JP2009133599A - 燃焼システム内における逆火/保炎を減少させるのを可能にする方法及びシステム - Google Patents

燃焼システム内における逆火/保炎を減少させるのを可能にする方法及びシステム Download PDF

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Abstract

【課題】燃焼システム内における逆火/保炎を減少させるのを可能にする方法及びシステムを提供する。
【解決手段】本ガスタービン燃焼器システム(10)は、燃焼ライナ(28)と、燃焼ライナに結合された予混合式噴射装置(26)とを含む。予混合式噴射装置は、中心軸線及び半径方向外表面備えた中心本体(38)を含む。入口流調整装置(32)は、該入口流調整装置が中心本体を実質的に囲むように中心本体に結合される。入口流調整装置は、その中に形成された複数の開口部(52)を備えた半径方向外壁(50)を含み、外壁は、軸線と略平行である。半径方向内壁(76)は、外壁と略平行に延び、外壁から間隔を置いて配置されて該外壁との間に第1の通路(60)が形成される。内壁は、中心本体外表面から間隔を置いて配置されて該中心本体外表面との間に第2の通路(86)が形成され、端壁(54)は、外壁及び内壁間で略垂直に延びる。端壁は、その中に形成された複数の開口部(56)を含む。
【選択図】 図4

Description

本発明は、総括的には燃焼システムに関し、より具体的には、燃焼システム内における逆火/保炎を減少させるのを可能にする方法及びシステムに関する。
天然ガス及び液体燃料の燃焼時に、公知のリーン予混合式燃焼器は一般的に、燃焼ライナ内に閉じ込めるように意図したパイロット火炎が、燃焼ライナ内への燃料及び空気の噴射位置に向かって上流方向に移動するような保炎又は逆火が生じる。一般的に、均一なリーン燃料−空気混合気、より低い火炎温度及び/又はより短い滞留燃焼時間は、その中で逆火が発生する可能性がある局所的近似化学量論的ゾーン及びより低流速領域の形成を減少させることが知られている。少なくとも幾つかの公知のガスタービン燃焼システムは、均一なリーン燃料−空気予混合気を燃焼ライナに送る目的で燃料及び加圧空気を予混合する予混合式噴射装置を含む。
一般的に、少なくとも幾つかの公知の予混合式噴射装置は、燃料と混合した実質的に均一な空気流を得る目的で加圧空気流を調整する入口流調整装置を含む。このような公知の噴射装置はまた一般的に、燃焼器に向けて燃料−空気混合気を送るバーナ管を含む。バーナ管内での非均一な燃料−空気密度は、燃焼ライナ内に閉じ込めるように意図したパイロット火炎が予混合式噴射装置内に移動するような保炎又は逆火状態を可能にするおそれがある。その結果、そのような噴射装置は、損傷するおそれがあり、また/或いは燃焼器の作動が、損なわれるおそれがある。
米国特許第7,086,234号明細書 米国特許第6,094,916号明細書 米国特許第5,718,573号明細書 米国特許第5,640,851号明細書 米国特許第5,408,825号明細書 米国特許第5,345,768号明細書 米国特許第5,321,947号明細書 米国特許第5,295,352号明細書 米国特許第5,251,447号明細書
予混合式噴射装置を組立てる方法を提供する。本方法は、中心軸線及び半径方向外表面を備えた中心本体を準備する段階と、入口流調整装置を準備する段階とを含む。入口流調整装置は、半径方向外壁と、半径方向内壁と、外壁及び内壁間で略垂直に結合された端壁とを含む。外壁及び端壁の各々は、その中に形成された複数の開口部を含む。外壁、内壁及び端壁は、それらの間に第1の通路を形成する。本方法はまた、入口流調整装置が中心本体を実質的に囲むように、内壁が中心本体外表面と略平行になるようにかつ第2の通路が中心本体外表面及び内壁間に形成されるように、中心本体に対して入口流調整装置を結合する段階を含む。
