JP7154829B2 - ガスタービン燃焼器用の液体燃料カートリッジユニットおよび組立方法 - Google Patents
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Description
本開示は、一般に、ガスタービン燃焼器に関し、より具体的には、液体燃料をガスタービン燃焼器に導入するための液体燃料カートリッジユニットおよび液体燃料カートリッジユニットを組み立てる方法に関する。
ガスタービンは、一般に、圧縮機セクションと、燃焼器を有する燃焼セクションと、タービンセクションとを含む。圧縮機セクションは、作動流体の圧力を徐々に増加させ、圧縮された作動流体を燃焼セクションに供給する。圧縮された作動流体は、燃焼器の前方またはヘッド端部内で軸方向に延びる１つまたは複数の燃料ノズルを通って送られる。燃料は圧縮された作動流体の流れと組み合わされ、可燃混合物を形成する。可燃混合物は、燃焼チャンバ内で燃焼され、高温、高圧、および高速の燃焼ガスを生成する。燃焼チャンバは、燃焼ガスがタービンセクションに運ばれる高温ガス経路を画定する１つまたは複数のライナまたはダクトによって画定される。缶環状型燃焼システムでは、複数の燃焼缶（各々がそれ自体の燃料ノズルおよびライナを有する）がタービンセクションを駆動する燃焼ガスを発生する。
燃焼ガスは、タービンセクションを通って流れる際に膨張し、仕事を発生する。例えば、タービンセクションにおける燃焼ガスの膨張は、発電機に接続されたシャフトを回転させて電気を発生することができる。タービンはまた、共通のシャフトまたはロータによって圧縮機を駆動することができる。
燃焼器セクションにおいて、燃料ノズルは、気体燃料のみで、液体燃料のみで、または同時に気体燃料および液体燃料で動作することができる。多くの場合、発電プラントは、液体燃料のみを使用して動作する必要がある場合、持続期間を経験することがある。
液体燃料動作に共通して関連する１つの課題は、周囲温度より適度に高く、燃焼チャンバ内の火炎温度より著しく低い温度において燃料ノズル内で液体燃料がコークス化する傾向にあることである。液体燃料ノズルの別の課題は、液体燃料を迅速に霧化させて燃焼させるために、均一な噴霧パターンを達成するように液体燃料噴射ポートを設計することである。関連する課題は、液体燃料噴霧が燃焼器ライナに到達し、そこでコークス化が発生して熱応力に至ってしまうことを防止するために、燃料ノズルを燃焼器ヘッド端部内に適切に配置することである。さらに、大部分の液体燃料ノズルは、単一の液体燃料回路に頼っており、液体燃料ノズルの動作の柔軟性を制限してしまう。最後に、液体燃料カートリッジの先端を冷却して、熱応力を緩和する必要がある。
したがって、液体燃料を燃焼チャンバに送達するための改良された液体燃料カートリッジが業界で必要とされている。
本開示は、ガスタービン燃焼器用の液体燃料カートリッジユニットに関する。液体燃料カートリッジユニットは、後方プレート、および後方プレートに外接する側壁を有するカートリッジ先端を含む。第１の複数の噴射ポートは、側壁を通して画定され、第２の複数の噴射ポートは、カートリッジ先端を通る燃料の流れに対して、第１の複数の噴射ポートの上流の側壁を通して画定される。複数の同心導管がカートリッジ先端に延び、同心導管は、それらの間にそれぞれの流路を画定する。第１の複数の噴射ポートは、第１の流路と流体連通し、第２の複数の噴射ポートは、第２の流路と流体連通する。
別の態様によれば、燃焼器用の液体燃料カートリッジユニットを組み立てる方法が提供される。方法は、軸方向上流に延びる複数の同心導管を有する液体燃料カートリッジ先端を設けることを含む。方法は、第１の供給管の下流端部を複数の導管の第１の導管に接合することと、第２の供給管が第１の供給管に外接するように、第２の供給管の下流端部を複数の導管の第２の導管に接合することと、第３の供給管が第２の供給管に外接することによって同心管アセンブリを形成するように、第３の供給管の下流端部を複数の導管の第３の導管に接合することとをさらに含む。方法はまた、同心管アセンブリをカートリッジ先端の上流の屈曲位置でダイを中心に屈曲させることと、第１の供給管、第２の供給管、および第３の供給管の各々の上流端部を流体マニホルドハブに接合することとを含む。第１の供給管、第２の供給管、および第３の供給管は、カートリッジ先端および流体マニホルドハブのみによって支持される。
その最良の態様を含み、当業者を対象とする、本製品および方法の完全かつ実施可能な程度の開示が本明細書に記載され、以下の添付の図を参照する。
以下の詳細な説明は、限定ではなく一例として、ガスタービン燃焼器、液体燃料をガスタービン燃焼器に送達するための液体燃料カートリッジユニット、およびガスタービン燃焼器用の液体燃料カートリッジユニットを組み立てる方法を示す。この説明は、当業者が液体燃料カートリッジユニットを製造し、使用することを可能にする。この説明は、本液体燃料カートリッジユニットの製造および使用の最良の形態であると現在考えられているものを含む。例示的な液体燃料カートリッジユニットは、発電のために使用されるヘビーデューティガスタービンアセンブリの燃焼器に結合されるものとして本明細書に記載される。しかし、本明細書に記載の液体燃料カートリッジユニットは、発電以外の様々な分野の広範囲のシステムに一般的に適用され得ることが企図される。
本明細書で使用する場合、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図するものではない。「上流」および「下流」という用語は、流体経路における流体の流れに対する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は、流体が流れてくる方向を指し、「下流」は、流体が流れていく方向を指す。
