JP2005345094A - インピンジメント冷却式センタボデーを備えた予混合バーナ及びセンタボデーの冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ガスタービンに使用するガス−空気予混合バーナのような燃料ノズルを提供する。
【解決手段】 本ガスタービン用のガス−空気予混合バーナは、ブラフセンタボデーを囲むスワーラ（１１４）と環状のバーナチューブとを含む。ブラフボデーは、再循環渦を形成することによって火炎を安定させる働きをする。冷却空気（１５０）は、センタボデーのブラフ面（１６３）に対してインピンジメントするように配向され、使用済みインピンジメント冷却空気は、センタボデー内で空気スワーラに向かって逆方向に流れ、センタボデーの外径における孔（１６６）を通して吐出され、そこで使用済みインピンジメント冷却空気は燃料／空気混合気と混合された後に火炎ゾーンに到達する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ブラフセンタボデーを囲む空気スワーラ及び環状のバーナチューブを含む、ガスタービンに使用するガス−空気予混合バーナのような燃料ノズルに関する。より具体的には、本発明は、ノズル端部構成及びその構成を冷却するための改良に関する。

発電用ガスタービンでは、一般的に「複式燃料」又は「ガス専用」のいずれかに構成された燃料ノズルが使用される。「ガス専用」とは、例えば天然ガスを燃焼させる運転を意味し、また「複式燃料」とは、天然ガス又は液体燃料のいずれかを燃焼させる運転機能を有することを意味する。「複式燃料」構成では、一般的に天然ガスが利用できない場合にバックアップ燃料として石油を使用するようになっている。「ガス専用」構成は、液体燃料運転に必要なノズル部品及び全ての関連装置が不要なので、コストを低減するために設定される。一般的に、燃料ノズルは、「複式燃料」機能を有するように設計され、また「ガス専用」のものは、複式燃料設計の改良であって、この改良においては、石油、霧化空気及び希釈水の通路を含む液体燃料部品が、ノズルから除かれ、類似した寸法及び形状であるが液体燃料カートリッジの内部特徴部を持たない構成部品と交換される。このような交換構成部品は、「ガス専用インサート」として公知である。ガス専用運転用に構成された燃料ノズルの実施例を図１に示す。

図１は、バーナ組立体１０の断面である。バーナ組立体は、機能によって、入口流調整装置１２と、天然ガス燃料噴射を備えた空気スワーラ組立体１４（スウォズル（ｓｗｏｚｚｌｅ）組立体と呼ぶ）と、管状の燃料／空気混合通路１６と、中心拡散火炎燃料ノズル組立体１８とを含む４つの領域に分けられる。

空気は、燃焼器反応ゾーンに入り込んだ吐出端部を除いて組立体を囲む高圧プレナムからバーナに流入する。燃焼用空気の大部分は、入口流調整装置１２を介してプレミキサに流入する。入口流調整装置は、内径における無孔の円筒形内壁２０と、外径における有孔の円筒形外周壁２２と、上流端部における有孔の端部キャップ２４とによって境界付けられた環状の流路を含む。流路の中央部には１つ又はそれ以上の環状の旋回ベーン２６が配置される。プレミキサ空気は、端部キャップ２４及び円筒形外壁２２の孔を介して入口流調整装置１２に流入する。

燃焼用空気は入口流調整装置１２から流出した後に、スウォズル組立１４に流入する。スウォズル組立体は、一連の翼形部形状の旋回ベーン３２によって結合されたハブ２８及びシュラウド３０を含み、これらの旋回ベーンはプレミキサを通過する燃焼用空気にスワールを与える。各旋回ベーン３２は、翼形部のコア部を貫通する天然ガス燃料供給通路を含む。これらの燃料通路は、翼形部の壁を貫通するガス燃料噴射孔３４に対して天然ガス燃料を分配する。燃料噴射孔は、旋回ベーン３２の正圧側面、負圧側面又はその両側面上に配置することができる。天然ガス燃料は、旋回ベーン通路に燃料供給する入口及び環状の通路３６を通ってスウォズル組立体１４に流入する。天然ガス燃料は、スウォズル組立体内の燃焼用空気との混合を開始し、燃料／空気の混合は、センタボデー延長部３８及びバーナチューブ延長部４０によって形成された環状の通路１６内で完了する。環状通路１６から流出した後に、燃料／空気混合気は、燃焼が行われる燃焼器反応ゾーンに流入する。

