JP6401463B2

JP6401463B2 - 管体レベルの空気流調整のためのシステム及び方法

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Publication number: JP6401463B2
Application number: JP2014044466A
Authority: JP
Inventors: ロナルド・ジェームズ・チラ; パトリック・ベネディクト・メルトン; グレゴリー・アレン・ボードマン; ジェームズ・ハロルド・ウエストモアランド
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: CH707769A2; US9765973B2; JP2014173838A; US20140338338A1; CH707769A8; CN204063126U; DE102014102780A1

Description

本明細書で開示される主題は、タービンシステムのための管体レベルの空気流調整に関する。

ガスタービンシステムは全体的に、加圧空気と燃料の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生する１つ又はそれ以上の燃焼器を含む。残念ながら、既存の燃焼器は、燃焼器、燃料ノズル、及び関連設備の様々な制限に起因して変動する可能性がある圧力及び／又は流量で燃料及び空気を受け取る可能性がある。これらの空気及び燃料の変動は、燃空比の変動をもたらし、又は引き起こし、これにより保炎、逆火、及び／又はエミッション（例えば、窒素酸化物）の増大の可能性が高くなる恐れがある。従来のシステムはまた、混合が一定基準にまで到達するのが緩慢であり、従って、システムの全体効率が低下する可能性がある。このため、燃料及び空気の混合をより迅速でより均一に達成しながら、耐久性があり保守を容易にすることができるシステムに対する要求がある。

米国特許第８，３２７，６４２号明細書

最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態において、システムは、複数管燃料ノズルを含む。複数管燃料ノズルは、複数の混合管体を含む。各混合管体は、中央通路の周りに配置された環状壁と、中央通路に延びる燃料噴射装置の周りに配置されるよう構成された空気入口領域と、を含む。中央通路は、該中央通路を通る流れの方向に対して環状壁の上流側端部から下流側端部まで延びる。空気入口領域は、流れ方向で直径が漸次的に減少する環状壁の空気流入面を含む。

第２の実施形態によれば、システムは、端部カバー組立体及び複数管燃料ノズルを含む。複数管燃料ノズルは、リテーナプレートと、端部カバー組立体とリテーナプレートとの間に配置された複数の管体と、を含む。各管体が、中央通路の周りに配置された環状壁と、中央通路内に延びる燃料噴射装置の周りに配置されるよう構成された空気入口領域とを含む。中央通路は、端部カバー組立体に隣接する環状壁の上流側端部から、リテーナプレートに隣接する環状壁の下流側端部まで延びる。空気入口領域は、釣鐘形部分を含む。

第３の実施形態において、複数管燃料ノズルから管体を取り外す方法は、リテーナプレートと端部カバー組立体との間に配置された複数管を有する複数管燃料ノズルをガスタービンエンジンから取り外すステップを含む。各管体は、中央通路の周りに配置された環状壁を含む。中央通路は、端部カバー組立体に隣接する環状壁の上流側端部から、リテーナプレートに隣接する環状壁の下流側端部まで延び、各管体は、中央通路に延びる燃料噴射装置の周りに配置された空気入口領域を含む。空気入口領域は、釣鐘形部分を含む。本方法はまた、端部カバー組立体を複数管燃料ノズルから取り外すステップと、複数の管体に沿ってリテーナプレートを各管体の上流側端部から下流側端部まで滑動させることにより、リテーナプレートを複数管燃料ノズルから取り外すステップと、少なくとも１つの管体を複数管燃料ノズルから取り外すステップと、を含む。

本発明のこれら並びに他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層よく理解されるであろう。

管体が空気を均一に分配するよう構成されている、燃焼器内に複数管燃料ノズルを有するガスタービンシステムの１つの実施形態のブロック図。図１のガスタービンシステムの実施形態の切り欠き側面図。燃焼器の端部カバー組立体に結合された複数管燃料ノズルを有する、図２の線３−３に囲まれた燃焼器の一部の１つの実施形態の切り欠き側面図。図３の線４−４に囲まれた複数管燃料ノズル及び端部カバー組立体の一部の拡大斜視図。図３の線５−５に囲まれた燃焼器の部分断面図。複数管燃料ノズルの複数の管体及び燃料噴射装置を示す、図３の複数管燃料ノズルの１つの実施形態のキャップ面組立体の正面図。図４の線７−７で囲まれた、空気流コンディショナを示す、複数管燃料ノズルの個々の管体の上流側端部の斜視図。空気流コンディショナの詳細を示す、図７の複数管燃料ノズルの個々の管体の上流側端部の切り欠き図。図６の線９−９で囲まれた、混合管体及びキャップ面組立体の１つの実施形態の側断面図。図６の線１０−１０で囲まれた、混合管体及び燃料噴射装置の１つの実施形態の側断面図。管体に流入する空気流の詳細を示す、図１０の混合管体及び燃料噴射装置の実施形態の部分図。複数管燃料ノズルの管体を取り外す方法を示す、複数管燃料ノズル及び燃焼器端部カバーの１つの実施形態の一連の図。複数管燃料ノズルの管体を取り外す方法を示す、複数管燃料ノズル及び燃焼器端部カバーの１つの実施形態の一連の図。複数管燃料ノズルの管体を取り外す方法を示す、複数管燃料ノズル及び燃焼器端部カバーの１つの実施形態の一連の図。複数管燃料ノズルの管体を取り外す方法を示す、複数管燃料ノズル及び燃焼器端部カバーの１つの実施形態の一連の図。

