JP2011141109A - 燃焼生成物をパージ空気と混合するタービンエンジン用の燃焼器アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン用の燃焼器アセンブリを提供する。
【解決手段】本燃焼器アセンブリは、該燃焼器アセンブリの上流端部に設置された燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、燃料送給通路及びパージ空気通路の両方を含む。パージ空気通路は、燃料ノズルを冷却するためのパージ空気の流れを運ぶ。本燃焼器アセンブリはまた、燃焼器の燃焼ゾーンの下流の位置から燃料ノズルに戻すように燃焼生成物の流れを運ぶ燃焼生成物戻し管路を含む。燃焼生成物は、パージ空気と混合され、その混合物は、燃料ノズルの直ぐ下流に設置された燃焼ゾーン内に送給される。パージ空気内に燃焼生成物を付加することにより、混合流内における酸素の量が減少し、そのことは、望ましくない窒素酸化物副生成物の発生を低減するのに役立つ。
【選択図】 図１

Description

発電産業で使用するタービンエンジンは一般的に、複数の燃焼器によって囲まれた圧縮機セクションを含む。各燃焼器において、タービンの圧縮機セクションからの加圧空気は、燃焼器ライナの内部内に導入される。加圧空気は、燃料と混合され、空気−燃料混合気は次に、点火燃焼される。燃焼ガスは次に、燃焼器から流出しかつエンジンのタービンセクション内に流入する。

燃料ノズルが燃焼器ライナの上流端部に取付けられ、燃料ノズルは、加圧空気の流れ内に燃料を送給して、燃焼させる空気−燃料混合気を形成する。燃料ノズルは、燃焼器の周りで環状リング内に配置された一次燃料ノズルと、該燃焼器の中心部に設置された二次燃料ノズルとを含むことができる。一般的に、一次燃料ノズルは、一次燃焼ゾーン内に空気−燃料混合気を送給する。一次燃料ノズルよりもさらに燃焼器の長さ方向下流に延びる二次燃料ノズルは、一次燃焼ゾーンよりもさらに燃焼器の長さ方向下流に設置された二次燃焼ゾーン内に空気−燃料混合気を送給する。

二次燃料ノズルは、該二次燃料ノズルの端部の直ぐ下流に設置された「パイロット火炎」に燃料を送給するパイロット燃料送給通路を含むことができる。パイロット火炎は、燃焼器の一次及び二次燃焼ゾーン内において発生しているものには関係なく該パイロット火炎が常に燃えている状態になるように、極めて安定していることを意図している。しかしながら、パイロット火炎は、窒素酸化物（ＮＯｘ）のような望ましくない燃焼副生成物についての大きな発生原因であることが知られている。

米国特許第５５７５１４６号明細書

第１の態様では、本発明は、タービンエンジン用の燃焼器アセンブリとして具現化することができ、本燃焼器アセンブリは、燃焼器ライナと、燃焼器ライナのヘッド端部に設置された燃焼器キャップと、燃焼器キャップ上に取付けられた少なくとも１つの燃料ノズルとを含む。少なくとも１つの燃料ノズルは、少なくとも１つのパージ空気通路を含む。本燃焼器アセンブリはまた、燃焼器の燃焼ゾーンの下流の位置において該燃焼器の内部内に開口した第１の端部を有する燃焼生成物戻し管路を含む。燃焼生成物戻し管路の第２の端部は、少なくとも１つの燃料ノズルに結合される。燃焼生成物戻し管路は、燃焼ゾーンの下流の位置から少なくとも１つの燃料ノズルに燃焼生成物の流れを運ぶ。燃焼生成物戻し管路からの燃焼生成物は、少なくとも１つの燃料ノズルの少なくとも１つのパージ空気通路内でパージ空気と混合される。

第２の態様では、本発明は、タービンエンジンの燃焼器アセンブリ用の燃料ノズルとして具現化することができ、本燃料ノズルは、ハウジングと、ハウジング内に設置された少なくとも１つの燃料送給通路と、ハウジング内に設置された少なくとも１つのパージ空気通路と、燃焼生成物受入れ管継手とを含む。燃料ノズルは、パージ空気を、燃焼生成物受入れ管継手を通して受けた燃焼生成物と混合する。燃料ノズルはまた、パージ空気及び燃焼生成物の混合物を少なくとも１つのパージ空気通路に沿って運ぶ。

