JP2008096099A - ガスタービンエンジン排出物を低減する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジンにおける排出物を低減する方法の提供。
【解決手段】 ガスタービンエンジン（１０）において、燃焼器（１４）内で第１酸素源と第１燃料でスワール流を生成させ、燃焼器（１４）内で第１酸素源を用いて第１燃料を燃焼させて燃焼生成物を生成させ、第２酸素源と第２燃料でスワール流を生成させて上記燃焼生成物と混合させ、燃焼器（１４）内で第２酸素源を用いて第２燃料を燃焼させて第２燃焼生成物を生成させ、第３酸素源と第３燃料でスワール流を生成させて第２燃焼生成物と混合する。
【選択図】 図３

Description

本発明は広義にはガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジン用の燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンは概して回転シャフトに配設された圧縮機とタービン、及び圧縮機とタービンの間の燃焼セクション（例えば燃焼器）を備えている。燃焼セクションは、圧縮空気と液体及び／又はガス状燃料との混合物を燃焼させて高エネルギー燃焼ガス流を発生させ、回転タービンを駆動する。タービンは圧縮機を回転駆動して出力を与える。産業用ガスタービンは、発電機又はモーターを駆動する出力を与えるために多用される。他の種類のガスタービンは、例えば航空機エンジン又はオンサイト及び補助発電機として使用し得る。

世界的な大気汚染の懸念から、ガスタービンエンジンに対する排出基準は一段と厳しくなった。これらの基準では、ガスタービンエンジンの運転で発生する窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）（例えば一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ_２））、未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出が規制される。一般に、ガスタービンエンジンで発生するＮＯ_Ｘの量は燃焼ガスの酸素含有量と関連し、通例温度依存性が高い。そのため、火炎温度を下げると、熱的ＮＯ_Ｘ生成機構で発生するＮＯ_Ｘ排出物を大幅に低減することができる。

ガスタービンエンジンでは、火炎温度を下げるための希薄予混合燃焼の適用又は水噴射の使用によって、排出物、特にＮＯ_Ｘ排出を低減する試みがなされてきた。しかし、このようなガスタービンエンジンの修正は、運転性能に悪影響を与えることが多い。
米国特許第６９６８６９３号明細書 米国特許第６８７１５０１号明細書 米国特許第６５３０２２３号明細書 米国特許第５５５１２２８号明細書

そこで、改良ガスタービンエンジン並びにガスタービンエンジンにおける排出物を低減する方法に対するニーズが存在する。

本明細書では、ガスタービンエンジン用の燃焼器、並びにガスタービンエンジンにおける排出物を低減する方法について開示する。

一実施形態では、ガスタービンエンジン用の燃焼器は、ハウジングと、ハウジングと物理的に接続して配設されるスワーラーアセンブリとを備える。スワーラーアセンブリは、複数の第１の羽根を含む第１段と、複数の第２の羽根を含む第２段と、複数の第３の羽根を含む第３段とを備える。第２段は、第１段の下流に配設され、第１段と流体連通するとともに物理的にも接続して配設される。第３段は、第２段の下流に配設され、第２段と流体連通するとともに物理的にも接続して配設される。燃料噴射器は第１段と流体連通して配設され、第２燃料噴射器は第２段と流体連通して配設され、第３燃料噴射器は第３段と流体連通して配設される。

一実施形態では、ガスタービンエンジンにおける排出物を低減する方法は、燃焼器内で第１酸素源と第１燃料とでスワール流を生成させ、燃焼器内で第１酸素源を用いて第１燃料を燃焼させて燃焼生成物を生成させ、第２酸素源と第２燃料とでスワール流を生成させて燃焼生成物と混合し、燃焼器内で第２酸素源を用いて第２燃料を燃焼させて第２燃焼生成物を生成させ、第３酸素源と第３燃料とでスワール流を生成させて第２燃焼生成物と混合することを含む。

一実施形態では、ガスタービンエンジンは、圧縮機と、圧縮機の下流に配設され圧縮機と流体連通した燃焼器と、燃焼器の下流に配設されたタービンアセンブリとを備える。燃焼器は、ハウジングと、ハウジングと物理的に接続して配設されるスワーラーアセンブリとを備える。スワーラーアセンブリは、複数の第１の羽根を含む第１段と、複数の第２の羽根を含む第２段と、複数の第３の羽根を含む第３段とを備える。第２段は、第１段の下流に配設され、第１段と流体連通するとともに物理的にも接続する。第３段は、第２段の下流に配設され、第２段と流体連通するとともに物理的にも接続する。燃料噴射器は第１段と流体連通して配設され、第２燃料噴射器は第２段と流体連通して配設され、第３燃料噴射器は第３段と流体連通して配設される。

