JP2011220673A - 燃料ステージングによる燃焼器出口温度プロファイル制御及び関連方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器出口温度プロファイルを管理するべく燃料のレイト噴射を行うように構成された筒形燃焼器を提供する。
【解決手段】ガスタービン燃焼器は、燃焼器ライナにより画定される燃焼室を有し、この燃焼器ライナは、燃料と圧縮機から供給される空気とを混合する燃焼室に燃料を供給するように構成された１つ以上のノズルを支持する上流側端部カバーを有する。トランジションダクト２０が、燃焼室ライナの下流側端部と第１段タービンノズル５０、５２、５４との間に接続されており、このトランジションダクトは、第１段タービンノズルに燃焼気体生成物を供給する。１つ以上の追加燃料噴射ノズル５６、５８が、トランジションダクト２０の後端部に配置されており、追加の燃焼用燃料及び空気を第１段タービンノズルの上流においてトランジションダクト２０に導入する。
【選択図】図２

Description

本発明は概してガスタービン機器に関し、特に燃焼器出口温度プロファイルを管理するべく燃料のレイト噴射を行うように構成された筒形燃焼器に関する。

ガスタービンは概して、圧縮機、１つ以上の燃焼器、燃料噴射システム、及び多段タービン部を含む。通常は、圧縮機が吸気を加圧し、その後この加圧された吸気が方向を変え、即ち燃焼器へと逆方向に流れて、燃焼器の冷却に加えて燃焼プロセスでの空気供給に用いられる。一部の多筒式タービンにおいて、燃焼器そのものは、概して「カンニュラ（ｃａｎ−ａｎｎｕｌａｒ）」アレイとよばれる円形構造でタービンロータの周りに設置されており、トランジションダクトで燃焼ガスを各々の燃焼器からタービン部の第１段へと送給する。

更に具体的に、典型的なガスタービン構成では、タービンケーシングに固定された略円筒状の燃焼器ケーシングを各燃焼器が含む。各燃焼器は更に、フロースリーブと、このフロースリーブ内にほぼ同心状に配置された燃焼器ライナとを含む。フロースリーブと燃焼器ライナのいずれもが、その下流側又は後端部の二重壁トランジションダクトと、その上流側又は前端部の燃焼器ライナキャップアセンブリとの間に延在する。トランジションダクトの外壁とフロースリーブの一部分には、それぞれの表面のかなりの部分にわたって、冷却空気供給穴の構造が設けられており、これによって圧縮器空気が、トランジションピースの内壁と外壁との間の、燃焼器ライナとフロースリーブとの間の半径方向の空間に流入して、燃焼器の上流側部分に向けて逆流し、燃焼器の上流側部分で再び逆流して、キャップアセンブリを通り、燃焼器ライナの燃焼室に流入する。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ガスタービンは通常、液体燃料と気体燃料の両方の能力を有する二元燃料燃焼器を使用する。１つの一般的な構成では、燃料と空気を燃焼室に供給するように配置された、中心の二元燃料ノズルを取り巻く５つの二元燃料ノズルを含む。

米国特許第７４２１８４３号公報

しかし、様々な動作状態において、高い効率を得るためには、燃焼ガス温度を比較的高く維持してタービンの第１段に導入することが望ましい。ところが、燃焼ガス温度を所望の高レベルに維持することは、こうした高温に曝される高温ガス流路部品の耐用寿命に悪影響を及ぼすことが多い。

例証的且つ非限定的な第１の実施形態により、本発明は、燃焼室ライナにより画定された燃焼室であって、このライナが、燃料と圧縮機から供給される空気とを混合する燃焼室に燃料を供給するように構成された１つ以上のノズルを支持する上流側端部カバーを有する燃焼室と、燃焼室ライナの下流側端部と第１段タービンノズルとの間に接続されたトランジションダクトであって、燃焼気体生成物（ｇａｓｅｏｕｓ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）を第１段タービンノズルに供給するトランジションダクトと、このトランジションダクトの後端部に配置された、第１段タービンノズルの上流においてトランジションダクトに追加の燃焼用燃料及び空気を導入するための、１つ以上の追加燃料噴射ノズルと、を有するガスタービン燃焼器を提供する。

