JP2010175243A - ターボ機械における燃焼ダイナミックスを低減するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械の燃焼ダイナミックスを低減する手段を提供する。
【解決手段】ターボ機械は、燃焼チャンバ４８と、燃焼チャンバ４８に取付けられた少なくとも１つのプレミキサ３８、３９とを含む。少なくとも１つのプレミキサは、第２の端部部分４４、４５まで延びる第１の端部部分４２、４３を有する本体４０、４１を含む。第１の端部部分４２、４３は、燃料量及び空気量を受けるように構成され、また第２の端部部分４４、４５は、それから燃焼チャンバ４８内に燃料−空気混合気を吐出する出口面を形成する。少なくとも１つのプレミキサ３８、３９に対して作動結合された燃焼ダイナミックス低減システム９０を含む。燃焼ダイナミックス低減システムは、少なくとも１つのプレミキサ３８、３９内部で燃料−空気混合気の流れパターンを分裂させる境界層摂動メカニズム及び音響波導入システムの少なくとも１つを含む。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示した主題は、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、ターボ機械における燃焼ダイナミックスを低減するためのシステム及び方法に関する。

燃焼ダイナミックスは、リーン予混合式燃焼を利用したガスターボ機械における現象である。燃焼ダイナミックスには、旋回火炎による燃焼チャンバの半径方向及び方位角モードの励振によって生じる低周波長手方向ダイナミックス及び高周波スクリーチが含まれる。低周波及び高周波の両方には、燃焼時に燃焼器に沿って進む（流れる）燃焼場成分及び音響成分が含まれる。特定の運転条件下では、燃焼成分及び音響成分が結合して、低周波及び高周波ダイナミック場の両方を発生させる。低周波及び高周波ダイナミック場は、様々なターボ機械構成部品に対して悪影響を与える。より具体的には、燃焼器から流れるダイナミック場は、下流のターボ機械構成部品に対して高サイクル疲労（ＨＣＦ）を生じさせるおそれがある。

このような問題に対処するために、ターボ機械は、最適以下のレベルで運転される、すなわち、燃焼スクリーチにつながる情況を避けるために特定の運転条件が回避される。燃焼ダイナミックスを低減することにおいては有効であるが、そのような運転レベルを回避することにより、ターボ機械の全運転エンベロープが制限される。

燃焼ダイナミックスの問題に対するもう一つの解決方法は、燃焼器インプット条件を変更することである。より具体的には、燃料−空気比における変動は、燃焼スクリーチを招く燃焼ダイナミックスを生じさせることが知られている。燃料流量を変化させることによって燃料−空気混合気内に摂動を発生させることにより、燃焼場を音響場から切離して燃焼スクリーチを抑制することができる。上記の解決方法の両方は、燃焼ダイナミックスを低減ることにおいて有効であるが、様々な運転レベルを回避することにより、ターボ機械の全運転エンベロープが制限されると同時に、燃料−空気比を操作することは、結合制御スキームを必要としまた効率的とはいえない燃焼を生じる可能性もある。

米国特許第４，１７５，９１９号公報 米国特許第５，４８７，２７４号公報 米国特許出願公開第２００３／０１７２６５５ Ａ１号公報 日本特許第２００５／０９０９５１ Ａ号公報 日本特許第８，２９６，８１２ Ａ号公報

本発明の１つの態様によると、ターボ機械は、燃焼チャンバと、燃焼チャンバに取付けられた少なくとも１つのプレミキサとを含む。少なくとも１つのプレミキサは、第２の端部部分まで延びる第１の端部部分を有する本体を含む。第１の端部部分は、燃料量及び空気量を受けるように構成され、また第２の端部部分は、それから燃焼チャンバ内に燃料−空気混合気を吐出する出口面を形成する。本ターボ機械はまた、少なくとも１つのプレミキサに対して作動結合された燃焼ダイナミックス低減システムを含む。燃焼ダイナミックス低減システムは、少なくとも１つのプレミキサ内部で燃料−空気混合気の流れパターンを分裂させる境界層摂動メカニズム及び音響波導入システムの少なくとも１つを含む。

本発明の別の態様によると、ターボ機械における燃焼ダイナミックスを低減する方法は、プレミキサを通して燃焼チャンバ内に燃料−空気混合気を導くステップと、少なくとも１つのプレミキサの内部で燃料−空気混合気の流れパターンを分裂させることによって燃焼ダイナミックスを低減するステップとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