「半径方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対的な方向を指し、「主に半径方向に」という用語は、特定の構成要素の中心線に対して斜めまたは横方向である流れの相対的な方向を指す。「軸方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行な相対的な方向を指す。本明細書で使用する場合、「半径」（またはその任意の変形）という用語は、任意の適切な形状（例えば、正方形、長方形、三角形、など）の中心から外側に延びる寸法を指し、円形の中心から外側に延びる寸法に限定されない。同様に、本明細書で使用する場合、「円周」（またはその任意の変形）という用語は、任意の適切な形状（例えば、正方形、長方形、三角形、など）の中心の周りに延びる寸法を指し、円形の中心の周りに延びる寸法に限定されない。
各例は、本発明の限定としてではなく、例示として提示される。実際には、本開示の範囲または精神から逸脱することなく、本液体燃料カートリッジユニットにおいて修正および変形を行う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図示または記載された特徴を別の実施形態で使用し、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲に含まれるような修正および変形を包含することが意図されている。本液体燃料カートリッジユニットおよび方法の例示的な実施形態は、説明の目的でガスタービンに組み込まれた燃焼器に関して一般的に記載されるが、当業者であれば、本開示の実施形態は、任意のターボ機械に組み込まれた任意の燃焼器に適用することができ、特許請求の範囲に具体的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容易に理解するであろう。
以下、本液体燃料カートリッジユニットおよび方法の様々な実施形態について詳しく説明するが、その１つまたは複数の例が、添付の図面に示されている。詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字および文字の符号を使用する。図面および説明の中で同じまたは類似の符号は、同じまたは類似の部品を参照するために使用されている。
図１は、本開示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の機能ブロック図である。示すように、ガスタービン１０は、一般に、一連のフィルタ、冷却コイル、水分分離器、および／またはガスタービン１０に入る作動流体（例えば、空気）１４を浄化および他のやり方で調整するための他の装置を含むことができる入口セクション１２を含む。作動流体１４は圧縮機セクションに流れ、そこで圧縮機１６が作動流体１４に運動エネルギを徐々に与えることで、圧縮された作動流体１８を発生する。
圧縮された作動流体１８は、気体燃料供給システムからの気体燃料２０および／または液体燃料供給システムからの液体燃料２１と混合され、１つまたは複数の燃焼器２４内で可燃混合物を形成する。可燃混合物は、燃焼されて高温、高圧、および高速の燃焼ガス２６を発生する。燃焼ガス２６は、タービンセクションのタービン２８を通って流れ、仕事を発生する。例えば、タービン２８をシャフト３０に接続して、タービン２８の回転が圧縮機１６を駆動して圧縮された作動流体１８を発生するようにしてもよい。あるいはまたはそれに加えて、シャフト３０は、タービン２８を発電機３２に接続して電気を発生することができる。タービン２８からの排気ガス３４は、タービン２８をタービンの下流の排気スタックに接続する排気セクション（図示せず）を通って流れる。排気セクションは、例えば、環境に放出される前に排気ガス３４から追加の熱を浄化および抽出するための排熱回収ボイラ（図示せず）を含んでもよい。
燃焼器２４は、当技術分野で公知の任意のタイプの燃焼器であってもよく、本発明は、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、任意の特定の燃焼器設計に限定されない。例えば、燃焼器２４は、缶型（缶環状型と呼ばれることもある）の燃焼器であってもよい。
図２は、ヘビーデューティガスタービン１０の缶環状燃焼システムに含まれ得る燃焼缶２４の概略図である。缶環状燃焼システムでは、複数の燃焼缶２４（例えば、８、１０、１２、１４、１６、またはそれ以上）が、圧縮機１６をタービン２８に接続するシャフト３０を中心に環状アレイで配置される。
図２に示すように、燃焼缶２４は、燃焼ガス２６を収容してタービンに運ぶライナ１１２を含む。ライナ１１２は、燃焼が起こる燃焼チャンバを画定する。ライナ１１２は、多くの従来の燃焼システムのように、円筒状のライナ部分と、円筒状のライナ部分から分離されたテーパ状の移行部分とを有することができる。あるいは、ライナ１１２は、円筒状部分およびテーパ状部分が互いに一体化された一体型本体（または「ユニボディ」）構成を有してもよい。したがって、本明細書のライナ１１２の説明は、別個のライナおよびトランジションピースを有する従来の燃焼システムと、ユニボディライナを有する燃焼システムの両方を包含することが意図されている。さらに、本開示は、トランジションピースおよびタービンの第１段ノズルが、「移行ノズル」または「一体化出口ピース」と呼ばれることもある、単一のユニットに一体化された燃焼システムにも同様に適用可能である。
ライナ１１２は、外側スリーブ１１４によって取り囲まれ、外側スリーブ１１４は、ライナ１１２の半径方向外側に間隔をおいて配置されてライナ１１２と外側スリーブ１１４との間に環状部１３２を画定する。外側スリーブ１１４は、多くの従来の燃焼システムのように、前方端部に流れスリーブ部分を、後方端部に衝突スリーブ部分を含むことができる。あるいは、外側スリーブ１１４は、流れスリーブ部分および衝突スリーブ部分が軸方向に互いに一体化された一体型本体（または「ユニスリーブ」）構成を有してもよい。前述のように、本明細書の外側スリーブ１１４の説明は、別個の流れスリーブおよび衝突スリーブを有する従来の燃焼システムと、ユニスリーブの外側スリーブを有する燃焼システムの両方を包含することが意図されている。
