JP2004536273A - 冷却空気プレナム凹部を備える低酸化窒素内筒 - Google Patents

Abstract

酸化窒素（ＮＯｘ）排出を減らす内筒アセンブリが開示されている。この内筒は、加熱された冷却空気を含み、これを燃焼プロセスに再び導入する目的で、内筒シェルの外側で環状プレナムを使用する。空気プレナムを大きくすることができ、それによって中に含まれる冷却空気量を増やすことができ、さらに燃焼器アセンブリ内の内筒取付ペグを通過することができるように空気プレナムの直径を局所的に小さくする凹部を利用することにより、内筒アセンブリを燃焼器内に設置することが可能になる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス・タービン・エンジンに関し、より詳細には、酸化窒素（ＮＯｘ）排出を減らし、カン−アニュラ型ガス・タービン燃焼システム用の内筒を冷却する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内筒は一般に、たいていのガス・タービン・エンジン用の燃焼区画内で使用される。内筒は、燃料と空気の間で発生する化学反応を封じ込めることにより、燃焼器ケーシングおよび周囲のエンジンを非常に高い動作温度から守るように働く。
【０００３】
近年、政府排出規制が、ガス・タービン製造者にも操作者にも大きな関心事となっている。使用現場は、ＮＯｘの年間許容排出量を規制する政府認可証を有するので、特に関心があるのは、酸化窒素（ＮＯｘ）の排出、および空気汚染への影響である。したがって、特にＮＯｘの排出率がより低いエンジンを備えることが望ましい。というのは、このようなエンジンはより長時間の運転が可能であり、その結果、より多くの利益を操作者にもたらすことができるからである。
【０００４】
ＮＯｘの形成は、火炎温度、空気吸入温度、滞留時間、および空燃比に左右されることがよく知られている。火炎温度が低く、滞留時間が短く、さらに空燃比が小さいと、ＮＯｘ排出が低くなることが分かっている。所与の燃料量について、燃焼プロセスで導入される空気量を増やすことにより、火炎温度が低くなり、かつ空燃比が小さくなる。
【０００５】
しかし、ガス・タービンの動作温度が高いので、エンジン部品を冷却して初期故障を防ぐためには、エンジンのコンプレッサから出る空気のかなりの部分が必要である。このような部品を冷却するのに使用される空気の大部分が燃焼器を迂回するので、冷却空気の需要が増加することにより燃焼に利用できる空気が減り、それによって所与の燃料流に対する空燃比が上昇し、ＮＯｘ排出問題を悪化させる傾向のある火炎温度につながる。
【０００６】
最初から冷却専用の空気を使用し、燃焼器の空燃比を小さくすることによって、燃焼に利用可能な空気の使用を最大化し、ＮＯｘ排出を少なくする装置が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、デュアル・ステージ・デュアル・モード内筒の燃焼領域への空気量を増加させる手段を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、燃焼システムへの内筒の組立ておよび分解の助けを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によると、一般に発電機を駆動するのに使用されるタイプの、乾式低ＮＯｘガス・タービン・エンジンで使用することを意図した内筒が開示されている。この内筒は、狭いスロート絞りを有するベンチュリによって分離される、上流予混合空燃室と、下流または二次燃焼室とを含む。プレナムが、ベンチュリから予混合室に冷却空気を導くのに利用され、それによってＮＯｘ排出のレベルが低くなる。内筒とその対合ハードウェア、すなわち一般にフロー・スリーブまたはヒートシールドのサイズに応じて、空気プレナムのサイズ、したがって予混合室内に導入することができる空気量が制限される。本出願で開示する発明は、空気プレナムが大きすぎる場合に、対合ハードウェアに内筒を組み立てるのを助ける空気プレナムに、構造インサートまたは凹部を導入することにより、この制限を克服する助けとなる。
【実施例】
【００１０】
次に、これ以下で明らかとなるこれらおよび他の目的により、本発明を特に添付の図面を参照して説明する。
【００１１】
図１を参照すると、典型的な燃焼器１０が示されている。この燃焼器は、外側ケーシング１１と、ヒートシールドまたはフロー・スリーブ１２と、内筒１３とを含む。明確にするために、燃料システム部品を取り除いた。内筒１３は、ベンチュリ１６によって分離される、２つの燃焼室１４、１５を含む。また、様々な燃料ノズル（図示せず）を位置決めするのに使用される、キャップ・アセンブリ１７も内筒１３に含まれる。内筒１３は、内筒１３に固定された１組のタブ１８と、スリーブ１２に固定された１組のペグ１９とによってスリーブ１２内に保持される。内筒の設置中に、タブ１８はペグ１９内を摺動し、内筒１３を燃焼器１０内の所定の位置に保持する。