本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

本開示は、タービンシステムの複数管燃料ノズル内の空気流を調整するシステムに関する。タービンシステムは、１つ又はそれ以上の複数管燃料ノズルを含むことができる。各複数管燃料ノズルは、複数の混合管体（例えば、予混合管体）を含む。各管体は、中央通路の周りに配置された環状壁と、中央通路内に延びる燃料噴射装置の周りに配置されるよう構成された空気入口領域とを含む。中央通路は、中央通路を通る流れの方向に対して管体の環状壁の上流側端部から環状壁の下流側端部まで延びる。空気入口領域は、流れの方向で直径が漸次的に減少する環状壁の外面を含む。複数管燃料ノズルにおいて、燃料噴射装置が燃料を中央通路に分配すると、加圧空気が空気入口領域を通って混合管体に流入し、空気燃料混合気を生成することができる。空気流入面は、混合管体に流入する空気を調整し、混合気が燃焼領域に配向される前に空気と実質的に均一な混合を可能にする。空気流入面は、特定の空気側圧力降下を狙い、最善としては均一な空気流を提供するよう構成することができる。そのため、空気流入面は、釣鐘形状を含むことができる。空気流入面は、上流側端部から下流側端部まで空気入口領域の一部に沿って直径が減少する内面を含むことができる。空気流入面の内面内の断面は、流れの方向で減少することができる。空気入口領域は、空気が空気入口領域を通って中央通路に流入するときの圧力損失が減少するように構成された曲線輪郭の端部を含むことができる。曲線輪郭端部は、曲線輪郭外面と、曲線輪郭内面と、曲線輪郭外面と曲線輪郭内面との間に配置される曲線輪郭転回部とを含むことができる。複数管燃料ノズルは、複数の予混合管体を備えることができ、各予混合管体は、空気入口領域を含む。複数の予混合管体を含む複数管燃料ノズルにおいて、隣接する予混合管体の空気流入面の間のクリアランスは、予混合管体の各々に入る空気流を加速するよう構成することができる。

ここで各図面に移り、最初に図１を参照すると、ガスタービンシステム１０の１つの実施形態のブロック図が示される。ガスタービンシステム１０は、１つ又はそれ以上の燃料ノズル１２（例えば、複数管燃料ノズル）、燃料供給部１４、及び燃焼器１６を含む。燃料ノズル１２は、空気圧縮機２０から加圧空気１８と、燃料供給部１４から燃料２２とを受け取る。本発明の実施形態は、酸化剤として空気に関連して考察しているが、空気、酸素、酸素富化空気、貧酸素空気、酸素混合気、又はこれらの何れかの組み合わせを用いてもよい。以下でより詳細に考察するように、燃料ノズル１２は、複数の燃料噴射装置２４（例えば、１０〜１０００個）及び関連の混合管体２６（例えば、１０〜１０００個）を含み、各混合管体２６は、それぞれの管体２６に流入する空気流を配向及び調整するための空気流入面２８を有する空気流コンディショナ２７を有し、各混合管体２６は、それぞれの管体２６に燃料を噴射するそれぞれの燃料噴射装置２４（例えば、同軸又は同心配列で）を有する。その結果、各混合管体２６は、その長さに沿って空気及び燃料を混合し、次いで、空気燃料混合気を燃焼器１６に出力する。特定の実施形態において、混合管体２６は、マイクロ混合管体として説明することができ、約０．５〜２、０．７５〜１．７５、又は１〜１．５センチメートルの間の直径を有することができる。混合管体２６は、一般的には互いに並列配列で狭間隔に配置された管体の１つ又はそれ以上のバンドル（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上）で配列することができる。この構成において、各混合管体２６は、その各内部で比較的小さな規模で混合（例えば、マイクロ混合）するよう構成され、次いで、燃料空気混合気３０を燃焼室に出力する。本開示の実施形態の空気流コンディショナ２７（例えば、空気流入面２８）は、管体レベル（例えば、個々の混合管体２６毎に）での空気調整を可能にし、各管体２６内及び複数の管体２６間の空気の流れ及び／又は圧力を制御し、燃料と空気の最良の混合を可能にすることができる。

燃焼器１６は、燃料空気混合気３０を点火し、これにより加圧排気ガス３２を発生して、これがタービン３４に流入する。加圧排気ガス３２は、タービン３４においてブレードに衝突し且つブレード間を流れて、タービン３４を回転駆動させる。タービンブレードは、シャフト３６に結合され、該シャフト３６はまた、排気ガス３２が燃焼器１６から出るときに回転する。最終的には、燃焼プロセスの排気ガス３２は、排気出口３８を介してタービンシステム１０から出る。更に、圧縮機２０内のブレードは、シャフト３６に結合され、シャフト３６がタービン３４によって回転駆動されたときに回転する。圧縮機２０内のブレードの回転により、空気吸入口４２により圧縮機２０内に引き込まれた空気４０が加圧される。次いで、結果として得られる加圧空気１８は、上述のように燃焼器１６の複数管燃料ノズル１２に送給され、ここで燃料２２と混合されて点火され、実質的に自続的なプロセスを生成する。更に、シャフト３６は、負荷４４に結合することができる。理解されるように、負荷４４は、発電プラント又は外部の機械的負荷のような、タービンシステム１０の回転出力により出力を発生することができるあらゆる好適な装置とすることができる。従って、燃料空気混合気３０の一貫性とガスタービンシステム１０の効率的運転との間の関連性を理解することができる。加圧空気１８を調整するための空気流入面２８を各々が有する複数の混合管体２６の実施構成について、以下で詳細に考察する。

