JP2011075271A - ガスタービンノズルのための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンノズルのための装置及び方法を提供する。
【解決手段】ノズル（１２）は、入口（３４）、出口（３６）及び軸方向中心線（４４）を含む。軸方向中心線（４４）を囲むシュラウド（４２）が、入口（３４）から出口（３６）まで延在しかつ外周を画成する。入口（３４）に近接した外周は、入口（３４）の下流の第１の箇所における外周よりも大きく、また入口（３４）の下流の第１の箇所における外周は、第１の箇所の下流の第２の箇所における外周よりも小さい。ノズル（１２）を通して燃料を供給する方法は、第１の通路に沿って第１の空気流を導き、また第１の通路から分離した第２の通路に沿って第２の空気流を導く。本方法はさらに、第１の通路又は第２の通路の少なくとも一方に燃料を噴射するステップと、第１の空気流又は第２の空気流の少なくとも一方を加速させるステップとを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはガスタービンに燃料を供給するための装置及び方法に関連する。具体的には、本発明は、ガスタービンの燃焼器で使用することができる成形ノズルを含む。

ガスタービンは、発電用の商業運転に広く使用される。そのようなガスタービンを高温で作動させることは一般的に、ガスタービンの熱力学的効率を増大させる。しかしながら、燃焼に先立って燃料及び空気が良好に混合されていない場合には、より高温の動作温度により、ノズル出口付近において燃焼器内に局所高温スポットが生じることが多い。局所高温スポットは、逆火及び保炎の発生の可能性を増加させるおそれがある。逆火及び保炎は、あらゆる燃料で発生する可能性があり、特に低反応性を有する燃料よりも非常に高い燃焼速度及び非常に広い引火範囲を有する水素燃料のような高反応性燃料に関連して発生する可能性がある。逆火及び保炎は、そのような事象でノズルが焼損する可能性があるので、運転時には回避しなければならない。加えて、局所高温スポットを伴う不均一な燃料／空気混合は、ＮＯｘの発生を増加させ、また局所低温スポットを伴う不均一な燃料／空気混合は、一酸化炭素及び未燃炭化水素の排出（エミッション）を増加させ、これら全てが望ましくない排気エミッションである。

局所高温スポット及び望ましくないエミッションを最小にしながらより高い動作温度を可能にする多様な技術が存在する。例えば、燃焼に先立って燃料を作動流体とより均一に混合するような多様なノズルが、開発されてきた。より均一な燃料混合気によって、ガスタービンは、高温スポットを殆ど生じることなくかつより低いエミッションを発生するほぼ完全な予混合燃焼で作動させることが可能になる。保炎及び逆火は、火炎燃焼速度が局所的流れ速度よりも大きい時に発生する。保炎又は逆火を防止するためには、流れ速度を増加させる必要があり、このことは、多くの場合、ノズルでの付加的な圧力降下を必要とし、またこのノズルでの圧力降下は、ガスタービンの熱力学的効率全体を損なう。

米国特許第７００３９５８号明細書

従って、局所高温スポット、保炎、及びノズルでの圧力降下を最小にしながら次第に高くなる燃焼温度及び高反応性燃料を支援することができるノズルの改善に対する継続的な必要性が存在する。

本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。

本発明の一実施形態は、ノズルであり、本ノズルは、軸方向中心線とその周りに配置された中心本体とを含む。中心本体は、前縁及びその下流に位置する後縁を含む。シュラウドが、中心本体を囲みかつ外周を画成する。本ノズルはさらに、中心本体とシュラウドの間の複数のベーンを含み、また中心本体の前縁に近接したシュラウドの外周は、中心本体の後縁に近接したシュラウドの外周よりも大きい。

本発明の別の実施形態では、ノズルは、入口、その下流に位置する出口、及び入口と出口との間に延在する軸方向中心線を含む。本ノズルはさらに、軸方向中心線を囲み、入口から出口まで延在し、かつ外周を画成するシュラウドを含む。入口に近接したシュラウドの外周は、入口の下流の第１の箇所におけるシュラウドの外周よりも大きく、また入口の下流の第１の箇所におけるシュラウドの外周は、第１の箇所の下流の第２の箇所におけるシュラウドの外周よりも小さい。

