JP2012122715A - 空気多段拡散ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル先端の冷却を可能にすると同時に、燃料及び空気の混合を改善することができる、ガス燃料用の拡散ノズルを提供すること。
【解決手段】ガスタービン燃焼器用の空気多段拡散ノズルにおいて、空気がガス燃料と混合され、下流側バーナ管において膨張される。ノズルの先端からバーナ管スペースに下流側に流れる空気を導入することにより、高温ガスがノズル先端から引き離され、該ノズル先端が冷却される。内側スワーラ又はノズル先端上の冷却孔を通る空気流は、バーナ管内の燃料−空気混合を改善して、エミッション及びスート形成の低減を助けるため外側スワーラからのガス燃料−空気流と有利に相互作用する冷却流容積及び方向を定めるよう構成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的にガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービン燃焼器用の空気多段拡散ノズルに関する。

ガスタービン燃焼器用の拡散ノズルにおいて、燃料がスワールベーンにて空気と混合を開始し、次いで、燃焼のために燃焼器のバーナ管スペース内で旋回運動により膨張する。現在の拡散ノズルでは、拡散ノズルの中心でバーナ管内に低速領域が観測された。始動時並びに部分負荷運転中に、拡散ノズル先端上での高炭素形成が識別されている。反応性の高い燃料では、火炎と近接していることに起因して、ノズル先端上でより高い温度が観測される。更に、バーナ管内でのガス燃料と空気との混合を強化することにより、ガスタービンからのエミッション低減をもたらすことができる。

米国特許第６４５３６７３号明細書

従って、ノズル先端の冷却を可能にすると同時に、燃料及び空気の混合を改善することができる、ガス燃料用の拡散ノズルに対する必要性がある。

本発明は、空気多段ノズルに関する。要約すると、本発明の１つの態様によれば、ガス燃料源及び加圧空気源を含むガスタービンの燃焼器内に配置された空気多段拡散ノズルであって、ガス燃料ノズルが前記燃焼器のバーナ管スペースに吐出するように構成された、空気多段拡散ノズルの一実施形態が提供される。空気多段拡散ノズルは、長手方向軸線に沿って配置され且つ下流側で端部閉鎖壁によって境界付けられ、上流側でガス燃料源への接続により境界付けられ、及び周辺方向で環状壁によって境界付けられるガス燃料キャビティを有するノズル本体を含む。スワールベーンを備えた外側スワーラは、環状壁の先端端部から延びて下流側バーナ管スペースへの旋回軸方向通路を形成する。ガス燃料キャビティの環状壁の外部にあるスペースが、外側スワーラの旋回軸方向通路と流体連通した加圧空気源を含む。ガス燃料キャビティから第１の環状壁を通って外側スワーラの旋回軸方向通路へのガス燃料用通路が設けられる。外側スワーラは、ガス燃料及び加圧空気の旋回混合気を燃焼器の下流側バーナ管スペースに送給する。冷却空気チャンバは、ガス燃料キャビティ内で密閉され、外側周辺壁により囲まれる。ガス燃料キャビティの下流側端部に近接して配置された外側周辺壁の一部は、端部閉鎖壁を通って燃焼器のバーナ管スペースに軸方向に延びる。外部加圧空気スペースからガス燃料キャビティの環状壁を通る通路は、冷却空気チャンバと流体連通して結合される。通路は、冷却空気チャンバの周辺壁の下流側端部を通って燃焼器のバーナ管スペースに加圧空気を流体連通し、先端に冷却空気を提供し、バーナ管スペースにおけるガス燃料及び空気の混合を強化する。

本発明の別の態様によれば、圧縮機と、タービンと、少なくとも１つの燃焼器と、ガス燃料源及び加圧空気源を含む複数の空気多段拡散ノズルとを備え、ガス燃料ノズルが前記燃焼器のバーナ管スペースに吐出するガスタービン燃焼器が提供される。空気多段拡散ノズルは、空気多段拡散ノズルは、長手方向軸線に沿って配置され且つ下流側で端部閉鎖壁によって境界付けられ、上流側でガス燃料源への接続により境界付けられ、及び周辺方向で環状壁によって境界付けられるガス燃料キャビティを有するノズル本体を含む。スワールベーンを備えた外側スワーラは、環状壁の先端端部から延びて下流側バーナ管スペースへの旋回軸方向通路を形成する。

ガス燃料キャビティの環状壁の外部にあるスペースは、外側スワーラの旋回軸方向通路と、ガス燃料キャビティから第１の環状壁を通って外側スワーラの旋回軸方向通路への複数の通路と流体連通した加圧空気源を含む。外側スワーラは、ガス燃料及び加圧空気の旋回混合気を燃焼器の下流側バーナ管スペースに送給する。ガス燃料キャビティ内に密閉された冷却空気チャンバは外側周辺壁を含む。外側周辺壁は、ガス燃料キャビティの遠位端に近接して配置され、端部閉鎖壁を通って燃焼器のバーナ管スペースに軸方向に延びる。外部加圧空気スペースから環状壁を通る複数の通路が冷却空気チャンバと流体連通して結合される。複数の通路は、冷却空気チャンバの周辺壁の下流側端部を通って燃焼器のバーナ管スペースに加圧空気を流体結合する。

