JP2011137629A - マルチノズルドライ低ＮＯｘ燃焼システムの燃焼ダイナミクスを軽減するための燃料システム音響特性 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライ低ＮＯｘ燃焼器において、システムの動作性を阻害し、部品の寿命を短縮し且つ相対的な耐久性を低減するおそれがある要素として懸念されているのが燃焼ダイナミクスである。燃料／空気比の変動により放熱量に変動が生じ、その結果、燃焼ダイナミクスが持続してしまう。燃焼ダイナミクスを軽減するシステムを提供する。
【解決手段】ドライ低ＮＯｘ燃料ノズル１０は、流体の流れを誘導する第１の流体流路２１を画成するように形成された１つ以上の下流側オリフィス２０と、下流側オリフィス２０の上流側に配置され、流体の流れを誘導する第２の流体流路４１を画成するように形成された上流側オリフィス４０と、それぞれ互いに流体結合するように配設された接続流路５０とを含む。上流側オリフィス４０の半径方向サイズ及び軸方向場所のうち少なくとも一方は、協働して燃料システムの音響インピーダンスをデチューニングするように設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、マルチノズルドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムの燃焼ダイナミクスを軽減するための燃料システムに関する。

ガスタービンエンジンにおいて、燃料と空気は混合され、燃焼器の燃焼ゾーンの中で燃焼される。この燃焼のエネルギーはタービン内で機械的エネルギーに変換される。タービンにおいて、機械的エネルギーは、例えば電気を発生するために使用されてもよい。燃焼の副産物は排出される。しかし、近年、副産物が環境に与える影響に関心が集まっており、燃焼の副産物として発生される望ましくないＮＯｘ放出物の量を減少するように構成されたドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器を製造するための努力がなされている。

ＤＬＮガスタービン燃焼器の動作において、関連するＤＬＮシステムの動作性を阻害し、部品の寿命を短縮し且つ相対的な耐久性を低減するおそれがある要素として懸念されているのが燃焼ダイナミクスである。燃焼ダイナミクスの主な原因の１つは、混合セクションの圧力変動によって起こる燃料／空気比の変動並びにそれに対応して起こる燃料流量及び空気流量の変動である。燃料／空気比の変動により放熱量に変動が生じ、その結果、燃焼ダイナミクスが持続してしまう。

米国特許第６３０５９２７号明細書 米国特許第６８２０４３１号明細書 米国特許第７４６４５５２号明細書

本発明の１つの態様によれば、燃料システムのドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃料ノズルが提供される。燃料ノズルは、流体の流れを誘導する第１の流体流路を画成するように形成された１つ以上の下流側オリフィスと、１つ以上の下流側オリフィスの上流側に配置され、流体の流れを誘導する第２の流体流路を画成するように形成された上流側オリフィスと、下流側オリフィスの第１の流体流路及び上流側オリフィスの第２の流体流路をそれぞれ互いに流体結合するように配設された接続流路とを含む。上流側オリフィスの半径方向サイズ及び軸方向場所の少なくとも一方は、協働して燃料システムの音響インピーダンスをデチューニングするように設定される。

本発明の別の態様によれば、燃料システムのドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃料マルチノズルが提供される。燃料マルチノズルは、流体の流れを誘導する第１の流体流路を画成するように形成され且つ下流側オリフィスのサブグループを形成するように配列された複数の下流側オリフィスと、下流側オリフィスの上流側に配置された複数の上流側オリフィスであって、それぞれ下流側オリフィスのサブグループのうちの対応するものと関連し、各々が流体の流れを誘導する第２の流体流路を画成するように形成された複数の上流側オリフィスと、サブグループに分割された下流側オリフィスの第１の流体流路及び対応する上流側オリフィスの第２の流体流路をそれぞれ互いに流体結合するように配設された複数の接続流路とを含む。各上流側オリフィスの半径方向サイズ及び軸方向場所のうち少なくとも一方は、協働して燃料システムの音響インピーダンスをデチューニングするように個別に設定される。

本発明のさらに別の態様によれば、燃料システムのドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃料マルチノズルを組み立てる方法が提供される。方法は、流体の流れを誘導する第１の流体流路を画成するように形成され且つ下流側オリフィスのサブグループを形成するように配列された複数の下流側オリフィスを、下流側オリフィスの上流側に配置された複数の上流側オリフィスであって、それぞれ下流側オリフィスのサブグループのうちの対応するものと関連し、各々が流体の流れを誘導する第２の流体流路を画成するように形成された複数の上流側オリフィスと流体結合することと、各上流側オリフィスの半径方向サイズ及び軸方向場所のうち少なくとも一方を協働して燃料システムの音響インピーダンスをデチューニングするように個別に調整することとを含む。