例証的且つ非限定的な別の態様により、圧縮機と、環状アレイ状に配置された複数の燃焼器であって、各燃焼器が燃焼室に燃料を供給するように構成された１つ以上の燃料ノズルを有し、各燃焼器が燃焼室と第１段タービンノズルとを接続するトランジションダクトを有する複数の燃焼器と、トランジションダクトの後端部に設置された１つ以上の追加燃料噴射ノズルと、各トランジションダクトの追加燃料噴射ノズルに燃料を供給するように構成されたマニホルドと、を有するガスタービンを提供する。

例証的且つ非限定的なまた別の態様により、燃焼器出口温度プロファイルを管理する方法であって、（ａ）少なくとも部分的に燃焼室を画定する燃焼器ライナの一端部に取り付けられたトランジションダクトを介して、燃焼ガスをタービン燃焼室から第１段ノズルへと流すステップと、（ｂ）１つ以上の燃料噴射ノズルを燃焼室から離れたトランジションダクトの後端部に配置するステップと、（ｃ）所望の燃焼器出口温度プロファイルの達成に十分な量の燃料を、１つ以上の燃料噴射ノズルに供給するステップと、を含む方法を提供する。

これより、下記図面に関連して本発明を詳細に説明する。

既知のガスタービン燃焼器の部分断面図である。 燃焼器トランジションダクトとタービンの第１段ノズルとの接触面の上面斜視部分概略図である。 追加燃料ノズルが本発明の例証的且つ非限定的な実施形態のようにトランジションダクト内に組み込まれていない燃焼器のトランジションダクトの出口端部における、平均温度プロファイルとピーク温度プロファイルの線図である。 図３と同様の線図であるが、例証的且つ非限定的な実施形態に従って追加ノズルを組み込んだトランジションダクトの平均温度プロファイルとピーク温度プロファイルを示す線図である。 本明細書に開示の例証的且つ非限定的な実施形態に従ったレイト希薄燃料噴射技術のタイミングを示す、タービンの個々の動作状態の流れ図である。 本明細書に記載の例証的且つ非限定的な実施形態に従ったダクト壁及びノズルベーンに対するピーク温度領域の位置を示す、トランジションダクトとノズルベーンの概略端面図である。

まず図１を参照すると、既知のガスタービン１０（部分的に図示）は、圧縮機１２（同じく部分的に図示）、複数のカンニュラ型燃焼器１４（うち１つを図示）、ここでは単一のノズルブレード１６で示すタービン部を含む。特に図示しないが、タービンは、共通の軸、即ちロータ軸に沿って圧縮機１２に駆動的に接続されている。圧縮機１２は、吸気を加圧し、その後この加圧された吸気が燃焼器１４へと逆方向に流れ、燃焼器の冷却と燃焼プロセスでの空気供給に用いられる。しかし、本発明がカンニュラ型燃焼器に限定されないことは、理解できよう。

上述したように、複数の燃焼器１４が、ガスタービンの軸周りに環状アレイ状に設置されている。トランジションダクト１８が、各燃焼器の後端部とタービンの入口端部とを接続しており、高温の燃焼生成物がタービン第１段に送給される。点火は、個々の燃焼器１４において、火花発生装置と火炎伝播管２２（うち１つを図示）とを併用して、通常通りに行われる。

