JP2013190200A - 燃焼器及び燃焼器での熱応力を低減する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
改良された燃焼器及び燃焼器の熱応力を低減して燃料回路の材料及び／又は製造コストを下げる。
【解決手段】燃焼器は、燃焼室と、該燃焼室を円周方向に取り囲んで燃焼室との間で少なくとも部分的に環状通路を形成するケーシングを備える。燃料プレナムは、ケーシングを半径方向に通って延びて、ケーシングを通って環状通路と流体連通するようになっており、ライナは、燃料プレナムの少なくとも一部の内側に延びて、燃料が燃料プレナムの少なくとも一部と直接衝突することを阻止する。また、燃焼器の熱応力を低減する方法は、ケーシングを半径方向に通って延びる燃料プレナムの内部に燃料を流す段階と、燃料プレナムの少なくとも一部がケーシングの半径方向内側で燃料と直接衝突しないように遮蔽する段階と、燃料プレナムからの燃料をケーシングと燃焼室との間の環状通路に流す段階とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体的には、ガスタービン又は他のターボ機械に組み込むことができる燃焼器、及び燃焼器での熱応力を低減する方法に関する。具体的には、本発明の様々な実施形態は、燃焼器の燃料回路における熱応力を低減する。

通常、燃焼器は工業用途及び発電用途で使用され、燃料に着火して燃焼させて高温及び高圧の燃焼ガスを発生させる。典型的な燃焼器は、燃焼室を取り囲んで燃焼室との間で環状通路を形成するケーシングを含む。１つ又はそれ以上の燃料ノズルは、燃焼器の一端の端部カバーにおいて半径方向に配置することができる。ノズルは、燃料を作動流体と混合し、混合気は、燃焼室に流入して着火され、高温及び高圧の燃焼ガスが発生する。

燃焼器は、複数の燃料回路を利用する場合が多く、望ましくないエミッションを低減しながら熱力学的な効率を高めるようになっている。例えば、一次燃料回路は、燃焼器の始動時に液体燃料をノズルに供給して、火炎安定性を高めることができる。二次燃料回路は、定常状態運転時に安価なガス状燃料をノズルに供給して、運転コストを下げることができる。三次燃料回路は、高出力運転時にノズルの下流の燃焼室に液体及び／又はガス状燃料を直接噴射して、エミッション限界値を超えない状態で燃焼器の燃焼温度を上昇させることができる。最後に、四次燃料回路は、ノズルの上流の環状通路に液体及び／又はガス状燃料を供給して、ノズルに到達する前に作動流体と予混合させることができる。

燃料と作動流体との間の温度差は、燃料回路及び隣接する構成要素の両方において大きな熱応力を発生させる可能性がある。さらに、燃料回路は、例えば燃料回路内に形成されてその後に遊離する腐食生成物で閉塞される可能性がある、比較的小さな通路又はポートを含む場合が多い。その結果、燃料回路は、耐食性がありかつ大きな強度を有する高価な材料を必要とする場合が多い。さらに、この材料は、燃料回路の製造コストをさらに高める多くの熱処理を必要とする場合が多い。

米国特許第７，９２６，２８６号明細書

従って、改良された燃焼器及び燃焼器の熱応力を低減して燃料回路の材料及び／又は製造コストを下げる方法が有用である。

本発明の態様及び利点は、以下の説明に記載されており、又はその説明から自明なものとすることができ、或いは本発明を実施することにより知ることができる
本発明の１つの実施形態は、燃焼室と、該燃焼室を円周方向に取り囲んで燃焼室との間で少なくとも部分的に環状通路を形成するケーシングを備えた燃焼器である。燃料プレナムは、ケーシングを半径方向に通って延びて、ケーシングを通って環状通路と流体連通するようになっており、燃焼器は、燃料プレナムの少なくとも一部が燃料プレナムを通って流れる燃料と直接衝突しないように遮蔽する手段を含む。

本発明の別の実施形態は、燃焼室と、該燃焼室を円周方向に取り囲んで燃焼室との間で少なくとも部分的に環状通路を形成するケーシングを備えた燃焼器である。燃料プレナムは、ケーシングを半径方向に通って延びて、ケーシングを通って環状通路と流体連通するようになっており、ライナは、燃料プレナムの少なくとも一部の内側に延びて、燃料が燃料プレナムの少なくとも一部と直接衝突することを阻止する。

