JP5997897B2 - 燃料ノズルのパッシブパージキャップ流 - Google Patents

Description

本発明は、全体的にはガスタービンに関し、詳細には四元燃料噴射の前に端部キャップ冷却流から供給される燃料ノズル先端用のパッシブパージ流を利用する冷却回路を含む、ガスタービンエンジン用の燃料ノズルに関する。

従来の四元燃料噴射システムは、パッシブパージ流として四元燃料と混合されるＣｄＣ空気を利用する。パッシブパージ流内に燃料が存在すると、パッシブパージキャビティ及び燃料ノズル先端内で保炎が起こるリスクが高くなる。

米国特許第７３２６４６９号明細書

燃料ノズル先端にパージを行うための代替手段として四元燃料を含まない端部キャップパージ流を使用すること、及び保炎のリスクを設計上解消することが望まれる。

例示的な実施形態では、ガスタービンの燃料ノズル用の冷却回路は、圧縮機吐出空気を受け取るアニュラスと、四元燃料が通り抜けて燃料ノズルに向けて噴射される燃料通路を含む四元キャップと、四元キャップに形成されアニュラスからの圧縮機吐出空気を受け取る空気通路とを含む。空気通路は、圧縮機吐出空気が四元燃料と混合されないように燃料通路の上流側に位置決めされる。燃料ノズル内のパージ通路は、空気通路からの圧縮機吐出空気を受け取る。パージ通路は、先端冷却のために圧縮機吐出空気を燃料ノズルへ導く。

別の例示的な実施形態では、ガスタービンの燃料ノズルを冷却する方法は、（ａ）アニュラス内に圧縮機吐出空気を受け取る段階と、（ｂ）アニュラスからの圧縮機吐出空気を四元キャップに形成され、圧縮機吐出空気が四元燃料と混合されないように燃料通路の上流側に位置決めされる、空気通路へ導く段階と、（ｃ）燃料ノズルのパージ通路の空気通路から圧縮機吐出空気を受け取る段階とを含み、パージ通路は、先端冷却のために圧縮機吐出空気を前記燃料ノズルへ導く。

更に別の例示的な実施形態では、ガスタービンの燃料ノズル用の冷却回路は、タービンの圧縮機からのパッシブパージ流を受け取る端部キャップキャビティと、流入する燃料及び空気を旋回させるスウォズルシュラウドに配置される燃料ノズルスウォズルとを備える。パージスロットは、スウォズルシュラウドに形成され、燃料ノズルスウォズルを介して端部キャップキャビティと流体接続する。パージスロットは、四元燃料噴射通路の上流側に位置決めされ、パッシブパージ流は、燃料ノズルの燃料ノズル先端キャビティに入り、パッシブパージ流を四元燃料と混合させることなく先端冷却及び先端パージボリュームをもたらす。

ガスタービンの概略図。 燃焼器の燃料ノズルを示す断面図。 外側燃料ノズルの断面図。 外側燃料ノズルの断面図。 中心燃料ノズルの断面図。 中心燃料ノズルの断面図。

図１は典型的なガスタービン１０を示す。図示のように、ガスタービン１０は一般に、前方の圧縮機１２、中央付近の１以上の燃焼器１４、及び後方のタービン１６を含む。圧縮機１２及びタービン１６は典型的に共通ロータを共有している。圧縮機１２は、作動流体を段階的に圧縮して圧縮作動流体を燃焼器１４へ吐出する。燃焼器１４は、圧縮作動流体の流れ中に燃料を噴射し、混合気に点火して、高温、高圧、及び高速の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは燃焼器１４を出てタービン１６に流れ、燃焼ガスは膨張して仕事を産出する。

ケーシングは各燃焼器１４を取り囲み、圧縮機１２からの圧縮作動流体を閉じ込める。ノズルは端部カバーに配置され、例えば、外側ノズルは中心ノズルの周りで半径方向に配置される。圧縮機１２からの圧縮作動流体は、ケーシングとライナーとの間で燃料を圧縮作動流体と混合する外側ノズル及び中心ノズルまで流れ、外側ノズル及び中心ノズルからの混合気は上流チャンバ及び下流チャンバへ流れて燃焼が起こる。

