JP2011191050A

JP2011191050A - 空気力学的火炎スタビライザ

Info

Publication number: JP2011191050A
Application number: JP2011054946A
Authority: JP
Inventors: Ronald Scott Bunker; ロナルド・スコット・バンカー; Andrei Tristan Evulet; アンドレイ・トリスタン・エヴレット
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2011-09-29
Also published as: US20110219776A1; CN102213423A; EP2369236A2; EP2369236A3

Abstract

【課題】空気力学的火炎スタビライザを提供する。
【解決手段】本火炎スタビライザ（４０）は、ガスタービンエンジン（１０）の燃焼器（１８）と流体連通状態になっている。本火炎スタビライザ（４０）は、該火炎スタビライザの本体内の複数の孔（４６）を通して流体（４８）を噴射することによって流れ再循環ゾーン（４４）を形成する空気力学的形状を備えた本体（４２）を有する。本体の空気力学的形状は、特に燃焼器（１８）に燃料が全く供給されていない時に該燃焼器内における圧力損失を減少させる。加えて、流れ再循環ゾーン（４４）の大きさは、孔（４６）を通る流体（４８）の流量を選択的に調節することによって或いは該孔（４６）の寸法を選択的に調節することによって調整することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、総括的には燃料噴射システムに関し、より具体的には、再熱燃焼器を備えたガスタービンシステムに関する。

ガスタービンシステムは、少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの圧縮機の下流にかつ第１のタービンの上流に設置された第１の燃焼チャンバと、第１のタービンの下流にかつ第２のタービンの上流に設置された第２の燃焼チャンバ（「再熱燃焼器」と呼ぶこともできる）とを含む。加圧空気及び燃料の混合気が、第１の燃焼チャンバ内で着火燃焼されて、作動ガスを発生する。作動ガスは、移行セクションを通って第１のタービンに流れる。第１のタービンは、下流側に向けて増大する断面積を有する。第１のタービンは、複数の固定ベーン及び回転ブレードを含む。回転ブレードは、シャフトに結合される。第１のタービンを通して作動ガスが膨張するにつれて、作動ガスは、ブレードを、従ってシャフトを回転させる。

第１のタービンの出力は、該第１のタービン内における作動ガスの温度に比例する。つまり、作動ガスの温度が高ければ高いほど、タービン組立体の出力が増大する。作動ガスが第２のタービン内の回転ブレードにエネルギーを伝達するのを保証するために、作動ガスは、該ガスが第２のタービンに流入する時に高い作動温度になっていなければならない。しかしながら、作動ガスが第１のタービンから第２のタービンに流れるにつれて、該作動ガスの温度は、低下する。従って、第２のタービンにより発生された出力は、最適値よりも小さくなる。第２のタービンによる出力の大きさは、該第２のタービン内における作動ガスの温度を上昇させた場合には、増大させることができる。作動ガスは、第２の燃焼チャンバ内でさらに燃焼させて、第２のタービン内における作動ガスの温度を上昇させるようにする。

幾つかの従来型のガスタービンエンジンでは、第２の燃焼チャンバ（「再熱燃焼器」）は、該第２の燃焼チャンバ内に気体燃料及び空気のような流体を噴射する複数の保炎器又は火炎スタビライザを含む。従来型の火炎スタビライザは一般に、火炎が軸方向に循環しかつ連続的に燃料−空気混合気を着火燃焼させるのを可能にする明確な流れ剥離かつ流れ再循環ゾーンを得るためのブラフ本体として成形される。従来型のスタビライザの別の一般的形態は、意図的な軸方向流れ再循環を発生させる流路内におけるいわゆる「ダンプ（ｄｕｍｐ）」領域又は急拡大部となっている。しかしながら、火炎スタビライザを使用した再熱燃焼器は、完全燃焼状態及び部分負荷状態で作動しなければならず、また上流タービンからのガスを燃焼させずに単に流すことができなければならない。

