JP2008274928A - 保炎マージンの範囲内で作動させるのを可能にするための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンの保炎マージンの範囲内で作動させるのを可能にするためのシステムを提供する。
【解決手段】本システムは、タービンエンジン内に結合されかつ内側バンド（５０）及び外側バンド（４６）間で延びる少なくとも１つのベーンを含む少なくとも１つのタービンノズルセグメントと、燃料源からの設計燃料と、少なくとも１つのベーンの表面内に形成されかつ設計燃料を用いてタービン性能を最適化するように設計された少なくとも１つの燃料噴射オリフィスと、少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを通して加圧流体流内に送られて噴流貫通高さを確立する非設計燃料と、噴流貫通高さを減少させるのを可能にしかつ保炎マージンを増大させるのを可能にする作動ウインドウ（１１０）とを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にタービン組立体に関し、より具体的には、タービン作動時に保炎マージンを制御するのを可能にするための方法及びシステムに関する。

一般的に、発電システムで使用するタービン組立体は、特定の燃料を用いるように設計される。より具体的には、公知のタービンは、作動時に規制窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションレベルを達成するように設計される。しかしながら、気体燃料の費用が高くなったので、気体燃料供給を確保することが困難になってきたのと同時に、少なくとも幾つかの公知のタービンは、代替燃料で作動させなければならなくなってきた。

タービン組立体を作動させる少なくとも幾つかの公知の方法は、廃熱を用いてタービンに供給する燃料の温度を高めることによって、燃料消費量を節約している。タービンに供給する燃料の温度を高めることによって、燃料をタービン作動温度にするのに必要なエネルギーがより少なくなる。例えば、２５００°Ｆの作動温度を有するタービンでは、１００°Ｆの初期温度を有する燃料は、廃熱を用いて約３００〜４００°Ｆに加熱され、次に燃料を２５００°Ｆの作動温度に加熱するために付加的エネルギーが必要とされる。従って、廃熱を用いて燃料を予熱することにより、対応する所望の電力量を生成する排気温度に到達させるのに必要なエネルギー量を低減することが可能になる。

設計外（非設計）気体燃料でこれら方法を使用することは、燃料ノズルの保炎マージンを所望の許容限界値以下に低下させる可能性がある。保炎は、燃料ノズルを損傷させて、局所的最大タービンエンジン作動温度を超えた高温ストリークを発生させ、従ってタービンに故障を引き起こすおそれがある。さらに、保炎マージンを超えることはまた、燃料ノズルの耐用年数を制限するおそれがあり、また／或いは燃焼器ライニングに損傷を生じさせるおそれがある。
米国特許第７，１８５，４９５号公報 米国特許第７，００７，４７７号公報 米国特許第６，４３８，９６１号公報 米国特許第６，６５１，４３９号公報 米国特許第６，５１３，３１８号公報 米国特許第６，２６９，６４６号公報 米国特許第５，６３６，５１０号公報 米国特許第５，２１１，００４号公報

１つの実施形態では、タービンエンジンの保炎マージンの範囲内で作動させるのを可能にする方法を提供する。本方法は、内側バンド及び外側バンド間で延びる少なくとも１つのベーンを含む少なくとも１つのタービンノズルセグメントをタービンエンジン内に結合する段階を含む。本方法はまた、少なくとも１つのベーンの表面内に少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを配置する段階と、少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを通して燃料を加圧流体流内に送って噴流貫通高さを確立する段階と、噴流貫通高さを減少させかつ保炎マージンを増大させるのを可能にするように燃料の作動パラメータを調整することによって、作動ウインドウを定める段階とを含む。

