JP2010164297A - キャップ・レス燃焼器アセンブリにおける横行型燃料ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】改良された燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼器（１００、３００、４００）が、中央の燃料ノズル・アセンブリ（３０４）と複数の外部の燃料ノズル・アセンブリ（３０８）とを備え、複数の外部の燃料ノズル・アセンブリ（３０８）はそれぞれ、中央のボディ（３１０）と外部側板（３１２）とを有し、複数の外部の燃料ノズル・アセンブリ（３０８）は、中央の円筒（３０４）を取り囲む関係で互いに隣接して、複数の外部の燃料ノズル・アセンブリ（３０８）のうち任意の２つの隣接する燃料ノズル・アセンブリ間に間隙が存在しないように構成されている。本発明の実施形態により、複数の燃料ノズル・アセンブリ（１０４、３０４、３０８）のうち１つまたは複数が、軸方向に前後に横行しても良い。
【選択図】図３

Description

環状および環状筒形の両デザインに対するヘビー・デューティ・ガス・タービン用の予混合乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムは、燃料多段化、空気多段化、または２つの組み合わせに基づいている。この結果、比較的広い範囲の条件に渡って動作することが可能になっている。予混合燃焼に対する窓は、最新のガス・タービンの負荷サイクルと比べると比較的狭い。そのため、燃焼システム内の条件を通常「多段化」して、安定燃焼の局所ゾーンを形成することが、バルク条件によってデザインがその動作限界（すなわち、排出、可燃性など）を越える場合があるという事実にもかかわらず、行なわれる。

さらに多段化によって、潜在的に有害な音響不安定性を避けるように燃焼システムを「調整」する機会が与えられる。予混合システムでは、燃焼「動特性」を経験する場合がある。火炎形状を変えられること、ダンピングを与えられること、または火炎面までの燃料の対流時間をずらせることはすべて、これらの事象の始まりを制御しようと試みる手段として利用されている。しかしこれらの特徴は、非可調整である傾向があるか、または別の基本的な限界たとえば排出を犠牲にした場合にのみ実行することができる。

動特性の緩和が、連続的に調査を行なう源である。ほとんどの燃焼器デザインには、燃料流量を多段化する（一般的に「燃料分配」と言う）手段があるが、これによって排出の不利益が生じる。他のデザインには、対流時間を混ぜるために複数の燃料噴射面を有するものがある。この場合もやはり、多数のアプローチが可能であり、たとえば燃料強制、共振器、１／４波長管などである。

音響不安定性がある場合、放熱変動が燃焼室の固有の音響モードの１つまたは複数と一致しているということを示している。これらの放熱変動が燃焼室と相互作用する仕方は、火炎の形状と火炎面までの燃料／空気混合物の輸送時間とによって、かなりの程度まで決定される。両方のパラメーターは一般的に、燃焼器内の種々のノズルに対する燃料の分配を変えることによって操作される。ノズルが共通の軸平面にある場合には、主な効果は火炎形状を変えることである。そうではなく、ノズルが別個の軸方向位置にある場合には、主な効果は対流時間を変えることである。さらに加えて、共通面内にノズルがある場合には、安定性の観点からノズルを「偏らせ」て、隣接するノズル上に広がるようにしない限り、有害なノズル間火炎面相互作用が生じる場合がある。しかしどちらの調整も、操作性の低下につながる。すなわち、共通面における燃料分配が不均一であると、局所火炎温度に対するＮＯｘ形成の良く知られた指数関数的な依存関係を通して、ＮＯｘ排出が比較的高くなる。また、別個の軸方向位置における燃料分配が不均一であると、あるノズル群が残りの上流にある（たとえば「４つ組」システム）の場合に、潜在的な火炎保持位置が形成される可能性がある。

本発明の一態様によれば、燃焼器が燃料ノズル・アセンブリを備え、燃料ノズル・アセンブリは、中央のボディと、中央のボディの少なくとも一部を取り囲む内部側板と、内部側板の少なくとも一部を取り囲む外部側板と、外部側板の一部に形成される複数の冷却孔であって、冷却用空気が内部側板と外部側板との間の間隔に導入されて複数の冷却孔から出て行く、冷却孔と、を有する。燃焼器は、少なくとも中央のボディを軸方向に動かす駆動部も備える。

