JP2010159953A - 燃料プレナム渦流防止器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器スウォズルベーンの燃料プレナムで使用する渦流防止器を提供すること。
【解決手段】ガスタービン（１０）と共に使用するマニホルド（１００）。マニホルド（１００）は、燃料通路（１２０）と、該燃料通路（１２０）と連通したスウォズルベーン（１６０）とを含む。スウォズルベーン（１６０）は、１以上の燃料孔（１８０）と連通した燃料プレナム（２００）と、燃料孔（１８０）付近に位置付けられた渦流防止機構（２１０）とを含むことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、全体的にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、燃焼器スウォズルベーンの燃料プレナムで使用する渦流防止器に関する。

種々のタイプの燃焼器が公知であり、ガスタービンエンジンにおいて使用される。これらの燃焼器は一般に、使用する燃料タイプに応じて様々なタイプの燃料ノズルを用いている。例えば、ほとんどの天然ガス燃焼システムは、希薄予混合火炎を用いて動作する。これらのシステムでは、燃料は、反応ゾーンの上流側で空気と混合されて予混合火炎を生成する。１つの実施例は、「スウォズル」（スワーラ＋ノズル）であり、ここでは、燃料ポートが幾つかの延長ベーンの回りに位置付けられ、空気ストリーム内に燃料を噴射するようにする。或いは、シンガス又は他のタイプの燃料を使用するシステムでは、一般的に燃料の高い反応性に起因して、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、天然ガス及び他のタイプの燃料の使用に関する燃料融通性に焦点が当てられている。その結果、同一の構成要素を使用しながら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可能性がある。例えば、シンガスは、その高い反応性に起因して、天然ガスと比較して極めて高い体積流量を有する場合がある。従って、燃焼器の設計は、これらの様々な特徴に対処する必要がある。

米国特許出願公開２００８−００７８１８３号明細書

以上のことから、システム効率を維持し且つ全体のエミッションを制限しながら、より優れた燃料融通性を提供することができる、特に燃焼器構成部品の改善、及び全体としてタービン構成部品の改善に対する要望が存在する。具体的には、このような燃料融通性のあるシステムは、広範囲の装置変更を必要とすることなく、天然ガス及び他のタイプの燃料に適合すべきである。

従って、本発明は、ガスタービンと共に使用するマニホルドを提供する。予混合マニホルドは、燃料通路と、該燃料通路と連通したスウォズルベーンとを含むことができる。スウォズルベーンは、１以上の燃料孔と連通した燃料プレナムと、燃料孔の付近に位置付けられた渦流防止機構とを含むことができる。

本発明は更に、マニホルドベーンの燃料プレナム内の１以上の燃料孔付近の再循環渦流を修正する方法を記載する。本方法は、燃料を燃料通路に流す段階と、燃料プレナムへの燃料の流れを約９０度転回させ、再循環渦流を生成する段階と、１以上の燃料孔付近に渦流防止機構を位置付けて、再循環渦流を修正する段階とを含む。

本発明は更に、ガスタービンと共に使用する予混合マニホルドを更に記載する。予混合マニホルドは、燃料通路と、燃料通路と連通したスウォズルベーンとを含むことができる。スウォズルベーンは、１以上の燃料孔と連通した燃料プレナムを含むことができる。燃料プレナムは、燃料通路から約９０度転回して位置付けることができる。スウォズルベーンは更に、燃料プレナム内の再循環渦流を低減するために、燃料孔の付近に位置付けられた渦流防止機構を含むことができる。

本発明のこれら及び他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と併用して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。

タービンエンジンの概略図。 既存の燃焼器予混合マニホルドの側断面図。 予混合燃プレナムが断面で図示された、図２の予混合プレナムと共に使用することができる公知の燃料プレナムの側断面図。 本明細書で記載される渦流防止機構を備えた燃料プレナムの側断面図。

ここで、同じ参照符号が複数の図全体を通じて同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図を示している。公知のように、ガスタービンエンジン１０は、流入する空気の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、加圧空気の流れを燃焼器３０に送給する。燃焼器３０は、加圧空気の流れを燃料流れと混合し、この混合気を点火させる。（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４０は、圧縮機２０と、発電機及び同様のものなどの外部負荷５０とを駆動する。ガスタービンエンジン１０は、本明細書では他の構成及び構成要素を使用することができる。