各燃焼器１４は、タービンケーシング２６にボルト２８で固定されたほぼ円筒状の燃焼器ケーシング２４を含む。燃焼器ケーシングの前端部は、当該技術分野において周知のように、気体燃料、液体燃料、空気、水を燃焼器に送る、供給管とマニホルドとこれに付随する弁を含む端部カバーアセンブリ３０によって閉鎖される。端部カバーアセンブリ３０は更に、燃焼器の長手軸周りに円形アレイ状に配置された複数（例えば３〜６個）の「外側」燃料ノズルアセンブリ３２（便宜上及び明瞭化のために図１ではうち１つのみを図示）と１つの中心ノズル（図１には図示せず）とを支持する。

燃焼器ケーシング２４内には、この燃焼器ケーシングの後端部においてトランジションダクト１８の外壁３６に接続されたほぼ円筒状のフロースリーブ３４が、この燃焼器ケーシングに対してほぼ同心状に取り付けられている。フロースリーブ３４は、その前端部において、放射状フランジ３５によって、燃焼器ケーシング２４の前側部分と後側部分とが接合される突合せ接合部３７で、燃焼器ケーシング２４に接続されている。

フロースリーブ３４内には、燃焼室３９を画定する、自身の後端部においてトランジションダクト１８の内壁４０に接続された、同心状に配置された燃焼器ライナ３８がある。燃焼器ライナ３８の前端部は、燃焼器ライナキャップアセンブリ４２により支持され、このキャップアセンブリが更に、燃焼器ライナ２４内で、複数の支柱とこれに付随する取付け機構（詳細には図示せず）とにより支持される。

トランジションダクト１８の外壁３６及びフロースリーブ３４には、一連の孔部４４が設けられており、これによって、この孔部４４を通って圧縮機吐出空気がフロースリーブ３４と燃焼器ライナ３８との間の環状空間に流入し、この環状空間で空気が燃焼器の上流側端部に向かって（図１に流れを矢印で示すように）逆方向に流れる。これは周知の構成であり、更に論述の必要はない。

図２を参照すると、改良型のトランジションダクト２０が、比較的剛性の周縁フレーム部材４６と全体を４８で示した追加の取付け金具とで画成されたこのダクトの後端部において、タービン部の第１段に取り付けられている。トランジションダクトのフレーム及び取付け金具は、一般に周知であり、本発明のいかなる部分も構成しない。タービンの第１段ノズルは、図２では第１段ノズルベーン５０、５２、５４で示されており、これらのノズルベーンは、タービンロータ（図示せず）の第１段ホイールに取り付けられたブレード又はバケットに隣接して、環状アレイ状に配置されることがわかる。

例証的且つ非限定的な実施形態によると、２つ以上のレイト希薄燃料噴射ノズル５６、５８（単に「燃料噴射ノズル」ともいう）が、取付け金具４８と剛性フレーム４６に近接する後端部２０においてトランジションダクトに取り付けられており、二重壁ダクト、即ち外壁３６と内壁４０を貫通して延在する。燃料は、マニホルド６０と、一連のカンニュラ式燃焼器の後端部を取り巻く別のマニホルド（図示せず）まで延在する供給管６２とによって、噴射ノズル５６、５８に供給される。こうして、この取り巻きマニホルドが、燃料噴射ノズル５６、５８と、幾つかの燃焼器トランジションダクトの各々に関連するブランチ管入口６４、６６とに燃料を供給する。

任意で、本明細書に記載の本発明を制限することなく、燃料噴射ノズル５６、５８がそれぞれ、圧縮機吐出空気をノズル内に引き込んでこれをマニホルド６０により供給される燃料と混合する、上側開口端部６８、７０を有してもよい。必要に応じて、空気と燃料をよく混合した後でトランジションダクト１８内に噴射できるように、内部スワラ装置７２、７４もノズル５６、５８内に含めてもよい。当業者にはわかるように、燃料と混合する空気が、所望の量だけ引き込まれ、その後、トランジションダクト内の燃焼ガス流に対してほぼ垂直にトランジションダクトに導入されるように、噴射ノズル５６、５８の開口端部６８、７０の大きさを選択できる。この混合気の点火は、任意の適切な、或いは従来の手段によって実施される。