また、本発明は、燃焼器での熱応力を低減する方法を含むことができ、本方法は、ケーシングを半径方向に通って延びる燃料プレナムの内部に燃料を流す段階と、燃料プレナムの少なくとも一部がケーシングの半径方向内側で燃料と直接衝突しないように遮蔽する段階と、燃料プレナムからの燃料をケーシングと燃焼室との間の環状通路に流す段階とを含む。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の様々な実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービンの概略断面図。 本発明の第１の実施形態による、図１に示す燃焼器の拡大部分側面断面図。 図２に示す燃料プレナムの一部分の拡大側面断面図。 図２に示す燃料プレナムの軸方向断面図。

ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似した表示を使用している。本明細書で使用する場合に、「第１の」、「第２の」、及び「第３の」という用語は、１つの構成部品を他の構成部品と区別するために同義的に使用することができかつ個々の構成部品の位置又は重要性を示すことを意図していない。さらに、「上流」及び「下流」という用語は、流体通路における構成部品の相対的な位置を表している。例えば、構成部品Ａは、流体が構成部品Ａから構成部品Ｂに流れる場合には、構成部品Ｂの上流に位置する。換言すれば、構成部品Ｂは、該構成部品Ｂが構成部品Ａから流体流れを受ける場合には、構成部品Ａの上流に位置する。

各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するような修正形態及び変形形態を保護することを意図している。

本発明の様々な実施形態は、燃焼器及び燃焼器での熱応力を低減する方法を含む。通常、燃焼器は燃焼室を円周方向に取り囲んで、燃焼室との間に環状通路を少なくとも部分的に形成するケーシングを含む。１つ又はそれ以上の燃料回路は、ケーシングを通ってノズル及び／又は燃焼室に液体燃料及び／又はガス状燃料を供給する。特定の実施形態では、燃料プレナムは、環状通路に及び／又は燃焼室の周りで円周方向に燃料を供給し、燃料プレナムの内側のライナ又は他の手段は、燃料プレナムの少なくとも一部分が燃料と接触しないように遮蔽して、燃料プレナムで生じる熱応力を低減する。本発明の例示的な実施形態は、説明目的でガスタービンに組み込まれた燃焼器に関してその全体が説明されることになるが、本発明の実施形態は、あらゆる燃焼器に適用することができ、特許請求の範囲に特に記載されない限り、ガスタービン燃焼器又は他のターボ機械に限定されないことは当業者であれば容易に分かるはずである。

図１は、本発明の様々な実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン１０の概略断面図を示す。図示するように、通常、ガスタービン１０は、前方に圧縮機１２、中央付近で半径方向に配置された１つ又はそれ以上の燃焼器１４、及び後方にタービン１６を含むことができる。一般的に、圧縮機１２及びタービン１６は、発電機２０に結合される共通ロータ１８を共用して電力を発生するようになっている。

圧縮機１２は、周囲空気等の作動流体が圧縮機１２に流入して、固定ベーン２４及び回転ブレード２６の交互する段を通って流れる軸流圧縮機とすることができる。圧縮機ケーシング２８は、固定ベーン２４及び回転ブレード２６が作動流体２２を加速して方向を変えるように作動流体２２を閉じ込めて、加圧作動流体２２の連続流を発生させる。加圧作動流体２２の大部分は、圧縮機吐出プレナム３０を通って燃焼器１４に流れる。

燃焼器１４は、本技術分野では公知の任意の形式の燃焼器とすることができる。例えば、図１に示すように、燃焼器ケーシング３２は、燃焼器１４の一部又は全部を円周方向に取り囲んで、圧縮機１２から流れる加圧作動流体２２を閉じ込めることができる。１つ又はそれ以上の燃料ノズル３４は、端部カバー３６に半径方向に配置することができ、燃料ノズル３４の下流の燃焼室３８に燃料を供給するようになっている。使用できる燃料としては、例えば１つ又はそれ以上の溶鉱炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化した液化ガス（ＬＮＧ）、水素、及びプロパンを挙げることができる。加圧作動流体２２は、端部カバー３６に到達して反対方向に向かう前に、圧縮機吐出プレナム３０から燃焼室３８の外側に沿って流れることができ、燃料ノズル３４を通って流れて燃料と混合するようになっている。燃料及び加圧作動流体２２の混合気は、燃焼室３８に流入して着火し、高温及び高圧の燃焼ガスを発生するようになっている。燃焼ガスは、移行部品４０を通ってタービン１６に流れる。

タービン１６は、ステータ４２及び回転バケット４４の交互する段を含むことができる。ステータ４２の第１段は、燃焼ガスをタービンバケット４４の第１段に向け直して集中させる。燃焼ガスがタービンバケット４４の第１段上を通過すると、燃焼ガスは膨張して、タービンバケット４４及びロータ１８を回転させる。次に、燃焼ガスは、該燃焼ガスを回転タービンバケット４４の次の段に向け直すステータ４２の次の段に流入し、このプロセスは後続の段に関して繰り返される。

