JP2011140952A - 受動的パージ空気通路を有するタービンエンジン用の燃料ノズル - Google Patents

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Abstract

【課題】タービンエンジン用の燃料ノズルは、タービンの動作状態によっては、燃料ノズルのパージ空気通路による冷却空気流の搬送が一時的に妨げられることがある。このような状況では、燃焼ゾーンに隣接する燃料ノズルの部分が、燃料ノズルを損傷し得る非常に高い温度にさらされる可能性があり、ノズル自体が非常に高い温度にさらされることがない燃料ノズルを提供する。
【解決手段】タービン用の第2燃料ノズル100は、ノズルの動作時は常にパージ空気を第2燃料ノズル100に提供する受動的パージ空気通路110を含む。受動的パージ空気通路110は、ノズルの上流端部付近の場所162から空気を吸入する。ノズルの下流端部に位置する空気とノズルの上流端部に位置する空気との間の圧力差によって、ノズルの動作時は常にパージ空気が受動的パージ空気通路を介して流れる。圧縮パージ空気を供給する必要は無い。
【選択図】図2

Description

本発明は、タービンエンジン用の燃料ノズルに関する。
発電事業において使用されるタービンエンジンは、通常、タービンセクションへの動力の周囲に同心状に配置された複数の燃焼器を含む。典型的な燃焼器アセンブリを図1に示す。燃焼器アセンブリは、第1及び第2燃料ノズルの両方を含む。
第1及び第2燃料ノズルは、タービンの圧縮機側から受け取った圧縮空気流に燃料を噴射する。燃料は空気と混合され、この燃料−空気混合物はその後、燃料噴射器の下流の1つ又は複数の燃焼ゾーンにおいて点火される。燃焼は、ノズル自体が非常に高い温度にさらされることがないように、燃料ノズルの遠端の下流に位置する場所で生じることが理想である。加えて、燃料ノズルは、ノズルを冷却するべく設計された、圧縮空気流を搬送するパージ空気通路を含むことが一般的である。
米国特許第7104070号
タービンの動作状態によっては、燃料ノズルのパージ空気通路による冷却空気流の搬送が一時的に妨げられることがある。このような状況では、燃焼ゾーンに隣接する燃料ノズルの部分が、燃料ノズルを損傷し得る非常に高い温度にさらされる可能性がある。通常は、ノズルの下流端部が最高温度にさらされるので、最も損傷し易い。
一態様において、本発明は、中央の長手方向軸を有する細長いハウジングと、ハウジングの少なくとも一部の下流に延在する少なくとも1つの燃料供給通路と、ハウジングの下流に延在するとともにパージ空気をノズルの排出端部に配置された少なくとも1つの能動的パージ空気排出穴に供給する能動的パージ空気通路と、を含むタービンエンジン用の燃料ノズルにおいて実施可能である。この燃料ノズルは、また、ノズルの外側且つハウジングの上流端部付近の位置から空気を導入する吸気口を有するとともにノズルの排出端部に配置された排気口を有する受動的パージ空気通路を含む。
別の態様において、本発明は、中央の長手方向軸を有する細長いハウジングと、ハウジングの少なくとも一部に沿って延在する燃料供給通路と、ハウジングに沿って延在するとともにパージ空気をノズルの下流端部に配置された少なくとも1つの能動的パージ空気排出穴に供給する能動的パージ空気通路と、を含むタービンエンジン用の燃料ノズルにおいて実施可能である。この燃料ノズルは、また、ノズルの外側且つハウジングの上流端部付近の位置から空気を導入する吸気口を有するとともにノズルの下流端部に配置された排気口を有する受動的パージ空気通路を含む。動作中のタービンエンジン内で燃料ノズルを使用するときは、ノズルの外部且つハウジングの上流端部付近の空気と受動的パージ空気通路の排気口に位置する空気との間の圧力差により、パージ空気が受動的パージ空気通路に沿って吸気口から排気口に流れる。
タービンエンジンの典型的な燃焼器の要素を示す断面図である。 タービンエンジンの燃焼器内で使用される第2燃料噴射ノズルの断面図である。 第2燃料ノズルの別の実施例の断面図である。 燃料転送手順の間の、2つの異なる燃料ノズルの先端における温度を示す図である。