本発明の別の態様は、圧縮機及びタービンを備えたガスタービンの燃焼器内で、燃焼器のバーナ管から上流側に配置される空気多段拡散ノズルの先端端部を冷却する方法を提供する。本方法は、ノズルの長手方向軸線に沿って配置された外側周辺壁により境界付けられるガス燃料キャビティを含むノズル本体と、端部閉鎖壁と、ガス燃料キャビティ内に配置される冷却空気チャンバと、ガス燃料キャビティからのガス燃料及びノズル本体を囲む外部スペースからの加圧空気により供給される外側スワーラと、内部で周辺壁を通って延び且つ中央燃料チャンバの端部閉鎖壁を通って突出する冷却空気チャンバの前方突出部とを含む、ガス燃料空気多段拡散ノズルを提供するステップを含む。本方法は更に、上流側ガス燃料源からガス燃料キャビティにガス燃料を供給するステップを含む。ガス燃料は、端部閉鎖壁の周辺付近に定められるガス噴射孔を通って外側スワーラのスワール通路に流れるように分流する。ガス燃料を外側スワーラ内の外部スペースから加圧空気と混合し、ノズル本体の端部閉鎖壁から下流側のバーナ管スペース内に回転方向で吐出する。本方法は更に、ノズル本体を囲む外部スペースから冷却空気チャンバを通ってノズル本体の端部閉鎖壁から下流側のバーナ管スペースに加圧空気を分流し、ノズル先端の冷却及びバーナ管スペース内のガス燃料及び空気の混合を促進するステップを含む。

本発明の更に別の態様は、圧縮機及びタービンを備えたガスタービンの燃焼器内で、燃焼器のバーナ管から上流側に配置されたガス燃料空気多段拡散ノズルを作動させる方法を提供する。本方法は、ノズルの長手方向軸線に沿って配置された外側周辺壁により境界付けられるガス燃料キャビティを備えたノズル本体と、端部閉鎖壁と、ガス燃料キャビティ内に配置される冷却空気チャンバと、ガス燃料キャビティからのガス燃料及びノズル本体を囲む外部スペースからの加圧空気により供給される外側スワーラと、ノズルの下流側端部にある内側スワーラとを含む、ガス燃料空気多段拡散ノズルを提供するステップを含む。本方法は、上流側ガス燃料源からガス燃料キャビティにガス燃料を供給するステップを含む。ガス燃料は、端部閉鎖壁の周辺付近に定められるガス噴射孔を通って外側スワーラのスワール通路に流れるように分流する。ガス燃料は、外側スワーラ内に流入する外部スペースからの加圧空気と混合し、ノズル本体から下流側のバーナ管スペース内に回転方向で外側スワールから吐出する。本方法は更に、ノズル本体を囲む外部スペースから冷却空気チャンバ内に加圧空気を分流するステップを含む。本方法は更に、冷却空気チャンバ内の加圧空気をノズルの先端端部の中心にある内側スワーラを通ってノズルから下流側のバーナ管スペースに旋回させ、これによりノズルの先端を冷却し、バーナ管スペース内のガス燃料と空気の混合を促進するステップを含む。

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の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

本発明の空気多段拡散ノズルについての一実施形態の切り欠き等角図。 本発明の空気多段拡散ノズルの一実施形態の先端においてスワーラを通る冷却空気流を示す拡大切り欠き側面図。 空気多段拡散ノズルの端部の先端の外観図。 空気多段拡散ノズルの冷却空気チャンバの一実施形態の等角図。 本発明の空気多段拡散ノズルの先端端部にある冷却孔の一実施形態における冷却孔を通る冷却空気流を示す拡大図。 吐出流に半径方向成分を提供する、本発明の空気多段拡散ノズルの先端端部において冷却孔を通る交互する冷却空気流路を示す拡大図。 バーナ管を備えた本発明の空気多段拡散ノズルの一実施形態の図。 中央２次燃料ノズルの周りに編成された本発明の空気多段拡散ノズルの実施形態を含む、ガスタービンの燃焼器を示す図。 ガス燃料配管から送り込まれる端部カバー組立体上の外側スワーラ及び内側スワーラを備えた空気多段拡散ノズルの円形構成を示す図。 ガスタービン燃焼器用の空気多段拡散ノズルの先端を冷却する方法のフローチャート。

