JP2009513924A - 低排出燃焼器に対する改善された空気流分布 - Google Patents

Abstract

より高い燃焼安定性を持ち、ガス・タービン燃焼器全体を通しての圧力低下を軽減するガス・タービン燃焼器を提供する装置及び方法が開示される。流れスリーブと燃焼ライナの間で複数の翼が流れスリーブに径方向に固定される。複数の翼は、流れスリーブと燃焼ライナの間の区域に入る空気の流れをほぼ軸方向に導き、それによって接線方向速度成分が取り除かれるようにして、より一様な空気の流れを燃焼室にもたらし、圧力低下だけで空気流を整流しようとして失われる圧力量を軽減する。

Description

本発明は、一般にガス・タービン燃焼器に適用され、より詳細には、燃焼安定性の改善と燃焼システム全体の圧力低下の軽減を実現するための装置及び方法に適用される。

ガス・タービン用の燃焼システムでは、燃料と圧縮空気を混合し、点火することによって、タービンを駆動し、推力を発生させ、又は発電のために発電機に接続された軸を駆動する高温の燃焼ガスを発生させる。汚染レベル低減のための取り組みの一環として、政府機関は、ガス・タービン・エンジンについて、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を含めた排出物の排出レベルの低減を求める新しい規則を導入した。この新しい排出要件に適合するために利用されている一般的な燃焼方式は、点火前に燃料と圧縮空気を混合して可能な限り均一な混合物を生成し、この混合物を燃焼させて、より少ない排出物を発生させる予混合燃焼である。燃焼前の燃料と圧縮空気の予混合は排出に関して有利な点を持つ一方、燃焼の不安定性や、より詳細には燃焼力学のように、若干の不利もある。

触媒を用いることなく、予混合燃焼を使って可能な限り低い排出を達成するためには、燃焼器に燃料希薄混合物を供給する必要がある。しかし、火炎及び燃焼過程は、燃焼器中の燃料含有量が高ければ高いほど安定したものとなる。従って、燃料希薄混合物は、所与の空気量に対する燃料含有量が少ないため、より不安定となる傾向がある。その結果、燃料希薄混合物を燃焼させると、燃料希薄混合物は不安定な火炎によってより大きな圧力変動を発生させる傾向がある。不安定な火炎に寄与する要因は燃料−空気比であり、又は、より詳細には、既知量の燃料に混合する空気の量である。燃焼室内に入る空気の量は、空気がどのようにして燃焼室入口へと送られるかによって変わり得る。空気流が一様でなく、渦が少なくないと、燃焼器に入り込む空気の量は変動し、それによって燃料−空気比が変わって、燃焼の安定性に悪影響を及ぼす。

図１に、予混合燃焼を利用しているが、空気流の渦が著しく、そのために燃焼が不安定で、燃焼圧力の低下が比較的大きい従来技術のガス・タービン燃焼器の例を断面図で示す。ガス・タービン燃焼器１０は、燃料噴射システム１１、燃焼ライナ１２、遷移ダクト１３、第１の外スリーブ１４、及び第２の外スリーブ１５を備える。図１に示す燃焼器の場合、燃焼に使用される空気（矢印で図示）は、第１の外スリーブ１４及び第２の外スリーブ１５の複数の穴から全体的に環形の流路１６の中に入る。この従来技術のシステムでは、空気は、軸方向の様々な位置から、また、燃焼ライナ１２及び遷移ダクト１３の壁と基本的に直角をなすものを含め、様々な角度で入り込む。その結果、全体的に環形の流路１６内の空気流はある程度の渦又は接線方向速度成分を持つ。燃焼ライナ１２に対して一様でない空気流分布をもたらし、それによって、燃焼器内の燃料−空気比を変動させて燃焼安定性の問題を生じさせるのはこの渦である。渦効果を機械的方法によらずに減らそうとする試みから、流路１６の寸法設定及び第１の外スリーブ１４及び第２の外スリーブ１５の複数の穴の寸法設定によって、全体的に環形の流路１６全体で大きめの圧力低下が施された。燃焼器全体で追加的な圧力低下が施されることは、燃焼過程及び下流側のタービンの全体にわたって作動圧力が低くなるため、全体的な効率の損失をもたらす。

