JP2016128740A - 燃料及びガス用の噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】噴射システムは、燃料、空気、及び／又は不活性ガスを様々な方法で混合して、酸素と燃料が燃焼する前に混合させかつ混合物が燃焼チャンバを出る前に反応を完了させるための、様々な滞留期間をもたらすためのシステムを提供する。
【解決手段】噴射システム５０は、発電システムの燃焼器と発電システムのタービン段とを分離するタービンノズル５４の表面に埋め込まれ、かつ、第１の出口６０と第２の出口６２の間に配置された混合ゾーンであって、第１の出口は第２の出口と概ね対向して配向される、混合ゾーン５２と、第１の出口を通してキャリアガスを混合ゾーンに送給するための第１の噴射導管６４と、第２の出口を通して燃料を混合ゾーンに送給するための第２の噴射導管６６を備え、キャリアガス及び燃料は、第１の噴射導管及び第２の噴射導管を出る際に混合ゾーンにおいて相互混合する。
【選択図】図２

Description

本開示は、一般的に、燃料及びガス用の噴射システムに関する。より具体的に、本開示は、燃料及びキャリアガスを発電システムの構成要素に導入するための噴射システムに関する。構成要素には、例えば、ガスタービンシステム又は他の型式のターボ機械で用いられるもののような、燃焼器及び再熱燃焼器などを含むことができる。

タービンシステム（ターボ機械としても知られる）は、例えば発電機に対する動力を発生させることができる。高温ガス又は蒸気等の作動流体は、タービンシステムのロータに結合されたタービンブレードセットを横切って流れることができる。ブレードに対する作動流体の力により、ブレード（及び結合されたロータ本体）が回転する。多くの場合、ロータ本体は、発電機等の発電電動機械の駆動軸に機械的に結合される。この意味において、タービンシステムのロータが回転を始めると発電機の駆動軸も回転して特定の電力及び電流を発生させる。

燃焼ベースのターボ機械において作動流体を発生させるためには、燃料又は他の反応物質が空気の存在下で燃焼し、仕事を与えるための、すなわちタービンシステムのブレードを起動させるための高温ガス流を発生させる必要がある。いくつかの燃焼器では、自己点火の原理を応用して、燃焼器において空気の存在下で燃料を燃焼させる。自己点火とは、高温反応チャンバにおいて燃料と空気を混合させ、そこで燃料と空気が、反応を励起させるために必要な火炎なしに、チャンバ内で燃焼し得ることをいう。従来のシステムにおいては、燃料は、所定の距離をおいてチャンバの上流に配置された混合ダクトにおいて、ターボ機械の空気流に加えられる。燃料及び空気は、チャンバに到達する前に混合ダクト内で混合され、そこで自己点火により燃焼反応が起きる。

米国特許第８５１１０５９号明細書

本開示の実施形態は、一般的に、燃料及びガスの噴射システムに関する。具体的には、本開示による噴射システムは、燃料、空気、及び／又は不活性ガスを様々な方法で混合して、酸素と燃料が燃焼する前に混合させかつ混合物が燃焼チャンバを出る前に反応を完了させるための、様々な滞留期間をもたらすためのシステムを提供する。

本開示の第１の態様は、発電システムの燃焼器と発電システムのタービン段とを分離するタービンノズルの表面に埋め込まれ、かつ、第１の出口と第２の出口との間に配置された混合ゾーンであって、第１の出口は第２の出口と概ね対向して配向される、混合ゾーンと、第１の出口を通してキャリアガスを混合ゾーンに送給するための第１の噴射導管と、第２の出口を通して燃料を混合ゾーンに送給するための第２の噴射導管とを含み、キャリアガス及び燃料は、第１の噴射導管及び第２の噴射導管を出る際に混合ゾーンにおいて混合される、噴射システムを提供する。

本開示の第２の態様は、発電システムの燃焼器と発電システムのタービン段とを分離するタービンノズルの表面に、第１の出口を通して燃料を送給するための少なくとも１つの第１の噴射導管と、第２の出口を通してキャリアガスをタービンノズルの表面に送給するための第２の噴射導管であって、少なくとも１つの第１の噴射導管は、第２の噴射導管内に配置されている、第２の噴射導管と、第２の噴射導管と少なくとも１つの第１の噴射導管との間に配置された少なくとも１つの隔壁と、を含み、少なくとも１つの隔壁は、少なくとも１つの第１の噴射導管の燃料と第２の噴射導管のキャリアガスとを分離する、噴射システムを提供する。

本開示の第３の態様は、発電システムの燃焼器と発電システムのタービン段とを分離するタービンノズルの表面に、第１の出口を通して燃料及びキャリアガスのうちの一方を送給するための少なくとも１つの第１の噴射導管と、複数の第２の出口のそれぞれを通してタービンノズルの表面に燃料及びキャリアガスのうちの他方を送給するための、少なくとも２つの第２の噴射導管と、を含み、複数の第２の噴射導管は第１の噴射導管に隣接し、少なくとも１つの第１の噴射導管と少なくとも２つの第２の噴射導管の直線配置により、燃料及びキャリアガスに対して交互の出口のシーケンスを形成する、噴射システムを提供する。

本発明のこれらの及び他の特徴は、本発明の種々の実施形態を示す添付図面と併用される本発明の種々の態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

再熱燃焼器を含むガスタービンシステムの概略図。 本開示の１つの実施形態による燃料及びキャリアガス用の噴射システムの部分斜視図。 本開示の１つの実施形態による燃料及びキャリアガス用の噴射システムの部分斜視図。 本開示の１つの実施形態による燃料及びキャリアガス用の噴射システムの部分斜視図。 本開示の別の実施形態による燃料及びキャリアガス用の別の噴射システムの部分斜視図。 本開示の別の実施形態による燃料及びキャリアガス用の別の噴射システムの部分斜視図。 本開示の別の実施形態による燃料及びキャリアガス用のさらに別の噴射システムの部分斜視図。 本開示の別の実施形態による燃料及びキャリアガス用のさらに別の噴射システムの部分斜視図。 本開示の実施形態による燃焼器とタービンセクションとの間のタービンノズルの断面図。

