JP2006234377A - ガスタービン燃料ノズルを冷却するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン（１０）エンジンのノズル（７６）のための該ノズルの有効寿命を延ばすことができる方法及び装置を開示する。
【解決手段】本方法及び装置は、ノズル（７６）の拡散先端の背面に配置された緩衝板（１７０）を含む。本方法及び装置は、拡散先端上に衝突する燃料又はパージ空気の噴流を生成するオリフィス配列が形成された緩衝板（１７０）を含む。このようにして、拡散先端の拡散オリフィスを通しての対流による冷却が確保され、冷却がさらに安定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ガスタービン燃焼システムに関し、具体的には、ノズル先端の拡散オリフィスを通る流体流で冷却することに加えて該ノズル先端の背面に対してインピンジメント冷却を行うことを意図した新規なガス燃料ノズル先端設計に関する。

ガスタービン燃焼器は本来、燃料と空気とを混合し、得られた混合気を燃焼させるために使用する装置である。一般的に、高出力ガスタービン圧縮機は吸入空気を加圧し、次ぎにこの加圧空気は燃焼器の方向に方向転換し又は燃焼器に向けて逆方向に流れ、燃焼器において、空気は、燃焼器を冷却しかつさらに燃焼プロセスに空気を供給するように使用される。本発明の出願人は、その高出力ガスタービンにおいて多数の燃焼室組立体を利用して信頼性がありかつ効率的なタービン運転を達成している。各燃焼室組立体は一般的に、円筒形燃焼器ライナと、燃料噴射システムと、燃焼室ライナからタービンセクションの入口まで高温ガスの流れを導く移行部品とを含む。現在の燃料ノズル設計を利用しようとしているガスタービンは、タービンロータ軸線の周りに円形配列の形態で配置した１つの燃焼器又は数個の燃焼器を含むことができる。

従来型のガスタービン燃焼器は、燃料及び空気が別々に燃焼火焔ゾーンに流入し、それらが燃焼するときに混合する拡散（すなわち、非予混合式）燃焼を使用している。混合及び燃焼プロセスは、３９００°Ｆを超える火焔温度を発生する。約３０００°Ｆ（約１６５０°Ｃ）を超える温度では、二原子窒素は、急速に解離して酸化するので、高い拡散燃焼温度により比較的高いＮＯｘエミッションが生じる。ＮＯｘエミッションを低減する１つの方法は、最大可能量の圧縮機空気を燃料と予混合することであった。その結果得られた希薄予混合燃焼により、より低温の火焔温度が発生し、従って低ＮＯｘエミッションになる。本発明の出願人は、このようなシステムを「乾式低ＮＯｘ」又は「ＤＬＮ」システムと呼んでいる。希薄予混合燃焼は拡散燃焼よりもより低温であるが、火焔温度は、依然として従来型の燃焼器構成部品が冷却なしで耐えるには高温過ぎる。

燃焼システムは一般的に、圧縮機吐出空気を使用して冷却される。ＤＬＮ燃焼システムでは、この冷却は、低温側対流が燃料と予混合してその後燃焼することになる最大量の冷却空気を維持するので、フィルム冷却ではなく低温側対流として行われるのが好ましい。このような冷却は、温度勾配及び圧力損失の要件の範囲内で行わなければならない。

予混合燃焼は一般的に、より低負荷条件では燃焼するのに余りにも予混合気が希薄すぎることになるので、中間又は高タービン負荷においてのみ維持することができる。この問題に対する１つの解決法は、低負荷運転のための拡散モードと、高負荷運転のための予混合モードと、拡散及び予混合燃焼の両方を組み入れた中間モードとを含む複数の運転モードを有する、ＤＬＮ燃焼器用の燃料ノズルを設けることである。拡散モードの場合、燃料はノズルの先端付近の火焔に近接して噴射される。拡散燃料を噴射するノズルの部分は、「拡散先端」と呼ばれる。

