JP2009109180A - Can annular type dual fuel combustor of multi-annular multistage nozzle flowing in radial direction of lean premix - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全体的にはガスタービン燃焼器に関し、より具体的には、燃焼ダイナミックスを飛躍的に低減又は排除する缶アニュラ型デュアル燃料燃焼器用の希薄予混合半径方向流入マルチアニュラ多段ノズルに関する。 The present invention relates generally to gas turbine combustors, and more specifically to lean premixed radial inflow multi-annular multistage nozzles for can annular dual fuel combustors that dramatically reduce or eliminate combustion dynamics. .
図1は、圧縮機12(部分的に示す)、複数の燃焼器14(便宜上及び明確にするために1つを示す)、及びタービン16(単一のブレードで表される)を含む高出力産業用ガスタービン10の従来技術の燃焼器を示す。具体的に示していないが、タービン16は、共通軸に沿って圧縮機12に駆動可能に接続される。圧縮機12は、吸入空気を加圧して燃焼器14に逆流させ、これを用いて燃焼器14を冷却し、燃焼プロセスに対する空気を供給する。1つの燃焼器14だけが示されているが、ガスタービン10は、その外周部の周りに配置された複数の燃焼器14を含む。移行ダクト18は、各燃焼器14の出口端部をタービン16の入口端部と接続して、高温の燃焼生成物をタービン16に送出する。
FIG. 1 shows a high power output including a compressor 12 (partially shown), a plurality of combustors 14 (one shown for convenience and clarity), and a turbine 16 (represented by a single blade). 1 shows a prior art combustor of an
各燃焼器14は、開放前方端部でボルト28を用いてタービンケーシング26に固定された、ほぼ円筒状の燃焼ケーシング24を含む。燃焼ケーシング24の後方端部は、ガス、液体燃料及び空気(並びに必要に応じて水)を燃焼器14に供給するために従来の供給管、マニホルド及び関連する弁、その他を含むことができるエンドカバー組立体30により閉鎖される。エンドカバー組立体30は、燃焼器14の縦軸の周りに円形配列で配列された複数(例えば、5つ)の燃料ノズル組立体32(便宜上及び明確にする目的で1つだけを示す)を受ける。各燃料ノズル組立体32は実質的に円筒体であり、ガス燃料、液体燃料及び空気(並びに必要に応じて水)を受け取る入口を有する後方供給セクション52と、前方送出セクション54とを有する。
Each
燃焼ケーシング24内には、実質的に同心関係でほぼ円筒状のフロースリーブ34が装着されており、該スリーブは、その前方端部で移行ダクト18の外壁36に接続している。フロースリーブ34は、その後方端部で半径方向フランジ35を用いて突合せ継手37の位置の燃焼ケーシング24に接続され、ここでは燃焼器ケーシング24の前部及び後部が接合される。
Mounted in the
フロースリーブ34内には同心状に配列された燃焼ライナ38があり、移行ダクト18の内壁40とその前方端部で接続される。燃焼ライナ38の後方端部は、燃焼ライナキャップ組立体42によって支持され、該組立体は複数のストラット39によって燃焼ケーシング24内で支持される。移行ダクト18の外壁36並びに燃焼ケーシング24がタービンケーシング26にボルト留めされた(ボルト28によって)場所の前方に延びるフロースリーブ34の当該部分は、これらのそれぞれの周囲面にわたってアパーチャ44のアレイが形成され、空気が圧縮機12から逆流してアパーチャ44を通ってフロースリーブ34とライナ38との間の環状空間内に入り、燃焼器14の上流側又は後方端部に向かって(図1に示す流れる矢印によって示すように)流れることができるようになる点は理解されるであろう。
Within the
燃焼ライナキャップ組立体42は、各燃料ノズル組立体32について1つずつの複数の予混合管46を支持する。より具体的には、各予混合管46は、端部が開放された予混合管46と位置合わせされる開口部を各々備えた、前方プレート47及び後方プレート49それぞれによってその前方及び後方端部にある燃焼ライナキャップ組立体42内で支持される。予混合管46は、それぞれの燃料ノズル組立体32の前方送出セクション54が同心状に配置されるように支持される。
The combustion
後方プレート49は、後方プレート49内の開口部とほぼ位置合わせして配列された、後方に延びる複数の浮動カラー48(各予混合管46につき1つ)を装着する。各浮動カラー48は、それぞれの燃料ノズル組立体32に対して取り囲む関係で環状空気スワーラ50を支持する。半径方向燃料噴射器66は、予混合管46内に位置する予混合ゾーン69にガス燃料を吐出するためスワーラ50の下流側に設けられる。この配列は、ライナ38とフロースリーブ34との間の環状空間内を流れる空気が、予混合管46の下流側のライナ38内で燃焼ゾーン又は燃焼チャンバ70に入る前に燃焼器14(エンドキャップ組立体30とスリーブキャップ組立体42との間)の後方端部の方向に反転されて、スワーラ50及び予混合管46を貫流させるようにするものである。点火は、通常の方法で火炎伝播管22(1つを示す)と共にスパークプラグ20を用いて多燃焼器14内で達成される。
The
発電プラント設計において、大気への窒素酸化物(NOx)などの有害ガスのエミッション低減は最大の懸案事項である。この問題に取り組むために、図1で説明したような単一の燃焼チャンバに取り付けられた複数のバーナーを用いて希薄予混合燃焼を利用する低NOx燃焼器が開発された。各バーナーは、燃料噴射器及び空気スワーラを支持し且つその下流側端部上に平坦面を有する円筒ハブを含む、中心に配置された燃料ノズルを備えた流管を含む。低NOx動作用の予混合噴射段に加えて、各燃料ノズルは、始動及び緊急動作用の拡散噴射段と、液体燃料動作用の液体燃料噴射段とを含むことができる。 In power plant design, reducing the emission of harmful gases such as nitrogen oxides (NOx) into the atmosphere is the biggest concern. To address this problem, low NOx combustors have been developed that utilize lean premixed combustion with multiple burners attached to a single combustion chamber as described in FIG. Each burner includes a flow tube with a centrally located fuel nozzle that includes a cylindrical hub that supports a fuel injector and air swirler and has a flat surface on its downstream end. In addition to the premixed injection stage for low NOx operation, each fuel nozzle may include a diffusion injection stage for start-up and emergency operation and a liquid fuel injection stage for liquid fuel operation.
拡散ガス燃料及び液体燃料は通常、燃料ノズルの平端面上に位置するオリフィスを介して噴射される。低NOx(予混合)動作中、燃料は、燃料噴射器を通って噴射され、流管内の旋回空気と混合する。拡散及び液体燃料回路は通常、予混合動作中に空気でパージされ、火炎ガスを通路外に保持する。燃焼火炎は、燃料ノズルの背後のブラフボディ再循環及び旋回停止(旋回がある場合)によって安定化される。予混合システムでは、通常、燃焼不安定性の結果として強力な圧力振動が生成される。燃焼不安定性は、燃焼ノズルのブラフ端部からのスパン方向渦流の励振に関連付けられると考えられている。これらの圧力振動は、デバイスの動作を大幅に制限する可能性があり、場合によっては、燃焼器ハードウェアに対して物理的損傷を引き起こすことさえある。更に、拡散及び液体燃料回路を通るパージ用空気の流れは、再循環ゾーン内に直接噴射される。この直接噴射により、再循環の局所温度及び強度が低下し、火炎安定性に悪影響を与える。従って、圧力振動を低減し且つ再循環ゾーンへのパージ用空気の直接噴射に関する悪影響を回避する低NOx燃焼器に対する必要性がある。 Diffusion gas fuel and liquid fuel are typically injected through an orifice located on the flat end face of the fuel nozzle. During low NOx (premix) operation, fuel is injected through the fuel injector and mixes with the swirling air in the flow tube. The diffusion and liquid fuel circuits are typically purged with air during the premix operation to keep the flame gas out of the passage. The combustion flame is stabilized by bluff body recirculation and swirling stop (if there is swirling) behind the fuel nozzle. In premixing systems, strong pressure oscillations are usually generated as a result of combustion instability. Combustion instability is believed to be associated with excitation of span vortices from the bluff end of the combustion nozzle. These pressure oscillations can severely limit device operation and in some cases even cause physical damage to the combustor hardware. Furthermore, the flow of purge air through the diffusion and liquid fuel circuit is injected directly into the recirculation zone. This direct injection reduces the local temperature and strength of recirculation and adversely affects flame stability. Accordingly, there is a need for a low NOx combustor that reduces pressure oscillations and avoids the negative effects associated with direct injection of purge air into the recirculation zone.
前述のように、これらの最新の高出力産業用乾式低NOx(DLN)缶アニュラ型ガスタービン燃焼器は通常、平坦又は角度付きキャップ/ドーム組立体を用いて缶型燃焼器ライナに適合する多数(又はグループ)の予混合ノズルを利用する。複数のノズルは、目的とする作動性及び設計空間全体にわたるターンダウン及び性能を達成するように、燃料の混合及びステージングを必要とする。しかしながら、この取り組みは、複雑かつ高価な組立体をもたらす。 As mentioned above, these modern high power industrial dry low NOx (DLN) can annular gas turbine combustors typically fit a can combustor liner using a flat or angled cap / dome assembly. (Or group) premix nozzles are used. Multiple nozzles require fuel mixing and staging to achieve the intended operability and turndown and performance throughout the design space. However, this approach results in a complex and expensive assembly.
同様に、ヘッドエンドにある一群の予混合燃料ノズルに対して空気及び燃料を均一に分配することは困難であり、一般的には、全てのノズルに対して理想以下の不均一な空気流、又は相当な量の寄生圧力低下/損失をもたらす結果となる。旋回安定化希薄予混合(LP)燃焼は、従来の拡散型燃焼に比べて燃焼駆動振動(動的不安定性)の影響を極めて受けやすい傾向がある。 Similarly, it is difficult to evenly distribute air and fuel to a group of premixed fuel nozzles at the head end, and in general, a sub-ideal non-uniform air flow for all nozzles, Or result in a significant amount of parasitic pressure drop / loss. Swirl-stabilized lean premixed (LP) combustion tends to be very susceptible to combustion-driven vibration (dynamic instability) compared to conventional diffusion combustion.
従来、ガスタービンエンジン産業において、火炎温度(又は一次ゾーン温度)は、NOxエミッションを低減するためLPシステムにおいて低下している。許容可能なNOx排気エミッションレベルは、百万分の一(ppm)の1けたレベルにまで減少しているので(主に新しい政府規制によって決定された)、火炎温度は、少なくとも高メタン含有量の燃料に対しては希薄ブローアウト(LBO)限界の極めて近傍にされている。このような希薄混合気では、局所燃料対空気混合比のわずかな周期的変動は、局所的な周期的火炎消火をも含む、局所的放熱及び放熱率の比較的大きな周期的変動をもたらす。離散的発振周波数(又はトーン)は、放熱変動が燃焼チャンバ内部で生じる音圧変動と同相で強め合うときに振幅が増大することができる。 Traditionally, in the gas turbine engine industry, flame temperatures (or primary zone temperatures) have been reduced in LP systems to reduce NOx emissions. Since acceptable NOx exhaust emission levels have been reduced to single-digit parts-per-million (ppm) levels (mainly determined by new government regulations), flame temperatures are at least as high as methane content. For fuel, it is very close to the lean blowout (LBO) limit. In such lean mixtures, slight periodic fluctuations in the local fuel-to-air mixture ratio result in local heat dissipation and relatively large periodic fluctuations in the heat dissipation rate, including local periodic flame extinguishing. The discrete oscillation frequency (or tone) can increase in amplitude when the heat release fluctuations are in phase with the sound pressure fluctuations occurring inside the combustion chamber.
現在のLP燃焼器は、低NOxエミッションを更に満たすために、より希薄且つより空間的一様になっており、且つ燃料の広い範囲で動作しながらこのエミッション目標を満たす必要が強まっているので、所与のシステムにおいて、許容できない程高いレベルの燃焼ダイナミックスを生じるリスクが高くなる。 Current LP combustors are becoming leaner and more spatially uniform to further meet low NOx emissions, and there is an increasing need to meet this emission target while operating over a wide range of fuels. In a given system, there is an increased risk of producing unacceptably high levels of combustion dynamics.
