JP2013142532A - 燃焼器及び燃焼器内で燃料を分配する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器内で燃料を分配する。
【解決手段】燃焼器１０は、管束２２内に配列され、燃焼器内に径方向に延在する少なくとも１枚のプレート２４によって支持され、各々の管２０が、下流側端部から軸方向に離隔され、管束を通して流体連通をもたらす上流側端部を含む複数本の管を含む。流量調整器１８は複数本の管の１本以上の上流側端部から上流側に延在し、径方向通路は流量調整器を通って延在する。燃焼器内で燃料を配分する方法は、複数本の管を含み、少なくとも１枚のプレートによって支持された管束内に構成された管から延在する流量調整器を通って作動流体を流すステップを含む。流量調整器は、作動流体に径方向の旋回流を与える少なくとも１つの径方向通路を含む。流量調整器によって少なくとも部分的に囲まれた環状インサートを通って燃料を流すステップを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に燃焼器、及び燃焼器内で燃料を分配する方法に関する。

ガスタービンは発電用の営業運転で広く使用されている。ガスタービン燃焼器は一般に、空気などの圧縮された作動流体と混合された液体及び／又は気体燃料で動作する。いずれかの燃料でガスタービンを運転する柔軟性はガスタービンのオペレータに多大な利点をもたらす。

ガスタービンの熱力学的効率は動作温度、すなわち燃焼ガスの温度が高まると共に増大することは広く知られている。燃焼器の燃焼ゾーン内に豊富な混合気を供給することによってより高温の燃焼ガスが得られることも知られている。しかし、豊富な液体又は気体混合気によって燃焼温度がより高温になると、不都合な排ガスである窒素酸化物、すなわちＮＯ_Xが大幅に増加することがある。加えて、燃焼温度がより高温になると燃焼器内の機械部品にかかる熱応力が増大する結果を招くことがある。燃焼器の空燃比を希薄にすることによって、又は水などの添加物を燃焼器に注入することによってＮＯ_Xを低減し得る。

希薄混合気を提供するために、燃料と空気とを燃焼前に予混合してもよい。予混合は、管束内に構成された複数の管を含んでもよいデュアル燃料燃焼器の燃料ノズル内で行ってもよい。ガスタービンが様々な動作モードを循環すると、空気が管を通って流れ、空気と予混合するために燃料が管内に噴射される。燃焼前に液体及び／又は気体燃料を作動流体と予混合することを可能にする様々なデュアル燃料ノズルがある。

米国特許第６５３９７２４号

しかし、混合気の均一性を高める改良型の燃料ノズル、及び燃焼器に燃料を供給する方法が有用であろう。

本発明の態様及び利点は以下の説明に記載され、又は以下の説明から明らかになり、又は本発明の実施によって学習できよう。

本発明の一実施形態は、管束内に配列され、燃焼器内に径方向に延在する少なくとも１枚のプレートによって支持され、各々の管が、下流側端部から軸方向に離隔され、管束を通して流体連通をもたらす上流側端部を含む複数本の管を含む燃焼器である。燃焼器は複数本の管の１本以上の上流側端部から上流側に延在する流量調整器と、流量調整器を通って延在する径方向通路とを含む。

本発明の別の実施形態は、管束内に配列され、燃焼器内に径方向に延在する少なくとも１枚のプレートによって支持され、各々の管が、下流側端部から軸方向に離隔され、管束を通して流体連通をもたらす上流側端部を含む複数本の管を含む燃焼器である。燃焼器は複数本の管のうち１本以上の上流側端部から上流側に延在する流量調整器と、流量調整器によって少なくとも部分的に囲まれ、下流端部を含む環状インサートとを含む。

本発明は更に、複数本の管を含み、少なくとも１枚のプレートによって支持された管束内に構成された管の上流側端部から上流側に延在する流量調整器を通って作動流体を流すステップを含む、燃焼器内で燃料を分配する方法を含む。流量調整器は、作動流体に径方向の旋回流を加える少なくとも１つの径方向通路を含む。方法は更に、流量調整器によって少なくとも部分的に囲まれた環状インサートを通って燃料を流すステップを含む。

