JP2012102994A - 燃料ノズル組立体における空気流を配向するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】改善された空気流設計を備える燃料ノズル組立体を提供すること。
【解決手段】燃料ノズル組立体４２は、ハブ５４と、ハブ５４の周りに配置されるシュラウド５０と、シュラウド５０の周りに配置された流れスリーブ４４と、シュラウド５０とハブ５４との間で開口領域６４に向けて上流側方向で流れスリーブ４４とシュラウド５０との間に延在し、且つ開口領域６４から燃料ノズル組立体４２の開口領域６４から出口領域７２に向けて下流側方向でハブ５４とシュラウド５０との間に延在した空気流路と、を含む。燃料ノズル組立体４２はまた、空気流路に沿って少なくとも１つの燃料ポート５８に延在する燃料流路５２と、開口領域６４の空気流路に沿って配置された流れガイド８０と、を含み、流れガイド８０がハブ５４からシュラウド５０に向けて半径方向外向きに空気流を案内するよう構成された第１のガイド部分を含む。
【選択図】図３

Description

本明細書で開示される主題は、改善された空気流設計を備える燃料ノズル組立体に関する。

ガスタービンエンジンは、燃料及び空気の混合気を燃焼させて、高温の燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスが１以上のタービンを駆動する。詳細には、高温燃焼ガスは、タービンブレードを回転させ、これによりシャフトを駆動して、例えば、発電機などの１以上の負荷を回転させる。ガスタービンエンジンは、燃料及び空気を燃焼器に噴射するための燃料ノズルを含む。特定の燃焼器において、燃料ノズルは、上流側入口にて空気流を受け取り、ここで空気流は燃料ノズルの外部の上流側方向から燃料ノズル内部の下流側方向に転回する。残念ながら、上流側入口における急転回により流れの不均一性が生じ、低速又は再循環ゾーンを生成する可能性がある。結果として、流れの不均一性は、燃料と空気流の不均一な混合及び／又は保炎の発生を引き起こす場合がある。

米国特許第６４３８９６１号明細書

本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。

第１の実施形態では、システムはタービン燃料ノズルを含む。タービン燃料ノズルは、ハブと、該ハブから半径方向外向きに延在する複数のベーンと、ハブ及び複数のベーンの周りに配置されるシュラウドと、タービン燃料ノズルの出口領域に向けて下流側方向でハブとシュラウドとの間に延在する空気流路と、該空気流路に沿って複数の燃料ポートに延在する燃料流路と、複数のベーン及び複数の燃料ポートから上流側で空気流路に沿って配置される収束拡大セクションと、を含む。

第２の実施形態では、システムは燃料ノズル組立体を含む。燃料ノズル組立体は、ハブと、該ハブの周りに配置されるシュラウドと、シュラウドの周りに配置された流れスリーブと、シュラウドとハブとの間で開口領域に向けて上流側方向で流れスリーブとシュラウドとの間に延在した空気流路と、を含み、空気流路は、開口領域から燃料ノズル組立体の開口領域から出口領域に向けて下流側方向でハブとシュラウドとの間に延在している。燃料ノズル組立体はまた、空気流路に沿って少なくとも１つの燃料ポートに延在する燃料流路と、開口領域の空気流路に沿って配置された流れガイドと、を含み、流れガイドがハブからシュラウドに向けて半径方向外向きに空気流を案内するよう構成された第１のガイド部分を含む。

第３の実施形態では、システムは、タービンエンジンと、該タービンエンジンに結合された燃料ノズル組立体とを含む。燃料ノズル組立体は、上流側空気流を含む流れスリーブと、該流れスリーブ内に配置された複数の燃料ノズルとを含む。各燃料ノズルは、下流側空気流路と、上流側空気流路及び下流側空気流路間の転回に隣接する低速度領域に向けて空気流を配向するよう構成された流れガイドとを含む。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。

改善された空気流設計を備える燃料ノズル組立体を有するタービンシステムの１つの実施形態のブロック図。 燃料ノズル組立体が改善された空気流設計による１以上の燃料ノズルを有する、図１に示すタービンシステムの１つの実施形態の側断面図。 燃料ノズル組立体の１つの実施形態の側断面図。 図３の燃料ノズル組立体の単一の燃料ノズル及び周囲領域の一部の側断面図。 収束拡大セクションを示す、図４の燃料ノズルの流れガイドの１つの実施形態の側断面図。 収束拡大セクションを示す、図４の燃料ノズルの流れガイドの１つの実施形態の側断面図。 図３の線７−７から見た燃料ノズル及びシュラウドの１つの実施形態の断面図。 図３の線７−７から見た燃料ノズル及びシュラウドの１つの実施形態の断面図。

以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。

本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。

本開示は、１以上の燃料ノズルへの入口又はその付近における流れ不足領域を排除し、これにより流れの不均一性、圧力低下、及び保炎を低減するよう燃料ノズルの空気流を改善するシステムに関する。空気が燃料ノズル組立体に流入すると、空気の流れは、燃料ノズルへの入口又はその付近にて上流側方向から下流側方向へ急転回する。上流側方向から下流側方向への急転回の代わりに、空気流は、最小抵抗の経路に従い、不均一な流れ又は再循環ゾーンをもたらす傾向がある。再循環ゾーンは、燃料ノズルの予混合通路の下流側の１以上のベーンセクタにおける圧力低下並びに流れ不足を結果としてもたらす。空気は、予混合通路を通り、ロータが空気流を回転させるスワールベーンに下流側に流れ続ける。各スワールベーンは、燃料を空気流に噴射するための１以上の燃料ポートを含む。スワールベーンの上流側は、保炎につながる可能性がある低速度領域である。

