JP2010249496A - 内部冷却を伴うガスタービン予混合器 - Google Patents

Abstract

【課題】空気‐燃料予混合器（１７０）を具備するタービン燃料ノズル（１４４）を含むシステムを提供する。
【解決手段】空気‐燃料予混合器（１７０）は、燃料及び空気を下流側方向に旋回させるように構成された旋回羽根（１７６）を含み、旋回羽根（１７６）は、下流側端部（１７７）から上流側方向へ旋回羽根（１７６）の長さにほぼ沿って延出する内部冷却流路（２００）を具備する。一実施形態において、システムは、中央本体と、中央本体の周囲に配設された外側管と、中央本体と外側管との間に設けられた空気流路と、空気流路に配設され、燃料入口、燃料出口及び燃料入口と燃料出口との間に配設された仕切りを具備する羽根と、中央本体を通って羽根の燃料入口まで延出し、仕切りに沿って燃料入口から燃料出口まで非直線方向に羽根を通って延出する燃料流路とを具備する燃料ノズルを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器における燃焼のために燃料と空気とを予混合するように構成されたガスタービン予混合器に関する。特に、本発明は、ガスタービン予混合器の冷却システムに関する。

ガスタービンエンジンは、燃料と空気の混合物を燃焼して高温燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは１つ以上のタービンを駆動する。特に、高温燃焼ガスはタービン翼を強制回転させ、それにより軸を駆動して、１つ以上の負荷、例えば発電機を回転させる。燃料と空気の可燃性混合物を含む燃焼ゾーンにおいて、炎が発生することは知られている。反応ゾーンにごく近接するようには設計されていない表面又はその付近に炎が発生する望ましくない状況が時折起こり、その結果、燃焼の熱による損傷が発生する。燃料／空気予混合器におけるこの現象は、一般に保炎と呼ばれる。例えば、保炎は燃料‐空気予混合器又はその付近で起こり、燃焼の熱によって予混合器の障害が急速に起こる。同様に、燃焼ゾーンから上流側へ炎が広がる場合もあり、燃焼の熱によって種々の構成要素が損傷される。この現象は一般に逆火と呼ばれる。

米国特許第７，４１２，８３３号公報

ガスタービン予混合器の冷却システムを提供する。

当初特許請求された発明の範囲に相応する範囲内のある特定の実施形態を以下に要約する。それらの実施形態は、特許請求された発明の範囲を限定することを意図せず、本発明の可能な形態を簡単に要約することのみを意図する。実際、本発明は、以下に記載される実施形態に類似する又はそれらとは異なる多様な形態を包含してもよい。

第１の実施形態において、システムは、中央本体と、中央本体の周囲に配設された外側管と、中央本体と外側管との間に設けられた空気流路と、空気流路に配設され、燃料入口、燃料出口及び燃料入口と燃料出口との間に配設された仕切りを具備する羽根と、中央本体を通って羽根の燃料入口まで延出し、仕切りに沿って燃料入口から燃料出口まで非直線方向に羽根を通って延出する燃料流路とを具備する燃料ノズルを含む。

第２の実施形態において、ガスタービン燃料ノズルは、第１の軸方向に燃料を搬送するように構成された第１の流路及び第１の軸方向とは逆の第２の軸方向に燃料を搬送するように構成された第２の流路を有する多方向流路を具備する中央本体と、中央本体の周囲に配設された外側管と、中央本体と外側管との間に設けられた空気流路と、空気流路に配設された羽根であって、第１の軸方向に対して羽根の下流側空胴に設けられた燃料入口、第１の軸方向に対して羽根の上流側空胴に設けられた燃料出口、下流側空胴から上流側空胴まで延出する燃料流路及び燃料流路とは無関係に上流側空胴へ燃料を搬送するように構成されたバイパス流路を具備する羽根とを含む。

第３の実施形態において、システムは、燃料及び空気を下流側方向に旋回させるように構成された旋回羽根を有する空気‐燃料予混合器を具備し、旋回羽根は、下流側端部から上流側方向へ旋回羽根の長さにほぼ沿って延出する内部冷却流路を具備するタービン燃料ノズルを含む。

本発明の上記の特徴、態様及び利点並びに他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより更によく理解されるであろう。図面中、同じ図中符号は一貫して同じ部分を示す。
図１は統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電装置の一実施形態を示した概略ブロック図である。 図２は本発明の一実施形態に係る図１に示されるようなガスタービンエンジンを示した破断側面図である。 図３は本発明のある特定の実施形態に係る多数の燃料ノズルを示した図２に示されるようなガスタービンエンジンの燃焼器のヘッドエンドの斜視図である。 図４は本発明のある特定の実施形態に係る内部冷却を伴う予混合器を示した図３に示されるような燃料ノズルの横断面側面図である。 図５は本発明のある特定の実施形態に係る予混合器の旋回羽根における内部冷却を示した図４に示されるような燃料ノズルの斜視破断図である。 図６は本発明のある特定の実施形態に係る旋回羽根における内部冷却を示した図５に示されるような予混合器の破断側面図である。 図７は本発明のある特定の実施形態に係る旋回羽根における内部冷却を示した図５に示されるような予混合器の破断側面図である。 図８は本発明のある特定の実施形態に係る旋回羽根における内部冷却を示した図５に示されるような予混合器の破断側面図である。

以下に、本発明の１つ以上の特定の実施形態を説明する。それらの実施形態を簡潔に説明しようとする中で、実際の実現形態の全ての特徴が本明細書で説明されない場合もある。そのような実際の任意の実現形態を生産技術又は設計プロジェクトにおいて開発する際には、実現形態ごとに異なると思われるシステムに関連する制約及び業務に関連する制約に従うなどの開発担当者別の目標を達成するために、その実現形態に特定された多くの決定を下さなければならないことを理解すべきである。更に、そのような開発の努力は複雑で長時間を要するであろうが、本開示の知識を得た当業者にとって、それは日常的な設計、製作及び製造の作業であると考えられることも理解すべきである。