予混合式噴射装置を提供する。本予混合式噴射装置は、中心軸線及び半径方向外表面を備えた中心本体を含む。本予混合式噴射装置はまた、中心本体に結合されて該中心本体を実質的に囲む入口流調整装置を含む。入口流調整装置は、その中に形成された複数の開口部を備えた半径方向外壁を含む。外壁は、軸線と略平行に配向される。入口流調整装置はまた、外壁と略平行に延びる半径方向内壁を含む。内壁は、外壁から間隔を置いて配置されて該外壁との間に第1の通路が形成される。内壁は、中心本体外表面から間隔を置いて配置されて該中心本体外表面との間に第2の通路が形成される。入口流調整装置はさらに、外壁及び内壁間で略垂直に延びる端壁を含む。端壁は、その中に形成された複数の開口部を含む。
ガスタービン燃焼器システムを提供する。本ガスタービンシステムは、燃焼ライナと、燃焼ライナに結合された少なくとも1つの予混合式噴射装置とを含む。少なくとも1つの予混合式噴射装置は、中心軸線及び半径方向外表面備えた中心本体を含む。少なくとも1つの予混合式噴射装置はまた、中心本体に結合されて該中心本体を実質的に囲む入口流調整装置を含む。入口流調整装置は、その中に形成された複数の開口部を備えた半径方向外壁を含む。外壁は、軸線と略平行になっている。入口流調整装置はまた、外壁と略平行に延びる半径方向内壁を含む。内壁は、外壁から間隔を置いて配置されて該外壁との間に第1の通路が形成される。内壁はまた、中心本体外表面から間隔を置いて配置されて該中心本体外表面との間に第2の通路が形成される。入口流調整装置はさらに、外壁及び内壁間で略垂直に延びる端壁を含む。端壁は、その中に形成された複数の開口部を含む。
本明細書に記載した例示的な方法及びシステムは、バーナ管内での局所的低速流れ領域に向かって加圧空気流を導くように入口流調整装置(「IFC」)を再設計することによって、公知のIFCの構造上の欠点を克服するものである。「軸方向の」及び「軸方向に」という用語は、予混合式噴射装置の中心本体の中心長手方向軸線と略平行に延びる方向及び配向を意味するために、本出願全体にわたって使用していることを理解されたい。また、「半径方向の」及び「半径方向に」という用語は、中心本体の中心長手方向軸線に対して略垂直に延びる方向及び配向を意味するために、本出願全体にわたって使用していることを理解されたい。さらに、「上流方向」及び「下流方向」という用語は、中心本体及び/又は燃焼器ケースの中心長手方向軸線に対して全軸方向燃料流方向に位置する方向及び配向を意味するために、本出願全体にわたって使用していることを理解されたい。
図1は、例示的なガスタービンシステム10の概略図であり、ガスタービンシステム10は、吸気セクション12、該吸気セクション12の下流に設けられた圧縮機セクション14、該圧縮機セクション14の下流に結合された燃焼器セクション16、該燃焼器セクション16の下流に結合されたタービンセクション18、及び排気セクション20を含む。タービンセクション18は、圧縮機セクション14と、それに限定されないが発電機及び機械駆動用途のような負荷22とに対して回転可能に結合される。
運転時には、吸気セクション12は、圧縮機セクション14に向かって空気を送る。吸入空気は、加圧されて高圧力及び高温度になる。この加圧空気は、燃焼器セクション16に向かって吐出されて、燃焼器セクション16において燃料と混合されかつ点火されてタービンセクション18に向かって流れる燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスが、圧縮機セクション14及び/又は負荷22を駆動する。排出ガスは、タービンセクション18から流出し、排気セクション20を通って周囲大気中に流れる。
図2は、例示的な公知のリーン予混合式燃焼器24の断面図であり、リーン予混合式燃焼器24は、複数の予混合式噴射装置26、中心軸線A−Aを有する燃焼ライナ28、及びトランジションピース30を含む。予混合式噴射装置26は一般的に、燃焼器24の端部キャップ40に又は燃焼ライナ28の第1の端部42近傍に結合される。ライナの第1の端部42は、端部キャップ40に結合されて、燃焼ライナ28が予混合式噴射装置26から噴射された燃料−空気予混合気を受けかつ燃焼ライナ28によって定まる燃焼チャンバ28b内に形成された局所的火炎ゾーン44内で該混合気を燃焼させることができる。燃焼ライナ28の第2の端部46は、トランジションピース30の第1の端部に結合される。トランジションピース30は、タービンセクション18(図1に示す)のようなタービンセクションに向かって燃焼ガスを送る。
