(57)【要約】【課題】ガスタービンの燃焼器（１８）用の燃料ノズルアセンブリ（３４）を提供する。【解決手段】本燃料ノズルアセンブリ（３４）は、燃焼器の燃焼セクション（３０）に近接した前部（４６）及びノズル本体を貫通する燃料通路（６８）を画成する内管（６９）を有するノズル本体（４０）と、内管の周囲の外側ケーシングであって内管との間に空気通路（７６）を画成する外側ケーシング（７８）と、空気通路内に配置されかつノズル本体の前部の近傍に出口（６６）を有し、燃焼器でフラッシュバック状態が起きた後だけに膨張可能な導管を通して燃料が流れ始めるガス導管（５６）と、燃焼器の予混合域に燃料を吐出する予混合燃料通路（７０，７１）及びポート（６１，６２）とを含み、ガス導管は、予混合燃料通路への入口開口を有する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの燃焼器（１８）用の燃料ノズルアセンブリ（３４）であって、
燃焼器の燃焼セクション（３０）に近接した前部（４６）及びノズル本体を貫通する燃料通路（６８）を画成する内管（６９）を有するノズル本体（４０）と、
内管の周囲の外側ケーシングであって内管との間に空気通路（７６）を画成する外側ケーシング（７８）と、
空気通路内に配置されたガス導管（５６）であって、ノズル本体の前部の近傍に出口（６６）を有し、燃焼器でフラッシュバック状態が起きた後だけに膨張可能な導管を通して燃料が流れ始めるガス導管（５６）と、
燃焼器の予混合域に燃料を吐出する予混合燃料通路（７０，７１）及びポート（６１，６２）と
を含んでおり、上記ガス導管が予混合燃料通路への入口開口を有する、燃料ノズルアセンブリ（３４）。
【請求項２】
前記導管（５６）が空気通路の長さ方向に膨張する、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項３】
前記導管（５６）が螺旋形状を有する、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項４】
前記導管（５６）が複数の膨張可能な導管であり、前記予混合燃料通路が複数の通路であって、膨張可能な導管の第１のものが予混合燃料通路（７１）の第１のものへの入口開口を有し、膨張可能な導管の第２のものが予混合燃料通路（７０）の第２のものへの入口開口を有する、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項５】
前記導管（５６）が空気通路の容積の半分未満を占める、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項６】
前記外側ケーシングが、導管の出口を含む円筒形本体の出口に近接して脆弱領域（８０）を有し、フラッシュバック状態によって脆弱領域が溶落ちする、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項７】
ガスタービンの燃焼器（１８）でのフラッシュバック状態を消炎させる方法であって、
燃焼器の燃料噴射装置アセンブリ（３４）から予混合チャンバ（３２）に燃料及び加圧空気を噴射するステップであって、該噴射燃料と加圧空気は通常は予混合チャンバ内では燃焼しないステップと、
燃焼器における予混合チャンバの下流の燃焼チャンバ（３０）内で燃料と加圧空気を燃焼させるステップと、
燃料噴射装置のノズル本体（７８）を貫通して延びる空気通路（７６）を通して該噴射装置アセンブリの前部（４６）から燃焼チャンバに空気を供給するステップと、
噴射装置アセンブリの前部に出口を有する燃料通路（６８）から燃焼チャンバに燃料を噴射するステップと、
燃料噴射装置アセンブリ近傍でのフラッシュバック状態に応答して導管（５６）の出口を開口し、該出口が噴射装置アセンブリの前部に近接しかつ導管が空気通路を通して延在するステップと、
出口を開口させることによって予混合チャンバから導管に燃料を迂回させるステップと、
燃料を迂回させることによってフラッシュバック状態の火炎を消炎するステップと
を含む方法。
【請求項８】
温度条件に応答して導管（５６）の軸方向長さを膨張させるステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