燃焼缶２４のヘッド端部部分１２０は、１つまたは複数の燃料ノズル２００を含む。燃料ノズル２００は、図示のように、集束管燃料ノズルとして説明することができる。各燃料ノズル２００は、互いに平行に配向された複数の混合管２１０に外接する、軸方向に延びるハウジング２０２を含む。各管２１０は、入口端部と、出口端部と、入口端部と出口端部との間の管壁を通して画定された１つまたは複数の燃料噴射孔２１２とを有する。
ハウジング２０２は、上流プレート２０４および下流プレート２０６に接合され、燃料プレナム２０８がハウジング２０２とプレート２０４、２０６との間に画定される。燃料プレナム２０８は、燃料供給導管２１８および各管２１０の燃料噴射孔２１２と流体連通する。各燃料ノズル１２２の燃料供給導管２１８は、それぞれの燃料入口１２４と流体連通する。燃料入口１２４は、燃焼缶２４の前方端部にエンドカバー１２６を通して形成されてもよい。
燃焼缶２４のヘッド端部部分１２０は、前方ケーシング１３０によって少なくとも部分的に取り囲まれ、前方ケーシング１３０は、圧縮機吐出ケース１４０に物理的に結合され、流体接続される。圧縮機吐出ケース１４０は、圧縮機１６の出口に流体接続され、燃焼缶２４の少なくとも一部を取り囲む加圧空気プレナム１４２を画定する。空気１８は、外側スリーブ１１４に画定された開口部を介して、圧縮機吐出ケース１４０から燃焼缶の後方端部の環状部１３２に流れる。環状部１３２がヘッド端部部分１２０に流体結合されるので、空気流１８は、燃焼缶２４の後方端部１１８からヘッド端部部分１２０へと上流に移動し、そこで空気流１８が方向転換して燃料ノズル２００に入る。複数の開口部またはスロット（別個には示されていない）を有する入口流量コンディショナ２２０を使用して、燃料ノズル２００に入る流れを調整または均質化することができる。
管２１０は、上流プレート２０４の対応する開口部（図示せず）を通して画定された入口端部を有する。空気１８は、管２１０の入口端部を通過し、気体燃料動作中、燃料プレナム２０８から燃料噴射孔２１２を通過する燃料と混合する。管２１０の下流（または出口）端部は、一体型燃焼器キャップ１２８（または各燃料ノズル２００の上流プレート２０４のサイズおよび形状に対応する個々のプレート）を通って延びる。
気体燃料動作中、燃料２０および圧縮空気１８は、燃料ノズル２００によってライナ１１２の前方端部の一次燃焼ゾーン１５０に導入され、そこで燃料および空気が燃焼されて燃焼ガス２６を形成する。図示の実施形態では、燃料および空気は、燃料ノズル２００内で（例えば、予混合燃料ノズル内で）混合される。他の実施形態では、燃料および空気を一次燃焼ゾーン１５０に別々に導入し、一次燃焼ゾーン１５０内で（例えば、拡散ノズルで発生し得るように）混合することができる。本明細書において「第１の燃料／空気混合物」と言及する場合は、予混合燃料／空気混合物と拡散タイプの燃料／空気混合物の両方を説明するものとして解釈されるべきであり、いずれも燃料ノズル２００によって発生し得る。燃焼ガス２６は、燃焼缶２４の後方フレームによって表される、燃焼缶２４の後方端部１１８に向かって下流に移動する。
燃焼器２４が気体燃料で動作しているとき、追加の燃料および空気を１つまたは複数の燃料噴射器２６０によって二次燃焼ゾーン１６０に導入することができ、そこで燃料および空気が一次燃焼ゾーン１５０からの燃焼ガスによって点火され、複合燃焼ガス生成物流２６を形成する。燃料噴射器２６０は、燃料供給ライン２６８から燃料を受け取り、高圧空気プレナム１４２から空気を受け取る。軸方向に分離された燃焼ゾーンを有するこのような燃焼システムは、「軸方向燃料ステージング」（ＡＦＳ）システムとして説明され、下流の噴射器２６０は、「ＡＦＳ噴射器」と呼ぶことができる。
燃焼缶２４が液体燃料のみで動作される場合、液体燃料２１および圧縮空気１８は液体燃料カートリッジユニット３００によってライナ１１２の前方端部の一次燃焼ゾーン１５０に導入され、そこで液体燃料および空気が燃焼されて燃焼ガス２６を形成する。液体燃料および空気は、別個に一次燃焼ゾーン１５０に導入され、一次燃焼ゾーン１５０内で混合されて拡散型火炎を発生する。
図示の実施形態では、液体燃料カートリッジユニット３００は、燃焼器２４の長手方向軸と同軸である。中央に位置した液体燃料カートリッジユニット３００（各燃料ノズル２００内に設置された局所液体燃料カートリッジに対向する）を有することにより、混合管２１０に利用可能な表面積が最大になる。
少なくとも１つの実施形態では、集束管燃料ノズル２００は、液体燃料動作の間は燃料を供給されない。その結果、空気は、集束管燃料ノズル２００の個々の管２１０を通って流れ、燃焼器２４の長手方向軸にほぼ平行な方向に流れる複数の小さな空気流を発生する。
液体燃料カートリッジユニット３００は、燃料を供給されない集束管燃料ノズル２００の管２１０から生じる空気流へと、液体燃料２１の流れを横または斜め方向の１つまたは複数の方向に噴射する複数の燃料噴射ポート４７０、４８０、４９０（図７および図８に詳細に示す）を有するカートリッジ先端４００を含む。多数の小さな空気流は、液体燃料液滴がライナ１１２の内側表面に到達しないようにしながら、液体燃料２１を霧化してその燃焼を促進するのを助ける。