上記その他の特徴は、添付の図面及び以下の詳細な説明でさらに説明する。

図面では、同様の構成要素には同様の符号を付した。

本明細書では、ガスタービンエンジン、並びにガスタービンエンジンにおけるＮＯ_Ｘ、未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ））のような排出物の低減方法について開示する。以下で詳しく説明する通り、ガスタービンエンジン用の燃焼器は、３段以上の羽根を有するスワーラーアセンブリを備える。スワーラーアセンブリは、アニュラー型燃焼器、キャン−アニュラー型燃焼器などでの使用に適応させることができる。本発明に係るスワーラーアセンブリを用いた燃焼器は、該スワーラーアセンブリを用いない燃焼器と対比すると、排出物を低減し、ターンダウンを及び安定性を向上させる。

本明細書を通して用いる「スワーラーアセンブリ」という用語は、一般に、追加の周方向速度成分で特徴付けられるスワール乱流を発生し得る装置をいう。スワーラーアセンブリは、３段以上の羽根を含む。同軸という用語は一般に２以上の部品が共通の軸を共有することをいう。さらに、「段」という用語は、一般に、軸方向に間隔をおいて離隔した２以上の部品の関係を説明するために用いる。

本明細書で「軸方向」という用語は、ガスタービンエンジンの回転部品が回転する中心軸に平行な方向を包括していう。「上流」方向は局所的な流れが流入してくる方向をいい、「下流」方向は局所的な流れが移動していく方向をいう。従って、タービンの入口は上流に位置し、タービンの出口はタービンの下流端部に位置する。

ここで、図１を参照すると、全体を符号１０で示すガスタービンエンジンの一実施形態の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、移動用途（例えば航空機及び戦車）及び静止用途（例えば発電所）のいずれにも使用し得る。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、タービンアセンブリ１６とを備える。一実施形態では、圧縮機１２は、燃焼器１４の上流に配置され燃焼器１４と流体連通しており、燃焼器１４は、タービンアセンブリ１６の上流に配置されタービンアセンブリ１６と流体連通している。換言すれば、圧縮機１２は燃焼器１４及びタービンアセンブリ１６と順次流体連通している。

燃焼器１４は、アニュラー型燃焼器、キャン−アニュラー型燃焼器などでよい。燃焼器１４は、ハウジング内に配設された１以上のスワーラーアセンブリを含んでおり、スワーラーアセンブリは３段以上の羽根を備える。燃焼器１４は、圧縮空気（その他の酸素源）と液体及び／又はガス状の燃料との混合物を燃焼させて、タービンアセンブリ１６を駆動する高エネルギー燃焼ガス流を生成する。燃料の種類は用途に応じて異なるが、燃料のタイプの具体例を幾つか挙げると、天然ガス、ディーゼル、バイオディーゼル、ガソリン、軽油、プロパン、メタン、改質燃料、ガス化生成物（例えば水素）などがある。例えば、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）では水素を発生させることができ、これを各段で導入できる燃料源として使用し得る。

当業者には自明であろうが、ガスタービンエンジン１０は、ガスタービンエンジンで慣用されるその他の様々な部品を備えるように修正できる。部品は用途に応じて異なるが、追加の部品の例としては、特に限定されないが、燃料噴射システム、１以上のターボファン、ラムダクト、弁、制御システム（例えばコンピュータ）などが挙げられる。

次に図２を参照すると、スワーラーアセンブリ１８の一実施形態の断面図が示してある。スワーラーアセンブリ１８は、羽根の第１段２０と、羽根の第２段２２と、羽根の第３段２４とを備える。第１段２０は、中心体２６と物理的に接続して配設される。第１段２０は複数の羽根３０を含む。羽根３０の枚数、形状及び位置は用途に応じて異なる。例えば、羽根３０は、スワーラーアセンブリ１８の中心を通る長手方向軸に対して所定の角度に配置し得る。一実施形態では、羽根３０は、長手方向軸に対して約４０°〜約６０°の角度に配置し得る。適宜、１枚以上の羽根が燃料分配及び予混合に適したオリフィスを備えていてもよい。さらに、火炎安定性を増大させるためパイロット燃料噴射用のオリフィスを使用することもできる。