本開示の実施形態は、燃料の均一性を改善する流れガイド（例えば、収束拡大セクション）を備える燃料ノズルを含むシステムを提供する。例えば、流れガイド（例えば、収束拡大セクション）は、複数のベーン及び複数の燃料ポートから上流側の空気流路に沿って配置される。特定の実施形態では、燃料ノズルは、空気流路（例えば、環状空気流路）を画成するために、ハブ（例えば、環状ハブ）の周りに配置されるシュラウド（例えば、環状シュラウド）を含むことができる。流れガイド及び／又は収束拡大セクションは、燃料ノズルの上流側入口にて、又はそこから下流側すなわちシュラウド及びハブ間で空気流路内に配置される。例えば、流れガイドは、低速度領域又は再循環ゾーンに向けて、例えば、ハブからシュラウドに向けて半径方向外向きに空気流を案内するよう構成された第１のガイド部分を含む。第１のガイド部分はまた、空気流路を収束することができ、従って、収束セクションとして説明することができる。流れガイドはまた、第１のガイド部分から下流側の第２のガイド部分を含むことができ、ここで第２のガイド部分は、低速又は再循環ゾーン、例えばシュラウドから離れてハブに向けて角度を付けることができる。第２のガイドは、空気流路を収束することができ、従って、収束セクションとして説明することができる。開示される実施形態の各々において、流れガイドは、空気流を流れ不足領域に向けて再配向すると共に空気流の転回をより円滑にすることによって流れ不足を実質的に低減又は排除し、圧力低下を低減する。流れガイドはまた、流れの均一性を改善し、且つ各下流側ベーンセクタに十分な軸方向流速を提供して保炎の可能性を低減する。

次に、図面に移り、最初に図１を参照すると、タービンシステム１０の１つの実施形態のブロック図が示されている。以下で詳細に説明するように、開示されるタービンシステム１０は、空気流に対して改善された設計を有する複数の燃料ノズル１２を利用して、タービンシステム１０における流れ不足及び流れの不均一性を低減することができる。例えば、各燃料ノズル１２は、燃料ノズル１２内の流れの均一性を改善し且つ再循環ゾーンを低減又は排除するよう構成された流れガイド（例えば、収束拡大セクション）を含むことができる。タービンシステム１０は、天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガスのような液体又はガス燃料を使用してタービンシステム１０を駆動することができる。図示のように、１以上の燃料ノズル１２は、供給燃料１４を吸い込み、該燃料を空気と混合して空気−燃料混合気を燃焼器１６内に分配する。空気−燃料混合気は、燃焼器１６内の燃焼室で燃焼し、これにより高温の加圧排出ガスを生成する。燃焼器１６は、排出ガスをタービン１８に通して排出出口２０に向けて配向する。排出ガスがタービン１８を通過すると、該ガスにより、タービンブレードがタービンシステム１０の軸線に沿ってシャフト２２を回転させるようになる。図示のように、シャフト２２は、圧縮機２４を含む、タービンシステム１０の種々の構成要素に接続することができる。圧縮機２４はまた、シャフト２２に結合されたブレードを含む。シャフト２２が回転すると、圧縮機２４内のブレードも回転し、これにより空気吸入口２６から圧縮機２４を通って燃料ノズル１２及び／又は燃焼器１６に流れるように空気を加圧する。シャフト２２はまた負荷２８に接続することができ、該負荷は、車両、又は発電プラントにおける発電機などの固定負荷、或いは航空機のプロペラとすることができる。負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力によって動力を提供できるあらゆる好適な装置を含むことができる。

図２は、多段ガスタービンエンジン１１を示す、図１のタービンシステム１０の１つの実施形態の側断面図である。タービンシステム１０は、１以上の燃焼器１６内部に位置付けられた１以上の燃料ノズル１２を含む。以下で検討するように、各燃料ノズル１２は、燃料ノズル１２における流れ均一性を改善し且つ再循環ゾーンを低減又は排除するよう構成された流れガイド（例えば、収束拡大セクション）を含むことができる。作動時には、空気が空気吸入口２６を通ってタービンシステム１０に流入し、圧縮機２４において加圧される。次いで、加圧された空気は、ガスと混合されて燃焼器１６内で燃焼することができる。例えば、燃料ノズル１２は、燃料空気混合気を最適燃焼、エミッション、燃料消費量、及び出力にとって好適な比率で燃焼器１６に噴射することができる。燃焼は、高温の加圧排出ガスを生成し、次いで、該排出ガスがタービン１８内の１以上のブレード３０を駆動してシャフト２２を回転させ、従って、圧縮機２４及び負荷２８を駆動する。タービンブレード３０の回転によりシャフト２２の回転が生じ、これにより圧縮機２４内のブレード３２が吸気口２６によって受け取られた空気を吸い込み且つ加圧するようになる。

