JP2010085083A - 二次燃料ノズル用の管状燃料噴射器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの二次燃料ノズル用の燃料噴射器を提供する。
【解決手段】本燃料噴射器は、軸方向に配向された空気スロット（２０２）と該空気スロット間に配置された複数の燃料噴射孔（２０４）とを含む。複数の燃料噴射孔は、該複数の燃料噴射孔を通して投入される燃料が円周方向及び軸方向の両方向に噴射されて空気スロットを通って流れる空気と混合するようになった軸方向に配向された噴射孔及び円周方向に配向された噴射孔を含む。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関し、より具体的には、窒素酸化物（ＮＯｘ）のような大気汚染物質を低減するためのガスタービン燃焼器の改良に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、圧縮機セクション、燃焼器セクション及び少なくとも１つのタービンセクションを含む。圧縮機は、空気を加圧し、加圧空気は、燃料と混合されかつ燃焼器に送られる。混合気は次に、点火されて、高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービンに送られ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取出して、圧縮機に動力を供給すると共に発電機のような負荷に動力を供給する有用な仕事を行う。

既存の乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムは、二次燃料ノズルを有し、この二次燃料ノズルにより、一次火炎を支援する火炎が形成される。二次燃料ノズルから流入する燃料／空気混合気は、十分には予混合されておらず、ガスタービンによるＮＯｘ生成の一因となっている。

米国特許第６４４６４３９号公報 米国特許第６２８２９０４号公報

二次燃料ノズルにおける空気／燃料混合状態を高めてガスタービンからのＮＯｘ低減を可能にすることが望ましいと言える。

例示的な実施形態では、ガスタービン用の二次燃料ノズルは、複数の環状燃料通路と結合された燃料マニホルドと、該燃料マニホルドと流体連通しかつ複数の環状燃料通路を囲んだ状態で配置された管状燃料噴射器とを含む。管状燃料噴射器は、複数の軸方向に配向された空気スロットと該複数の空気スロット間に配置された複数の燃料噴射孔とを含む。複数の燃料噴射孔は、燃料マニホルドからの燃料が少なくとも円周方向に噴射されて複数の空気スロットを通って流れる空気と混合するように配向される。

別の例示的な実施形態では、ガスタービン用の二次燃料ノズルは、複数の環状燃料通路と結合された燃料マニホルドと、該燃料マニホルドと流体連通しかつ複数の環状燃料通路を囲んだ状態で配置された管状燃料噴射器とを含む。管状燃料噴射器は、管状燃料噴射器の外周部の周りに配置された複数の軸方向に配向された空気スロットと該空気スロット間に配置された複数の燃料噴射孔とを含む。複数の燃料噴射孔は、燃料マニホルドからの燃料が円周方向及び軸方向の両方向に噴射されて複数の空気スロットを通って流れる空気と混合するように軸方向に配向された噴射孔及び円周方向に配向された噴射孔を含む。

さらに別の例示的な実施形態では、ガスタービンの二次燃料ノズル用の燃料噴射器を提供する。本燃料噴射器は、軸方向に配向された空気スロットと該空気スロット間に配置された複数の燃料噴射孔とを含む。複数の燃料噴射孔は、該複数の燃料噴射孔を通して投入される燃料が円周方向及び軸方向の両方向に噴射されて空気スロットを通って流れる空気と混合するように軸方向に配向された噴射孔及び円周方向に配向された噴射孔を含む。

従来技術の公知の乾式低ＮＯｘ燃焼器の部分断面図。 従来技術の二次予混合／拡散燃料ノズルの部分断面図。 従来技術の二次燃料ノズル用のペグ構成を示す図。 従来技術の二次ノズルのペグにおける燃料吐出孔の構成を示す図。 従来技術の燃料予混合用のマニホルドを示す図。 燃料ノズル管状燃料噴射器を示す斜視図。 管状燃料噴射器の拡大図。