ガスタービン燃焼器用の空気多段拡散ノズルに関する本発明の以下の実施形態は、ガス燃料と空気の混合を強化し、これによりガスタービンエミションの低減並びに始動時のスート形成の低減を含む、多くの利点がある。空気多段拡散ノズルはまた、主空気流路から空気を抽出し、ノズル先端の中心にて旋回した状態で空気流をもたらす。特に、高反応性燃料では、火炎に近接していることによりノズル先端上で高温が観測される。このバイパス空気を導入することによりノズル先端が冷却され、下流のバーナ管においてノズル先端の表面と高温ガスとの間に冷却空気フィルムが形成される。ノズル先端から空気流が離れ且つ旋回運動を空気流に与えることにより、ガス燃料と空気との混合を強化するよう作用する。本発明の構成は、複数の拡散ノズルを備えた乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器にとって望ましいものであり、また、単一ノズル燃焼器でも有利に用いることができる。

図１は、ガスタービンの燃焼器における本発明の空気多段拡散ノズルについての一実施形態の切り欠き等角図を示す。空気多段拡散ノズルは、周辺壁１１５及び下流側端部閉鎖壁１２５と境界付けられた、長手方向軸線１１１上の円錐台ノズル本体１１０を含み、該ノズル本体内にガス燃料キャビティ１３０を定めることができる。周辺壁１１５は、上流側端部１１２から下流側先端端部１１３まで直径を先細にすることができる。上流側端部１１２からガス燃料源１２０が提供され、ガス燃料キャビティ１３０に供給する。加圧空気１３５は、周辺壁１１５から半径方向外向きで且つ燃焼器（図８）内に密閉される外部スペース１３６により外部から供給することができる。加圧空気１３５は、ガスタービン空気圧縮機（図８）から空気を排出することにより供給することができる。外側スワーラ１４０のスワールベーン１４１は、ノズル本体１１０の端部閉鎖壁１２５から半径方向外向きで下流側に延びて、下流側バーナ管スペース１４５への流れ通路１４２を定めることができる。複数のガス燃料通路１５０は、周辺壁１１５を通過し、ガス燃料キャビティ１３０からスワールベーン１４１間の通路１４２の各々内にガス燃料１５１を供給することができる。スワールベーン１４１の各々を通るガス燃料流及び加圧空気流は、ガス燃料と加圧空気との旋回混合１４３を開始し、ノズル１００から下流側のバーナ管１４５においてガス燃料−加圧空気混合気の旋回を引き続き行う。

冷却空気チャンバ１６０が、端部閉鎖壁１２５に近接してガス燃料キャビティ１３０の下流側端部内に設けることができる。冷却空気チャンバ１６０は、長手方向軸線の周りで端部閉鎖壁１２５の中心部分を通って下流側に延びる突出部１６２を含む、周辺壁１６１を含むことができる。周辺壁１６１は、長手方向軸線に沿って上流側端壁１７７上で閉じたほぼ円筒形とすることができる。突出部１６２は円錐台形とすることができ、側壁１７２が下流側端部にて先細になっている。突出部１６２は、端部閉鎖壁１２５と一体的に形成することができる。

冷却空気チャンバ１６０は、加圧空気１３５の外部スペース１３６と流れ連通することができる。流れ連通路１６５は、周辺壁１１５の対応する貫通部１１６と、中空管体部材１７０と相互接続された冷却空気チャンバ１６０の貫通部１６４とを含むことができる。貫通部１１６、１６４の数及びサイズ並びに対応する中空管体部材１７０の数及び直径１７１は、冷却空気チャンバ１６０に十分な量の加圧空気を提供してノズルの先端を冷却する必要性を満たし、下流側バーナ管スペース１４５からノズル先端端部１１３の下流側面上への高温ガスの衝突を制限し、下流側バーナ管スペース１４５内での混合を促進するよう構成することができる。中空管体１７０は、ノズル本体１１０の周辺壁１１５と冷却空気チャンバ１６０の周辺壁１６１との間に半径方向に配置することができる。中空管体１７０はまた、冷却空気チャンバ１６０の周りで円周方向対称に配置することができる。

冷却空気キャビティ１６０の突出部１６２の下流面１６３は、端部閉鎖壁１２５の下流面１２６と共に連続した同一平面を形成することができる。突出部１６２は、内側面１６６と下流側面１６３との間に複数の冷却流れ通路１６５を含むことができる。以下で詳細に説明するように、冷却通路１６５は、内側スワーラ１８０として構成され、下流面１６３からバーナ管１４５への加圧空気の回転スワールを形成する吐出流１９５を提供することができる。

図２は、空気多段拡散ノズルの切り欠き断面図を示す。図３は、空気多段拡散ノズルの端部の先端の外観図を示す。より具体的には、通路１６５は、バーナ管１４５へ吐出する加圧空気に対して吐出速度１９５を与えるスワールベーン１８１間の内側スワーラ１８０内に配列することができる。吐出速度１９５は、軸方向速度１８３と円周方向速度１８４とを含むことができる。スワールベーン１８１及びバーナ管への通路１６５は、外側スワーラ１４０によってガス燃料混合気に与えられる回転方向１４４と同じ回転方向１９６又は反対の回転方向１９７で円周方向（回転）速度１８４を与えるよう構成することができる。外側スワーラによるガス空気混合気の回転方向に対して突出部１６２を通る加圧空気流の回転方向は、バーナ管においてガス燃料と空気の混合に影響を及ぼす。吐出空気はまた、先端を冷却する傾向があり、下流面１６３上に冷却空気１９０の薄膜を形成する。更に、バーナ管１４５に流入する加圧空気の速度の軸方向成分１８３は、ノズル先端上で衝突するバーナ管内の高温ガスの回転流を抑制することができる。スワールベーン１８１は、更に、ガス空気混合気に半径方向速度成分１８６を加えるよう形成することができ、更に、バーナ管スペース内での混合に影響を及ぼすことができる。