図３は、改善された流れ設計を利用して、空気流を流れ不足領域に向けて再配向すると共に空気流の転回をより円滑にすることによって流れ不足を解消し且つ圧力低下を低減することができる、燃料ノズル組立体４２の１つの実施形態の側断面図である。燃料ノズル組立体４２は、ガスタービンエンジン１１の燃焼器１６内に装着することができる。燃料ノズル組立体４２は、複数の燃料ノズル１２及び外側ケーシング又は流れスリーブ４４を含む。燃料ノズル１２は、キャップ組立体４６内に配置され、該キャップ組立体４６は、フロントプレート４８及び複数のシュラウドを含む。流れスリーブ４４とキャップ組立体４６との間のスペースは、外側環状流路４５を画成する。各シュラウド５０は、それぞれの燃料ノズル１２のハブ５４の周りに円周方向に配置される。流れスリーブ４４は、キャップ組立体４６及び各シュラウド５０の周りに円周方向に配置される。燃料ノズル組立体４２内の各燃料ノズル１２は、燃料流路５２と、ハブ５４と、該ハブ５４から半径方向外向きに延在する複数のベーン５６と、ハブ５４及び複数のベーン５６（例えば、スワールベーン）の周りに配置されるシュラウド５０とを含む。各ベーン５６は、１以上の燃料ポート５８を含む。各ベーン５６上の燃料ポート５８の数は、１から５０、１から１０、又は他の何れか数の範囲にわたることができる。例えば、各ベーン５６は、各側部上に１以上の燃料ポート５８を含むことができる。ハブ５４とシュラウド５０との間に配置される複数のスワールベーン５６は、以下で説明するように、空気と燃料を混合しながら、空気をスワール又は回転させるように構成される。

流れスリーブ４４とキャップ組立体４６との間の外側環状流路４５は、上流側空気流路６０を含む。詳細には、空気流路６０は、各燃料ノズル１２の周りに円周方向に配置された上流側開口領域６４に向けて上流側方向６０で流れスリーブ４４とシュラウド５０の外側表面６２との間に延在する。例えば、図示の開口領域６４は、シュラウド５０とハブ５４との間に配置される。燃料ノズル組立体４２内の各燃料ノズル１２は、内側環状流路５３を通る下流側空気流路６８を含む。詳細には、空気流路６８は、ハブ５４とシュラウド５０の内側表面６６との間に延在する。空気は、上流側方向６０で燃料ノズル組立体４２内に流入する。フロントプレート４８を通過すると、空気は、ゾーン７０に流入してほぼ１８０℃転回（例えば、転回経路６５及び６７）し、各燃料ノズル１２のハブ５４とシュラウド５０の間の開口領域６４を通って下流側方向６８に流れる。次いで、空気は、ハブ５４とシュラウド５０の間の環状流路５３を通って燃料ノズル組立体４２の出口領域７２に向かって流れる。燃料ノズル１２の開口領域６４に流入すると、空気は、複数のベーン５６に対し下流側に流れ、空気流路６８に沿って燃料と混合する（例えば、ベーン５６内の燃料ポート５８）。結果として得られる空気燃料混合気７４は、燃焼を行うために燃料ノズル組立体４２の出口領域７２に向けて配向される。

各燃料ノズル１２は、幾つかのベーン５６を含むことができる。例えば、各燃料ノズル１２は、１から２０、又は２から１０のベーン、或いはこれらの間の何れかの数のベーンを含むことができる。各燃料ノズル１２の円周方向周りでは、ベーン５６は、内側環状流路５３を複数のセクタに分割し、空気流をスワールして燃料と空気の混合を誘起する。例えば、燃料ノズル１２の外周の周りに均一に配置された１０個のベーン５６は、約３６度毎の１０個のセクタをもたらすことができる。ゾーン７０に流入する空気流は、外側表面６３に沿った空気流路６５により図示されるように、最小抵抗の経路に沿って流れる傾向がある。換言すると、空気流路６５は、上流側空気流路６０からゾーン７０を通って下流側空気流路６８に向かう空気流の転回の大きな半径を表している。対照的に、空気流路６７で示されるように、より少ない量の空気流がフロントプレート４８付近で小さな曲率半径に沿ってゾーン７０を通過する。大半径及び小半径の転回（例えば、経路６５と６７）の間の不均一な流れは、開口領域６４を通って内側環状流路５３に流入する不均一な流れを引き起こす。詳細には、空気流は、開口領域６４においてハブ５４に沿ってより大きく、シュラウド５０に沿ってより小さくなる可能性がある。燃料ノズル１２はまた、外側環状流路４５から種々の燃料ノズル１２の内側環状流路５３への半径距離が異なることに起因して、流路４５からの空気の不均一な流れを受け取る場合がある。例えば、中央燃料ノズル７８は、通路４５からの半径方向距離が外側燃料ノズル７６よりも大きな位置にて配置される。更に、各燃料ノズル１２は、半径方向で流路４５に近いほどより多くの空気流を受け取り、半径方向で流路４５からより離れるほど少ない空気流を受け取ることができる。

しかしながら、燃料ノズル組立体４２は、図３から図８に示すように、燃料ノズル１２における流れ不足領域を実質的に低減又は排除すると共に、空気流をより円滑に転回して圧力低下を低減する設計を含む。詳細には、燃料ノズル組立体４２の各燃料ノズル１２は、ハブ５４とシュラウド５０との間に配置される複数のスワールベーン５６の上流側の開口領域６４において空気流路６８に沿って配置された流れガイド８０を含む。図４は、図３における流れガイド８０の詳細を更に示す、燃料ノズル組立体４２の単一の燃料ノズル１２及び周囲領域の一部の側断面図である。燃料ノズル組立体４２及び燃料ノズル１２は、図３において説明した通りである。流れガイド８０は、ガイド部分９２、ガイド部分９６、及びガイド部分９８を含む。図示のように、ガイド部分９２は、燃料ノズル１２の軸線１０８に対して角度が付けられ、ガイド部分９２、９６、及び９８が内側環状流路５３内で空気流を再分配し、ハブ５４とシュラウド５０との間のより均一な流れプロファイルを提供する。

