JP2010025543A

JP2010025543A - 希釈孔を有するガスタービントランジションピース

Info

Publication number: JP2010025543A
Application number: JP2009170734A
Authority: JP
Inventors: Krishna K Venkataraman; クリシュナ・ケイ・ヴェンカタラマン; William Kirk Hessler; ウィリアム・カーク・ヘスラー; Predrag Popovic; プレドラグ・ポポヴィック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2010-02-04
Also published as: CN101644447B; DE102009026237A1; CN101644447A; US20100018211A1

Abstract

【課題】ガスタービントランジションピースを提供する。
【解決手段】本トランジションピース（１６）は、前方端部（２６）及び後方端部（２８）を有するダクト本体を含み、ダクト本体は、燃焼器（１０）からタービン第１段ノズル（１８）まで燃焼生成物の流れを閉じ込めるエンクロージャを形成する。複数の希釈孔（３２）が、ダクト本体内に形成され、かつトランジションピースの出口平面の中心におけるゼロ基準点から測定した選択Ｘ、Ｙ及びＺ座標位置に設置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器技術に関し、具体的には、タービン燃焼器と第１段タービンノズルとの間で高温燃焼ガスを流すのに使用するトランジションピースに関する。

従来型の炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンでは一般的に、大気汚染物質エミッションが発生することがよく知られている。これらのエミッションは通常、窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素である。窒素分子の酸化及び一酸化炭素の二酸化炭素への酸化の両方は、タービン燃焼器で生成されかつトランジションピースを通って第１段ノズルに流れる高温ガスストリームの温度に左右される。エミッションに関する燃焼器の性能を改善するためには、ガス温度は、過剰な量の窒素酸化物を発生させるほど高くない状態で、適切な時間にわたって一酸化炭素を酸化させるのに十分なほど高くなければならない。

反応ゾーン温度をＮＯ_Xが形成されるレベル以下に維持する又は高温での滞留時間をＮＯ_X形成が進行するには不十分であるように短縮する或いはその両方にするような様々な概念がこれまで提案されてきた。燃焼器内の反応ゾーンの温度を低下させる１つの方法は、燃焼に先立って燃料及び空気のリーン混合気を形成することである。そのようなリーン混合気は、少なくとも部分的には、燃焼器ライナに希釈空気を供給して熱を吸収しかつその温度上昇を熱ＮＯ_Xが形成されないようなレベルに低下させることによって、達成することができる。しかしながら、多くの場合において、リーン予混合燃料及び空気を使用したとしても、その温度は、望ましくないエミッションの発生を引き起こすのに十分なほど高くなる。

また、燃焼器と第１段ノズルとの間でトランジションピースに希釈空気を供給することが提案されてきた。例えば、１つの従来技術によるトランジションピースでは、第１段ノズルに近接させて、トランジションピースの出口に隣接して、２つの希釈孔が設置される。

本願出願人の米国特許出願公開第２００５／０２０４７４１号には、希釈混合及びエミッション低減を促進するトランジションピース希釈空気制御システムが示されている。具体的には、この希釈空気制御システムは、所定の軸方向及び円周方向位置においてトランジションピース内に希釈空気ジェットを供給して、圧縮機吐出空気の効率的な使用を維持しながらエミッションの低減を最適化する。しかしながら、様々な従来の提案にも拘わらず、望ましくないエミッションの問題は、依然として存在している。

米国特許出願公開第２００５／０２０４７４１号明細書

１つの例示的だが非限定的な実施形態では、本発明はガスタービントランジションピースに関し、本トランジションピースは、前方端部及び後方端部を有するダクト本体と、ダクト本体内に形成された複数の希釈孔とを含み、ダクト本体は、燃焼器からタービン第１段ノズルまで燃焼生成物の流れを閉じ込めるエンクロージャを形成し、複数の希釈孔は、該トランジションピースの出口平面の中心におけるゼロ基準点から測定した表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ座標の組の選択により定まる位置に形成される。

別の態様では、本発明はガスタービントランジションピースに関し、本トランジションピースは、前方端部及び後方端部を有するダクト本体と、ダクト本体内に形成された複数の希釈孔とを含み、ダクト本体は、燃焼器からタービン第１段ノズルまで燃焼生成物の流れを閉じ込めるエンクロージャを形成し、複数の希釈孔は、該トランジションピースの後方端部における出口平面の中心における原点から測定した表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ座標の組の選択により定まる位置に形成され、ダクト本体は、ほぼ２０インチの長さを有し、また複数の希釈孔は、０．３〜１．７５インチの範囲内の直径を有する。

