JP2011220671A - 燃焼器ノズル用のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】保炎に対応したノズル、燃焼器、及び／又は燃焼器の運転方法を提供すること。
【解決手段】ノズル１４は、センターボディ３０と、該センターボディ３０の少なくとも一部を円周方向に囲みセンターボディ３０との間に環状通路３８を画成するシュラウド３２とを含む。ノズル１４は更に、センターボディ３０とシュラウド３２との間にバイメタルガイドを更に含む。燃焼器に燃料を供給するための方法は、作動流体をノズル１４に流す段階と、燃料を前記ノズル１４に噴射する段階と、燃料を前記作動流体と混合し、燃料及び作動流体混合気を生成する段階とを含む。本方法は更に、燃料及び作動流体混合気を旋回させる段階と、ノズル１４内の保炎を検知する段階と、燃料及び作動流体混合気内の旋回を低減する段階とを含む。
【選択図】図３

Description

本出願は一般に燃焼器に関する。詳細には、本出願は、燃焼器用のノズル並びに燃料ノズルにおける保炎状態に対応する方法を記載する。

燃焼器は、多くの商業用設備の形態で一般的に用いられている。例えば、ガスタービンは通常、１以上の燃焼器を含み、該燃焼器は、燃料を作動流体と混合して高温・高圧・高速の燃焼ガスを発生する。多くの燃焼器は、燃焼の前に燃料を作動流体と予混合するノズルを含む。燃焼の前に燃料を作動流体と予混合することにより、より希薄な燃料混合気を可能にし、望ましくないエミッションを低減し、及び／又はガスタービンの熱力学全体を改善する。

正常な燃焼器運転の間、ノズルから下流側に燃焼火炎が存在し、通常は、燃焼室内のノズルの出口に存在する。しかしながら、場合によっては、「保炎」と呼ばれる事象が発生し、ここでは燃焼火炎がノズルの内側の燃焼室の上流側に存在する。例えば、燃焼火炎がノズル内の燃料ポート付近、又はノズル内の低流量区域付近に存在する状態にある可能性がある。ノズルは通常、保炎によって生成される高温には耐えるようには設計されておらず、従って、保炎は、比較的短い時間でノズルに深刻な損傷を生じる可能性がある。

保炎の発生を阻止又は低減するための種々の方法が当該技術分野で知られている。例えば、保炎は、より高い反応性燃料を使用している間、又はより高い燃料−作動流体比を使用している間に発生する可能性が高い。保炎は、燃料−作動流体混合気がより低速でノズルに流れている運転中に発生する可能性が高い。従って、燃焼器は、保炎の発生を阻止又は低減するために、燃料反応性、燃料−作動流体比、及び／又は燃料−作動流体混合気速度についての指定安全マージンを有して設計することができる。安全マージンは保炎の発生を阻止又は低減するのに有効であるが、運転限界の低下、保守管理の追加、運転寿命の短縮、及び／又は熱力学的効率全体の低下も生じる可能性がある。従って、保炎に対応したノズル、燃焼器、及び／又は燃焼器の運転方法が望ましいことになる。

米国特許第６９９３９１６号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の一実施形態は、ノズルであり、該ノズルは、センターボディと、センターボディの少なくとも一部を円周方向に囲み、センターボディとの間に環状通路を画成するシュラウドとを含む。ノズルは更に、センターボディとシュラウドとの間にバイメタルガイドを更に含む。

本発明の別の実施形態は燃焼器である。燃焼器は、端部キャップと、該端部キャップ内に配置されるノズルとを含む。ノズルは、該ノズル内に環状通路を画成するシュラウドと、環状通路内に配置されるバイメタルガイドとを含む。

本発明はまた、燃焼器に燃料を供給するための方法を含む。本方法は、作動流体をノズルに通す段階と、燃料をノズルに噴射する段階と、燃料を作動流体と混合し燃料及び作動流体混合気を生成する段階とを含む。本方法は更に、燃料及び作動流体混合気を旋回させる段階と、ノズル内の保炎を検知する段階と、燃料及び作動流体混合気内の旋回を低減する段階とを含む。