図２は、図１のガスタービンシステムの実施形態の切り欠き側面図を示す。図示のように、本実施形態は、環状アレイの燃焼器１６に結合される圧縮機２０を含む。各燃焼器１６は、各燃焼器１６内に配置される燃焼室４６に燃料空気混合気３０を送給する少なくとも１つの燃料ノズル１２（例えば、複数管燃料ノズル）を含む。以下で詳細に考察するように、燃料ノズル１２の混合管体２６の特定の実施形態は、加圧空気１８をより均一に分配させて、より均一な燃料空気混合気３０を生成するための固有の特徴要素を含む。燃料空気混合気３０の均一性は、より効率的な燃焼をもたらし、これにより性能が向上し、エミッションが低減される。図１に関して上述したように、燃焼器１６内での燃料空気混合気３０の燃焼は、排気ガス３２（例えば、燃焼ガス）が排気出口３８に向かって移動するときに、タービン３４内のベーン又はブレードを回転させるようにする。この説明全体を通じて軸線のセットが参照される。これらの軸線は、軸方向４８、半径方向５０、及び円周方向５２における円筒座標系及び点に基づいている。例えば、軸方向４８は、燃料ノズル１２の長さ又は長手方向軸線５４に沿って延び、半径方向５０は、長手方向軸線５４から離れて延び、円周方向５２は、長手方向軸線５４の周りに延びる。

図３は、図２の線３−３で囲まれた、ガスタービンシステム１０の燃焼器１６の切り欠き側面図である。図示のように、燃焼器１６は、ヘッド端部５６及び燃焼室４６を含む。燃焼ノズル１２は、燃焼器１６のヘッド端部５６内に位置付けられる。燃焼ノズル１２内には、複数の混合管体２６（例えば、空気燃料予混合管）が懸架される。加圧空気１８が流入して燃料２２と混合できるようにする空気流入面２８を備えた空気流コンディショナ２７を有する混合管体２６の１つの実施形態が例示される。混合管体２６は一般に、燃焼器１６の端部カバー組立体５８と燃料ノズル１２のキャップ面組立体６０との間で軸方向に延びる。混合管体２６は、以下で更に説明するように、端部カバー組立体５８及びキャップ面組立体６０に結合することができる。端部カバー組立体５８は、燃料２２を燃料噴射装置２４に提供するための燃料入口６２及び燃料プレナム６４を含むことができる。上記で考察したように、各個々の燃料噴射装置２４は、個々の混合管体２６に結合される。燃焼プロセス中、燃料２２は、端部カバー５８から（燃料噴射装置２４を介して）混合管体２６の各々を通り、キャップ面組立体６０を通って燃焼室４６内に軸方向に移動する。燃料ノズル１２の長手方向軸線５４に沿ったこの移動方向は、下流側方向６６と呼ぶことにする。反対の方向は、上流側方向６８と呼ぶことにする。

上述のように、圧縮機２０は、空気吸入口４２から受け取った空気４０を加圧する。結果として得られる加圧圧縮空気１８の流れは、燃焼器１６のヘッド端部５６に配置される燃料ノズル１２に提供される。空気は、空気入口７０を通って燃料ノズル１２に流入し、燃焼プロセスで使用される。より具体的には、加圧空気１８は、圧縮機２０から、ライナ７４（例えば、環状ライナ）と燃焼器１６の流れスリーブ７６（例えば、環状流れスリー部）との間に形成されるアニュラス７２を通って上流側方向６８に流れる。このアニュラス７２の端部において、加圧空気１８が燃料ノズル１２の空気入口７０に送り込まれ、燃料ノズル１２内の空気プレナム７８を充填する。次いで、空気プレナム７８内の加圧空気１８は、空気流コンディショナ２７の空気流入面２８を通って複数の混合管体２６に流入する。空気流コンディショナ２７の空気流入面２８は、空気１８が混合管体２６に流入できるようにすることに加えて、以下で更に考察するように、様々な方法で空気１８を調整することができる。次に、混合管体２６内部では、空気１８は、燃料噴射装置２４によって提供される燃料２２と混合される。燃料空気混合気３０は、混合管体２６から下流側方向６６で燃焼室４６に流れ、ここで点火されて燃焼され、燃焼ガス３２（例えば、排気ガス）を形成する。燃焼ガス３２は、燃焼室４６から下流側方向６６で移行部品８０に流れる。次に、燃焼ガス２２は、移行部品８０からタービン３４に移動し、ここで燃焼ガス２２は、タービン３４内のブレードを回転駆動する。

図４は、図３の線４−４に囲まれた複数管燃料ノズル１２の拡大斜視図を示している。この図は更に、幾つかの実施形態による、端部カバー５８上の燃料噴射装置２４の構成並びに複数混合管体２６との関係を示している。上述のように、混合管体２６は、端部カバー組立体５８とキャップ面組立体６０との間に軸方向に配置されるように構成される。個々の混合管体２６は各々、個々の燃料噴射装置２４とペアにされ、当該燃料噴射装置２４の周りに（例えば、同軸又は同心配列で）配置されるように構成される。空気流入面２８は、燃料噴射装置２４に近接して混合管体２６の第１の端部（例えば、上流側６８の端部）上に位置付けられる。特定の実施形態において、燃料噴射装置２４は、端部カバー組立体５８に取り外し可能に結合することができる。

加えて、図４は、燃料ノズル１２の混合管体２６及び他の構造体を囲む、燃料ノズル１２の支持構造体（例えば、環状バレル、燃料ノズルキャップ）を示す。支持構造体８２は、端部カバー組立体５８からキャップ面組立体６０まで延び、全体として燃料ノズル１２内に位置付けられた構造体を保護し且つ支持して、該燃料ノズル１２内に空気プレナム７８を定める。空気入口７０は、支持構造体８２上に位置し、加圧空気１８を燃料ノズル１２の内部上の空気プレナム７８内に半径方向に配向する。リテーナプレート８４は、取り外し可能なキャップ面組立体６０の上流側６８で近接して位置付けられる。特定の実施形態において、ノズル１２は、空気入口７０を囲む環状空気流れ調整ディフューザ８６を含む。