これまで大きな単一ノズルDLNの低NOx缶アニュラ型ガスタービン燃焼システムが試みられているが、そのほとんどは、作動性、耐久性、及びエミッション問題に起因して成功していない。スマートな調整可能動作パラメータが無いこと、及び複数の独立燃焼ステージングゾーンが無いことにより、産業界にモジュラー式多ノズル(群)構成を取り入れることにつながった。多ノズル設計は、着火及びターンダウンを容易にするだけでなく、設計上の作動空間で運転する間に生じるダイナミックス(又は振動)を回避する調整可能な作動性パラメータを提供するために、ノズルのサブグループへの燃料分配のステージング又は傾斜化を可能にする。 To date, large single nozzle DLN low NOx can annular gas turbine combustion systems have been attempted, but most have not been successful due to operability, durability, and emissions issues. The lack of smart adjustable operating parameters and the lack of multiple independent combustion staging zones led to the introduction of a modular multi-nozzle (group) configuration into the industry. The multi-nozzle design not only facilitates ignition and turndown, but also provides an adjustable operability parameter that avoids the dynamics (or vibration) that occurs while operating in the design working space. Allows staging or grading of fuel distribution to different subgroups.
燃焼器内の燃料分配の傾斜化のマイナス面は、NOx生成を促進する高温の温度ゾーンが生成されることである。従って、力学又は不安定性を押さえ込むために過度の傾斜化が必要とされる場合には、規制NOxエミッション限度の不履行が生じる可能性があり、場合によってはユニットを動作不能にすることがある。産業用ガスタービンのLP燃焼ダイナミックスは通常、高価で不確実な可能性がある幾つかの方法(通常は試行錯誤法)で受動的に低減される。この方法には、1)噴射点をシフトして、燃料噴射点をから火炎前面までの燃料輸送時間を変更すること、2)燃料噴射オリフィスの大きさを変えて、孔全体にわたる圧力低下及び音響インピーダンスを変更すること、及び、3)チャンバ又はノズル外形形状(例えば、直径、角度、長さ)を修正して、渦流励振、周波数及び振幅、又はチャンバ内の火炎形状に影響を与えることがある。 The downside of sloping fuel distribution in the combustor is the creation of hot temperature zones that promote NOx production. Thus, if excessive tilting is required to constrain dynamics or instability, regulatory NOx emissions limits may be breached, and in some cases, the unit may become inoperable. The LP combustion dynamics of industrial gas turbines are typically passively reduced in several ways (usually trial and error) that can be expensive and uncertain. This method includes 1) shifting the injection point to change the fuel transfer time from the fuel injection point to the flame front, 2) changing the size of the fuel injection orifice, pressure drop and acoustics across the hole Changing the impedance, and 3) modifying the chamber or nozzle profile (eg, diameter, angle, length) to affect vortex excitation, frequency and amplitude, or flame shape in the chamber .
これらの方法は、放熱のあらゆる摂動を燃焼チャンバ内の圧力又は音響摂動と位相ずれを生じさせる(すなわち位相で打ち消し合う)よう試みる。燃焼器ダイナミックスはまた、燃焼システムに音響減衰(例えば、ヘルムホルツ共鳴器又は4分の1の波長管)を付加することによって低減又は除去されている。これまでのところ、上記の方法は、プログラム中の初期設計段階の間に積極的にこれらを設計するのではなく、高燃焼器ダイナミックスの発見に対して事後的に考慮され実施される傾向があった。 These methods attempt to cause any perturbation of heat dissipation to be out of phase (ie, cancel out of phase) with pressure or acoustic perturbations in the combustion chamber. Combustor dynamics have also been reduced or eliminated by adding acoustic attenuation (eg, Helmholtz resonators or quarter wave tubes) to the combustion system. So far, the above methods tend not to be actively designed during the initial design phase of the program, but to be considered and implemented afterwards for the discovery of high combustor dynamics. there were.
従って、燃料混合気の品質に対する上記の平均許容度を有しながら、設計/作動空間内のあらゆる荷重で離散燃焼振動を励起又は駆動する可能性が統計的及び絶対的意味において基本的には遙かに少ない、簡単且つ拡張性のある安価なLP燃焼器を提供する必要性がある。上記解決策が見つかり、その結果、所与の設計作動空間において離散的ダイナミックスを継続的に生じるリスクが大幅に低減された場合には、所与のシステムにおける最小エミッションを求める調整の効率及び可能性が極めて増大することになる。本質的に、ダイナミックスは、もはや全体の燃焼器設計手順のうちのこのような重要且つ困難な要素ではない。
本発明は、希薄予混合半径方向流入マルチアニュラ多段ノズルを有するガスタービン燃焼器内に3つの独立燃焼ゾーンを生成し、これによって低窒素酸化物(NOx)エミッションを有する安定燃焼を可能にする装置及び方法に関する。 The present invention generates three independent combustion zones in a gas turbine combustor having a lean premixed radial inflow multi-annular multi-stage nozzle, thereby enabling stable combustion with low nitrogen oxide (NOx) emissions. And a method.
要約すると、本発明の1つの態様によれば、缶アニュラ型デュアル燃料ガスタービン燃焼器内に3つの独立燃焼ゾーンを生成する希薄予混合半径方向流入マルチアニュラ多段ノズルが提供される。希薄予混合半径方向流入マルチアニュラ多段ノズル(以下単一の大型半径方向ノズルと呼ぶ)は、中心カートリッジによって燃料供給されるパイロットゾーンと、内部主ガス燃料によって燃料供給される保炎器ゾーンと、外部主ガス燃料によって燃料供給される主火炎ゾーンと、ノズルへの流入空気の一部を内部主ガス燃料供給装置及び外部主ガス燃料供給装置で混合する主半径方向スワーラと、エンドカバーと、供給されたパイロットガス燃料、供給された内部主ガス燃料及び供給された外部主ガス燃料の比率を制御する手段とを含む。 In summary, according to one aspect of the present invention, a lean premixed radial inflow multi-annular multi-stage nozzle is provided that creates three independent combustion zones within a can-annular dual fuel gas turbine combustor. A lean premixed radial inflow multi-annular multistage nozzle (hereinafter referred to as a single large radial nozzle) includes a pilot zone fueled by a central cartridge, a flame holder zone fueled by internal main gas fuel, A main flame zone fueled by external main gas fuel, a main radial swirler that mixes part of the air flowing into the nozzle with the internal main gas fuel supply device and the external main gas fuel supply device, an end cover, and a supply Means for controlling the ratio of the supplied pilot gas fuel, the supplied internal main gas fuel and the supplied external main gas fuel.
本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジン用の缶アニュラ型デュアル燃料燃焼器が提供される。燃焼器は、エンドカバー上で燃焼器ケーシングに装着された外部バーナー管及び主半径方向スワーラを組み入れた、希薄予混合半径方向流入マルチアニュラ多段ノズル(以下単一の大型半径方向ノズルと呼ぶ)を含む。主燃焼ゾーンは、単一の大型半径方向ノズルの外部バーナー管から下流側に設けられる。圧縮機源から加圧空気の発生源が提供される。空気入口プレナムは、単一の大型半径方向ノズルを半径方向に囲み、燃焼器の外壁によって半径方向に境界付けられる。加圧空気のディフューザは、圧縮機から逆流路内の加圧空気を受け取り、回復圧力で加圧空気を入口プレナムに吐出する。主半径方向スワーラの上に装着され且つ外部バーナー管の一部を囲むフェアリングは、ディフューザから空気入口プレナムへの空気流を平滑化するために提供される。 According to another aspect of the present invention, a can-annular dual fuel combustor for a gas turbine engine is provided. The combustor is a lean premixed radial inflow multi-annular multi-stage nozzle (hereinafter referred to as a single large radial nozzle) incorporating an external burner tube mounted on the combustor casing on the end cover and a main radial swirler. Including. The main combustion zone is provided downstream from the outer burner tube of a single large radial nozzle. A source of pressurized air is provided from the compressor source. The air inlet plenum radially surrounds a single large radial nozzle and is radially bounded by the outer wall of the combustor. The pressurized air diffuser receives pressurized air in the reverse flow path from the compressor and discharges the pressurized air to the inlet plenum at the recovery pressure. A fairing mounted on the main radial swirler and surrounding a portion of the outer burner tube is provided to smooth the air flow from the diffuser to the air inlet plenum.
本発明の第3の態様によれば、独立燃焼ゾーンを有する希薄予混合半径方向流入マルチアニュラ多段ノズル(以下単一の大型半径方向ノズルと呼ぶ)を利用する方法が提供され、単一の大型半径方向ノズルは、低窒素酸化物(NOx)エミッションで安定燃焼を提供するガスタービン燃焼器内に、パイロットゾーン、保炎器ゾーン及び主ゾーンを含む。本方法は、ノズルへの空気の大きな供給を行う段階と、ノズル内ステージング段階と、空間中の多数の離散的ゾーンに放熱を分ける段階と、時間内に放熱を分配する段階と、下流側中心再循環ゾーンを通気する段階とを含む。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method utilizing a lean premixed radial inflow multi-annular multistage nozzle (hereinafter referred to as a single large radial nozzle) having an independent combustion zone. The radial nozzle includes a pilot zone, a flame holder zone, and a main zone in a gas turbine combustor that provides stable combustion with low nitrogen oxide (NOx) emissions. The method includes providing a large supply of air to the nozzle, an in-nozzle staging step, dividing the heat release into a number of discrete zones in space, distributing the heat release in time, and downstream center. Venting the recirculation zone.
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体にわたって同じ符号が同じ要素を表す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。 These and other features, aspects, and advantages of the present invention will become better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings in which like numerals represent like elements throughout the drawings.
本発明の以下の実施形態は、幾つかの革新的且つ固有の特徴:すなわち、(1)複数(例えば6つ)の予混合ノズル(1カンあたりで)及び燃焼器チャンバキャップをただ1つの大型半径方向ノズル及びライナ修正と置き換えて、これによってかなりの部品点数の削減、コスト節約、及び燃焼器のヘッドエンドの飛躍的な簡略化の達成を可能にすること、(2)後部に対するドーム拡散設計を用いて、ライナのドームを対流冷却すると同時に、大型半径方向ノズル内で燃料及び空気を予混合する前に静圧を回復することにより寄生圧力損失を低減し、予混合により多くの空気を利用可能にすること、(3)比較的低い圧力低下(例えば、<4パーセント)で大量の燃料(〜2lbm/sec)及び空気(〜60lbm/sec)を迅速(例えば、<3ミリ秒)且つ完全に蒸発及び混合させる能力を提供すること、及び(4)ガス燃料又は液体燃料のいずれかを用いて、必要なシステムのターンダウン性能及び低排出エミッションを依然として提供しながら、チャンバ内の放熱(時間及び空間内)及び燃料輸送時間の両方を戦略的に分配又はスミアアウトすることによって、現在の希薄予混合(LP)ガスタービン燃焼システムよりも動的によりロバストで且つ燃焼による振動を生じる傾向を低減すること、を含む多くの利点を有する。 The following embodiments of the present invention have several innovative and unique features: (1) multiple (eg, 6) premix nozzles (per can) and a single large combustor chamber cap. Replaced with radial nozzle and liner modifications, thereby enabling significant component savings, cost savings, and dramatic simplification of the combustor head end, (2) Dome diffusion design for the rear To reduce convective cooling of the dome of the liner while reducing static pressure loss by restoring static pressure before premixing fuel and air in a large radial nozzle and using more air for premixing Enabling (3) large amounts of fuel (~ 2 lbm / sec) and air (~ 60 lbm / sec) quickly (eg, with a relatively low pressure drop (eg <4 percent)) , <3 ms) and providing the ability to fully evaporate and mix, and (4) using either gas fuel or liquid fuel, still provide the required system turndown performance and low emissions. However, by dynamically distributing or smearing out both heat dissipation (in time and space) and fuel transport time in the chamber, it is more robust and combustible than current lean premixed (LP) gas turbine combustion systems Has many advantages, including reducing the tendency to cause vibrations.
