JP2010048542A - 希薄直接噴射拡散チップ及び関連方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器用のノズルを提供する。
【解決手段】中心本体が、第１の半径方向外側チューブ内に設置され、中心本体は、反応ゾーンに対して燃料を供給する第２の半径方向中間チューブ４４と反応ゾーンに対して空気を供給する第３の半径方向内側チューブ５４とを含む。第２の中間チューブ４４は、第３の半径方向内側チューブ内の付加的空気のための複数のほぼ平行な軸方向配向空気出口通路６０が形成された第１の端部壁５６によって閉鎖された第１の出口端部を有し、各空気出口通路は、第２の半径方向中間チューブ４４内の燃料のためのそれぞれの複数の関連する燃料出口通路５８を第１の端部壁５６内に有する。それぞれの複数の関連する燃料出口通路５８は、それぞれの空気出口通路６０の中心軸線と交差した非平行中心軸線を有しており、中心本体から流出する燃料及び空気を局所的に混合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、総括的にはタービンの燃焼に関し、より具体的には、より低排出量を達成するための希薄直接噴射ノズルに関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、燃料空気混合気を燃焼させて該混合気から熱エネルギーを放出させて、高温ガス通路を通してタービンに送られる高温燃焼ガス流を形成する。タービンは、燃焼ガス流からの熱エネルギーを機械的エネルギーに変換し、この機械的エネルギーにより、タービンシャフトを回転させる。タービンの出力は、例えば発電機、ポンプ又は同様のもののような機械に動力供給するために使用することができる。

燃焼反応の少なくとも１つの副生成物は、規制限界の対象となる可能性がある。例えば、熱推進反応では、ガスタービンエンジン内の高温度によって開始した空気中の窒素及び酸素間の反応によって、窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成される可能性がある。一般的に、ガスタービンのタービンセクションに流入する燃焼ガス流温度が上昇するにつれてエンジン効率は高くなるが、燃焼ガス温度を上昇させることは、望ましくないＮＯｘの生成の増加を促進するおそれがある。

燃焼は通常、反応ゾーン又は一次ゾーンと一般的に呼ばれる燃焼器の上流領域において又はその近傍で発生する。不活性希釈物質を導入して燃料及び空気混合気を希薄し、ピーク温度を低下させ、従ってＮＯｘ排出量を低減させることができる。しかしながら、不活性希釈物質は、必ずしも常に使用可能であるとは限らず、エンジン発熱率に悪影響を及ぼす可能性があり、また資本コスト及び運転コストを増加させる可能性がある。希釈物質として蒸気を導入することができるが、蒸気はまた、高温ガス通路構成要素の期待寿命を短縮させるおそれがある。

タービンエンジン運転時におけるＮＯｘ排出量を制御する目的で、少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、希薄燃料／空気比で作動する及び／又は燃焼器の反応ゾーン内に流入させるのに先立って空気と予混合した燃料で作動する燃焼器を使用している。予混合は、希釈物質の添加を必要とせずに燃焼温度を低下させ、従ってＮＯｘ形成を減少させるのを可能にすることができる。しかしながら、使用する燃料がプロセスガス又は合成ガスである場合には、十分な水素が存在する可能性があり、関連する高い火炎速度により、混合装置内で自己着火、逆火及び／又は保炎が生じ易くなるおそれがある。予混合ノズルはまた、非常に希薄な火炎は吹消えを引き起こす可能性があるので、ターンダウンマージンが低下することになる。

ターンダウン機能を拡張するために、始動及び部分負荷状態の間に燃料を噴射するための拡散チップ（先端部）を利用した予混合ノズルが用いられる。拡散チップは一般的に、予混合ノズルの中心本体に取付けられる。合成ガス燃焼器もまた、独立型の拡散ノズルを使用して、高水素燃料による保炎／逆火及び低ウォッベ指標の燃料による吹消えを防止するように様々な異なる燃料を燃焼させる。これらのシステムにおける欠点は、パイロットモード又はパイロット予混合モードで運転している時における高ＮＯｘレベルである。現在では、安定性、ターンダウン機能及び燃料フレキシビリティを得るようなパイロット火炎を発生させるために、並流拡散チップが利用されている。しかしながら、この構成もまた、高ＮＯｘを生じる。