別の例示的な実施形態では、タービンエンジンの保炎マージンの範囲内で作動させるのを可能にするためのシステムを提供する。本システムは、タービンエンジン内に結合された少なくとも１つのタービンノズルセグメントを含み、少なくとも１つのタービンノズルセグメントは、内側バンド及び外側バンド間で延びる少なくとも１つのベーンを含む。本システムはまた、燃料源からの設計燃料と、少なくとも１つのベーンの表面内に形成された少なくとも１つの燃料噴射オリフィスとを含み、少なくとも１つの燃料噴射オリフィスは、設計燃料を用いてタービン性能を最適化するように設計される。非設計燃料は、少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを通して加圧流体流内に送られて噴流貫通高さを確立し、また作動ウインドウは、噴流貫通高さを減少させるのを可能にしかつ保炎マージンを増大させるのを可能にする。

さらに別の例示的な実施形態では、タービンエンジンを開示する。本タービンエンジンは、ノズル組立体を含み、ノズル組立体は、内側バンドと、外側バンドと、該内側バンド及び外側バンド間で延びる少なくとも１つのベーンとを含む。ベーンは、設計燃料を用いて性能を最適化するように設計されかつそこから非設計燃料を送って保炎マージンを制御するのを可能にするように構成された複数の燃料噴射オリフィスを含む。

図１は、例示的なノズル組立体１０の断面図である。この例示的な実施形態では、ノズル組立体１０は、機能によって４つの領域に分割され、それら領域には、入口流調整装置（ＩＦＣ）１２、燃料噴射を備えたスワーラ組立体１４、環状燃料流体混合通路１６及び中心拡散火炎燃料ノズル組立体１８が含まれる。ノズル組立体１０はまた、入口端部２２及び吐出端部２４を有する高圧プレナム２０を含む。高圧プレナム２０は、ノズル組立体１０を囲む。吐出端部２４はノズル組立体１０を囲まず、むしろ吐出端部２４は、燃焼器反応ゾーン２６内に延びる。ＩＦＣ１２は、無孔円筒形壁３０によって形成された環状流路２８を含む。壁３０は、通路２８の内径３２を定め、有孔円筒形外壁３４は外径３６を定める。有孔端部キャップ３８は、ノズル組立体１０の上流端部４０に結合される。この例示的な実施形態では、流路２８は、１つ又はそれ以上の環状旋回ベーン４２を含む。作動時に、加圧流体は、端部キャップ３８及び円筒形外壁３４内の多孔を介してＦＩＣ１２に流入する。さらに、この例示的な実施形態では、ノズル組立体１０は、設計気体燃料と加圧流体とを燃焼前に混合するのを可能にする予混合気体燃料回路を形成することを理解されたい。

本明細書で用いる場合、「設計気体燃料」という用語は、対応するタービンエンジンが計画的に需要電力出力を達成するのを可能にするように本来選択された特定の気体燃料である。非設計（設計外）気体燃料もまた、タービンエンジンに出力させるように用いることができるが、設計気体燃料とは異なっている。この例示的な実施形態では、設計気体燃料はメタン系の気体である。しかしながら、他の実施形態では、設計気体燃料は、本明細書に記載するようにタービンエンジンに出力させるのを可能にするあらゆる気体燃料とすることができることを認識されたい。この例示的な実施形態では、非設計気体燃料には、それに限定されないが、液化天然ガス（ＬＧＮ）、設計外気体燃料及びプロセス気体燃料のような非メタン系気体燃料が含まれる。

図２は、ノズル組立体１０（図１に示す）で使用することができる例示的なスワーラ組立体１４の拡大斜視図である。図３は、スワーラ組立体１４の一部分の拡大斜視図である。スワーラ組立体１４は複数のベーン４４を含み、ベーン４４は各々、外面４８を有する半径方向外側バンド４６と外面５２を有する半径方向内側バンド５０との間で延びる。各ベーン４４は、負圧側壁５４及び正圧側壁５６を含む。負圧側壁５４は、凸面形であり、ベーン４４の負圧側面を形成し、また正圧側壁５６は、凹面形であり、ベーン４４の正圧側面を形成する。側壁５４及び５６は、ベーン４４の前縁５８及び軸方向に間隔を置いた後縁６０において接合される。

