JP2010156539A

JP2010156539A - Ｄｌｎ複式燃料一次ノズル

Info

Publication number: JP2010156539A
Application number: JP2009296945A
Authority: JP
Inventors: Baifang Zuo; ベイファン・ズオ; Willy S Ziminsky; ウィリー・エス・ジミンスキー; Gilbert Otto Kraemer; ギルバート・オットー・クレーマー; Abdul Rafey Khan; アブドゥル・ラフェイ・カン; Christian X Stevenson; クリスチャン・エックス・スティーブンソン; Chunyang Wu; チュンヤン・ウー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2010-07-15
Also published as: DE102009059222A1; CN101769531A; KR20100080428A; US20100162711A1

Abstract

【課題】異なるウォッベ数を有する２種類のガス燃料を含む複式燃料を使用して動作可能なDLN-1燃焼器を提供する。
【解決手段】乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器の一次ノズル（３００）は、第１のガス燃料又は第２のガス燃料のいずれかを燃焼するように構成され、２つのガス燃料は大幅に異なるエネルギー容量を有してもよい。天然ガスが第１のガス燃料であってもよく且つ合成ガスが第２のガス燃料であってもよい。２つの燃料回路の間の燃料配分を変更することにより燃料／空気混合プロファイル、ダイナミクス、一次早期点火及び放出調整を有効に制御するために、外側燃料回路（３０１）及び内側燃料回路（３０２）が設けられる。内側燃料回路（３０２）は、多くのガス燃料に対して拡散燃焼モードで動作されてもよい。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、一般にＤＬＮガスタービンの燃焼器の一次ノズルに関し、特に、天然ガス及び合成ガスの双方で動作可能な複式ガス燃料一次ノズルに関する。

ここ何年にもわたり、ガスタービン動力装置からの放出物に対する法規制は厳しさを増している。世界中の環境関連政府機関は、新たに設置されるガスタービン及び既存のガスタービンの双方についてＮＯｘ及び他の汚染物質の放出量を更に減少することを要求している。燃焼式タービン（水及び蒸気を噴射する）からのＮＯｘ放出を減少する従来の方法は、Ｎｏｘ抑制能力に限界があるため、多くの地域で要求されている極度に低いレベルには到達できていない。

General Electric Co.が製造している乾式低Ｎｏｘ（ＤＬＮ）系統は多段予混合燃焼過程を組み込み、ガスタービンのSPEEDTRONIC（商標）が燃料系統及びその関連系統を制御する。それらの系統は、性能を示す２つの主要な尺度を含んでもよい。第１の尺度は、ガスタービンの負荷範囲全体で放出レベルの変動を調整しつつ、ガス燃料及び油燃料の双方に対してベース負荷で要求される放出レベルに適合することである。第２の尺度は系統の動作能力である。ＤＬＮの設計に際しては、低Ｎｏｘを十分に実現するほど等量比及び炎ゾーンにおける滞留時間（放出物制御には重大な燃焼パラメータ）を同時に小さくできると共に、燃焼雑音（ダイナミクス）、部分負荷動作における安定性及びＣＯを十分に完全燃焼するのに要する時間に関しては許容しうるレベルを維持できるハードウェア機能及び動作方法が更に必要とされる。

General Electric Co.製造のDLN-1燃焼器は、天然ガス燃料を使用するように設計され且つ液体燃料で動作可能な２段予混合燃焼器である。燃焼器は、燃焼器の中心軸に配置された二次燃料ノズルと、二次燃料ノズルの周囲に対称に配列され、二次燃料ノズルを取り囲む複数の一次燃料ノズルとを含む燃料噴射系統を構成する。DLN-1燃焼器は、希薄予混合の概念を使用して、高い効率レベルを維持しつつ非常に低い排気放出レベルを維持する。希薄予混合燃焼過程において、燃料及び空気は、予混合ゾーンに対して異なる動的特性を伴ってそれぞれの供給源から別個に送り出される。そのような希薄予混合燃焼過程は弱い限界振動サイクルの影響を受けるが、振動が増幅されると、ガス圧力及び温度に大きな変動が生じる。これは燃焼ダイナミクスとして知られる。過剰な燃焼動圧は、燃焼器の損傷を引き起こす場合がある。予混合器に対する燃料供給系統及び空気供給系統の動的応答を整合させることにより、希薄予混合燃焼系統の燃焼動圧レベルは低下される。DLN-1燃焼器の一次ノズルは、燃焼器の予混合ゾーンの空気入口及び燃料入口における圧力降下をほぼ均等にすることにより、予混合ゾーンにおける動圧の変動を減少する。この均等化は、一次ノズルの燃料チャンバから予混合器に至る吐出オリフィスの上流側にオリフィスを形成することによりある程度は実現される。上流側のオリフィスは、燃料チャンバの燃料圧力を空気入口の圧力と等しくし、吐出オリフィスは、空気供給圧力の降下と同等の燃料圧力降下を発生する。その結果、Blackの米国特許第５，２１１，００４号公報（特許文献１）に記載されるように、燃料／空気濃度の動揺によって起こる予混合ゾーンの圧力変動は実質的に最小限に抑えられるか又は排除される。

