(57)【要約】【課題】希薄予蒸発予混合式及び乾式低ＮＯｘ燃焼器用の外部装着式液体燃料噴射器のための装置及び方法を提供する。【解決手段】ガスタービン燃焼器（１００）用の燃料噴射スティック（１０）は、燃料チャネル（１８）を形成しかつガスタービン燃焼器（１００）の予混合器（３）内に挿入される環状形状を備えた長さＬの本体と、該噴射スティック（１０）をガスタービン燃焼器（１００）に取付けるための取付けセクション（１４）と、ガスタービン燃焼器（１００）の予混合器（３）内に燃料を噴射するためのノズル（１９）とを含む。燃料噴射スティック（１０）を交換する方法もまた、示している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器（１００）用の燃料噴射スティック（１０）であって、
燃料チャネル（１８）を形成しかつ前記ガスタービン燃焼器（１００）の予混合器（３）内に挿入される環状形状を備えた長さＬの本体と、
該噴射スティック（１０）を前記ガスタービン燃焼器（１００）に取付けるための取付けセクション（１４）と、
前記ガスタービン燃焼器（１００）の予混合器（３）内に燃料を噴射するためのノズル（１９）と
を備える燃料噴射スティック（１０）。
【請求項２】
前記本体の外側部分が、ねじ山を含む、請求項１記載の燃料噴射スティック（１０）。
【請求項３】
前記本体の外面が、その内周上に平坦部分を備えたワッシャ（１３）と噛み合うための平坦部分を含む、請求項１記載の燃料噴射スティック（１０）。
【請求項４】
前記燃料噴射スティック（１０）が、ある種類の燃料を送給する設計を含む、請求項１記載の燃料噴射スティック（１０）。
【請求項５】
前記取付けセクション（１４）が、燃料供給管路（３１）を取付けるようになっている、請求項１記載の燃料噴射スティック（１０）。
【請求項６】
ガスタービン燃焼器（１００）であって、
該ガスタービン燃焼器（１００）内に配置され、その各々が燃料チャネル（１８）を形成しかつ該ガスタービン燃焼器（１００）の予混合器（３）内に挿入される環状形状を備えた長さＬの本体を含む複数の燃料噴射スティック（１０）と、
前記燃料噴射スティック（１０）を取付けるための取付けセクション（１４）と、
該ガスタービン燃焼器（１００）の予混合器（３）内に燃料を噴射するためのノズル（１９）と
を備えるガスタービン燃焼器（１００）。
【請求項７】
前記複数の燃料噴射スティック（１０）が、予混合ノズル（１９）の回転軸線周りに同心に分散配置される、請求項６記載のガスタービン燃焼器（１００）。
【請求項８】
前記複数の燃料噴射スティック（１０）の設計が、作動時に迅速に生じる均一混合をもたらす、請求項６記載のガスタービン燃焼器（１００）。
【請求項９】
燃料供給源（３１）が、該ガスタービン燃焼器（１００）の外部にある、請求項６記載のガスタービン燃焼器（１００）。
【請求項１０】
前記燃料噴射スティック（１０）が、圧力旋回、ジェット旋回、ファン、プレーンジェット又は沸騰霧化器の１つである設計形式を含む、請求項６記載のガスタービン燃焼器（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した本発明は、ガスタービン燃焼器に関し、具体的には、燃料を霧化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
希薄予蒸発予混合式（ＬＰＰ）燃料ノズル設計を使用する最新の高出力産業用乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ガスタービン燃焼器は一般的に、ノズル予混合器内で複数の霧化燃料噴射器を使用して予混合器空気の大部分内に燃料を分散させ、従って燃焼ゾーンの前で燃料及び空気を予混合している。これは、アニュラ型及び缶−アニュラ型燃焼器設計の両方の場合に当てはまる。大部分の事例において、燃料噴射霧化器は、予混合器の外壁上に、軸方向又は半径方向スワーラベーン上に、各ノズルの中心本体（又はハブ）上に、或いは半径方向スワーラのバックプレート上に設置される。