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る燃焼器の簡易断面図。 図１に示す燃焼器の平面図。 本発明の一実施形態に係るノズルの断面図。 図３に示すノズルの部分切り欠き斜視図。 本発明の一実施形態に係る、燃料ポート付近の保炎事象に対するバイメタルガイドの応答を示す図。 本発明の一実施形態に係る、低流量付近の保炎事象に対するバイメタルガイドの応答を示す図。 保炎に対応する、図３に示すノズルの部分切り欠き斜視図。 本発明の代替の実施形態に係る、ノズルの断面図。 図８に示すノズルの部分切り欠き斜視図。 保炎に応答する、図８に示すノズルの部分切り欠き斜視図。

ここで、その１以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の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、例証として提供される。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できる点は理解されるであろう。例えば、一実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形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。

本発明の種々の実施形態は、保炎によって引き起こされるノズル又は燃焼器への損傷を最小限に又は阻止する能動的装置を含む。保炎が発生すると、能動的装置は、ノズルを通って流れる燃料及び作動流体の旋回を低減する。保炎が生じているノズル内の燃料及び作動流体の旋回を低減することにより、ノズルが隣接するノズルから追加の作動流体を「取り入れ」、従って、燃料及び作動流体混合気の軸方向速度及び／又は質量流量が増大し、燃焼火炎をノズルの外に効果的に押し出すことが可能になる。加えて、一定の燃料の質量流量を前提とすると、作動流体の質量流量の増大により燃料−作動流体の比が低下する。燃料−作動流体の比の低下は、燃焼火炎をノズルから消失又は除去する助けとなる。保炎が存在しなくなると、能動装置はその以前の位置に戻り、ノズルに流れる燃料及び作動流体に旋回を与え、又はこれらの旋回が可能になる。

保炎に対応することにより、能動装置は、保炎が発現するまでのマージンを増大させ、或いは、正常運転中の運転限界の制限の緩和を可能にすることができる。例えば、保炎に対応する能動装置の能力により、より高い反応性燃料の使用を可能にし、燃料噴射の位置に関する設計上の制約を緩和し、保炎によって生じる強制停止をより低減することができる。別の実施例として、能動装置は、正常運転中のノズルの減速を可能にし、結果として、ノズル全体の圧力損失の軽減及び熱力学的効率の増大をもたらす。

図１は、本発明の一実施形態に係る、燃焼器１０の簡易断面図を提供する。ケーシング１２は、燃焼器１０を囲み、加圧された作動流体を収容する。ノズル１４は、端部カバー１６及び端部キャップ１８内に配列され、ノズル１４の下流側のライナ２０は、燃焼室２２を画成する。流れスリーブ２４は、ライナ２０を囲み、該流れスリーブ２４とライナ２０との間に環状通路２６を画成する。加圧された作動流体は、環状通路２６を通って端部カバー１６に流れ、ここで方向を反転し、ノズル１４を通って燃焼室２２に流入する。

図２は、図１に示す燃焼器１０の平面図を提供する。燃焼器１０の種々の実施形態は、ノズルの異なる数及び構成を含むことができる。例えば、図２に示す実施形態では、燃焼器１０は、半径方向に配列された５つのノズル１４を含む。作動流体は、端部カバー１６に到達するまで流れスリーブ２４とライナ２０との間の環状通路２６を流れ、この端部カバーにて方向を反転し、ノズル１４を通って燃焼室２２に流入する。

図３は、本発明の一実施形態に係る、ノズル１４の簡易断面図を示す。図３に示すように、燃焼火炎２８は、正常運転中に燃焼室２２内でノズル１４の下流側から出る。ノズル１４は一般に、センターボディ３０及びシュラウド３２を含むが、本発明の範囲内の代替の実施形態は、センターボディ３０がなくシュラウド３２を含むことができる。センターボディ３０は、存在する場合には、一方端にてノズルフランジ３４に接続され、ノズル１４の軸方向中心線３６に沿って延在することができる。シュラウド３２は、センターボディ３０の少なくとも一部を円周方向に囲み、センターボディ３０とシュラウド３２との間に環状通路３８を画成する。燃料は、センターボディ３０に供給されて環状通路３８に噴射され、作動流体と混合することができる。ベーン４０は、燃料及び作動流体混合気に接線速度を加え、燃焼室２２に到達する前に燃料及び作動流体を均一に混合することができる。センターボディ３０が存在しない場合、シュラウド３２は、該シュラウド３２の周囲内に円形通路を画成することができ、同様に円形通路３８を通って燃料を供給することができる。