DLN-1燃焼器は広く使用されている。しかし、この燃焼器は主に天然ガスを燃焼するような構造となっている。新たな顧客は、天然ガス燃料に代わるガス燃料が利用可能であることを望み且つ天然ガス燃料のコスト高を考慮して、より広範囲の燃料に対して融通性を示すような燃焼器を求めている。特に、顧客は、混合合成ガスで動作でき且つ天然ガス単独でも動作可能な（２種類の燃料が利用可能な）燃焼器を望んでいると考えられる。合成ガスは、水素と一酸化炭素の混合物、場合によっては水素と二酸化炭素の混合物に与えられる名称である。混合合成ガスは、天然ガス／水素／一酸化炭素の混合物であってもよい。合成ガスは可燃性であり、燃料源として使用される場合が多いが、天然ガスと比較して体積エネルギー密度は２分の１未満である。同じ燃焼炎温度を実現するためには、合成ガスの体積流量を天然ガスの体積流量の２倍を超える値に設定しなければならないので、天然ガス燃料に対して使用されているのと同じ一次ノズルが合成ガス動作にも使用される場合、合成ガス燃料の圧力比は極めて高くなる（１．７を超える）。燃料圧力比がそのように高いと、燃料を供給するために更に別の圧縮機が必要になる。

従来の複式燃料ノズル構造は、ウォッベ数の変化範囲が広い二元ガス燃料ではなく、ガス燃料と液体燃料という２種類の燃料に適用することを主眼として設計されていた。燃料のウォッベ数は、ガスの高い加熱値（標準立方フィート当たりのＢＴｕ）を空気に関するガスの比重の平方根で除算することにより定義される。ガスのウォッベ数が高いほど、その量のガスの加熱値は大きくなる。Martlingの米国特許第６，８３７，０５２号公報（特許文献２）を含む他の複式燃料関連特許は、更に追加されたノズルを使用するが、その場合、燃焼器構造の再構成が必要である。

米国特許第５，２１１，００４号公報米国特許第６，８３７，０５２号公報

したがって、広範囲に異なるウォッベ数を有する２種類のガス燃料を含む複式燃料を使用して動作可能なDLN-1燃焼器を提供することが必要とされる。また、燃焼器の構造を全体として大幅に変形せずにそのような複式燃料動作能力を提供することも必要とされる。更に、ノズルの構造は、天然ガス動作能力に悪影響を及ぼしてはならず且つ流れパターン、混合パターン、ダイナミクスパターン及び放出パターンに関して合成ガス燃焼が天然ガス燃焼に匹敵する性能を示すように保証しなければならない。

簡単に言うと、本発明の１つの面によれば、二次ノズル及び複数の一次ノズルを使用して動作するガスタービンの燃焼器の複式燃料一次ノズルが提供される。一次ノズルは二次ノズルに関して同心に配列され、第１のガス燃料又は第２のガス燃料を含むガス燃料、ガスタービン圧縮機からの圧縮空気及びパージ用空気が複式燃料一次ノズルに供給される。複式燃料一次ノズルは混合チャンバを含む。混合チャンバと流体連通する外側燃料回路は、空気と第１のガス燃料又は第２のガス燃料のうちいずれか一方との渦巻混合物を送り出すように構成される。混合チャンバと流体連通する内側燃料回路は、外側燃料回路が第１のガス燃料を送り出す場合はパージ用空気を送り出し且つ外側燃料回路が第２のガス燃料を送り出す場合には第２のガス燃料を送り出すように構成される。

本発明の第２の面によれば、DLN-1ガスタービンの燃焼器の中心軸に配置された二次ノズルと、二次ノズルの周囲に同心に配列された複数の一次ノズルとを使用して動作する燃焼器の複式燃料一次ノズルを製造する方法が提供される。この構造において、複式燃料一次ノズルに第１のガス燃料、第２のガス燃料、ガスタービン圧縮機からの圧縮空気及びパージ用空気が供給されてもよい。