図示の実施形態では、ガイド部分９２及び９８は、ハブ５４５に沿って配置されると共に、ガイド部分９６はシュラウド５０に沿って配置される。しかしながら、他の実施形態は、ハブ５４及びシュラウド５０上のガイド部分９２、９６及び９８の１以上を排除又は再配列することができる。ガイド部分９２及び９６は、ガイド部分９８から上流側に配置される。詳細には、ガイド部分９２及び９６は、一般に、開口領域６４付近で互いに向かって収束（例えば、内側環状流路５３）し、これにより開口領域６４付近の収束流れセクションを画成する。対照的に、ガイド部分９８は、内側環状流路５３を拡大し、これによりガイド部分９２及び９６の下流側の拡大流れを画成する。結果として、流れガイド８０の種々の実施形態は、収束拡大セクション８１として説明することができる。

ガイド部分９２は、全体的に矢印９４で示されるように、ハブ５４からシュラウド５０の内側表面６６に向かって半径方向外向きに空気流を案内するよう構成される。ガイド部分９２によって提供される半径方向外向きの流れ９４は、空気流を再分配し（例えば、大半径空気流路６５）、シュラウド５０に沿って空気流を増大させ且つハブ５４に沿って空気流を減少させ、これにより開口領域６４内の空気流の均一性を改善するのを助ける。詳細には、ガイド部分９２は、シュラウド５０に沿って軸方向空気流速度を増大させ、且つハブ５４に沿って軸方向空気流速度を減少させ、シュラウド５０とハブ５４との間の通路５３のより均一な軸方向速度プロファイルを生成する。図３及び図４に示すように、ガイド部分９２は、矢印６８によって示される下流側方向で直径が増大する環状壁部分１００を含む。例えば、ガイド部分９２の図示の実施形態は、燃料ノズル１２の軸線１０８に対してほぼ一定の角度により定められる。しかしながら、ガイド部分９２の特定の実施形態は、軸線１０８に沿って下流側方向で可変の角度（例えば、湾曲プロファイル）によって定められる湾曲壁部分１００を有することができる。何れかの実施形態では、環状壁部分１００は、全体的に、下流側方向で軸線から拡大し、これによりシュラウド５０とハブ５４との間の通路５３を収束する。

ガイド部分９６は、シュラウド５０の上流側末端部分（例えば、フロントプレート４８）の周りに矢印９７で全体的に示すように、空気流を半径方向内向きに案内するよう構成される。図示の実施形態では、ガイド部分９６は、下流側方向で軸線１０８に対して角度が漸次的に減少する湾曲環状形状を有する。すなわち、ガイド部分９６は、最初に、シュラウド５０の上流側末端部分にてハブ５４に向かってより大きな角度にされ、次いで漸次的に、ガイド部分９６の下流側末端部分１１０に向かって下流側方向（例えば、軸線１０８に平行）により大きな角度にされる。特定の実施形態では、ガイド部分９６は、軸線１０８に対してほぼ一定の角度で定められる円錐形を有してもよい。何れの実施形態ではも、ガイド部分９６は、全体的に、下流側方向で軸線１０８及びハブ５４に向かって収束し、これによりシュラウド５０とハブ５４との間で通路５３を収束させる。ガイド部分９６は、シュラウド５０の上流側末端部分の周りに空気流を漸次的に転回させると共に、矢印９７で示すように空気流の一部を半径方向内向きに再分配するのを助ける。例えば、以下でより詳細に検討するように、ガイド部分９６は、ガイド部分９２の少なくとも実質的に下流側のハブ５４に向けて半径方向内向きに空気流の一部を配向するような角度にされ且つ位置付けることができる。このようにして、ガイド部分９６は、開口領域６４において空気流の均一性を改善するのを助ける。しかしながら、図３及び図４に示すように、ガイド部分９２は、ガイド部分９６に重なり且つこれを超えて軸方向に延在して、ガイド部分９６の下流側末端部分１１０とガイド部分９２の下流側末端部分１１２との間にオフセットした軸線を定める。以下でより詳細に検討するように、ガイド部分９２は、ガイド部分９６を超えて軸方向に延在して、ガイド部分９２によって提供される半径方向外向きの流れ９４が、ガイド部分９６によって提供される半径方向内向きの流れ９７よりも確実に優勢となり、これにより流路５３内の空気流プロファイルの均一性を高める助けとなる。

ガイド部分９８は、シュラウド５０からハブ５４に向かって矢印９９で全体的に示すように、半径方向外向きに空気流を案内するよう構成される。ガイド部分９８によって提供される半径方向内向きの流れ９９は、シュラウド５０とハブ５４との間の通路５３において空気流の均一性を改善（例えば、より均一な軸方向速度プロファイル）するよう空気流を再分配するのを助ける。詳細には、ガイド部分９８によって、空気流がガイド部分９２及び９６から下流側に膨張し、具体的にはハブ５４に向かって流れることができるようになる。図３及び図４に示すように、ガイド部分９８は、矢印６８で示される下流側方向で直径１０６が減少する環状壁部分１０４を含む。例えば、ガイド部分９８の図示の実施形態は、燃料ノズル１２の軸線１０８に対してほぼ一定の角度によって定められる円錐壁部分１０４を有する。しかしながら、ガイド部分９８の特定の実施形態は、軸線１０８に沿った下流側方向で可変の角度（例えば、湾曲プロファイル）によって定められる湾曲壁部分１０４を有することができる。何れかの実施形態では、環状壁部分１０４は、全体的に、下流側方向に軸線１０８に向けて収束し、これによりシュラウド５０とハブ５４との間の通路５３が拡大する。