図５は、図３の線５−５に囲まれた燃焼器１６の部分側断面図である。燃焼器１６のヘッド端部５６は、複数管燃料ノズル１２の一部を収容する。支持構造体８２は、複数管燃料ノズル１２及び複数の混合管体２６を囲む。上述のように、幾つかの実施形態において、各混合管体２６は、端部カバー組立体５８とキャップ面組立体６０との間に軸方向に延びることができる。混合管体２６は更に、キャップ面組立体６０を通って延びて、燃料空気混合気３０を燃焼室４６に直接送給することができる。各混合管体２６は、燃料噴射装置２４を（例えば、同軸又は同心配列で）囲むように位置付けられ、噴射装置２４が燃料プレナム６４から燃料２２を受け取り、該燃料を管体２６に配向するようになる。燃料プレナム６４には、端部カバー組立体５８上に位置する燃料入口６２に流入する燃料２２が送給される。

上述のように、加圧空気１８は、空気入口７０を通って燃料ノズル１２に流入し、該空気入口７０は、ディフューザ８６により囲むことができる。ディフューザ８６は、環状であり、混合管体２６全体で様々な方向で加圧空気を予調整して燃料ノズル１２に分配するよう構成することができる。燃料ノズル１２内の空気流の方向は、実質的に半径方向内向き８８となるが、上流側６８成分又は下流側６６成分を有することができる。空気流は、燃料ノズル１２内で空気入口７０に近接してより半径方向外向き９０の位置に位置する混合管体２６全体で変わることになる。空気入口７０を通って燃料ノズル１２に流入して、混合管体２６全体を移動した後、加圧空気１８は、空気流コンディショナ２７の空気流入面２８を通って各混合管体２６に流入する。特定の実施形態において、空気流コンディショナ２７の空気流入面２８の構成は、燃料ノズル空気プレナム７８内のそれぞれの半径方向５０の位置に基づき個々の混合管体２６間で異なる。このカスタマイズは、混合管体２６にわたる空気圧力及び移動の変動、すなわち、半径方向内向き８８の方向で生じる圧力低下を補償することができる。特定の実施形態において、混合管体２６に沿った空気流入面２８の軸方向４８の位置は、空気圧力の軸方向４８の変動を補償するよう変えることができる。加圧空気１８の流れの追加管理において、混合管体２６の上流側端部９４（例えば、第１の端部）上に位置する空気流コンディショナ２７の空気流入面２８は、以下で更に考察するように、様々な形状、サイズ、及び配列の何れかを有するように構成することができる。また、図５に示すように、幾つかの実施形態において、リテーナプレート８４及び／又はインピンジメントプレート９２は、キャップ面組立体６０にほぼ近接した混合管体２６の下流側端部９６を囲む燃料ノズル１２内に位置付けることができる。インピンジメントプレート９２は、複数のインピンジメント冷却オリフィスを含むことができ、該オリフィスは、キャップ面組立体６０の後面に対して衝突させてインピンジメント冷却を行うよう空気ジェットを配向することができる。

図６は、複数混合管体２６の半径方向レイアウトを示す、複数管燃料ノズル１２の１つの実施形態の正面図である。例示のノズル１２は、キャップ面組立体６０上に円周方向５２に配列された複数のセクタ９８を含む。混合管体２６の配列は、管体２６間のクリアランス、並びに隣接する管体２６の空気流入面２８間のクリアランスにも影響を及ぼす。例示のノズル１２は、各セクタ９８間に配置された単一の液体燃料カートリッジ１００と、キャップ面組立体６０の中心にある追加の液体燃料カートリッジ１００と、を含む。液体燃料カートリッジ１００は、燃料ノズル１２に液体燃料２２を供給する。本発明の実施形態において、各セクタ９８は、混合管体２６の複数の列１０２を含み、各列１０２は、２つ又はそれ以上の管体２６を有する。各列１０２における各管体２６間の円周方向距離１０４は実質的に等しい。各セクタ９８における各列１０２間の半径方向距離もまた実質的に等しい。これにより、管体２６間の実質的に等しいクリアランス及び管体２６の空気流入面２８間の等しいクリアランスがもたらされる。他の実施形態において、異なる数のセクタ９８が存在することができる。例えば、１〜２０のセクタ９８（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０）が存在することができる。各セクタ９８は、種々の数の混合管体２６を有することができる。例えば、各セクタは、５０、１００、１５０、２００、又は他の何れかの数の管体２６を有することができる。加えて、管体２６は、燃料ノズル１２内の何らかの空気圧力低下を管理するために非均一な間隔（例えば、異なる円周方向距離１０４及び／又は半径方向距離１０６）で配列することができることは企図される。例えば、隣接する管体２６間の円周方向スペース１０４は、例えば、隣接する管体２６間の円周方向スペース１０４は、管体の空気入口７０に対する近接度に基づいて変わることができる。特定の実施形態において、管体２６間の円周方向スペース１０４は、空気入口７０に近接近した位置（例えば、空気圧力がより大きい場所）でより大きく、燃料ノズル１２内の位置（例えば、空気圧力が低下する場所）で減少することができる。この配列は、燃料ノズルの円周方向５２の周りに空気圧力をより均一に分配することができる。更に、管体２６の種々の配列は、混合管体２６に流入する前の加圧空気１８の流れ状態を維持し、この状態（例えば、圧力、速度）が、管体２６に流入した後の加圧空気の流れ状態と実質的に一致できるようにする。加えて、列９６間の半径方向距離１０６は、燃料ノズル１２内の空気圧力及び半径方向速度を管理するために、空気入口７０への近接度に基づいて同様に変わることができる。個々の管体２６の配列は、液体燃料カートリッジ１００のような他の構造体に起因した燃料ノズル１２内部に生じる可能性がある圧力低下を補償するよう決定付けることができる。例えば、構造体によって燃料圧力の変動が引き起こされる可能性があり、このような変動は、混合管体２６の配置によって低減又は排除することができる。