別の態様では、本発明は、タービンエンジンの燃料ノズルを作動させる方法として具現化することができ、本方法は、燃料ノズルにパージ空気の流れを運ぶステップと、燃料ノズルの下流の部位から該燃料ノズルに戻すように燃焼生成物の流れを運ぶステップと、パージ空気及び燃焼生成物を混合するステップと、燃料ノズルのパージ空気通路を通してパージ空気及び燃焼生成物の混合物を運ぶステップとを含む。

タービンエンジン用の燃焼器アセンブリの第１の実施形態を示す断面図。 タービンエンジン用の燃焼器アセンブリの第２の実施形態を示す断面図。 タービンエンジン用の燃焼器アセンブリの第３の実施形態を示す断面図。 タービンエンジン用の燃焼器アセンブリの第４の実施形態を示す断面図。 燃料ノズルの第１の実施形態を示す断面図。 燃料ノズルの第２の実施形態を示す断面図。 燃料ノズルの第３の実施形態を示す断面図。

図１には、タービンエンジン用の一般的な燃焼器アセンブリを示している。図１に示すように、燃焼器は、タービンエンジンのタービンセクション内に燃焼ガスを送るトランジションダクト２０を含む。トランジションダクト２０は、燃焼器ライナ４０の下流端部に取付けられる。流れスリーブ３０が、燃焼器ライナ４０の外部を囲む。

タービンの圧縮機セクション１２からの加圧空気は、燃焼器ライナ４０及び流れスリーブ３０間の環状空間内に送られる。図１における矢印は、加圧空気の移動の方向を示している。図１に示すように、加圧空気は、燃焼器ライナ４０及び流れスリーブ３０間の環状空間に沿って燃焼器の上流端部に移動する。加圧空気は次に、方向転換しかつ燃焼器ライナ４０内部の空間に流入する。

複数の燃料ノズル６０、７０が、燃焼器の上流端部に設置される。複数の一次燃料ノズル６０は、燃焼器キャップ５０の周りで環状リング内に取付けられる。加えて、少なくとも１つの二次燃料ノズル７０は、燃焼器の上端部の中心部に設置される。図１に示すように、二次燃料ノズル７０は一般的に、燃焼器の長さ方向下流により大きな距離延びる。

燃焼器内における燃焼は一般的に、２つの異なる部位で行なわれる。燃焼器のはるか上流端部にかつ一次燃料ノズル６０の吐出端部に隣接して、一次燃焼ゾーン９０が設置される。加えて、燃焼器の長さ方向のより下流にかつ二次燃料ノズル７０の吐出端部に隣接して、二次燃焼ゾーン９５が設置される。幾つかの燃焼器では、ベンチュリが、一次燃焼ゾーン９０及び二次燃焼ゾーン９５間に傾斜壁５０によって形成される。傾斜壁５０は、くびれ部を形成して燃焼器の内径を縮小させる。傾斜壁５０によって形成されたベンチュリは、空気−燃料混合気が二次燃焼ゾーン９５に流入する直前に、燃焼器のこのセクションを通って流れる空気及び燃料の速度を増加させる。

初期始動処理の間に、燃料が、一次燃料ノズル６０及び二次燃料ノズル７０の両方を通して燃焼器内に送給される。空気−燃料混合気は、一次燃焼ゾーン９０及び二次燃焼ゾーン９５の両方内で点火燃焼される。タービンの作動回転速度が増大し、また一般的には発電機の形態である負荷が、タービン上に配置される。

最適効率を達成するためには、二次燃焼ゾーン９５内においてのみ燃焼を行なわせることが望ましい。従って、初期には一次燃焼ゾーン９０及び二次燃焼ゾーン９５の両方内で燃焼を行なわせることが必要であるが、初期始動処理の間のある時点において一次燃焼ゾーン９０内における燃焼を排除することが必要である。

一次燃焼ゾーン９０内における燃焼を排除するためには、一次燃料ノズル６０への燃料を一時的に遮断することが必要である。この移行時間の間に、燃料は依然として、二次燃料ノズル７０を通して二次燃焼ゾーン９５内に送給される。ある時間にわたって一次燃料ノズル６０への燃料が遮断されると、一次燃焼ゾーン９０内における燃焼が中止されかつ二次燃焼ゾーン９５内においてのみ燃焼が継続して行なわれる。この時点において、一次燃料ノズルを通して燃料を再び導入することができる。一次燃料ノズルを介して導入された燃料は、加圧空気と混合されかつ二次燃焼ゾーン９５内に流れた後に、点火されかつ燃焼する。

