JP2005265403A - 希釈孔を有するタービン燃焼器移行部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、希釈混合しかつエミッション低減を促進するのに役立つ希釈孔を有する移行部品を提供する。
【解決手段】 タービン燃焼器から燃焼生成物を受けるための入口端部（２０）とガス状生成物を第１段ノズル（１４）内に流すための出口端部（２２）とを備えた移行部品本体（１８）は、移行部品本体入口及び出口端部にそれぞれ隣接した区域（２４、２６）内に希釈孔（２８）を有する。ガス流中に流れる希釈空気量は、移行部品の入口及び出口端部でほぼ等しい。孔の位置及び大きさは、表ＩのそれぞれのＸ、Ｙ、Ｚ座標及び孔直径で与えられる。Ｘ及びＹ座標は、その入口端部における移行部本体の円形平面内に位置し、Ｚ座標は、原点からガス流の方向に延びる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービン燃焼器と第１段ノズルとの間で燃焼生成物を流すための燃焼器移行部品に関し、具体的には、希釈混合しかつエミッション低減を促進するのに役立つ希釈孔を有する移行部品に関する。

大気汚染排出物質は、一般的に通常の炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンにおいて生成されることはよく知られている。これらの排出物質（エミッション）は、一般的に窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃炭化水素である。窒素分子の酸化は、タービン燃焼器で発生する高温ガス流の温度によって決まり、またこの高温ガス流は移行部品を通って第１段ノズルに流れることもよく知られている。こうした高温度での反応物質の滞留時間もまた、望ましくないエミッションが生成される要因となる。

反応区域温度をサーマルＮＯｘが形成されるレベル以下に維持すること、高温度での滞留時間をＮＯｘ形成反応が進むのに不十分な時間となるように減少させること、或いはその両方のような様々な概念が提案されかつ利用されてきた。燃焼器における反応物質の温度を低下させる１つの方法は、燃焼前の燃料と空気の混合気を希薄にすることである。従って、多くの場合、希釈空気を燃焼ライナ内部に供給して、サーマルＮＯｘが形成されないようなレベルまで熱を吸収しかつ温度上昇を低下させている。しかしながら、多くの場合、また希薄な予混合燃料及び空気の場合でさえも、温度は、望ましくないエミッションを生成するのに十分なものになる。

希釈空気は、これまで燃焼器と第１段ノズルとの間で移行部品内に供給されてきた。例えば、従来技術の移行部品では、移行部品の出口に隣接させて第１段ノズルに近い位置に２つの希釈孔が設けられていた。しかしながら、これらのエミッションを低減するための従来の様々な提案にもかかわらず、望ましくないエミッションは、依然として問題である。

本発明の好ましい実施形態では、希釈混合及びエミッション低減を促進する移行部品の希釈空気制御システムを提供する。具体的には、希釈空気制御システムにより、所定の軸方向及び円周方向位置で燃焼移行部品内に希釈空気噴流を供給して、費用のかかった圧縮機吐出空気の効率的使用に合わせてエミッションの低減を最適化する。具体的には、移行部品は、燃焼器から燃焼生成物を受けるための入口と第１段ノズル内に燃焼生成物を流すための出口とを有する本体を含む。移行部品本体は、その入口端部と出口端部との間に燃焼生成物の流れを閉じ込めるためのエンクロージャを形成する。複数の希釈孔が、移行部品本体の入口端部に隣接した第１の区域に形成され、また移行部品本体の出口端部に隣接した第２の区域にも形成される。

本発明の１つの態様では、希釈孔は、ほぼ等しい量の希釈空気がそれぞれの区域における流路内に流れるような大きさにされる。別の態様では、孔は、表Ｉに記載した孔番号＃１から＃７とＸ、Ｙ、Ｚ座標とに従って移行部品本体に設置され、ここでＸ、Ｙ、Ｚ座標は移行部品本体への円形入口端部の中心に原点を有しかつＺ座標が原点から下流方向流れ方向に出口端部に向かって延びている。孔は、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標によって定まる孔の位置から移行部品本体の表面に沿ったあらゆる方向において１インチ以内のエンベロープで該移行部品本体に沿って位置している。