負圧及び正圧側壁５４及び５６は、それぞれ半径方向内側バンド５０と半径方向外側バンド４６との間でスパンにわたって長手方向に延びる。ベーン根元６２は、内側バンド５０に隣接するものとして形成され、ベーン先端６４は、外側バンド４６に隣接するものとして形成される。

旋回ベーン４４は、スワーラ組立体１４を通過する加圧流体に旋回を与えることを理解されたい。さらに、旋回ベーン４４は各々、各ベーン４４のコア（図示せず）内に形成された主燃料供給通路６６及び二次燃料供給通路６８を含む。この例示的な実施形態では、各ベーン正圧側面５６は、複数の気体燃料噴射オリフィス７０及び複数の二次気体燃料噴射オリフィス７２を含む。この例示的な実施形態では、オリフィス７０及び７２は各々、ほぼ円形であり、オリフィス７０はオリフィス７２よりも大きい断面積を有する。主噴射オリフィス７０及び二次噴射オリフィス７２は、各ベーン４４の正圧側壁５６を貫通することを理解されたい。さらに、他の実施形態では、燃料噴射オリフィス７０及び７２は、それぞれベーンの負圧側面５４上に或いは正圧及び負圧側面５６及び５４の両方上に設置することができることを認識されたい。さらに、オリフィス７０及び７２はほぼ円形形状を有するものとして説明したが、他の実施形態では、オリフィス７０及び７２は、ノズル組立体１０が本明細書に記載するように機能することができるあらゆる形状、配向又は構成を有することができる。

作動時に、主燃料通路６６及び二次燃料通路６８は、それぞれ主噴射オリフィス７０及び二次噴射オリフィス７２に気体燃料を分配する。気体燃料は、入口ポート７４（図１に示す）並びに環状予混合気体燃料通路７６及び７８（図１に示す）を通ってスワーラ組立体１４に流入する。環状予混合気体燃料通路７６及び７８は、それぞれ主及び二次燃料供給通路６６及び６８に燃料供給する。気体燃料は、スワーラ組立体１４内で加圧流体と混合し、燃料／空気の混合は、環状予混合通路１６（図１に示す）内で完了する。通路１６は、ノズルハブ延長部８０（図１に示す）及びノズルシュラウド延長部８２（図１に示す）によって形成される。燃焼用の加圧流体のほとんどは、ＩＦＣ１２を介してノズル組立体１０に流入し、ＩＦＣ１２から流出した後に、スワーラ組立体１４を通して送られることを認識されたい。環状予混合通路１６から流出した後に、燃料／空気混合気は、燃焼器反応ゾーン２６に流入し、この燃焼器反応ゾーン２６内で、混合気は点火される。複数のノズル組立体１０はタービンハウジング（図示せず）の周りに環状アレイの形態で設けられることを理解されたい。本明細書で用いる場合の「流体」という用語は、それに限定されないがガス及び空気を含む、流動するあらゆる媒体又は物質を含むことを認識されたい。

予混合ノズル組立体１０は、「ソフト燃料ノズル」として作動する。本明細書で用いる場合、「ソフト燃料ノズル」という用語は、燃料通路７６及び７８（図１に示す）内にフィードバックさせることができる燃焼圧力波を意味する。従って、この例示的な実施形態では、燃料供給圧力を燃焼器圧力で除算したものと定義した燃料ノズル圧力比は、約１．０７〜１．１０よりも小さい。そのような圧力比範囲以上では、ノズル組立体１０は、「ハード燃料ノズル」と呼ばれ、損傷ダイナミックスが発生する可能性がある。別のタイプの損傷ダイナミックスは、燃料ノズル圧力比が許容最小燃料ノズル圧力比以下になった時に発生する可能性がある。このような損傷ダイナミックスは、タービンエンジンを急速に破壊するおそれがある。従って、この例示的な実施形態では、安全な燃料ノズル圧力比範囲は、最小燃料圧力比と１．０７〜１．１０との間である。非設計気体燃料温度を変更することにより、ダイナミックスの発生成長に影響を与えることができることを理解されたい。