当業者は明細書を検討することによってこのような実施形態及びその他の実施形態の特徴及び態様をよりよく理解するであろう。

当業者を対象とした、その最良の実施形態を含む本発明の完全且つ実施可能な開示を、添付図面の参照を含む明細書の以下の部分により詳細に記載する。

本発明の一実施形態による例示的燃焼器の簡略断面図である。 図１に示す管束の上流側の拡大斜視図である。 図１に示す管束の下流側の拡大斜視図である。 図１に示す燃焼器の単一の管の拡大断面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿った単一の管の拡大断面図である。

次に１つ以上の実施例が添付図面に示されている本発明の実施形態を詳細に参照する。詳細な説明は図面の特徴を参照するために数字と文字の符号を用いる。図面及び説明での同様の、又は類似の符号は本発明の同様の、又は類似の部品を参照するために用いられる。本明細書で使用される「上流側」及び「下流側」という用語は、流体通路内の構成部品の相対位置を指す。例えば、流体が構成部品Ａから構成部品Ｂに流れる場合、構成部品Ａは構成部品Ｂの上流側にある。逆に、構成部品Ｂが構成部品Ａから流体を受ける場合は、構成部品Ｂは構成部品Ａの下流側にある。

各実施例は本発明を限定するのではなく説明として提示される。実際に、本発明の範囲又は趣旨から離れずに本発明を修正及び変更できることは当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示又は記載する特徴を別の実施形態で使用して更に別の実施形態をもたらしてもよい。したがって、本発明は添付のクレーム及びその等価物の範囲内のこのような修正及び変更を包含することを意図するものである。

本発明の様々な実施形態は、燃焼器、及び燃焼器内で燃料を配分する方法を含む。燃焼器は概して、少なくとも１枚のプレートにより形成される束内に構成された複数本の管を含む。管は概して気体及び／又は液体燃料又は作動流体が燃焼室内に入る前にこれらを完全に混合することを可能にする。特定の実施形態では、燃焼器は更に、作動流体が管内に流入する際に作動流体と燃料との混合を増強するために作動流体に径方向の旋回流を与える流量調整器を含んでもよい。別の実施形態では、燃焼器は更に、流量調整器によって少なくとも部分的に囲まれた環状インサートを含んでもよい。説明目的のため、本発明の例示的実施形態を概してガスタービンに組み込まれた燃焼器の文脈で記載するが、本発明の実施形態をどのような燃焼器に応用してもよく、クレームに特に記載されない限りガスタービン燃焼器に限定されないことを当業者は容易に理解するであろう。

図１は、ガスタービンに含まれるような、本発明の一実施形態による例示的燃焼器１０の簡略断面図であり、図４は図１に示すような燃焼器の単一の管の拡大断面図を供する。端部カバー１２とケーシング１４とが燃焼器１０を囲んで、燃焼器１０に流れる空気などの作動流体１６を収容する。作動流体１６が端部カバー１２に達すると、作動流体１６は方向を反転し、概して１つ以上の管束２２内に構成される複数本の管２０の少なくとも１本から上流に延在し、燃焼器１０内で概して径方向に延在する少なくとも１枚のプレート２４で支持される流量調整器１８を通って流れ得る。図１及び４に示すように、流量調整器１８は、流量調整器１８によって少なくとも部分的に囲まれ、概して流量調整器１８と同心でよい下流側端部５２を含む環状インサート５０を含んでもよい。図４に示すように、環状インサートは外表面５６によって径方向に離隔された内表面５４を含んでもよい。環状インサート５０は、流量調整器１８を通り、複数本の管２０の少なくとも１本へと連通する流体連通をもたらしてもよい。

図１に示すように、燃焼器１０は更に１つ以上の導管３０を含んでもよい。１つ以上の導管３０は単部カバー１２と流体連通してもよく、液体燃料ＬＦ又は気体燃料ＧＦを流すように構成されてもよい。１つ以上の導管３０は概して端部カバー１２から下流側に延在し、端部カバー１２と複数本の管２０の１本以上及び／又は環状インサート５０との間の流体連通をもたらしてもよい。特定の実施形態では、噴霧器３２が１つ以上の導管３０から延出し、液体燃料ＬＦの少なくとも部分的に気化した噴霧を燃焼器１０に供給してもよい。一般に、気化器３２は液体燃料、乳濁液又は気体燃料を燃焼器１０内に、且つ／又は複数本の管２０の１本以上の中に噴射してもよい。