図１は、従来技術のガスタービン１２用の燃焼器を示しており、ガスタービン１２は、圧縮機１４（一部を示す）と、複数の燃焼器１６（便宜上かつ明瞭にするためにその１つを示す）と、単一のブレード１８によって表したタービンとを含む。具体的には示していないが、タービン１８は、共通の軸線に沿って圧縮機１４に駆動連結される。圧縮機１４は、吸入空気を加圧し、加圧空気は次に、燃焼器１６に向かって逆方向に流れ、燃焼器１６において、この加圧空気を使用して、該燃焼器１６を冷却しかつ燃焼過程に空気を提供する。１つの燃焼器１６のみを示しているが、ガスタービン１２は、該ガスタービン１２の周辺部の周りに設置された複数の燃焼器１６を含む。移行ダクト２０が、各燃焼器１６の出口端部をタービン１８の入口端部と連結して高温燃焼生成物を該タービン１８に給送する。

各燃焼器１６は、一次すなわち上流燃焼室２４と、ベンチュリスロート領域２８によって分離された二次すなわち下流燃焼室２６とを含む。燃焼器１６は、燃焼器流れスリーブ３０によって囲まれ、燃焼器流れスリーブ３０は、圧縮機吐出空気流を燃焼器に送る。燃焼器はさらに、タービンケーシング３２にボルト止めされた外側ケーシング３１によって囲まれる。

一次ノズル３６は、上流燃焼室２４に対して燃料給送を行いかつ中心二次ノズル３８の周りに環状列として配置される。一次ノズル３６の各々は、後部壁４０を貫通して一次燃焼室２４内に突出する。二次ノズル３８は、後部壁４０からスロート領域２８に延びて、二次燃焼室２６内に燃料を導入する。燃料は、当技術分野で公知の方法で燃料管路（図示せず）を通して一次ノズル３６に給送される。

燃焼空気は、ノズル３６の出口端部に隣接して配置された空気スワーラ４２を通して燃料段内に導入される。スワーラ４２は、旋回燃焼空気を導入し、この旋回燃焼空気は、燃焼室２４内でノズル３６からの燃料と混合しかつ始動時における燃焼用の発火性混合気を形成する。スワーラ４２における燃焼空気は、圧縮機１４からまた燃焼流れスリーブ３０と燃焼室の壁４４との間の空気経路を通して導かれる。燃焼器の円筒壁４４には、冷却目的で及び希釈空気を燃焼ゾーン内に導入して火炎温度の大幅な上昇を防止するために、一次燃焼室２４にスロット又はルーバ４６が設けられまた二次燃焼室２６の下流に同様なスロット又はルーバ４８が設けられる。二次ノズル３８は、中心本体５０内に設置されかつスワーラ５４を備えたライナ５２を貫通して延び、このスワーラ５４を通して燃焼空気を導入して、二次ノズルからの燃料と混合させる。

次に図２を参照すると、ガス専用二次燃料ノズル組立体５６を示している。燃料は、拡散パイプＰ_１によって火炎を維持しかつパイプＰ_２によって予混合火炎を維持するように供給され、これらパイプは、二次燃料ノズル組立体５６への入口において、互いに同心に配置される。

以下では、主として予混合燃料二次ノズル組立体５６について説明する。後方部品すなわちガス本体５８は、外側スリーブ部分６０と、予混合燃料通路６４を形成した中心ボア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に対して囲繞関係で後方部品５８の前方半部分内に形成される。同じ数の半径方向壁部分（例えば４つ）が、スリーブ部分６０の端部の周りに配置され、その各々が、ライナ５２内の空気が対応する空気通路６８に入るのを可能にする傾斜した半径方向アパーチャ７０を含む。部品５８の後方端部は、図２に示すように取付けフランジ７７内でそれぞれ燃料パイプＰ_１及びＰ_２を受ける。