高温度燃焼ガスに曝される、従って熱応力を受けるＤＬＮ拡散先端に関して、１つの現在の実施法は、以下の方法の１つ又はその組合せによって拡散先端を冷却することである。その一つは、先端の拡散オリフィスを通る燃料又はパージ空気で先端を対流冷却することを含む。そのもう一つは、先端において圧縮機吐出空気のカーテンを使用して先端を冷却することを含む。

第１の方法は、燃料送給過渡時のような、拡散先端を通る燃料の流れも空気の流れも存在しない期間の間には先端の冷却には全く有効でなく、危険である。後者の方法は、先端の冷却には有効であるが、ノズルを通して圧縮機吐出空気を拡散先端に流す付加的流体流路が必要であるために費用がかかりかつ困難である。このような困難さは、ノズル先端における平行な流体通路に利用可能なスペースが極めて限られている小型のガスタービンの場合には特に深刻である。
米国特許第５，６８５，１３９号公報 米国特許第６，４５３，６７３号公報

従って、ＤＬＮ燃焼システムにおける燃料ノズルの先端を適切に冷却すると同時に、それを通して圧縮機吐出空気を流す付加的流路の必要性を排除するシステム及び方法に対する要求が存在する。

上述した及びその他の欠点及び欠陥は、例示的な実施形態では、拡散オリフィスを通しての対流冷却と拡散先端の背面上へのインピンジメント冷却との組合せにより拡散ノズルの先端を冷却するように構成した燃料ノズル組立体によって克服又は軽減される。

本発明の１つの実施形態によると、圧縮機、燃焼器及びタービンを有するガスタービンで使用するガス燃料ノズルの熱損傷を防止する方法を提供する。本方法は、ノズル先端を形成する拡散オリフィスの上流側に、小オリフィスの配列を有する緩衝板を配置する段階と、燃料及び空気の少なくとも１つが小オリフィスの配列を通って流れるときに緩衝板を通してノズル先端上に衝突する冷却流体の噴流を生成する段階とを含む。

別の実施形態では、燃料ノズル先端を冷却する方法を開示する。本方法は、外周壁と、外壁の内部に形成されかつ少なくともその一部が円周方向に延びる空気流路と、中央ガス燃料流路とを含むガス燃料ノズルを設ける段階と、その周辺部のまわりに形成された拡散オリフィスを含むノズル先端を、その末端部において外周壁に固定して中央ガス流路を実質的に遮断する段階と、ノズル先端を形成する拡散オリフィスの上流側に、該ノズル先端の背面上に衝突する流体の噴流を生成する小オリフィスの配列を有する緩衝板を配置する段階とを含む。ノズル先端の冷却は、緩衝板及び拡散オリフィスを通って流れる同一の流体で行われてノズル先端への付加的流路を排除する。

本発明の別の実施形態によると、ガスタービン用の燃料ノズルを提供し、本燃料ノズルは、先端部分で終端するノズル本体と、先端部分を形成しかつその周辺部のまわりの複数の燃料オリフィスによって形成されたノズル先端と、燃料オリフィスの上流側に配置された緩衝板とを含み、緩衝板は、燃料及び空気の少なくとも１つがそれを通って流れるときに該緩衝板を通して前記ノズル先端の背面上に衝突する冷却流体の噴流を生成する小オリフィスの配列を有する。

本発明の上述した及びその他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から当業者には明らかになりかつ理解されるであろう。

次ぎに、いくつかの図において、同様の構成要素には同じ符号を付した図面を参照する。

図１を参照すると、ガスタービン１０（その一部を図示する）は、圧縮機１２（同様にその一部を図示する）と、複数の燃焼器１４（１つを図示する）と、ここでは単一のブレード１６で示したタービンセクションとを含む。具体的には図示していないが、タービンは、共通軸線に沿って圧縮機１２に駆動結合される。圧縮機１２は、吸入空気を加圧し、この加圧空気は次ぎに、燃焼器１４に向かって逆方向に流れ、燃焼器において、空気は、燃焼器を冷却しかつ燃焼プロセスに空気を供給するように使用される。