本発明の別の態様によれば、燃焼器が少なくとも１つの燃料ノズル・アセンブリを備え、燃料ノズル・アセンブリは、中央のボディと、中央のボディの少なくとも一部を取り囲む側板と、中央のボディと側板との間に配置される羽根とを有する。燃焼器は、少なくとも中央のボディを軸方向に動かす駆動部も備える。

本発明のさらに別の態様によれば、燃焼器が中央の燃料ノズル・アセンブリと複数の外部の燃料ノズル・アセンブリとを備え、複数の外部の燃料ノズル・アセンブリはそれぞれ、中央のボディと外部側板とを有し、複数の外部の燃料ノズル・アセンブリは、中央の円筒を取り囲む関係で互いに隣接して、複数の外部の燃料ノズル・アセンブリのうち任意の２つの隣接する燃料ノズル・アセンブリの間に間隙が存在しないように構成されている。

これらおよび他の優位性および特徴が、図面とともに以下の説明からより明らかとなる。

本発明と考えられる主題は、特に明細書の終わりの請求項において指摘され明瞭に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、添付図面とともに以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の実施形態による横行型燃料ノズル・アセンブリ（ｔｒａｖｅｒｓｉｎｇ ｆｕｅｌ ｎｏｚｚｌｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有する燃焼器の断面図である。 図１の横行型燃料ノズル・アセンブリを伴う燃焼器のより詳細な断面図である。 本発明の別の実施形態による複数の横行型燃料ノズルを有する燃焼器の斜視図である。 本発明のさらに別の実施形態による横行型燃料ノズル・アセンブリを有する燃焼器の断面図である。

詳細な説明によって、本発明の実施形態を、優位性および特徴とともに、図面を参照して一例として説明する。

図１および図２を参照して、ガス・タービン用の燃焼器１００が、複数の燃料ノズル・アセンブリ１０４を備えており、そのうちの１つを図１および図２の実施形態において示す。本発明の実施形態により、複数の燃料ノズル・アセンブリ１０４のうち１つまたは複数が軸方向に前後に横行しても良い。図１に示すように、燃焼器１００はまた、燃焼室容器１０８と端部カバー１１２とを備える。燃料ノズル・アセンブリ１０４はそれぞれ、羽根１１６、内部側板１２０、中央のボディ１２４、ライナ１２８、シール・アセンブリ１３２、隔壁／キャップ・アセンブリ１３６、シール１４０、外部側板１４４、および駆動部メカニズム１４８を備えていても良い。

本発明の一実施形態によれば、燃料ノズル・アセンブリ１０４全体を、軸方向に動かしても良いし横行させても良い。別の実施形態によれば、燃料ノズル・アセンブリ１０４の中央のボディ１２４のみを軸方向に動かしても良い。加えて、どの時点においても燃料ノズル・アセンブリ１０４のうちの１つのみを軸方向に動かしても良いし、どの時点においても燃料ノズル・アセンブリ１０４のうちの２つ以上からなる何らかの組み合わせを軸方向に動かしても良い。通常、燃料ノズル・アセンブリ１０４のうちの１つまたは複数の一部または全部を動かすことを、必要に応じて燃焼器１００の性能を調整するために行なう。燃料ノズル・アセンブリ１０４の動きのタイプにかかわらず、このような動きは、駆動部メカニズム１４８のうちの１つまたは複数によって実現される。駆動部メカニズム１４８は、制御器（図示せず）によって制御される任意のタイプの好適な駆動部（たとえば電気、油圧、ニューマチックなど）を備えていても良い。駆動部メカニズム１４８の出力は、好適な機械的リンク機構によって、対応する燃料ノズル・アセンブリ１０４の中央のボディ１２４に接続している。駆動部メカニズム１４８は、中央のボディ１２４のみを動かすように動作可能であるか、または必要に応じて、中央のボディ１２４だけでなく羽根１１６と内部および外部側板１２０、１４４とを備える燃料ノズル・アセンブリ１０４を動かしても良い。このような動きは、軸方向（すなわち、図１および図２において前後）である。各燃料ノズル・アセンブリ１０４が専用の駆動部メカニズム１４８を有していても良いし、１つまたは複数の燃料ノズル・アセンブリを「グループにまとめる」かまたは互いに接続して、単一の駆動部メカニズム１４８によって一斉に動かしても良い。

