JP2011237168A - ターボ機械の噴射ノズルアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器スワーラ下流の流速分布を一様化しＮＯｘエミッションを低下させることを可能とするスワーラを提供する。
【解決手段】本ターボ機械は、圧縮機と、タービンと、圧縮機及びタービンに作動結合された燃焼器と、燃焼器内に取付けられた噴射ノズルアセンブリ３８とを含む。噴射ノズルアセンブリ３８は、該噴射ノズルアセンブリ３８を通って流れる流体流れを調整するようになったスワーラ部材７４を含む。スワーラ部材７４は、ハブ部分８４と、ハブ部分８４から延びる複数のベーン８６と、少なくとも１つの流れ調整バンド９４、９５とを含む。少なくとも１つの流れ調整バンド９４、９５は、ハブ部分８４の周りにかつ複数のベーン８６間に延びて、噴射ノズルアセンブリ３８内に局所的流れ妨害物を構成する。
【選択図】図４

Description

本明細書に開示した主題は、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、ターボ機械用の噴射ノズルアセンブリに関する。

一般に、ガスターボ機械エンジンは、熱エネルギーを放出して高温ガスストリームを形成する燃料／空気混合気を燃焼させる。つまり、燃料及び空気は、噴射ノズルを通して燃焼器内に導かれかつ点火燃焼されて、高温ガスストリームを形成する。高温ガスストリームは、高温ガス通路を介してタービンに送られる。タービンは、高温ガスストリームからの熱エネルギーを、タービンシャフトを回転させる機械エネルギーに変換する。タービンは、ポンプ又は発電機に動力を供給するなどの種々の用途で使用することができる。

最近では、タービンエミッションを低下させる必要性が存在する。エミッションを低下させる１つの手法は、燃焼器内により安定した火炎面を形成することにある。多くの噴射ノズルアセンブリでは、流体流れは、スワーラを通して流される。スワーラは、その名前が示すように、流体流にスワールを与えて下流の安定性を高めるという１つの利点を有する。現在のところ、スワーラの下流における流れの速度分布は、極めて不均一である可能性がある。この不均一性には、中間スパンの周りの速度ピーク及び噴射ノズルアセンブリの内径に向けての速度急勾配が含まれる。この速度プロフィールは、燃焼器内に安定性の問題を発生させる可能性がある。これらの安定性の問題は、エミッションレベルを低下させるモードでの機械の運転を阻害するおそれがある。

本発明の１つの態様によると、ターボ機械は、圧縮機と、タービンと、圧縮機及びタービンに作動結合された燃焼器と、燃焼器内に取付けられた噴射ノズルアセンブリとを含む。噴射ノズルアセンブリは、該噴射ノズルアセンブリを通って流れる流体流を調整するようになったスワーラ部材を含む。スワーラ部材は、ハブ部分と、ハブ部分から延びる複数のベーンと、少なくとも１つの流れ調整バンドとを含む。少なくとも１つの流れ調整バンドは、ハブ部分の周りにかつ複数のベーン間に延びて、噴射ノズルアセンブリ内に局所的流れ妨害物を構成する。

本発明の別の態様によると、ターボ機械の噴射ノズルアセンブリは、該噴射ノズルアセンブリを通って流れる流体流れを調整するようになったスワーラ部材を含む。スワーラ部材は、ハブ部分と、ハブ部分から延びる複数のベーンと、少なくとも１つの流れ調整バンドとを含む。少なくとも１つの流れ調整バンドは、ハブ部分の周りにかつ複数のベーン間に延びて、噴射ノズルアセンブリ内に局所的流れ妨害物を構成する。

本発明のさらに別の態様によると、ターボ機械噴射ノズルアセンブリにおける空気流を調整する方法は、ターボ機械噴射ノズルアセンブリ内に流体を案内するステップと、ターボ機械噴射ノズルアセンブリ内に配置されたスワーラ部材を通して流体を導くステップとを含む。スワーラ部材は、ハブ部分と、ハブ部分から放射状に広がった複数のベーンとを含む。本方法はさらに、複数のベーンを横切って流体を流すステップと、複数のベーン間を流れる流体の一部分を妨害するステップとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

例示的な実施形態によるスワーラ部材を有する噴射ノズルアセンブリを備えたターボ機械の断面側面図。 図１の噴射ノズルアセンブリの断面図。 例示的な実施形態によるスワーラ部材に取付けられた流れ調整バンドを示す、図２の噴射ノズルアセンブリの部分側面図。 例示的な実施形態によるスワーラ部材に取付けられた第１及び第２の流れ調整バンドを示す、図２の噴射ノズルアセンブリの部分斜視図。 例示的な実施形態の１つの態様による流れ調整バンドの断面図。 例示的な実施形態の別の態様による流れ調整バンドの断面図。 例示的な実施形態のさらに別の態様による流れ調整バンドの断面図。 流れ調整バンドを備えた噴射ノズルアセンブリ及び流れ調整バンドを備えていない噴射ノズルアセンブリの下流における流体流速度分布を示すグラフ。

詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１を参照すると、例示的な実施形態により構成したターボ機械を、その全体を参照符号２で示している。ターボ機械２は、圧縮機４と、少なくとも１つの燃焼器６を有する燃焼器アセンブリ５とを含む。ターボ機械２はまた、タービンセクション１０を含む。本明細書に説明したこの開示の例示的な実施形態は、種々のターボ機械に組込むことができることに注目されたい。本明細書に図示しかつ説明したターボ機械２は、単なる１つの例示的な装置である。

図示するように、燃焼器６は、圧縮機４及びタービンセクション１０と流れ連通状態で結合される。燃焼器６は、その第１の端部に配置された端部カバー３０と、その第２の端部に配置された燃焼チャンバ３４とを含む。端部カバー３０は、その２つを参照符号３８及び３９で示す複数の燃料又は噴射ノズルアセンブリに支持を与える。ここにおいて、噴射ノズルアセンブリ３９が同様の構造を備えていることを理解した上で、図２を参照して噴射ノズルアセンブリ３８を説明する。

噴射ノズルアセンブリ３８は、バルブアセンブリ４５を有する燃料入口部分４４を含む。噴射ノズルアセンブリ３８はまた、その一部が一次混合ゾーン５８を形成した中心本体５４を含む。燃料及び空気は、混合され、一次混合ゾーン５８内に流入しかつ燃焼室３４内に流れて点火燃焼される。一部の運転モード時には、燃料の一部分は、二次燃料ノズル６３を通して導かれた後に一次混合ゾーン５８内に再導入される。二次燃料ノズル６３は、燃料入口４４に流体連結された上流端部６６及び燃焼室３４に通じた下流端部６７を含む。下流端部６７は、様々な運転モード時及び様々な運転モード間にパージ空気を吐出するようになった複数の出口を含み、その１つを図４に参照符号６９で示している。パージ空気の吐出は、火炎が二次燃料ノズル６３内に流入するのを実質的に制限するために行なわれる。

図３及び図４に示す例示的な実施形態によると、噴射ノズルアセンブリ３８はまた、二次燃料ノズル６３の下流端部６７に配置されたスワーラ部材７４を含むものとして示している。スワーラ部材７４は、一次混合ゾーン５８から燃焼室３４に流れる燃料／空気混合気に「スワール（旋回流）」を与えるように構成される。「スワール」は、燃料及び空気の混合を強化してより完全な燃焼を生じさせる。スワーラ部材７４は、ハブ部分８４とその全体を参照符号８６で示した複数のベーンとを含む。ベーン８６は、ハブ部分８４から半径方向外向きに延びかつ一次混合ゾーン５８を通って流れる燃料／空気混合気に所望のスワールを与えるように構成されたピッチ及びプロフィールを含む。複数のベーン８６上を流れる空気流をさらに巧みに処理するために、スワーラ部材７４は、第１の流れ調整バンド９４及び第２の流れ調整バンド９５（図４）を含む。第１及び第２の流れ調整バンド９４及び９５は、ハブ部分８４の周りにかつ複数のベーン８６間に半径方向に延びて一次混合ゾーン５８を通って流れる燃料／空気混合気の一部分に対して妨害物を形成する。以下により完全に説明するように、燃料／空気の流れに対する妨害物により、燃焼器６内における火炎安定性が強化される。

この例示的な実施形態の１つの態様によると、各流れ調整バンド９４、９５は、図５に参照符号１１０で示すような矩形プロフィールを含む。矩形プロフィール１１０は、水平側面１１４及び１１５によって結合された第１及び第２の垂直側面１１２及び１１３を含む。言うまでもなく、垂直及び水平という用語は説明の目的のみに使用しておりかつ配向を限定するものとして考えるべきではないことを理解されたい。この構成の場合には、側面１１４及び／又は側面１１５は、一次混合ゾーン５８を通って流れる燃料／空気の流れに対する妨害物を構成する。この例示的な実施形態の別の態様によると、各流れ調整バンド９４、９５は、図６に参照符号１２０で示すような空気力学的プロフィールを含む。空気力学的プロフィール１２０は、対向する曲線表面（曲面）１２６及び１２７によって結合され、それによって翼形部を形成した第１及び第２の略丸み表面１２３及び１２４を含む。上記と同様に、曲線表面１２６及び１２７は、一次混合ゾーン５８を通って流れる燃料／空気の流れに対する妨害物を構成する。この例示的な実施形態のさらに別の態様によると、流れ調整バンド９４及び９５は、図７に参照符号１３０で示すような空気力学的プロフィールを含む。空気力学的プロフィール１３０は、第１及び第２の傾斜表面１３６及び１３７を有する第１の略三角形部分１３４並びに第１及び第２の傾斜表面１４１及び１４２を有する第２の略三角形部分１３９を含む。ここにおいて、上記のジオメトリは、例示であることを理解されたい。実施形態による流れ調整バンドは、種々の形態、形状及び／又は寸法を取ることができる。流れ調整バンド９４及び９５は、同様のプロフィールを含むことができ或いは各々が異なるプロフィールで形成することができることもまた理解されたい。例えば、流れ調整バンド９４は矩形プロフィールを含むことができ、一方、流れ調整バンド９５は空気力学的プロフィールを含むことができる。