そこで、燃焼安定性の問題を軽減し、燃焼器全体で要求される全体的な圧力低下を軽減するように、燃焼器の幾何形状が燃焼吸気口に向かう空気に対して接線方向速度又は渦を顕著に減らすための手段を提供するようになっているガス・タービン用燃焼システムを提供することが望まれる。燃焼器の圧力低下を軽減することは、燃焼器の効率を高め、下流側タービンの効率を高め、運転コストを下げることにつながる。

より高い燃焼安定性を有し、ガス・タービン燃焼器全体の圧力低下を軽減するガス・タービン燃焼器を提供する装置及び方法が提供される。流れスリーブ、燃焼ライナ、少なくとも１つの燃料ノズル、及び流れスリーブと燃焼ライナの間で流れスリーブに径方向に固定された複数の翼を備えるガス・タービン燃焼器が開示される。複数の翼は、流れスリーブと燃焼ライナの間の区域に入る空気の流れを機械的にほぼ軸方向に導く働きをして、それによって接線方向速度成分が取り除かれるようにすることで、より一様な空気の流れを燃焼室に提供し、圧力低下だけで空気流を整流しようとして失われる圧力量を少なくする。

より一様な空気流を燃焼室に提供することによって、改善された燃焼安定性を持つガス・タービン燃焼器を提供することは本発明の目的の１つである。

従来技術よりも高い圧力で燃焼室に空気流を提供することによって、燃焼器全体の圧力低下が軽減されたガス・タービン燃焼器を提供することは本発明のもう１つの目的である。

これらの目的及び、以下で明らかになるそれ以外の目的に従って、本発明について、次に添付の図面を具体的に参照しながら説明する。

これらの目的及び以下で明らかになるそれ以外の目的に従って、本発明について、次に添付の図面を具体的に参照しながら説明する。

本発明の好ましい実施例について、特に図２〜４を参照しながら詳細に説明する。図２には、ガス・タービン・エンジン２０の一部が断面図で示されている。好ましい実施例では、ガス・タービン・エンジン２０に複数のガス・タービン燃焼器２１が取り付けられており、図２に示されているのはそのうちの１つである。燃焼器２１は、第１の端部２３、第２の端部２４及び第２の端部に近接して設けられた複数の第１の穴２５を持つ流れスリーブ２２を備える。好ましい実施例では、複数の第１の穴２５は、図４に示される通り、流れスリーブ２２の周りに円周方向の列をなして軸方向に間隔をあけられており、さらに、複数の第１の穴２５はそれぞれ好ましくは最大で５．０８ｃｍ（２．００インチ）の直径を持つ。流れスリーブ２２の径方向内側には燃焼ライナ２６があって、燃料ライナ２６と流れスリーブ２２の間に第１の流路２７を形成する。燃焼ライナ２６の前方端には、燃焼ライナ２６内で空気と混合する燃料を噴射するための少なくとも１つの燃料ノズル２８が設けられている。本発明の好ましい実施例では、複数の燃料ノズル２８が使用され、各燃料ノズル２８に燃料を供給するエンド・カバー２９にそれぞれ固定される。

流れスリーブ２２のもう１つの特徴は、複数の第１の穴２５に近接して流れスリーブ２２に固定された複数の翼３０である。複数の翼３０は、燃焼ライナ２６に向かって径方向内側に第１の流路２７の中に延びる。複数の翼３０の数量は、図４に示すように、好ましくは複数の第１の穴２５の数量と等しく対応する。さらに、複数の翼３０は、複数の第１の穴２５を通して第１の流路２７に入る空気から接線方向速度成分又は渦をそれぞれが顕著に取り除くように、流れスリーブ２２に沿って全体に軸方向に向けられている。それにより、複数の翼３０は、流れスリーブの第１の端部２３に向けてほぼ軸方向に空気を導くように働く。この様子が最もわかりやすく図示されている図４では、複数の翼３０は好ましくは流れスリーブ２２の円周上に等間隔をあけられている。さらに、それぞれの翼３０は、図３に示すように軸方向長さＬを持ち、さらに図４に示すように第１の壁３１と第２の壁３２を持つことによって翼の厚さＴを形成し、第１の壁３１と第２の壁３２は流れスリーブ２２と反対の縁で終わる。複数の翼３０は、第１の流路２７に入る空気流の渦を効果的に取り除くように寸法が設定される。そのため、軸方向長さＬ及び厚さＴは個々の燃焼器の構造及び空気流の特徴によって変わる。第１の流路２７で追加的な圧力損失が起こらないようにするため、翼の縁は丸みを与えられていることが好ましい。さらに、空気流の渦を最小化するためには、複数の翼は燃焼ライナ２６の方向に延びるが、翼の縁はいかなる条件の下でも燃料ライナ２６に接することがないような距離で終わるのが望ましいことに留意することが重要である。複数の翼３０と燃焼ライナ２６の偶発的な接触は複数の翼３０と燃焼ライナ２６の両方に摩耗及び応力を生じさせる可能性がある。好ましい実施例では、翼の縁と燃焼ライナ２６の間の径方向の距離は、あらゆる動作条件の下で最小隙間が保たれるようにするため、最大で０．８８９ｃｍ（０．３５０インチ）である。

