JP2009047410A

JP2009047410A - ガスタービンエンジン内で燃料を燃焼させるための方法及び装置

Info

Publication number: JP2009047410A
Application number: JP2008206498A
Authority: JP
Inventors: Carey Edward Romoser; キャリー・エドワード・ロモザー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2009-03-05
Also published as: CN101368739B; CN102748776A; JP2012229697A; US7966820B2; US20090223228A1; US8839628B2; JP5400936B2; US8763359B2; CH697790A2; CH697790B1; DE102008044422A1; CN101368739A; CN102748776B; US20110259013A1; US20110252806A1

Abstract

【課題】拡散燃料を用いてタービンを始動時、拡散燃料が燃料噴射ノズルの下流側に集中し、リッチ消焔領域を超えて拡散燃料火炎を消焔させる可能性があるため、より安定した火炎の形成を促進する。
【解決手段】燃料ノズルアセンブリ４０２は、中心線を含む本体４０６と、中心線に沿って本体を貫通する第１の通路と、第１の通路の下流側端に結合されるノズル先端５００とを含み、ノズル先端５００は、中心から外表面まで延びる半径を有する。ノズル先端５００は、下流面と、その下流面内に画成された開口を各々が含む複数の出口通路とを含み、各開口は、接線、半径、及び中心線に対して規定されるそれぞれのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を含み、複数の出口通路の各々は、それぞれのＸ−Ｚ平面におけるそれぞれのＺ軸に対して３０°よりも大きな排出角度を成す。
【選択図】図４

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンのための燃焼システムに関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンにおいて、希薄消焔、すなわち周囲環境が低い燃空比を有するときに引き起こされるブローアウトの可能性を低減するのを促進するため、拡散燃料を用いてタービン動作を始動する。タービンによっては、燃料ノズルを介して噴射される拡散燃料が燃料噴射ノズルの下流側に集中することがある。拡散燃料の濃度増大は、燃料噴射ノズルの下流側で燃料リッチな燃空比を望ましくなく増大させる可能性があり、その結果、燃空比が設計上限を超えて増大するようになる。このような燃料リッチ環境は、リッチ消焔（ＲＢＯ）境界を超えて拡散燃料火炎を消焔させる可能性がある。より具体的には、最もよく知られたリッチ消焔は、タービン始動中の約８０％のタービン速度で生じる。

一部の公知の燃焼システムでは、タービンが運転全速度に達する前に、拡散燃料の流量を低減し、空気と予混合された燃料を噴射することによって燃料リッチ環境を補償している。タービンが全速度に達する前に予混合燃料を噴射するタービン始動は、例えば「希薄−希薄始動」と呼ぶことができる。しかしながら、予混合燃料火炎は拡散燃料火炎よりも不安定であるので、火炎の安定化を促進するためには、拡散燃料火炎に対するよりも予混合燃料火炎に対してより多くの燃料を供給する必要がある。例えば、幾つかの公知システムにおいては、燃焼器内に噴射される総燃料の約５０％又はそれ以上は、燃焼器内の複数のノズルの内の１つを介して噴射される予混合燃料である。

少なくとも一部の公知の燃焼器においては、希薄−希薄始動は、予混合燃料火炎付近の局所的ライナ壁温度を高める可能性がある。このような温度上昇は一般に、燃焼器内の他のノズルに供給される燃料量と比べて、燃料ノズルの内の１つに供給される予混合燃料の量が均衡が取れていないことに起因して生じる。更に、このような温度上昇は、例えば、燃焼器ライナ及び／又はトランジションピースのような火炎を囲む燃焼器ハードウエアを早期に磨耗させる可能性がある。その結果、このような燃焼器ハードウエアは、始動燃焼温度がより低い温度で維持されている場合よりも頻繁に交換される可能性がある。より高い温度を補償するために、幾つかの公知の燃焼器は、熱的磨耗に対してより耐性がある部品を含む。このような部品は、耐熱性の部品を含まない燃焼器を有するエンジンと比べて、エンジンに対してコスト及び／又は重量を付加する可能性がある。
米国特許第６，５９８，３８３号明細書米国特許第６，３９７，６０２号明細書米国特許第５，６８５，１３９号明細書米国特許第５，４９１，９７０号明細書米国特許第５，４３５，１２６号明細書米国特許第５，４０８，８３０号明細書米国特許第５，１９９，２６５号明細書米国特許第５，１９３，３４６号明細書米国特許第４，４２０，９２９号明細書米国特許出願公開第２００４／０１７７６１５号明細書米国特許出願公開第２００４／０１２３５９７号明細書米国特許出願公開第２００４／０１１８１１９号明細書米国特許出願公開第２００４／０１１８１２０号明細書 OFFICE OF AIR QUALITY PLANNING AND STANDARDS; OFFICE OF AIR AND RADIATION; US EPA "Compilation of Air Pollutant Emission Factors," Volume 1: Stationary Point and Area Sources; AP-42 Fifth Edition, January, 1995; Pages 3.1-6. JOHN R. RICHARDA, "Control of Nitrogen Oxides Emissions", Student Manual Air Pollution Training Institute; Course 418, ICES Ltd., September 2000; pages 10-14 and 10-15. BRIAN W. DOYLE, "Combustion Source Evaluation; Student Manual Air Pollution Training Institute; Course 427, Third Edition, ICES Ltd., June, 2003; pages 6-33 to 6-37.

