JP2010181137A - 予混合直接噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】十分な混合が実行され且つ保炎及び逆火に対する耐性に優れた直接噴射ノズルを提供する。
【解決手段】燃料／空気混合管（１３０）は、入口端部（１３４）と出口端部（１３５）との間に管軸に沿って軸方向に延出する管外壁（２０１）を含み、管外壁（２０１）は、内径を有する管内面（２０３）と管外径を有する管外面（２０２）との間で規定された厚さを有する。管（１３０）は、管外壁（２０１）を貫通する燃料噴射穴（１４２）直径を有する少なくとも１つの燃料噴射穴を更に含み、燃料噴射穴（１４２）は、管軸に対して噴射角度を有する。本発明は、燃焼により生成されるＮＯｘの放出量及び流れ圧力損失を少なく抑えつつ十分に燃料と空気を混合（１３０）するので、ガスタービン（３０）の効率は向上し、耐久性に優れ且つ火保炎及び逆火に対する耐性が高い。
【選択図】図２

Description

本発明は、予混合直接噴射ノズルに関し、特に、十分な混合が実行され且つ保炎及び逆火に対する耐性に優れた直接噴射ノズルに関する。

従来の炭化水素燃料を燃焼するガスタービンにより通常生成され、空気中に放出される一次空気汚染物質は、窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃炭化水素である。吸気エンジンにおける窒素分子の酸化が燃焼系反応ゾーンに存在する高温ガスの最高温度によって大きく左右されることは当該分野において周知である。熱機関燃焼器の反応ゾーンの温度を熱ＮＯｘが形成されるレベルより低くなるように調整する方法の１つは、燃焼以前に燃料及び空気を予混合して希薄混合気を形成する。

燃料及び空気の希薄予混合を伴って動作する乾式低放出燃焼器と関連して起こる問題がいくつかある。すなわち、燃料と空気の可燃性混合物は、燃焼器の反応ゾーンの外側に位置する予混合部の中に存在する。通常、何らかのバルクバーナ管速度が規定されており、それを超えると、予混合器内部の炎は一次燃焼ゾーンへ押し出される。しかし、水素又は合成ガスのようなある種の燃料が予混合モードで燃焼された場合、炎は高速で移動する。渦巻炎速度が速く且つ可燃範囲が広いため、予混合水素燃料燃焼ノズルの設計に際しては、ノズル圧力損失を妥当なレベルに抑えつつ保炎及び逆火の問題を解決しなければならない。直接燃料噴射方式を採用する拡散水素燃料燃焼は、本来、大量のＮＯｘを生成する。

燃料として天然ガスを使用する場合、通常、妥当な低レベルの空気側圧力降下で、適切な保炎限界を有する予混合器を設計できる。しかし、高水素燃料などの更に反応性の高い燃料の場合、保炎限界及び目標圧力降下の双方を考慮した設計は困難になる。従来のノズルの設計点は３，０００°Ｆのバルク炎温度に近づいていると思われるので、ノズルへの逆火は、非常に短い期間の中でノズルに多大な損傷を与える可能性がある。

米国特許出願公開第２００８／００７８１６０号明細書

十分な混合が実行され且つ保炎及び逆火に対する耐性に優れた直接噴射ノズルを提供する。

本発明は、燃焼により生成されるＮＯｘの量を減少し且つ流れ圧力損失を少なく抑えると同時に十分に燃料と空気を混合し、それにより、高いガスタービン効率を実現する予混合直接噴射ノズルの構成に関する。本発明のノズルは、保炎及び逆火に対して高い耐久性及び耐性を示す。

本発明の１つの面によれば、燃料／空気混合管束において使用するための燃料／空気混合管が提供される。燃料／空気混合管は、入口端部と出口端部との間に管軸に沿って軸方向に延出する管外壁を含み、管外壁は、内径を有する管内面と管外径を有する管外面との間で規定された厚さを有する。

管は、管外壁を貫通する燃料噴射穴直径を有する少なくとも１つの燃料噴射穴を更に含み、燃料噴射穴は、管軸に対して、一般に２０°〜９０°の範囲内である噴射角度を有する。燃料噴射穴は、管軸に沿って出口端部から、一般に幾何学的制約条件、燃料の反応性及び所望のＮＯｘ放出量に応じて燃料噴射穴直径の約５倍〜約１００倍の範囲の長さに規定される後方離間距離をおいた場所に配置される。

