JP6340075B2 - 燃料ノズル用の液体燃料カートリッジ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンにおける燃料燃焼に関し、詳細には乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器用の燃料ノズルに関する。

ガスタービンの燃焼器は、多量の燃料及び圧縮空気を混合し、結果として得られる混合気を燃焼して、燃焼ガスを発生させてタービンを駆動する。産業用ガスタービン用の従来の燃焼器は通常、空気と燃料が混合されて燃焼が生じる円筒形の燃焼「缶」の環状アレイを含む。圧縮機（例えば、軸流圧縮機）からの圧縮空気は燃焼器に流入し、燃料は、各缶内に延びる燃料ノズル組立体を通じて噴射される。

出願人により開発されたＤＬＮシステムは、天然ガス燃料で用いるように設計され且つ液体燃料で作動可能な２段予混合燃焼器を利用している。従来の例示的な構成では、６つの一次燃料ノズルが、燃焼器の環状アレイの各々において中央燃料ノズルを囲んでいる。簡潔に言えば、１つの例示的なＤＬＮ燃焼システムは、４つの別個のモードで作動する。

一次モード：一次ノズルにのみ燃料供給する。火炎は、一次段にのみ存在する。この動作モードは、最大で予め選択された燃焼基準温度まで低負荷から中間負荷にわたって機械を点火、加速及び作動させるのに使用される。

希薄−希薄モード：一次ノズル及び二次ノズルの両方に燃料供給する。火炎は、一次段及び二次段の両方に存在する。この動作モードは、２つの予め選択された燃焼基準温度の間の中間負荷で使用される。

二次モード：二次ノズルにのみ燃料供給する。火炎は、二次ゾーンにのみ存在する。このモードは、希薄−希薄モードと予混合モードの間の移行状態である。このモードは、一次予混合ゾーンとなるものに燃料が再導入される前に、一次ゾーンの火炎を消すために必要である。

予混合モード：一次ノズル及び二次ノズルの両方に燃料供給する。火炎は、二次段のみに存在する。この動作モードは、燃焼基準温度設計点及びその近くで達成される。予混合モードにおいて最適エミッションが生じる。

一次ノズル及び二次ノズルの両方は、２系統燃料ノズルであり、負荷範囲全体を通じてガスからオイルへの自動移行を可能にすることができる点は理解されるであろう。二次又は中央ノズルに関しては、液体燃料で作動するときに、燃料は、燃料と水の混合物（燃焼器の外部で混合された）として中央ノズルに供給される。燃料及び水は、十分に混合される必要があり、その理由として、低品質の混合は、過度の量の水又は不十分な燃料もしくはその逆（或いは、供給ストリーム全体にわたり両方の不均一な分配）のことをもたらす可能性があるためで、このことは燃焼に悪影響を及ぼし、高ＮＯｘエミッションにつながる。従って、燃焼室への噴射の前に水と燃料の高品質なエマルジョンが得られる機構を提供する必要性がある。

例示的で非限定的な実施形態において、ガスタービンの燃料ノズルのための液体燃料カートリッジは、入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィスを備えた出口端部とを有する管体と、管体内に出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザと、を備え、ホモジナイザが、その対向する端部にて開放された実質的に円筒形の本体と、実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第１の列とによって形成され、フランジの半径方向外側縁部が管体の内表面と係合している。

例示的で非限定的な別の実施形態において、本発明は、ガスタービンの燃料ノズルのための液体燃料カートリッジを提供し、該液体燃料カートリッジは、入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィスを備えた出口端部とを有する管体と、管体内に出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザと、を備え、ホモジナイザは、比較的小さな中央開口を備えた第１の上流側ディスクと、比較的大きな中央開口を備えた第２の中間ディスクと、複数の外側開口によって囲まれ、第１の中央開口よりも小さな中央開口を備えた第３の下流側ディスクと、を含む隣接して軸方向に離間した３つのディスクによって形成される。

本発明の更に別の態様において、ガスタービンのための燃料ノズルは、中央配置の中央液体燃料カートリッジの周りに環状の同心燃料及び空気通路を含むよう構成されたノズル本体を備え、該液体燃料カートリッジが、入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィスを備えた出口端部とを有する管体と、管体内に出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザと、を備え、ホモジナイザが、その対向する端部にて開放された実質的に円筒形の本体と、実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第１の列と、によって形成され、フランジの半径方向外側縁部が管体の内側表面と係合している。