図１に示すように、複数本の管２０の各々の管２０は、下流側端部３６から軸方向に離隔された上流側端部３４を含んでもよく、１つ以上の管束２２を通って流体連通をもたらしてもよい。図１及び４に示すように、各々の管は管の内表面６２及び管の外表面６４を含んでもよい。特定の実施形態では、図１及び４に示すように、複数本の管２０の１本以上は、複数本の管２０の１本以上を通って径方向に延在する１つ以上の燃料ポート３８を画成してもよい。１つ以上の燃料ポート３８は、複数本の管２０の１本以上の上流側端部３４と下流側端部３６との間に配設されてもよい。

１つ以上の燃料ポート３８は、少なくとも１つの燃料プレナム６０によって囲まれてもよく、１つ以上の燃料ポート３８は燃料プレナム６０と複数本の管２０の１本以上との間の流体連通をもたらしてもよい。燃料プレナムは気体燃料ＧＦ及び／又は液体燃料ＬＦを供給するように構成されてもよい。１つ以上の燃料ポート３８は、径方向、軸方向、及び／又は方位角方向に傾斜して、１つ以上の燃料ポート３８を通って複数本の管２０の１本以上に流入する液体燃料ＬＦ、又は気体燃料ＧＦ及び／又は作動流体１６に旋回流を与え、且つ／又は加えるようにされてもよい。このようにして、液体燃料ＬＦ、及び／又は気体燃料ＧＦは１つ以上の燃料ポート３８を通って複数本の管２０の１本以上に流入し、作動流体１６と混合することで複数本の管２０の１本以上の中に燃料−作動流体混合気２６を提供する。その結果、燃料−作動流体混合気２６は次いで図１に示すように、複数本の管２０の１本以上を通って燃焼ゾーン２８に流入し得る。

図２は、図１に示す管束２２の上流側の拡大斜視図である。図１及び２に示すように、複数本の管２０は１つ以上の管束２２内に配列されてもよく、少なくとも１枚のプレート２４によって所定位置に保持されてもよい。図２に示すように、複数本の管２０を円形パターンで配列してもよい。管２０及び管束２２の特定の形状、サイズ及び数をしかし、特定の実施形態に応じて変更してもよい。例えば、複数本の管２０は概して円筒形の形状を有するものとして示されている。しかし、本発明の範囲内の代替実施形態は、事実上あらゆる断面形状を有する複数本の管２０の１本以上を含んでもよい。同様に、燃焼器１０は、燃焼器１０の全体にわたって径方向に延在する単一の管束２２を含んでもよく、又は燃焼器１０は、燃焼器１０内に様々な配列の複数の円形、三角形、正方形、楕円形、又はパイ形の管束２２を含んでもよい。管２０及び管束２２の形状、サイズ、及び数はクレームに特に記載されない限り本発明の限定性ではないことは当業者には容易に理解されよう。

図３は、図１に示す管束２２の下流側の拡大斜視図であり、図５は図４に示すＡ−Ａ線に沿った複数本の管２０の１本の拡大断面図である。図３に示すように、流量調整器１８は概して複数本の管２０の１本以上の上流側端部３４から上流側に延在し、流量調整器は上流側表面４８を含んでもよい。図４及び５に示すように、流量調整器１８は流量調整器１８を通って延在する１つ以上の径方向通路４０を含んでもよい。図５に示すように、１つ以上の径方向通路４０は傾斜して、作動流体１６が１つ以上の径方向通路４０を通って流量調整器１８に流入する際に作動流体に旋回流を加えるようにされてもよい。