本発明の種々の実施形態の要素が単数形で説明される場合、単数形は、それらの要素が１つ以上存在することを意味することを意図する。用語「具備する」、「含む」及び「有する」は、そこに挙げられている要素を含めてという意味であり、それらの要素以外に追加の要素が存在してもよいことを意図する。

ある特定の実施形態において、以下に詳細に説明されるように、ガスタービンエンジンは、逆火及び／又は保炎と関連する熱損傷に耐えるために内部冷却流路を有する１つ以上の燃料ノズルを含む。特に、燃料ノズルは、燃料‐空気予混合器の中に１つ以上の内部冷却流路、例えば燃料及び空気が燃焼ゾーンに流入する前に燃料と空気との混合を容易にするように構成された旋回羽根を含んでもよい。例えば、燃料ノズルは、周囲に沿って配列された複数の旋回羽根を含んでもよく、内部冷却流路は旋回羽根の軸方向の全長にほぼ沿って延出する。ある特定の実施形態において、各内部冷却流路は、それぞれ対応する旋回羽根の下流側端部から上流側端部まで冷却剤を送り出すことにより、下流側端部における冷却が最大になるようにしてもよい。例えば、冷却剤は燃料であってもよく、その場合、燃料は下流側端部から上流側端部まで旋回羽根を貫流してもよい。上流側端部において、燃料は１つ以上の燃料ポートを通って旋回羽根から流出してもよい。燃料ポートは、燃料‐空気混合物を形成するために空気流れの中へ燃料を送り込む。従って、燃料流れは２つの機能を果たし、燃焼のための燃料供給源として作用するのみならず、空気流れの中へ噴射される前に旋回羽根から熱を伝達するための熱交換媒体としても作用する。

ある特定の実施形態において、各内部冷却流路は、下流側端部で燃料流れの第１の部分を受け取り、上流側端部で燃料流れの第２の部分を更に受け取ってもよい。換言すれば、燃料流れの第２の部分はバイパス流れと説明されてもよく、このバイパス流れは旋回羽根の軸方向全長に沿って下流側端部から上流側端部まで流れるのではない。従って、システムは、燃料系統の圧力降下、対流熱伝達係数及び燃料ポートへの燃料の配分を調整するために燃料流れの第１の部分及び第２の部分を制御してもよい。

保炎又は逆火が起こった場合、内部冷却流路は、その状況を検出し且つ改善するのに十分な時間の間熱損傷に対する熱抵抗を与えるか又は熱絶縁を実現するか、あるいは熱損傷から各要素を保護する。例えば、内部冷却流路は、少なくとも約１５秒、３０秒、４５秒、６０秒、７５秒又は９０秒を超える時間、あるいは更に長時間にわたり熱保護を実行してもよい。更に、内部冷却流路は、冷却剤又は熱交換媒体として燃料を使用して、熱損傷の場合の内蔵フェールセーフとして機能する。特に、熱損傷は旋回羽根の下流側端部（例えば先端）で起こり、それにより、燃料を内部冷却流路から空気流れの中へ直接流入させてもよい。その結果、燃料流れは、旋回羽根の上流側端部の燃料ポートからほぼ又は完全に迂回して流れるようになるので、上流側の燃料‐空気混合物が旋回羽根の下流側端部（例えば先端）における熱損傷の影響を受ける事態はほぼ又は完全に回避される。従って、旋回羽根の下流側端部（例えば開いた先端）における熱損傷は、燃料ノズルに対する更なる損傷（例えば更に上流側）の危険を低減又は排除する。

図１は、合成ガスを発生し且つ燃焼してもよい統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム１００の一実施形態を示した図である。ＩＧＣＣシステム１００の要素は、ＩＧＣＣのエネルギー供給源として利用されてもよい固体原料などの燃料供給源１０２を含んでもよい。燃料供給源１０２は石炭、石油コークス、バイオマス、木材原料、農業廃棄物、タール、コークス炉ガス及びアスファルト、又は他の炭素含有品目を含んでもよい。

燃料供給源１０２の固体燃料は、原料準備装置１０４に供給されてもよい。固体原料を製造するために、原料準備装置１０４は、例えば切断、ミリング、細断、粉砕、ブリケット化又はペレット化により燃料供給源１０２の原料の大きさ又は形状を変えてもよい。更に、スラリ原料を製造するために、原料準備装置１０４において燃料供給源１０２の原料に水又は他の適切な液体が添加されてもよい。他の実施形態において、乾燥原料を製造するために、燃料供給源の原料には液体は添加されない。

原料は原料準備装置１０４からガス化装置１０６に供給されてもよい。ガス化装置１０６は原料を合成ガス、例えば一酸化炭素と水素の混合物に変換してもよい。利用されるガス化装置１０６の種類に応じて例えば約２０バール〜８５バールの高圧及び例えば約７００℃〜約１，６００℃の温度の制御された量の蒸気及び酸素に原料をさらすことにより、この変換が実行されてもよい。ガス化処理は、原料が熱分解を受けることにより原料が加熱されることを含んでもよい。原料を製造するために利用される燃料供給源１０２に応じて、熱分解処理中のガス化装置１０６内部の温度は約１５０℃〜７００℃の範囲であってもよい。熱分解処理中の原料の加熱により、固体（例えばチャー）及び残渣ガス（例えば一酸化炭素、水素及び窒素）が生成されてもよい。原料の熱分解処理により残留したチャーの重量は、元の原料の重量のわずか約３０％であってもよい。