さらに、専用の液体燃料動作中、１つまたは複数のＡＦＳ燃料噴射器２６０は、燃料を供給されないままであってもよい。この場合、燃料を供給されないＡＦＳ噴射器２６０は、気体燃料動作において二次燃焼ゾーン１６０である領域に比較的大きな空気流を導く。一次燃焼ゾーン１５０の下流のこの領域では、燃料を供給されないＡＦＳ噴射器２６０からの空気は、液体燃料カートリッジユニット３００によって生成された燃焼生成物を効果的に粉砕して混合し、それにより燃焼器後方フレーム１１８を出る燃焼生成物は、予混合火炎から生じる燃焼生成物に類似するようになり、これは、妨げられない拡散火炎によって生成された燃焼生成物と比較してより高い混合度およびより高い速度を有することを特徴とする。
図３～図５は、液体燃料カートリッジユニット３００をより詳細に示しており、図６は、液体燃料カートリッジユニット３００の上流端部に位置した流体マニホルドハブ３５０を示している。液体燃料カートリッジユニット３００は、カートリッジ先端４００が取り付けられる下流端部を有する供給管アセンブリ３１０を含む。流体マニホルドハブ３５０は、供給管アセンブリ３１０の上流端部に取り付けられ、フランジ３６０は、カートリッジ先端４００より流体マニホルドハブ３５０に近い位置で供給管アセンブリ３１０に外接する。流体マニホルドハブ３５０は、供給管アセンブリ３１０を同心に取り囲み、パイロット燃料入口３５２と、第１の燃料入口３５４と、および第２の燃料入口３５６とを含む。
供給管アセンブリ３１０は、多数の入れ子式供給管を含み、それらの間に多数の流路を画定する。少なくとも１つの実施形態では、供給管は、互いに同心であってもよい。図４および図５に示す例示的な実施形態を参照して最もよく理解されるように、供給管アセンブリ３１０には、第１の供給管３１２、第１の供給管３１２を円周方向に囲む第２の供給管３２２、第２の供給管３２２を円周方向に取り囲む第３の供給管３３２、および第３の供給管３３２を円周方向に取り囲む第４の供給管３４２が設けられる。第１の流路３１６が、第１の供給管３１２内に画定され、第２の流路３２６が、第１の供給管３１２の外側表面と第２の供給管３２２の内側表面との間に画定され、第３の流路３３６が、第２の供給管３２２の外側表面と第３の供給管３３２の内側表面との間に画定され、第４の流路３４６が、第３の供給管３３２の外側表面と第４の供給管３４２の内側表面との間に画定される。
空気は、フランジ３６０（図３）の空気入口３５８を介して、第４の流路３４６に流入する。第４の流路３４６の空気は、液体燃料のコークス化を最小限に抑えるのに役立つ、供給管アセンブリ３１０のある程度の断熱（冷却）を行う。保護シース３６２（図４に示す）は、フランジ３６０の上流の第４の供給管３４２の長さに沿って第４の供給管３４２を円周方向に取り囲み、フランジ３６０から流体マニホルドハブ３５０に延びる。保護シース３６２は、「死」空洞、すなわち、流体が流れない空洞を画定する。
設置および燃料送達を容易にするために、供給管アセンブリ３１０は、カートリッジ先端４００の上流の位置に屈曲部３７０を設けることができる。屈曲部３７０は、供給管３１２、３２２、３３２、３４２およびカートリッジ先端４００の下流端部より供給管３１２、３２２、３３２、３４２および流体マニホルドハブ３５０の上流端部に近い。換言すれば、屈曲部３７０は、供給管３１２、３２２、３３２、３４２の上流端部に近接している。屈曲部３７０は、燃料を流体マニホルドハブ３５０に送達するのに適したほぼ直角（９０度＋／－５度）または任意の他の角度を画定することができる。供給管３１２、３２２、３３２、３４２をそれらの内部空間を維持しながら屈曲させるために、供給管３１２、３２２、３３２、３４２は、本明細書でさらに説明するように、除去可能な材料で充填される。
ここで図６を参照すると、第１の流路３１６は、流体マニホルドハブ３５０のパイロット燃料入口３５２を介して、パイロット燃料源と流れ連通する。第２の流路３２６および第３の流路３３６は、第１の燃料入口３５４および第２の燃料入口３５６をそれぞれ介して、液体燃料（または液体燃料／水混合物）源と流れ連通する。パイロット燃料入口３５２は、第１の供給管３１２と同軸に位置合わせされる。第１の燃料入口３５４および第２の燃料入口３５６は、互いに対向して配置され、第２の供給管３２２および第３の供給管３３２それぞれに対して横方向に位置合わせされる。パイロット燃料入口３５２、第１の燃料入口３５４、および第２の燃料入口３５６の他の構成を、必要に応じて代わりに用いることができる。
図７は、液体燃料カートリッジユニット３００のカートリッジ先端４００の斜視図を示し、図８は、カートリッジ先端４００の断面図を示す。図示の例示的な実施形態では、カートリッジ先端４００は、それぞれの流体（例えば、燃料または空気）を入れ子式流路４１６、４２６、４３６、４４６を通してカートリッジ先端４００の下流端部に向けてまたは下流端部に送る４つの入れ子式導管４１２、４２２、４３２、４４２を含む。他の実施形態では、少なくとも３つの入れ子式導管４１２、４２２、４３２を用いることができる。組み立てを容易にするために、導管４１２、４２２、４３２、４４２は、最長から最短まで異なる長さをそれぞれ有する。
最も外側の導管（例えば、第４の導管４４２）は、カートリッジ先端４００の円筒状部分４５４に結合され、最も外側の導管の直径より小さい直径を有していてもいなくてもよい。円筒状部分４５４は、最も外側の導管４４２とカートリッジ先端４００の円錐台状部分４５０との間で軸方向に延びる。円錐台状部分４５０は、円筒状部分４５４を接合し、円筒状部分の直径に等しい第１の直径を有するベース周囲を有する。円錐台状部分４５０は、ベース周囲に対向する下流端部を有する。下流端部は、第１の直径より小さい第２の直径を有する後方プレート４５２と呼ぶことができる。円周方向側壁４５８が、ベース周囲と後方プレート４５２との間で軸方向に延びる。後方プレート４５２、円周方向側壁４５８、および任意で円筒状部分４５４は、遮熱コーティングで被覆することができる。