米国特許第４，１４７，０２９号公報

未燃焼状態は従来型の火炎スタビライザのブラフ本体形状に起因してガスタービンエンジン内に約３％〜約５％の圧力低下を生じさせることを、本発明者達は発見した。この圧力低下により、ガスタービンエンジンで取出すことができる有効な仕事が大きく減少し、それによってガスタービンエンジンの全体効率が低下する。

本発明によると、１つの態様において、ブラフ本体の形状になった火炎スタビライザに起因したガスタービンエンジンにおける望ましくない圧力損失は、火炎スタビライザ内の孔を通して流体を噴射することによって流れ再循環ゾーンを形成する空気力学的火炎スタビライザで解決される。この態様は、ガスタービンエンジンの効率の増大を可能にする。加えて、この態様は、火炎スタビライザを通しての流体の噴射を制御することによって流れ再循環ゾーンを調整するのを可能にする。再循環ゾーンはまた、火炎スタビライザ内の孔の先端角度によって調整することもできる。

２つの主な利点が、本発明により得られる。第１に、流れ再循環ゾーンの寸法／強さは、スタビライザにおける流体流量を調節することによって制御することができる。第２に、火炎スタビライザは、燃焼器が燃焼していない時にガスタービンエンジンによって取出される有効な仕事を一定に保つ非常に低い圧力損失の装置となる。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部分を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読む時、一層良好に理解されるようになるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略断面図。例示的な実施形態による、ガスタービンシステムの再熱燃焼器と流体連通状態になった火炎スタビライザを有するガスタービンエンジンの概略図。本発明の例示的な実施形態による火炎スタビライザの概略図。図３の線４−４に沿って取った断面図。

本明細書で使用する場合に、「上流」というのは、ガスタービンエンジンの前方端部を意味し、また「下流」というのは、ガスタービンエンジンの後方端部を意味する。本明細書で使用する場合に、「空気力学的」形状というのは、幾らの旋回でゼロリフト又は低リフトを有する形状のことである。本明細書で使用する場合に、「ブラフ」本体形状というのは、ゼロリフト又は低リフトを有する形状であるが、本体上の流れそのものによって発生する大きな剥離伴流領域を有する。

図１を参照すると、例示的な燃焼器システム、例えばガスタービンシステム１０を開示している。本明細書では、例示したガスタービンシステム１０の構成は例示的な実施形態であることに留意されたく、限定として解釈すべきではない。このような構成は、用途に応じて変化させることができる。ガスタービンシステム１０は、圧縮機１４の下流に配置された第１の燃焼チャンバ１２（「第１の燃焼器」と呼ぶこともできる）を含む。第１のタービン１６が、第１の燃焼チャンバ１２の下流に配置される。第２の燃焼チャンバ１８（「再熱燃焼器」と呼ぶこともできる）が、第１のタービン１６の下流に配置される。第２のタービン２０が、第２の燃焼チャンバ１８の下流に配置される。圧縮機１４、第１のタービン１６及び第２のタービン２０は、単一のロータシャフト２２を有する。本明細書では、単一のロータシャフトを設けることは限定として解釈すべきではないことに留意されたい。別の実施形態では、第２のタービン２０は、別個の駆動シャフトを有することができる。この図示した実施形態では、ロータシャフト２２は、圧縮機１４の前端部に及び第２のタービン２０の下流に配置された２つの軸受２４、２６によって支持される。軸受２４、２６はそれぞれ、基礎３２に結合されたアンカユニット２８、３０上に取付けられる。

圧縮機段は、例えば順番になった２つの部分圧縮機（図示せず）に分割して、運転計画に応じて特定の出力を増大させることができる。圧縮後の誘導空気は、圧縮機１４の出口及び第１のタービン１６を囲んだ状態で配置されたケーシング３４内に流れる。第１の燃焼チャンバ１２は、ケーシング３４内に設けられている。第１の燃焼チャンバ１２は、その前端部において周辺部上に分散配置されかつ高温ガスを継続的に発生するように構成された複数のバーナ３５を有する。主リング３８により互いに結合された燃料ランスを使用して、第１の燃焼チャンバ１２に燃料供給を行なう。第１の燃焼チャンバ１２からの高温ガス（第１の燃焼ガス）は、直ぐ下流の第１のタービン１６に対して作用して、高温ガスの熱膨張を生じる。第１のタービン１６からの部分的に膨張した高温ガスは、第２の燃焼チャンバ１８内に直接流れる。

