JP2012141125A - 保炎緩和のための燃料千鳥状供給を備えた燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】本出願は、燃焼器（１００）を提供する。
【解決手段】本燃焼器（１００）は、その中に空気（２０）の流れを有する空気流路（１１０）を含むことができる。流れ妨害物（１７０）は、空気流路（１１０）内に配置しかつその下流に伴流又は再循環ゾーン（１９０）を生じさせることができる。幾つかの燃料噴射器（１４０）は、流れ妨害物（１７０）の下流に配置することができる。燃料噴射器（１４０）は、伴流又は再循環ゾーン（１９０）内における燃料（３０）及び空気（２０）の流れが可燃ゾーンを越えずかつ可燃限界を超えないように、空気流路（１１０）内に該燃料（３０）の流れを噴射することができる。
【選択図】 図３

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、局所的流れ妨害物及びその他のタイプの流れ攪乱部による保炎緩和のための燃料千鳥状供給及び／又は燃料噴射器千鳥状配置を備えた燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンでは、運転効率は一般的に、燃焼ストリームの温度が上昇するにつれて増大する。しかしながら、より高い燃焼ストリーム温度は、より高いレベルの窒素酸化物（「ＮＯｘ」）及びその他のタイプのエミッションを発生させる可能性がある。そのようなエミッションは、アメリカ合衆国で連邦及び州規制の両方を受ける可能性がありまた海外でも同様の規制を受ける可能性がある。従って、効率的な温度範囲でガスタービンエンジンを運転することと同時にＮＯｘ及びその他のタイプの規制エミッションの発生を規制レベル以下に維持することの間には、微妙なバランスが存在する。

乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器を使用する設計のような幾つかのタイプの公知のガスタービンエンジン設計は一般的に、幾つかの予混合燃料ノズルにより反応又は燃焼ゾーンの上流において燃料流れ及び空気流れを予混合してＮＯｘエミッションを低減するようにしている。そのような予混合は、全体燃焼温度を低下させ、従ってＮＯｘエミッション及び同様のものを低減させる傾向になる。

しかしながら、予混合は、保炎、逆火、自己着火及び同様のもののような幾つかの運転上の問題を生ずる可能性がある。これらの問題は、高反応性燃料を使用する場合に特に懸案となる。例えば、着火源と考えると、多量の水素又はその他のタイプの燃料を使用する燃料ノズルの上流における燃焼器のヘッドエンド内に、火炎が存在する可能性がある。従って、あらゆるタイプの燃料リッチポケットが火炎を維持しかつ燃焼器に損傷を引起こすおそれがある。

その他の予混合問題は、燃料流れ及び空気流れ内における不規則性によるものである。例えば、流れスリーブ及びライナ間の流入通路を通る流れを中断させる可能性がある幾つかの流れ妨害物が存在する可能性がある。ヘッドエンドの上流における空気流内に燃料を噴射する燃料噴射器ベーンを有する燃焼器では、これらの流れ攪乱部は、ベーンの後縁に流れ再循環ゾーンを形成する可能性がある。これらの再循環ゾーンにより着火可能燃料−燃料空気混合気の安定ポケットが生じる可能性があり、この安定ポケットが次に、着火源となる保炎又はその他のタイプの燃焼事象を引起こすおそれがある。

米国特許第７７０７８３３号明細書

従って、燃焼器設計の改善に対する要望が存在する。そのような設計は、燃料噴射器の上流に、保炎、逆火、自己着火及び同様のものを回避するための流れ攪乱部を収容すべきである。さらに、保炎マージンの増大により、性能及びエミッションを向上させるより高反応性燃料の使用を可能にすることができる。

従って、本出願は、燃焼器を提供する。本燃焼器は、本燃焼器は、その中に空気の流れを有する空気流路を含むことができる。流れ妨害物は、空気流路内に配置しかつその下流に伴流又は再循環ゾーンを生じさせることができる。幾つかの燃料噴射器は、流れ妨害物の下流に配置することができる。燃料噴射器は、伴流又は再循環ゾーン内における燃料及び空気の流れが可燃限界を超えないように、空気流路内に該燃料の流れを噴射することができる。

本出願はさらに、燃焼器を提供する。本燃焼器は、本燃焼器は、その中に空気の流れを有する空気流路を含むことができる。流れ妨害物は、空気流路内に配置しかつその下流に伴流又は再循環ゾーンを生じさせることができる。幾つかの燃料噴射器は、流れ妨害物の下流に配置することができる。燃料噴射器は、伴流又は再循環ゾーンの外側に配置することができる。