方法は、本体と；本体の下流側に位置する混合チャンバと；本体の前端部の混合チャンバの上流側の位置に配置されたスワーラとを製造することを含む。スワーラは、本体から半径方向に延出する多数の旋回羽根を含む。スワーラは、本体の外側チャンバと流体連通して第１のガス燃料又は第２のガス燃料のいずれかを混合チャンバに流入させ且つ混合チャンバにおいて圧縮空気と混合させ、外側チャンバから混合チャンバ内へ噴射された第１のガス燃料又は第２のガス燃料のいずれかと圧縮空気との渦巻混合物を吐出する手段を更に含む。方法は、本体に中央チャンバを形成することを更に含み、中央チャンバは、内側燃料回路から第２のガス燃料又はパージ用空気のいずれかを受け取るように構成される。中央チャンバは、混合チャンバへ吐出するように流体連通する手段を含む。方法は、本体に外側チャンバを形成することを更に含み、外側チャンバは、外側燃料回路から第１のガス燃料又は第２のガス燃料のいずれかを受け取るように構成される。外側チャンバは、第１のガス燃料又は第２のガス燃料をスワーラの多数の旋回羽根の中へ吐出するように流体連通する手段を含む。

更に、方法は、本体の外側チャンバの外壁により内側半径方向で境界を規定され且つ下流側ではスワーラの旋回羽根により境界を規定される外部ボリューム（ヘッドエンドチャンバ）から圧縮空気を受け取ることを含む。外部ボリュームは、外側チャンバからの第１のガス燃料又は第２のガス燃料のいずれかと旋回羽根により混合するためにガスタービン圧縮機から圧縮空気を受け取るように構成される。

外側チャンバにおいて、第１のガス燃料又は第２のガス燃料のいずれかは外側燃料回路から受け取られる。外側チャンバに第１のガス燃料が供給される場合、パージ用空気は中央チャンバにおいて内側燃料回路から受け取られる。方法は、外側チャンバに第２のガス燃料が供給される場合、外側燃料回路の圧力比が所定の値に達した時点で、内側燃料回路から中央チャンバに第２のガス燃料を受け入れることを更に含む。

内側燃料回路及び外側燃料回路の双方に第２のガス燃料がある状態で動作する場合、内側燃料回路及び外側燃料回路の燃料圧力比は所定の値未満に維持される。

本発明の更なる面によれば、DLN-1ガスタービンの燃焼器の中心軸に配置された二次ノズルと、二次ノズルの周囲に同心に配列された多数の一次ノズルとを使用して動作し、第１のガス燃料、第２のガス燃料、ガスタービン圧縮機からの圧縮空気及びパージ用空気が供給される複式燃料一次ノズルによって動作する方法が提供される。方法は、外側燃料回路を形成することと、内側燃料回路を形成することと、本体の外側チャンバの外壁により内側半径方向で境界を規定され且つ下流側ではスワーラの旋回羽根により境界を規定され、外側チャンバからの第１のガス燃料又は第２のガス燃料のいずれかと旋回羽根により混合するためにガスタービン圧縮機から圧縮空気を受け取るように構成された外部ボリュームから圧縮空気を受け取ることとを含む。

本発明の上記の特徴、面及び利点並びに他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより更によく理解されるであろう。図面中、同じ図中符号は一貫して同じ部品を示す。
図１はガスタービンエンジンの一例を示した概略図である。図２はＤＬＮ燃焼器を示した簡略図である。図３Ａは複式燃料一次ノズルの一実施形態を示した軸方向横断面図である。図３Ｂは一次ノズルを通過する燃料及び空気の流れを示した図である。図４は下流側混合チャンバから見た複式燃料一次ノズルの一実施例を示した図である。図５Ａ複式燃料一次ノズルの一実施形態に関して空気パージを使用する天然ガス動作の場合の混合チャンバ内の流れ及び混合と、空気パージを使用しない天然ガスパージ動作の場合の混合チャンバ内の流れ及び混合との比較を示した図である。図５Ｂは複式燃料一次ノズルの一実施形態に関して空気パージを使用する天然ガス動作の場合の混合チャンバ内の流れ及び混合と、空気パージを使用しない天然ガスパージ動作の場合の混合チャンバ内の流れ及び混合との比較を示した図である。図６Ａは複式燃料一次ノズルの一実施形態に関して天然ガス動作の場合の混合チャンバ内の流れ及び混合と、合成ガス動作の場合の混合チャンバ内の流れ及び混合との比較を示した図である。図６Ｂは複式燃料一次ノズルの一実施形態に関して天然ガス動作の場合の混合チャンバ内の流れ及び混合と、合成ガス動作の場合の混合チャンバ内の流れ及び混合との比較を示した図である。

以下に説明される本発明の実施形態は、DLN-1燃焼器の一次ノズルで第１のガス燃料又は第２のガス燃料のいずれかを燃焼できることを含めて多くの利点を有する。それら２つのガス燃料は大きく異なるエネルギー容量を有してもよい。本発明の好適な一実施形態において、天然ガスが第１のガス燃料であってもよく且つ合成ガスが第２のガス燃料であってもよい。更に、合成ガスは、天然ガス／水素／一酸化炭素（ＮＧ／Ｈ２／ＣＯ）の２０％／３６％／４４％の組み合わせであってもよい。本発明は、総合性能を維持しつつＤＬＮ燃焼器の一次ノズルの複式燃料動作（天然ガス及びＨ２／ＣＯ混合合成ガス）を可能にする構造を提供する。