図２は、燃焼器３０において使用することができる予混合マニホルド１００を示す。公知のように、予混合マニホルド１００は、拡散先端部１１５につながる中央拡散燃料通路１１０を含むことができる。拡散燃料通路１１０は、幾つかの予混合燃料通路１２０により囲むことができる。予混合燃料通路１２０は、空気路１３０により囲むことができる。空気路１３０は、バーナー管１４０により密封することができる。予混合燃料通路１２０及び空気路１３０は、スウォズル１５０と連通することができる。スウォズル１５０は、空気路１３０内に延びる約１２個のベーン１６０を有することができる。何れの数のベーン１６０を用いてもよい。各ベーン１６０は、１以上の燃料プレナム１７０と、１以上の燃料孔１８０とを有することができる。本明細書では、他のタイプのマニホルド設計を用いてもよい。あらゆる数のマニホルド１００を用いることができる。

使用時には、燃料は、スウォズル１５０の燃料孔１８０を通って空気路１３０内に噴射される。スウォズル１５０の主な目的は、燃料を空気ストリームに噴射し、良好な混合を促進するようにスワール（旋回）を導入することである。燃料はバーナー管１４０内で空気と混合され、次いで、燃焼器３０内の燃焼ゾーン又はライナに流入する。

具体的には、予混合燃料は、予混合マニホルド１００に流入し、予混合燃料通路１２０を通って、各スウォズル１５０のベーン１６０及び燃料プレナム１７０内を通過する。しかしながら、予混合燃料通路１２０からの燃料は、各ベーン１６０内部の燃料プレナム１７０に流入する際には、およそ９０°の転回１６５を必要とする。

従って、燃料は、この転回１６５を行うときに燃料プレナム１７０内に再循環渦流１７５を形成する可能性がある。このような再循環渦流１７５は、燃料孔１８０の１以上の背後で旋回する可能性がある。低ＢＴＵガス（天然ガスとは異なり、高い体積流量のガス）では、燃料プレナム１７０内部の再循環渦流１７５は、各燃料孔１８０を通る不均一な燃料束分布を生じる場合がある。このような不均一な燃料束は、空気路１３０への一様ではない燃料噴流浸透をもたらす可能性がある。結果として、これらの再循環渦流１７５は、燃料／空気混合が不十分であることに起因して、保炎及び高エミッションを生じる恐れがある。再循環渦流１７５の強度は、体積流量に伴って増大することができる。

具体的には、保炎又は逆火の支配的過程は、燃料孔１８０の背後にある再循環渦流１７５とすることができる。不均一な燃料束が、燃料孔１８０の一部を通って高噴流浸透を生じる可能性がある。これらの高噴流は、噴流の背後に更に強力な再循環渦流１７５を形成し、従って、保炎又は逆火の可能性が高くなる場合がある。不均一な燃料流はまた、他の燃料孔１８０に対しては低噴流浸透をもたらす可能性がある。低噴流による燃料は、ベーン壁に近接して流れ、十分に空気ストリームと混合されない恐れがある。従って、このような不十分な混合が高エミッションを生じる可能性がある。

図４は、同様に本明細書で説明される燃料プレナム２００を示している。燃料プレナム２００は、プレナム内に位置付けられた渦流防止機構２１０を含む。渦流防止機構２１０は、燃料孔１８０の１以上に隣接し、燃料プレナム２００を貫通又はその内部にあるアパーチャ、スロット、押出ブロック、又は他のタイプの遮断物とすることができる。この関連において、渦流の強度を低減又は排除する何れかの好適な形状、大きさ、及び位置付けにされたアパーチャ又は遮断物が、渦流防止機構２１０として機能することができる。具体的には、渦流防止機構２１０は、過剰な圧力低下及び関連する再循環を低減又は排除する受動的な流れ制御装置とすることができる。

