JP2009074792A

JP2009074792A - Ｄｌｎガスタービンの二次燃料ノズル用トロイダルリングマニホルド

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Publication number: JP2009074792A
Application number: JP2008240170A
Authority: JP
Inventors: Arjun Singh; アルジュン・シン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2009-04-09
Also published as: CN101392917A; DE102008037374A1; US20090077972A1; CH697908A2

Abstract

【課題】乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ガスタービンの二次燃料ノズルにおいて燃料を予混合するためのトロイダルリングマニホルドに関する。
【解決手段】乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ガスタービン用燃焼器の二次燃料ノズル内で空気との予混合燃料を効果的に分散し、これにより低窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションでの安定燃焼を提供するトロイダルリングマニホルド（２００）。トロイダルリングマニホルド（２００）は、ノズル中央本体ハブ本体（５６５）と中央本体キャップ（５７０）との間の予混合容積（５５５）内に二次燃料ノズルアセンブリ（５００）の中央本体ハブ（５６５）の周りを中心とする。リングマニホルド（２００）は、ノズル本体から燃料を受け取り、下流側表面上の個々の孔の複数の列から空気流（５４５）内に予混合燃料を分配する。列の数及び位置、各列における孔の数、サイズ、及び間隔、並びに予混合容積（５５５）内のトロイダルリングマニホルド（２００）の半径方向位置が最適化されて予混合を促進する。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は一般に、ガスタービン燃焼器用の二次燃料ノズルに関し、より具体的には、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ガスタービンの二次燃料ノズルにおいて燃料を予混合するためのトロイダルリングマニホルドに関する。

図１は、圧縮機１４（部分的に示されている）、複数の燃焼器１６（便宜上及び明確にするために１つ示されている）、及び単一ブレード１８で表されるタービンを含むガスタービン１２用の従来の燃焼器を示している。詳細には図示されていないが、タービン１６は、共通軸線に沿って圧縮機１４に駆動的に接続されている。圧縮機１４は吸入空気を加圧し、次いで該加圧空気は燃焼器１６に逆方向に流れ、ここで燃焼器１６を冷却し且つ燃焼プロセスに空気を供給するのに使用される。１つの燃焼器１６だけが図示されているが、ガスタービン１２は、周囲に配置された複数の燃焼器１６を含む。トランジションダクト２０は、各燃焼器１６の出口端部をタービン１８の入口端部と接続し、高温の燃焼生成物をタービン１８に送給する。

各燃焼器１６は、ベンチェリスロート領域２８により隔てられた一次又は上流側燃焼チャンバ２４と二次又は下流側燃焼チャンバ２６とを備える。燃焼器１６は、圧縮機吐出空気流を燃焼器に導く燃焼器フロースリーブ３０によって囲まれる。燃焼器は更に、タービンケーシング３２にボルト止めされたアウターケーシング３１により囲まれる。

一次ノズル３６は、上流側燃焼チャンバ２４への燃料供給を可能にし、中央二次ノズル３８の周りを環状アレイで配列される。一次ノズル３６の各々は、後壁４０を通って一次燃焼チャンバ２４内に突出する。二次ノズル３８は、後壁４０からスロート領域２８に延びて、二次燃焼チャンバ２６内に燃料を導入するようにする。燃料は、当該技術分野で良く知られた方法で燃料ライン（図示せず）を通って一次ノズル３６に送球される。

燃焼空気は、ノズル３６の出口端部に隣接して位置付けられた空気スワーラ４２を通って燃料段に導入される。スワーラ４２は、スワール燃焼空気を導入して、これがノズル３６からの燃料と混合され、チャンバ２４において、始動時の燃焼用点火可能混合気を提供する。スワーラ４２への燃焼空気は、圧縮機１４並びに燃焼流スリーブ３０と燃焼チャンバの壁４４との間の空気の経路設定により得られる。燃焼器の円筒状壁４４は、一次燃焼チャンバ２４内にスロット又はルーバ４６と、冷却の目的で及び火炎温度の実質的な上昇を防ぐための燃焼ゾーンへの希釈空気の導入の目的で二次燃焼チャンバ２６の下流側に同様のスロット又はルーバ４８とを備える。二次ノズル３８は、中央本体５０内に配置され、燃料と混合するため二次ノズルから燃焼空気が導入されるスワーラ５４を備えたライナ５２を通って延びる。

図２を参照すると、ガス専用二次燃料ノズルアセンブリ５６が示されている。燃料は、拡散パイプＰ_１により火炎を持続するよう供給され、更に、パイプＰ_２により予混合火炎を持続するよう供給される。

以下では、主に予混合燃料二次ノズルアセンブリ５６について記載している。後方構成要素又はガス本体５８は、外側スリーブ部分６０と、予混合燃料通路６４を形成する中央ボア９４を備えた内側中空コア部分６２とを含む。複数の軸方向空気通路６８は、予混合燃料通路６４を取り囲む関係で後方構成要素５８の前半部に形成される。同じ数の半径方向壁部（例えば４つ）がスリーブ部分６０の端部の周りに配置され、各々は、ライナ５２内の空気が対応する空気通路６８に流入できるようにするための傾斜した半径方向アパーチャ７０を含む。構成要素５８の後方端部は、取り付けフランジ７７内で燃料パイプＰ_１、Ｐ_２を受けるように適合される。