このタイプの動きによって、中央のボディ１２４が燃焼「高温ゾーン」内に出現する深さが設定される。燃焼「高温ゾーン」は、図１および図２に見られるように、隔壁／キャップ・アセンブリ１３６の右側の燃焼器１００部分である。「出現ゾーン」を図２において参照番号１５２によって示す。図１および図２から分かるように、図に示す燃料ノズル・アセンブリの中央のボディ１２４は、隔壁／キャップ・アセンブリ１３６を越えて（すなわち右側に）ある程度突き出て、燃焼「高温ゾーン」内に入る。この「高温ゾーン」における典型的な温度は、ほぼ３０００°Ｆである。その結果、内部側板１２０を冷却する必要がある。内部側板１２０も、隔壁／キャップ・アセンブリ１３６を越えて突き出て、燃焼「高温ゾーン」内に入っている。図１および図２の実施形態において、内部および外部側板１２０、１４４は、これらの図において見られるように、中央のボディ１２４の右端部を越えるように構成されている。しかし代替的な実施形態では、中央のボディ１２４の右端部は、内部および外部側板１２０、１４４の端部と同一平面であっても良い。

内部側板１２０のこのタイプの冷却を、多くの冷却孔１５６を外部側板１４４内に形成することと、図１および図２において左側から、内部および外部側板１２０、１４４間の間隔に、比較的より冷たい空気を強制的に入れることとによって、実現しても良い。その結果、冷却用空気は、外部側板１４４内の冷却孔１５６を通って出て行く。このタイプの膜冷却は、内部側板１２０を冷却することと、燃焼「高温ゾーン」における溶融によってそれが破壊することを防止することとに適している。

図１および図２に例示した燃料ノズル・アセンブリ１０４において、側板１２０、１４４は、それらの出口において見たときに（すなわち、図１および図２において右から左に見たときに）、丸いかまたは円形の断面であっても良い。こうして、これにより、キャップを隔壁／キャップ・アセンブリ１３６の一部として用いる必要がある。キャップは通常、円形断面の燃料ノズル・アセンブリ１０４間の間隔を埋める比較的薄い冷却板であり、その結果、放熱ゾーンが上流の構成部品から隔離される。図３を参照して、本発明の燃焼器３００の実施形態として、ノズル３０４、３０８の形状が、わずかなノズル間間隙も完全に埋めるように作られている（すなわち、「密に充填されたノズル」の）場合が例示されている。こうして、この実施形態では、燃焼キャップを図１および図２の隔壁／キャップ・アセンブリ１３６の一部として用いる必要がなく（すなわち、「キャップ・レス燃焼器アセンブリ」）、薄い冷却板に対して繰り返し起きる信頼性の問題がない。図３において、中央の燃料ノズル・アセンブリ３０４は、円形状または円筒形状であっても良く、中心に配置された燃料ノズル３０６を備えていても良い。