１つの態様において、燃焼器アセンブリを含むガスタービンエンジンを作動させるための方法が提供される。本方法は、第１の流体を第１のノズルを通って燃焼器アセンブリ内へ送る段階と、第１のノズルから下流側の燃焼器アセンブリ内の第１の流体に点火する段階と、ガスタービンエンジンが定格速度の８５％よりも大きな速度に達したときに、第２の流体を第２のノズルを通って燃焼器アセンブリ内へ送る段階と、第２のノズルから下流側の燃焼器アセンブリ内の第２の流体に点火する段階と、第１のノズルを介した第１の流体の流れを終了させる段階と、第２の流体を第１のノズルへ送る段階とを含む。

別の態様において、流体を燃焼器アセンブリ内へ送るためのノズルが提供される。本ノズルは、中心線を含む本体と、中心線に沿って本体を貫通する第１の通路と、第１の通路の下流端に結合されるノズル先端とを含む。ノズル先端は、中心から外表面まで延びる半径を有する。ノズル先端は、下流面と、下流面内に画成された開口を各々が含む複数の出口通路とを含む。各開口は、接線、半径、及び中心線に対して規定されるそれぞれのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を含む。複数の出口通路の各々は、それぞれのＸ−Ｚ平面におけるそれぞれのＺ軸に対して３０°よりも大きな排出角度を成す。

更に別の態様においては、ガスタービンエンジンに使用するための燃焼器アセンブリが提供される。本アセンブリは、燃焼器アセンブリに結合された複数の第１のノズルを含む。第１のノズルの各々は、第１の燃料源に結合された複数の出口通路を有するノズル先端を含む。第１のノズルの各々は更に、第２の燃料源に結合された複数の第１のベーン通路を含む。本アセンブリは更に、燃焼器アセンブリに結合された第２のノズルを含む。第２のノズルは、第２の燃料源に結合された複数の第２のベーン通路を含む。本アセンブリは、燃焼器アセンブリに結合された制御システムを含む。制御システムは、第１の燃料を第１の燃料源から第１のノズルの出口通路を通って送り、ガスタービンエンジンが定格速度の８５％よりも大きな速度に達したときに、第２の燃料を第２の燃料源から第２のノズルの第２のベーン通路を通って送るように構成される。更に制御システムは、ガスタービンエンジンにベース負荷の第１の所定パーセンテージよりも大きな負荷があるときに、第２の燃料を第２の燃料源から複数の第１のノズルの複数の第１のベーン通路を通って送り、ガスタービンエンジンにベース負荷の第１の所定パーセンテージよりも大きな負荷があるときに、複数の第１のノズルに入る第１の燃料の流れを減少させるように構成される。

図１は、複数の燃料ノズルアセンブリ４００を含む例示的なガスタービンエンジン１０の部分断面図である。図２は、ガスタービンエンジン１０の一部分の概略側面図である。図３は、図２に示すガスタービンエンジン１０の一部分の前面図である。

ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１２、燃焼器１４、及びタービン１６を含む。図１には、タービン１６の第１段ノズル１８のみが示されている。例示的な実施形態において、タービン１６は、ロータ（図示せず）と共に圧縮機１２に駆動的に結合され、該ロータは、単一の共通シャフト（図示せず）により連結される。圧縮機１２は吸入空気２０を加圧し、次いで、該加圧空気が燃焼器１４へ送られて、これを冷却して、燃焼プロセスに空気を供給する。より具体的には、燃焼器に送られる空気２２は、エンジン１０を通る空気とほぼ対向する方向に流れる。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、エンジンケーシング２４の周りに円周方向に向けられた複数の燃焼器１４を含む。より具体的には、例示的な実施形態では、燃焼器１４は、例えば、限定ではないが、缶アニュラ型燃焼器である。

例示的な実施形態では、エンジン１０は、二重壁移行ダクト２６を含む。より具体的には、例示的な実施形態では、移行ダクト２６は、各燃焼器１４の出口端２８とタービン１６の入口端３０との間に延びて、燃焼ガス３２をタービン１６内へ送る。更に、例示的な実施形態では、各燃焼器１４は、実質的に円筒状の燃焼器ケーシング３４を含む。燃焼器ケーシング３４は、開放後端部３６においてエンジンケーシング２４に結合される。燃焼器ケーシング３４は、限定ではないが、例えばボルト３８、機械的締結具（図示せず）、溶接、及び／又はエンジン１０が本明細書で記述されたように機能することができる他の何らかの適当な結合手段を用いてエンジンケーシング２４に結合することができる。例示的な実施形態では、燃焼器ケーシング３４の前端部４０は、末端カバーアセンブリ４２に結合される。例えば、末端カバーアセンブリ４２は、気体燃料、液体燃料、空気、及び／又は水を燃焼器に送るための供給管、マニフォルド、バルブ、及び／又はエンジン１０が本明細書で記述されたように機能することができる他の何らかの部品を含む。例示的な実施形態では、末端カバーアセンブリ４２内の部品は、以下でより詳細に説明するように、燃焼器１４に入る少なくとも空気及び燃料を制御するための制御システム４４に結合される。制御システム４４は、限定ではないが、例えばコンピュータシステム及び／又は燃焼器１４が本明細書で記述されたように機能することができるあらゆる他のシステムとすることができる。

例示的な実施形態では、実質的に円筒状のフロースリーブ４６が、燃焼器ケーシング３４と実質的に同心状に整列するように該ケーシング内に結合される。フロースリーブ４６は、後端部４８では移行ダクト２６の外側壁５０に結合され、前端部５２では燃焼器ケーシング３４に結合される。より具体的には、例示的な実施形態では、前端部５２は、ケーシング３４の前方セクション５８と後方セクション６０とが互いに結合されるように、例えばスリーブ４６の半径方向フランジ５４を突合せジョイント５６において燃焼器ケーシング３４に結合することにより燃焼器ケーシング３４に結合される。或いは、スリーブ４６は、エンジン１０が本明細書で記述されたように機能することができるあらゆる他の適当な結合アセンブリを使用して、ケーシング３４及び／又は移行ダクト２６に結合することができる。

フロースリーブ４６は、例示的な実施形態では、そこに結合される燃焼ライナ６２を含む。燃焼ライナ６２は、後端部６４が移行ダクト２６の内側壁６６に結合されるように、更に、前端部６８が燃焼ライナキャップアセンブリ７０に結合されるようにフロースリーブ４６内に実質的に同心状に整列される。燃焼ライナキャップアセンブリ７０は、複数のストラット７２及び関連する取付けアセンブリ（図示せず）により燃焼器ケーシング３４内に固定される。例示的な実施形態では、空気通路７４が、ライナ６２及びフロースリーブ４６間、並びに移行ダクトの内側壁及び外側壁６６、５０間に画成される。移行ダクト外側壁５０は、そこに画成された複数の開口７６を含み、これらは、圧縮機１２からの圧縮空気２０が空気通路７４内に入るのを可能にする。例示的な実施形態では、空気２２は、圧縮機１２から末端カバーアセンブリ４２に向かうコア流（図示せず）の方向とは逆方向に流れる。更に、例示的な実施形態では、燃焼器１４はまた、複数のスパークプラグ７８及び複数のクロスファイヤ管８０を含む。スパークプラグ７８及びクロスファイヤ管８０は、燃焼域８２内の燃焼ライナキャップアセンブリ７０から下流側でライナ６２内に画成されるポート（図示せず）を貫通して延びる。スパークプラグ７８及びクロスファイヤ管８０は、各燃焼器１４内で燃料及び空気に点火し、燃焼ガス３２を生成する。

