JP2011169575A - 軸方向多段予混合燃焼室 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの燃焼により発生するＣＯ量を低減することができる機構を提供すること。
【解決手段】ガスタービン用の燃焼器（１０）は、環状アレイで配列された複数の半径方向外側ノズル（２６）を含み、該半径方向外側ノズルの各々が、燃料及び／又は空気を第１の燃焼室（３２）に供給するよう位置付けられた出口端部を有する。中央ノズル（２８）は、半径方向外側ノズルの出口端部の軸方向上流側に位置付けられた出口端部を有し、第１の燃焼室の軸方向上流側の第２の燃焼室（３６）に燃料及び空気を供給するよう構成・配列される。第２の燃焼室（３６）は、第１の燃焼室（３２）に開放しており、中央ノズル火炎を第２の燃焼室の範囲内に留めるよう維持するのに十分な長さを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービン技術に関し、より具体的には、ＣＯバーンオフ（ｂｕｒｎ−ｏｆｆ）の強化を促進する軸方向多段ガスタービン燃焼器ノズル構成に関する。

現在のところ、燃焼ガスに含まれるＣＯの量に起因して、他の場合には望ましいはずの燃焼ガスの出口温度の低下に対する制限がある。換言すると、燃焼器出口温度は、ＣＯの所要エミッションレベルへの適合を目的としてＣＯバーンオフを確保するために、比較的高い温度に維持しなくてはならない。低負荷又は無負荷条件下で低いＣＯレベルを維持する程度に燃焼器出口温度を十分高く保持するためには、顧客は、タービンを運転停止にするか、或いは低出力要件の期間中でもタービンを「オンライン」に維持しなくてはならず、すなわち、燃料の消費量が増大することになる。

従って、ガスタービンの燃焼により発生するＣＯ量を低減して、顧客のターンダウン能力を向上することができる機構に対する必要性がある。より具体的には、低負荷又は無負荷条件下でＣＯレベルを低減できる場合には、顧客は電力需要が低い場合に少ない燃料を使用することになる。このことは、結果として直接的な燃料節減となり、タービンの運転を停止して電力需要が戻ったときに再始動する必要がなく、従って、信頼性の向上ももたらすことになる。

非限定的な第１の例示的実施形態では、本発明は、燃料及び／又は空気を第１の燃焼室に供給するよう位置付けられた出口端部を各々が有し、実質的に環状アレイで配列された複数の半径方向外側ノズルと、半径方向外側ノズルの出口端部の軸方向上流側に位置付けられた出口端部を有し、第１の燃焼室の軸方向上流側の第２の燃焼室に燃料及び空気を供給するよう構成・配列された少なくとも１つの中央ノズルと、を備え、第２の燃焼室が、第１の燃焼室に開放しており、中央ノズル火炎を第２の燃焼室の範囲内に留めるよう維持するのに十分な長さを有するガスタービン用の燃焼器に関する。

別の例示的な態様において、本発明は、燃料及び／又は空気を第１の燃焼室に供給するよう位置付けられた出口端部を各々が有し、実質的に環状アレイで配列された複数のノズルと、１つの中央ノズルと、を備え、１つの中央ノズル及び複数のノズルの少なくとも１つが、複数のノズルの他のものの出口端部の軸方向上流側に位置付けられた出口端部を有し、第１の燃焼室の軸方向上流側の第２の燃焼室に燃料及び空気を供給するよう構成・配列され、第２の１次燃焼室が、第１の燃焼室に開放しており、中央ノズル火炎及び複数のノズルの少なくとも１つの火炎を第２の燃焼室の範囲内に留めるよう維持するのに十分な長さを有するガスタービン用の燃焼器に関する。

さらに別の例示的な態様において、本発明は、中央ノズルを囲むノズルの外側アレイを含む複数のノズルを通して燃料及び／又は空気が供給される少なくとも１つの燃焼器を有するガスタービンを作動させる方法を提供し、該方法は、ａ）無負荷又は低負荷条件下で、中央ノズルによって発生する火炎をノズルの外側アレイを通って流れる空気から隔離しながら、燃料及び空気を中央ノズルに供給し、空気単独をノズルの外側アレイに供給する段階と、ｂ）高負荷条件下で、ノズルの外側アレイによって発生する火炎が第１の燃焼室内に維持され、中央ノズルによって発生する火炎が第１の燃焼室の上流側の第２の燃焼室内に維持されるように、燃料／空気混合気をノズルの外側アレイ及び中央ノズルの両方に供給する段階と、を含む。