タービンエンジン用の典型的な燃焼器アセンブリを図1に示す。この図に示すように、燃焼器は、燃焼ガスをタービンセクションに送り込む遷移ダクト20を含む。遷移ダクト20は、燃焼器ライナ40に装着されている。フロースリーブ30が燃焼器ライナ40の外側を取り囲んでいる。
タービンの圧縮機セクションからの圧縮空気が燃焼器ライナ40とフロースリーブ30の間の環状空間に送られる。図1の矢印は、圧縮空気の移動方向を示す。図1に示すように、圧縮空気は、燃焼器ライナ40とフロースリーブ30の間の環状空間に沿って燃焼器の上方端部に移動する。圧縮空気はその後、方向転換し、燃焼器ライナ40の内部空間に進入する。
燃焼器の上流端部には、複数の燃料ノズル60、70が配置されている。燃焼器キャップ50の周りに、複数の第1燃料ノズル60が環状リング状に取り付けられる。加えて、少なくとも1つの第2燃料ノズル70が燃焼器の中心に配置されている。図1に示すように、第2燃料ノズル70は、通常、燃焼器の長さ方向の更に下流に延在している。
燃焼器内での燃焼は、通常、2つの異なる場所において発生する。燃焼器のはるか上流の端部であって、なお且つ、第1燃料ノズル60の排出端部に隣接して位置する第1燃焼ゾーン90がある。加えて、燃焼器の長さ方向の更に下流であって、なお且つ、第2燃料ノズル70の排出端部に隣接して位置する第2燃焼ゾーン100がある。いくつかの燃焼器においては、傾斜壁50により、第1燃焼ゾーン90と第2燃焼ゾーン100の間にベンチュリが形成される。傾斜壁50は、燃焼器の内径を低減するべく、括れている。傾斜壁50により形成されたベンチュリによって、空気−燃料混合物が第2燃焼ゾーン100に進入する直前に、この燃焼器のセクションを通過する空気及び燃料の速度が増加する。
初期起動手順の間は、燃料が第1燃料ノズル60及び第2燃料ノズル70の両方を介して燃焼器内に供給される。空気燃料混合物は、第1燃焼ゾーン90及び第2燃焼ゾーン100の両方において点火される。タービンの動作速度が増し、通常は発電機の形態の負荷がタービンに印加される。
排気を最適化するには、燃焼が第2燃焼ゾーン100内のみにおいて発生することが望ましい。したがって、最初に第1燃焼ゾーン90及び第2燃焼ゾーン100の両方で燃焼を発生させる必要があるが、起動手順中の或る時点において、第1燃焼ゾーン90内の燃焼を除去する必要がある。
第1燃焼ゾーン90内の燃焼を除去するには、第1燃料ノズル60への燃料を一時的に中断する必要がある。この遷移期間中、燃料は、依然として第2燃料ノズル70を介して第2燃焼ゾーン100内に供給されている。第1燃料ノズル60への燃料が、或る期間にわたって中断されると、第1燃焼ゾーン90内の燃焼が停止し、燃焼の発生は、第2燃焼ゾーン100内においてのみ継続することになる。
負荷がタービンに印加されていることから、また、この負荷をタービンが確実に維持するためには、第1燃料ノズルへの燃料をたやすく中断できない。その代わりに、略同一量の燃料を遷移期間中、燃焼器に継続的に供給する必要がある。したがって、典型的な遷移シーケンスにおいて、第1燃料ノズル60への燃料を中断する場合、その代わりに、第1燃料ノズル60を介して供給されていたものと同一量の燃料を第2燃料ノズル70の通路を介して供給する。これは、予め第1燃料ノズル60と第2燃料ノズル70の両方を介して燃焼器内に供給されていた燃料の全てを第2燃料ノズル70が供給しなければならないことを意味している。
第1燃焼ゾーン90において燃焼が発生しなくなったら、第1燃料ノズル60を介して燃料が再び供給される。第1ノズル60を介して供給された燃料は、第1燃焼ゾーンの内部を中心に旋回して周囲空気と完全に混合され、空気−燃料混合物が第2燃焼ゾーン100に移動すると、点火される。したがって、定常動作中は、燃料を第1燃料ノズル60と第2燃料ノズル70の両方を介して供給するとともに、空気と燃料の全てを第2燃焼ゾーン100内で燃焼させることが望ましい。この燃料遷移手順の更なる詳細については、典型的な第2燃料ノズル70について説明した後に、説明する。
