JP6514493B2 - 燃焼用空気および燃料を混合するための予混合器アセンブリ - Google Patents

Description

本明細書に開示する主題は、タービンシステムに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの燃焼器アセンブリ内の燃焼用空気および燃料を混合するための予混合器アセンブリに関する。

従来の炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンによって通常生成される主な大気汚染排気物は、窒素酸化物、一酸化炭素および不焼成炭化水素である。空気吸入式エンジン内の窒素分子の酸化が燃焼システム反応帯内の最大限度の高温ガス温度に非常に依存するということは、当技術分野で公知である。熱機関燃焼器の反応帯の温度をサーマルＮＯｘが形成される水準以下に制御する方法の１つは、燃焼前に希薄混合気に燃料および空気を予混合することである。

燃料および空気の予混合効率は、排出水準における重要な要素である。燃料および空気を混合するために使用される管の長さは、混合効率によって決定される。管が長いほど生成される混合はより良好になるが、管を長くすることによって、望ましくないことに、管の製造に関連する追加の費用が必要となり、燃焼器およびガスタービンエンジンの全体的寸法が増加する。

米国特許第８，１８１，８９１号明細書

本発明の一態様によれば、燃焼用空気および燃料を混合するための予混合器アセンブリが、燃焼器アセンブリの先端部に配置された複数の管を含む。複数の管の１つの管が更に含まれ、管は入口端部と出口端部とを含む。管の長さに沿って延在する管の少なくとも１つの非円形部分が更に含まれ、少なくとも１つの非円形部分が、非円形横断面を含む。

本発明の別の態様によれば、燃焼用空気および燃料を混合するための予混合器アセンブリが、燃焼器アセンブリの先端部に配置された複数の管を含む。複数の管の１つの管が更に含まれる。非円形横断面を含む管の入口部分が、更に含まれる。略円形横断面を含む間の出口部分がまた更に含まれ、管の横断面積は、管の全長に亘って依然として概ね一定の状態である。管の入口端部と管の出口端部との間に配置された燃料噴射平面に配置された少なくとも１つの燃料噴射穴が更に含まれる。

本発明のやはり別の態様では、ガスタービンエンジンが、圧縮機区分、タービン区分および燃焼器アセンブリを含む。燃焼器アセンブリは、燃焼器アセンブリの先端部近傍に配置され、複数の管の下流に配置された燃焼器アセンブリの燃焼領域内で燃焼用空気および燃料を混合するように構成された複数の管を含む。燃焼器アセンブリは、入口端部および出口端部を含む複数の管の１つの管を更に含む。燃焼器アセンブリは、管の入口端部と出口端部との間に配置された燃料噴射平面に配置された少なくとも１つの燃料噴射穴を更に含む。燃焼器アセンブリは、非円形横断面を含み、燃料噴射平面に配置されている、管の非円形部分を更に含む。

これらの、および他の利点および特徴は、図面と併せて考察される以下の説明からより明確になるであろう。

本発明として見なされる主題は、本明細書の結論部で特許請求の範囲の中で詳細に指摘し、明確に特許請求する。本発明の前述および他の特徴、ならびに利点は、添付の図面と併せて考察される以下の説明から明確になる。

中心線から外側円周までのガスタービンエンジンの概略図である。 ガスタービンエンジンの燃焼器アセンブリの概略図である。 燃焼器アセンブリの予混合アセンブリの斜視図である。 第１の実施形態による予混合アセンブリの管の入口端部および出口端部の幾何形状を対照させる概略図である。 第２の実施形態による予混合アセンブリの管の入口端部および出口端部の幾何形状を対照させる概略図である。 第３の実施形態による予混合アセンブリの管の入口端部および出口端部の幾何形状を対照させる概略図である。 第４の実施形態による予混合アセンブリの管の入口端部および出口端部の幾何形状を対照させる概略図である。 第５の実施形態による予混合アセンブリの管の入口端部および出口端部の幾何形状を対照させる概略図である。 予混合アセンブリの管の様々な幾何形状の中への燃料噴射の概略図である。 管の長さに沿って概ね一定の横断面積を図示する管の斜視図である。

