JP2004205204A - タービン内蔵システム及びそのインジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 タービン内蔵システム（１００）が、開示される。
【解決手段】 該システムは、吸気セクション（１４）と、該吸気セクション（１４）の下流にある圧縮機セクション（１６）と、該吸気セクション（１４）の下流にある１次燃焼システム（２２）を有する燃焼器セクション（２０）と、該１次燃焼システム（２２）の下流にある２次燃焼システム（２４）と、タービンセクション（１８）と、排気セクション（２６）と、負荷（２８）とを含む。２次燃焼システム（２４）は、１次燃焼システム（２２）の燃焼生成物の流れ内に２次燃料を交叉方向に噴射するためのインジェクタ（１２）を含む。インジェクタ（１２）は、カップリング（３０）と、燃料混合物通路（３６）を囲む、翼形部形状を形成した壁（３４）と、燃料混合物通路（３６）と１次燃焼生成物の流れとの間を連通するための少なくとも１つの出口（３４）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、タービン内蔵システムに関し、より具体的には、１次燃焼システムに加えて、該１次燃焼システムの燃焼生成物の流れ内に２次燃料混合物を交叉方向に噴射するためのインジェクタを備える２次燃焼システムを含むタービン内蔵システムに関する。

望ましくない空気汚染排出物を生成することなく高効率で作動するような新規タービンを実現させる動きが産業界にある。通常の炭化水素燃料を燃焼させるタービンによって通常生成される主要な空気汚染排出物は、窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃炭化水素である。空気吸入式エンジンにおける分子状窒素の酸化が、燃焼システムの反応域における最高温度及び燃焼器内部で到達した最高温度での反応物の滞留時間に大きく依存することは当該技術では良く知られている。サーマルＮＯｘ生成のレベルは、反応域の温度をサーマルＮＯｘが生成される温度以下に維持するか、或いはＮＯｘ生成が進行するための十分な時間がないように、高温での滞留時間を非常に短く維持することによって最小限に抑えられる。

サーマルＮＯｘが生成するレベル以下に反応域の温度を制御する１つの方法は、燃焼に先立って燃料と空気とを希薄混合気に予混合することである。特許文献１には、ガスタービン用途における希薄予混合燃焼技術に基づくデュアルステージ・デュアルモード低ＮＯｘ燃焼器が記載されている。特許文献２には、ガスタービンの乾式低ＮＯｘシングルステージ・デュアルモード燃焼器構成が記載されている。特許文献１及び特許文献２の各々の開示内容は、その全体が、参考文献として本明細書に組み入れられる。希薄予混合燃焼器の反応域に存在する過剰空気の熱容量が熱を吸収し、燃焼の生成物の温度上昇をサーマルＮＯｘが生成されないレベルに低下させる。この技術によっても、最新式の高効率、重負荷の工業用ガスタービンの場合には、最高負荷における燃焼器出口／第１段タービン入口での燃焼生成物の必要な温度は非常に高いので、燃焼器は反応域において、サーマルＮＯｘ生成閾値温度を越えるピークガス温度で作動されなればならず、燃料と空気とが希薄に予混合されているのにも拘らず多量のＮＯｘの生成を招く。解決されるべき問題は、多量のサーマルＮＯｘを生成させることなく、最新式の高効率、重負荷の工業用ガスタービンを最高負荷で作動させるのに十分高い燃焼器出口温度を得ることである。

空気中での炭化水素燃料の希薄予混合燃焼は、空気汚染レベル、特にガスタービン燃焼器におけるサーマルＮＯｘ排出レベルを低下させる方法として、ガスタービン工業全般に渡って広く使用されている。炭化水素燃料及び空気の希薄直接噴射（ＬＤＩ）もまた、ガスタービン燃焼システムにおけるＮＯｘ排出レベルを低下させるための有効な方法であることが示されているが、希薄予混合燃焼ほどには有効でない。ＬＤＩ燃料噴射アセンブリの例が、「希薄１次燃焼域即ち圧力損失及び滞留時間が燃焼性能及びＮＯｘエミッションに与える影響」と題された、非特許文献１に記載されており、その開示内容は、参考文献として本明細書に組み入れられる。
特公昭６２−３２３７０号 日本特許第３３３０９９６号 １９８７年東京国際ガスタービンコングレスでの「希薄１次燃焼域即ち圧力損失及び滞留時間が燃焼性能及びＮＯｘエミッションに与える影響」と題された論文

従って、新規かつ改良されたタービン内蔵システム、より具体的には、１次燃焼システムに加えて、該１次燃焼システムの燃焼生成物の流れ内に２次燃料混合物を交叉方向に噴射するための新規かつ改良されたインジェクタを備える２次燃焼システムを含むタービン内蔵システムに対する必要性が依然として存在する。

