JP2010096487A - 燃焼器バーナのベーンレット - Google Patents

Abstract

【課題】本出願は、ガスタービンエンジン（１０）の燃焼器（３０）で使用するためのバーナ（１５０）を提供する。
【解決手段】本バーナ（１５０）は、中心ハブ（１００）と、シュラウド（１１０）と、中心ハブ（１００）からシュラウド（１１０）まで延びる一対の燃料ベーン（１２０）と、中心ハブ（１００）及び／又はシュラウド（１１０）から延びかつ一対の燃料ベーン（１２０）間に配置されたベーンレット（１６０）とを含むことができる。
【選択図】 図４

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、燃料ベーン間に配置されたベーンレットを備えた燃焼器バーナに関する。

様々なタイプの燃焼器が知られており、またガスタービンエンジンにおいて使用されている。同様に、これらの燃焼器は一般的に、使用燃料のタイプに応じて決まる異なるタイプの燃料バーナ又はノズルを使用している。例えば、大半の天然ガス燃焼システムは、希薄予混合火炎を使用して作動する。これらのシステムでは、燃料は、反応ゾーンの上流で空気と混合されて、予混合火炎を形成する。１例は、「スウォズル（ｓｗｏｚｚｌｅ）」（スワーラ（ｓｗｉｒｌｅｒ）＋ノズル（ｎｏｚｚｌｅ））であり、「スウォズル」内では、燃料ポートが多数の延長ベーンの周りに配置されて、空気ストリーム内に燃料を噴射する。それに代えて、合成ガス又はその他のタイプの燃料を使用するシステムでは、一般的にその燃料の高い反応性のため、拡散ノズルを使用して燃料及び空気を燃焼室内に直接噴射することができる。

しかしながら、最新式の燃焼器設計では、天然ガス及びその他のタイプの燃料の使用に関する燃料柔軟性に焦点が当てられている。その結果、同一の部品を使用しながら１つのタイプの燃料から別のタイプの燃料に切り替えた場合に、作動上の問題が生じるおそれがある。例えば、合成ガスは、そのより低い修正ウォッベ指標のため、天然ガスと比較して極めて高い体積流量を有する可能性がある。そのこと及びそれら燃料の幾らかの高い反応性の結果として、保炎問題が生じるおそれがある。従って、燃焼器及びその部品の設計は、異なる燃料反応性、燃料温度、発熱量、分子量などのようなそれらの変動燃料特性に適応すべきである。

米国特許第６９９３９１６号明細書 米国特許出願公開第２００８／００７８１８３号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２３４７３５号明細書

従って、全体として燃焼器部品の改善及び特にバーナの改善に対する要望が存在する。そのようなバーナにより、システム効率を維持しかつ全体エミッションを制限しながら、大きな燃料柔軟性のもとで良好な燃料及び空気の混合を得ることができる。そのような燃料柔軟性システムは、高価な装置変更なしで天然ガス及びその他のタイプの燃料に適応すべきである。

従って、本出願は、ガスタービンエンジンの燃焼器で使用するためのバーナを提供する。本バーナは、中心ハブと、シュラウドと、中心ハブからシュラウドまで延びる一対の燃料ベーンと、中心ハブ及び／又はシュラウドから延びかつ一対の燃料ベーン間に配置されたベーンレットとを含むことができる。

本出願はさらに、ガスタービンの燃焼器バーナ内で燃料及び空気を混合する方法を提供する。本方法は、スウォズル組立体内に空気を流すステップと、複数の燃料ベーンを通してスウォズル組立体内に燃料を流すステップと、空気流れ及び燃料流れにスワールを与えて、予混合流れを形成するステップと、複数の燃料ベーンの対間にベーンレットを配置して、混合流れが該複数の燃料ベーンから流出する時に該予混合流れが少なくとも所定の速度を維持するようにするステップとを含む。