複数の半径方向孔７８が構成要素５８の前方部分の周囲に設けられ、これに同じ数の半径方向ガス噴射管（ペグ）８０を受け入れることにより、予混合通路との連通を確立できるようにする。各ペグ８０は、燃料を空気流に分配するよう設計されている。予混合域９０における燃料と空気の混合を良好にするには、窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを最小にすることが必要とされる。ノズルと一体化される場合又はされない場合があるフレーム保持スワーラ１１６は、二次ノズルの前方端部に配置され、直径が低減された前方端部１０８とライナ５２との間で半径方向に延びて、ライナ内に流れる予混合燃料／空気をスワールする。燃焼空気は、孔７０を介して二次ノズルアセンブリ５６に入り、通路６４により定められる予混合通路、パイロットボア９８、及びパイロットオリフィス１００を通って流れる。この燃料は、スワーラスロット９６からの空気と共に拡散フレームサブパイロットを提供する。同時に、予混合通路に供給される燃料の大部分は、ガス噴射機８０に流入し、オリフィス８２からライナ５２へ吐出され、ここで空気と混合される。

図３Ａ〜３Ｂに示すように、従来技術の二次燃料ノズルにおいて実施されたような燃料と空気の予混合では、予混合容積４０内で二次ノズル本体７５の周囲に等間隔に配置された複数のペグ８０を含むことができる。各ペグ８０は、ペグの長さにわたる中央キャビティ８５を含むことができる。各ペグの内側端部は、半径方向燃料孔の位置にあるノズル本体に取り付けられ、これにより、図２に関して上記で説明されたようなノズル本体の燃料キャビティとペグの中央キャビティとの間の連通を確立することができる。ペグ８０の下流側表面に沿って、中央内部キャビティから複数の燃料吐出孔８２が設けられ、これにより二次ノズル本体７５とライナ５２との間で予混合燃料の空気流への吐出が可能になる。ペグ８０の下流側に沿って３つの半径方向に配置された燃料吐出孔８２が設けられている。孔の横列に沿った孔位置の配置は様々であった。この従来技術の二次ノズルにおいては、６つのペグが二次ノズル本体７５の周囲に均等に配分され、ペグの下流側に沿って燃料を分散させるために３つのオリフィスを備える。しかしながら、燃料と空気の効果的な混合は完全ではない。燃料と空気の混合をより完全にすると、より低いＮＯｘエミッション及びより安定した燃焼をもたらすことができる。

上述のノズル構造は、拡散火炎を介した予混合運転モードを提供し、予混合モードになると拡散火炎を遮断して、予混合火炎を開始して持続運転を行うよう動作する。しかしながら、ガスタービンからのエミッションが上昇すると、燃焼チャンバにおける燃焼前に空気及び燃料の混合が不十分な結果となる。上述の既存のペグ設計は、低エミッションに対する混合の必要な程度を得るよう適切に燃料と空気を混合することはできない。ペグの孔の位置を変更する試みでは、満足できる燃料と空気の混合を得ることはできなかった。

図４は、Ｋｒａｆｔ他による米国特許第６４４６４３９号及び同第６２８２９０４号に記載される二次燃料ノズル用の燃料分配デバイスを示している。環状燃料マニホルド１５５は、支持シリンダ１６５を通って支持スリーブ１６０に取り付けられる。マニホルド１５５は矩形断面を示す。支持スリーブ１６０は、二次燃料ノズル（図示せず）の本体に溶接により付加される。二次ノズルの本体内の燃料は、支持ノズルの孔１７０を通り、支持シリンダ１６５を通って中空環状燃料マニホルド１５５内に移送される。環状燃料マニホルド１５５は、二次ノズル本体（図示せず）の周りの空気流に位置付けられる。燃料は、環状燃料マニホルドの下流側面１８０からアパーチャ１８５のアレイを通って分配される。アパーチャ１８５は、空気流内で中心軸から第１の半径方向距離１８６及び第２の半径方向距離１８７にあるものとすることができる。空気流に対するアパーチャ１８５の方向は、同一直線上にあるか、又はある角度をなすことができる。しかしながら、矩形断面アニュラスは、空気流の方向に対して形成されるアパーチャの角度を制限する。

燃料予混合分配用の円筒形の環状円筒燃料マニホルド１５５は、ペグ構成に対し半径方向及び円周方向の燃料分配を可能にすることができる。しかしながら、環状マニホルドは、空気流に対して、詳細には空気流に対する燃料の半径方向分配に対して生じる可能性のある流れ角が制限されることから生じる混合に関する限界がある。

従って、低エミッション及び燃焼ダイナミックス改善を促進する目的で二次ノズルにおける燃料空気予混合を改善するような代替構造を提供する必要性がある。
米国特許第６２８２９０４号明細書米国特許第６４４６４３９号明細書米国特許第６１９９２６５号明細書米国特許第５１９３３４６号明細書米国特許第２２８２９０４号明細書