設計の効果は多面的であり、すなわち、(1)飛躍的なコスト及び部品点数の削減のためカンあたりに5以上のノズル交換、(2)必要なエミッションレベルを維持しながら、産業用ガスタービン燃焼チャンバ内における離散周波数での燃焼ダイナミックス/振動の飛躍的な低減又は完全排除、(3)燃焼ダイナミックス改良の成功につながるガス及び液体燃料の柔軟性、(4)水噴射及び高圧噴霧器空気の必要性を排除すると同時に、No.2ディーゼル油様の液体燃料によるDLN、及び(5)1けた台(ppmv)の有害エミッションである。 The effects of the design are multifaceted: (1) Replacing 5 or more nozzles per can to dramatically reduce costs and parts count, (2) Industrial gas turbines while maintaining the required emission levels Dramatic reduction or complete elimination of combustion dynamics / vibrations at discrete frequencies in the combustion chamber, (3) flexibility of gas and liquid fuels that lead to successful combustion dynamics improvements, (4) water injection and high pressure atomizer air While eliminating the need for DLN with 2 diesel oil-like liquid fuel, and (5) 1 digit (ppmv) harmful emissions.
多ノズル配列から大きな単一ノズルに移行するのを成功させるためには、ノズル内ステージングを必要とする。この設計で用いられる傾斜したV字溝保炎器ゾーンは、主予混合ノズル内に燃料ステージングの領域を提供する。例えば、予混合器内のハブ(又は中心本体)の近くで燃料空気比をよりリッチにバイアスすると、中心保炎器ゾーンが、点火、機械加速度、低荷重作動、又は突然の荷重伝達の処理にとって有利(又は必要)とすることができるバイパス流に対してより高い等量比で燃焼することができる。他のステージング特徴(予混合パイロットのような)と併せて燃料空気比をバイアスすると、ガスタービン燃焼システム中のカンあたりの複数のノズル(例えば6つ)と置き換える単一の大型半径方向ノズルが可能になり、燃焼システム及びエンジン全体として相当な部品点数の削減及びコスト節約となる。燃焼ダイナミックスの低減は、設計空間内で生じる燃焼温度に対して有害排出ガス(例えば、未燃焼炭化水素(UHC)、NOx、及び一酸化炭素(CO))を維持又は低減しながら達成されることになる。 Successful transition from a multi-nozzle arrangement to a large single nozzle requires in-nozzle staging. The slanted V-groove flame holder zone used in this design provides an area for fuel staging within the main premix nozzle. For example, if the fuel-air ratio is biased richer near the hub (or center body) in the premixer, the center flameholder zone may be used for handling ignition, mechanical acceleration, low load operation, or sudden load transmission. It is possible to burn at a higher equivalence ratio to the bypass flow that can be advantageous (or necessary). Biasing the fuel air ratio in conjunction with other staging features (such as premixed pilots) allows a single large radial nozzle to replace multiple nozzles per can (eg 6) in a gas turbine combustion system As a result, the combustion system and the engine as a whole are considerably reduced in the number of parts and saved in cost. Reduction of combustion dynamics is achieved while maintaining or reducing harmful emissions (eg, unburned hydrocarbons (UHC), NOx, and carbon monoxide (CO)) relative to the combustion temperatures occurring in the design space. It will be.
希薄予混合された半径方向流入マルチアニュラ多段ノズル(以下単一の大型半径方向ノズルと呼ぶ)は、設計によって、十分に混合された反応物質のセットフラクション(例えば、ノズルの反応物質の約33パーセント)が、主チャンバの上流側の離散V字溝ゾーンの傾斜アレイとして燃焼するよう再配向されるときには、燃焼駆動の離散振動周波数を励起する可能性は低い。円錐V字溝パック構造体を通過する軸方向ジェットの配列は、幾つかの方法で離散的ダイナミックスを低減し、エミッションを改善する。 A lean premixed radial inflow multi-annular multi-stage nozzle (hereinafter referred to as a single large radial nozzle), by design, is a well-mixed reactant set fraction (eg, about 33 percent of the nozzle reactant). ) Is reoriented to burn as a tilted array of discrete V-groove zones upstream of the main chamber, it is unlikely to excite the discrete vibration frequency of the combustion drive. The arrangement of axial jets passing through the conical V-groove pack structure reduces discrete dynamics and improves emissions in several ways.
第1に、この配列により、放熱が空間中の多数の離散反応ゾーンに分かれ、各々は、全燃焼チャンバよりも遙かに小さい空間規模で反応する。これは、チャンバ内の特定の音響共鳴周波数で強調的に結合することができるエネルギー放出の量を効果的に制限する。 First, this arrangement divides heat dissipation into a number of discrete reaction zones in space, each reacting on a much smaller spatial scale than the entire combustion chamber. This effectively limits the amount of energy emission that can be emphasizedly coupled at a particular acoustic resonance frequency in the chamber.
第2に、傾斜したV字溝は多数の燃料輸送回数を生じ、時間内の放熱を分配(又はスミアアウト)する。すなわち、V字溝長さの範囲に沿った各点は、自己関連輸送時間、すなわち燃料噴射点と燃焼点との間の時間を有する。これはまた、特定のチャンバの音響共鳴周波数で強調的に結合することができる放熱エネルギーの量を効果的に制限する。 Secondly, the inclined V-groove produces a large number of fuel transfers and distributes (or smears out) the heat release in time. That is, each point along the V-groove length range has a self-relevant transport time, i.e., the time between the fuel injection point and the combustion point. This also effectively limits the amount of heat dissipated energy that can be stressfully coupled at the acoustic resonance frequency of a particular chamber.
第3に、デスワーラパックの機能は、渦流崩壊により生じる下流側の中心再循環ゾーン(CRZ)の「通気」である。中心円錐からのジェットの拡張配列は、非旋回軸方向モーメントをCRZ内へ直接噴射し、CRZの大きさ及びバルク滞留時間を低下させる。その結果、これは、燃焼生成物分子が燃焼器内部の一次領域(火炎)温度で費やす平均時間を短縮することによって、窒素酸化物(NOx)の生成を減少させる。NOx生成の「温度時間」の概念は、約2900Fの火炎温度でますます顕著になり、ここでサーマルNOx(又はZeldovich)機構が促進し始め、全体システムNOxレベルへの影響が有意に増大し始める。 Third, the function of the dewar swirl pack is the “venting” of the downstream central recirculation zone (CRZ) caused by vortex breakdown. The expanded array of jets from the central cone injects non-swirl axial moments directly into the CRZ, reducing the CRZ size and bulk residence time. As a result, this reduces the production of nitrogen oxides (NOx) by reducing the average time that combustion product molecules spend in the primary region (flame) temperature inside the combustor. The concept of “temperature time” for NOx generation becomes increasingly pronounced at a flame temperature of about 2900 F, where the thermal NOx (or Zeldovich) mechanism begins to promote and the impact on the overall system NOx level begins to increase significantly. .
ノズルは更に、水及び噴霧器空気を必要としないディーゼル液体燃料で動作するための非コークス設計を更に提供する。設計の態様は、高い信頼性のために絶縁燃料ギャラリー壁により燃料ギャラリーコークス化を防止する。液体燃料は、迅速に噴霧され、予混合空気流内に完全に分散され、該燃料を高温予混合表面から離して維持し、蒸発させてすぐに空気と混合させる。液体噴射方式は、ガス動作に悪影響を与えることはない。水噴射及び高圧噴霧器空気の必要性が排除されることにより、コスト節約が更にもたらされる。 The nozzle further provides a non-coke design for operation with diesel liquid fuel that does not require water and nebulizer air. The design aspect prevents fuel gallery coking with insulating fuel gallery walls for high reliability. The liquid fuel is rapidly atomized and completely dispersed within the premixed air stream, keeping the fuel away from the hot premixed surface and allowing it to evaporate and immediately mix with air. The liquid injection method does not adversely affect the gas operation. Eliminating the need for water jets and high pressure nebulizer air further provides cost savings.
完全な燃料空気混合は、迅速(約2ミリ秒)で完全(97パーセントより大きい)であり、低予混合器差圧(〜2パーセント)を必要とし、これによって、より短くより小型の設計をもたらし、且つ「先進的な」ガスタービン条件でディーゼルの自動点火時間未満に滞留まるための必要な予混合器滞留時間を短縮する。 Complete fuel-air mixing is fast (about 2 milliseconds) and complete (greater than 97 percent) and requires a low premixer differential pressure (~ 2 percent), which makes shorter and smaller designs And reduces the premixer residence time required to stay below the auto ignition time of diesel in “advanced” gas turbine conditions.
本発明の幾つかの別の態様及び利点は、本明細書で明らかになるであろう。ターンダウン能力は、燃料ステージング(3つの擬似独立燃焼ゾーン)を介して強化される。後方冷却ドームを用いることにより、火炎ゾーン中のライナ冷却空気の必要性が排除される。 Several other aspects and advantages of the present invention will become apparent herein. Turndown capability is enhanced through fuel staging (three quasi-independent combustion zones). By using a rear cooling dome, the need for liner cooling air in the flame zone is eliminated.
同様に、軸対称の半径方向燃焼ステージングは、燃焼器ライナを非対称荷重に曝すことなく、これによって改良された燃焼ライナ耐久性がもたらされる。 Similarly, axisymmetric radial combustion staging does not expose the combustor liner to asymmetric loading, thereby providing improved combustion liner durability.
更に、内部予混合器保炎抵抗/マージンが改良されると、予混合器ノズル全体にわたって流れが加速され、バルク速度が約300ft/secを超えて維持される。 Further, as the internal premixer flame holding resistance / margin is improved, flow is accelerated throughout the premixer nozzle and the bulk velocity is maintained above about 300 ft / sec.
V字溝リーン角度(半径方向対軸方向平面)及びデスワーラのベーンプロファイルは、最適化のために2つのパラメータとして選択された。V字溝リーン角度は、独立燃焼ゾーンを支持するために明確に定義された連続V字溝伴流を依然として生成しながら、リーン角度を最大にするように30度〜60度の間で変化した。非反応CFDでは、40度構成は、一定に保持されている他のノズル特徴部により依然として連続V字溝伴流を生成した最大角度であった。デスワーラベーンプロファイルは、入口ベーン角度を流入旋回流と位置合わせして、カスケード形状を用いてパックの流れを加速し、これによりあらゆるパック内の流れの分離を防止することにより、調整/最適化に成功した。 The V-groove lean angle (radial versus axial plane) and the dewarer vane profile were selected as two parameters for optimization. The V-groove lean angle varied between 30 and 60 degrees to maximize the lean angle while still producing a well-defined continuous V-groove wake to support the independent combustion zone. . For unreacted CFD, the 40 degree configuration was the maximum angle that still produced a continuous V-groove wake with other nozzle features held constant. Dewarra vane profile is tuned / optimized by aligning the inlet vane angle with the incoming swirl flow and accelerating the pack flow using a cascade shape, thereby preventing any flow separation in any pack succeeded in.