その後、ガス化装置１０６において燃焼処理が実行されてもよい。燃焼はチャー及び残渣ガスに酸素を導入することを含んでもよい。チャー及び残渣ガスは酸素と反応して、二酸化炭素及び一酸化炭素を形成してもよい。その結果、続くガス化反応に利用される熱が発生する。燃焼処理中の温度は、約７００℃〜約１，６００℃の範囲であってもよい。次に、ガス化過程の間に、ガス化装置１０６に蒸気が導入されてもよい。チャーは二酸化炭素及び蒸気と反応して、約８００℃〜約１，１００℃の範囲の温度の一酸化炭素及び水素を発生してもよい。本質的に、ガス化装置は蒸気及び酸素を利用して原料の一部を「燃焼」させることにより、一酸化炭素を発生し且つエネルギーを放出する。このエネルギーは２回目の反応を促進し、それにより残る原料が水素及び二酸化炭素へと変換される。

このように、ガス化装置１０６により合成ガスが製造される。この合成ガスは、約８５％の一酸化炭素及び水素を等しい割合で含む他に、ＣＨ_４、ＨＣｌ、ＨＦ、ＣＯＳ、ＮＨ_３、ＨＣＮ及びＨ_２Ｓ（原料の硫黄含有量によって異なる）を含有する。この合成ガスは例えばＨ_２Ｓを含むため、汚染合成ガスと呼ばれてもよい。ガス化装置１０６は、湿潤灰物質であるスラグ１０８などの廃棄物を生成してもよい。スラグ１０８はガス化装置１０６から取り除かれ、例えば基層又は別の建築材料として処分されてもよい。汚染合成ガスを清浄にするために、ガス浄化装置１１０が利用されてもよい。ガス浄化装置１１０は、汚染合成ガスからＨＣｌ、ＨＦ、ＣＯＳ、ＨＣＮ及びＨ_２Ｓを除去するために汚染合成ガスを洗浄してもよい。この処理は、例えば硫黄処理装置１１２における酸性ガス除去処理により硫黄１１１を分離することを含んでもよい。更に、ガス浄化装置１１０は、汚染合成ガスから利用可能な塩１１３を生成するために浄水技術を利用する水処理装置１１４によって汚染ガスから塩１１３を分離してもよい。処理後、ガス浄化装置１１０を出るガスは清浄合成ガス（例えば合成ガスから硫黄１１１が除去されている）と、微量の他の化学物質、例えばＮＨ_３（アンモニア）及びＣＨ_４（メタン）とを含んでもよい。

清浄合成ガスからアンモニア及びメタンなどの残留ガス成分１１７、並びにメタノール又は任意の残留化学物質を除去するために、ガス処理装置１１６が利用されてもよい。しかし、残留ガス成分１１７、例えば廃ガスを含有している場合であっても、清浄合成ガスは燃料として利用されてもよいので、清浄合成ガスからの残留ガス成分１１７の除去の実行は任意である。この時点で、清浄合成ガスは約３％のＣＯ、約５５％のＨ_２及び約４０％のＣＯ_２を含んでもよく、Ｈ_２Ｓはほぼ除去されている。この清浄合成ガスは、ガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０、例えば燃焼室へ可燃性燃料として搬送されてもよい。あるいは、ガスタービンエンジンへ搬送する前に、清浄合成ガスからＣＯ_２が除去されてもよい。

ＩＧＣＣシステム１００は空気分離装置（ＡＳＵ）１２２を更に含んでもよい。ＡＳＵ１２２は、例えば蒸留技術により空気を成分ガスに分離するように動作してもよい。ＡＳＵ１２２は、補助空気圧縮機１２３から供給される空気から酸素を分離し、分離された酸素をガス化装置１０６へ搬送してもよい。更に、ＡＳＵ１２２は、分離された窒素を希釈剤窒素（ＤＧＡＮ）圧縮機１２４へ送り出してもよい。

合成ガスの適正な燃焼を妨げないように、ＤＧＡＮ圧縮機１２４は、ＡＳＵ１２２から受け取った窒素を少なくとも燃焼器１２０の圧力レベルと等しい圧力レベルまで圧縮してもよい。従って、ＤＧＡＮ圧縮機１２４は、窒素を適正なレベルまで適切に圧縮した後、圧縮窒素をガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０へ搬送してもよい。窒素は、例えば放出物の制御を容易にするための希釈剤として使用されてもよい。

先に説明したように、圧縮窒素は、ＤＧＡＮ圧縮機１２４からガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０へ搬送されてもよい。ガスタービンエンジン１１８はタービン１３０、駆動軸１３１及び圧縮機１３２、並びに燃焼器１２０を含んでもよい。燃焼器１２０は合成ガスなどの燃料を受け取り、燃料は燃料ノズルから加圧状態で噴射されてもよい。この燃料は、ＤＧＡＮ圧縮機１２４からの圧縮空気並びに圧縮窒素と混合され、燃焼器１２０の中で燃焼されてもよい。この燃焼は高温加圧排気ガスを発生する。

燃焼器１２０は、排気ガスをタービン１３０の排気出口に向かって送り出してもよい。燃焼器１２０からの排気ガスがタービン１３０を通過する間、排気ガスはタービン１３０のタービン翼を強制回転させ、その結果、駆動軸１３１はガスタービンエンジン１１８の軸に沿って回転する。図示されるように、駆動軸１３１は、圧縮機１３２を含むガスタービンエンジン１１８の種々の構成要素に結合されている。

駆動軸１３１は、回転翼を形成するためにタービン１３０を圧縮機１３２に結合してもよい。圧縮機１３２は、駆動軸１３１に結合された複数の翼を含んでもよい。従って、タービン１３０のタービン翼の回転により、タービン１３０を圧縮機１３２に結合している駆動軸１３１は、圧縮機１３２内部の翼を回転させる。圧縮機１３２の翼の回転の結果、圧縮機１３２は、圧縮機１３２の吸気口を介して受け取った空気を圧縮する。圧縮された空気は燃焼器１２０に供給され、燃焼効率を更に向上するために燃料及び圧縮窒素と混合されてもよい。更に、駆動軸１３１は負荷１３４に結合されてもよい。負荷１３４は、例えば発電所において電力を発生する発電機などの固定負荷であってもよい。実際、負荷１３４は、ガスタービンエンジン１１８の回転出力により動力を供給される任意の適切な装置であってもよい。