二次燃料ノズル７０は一般的に、該二次燃料ノズル７０の直ぐ下流に設置されたパイロット火炎に対して燃料供給するパイロット燃料送給通路を含む。パイロット火炎は、上記の切替えプロセスの間に燃えている状態になる非常に安定した火炎であることを意図している。二次燃料ノズルはまた、該二次燃料ノズル７０を通してパージ空気を送給する１以上のパージ空気通路を含むことができる。パージ空気は一般的に、タービンエンジンの圧縮機セクション１２から取出した加圧空気である。二次燃料ノズル７０の長さ方向に沿って流れるパージ空気は、燃料ノズルを冷却するのに役立つ。このパージ空気は次に、二次燃焼ゾーン９５内において二次燃料ノズルによって送給された燃料と混合し、かつこの空気−燃料混合気は、該二次燃焼ゾーン９５内において燃焼される。

図１に示す燃焼器アセンブリはまた、複数の燃焼生成物戻し管路１００を含む。燃焼生成物戻し管路は、燃焼器ライナ４０の下流端部に設置された第１の端部１１０を有する。燃焼生成物戻し管路１００の第１の端部１１０は、燃焼器ライナの内部内に開口している。燃焼生成物戻し管路１００の第２の端部１２０は、燃焼器アセンブリの上流端部において二次燃料ノズル７０に結合される。燃焼生成物戻し管路１００は、燃焼器アセンブリの下流端部から二次燃料ノズル７０内に戻すように、空気−燃料混合気の燃焼により生じた燃焼生成物の流れを運ぶことを意図している。

二次燃料ノズル７０において受けた燃焼生成物は、該二次燃料ノズルのパージ空気通路に沿って流れるパージ空気と混合される。パージ空気及び燃焼生成物の混合物は次に、二次燃料ノズル７０の下流端部から二次燃焼ゾーン９５内に送給される。

上記で説明したように、パイロット火炎は、二次燃料ノズル７０内のパイロット燃料通路によって燃料供給される。パイロット火炎はまた、二次ノズルのパージ空気通路に沿って流れるパージ空気の形態の空気を受ける。パイロット火炎は、一般的に望ましくない大量の窒素酸化物燃焼副生成物の発生に関与している。燃焼生成物をパージ空気と混合することによって、パイロット火炎によって燃焼される空気−燃料混合気の酸素濃度が、パージ空気のみを単独で含む空気−燃料混合気と比較して低下する。パイロット火炎によって燃焼される空気−燃料混合気の酸素濃度の低下により、パイロット火炎による望ましくない窒素酸化物副生成物の発生が低減される。窒素酸化物副生成物はまた、元の燃焼生成物からの再循環窒素酸化物を再燃焼させることによって低減される。さらに、窒素酸化物の低減はまた、パイロット火炎前面内における窒素そのものに対する窒素酸化物の減少により生じさせることができる。

加えて、燃焼生成物の高い温度により、パージ空気のみを単独で含む空気−燃料混合気と比較して、パイロット火炎に燃料供給される空気−燃料混合気の温度の全体的上昇が生じる。このパイロット火炎によって燃焼される空気−燃料混合気の温度の上昇は、そうでなければ空気−燃料混合気の酸素濃度の低下によって悪影響を受ける可能性があるパイロット火炎の安定性を保証するのに役立つ。

図１に示す実施形態では、燃焼生成物戻し管路１００は、燃焼器ライナ４０及び流れスリーブ３０間に設置された環状空間を通して径路設定される。別の実施形態では、図２に示すように、燃焼生成物戻し管路１００は、流れスリーブ３０の外部に沿って径路設定される。この場合には、燃焼生成物戻し管路１００が、流れスリーブ３０及びケーシング１５間に設置される。

さらに別の実施形態では、図３に示すように、燃焼生成物戻し管路１００は、ケーシング１５の外部に径路設定される。この実施形態では、燃焼生成物戻し管路１００の第２の端部１２０は、燃焼器アセンブリの外側に設置された二次燃料ノズル７０の一部分に取付けることができる。

別の実施形態では、図４に示すように、燃焼生成物戻し管路１００は、燃焼器ライナ４０及び流れスリーブ３０間に設置された環状空間を通して径路設定される。しかしながら、この実施形態では、燃焼生成物戻し管路１００の第１の端部１１０は、燃焼器内のベンチュリの直ぐ後方に設置される。他の別の実施形態では、燃焼生成物戻し管路の第１の端部１１０は、該燃焼生成物戻し管路の第１の端部１１０が燃焼生成物を受けることができる限り、様々な異なる部位（位置）に設置することができる。