本発明の例示的な実施形態による燃焼ダイナミックス低減システムを備えたターボ機械の部分断面側面図。 図１のターボ機械の燃焼器部分の断面側面図。 本発明の１つの例示的な態様による燃焼ダイナミックス低減システムを備えた噴射ノズル組立体の概略図。 本発明の別の例示的な態様による燃焼ダイナミックス低減システムを備えた噴射ノズル組立体の概略図。 本発明のさらに別の例示的な態様による燃焼ダイナミックス低減システムを備えた噴射ノズル組立体の概略図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

本出願で使用する場合における「軸方向の」及び「軸方向に」という用語は、バーナ管組立体の中心本体の中心長手方向軸線にほぼ平行に延びる方向及び配向を意味している。本出願で使用する場合における「半径方向の」及び「半径方向に」という用語は、中心本体の中心長手方向軸線に対してほぼ直角に延びる方向及び配向を意味している。本出願で使用する場合の「上流方向の」及び「下流方向の」という用語は、中心本体の中心長手方向軸線に対する軸流方向に関しての方向及び配向を意味している。

最初に図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態により構成したターボ機械は、その全体を参照符号２で示している。本ターボ機械２は、圧縮機４と、噴射ノズル組立体ハウジング８を備えた少なくとも１つの燃焼器６を有する燃焼器組立体５とを含む。ターボ機械２はまた、タービン１０と、共通の圧縮機／タービンシャフト１２とを含む。１つの例示的な実施形態では、ターボ機械２は、サウスカロライナ州グリンビル所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから購入可能なＰＧ９３７１ ９ＦＢＡ型高馬力ガスタービンエンジンである。とりわけ、本発明は、いずれか１つの特定のエンジンに限定されるものではなく、かつ別のターボ機械と組合せて使用することができる。

図２に最もよく示すように、燃焼器６は、圧縮機４及びタービン１０と流れ連通状態で結合される。圧縮機４は、互いに流れ連通状態で結合されたディフューザ２２及び圧縮機吐出プレナム２４を含む。燃焼器６はまた、該燃焼器６の第１の端部に配置されたエンドカバー３０と、キャップ部材３４とを含む。燃焼器６はさらに、その２つを参照符号３８及び３９で示している複数のプレミキサ又は噴射ノズル組立体を含む。各噴射ノズル組立体３８、３９は、それぞれ第１及び第２の端部部分４２、４３及び４４、４５を有する対応する本体４０、４１を含む。第２の端部部分４４及び４５は、それぞれ噴射ノズル組立体３８及び３９の出口面（別個には参照符号を付さず）を形成する。さらに、燃焼器６は、燃焼器ケーシング４６と燃焼器ライナ４７とを含む。図示するように、燃焼器ライナ４７は、燃焼器ケーシング４６の半径方向内側に配置されて、燃焼チャンバ４８を形成するようになる。燃焼器ケーシング４６と燃焼器ライナ４７との間に環状の燃焼チャンバ冷却通路４９が形成される。燃焼器６は、移行部品５５を介してターボ機械２に結合される。移行部品５５は、燃焼チャンバ４８内で発生した燃焼ガスを第１段タービンノズル６２に向かって下流方向に送る。その目的のために、移行部品５５は、内壁６４と外壁６５とを含む。外壁６５は、内壁６４及び外壁６５間に形成された環状通路６８に至る複数の開口部６６を含む。内壁６６は、燃焼チャンバ４８とタービン１０との間に延びる案内空洞７２を形成する。

運転時に、空気は、圧縮機４を通って流れ、加圧され、かつ燃焼器６に、より具体的には噴射器組立体３８及び３９に送られる。同時に、燃料は、噴射器組立体３８及び３９に送られて、加圧空気と混合して可燃性混合気を形成する。可燃性混合気は、燃焼チャンバ４８に送られかつ点火（着火）されて燃焼ガスを形成する。燃焼ガスは次に、タービン１０に送られる。燃焼ガスの熱エネルギーは、圧縮機／タービンシャフト１２を駆動するために使用される機械回転エネルギーに変換される。