そのため、加圧空気流の容積、加圧空気流の軸方向速度、加圧空気流の回転方向速度、及び外側スワーラからの燃料空気混合気の回転流に対する加圧空気流の回転方向は、バーナ管における燃料及び空気の混合を改善し、これによりエミッション低減及び始動時のスート形成の低減を向上させる調整可能な設計パラメータをもたらす。更に、冷却空気膜の生成及び高温ガスの回転流をノズルの先端から引き離すことによって、加圧空気がノズルの先端を冷却する。

図４は、空気多段拡散ノズルの冷却空気チャンバ１６０に関する一実施形態の等角図を示す。冷却空気チャンバ１６０は、内部の冷却空気キャビティの周りの上流端１７７上で閉鎖したほぼ円筒形本体を形成する周辺壁１６１を含む。下流端部にてノズル（図示せず）用の内側スワーラ１８０を含む、円錐台形状の突出部１６２が下流側に延びている。加圧空気を冷却空気キャビティ１７８内に受ける複数の管体部材１７０は、好ましくは対照的配置で周辺壁１６１から半径方向に延びる。管体の内径１７１は、内側スワーラ１８０に加圧空気の十分な容積を提供するよう定めることができる。内側スワーラ１８０は、下流面を通って吐出させる複数のスワール通路１６５を含むことができ、その配置及び流れ特性は既に上記で説明している。スワール通路１６５の数、形状、サイズ、及び向きは、加圧空気の適切な容量及び流れを提供し、バーナ管スペースにおける冷却及び混合を促進するよう選択することができる。

図５は、先端冷却孔１８７を含む、空気多段拡散ノズルの冷却空気チャンバ１６０に関する一実施形態の突出部１６２の下流面１６３を示す。先端冷却孔１８７は、冷却空気キャビティ１６０の突出部１６２の下流面１６３上並びに壁の内側面１６６（図５）上に円形パターンを形成することができる。それぞれの面１６３、１６６上の先端冷却孔の円形パターンは、長手方向軸線１１１に対して角度方向に変位することができ、下流面１６３からの吐出流１９３が軸方向流れ成分１９８と円周方向流れ成分１９９の両方を含むように突出部１６２を通る通路１９２を定める。それぞれの側部上の先端冷却孔１８７の角度変位が交互に配列されて、円周方向流れ成分を反転させることができ、従って、円周方向の流れを外側スワーラ１４０（図４）により生成されるものと同じ回転方向１９６又は反対の回転方向１９７にすることができる。更に図６に示すように、先端孔１８７は更に、内側面１６６（図３）と下流壁の下流面１６３との間の半径方向変位を提供するよう配列され、下流面１６３から流出する半径方向流れ成分を付加することができる。孔の円形構成が図示されているが、バーナ管内のガス燃料と空気の混合並びにノズル先端の冷却を促進する孔の交互パターン、形状、サイズ、及び数は、本発明の技術的思想の範囲内にあるとみなされる点は理解されたい。

図７は、バーナ管を備えた本発明の空気多段拡散ノズルの一実施形態の拡大図を示す。ノズル１００は、燃料プレート１１４のポート１１７を通してノズル本体１１０の上流側端部に装着されるガス燃料源１１２からガス燃料を受け取る。加圧空気は、外部スペース１３６を通ってノズル本体１１０にて提供される。加圧空気は、周辺壁貫通部１６４を通過し、次いで、管体部材１７０を通って冷却空気チャンバ１６０に流れ、スワーラ壁延長部１４８を過ぎて外側スワーラ１４０に進む。バーナ管１４６は、ノズル本体−バーナ管継手１４７にてノズル本体１１０に接合される。外側スワーラ１４０の流れ通路１４２からのガス燃料空気混合気１４３は、回転スワール及び下流側速度を有してバーナ管スペース１４５内に吐出される。加圧空気は、冷却空気チャンバ１６０を通り、内側スワーラ１８０のスワール通路１６５を過ぎて、回転スワールでバーナ管１４６のバーナ管スペース１４５に流入する。内側スワーラ通路１８０からバーナ管スペース１４５への流れの回転スワールは、外側スワーラ１４０からのスワールに対して同じ回転方向又は反対の回転方向にすることができる。