図１〜図４は複数の燃焼生成物戻し管路を示しているが、燃焼器アセンブリのあらゆる任意の実施形態では、単一の燃焼生成物戻し管路のみを配置することができ、或いは２つよりも多い燃焼生成物戻し管路を配置することができる。燃焼生成物戻し管路の数及び配置は、様々な異なる設計考慮事項を満たすように変更することができる。

図５は、燃焼生成物戻し管路を二次燃料ノズルに接合することができる方法を示している。図５に示すように、二次燃料ノズルは、燃料送給通路１４０及びパージ空気通路１３０を囲むハウジングを含む。パイロット燃料通路１５０は、燃料ノズルの中心部に設置することができる。加えて、燃料ノズルの下流端部の外部の周りに、複数の燃料噴射器１４５を設置することができる。燃料送給通路１４０からの燃料は、燃料噴射器１４５内に送給されることになり、また燃料は、燃料噴射器１４５上の複数の燃料アパーチャ１４６を通して排出される。燃料アパーチャ１４６を通して排出される燃料は次に、燃料ノズルの長さ方向下流に流れる加圧空気の流れと混合される。

図５に示す実施形態では、燃焼生成物戻し管路１００の第２の端部１２０は、燃料ノズルのパージ空気通路１３０の１つ内に単純に開口させることができる。燃焼生成物戻し管路１００の第１の端部１１０が設置された燃焼器ライナの下流端部での燃焼生成物の圧力は、パージ空気通路１３０内の圧力よりも大きい。このことにより、燃焼生成物の流れが燃焼器アセンブリの下流端部に設置された第１の端部１１０から二次燃料ノズル内に開口した第２の端部１２０に戻るように燃焼生成物戻し管路１００に沿って移動することが保証される。

幾つかの実施形態では、燃焼生成物戻し管路１００に沿って燃焼生成物戻しバルブ１１５を設置することができる。燃焼生成物戻しバルブ１１５は、燃焼生成物戻し管路１００を通って二次燃料ノズルのパージ空気通路１３０内に流れる燃焼生成物の流量を制御するために使用される。

図６は、図５に示す二次燃料ノズルと同様な二次燃料ノズルを示している。しかしながら、図６に示す実施形態では、パージ空気通路１３０に沿って、ベンチュリ１３５が形成されている。ベンチュリ１３５は、パージ空気通路１３０内におけるパージ空気の速度を該ベンチュリにおいてその圧力の低下の結果として増加させる。ベンチュリ１３５における圧力の低下は、燃焼生成物戻し管路１００に沿ってかつパージ空気通路１３０内に燃焼生成物を引込むのに役立つ。

図７には、燃料ノズルの別の実施形態を示している。この実施形態では、燃料ノズルの上流端部に、マニホルド１６０が設けられている。ノズルは、燃料送給通路１４０及びパージ空気通路１３０を含む。複数の通路１３２、１５０が、ノズルの中心部に設置される。これらの通路は、ノズルをどのように構成しようとしているかに応じて、パージ空気通路として或いはパイロット燃料送給通路として使用することができる。

燃料供給管路１６２が、マニホルドに対して結合される。加えて、マニホルド１６０に対して、パージ空気供給管路１６４及び燃焼生成物供給管路１６６もまた取付けられる。次にマニホルド１６０は、燃料供給管路１６２からノズルの適切な燃料送給通路内に燃料を送給する。加えて、マニホルド１６０は、パージ空気供給管路１６４から燃料ノズルのパージ空気通路内にパージ空気を送給するように作用する。さらに、マニホルド１６０は、燃焼生成物供給管路１６６から燃料ノズルのパージ空気通路の１つ又はそれ以上内に燃焼生成物を送給する。マニホルド１６０は、燃料ノズルのパージ空気通路内に送給される燃焼生成物の量を選択的に制御するように作用することができる。

幾つかの実施形態では、燃焼生成物供給管路１６６からの燃焼生成物は、燃料ノズルのパージ空気通路の単一のパージ空気通路のみ内に送られる。別の実施形態では、マニホルドは、燃焼生成物供給管路１６６から燃料ノズルのパージ空気通路の複数のパージ空気通路内に燃焼生成物を送ることができる。