本発明は、タービン内蔵システムに関し、該システムは、吸気セクションと、該吸気セクションの下流にある圧縮機セクションと、該吸気セクションの下流にある１次燃焼システムを有する燃焼器セクションと、該１次燃焼システムの下流にある２次燃焼システムと、タービンセクションと、排気セクションと、負荷とを含む。２次燃焼システムは、１次燃焼システムの燃焼生成物の流れ内に２次燃料を交叉方向に噴射するためのインジェクタを含む。インジェクタは、カップリングと、好ましい実施形態においては翼形部形状を形成する、燃料混合物通路を囲む壁と、燃料混合物通路と１次燃焼生成物の流れとの間を連通するための少なくとも１つの出口とを含む。

タービン内蔵システムが発電に使用される場合は、負荷は発電機である。別の形態では、負荷は、油田で使用する圧縮機及び冷凍で使用する圧縮機のいずれかの１つのような選択された機械的駆動用途のためのものとすることができる。油田で使用する場合、該用途はガス再注入実施用とすることができる。冷凍で使用する場合、該用途は液化天然ガス（ＬＮＧ）プラントにおけるものとすることができる。更に別の負荷は、ターボジェットエンジン、ターボファンエンジン及びターボプロップエンジン内に見られるような推進器とすることができる。

２次燃焼器セクションは、１次燃焼器とタービンとの間のいずれの位置にでも取り付けられることができる。そのような位置には、例えば燃焼器セクションの缶、燃焼器セクションの移行部品、タービン入口セクション、及び燃焼器セクションの缶と移行部品との間の接合部のいずれか１つが含まれる。また、２次燃焼器セクションは、例えばタービンセクションの第１段翼形部として形成されたインジェクタのようにタービンセクションに取り付けられることもできる。２次燃焼システムは、実質的に移行部品の入口に取り付けられるのが好ましい。

２次燃焼システムは、複数のインジェクタを含むことができる。その目的のために、複数のインジェクタは、１次燃焼システムの燃焼生成物の流れ内に空間的に分配配置されることができる。複数のインジェクタは、例えば交互の長短インジェクタのような、長いインジェクタと短いインジェクタとの組合せを含むことができる。

好ましい実施形態において、インジェクタは燃料再循環域防止手段を含む。このような手段は、インジェクタ内のいずれかの位置での再循環を招く流れの分離を防止し、それによって、インジェクタの出口を燃料が通過する前にインジェクタ内で自己着火事象を発生するのを防止するいずれかの構造体である。この機能を達成する構造体は、カップリングとインジェクタ内の出口の開始部との間のフレア部材である。

燃料混合物通路を囲む壁に加え、インジェクタは更に、冷却媒体通路を形成する内部壁を含むことができる。好ましい実施形態において、冷却媒体通路は外囲壁に隣接する。

加えて、インジェクタは更に、壁と内部壁との間にミキサ内蔵要素を含む。このミキサ内蔵要素は、第２の冷却媒体通路を形成することができる。更に、ミキサ内蔵要素は、冷却媒体通路と第２の冷却媒体通路との間の連通路を含むことができる。更に、ミキサ内蔵要素は、冷却媒体を出口に連通させる混合用通路を含むことができる。混合用通路の軸線は、出口の軸線に対してほぼ垂直であるのが好ましい。

燃料混合物通路と１次燃焼生成物の流れとの間の連通のための少なくとも１つの出口に関しては、その直径は、混合用通路の直径よりも大きい。冷却媒体を供給する混合用通路の直径は、出口へ燃料を供給する入口の直径よりも大きくてもよい。加えて、出口の長さは、該出口へ燃料を供給する入口の直径の約１〜１０倍の範囲とすることができる。好ましくは、出口の長さは、該出口に燃料を供給する入口の直径の約３〜７倍の範囲とすることができる。出口自体に関しては、その直径は、該出口に燃料を供給する入口の直径の約５倍とすることができる。

加えて、壁は更に、インジェクタの外側表面上に冷却膜を形成するための孔を含むことができる。好ましい実施形態において、該孔はインジェクタの出口の下流に配置され、より好ましくは、該出口から後縁までの距離の約１／２ないし２／３の範囲内に配置される。

燃料混合物通路を囲む壁は、各断面での面積を定める。好ましい実施形態において、断面積はカップリングからの距離が増大するにつれて縮小する。断面積の縮小を行う１つの方法は、カップリングからの距離が増大するにつれて壁をテーパさせて大きくなるようにすることができる。断面積の縮小を行う他の方法は、実質的にテーパされていない壁内に面積縮小用部材を更に含むようにすることができる。更に別の方法は、面積縮小用部材とその内部に該面積縮小用部材を囲むテーパ付き壁との組合せとすることができる。

燃料混合物通路と１次燃焼生成物の流れとの間を連通する出口に関しては、複数の出口があるようにすることができる。そのような場合においては、複数の出口は、インジェクタ位置の領域における酸化剤（例えば酸化ガス）に比例する燃料の量を供給するように構成されることができる。インジェクタ位置の領域における酸化剤（例えば酸化ガス）に比例する燃料の量を供給する方法の１つは、複数の出口の予め選択された間隔によることができる。別の方法は、複数の出口の予め選択された出口直径の分布によることができる。更に別の方法は、予め選択された出口間隔を予め選択された出口直径分布と組合せたものとすることができる。