より具体的には、タービン１０は、圧縮機／タービンシャフト１２（図１に示す）を介して圧縮機４を駆動する。圧縮機４が回転すると、関連する矢印で示すように、加圧空気が、ディフューザ２２内に吐出される。この例示的な実施形態では、圧縮機４から吐出された加圧空気の大部分は、圧縮機吐出プレナム２４を通して燃焼器６に向けて送られる。残りの加圧空気は、エンジン構成部品を冷却するのに使用するために送られる。吐出プレナム２４内の加圧空気は、外壁開口部６６を介して移行部品５５内に送られかつ環状通路６８内に送られる。加圧空気は次に、環状通路６８から環状燃焼チャンバ冷却通路４９を通って噴射ノズル組立体３８及び３９に送られる。燃料及び空気は混合されて、可燃性混合気を形成する。可燃性混合気は、燃焼チャンバ４８内部で点火されて燃焼ガスを形成する。燃焼器ケーシング４７は、例えば周囲のタービン構成部品のような外部環境から燃焼チャンバ４８及びその関連する燃焼プロセスを遮蔽するのを可能にする。燃焼ガスは、燃焼チャンバ４８から案内空洞７２を通ってタービンノズル６２に向けて送られる。第１段タービンノズル６２に衝突した高温ガスは、回転力を発生し、この回転力が、最終的にはターボ機械２による仕事を生成する。この時点において、上述の構成は、本発明の例示的な実施形態のより完全な理解のために提示していることを理解されたい。

図３に最もよく示すように、ターボ機械２は、燃焼ダイナミックス低減システム９０を含む。１つの例示的な実施形態によると、燃焼ダイナミックス低減システム９０は、空気／イナートガス噴射システム１００の形態で示した境界層摂動メカニズム９６を含む。より具体的には、噴射ノズル組立体３８は、外側導管１０４と内側導管１０６とを含み、それらの間には、入口（別個には参照符号を付さず）を有する通路１０８が形成される。通路１０８は、噴射ノズル組立体３８の第２の端部部分４４に配置された出口つまり開口部１１２を有する。このような構成の場合には、空気／イナートガスが、通路１０８内に噴射されかつ第２の端部部分４４に向けて導かれる。空気／イナートガスは、開口部１１２を通って噴射ノズル組立体３８の出口面に向けて流れる。空気は、出口面に存在する火炎と未着火の可燃性混合気との間の境界層において分裂又は外乱を生じさせる。より具体的には、空気／イナートガスは、噴射ノズル組立体３８内部の燃料−空気混合気の流れパターンを分裂させる。通路１０８を通る空気／イナートガスの流量を制御することによって、空気／イナートガス噴射システム１００は、火炎のベース部分に存在する境界層における渦発散現象を外方に移動（変更）させる。境界層及び渦特性の分裂により、第２の端部部分４４に存在する燃焼場成分及び音響成分が切離されて、あらゆる付随の燃焼スクリーチが抑制されるようになる。

次に、図４を参照して、別の例示的な実施形態による境界層摂動メカニズム１２０について説明することにする。図示するように、境界層摂動システム１２０は、噴射ノズル組立体３９の第２の端部部分４５に配置された複数の機械部材１２２を含む。上述したのと同様に、噴射ノズル組立体３９は、第２の端部部分４５に設けられた吐出部分１３２に至る内側通路１３１を有する外側導管１３０を含む。噴射ノズル組立体３９はまた、第２の端部４５に隣接して同様に配置された吐出セクション１３７に至る内部通路１３６を有する内側導管１３５を含む。このような構成の場合には、外側導管１３０の内表面（別個には参照符号を付さず）並びに内側導管１３５の外表面（別個には参照符号を付さず）上に、複数の機械部材１２２が配置される。この例示的な実施形態の１つの態様によると、複数の機械部材は、突出部１４２の形態を取る。しかしながら、機械部材１２２はまた、乱流内に境界層をトリップさせるタービュレータ、及び／又は燃料／空気混合気に対して脈動運動を与えかつ境界層を同様に分裂させることができるフラッパの形態を採ることができる。このようにして、燃焼チャンバ４８内に放出しかつ点火燃焼させるのに先立って、噴射ノズル組立体３９を通って流れる燃料／空気混合気に対して摂動作用が与えられる。噴射ノズル組立体３９内部での摂動作用並びに燃焼器４８内における境界層の分裂／変更及び関連する渦構造により、燃焼プロセスの燃焼及び音響成分の切離しがもたらされて、ターボ機械２における燃焼スクリーチが抑制されるようになる。