また、図２から明らかなように、燃料噴射ノズル５６、５８は、下流側で対を成すタービン第１段ノズルベーン５０、５２と５２、５４との間に、トランジションダクトの長手軸の両側に位置するように、略周方向に配置されている。したがって、図示の実施形態では、噴射ノズル５６がノズルベーン５０及び５２の間に周方向に配置され、噴射ノズル５８がノズルベーン５２及び５４の間に周方向に配置される。図示の実施形態において、３つのノズルベーンが、トランジションダクト２０の出口開口の輪郭（ｐｒｏｆｉｌｅ）内に概ね配置されている。その他のタービン用途では、トランジションダクトの出口の輪郭内に４つのノズルベーンがあることもあり、その場合には、３つのレイト希薄燃料噴射ノズルも、それぞれの隣接する対を成すベーンどうしの間に周方向に配置される。

レイト希薄燃料噴射ノズル５６、５８をトランジションダクト１８の後端部に設置し、第１段ノズルベーン５０、５２、５４を適正に位置合わせすることにより、高温ガス流路の燃焼器部品をピーク温度に曝すことなく、燃焼器出口温度の平均温度プロファイルを維持すること、或いはこれを更に上昇させることができる。換言すると、レイト希薄燃焼を、通常はトランジションダクト１８の後端部よりも高温である燃焼室３９の下流で生じる。加えて、このレイト希薄噴射燃焼により創出されるピーク温度領域は、ダクト壁から離れており、図６のＰ_１及びＰ_２に示すように、第１段ノズルベーンどうしの間に周方向に位置する。

出口温度プロファイルを維持しながら高温ガス流路部品の耐用寿命を延ばすことに関する本発明のもう１つの利点が、図３と図４の比較からも見てとれる。図３では、平均温度プロファイルとピーク温度パターンとが完全に対称ではなく、これは、いわゆるコールドストリークが、水平線７６及び７８で示したトランジションダクト側壁の一方の側に、より接近していることを示している。プロファイルをより均一に維持するためには、レイト希薄燃料噴射ノズル５６、５８への燃料供給を異ならせて、コールドストリークの特徴がある側に、ダクトの他方の側よりも多くの燃料を供給するとよい。レイト希薄燃料噴射器を追加することによって、温度プロファイルをより均一にできると同時に、図４に示すように、ピーク温度パターンをトランジションダクトの側壁から離れる方向に逸らすことができる。換言すると、図３と図４の間のように平均出口温度を変化させずに維持し、ピーク温度パターンをトランジションダクト側壁７６、７８から離れる方向に操作する。

換言すると、ピーク温度を金属部品から離しておくことができる上に、タービン内に送り込む熱全体を増加させたり調節したりすることで、より均一な出口温度プロファイルを得られる。これによって、部品の耐用寿命が延び、タービンの出力効率が向上する。

図５では、スタートアップから全速全負荷状態までのタービンの個々の動作状態を、流れ図の形で示す。具体的には、スタートアップ後、タービンが全速無負荷状態になり、その後、通常は高温ガス流路部品の耐久性によって制限される燃焼温度（ｆｉｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）になる。本明細書に記載の実施形態に従ったレイト希薄燃料噴射を用いることにより、高温ガス流路の耐久性に悪影響を及ぼすことなくタービンの燃焼温度を高めることができ、タービンを全速全負荷状態にしても相応の部品耐久性を得ることができる。

現時点で最も実用的且つ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は開示の実施形態に限定されることなく、むしろ、添付の特許請求の範囲に含まれる様々な改変及び等価の構造も包含することを意図していることを理解されたい。

Claims (14)

