(57)【要約】【課題】予混合燃料ノズル用のガス専用カートリッジを提供すること。【解決手段】燃料ノズル（１００）用のガス専用カートリッジ（１０２）は、ガス燃料を受け取るための複数のアパーチャ（１６６）を定めるフランジ（１５２）と、フランジ（１５２）に結合された外側管体（１４８）と、外側管体（１４８）内で軸方向に延びる内側管体（１５８）と、を含む。内側管体（１５８）及び外側管体（１４８）は、間に燃料通路（１６０）を定め、該燃料通路（１６０）がフランジ（１５２）の複数のアパーチャ（１６６）と流体連通している。燃料分配先端（１４２）は、ガス専用カートリッジ（１０２）の下流側端部に配置され、該燃料分配先端（１４２）の外面に沿って円周方向に離間して配置され且つ外面の周りに環状に配列された複数の燃料ポート（１７０）を定める。燃料ポート（１７０）は、燃料通路（１６０）と流体連通している。【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（１００）用のガス専用カートリッジ（１０２）であって、
ガス燃料を受け取るための複数のアパーチャ（１６６）を定めるフランジ（１５２）と、
前記フランジ（１５２）に結合され、該フランジ（１５２）から軸方向外向きに延びる外側管体（１４８）と、
前記外側管体（１４８）内で軸方向に延び、前記外側管体（１４８）との間に燃料通路（１６０）を定めて、該燃料通路（１６０）が前記フランジ（１５２）の複数のアパーチャ（１６６）と流体連通している、内側管体（１５８）と、
前記ガス専用カートリッジ（１０２）の下流側端部に配置された燃料分配先端（１４２）と、
を備え、
前記燃料分配先端（１４２）が、前記燃料分配先端（１４２）の外面に沿って円周方向に離間して配置され且つ前記外面の周りに環状に配列された複数の燃料ポート（１７０）を定め、前記燃料ポート（１７０）が前記燃料通路（１６０）と流体連通している、ガス専用カートリッジ（１０２）。
【請求項２】
前記内側管体（１５８）が、前記ガス専用カートリッジ（１０２）内に空気通路（１６２）を少なくとも部分的に定める、請求項１に記載のガス専用カートリッジ（１０２）。
【請求項３】
前記燃料分配先端（１４２）が、該燃料分配先端（１４２）の下流側面（１３８）に沿って配置されたアパーチャ（１７４）を定め、該アパーチャ（１７４）が、前記空気通路（１６２）と流体連通している、請求項２に記載のガス専用カートリッジ（１０２）。
【請求項４】
前記フランジ（１５２）が、少なくとも１つの空気回路（１６８）を少なくとも部分的に定め、該空気回路（１６８）が、前記空気通路（１６２）と流体連通している、請求項２に記載のガス専用カートリッジ（１０２）。
【請求項５】
前記複数の燃料ポート（１７０）のうちの少なくとも１つの燃料ポート（１７０）が、円周方向に隣接する前記燃料ポート（１７０）から軸方向にオフセットしている、請求項１に記載のガス専用カートリッジ（１０２）。
【請求項６】
前記フランジ（１５２）が、ガスタービン燃焼器の端部カバーの外面に接続されるように形成される、請求項１に記載のガス専用カートリッジ（１０２）。
【請求項７】
燃料ノズル（１００）であって、
中央本体（１０６）と、
前記中央本体（１０６）の下流側端部に配置された先端本体（１３２）と、
を備え、
前記先端本体（１３２）が、前記先端本体（１３２）を通って軸方向に延びる開口（１４０）を定め、前記開口（１４０）内で前記先端本体（１３２）の内面（１４４）に沿って円周方向に離間して配置及び位置付けられた複数のチャンネル（１４６）を含み、前記各チャンネル（１４６）が、前記先端本体（１３２）の上流側面（１３６）及び下流側面（１３８）を通る流路を定め、
前記燃料ノズル（１００）が更に、前記中央本体（１０６）内に軸方向に延びるガス専用カートリッジ（１０２）を備え、
前記ガス専用カートリッジ（１０２）が、外側管体（１４８）と、該外側管体（１４８）内に軸方向に延びる内側管体（１５８）と、間に定められる燃料通路（１６０）とを有し、前記外側管体（１４８）及び前記中央本体（１０６）が、間に二次予混合空気通路（１６２）を定め、
前記ガス専用カートリッジ（１０２）が更に、前記先端本体（１３２）の開口（１４０）を少なくとも部分的に通って延びる燃料分配先端（１４２）を備え、
前記燃料分配先端（１４２）が前記燃料通路（１６０）と流体連通して複数の円周方向に離間して配置される燃料ポート（１７０）を含み、前記各燃料ポート（１７０）が、前記先端本体（１３２）のそれぞれのチャンネル（１４６）と流体連通し、該各チャンネル（１４６）が前記二次予混合空気通路（１６２）と流体連通している、燃料ノズル（１００）。
【請求項８】
前記複数のチャンネル（１４６）のうちの各チャンネル（１４６）が、「Ｕ字」形状である、請求項７に記載の燃料ノズル（１００）。
【請求項９】
前記複数のチャンネル（１４６）が、前記先端本体（１３２）の上流側面（１３６）と下流側面（１３８）との間で前記先端本体（１３２）の内面（１４４）に沿って螺旋パターンで形成されている、請求項７に記載の燃料ノズル（１００）。
【請求項１０】
前記先端本体（１３２）の内面（１４４）が、前記複数のチャンネル（１４６）のうちの各円周方向に隣接するチャンネル（１４６）間で前記燃料分配先端（１４２）の外面に対してシールを形成する、請求項７に記載の燃料ノズル（１００）。