翼形部形状のインジェクタに関しては、該翼形部形状は、前縁の内接円の直径と前縁から後縁までの長さとによって定めることができる。前縁から後縁までの長さ（ｌ）に対する内接円直径（ｄ）の比率は、アスペクト比（ｄ／ｌ）と呼ばれることができる。好ましい実施形態において、アスペクト比（ｄ／ｌ）は、約１ないし１２の範囲とすることができ、より好ましくはアスペクト比（ｄ/ｌ）は、約１ないし２の範囲とすることができ、更により好ましくはアスペクト比（ｄ／ｌ）は、約１．４とすることができる。また、翼形部形状のインジェクタが更に、旋回角度を備えることができることは、当業者には明らかであろう。このような旋回角度は、１次燃焼生成物内に噴射された燃料の混合に寄与し、本発明のより低いＮＯｘを可能にするのを助ける。旋回角度は変化させることができることは理解されるであろう。例えば、各断面の旋回角度は、インジェクタのカップリングから、該カップリングから最も遠い出口に向かって移動するのに従って、該インジェクタが本発明のより低いＮＯｘエミッションを可能にするのを助けるのに適した旋回角度になるように調整されることができる。

従って、本発明の１つの態様では、タービン内蔵システムが提供され、該タービン内蔵システムは、吸気セクションと、該吸気セクションの下流にある圧縮機セクションと、該吸気セクションの下流にある１次燃焼システムを有する燃焼器セクションと、該１次燃焼システムの下流にある２次燃焼システムと、タービンセクションと、排気セクションとを含む。２次燃焼システムは、１次燃焼システムの燃焼生成物の流れ内に２次燃料混合物を交叉方向に噴射するためのインジェクタを含む。インジェクタは、カップリングと、燃料混合物通路を囲む壁と、該燃料混合物通路と１次燃焼生成物の流れとの間を連通するための少なくとも１つの出口とを含む。

本発明の別の態様では、タービン内蔵システムで用いるインジェクタが提供される。該システムは、吸気セクションと、該吸気セクションの下流にある圧縮機セクションと、１次燃焼システムを有する燃焼器セクションと、該１次燃焼システムの下流にあり、１次燃焼生成物の流れを更に燃焼させるための２次燃焼システムと、タービンセクションと、排気セクションとを含む。インジェクタは、カップリングと、燃料混合物通路を囲む、翼形部形状を形成した壁と、燃料混合物通路と１次燃焼生成物との間を連通するための少なくとも１つの出口とを含む。

本発明の更に別の態様では、タービン内蔵システムが提供され、該タービン内蔵システムは、吸気セクションと、該吸気セクションの下流にある圧縮機セクションと、該吸気セクションの下流にある１次燃焼システムを有する燃焼器セクションと、該１次燃焼システムの下流にある２次燃焼システムと、タービンセクションと、排気セクションと、負荷とを含む。２次燃焼システムは、１次燃焼システムの燃焼生成物の流れ内に２次燃料を交叉方向に噴射するためのインジェクタを含む。インジェクタは、カップリングと、燃料混合物通路を囲む、翼形部形状を形成した壁と、燃料混合物通路と１次燃焼生成物の流れとの間を連通するための少なくとも１つの出口とを含む。

本発明のこれら及び他の態様は、好ましい実施形態の以下の説明を読み、図面と共に検討した後に、当業者に明らかとなるであろう。

以下の説明において、同じ参照符号は、幾つかの図を通して同一又は対応する部分を表している。以下の説明において、「前方」、「後方」、「左」、「右」、「上向き」、「下向き」などのような用語は、便宜的な用語であり限定的な用語として解釈されるべきではないことを理解されたい。

ここで図全体及び特に図１を参照すると、これらの図は、本発明の好ましい実施形態を説明するためのものであって、本発明をそれらに限定することを意図するものではないことを理解されたい。図１で最も良く分かるように、全体を符号１０で示したタービン内蔵システムは、本発明に従って構成されたものとして示されている。タービン内蔵システムは、１次燃焼システムに加えて、該１次燃焼システムの燃焼生成物の流れ内に２次燃料混合物を交叉方向に噴射するためのインジェクタ１２（図示せず）を備える２次燃焼システム２４を含む。

図１において、タービン内蔵システム１０は、吸気セクション１４と、該吸気セクション１４の下流にある圧縮機セクション１６と、該吸気セクション１４の下流にある１次燃焼システム２２を有する燃焼器システム２０と、該１次燃焼システム２２の下流にある２次燃焼システム２４と、タービンセクション１８と、排気セクション２６とを含む。図２及び図３で最も良く分かるように、２次燃焼システム２４は、１次燃焼システム２２の燃焼生成物の流れ内に２次燃料混合物を交叉方向に噴射するためのインジェクタ１２を含む。図４、図５、図７、図８及び図９で最も良く分かるように、インジェクタ１２は、カップリング３０と、燃料混合物通路３６を囲む壁３２と、燃料混合物通路３６と１次燃焼生成物の流れとの間を連通するための少なくとも１つの出口３４とを含む。