図５は、ガイド部分９２、９６及び９８によって画成される収束拡大セクション８１の詳細を説明する流れガイド８０の１つの実施形態の側断面図である。上述のように、流れガイド８０は、燃料ノズル１２の開口領域６４を通る空気流の円滑な転回、案内、再分配、及びその均一性の改善を行うためのガイド部分９２、９６、及び９８を含む。例えば、ガイド部分９２は、ハブ５４からシュラウド５０に向けて半径方向外向きに角度が付けられ、上流側空気流路６０と下流側空気流路６８との間の転回に隣接する別の低速度領域１２２（例えば、シュラウド５０に沿って）に向けて空気流１２０を配向する。流れガイド８０が存在しない場合、領域１２２は流れ不足（例えば、低速度又は再循環）を有し、これは、外側環状流路４５（例えば、上流側流路６０）から内側環状流路５３（例えば、下流側流路５８）までシュラウド５０の上流側末端部分の周りを１８０度転回することに起因する可能性がある。従って、流れ不足は、領域１２２及びその付近にて保炎発生の可能性につながる恐れがある。図示の実施形態では、ガイド部分９２は、空気流１２０で示されるように、領域１２２内に空気流を集中させることによって別の低速度領域１２２における流れ不足を低減又は排除するのを助ける。流れガイド８０はまた、ガイド部分９６を含み、内側環状流路５３を貫通して半径方向及び円周方向に均一な空気流（例えば、均一な軸方向速度）を提供するのを助ける。例えば、ガイド部分９２及び９６は、互いに向かって収束して収束セクションを定め、この後に、ガイド部分９８により画成される拡大セクションが続く。収束拡大セクションは、ベーン５６の上流側空気流の均一性を高めるのを助けるよう構成される。詳細には、ガイド部分９２及び９６は、空気流の速度を上昇させ、内側環状流路５３の周りで円周方向により均一に再分配させると同時に、別の低速度領域１２２に向かう空気流速を上昇させるようにして空気流を収束させる。続いて、ガイド部分９８は、空気流の速度を減少させると同時に、シュラウド５０とハブ５４との間により均一に空気流を半径方向に分配するようにして空気流を拡大させる。

上述のように、ガイド部分９６の下流側末端部分１１０及びガイド部分９２の下流側末端部分１１２は、軸方向オフセット１２４を定めるように位置付けられる。オフセット１２４は、ガイド部分９６（例えば、内側空気流１２３）に対してガイド部分９２（例えば、外側空気流１２０）の優性を制御するよう選択することができる。例えば、より大きなオフセット１２４を用いて、別の低速度領域１２２に向けてガイド部分９２により提供される空気流１２０のより大きな優性度を与えることができる。対照的に、より少ないオフセット１２４を用いて、ハブ５４に向けてガイド部分９６により提供される空気流１２３のより大きな優性度を与えることができる。このようにして、オフセット１２４は、外向き空気流１２０及び内向き空気流１２３の好適なバランスを提供し、流路５３にわたって実質的に均等な空気流プロファイルを提供するよう選択することができる。

オフセット１２４に沿って、流れガイド８０は、燃料ノズル１２の軸線１０８に対してほぼ拡大したガイド部分１１９を含む。図示の実施形態では、ガイド部分１１９は、ガイド部分９６の下流側末端部分１１０から延在し、且つガイド部分９２及び９８に部分的に沿って延在する。ガイド部分１１９は、可変角度の環状表面（例えば、湾曲環状表面）又は一定角度の環状表面（円錐表面）とすることができる環状表面１２１を有する。何れかの実施形態では、環状表面１２１は、ハブ５４及び軸線１０８からほぼ拡大し、これによりシュラウド５０とハブ５４間の内側環状流路５３の流れ面積を維持又は拡大する。例えば、環状表面１２１は、ガイド部分９２及び１１９間の流れ面積を実質的に一定に維持すると共に、ガイド部分９８及び１１９間の流れ面積を拡大（増大）するような角度を付けることができる。図５に示すように、環状表面１２１は、別の低速度領域１２２に向けて外向きに角度が付けられ、これにより領域１２２に向けて空気流を案内し流れ不足を低減するのを助けることができる。ガイド部分９８及び１１９はまた、互いから拡大し、流速の低減及びベーン５６から上流側で流れをより均一に分配するのを助けることができる。

図５に更に示すように、開口領域６４における上流側断面積１２５は、ベーン５６付近の下流側断面積１２８よりも小さい。上記で検討したように、ガイド部分９２及び９６は、互いに向けて収束し、上流側断面積１２５を低減させると共に、ガイド部分９８及び１１９は、互いから拡大し、下流側断面積１２８を増大させる。上流側断面積１２５を低減したにもかかわらず、流れガイド８０は、空気流を別の低速度領域１２２に押し込むことによって十分な空気流を維持する。換言すると、流れガイド８０は、内側環状流路５３全体にわたって空気流を均一に分配することによって、有効断面積（例えば、実際に空気が流れる面積）を維持又は増大させるよう設計することができる。加えて、流れガイド８０の配置並びにベーン５６の上流側の上流側断面積１２５の低減により、追加の圧力損失を生じないようにすることができる。特定の実施形態では、面積１２５は、面積１２８よりも約１から５０、１から２５、又は５から２０パーセント小さい範囲に及ぶことができる。

