JP2013245935A

JP2013245935A - 気体燃料運転の間受動的に燃料供給され予混合される空気噴射回路がある液体カートリッジ

Info

Publication number: JP2013245935A
Application number: JP2013107543A
Authority: JP
Inventors: James Harold Westmoreland; ジェームズ・ハロルド・ウェストモアランド; Gregory Allen Boardman; グレゴリー・アレン・ボードマン; Patrick Benedict Melton; パトリック・ベネディクト・メルトン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2013-12-09
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: RU2013123643A; JP6200692B2; US20130312422A1; EP2667099B1; CN103423772B; EP2667099A3; EP2667099A2; CN103423772A; US9261279B2

Abstract

【課題】気体燃料運転の間受動的に燃料供給され予混合される空気噴射回路がある液体カートリッジを提供すること。
【解決手段】気体／液体燃料ノズルアセンブリは、混合管のアレイを含む予混合管束、混合管に燃料を送達する燃料プレナム、燃料プレナム内に配置されるカートリッジ管、及びカートリッジ管内に配置される液体燃料カートリッジを含む。液体燃料カートリッジは、アニュラスを画成するようにカートリッジ管から離隔して配置される。カートリッジ管及び燃料プレナムは、流体連通して構成され、それによってプレナム内の気体燃料がアニュラス内に噴射されるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に、ガスタービンに関し、より具体的には、気体燃料運転の間、液体カートリッジの空気噴射回路に受動的に燃料供給される、二元燃料モードで運転可能なガスタービンに関する。

ガスタービンは、一般的に、流入する空気流を圧縮する圧縮機を含む。空気流は、燃料と混合され、燃焼器内で点火されて高温の燃焼ガスが発生する。次いで、その燃焼ガスはタービンへと流れる。タービンによってそのガスからエネルギが抽出されてシャフトが駆動される。シャフトは、圧縮機及び一般的に発電機などの他の要素に動力を供給する。

いくつかの設計の中には、燃焼器が液体燃料などのバックアップ燃料で動作するものがある。液体燃料カートリッジは、燃焼ゾーンの上流にある、マイクロ混合を行う燃料ノズルアセンブリの中を通して挿入される。タービンが液体燃料で動作していないとき、空気が液体カートリッジを通ってパージされる。しかし、液体カートリッジ内の空気が燃焼ゾーンにおいて望ましくないＮＯｘ生成の一因になることが、既存の設計における問題点である。

タービンが気体燃料だけで動作している間、液体カートリッジのアニュラスに気体燃料をブリードして空気と混合することにより、この問題に対処することが有利であろう。

米国特許第６６０９３８０号

例示的な一実施形態において、気体／液体燃料ノズルアセンブリは、混合管のアレイを含む予混合管束、混合管に燃料を送達する燃料プレナム、燃料プレナム内に配置されるカートリッジ管、及びカートリッジ管内に配置される液体燃料カートリッジを有する。液体燃料カートリッジは、アニュラスを画成するようにカートリッジ管から離隔して配置される。カートリッジ管及び燃料プレナムは、流体連通して構成され、それによってプレナム内の気体燃料がアニュラス内に噴射されるようになる。

他の例示的な一実施形態において、二元燃料ガスタービンにおいて燃焼器に燃料と空気を送達するマイクロミキサは、混合管のアレイを含む予混合管束、複数の気体燃料抽出孔を介して混合管に燃料を送達する燃料プレナム、プレナム内に配置され複数の気体燃料噴射孔を含むカートリッジ管、及びカートリッジ管内に配置される液体燃料カートリッジを有する。プレナム内の気体燃料は、気体燃料抽出孔及び気体燃料噴射孔を介して、液体燃料カートリッジとカートリッジ管との間のアニュラス内に噴射される。

さらに他に例示的な一実施形態において、二元燃料ガスタービンの動作方法は、（ａ）二元燃料ガスタービンを気体燃料モードで動作させるステップ、（ｂ）ステップ（ａ）の間、液体燃料カートリッジ及びアニュラスを通して空気を流すステップ、並びに（ｃ）ステップ（ａ）の間、燃料プレナムからアニュラス内に気体燃料を噴射するステップを含む。