燃焼器の希薄直接噴射（ＬＤＩ）法は一般的に、従来型の拡散ノズルと同様に、噴射に先立って空気及び燃料の予混合を全く行わない状態で燃焼器の燃焼チャンバ内に燃料及び空気を噴射する噴射スキームと定義される。しかしながら、この方法は、燃焼ゾーン内において改善した急速混合を行って、従来型の非予混合又は拡散燃焼方法で見られるよりも低いピーク火炎温度、従って低ＮＯｘ排出量を生じさせることができる。

米国特許第５６８５１３９号明細書 米国特許第５８２６４２９号明細書 米国特許第５８５０７３１号明細書 米国特許第６０４７５５０号明細書 米国特許第６１９２６８８号明細書 米国特許第６６９８２０７号明細書 米国特許第６７７２５９４号明細書 米国特許第６７８６０４６号明細書 米国特許第６８４８２６０号明細書 米国特許第６８４８２６０号明細書 米国特許第６８６８６７６号明細書 米国特許第６９４５０５１号明細書 米国特許第６９６８６９２号明細書 米国特許第６９９６９９１号明細書 米国特許第７１２７８９９号明細書 米国特許第７１３７２５８号明細書 米国特許第７１８５４９４号明細書 米国特許第７２８４３７８号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１８８７０３号明細書 米国特許出願公開第２００７／００８９４２５号明細書 米国特許出願公開第２００８／００７８１６０号明細書

１つの態様では、ガスタービン燃焼器用の新規なＬＤＩノズルを提供する。本ノズルは、燃焼器の反応ゾーンに対して空気を供給する入口及び出口を有する第１の通路を形成した第１の半径方向外側チューブと、該第１の半径方向外側チューブ内に配置されかつ反応ゾーンに対して燃料を供給する第２の半径方向中間チューブ及び該反応ゾーンに対して空気を供給する第３の半径方向内側チューブを備えた中心本体とを含み、第２の中間チューブは、第３の半径方向内側チューブ内の付加的空気のための複数のほぼ平行な軸方向配向空気出口通路が形成された第１の端部壁によって閉鎖された第１の出口端部を有し、各空気出口通路は、第２の半径方向中間チューブ内の燃料のためのそれぞれの複数の関連する燃料出口通路を第１の端部壁内に有し、さらにそれぞれの複数の関連する燃料出口通路は、それぞれの空気出口通路の中心軸線と交差した非平行中心軸線を有しており、中心本体から流出する燃料及び空気を局所的に混合する。

別の態様では、ガスタービン燃焼器用のノズルを提供し、本ノズルは、燃焼器の反応ゾーンに対して空気を供給する入口及び出口を有する第１の通路を形成した第１の半径方向外側チューブと、該第１の半径方向外側チューブ内に配置されかつ反応ゾーンに対して燃料を供給する第２の半径方向中間チューブ及び該反応ゾーンに対して空気を供給する第３の半径方向内側チューブを備えた中心本体と、該中心本体の出口端部に近接して配置された燃料及び付加的空気を局所的に混合するための手段とを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンを運転する方法を提供する。本方法は、燃焼器の反応ゾーンに対して予混合空気を供給する入口及び出口を有する第１の通路を形成した第１の半径方向外側チューブと、該第１の半径方向外側チューブ内に配置されまた反応ゾーンに対して燃料を供給する下流先端部を該第１の半径方向外側チューブ内に有する第２の半径方向中間チューブ及び該反応ゾーンに対して付加的空気を供給する第３の半径方向内側チューブを備えた中心本体とを含み、かつ反応ゾーンに対して燃料及び空気を供給する少なくとも１つのノズルを設けるステップと、第２の半径方向中間チューブからの燃料流を、ほぼ中心本体から流出した直後に第３の半径方向内側チューブからの付加的空気流と交差させかつ混合させるステップとを含む。

次に、以下に特定する図面と関連させて、本発明をより詳細に説明する。

拡散チップを備えた従来型の予混合ノズルの概略図。 本主題発明の第１の例示的であるが非制限的な実施形態による希薄直接噴射ノズルの概略図。 図２に示すノズルの中心本体先端部分の正面図。 第２の例示的であるが非制限的な実施形態による希薄直接噴射ノズルの概略図。 図４に示すノズルの中心本体先端部分の正面図。