特定の実施形態では、１つ以上の径方向通路４０の少なくとも１つは、例えば時計回り方向などの第１の方向に径方向の旋回流を加えるように構成され、第２の径方向通路４０は、例えば逆時計回り方向などの第２の方向に径方向の旋回流を加えるように構成されてもよい。１つ以上の径方向通路４０は流路面積が等しくてもよく、又は流路面積が異なっていてもよい。このようにして、１つ以上の径方向通路４０を通る作動流体の流量、及び／又は旋回流の量が燃焼器１０全体にわたって個々の流量調整器１８によって制御されてもよい。流量調整器１８は更に、流量調整器の内表面４２と流量調整器の外表面４４とを含んでもよい。径方向の流れ領域４６は流量調整器の内表面４２及び環状インサート５０の外表面５６によって画成されてもよく、流量調整器１８を通って複数本の管２０の１本以上との流体連通をもたらしてもよい。このようにして、作動流体１６が１つ以上の径方向通路４０を通って流量調整器１８に流入する際に、作動流体は液体燃料ＬＦ及び／又は気体燃料ＧＦが複数本の管２０の１本以上の管の内表面６２に接触し、且つ／又はこれに沿って成膜することを防止し得る。その結果、燃焼のためにより完全に混合された燃焼−作動流体混合気２６が提供され得る。加えて、複数本の管２０の１本以上の下流側表面３６での保炎又はフラッシュバックの可能性を低減し得る。

図３及び４に示すように、環状インサート５０の内表面５４及び外表面５６は概して環状インサート５０を通る軸方向の流れ領域５８を画成する。軸方向の流れ領域５８は概して環状インサートの下流側端部５２から下流側に延在していてもよい。このようにして、軸方向の流れ領域５８は、中央の再循環ゾーンが複数本の管２０の１本以上の内部で燃料−作動流体のせん断混合気を形成し、且つ／又は増強することを防止し得る。特定の実施形態では、環状インサート５０の下流側表面５２は１点で終端してもよい。例えば、終端点で下流側表面５２に沿って尖鋭な、又はナイフ状のエッジが形成されてもよい。特定の実施形態では、環状インサート５０の内表面５４は、環状インサート５０の下流側端部５２に向かって径方向内側及び／又は径方向外側に収斂してもよい。特定の実施形態では、環状インサート５０の外表面５６は、環状インサートの下流側端部５２に向かって径方向内側に収斂し、更に環状インサートの外表面５４と流量調整器の内表面４２との間に径方向の流れ領域４０を画成してもよい。特定の実施形態では、環状インサートの内表面５６は、作動流体１６が軸方向の流れ領域５８を通って流れる際に作動流体に軸方向の旋回流を与えるように突起部、溝及び羽根の少なくとも１つを含んでいてもよい。

本発明の特定の実施形態では、作動流体１６は環状インサート５０及び／又は１つ以上の径方向通路４０を通って径方向の流れ領域４６に流入してもよく、気体燃料ＧＦが１つ以上の燃料ポート３８を通って噴射されてもよい。このようにして、作動流体１６は気体燃料ＧＦと混合され、燃焼ゾーン２８内で燃焼するための予混合された燃焼−作動流体混合気２６が提供される。その結果、気体燃料ＧＦと作動流体１６との混合が増進され、より大きい径のより短い管２０が使用可能になり、それによって管束２２当たりに必要な個々の管２０の数が減り、ひいては燃焼器１０全体の重量とコストが軽減される。加えて、燃焼−作動流体混合気２６が複数本の管２０の１本以上の下流側端部３６から流出する際に、旋回流混合気は燃焼ゾーン２８内の高温の燃焼生成物と新鮮な反応物質との乱流混合が増進され、ひいては燃焼炎の安定性が増進され得る。その結果、メタン等の反応性の気体燃料少量で、より高い操作性が得られる。

代替実施形態では、図４に示すように、噴霧器３２を通って環状インサート５０の軸方向の流れ領域５８内に液体燃料ＬＦを噴射してもよい。液体燃料ＬＦの少なくとも一部は、これが環状インサート５０に流入する際に作動流体１６と混合されてもよい。しかし、残りの液体燃料ＬＦを環状インサート５０の内表面５４に沿って予め成膜してもよい。燃料−作動流体混合気２６が予め成膜した液体燃料ＬＦを下流側に、及び環状インサート５０の下流側端部５２の尖鋭なエッジを横切って追いやると、予め成膜した燃料の少なくとも一部は気化して微細な霧になり、軸方向の流れ領域を通る作動流体及び／又は径方向の流れ領域４６からの作動流体１６とより効果的に混合し得る。このようにして、燃料と作動流体との予混合が著しく増進され、ひいては一般に所望のＮＯ_Xレベルを達成するために必要な水などの添加物の燃焼器１０内での使用が低減される。加えて、環状インサート５０の内表面５４は径方向の流れ領域４６と液体燃料ＬＦとの間に障壁を設けることができ、それによって液体燃料ＬＦが複数本の管２０の１本以上の管の内表面６２に付着する可能性が低下する。