図７に示す実施形態では、単一の燃焼生成物供給管路１６６のみが、マニホルド１６０内に結合される。しかしながら、別の実施形態では、マニホルド１６０に対して、複数の燃焼生成物供給管路を結合することができる。

同様に、二次燃料ノズルのあらゆる特定の実施形態において、燃料ノズルは、１つの燃焼生成物供給管路に対して或いは複数の燃焼生成物供給管路に対して結合することができる。また、連結した燃焼生成物供給管路の数に関係なく、燃料ノズルは、１つのパージ空気通路内に或いは複数のパージ空気通路内に燃焼生成物を送給することができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１２ 圧縮機
１５ 燃焼器ハウジング
２０ トランジションダクト
３０ 流れスリーブ
４０ 燃焼器ライナ
５０ 燃焼器キャップ
６０ 一次燃料ノズル
７０ 二次燃料ノズル
８０ プレナム
９０ 一次燃焼ゾーン
９５ 二次燃焼ゾーン
１００ 戻し管路
１１０ 戻し管路の第１の端部
１１５ 生成物戻しバルブ
１２０ 第２の端部
１３０ パージ空気通路
１３２ 通路
１４０ 燃料送給通路
１４５ 燃料噴射器
１４６ 燃料アパーチャ
１５０ パイロット燃料通路
１６２ 燃料供給管路
１６４ パージ空気供給管路
１６６ 燃焼生成物供給管路

Claims (10)

1. タービンエンジン用の燃焼器アセンブリであって、当該燃焼器アセンブリが、
   燃焼器ライナと、
   前記燃焼器ライナのヘッド端部に設置された燃焼器キャップと、
   前記燃焼器キャップ上に取付けられかつ少なくとも１つのパージ空気通路を備えた少なくとも１つの燃料ノズルと、
   燃焼器の燃焼ゾーンの下流の位置において該燃焼器の内部内に開口した第１の端部を有しかつ前記少なくとも１つの燃料ノズルに結合された第２の端部を有する燃焼生成物戻し管路と
   を備えており、前記燃焼生成物戻し管路が、前記燃焼ゾーンの下流の位置から前記少なくとも１つの燃料ノズルに燃焼生成物の流れを運び、前記燃焼生成物戻し管路からの前記燃焼生成物が、前記少なくとも１つの燃料ノズルの少なくとも１つのパージ空気通路内でパージ空気と混合される、燃焼器アセンブリ。
2. 前記燃焼生成物戻し管路の第２の端部が、前記少なくとも１つのパージ空気通路内に開口する、請求項１記載の燃焼器アセンブリ。
3. 前記燃焼生成物戻し管路に結合された燃焼生成物戻しバルブをさらに含み、前記燃焼生成物戻しバルブが、前記燃焼生成物戻し管路を通って流れる前記燃焼生成物の流量を調整する、請求項２記載の燃焼器アセンブリ。
4. ベンチュリが、前記少なくとも１つのパージ空気通路の一部分内に形成され、前記燃焼生成物戻し管路の第２の端部が、前記ベンチュリ内に開口する、請求項１記載の燃焼器アセンブリ。
5. 前記燃焼生成物戻し管路に結合された燃焼生成物戻しバルブをさらに含み、前記燃焼生成物戻しバルブが、前記燃焼生成物戻し管路を通って流れる前記燃焼生成物の流量を調整する、請求項４記載の燃焼器アセンブリ。
6. 前記燃焼生成物戻し管路に結合された燃焼生成物戻しバルブをさらに含み、前記燃焼生成物戻しバルブが、前記燃焼生成物戻し管路を通って流れる前記燃焼生成物の流量を調整する、請求項１記載の燃焼器アセンブリ。
7. 前記燃焼生成物戻し管路が、複数の燃焼生成物戻し管路を含む、請求項１記載の燃焼器アセンブリ。
8. 前記少なくとも１つのパージ空気通路が、複数のパージ空気通路を含む、請求項１記載の燃焼器アセンブリ。
9. 前記複数のパージ空気通路の各々が、前記燃焼生成物戻し管路に結合される、請求項８記載の燃焼器アセンブリ。
10. 前記少なくとも１つの燃料ノズルが、パージ空気供給管路及び前記燃焼生成物戻し管路に結合されたマニホルドを含み、前記マニホルドが、前記パージ空気供給管路からの前記パージ空気及び前記燃焼生成物戻し管路からの前記燃焼生成物の両方を前記少なくとも１つのパージ空気通路内に送給する、請求項１記載の燃焼器アセンブリ。

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