JP2011033332A

JP2011033332A - 燃焼器用の空力パイロン燃料噴射装置システム

Info

Publication number: JP2011033332A
Application number: JP2010168722A
Authority: JP
Inventors: Ronald Scott Bunker; ロナルド・スコット・バンカー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-02-17
Also published as: EP2295860A2; CN101995019A; US8763400B2; EP2295860A3; US20110030375A1

Abstract

【課題】燃焼器システムを提供する。
【解決手段】本燃焼器システムは、燃焼室（１２、１８）に結合されかつ該燃焼室（１２、１８）に燃料を噴射するように構成されたパイロン燃料噴射システム（４０）を含む。パイロン燃料噴射システム（４０）は、その各々が複数の第１のコアンダ型燃料噴射スロット（４６）を有する複数の半径方向要素（４２）を含む。各半径方向要素（４２）に対して、複数の横方向要素（４４）が設けられる。各横方向要素（４４）は、複数の第２のコアンダ型燃料噴射スロット（５０）を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的には燃料噴射システムに関し、より具体的には、例えば再熱燃焼器などの燃焼器用の空力パイロン燃料噴射装置システムに関する。

ガスタービンシステムは、少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つの圧縮機の下流にかつ第１のタービンの上流に設置された第１の燃焼室、及び第１のタービンの下流にかつ第２のタービンの上流に設置された第２の燃焼室（「再熱燃焼器」と呼ぶこともできる）を含む。加圧空気及び燃料の混合気が、第１の燃焼室で点火燃焼されて作動ガスを発生させる。作動ガスは、移行セクションを通して第１のタービンに流れる。第１のタービンは、下流側に向かって増大する断面積を有する。第１のタービンは、複数の固定ベーン及び回転ブレードを含む。回転ブレードは、シャフトに結合される。作動ガスが、第１のタービンを通って膨張すると、作動ガスは、ブレード、従ってシャフトを回転させる。

第１のタービンの出力は、第１のタービン内の作動ガスの温度に比例する。つまり、作動ガスの温度が高ければ高いほど、タービン組立体の出力が大きくなる。作動ガスが、第２のタービン内で回転ブレードに伝達されるエネルギーを有することを保証するために、作動ガスは、該ガスがタービンに流入する時に高い作動温度になっていなければならない。しかしながら、作動ガスが第１のタービンから第２のタービンに流れるにつれて、作動ガスの温度は、低下する。従って、第２のタービンにより発生される出力は、最適よりも小さい。第２のタービンによる出力量は、該第２のタービン内での作動ガスの温度が上昇した場合に、増大させることができる。第２の燃焼室で作動ガスをさらに燃焼させて、第２のタービン内における作動ガスの温度を上昇させるようにする。

従来型のシステムでは、ガスタービンエンジンは、その中で複数の軸方向配向円筒形噴射装置を使用して気体燃料及び空気を噴射するようになった第２の燃焼器を用いる。従来型の噴射システムは、限られた数の燃料噴射位置又はノズルを有していて、燃焼室内に不均一な燃料の配分（分布）を形成する。その結果、燃料の不均一な混合及び不均一な放熱による燃焼ダイナミックス（動的変動）のような関連する問題が発生するおそれがある。従来型の噴射システムではまた、燃焼室内で大きな圧力低下が生じる。

米国特許第４，１４７，０２９号公報

燃焼器、特に再熱燃焼器用の改良型の燃料噴射システムに対する必要性が存在する。

本発明の１つの例示的な実施形態によると、燃焼器システムは、燃焼室に結合されかつ該燃焼室に燃料を噴射するように構成されたパイロン燃料噴射システムを含む。パイロン燃料噴射システムは、その各々が複数の第１のコアンダ型燃料噴射スロットを有する複数の半径方向要素を含む。各半径方向要素に対して、複数の横方向要素が設けられる。各横方向要素は、複数の第２のコアンダ型燃料噴射スロットを含む。