図７は、環状壁１０８によって定められる複数管燃料ノズル１２の個々の管体２６の上流側端部９４の斜視図である。管体２６は、環状壁１０８内に配置される中央通路１１０を含み、ここでは支持構造体１１２が、管体２６の内面１１４から支持リング１１６まで半径方向内向きに延びている。支持構造体１１２及び支持リング１１６は、混合管体２６内で燃料噴射装置２４を支持し、これにより管体２６に対する燃料噴射装置２４の半径方向移動を制限する。個々の支持構造体１１２は、支持リング１１６に対する十分な基礎構造を与え、その一方で空気流が支持構造体１１２を通過できるようになる何れかの形状又はサイズのものとすることができる。支持構造体１１２の縁部１１８は、角度付き又は曲線輪郭付きであるか、或いは、角度及び曲線輪郭表面の組み合わせを有することができる。例えば、支持構造体１１２は、流れ抵抗を低減する翼形部形状の断面を有することができる。支持構造体１１２の深さ１２０は変わることができ、各個々の支持構造体１１２は、加圧空気１８のあらゆる変動を良好に管理するために、更に上流側６８又は下流側６６の位置で混合管体２６内に配置することができる。支持リング１１６に結合された単一又は複数の支持構造体１１２が存在することができる。支持リング１１６はまた、異なる形状及びサイズのものとすることができる。例えば、支持リング１１６の縁部１２２は、角度付き又は曲線輪郭付きであるか、或いは、角度及び曲線輪郭表面の組み合わせを有することができる。図示のように、混合管体２６の環状壁１０８の外面１２４は、環状壁１０８の上流側端部９４から下流側端部９６まで直径１２６が減少している。この構成は、混合管体２６の環状壁１０８の外面１２４にわたって軸方向４８での空気流の滑らかな移動を可能にすることができる。他の実施形態では、外面１２４の直径１２６は、一定であってもよく、或いは、下流側６６の軸方向４８に沿って増大してもよい。これら様々な構成は、空気１８の流れの可変の管理を可能にすることができる。例えば、燃料ノズル１２内でより半径方向５０内向きの位置にある混合管体２６では、燃料ノズル１２に流入する空気１８の空気圧力は、燃料ノズル１２の空気入口７０からより離れた領域では低くなる場合がある。この空気圧力の低下は、混合管体２６の外面１２４の直径１２６を増大させ、混合管体２６の外部及び管体２６間の利用可能な体積を減少させることによって補償することができる。この利用可能な体積の減少は、空気入口２８に入る空気流を加速する助けとなる。

図８は、混合管体２６の同じ上流側端部８８の切り欠き斜視図である。図では、混合管体２６の内面１１４内に配置された支持構造体１１２及び支持リング１１６が示されている。内面１１４は、環状壁１０８の上流側端部９４から下流側端部９６まで一定の直径１２８を有する。従って、外面１２４の直径１２６の変化により、混合管体２６を囲む空気流の管理が可能となるので、混合管体２６の内面１１４の一定の直径１２８によって、混合管体２６の中央通路１１０内の空気流を選択的に管理することができる。内側直径１２８が一定であることで、空気流の移動が滑らかになり、燃料流の閉塞に起因して生じる可能性がある伴流、分離及び損失を回避することができる。直径１２８の減少は内側通路１０の内部容積を変化させ、混合管体２６内の空気圧力の管理を可能にする。混合管体２６は、燃料ノズル１２内の管体２６の位置に応じて空気流をカスタマイズするために、より大きな又はより小さな外側直径１２６、並びに軸方向での外側直径１２６のより大きな変化又はより小さな変化を有するように構成することができる。

図９は、図６の線９−９で囲まれた、キャップ面組立体６０と共に組み付けられた混合管体２６の下流側端部９６の１つの実施形態の側断面図である。図には、混合管体２６、キャップ面組立体６０、及び／又は端部カバー組立体５８間の空間的関係の１つの実施形態が示されている。幾つかの実施形態において、混合管体２６は、溶接、ろう付け接合、ブラケット、締結ネジ、スナップ嵌合、継手、又は他の接続手段などの様々な締結具又は接続手段によって、キャップ面組立体６０、リテーナプレート８４、及び／又はインピンジメントプレート９２など、燃焼器１６のヘッド端部５６内の構成要素に取り付けることができる。他の実施形態では、混合管体２６は、浮動構成で保持され、キャップ面組立体６０、リテーナプレート８４、インピンジメントプレート９２、種々のバネ、又は他の支持構造体の１つ又はそれ以上によって単に支持されている。このような浮動構成は、有利には、混合管体２６及び燃焼器１４の他の構成要素の熱膨張に対処することができる。また、浮動構成は、種々の空気ポート２８構成を備えた混合管体２６のカスタマイズ及び構成をより容易に行うことを可能にする。燃料空気混合気２０が非均一であると見なされる場合には、個々の管体２６を取り外し、燃料ノズル１２内の空気圧力の変動を良好に補償するような別の空気ポート２８（例えば、空気流コンディショナ２７）構成を有する管体２６と容易に交換することができる。加えて、浮動構成は、軸方向４８の弾性的支持、及び混合管体２６の移動に対する制約を提供する軸方向バネ１３０を含めることにより実施することができる。図示の実施形態によれば、軸方向バネ１３０は、リテーナプレート８４とインピンジメントプレート９２との間に位置付けることができる。更に、混合管体２６の半径方向５０及び円周方向５２の移動を阻止するために、追加のバネ、チャンネル、及び／又はガイドなどの特徴要素を実装してもよい。