円周方向側壁４５８は、噴射ポート４７０、４８０、４９０を通って１つまたは複数の列を画定する。第１の組の噴射ポート４７０は、後方プレート４５２に近接している。第２の組の噴射ポート４８０は、第１の組の噴射ポート４７０の上流にあり、第３の組の噴射ポート４９０は、第２の組の噴射ポート４８０の上流にある。各噴射ポート４７０、４８０、４９０は、流体（例えば、燃料または燃料／水混合物）が流れる開口を画定し、各ポート４７０、４８０、４９０は、それぞれ通気孔４７２、４８２、４９２によって少なくとも部分的に円周方向に取り囲まれる。本明細書で使用する場合、「噴射ポート」という用語は、１つまたは複数の噴射開口またはノズル（例えば、単式ノズル）を具現化するものとして理解されるべきである。
第１の組の噴射ポート４７０は、第２の組の噴射ポート４８０より少ない噴射ポートを有し、第２の組の噴射ポート４８０および第３の組の噴射ポート４９０は、同じ数であり得る。第１の組の噴射ポートの各噴射ポート４７０は、第１のサイズを有する。第２の組の噴射ポートの各噴射ポート４８０は、第２のサイズを有する。第３の組の噴射ポートの各噴射ポート４９０は、第３のサイズを有する。一実施形態では、図示のように、第１のサイズは第２のサイズより小さく、第２のサイズは第３のサイズより小さい。
噴射ポート４７０、４８０、および／または４９０の円周方向の位置決めは、液体燃料と空気との混合と、所与の領域（例えば、キャップ１２８の下流の領域）にわたる液体燃料の所望の浸透とのバランスをとるように最適化することができる。多数の混合管２１０からの空気流に遭遇する噴射ポート４７０、４８０、および４９０からの燃料は、より大きな混合を達成するが、半径方向への浸透が少なくなり、その逆も真である。そのため、いくつかの例では、噴射ポート４７０、４８０、および／または４９０のいくつかを隣接する集束管燃料ノズル２００の間の空間と位置合わせさせて浸透を増加させることが望ましい場合がある。この目的のために、噴射ポート４７０、４８０、および／または４９０は、隣接するポートの間で不均一な間隔で位置合わせされてもよく、または噴射ポート４７０、４８０、および／または４９０は、カートリッジ先端４００の円周を中心に均一に間隔をおいて配置されてもよい。さらに、各組の噴射ポート４７０、４８０、および４９０は、単一の軸方向平面に沿って配置されているように示されているが、１つまたは複数の組の噴射ポート４７０、４８０、または４９０は、２つ以上の軸方向平面に配置されてもよいことを理解されたい。
第１の組の噴射ポート４７０は、第１の燃料供給管３１２の第１の流路３１６に流体接続される、第１の流路４１６と流体連通する。例示的な実施形態では、第１の燃料供給管３１２は、パイロット燃料源と流れ連通する。
第２の組の噴射ポート４８０は、第２の燃料供給管３２２の第２の流路３２６に流体接続される、第２の流路４２６と流体連通する。例示的な実施形態では、第２の燃料供給管３２２は、液体燃料（または液体燃料／水混合物）源と流れ連通する。
第３の組の噴射ポート４９０は、第３の燃料供給管３３２の第３の流路３３６に流体接続される、第３の流路４３６と流体連通する。例示的な実施形態では、第３の燃料供給管３３２は、液体燃料（または液体燃料／水混合物）源と流れ連通する。液体燃料（または液体燃料／水混合物）源は、第２の燃料供給管３２２と第３の燃料供給管３３２との間で共通であってもよい。
第４の流路４４６は、第４の供給管３４２を介して、圧縮空気源と流れ連通する。圧縮空気は、カートリッジ先端４００の周囲に沿って第４の流路４４６を通って流れ、冷却を行う。圧縮空気の一部は、噴射ポート４７０、４８０、４９０の周りの通気孔４７２、４８２、４９２をそれぞれ通って流れ、圧縮空気の第２の部分は、後方プレート４５２に隣接する空気チャンバ４６５に導かれる。空気チャンバ４６５からの空気は、後方プレート４５２に配置された複数の空気開口４６０を通って流れ、空気開口４６０は、第４の流路４４６と流れ連通する。
カートリッジ先端４００は、使用される材料に応じて、金属粉末付加製造システムまたは他の付加製造システムなどの付加製造を使用して製造することができる。カートリッジ先端４００の製造についてのさらなる詳細は、２０１６年１２月２０日に出願された「Ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ Ｏｂｊｅｃｔ ｗｉｔｈ Ｓｅｌｆ－Ｂｒｅａｋｉｎｇ Ｓｕｐｐｏｒｔ ｗｉｔｈ Ｆｌｕｉｄ Ｐａｓｓａｇｅ」と題する共通に譲渡された米国特許出願第１５／３８４，７２５号、および２０１７年２月１６日に出願された「Ｏｂｊｅｃｔ ｗｉｔｈ Ｔｅａｒ－Ｓｈａｐｅｄ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｏｒ Ａｎｎｕｌａｒ Ｂｏｄｉｅｓ」と題する米国特許出願第１５／４３４，３８６号に見出すことができる。
液体燃料カートリッジユニット３００を組み立てるために、（上述したような）複数の入れ子式導管４１２、４２２、４３２を有するカートリッジ先端４００が設けられる。第１の供給管３１２の下流端部は、第１の導管４１２に接合される。第２の供給管３２２の下流端部は、第２の供給管３２２が第１の供給管３１２に外接するように第２の導管４２２に接合される。第３の供給管３３２の下流端部は、第３の供給管３３２が第２の供給管３２２に外接するように第３の導管４３２に接合され、それによって入れ子式管アセンブリ３１０を形成する。供給管３１２、３２２、３３２の下流端部をそれぞれの導管４１２、４２２、４３２に接合することは、溶接またはろう付けによって、または当技術分野で公知の任意の他の接合技術によって達成することができる。
いくつかの実施形態では、第４の供給管３４２の下流端部は、第４の供給管３４２が第３の供給管３３２に外接するように第４の導管４４２に接合される。取付フランジ３６０は、屈曲部３７０の位置の下流に設けられてもよく、第４の供給管３４２と流れ連通する空気入口３５８を含んでもよい。第４の供給管３４２は、溶接またはろう付け、または当技術分野で公知の任意の他の接合技術によって第４の導管４４２に接合することができる。