ＩＧＣＣシステム１００は、蒸気タービンエンジン１３６及び熱回収用蒸気発生（ＨＲＳＧ）システム１３８を更に含んでもよい。蒸気タービンエンジン１３６は第２の負荷１４０を駆動してもよい。第２の負荷１４０は電力を発生する発電機であってもよい。しかし、第１の負荷１３４及び第２の負荷１４０は共に、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６によりそれぞれ駆動可能な他の種類の負荷であってもよい。更に、図示された実施形態において示されるように、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６は別個の負荷１３４及び１４０を駆動してもよいが、単一の軸を介して単一の負荷を駆動するために、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６がタンデム配列で利用されてもよい。蒸気タービンエンジン１３６及びガスタービンエンジン１１８がどのような特定の構成をとるかは実現形態によって異なり、各部分の任意の組み合わせを含んでよい。

ＩＧＣＣシステム１００はＨＲＳＧ１３８を更に含んでもよい。ガスタービンエンジン１１８からの加熱排気ガスはＨＲＳＧ１３８へ搬送され、水を加熱して蒸気タービンエンジン１３６に動力を供給するために使用される蒸気を発生するために使用されてもよい。例えば蒸気タービンエンジン１３６の低圧部分からの排気は、復水器１４２へ送り出されてもよい。復水器１４２は、加熱された水を冷水と交換するために冷却塔１２８を利用してもよい。冷却塔１２８は、蒸気タービンエンジン１３６から復水器１４２へ搬送される蒸気を凝縮するのを容易にするために復水器１４２に冷水を供給するように動作する。復水器１４２からの復水はＨＲＳＧ１３８へ搬送されてもよい。ガスタービンエンジン１１８からの排気も、復水器１４２からの水を加熱して蒸気を発生するためにＨＲＳＧ１３８へ送り出されてもよい。

ＩＧＣＣシステム１００のような複合サイクルシステムの場合、高温排気はガスタービンエンジン１１８からＨＲＳＧ１３８に流れ、そこで高圧高温蒸気を発生するために使用されてもよい。ＨＲＳＧ１３８により発生された蒸気は発電のために蒸気タービンエンジン１３８に貫流されてもよい。更に、発生された蒸気はガス化装置１０６などの蒸気を使用する他の任意の処理過程に供給されてもよい。ガスタービンエンジン１１８の発電サイクルは「トッピングサイクル」と呼ばれることが多く、蒸気タービンエンジン１３６の発電サイクルは「ボトミングサイクル」と呼ばれることが多い。図１に示されるようにこれら２つのサイクルを組み合わせることにより、ＩＧＣＣシステム１００は双方のサイクルにおける効率を向上できる。特に、トッピングサイクルからの排気熱が捕捉され、ボトミングサイクルで使用するための蒸気を発生するために使用されてもよい。

図２は、ガスタービンエンジン１１８の一実施形態を示した破断側面図である。ガスタービンエンジン１１８は、動作するために天然ガス及び／又は水素を豊富に含有する合成ガスなどの液体燃料及び／又は気体燃料を使用してもよい。ガスタービンエンジン１１８は、１つ以上の燃焼器１４６の内部に配置された１つ以上の燃料ノズル１４４を含む。図示されるように、燃料ノズル１４４は供給される燃料を取り入れ、燃料を後述する圧縮空気と混合し、空気‐燃料混合物を燃焼器１４６に分配する。燃焼器１４６において混合物は燃焼し、それにより高温加圧排気ガスを発生する。一実施形態において、各燃焼器１４６のヘッドエンドに６つ以上の燃料ノズル１４４が環状に又は他の配列で装着されてもよい。更に、ガスタービンエンジン１１８は、環状配列の複数（例えば４つ、６つ、８つ又は１２）の燃焼器１４６を含んでもよい。

空気は吸気口１４８を介してガスタービンエンジン１１８に流入し、圧縮機１３２の１つ以上の圧縮機段において加圧されてもよい。その後、加圧空気は燃焼器１４６内部の燃焼を可能にするためにガスと混合されてもよい。例えば、燃料ノズル１４４は、最適の燃焼、放出物、燃料消費及び出力を実現するための適切な比で燃料‐空気混合物を燃焼器の中へ噴射してもよい。後述するように、燃料ノズル１４４のある特定の実施形態は、逆火及び／又は保炎と関連する熱損傷に対する熱抵抗を与えるように構成された内部冷却流路を含む。燃焼器１４６は、排気ガスをタービン１３０の１つ以上のタービン段を介して排気出口１５０に向かって送り出し、それにより、先に図１に関して説明したように動力を発生する。

図３は、密封継手１５６を介して面１５４に複数の燃料ノズル１４４が装着されている端部カバー１５２を有する燃焼器ヘッドエンド１５１の一実施形態を示した詳細斜視図である。図３には、継手１５６を介して端部カバーの底面１５４に５つの燃料ノズル１４４が装着された構成が示されている。しかし、端部カバーの底面１５４には継手１５６を介して任意の適切な数及び配列の燃料ノズル１４４が装着されてよい。ヘッドエンド１５１は、圧縮機１３２からの圧縮空気及び燃料を各燃料ノズル１４４へ端部カバー１５２を通して送り出す。燃料ノズル１４４は、圧縮空気及び燃料が燃焼器１４６の燃焼ゾーンに流入する前に、圧縮空気及び燃料をほぼ予混合して、空気‐燃料混合物を形成する。以下に更に詳細に説明されるように、燃料ノズル１４４は、逆火及び／又は保炎と関連する熱損傷に対する熱抵抗を与えるように構成された１つ以上の内部冷却流路を含んでもよい。