本発明は、ＤＬＮガスタービン用燃焼器の二次ノズル内で空気との予混合燃料を効果的に分散し、これにより低窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションでの安定燃焼を提供するためのトロイダルリングマニホルドに関する。

要約すると、本発明の１つの態様によれば、ＤＬＮガスタービン燃焼器用の二次燃料ノズルの予混合域への燃料分散のためのトロイダルリングマニホルドが提供される。トロイダルリングマニホルドは、略トロイダル形状のトロイダルリングマニホルドシェルを含み、シェル内にキャビティを備える。トロイダルリングマニホルドシェルの内側トロイダル表面上の複数の半径方向突起がシェルキャビティ内に延び、複数の半径方向突起の各々が内側トロイダル表面上の所定の構成で配置されている。

複数の支持アームが、トロイダルリングマニホルドシェルの内側トロイダル表面から半径方向内方に延びている。複数の支持アームの１つの支持アームが、複数の半径方向突起の各々でトロイダルリングマニホルドシェルに取り付けられ、トロイダルリングマニホルドシェルの内側表面から半径方向内方に延びることができる。支持アームが更に、トロイダルリングマニホルドシェルにおいて半径方向内方端部から半径方向外方端部に予混合燃料を移送するための軸方向内部キャビティを含む。予混合燃料を分散させるためのトロイダルリングマニホルドシェルの１つのポロイダル表面を貫通する複数の突起がまた、所定の構成に従って提供され配置される。

本発明の別の態様によれば、ガスタービン燃焼器用の第２の燃料ノズルアセンブリが提供される。二次燃料ノズルアセンブリが、二次燃料ノズルアセンブリの後方端部に予混合燃料接続部と、該後方端部で予混合燃料接続部に接続されたノズル本体とを含む。トロイダルリングマニホルドは、ノズル本体周囲の軸方向空気流路内にノズル本体から燃料を分散するために半径方向でノズル本体周りに中心がある。トロイダルリングマニホルドを支持するための支持構造が設けられる。更に、ノズル本体からトロイダルリングマニホルドへ燃料を供給する連通路が設けられる。

本発明の第三の態様によれば、ＤＬＮガスタービン用燃焼器が提供される。燃焼器は、後方端部に燃料接続部を有する二次燃料ノズルアセンブリと、後方端部で燃料接続部に接続されたノズル本体とを含む。トロイダルリングマニホルドは、ノズル本体からノズル本体の周りの軸方向空気流路に燃料を分配するために半径方向でノズル本体の周りを中心とすることができる。に対する支持構造が設けられる。ノズル本体からトロイダルリングマニホルドへの燃料供給のための連通路が設けられる。ライナは、予混合容積に空気流を入れるため後方端部に突起を含む、二次ノズルアセンブリを円周方向に囲む。予混合容積は、二次ノズルアセンブリとライナの内部壁との間に定められる略環状形状を含む。スワーラは、二次ノズルアセンブリの前方端部に取り付けることができる。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めばより理解されるであろう。図面全体を通して、同じ参照符号は同じ要素を示す。

本発明の以下の実施形態は、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ガスタービン用の燃焼器の二次ノズルにおいて空気との予混合燃料を効果的に分散し、これにより低窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションの安定した燃焼を可能にすることを含む、多くの利点を有する。

本発明の１つの態様によれば、二次ノズル本体とライナとの間の予混合容積への燃料の分散を提供するトロイダルリングマニホルドが提供される。図５Ａはトロイダルシェルの断面を示す。トロイダルリングマニホルド２００は、円形リング断面を有する、略トロイダル形のシェルを含むことができる。トロイダル形シェル２１０はポロイダル軸２２０を中心とする。トロイダルリングマニホルド２００が二次燃料アセンブリの一部としてノズル本体４００（部分的に図示されている）と一体化されると、ポロイダル軸は、ノズル本体４００の長手方向軸３０５と一致することができる。トロイダル軸２２５は、円形リング断面２１５の中心２３０を通る。トロイダルリングマニホルド２００は、ポロイダル軸２２０上のトロイダルリングマニホルドの中心２４０とトロイダル軸２２５上の円形リング断面２１５の中心２３０との間で定義されるリング高さＨ２３５を含む。リング高さＨ２３５及び断面直径２３６の設定により、二次ノズルの本体の周りの予混合スペース（図示せず）に対するリング外側表面２３７の位置が調整される。トロイダルリングマニホルド２００の外側表面２３７は、リングの赤道により上側表面２３８と下側表面２３９とに分割することができる。

トロイダルリングマニホルドの周りで円周方向に列を形成する点の軌跡（例えば、円形断面２１５の表面上の第１の点２５０）は、リング断面２１５の中心２３０を通るポロイダル軸２２０に平行に延びるラインと、リング断面２１５の中心２３０及び表面上の点２５０間のライン２７０との間で形成される列角θ_１２６０により定めることができる。慣用として、角θ_１（ポロイダル軸に向って）は正数として定義される。第２の列角θ_２２７５は、同様にトロイダルリングマニホルド２００の外側表面上での点２５５及び関連する第２の列の中心軌跡を表す。