図2は、典型的な第2燃料ノズル100の機能図である。第2燃料ノズルは、ノズルのハウジングの長さ方向の下流に延在する複数の通路を含む。図2に示す実施例では、燃料又は空気をノズルの下流端部に供給するべく使用される中央通路110を示す。第2通路120が第1通路110を同心状に取り囲んでいる。また、この第2通路120を同心状に取り囲む第3通路130も示す。最後に、第3通路130を同心状に取り囲む第4通路140も示す。これらの通路のうち少なくとも1つが、半径方向に延在する複数の燃料噴射器145に燃料を供給する。幾つかの実施例においては、第4通路140が燃料噴射器145に燃料を供給する。その他の実施例においては、第3通路130が燃料噴射器145に燃料を供給し、第4通路140は、パージ空気通路として使用される。
半径方向に延在する燃料噴射器145上には、複数の燃料供給開口146が形成されている。その結果、燃料噴射器に供給された燃料は、燃料供給開口146を介して射出される。通常動作中、圧縮空気は、燃料ノズルの外部の長さに沿って下流に流れる。したがって、燃料供給開口146を出た燃料は、燃料ノズルの長さ方向の下流を通る空気と混合され、空気−燃料混合物が生成された後、点火される。図示されてはいないが、空気の旋回及び混合作用を増大させることによって、燃料供給開口146を介して供給される燃料と空気を更に良好に混合するべく、半径方向に延在する燃料噴射器の上流及び/又は下流に様々に異なるスワラ装置を配置できる。
燃料噴射器145を介して供給される燃料は、燃料ノズルの1つの燃料供給メカニズムを形成している。しかし、通常、内部通路のうちの1つ又は複数を介して燃料を供給してもよい。例えば、第2通路120を介して燃料を供給してもよい。この燃料供給回路は、しばしば、パイロット燃料回路と称される。第2又はパイロット燃料通路120を介して供給される燃料は、燃料ノズルの下流端部を出て、更に点火される。パイロット又は第2通路120を通過する燃料によって生成された火炎は、しばしば、パイロット火炎と称される。パイロット火炎は非常に安定しているので、フレームアウトの可能性が低い。
第3通路130は、通常、パージ空気及び/又は燃料を搬送する。第3通路130を介して供給されるパージ空気は、外側ノズル先端部を冷却するべく使用される。具体的には、このパージ空気は、燃料ノズルの下流端部を冷却する。この部分は、通常、燃料ノズルの排出端部の直ぐ下流に位置する燃焼ゾーンが原因となり、最高温度にさらされる。加えて、パージ空気は、燃料噴射ノズルの中心に位置する第1通路110を介して供給されることが多い。この場合にも、第1通路110を通過するパージ空気は、ノズル、特にノズルの下流端部を冷却するべく設計されている。
ノズルの上流端部には、ヘッダ又はマニホルド150が形成されている。ヘッダ150は、燃料と空気を燃料ノズルの第1、第2、第3、及び第4通路内に供給するべく設計された様々な通路を含む。ヘッダ150は、通常、燃料供給ライン162と、パージ空気ライン164とに接続される。パージ空気ライン164は、圧縮空気の供給源に接続されるが、通常は、タービンの圧縮機セクションから分岐している。したがって、圧縮空気を供給するライン164は、通常、タービンの圧縮機セクション上のタップ又は圧縮機の排出プレナムに向かって延在している。
加えて、マニホルド150には、遷移燃料供給ライン166も接続される。遷移燃料供給ライン166は、他の場合には第1燃料ノズルによって運搬され、供給されるであろう燃料を、第2燃料ノズル100に搬送する。こうして、前述の燃料遷移手順の間に第1燃料ノズルからの燃料が中断された場合、燃料は、遷移燃料供給ライン166を介して第2燃料ノズル100に供給される。
前述のように、燃焼器の第1燃焼ゾーン90内の燃焼を停止する時になると、第1燃料ノズル60への燃料が中断され、その代わりに、他の場合には第1燃料ノズル60を介して供給されるであろう燃料が、第2燃料ノズル70に送られる。前述のように、この燃料は、第2燃料ノズル70を介して第2燃焼ゾーン100内に供給されなければならない。