【請求項１１】
前記ガス専用カートリッジ（１０２）の内側管体（１５８）が、前記ガス専用カートリッジ（１０２）内に空気通路（１６２）を少なくとも部分的に定める、請求項７に記載の燃料ノズル（１００）。
【請求項１２】
前記ガス専用カートリッジ（１０２）の前記燃料分配先端（１４２）が、前記燃料分配先端（１４２）の下流側面（１３８）に沿って配置されるアパーチャ（１７４）を定め、該アパーチャ（１７４）が、前記空気通路（１６２）と流体連通している、請求項１１に記載の燃料ノズル（１００）。
【請求項１３】
前記ガス専用カートリッジ（１０２）のフランジ（１５２）が、少なくとも１つの空気回路（１６８）を少なくとも部分的に定め、該空気回路（１６８）が、前記空気通路（１６２）と流体連通している、請求項１１に記載の燃料ノズル（１００）。
【請求項１４】
前記複数の燃料ポート（１７０）のうちの少なくとも１つの燃料ポート（１７０）が、前記燃料分配先端（１４２）の円周方向に隣接する前記燃料ポート（１７０）から軸方向にオフセットしている、請求項７に記載の燃料ノズル（１００）。
【請求項１５】
前記ガス専用カートリッジ（１０２）のフランジ（１５２）が、ガスタービン燃焼器の端部カバー（４０）の外面に接続されるように形成される、請求項７に記載の燃料ノズル（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、燃焼システム用の燃料ノズルに関する。より詳細には、本開示は、燃焼システムの燃焼室内での燃焼における予混合燃料及びパージガス用のガス専用カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、燃焼システム又は複数の燃焼器にて燃料を燃焼させ、高エネルギーの燃焼ガスを発生させてタービンを通過させ、これによりタービンロータシャフトの回転を引き起こすことによって作動する。ロータシャフトの回転エネルギーは、ロータシャフトに結合された発電機を介して電気エネルギーに変換することができる。各燃焼器は一般に、窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを低く抑える手段として、燃焼ゾーンの上流側で燃料と空気の予混合を可能にする燃料ノズルを含む。
【０００３】
天然ガスのようなガス燃料は、多くの場合、電気を生成するのに使用されるガスタービンエンジンにおいて可燃性流体として利用される。幾つかの事例では、燃焼システムは、燃焼機械設備に対する変更なしで、蒸留油のような液体燃料を燃焼できることが望ましいことがある。ガス燃料及び液体燃料の両方の適応性を備えた構成は、「二系統燃料」燃焼システムと呼ばれる。典型的な構成において、液体燃料の噴射は、ガス予混合燃料ノズルの中央に取り付けられたカートリッジを通じて提供される。
【０００４】
ガスタービンのオペレータにガス専用運転と二系統燃料運転を切り替える能力を提供するため、従来の燃料ノズルには、液体燃料カートリッジと容易に置き換えることができるブランク又はダミーカートリッジを設置することができる。ガス専用運転で使用されるこれらのブランクカートリッジは、最終的には液体燃料カートリッジによって占有することができる燃料ノズルの中央のスペースを単に埋めているにすぎない。ブランクカートリッジは通常、燃焼ゾーンに面したカートリッジの先端を冷却するために空気でパージされて、先端を許容可能な温度に保持している。
【０００５】
ガスタービン運転の大部分は、主としてガス燃料の燃焼に頼っており、燃焼システムのガス専用構成を利用している。運転時には、燃焼システムは、ブランクカートリッジの先端部分又はその周辺にパージ流を配向する。このパージ流は一般に、燃焼器を通過する全体の流れのごく一部であるが、パージ流は、燃焼前の燃料／予混合には関与せず、従って、ＮＯｘエミッションの低減には寄与しない。一般に、ガスタービンのＮＯｘエミッションを最低達成可能レベルに抑えることが望ましく、法的規制で要求される場合が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０１６５４３６号明細書
【発明の概要】
【０００７】
幾つかの態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は当該説明から明らかにすることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。
【０００８】
本開示の１つの実施形態は、燃料ノズル用のガス専用カートリッジである。燃料ノズル用のガス専用カートリッジは、ガス燃料を受け取るための複数のアパーチャを定めるフランジを含む。外側管体は、フランジに結合され、該フランジから軸方向外向きに延びる。内側管体は、外側管体内で軸方向に延びて、内側管体と外側管体とが間に燃料通路を定めるようになる。燃料通路は、フランジの複数のアパーチャと流体連通している。燃料分配先端は、ガス専用カートリッジの下流側端部に配置される。燃料分配先端は、燃料分配先端の外面に沿って円周方向に離間して配置され且つ外面の周りに環状に配列された複数の燃料ポートを定める。燃料ポートは、燃料通路と流体連通している。
