JP2011064447A - 燃焼器用の半径方向入口案内翼 - Google Patents

Abstract

【課題】本出願は、燃焼器（１００）を提供する。
【解決手段】本燃焼器（１００）は、該燃焼器を貫通する内部流路（２２）と、内部流路（２２）と連通した複数のノズル（２４）と、内部流路（２２）の周りに配置されて該内部流路内に旋回流（２００）を形成する入口案内翼システム（１２０）とを含む。
【選択図】 図４

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、燃焼器において半径方向入口案内翼又はスワーラを使用して燃焼器ノズルに対してより均一な空気流分布をもたらすようにすることに関する。

ガスタービンエンジンでは、運転効率は、燃焼ガス流の温度が上昇するにつれて増大する。しかしながら、より高いガス流温度は、より高いレベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）すなわちエミッションを発生させる可能性があり、このエミッションは、米国において連邦及び州政府の両方の規制を受け、また海外における同種の規制を受ける。従って、ガスタービンを効率的な温度範囲で運転することと同時に、ＮＯｘ及びその他のタイプのエミッションの発生を規制レベル以下に維持するのを保証することとの間でバランスさせることになる。

最近の燃焼概念は、燃焼器内においてより大径の通路を備えた幾つかのノズルではなくて多くの小径の通路を備えた多数のノズルを使用することを伴う。これらの小径通路を備えたノズルは、短い流れ滞留時間内に高速の燃料／空気混合をもたらす。ノズルはまた、燃料及び／又は空気を使用した有効な冷却と共に強力な壁熱伝達を行なう。従って、これらの小型ノズル又はその他のタイプの燃焼ノズルは、エミッションを低減しかつさらに高反応性タイプの合成ガス及びその他の燃料、特に高水素燃料の使用を可能にする能力を有することができる。しかしながら、これらのノズルの設計では、燃焼器キャップ空間のより多くを利用して多くの小型ノズル間で空気を適正に分配するようにすることが必要となる可能性がある。

エミッション及び逆火の発生可能性を最小にするためには、可能な限りノズルにわたる（ノズル間における）空気流分布を均一にすることが望ましいことになる。現在の燃焼器設計では、その中にノズル間空気流変動を又はさらに通路間空気流変動をさえも有する可能性がある。最外側ノズル又はチューブは、空気がノズルに達する時に局所的流れ剥離のためにより少ない空気流を受ける可能性がある。そのような剥離は、より少ない空気流を有するノズルに保炎及び逆火を生じる可能性があるので、ノズル作動性に悪影響を与える可能性がある。剥離はまた、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）のような燃焼発生エミッションに悪影響を与える可能性がある。不均一空気流分布の程度はまた、負荷又は全空気質量流量により変化する可能性がある。短尺ライナを備えた又はライナを備えていない燃焼器のケースでは、キャップ表面を湾曲させて、ノズル流れを僅かに内向きにするようにしている場合がある。しかしながら、そのような設計では、流れを供給する場合に、外径領域近くにより多くの空気を必要とする可能性がある。

WILLY STEVE ZIMINSKY, et al., Title: Premixed Direct Injection Nozzle, filed on Feb.4,2009, and assigned USSN: 12/365,382.

従って、燃焼器及び燃焼器キャップの周りにより均一な空気流分布をもたらす願望が存在する。好ましくは、そのような均一な空気流は、特に高反応性合成ガス、高水素燃料及び同様なタイプの燃料を使用して、エミッションの低減と同時にガスタービンエンジンの全体性能の改善との両方を可能にすべきである。

従って、本出願は、燃焼器を提供する。本燃焼器は、該燃焼器を貫通する内部流路と、内部流路と連通した幾つかのノズルと、内部流路の周りに配置されて該内部流路内に旋回流を形成する入口案内翼システムとを含むことができる。

本出願はさらに、燃焼器を提供する。本燃焼器は、該燃焼器を貫通する内部流路と、内部流路と連通した予混合直接噴射ノズルと、内部流路の周りに配置されて該内部流路内に旋回流を形成する幾つかの入口案内翼とを含むことができる。

本出願はさらに、燃焼器を提供する。本燃焼器は、該燃焼器を貫通する内部流路と、キャップ部材と、キャップ部材内に配置されかつ内部流路と連通した幾つかのノズルと、内部流路の周りに配置された幾つかの入口案内翼とを含むことができる。入口案内翼は、流れ通路の下方部分から延びて部分的旋回流を形成することができかつ流れ通路のウィンドの周りで終端して部分的非旋回流を形成ようにして、旋回流全体がノズル間でほぼ均一な分布を有することができるようにすることができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

本明細書に記載したような燃焼器を使用することができるガスタービンエンジンの側面断面図。 図１のガスタービンエンジンの幾つかの束ね複数チューブ噴射ノズルを備えた燃焼器缶の側面断面図。 本明細書に記載したような入口案内翼システムを備えた燃焼器缶の側面断面図。 図３の入口案内翼システムを備えた燃焼器缶の側面断面図。 図３の入口案内翼システムを備えた燃焼器缶の平面図。