上記のように、複数の燃焼器１４は、ガスタービンの軸線の周りに環状配列の形態で設置される。二重壁移行ダクト１８は、各燃焼器の出口端部をタービンの入口端部と結合して高温の燃焼生成物をタービンに供給する。点火は、様々な燃焼器１４において通常の方式でクロスファイア管２２（１つを図示する）と組合せた点火栓２０によって行われる。

各燃焼器１４は、ほぼ円筒形の燃焼器ケーシング２４を含み、この燃焼ケーシング２４は、開放前端部においてボルト２８によってタービンケーシング２６に固定される。燃焼器ケーシングの後方すなわち近位端部は、エンドカバー組立体３０によって閉鎖され、このエンドカバー組立体３０は、下記により詳細に述べるように燃焼器に対してガス燃料、液体燃料、空気及び水を供給するための供給チューブ、マニフォルド及び関連するバルブを含む。エンドカバー組立体３０は、燃焼器の長手方向軸線の周りに環状配列の形態で配置された複数の（例えば、３〜６個）の「外側」燃料ノズル組立体３２（図１には便宜上また明確さのために１つのみを図示する）と、１つの中央ノズルとを受ける。幾つかの設計では、中央ノズルは省略される。

燃焼器ケーシング２４の内部には、この燃焼器ケーシングに対してほぼ同心の関係で、ほぼ円筒形のフロースリーブ３４が取付けられ、このフロースリーブ３４はその前端部において二重壁移行ダクト１８の外壁３６に結合される。フロースリーブ３４は、その後端部において半径方向フランジ３５によって突合せ継手の位置で燃焼器ケーシング２４に結合され、この突合せ継手３７において燃焼器ケーシング２４の前方及び後方セクションが接合される。

フロースリーブ３４の内部には、同心に配置した燃焼器ライナ３８が設けられ、この燃焼器ライナ３８はその前端部において移行ダクト１８の内壁４０と結合される。燃焼器ライナ３８の後端部は、燃焼器ライナキャップ組立体４２によって支持され、この燃焼器ライナキャップ組立体４２は次ぎに、燃焼器ケーシング２４の内部で複数のストラット及び関連する取付け組立体（詳細には図示せず）によって支持される。

移行ダクト１８の外壁３６には、開口部４３の配列が設けられ、この開口部４３の配列は、空気が圧縮機１２から開口部４３を通って燃焼器の上流端部に向かって（図１の流れ矢印によって示すように）フロースリーブ３４と燃焼器ライナ３８との間の環状スペース内に逆方向に流れるのを可能にする。このことは、よく知られた構成であり、さらに説明する必要はない。

図２に移ると、従来型のガス専用ノズル４４は、本発明の例示的な実施形態による、単一の中央ノズルを囲む半径方向外側ノズルの群において使用することができる。ノズル４４は、中央本体チューブ４６を含み、この中央本体チューブ４６には、その後端部４８に、図１の符号３０のようなエンドカバー組立体への取付けを可能にするフランジ５０を形成することができる。これに代えて、フランジ５０は、エンドカバー組立体の一部として組み入れることもできる。ノズル内に様々な通路を設ける方法及びノズル内での様々なチューブのための取付け構成は、本発明の目的からして、当該技術の範囲内にあると考えられることを理解されたい。第１の内側チューブ５２は、外側チューブ４６の内部に同心に配置されて環状のカーテン空気供給（又は第１の）通路５６を形成し、少量の圧縮機空気がチューブ４６及びスワーラ５８の固定ベーンにおける円周方向に配置した孔５４を通ってチューブ４６内の通路５６に流入するようになる。圧縮機空気の大きな割合が、入口セクション４５を通って予混合器に流入し、スワーラ５８の固定ベーンを通過して、バーナ管７４と外側チューブ４６との間の環状空間７２内に流れ、それにより流れに対して渦が与えられて混合及び火焔安定化が促進される。

第２の半径方向内側チューブ６０が、第１の半径方向内側チューブ５２の内部で同心にノズルの中央部を貫通して延びる。このような構成により、第１及び第２の半径方向内側チューブ間に環状の拡散ガス（又は第２の）通路６２が形成される。拡散ガスは、エンドカバー組立体上のボス／フランジ及び分配チューブを通して供給される。第２の半径方向内側チューブ（又は中央チューブ）６０自体は、パージ空気通路６４を形成し、空気がさらにエンドカバー組立体におけるハードウェアを通して供給される。