図2は、本発明の燃焼器に採用された本発明の大型単一半径方向ノズルの実施形態を示す。大型単一半径方向ノズル燃焼器100は、ほぼ円筒状の燃焼器ケーシング105を含み、燃焼ライナをトランジションピースに差し込むことによってタービンと接続するため、開放前方端部でトランジションピース(図示せず)に対して固定することができる。次いでトランジションピースは、通常の方法でボルトによりタービンケーシングに開放前方端部で固定することができる。燃焼器ケーシングの後方端部は、ガス燃料、液体燃料、空気、及び出力(図示せず)用の供給管、マニホルド、弁及び取り付け具のための従来のパッケージに適合可能なエンドカバー組立体130によって閉鎖される。エンドカバー組立体130は、大型半径方向ノズル組立体120の一部であり、これを燃焼器ケーシング105に固定する。
FIG. 2 shows an embodiment of the large single radial nozzle of the present invention employed in the combustor of the present invention. The large single
燃焼ケーシング105内では、ほぼ同心関係でフロースリーブ106が装着されている。フロースリーブ106内では、前方端部112で移行ライナ(図示せず)の内壁に接続されてここに差し込まれる、同心状に配列された燃焼ライナ110がある。燃焼ライナ110の後方端部は、切頭円錐ドーム111を主燃焼チャンバ114上に形成し、該切頭円錐ドーム111は、大型半径方向ノズル120から燃料及び燃焼生成物の流れに対して中心で開いており、更に、大型半径方向ノズル120の外部バーナー管113と組み合わされている。
In the
燃焼プロセスの空気は、空気圧縮機からトランジションピース(図1に関して上述したように)に、更にそこからフロースリーブと燃焼ライナの外壁との間の環状空間115を通って引き出すことができる。環状空間の後端部では、同心装着ディフューザ116が、大型半径方向ノズル120の入口プレナム117内に空気を膨張させる。ドーム111は、ディフューザ116の内部同心壁として機能を果たし、これによってディフューザ116を貫流する空気によりドーム111の後方冷却を可能にする。同時に、ディフューザ116は、大型半径方向ノズル120において燃料及び空気を予混合する前に空気の静圧を回復し、より少ない寄生的圧力損失及び予混合に利用できるより多くの空気をもたらす。大型半径方向ノズル120の中心周りのフェアリング118は、寄生的圧力損失を更に低下させる入口プレナム117への空気流入を円滑にする。
Combustion process air can be drawn from the air compressor to the transition piece (as described above with respect to FIG. 1) and from there through an
大型半径方向ノズル120は更に、主半径方向スワーラ140、ガスパイロットノズル150、V字溝保炎器160を有する中心保炎器、及び外部保炎器170を更に含む。中心保炎器160及び外部保炎器170は、これらの前方端部上で主燃焼チャンバ114に開く。
The large
エンドカバー130は、燃焼器ケーシング105と組み合わせて燃焼器100内の半径方向ノズル組立体120を支持するように設計されたほぼ円筒形のフランジとすることができる。エンドカバー130の後面135は、デュアル燃料(ガス及び液体燃料)並びにガスパイロットノズル150の進入を可能にする。外部主ガス供給装置190、内部主ガス供給装置190、及び複数の液体ガス接続部195の1つが図3Aに示される。燃料及び空気の進入配置により、燃料、空気及び出力ライン(図示せず)の既存の燃焼器構成への接続を可能にする。
The
図3Aは、本発明の大型単一半径方向ノズルの実施形態の内部構造を示す等角切り欠き図を示す。図3Bは、本発明の大型単一半径方向ノズルの実施形態の内部構造を示す軸方向断面図を示す。ノズルは、中心軸200に沿って軸対称である。
FIG. 3A shows an isometric cutaway view showing the internal structure of an embodiment of a large single radial nozzle of the present invention. FIG. 3B shows an axial cross-sectional view showing the internal structure of an embodiment of a large single radial nozzle of the present invention. The nozzle is axisymmetric along the
エンドカバー組立体130は、後部セクション201、前部セクション202及び中心キャビティ203を有するエンドカバープレート205を含む。主半径方向スワーラ140は、後方プレート240、複数の旋回ベーン250及び内部に中心キャビティ265を有する中心ハブ260を含む。後方プレート240は、装着面241にてエンドカバープレート205にボルト留めされる。
中心保炎器160は、中心ハブ260の上に装着される。中心保炎器160の中心ハブ285は、主半径方向スワーラ140の中心ハブ260と組み合わせて、中心保炎器160を半径方向及び軸方向に支持する。半径方向ベーン360は、中心ハブ285から内部バーナー管300を支持する。複数のV字溝290は、内部バーナー管300と中心ハブ285との間に延びる。中心キャビティ278は、中心ハブ285内に形成される。主半径方向スワーラ140の旋回ベーン250上には、円筒外部バーナー管175を有する外部保炎器170が、半径方向外向きに広がり且つ旋回ベーン250の上部にボルト183で取り付けるベースセクション180により装着される。外部バーナー管175の下流側端部178はまた、外向きに広がり、燃焼器の円錐ドーム111(図2)に対する支持を提供するよう強化される。支持レッジ179は、燃焼器円錐ドーム111と組み合わされる。主半径方向スワーラ140からの燃料空気混合気は、保炎器ゾーンスルー402及び主ゾーンスルー405(図7)に移る。中心キャビティ203、265及び278は、液体パイロット及び点火装置を含むガスパイロット及び中心カートリッジを含むガスパイロットノズル150の挿入を可能にする。
The
図4は、取り付け可能な燃焼器に関しての本発明の大型単一半径方向ノズルの実施形態のエンドカバープレートの後端部図を示す。エンドカバープレート205は、統合円筒形後部セクション201と小さな直径の円筒形前部セクション202(図3A)とを含み、両方の層は、ノズルの中心軸200上に中心がある。後部セクション201は、燃焼器(図示せず)の後部座面と組み合わせるような半径方向の大きさにされ、燃焼器の座面に取り付けるための外部セクション201の外部円周方向表面207に対し軸方向に近接して形成された複数のボルト孔206を組み入れる。後部セクション201はまた、ボルト留めに備えて燃焼器の座面に対して後部セクション201を位置付けるために複数のパイロット孔208(同様に導かれた)を含むことができる。前部セクション202の前方座面205はまた、ノズルの中心軸200と同心の円形構成で、且つ主半径方向スワーラ250(図3A)の後方プレート240の装着面241からボルトを受けるように適合された複数のボルト孔209を含むことができる。
FIG. 4 shows a rear end view of the end cover plate of the large single radial nozzle embodiment of the present invention with respect to an attachable combustor. The
2つの独立したガス燃料供給装置は、エンドカバープレート205に接続することができる。後部セクション201は、外部主ガス燃料供給装置(図示せず)に接続するために、外部主ガス入口フランジ217により外部主ガス供給入口パイプ216に取り付けられた外部主ガス進入部215を含む。後部セクション201はまた、内部主ガス供給装置(図示せず)に接続するための取り付け具219と共に内部主ガス進入部220を含む。エンドカバープレート205はまた、ノズルの中心軸200に対し同心状に位置する複数の液体燃料供給進入部243を含むことができる。
Two independent gas fuel supply devices can be connected to the
図4はまた、ガスパイロットノズル150の後端部を示す。中心キャビティ203は、中心軸200から半径方向に延び且つガスパイロットノズルの挿入用の後部セクション201及び前部セクション202を通って延びるエンドカバープレート205内に定められる。中心キャビティ203は、ガスパイロットノズル150を装着するガスパイロットノズル後部フランジ212と組み合わせるために、ネジ接続部を有するガスパイロットノズル座面210(図3B)を含む。
FIG. 4 also shows the rear end of the
図5は、本発明のノズルの実施形態のエンドカバー及び後方プレートの燃料ギャラリーを示す。外部主ガス進入部215(図4)は、エンドカバープレート205内の外部主ガスギャラリー310に接続される。外部主ガスギャラリー310は、ノズルの中心軸200と同心の環状チャンバを定める。外部主ガスギャラリー310の内壁311及び外壁312は、外部主ガスギャラリー310の開放上端部315が主スワーラ後方プレート240内の複数の対応する外部主ガスチャネル665(図3B)と連通するように、ノズルの中心軸200に対して半径方向に位置することができる。
FIG. 5 shows a fuel gallery of the end cover and back plate of the nozzle embodiment of the present invention. External main gas entry 215 (FIG. 4) is connected to external
内部主ガス進入部220は、エンドカバープレート205内の内部主ガスギャラリー330に接続される。内部主ガスギャラリー330は、ノズルの中心軸200と同心の環状チャンバを定める。内部主ガスギャラリー330の内壁317及び外壁318は、ノズルの中心軸200に対し同心状にあることができる。内部主ガスギャラリー330は、外部主ガスチャネル310と中心キャビティ203との間に半径方向に配置される。内部主ガスギャラリーの内壁317及び外壁318は、内部主ガスギャラリー330の開放上端部319が主スワーラ後方プレート240内の内部主ガスチャネル680(図7)と連通して、内部主ガスを旋回ベーン250間のベース表面242上の内部主ガス噴射点695に供給するように半径方向に配置される。
The internal main gas entry part 220 is connected to the internal
液体燃料供給進入部243は、エンドカバー205の後部セクション201を通って軸方向に延び、主液体燃料ギャラリー244と連通する。主液体燃料ギャラリー244は、ノズルの中心軸200と同心で、且つ液体燃料供給進入部243及び液体燃料送出進入部246を除いて密封された環状チャンバを定める。主液体燃料ギャラリー244は、エンドカバープレート205上の液体燃料供給進入部後部243及び液体燃料送出進入部246前部と位置合わせするよう半径方向に配置される。液体燃料送出進入部246は、エンドカバー205の前部セクション202を通って延びて、主スワーラ後方プレート240内の液体燃料用の噴霧器248につながる、主半径方向スワーラ後方プレート240内の対応する液体燃料送出進入部247と組み合わせる。主液体燃料ギャラリー244の壁と、エンドカバー205の液体燃料供給進入部及び液体燃料送出進入部246と、後方プレート240の燃料送出進入部247とは、ディーゼル液体燃料のコークス化が始まる華氏290度未満の壁温度を保持するために絶縁ライニング249を備えることができる。取り付け具218は、液体燃料供給装置に接続するために液体燃料供給進入部の外部に設けられる。
The liquid
エンドカバープレート205及び主スワーラ後方プレート240は、金属間座面241内で組み合わされるので、座面204、241に沿って燃料キャビティからの可能性のある漏洩を隔離することが可能となる。ノズル中心軸200と同心の3つの環状凹部(図5)は、エンドカバープレート205の上部座面204上に設けることができる。第1の凹部381は、外部主ガスギャラリー310の機外に設けられる。第2の凹部382は、外部主ガスギャラリー310と内部主ガスギャラリー330との間に設けられる。第3の凹部383は、内部主ガスギャラリー330の機内に設けられる。凹部は、座面に沿った流れを防止するために、Cリング又は他の好適なガスケット材料を備えることができる。
Because the
図6A−6Eは、本発明のノズルの実施形態の主半径方向スワーラの図を示す。図6Aは、本発明のノズルの実施形態の主半径方向スワーラの等角図を示す。図6Bは、本発明のノズルの実施形態の主半径方向スワーラ上の主旋回ベーンの詳細を示す。図6Cは、本発明のノズルの実施形態の主半径方向スワーラの正面図を示す。図6Dは、本発明のノズルの実施形態の主半径方向スワーラの主旋回ベーン及び中心ハブを通る断面図を示す。図6Eは、本発明のノズルの実施形態の主半径方向スワーラの後方プレート及び中心ハブを通る断面図を示す。 6A-6E show views of the main radial swirler of an embodiment of the nozzle of the present invention. FIG. 6A shows an isometric view of the main radial swirler of an embodiment of the nozzle of the present invention. FIG. 6B shows details of the main swirl vane on the main radial swirler of the nozzle embodiment of the present invention. FIG. 6C shows a front view of the main radial swirler of the nozzle embodiment of the present invention. FIG. 6D shows a cross-sectional view through the main swirl vane and central hub of the main radial swirler of the nozzle embodiment of the present invention. FIG. 6E shows a cross-sectional view through the rear plate and central hub of the main radial swirler of the nozzle embodiment of the present invention.