ガスタービンの概略図である。二元燃料ノズル内にある多管アセンブリからなるマイクロミキサの断面図である。

図１は、典型的なガスタービン１０を示す。図示のように、ガスタービン１０は、全体的に、前部に圧縮機１２、中間部あたりに１つ又は複数の燃焼器１４、及び後部にタービン１６を含む。圧縮機１２及びタービン１６は、一般的に共通ロータを共有する。圧縮機１２は、流入空気を加圧する。次いで、加圧された空気は、向きを変えて又は逆向きに流れて燃焼器１４に入り、そこで燃焼器の冷却及び燃焼プロセスへの空気の供給に使用される。燃焼器１４は、燃料を圧縮作動流体流に噴射し、その混合物が点火されて高温高圧高速の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、燃焼器１４から出てタービン１６へと流れ、そこで膨張して仕事を生成する。

図２は、気体／液体燃料ノズル内にある多管アセンブリからなるマイクロミキサの断面図である。好ましい実施形態の概念は、噴霧空気がいらない液体カートリッジ設計を採用し、それを予混合管束セクタ、マイクロミキサ及びヘッドエンドに利用する。燃料ノズル２０は、混合管のアレイ２４を含む予混合管束２２を有する。燃料プレナム２５は、混合管２４に燃料を送達する。カートリッジ管２６は、燃料プレナム２５内に配置され、その内部には液体燃料カートリッジ２８が配置される。液体燃料カートリッジ２８は、カートリッジ管２６から離隔して配置され、アニュラス３０を画成する。カートリッジ管２６及び燃料プレナム２５は、流体連通して構成され、それによってプレナム２５内の気体燃料がアニュラス３０内に噴射されるようになる。

好ましい一構成では、カートリッジ管２６は、複数の気体燃料噴射孔３２を含み、それによって気体燃料が燃料プレナム２５からアニュラス３０に噴射され得るようになる。燃料プレナム２５は、１本又は複数の混合管から気体燃料を放出する複数の気体燃料抽出孔３４を含む。

図示のように、気体燃料は、アニュラス３０内に半径方向内方に噴射され、燃料室に噴射される前に空気と予混合される。この設計によって、タービンが気体燃料だけで動作している間、液体カートリッジ内の空気が燃焼器に入る前に気体燃料と予混合され得るようになり、それによって気体燃料での運転中に燃焼器から生成されるＮＯｘエミッションが減少され得るようになる。

気体燃料噴射量は、囲繞するマイクロミキサ管と同じ、それよりも少ない又は多い燃料−空気混合物を生成するように、有効流れ面積を選択することで受動的に、又は他の別個の燃料回路を使用して能動的に、調整することができる。典型的な運転では、アニュラス内の燃料／空気は、囲繞する混合管よりも希薄になるはずである。

アニュラス３０は、ノズルの性能を高めるために、空気を旋回させる又は旋回させないように設計することができる。この状況において、ベーン３６は、アニュラス３０内に配置され、空気と気体燃料をアニュラス３０から出る前に旋回させる働きをすることができる。

得られた構成によって、噴霧空気サブシステムが作動に必要なく、費用がかからず、気体燃料火炎温度を低くすることでより低いエミッションが達成されるという、追加の有効性が実現する。

本発明を最も実践的で好ましい実施形態であると現在考えられているものに関連して説明してきたが、本発明は開示の実施形態に限定されるべきではなく、逆に、様々な修正形態及び均等な構成を添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に入るとして包含するものとする。

１０ガスタービン
１２圧縮機
１４燃焼器
１６タービン
２０燃料ノズル
２２予混合管束
２４混合管
２５燃料プレナム
２６カートリッジ管
２８液体燃料カートリッジ
３０アニュラス
３２気体燃料噴射孔
３４気体燃料抽出孔
３６ベーン