図４は、例示的な気体燃料噴流８４及び対応する保炎マージン８６の拡大断面図である。正圧側面５６に対してほぼ垂直な噴射角で主燃料噴射オリフィス７０を通して非設計気体燃料を噴射すると、非設計燃料は燃料噴流８４を形成する。燃料噴流８４が噴射オリフィス７０から流出すると、燃料噴流８４は、高速移動している加圧流体直交流８８に遭遇し、この加圧流体直交流８８は、強制的に燃料噴流８４が正圧側面５６にほぼ平行に流れるようにする。一旦構成されると、燃料噴流８４は、保炎マージン８６の発生成長を引き起こす。燃料噴流８４は、正圧側面５６にほぼ平行に流れかつ該正圧側面５６から貫通高さＰＨだけ距離を置いていることを認識されたい。貫通高さＰＨは、加圧流体直交流８８内への相対的最大非設計気体燃料噴流貫通高さを表す。非設計気体燃料噴流貫通高さＰＨを減少させることによって、また設計気体燃料反応度に比較して非設計気体燃料反応度を低下させることによって、保炎マージン８６は、安定化させ、実質的に縮小し或いは排除することができる。非設計気体燃料はまた、それに限定されないが外側バンドの内面４７（図２に示す）及び外面５２（図２に示す）のような非ベーン４４表面上に投射することができ、これら表面もまた、保炎、逆火又はその両方を引き起こす可能性があることを認識されたい。燃料噴流８４の運動量が許容範囲内にない場合には、乱流（図示せず）が発生し、この乱流により、下流スワーラ組立体１４内で流れ剥離が生じる可能性がある。

図５は、予混合ノズル組立体１０の非設計気体燃料用の例示的な作動ウインドウ９０を示す概略図である。より具体的には、作動ウインドウ９０は、貫通高さＰＨ、温度９２及び燃料ノズル圧力比範囲９４の関数として示している。この例示的な実施形態では、作動ウインドウ９０は、保炎の悪影響を防止するのを可能にする、用いる非設計気体燃料に特有のレジームを定める。

貫通高さＰＨは、（（ρ_燃料×Ｖ^２ _燃料）／（ρ_空気×Ｖ^２ _空気））^１／２に比例し、ここで、ρ_燃料は非設計気体燃料の密度、Ｖ_燃料は非設計気体燃料の速度、ρ_空気は加圧流体直交流８８（図４に示す）の密度、またＶ_空気は加圧流体直交流８８の平均速度である。加えて、気体燃料の質量流量は、ρ×Ａ×Ｖによって与えられ、ここで、ρは気体燃料の密度、Ａは燃料噴射オリフィス７０又は７２（図３に示す）の有効断面積、またＶは気体燃料の速度である。貫通高さＰＨを決定するパラメータ（ρ_燃料、Ｖ_燃料、ρ_空気、Ｖ_空気）、及び質量流量を決定するパラメータ（ρ、Ａ、Ｖ）を操作することによって、各非設計気体燃料に対して複数の異なる作動ウインドウ９０を生成することができる。燃料供給圧力を燃焼器圧力で除算したものと定義した燃料ノズル圧力比は、作動ウインドウ９０を決定する又は生成するのを可能にする別のパラメータである。燃料ノズル圧力比は、これもまた燃料ノズル圧力比範囲９４を操作する又は見直すことを可能にする気体燃料供給圧力を操作することによって調整することができるが、しかしながら、非設計気体燃料の加熱を必要とする可能性があることを認識されたい。

