JP2011247263A - ターボ機械の燃料ノズル - Google Patents

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    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D2900/00Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14Special features of gas burners
    • F23D2900/14482Burner nozzles incorporating a fluidic oscillator

Abstract

【課題】低いレベルのNOx排出。
【解決手段】燃焼器の燃料ノズル20は、流路面積を有する流路101、102、103、104を通って第2の端部92まで延びる第1の端部91を有するボディを含む流通路84を含む。燃料入口95は、ボディ88の第1の端部91に設けられる。燃料出口96は、ボディ88の第2の端部92に設けられる。制御流通路130、131は、第1の端部と第2の端部との間のボディ88に流体的に接続され、制御流を燃料ノズル20の中に送達するように構成および配置される。制御流は、選択的に変更可能な、流通路84の有効流路面積を確立する。
【選択図】図2

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械の技術に関し、より詳細には、ターボ機械の燃料ノズルに関する。
ターボ機械は、一般に、圧縮器と、燃焼器と、タービンとを含む。動作時には、圧縮器を通る空気流が圧縮されて、燃焼器に供給される。また、燃料が燃焼器に導かれ、圧縮された空気と混合され、点火されて燃焼ガスを形成する。燃焼ガスが、タービンに導かれる。タービンは、燃焼ガスからの熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換し、そのエネルギーが、圧縮器に動力を供給すると共に、発電機を運転するなどの有用仕事を生み出すために使用される。従来のターボ機械は、特定の燃料または燃料群で運転するように設計される。
米国特許出願公開第2007/0074519号公報
ガスタービン発電所からの低排出に対する規制要件は、年々、ますます厳しくなってきた。現在、世界中の環境局は、新規および既存のガスタービンからのNOxおよび他の汚染物質に対して一層の低排出率を要求している。燃焼タービンからのNOx排出を削減する従来の方法(水および水蒸気の注入)は、能力に限界があり、各地で要求される極めて低いレベルに到達できない。
本発明の一態様によれば、ターボ機械は、圧縮器と、圧縮器と動作可能に結合されたタービンと、圧縮器およびタービンを流体的に結合する燃焼器とを含む。燃焼器は、少なくとも1つの燃料ノズルを含む。少なくとも1つの燃料ノズルは、流路面積を有する少なくとも1つの流路(flow channel)を通って第2の端部まで延びる第1の端部を有するボディを含む流通路(flow passage)を含む。燃料入口が、ボディの第1の端部に設けられる。燃料入口は、少なくとも1つの燃料を受けるように構成される。燃料出口が、ボディの第2の端部に設けられる。少なくとも1つの制御流通路が、第1の端部と第2の端部との間のボディに流体的に接続される。少なくとも1つの制御流通路が、少なくとも1つの制御流を燃料ノズルの中に送達するように構成および配置される。少なくとも1つの制御流が、流通路の、選択的に変更可能な有効流路面積を確立する。
本発明の別の態様によれば、ターボ機械の燃料ノズルは、流路面積を有する少なくとも1つの流路を通って第2の端部まで延びる第1の端部を有するボディを含む流通路を含む。燃料入口が、ボディの第1の端部に設けられる。燃料入口は、少なくとも1つの燃料を受けるように構成される。燃料出口が、ボディの第2の端部に設けられる。少なくとも1つの制御流通路が、第1の端部と第2の端部との間のボディに流体的に接続される。少なくとも1つの制御流通路が、少なくとも1つの制御流を燃料ノズルの中に送達するように構成および配置される。少なくとも1つの制御流が、流通路の、選択的に変更可能な有効流路面積を確立する。