例示的な実施形態では、複数の燃料ノズルアセンブリ４００は、末端カバーアセンブリ４２に結合される。より具体的には、例示的な実施形態では、燃焼器１４は、５つのノズルアセンブリ４００を含む。或いは、燃焼器１４は、５つよりも多いか少ない燃料ノズルアセンブリ４００を含むこともできる。例示的な実施形態では、燃料ノズルアセンブリ４００は、燃焼器１４の中心線８４の周りにほぼ円形列を成して配置される。或いは、燃料ノズルアセンブリ４００は、非円形列を成して配置することもできる。本明細書では１つのタイプだけの燃料ノズルアセンブリ４００について記述されるが、燃焼器１４には１つよりも多くのタイプのノズルアセンブリ又は他の何れかのタイプの燃料ノズルを含めることができる。更に、例示的な実施形態では、燃焼器１４は、燃焼器ケーシング３４から半径方向内方に延びて燃料ノズルアセンブリ４００を実質的に囲む複数の４次ペグ８６を含む。例示的な実施形態は４次ペグ８６を含むが、他の実施形態は４次ペグ８６を含まなくてもよい。

燃焼ライナキャップアセンブリ７０は、複数の予混合管アセンブリ８８を含む。例示的な実施形態では、各予混合管アセンブリ８８は、各燃料ノズルアセンブリ４００を実質的に囲み、従って予混合管アセンブリ８８の数は、ノズルアセンブリ４００の数に等しい。或いは、予混合管アセンブリ８８の数は、ノズルアセンブリ４００の数よりも多いか又は少なくてもよい。例示的な実施形態では、各予混合管アセンブリ８８は、該予混合管アセンブリ８８が後方支持プレート９０及び前方支持プレート９２に結合されるように、燃焼ライナキャップアセンブリ７０内に部分的に延びる。より具体的には、各予混合管アセンブリ８８の後端部９１は、後方プレート９０内の開口（図示せず）を貫通して延び、更に、予混合管アセンブリ８８の前端部９３は、プレート９２内の開口（図示せず）を貫通して延びる。

例示的な実施形態では、前方支持カバー（図示せず）が含まれ、これらは各々支持プレート９２に結合される。支持カバーは、予混合管アセンブリ８８の各々のプレート９２を燃焼器１４に固定することを可能にする。更に、後方プレート９０は、噴流冷却開口（図示せず）のアレイを含み、且つ燃焼器火炎により発生される熱から遮蔽プレート（図示せず）で遮蔽することができる衝突プレートとすることができる。例示的な実施形態では、各予混合管アセンブリ８８は、予混合管フラシ−ル（図示せず）によって分離された２つの管体（図示せず）を有するアセンブリを含む。フラシ−ルは、作動状態中に燃焼ライナキャップアセンブリ７０が膨張すると、二重管アセンブリが熱膨張及び収縮することを可能にする。従って、熱膨張に起因してプレート９０及び９２間の距離が変化すると、これに応じて予混合管アセンブリ８８は、対称軸（図示せず）に沿って自由に膨張することができる。

例示的な実施形態では、プレート９２は、複数の前方に延びる浮動カラー（図示せず）に結合される。これらのカラーは、各予混合管アセンブリ８８が１つのカラーを含むように、プレート９２内に画成された開口の各々と実質的に同心状に整列される。或いは、各予混合管アセンブリ８８は、１つよりも多いか又は少ないカラーを含むことができる。例示的な実施形態では、各カラーは、１つの空気スワーラー（図示せず）を支持し、該スワーラーは、例えば各燃料ノズルアセンブリ４００の半径方向に最も外側の壁（図示せず）に隣接して位置付け、各ノズルアセンブリ４００と一体的に形成され、及び／又はエンジン１０が本明細書で記述されたように機能することができるあらゆる他の適当な構成で構成することができる。スワーラーは、空気通路７４を通って流れる空気２２を燃焼器１４の入口端９４において（末端カバーアセンブリ４２と燃焼ライナキャップアセンブリ７０との間で）方向を強制反転させ、空気スワーラー及び／又は予混合管アセンブリ８８を通って流すようなものである。空気スワーラーの各々の燃料通路（図示せず）は、開口の配列を介して燃料を送り、該開口配列は、ガスタービンエンジン１０の作動モードに応じて気体燃料を連続的に通過する空気２２内に導入して、燃焼域８２内で予混合管アセンブリ８８の下流側で点火される燃料及び空気混合気を生成する。

例示的な実施形態では、燃焼器１４は、燃料供給源２０８及び制御システム４４に結合された４つの燃料回路２００、２０２、２０４、及び２０６を含む。１つだけの燃料供給源２０８が図示され記述されているが、エンジン１０は、１つよりも多い燃料供給源２０８を含むことができる。更に、燃料供給源２０８は、複数タイプの燃料を含むことができる。具体的には、例示的な実施形態では、燃焼器１４は、１次燃料回路２００、２次燃料回路２０２、３次燃料回路２０４、及び４次燃料回路２０６を含む。或いは、燃焼器１４は、４つよりも多い又は少ない燃料回路２００、２０２、２０４、及び／又は２０６を含むこともできる。例示的な実施形態では、１次燃料回路２００は、例えば拡散燃料２１２などの燃料を１次燃料回路２００に供給するための１次回路入口２１０を含む。２次燃料回路２０２は、例えば予混合燃料２１６などの燃料を２次燃料回路２０２に供給するための二次回路入口２１４を含む。同様に３次燃料回路２０４は、例えば予混合燃料２１６などの燃料を３次燃料回路２０４に供給するための三次回路入口２１８を含む。４次燃料回路２０６は、例えば予混合燃料２３０などの燃料を４次燃料回路２０６に供給するための４次回路入口２２８を含む。