ここで、以下に示す図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。

産業用ガスタービンエンジンにおける従来の燃焼器の断面図。 本発明の例示的で非限定的な実施形態による燃料ノズルの斜視図。 図２に示す燃料ノズルの部分断面図。 図３に示す燃料ノズルの下流側端部の拡大詳細図。 本発明によるホモジナイザを組み込んだ、図２及び３に示す燃料ノズルの先端の拡大断面斜視図。 図２〜５に示す燃料ノズルの液体燃料カートリッジから取り外されたホモジナイザの斜視図。 本発明による別のホモジナイザの斜視図。 第３の例示的なホモジナイザを備える以外は図２及び３に示された燃料ノズルの拡大断面斜視図。 第４の例示的なホモジナイザを組み込んだ別の燃料ノズルの先端の拡大詳細図。 図９に示す液体燃料カートリッジから取り外されたホモジナイザの斜視図。

図１は、軸方向タービンセクション１２、燃焼器１４の環状アレイ（１つが図示されている）及び軸流圧縮機１６を含む従来のタービンエンジン１０を部分断面で示した側面図である。流れ矢印で示される作動流体１８（例えば、大気中空気）は、圧縮機１６によって加圧されて燃焼器１４の各々に送られる。各燃焼器の端部は、圧力下で液体燃料２０及びパージガス２２（例えば、大気中空気）を燃焼器に供給するマニホルドに結合される。燃料及びパージガスは、燃料ノズル組立体２５を通って流れて、加圧された作動流体と混合され、各燃焼器の燃焼室２６において燃焼する。燃焼ガス２８は、燃焼室から、該燃焼室とタービンとの間にあるダクト又は移行部品３０を通って流れて、タービンロータ上に支持されたバケット（ブレード）３２を駆動する。シャフトの回転により圧縮機１６が駆動され、ガスタービンから例えば発電機に有用な出力が伝達される。

各燃焼器１４は、円筒形の外側ケーシング３４を有する。圧縮機からの圧縮空気（例えば、作動流体１８）は、円筒形流れスリーブ３６と円筒形燃焼ライナ３８との間に形成された燃焼器の環状ダクト４０を通って流れる。燃焼室２６は、燃焼器の中空ライナ内にある。圧縮空気は、燃焼ゾーンを通る燃焼ガスの流れに対して対向流方向に流れ、燃焼器のヘッド端部にて燃料ノズル組立体２４に供給される。

燃焼器端部カバー４２は、液体燃料２０及び受動的パージ空気２２を各燃焼器に提供するマニホルド（図示せず）に対してパイプ分岐部４４を支持する。

図２は、本発明の例示的で非限定的な実施形態による燃料ノズル組立体４６の斜視図である。燃料ノズルは通常、ＤＬＮ燃焼器の中央に配置され、各々が従来手段により燃焼器端部カバーに装着される一次ノズル（図示しないが、従来構造のもの）の環状アレイによって囲まれ、上記で一般的に説明されるようにガス燃料及び液体燃料をノズル組立体に供給するためのフランジ４８及び配管５０を含む。

図３〜５を特に参照すると、燃料ノズル組立体４６の後方又は下流側端部では、本構成は、外側スリーブ又は管体５２と、第１の内側スリーブ又は管体５４とを含み、これらは、環状アレイで配列された出口オリフィス５８を備えてガス移送通路５６を定める。第１の内側スリーブ又は管体５４及び第２の内側管体（第１の内側管体の半径方向内向きの）６０は、例えば、好ましくは１２０度の間隔で離間して配置された複数の出口オリフィス６４（１つが図示されている）を備えてパイロットガス燃料通路６２を定める。ノズルはまた、従来の二次燃料ノズルによる半径方向に向いた出口ペグ６５を有する予混合燃料通路６３を備える。燃料ノズルのこの特徴要素は、本発明の一部を形成しない。

燃料ノズルの中心には液体燃料カートリッジ６６があり、該カートリッジ６６は、第２の内側管体６０との間に半径方向に補助空気通路６８を定める。補助空気は、環状出口開口７０にて燃料ノズルから流出する。液体燃料カートリッジ６６自体は、閉鎖端部７４を有する液体燃料通路７２を提供又は形成し、燃料出口オリフィス７６のアレイを備える。出口オリフィス７６の上流側には、オリフィス７６を介して燃焼室内に噴射する前に液体燃料カートリッジ６６内での水／燃料の混合を均質な状態にさせる特徴要素を備えたホモジナイザ７８がある。

