JP2011099444A - 逆回転ガス・タービン燃料ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料ノズルを有するガス・タービン燃焼器を提供する。
【解決手段】ある実施形態においては、システムがガス・タービン制御器（４６）を備えている。ガス・タービン制御器（４６）は、第１の旋回方向（１１８）を有する第１の複数の燃料ノズル（１６）を通る燃料流れのみを可能にする第１の動作モードを備えている。ガス・タービン制御器（４６）はまた、第１の旋回方向（１１８）とは反対の第２の旋回方向（１２０）を有する第２の複数の燃料ノズル（１８）を通る燃料流れのみを可能にする第２の動作モードを備えている。
【選択図】図６

Description

本明細書で開示する主題は、燃料ノズルに関し、より具体的には、複数の燃料ノズルを有するガス・タービン燃焼器に関する。

ガス・タービンは通常、空気および燃料の混合物を燃焼器内で燃焼させて、タービンおよび圧縮機部分を駆動するための排気ガスを発生させる。典型的なガス・タービンは、たとえば燃料噴射量を変えることによって、出力領域を限定している。燃料噴射量が減少すると、ガス・タービンは通常、温度の低下が原因で一酸化炭素（ＣＯ）の発生量が増加する。言い換えれば、許可された排出レベルに確実に適合するように、燃焼器から出て行く温度は比較的高い値に留めておく必要がある。

複数の燃料ノズルを有するガス・タービン燃焼器を提供する。

当初に請求される発明と範囲において見合っているある実施形態を以下にまとめる。これらの実施形態は、請求される発明の範囲を限定することは意図されておらず、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を与えることのみが意図されている。実際には、本発明は、以下に述べる実施形態と同様の場合も異なる場合もある種々の形態を包含する場合がある。

第１の実施形態において、システムが、第１の複数の燃料ノズルであって、それぞれは第１の空気通路と、第１の燃料通路と、第１の旋回方向を有する第１の旋回メカニズムとを備える、第１の複数の燃料ノズルを備える。システムはまた、第２の複数の燃料ノズルであって、それぞれは第２の空気通路と、第２の燃料通路と、第２の旋回方向を有する第２の旋回メカニズムとを備える、第２の複数の燃料ノズルを備える。第１および第２の複数の燃料ノズルは、交互配置の環状パターンで配置される。加えて、第１および第２の旋回方向は互いと反対である。システムはさらに、第１の燃料通路を通る第１の燃料流量と第２の燃料通路を通る第２の燃料流量とを、互いに独立に制御するように構成された制御器を備える。

第２の実施形態においては、システムがガス・タービン制御器を備える。ガス・タービン制御器は、第１の旋回方向を有する第１の複数の燃料ノズルを通る燃料流れを可能にする第１の動作モードを備える。ガス・タービン制御器はまた、第１の旋回方向とは反対の第２の旋回方向を有する第２の複数の燃料ノズルを通る燃料流れを可能にする第２の動作モードを備える。

第３の実施形態においては、システムが制御器を備える。制御器は、第１の方向に旋回する空気流を有する第１の複数の燃料ノズルを通る第１の燃料流れを制御するように構成されている。制御器はまた、第１の方向とは反対の第２の方向に旋回する空気流を有する第２の複数の燃料ノズルを通る第２の燃料流れを制御するように構成されている。第１および第２の燃料流れは独立に制御される。加えて、第１および第２の複数の燃料ノズルは、交互配置の環状パターンで配置される。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および優位性は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことでより良好に理解される。添付図面では、同様の文字は図面の全体に渡って同様の部分を表わす。

複数の燃料ノズルを伴う燃焼器を有するタービン・システムの実施形態の概略的なフロー図である。 図１に例示したようなタービン・システムの典型的な実施形態の断面側面図である。 図２に示したようなガス・タービン・エンジンの燃焼器のヘッド・エンドの斜視図であり、複数の燃料ノズルを例示する図である。 図３に示したような単一の燃料ノズルの断面側面図である。 図４に示したような燃料ノズルの切り欠き斜視図である。 図３に例示した燃料ノズル構成の上流または下流図であり、５つの燃料ノズルを交互配置の環状形成で有し、交互配置の環状形成内の中央に位置する燃料ノズルを有する図である。 別の燃料ノズル構成の上流または下流図であり、４つの燃料ノズルを交互配置の環状形成で有し、交互配置の環状形成内の中央に位置する燃料ノズルを有する図である。 別の燃料ノズル構成の上流または下流図であり、４つの燃料ノズルを交互配置の環状形成で有し、中央に位置する燃料ノズルを伴わない図である。

