JP2010181141A - 燃焼システムのバーナチューブ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料供給システムから燃焼用の燃料を受けるバーナチューブを有する燃焼器を提供する。
【解決手段】軸方向スワラ１１６がバーナチューブ１２０、１２２、１２６内に設置される。このバーナチューブはスワラの下流がフレア式となっている。この構造により、希薄打消限界および低振動数動力学の限界が拡大されることにより燃焼安定性が向上され、それによりＮＯｘの排出がさらに減少される。別の例示の実施形態では、燃焼器が、燃料供給システムから燃焼用の燃料を受けるバーナチューブと、バーナチューブ内に設置される軸方向スワラとを有する。バーナチューブはスワラの下流でフレア式となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、ガスタービン燃焼器の空力性能に関し、より詳細には、窒素酸化物（ＮＯｘ）および他の汚染物質の発生を減少させることを可能にする、火炎安定性および希薄吹消限界（ｌｅａｎ ｂｌｏｗｏｕｔ ｍａｒｇｉｎ）が改良された構成の予混合燃料ノズルに関する。

図１は、既存の燃焼器内での燃料ノズルの配置を示している。この一般的なシステムは、二次燃料ノズル１２の周りに環状アレイとして配置される複数の一次燃料ノズル１０を有する。一次ノズル１０は、ベンチュリ管領域（ｖｅｎｔｕｒｉ ｔｈｒｏａｔ ｒｅｇｉｏｎ）１４により二次ノズル１２から分離されている。

二次燃料ノズル１２は、ベンチュリ管領域１４の上流で火炎が消された後にベンチュリ管領域１４の下流で燃焼を継続させるためにパイロット火炎を維持する働きをする。パイロットバーナの安定性は、一次システムと二次的なサブシステムとの間で燃料を分割して、希薄吹消しきい値および動力学のしきい値に交差または接近することなく低エミッションを達成することができるという点で、燃焼器全体の性能に直接に関係する。

図１に示されている既存の構成には、円筒形通路１８に取り付けられた軸方向スワラ（ａｘｉａｌ ｓｗｉｒｌｅｒ）１６を有するバーナチューブが組み込まれている。円筒形通路１８から出る渦巻き状の流れは、ベンチュリ管領域１４の下流で軸方向環状噴流と相互作用するように設計されている。この構成では、燃焼システムを超低ＮＯｘという課題に適合するように調節することができるが、一方で希薄打消限界および低振動数動力学の限界が不十分となる。

燃焼安定性の点では、既存のシステムの欠点は、スワラの下流に形成される再循環領域が円筒形通路の範囲によって制限されてしまうことであり、ＣＦＤ（計算流体力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ））の分析によると、この再循環領域はベンチュリの環状噴流（ｖｅｎｔｕｒｉ ａｎｎｕｌａｒ ｊｅｔ）により圧力を受ける。内部スワラの下流に形成される再循環領域は、スワラのブラッフボディ（二次燃料ノズルの先端）からある程度離れて始まっており、円筒形通路を通ってライナ内へとさらに下流まで延在する。この流れは、円筒管１８から離れるとき、ベンチュリ管領域１４から出てくる流れと相互作用する。この相互作用は、再循環領域の位置および形状に影響を及ぼすことから、システムの燃焼安定性および希薄吹消能力の主要要因の１つとなる。

別の既存システムが、米国特許公開第２００５／００３４４５７号に開示されている。このシステムは、フレア式バーナチューブが複数のバーナのアレイから出る流れのための絞りの内側部分を形成するような形で、フレア式バーナチューブによって流れを加速させる。しかし、流れの方向に影響を及ぼすことにより効果的な再循環領域を形成することを目的として流れを加速させるためには、ベンチュリとフレア式バーナチューブとの両方を組み込むことが好適である場合がある。

米国特許公開第２００５／００３４４５７号公報 米国特許第７，１８１，９１６号公報 米国特許第７，１８５，４９４号公報 米国特許第７，２１０，２９７号公報 米国特許第７，２４６，００２号公報 米国特許第７，３２０，２１３号公報 米国特許第７，３７３，７７２号公報 米国特許第７，３８９，６４３号公報

例示の実施形態では、二次燃料ノズルは一次燃料ノズルの環状アレイの間に配置可能であり、一次燃料ノズルはベンチュリ管領域により二次燃料ノズルから分離される。二次燃料ノズルは、燃料供給システムと流体連通している予混合通路と、燃料供給システムの下流で予混合通路内に配置されているスワラと、スワラの下流にある末広形の円錐形出口通路とを有する。

別の例示の実施形態では、燃焼器が、燃料供給システムから燃焼用の燃料を受けるバーナチューブと、バーナチューブ内に設置される軸方向スワラとを有する。バーナチューブはスワラの下流でフレア式となっている。

別の例示の実施形態では、燃焼器の燃焼安定性を向上させるための方法が、燃料供給システムから燃焼用の燃料を受けるバーナチューブ内でスワラを位置決めするステップと、燃焼の希薄吹消限界および低振動数動力学限界を拡大させる再循環領域が画定されるようにスワラの下流のバーナチューブの一部を設計するステップとを含む。

従来の燃焼システムの内部断面図である。 説明する燃焼システムの内部断面図である。

図２を参照すると、説明する構成に、出口が末広形の円錐形通路１２０の入口に嵌挿されている軸方向スワラ１１６が組み込まれている。この構造では渦巻き状の流れを拡大することができ、それにより、境界の流線が円錐形通路１２０の末広形の外形をなぞっている、空気力学的に安定している独立した再循環領域が得られる。