上に説明した装置に加え、ガス・タービン燃焼器全体を通しての圧力低下を軽減するための方法であって、本発明の燃焼装置を組み込んだ方法が開示される。燃焼器全体を通しての圧力低下を軽減する方法には、第１の端部２３、第２の端部２４、及び第２の端部２４に近接して設けられた複数の第１の穴２５を持つ流れスリーブ２２を備えるガス・タービン燃焼器２１を提供するステップが含まれる。燃焼器２１は、また、流れスリーブ２２内に径方向に設けられた燃焼ライナ２６を備え、それによってそれらの間に第１の流路２７を形成しており、さらに、燃焼ライナ内で空気と混合する燃料を噴射するための少なくとも１つの燃料ノズル２８を備える。さらに、燃焼器２１は、複数の第１の穴２５に近接して流れスリーブ２２に固定され、第１の流路２７の中へ燃焼ライナ２６に向けて径方向内側に延びる複数の翼３０を備える。そして、圧縮空気の流れは複数の第１の穴２５を通して第１の流路２７へ、さらに複数の翼３０の間へと導かれる。そこで、空気流は複数の翼３０によって整流されて圧縮空気の流れから接線方向速度成分が顕著に取り除かれ、次いで、より一様なパターンで流れスリーブの第１の端部２３に向けてほぼ軸方向に導かれる。複数の第１の穴２５、及び機械的に通過空気流を整流する複数の翼３０によって、流れスリーブの第２の端部２４から流れスリーブの第１の端部２３までの燃焼器２１全体を通しての圧力低下は軽減される。流れスリーブ２２及び第１の流路２７の全体を通しての圧力低下が小さいことで、より高い圧力の空気が燃焼器に供給される。その結果、燃焼効率が改善し、タービンからより多くの仕事を得ることができる。

本発明は現に好ましい実施例として知られているものについて説明してきたが、本発明は開示された実施例に限定されるべきものではなく、反対に、特許請求の範囲内における様々な変形例及び同等の構成を包含するものとして意図されていることが理解される必要がある。

従来技術によるガス・タービン燃焼器の断面図である。 本発明の好ましい実施例によるガス・タービン燃焼器の断面図である。 本発明の好ましい実施例によるガス・タービン燃焼器の一部分の詳細断面図である。 本発明の好ましい実施例によるガス・タービン燃焼器の一部分の断面による端面図である。

Claims (20)