本発明の別の例示的な実施形態によると、ガスタービンシステムは、少なくとも１つの圧縮機に結合されかつ該圧縮機からの加圧空気及び燃料を受けると共に該空気及び燃料の混合気を燃焼させて第１の燃焼ガスを発生させるように構成された第１の燃焼器を含む。第１のタービンが、第１の燃焼器に結合されかつ第１の燃焼ガスを膨張させるように構成される。第２の燃焼器が、第１のタービンに結合される。パイロン噴射システムが、第２の燃焼器内に燃料を噴射するように構成される。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な記述を読むことにより、一層良好に理解されるようになるであろう。

本発明の例示的な実施形態による、再熱燃焼器に設けられたパイロン燃料噴射システムを有するガスタービンシステムの概略図。本発明の例示的な実施形態によるパイロン燃料噴射システムの概略図。本発明の例示的な実施形態によるパイロン燃料噴射システムの一部分の概略図。本発明の例示的な実施形態によるパイロン燃料噴射システムの一部分の概略図。本発明の例示的な実施形態によるパイロン燃料噴射システムの一部分の概略図。本発明の例示的な実施形態による、コアンダ効果に基づいたコアンダ型燃料噴射スロットの輪郭に隣接する燃料層の形成を示す概略図。

本明細書において以下に説明する実施形態により、燃焼器システムを開示する。この例示的な燃焼器システムは、燃焼室に結合されかつ該燃焼室に燃料を噴射するように構成されたパイロン燃料噴射システムを含む。パイロン燃料噴射システムは、複数の半径方向要素を含み、各半径方向要素は、複数の第１のコアンダ型燃料噴射スロットを有する。複数の横方向要素が、各半径方向要素に対して設けられる。各横方向要素は、複数の第２のコアンダ型燃料噴射スロットを含む。本発明の別の例示的な実施形態によると、例示的なパイロン燃料噴射システムを有するガスタービンシステムを開示する。パイロン噴射システムは、より多数の燃料噴射位置を有していて、燃焼室内に均一な燃料の分布を形成する。燃焼室内での燃焼ダイナミックス、不均一な燃料の混合、及び圧力低下のような関連する問題が、軽減される。

図１を参照すると、例示的な燃焼器システム、例えばガスタービンシステム１０を開示している。本明細書では、図示したガスタービンシステム１０の構成は例示的な実施形態でありかつ限定として解釈すべきではないことに留意されたい。この構成は、用途に応じて変化させることができる。ガスタービンシステム１０は、圧縮機１４の下流に配置された第１の燃焼室１２（「第１の燃焼器」と呼ぶこともできる）を含む。第１のタービン１６が、第１の燃焼室１２の下流に配置される。第２の燃焼室１８（「再熱燃焼器」と呼ぶこともできる）が、第１のタービン１６の下流に配置される。第２のタービン２０が、第２の燃焼室１８の下流に配置される。圧縮機１４、第１のタービン１６及び第２のタービン２０は、単一のロータシャフト２２を有する。本明細書では、単一のロータシャフトを設けることは限定として解釈すべきではないことに留意されたい。別の実施形態では、第２のタービン２０は、別個のドライブシャフトを有することができる。この図示した実施形態では、ロータシャフト２２は、圧縮機１４の前方端部及び第２のタービン２０の下流に配置された２つの軸受２４、２６によって支持される。軸受２４、２６は、基礎３２に結合されたアンカユニット２８、３０にそれぞれ取付けられる。ロータシャフト２２は、継手３１を介して発電機２９に結合される。

圧縮機段は、例えば運転レイアウトに応じて特定の出力を増大させるように２つの部分圧縮機（図示せず）に細分することができる。圧縮後に生じた空気は、圧縮機１４の出口及び第１のタービン１６を囲んだ状態で配置されたケーシング３４内に流入する。第１の燃焼室１２は、ケーシング３４内に収容される。第１の燃焼室１２は、前方端部における周辺部上に分散配置されかつ高温ガスの発生を維持するように構成された複数のバーナ３５を有する。主リング３８を通して共に結合された燃料ランス３６を使用して、第１の燃焼室１２に燃料供給する。第１の燃焼室１２からの高温ガス（第１の燃焼ガス）は、すぐ下流の第１のタービン１６に作用して、高温ガスの熱膨張を生じる。第１のタービン１６からの部分膨張した高温ガスは、第２の燃焼室１８内に直接流入する。