再び図１を参照すると、タービン内蔵システム１０は、圧縮機セクション１６と、燃焼器セクション２０と、タービンセクション１８とを含む。タービンセクション１８は、共通のシャフト接続を介して圧縮機セクション１６及び負荷２８を駆動する。負荷２８は、発電機及び機械的駆動用途のうちのいずれか１つとすることができる。このような機械的駆動用途の例には、油田で使用する圧縮機及び冷凍で使用する圧縮機のうちのいずれか１つが含まれる。油田で使用する場合、該用途は、ガス再注入実施用とすることができる。冷凍で使用する場合、該用途は、液化天然ガス（ＬＮＧ）プラントにおけるものとすることができる。更に別の負荷２８は、ターボジェットエンジン、ターボファンエンジン及びターボプロップエンジン内に見られるような推進器とすることができる。

再び図１及び図２を参照すると、燃焼器セクション２０は、円周方向に間隔を置いて配置された複数の燃焼器１１０の円形配列を含むことができる。燃料／空気混合物は、各燃焼器１１０内で燃焼されて高エネルギーのガス流を発生し、このガス流は、タービンセクション１８のタービンノズル１１１にガスを流すための移行部品１１８を通って流れる。従来型の燃焼器は、先に言及した日本特許第３３３０９９６号（特許文献１）に記載されている。ここでの説明の目的のために、１つのみの燃焼器を図示するが、燃焼器セクション２０の周りに配列された他の燃焼器１１０の全ては、図示した燃焼器１１０と実質的に同一であることを理解されたい。

図１には、円周方向に間隔を置いて配置された複数の燃焼器１１０を示し、図２には、当該技術において缶型燃焼器として知られている燃焼器１１０の断面を示すが、本発明は、アニュラ型燃焼器システムを含むが該アニュラ型燃焼器システム限定されるものではない他の燃焼器システムと組合せてして使用することができることを意図している。

ここで図２を参照すると、タービン内蔵システム１０の燃焼器１１０を全体的に示しており、該タービン内蔵システム１０は、１次燃焼システム２２と、インジェクタ１２への連通のためのアセンブリ１５０（各特許の開示内容全体が参考文献として本明細書に組み入れられている、特開平１０−４７６７９号に記載されているような）を含む２次燃焼システム２４と、高温の燃焼ガスをタービンノズル１１１及びタービンブレード（図示せず）に流すための移行部品１１８とを含む。１次燃焼システム２２は、ケーシング１２０と、エンドカバー１２２と、複数の始動燃料ノズル１２４と、複数の予混合燃料ノズル１１４と、キャップアセンブリ１３０と、フロースリーブ１１７と、該スリーブ１１７内部の燃焼ライナとを含む。好適なキャップアセンブリ１３０は、日本特許３３２３５７０号に記載されており、その開示内容が、参考文献として本明細書に組み入れられる。点火装置（図示せず）が設けられ、該装置は、電気励起式スパークプラグを含むのが好ましい。１次燃焼システム２２内の燃焼は、燃焼ライナ１２８内で起こる。燃焼用空気は、フロースリーブ１１７を介して燃焼ライナ１２８内に導かれ、キャップアセンブリ１３０内に形成された複数の開口を通して燃焼ライナ１２８に入る。空気は、キャップアセンブリ１３０の前後の圧力差により燃焼ライナ１２８に入り、該燃焼ライナ１２８内部で始動燃料ノズル１２４及び／又は予混合燃料ノズル１１４からの燃料と混合される。その結果、燃焼ライナ１２８内部で燃焼反応が発生し、タービンセクション１８を駆動するための熱が放出される。１次燃焼システム２２用の高圧空気は、環状プレナム２０２からフロースリーブ１１７及び移行部品の衝突スリーブ１１５に入る。符号１１３の位置における一連のベーン及びブレードとデフューザ１４２とで表わされている圧縮機セクション１６が、この高圧空気を供給する。各予混合燃料ノズル１１４は、流入空気に回転を与える複数の旋回ベーンからなるスワラ２０４と、その回転空気流に燃料を分配する複数の燃料スポーク２０６とを含む。次いで、燃料と空気とは、１次反応域２０８内で反応する前に予混合燃料ノズル１１４内部の環状通路内で混合される。

２次燃焼システム２４は、高い入口温度条件で作動するようにされた、インジェクタ１２に連通するためのアセンブリ１５０を含む。図２及び図３を参照すると、アセンブリ１５０は、希釈剤マニフォルド１５１と、燃料混合物マニフォルド１５２と、複数のインジェクタ１２とを含むことができ、該インジェクタ１２は、燃焼ライナ１２８を貫通して燃焼器アセンブリ１１０内部の２次反応域１１９内に追加の燃料混合物及び希釈剤を導入する。１次反応域２０８を出た高温の燃焼生成物は、この２次燃料混合物を着火させる。その結果生じた２次炭化水素燃料酸化反応は、移行部品１１８内での実質的な完全反応まで至る。２次燃料混合物は、各インジェクタ１２の複数の出口３４を通して２次反応域１１９内に噴射されることができる。燃料混合物は、２次反応域に導入される前に良好に混合されることが好ましく、また燃料混合物マニフォルド１５２に導入される前に良好に混合されることがより好ましい。