Claims

気体／液体燃料ノズルアセンブリであって、
混合管（２４）のアレイを含む予混合管束（２２）と、
混合管（２４）に燃料を送達する燃料プレナム（２５）と、
プレナム内に配置されたカートリッジ管（２６）と、
カートリッジ管内に配置された液体燃料カートリッジ（２８）であって、カートリッジ管から離隔していてアニュラス（３０）を画成する液体燃料カートリッジ（２８）と
を備えており、カートリッジ管及び燃料プレナムが流体連通して構成されていて、燃料プレナム内の気体燃料がアニュラス内に噴射される、気体／液体燃料ノズルアセンブリ。
前記カートリッジ管（２６）が、燃料プレナムからアニュラスに気体燃料を噴射することができる複数の気体燃料噴射孔（３２）を備える、請求項１記載の気体／液体燃料ノズルアセンブリ。
前記燃料プレナム（２５）が、気体燃料を混合管から放出する複数の気体燃料抽出孔（３４）を備える、請求項２記載の気体／液体燃料ノズルアセンブリ。
前記アニュラス（３０）内に配置されたベーン（３６）であって、アニュラスから出る前の空気と気体燃料を旋回させるベーン（３６）をさらに備える、請求項１記載の気体／液体燃料ノズルアセンブリ。
前記アニュラス（３０）内に噴射される気体燃料量が調整される、請求項１記載の気体／液体燃料ノズルアセンブリ。
二元燃料ガスタービンにおいて燃料と空気を燃焼器に送達するマイクロミキサであって、
混合管（２４）のアレイを含む予混合管束（２２）と、
混合管（２４）に燃料を送達する燃料プレナム（２５）であって、複数の気体燃料抽出孔（３４）を含む燃料プレナム（２５）と、
プレナム内に配置されたカートリッジ管（２６）であって、複数の気体燃料噴射孔（３２）を含むカートリッジ管（２６）と、
カートリッジ管内に配置された液体燃料カートリッジ（２８）と
を備えており、プレナム内の気体燃料が、気体燃料抽出孔及び気体燃料噴射孔を介して、液体燃料カートリッジとカートリッジ管との間のアニュラス（３０）内に噴射される、マイクロミキサ。
前記アニュラス（３０）内に配置されたベーン（３６）であって、アニュラスから出る前の空気と気体燃料を旋回させるベーン（３６）をさらに備える、請求項６記載のマイクロミキサ。
前記アニュラス（３０）内に噴射される気体燃料量が調整される、請求項６記載のマイクロミキサ。
混合管（２４）のアレイを含む予混合管束（２２）と、混合管（２４）に燃料を送達する燃料プレナム（２５）と、プレナム内に配置されたカートリッジ管と、カートリッジ管内に配置され、カートリッジ管から離隔していてアニュラス（３０）を画成する液体燃料カートリッジ（２８）とを備えていて、カートリッジ管及び燃料プレナムが流体連通して構成されている、二元燃料ガスタービンの動作方法であって、当該方法が、
（ａ）二元燃料ガスタービンを気体燃料モードで動作させるステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）の間、液体燃料カートリッジ及びアニュラスを通して空気を流すステップと、
（ｃ）ステップ（ａ）の間、燃料プレナムからアニュラス内に気体燃料を噴射するステップと
を含む、方法。
前記燃料プレナム（２５）が複数の燃料抽出孔（３４）を含んでいて、ステップ（ｃ）が、燃料抽出孔を介して燃料プレナムから気体燃料を抽出することによって実施される、請求項９記載の方法。
前記カートリッジ管（２６）が複数の燃料噴射孔（３２）を含んでいて、ステップ（ｃ）が、さらに、燃料噴射孔を介してアニュラス内に気体燃料を噴射することによって実施される、請求項１０記載の方法。
アニュラス内の流れに旋回を与えるステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
ステップ（ｃ）が、アニュラス（３０）内に半径方向内方に気体燃料を噴射することにより実施される、請求項９記載の方法。
二元燃料ガスタービンを液体モードで動作させるステップと、液体モードにおいて、アニュラス内に気体燃料が噴射されないようにするステップとをさらに含む、請求項９記載の方法。
燃料プレナムからアニュラス内に噴射される気体燃料量を調整するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。