第２の燃焼室１８は、異なるジオメトリを有することができる。この図示した実施形態では、第２の燃焼室１８は、第１のタービン１６及び第２のタービン２０間に配置されかつ再熱燃焼を可能にする必要な長さ及びボリュームを有する空力通路である。この図示した実施形態では、パイロン燃料噴射システム４０は、第２の燃焼室１８内に半径方向に配置される。パイロン燃料噴射システム４０は、第１のタービン１６からの排気ガス内に燃料を噴射して第２の燃焼室１８内での排気ガスの自己着火を保証するように構成される。後続の実施形態に関連して、パイロン燃料噴射システム４０の詳細を説明する。第２の燃焼室１８により発生した高温ガス（第２の燃焼ガス）は、次に第２のタービン２０に供給される。第２の燃焼室１８からの高温ガスは、すぐ下流の第２のタービン２０に作用して、高温ガスの熱膨張を生じる。本明細書では、再熱燃焼器に関連してパイロン燃料噴射システム４０を説明しているが、例示的なシステム４０はあらゆる燃焼器に適用することができることに注目されたい。

図２を参照すると、パイロン燃料噴射システム４０を開示している。前述したように、パイロン燃料噴射システム４０は、第２の燃焼室つまり再熱燃焼器内に半径方向に配置されかつ第２の燃焼室内に燃料を噴射するように構成される。システム４０は、互いに間隔を置いて配置された複数の半径方向要素４２を含む。複数の横方向要素４４が、各半径方向要素４２に対して設けられる。横方向要素４４もまた、対応する半径方向要素４２上で互いに間隔を置いて配置される。半径方向及び横方向要素４２、４４の両方が、第２の燃焼室内に燃料を噴射するように構成される複数のコアンダ型燃料噴射スロット（図２には図示せず）を有する。複数コアンダ型燃料噴射位置を備えたパイロン燃料噴射システム４０のこの構成により、燃料の半径方向及び円周方向配分が可能になって、燃焼室内での燃料の均一な分布及び混合が可能になるようになる。

図３を参照すると、パイロン燃料噴射システムの一部分を開示している。この図示した実施形態では、複数の横方向要素４４が、対応する半径方向要素４２上に互いに間隔を置いて配置される。本明細書では、横方向要素４４は、空力形状にされることに注目されたい。半径方向要素４２は、少なくとも１つの表面４８上に形成された複数のコアンダ型燃料噴射スロット４６を含む。各横方向要素４４は、表面５２、５４上に形成された複数のコアンダ型燃料噴射スロット５０を含む。半径方向要素４２及び横方向要素４４のこの構成により、燃焼室内での燃料の均一な分布及び混合が可能になり、かつさらにコアンダ型噴射処理に関連する特有の混合長さを半径方向要素４２間及び横方向要素４４間の間隔によって形成された長さスケールと同じオーダのものになるようにすることが保証される。本明細書では、本明細書に説明した「スロット」は通常、別の軸線よりも長い１つの軸線を有する開口部として広く形成することができることに注目されたい。一部の実施形態では、半径方向及び横方向要素４２、４４は、コアンダ効果が得られる円錐孔、楕円孔、レーストラック形状孔、円形孔又はそれらの組合せを含むことができる。本明細書では、半径方向要素４２の形状又は断面寸法は、半径の関数として変更することができること、また横方向要素４４の形状又は相対寸法は、位置の関数として変更することができることに注目されたい。