予混合（又は第３の）半径方向内側通路６６はチューブ４６の内部に位置し、その前端部は、スワーラ５８の固定ベーンの前縁付近で終端している。第２の予混合通路（図示せず）は、通路５６と通路６６との間で半径方向に形成することができる。予混合ガスは、フランジ５０の孔６７を通ってノズルに流入し、ベーン７０の側面の孔６８を通ってバーナ管７４の環状空間７２内に流出し、そこで予混合ガスは予混合され、次ぎに燃焼ゾーンに流入する。拡散ガス及びカーテン空気は、チューブ５２の先端にクロス穿孔した孔（図示せず）によって混合される。

図３は、これも公知の構造を有する二重燃料ノズル７６を示す。ノズルの全体構成は、図２に示すノズルとほぼ同様のものとすることができるが、ノズルを二重燃料ノズルとして機能させることができる付加的通路を備えている。従って、ノズル７６は、その後方又は上流端部にエンドカバー組立体内に組み入れることができるフランジ８０を備えた外側チューブ７８を含む。外側チューブ７８の内部に同心に配置した第１の内側チューブ８２が、環状のカーテン空気通路８４を形成し、圧縮器空気が、図２に示すノズルに関して上述したのと同じ方法で通路に流入する。

チューブ８２の内部に同心に配置した第２の内側チューブ８６が、環状の拡散ガス通路８８を形成する。チューブ８６の内部に同心に配置した第３の内側チューブ９０が、環状の水通路９２を形成する。中央チューブ９４が環状の霧化空気通路９６を形成すると同時に、中央チューブ９４自体は、液体燃料通路９８として働く。ここで今一度言うが、様々なチューブは、エンドカバー組立体内に固定され、これらチューブには、その他の従来方式で適切な燃料又は他の流体（すなわち、空気又は水）が供給される。

予混合ガス通路１００は、チューブ７８の内部に形成され、スワーラ１０２に隣接して終端する（通路８４と通路１００との間に第２の予混合通路（図示せず）を設けることができる）。図２に示すノズル４４におけるのと同様に、予混合ガスは、フランジ（又はエンドカバー）の孔１０４を通して通路１００内に供給され、ベーン１０８の側面の孔１０６を通ってバーナ管１１２の環状空間１１０内に流出することができる。

図４に移ると、図１〜図３に示すノズル組立体と置き換えることを意図した本発明による拡散／予混合燃料ノズル組立体１２０を示している。ノズル組立体１２０は、後方供給セクション１２４と前方燃料／空気送出セクション１２６とに結合されたノズル本体１２２を含む。ノズル組立体は、ノズル本体１２２との間に環状通路１３０を形成するカラー１２８を含む。この環状通路の内部には、複数の半径方向燃料通路１３４を含む空気スワーラ１３２（図２のスワーラ５８に類似した）が配置され、この空気スワーラ１３２の各々には、予混合ガスを予混合領域内の通路１３０内に吐出する複数の吐出オリフィス１３６が形成される。

流れ線１７６で全体を示した予混合燃料ガスは、通路１４０と流体連通した状態になった管継手を通して供給される。予混合燃料ガスは、スワールベーン１３２内側に設置した半径方向燃料通路１３４を通り、次ぎに燃料ベーン１３６のオリフィスを通って流れて、そこで予混合燃料ガスは通路１３０内の空気と混合する。より具体的には、流れ線１８０で全体を示した燃焼空気は、通路１３０の外壁を形成するチューブ１８２のオリフィスを通って流れる。