中央の燃料ノズル・アセンブリ３０４の周りを、複数（たとえば６つ）の外部の燃料ノズル・アセンブリ３０８が完全に取り囲んでいても良い。それぞれの外部の燃料ノズル・アセンブリ３０８は、中央のボディ３１０と台形状の二重壁冷却側板３１２とを有していても良い。しかし側板３１２に対する台形状は純粋に典型である。外部の燃料ノズル・アセンブリ３０８が互いの付近にまたは互いに隣接して配置され、このようなアセンブリ３０８間に間隙がなく、このようなアセンブリ３０８間の何らかの間隙を覆うためのキャップが必要でない限り、他の形状を用いても良い。それぞれの外部の燃料ノズル・アセンブリ３０８の後端３１４は、円形状の羽根または旋回翼を有していても良い。また追従性のあるシール３１６を、隣接する外部の燃料ノズル・アセンブリ３０８間の各接合部か、または中央の燃料ノズル・アセンブリ３０４と外部の燃料ノズル・アセンブリ３０８のうちの任意の１つまたは複数との間の各接合部に設けて、それらの間のわずかな間隙もなくすようにしても良い。この実施形態においては、外部の燃料ノズル・アセンブリ３０８の中央のボディ３１０および羽根３１４を、中央の燃料ノズル・アセンブリの中央のボディ３０６および羽根３１４と一緒に、軸上の前後方向に動かす。複数の燃料ノズル・アセンブリ３０４、３０８を軸方向に、図１の駆動部メカニズム１４８によって動かしても良い。すなわち、図３に例示した燃料ノズル・アセンブリ３０４、３０８の構成を、図１および図２の実施形態または後述する図４の実施形態における円形または円筒型の燃料ノズル・アセンブリ１０４の代わりに用いても良い。図１および図２の実施形態の場合と同様に、燃料ノズル・アセンブリ３０４、３０８のうちの特定の１つまたは複数を、燃焼器性能を調整するために必要に応じて動かしても良い。

図４を参照して、本発明の別の実施形態による燃焼器４００は、図１および図２の実施形態の燃焼器１００と、ある程度同様である。図１および図２における同様の構成部品を表わすために、図４において同様の参照数字を用いる。図４の実施形態において、中央のボディ１２４と羽根１１６のみを、軸上の前後方向に、駆動部メカニズム１４８によって動かすかまたは横行させる。羽根１１６において一対の燃料供給孔１６０が示されている。内部側板１２０は隔壁１３６に固定されるかまたは取り付けられていて、内部側板１２０のわずかな動きも防止されている。こうして、図１および図２の外部側板１４４が、冷却孔１５６とともに必要でない。これは、図１および図２の実施形態とは対照的に、内部側板１２０が「高温ゾーン」に入らないため内部側板１２０のどんな冷却も必要でないという事実による。

本発明の実施形態においては、燃焼室内の燃料ノズル・アセンブリの特定の１つまたは複数の軸方向の移動を可能にすることによって、火炎形状および対流時間を対象にする調整可能な特徴を提供している。１つまたは複数の燃料ノズル・アセンブリが燃焼室内を軸方向に横行することを可能にすることによって、ＮＯｘ排出または操作性に影響を与えることなく、火炎形状および対流時間の両方が作用を受ける。より具体的には、ノズルの軸方向の移動によって火炎形状と火炎面までの対流時間とが変化し、その結果、ガス・タービンの燃焼器における最も基本的な動特性駆動機構のうちの２つに作用する。またノズルの軸方向の移動を利用してターンダウンの向上（増加）を実現することが、低燃料供給の隣接するノズルが「アンカー」ノズルに対して及ぼす急冷効果を遅延させる（すなわち、アンカー・ノズルの時期尚早の急冷を防止する）ことによって、可能になる。

加えて、本発明の実施形態では、燃焼「キャップ」（ノズル１０４間の間隔を埋める比較的薄い冷却板）が必要でないため、放熱ゾーンが上流の構成部品から隔離されている。その代わりに、本発明の実施形態では、ノズル形状がノズル間間隙を完全に埋めるように作られているため、「密に充填されたノズル」になっている。燃焼キャップがない（すなわち、「キャップ・レス燃焼器アセンブリ」である）ため、薄い冷却板に対して繰り返し起きる信頼性の問題がない。

さらに、各燃料ノズル・アセンブリ１０４は、ノズルが燃焼室の燃焼「高温ゾーン」内に突き出ることを可能にするために冷却されたバーナー・チューブまたは側板を有している。チューブが「高温ゾーン」内に突き出ることを可能にするためにノズル・バーナー・チューブを冷却することは、火炎保持耐性の考え（すなわち、事象を検出および補正できるほど長く火炎保持に耐えられるノズル）と相乗的である。こうして、ノズル・バーナー・チューブを冷却することは、燃料適応性のあるデザインに対する高まる要求に適合するものである。