図３に示すように、２次燃焼システム２４は、複数のインジェクタ１２を含み、該インジェクタ１２は、１次燃焼システム２２の燃焼生成物の流れ内に空間的に分散配置されることができる。複数のインジェクタ１２は、例えば交互の長短インジェクタのような、長いインジェクタ６２と短いインジェクタ６０との組合せを含むことができる。

図４及び図５に示すように、各インジェクタ１２は、燃料混合物のための再循環防止手段３８を含むことができる。このような手段３８は、インジェクタ内部のいずれかの位置での燃料混合物の再循環を招く流れの分離を防止し、それによって燃料混合物がインジェクタ１２の出口３４を通過する前にインジェクタ１２内で自己着火事象を発生するのを防止するいずれかの構造体である。この機能を達成する構造体は、具体的には図４に示すような、カップリング３０とインジェクタ１２内の出口３４の開始部との間のフレア部材である。各インジェクタ１２は、カップリング３０と、燃料混合物通路３６を囲む壁３２と、燃料混合物通路３６と１次燃焼生成物の流れを含む２次反応域１１９との間を連通するための少なくとも１つの出口３４とを含む。好ましい実施形態において、燃料混合物通路３６を囲む壁３２は、翼形部形状を形成している。

図５は、図４のインジェクタの側面断面図であり、燃料混合物通路３６を囲みかつ燃料混合物通路３６と燃焼器内の１次燃焼生成物の流れとの間を連通するための出口３４を含むインジェクタ壁３２を示している。出口３４は、１次燃焼生成物の流れを含む２次反応域１１９内に導入される燃料混合物と希釈剤混合物との量が、該２次反応域１１９内の酸化剤（例えば酸化ガス）に比例するように間隔を置いて配置される。図３に示すインジェクタにおけるような角度付き実装においては、出口３４の間隔は、例えば出口３４の直径ｄ₃₄がほぼ一定に維持される場合、カップリングからの距離が増大するにつれて出口３４の間隔が増大するようにすることができる。

図７、図８及び図９に示すように、各インジェクタ１２は更に、燃料混合物通路３６を囲む壁３２に加えて、冷却媒体通路４２を形成するための内部壁４０を含むことができる。加えて、インジェクタは更に、壁３２と内部壁４０との間にミキサ内蔵要素４４を含むことができる。このミキサ内蔵要素４４は、第２の冷却媒体通路４６を形成することができる。更に、ミキサ内蔵要素４４は、冷却媒体通路４２と第２の冷却媒体通路４６と間の連通路５０を含むことができる。冷却媒体通路４２と第２の冷却媒体通路との間には、複数の連通路５０があるようにすることができる。連通路５０は、冷却媒体通路４２と第２の冷却媒体通路４６との間で希釈剤を分配して、インジェクタ１２への希釈剤の供給をバランスさせる。また、ミキサ内蔵要素４４は、冷却媒体を出口３４に連通するための混合用通路５２を含むことができる。混合用通路５２の軸線は出口３４の軸線に対してほぼ垂直であるのが好ましい。

インジェクタ１２の作動において、燃料混合物通路３６を通して供給される燃料混合物は、実質的に燃料のみの混合物とすることができる。それに代えて、燃料混合物は、希釈剤と混合されることができる。例えば、図４及び図５に示すようなインジェクタ１２は、燃料混合物を用いて作動され、該燃料混合物は、その発熱量を低下させると同時に該燃料混合物が燃料混合物通路３６を通って出口３４へ流れるときに該燃料混合物の如何なる早期自己着火も防止するように外囲壁３２を冷却する。これと対照的に、図７、図８、図９、及び図１０に示すようなインジェクタ１２は、実質的に燃料のみであるものから空気及び／又は希釈剤と予混合された混合物までの範囲の燃料混合物を用いて作動されることができる。図７、図８、図９、及び図１０に示すようなインジェクタ１２のこの自由度の１つの理由は、冷却媒体通路４２と任意選択的に第２の冷却媒体通路４６とを形成する内部壁４０を含むことである。冷却媒体通路４２及び４６によって囲まれた燃料混合物通路３６の組合せは、燃料流路３６に実質的に燃料のみの混合物を供給し、同時に燃料混合物の自己着火を回避することを可能にする。

図１０は、別の実施形態のインジェクタ１２の斜視図である。図８及び図９に示すように、インジェクタ１２は更に、燃料混合物通路３６を囲む壁３２に加え、冷却媒体通路４２を形成する内部壁４０を含むことができる。また、インジェクタは更に、壁３２と内部壁４０との間にミキサ内蔵要素４４を含むことができる。このミキサ内蔵要素４４は、第２の冷却媒体通路４６を形成することができる。更に、ミキサ内蔵要素４４は、冷却媒体通路４２と第２の冷却媒体通路４６との間の連通路５０を含むことができる。加えて、ミキサ内蔵要素４４は、冷却媒体を出口３４に連通するための混合用通路５２を含むことができる。