バーナ組立体の中心部には、環状の通路４２及び孔４４を通して天然ガス燃料を受ける拡散火炎燃料ノズル組立体１８が配置される。この拡散火炎燃料ノズルの中心部には空洞４６があり、この空洞４６は、上述したように、複式燃料機能をもたらす液体燃料組立体又はガス専用インサートのいずれかを受入れる。この実施例では、ガス専用インサート４５を示す。複式燃料構成においては、ガス燃料運転時に、この領域における石油、霧化空気及び水通路は、低温空気でパージして、使用していないときに高温ガスが通路に流入するのを阻止する。ノズルがガス専用運転用として構成されている場合、空洞４６は、図示したようにノズルの末端部に実質的にキャップを被せて高温度による機械的損傷を発生させるおそれがある高温燃焼ガスが中心部領域４６に流入するのを阻止しなければならない。ガス専用インサートの端部の孔４７を通して少量の空気を流して、ガス専用インサート先端を冷却しかつパージする。

現在のところ、センタボデーは、該センタボデーのブラフ面６３におけるオリフィスすなわち通路４８を通して再循環ゾーン５７内に直接吐出される空気で冷却される。この空気は、カーテン空気と呼ばれることもある。図１に概略的に示すように、センタボデーを冷却するためのカーテン空気ストリーム５０は、従って従来の方式では、スワーラベーン３２に形成された通路を通り、環状の通路５２を通って供給され、上述のようにセンタボデーの端部におけるオリフィスすなわち通路４８を通って流出する。しかしながら、この空気は、十分に混合する時間がないうちに火炎に到達する。

幾つかの燃料ノズル設計では、センタボデー先端用の独立した冷却空気流路を有していない。これらの設計は、燃料が拡散燃料通路に供給されていないときに、拡散燃料通路をパージするために使用する空気に冷却を依存している。これらの設計では、拡散燃料流とパージ空気流との間の過渡的移行時に熱的損傷の危険性が存在する。
日本特許第３３４５４６１号公報

ダイナミクスは、冷却及びパージのために使用する空気量を注意深く最適化することによって制御されなければならない。火炎安定性及び希薄消炎は、冷却及びパージに使用する空気によって影響を受けかつ制約される。さらに、ＮＯｘエミッションは、火炎に供給する前の冷却及びパージ空気の混合の有効度によって影響を受ける。

上述のような従来型の予混合バーナは、ブラフ本体後方の再循環ゾーン内に燃料ノズル及びセンタボデー冷却及びパージ空気を直接吐出することによるダイナミクス敏感性及び希薄安定性悪化の欠点をもつことになる。この空気は両方とも、再循環ゾーン内の混合気を希釈し、火炎温度の低下による不安定燃焼及び吐出オリフィス両側の圧力比に対する不安定フィードバックを招く。

本発明の実施形態では、インピンジメント冷却技術を予混合バーナに適用して、後方端部において高温度火炎に曝されるブラフセンタボデーの面を冷却する。従って、本発明は、従来の方法に比較して再循環ゾーン内に噴射する空気量を低減し、それによって圧力変動に対する火炎安定性及びダイナミクス敏感性を改善することができる。本発明は、ガス専用又は複式燃料ノズル設計で使用することができる。