本発明のさらに別の実施形態は、ノズルを通して燃料を供給する方法を含む。本方法は、ノズルの軸方向中心線を通る第１の通路に沿って第１の空気流を導くステップと、複数のベーンを横切る第２の通路に沿って第２の空気流を導くステップと、第１の通路を第２の通路から分離するステップとを含む。本方法はさらに、第１の通路又は第２の通路の少なくとも一方に燃料を噴射するステップと、第１の空気流又は第２の空気流の少なくとも一方を加速させるステップとを含む。

本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。

添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。

本発明の技術的範囲内にあるノズルを有するガスタービンの簡略断面図。 線Ａ−Ａに沿って取った、図１に示すノズルの簡略平面図。 図１に示すノズルの簡略断面斜視図。 本発明の技術的範囲内にあるスワーラの実施形態の断面図。

次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。

各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

図１は、本発明の技術的範囲内にあるノズル１２を有するガスタービン１０を示している。ガスタービン１０は一般的に、前部に圧縮機１４、中央部の周りに１以上の燃焼器１６、また後部にタービン１８を含む。圧縮機１４及びタービン１８は、共通のロータ２０を共有することができる。

圧縮機１４は、作動流体（空気）を加圧することによって作動流体に運動エネルギーを与えて、作動流体を高エネルギー状態にする。加圧した作動流体は、圧縮機１４から流出しかつ圧縮機吐出プレナム２２を通って燃焼器１６に流れる。ライナ２４は、各燃焼器１６を囲みかつ燃焼室２６を画成する。ノズル１２は、下流混合ゾーン２８で燃料を加圧作動流体と混合する。使用可能な燃料には、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素及びプロパンが含まれる。燃料及び作動流体の混合気は、燃焼室２６に流れ、燃焼室２６において点火燃焼されて高温及び高圧を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、トランジションピース３０を通ってタービン１８に流れ、タービン１８において燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。

図２は、線Ａ−Ａに沿って取った、図１に示すノズル１２の簡略平面図であり、また図３は、図１に示すノズル１２の簡略断面斜視図を示している。図２及び図３に示すように、上端キャップ３２が、ノズル１２に対して構造的支持を与える。ノズル１２は、図２に示すように単一ノズル１２を囲む６つのノズル１２のような様々な幾何学的配列で上端キャップ３２内に配置される。付加的な幾何学的配列には、単一ノズルを囲む７つのノズル、又は特定の設計要求による適当な配列が含まれる。各ノズル１２は、入口３４及び入口３４の下流（すなわち、空気流の方向）に位置する出口３６を含む。各ノズル１２はさらに、中心本体３８、複数のスワーラベーン４０及び／又はシュラウド４２を含むことができる。

中心本体３８は、その形状がほぼ円形でありかつノズル１２の軸方向中心線４４の周りに配置されるが、中心本体３８の特定の形状及び同心性は、本発明の技術的範囲内にある各実施形態の必要条件ではない。中心本体３８は、ノズル１２の入口３４に近接した前縁４６及び前縁４６の下流（すなわち、空気流の方向）に位置する後縁４８を含む。前縁４６は、中心本体３８の両側を通過する空気流の崩壊を最小にするように丸みを付けることができる。後縁４８は、中心本体３８の近くを流れる燃料及び空気の混合気の再循環を最小にする箇所で終了させることができる。従って、前縁４６及び後縁４８の組合せは、中心本体３８における翼形部形状を画成することができる。

スワーラベーン４０は、中心本体３８とシュラウド４２の間に延在する。各ノズル１２は一般的に、３〜１２個のスワーラベーン４０を含むが、本発明の技術的範囲は、特定の設計要求に応じて、任意の数のスワーラベーン４０を含む。

図４は、本発明の技術的範囲内にあるスワーラベーン４０の実施形態の断面図を示している。中心本体３８の場合と同様に、各スワーラベーン４０は、ノズル１２の入口３４に近接した前縁５０及び前縁５０の下流（すなわち、空気流の方向）に位置する後縁５２を含む。前縁５０は、丸みを付けけることができかつスワーラベーン４０の両側を通過する空気流の崩壊を最小にするように前縁を中心本体３８及びシュラウド４２に連結するフィレットを含むことができる。後縁５２は、スワーラベーン４０を横切って流れる燃料及び空気の混合気の再循環を最小にする箇所で終了させることができる。従って、前縁５０及び後縁５２の組合せは、スワーラベーン４０における翼形部形状を画成することができる。

