JP2012057929A - ガスタービンノズル内で燃料を混合する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼温度や高反応性燃料に対応する、燃料をガスタービン内の燃焼器に供給するために使用するノズルを提供する。
【解決手段】ノズルは、燃料プレナム４２と、燃料プレナム４２の下流側の空気プレナム４６とを有する。ノズルの軸中心線４８の半径方向外側にある複数の燃料チャネル３２は、入口５２と、入口５２の下流側の出口５４とを有する。燃料チャネル３２の燃料ポート５６が、燃料プレナム４２と複数の燃料チャネル３２との間を流体連通させる。燃料ポート５６の下流側にある燃料チャネル３２の空気ポート５８が、空気プレナム４６と燃料チャネル３２との間を流体連通させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、概してガスタービンに燃料を供給する装置及び方法に関する。本発明は、特に、燃料をガスタービン内の燃焼器に供給するために使用するノズルについて説明する。

ガスタービンは産業工程及び発電工程で幅広く使用されている。典型的なガスタービンは、その前部に軸流圧縮機、中間部の周辺に１つ以上の燃焼器、後部にタービンを含む。周囲空気が圧縮機内に流入すると、圧縮機内の回転ブレード及び静止ベーンが、作動流体（空気）に漸次運動エネルギーを付与し、高度に加圧された状態の加圧された作動流体が生成される。加圧された作動流体は、圧縮機を出て、燃焼器のノズルを流れるが、このとき、燃料と混合されて発火し、高温、高圧、高速の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスはタービン内で膨張して、仕事が生成される。例えば、燃焼ガスがタービン内で膨張すると、発電機に連結されたシャフトが回転して電気が生成される。

ガスタービンの熱力学的効率が、動作温度、即ち燃焼ガスの温度の上昇に伴って高まることは周知である。しかし、燃料と空気が燃焼前に均一に混合されていない場合、局所的なホットスポットがノズル出口の近傍に形成されることがある。局所的なホットスポットにより、ノズルを損傷することがある火炎のフラッシュバックと保炎の可能性が高まる。火炎のフラッシュバックと保炎は、どの燃料でも発生し得るが、とりわけ、燃焼率が高く可燃範囲が広い水素のような高反応性燃料で発生し易い。また、局所的なホットスポットにより、窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃焼炭化水素の生成量が増加することがあるが、これらはいずれも望ましくない排出物質である。

局所的なホットスポット及び不都合な排出物を最小限に抑えながら動作温度を高めるための、様々な技術が存在する。例えば、高反応性燃料と作動流体を燃焼前により均一に混合するために、様々なノズルが開発されてきた。しかし、高反応性燃料の燃焼速度が高いほど、火炎のフラッシュバック及び／又は保炎事象に繋がる環境が生じ易くなる。

米国特許出願公開第２００８／００１６８７６号

結果的に、益々高まる燃焼温度や高反応性燃料に対応し得るノズル設計の継続的な改良は有用であろう。

本発明の態様及び利点は、以下の記述で開示されるか、記述から明らかであるか、又は本発明の実施を通じて習得されよう。

本発明の一実施例は、燃料プレナムと、燃料プレナムに下流の空気プレナムとを含むノズルである。ノズルの軸中心線の半径方向外側にある複数の燃料チャネルは、入口と入口の下流側の出口とを含み、この入口を通って空気が流れる。複数の燃料チャネルの燃料ポートが、燃料プレナムと複数の燃料チャネルとの間を流体連通させる。燃料ポートの下流側にある複数の燃料チャネルの空気ポートが、空気プレナムと複数の燃料チャネルとの間を流体連通させる。

本発明の範囲内の別の実施例は、ノズルの周囲を囲むシュラウドを含むノズルである。シュラウド内部では、複数の隔壁がノズルを半径方向に横断して延在し、燃料プレナムと空気プレナムとを画定しており、空気プレナムは、燃料プレナムの下流側にある。流体通路として画定された複数の燃料チャネルが、ノズルの中心線の半径方向外側に延在し、入口と、入口の下流側にある出口と、燃料プレナムと流体連通する燃料ポートと、空気プレナムと流体連通する、燃料ポートの下流側にある空気ポートとを含む。

本発明はまた、燃焼前に燃料と空気をノズル内で混合する方法を包含する。この方法は、複数の燃料チャネルの入口から空気を流入させるステップと、燃料プレナムに燃料を流入させるステップと、燃料プレナムの下流側の空気プレナムに空気を流入させるステップとを含む。この方法は更に、燃料プレナムから燃料ポートを通じて、ノズルの軸中心線の半径方向外側にある複数の燃料チャネルに燃料を注入するステップと、空気プレナムから燃料ポートの下流側にある空気ポートを通じて、複数の燃料チャネルに空気を注入するステップとを含む。