供給管３１２、３２２、３３２、および任意で３４２の内部空間を維持しながら入れ子式管アセンブリ３１０を屈曲させるために、供給管３１２、３２２、３３２、および存在する場合には３４２は、除去可能な材料で充填される。除去可能な材料は、水の沸点より低い融点を有する樹脂、粉末、顆粒、ピッチ、砂、鉛、および合金材料の１つであってもよい。１つのそのような例示的な除去可能な合金材料は、約７０°Ｃ（１５８°Ｆ）の融点を有する、重量で、５０％のビスマス、２６．７％の鉛、１３．３％の錫、および１０％のカドミウムの共晶可溶合金であり、これはウッズメタルと呼ぶことができ、ＣＥＲＲＯＢＥＮＤ（商標）、ＢＥＮＤＡＬＬＯＹ（商標）、ＰＥＷＴＡＬＬＯＹ（商標）、およびＭＣＰ１５８（商標）の商品名で販売されている。この合金材料は、管の内側に適合し、それらを固体構造として屈曲させることができる。
一実施形態では、供給管３１２、３２２、３３２、および存在する場合には３４２は、それらが共晶合金材料で充填される前に油で潤滑される。溶融した合金材料を適所に配置した状態で、供給管アセンブリ３１０を水で冷却して、合金材料を凝固または結晶化させることができる。供給管アセンブリ３１０および合金材料が室温に達すると、供給管アセンブリ３１０は、所望の曲率半径を達成するためにダイを中心に屈曲させることができる。屈曲部３７０が形成されると、合金材料は、蒸気、沸騰水、または熱風を使用して導管アセンブリ３１０から除去され得る。合金材料は、その後の再利用のために回収することができる。
屈曲部３７０は、供給管３１２、３２２、３３２の下流端部より供給管３１２、３２２、３３２の上流端部に近い位置に配置される。換言すれば、屈曲部３７０の位置は、供給管３１２、３２２、３３２の上流端部に近接している。
屈曲部３７０が設定されると、供給管３１２、３２２、３３２の上流端部は、流体マニホルドハブ３５０に接合され、供給管３１２、３２２、３３２はカートリッジ先端４００（それぞれの下流端部）および流体マニホルドハブ３５０（それぞれの上流端部）のみによって支持される。供給管３１２、３２２、３３２の上流端部を流体マニホルドハブ３５０に接合することは、溶接またはろう付けによって達成することができる。
前述したように、流体マニホルドハブ３５０には、第１の供給管３１２と流れ連通する第１の流体入口（例えば、パイロット燃料入口３５２）を設けることができる。流体マニホルドハブ３５０には、別個の燃料回路としての液体燃料（または液体燃料／水混合物）を第２の供給管３２２および第３の供給管３３２にそれぞれ供給する追加の燃料入口３５４、３５６が設けられてもよい。パイロット燃料入口３５２は、燃料入口３５４の上流に設けられ、燃料入口３５４は、燃料入口３５６の上流に設けられる。
本明細書に記載の方法および装置は、発電用ガスタービン燃焼器のヘッド端部への液体燃料の導入を容易にする。より具体的には、方法および装置は、中央に位置した液体燃料カートリッジユニットを通して液体燃料（または液体燃料／水混合物）を送達することを容易にし、周囲のライナの壁を濡らすことなく、燃焼ゾーンにわたる液体燃料の分布を改善するようにする。燃料を供給されない集束管燃料ノズルを含むヘッド端部と共に使用すると、個々の管からの空気流は、液体燃料を霧化して安定した拡散火炎を発生するのに役立つ。
さらに、燃料を供給されない下流の燃料噴射器を介して、クロスフローとして追加の大きなジェットを燃焼ライナに導入することによって、拡散火炎によって発生された燃焼生成物は、燃焼器出口に妨げられずに伝播することができる拡散火炎より混合度が高く、速度が速いという予混合火炎の特性をとる。
したがって、方法および装置は、例えば、タービンアセンブリの燃焼器などの燃焼器の全体的な動作効率を向上させることを容易にする。これは、タービン出力を増加させる。さらに、本液体燃料カートリッジユニットは、燃焼器が異なる時間で液体燃料と天然ガスの両方を燃焼させるように構成される点で、より大きな動作上の柔軟性をもたらす。
液体燃料カートリッジユニットおよびその製造方法の例示的な実施形態は、上で詳細に説明されている。本明細書に記載の方法および装置は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、方法および装置の構成要素は、本明細書に記載の他の構成要素から独立してかつ別々に利用することが可能である。例えば、本明細書に記載の方法および装置は、本明細書に記載のタービンアセンブリにおける実施に限定されない他の用途を有することができる。むしろ、本明細書に記載の方法および装置は、様々な他の産業に関連して実施および利用することが可能である。
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者は、本発明が特許請求の範囲の精神および範囲内の修正を加えて実施できることを認識するであろう。
１０ ガスタービン
１２ 入口セクション
１４ 作動流体
１６ 圧縮機
１８ 圧縮された作動流体、圧縮空気、空気流、空気
２０ 気体燃料、燃料
２１ 液体燃料
２４ 燃焼器、燃焼缶
２６ 燃焼ガス、複合燃焼ガス生成物流
２８ タービン
３０ シャフト
３２ 発電機
３４ 排気ガス
１１２ ライナ
１１４ 外側スリーブ
１１８ 後方端部、燃焼器後方フレーム
１２０ ヘッド端部部分
１２２ 燃料ノズル
１２４ 燃料入口
１２６ エンドカバー
１２８ キャップ、一体型燃焼器キャップ
１３０ 前方ケーシング
１３２ 環状部
１４０ 圧縮機吐出ケース
１４２ 加圧空気プレナム、高圧空気プレナム
１５０ 一次燃焼ゾーン
１６０ 二次燃焼ゾーン
２００ 燃料ノズル、集束管燃料ノズル
２０２ ハウジング
２０４ 上流プレート、プレート
２０６ 下流プレート、プレート
２０８ 燃料プレナム
２１０ 混合管、管
２１２ 燃料噴射孔
２１８ 燃料供給導管
２２０ 入口流量コンディショナ