図５Ｂは、ノズル本体４００周りのトロイダルリングマニホルド２００の側面図を示す。トロイダルリングマニホルド２００は、下流側表面２９０上に燃料混合孔３２０を含む。トロイダルリングマニホルド２００の高さＨ２３５は、マニホルドの位置付け及び従ってノズル本体４００に対する燃料混合孔３２０の位置付けを定める。図５Ｃは、下流側表面上の燃料混合孔に対する列角を示すトロイダルリングマニホルド断面を示す。

図６Ａは、トロイダルリングマニホルドの下流側立面図を示す。図６Ｂは、トロイダルリングマニホルドの下流側表面の内部立面図を示す。ポロイダル軸２３０を中心とするトロイダルリングマニホルド２００は、マニホルドシェル２１０内に中央キャビティ２９０を含む。中央キャビティ２９０はまたトロイダル形状とすることができる。複数の半径方向突起２９５がトロイダルマニホルドシェル２１０の外側表面２３７を貫通して設けることができ、ここで突起２９５は、所定の構成に従って中央キャビティ２９０内に延びる。トロイダルリングマニホルド２１０はまた、マニホルドシェル２１０の下側表面２３９から半径方向内方に延びる複数の支持アーム３００を含む。本発明のマニホルドの１つの態様において、４つの支持アーム３００及び対応する半径方向突起２９５は、マニホルドシェル２１０の下側表面２３９の周りで均等に配分することができる。

複数の支持アーム３００は各々、燃料送給のための軸方向内部キャビティ３２５を含むことができ、ここで内部キャビティ３２５は、支持アーム３００の半径方向内側端部３２６から半径方向外側端部３２７に延びる。半径方向外側端部３２７は、マニホルドシェル２１０の対応する半径方向突起２９５のうちの１つの位置でトロイダルリングマニホルド２００に接続することができ、これにより支持アーム３００を通ってトロイダルリングマニホルド２００の中央キャビティ２９０内への燃料用連通経路を提供する。

図７Ａは、本発明のトロイダルリングマニホルドの二次燃料ノズル本体への組み付け構成の等角図を示している。図７Ｂは、二次燃料ノズル本体３５０、支持アーム３００、及びマニホルドシェル２１０を通る断面図を示している。マニホルドシェル２１０は、４つのシェルセクションから構成することができる。各シェルセクション３３０は、支持アーム３００の半径方向外側端部３２７を受けるための半径方向突起２９５を含む。支持アーム３００は、半径方向内側端部３２６上のネジ付き接続部３２８と半径方向外側端部３２７上のネジ付き接続部３２９とを含む。マニホルドシェル２１０上の半径方向突起２９５は、ネジ部３２９と噛み合って支持アーム３００の半径方向外側端部３２７をシェルセクション３３０に接合するネジ部２９７を含む。更に、半径方向孔３６１は、予混合燃料通路３６０に延びるノズル本体３５０の壁３５１を貫通することができる。半径方向孔３６１は、支持アーム３００を二次燃料ノズル本体３５０に取り付けるために、支持アーム３００の内側端部３２６上のネジ部３２８と噛み合うことを可能にするネジ部３６５を含むことができる。これにより、予混合燃料用流路３５５が、二次燃料ノズル本体３５０内の予混合燃料通路３６０から半径方向孔３６１を通り、支持アーム内のキャビティ３６０を通ってシェルセクション３３０内の半径方向突起２９５に設けられる。シェルセクション３３０は、溶接又は他の好適な接続手段によりトロイダルリングマニホルド２００を形成するために接続することができる。

再度図６Ａ〜６Ｂを参照すると、トロイダルリングマニホルドシェル２１０の下流側ポロイダル表面を通ってシェルキャビティ２９０内への複数の突起は、所定の構成に従って配置することができる。突起の所定の構成は、シェル２１０のキャビティ２９０からの燃料とマニホルドシェル２１０の周りの空気流とを混合できるように最適化される。所定の構成は、１以上の列の孔を含むことができる。孔の列（リング）２８０、２８５における個々の孔の中心の軌跡は、リング断面に対して個々の所定の角度に設定することができる。孔の列２８０、２８５内の個々の孔３１０、３１５が特定の列の中心軌跡の周りに円周方向で等間隔に配置されるのが好ましい。更に、各列内の個々の孔は同じ直径のものであることが好ましい。別個の列の孔は同じ直径又は異なる直径のものとすることができる。更に、トロイダルリングマニホルドシェルは孔の２つの列を含むのが好ましい。好ましい実施形態は、トロイダルリングマニホルドシェルの下流側ポロイダル表面内に孔の２つの列又はリング（第１の列２８０と第２の列２８５）を含むことができる。第１の列２８０における個々の孔３１０の中心の軌跡はリング断面２１５に対して所定の正の角度θ_１２６０（図５Ｃ）にあり、第２の列２８５の個々の孔３１５の中心の軌跡は所定の負の角度θ_２２７５（図５Ｃ）にあるのが更に好ましい。更に、第１の列２８０の個々の孔３１０の直径サイズは、第２の列２８５の個々の孔３１５の直径サイズよりも小さいのが好ましい。本発明のマニホルドの好ましい実施形態では、第１の列２８０の個々の孔３１０は約０．０８２インチの直径を有することができ、第２の列２８５の個々の孔３１５は約０．１１６インチの直径を有することができる。