作動ウインドウ９０はまた、非設計気体燃料温度９２を操作することにより非設計気体燃料の密度を変化させることによって変更することができる。非設計気体燃料を冷却することによって、線１０２、１０４、１０６及び１０８によって囲まれる面積によって定まる燃料ノズル圧力比（ＦＮＰＲ）範囲９４内に維持した状態で、ノズル組立体１０を通してより多くの非設計気体燃料を流すことができる。同様に、その温度９２を上昇させることによって非設計気体燃料の密度を変化させることにより、燃料ノズル圧力比（ＦＮＰＲ）範囲９４内に維持した状態で、ノズル組立体１０を通してより少ない非設計気体燃料を流すようにする。非設計気体燃料温度９２を上昇させることは、燃料密度を減少させるだけでなく、非設計気体燃料速度も低下させることを理解されたい。非設計気体燃料速度を低下させることはまた、関連する気体燃料圧力低下を引き起こす。この例示的な実施形態では、燃料ノズル圧力比範囲９４内に維持したより低温非設計燃料を供給して、依然として所望のタービンエンジン出力に十分な燃料を供給しながら燃焼ダイナミックス要件を満たすことが望ましいが、しかしながら、非設計燃料を加熱することが必要となる可能性がある。燃料温度を変化させることは、非設計燃料が所望のエンジン出力範囲で作動することを可能にする。加えて、燃料温度を変化させることはまた、設計燃料で許容される電力出力の範囲を増大させるのを可能にすることができる。例えば、燃料温度を低温にすることは、燃料反応度を低下させ、それによって保炎及び自動点火傾向を減少させ、従って付加的作動マージンを与えるのを可能にすることができる。

保炎マージン境界線９６は、該境界線９６上方の保炎領域９８と該境界線９６下方の非保炎領域１００との間を区別する。保炎マージン境界線９６は、燃料特有のものでありかつ用いる非設計気体燃料の反応度に応じて決まり、従って全てのタイプの非設計気体燃料で異なることを認識されたい。保炎領域９８は、保炎マージン８６が存在することを示し、また非保炎領域１００は、保炎マージン８６が全く存在しないことを示す。この例示的な実施形態ではまた、５０％の水素（Ｈ２）及び５０％の一酸化炭素（ＣＯ）を含む非設計気体燃料の２つの異なる温度における熱的温度線を示している。より具体的には、第１の熱的温度線１０２は、約３００°Ｆの温度９２を有する非設計気体燃料を表す。第２の熱的温度線１０４は、約８０°Ｆの温度９２での同じ非設計気体燃料を表す。さらに、燃料ノズル圧力比範囲９４は、圧力比下限値１０６及び圧力比上限値１０８によって定まる。

熱的温度線１０２上方にありかつ同時に燃料圧力比範囲９４内にある境界線９６下方の領域は、約３００°Ｆの温度９２で所定の非設計気体を用いるタービンエンジンに対応する作動ウインドウ９０を定める。同様に、境界線９６と熱的温度線１０４との間でありかつ同時に燃料圧力比範囲９４内にある境界線９６下方の領域は、約８０°Ｆの温度９２で所定の非設計気体を用いるタービンエンジンのための作動ウインドウ９０を定める。熱的温度線１０２及び１０４を比較することによって理解することができるように、低温非設計気体を用いることは、噴流貫通高さＰＨを約３分の１だけ減少させるのを可能にする。従って、非設計気体燃料の温度９２を低温にすることは、貫通高さＰＨを減少させるのを可能にし
かつ保炎マージン８６を実質的に縮小又は排除することを理解することができる。非設計気体燃料を冷却することは、燃料運動量比を低下させかつ低い噴流貫通高さＰＨを有するより低温噴流を生成するので、保炎マージン８６を縮小させることが可能になる。