本出願はさらに、ガスタービンエンジンの燃焼器で使用するためのスウォズル組立体を提供する。本スウォズル組立体は、中心ハブと、シュラウドと、中心ハブからシュラウドまで延びる幾つかのスウォズルベーンと、中心ハブ及び／又はシュラウドから延びかつその１つがスウォズルベーンの各対間に配置された状態になった幾つかのベーンレットとを含むことができる。

本特許出願のこれらの及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

ガスタービンエンジンの概略図 従来型のスウォズルタイプバーナの概略部分断面図。 図２のスウォズルバーナの燃料ベーンの斜視図。 本明細書に説明するような、スウォズルバーナ内にベーンレットを備えた燃料ベーンの斜視図。 図４のベーンレットの平面図。 本明細書に説明するような、延長ベーンレットを備えたスウォズルバーナの別の実施形態を示す図。 本明細書に説明するような、シュラウド上に配置されたベーンレットを備えたスウォズルバーナの別の実施形態を示す図。

次に、幾つかの図全体を通して同じ参照符号が同様な要素を指している図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図を示している。公知なように、ガスタービンエンジン１０は、流入空気流れを加圧する圧縮機２０を含むことができる。圧縮機２０は、加圧空気流れを燃焼器３０に送給する。燃焼器３０は、加圧空気流れを燃料流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させる。（単一の燃焼器３０のみを図示しているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器３０を含むことができる。）高温燃焼ガスは次に、タービン４０に送給される。タービン７４０は、圧縮機２０と発電機及び同様のもののような外部負荷５０とを駆動する。ガスタービンエンジン１０は、本明細書ではその他の構成及び部品を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス及びその他の燃料を用いることができる。

図２は、上記のような燃焼器３０で使用することができるスウォズルバーナ６０を示している。公知なように、スウォズルバーナ６０は、幾つかの環状燃料通路７０を含むことができる。環状燃料通路７０の一部は、拡散チップ８０まで延びることができるが、その他は、スウォズル組立体９０に延びることができる。スウォズル組立体９０は、中心本体又はハブ１００と、一連の翼形燃料ベーン１２０によって連結されたシュラウド１１０とを含むことができる。各ベーン１２０は、上流端部１２２と下流端部１２４とを含むことができる。図２及び図３に示すように、各燃料ベーン１２０は、１つ以上の燃料噴射ポート１３０を含むことができる。スウォズル組立体９０にはまた、燃料ベーン１２０の上流に空気入口１４０が形成される。本明細書では、スウォズルバーナ６０及びスウォズル組立体９０のその他の構成を使用することができる。

従って、作動中に、燃料ベーン１２０の燃料噴射ポート１３０から噴射された燃料は、空気入口１４０からの流入空気流と混合する。燃料ベーン１２０の形状は、燃料流れ及び空気流れにスワールを与えて、予混合流れにおける良好な混合を促進するようにする。予混合流れは次に、スウォズル組立体９０の下流で点火燃焼される。

図４及び図５は、本明細書で説明するようなスウォズルバーナ１５０の一部分を示している。スウォズルバーナ１５０は、上記したスウォズルバーナ６０の部品を含むことができる。スウォズルバーナ１５０はまた、幾つかのベーンレット（小型ベーン）１６０を含む。ベーンレット１６０は、上記した燃料ベーン１２０間に配置することができる。ベーンレット１６０は、燃料ベーン１２０の下流端部１２４の周りに配置することができ、かつ図４の２つの最右側ベーンレットにおいて示すようにあらゆる長さにわたって上流端部１２２に向かって延びることができる。ベーンレット１６０はまた、燃料ベーン１２０の下流端部１２４から上流のあらゆる場所に配置することができ、かつ図４における最左側ベーンレットで示すようにあらゆる長さにわたって上流端部１２２に向かって延びることができる。ベーンレット１６０は、図示するような長円状の形状或いはあらゆる所望の形状又は所望の寸法を有することができる。ベーンレット１６０は、その中に１つ以上の燃料噴射ポート１７０を含むことができる。ベーンレット１６０はまた、燃料噴射ポート１７０がない状態で使用することができる。さらに、ベーンレット１６０の一部は、燃料噴射ポート１７０を有し、またその他は燃料噴射ポート１７０を有しないようにすることもできる。あらゆる数のベーンレット１６０を使用することができる。ベーンレット１６０はまた、以下で説明するように、ハブ１００から延びるようにするか、或いはシュラウド１１０から下方に延びるようにすることもできる。