各予混合式噴射装置26は一般的に、環状入口流調整装置(「IFC」)32と、該IFC32に結合された環状スウォズル/スワーラ34と、該スワーラ34に結合された環状バーナ管36とを含む。各予混合式噴射装置26はまた、IFC32内にかつ該IFC32と同軸に結合された環状燃料中心本体38と、スワーラ34と、バーナ管36とを含む。運転時には、加圧空気は、IFC32を通って予混合式噴射装置26に流入し、IFC32は、該加圧空気をスワーラ34に向かって送る。中心本体38は、スワーラ34に向かって燃料を送る。スワーラ34は次に、空気及び燃料を予混合し、燃料−空気予混合気をバーナ管36に送る。バーナ管36は次に、燃料−空気予混合気を燃焼ライナ28に送る。
図3は、領域3に沿って取った、公知の予混合式噴射装置26の一部分の拡大断面図である。この例示的な実施形態では、公知のIFC32は、その各々が中心本体38の中心軸線CAと略平行の半径方向内表面50a及び半径方向外表面50b間に複数の開口部52を形成した外壁50を含む。
IFC32はまた、その各々が中心軸線CAに対して略垂直な半径方向内表面54a及び半径方向外表面54b間に複数の開口部56を形成した上流端壁54を含む。端壁54はまた、外壁内表面50aと中心本体外表面38aとの間に結合される。外壁50、端壁54及び中心本体38は、それらの間に環状IFC通路60を形成する。IFC32はさらに、IFC通路60内部で内表面50aに結合されたアーチ形旋回ベーン58を含む。旋回ベースの予混合式噴射装置26は、旋回ベーン58を含むものとして示しているが、IFC32はその他の燃料噴射/ノズル概念を含むことができることを理解されたい。
運転時には、圧縮機14は、IFC32に向かって加圧空気62を送る。加圧空気62は、外壁開口部52及び端壁開口部56を通ってIFC32に流入する。続いて、IFC32は、スワーラに向かって空気を送って燃料と混合する。この燃料−空気予混合気は次に、バーナ管36に向かって送られる。
開口部52及び56の配向及び位置のために、IFC通路60内での空気流分布は非均一である。非均一空気流分布の結果として、スワーラ34に送られる空気及び燃料は均一に混合されない。非均一燃料−空気予混合気は、一様でない分布状態でバーナ管36に向かって送られる。運転時に、表面に沿った境界層の形成により、環状バーナ管通路66内にバーナ管内表面36a、中心本体外表面38a及びベーン58表面に沿ってバーナ局所的低速流れ領域が形成されることが知られている。バーナ局所的低速度領域には、保炎/逆火が発生する可能性がある局所的火炎ゾーン64が形成されるおそれがある。バーナ管36内での偶発的な着火により、速度が低いバーナ管内表面36aに沿って保炎が生じるおそれがある。或いは、運転時には、旋回燃料−空気混合気は、バーナ管36からより大径の燃焼ライナ28に向かって送られる。
燃焼ライナ28内に流入すると、旋回混合気は、燃焼ライナ28内で半径方向に膨脹することが知られている。ライナ28の中心部における軸方向速度が、低下する。それに限定されないが、予混合式噴射装置26内の領域のような燃焼器局所的低乱流速度領域は、所定の燃料−空気混合気の火炎速度以下になる可能性がある。従って、そのような領域におけるパイロット火炎は、例えばそれに限定されないが、予混合式噴射装置26内の領域などの低乱流速度ゾーンが許容されることになるような遥か上流の望ましい燃料−空気濃度の領域に向かって逆火する可能性がある。そのような逆火の結果として、予混合式噴射装置26及び/又はその他の燃焼器構成部品は、損傷するおそれがあり、また/或いは燃焼器24の作動性が、損なわれるおそれがある。
図4は、ガスタービンシステム10(図1に示す)で使用することができる例示的な予混合式噴射装置68の拡大断面図である。予混合式噴射装置68は、公知の予混合式噴射装置26(図2及び図3に示す)の構成部品と略同じである構成部品を含み、図2及び図3の構成部品と同一である図4における構成部品は、図2及び図3において使用したのと同じ参照符号を使用して図4で示している。