本発明の１または複数の特定の実施形態について以下に説明する。これらの実施形態についての簡潔な説明を与えるために、本明細書では実際の具体化のすべての特徴については説明していない場合がある。次のことを理解されたい。すなわち、任意のこのような実際の具体化を開発する際には、任意のエンジニアリングまたはデザイン・プロジェクトの場合と同様に、開発者の具体的な目標（たとえばシステム関連およびビジネス関連の制約と適合すること）を達成するために、具体化に固有の多数の決定を行なわなければならない。具体的な目標は具体化ごとに変わる場合がある。また、このような開発努力は、複雑で時間がかかる場合があるが、それでも、本開示の利益を受ける当業者にとってはデザイン、作製、および製造の日常的な取り組みであろうことも理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「前記」は、要素の１つまたは複数が存在することを意味することが意図されている。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であることが意図されており、列記された要素以外の付加的な要素が存在していても良いことを意味する。

開示した実施形態には、タービン・システムの燃焼器において用いる燃料の量を実質的に減らす一方で、それでもやはりタービン・システムから発生するＣＯの量を最小限にするためのシステムおよび方法が含まれる。特に、開示した実施形態では、第１および第２の燃料ノズル・グループ（旋回を反対方向に誘起する）を交互配置の環状パターンで配置して、隣接する燃料ノズルからの空気燃料混合気の相対速度がほぼゼロとなるようにすることが提供される。これは、ターンダウン（たとえば、タービン・システムによる燃料使用量を徐々に減らすこと）の間に、隣接する空気燃料混合気間のシアーを減らすのに役立ち、隣接する燃料供給されている流れと燃料供給されていない流れとの間の乱流熱物質交換を減らすのにも役立ち、ＣＯ酸化を速くすることができ、その結果、タービン・システムから発生するＣＯの量が減る。タービン・システムから発生するＣＯ量を減らすことができることによって、さらなるターンダウン能力が可能になる。タービン・システムのターンダウンが高まると、タービン・システムのユニットを停止させてから後に開始するようなことを行なわずに、負荷が小さくなったときの燃料使用量が少なくなり、タービン・システムの信頼度および柔軟性の両方が高まる。

図１は、複数の燃料ノズル１４を伴う燃焼器１２を有するタービン・システム１０の実施形態の概略的なフロー図である。後で詳述するように、複数の燃料ノズル１４は、独立に制御される燃料ノズル１４のグループを備えていても良い。より具体的には、複数の独立に制御される燃料ノズル１４は、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０（互いに独立に制御しても良い）を備えていても良い。加えて、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０は、互いと反対方向に旋回するように構成しても良い。たとえば、ある実施形態においては、第１の燃料ノズル・グループ１６における燃料ノズルの構成を、空気燃料混合気（または、ある状況では空気のみ）を第２の燃料ノズル・グループ１８における燃料ノズルと反対方向に旋回させるように設けても良い。加えて、任意の数の燃料ノズル・グループを用いても良い。たとえば、燃焼器１２は、４、５、６、７、８、９、１０、またはより多くの燃料ノズル・グループと関連付けられていても良い。

タービン・システム１０は、液体またはガス燃料、たとえば天然ガスおよび／または水素リッチ合成ガスを用いても良い。図示したように、燃料ノズル１４は、複数の燃料供給ストリーム２２、２４、２６を取り入れる。より具体的には、第１の燃料ノズル・グループ１６は、第１の燃料供給ストリーム２２を取り入れても良く、第２の燃料ノズル・グループ１８は、第２の燃料供給ストリーム２４を取り入れても良く、第３の燃料ノズル・グループ２０は、第３の燃料供給ストリーム２６を取り入れても良い。後で詳述するように、燃料供給ストリーム２２、２４、２６をそれぞれ、対応する空気ストリームと混合して、空気燃料混合気として燃焼器１２内に分配しても良い。

空気燃料混合気が燃焼器１２内のチャンバにおいて燃焼する結果、高温加圧排気ガスが形成される。燃焼器１２から排気ガスが、タービン２８を通して排気口３０の方に送られる。排気ガスがタービン２８を通ると、ガスによって強制的に１または複数のタービン・ブレードが、シャフト３２をタービン・システム１０の軸に沿って回転させる。例示したように、シャフト３２を、タービン・システム１０の種々の構成要素（たとえば、圧縮機３４）に接続しても良い。また圧縮機３４は、シャフト３２に結合されていても良いブレードを備えている。シャフト３２が回転すると圧縮機３４内のブレードも回転し、その結果、空気取り入れ口３６からの空気が、圧縮機３４を通る間に圧縮されて、燃料ノズル１４および／または燃焼器１２内に入る。より具体的には、後で詳述するように、第１の圧縮空気ストリーム３８を第１の燃料ノズル・グループ１６内に送っても良く、第２の圧縮空気ストリーム４０を第２の燃料ノズル・グループ１８内に送っても良く、第３の圧縮空気ストリーム４２を第３の燃料ノズル・グループ２０内に送っても良い。またシャフト３２を負荷４４に接続しても良い。負荷４４は、車両でも良いし、定常負荷（たとえば発電所における発電機または航空機のプロペラなど）でも良い。負荷４４は、タービン・システム１０の回転出力によってパワー供給することができる任意の好適な装置を含んでいても良い。