本出願はさらに、燃焼器を提供する。本燃焼器は、本燃焼器は、その中に空気の流れを有する空気流路を含むことができる。流れ妨害物は、空気流路内に配置しかつその下流に伴流又は再循環ゾーンを生じさせることができる。幾つかの燃料噴射器は、流れ妨害物の下流に配置することができる。燃料噴射器の１以上は、伴流又は再循環ゾーンの下流においてであるが該伴流又は再循環ゾーンと一致させて配置された下流燃料噴射器とすることができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

本明細書で使用することができるような公知のガスタービンエンジンの概略図。 公知の燃焼器の側面断面図。 本明細書に記載することができるような燃焼器の部分概略図。 本明細書に記載することができるような別の燃焼器の部分概略図。 本明細書に記載することができるようなさらに別の燃焼器の部分概略図。 本明細書に記載することができるようなさらに別の燃焼器の部分概略図。

次に、幾つかの図を通して同じ参照符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、本明細書で使用することができるようなガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを加圧する。圧縮機は、加圧した空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、加圧した空気２０の流れを加圧した燃料３０の流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させて、燃焼ガス３５の流れを形成する。単一の燃焼器２５のみを示しているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス３５の流れは次に、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して、機械的仕事を産成する。タービン４０内で産生された機械的仕事は、圧縮機１５並びに発電機及び同様のもののような外部負荷４５を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス、及び／又はその他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって売り出されている、高出力９ＦＡガスタービンエンジン及び同様のもののようなガスタービンエンジンを含む幾つかの異なるガスタービンエンジンのいずれか１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができまたその他のタイプの構成要素を使用することができる。本明細書では、その他のタイプのガスタービンエンジンもまた、使用することができる。本明細書では、複数のガスタービンエンジン、その他のタイプのタービン及びその他のタイプの発電装置もまた、共に使用することができる。

図２は、ガスタービンエンジン１０で使用することができる公知の燃焼器２５の簡略実施例を示している。一般的に説明すると、燃焼器２５は、その中に配置された幾つかの燃料ノズル５５を備えた燃焼チャンバ５０を含むことができる。燃料ノズル５５の各々は、一般的には液体燃料用の中心燃料通路６０を含むことができる。燃料ノズル５５はまた、幾つかの燃料噴射器６５を含むことができる。燃料噴射器６５は、１以上のスワーラ７０の回りに配置することができる。スワーラ７０は、その中における空気２０の流れ及び燃料３０の流れの予混合を助ける。燃料噴射器６５は、予混合燃料及び同様のもので使用することができる。本明細書では、その他のタイプの燃料及びその他のタイプの燃料回路も使用することができる。

空気２０の流れは、圧縮機１５から流入空気流路７５を介して燃焼器２５に流入することができる。流入空気流路７５は、燃焼チャンバ５０のライナ８０及び外側ケーシング８５間に形成することができる。空気２０の流れは、流入空気流路７５に沿って移動しかつ次に燃料ノズル５５の周りでその方向を逆にすることができる。空気２０の流れ及び燃料３０の流れは、燃焼チャンバ５０内において燃料ノズル５５の下流で点火燃焼して、燃焼ガス３５の流れがタービン４０に向けて導かれるようにすることができる。本明細書では、その他の構成及びその他の構成要素も使用することができる。

燃焼器２５はまた、ライナ８０及びケーシング８５間で流入空気流路７５の回りに配置された希薄プレノズル燃料噴射システム９０を有することができる。希薄プレノズル燃料噴射システム９０は、幾つかの燃料ペグ又は燃料噴射器９２を有することができる。燃料噴射器９２は、空気力学的翼形又は流線形形状を有することができる。本明細書では、その他の形状も使用することができる。燃料噴射器９２は各々、その中に幾つかの噴射孔９４を有することができる。燃料噴射器９２及び噴射孔９４の数及び位置は、予混合に最適にすることができる。本明細書では、予混合燃料又はその他のタイプの燃料流れ３０も使用することができる。

上記のように、幾つかの流れ妨害物９６もまた流入空気流路７５内に配置される可能性がある。それらの流れ妨害物９６は、幾つかのクロスファイヤ管９８のような構造となる可能性がある。その他のタイプの妨害物９６には、ライナ貫通口、ライナストッパ及び同様のものが含まれる可能性がある。それらの流れ妨害物９６は、低速度伴流或いは低又は負速度再循環ゾーンを形成する可能性がある。伴流又は再循環ゾーンは、燃焼噴射器９２の１以上を囲みかつ／或いはその他のタイプの局所的流れ攪乱部を形成する可能性がある。従って、燃料噴射器９２の孔９４からの燃料３０の流れは、伴流又は再循環ゾーン内において上流方向に引込まれる可能性がある。これらの流れ妨害物９６はそのような流れ攪乱部を生じさせる可能性があるが、これらの構造は、それとは別に効率的な燃焼器作動には必要である。