部品５８の前方部分の外周部の周りに、複数の半径方向孔７８を設けて、同じ数の半径方向ガス噴射チューブ（ペグ）８０をその中に受け、それによって予混合燃料通路６４との連通状態を確立するのを可能にする。各ペグ８０には、複数のアパーチャすなわちオリフィス８２を設けて、二次ノズル組立体５６とライナ５２との間の予混合領域９０内に予混合通路６４からの燃料を吐出して、ライナ内の燃焼空気と混合することができる。ペグ８０は、空気流内に燃料を分配するように設計される。予混合領域９０内での燃料及び空気の良好な混合は、窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを低減するのに必要である。保炎スワーラ１１６は、ノズルと一体形とすることができ或いは別体形とすることができるが、この保炎スワーラ１１６は、縮小直径前方端部１０８とライナ５２との間で半径方向に延びた状態で二次ノズルの前方端部に設置して、ライナ内を流れる予混合燃料／空気に旋回を与える。燃焼空気は、図２の矢印（参照符号３８の上方の）で示すようにまた孔７０を介して二次ノズル組立体５６に流入することになり、燃料は、予混合通路６４、パイロットボア９８及びパイロットオリフィス１００を通って流れることになる。スワーラスロット９６からの空気と共にこの燃料は、拡散火炎サブパイロットを形成する。同時に、予混合通路に供給された燃料の大部分は、ガス噴射器８０内に流入してオリフィス８２からライナ５２に向かって吐出され、そこで空気と混合されることになる。

図３〜図４に示すように、従来技術の二次燃料ノズルで行われるような燃料の空気との予混合は、予混合ボリューム９０内で二次ノズル本体７５の周辺部の周りに等しい間隔を置いて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、ペグの全長にわたって延びる中心空洞８５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おいてノズル本体に取付け、それによって図２に関して前述したようにノズル本体内の燃料空洞とペグの中心空洞との間に連通状態を確立することができる。ペグ８０の下流表面に沿って、中心内側空洞８５から複数の燃料吐出孔８２を形成し、それによって二次ノズル本体７５とライナ５２との間の空気流内への予混合燃料の吐出を行う。ペグ８０の下流側面に沿って、３つの半径方向に設置した燃料吐出孔８２が設けられる。孔の列に沿った孔位置の配置を変更した。この従来技術の二次ノズルでは、ペグの下流側面に沿って燃料分散用の３つのオリフィスを設けた状態で、二次ノズル本体７５の外周部の周りに均等に６つのペグが分散配置された。しかしながら、燃料及び空気の有効な混合は、完全ではない。燃料及び空気のより完全な混合は、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。

上述のノズル構成は、拡散火炎パイロットによる持続予混合モードの作動を可能にする。しかしながら、ガスタービンからの高いエミッションは、燃焼室における燃焼前の空気及び燃料の不十分な混合の結果である。上述した既存のペグ設計は、燃料及び空気を適正に混合して低エミッションに必要な混合の程度を得ることができない。ペグにおける孔の位置を変更する試みでは、満足な燃料及び空気の混合を達成することができなかった。

図５は、Ｋｒａｆｔ他による米国特許第６４４６４３９号及び米国特許第６２８２９０４号に記載されているような二次燃料ノズル用の燃料分配装置１５０を示している。環状燃料マニホルド１５５が、支持シリンダ１６５により支持スリーブ１６０に取付けられる。マニホルド１５５は、矩形断面を示す。支持スリーブ１６０は、溶接によって二次燃料ノズルの本体（図示せず）に取付けられる。二次ノズルの本体内の燃料は、支持スリーブ内の孔１７０を通りかつ支持シリンダ１６５を通って、中空環状燃料マニホルド１５５内に流れる。環状燃料マニホルド１５５は、空気ストリーム１７５内で二次ノズル本体（図示せず）の周りに配置される。燃料は、環状燃料マニホルドの下流面１８０からアパーチャ１８５の列を通して分配される。アパーチャ１８５は、空気ストリーム内で中心軸線から第１の半径方向距離１８６又は第２の半径方向距離１８７に配置することができる。空気流に対するアパーチャ１８５の方向は、共線方向とすることができ又は傾斜させることができる。しかしながら、矩形形状環状空間は、空気ストリームの方向に対して形成することができ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環状燃料マニホルド１５５は、ペグ構成全体にわたって半径方向及び円周方向の燃料分配を行うことができる。しかしながら、環状マニホルドは、空気流に対して形成することができる流れ角度の制限に起因して、混合における、特に空気ストリーム内への燃料の半径方向及び軸方向の分配に関する限界を有する。