図４は、逆火及び／又は保炎と関連する熱損傷に対する熱抵抗を与えるように構成された内部冷却系統を有する燃料ノズル１４４の一実施形態を示した横断面側面図である。図示される実施形態において、燃料ノズル１４４は外側周囲壁１６６と、外側周囲壁１６６の内側に配設されたノズル中央本体１６８とを含む。外側周囲壁１６６はバーナ管とされてもよく、ノズル中央本体１６８は燃料供給管とされてもよい。燃料ノズル１４４は燃料／空気予混合器１７０、空気入口１７２、燃料入口１７４、旋回羽根１７６、混合流路１７８（例えば燃料と空気とを混合するための環状流路）及び燃料流路１８０を更に含む。旋回羽根１７６は燃料ノズル１４４の内部に渦巻流れを誘起するように構成される。従って、この渦巻発生という特徴から見て、燃料ノズル１４４はスウォズルと表現されてもよい。尚、軸方向、すなわち軸１８１、半径方向、すなわち軸１８２及び周囲方向、すなわち軸１８３に関して燃料ノズル１４４の種々の面が説明されてもよい。例えば、軸１８１は長手方向中心線、すなわち長手方向に対応し、軸１８２は長手方向中心線に対して直交する方向、すなわち半径方向に対応し、軸１８３は長手方向中心線に関して周囲方向に対応する。

図示されるように、燃料は燃料入口１７４を介してノズル中央本体１６８の燃料流路１８０に入る。方向矢印１８４により示されるように、燃料は軸１８１に沿って下流側方向へ進み、燃料流路１８０の内側端壁１８６（例えば下流側端部）に衝突するまで中央本体１６８の全長に沿って流れ、その後、方向矢印１８８により示されるように燃料は流れる方向を反転し、上流側軸方向に逆流路１９０に入る。逆流路１９０は燃料流路１８２と同心に配置される。従って、燃料は、まず軸１８１に沿って軸方向１８４に燃焼ゾーンに向かって下流側へ流れ、軸１８２に対して半径方向に内側端壁１８６に沿って流れ、次に燃焼ゾーンから上流側へ軸１８１に沿って軸方向１８８に流れる。説明の便宜上、「下流側」という用語は、燃焼器１２０を通ってタービン１３０に向かって流れる燃焼ガスの流れ方向を表してもよく、一方、上流側という用語は、燃焼器１２０を通ってタービン１３０に向かって流れる燃焼ガスの流れ方向から離れる方向、すなわち逆の方向を表してもよい。

内側端壁１８６とは反対側の逆流路１９０の軸１８１の方向に延出する端部において、燃料は壁１９２（例えば上流側端部）に衝突し、矢印１９６により示されるように、冷却室１９４（例えば下流側空胴又は下流側流路）へ送り込まれる。その後、矢印２００により示されるように、燃料は冷却室１９４から出口室１９８（例えば上流側空胴又は上流側流路）へと流れる。矢印２００により示されるように、燃料の流れは冷却室１９４から出口室１９６に直接入るのではない。実際、流れは仕切り２０２により少なくとも部分的に阻止されるか又は方向転換される。仕切り２０２は、例えば出口室１９６に流入する燃料の流れの方向を制限することにより、羽根１７６のすべての面を燃料により内部冷却させる金属片であってもよい。ある特定の実施形態において、冷却室１９４及び出口室１９６並びに仕切り２０２は、非直線冷却剤流路、例えばジグザグ冷却剤流路、Ｕ字形冷却剤流路、蛇行冷却剤流路又は螺旋状冷却剤流路と表現されてもよい。

燃料は仕切り２０２の周囲に沿って流れ、出口室１９８に流入してもよい。その後、燃料は、出口室１９８から旋回羽根１７６の燃料噴射ポート２０４を介して排出されてもよい。更に、燃料は、矢印２０６により示されるように空気入口１７２から混合流路１７８を通って流れている空気と混合されてもよい。例えば、燃料噴射ポート２０４は混合を発生させるために空気流れに対して直交する方向に燃料を噴射してもよい。同様に、旋回羽根１７６は空気と燃料の渦巻流れを誘起することにより、空気と燃料との混合を促進する。予混合器１７０を出た後、燃料／空気混合物は、方向矢印２０８により示されるように混合流路１７８を流れる間も混合され続ける。予混合流路１７８を通過する間の燃料と空気の継続混合により、予混合流路１７８を出て燃焼器１４６に流入する時点で、燃料／空気混合物はほぼ完全に混合された状態になる。燃焼器１４６において、混合された燃料及び空気が燃焼されてもよい。更に、燃料ノズル１４４は、燃料が空気と混合される前に燃料を熱交換媒体又は熱伝達流体としても使用できるように構成される。すなわち、例えば、逆火（例えば燃焼器の反応ゾーンから予混合流路１７８への炎の広がり）が起こり、予混合器１７０及び／又は混合流路１７８に炎が存在する場合に、燃料は混合流路１７８の冷却流体としての役割を果たしてもよい。この燃料ノズル１４４は、空気と燃料とを混合し、放出物を少なく抑え且つ燃焼器反応ゾーンで燃料ノズル出口の下流側における炎を安定させる上で非常に有効である。

図５は、予混合器１７０の一実施形態の図４の円弧線に沿った斜視破断図である。予混合器１７０は、ノズル中央本体１６８の周囲に配設された旋回羽根１７６を含み、旋回羽根１７６は、ノズル中央本体１６８から外側壁１６６まで半径方向外側へ延出する。図示されるように、各旋回羽根１７６は中空の本体、例えば中空のエーロフォイル形本体であり、冷却室１９４、出口室１９８及び仕切り２０２を有する。燃料は旋回羽根１７６の下流側端部の付近で冷却室１９４に流入し、仕切り２０２の周囲を非直線流路に沿って出口室１９８まで上流側へ進み、その後、燃料噴射ポート２０４を介して出口室１９８から流出する。従って、各旋回羽根１７６を通過する燃料の流れは、空気流れに入り込む前に冷却剤として作用する。燃料の流れは旋回羽根１７６の全長にほぼ沿って旋回羽根１７６を冷却し、上流側端部１７７における冷却効果は最大である。例えば、燃料の流れは、軸１８１に沿って各旋回羽根１７６の長さの少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、９０％又は１００％を冷却してもよい。