加えて、後で詳述するように、タービン・システム１０は、制御器４６として、第１、第２、および第３の燃料供給ストリーム２２、２４、２６を、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、および２０内にそれぞれ入るように制御するように構成された制御器４６を備えていても良い。より具体的には、第１、第２、および第３の燃料供給ストリーム２２、２４、２６を、互いに独立に制御器４６によって制御しても良い。たとえば、制御器４６の構成を、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０の上流にあるバルブ、ポンプなどを制御して、第１、第２、および第３の燃料供給ストリーム２２、２４、２６を独立に変えるようにしても良い。こうして、第１、第２、および第３の燃料供給ストリーム２２、２４、２６およびそれらの対応する第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０は、３つの別個の燃料供給回路（制御器４６が独立に制御しても良い）を備えていても良い。より具体的には、ある実施形態においては、制御器４６の構成を、第１、第２、および第３の燃料供給ストリーム２２、２４、２６がそれぞれ、対応する第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０を通ることを可能または不能にして、タービン・システム１０の燃焼器１２内に入る全体の燃料流れを変え、タービン・システム１０のより柔軟なターンダウンを可能にするようにしても良い。

図２は、図１に例示したようなタービン・システム１０の典型的な実施形態の断面側面図である。タービン・システム１０は、１または複数の燃焼器１２の内部に配置された１または複数の燃料ノズル１４を備える。動作時には、空気が、タービン・システム１０に空気取り入れ口３６を通って入り、圧縮機３４において加圧される。そして圧縮空気を、燃料と混合して、燃焼器１２内での燃焼に備えても良い。たとえば、燃料ノズル１４から燃料空気混合気を、燃焼器１２内に、最適な燃焼、排出、燃料消費、およびパワー出力に対する好適な比率で噴射しても良い。燃焼によって高温加圧排気ガスが発生し、このガスが次に、タービン２８内の１または複数のブレード４８を駆動して、シャフト３２が回転し、その結果、圧縮機３４および負荷４４が回転する。タービン・ブレード４８が回転することによって、シャフト３２が回転し、その結果、圧縮機３４内のブレード５０が、空気取り入れ口３６が受け取った空気を吸い込んで加圧する。

図３は、端部カバー５４を有する燃焼器ヘッド・エンド５２であって、複数の燃料ノズル１４が端部カバー・ベース面５６に封止接合部５８を介して取り付けられている燃焼器ヘッド・エンド５２の実施形態の詳細な斜視図である。ヘッド・エンド５２は、圧縮機３４からの圧縮空気と端部カバー５４を通った燃料とを、各燃料ノズル１４に送る。燃料ノズル１４では、圧縮空気と燃料とを少なくとも部分的に空気燃料混合気として予混合することを、燃焼器１２における燃焼ゾーン内に入れる前に行なう。後で詳述するように、燃料ノズル１４は、旋回を空気流路に誘起するように構成された１または複数の旋回羽根を備えていても良い。各旋回羽根は、燃料を空気流路内に噴射するように構成された燃料噴射ポートを備える。

ある実施形態においては、燃料ノズル１４は、第１の燃料ノズル・グループ１６、第２の燃料ノズル・グループ１８、および第３の燃料ノズル・グループ２０を備えている。例示した実施形態においては、第１の燃料ノズル・グループ１６は３つの燃料ノズルを備え、第２の燃料ノズル・グループ１８は２つの燃料ノズルを備え、第３の燃料ノズル・グループ２０は１つの燃料ノズルのみを備えている。例示したように、第１の燃料ノズル・グループ１６と第２の燃料ノズル・グループ１８とは、端部カバー・ベース面５６の周りに交互配置の環状パターンで配置されている。例示した実施形態においては、第３の燃料ノズル・グループ２０は、第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８からなる交互配置の環状パターンの内部の中央に位置する１つの燃料ノズルのみを備えている。したがって、交互配置の環状パターンは、第１の燃料ノズル・グループ１６の燃料ノズルの１つから、第２の燃料ノズル・グループ１８における燃料ノズルの１つへ、第１の燃料ノズル・グループ１６における燃料ノズルの別の１つへなど、中央に位置する燃料ノズル２０の周りの周方向に交互に並んでいても良い。後で詳述するように、第１の燃料ノズル・グループ１６の各燃料ノズルは、旋回メカニズム（たとえば、１または複数の旋回羽根）として、空気燃料混合気（または、ある状況においては空気のみ）における旋回を、第２の燃料ノズル・グループ１８の各燃料ノズルにおける旋回メカニズムと反対方向に誘起するように構成された旋回メカニズムを備えていても良い。