図４を参照すると、パイロン燃料噴射システムの一部分を開示している。この実施形態は、図３に示す実施形態と同様である。本明細書では、半径方向要素４２は空力形状にされることに注目されたい。幾つかの実施形態では、横方向要素４４は、無揚力エーロフォイルを含む。一部の他の実施形態では、横方向要素４４は、揚力能力を有する。特定の実施形態では、横方向要素４４の揚力は、一斉に作用するようにすることができる。別の実施形態では、横方向要素４４の揚力は、互いに打消すように作用させて、燃焼室内のガス流の出口輪郭を調整することができる。一部の実施形態では、半径方向要素４２は、揚力能力を有する。１つの実施形態では、半径方向要素４２は、スワール除去装置として作用して、第１のタービンからの上流のガス流から旋回を除去することができる。別の実施形態では、半径方向要素４２は、事前スワール付与装置として作用して、第２のタービンに供給される下流の流れに旋回を与えるようにすることができる。横方向要素４４を設けることにより、燃料噴射のための複数の分散配置位置を設けることが可能になることにも注目されたい。

図５を参照すると、パイロン燃料噴射システムの一部分を開示している。この実施形態もまた、図３に示す実施形態と同様である。前述したように、複数の横方向要素４４が、各対応する半径方向要素４２上に互いに間隔を置いて配置される。半径方向要素４２は、少なくとも１つの表面４８に形成された複数のコアンダ型燃料噴射スロット４６を含む。加えて、スロット４６はまた、各半径方向要素４２の側部表面５６、５８上に形成することができる。半径方向４２の後部表面６０は、孔又は開口部を有することができる。各横方向要素４４は、表面５２、５４上に形成された複数のコアンダ型燃料噴射スロット５０を含む。加えて、スロット５０はまた、各横方向要素４４の後縁６２上に形成することができる。

本明細書では、一部の実施形態における対応する横方向要素４４を備えた複数の半径方向要素４２の分散配置の特性により、負荷軽減の目的で燃料噴射の多段化（例えば、特定の瞬間においてのみ別の半径方向要素から燃料を噴射する）を可能にすることができることに注目されたい。半径方向要素４２の半径方向高さもまた、変化させることができる。例えば、１つおきの半径方向要素ごとに、その他の半径方向要素よりも短くすることができる。

図６は、半径方向要素４２の下流に確立することができる例示的な反応ゾーンの概略図である。本明細書で用いる場合に、「コアンダ効果」という用語は、流体ストリーム自体を近接する表面に付着させかつ流体運動の初期方向から表面が湾曲して離れている場合でさえも付着を維持するような流体ストリームの傾向を意味する。図示するように、タンデムベーン上を流れる圧縮機吐出空気は、燃料６６と混合する。その結果、空気及び燃料混合気境界層６８が、コアンダ表面７４により生じたコアンダ効果によって半径方向要素４２の外部表面７０、７２に沿って形成される。燃料及び空気の濃度が半径方向要素４２の後縁の下流で局所的に変化するので、トリプル火炎６４を形成することができる。燃料濃厚領域では、小さい拡散火炎前面ポケット７６が安定化する。次に各拡散火炎は、下限可燃限界の第１の希薄部分予混合火炎７８を安定化させかつ他の２つの火炎７６及び７８並びに余剰酸化剤の希釈生成物で形成された第２の希薄部分予混合火炎前面８０を安定化させる働きをすることができる。そのような火炎構造及びその利点は、本明細書に参照文献として組入れている「タンデムエーロフォイルを備えたガスタービン案内ベーン及び燃料噴射並びにその使用方法」という名称の米国特許出願番号第１１／５６７，７９６号に詳細に説明されている。

図１〜図６の実施形態を参照すると、半径方向要素の数、横方向要素の数、半径方向要素間の間隔、横方向要素間の間隔、半径方向要素内のコアンダ型燃料噴射スロットの数、横方向要素内のコアンダ型燃料噴射スロットの数、半径方向及び横方向要素内のコアンダ型燃料噴射スロットの形状、コアンダ型燃料噴射スロット間の間隔、半径方向及び横方向要素内のスロットの寸法、半径方向及び横方向要素内のスロットの位置、半径方向要素及び横方向要素の形状は、用途に応じて変化させることができる。全てのそのような置換及び組合せが、想定される。この例示的なパイロン燃料噴射システムは、燃料の均一な分布（分配）、空気及び燃料の均一な混合を可能にして、低エミッション、低騒音及び低圧力損失での高い燃焼効率をもたらす。