図１から５に関連して記載した様々な実施形態は、液体燃料ＬＦ及び／又は気体燃料ＧＦを燃焼器１０内に配分する方法をも提供し得る。方法は例えば、複数本の管２０を含み、少なくとも１枚のプレート２４によって支持される管束２２内に構成された管２０の上流側端部３４から上流に延在する流量調整器１８を通って作動流体を流すステップを含んでもよい。流量調整器１８は作動流体１６に径方向の旋回流を与えるための少なくとも１つの径方向通路４０を含んでもよい。方法は更に、流量調整器１８によって少なくとも部分的に囲まれた環状インサート５０を通って燃料を流すステップを含んでもよい。方法は更に、環状インサート５０の下流側端部５２を横切って燃料及び作動流体１６を流すステップを含んでもよい。方法は更に、燃料ポート３８を通って気体燃料ＧＦを噴射し、複数本の管２０の１本以上の内部で作動流体１６と気体燃料ＧＦとを混合し、燃料−作動流体混合気２６を複数本の管２０の１本以上を通って燃料ゾーン２８内に流すステップを含んでもよい。方法は更に、第１の流量調整器１８内で第１の方向に第１の径方向の旋回流を与え、第２の流量調整器１８内で第２の方向に第２の径方向の旋回流を与えるステップを含んでもよい。方法は更に、流量調整器１８を通って、及び／又は環状インサート５０を通って作動流体１６を流し、液体燃料ＬＦを環状インサート５０内に噴射するステップを含んでもよい。方法は更に、環状インサート５０内で作動流体１６と液体燃料ＬＦとを混合し、環状インサートの内表面５４に沿って液体燃料ＬＦを予め成膜するステップを含んでもよい。方法は更に、液体燃料ＬＦが環状インサートの下流側端部５２の下流側に流れる際に、液体燃料ＬＦを気化するステップを含んでもよい。方法は更に、径方向の流れ領域４６に流入する作動流体１６に径方向の旋回流を与え、気化した液体燃料ＬＦが環状インサートの下流側端部５２を横切って流れる際に、気化した液体燃料ＬＦをせん断するステップを含んでもよい。

本記述要件は、実施例を使用して、最良のモードを含めた本発明を開示し、且つ全ての当業者が全てのデバイス又はシステムを本発明から製造することができ、使用でき、組み込まれた全ての方法を実施できるようにしている。本発明の特許の範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が想到する他の実施例を含んでもよい。他のこうした実施例は、それらが特許請求の範囲の文字言語から逸脱しない構造要素を有する場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字言語と実質的に相違のない等価な構造要素を含んでいる場合は、特許請求の範囲の範囲内にあることを意図するものである。

１０ 燃焼器
１２ 端部カバー
１４ ケーシング
１６ 作動流体
１８ 流量調整器
２０ 管
２２ 管束
２４ プレート
２６ 燃料−作動流体混合気
２８ 燃焼ゾーン
３０ 導管
３２ 噴霧器
３４ 管の上流側端部
３６ 管の下流側端部
３８ 燃料ポート
４０ 径方向通路
４２ 流量調整器内表面
４４ 流量調整器外表面
４６ 径方向の流れ領域
４８ 流量調整器の上流側表面
５０ 環状インサート
５２ 環状インサートの下流側端部
５４ 環状インサートの内表面
５６ 環状インサートの外表面
５８ 軸方向の流れ領域
６０ 燃料プレナム
６２ 管の内表面
６４ 管の外表面
ＧＦ 気体燃料
ＬＦ 液体燃料

Claims (20)