図４は、正常運転中に図３に示すノズル１４の部分切り欠き斜視図を提供する。図４に示すように、ベーン４０は、燃料がセンターボディ３０及び／又はシュラウド３２からベーン４０に流れるように流体連通することができる内部通路４２を含むことができる。このようにして、燃料は、センターボディ３０の側部又はシュラウド３２の側部の何れか、及び／又はベーン４０の何れかの側部状の燃料ポート４４を通って環状通路３８内に噴射することができる。燃料ポート４４の直径及び角度を組み合わせて、燃料の環状通路３８への十分な侵入を確保し、センターボディ３０、シュラウド３２、及び／又はベーン４０に沿って燃料が単純なストリーミングをするのを阻止する。また、燃料ポート４４の直径及び角度を組み合わせて、燃料ポート４４の近傍での保炎の発生を低減する。

図４に示すように、ベーン４０は、ノズル１４を通る燃料及び作動流体混合気の流れを配向するバイメタルガイド４６を含むことができる。バイメタルガイド４６は、図４に示すように、ベーン４０と同一の広がりを有し、又はこれと一体化することができる。代替の実施形態では、バイメタルガイド４６は、ベーン４０から下流側で分離した環状通路３８内に配置することができる。各バイメタルガイド４６は一般に、異なる熱膨張係数を有する異なる金属からなる少なくとも２つの層を含む。金属層は、リベット留め、ボルト締め、はんだ付け、クリンチ、接着、ろう付け、及び溶接などの金属接合分野で周知の何らかの接合技術を用いて接合することができる。例えば、各バイメタルガイド４６は、銅又は真鍮５０の金属層に接合される鋼鉄４８の金属層を含むことができる。バイメタルガイド４６にて使用される特定のバイメタル金属は、鋼鉄、銅、又は真鍮に限定されず、好適な熱膨張係数を有する金属の何らかの組み合わせを含むことができる。この熱膨張係数の差違により、異なる金属の２つの層が、温度変化に応じた様々な量だけ膨張又は収縮し、バイメタルガイド４６の曲率を変化させる。

ベーン４０の角度及び／又はバイメタルガイド４６の曲率の組み合わせにより、燃料及び作動流体混合気の方向、質量流量、軸方向速度、及び角速度が決定付けられる。例えば、図４に示すように、ベーン４０は、ノズル１４の軸方向中心線３６に実質的に平行な環状通路３８内に配置することができ、バイメタルガイド４６は、ベーン４０及び／又はバイメタルガイド４６の組み合わせが燃料及び作動流体混合気に旋回を与えるように湾曲することができる。ベーン４０及びバイメタルガイド４６により生成される旋回は、旋回の無いノズルと比べてノズル１４の軸方向速度及び／又は質量流量を低下させ、燃料及び作動流体混合気の接線速度を増大させて旋回安定化燃焼器の安定を提供し、燃料及び作動流体が燃焼室２２に到達する前にこれらの混合を促進させるようにする。

図５及び６は、保炎の影響を受けやすいことが分かっている２つの区域で発生する可能性のあるバイメタルガイド４６の保炎に対する応答を示している。図５を参照すると、燃料ポート４４の直ぐ下流側の区域は通常、燃料の濃度が比較的高く、作動流体の軸方向速度が比較的低い。結果として、燃焼火炎５４の付着点５２は、燃料ポート４４の直ぐ下流側に形成することができる。図５に示すように、バイメタルガイド４６が真っ直ぐになるにつれて、作動流体の質量流量はノズルを通って増大する。当該ノズルへの燃料流量が一定であると仮定すると、燃料ジェットの侵入が減少し、従って、再循環又は低速度ゾーンサイズが燃料ジェットの直ぐ下流側にある。このジェットの下流側の低速ゾーンサイズを低減すると、ある時点において火炎５４の安定性が排除され、該火炎がノズルから外に押し出されることになる。このことは全て、燃料流量が一定であると仮定すると、燃料ジェット侵入が減少したことに起因して発生する。加えて、作動流体質量流量が増大し且つ燃料流量が一定のままであるので作動流体に対する燃料の比が低下し、これはまた、火炎５４を消失させる助けとなる。