【０００９】
本開示の別の実施形態は、燃料ノズルである。燃料ノズルは、中央本体と、該中央本体の下流側端部に配置された先端本体と、を含む。先端本体が、先端本体を通って軸方向に延びる開口を定め、開口内で先端本体の内面に沿って円周方向に離間して配置及び位置付けられた複数のチャンネルを含む。各チャンネルは、先端本体の上流側面及び下流側面を通る流路を定める。ガス専用カートリッジは、中央本体内に軸方向に延びる。ガス専用カートリッジは、外側管体と、該外側管体内に軸方向に延びる内側管体と、間に半径方向に定められる燃料通路とを含む。外側管体及び中央本体が、間に二次予混合空気通路を定める。ガス専用カートリッジが更に、先端本体の開口を少なくとも部分的に通って延びる燃料分配先端を備える。燃料分配先端が、燃料通路と流体連通して複数の円周方向に離間して配置される燃料ポートを含む。各燃料ポートが、先端本体のそれぞれのチャンネルと流体連通し、該各チャンネルが二次予混合空気通路と流体連通している。
【００１０】
別の実施形態は、外側ケーシングに結合された端部カバーと、該端部カバーの一方の面に結合されたベース部分を有する燃料ノズルと、を備える燃焼器である。燃料ノズルが、ベース部分に結合され且つ同軸上に整列された中央本体を含む。先端本体が、中央本体の下流側端部に配置される。先端本体が、先端本体を通って軸方向に延びる開口を定め、開口内で先端本体の内面に沿って円周方向に離間して配置及び位置付けられた複数のチャンネルを含む。各チャンネルが、先端本体の上流側面及び下流側面を通る流路を定める。ガス専用カートリッジは、中央本体内に軸方向に延びる。ガス専用カートリッジが、外側管体と、該外側管体内に軸方向に延びる内側管体と、間に定められる燃料通路とを有する。外側管体及び中央本体が、間に二次予混合空気通路を定める。ガス専用カートリッジが更に、先端本体の開口を少なくとも部分的に通って延びる燃料分配先端を備える。燃料分配先端が燃料通路と流体連通して複数の円周方向に離間して配置される燃料ポートを含む。各燃料ポートが、先端本体のそれぞれのチャンネルと流体連通し、該各チャンネルが二次予混合空気通路と流体連通している。
【００１１】
当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。
【００１２】
添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む種々の実施形態の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示の種々の実施形態を含むことができる例示的なガスタービンの機能ブロック図。
【図２】本開示の種々の実施形態を含むことができる例示的な燃焼器の簡易側断面図。
【図３】本開示の種々の実施形態を含むことができる例示的な燃料ノズルの側断面図。
【図４】本開示の少なくとも１つの実施形態による、図３に示す燃料ノズルの先端本体の拡大等角図。
【図５】本開示の少なくとも１つの実施形態による、図３に示す燃料ノズルの一部の拡大等角図。
【図６】本開示の少なくとも１つの実施形態による、ガス専用カートリッジの斜視側面図。
【図７】本開示の少なくとも１つの実施形態による、燃料ノズルの一部と燃焼器の端部カバーに装着されたガス専用カートリッジの拡大側断面図。
【図８】本開示の少なくとも１つの実施形態による、図３に示す燃料ノズルの流れの概略図。
【図９】図８に示す燃料ノズルの一部の流れ概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本開示の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本開示の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を使用している。
【００１５】
本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。用語「半径方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対方向を指し、用語「軸方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行な及び／又は同軸に整列された相対方向を指す。
【００１６】
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、限定を意図するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。
【００１７】
各実施例は、説明の目的で提供され、限定ではない。実際に、その範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態に対して使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本開示は、そのような修正及び変形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。本発明の例示的な実施形態は、例示の目的で陸上ベースの発電用ガスタービンの燃料ノズルに関して全体に説明しているが、本開示の実施形態は、請求項に特に記載のない限り、陸上ベースの発電用ガスタービンの燃焼器又は燃焼システムに限定されず、ターボ機械用のあらゆる形式又はタイプにも適用できることは、当業者には容易に理解されるであろう。