第１段２０は、第２段２２の上流に配設され第２段２２と流体連通する。また、一実施形態では、第１段２０は、第２段２２と物理的に接続して配設してもよい。例えば、第２段２２が第１段２０から半径方向外側に延在するように、第２段２２を第１段２０に取付けてもよい。第１段２０における火炎を安定させるため、第１段２０の後の断面積を急激に及び／又は連続的に増大させてもよい。一実施形態では、断面積の増加後の大きな半径に羽根の第２段２２を取付ける。第２段２２は複数の羽根３２を含む。羽根３２の枚数、形状などは羽根３０と同じでも、異なっていてもよい。一実施形態では、羽根３２は、スワーラーアセンブリ１８の中心を通る長手方向軸に対して所定の角度に配置し得る。例えば、羽根３２は、長手方向軸に対して約４０°〜約６０°の角度に配置し得る。さらに、羽根３２は、羽根３０で発生したスワールに対して同方向又は逆方向のスワールを生成するように配置し得る。

第２段２２は、第３段２４の上流に配設され第３段２４と流体連通する。また、一実施形態では、第３段２４は、第２段２２と物理的に接続して配設してもよい。第３段２４は複数の羽根３４を含む。羽根３４の枚数、形状及び位置は用途に応じて異なる。一実施形態では、第３段２４の羽根３４は、スワーラーアセンブリ１８の中心を通る長手方向軸に対して所定の角度に配置し得る。例えば、羽根３２は、長手方向軸に対して約４０°〜約６０°の角度に配置し得る。羽根３４は、羽根３０及び／又は羽根３２で発生したスワールに対して同方向又は逆方向のスワールを生成するように配置し得る。

燃料噴射器２８は少なくとも第１段２０と流体連通して配設し得る。一実施形態では、燃料噴射器２８は、第１段２０、第２段２２及び／又は第３段２４の各々と流体連通して配設される。その他の実施形態では、各段で独立した燃料噴射器を使用してもよい。すなわち、第１段２０、第２段２２及び第３段２４の各々で燃料噴射器を使用してもよい。なお、第２段２２及び／又は第３段２４のような下流位置で燃料を噴射することによって、各段を異なる空燃比で作動できるという利点がある。

一実施形態では、前段の排気ガスを次段の混合気と予混合することによって、これらの段を漸増する不活性ガス濃度で作動させる。空燃比の適切な選択による酸素濃度の低下及び火炎温度の低下は、ＮＯ_Ｘの生成傾向を下げる。さらに、羽根を軸方向に多段化すると、燃料、酸素、不活性ガス及びこれらの１種以上を含む組合せをそれぞれの段に導入することができるという利点もある。所望の排出量及びターンダウン性能を得るため、燃料を１以上の段に選択的に供給することができる。コンピュータのような処理装置を用いて、それぞれの段への燃料の供給を停止すべきか否かを決定してもよい。プロセッサは、流体の流れを制御するための適当な装置と作動可能に接続すればよい。一実施形態では、流体の流れを制御する装置は、それぞれの段、燃料源及びプロセッサと作動可能に接続して配設される弁である。

次に、図３を参照すると、スワーラーアセンブリ１８の矢視３−３断面の概略図を示す。各段の位置関係、スワーラーアセンブリの作動モード及びスワーラーアセンブリ１８の様々な実施形態を明らかにするため、段２０、２２及び２４はブロックとして図示した。第１段２０は、第１酸素源３６及び第１燃料源３８と流体連通して配設される。第１酸素源３６と第１燃料源３８は、２つの独立した流れとして図示したが、予混合した単一の流れとして第１段２０に導入してもよい。第１酸素源３６は、特に限定されないが、空気及び圧縮酸素を始めとする燃焼に適した酸素源であればよい。第１燃料源３８に適した燃料としては、ガスタービンエンジン１０に関して上記で列挙した燃料が挙げられる。第１段２０は、燃焼域４０の高温燃焼生成物及び中間生成物で第２段２２の空気及び／又は燃料が予熱されるように、第２段２２の上流に十分な間隔をおいて配設される。

一実施形態では、第１段２０は希薄吹消え（ＬＢＯ）限界の近くで作動させてもよく、ＮＯ_Ｘ排出物が低減する。第１段２０におけるパイロット火炎を維持するため追加の燃料３９を用いてもよい。さらに、第１段２０は、スワール運動１９として示すように、燃料と酸素源のスワールを生成させる働きをする。ある作動モードでは、燃料と酸素源とを含むスワール１９は第１燃焼域４０で燃焼する。