さらに図４を参照すると、ノズル本体内部には、中央に設置した（半径方向内側の）チューブ１４２が含まれ、このチューブ１４２は、内部通路１４４を通して燃焼ゾーンに拡散燃料又はパージ空気を供給する。供給セクション１２４の内壁１４８とチューブ１４２との間には、上述したように予混合ゾーンに予混合ガスを搬送する半径方向外側通路１４０が形成される。通路１４０は、ノズル本体１２２の内径とチューブ１４２の外径との間に形成した環状空間内に続く。通路１４０は、その前端部で閉鎖されて、予混合ガスを吐出オリフィスから予混合チューブ１４６（図１のチューブ４５に相当）の内部の予混合ゾーン１２６内に強制的に流出させる。

主題の発明を組み入れたノズル先端１５０は、図４及び図５において最もよく分かる。先端１５０は、ノズル本体１２２と係合しかつ符号１５４の位置（図４参照）においてノズル本体に溶接又はろう付けされるような寸法になっている。

複数の吐出オリフィス又は通路１６０が、先端を形成する前壁１６２を貫通して延びかつ拡散ガス通路１４４と連通している。オリフィス又は通路１６０は、図５で最もよく分かるように、拡散ガスがノズル本体から燃焼室の燃焼ゾーンに流出するときに該拡散ガスを旋回させるように傾斜している。図５に示すような吐出オリフィスの配向は１つの実施形態であるが、他の配向も可能である。

次ぎに、図４〜図６を参照すると、小オリフィス１７２の配列を有する緩衝板１７０が、先端の上流側すなわち前壁１６２の背部側に配置される。緩衝板１７０は、ガス通路１４４内のディスク又は壁として構成される。

再び図４を参照して、作動中においては、流れ線１７４で全体を示した拡散ガスは、チューブ１４２を通ってガス通路１４４に流入し、緩衝板１７０のオリフィス１７２を通って流れ、ノズル本体の出口となる先端の拡散オリフィスから燃焼室の燃焼ゾーン内に流出する。ノズルが予混合燃料のみを流しているときには、流れ線１７４は、この同じ通路を通って流れるパージ空気を表す。

図４に示すように、先端をノズル本体に溶接又はろう付けした場合、それぞれ空気及び拡散ガス通路１３０及び１４４がノズルの吐出端部まで連続し、パージ空気又は拡散ガスは円形配列の開口部１６０から流出しまた混合ガスは組合せ流れ線１７６及び１８０で示すようにスワールベーン１３２のオリフィス１３６から強制的に流出させられるようになることが理解できるであろう。

図４〜図６に示す例示的な実施形態では、拡散ノズルの先端は、拡散オリフィス１６０を通しての対流と、拡散先端上に衝突する拡散燃料又は空気１７４の噴流を生成する小オリフィス１７２の配列を有する緩衝板によって促進される拡散先端の背部上への衝突との組合せにより冷却される。図４に示す設計もまた、通常は液体燃料用として使用する燃料ノズル内の中央カートリッジを排除することに注目されたい。所定の位置に中央カートリッジがある場合でも同様の設計が考えられることは当業者には明らかであろう。

緩衝板１７０により、該バッフルの小オリフィス１７２を通る燃料ガス又は空気の圧力低下により得られる高熱伝達率によって拡散先端の有効な冷却が促進される。約４００〜約６００ＢＴＵ／ｈｒ＊ｆｔ^２＊Ｆのオーダの平均ＨＴＣは、この方法によって容易に達成され、この方法では、拡散先端の適切な冷却がより十分に得られる。このインピンジメントのために生じる付加的圧力低下は、タービン燃料供給システムにおいて容認できるレベルの範囲内に保つことができる。冷却は、拡散オリフィス１６０を通って流れているのと同一の流体（例えば、パージ空気又は拡散ガス）で行われるので、先端への費用のかかる付加的流路は全く必要ない。

その結果、拡散先端の背部側に緩衝板１７０を組み入れることにより、拡散先端上に衝突する燃料又は空気の噴流を生成するオリフィス１７２の配列を通って流体が流れるときに、該拡散先端のインピンジメント冷却が得られる。この方法では、拡散オリフィス１６０を通しての対流による冷却を確保することと組合せた緩衝板１７０は、費用効果がありかつ信頼性がある方法でノズルの有効寿命を延ばすことを可能にする。拡散オリフィス１６０を通しての対流による既存の冷却方法を確保することにより、この方法によって冷却をさらに安定したものにすることができる。先端の外径に冷却を一層集中させて、図５を参照すると最もよく分かるように、熱損傷を最も受けやすい先端を形成する露出コーナ部１７７を冷却するのに役立てることができる。