本発明の別の面によれば、燃料／空気混合管束において使用するための燃料／空気混合管が提供される。燃料／空気混合管は、入口端部と出口端部との間に管軸に沿って軸方向に延出する管外壁を含み、管外壁は、内径を有する管内面と管外径を有する管外面との間で規定された厚さを有する。燃料／空気混合管は、管外壁を貫通する燃料噴射穴直径を有する少なくとも１つの燃料噴射穴を更に含み、燃料噴射穴は、管外壁に対してある噴射角度を有し、管内面の内径は、一般に燃料噴射穴直径の約４倍〜約１２倍の大きさである。

本発明の更に別の面によれば、タービン燃焼器の予混合直接噴射ノズルにおいて高水素燃料を混合する方法が提供される。方法は、ノズルを形成するために一体に装着された複数の混合管を提供することを含む。各混合管は、入口端部と出口端部との間に流路に沿って軸方向に延出し、各混合管は、入口端部と出口端部との間に管軸に沿って軸方向に延出する管外壁を含む。管外壁は、内径を有する管内面と管外径を有する管外面との間で規定される厚さを有する。

方法は、入口端部において複数の混合管の中へ第１の流体を噴射することと；一般に管軸に対して約２０°〜約９０°の範囲内の角度を成す複数の噴射穴を通して混合管の中へ高水素燃料又は合成ガス燃料を噴射することと；混合管の出口端部において約５０％〜約９５％の燃料／第１の流体混合物混合度を実現するように、第１の流体及び高水素燃料又は合成ガス燃料を混合することとを更に含む。

上記の利点及び特徴並びに他の利点及び特徴は、添付の図面と関連させた以下の説明から更に明らかになるであろう。

本発明を成すと考えられる主題は、本明細書の添付の特許請求の範囲において特定され且つ明確に特許請求される。本発明の上記の特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図面と関連させた以下の詳細な説明から明らかである。
図１は本発明に従った場所に噴射ノズルが配置されたガスタービンエンジンを示した横断面図である。 図２は本発明に係る噴射ノズルの一実施形態を示した図である。 図３は図２のノズルを示した端面図である。 図４は本発明に係る噴射ノズルの別の実施形態を示した図である。 図５は図４のノズルを示した端面図である。 図６は本発明に係る燃料／空気混合管を示した部分横断面図である。 図７は本発明に係る燃料／空気混合方法の一実施形態を示した図である。

以下の詳細な説明は、例として添付の図面を参照しながら本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

本発明を限定することなく特定の実施形態を参照して本発明を説明する。図１には、ガスタービンエンジン１０の一例が概略的に示される。エンジン１０は圧縮機１１及び燃焼器構体１４を含む。燃焼器構体１４は、燃焼室１２の少なくとも一部を規定する燃焼器構体壁１６を含む。予混合装置又は予混合ノズル１１０は燃焼器構体壁１６を貫通し、燃焼室１２の中まで延出する。以下に更に詳細に説明されるように、ノズル１１０は燃料入口２１を通して第１の流体、すなわち燃料を受け取り、圧縮機１１からは第２の流体、すなわち圧縮空気を受け取る。その後、燃料と圧縮空気は混合され、燃焼室１２へ送り込まれ、そこで点火されて高温高圧の燃焼生成物、すなわちガス流を形成する。本実施形態では燃焼器構体１４は１つしか示されていないが、エンジン１０は複数の燃焼器構体１４を含んでもよい。燃焼器構体の数に関わらず、エンジン１０はタービン３０及び圧縮機／タービン軸３１を更に含む。当該技術において周知であるように、タービン３０は軸３１に結合され、軸３１を駆動する。軸３１は圧縮機１１を駆動する。

動作中、空気は圧縮機１１に流入し、そこで圧縮されて高圧ガスとなる。高圧ガスは燃焼器構体１４に供給され、ノズル１１０内部において燃料、例えばプロセスガス及び／又は合成ガスと混合される。燃料／空気混合物又は可燃性混合物は燃焼室１２へ送り込まれ、そこで点火されて高圧高温の燃焼ガス流を形成する。あるいは、燃焼器構体１４は、天然ガス及び／又は燃料油を含む燃料を燃焼してもよいが、燃料はそれらに限定されない。その後、燃焼器構体１４は燃焼ガス流をタービン１０へ送り出し、タービン１０は熱エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する。