本発明のさらに別の態様によれば、ターボ機械の燃料ノズルの有効流路面積を選択的に変更する方法は、少なくとも1つの燃料を燃料ノズルの燃料入口の中に受けるステップと、少なくとも1つの燃料を、流路面積を有する流路を含む流通路に沿って案内するステップと、少なくとも1つの制御流を燃料入口の下流に導入するステップと、少なくとも1つの制御流に対して流通路の有効流路面積を変更するステップとを含む。
上記および他の利点および特徴は、以下の説明を図面と併せ読めば、より明らかとなろう。
発明としてみなされる主題は、明細書の終わりにおける特許請求の範囲の中で、詳細に指摘され、明確に特許請求される。本発明の前述および他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読めば、明らかである。
例示的一実施形態による、燃焼器の燃料ノズルを含むターボ機械の概略図である。 例示的実施形態の一態様による、燃焼器の燃料ノズルの概略的断面図である。 例示的実施形態の別の態様による、燃焼器の燃料ノズルの概略的断面図である。
詳細な説明では、例として、図面を参照して、本発明の実施形態を利点および特徴と共に説明する。
図1を参照すると、例示的一実施形態により構築されたターボ機械が、全体を通して2で示されている。ターボ機械2は、圧縮器4と、円周方向に間隔を空けて配置された複数の燃焼器とを含み、複数の燃焼器の1つが6で示されている。燃焼器6は、圧縮器/タービンに共通の軸すなわちロータ12を介して圧縮器4と動作可能に結合されたタービン10に高温ガスを導く燃焼室8を含む。
動作時には、空気が圧縮器4を通って流れ、それにより、圧縮された空気が燃焼器6に供給される。燃料が燃焼室8に導かれ、空気と混合され、点火されて燃焼ガスを形成する。燃焼ガスがタービン10に導かれ、タービン10において、ガス流の熱エネルギーが、機械的回転エネルギーに変換される。タービン10は、軸12に回転可能に結合され、軸12を駆動する。本明細書で使用される用語「流体」は、流動する任意の媒体または材料を含み、ガスおよび/または空気に限定されないことを認識されたい。加えて、燃料という用語は、燃料、希釈剤(N、水蒸気、COなど)、および/または、燃料および希釈剤の混合物、の混合物を含むものと理解されたい。
燃料は、複数の燃焼器の燃料ノズルを通って燃焼室8に送られ、複数の燃焼器の燃料ノズルの1つが20で示される。例示的一実施形態によれば、燃焼器の燃料ノズル20は、複式燃料ノズルを構成する。より具体的には、燃焼器の燃料ノズル20は第1の燃料および/または第2の燃料を噴射し、2つの燃料は、大きく異なるエネルギー含量を燃焼室8の中で有することができる。例示的実施形態の一態様によれば、天然ガスが第1の燃料であってもよく、合成ガスが第2の燃料であってもよい。さらに、合成ガス燃料は、20%/36%/44%の配合の天然ガス/水素/一酸化炭素(NG/H/CO)であってもよい。
図2に最もよく示されるように、燃焼器の燃料ノズル20は、外部ノズル部29および内部ノズル部31を含む。外部ノズル部29は、第2の端部部分39まで延びる第1の端部部分38を有するボディ部36を含む。さらに、ボディ部36は、外壁41と、プレナム44を画定する内壁42とを含むように示される。第1の端部部分38は入口部46を画定し、第2の端部部分39は、複数の開口48を有する出口部47を画定する。図示のように、内部ノズル部31が、外部ノズル部29の中に延びる。より具体的には、内部ノズル部31は、第1の端部部分38を通ってプレナム44の中に延び、以下により詳細に説明されるやり方で、内壁42と結合される。
内部ノズル部31は、第2の端部区画63まで延びる第1の端部区画62を有するボディ区画60を含む。また、ボディ区画60は、外壁66と、プレナム69を画定する内壁67とを含むように示される。第1の端部区画62は入口区画72を画定し、第2の端部区画63は、複数の開口74を有する出口区画73を画定する。内部ノズル部31は、対応するシール(図示せず)を設けられた第1のシールランド(seal land)79および第2のシールランド80を有する外周フランジ77を介して外部ノズル部29の内壁42に接続される。例示的一実施形態によれば、燃焼器の燃料ノズル20は、内部ノズル部31を通って延びる複式燃料流通路84をさらに含む。以下により完全に分かるように、燃焼器の燃料ノズル20は、コアンダ効果に依拠して、第1および/または第2の燃料を複式燃料流通路84を通して案内する。