第２段２２は、第２酸素源４２及び／又は第２燃料源４４と流体連通して配設される。第２酸素源４２は第１酸素源３６と同じでも異なるものでもよい。同様に、第２燃料源４４は第１酸素源３８と同じでも異なるものでもよい。第２段２２はスワール４６を生成させる働きをする。スワール流４６は酸素及び／又は燃料を含んでいてもよく、燃焼域４０からの燃焼生成物及び中間生成物と混合してもよい。なお、燃焼域４０で燃焼しなかった燃料などをスワール流４６と混合してもよい。ある作動モードでは、スワール４６は第２燃料源４４からの燃料を含み、これを第２燃焼域４８で燃焼させる。図示したように、第２燃焼域４８と第１燃焼域４０はオーバーラップしていてもよい。第１燃焼域４０からの熱エネルギーを用いて第２燃焼域４８に熱を伝えてもよい。理論に束縛されるものではないが、この熱伝達によって好都合なことに第２燃焼域４８を無炎作動することができ、無炎酸化又は穏和燃焼とも呼ばれることもある。

第３段２４は、第３酸素源５０及び／又は第３燃料源５２と流体連通して配設される。第３段の酸素源５０は第１酸素源３６又は第２酸素源４２と同じでも異なるものでもよい。同様に、第３燃料源５２も第１酸素源３６又は第２酸素源４４と同じでも異なるものでもよい。第３段２４はスワール５４を生成させる働きをする。スワール５４は酸素及び／又は燃料を含んでいてもよく、第２燃焼域４８からの燃焼生成物と混合してもよい。なお、第２燃焼域４８内で燃焼しなかった燃料などをスワール流５４と混合してもよい。ある作動モードでは、スワール流５４は第３燃料源５２からの燃料を含み、これを第３燃焼域５６で燃焼させる。図示したように、第２燃焼域４８と第３燃焼域５６はオーバーラップしていてもよい。第２燃焼域４８からの熱エネルギーを用いて第３燃焼域５６に熱を伝えてもよい。

その他の実施形態では、不活性ガス（例えば窒素ガス）を第２段２２及び第３段２４に導入することもできる。さらに、一酸化炭素（ＣＯ）の燃焼を促すため、第１段２０の下流に追加の空気を添加してもよい。さらに別の作動の実施形態では、燃焼器１４は、ＲＱＬ（rich-quench-lean；濃／急冷却／希薄）燃焼器として作動させることができる。さらに具体的には、第１燃焼器は燃料過濃状態で作動させることができる。第２段２２は、燃焼器を急冷するため空気を導入できる段を与える。第３段２４は、希薄モードで作動できる。こうしたＲＱＬモードの作動によってＮＯ_Ｘ排出物を削減させることができる。

スワーラーアセンブリ１８は、羽根の追加の段を備えていてもよい。第１段２０、第２段２２及び第３段２４に対する各段の配置は用途に応じて異なる。また、第２段２２及び第３段は、第１段に対して平行なものとして図示したが、第２段２２及び第３段２４を第１段２０及び／又は互いに所定の角度に配置した実施形態も想定される。

また、説明の便宜上、燃焼器は単一のスワーラーアセンブリを含むものとして説明してきたが、燃焼器は複数のスワーラーアセンブリを含んでいてもよい。スワーラーアセンブリの構成は用途に応じて異なる。例えば、キャン−アニュラー型構成では、各「キャン」は１以上のスワーラーを備える。複数のスワーラーアセンブリを用いる場合、それらのスワーラーアセンブリも多段化し得る。

好適には、軸方向の多段化をスワールと組合せて燃料を燃焼させると、この組合せを用いない燃焼器と比較して、排出物が低減するとともにターンダウン及び安定性特性が向上する。例えば、軸方向多段化は、一連の段において燃料を「止める」ことができるので、ターンダウン性能を与える。一連の段において燃料を供給しないことによって、燃焼器を低負荷条件下で作動させることができる。

また、羽根の軸方向多段化は、下流の段の空気の予熱をもたらし、無炎酸化又は穏和燃焼をもたらすことができる。さらに、空気の予熱によって、上流の段に比べて下流の段における希薄な条件下で火炎安定化を達成することもできる。作動条件の希薄化は、ＮＯ_Ｘ排出物削減の増大を伴う。さらに、多段化を用いると壁冷却を低減させ、ＣＯ燃焼を向上させることができる。その他の利点としては、軸方向多段化とスワールとの組合せを用いないシステムに比して燃焼器の小型化が挙げられる。