【０００３】
これら設計の大部分には、同様な特徴形状部が含まれる。例えば、これらの設計のほぼ全てには、内部燃料ギャラリーが含まれ、同時にノズルの一部又は全体には、液体燃料通路及び霧化噴射器が常設される。内部炭化を抑制又は改善するために（標準的な未処理の液体炭化水素燃料を使用する場合に）、かなり多くの場合に、設計には断熱又は能動内部冷却が付加されるが、しかしながら、ＬＰＰノズル設計は通常、より複雑であり、コスト高の犠牲を強いられる。
【０００４】
より具体的には、ＤＬＮ及びＬＰＰノズル設計は一般的に、燃料を予混合器空気の大部分内に均一に分散させかつ該予混合器空気の大部分と均一に混合させる多点霧化噴射方式を組み込んでいる。この設計方法は一般的に、１つ又はそれ以上の環状液体燃料ギャラリーを使用して、燃料を予混合器内の霧化器の各々に対して可能な限り均等に分散供給することを伴う。しかしながら、この方法に関連して幾つかの欠点があり、すなわち第１には、圧縮機吐出温度に曝され、従って炭化され易い内部複合流ネットワーク／ジオメトリであり、第２には、頻繁でかつ労働集約的なノズル清掃及び修復に関連するコストのかかる運転停止である。
【０００５】
液体炭化水素（ＨＣ）燃料は燃料ノズル内を流れるので、ＨＣ燃料は、次第に加熱され、ある時点で熱的破壊が発生する温度（ＮＯ．２ディーゼルの場合では約２９０°Ｆである）に到達する可能性がある。濡れた燃料回路表面上に炭素が堆積し始めることになる。この炭素は、時が経てば蓄積し（動脈中のプラークのように）、最終的にノズルの液体燃料回路の全部又は一部を詰まらせ、その結果としてノズル内及び場合によってはエンジンの燃焼システム全体において燃料の分散供給不足を引き起こすおそれがある。
【０００６】
一般的に、炭化問題を抑制又は改善するために、断熱又は能動冷却が使用される。残念なことに、ＬＰＰノズル設計は通常、その結果、より複雑かつコスト高になる。
【０００７】
さらに、避けられないことであるが、１つ又はそれ以上のＬＰＰノズルの液体燃料回路がエンジンセット内で一旦汚損する（又は炭化される）と、通常はユニットの運転停止と、疑わしいノズルに対するコスト高でかつ労働集約的な清掃／修復プロセスを余儀なくされる。霧化器及び燃料ギャラリーが各ノズルの予混合器の内部ジオメトリの一部であるので、一般的に、迅速かつ好都合な現場保守は選択できない。
【０００８】
例えば、Ｆ−クラスエンジン内に１０８個のＬＰＰノズルがある場合に、たいがい１０８個の燃料ギャラリーが存在し、各燃料ギャラリーが予混合器内の多くの霧化器に燃料を分散供給し、また各燃料ギャラリーは幾つかの部位で汚損する可能性を有することになる。少なくとも１つ、２つ又は幾つかの汚損したノズルがあると、エミッション又は燃焼器出口排気パターン要素が許容不能になるところまで燃焼燃料システムが不均衡になるおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
必要なものは、本明細書に開示したようなガスタービン燃焼器用の費用効果がありかつ改善された燃料混合方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
開示するのは、ガスタービン燃焼器用の燃料噴射スティックの実施形態であり、本燃料噴射スティックは、燃料チャネルを形成しかつガスタービン燃焼器の予混合器内に挿入される環状形状を備えた長さＬの本体と、該噴射スティックをガスタービン燃焼器に取付けるための取付けセクションと、ガスタービン燃焼器の予混合器内に燃料を噴射するためのノズルとを含む。
【００１１】
開示するのはまた、ガスタービン燃焼器の実施形態であり、本ガスタービン燃焼器は、該ガスタービン燃焼器内に配置され、その各々が燃料チャネルを形成しかつ該ガスタービン燃焼器の予混合器内に挿入される環状形状を備えた長さＬの本体を含む複数の燃料噴射スティックと、燃料噴射スティックを取付けるための取付けセクションと、該ガスタービン燃焼器の予混合器内に燃料を噴射するためのノズルとを含む。