図５及び６は、この第１の例示的なホモジナイザ７８の詳細を示している。具体的には、軸方向に延びるホモジナイザ本体８０は、実質的に円筒形であり、上流側の開放端部８２と、中央に比較的小さな孔又は出口８４を有する下流側又は入口端部とを有し、軸方向通路８６を定める。軸方向に延びる本体８０は、該本体の周りに円周方向に配列されたオリフィス８８のアレイを備え、すなわち、通路８６において軸方向に流れる燃料の一部のための半径方向に向いた出口を提供する。

本体８０の上流側端部では、複数の半径方向に延びる円周方向に離間したフランジ９０があり、すなわち、フランジ間に円周方向に離間したスロット９２を形成する。カートリッジ６６内に設置されると、スロット９２は、カートリッジの壁により半径方向最外端部にて閉鎖され、従って、液体燃料が軸方向に流れることができる一連のアパーチャが生成される。液体燃料カートリッジ６６の通路８６内に流れる水／燃料混合物は、軸方向（孔８４及び閉鎖スロット又はアパーチャ９２を介して）とオリフィス８８を介して半径方向に延びる複数のストリームに分割されることになる点は理解されるであろう。この軸方向及び半径方向通路の構成によって作成される流れパターンは、水／燃料混合物が燃焼室に噴射される前に、混合物の高品質の均質化をもたらす。

図７に示される実施形態において、同様のホモジナイザ９４が例示されているが、この設計では、本体の下流側端部にて中央孔１０２に半径方向に隣接して円周方向に離間した半径方向フランジ９８の第２のグループ化によって、円周方向に離間した閉鎖スロット又はアパーチャ９６の第２の列が作成される。この例示的な実施形態において、閉鎖スロット９６の第２の列は、ホモジナイザ本体１００の上流側端部にある離間したフランジ１０６により形成される閉鎖スロット１０４の第１の列に対して円周方向に互い違いにされる。この実施形態は、フランジ９６，９８／１０４，１０６のスロットの列の軸方向の間で本体の半径方向に向いた孔又はオリフィス８８を有することができ、或いは有していない場合もある。

図８は、図２〜５に示すカートリッジと類似した液体燃料カートリッジ１０９における第３のホモジナイザ１０８を開示している。ここで、ホモジナイザ１０８は、軸方向に離間した３つのディスク１１０，１１２，１１４によって形成され、各々が、液体燃料カートリッジ１０９の下流側端部の内壁に係合している。上流側ディスク１１０は、中央孔１１６と、円周方向に離間した半径方向フランジ１１８とを有して形成され、軸方向に向いたスロット１２０（スロット９２，９６と同様の）が生成される。中間ディスク１１２は、中央孔１１６よりも大きな中央孔１２０を有して形成される。下流側ディスク１１４は、円周方向に離間した孔１２４の半径方向外側アレイによって囲まれた、小さな中央孔１２２（中央孔１１６，１２０より小さい）を有して形成される。この孔とスロットの組み合わせは、ディスク間の拡張領域と相まって、水／燃料混合物が液体燃料カートリッジから出て燃焼室に流入する前に、混合物の増強された均質化をもたらす。

図９及び１０は、修正した中心配置の液体燃料カートリッジを有する別の燃料ノズル１４４を例示している。ノズル１４４は、上述のノズル４６と同様であるが、但し、ノズル内に中心配置された液体燃料カートリッジに対して修正が施されている。より具体的には、液体燃料カートリッジ１２６は、同心管体１２８，１３０のペアを含み、内側管体１３０と外側管体１２８との間の半径方向スペースにエマルジョン又は主燃料通路１３２が構築されるようになっている。内側管体１３０によって移送燃料通路１３４が定められ、これが狭窄してスロート領域１３６を形成し、次いで、外向きのテーパ付き又は広がり出口端部１３８を通じて拡張している。外側管体１２８は、スロート領域１３６において内側管体１３０と係合する内部フランジ１４０を備え、該フランジ１４０は、エマルジョンが内側管体１３０のテーパ付き出口端部１３８に衝突して、第２の内側管体又はスリーブ１３０の外向きに広がった端部１３８と液体燃料カートリッジ１２６の外側管体１２８との間で環状空気通路１４６を介してノズル１４４から流出するように位置付けられたエマルジョン出口オリフィス１４２のアレイを有して形成される。エマルジョンは、液体燃料カートリッジを囲むエアブラスト通路１４８において空気と混合し、これにより燃料ノズルから流出するときのエマルジョンの噴霧化を支援する。エアブラスト空気は、燃焼ガスとの燃焼及び混合のための追加の空気を提供する。エアブラスト空気通路１４８は、燃焼ゾーンへの燃料及びパージ空気の移送を行う液体燃料カートリッジにおける主燃料及び移送燃料通路１３２，１３４と同心である。