燃料噴射オリフィス７０及び７２のような固定ジオメトリを有する燃料オリフィスでは、圧力は（Ｖ^２ _燃料×ρ_燃料）／２に比例する（ここで、Ｖ_燃料は非設計気体燃料の速度であり、ρ_燃料は非設計気体燃料の密度である。）ことを理解されたい。従って、低修正ウォッベ指標（ＭＷＩ）非設計気体燃料のような、高体積流量要件を有する燃料は、設計気体と同じ電力出力を発生するように十分に冷却して、設計気体燃料ノズルを備えたタービンエンジンが、低ＭＷＩ非設計気体燃料を用いて「ソフト燃料ノズル」として作動することができるようにすることができる。ウォッベ指標は通常、熱含量（ＬＨＶ）を分子量比の平方根で除算したものであることを認識されたい。修正ウォッベ指標（ＭＷＩ）は、気体が異なる温度にありかつその単位が絶対温度の平方根を有することになると想定している。本明細書で用いる場合、低ＭＷＩ非設計気体燃料は、約１５〜７０の範囲にあり、これは、ＭＷＩ設計気体とは異なる。メタン系天然気体燃料は一般的に、燃料温度及び組成に応じて約３９〜５５のＭＷＩを有する。さらに、タービンエンジンの負荷の増大は、火炎温度を高めることによって満たされることを認識されたい。大きなタービンエンジン負荷を満たすために、非設計気体燃料の温度９２範囲は、異なるＭＷＩを有する１つ又はそれ以上の燃料の場合に、燃料圧力比により低減することができる。

この例示的な実施形態では、非設計気体燃料は、地下パイプラインを通してタービンエンジンに供給され、従って比較的一定かつ低温の非設計気体燃料供給が保証されることを認識されたい。しかしながら、他の実施形態では、本明細書に記載するようにノズル組立体１０を機能させるように、あらゆる手段を用いて非設計気体燃料を冷却することができる。さらに、この例示的な実施形態は冷却した非設計気体燃料として説明しているが、他の実施形態では、非設計気体燃料の様々な組成を用いることができ、用いる非設計気体の組成に応じて、そのような燃料は、設計気体燃料ノズルを備えたタービンエンジンが「ソフト燃料ノズル」として作動するように加熱又は冷却することができることを認識されたい。非設計気体燃料を冷却する場合には、より低温の温度を制限するか又は冷却のために幾つかの燃料成分の濃度の低下を必要とするか或いはその両方となる可能性がある凝縮の露点及びバルブにおけるジュールトムソン効果の適正な配慮を考慮するべきである。非設計気体燃料を冷却することは、燃料の反応度を低下させ、保炎及び自動点火を可能な限り減少させることを認識されたい。

幾つかの非設計気体燃料は、既存の設計気体燃料作動を可能にするものよりも大きな燃料噴射オリフィスを必要とするより高い体積流量を有することを理解されたい。その結果、より高いＭＷＩを有する非設計気体燃料でタービンを作動させることは、最小許容燃料ノズル圧力比を維持するのを可能にしかつより低いＭＷＩ指標を有する燃料で「保炎」しないようにするために、燃料ノズル組立体１０ごとに１つの予混合燃料通路７６又は７８（図１に示す）を備えたノズル組立体１０内での予混合作動中に加熱を必要とする可能性がある。本明細書で用いる場合、高ＭＷＩ非設計気体燃料は、設計気体よりも高いＭＷＩを有する。

保炎マージン８６を制御することにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを低減するのを可能にする非設計燃料を使用することが可能になることを認識されたい。より具体的には、保炎マージン８６を制御することによって、より広範な非設計気体燃料を使用することが可能になるので、燃焼時に本質的に又はより効果的にＮＯｘ及びＣＯエミッションを低減する非設計気体燃料を燃焼器設計に用いることができる。例えば、非設計気体燃料が燃焼時に１００万分の１（１ＰＰＭ）のＮＯｘを生成しまた設計気体燃料が燃焼時に５ＰＰＭのＮＯｘを生成する場合には、非設計気体燃料を用いてタービンエンジンを作動させてＮＯｘエミッションを低減するほうが良いと言える。さらに、設計気体燃料は、加熱して、貫通を改善し、ＮＯｘエミッションを低減するために燃料混合をたかめ、かつ損傷ダイナミックスを減少させることができることを認識されたい。

設計気体燃料ではなく、より廉価かつより容易に入手可能な代替非設計気体燃料でタービンエンジンを作動させることによってタービンエンジンの燃料自由度を高めることが望ましい。そのような代替非設計気体燃料には、それに限定されないが、液化天然ガス（ＬＧＮ）、合成ガス及びプロセスガスが含まれる。代替燃料を用いることは、予混合燃料ノズル内において十分な保炎マージンを得ることを必要とする。噴流貫通高さを制御することは、単一燃料通路での作動のための許容保炎マージンを形成し、保炎マージンを拡張することを認識されたい。