図６を参照すると、ベーン４０及び／又はバイメタルガイド４６の低圧側は、作動流体の比較的低い軸方向速度又は再循環バブルの区域を生成し、燃焼火炎５４の別の付着点５２をもたらす。バイメタルガイド４６が真っ直ぐになると、旋回が低減され、燃料及び作動流体混合気がガイド４６に接近する。これはまた、隣接ベーンの流速を一様にし、低速度ゾーンの発生を低減する（すなわち、分離が発生していない場合でも低速度のゾーンを低減する）。これら２つの作用は、火炎５４の維持をより困難にし、最終的に火炎５４がノズルから押し出されるようになる。

図５及び図６に示す各状況では、保炎は、バイメタルガイド４６の近傍の温度上昇を生じ、バイメタルガイド４６を真っ直ぐにする。幾つかの実施形態では、バイメタルガイド４６は、保炎に応答して完全に真っ直ぐになることができるが、他の実施形態では、保炎は、単にバイメタルガイド４６の湾曲を低減することができる。図５及び６に示すように、バイメタルガイド４６が真っ直ぐになると、作動流体の軸方向速度及び／又は質量流量が増大（保炎のノズルが隣接するノズルから追加の作動流体を「取り入れる」ので）し、保炎をノズル１４から効果的にブローアウトする。作動流体の軸方向速度及び／又は質量流量の増大により、燃焼火炎５４の付着点５２のサイズが減少する。加えて、ノズルを通る作動流体の軸方向速度及び／又は質量流量の増大は、燃料流を一定と仮定すると、作動流体に対する燃料の比が低下し、保炎の可能性が更に低下する。

図７は、保炎に対応する、図３に示すノズル１４の部分切り欠き斜視図を示す。バイメタルガイド４６の近傍の保炎は、バイメタルガイド４６の近傍の温度上昇をもたらした。結果として異なる熱膨張係数を有する２種類の金属からなるバイメタルガイド４６は、図７に示すように真っ直ぐになった。図５Ｃ及び６Ｃに関して上記で検討したように、バイメタルガイド４６がより真っ直ぐであれば、作動流体の軸方向速度及び／又は質量流量の増大が結果として生じ、燃料流を一定と仮定すると、燃料−作動流体比が低下する。これらの作用の何れか又は両方は、燃焼火炎をノズル１４の外にブローアウトし、燃焼室２２に戻すのに寄与すると考えられる。保炎が存在しない場合、バイメタルガイド４６の近傍の温度が低下し、バイメタルガイド４６の湾曲が戻り、燃料及び作動流体混合気に対して接線回転を復元する。

図８は、本発明の代替の実施形態に係るノズル５６の断面図を示す。図８に示すように、燃焼火炎５８は、正常運転中に燃焼室２２内のノズル５６の下流側に存在する。ノズル５６は、一般に、図３に示す実施形態に関して上記で説明したように、センターボディ６０、シュラウド６２、ノズルフランジ６４、軸方向中心線６６、環状通路６８、スワーラ又は転回ベーン７０、及びバイメタルガイド７２を含む。しかしながら、この特定の実施形態では、バイメタルガイド７２は、転回ベーン７０の下流側にあり、これから分離されている。加えて、図９で提示される斜視図に示すように、転回ベーン７０は、ノズル５６の軸方向中心線６６に対して鋭角で環状通路６８内に配置され、バイメタルガイド７２は、直線状で転回ベーン７０とほぼ整列して、正常運転中に燃料及び作動流体混合気の接線速度を妨げないようにする。