例示的一実施形態によれば、複式燃料流通路84は、第2の端部92まで延びる第1の端部91を有するボディ88を含む。第1の端部91は燃料入口95を画定し、一方、第2の端部92は、出口区画73を通って延びる燃料出口96を画定する。複式燃料流通路84は、燃料入口95から延びる第1の流路101と、第1の流路101と流体的に結合された第2の流路102と、同様に第1の流路101と流体的に結合された第3の流路103と、第2の流路102および第3の流路103を、燃料出口96と流体的に連結する第4の流路104とを含む。
第1の流路101は、第1の有効断面積を含み、燃料入口95に隣接して配列された第1の端部区域105から中間部107を通って第2の端部区域106まで延びる。第2の流路102は、第2の有効断面積を含み、第1の流路101の第2の端部区域106に連結された第1の端部区域111から中間部113を通って第2の端部区域112まで延びる。第3の流路103は、第3の有効断面積を含み、同様に第1の流路101の第2の端部区域106に連結された第1の端部区域116から中間部118を通って第2の端部区域117まで延びる。第4の流路は、第4の有効断面積を含み、第2の流路102の第2の端部区域112と第3の流路103の第2の端部区域117とに連結された第1の端部区域121から、中間部123を通って第2の端部区域122まで延びる。
燃焼を強めるように、第1および第2の燃料に所望の圧力を与えるために、第1、第2、第3、および第4の有効断面積は異なる。より具体的には、第1の燃料は、第1の燃料のより完全な燃焼を促進する所望の圧力レベルを達成するために、第2の有効断面積を有する第2の流路102を通して送られ、一方、第2の燃料は、第2の燃料のより完全な燃焼をもたらす所望の圧力レベルを達成するために、第3の有効断面積を有する第3の流路103を通して送られる。当然ながら、第1および第2の燃料は、混合されてもよく、または第3の燃料が使用されて、第2の流路102および第3の流路103を通して送られてもよいことを理解されたい。例えば、第1および第2の燃料は、種々の燃料混合物を形成するために組み合わされてもよい。
第1の燃料を第2の流路102に、第2の燃料を第3の流路103に、それぞれ誘導するために、第1および第2の燃料のうちの1つ、または希釈剤などの流体が、第1の流路101の第2の端部区域106において導入される。以下により詳しく述べられるように、この位置で導入される流体は、第1および第2の燃料のうちの1つを、第2の流路102および第3の流路103のうちの対応する1つの中に案内するコアンダ効果を生み出す。より具体的には、燃焼器の燃料ノズル20は、以下により詳しく述べられるように、1つの制御流を第2の端部区域106の中に誘導して第2の燃料を第3の流路103に流入させるように構成および配置された第1の制御流通路130と、第2の制御流を第2の端部区域106の中に案内して第1の燃料を第2の流路102に流入させるように構成および配置された第2の制御流通路131とを含む。第1の制御流通路130および第2の制御流通路131は、制御流回路(図示せず)に接続される。図示の例示的実施形態では、第1の制御流通路130は、第2の制御流通路131の反対側に配置される。しかし、第1の制御流通路130および第2の制御流通路131は、互いに対しておよび/または第1の流路101に対して角度を付けて配列されてもよく、あるいは互いに軸方向にオフセットされてもよいことを、当業者なら理解されたい。
第1の制御流通路130は、内部ノズル部31のボディ区画60を通って、第1の流路101の第2の端部区域106と流体的に接続された第2の端部セグメント135まで延びる第1の端部セグメント134を含む。同様に、第2の制御流通路131は、内部ノズル部31のボディ区画60を通って、第1の流路101の第2の端部区域106に流体的に接続された第2の端部セグメント140まで延びる第1の端部セグメント139を含む。この配置によって、第2の燃料が燃料入口95の中に導入されると、第1の制御流通路130を通って進む第1の流体すなわち制御流は、第2の燃料を第3の流路103に強制的に流入させる。同様に、第1の燃料が燃料入口95の中に導入されると、第2の制御流通路131を通って進む第2の流体すなわち制御流は、第1の燃料を第2の流路102に強制的に流入させる。上述のように、第1および第2の制御流は、第1および第2の燃料、希釈剤、他の流体、またはそれらの組合せを構成することができる。