第１の燃料ノズル・グループ１６と第２の燃料ノズル・グループ１８とは、本明細書では、交互配置の環状パターンで配置されていると示しているが、異なる数（たとえば、一方は奇数で、一方は偶数）の燃料ノズルを第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８内に有する（たとえば、それぞれ、２と１、３と２、４と３、５と４、６と５、７と６、８と７、９と８、１０と９、１１と１０などの）実施形態においては、同じグループ内の２つ以上の燃料ノズルが互いに隣接して配置されていても良い。たとえば、図３に例示した実施形態においては、第１の燃料ノズル・グループ１６のうち２つの燃料ノズルが互いに隣接して配置されている。なぜならば、第１の燃料ノズル・グループ１６（たとえば、３つ）の方が、第２の燃料ノズル・グループ１８（たとえば、２つ）よりも、１つ多く燃料ノズルが存在しているからである。しかし、同一の数の燃料ノズルを第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８内に有する（たとえば、それぞれ、２と２、３と３、４と４、５と５、６と６、７と７、８と８、９と９、１０と１０などの）実施形態においては、燃料ノズルを、端部カバー・ベース面５６の全周囲に沿って交互配置の環状パターンで配置しても良い。

さらに、後で詳述するように、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０をすべて、互いに独立に制御しても良い。たとえば、第１の燃料ノズル・グループ１６を通る第１の燃料流量は、第２の燃料ノズル・グループ１８を通る第２の燃料流量とは別個に制御しても良く、第１の燃料ノズル・グループ１６を通る第１の燃料流量は、第３の燃料ノズル・グループ２０を通る第３の燃料流量とは別個に制御しても良く、第２の燃料ノズル・グループ１８を通る第２の燃料流量は、第３の燃料ノズル・グループ２０を通る第３の燃料流量とは別個に制御しても良い。

第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０を通る燃料の流れを独立に制御できることによって、燃焼器１２内に入る全体の燃料流量を、タービン・システム１０の動作中に弱める（たとえば、小さくする）ことができる場合がある。たとえば、図３に例示した実施形態においては、全体の燃料流量を弱めて、燃料の流れが全部で６つの燃料ノズル１４から１つだけの燃料ノズル１４まで小さくなるようにしても良い。より具体的には、表１に例示するように、燃料は、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０が可能である（たとえば、モード６の）ときに、６つの燃料ノズル１４すべてを通って全開流量で流れても良い。そして、全体の燃料流量を、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、および２０を不能および可能にすることによって徐々に弱めても良い。これを表１にまとめる（たとえば、モード１〜５）。燃料がある特定の燃料ノズル１４を通ることが不能とされたときに、圧縮機３４からの圧縮空気が依然として、燃料ノズル１４を通って流れることが可能であっても良い。ある燃料ノズル１４を通る純粋な空気流と他の燃料ノズル１４を通る空気燃料混合気との間の相互作用について、以下に詳細に説明する。

例示した実施形態では、３つの燃料ノズルを有する第１の燃料ノズル・グループ１６、２つの燃料ノズルを有する第２の燃料ノズル・グループ１８、および単一の中央位置の燃料ノズルを有する第３の燃料ノズル・グループ２０を示しているが、他の好適な数および配置の燃料ノズルを端部カバー・ベース面５６に接合部５８を介して取り付けても良い。たとえば、別の実施形態においては、第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８は両方とも、２つの燃料ノズルを有していても良く、第３の燃料ノズル・グループ２０は、単一の中央位置の燃料ノズルを有していても良い。実際には、第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれよりも多い燃料ノズルを備えていても良い。しかし一般的には、第１の燃料ノズル・グループ１６は、第２の燃料ノズル・グループ１８と同じ数の燃料ノズルを有しているか、または第２の燃料ノズル・グループ１８よりも１つ多い燃料ノズルを有している。また、単一の中央位置の燃料ノズルの代わりに、第３の燃料ノズル・グループ２０は、第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８からなる交互配置の環状パターンの内部に位置する１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれよりも多い燃料ノズルを備えていても良い。

図４は、燃料ノズル１４の実施形態の断面側面図である。例示した実施形態においては、燃料ノズル１４は、外部周壁６０と外部周壁６０内に配置されるノズル中央ボディ６２とを備えている。外部周壁６０はバーナー・チューブと記述しても良く、一方で、ノズル中央ボディ６２は燃料供給チューブと記述しても良い。また燃料ノズル１４は、空気燃料予混合器６４、空気入口６６、燃料入口６８、旋回羽根７０、混合通路７２（たとえば、空気と燃料とを混合するための環状通路）、および燃料通路７４を備えていても良い。旋回羽根７０は、燃料ノズル１４内に旋回流れを誘起するように構成されている。したがって、燃料ノズル１４は、この旋回特徴部の点でスウォズルと記述しても良い。燃料ノズル１４の種々の態様を、軸方向または軸７６、半径方向または軸７８、および周方向または軸８０を参照して記述しても良いことに注意されたい。たとえば、軸７６は長手方向の中心線または長さ方向に対応し、軸７８は長手方向の中心線に対して横方向または半径方向に対応し、および軸８０は長手方向の中心線の周りの周方向に対応する。