第２の燃焼チャンバ１８は、様々なジオメトリを有することができる。この図示した実施形態では、第２の燃焼チャンバ１８は、第１のタービン１６と第２のタービン２０との間の空気力学的通路でありかつ再熱燃焼を可能にする必要な長さ及びボリュームを有する。例示的な実施形態では、火炎スタビライザ４０が、第２の燃焼チャンバ１８内に半径方向に配置される。火炎スタビライザ４０は、第２の燃焼チャンバ１８内で燃焼を行なわせるようにする再熱作動時に、燃料、空気又はその両方の組合せのような付加的流体を噴射するように構成される。

火炎スタビライザ４０は、ほぼ円筒形状を有する細長い本体４２を含む。ほぼ円筒形状を図示しかつ説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに、その他の形状（ほぼ円錐形のような）を利用して本体４２を形成することができることが分かるであろう。本体４２は、第２の燃焼チャンバ１８内に延びるのに十分な長さを有する。本体４２は、熱流束により温度上昇しかつその熱流束により生じた高温を維持する能力を有するあらゆる好適な材料で構成される。そのような材料には、それに限定されないがタングステン及びタングステン合金、並びにＨａｓｔＸのような低グレード合金などが含まれる。

第２の燃焼チャンバ１８により発生した高温ガス（第２の燃焼ガス）は、次に第２のタービン２０に供給される。第２の燃焼チャンバ１８からの高温ガスは、直ぐ下流の第２のタービン２０に対して作用して、高温ガスの熱膨張を生じる。本明細書では、再熱燃焼器に関連して火炎スタビライザ４０を説明しているが、この例示的な火炎スタビライザ４０は、あらゆる燃焼器に対して適用することができる。

図２〜図４を参照すると、本発明の空気力学的火炎スタビライザ４０を開示している。前述したように、火炎スタビライザ４０は、第２の燃焼チャンバ（再熱燃焼器）内に半径方向に配置されかつ第２の燃焼チャンバ１８内に燃料、空気又はその両方の組合せのような流体を噴射するように構成される。従来型の火炎スタビライザにおけるようなブラフ本体ではなくて、火炎スタビライザ４０の本体４２は、空気力学的形状を有する。図２〜図４において矢印で示すように、部材４２内に形成された同格関係で傾斜したジェット孔又はスロット４６を通して燃料、空気又はその両方の組合せのような流体４８を噴射することによって、後方流れ再循環ゾーン４４が形成される。流れ再循環ゾーン４４の寸法又は大きさは、２つの異なる方法によって調整することができる。流れ再循環ゾーン４４の大きさを選択的に調整する１つの方法は、孔又はスロット４６の寸法を選択的に調節することである。孔又はスロット４６の寸法が小さければ小さいほど、流れ再循環ゾーン４４の寸法がより小さくなり、またその逆も成り立つ。流れ再循環ゾーン４４の大きさを選択的に調整する別の方法は、孔又はスロット４６を通る流体の流量を調節することである。流量が少なければ少ないほど、流れ再循環ゾーン４４の寸法がより小さくなり、またその逆も成り立つ。

上記したように、１つの態様において、ブラフ本体の形状になった火炎スタビライザに起因したガスタービンエンジンにおける望ましくない圧力損失は、火炎スタビライザ内の孔を通して流体を噴射することによって流れ再循環ゾーンを形成する空気力学的火炎スタビライザで解決される。この態様は、ガスタービンエンジンの効率の増大を可能にする。加えて、この態様は、火炎スタビライザを通しての流体の噴射を制御することによって流れ再循環ゾーンを調整するのを可能にする。再循環ゾーンはまた、火炎スタビライザ内の孔の先端角度によって調整することもできる。

