃焼缶。
［実施態様４］
上記第１の燃料段からの上記第２の内側プレート及び第３の内側プレートによって定められる第２の燃料段を更に備え、上記第３の内側プレートが、上記軸方向（Ａ）で１燃料段の幅を延びるリップを含み、上記第３の内側プレートのリップ及び上記第２の内側プレートのリップが、上記第２の内側プレート及び上記第３の内側プレートと共にチャンバを形成し、該チャンバが、上記燃料段スタックの半径方向中間部分において２燃料段の幅を有する、実施態様３に記載の燃焼缶。
［実施態様５］
上記第２の燃料段からの第３の内側プレート及び第４の内側プレートによって定められる第３の燃料段を更に備え、
上記第４の内側プレートが、上記環状部分、上記第３の内側プレート、及び上記第３の内側プレートのリップと共にチャンバを形成し、該チャンバが、上記燃料段スタックの半径方向最外部分において１燃料段の幅を有する、実施態様４に記載の燃焼缶。
［実施態様６］
上記軸方向（Ａ）で上記環状部分を通って延びる２以上の空気チャンネルを更に備え、上記空気チャンネルが、上記空気プレナムと流体接続されている、実施態様１に記載の燃焼缶。
［実施態様７］
上記燃焼ライナの半径方向外表面と、上記燃焼ライナを覆う外側スリーブの半径方向内表面とによって定められる空気通路を更に備え、上記空気通路が、上記空気チャンネル及び上記空気プレナムに空気流を供給する、実施態様６に記載の燃焼缶。
［実施態様８］
上記空気チャンネルが、上記空気段に空気流を供給する、実施態様６に記載の燃焼缶。
［実施態様９］
上記空気段が、上記燃焼室において燃焼側内側プレートを含み、該燃焼側内側プレートが、上記燃焼室に面する上記燃焼側内側プレートの表面に冷却流を供給するピン孔を含む、実施態様１に記載の燃焼缶。
［実施態様１０］
上記マイクロミキサ管が、該マイクロミキサ管に燃料を流入させるための注入孔を含み、上記マイクロミキサ管上の注入孔全てが、上記マイクロミキサ管の上流側部分の同じ軸方向平面上に配置される、実施態様１に記載の燃焼缶。
［実施態様１１］
上記第１の燃料チャンバ、上記第２の燃料チャンバ及び上記第３の燃料チャンバが互いから離隔されている、実施態様５に記載の燃焼缶。
［実施態様１２］
燃焼缶において燃焼させるため燃焼室に燃料と空気の混合気を供給する方法であって、
燃焼ライナによって定められる燃焼室の上流側にある空気プレナムに、上記燃焼ライナと燃焼缶の外側スリーブとの間に形成された空気通路を通り、及び上記空気通路と上記空気プレナムとの間を流体接続する空気チャンネルを通って、上記燃焼缶の燃焼軸方向（Ａ）とは反対の方向に圧縮空気を供給するステップと、
上記軸方向（Ａ）で上記空気プレナム及び上記燃焼室を流体接続し且つ燃料チャンバを有する少なくとも２つの軸方向にスタックされた燃料段を含む燃料段スタックを通って延びる複数のマイクロミキサ管に空気を充填するステップと、
少なくとも１つのタイプの燃料を上記燃料段スタックに供給し、上記マイクロミキサ管が上記燃料中に浸漬されるようにするステップと、
上記マイクロミキサ管の各々上の少なくとも１つの注入孔を通じて上記燃料を上記マイクロミキサ管に注入するステップと、
上記マイクロミキサ管において燃料と空気を混合して、燃料と空気の混合気を形成するステップと、
上記混合気を上記燃焼室に供給するステップと、
を含む、方法。
［実施態様１３］
上記マイクロミキサ管の全てに同じ軸方向平面上で燃料が注入される、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１４］
上記燃料段の半径方向最外面上で燃料入口に動作可能に接続された制御バルブのセットを用いて燃料の入力を制御するステップを更に含む、実施態様１２に記載の方法。
【符号の説明】
【００５６】
１０  燃焼缶
１０７  燃焼ライナ
１０１  燃焼室
１０３  燃料段スタック
１０５  空気プレナム
１１１  端部カバー
２３０  空気段
２４０  燃料段
２１０  マイクロミキサ管
【図１】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【外国語明細書】
2017083160000001.pdf