前述のように、従来の設計では、四元混合ＣｄＣ空気を使用して燃料ノズル先端に対してパッシブパージを送り込んでいた。しかしながら、パッシブパージ流に燃料が存在すると、パッシブパージキャビティ及び燃料ノズル先端内での保炎のリスクが高まる。図２−６を参照すると、本実施形態は、燃料ノズル先端をパージするための代替手段として四元燃料を含まない端部キャップパージ流を利用する。四元燃料を含まないパージ流により保炎リスクが設計上解消される。

図２は外側燃料ノズル及び中心燃料ノズルの断面図である。この組立体は冷却回路２０を含む。使用時、ノズル先端端部２２を含むノズルの一部は高温燃焼ガスにさらされるので冷却する必要がある。燃焼器は、圧縮機からの圧縮機吐出空気を受け取るアニュラス２４を含む。四元キャップ２６は燃料通路２７を含み、四元燃料は燃料通路を通って燃料ノズルに向かって噴射される。四元燃料は、スウォズルシュラウドに配置された燃料ノズルスウォズルを含むスウォズル組立体２８に噴射される。スウォズル組立体２８は、流入する燃料及び空気を旋回させる。

冷却回路２０は、アニュラス２４から圧縮機吐出空気を受け取る四元キャップ２６に形成された空気通路３０を含む。図２に示すように、空気通路３０は、燃料通路２７の上流側に位置決めされている。その結果、空気通路３０の圧縮機吐出空気は四元燃料と混合されない。燃料ノズルのパージ通路３２は、圧縮機吐出空気を空気通路３０経由で受け取る。パージ通路３２は、先端冷却のために圧縮機吐出空気を燃料ノズルへ導く。

図示のように、パージ通路３２はスウォズル組立体２８に形成される。パージ通路３２はスウォズル２８に形成されるスロットを備えることが好ましい。

典型的な構成において、燃焼器は、中心ノズルを円周方向に取り囲む複数の外側ノズルを含む。図２は１つの外側燃料ノズル２を通り中心燃料ノズル４の相対位置を示す断面図である。図３及び４は１つの燃料ノズルを通る断面図であり、図５及び６は中心燃料ノズルを通る断面図である。図示のように、パージ通路３２はスウォズル２８に形成される。

再度図２を参照すると、ノズル先端冷却通路３４は燃料ノズルを取り囲み、空気通路３０からの圧縮吐出空気の一部は、ノズル先端冷却通路３４へ導かれてノズル先端を冷却する。

圧縮機吐出空気の流路は図２、４、及び６に矢印で示される。圧縮機吐出空気は、アニュラス２４が受け取り四元キャップ２６に形成された空気通路３０へ導かれる。前述のように、空気通路３０は四元燃料通路２８の上流側に配置されるので、空気通路３０の圧縮機吐出空気は四元燃料と混合されない。空気通路３０からの圧縮機吐出空気は、燃料ノズルのパージ通路又はスロット３２が受け取る。パージ通路３２は、先端冷却のために圧縮機吐出空気を燃料ノズルへ導く。更に、空気通路３０からの圧縮機吐出空気の一部は、ノズル先端冷却通路３４へ導かれて、外側燃料ノズルの内部に収容されたブランクカートリッジ及び／又は液体カートリッジ先端を冷却する。

本実施形態では、燃料ノズルスウォズルは、スウォズルシュラウド外側にパージスロットを備え、端部キャップキャビティからのパッシブパージ冷却空気が燃料ノズル先端キャビティに流入するのを可能にし、先端冷却及び先端パージボリュームもたらす。キャップ供給空気は四元噴射の前なので、従来設計のパッシブパージ空気が燃料と混合されて引き起こされる保炎事象のリスクが低減又は解消される。

パージスロットを追加すると、冷却用に燃焼室の端部カバー側から一般に燃料と混合されているパージ空気を供給する必要がなくなる。更に、パージスロットは設計を単純化し、空気をノズルに導くための追加回路を必要とする場合がある、圧縮機吐出回路に供給管を入れて後端部の各端部カバーに供給する必要性を排除する。この設計は、更にフランジ接合部を必要とする複数の流体回路を単純化することで燃料ノズルの複雑さを緩和するので、耐久性を高めること及びコストを低減することができる。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
２０ 冷却回路
２２ ノズル先端端部
２４ アニュラス
２６ 四元キャップ
２７ 燃料通路
２８ スウォズル組立体
３０ 空気通路
３２ パージ通路
３４ ノズル先端冷却通路