２つの主な利点が、本発明により得られる。第１に、流れ再循環ゾーンの寸法／強さは、本スタビライザにおける流体流量を調節することによって制御することができる。第２に、本火炎スタビライザは、燃焼器が燃焼していない、従って流体の噴射がなくかつ伴流領域が最小である時にガスタービンエンジンによって取出される有効な仕事を一定に保つ非常に低い圧力損失の装置となる。

本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の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ことを理解されたい。

１０ガスタービンシステム
１２第１の燃焼チャンバ
１４圧縮機
１６第１のタービン
１８第２の燃焼チャンバ
２０第２のタービン
２２ロータシャフト
２４軸受
２６軸受
２８アンカユニット
２９発電機
３０アンカユニット
３１継手
３２基礎
３４ケーシング
３５バーナ
３６燃料ランス
３８主リング
４０火炎スタビライザ
４２本体
４４再循環ゾーン
４６孔又はスロット
４８流体

Claims

ガスタービンエンジン（１０）であって、
燃焼器（１２）と、
前記燃焼器（１２）の下流に設置された再熱燃焼器（１８）と、
前記再熱燃焼器（１８）と流体連通状態になった本体（４２）を有する火炎スタビライザ（４０）と、を含み、
前記火炎スタビライザ（４０）が、該火炎スタビライザ（４０）の本体（４２）内の複数の孔（４６）を通して流体（４８）を噴射することによって流れ再循環ゾーン（４４）を形成する、
ガスタービンエンジン。
前記火炎スタビライザ（４０）の本体（４２）が、前記再熱燃焼器（１８）に燃料が全く供給されていない時に該ガスタービンエンジン内における圧力損失を最小にする空気力学的形状を有する、請求項１記載のガスタービンエンジン。
前記流れ再循環ゾーン（４４）の大きさが、前記火炎スタビライザ（４０）の長手方向軸線に対して傾斜させて前記複数の孔（４６）を形成することによって制御される、請求項１記載のガスタービンエンジン。
前記流れ再循環ゾーン（４４）の大きさが、前記複数の孔（４６）を通る前記流体（４８）の流量を調節することによって制御される、請求項１記載のガスタービンエンジン。
燃焼器（１８）を有するガスタービンエンジン（１０）用の火炎スタビライザ（４０）であって、
複数の孔（４６）を有する本体（４２）を含み、
該火炎スタビライザ（４０）の本体（４２）内の前記複数の孔（４６）を通して流体（４８）を噴射することによって前記燃焼器（１８）内に流れ再循環ゾーン（４４）を形成する、
火炎スタビライザ。
該火炎スタビライザ（４０）の本体（４２）が、前記燃焼器（１８）に燃料が全く供給されていない時に前記ガスタービンエンジン内における圧力損失を最小にする空気力学的形状を有する、請求項５記載の火炎スタビライザ。
ガスタービンエンジン（１０）の効率を増大させる方法であって、
前記ガスタービンエンジン（１０）の再熱燃焼器（１８）と流体連通状態になった流体燃焼器スタビライザ（４０）内の複数の孔（４６）を通して流体（４８）を噴射することによって流れ再循環ゾーン（４４）を形成するステップ、を含む、
方法。
前記再熱燃焼器（１８）に燃料が全く供給されていない時に前記ガスタービンエンジン（１０）内における圧力損失を最小にする空気力学的本体（４２）として前記火炎スタビライザ（４０）を成形するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
前記火炎スタビライザ（４０）の長手方向軸線に対して傾斜させて前記複数の孔（４６）を形成することによって前記流れ再循環ゾーン（４４）の大きさを制御するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
前記複数の孔（４６）を通る前記流体（４８）の流量を調節することによって前記流れ再循環ゾーン（４４）の大きさを制御するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。