本明細書を検討することにより、当業者は、こうした実施例の特徴及び態様その他をより深く理解できよう。

本明細書の以下の部分では、本発明の最適な態様を含めた、本発明の最大限且つ当業者による本発明の実施を可能にする開示を、添付図面の参照も含めてより具体的に記述する。

本発明の一実施例による燃焼器の概略断面図である。 本発明の一実施例によるノズルの拡大断面図である。 図１に示す燃焼器の部分拡大断面図である。 本発明の一実施例によるノズルの平面図である。 本発明の一実施例による燃焼器の上部キャップの平面図である。 本発明の代替実施例による燃焼器の上部キャップの平面図である。

これより、本発明の実施例を詳細に参照するが、その１つ以上の例が添付図面に示されている。発明を実施するための形態では、数字や文字の符号を用いて図面中の機構を示す。説明文及び図面中で同様又は類似の符号を用いて、本発明の同様又は類似のパーツを示す。

各例は、本発明を限定する目的ではなく、本発明を説明する目的で提示されている。実際、当業者には明らかなように、本発明の範囲又は概念から逸脱することなく本発明に改良及び改変を加えることができる。例えば、一実施例の一部分として図示又は記述される機構を別の実施例に用いて、また別の実施例を創出できる。このように、本発明は、こうした改良及び改変も添付の特許請求の範囲及びその等価物に含まれることを意図している。

本発明の実施例は、燃焼前に燃料と空気を混合する複数の燃料チャネルを有するノズルに関する。一般に、燃料はノズル内の燃料プレナムに流入する。概ね圧縮機からの加圧された作動流体から成る空気が、燃料プレナムの下流側の個々の空気プレナムに流入する。次いで、燃料プレナムからの燃料が、ノズルの軸中心線の半径方向外側に位置する燃料チャネルに流入するか又は注入される。同様に、空気プレナムからの空気が、燃料チャネルを流れるか又は燃料チャネルに注入され、燃料チャネルの表面に沿って流れ、燃料チャネル内の燃料と混合された後にノズルを出る。ノズルの外側と空気プレナムの外側を流れる空気も燃料チャネルに流入し、燃料チャネル内の燃料と混合された後にノズルを出る。このように、燃料チャネルは、ノズルの下流側において、より均一に混合された、場合によってはより希薄な燃料と空気との混合物を供給する。

図１は、本発明の一実施例による燃焼器１０の概略断面図を示す。図示のように、燃焼器１０は一般に、上部キャップ１４内で半径方向に設置された１つ以上のノズル１２を含む。ケーシング１６が燃焼器１０を囲み、圧縮機（図示せず）を出る空気又は加圧された作動流体を収容する。端部キャップ１８とライナ２０が、ノズル１２の下流側の燃焼室２２を画成している。通気穴２６を設けたフロースリーブ２４がライナ２０を囲んでおり、フロースリーブ２４とライナ２０４との間に環状通路２８が画定される。

図２に示すように、ノズル１２は一般に、複数の燃料チャネル３２の周囲を囲むシュラウド３０を含む。シュラウド３０は、ノズル１２の内部に別個のチャンバ又は区画を画定する、１つ以上の分離板又は隔壁を含む。例えば、図２に示すように、シュラウド３０内の上部隔壁３４、中間隔壁３６、及び底部隔壁３８が、ノズル１２の幅又は直径を半径方向に横断して延在する。このように、燃料は、例えば燃料導管４０を通ってノズル１２に流入し、上部隔壁３４及び中間隔壁３６によって画定される燃料プレナム４２に流入する。同様に、圧縮機からの空気又は加圧された作動流体は、燃料チャネルの入口及びシュラウド３０内の１つ以上の空気ポート４４を通って、中間隔壁３６及び底部隔壁３８によって画定される空気プレナム４６内に流入する。

燃料チャネル３２は、ノズル１２の軸中心線４８の半径方向外側に位置合わせされ、一般にノズル１２の軸長方向に１つ以上の隔壁３４、３６、３８を貫通して互いに平行に延在する。例えば、図２及び３に示すように、各々の燃料チャネル３２は一般に、燃料プレナム４２から空気プレナム４６を通ってノズル１２の下流側出口へと延在する。このように、燃料チャネル３２は、燃料と空気の混合物を燃焼室２２に供給する。燃料チャネル３２は一般に、管又は通路５０と、入口５２と、出口５４と、１つ以上の燃料ポート５６と、１つ以上の空気ポート５８とを有する。管又は通路５０は、円形、楕円形、方形、三角形、又はいずれの周知の幾何形状であってもよい。入口５２及び出口５４は、燃料チャネル３２の上流側及び下流側に開口部を設けただけの、空気を制限なく燃料チャネル３２に流し、燃料ポート５６から燃料チャネル３２に注入される燃料と混合するものであってもよい。