図６は、拡散ノズル組立体（図示せず）における非設計気体燃料用の別の例示的な作動ウインドウ１１０を示す概略図である。拡散ノズル組立体は、非設計気体燃料と加圧流体とを混合し、混合した混合物に点火する。作動ウインドウ１１０は、燃料ノズル圧力比１１２及び燃料ノズル火炎温度１１４の関数として示している。作動ウインドウ１１０は、保炎の悪影響を防止するのを可能にする、用いる非設計気体燃料に特有のレジームを定めることを理解されたい。

また、５０％の水素（Ｈ２）及び５０％の一酸化炭素（ＣＯ）を含む非設計気体燃料の２つの異なる温度における熱的温度線を示している。より具体的には、第１の熱的温度線１１６は、約３００°Ｆの温度を有する非設計気体燃料を表す。第２の熱的温度線１１８は、約８０°Ｆの温度での同じ非設計気体燃料を表す。この例示的な実施形態では、作動ウインドウ１１０は、その範囲にわたっては燃焼ダイナミックスが拡散ノズル組立体に容認される最小及び最大圧力比を示す。燃料温度を高めることにより、燃料密度を低下させて、同じ非設計気体燃料流の場合に燃料噴流８４速度を増加させて同じ質量の燃料を燃焼室に送給するようにする。作動ウインドウ１１０の範囲内で作動させることは、適当なタービンエンジン出力を供給し、損傷ダイナミックスの発生成長を引き起こさないことを理解されたい。

各実施形態では、保炎マージンを制御する上述の方法は、低コストの単一予混合回路を備えた既存のタービンエンジンで安全に用いることができる燃料組成の範囲を増大させるのを可能にする。さらに、既存のタービンエンジンは、新規な燃料ノズルの設置を必要とせずに異なる燃料で作動させることができる。さらに、非設計気体燃料の加熱及び冷却回路は、サイクル損失を最小にするようにシステム内に統合することができる。そのような回路は、排気筒内で非設計気体燃料を加熱すること、及び補給水で非設計気体燃料を冷却することを含むことができる。より具体的には、各実施形態では、燃料温度を変化させること及び燃料圧力比範囲内で作動させることにより、保炎マージンを安定化させ、実質的に縮小させ、或いは非除する。その結果、既存のタービンエンジンの燃料自由度及び既存のタービンエンジンの単一燃料回路での作動が得られる。従って、費用効果がありかつ信頼性がある方法で、タービン性能及び構成部品耐用年数を各々高めることが可能になる。

以上、保炎マージンを制御する方法の例示的な実施形態を詳細に説明している。本方法は、本明細書で説明した特定のタービン実施形態で用いることに限定されるものではなく、むしろ、本方法は、本明細書で説明した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。例えば、本方法は、あらゆる公共、産業又は機械的ドライブタービンで使用することができる。さらに、本発明は、上記に詳細に説明した本方法の実施形態に限定されるものではない。むしろ、本方法の他の変更形態は、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には分かるであろう。

例示的なタービンノズル組立体の断面斜視図。 図１に示すタービンノズル組立体に用いるスワーラ組立体の拡大斜視図。 図２に示すスワーラ組立体の一部分の拡大斜視図。 例示的な燃料噴流及び保炎マージンの拡大断面図。 非設計気体燃料でノズル組立体を作動させるための例示的な作動ウインドウの概略図。 図５で用いたのと同じ非設計気体燃料でノズル組立体を作動させるための別の作動ウインドウの概略図。