上記のプロフィールの各々は、一次混合ゾーン５８を通って流れる燃料／空気混合気に対して特定の妨害物を確立してより安定した火炎面を得る。図８に示すように、従来型の燃料噴射システムでは、燃料／空気混合気の流れは、中間スパンピーク１４８及び噴射ノズルアセンブリの内径に向けての急速度勾配を持つ不均一速度プロフィール１４７を有する。対照的に、この例示的な実施形態による流れ調整バンドは、略一定速度の部分１６２を有する速度プロフィール１６０を有する燃料／空気混合気を発生する噴射ノズルアセンブリを構成する。略一定速度の部分１６２は、燃料のターンダウンを増大させ、それによってブローアウトポイントを改善しかつＮＯｘエミッションを低下させるのを可能にするより安定した火炎面を形成することを示した。

ここにおいて、これらの例示的な実施形態は、広範囲なガスタービンのアレイにおいて採用することができかつ図示した実施例に限定されるものではないことを理解されたい。また、噴射ノズルアセンブリは２つの流れ調整バンドを含むものとして図示しかつ説明しているが、流れ調整バンドの数及び位置は、所望の速度プロフィールに応じて変化させることができる。最後に、流れ調整バンドについて示したプロフィールは、例示的なものでありかつ様々なその他のジオメトリを含むことができることを理解されたい。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

２ ターボ機械
４ 圧縮機
５ 圧縮機アセンブリ
６ 燃焼器
１０ タービン
３０ 端部カバー
３４ 燃焼器チャンバ
３８、３９ 噴射ノズルアセンブリ
４４ 燃料入口部分
４５ バルブアセンブリ
５４ 中心本体
５８ 一次混合ゾーン
６３ 二次燃料ノズルアセンブリ
６６ 上流端部
６７ 下流端部
６９ 出口
７４ スワーラ部材
８４ ハブ部分
８６ 複数のベーン
９４、９５ 流れ調整バンド
１１０ 矩形プロフィール
１１２ 第１の側面
１１３ 第２の側面
１１４ 第３の側面
１１５ 第４の側面
１２０、１３０ 空気力学的プロフィール
１２３、１２４ 丸み表面
１２６、１２７ 曲線表面
１３４ 第１の略三角形部分
１３６、１３７ 傾斜表面
１３９ 第２の略三角形部分
１４１、１４２ 傾斜表面
１４７、１６０ 速度プロフィール
１４８ ピーク
１６２ 略一定速度の部分

Claims (9)

1. ターボ機械（２）であって、
   圧縮機（４）と、
   タービンセクション（１０）と、
   前記圧縮機（４）及びタービンセクション（１０）に作動結合された燃焼器（６）と、
   前記燃焼器（６）内に取付けられた噴射ノズルアセンブリ（３８、３９）と、を含み、
   前記噴射ノズルアセンブリ（３８、３９）が、該噴射ノズルアセンブリ（３８、３９）を通って流れる流体流れを調整するようになったスワーラ部材（７４）を含み、
   前記スワーラ部材（７４）が、ハブ部分（８４）と、前記ハブ部分（８４）から延びる複数のベーン（８６）と、少なくとも１つの流れ調整バンド（９４、９５）とを含み、
   前記少なくとも１つの流れ調整バンド（９４、９５）が、前記ハブ部分（８４）の周りにかつ前記複数のベーン（８６）間に延びて、前記噴射ノズルアセンブリ（３８、３９）内に局所的流れ妨害物を構成する、
   ターボ機械（２）。
2. 前記少なくとも１つの流れ調整バンド（９４、９５）が、矩形プロフィール（１１０）を含む、請求項１記載のターボ機械（２）。
3. 前記少なくとも１つの流れ調整バンド（９４、９５）が、空気力学的プロフィール（１２０、１３０）を含む、請求項１記載のターボ機械（２）。
4. 前記空気力学的プロフィール（１２０、１３０）が、少なくとも１つの丸み表面（１２３、１２４）を含む、請求項３記載のターボ機械（２）。
5. 前記空気力学的プロフィール（１２０、１３０）が、少なくとも１つの曲線表面（１２６、１２７）を含む、請求項３記載のターボ機械（２）。
6. 前記空気力学的プロフィール（１２０、１３０）が、少なくとも１つの傾斜表面（１３６、１３７、１４１、１４２）を含む、請求項３記載のターボ機械（２）。
7. 前記空気力学的プロフィール（１２０、１３０）が、少なくとも１つの略三角形部分（１３４、１３９）を含む、請求項３記載のターボ機械（２）。
8. 前記少なくとも１つの略三角形部分（１３４、１３９）が、第１の略三角形部分（１３４）及び第２の略三角形部分（１３９）を含む、請求項７記載のターボ機械（２）。
9. 前記少なくとも１つの流れ調整バンド（９４、９５）が、前記ハブ部分（８４）の周りに同心に配置された第１及び第２の流れ調整バンドを含む、請求項１記載のターボ機械（２）。