第１の列の個々の孔の数は、他の列の個々の孔の数に等しい場合と等しくない場合がある。本発明のマニホルドの好ましい実施形態では、第１の列２８０は、１６個の個々の孔３１０を有することができ、第２の列２８５は８個の個々の孔３１５を有することができる。更に、第１の列２８０の個々の孔３１０と第２の列２８５の個々の孔３１５は、互いに対し等間隔に配置され、予混合容積中に円周方向に均等に分配される燃料空気（Ｆ／Ａ比）が促進されるようにするのが好ましい。

本発明の別の態様は、図８に示す本発明のトロイダルリングマニホルド２００（図５〜７）の実施形態を含むガスタービン燃焼器用の二次燃料ノズルアセンブリ５００を提供する。図８は、ノズル中央本体３５０に取り付けられた本発明のトロイダルリングマニホルド２００を示す。トロイダルリングマニホルド２００は、中央本体ハブ３９５の周り及び中央本体キャップ３９０内に二次予混合燃料を分配するため予混合容積３８０において位置付けられる。二次燃料ノズルアセンブリ５００の後方端部には、燃料油接続部４３５、二次ガス接続部４３６、三次ガス接続部４３７、及び水接続部４３８を備えることができる。トロイダルリングマニホルド２００は、ノズル中央本体３５０からの予混合燃料をノズル中央本体の周りの軸方向空気流路４５０に分配するために半径方向にノズル中央本体３５０を中心としている。中央本体ハブ３９５からマニホルドリングシェルを支持するための支持構造が設けられる。

二次燃料ノズルアセンブリ５００のノズル中央本体ハブ３９５内では、種々の燃料タイプを予混合容積３８０及びノズルの先端４１０へ供給するために複数の内部燃料キャビティ（通路）が設けられる。燃料油は、燃料油キャビティ４１５を通じて先端４１０に提供することができる。二次ガス燃料キャビティ４２６は、予混合のための二次ガス燃料を中央本体ハブ３９５の外側壁３５１を通って複数の半径方向孔３６５に接続する。複数の半径方向孔３６５は、中央本体ハブ３９５の円周周りに所定の分布で配列される。半径方向孔３６５の所定の分布は、トロイダルリングマニホルドの支持アーム（図示せず）と適合及び整列し、上述のように、支持アームのキャビティを通ってトロイダルリングマニホルド２００のシェルキャビティ内への予混合燃料の連通路を形成するように配列される。二次燃料は更に、ガスパイロット火炎のために二次燃料通路４２２及び４２３を通ってノズル先端４１０のパイロット孔４４０に分配することができる。三次ガス燃料は、三次ガス通路４２５を通ってノズル先端４１０に供給することができる。更に、ノズル先端４１０に水噴射用の噴射水路４２４を設けることができる。

燃料混合孔３２０を通じて空気流４５０に放出される二次ガス燃料が予混合容積３８０内で空気と混合される。二次ガス燃料は更に、ノズルの先端４１０でスワーラ４３０により空気流と混合される。

本発明のトロイダルリングマニホルドの構造、その支持アーム、及び中央本体ハブに対する取り付けについては、図４〜８に関して既に説明されている。二次燃料ノズルアセンブリ５００は、これらの記載されたトロイダルリングマニホルドの要素を含む。更に、本発明のトロイダルリングマニホルド２００は１つの二次燃料ノズルアセンブリ５００に対して図示されているが、本発明のトロイダルリングマニホルドの種々の実施形態は、燃料源及び燃料通路構成の異なる構成並びに組み合わせを含む二次燃料ノズルと組み合わせることができる点は理解されたい。

本発明の別の態様のもとでは、ＤＬＮガスタービン用の燃焼器６００も設けられる。燃焼器６００は、上述のようにトロイダルリングマニホルド２００を含む、二次燃料ノズルアセンブリ５００を含むことができる。燃焼器６００はまた、二次燃料ノズルアセンブリを囲む複数の一次燃料ノズルアセンブリ５１０を含むことができる。燃料接続部５４０は燃焼器の後端に設けることができる。

図９は、本発明の燃焼器の一実施形態を示す。圧縮機５１４（部分的に図示されている）が燃焼器６００に取り付けられ、燃焼器に加圧空気を提供する。一次燃料ノズルアセンブリ５１０及び二次燃料ノズルアセンブリ５００を囲むフロースリーブ５３０は、圧縮機５１４からの空気を受け入れて流れ孔５３２に通す。フロースリーブ５３０と燃焼ライナ５３５との間の空気流は、一次燃料ノズルアセンブリ５１０及び二次燃料ノズルアセンブリ５００の後方に向けられる。空気流５４５は、二次燃料ノズルアセンブリ５００の後端に入り、中央本体ハブ５６５と中央本体キャップ（ライナ）５７０との間のトロイダルリングマニホルド２００の周りを流れる。トロイダルリングマニホルド２００は、下流側表面上の燃料混合孔３２０（図８）からの空気流内に燃料を分散させる。空気及び二次ガス燃料５５０が予混合容積５５５内で混合され、ノズル先端５８０の前端と中央本体キャップ５７０との間に位置付けられたスワーラ５６０を通って流れることができる。