【００１８】
次に図面を参照すると、図１は、例示的なガスタービン１０の概略図を示す。ガスタービン１０は、一般に、吸入セクション１２と、吸入セクション１２の下流側に配置された圧縮機１４と、圧縮機１４の下流側に配置された少なくとも１つの燃焼器１８を含む燃焼システム１６と、燃焼器１８の下流側に配置されたタービン２０と、タービン２０８の下流側に配置された排気セクション２２と、を含む。加えて、ガスタービン１０は、圧縮機１４をタービン１８に結合する１又はそれ以上のシャフト２２を含むことができる。
【００１９】
作動中、空気２６は、吸入セクション１２を通って圧縮機１４に流入し、ここで空気２６が漸次的に圧縮され、結果として燃焼器１８に圧縮空気２６を提供する。燃料供給源３２からの燃料３０は、燃焼器１８に噴射され、圧縮された空気２８の一部と混合されて燃焼し、燃焼ガス３４を生成する。燃焼ガス３４は、燃焼器１８からタービン２０に流れ、ここでエネルギー（運動及び／又は熱）が燃焼ガス３４からロータブレード（図示せず）に伝達され、結果としてシャフト２４の回転を引き起こすようになる。その結果、機械的回転エネルギーは、圧縮機１４に動力を供給するため、及び／又は電力を発生させるためなどの様々な目的に用いることができる。次に、タービン２０から出た燃焼ガス３４は、排気セクション２２を介してガスタービン１０から排出することができる。
【００２０】
図２に示すように、燃焼器１８は、圧縮機吐出ケーシングのような外側ケーシング３６を少なくとも部分的に囲むことができる。外側ケーシング３６は、燃焼器１６の種々の構成要素を少なくとも部分的に囲む高圧プレナム３８を少なくとも部分的に定めることができる。高圧プレナム３８は、そこから圧縮空気２８を受け入れるように圧縮機１６（図１）と流体連通することができる。端部カバー４０は、外側ケーシング３６に結合することができる。特定の実施形態において、外側ケーシング３６及び端部カバー４０は、燃焼器１８のヘッド端部容積又は部分４２を少なくとも部分的に定めることができる。特定の実施形態において、ヘッド端部部分４２は、高圧プレナム３８及び／又は圧縮機１４と流体連通している。１又はそれ以上のライナ又はダクト４４は、燃料−空気混合気を燃焼させるための燃焼室又はゾーンを少なくとも部分的に定めることができ、及び／又は燃焼ガス３４をタービン２０への入口に向けて配向するため、燃焼器を通る高温ガス経路４８を少なくとも部分的に定めることができる。
【００２１】
種々の実施形態において、図２に示すように、燃焼器１８は、端部カバー４０に結合され、燃焼室４６に向けて延びる１又はそれ以上の燃料ノズル１００を含む。燃焼器１８の種々の実施形態は、異なる数及び構成の燃料ノズル１００を含むことができ、請求項に別途記載のない限り、何れかの特定の数の燃料ノズルに限定されない。例えば、特定の実施形態において、１又はそれ以上の燃料ノズル１００は、中央燃料ノズルの周りに環状に配置された複数の燃料ノズルを含むことができる。
【００２２】
図３は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、ガス専用カートリッジ１０２を有する例示的な燃料ノズル１００を示す。少なくとも１つの実施形態において、燃料ノズル１００は、ベース部分１０４、環状又は管体形状を有する中央本体１０６、中央本体１０６の少なくとも一部の周りで円周方向に延びる外側スリーブ又はバーナー管体１０８、及び中央本体１０６と外側スリーブ１０８との間に延びる複数の転回ベーン１１０を含む。転回ベーン１１０は、中央本体１０６と外側スリーブ１０８との間に定められる一次予混合空気通路１１２内に配置される。中央本体１０６は、燃料ノズル１００の長手方向軸線又は軸方向中心線に沿ってベース部分１０４と同軸上に整列した１又はそれ以上のスリーブ又は管体１１４から形成される。
【００２３】
外側スリーブ１０８の上流側端部１１６は、一次予混合空気通路１１２への入口１１８を少なくとも部分的に定めることができ、外側スリーブ１０８の下流側末端部分１２０は、一次予混合空気通路１１２の出口１２２を少なくとも部分的に定めることができる。少なくとも１つの実施形態において、入口１１８は、燃焼器１８のヘッド端部４２（図２）と流体連通している。ベース部分１０４は、機械的ファスナー又は他の接続手段により端部カバー４０の内面に接続することができる。特定の実施形態において、ベース部分１０４、中央本体１０６及び外側スリーブ１０８は、燃料ノズル１００の長手方向軸線に沿って同軸上に整列する。
【００２４】
１つの実施形態において、内側スリーブ１２４は、ベース部分１０４及び／又は中央本体１０６内で軸方向に延びることができ、ガス専用カートリッジ１０２の一部を少なくとも部分的に囲むことができる。内側スリーブ１２４は、転回ベーン１１０の１又はそれ以上に沿って配置／定められた複数の燃料ポート１２８に燃料を提供するための燃料回路又は通路１２６を少なくとも部分的に定めることができる。燃料回路１２６は、端部カバー４０に定められた１又はそれ以上の燃料回路１３０と流体連通することができる。燃料ポート１２８は、一次予混合空気通路１１２と流体連通している。１つの実施形態において、燃料回路１２６は、ガス専用カートリッジ１０２の一部と内側スリーブ１２４との間に少なくとも部分的に定めることができる。