主半径方向スワーラ140は、統合中心ハブ260と、後方プレート240上に装着され且つ後方プレート240に直角に(燃焼ゾーンに向かって下流側に)突出する複数の主旋回ベーン250と、ガスパイロットノズル150及び後方プレート内の一連の内部通路を収容する中心キャビティ265と、燃料及び空気の流れを提供する主旋回ベーン250とを含む。
The main
後方プレート240は、ノズルの中心軸200上に中心がある円筒形フランジを含む。後方プレート240のベース表面241は、エンドカバープレート205の前方表面と半径方向に組み合わせるような大きさにされる。後方プレートの装着面242は、後方プレート240の周りのボルト孔372を収容する複数の凹部371を組み入れる。ボルト孔372は、後方プレート240のベース表面241を貫通して延び、エンドカバープレート205の前方表面204上のボルト孔209と位置合わせされる。後方プレート240の装着面242は、複数の主旋回ベーン250の装着と、主半径方向スワーラ140内の空気流ストリームへの燃料の噴射点の収納とを可能にする。
The
各々が固体金属翼形部610を含む複数の主旋回ベーン250は、後方プレート240に対し直角に装着され、燃焼ゾーンに向かって軸方向に突出することができる。主旋回ベーン250は、周辺ボルト孔凹部371から半径方向機内に且つ中心ハブ260から半径方向機外に装着することができる。各翼形部の前縁615は、ほぼ半径方向に外向きに突出し、後縁620は、ほぼ半径方向に内向きに突出する。各翼形部の軸625は、ノズルの中心軸200から半径635の予め指定された鋭角α(約15度)を形成することができる。翼形部610の前縁615が湾曲面を形成する場合、翼形部610の側面640、641は、共通線形後縁620に対し直線テーパーを形成することができる。翼形部610の底面645及び上面650は平面を形成する。底面645は、溶接又は他の好適なプロセスによって後方プレート240の装着面242に装着することができる。
A plurality of
外部主ガス燃料の複数の噴射点655は、湾曲前縁615のすぐ機内側の翼形部610の1つの側面640上でノズルの中心軸200と同心の半径に沿って設けられる。外部主ガス燃料の噴射は、隣接旋回ベーン間を通る空気流660にほぼ垂直に行われる。しかしながら、噴射点655はまた、本発明の実施形態に含まれる以外の翼形部の両側面上及び他の場所に設けることができる。噴射点は、翼形部610の側面640に沿って軸方向にほぼ均等に離間して配置され、円周方向の予混合空間605において翼形部610間の空気流660に外部主ガス燃料を均等に分配可能にすることができる。翼形部610は更に、噴射孔657を提供する内部燃料キャビティ665を含む。燃料キャビティ665は、ベース表面241から軸方向に翼形部610内に立ち上がり、噴射孔657近傍まで延びて連通するほぼ円筒形の孔とすることができる。燃料キャビティ665は、エンドプレート205内の燃料キャビティ310から外部主ガス燃料を導く。各翼形部610内の噴射孔657は、円筒状燃料キャビティ665に対して半径方向に延びて噴射点655に燃料を供給する。各翼形部610の上面650は更に、外部バーナー管175を主旋回ベーン250に固定するためのネジ穴670を含むことができる。
A plurality of external main gas fuel injection points 655 are provided along a radius concentric with the
後方プレート240内の内部主ガス進入部680(図7)は、エンドカバープレート205内の内部主ガスギャラリー330から後方プレート240の装着面242に向かって半径方向に延びる。ガス放出を制御するため、オリフィス685を内部主ガス進入部680の各々に設けることができる。噴射点690は、隣接翼形部610の側面640、642からほぼ等距離で且つ該隣接翼形部610の側面640、642に沿ったほぼ中間の地点にある装着面242上に設けられる。例示的な24個の翼形部610では、24個の噴射点690が設けられる。後方プレート240の装着面242の僅か上に延びる各噴射点690における噴射口695は、ガスが装着面の空気層流上に噴射されるようにする。
The internal main gas entry 680 (FIG. 7) in the
上述のようなガス作動中、ガス燃料は、翼形部610の側壁640に沿って軸方向に位置する多数の噴射点655から、及び後方プレート240の装着面242上の噴射点695から主半径方向スワーラ140の空気流に噴射される。主ガス燃料は、図4に示す2つの独立供給源から供給され、環状旋回容積(予混合器アニュラス)255内の燃料空気混合気の半径方向プロファイルに影響を与えるようにする。すなわち、最終的に中心保炎器デバイスを通過する中心ハブ260近くの混合気は、2つの発生源からの燃料供給の比率を変えることによって、旋回ベーン250近くの混合気(中心保炎器を迂回する)と比較してリッチ又は希薄にすることができる。外部手段は、供給された内部主ガス燃料と供給された外部主ガス燃料のこの比率を制御するように供給することができる。これは、ノズルの外部で作用させることができる当技術分野で公知のスロットル制御器、圧力制御器又は他の手段を含むことができる。
During gas operation as described above, the gas fuel has a primary radius from a number of injection points 655 that are axially located along the
複数の液体燃料噴射点245はまた、液体燃料で作動するために後方プレート240の装着面242上に設けられる。液体燃料噴射点245は、後方プレート240内の液体燃料送出チャネル246の上に位置付けられる。後方プレート240内の液体燃料チャネル246は、断熱層249を含むことができる。液体燃料噴射点245は、中心軸200と同心にあり、翼形部610の後縁620のほぼ中心で環状旋回容積255内の液体燃料を噴射するように位置付けることができる。例示的な配列では、6つの液体燃料噴射点245が、装着面242の周囲に円周方向に等距離で設けられる。各液体燃料噴射点245は、液体燃料送出チャネル247用のネジ253に取り付ける円錐形の噴霧器248を含む先端部252を備える。噴霧器248は、装着面242に垂直な軸方向の空気流に液体燃料を噴霧する。
A plurality of liquid fuel injection points 245 are also provided on the mounting
図7は、本発明のノズルの実施形態の独立燃焼ゾーンを確立する空気流及び燃料空気流を描いた、本発明の燃焼器のヘッドエンドの断面図を示す。前述のように、図5−7を参照すると、大型単一半径方向ノズルを組み入れた本発明の燃焼器は、3つの独立燃焼ゾーンを提供する。パイロットガスノズル150は、パイロット燃焼ゾーンZ1を生成する。保炎器燃焼ゾーンZ2は、中心保炎器160内のV字溝290を越えて通るデスワーラ280から軸流によって生成される。主燃焼ゾーンZ3は、中心保炎器160の内部バーナー管300と外部保炎器170の外部バーナー管175との間から主燃焼チャンバ114に流れる燃料空気混合気によって生成される。
FIG. 7 shows a cross-sectional view of the head end of the combustor of the present invention depicting the air flow and fuel air flow establishing the independent combustion zone of the nozzle embodiment of the present invention. As mentioned above, referring to FIGS. 5-7, the combustor of the present invention incorporating a large single radial nozzle provides three independent combustion zones. The
ディフューザ116からの空気流は、入口プレナム117に流入する。主旋回ベーン250は、燃焼器用の入口プレナム117からの流入空気のための流路660を確立する。ノズルに入る空気の約95パーセントは、主旋回ベーン250の間を流れる。翼形部610から噴射された外部主ガス及び装着面242上の噴射点690から噴射された内部主ガス、及び/又は噴霧器248から噴射された液体燃料を有する流入空気は、翼形部610によって導かれ、環状旋回容積255(旋回ベーンと中心ハブとの間の容積)を通って反時計回り方向(燃焼端部から見て)に旋回される。環状旋回容積255内では、連続旋回により空気と燃料が更に混合される。
The air flow from the
中心ハブ260は、ノズルの中心軸200上に中心がある外部切頭円筒状円錐面を含み、中心保炎器160内に立ち上がったときに、主旋回ベーンから円周方向に流れる燃料空気混合気に対する流れ抵抗を最小にする。中心ハブ260は、後方プレート240の装着面242から立ち上がり内側に凹面状に傾斜した平滑面を形成し、中心保炎器160の半径方向及び軸方向支持部を形成する。具体的には、その切頭上流範囲において、中心ハブ260は中心保炎器160の外部環状支持レッジ273を提供する。中心ハブ260の内面263は、ガスパイロットノズル150を収容するキャビティ165を定め、ガスパイロットノズル150への空気の内部流路を含む。中心ハブの内面263は、中心保炎器160用の内部環状装着レッジ274を更に含む。
The
後方プレート内の一連の内部通路は、エンドカバー内の外部主ガスギャラリーから旋回ベーンまでの外部主ガス用通路と、後方プレートの装着面上のガス噴射器までのエンドカバー内の内部主ガスギャラリー用通路と、エンドカバー内の液体燃料送出進入部から後方プレートの装着面上の噴霧器までの液体燃料用の通路と、後方プレートの円周方向外縁から半径方向ノズル中心/コアに対する冷却及びパイロット予混合空気用の中心キャビティまでの空気通路とを含む。 The series of internal passages in the rear plate are the internal main gas gallery in the end cover to the external main gas passage from the outer main gas gallery in the end cover to the swirl vane and the gas injector on the mounting surface of the rear plate. A passage for liquid fuel from the liquid fuel delivery entrance in the end cover to the sprayer on the mounting surface of the rear plate, and cooling and pilot pre-cooling from the circumferential outer edge of the rear plate to the radial nozzle center / core. Air passage to the central cavity for the mixed air.
後方プレート240の装着面242上の内部主ガス噴射器先端695への内部主ガス用の内部通路680は、ガス噴射器先端695に対するガス流量を制御するため各通路内にオリフィス685を含むことができる。後方プレート240の外部円周方向表面257は、中心キャビティ265に対し内向きに向けられた複数の半径方向供給孔275を含み、冷却空気及びパイロット予混合空気の流れを中心キャビティ265に供給する。外部主ガス270、内部主ガス680、及び液体燃料247用の後方プレート内の軸方向通路は、種々の半径方向供給孔275間の円周方向位置に置かれる。
The internal main gas
中心保炎器160は、中心ハブ285、中心キャビティ278、デスワーラ280、及び複数のV字溝290、内部バーナー管300並びに支持タワー295を含むことができる。
The
主旋回ベーン250の間からの空気流は環状旋回容積255内の回転流に強制的に送り込まれるので、出口経路だけが下流側にある。主半径方向スワーラ240内で旋回された燃料空気混合気の約30パーセントが中心保炎器160に入る。中心保炎器160は、主半径方向スワーラ240の中心ハブ260の上に位置する支持タワー350を含む。支持タワー350は、中心ハブ260の円筒支持ハブの外部支持レッジ273及び内部支持レッジ274と組み合わせて、中心保炎器160用の軸方向及び半径方向支持部を提供する。支持タワー300の支持アーム355は、外部支持レッジ273及び内部支持レッジ274上に着座する。支持タワー295及び中心ハブ285内の中心キャビティ280は、ガスパイロットノズル150を受け入れることができる。
Since the air flow from between the
図8を参照すると、支持タワー295の上には、デスワーラ280と、同心状にハブが装着された円錐型V字溝保炎器パックが位置する。デスワーラ280は、中心ハブ285と内部バーナー管295との間に複数の環状区画345を含む。環状区画345は、燃料空気混合気の上流側入口347及び下流側出口348で開いている。半径方向ベーン360は、各個々の環状区画345間に設けられ、中心ハブ285から内部バーナー管295に延びる。各半径方向ベーン360は、上流側入口347における幾分平坦な傾斜から環状区画345の下流側出口348における急傾斜にまで湾曲する。上流側入口における平坦な軸方向傾斜は、主半径方向スワーラ140の主旋回ベーン250から燃料空気混合気の旋回している円周方向流れの受け入れに対応する。主半径方向スワーラ140の環状旋回容積255からの燃料空気混合気の約30パーセントは、デスワーラ280の環状区画345に流入する。半径方向ベーン360の変化する傾斜は、円周方向流れを各個々の環状区画360から出る軸方向配向流れに再配向する。再配向された軸方向流れは、前述のように中心再循環ゾーン(CRZ)の通気を行う。
Referring to FIG. 8, on the
図3B及び図8を参照すると、中心ハブ285の環状先端380は、平面Iを形成する。内部バーナー管295の環状先端は、平面IIを形成する。平面Iは平面IIの下流側にある。これらの下流側端部にあるデスワーラ280の半径方向ベーン360は、約30パーセントの傾斜で立ち上がる、中心ハブ285の環状先端380と内部バーナー管300の先端385との間で傾斜エッジを形成する。
With reference to FIGS. 3B and 8, the
V字溝290は、各半径方向ベーン360の下流側端部に設けられる。V字溝290は、下流側に面する開放端部376を有するV字形要素375を含む。V字形要素376の頂点377は、半径方向壁360の下流側縁部に沿って且つ内部バーナー管300の先端385を通り中心ハブの環状先端380に取り付けられ、該先端を通って延びる。
A V-shaped
外部保炎器170は、上流側端部で広がり、主スワーラと組み合わせるための環状座面を形成する、ほぼ円筒状の外部バーナー管175を含む。円筒管は、中心保炎器160を越えて燃焼チャンバを半径方向に囲み且つこれに向かって延びる。外部バーナー管175の下流側端部190が強化される。レッジ195は、燃焼器の円錐ドーム111(図2)と係合する座面を提供する。外部バーナー管175の環状座面180は、その上流側端部で半径方向外向きに広がる。座面180は、主半径方向スワーラ140の主スワーラ250上にルーフを形成し、これによって主半径方向スワーラ140から下流側流路402及び405への燃料空気混合気の出口経路を制限する。座面180は、翼形部上の各ネジ穴に1つのボルトがある、複数のボルトを有する主旋回ベーンの各翼形部の上部に取り付けることができる。主半径方向スワーラ140から燃焼空間への燃料空気混合気の残りの70パーセントの流れ405のために、環状空間が中心保炎器160の内部バーナー管295と外部保炎器170の外部バーナー管175との間に形成される。
The
図8は、本発明の大型単一半径方向ノズルの実施形態の中心保炎器、ガスパイロットアニュラス、及び中心カートリッジを示す。入口空気プレナムからの流入空気の残りの5パーセントの空気流路は、後方プレート240の円周方向エッジ257から複数の半径方向進入部275(実施形態では12)を通ってノズル140の中心キャビティ260に供給する。
FIG. 8 shows the central flame holder, gas pilot annulus, and central cartridge of an embodiment of the large single radial nozzle of the present invention. The remaining 5 percent air flow path of the incoming air from the inlet air plenum passes from the
着火、燃焼器ターンダウンを達成し安定性を改善する手段として、中心ガスパイロットノズル150が上流側の最小直径端部の円錐保炎器容積の内側に配置される。ガスパイロットノズル150は、点火装置/火炎検出器及び液体ガスパイロットを含むことができる中心カートリッジ155を提供する。
As a means of achieving ignition, combustor turndown and improving stability, a central
主半径方向スワーラ140に対する後方プレート240の円周方向表面257内の半径方向フロー孔275を通って入る半径方向ノズルへの空気流のほぼ5パーセントは、内部で分割される。この空気の約80パーセントは、中心ハブの中心キャビティ265の内壁とガスパイロットノズル150の環状シェル810の外面812との間の空気供給アニュラスを通って環状軸方向旋回ガスパイロット予混合器855に向けて前方に流れる。空気の残りの部分は、環状シェル810内の複数の半径方向供給孔875を通って、液体パイロット噴霧並びに中心カートリッジ先端の冷却及びパージに用いる中心カートリッジに流れる。
Approximately 5 percent of the air flow to the radial nozzles entering through the radial flow holes 275 in the
図9A及び9Bは、本発明の大型単一半径方向ノズルの実施形態のガスパイロットノズルのノズル本体を示す。 9A and 9B show the nozzle body of the gas pilot nozzle of the large single radial nozzle embodiment of the present invention.