燃料ノズル１４４で逆火又は保炎が起こった場合、各旋回羽根１７６の（例えば冷却室１９４及び出口室１９８を通過する）内部冷却により、逆火又は保炎を排除するための改善措置を講じるのに十分な時間の間熱保護を実行してもよい。例えば、各旋回羽根１７６を通過する内部冷却は、少なくとも約１５秒、３０秒、４５秒、６０秒、７５秒又は９０秒を超える時間、あるいはそれより長時間にわたり熱保護を実行してもよい。更に、燃料を冷却剤又は熱交換媒体として使用する各旋回羽根１７６を通る内部冷却は、熱損傷の場合の内蔵フェールセーフを構成する。特に、熱損傷は、旋回羽根１７６の下流側端部１７７（例えば下流側先端）で起こり、それにより燃料が冷却室１９４から空気流れの中へ直接流れ込んでもよい。その結果、燃料流れは旋回羽根１７６の上流側端部１７５にある燃料噴射ポート２０４をほぼ又は完全に迂回するようになるので、上流側の燃料‐空気混合物は、旋回羽根１７６の下流側端部１７７（例えば下流側先端）における熱損傷をほぼ又は完全に回避する。従って、旋回羽根１７６の下流側端部１７７（例えば開いた下流側先端）における熱損傷は、窒素酸化物の放出を増加させる結果を招く燃料ノズル１４４（例えば更に上流側）への更なる損傷の危険を軽減又は排除する。

図示された実施形態において、予混合器１７０は、ノズル中央本体１６８の周囲に沿って４５°の等間隔で互いに離間して配置された８つの旋回羽根１７６を含む。ある特定の実施形態において、予混合器１７０は、ノズル中央本体１６８の周囲に等間隔で又は互いに異なる間隔で配設された任意の数（例えば４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３又は１４）の旋回羽根１７６を含んでもよい。旋回羽根１７６は、流れに軸１８１に関して周囲方向１８３の渦巻を起こし、それにより燃料と空気を混合させるように構成される。図示されるように、各旋回羽根１７６は上流側端部１７５から下流側端部１７７まで湾曲している。特に、上流側端部１７５は一般に軸１８１に沿って軸方向に向いており、下流側端部１７７は一般に軸１８１に沿った軸方向から傾斜するか、湾曲するか又は離間する。例えば、下流側端部１７７は、上流側端部１７５に対して約５°〜６０°、又は約１０°〜４５°の角度で傾斜していてもよい。その結果、各旋回羽根１７６の下流側端部１７７は、流れを軸１８１に関する回転流路の中へ偏向させるか又は案内する（例えば渦巻流れ）。この渦巻流れは、燃焼器１２０へ送り込まれる前の燃料ノズル１４４内部における燃料と空気の混合を促進する。

更に、旋回羽根１７６の上流側端部１７５に１つ以上の噴射ポート２０４が設けられてもよい。例えば、それらの噴射ポート２０４の直径は、１、０００分の１〜１００インチ（１インチは２．５４ｃｍ）、１，０００分の１０〜５０インチ、１，０００分の２０〜４０インチ又は１，０００分の２４〜３５インチであってもよい。一実施形態において、噴射ポート２０４の直径は、約１，０００分の３０〜５０インチであってもよい。各旋回羽根１７６は、旋回羽根１７６の第１の面２１０及び／又は第２の面２１２に１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個又はそれを超える数の燃料噴射ポート２０４を含んでもよい。第１の面２１０及び第２の面２１２は組み合わされて、旋回羽根１７６の外面を形成してもよい。例えば、第１の面２１０及び第２の面２１２は、前述のようなエーロフォイル形の面を規定してもよい。ある特定の実施形態において、各旋回羽根１７６は、第１の面２１０に約１〜５個の噴射ポート２０４を含み且つ第２の面２１２に約１〜５個の燃料噴射ポート２０４を含んでもよい。しかし、いくつかの実施形態において、第１の面２１０又は第２の面に燃料噴射ポート２０４は形成されなくてもよい。

更に、各燃料噴射ポート２０４は、軸１８１に沿った軸方向、軸１８２に沿った半径方向に向いていてもよい。言い換えれば、各燃料噴射ポート２０４は、旋回羽根１７６の面に対して単純角度又は合成角度２０５を成し、それにより、燃料と空気の混合に影響を及ぼし且つ燃料ジェットの背後の再循環ゾーンの大きさを変化させてもよい。例えば、噴射ポート２０４は、旋回羽根１７６の第１の面２１０及び／又は第２の面２１２の面から約５°〜４５°、１０°〜６０°又は２０°〜９０°の角度で燃料を予混合器１７０の中へ流入させてもよい。更なる例として、燃料噴射ポート２０４は、軸方向１８１に関して約５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、５０°、５５°又は６０°の合成角度で予混合器１７０の中へ燃料を流入させてもよい。このように噴射ポート２０４を傾斜させることにより、予混合器１７０における空気‐燃料混合物の混合を更に完全にしてもよい。