２６０ 燃料噴射器、噴射器、ＡＦＳ燃料噴射器、ＡＦＳ噴射器
２６８ 燃料供給ライン
３００ 液体燃料カートリッジユニット
３１０ 供給管アセンブリ、管アセンブリ、導管アセンブリ、入れ子式管アセンブリ
３１２ 第１の供給管、供給管
３１６ 第１の流路
３２２ 第２の供給管、供給管、第２の燃料供給管
３２６ 第２の流路
３３２ 第３の供給管、供給管、第３の燃料供給管
３３６ 第３の流路
３４２ 第４の供給管、供給管
３４６ 第４の流路
３５０ 液体マニホルドハブ
３５２ パイロット燃料入口
３５４ 第１の燃料入口、燃料入口
３５６ 第２の燃料入口、燃料入口
３５８ 空気入口
３６０ フランジ、取付フランジ
３６２ 保護シース
３７０ 屈曲部
４００ カートリッジ先端
４１２ 第１の導管、入れ子式導管、導管
４１６ 第１の流路、入れ子式流路
４２２ 第２の導管、入れ子式導管、導管
４２６ 第２の流路、入れ子式流路
４３２ 第３の導管、入れ子式導管、導管
４３６ 第３の流路、入れ子式流路
４４２ 第４の導管、入れ子式導管、導管
４４６ 第４の流路、入れ子式流路
４５０ 円錐台状部分
４５２ 後方プレート
４５４ 円筒状部分
４５８ 円周方向側壁
４６０ 空気開口
４６５ 空気チャンバ
４７０ 第１の組の噴射ポート、ポート、燃料噴射ポート
４７２ 通気孔
４８０ 第２の組の噴射ポート、ポート、燃料噴射ポート
４８２ 通気孔
４９０ 第３の組の噴射ポート、ポート、燃料噴射ポート
４９２ 通気孔
１２ 入口セクション
１４ 作動流体
１６ 圧縮機
１８ 圧縮された作動流体、圧縮空気、空気流、空気
２０ 気体燃料、燃料
２１ 液体燃料
２４ 燃焼器、燃焼缶
２６ 燃焼ガス、複合燃焼ガス生成物流
２８ タービン
３０ シャフト
３２ 発電機
３４ 排気ガス
１１２ ライナ
１１４ 外側スリーブ
１１８ 後方端部、燃焼器後方フレーム
１２０ ヘッド端部部分
１２２ 燃料ノズル
１２４ 燃料入口
１２６ エンドカバー
１２８ キャップ、一体型燃焼器キャップ
１３０ 前方ケーシング
１３２ 環状部
１４０ 圧縮機吐出ケース
１４２ 加圧空気プレナム、高圧空気プレナム
１５０ 一次燃焼ゾーン
１６０ 二次燃焼ゾーン
２００ 燃料ノズル、集束管燃料ノズル
２０２ ハウジング
２０４ 上流プレート、プレート
２０６ 下流プレート、プレート
２０８ 燃料プレナム
２１０ 混合管、管
２１２ 燃料噴射孔
２１８ 燃料供給導管
２２０ 入口流量コンディショナ
２６０ 燃料噴射器、噴射器、ＡＦＳ燃料噴射器、ＡＦＳ噴射器
２６８ 燃料供給ライン
３００ 液体燃料カートリッジユニット
３１０ 供給管アセンブリ、管アセンブリ、導管アセンブリ、入れ子式管アセンブリ
３１２ 第１の供給管、供給管
３１６ 第１の流路
３２２ 第２の供給管、供給管、第２の燃料供給管
３２６ 第２の流路
３３２ 第３の供給管、供給管、第３の燃料供給管
３３６ 第３の流路
３４２ 第４の供給管、供給管
３４６ 第４の流路
３５０ 液体マニホルドハブ
３５２ パイロット燃料入口
３５４ 第１の燃料入口、燃料入口
３５６ 第２の燃料入口、燃料入口
３５８ 空気入口
３６０ フランジ、取付フランジ
３６２ 保護シース
３７０ 屈曲部
４００ カートリッジ先端
４１２ 第１の導管、入れ子式導管、導管
４１６ 第１の流路、入れ子式流路
４２２ 第２の導管、入れ子式導管、導管
４２６ 第２の流路、入れ子式流路
４３２ 第３の導管、入れ子式導管、導管
４３６ 第３の流路、入れ子式流路
４４２ 第４の導管、入れ子式導管、導管
４４６ 第４の流路、入れ子式流路
４５０ 円錐台状部分
４５２ 後方プレート
４５４ 円筒状部分
４５８ 円周方向側壁
４６０ 空気開口
４６５ 空気チャンバ
４７０ 第１の組の噴射ポート、ポート、燃料噴射ポート
４７２ 通気孔
４８０ 第２の組の噴射ポート、ポート、燃料噴射ポート
４８２ 通気孔
４９０ 第３の組の噴射ポート、ポート、燃料噴射ポート
４９２ 通気孔
Claims (15)
- ガスタービン燃焼器（２４）用の液体燃料カートリッジユニット（３００）であって、
後方プレート（４５２）、及び前記後方プレート（４５２）に外接する側壁（４５８）を有するカートリッジ先端（４００）と、
前記側壁（４５８）を通して画定された第１の複数の噴射ポート（４７０）と、
前記第１の複数の噴射ポート（４７０）とは異なる軸方向平面に前記側壁（４５８）を通して画定された第２の複数の噴射ポート（４８０）と、
前記カートリッジ先端（４００）に延びる複数の入れ子式導管（４１２、４２２、４３２、４４２）であって、前記複数の入れ子式導管（４１２、４２２、４３２、４４２）がそれらの間にそれぞれの流路（４１６、４２６、４３６、４４６）を画定しており、前記第１の複数の噴射ポート（４７０）が第１の流路（４１６）と流体連通し、前記第２の複数の噴射ポート（４８０）が第２の流路（４２６）と流れ連通する、複数の入れ子式導管（４１２、４２２、４３２、４４２）と
を備える、カートリッジユニット（３００）。 - 前記複数の入れ子式導管（４１２、４２２、４３２、４４２）が、前記第１の流路（４１６）を画定する第１の導管（４１２）と、前記第１の導管（４１２）を取り囲む第２の導管（４２２）とを備え、前記第２の流路（４２６）が、前記第１の導管（４１２）と前記第２の導管（４２２）との間に画定される、請求項１に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 前記第１の導管（４１２）及び前記第２の導管（４２２）が、それぞれ第１の供給管（３１２）及び第２の供給管（３２２）に接合され、前記第１の供給管（３１２）及び前記第２の供給管（３２２）が、入れ子式であり、前記カートリッジ先端（４００）の上流に延びる、請求項２に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 