導管（５６）が螺旋形状を有し、かつ燃料通路の周囲に巻かれている、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
空気通路（７８）からの空気が燃料ノズルアセンブリの前部のノズルを通して吐出され、空気カーテンを形成する、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼システムに関し、具体的には、燃焼火炎フラッシュバック又は保炎時の燃焼器損傷を最小にする燃料ノズル設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン燃焼器は、大量の燃料と加圧空気を混合して得られた混合気を燃焼させる。産業用ガスタービン用の従来の燃焼器は一般に環状配列の円筒形燃焼「カン」を含み、その中で空気と燃料を混合して燃焼が起こる。軸流圧縮機からの加圧空気は、燃焼器に流れる。燃料は各カン内に延びる燃料ノズルアセンブリを通して噴射される。燃料と空気の混合気は各カンの燃焼チャンバ内で燃焼する。燃焼ガスは、各カンからタービンへと導通するダクト内に吐出される。
【０００３】
低エミッション用として設計された燃焼カンは、予混合チャンバ及び燃焼チャンバを備える。各燃焼カンにおける燃料ノズルアセンブリは、カンのチャンバ内に燃料と空気を噴射することができる。ノズルアセンブリからの燃料の一部はカンの予混合チャンバ内に吐出され、そこで、燃料に空気が追加され予混合される。予混合チャンバ内で空気と燃料を予混合することによって、各カンの燃焼チャンバ内での急速で効率的な燃焼が促進され、燃焼による低エミッションが促進される。空気と燃料の混合気は、予混合チャンバから下流方向に燃焼チャンバに流れ、燃焼チャンバは、燃焼を支持し、ある条件下では燃料ノズルアセンブリの前部から吐出される追加燃料を受ける。この追加燃料は、低出力運転のための火炎を安定させる手段となり、高出力状態時には完全に遮断することができる。
【０００４】
フラッシュバック又は保炎状態は、予混合チャンバを有する燃焼カンで発生するおそれがある。予混合チャンバは、燃焼を支持することを意図したものではない。フラッシュバックは、下流の燃焼チャンバから予混合チャンバに火炎が伝播した時に発生し、一般に瞬間的な過渡状態によって引き起こされる。保炎は、火花又は圧縮機から排出された高温異物などの外因によって予混合域で火炎が生じ、次いで、予混合チャンバ内に燃料を吐出する燃料ノズルアセンブリ部分のすぐ下流の再循環域又は弱境界層域で火炎が安定化したときに起こる。フラッシュバック又は保炎に起因する損傷は、燃焼熱に付されることを意図していない燃焼器部品の焼損を含むことがある。これら燃焼器部品の焼損により生じた損傷は、部品の故障及び破損を招きかねない。燃焼器の破損断片が燃焼ガス流に流れた場合には、これらの破損断片は、潜在的に例えばガスタービンにおけるタービンのような高温ガス通路を損傷させるおそれがある。
【０００５】
燃料ノズルアセンブリのヒューズは、予混合チャンバ用の燃料ノズルから燃料を逸らすことによって保炎を防止する。燃料を予混合チャンバから逸らすことによって、異常火炎が消滅し予混合チャンバ内でのそれ以上の燃焼が防止される。しかし、米国特許第５６８５１３９号に開示されているような従来のヒューズ設計は、あらゆる形式の燃料ノズルアセンブリに適してはいない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５６８５１３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、ヒューズの新規設計に対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
今回、ガスタービンの燃焼器用の燃料ノズルアセンブリを開発したが、本燃料ノズルアセンブリは、ノズル本体を貫通する燃料通路を画成する内管及び前部を有するノズル本体と、内管の周囲の外側ケーシングであって内管との間に空気通路を画成する外管と、外管の脆弱領域であってフラッシュバックの際に溶落ちて予混合燃料の一部が噴射装置を迂回して該脆弱領域から吐出するようにする脆弱領域と、空気通路内に配置され脆弱領域の近傍に出口を有する膨張可能な導管であって、外管の脆弱領域が溶落ちて燃料流が導管から脆弱領域を通ってかつノズル本体の前部に向かって吐出されるときに、燃料が流れる膨張可能な導管と、ノズル本体に取付けられたカラーであって予混合燃料通路と該カラーから燃料を吐出するポートを有するカラーとを含んでおり、膨張可能な導管は予混合燃料通路への入口開口を有している。