次に、例示的実施形態の別の態様により構築された燃焼器の燃料ノズル152を説明する図3を参照する。燃焼器の燃料ノズル152は、外部ノズル部156および内部ノズル部158を含む。外部ノズル部156は、第2の端部部分162まで延びる第1の端部部分161を有するボディ部160を含む。さらに、ボディ部160は、プレナム168を画定する外壁164および内壁165を含むように示される。第1の端部部分161は入口部170を画定し、第2の端部部分162は、複数の開口172を有する出口部171を画定する。図示のように、内部ノズル部158は、外部ノズル部156の中に延びる。より具体的には、内部ノズル部158は、第1の端部部分161を通ってプレナム168の中に延び、以下により詳細に説明されるやり方で、内壁165と結合される。
内部ノズル部158は、第2の端部区画183まで延びる第1の端部区画182を有するボディ区画180を含む。また、ボディ区画180は、プレナム190を画定する外壁186および内壁187を含むように示される。第1の端部区画182は入口区画193を画定し、第2の端部区画183は、複数の開口195を有する出口区画194を画定する。内部ノズル部158は、対応するシール(図示せず)を設けられた第1のシールランド199および第2のシールランド200を有する外周フランジ197を介して外部ノズル部156の内壁165に接続される。例示的一実施形態によれば、燃焼器の燃料ノズル152は、内部ノズル部158を通って延びる複式燃料流通路204をさらに含む。以下により完全に分かるように、燃焼器の燃料ノズル152は、コアンダ効果に依拠して、第1および/または第2の燃料を複式燃料流通路204を通して案内する。
例示的一実施形態によれば、複式燃料流通路204は、第2の端部212まで延びる第1の端部211を有するボディ208を含む。第1の端部211は燃料入口215を画定し、一方、第2の端部212は、出口区画194を通って延びる燃料出口216を画定する。複式燃料流通路204は、燃料入口215から延びる第1の流路226と、第1の流路226と流体的に結合された第2の流路227と、第2の流路227および燃料出口216と流体的に結合された第3の流路228とを含む。
第1の流路226は、第1の有効断面積を含み、燃料入口215に隣接して配列された第1の端部区域231から中間部233を通って第2の端部区域232まで延びる。第2の流路227は、第2の有効断面積を含み、第1の流路226の第2の端部区域232に連結された第1の端部区域237から中間部239を通って第2の端部区域238まで延びる。第3の流路228は第3の有効断面積を含み、第2の流路227の第2の端部区域238に連結された第1の端部区域243から中間部245を通って第2の端部区域244まで延びる。例示的実施形態によれば、所望の圧力を第1および第2の燃料に与えてより完全な燃焼を促進するために、第1、第2および第3の有効断面積は、類似しているが、選択的に調節可能である。
第1および第2の燃料に対する所望の圧力を促進するために、複式燃料流通路204は、第2の流路227の有効断面積を選択的に調節するために、第1および第2の制御流を誘導する、第1の制御流通路260および第2の制御流通路261を含む。図示の例示的実施形態では、第1の制御流通路260は、第2の制御流通路261と位置合わせされ、第2の制御流通路261の反対側に配置される。しかし、第1の制御流通路260および第2の制御流通路261は、互いに対しておよび/または第2の流路227に対して角度を付けて配列されてもよく、あるいは互いに軸方向にオフセットされてもよいことを、当業者なら理解されたい。また、複式燃料流通路204は、第3の流路228の有効断面積を選択的に調節するために、第3および第4の制御流を誘導する、第3の制御流通路262および第4の制御流通路263を含む。図示の例示的実施形態では、第3の制御流通路262は、第4の制御流通路263と位置合わせされ、第4の制御流通路263の反対側に配置される。しかし、第3の制御流通路262および第4の制御流通路263は、互いに対しておよび/または第3の流路228に対して角度を付けて配列されてもよく、あるいは互いに軸方向にオフセットされてもよいことを、当業者なら理解されたい。第1、第2、第3、および第4の制御流通路260〜263は、制御流を送達する制御流回路(図示せず)に動作可能に接続される。制御流は、第1の燃料、第2の燃料、希釈剤またはそれらの組合せを含む。