本発明の図面は、必ずしも縮尺通りでないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様を示すことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。図面において、同様な番号付けは、図面間で同様の要素を表す。

本明細書で説明するように、本発明の態様は、一般的に、発電システムへのキャリアガス及び可燃性燃料のうちの一方又は両方用の噴射システムに関する。例示的な実施形態において、本開示による噴射システムは、ガスタービンシステムの反応チャンバ内に燃料及びキャリアガスを噴射できる。ガスタービンシステムの反応チャンバの１つの型式には、再熱燃焼器の反応チャンバが含まれ得る。本開示では、反応チャンバとタービン段とを分離するタービンノズルの１つ又はそれ以上の特定の位置に配置することができる、燃料及びキャリアガスを噴射するためのいくつかの噴射システムについて説明する。

「内側」、「外側」、「真下」、「下」、「下部」、「上」、「上部」、「入口」、「出口」等などの空間的相対用語は、本明細書では、図面に示すように、別の要素又は特徴に対する１つの要素又は特徴の関係を説明するのに説明を容易にするために用いることができる。空間的相対用語は、図面に示した向きに加えて、使用中又は運転中の装置の異なる向きを含むことを意図し得る。例えば、図面において装置を反転させると、他の要素又は特徴の「下」又は「直下」として説明された要素は、他の要素又は特徴の「上」に配向される。従って、例示的な用語「下」は、上及び下の両方の向きを含むことができる。装置は、他の向き（９０度回転、又は他の向き）にすることもでき、本明細書で用いられる空間的相対記述語は、これに従って解釈される。

図１を参照すると、ターボ機械の形態の従来の発電システム１０が示される。本開示の実施形態は、発電システム１０と共に使用するように適合すること及び／又はその構成要素に統合することができる。発電システム１０は、例として、燃焼ベースのターボ機械組立体であるように示されるが、本開示の実施形態は、適用できる場合は他の型式の燃焼システムと共に使用するよう適合させることもできる。燃焼ベースのターボ機械の設定において、燃料供給源１４に接続された燃焼器１２は、通常、発電システム１０の圧縮機１６と高圧（ＨＰ）ガスタービン１８との間に配置される。燃料供給源１４は、燃焼器１２に流体接続されるか、さもなければ燃焼器１２に結合された１つ又はそれ以上の燃料ノズルの形態とすることができる。１つの実施形態において、燃料供給源１４は、発電システム１０の燃焼器１２及び／又は他の燃焼器の周りに周方向に配置された一群の燃料ノズルに流体接続することができる。圧縮機１６及びＨＰガスタービン１８は、回転軸２０を介して互いに機械的に結合することができる。出力及び／又は効率を高めるために、発電システム１０は、ＨＰガスタービン１８から出力される流体と流体連通する再熱燃焼器２２及び低圧（ＬＰ）ガスタービン２４を含むこともできる。

空気２６は、圧縮機１６、燃焼器１２、ＨＰガスタービン１８、再熱燃焼器２２及びＬＰガスタービン２４を通って順に流れる。圧縮機１６によりもたらされる圧縮により、空気２６の温度も上昇させることができる。燃料供給源１４は、燃焼器１２及び再熱燃焼器２２に燃料を供給することができ、燃料は空気２６の存在下で燃焼して高温ガス流を発生させる。燃焼器１２からの高温ガス流は、ＨＰガスタービン１８に流入し、例えば一群のタービンバケットを回転させることにより回転軸２０に機械的エネルギーを与え、それにより圧縮機１６及び／又は回転軸２０に機械的に結合された任意のロード（図示せず）に動力を戻すことができる。同様に、燃料供給源１４から再熱燃焼器２２に供給される燃料は、ガスタービン１８から送給される余剰空気の存在下で燃焼し、ＬＰガスタービン２４に対して高温ガス流を発生させ、高温ガス流は、例えばＬＰガスタービン２４のタービンバケットを回転させることにより、回転軸２０に追加の機械的エネルギーを伝えることができる。発電システム１０は、同一のオペレータにより制御されるいくつかの個別のターボ機械のうち１つ及び／又はより大きい発電システムの一部とすることができる。

図２を参照すると、本開示による噴射システム５０が示される。噴射システム５０は、タービンノズル５４の表面内に埋め込まれた混合ゾーン５２を含むことができる。タービンノズル５４は、燃焼器（例えば燃焼器１２（図１）又は再熱燃焼器２２（図１））を、例えば発電システム１０（図１）などのシステムのタービン段（例えばＨＰタービン１８（図１）又はＬＰタービン２４（図１））から分離することができる。ガスタービンシステムの例において、タービンノズル５４は、発電システム１０の再熱燃焼器２２をＬＰタービン２４から分離することができる。ここで、タービンノズル５４は、再熱燃焼器２２を通る流体の流れに曝露させることができる。