この例示的な実施形態では、IFC70は、その各々が中心本体38の中心軸線CAと略平行の半径方向内表面72a及び半径方向外表面72b間に複数の開口部74を形成した環状外壁72を含む。
IFC70はまた、外壁72と略平行の半径方向内壁76を含む。内壁76は、その各々が中心軸線CAと略平行の半径方向内表面76a及び半径方向外表面76bを含む。IFC70はさらに、その各々が中心軸線CAに対して略垂直な半径方向内表面78a及び半径方向外表面78b間に複数の開口部80が形成された上流端壁78を含む。端壁78はまた、外壁内表面72aと内壁内表面76aとの間に結合される。外壁72、内壁76及び端壁78は、それらの間に環状IFC通路82を形成する。IFC70はさらに、IFC通路82内部で内表面72aに結合された旋回ベーン84を含む。
完全に組立てられると、この例示的な実施形態では、IFC70は、IFC内壁76が中心本体外表面38aからある距離だけ半径方向に間隔を置いて配置されるようにスワーラ34に結合される。従って、IFC通路82に加えて、IFC70及び中心本体38が、それらの間に環状IFC通路86を形成する。
運転時には、圧縮機14は、IFC70に向かって加圧空気62を送る。加圧空気62は、外壁開口部74及び端壁開口部80を通ってIFC70に流入する。加圧空気62はまた、IFC通路86を通ってIFC70に流入する。旋回ベーン85及び/又は開口部98の配向及び配置により、IFC通路82内の空気流は、内壁76及び旋回ベーン84間並びにベーン84及び旋回ベーン85間でバーナ管36の中心部に導かれる流れと比較して、スワーラ及びバーナ管内表面34a及び36aに沿って一層集中しかつ導かれる。その結果、IFC70は、燃料−空気予混合気部分88が公知のIFCと比較して内表面34a及び36aに沿ってよりリーンかつその速度がより高くなるように、バーナ管36の内表面36aに沿ってより多くの空気を分布させるのを可能にする。従って、IFC70は、バーナ管36内での公知の局所的火炎ゾーン64(図3に示す)の形成を減少させるのを可能にする。IFC70はまた、燃焼ライナ28内にパイロット火炎90を封じ込めるのを可能にする。図示したもの以外の様々な形状及び/又は配置の開口部及び/又は通路を使用して、上述したのと同じように導かれた空気流集中を可能にすることができることを理解されたい。
内壁76の配向及び配置により、IFC通路86内の空気流はまた、内壁76及び旋回ベーン84間並びにベーン84及び85間でバーナ管36の中心部に導かれた流れと比較して、中心本体38の外表面38aに沿って一層集中しかつ導かれる。その結果、IFC70は、燃料−空気予混合気部分92が公知のIFCと比較して外表面38aに沿ってよりリーンかつその速度がより高くなるように、中心本体38の外表面38aに沿ってより多くの空気を分布させるのを可能にする。従って、IFC70は、バーナ管36内での公知の局所的火炎ゾーン64(図3に示す)の形成を減少させるのを可能にする。IFC70はまた、燃焼ライナ28内にパイロット火炎90を封じ込めるのを可能にする。言い換えれば、入口空気流乱流強度は、最少になって、バーナ管表面近傍の乱流火炎速度を低下させるのを可能にする。図示したもの以外の様々な形状及び/又は配置の開口部及び/又は通路を使用して、上述したのと同じように導かれた空気流集中を可能にすることができることを理解されたい。
図5は、ガスタービンシステム10(図1に示す)で使用することができる例示的な予混合式噴射装置102の端面図である。図6は、図5に示す予混合式噴射装置102の平面図である。予混合式噴射装置102は、公知の予混合式噴射装置26(図2及び図3に示す)の構成部品と略同じである構成部品を含み、図2及び図3の構成部品と同一である図5及び図6における構成部品は、図2及び図3において使用したのと同じ参照符号を使用して図5及び図6で示している。
この例示的な実施形態では、予混合式噴射装置102は、環状外壁106及び上流端壁108を有するIFC104を含む。端壁108には、複数の開口部110及びスロット112が形成される。IFC104はさらに、中心本体38の外表面38aとの間に結合されかつIFC通路116内に結合された4つのベーン114を含む。運転時には、圧縮機14は、IFC102に向かって加圧空気62を送る。加圧空気62は、端壁開口部110及びスロット112を通ってIFC102に流入する。