図１０は、保炎に対応する、図８に示されたノズル５６の部分切り欠き斜視図を提供する。バイメタルガイド７２の近傍の保炎は、バイメタルガイド７２の近傍の温度上昇をもたらす。結果として、異なる熱膨張係数を有する２種類の金属から構成されるバイメタルガイド７２は、図１０に示すように、渦抑制を行うよう湾曲し、すなわち燃料−作動流体温度の接線速度を低減する。湾曲したバイメタルガイド７２は、該バイメタルガイド７２の上流側の作動流体の軸方向速度及び／又は質量流量並びに速度の大きさを増大させる。スワール角がバイメタルガイド７２の上流側とほぼ同じままで且つ質量流量が増大するので、速度の大きさ（軸方向及び接線方向）が増大し、燃料流を一定と仮定すると、燃料−作動流体比が低下する。これらの作用の一方又は両方は、燃焼火炎をノズル５６の外にブローアウトし、燃焼室２２に戻すのに寄与すると考えられる。保炎が存在しない場合、バイメタルガイド７２の近傍の温度が低下し、バイメタルガイド７２を真っ直ぐにし、従って、旋回している燃料及び作動流体混合気に対して傾斜させる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ 燃焼器
１２ ケーシング
１４ ノズル
１６ 端部カバー
１８ 端部キャップ
２０ ライナ
２２ 燃焼室
２４ 流れスリーブ
２６ 環状通路
２８ 燃焼火炎
３０ センターボディ
３２ シュラウド
３４ ノズルフランジ
３６ 軸方向中心線
３８ 環状通路
４０ スワーラベーン
４２ 内部通路
４４ 燃料ポート
４６ バイメタルガイド
４８ 鋼鉄層
５０ 真鍮層
５２ 付着点
５４ 燃焼火炎
５６ ノズル（図８）
５８ 燃焼火炎
６０ センターボディ
６２ シュラウド
６４ ノズルフランジ
６６ 軸方向中心線
６８ 環状通路
７０ ベーン
７２ バイメタルガイド

Claims (10)

1. センターボディ（３０）と、
   前記センターボディ（３０）の少なくとも一部を円周方向に囲み、前記センターボディ（３０）との間に環状通路（３８）を画成するシュラウド（３２）と、
   前記センターボディ（３０）と前記シュラウド（３２）との間のバイメタルガイド（４６）と
   を備えるノズル（１４）。
2. 前記バイメタルガイド（４６）が前記センターボディ（３０）と前記シュラウド（３２）との間に連続的に延在する、請求項１記載のノズル（１４）。
3. 前記センターボディ（３０）と前記シュラウド（３２）との間に複数のバイメタルガイド（４６）を更に含む、請求項１又は請求項２記載のノズル（１４）。
4. 前記センターボディ（３０）と前記シュラウド（３２）との間で前記バイメタルガイド（４６）の上流側にベーン（４０）を更に含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のノズル（１４）。
5. 前記ベーン（４０）が前記バイメタルガイド（４６）と一体化される、請求項４記載のノズル（１４）。
6. 前記バイメタルガイド（４６）が、前記ノズル（１４）の長手方向軸線（３６）に対して平行に整列される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のノズル（１４）。
7. 前記バイメタルガイド（４６）が、前記ノズル（１４）の長手方向軸線（３６）に対して鋭角に整列される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のノズル（１４）。
8. 前記バイメタルガイド（４６）が鋼鉄及び銅を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のノズル（１４）。
9. 燃焼器（１０）に燃料を供給するための方法であって、
   作動流体をノズル（１４）に流す段階と、
   燃料を前記ノズル（１４）に噴射する段階と、
   前記燃料を前記作動流体と混合し、燃料及び作動流体混合気を生成する段階と、
   前記燃料及び作動流体混合気を旋回させる段階と、
   前記ノズル（１４）内の保炎を検知する段階と、
   前記燃料及び作動流体混合気内の旋回を低減する段階と
   を含む方法。
10. 前記ノズル（１４）を通る作動流体の質量流量を増大させる段階を更に含む、請求項９記載の方法。