図７のインジェクタ１２と対照的に、図１０のインジェクタ１２のカップリングから最も遠い出口３４は、該インジェクタ１２の長手方向軸線に対して約４５度の角度に向けられる。このようにして、インジェクタ１２を取り巻く全領域に燃料混合物が供給される。加えて、インジェクタ１２の前縁における壁３２内に孔５４があるのではなくて、図１０における孔５４は、出口３４の下流に位置するインジェクタの壁内にある。孔５４は、出口３４から後縁までの距離の約１／２ないし２／３の範囲の距離で壁３２に配置されるのが好ましい。

図１１に示すように、入口３４’は、出口３４を介した、１次燃焼生成物の流れを含む２次反応域１１９と燃料混合物通路３６との間の連通の最初の位置にある。入口３４’から出口３４までの経路に沿って、燃料混合物に冷却媒体を供給する混合用通路５２（第２のものが断面図のために除外されたので、図１１の断面においては１つのみが示されている）が存在する。出口３４は出口直径ｄ₃₄を有し、混合用通路５２は直径ｄ₅₂を有する。出口直径ｄ₃₄は、直径ｄ₅₂よりも大きい直径を有する。入口３４’は直径ｄ_34'を有する。冷却媒体を供給する混合用通路５２の直径ｄ₅₂は、入口３４’の入口直径ｄ_34'よりも大きい直径とすることができる。加えて、入口３４’から出口３４までの長さである長さｌ₃₄は、入口３４’の直径ｄ₃₄の約１ないし１０倍の範囲とすることができる。長さｌ₃₄は、入口３４’の直径Ｄ_34'の約３ないし７倍の範囲とすることができるのが好ましい。出口３４自体に関しては、その直径ｄ₃₄は、入口３４’の直径ｄ_34'の約５倍とすることができる。

図７、図８、及び図９に示すように、冷却媒体通路４２及び４６は、壁３２に隣接している。加えて、壁３２は更に、インジェクタ１２の外側表面に冷却膜を形成するための孔５４を含むことができる。図８及び図９において、孔５４はインジェクタ１２の前縁に配置される。これと対照的に、図１０においては、孔５４は、インジェクタ１２の後縁に配置される。孔５４は、インジェクタ１２の外側表面の冷却作用を生じさせる、該インジェクタ１２の如何なる表面位置に配置することもできることは当業者には明らかであろう。好ましい実施形態において、孔５４は、インジェクタ１２の出口３４の下流に配置される。好ましくは、孔５４は、出口３４から後縁までの距離の約１／２ないし２／３の範囲の距離で壁３２内に配置される。

図６ａ、図６ｂ、及び図６ｃに示すように、翼形部輪郭の断面図は、図４、図５、図７、及び図９に示すようなインジェクタ１２のいずれかに使用することができる種々の輪郭のいずれか１つを有することができる。各インジェクタ１２は、例えば必要に応じてタービンにおける予旋回をつくり出すような輪郭を含むことができ、更に、図６ｂ及び図６ｃに示すような旋回角度を含むことができる。予旋回をつくり出すための輪郭を有するインジェクタ１２の使用は、アニュラ型燃焼器システムと組合せて使用するとき特に有利となる。アニュラ型燃焼器システムに使用される場合、インジェクタは、同じ長さであるのが好ましい。翼形部輪郭断面の前縁の内接円直径ｄ_icと前縁から後縁までの長さｌ_le-teとのアスペクト比は、約１ないし１２の範囲である。好ましくは、アスペクト比は約１ないし２の範囲であり、最も好ましくは約１．４である。

作動において、タービン内蔵システムは、１次燃焼システム及び２次燃焼システムによって、ＮＯｘ排出レベルを低下させることができる。これらの低下されたレベルは、２次燃料混合物を、１次燃焼システムの燃焼生成物の流れ内に交叉方向に噴射するためのインジェクタ１２によって改善される。その結果として、タービン内蔵システム１０は、環境によりやさしい方式で負荷２８を駆動することができる。従って、発電と、例えば油田で使用する圧縮機、冷凍で使用する圧縮機、並びにターボジェットエンジン、ターボファンエンジン及びターボプロップエンジン内に見ることができるような推進器などの機械的駆動用途とのうちのいずれか１つが、より地球にやさしい方式で作動されることができる。

タービン内蔵システム１０（図１を参照）の作動の間、空気は、吸気セクション１４内に吸入され、下流の圧縮機セクション１６により加圧される。加圧された空気の１部は、複数の燃焼器１１０の各々における１次反応域１０８内で燃料混合物と混合され燃焼されるように１次燃焼システムに供給される。ＮＯｘの生成は温度及び時間に依存するので、燃焼温度及び燃焼時間が、ＮＯｘ生成を防止できないとしても少なくとも最小限とするように制御される。従って、１次燃焼生成物は未燃の燃料及び空気を含む。