例示的な実施形態では、燃焼器１４はまた、以下でより詳細に述べるように、空気供給源２２６から少なくとも１つの燃料ノズルアセンブリ４００に空気２２４を供給するのに使用されるパージ空気回路入口２２２を有するパージ空気回路２２０を含む。例示的な実施形態では、空気供給源２２６は、空気通路７４から送られる空気２２を含む。或いは、空気供給源２２６は、例えば周囲空気のようなあらゆる他の適当な空気供給源から空気を供給することができる。パージ空気回路２２０は、制御システム４４に結合される。例示的な実施形態では、予混合燃料２１６と予混合燃料２３０は、ほぼ同じ組成を有する。或いは、予混合燃料２３０は、予混合燃料２１６の組成とは異なる組成を有することもできる。更に、本明細書で使用される用語「予混合燃料」は、燃焼域８２に入る前に空気と混合される燃料を意味し、これは気体燃料、液体燃料、又は微粉固体燃料とすることができる。更に、本明細書で使用される用語「拡散燃料」とは、燃焼域８２に入る前に空気と混合されない燃料を意味し、これは気体燃料、液体燃料、又は微粉固体燃料とすることができる。

例示的な実施形態では、５つの燃料ノズルアセンブリ４００の内の４つは、１次燃料ノズルアセンブリ４０２であって、１次燃料回路２００及び２次燃料回路２０２に結合され、残りの燃料ノズルアセンブリ４００は、３次燃料回路２０４及びパージ空気回路２２０に結合される３次燃料ノズルアセンブリ４０４である。各４次ペグ８６は、４次燃料回路２０６に結合される。更に、例示的な実施形態では、各燃料回路２００、２０２、２０４、及び２０６は、各回路２００、２０２、２０４、及び２０６への燃料流量を制御するのに使用されるそれぞれの弁Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃、及びＶ₄を含む。パージ空気回路２２０は、回路２２０内への空気流量を制御するのに使用される弁Ｖ_Aを含む。より具体的には、例示的な実施形態では、弁Ｖ₁は、１次燃料回路２００に入る拡散燃料２１２の量を制御し、弁Ｖ₂は、２次燃料回路２０２に入る予混合燃料２１６の流量を制御し、弁Ｖ₃は、３次燃料回路２０４に入る予混合燃料２１６の流量を制御し、更に弁Ｖ₄は、４次燃料回路２０６に入る予混合燃料２３０の量を制御する。別の実施形態では、予混合弁（図示せず）は二次及び３次燃料回路２０２、２０４の両方に結合され、燃料供給源２０８から弁Ｖ₂及びＶ₃内への予混合燃料２１６の流量を制御する。例示的な実施形態では、燃料回路２００、２０２、２０４、及び２０６は、制御システム４４に結合され、回路２００、２０２、２０４、及び２０６及び燃料ノズルアセンブリ４００への燃料流量を制御する。より具体的には、制御システム４４は、限定ではないが、例えば弁Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃、及びＶ₄を制御することによって燃料流量を制御することができる。同様に、パージ空気回路弁Ｖ_Aは、制御システム４４に結合され、パージ空気流量を調節できるようになる。

作動時には、空気２０は、入口（図示せず）を通ってエンジン１０に入り、圧縮機１２内で加圧される。加圧空気２０は、圧縮機１２から排出されて燃焼器１４に送られる。空気２０は、開口７６を通って燃焼器に入り、次いで、空気通路７４を通って燃焼器１４の末端カバーアセンブリ４２に向かって流れる。空気通路７４を通って流れる空気２２は、燃焼器入口端９４での流れ方向を強制反転され、空気スワーラー及び予混合管アセンブリ８８に再配向される。燃料２１２、２１６、及び／又は２３０は、末端カバーアセンブリ４２を通って燃焼器１４内に供給される。制御システム４４は、以下でより詳細に述べるように、ノズルアセンブリ４００及び／又は予混合管アセンブリ８８に供給される空気２０及び／又は２２及び燃料２１２、２１６、及び／又は２３０を調節する。制御システム４４がガスタービンエンジン１０の始動手順開始時には、最初に点火が行われ、火炎が連続的に定着すると、スパークプラグ７８が燃焼域８２から後退される。燃焼域８２の反対側端部では、高温燃焼ガス３２が移行ダクト２６及びタービンノズル１８を通ってタービン１６に向けて送られる。

図４は、燃焼器１４と共に使用することのできる例示的な燃料ノズルアセンブリ４００の断面図である。例示の目的で、１次燃料ノズルアセンブリ４０２について述べるが、３次燃料ノズルアセンブリ４０４は、拡散燃料２１２ではなくパージ空気２２２が３次燃料ノズルアセンブリ４０４に供給されることを除けば、１次燃料ノズルアセンブリ４０２と本質的に同様であることは理解されるであろう。例示的な実施形態では、３次燃料ノズルアセンブリ４０４は、１次燃料ノズルアセンブリ４０２の予混合燃料２１６噴射構成と実質的に同様にして予混合燃料２１６を噴射するように構成される。

例示的な実施形態では、各燃料ノズルアセンブリ４０２は、本体４０６、ベース４０８、及びベーンアセンブリ４１０を含む。本体４０６は、ノズル中心線４１２に沿って軸方向に延びる。本体４０６には、各々が先端端部４２０からベース４０８を貫通して基端部４２２まで中心線４１２と実質的に平行に延びる複数の通路４１４、４１６、及び４１８が形成される。より具体的には、例示的な実施形態では、ノズルアセンブリ４０２は、中央通路４１４、拡散通路４１６、及び予混合通路４１８を含む。