【００１２】
次に図２を参照すると、本発明を組み込んだ代替内筒３０の斜視図が示されている。この内筒は、予熱した冷却空気を上流燃焼室に導入する空気プレナム３１を含んでいる。この内筒はまた、１組のタブ１８と、キャップ・アセンブリ３３と、上流および下流燃焼室を分離するベンチュリ（図２には図示せず）とを含む。空気プレナム３１はまた、多数の凹部３２を含み、内筒軸Ａ−Ａに対して空気プレナム３１と比べて小さい直径で挿入される。空気プレナムおよび冷却回路が、内筒３０の断面である図３に、より詳しく示されている。
【００１３】
図３は、フロー・スリーブ１２内に設置された内筒３０の詳細な断面図である。内筒３０は、これに固定された１組のタブ１８を有し、これらのタブは、内筒が前記フロー・スリーブ内に設置されるときに、フロー・スリーブ１２に固定された対応する１組のペグ１９内に摺動する。また、この図には、上流および下流燃焼室３５、３６をそれぞれ分離させる、キャップ・アセンブリ３３およびベンチュリ３４も示されている。本発明と同じ譲受人に譲渡された米国同時係属特許出願第０９／６６４，８９８号および第０９／６０５，７６５号に論じるように、冷却空気が、開口部３８を通って二重壁ベンチュリ冷却チャネル３７に入り、矢印で示すように前進し、出口開口部３９を通ってベンチュリから出て、空気プレナム３１に流入する。この空気は次いで、プレナム開口部４０、４１を通って上流室３５内の燃焼混合プロセスに導かれる。参照文献で論じられているように、燃焼プロセス中に混合されるこのような追加の冷却空気が、火炎温度を下げ、混合気の空燃比を減少させて、低いＮＯｘ排出につながる。
【００１４】
空気プレナム３１の直径が、フロー・スリーブ１２内のフロー・スリーブのペグ１９などの障害物によって制限される。本発明は、空気プレナム３１を備える内筒３０が、フロー・スリーブのペグ１９を通って摺動し、燃焼器内の所定の位置に嵌合できるように、プレナム内に凹部３２（図２に示す）を設けることにより、これらのアセンブリ障害物を克服するのを助ける。
【００１５】
図４は、タブ１８がペグ１９内に配置される、フロー・スリーブ１２内に設置された内筒３０の正面図を示す。この図から、空気プレナム３１は直径が、フロー・スリーブのペグ１９より大きいことが分かる。ペグ１９を短くすることなくフロー・スリーブ１２内に内筒３０を設置するため、凹部３２が空気プレナム３１に組み込まれる。これにより、内筒を様々なフロー・スリーブ１２と交換可能な共通部品にすることができるが、内筒のタブ１８とフロー・スリーブのペグ１９の間の支持システムの構造的完全性は損なわれない。
【００１６】
この設置締め代部の拡大図が、図５に示されている。このタイプの内筒上に空気プレナム凹部３２を含めることにより、追加の空気をプレナム３１を通過させて、燃焼プロセスで使用することが可能になる。軸Ａ−Ａから測定した、空気プレナム３１の直径Ａは、フロー・スリーブのペグ１９の径方向内径Ｂより大きく、それによってプレナムの一部がフロー・スリーブのペグ１９を通って摺動するのを防ぐ。しかし、凹部３２を使用することにより、フロー・スリーブのペグ１９の径方向長さにかかわらず、フロー・スリーブ１２内に内筒３０を設置することができる。凹部３２は、直径Ｃが直径Ｂより小さく、幅Ｅが幅Ｄより大きい寸法をしており、空気プレナム３１に対する適当な隙間が可能になり、それによって、フロー・スリーブの各ペグ１９が凹部３２の１つと径方向に位置合せされると、内筒３０がフロー・スリーブのペグ１９によって軸方向に通過することが可能になる。凹部３２は、内筒３０がフロー・スリーブ１２内に設置されるときに、フロー・スリーブの各ペグ１９が凹部３２の１つと軸方向に位置合せされる、特定の位置まで回転できるように、プレナム３１の周方向まわりに配置され、それによって、プレナム３１とフロー・スリーブのペグ１９の間の干渉がなく、内筒はフロー・スリーブ１２内を軸方向に摺動することができる。フロー・スリーブのペグ１９がプレナム３１を除去すると、内筒３０の直径は直径Ｂより明らかに小さいので、内筒のタブ１８をフロー・スリーブのペグ１９と位置合せして、その間に挿入するように、内筒３０を回転させることができる。
【００１７】
本発明を、現時点で好ましい実施例として知られている実施例において説明したが、本発明は開示した実施例に限定するものではなく、むしろ、様々な変更形態および同等の装置は以下の特許請求の範囲内に含まれると理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】典型的な産業用ガス・タービン燃焼器の一部分の側断面図である。
【図２】本発明を利用する、改良型の内筒の等角図である。
【図３】本発明を利用する、燃焼器の一部分の側断面図である。
【図４】本発明を利用する、燃焼器の一部分の正面断面図である。
【図５】図４の拡大図であり、本発明を示す正面断面図である。