【００１２】
缶−アニュラ型ガスタービン燃焼器内の燃料を変更する方法の実施形態を開示しており、本方法は、ガスタービン燃焼器用の燃料を選択する段階と、ガスタービン燃焼器の予混合器内に挿入されかつその各々が燃料チャネルを形成した環状形状の長さＬの本体とそれをガスタービン燃焼器に取付けるための取付けセクションとガスタービン燃焼器の予混合器内に燃料を噴射するためのノズルとを含む少なくとも１つの燃料噴射スティックを取り外す段階と、該少なくとも１つの燃料噴射スティックを選択燃料を分配するように設計した別の少なくとも１つの燃料噴射スティックと取り換える段階とを含む。
【００１３】
次に、幾つかの図において同様の要素には同じ参照符号を付した図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
開示するのは、ガスタービン燃焼器用の燃料分配システムである。幾つかの実施形態では、燃料分配システムを組み込んだガスタービン燃焼器は、希薄予蒸発予混合式（ＬＰＰ）液体燃料乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）半径方向ノズル設計を備えた缶−アニュラ型ガスタービン燃焼器である。燃料分配システムは、半径方向流入スワーラ（「予混合器」とも呼ぶ）内への主液体燃料噴射のための複数の外部装着及び供給式霧化液体燃料噴射スティック（「噴射スティック」、「燃料噴射スティック」又は「インジェクタスティック」と呼び、また同用の用語でも呼ぶ）を含む。幾つかの実施形態では、複数の噴射スティックは、ガスタービン燃焼器の回転軸線とほぼ同心になった円形アレイとして配置される。従来技術の幾つかの液体噴射器とは異なり、噴射スティックは、霧化のための空気の助けを必要としない。様々な実施形態では、噴射スティックは、より短く、直径がより小さく、各ノズルについて複数として設けられ、かつ所定の位置にねじ止めされる（ボルト止めする代わりに）。
【００１５】
本明細書での教示により、従来技術に優る様々な利点が得られる。幾つかの非限定的な実施例を示す。本教示により、複数の噴射スティック（「燃料噴射器」と呼び、またその他の同様の用語でも呼ぶことができる）の使用による多点霧化及び噴射を使用して半径方向流入予混合器内への液体燃料の効率的な分散が得られる。この設計は、補足的な霧化空気を必要しないものである。本教示によりまた、内部燃料漏れのリスクの低減だけでなく組立及び保守の容易化が得られる。さらに、炭化防止機能によって耐久性及び性能の向上が実現される。とりわけ、液体燃料の各種取合せを使用することができる。つまり、噴射スティックの各々は、異なるフロー数又は設計形式（例えば、ジェット旋回、ファン、プレーンジェット、沸騰等）が得られるように修正することができ、従って同一の半径方向流入予混合器設計で異なる液体燃料の各種取合せを取り扱うことが可能になる。
【００１６】
次に図１を参照すると、噴射スティック１０の例示的な実施形態の断面図を示している。噴射スティック１０は、端部カバー８内に配置されかつスワーラ６のバックプレート９を貫通して予混合器３内に延びた状態で示している。噴射スティック１０は、スワーラ６の付随半径方向スロットから予混合器３内に突出するものとして示している。参考のために、図１に含まれるのは、スワーラ６の半径方向ベーン７である。噴射スティック１０は、燃料ノズルに使用する当技術分野で公知の材料で製作される。
【００１７】
各噴射スティック１０は、長さＬを備える。長さＬは一般的に、端部カバー８及びバックプレート９を貫通するように選択され、かつ設計要件を満たすのに十分なほどに旋回領域内に貫入している。噴射スティック１０は、長さＬに沿った環状形状のものであり、従って燃料チャネル１８を形成した本体を含む。
【００１８】
噴射スティック１０は、燃料供給部１７を通して燃料チャネル１８に燃料供給するために使用する燃料供給管路（図３に符号３１として示す）を取付けるための取付けセクション１４を含む。取付けセクション１４は、供給管路の確実な取付をもたらし、確実な取付のための多種多様なコネクタ技術を含むことができる。
