JP2009047415A - タービンエンジン燃料送給装置及びシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料ノズル(70)を開示する。
【解決手段】本燃料ノズル(70)は、ハウジング(110)と、該ハウジング(110)内に配置された複数の燃料通路(115)と、該ハウジング(110)内に配置された複数の空気通路(120)とを含む。複数の燃料通路(115)の総流路面積は、複数の空気通路(120)の総流路面積に実質的に等しい。
【選択図】 図2

Description

本開示は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンの燃料送給に関する。
天然ガスに対する需要が増すにつれて、シンガス及び例えば残留エネルギー又は燃焼性を含む製鋼副産物として生成される高炉ガスのような廃棄物処理ガスを含む低発熱量(LHV)燃料の使用についての関心が増大している。一般的には、そのような廃棄物処理ガス中の残留エネルギーは、濃縮及び燃焼の可能性の懸念を減少させるために焼却される。廃棄物処理ガス中の残留エネルギーの回収及び利用には、電力又は機械的動力を提供することができるガスタービンエンジンのための燃料としての使用が含まれる。
そのような廃棄物処理ガスは一般的に、例えば天然ガスのような典型的な高発熱量(HHV)ガスの約1/10の熱エネルギー(例えば、英国熱量単位(BTU)のような)を含んでいる。従って、LHV廃棄物処理ガスでタービンエンジンを運転する場合には、より大きな燃空比が必要となる。高い燃空比により生じる大きなLHV燃料流量に対する一般的な処理法には、タービンエンジンの燃焼室のライナ内にLHVガスと共に空気を噴射して点火の前に燃焼室内で燃料及び空気を混合することが含まれる。
大きな流量のLHVガス及びそれらの低熱エネルギーガスは、燃料及び空気の有効な混合を生じない可能性があり、それによって燃焼火炎の安定性が低下し、また火炎が吹消えを生じることになる可能性があり、その結果タービンエンジンによって提供されるエネルギーの中断を引き起こすおそれがある。そのような火炎吹消え及び実働中断を回避するための1つの方法は、HHVガスをLHVガスと組合せてタービンエンジンの運転を持続させることである。しかしながら、入手可能性及びコストの懸念により、一般的には、そのようなHHVガスの消費量を低減することが望まれている。
RAIK C. ORBAY, PONTUS ERIKSSON, MAGNUS GENRUP AND JENS KLINGMANN, GT2007-27936, "Off-design Performance Investigation of a Low Calorific Value Gas Fired Generic Type Single-Shaft Gas Turbine," ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea and Air, May 14-17, 2007, Montreal Canada. FEDRICO BONZANI, GT2006-90761, "Syngas Burner Optimisation for Fuelling a Heavy Duty Gas Turbine with Various Syngas Blends, ASME Turbo Expo 2006: Power for Land, Sea and Air, May 8-11, 2006, Barcelona, Spain. FEDERICO BONZANI AND PAOLO GOBBO, GT2006-90760, "Development of a Heavy Duty GT Syngas Burner For IGCC Power Plant in Order to Enlarge the GT Operating Conditions," ASME Turbo Expo 2006: Power for Land, sea and Air, May 8-11, 2006, Barcelona, Spain.