図示したように、燃料は、ノズル中央ボディ６２の燃料入口６８を通って燃料通路７４内に入っても良い。燃料は、軸方向７６に沿って下流方向（矢印８２によって示す）に移動して、ノズル中央ボディ６２の全長を通って、燃料通路７４の内部端壁８４（たとえば、下流端部分）に当たるまで進み、するとすぐに、燃料は流れを逆にして（矢印８６によって示す）、逆の流路８８に入って上流の軸方向に進んでも良い。説明を目的として、用語下流は、燃焼器１２を通ってタービン２８に向かう燃焼ガスの流れの方向を表わしても良く、一方で、用語上流は、燃焼器１２を通ってタービン２８に向かう燃焼ガスの流れの方向に対して、それから離れる方向またはそれとは反対の方向を表わしても良い。

端壁８４とは反対側にある、逆の流路８８の軸方向７６に延びる端部において、燃料は、壁９０（たとえば、上流端部分）に当たって、出口チャンバ９２（たとえば、上流側キャビティまたは通路）内に移動する。これを矢印９４によって示す。ある実施形態においては、燃料は、仕切り片９６の周りに沿って進んで出口チャンバ９２内に入っても良く、それによって、燃料は、出口チャンバ９２から燃料噴射ポート９８を通って旋回羽根７０内に放出されても良い。旋回羽根７０では、燃料を、空気入口６６から混合通路７２を通って流れる空気（矢印１００によって例示する）と混合しても良い。たとえば、燃料噴射ポート９８は、燃料を空気流と交差するように噴射して、混合を誘起しても良い。同様に、旋回羽根７０は、空気および燃料の旋回流れを誘起し、その結果、空気および燃料の混合を増大させる。空気燃料混合気は、空気燃料予混合器６４を出た後に、継続して、混合通路７２を通って流れるときに混合される。これを矢印１０２によって示す。このように混合通路７２を通る間に空気および燃料が継続して混合されることによって、混合通路７２を出た空気燃料混合気が、燃焼器１２に入るときに、実質的に十分に混合されていることが可能になる。燃焼器１２では、混合された空気および燃料が燃焼されても良い。

図５は、図４のアーチ形ライン５−５内に選択される燃料ノズル１４の実施形態の切り欠き斜視図である。燃料ノズル１４は、ノズル中央ボディ６２の周りに周方向に配置された旋回羽根７０を備える。旋回羽根７０は、ノズル中央ボディ６２から外部周壁６０まで半径方向外側に延びる。例示したように、各旋回羽根７０は、出口チャンバ９２と仕切り片９６とを有する中空ボディ（たとえば、中空の翼形状ボディ）である。燃料は、上流側に、仕切り片９６の周りの非直線経路内を出口チャンバ９２まで移動した後、燃料噴射ポート９８を通って出口チャンバ９２を出る。

旋回羽根７０は、流れを旋回させることによって、空気燃料混合を軸７６の周りの周方向８０に誘起するように構成されている。例示したように、各旋回羽根７０は、上流端部分１０４から下流端部分１０６へと曲がるかまたは湾曲している。特に、上流端部分１０４は一般的に、軸７６に沿った軸方向に配向され、一方で、下流端部分１０６は一般的に、軸７６に沿った軸方向から離れるように角度が付いているか、湾曲しているか、または方向付けられている。その結果、各旋回羽根７０の下流端部分１０６によって、流れが軸７６の周りの回転経路（たとえば、旋回流れ）へと付勢または案内される。この旋回流れによって、燃料ノズル１４内での空気燃料混合が、燃焼器１２内に送出される前に高められる。各旋回羽根７０は、燃料噴射ポート９８を、旋回羽根７０の第１および／または第２の側面１０８、１１０上に備えていても良い。第１および第２の側面１０８、１１０を組み合わせて、旋回羽根７０の外面を形成しても良い。たとえば、第１および第２の側面１０８、１１０によって、前述したように、翼形状の曲面が規定されても良い。

したがって、前述したように、燃料ノズル１４の旋回羽根７０の物理的な形状によって、空気燃料混合気の旋回が、燃料ノズル１４の長手方向の中心線の周りの周方向（矢印１１４によって示す）に誘起されても良い。より具体的には、各旋回羽根７０の下流端部分１０６によって、空気燃料混合気が軸７６の周りの回転経路（たとえば、旋回流れ）へと付勢または案内されても良い。図５では、軸７６に対して反時計回りの回転旋回が誘起されると例示しているが、他の実施形態においては、燃料ノズル１４の旋回羽根７０のデザインを、軸７６に対して時計回りの回転旋回が誘起されるように形成しても良い。実際には、図４および５に例示した実施形態は、用いても良いが限定は意図されていない旋回燃料ノズル（「スウォズル」）デザインのタイプの典型に過ぎない。他のスウォズル・デザインを取り入れても良い。