【００１９】
この図示した実施形態では、噴射スティック１０は、ねじ付きセクション１５を含む。ねじ付きセクション１５は、端部カバー８内にねじ込まれる。幾つかの実施形態では、ねじ付きセクション１５は、スワーラ６のバックプレート９内に延びる。幾つかの実施形態では、噴射スティック１０は、噴射スティック１０を所定の位置に固定するためのロックナット１６を含む。
【００２０】
組立てた噴射スティック１０は一般的に、端部カバー８のキー溝１２内にぴったりと嵌合するキー１１を含む。幾つかの実施形態では、キー１１は、内周上に平坦部分を備えたワッシャ１３の一部として設けられる。噴射スティック１０の外面上の平坦部分と噛み合うものとしてワッシャ１３内に平坦部分が含まれ、この平坦部分が、噴射スティック１０を所定の位置に固定する。つまり、取付けた時に、キーを有するワッシャ１３は、噴射スティック１０の外周の周りにぴったりと嵌合し、従って噴射スティック１０が回転するのを防止する。その結果、システム振動は一般的に、噴射スティック１０の取付けを不安定にしない。
【００２１】
噴射スティック１０はさらに、ノズル１９を含む。ノズル１９は、予混合器３内に突出する。幾つかの実施形態では、噴射スティック１０のノズルは、それぞれのスワーラスロット内に約１／８インチ（約３．２ｍｍ）突出する。ノズル１９は、着脱可能な装置とすることができ、又は噴射スティック１０の一部として製作することができる。従って、噴射スティック１０及びそれぞれのノズル１９の少なくとも１つを交換することによって、異なる燃料の種類に適応することができる。
【００２２】
次に図２を参照すると、端部カバー８内に配置された複数の噴射スティック１０を図示した後面図を示している。一般的に、複数の噴射スティック１０は、作動時に予混合器３内に均一混合が迅速に生じるように均等に分散配置される。
【００２３】
次に図３を参照すると、端部カバー８の周りに均等に分散配置した複数の噴射スティック１０を図示した側面図を示している。複数の噴射スティック１０は、予混合器３のスワーラ６内で効率的な混合が行われるように分散配置される。図示しているのはまた、ディストリビュータブロック３０であり、ディストリビュータブロック３０は、複数の供給管路３１を介して噴射スティック１０の各々に燃料を供給する。
【００２４】
幾つかの実施形態では、各噴射スティック１０は、供給管路３１のようなチューブ（軟質又は硬質の）及び適切な取付具を使用して単一の外部ディストリビュータブロック３０に連結される。図３では、１２個の噴射スティック１０の２つがディストリビュータブロック３０に連結されている。幾つかの実施形態では、ディストリビュータブロック３０は、ブラケット又はロッド継手によって端部カバー８に対して設置されかつ固定される。幾つかの実施形態では、２つ又はそれ以上のディストリビュータブロック３０が使用される。例えば、ターンダウン要件を満たすために噴射スティック１０（すなわち、燃料噴射器）を段階的にすることが所望される場合には、２つ又はそれ以上のディストリビュータブロック３０を使用することができる。
【００２５】
さらに、図４を参照すると、本明細書の教示を利用した燃焼器１００の例示的な実施形態を示している。図示した燃焼器１００は、燃焼器端部カバー８と該燃焼器端部カバー８内に配置された複数の噴射スティック１０とを含む。端部カバー８は、前方燃焼器ケース１０１に連結され、前方燃焼器ケース１０１は、ライナドーム１０２を囲む。ライナドーム１０２は、ライナの内側端部に配置され、ライナは、トランジションピース１０４内にプラグ連結される。ライナは、ライナ流れスリーブ１０３内に配置される。トランジションピースは、排出部又はその他の特徴形状部（図示せず）に連結することができる。
【００２６】
この図示した実施例では、燃焼空気は一般的に、「Ａ」で示したコースに沿ってライナ１０５とライナ流れスリーブ１０３との間を流れる。燃焼空気は、符号「Ｂ」で示すようにスワーラ６に流入し、複数の噴射スティック１０によって送給された燃料と混合される。燃焼に続いて、燃焼副産物は、ライナ１０５を通して燃焼器から流出する。