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て以下の説明を読むことによりさらに明らかになるだろう。

本発明としてみなされる主題は、本明細書の末尾の特許請求の範囲の中で特定して指示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は燃料ノズル群を概略的に示した側断面図である。 図２は複数の燃料ノズル群を概略的に示した側断面図である。 図３はマルチノズル筒形燃焼器の１つの構成要素を示した斜視図である。

以下の説明は、図面を参照して、実施例により制限なく本発明の実施形態を利点及び特徴と共に説明する。

本発明の実施形態によれば、燃料システムの音響応答を音響的にデチューニングすることにより、燃料／空気比の変動により促進される燃焼ダイナミクスを阻止するか又は大幅に軽減することが可能である。複数のノズル及び／又はノズル群を含む燃焼器システムの場合、燃焼ダイナミクスをさらに軽減するために、ノズル群間の燃料システムインピーダンスの不整合が利用されてもよい。

図１に示すように、燃料システム（すなわち、図１及び図２の燃料流れ）のドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃料ノズル１０が提供される。燃料ノズル１０は、１つ以上の下流側オリフィス２０、上流側オリフィス４０及び接続流路５０を含む。各下流側オリフィス２０は、ノズル１０が流体結合されている燃焼器の混合セクションに向かって燃料流れのような流体を誘導し、次に燃焼ゾーンに向かって誘導する第１の流体流路２１を画成するように形成される。上流側オリフィス４０は、第１の流体流路２１の流れ方向に対して下流側オリフィス２０の上流側に配置され且つ流体を下流側オリフィス２０に向かって誘導する第２の流体流路４１を画成するように形成される。接続流路５０は、下流側オリフィス２０の第１の流体流路２１及び上流側オリフィス４０の第２の流体流路４１をそれぞれ互いに流体結合するように配設される。この構成において、上流側オリフィス４０の半径方向サイズＲ_UP及び軸方向場所Ｐ_Lのうち少なくとも一方は、協働して燃料システムの音響インピーダンスをデチューニングすることにより、燃料／空気比変動により促進される燃焼ダイナミクスを阻止するか又は大幅に軽減するように可変値に設定されてもよい。

各下流側オリフィス２０は、軸方向場所Ｎ_Lに配置され且つ半径方向サイズＲ_DOを有する。各下流側オリフィス２０は、下流側端部で燃焼器の混合セクションに対して開いている配管６０を含んでもよい。下流側オリフィス２０の配管６０は、上流側端部から下流側端部まで延在する開口６２を画成するように形成された側壁６１を含む。本発明の実施形態は、上流側オリフィス４０の半径方向サイズＲ_UP及び軸方向場所Ｐ_Lを可変値に設定することを含むが、下流側オリフィス２０の半径方向サイズＲ_DO及び軸方向場所Ｎ_Lは維持され且つデチューニング動作の回数は相対的に少数に保持される。しかし、実際に、下流側オリフィス２０の半径方向サイズＲ_DO及び軸方向場所Ｎ_Lを変更することが必要であるか又は望ましい場合があってもよいことが理解される。従って、これが可能であるような実施例も存在することが理解される。

上流側オリフィス４０は、軸方向場所Ｐ_Lに配置され且つ半径方向サイズＲ_UPを有するが、前述のように、軸方向場所Ｐ_L及び半径方向サイズＲ_UPは、可変値に設定されてもよい。上流側オリフィス４０は接続流路５０に対して開いている配管７０を含んでもよい。上流側オリフィス４０の配管７０は、上流側端部から下流側端部まで延在する開口７２を画成するように形成された側壁７１を含む。

接続流路５０は、上流側オリフィス４０の下流側に配設され且つ上流側オリフィス４０に流体結合された燃料供給パイプ５１と、上流側オリフィス４０の上流側に配設され且つ上流側オリフィス４０に流体結合された上流側燃料供給パイプ５２と、下流側端部５４に下流側オリフィス２０がそれぞれ配設されている１つ以上の燃料ノズル部品５３と、共通マニホルド５５とを含んでもよい。共通マニホルド５５は、燃料供給パイプ５５と燃料ノズル部品５３との間に流体結合される。

燃料供給パイプ５１の長さＬは変更可能である。これにより、共通マニホルド５５の平面から測定した場合の上流側オリフィス４０の軸方向場所Ｐ_Lは調整可能である。すなわち、長さＬが短くなるほど、上流側オリフィス４０の軸方向場所Ｐ_Lは共通マニホルド５５に近づく。逆に、長さＬが長くなるほど、軸方向場所Ｐ_Lは共通マニホルド５５から離れる。上流側オリフィス４０の半径方向サイズＲ_UPは、燃料供給パイプ５１の半径方向サイズＲ_P以下であってもよい。しかし、半径方向サイズＲ_UPが半径方向サイズＲ_Pより大きい実施形態も存在するだろうということが理解される。