上で説明されたものと類似のやり方で、第3の制御流通路262は、第4の制御流通路263と位置合わせされ、第4の制御流通路263の反対側に配置される。第1の制御流通路260は、内部ノズル部158のボディ区画180を通って、第1の流路226の第2の端部区域232と流体的に接続された第2の端部セグメント271まで延びる第1の端部セグメント270を含む。同様に、第2の制御流通路261は、内部ノズル部158のボディ区画180を通って、第1の流路226の第2の端部区域232と流体的に接続された第2の端部セグメント274まで延びる第1の端部セグメント273を含む。第3の制御流通路262は、内部ノズル部158のボディ区画180を通って、第2の流路227の第2の端部区域238と流体的に接続された第2の端部セグメント277まで延びる第1の端部セグメント276を含み、第4の制御流通路263は、内部ノズル部158のボディ区画180を通って、第2の流路227の第2の端部区域238と流体的に接続された第2の端部セグメント281まで延びる第1の端部セグメント280を含む。
この配置によって、第1の燃料が燃料入口215の中に導入されると、第1および第2の制御流は、それぞれ、第1の制御流通路260および第2の制御流通路261の中に送られる。第1および第2の制御流は、第2の流路に入り、コアンダ効果に依拠して、第2の流路の内面に沿って進み、有効断面積を選択的に調節する。同様に、必要であれば、第3および第4の制御流が、第3の制御流通路262および第4の制御流通路263を通して送られ、第3の流路の中に入り、コアンダ効果に依拠して、第3の流路の内面に沿って進み、有効断面積を選択的に調節する。このようにして、より完全な燃焼を促進するために、所望の圧力が、第1の燃料のために達成される。第2の燃料を使用するときは、より完全な燃焼を促進するために第2の燃料のための所望の圧力を確立するために、制御流が、第2の流路227および第3の流路228のための有効断面積を達成するように調節される。
この時点で、例示的実施形態は、複数ノズル、ノズル変更、または高価で複雑な配管系/バルブ系を必要とすることなく、広範囲のウォッベ燃料(wobbe fuel)を使用して選択的に運転することができるターボ機械のための燃料ノズルを提供することを理解されたい。さらに、例示的実施形態による燃料ノズルは、所望の動作圧力を達成するように選択的に調節されてもよく、それにより、合成ガス、希釈された燃料流、またはプロパン、ブタンなどの高ウォッベ燃料を使用してターボ機械を運転することを可能にする。広範囲の燃料を使用する柔軟性は、燃料の変化を可能にする高価で複雑なシステムを必要とすることなく、より低いNOx排出をもたらす。
本発明が、ごく限られた数の実施形態に関連して詳細に説明されたが、本発明が、そのような開示された実施形態に限定されないことは、容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまで説明されていないが、本発明の主旨および範囲に見合う、任意の数の変形、改変、置き換えまたは等価な装置(equivalent arrangement)を組み入れるように変更されてもよい。加えて、本発明の種々の実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明された実施形態のうちのいくつかだけを含むことができることを理解されたい。したがって、本発明は、前の説明によって限定されるものとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
2 ターボ機械
4 圧縮器
6 燃焼器
8 燃焼室
10 タービン
12 圧縮器/タービンに共通の軸/ロータ
20 燃焼器の燃料ノズル
29 外部ノズル部
31 内部ノズル部
36、160 ボディ部
38、161 第1の端部部分
39、162 第2の端部部分
41、66、164、186 外壁
42、67、165、187 内壁
44、69、168、190 プレナム
46、170 入口部
47、171 出口部
48、74、172、195 開口
60、180 ボディ区画
62、182 第1の端部区画
63、183 第2の端部区画
72、193 入口区画
73、194 出口区画
77、197 外周フランジ
79、199 第1のシールランド
80、200 第2のシールランド
84 複式燃料流通路
88、208 ボディ
91、211 第1の端部
92、212 第2の端部
95、215 燃料入口
96、216 燃料出口
101、102、103、104、226、227、228 流路