混合ゾーン５２は、第１の出口６０と第２の出口６２との間に配置できる。第１の出口６０は、第１の噴射導管６４のキャリアガス（例えば、酸素又は不活性ガスを含む燃焼ガス）を混合ゾーン５２に連通させるための、１つ又はそれ以上の孔、オリフィス、チャネル、ノズル等の形態とすることができる。第１の出口６０から混合ゾーン５２に送られるキャリアガスは、圧縮機（例えば、圧縮機１６（図１））から送られた余剰冷却空気とすること、又は例えば発電システム１０の外部に配置された空気又は他のガスの独立供給源から送給することができる。第２の出口６２は、第２の噴射導管６６の燃料を混合ゾーン５２に連通させるための、１つ又はそれ以上の孔、オリフィス、チャネル、ノズル等の形態とすることができる。第２の出口６２を通して混合ゾーン５２に送られる燃料は、例えば燃料供給源（図１）又は未反応燃料を受ける及び／又は発生させる他の供給源とすることができる。キャリアガスは、例えば空気等の酸化ガス、不活性ガス、又は燃料の混合及び反応を促進し、点火が行われる前及び後の両方の燃料の残留時間を制御する目的に適した任意の化学組成の混合物とすることができる。いずれの場合も、混合ゾーン５２に送られた燃料及びキャリアガスは、そこで互いに混合し、反応性ガス混合物６８となり得る。

混合ゾーン５２における燃料とガスとの相互混合を強化するために、第１の出口６０及び第２の出口６２は、概ね互いに「対向する」向きにすることができる。最も一般的意味において、「対向する」とは、第１の出口６０及び第２の出口６２からの少なくとも一部の燃料及び少なくとも一部のキャリアガスが、反応性ガス混合物６８として混合ゾーン５２を出る前に、混合ゾーン５２内で互いに衝突する全ての方向を含む。１つの実施形態において、第１の出口６０及び第２の出口６２は、特定の直線方向に沿って直接対向させて、つまり反対の若しくは概ね反対の向き（つまり、約５度の誤差の範囲内）として、水平軸（例えば、図２の軸「Ｘ」）に対する第１の出口６０及び第２の出口６２の角度方向が約１８０度異なるものとすることができる。第１の出口６０及び第２の出口６２の対向する向きは、タービンノズル５４の表面内に窪みつまり凹部を形成し、第１及び第２の出口６０、６２をこの窪み内に配置することにより向上させることができる。別の実施形態において、第１又は第２の出口６０、６２は、例えば１つの流体流成分ベクトルが１つの軸に沿った他の出口と同一方向で、別の成分ベクトルが別の軸に沿った別の出口の別の方向であるように、第１又は第２の出口６０、６２の他方の流れの方向に向けることができる。例えば、第１又は第２の出口６０、６２を、タービンノズル５４の表面に概ね直角の方向に向け、他方の出口を、約４５度より小さい角度差だけ他方の出口と異なるタービンノズル５４の表面から角度を付けた向きにすることができる。図２の例においては、第１及び第２の出口６０、６２は、互いに概ね対向する向きであり、流体流を正の「Ｙ」方向成分ベクトルに沿って連通させるが、Ｘ方向成分ベクトルは対向する向きにあり、互いの方を向いている。本開示の実施形態においては、運転中に第１の出口６０を出るキャリアガスの少なくとも一部が、第２の出口６２を出る燃料の少なくとも一部と衝突する及び／又は相互混合する限り、第１の出口６０及び第２の出口６２の間で任意の数の可能性のある相対的向きが考えられる。

図３を参照すると、追加の構成要素を含む噴射システム５０が示される。噴射システム５０は、タービンノズル５４の表面内に埋め込まれ、混合ゾーン５２を囲む混合チャンバ７０を含む。混合チャンバ７０は、混合ゾーン５２と混合チャンバの外部との間で混合チャンバ７０を通って延びる吐出通路７２を含むこともできる。混合チャンバ７０、並びに第１の出口６０及び第２の出口６２の概ね対向する向きにより、吐出通路７２を通って混合ゾーン５２を出る前に、第１及び第２の噴射導管６４、６６からのキャリアガス及び燃料間の接触量を増加させることができる。ここで、第１及び第２の出口６０、６２は、対向する「Ｘ」方向成分ベクトルにより方向付けることができ、かつ、別のＹ−Ｚ平面（つまりＸ軸に沿った異なる座標に配置された）に配置することができる。この場合、第１及び第２の出口６０、６２は、混合チャンバ７０内で混合し吐出通路７２を通り抜ける前に、混合チャンバ７０内で概ね時計回り又は反時計回り方向に流れる、混合ゾーン５２におけるキャリアガス及び燃料の流体流を連通させることができる。

図３にさらに示すように、吐出通路７２は、特定の幾何学的形状をもつ外形にして、一方向における流体連通を許容しながら、他方向における流体連通を妨害することができる。例えば、吐出通路７２は、吐出通路７２の一端の断面積が他端における断面積より大きい、概ね円錐台とすることができる。吐出通路７２は、付加的に又は代替的に、例えばラビリンス形状、テーパ形状等の他の幾何学的形状を含むように機械加工することができる。いずれの場合においても、吐出通路７２に向かう混合ゾーン５２内のキャリアガス及び燃料の流体流量は、吐出通路７２への混合チャンバ７０外（例えば反応チャンバ内）の物質の流体流量よりも概ね大きくすることができる。従って、吐出通路７２の特定の外形により、タービンノズル５４の外の燃焼ガスが、吐出通路７２を通って混合ゾーン５２に流体連通して流入するのを防ぐことができる。他の実施形態において、燃焼ガスが混合ゾーンに流入するリスクが低い場合、吐出通路７２は、例えば概ね円筒形、長方形断面を有する平行六面体形状経路などの、他の任意の所望する幾何学的形状を有してもよい。

噴射システム５０は、発電システム１０（図１）の構成要素に対して混合反応ガスを提供すること以外の機能も果たすことができる。例えば、噴射システム５０は、タービンノズル５４を冷却することができる。１つの実施形態において、第１及び第２の噴射導管６４、６６のいずれか又は両方が、熱伝導性材料からなることができる。熱伝導性材料には、例えば合金等の金属組成物、熱伝導性プラスチック及び／又は有機材料、伝導性セラミック材料等が含まれる。いずれの場合においても、伝熱特性を有する第１及び第２の噴射導管６４、６６の材料組成により、第１及び第２の噴射導管におけるそれぞれの流体（例えばキャリアガス又は燃料）に、タービンノズル５４の表面から熱を吸収させることができる。この場合、燃焼反応中にタービンノズル５４に移行した熱を、第１及び／又は第２の噴射導管のキャリアガス又は燃料に移行させることにより部分的に放散させて、タービンノズル５４に対する損傷の量を低減することができる。