流れガイド８０はまた、例えば、ハブ５４とシュラウド５０との間の開口領域６４内に可変の半径方向ギャップ１２６を提供する。可変の半径方向ギャップ１２６は、燃料ノズル１２の軸線１０８に沿って半径方向で増減する。図７を参照しながら以下で更に詳細に検討するように、可変の半径方向ギャップ１２６はまた、軸線１０８の周りで円周方向に変化することができる。可変半径方向ギャップ１２６は、軸方向１３０で約１から１００、１から５０、又は１から２５パーセントだけ変化することができる。更に、以下で検討するように、可変半径方向ギャップ１２６は、円周方向で約１から１００、１から５０、又は１から２５パーセントだけ変化することができる。可変半径方向ギャップ１２６は、内側環状流路５３において半径方向及び円周方向の両方に空気流を分配するのを助けるように選択することができる。

図６は、収束拡大セクション１４０を備える流れガイド８０を有する燃料ノズル１２の１つの実施形態の側断面図であり、ここでセクション１４０は、図５の収束拡大セクション８１よりも大きなオフセット１２４を有する。図示の実施形態では、上記で説明したように、燃料ノズル１２は、ハブ、複数のベーン５６，及びシュラウド５０を含む。ハブ５４とシュラウド５０との間の開口領域６４は、収束拡大セクション１４０を含む。収束拡大セクション１４０は、複数のベーン５６及び複数の燃料ポート５８から上流側の空気流路６８に沿って配置される。収束拡大セクション１４０は、拡大環状セクション１４４から上流側の収束環状セクション１４２を含む。特定の実施形態では、収束環状セクション１４２は、円錐壁セクション１４６を含み、拡大環状セクション１４４は円錐壁セクション１４８を含む。図示のように、円錐壁セクション１４６は、ハブ５４の環状壁セクション１５０に沿って配置され、ハブ５４が空気流路６８に沿って下流側方向で直径１０２（図３を参照）が増大するようにする。同様に、円錐壁セクション１４８は、ハブ５４の環状壁セクション１５２に沿って配置され、ハブ５４が空気流路６８に沿って下流側方向で直径１０６（図３を参照）が減少するようにする。収束拡大セクション１４０はまた、シュラウド５０に沿って環状壁セクション１５４を含む。環状壁セクション１５４は、セクション１５４の一部に対して少なくとも空気流路６８に沿って下流側方向で直径１５５（図３を参照）が増大する。環状壁セクション１５４は、環状壁セクション１５０の周りを円周方向に延在する。

上述のように、収束拡大セクション１４０は、燃料ノズル１２の開口領域６４を通る空気流の円滑な転回、案内、再分配、及びその均一性の改善を行うよう動作する。詳細には、矢印１５６で全体的に示される空気流の転回は、シュラウド５０に向けて角度が付けられた円錐壁セクション１４６に衝突する。円錐壁セクション１４６は、矢印１５８で全体的に示すように、転回空気流１５６をハブ５４からシュラウド５０に向けて半径方向外向きに配向する。環状壁セクション１５４は、転回空気流を配向して円錐壁セクション１４８の下流側のスペースを満たすように輪郭を形成する。円錐壁セクション１４８の拡大により、下流側空気流路６８にて矢印１６０で全体的に示すように空気流の膨張が可能になる。空気流１６０は、下流側空気流路６８においてハブ５４及びシュラウド５０から分離されていない。従って、壁セクション１４６、１４８、及び１５４は、互いに協働して、開口領域６４のシュラウド５０に沿ったあらゆる流れ不足（例えば、低速度又は再循環領域）を実質的に低減又は排除する。このようにして、壁セクション１４６、１４８、及び１５４は、ベーン５４の上流側の開口領域６４内で軸方向１３０の空気流の均一性を実質的に増大させ、これによりあらゆる保炎の可能性を低減する。

図５の収束拡大セクション８１と同様に、図６の収束拡大セクション１４０は、円錐壁セクション１４６が環状壁セクション１５４を超えて軸方向に重なって延在することにより定められる軸方向オフセット１２４を含む。軸方向オフセット１２４は、環状壁セクション１５４の下流側末端部分１１０と円錐壁セクション１４６の下流側末端部分１１２との間に延在する。図６に示すオフセット１２４は、図５のオフセット１２４よりも大きい。上述のように、オフセット１２４は、環状壁セクション１５４（例えば、内向き空気流）に対して円錐壁セクション１４６（例えば、外向き空気流）の優性を制御するよう選択することができる。例えば、より大きなオフセット１２４を用いて、シュラウド５０に沿って別の低速度領域に向けて円錐壁セクション１４６により提供される空気流のより大きな優性を提供することができる。図示の実施形態では、図６の軸方向オフセット１２４は、図５の軸方向オフセット１２４よりも約１．５から２倍大きくすることができる。特定の実施形態では、オフセット１２４は、空気流速度、円錐壁セクション１４６及び１４８の角度、環状壁セクション１５４の角度又は曲率、シュラウド５０とハブ５４との間の距離（例えば、可変半径方向ギャップ１２６）、及び／又は他のパラメータに基づくことができる。例えば、オフセット１２４は、環状壁セクション１５４の下流側末端部分１１０において可変半径方向ギャップ１２６の関数とすることができる。特定の実施形態では、オフセット１２４は、環状壁セクション１５４の下流側末端部分１１０において可変半径方向ギャップ１２６の約０．１から５倍、又は０．２から２倍とすることができる。