実施形態によれば、燃料ノズル部品５３は複数あってもよい。すなわち、燃料ノズル部品５３は、図１に示すように３つの個別の燃料ノズル部品５３として設けられてもよいが、これは単なる例であり、４つ以上又は２つ以下の燃料ノズル部品５３が使用される実施形態も存在することは理解される。いずれにしても、各燃料ノズル部品５３は、共通マニホルド５５から測定してほぼ同じ軸方向長さＬ_Nを有し、且つ共通マニホルド５５に流体結合されることにより共通燃料流れを受け取る。さらに、１つ以上の下流側オリフィス２０も燃料ノズル部品５３に対応して複数あり、各下流側オリフィス２０は対応する燃料ノズル部品５３と関連している。

図２及び図３を参照すると、ドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃料マルチノズル８０が示す。燃料マルチノズル８０の多くの構成要素は、燃料ノズル１０の対応する構成要素と類似の構造を有し且つ同様に動作する。それらの構成要素の詳細な説明については、先の説明を参照。

図２及び図３に示すように、燃料マルチノズル８０は、下流側オリフィスのサブグループ８１、８２及び８３を形成するように配列された例示される下流側オリフィス２０₁₁、２０₁₂、２０₁₃、２０₂₁、２０₂₂及び２０₃₁（以下「２０_ij」と呼ぶ）などの複数の下流側オリフィスを含む。それらの下流側オリフィスのサブグループ８１、８２及び８３は、燃料マルチノズル８０において可変編成に設定可能な所定のパターンに従って配列される。燃料マルチノズル８０は、複数の上流側オリフィス４０₁、４０₂及び４０₃（以下「４０_i」と呼ぶ）及び複数の接続流路５０₁、５０₂及び５０₃（以下「５０_i」と呼ぶ）をさらに含む。各上流側オリフィス４０_iは、下流側オリフィス２０_ijの上流側に配置され且つ図２に示すように下流側オリフィスのサブグループ８１、８２及び８３のうち対応する１つのオリフィスのサブグループとそれぞれ関連している。複数の接続流路５０_iは、サブグループに分割された下流側オリフィス２０_ijの第１の流体流路及びそれに対応する上流側オリフィス４０_iの第２の流体流路をそれぞれ互いに流体結合するように配設される。この構成により、各上流側オリフィス４０_iの半径方向サイズＲ_UP1、_UP2,UP3及び軸方向場所Ｐ_L1,L2,L3のうち少なくとも一方は、協働して燃料システムの音響インピーダンスをデチューニングすることにより、燃料／空気比変動により促進される燃焼ダイナミクスを阻止するか又は大幅に軽減するように可変値に設定されてもよい。

実施形態によれば、上流側オリフィス４０_iのうち少なくとも１つ以上は、例えば、Ｐ_L3＞Ｐ_L2＞Ｐ_L1となるような特定の軸方向場所に配置される。同様に、上流側オリフィス４０_iのうち少なくとも１つ以上は、例えば、Ｒ_UP1＞Ｒ_UP2＞Ｒ_UP3となるような特定の半径方向サイズを有する。

燃料マルチノズル８０において、複数の接続流路５０_iの各流路は、各上流側オリフィス４０_iの下流側に配設され且つ各上流側オリフィス４０_iに流体結合された燃料供給パイプ５１と、下流側端部５４に各下流側オリフィス２０_ijがそれぞれ配設されている複数の燃料ノズル部品５３と、共通マニホルド５５とを含んでもよい。各下流側オリフィスのサブグループ８１、８２、８３において、共通マニホルド５５は、燃料供給パイプ５１と複数の燃料ノズル部品５３との間に流体結合される。

本発明の別の態様によれば、燃料システムのドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃料マルチノズルを組み立てる方法が提供される。方法は、流体の流れを誘導する第１の流体流路を画成するように形成され且つ下流側オリフィスの複数のサブグループを形成するように配列された複数の下流側オリフィスを、下流側オリフィスの上流側に配置された複数の上流側オリフィスであってそれぞれ下流側オリフィスのサブグループのうちの対応するものと関連している複数の上流側オリフィスと流体結合することを含む。各上流側オリフィスは、流体の流れを誘導する第２の流体流路を画成するように形成される。方法は、協働して燃料システムの音響インピーダンスをデチューニングするように各上流側オリフィスの半径方向サイズ及び軸方向場所のうち少なくとも一方を個別に調整することをさらに含む。個別調整は、上流側オリフィスのうち少なくとも１つ以上を特定の軸方向場所に配置すること及び／又は上流側オリフィスのうち少なくとも１つ以上を特定の半径方向サイズで形成することを含んでもよい。