1. 燃焼器であって、
   ａ．管束内に配列され、前記燃焼器内に径方向に延在する少なくとも１枚のプレートによって支持され、各々の管が、下流側端部から軸方向に離隔され、前記管束を通して流体連通をもたらす上流側端部を含む複数本の管と、
   ｂ．複数本の管の１本以上の前記上流側端部から上流側に延在する流量調整器と
   ｃ．前記流量調整器を通って延在する径方向通路と、を備える燃焼器。
2. 前記径方向通路が径方向の旋回流を与えるように傾斜する請求項１に記載の燃焼器。
3. 複数の径方向通路を設けた複数の流量調整器を含み、前記複数の径方向通路が作動流体を第１の方向に向ける第１組の径方向通路と、前記作動流体を第２の方向に向ける第２組の径方向通路とを備える請求項１に記載の燃焼器。
4. 複数の径方向通路を備え、前記複数の径方向通路が異なる流路面積を画成する請求項１に記載の燃焼器。
5. 環状インサートを更に備え、前記環状インサートが概して流量調整器と同心であると共に、前記流量調整器によって少なくとも部分的に囲まれた下流側端部を含む請求項１に記載の燃焼器。
6. 前記環状インサートが前記作動流体に軸方向の旋回流を与える請求項５に記載の燃焼器。
7. 前記環状インサートが内表面と外表面とを含み、前記内表面が前記下流側端部に向かって径方向内側に収斂する請求項５に記載の燃焼器。
8. 前記環状インサートが内表面と外表面とを含み、前記内表面が前記下流側端部に向かって径方向外側に分岐する請求項５に記載の燃焼器。
9. 前記環状インサートが内表面と外表面とを含み、前記外表面が前記下流側端部に向かって径方向内側に収斂する請求項５に記載の燃焼器。
10. 燃焼器であって、
    ａ．管束内に配列され、前記燃焼器内に径方向に延在する少なくとも１枚のプレートによって支持され、各々の管が、下流側端部から軸方向に離隔され、前記管束を通して流体連通をもたらす上流側端部を含む複数本の管と、
    ｂ．複数本の管の１本以上の前記上流側端部から上流側に延在する流量調整器と
    ｃ．前記流量調整器によって少なくとも部分的に囲まれ、尚且つ下流側端部を有する環状インサートと、を備える燃焼器。
11. 前記環状インサートが、前記流量調整器を通る軸方向の流れ領域を形成する請求項１０に記載の燃焼器。
12. 前記環状インサートと前記流量調整器とが、前記流量調整器内に径方向の流れ領域を形成する請求項１０に記載の燃焼器。
13. 前記下流側端部が尖鋭なエッジで終端する請求項１０に記載の燃焼器。
14. 前記環状インサートが内表面と外表面とを含み、前記内表面が前記下流側端部に向かって径方向内側に収斂する請求項１０に記載の燃焼器。
15. 前記環状インサートが内表面と外表面とを含み、前記内表面が前記下流側端部に向かって径方向外側に分岐する請求項１０に記載の燃焼器。
16. 前記環状インサートが内表面と外表面とを含み、前記外表面が前記下流側端部に向かって径方向内側に収斂する請求項１０に記載の燃焼器。
17. 複数の流量調整器と複数の環状インサートとを備え、第１の環状インサートが第１の流量をもたらし、第２の環状インサートが第２の流量をもたらす請求項１０に記載の燃焼器。
18. 前記環状インサートが前記流量調整器の軸方向上流側に延在する請求項１０に記載の燃焼器。
19. 燃焼器内で燃料を配分する方法であって、
    ａ．複数本の管を含み、少なくとも１枚のプレートによって支持された管束内に構成された管の上流側端部から上流側に延在する流量調整器を通って作動流体を流すステップであって、前記流量調整器が前記作動流体に径方向の旋回流を与える少なくとも１つの径方向通路を含むステップと、
    ｂ．前記流量調整器によって少なくとも部分的に囲まれた環状インサートを通って燃料を流すステップと、を含む方法。
20. 前記燃料と前記作動流体とを前記環状インサートの下流側端部を横切って流すステップを含む請求項１９に記載の方法。