従って、二次ノズルにおける燃料−空気予混合を改善してより低いエミッション及び燃焼ダイナミックスの改善を促進するような別の構造を構成する必要性が存在する。

主ストリーム空気内に燃料を噴射するために用いる既存の燃料ペグの場合には、燃料及び空気を混合するために設けた軸方向長さが十分でなく、この燃料／空気混合気が燃焼ゾーンに流入するまで未混合状態が残る。図６及び図７を参照すると、本管状燃料噴射器２００は、軸方向長さを付加して燃料及び空気をより良好に混合し、また燃料の直交流噴射を付加して燃料及び空気のより良好な混合を促進している。

管状燃料噴射器２００は、端部カバー組立体３０から延び、かつ該端部カバー組立体３０の一部を形成した燃料マニホルドと流体連通している。管状燃料噴射器２００は、燃料ノズル３２の環状燃料通路を囲んだ状態で配置される。管状噴射器２００は、複数の軸方向に配向された空気スロット２０２と該空気スロット２０２間に配置された複数の燃料噴射孔２０４とを含む。図６及び図７を続けて参照すると、軸方向に配向された空気スロット２０２は、図示するようにその長軸が軸方向に配向された状態の長楕円形状として形成されるのが好ましい。空気スロット２０２は、管状燃料噴射器２００の外周部の周りに均等に配置されるのが好ましい。

燃料噴射孔２０４は、燃料マニホルドからの燃料が少なくとも円周方向に噴射されて空気スロット２０２を通って流れる空気と混合するように配向される。燃料噴射孔２０４の少なくとも１つは、燃料マニホルドからの燃料が軸方向に噴射されて空気スロット２０２を通って流れる空気と混合するように軸方向に配向されるのが好ましい。これに関連して、管状燃料噴射器２００は、軸方向遠位端部（すなわち、端部カバー組立体３０から最も離れた端部）に端部表面２０６を含む。軸方向に配向された燃料噴射孔２０４は、端部表面２０６内に配置された状態で図示している。

従って、燃料噴射孔の配向は、燃料の直行流及び軸方向流の組合せを構成し、それが、二次燃料ノズルの出口における燃料及び空気の予混合状態を改善するのに役立つ。加えて、本システムにおける圧力低下が減少し、それが、ガスタービン効率を改善し、同じ燃焼燃料量でより多くの出力を生成することになるのを助ける。

好ましい実施形態の管状燃料噴射器は、燃料が空気と混合するための軸方向長さを付加した状態にし、より良好な混合状態を可能にする。加えて、燃料噴射孔の配向は、空気内への燃料の直行流噴射を形成して燃料及び空気のより良好な混合を可能にする。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明したが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１２ ガスタービン
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ ブレード
２０ 移行ダクト
２４ 上流燃焼室
２６ 下流燃焼室
２８ ベンチュリスロート領域
３０ 燃焼器流れスリーブ
３２ タービンケーシング
３６ 一次ノズル
３８ 二次ノズル
４０ 後部壁
４２ 空気スワーラ
４４ 円筒壁
４６ スロット又はルーバ
４８ スロット又はルーバ
５０ 中心本体
５２ ライナ
５４ スワーラ
５６ 二次燃料ノズル組立体
Ｐ１ 拡散パイプ
Ｐ２ パイプ
５８ ガス本体
６０ 外側スリーブ部分
６２ 内側中空コア部分
６４ 予混合燃料通路
６８ 軸方向空気通路
７０ アパーチャ
７５ 二次ノズル本体
７７ 取付けフランジ
７８ 半径方向孔
８０ 半径方向ガス噴射チューブ（ペグ）
８２ オリフィス
８５ 中心空洞
９０ 予混合領域
９６ スワーラスロット
９８ パイロットボア
１００ パイロットオリフィス
１０８ 縮小直径前方端部
１１６ 保炎スワーラ
１５０ 燃料分配装置
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
１７５ 空気ストリーム
１８０ 下流面
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
２００ 管状燃料噴射器
２０２ 空気スロット
２０４ 燃料噴射孔
２０６ 端部表面