図４に示すように、スワーラベーン４０はさらに、シュラウド４２、スワーラベーン４０及び中心本体３８を通る燃料の流れのための流体連通を構成する内部通路５４又は空洞を含むことができる。中心本体３８の両側、スワーラベーン４０の両側、及び／又はシュラウド４２の内側の燃料ポート５６は、空気流内に燃料を噴射するために使用することができる。燃料ポート５６の直径は、約０．０１０インチ〜０．０８０インチとすることができ、また燃料ポート５６は、軸方向中心線４４に対して約２５度〜９０度傾斜させることができる。燃料ポート５６の直径及び角度を組合せて、燃料が空気ストリーム内に適度に貫入することを保証しかつ燃料が中心本体３８、スワーラベーン４０及び／又はシュラウド４２に沿って単純に流れるのを防止する。また、燃料ポート５６の直径及び角度を組合せて、局所的保炎の発生可能性を最小にすることを保証する。

スワーラベーン４０は、軸方向中心線４４と整列させて下流混合ゾーン２８に流入する空気流を安定させることができる。別の実施形態では、スワーラベーン４０の後縁５２は、軸方向中心線４４に対して約６０度ほど傾斜させてスワーラベーン４０上を通る空気流に旋回運動を与えることができる。スワーラベーン４０によって与えられた旋回運動は、スワーラベーン４０から流出する旋回空気流と中心本体３８から流出する非旋回空気流との間に剪断力を生じさせる。この剪断力は、下流混合ゾーン２８内での燃料と加圧作動流体との混合作用を高め、もって圧力損失の低下と材料及び製作コストの低減をもたらすノズル１２の短尺化が可能となる。保炎及び逆火マージンも改善される。

シュラウド４２は、中心本体３８及び軸方向中心線４４を囲み、入口３４から出口３６まで延在し、かつ外周を画成する。加圧作動流体がノズル１２に流入すると、中心本体３８は、中心本体３８の内部を通る第１の通路に沿ってかつ軸方向中心線４４に沿って第１の空気流を導く。シュラウド４２及び中心本体３８を組合せて、第１の通路から分離され、シュラウド４２及び中心本体３８間に位置しかつスワーラベーン４０を横切る第２の通路に沿って、第２の空気流を導く。第１の空気流は、中心本体３８の後縁４８の下流で第２の空気流と混合しかつ噴射燃料と混合して、混合気流を生じる。混合気流は、下流混合ゾーン２８に進み、混合ゾーン２８において燃料及び加圧作動流体は混合し続けた後に、出口３６から流出しかつ燃焼室２６に流入する。

シュラウド４２の外周は、入口３４から出口３６に徐々に変化する、すなわち最初に減少し次に増大して、シュラウド４２にベンチュリに類似した外形（成形ノズル）をもたらす。具体的な実施形態では、入口３４における外周及び出口３６における外周は、入口３４及び出口３６でほぼ等しい断面積を生じてノズル１２での圧力降下を最小にしかつ流路面積を最大にするような寸法とすることができる。

シュラウド４２の外周は、中心本体３８の入口３４すなわち前縁４６の近傍で減少し始めかつ入口３４の下流の第１の箇所５８に到達するまで減少し続ける。第１の箇所５８の正確な位置は、特定の実施形態の設計要求により僅かに変化させることができるが、その位置は、中心本体３８の後縁４８にほぼ隣接するか又は僅かに下流である。従って、中心本体３８の入口３４すなわち前縁４６に近接した外周は、中心本体３８の後縁４８に近接した外周よりも大きい。

入口３４と第１の箇所５８との間の外周の減少は、スワーラベーン４０及び中心本体３８のテーパ形状と一致する。この外周における減少は、第１及び／又は第２の空気流の断面積を減少させて、第１及び／又は第２の空気流の対応する加速すなわち速度の増加を生じさせる。入口３４から第１の箇所５８までの外周の減少は、幾つかの実施形態において空気流速度を２〜３倍増加させ、従って燃料ポート５６の近傍において及び燃料ポート５６から第１の箇所５８までの下流において保炎が発生するおそれがある可能性を減少させることができることが予想される。