さらに別の態様では、本発明はガスタービントランジションピースに関し、本トランジションピースは、前方端部及び後方端部並びにほぼ２０インチの長さを有するダクト本体と、ダクト本体内に形成された５〜１７個の希釈孔とを含み、ダクト本体は、燃焼器からタービン第１段ノズルまで燃焼生成物の流れを閉じ込めるエンクロージャを形成し、複数の希釈孔は、０．３〜１．７５インチの範囲内の直径及び２〜７．５平方インチの複合断面開口面積を有し、かつ表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ座標の組の組合せから選択した位置を有する。

次に、以下に特定した図面の図に関連させて、本発明を説明する。

従来型のガスタービン燃焼器及びトランジションピースの断面図。本発明の例示的だが非限定的な実施形態による、希釈孔を組入れたトランジションピースの平面図。図２に示すトランジションピースの側面図。基準出口平面原点を示す、図２及び図３に示すトランジションピースの後方端面図。

次に図面、特に図１を参照すると、公知のガスタービン用の燃焼器１０を示しており、燃焼器１０は、部分的に燃焼器ライナ１４によって形成された燃焼チャンバ１２を含み、燃焼器ライナ１４は、その後方端部においてトランジションピースつまりダクト本体１６に連結され、ダクト本体１６は、燃焼生成物の流れを、該燃焼生成物（又はガス）を参照符号１８で表した第１段タービン段ノズルに供給する流路に閉じ込める。燃焼器１０は、タービンロータの周りに「缶−アニュラ」配列として配置されかつその各々が第１段タービンノズルにガスを供給する幾つかのうちの１つとすることができる。燃焼過程用の空気は一般的に、圧縮機吐出空気によって供給され、この圧縮機吐出空気は、トランジションピース及び燃焼器ライナの外部を各燃焼器の前方端部における空気入口に向かって逆流する。ほぼ円筒形の流れスリーブ１８が、燃焼器ライナ１４を囲み、燃焼器ライナと該流れスリーブとの間に燃焼器の前方端部に空気を供給する環状通路２０を形成する。流れスリーブ１８には、燃焼器ライナをインピンジメント冷却する冷却孔を設けることができ、またこれも冷却孔を設けた同様な第２の流れスリーブ（図示せず）をトランジションピースの周りに配置しかつ流れスリーブ１８と端部突合せ連結することができる。各燃焼器において、中心ノズル２２と組合された端部カバー内の一次ノズル２１の配列は、燃焼チャンバに燃料を供給し、燃料は、圧縮機からの吐出空気と混合して、部分１２及び部分１６上に生じることになる予混合火炎を発生させる。

一般的な構成では、燃焼器ライナは、該ライナからトランジションピース１６に移動させてエミッションの大幅な低減及び予混合火炎安定性の向上を可能にした１つ又はそれ以上の希釈孔２４を有することができる。

さらに図２〜図４を参照すると、本発明は、トランジションピース１６内の希釈孔の独特の構成に関し、それら希釈孔の数、寸法及び位置により、希釈空気の混合が促進され、長い燃焼滞留時間が可能になり（従って、燃焼火炎ゾーンのより安定した形成も可能になり）、火炎安定性が向上し、かつ炭化水素の完全燃焼が可能になる。トランジションピース１６は本質的に、前方端部２６及び後方端部２８を有するダクト本体つまりエンクロージャであり、ダクト本体の断面形状は、その前方端部におけるほぼ円筒形形状からその後方端部における湾曲矩形形状まで変化した状態になっている。

例示的だが非限定的な実施形態では、トランジションピース１６内には、複数の希釈孔３２（単なる実施例の目的で、図３には３つを示している）が形成され、すなわちトランジションピース（つまり、ダクト本体）出口平面の中心における原点つまりゼロ基準点３０からＸ、Ｙ及びＺ座標に沿ってインチで測定したものとしてダクト本体に沿ってかつ該ダクト本体の周りにより正確に設置される。Ｘ座標は、原点から上流方向に、つまりトランジションピースを通る流れと反対の方向に延びる。この例示的な実施形態では、トランジションピースは、その長さが約２０インチである。エミッション低減を実現するための可変位置として、２８個の希釈孔位置を特定した。２８個の希釈孔位置のＸ、Ｙ及びＺ座標は、以下の表Ｉに一覧として示す。