図４を参照すると、噴射システム５０は、タービンノズル５４に結合して及び／又はタービンノズル５４の追加の構成要素を含んで示される。ここで、第２の噴射導管６４は、複数のキャリアガス供給導管７６からキャリアガスを収集するためにマニホルド７４と流体連通することができる。キャリアガス供給導管７６は、それぞれ、キャリアガスの単一の供給源又はキャリアガスの異なる供給源と流体連通させることができる。図４に示すように、マニホルド７４は、種々の層を１つの第１の噴射導管６４に流体的に接続する、孔、オリフィス、通路等を有する種々の層から成ることができる。マニホルド７４における種々の層のうち少なくとも１つは、キャリアガスの供給源に接続するいくつかのキャリアガス供給導管７６のうち１つを含むことができる。マニホルド７４は、複数の供給源からのキャリアガスを一緒に組み合わせて、第１の噴射導管６４に供給することができる。また図４に示すように、第２の噴射導管６６は、マニホルド７４を通って延び、第２の噴射導管６６がマニホルド７４におけるキャリアガスから流体的に切り離されるようにすることができる。この配置において、第２の噴射導管６６が熱伝導性材料からなる場合、マニホルド７４は、タービンノズル５４の、混合ゾーン５２により占有されるものよりも大きい表面積を冷却することができ、第２の噴射導管６６内の燃料も、タービンノズル５４から熱を吸収して追加の冷却を行うことができる。

ここで図５を参照すると、本開示の別の実施形態による噴射システム１００が示される。噴射システム１００は、キャリアガスを送給するための第１の出口１６０と、タービンノズル１５４の表面に燃料を送給するための少なくとも１つの第２の出口１６２とを含むことができる。第１の噴射導管１６４は、第１の出口１６０を通してタービンノズル１５４の表面に冷却空気（キャリアガスとして）を送給できる。少なくとも１つの第２の噴射導管１６６は、第２の出口１６２を通してタービンノズル１５４の表面に燃料を送給できる。さらに、第２の噴射導管１６６は、第１の噴射導管１６４内に配置できる。第１の噴射導管１６４と第２の噴射導管１６６との間に隔壁１６８を配置できる。隔壁１６８は、第１の噴射導管１６４のキャリアガスと第２の噴射導管の燃料とを分離することができる。本明細書の他の箇所で述べたように、タービンノズル１５４は、燃焼器（例えば燃焼器１２（図１）又は再熱燃焼器２２（図１）を、発電システム１０（図１）などのシステムの、タービン段（例えばＨＰタービン１８（図１）又はＬＰタービン２６（図１））から分離することができる。例示的な実施形態において、タービンノズル１５４は、再熱燃焼器２２を、ガスタービンシステムの形態の発電システム１０のＬＰタービン２４と分離することができ、再熱燃焼器２２を通る流体の流れに曝露させることができる。

噴射システム１００は、タービンノズル１５４の表面内に配置された混合チャンバ１７０を含むこともできる。混合チャンバ１７０は、第１及び第２の出口１６０、１６２の上に配置された吐出通路１７２を含み、混合チャンバ１７０の内部と外部の間の流体連通をもたらすこともできる。混合チャンバ１７０は、第１及び第２の出口１６０、１６２を通して第１及び第２の噴射導管１６４、１６６を出るキャリアガスと燃料との混合の領域を与えることができる。吐出通路１７２は、図５に示すように、第１及び／又は第２の出口１６０、１６２と直接位置合わせすること及び／又は同軸に配置することができる。代替的に、吐出通路１７２は、第１及び／又は第２の出口１６０、１６２とは別の軸と位置合わせしてもよい。さらに別の実施形態において、吐出通路１７２は、混合チャンバ１７０を通って延びる複数の吐出通路１７２の形態とすることもできる。

噴射システム１００の実施形態は、第１の噴射導管１６４と第２の噴射導管１６６の様々な相対位置を含み、他の構成要素をそれらの間に配置すること、さもなければ適用可能な場合は含ませることができる。例えば、第２の噴射導管１６６は、第１の噴射導管１６４内に配置することができる。図５に示すように、第１及び第２の出口１６０、１６２は、２つの出口の間の概ね円形の仕切りの形態である隔壁１６８と同軸の配置を有することができる。隔壁１６８は、第１及び／又は第２の噴射導管１６４、１６６の一部を構成することができ、又は完全に別の構造とすることができる。第１の噴射導管１６４は、タービンノズル１５４内で分割又は分岐することができ、第１の噴射導管６４（図２〜図４）に関して本明細書の他の箇所で述べた熱伝導性材料のうち１つなどの熱伝導性材料から構成することができる。第１の噴射導管１６４が熱伝導性材料から構成される場合、第１の噴射導管１６４のキャリアガスは、第１の噴射導管１６４と流体連通する複数の供給源から収集され、第１の噴射導管１６４の熱伝導性組成により、タービンノズル１５４のより大きい表面積から熱を吸収することができる。第２の噴射導管１６６は、タービンノズル１５４の表面に対して、概ね直角にタービンノズル１５４内に延びて、第２の出口１６２を特定の燃料源に接続することができる。また、第２の噴射導管１６６は、熱伝導性材料から構成することができる。第２の噴射導管１６６及び／又は隔壁１６８の組成物に熱伝導性材料を使用することにより、隔壁１６８を通して、第２の噴射導管１６６の燃料と第１の噴射導管１６４のキャリアガスとの間で熱を移行させることができる。