燃焼器の設計方法は、全般的に二次ノズルで天然ガスを燃焼し、一次ノズルに複式燃料能力を与えるというものである。したがって、燃焼器は、１００％天然ガスが二次ノズルに供給され且つ一次ノズルに合成ガスが供給される状態で新たに動作してもよく、あるいは二次ノズルに１００％天然ガスが供給され且つ一次ノズルに１００％天然ガスが供給される状態で従来と同様に動作し続けてもよい。

図１は、ガスタービンエンジン１００の一例を示した概略図である。エンジン１００は、圧縮機１０２及び複数の周囲方向に互いに離間して配置された燃焼器１０４を含む。エンジン１００は、タービン１０８及び共通圧縮機／タービン軸１１０（回転翼１１０と呼ばれる場合もある）を更に含む。

動作中、空気は圧縮機１０２を通って流れ、圧縮された空気は燃焼器１０４に供給される。燃料は燃焼器１０４内部の燃焼領域へ送り出され、燃焼領域において、燃料は空気と混合され、点火される。燃焼ガスが生成され、タービン１０８へ送り出される。タービン１０８において、ガス流れの熱エネルギーは機械的回転エネルギーに変換される。タービン１０８は軸１１０に回転自在に結合され、軸１１０を駆動する。本明細書において使用される場合の用語「流体」は、任意の流れる媒体又は物質、ガス及び空気を含むが、それらに限定されないことを理解すべきである。

図２は、ＤＬＮ燃焼器２０５を示した簡略図である。燃焼器の燃料噴射系統は、二次ノズル２１０と、二次ノズルの周囲に半径方向に配列された多数の一次ノズル２２０とを含む。圧縮機（図示せず）からの加圧空気２３３は、燃焼器（図示せず）との間の接合部分にある流路を通り、続いて流れスリーブ２３５と燃焼ライナ２４０との間の燃焼室冷却流路２２８を通って送り出される。加圧空気２３３は、一次ノズル２２０及び二次ノズル２１０を取り囲む空胴２３６へ流れ続ける。一次ノズル及び二次ノズルは端カバー２４５により支持される。

予混合モードにおいて、燃料は一次ノズル及び二次ノズルの双方に供給される。一次ノズルによって、燃料及び空気は混合チャンバ２２５内で混合される。混合チャンバは、燃焼器一次壁２４１、キャップ／本体２４２及びベンチュリ２４４の前壁２４３により形成されてもよい。燃料及び空気は、燃焼室２５０内において点火される。筐体２３０は、周囲を取り囲むタービン部品などの外部環境から燃焼室２５０を隔離する。生成された燃焼ガスは、燃焼室２５０から接合部分（図示せず）を通ってタービンノズル（図示せず）に向かって送り出される。

天然ガスと合成ガスは著しく異なるいくつかの特性を有し、特性の相違は共通の燃料ノズルにおける動作に影響を及ぼす。合成ガスの体積流量は、同じ燃焼炎温度を発生するために必要とされるＮＧの体積流量値の２倍を超えるので、ＮＧ燃料に対して同一の一次ノズルを使用した場合、合成ガスの燃料圧力比は極めて高くなる（ｌ．７を超える）であろう。必要とされる大きな体積流量の合成ガスを送り出すために極めて高い圧力比が必要になると、そのように高い圧力までガス燃料を圧縮するための別の圧縮機が更に必要になると考えられるが、それは容認できないことである。したがって、天然ガスを利用する一次ノズルの動作能力を維持すると同時に、一次ノズルの合成ガス動作圧力比を減少するために、一次ノズルは外側燃料回路及び内側燃料回路を含む。天然ガス（ＮＧ）動作の場合、天然ガス燃料は外側燃料回路のみを通過し、内側燃料回路は空気でパージされる。合成ガス動作の場合、合成ガス燃料は、まず外側燃料回路を通過する。外側燃料回路の燃料噴射圧力比が所定の値（ノズル動作で容認されると考えられる約１．４）に達すると、内側燃料回路及び外側燃料回路の双方に対してノズルごとの燃料圧力比を所定の値以下に維持するために、内側燃料回路が開放される。同時に、複式燃料一次ノズルは、希薄混合及び放出制御に関して当初のDLN-1一次ノズルの所望の特性を維持する。更に、複式燃料一次ノズルは、燃焼器予混合ゾーンに至る空気入口及び燃料入口で起こる圧力降下をほぼ均等にすることにより、予混合ゾーンにおける動圧変動の減少を促進する。