符号の説明

１０ ノズル組立体
１２ 入口流調整装置（ＩＦＣ）
１４ スワーラ組立体
１６ 混合通路
１８ 火炎燃料ノズル組立体
２０ 高圧プレナム
２２ 入口端部
２４ 吐出端部
２６ 燃焼器反応ゾーン
２８ 流路
３０ 無孔円筒形壁
３２ 内径
３６ 外径
３８ 有孔端部キャップ
４０ 上流端部
４２ 旋回ベーン
４４ 旋回ベーン
４６ 半径方向外側バンド
４７ 外側バンド内面
４８ 外面
５０ 半径方向内側バンド
５２ 外面
５４ 負圧側壁
５６ 正圧側壁
５８ 前縁
６０ 後縁
６２ ベーン根元
６４ ベーン先端
６６ 主燃料供給通路
６８ 二次燃料通路
７０ 燃料噴射オリフィス
７２ 二次噴射オリフィス
７４ 入口ポート
７６ 予混合気体燃料通路
７８ 燃料通路
８０ ノズルハブ延長部
８２ ノズルシュラウド延長部
８４ 燃料噴流
８６ 保炎マージン
８８ 流体直交流
９０ 作動ウインドウ
９２ 温度
９４ ノズル圧力比範囲
９６ 境界線
９８ 保炎領域
１００ 非保炎領域
１０２ 熱的温度線
１０４ 第２の熱的温度線
１０６ 圧力比下限値
１０８ 圧力比上限値
１１０ 作動ウインドウ
１１２ 燃料ノズル圧力比
１１４ 燃料ノズル火炎温度
１１６ 第１の熱的温度線
１１８ 第２の熱的温度線

Claims (10)

1. タービンエンジンの保炎マージンの範囲内で作動させるのを可能にするためのシステムであって、
   前記タービンエンジン内に結合されかつ内側バンド（５０）及び外側バンド（４６）間で延びる少なくとも１つのベーンを含む少なくとも１つのタービンノズルセグメントと、
   燃料源からの設計燃料と、
   前記少なくとも１つのベーンの表面内に形成されかつ前記設計燃料を用いてタービン性能を最適化するように設計された少なくとも１つの燃料噴射オリフィスと、
   前記少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを通して加圧流体流内に送られて噴流貫通高さを確立する非設計燃料と、
   前記噴流貫通高さを減少させるのを可能にしかつ前記保炎マージンを増大させるのを可能にする作動ウインドウ（１１０）と、
   を含むシステム。
2. 前記作動ウインドウ（１１０）が、前記非設計燃料の作動パラメータを調整することによって確立される、請求項１記載のシステム。
3. 前記作動ウインドウ（１１０）が、前記非設計燃料の温度を変化させることにより該非設計燃料の密度を調整することによって定められる、請求項１記載のシステム。
4. 前記温度が、非設計燃料運動量比を調整するために低下される、請求項３記載のシステム。
5. 前記作動ウインドウ（１１０）が、前記非設計燃料の圧力を変化させることにより燃料ノズル圧力比範囲を調整することによって定められる、請求項１記載のシステム。
6. 前記非設計燃料が、前記設計燃料の修正ウォッベ指標よりも低い修正ウォッベ指標を有する、請求項１記載のシステム。
7. 前記非設計燃料が、加熱されかつ前記設計燃料よりも高い修正ウォッベ指標を有する、請求項１記載の方法。
8. 前記非設計燃料が、液化天然ガス、合成ガス及びプロセスガスの少なくとも１つである、請求項１記載の方法。
9. ノズル組立体（１８）を含み、
   前記ノズル組立体が、内側バンド（５０）と、外側バンド（４６）と、前記内側バンド及び外側バンド間で延びる少なくとも１つのベーン（４２、４４）とを含み、
   前記ベーンが、設計燃料を用いて性能を最適化するように設計されかつそこから非設計燃料を送って保炎マージンを制御するのを可能にするように構成された複数の燃料噴射オリフィス（７０）を含む、
   タービンエンジン。
10. 前記内側バンド（５０）が、前記複数の燃料噴射オリフィス（７０）の少なくとも１つに前記非設計燃料を供給するように構成された少なくとも１つの燃料供給通路（６６）を含む、請求項９記載のタービンエンジン。

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