本発明の非限定的な第１の例示的な実施形態による、ガスタービン燃焼器の断面図。 図１に示す燃焼器の部分拡大斜視図。 図２に示す燃焼器の部分断面斜視図。 本発明の非限定的な別の例示的な実施形態による、燃焼器構成の概略図。

次に、以下に示す図面に関連して本発明をより詳細に説明する。

ここで図１〜３を参照すると、本発明の例示的で非限定的な実施形態によるガスタービン燃焼器１０が示される。燃焼器１０は通常、ガスタービンケーシングの周りに環状アレイで配列された複数の他の同様の燃焼器と組み合わされ、各燃焼器がタービンの第１の段に燃焼ガスを供給する点は理解されるであろう。各燃焼器１０には、圧縮機（図示せず）からの空気が供給される。圧縮機空気は、一方の半径方向内側で軸方向に整列したトランジションピース１４及び燃焼室ライナ１６と、他方の半径方向外側で軸方向に整列した流れスリーブ１８及び２０との間に位置付けられる環状通路１２内に逆流する。圧縮機空気は、それぞれの流れスリーブ１８及び２０の衝突冷却孔２２、２４を通って通路１２に流入し、すなわち、トランジションピース及び燃焼器ライナに冷却をもたらし、その後、燃焼器の入口端部にて流れが反転する。一般に、特定の作動条件下では、空気は、複数の６つの半径方向外側ノズル２６及び１つの中央ノズル２８（燃焼器のノズルの数は通常、６から８の間で変わる）の各々に付随する空気噴射器に流れることになり、ここで空気は燃焼器端部カバー３０を介してノズルに供給される燃料と予混合される。半径方向外側ノズル２６からの空気／燃料混合気は、燃焼ゾーン又は主燃焼室３２に噴射される。隣接する燃焼器を接続するクロスファイア管（図示せず）と連動したスパークプラグ（図示せず）により点火が行われる。高温の燃焼ガスが燃焼室３２からトランジションピース１４に流れ、次いで、単一のノズルブレード３４で表されるガスタービンの第１の段に流れる。この点に関して、記載される燃焼器は一般に公知のものであり、本発明は、半径方向外側ノズル２６、３０に対する中央ノズル２８の位置付けに関し、さらに、第１の（すなわち主）燃焼室３２の上流側の第２の（すなわち１次）燃焼室３６の構築に関する。

より具体的には、特に図２及び３を引き続き参照すると、中央ノズル２８は、（種々の図において左から右側の燃焼ガスの流れ方向に対して）上流側方向に凹部が設けられる。換言すると、中央ノズル２８は、半径方向外側に囲むノズル２６の出口の軸方向背部に位置付けられる。燃焼器キャップ３８は、外側ノズルの出口端部を支持するが、圧縮機空気がキャップとケーシング壁４０（図１）との間を流れることができるように構成され装着される。実質的に円筒形の管状部材４２は、キャップから中央ノズル２８の出口端部に後方に延在し、従って、キャップ３８の最前プレート４４において主燃焼室３２に開いた１次燃焼室３６を形成する。燃焼室３６の長さは、半径方向外側ノズル２６を介して主燃焼室３２に流れる周囲の冷却空気から中央ノズル火炎を保護しながら、ＣＯの完全燃焼を可能にするのに十分であるように決定される。

燃料は、半径方向外側ノズル管体（（図１の）４６において２つが示されている）に供給され、さらに上述のように端部カバー３０を通って中央ノズル管体４８に供給され、空気は、従来構成の予混合スワーラ入口５０（図３には２つが示されている）において半径方向外側ノズル２６に供給され、さらに、半径方向ベーン５４におけるアパーチャ５２を介して予混合スワーラを通じて中央ノズル２８に供給される。

全速度無負荷（ＦＳＮＬ）までの低負荷領域では、燃料は中央ノズル２８にのみ供給され、空気は、半径方向外側ノズル２６を通って流れる。中央ノズル火炎を１次燃焼室３６の範囲内に留めることにより、冷却空気が半径方向外側ノズル２６を通って供給されるのが防止され、従って、望ましくない温度低下に影響されない。結果として、中央ノズル火炎が高温に維持され、中央ノズル２８に対して十分な燃料容積を有することにより、中央ノズル火炎が残留ＣＯを燃焼し尽くすことになる。タービンのオペレータは、ＣＯレベルが低下すると、これに伴って出力要件が低いときにガスタービンをさらに負荷低燃料消費量にまでターンダウンできるようになる。