実際には、後で詳述するように、第１、第２、または第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、および２０における各燃料ノズルの構成を、空気燃料混合気を第１、第２、または第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、および２０の別のグループにおける各燃料ノズルと反対の回転旋回方向に旋回させるように設けても良い。たとえば、ある実施形態においては、第１の燃料ノズル・グループ１６におけるすべての燃料ノズルを、空気燃料混合気を第１の回転旋回方向に旋回させるように構成しても良く、一方で、第２の燃料ノズル・グループ１８におけるすべての燃料ノズルを、空気燃料混合気を第２の回転旋回方向に旋回させるように構成しても良い。ここで第１の回転旋回方向は第２の回転旋回方向とは反対である。

たとえば、図６は、図３に例示した燃料ノズル構成の上流または下流図である。例示したように、第１の燃料ノズル・グループ１６と第２の燃料ノズル・グループ１８とは、交互配置の環状形成１１６（たとえば、第１の燃料ノズル・グループ１６における燃料ノズルの１つ、それに続いて第２の燃料ノズル・グループ１８における燃料ノズルの１つ、それに続いて第１の燃料ノズル・グループ１６における燃料ノズルの別の１つなど）で配置されている。前述したように、第１の燃料ノズル・グループ１６における各燃料ノズルを、旋回を第１の回転旋回方向１１８に誘起するように構成しても良く、一方で、第２の燃料ノズル・グループ１８における各燃料ノズルを、旋回を第２の回転旋回方向１２０に誘起するように構成しても良い。ここで第１の回転旋回方向１１８は第２の回転旋回方向１２０とは反対である。特に、図６に例示した実施形態においては、第１の燃料ノズル・グループ１６における各燃料ノズルは、旋回を時計回り回転方向１１８に誘起するように構成されており、一方で、第２の燃料ノズル・グループ１８における各燃料ノズルは、旋回を反時計回り回転方向１２０に誘起するように構成されている。

例示した実施形態においては、第３の燃料ノズル・グループ２０は、第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８からなる交互配置の環状形成内の中央に位置する単一の燃料ノズルを備える。中央に位置する燃料ノズル２０を、旋回を第３の回転旋回方向１２２に誘起するように構成しても良い。特に、図６に例示した実施形態においては、中央に位置する燃料ノズル２０は、旋回を時計回りの方向１２２に誘起するように構成されている。こうして、中央に位置する燃料ノズル２０の構成を、旋回を第１の燃料ノズル・グループ１６における各燃料ノズルと同じ回転旋回方向に、および第２の燃料ノズル・グループ１８における各燃料ノズルとは反対の回転旋回方向に誘起するように設けても良い。

さらに、ある実施形態においては、周方向に位置する燃料ノズルから成る複数の並びを用いても良い。たとえば、燃料ノズル構成は、中央に位置する燃料ノズルの周りに配置された燃料ノズルからなる２、３、４、５、６、またはそれよりも多い数の同心並びを備えていても良い。燃料ノズルの各並びは、対応する並びの周囲に沿って交互に構成された第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８を備えていても良い。加えて、ある実施形態においては、燃料ノズルの各対応する並びにおける燃料ノズルはサイズが変わっても良い。たとえば、中央に位置する燃料ノズル２０は、図６に例示した燃料ノズルの第１の並びにおける燃料ノズルとは異なるサイズ（たとえば、異なるバーナー・チューブ構成、異なる空気流などを有する）であっても良い。

第１の燃料ノズル・グループ１６における各燃料ノズルが誘起する旋回の第１の回転旋回方向１１８は、第２の燃料ノズル・グループ１８によって誘起される第２の回転旋回方向１２０とは反対であるため、空気燃料混合気の相対速度（すなわち、速度の違い）が、交互配置の環状形成１１６における各隣接する燃料ノズル間の接触点１２４（たとえば、隣接する燃料ノズルからの空気燃料混合気の流れが経路を横切る点）において、実質的に減少する場合がある。たとえば、対照的に、隣接する燃料ノズルの第１および第２の回転旋回方向１１８、１２０が同じ方向であった場合には、接触点１２４における空気燃料混合気の相対速度は、各空気燃料混合気の個々の周速度の約２倍となって、シアリングの増加が起こり、隣接する空気燃料混合気間の乱流熱物質交換が増えるであろう。言い換えれば、相対速度は加法的（たとえば、シアーを２倍）であろう。なぜならば、空気燃料混合気は、接触点１２４において反対方向に回るであろうからである。しかし例示した実施形態においては、第１の回転旋回方向１１８は第２の回転旋回方向１２０とは反対であるため、空気燃料混合気の相対速度は、ほぼゼロ（たとえば、ゼロ・シアー）である。なぜならば、空気燃料混合気は接触点１２４において同じ方向に回るからである。同様に、中央に位置する燃料ノズル２０が誘起する旋回の第３の回転旋回方向１２２は、第２の燃料ノズル・グループ１８によって誘起される第２の回転旋回方向１２０とは反対であるため、これらの燃料ノズル間の接触点１２４における空気燃料混合気の相対速度も、実質的に減少する場合がある。