燃料ポート５６は、燃料プレナム４２と燃料チャネル３２の間を流体連通させる。設計上の需要に応じて、燃料チャネル３２の一部又は全部に燃料ポート５６を含めることができる。燃料ポート５６は、管又は通路５０に開口部又は孔を設けただけの、燃料を燃料プレナム４２から燃料チャネル３２に流入させるか又は注入するものであってもよい。燃料が燃料チャネル３２に入る角度を変化させることで、燃料が空気と混合される前に燃料が燃料チャネル３２に進入する距離を変化させるべく、燃料ポート５６はノズル１２の軸中心線４８に対して位置合わせされる。例えば、図２に示すように、燃料ポート５６は、ノズル１２の軸中心線４８に対して約３０°〜約９０°の角度を成す。

空気ポート５８は同様に、空気プレナム４６と燃料チャネル３２との間を流体連通させる。したがって、空気又は圧縮機からの加圧された作動流体は、シュラウド３０内の空気ポート４４から空気プレナム４６に流入する。次いで空気は、空気プレナム４６から空気ポート５８を通って燃料チャネル３２内に流入する。空気ポート５８は、管又は通路５０内に開口部又は孔を設けただけの、空気を空気プレナム４６から燃料チャネル３２に流入させるか又は注入するものでよい。図２に示すように、空気が燃料と混合される前に燃料チャネル３２に進入する距離を変更するにあたり、空気ポート５８はノズル１２の軸中心線４８に対して約３０°未満の角度を成していてもよい。

このように、燃料チャネル３２は図２の矢印で示すように、これを貫通する３つの別個の流体流路を備えている。第１の流路は、入口５２から流入し、管又は通路５０の全体を通過した後、ノズル１２の出口５４から流出する、単なる空気の流路である。圧縮機からの空気の約６０％〜約９０％が、この第１の通路を流れる。第２の流路は、燃料ポート５６から流入し、入口５２から出口５４へと流れる空気と混合される燃料の流路である。第３の流路は、空気ポート５８から流入し、管５０内でのフラッシュバック及び保炎を防止する、管５０の表面の極めて近傍に空気層を形成する空気の、又は前述の燃料／空気混合物と混合された後にノズル１２から流出する空気の流路である。圧縮機からの空気の約２％〜３０％が、この第３の通路を流れる。

図２及び３は、図１に示した燃焼器１０の部分拡大断面図であり、矢印は圧縮機からの空気又は圧縮された作動流体の様々な流路を示している。図３に示すように、空気は、フロースリーブ２４とライナ２０との間をノズル１２の方向に流れてもよい。空気がノズル１２に到達し、シュラウド３０の外側に沿って流れる際に、空気の一部は、図２に示すように空気ポート４４から空気プレナム４６に流入する。空気は、空気プレナム４６に流入すると、空気ポート５８から燃料チャネル３２に流入し、燃料と混合された後、ノズル１２を出て燃焼室２２に流入する。図３に戻ると、シュラウド３０の外側に沿って流れる空気の残りの部分は、端部キャップ１８に到達し、そこで方向を反転して燃料チャネル３２の入口５２に流入する。空気は、燃料チャネル３２に流入すると、燃料ポート５６から導入される燃料と混合された後、ノズル１２を出て燃焼室２２に流入する。

図４、５及び６は、燃焼室２２から上流側を見た上部キャップ１４の種々の平面図である。例えば、図４は前述及び図示したノズル１２の平面図である。図４に示すように、燃料チャネル３２は、ノズル１２の軸中心線４８の半径方向外側の円に見える。図５及び６に示すように、ノズル１２は、円形、三角形、方形、楕円形、又は実質的にはいかなる形状でもよく、様々な幾何形状で上部キャップ１４に設置されてもよい。例えば、ノズル１２は、図５に示すように１つのノズルを囲む６つのノズルとして設置されてもよい。或いは、図６に示すように一連のパイ形ノズル６０が円形ノズル１２を囲んでいてもよい。本発明は、請求項で特に列挙しない限りは、個々のノズルの特定の幾何形状、又はノズル配置、又は燃料チャネルの数に限定されないことを、当業者は理解されたい。

本発明の様々な実施例により、従来のノズルを超える利点が幾つかもたらされる。例えば、燃料チャネル３２を使用することで、燃料がノズル１２をより迅速に流れるので、燃料がノズル１２を通る所要時間が短縮される。加えて、本発明の範囲に含まれるノズル１２は、既存の燃焼器内に取り付け可能なため、既存のノズルをより安価に改良できる。