【００２７】
次に、本明細書の教示を使用した噴射スティック１０（「燃料噴射器」と呼び、またその他の同様の用語でも呼ぶ）並びに燃焼器を理解した状態で、特定の利点及びその他の態様について説明する。
【００２８】
第１に、本設計は、半径方向流入ＬＰＰ予混合器内で複数の個別の主燃料噴射スティック１０を使用するのを可能にする。本設計は、付加的な高圧霧化空気を必要とせずに燃料を効果的に霧化しかつ分散し、従って従来技術の設計よりも効率的である。本明細書に示した実施形態は、１２個の噴射器（他の半径方向スワーラスロット毎に１つの噴射器）を使用する。しかしながら、燃焼器の要求に応じて、より多くの又はより少ない数の噴射器を使用することができる。
【００２９】
第２に、本設計は、燃焼器又はケーシングを分解する必要なしにエンジン外部から個別の燃焼噴射器を取外すか又は交換するのを可能にする。このことは、保守性及び整備性の大幅な改善をもたらす。例えば、噴射スティック１０は、内燃機関用のスパークプラグの取付けと同様のプロセスで単に端部カバー８内にねじ込むことだけによって適所に配置することができる。
【００３０】
第３に、設計が複雑でなくかつ内部組込み液体流路がないために、内部液体燃料の検出されない漏れの可能性が実質的に排除される。本質的に分散供給チューブ及び取付具の全ては、端部カバー８の外部に保持することができる。
【００３１】
第４に、主液体燃料ディストリビュータブロック３０が燃焼器端部カバー８の外部にあるので、主液体燃料分散供給回路の加熱、従って炭化が大幅に減少する。また、本設計は、内部燃料ギャラリー内での燃料の停滞又は捕捉或いは内部コーナ部周りでの流れ剥離或いは急激膨張の発生可能性なしに、半径方向流入予混合器内への多点液体燃料噴射を可能にする。それら全ては、ＬＰＰノズル設計における燃料回路炭化の原因として知られている。
【００３２】
加えて、１組の霧化器は新しい組と容易に取り換えることができるので、本設計は、種々の燃料に適応するための迅速な交換を可能にする。この特徴は、単に異なる噴射スティック１０の組を使用することだけで、同一の半径方向流入予混合器を液体燃料用途の広範な各種取合せで使用するのを可能にする。
【００３３】
本明細書の教示は、１つ又は複数の半径方向流入ＤＬＮノズルを使用するほぼあらゆる缶−アニュラ型高出力ガスタービン燃焼器で使用することができる。
【００３４】
本明細書の教示による缶−アニュラ型ガスタービン燃焼器は、主液体燃料噴射用の外部装着及び供給式噴射スティックのボルトサークルアレイを組み込んだ希薄予蒸発予混合式（ＬＰＰ）液体燃料乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）半径方向ノズル設計を使用する。
【００３５】
この設計の目的は、（１）付加的な補足霧化空気を必要としない状態で多点霧化及び噴射を使用して半径方向流入予混合器内に液体燃料を効果的かつ効率的に分散させること、（２）組立及び保守を容易にすること、（３）内部燃料漏れのリスクを低減すること、（４）炭化防止手段によって耐久性及び性能を向上させること、及び（５）霧化器を異なるフロー数又は設計形式（例えば、ジェット旋回、ファン、プレーンジェット、沸騰等）のもので容易に取り換えるのを可能にし、従って同一の半径方向流入予混合器設計のもので異なる液体燃料の各種取合せを取り扱うのを可能にすることによって液体燃料の使用自由度を高めることなど多面的である。
【００３６】