シュラウド４２の外周は、第１の箇所５８の下流で増大し始め、第２の箇所６０に到達するまで増大し続ける。第２の箇所６０の正確な位置は、第１の箇所５８と出口３６との間のシュラウド４２に沿った任意の場所とすることができ、実際の位置は、特定の実施形態の設計要求に応じて決めることができる。従って、第２の箇所６０における外周は、第１の箇所５８における外周よりも大きい。

第１の箇所５８と第２の箇所６０との間の外周における増大は、下流混合ゾーン２８の位置とほぼ一致する。この外周における増大は、混合気流の断面積を増大させて、混合気流の対応する減速すなわち速度の減少を生じさせる。これに対応して、流圧損失が、回復される。

図３に示す実施形態では、シュラウド４２の外周は、第２の箇所６０から出口３６まで一定のままである。その結果、シュラウド４２は、第２の箇所６０から出口３６までの円筒体６２を画成する。この一定の外周は、燃料及び加圧作動流体の混合気がノズル１２から流出しかつ燃焼室２６に流入する時に燃混合気の速度及び圧力を安定させて、ノズル１２内で逆火が発生するおそれがある可能性を減少させる。

特許請求の範囲に記載したような本発明の技術的範囲及び技術思想並びにその均等物から逸脱せずに本明細書に記載した本発明の実施形態に対して改良及び変更を加えることができることは当業者には分かるであろう。

１０ ガスタービン
１２ ノズル
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ タービン
２０ ロータ
２２ 圧縮機吐出プレナム
２４ ライナ
２６ 燃焼室
２８ 反応ゾーン
３０ トランジションピース
３２ 上端キャップ
３４ ノズル入口
３６ ノズル出口
３８ 中心本体
４０ スワーラベーン
４２ シュラウド
４４ 軸方向中心線
４６ 中心本体前縁
４８ 中心本体後縁
５０ スワーラベーン前縁
５２ スワーラベーン後縁
５４ スワーラベーン内部通路
５６ 燃料ポート
５８ 第１の箇所
６０ 第２の箇所
６２ 円筒体

Claims (10)

1. ノズル（１２）であって、
   ａ．軸方向中心線（４４）と、
   ｂ．軸方向中心線（４４）の周りに配置されかつ前縁（４６）と前縁（４６）の下流に位置する後縁（４８）とを有する中心本体（３８）と、
   ｃ．中心本体（３８）を囲みかつ外周を画成するシュラウド（４２）と、
   ｄ．中心本体（３８）とシュラウド（４２）の間の複数のベーン（４０）と
   を備えており、
   ｅ．中心本体（３８）の前縁（４６）に近接したシュラウド（４２）の外周が、中心本体（３８）の後縁（４８）に近接したシュラウド（４２）の外周よりも大きい、ノズル（１２）。
2. シュラウド（４２）の外周が、中心本体（３８）の後縁（４８）の下流の箇所で増大する、請求項１記載のノズル（１２）。
3. シュラウド（４２）が、中心本体（３８）の後縁（４８）の下流に円筒体を画成する、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のノズル（１２）。
4. 中心本体（３８）が、軸方向中心線（４４）の少なくとも一部分に沿って流路を画成する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のノズル（１２）。
5. 中心本体（３８）、シュラウド（４２）又は複数のベーン（４０）の少なくともいずれかに複数の燃料ポート（５６）をさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のノズル（１２）。
6. ノズル（１２）を通して燃料を供給する方法であって、
   ａ．ノズル（１２）の軸方向中心線（４４）を通る第１の通路に沿って第１の空気流を導くステップと、
   ｂ．複数のベーン（４０）を横切る第２の通路に沿って第２の空気流を導くステップと、
   ｃ．第１の通路を第２の通路から分離するステップと、
   ｄ．第１の通路又は第２の通路の少なくとも一方に燃料を噴射するステップと、
   ｅ．第１の空気流又は第２の空気流の少なくとも一方を加速させるステップと
   を含む方法。
7. 第１の空気流を第２の空気流及び噴射燃料と混合して、混合気流を形成するステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
8. 混合気流を減速させるステップをさらに含む、請求項６又は請求項７のいずれか１項記載の方法。
9. 第１の通路又は第２の通路の少なくとも一方に軸方向中心線（４４）に対して約２５度〜９０度の角度で燃料を噴射するステップをさらに含む、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 約０．０１インチ〜０．０８インチの直径を有する複数の燃料ポートを通して燃料を噴射するステップをさらに含む、請求項６乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。

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