Claims (7)

1. 産業用ガス・タービン・エンジンで使用する内筒アセンブリであって、
   シェル入口端部およびシェル出口端部、それを通って画定される長手軸、前記シェル入口端部に隣接して配置される燃料および空気を混合する予混合室、前記予混合室と前記出口端部の間に配置され、これと連通する燃焼室、前記シェル入口端部の近傍に配置され、シェルを燃焼器内に位置決めする複数のタブ、および、シェルの周面まわりに間隔を置いて配置され、空気をシェルに導入する複数の穴を有するほぼ円筒形の外側シェルと、
   前記予混合室内に導入される空気量を調節するために、前記シェル入口端部内に位置決めされ、複数の燃料ノズル用のレセプタクルを有するキャップ・アセンブリと、
   冷却空気をベンチュリに入れることができる少なくとも１つのベンチュリ入口開口部、および冷却空気を前記ベンチュリから出すことができる少なくとも１つのベンチュリ出口開口部を備える冷却チャネルを含むベンチュリ・アセンブリと、
   前記軸に対して前記外側シェルより大きい直径の径方向外面を有し、前記シェル入口端部と前記複数の穴の間の第１の位置、および前記少なくとも１つのベンチュリ出口開口部と前記シェル出口端部の間の第２の位置で前記外側シェルに固定されて、前記少なくとも１つのベンチュリ出口開口部から出る冷却空気を前記複数の穴に導くプレナムと、
   前記プレナムの径方向外面に沿って配置される複数の凹部とを備える内筒アセンブリ。
2. 前記凹部が、前記プレナムの全軸方向長さに延びる、請求項１に記載の内筒。
3. 前記内筒の各タブが、前記凹部の１つと軸方向に位置合せされる、請求項２に記載の内筒。
4. 前記凹部が、前記内筒のタブから周方向にずれている、請求項２に記載の内筒。
5. 前記空気プレナムおよび凹部が、前記外側シェルと同様の材料からできている、請求項２に記載の内筒。
6. 前記空気プレナムが、前記内筒のタブの径方向の最外面と同じ距離、前記外側シェルから径方向外側に延びる、請求項２に記載の内筒。
7. 前記空気プレナムは断面が、ほぼ台形である、請求項２に記載の内筒。

Images