負荷運転が増大すると、燃焼に必要な燃料の量は、中央ノズル２８が対処できる量よりも大きくなる場合がある。その結果、半径方向外側ノズル２６が提供され、半径方向外側ノズルに供給される燃料が上述のように圧縮機により供給される燃焼空気と混合される。外側ノズル２６に関連する燃焼火炎は、主燃焼室３２内で１次燃焼室３６の下流側に係止される。半径方向外側ノズル２６は、同時に、或いは、特定の燃焼用途に対する燃焼最適化によって決まる所定の順序で（又は、例えば、２又は３つのグループで同時に）「着火」又は点火することができる。

何れの場合においても、ＦＳＦＬでは、中央ノズル火炎は１次燃焼室３６に係止されたままであり、外側ノズル火炎は、１次燃焼室３６の下流側の主燃焼室３２に係止されたままである。１次燃焼室３６を画成する管状部材４２は、中央ノズル火炎に直接曝されるので、遮熱コーティングの施工、衝突冷却、タービュレータの付加、又はこれらの組合せなど、好適な手段により冷却しなければならない。

特定のタービンモデルに対する本発明の最適な適用において、燃焼空気の３分の１が中央ノズルを通って流れ、３分の２が外側ノズルのアレイを通って流れることになり、ファイ（φ）比（φは、量論値に対する実燃空比の割合として定義される等量比）はおよそ０．６である。通常φ値は０．５０から０．６５の範囲にわたる。

ＦＳＦＬの代替の動作モードにおいて、中央ノズル２８の火炎は、比較的短い時間で消失し、次いで、燃料が再供給され、１次燃焼室３６の下流側で火炎が再点火される（及び維持される）ようにすることができる。主燃焼室４０において中央ノズル火炎を再点火し、これを１次燃焼室３６の外部に保持することによって管状部材４２の温度が低温になり、中央ノズル２８に供給される燃料及び空気の混合ゾーンが拡張され、結果として良好な混合及び低ＮＯｘエミッションがもたらされる。この代替のＦＳＦＬ動作モードでは、管状部材４２の壁に下流方向に内向きのテーパを持たせることが有利とすることができる。縮小する断面を通過する燃料／空気混合気がより高速になるので、中央ノズル火炎が１次燃焼室に戻って上流側に移動するのが阻止される。１次燃焼室３６内で火炎を再点火することになった場合、燃焼室にスパークプラグ又は他の点火装置を設ける必要がある点に留意されたい。

非限定的なさらに別の実施形態では、ＦＳＮＬにて周囲ノズル又は隣接ノズルを通って流れる冷却空気から１つよりも多いノズルを保護することができる。例えば、１つの中央ノズルと外側アレイの１又は２つの他のノズルは、中央ノズル２８に関連して上述したのと同様の方式で凹部を設けることができる。加えて、１又は２つの追加のノズルは、単一の長円、楕円、又は他の形状の燃焼室内に位置付けることができ、すなわち、燃焼室形状は、凹状ノズルの数及び位置によって決まることになる。このような１つの構成が図４に示されており、ここでは１つの中央ノズル２８と周囲の半径方向外側ノズル１２６のアレイの１つに長円管状部材１４２により画成された第２の燃焼室１３６内で凹部が設けられる。

従って、開発された多段燃焼器は、燃焼室端部でＣＯバーンアウトを完全にするために凹部を設けた燃焼室（１次燃焼室３６）内に燃焼ゾーンを構築することによって、部分負荷又は無負荷領域において燃料供給されない隣接ノズルから出る周囲の過剰な低温空気から燃料供給ノズル（例えば、中央ノズル２８）の反応火炎を離隔することができる。

１０ 燃焼器
１２ 環状通路
１４ トランジションピース
１６ 燃焼室ライナ
１８，２０ 流れスリーブ
２２，２４ 冷却孔
２６，１２６ 外側ノズル
２８，１２８ 中央ノズル
３０，５０ 手段
３２ 第１の燃焼室
３４ 単一ノズルブレード
３６，１３６ 第２の燃焼室
３８ 燃焼器キャップ
４０ ケーシング壁
４２ 管状部材
４４ 環状プレート
４６ 外側ノズル管体
４８ 中央ノズル管体
５０ スワーラ入口
５２ アパーチャ

Claims (15)