【００２５】
種々の実施形態において、先端本体１３２は、中央本体１０６の下流側端部１３４に配置され、及び／又は該下流側端部１３４を定める。図４は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、先端本体１３２の等角図を示す。図５は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、先端本体１３２を含む中央本体１０６の一部とガス専用カートリッジ１０２の一部を含む、燃料ノズル１００の一部の斜視断面図を示す。図４及び５に示すように、先端本体１３２は、下流側側部又は面１３８から軸方向に離間して配置された上流側側部又は面１３６を含む。先端本体１３２は、上流側面１３６及び下流側面１３８を通って延びる開口１４０（図４）を定める。図５に示すように、開口１４０は、ガス専用カートリッジ１０２の燃料分配先端１４２が少なくとも部分的に通って延びることができるようなサイズにすることができる。
【００２６】
種々の実施形態において、図４に示すように、先端本体１３２の内面１４４は、開口１４０の周りに環状に配列された複数のスロット、溝又はチャンネル１４６を含む及び／又は定める。特定の実施形態において、各チャンネル１４６は、先端本体１３２の上流側面１３６及び下流側面１３８を通って延び、先端本体１３２を通るそれぞれの流路を定める。チャンネル１４６は、何らかの断面形状を有することができ、チャンネル１４６の特定の断面形状は、請求項に別途記載のない限り、特定の断面形状に限定されない。
【００２７】
チャンネル１４６は、同じ断面形状を有してよく、又は異なる断面形状を有してもよい。１つの実施形態において、図４及び５に示すように、チャンネル１４６の１又はそれ以上は、実質的に「Ｕ字」断面形状を有することができる。他の断面形状は、各チャンネル１４６の壁が垂直面を超えてカートリッジと接触又は係合する「Ｃ字」又は馬蹄形状を含むことができる。特定の実施形態において、図５の破線で示すように、チャンネル１４６の１又はそれ以上は、燃料ノズル１００の軸方向中心線に対して角度を付けることができる。１つの実施形態において、チャンネル１４６は、螺旋パターンのように配向されて、チャンネル１４６を通って流れる空気及び／又は燃料空気混合気に対して角度スワールを与えるようにすることができる。１つの実施形態において、チャンネル１４６の１又はそれ以上は、燃料空気混合気の流れを軸方向中心線から外側スリーブ１０８に向けて半径方向外向きに配向するような向きにすることができる。少なくとも１つの実施形態において、先端本体１３２は、破線１４７で示され、チャンネル１４６の周りに環状に又はチャンネル１４６から半径方向外向きに配列された複数の円周方向に離間して配置された冷却通路を含む及び／又は定めることができる。冷却通路１４７は、先端本体１３２の上流側面１３６及び下流側面１３８を通じて流体連通を提供することができる。
【００２８】
図６は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、ガス専用カートリッジ１０２の斜視側面図を示す。少なくとも１つの実施形態において、図６に示すように、ガス専用カートリッジ１０２は、外側管体１４８を含む。外側管体１４８は、ベースフランジ１５２に結合された第１の端部１５０と、燃料分配先端１４２に接続され及び／又は燃料分配先端１４２を少なくとも部分的に定める第２の端部１５４とを含むことができる。図３に示すように、ベースフランジ１５２は、端部カバー４０の外面に接続されるように形成することができ、外側管体１４８は、ベースフランジ１５２から端部カバー４０を通って延びることができる。図３に示すように、燃料ノズル１００に設置されたときに、ガス専用カートリッジ１０２の外側管体１４８及び中央本体１０６は、これらの間に二次予混合空気通路１５６を少なくとも部分的に定める。
【００２９】
図３及び５に示すように、ガス専用カートリッジ１０２は更に、外側管体１４８内で軸方向に延びる内側管体１５８を含む。外側管体１４８は、内側管体１５８から半径方向に離間して配置され、これらの間に燃料通路１６０を定めるようにする。特定の実施形態において、外側管体１４８は、ガス専用カートリッジ１０２内に空気通路１６２を定める。
【００３０】
図７は、少なくとも１つの実施形態による、ベースフランジ１５２の一部と端部カバー４０の一部を含む、図３に示すようなガス専用カートリッジ１０２の一部の拡大側断面図を示す。図７に示すように、ベースフランジ１５２及び／又は端部カバー４０は、ガス専用カートリッジ１０２の燃料通路１６０にガス燃料を提供するための燃料回路１６４を少なくとも部分的に定めることができる。特定の実施形態において、図６及び７に示すように、ベースフランジ１５２は、燃料回路１６４と燃料通路１６０との間の流体連通を提供する複数の円周方向に離間したアパーチャ１６６を定めることができる。特定の実施形態において、ベースフランジ１５２は、ガス専用カートリッジ１０２の空気通路１６２にパージ又は冷却媒体を提供するための１又はそれ以上の空気回路を定めることができる。
