JP2011094951A - ノズルを通る空気流を調整するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルを通る空気流を調整するための装置を提供する。
【解決手段】本ノズル（４８）は、通路（５６）を形成したシュラウド（５２）を含む。シュラウド（５２）の端部（６０）から分離された弓形環状ガイド（５８）が、該シュラウド（５２）の端部（６０）の半径方向内側のポイント（６２）から該シュラウド（５２）の端部（６０）の半径方向外側のポイント（６４）まで延びる。弓形環状ガイド（５８）は、該弓形環状ガイド（５８）とシュラウド（５２）の端部（６０）との間に第１の空気流（６６）を形成しかつ該弓形環状ガイド（５８）の半径方向内側に第２の空気流（６８）を形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、総括的にはノズルへの空気の流れを調整するための装置に関連する。具体的には、本発明は、ノズルに流入する空気の流れを分割して該ノズルに流入する空気の半径方向分布を改善する。

ガスタービンは、発電の商業運転に広く使用されている。一般的なガスタービンは、前方に圧縮機、中央の周りに１つ又はそれ以上の燃焼器、及び後方にタービンを含む。圧縮機及びタービンは一般的に、共通のロータを共有する。圧縮機は、作動流体を徐々に加圧しかつその作動流体を燃焼器に吐出する。燃焼器は、加圧作動流体の流れ内に燃料を噴射しかつ混合気を点火燃焼させて、高温、高圧かつ高速の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、燃焼器から流出しかつタービンに流れ、タービンにおいて、燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。

図１は、当技術分野で公知の燃焼器１０の簡略断面図を示している。ケーシング１２は、圧縮機（図示せず）からの加圧作動流体を収容するように燃焼器１０を囲む。ノズル１４は、端部カバー１５及び端部キャップ１６内に配置され、またノズル１４の下流のライナ１８は、燃焼室２０を形成する。ライナ１８を囲む流れスリーブ２２は、該流れスリーブ２２及びライナ１８間に環状通路２４を形成する。加圧作動流体は、環状通路２４を通って端部カバー１５に向けて流れ、端部カバーにおいて、加圧作動流体流は、方向を逆にしてノズル１４を通って燃焼室２０内に流れる。

ノズル１４内の加圧作動流体の質量流量は、半径方向及び円周方向に均一であるのが理想的である。ノズル１４内の加圧作動流体の均一な質量流量は、ノズル１４内の燃料ポートの均一な分布が、燃料を該加圧作動流体と均等に混合し、従って燃焼用の均一な燃料−空気混合気を構成するのを可能にする。

ノズルに流入する加圧作動流体の半径方向及び／又は円周方向分布を強化するような様々なノズルが設計されてきた。例えば、図２は、ベルマウス２８開口部を備えた従来技術のノズル２６の断面図を示している。燃料は、ノズル２６の軸方向中心線に沿って延びる中心本体３０を通ってノズル２６に流入する。シュラウド３４は、中心本体３０の一部分を円周方向に囲んで、該中心本体３０及びシュラウド３４間に環状通路３６を形成する。環状通路３６内のスワーラベーン３８は、該スワーラベーン３８上を流れる加圧作動流体と燃料を混合する燃料ポートを含むことができる。

ベルマウス２８形状は、環状通路３６に通じる開口部の寸法を増大させ、その上を加圧作動流体が流れる滑らかな表面を構成し、かつ環状通路３６に流入する加圧作動流体の大きな圧力降下を発生させない。しかしながら、ベルマウス２８開口部を有するノズルの計算流体力学モデルは、加圧作動流体の質量流量が、中心本体３０の周りに集中し、特にシュラウド３４の内部では半径外側で減少することを示している。

図３は、流入量調整装置４２を有する別の従来技術のノズル４０を示している。流入量調整装置４２は一般的に、１つ又はそれ以上のバッフル４４及び有孔スクリーン４６を含む。加圧作動流体は、有孔スクリーン４６を通って流れ、またバッフル４４は、空気流の方向を向け直してノズル４０内での加圧作動流体の半径方向分布を改善する。しかしながら、図３に示す流入量調整装置４２は、既存のノズルよりも製造するのに費用がかかりかつ組立てるのが困難である。加えて、流入量調整装置４２は、作動流体がノズル４０を通って流れる時に、その圧力降下を増大させる。