次ぎに、図面、特に図１を参照すると、ガスタービンの燃焼器１２から第１段ノズル１４まで流れるように燃焼生成物を囲いかつ閉じ込める、全体を符号１０で表した移行部品を示している。高温ガスを生成しかつ該高温ガスをノズル１４の環状列に対して流すための燃焼器の環状列があり、このような燃焼器１２、ノズル１４及び移行部品１０の各１つを示していることが分かるであろう。また、圧縮機吐出ケーシング１６の一部も示している。圧縮機吐出空気は、一般的にケーシング１６と燃焼器１２及び移行部品１０との間の空間内に供給される。圧縮機吐出空気は、移行部品内に希釈空気として流すために正圧でありかつ例えば約７００°Ｆのような高温である。

例示するように、移行部品１０は、燃焼器１２からノズル１４まで燃焼生成物の流れを閉じ込めかつ導くための本体すなわちエンクロージャ１８を含む。従って、移行部品本体１８は、それぞれガスを受けまた該ガスをノズル１４内に流すための入口端部２０と出口端部２２とを含む。移行部品１０の入口端部２０は、ほぼ円形である。移行部品本体１８は、円形入口端部からタービンの軸線に対してほぼ軸方向かつ半径方向内向きに移行して第１段ノズル１４に隣接した僅かに弓形のほぼ直線構成の出口端部で終る。

本発明の１つの態様によると、本体１８には複数の希釈孔２８が設けられる。孔は、それぞれ本体１８の入口及び出口端部に隣接して第１及び第２の区域２４及び２６内に形成される。本発明の好ましい態様によると、本体１８の出口端部に隣接した第２の区域は、複数の孔、好ましくは図面の図２において＃１から＃４の番号を付けた４つの孔を有する。図面の孔＃１及び＃２は、移行部品本体１８の底面に沿って出口端部２２に隣接して設置され、一方、孔＃３及び＃４は、対向する上面に沿って出口２２に隣接して設置される。本体１８の入口端部に隣接した第１の区域２４は、複数の孔、好ましくは図２においてそれぞれ＃５、＃６及び＃７の番号を付けた３つの孔を含む。入口端部２０が円形であり、また本体１８が入口端部２０での円形断面から出口端部２２でのほぼ直線構成の断面まですぐ移行し始めるので、孔＃５、＃６及び＃７は、入口端部２０近傍のほぼ円形断面の周りでほぼ対称になっている。

効率的に希釈混合を促進しかつ移行部品本体１８を通って流れる燃焼生成物の温度を低下させるために、本体１８を通る流動流の中心軸線の方向に空気の噴流がほぼ向いた状態で、移行部本体内に流れる等しい希釈空気量をその両端部において供給するのが好ましい。従って、本体を貫通する孔２８は、表面に対して垂直な方向に形成されて、空気の噴流を流れの軸線の方向に向ける。孔の寸法により、ガス流中に流れる希釈空気噴流の貫入が決まり、また本体の両端部に隣接した孔の位置が、ガス流の温度を低下させてエミッションを低減するのに有効であることが判明したことを理解されたい。

好ましい実施形態では、移行部品本体における孔の大きさ及び位置は、以下の表Ｉから確定することができ、孔は表Ｉに記載した＃１から＃７までの孔番号とＸ、Ｙ、Ｚ座標とに従って設置される。Ｘ、Ｙ、Ｚ座標は、円形入口の中心に原点３０（図１）を有しかつＺ座標が原点から下流方向流れ方向に出口端部に向かって延びる。下の表Ｉはさらに、＃１から＃７まで番号を付けた孔の各々についての孔直径を与える。Ｘ、Ｙ、Ｚ座標は小数点以下３桁まで示しており、孔は、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標によって定まる孔の位置から移行部品本体の表面に沿ったあらゆる方向における１インチのエンベロープの範囲内で該移行部品本体に沿って位置することができることが分かるであろう。

表Ｉから理解できるように、また図面の図２を参照すると、区域２６は直径が等しい孔＃１及び＃２を有する。孔＃３及び＃４は、直径が互いに等しいが、孔＃１及び＃２の直径とは異なる直径を有する。入口端部２０に隣接した第１の区域２４における孔＃５、＃６及び＃７は全て等しい直径を有する。