図１０は、図６の線１０−１０に囲まれた、燃料噴射装置２４の周りに設置された混合管体２６の１つの実施形態の側断面図である。上記で考察したように、燃料噴射装置２４は、燃料ノズル１２のヘッド端部５６上に位置付けられ、燃料プレナム６４から燃料を受け取る。組み付けが完了すると、燃料噴射装置２４は、全体的に、各混合管体２６の第１の端部９４における中央通路１１０内に位置付けることができる。この第１の端部９４は、端部カバー組立体５８に隣接して、複数管燃料ノズル１２の上流側６８側部に位置付けられる。空気流入面２８は、ヘッド端部５６にほぼ近接又は隣接してこの第１の端部９４上に位置付けられる。幾つかの実施形態において、燃料噴射装置２４は更に下流側に延びることができ、これに応じて、空気入口２８はまた、ヘッド端部５６から更に下流側６６の位置に位置付けることができる。空気入口２８の構成は更に、混合管体２６の中央通路１１０内の空気１８の流れを管理するよう構成することができる。上記で考察したように、個々の混合管体２６の環状壁１０８の外面１２４は、軸方向４８で下流側６６方向に沿って減少する直径１２６を有し、混合管体２６の外側の空気流を改善することができる。更に、混合管体２６の環状壁１０８の内面１１４は、軸方向４８で下流側６６方向に沿って一定の直径１２８を有し、混合管体２６の中央通路１１０内の加圧空気１８の流れの変動を排除することができる。管体２６はまた、環状壁１０８の外面１２４と環状壁１０８の内面１１４との間に転回部１３４を含み、該転回部１３４（例えば、曲線輪郭の転回部）は、混合管体２６の環状壁１０８の内面１１４と外面１２４を接続する。管体２６のこの転回部１３４は、加圧空気１８が中央通路１１０に流入したときの空気流の変動を最小限にして且つ管理するために、角度付き（例えば、円錐面）又は曲線輪郭付き（例えば、湾曲環状面）とすることができる。転回部１２２は、空気流を管体２６に漸次的に転回するのを助けると同時に、乱流発生時のあらゆる低速領域を排除するのを助けることができる。内面１１４、外面１２４、及び転回部１３４が曲線輪郭の面から構成されたときには、混合管体の上流側端部９４は、釣鐘形状、例えば、直径１２６が湾曲状で漸次的に減少する湾曲環状面を形成することができる。燃料は、燃料噴射装置２４の中央通路１３６に送給され、燃料ポート１３８を通じて混合管体２６の中央通路１１０内に分散される。図示の実施形態において、燃料ポート１３８は、下流側方向６６で線形又は湾曲テーパを有することができるテーパ付き部分１４０上に位置付けられる。例えば、テーパ付き部分１４０は、円錐壁、内向きに湾曲した環状壁（例えば、噴射装置２４の軸線に向かって内向きに湾曲）、外向きに湾曲した環状壁（例えば、噴射装置２４の軸線から離れて外向きに湾曲）、又はこれらの組み合わせとして形成することができる。例示の実施形態において、テーパ付き部分１４０は、空気ポート２８の上流側６８の第１の位置から、混合管体２６の空気ポート２８の下流側６６の第２の位置まで延びる。図示のように、燃料噴射装置２４のテーパ付き部分１４０は、下流側方向６６で直径が漸次的に減少（すなわち、収束）し、これにより下流側方向６６で燃料噴射装置２４と混合管体２６との間の断面積が漸次的に増大する。このようにして、図示の実施形態は、燃料噴射装置２４と混合管体２６との間の漸次的な圧力低下をもたらし、これにより燃料及び空気の流れ及び混合を改善する助けとなる。図示の実施形態では、混合管体２６に沿った空気流コンディショナ２７（例えば、空気入口２８）及び燃料噴射装置２４に沿った燃料ポート１３８（例えば、テーパ付き部分１４０）は共に、燃料噴射装置２４の先端１４２から上流側に配置され、燃料噴射装置２４と混合管体２６との間の減少する断面積に沿って空気と燃料が少なくとも部分的に混合するようになる。更に、図示の空気入口２８は、燃料ポート１３８の上流側の圧力を増大させるために、燃料ポート１３８の上流側に配置される。

図１１は、加圧空気１８が混合管体２６に流入して空気流コンディショナ２７によって調整されるときの加圧空気１８の流れの詳細を例示した、図１０の混合管体及び燃料噴射装置の実施形態の一部を示している。上記で考察したように、管体２６の外面１２４の曲線輪郭形成により、管体２６の外面１２４に沿った加圧空気の移動を加速させることができる。隣接する管体間のクリアランスは、管体に流入する前及び管体に流入した後の流れ状態を一致させ、管体内への流入空気流１５２を加速させるように設計される。混合管体２６を定める環状壁の転回部１３４に沿った曲線輪郭形成は、転回部での管体１４４の断面積を漸次的に増大させ、転回による圧力損失を低減する役割を果たす。管体２６の内側直径１２８が流れの方向で一定であり、且つ外側直径１２６が減少しているので、断面積１４６はまた、管体の下流側部分で一定１４８となるまで漸次的に減少する。この断面積１４８の減少によって、管体２６の釣鐘形部分が定められる。転回部１３４の漸次的曲線輪郭は、釣鐘形部分の上流側端部に位置付けられ、流れ剥離を最小限にし、流入空気１５２の好ましい圧力及び速度プロファイルを提供する。加圧空気１８が空気入口２８を介して混合管体２６に流入すると、曲線輪郭の内面１１４は更に、混合管体の中央通路１１０に沿った空気１８の軸方向加速１５４を提供する。燃料噴射装置２４上の燃料ポートの上流側での空気１８の増大した軸方向移動１５４は、混合管体２６に流入する燃料２２の閉塞を最小限にして、燃料２２と空気１８の混合を改善する役割を果たす。曲線輪郭の面１２４、１３４、及び１１４により、全体の圧力低下が少なくなり、保炎の危険性が軽減される。