１次燃焼生成物が２次燃焼システム２４（図２を参照）に向け下流に移動すると、追加の燃料空気及び希釈剤が、実質的な完全燃焼を可能とする割合でインジェクタ１２を介して導入される。１次燃焼セクション２２におけるのと同様に、燃焼温度及び燃焼時間が、ＮＯｘ生成を防止できないとしても少なくとも最小限とするように制御される。このことは、１次燃焼システムに対するインジェクタ１２の配置を含む２次燃焼システムの種々の態様を制御することによって達成される。例えば、インジェクタ１２は、燃焼器１１０の缶型フロースリーブ１１７、燃焼器１１０の移行部品１１８、及び缶型フロースリーブ１１７と移行部品１１８との接合部のうちのいずれか１つに設けることができる。また、インジェクタ１２は、例えばタービンセクション１８の第１段翼形部などのタービンセクション１８に設けることもできる。２次燃焼システムのインジェクタ１２は、移行部品１１８の実質的に入口に設けられるのが好ましい。

２次燃焼システム２４（図３を参照）におけるＮＯｘ生成を防止できないとしても少なくとも最小限とする燃焼温度及び燃焼時間の制御を達成するための別の方法は、１次燃焼システム２２の燃焼生成物の流れ内に複数のインジェクタ１２を空間的に分散配置することである。例えば、交互の長短インジェクタのような長いインジェクタ６２及び短いインジェクタ６０の組合せを含むことによって、あらゆる質量流量の閉塞状態を減少させ、同時に１次燃焼生成物と追加の燃料混合物との完全な混合を達成することができる。

燃焼温度制御及び該制御された燃焼温度での時間の制御を達成する更に別の方法を用いることもできる。温度及び時間の両方を制御する機能は、２次燃焼システム２４（図３を参照）におけるＮＯｘ生成を防止できないとしても少なくとも最小限にすることである。この更に別の方法は、２次反応域１１９内の１次燃焼生成物内に導入される燃料混合物及び希釈剤混合物の量が、該反応域内の酸化剤（例えば酸化ガス）に比例するように、出口３４の間隔を調整することにより行うことができる。図３に示すインジェクタにおけるこの比例概念の実行には、種々の方式で出口３４の間隔を調整することが含まれる。すなわち、例えば出口３４の直径ｄ₃₄がほぼ一定に保たれている場合には、カップリング３０からの距離が増加するにつれて、出口３４の間隔が増大されるか又は縮小される。それに代えて、出口３４の間隔が一定に保たれている場合には、出口３４の直径ｄ₃₄は、例えば該直径の分布を変化させることができる。

２次燃焼システム２４を出た高温の燃焼生成物は、タービンセクション１８に入る。タービンセクション１８は、共通のシャフト接続を介して圧縮機セクション１６及び負荷２８を駆動する。タービンセクション１８が、例えば、高圧タービン及び低圧タービン、或いは高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンのような複数のタービンを含むことができることは当業者には明らかであろう。同様に、圧縮機セクション１６は、例えば、低圧圧縮機及び高圧圧縮機、或いは低圧圧縮機、中圧圧縮機及び高圧圧縮機のような複数の圧縮機を含むことができる。タービンセクション１８を出た高温の燃焼生成物は、排気セクション２６に入る。

図４及び図５に示すように、各インジェクタ１２は、燃料混合物再循環防止手段３８を含むことができる。このような手段３８は、インジェクタ内のあらゆる位置における燃料混合物の滞留時間を短縮し、それによって燃料混合物がインジェクタ１２の出口３４を通過する前にインジェクタ内で自己着火事象を発生するのを防止するいずれかの構造体である。この機能を実現する構造体は、具体的には図４に示すような、カップリングとインジェクタ内の出口３４の開始部との間のフレア部材である。

図７、図８、及び図９に示すようなインジェクタ１２の作動において、内部壁４０内に含まれる、各インジェクタ１２の燃料混合物通路３６は、環状プレナム２０２からの圧縮機吐出空気が冷却媒体通路４２を通って流されて、外囲壁３２の温度を、該外囲壁３２が形成されている合金の作動温度以下に保つことを可能とする。インジェクタ１２が、壁３２と内部壁４０との間にミキサ内蔵要素４４を更に含む場合、環状プレナム２０２からの圧縮機吐出空気もまた、同様な理由により第２の冷却媒体通路４６を通って流されることができる。更に、ミキサ内蔵要素４４は冷却媒体通路４２と第２の冷却媒体通路４６との間に、１つの流路から他の流路への希釈剤の補給を可能にするための連通路５０を含むことができる。空気は、出口３４と連通する混合用通路５２によって燃料混合物と更に混合されて、燃料混合物がより適切な組成に配合されるための手段を構成することがでる。

以上の説明を読めば、当業者はある種の修正及び改良に気付くであろう。そのような修正及び改良の全ては、簡潔としかつ読み易くするために本明細書において除外されている。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の実施形態によるタービン内蔵システムの部分側面断面図。 図１のタービン内蔵システムで使用できる燃焼器セクションの燃焼器の側面断面図。 図２のタービン燃焼器セクション及び図１のタービン内蔵システムで使用できる２次燃焼システムの軸方向図。 図１、図２及び図３の２次燃焼システムで使用できるインジェクタの図。 図４のインジェクタの側面断面図。 図４及び図５のインジェクタで使用できる翼形部輪郭の断面図。 図４及び図５のインジェクタで使用できる別の翼形部輪郭の断面図。 図４及び図５のインジェクタで使用できる更に別の翼形部輪郭の断面図。 図１、図２及び図３の２次燃焼システムで使用できる別のインジェクタの断面図。 図７のインジェクタの部分斜視図。 図７及び図８のインジェクタの一部を切り欠いた部分斜視図。 図１、図２及び図３の２次燃焼システムで使用できる更に別のインジェクタの斜視図。 図７、図８及び図９のインジェクタの出口の断面図。