【０００９】
今回、ガスタービンの燃焼器内におけるフラッシュバック状態を消炎させる方法も開発したが、本方法は、燃焼器の燃料噴射装置アセンブリから予混合チャンバに燃料及び加圧空気を噴射するステップであって、該噴射燃料と加圧空気は通常は予混合チャンバ内では燃焼しないステップと、燃焼器における予混合チャンバの下流の燃焼チャンバ内で燃料と加圧空気を燃焼させるステップと、燃料噴射装置のノズル本体を貫通する空気通路を通して該噴射装置アセンブリの前部から燃焼チャンバに空気を供給するステップと、噴射装置アセンブリの前部に出口を有する燃料通路から燃焼チャンバに燃料を噴射するステップと、燃料噴射装置アセンブリ近傍でのフラッシュバック状態に応答して導管の出口を開口し、該出口が噴射装置アセンブリの前部に近接しかつ該導管が空気通路を通して延在するステップと、出口を開口させることによって予混合チャンバから導管に燃料を迂回させるステップと、燃料を迂回させることによってフラッシュバック状態の火炎を消炎するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガスタービンの従来の燃焼カンを部分断面で示す側面図。
【図２】燃料ノズルアセンブリの斜視図。
【図３】燃料ノズルアセンブリの燃料ノズル本体内に組込まれたヒューズアセンブリの斜視図。
【図４】燃料ノズルアセンブリの後部カラー内でのヒューズアセンブリの側面断面図。
【図５】ノズル本体の前部部分の側面断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、ガスタービン１２の従来の燃焼器１０を部分断面側面図であり、ガスタービン１２は、圧縮機１３（圧縮機ケーシング１４で代表される）と、単一タービン動翼１６で代表されるタービンセクション１５とを含む。燃焼器は、圧縮機ケーシング１４の周りに配置された環状配列の燃焼カン１８を含む。圧縮機１３はタービンによって駆動され、タービンは共通軸線に沿って圧縮機と駆動連結されている。
【００１２】
圧縮機からの加圧空気は、燃焼器１０の各燃焼カン１８に流入し、燃焼カンの円筒形スリーブ２２と円筒形内側ライナ２４との間に画成された環状ダクト２０を流れる（空気矢印１９を参照）。加圧空気はダクト２０内を、カン内で形成される燃焼ガスの流れ（燃焼ガス矢印２８を参照）とは逆方向に、カンのエンドカバーアセンブリ２６に向かって流れる。空気は、ライナ２４の様々な開口を通して、また燃料ノズルアセンブリ３４内の予混合器入口２５を通して各カンの燃焼チャンバ３０及び予混合チャンバ３２に流入する。
【００１３】
燃料と空気の混合気は、カンの前部に配置されかつエンドカバーに取付けられた燃料ノズルアセンブリ３４によって予混合チャンバ３２及び燃焼チャンバに供給される。燃料と加圧空気は、予混合チャンバ内で混合しかつ燃焼チャンバ３０に流れる。混合気は燃焼チャンバ内で燃焼し、得られた燃焼ガスはカンから燃焼ガスをタービン動翼１６に導くトランジションダクト３６に流れる。（燃焼流れ矢印２８を参照）。
【００１４】
各燃焼器カン１８は略円筒形の燃焼ケーシング３８を含んでおり、燃焼ケーシング３８は開放後方端部で圧縮機ケーシング１４に固定されている。燃焼カンの前方端部は、エンドカバーアセンブリ２６によって閉鎖されており、エンドカバーアセンブリ２６は、ガス、液体燃料及び空気（並びに所望に応じて水）を燃焼器カンに供給するための従来の燃料供給管、マニホルド及び付属弁を備えていてもよい。エンドカバーアセンブリ２６は、各カンのための複数の燃料ノズルアセンブリ３４を支持する。例えば、燃料ノズルアセンブリは、中央ノズルアセンブリの周りに円形配列の形態で配置できる。これらのノズルアセンブリは、少なくともヒューズシステムを説明する目的には、同じ構造を有するものとして扱うことができる。
【００１５】