【００３１】
種々の実施形態において、図５及び６に示すように、燃料分配先端１４２は、該燃料分配先端１４２の周りに円周方向に離間して配置される複数の燃料ポート１７０を含む及び／又は定める。燃料ポート１７０は、燃料通路１６０と、チャンネル１４６の１又はそれ以上との間に流体連通を提供する。１つの実施形態において、燃料分配先端１４２の外面１７２及び先端本体１３２の内面１４４は、これらの間に複数のシールを形成し、各チャンネル１４６を円周方向に隣接するチャンネル１４６から少なくとも部分的に流体分離するようにする。
【００３２】
種々の実施形態において、図５に示すように、各燃料ポート１７０は、１つの対応するチャンネル１４６と整列され及び／又は流体連通している。特定の実施形態において、燃料ポート１７０の１又はそれ以上は、ガス燃料の流れがチャンネル１４６を流れる圧縮空気の流れに実質的に垂直な方向で燃料分配先端１４２の外面１７２から各それぞれのチャンネル１４６内に半径方向外向きに配向されるような向きにすることができる。特定の実施形態において、燃料ポート１７０の１又はそれ以上は、燃料ノズル１００の軸方向中心線に対して角度を付けることができる。例えば、燃料ポート１７０の１又はそれ以上は、先端本体１３２の上流側面１３６に又は向かって角度を付けることができる。加えて又は代替として、特定の実施形態において、燃料ポート１７０の１又はそれ以上は、先端本体１３２の下流側面１３８に向けて角度を付けることができる。１つの実施形態において、図６に示すように、少なくとも１つの燃料ポート１７０は、ガス専用カートリッジ１０２の軸方向中心線に対して円周方向に隣接する燃料ポート１７０から軸方向にオフセットされる。
【００３３】
１つの実施形態において、図５及び６に示すように、燃料分配先端１４２は、空気通路１６２から燃料分配先端１４２を通じて流体連通を提供する少なくとも１つのアパーチャ１７４を含む及び／又は定める。アパーチャ１７４は、一般に、燃料分配先端１４２の下流側面１７６を通って延びる。
【００３４】
図８は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、図３に示す燃料ノズル１００の流れの概略図である。図９は、中央本体１０６の一部、先端本体１３２及びガス専用カートリッジ１０２の一部を含む、図８に示す燃料ノズル１００の一部の拡大側断面図を示す。燃料ノズル１００の予混合動作の際には、図８に概略的に示されるように、圧縮機１４（図１）からの圧縮空気２８などの圧縮空気の第１の部分２００は、一次予混合空気通路１１２の入口１１８に流入する。転回ベーン１１０は、圧縮空気の第１の部分２００に角度スワールを与える。ガス燃料２０２は、ベース部分１０４に流入し、転回ベーン１１０に送られ、ここで複数の燃料ポート１２８を介して圧縮空気の第１の部分２００に噴射され、これにより転回ベーン１１０から下流側で一次燃料空気混合気を生成する。一次燃料空気混合気２０４は、外側スリーブ１０８から出口１２２を介して燃焼室又はゾーン４５（図２）に流れる。
【００３５】
圧縮空気の第２の部分２０６は、二次予混合空気通路１５６に送ることができる。特定の実施形態において、圧縮空気の第２の部分２０６は、一次予混合空気通路１１２から、中央本体１０６に及び／又は中央本体１０６によって定められた１又はそれ以上の通路もしくは孔を通り、二次予混合空気通路１５６に送られる。次いで、図８及び９に示されるように、圧縮空気の第２の部分２０６は、先端本体１３２のチャンネル１４６の各々に送られる。ガス燃料２０８は、燃料回路１６４（図８）から、アパーチャ１６６を介してガス専用カートリッジ１０２の燃料通路１６０に流入する。
【００３６】
図９に示すように、ガス燃料２０８は、燃料ポート１７０を介してそれぞれのチャンネル１４６の各々に流入する。各それぞれのチャンネル１４６における圧縮空気の第２の部分２０６は、ガス燃料２０８と混合して、燃焼室４６に二次燃料空気混合気２１０を提供するようになる。
【００３７】
特定の実施形態において、圧縮空気などのパージ又は冷却媒体２１２は、空気通路１６２に入って流れる。パージ媒体２１２は、アパーチャ１７４又は複数のアパーチャ１７４を介して空気通路１６２から流出し、これによりガス専用カートリッジ１０２の燃料分配先端１４２の下流側面を冷却する。特定の実施形態において、圧縮空気の第２の部分２０６の一部は、冷却通路１４７（図５）を通って送られ、これにより先端本体１３２の下流側面１３８に冷却を提供することができる。
【００３８】
本明細書で記載される燃料ノズル１００、詳細にはガス専用カートリッジ１０２は、既存の二系統燃料型燃料ノズル１００に優る様々な技術的利点を提供する。ガス専用カートリッジ１０２は、既存のブランク又はパージ空気専用カートリッジの代わりに予混合燃料噴射設計に置き換える。本明細書で記載されるガス専用カートリッジ１０２は、ガス燃料２０８と空気２０６を予混合し、これにより耐久性を犠牲にすることなくエミッション出力が改善される。加えて、ガス専用カートリッジ１０２によって提供される別個の燃料／空気予混合は、火炎の安定性を向上させ、リーン（希薄）ブローアウト傾向の軽減及びダイナミックスとしても知られる燃焼熱音響不安定性の低減による安定性を改善することができる。本明細書で記載されるガス専用カートリッジ１０２は、先端本体１３２の十分な冷却を維持し、最小限の変更で既存の燃焼器に組み込むことができ、また、ガス専用カートリッジ１０２を取り外して液体カートリッジと置き換えることができるという点で、二系統燃料用途と適合性がある。