図２は、本発明の第１の実施形態による図１に示す燃焼器１４の拡大部分側面断面図を示す。図示のように、燃焼器ケーシング３２及び端部カバー３６は、燃焼器１４の内側にヘッド端部とも呼ばれる容積部５０を形成し、ライナ５２は、燃焼室３８の少なくとも一部分を円周方向に取り囲み燃焼室３８の少なくとも一部分を形成する。流れスリーブ５４は、燃焼室３８の少なくとも一部分を円周方向に取り囲んで、流れスリーブ５４とライナ５２との間に環状通路５６を形成する。このようにして、作動流体２２は、環状通路５６を通って流れてライナ２４を対流冷却する。作動流体２２がヘッド端部又は容積部５０に到達すると、作動流体２２は、逆方向に向きを変えて、１つ又はそれ以上の燃料ノズル３４を通って燃焼室３８に流入する。

燃焼器ケーシング３２は、組立を容易にする及び／又は運転時の熱膨張を吸収する複数の環状セクションを含むことができる。例えば、図２に示す特定の実施形態に示すように、燃焼器ケーシング３２は、端部カバー３６に隣接した第１の環状ケーシング６０及び該第１のケーシング６０の上流に第２の環状ケーシング６２を含むことができる。クランプ、溶接ビード、及び／又は複数のボルト６４は、燃焼器１４を円周方向に取り囲み、第１の環状ケーシング６０と第２の環状ケーシング６２との間の結合部又は接合部６６を形成することができる。

特定の実施形態では、フランジ７０は、第１の環状ケーシング６０と第２の環状ケーシング６２との間で半径方向に延びることができ、フランジ７０は、結合部６６を通る流体連通を形成する１つ又はそれ以上の内部流体通路を含むことができる。例えば、フランジ７０は、ケーシング３２を通って半径方向に延び、ケーシング３２を通って環状通路５６への流体連通をもたらす燃料プレナム７２を含むことができる。複数のベーン７４は、燃焼室３８を円周方向に取り囲み環状通路５６内を半径方向に延びて、作動流体２２の流れを導くことができる。特定の実施形態では、ベーン７４は、角度が付けられて、環状通路５６を通って流れる作動流体２２にスワールを付与することができる。フランジ７０は、ベーン７４の１つ又はそれ以上に結合することができ、燃料プレナム７２は、燃料がベーン７４の４次燃料ポート７６を通って流れて、環状通路５６を通って流れる作動流体２２と混合することができるように、ベーン７４の１つ又はそれ以上の内部を延びることができる。別の方法として又は追加的に、フランジ７０は、希釈通路７８を含むことができ、この希釈通路７８は、作動流体２２が燃焼室３８に流れる前に燃料ノズル３４内に又はその周りを流れるための流体通路を提供する。

作動流体２２が環状通路５６を通って流れると、作動流体２２と燃料との間の温度差は、フランジ７０、燃料プレナム７２、及び／又はベーン７４の実質的な温度勾配を発生させる場合がある。結果として、温度勾配は、ニッケル、クロム、及び鉄を含有する高合金鋼の使用及び／又は製造時に高価で時間のかかる熱処理を必要とする、大きな熱応力を発生させる場合がある。材料及び／又は製造コストを下げるために、本発明の様々な実施形態では、燃料プレナム７２の少なくとも一部に、燃料プレナム７２を通って流れる燃料が直接衝突しないように遮蔽する手段を含むことができる。本明細書で使用する場合に、本手段の機能は、燃料プレナム７２を通って流れる燃料が、燃料プレナム７２の少なくとも一部に対して直接衝突することを阻止することを含む。特定の実施形態では、本手段はさらに、燃料プレナム７２を通って流れる燃料が、ベーン７４とケーシング３２との間で何らかの燃料プレナム７２と直接衝突することを阻止することができる。燃料プレナム７２を通って流れる燃料が燃料プレナム７２の一部と直接衝突することを阻止することによって、本手段は、さもなければ燃料プレナム７２上に衝突することになる燃料によって引き起こされる燃料プレナム７２の局部的な冷却を低減する。このようにして、本手段は、燃料と燃料プレナム７２との間での遮蔽体として機能して、フランジ７０及び／又は燃料プレナム７２における温度勾配を緩やかにする。別の方法として又は追加的に、本手段はまた、腐食生成物を燃料プレナム７２の表面から剥ぎ取る又は別の方法で遊離させる場合がある燃料流の腐食作用から燃料プレナム７２を保護することができる。その結果、本手段により、燃料プレナム７２の一部のために炭素鋼又は低合金鋼等の安価な材料の使用すること及び／又は燃料プレナム７２の一部の製造時に必要とされる熱処理量を削減又は低減させることができる。