次に、幾つかの図全体を通して同じ参照符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の側面断面図を示している。公知なように、ガスタービンエンジン１０は、流入空気流れを加圧する圧縮機１２を含むことができる。圧縮機１２は、加圧空気流れを燃焼器１４に送給する。燃焼器１４は、加圧空気流れを加圧燃料流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させる。（単一の燃焼器１４のみを示しているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器１４を含むことができる。）次に、高温燃焼ガスが、タービン１６に送給される。高温燃焼ガスは、タービン１６を駆動して、機械的仕事を産生するようにする。タービン１６内で産生された機械的仕事は、圧縮機１２を駆動しかつ発電機などのような外部負荷を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なその他のタイプの合成ガス及びその他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジンは、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから市販の７Ｆ又は９Ｆ型高出力ガスタービンエンジンとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、その他の構成を有することができ、またその他のタイプの構成要素を使用することができる。本明細書では、その他のタイプのガスタービンエンジンを使用することができる。本明細書では、複数のガスタービンエンジン１０、その他のタイプのタービン及びその他のタイプの発電装置を共に使用することができる。

図２は、本明細書で使用することができる燃焼器１４の実施例の側面断面図である。燃焼器１４は、その第１の端部に配置されたエンドカバー１８からその反対側端部におけるキャップ部材２０まで延びる燃焼器缶１５を含む。キャップ部材２０は、エンドカバー１８から間隔を置いて配置されて燃焼器缶１５を通る加圧空気の流れのための内部流路２２を形成する。キャップ部材２０は、それを貫通して延びる予混合直接噴射ノズル２３或いはその他のタイプの燃料ノズル又は噴射器を形成することができる。予混合直接噴射ノズル２３は、燃料通路２５と連通した幾つかの小型ノズル２４を含むことができる。小型ノズル２４は、傾斜させて配置することができ、或いはそれら小型ノズル２４は、真直ぐに配置することができる。燃料通路２５は、エンドカバー１８から燃料ノズル２３に延びて、該燃料ノズル２３に燃料を送給することができる。予混合噴射ノズル２３は一般的に、低燃焼発生ＮＯｘ及び低燃料圧力損失で良好な燃料空気混合を行なって、高いシステム効率が得られるようにする。

燃焼器１４はさらに、燃焼器缶１５の上流に配置された燃焼ライナ２６及び流れスリーブ２８を含む。燃焼ライナ２６及び流れスリーブ２８は、燃焼器缶１５を貫通しかつ内部流路２２と逆方向流れ連通した外側流路３０を形成することができる。外側流路は、燃焼ライナ２６に対して冷却を行なうことができる。

従って、圧縮機１２からの空気は、燃焼ライナ２６及び流れスリーブ２８間の外側流路３０を通って流れ、次に燃焼器缶１５内に反転する。空気は次に、エンドカバー１８及びキャップ部材２０間に形成された内部流路２２を通って流れる。空気がキャップ部材２０の予混合直接噴射ノズル２３を通って流れる時に、空気は燃料通路２５からの燃料流れと混合されかつ燃焼チャンバ３２内で点火燃焼される。本明細書に示す燃焼器１４は、実施例としてのみのものである。本明細書では、多くのその他のタイプの燃焼器１４の設計及び燃焼方法を使用することができる。

空気流が内部流路２２を通ってキャップ部材２０のノズル２３に達する時に、キャップ部材２０にわたって大きな速度分布変動が発生する可能性がある。これらの速度変動は、特にその各々が公知の大型ノズルの僅かな数を使用するのではなくて多数の小径チューブ２４を備えた幾つかの予混合直接噴射ノズル２４を使用する場合に、問題となる可能性がある。そのような速度変動は、上記したようにエミッションレベル及びその他のタイプの燃焼ダイナミックスに悪影響を与える可能性がある。これらの速度変動は、キャップ部材２０の外径領域３４から中心領域３６に向かって拡大する可能性がある。

図３〜図５は、本明細書に記載することができるような燃焼器１００の側面断面図を示している。燃焼器１００は、上記に記載したものと同様な燃焼器缶１１０を含むことができる。燃焼器１００は、該燃焼器内に配置された入口案内翼システム１２０を含むことができる。入口案内翼システム１２０は、流れ調整装置として作用しかつ燃焼ライナ２６及び流れスリーブ２８間の外側流路３０の周りに配置することができる。入口案内翼システム１２０は、エンドカバー１８に対して取付けることができ或いはその他の方法で配置することができる。