この予混合並びに旋回羽根１７６の湾曲エーロフォイル形状により、燃料‐空気混合物は更に均一に混合される。例えば、予混合は、ＮＯｘ（窒素酸化物）放出物を約２〜３百万分率（ｐｐｍ）に抑えた清浄燃焼を可能にする。空気と燃料がほぼ完全に混合されていないと、反応ゾーンの温度は均一な希薄混合物より高くなってしなう。その結果、例えば、燃料がほぼ混合された場合の排気中の約２〜３ｐｐｍの窒素酸化物の量と比較して、排気蒸気中の窒素酸化物の量は約２００ｐｐｍにもなる。

図６は、図４の円弧線５‐５に沿った予混合器１７０の一実施形態の破断側面図である。図６に示されるように、予混合器１７０は、矢印２００により示されるように逆流路１９０から燃料を受け取ってもよい。すなわち、燃料は、逆流路１９０から冷却室１９４に入り、仕切り２０２に沿って出口室１９８に流入してもよい。更に、冷却室１９４と出口室１９８との間にバイパス穴２１４（例えば直交流路）が配置されてもよい。このバイパス穴２１４は、仕切り２０２に達するまで壁１９２に対して半径方向（１８２）外側へ延出してもよい。すなわち、バイパス穴２１４は、実際には仕切り２０２の一部を取り除いて軸方向に仕切り２０２を貫通するように形成され、それにより、方向矢印２１５により示されるように燃料は冷却室１９４から出口室１９８の中まで直接軸方向に流れてもよい。バイパス穴２１４は、例えば、冷却室１９４から出口室１９８に流れる燃料の総量のうち約１〜５０％、５〜４０％又は１０〜２０％を冷却室１９４と出口室１９８との間で直接流通させてもよい。バイパス穴２１４を利用することにより、燃料系統において起こりうる圧力降下の調整、伝導熱伝達係数の調整、又は噴射ポート２０４への燃料配分の調整が行われてもよい。すなわち、旋回羽根１７６でバイパス穴２１４が利用される場合、例えば噴射ポート２０４へ直接搬送される燃料の量を増減できる。バイパス穴２１４は噴射ポート２０４に流入し、噴射ポート２０４を通過する燃料の配分を改善できる。例えば配分を更に均一にできる。更に、バイパス穴２０４は、冷却室１９４から出口室１９８に至るまでの圧力降下を減少し、それにより噴射ポート２０４を介して燃料を押し出すのを容易にする。また、バイパス穴２１４を利用することにより、噴射ポート２０４を介して予混合器１７０の中へ噴射される前の燃料流れに含まれる渦巻の量を変更するために燃料噴射ポート２０４を通過する流れを加減できる。

図７は、図４の円弧線５‐５に沿った予混合器１７０の一実施形態の破断側面図である。予混合器１７０は、バイパス穴２１４を除き、図６に示される旋回羽根１７６の全ての要素を含んでもよい。従って、仕切り２０２は冷却室１９４から出口室１９８へ燃料を直接搬送するためのバイパスを含まない。各旋回羽根１７６は仕切り２０２（すなわち冷却室１９４と出口室１９８との間ではない場所に）とは別に、方向矢印２１８により示されるように燃料流路１８０（すなわち逆流路１９０からではない）から出口室１９８の中へ燃料を直接流入させるためのバイパス穴２１６を含んでもよい。この場合にも、バイパス穴２１６は、噴射ポート２０４を通って流れる燃料の総量のうち約１〜５０％、５〜４０％又は１０〜２０％の量を出口室１９８へ流入させることができる。これにより、先の実施形態と同様に、噴射ポート２０４に流入する燃料の量、配分及び方向を直接制御できると共に、流路１８０及び１９０の長さに沿って流れる燃料の量を制御できる。同様に、バイパス穴２１６は、冷却室１９４から出口室１９８に至るまでの燃料の圧力降下を相当に減少することにより、噴射ポート２０４を通して燃料を押し出すのを容易にする。更なる実施形態において、燃料流路１８０から出口室１９８の中へ燃料を直接流入させるバイパス穴２１６の代わりに又はそれに加えて、バイパス穴２１６は燃料流路１８０から冷却室１９４の中へ燃料を直接流入させてもよい。

図８は、図４の円弧線５‐５に沿った予混合器１７０の一実施形態の破断側面図であり、図６に示される実施形態と図７に示される実施形態との組み合わせを更に示す。図８に示されるように、各旋回羽根１７６は、逆流路１９０からのバイパス穴２１４及び流路１８０からのバイパス穴２１６の双方を含んでもよい。この構成において、バイパス穴２１４及び２１６は、燃料の総量のうち約５〜６０％、１０〜５０％又は２０〜４０％の量を先に冷却室１９４を通して仕切り２０２に沿って流通させることなく出口室１９８に直接流入させ、噴射ポート２０４へ搬送してもよい。これにより、噴射ポート２０４に直接供給される燃料の量が増加するので、予混合器１７０の中へ噴射される燃料を更に適切に制御でき且つ燃料の圧力損失を制御できる。しかし、そのような利点がある一方で、方向矢印２００に沿った燃料の流れが減少するため、羽根１７６は完全には冷却されなくなる。

尚、燃料が旋回羽根１７６を通過する間に、燃料の温度は約５０〜５００°Ｆになる。これに対し、合成ガスは約３，０００°Ｆの温度で燃焼できる。従って、予混合器１７０を製造する際に利用された材料を旋回羽根１７６において燃料によって冷却することにより、短期間、例えば約１５秒、３０秒、４５秒、６０秒、７５秒、９０秒又はそれを超える時間の間燃焼する合成ガスにさらされた場合でも予混合器１７０は機能し続ける。予混合器１７０を製造するために利用される材料は、例えば鋼、又はコバルト及び／又はクロムを含有する合金であってもよい。予混合器１７０を製造するために使用されてもよい１つの製造技術は、直接金属レーザー焼結処理である。他の製造方法は鋳造及び溶接又はろう付けを含む。予混合器の流路１７８並びに旋回羽根１７６の双方に対して冷却媒体として燃料を利用することにより、保炎による炎が流路１７６に維持される時間は１分までなので燃料ノズル１４４を損傷するおそれはない。すなわち、通常燃料ノズル１４４の下流側端部を過ぎて燃焼器１４６の燃焼室の中まで約０．５〜２インチ入り込んでいる炎は、合成ガス（特に合成ガス中の水素）の高い反応性によって、予混合器１７０内部の流路１７８の中まで侵入する逆火の現象を引き起こす。この現象は監視されてもよく、燃料ノズル１４４の構成要素を冷却することにより、ユーザ又は自動制御システムが燃料の流量を減少するか、空気流量を増加するか、又はノズル１４４に供給される燃料の組成を変更するかのいずれかを含むが、それに限定されない方法によって予混合器における保炎を排除する時間は１分までである。