通路のうち1つが既に、半径方向に延在する燃料噴射器145を介して燃料を供給しており、なお且つ、パイロット燃料通路120が既に、第2燃料ノズルを介して燃料を供給しているので、第2燃焼ゾーン内に燃料を供給するべく利用可能な第2燃料ノズルのその他の部分のみが、ノズル内でパージを運搬する通路である。したがって、燃料遷移手順の間、遷移燃料供給ライン166を経由して第2燃料ノズルに供給された燃料は、通常、パージ空気通路へと導かれる。これは、これらの通路を介して通常搬送されるパージ空気を中断しなければならない代わりに、燃料がこれらの通路を介して供給されることを意味している。したがって、パージ空気を停止に切り替えて燃料をパージ空気通路に送り込むために必要な時間の間は、燃料も、パージ空気も、パージ空気通路を流れてはいない。
前述のように、燃料は、第1燃焼ゾーン90内の燃焼が停止するまでは、パージ空気通路を介して供給される。この期間中、燃料はパージ空気通路を通過し、この燃料は第2燃料ノズルの下流端部を冷却するべく作用する。その結果、第2燃料ノズルの下流端部の温度は、燃料がパージ空気通路を通過している間、比較的低く維持される。
第1燃焼ゾーン90内の燃焼が停止すると、燃料は第1燃料ノズルに戻され、パージ空気はノズルのパージ空気通路を介して再び供給される。しかし、この切替手順には、或る一定の時間を要する。通常、燃料は、第1燃料ノズル60に即座に戻される。しかし、この切替終了後の短い期間も、依然として燃料がノズルのパージ空気通路内に存在する。
パージ空気が再びパージ空気通路内に導入されると、パージ空気は、これらの通路内に残留している燃料をノズルの下流端部から外へ押し出す。パージ空気が開放に切り替わって即座に通常流量レベルに達すると、第1燃料ノズルが既に燃料を供給しているのと同時に、第2燃焼ゾーン110内に大量の燃料が高速噴射されることになり、結果的に、燃焼ゾーンにおけるサージと、場合によっては、これに伴うタービンの負荷出力におけるサージとに繋がり得る。これらの理由から、燃料が第1燃料ノズルに切り替わったら、パージ空気を徐々に低速でパージ空気通路に導入することで、これらの通路内の燃料を第2燃焼ゾーンに徐々に押し出す。これにより、ノズルの下流端部を冷却するべくパージ空気が通常通りに流れるまでの時間が更に延びる。
前述のように、燃料遷移手順の間、ノズルの下流端部の温度は、2つの時点において非常に高温に上昇する可能性がある。図4の上半分は、典型的な燃料遷移手順の間のノズル先端部の温度を図示する。図4に示すように、第1ノズルへの燃料が中断された後、第2ノズルへのパージ空気を閉め出す。この時点において、燃料ノズルの下流先端部の温度が非常に高速で上昇を開始する。ノズルの下流端部の温度は、燃料がパージ空気通路を介して流れる時点まで上昇を継続する。
定常状態の間、パージ空気がノズルを介して送られている場合、ノズルの先端部は華氏300度前後に留まる。パージ空気が停止すると、温度は、華氏1000度超まで急速に上昇する。(予め第1ノズルを介して燃焼器内に供給されていた)転送燃料が、第2ノズルのパージ空気通路を介して流れ始めると、温度は直ぐに燃料温度に近い温度に戻る。
燃料が第2ノズルのパージ空気通路を介して送られている間、温度は、比較的低く安全な温度に留まる。しかし、転送燃料の供給が停止し、燃料が再び第1ノズルを介して燃焼器内に供給されると、第2ノズルの先端の温度は、再び上昇を開始する。この温度は、前述のように、パージ空気がパージ空気通路に徐々に導入されるまで上昇を続ける。パージ空気が再び第2ノズルのパージ空気通路を介して流れると、温度は、再び通常に戻る。
図4の上半分に示すように、第2ノズルの先端部の温度は、燃料転送手順の間、2つの異なる時点でピークに達する傾向がある。第1ピークは、パージ空気が閉め出されており、燃料がまだ第2ノズルのパージ空気通路を介して流れていないときに発生する。第2ピークは、転送燃料が遮断されており、パージ空気が再びパージ空気通路を介して通常通りに流れる前に発生する。これらの両方の事象の間、ノズルの先端部の温度は、最大で華氏1500度にまで上昇する可能性がある。このような温度は、ノズル先端部の材料にとって非常に有害であり、永久的な損傷をもたらす可能性がある。