図６は、スウォズルバーナ１８０の別の実施形態を示している。この実施形態では、スウォズルバーナ１８０は、少なくともその一部が燃料ベーン１２０の下流端部１２４を越えて延びる幾つかのベーンレット１９０を有することができる。ベーンレット１９０は、図示するような長円状の形状或いはあらゆる所望の形状又は所望の寸法を有することができる。ベーンレット１９０はまた、その中に燃料噴射ポート２００を含むことができる。ベーンレット１９０はまた、燃料噴射ポート２００がない状態で使用することができる。さらに、ベーンレット１９０の一部は、燃料噴射ポート２００を有し、またその他は燃料噴射ポート２００を有しないようにすることもできる。あらゆる数のベーンレット１９０を使用することができる。

図７は、スウォズルバーナ２１０の別の実施形態を示している。この実施形態では、スウォズルバーナ２１０は、ハブ１００と向かい合ったシュラウド１１０の周りに配置された幾つかのベーンレット２２０を有することができる。同様に、ベーンレット２２０は、長円形状或いはあらゆる所望の形状又は所望の寸法を有することができる。ベーンレット２２０はまた、必要に応じてその中に燃料噴射ポートを含むことができる。あらゆる数のベーンレット２２０を使用することができる。ベーンレット２２０の幾つかは、シュラウド１１０上に配置することができ、一方、その他は、ハブ１００上に配置することができる。

燃料ベーン１２０間でのベーンレット１６０、１９０、２２０の使用は、燃料流れが各ベーン１２０に沿って下流方向に広がる時に、混合気速度を維持するのに役立つ。具体的には、燃料／空気混合気の速度は、ベーン１２０が下流端部１２４に向かって先細になっているので、該ベーン１２０の各々の湾曲部分において高い状態に保たれる。従って、ベーンレット１６０、１９０、２２０は、混合気のスワールの減少及び軸方向速度の増加を可能にする。このように所定の速度を維持することにより、流れがさらに下流に至るまで、主ベーン１２０に沿ったスワールを減少させて該主ベーン１２０に隣接して膨張ゾーンつまり低速度ゾーンが形成されない状態にすることが可能になる。ベーンレット１６０、１９０、２２０はまた、向かい合ったベーン１２０により燃料噴射ポート１７０間の相互作用を防止することによって隔離を可能にすることができる。この流れ隔離によりまた、保炎マージンを改善することができる。ベーンレット１６０、１９０、２２０はまた、消炎表面として機能することができる。

燃料噴射ポート１７０、２００を備えたベーンレット１６０、１９０、２２０を使用することにより、燃料ベーン１２０の主燃料噴射ポート１３０からの燃料を減少させることができるような二次燃料噴射ポイントが得られる。さらに、燃料噴射ポート１３０の寸法を縮小することができる。そのような主燃料流れ（流量）を減少させることは、保炎マージンを改善するのを可能にする。

上記したように、高水素合成ガスのようなより高い反応性燃料は通常、スウォズル組立体９０内で予混合するのに代えて、拡散モードで燃焼される。燃料流れにより高い軸方向速度を与えることによって、ベーンレット１６０、１９０、２２０は、窒素酸化物（ＮＯ_X）エミッションの低減を維持しながらこれらのより高い反応性燃料を予混合するのを可能にする。さらに、希釈流れの必要性も低下させることができる。従って、ベーンレット１６０、１９０、２２０は、所定の圧力低下でより高い軸方向速度を可能にすることによって、より高い反応性燃料での保炎マージンを改善することができる。

ベーンレット１６０、１９０、２２０の燃料噴射ポート１７０、２００は、別の燃料を噴射してより大きな燃料自由度を得るように使用することができる。ベーンレット１６０、１９０、２２０の燃料噴射ポート１７０、２００はまた、希釈剤、不活性ガス又はその他のタイプの流体を噴射するように使用することができる。