次に図２及び図３には、燃料噴射ノズル１１０の横断面図が示される。ノズル１１０は燃料流路１１４に接続されると共に、圧縮機１１から供給される空気を受け取るために内部プレナム空間１１５に接続される。複数の燃料／空気混合管が管束１２１として示される。管束１２１は、互いに装着され且つ端キャップ又は他の従来の取り付け部品により１つの束として保持された個別の燃料／空気混合管１３０から構成される。各燃料／空気混合管１３０は、中間部分１３３を介して第２の端部分１３２まで延出する第１の端部分１３１を含む。第１の端部分１３１は第１の流体入口１３４を規定し、第２の端部分１３２は、端キャップ１３６の流体出口１３５を規定する。

燃料流路１１４は燃料プレナム１４１に流体接続し、燃料プレナム１４１は、複数の個別の燃料／空気混合管１３０の各々に規定された流体入口１４２に流体接続する。この構成によって、空気は管１３０の第１の流体入口１３４に流入し、一方、燃料は燃料流路１１４を通過し、個々の管１３０を取り囲むプレナム１４１に流入する。燃料は複数の燃料／空気混合管１３０の周囲を流れ、個々の燃料噴射入口（又は燃料噴射穴１４２）を通過した後、管１３０の内部で空気と混合され、燃料／空気混合物を形成する。燃料／空気混合物は出口１３５から点火ゾーン１５０へ送り込まれ、そこで点火されて高温高圧ガス炎を形成する。ガス炎はタービン３０に向かって吐出される。

次に図４及び図５には、別の燃料噴射ノズル２１０の横断面図が示される。ノズル２１０は燃料流路２１４に接続されると共に、圧縮機１１から供給される空気を受け取るために内部プレナム空間２１５に接続される。複数の燃料／空気混合管が管束２２１として示される。管束２２１は、図２及び図３に示されるのと同一の個別の燃料／空気混合管１３０から構成され、端キャップ２３６又は他の従来の取り付け部品により１つの束として互いに装着される。各燃料／空気混合管１３０は、中間部分１３３を介して第２の端部分１３２まで延出する第１の端部分１３１を含む。第１の端部分１３１は第１の流体入口１３４を規定し、第２の端部分１３２は、端キャップ２３６の流体出口１３５を規定する。

燃料流路２１４は燃料プレナム２４１に流体接続され、燃料プレナム２４１は、複数の個別の燃料／空気混合管１３０の各々に規定された流体入口１４２に流体接続される。この構成によって、空気は管１３０の第１の流体入口１３４に流入し、一方、燃料は燃料流路２１４を通過して、流体入口１４２を介して個々の管１３０に流体接続されているプレナム２４１に流入する。燃料は複数の燃料／空気混合管１３０の周囲を流れ、個々の燃料噴射入口（又は燃料噴射穴）１４２を通過して、管１３０の内部で空気と混合され、燃料／空気混合物を形成する。燃料／空気混合物は出口１３５から点火ゾーン２５０に送り込まれ、そこで点火されて高温高圧のガス炎を形成する。ガス炎はタービン３０に向かって吐出される。

図２から図５を参照して説明すると、ＮＯｘを少なく抑えるための全負荷動作において、炎は点火ゾーン１５０、２５０に滞留していなければならない。しかし、高水素／合成ガス燃料を使用すると、逆火が障害となり、多くの場合に問題を起こしていた。混合管１３０の内部における保炎を回避するために、保炎による混合管内部の熱放出を管壁に対する熱損失より小さくすべきである。この基準は管の太さ、燃料ジェットの侵入及び燃料ジェット後方離間距離に制約を課す。原則として、後方離間距離が長ければ、燃料／空気は更に十分に混合される。混合管１３０における燃料と空気の比（本明細書においては燃料の混合度）が高く且つ１００％に近い燃料／空気混合が実現される場合、その結果発生するＮＯｘの生成量は相対的に少なくなるが、ノズル１１０、２１０及び個々の混合管１３０の内部における保炎及び／又は炎逆流は起こりやすくなる。管束１２１、２２１の個々の燃料／空気混合管１３０は損傷を受けるため、混合管の交換が必要になる。従って、後述するように、本発明の燃料／空気混合管１３０は、燃料／空気混合管１３０への逆火を防止しつつ点火ゾーン１５０、２５０における十分な燃焼を可能にする混合度を実現する。混合管１３０の独特の構成によって、点火ゾーン１５０、２５０から管１３０の内部への保炎及び炎逆流という重大な危険を伴わずに、ＮＯｘを相対的に少なく抑えるように、高水素燃料又は合成ガス燃料を燃焼することが可能である。