前記第１の流路（４１６）が、前記第１の供給管（３１２）を介してパイロット燃料源と流れ連通し、前記第２の流路（４２６）が、前記第２の供給管（３２２）を介して液体燃料源と流れ連通する、請求項３に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 前記複数の入れ子式導管（４１２、４２２、４３２、４４２）が、前記第２の導管（４２２）を取り囲む第３の導管（４３２）を含み、それにより第３の流路（３３６）が前記第２の導管（４２２）と前記第３の導管（４３２）との間に画定され、第３の複数の噴射ポート（４９０）が、前記第１の複数の噴射ポート（４７０）及び前記第２の複数の噴射ポート（４８０）とは異なる軸方向平面に前記側壁（４５８）を通して画定され、前記第３の複数の噴射ポート（４９０）が、前記第３の流路（３３６）と流れ連通する、請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 前記第１の複数の噴射ポート（４７０）が、前記第２の複数の噴射ポート（４８０）より少ない噴射ポートを備え、前記第２の複数の噴射ポート（４８０）及び前記第３の複数の噴射ポート（４９０）が、同じ数である、請求項５に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 前記第１の複数の噴射ポート（４７０）の各噴射ポートが第１のサイズを有し、前記第２の複数の噴射ポート（４８０）の各噴射ポートが第２のサイズを有し、前記第１のサイズが前記第２のサイズとは異なり、前記第３の複数の噴射ポート（４９０）の各噴射ポートが第３のサイズを有し、前記第３のサイズが、前記第１のサイズ及び前記第２のサイズの少なくとも１つとは異なる、請求項５又は請求項６に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 前記第３の導管（４３２）が、第３の供給管（３３２）に接合され、前記第３の供給管（３３２）が、前記第２の供給管（３２２）を取り囲み、液体燃料供給源と流れ連通する、請求項３に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 前記複数の入れ子式導管（４１２、４２２、４３２、４４２）が、前記第２の導管（４２２）を取り囲む空気流導管を含み、それにより空気流路が前記第２の導管（４２２）と前記空気流導管との間に画定され、前記空気流導管が、圧縮空気供給源と流れ連通して空気流供給管に接合される、請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 前記後方プレート（４５２）が、前記空気流導管によって画定された前記空気流路と流れ連通する複数の開口（４６０）をその中に画定する、請求項９に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 前記第１の複数の噴射ポート（４７０）及び前記第２の複数の噴射ポート（４８０）の少なくとも１つの噴射ポートが、通気孔（４７２、４８２、４９２）によって取り囲まれ、前記通気孔（４７２、４８２、４９２）が、前記空気流導管によって画定された前記空気流路と流れ連通する、請求項９又は請求項１０に記載のカートリッジユニット（３００）。
- 燃焼器（２４）用の液体燃料カートリッジユニット（３００）を組み立てる方法であって、当該方法が、
軸方向上流に延びる複数の入れ子式導管（４１２、４２２、４３２、４４２）を有する液体燃料カートリッジ先端（４００）を設けることと、
第１の供給管（３１２）の下流端部を前記複数の導管の第１の導管（４１２）に接合することと、
第２の供給管（３２２）が前記第１の供給管（３１２）に外接するように、前記第２の供給管（３２２）の下流端部を前記複数の導管の第２の導管（４２２）に接合することと、
第３の供給管（３３２）が前記第２の供給管（３２２）に外接することによって同心管アセンブリを形成するように、前記第３の供給管（３３２）の下流端部を前記複数の導管の第３の導管（４３２）に接合することと、
前記同心管アセンブリを前記カートリッジ先端（４００）の上流の屈曲位置でダイを中心に屈曲させることと、
前記第１の供給管（３１２）、前記第２の供給管（３２２）及び前記第３の供給管（３３２）の各々の上流端部を流体マニホルドハブ（３５０）に接合すること
とを含み、
前記第１の供給管（３１２）、前記第２の供給管（３２２）及び前記第３の供給管（３３２）が、前記カートリッジ先端（４００）及び前記流体マニホルドハブ（３５０）のみによって支持される、方法。 - 前記供給管（３１２、３２２、３３２）の前記下流端部をそれぞれの導管（４１２、４２２、４３２）に前記接合することが、溶接又はろう付けによって達成され、前記供給管（３１２、３２２、３３２）の前記上流端部を前記流体マニホルドハブ（３５０）に前記接合することが、溶接又はろう付けによって達成される、請求項１２に記載の方法。
- 前記同心管アセンブリを屈曲させる前に、前記第１の供給管（３１２）、前記第２の供給管（３２２）、及び前記第３の供給管（３３２）を除去可能な材料で充填することをさらに含む、請求項１２又は請求項１３に記載の方法。
- 前記流体マニホルドハブ（３５０）に、前記第１の供給管（３１２）と流れ連通する第１の流体入口（３５２）と、前記第２の供給管（３２２）と流れ連通する第２の流体入口（３５４）と、前記第３の供給管（３３２）と流れ連通する第３の流体入口（３５６）とを設けることをさらに含み、前記第１の流体入口（３５２）が、前記第２の流体入口（３５４）の上流にあり、前記第２の流体入口（３５４）が、前記第３の流体入口（３５６）の上流にある、請求項１２乃至請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
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