図３は、本明細書に記載することができるような燃焼器１００の一部分を示している。具体的には、空気流路１１０は、ライナ１２０及びケーシング１３０間に構成することができる。空気流路１１０はまた、その他の構造（体）間に構成することができる。燃焼器１００は、空気流路１１０内に配置された幾つかの燃料ペグ又は燃料噴射器１４０を含むことができる。燃料噴射器１４０は同様に、耐保炎性を最適にする空気力学的翼形又は流線形形状１５０を有することができる。本明細書では、その他の形状も使用することができる。あらゆる寸法又は位置で、多くの燃料噴射器１４０を使用することができる。燃料噴射器１４０は各々、その中に幾つかの噴射孔１６０を有することができる。噴射孔１６０は、燃料噴射器１４０の一方又は両方の側面上に配置することができる。あらゆる寸法又は位置で、多くの噴射孔１６０を使用することができる。本明細書では、その他の構成及びその他の構成要素も使用することができる。

空気流路１１０はまた、その中に１以上の流れ妨害物１７０を含む可能性がある。流れ妨害物１７０は、クロスファイヤ管１８０、或いはライナ貫通口、ライナストッパ及び同様のものを含むあらゆるその他のタイプの流れ妨害物である可能性がある。流れ妨害物は、空気２０の流れ内に流れ攪乱を発生させる可能性があるあらゆる構造となる可能性がある。流れ攪乱は、伴流又は再循環ゾーン１９０及び同様のものとして作用することができる低又は負速度を有する伴流或いはその他の領域である可能性がある。

この実施例では、燃料噴射器１４０は、その伴流又は再循環ゾーン１９０内において流れ妨害物１７０の下流に配置された幾つかの非供給燃料噴射器２００を含むことができる。残りの燃料噴射器１４０は、供給燃料噴射器２１０とすることができる。伴流又は再循環ゾーン１９０における燃焼噴射器１４０内の燃料３０の流れを除去することによって、逆火及び同様のものを生じる可能性があるその燃料同伴の可能性を減少させることができる。燃料３０の流れが伴流又は再循環ゾーン１９０に流入する限りにおいて、その中における非供給燃料噴射器２００の故に、最大燃料−空気混合気は、多くの所定の条件における可燃限界を決して超えることはない。従って、伴流又は再循環ゾーン１９０の外側の、下流の或いはそれとは別に離れた位置というのは、燃料噴射器１４０の位置が、空気流路１１０内における全体バルク速度に関して許容可能な速度範囲内にあることを意味している。本明細書では、その他の構成及びその他の構成要素も使用することができる。

図４は、本明細書に記載することができるような燃焼器２２０の別の実施形態である。上記のように、燃焼器２２０は、空気流路１１０内に配置された幾つかの燃料ペグ又は燃料噴射器１４０を含む。この実施例では、流れ妨害物１７０によって生じた伴流又は再循環ゾーン１９０の下流に配置された燃料噴射器１４０は全く存在しない。それどころか、非妨害通路２３０を使用することができる。非妨害通路２３０は同様に、その中における燃料３０の流れを除去することによって伴流又は再循環ゾーン１９０内における燃料同伴の可能性を排除する。燃料３０の流れが伴流又は再循環ゾーン１９０に流入する限りにおいて、非妨害通路２３０の故に、最大燃料−空気混合気は、多くの所定の条件における可燃限界を決して超えることはない。本明細書では、その他の構成及びその他の構成要素も使用することができる。

図５は、本明細書に記載することができるような燃焼器２４０のさらに別の実施形態である。この実施例では、燃焼器２４０は、流れ妨害物１７０の下流において空気流路１１０内に配置された幾つかの燃料噴射器１４０を含む。この実施例では、伴流又は再循環ゾーン１９０内に幾つかの減（燃料）流量燃料噴射器２５０を配置することができる。伴流又は再循環ゾーン１９０の外側には、供給燃料噴射器２１０を配置することができる。従って、伴流又は再循環ゾーン１９０内における減流量燃料噴射器２５０を通る燃料３０の流れを減少させることにより、最大燃料−空気混合気が多くの所定の条件における可燃限界を決して超えることがないので、保炎及び同様のものを防止することができる。本明細書では、その他の構成及びその他の構成要素も使用することができる。