図６を参照すると、第１及び第２の噴射導管２６４、２６６の別の配置を有する噴射システム２００が示される。噴射システム２００は、それぞれが第１の噴射導管２６４内に配置できる複数の第２の噴射導管２６６を含むことができる。ここで、いくつかの第２の噴射導管２６６は、第１の噴射導管２６４と同軸でなく、均一に又は不均一に第１の噴射導管２６４の断面領域にわたって分散させることができる。いくつかの第２の出口２６２は、タービンノズル２５４の表面を超えて燃料を送り、そこで、燃料を第１の出口２６０を通ってタービンノズル２５４の表面に送給された第１の噴射導管２６４からの冷却空気（キャリアガスとして）と混合させることができる。複数の隔壁２６８は、第１の噴射導管２６４と複数の第２の噴射導管２６６のうち１つとの間に配置して、第１の噴射導管２６４のキャリアガスを第２の噴射導管２６６の燃料から分離することができる。第１の噴射導管２６４内の第２の噴射導管２６６の数及びサイズは、意図する用途、反応条件等に基づいて変更し、噴射の際の燃料と空気の混合量、噴射システム２００により与えられる追加燃焼のレベル、及びその他の反応特性を制御することができる。一例として図６から混合チャンバ１７０（図５）及び吐出通路１７２（図５）は省略されるが、これらの構成要素は、複数の第２の噴射導管２６６を使用する実施形態において、付随して起こる改修を伴って又は伴うことなく使用できることを理解されたい。

図７を参照すると、本開示の別の実施形態による別の噴射システム３００が示される。噴射システム３００は、例えば酸素と燃料の噴射後の混合の前に長い遅延が望まれるような状況に対して特に適した噴射導管の配置を含むことができる。図７に示すように、噴射システム３００は、タービンノズル３５４の表面に燃料又は空気のいずれかを送給するための、対応する第１の噴射導管３６４に流体接続された少なくとも１つの第１の出口３６０を含むことができる。同様に、少なくとも１つの第２の出口３６２は、タービンノズル３５４の表面と少なくとも１つの第２の噴射導管３６６との間の流体連通を与えることができる。第２の出口３６２及び第２の噴射導管３６６は、第１の出口３６０及び第１の噴射導管３６４を通って送給されるものとは異なる流体をタービンノズル３５４の表面に送給できる。例えば、第１の噴射導管３６４がキャリアガスをタービンノズル３５４の表面に送給する場合、第２の噴射導管３６６は、燃料をタービンノズル３５４の表面に送給することができる。第１の噴射導管３６４は、発電システムの圧縮機からのキャリアガス（例えば冷却空気）の供給源と流体連通することができ、又は代替的な実施形態においては、発電システム１０（図１）内に又はその外部に配置された専用のキャリアガス供給源に流体接続することができる。

第１及び第２の出口３６０、３６２は、互いに対して様々な寸法を有することができ、いくつかの実施形態においては、タービンノズル３５４の表面に概ね類似した流体の流れを送給するために、ほぼ等しい表面積とすることができる。噴射システム３００は、第１の噴射導管３６４に隣接して配置された少なくとも２つの第２の噴射導管３６６を含み、第１及び第２の噴射導管３６４、３６６並びに第１及び第２の出口３６０、３６２がタービンノズル３５４の表面にわたって出口の交互の直線シーケンスを形成するようにすることができる。交互の直線シーケンスにより、２つの第１の出口３６０及び／又は第２の出口３６２が、互いに隣りに配置されて、燃料又は空気の量が、異常に多い又は少ない量の他の媒体と混合するのを防止することができる。図７に示され、本明細書で検討される例示的な実施形態は、噴射システム２００の一般化した形態であり、第１及び第２の出口３６０、３６２及び／又は第１及び第２の噴射導管３６４、３６６の出口の交互の直線シーケンスに関して異なる形状を有する他の実施形態も、本明細書で考えられ、検討される。各第１の出口３６０及び各第２の出口３６２は、互いに概ね同一平面にあり（例えば、図７に示される同一の平面Ｘ−Ｙ内）、両方の媒体がそれぞれの出口を通ってタービンノズル３５４を出た後、燃料とキャリアガスとの特定の混合形式及び量をもたらすことができる。

第１及び第２の出口３６０、３６２の交互シーケンスは、特定の形式の形状つまりパターンを形成することができる。例えば、図７に示すように、複数の第１及び第２の出口３６０、３６２及び／又は第１及び第２の噴射導管３６４、３６６は、直線的な列形状のパターンを形成することができる。このパターンは、タービンノズル３５４の特定の領域に対して特に有効である。例えば、タービンノズル３５４を通る流体の流れは、第１及び第２の噴射導管３６４、３６６及び／又は第１及び第２の出口３６０、３６２の列形状の交互パターンの方向と概ね平行な移動方向を有することができる。第１及び第２の出口３６０、３６２は、タービンノズル３５４の「前縁」又は「後縁」のうちの一方上に配置することができる。前縁は、一般的に、反応チャンバからの流体が横切って流れるタービンノズル３５４の縁を指し、後縁は、一般的に、流体が横切って流れ、発電システムのタービン段に先行するタービンノズル３５４の縁を指す。タービンノズル３５４の前縁及び後縁の例は、本明細書の他の箇所で検討する。

図８を参照すると、異なる配置の構成要素を有する噴射システム４００が示される。噴射システム４００は、少なくとも１つの第１の出口４６０の周りに概ね円形に配置された一群の第２の出口４６２を含むことができる。この特定のパターンは、例えば１つの第２の出口４６２から第１の出口４６０へ、及び、概ね円形配置の反対側に配置された別の第２の出口４６２への、第１及び第２の出口４６０、４６２の交互の直線シーケンスを維持することができる。出口の形式は、特定の直線方向に沿って交互になるが、第２の出口４６２は、噴射システム４００の中心に又は中心近くに配置された第１の出口４６０と概ね円形のパターンにあることができる。第１及び第２の出口４６０、４６２は、第１及び第２の噴射導管４６４、４６６に流体接続することができる。