図８は、本発明の空気多段拡散ノズル１００を含むガスタービン３００用乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器の一実施形態の切り欠き図を示す。ガスタービン３００はまた、圧縮機３１２（部分的に図示される）、複数の燃焼器３１４（便宜上及び明瞭にするために１つが図示されている）、及びタービン３１６（単一のブレードで代表的に示している）を含む。具体的には図示されていないが、タービン３１６は、共通軸線に沿って圧縮機３１２に駆動可能に接続される。圧縮機３１２は、入口空気を加圧し、次いで、該入口空気は燃焼器３１４に逆流され、ここでこの空気を用いて燃焼器３１４を冷却し、また、燃焼プロセスに空気を提供する。１つだけの燃焼器３１４が図示されているが、ガスタービン３００は、その外周の周りに位置付けられた複数の燃焼器３１４を含む。遷移ダクト３１８は、タービン３１６の入口端部と各燃焼器３１４の外側端部を接続し、高温の燃焼生成物をタービン３１６に送給する。

各燃焼器３１４は、実質的に円筒形の燃焼ケーシング３２４を含み、該燃焼ケーシングは、開放前方端部にてボルト３２８を用いてタービンケーシング３２６に固定される。燃焼ケーシング３２４の上流側端部は、端部カバー組立体３３０により閉鎖され、該端部カバー組立体３３０は、ガス、液体燃料、及び空気（並びに必要であれば水）を燃焼器３１４に送り込むため、従来の供給管、マニホルド、及び関連のバルブ、その他を含むことができる。ガス燃料マニホルド３５０は、空気多段拡散ノズル１００にガス燃料を供給することができる。端部カバー組立体３３０は、燃焼器３１４の長手方向軸線３３１の周りに円形アレイで配列された本発明の複数（例えば、６つ）の空気多段拡散ノズル組立体１００（便宜上及び明瞭にするために１つが図示されている）を備える。図９は、外側スワーラ１４０及び内側スワーラ１８０を備え、ガス燃料配管３５０から送り込まれる端部カバー組立体３３０上にある空気多段拡散ノズル１００の円形配列を示している。

再度、図８を参照すると、２次燃料ノズル３８０が中央本体３８１内にて装着することができる。各空気多段燃料ノズル１００は、後方供給セクション３５２からガス燃料１２０が供給され、旋回ガス及び空気混合気をバーナ管スペース１４５に送給する。

燃焼ケーシング３２４内では、遷移ダクト３１８の外側壁３３６に前方端部にて接続する実質的に円筒形の流れスリーブ３３４が、実質的に同心関係で装着される。流れスリーブ３３４は、後方端部にて燃焼ケーシング３２４に接続され、ここで燃焼ケーシング３２４の前方及び後方セクションが接合される。

流れスリーブ３３４内では、同心状に配列された燃焼ライナ３３８があり、その前方端部にて遷移ダクト３１８の内側壁３４０と接続される。燃焼ライナ３３８の後方端部は、燃焼ライナキャップ組立体３４２により支持され、該組立体は燃焼ケーシング３２４内で支持される。遷移ダクト３１８の外側壁３３６、並びに燃焼ケーシング３２４がタービンケーシング３２６にボルト締めされる位置の前方に延びる流れスリーブ３３４の該当部分は、それぞれの周囲面の上にアパーチャ３４４のアレイと共に形成され、空気が圧縮機３１２からアパーチャ３４４を通って流れスリーブ３４４とライナ３３８との間の環状スペース内に燃焼器３１４の上流又は後方に向かって逆流可能にすることができる（流れ矢印３７０で示される）点は理解されるであろう。

この構成は、ライナ３３８と流れスリーブ３３４との間の環状スペース内で流れる空気が、燃焼器３１４の後方端部において再度逆方向に押し出され、空気多段拡散ノズル１００の外部にあるスペース１３６に流入し（図１を参照）、ここで空気がノズルの外側スワーラ１４０に利用されるようになり、また、冷却空気キャビティ１６０に押し出され、内側スワーラ１８０及びバーナ管スペース１４５を通った後、燃焼ゾーン又は燃焼チャンバ３９０に流入する。

外側スワーラのみを有する従来技術の拡散ノズルでは、旋回している燃料空気旋回混合気がバーナ管の外周の周りに外側から吐出されるのに応答して、バーナ管及び予混合管内に高温ガスの再循環バブルが形成される場合がある。この燃料空気混合気の下流側の流れは、下流側からバーナ管の中心領域に沿って上流側に流れる高温ガスの循環を促進し、これにより高温ガスをノズル先端端部の近傍に至らせる。この流れは、ノズルの先端端部を加熱し、始動及び低出力運転中にノズルの先端端部上へのスートの蓄積が促進される。本発明の空気多段ノズルの内側スワーラからの旋回空気では、滞留した再循環高温ガスは先端端部から引き離される。更に、先端端部を通る冷却空気の流れは、先端上の冷却空気の薄膜を促進する。