ガスパイロットノズル150は、エンドカバープレート205を通ってノズル140の中心キャビティ203に後装荷することができる、環状シェル810を備えた本体805を含む。環状シェル810は、その前方表面817をエンドカバー205の中心キャビティ203内の着座レッジ210に装着するために複数のボルト孔816を有する後部フランジ815をその後端部に含む。後部フランジ815はまた、中心カートリッジ155の挿入用の中心孔818を備え、且つ中心キャビティの周りの後方表面820上に隆起面819を含み、ガスパイロット後部フランジ815に中心カートリッジ155をボルト留めするためのネジ穴821を組み入れている。後部フランジ815はまた、ガスパイロット動作用のパイロットガス燃料供給装置に接続する進入部230を備える。
The
ガスパイロットノズル本体805は、ノズル120の中心キャビティ203、265、278を通って中心保炎器160の円筒ハブ370に延びる。ガスパイロット環状シェル810は、後端部から前端部まで次第に先細になる。環状シェル810は、下側シェル835、テーパーシェル840、中心シェル845及びテーパーヘッド850を含む。
The gas
環状ガスパイロット空気流空間864はまた、円筒ハブ370の内壁368とテーパーシェル840及び中心シェル845の外面842、847を有する支持タワー295の内壁296との間に定められる。後方プレート240内の中心半径方向供給孔275の内部半径方向端部277からの空気は、ガスパイロット空気流空間864に入り、軸方向旋回ガスパイロット予混合器855に前方軸方向に流れる。
An annular gas
パイロットガス燃料用の後部フランジ815内の進入部230は、環状シェル810内に内部パイロットガス燃料キャビティ862を提供する。下側シェル835内の内部パイロットガス燃料キャビティ842は、環状シェル810の内壁と中心カートリッジ155の外面872との間の環状パイロットガス空間866にパイロットガス燃料を供給する。テーパーヘッド850は、円筒ハブ370に近接近して延びて、テーパー環状ヘッド850の外面830と円筒ハブ370の内面368との間にガスパイロットアニュラス825を形成する。複数のパイロットガス燃料孔860は、パイロットガス燃料噴射点を提供する隣接軸方向混合ベーン857間の上流側入口で環状シェルを通って半径方向に延びる。中心シェル845の前方部分は、空気流空間864の下流側に移動するガスパイロット燃料及び空気を混合するために外面847上の翼形部の全体形状において複数の軸方向混合ベーン857を収容し、これによって環状軸方向旋回ガスパイロット予混合器855を構成する。
An
中心カートリッジ155は、後方フランジ224上に装着された円筒体405を含む。中心カートリッジ155は、ガスパイロットノズル本体805の中心キャビティ203に挿入され、後方フランジ224を通って隆起した後方表面820上にボルト留めされる。後方フランジ224は、点火装置及び火炎検出器236に対してその円周方向表面上に接続するための軸方向進入部と、液体パイロット燃料用の半径方向進入部232と、空気用の半径方向進入部234とを提供する。中心カートリッジ155は、ノズルの中心軸200と位置合わせされる。
図10は、本発明のノズルの実施形態の中心カートリッジ155の軸方向先端部断面図を示す。中心カートリッジ155は、カートリッジ壁872内及び端部先端885の傍の下流側端部で半径方向に囲まれる。点火装置875は、中心カートリッジフランジ224から端部先端885に軸方向に延びる。液体燃料パイロット880は、中心カートリッジフランジ224から端部先端885に延びる。空気キャビティ873は、中心カートリッジ内で用いるための空気を受ける。中心カートリッジへの空気は、後方プレート240内の半径方向供給孔275から入り、孔277を通ってパイロットノズル150と支持タワー270の内面368との間の空間864に出る。空間864に入る空気の一部は、点火装置875及び液体燃料パイロット880の周囲の空気キャビティを満たし且つ先端衝突シールド865に対して前方に延びるカートリッジ供給孔870を通って中心カートリッジ155に入る。先端衝突シールド865は、キャビティの上端部を密封し、複数の先端孔867(本発明の実施形態においては18個の孔)を含む。先端衝突シールド865からの空気は、点火をサポートする点火装置875の下流側端部で環状空気チャネル876に導かれる。先端衝突シールド865からの空気はまた、液体燃料パイロット880上の熱シールド882の周囲の円錐アニュラス881に供給される。複数のオフセットブラスト孔883は、空気ブラスト噴霧器シュラウド884を通って提供される。液体パイロット燃料は、液体パイロット本体891内の円筒キャビティ890を通って提供される。先端におけるスピンチャンバ壁892の切頭円錐アニュラスは、液体燃料用に内部にスピンチャンバ893を定める。環状エアギャップ894は、断熱用の液体パイロット本体891の周囲に設けられる。環状エアギャップ894の周囲には、中心カートリッジ155のフランジ224内の空気補助供給装置に接続された空気補助アニュラス895が設けられる。空気補助アニュラス895内には、空気補助スワーラ896(実施形態では、8つの旋回ベーン897を含む)が配置される。旋回ベーン897は、スピンチャンバ893に導入された補助空気に対して旋回運動を与える。
FIG. 10 shows an axial cross-sectional view of the
図11は、単一の大型半径方向ノズル900用の中心保炎器の別の実施形態を示す。ここで保炎器905は、穿孔カップ910からなる。穿孔カップ910は、環状領域に由来する空気燃料混合気950の30パーセント(約)が通過する、中心軸915の周りの複数の孔920からなり、一部はパイロットノズル960に由来するパイロット空気燃料混合気955と混合し、一部はこれらの孔920の出口で燃焼する。孔920は、コーナー分離を最小にするようにフィレット930を備える。シュラウド940は、流れをカップ内に導くためにカップ910の周囲に設けられる。カップ920の下側凸面端部945は、ガスパイロットノズル960からパイロット空気燃料混合気955を受けるように開放され共形にされる。従って、この場合には、放熱は3段階で起こる。第1の段階はパイロットゾーンである。第2の段階は、これらの孔920の出口で燃焼する空気燃料混合気であり、第3の段階は、穿孔カップ920を迂回する流れである。
FIG. 11 shows another embodiment of a central flame holder for a single large
上記では、多ノズル設計よりも優れた操作中の主要な改良点を提供するガスタービン燃焼器の単一大型半径方向ノズルを説明した。第1に、制御可能な外部主ガス燃料噴射路及び内部主ガス燃料噴射路と併せて、ノズル予混合器設計、特に円錐デスワールV字溝保炎器によって提供されたノズル内燃焼ステージングは、この設計の固有の態様である。この態様は、複数のノズル(燃焼器につき)を1つのノズルに置き換えることを可能にし、結果として主なコスト及び部品点数の削減をもたらす。第2に、燃焼ダイナミックス/振動低減は、燃料輸送回数のスミアアウトによってもたらされ、チャンバ内の放熱は新規の方法である。この固有の特性は更に、ハードウェアを修正又は交換する必要もなく広範囲の燃料を燃焼可能にすることができる。最後に、燃焼器のヘッドエンド設計と、圧力を回復する環状ドームディフューザを生成し、同時に別個の冷却空気源の導入を必要とせずにライナのドームの背面を対流的に冷却する際にノズルが燃焼器ドームに統合される方法とは、機能性と共に簡素化を向上させることができる。 The foregoing describes a single large radial nozzle for a gas turbine combustor that provides a major improvement in operation over a multi-nozzle design. First, in combination with a controllable external main gas fuel injection path and an internal main gas fuel injection path, the nozzle premixer design, particularly the in-nozzle combustion staging provided by the conical de-swar V-groove flame holder, This is an inherent aspect of the design. This aspect allows multiple nozzles (per combustor) to be replaced with a single nozzle, resulting in a major cost and component reduction. Secondly, combustion dynamics / vibration reduction is brought about by smearing out the number of fuel transfers, and heat dissipation in the chamber is a novel method. This unique property can also allow a wide range of fuels to be combusted without the need for hardware modifications or replacement. Finally, a combustor headend design and an annular dome diffuser that recovers pressure, while nozzles are used to convectively cool the back of the liner dome without the need for a separate cooling air source. The method integrated into the combustor dome can improve simplicity as well as functionality.
現在では、本発明のノズルは、GE9FB高出力産業用エンジンの大きさにされているが、ほとんどのあらゆる燃焼器環状設計(例えば、7H、9H、7FB、7FA、9FA、6C、その他)で機能させるような大きさに拡大又は縮小することができる。本設計は、既存のパッケージに組み込むことができ、又は、新しい製品提供として導入することができる。 At present, the nozzle of the present invention is sized for a GE9FB high power industrial engine, but works with almost any combustor ring design (eg, 7H, 9H, 7FB, 7FA, 9FA, 6C, etc.). The size can be enlarged or reduced. This design can be incorporated into existing packages or introduced as a new product offering.
本発明の幾つかの特徴のみを本明細書において図示し説明してきたが、当業者であれば、多くの修正及び変更を想起するであろう。従って、添付の請求項は、本発明の真の精神の範囲内に入る全ての修正及び変更を包含することが意図される点を理解されたい。 While only certain features of the invention have been illustrated and described herein, many modifications and changes will occur to those skilled in the art. Therefore, it is to be understood that the appended claims are intended to cover all modifications and changes that fall within the true spirit of the invention.