本発明を例示的な実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなくその要素に対して様々な変更を加えることができまたその要素を均等物で置き換えることができることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく特定の状況又は物的要素を本発明の教示に適合させるように多くの改良を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

公知のガスタービン燃焼器の部分断面図。 本発明で使用する公知のガスタービンガス専用ノズルの簡略化した部分概略断面図。 公知のガスタービン二重燃料ノズルの簡略化した部分概略断面図。 本発明の例示的な実施形態によりその中央通路内に配置された緩衝板を有するＤＮＬ拡散ノズルの断面図。 本発明の例示的な実施形態により拡散ノズル先端の背部側に配置され緩衝板の側面図を示す、図４の拡大部分断面図。 本発明の例示的な実施形態による、図５に示す緩衝板の端面図。

符号の説明

１２０ 拡散／予混合燃料ノズル組立体
１２２ ノズル本体
１２４ 後方供給セクション
１２６ 前方燃料／空気送出セクション
１３２ 空気スワーラ
１４６ 予混合チューブ
１５０ ノズル先端
１６０ 吐出オリフィス
１６２ 前壁
１７０ 緩衝板
１７２ オリフィス
１７４ 拡散燃料又はパージ空気流れ線
１７６ 予混合燃料ガス流れ線
１８０ 燃焼空気流れ線

Claims (9)

1. 先端部分で終端するノズル本体と、
   前記先端部分を形成しかつその周辺部のまわりの複数の燃料オリフィスによって形成されたノズル先端（１５０）と、
   前記燃料オリフィスの上流側に配置された緩衝板（１７０）と、を含み、
   前記緩衝板は小オリフィスの配列を有し、この小オリフィスの配列は、燃料及び空気の少なくとも１つが前記オリフィスを通って流れるときに該緩衝板を通して前記ノズル先端の背部上に衝突する冷却流体の噴流を生成することを特徴とするガスタービン（１０）用の燃料ノズル（７６）。
2. 前記小オリフィスの配列を通って流れる冷却流体が、前記燃料オリフィスを通って燃焼器内に流入するのと同一の流体であり、それによって前記ノズル先端への付加的流路を排除することを特徴とする請求項１記載のノズル（７６）。
3. 前記ノズル先端の冷却が、前記緩衝板を通しての該ノズル先端の背面上への冷却流体の衝突と前記燃料オリフィスを通って流れる同一の流体を使用した該燃料オリフィスを通しての対流との組合せによって行われることを特徴とする請求項１記載のノズル（７６）。
4. 前記小オリフィスの配列が、ガス燃料ノズル先端のための前記緩衝板を定める全表面積のまわりに散在していることを特徴とする請求項１記載のノズル（７６）。
5. 前記小オリフィスの配列が、二重燃料ノズル先端内に前記緩衝板を定める表面積の外周辺部のまわりに散在していることを特徴とする請求項１記載のノズル（７６）。
6. 前記二重燃料ノズル先端内に前記緩衝板を定める表面積の外周辺部のまわりに散在させた前記小オリフィスの配列が、液体燃料のために使用する中央カートリッジを円周方向に囲むことを特徴とする請求項５記載のノズル（７６）。
7. 前記小オリフィスの配列の少なくとも一部分が、前記冷却流体のより大きな割合を前記ノズル先端の外径に集中させて該ノズル先端を形成する露出コーナ部を冷却するのに役立つように構成されていることを特徴とする請求項１記載のノズル（７６）。
8. 前記緩衝板が、前記小オリフィスを通って流れる冷却流体の圧力低下により得られる高熱伝達率によって前記ノズル先端の有効な冷却を促進することを特徴とする請求項１記載のノズル（７６）。
9. 前記ノズル先端が、燃料・空気混合の拡散モード及び予混合モードの少なくとも１つを受容することを特徴とする請求項１記載のノズル（７６）。

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