詳細な説明は、図面を参照して実施例として、利点および特徴と共に、本発明の実施形態を説明する。

図１を参照すると、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図が示される。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１１および燃焼器アセンブリ１４を含む。燃焼器アセンブリ１４は、少なくとも部分的に燃焼室１２を画定する燃焼器アセンブリ壁１６を含む。予混合アセンブリ２０は、燃焼器アセンブリ壁１６から延在し、燃焼室１２の中につながる。予混合アセンブリ２０は、本明細書で「予混合器アセンブリ」とも呼ぶこともできる。以下により完全に説明することになるが、予混合アセンブリ２０は、燃料入口２２を通って燃料などの第１の流体、および圧縮機１１から圧縮空気などの第２の流体を受け取る。次いで燃料および圧縮空気は混合され、燃焼室１２の中を通過し、点火されて、高温高圧の燃焼生成物またはガス流を形成する。単一の燃焼器アセンブリ１４が例示的な実施形態の中で示されているが、ガスタービンエンジン１０は、複数の燃焼器アセンブリ１４を含むことができる。いずれにせよ、ガスタービンエンジン１０は、タービン２４、ならびに圧縮機１１およびタービン２４を作動可能に結合するシャフト２６を更に含む。当技術分野で公知の方法で、タービン２４は、シャフト２６に結合され、シャフト２６を駆動し、次いで圧縮機１１を駆動する。

作動中、空気が圧縮機１１の中に流れ、高圧ガスに圧縮される。高圧ガスは燃焼器アセンブリ１４に供給され、例えばプロセスガスおよび／または合成ガス（シンガス）などの燃料と予混合アセンブリ２０の中で混合される。次いで燃料／空気または可燃混合物は、燃焼室１２の中に入り、点火されて、高温高圧の燃焼ガス流を形成する。別法として、燃焼器アセンブリ１４は、限定しないが、天然ガスおよび／または燃料油を含む燃料を燃焼させることができる。その後、燃焼器アセンブリ１４は燃焼ガス流をタービン２４に導き、タービン２４は熱エネルギーを機械的、回転エネルギーに転換する。

図２を参照すると、燃焼器アセンブリの被覆管環状列が、ガスタービンエンジン１０の軸方向の中心線を中心として円周方向に離隔配置されている。図面が見やすいように、被覆管環状列の単一の燃焼器アセンブリの部分的な図が示され、燃焼室１２および先端部２８を含む。先端部２８は、燃焼室１２に隣接した上流位置に配置され、予混合アセンブリ２０を含む。予混合アセンブリ２０は、一体に嵌合する個別の区分の中に割り当てることができる複数の管３２またはパイプを含む。例示的な実施形態では、予混合アセンブリ２０は、６つの区分を含み、各区分は約２０から約２００の管を有する。しかし、区分の数および各区分内の管の数は、使用用途に応じて変化することができることを理解されたい。複数の管３２のそれぞれは、寸法が異なることができる。明細書全体を通して複数の管３２と呼ぶが、複数の通路が一体構造アセンブリとして採用されることを理解されたい。したがって、説明を分かりやすくするために、管またはパイプという用語が本明細書で参照されるが、その用語は通路と同義的に使用されると理解されたい。

燃焼室１２は、内側に配置されたライナなど、ライナ３４によって画定される。例えば流れスリーブなどのスリーブ３８が、ライナ３４の半径方向外側に離隔配置され、ライナ３４の周囲を取り囲んでいる。空気流４０は、ライナ３４およびスリーブ３８によって画定される環状部４２内を上流方向に、燃焼器アセンブリ１４の先端部２８に向かって流れる。空気流４０は、１８０°向きを変えて複数の管３２の入口内に入り、燃料と混合し、その後混合物を燃焼室１２に提供する。

図３を参照すると、予混合アセンブリ２０はより大きく詳細に図示されている。予混合アセンブリ２０の複数の管３２のそれぞれは、入口端部４４および出口端部４６を含む。少なくとも１つの燃料噴射穴４８が入口端部４４と出口端部４６との間に配置され、管３２の周りに配置されたプレナム４５から複数の管３２のそれぞれの内側領域に燃料を導く。少なくとも１つの燃料噴射穴４８は、入口端部４４と出口端部４６との間の燃料噴射平面に配置されている。圧縮空気の空気流４０が、燃焼器アセンブリ１４の先端部２８に接近すると、次いで空気流４０は、複数の管３２のそれぞれの入口端部４４に向かって、入口端部４４内に向きを変える。少なくとも１つの燃料噴射穴４８を通って入る燃料、および入口端部４４を通って入る圧縮空気の空気流４０が、複数の管３２の中で混合される。