図２に示した燃焼システムは、例示の用途では、ガスタービンエンジンに使用される、二段階式・デュアルモードの低ＮＯｘ燃焼システムの一体部分である。示したシステムは、従来のシステムと同様に、二次燃料ノズル１１２の周りに環状アレイとして配置される複数の一次燃料ノズル１１０を有する。一次ノズル１１０は、ベンチュリ管領域１１４により二次燃料ノズルから分離されている。

二次燃料ノズル１１２またはバーナチューブは、開口１２４などを介して燃料供給システムと流体連通している予混合通路１２２を有する。予混合通路１２２は概略円筒形であることが好ましい。スワラ１１６が、燃料供給システムの下流の予混合通路１２２内に配置されている。末広形の円錐形出口通路１２０がスワラ１１６の下流にある。

フレア式出口通路１２０により、渦巻き状の空気が径方向に拡大され、スワラ１１６のブラッフボディにより接近しており少なくとも一部分がフレア１２０の空間内に入っている再循環領域１２６（破線で示した）が形成される。提案した修正形態のＣＦＤシミュレーションでは、スワラ１１６の下流に形成される再循環領域１２６がブラッフボディに付着し、フレア１２０を通過して拡大しないことが実証される。ベンチュリ管領域１１４から出る流れは、スワラ１１６の下流に形成された再循環領域１２６に影響を及ぼさない。

二次燃料ノズル１１２は、火炎安定化の点では独立したシステムとなる。すなわち、二次燃料ノズル１１２は、ベンチュリ管１１４の下流の変動する空気力学から独立した独自の再循環領域１２６を有する。

説明するシステムは、軸方向スワラを組み込み、この軸方向スワラをスワラの下流にフレアを有しているバーナチューブ内に設置することにより、燃焼器の燃焼安定性を向上させる。フレアは、スワラの下流に形成されるように再循環領域を形づくりさらにそれをフレアの空間内でスワラのブラッフボディの近傍に集中させるように設計される。このような設計により、希薄打消限界および低振動数動力学の限界が拡大され、燃料分割による調節によってＮＯｘの排出をさらに減らすことができる。

本発明を現在最も実用的で最も好適であると考えられる実施形態に関連させて説明してきたが、本発明が、開示した実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる種々の修正形態および同等の構成を包含することを意図していることを理解されたい。

１０、１１０ 一次燃料ノズル
１２、１１２ 二次燃料ノズル
１４、１１４ ベンチュリ管領域
１６、１１６ 軸方向スワラ
１８ 円筒形通路
１２０ 末広形の円錐形通路
１２２ 予混合通路
１２４ 開口
１２６ 再循環領域

Claims (10)

1. 一次燃料ノズル（１１０）の環状アレイの間に配置可能である二次燃料ノズル（１１２）において、前記一次燃料ノズルがベンチュリ管領域（１１４）により前記二次燃料ノズルから分離されている、二次燃料ノズル（１１２）であって、
   燃料供給システムと流体連通している予混合通路（１２２）と、
   前記燃料供給システムの下流で前記予混合通路内に配置されるスワラ（１１６）と、
   前記スワラの下流にある末広形の円錐形出口通路（１２０）と
   を有する二次燃料ノズル。
2. 前記末広形の円錐形出口通路（１２０）が、前記ベンチュリ管領域（１１４）の最小幅の手前で終了するような大きさおよび形状である、請求項１記載の二次燃料ノズル。
3. 前記予混合通路（１２２）が実質的に円筒形である、請求項１記載の二次燃料ノズル。
4. 前記末広形の円錐形出口通路（１２０）が、前記ベンチュリ管領域（１１４）との相対関係で位置決めされ、さらに、形成される再循環領域（１２６）の少なくとも一部分が前記末広形の円錐形出口によって画定される空間内に入るような大きさおよび形状である、請求項１記載の二次燃料ノズル。
5. 燃料供給システムから燃焼用の燃焼を受けるバーナチューブ（１２０、１２２、１２６）と、
   前記バーナチューブ内に設置される軸方向スワラ（１１６）と
   を有し、
   前記バーナチューブがスワラの下流でフレア式となっている、
   燃焼器。
6. 前記バーナチューブが実質的に円筒形である、請求項５記載の燃焼器。
7. 前記バーナチューブのフレア部分が、形成される再循環領域（１２６）の少なくとも一部分が前記バーナチューブの前記フレア部分によって画定される空間内に入るような大きさおよび形状である、請求項５記載の燃焼器。
8. 燃料供給システムから燃焼用の燃料を受けるバーナチューブ（１２０、１２２、１２６）内でスワラ（１１６）を位置決めするステップと、
   燃焼の希薄打消限界および低振動数動力学限界を拡大させる再循環領域（１２６）が画定されるように前記スワラの下流の前記バーナチューブの一部を設計するステップと
   を含む、燃焼器の燃焼安定性を向上させる方法。
9. 前記設計ステップが、末広形の円錐形出口通路（１２０）が画定されるように前記スワラ（１１６）の下流の前記バーナチューブの前記一部をフレアにするステップを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記再循環領域（１２６）が、前記バーナチューブの前記フレア部分によって画定される空間内に少なくとも一部分が入るように形成される、請求項９記載の方法。