図１２〜１５は、特定の実施形態による、少なくとも１つの混合管体２６を取り外すための方法の一連のステップを示した、燃料ノズル１２の斜視図である。図１２に示すように、燃料ノズル１２は、燃焼器１６のヘッド端部５６から取り外され、端部カバー組立体５８に結合される。図には、支持構造体８２及びキャップ面組立体６０と結合された燃料入口６２を有する端部カバー組立体５８が示される。混合管体２６にアクセスするために、図１３に示すように、端部カバー組立体５８が支持構造体８２及びキャップ面組立体６０から分離される（５８）。図１３は、燃料ノズル１２の端部カバー組立体５８に結合された燃料噴射装置２４を明らかにしている。次に、図１４に示すように、リテーナプレート８４を混合管体２６に沿って上流側方向６８に混合管体２６の第２の端部９６から第１の端部９４に滑動させることにより、キャップ面組立体６０から取り外される。図１５に示すように、次いで、混合管体２６は、キャップ面組立体６０上のこれらの位置から取り外すことができる。１つ又はそれ以上の混合管体２６を取り外すことによって、燃料ノズル１２の製造、設置、及び作動の過程で見出される検査、交換、補修、又は他の目的を可能にすることができる。混合管体２６の設置は、図１２〜１５に例示したステップを逆順に辿ることによって達成される。すなわち、１つ又はそれ以上の混合管体２６をキャップ面組立体６０上の所定位置に挿入し（図１５）、次いで、管体２６がキャップ面組立体６０及び／又はインピンジメントプレート９２と同一面になるまで、混合管体２６を第１の端部９４から第２の端部９６まで滑動させることによってリテーナプレート８４を設置することができる（図１４）。次に、支持構造体８２は、混合管体２６をそれぞれの燃料噴射装置２４と整列させることにより、端部カバー組立体５８と結合される（図１３）。組み立てられた燃料ノズル１２（図１２）は、次に、燃焼器１２のヘッド端部５６に設置することができる。

開示された実施形態の技術的効果には、ガスタービンシステム１０の複数管燃料ノズル１２内での空気４０と燃料１４の混合を改善するシステム及び方法が挙げられる。詳細には、燃料ノズル１２は、空気入口２８を有する混合管体２６を備え、該空気入口を通って燃料ノズル１２に流入した加圧圧縮空気１８が配向され、複数の燃料噴射装置２４によって噴射された燃料２２と混合する。空気入口２８は、異なる形状、サイズ、及び空間的配列で構成され、様々な角度で空気を配向するよう構成することができる。このカスタマイズによって、複数管燃料ノズル１２における複数の燃料噴射装置２４間での混合及び均一性が向上し、異なる空気１８及び燃料２２の圧力を補償する。空気１８及び燃料２２の混合の向上は、燃焼器１６内の火炎安定性を改善し、望ましくない燃焼副生成物の量を低減する。個々の混合管体２６の取り外し及び交換方法は、費用効率を高め、並びに燃料ノズル１２の効率的補修を可能にする。

本開示において幾つかの典型的なサイズ及び寸法が提供されたが、記載した燃焼器の種々の構成要素は、拡大又は縮小することができ、並びに燃焼器の種々のタイプ及び種々の用途に合わせて個別に調整できることは、理解されたい。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、更に、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包含の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有する場合、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。

１０ガスタービンシステム
１２燃料ノズル
１４燃料供給部
１６燃焼器
１８加圧空気
２０空気圧縮機
２２燃料
２４燃料噴射装置
２６関連の混合管体
２７空気流コンディショナ
２８空気流入面
３０空気燃料混合気
３２加圧排気ガス
３４タービン
３６シャフト
３８排気出口
４０空気
４２空気吸入口
４４負荷
４６燃焼室
４８軸方向
５０半径方向
５２円周方向；
５４長手方向軸線
５６ヘッド端部
５８端部カバー組立体
６０キャップ面組立体
６２燃料入口
６４燃料プレナム
６６下流側方向
６８上流側方向
７０空気入口
７２アニュラス
７４ライナ
７６流れスリーブ
７８空気プレナム
８０移行部品
８２支持構造体
８４リテーナプレート
８６流れ調整ディフューザ
８８半径方向内向き
９０半径方向外向き
９２インピンジメントプレート
９４上流側端部
９６下流側端部
９８複数セクタ
１００燃料カートリッジ
１０２複数の列
１０４円周方向距離
１０６半径方向距離
１０８環状壁
１１０中央通路
１１２支持構造体
１１４内面
１１６支持リング
１１８縁部
１２０深さ
１２２縁部
１２４外面
１２６直径
１２８直径
１３０軸方向バネ
１３４転回部分
１３６中央通路
１３８燃料ポート
１４０テーパ付き部分
１４２先端
１４４管体
１４６断面積
１４８断面積
１５０移動
１５２空気流
１５４軸方向加速
１５６流入燃料
１５８分離