従って、当技術分野では、それらの欠点を克服したタービンエンジン燃料送給装置が必要とされている。
本発明の実施形態は、タービンエンジン用の燃料ノズルを含む。本燃料ノズルは、ハウジングと、該ハウジング内に配置された複数の燃料通路と、該ハウジング内に配置された複数の空気通路とを含む。複数の燃料通路の総流路面積は、複数の空気通路の総流路面積に実質的に等しい。
本発明の別の実施形態は、タービンエンジン用の燃焼器を含む。本燃焼器は、それらの間に燃焼室を形成した外側ライナ及び内側ライナと、燃焼室と流体連通した複数の燃料ノズルとを含む。複数の燃料ノズルのうちの各燃料ノズルは、ハウジングと、該ハウジング内に配置された複数の燃料通路及び空気通路とを含む。複数の燃料通路の総流路面積は、複数の空気通路の総流路面積に実質的に等しい。
これらの及びその他の利点及び特徴は、添付した図面に関連して行った本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるであろう。
添付した図において同様な要素には同じ参照符号を付した例示的な図面を参照する。
本発明の実施形態は、LHV燃料と空気とをほぼ1:1の割合で供給するために実質的に等しい流路面積を備えた空気通路及び燃料通路を有するタービンエンジン燃料ノズルを提供する。実施形態では、空気通路及び燃料通路は、互いに近接して配置され、ノズルの出口近傍で空気と燃料との混合を開始させる螺旋状流路を形成し、それによってタービンエンジンの燃焼室のライナ内におけるLHV燃料と空気との混合の質(混合度)を高める。高い混合度は、火炎吹消えの可能性を減少させ、また安定運転のためにタービンエンジン内にHHV燃料を導入する必要性を低減する。
図1は、ガスタービンエンジン8のようなタービンエンジン8の実施形態の概略図を示している。ガスタービンエンジン8は、燃焼器10を含む。燃焼器10は、燃料−酸化剤混合物を燃焼させて、高温かつエネルギー豊富なガスの流れ12を生成する。燃焼器10からのガスの流れ12は次に、タービン14に移動する。タービン14は、タービンブレードアセンブリ(図示せず)を含む。ガスの流れ12は、タービンブレードアセンブリにエネルギーを与えて、該タービンブレードアセンブリを回転させる。タービンブレードアセンブリは、シャフト16に結合される。シャフト16は、タービンブレードアセンブリの回転に応答して回転する。次にシャフト16は、圧縮機18に動力を供給するために使用される。シャフト16は、例えば発電機のような様々な出力装置(図示せず)に対して任意選択的に動力出力17を提供することができる。圧縮機18は、酸化剤ストリーム20を取り込みかつ該酸化剤ストリーム20を加圧する。酸化剤ストリーム20の加圧に続いて、加圧された酸化剤ストリーム23は、燃焼器10内に供給される。圧縮機18からの加圧酸化剤ストリーム23は、燃料供給システム28からの燃料流26と混合されて、燃焼器10内部に燃料−酸化剤混合物を形成する。燃料−酸化剤混合物は次に、燃焼器10内で燃焼プロセスを行う。
次に図2を参照すると、圧縮機18の下流かつタービン14の上流に設置された燃焼セクション30を有するガスタービンエンジン8の一部分を示している。
燃焼セクション30は、燃焼器10を含み、燃焼器10は、燃焼ケーシング50内に配置された外側ライナ40と内側ライナ45とを含む。外側及び内側ライナ40及び45は、エンジンの中心線軸55の周りでその形状がほぼ環状であり、互いに半径方向に間隔を置いて配置されて、両者間に燃焼室60を形成する。1つ又はそれ以上の燃料供給管路65が、複数の燃料ノズル70に燃料を導き、燃料ノズル70は各々、燃焼室60と流体連通した出口75を含む。燃料ノズル70は、外側及び内側ライナ40及び45の上流端部に取り付けられたカウルアセンブリ80内に配置される。燃焼ケーシング50と燃焼器10の外側及び内側ライナ40、45との間に配置された流れスリーブ85は、圧縮機18によって供給された加圧空気(その全体を矢印90で示す)をカウルアセンブリ80に向けて導く。
加圧空気は、燃料ノズル70の複数の空気入口95(図3に最もよく見られる)を通って流れる。以下でさらに説明するように、燃料ノズル70は、燃焼室60内で燃焼させるために、加圧空気90を燃料供給管路65によって供給されるLHV燃料のような燃料と組合せる通路(図示しており以下で説明する)を含む。燃焼している空気−燃料混合気(矢印100で示す)は、出口105を通って燃焼室60から離れ、上述したように熱膨張をタービンブレードの回転に変換するためにエンジン8のタービン14に流入する。