10 ガスタービン
12 圧縮機
14 燃焼器
16 タービンブレード
18 移行ダクト
20 スパークプラグ
22 火炎伝播管
24 燃焼ケーシング
26 タービンケーシング
28 ボルト
30 エンドカバー組立体
32 燃料ノズル組立体
34 フロースリーブ
36 移行ダクトの外壁
38 ライナ
39 ストラット
42 燃焼ライナキャップ組立体
44 アパーチャ
46 予混合管
47 前方プレート
48 浮動カラー
49 後方プレート
50 燃料スワーラ
52 後方供給セクション
54 前方送出セクション
66 半径方向燃料噴射器
69 予混合ゾーン
70 燃焼チャンバ
100 缶アニュラ型デュアル燃料燃焼器
105 燃焼ケーシング
106 フロースリーブ
110 燃焼器ライナ
111 円錐ドーム
112 延伸部
113 外部バーナー管
114 主燃焼チャンバ
115 環状空間
116 ディフューザ
117 入口プレナム
118 フェアリング
120 希薄予混合半径方向流入マルチアニュラ多段ノズル(大型単一半径方向ノズル)
130 エンドカバー組立体
135 後面
138 前面
140 主半径方向スワーラ
150 ガスパイロットノズル
155 中心カートリッジ
160 中心保炎器
170 外部保炎器
175 外部バーナー管
178 バーナー管の下流側端部
179 支持レッジ
180 ベースセクション
183 ボルト
185 主外部ガス供給装置
190 主内部ガス供給装置
195 液体ガス供給装置
200 中心軸
201 後部セクション
202 前部セクション
203 中心キャビティ
204 前方表面
205 エンドカバープレート
206 燃焼器ボルト孔
207 外部円周方向表面
208 パイロット孔
209 ボルト孔
210 ガスパイロットノズル座面
212 ガスパイロットノズルフランジ
214 ガスパイロットノズル後部フランジボルト
215 主要外部ガス進入部
220 主要内部ガス進入部
223 中心カートリッジ
224 中心カートリッジフランジ
225 中心カートリッジフランジボルト
230 ガスパイロット接続部
232 液体燃料パイロット接続部
234 空気補助接続部
236 点火装置/火炎検出器接続部
240 後方プレート
241 ベース表面
242 装着面
243 液体燃料供給進入部後部
244 主液体燃料ギャラリー
245 液体燃料噴射点
246 液体燃料送出進入部エンドカバー
247 液体燃料送出進入部後方プレート
248 噴霧器
249 絶縁ライニング
250 旋回ベーン
252 燃料先端部
255 環状旋回容積
257 後方プレートの円周方向縁部
260 中心ハブ
263 内面
265 中心キャビティ
270 円筒支持ハブ
273 外部支持レッジ
274 内部装着レッジ
275 半径方向空気通路
277 出口
278 中心キャビティ
280 デスワーラ
285 中心ハブ
290 V字溝パック
295 支持タワー
296 支持タワーの内壁
300 内部バーナー管
310 主要外部ガスギャラリー
311 内壁
312 外壁
315 上端部
317 内壁
318 外壁
319 上端部
330 主内部ガスギャラリー
345 環状区画
347 環状区画の入口
348 環状区画の下流側出口
350 円筒支持タワー
355 支持アーム
360 半径方向ベーン
365 内部バーナー管壁
366 内壁
368 円筒ハブの内壁
370 円筒ハブ
371 凹部
372 ボルト孔
375 V字形要素
376 開放端部
377 頂点
380 環状先端
381 第1の凹部
382 第2の凹部
383 第3の凹部
385 先端内部バーナー管の先端
390 傾斜エッジ
400 ディフューザからの空気流
401 入口プレナムから主半径方向スワーラへの空気流
402 中心保炎器ゾーンへの流れ
405 主ゾーンへの流れ
605 円周方向予混合空間
610 翼形部
615 前縁
620 後縁
625 軸
630 鋭角
635 半径
640 噴射点を有する側面
642 噴射点がない側面
645 底面
650 上面
655 主外部ガス燃料噴射点
657 主外部ガス燃料噴射孔
660 空気流
665 燃料キャビティ
670 ネジ穴
680 主内部ガス噴射進入部
685 オリフィス
690 噴射点
695 主内部ガス噴射点
805 本体
810 環状シェル
815 後部フランジ
816 ボルト孔
817 前方座面
818 中心孔
819 隆起表面
820 後方表面
821 ネジ穴
825 ガスパイロットアニュラス
830 外面
835 下側シェル
836 下側シェルの外面
840 テーパーシェル
842 テーパーシェルの外面
845 中心シェル
847 外部軸方向表面
850 テーパーヘッド
852 テーパーヘッドの外面
855 ガスパイロット予混合器
857 混合ベーン
860 パイロット気体孔
862 内部パイロットガス燃料キャビティ
864 ガスパイロット空気流空間
865 先端衝突シールド
866 先端孔
870 カートリッジ供給孔
872 中心カートリッジの外面
873 空気キャビティ
875 点火装置
880 液体燃料パイロット
881 円錐アニュラス
882 熱シールド
883 オフセットブラスト孔
884 空気ブラスト噴霧器シュラウド
885 端部先端
890 円筒状燃料キャビティ
891 液体パイロット本体
892 スピンチャンバ壁
893 スピンチャンバ
894 環状エアギャップ
895 空気補助アニュラス
896 空気補助スワーラ
900 大型単一半径方向ノズル
905 中心保炎器
910 穿孔カップ
915 中心軸
920 孔
930 フィレット
940 シュラウド
945 内部バーナー管壁
950 中心保炎器に入る30パーセント燃料空気混合気
955 パイロット空気燃料混合気
960 パイロットノズル
DESCRIPTION OF
130 End cover assembly 135 Rear surface 138 Front surface 140 Main radial swirler 150 Gas pilot nozzle 155 Central cartridge 160 Central flame holder 170 External flame holder 175 External burner pipe 178 Downstream end of burner pipe 179 Support ledge 180 Base section 183 Bolt 185 Main external gas supply device 190 Main internal gas supply device 195 Liquid gas supply device 200 Central shaft 201 Rear section 202 Front section 203 Central cavity 204 Front surface 205 End cover plate 206 Combustor bolt hole 207 External circumferential surface 208 Pilot hole 209 Bolt hole 210 Gas pilot nozzle seating surface 212 Gas pilot nozzle flange 214 Gas pilot nozzle rear flange bolt 215 Main external gas Inlet 220 Main internal gas inlet 223 Central cartridge 224 Central cartridge flange 225 Central cartridge flange bolt 230 Gas pilot connection 232 Liquid fuel pilot connection 234 Air auxiliary connection 236 Ignition device / flame detector connection 240 Rear plate 241 Base Surface 242 Mounting surface 243 Liquid fuel supply entry rear portion 244 Main liquid fuel gallery 245 Liquid fuel injection point 246 Liquid fuel delivery entry portion end cover 247 Liquid fuel delivery entry portion rear plate 248 Sprayer 249 Insulation lining 250 Swivel vane 252 Fuel tip 255 Annular swirl volume 257 Circumferential edge of rear plate 260 Central hub 263 Inner surface 265 Central cavity 270 Cylindrical support hub 273 External support ledge 274 Internal mounting Wedge 275 radial air passage 277 outlet 278 central cavity 280 dewarer 285 central hub 290 V-groove pack 295 support tower 296 support tower inner wall 300 inner burner tube 310 main outer gas gallery 311 inner wall 312 outer wall 315 upper end 317 inner wall 318 outer wall 319 Upper end 330 Main internal gas gallery 345 Annular compartment 347 Annular compartment inlet 348 Annular compartment downstream outlet 350 Cylindrical support tower 355 Support arm 360 Radial vane 365 Internal burner tube wall 366 Inner wall 368 Cylindrical hub inner wall 370 Cylindrical hub 371 Recess 372 Bolt hole 375 V-shaped element 376 Open end 377 Apex 380 Annular tip 381 First recess 382 Second recess 383 Third recess 385 Tip of tip internal burner tube End 390 Inclined edge 400 Air flow from diffuser 401 Air flow from inlet plenum to main radial swirler 402 Flow to central flame holder zone 405 Flow to main zone 605 Circumferential premixing space 610 Airfoil 615 Front Edge 620 Trailing edge 625 Axis 630 Acute angle 635 Radius 640 Side face with injection point 642 Side face without injection point 645 Bottom face 650 Top face 655 Main external gas fuel injection point 657 Main external gas fuel injection hole 660 Air flow 665 Fuel cavity 670 Screw hole 680 Main internal gas injection entrance 685 Orifice 690 Injection point 695 Main internal gas injection point 805 Main body 810 Annular shell 815 Rear flange 816 Bolt hole 817 Front seat surface 818 Center hole 819 Raised surface 820 Rear surface 821 Screw hole 825 Gas pilot animation 830 outer surface 835 lower shell 836 outer surface of lower shell 840 tapered shell 842 outer surface of tapered shell 845 central shell 847 outer axial surface 850 tapered head 852 outer surface of tapered head 855 gas pilot premixer 857 mixing vane 860 pilot gas hole 862 Internal pilot gas fuel cavity 864 Gas pilot air flow space 865 Tip impact shield 866 Tip hole 870 Cartridge supply hole 872 Outer surface of central cartridge 873 Air cavity 875 Ignition device 880 Liquid fuel pilot 881 Conical annulus 882 Heat shield 883 Offset blast hole 884 Air Blast sprayer shroud 885 End tip 890 Cylindrical fuel cavity 891 Liquid pilot body 892 Pin chamber wall 893 Spin chamber 894 Annular air gap 895 Air assist annulus 896 Air assist swirler 900 Large single radial nozzle 905 Center flame holder 910 Perforated cup 915 Center shaft 920 Hole 930 Fillet 940 Shroud 945 Inner burner tube wall 950 Center support 30 percent fuel-air mixture entering the flamearm 955 Pilot-air fuel-air mixture 960 Pilot nozzle
Claims (10)
液体運転中には中心カートリッジ223によって及びガス運転中には中心ガスパイロットノズル150によって燃料供給されるパイロットゾーンZ1と、
内部主ガス燃料供給装置によって燃料供給される中心保炎器ゾーンZ2と、
外部主ガス燃料供給装置によって燃料供給される主火炎ゾーンZ3と、
エンドカバー130に軸方向で位置合わせして機械的に締結された後方プレート240と、前記ノズルの中心軸の周囲に円形配列でほぼ等距離で間隔を置いて配置された複数の旋回ベーン250と、個々の旋回ベーン250間の円周方向空間内の予混合容積205と、内部に中心キャビティ278を含む中心ハブ260と、前記複数の旋回ベーン250と前記中心ハブ260との間の環状旋回容積255とを含む、前記ノズル120への流入空気の一部を前記内部主ガス燃料供給装置及び前記外部主ガス燃料供給装置で混合する主半径方向スワーラ140と、
内部主ガス燃料供給220と外部主ガス燃料供給215との比率を制御する手段と、
エンドカバー130と、
を備えるノズル120。 A lean premixed radial inflow multi-annular multi-stage nozzle 120 that produces three independent combustion zones within a can-annular dual fuel gas turbine combustor 100 comprising:
A pilot zone Z1 fueled by a central cartridge 223 during liquid operation and by a central gas pilot nozzle 150 during gas operation;
A central flame holder zone Z2 fueled by an internal main gas fuel supply device;
A main flame zone Z3 fueled by an external main gas fuel supply device;
A rear plate 240 that is axially aligned and mechanically fastened to the end cover 130; and a plurality of swirl vanes 250 that are arranged in a circular arrangement around the central axis of the nozzle and spaced at approximately equal distances. A premixing volume 205 in the circumferential space between the individual swirl vanes 250, a central hub 260 including a central cavity 278 therein, and an annular swirl volume between the plurality of swirl vanes 250 and the central hub 260 A main radial swirler 140 that mixes a portion of the air flowing into the nozzle 120 with the internal main gas fuel supply device and the external main gas fuel supply device,
Means for controlling the ratio between the internal main gas fuel supply 220 and the external main gas fuel supply 215;
An end cover 130;
A nozzle 120 comprising:
円筒状後方プレート240と、
下流側端部で切頭された滑らかな円錐面270を含む、前記後方プレート240の下流側表面242から下流側に軸方向に突出する中心ハブ260と、
外部主ガス燃料供給装置をエンドカバー205から複数の旋回ベーン250に接続するキャビティ665と、
前記後方プレート240の下流側表面242上に装着された複数の噴射器ノズル690と、
内部主ガス燃料供給装置を前記エンドカバー205から前記複数の噴射器ノズル690に接続するキャビティ680と、
前記後方プレート240の下流側表面242上に装着された複数の液体燃料噴霧器248と、
液体燃料供給装置を前記エンドカバー205から前記複数の液体燃料噴霧器に接続するキャビティ247と、
前記ノズル120の前記中心軸に沿った中心キャビティ278と、
空気を前記中心カートリッジ223及び前記ガスパイロットノズル150に供給するために、前記後方プレートの外部円周方向表面275を前記中心キャビティ278と接続する複数の半径方向配向キャビティ250と、
を含む請求項1に記載のノズル120。 The main radial swirler 140 is
A cylindrical rear plate 240;
A central hub 260 projecting axially downstream from the downstream surface 242 of the rear plate 240, including a smooth conical surface 270 truncated at the downstream end;
A cavity 665 connecting the external main gas fuel supply device from the end cover 205 to the plurality of swirl vanes 250;
A plurality of injector nozzles 690 mounted on the downstream surface 242 of the rear plate 240;
A cavity 680 connecting an internal main gas fuel supply device from the end cover 205 to the plurality of injector nozzles 690;
A plurality of liquid fuel sprayers 248 mounted on the downstream surface 242 of the rear plate 240;
A cavity 247 connecting a liquid fuel supply device from the end cover 205 to the plurality of liquid fuel sprayers;