移行部品本体の入口及び出口端部に供給される希釈空気の度合は、ほぼ等しい。移行部品のこの例示した実施形態における効果的な希釈混合及び効率的なエミッション低減のための全希釈空気流面積は、約４６．２平方センチメートル（７．１０平方インチ）であるのが好ましいことが判明した。その結果、入口端部２０に隣接した第１の区域における孔＃５、＃６及び＃７の全面積は、約２３．１平方センチメートル（３．５５平方インチ）の好ましい全希釈面積を形成し、同様に、移行部品本体の第２の区域及び出口端部２２に隣接した孔＃１から＃４までは、約２３．１平方センチメートルの好ましい全希釈面積を形成する。従って、指定の軸方向及び円周方向位置において移行部品内に機械加工した希釈孔は、希釈混合しかつエミッション低減を促進するのに役立つことが分かるであろう。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものについて本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなく、それらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。

外側ケーシング内に囲まれかつ燃焼器と第１段ノズルとの間で燃焼生成物を流すための移行部品を示す部分断面図。 その出口端部のほぼ上方から見た移行部品の斜視図。

符号の説明

１０ 移行部品
１２ タービン燃焼器
１４ 第１段タービン翼形部
１６ 圧縮機吐出ケーシング
１８ エンクロージャ
２０ 入口端部
２２ 出口端部
２４ 第１の区域
２６ 第２の区域
２８、＃１〜＃７ 希釈孔
３０ Ｘ、Ｙ、Ｚ座標の原点

Claims (8)

1. タービン燃焼器（１２）と第１段タービン翼形部（１４）との間に設置するための燃焼システム構成部品であって、
   流路を形成し、前記燃焼器から燃焼生成物を受けるためのほぼ円形の入口端部（２０）と該燃焼生成物を第１段ノズル内に流すためのほぼ直線構成の出口端部（２２）とを有する本体（１８）を備えた移行部品（１０）を含み、
   前記本体が、前記入口端部と出口端部との間に該両端部間で燃焼生成物の流れを閉じ込めるためのエンクロージャを形成し、
   前記移行部品本体内に希釈空気を流すための複数の希釈孔（２８）が、前記入口端部に隣接した第１の区域（２４）と前記出口端部に隣接した第２の区域（２６）とにおいて前記移行部品本体に形成され、
   前記希釈孔が、ほぼ等しい量の希釈空気がそれぞれ前記区域における流路内に流れるような寸法にされている、
   燃焼システム構成部品。
2. 前記第１及び第２の区域（２４、２６）における前記複数の孔（２８）は、その数が互いに等しくない、請求項１記載のシステム。
3. 前記第１の区域が３つの孔を含み、また前記第２の区域が４つの孔を含む、請求項１記載のシステム。
4. 前記孔が、表Ｉに記載した孔番号＃１から＃７とＸ、Ｙ、Ｚ座標とに従って前記移行部品本体に設置され、ここでＸ、Ｙ、Ｚ座標は前記円形入口端部の中心に原点（３０）を有しかつＺ座標が原点から下流方向流れ方向に前記出口端部に向かって延びており、前記孔が、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ座標によって定まる孔の位置から前記移行部品本体の表面に沿ったあらゆる方向において１インチ以内のエンベロープで該移行部品本体に沿って位置している、請求項１記載のシステム。
5. 前記移行部品本体の前記第１の区域（２４）における孔が、円形でありかつ等しい直径を有している、請求項１記載のシステム。
6. 前記移行部品本体の前記第２の区域（２６）における孔は数が４つであり、前記４つの孔の少なくとも一対が円形でありかつ直径が等しい、請求項１記載のシステム。
7. 前記移行部品本体（１８）の前記第１の区域（２４）における孔（２８）は数が３つであり、各孔は、円形でありかつ前記第１の区域における他の孔と直径が等しい、請求項６記載のシステム。
8. 前記孔が約４６．２平方センチメートル（７．１０平方インチ）の全面積を有する、請求項１記載のシステム。

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