例示的な実施形態では、中央通路４１４は、油／水カートリッジ（図示せず）を含み、ノズル先端５００を貫通して出口４２４が形成され、更に、拡散通路４１６は、拡散ノズル入口４２６を含む。３次燃料ノズルアセンブリ４０４は、ノズルパージ空気入口（図示せず）を有するパージ空気通路（図示せず）を含み、各々は、拡散通路４１６及び拡散ノズル入口４２６と実質的に同様に構成されるが、但し、パージ空気入口はパージ空気回路２２０に結合されることを除く。拡散通路４１６は、以下でより詳細に述べるように、ノズル先端５００を貫通する複数の拡散出口５０２を含む。１次燃料ノズルアセンブリ４０２及び３次燃料ノズルアセンブリ４０４の両方に含まれる予混合通路４１８は、ベース４０８内に画成された予混合燃料入口４２８を含む。予混合通路４１８は、複数の半径方向外方に延びるベーン通路４３０を含む。より具体的には、例示的な実施形態では、ベーン通路４３０は各々、ベーンアセンブリ４１０のベーン４３２（図３に示す）を貫通する。各ベーン通路４３０は、複数の予混合ベーン開口４３４（同様に図３に示す）を含む。

例示的な実施形態では、ベース４０８は、限定ではないが、例えば複数の機械的締結具４３６を用いて末端カバーアセンブリ４２に結合される。或いは、ベース４０８は、ノズルアセンブリ４０２及び／又は４０４が本明細書で記述されたように機能することができるあらゆる他の適当な締結機構を用いて末端カバーアセンブリ４２に結合される。例示的な実施形態では、拡散通路４１６は、１次燃料回路２００と流れ連通して結合される。更に、例示的な実施形態では、１次燃料ノズルアセンブリ４０２内では、予混合通路４１８が２次燃料回路２０２に結合され、３次燃料ノズルアセンブリ４０４内では、予混合通路４１８が３次燃料回路２０４に結合される。

図５は、ノズルアセンブリ４０２及び／又は４０４（図４に示す）と共に用いることができる例示的なノズル先端５００の斜視図である。図６は、ノズル先端５００の断面図である。図６において、中央通路４１４及び中央出口４２４は、明確にするために省略されている。

例示的な実施形態では、ノズル先端５００は、中央出口４２４と複数の拡散出口５０２とを含む。例証の目的で拡散出口５０２について記述するが、３次燃料ノズルアセンブリ４０４におけるパージ空気出口（図示せず）は、拡散燃料ではなくパージ空気がパージ空気出口を通って供給されることを除けば、拡散出口５０２と本質的に同様であると理解すべきである。例示的な実施形態では、ノズル先端５００の前面５０４は、中央傾斜部分５０６と環状陥凹部分５０８とを含む。陥凹部分５０８は、実質的に環状であり、ほぼＶ字形の断面形状を有するように互いに対して向けられた半径方向内側壁５１０と半径方向外側壁５１２とを含む。例示的な実施形態では、陥凹部分５０８は、拡散出口５０２から出る拡散燃料２１２（図２に示す）の流れを回避するような方向にされる。或いは、陥凹部分５０８は、拡散出口５０２から出る拡散燃料２１２（図２に示す）の流れを方向付けるように向けることができる。

例示的な実施形態では、中央出口４２４は、ノズル先端５００を貫通してほぼ軸方向中心線５１４に沿って延びる。各拡散出口５０２は、前方開口５１６と後方開口５１８とを含み、これらの開口５１６及び５１８間で延びる。例示的な実施形態では、前方開口５１６は各々、中心線５１４から半径Ｒの位置で実質的に円形列を成して配置される。より具体的には、例示的な実施形態では、前方開口５１６は各々、半径方向内側壁５１０内に画成され、直径Ｄを有する。例示的な実施形態では、直径Ｄは、０．１１０インチよりも大きく、より具体的には、例えば０．１２６インチとすることができる。

それぞれの座標系が各前方開口５１６において規定される。例示的な実施形態では、Ｘ軸は半径Ｒを有する円に接線方向に整列され、Ｙ軸はＸ軸に対して半径方向で垂直に整列され、更にＺ軸は中心線５１４と実質的に整列される。角度αは、Ｘ−Ｚ平面でＸ軸から測定され、角度βは、Ｙ−Ｚ平面でＺ軸から測定される。例示的な実施形態では、各拡散出口５０２は、角度α及び角度βにてそれぞれの各前方開口５１６から延びたそれぞれの線Ｆに沿って向けられる。従って、拡散出口５０２は、ノズル先端５００内に螺旋状列を成して画成される。例示的な実施形態では、角度αは、角度βと実質的に等しい。或いは、角度αは角度βと異なってもよい。更に、例示的な実施形態では、角度αと角度βの両方は約３０°よりも大きい。より具体的には、例示的な実施形態では、角度α及び角度βの両方は約４５°に等しく、燃料ノズルアセンブリ４００の直ぐ下流側の燃料流量が十分希薄であるので点火して燃焼を持続するようにされる。

燃焼器１４が作動中であるときには、拡散燃料２１２は、燃料供給源２０８から１次燃料回路２００及び１次燃料ノズルアセンブリ４０２を通って燃焼域８２に送られる。より具体的には、制御システム４４は、拡散燃料２１２が１次燃料回路２００に入ることができるように弁Ｖ₁の動作を制御する。拡散燃料２１２は、１次燃料回路２００から拡散回路及びノズル入口２１０、４２６を通って１次燃料ノズルアセンブリ４０２内に排出される。拡散燃料２１２は、１次燃料ノズルアセンブリ４０２から各ノズル先端５００を通って排出される。拡散出口５０２は、拡散燃料２１２が各線Ｆにほぼ沿って角度α及び角度βで排出されるのを確保する。従って、拡散燃料２１２は、各ノズルアセンブリ先端端部４２０に隣接して拡散され、点火に十分な希薄が維持される。拡散燃料２１２は、燃焼域８２内で分散されて、空気２２と混合し、空気通路７４及び／又は予混合管アセンブリ８８を通って燃焼域８２に入る。スパークプラグ７８及びクロスファイヤ管８０は、燃焼域８２内で燃料空気混合気に点火し、燃焼ガス３２を生成する。