A central cavity 278 along the central axis of the nozzle 120;
A plurality of radially oriented cavities 250 connecting an outer circumferential surface 275 of the rear plate with the central cavity 278 to supply air to the central cartridge 223 and the gas pilot nozzle 150;
The nozzle 120 according to claim 1, comprising:
前記後方プレート240の下流側表面242から前記ノズル120の燃焼端部に向かって下流側に軸方向に突出し、中心線225が、前記ノズル120の中心軸200から半径635で所定の角度630をなし、これによって前記主スワーラ250の外部から前記主旋回ベーン250と前記中心ハブ270との間の環状旋回容積255への空気流の円周方向予混合空間605を定める翼形部610と、
前記後方プレート内の前記外部主ガス燃料供給装置用の各翼形部610内の内部キャビティ665と、
外部主ガス燃料供給を前記内部キャビティ665から前記予混合空間605に分配する複数のガス燃料噴射孔657と、
を含む請求項2に記載のノズル120。 Each of the plurality of swirl vanes 250 is
Projecting axially downstream from the downstream surface 242 of the rear plate 240 toward the combustion end of the nozzle 120, the center line 225 forms a predetermined angle 630 with a radius 635 from the central axis 200 of the nozzle 120. An airfoil portion 610 defining a circumferential premixing space 605 for airflow from the outside of the main swirler 250 to the annular swirling volume 255 between the main swirling vane 250 and the central hub 270;
An internal cavity 665 in each airfoil 610 for the external main gas fuel supply in the rear plate;
A plurality of gas fuel injection holes 657 for distributing an external main gas fuel supply from the internal cavity 665 to the premix space 605;
The nozzle 120 according to claim 2, comprising:
燃焼器100への機械的取り付け用の外部半径方向装着面207、及び前記後方プレート240への取り付け用の内部半径方向装着面204を含む円筒プレート205と、
外部主ガス燃料供給装置185を前記後方プレート240に接続するキャビティと、
内部主ガス燃料供給装置190を前記後方プレート240に接続するキャビティと、
液体燃料供給装置195を前記後方プレート240に接続する複数のキャビティ246と、
ガスパイロットノズル150を受け入れて装着するために装着フランジ210を含む中心キャビティ203と、
を含む請求項1に記載のノズル120。 The end cover is
A cylindrical plate 205 including an outer radial mounting surface 207 for mechanical attachment to the combustor 100 and an inner radial mounting surface 204 for attachment to the rear plate 240;
A cavity connecting an external main gas fuel supply 185 to the rear plate 240;
A cavity connecting an internal main gas fuel supply device 190 to the rear plate 240;
A plurality of cavities 246 connecting a liquid fuel supply device 195 to the rear plate 240;
A central cavity 203 including a mounting flange 210 for receiving and mounting the gas pilot nozzle 150;
The nozzle 120 according to claim 1, comprising:
中心ハブ285と、
内部バーナー管壁365と、
各々が前記内部バーナー管壁365によって外半径上に且つ前記中心ハブ385の外壁によって内半径上に境界付けられた環状セグメントとして形成された複数のセグメント化半径方向区画345を含み、隣り合う前記区画345が円周方向に傾斜した半径方向壁の半径方向ベーン360によって分離されており、前記傾斜が前記環状旋回容積255内の燃料空気混合気の一部を旋回するために前記区画345への上流側入口347から前記区画345からの下流側出口348に漸次的に増大している、前記主半径方向スワーラ250の環状旋回容積255内の燃料空気混合気の円周方向流れを転向し且つ下流側軸方向に空気流を再配向するデスワーラ280と、
前記内部バーナー管壁365の円周方向周囲にほぼ等距離で間隔を置いて配置された複数の半径方向配向アーム360を含むV溝保炎器パック290と、
を備え、
前記アーム360が、前記中心ハブ285の下流側端部から前記内部バーナー管300の下流側軸方向端部に取り付けられて延びており、前記内部バーナー壁365における取り付け位置が、ハブ延長部の取り付け位置から下流側に配置され、これによって前記半径方向配向アーム360の所定の半径方向対軸方向角630、前記半径方向配向アーム360内の凸面状窪み、及び上流側を向いた前記凸面状窪み375の頂点377を形成する、
ことを特徴とする請求項1に記載のノズル120。 The central flame holder zone Z2 is
A central hub 285;
An internal burner tube wall 365;
Adjacent compartments including a plurality of segmented radial compartments 345 each formed as an annular segment bounded on the outer radius by the inner burner tube wall 365 and on the inner radius by the outer wall of the central hub 385 345 are separated by a radially inclined radial wall radial vane 360, the slope upstream of the compartment 345 for swirling a portion of the fuel-air mixture in the annular swirl volume 255. Diverting the circumferential flow of the fuel-air mixture in the annular swirling volume 255 of the main radial swirler 250, gradually increasing from the side inlet 347 to the downstream outlet 348 from the compartment 345 and downstream A de-swarler 280 that redirects the airflow in the axial direction;
A V-groove flame holder pack 290 including a plurality of radially oriented arms 360 spaced approximately equidistantly around the circumferential circumference of the inner burner tube wall 365;
With
The arm 360 is attached to and extends from the downstream end of the central hub 285 to the downstream axial end of the inner burner tube 300, and the attachment position on the inner burner wall 365 is attached to the hub extension. Located downstream from the position, thereby a predetermined radial-to-axial angle 630 of the radial orientation arm 360, a convex recess in the radial orientation arm 360, and the convex recess 375 facing upstream. Form a vertex 377 of
The nozzle 120 according to claim 1.
前記円筒管296の内面296の不規則な形状を形成して、前記中心ガスパイロットノズル150を収容し、前記主半径方向スワーラ140の前記中心ハブ260と組み合わせるように上流側端部で適合された、中心キャビティ278を有する円筒管295を備え、周囲に等距離の間隔でV溝290によって遮断されたハブ延長部380を前記円筒管295の下流側軸方向端部上に更に含む、
請求項5に記載のノズル。 The central hub 285 is
Formed irregularly on the inner surface 296 of the cylindrical tube 296 to accommodate the central gas pilot nozzle 150 and adapted at the upstream end to combine with the central hub 260 of the main radial swirler 140 Further comprising a hub extension 380 on the downstream axial end of the cylindrical tube 295, comprising a cylindrical tube 295 having a central cavity 278 and surrounded by a V-groove 290 at equidistant intervals.
The nozzle according to claim 5.
上流側端部で中心キャビティ及び半径方向に拡大されたボルトフランジ815を備え、前記エンドカバー205の中心キャビティ203、270、278内で、前記後方プレート及び前記保炎器ゾーンの中心ハブ285を嵌合するように適合された、ほぼ円筒形のノズル本体805と、
前記本体805上に軸方向に位置合わせされて前記後方プレート240から空気流を受け入れ複数の半径方向空気供給孔870と、
前記中心キャビティ203、270、278内の中心カートリッジ155と、
前記中心カートリッジ155の下流側端部でガスパイロットノズル150から前記ガスパイロットにパイロットガス燃料を供給するように適合されたアニュラス864と、
パイロットガス燃料と空気を混合するように適合された複数のパイロット混合ベーン857と、
隣接するパイロット混合ベーン857間の上流側に前記中心カートリッジ155の壁872を通る複数の半径方向に延びたる孔860と、
混合パイロットガス空気混合気をパイロットゾーンZ1に供給するように適合された、前記パイロット混合ベーン857の下流側に位置するアニュラス825と、
を含む請求項1に記載のノズル120。 The central gas pilot nozzle 150 is
A central cavity at the upstream end and a radially enlarged bolt flange 815 to fit the rear plate and the central hub 285 of the flame holder zone within the central cavities 203, 270, 278 of the end cover 205; A generally cylindrical nozzle body 805 adapted to mate,
A plurality of radial air supply holes 870 that are axially aligned on the body 805 to receive airflow from the rear plate 240;
A central cartridge 155 in the central cavities 203, 270, 278;
An annulus 864 adapted to supply pilot gas fuel from a gas pilot nozzle 150 to the gas pilot at a downstream end of the central cartridge 155;
A plurality of pilot mixing vanes 857 adapted to mix pilot gas fuel and air;
A plurality of radially extending holes 860 passing through wall 872 of said central cartridge 155 upstream between adjacent pilot mixing vanes 857;
An annulus 825 located downstream of the pilot mixing vane 857, adapted to supply a mixed pilot gas air mixture to the pilot zone Z1;
The nozzle 120 according to claim 1, comprising:
液体燃料パイロット880と、
前記液体燃料パイロット880用の空気補助供給装置873と、
点火装置875と、
を含む請求項7に記載のノズル。 The central cartridge is
A liquid fuel pilot 880;
An air auxiliary supply device 873 for the liquid fuel pilot 880;
An ignition device 875;
The nozzle according to claim 7, comprising:
前記ノズル120の中心軸200上に中心がある円筒内部バーナー管壁365と、
前記ノズル120の中心軸200上に中心があり、前記主半径方向スワーラ140から下流側で軸方向に突出し、前記内部バーナー管壁365よりも大きな直径を有する円筒外部バーナー管175と、
半径方向に外向きに延びた上流側端部にあり、複数の主旋回ベーン250上にルーフを形成した円周方向表面であって、燃料及び空気を前記環状混合ゾーンに送る、前記外部バーナー管175のベース部分180と、
を更に含む請求項1に記載のノズル120。 The main flame zone Z3 is further
A cylindrical inner burner tube wall 365 centered on the central axis 200 of the nozzle 120;
A cylindrical outer burner tube 175 centered on the central axis 200 of the nozzle 120, protruding axially downstream from the main radial swirler 140 and having a diameter larger than the inner burner tube wall 365;
The outer burner tube at an upstream end extending radially outward and having a roof formed on a plurality of main swirl vanes 250 for delivering fuel and air to the annular mixing zone 175 base portion 180;
The nozzle 120 of claim 1 further comprising:
内部バーナー管300と、外部バーナー管113と、エンドカバー130上で燃焼器ケーシング105に装着された主半径方向スワーラ240とを含む、希薄予混合半径方向流入マルチアニュラ多段ノズル120と、
前記ノズルの外部バーナー管113から下流側の主燃焼ゾーンZ1と、
燃焼器からの加圧空気発生源と、
前記ノズル120を半径方向に囲み、且つ前記燃焼器のケーシング壁105によって半径方向に境界付けられた空気入口プレナム117と、
前記圧縮機から逆流路内で前記加圧空気を受け取り、該加圧空気を回復圧力で前記入口プレナムに吐出する加圧空気用ディフューザ116と、
を備え、
前記ディフューザ116が、前記主燃焼ゾーン上のドーム111の後側と一致した内壁を含み、これによって前記ディフューザ116を通過する前記加圧空気から前記ドーム111に後方冷却を提供し、
前記ディフューザ116から前記空気入口プレナム117への空気流を平滑化するために、前記主半径方向スワーラの上に装着され且つ前記外部バーナー管113の一部を囲むフェアリング118が設けられている、
ことを特徴とする缶アニュラ型デュアル燃料燃焼器100。 A can annular dual fuel combustor 100 for a gas turbine engine comprising:
A lean premixed radial inflow multi-annular multi-stage nozzle 120 including an inner burner tube 300, an outer burner tube 113, and a main radial swirler 240 mounted on the combustor casing 105 on the end cover 130;
A main combustion zone Z1 downstream from the external burner tube 113 of the nozzle;
A source of pressurized air from the combustor;
An air inlet plenum 117 that radially surrounds the nozzle 120 and is radially bounded by the casing wall 105 of the combustor;
A pressurized air diffuser 116 that receives the pressurized air in a reverse flow path from the compressor and discharges the pressurized air to the inlet plenum at a recovery pressure;
With
The diffuser 116 includes an inner wall coinciding with the rear side of the dome 111 on the main combustion zone, thereby providing back cooling to the dome 111 from the pressurized air passing through the diffuser 116;
In order to smooth the air flow from the diffuser 116 to the air inlet plenum 117, a fairing 118 mounted on the main radial swirler and surrounding a portion of the outer burner tube 113 is provided.
A can-annular dual-fuel combustor 100 characterized by that.
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