図2は、例示的な実施形態として単一のアニュラ型燃焼器を示しているが、本発明は、例えば二重アニュラ型燃焼器のようなその他の形式の燃焼器に対しても同様に適用可能であることに留意されたい。
図3は、燃料ノズル70の例示的な実施形態の上流端面斜視図を示している。ノズル70は、入口125と、複数の燃料通路115及び空気通路120を有するハウジング110とを含み、燃料通路115及び空気通路120は、ハウジング110内に中心軸線150を囲んで円周方向に配置される。空気通路120は、燃焼室60と流体連通しており、空気入口95と空気出口135とを含む。燃料通路115は、燃焼室60と流体連通しており、燃料出口140と燃料入口145(図3では見ることができない)とを含む。
図4は、図3に示す燃料ノズル70の実施形態の下流端面斜視図を示しており、燃料ノズル70は、燃料通路115の燃料入口145を含む。実施形態では、図3及び図4に示すように、燃料通路115は、ノズル70の入口125内に配置された燃料入口145とノズルの出口75内に配置された燃料出口140とを含む軸方向通路であり、これらの軸方向燃料通路115は、入口125の中心からノズル70の出口75の中心に向かって配した中心軸線150とほぼ整列している。実施形態では、空気入口95は、半径方向空気入口95であり、ハウジング110の外表面155上に配置されている。
例えば天然ガスのような標準的なHHV燃料を利用するように構成されたタービンエンジンは一般的に、約0.001〜約0.01の範囲とすることができる燃空比で運転される。従って、HHV燃料を使用して運転されるエンジンは、約0.001の燃料通路流路面積対空気通路流路面積の比率を有するノズルを組み込むことができる。上述したように、LHV燃料で運転するためには、所定のエンジン出力を得るために総燃料流量は、大幅に増大させなくてはならない。燃料流量の増大は、それに対応した約1:1までの燃空比の増大を含む。これまでのノズルジオメトリ設計に比較して燃料流量が大きいために、燃料及び空気の流量におけるそのような増大に対する現行の方法は、燃焼室内に燃料と空気とを別個に噴射してきたが、この方法では、燃料と空気との混合の困難さが観察され、その結果火炎吹消えが生じていた。特に円形ノズル通路を使用した燃焼構成要素の現在の設計における寸法上の制約により、多くの場合に燃料及び空気ストリームの隣接する配置が不可能になり、別個の直接噴射が必要になっている。図3に示すような実施形態は、燃焼室60の上流領域内に増大した使用空間を設けることによってこの困難さを克服している。
通路115、120を通って流れることができる所定の圧力の流体の最大量を定める通路115、120の開口の断面積は、通路115、120の流路面積としても知られている。実施形態では、また例示の目的で、通路115、120の流路面積は、通路115、120の出口135、140の面積によって定めることができる。従って、LHV燃料用のノズル70による燃空比を約1:1まで増大させるために、空気出口135の総面積は、燃料出口140の総面積に実質的に等しい。例えば、空気出口135の面積157は、出口135を通って流れることができる空気の量を定め、またそれによって空気通路120の流路面積157を定める。同様に、燃料出口140の面積158は、出口140を通って流れることができる燃料の量を定め、またそれによって燃料通路115の流路面積158を定める。従って、複数の燃料通路115の出口140の面積158の総和によって定まる燃料通路115の流路面積158の総和は、複数の空気通路120の出口135の面積157の総和によって定まる空気通路120の流路面積157の総和に実質的に等しい。1つの実施形態では、各燃料通路115の各出口140の流路面積158は、各空気通路120の各出口135の流路面積157に実質的に等しい。
出口135、140の面積として通路115、120の流路面積157、158を定める本発明の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的範囲は、そのように限定されるものではないこと、及び本発明は、そこでは流路面積157、158が通路115、120の開口のあらゆる所定の断面積によって定まり、それによって通路115、120が所定の圧力で流すことができる最大流体流量を定めることができるノズル70に対しても適用されることになることが分かるであろう。