ホモジナイザ１５０は、中央通路１５４の下流側又は出口端部１５２が入口又は上流側端部１５６の直径と実質的に等しい直径を有して、移送燃料に対してホモジナイザの中央を通る流れが妨げられないようにすることを除いては、図７に示すものと同様である。移送燃料はまた、ホモジナイザ１５０とスロート領域１３６との間に配置されるスワーラ１５８を通過することができる。スワールは、スワーラの出口オリフィス１６０から噴霧される燃料が、内側管体１３０の拡張又は広がり端部１３８によって可能にされる円錐状の噴霧パターンでノズルの中心線から半径方向に拡大するのを助ける。

互いに違いにされたフランジ／スロット１６２，１６４及び１６６，１６８の二重列は、オリフィス１４２を介して流出する前に通路１３２内の主燃料を均質化する役割を果たす。

本発明の種々の実施形態について説明してきたが、当業者により要素の種々の組み合わせ、変型形態、又は改善形態を実施することができ、更にこれらが本発明の範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合す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企図さ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、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになるものとする。

４６ 燃料ノズル
６６ 液体燃料カートリッジ
７６ 燃料出口オリフィス
７８ ホモジナイザ
８０ ホモジナイザ本体
８２ 開放端部
８４ 出口
８６ 軸方向通路
８８ オリフィス

Claims (14)