図１を参照すると、パイロット及びパイロット予混合のための拡散チップを備えた公知のＤＬＮ（乾式、低ＮＯｘ）予混合ノズル１０を示している。ノズル１０には、空気入口１４及び出口１６を有する半径方向外側壁１２が形成される。中心本体１８が、ノズル内に延びかつ該ノズルの長手方向中心軸線に沿って配置される。中心本体１８は、該中心本体１８を囲みかつ該中心本体とノズルの半径方向外側壁１２との間で半径方向に延びる燃料予混合噴射リング２２に対して燃料の幾らかの部分を供給する燃料通路２０を形成する。従って、燃料は、半径方向燃料通路２４を通して半径方向外側空気通路２６内に導入し、それにより燃焼器反応ゾーンの上流で燃料及び空気を予混合することができる。下記でより詳細に説明するように、残りの燃料は、通路２０に沿って流れ、下流の中心本体先端部において流出する。

中心本体１８にはまた、中心本体先端部に対して空気を供給する内側チューブ２８が設けられる。中心本体１８の下流又は出口端部は、燃料出口オリフィス３２及び空気出口オリフィス３４のそれぞれの環状アレイを備えた閉鎖端部壁又は先端部３０を有する。この公知の構成では、オリフィス３２、３４は、長手方向軸線に対して外向きに傾斜して、半径方向外側通路２６内で流れる予混合空気と混合する。しかしながら、オリフィス３２、３４から流出する燃料及び空気の流路は交差せず、従って中心本体先端部においては燃料及び空気の局所的相互混合は全く発生しないことに注目されたい。

図２は、本発明によるＬＤＩノズル３６の例示的であるが非制限的な実施形態を示している。上述した公知のノズル構造におけるのと同様に、ノズル３６には、空気入口４０及び出口４２を有する半径方向外側壁３８（又は、第１の半径方向外側チューブ）が形成される。中心本体４３は、ノズル内に延びかつ該ノズルの長手方向中心軸線に沿って配置された第２の半径方向中間チューブ４４を含む。チューブ４４は、中心本体４３を囲みかつ該中心本体４３と半径方向外側壁３８との間で半径方向に延びる半径方向配向燃料予混合噴射リング４８に対して燃料の幾らかの部分を供給する環状燃料通路４６を形成する。燃料は、半径方向燃料通路５２を通して半径方向外側空気通路５０内に導入されて、燃焼チャンバ反応ゾーンの上流の通路５０内で燃料及び空気を予混合する。残りの燃料は、通路４６に沿って中心本体先端部に流れる。

中心本体４３にはまた、中心本体先端部に対して空気を供給する第３の内側チューブ５４が設けられる。内側チューブ２８と同様の内側チューブ５４は、ノズルの中心又は長手方向軸線上に位置する、すなわちチューブ対１８、２８及び４４、５４はそれぞれ、同心に配置される。中心本体４３の下流端部又は先端部は、比較的小さい傾斜燃料出口オリフィス（又は、通路）５８及び比較的大きい同軸の空気出口オリフィス（又は、通路）６０が形成された閉鎖端部壁又は先端部５６を有する。この例示的な実施形態では、半径方向内側空気チューブ５４は、端部壁５６の上流にそれ自体の閉鎖端部壁又は先端部６２を有し、管６４が、内側空気チューブ５４の空気出口オリフィス６６を端部壁又は先端部５６内の空気出口オリフィス６０と連結している。さらに図３を参照すると、各空気出口オリフィス６０は、空気流を中心本体から軸方向に離れるように下流方向にノズル出口４２に導く。これらの空気出口は、必要に応じて接線方向に傾斜させて、流れに対して旋回を与えることができる。各空気出口オリフィス６０は、ほぼ対角線位置に配置された比較的小さい燃料出口オリフィス５８のそれ自体の関連する組を有しており、その燃料出口オリフィスの数及び配向は、所望の燃料側圧力低下を維持しながら混合を最大にするように設定される。さらに、特定の空気出口オリフィス６０と関連した燃料出口オリフィス５８の各組は、該燃料出口通路５８の軸線がその関連する空気出口通路６０の中心軸線と交差するように配置される。言い換えれば、ノズル中心本体４３の先端部５６における通路６０を通しての各出口空気流には、対角線位置の通路又はオリフィス５８から流出する燃料流が衝突する、すなわち交差する。この構成により、現在の拡散チップノズルにおけるよりも中心本体先端部５６における燃料及び空気のより急速な混合が得られ、また空気通路５０内の予混合空気及び燃料とのより良好な混合が得られて、ＮＯｘをさらに低減させる。燃料出口オリフィスはまた、ある距離だけ空気オリフィス内に凹設させて、幾らかの付加的な予混合を行わせることができる。