このように、第２の燃料回路を追加することにより複式燃料動作能力が実現されるが、それに伴ってノズルの数を変更する必要又は燃焼器の構造を大きく変形する必要はない。複式燃料回路は多くの利点を有し、多様な種類の燃料、空気及び希釈剤の組み合わせを燃焼室内部へ噴射できる。更に、２つの燃料回路の使用により、２種類の燃料を別個に制御しながら同時に燃焼できる。２つの燃料回路は、内側燃料回路と外側燃料回路との間の燃料配分を変更することにより、燃料／空気混合プロファイル、ダイナミクス、一次早期点火及び放出物の有効な制御を可能にする。また、２つの燃料回路により、一方の回路を通して一次チャンバへ希釈剤を噴射できる。いずれか一方の燃料回路は空気又は希釈剤でパージされてもよい。

特に、内側燃料回路は、すべてのガス燃料に対して持続拡散燃焼モードで動作されてもよい。内側燃料回路は、ノズルの下流側で燃料／空気を急速に混合する。内側燃料回路を通しての空気パージ又は希釈剤パージが外側燃料回路で実行される天然ガス動作に及ぼす影響はほとんどない。

一次ノズルのＮＧ動作能力を維持すると同時に、一次ノズルの合成ガス動作圧力比を減少するために、図３Ａ、図３Ｂ及び図４に示されるような複式燃料一次ノズルが提供された。図３Ａは、複式燃料一次ノズルの一実施形態を示した軸方向横断面図である。図３Ｂは、一次ノズルを通過する燃料及び空気の流れを示した図である。図４は、下流側混合チャンバから見た複式燃料一次ノズルを示した図である。複式燃料一次ノズル３００は本体３１０と、本体の前端にあるスワーラ３２０と、本体及びスワーラの下流側にある混合チャンバ３３０とを含む。本体は、外側燃料回路３０１及び内側燃料回路３０２を規定する。ガスタービン圧縮機からの圧縮空気を受け入れる圧縮空気入口３４０がノズル３００の外側に形成され、圧縮空気はスワーラ３２０の旋回羽根３２５に入る。

外側燃料回路３０１は、外部ガス供給源から燃焼器（図示せず）の裏板を通してガス燃料を受け取る一次チャンバ３５０と、一次チャンバ３５０からガス燃料を受け取る二次チャンバ３６０とを含む。一次チャンバ３５０及び二次チャンバ３６０は、ノズル３００の中心軸３０５に関して同心に環状に配置されてもよい。一次チャンバ３５０及び二次チャンバ３６０は、チャンバ分離壁３５２により分離されてもよい。チャンバ分離壁３５２は、チャンバ間でガス燃料の流量を調整する複数の前置オリフィス３５５を含んでもよい。二次チャンバ３６０の前端３６２は、ガス燃料をスワーラ３２０へ吐出する複数の噴射穴３６５を含んでもよい。スワーラ３２０は、吐出されたガス燃料をガスタービン（図１）の圧縮機からの圧縮空気３４０と混合する。

内側燃料回路３０２は、ノズル３００の中心軸３０５に関して同心である中央チャンバ３７０を含む。中央チャンバ３７０は、外部ガス供給源から燃焼器（図示せず）の裏板を通してガス燃料を受け入れる。中央チャンバ３７０は、外側燃料回路３０１の一次チャンバ３５０及び二次チャンバ３６０から環状壁３７２により半径方向に分離されてもよく且つ前端３７４に向かって細くなっていてもよい。中央チャンバ３７０の前端３７４の円錐形突出部３７５は、スワーラ３２０の中心を貫通して混合チャンバ３３０の中まで延出することにより、内側燃料回路３０２から混合チャンバ３３０への直接噴射を可能にしてもよい。円錐形突出部３７５は複数の噴射穴を含んでもよい。好適な一実施形態において、ノズル３００の中心軸３０５に沿って１つの中央噴射穴３７７が設けられてもよく、中央噴射穴３７７の周囲に、中心軸に関して噴射角度３７９を成して８つの周囲噴射穴３７８が半径方向及び周囲方向に対称に配列されてもよい。噴射穴の大きさ、噴射角度及び場所は、当初のＤＬＮ一次ノズルと比較して複式燃料一次ノズルの性能に対する影響を最適化し且つノズル吐出に関して差異をごく局所に限定するように規定されてもよい。

複式燃料一次ノズルの好適な一実施形態において、複数の前置オリフィス３５５は、ノズル３００の中心軸３０５に関して半径方向及び周囲方向に対称に配列された８つの軸方向に向いたオリフィスを含んでもよい。本実施形態は、二次チャンバ３６０の前端３６２を貫通してスワーラ３２０への入口と連通する１６個の噴射穴３６５を含んでもよく、その場合、外側燃料回路３０１からの吐出は、空気入口流路から旋回羽根３２５に向かう圧縮空気３４０の直交流によって渦巻を形成する。噴射穴の大きさ、噴射角度３２９及び場所は、当初の燃料一次ノズルに匹敵する性能を維持し且つ差異をごく局所に限定するように最適化される。複数の噴射穴３６５に対する二次チャンバ３６０内部の燃料圧力をほぼ所定の圧力まで低下するように、前置オリフィス３５５はチャンバ分離壁３５２を貫通してもよい。それにより、空気供給入口開口と噴射穴における圧力降下はほぼ同一の値になるので、その結果、混合チャンバ３３０における燃料‐空気濃度の変動は実質的に最小限になるか又は減少する。このように、外側燃料回路３０２は、予混合器における燃料‐空気濃度の変動を減少し、それにより、動的燃焼性能の維持を助けることでDLN-1一次ノズルと同等の機能を実現する。