【００３９】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を含む場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【００４０】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
燃料ノズル用のガス専用カートリッジであって、
ガス燃料を受け取るための複数のアパーチャを定めるフランジと、
上記フランジに結合され、該フランジから軸方向外向きに延びる外側管体と、
上記外側管体内で軸方向に延び、上記外側管体との間に燃料通路を定めて、該燃料通路が上記フランジの複数のアパーチャと流体連通している、内側管体と、
上記ガス専用カートリッジの下流側端部に配置された燃料分配先端と、
を備え、
上記燃料分配先端が、上記燃料分配先端の外面に沿って円周方向に離間して配置され且つ上記外面の周りに環状に配列された複数の燃料ポートを定め、上記燃料ポートが上記燃料通路と流体連通している、ガス専用カートリッジ。
［実施態様２］
上記内側管体が、上記ガス専用カートリッジ内に空気通路を少なくとも部分的に定める、実施態様１に記載のガス専用カートリッジ。
［実施態様３］
上記燃料分配先端が、該燃料分配先端の下流側面に沿って配置されたアパーチャを定め、該アパーチャが、上記空気通路と流体連通している、実施態様２に記載のガス専用カートリッジ。
［実施態様４］
上記フランジが、少なくとも１つの空気回路を少なくとも部分的に定め、該空気回路が、上記空気通路と流体連通している、実施態様２に記載のガス専用カートリッジ。
［実施態様５］
上記複数の燃料ポートのうちの少なくとも１つの燃料ポートが、円周方向に隣接する上記燃料ポートから軸方向にオフセットしている、実施態様１に記載のガス専用カートリッジ。
［実施態様６］
上記フランジが、ガスタービン燃焼器の端部カバーの外面に接続されるように形成される、実施態様１に記載のガス専用カートリッジ。
［実施態様７］
燃料ノズルであって、
中央本体と、
上記中央本体の下流側端部に配置された先端本体と、
を備え、
上記先端本体が、上記先端本体を通って軸方向に延びる開口を定め、上記開口内で上記先端本体の内面に沿って円周方向に離間して配置及び位置付けられた複数のチャンネルを含み、上記各チャンネルが、上記先端本体の上流側面及び下流側面を通る流路を定め、
上記燃料ノズルが更に、上記中央本体内に軸方向に延びるガス専用カートリッジを備え、
上記ガス専用カートリッジが、外側管体と、該外側管体内に軸方向に延びる内側管体と、間に定められる燃料通路とを有し、上記外側管体及び上記中央本体が、間に二次予混合空気通路を定め、
上記ガス専用カートリッジが更に、上記先端本体の開口を少なくとも部分的に通って延びる燃料分配先端を備え、
上記燃料分配先端が上記燃料通路と流体連通して複数の円周方向に離間して配置される燃料ポートを含み、上記各燃料ポートが、上記先端本体のそれぞれのチャンネルと流体連通し、該各チャンネルが上記二次予混合空気通路と流体連通している、燃料ノズル。
［実施態様８］
上記複数のチャンネルのうちの各チャンネルが、「Ｕ字」形状である、実施態様７に記載の燃料ノズル。
［実施態様９］
上記複数のチャンネルが、上記先端本体の上流側面と下流側面との間で上記先端本体の内面に沿って螺旋パターンで形成されている、実施態様７に記載の燃料ノズル。
［実施態様１０］
上記先端本体の内面が、上記複数のチャンネルのうちの各円周方向に隣接するチャンネル間で上記燃料分配先端の外面に対してシールを形成する、実施態様７に記載の燃料ノズル。
［実施態様１１］
上記ガス専用カートリッジの内側管体が、上記ガス専用カートリッジ内に空気通路を少なくとも部分的に定める、実施態様７に記載の燃料ノズル。
［実施態様１２］
上記ガス専用カートリッジの燃料分配先端が、該燃料分配先端の下流側面に沿って配置されたアパーチャを定め、該アパーチャが上記空気通路と流体連通している、実施態様１１に記載の燃料ノズル。
［実施態様１３］
上記ガス専用カートリッジのフランジが、少なくとも１つの空気回路を少なくとも部分的に定め、該空気回路が、上記空気通路と流体連通している、実施態様１１に記載の燃料ノズル。
［実施態様１４］
上記燃料分配先端の複数の燃料ポートのうちの少なくとも１つの燃料ポートが、上記燃料分配先端の円周方向に離間して配置された燃料ポートから軸方向にオフセットしている、実施態様７に記載の燃料ノズル。
［実施態様１５］
上記ガス専用カートリッジのフランジが、ガスタービン燃焼器の端部カバーの外面に接続されるように形成される、実施態様７に記載の燃料ノズル。
［実施態様１６］
燃焼器であって、
外側ケーシングに結合された端部カバーと、