あらゆる数の渦流防止機構２１０を用いることができる。渦流防止機構２１０の大きさ、形状、数、及び位置は、流れる燃料の性質及び速度によって決定されるが、渦流防止機構２１０の最適な位置は、再循環渦流の中央付近の可能性が高いと考えられる。渦流防止機構２１０は、予混合のために燃料が空気に噴射される通路内部の何れの場所でも使用することができる。本明細書で示される渦流防止機構２１０は、スウォズル燃料プレナムにおいて使用されるが、過剰な圧力低下を制御する必要がある他の何れのプレナムにおいて使用してもよい。渦流防止機構２１０は、流路内に再循環を生成する可能性があるあらゆる流体と共に使用することができる。渦流防止機構２１０の無い燃料プレナム１７０と比較すると、渦流防止機構２１０を備えた燃料プレナム２００は、燃料孔１８０の各々全体にわたってより均等な圧力低下を有する。従って、この均等な圧力低下は、より均一な燃料束を生じることができる。更に、再循環渦流１７５を弱めることによって圧力低下全体を縮小することができる。渦流防止機構２１０又は同様の設計はまた、燃料ペグ内で用いることができる。

以上のように、渦流防止機構２１０は、再循環渦流１７５を低減又は排除する助けとなり、よって燃料孔１８０の各々を通るより均一な燃料束を提供する。従って、より均一な燃料束は、保炎マージンを高め、全体の混合を改善することによってエミッションを低減することができる。また、保炎を改善することにより、予混合マニホルド１００の寿命が全体として向上し、保守管理コスト全体を低減する助けとすることができる。同様に、保炎の改善により、予混合の不具合に起因した停止時間を短縮することができる。上述のように、保炎の改善により、作動性に悪影響を及ぼすこと無く様々な種類の燃料に適合するように、タービン１０の燃料融通性が全体として大幅に向上する。渦流防止機構２１０は、燃料プレナム内部の再循環渦流を低減するのを助け、これにより様々な燃料での作動性が改善される。また、再循環渦流が排除されると、流れ及び燃焼誘起の不安定性を排除又は低減するのを助けることになる。

上記のことは、本発明の好ましい実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。

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 外部負荷
１００ 予混合マニホルド
１１０ 拡散 燃料通路
１１５ 拡散先端
１２０ 予混合燃料通路ｓ
１３０ 空気路
１４０ バーナー管
１５０ スウォズル
１６０ ベーン
１６５ 転回部
１７０ 燃料プレナム
１７５ 再循環渦流
１８０ 燃料孔
２００ 燃料プレナム
２１０ 渦流防止機構

Claims (9)

1. ガスタービン（１０）と共に使用するマニホルド（１００）であって、
   燃料通路（１２０）と、
   前記燃料通路（１２０）と連通したスウォズルベーン（１６０）と
   を備え、前記スウォズルベーン（１６０）が、１以上の燃料孔（１８０）と連通した燃料プレナム（２００）を含み、前記スウォズルベーン（１６０）が、前記１以上の燃料孔（１８０）付近に位置付けられた渦流防止機構（２１０）を含む、マニホルド（１００）。
2. 前記スウォズルベーン（１６０）の付近に空気路（１３０）を更に備える、請求項１記載のマニホルド（１００）。
3. 前記燃料プレナム（２００）が、前記燃料通路（１２０）から約９０度転回（１６５）して位置付けられる、請求項１又は請求項２記載のマニホルド（１００）。
4. 前記渦流防止機構（２１０）が、前記燃料プレナム（２００）内の再循環渦流（１７５）を低減又は排除する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のマニホルド（１００）。
5. 前記渦流防止機構（２１０）が、前記燃料プレナム（２００）内にアパーチャを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のマニホルド（１００）。
6. 前記渦流防止機構（２１０）が、複数の渦流防止機構（２１０）を含む、
   請求項１記載のマニホルド（１００）。
7. 前記渦流防止機構（２１０）が、前記燃料プレナム（２００）の中央部分付近に位置付けられる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のマニホルド（１００）。
8. のマニホルドベーン（１６０）の燃料プレナム（２００）内の１以上の燃料孔（１８０）付近の再循環渦流（１７５）を低減する方法であって、
   燃料を燃料通路（１２０）に流す段階と、
   前記燃料プレナム（２００）への前記燃料の流れを約９０度転回させ、前記再循環渦流（１７５）を生成する段階と、
   前記１以上の燃料孔（１８０）付近に渦流防止機構（２１０）を位置付けて、前記再循環渦流（１７５）を中断する段階と
   を含む方法。
9. 前記１以上の燃料孔（１８０）付近に複数の渦流防止機構（２１０）を位置付ける段階を更に含む、請求項８記載の方法。