外表面38aに沿ったスロット112のより大きな寸法及び配向により、IFC通路116内の空気流は、外壁内表面106aと比較してベーン114の表面114aに沿って一層集中しかつ導かれる。その結果、IFC104は、燃料−空気予混合気が公知のIFCと比較してベーン表面114aに沿ってよりリーンかつ/又はその速度がより高くなるように、ベーン表面114aに沿ってより多くの空気を分布させるのを可能にする。従って、IFC104は、バーナ管36内での公知の局所的火炎ゾーン64(図3に示す)の形成を低減させるのを可能にする。IFC104はまた、燃焼ライナ28内にパイロット火炎90を封じ込めるのを可能にする。図示したもの以外の様々な形状及び/又は配置の開口部、スロット及び/又は通路を使用して、上述したのと同じように導かれた空気流集中を可能にすることができることを理解されたい。
予混合式噴射装置68を組立てる方法を提供する。本方法は、中心軸線CA及び半径方向外表面38aを備えた中心本体38を準備する段階を含む。本方法はまた、IFC70を準備する段階を含む。IFC70は、半径方向外壁36と、半径方向内壁76と、外壁36及び内壁76間で略垂直に結合された端壁78とを含む。外壁38及び端壁78の各々は、その中に形成された複数の開口部74及び80を含む。外壁38、内壁76及び端壁78は、それらの間に第1の通路82を形成する。本方法はまた、IFCが中心本体38を実質的に囲むように、内壁76が中心本体外表面38aと略平行になるようにかつ第2の通路86が中心本体外表面38a及び内壁76間に形成されるように、中心本体38に対してIFC70を結合する段階を含む。
各例示的な実施形態では、IFCは、予混合式噴射装置のバーナ管及び中心本体の表面に沿って加圧空気流を導くように配向されかつ構成される。その結果、高速かつよりリーンな燃料−空気混合気部分が、運転時に局所的火炎ゾーンの生成を可能にする公知の局所的低速度領域に向かって導かれる。このように空気流分布を高めることにより、乱流変動を低減し、逆火を減少させ、構成部品損傷を減少させかつ作動性を向上させることが可能になる。この例示的なIFCの構成部品は、略環状として説明してきたが、この例示的なIFCは、該例示的なIFCが上述のように機能するのを可能にするあらゆる形状を有することができることを理解されたい。
以上、予混合式噴射装置の例示的な実施形態を詳細に説明している。本予混合式噴射装置は、本明細書に記載した特定の燃焼器及びガスタービンシステムで使用することに限定されるものではなく、むしろ、本予混合式噴射装置は本明細書に記載したその他の燃焼器及び/又はガスタービンシステム構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。さらに、本発明は、上に詳細に説明した燃焼器の実施形態に限定されるものではない。むしろ、噴射装置の実施形態のその他の変形形態も特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で利用することができる。
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には明らかであろう。
燃焼セクションを備えた例示的なタービンエンジン組立体の概略図。 図1に示す燃焼セクションで使用することができる例示的な公知のリーン予混合式燃焼器の概略断面図。 領域3に沿って取った、図2に示す予混合式噴射装置の拡大断面図。 図1に示すガスタービンシステムで使用することができる例示的な予混合式噴射装置の拡大断面図。 図1に示すガスタービンシステムで使用することができる例示的な予混合式噴射装置の端面図。 図5に示す例示的な予混合式噴射装置の平面図。
符号の説明
10 ガスタービンシステム
12 吸気セクション
14 圧縮機セクション
16 燃焼器セクション
18 タービンセクション
20 排気セクション
22 負荷
24 燃焼器
26 予混合式噴射装置
28 燃焼ライナ
