JP6050821B2 - 燃焼器及び燃焼器に燃料を供給する方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、燃焼器及び燃焼器に燃料を供給する方法に関する。

商用ガスタービンは、従来技術において発電用として知られている。発電に用いられる典型的なガスタービンは、前部に軸流圧縮機、中央部周辺に１つ以上の燃焼器、後部にタービンを含んでいる。周囲空気が圧縮機に供給され、圧縮機内の動翼及び静翼が作動流体（空気）に運動エネルギーを徐々に付与して、高通電状態の圧縮作動流体を生成する。圧縮作動流体は圧縮機を出て、１つ以上のノズルを通って各燃焼器内の燃焼室に流れ込み、圧縮作動流体はそこで燃料と混合して、高温及び高圧の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、タービン内で膨張して仕事を生成する。例えば、タービン内における燃焼ガスの膨張によって、発電機に連結されたシャフトを回転させて、電気を発生させることができる。

タービンを出た燃焼ガスは、様々な量の亜酸化窒素、一酸化炭素、未燃炭化水素、及びその他の望ましくない排出物を含み、各排出物の実際の量は設計及び作動パラメータに左右される。例えば、燃焼器の設計長さは、燃料空気混合気が燃焼器内に残留する時間に直接影響する。燃焼器内の燃料空気混合気の滞留時間が長くなると一般に亜酸化窒素レベルが高まる一方、燃焼器内の燃料空気混合気の滞留時間が短くなると一般に一酸化炭素及び未燃炭化水素レベルが高まる。同様に、燃焼器の作動レベルは、燃焼ガスの排出物成分に直接影響する。具体的には、高出力運転に関連して燃焼ガス温度が高くなると一般に亜酸化窒素レベルが高まる一方、少量の燃料空気混合気及び／又はターンダウン運転に関連して燃焼ガス温度が低くなると一般に一酸化炭素及び未燃炭化水素レベルが高まる。

欧州特許出願公開第０６８７８６４号公報

従って、燃焼器に燃料を供給する燃焼器設計及び方法の継続した改良は、燃焼ガス内の望ましくない排出物を低減するのに役立つであろう。

本発明の態様及び利点は、以下の説明において後述するが、その説明から自明なものとすることができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。

本発明の一実施形態は、キャップと、キャップから下流に延在するライナーと、ライナーから下流に延在するトランジションピースとを含む燃焼器である。燃焼室は、キャップから下流に位置し、キャップとライナーによって少なくとも部分的に画定される。二次ノズルは、ライナー又はトランジションピースの少なくとも一方の周囲に円周方向に配置される。二次ノズルは、燃焼器を包囲するケーシングからライナー又はトランジションピースの少なくとも一方を通って延在する中央本体と、中央本体を通る流体通路と、中央本体の少なくとも一部を円周方向に包囲するシュラウドと、中央本体とシュラウドの間の環状通路とを含む。

本発明の別の実施形態は、キャップと、キャップ内に軸方向に配置された一次ノズルと、キャップから下流に延在するライナーと、キャップから下流にキャップとライナーによって少なくとも部分的に画定される燃焼室と、ライナーから下流に延在するトランジションピースとを含む燃焼器である。二次ノズルは、ライナー又はトランジションピースの少なくとも一方の周囲に円周方向に配置されてそれを通過する。二次ノズルは、中央本体と、中央本体を通る流体通路と、中央本体の少なくとも一部を円周方向に包囲するシュラウドと、中央本体とシュラウドの間の環状通路とを含む。

本発明は、燃焼器に燃料を供給する方法を更に含み、この方法は、燃焼器のブリーチ端部において軸方向に配置された一次ノズルを通して第１の燃料を流すステップと、ライナー又はトランジションピースの少なくとも一方の周囲に円周方向に配置されてそれを通過する二次ノズルを通して第２の燃料を流すステップとを含む。二次ノズルは、中央本体と、中央本体を通る流体通路と、中央本体の少なくとも一部を円周方向に包囲するシュラウドと、中央本体とシュラウドの間の環状通路とを含む。

本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。

添付図面を参照することを含む本明細書の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより具体的に説明する。
本発明の第１の実施形態による例示的な燃焼器の簡略断面図である。 図１に示す二次ノズルの一実施形態の拡大図である。 本発明の第２の実施形態による燃焼器の簡略断面図である。 図３に示す二次ノズルの一実施形態の拡大図である。 図３に示す二次ノズルの別の実施形態の拡大図である。