オフセット１２４に加えて、流れガイド８０は、ハブ５４とシュラウド５０との間の可変半径方向ギャップ１２６を含む。前述したように、可変半径方向ギャップ１２６は、燃料ノズル１２の軸線１０８に沿って軸方向１３０に増減する。図７及び図８に示すように、可変半径方向ギャップ１２６は、燃料ノズル１２の周りに円周方向で同じままでもよく、或いは変化してもよい。図７及び図８は、図３の線７−７から見た燃料ノズル１２の断面図である。図示のように、円周部１７０は、図３から図６の流れガイド８０のガイド部分９２又はガイド部分９８の何れかを示すことができる。図７に示すように、可変半径方向ギャップ１２６は、燃料ノズル１２の軸線１０８の周りを円周方向１７２に増減する。例えば、燃料ノズル１２の一方側の可変半径方向ギャップ１２６の長さ１７４は、燃料ノズル１２の反対側の可変半径方向ギャップ１２６の長さ１７６よりも大きい。可変半径方向ギャップ１２６は、燃料ノズル１２の円周部１７０の周りに非対称か、又はシュラウド５０の円周部１７７の周りに非対称であることにより変化することができる。図示のように、円周部１７０は、円周部１７０のオフセットの周りの部分１７９（例えば、１８０度セクション）で非対称である。従って、直径１０２又は１０６（図３を参照）は、燃料ノズル１２の円周部１７０の周りで変わることができる。また、直径１５５は、シュラウド５０の円周部１７７の周りで変わることができる。円周部１７０及び１７７の周りで可変半径方向ギャップ１２６が可変性であることに加えて、軸方向オフセット１２４はまた、下流側末端部分１１０及び１１２間で円周部１７０及び１７７の周りで変わることができる。このようにして、可変半径方向ギャップ１２６及び軸方向オフセット１２４は、空気流を制御し、流れガイド８０の下流側のより均一な空気流を提供することができる。詳細には、可変半径方向ギャップ１２６は、外側環状通路４５（図３を参照）から更に離れて大きく（例えば、長さ１７４）することができ、また、可変半径方向ギャップ１２６は、外側環状通路４５（図３を参照）に近接してより小さく（例えば、長さ１７６）することができる。このようにして、可変半径方向ギャップ１２６は、燃料ノズル１２の別の低速度領域に追加の空気流を送ることができる。

或いは、図８に示すように、可変半径方向ギャップ１２６は、燃料ノズル１２の軸線１０８の周りに円周方向１７２で同じままである。例えば、可変半径方向ギャップ１２６の一方側の可変半径方向ギャップ１２６の長さ１８０は、燃料ノズル１２の反対側の可変半径方向ギャップ１２６の長さ１８２と同じである。すなわち、可変半径方向ギャップ１２６は、燃料ノズル１２及びシュラウド５０の円周部１７０及び１７６両方の周りで対称であることにより同じままである。従って、直径１０２、１０６、１５５は、円周部１７０及び１７６の周りで同じままである。可変半径方向ギャップ１２６及び軸方向オフセット１２４は、流れガイド８０の他の特徴要素と共に、燃料ノズル１２の内側環状流路５３において半径方向と円周方向の両方で下流側空気流路６８により均一な流れを提供する。

開示される実施形態の技術的効果は、燃料ノズル組立体４２における改善された空気流設計を利用することを含む。改善された流れ設計は、流れガイド８０（例えば、収束拡大セクション８１又は１４０）を利用して、空気流を流れ不足領域に再配向することを含む。空気流の再配向は、燃料ノズル１２にわたって半径方向及び燃料ノズル１２の周りで円周方向に軸方向の均一な空気流をもたらすことになる。再配向された空気流はまた、保炎の発生を最小限に抑えるためベーンセクタの全てに対して幾らかの軸方向速度を提供しながら圧力損失の低減をもたらす。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０ タービンシステム
１１ ガスタービンエンジン
１２ 複数の燃料ノズル
１４ 供給燃料
１６ 燃焼器
１８ タービン
２０ 排気出口
２２ シャフト
２４ 圧縮機
２６ 吸気口
２８ 負荷
３０ ブレード
３２ ブレード
４２ 燃料ノズル組立体
４４ 流れスリーブ
４５ 外側環状流路
４６ キャップ組立体
４８ フロントプレート
５０ シュラウド
５２ 燃料流路
５３ 内側環状流路
５４ ハブ
５６ 複数のベーン
５８ 燃料ポート
６０ 上流側空気流路
６２ 外側表面
６３ 外側表面
６４ 開放領域
６５ 転回経路
６６内側表面
６７ 転回経路
６８ 下流側空気流路
７０ ゾーン
７２ 出口領域
７４ 空気−燃料混合気
７６ 外側燃料ノズル
７８ 中央燃料ノズル
８０ 流れガイド
８１ 収束拡大セクション
９２ ガイド部分
９４ 矢印
９６ ガイド部分
９８ ガイド部分
１００ 環状壁部分
１０２ 直径
１０４ 環状壁部分
１０６ 直径
１０８ 軸線
１１０ 下流側末端部分
１１２ 下流側末端部分
１１９ ガイド部分
１２０ 空気流
１２１ 環状表面
１２２ 低速度領域
１２３ 内向き空気流
１２４ 軸方向オフセット
１２５ 実面積
１２６ 可変半径方向ギャップ
１２８ 実面積
１３０ 軸方向
１４０ 収束拡大セクション
１４２ 収束環状セクション
１４４ 拡大環状セクション
１４６ 円錐壁セクション
１４８ 円錐壁セクション
１５０ 環状壁セクション
１５２ 環状壁セクション
１５４ 環状壁セクション
１５５ 直径
１５６ 矢印
１５８ 矢印
１６０ 矢印
１７０ 円周部
１７２ 円周方向
１７４ 幅
１７６ 幅
１８０ 幅
１８２ 幅