このように、流路及び予混合器１７０がさらされる温度を全体として低下するための熱交換流体として燃料が作用するので、燃料ノズル１４４における逆火損傷を減少するのを容易にするために追加の冷却流体を燃料ノズル１４４に導入する必要はない。更に、旋回羽根１７６に仕切り２０２を組み込んだことにより、燃料は旋回羽根１７６の内部全体にわたり流れるようになるため、予混合器１７０への逆火が起こった場合に熱交換流体として冷却剤流れを供給できる。従って、高温の熱（例えば約２，０００°Ｆ）にさらされるために逆火が例えば予混合器１７０の旋回羽根１７６を破壊することはなくなり、燃料が旋回羽根１７６及び逆流路１９０を通って流れることによって予混合器１７０の内部で起こる熱伝達により、全体として温度は低下される。その結果、予混合器１７０がさらされる温度も低下するため、予混合器１７０及びその内部に配置された旋回羽根１７６は、予混合器１７０における逆火又は保炎による損傷に耐えられる。

以上、最良の態様を含めて本発明を開示するため、並びに任意の装置又はシステムを製造及び使用すること及び取り入れられている任意の方法を実行することを含めて当業者による本発明の実施を可能にするための実施例を使用して、本発明を説明した。特許請求可能な発明の範囲は特許請求の範囲により定義され、当業者が考えつく他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、特許請求の範囲において使用される用語と相違しない構造要素を含むのであれば、又は特許請求の範囲において使用される用語と実質的に相違しない同等の構造要素を含むのであれば、特許請求の範囲の範囲内にあることを意図する。

１００ 統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム
１４４ 燃料ノズル
１４６ 燃焼器
１４８ 吸気口
１６６ 外側周囲壁
１６８ ノズル中央本体
１７０ 燃料／空気予混合器
１７５ 上流側端部
１７６ 旋回羽根
１７７ 下流側端部
１８０ 燃料流路
１９０ 逆流路
１９４ 冷却室
１９８ 出口室
２０２ 仕切り
２０４ 燃料噴射ポート
２１４ バイパス穴
２１６ バイパス穴

Claims (10)

1. 中央本体（１６８）と；
   前記中央本体（１６８）の周囲に配設された外側管（１６６）と；
   前記中央本体（１６８）と前記外側管（１６６）との間に設けられた空気流路（１４８）と；
   前記空気流路（２０６）に配設され、燃料入口（１９４）、燃料出口（２０４）及び前記燃料入口（１９４）と前記燃料出口（２０４）との間に配設された仕切り（２０２）を含む羽根（１７６）と；
   前記中央本体（１６８）を通って前記燃料入口（１９４）から前記羽根（１７６）の中まで延出し、前記仕切り（２０２）に沿って前記燃料入口（１７４）から前記燃料出口（２０４）まで非直線方向に前記羽根（１７６）を通って延出する燃料流路（１８４）とを具備する燃料ノズル（１４４）を具備するシステム（１００）。
2. 前記仕切り（２０２）は、前記羽根（１７６）の前記燃料入口（１９４）を有する下流側空胴（１７７）と前記燃料出口（２０４）を有する上流側空胴（１７５）との間に軸方向に配設される請求項１記載のシステム。
3. 前記上流側空胴（１７５）は、前記中央本体（１６８）を通って延出する前記燃料流路（１８４）からの燃料を前記上流側空胴（１７５）の中へ直接搬送するように構成されたバイパス流路（２１６）を具備する請求項２記載のシステム。
4. 前記下流側空胴（１７７）は、前記中央本体（１６８）を通って延出する前記燃料流路（１８４）からの燃料を前記下流側空胴（１７７）の中へ直接搬送するように構成されたバイパス流路を具備する請求項２記載のシステム。
5. 前記仕切り（２０２）は、前記仕切り（２０２）を貫通する直交流路（２１４）を具備し、前記直交流路（２１４）は、前記下流側空胴（１７７）からの燃料を前記上流側空胴（１７５）の中へ直接搬送するように構成される請求項２記載のシステム。
6. 前記羽根（１７６）は前記空気流路（２０６）の中に渦巻を発生するために湾曲している請求項１記載のシステム。
7. 前記中央本体（１６８）は、下流側軸方向に延出する燃料流路（１８０）と、上流側軸方向に延出する逆流路（１９０）とを具備し、前記中央本体（１６８）は前記羽根（１７６）から軸方向下流側へ離間するように延出する請求項１記載のシステム。
8. 前記燃料出口（２０４）は前記羽根（１７６）の外面に斜めに配置される請求項１記載のシステム。
9. 前記燃料ノズル（１４４）を有する燃焼器（１４６）、前記燃料ノズル（１４４）を有するタービンエンジン（１１８）、又はその組み合わせを具備する請求項１記載のシステム。
10. 前記燃料流路（１８４）は、前記羽根（１７６）の全長にほぼ沿って前記燃料入口（１９４）から前記燃料出口（２０４）まで上流側方向に延出し、且つ前記上流側方向は、前記空気流路（２０６）に沿った空気流れの下流側方向とはほぼ逆である請求項１記載のシステム。

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