入口案内翼システム１２０は、幾つかの案内翼１３０を含むことができ、各案内翼１３０は半径方向に軸１４０上に配置して該軸４０と共に回転するようにすることができる。案内翼１３０は、燃焼ライナ２６を通る流れ通路１６０の下方部分１５０においてその周りに配置することができる。案内翼１３０は、流れ通路１６０の上方部分（エンドカバー１８に近接した）における該流れ通路１６０のウィンド１７０において長手方向に終端することができる。幾つかの案内翼１３０を備えた流れ通路１６０の下方部分と案内翼１３０を備えていない流れ通路１６０のウィンド１７０との面積比は、下流ノズル間における所望の空気流れ分布を達成するように変化させることができる。案内翼１３０の角度は、固定とするか又は調整可能とすることができる。案内翼１３０のあらゆる数又は形状を使用することができる。軸１４０は、駆動モータに取付けるか又はその他の方法で動力供給することができる。

使用中に、空気流れ１９０は、外側流路３０に沿って進むことができ、案内翼システム１２０を通ってかつキャップ部材２０の小型ノズル２３に向かって内部流路２２内に流れることができる。案内翼１３０は、キャップ部材２０の外径領域３４の近くにおいてより高い圧力で旋回流２００を形成するような特定のスワール角度を生じさせることができる。旋回流２００の強さは、案内翼１３０のスワール角度及び／又は長さを変化させることによって制御することができる。従って、全負荷及び部分負荷状態の両方において、キャップ部材２０及びノズル２３にわたるほぼ均一な空気分布を保証するような伝達関数を案内翼１３０と空気流量との間に確立することができる。案内翼１３０のスワール角度と共にその全長及び翼弦長さは、ノズル２４にわたってより均一な空気形態分布をもたらすように最適化することができる。さらに、入口案内翼１３０は、少なくとも部分的旋回流を形成することができ、一方、流れ通路１６０のウィンドは、部分的非旋回流を形成して、得られた旋回流２００全体がノズル２４にわたるより均一な分布を有することができるようにすることができる。

従って、入口案内翼システム１２０は、全ての負荷状態においてノズル２４間に均一な空気流分布をもたらす低い圧力損失及び可変スワール調整装置を形成する。入口案内翼システム１２０は、短尺ライナ２６を高水素燃料燃焼で使用する場合であってもそのような均一な空気分布を可能にする。

上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１５ 燃焼器缶
１６ タービン
１８ エンドカバー
２０ キャップ部材
２２ 内部流路
２３ 予混合直接噴射ノズル
２４ 小径チューブノズル
２５ 燃料通路
２６ 燃焼ライナ
２８ 流れスリーブ
３０ 外側流路
３２ 燃焼チャンバ
３４ 外径領域
３６ 中心領域
１００ 燃焼器
１１０ 燃焼器缶
１２０ 入口案内翼システム
１３０ 入口案内翼
１４０ 軸
１５０ 下方部分
１６０ 流れ通路
１７０ ウィンド
１８０ 駆動モータ
１９０ 空気流れ
２００ 旋回流

Claims (10)

1. 燃焼器（１００）であって、
   該燃焼器を貫通する内部流路（２２）と、
   前記内部流路（２２）と連通した複数のノズル（２４）と、
   前記内部流路（２２）の周りに配置されて該内部流路内に旋回流（２００）を形成する入口案内翼システム（１２０）と
   を備える燃焼器（１００）。
2. 前記入口案内翼システム（１２０）が、軸（１４０）の周りに配置された複数の入口案内翼（１３０）を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。
3. 前記複数の入口案内翼（１３０）が、流れ通路（１６０）の下方部分（１５０）から延びかつ該流れ通路（１６０）のウィンド（１７０）の周りで終端する、請求項２記載の燃焼器（１００）。
4. 前記流れ通路（１６０）の下方部分（１５０）と該流れ通路（１６０）のウィンド（１７０）との比率が、変化させることができる、請求項３記載の燃焼器（１００）。
5. 前記複数の入口案内翼（１３０）が、複数の固定又は調整可能角度入口案内翼（１３０）を含む、請求項２記載の燃焼器（１００）。
6. エンドカバー（１８）をさらに含み、前記入口案内翼システム（１２０）が、前記エンドカバー（１８）の周りに取付けられる、請求項１記載の燃焼器（１００）。
7. 該燃焼器を貫通する外側流路（３０）を形成した燃焼ライナ（２６）及び流れスリーブ（２８）をさらに含み、前記入口案内翼システム（１２０）が、前記外側流路（３０）及び内部流路（２２）間に配置される、請求項１記載の燃焼器（１００）。
8. 外径領域（３４）及び中心領域（３６）を備えたキャップ部材（２０）をさらに含み、前記旋回流（２００）が、前記外径領域（３４）及び中心領域（３６）にわたってほぼ均一な分布を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。
9. 前記複数のノズル（２４）が複数の小径チューブノズル（２４）を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。
10. 前記入口案内翼システム（１２０）が流れ調整装置を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。

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