該端部カバーの一方の面に結合されたベース部分を有する燃料ノズルと、
を備え、上記燃料ノズルが、
上記ベース部分に結合され且つ同軸上に整列された中央本体と、
上記中央本体の下流側端部に配置された先端本体と、
を備え、
上記先端本体が、上記先端本体を通って軸方向に延びる開口を定め、上記開口内で上記先端本体の内面に沿って円周方向に離間して配置及び位置付けられた複数のチャンネルを含み、上記各チャンネルが、上記先端本体の上流側面及び下流側面を通る流路を定め、
上記燃料ノズルが更に、上記中央本体内に軸方向に延びるガス専用カートリッジを備え、
上記ガス専用カートリッジが、外側管体と、該外側管体内に軸方向に延びる内側管体と、間に定められる燃料通路とを有し、上記外側管体及び上記中央本体が、間に二次予混合空気通路を定め、
上記ガス専用カートリッジが更に、上記先端本体の開口を少なくとも部分的に通って延びる燃料分配先端を備え、
上記燃料分配先端が上記燃料通路と流体連通して複数の円周方向に離間して配置される燃料ポートを含み、上記各燃料ポートが、上記先端本体のそれぞれのチャンネルと流体連通し、該各チャンネルが上記二次予混合空気通路と流体連通している、燃焼器。
［実施態様１７］
上記複数のチャンネルが、上記先端本体の上流側面と下流側面との間で上記先端本体の内面に沿って螺旋パターンで形成されている、実施態様７に記載の燃焼器。
［実施態様１８］
上記先端本体の内面が、上記複数のチャンネルのうちの各円周方向に隣接するチャンネル間で上記燃料分配先端の外面に対して複数のシールを形成する、実施態様１６に記載の燃焼器。
［実施態様１９］
上記ガス専用カートリッジの内側管体が、上記ガス専用カートリッジ内に空気通路を少なくとも部分的に定め、上記ガス専用カートリッジの燃料分配先端が、該燃料分配先端の下流側面に沿って配置された少なくとも１つのアパーチャを定め、該アパーチャが上記空気通路と流体連通している、実施態様１６に記載の燃焼器。
［実施態様２０］
上記燃料分配先端の複数の燃料ポートのうちの少なくとも１つの燃料ポートが、上記燃料分配先端の円周方向に離間して配置された燃料ポートから軸方向にオフセットしている、実施態様１６に記載の燃焼器。
【符号の説明】
【００４１】
１０  ガスタービン
１２  吸入セクション
１４  圧縮機
１６  燃焼システム
１８  燃焼器
２０  タービン
２２  排気セクション
２４  シャフト
２６  空気
２８  圧縮空気
３０  燃料
３２  燃料供給源
３４  燃焼ガス
３６  外側ケーシング
３８  高圧プレナム
４０  端部カバー
４２  ヘッド端部部分
４４  燃焼ライナ
４６  燃焼ゾーン
４８  高温ガス経路
１００  燃料ノズル
１０２  ガス専用カートリッジ
１０４  ベース部分
１０６  中央本体
１０８  外側スリーブ
１１０  転回ベーン
１１２  一次予混合空気通路
１１４  管体／スリーブ
１１６  外側スリーブの上流側端部
１１８  一次予混合空気通路の入口
１２０  外側スリーブの下流側末端部分
１２２  一次予混合空気通路の出口
１２４  ベース部分の内側スリーブ
１２６  内側スリーブの燃料回路
１２８  転回ベーンの燃料ポート
１３０  端部カバーの燃料回路
１３２  先端本体
１３４  中央本体の下流側端部
１３６  先端本体の上流側側部又は面
１３８  先端本体の下流側側部又は面
１４０  先端本体の開口
１４２  燃料分配先端
１４４  先端本体の内面
１４６  先端本体の溝／スロット／チャンネル
１４７  先端本体の冷却通路
１４８  ガス専用カートリッジの外側管体
１５０  ガス専用カートリッジの外側管体の第１の端部
１５２  ガス専用カートリッジのフランジ
１５４  ガス専用カートリッジの外側管体の第２の端部
１５６  ガス専用カートリッジの二次予混合空気通路
１５８  ガス専用カートリッジの内側管体
１６０  ガス専用カートリッジの燃料通路
１６２  ガス専用カートリッジの空気通路
１６４  フランジ／端部カバーの燃料回路
１６６  ガス専用カートリッジのフランジのアパーチャ
１６８  ガス専用カートリッジのフランジの空気回路
１７０  ガス専用カートリッジの燃料分配先端の燃料ポート
１７２  ガス専用カートリッジの燃料分配先端の外面
１７４  ガス専用カートリッジの燃料分配先端のアパーチャ
１７６  ガス専用カートリッジの燃料分配先端の下流側面
２００  圧縮空気の第１の部分
２０２  ガス燃料
２０４  一次燃料空気混合気
２０６  圧縮空気の第２の部分
２０８  ガス燃料
２１０  二次燃料空気混合気
２１２  パージ媒体
【図１】
2017146087.tif 000003
【図２】
2017146087.tif 000004
【図３】
2017146087.tif 000005
【図４】
2017146087.tif 000006
【図５】
2017146087.tif 000007
【図６】
2017146087.tif 000008
【図７】
2017146087.tif 000009
【図８】
2017146087.tif 000010
【図９】
2017146087.tif 000011
【外国語明細書】
2017146087000001.pdf