本発明のトロイダルリングマニホルドの構造、その支持アーム、及び中央本体ハブに対する取り付けについては、図４〜８に関して既に説明されている。燃焼器６００は、これらの記載されたトロイダルリングマニホルド２００の要素を含む。更に、本発明のトロイダルリングマニホルド２００は１つの燃焼器に対して図示されているが、本発明の種々の実施形態は、空気流路、燃料源及び燃料通路構成の異なる構成並びに組み合わせを含む二次燃料ノズルと組み合わせることができる点は理解されたい。

上述のように、トロイダルリングマニホルドシェルは更に、二次燃料ノズルアセンブリとライナとの間の予混合容積内で半径方向に１以上の列の孔を整列させるような所定の高さに設定された半径を含む。トロイダルリングマニホルドシェルの下流側ポロイダル表面を貫通する複数の突起についての所定の構成は、各列の孔の中心軌跡がリング断面に対して個々の所定角度で設定された２つの列の孔を含み、孔の中心軌跡がリング断面に対して所定の正の角度で設定された孔の第１の列と、孔の中心軌跡がリング断面に対して所定の負の角度で設定された孔の第２の列とを含む。孔の第１の列内の個々の孔の直径は、孔の第２の列内の個々の孔の直径よりも小さいものとすることができ、孔の第１の列内の個々の孔の中心は、孔の第２の列内の個々の孔の中心に対して円周方向に交互配置することができる。

本発明のトロイダルリングマニホルドは１つの燃焼器構成に対して図示されているが、本発明の種々の実施形態は、燃料及び水発生源、流路、並びに吐出の異なる構成及び組み合わせを含む他の燃焼器実施形態と組み合わせることができる点は理解されたい。

上述の設計の目的は、トロイダルリングマニホルドの下流側の予混合容積において一定の燃料空気（Ｆ／Ａ）比を達成することである。予混合容積内、詳細にはスワーラの出口において円周方向のＦ／Ａ比変動及び半径方向のＦ／Ａ比変動の両方を低減することが望ましい。孔の列におけるある数の個々の孔は、円周方向のＦ／Ａ比変動を低減するのに使用することができる。孔の列の中心の軌跡のリング高さ及び列角は、Ｆ／Ａ比の半径方向変動の低減及びスワーラの下流側の出口半径方向Ｆ／Ａプロファイルの制御を行うのに使用することができる。

本発明の設計と従来技術の実施形態において様々な値に対する異なる場合の相対性能を比較するために、非混合度を表すパラメータが定義されている。

非混合度＝ΣＡ_ｉ（Ф_Ｉ−Ф_{ｇｌｏｂａｌ}）^２／ΣＡ_ｉ
ここで、Ａ_ｉはセル面積、Ф_Ｉはセル当量比、及びФ_{ｇｌｏｂａｌ}は全当量比（０．４８２８）である。非混合度は、二次燃料ノズルについての既存のペグ設計において０．０６６４２であると計算された。スワーラ出口での予混合度に対する個々の孔位置及びリング高さの効果を評価するために、設計スペースが利用された。非混合度の算出は、以下のパラメータの範囲：リング直径（０．３５〜０，４５インチ）；リング高さ（１．２〜１．７インチ）；角度θ_１（０〜１２０度）；角度θ_２（０〜１２０度）で実施された。

応答の線形性が強いことに起因して、信頼性のある移送機能を得るのが困難である。パラメータの最適化はサンプリング及びメタモデル手法により行われた。上述の場合では、非混合度の算出はスワーラの出口で行われた。リング高さ及び列角パラメータは、非混合度を最小にするように最適化され、約１．３５インチのリング高さ、約５８．７度の角度θ_１、及び約１．７度の角度θ_２が得られた。パラメータが最適化されると、スワーラの出口での非混合度は、既存のペグ設計の非混合度０．０６６４２をかなり下回る０．０１として算出される。

更に、トロイダルリングマニホルド断面は、ライナ及びノズル本体間を流れる空気流に関して、従来技術における他の空気力学的構成よりも優れた空気力学的設計を提供する。例えば、本発明のトロイダルリングマニホルドは、従来技術と略同等の圧力低下を示すので、優れた混合を可能にしながら、引き続き予混合容積及びスワーラを通る十分な燃料流及び空気流を可能にする。