従って、本発明は、燃料ノズルにおいて具体化することができ、本燃料ノズルは、外周壁と、外周壁内部に同心に配置されたノズルセンタボデーと、空気入口と燃料入口と外周壁及びセンタボデー間に形成されかつそれらの円周方向周りで少なくとも部分的に延びる予混合通路とを含む燃料／空気プレミキサと、センタボデー内部に形成されかつその円周方向周りで少なくとも部分的に延びる冷却空気流路と、センタボデー内部に形成されかつその円周方向周りで少なくとも部分的に延びるガス燃料流路とを含み、冷却空気流路が、第１の通路と第２の通路とを含み、第１の通路が、センタボデーの端面の内面に向かいかつ該内面に当たる冷却空気のインピンジメント流のためのオリフィスを形成した有孔のインピンジメントプレート構造体で軸方向に終端し、また第２の通路が、インピンジメントプレート構造体及び内面の近傍からセンタボデーの外壁に形成された少なくとも１つのオリフィスまで延びかつノズルセンタボデー及び外周壁間に形成された予混合通路と流れ連通状態になっている。

本発明はまた、外周壁と、外周壁内部に同心に配置されたノズルセンタボデーと、空気入口と燃料入口と外周壁及びセンタボデー間に形成されかつそれらの円周方向周りで少なくとも部分的に延びる予混合通路とを含む燃料／空気プレミキサと、センタボデー内部に形成されかつその円周方向周りで少なくとも部分的に延びる冷却空気流路と、センタボデー内部に形成されかつその円周方向周りで少なくとも部分的に延びるガス燃料流路とを含む燃料ノズルの冷却方法において具体化することができ、本方法は、冷却空気流路を通してセンタボデーの端面の内面に向かって冷却空気を流しかつ該内面に対して冷却空気をインピンジメントさせる段階と、内面の近傍からノズルセンタボデー及び外周壁間に形成された予混合通路までかつ該予混合通路内に使用済みインピンジメント空気を流す段階とを含む。

本発明のこれら及びその他の目的及び利点は、添付の図面と関連してなされた本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く検討することによってより完全に理解されかつ納得されるであろう。

図１に示す形式の従来型の予混合バーナは、ブラフ本体後方の再循環ゾーン内に燃料ノズル及びセンタボデー冷却及びパージ空気を直接吐出することによるダイナミクス敏感性及び希薄安定性悪化の欠点をもつことになる。この空気は両方とも、再循環ゾーン内の混合気を希釈し、火炎温度の低下による不安定燃焼及び吐出オリフィス両側の圧力比に対する不安定フィードバックを招く。

本発明の第１の実施形態として構成したバーナ組立体を、図２〜図４の実施例を用いて示している。説明及び理解を容易にするために、上述した従来のバーナの構成部品にほぼ相当するこのバーナの構成部品は、１００を加えた対応する参照番号を用いて示しているが、この記載方法は、本発明の構成と従来の組立体との間の違いを引き出すのに必要な参照番号に対しては適用しない。

本発明の実施形態では、冷却空気流１５０をセンタボデー内の管状の隔壁１５８によって順方向流ストリーム１５４と逆方向流ストリーム１５６とに分離しかつインピンジメントオリフィス１６２を形成したプレート構造体１６０を隔壁１５８の端部に設けることによって、予混合バーナセンタボデーのブラフ面に対してインピンジメント冷却を施す。従って、隔壁１５８は、順方向流路１５２と逆方向流路１６４とを形成し、かつプレート１６０によって冷却空気ストリームをセンタボデーのブラフ面１６３の背面（内面）に対して高速空気噴流として配向する。その後、使用済みインピンジメント空気は、冷却ストリームの順方向流に対して同心にかつ逆方向に通路１６４を通ってプレミキサのヘッド端部に向かって流れる。その後、使用済みインピンジメント空気は、第２のオリフィス１６６の組を通してスワーラ１１４の直ぐ下流の予混合環状空間１１６内に半径方向に吐出される。予混合環状空間１１６において、吐出空気１５０は、燃焼する前にスワーラ１１４からのガス−空気ストリームと混合する。