内側スワーラからの空気の流れは、更に、ノズルの先端端部付近の燃料質量分率を低減し、空気多段散ノズルにより均一な未混合プロファイルを促進する。従来技術において先端端部の中心で発生していた低速領域は、上述のように、内側スワーラの旋回吐出によって修正される。バーナ管の周辺での高速の軸方向速度もまた、内側スワーラによって空気多段ノズルを用いて低減される。更に、燃料質量分率は、バーナ管出口において従来技術よりも更に均一になり、バーナ管出口での非混合性が低減される。この場合、改善された混合は、ガスタービンからのエミッションに好適な影響を与える。

本発明の別の態様によれば、圧縮機及びタービンを備えたガスタービンの燃焼器内に配置される空気多段拡散ノズルの先端端部を冷却する方法が提供され、ここでノズルは燃焼器のバーナ管から上流側に配置される。図１０は、空気多段拡散ノズルのノズル先端を冷却し、バーナ管セクションにおいてガス燃料と空気を混合する方法のフローチャートを示す。

ステップ４１０は、ガス燃料空気多段拡散ノズルを提供し、ここでノズルは、ノズルの長手方向軸線に沿って配置された外側周辺壁により境界付けられるガス燃料キャビティを含むノズル本体と、端部閉鎖壁と、ガス燃料キャビティ内に配置される冷却空気チャンバと、ガス燃料キャビティからのガス燃料及びノズル本体を囲む外部スペースからの加圧空気により供給される外側スワーラと、内部で周辺壁を通って延び且つ中央燃料チャンバの端部閉鎖壁を通って突出する冷却空気チャンバの前方突出部とを含む。ステップ４１５は、上流側ガス燃料源からガス燃料キャビティにガス燃料を供給する。ステップ４２０は、ガス燃料を端部閉鎖壁の周辺付近に定められるガス噴射孔を通って外側スワーラのスワール通路に流れるように分流する。ステップ４２５は、ガス燃料を外側スワーラ内の外部スペースから加圧空気と混合する。ステップ４３０は、旋回ガス燃料及び加圧空気をノズル本体の端部閉鎖壁から下流側のバーナ管スペース内に回転方向で吐出する。

ステップ４４０において、加圧空気を分流するステップは、ガス燃料キャビティの外側周辺壁を通って加圧空気チャンバに流体接続された管体及び冷却空気チャンバの周辺壁を通って内部の冷却空気キャビティに流体接続された管体により、加圧空気を外部スペースから冷却空気チャンバに流すステップを提供する。ノズル本体の及び冷却空気チャンバの周辺壁を通る貫通部並びに管体のサイズ決定は、ノズルの先端を冷却するのに十分な加圧空気流を提供するように定めることができる。ズル本体の及び冷却空気チャンバの周辺壁を通る貫通部並びに管体のサイズ決定は、更に、外側スワーラからバーナスペース内の旋回ガス燃料及び空気の混合を促進するのに十分な加圧空気流を提供するように定めることができる。ステップ４４５において、加圧空気の分流は更に、加圧空気をノズル先端上の冷却空気チャンバの周辺壁の前方突出部にある内側スワーラを通って、ノズルから下流側のバーナ管のスペースに流すステップを含むことができる。この場合、スワールベーン通路のサイズ決定及びスワールベーン通路の方向付けは、ノズル先端の冷却に合わせて構成される。スワールベーン通路のサイズ決定及びスワールベーン通路の方向付けは、バーナ管スペース内でのガス燃料及び空気の混合に合わせて構成することができる。或いは、ステップ４５０は、冷却空気チャンバの周辺壁の前方突出部内で複数の先端孔を通って加圧空気を流すステップを提供する。この場合、先端孔のサイズ決定及び先端孔の方向付けは、ノズル先端の冷却又はバーナスペース内でガス燃料と空気の混合の促進、或いは両方の機能に合わせて構成することができる。

本方法は、スワールベーン及び先端孔の他の構成を含むことができ、更に、スワールベーン及び先端孔の組み合わせを含むこともできる。ノズル先端からの加圧空気の吐出は、ノズルの長手方向軸線に対して加圧空気に下流側軸方向速度及び回転速度を加えることができる。ステップ４６０において、ノズル先端から吐出される加圧空気に加わる回転速度は、外側スワーラからのスワールの方向と同じ方向とすることができ、或いは、ステップ４６５において、外側スワーラからのスワールの方向と反対方向にすることができる。ステップ４８０において、吐出によりノズル先端を冷却する。ステップ４９０において、吐出により、バーナ管スペース内で外側スワーラからガス燃料及び空気の混合を提供する。

本発明の種々の実施形態について説明してきたが、要素の種々の組み合わせ、変型形態、又は改善形態を実施することができ、更にこれらが本発明の範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。