Claims (15)

1. タービン燃料ノズル（１２）を備えるシステムであって、該タービン燃料ノズル（１２）が、
   ハブ（５４）と、
   前記ハブ（５４）から半径方向外向きに延在する複数のベーン（５６）と、
   前記ハブ（５４）及び前記複数のベーン（５６）の周りに配置されるシュラウド（５０）と、
   前記タービン燃料ノズル（１２）の出口領域（７２）に向けて下流側方向で前記ハブ（５４）と前記シュラウド（５０）との間に延在する空気流路と、
   前記空気流路に沿って複数の燃料ポート（５８）に延在する燃料流路（５２）と、
   前記複数のベーン（５６）及び前記複数の燃料ポート（５８）から上流側で前記空気流路に沿って配置される収束拡大セクション（８１、１４０）と
   を備えるシステム。
2. 前記収束拡大セクション（８１、１４０）が、拡大環状セクション（１４４）から上流側の収束環状セクション（１４２）を含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記収束環状セクション（１４２）が第１の円錐壁セクション（１４６）を含み、拡大環状セクション（１４４）が第２の円錐壁セクション（１４８）を含む、請求項２記載のシステム。
4. 前記収束拡大セクション（８１、１４０）が前記ハブ（５４）の第１の環状壁セクション（１５０）を含み、該第１の環状壁セクション（１５０）が前記空気流路に沿って下流側方向に直径が増大する、請求項１記載のシステム。
5. 前記収束拡大セクション（８１、１４０）が前記ハブ（５４）の第２の環状壁セクション（１５２）を含み、該第２の環状壁セクション（１５２）が前記空気流路に沿って下流側方向に直径（１０６）が減少し、前記第２の環状壁セクション（１５２）が前記第１の環状壁セクション（１５０）から下流側にある、請求項４記載のシステム。
6. 前記収束拡大セクション（８１、１４０）が前記シュラウド（５０）の第３の環状壁セクション（１５４）を含み、該第３の環状壁セクション（１５４）が前記空気流路に沿って下流側方向に直径（１５５）が増大する、請求項５記載のシステム。
7. 前記第３の環状壁セクション（１５４）が前記第１の環状壁セクション（１５０）の周りで円周方向に延在する、請求項６記載のシステム。
8. 前記第１の環状壁セクション（１５０）が前記第３の環状壁セクション（１５４）に重なり且つこれを超えて軸方向に延在して、前記第１の環状壁セクション（１５０）と前記第３の環状壁セクション（１５４）との間に軸方向オフセット（１２４）を定める、請求項７記載のシステム。
9. 前記収束拡大セクション（８１、１４０）が前記ハブ（５４）と前記シュラウド（５０）との間に可変半径方向ギャップ（１２６）を含み、該可変半径方向ギャップ（１２６）が前記タービン燃料ノズル（１２）の軸線（１０８）に沿って軸方向（１３０）で増減し、前記可変半径方向ギャップ（１２６）が前記軸線（１０８）の周りで円周方向（１７２）で増減する、請求項１記載のシステム。
10. 前記シュラウド（５０）の周りに配置された流れスリーブ（４４）を備え、前記空気流路が、前記シュラウド（５０）と前記ハブ（５４）との間の開口領域（６４）に向かって上流側方向で前記流れスリーブ（４４）と前記シュラウド（５０）との間に延在し、前記空気流路が、前記開口領域（６４）から前記出口領域（７２）に向けて下流側方向で前記ハブ（５４）と前記シュラウド（５０）との間に延在する、請求項１記載のシステム。
11. 前記開口領域（６４）が、前記収束拡大セクション（８１、１４０）を含む、請求項１０記載のシステム。
12. 前記タービン燃料ノズル（１２）を有するガスタービン燃焼器（１６）又はガスタービンエンジン（１１）を含む、請求項１記載のシステム。
13. 燃料ノズル組立体（４２）を備えるシステムであって、該燃料ノズル組立体（４２）が、
    ハブ（５４）と、
    前記ハブ（５４）の周りに配置されるシュラウド（５０）と、
    前記シュラウド（５０）の周りに配置された流れスリーブ（４４）と、
    前記シュラウド（５０）と前記ハブ（５４）との間で開口領域（６４）に向けて上流側方向で前記流れスリーブ（４４）と前記シュラウド（５０）との間に延在し、且つ前記開口領域（６４）から前記燃料ノズル組立体（４２）の前記開口領域（６４）から出口領域（７２）に向けて下流側方向で前記ハブ（５４）と前記シュラウド（５０）との間に延在した空気流路と、
    前記空気流路に沿って少なくとも１つの燃料ポート（５８）に延在する燃料流路（５２）と、
    前記開口領域（６４）の空気流路に沿って配置された流れガイド（８０）と、
    を備え、前記流れガイド（８０）が前記ハブ（５４）から前記シュラウド（５０）に向けて半径方向外向きに空気流を案内するよう構成された第１のガイド部分（９２）を
    備える、システム。
14. 前記第１のガイド部分（９２）が、前記下流側方向で直径（１０２）が増大する第１の環状壁部分（１００）を含む、請求項１３記載のシステム。
15. 前記流れガイド（８０）が、前記下流側方向で直径（１０６）が減少する第２の環状壁部分（１０４）を有する第２のガイド部分（９８）を含む、請求項１４記載のシステム。