本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。

１０ガスタービンシステム
１２第１の燃焼室
１４圧縮機
１６第１のタービン
１８第２の燃焼室
２０第２のタービン
２２単一のロータシャフト
２４軸受
２６軸受
２８アンカユニット
２９発電機
３０アンカユニット
３１継手
３２基礎
３４ケーシング
３５バーナ
３６燃料ランス
３８主リング
４０パイロン燃料噴射システム
４２半径方向要素
４４横方向要素
４６コアンダ型燃料噴射スロット
４８表面
５０コアンダ型燃料噴射スロット
５２表面
５４表面
５６側部表面
５８側部表面
６０後部表面
６２後縁
６４トリプル火炎
６６燃料
６８空気及び燃料混合気境界層
７０外部表面
７２外部表面
７４コアンダ表面
７６拡散火炎前面ポケット
７８第１の希薄部分予混合火炎
８０第２の希薄部分予混合火炎前面

Claims

燃焼器システムであって、
燃焼室（１２、１８）と、
前記燃焼室（１２、１８）に結合されかつ該燃焼室（１２、１８）に燃料を噴射するように構成されたパイロン燃料噴射システム（４０）と、
を含み、前記パイロン燃料噴射システム（４０）が、
その各々が複数の第１のコアンダ型燃料噴射スロット（４６）を備えた複数の半径方向要素（４２）と、
各前記半径方向要素（４２）に対して設けられた複数の横方向要素（４４）と、を含み、
各前記横方向要素（４４）が、複数の第２のコアンダ型燃料噴射スロット（５０）を含む、
燃焼器システム。
各前記半径方向要素（４２）が、対応する該半径方向要素（４２）の少なくとも１つの表面上に複数のコアンダ型燃料噴射スロット（４６、５０）を含む、請求項１記載の燃焼器システム。
前記複数の半径方向要素（４２）が、揚力能力を有する、請求項１又は２記載の燃焼器システム。
各前記横方向要素（４４）が、対応する該横方向要素（４４）の少なくとも１つの表面上に複数のコアンダ型燃料噴射スロット（４６、５０）を含む、請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃焼器システム。
前記複数の横方向要素（４４）が、対応する前記半径方向要素（４２）上で互いに間隔を置いて配置される、請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃焼器システム。
前記横方向要素（４４）が、無揚力エーロフォイルを含む、請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃焼器システム。
前記横方向要素（４４）が、揚力能力を有するエーロフォイルを含む、請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃焼器システム。
前記複数の半径方向要素（４２）が、空力形状にされる、請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃焼器システム。
前記複数の横方向要素（４４）が、空力形状にされる、請求項１乃至８のいずれか１項記載の燃焼器システム。
ガスタービンシステムであって、
加圧空気を発生させるように構成された少なくとも１つの圧縮機（１４）と、
前記少なくとも１つの圧縮機（１４）に結合されかつ該圧縮機（１４）からの前記加圧空気及び燃料を受けると共に該空気及び燃料の混合気を燃焼させて第１の燃焼ガスを発生させるように構成された第１の燃焼器（１２）と、
前記第１の燃焼器（１２）に結合されかつ前記第１の燃焼ガスを膨張させるように構成された第１のタービン（１６）と、
前記第１のタービン（１６）に結合された第２の燃焼器（１８）と、
複数の半径方向要素（４２）及び各該半径方向要素（４２）に対して設けられた複数の横方向要素（４４）を備えた空力パイロン燃料噴射システム（４０）と、を含み、
前記空力パイロン噴射システム（４０）が、前記第２の燃焼器（１８）に燃料を噴射するように構成され、
前記第２の燃焼器（１８）が、前記燃料及び前記膨張した第１の燃焼ガスの混合物を燃焼させて第２の燃焼ガスを発生させるように構成され、該ガスタービンシステムが、
前記第２の燃焼器（１８）に結合されかつ前記第２の燃焼ガスを膨張させるように構成された第２のタービン（２０）を、さらに含む、
ガスタービンシステム。