本明細書では、最適な態様も含めた例を用いて本発明を開示すると共に、当業者による、あらゆる装置又はシステムの作製及び使用、並びにあらゆる付随の方法の実施も含めた本発明の実施を可能にする。本発明の特許請求の範囲は請求項により定義されるが、当業者に想到可能なその他の例も本発明の特許請求の範囲に含まれる。こうしたその他の例も、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は、請求項の文言と実質的に同等の等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲に含まれることを意図している。

１０ 燃焼器
１２ ノズル
１４ 上部キャップ
１６ ケーシング
１８ 端部キャップ
２０ ライナ
２２ 燃焼室
２４ フロースリーブ
２６ 通気穴
２８ 環状通路
３０ シュラウド
３２ 燃料チャネル
３４ 上部隔壁
３６ 中間隔壁
３８ 底部隔壁
４０ 燃料導管
４２ 燃料プレナム
４４ 空気ポート
４６ 空気プレナム
４８ 中心線
５０ 円筒形通路
５２ 入口
５４ 出口
５６ 燃料ポート
５８ 空気ポート
６０ パイ形ノズル

Claims (13)

1. ノズル（１２）であって、
   ａ．燃料プレナム（４２）と、
   ｂ．前記燃料プレナム（４２）の下流側の空気プレナム（４６）と、
   ｃ．前記ノズル（１２）の軸中心線（４８）の半径方向外側の複数の燃料チャネル（３２）であって、前記燃料チャネル（３２）の各々が、入口（５２）と該入口（５２）の下流側の出口（５４）とを有する、複数の燃料チャネル（３２）と、
   ｄ．前記複数の燃料チャネル（３２）の燃料ポート（５６）であって、該燃料ポート（５６）が前記燃料プレナム（４２）と前記複数の燃料チャネル（３２）との間を流体連通させる、燃料ポート（５６）と、
   ｅ．前記燃料ポート（５６）の下流側の前記複数の燃料チャネル（３２）の空気ポート（５８）であって、該空気ポート（５８）が前記空気プレナム（４６）と前記複数の燃料チャネル（３２）との間を流体連通させる、空気ポート（５８）と、
   を有するノズル（１２）。
2. 前記複数の燃料チャネル（３２）の各々が、前記燃料プレナム（４２）から前記出口（５４）へと延在する円筒形通路（５０）を有する、請求項１に記載のノズル（１２）。
3. 前記複数の燃料チャネル（３２）の各々が前記燃料ポート（５６）を有する、請求項１又は２のいずれかに記載のノズル（１２）。
4. 前記複数の燃料チャネル（３２）の各々が前記空気ポート（５８）を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載のノズル（１２）。
5. 前記燃料ポート（５６）が、前記ノズル（１２）の前記軸中心線（４８）に対して約３０°から約９０°の角度を成す、請求項１乃至４のいずれかに記載のノズル（１２）。
6. 前記空気ポート（５８）が、前記ノズル（１２）の前記軸中心線（４８）に対して約３０°未満の角度をなす、請求項５に記載のノズル（１２）。
7. 前記複数の燃料チャネル（３２）の周囲を囲むシュラウド（３０）を更に有する、請求項１乃至５のいずれかに記載のノズル（１２）。
8. 前記シュラウド（３０）の内部の隔壁（３６）を更に有し、前記隔壁（３６）は前記空気プレナム（４６）を前記燃料プレナム（４２）から分離する、請求項７に記載のノズル（１２）。
9. 前記シュラウド（３０）が、前記空気プレナム（４６）と流体連通する少なくとも１つの空気ポート（４４）を有する、請求項７又は８のいずれかに記載のノズル（１２）。
10. 燃料と空気を燃焼前にノズル（１２）内で混合する方法であって、
    ａ．燃料を燃料プレナム（４２）に流入させるステップと、
    ｂ．空気を前記燃料プレナム（４２）の下流側の空気プレナム（４６）に流入させるステップと、
    ｃ．燃料を前記燃料プレナム（４２）から燃料ポート（５６）を介して、前記ノズル（１２）の軸中心線（４８）の半径方向外側にある複数の燃料チャネル（３２）に注入するステップと、
    ｄ．空気を前記空気プレナム（４６）から、前記燃料ポート（５６）の下流側にある空気ポート（５８）を介して前記複数の燃料チャネル（３２）に注入するステップと、を含む方法。
11. 前記燃料ポート（５６）を通して前記燃料を前記ノズル（１２）の前記軸中心線（４８）から約３０°から約９０°の角度で注入するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記空気ポート（５８）から前記空気を前記ノズル（１２）の前記軸中心線（４８）から約３０°未満の角度で注入するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 空気ポート（５８）から空気を前記複数の燃料チャネル（３２）の周囲を囲むシュラウド（３０）に流入させるステップを更に含む、請求項１０又は１１のいずれかに記載の方法。