高い性能及び燃料自由度が得られる。オイル及びその他の液体燃料における乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ノズルは、霧化空気圧縮機を必要としない。液体燃料噴射用ハードウエアは、燃焼器又はケーシングを分解する必要なしに取外すか又は交換することができる。リスクの低減が実現される。つまり、本明細書に示した設計要素は、内部液体燃料漏れの可能性を排除する。さらに、運転性及び耐久性の向上が実現される。つまり、本設計の態様は、内部炭化の可能性を大幅に低減し、従って清掃及び整備のために必要なユニットの運転停止の頻度を減少させる。本設計の簡略さにより、整備性の改善が得られる。例えば、液体燃料噴射用ハードウエアは、燃焼器又はケーシングを分解する必要なしに取外すか又は交換することができる。従来技術の方法におけるように燃料が予熱されないので、液体燃料の化学的処理又は調整は、必要でない。
【００３７】
霧化燃料噴射器１０は、各ＤＬＮ燃焼器ノズルの予混合器アニュラス（環状空間）の周りに配置される。各スティック上の霧化器は、ノズルバックプレートを越えて予混合アニュラス内に「僅かに」（例えば約１／８インチ）突き出る。燃料分散、蒸発及び混合は予混合アニュラス内で発生する一方、燃焼は、それぞれの燃焼器缶又はライナ内で発生する。本明細書に記載した実施形態では、燃焼器あたり１つだけのＤＬＮノズルがある。しかしながら、他の実施形態では、より多くのＤＬＮノズルを使用することができる。燃焼器缶（通常は傾いた）は、エンジンの中心線の周りに均等に間隔を置いて配置される。例えば、「９ＦＢ型エンジン」と呼ぶ１つの実施形態では、１８個のそのような缶がある。
【００３８】
本燃料分散供給システムは、外部チューブ、パイプ、チャネル等を使用してＤＬＮノズル予混合器内の能動霧化燃料噴射器１０の全てに燃料を均等に分散供給する（特に、低エミッションを得るために）。液体燃料は、分散供給回路を端部カバーの外部に保持する（従って、必要な保守が殆ど必要でない）ことによって低温に保たれる。また、この外部設計により、燃焼器ケース又は端部カバーの分解及び取外しの１つを行う必要なしに、個別の霧化燃料噴射スティックを取外すことが可能になる（つまり、従来技術に比べてより良好な整備性とより少ない運転停止が達成される）。
【００３９】
例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに、本発明の要素に対して様々な変更を行うことができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができるが、理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように、多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ本発明は提出の特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】噴射スティックの断面図。
【図２】噴射スティックの配列を含む燃焼器端部カバーの後面図。
【図３】その中に取付けられた噴射スティックを備えかつそれらの一部の噴射スティックがディストリビュータに結合された状態の燃焼器端部カバーの斜視図。
【図４】本明細書の教示による燃焼器アセンブリの断面図。
【符号の説明】
【００４１】
３  予混合器
６  スワーラ
７  半径方向ベーン
８  端部カバー
９  バックプレート
１０  霧化スティック
１１  キー
１２  キー溝
１３  ワッシャ
１４  取付けセクション
１５  ねじ付きセクション
１６  ロックナット
１７  燃料供給部
１８  燃料チャネル
１９  ノズル
Ｌ  長さ
３０  ディストリビュータブロック
３１  燃料供給源
１００  燃焼器
１０２  ライナドーム
１０１  前方燃焼器ケース
１０３  ライナ流れスリーブ
１０５  ライナ
１０４  トランジションピース
【図１】
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【図２】
2009047412.tif 000004
【図３】
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【図４】
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