したがって、本発明の実施形態では、動特性「ノブ」として、排出にも火炎保持にも影響を与えず、燃料適応性の向上とともにターンダウン効果の増加とも相乗的である動特性「ノブ」が提供される。

本発明を、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明してきたが、本発明は、このような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ本発明を変更して、これまで説明していないが本発明の趣旨および範囲に対応する任意の数の変化、変更、置換、または等価な配置を取り入れることができる。さらに、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

Claims (7)

1. 少なくとも１つの燃料ノズル・アセンブリ（１０４、３０４、３０８）であって、
   中央のボディ（１２４、３１０）と、
   中央のボディ（１２４、３１０）の少なくとも一部を取り囲む内部側板（１２０、３１２）と、
   内部側板（１２０、３１２）の少なくとも一部を取り囲む外部側板（１４４）と、
   外部側板（１４４）の一部に形成された複数の冷却孔（１５６）であって、冷却用空気が内部側壁と外部側板（１２０、３１２、１４４）との間の間隔に導入されて複数の冷却孔（１５６）から出て行く、冷却孔と、
   を備える少なくとも１つの燃料ノズル・アセンブリ（１０４、３０４、３０８）と、
   少なくとも中央のボディ（１２４、３１０）を軸方向に動かす駆動部（１４８）と、を備える燃焼器（１００、３００、４００）。
2. 内部側板（１２０、３１２）と中央のボディ（１２４、３１０）との間に配置される羽根（１１６、３１４）をさらに備える請求項１に記載の燃焼器（１００、３００、４００）。
3. 駆動部（１４８）が、羽根（１１６、３１４）、内部側板（１２０、３１２）、および外部側板（１４４）を軸方向に動かし、駆動部（１４８）が内部側板（１２０、３１２）を隔壁（１３６）を越えて動かすと、内部側板と外部側板（１２０、３１２、１４４）との間の間隔における冷却用空気が、内部側板（１２０、３１２）のうち燃焼器（１００、３００、４００）の隔壁（１３６）を越えて突き出る部分を冷却する請求項２に記載の燃焼器（１００、３００、４００）。
4. 複数の燃料ノズル・アセンブリ（１０４、３０４、３０８）をさらに備える請求項１に記載の燃焼器（１００、３００、４００）。
5. 駆動部（１４８）が、複数の燃料ノズル・アセンブリ（１０４、３０４、３０８）のそれぞれが有する羽根（１１６、３１４）、内部側板（１２０、３１２）、および外部側板（１４４）を軸方向に動かし、駆動部（１４８）が内部側板（１２０、３１２）を隔壁（１３６）を越えて動かすと、内部側板と外部側板（１２０、３１２、１４４）との間の間隔における冷却用空気が、内部側板（１２０、３１２）のうち燃焼器（１００、３００、４００）の隔壁（１３６）を越えて突き出る部分を冷却する請求項２に記載の燃焼器（１００、３００、４００）。
6. 複数の駆動部（１４８）であって、複数の駆動部（１４８）のそれぞれは、複数の燃料ノズル・アセンブリ（１０４、３０４、３０８）内の中央の燃料ノズル・アセンブリ（３０４）と複数の燃料ノズル・アセンブリ（１０４、３０４、３０８）内の複数の外部の燃料ノズル・アセンブリ（３０８）とのうち対応する１つを軸方向に動かすように動作可能である複数の駆動部（１４８）をさらに備える請求項４に記載の燃焼器（１００、３００、４００）。
7. 複数の駆動部（１４８）は、中央の燃料ノズル・アセンブリ（３０４）と複数の外部の燃料ノズル・アセンブリ（３０８）とのうち対応する１つを、互いに無関係な軸方向に動かすように動作可能である請求項６に記載の燃焼器（１００、３００、４００）。

Images