このような隣接する燃料ノズル間の空気燃料混合気の相対速度の減少は、燃焼器１２のターンダウンの間に特に有益である場合がある。タービン・システム１０の負荷が小さくなった場合、可能にする（たとえば、その中を燃料が流れる）燃料ノズルの数を少なくしても良い。たとえば、前述したモード２〜４は、第１の燃料ノズル・グループ１６または第２の燃料ノズル・グループ１８が不能である（たとえば、その中を燃料が流れない）シナリオである。これらの不能モードの間、可能な（たとえば、燃料供給されている）燃料ノズル・グループからの火炎は、不能な（たとえば、燃料供給されていない）燃料ノズル・グループからの急冷空気のみと相互作用する。たとえば、図６に例示した実施形態がモード４で動作させられている場合を想定すると、第１および第３の燃料ノズル・グループ１６、２０は燃料供給されていても良く、一方で、第２の燃料ノズル・グループ１８は燃料供給されていなくても良い。こうして、第１および第３の燃料ノズル・グループ１６、２０からの火炎は、第２の燃料ノズル・グループ１８からの急冷空気のみと相互作用しても良い。

したがって、燃料ノズルの旋回羽根７０に対する軽微な変更（たとえば、反対の旋回方向）を、燃料ノズルのグループのうちの１つ（たとえば、図６に例示した実施形態においては第２の燃料ノズル・グループ１８）に対して行なうことによって、隣接する燃料ノズル間のシアーおよび乱流熱物質交換の効果が実質的に小さくなる場合がある。この結果、タービン・システム１０の燃焼器１２に送出される空気燃料混合気におけるＣＯ酸化を速くすることができる場合があり、ターンダウン能力の増加が、たとえば、前述したモード１までずっと可能になる場合がある。こうして、低負荷の間に用いる燃料を少なくしても良く、タービン・システム１０のユニットを停止および開始する必要が減る場合がある。

前述したように、図６に例示した実施形態は、用いても良い燃料ノズルの唯一の構成ではない。たとえば、図７および８に例示するのは、燃料ノズルの他の２つの典型的な構成である。図７および８の両方に例示する実施形態においては、第１の燃料ノズル・グループ１６および第２の燃料ノズル・グループ１８は交互配置の環状形成１１６で配置され、各グループは２つの燃料ノズルを有している。この場合もやはり、第１の燃料ノズル・グループ１６における各燃料ノズルの構成を、旋回を第１の回転旋回方向１１８に誘起するように設けても良く、一方で、第２の燃料ノズル・グループ１８における各燃料ノズルの構成を、旋回を第２の回転旋回方向１２０に誘起するように設けても良い。ここで、第１の回転旋回方向１１８は第２の回転旋回方向１２０とは反対である。図７および８に例示した２つの実施形態の主な違いは、図７に例示した実施形態のみが、交互配置の環状形成１１６内の中央に位置する燃料ノズル２０を備えているということである。

また、図７および８に例示した２つの付加的な実施形態は、用いても良い燃料ノズルの唯一の他の構成ではない。たとえば、前述したように、第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれよりも多い燃料ノズルを備えていても良い。しかし一般的に、第１の燃料ノズル・グループ１６は、第２の燃料ノズル・グループ１８と同じ数の燃料ノズルを有しているか、または第２の燃料ノズル・グループ１８よりも１つ多い燃料ノズルを有している。また、単一の中央位置の燃料ノズルの代わりに、第３の燃料ノズル・グループ２０は、第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８からなる交互配置の環状形成の内部に位置する１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれよりも多い燃料ノズルを備えていても良い。加えて、図８に例示したように、実施形態のいずれかにおいて、第３の燃料ノズル・グループ２０がなくても良い。

開示した実施形態の技術的効果には、タービン・システム１０の燃焼器１２の複数の燃料ノズルを通る全体の燃料流れの量を弱める（たとえば、小さくする）一方で、燃焼器１２内で燃料が燃焼する間にタービン・システムから発生するＣＯの量１０を最小限にするためのシステムおよび方法を提供することが含まれる。特に、前述したように、第１および第２の燃料ノズル・グループ１６、１８を交互配置の環状形成で配置して、隣接する燃料ノズルからの空気燃料混合気の相対速度が実質的に最小限になるようにしても良い。

前述したように、制御器４６は、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、および２０にそれぞれ入る燃料の量の独立制御を、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０の上流にあるバルブ、ポンプなどを制御することによって行なうように構成しても良い。こうして、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０は、３つの別個の燃料供給回路を備えていても良く、これらの燃料供給回路は制御器４６が独立に制御しても良い。より具体的には、前述したように、制御器４６の構成を、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０を通る燃料流れを可能または不能にして、タービン・システム１０の燃焼器１２内に入る全体の燃料流れを変え、タービン・システム１０のより柔軟なターンダウンを可能にするように設けても良い。制御器４６は、ある実施形態においては、第１、第２、および第３の燃料ノズル・グループ１６、１８、２０の上流にあるバルブ、ポンプなどを制御するように具体的に構成された物理的なコンピューティング・デバイスであっても良い。より具体的には、制御器４６は、制御バルブ、ポンプなどの制御方法を決定するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイスを備えていても良い。加えて、ある実施形態においては、制御器４６はまた、履歴データ、理論上の性能曲線などを記憶するための記憶媒体を備えていても良い。