図３は、図２に示す燃料プレナム７２の一部の拡大側面断面図を示し、図４は、線Ａ−Ａに沿って切り取った図２に示す燃料プレナム７２の軸方向断面図を示す。図３及び図４に示すように、燃料プレナム７２の少なくとも一部が燃料プレナム７２を通って流れる燃料と直接衝突しないようにするための手段に関する構造体は、好適な腐食性及び強度特性を有する材料から作られたインサート、ライナ８０、又は他の遮蔽体とすることができる。例えば、ライナ８０は、ニッケル、クロム、及び鉄を含有する高合金鋼から作ることができ、燃料プレナム７２に関しては炭素又は低合金鋼等の安価な材料の使用が可能になる。ライナ８０は、燃料プレナム７２の少なくとも一部に挿入して、燃料プレナム７２に対して軽く押し付けて、ケーシング３２の半径方向内側で燃料プレナム７２の少なくとも一部の内側にしっかりと保持することができる。図３及び図４にさらに示すように、燃料プレナム７２は、燃焼室３８の周りで円周方向に延びることができ、同一の又は別個のライナ８０は、燃焼室３８の周りで円周方向に燃料プレナム７２の内側に延びることができる。このようにして、ライナ８０は、燃料プレナム７２を通って流れる燃料がベーン７４とケーシング３２との間で何らかの燃料プレナム７２と直接衝突するのを阻止することができる。しかしながら、本発明の特定の実施形態は、特許請求の範囲において特に表記しない限り、ライナ８０を燃料プレナム７２の内側に連続して延ばすことを必要としないことを当業者であれば容易に理解できるはずである。

図３及び図４に示すように、ライナ８０は、燃料プレナムの一部又は全部の内側に流体境界部を形成するために、嵌合又は他の方法で互いにシールされた複数のセクションを含むことができる。さらに、燃料プレナム７２の内側の１つ又はそれ以上の移動止め８２は、ライナ８０と接触して、ライナ８０を燃料プレナム７２の内側の所定位置に保持することができる。移動止め８２は、本技術分野では公知の任意の適切な構造を有し、隣接する物体の間の動きを抑えることができる。例えば、図３に最も明確に示すように、移動止め８２は、ライナ８０を所定位置に保持するために燃料プレナム７２とライナ８０との間に摩擦嵌めを提供する、燃料プレナム７２の内側のリング、突起物、又は他の表面要素を含むことができる。また、移動止め８２は、燃料プレナム７２とライナ８０との間にシールをもたらすことができる。このようにして、移動止め８２は、ライナ８０の周り及び腐食の影響を受けやすく結果的に腐食生成物が燃料流に遊離する可能性のある安価な材料で作られた燃料プレナム７２の領域上を燃料が流れること低減又は防止できる。

また、図１から図４で説明及び図示する構造は、燃焼器１４の熱応力を減少させる方法を提供することができる。本方法は、燃料プレナム７２の内側に燃料を流す段階と、燃料の少なくとも一部がベーン７４とケーシング３２との間の燃料プレナム７２に直接衝突しないように遮蔽する段階と、燃料を燃料プレナム７２からケーシング３２と燃焼室３８との間で環状通路５６に流す段階と含むことができる。特定の実施形態では、本方法は、ベーン７４とケーシング３２との間の全燃料プレナム７２が燃料と直接衝突しないように遮蔽する段階を含むことができる。別の方法として又は追加的に、本方法は、燃焼室３８の周りで円周方向に燃料プレナム７２の内側に燃料を流す段階、及び／又は燃焼室３８の周りで円周方向に燃料プレナム７２の内側に流れる燃料が燃料プレナム７２に直接衝突しないように遮蔽する段階を含むことができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ ロータ
２０ 発電機
２２ 作動流体
２４ 固定ベーン
２６ 回転ブレード
２８ 圧縮機ケーシング
３０ 吐出プレナム
３２ 燃焼器ケーシング
３４ 燃料ノズル
３６ 端部カバー
３８ 燃焼室
４０ 移行部品
４２ ステータ
４４ バケット
５０ 容積部
５２ ライナ
５４ 流れスリーブ
５６ 環状通路
６０ 第１の環状ケーシング
６２ 第２の環状ケーシング
６４ ボルト
６６ 結合部又は接合部
７０ フランジ
７２ 燃料プレナム
７４ ベーン
７６ ４次燃料ポート
７８ 希釈通路
８０ ライナ
８２ 移動止め