１１０ 円錐台ノズル本体
１１１ 長手方向軸線
１１２ 上流側端部
１１３ 下流側先端端部
１１５ 周辺壁
１１６ 貫通部
１２５ 下流側端部閉鎖壁
１２６ 下流面
１３０ ガス燃料キャビティ
１３５ 加圧空気
１３６ 外部スペース
１４０ 外側スワーラ
１４１ スワールベーン
１４２ 流れ通路
１４３ 旋回混合
１４５ 下流側バーナ管スペース
１５０ ガス燃料通路
１５１ ガス燃料
１６０ 冷却空気チャンバ
１６１ 周辺壁
１６２ 突出部
１６３ 下流面
１６４ 貫通部
１６５ 流れ連通路
１７０ 中空管体部材
１７１ 直径
１７２ 側壁
１７７ 上流側端壁
１８０ 内側スワーラ
１９５ 吐出流

Claims (20)

1. ガス燃料源及び加圧空気源を含むガスタービンの燃焼器内に配置された空気多段拡散ノズルであって、ガス燃料ノズルが前記燃焼器のバーナ管スペースに吐出し、前記空気多段拡散ノズルが、
   前記ノズルの長手方向軸線に沿って配置された外側周辺壁により境界付けられるガス燃料キャビティを含むノズル本体と、端部閉鎖壁と、前記ガス燃料キャビティ内に配置される冷却空気チャンバと、前記ガス燃料キャビティからのガス燃料及び前記ノズル本体を囲む外部スペースからの加圧空気により供給される外側スワーラと、内部で前記周辺壁を通って延びており、且つ長手方向軸線に沿って配置されて遠位方向には前記端部閉鎖壁によって境界付けられ、近位方向には前記ガス燃料源への接続により境界付けられ、及び周辺方向には環状壁によって境界付けられるガス燃料キャビティを含む端部閉鎖ノズル本体を貫通して突出する、前記冷却空気チャンバの前方突出部と、
   前記環状壁の先端端部から延びて下流側バーナ管スペースへの旋回軸方向通路を形成するスワールベーンを備えた外側スワーラと、
   前記外側スワーラの旋回軸方向通路及び前記ガス燃料キャビティから前記第１の環状壁を通って前記外側スワーラの旋回軸方向通路への複数の通路と流体連通した加圧空気源を含み、前記外側スワーラが、ガス燃料及び加圧空気の旋回混合気を前記燃焼器の下流側バーナ管スペースに送給する、前記ガス燃料キャビティの環状壁の外部にあるスペースと、
   前記ガス燃料キャビティの遠位端に近接して配置され且つ前記端部閉鎖壁を通って前記燃焼器のバーナ管スペースに軸方向に延びた外側周辺壁を含む、前記ガス燃料キャビティ内に密閉された冷却空気チャンバと、
   前記冷却空気チャンバと流体連通して結合された外部加圧空気スペースから前記ガス燃料キャビティの環状壁を通る複数の通路と、
   前記冷却空気チャンバの周辺壁の遠位端を通って前記燃焼器のバーナ管スペースに加圧空気を流体連通する複数の通路と
   を備える、空気多段拡散ノズル。
2. 前記冷却空気チャンバと前記燃焼器のバーナ管スペースとの間で加圧空気を流体連通する前記複数の通路が、前記外側スワーラによって提供される旋回と同じ回転方向で加圧空気の旋回吐出を提供する、前記冷却空気チャンバの突出部の先端端部上に先端孔を含む、請求項１記載の空気多段拡散ノズル。
3. 前記冷却空気チャンバと前記燃焼器のバーナ管スペースとの間で加圧空気を流体連通する前記複数の通路が、前記外側スワーラによって提供される旋回と反対の回転方向で加圧空気の旋回吐出を提供する、前記冷却空気チャンバの突出部の先端端部上に先端孔を含む、請求項１記載の空気多段拡散ノズル。
4. 前記冷却空気チャンバと前記燃焼器のバーナ管との間で加圧空気を流体連通する前記複数の通路が、前記外側スワーラによって提供される旋回と同じ回転方向で加圧空気の旋回吐出を提供するスワーラを含む、請求項１記載の空気多段拡散ノズル。
5. 前記冷却空気チャンバと前記燃焼器のバーナ管スペースとの間で加圧空気を流体連通する前記複数の通路が、前記外側スワーラによって提供される旋回と反対の回転方向で加圧空気の旋回吐出を提供するスワーラを含む、請求項１記載の空気多段拡散ノズル。
6. 管状通路を通って前記冷却空気チャンバに結合された管状壁を通る複数の通路が、前記冷却空気チャンバの周りに対称的に配置された半径方向管体を含む、請求項１記載の空気多段拡散ノズル。
7. 前記空気多段拡散ノズルの先端から前記バーナ管スペースに流れる前記加圧空気が、前記端部閉鎖壁を冷却する、請求項１記載の空気多段拡散ノズル。
8. 前記ガス燃料ノズルの先端から流れる前記加圧空気が、前記バーナ管スペースの高温ガスを前記端部閉鎖壁から引き離すようにする、請求項１記載の空気多段拡散ノズル。