符号の説明

１２ インジェクタ
２０ 燃焼器システム
２２ １次燃焼システム
２４ ２次燃焼システム
１１０ 燃焼器
１１１ タービンノズル
１１４ 予混合燃料ノズル
１１５ 衝突スリーブ
１１７ フロースリーブ
１１８ 移行部品
１１９ ２次反応域
１２０ ケーシング
１２４ 始動燃料ノズル
１２８ 燃焼ライナ
２０２ 環状プレナム
２０８ １次反応域

Claims (9)

1. （ａ）吸気セクション（１４）と、
   （ｂ）前記吸気セクション（１４）の下流にある圧縮機セクション（１６）と、
   （ｃ）前記吸気セクション（１４）の下流にある１次燃焼システム（２２）を有する燃焼器セクション（２０）と、
   （ｄ）前記１次燃焼システム（２２）の下流にある２次燃焼システム（２４）と、
   （ｅ）タービンセクション（１８）と、
   （ｆ）排気セクション（２６）と、を含み、
   前記２次燃焼システム（２４）が、前記１次燃焼システム（２２）の燃焼生成物の流れ内に２次燃料混合物を交叉方向に噴射するためのインジェクタ（１２）を含み、前記インジェクタ（１２）が、
   （ｉ）カップリング（３０）と、
   （ｉｉ）燃料混合物通路（３６）を囲む壁（３２）と、
   （ｉｉｉ）前記燃料混合物通路（３６）と前記１次燃焼生成物の流れとの間を連通するための少なくとも１つの出口（３４）と、を含む、
   ことを特徴とするタービン内蔵システム（１０）。
2. 負荷（２８）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のタービン内蔵システム（１０）。
3. 前記負荷（２８）が、発電機であることを特徴とする、請求項２に記載のタービン内蔵システム（１０）。
4. 前記負荷（２８）が、圧縮機及び推進器のいずれか１つであることを特徴とする、請求項２に記載のタービン内蔵システム（１０）。
5. 前記２次燃焼器セクション（２４）が、前記燃焼器セクション（２０）の缶、前記燃焼器セクション（２０）の移行部品、タービン入口部分、及び前記燃焼器セクション（２０）の缶と移行部品との間の接合部のいずれか１つに設けられることを特徴とする、請求項１に記載のタービン内蔵システム（１０）。
6. 前記インジェクタ（１２）が、前記タービンセクション（１８）の第１段翼形部として設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン内蔵システム（１０）。
7. 前記２次燃焼システム（２４）が、複数のインジェクタ（１２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のタービン内蔵システム（１０）。
8. 吸気セクション（１４）と、前記吸気セクション（１４）の下流にある圧縮機セクション（１６）と、１次燃焼システム（２２）を有する燃焼器セクション（２０）と、前記１次燃焼システムの下流にあり、１次燃焼生成物の流れを更に燃焼させるための２次燃焼システム（２４）と、タービンセクション（１８）と、排気セクションとを含むタービン内蔵システム（１０）で使用するためのインジェクタ（１２）であって、
   （ａ）カップリング（３０）と、
   （ｂ）燃料混合物通路（３６）を囲む、翼形部形状を形成した壁（３２）と、
   （ｃ）前記燃料混合物通路（３６）と前記１次燃焼生成物の流れとの間を連通するための少なくとも１つの出口（３４）と、
   を含むことを特徴とするインジェクタ（１２）。
9. （ａ）吸気セクション（１４）と、
   （ｂ）前記吸気セクション（１４）の下流にある圧縮機セクション（１６）と、
   （ｃ）前記吸気セクション（１４）の下流にある１次燃焼システム（２２）を有する燃焼器セクション（２０）と、
   （ｄ）前記１次燃焼システム（２２）の下流にある２次燃焼システム（２４）と、
   （ｅ）タービンセクション（１８）と、
   （ｆ）排気セクション（２６）と、
   （ｇ）負荷と、を含み、
   前記２次燃焼システム（２４）が、前記１次燃焼システム（２２）の燃焼生成物の流れ内に２次燃料を交叉方向に噴射するためのインジェクタ（１２）を含み、前記インジェクタ（１２）が、
   （ｉ）カップリング（３０）と、
   （ｉｉ）燃料混合物通路（３６）を囲む、翼形部形状を形成した壁（３２）と、
   （ｉｉｉ）前記燃料混合物通路（３６）と前記１次燃焼生成物の流れとの間を連通するための出口（３４）と、を含む、
   ことを特徴とするタービン内蔵システム（１０）。

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