図２は、燃料ノズルアセンブリ３４の斜視図である。燃料ノズルアセンブリ３４は、ノズル本体４０と、後部カラー４２と、燃焼器カンのエンドカバーアセンブリに連結される後部セクション４４とを含む。燃料と空気はエンドカバーアセンブリに供給され、燃料は燃料ノズルアセンブリの後部セクションへと導かれる。後部カラー４２は、予混合空気を燃焼カンの予混合チャンバに供給する環状空気通路４８の外側リングを形成する。環状空気通路４８内には、該通路４８を流れる予混合空気に旋回流を与えるラジアルベーン５０が配置される。ベーン５０は燃料吐出ポート５２（図４参照））を含んでいて、ポート５２を通して燃料が燃料ノズルアセンブリから予混合チャンバ内に吐出され、そこで空気通路４８内を流れる空気と燃料が混合される。ベーン５０には１以上の燃料ガス通路及び燃料吐出ポートを設けてもよい。ノズル本体の前部４６は、燃焼カン内の燃焼器チャンバに燃料を直接送給する前方燃料ポートをむ。
【００１６】
図３は、燃料ノズルアセンブリ（特にカラー及びノズル本体）に組込まれたヒューズアセンブリ５４の斜視図である。ヒューズアセンブリ５４は、後部カラーに取付けられた円筒形後部ヒューズベース５８からノズル本体の前部に取付けられた円筒形前部ヒューズ・ノズルベース６０まで延在する螺旋導管５６の円筒形配列を含んでいる。導管５６は、ベース５８，６０に対してロウ付けすることができる。導管５６はその螺旋形状によって、熱膨張に起因するような軸方向の膨張又は収縮が可能となる。後部ヒューズベース５８は、ヒューズベース５８を後部カラー内に挿入したときにカラー内の１以上の燃料通路と整列する開口６１，６２を含んでいる。開口６１，６２を（図３に示すように）２以上の列に配置することによって、複数の導管５６に、カラー４２内の複数の予混合燃料通路から燃料を受けることが可能になる。開口６１，６２は、ヒューズベース５８及び導管５６内のそれぞれの通路に導通している。
【００１７】
通常は予混合チャンバへと流れる燃料通路からの燃料は、フラッシュバックによってヒューズが活性化されると、後部ヒューズベース５８及び螺旋導管５６を通ってノズルベース６０へと流れる。ヒューズが活性化された後は、螺旋導管５６を流れる燃料は、予混合チャンバから逸れて予混合チャンバでの燃料のそれ以上の燃焼を防止する。
【００１８】
前部ヒューズ・ノズルベース６０の開口６３，６４は、螺旋導管５６からの燃料をノズル本体の前部を通して燃焼チャンバ内に吐出させることができる。開口６３，６４は通常は閉鎖されていて、螺旋導管を通る燃料の流れを防止する。開口が塞がれていないときは、螺旋導管を通る燃料の流れは、予混合チャンバを迂回して、フラッシュバック又は保炎状態を消炎する。前部ヒューズ・ノズルベースは、燃料ノズルの前部から吐出される空気のための空気ノズル６６も含む。吐出された空気は、燃料ノズルの前部４６から流れる燃料の周りに空気カーテンを形成する。
【００１９】
図４は、燃料ノズルアセンブリ、特に燃料ノズルアセンブリの後部カラー４２及び後部セクション４４の側面断面図である。後部ヒューズベース５８は、後部カラー内に取付けられる。円筒形ガス通路６８は、燃料ノズルアセンブリの軸線と整列しかつ該燃料ノズルアセンブリの後部セクション４４、後部カラー４２及びノズル本体４０を貫通する内側管状セクション６９によって画成される。環状ガス通路７０が、内管６９と通路の外壁との間に画成される。燃料は、燃料アセンブリの後部セクション４４から環状燃料ガス通路７０を通って後部カラー４２へと流れる。
【００２０】
流れ矢印７２で示すように、燃料ガスは、ガス通路７０から後部ヒューズベース５８の通路７１を通り、開口６１，６２から後部カラーのラジアルベーン５０へと導かれ、ベーン内の燃料ポート５２から予混合チャンバ内へと流出する。ヒューズが活性化されない限り、ガスは矢印７２で示すように流れる。後部カラー４２を貫通する予混合ガス通路及びベーン５０内の通路を示すために１つの流れ矢印７２を描いた。しかし、後部カラー及びベーンには、１以上の予混合ガス通路を配置できる。予混合ガス通路の各々は、螺旋導管５６の各々と組合せることができる。さらに、予混合ガス通路の各々を、１以上の螺旋導管と組合せてもよい。
【００２１】
ヒューズが活性化されると、ガスは、流れ矢印７４で示すように、通路７０から後部ヒューズベース５８内の通路７１を通って螺旋導管５６へと流れる。導管５６は、通路７０内の燃料の大部分をベーン５０及び燃料通路５２から逸らす流路を与える。