Claims (9)

1. ガスタービン用の二次燃料ノズルであって、
   複数の環状燃料通路と結合された燃料マニホルド（１５５）と、
   前記燃料マニホルドと流体連通しかつ前記複数の環状燃料通路を囲んだ状態で配置された管状燃料噴射器（２００）と
   を備えており、前記管状燃料噴射器が、複数の軸方向に配向された空気スロット（２０２）と前記複数の空気スロット間に配置された複数の燃料噴射孔（２０４）とを含み、前記複数の燃料噴射孔が、前記燃料マニホルドからの燃料が少なくとも円周方向に噴射されて前記複数の空気スロットを通って流れる空気と混合するように配向される、二次燃料ノズル。
2. 前記複数の燃料噴射孔（２０４）の少なくとも１つが、前記燃料マニホルド（１５５）からの燃料が軸方向に噴射されて前記複数の空気スロット（２０２）を通って流れる空気と混合するように軸方向に配向される、請求項１記載の二次燃料ノズル。
3. 前記管状燃料噴射器（２００）が、軸方向遠位端部に端部表面（２０６）を含み、前記少なくとも１つの軸方向に配向された燃料噴射孔（２０４）が、前記端部表面内に配置される、請求項２記載の二次燃料ノズル。
4. 前記複数の軸方向に配向された空気スロット（２０２）が、その長軸が軸方向に配向された状態の長楕円形状として形成される、請求項１記載の二次燃料ノズル。
5. 前記複数の空気スロット（２０２）が、前記管状燃料噴射器（２００）の外周部の周りに均等に配置される、請求項４記載の二次燃料ノズル。
6. ガスタービン用の二次燃料ノズルであって、
   複数の環状燃料通路と結合された燃料マニホルド（１５５）と、
   前記燃料マニホルドと流体連通しかつ前記複数の環状燃料通路を囲んだ状態で配置された管状燃料噴射器（２００）と
   を備えており、前記管状燃料噴射器が、前記管状燃料噴射器の外周部の周りに配置された複数の軸方向に配向された空気スロット（２０２）と前記空気スロット間に配置された複数の燃料噴射孔（２０４）とを含み、前記複数の燃料噴射孔が、前記燃料マニホルドからの燃料が円周方向及び軸方向の両方向に噴射されて前記複数の空気スロットを通って流れる空気と混合するようになった軸方向に配向された噴射孔及び円周方向に配向された噴射孔を含む、二次燃料ノズル。
7. 前記管状燃料噴射器（２００）が、軸方向遠位端部に端部表面（２０６）を含み、前記軸方向に配向された燃料噴射孔（２０４）が、前記端部表面内に配置される、請求項６記載の二次燃料ノズル。
8. 前記複数の軸方向に配向された空気スロット（２０２）が、その長軸が軸方向に配向された状態の長楕円形状として形成される、請求項６記載の二次燃料ノズル。
9. ガスタービンの二次燃料ノズル用の燃料噴射器であって、
   軸方向に配向された空気スロット（２０２）と前記空気スロット間に配置された複数の燃料噴射孔（２０４）と
   を備えており、前記複数の燃料噴射孔が、該複数の燃料噴射孔を通して投入される燃料が円周方向及び軸方向の両方向に噴射されて前記空気スロットを通って流れる空気と混合するようになった軸方向に配向された噴射孔及び円周方向に配向された噴射孔を含む、燃料噴射器。