次に、その１つ以上の実施例を添付図面に示している本発明の現在の実施形態を詳細に参照することにする。詳細な説明では、図面における特徴を指すために数字表示及び文字表示を使用する。図面及び説明における同様又は類似の表示は、本発明の同様又は類似の部品を参照するのにも使用している。

各実施例は、本発明を説明するために提示されるものであり、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の技術的範囲又は技術的思想を逸脱することなく、本発明に修正及び変更を加えることができることは、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例示又は説明された特徴を、別の実施形態で使用し、更なる実施形態を得ることができる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの同等物の技術的範囲にあるような、上述の修正及び変更を含むことを意図している。

本発明の様々な実施形態は、一次及び二次ノズルを有する燃焼器を含む。一次ノズルは燃焼器のブリーチ端部に位置することになり、二次ノズルは燃焼室の周囲に周状に位置することになる。一次及び二次ノズルは、燃焼室内の燃料の燃焼ガス温度及び滞留時間を最適化するために、燃焼室に圧縮作動流体と予混合された燃料の段階的な供給を行う。

図１は、本発明の一実施形態による、例えばガスタービンに含まれることになる、例示的な燃焼器１０の簡略断面図を提供する。ケーシング１２は、燃焼器１０を包囲して、燃焼器１０へと流れる圧縮作動流体を収容することができる。図示するように、燃焼器１０は、キャップ１６とエンドカバー１８の間のブリーチ端部において軸方向に配置された１つ以上の一次ノズル１４を含むことができる。キャップ１６とライナー２０が全体的に一次ノズル１４から下流に位置する燃焼室２２を包囲又は画定し、ライナー２０から下流に位置するトランジションピース２４が燃焼室２２をタービン入口２６に接続する。ここで使用しているように、「上流」及び「下流」という用語は、流体経路における構成要素の相対的位置を指す。例えば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂへと流れる場合、構成要素Ａは構成要素Ｂの上流にある。反対に、構成要素Ｂが構成要素Ａからの流体流を受ける場合、構成要素Ｂは構成要素Ａの下流にある。

流通孔３０を備えたインピンジメントスリーブ２８は、トランジションピース２４を包囲して、インピンジメントスリーブ２８とトランジションピース２４の間に環状プレナム３２を画定することができる。圧縮作動流体は、インピンジメントスリーブ２８の流通孔３０を通過し、環状プレナム３２を通って流れて、トランジションピース２４及び／又はライナー２０に対して対流冷却を行うことができる。圧縮作動流体は、エンドカバー１８に達すると、方向を転換して一次ノズル１４を通って流れ、そこで燃料と混合してから、燃焼室２２内で点火して、高温及び高圧の燃焼ガスを発生させる。

燃焼器１０は、燃焼室２２の周囲に円周方向に配置され、一次ノズル１４と略垂直に整列された１つ以上の二次ノズル４０を更に含む。図１に示す実施形態では、二次ノズル４０は、トランジションピース２４を通じて燃焼室２２との流体連通を提供する。図２は、図１に示す二次ノズル４０の一実施形態の拡大図を提供する。図示するように、二次ノズル４０は、燃焼器１０の外側に位置する流体マニホルド４２に接続することができる。流体マニホルド４２は、二次ノズル４０を通して燃焼室２２に燃料及び／又は希釈剤を供給することができる。二次ノズル４０を通して流体マニホルド４２から供給される液体燃料としては、軽油や重油、油スラリー、ナフサ、石油、コールタール、原油、及びガソリンが考えられ、流体マニホルド４２によって二次ノズル４０を通して供給される気体燃料としては、高炉ガス、一酸化炭素、コークス炉ガス、天然ガス、メタン、蒸発した液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、合成ガス、ブタン、プロパン、及びオレフィンが考えられる。二次ノズル４０を通して流体マニホルド４２から供給される希釈剤としては、水、蒸気、燃料添加剤、各種不活性ガス（例えば窒素）、及び／又は各種不燃性ガス（例えば二酸化炭素又は燃焼排気ガス）が考えられる。燃焼器１０の外側の流体マニホルド４２の位置によって、周囲空気が漏れている燃料又は希釈剤を急速に希釈して分散させることが可能になり、流体マニホルド４２に生じることがある漏れ口の検出及び修理が容易になる。