さらに、所定の寸法のハウジング110を有するノズル70を利用した所定の寸法を有する燃焼室60内における燃料流量の増大に適応するために、所定のノズル70のハウジング110寸法の範囲内で燃料通路115の面積を増大させるような新たな通路115、120ジオメトリを開発することが必要である。実施形態では、空気出口135及び燃料出口140は各々、それぞれ4つの側面161、162、163、164及び166、167、168、169を含む。4つの側面161〜164及び165〜169を有する出口135、140の使用は、例えば出口135、140間に配置された仕切り壁175のような、ノズル70構造に使用することができるノズル70の非通路部分の面積を減少させる。従って、4つの側面161〜164及び165〜169を有する通路115、120の使用は、所定のノズル70のハウジング110寸法の範囲内における流路面積を増大させる。
図5は、ノズル70の部分断面図を示している。ノズル70を貫通する燃料通路185によって形成された燃料流路180と空気通路195によって形成された空気流路190とを見ることができる。実施形態では、流路180、190を形成した通路185、195は、該通路185、195が螺旋状通路185、195であり、それによって螺旋状流路180、190を形成するように中心軸線150に対して角度θを有する。螺旋状流路180、190を通って流れる燃料及び空気に関連する質量のために、ノズル70を通って流れる燃料及び空気は、それらがノズル出口75から流出した後には旋回することになる。ノズル70を通って流れる燃料及び空気の出口75の外側における旋回は、出口75近傍に再循環領域199を形成する。再循環領域199は、ノズル70の出口75から燃焼室60の出口105に向う空気及び燃料のより低速の進行を生じさせ、それによって燃焼室60内における燃料及び空気の混合度を高める(図2に最もよく見られる)。参照符号200は、ノズル70の出口75の外側の再循環領域199内における旋回する空気及び燃料の存在を概略的に示している。実施形態では、複数の燃料通路115によって形成された各燃料流路180は、螺旋状燃料流路180を含み、また複数の空気通路120によって形成された各空気流路190は、螺旋状空気流路190を含んでおり、ノズル70の出口75近傍の再循環領域199内における燃料及び空気の混合度を高める。
実施形態では、ハウジング110は、ノズル70を貫通したボア203を形成した表面202を含む。ボア203は、燃焼室60と流体連通している。1つの実施形態では、ボア203は、LHV燃料の使用に移行するのに先立って、天然ガス又はディーゼルオイルのようなエンジン8を始動させるためのHHV燃料の噴射を行うのに利用する付加的な燃料噴射器(図示せず)を収容する。別の実施形態では、ボア203は、例えばシンガス又は廃棄物処理ガスのようなLHV燃料での運転を始めるためにエンジン8を始動させるのを意図した電気火花点火器を収容する。
図3に戻って参照すると、出口75において空気通路120に近接近して燃料通路115を配置することにより、上述したように、旋回流路180、190によって供給される空気及び燃料の混合度がさらに強化される。燃料及び空気通路115、120を隣接して交互配置した構成は、燃料及び空気の混合を高める。上述したように、複数の燃料通路115は、ハウジング110内に中心軸線150を囲んで円周方向に配置され、また複数の空気通路120は、同様にハウジング110内に中心軸線150を囲んで円周方向に配置される。実施形態では、複数の燃料通路115のうちの少なくとも1つの燃料通路115、例えば燃料通路205は、複数の空気通路120のうちの2つの連続した空気通路120、例えば空気通路210及び215間に配置される。さらに別の実施形態では、複数の燃料通路115のうちの各燃料通路115は、複数の空気通路120のうちの2つの空気通路120に隣接してかつ該2つの空気通路120間に配置される。別の実施形態では、複数の空気通路120のうちの各空気通路120は、複数の燃料通路115のうちの2つの燃料通路115に隣接してかつ該2つの燃料通路115間に配置され、それによって空気通路120及び燃料通路115の隣接する交互配置を有する燃料通路115及び空気通路120を構成して、空気及び燃料の混合度を高める。
空気通路120及び燃料通路115の隣接する交互配置によって得られた空気及び燃料の高い混合度は、エンジン8の運転効率を増大させると考えられる。さらに、再循環領域199内における強化した再循環時間は、燃料及び空気混合気の燃焼火炎の吹消えの可能性を減少させると考えられる。