【００２２】
螺旋導管５６は、ガス通路６８の管６９とノズル本体４０の外側管状ケーシング７８との間の環状空気通路７６内に配置される。空気は後部カラー４２のポート７７から流入して空気通路７６へと流れる。空気は通路７６を通り、螺旋導管５６の外面を越えて、前部ヒューズ・ノズルベースへと流れる。導管５６の寸法及び個数は、通路７６を流れる空気が燃料ノズルの前部で必要とされる空気流のカーテンに十分なものとなるようにする。好ましくは、螺旋導管は通路７６の容積の半分未満を占める。
【００２３】
図５は、ノズル本体４０の前部部分の側面断面図である。螺旋導管５６は、ガス通路６８の円筒形内管６９とノズル本体４０の管状ケーシング７８との間に画成される環状空気通路７６内に配置される。導管５６の螺旋形状によって、導管の軸方向膨張が可能となる。前部ヒューズ・ノズルベース６０は、ガス通路６８の壁と管状ケーシング７８との間に嵌装される。
【００２４】
前部ヒューズ・ノズルベース６０内の開口６４は、ケーシング７８の脆弱部８０、例えば比較的薄肉の環状セクションに近接している。脆弱部８０は、ベース６０の開口６４に近接したケーシング壁の厚さの一部を除去するように機械加工したケーシング７８のセグメント環状領域とすることができる。脆弱部８０は、フラッシュバックの際に溶落ちやすい。溶落ちると、開口した脆弱部８０によって、燃料がヒューズ・ノズルベース６０内の開口６４から流出しかつ螺旋導管５６を流れるようになる。螺旋導管を通る燃料の流れは、燃料を予混合チャンバから迂回させ、予混合チャンバ内で発生する火炎を消炎させて、フラッシュバック状態を終わらせる。
【００２５】
ガス通路６８の円筒形内壁は、前部ノズル８４を支持する準円錐形内側スリーブアセンブリ８２内に嵌合した前部端部を有する。内側スリーブアセンブリは、ガス通路の円筒形壁と前部ノズルとの間の熱膨張を可能にする。環状通路７６からの空気は、ガス通路６８の中央燃料吐出ノズルポート８８の前方の周囲に吐出される前に、前部ヒューズ・ノズルベース６０からスワーラーベーン８６を通して流れる。
【００２６】
現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態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、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な改良及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２７】
１０  燃焼器
１２  ガスタービン
１３  圧縮機
１４  圧縮機ケーシング
１５  タービンセクション
１６  タービン動翼
１８  燃焼カン
１９  空気矢印
２０  環状ダクト
２２  円筒形スリーブ
２４  円筒形内側ライナ
２５  予混合器入口
２６  エンドカバーアセンブリ
２８  燃焼ガス矢印
３０  燃焼チャンバ
３２  予混合チャンバ
３４  燃料ノズルアセンブリ
３６  トランジションダクト
３８  燃焼器ケーシング
４０  ノズル本体
４２  後部カラー
４４  後部セクション
４６  前部
４８  空気通路
５０  ラジアルベーン
５２  燃料吐出ポート
５４  ヒューズアセンブリ
５６  螺旋導管
５８  後部ヒューズベース
６０  ノズルベース
６１  開口
６２  開口
６３  開口
６４  開口
６６  空気ノズル
６８  円筒形ガス通路
６９  内側チューブ
７０  環状ガス通路
７１  通路
７２  矢印
７４  流れ矢印
７６  空気通路
７７  ポート
７８  外側管状ケーシング
８０  脆弱部
８２  準円錐形内側スリーブアセンブリ
８４  前部ノズル
８６  スワーラーベーン
８８  中央燃料吐出ノズルポート
【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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【外国語明細書】
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