図４から図８を参照すると、複数の管３２の管５０の複数の実施形態が概略的に示されている。詳細には、管５０の入口端部４４および管５０の出口端部４６が、見やすいように並べた配置に図示されている。各実施形態の管５０は、非円形部分５２を含む。非円形部分５２は、管５０の少なくとも部分に沿って延在する非円形横断面幾何形状である。非円形部分５２は、管５０の入口端部４４にあると図示の実施形態では示されているが、別法としてまたは組み合わせて、非円形部分５２は、以下に詳細に説明するように、管５０の出口端部４６に、または入口端部４４と出口端部４６との間の中間位置に配置可能であることを理解されたい。更に、燃料噴射穴４８は、例示の目的のために入口に示されているが、しかし、燃料噴射穴は必ずしも入口端部の最端に配置されず、むしろ入口端部４４の下流の何らかの位置に配置可能であることを理解されたい。

一実施形態では、非円形部分５２は、入口端部４４近傍に配置され、少なくとも１つの燃料噴射穴４８を備える燃料噴射平面を通って下流に延在する。次いで非円形部分５２は、管５０の出口端部４６の上流で円形断面幾何形状、または異なる非円形幾何形状のいずれかに次第に移行する。そうであるので、上述の実施形態の中の出口端部４６近傍の管５０の領域は、円形または非円形であることができる。

非円形入口端部および出口端部を有する一実施形態では、管５０は、入口端部４４近傍に配置される第１の非円形部分、および出口端部４６近傍に配置される第２の非円形部分を含む。第１の非円形部分および第２の非円形部分は、異なる横断面幾何形状を有する。管５０の長さに沿って、３つ以上の横断面幾何形状が含まれることを考慮されたい。

別の実施形態では、入口端部４４および出口端部４６は共に、次第に非円形部分５２に移行する略円形であり、非円形部分５２は、少なくとも１つの燃料噴射穴４８を備える燃料噴射面に配置される。

以下の説明から理解されるように、燃料噴射面の近傍に非円形部分５２を配置することは通常は有利であるが、しかしいくつかの実施形態では、入口端部４４は、次第に非円形部分５２に移行する前に、燃料噴射面を通って下方に延在する略円形横断面から形成されることを考慮されたい。採用される燃料の特定の種類および燃焼器アセンブリ１４の所望の燃焼特性によって、燃料噴射面の下流で円形横断面を非円形部分５２に次第に移行させることが有利になる可能性がある。

非円形部分５２または複数の部分の詳細な配置に関係なく、非円形幾何形状が任意の非円形形状であってよいことを理解されたい。非円形部分５２の例示的な実施形態が、図４から図８に図示されている。詳細には、略正方形または矩形形状（図５）、略三角形形状（図６）、楕円形状（図７）、あるいは「レーストラック型」または「スタジアム型」形状（図８）が図示されている。各図示の形状について、四辺形または三角形のコーナーは隅肉部内に丸みを帯びる。図示し、上記に説明する形状は、単に例示的であるに過ぎず、限定的であることを意図しない。任意の非円形形状を採用できることを理解されたい。燃料および圧縮空気混合のために特に有利であると発見された１つの特定の実施形態を図４に示す。図示の非円形形状は、略カージオイド形状と呼ばれる。カージオイドは、単一の先端を有するエピサイクロイドの一種である。先端は、隅肉部内に丸みを帯びる。

上記に明確に述べるように、管５０の非円形部分５２に任意の非円形形状を採用することができる。管５０の長さに沿って非円形部分が配置される場所に関係なく、特定の幾何形状（例えば、円形または非円形）から別の幾何形状へ次第に移行する。言い換えれば、管５０内の流れの分離および／または重大な二次流を低減し、またはなくすために、突然のまたは急な移行は通常は回避される。複数の管３２を形成するために、任意の従来の製造工程を採用することができると考慮されたいが、１つの範疇の製造工程が、管５０の長さに沿って次第に移行する形状を形成するために特に有益である。詳細には、管５０を形成するために付加的な製造ステップを採用することができる。「付加的に製造される」という用語は、連続する材料の層を重ね合わせて形成し、凝固させることによって構成される構成要素を表すと理解すべきである。より具体的には、粉末材料の層が基板上に付着され、熱、レーザ、電子ビームまたは何らかの他の工程にさらされることによって溶解し、次いで凝固する。一旦凝固すると、新しい層が前の層に付着、凝固および融着されて、その後構成要素が形成される。例示的な付加的製造工程は、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）である。

管５０の前述のすべての実施形態では、概ね一定の横断面積が、管５０の大部分に亘って維持される。より典型的には、横断面積は管５０の概ね全長に亘って一定である。管５０の長さに亘って一定の横断面積を維持することによって、管内部の流体の平均流速が維持され、それによって逆火またはある程度の高反応性燃料を保持する火炎を低減する。一定の横断面積が図１０に図示され、Ａ１、Ａ２およびＡ３が、管５０の長さに沿った３つの位置での横断面積を表す。Ａ１、Ａ２およびＡ３は、互いに概ね等しく、図示の実施形態では、Ａ１が入口端部４４の横断面積を表し、Ａ２が燃料噴射平面の横断面積を表し、Ａ３が出口端部４６の横断面積を表す。