1. より高い燃焼安定性を持つガス・タービン燃焼器であって、
   第１の端部、第２の端部、及び前記第２の端部に近接して設けられた複数の第１の穴を持つ流れスリーブと、
   前記流れスリーブ内に径方向に設けられ、それによって前記流れスリーブとの間に第１の流路を形成する燃焼ライナと、
   前記燃焼ライナ内で空気と混合する燃料を噴射するための少なくとも１つの燃料ノズルと、
   前記複数の第１の穴に近接して前記流れスリーブに固定され、前記燃焼ライナに向けて前記第１の流路内に径方向内側に延びて、前記複数の第１の穴を通して前記第１の流路に入る空気から接線方向速度成分を顕著に取り除き、それによって前記空気を前記流れスリーブの第１の端部に向けてほぼ軸方向に導く複数の翼と、
   を備えるガス・タービン燃焼器。
2. 前記複数の翼が前記流れスリーブの周りに円周方向に等間隔で設けられている請求項１に記載のガス・タービン燃焼器。
3. 前記翼が軸方向長さ、第１の壁及び第２の壁を持ち、それによって翼の厚さを画定しており、前記第１の壁及び第２の壁が前記流れスリーブと反対の縁で終わる請求項１に記載のガス・タービン燃焼器。
4. 前記翼の縁に丸みが与えられている請求項３に記載のガス・タービン燃焼器。
5. 前記翼の縁が前記燃焼ライナとの間に径方向の距離の間隔をあけられている請求項３に記載のガス・タービン燃焼器。
6. 前記径方向の距離が最大で０．８８９ｃｍ（０．３５０インチ）である請求項５に記載のガス・タービン燃焼器。
7. 前記複数の第１の穴が前記流れスリーブの周りに円周方向の列をなして軸方向に間隔をあけられている請求項１に記載のガス・タービン燃焼器。
8. 前記複数の翼の数量が前記円周方向の列のそれぞれにおける前記複数の第１の穴の数量に等しい請求項７に記載のガス・タービン燃焼器。
9. 前記複数の第１の穴が最大で５．０８ｃｍ（２．００インチ）の直径を持つ請求項７に記載のガス・タービン燃焼器。
10. ガス・タービン燃焼器全体を通しての圧力低下を軽減するための方法であって、
    第１の端部、第２の端部、及び前記第２の端部に近接して設けられた複数の第１の穴を持つ流れスリーブと、前記流れスリーブ内に径方向に設けられ、それによって前記流れスリーブとの間に第１の流路を形成する燃焼ライナと、前記燃焼ライナ内で空気と混合する燃料を噴射するための少なくとも１つの燃料ノズルと、前記複数の第１の穴に近接して前記流れスリーブに固定され、前記第１の流路内に前記燃焼ライナに向けて径方向内側に延びる複数の翼とを備えるガス・タービン燃焼器を提供するステップと、
    圧縮空気の流れを前記複数の第１の穴を通して前記第１の流路へ、さらに前記複数の翼の間へと導くステップと、
    前記圧縮空気の流れを前記複数の翼によって整流して前記圧縮空気の流れから接線方向速度成分を顕著に取り除き、その上で、前記圧縮空気の流れを前記流れスリーブの第１の端部に向けてほぼ軸方向に導くステップであって、前記複数の翼によって前記圧縮空気の流れを機械的に整流することによって、前記流れスリーブの第２の端部から前記流れスリーブの第１の端部までの前記燃焼器全体を通しての圧力低下が軽減されるステップと、
    を含む方法。
11. 前記複数の翼が前記流れスリーブの周りに円周方向に等間隔で設けられている請求項１０に記載の方法。
12. 前記翼が軸方向長さ、第１の壁及び第２の壁を持ち、それによって翼の厚さを画定しており、前記第１の壁及び第２の壁が前記流れスリーブと反対の縁で終わる請求項１０に記載の方法。
13. 前記翼の縁に丸みが与えられている請求項１２に記載の方法。
14. 前記翼の縁が前記燃焼ライナとの間に径方向の距離の間隔をあけられている請求項１２に記載の方法。
15. 前記径方向の距離が最大で０．８８９ｃｍ（０．３５０インチ）である請求項１４に記載の方法。
16. より一様な円周方向の空気流分布を持つガス・タービン燃焼器であって、
    第１の端部、第２の端部、及び前記第２の端部に近接して設けられた複数の第１の穴を持つ流れスリーブと、
    前記流れスリーブ内に径方向に設けられ、それによって前記流れスリーブとの間に第１の流路を形成する燃焼ライナと、
    前記燃焼ライナ内で空気と混合する燃料を噴射するための少なくとも１つの燃料ノズルと、
    前記複数の第１の穴に近接して前記流れスリーブに固定され、前記第１の流路内に前記燃焼ライナに向けて径方向内側に延びて前記燃焼ライナからの径方向の距離を終える複数の翼であって、前記複数の第１の穴を通して前記第１の流路に入る空気から接線方向速度成分を顕著に取り除き、それによって前記空気を前記流れスリーブの第１の端部に向けてほぼ軸方向に導いて、より一様な円周方向の空気流パターンを前記燃焼器に対して提供する複数の翼と、
    を備えるガス・タービン燃焼器。
17. 前記複数の翼が前記流れスリーブの周りに円周方向に等間隔で設けられている請求項１６に記載のガス・タービン燃焼器。
18. 前記翼が軸方向長さ、第１の壁及び第２の壁を持ち、それによって翼の厚さを画定しており、前記第１の壁及び第２の壁が前記流れスリーブと反対の縁で終わる請求項１７に記載のガス・タービン燃焼器。
19. 前記翼の縁に丸みが与えられている請求項１８に記載のガス・タービン燃焼器。
20. 前記径方向の距離が最大で０．８８９ｃｍ（０．３５０インチ）である請求項１６に記載のガス・タービン燃焼器。
    

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