9. 前記加圧空気がガスタービンの圧縮機から提供される、請求項１記載の空気多段拡散ノズル。
10. 前記冷却空気チャンバの突出部の先端端部が、前記冷却空気チャンバの主本体から前記端部閉鎖壁の遠位面と同一平面にある外部遠位面まで半径方向に先細になっている、請求項１記載の空気多段拡散ノズル。
11. 圧縮機と、タービンと、少なくとも１つの燃焼器と、ガス燃料源及び加圧空気源を含む複数の空気多段拡散ノズルとを備えたガスタービンであって、ガス燃料ノズルが前記燃焼器のバーナ管スペースに吐出し、前記空気多段拡散ノズルが、
    長手方向軸線に沿って配置され、遠位方向には前記端部閉鎖壁によって境界付けられ、近位方向には前記ガス燃料源への接続により境界付けられ、及び周辺方向には環状壁によって境界付けられるガス燃料キャビティを含むノズル本体と、
    前記環状壁の先端端部から延びて下流側バーナ管スペースへの旋回軸方向通路を形成するスワールベーンを備えた外側スワーラと、
    前記外側スワーラの旋回軸方向通路と、前記ガス燃料キャビティから前記第１の環状壁を通って前記外側スワーラの旋回軸方向通路への複数の通路と流体連通した加圧空気源を含み、前記外側スワーラが、ガス燃料及び加圧空気の旋回混合気を前記燃焼器の下流側バーナ管スペースに送給する、前記ガス燃料キャビティの環状壁の外部にあるスペースと、
    前記ガス燃料キャビティの遠位端に近接して配置され且つ前記端部閉鎖壁を通って前記燃焼器のバーナ管スペースに軸方向に延びた外側周辺壁を含む、前記ガス燃料キャビティ内に密閉された冷却空気チャンバと、
    前記冷却空気チャンバと流体連通して結合された外部加圧空気スペースから前記環状壁を通る複数の通路と、
    前記冷却空気チャンバの周辺壁の遠位端を通って前記燃焼器のバーナ管スペースに加圧空気を流体連通する複数の通路と、
    を備える、ガスタービン。
12. 管状通路を通って前記冷却空気チャンバに結合された前記ノズル本体の管状壁を通る前記空気多段拡散ノズルの複数の通路が、前記冷却空気チャンバの周りに配置された半径方向管体を含む、請求項１１記載のガスタービン燃焼器。
13. 前記ノズルの環状壁を通って前記冷却空気チャンバへの前記空気多段拡散ノズルの複数の半径方向管体が、前記冷却空気チャンバの周りに対称的に配置される、請求項１１記載のガスタービン燃焼器。
14. 前記ノズルの環状壁を通る前記空気多段拡散ノズルの複数の半径方向管体が、前記バーナ管スペース内の高温ガスを分流することによる前記ノズルの先端の冷却と、前記バーナ管スペース内のガス燃料及び空気混合気の混合との一方に十分な加圧空気流を提供するようなサイズにされる、請求項１３記載のガスタービン燃焼器。
15. 前記冷却空気チャンバと前記燃焼器のバーナ管スペースとの間で加圧空気を流体連通する前記空気多段拡散ノズルの複数の通路が、前記外側スワーラによって提供される旋回と同じ回転方向で加圧空気の旋回吐出を提供する、前記冷却空気チャンバの突出部の先端端部上に先端孔を含む、請求項１３記載のガスタービン燃焼器。
16. 前記冷却空気チャンバと前記燃焼器のバーナ管スペースとの間で加圧空気を流体連通する前記空気多段拡散ノズルの複数の通路が、前記外側スワーラによって提供される旋回と反対の回転方向で加圧空気の旋回吐出を提供する、前記冷却空気チャンバの突出部の先端端部上に先端孔を含む、請求項１３記載のガスタービン燃焼器。
17. 前記冷却空気チャンバと前記燃焼器のバーナ管スペースとの間で加圧空気を流体連通する前記複数の通路が、前記外側スワーラによって提供される旋回と同じ回転方向で加圧空気の旋回吐出を提供する内側スワーラを含む、請求項１１記載のガスタービン燃焼器。
18. 前記冷却空気チャンバと前記燃焼器のバーナ管スペースとの間で加圧空気を流体連通する前記複数の通路が、前記外側スワーラによって提供される旋回と反対の回転方向で加圧空気の旋回吐出を提供する内側スワーラを含む、請求項１１記載のガスタービン燃焼器。
19. 前記ガス燃料ノズルの先端から流れる前記加圧空気が、前記バーナ管スペースの高温ガスを前記端部閉鎖壁から引き離すことによって前記ノズルの先端端部を冷却する、請求項１１記載のガスタービン燃焼器。
20. 前記ガス燃料ノズルの先端から流れる前記加圧空気が、前記バーナ管スペース内の前記外側スワーラから流れる前記ガス燃料及び空気混合気の混合を増大させる、請求項１１記載のガスタービン燃焼器。