図２に最も明確に示すように、二次ノズル４０は、燃焼器１０を包囲するケーシング１２からトランジションピース２４を通って延在する流体通路４６を画定する中央本体４４を一般的に含む。流体通路４６は、中央本体４２と燃焼室２２の間で流体連通を提供する複数のポート４８で終端することになる。特定の実施形態では、図２に示すように、ポート４８は、流体通路４６の軸方向中心線５０に対して傾斜して、流体通路４６を通って燃焼室２２に流れ込む流体に渦を与えることができる。このようにして、中央本体４４、流体通路４６、及びポート４８は、トランジションピース２４を通して一次ノズル１４から下流の燃焼室２２への燃料及び／又は希釈剤の導入を可能にする。

二次ノズル４０は、中央本体４４の少なくとも一部を円周方向に包囲するシュラウド５２を更に含み、中央本体４４とシュラウド５２の間に環状通路５４を画定することができる。シュラウド５２は、シュラウド５２の少なくとも一部の周囲にベルマウス開口部５６を更に含み、圧縮作動流体の二次ノズル４０への二次ノズル４０を通した導入を容易にすることができる。代替的又は追加的に、二次ノズル４０は、環状通路５４内に１つ以上のスワーラベーン５８を含み、環状通路５４を通って燃焼室２２に流れ込む圧縮作動流体に接線方向渦を与えてもよい。

図３は、燃焼器１０の第２の実施形態の簡略断面図を提供し、図４は、図３に示す二次ノズル４０の拡大図を提供する。燃焼器１０はここでも、図１及び２に関して前述したように、ケーシング１２と、一次ノズル１４と、キャップ１６と、エンドカバー１８と、ライナー２０と、燃焼室２２と、トランジションピース２４と、環状プレナム３２とを含む。二次ノズル４０はここでも、燃焼室２２の周囲に円周方向に配置され、各一次ノズル１４と略垂直に整列される。更に、二次ノズル４０はここでも燃焼器１０の外側に位置する流体マニホルド４２に接続して、流体マニホルド４２はここでも二次ノズル４０を通して燃焼室２２に燃料及び／又は希釈剤を供給することができるようになっている。しかしながら、この特定の実施形態では、二次ノズル４０は、ライナー２０を通じて燃焼室２２との流体連通を提供する。

図４に最も明確に示すように、各二次ノズル４０はここでも、図２に示す実施形態に関して前述したように、中央本体４４と、流体通路４６と、ポート４８と、環状通路５４と、スワーラベーン５８とを一般的に含む。しかしながら、図４に示す特定の実施形態では、シュラウド５２は一般的にケーシング１２からライナー２０まで連続的に延在する。更に、シュラウド５２は、シュラウド５２を通じて環状通路５４との流体連通を提供する複数の開口６０を含む。このようにして、環状プレナム３２を通って流れる圧縮作動流体は、開口６０を通って環状通路５４に入り、スワーラベーン５８を超えて燃焼室２２に流れ込むことになる。

図５は、図３に示す二次ノズル４０の別の実施形態の拡大図を提供する。この特定の実施形態では、図４にあるスワーラベーン５８が取り除かれており、開口６０が流体通路４６の軸方向中心線５０に対して方位角的又は半径方向の少なくとも一方に傾斜している。このようにして、傾斜した開口６０が、環状通路５４を通って燃焼室２２に流れ込む圧縮作動流体に接線方向渦を与える。

図１〜５に示す様々な実施形態は、燃焼器１０に燃料を供給する方法を提供する。本方法は、燃焼器１０のブリーチ端部において軸方向に配置された複数の一次ノズル１４を通して第１の燃料を流すステップと、ライナー２０又はトランジションピース２４の少なくとも一方の周囲に円周方向に配置されてそれを通過する複数の二次ノズル４０を通して第２の燃料を流すステップとを含む。第１及び第２の燃料は、特定の設計及び操作上の要件に応じて、同じ燃料であっても異なる燃料であってもよい。各二次ノズル４０は、中央本体４４と、中央本体４４を通る流体通路４６と、中央本体４４の少なくとも一部を円周方向に包囲するシュラウド５２と、中央本体４４とシュラウド５２の間の環状通路５４とを一般的に含む。特定の実施形態において、本方法は、第２の燃料と略垂直に第１の燃料を流すステップを含んでもよい。代替的又は追加的に、本方法は、ポート４８を通る第２の燃料を旋回させるステップ、及び／又は、環状通路５４を通って燃焼室２２に流れ込む圧縮作動流体を旋回させるステップを含んでもよい。