米国特許第６，６３４，１７５号公報

従って、ノズルに流入する加圧作動流体を半径方向に分布させることができる改善したノズル設計に対する必要性が存在する。改善したノズル設計は、空気流の半径方向及び／又は円周方向の分布を強化することになり、加圧作動流体の大きな圧力降下を発生させることがなく、かつ製造及び既存のノズル設計内への据付けが比較的容易なものとなるのが理想的である。

本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。

本発明の１つの実施形態は、燃料ノズルであり、本燃料ノズルは、中心本体と、該中心本体の少なくとも一部分を円周方向に囲んで該中心本体との間に環状通路を形成したシュラウドとを含み、シュラウドは、端部を含む。本燃料ノズルはさらに、シュラウドの端部から分離されかつ該シュラウドの端部の半径方向内側のポイントから該シュラウドの端部の半径方向外側のポイントまで延びる弓形環状ガイドを含む。弓形環状ガイドは、該弓形環状ガイドとシュラウドの端部との間に第１の空気流を形成しかつ該弓形環状ガイドと中心本体との間に第２の空気流を形成する。

本発明の別の実施形態は、燃焼器である。本燃焼器は、端部キャップと、該端部キャップ内に配置されたノズルとを含む。ノズルは、中心本体と、該中心本体の少なくとも一部分を円周方向に囲んで該中心本体との間に環状通路を形成したシュラウドとを含み、シュラウドは、端部を含む。ノズルはさらに、シュラウドの端部から分離されかつ該シュラウドの端部の半径方向内側のポイントから該シュラウドの端部の半径方向外側のポイントまで延びる弓形環状ガイドを含む。弓形環状ガイドは、該弓形環状ガイドとシュラウドの端部との間に第１の空気流を形成しかつ該弓形環状ガイドと中心本体との間に第２の空気流を形成する。

本発明のさらに別の実施形態では、燃料ノズルは、通路を形成しかつ端部を備えたシュラウドを含む。本燃料ノズルはさらに、シュラウドの端部から分離されかつ該シュラウドの端部の半径方向内側のポイントから該シュラウドの端部の半径方向外側のポイントまで延びる弓形環状ガイドを含む。弓形環状ガイドは、該弓形環状ガイドとシュラウドの端部との間に第１の空気流を形成しかつ該弓形環状ガイドの半径方内側に第２の空気流を形成する。

本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。

添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。

当技術分野で公知の燃焼器の簡略断面図。 ベルマウス開口部を備えた従来技術のノズルの断面図。 流入量調整装置を有する別の従来技術のノズルを示す図。 本発明の１つの実施形態によるノズルの簡略断面図。 図４に示す弓形環状ガイド及びシュラウドの平面図。 本発明の技術的範囲内にある燃焼器の平面図。 図６に示す燃焼器の斜視図。 本発明の技術的範囲内にあるノズルの第２の実施形態の簡略部分断面図。 本発明の技術的範囲内にあるノズルの第３の実施形態の簡略部分断面図。 本発明の技術的範囲内にあるノズルの第４の実施形態の簡略部分断面図。 ベルマウスノズルを通る半径方向空気流及び本発明の技術的範囲内にあるノズルを通る半径方向空気流のグラフ。 ベルマウスノズルを通る空気流速度及び本発明の技術的範囲内にあるノズルを通る空気流速度のグラフ。

次に、その１つ又はそれ以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。

各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更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。

図４は、本発明の１つの実施形態によるノズル４８の簡略断面図を示している。ノズル４８は一般的に、中心本体５０とシュラウド５２とを含むが、本発明の技術的範囲内にある別の実施形態は、中心本体５０がない状態で、シュラウド５２を含むことができる。中心本体５０は、存在する場合には、その一端でノズルフランジ５３に連結されかつノズル４８の軸方向中心線５４に沿って延びる。シュラウド５２は、中心本体５０の少なくとも一部分を円周方向に囲んで該中心本体５０と該シュラウド５２との間に環状通路５６を形成する。燃料は、中心本体５０に供給しかつ環状通路５６内に噴射して、燃焼室に流入するのに先立って加圧作動流体と混合することができる。中心本体５０が存在しない場合には、シュラウド５２は、該シュラウド５２の周辺部内に環状通路５６を形成することができ、かつ燃料は、スワーラベーン５７を通して供給することができる。