次に、同じ参照符号が別個の図面における対応する部品を表している図５を参照して、本発明のさらに別の実施形態により構成した燃焼ダイナミックス低減システム１６４について説明することにする。図示するように、燃焼ダイナミックス低減システム１６４は、音響波導入システム１６７と流体導入システム１６９とを含む。より具体的には、音響波導入システム１６７は、第２の端部１８１まで延びる第１の端部１８０を有する第１のインプット管路１７７を含む。第２の端部１８１は、噴射ノズル組立体３８の第１の端部部分４２に対して流体連結される。第１のインプット管路１７７内部に弁１８２を配置して、噴射ノズル組立体３８内に送給される音響波の導入を制御する。より具体的には、音響波導入システム１６７は、第１のインプット管路１７７の第１の端部１８０に配置された音響ドライバ１８５を含む。下記においてより十分に説明するように、音響ドライバ１８５は、噴射ノズル組立体３８に存在する火炎のベース部に対して様々な周波数で音響波を送給するように選択的に作動する。

図５にさらに示すように、流体導入システム１６９は、第２の端部１９４まで延びる第１の端部１９３を有する第２のインプット管路１９０を含む。上述したのと同様に、第２の端部１９４は、噴射ノズル組立体３８の第１の端部部分４２に対して流体連結される。第２のインプット管路１９０は、噴射ノズル組立体３８内に空気、燃料及び／又は希釈剤のような流体の導入を制御する弁１９５を含む。この構成の場合には、音響波並びに／或いは空気／燃料／希釈剤又はそれらの混合物は、噴射ノズル組立体３８内に導入されかつ燃焼チャンバ４８内部の火炎のベース部分に導かれる。音響波及び／又は流体の導入により、音響成分及び燃焼場成分が切離されて、ターボ機械２内部における燃焼スクリーチが抑制されるようになる。より具体的には、音響ドライバ１８５は、噴射ノズル組立体３８内に流入する音響波の周波数及び振幅の両方を変化させるように作動して、燃焼チャンバ４８内部の火炎のベース部を摂動させるつまり分裂させるようになる。同様に、空気もまた、噴射ノズル組立体３８内に噴射されて、火炎のベース及び関連する境界層並びに渦特性にさらに影響を与えることができる。このことは、燃焼成分の応答を変更させかつ燃焼成分を音響成分から切離す。

この時点において、本発明により、特定の燃焼器と関連した噴射ノズル内部で境界層分裂を生じさせるか又は特定の噴射ノズルの出口において火炎のベース部分を直接分裂させるシステムを設けることによってターボ機械における燃焼スクリーチを抑制するようになったシステムが得られることを理解されたい。噴射ノズル組立体内部に時変変化を生じさせることによって、例え完全には排除されない場合であっても燃焼スクリーチを大幅に低減することができる。さらに、このようにして燃焼スクリーチを排除することにより、オペレータが全てのターボ機械運転範囲の利点を得ることが可能になる。加えて、発生源におけるすなわちノズル組立体及び／又は燃焼チャンバ内部での燃焼スクリーチを抑制することによって、ターボ機械構成部品を通して伝播する機会を有する前に、高周波ダイナミック場の成長が排除される。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