次に図６及び図７には、管束１２１又は２２１のうち１つの燃料／空気混合管１３０が示される。管１３０は、第１の流体入口１３４と流体出口１３５との間で管軸Ａに沿って軸方向に延在する外周面２０２及び内周面２０３を有する管外壁２０１を含む。外周面２０２は管外径D_oを有し、内周面２０３は管内径D_iを有する。図示されるように、管１３０は複数の燃料噴射入口１４２を有し、各燃料噴射入口は、外周面２０２と内周面２０３との間で規定された燃料噴射穴直径D_fを有する。非限定的な一実施形態において、燃料噴射穴直径D_fは一般に約０．０３インチ以下である。別の非限定的な実施形態において、管内径D_iは、一般に燃料噴射穴直径D_fの約４倍〜約１２倍の大きさである。

燃料噴射穴１４２は、図６に示されるように軸Ａと平行である管軸Ａに対して噴射角度Zを有する。図６に示されるように、各噴射穴１４２は一般に約２０°〜約９０°の範囲内の噴射角度Ｚを有する。本発明の更なる改善過程において、ある種の高水素燃料に対しては、約５０°〜約６０°の噴射角度が望ましいことは周知のことである。また、燃料噴射入口１４２は、管流体出口１３５の上流側に後方離間距離Rとして知られるある距離をおいて配置される。後方離間距離Rは、一般に燃料噴射穴直径D_fの約５倍（R_min）〜約１００（R_max）倍の範囲にあり、上述したように、燃料噴射穴直径D_fは一般に約０．０３インチ以下である。実際、水素／合成ガス燃料の場合の後方離間距離Rは、一般に約０．０５インチ〜約０．３インチの範囲内である。更なる改善過程において、管内径D_iが一般に約０．０８インチ〜約０．２インチである場合、約０．３インチ〜約１インチの後方離間距離Rで所望の混合及び目標ＮＯｘ放出を実現できることがわかっている。高水素／合成ガス燃料によっては、管内径が約０．１５インチ未満である場合に更に高い効率を示すこともある。本発明の更なる改善過程において、最適後方離間距離が、一般にバーナ管速度、管壁の熱伝導係数及び燃料噴出時間に比例し、直交流ジェット高さ、渦巻燃焼速度及び圧力に反比例することは周知のことである。

燃料噴射入口１４２の直径D_fは、一般に約０．０３インチ以下でなければならず、各管１３０は、水素燃料などの高反応性燃料に対しては約１インチ〜約３インチの長さを有し且つ一般に約１個〜約８個の燃料噴射入口１４２を有する。天然ガスなどの低反応性燃料に対しては、各管１３０は約１フィートの長さを有してもよい。圧力降下の少ない複数の燃料噴射入口１４２、すなわち約２個〜約８個の燃料噴射入口も考えられる。以上挙げたパラメータを使用した場合、所望の混合及び目標ＮＯｘ放出を実現するのに約５０°〜約６０°の角度Zを有する燃料噴射入口１４２が有効であることがわかっている。所望の混合及び目標ＮＯｘ放出を実現するために、上記のパラメータのいくつかの異なる組み合わせが使用されてもよいことは当業者には理解されるであろう。例えば、１つの管１３０に複数の燃料噴射入口１４２がある場合、図６に示されるように、一部の噴射入口は、例えば後方離間距離Rの関数として変化する異なる噴射角度Zを有してもよい。別の例として、噴射角度Zは、燃料入口１４２の直径D_fの関数として変化してもよいし、あるいは燃料噴射入口１４２の直径D_f及び後方離間距離Rとの組み合わせで変化してもよい。目的は、管１３０の長さを可能な限り短くし且つ流体入口端部１３４と流体出口端部１３５との間で起こる圧力降下を少なくする（すなわち約５％未満に押さえる）一方で適切な混合を実現することである。