105、231、237、243 第1の端部区域
106、232、238、244 第2の端部区域
111、116、121 第1の端部区域
112、117、122 第2の端部区域
107、113、118、123、233、239、245 中間部
130 第1の制御流通路
131 第2の制御流通路
134、139 第1の端部セグメント
135、140 第2の端部セグメント
152 燃焼器の燃料ノズル
156 外部ノズル部
158 内部ノズル部
204 複式燃料流通路
260 第1の制御流通路
261 第2の制御流通路
262 第3の制御流通路
263 第4の制御流通路
270、273、276、280 第1の端部セグメント
271、274、277、281 第2の端部セグメント

Claims (6)

  1. 圧縮器(4)と、
    前記圧縮器(4)と動作可能に結合されたタービン(10)と、
    前記圧縮器(4)と前記タービン(10)とを流体的に連結する燃焼器(6)とを備え、前記燃焼器(6)が少なくとも1つの燃料ノズル(20、152)を含み、前記少なくとも1つの燃料ノズル(20、152)が、
    流路面積を有する少なくとも1つの流路(101、102、103、104、226、227、228)を通って第2の端部(92、212)まで延びる第1の端部(91、211)を有するボディ(88、208)を含む流通路(84、204)と、
    前記ボディ(88、208)の前記第1の端部(91、211)に設けられ、少なくとも1つの燃料を受けるように構成された燃料入口(95、215)と、
    前記ボディ(88、208)の前記第2の端部(92、212)に設けられた燃料出口(96、216)と、
    前記第1の端部と前記第2の端部との間の前記ボディ(88、208)に流体的に接続され、少なくとも1つの制御流を前記燃料ノズル(20、152)の中に送達するように構成および配置された、少なくとも1つの制御流通路(130、131、260、261、262、263)であって、前記少なくとも1つの制御流が、前記流通路(84、204)の、選択的に変更可能な有効流路面積を確立する、少なくとも1つの制御流通路(130、131、260、261、262、263)とを備える、ターボ機械(2)。
  2. 前記少なくとも1つの制御流通路(130、131、260、261、262、263)が、第1の制御流通路(130、260)および第2の制御流通路(131、261)を含み、前記第1の制御流通路(130、260)が第1の制御流を前記燃料ノズル(20、152)の中に送達し、前記第2の制御流通路(131、261)が第2の制御流を前記燃料ノズル(20、152)の中に送達する、請求項1記載のターボ機械(2)。
  3. 前記第1の制御流通路(130、260)が、前記第2の制御流通路(131、261)と位置合わせされ、前記第2の制御流通路(131、261)の反対側に配置される、請求項2記載のターボ機械(2)。
  4. 前記少なくとも1つの流路(101、102、103、104、226、227、228)が、第1の有効面積を有する第1の流路(101、226)および第2の有効面積を有する第2の流路(102、227)を含み、前記第1の制御流が前記少なくとも1つの燃料を前記第1の流路(101、226)の中に選択的に案内し、前記第2の制御流が前記少なくとも1つの燃料を前記第2の流路(102、227)の中に選択的に案内する、請求項2記載のターボ機械(2)。
  5. 前記少なくとも1つの制御流通路(130、131、260、261、262、263)が、第3の制御流通路(262)および第4の制御流通路(263)を含み、前記第3の制御流通路(262)が第3の制御流を前記燃料ノズル(20、152)の中に送達し、前記第4の制御流通路(263)が第4の制御流を前記燃料ノズル(20、152)の中に送達し、さらに、前記第3および前記第4の制御流が、前記流通路(204)の、前記選択的に変更可能な有効流路面積を確立する、請求項2記載のターボ機械(2)。
  6. 前記燃料入口(95、215)で受けられる前記少なくとも1つの燃料が第1の燃料および第2の燃料を含み、前記少なくとも1つの制御流が前記第1の燃料、前記第2の燃料、希釈剤およびそれらの混合物のうちの1つである、請求項2記載のターボ機械(2)。
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