トランジションピースつまりダクト本体１６内に設けられた希釈孔の数は、５〜１７個の間で変化させることができ、この例示的な実施形態では、１１個が最適な数である。孔３２は、Ｘ、Ｙ及びＺ座標によって定まる孔の位置からトランジションピースの表面に沿った方向に１インチの範囲の包絡面内で、トランジションピースつまりダクト本体に沿って位置する。この関連で、表１に記載した２８個の孔位置の部位の組合せは、５〜１７個の希釈孔に対して選択することができる。希釈孔の直径は、０．３〜１．７５インチの範囲内とすることができ、また希釈孔の複合開口表面積は、２〜７．５平方インチの範囲内とすべきである。希釈孔３２は、特定した範囲内の均一な又は異なる直径を有することができる。

上記のような希釈孔構成は、より長い燃焼滞留時間（燃焼ガスの温度の上昇による）、従って付加的なＣＯ焼尽を可能にする。このことによりさらに、燃焼火炎ゾーンのより安定した形成が可能になり、また炭化水素の完全燃焼に先立って燃焼過程を消炎するのではなく火炎の安定性が向上する。最終結果は有害なエミッションの大幅な低減及びライナ耐久性の向上である。

現在最も実用的か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、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれた様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０燃焼器
１２燃焼チャンバ
１４燃焼器ライナ
１６トランジションピースつまりダクト本体
１８第１段タービン段ノズル
１８流れスリーブ
２０環状通路
２２中心ノズル
２４希釈孔
２６前方端部
２８後方端部
３０原点つまりゼロ基準点
３２希釈孔

Claims

ガスタービントランジションピース（１６）であって、
前方端部（２６）及び後方端部（２８）を有するダクト本体と、
前記ダクト本体内に形成された複数の希釈孔（３２）と
を含み、前記本体が、燃焼器（１０）からタービン第１段ノズル（１８）まで燃焼生成物の流れを閉じ込めるエンクロージャを形成し、前記複数の希釈孔が、該トランジションピースの出口平面の中心におけるゼロ基準点（３０）から測定した表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ座標の組の選択により定まる位置に形成され、それによって燃焼滞留時間が増大し、予混合火炎安定性が向上しかつエミッションが低減される、トランジションピース。
前記複数の希釈孔（３２）が、０．３〜１．７５インチの範囲内の均一な直径を有する、請求項１記載のトランジションピース。
前記複数の希釈孔（３２）の幾つか又は全てが、０．３〜１．７５インチの範囲内の異なる直径を有する、請求項１記載のトランジションピース。
前記複数の希釈孔（３２）が、２〜７．５平方インチの複合断面開口面積を有する、請求項１記載のトランジションピース。
前記ダクト本体が、前記前方端部（２６）においてほぼ円形断面を有し、また前記後方端部（２８）において湾曲直線形状を有する、請求項１記載のトランジションピース。
前記複数の希釈孔（３２）が、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ座標の組の組合せから選択した位置を有する５〜１７個の孔を含む、請求項１記載のトランジションピース。
前記複数の希釈孔（３２）が、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ座標の組の組合せから選択した位置を有する１１個の希釈孔を含む、請求項６記載のトランジションピース。
前記複数の希釈孔（３２）の幾つか又は全てが、０．３〜１．７５インチの範囲内の異なる直径を有する、請求項４記載のトランジションピース。
ガスタービントランジションピース（１６）であって、
前方端部（２６）及び後方端部（２８）並びにほぼ２０インチの長さを有するダクト本体と、
前記ダクト本体内に形成された５〜１７個の希釈孔（３２）と
を含み、前記本体が、燃焼器（１０）からタービン第１段ノズル（１８）まで燃焼生成物の流れを閉じ込めるエンクロージャを形成し、前記複数の希釈孔が、０．３〜１．７５インチの範囲内の直径及び２〜７．５平方インチの複合断面開口面積を有し、かつ表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ座標の組の組合せから選択した位置を有する、トランジションピース。
前記複数の希釈孔（３２）が、１１個の孔を含む、請求項９記載のトランジションピース。