図７は、上に述べたような１次燃料ノズルアセンブリ４０２と３次燃料ノズルアセンブリ４０４とを含むガスタービンエンジンを作動させる例示的な方法のフローチャートである。図８は、図７に示す方法が実施されたときに使用することのできる平均燃焼温度（ＴＴＲＦ）（°Ｆ単位）に対する例示的な燃料回路比率（パーセンテージ単位）のグラフ表示８００である。ここで使用される回路比率とは、慣用式P／Ｓ／Ｔ−Ｑを用いて表され、式中、Ｐは１次燃料回路２００（図２に示す）を通って噴射される帯域８２（図１に示す）内の全燃料の近似パーセンテージ、Ｓは２次燃料回路２０２に対する２次燃料回路２０２及び３次燃料回路２０４（各々図２に示す）を通って噴射される全燃料の近似パーセンテージ、Ｔは３次燃料回路２０４に対する２次燃料回路２０２及び３次燃料回路２０４を通って噴射される全燃料の近似パーセンテージ、更に、Ｑは４次燃料回路２０６（図２に示す）を通って噴射される帯域８２内の全燃料の近似パーセンテージである。Ｐはグラフ８００上では線８０２で表され、Ｓはグラフ８００上では線８０４で表され、Ｔはグラフ８００上では線８０６で表され、更にＱはグラフ８００上では線８０８で表されている。

例示的な実施形態では、エンジン１０の動作を開始するために、空気燃料混合気が燃焼器１４内で点火される。制御システム４４は、燃料回路２００、２０２、２０４、及び／又は２０６を介した燃焼器１４への燃料２１２、２１６、及び／又は２３０の流量を制御する。点火手順は、拡散燃料２１２の流れを燃焼域８２内に導入することによって開始される７００。より具体的には、弁Ｖ₁が開放されて、拡散燃料２１２が１次燃料回路２００に入り、且つ１次燃料ノズルアセンブリ４０２を通って流れることが可能となり、その後、拡散出口５０２を通って燃焼域８２内に排出される。例示的な実施形態では、１次燃料回路２００は、燃料比率が約１００／０／０−０であるように、エンジン動作のこの段の間に燃焼域８２に入る燃料の約１００％を供給する。

例えば、制御システム４４がスパークプラグ７８及びクロスファイヤ管８０に燃焼域８２内で拡散燃料２１２を点火するよう促すことにより、拡散燃料２１２が点火される。拡散燃料２１２が点火されると（７０２）、発生した燃焼ガス３２は、燃焼域８２から移行ダクト２６を通ってタービン１６に向けて送られる。タービン１６が全速度無負荷（ＦＳＮＬ）運転状態に達したときに、燃焼器１４は、例えば１２８０°Ｆの平均燃焼温度（ＴＴＲＦ）である。従って、燃焼器１４は、燃焼域８２内に予混合燃料２１６及び／又は２３０を付加することなく、点火からＦＳＮＬを経てベース負荷の初期の所定パーセンテージまで拡散燃料２１２を燃焼させる。このような点火は、「拡散始動」モード８１０と呼ぶことができる。

ＦＳＮＬに達した後、エンジン１０には負荷が加わり始め、制御システム４４は、燃料回路２００、２０２、２０４、及び／又は２０６への燃料流量を変更する。より具体的には、例示的な実施形態では、第１の移行点８１２、例えば、限定ではないが、タービンがベース負荷の実質的に３０％であるような約１９５０°Ｆの点でエンジン１０がベース負荷の第１の所定パーセンテージに達する前に、制御システム４４は、拡散始動モード８１０から希薄−希薄モード８１４に移行される。「希薄−希薄モード」の動作は、１次燃料ノズルアセンブリ４０２が拡散燃料２１２を燃焼域８２内に供給し、３次燃料ノズルアセンブリ４０４が予混合燃料２１６を燃焼域８２内に供給するタービンの動作モードを意味する。

例示的な実施形態では、拡散始動モード８１０から希薄−希薄モード８１４への移行には、３次燃料ノズルアセンブリ４０４への予混合燃料２１６の流れを開始（７０４）しながら、１次燃料ノズルアセンブリ４０２への拡散燃料２１２の流れを続けることを伴う。より具体的には、例示的な実施形態では、制御システム４４は、弁Ｖ₃を少なくとも部分的に開放して、予混合燃料２１６が３次燃料回路２０４に入ることができるようにする。或いは、予混合燃料２１６の流れは、燃焼器１４が本明細書で記述されたように機能することを可能にするあらゆる他の適当な方式で開始することができる。予混合燃料２１６は、燃料ノズルアセンブリ４０２及び４０４から排出されると、例えば拡散燃料２１２を燃焼させることにより発生する火炎によって点火される（７０６）。例示的な実施形態では、約２０２５°ＦのＴＴＲＦにおける希薄−希薄モード８１４中、燃料比率は約７７／０／２３−０である。

エンジン１０の負荷が増大するにつれて、燃焼域８２に供給される予混合燃料２１６の量が増大する。より具体的には、制御システム４４は、燃焼器１４を第２の移行点８１８において希薄−希薄モード８１４からベース負荷の第２の所定パーセンテージでのパイロット予混合モード（ＰＰＭ）８１６の動作に移行させる。例えば、一実施形態では、制御システム４４は、移行点８１８が約２１００°Ｆの点であるときに、燃焼器１４を希薄−希薄モード８１４からＰＰＭ８１６に移行させる。

「パイロット予混合モード」は、低減された量の拡散燃料２１２が１次燃料ノズルアセンブリ４０２によって排出されているとき、１次燃料ノズルアセンブリ４０２及び３次燃料ノズルアセンブリ４０４が予混合燃料２１６を燃焼域８２内に排出する動作モードを意味する。予混合動作は、空気の燃焼域８２への流入を段階的に行うことにより、燃焼中に燃料２１２及び／又は２１６から放出される例えば窒素酸化物類（ＮＯｘ）及び／又は一酸化炭素（ＣＯ）のような汚染物質の量の低減を促進する。例示的な実施形態では、燃焼域８２内の空気の量が増大されることにより、火炎温度又は反応温度の低下が促進され、燃焼器１４内における熱ＮＯｘ形成が減少される。より具体的には、空気（例えば、通路７４からの空気２２）は、２次燃料回路２０２、３次燃料回路２０４、及び／又は４次燃料回路２０６内で最初に燃料と混合されて、予混合燃料２１６及び／又は２３０を生成する。次いで、通路７４からの空気２２は、燃焼域８２内で予混合燃料２１６と混合される。混合気が燃焼域８２内に排出される前に空気と燃料を予混合することにより、帯域８２内における局所的な燃料リッチポケット及び高温度を最小源にすることが可能になる。