Claims

複数の混合管体を含む複数管燃料ノズルを備えたシステムであって、
前記混合管体が各々、
中央通路の周りに配置され、前記中央通路が該中央通路を通る流れの方向に対して上流側端部から下流側端部まで延びた環状壁と、
前記中央通路に延びる燃料噴射装置の周りに配置されるよう構成された空気入口領域と、
を含み、
前記空気入口領域が、釣鐘形部分を有する空気流入面を含み、
各混合管体の外側直径が、まず前記上流側端部において前記釣鐘形部分より前で増加し、次いで前記流れ方向に前記下流側端部まで連続して減少し、
各混合管体の内側直径が、まず前記上流側端部において前記釣鐘形部分より前で減少し、次いで前記流れ方向に前記環状壁の前記下流側端部まで一定である、
システム。
前記空気流入面が、前記環状壁の上流側端部にて曲線輪郭面を含む、請求項１に記載のシステム。
前記曲線輪郭面が、曲線輪郭外面と、曲線輪郭内面と、前記曲線輪郭外面と前記曲線輪郭内面との間に配置される曲線輪郭転回部と、を含む、請求項２に記載のシステム。
複数の燃料噴射装置を備え、前記各燃料噴射装置が、前記混合管体の上流側端部に配置された燃料噴射装置のうちの１つを有する、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
前記複数管燃料ノズルを有するガスタービンエンジン又は燃焼器を備える、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
端部カバー組立体及び複数管燃料ノズルを備えた、燃料を噴射するためのシステムであって、前記複数管燃料ノズルが、
リテーナプレートと、
前記端部カバー組立体と前記リテーナプレートとの間に配置された複数の混合管体と、
を含み、
前記リテーナプレートが、前記複数の混合管体の各混合管体の各下流側端部の周りに配置され、
各混合管体が、
中央通路の周りに配置され、該中央通路が前記端部カバー組立体に隣接する上流側端部から前記リテーナプレートに隣接する下流側端部まで延びた環状壁と、
前記中央通路内に延びる燃料噴射装置の周りに配置されるよう構成され、前記環状壁の釣鐘形部分を有する空気流入面を含む空気入口領域と、
を含み、
各混合管体の外側直径が、まず前記上流側端部において前記釣鐘形部分より前で増加し、次いで前記流れ方向に前記下流側端部まで連続して減少し、
各混合管体の内側直径が、まず前記上流側端部において前記釣鐘形部分より前で減少し、次いで前記流れ方向に前記環状壁の前記下流側端部まで一定である、
システム。
前記複数の混合管体の各混合管体が、前記端部カバー組立体と前記リテーナプレートとの間から個別に取り外されるよう構成され、又はこれらの間に個別に設置するよう構成されている、請求項６に記載のシステム。
前記リテーナプレートが、前記複数の混合管体に沿って前記上流側端部から前記下流側端部まで前記リテーナプレートを滑動することにより、前記複数管燃料ノズルから取り外されるよう構成されている、請求項７に記載のシステム。
前記混合管体の各々の空気流入面が、流れ方向で直径が漸次的に減少する前記環状壁の外面を含む、請求項６から８のいずれかに記載のシステム。
前記混合管体の各々の空気流入面が、流れ方向で直径が漸次的に減少する内面を含む、請求項６から９のいずれかに記載のシステム。
前記各空気入口領域の内面内の断面積が、前記燃料噴射装置からの燃料噴射領域に隣接して増大している、請求項１０に記載のシステム。
前記混合管体の各々の空気流入面の釣鐘形部分が、曲線輪郭外面と、曲線輪郭内面と、前記曲線輪郭外面と前記曲線輪郭内面との間に配置される曲線輪郭転回部と、を含む、請求項６から１１のいずれに記載のシステム。
端部カバー組立体及び複数管燃料ノズルを備えた、燃料を噴射するためのシステムであって、前記複数管燃料ノズルが、
リテーナプレートと、
前記端部カバー組立体と前記リテーナプレートとの間に配置された複数の混合管体と、
を含み、
前記リテーナプレートが、前記複数の混合管体のそれぞれの下流側端部の周りに配置され、
前記複数の混合管体が、前記複数管燃料ノズルの中心軸の周りに同心状に複数の列を成して配置され、
前記複数の列の各列を成す前記複数の混合管体の各混合管体間の前記中心軸に対する周方向の距離は等しく、
前記複数の列の各列を成す前記複数の混合管体の各混合管体間の前記中心軸に対する径方向の距離は等しく、
前記複数の混合管体の隣接する混合管体の空気流入面の間のクリアランスは等しく、
前記混合管体が、
中央通路の周りに配置され、該中央通路が前記端部カバー組立体に隣接する上流側端部から前記リテーナプレートに隣接する下流側端部まで延びた環状壁と、
前記中央通路内に延びる燃料噴射装置の周りに配置されるよう構成され、前記環状壁の釣鐘形部分を有する空気流入面を含む空気入口領域と、
を含み、
各混合管体の外側直径が、まず前記上流側端部において前記釣鐘形部分より前で増加し、次いで前記流れ方向に前記下流側端部まで連続して減少し、
各混合管体の内側直径が、まず前記上流側端部において前記釣鐘形部分より前で減少し、次いで前記流れ方向に前記環状壁の前記下流側端部まで一定である、
システム。
前記混合管体が、前記端部カバー組立体と前記リテーナプレートとの間から個別に取り外されるよう構成され、又はこれらの間に個別に設置するよう構成されている、請求項１３に記載のシステム。