1. ガスタービン用の燃焼器（１０）であって、当該燃焼器が、
   燃料及び／又は空気を第１の燃焼室（３２）に供給するよう位置付けられた出口端部を各々が有し、実質的に環状アレイで配列された複数の半径方向外側ノズル（２６）と、
   前記半径方向外側ノズルの出口端部の軸方向上流側に位置付けられた出口端部を有し、前記第１の燃焼室（３２）の軸方向上流側の第２の燃焼室（３６）に燃料及び空気を供給するよう構成・配列された少なくとも１つの中央ノズル（２８）と
   を備えており、前記第２の燃焼室（３６）が、前記第１の燃焼室（３２）に開放しており、中央ノズル火炎を前記第２の燃焼室（３６）の範囲内に留めるよう維持するのに十分な長さを有する、燃焼器（１０）。
2. 前記半径方向外側ノズル（２６）の出口端部が環状プレート（４４）に支持され、前記第２の燃焼室を画成する管状部材（４２）が前記環状プレート（４４）から上流方向に延在する、請求項１記載の燃焼器。
3. 空気単独又は空気及び燃料を前記複数の半径方向外側ノズルに供給するための手段（３０、５０）が設けられる、請求項１記載の燃焼器。
4. 燃料及び空気を前記中央ノズルに供給するための手段（３０）が設けられる、請求項３記載の燃焼器。
5. 前記中央ノズル（１２８）に加えて、前記複数の半径方向外側ノズル（１２６）の１以上が、前記複数の半径方向外側ノズルのうちの残りのものの上流側に出口端部を有する、請求項１記載の燃焼器。
6. 前記複数の半径方向外側ノズル（１２６）の１以上が、前記第２の燃焼室（１３６）に燃料及び空気を供給するよう構成・配列されている、請求項５記載の燃焼器。
7. ガスタービン用の燃焼器（１０）であって、当該燃焼器が、
   燃料及び／又は空気を第１の燃焼室（３２）に供給するよう位置付けられた出口端部を各々が有し、実質的に環状アレイ（２６）で配列された複数のノズルと、
   １つの中央ノズル（１２８）と
   を備えており、前記１つの中央ノズル（１２８）及び前記複数のノズルの少なくとも１つ（１２６）が、前記複数のノズルの他のものの出口端部の軸方向上流側に位置付けられた出口端部を有し、前記第１の燃焼室（３２）の軸方向上流側の第２の燃焼室（３６）に燃料及び空気を供給するよう構成・配列され、前記第２の燃焼室（３６）が、前記第１の燃焼室（３２）に開放しており、中央ノズル火炎及び前記複数のノズルの少なくとも１つの火炎を前記第２の燃焼室（３６）の範囲内に留めるよう維持するのに十分な長さを有する、燃焼器（１０）。
8. 前記複数のノズルの少なくとも１つ以外の前記複数の半径方向外側ノズル（１２６）が、環状プレート（４４）に支持され、前記第２の燃焼室を画成する管状部材（４２）が前記環状プレート（４４）から上流方向に延在する、請求項７記載の燃焼器。
9. 空気単独又は空気及び燃料を前記複数の半径方向外側ノズルに供給するための手段（３０、５０）が設けられる、請求項７記載の燃焼器。
10. 燃料及び空気を前記中央ノズルに供給するための手段（３０）が設けられる、請求項９記載の燃焼器。
11. 中央ノズル（２８）を囲むノズルの外側アレイを含む複数のノズル（２６）を通して燃料及び／又は空気が供給される少なくとも１つの燃焼器（１０）を有するガスタービンを作動させる方法であって、
    ａ）無負荷又は低負荷条件下で、前記中央ノズル（２８）によって発生する火炎を前記ノズル（２６）の外側アレイを通って流れる空気から隔離しながら、燃料及び空気を前記中央ノズル（２８）に供給し、空気単独を前記ノズル（２６）の外側アレイに供給する段階と、
    ｂ）高負荷条件下で、前記ノズルの外側アレイによって発生する火炎が第１の燃焼室（３２）内に維持され、前記中央ノズル（２８）によって発生する火炎が前記第１の燃焼室の上流側の第２の燃焼室（３６）内に維持されるように、燃料／空気混合気を前記ノズル（２６）の外側アレイ及び前記中央ノズル（２８）の両方に供給する段階と
    を含む方法。
12. ｃ）前記中央ノズル（２８）によって発生する火炎を消火する段階と、
    ｄ）前記第１の燃焼室（３２）で前記中央ノズル（２８）によって発生する新しい火炎を再点火する段階と
    をさらに含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記第１の燃焼室（３２）が、低負荷又は無負荷レベルでＣＯをバーンオフするのに十分な長さを有する、請求項１１記載の方法。
14. 前記第２の燃焼室（３６）を画成する管状部材（４２）を冷却する段階を含む、請求項１１記載の方法。
15. 前記冷却段階が、衝突冷却、遮熱コーティング、タービュレータ又はこれらの組合せによって実施される、請求項１４記載の方法。