ノズル４８はさらに、シュラウド５２の端部６０に近接して弓形環状ガイド５８を含む。弓形環状ガイド５８は、中心本体５０とシュラウド５２との間の環状通路５６への開口部の周りで円周方向に延びる。弓形環状ガイド５８は、シュラウド５２の端部６０の半径方向内側のポイント６２から該シュラウド５２の端部６０の半径方向外側のポイント６４まで延びる。その結果、弓形環状ガイド５８は、環状通路５６に流入する加圧作動流体流を第１の空気流６６と第２の空気流６８とに分割する。第１の空気流６６は、弓形環状ガイド５８とシュラウド５２の端部６０との間に位置し、また第２の空気流６８は、弓形環状ガイド５８と中心本体５０との間に位置する。中心本体５０が存在しない場合には、第２の空気流は、弓形環状ガイド５８の半径方向内側に位置する。

図５は、図４に示す弓形環状ガイド５８及びシュラウド５２の平面図を示している。図５に示すように、１つ又はそれ以上のストラット７０が、弓形環状ガイド５８を所定の位置に保持する。各ストラット７０の第１の端部７２は、弓形環状ガイド５８に連結され、また各ストラット７０の第２の端部７４は、シュラウド５２に連結されて、弓形環状ガイド５８は、シュラウド５２の端部６０から分離された位置に保持される。別の実施形態では、ストラット７０は、端部カバー１５、端部キャップ１６、中心本体５０、ノズルフランジ５３、又はその他の適当な構造に連結して、弓形環状ガイド５８を所定の位置に保持するようにすることができる。

図６及び図７は、それぞれ本発明の技術的範囲内にある燃焼器７６の平面図及び斜視図を示している。燃焼器７６は、端部キャップ８０に配置された少なくとも１つのノズル７８を含む。例えば、燃焼器７６は、図６及び図７に示すように中心ノズル８２の周りに半径方向に配置された５つのノズル７８を含むことができる。各ノズル７８は、軸方向中心線（図示せず）を備えた中心本体８４を含む。

図５及び図６に示すように、弓形環状ガイド５８は、その少なくとも一部分に沿ってほぼ平坦なセグメント８６を備えた周辺部を含むことができる。ほぼ平坦なセグメント８６は、隣接するノズル７８を、該ノズル７８又は関連する弓形環状ガイド５８のオーバラップを全く必要としない状態で端部キャップ８０内に半径方向に配置することを可能にする。

図８、図９及び図１０は、本発明の技術的範囲内にあるノズル８８、９０、９２の別の実施形態の簡略部分断面図を示している。各図は、図４に関して前述したのと同様に、流れスリーブ１００、１０８、１１６、シュラウド１０２、１１０、１１８、中心本体１０４、１１２、１２０、及び環状通路１０６、１１４、１２２との関連で弓形環状ガイド９４、９６、９８を示している。各実施形態では、弓形環状ガイド９４、９６、９８は、環状通路１０６、１１４、１２２に流入する加圧作業流体流を第１の空気流１２４、１２８、１３２と第２の空気流１２６、１３０、１３４とに分割する。第１の空気流１２４、１２８、１３２は、弓形環状ガイド９４、９６、９８とシュラウド１０２、１１０、１１８との間に位置し、また第２の空気流１２６、１３０、１３４は、弓形環状ガイド９４、９６、９８と中心本体１０４、１１２、１２０との間に位置する。

図８に示す実施形態では、シュラウド１０２の端部１３６は、増大厚さを有するセクション１３８を含むことができる。シュラウド１０２の端部１３６は、図８に示すように平坦とするか又は丸くすることができる。丸い端部１３６及び／又はより厚いセクション１３８は、弓形環状ガイド９４とシュラウド１０２との間の第１の空気流１２４による加圧作動流体の流れを強化する。