4つの側面161〜164及び165〜169を含む燃料及び空気通路115、120を有する本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の技術的範囲は、そのように限定されるものではないこと、及び本発明はまた、ノズルハウジング110内における通路115、120寸法を増大させる、例えば4つよりも多い側面、楕円、長円及び曲線ジオメトリのようなその他のジオメトリを含むことのできる燃料及び空気通路115、120を有するノズル70に対しても適用されることが分かるであろう。
以上に開示したように、本発明の幾つかの実施形態は、以下の利点、すなわちタービン燃焼室内における空気及びLHV燃料の混合度の強化、強化した(高い)混合度によるLHV燃料でのタービン運転の効率の増大、LHV燃料でのタービン運転の高い信頼性をもたらす火炎吹消えの減少、並びにHHV燃料の使用に関連するディメンションを有するタービン燃焼室及びLHV燃料用燃料ノズルの使用の幾つかを含むことができる。
例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の要素に対して様々な変更を行うことができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることは当業者には解るであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく特定の状況及び物的要件を本発明の教示に適合させるために、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考えられる最良の又は唯一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、本発明は、提出の特許請求の範囲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ことを意図している。また、本発明の例示的な実施形態を開示した図面及び説明において、特殊な用語を使用してきたが、それら用語は、特にそうでないことを断わらない限り、一般的なかつ説明としての意味のみで使用しており、限定する目的で使用しているものではなく、従って本発明の技術的範囲は、そのように限定されるものではない。さらに、第1の、第2のなどの用語は、いかなる序列又は重要度も示すものではなく、1つの要素を他の要素と区別するために使用している。さらに、数詞のない表現は、数量を限定するのではなく、そこに述べた事項の少なくとも1つが存在することを表している。
本発明の実施形態によるタービンエンジンの概略図。 本発明の実施形態によるタービンエンジンの燃焼セクションを示す図。 本発明の実施形態による燃料ノズルの上流端面斜視図。 本発明の実施形態による、図3に示す燃料ノズルの下流端面斜視図。 本発明の実施形態による燃料ノズルの部分断面図。
符号の説明
8 エンジン
10 燃焼器
12 ガスの流れ
14 タービン
16 シャフト
17 動力出力
18 圧縮機
20 酸化剤ストリーム
23 加圧酸化剤ストリーム
26 燃料流
28 燃料供給システム
30 燃焼セクション
40 外側ライナ
45 内側ライナ
50 燃焼ケーシング
55 中心線軸
60 燃焼室
65 燃料供給管路
70 燃料ノズル
75 出口
80 カウルアセンブリ
85 流れスリーブ
90 矢印
95 空気入口
100 矢印
105 出口
110 ハウジング
115 燃料通路
120 空気通路
125 ノズル入口
135 空気出口
140 燃料出口
145 燃料入口
150 中心軸線
155 外表面
157 空気通路の流路面積
158 燃料通路の流路面積
161 側面
162 側面
163 側面
164 側面
166 側面
167 側面
168 側面
169 側面
175 分流器
180 流路
185 燃料通路
190 流路
195 空気通路
199 再循環領域
200 旋回流
205 燃料通路
210 空気通路
215 空気通路

Claims (10)

  1. タービンエンジン(8)用の燃料ノズル(70)であって、
    ハウジング(110)と、
    前記ハウジング(110)内に配置された複数の燃料通路(115)と、
    前記ハウジング(110)内に配置された複数の空気通路(120)と
    を備えていて、前記複数の燃料通路(115)の総流路面積が、前記複数の空気通路(120)の総流路面積に実質的に等しい、燃料ノズル(70)。
  2. 前記複数の燃料通路(115)のうちの燃料通路(115)及び前記複数の空気通路(120)のうちの空気通路(120)の少なくとも1つが、それぞれ4つの側面(161、162、163、164又は166、167、168、169)を含む、請求項1記載の燃料ノズル(70)。