同じく図８に示すように、噴射システム４００は、内部に混合ゾーンを定める混合チャンバ４７０を含むことができる。混合ゾーンは、一般的に、タービンノズル４５４の表面の上の混合チャンバ４７０内に空間を含むことができる。交互の配置を有する第１及び第２の出口４６０、４６２からのキャリアガス及び燃料は、混合ゾーン内（つまり混合チャンバ内）で相互に混合させることができる。相互に混合したキャリアガス及び燃料は、混合チャンバ４７０を通って延びる吐出通路４７２を通って、タービンノズル４５４の表面から離れるように流れることができる。混合チャンバ４７０及び吐出通路４７２を追加して交互の第１及び第２の出口４６０、４６２の上に混合ゾーンを形成することにより、キャリアガス及び燃料が反応ゾーンに流入して燃焼する前に混合する程度を増大させることができる。

図９を参照すると、噴射システム５０（図２〜図４）、１００（図５）、２００（図６）、３００（図７）、４００（図８）の考えられる様々な位置を有するタービンノズル５５４の断面が示される。図９において、タービンノズル５５４は、例として示されるが、適用可能な場合、例えばタービンノズル５４（図２〜図４）、タービンノズル１５４（図５）、タービンノズル２５４（図６）、タービンノズル３５４（図７）、及び／又はタービンノズル４５４（図８）などの本明細書で検討した他の形式のタービンノズルを使用することもできる。図９において特定され本明細書で検討したタービンノズル５５４の位置は、例として与えられたものであり、特定の噴射システムの考えられる位置を限定することを意図するものではない。噴射システム５０、１００、２００、３００、４００の配置は、意図する用途及び噴射システムを使用する発電システムの形式に基づいて変えることができる。タービンノズル５５４は、特定の発電システムの再熱燃焼器２２とＬＰ（低圧）タービン２４との間に配置することができる。

図９のＸ−Ｙ平面における断面図に示すように、タービンノズル５５４は、再熱燃焼器２２の下流、ＬＰタービン２４の上流、かつ内側側壁５０６と外側側壁５０８との間に配置することができる。対応する流体流Ｆは、再熱燃焼器２２からＬＰタービン２４へ移動する間にタービンノズル５５４を通ることができる。噴射システム５０、１００、２００、３００、４００は、反応チャンバ５０２からタービン段５０４への流体Ｆの流れに対するそれらの位置のためにそのように名付けられた、前縁５１０又は後縁５１２のような流体流Ｆに曝露される位置に配置することができる。これに加えて又は代替的に、噴射システム５０、１００、２００、３００、４００は、タービンノズル５５４の正圧側面５１４及び／又は負圧側面５１６に又はその近くに配置することができる。正圧側面５１４及び負圧側面５１６は、それぞれの位置の近くを流れる流体から生じる圧力が正であるか負であるかに基づいて特定することができる。タービンノズル５５４は、噴射システム５０、１００、２００、３００、４００の単一の実施形態を含むことができ、又は、様々な技術的用途に対して望まれる又は必要なように、本明細書で説明した噴射システム５０、１００、２００、３００、４００の複数の実施形態を含むことができる。

本開示の装置及び方法は、いずれか１つの特定のガスタービン、燃焼エンジン、発電システム又は他のシステムに限定されるものではなく、他の発電システム及び／又はシステム等（例えば、コンバインドサイクル、シンプルサイクル、原子力反応炉など）にも用いることができる。さらに、本発明の装置は、本明細書で説明した装置の運転範囲、効率、耐久性及び信頼性の向上の恩恵を受ける、本明細書に説明されていない他のシステムにも用いることができる。また、様々な噴射システムは、まとめて、単一のノズルに、又は単一の発電システムの異なる部分の異なるノズルに／ノズルと共に使用することができる。所望の場合、任意の数の異なる実施形態を追加しても、又は一緒に使用してもよく、また、例示として本明細書で説明された実施形態は、互いに相互排他的であることを意図するものではない。

本開示の実施形態は、いくつかの技術的及び商業上の利点を提供する。例えば、本明細書で検討された噴射システムの実施形態は、他の噴射システムと比較して、全ガスタービン燃料流のより大きい部分を、タービンノズルを通して噴射することを可能にして効率を改善することにより、既存の再熱燃焼器技術を利用することができる。本開示の実施形態による、タービンノズルに追加する噴射システムの位置及びサイズも変えて、タービンノズルを通して噴射される燃料及びキャリアガスの量を変化させ、噴射された燃料及びキャリアガスの噴射と反応（例えば自己点火による）との間に異なる量の遅延をもたらすことができる。別個のキャリアガス噴射導管及び出口を使用することにより、本開示の噴射システムが、発電システムの圧縮機構成要素からキャリアガスを導入する代わりに、専用の供給源からのキャリアガスの使用を可能にすることもできる。

本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本開示を限定することを意図したものではない。本明細書で用いられる場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も同様に含むことを意図したものである。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／又は「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で用いられる場合、記述された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。