図３Ｂは、一次ノズルを通過する燃料及び空気の流路を示した図である。天然ガス（ＮＧ）を使用する動作の場合、ＮＧ３８０は外側燃料回路に供給され、内側燃料回路にはパージ用空気３９０が供給される。合成ガス動作の場合、合成ガス３８５は外側燃料回路及び内側燃料回路の双方に供給される。混合された燃料及びガス（噴出流れ）３９５は下流側へ流れ、混合チャンバ３３０において混合される。

図４は、一次ノズルの一実施形態の下流側の面を示した図である。本体３１０の内部において、内側燃料回路の円錐形突出部３７５は、中央噴射穴３７７及び周囲噴射穴３７８を含む。スワーラ３２０は複数の旋回羽根３２５を含み、外側燃料回路の噴射穴３６５は、外側燃料回路のガス燃料を旋回羽根３２５の間の空気流れの中へ噴射する。天然ガス動作の場合、ＮＧは噴射穴３６５を通してのみ供給され、パージ用空気は、中央噴射穴３７７及び周囲噴射穴３７８を通して供給される。合成ガス動作の場合、合成ガスは、外側燃料回路の噴射穴３６５並びに内側燃料回路の中央噴射穴３７７及び周囲噴射穴３７８のすべてを通して供給される。

影響を局所に限定し且つ総合性能を不変のままに維持するように設計を最適化するために、計算流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションツールを使用した。新たな構造は、一次燃料チャンバ、８個の前置オリフィス、二次燃料チャンバ及び１６個の燃料噴射穴を含む外側燃料回路を有する。外側燃料はスワーラ空気流路に向かって噴射され、直交空気流れと混合される。内側燃料回路は、一次チャンバ及び９個の噴射穴を含む。燃料穴の大きさ、噴射角度及び穴の場所は、ＣＦＤを使用して総合性能に対する影響を最小限に抑えるように最適化される。

燃料圧力比、燃料穴の大きさ、噴射器の旋回角度、噴射器の半径方向角度及び噴射器の場所を含む設計パラメータの組み合わせは、合成ガス動作に対して設計を最適にするように選択された。その結果、パラメータの組み合わせを適正に選択することにより、燃料効果の影響をノズルの第１の半体の中に限定できることがわかった。下流側及びノズル出口の付近では、合成ガス燃料の流れパターン及び混合パターンは、ＮＧの場合のパターンへと徐々に収束する。

ＣＦＤは、燃焼器の総合性能を高レベルに保つように内側燃料回路の燃料穴の大きさ、噴射角度及び穴の場所を最適化するために使用されている。天然ガス及びＨ２／ＣＯ混合合成ガスの双方に対して、新たに設計されたノズルを試験した。その結果によれば、新たなノズルは、天然ガス及びＨ２／ＣＯ混合合成ガスの双方に対して、天然ガスを使用した場合の単一燃料一次ノズルの動作に匹敵する高い性能を示すことが実証された。

天然ガス動作中、下流側燃焼器炎が内側燃料回路内へ逆流し、損傷を与えるのを防止するために、内側燃料回路は空気パージされなければならない。したがって、ＮＧ動作の場合、内側燃料回路をパージする空気流れがノズルの動作能力に影響を及ぼすか否かは、性能に関わる重大な問題である。ＮＧ動作能力を評価するために、２つのノズルの性能を評価した。性能試験に際して、２つのノズルは共に外側燃料回路を通してＮＧを供給されるが、一方のノズルのみ、内側燃料回路を空気パージした。それらのシミュレーション結果は、内側燃料回路の空気パージがノズル噴射場所に近接する場所においてのみ流れパターン及び混合パターンを変化させることを明確に実証する。ノズルの下流側では、流れパターン及び混合パターンは互いに完全に類似している。