本明細書に記載した様々な実施形態及び方法は、既存の燃焼器に勝る１つ以上の材料及び／又は操作上の利点を提供することになると予想される。例えば、一次及び二次ノズル１４，４０は、燃焼室２２に予混合された燃料空気混合気の段階的な噴射を行う。予混合された燃料空気混合気の段階的な噴射によって、高出力運転中と同様に、低出力又はターンダウン運転中の両方において燃焼ガス温度のより正確な制御を可能にすることができる。燃焼ガス温度のより正確な制御によって、燃焼器１０の幅広い動作範囲にわたって生じる望ましくない排出物を低減又は制御する機能が向上することになる。更に、燃焼室２２の円周方向周囲に二次ノズル４０を配置することによって、流体マニホルド４２を燃焼器１０の外側に位置させることができる。その結果、燃焼器１０の外側の流体マニホルド４２からの漏れ口が検出及び修理しやすくなるため、燃焼器１０内で漏れている燃料又は希釈剤によって加えられる危害を低減及び／又は防止することができる。

本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、更にあらゆる装置又はシステムを製作且つ使用すること及びあらゆる組み込まれた方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含む場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになるものとする。

Claims (10)

1. ガスタービン用の燃焼器（１０）であって、当該燃焼器（１０）が、
   ａ．キャップ（１６）と、
   ｂ．前記キャップ内に軸方向に配置された１以上の一次ノズル（１４）と、
   ｃ．前記キャップから下流に延在するライナー（２０）と、
   ｄ．前記キャップから下流の燃焼室（２２）であって前記キャップと前記ライナーによって少なくとも部分的に画定された燃焼室（２２）と、
   ｅ．前記ライナーから下流に延在するトランジションピース（２４）と、
   ｆ．前記ライナーの周囲に円周方向に配置されてそれを貫通する二次ノズル（４０）と
   を含んでおり、前記二次ノズル（４０）が、
   ｉ．前記燃焼器のケーシングから前記ライナーを貫通して延在する中央本体（４４）と、
   ｉｉ．前記中央本体を通る流体通路（４６）と、
   ｉｉｉ．前記中央本体の少なくとも一部を円周方向に包囲するシュラウド（５２）と、
   ｉｖ．前記中央本体と前記シュラウドの間の環状通路（５４）と
   を含んでおり、前記シュラウド（５２）が燃焼器の周囲のケーシングからライナーまで延在しているとともに、前記シュラウドに沿って周方向に離隔した複数の開口（６０）を画定しており、前記複数の開口（６０）が、前記ライナーと前記ケーシングとの間に画定された環状プレナム（３２）から前記シュラウドを通して前記環状通路（５４）との流体連通をもたらす、燃焼器。
2. 前記キャップ（１６）内に軸方向に配置された複数の一次ノズル（１４）を含む、請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記一次ノズルが前記二次ノズルと略垂直に整列される、請求項１又は請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記流体通路に複数のポート（４８）を更に含んでおり、前記複数のポートが前記中央本体と前記燃焼室との間の流体連通をもたらす、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃焼器。
5. 各ポートが前記流体通路の軸方向中心線に対して傾斜している、請求項４に記載の燃焼器。
6. 各開口が前記流体通路の軸方向中心線に対して方位角的又は半径方向の少なくとも一方に傾斜している、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃焼器。
7. 前記環状通路内に少なくとも１つのスワーラベーン（５８）を更に含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃焼器。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のガスタービン用の燃焼器に燃料を供給す方法であって、
   ａ．前記１以上の一次ノズル（１４）を通して第１の燃料を流すステップと、
   ｂ．前記二次ノズル（４０）を通して第２の燃料を流すステップと
   を含む、方法。
9. 前記第２の燃料と略垂直に前記第１の燃料を流すステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記二次ノズルを通って流れる第２の燃料を旋回させるステップを更に含む、請求項８又は請求項９に記載の方法。