図６は、本明細書に記載することができるような燃焼器２６０のさらに別の実施形態である。燃焼器２６０はまた、流れ妨害物１７０の下流において空気流路１１０内に配置された幾つかの燃料噴射器１４０を含むことができる。この実施例では、燃料噴射器１４０は、幾つかの下流燃料噴射器２７０を含むことができる。下流燃料噴射器２７０は、例えば供給燃料噴射器２１０のさらに下流にかつ流れ妨害物１７０によって生じた伴流又は再循環ゾーン１９０の下流に配置することができる。下流燃料噴射器２７０はまた、供給燃料噴射器２１０とすることができる。伴流又は再循環ゾーン１９０から燃料噴射器１４０及び燃料３０の流れを除去することによりまた、均一な燃料プロフィールを維持しながら燃料同伴の可能性を排除する。燃料３０の流れが伴流又は再循環ゾーン１９０に流入する限りにおいて、その中に燃料噴射器１４０が存在しない故に、最大燃料−空気混合気は、多くの所定の条件における可燃限界を決して超えることはない。本明細書では、その他の構成及びその他の構成要素も使用することができる。

従って、使用中に、本明細書に記載した燃焼器は、流れ妨害物１７０の下流における燃料同伴の可能性を減少させて、燃料噴射器１４０の周りにおける保炎及びその他のタイプの燃焼事象の可能性を減少させるようにする。燃料噴射器１４０は、流れ妨害物１７０によって生じた伴流又は再循環ゾーンに供給することができる燃料−空気比を変更することができる。燃料噴射器１４０はまた、大きな保炎マージンを有して、ガスタービンエンジン１０全体がより高い反応性燃料を使用することができるようになる。

上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気の流れ
２５ 燃焼器
３０ 燃料の流れ
３５ 燃焼ガスの流れ
４０ タービン
４５ 負荷
５０ 燃焼チャンバ
５５ 燃料ノズル
６０ 中心燃料通路
６５ 燃料噴射器
７０ スワーラ
７５ 流入空気流路
８０ ライナ
８５ ケーシング
９０ プレノズル燃料噴射システム
９２ 燃料噴射器
９４ 噴射孔
９６ 流れ妨害物
９８ クロスファイヤ管
１００ 燃焼器
１１０ 空気流路
１２０ ライナ
１３０ ケ−シング
１４０ 燃料噴射器
１５０ 翼形形状
１６０ 噴射孔
１７０ 流れ妨害物
１８０ クロスファイヤ管
１９０ 伴流又は再循環ゾーン
２００ 非供給燃料噴射器
２１０ 供給燃料噴射器
２２０ 燃焼器
２３０ 非妨害通路
２４０ 燃焼器
２５０ 減流量燃料噴射器
２６０ 燃焼器
２７０ 下流燃料噴射器

Claims (10)

1. 燃焼器（１００）であって、
   空気（２０）の流れを有する空気流路（１１０）と、
   前記空気流路（１１０）内に配置されかつその下流に伴流又は再循環ゾーン（１９０）を生じさせる流れ妨害物（１７０）と、
   前記流れ妨害物（１７０）の下流に配置された複数の燃料噴射器（１４０）であって、前記伴流又は再循環ゾーン（１９０）内における燃料（３０）及び空気（２０）の流れがその中での可燃限界を超えないように前記空気流路（１１０）内に該燃料（３０）の流れを噴射する、複数の燃料噴射器（１４０）と
   を備える、燃焼器（１００）。
2. 前記複数の燃料噴射器（１４０）が、前記伴流又は再循環ゾーン（１９０）内に１以上の非供給燃料噴射器又は噴射器ペグ（２００）を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。
3. 前記複数の燃料噴射器（１４０）が、前記伴流又は再循環ゾーン（１９０）の外側に複数の供給燃料噴射器（２１０）を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。
4. 前記複数の燃料噴射器（１４０）が、前記伴流又は再循環ゾーン（１９０）内に１以上の減流量燃料噴射器（２５０）を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。
5. 前記複数の燃料噴射器（１４０）が、前記伴流又は再循環ゾーン（１９０）の下流に非妨害流路（２３０）を形成する、請求項１記載の燃焼器（１００）。
6. 前記複数の燃料噴射器（１４０）が、前記伴流又は再循環ゾーン（１９０）の下流においてであるが該伴流又は再循環ゾーン（１９０）と一致させて１以上の下流燃料噴射器（２７０）を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。
7. 前記空気流路（１１０）が、ライナ（１２０）及びケーシング（１３０）によって形成される、請求項１記載の燃焼器（１００）。
8. 前記複数の燃料噴射器（１４０）の下流に複数の燃料ノズル（５５）をさらに含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。
9. 前記複数の燃料噴射器（１４０）が、翼形形状（１５０）を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。
10. 前記複数の燃料噴射器（１４０）が、その中に複数の噴射孔（１６０）を含む、請求項１記載の燃焼器（１００）。