図１０Ａは、従来技術のペグ二次燃料ノズルについての算出混合度の半径方向プロファイルを示す。図１０Ｂは、本発明のトロイダルリングマニホルドの実施形態に関する二次燃料ノズルについての算出非混合度の半径方向プロファイルを示す。図１０Ａ及び１０Ｂは共に、従来のペグ及び本発明のトロイダルリングマニホルドをそれぞれ利用したスワーラの吐出時の平面上の燃料と空気の相対非混合度を示している。縦軸は、二次燃料ノズルの外側からライナまでの予混合容積内の距離を示す。横軸は、中心点からの特定の半径方向距離での当量比を示す。ペグ設計では、算出当量比１０１０は、半径方向距離にわたって０．２２〜０．８の範囲になる。本発明のトロイダルリングマニホルド設計では、算出当量比１０２０は、半径方向距離にわたって０．３５〜０．６３の範囲になり、遙かに大きな均等な半径方向Ｆ／Ａ比を示し、これにより均等な下流側燃料が促進され、燃焼ダイナミックス及びＮＯｘエミッションの低減が得られることになる。

本明細書では種々の実施形態が説明されたが、ここでの各要素の種々の組み合わせ、変形形態、又は改善が可能であり、本発明の範囲内にあることは本明細書から理解されるであろう。

従来技術の既知の乾式低ＮＯｘ燃焼器の部分断面図。従来技術の二次予混合分散燃料ノズルの部分断面図。従来技術の二次燃料ノズルのペグ構成を示す図。従来技術の二次燃料ノズルのペグにおける燃料吐出孔の構成を示す図。燃料予混合のための従来技術のマニホルドを示す図。本発明のトロイダルシェルの断面図。ノズル本体の周りのトロイダルリングマニホルドの側面図。下流側表面上の燃料混合孔の列角を示すトロイダルリングマニホルドの断面図。本発明のトロイダルリングマニホルドの好ましい実施形態の下流側の外観図。本発明のトロイダルリングマニホルドの好ましい実施形態の下流側の内観図。本発明のトロイダルリングマニホルドの二次燃料ノズル本体への組み付け構成を示す等角図。二次燃料ノズル、支持アーム、及びマニホルドシェルを通る本発明のトロイダルリングマニホルドの断面図。本発明のトロイダルリングマニホルドの一実施形態を組み込むガスタービン用二次燃料アセンブリを示す図。本発明のトロイダルリングマニホルドを組み込むガスタービン用燃焼器を示す図。従来技術の二次燃料ノズルの算出非混合度の半径方向プロファイルを示す図。本発明のトロイダルリングマニホルドの一実施形態に対する二次燃料ノズルの算出非混合度の半径方向プロファイルを示す図。

符号の説明

１２ガスタービン
１４圧縮機
１６燃焼器
１８タービン
２０トランジションダクト
２４上流側燃焼チャンバ
２６下流側燃焼チャンバ
２８ベンチェリスロート
３０燃焼器フロースリーブ
３１燃焼器のアウターケーシング
３２タービンケーシング
３６一次ノズル
３８二次燃料ノズル
４０後壁
４２空気スワール
４４燃焼チャンバの円筒壁
４８ルーバ
５０中央本体
５２ライナ
５４スワール
５６二次デュアルダウエルノズルアセンブリ
５８ガス本体
６０外側スリーブ部分
６４燃料予混合通路
６６拡散燃料通路
６８軸方向空気路
７０半径方向アパーチャ
７５ノズル本体
７７取り付けフランジ
７８半径方向孔
８０ガス噴射管
８２アパーチャ
９０予混合容積
９２パイロット管
９５壁部
９６スワーラスロット
９８内部ボア
１００パイロットオリフィス
１１６スワーラ
１５０燃料分配デバイス
１５５環状燃料マニホルド
１６０支持スリーブ
１６５支持シリンダ
１７０孔
１８０下流側面
１８５アパーチャ
１８６第１の半径方向距離
１８７第２の半径方向距離
１８８中心軸
２００トロイダルリングマニホルド
２１０シェル
２１５リング断面
２２０ポロイダル軸
２２５トロイダル軸
２３０リング断面の中心
２３５リングマニホルドの高さ
２３６リング断面の直径
２３７外側表面
２３８上側表面
２３９下側表面
２４０リングマニホルドの中心
２４５赤道
２５０シェル上の第１の点
２５５シェル上の第２の点
２６０第１の列角
２６５リング断面中心を通るポロイダル軸に平行なライン
２７０リング断面中心とシェル表面上の点との間のライン
２７５第２の列角
２８０第１の列の個々の孔の中心軌跡
２８５第２の列の個々の孔の中心軌跡
２９０中心キャビティ
２９１下流側表面
２９５突起
２９７ネジ部
３００支持アーム
３０５ノズル本体の長手方向軸
３１０第１の列の孔
３１５第２の列の孔
３２０燃料混合孔
３２５支持部材のキャビティ
３２６半径方向内方端部
３２７半径方向外方端部
３２８ネジ部
３３０シェルセクション
３５０ノズル中央本体
３５１壁
３５５予混合燃料
３６０予混合燃料通路
３６５半径方向孔
３６６ネジ部
３６１ネジ部
３６５半径方向孔
３８０予混合容積
３９０中央本体キャップ
３９５中央本体ハブ
４００ノズル本体
４０５ノズル本体の長手方向軸
４１０ノズル先端
４１５燃料油キャビティ
４２０二次燃料キャビティ
４２１二次燃料通路
４２２二次燃料キャビティ
４２３噴射水キャビティ
４２５三次燃料キャビティ
４３０スワーラ
４３５燃料油接続
４３６二次ガス燃料接続
４３７三次ガス燃料接続
４３８噴射水接続
４４０パイロット孔
４５０空気流路
５００二次燃料ノズルアセンブリ
５１４圧縮機
５１５一次燃料ノズルアセンブリ
５１８タービンブレード
５２０トランジションダクト
５２６燃焼チャンバ
５３０フロースリーブ
５３２フロースリーブ孔
５３５ライナ
５４０燃料接続
５４５二次予混合容積への空気
５５０空気燃料混合気
５５５予混合容積
５６５中央本体ハブ
５７０中央本体キャップ
１０１０従来技術の当量比