図示した実施形態では、使用済みインピンジメント空気用の通路すなわちオリフィス１６６は、予混合環状空間内に半径方向に向いたものとして示している。しかしながら、これらのオリフィスは、下流方向及び／又は円周方向に傾斜させて境界層をリフレッシュしかつ逆火マージンを高めることができ、この別の実施形態は図４に概略的に示している。

明らかなように、提案したようなインピンジメント冷却面１６３及び逆方向流構成を設けることにより、再循環ゾーン内に噴射される空気は、拡散ガスオリフィスとガス専用インサート又は液体燃料カートリッジとに必要なパージ空気のみに限定される。さらに、本発明によって提供した構造の場合、ガス専用設計におけるガス専用インサートを全く排除してパージを必要としないようにすることが可能になる。使用済みインピンジメント空気は、ガス−空気ストリーム内に導入されるので、この使用済みインピンジメント空気は予混合されることになる。流れはスワーラ１１４の下流で混合されるので予混合の有効度が制限されることになるが、この予混合は、再循環ゾーンに直接流入するカーテン空気又はパージ空気における予混合よりも大きなものとなる。

本発明の実施形態として提供した構成の利点は、再循環ゾーンの希釈を低減し、それによって再循環燃焼生成物の温度を上昇させて火炎保持の着火源を形成することによって火炎安定性が向上することである。別の利点は、使用済みインピンジメント空気用の吐出オリフィスを火炎の直ぐ近傍から隔離し、従って動圧変動に対する敏感性を低下させることである。開示した構造のさらに別の利点は、冷却空気を使用してセンタボデーの外径領域の混合気を希釈することによりこの領域内の逆火の防止と火炎安定性とに役立てることである。付加的な利点としては、パージ及び冷却空気量の選択に対するダイナミクスの敏感性を低下させて、その量を主として冷却要件に基づいて選択するのを可能にすることである。ダイナミクス敏感性を十分に解消した場合、センタボデー冷却空気はさらに、予混合通路への吐出で燃空比プロフィールを変えることによってエミッション（主としてＮＯｘ）に良い影響を与えるように使用することができる。この点に関して、それらの間にボリュームを持った２つの一連のオリフィス群を採用することは、その開示内容が参考文献として本明細書に組み込まれている日本特許第３３４５４６１号において開示されている技術と同様の技術をガス燃料ノズルに対して適用できる利点を有し、また動圧変動の低下のためにも同様に利点を有することになることに注目されたい。

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関し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。

センタボデーを冷却するためのカーテン空気の流路を概略的に示す、バーナの概略部分断面図。 本発明の実施形態としてのインピンジメント冷却式センタボデーの概略部分断面図。 図２の構造における後方端部の拡大図。 図２の構造における使用済みインピンジメントガスのためのオリフィスの別の構成の拡大図。

符号の説明

１０ バーナ組立体
１２ 入口流調整装置
１４、１１４ 燃料／空気プレミキサ（スウォズル組立体）
１６、１１６ 予混合通路
１８ 燃料ノズル組立体
１３２ 旋回ベーン
１３４ 燃料調量孔
１５０ 冷却空気
１５２ 順方向流路
１５８ 管状の隔壁
１６０ プレート構造体
１６２ プレート構造体のオリフィス
１６３ センタボデーの端面
１６４ 逆方向流路
１６６ センタボデーの外径のオリフィス

Claims (10)