図４及び図５は、図２及び図３に示すノズル構成の変形形態を示している。図４及び図５では、適用可能な場合には、同様ではあるが接頭数字「１」を付加した参照符号を使用して、対応する機構部分を示している。下記で説明していない特定の構成要素部分は、構造及び作動の両方において図２及び図３に関して図示しかつ説明した対応する構成要素と同様である見なすことができる。従って、この変形形態では、中心本体１４３の閉鎖端部壁又は先端部１５６は、中心本体外側チューブ１４４の先端部１５６の周りに取付けたリング６８によって中心本体を越えて本質的に半径方向に延びた状態になっている。この延長部分又はリング６８には、中心本体１４３と平行に延びかつノズルの半径方向外側空気通路１５０と連通状態になった複数の軸方向配向空気貫通通路７０が設けられる。これらの空気通路は、必要に応じて接線方向に傾斜させて、流れに対して旋回を与えることができる。複数の燃料管／通路７２が、中心本体燃料通路１４６からリング６８内に半径方向外向きに延び、従って複数の傾斜配向（かつ比較的小径）燃料通路７４に対して燃料を供給する。通路７４は、通路７０を通る空気流と交差する燃料流路を形成するように配置されて、中心本体の直径を越えて空気及び燃料の局所的な混合を拡張する。

図５を参照すると、燃料及び空気オリフィス１５８、１６０のパターンは、環状リング６８により空気通路７０及び燃料通路７４の２つの半径方向外側環状列の形態で同様のパターンを含むように拡大して、中心本体の先端部における空気及び燃料の局所的混合をさらに高めることが理解できるであろう。図３におけるのと同様に、この構成では、各空気通路７０は、空気流と交差するように内向きに傾斜した関連する燃料通路７４の組を対角線位置に有しており、その燃料通路の数及び配向は、所望の燃料側圧力低下を維持しながら混合を最大にするように設定される。燃料出口オリフィスはまた、ある距離だけ空気オリフィス内に凹設させて、幾らかの付加的な予混合を行わせることができる。しかしながら、燃料及び空気通路の両方の数及び配列は変更することができることが分かるであろう。この実施例では、通路１５０内の予混合空気の幾らかは、ＬＤＩ中心本体１４３に供給するように迂回させ、中心本体先端部におけるより希薄な火炎を可能にすることによってＮＯｘをさらに低減させる。

従って、本明細書で説明した本発明の例示的な実施形態は、ＮＯｘの低減、燃料フレキシビリティ及びターンダウン機能の向上、並びに付加的な火炎安定性／低いダイナミックスに関して有益な結果を得ることができる。

本発明に示した空気又は燃料通路のいずれかは、それらを通して噴射されて、運転性／排出性能を改善する空気、燃料及び希釈物質のなんらかの組合せを有することができることを理解されたい。

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る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 ノズル
１２ 半径方向外側壁
１４ 空気入口
１６ 出口
１８ 中心本体
２０ 燃料通路
２２ 噴射リング
２４ 半径方向燃料通路
２６ 外側空気通路
２８ 内側チューブ
３０ 端部壁又は先端部
３２ 燃料出口オリフィス
３４ 空気出口オリフィス
３６ ノズル
３８ 外側チューブ
４０ 空気入口
４２ 出口
４３ 中心本体
４４ 中間チューブ
４６ 環状燃料通路
４８ 燃料噴射リング
５０ 外側空気通路
５２ 半径方向燃料通路
５４ 内側チューブ
５６ 端部壁又は先端部
５８ 燃料出口通路
６０ 空気出口オリフィス又は通路
６２ 第２の端部壁又は先端部
６４ 空気管
６６ 空気出口オリフィス
６８ リング
７０ 貫通通路
７２ 管／通路
７４ 燃料通路
１４３ 中心本体
１４４ 外側チューブ
１５０ 通路
１５６ 先端部
１５８ 燃料オリフィス
１６０ 空気オリフィス

Claims (8)