従って、ベーンレット１６０、１９０、２２０の燃料噴射ポート１７０、２００を使用することにより、主ベーン１２０を通る燃料流量を減少させることが可能になりまた／又は燃料噴射ポート１３０の寸法を縮小することが可能になる。ベーンレット１６０、１９０、２２０の燃料噴射ポート１７０、２００はさらに、その他の燃料を予混合してＮＯ_Xエミッションを低く保つようにするのを可能にすることによって、主燃料噴射ポート１３０の修正ウォッベ指標の範囲外の燃料に対する燃料自由度をもたらす。

以上の説明は本出願の特定の実施形態のみに関するものであること、また提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに当業者は本明細書において多くの変更及び改良を加えることができることを理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
２０ 圧縮機
３０ 燃焼器
４０ タービン
５０ 負荷
６０ スウォズルバーナ
７０ 燃料通路
８０ 拡散チップ
９０ スウォズル組立体
１００ ハブ
１１０ シュラウド
１２０ 燃料ベーン
１２２ 上流端部
１２４ 下流端部
１３０ 燃料噴射ポート
１４０ 空気入口
１５０ スウォズルバーナ
１６０ ベーンレット
１７０ 燃料噴射ポート
１８０ スウォズルバーナ
１９０ ベーンレット
２００ 燃料噴射ポート
２１０ スウォズルバーナ
２２０ ベーンレット

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１０）の燃焼器（３０）で使用するためのバーナ（１５０）であって、
   中心ハブ（１００）と、
   シュラウド（１１０）と、
   前記中心ハブ（１００）から前記シュラウド（１１０）まで延びる一対の燃料ベーン（１２０）と、
   前記中心ハブ（１００）及び／又はシュラウド（１１０）から延びかつ前記一対の燃料ベーン（１２０）間に配置されたベーンレット（１６０）と
   を備えるバーナ（１５０）。
2. 複数の燃料ベーン（１２０）と複数のベーンレット（１６０）とをさらに含んでいて、前記複数のベーンレット（１６０）の１つが前記複数の燃料ベーン（１２０）の各対間に配置されている、請求項１記載のバーナ（１５０）。
3. 前記ベーンレット（１６０）が燃料噴射ポート（１７０）を含む、請求項１記載のバーナ（１５０）。
4. 前記複数のベーンレット（１６０）の１つ以上が燃料噴射ポート（１７０）を含む、請求項２記載のバーナ（１５０）。
5. 前記一対の燃料ベーン（１２０）の各々が翼形を含む、請求項１記載のバーナ（１５０）。
6. 前記一対の燃料ベーン（１２０）の各々が上流端部（１２２）と下流端部（１２４）とを含み、前記ベーンレット（１６０）が前記下流端部（１２４）の周りに配置される、請求項１記載のバーナ（１５０）。
7. 前記一対の燃料ベーン（１２０）の各々が上流端部（１２２）と下流端部（１２４）とを含み、前記ベーンレット（１６０）が少なくともその一部が前記下流端部（１２４）を越えて配置される、請求項１記載のバーナ（１５０）。
8. ガスタービン（１０）の燃焼器バーナ（１５０）内で燃料及び空気を混合する方法であって、
   スウォズル組立体（９０）内に空気を流すステップと、
   複数の燃料ベーン（１２０）を通して前記スウォズル組立体（９０）内に燃料を流すステップと、
   前記空気流れ及び燃料流れにスワールを与えて、予混合流れを形成するステップと、
   前記複数の燃料ベーン（１２０）の対間にベーンレット（１６０）を配置して、前記予混合流れが該複数の燃料ベーン（１２０）から流出する時に該予混合流れが少なくとも所定の速度を維持するようにするステップと
   を含む方法。
9. 前記燃料を流すステップが合成ガスを流すステップを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記ベーンレット（１６０）を通して二次燃料流れを流すステップをさらに含む、請求項８記載の方法。

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