前述の特定の実施形態では、燃料噴射平面近傍の管５０の領域は、非円形横断面幾何形状を含む。燃料噴射平面で円形幾何形状を回避することによって、燃料および圧縮空気のより効率的な混合を達成することができる。詳細には、管の中心により接近して燃料を噴射することによって、または燃料噴射ジェット４９（図９）を内部領域全体に分配することによって、管５０の利用可能な内部面積がより効率的に使用され、それによって、管５０内部を流れる圧縮空気と燃料とのより急速な拡散および／または乱流混合をもたらす。燃料噴射平面の円形横断面積と例示的な非円形横断面積との比較が、図９に図示されている。非円形形状によって、燃料噴射ジェット４９が互いに向き合う燃料噴射ジェットの合体を低減し、または回避する。加えて、燃料噴射ジェット４９は壁内部に直接噴射されない。この組合せによって、圧縮空気と内部で混合するための燃料をより均衡させ、および／または中央に集中させることにつながる。この様式で管５０を満たすことによって、より効率的な混合がもたらされ、窒素酸化物の排出を低下させることができ、または代わりに、一定の排出水準に必要とされるより短い管を達成する助けとなる可能性があり、それには、より小さく、コストの低い構成要素およびより低い圧力降下が含まれる。

図示のように、１つまたは２つ以上の燃料噴射穴４８を各管に付随させることができる。燃料噴射穴の詳細な数は、管５０の特定の横断面形状に依存するであろう。ある実施形態では、略カージオイド形状の管（図４）など、横断面形状の先端に配置された単一の燃料噴射穴が有利である。他の図示される形状によって、複数の燃料噴射穴の好都合な配置から利益を得ることができて、管５０の利用可能な内側領域を効率的に使用することができる。どの非円形形状が管５０の部分に沿って採用されるかに関わらず、１つまたは複数の燃料噴射穴を含むことができ、かつ燃料噴射穴の配置を変更することができることを理解されたい。例えば、燃料噴射穴は、図５および図６の形状の隅肉部に図示されているが、いくつかの、またはすべての燃料噴射穴がその形状の中央など、形状の辺の１つの長さに沿って配置可能である。管形状の追加の利点は、燃料噴射穴が、隣接する管の間のより広い間隔を有する燃料プレナム内により良好に配置されることである。数値解析によれば、燃料穴入口がプレナム内で「開放」空間に近く、隣接する管上の穴に対向していない場合、燃料分配（および排出）を改善することができる。

有利なことに、前述の実施形態は、予混合アセンブリ２０内の燃料および空気のより効果的および／または急速な混合、ならびに燃料噴射穴内で燃料のより良好な分配を提供する。その結果、予混合アセンブリ２０の全長を低減することができ、一方、ＮＯｘ排気水準を同様またはより良好に維持することができる。短くなったアセンブリは、通常はコストがより低く、燃焼器アセンブリ１４の中に収納することがより容易であり、より低い燃焼器圧力の降下をもたらすことができ、それによってガスタービンの効率に利点を提供することができる。

本発明を限定された数の実施形態だけに関連して詳細に説明したが、本発明はそのような開示する実施形態に限定されないということを容易に理解するべきである。むしろ、本発明は修正されて、任意の数の変形形態、修正形態、代替形態または上記に説明されなかったが本発明の精神および範囲に相応する均等な配置を組み込むことができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は説明した実施形態のいくつかだけを含むことができることを理解されたい。したがって、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンエンジン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼室
１４ 燃焼器アセンブリ
１６ 燃焼器アセンブリ壁
２０ 予混合アセンブリ
２２ 燃料入口
２４ タービン
２６ シャフト
２８ 先端部
３２ 複数の管
３４ ライナ
３８ スリーブ
４０ 空気流
４２ 環状部
４４ 入口端部
４５ プレナム
４６ 出口端部
４８ 燃料噴射穴
４９ 燃料噴射ジェット
５０ 管
５２ 非円形部分

Claims (8)