1. ガスタービンの燃料ノズル（４６）のための液体燃料カートリッジ（６６）であって、
   入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィス（７６）を備えた出口端部とを有する管体と、
   前記管体内に前記出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザ（７８）と、
   を備え、前記ホモジナイザが、その対向する端部にて開放された実質的に円筒形の本体によって形成され、前記実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第１の列を有し、前記フランジの半径方向外側縁部が前記管体の内表面と係合しており、
   前記実質的に円筒形の本体は、前記円周方向に離間したフランジの第１の列の下流側で隣接した円周方向に離間した孔の列を備える、液体燃料カートリッジ（６６）。
2. ガスタービンの燃料ノズル（４６）のための液体燃料カートリッジ（６６）であって、
   入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィス（７６）を備えた出口端部とを有する管体と、
   前記管体内に前記出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザ（７８）と、
   を備え、前記ホモジナイザが、その対向する端部にて開放された実質的に円筒形の本体によって形成され、前記実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第１の列を有し、前記フランジの半径方向外側縁部が前記管体の内表面と係合しており、
   前記実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第２の列を更に備え、前記フランジの半径方向外側縁部が前記管体の内表面と係合し、
   前記第２の列の円周方向に離間したフランジは、前記第１の列の円周方向に離間したフランジに対して互い違いにされている、液体燃料カートリッジ（６６）。
3. ガスタービンの燃料ノズル（４６）のための液体燃料カートリッジ（６６）であって、
   入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィス（７６）を備えた出口端部とを有する管体と、
   前記管体内に前記出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザ（７８）と、
   を備え、前記ホモジナイザが、その対向する端部にて開放された実質的に円筒形の本体によって形成され、前記実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第１の列を有し、前記フランジの半径方向外側縁部が前記管体の内表面と係合しており、
   前記実質的に円筒形の本体の対向する端部は、入口端部と出口端部とを含み、該出口端部が、前記入口端部の対応する直径よりも小さな直径を有する、液体燃料カートリッジ（６６）。
4. 前記実質的に円筒形の本体の対向する端部は、入口端部と出口端部とを含み、該出口端部が、前記入口端部の対応する直径よりも小さな直径を有する、請求項１に記載の液体燃料カートリッジ（６６）。
5. 前記実質的に円筒形の本体の対向する端部は、実質的に同じ直径の開口を有する、請求項１に記載の液体燃料カートリッジ（６６）。
6. ガスタービンの燃料ノズル（４６）のための液体燃料カートリッジ（１０９）であって、
   入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィス（７６）を備えた出口端部とを有する管体と、
   前記管体内に前記出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザ（１０８）と、
   を備え、前記ホモジナイザが、第１の中央開口（１１６）を備えた第１の上流側ディスク（１１０）と、第２の中央開口（１２０）を備えた第２の中間ディスク（１１２）と、複数の外側開口（１２４）によって囲まれる第３の中央開口（１２２）を備えた第３の下流側ディスク（１１４）とを含む隣接して軸方向に離間した３つのディスクによって形成され、
   前記第１の中央開口は、前記第２の中央開口よりも小さい、液体燃料カートリッジ（１０９）。
7. ガスタービンの燃料ノズル（４６）のための液体燃料カートリッジ（１０９）であって、
   入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィス（７６）を備えた出口端部とを有する管体と、
   前記管体内に前記出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザ（１０８）と、
   を備え、前記ホモジナイザが、第１の中央開口（１１６）を備えた第１の上流側ディスク（１１０）と、第２の中央開口（１２０）を備えた第２の中間ディスク（１１２）と、複数の外側開口（１２４）によって囲まれる第３の中央開口（１２２）を備えた第３の下流側ディスク（１１４）とを含む隣接して軸方向に離間した３つのディスクによって形成され、
   前記第３の中央開口は、前記第２の中央開口よりも小さい、液体燃料カートリッジ（１０９）。
8. 前記第３の中央開口は、前記第１の中央開口よりも小さい、請求項６に記載の液体燃料カートリッジ（１０９）。
9. 前記第３の中央開口及び前記複数の外側開口は実質的に同じ直径のものである、請求項８に記載の液体燃料カートリッジ（１０９）。
10. 中央配置の中央液体燃料カートリッジ（１２６）の周りに環状の同心燃料及び空気通路を含むよう構成されたノズル本体を備える、ガスタービン用の燃料ノズル（１４４）であって、
    前記液体燃料カートリッジ（１２６）が、
    入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィスを備えた出口端部とを有する管体と、
    前記管体内に前記出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザ（７８）と、
    を備え、前記ホモジナイザが、その対向する端部にて開放された実質的に円筒形の本体と、前記実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第１の列と、によって形成され、前記フランジの半径方向外側縁部が前記管体の内側表面と係合し、
    前記管体が単一の液体燃料通路を提供し、前記管体を環状の空気通路が囲む、燃料ノズル（１４４）。
11. 中央配置の中央液体燃料カートリッジ（１２６）の周りに環状の同心燃料及び空気通路を含むよう構成されたノズル本体を備える、ガスタービン用の燃料ノズル（１４４）であって、
    前記液体燃料カートリッジ（１２６）が、
    入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィスを備えた出口端部とを有する管体と、
    前記管体内に前記出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザ（７８）と、
    を備え、前記ホモジナイザが、その対向する端部にて開放された実質的に円筒形の本体と、前記実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第１の列と、によって形成され、前記フランジの半径方向外側縁部が前記管体の内側表面と係合し、
    前記管体は、移送燃料を運ぶよう構成された第１の中央管体と、前記中央管体から半径方向に離間して配置され且つ主燃料を運ぶよう構成された第２の管体と、を含み、
    前記実質的に円筒形の本体は、前記円周方向に離間したフランジの第１の列に隣接して下流側にある円周方向に離間した孔の列を備える、燃料ノズル（１４４）。
12. 中央配置の中央液体燃料カートリッジ（１２６）の周りに環状の同心燃料及び空気通路を含むよう構成されたノズル本体を備える、ガスタービン用の燃料ノズル（１４４）であって、
    前記液体燃料カートリッジ（１２６）が、
    入口端部と１又はそれ以上の燃料出口オリフィスを備えた出口端部とを有する管体と、
    前記管体内に前記出口端部に隣接して上流側に配置されたホモジナイザ（７８）と、
    を備え、前記ホモジナイザが、その対向する端部にて開放された実質的に円筒形の本体と、前記実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第１の列と、によって形成され、前記フランジの半径方向外側縁部が前記管体の内側表面と係合し、
    前記管体は、移送燃料を運ぶよう構成された第１の中央管体と、前記中央管体から半径方向に離間して配置され且つ主燃料を運ぶよう構成された第２の管体と、を含み、
    前記実質的に円筒形の本体から半径方向外向きに突出する円周方向に離間したフランジの第２の列を更に備え、前記フランジの半径方向外側縁部が前記管体の内側表面と係合し、
    前記第２の列の円周方向に離間したフランジは、前記第１の列の円周方向に離間したフランジに対して互い違いにされている、燃料ノズル（１４４）。
13. 前記実質的に円筒形の本体の対向する端部は、入口端部と出口端部とを含み、該出口端部が、前記入口端部の対応する直径よりも小さな直径を有する、請求項１２に記載の燃料ノズル。
14. 前記実質的に円筒形の本体の対向する端部は、入口端部と出口端部とを含み、該出口端部が、前記入口端部の対応する直径と実質的に同じ直径を有する、請求項１２に記載の燃料ノズル。