図９に示す実施形態では、弓形環状ガイド９６は、第１の端部１４０及び第２の端部１４２を含み、第２の端部１４２は、シュラウド１１０と中心本体１１２との間で少なくとも部分的に延びる。弓形環状ガイド９６はさらに、第１の端部１４０と第２の端部１４２との間に中央部分１４４を含み、中央部分１４４は、第１の端部１４０又は第２の端部１４２の少なくとも１つよりも大きい厚さを有する。中心本体１１２はさらに、輪郭表面１４６を含む。より厚い中央部分１４４と中心本体１１２の輪郭表面１４６との組合せはさらに、第２の空気流１３０による空気流を制限することによって、環状通路１１４を通る流れの半径方向及び円周方向分布を強化し、それによって第１の空気流１２８による空気流を増加させかつ第１及び第２の空気流を円周方向に滑らかにする。

図１０に示す実施形態はさらに、弓形環状ガイド９８と中心本体１２０との間にバッフル１４８を含む。バッフル１４８は、図１０に示すように直線状とするか又は湾曲させることができる。バッフル１４８は、弓形環状ガイド９８と中心本体１２０との間の第２の空気流１３４を分割して、環状通路１２２を通る空気流の半径方向分布をさらに強化する。バッフル１４８は、図１０に示すように環状通路１２２内全体に存在させることができる。それに代えて、バッフル１４８は、シュラウド１１８の半径方向外側で始まり、シュラウド１１８と中心本体１２０との間の環状通路１２２内に連続させることができる。

図１１及び図１２は、本発明の技術的範囲内にあるノズルと比較してベルマウスノズルの空気流性能をグラフで示している。例えば、図１１は、ベルマウスノズルと弓形環状ガイドを有するノズルとの各半径方向位置での質量流量の割合を示している。均一な半径方向空気流は、各半径方向位置において同一である質量流量パーセントを生じ、その結果として図１１に示すグラフにおいて水平直線となる。図示するように、質量流量パーセントは、弓形環状ガイドを有するノズルにおけるよりもベルマウスノズルにおいてより多く半径方向に変化している。

図１２は、ベルマウスノズルと弓形環状ガイドを有するノズルとの異なる半径方向位置での空気流速度を示している。図１２に示すように、両方のノズルの軸方向速度は、ノズルの軸方向中心線に近接した内側半径方向位置では比較的同じである。しかしながら、弓形環状ガイドを備えたノズルは、ベルマウスノズルに比べて、シュラウドに近接する外側半径方向位置で改善した軸方向速度を生じている。図１２における矢印は、ベルマウスノズルと比較した、弓形環状ガイドを有するノズルにおける外側半径方向位置での改善した軸方向速度を示している。

図４から図１０に示す実施形態のいずれかにより構成したノズルではさらに、空気流を調整するための方法を得ることができる。この方法によると、空気は、該空気がシュラウドの外側で第１の空気流と第２の空気流とに分割されるまで、シュラウドの外部表面に沿って流れる。第１の空気流は、中心本体とシュラウドとの間の環状通路の外側部分内に導かれる。第２の空気流は、中心本体とシュラウドとの間の環状通路の内側部分内に導かれる。図９に示すように、本方法は、中心本体とシュラウドとの間の環状通路内で空気流を縮小するか又は圧搾するステップを含むことができる。加えて図１０に示すように、本方法はさらに、環状通路に流入する第２の空気流を分割するステップを含むことができる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構成要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構成要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することを意図している。