1. 外周壁と、
   前記外周壁内部に同心に配置されたノズルセンタボデーと、
   空気入口と燃料入口と前記外周壁及びセンタボデー間に形成されかつそれらの円周方向周りで少なくとも部分的に延びる予混合通路（１１６）とを含む燃料／空気プレミキサ（１１４）と、
   前記センタボデー内部に形成されかつその円周方向周りで少なくとも部分的に延びる冷却空気流路（１５２、１６４）と、
   前記センタボデー内部に形成されかつその円周方向周りで少なくとも部分的に延びるガス燃料流路と、
   を含み、
   前記冷却空気流路が、第１の通路（１５２）と第２の通路（１６４）とを含み、前記第１の通路が、前記センタボデーの端面（１６３）の内面に向かいかつ該内面に当たる冷却空気のインピンジメント流のためのオリフィス（１６２）を形成した有孔のインピンジメントプレート構造体（１６０）で軸方向に終端し、また前記第２の通路（１６４）が、前記インピンジメントプレート構造体及び前記内面の近傍から前記センタボデーの外壁に形成された少なくとも１つのオリフィス（１６６）まで延びかつ前記ノズルセンタボデー及び外周壁間に形成された前記予混合通路（１１６）と流れ連通状態になっている、
   燃料ノズル。
2. 前記燃料／空気プレミキサが、前記空気入口の下流に配置されたスウォズル組立体（１１４）を含み、前記スウォズル組立体が、前記空気入口から流れる流入空気に対してスワールを与える複数のスウォズル組立体旋回ベーン（１３２）を含み、前記スウォズル組立体旋回ベーンの各々が内部燃料流路を含み、前記燃料入口が燃料を前記内部燃料流路内に導入し、前記燃料流路が燃料を前記流入空気内に導入する、請求項１記載の燃料ノズル。
3. 前記燃料流路が、該燃料流路に対応して前記旋回ベーンのそれぞれの壁を貫通した燃料調量孔（１３４）を介して燃料を前記流入空気内に導入する、請求項２記載の燃料ノズル。
4. 前記第１及び第２の通路は、該通路の１方が前記センタボデーの軸線に関して他方の半径方向内側に配置されるように、同軸に配置されている、請求項１記載の燃料ノズル。
5. 前記第１の通路が、前記センタボデーの軸線に関して前記第２の通路の半径方向内側に配置されている、請求項４記載の燃料ノズル。
6. 前記少なくとも１つのオリフィス（１６６）が、前記センタボデーの軸線に対してほぼ垂直な方向に開口している、請求項１記載の燃料ノズル。
7. 前記少なくとも１つのオリフィスが、前記センタボデーの軸線に垂直な方向に対して軸方向及び円周方向の少なくとも１つの方向に傾斜した第１の方向に開口している、請求項１記載の燃料ノズル。
8. 外周壁と、前記外周壁内部に同心に配置されたノズルセンタボデーと、空気入口と燃料入口と前記外周壁及びセンタボデー間に形成されかつそれらの円周方向周りで少なくとも部分的に延びる予混合通路（１１６）とを含む燃料／空気プレミキサ（１１４）と、前記センタボデー内部に形成されかつその円周方向周りで少なくとも部分的に延びる冷却空気流路（１５２、１６４）と、前記センタボデー内部に形成されかつその円周方向周りで少なくとも部分的に延びるガス燃料流路とを含む燃料ノズルの冷却方法であって、
   前記冷却空気流路（１５２）を通して前記センタボデーの端面（１６３）の内面に向かって冷却空気を流しかつ該内面に対して冷却空気をインピンジメントさせる段階と、
   前記内面の近傍から前記ノズルセンタボデー及び外周壁間に形成された前記予混合通路（１１６）までかつ該予混合通路（１１６）内に使用済みインピンジメント空気を流す段階と、
   を含む燃料ノズルの冷却方法。
9. 前記インピンジメントさせる段階が、多数のオリフィス（１６２）を通して前記冷却空気を配向して前記端面上に該冷却空気をインピンジさせる段階を含む、請求項８記載の燃料ノズルの冷却方法。
10. 前記使用済みインピンジメント空気を流す段階が、前記使用済みインピンジメント空気を上流方向に再循環させかつ少なくとも１つのオリフィスを通して該使用済みインピンジメント空気を前記予混合通路内に配向する段階を含む、請求項８記載の燃料ノズルの冷却方法。

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