本書面による説明は、例を用いて、最良の形態を含む本発明を開示し、当業者が、任意の装置又はシステムを作成及び使用すること及び任意の組み込まれた方法を実施することなど、本発明を実施するのを可能にするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により規定され、かつ当業者には思い浮かぶ他の例を含むことができる。かかる他の例は、それらが特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と非実質的な差異（ｉｎｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を有する同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲に入ることを意図している。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施形態１］
噴射システムであって、
発電システムの燃焼器と上記発電システムのタービン段とを分離するタービンノズルの表面に配置され、かつ、第１の出口と第２の出口との間に配置された混合ゾーンであって、上記第１の出口は上記第２の出口と概ね対向して配向される、混合ゾーンと、
上記第１の出口を通してキャリアガスを上記混合ゾーンに送給するための第１の噴射導管と、
上記第２の出口を通して燃料を上記混合ゾーンに送給するための第２の噴射導管と、
を備え、
上記キャリアガス及び上記燃料は、上記第１の噴射導管及び上記第２の噴射導管を出る際に上記混合ゾーンにおいて相互混合する、噴射システム。
［実施形態２］
上記混合ゾーンは、上記タービンノズルの上記表面の窪み内に埋め込まれる、実施形態１に記載の噴射システム。
［実施形態３］
上記タービンノズルの上記表面内に埋め込まれ、上記混合ゾーンを内部に囲む混合チャンバと、
上記混合ゾーンと上記混合チャンバの外部との間で上記混合チャンバを通って延びる吐出通路と、
をさらに備える、実施形態１に記載の噴射システム。
［実施形態４］
上記吐出通路の外形は、上記タービンノズルの外の燃焼ガスが上記混合チャンバに流体連通するのを防止する、実施形態３に記載の噴射システム。
［実施形態５］
上記燃焼器は、上記発電システムの再熱燃焼器を備え、上記タービンノズルの上記表面は、上記再熱燃焼器を通る流体の流れに曝露され、上記発電システムはガスタービンシステムを備える、実施形態１に記載の噴射システム。
［実施形態６］
上記第１の噴射導管及び上記第２の噴射導管のうちの少なくとも一方は、熱伝導性材料で構成され、上記第１の噴射導管又は上記第２の噴射導管のうちの１つの中のそれぞれの流体は、上記タービンノズルの上記表面から熱を吸収する、実施形態１に記載の噴射システム。
［実施形態７］
上記タービンノズル内に埋め込まれたマニホルドをさらに備え、上記マニホルドは、上記第１の噴射導管及び複数のキャリアガス供給導管と流体連通する、実施形態１に記載の噴射システム。
［実施形態８］
噴射システムであって、
発電システムの燃焼器と上記発電システムのタービン段とを分離するタービンノズルの表面に、第１の出口を通してキャリアガスを送給するための少なくとも１つの第１の噴射導管と、
第２の出口を通して、燃料を上記タービンノズルの表面に送給するための第２の噴射導管であって、上記少なくとも１つの第２の噴射導管は、上記第１の噴射導管内に配置される、第２の噴射導管と、
上記第１の噴射導管と上記少なくとも１つの第２の噴射導管との間に配置された少なくとも１つの隔壁と、
を備え、上記少なくとも１つの隔壁は、上記少なくとも１つの第１の噴射導管の上記キャリアガスと上記第２の噴射導管の上記燃料とを分離する、噴射システム。
［実施形態９］
上記少なくとも１つの第２の噴射導管は、複数の第２の噴射導管を備え、上記複数の第２の噴射導管のそれぞれは、上記第１の噴射導管内に配置される、実施形態８に記載の噴射システム。
［実施形態１０］
上記少なくとも１つの隔壁は複数の隔壁を含み、上記複数の隔壁の各々は、上記第１の噴射導管と上記複数の第２の噴射導管のそれぞれとの間に配置され、上記複数の隔壁の各々は、上記複数の第２の噴射導管の各々の上記燃料を上記第１の噴射導管の上記キャリアガスから分離する、実施形態９に記載の噴射システム。
［実施形態１１］
上記タービンノズルの上記表面内に配置された混合チャンバをさらに備え、上記キャリアガス及び上記燃料は、上記第１の噴射導管及び上記第２の噴射導管を出る際に上記混合チャンバ内で相互混合される、実施形態８に記載の噴射システム。
［実施形態１２］
上記第１の噴射導管は、熱伝導性材料で構成され、上記第１の噴射導管及び上記第２の噴射導管のうち１つのそれぞれの流体は、上記熱伝導性材料を通して上記タービンノズルの上記表面から熱を吸収する、実施形態８に記載の噴射システム。
［実施形態１３］
上記タービンノズルの上記表面は、上記タービンノズルの前縁、後縁、負圧表面、正圧表面、及び側壁のうちの１つを含む、実施形態８に記載の噴射システム。
［実施形態１４］
噴射システムであって、
発電システムの燃焼器と上記発電システムのタービン段とを分離するタービンノズルの表面に、第１の出口を通して燃料及びキャリアガスのうちの一方を送給するための少なくとも１つの第１の噴射導管と、
複数の第２の出口のそれぞれを通して上記タービンノズルの上記表面に上記燃料及び上記キャリアガスのうちの他方を送給するための、少なくとも２つの第２の噴射導管と、
を備え、上記複数の第２の噴射導管は上記第１の噴射導管に隣接し、
上記少なくとも１つの第１の噴射導管と上記少なくとも２つの第２の噴射導管の直線配置により、上記燃料及び上記キャリアガスに対して交互の出口のシーケンスを形成する、噴射システム。
［実施形態１５］
上記少なくとも２つの第２の出口は、上記少なくとも１つの第１の出口の周りに概ね円形に配置された複数の第２の出口の一部を含む、実施形態１４に記載の噴射システム。
［実施形態１６］
上記タービンノズルの上記表面近くに配置された混合ゾーンをさらに備え、上記キャリアガスと上記燃料は、上記第１の出口及び上記複数の第２の出口を出る際に、上記混合ゾーン内で相互混合する、実施形態１４に記載の噴射システム。
［実施形態１７］
上記第１の出口及び上記複数の第２の出口のそれぞれは、互いに概ね同一平面にある、実施形態１４に記載の噴射システム。
［実施形態１８］
上記第１の噴射導管及び上記複数の第２の噴射導管は、概ね列形状パターンで配置され、上記タービンノズルの上記表面は、上記タービンノズルの前縁及び後縁のうち１つを備える、実施形態１４に記載の噴射システム。
［実施形態１９］
上記複数の第２の噴射導管のそれぞれは、キャリアガスと熱連通する、実施形態１４に記載の噴射システム。
［実施形態２０］
上記タービンノズルの上記表面は、上記発電システムの再熱燃焼器を通る流体の流れに曝露され、上記発電システムは、ガスタービンシステムを備える、実施形態１４に記載の噴射システム。