図3は、第2燃料ノズルの変更バージョンを示す。この実施例は、図2に示したものに類似しているが、中央パージ空気通路110が変更され、ノズルの上流側において燃料ノズルの外側に形成された開口と連通するべく変更されている。図3に示すように、第1通路170が中央パージ空気通路110の吸気口に結合されている。第1通路170は、半径方向に延在するとともに、第2通路160に結合されており、この第2通路は、ノズルのヘッダ150上の開口162に通じている。加えて、この実施例では、スワラプレート115が中央パージ空気通路110の下流端部に配置されている。また、スワラプレート125がパイロット燃料通路120内に配置されている。
図3に示す第2燃料ノズルが燃焼器内で動作している間、ノズルの下流端部付近の圧力は、ノズルの上流端部付近の圧力よりも低くなる。スワラプレートは圧力低下を生じるので、中央パージ空気通路110内にスワラプレート115を追加することによって、上流及び下流端部の間の圧力差を増大させることができる。燃料ノズルの上流端部の空気の圧力は下流端部よりも高いので、ノズルの定常動作中は、空気が開口162を介して吸入されることになる。この空気は、第1及び第2通路170、160を介してパージ空気通路110の吸気口内に流入した後、中央パージ空気通路110を下る。この流れは、燃焼器内で通常動作が行われている限り、継続維持される。
図3に示すノズルを使用する場合、前述の燃料遷移手順の間、遷移燃料供給ライン166は、第2、第3、又は第4通路のうちの1つ又は複数にのみ結合される。燃料遷移手順の間、パージ空気は、中央パージ空気通路110を介して連続的に流れる。このようにパージ空気を連続的に供給することで、下流端部におけるノズル先端部の温度を、燃料遷移手順の間も確実に比較的一定に維持できる。加えて、ノズルの下流端部を取り巻く空気とノズルの上流端部の空気との間の圧力差によって、中央パージ空気通路110を介したパージ空気の流れが生成されるので、タービンの圧縮機セクションから圧縮パージ空気を別途に供給する必要がない。その代わりに、中央パージ空気通路110を介して流れるパージ空気を、ノズルの上流端部を既に取り巻いている圧縮空気から吸入するだけでよい。
図3に示す実施例においては、ノズルの第2火炎検出器覗き孔が、空気を中央パージ空気通路110に供給するための第2通路160として使用されている。この結果、図2に示す第1実施例に必要な変更点は、第2火炎検出器覗き孔と中央パージ空気通路110の吸気口を接続する、半径方向に延在する第1通路170の追加のみである。このように、オリジナルの第2ノズルに非常に単純な変更を加えることで、燃料遷移手順の間も、パージ空気を確実に常時供給できる。
加えて、図3に示す実施例において、中央パージ空気通路110は、ノズルの上流端部外側の位置に通じる通路170に結合されている。代替実施例において、中央通路110以外の異なる通路を通路170に接続してもよい。また別の実施例において、通路170を、ノズル内の通路のうち複数に接続してもよい。
図4の下半分は、燃料遷移手順の間の、図3に示すノズルの下流端部の温度を示す。この図に示すように、燃料ノズルの下流先端部の温度は、燃料遷移手順の間も、比較的一定に維持されている。これによって、燃料遷移手順中の高温によるノズルの下流端部の損傷が防止される。
以上の説明では、燃料遷移手順の間も確実にパージ空気を一定に供給するために、どのように受動的パージ空気供給回路を第2燃料ノズル上に設けられるかという一例として、図2及び図3に示す実施例を使用した。図2及び図3に示す実施例は、2つのパージ空気通路と、パイロット燃料通路と、主燃料通路とを有する第2ノズルを示す。代替実施例において、これらの通路を異なる向きに構成してもよく、また、パイロット燃料通路を除去してもよい。加えて、燃料を1つの燃料供給通路によって半径方向に延在する燃料噴射器に供給してもよく、燃料を同一の又は異なる燃料供給通路によってノズルの下流端部に配置された開口を介して供給してもよい。図2及び図3に示す構成は、例示を目的としたものに過ぎず、限定を目的としたものではない。個々のタービンの要件に応じて、第2燃料ノズルを様々に異なる様式に構成することができる。