Claims (13)

1. ガスタービンの燃料ノズル用の冷却回路において、
   圧縮機吐出空気を受け取るアニュラス（２４）と、
   燃料が通り抜けて前記燃料ノズルに向けて噴射される燃料通路（２７）を含む、四元キャップ（２６）と、
   前記四元キャップに形成され、前記アニュラスからの圧縮機吐出空気を受け取り、圧縮機吐出空気が燃料と混合されないように前記燃料通路の上流側に前記燃料通路から離れて位置決めされる、空気通路（３０）と、
   前記燃料ノズル内で前記空気通路からの圧縮機吐出空気を受け取る、パージ通路（３２）と、
   を備え、前記パージ通路は、先端冷却のために圧縮機吐出空気を前記燃料ノズルへ導く、冷却回路。
2. 前記燃料ノズルは、流入する燃料及び空気を旋回させるスウォズル（２８）を含み、前記パージ通路（３２）は、前記スウォズルに形成される、請求項１記載の冷却回路。
3. 前記パージ通路（３２）は、前記スウォズル（２８）に形成されるスロットを備える、請求項２記載の冷却回路。
4. 前記燃料ノズルは中心燃料ノズルである、請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却回路。
5. 前記ガスタービンは、中心燃料ノズルを取り囲む複数の外側燃料ノズルを含み、前記冷却回路（２０）は、圧縮機吐出空気を前記外側燃料ノズル及び前記中心燃料ノズルへ導く、請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却回路。
6. 前記燃料ノズルを取り囲むノズル先端冷却通路（３４）を更に備え、前記空気通路（３０）からの圧縮機吐出空気の一部は、前記ノズル先端冷却通路へ導かれて前記ノズル先端を冷却する、請求項１乃至５のいずれかに記載の冷却回路。
7. 前記パージ通路（３２）は、燃料ノズルに形成されるスロットを備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の冷却回路。
8. ガスタービンの燃料ノズルを冷却する方法であって、
   （ａ）アニュラス（２４）内に圧縮機吐出空気を受け取る段階と、
   （ｂ）前記アニュラスからの圧縮機吐出空気を、四元キャップ（２６）に形成され、圧縮機吐出空気が燃料と混合されないように燃料通路の上流側に前記燃料通路から離れて位置決めされる、空気通路（３０）へ導く段階と、
   （ｃ）前記燃料ノズルのパージ通路（３２）の前記空気通路から圧縮機吐出空気を受け取る段階と、
   を含み、前記パージ通路は、先端冷却のために圧縮機吐出空気を前記燃料ノズルへ導く、方法。
9. 前記燃料ノズルは、流入する燃料及び空気を旋回させるスウォズル（２８）を備え、前記パージ通路（３２）を前記スウォズルに形成する段階を含む、請求項８記載の方法。
10. 前記燃料ノズルは、該燃料ノズルを取り囲むノズル先端冷却通路（３４）を更に備え、前記ノズル先端を冷却するために、前記空気通路（３０）からの圧縮機吐出空気の一部を前記ノズル先端冷却通路へ導く段階を含む、請求項８または９に記載の方法。
11. ガスタービンの燃料ノズル用の冷却回路において、
    タービン（１０）の圧縮機（１２）からのパッシブパージ流を受け取る、端部キャップキャビティと、
    流入する燃料及び空気を旋回させるスウォズルシュラウドに配置される、燃料ノズルスウォズル（２８）と、
    前記スウォズルシュラウドに形成され、前記燃料ノズルスウォズルを介して前記端部キャップキャビティと流体接続される、パージスロット（３２）と、
    を備え、前記パージスロットは、燃料噴射通路（２７）の上流側に前記燃噴射料通路（２７）から離れて位置決めされ、前記パッシブパージ流は、前記燃料ノズルの燃料ノズル先端キャビティに入り、パッシブパージ流を燃料と混合させることなく、先端冷却及び先端パージボリュームをもたらす、冷却回路。
12. 前記燃料ノズルは中心燃料ノズルである、請求項１１記載の冷却回路。
13. 前記ガスタービンは、中心燃料ノズルを取り囲む複数の外側燃料ノズルを含み、前記冷却回路（２０）は、パッシブパージ流を前記外側燃料ノズル及び前記中心燃料ノズルへ導く、請求項１１または１２に記載の冷却回路。