１０ 燃焼器
１２ ケーシング
１４ ノズル（図１）
１５ 端部カバー
１６ 端部キャップ
１８ ライナ
２０ 燃焼室
２２ 流れスリーブ
２４ 環状通路
２６ ノズル（図２）
２８ ベルマウス
３０ 中心本体
３２ 軸方向中心線
３４ シュラウド
３６ 環状通路
３８ スワーラベーン
４０ ノズル（図３）
４２ 流入量調整装置
４４ バッフル
４６ 有孔スクリーン
４８ ノズル（図４）
５０ 中心本体
５２ シュラウド
５３ ノズルフランジ
５４ 軸方向中心線
５６ 環状通路
５７ スワーラベーン
５８ 弓形環状ガイド
６０ シュラウドの端部
６２ 内側ポイント
６４ 外側ポイント
６６ 第１の空気流
６８ 第２の空気流
７０ ストラット
７２ ストラットの第１の端部
７４ ストラットの第２の端部
７６ 燃焼器
７８ ノズル（図６、図７）
８０ 端部キャップ
８２ 中心ノズル
８４ 中心本体
８６ 平坦なセグメント
８８ ノズル（図８）
９０ ノズル（図９）
９２ ノズル（図１０）
９４ 弓形環状ガイド（図８）
９６ 弓形環状ガイド（図９）
９８ 弓形環状ガイド（図１０）
１００ 流れスリーブ（図８）
１０２ シュラウド（図８）
１０４ 中心本体（図８）
１０６ 環状通路（図８）
１０８ 流れスリーブ（図９）
１１０ シュラウド（図９）
１１２ 中心本体（図９）
１１４ 環状通路（図９）
１１６ 流れスリーブ（図１０）
１１８ シュラウド（図１０）
１２０ 中心本体（図１０）
１２２ 環状通路（図１０）
１２４ 第１の空気流（図８）
１２６ 第２の空気流（図８）
１２８ 第１の空気流（図９）
１３０ 第２の空気流（図９）
１３２ 第１の空気流（図１０）
１３４ 第２の空気流（図１０）
１３６ シュラウドの端部
１３８ より厚いセクション
１４０ ガイドの第１の端部
１４２ ガイドの第２の端部
１４４ 中央部分
１４６ 中心本体の輪郭表面
１４８ バッフル

Claims (10)

1. 燃料ノズル（９０）であって、
   ａ．通路（１１４）を形成しかつ端部（１３６）を備えたシュラウド（１１０）と、
   ｂ．前記シュラウド（１１０）の端部（１３６）から分離されかつ該シュラウド（１１０）の端部（１３６）の半径方向内側のポイント（６２）から該シュラウド（１１０）の端部（１３６）の半径方向外側のポイント（６４）まで延びる弓形環状ガイド（９６）と
   を含み、前記弓形環状ガイド（９６）が、該弓形環状ガイド（９６）と前記シュラウド（１１０）の端部（１３６）との間に第１の空気流（１２８）を形成しかつ該弓形環状ガイド（９６）の半径方内側に第２の空気流（１３０）を形成する、燃料ノズル（９０）。
2. 中心本体（１１２）をさらに含み、前記シュラウド（１１０）が、前記中心本体（１１２）の少なくとも一部分を円周方向に囲んで該中心本体（１１２）と該シュラウド（１１０）との間に環状通路（１１４）を形成する、請求項１記載の燃料ノズル（９０）。
3. 前記弓形環状ガイド（９６）が、第１の端部（１４０）及び第２の端部（１４２）を含み、前記第２の端部（１４２）が、前記シュラウド（１１０）と前記中心本体（１１２）との間で少なくとも部分的に延びる、請求項２記載の燃料ノズル（９０）。
4. 前記中心本体（１１２）が、該中心本体（１１２）と前記シュラウド（１１０）との間の前記環状通路（１１４）を縮小する輪郭表面（１４６）を含む、請求項２又は請求項３記載の燃料ノズル（９０）。
5. 前記弓形環状ガイド（９８）と前記中心本体（１２０）との間にバッフル（１４８）をさらに含み、前記バッフル（１４８）が、前記弓形環状ガイド（９８）と前記中心本体（１２０）との間の第２の空気流（１３４）を分割する、請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の燃料ノズル（９２）。
6. 前記弓形環状ガイド（５８）が、その少なくとも一部分に沿ってほぼ平坦なセグメント（８６）を備えた周辺部を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃料ノズル（７８）。
7. 前記弓形環状ガイド（９６）が、第１の端部（１４０）、第２の端部（１４２）、及び前記第１の端部（１４０）と前記第２の端部（１４２）との間に位置しかつ該第１の端部（１４０）又は第２の端部（１４２）の少なくとも１つよりも大きい厚さを有する中央部分（１４４）を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の燃料ノズル（９０）。
8. 前記弓形環状ガイド（５８）に連結されて該弓形環状ガイド（５８）を支持した少なくとも１つのストラット（７０）をさらに含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の燃料ノズル（４８）。
9. 前記少なくとも１つのストラット（７０）が、端部カバー（１５）、端部キャップ（１６）、又はノズルフランジ（５３）の少なくとも１つに連結することができる、請求項８記載の燃料ノズル（４８）。
10. 前記シュラウド（１０２）の端部（１３６）が、増大厚さ（１３８）を有するセクションを含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の燃料ノズル（８８）。

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