一般的に、この書面の説明では、実施例を用いて、ベスト・モードを含む本発明を開示するとともに、どんな当業者も本発明を実行できるように、たとえば任意の装置またはシステムを作りおよび用いること、ならびに取り入れられた任意の方法を行なうことができるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって規定されるとともに、当業者に想起される他の実施例を含んでいても良い。このような他の実施例は、請求項の文字通りの言葉使いと違わない構造要素を有するか、または請求項の文字通りの言葉使いとの差が非実質的である均等な構造要素を含む場合には、請求項の範囲内であることが意図されている。

Claims (10)

1. 第１の複数の燃料ノズル（１６）であって、それぞれは第１の空気通路（６６）と、第１の燃料通路（７４）と、第１の旋回方向（１１８）を有する第１の旋回メカニズム（７０）とを備える、第１の複数の燃料ノズル（１６）と、
   第２の複数の燃料ノズル（１８）であって、それぞれは第２の空気通路（６６）と、第２の燃料通路（７４）と、第２の旋回方向（１２０）を有する第２の旋回メカニズム（７０）とを備え、第１および第２の複数の燃料ノズル（１６、１８）は、交互配置の環状パターン（１１６）で配置され、第１および第２の旋回方向（１１８、１２０）は互いと反対である、第２の複数の燃料ノズル（１８）と、
   第１の燃料通路（７４）を通る第１の燃料流量と第２の燃料通路（７４）を通る第２の燃料流量とを互いに独立に制御するように構成された制御器（４６）と、を備えるシステム。
2. 制御器（４６）は、第１および第２の燃料通路（７４）を通る第１および第２の燃料流量を可能にする第１の動作モードを備え、第１の動作モードは、第１および第２の空気通路（６６）を通る空気流を可能にする、請求項１に記載のシステム。
3. 制御器（４６）は、第１の燃料通路（７４）を通る第１の燃料流量を不能にする第２の動作モードを備え、第２の動作モードは、第１および第２の空気通路（６６）を通る空気流を可能にし、第２の動作モードは、第２の燃料通路（７４）を通る第２の燃料流量を可能にする、請求項２に記載のシステム。
4. 制御器（４６）は、第２の燃料通路（７４）を通る第２の燃料流量を不能にする第３の動作モードを備え、第３の動作モードは、第１および第２の空気通路（６６）を通る空気流を可能にし、第３の動作モードは、第１の燃料通路（７４）を通る第１の燃料流量を可能にし、第１および第２の複数の燃料ノズル（１６、１８）は、異なる数の燃料ノズル（１４）を有する、請求項３に記載のシステム。
5. 第１の複数の燃料ノズル（１６）は偶数個の燃料ノズル（１４）を備え、第２の複数の燃料ノズル（１８）は奇数個の燃料ノズル（１４）を備える請求項４に記載のシステム。
6. 交互配置の環状パターン（１１６）の内部の中央位置に配置される中央の燃料ノズル（２０）を備え、中央の燃料ノズル（２０）は、第３の空気通路（６６）と、第３の燃料通路（７４）と、第３の旋回方向（１２２）を有する第３の旋回メカニズム（７０）とを備え、制御器（４６）は、第３の燃料通路（７４）を通る第３の燃料流量を、第１および第２の燃料通路（７４）を通る第１および第２の燃料流量とは独立に制御するように構成される請求項１に記載のシステム。
7. 制御器（４６）は、第１、第２、および第３の燃料流量を可能にする第１の動作モードと、第３の燃料流量を可能にし第１および第２の燃料流量を不能にする第２の動作モードと、第１の燃料流量を可能にし少なくとも第２の燃料流量を不能にする第３の動作モードと、を備える請求項６に記載のシステム。
8. 第１の複数の燃料ノズル（１６）は３つの燃料ノズル（１４）のみを有し、第２の複数の燃料ノズル（１８）は２つの燃料ノズル（１４）のみを有し、中央の燃料ノズル（２０）は１つの燃料ノズル（２０）のみを有する請求項６に記載のシステム。
9. 第１の旋回メカニズム（７０）は、第１の空気通路（６６）内に配置された第１の旋回羽根（７０）を備え、第２の旋回メカニズム（７０）は、第２の空気通路（６６）内に配置された第２の旋回羽根（７０）を備える請求項１に記載のシステム。
10. 第１の旋回羽根（７０）は、第１の燃料通路（７４）に結合された第１の燃料ポート（９８）を備え、第２の旋回羽根（７０）は、第２の燃料通路（７４）に結合された第２の燃料ポート（９８）を備える請求項９に記載のシステム。

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