図５Ａ及び図５Ｂは、天然ガス動作中の複式燃料一次ノズルの一実施形態の混合チャンバにおける空気パージを実行する場合としない場合の流れパターン及び混合パターンの比較を示す。図５Ａは、内側燃料回路に対する空気パージを伴う天然ガス動作の場合のノズル軸に沿った横断面平均燃料／空気未混合度（５１０）及び内側燃料回路に対する空気パージを伴わない天然ガス動作の場合のノズル軸に沿った横断面平均燃料／空気未混合度（５２０）を示す。図５Ｂは、内側燃料回路に対する空気パージを伴う天然ガス動作の場合のノズル軸に沿った速度不均等度（５３０）及び空気パージを伴わない天然ガス動作の場合のノズル軸に沿った速度不均等度（５４０）を示す。それらのシミュレーション結果は、内側回路の空気パージを実行した場合、ノズル噴射場所に近接する場所でのみ流れ及び混合度が変化するが、未混合度及び速度不均等度は混合チャンバ内部の下流側で一般に収束することを明らかに実証する。更に、解析によれば、ノズル噴射の下流側で軸方向速度、燃料／空気等量比及び流れベクトルは互いに類似していることが明らかである。したがって、当初の構造と比較して、新たに設計された複式燃料一次ノズルのＮＧ動作能力に変化はない。実験データは、複式燃料ノズルへの設計変更によってＮＧ動作能力は変化しないというコンピュータシミュレーションを確認した。

合成ガス動作の場合、ＮＧガス動作と比較して合成ガスの体積流量が大きいため、当初の流れパターン及び混合パターンが変化することは避けられない。先の場合と同様に、総合性能に与える影響を最小限に抑えるように複式燃料一次ノズルの設計を最適化するためのツールとしてＣＦＤが使用された。燃料圧力比、燃料穴の大きさ、噴射器の旋回角度、噴射器の半径方向角度及び噴射器の場所を含めた設計パラメータの組み合わせが設計最適化に利用された。図６Ａ及び図６Ｂは、天然ガス動作の場合と合成ガス動作の場合の複式燃料一次ノズルの一実施形態の混合チャンバにおける燃料／空気未混合度及び速度不均等度の比較を示す。図６Ａは、天然ガス動作の場合のノズル軸に沿った横断面平均燃料／空気未混合度（６１０）及び合成ガス動作の場合のノズル軸に沿った横断面平均燃料／空気未混合度（６２０）を示す。図６Ｂは、天然ガス動作の場合のノズル軸に沿った速度不均等度（６３０）及び合成ガス動作の場合のノズル軸に沿った速度不均等度（６４０）を示す。解析によれば、軸方向速度、燃料／空気等量比及び流れベクトルの差異を下流側混合チャンバの第１の半体に限定できることは明らかである。それらのシミュレーション結果は、パラメータの組み合わせを適正に選択することにより、天然ガス動作及び合成ガス動作の双方で未混合度及び速度不均等度の値は混合チャンバの下流側で一般に収束することを明らかに実証する。したがって、当初の構造の一次ノズルにおける天然ガス動作の場合の動作能力と比較して、複式燃料一次ノズルの合成ガス動作能力に差異はない。

本発明は、天然ガスから合成ガス（混合燃料）への拡張のように、DLN-1燃焼器で利用できる燃料の種類を広いウォッベ数範囲のガス燃料に拡張する。燃焼器の総合性能を高レベルに保つように燃料穴の大きさ、噴射角度及び穴の場所を最適化するためにＣＦＤが使用された。一次ノズルを除き、燃焼器全体を変更する必要はない。燃料の体積流量の範囲を広げるために、各一次ノズルに内側燃料回路が追加された。天然ガス及び混合ガスの双方に対してノズルを試験した。試験結果は、天然ガス及び混合合成ガスの双方に対して、新たなノズルが単一燃料ノズルと同様の性能を示すことを実証する。

種々の実施形態を説明したが、それらの実施形態の要素、変形及び改善の種々の組み合わせが実行されてもよく、それらの組み合わせは本発明の範囲内に含まれることが理解されるであろう。

１００ガスタービンエンジン
１０２圧縮機
１０４燃焼器
３００複式燃料一次ノズル
３０１外側燃料回路
３０２内側燃料回路
３１０本体
３２０スワーラ
３２５旋回羽根
３３０混合チャンバ
３４０圧縮空気流入経路
３４５外側チャンバ
３５０一次チャンバ
３５２チャンバ分離壁
３５５前置オリフィス
３６０二次チャンバ
３６５噴射穴
３７０中央チャンバ
３７４前壁
３７６噴射穴
３７７中央噴射穴
３７８周囲噴射穴