28a 内表面
28b 燃焼チャンバ
30 トランジションピース
32 入口流調整装置(「IFC」)
34 スウォズル/スワーラ
36 バーナ管
36a 内表面
38 中心本体
38a 外表面
40 端部キャップ
42 第1の端部
44 局所的火炎ゾーン
46 第2の端部
48 第1の端部
50 外壁
52 開口部
54 端壁
54a 内表面
54b 外表面
56 開口部
58 旋回ベーン
60 IFC通路
62 加圧空気64
64 局所的火炎ゾーン
66 バーナ管通路
68 予混合式噴射装置
70 IFC
72 外壁
72a 内表面
72b 外表面
74 開口部
76 内壁
76a 内表面
76b 外表面
78 端壁
78a 内表面
78b 外表面
80 開口部
82 IFC通路
84 旋回ベーン
86 IFC通路
88 燃料−空気予混合気部分
90 パイロット火炎
92 燃料−空気予混合気部分

Claims (10)

  1. 中心軸線及び半径方向外表面(38a)を備えた中心本体(38)と、
    前記中心本体に結合されて該中心本体を実質的に囲む入口流調整装置(32)と、
    を含み、前記入口流調整装置が、
    その中に形成された複数の開口部(52)を備えかつ前記軸線と略平行に配向された半径方向外壁(50)と、
    前記外壁と略平行に延び、前記外壁から間隔を置いて配置されて該外壁との間に第1の通路(60)が形成され、かつ前記中心本体外表面から間隔を置いて配置されて該中心本体外表面との間に第2の通路(86)が形成される半径方向内壁(76)と、
    前記外壁及び内壁間で略垂直に延びかつその中に形成された複数の開口部(56)を備えた端壁(54)と、を含む、
    予混合式噴射装置(26)。
  2. 前記入口流調整装置(32)が、前記外壁内表面(54a)に沿って加圧空気流を分布させるように構成される、請求項1記載の予混合式噴射装置(26)。
  3. 前記入口流調整装置(32)が、前記中心本体外表面(54b)に沿って軸方向に加圧空気流を分布させるように構成される、請求項1記載の予混合式噴射装置(26)。
  4. 前記入口流調整装置外壁(50)、内壁(76)及び端壁(54)が環状である、請求項1記載の予混合式噴射装置(26)。
  5. 前記入口流調整装置(32)が、ベーン表面に沿って軸方向に加圧空気流を分布させるように構成される、請求項1記載の予混合式噴射装置(26)。
  6. 前記外壁(50)に結合されかつ前記第1の通路(60)内に配置されたアーチ形ベーン(58)をさらに含む、請求項1記載の予混合式噴射装置(26)。
  7. 前記入口流調整装置(32)と流れ連通状態で結合されたスワーラ(34)をさらに含む、請求項1記載の予混合式噴射装置(26)。
  8. 前記スワーラ(34)と流れ連通状態で結合されたバーナ管(36)をさらに含む、請求項7記載の予混合式噴射装置。
  9. 燃焼ライナ(28)と、
    前記燃焼ライナに結合された少なくとも1つの予混合式噴射装置(26)と、
    を含み、前記少なくとも1つの予混合式噴射装置が、
    中心軸線及び半径方向外表面備えた中心本体(38)と、
    前記中心本体に結合されて該中心本体を実質的に囲む入口流調整装置(32)と、
    を含み、前記入口流調整装置が、
    その中に形成された複数の開口部(52)を備えかつ前記軸線と略平行の半径方向外壁(50)と、
    前記外壁と略平行に延び、前記外壁から間隔を置いて配置されて該外壁との間に第1の通路(60)が形成され、かつ前記中心本体外表面から間隔を置いて配置されて該中心本体外表面との間に第2の通路(86)が形成される半径方向内壁(76)と、
    前記外壁及び内壁間で略垂直に延びかつその中に形成された複数の開口部(56)を備えた端壁(54)と、を含む、
    ガスタービン燃焼器システム(10)。
  10. 前記入口流調整装置(32)が、前記外壁内表面(54a)に沿って加圧空気流を分布させるように構成される、請求項9記載のガスタービン燃焼器システム(10)。
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