以上、最も実用的で好ましいと考えられる実施例に関連して本発明を説明したが、本発明は、開示の実施例に限定されることなく、むしろ、添付の請求項の技術的範囲内に含まれる様々な変更及び等価の措置も含むことを意図することを理解されたい。
10 タービン
12 圧縮機
20 遷移ダクト
30 フロースリーブ
35 端部キャップ
40 燃焼器ライナ
50 燃焼器キャップ
50 傾斜壁
60 第1燃料ノズル
70 第2燃料ノズル
80 プレナム
90 第1燃焼ゾーン
100 第2燃料ノズル
100 第2燃焼ゾーン
110 中央通路
110 第1通路
110 中央パージ空気通路
115 スワラプレート
120 第2(パイロット燃料)通路
125 スワラプレート
130 第3通路
140 第4通路
145 燃料噴射器
146 燃料供給開口
150 ヘッダ/マニホルド
160 第2通路
162 燃料供給ライン
162 開口
164 パージ空気ライン
166 遷移燃料供給ライン
170 第1通路

Claims (8)

  1. タービンエンジン用の燃料ノズルであって、
    中央の長手方向軸を有する細長いハウジングと、
    前記ハウジングの少なくとも一部の下流に延在する少なくとも1つの燃料供給通路(120、130)と、
    前記ハウジングの下流に延在するとともに、前記ノズルの排出端部に配置された少なくとも1つの能動的パージ空気排出穴にパージ空気を供給する能動的パージ空気通路(140)と、
    前記ノズルの外部且つ前記ハウジングの上流端部付近の位置から空気を導入する吸気口(162)を有するとともに、前記ノズルの前記排出端部に配置された排気口を有する受動的パージ空気通路(110)と、
    を有する燃料ノズル。
  2. 前記燃料ノズルが動作中のタービンエンジン内で使用されているとき、前記ノズルの外部且つ前記ハウジングの前記上流端部付近の空気と、前記受動的パージ空気通路の前記排気口に位置する空気との間の圧力差により、パージ空気が前記受動的パージ空気通路(110)に沿って前記吸気口から前記排気口に流れる、請求項1に記載の燃料ノズル。
  3. 前記ハウジングの外側に配置された複数の燃料噴射器(145)を更に有し、
    前記受動的パージ空気通路(110)の前記吸気口が、前記燃料噴射器(145)の上流の位置において前記ハウジング上に配置される、請求項1に記載の燃料ノズル。
  4. 前記受動的パージ空気通路の前記吸気口が、
    前記ハウジングの前記上流端部に隣接して配置された前記ハウジング上の穴(162)と、
    前記受動的パージ空気通路(110)の上流端部から前記ノズルを介して半径方向に延在する第1転送通路(170)と、
    を有する、請求項1に記載の燃料ノズル。
  5. 前記受動的パージ空気通路(110)の前記吸気口が、前記穴から前記第1転送通路(110)に延在する第2転送通路(160)を更に有する、請求項4に記載の燃料ノズル。
  6. 前記第2転送通路(160)が、前記ハウジングの前記中央長手方向軸に平行な方向に延在する、請求項5に記載の燃料ノズル。
  7. 前記第2転送通路(160)が、前記ハウジング上に配置された第2火炎検出器覗き孔の一部を有する、請求項5に記載の燃料ノズル。
  8. 前記受動的パージ空気通路(110)内に配置されたスワラプレート(115)を更に有する、請求項1に記載の燃料ノズル。
JP2010289834A 2010-01-05 2010-12-27 受動的パージ空気通路を有するタービンエンジン用の燃料ノズル Pending JP2011140952A (ja)

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