Claims

二次ノズル及び前記二次ノズルの周囲に同心に配列された複数の複式燃料一次ノズルを使用して動作するガスタービンの燃焼器の複式燃料一次ノズル（３００）であって、第１のガス燃料及び第２のガス燃料のうち一方を含むガス燃料、ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気及びパージ用空気が供給される複式燃料一次ノズル（３００）において、
混合チャンバ（３３０）と；
スワーラ（３２０）と；
前記混合チャンバ（３３０）と流体連通し且つ前記スワーラ（３２０）において空気と混合するために第１のガス燃料及び第２のガス燃料のうち一方のガス燃料を送り出すように構成された外側燃料回路（３０１）と；
前記混合チャンバ（３００）と流体連通し且つ前記外側燃料回路（３０１）が第１のガス燃料を送り出す場合はパージ用空気を送り出し、前記外側燃料回路（３０１）が第２のガス燃料を送り出す場合には前記第２のガス燃料を送り出すように構成された内側燃料回路（３０２）とを具備する複式燃料一次ノズル（３００）。
前記第１のガス燃料は、前記第２のガス燃料のウォッベ指標値とは異なるウォッベ指標値を有する請求項１記載の複式燃料一次ノズル（３００）。
前記第１のガス燃料は天然ガスを含み且つ前記第２のガス燃料は合成ガスを含む請求項２記載の複式燃料一次ノズル（３００）。
前記一次ノズル（３００）が天然ガスで動作される場合、前記天然ガスは前記外側燃料回路（３０１）に供給され且つ前記パージ用空気は前記内側燃料回路（３０２）に供給され；前記一次ノズル（３００）が合成ガスで動作される場合、前記合成ガスは、前記外側燃料回路（３０１）の燃料圧力比が所定の限界に達するまで前記外側燃料回路（３０１）にのみ供給され、前記外側燃料回路（３０１）の燃料圧力比が前記所定の値に達した後、前記外側燃料回路（３０１）及び前記内側燃料回路（３０２）の双方に対して前記燃料圧力比を前記所定の限界に維持するか又は前記所定の限界より低い値に維持しつつ、合成ガスは前記内側燃料回路（３０２）により更に供給される請求項３記載の複式燃料一次ノズル（３００）。
前記内側燃料回路（３０２）は、あらゆるガス燃料に対して持続拡散燃料モードで動作可能である請求項１記載の複式燃料一次ノズル（３００）。
前記外側燃料回路（３０１）及び前記内側燃料回路（３０２）は、別個に制御される２つの異なる種類の混焼ガス燃料を含む請求項１記載の複式燃料一次ノズル（３００）。
本体（３１０）と；
前記本体（３１０）にあり、前記混合チャンバ（３３０）と流体連通する手段を含み、前記内側燃料回路（３０２）を通すように構成された中央チャンバ（３７０）と；
前記本体（３１０）にあり、前記混合チャンバ（３３０）と流体連通する手段を含み、前記外側燃料回路（３０１）を通すように構成された外側チャンバ（３４５）と；
前記本体（３１０）にあり、複数の旋回羽根（３２５）を含み、前記外側燃料回路（３０１）から噴射される前記第１のガス燃料及び前記第２のガス燃料のうち一方のガス燃料と混合するために前記一次ノズル（３００）の外側ボリューム（３４０）からの圧縮空気の直交流に渦巻を形成するように構成された前記スワーラ（３２０）とを更に具備する請求項１記載の複式燃料一次ノズル（３００）。
前記中央チャンバ（３１０）から前記混合チャンバ（３３０）に流体連通する手段は、
前記混合チャンバ（３３０）の中まで延出する前記中央チャンバ（３７０）の前方部分（３７４）を具備し、前記前方部分（３７４）は、前記前方部分（３７４）と前記混合チャンバ（３３０）との間に複数の噴射穴（３７６）を含む請求項７記載の複式燃料一次ノズル（３００）。
前記複数の噴射穴（３７６）は、
前記一次ノズルの中心軸に位置する中央噴射穴（３７７）と；
前記中央噴射穴（３７７）の周囲に配列された複数の周囲噴射穴（３７８）とを含む請求項８記載の複式燃料一次ノズル（３００）。
前記外側チャンバ（３４５）を前記混合チャンバ（３３０）と流体連通する手段は、
前記外側チャンバ（３４５）の前方壁（３６２）を貫通し、前記本体（３１０）の中心軸（３０５）に対して対称に配列された複数の噴射穴（３６５）と；
前記スワーラ（３２５）の前記複数の旋回羽根（３２５）の間にあり、前記混合チャンバ（３３０）に開いている流路とを具備する請求項７記載の複式燃料一次ノズル（３００）。
前記外側チャンバ（３４５）は、
一次チャンバ（３５０）と；
前記外側チャンバ（３４５）の前記噴射穴を含む二次チャンバ（３６０）と；
前記一次チャンバ（３５０）と前記二次チャンバ（３６０）とを分離する壁（３５２）と；
前記一次チャンバ（３５０）と前記二次チャンバ（３６０）とを分離する前記壁（３５２）を貫通する複数の前置オリフィス（３５５）とを更に具備し、前記混合チャンバ（３３０）において、燃焼ダイナミクスと関連する燃料／空気等量比をほぼ最小限にするために、前記複数の前置オリフィス（３５５）の大きさ及び数は前記外側チャンバ（３４５）の前記複数の噴射穴（３６５）の大きさ及び数と整合される請求項７記載の複式燃料一次ノズル（３００）。