1. 燃焼器ライナ（３８）により画定された燃焼室（３９）であって、前記燃焼器ライナが、前記燃焼室に燃料を供給して該燃料を圧縮機（１２）から供給される空気と混合するように配置された１つ以上のノズル（３２）を支持する上流側端部カバー（３０）を有する、燃焼室（３９）と、
   前記燃焼室ライナの下流側端部と第１段タービンノズル（５０、５２、５４）との間に接続されたトランジションダクト（２０）であって、燃焼気体生成物を前記第１段タービンノズルに供給するトランジションダクト（２０）と、
   前記トランジションダクト（２０）の後端部に配置された、前記第１段タービンノズルの上流において前記トランジションダクト（２０）内に追加の燃焼用燃料及び空気を導入するための、１つ以上の追加燃料噴射ノズル（５６、５８）と、を有するガスタービン燃焼器（１０）。
2. 前記１つ以上の追加燃料噴射ノズル（５６、５８）が、前記トランジションダクト（２０）内の燃焼気体生成物の流れに対してほぼ垂直方向に追加の燃料及び空気を導入するように構成された、請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記１つ以上の追加燃料噴射ノズル（５６、５８）が、前記トランジションダクト（２０）の長手軸の両側に配置された一対の燃料噴射ノズルを含む、請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記１つ以上の追加燃料噴射ノズル（５６、５８）が、３つの燃料噴射ノズルから成る、請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記１つ以上の追加燃料噴射ノズル（５６、５８）の各々が、周囲の圧縮機吐出空気から空気を導入して、該１つ以上の追加燃料噴射ノズルに供給される燃料と混合するように構成された、請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記１つ以上の追加燃料噴射ノズル（５６、５８）が、第１段ノズルの入口温度を上昇させるが、近接するタービン高温ガス流路部品の表面から高いピーク温度を遠ざけるように設置された、請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
7. 燃焼ガス温度が比較的低い領域により多くの燃料が供給されるように、前記１つ以上の燃料噴射ノズル（５６、５８）に供給される燃料が差動的に導入される、請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
8. 燃焼器出口温度プロファイルを管理する方法であって、
   （ａ）タービン燃焼室（３９）から第１段ノズル（５０、５２、５４）に、少なくとも部分的に前記燃焼室（３９）を画定する燃焼器ライナ（３８）の一端部に取り付けられたトランジションダクト（２０）を介して燃焼ガスを流すステップと、
   （ｂ）１つ以上の燃料噴射ノズル（５６、５８）を前記燃焼室（３９）から離れた前記トランジションダクト（２０）の後端部に配置するステップと、
   （ｃ）所望の燃焼室出口温度プロファイルの達成に十分な量の燃料を、前記燃料噴射ノズルに供給するステップと、を含む方法。
9. 前記ステップ（ｃ）の間、各々の前記燃料噴射ノズル（５６、５８）には異なる量の燃料を供給する、請求項８に記載の方法。
10. 前記ステップ（ｂ）を、近接する第１段ノズルベーン（５０、５２、５４）どうしの間に、前記１つ以上の燃料噴射ノズル（５６、５８）を周方向に設置することによって実施する、請求項８に記載の方法。
11. 前記ステップ（ｃ）の間、前記１つ以上の燃料噴射ノズル（５６、５８）の各々が、該１つ以上の燃料噴射ノズル内に圧縮機吐出空気を引き込む、請求項８に記載の方法。
12. 前記１つ以上の追加燃料噴射ノズル（５６、５８）の数が、前記トランジションダクト（２０）の出口開口の輪郭内に少なくとも部分的に露出される第１段ノズルベーン（５０、５２、５４）の数よりも１つだけ少ない、請求項８に記載の方法。
13. 前記１つ以上の追加燃料噴射ノズル（５６、５８）が、前記トランジションダクト（２０）内の燃焼気体生成物の流れに対してほぼ垂直方向に追加の燃料を導入するように構成される、請求項８に記載の方法。
14. 前記１つ以上の燃料噴射ノズルが、少なくとも２つの燃料噴射ノズル（５６、５８）から成る、請求項８に記載の方法。