燃料組成、燃料温度、空気の温度及び圧力、並びに管１３０の内周面２０２及び外周面２０３に対して実行される処理に応じて、上記のパラメータが変更されてもよい。燃料／空気混合物が流通する内周面２０３が材料に関わらず滑らかにホーニングされることにより、性能は向上する。また、ノズル１１０、噴射ゾーン１５０、２５０にさらされる端キャップ１３６、２３６及び個々の管１３０を燃料、空気又は他の冷却剤によって冷却することにより保護することも可能である。更に、耐熱性に優れた被覆膜又は他の層によって端キャップ１３６、２３６が被覆されてもよい。

次に図７には、穴あき噴射ノズルにおける高水素／合成ガス燃料の混合の一例が示される。特に、非限定的な本例の燃料噴射入口１４２の後方離間距離Rが流体出口１３５から約０．６インチ〜約０．８インチである場合、ＮＯｘ放出を少なく抑え（５ｐｐｍ未満）且つノズル圧力損失を低く抑える（３％未満）と同時に所望の混合が実現される。上述したように、後方離間距離Rは、一般に燃料噴射穴直径の約１倍〜約５０倍の範囲で変更されてもよい。図示される非限定的な実施形態において、３０°、６０°及び９０°の３つの燃料噴射角度が示されるが、前述のように、燃料噴射角度は一般に約２０°〜約９０°の範囲内で変更されてもよい。燃料／空気混合物が流体出口１３５に到達するまでに、噴射角度Zが約６０°である場合の燃料／空気混合度はほぼ８０％であり、噴射角度Zが約３０°である場合の燃料／空気混合度は６０％〜７０％であり、噴射角度Zが９０°である場合の燃料／空気混合度は約５０％である。

限定された数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明したが、本発明が開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。本明細書においては説明されなかったが、本発明の趣旨と一致する任意の数の変形、変更、置き換え又は同等の構成を取り入れるために本発明を変更できる。更に、本発明の種々の実施形態を説明したが、本発明の面は、説明された実施形態のうちいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。従って、本発明は以上の説明によって限定されるとみなされてはならず、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンエンジン
３０ タービン
１１０ 燃料噴射ノズル
１２１ 管束
１３０ 燃料／空気混合管
１３４ 流体入口端部
１３５ 流体出口端部
１４２ 燃料噴射穴／入口
２０１ 管外壁
２０２ 外周面
２０３ 内周面
２１０ 燃料噴射ノズル
２２１ 管束
Ａ 管軸

Claims (8)

1. 燃料／空気混合管束（１２１）で使用するための燃料／空気混合管（１３０）において、
   入口端部（１３４）と出口端部（１３５）との間に管軸（Ａ）に沿って軸方向に延出し、内径を有する管内面（２０３）と管外径を有する管外面（２０２）との間で規定された厚さを有する管外壁（２０１）と；
   前記管外壁（２０１）を貫通し、燃料噴射穴（１４２）直径を有し且つ前記管軸（Ａ）に対して２０度から９０度の範囲内の噴射角度を有する少なくとも１つの燃料噴射穴（１４２）とを具備し、
   前記管軸（Ａ）に沿って前記燃料噴射穴（１４２）と前記出口端部（１３５）との間で規定される後方離間距離は、前記燃料噴射穴直径の５倍から１００倍の長さである燃料空気混合管（１３０）。
2. 前記後方離間距離は１．５インチ以下であり、前記管直径は０．０５インチから０．３インチの範囲内である請求項１記載の燃料／空気混合管（１３０）。
3. 前記後方離間距離は０．３インチから１インチの範囲内であり、前記管直径は０．０５インチから０．３インチの範囲内である請求項１記載の燃料／空気混合管（１３０）。
4. 前記少なくとも１つの燃料噴射穴（１４２）の前記燃料噴射穴（１４２）直径は０．０３インチ以下である請求項３記載の燃料／空気混合管（１３０）。
5. 前記噴射角度は５０度から６０度である請求項１記載の燃料／空気混合管（１３０）。
6. 複数の燃料噴射穴（１４２）直径を有する複数の燃料噴射穴（１４２）を具備する請求項１記載の燃料／空気混合管（１３０）。
7. 複数の燃料噴射穴（１４２）角度を有する複数の燃料噴射穴（１４２）を具備する請求項１記載の燃料／空気混合管（１３０）。
8. 前記複数の燃料噴射穴（１４２）は２個から８個の燃料噴射穴（１４２）を具備する請求項７記載の燃料／空気混合管（１３０）。

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