1. ガスタービン燃焼器用のノズル（３６）であって、当該ノズルが、
   前記燃焼器の反応ゾーンに対して予混合空気を供給する入口（４０）及び出口（４２）を有する第１の通路（５０）を形成した第１の半径方向外側チューブ（３８）と、
   前記第１の半径方向外側チューブ（３８）内に配置され、かつ該第１の半径方向外側チューブ（３８）内に配置されて前記反応ゾーンに対して燃料を供給する第２の半径方向中間チューブ（４４）及び該反応ゾーンに対して付加的空気を供給する第３の半径方向内側チューブ（５４）を備えた中心本体（４３）と
   を備えており、
   前記第２の中間チューブ（４４）が、前記第３の半径方向内側チューブ（５４）内の付加的空気のための複数のほぼ平行な軸方向配向空気出口通路（６０）が形成された第１の端部壁（５６）によって閉鎖された第１の出口端部を有し、
   各空気出口通路（６０）が、前記第２の半径方向中間チューブ（４４）内の燃料のためのそれぞれの複数の関連する燃料出口通路（５８）を前記第１の端部壁（５６）内に有し、さらに
   前記それぞれの複数の関連する燃料出口通路（５８）が、前記それぞれの空気出口通路（６０）の中心軸線と交差した非平行中心軸線を有しており、前記中心本体（４３）から流出する燃料及び空気を局所的に混合する、ノズル（３６）。
2. 前記それぞれの複数の関連する燃料出口通路（５８）が、該それぞれの燃料出口通路に対してほぼ対角線位置に設置された燃料出口通路の組を含む、請求項１記載のノズル。
3. 前記燃料出口通路（５８）の組の数及び配向が、前記燃料及び空気の局所的混合を最大にするように選択される、請求項２記載のノズル。
4. 前記半径方向内側チューブ（５４）が、前記第１の出口端部から軸方向に間隔を置いて配置された第２の出口端部を有し、前記第２の出口端部が、該第２の出口端部と前記第１の出口端部との間で延びる複数の空気管（６４）が形成された第２の端部壁（６２）によって閉鎖される、
   請求項１記載のノズル。
5. 前記中心本体（４３）を囲みかつ前記第１の出口端部の上流の位置において、前記半径方向外側チューブ（３８）を通って流れる予混合空気内に前記中間チューブ（４４）から燃料を噴射する通路（５２）を有する燃料噴射リング（４８）を含む、請求項４記載のノズル。
6. 前記第１の出口端部（１５６）が、前記中心本体（１４３）を越えて半径方向に延び、
   前記第１の出口端部（１５６）の半径方向延長部分が、その中に前記第１の通路（１５０）と連通状態になった貫通通路（７０）を有し、前記貫通通路（７０）の各々が、前記第１通路（１５０）内の幾らかの量の予混合空気を迂回させて、該貫通通路（７０）の中心軸線と交差するように配向された中心軸線を有する前記半径方向延長部分内の傾斜燃料通路（７４）を通して前記中間チューブ（１４４）から前記中心本体（１４３）を流出する燃料と付加的混合させる、請求項５記載のノズル。
7. 始動及び部分負荷状態時にガスタービンを運転する方法であって、
   燃焼器の反応ゾーンに対して予混合空気を供給する入口（４０）及び出口（４２）を有する第１の通路を形成した第１の半径方向外側チューブ（３８）と、前記第１の半径方向外側チューブ内に配置されまた前記反応ゾーンに対して燃料を供給する下流先端部（５６）を該第１の半径方向外側チューブ（３８）内に有する第２の半径方向中間チューブ（４４）及び該反応ゾーンに対して付加的空気を供給する第３の半径方向内側チューブ（５４）を備えた中心本体（４３）とを含み、かつ前記反応ゾーンに対して燃料及び空気を供給する少なくとも１つのノズル（３６）を設けるステップと、
   前記第２の半径方向中間チューブ（４４）からの燃料流を、ほぼ前記中心本体（４３）から流出した直後に前記第３の半径方向内側チューブ（５４）からの付加的空気流と交差させかつ混合させるステップと
   を含む方法。
8. 前記予混合空気の一部分を迂回させて、前記中心本体（４３）の先端部において前記第２の半径方向中間チューブ（４４）からの燃料とさらに混合させるステップを含む、請求項７記載の方法。

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