ごく限られた数の実施形態に関連して本発明を詳細に説明したが、開示されたそのような実施形態に本発明が限定されないことは容易に理解されるはずである。本発明は、本明細書には説明されていないが、本発明の精神及び範囲に適合する任意の数の変形、変更、代替又は同等の構成を含むように変形されてもよい。さらに、本発明の種々の実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明された実施形態のうちいくつかの実施形態のみを含んでもよいことが理解されるべきである。従って、本発明は、以上の説明により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 燃料ノズル
２０、２０_ij 下流側オリフィス
２１ 第１の流体流路
４０、４０_i 上流側オリフィス
４１ 第２の流体流路
５０、５０_i 接続流路
５１ 燃料供給パイプ
５２ 燃料供給パイプ
５３ 燃料ノズル部品
５４ 下流側端部
５５ 共通マニホルド
６０ 配管
６１ 側壁
６２ 開口
７０ 配管
７１ 側壁
７２ 開口
８０ マルチノズル
８１、８２、８３ 下流側オリフィスのサブグループ
Ｌ 燃料供給パイプの長さ
Ｌ_N 燃料ノズル部品の長さ
Ｒ_UP、Ｒ_UP1-3 上流側オリフィスの半径方向サイズ
Ｐ_L、Ｐ_L1-3 上流側オリフィスの軸方向場所
Ｎ_L 下流側オリフィスの軸方向場所
Ｒ_DO 下流側オリフィスの半径方向サイズ

Claims (10)

1. 燃料システムのドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃料ノズル（１０）において、
   流体の流れを誘導する第１の流体流路（２１）を画成するように形成された１つ以上の下流側オリフィス（２０）と、
   前記１つ以上の下流側オリフィス（２０）の上流側に配置され、前記流体の流れを誘導する第２の流体流路（４１）を画成するように形成された上流側オリフィス（４０）と、
   前記下流側オリフィス（２０）の第１の流体流路（２１）及び前記上流側オリフィス（４０）の第２の流体流路（４１）をそれぞれ互いに流体結合するように配設された接続流路（５０）とを備え、
   前記上流側オリフィス（４０）の半径方向サイズ及び軸方向場所のうち少なくとも一方は、協働して前記燃料システムの音響インピーダンスをデチューニングするように設定される燃料ノズル（１０）。
2. 前記下流側オリフィス（２０）の各々は、下流側端部で燃焼器の混合セクションまで開いている配管（６０）を備え、前記配管（６０）は、上流側端部から前記下流側端部（５４）まで延在する開口（６２）を画成するように形成された側壁（６１）を含む、請求項１記載の燃料ノズル（１０）。
3. 前記上流側オリフィス（４０）は、上流側端部から下流側端部まで延在する開口（７２）を画成するように形成された側壁（７１）を含む配管（７０）を備える、請求項１記載の燃料ノズル（１０）。
4. 前記接続流路（５０）は、
   前記上流側オリフィス（４０）の下流側に配設され且つ前記上流側オリフィス（４０）に流体結合された燃料供給パイプ（５１）と、
   下流側端部（５４）に前記下流側オリフィス（２０）の各々が配設されている燃料ノズル部品（５３）と、
   前記燃料供給パイプ（５１）と前記燃料ノズル部品（５３）との間に流体結合された共通マニホルド（５５）と
   を備える、請求項１記載の燃料ノズル（１０）。
5. 前記上流側オリフィス（４０）の軸方向場所Ｐ_Lを調整可能なように、前記燃料供給パイプ（５１）の長さが変更可能である、請求項４記載の燃料ノズル（１０）。
6. 前記上流側オリフィス（４０）の軸方向場所Ｐ_Lは、前記共通マニホルド（５５）の軸方向場所に対して測定される、請求項４記載の燃料ノズル（１０）。
7. 前記上流側オリフィス（４０）の半径方向サイズＲ_UPは、前記燃料供給パイプ（５１）の半径方向サイズ以下である、請求項４記載の燃料ノズル（１０）。
8. 前記燃料ノズル部品（５３）は複数あり、各燃料ノズル部品（５３）は前記共通マニホルド（５５）に流体結合される、請求項４記載の燃料ノズル（１０）。
9. 各燃料ノズル部品（５３）について前記下流側オリフィス（２０）が複数あり、前記複数の下流側オリフィス（２０）の各々は対応する燃料ノズル部品（５３）と関連している、請求項８記載の燃料ノズル（１０）。
10. 各燃料ノズル部品（５３）は前記共通マニホルド（５５）から測定してほぼ同じ軸方向長さＬを有し、且つ各下流側オリフィス（２０）はほぼ同じ半径方向サイズを有する、請求項９記載の燃料ノズル（１０）。

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