  3. 前記タービンエンジン(8)が燃焼室(60)をさらに備えていて、
    前記複数の燃料通路(115)が、前記ハウジング(110)内に円周方向に配置され、
    前記複数の燃料通路(115)のうちの各燃料通路(115)が、前記燃焼室(60)と流体連通しており、
    前記複数の空気通路(120)が、前記ハウジング(110)内に円周方向に配置され、
    前記複数の空気通路(120)のうちの各空気通路(120)が、前記燃焼室(60)と流体連通しており、
    前記複数の燃料通路(115)のうちの燃料通路(205)が、前記複数の空気通路(120)のうちの2つの連続した空気通路(210、215)間に配置される、
    請求項1記載の燃料ノズル(70)。
  4. 前記複数の燃料通路(115)のうちの各燃料通路(115)が、前記複数の空気通路(120)のうちの2つの空気通路(120)に隣接してかつ該2つの空気通路(120)間に配置される、請求項3記載の燃料ノズル(70)。
  5. 前記複数の空気通路(120)のうちの各空気通路(120)が、前記複数の燃料通路(115)のうちの2つの燃料通路(115)に隣接してかつ該2つの燃料通路(115)間に配置され、それによって前記複数の空気通路(120)のうちの各空気通路(120)と前記複数の燃料通路(115)のうちの各燃料通路(115)との隣接する交互配置を構成する、請求項4記載の燃料ノズル(70)。
  6. 前記複数の燃料通路(115)のうちの燃料通路(185)が、螺旋状燃料通路(185)を含み、
    前記複数の空気通路(120)のうちの空気通路(195)が、螺旋状空気通路(120、195、210、215)を含む、
    請求項1記載の燃料ノズル(70)。
  7. タービンエンジン(8)用の燃焼器(10)であって、
    それらの間に燃焼室(60)を形成した外側ライナ(40)及び内側ライナ(45)と、
    前記燃焼室(60)と流体連通した複数の燃料ノズル(70)と、
    を含み、前記複数の燃料ノズル(70)のうちの各燃料ノズル(70)が、
    ハウジング(110)と、
    前記ハウジング(110)内に配置された複数の燃料通路(115)と、
    前記ハウジング(110)内に配置された複数の空気通路(120)と、を含み、
    前記複数の燃料通路(115)の総流路面積が、前記複数の空気通路(120)の総流路面積に実質的に等しい、
    燃焼器(10)。
  8. 前記複数の燃料通路(115)が、前記ハウジング(110)内に円周方向に配置され、
    前記複数の燃料通路(115)のうちの各燃料通路(115)が、前記燃焼室(60)と流体連通しており、
    前記複数の空気通路(120)が、前記ハウジング(110)内に円周方向に配置され、
    前記複数の空気通路(120)のうちの各空気通路(120)が、前記燃焼室(60)と流体連通しており、
    前記複数の燃料通路(115)のうちの燃料通路(205)が、前記複数の空気通路(120)のうちの2つの連続した空気通路(210、215)間に配置される、
    請求項7記載の燃焼器(10)。
  9. タービンエンジン(8)用の燃料ノズル(70)であって、
    ハウジング(110)と、
    前記ハウジング(110)内に円周方向に配置された複数の燃料通路(115)と、
    前記ハウジング(110)内に円周方向に配置された複数の空気通路(120)と、を含み、
    前記複数の燃料通路(115)のうちの各燃料通路(205)が、前記複数の空気通路(120)のうちの2つの連続した空気通路(210、215)間に配置され、
    前記複数の空気通路(120)のうちの各空気通路(120)が、前記複数の燃料通路(115)のうちの2つの燃料通路(115)に隣接してかつ該2つの燃料通路(115)間に配置され、それによって前記複数の空気通路(120)のうちの各空気通路(120)と前記複数の燃料通路(115)のうちの各燃料通路(115)との隣接する交互配置を構成する、
    燃料ノズル(70)。
  10. 前記複数の燃料通路(115)のうちの燃料通路(185)が、螺旋状燃料通路(185)を含み、
    前記複数の空気通路(120)のうちの空気通路(195)が、螺旋状空気通路(195)を含む、
    請求項9記載の燃料ノズル(70)。
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