１０：発電システム
１２：燃焼器
１４：燃料供給源
１６：圧縮機
１８：ガスタービン
２０：回転軸
２２：再熱燃焼器
２４：低圧（ＬＰ）ガスタービン
２６：空気
５０、１００、２００、３００、４００：噴射システム
５２：混合ゾーン
５４、１５４、２５４、３５４、４５４、５５４：タービンノズル
６０、１６０、２６０、３６０、４６０：第１の出口
６２、１６２、２６２、３６２、４６２：第２の出口
６４、１６４、２６４、３６４、４６６：第１の噴射導管
６６、１６６、２６６、３６６、４６４：第２の噴射導管
７０、１７０、４７０：混合チャンバ
７２、１７２、４７２：吐出通路
７４：マニホルド
７６：ガス供給導管
１６８、２６８：隔壁
５０２：反応チャンバ
５０４：タービン段
５１０：前縁
５１２：後縁
５１４：正圧側面
５１６：負圧側面

Claims (10)

1. 噴射システム（５０、１００、２００、３００、４００）であって、
   発電システム（１０）の燃焼器（１２）と前記発電システムのタービン段（５０４）とを分離するタービンノズル（５４、１５４、２５４、３５４、４５４、５５４）の表面に配置され、かつ、第１の出口（６０、１６０、２６０、３６０）と第２の出口（６２、１６２、２６２、３６２、４６２）との間に配置された混合ゾーンで（５２）あって、前記第１の出口は前記第２の出口と概ね対向して配向される、混合ゾーンと、
   前記第１の出口を通してキャリアガスを前記混合ゾーンに送給するための第１の噴射導管（１６４、２６４、３６４）と、
   前記第２の出口を通して燃料を前記混合ゾーンに送給するための第２の噴射導管（１６６、２６６、３６６）と、
   を備え、
   前記キャリアガス及び前記燃料は、前記第１の噴射導管及び前記第２の噴射導管を出る際に前記混合ゾーンにおいて相互混合する、噴射システム。
2. 前記混合ゾーンは、前記タービンノズルの前記表面の窪み内に埋め込まれる、請求項１に記載の噴射システム。
3. 前記タービンノズルの前記表面内に埋め込まれ、前記混合ゾーンを内部に囲む混合チャンバと、
   前記混合ゾーンと前記混合チャンバの外部との間で前記混合チャンバを通って延びる吐出通路（７２、１７２、４７２）と、
   をさらに備える、請求項１に記載の噴射システム。
4. 前記吐出通路の外形は、前記タービンノズルの外の燃焼ガスが前記混合チャンバに流体連通するのを防止する、請求項３に記載の噴射システム。
5. 前記燃焼器は、前記発電システムの再熱燃焼器（２２）を備え、前記タービンノズルの前記表面は、前記再熱燃焼器を通る流体の流れに曝露され、前記発電システムはガスタービン（１８）システムを備える、請求項１に記載の噴射システム。
6. 前記第１の噴射導管及び前記第２の噴射導管のうちの少なくとも一方は、熱伝導性材料で構成され、前記第１の噴射導管又は前記第２の噴射導管のうちの１つの中のそれぞれの流体は、前記タービンノズルの前記表面から熱を吸収する、請求項１に記載の噴射システム。
7. 前記タービンノズル内に埋め込まれたマニホルドをさらに備え、前記マニホルドは、前記第１の噴射導管及び複数のキャリアガス供給導管と流体連通する、請求項１に記載の噴射システム。
8. 噴射システム（５０、１００、２００、３００、４００）であって、
   発電システム（１０）の燃焼器（１２）と前記発電システムのタービン段（５４）とを分離するタービンノズル（５４、１５４、２５４、３５４、４５４、５５４）の表面に、第１の出口（６０、１６０、２６０、３６０）を通してキャリアガスを送給するための少なくとも１つの第１の噴射導管（１６４、２６４、３６４）と、
   第２の出口（６２、１６２、２６２、３６２、４６２）を通して、燃料を前記タービンノズルの表面に送給するための第２の噴射導管（１６６、２６６、３６６）であって、前記少なくとも１つの第２の噴射導管は、前記第１の噴射導管内に配置される、第２の噴射導管と、
   前記第１の噴射導管と前記少なくとも１つの第２の噴射導管との間に配置された少なくとも１つの隔壁（１６８、２６８）と、
   を備え、前記少なくとも１つの隔壁は、前記少なくとも１つの第１の噴射導管の前記キャリアガスと前記第２の噴射導管の前記燃料とを分離する、噴射システム。
9. 前記少なくとも１つの第２の噴射導管は、複数の第２の噴射導管を備え、前記複数の第２の噴射導管のそれぞれは、前記第１の噴射導管内に配置される、請求項８に記載の噴射システム。
10. 前記少なくとも１つの隔壁は複数の隔壁を含み、前記複数の隔壁の各々は、前記第１の噴射導管と前記複数の第２の噴射導管のそれぞれとの間に配置され、前記複数の隔壁の各々は、前記複数の第２の噴射導管の各々の前記燃料を前記第１の噴射導管の前記キャリアガスから分離する、請求項９に記載の噴射システム。