1. 燃焼用空気および燃料を混合するための予混合器アセンブリ（２０）であって、
   燃焼器アセンブリ（１４）の先端部（２８）に配置された複数の管（３２）と、
   前記複数の管（３２）の１つの管（５０）であって、長手軸を有し、非円形横断面を含む入口端部（４４）と実質的に円形横断面を含む出口端部（４６）と円形横断面部分とを含む管（５０）と、
   前記管（５０）の前記入口端部（４４）と前記出口端部（４６）との間の前記非円形横断面の位置に配置された燃料噴射平面に配置された少なくとも１つの燃料噴射穴（４８）と、
   を備え、
   前記非円形横断面が、前記入口端部（４４）の前記長手軸に対して垂直であり、
   前記円形横断面部分が、前記管の全長に渡って実質的に均一であり、
   前記管の断面によって画定される前記円形横断面部分が、前記断面で前記長手軸に対して直角であり、
   前記非円形横断面が、前記少なくとも１つの燃料噴射穴（４８）の下流に延在し、前記管の前記円形横断面部分の長手軸に対して垂直である、予混合器アセンブリ（２０）。
2. 前記管（５０）の横断面積は、前記管（５０）の全長に亘って一定であり、
   前記非円形横断面が、前記燃料噴射平面と前記出口端部（４６）との間の位置まで延在する、請求項１に記載の予混合器アセンブリ（２０）。
3. 前記非円形横断面が、略楕円形、略三角形、略四辺形、略カージオイド形状、および１対の平行な壁によって結合された１対の半円形端部の少なくとも１つを備える幾何形状を含み、前記略カージオイド形状の先端が隅肉部を備え、略三角形および略四辺形幾何形状のコーナーが縁部の交線で隅肉部を備える、請求項１または２に記載の予混合器アセンブリ（２０）。
4. 前記非円形横断面が、楕円形状または、レーストラック型を備える幾何形状を含み、複数の燃料噴射穴（４８）が、同一の非円形横断面に配置され、前記複数の燃料噴射穴（４８）が、前記複数の燃料噴射穴（４８）からの燃料噴射ジェット（４９）が互いに合体することを低減し、または回避する位置に配置される、請求項１または２に記載の予混合器アセンブリ（２０）。
5. 燃焼用空気および燃料を混合するための予混合器アセンブリ（２０）であって、
   燃焼器アセンブリ（１４）の先端部（２８）に配置された複数の管（３２）と、
   前記複数の管（３２）の１つの管（５０）であって、入口部分（４４）と出口部分（４６）と長手軸とを有する、管（５０）と、
   前記管（５０）の第１の長さに沿って延びる前記管（５０）の少なくとも１つの非円形部分（５２）であって、前記管（５０）の前記少なくとも１つの非円形部分（５２）が、第１の非円形部分（５２）と第２の非円形部分（５２）とを備え、前記第１の非円形部分（５２）が、前記管（５０）の前記入口端部（４４）近傍に配置され、第１の幾何形状横断面を含み、前記第２の非円形部分（５２）が、第１の幾何形状横断面とは異なる第２の幾何形状横断面を含み、前記第１及び第２の非円形部分（５２）が、前記管（５０）の前記少なくとも１つの非円形部分（５２）において、前記長手軸に対して垂直である、前記第１の非円形部分（５２）と、
   前記管（５０）の前記入口端部（４４）と前記出口端部（４６）との間の前記第１の非円形横断面の位置に配置された燃料噴射平面に配置された少なくとも１つの燃料噴射穴（４８）と、
   前記管（５０）の第１の長さに沿って延びる前記管（５０）の少なくとも１つの略円形部分であって、前記少なくとも１つの略円形部分が、前記管（５０）の前記出口端部（４６）近傍に配置され、前記少なくとも１つの略円形部分において、前記長手軸に対して垂直な円形横断面を備え、前記円形横断面部分が、前記管の全長に渡って実質的に均一である、前記少なくとも１つの略円形部分と、
   を備え、
   前記第２の非円形部分（５２）が、前記少なくとも１つの燃料噴射穴（４８）の下流に延在する、予混合器アセンブリ（２０）。
6. 前記非円形横断面から前記円形横断面へ断面の幾何形状が次第に移行する、請求項１乃至４のいずれかに記載の予混合器アセンブリ（２０）。
7. 前記第２の非円形部分（５２）が、前記燃料噴射平面と前記入口端部（４４）との間の位置から前記燃料噴射平面と前記出口端部（４６）との間の位置まで延在する、請求項５に記載の予混合器アセンブリ（２０）。
8. 圧縮機区分（１１）と、タービン区分（２４）と、燃焼器アセンブリ（１４）であって、前記燃焼器アセンブリ（１４）が請求項１乃至７のいずれかに記載の予混合器アセンブリ（２０）を備えるガスタービンエンジン（１０）。