Claims

乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ガスタービン燃焼器用の二次燃料ノズルの予混合域内に燃料を分配するためのトロイダルリングマニホルド（２００）であって、
中央キャビティ（２９０）を内部に含む略トロイダル形状のトロイダルリングマニホルドシェル（２１０）と、
前記トロイダルリングマニホルドシェル（２１０）の内側表面上にあり、各々が前記中央キャビティ（２９０）内に延びて前記内側表面上に所定の構成で配置されている複数の半径方向突起（２９５）と、
１つが前記複数の半径方向突起（２９５）の各々において前記トロイダルリングマニホルドシェル（２１０）に取り付けられて該トロイダルリングマニホルドシェル（２１０）の内表面から半径方向内方に延びた複数の支持アーム（３００）と、
を備え、
前記支持アーム（３００）が更に、前記トロイダルリングマニホルドシェルにおいて半径方向内方端部から半径方向外方端部に燃料を移送するための軸方向内部キャビティ（３２５）を更に含み、
前記トロイダルリングマニホルドシェル（２１０）の１つのポロイダル表面を貫通し且つ所定の構成に従って配置された複数の突起（３２０）が設けられている、
トロイダルリングマニホルド（２００）。
前記複数の支持アームの各支持アームが各々、前記半径方向内方端部において前記支持アーム（３００）を燃料源に取り付けるための手段３２８と、前記半径方向外方端部において前記支持アーム（３００）を前記トロイダルリングマニホルド（２００）に取り付けるための手段３２９とを含む、
請求項１に記載のトロイダルリングマニホルド（２００）。
前記トロイダルリングマニホルドシェル（２１０）の１つのポロイダル表面を貫通する複数の突起（３２０）の所定の構成が孔の１以上の列を含み、各列の前記孔の中心の軌跡（２８０、２８５）がリング断面２１５に対して個々の所定角度（２６０、２７５）で設定されている、
請求項１に記載のトロイダルリングマニホルド（２００）。
前記孔の１以上の列の各列内の個々の孔（３１０、３１５）が、各列の前記孔の中心の軌跡（２８０、２８５）に沿って円周方向に等間隔で配置されている、
請求項３に記載のトロイダルリングマニホルド（２００）。
前記孔の１以上の列の各列内の個々の孔（３１０、３１５）が同じ直径のものであり、前記孔の１以上の列の別個の列（２８０、２８５）内の孔が同じ直径及び異なる直径のうちの少なくとも１つとすることができ、前記トロイダルリングマニホルドシェル（２１０）のトロイダル半径が、前記ポロイダル軸（２２５）に対して孔の１以上の列（２８０、２８５）を位置付けるような所定サイズに設定される、
請求項４に記載のトロイダルリングマニホルド（２００）。
前記トロイダルリングマニホルドシェルの１つのポロイダル表面を貫通する前記複数の突起の所定の構成が、孔の２つの列を含み、各列の孔の中心軌跡が前記リング断面に対して個々の所定角度で設定される、
請求項３に記載のトロイダルリングマニホルド（２００）。
前記各列の孔の中心軌跡が前記リング断面（２１５）に対して個々の所定角度で設定された、前記孔の２つの列が、
前記孔の中心軌跡が前記リング断面（２１５）に対して所定の正の角度で設定された、孔の第１の列と、
前記孔の中心軌跡が前記リング断面（２１５）に対して所定の負の角度で設定された、孔の第２の列と、
を含む、
請求項６に記載のトロイダルリングマニホルド（２００）。
前記孔の第１の列内の個々の孔の直径が、前記孔の第２の列内の個々の孔の直径よりも小さい、
請求項７に記載のトロイダルリングマニホルド（２００）。
前記孔の第１の列内の個々の孔の中心が、前記孔の第２の列内の個々の孔の中心に対して円周方向で交互にされている、
請求項７に記載のトロイダルリングマニホルド（２００）。
前記リングマニホルド（２００）の断面（２１５）の中心の高さ（２３５）が、前記個々の孔から吐出する燃料と前記マニホルドを通過する空気との混合を最適にするよう設定される、
請求項７に記載のトロイダルリングマニホルド（２００）。