例示的な実施形態では、希薄−希薄モード８１４からパイロット予混合モード８１６への移行には、１次燃料ノズルアセンブリ４０２への拡散燃料２１２の流れを低減７０８させながら、１次燃料ノズルアセンブリ４０２への予混合燃料２１６の流れを開始する７０８ことを伴う。このような移行は、一般に、ベース負荷の第１の所定パーセンテージよりも大きいベース負荷の第２の所定パーセンテージでエンジン１０が作動しているときに生じる。より具体的には、例示的な実施形態では、制御システム４４は、弁Ｖ₁を部分的に開放し、且つ弁Ｖ₂を少なくとも部分的に開放して、予混合燃料２１６が２次燃料回路２０２に入ることができるようにする。或いは、燃焼器１４が本明細書で記述されたように機能することができるあらゆる他の適当な方法で、拡散燃料２１２の流れを減少させることができ（７０８）、予混合燃料２１６の流れを開始することができる（７０８）。１次燃料ノズルアセンブリ４０２からの予混合燃料２１６は、例示的な実施形態では、拡散燃料２１２及び／又は三次予混合燃料２１６の燃焼中に生成される火炎によって点火される。例示的な実施形態では、例えば約２１６５°ＦのＴＴＲＦにおいて、燃料２１２及び２１６が約２５／７９／２１−０の比率で回路２００、２０２、及び２０４を通って噴射される。

エンジン１０の負荷が増大するにつれて、燃焼域８２に供給される予混合燃料２１６の量が増大し、燃焼域８２に供給される拡散燃料２１２の量が減少する。より具体的には、第３の移行点８２２において、エンジン１０がベース負荷の第３の所定パーセンテージであるときに、制御システム４４は、燃焼器１４をパイロット予混合モード８１６動作から予混合安定状態（ＰＭＳＳ）モード８２０の動作に移行させる。例えば、１つの実施形態では、エンジン１０が約２２４０°ＦのＴＴＲＦにおいて移行点８２２に対応するベース負荷のパーセンテージで作動しているときに、制御システム４４はＰＭＳＳ８２０に移行する。

「予混合安定状態モード」は、１次燃料ノズルアセンブリ４０２によって排出される拡散燃料２１２が終了する間に、１次燃料ノズルアセンブリ４０２及び３次燃料ノズルアセンブリ４０４が予混合燃料２１６を燃焼域８２中に排出する動作モードを意味する。予混合安定状態モード８２０は、拡散燃料２１２の燃焼を実質的に排除することによって燃焼中に燃料２１２及び／又は２１６から放出される汚染物質（例えばＮＯｘ及び／又はＣＯ）の量の付加的な低減が促進されることを除けば、上に述べた予混合動作と実質的に同様である。

例示的な実施形態では、パイロット予混合モード８１６から予混合安定状態モード８２０への移行には、エンジン１０がベース負荷の第３の所定パーセンテージに達したときに１次燃料ノズルアセンブリ４０２への予混合燃料２１６の流れを増大させながら、１次燃料ノズルアセンブリ４０２への拡散燃料２１２の流れを終了させる（７１０）ことを伴う。例示的な実施形態では、４次燃料回路２０６を介した４次ペグ８６への予混合燃料２１６の流れが開始される（７１２）。予混合燃料２１６の使用は、例えば低い燃焼音響ノイズ及び／又は動圧変動のような燃焼器１４内で起こり得る燃焼ダイナミックスを低減させる。別の実施形態では、本明細書で述べたのとは異なり予混合燃料２３０が供給される。例示的な実施形態では、制御システム４４は、弁Ｖ₁を実質的に閉鎖し、弁Ｖ₂を開放して予混合燃料２１６が２次燃料回路２０２に入ることを可能にし、弁Ｖ₄を開放して予混合燃料２３０が４次燃料回路２０６に入ることを可能にする。或いは、燃焼器１４が本明細書で記述されたように機能することができるあらゆる他の適当な方式で、拡散燃料２１２の流れを終了させることができ、予混合燃料２３０の流れを開始させることができる。例示的な実施形態では、タービン負荷がベース負荷の約５０％となるような例えばＴＴＲＦが２２４０°Ｆにほぼ等しいタービン状態において、燃料比率はほぼ０／８５／１８−１３である。このようなタービン状態において、ターンダウン点が生じる可能性がある。

エンジン１０が実質的にそのベース負荷で作動しているときには、例示的な実施形態では、エンジン１０は、予混合安定状態モード８２０で作動している。より具体的には、例示的な実施形態では、ベース負荷において、エンジン１０は、基準点８２４が例えば約２４００°Ｆに等しいＴＴＲＦであり、燃料比率がほぼ０／８２／１９−８のタービン状態にある。

上記の方法及び装置は、燃料ノズルから下流側にある拡散燃料の燃空比を改善することにより、最大ライナ壁温度の低下が促進され、火炎安定性の増大が促進されるように、ガスタービンエンジン内における燃料の燃焼を促進する。燃料ノズルから下流側の拡散燃料の燃空比は、燃焼室内における拡散燃料と空気との混合を促進する噴射角度で拡散燃料を燃焼室内に噴射することによって、リッチ消焔境界を下回って維持される。拡散燃料のこのような噴射は、タービンが全速度無負荷動作に達する前の予混合燃料噴射の省略を促進する。従って、本明細書に述べたように拡散燃料を噴射することにより、希薄−希薄始動の回避が促進される。希薄−希薄始動を回避することにより、ライナ壁温度における不均一性の低減が促進され、これにより、周囲のハードウエアの磨耗量の低減が促進される。更に、本明細書に記述した希薄−希薄モードは、単一のノズルを通って全燃料の約５０％を燃焼器内に噴射するシステムと比べて、単一のノズルを通ってより少ないパーセンテージの予混合燃料すなわち全燃料の約２５％を燃焼器内に噴射することを伴う。従って、予混合燃料を噴射するノズル付近の局所的ライナ温度の低下が促進される。