Claims (20)

1. ａ．燃焼室と、
   ｂ．前記燃焼室を円周方向に取り囲んで、前記燃焼室との間に環状通路を少なくとも部分的に形成するケーシングと、
   ｃ．前記ケーシングを半径方向に通って延びて、前記ケーシング内で前記環状通路と流体連通する燃料プレナムと、
   ｄ．前記燃料プレナムの少なくとも一部が前記燃料プレナムを通って流れる燃料と直接衝突しないように遮蔽する手段と、
   を含む燃焼器。
2. 前記ケーシングから半径方向内側にベーンをさらに含み、
   前記燃料と直接衝突しないように遮蔽する手段が、燃料が前記ベーンと前記ケーシングとの間の前記燃料プレナムに直接衝突するのを阻止する、請求項１記載の燃焼器。
3. 前記燃料と直接衝突しないように遮蔽する手段が、前記ケーシングの半径方向内側で前記燃料プレナムの内側に延びる、請求項１記載の燃焼器。
4. 前記燃料プレナムが、前記燃焼室の周りで円周方向に延びる、請求項１記載の燃焼器。
5. 前記燃料と直接衝突しないように遮蔽する手段が、前記燃焼室の周りで円周方向に前記燃料プレナムの内側に延びる、請求項４記載の燃焼器。
6. 前記燃料プレナムの内側で、前記遮蔽する手段と接触した状態の移動止めをさらに含む、請求項１記載の燃焼器。
7. 前記環状通路において前記燃焼室を円周方向に取り囲む複数のベーンをさらに含む、請求項１記載の燃焼器。
8. 前記燃料プレナムが、前記複数のベーンの１つ又はそれ以上の内部に延びる、請求項７記載の燃焼器。
9. ａ．燃焼室と、
   ｂ．前記燃焼室を円周方向に取り囲んで、前記燃焼室との間に環状通路を少なくとも部分的に形成するケーシングと、
   ｃ．前記ケーシングを半径方向に通って延びて、前記ケーシング内で前記環状通路と流体連通する燃料プレナムと、
   ｄ．前記燃料プレナムの少なくとも一部の内側に延びて、燃料が前記燃料プレナムの少なくとも一部に直接衝突するのを阻止するライナと、
   を含む燃焼器。
10. 前記ケーシングから半径方向内側にベーンをさらに含み、
    前記ライナが、前記燃料プレナムの内側に延びて、燃料が前記ベーンと前記ケーシングとの間の前記燃料プレナムの任意の部分に直接衝突するのを阻止する、請求項９記載の燃焼器。
11. 前記ライナが、前記ケーシングの半径方向内側で前記燃料プレナムの内側に延びる、請求項９記載の燃焼器。
12. 前記燃料プレナムが、前記燃焼室の周りで円周方向に延びる、請求項９記載の燃焼器。
13. 前記ライナが、前記燃焼室の周りで円周方向に前記燃料プレナムの内側に延びる、請求項１２記載の燃焼器。
14. 前記燃料プレナムの内側で、前記ライナと接触した状態の移動止めをさらに含む、請求項９記載の燃焼器。
15. 前記環状通路内の前記燃焼室を円周方向に取り囲む複数のベーンをさらに含む、請求項９記載の燃焼器。
16. 前記燃料プレナムが、前記複数のベーンの１つ又はそれ以上の内部に延びる、請求項１５記載の燃焼器。
17. 燃焼器での熱応力を低減する方法であって、
    ａ．ケーシングを半径方向に通って延びる燃料プレナムの内側に燃料を流す段階と、
    ｂ．前記燃料プレナムの少なくとも一部が前記ケーシングの半径方向内側で前記燃料と直接衝突しないように遮蔽する段階と、
    ｃ．前記燃料を前記燃料プレナムから前記ケーシングと燃焼室との間の環状通路に流す段階と、
    を含む方法。
18. 前記ケーシングと該ケーシングから半径方向内側のベーンとの間の前記燃料プレナムの全てが前記燃料と直接衝突しないように遮蔽する段階をさらに含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記燃焼室の周りで円周方向に前記燃料プレナムの内側に前記燃料を流す段階をさらに含む、請求項１７記載の方法。
20. 前記燃焼室の周りで円周方向に前記燃料プレナムの内側を流れる燃料が前記燃料プレナムに直接衝突しないように遮蔽する段階をさらに含む、請求項１９記載の方法。

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