例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく様々な変更を加え、その構成要素を均等物で置換し得ることは当業者には明らかであろう。また、本発明の要旨から逸脱せずに特定の状況又は材料を本明細書の教示内容に適合化させるための数多くの修正をなすこともできる。従って、本発明は、本発明を実施するための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、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

ガスタービンエンジンの一実施形態の概略図。 ３段の羽根を含むスワーラーアセンブリの一実施形態の断面図。 図２のスワーラーアセンブリの矢視３−３概略断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービンアセンブリ
１８ スワーラーアセンブリ
１９ スワール
２０ 第１スワーラー
２２ 第２スワーラー
２４ 第３スワーラー
２６ 中央ボディ
２８ 燃料噴射器
３０ 羽根
３２ 羽根
３４ 羽根
３６ 酸素源
３８ 燃料源
３９ 追加燃料
４０ 燃焼域
４２ 酸素源
４４ 燃料源
４６ スワール
４８ 燃焼域
５０ 酸素源
５２ 燃料源
５４ スワール
５６ 燃焼域

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１０）における排出物を低減する方法であって、
   燃焼器（１４）内で第１酸素源と第１燃料でスワール流を生成させ、
   燃焼器（１４）内で第１酸素源を用いて第１燃料を燃焼させて燃焼生成物を生成させ、
   第２酸素源と第２燃料でスワール流を生成させて燃焼生成物と混合し、
   燃焼器（１４）内で第２酸素源を用いて第２燃料を燃焼させて第２燃焼生成物を生成させ、
   第３酸素源と第３燃料でスワール流を生成させて第２燃焼生成物と混合する
   ことを含んでなる方法。
2. 燃焼器（１４）内に配設されたスワーラーアセンブリの第１段（２０）であって第１の複数の羽根（３０）を備える第１段（２０）を用いて第１酸素源と第１燃料のスワール流を生成させ、
   第１段（２０）の下流に配設され第１段（２０）と流体連通したスワーラーアセンブリの第２段（２２）であって第２の複数の羽根（３２）を備える第２段（２２）を用いて第２酸素源と第２燃料のスワール流を生成させ、
   第２段（２２）の下流に配設され第２段（２２）と流体連通したスワーラーアセンブリの第３段（２４）であって第３の複数の羽根（３４）を備える第３段（２４）を用いて第３酸素源と第３燃料のスワール流を生成させる
   ことをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 第１段（２０）と第２段（２２）と第３段（２４）が同軸に整列している、請求項２記載の方法。
4. 第１の羽根（３０）と第２の羽根（３２）と第３の羽根（３４）が、スワーラーアセンブリの中心を通る長手方向軸に対して所定の角度に配置されている、請求項２記載の方法。
5. 第２段（２２）が第１段（２０）及び第３段（２４）と物理的に接続して配設される、請求項２記載の方法。
6. さらに、第２段（２２）への第２燃料の流れを制御することを含む、請求項２記載の方法。
7. ガスタービンエンジン（１０）用の燃焼器であって、
   ハウジング、
   ハウジングと物理的に接続して配設されたスワーラーアセンブリ（１８）であって、複数の第１の羽根（３０）を備える第１段（２０）と、複数の第２の羽根（３２）を備える第２段（２２）であって第１段（２０）の下流に配設され第１段（２０）と流体連通するとともに物理的に接続した第２段（２２）と、複数の第３の羽根（３４）を備える第３段（２４）であって第２段（２２）の下流に配設され第２段（２２）と流体連通するとともに物理的に接続した第３段（２４）とを備えるスワーラーアセンブリ（１８）、及び
   第１段（２０）と流体連通して配設された燃料噴射器、第２段（２２）と流体連通して配設された第２燃料噴射器、及び第３段（２４）と流体連通して配設された第３燃料噴射器
   を備える、燃焼器。
8. 第１段（２０）と第２段（２２）と第３段（２４）が同軸に整列している、請求項７記載の燃焼器。
9. 第１の羽根（３０）と第２の羽根（３２）と第３の羽根（３４）が、スワーラーアセンブリ（１８）の中心を通る長手方向軸に対して所定の角度に配置されている、請求項７記載の燃焼器。
10. 燃焼器（１４）がアニュラー型燃焼器又はキャン−アニュラー型燃焼器である、請求項７記載の燃焼器。

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