更に、本明細書で記述された拡散燃料噴射角度は、既知の希薄−希薄始動中に発生する全体的に小さく不安定な拡散火炎と比べて、より安定した十分に固定された火炎の形成を促進する。より安定し十分に固定された火炎は、消焔の可能性、より具体的にはリッチ消焔の可能性の低減を促進する。本明細書で記述された拡散燃料噴射角度は、燃焼室内により均一な温度をもたらし、周囲のハードウエアの磨耗の低減を促進する。更に、本明細書で記述されたような先端開口の直径は、ノズルの閉塞の低減を促進し、燃料ノズルの下流側での燃料空気混合の増大を促進する。

上記の方法及び装置は更に、燃料及び／又は空気噴射を段階的実施を促進し、これは、燃料の燃焼による汚染物質のエミッション低減を促進する。より具体的には、燃料及び／又は空気の段階分けは、ガスタービンの排気面で測定されるＮＯｘ及び／又はＣＯエミッションの低減、拡散運転モードを用いることによるこのモードでの火炎安定性の増大、広範囲にわたるガスタービン負荷設定に対する希薄消焔マージン及びリッチ消焔マージン間に燃空比を維持すること、及び／又は燃焼ダイナミックスの低減を可能にする。

上記においてガスタービンエンジンにおいて燃料を燃焼させるための方法及び装置の例示的な実施形態を詳細に説明した。本方法及び装置は、本明細書で記述された特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ本方法及び装置の部品は、本明細書で記述された他の部品とは独立して別個に利用することができる。例えば、燃料ノズル先端はまた、他の燃焼システム及び方法と組み合わせて使用することもでき、本明細書で記述されたようなガスタービンエンジンでの実施にのみ限定されるものではない。更に、ガスタービンエンジンを作動させる方法はまた、他の燃焼システム及び方法と組み合わせて使用することもでき、本明細書で記述されたようなガスタービンエンジンでの実施にのみ限定されるものではない。むしろ本発明は、多くの他の燃料燃焼装置と関連して実施及び利用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に即して記述してきたが、本発明は、請求項の精神及び範囲内にある変更を加えて実施できることは、当業者には理解されるであろう。

例示的なガスタービン燃焼システムの部分断面図。図１に示す燃焼システムの一部分の概略側面図。図２に示す燃焼システムの前面図。図１に示す燃焼システムに使用することのできる例示的な燃料ノズルアセンブリの断面図。図４に示す燃料ノズルに使用することのできる例示的な燃料ノズル先端の斜視図。図５に示す燃料ノズル先端の断面図。図１に示す燃焼システムを作動させる例示的な方法のフローチャート。図７に示す方法を用いるときに使用することのできる例示的な燃料回路比率を示すグラフ図。

Claims

流体を燃焼器アセンブリ内に送るためのノズル（１８）であって、
中心線を含む本体（４０６）と、
前記中心線に沿って前記本体を貫通する第１の通路と、
前記第１の通路の下流側端部に結合され、中心から外表面まで延びる半径を有するノズル先端（５００）と、
を備え、
前記ノズル先端が、
下流側面と、
前記下流側面内に画成された開口を各々が有する複数の出口通路と、
を含み、
前記各開口が、接線、前記半径、及び前記中心線に対して規定されるそれぞれのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を含み、前記複数の出口通路の各々が、それぞれのＸ−Ｚ平面において前記それぞれのＺ軸に対して測定して３０°よりも大きな排出角度を成すことを特徴とするノズル（１８）。
前記複数の出口通路の各々が、それぞれのＹ−Ｚ平面において前記それぞれのＺ軸に対して測定して３０°よりも大きな排出角度を成す、
ことを特徴とする請求項１に記載のノズル（１８）。
前記本体（４０６）を貫通する第２の通路を更に備え、
前記第２の通路が、前記第１の通路の少なくとも一部分に実質的に外接する請求項１に記載のノズル（１８）。
前記本体から半径方向外方に延びる複数のベーン（４３２）を更に備え、
前記複数のベーンの各々が、
前記第２の通路と流れ連通したベーン通路と、
前記各ベーン通路からそれぞれのベーンを貫通する複数の開口（７６）と、
を含む、請求項３に記載のノズル（１８）。
前記各出口通路開口が、実質的に０．１１０インチよりも大きな直径を含む、請求項１に記載のノズル（１８）。
前記各出口通路開口が、０．１２６インチに実質的に等しい直径を含む、請求項５に記載のノズル（１８）。
前記第１の通路が流体を含み、前記流体が、液体燃料、気体燃料、及び固体燃料の内の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のノズル（１８）。
ガスタービンエンジン（１０）に使用するための燃焼器アセンブリであって、
前記燃焼器アセンブリに結合され、第１の燃料源に結合された複数の出口通路を有するノズル先端（５００）と、第２の燃料源に結合された複数の第１のベーン通路とを含む複数の第１のノズル（４００）と、
前記燃焼器アセンブリ結合され、前記第２の燃料源に結合された複数の第２のベーン通路を含む第２のノズルと、
前記燃焼器アセンブリに結合された制御システム（４４）と、
を備え、
前記制御システムが、
第１の燃料（２１２）を前記第１の燃料源から前記複数の第１のノズルの複数の出口通路を通って送り、
前記ガスタービンエンジンが定格速度の８５％よりも大きな速度に達したときに、第２の燃料を前記第２の燃料源から前記第２のノズルの複数の第２のベーン通路を通って送り、
前記ガスタービンエンジンにベース負荷の第１の所定パーセンテージよりも大きな負荷があるときに、前記第２の燃料を前記第２の燃料源から前記複数の第１のノズルの複数の第１のベーン通路を通って送り、
前記ガスタービンエンジンにベース負荷の第１の所定パーセンテージよりも大きな負荷があるときに、前記複数の第１のノズルに入る前記第１の燃料の流れを減少させるように構成されている、
ことを特徴とする燃焼器アセンブリ。
燃焼器アセンブリケーシング（３４）から半径方向内向きに延びる複数の第３のノズル（４００）を更に備え、前記複数の第３のノズルが、第３の燃料源に結合されている、
請求項８に記載の燃焼器アセンブリ。
前記制御システム（４４）が更に、ガスタービンエンジン（１０）にベース負荷の第２の所定パーセンテージよりも大きな負荷があるときに、第３の燃料を前記複数の第３のノズル（４００）に送るように構成されており、前記第２の所定パーセンテージが、前記第１の所定パーセンテージよりも大きい、
ことを特徴とする請求項９に記載の燃焼器アセンブリ。