２ ターボ機械
４ 圧縮機
５ 燃焼器組立体
６ 燃焼器
８ 噴射ノズル組立体ハウジング
１０ タービン
１２ 圧縮機／タービンシャフト
２２ ディフューザ
２４ 圧縮機吐出プレナム
３０ エンドカバー
３４ キャップ部材
３５ 第１の表面（キャップ部材３４の）
３６ 第２の表面
３８ プレミキサ／噴射ノズル組立体
３９ プレミキサ／噴射ノズル組立体
４０ 本体（プレミキサ／噴射ノズル組立体３８の）
４１ 本体（プレミキサ／噴射ノズル組立体３９の）
４２ 第１の端部部分（本体４０の）
４３ 第１の端部部分（本体４１の）
４４ 第２の端部部分（本体４０の）
４５ 第２の端部部分（本体４１の）
４６ 燃焼ケーシング
４７ 燃焼ライナ
４８ 燃焼チャンバ
４９ 燃焼チャンバ冷却通路
５５ 移行部品
６２ 第１段タービンノズル
６４ 内壁（移行部品５５の）
６５ 外壁（移行部品５５の）
６６ 複数の開口部（外壁６５の）
６８ 環状通路
７２ 案内空洞
９０ 燃焼ダイナミック抑制システム
９６ 境界層摂動メカニズム
９９ 空気／イナートガス
１００ 噴射システム
１０４ 外側導管
１０６ 内側導管
１０８ 通路
１１２ 開口部
１２２ 機械部材
１３０ 外側導管
１３１ 通路
１３２ 吐出部分
１３５ 内側導管
１３６ 通路
１３７ 吐出部分
１４２ 突出部
１４８ タービュレータ
１５４ フラッパ
１６４ 燃焼スクリーチ抑制システム
１６７ 音響波導入システム
１７２ 流体導入システム
１７７ 第１のインプット管路
１８０ 第１の端部
１８１ 第２の端部
１８２ 弁
１８５ 音響ドライバ
１９０ 第２のインプット管路
１９３ 第１の端部
１９４ 第２の端部
１９５ 弁

Claims (10)

1. 燃焼チャンバ（４８）と、
   前記燃焼チャンバ（４８）に取付けられ、かつ第２の端部部分（４４、４５）まで延びる第１の端部部分（４２、４３）を備えた本体（４０、４１）を含み、前記第１の端部部分（４２、４３）が、燃料量及び空気量を受けるように構成されまた前記第２の端部部分（４４、４５）が、それから該燃焼チャンバ（４８）内に燃料−空気混合気を吐出する出口面を形成した少なくとも１つのプレミキサ（３８、３９）と、
   前記少なくとも１つのプレミキサ（３８、３９）に対して作動結合された燃焼ダイナミックス低減システム（９０）と、を含み、
   前記燃焼ダイナミックス低減システム（９０）が、前記少なくとも１つのプレミキサ（３８、３９）内部で前記燃料−空気混合気の流れパターンを分裂させる境界層摂動メカニズム（９６）及び音響波導入システムの少なくとも１つを含む、
   ターボ機械（２）。
2. 前記燃焼ダイナミックス低減システム（９０）が、境界層摂動メカニズム（９６）を含み、
   前記境界層摂動メカニズム（９６）が、前記プレミキサに対して作動結合された空気／イナートガス噴射システム（１００）及び前記少なくとも１つのプレミキサ内に取付けられた機械部材（１２２）の１つを含む、
   請求項１記載のターボ機械（２）。
3. 前記境界層摂動メカニズム（９６）が、空気／イナートガス噴射システム（１００）を含み、
   前記空気／イナートガス噴射システム（１００）が、空気／イナートガス量を受けるようになった入口及び該空気／イナートガス量を放出するようになった出口（１１２）を含む、
   請求項２記載のターボ機械（２）。
4. 前記出口（１１２）が、前記プレミキサ（３８、３９）内に配置される、請求項３記載のターボ機械。
5. 前記出口（１１２）が、前記出口面に隣接して配置される、請求項４記載のターボ機械。
6. 前記境界層摂動システム（９６）が、前記プレミキサ内に取付けられた機械部材（１２２）を含む、請求項２記載のターボ機械。
7. 前記機械部材（１２２）が、前記プレミキサ内に取付けられた少なくとも１つの突出部（１４２）を含み、
   前記少なくとも１つの突出部（１４２）が、前記燃料−空気混合気の流れパターンを変更する、
   請求項６記載のターボ機械（２）。
8. 前記少なくとも１つの突出部（１４２）が、前記出口面に隣接して取付けられる、請求項７記載のターボ機械。
9. 前記燃焼ダイナミックス低減システム（９０）が、音響波導入システム（１６７）を含み、
   前記音響波導入システム（１６７）が、前記少なくとも１つのプレミキサ（３８、３９）に対して作動連結された音響ドライバ（１８５）を含む、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載のターボ機械。
10. 前記燃焼ダイナミックス低減システム（９０）が、流体導入システム（１７２）を含み、
    前記流体導入システム（１７２）が、前記少なくとも１つのプレミキサ（３８、３９）に対して作動連結される、
    請求項９記載のターボ機械（２）。

Images