JP2013139994A - 燃焼器および該燃焼器内に燃料を分配するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器の少なくとも一部にわたって半径方向に延在するチューブブロックを含む燃焼器を提供する。
【解決手段】このチューブ束３２は、下流面から軸方向に分離された上流面を含む。複数の管が、上流面から下流面を貫通して延在しており、各々の管によってチューブ束３２を通る流体連通が実現する。バッフルが、隣接する管の間でチューブ束３２内に軸方向に延在している。燃焼器１０内に燃料を分配する方法は、上流面、下流面、シュラウド、および上流面から下流面に延在する複数の管によって少なくとも一部が画定される燃料プリナムに燃料を流し込むステップを含む。この方法はさらに、隣接する管の間で燃料プリナムの内に軸方向に延在するバッフルに対してこの燃料をぶつけるステップを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に燃焼器、および該燃焼器に燃料を分配するための方法に関する。

燃焼器は一般に工業および発電作業において利用されており、燃料を燃やすことで高温および高圧の燃焼ガスを生成することを目的としている。例えば、ガスタービンなどのターボ機械は典型的には、１つまたは複数の燃焼器を含むことで動力や推力を生成する。電力を生成するのに使用される典型的なガスタービンは、前方に軸流圧縮機、中央付近に１つまたは複数の燃焼器、および後方にタービンを含んでいる。周辺空気を圧縮機に供給することができ、圧縮機の中で回転する動翼と静翼が徐々に作動流体（空気）に運動エネルギーを与えることで、高度に活性化された状態の圧縮された作動流体を形成する。この圧縮された作動流体は、圧縮機を出て、１つまたは複数のノズルを通って各々の燃焼器の燃焼室へと流れ込み、そこで圧縮作動流体が燃料と混ざって燃え出し、高温および高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスがタービンの中で膨張して労力を形成する。例えば燃焼ガスがタービン内で膨張することで、生成器に接続されたシャフトが回転して電気を生成することができる。

燃焼器の設計および作動は、多様な設計および作動パラメータによって影響を受ける。例えば燃焼ガスの温度を高くすると一般に燃焼器の熱力学的効果が上がる。しかしながら燃焼ガスの温度を高くすると、逆火や保炎状態を促進することにもなり、この場合燃焼炎は、ノズルによって供給されている燃料の方に移動し、場合によっては比較的短時間の間にノズルの深刻な損傷を引き起こす場合もある。これに加えて燃焼ガスの温度を高くすると一般には、二原子窒素の分裂速度が速まり、酸化窒素（ＮＯ_x）の生成が増える。逆の言い方をすれば、燃料の流れが少ないおよび／または部分負荷運転（減量運転）に関連して燃焼ガスの温度が低くなると一般には、燃焼ガスの化学反応速度が遅くなり、一酸化炭素および未燃焼の炭化水素の生成が増える。

特定の燃焼設計において、燃焼器は、燃焼器の少なくとも一部にわたって半径方向に延在する端部キャップを含む場合があり、複数の管を、この端部キャップの端から端にわたる１つまたは複数のチューブ束の中に半径方向に配置することで、端部キャップを通って燃焼室に流れ込む作業流体の流体連通を形成することができる。端部キャップの中にある燃料プリナムに燃料が供給されて管の周りを流れることでこの管に対する対流冷却を実現することができる。燃料はその後管へと流れ込み、管を流れる作業流体と混ざってから、管から出て燃焼室に流れ込む。

逆炎や保炎に対して保護し、望ましくない排気を制御しつつ、より高温の作動温度を可能にする点で有効ではあるが、管の周りを流れ、その中に流れ込む燃料が均一に分配されない場合がある。具体的には管それ自体が、燃料の流れを阻止し、燃料が、燃料の流れの方向とは反対の管の側にまで均一に流れるのを阻止する場合がある。その結果、燃料によってもたらされる対流冷却、およびプレミキサーである管の中を流れる燃料の濃度が、チューブブロックにわたって半径方向に変化する可能性がある。この２つの作用により燃焼室に局所的なホットスポットおよび／または燃料ストリークが形成される場合があり、これにより逆火や保炎に関連する設計マージンが低下し、望ましくない排気が増大する恐れがある。したがって燃料の分配および冷却を改善させる燃焼器、および該燃焼器内に燃料を分配するための方法が有益となる。

本発明の態様および利点は、以下の記載においてこの後に記載される、またはこの記載から明確になり得る、または本発明の実施を通して理解することができる。

本発明の一実施形態は、燃焼器の少なくとも一部にわたって半径方向に延在するチューブ束を含んだ燃焼器であり、該チューブ束は、下流面から軸方向に分離された上流面を備えている。複数の管が、上流面から下流面を貫通して延びており、各々の管によってチューブ束を通る流体連通が実現される。バッフルが、隣接する管の間でチューブ束内に軸方向に延びている。

本発明の別の実施形態は、燃焼器の少なくとも一部にわたって半径方向に延在するチューブ束を含んだ燃焼器である。このチューブ束は、下流面から軸方向に分離された上流面を備えている。シュラウドが、上流および下流面を円周方向に囲むことで、少なくとも部分的にチューブ束の内部に燃料プリナムを画定する。複数の管が、チューブ束の上流面から下流面を貫通して延在することで、各々の管によってチューブ束を通る流体連通が実現する。燃焼器はさらに、複数の管の周りに燃料を分配するための手段を含んでいる。

本発明はまた、燃焼器内に燃料を分配するための方法を含むことができ、この方法は、上流面、上流面から軸方向に分離された下流面、上流面と下流面を円周方向に囲むシュラウド、および上流面から下流面に延在する複数の管によって少なくとも一部が画定される燃料プリナムに燃料を流し込むステップを含む。方法はさらに、隣接する管の間で燃料プリナム内に軸方向に延在するバッフルに対して燃料をぶつけるステップを含んでいる。

当業者は、この明細書を精査することで、このような実施形態ならびに他の実施形態の特徴および態様をより適切に理解するであろう。

本発明の完全なかつ実施可能な開示には、当業者にとって最適なその態様が含まれており、添付の図面を参照することを含めた本明細書の残りの部分により具体的に記載されている。

本発明の一実施形態による例示の燃焼器の簡素化された側部断面図である。 本発明の第１の実施形態による線Ａ−Ａに沿って切り取られた図１に示されるチューブ束の拡大された側部断面図である。 線Ｂ−Ｂに沿って切り取られた図２に示されるチューブ束の軸方向の断面図である。 本発明の第２の実施形態による線Ａ−Ａに沿って切り取られた図１に示されるチューブ束の拡大された側部断面図である。 線Ｃ−Ｃに沿って切り取られた図４に示されるチューブ束の軸方向の断面図である。 本発明の代替の実施形態による線Ｃ−Ｃに沿って切り取られた図４に示されるチューブ束の軸方向の断面図である。 本発明の代替の実施形態による線Ｃ−Ｃに沿って切り取られた図４に示されるチューブ束の軸方向の断面図である。

ここで本発明の当面の実施形態を詳細に参照すると、その１つまたは複数の例が添付の図面に例示されている。詳細な記載は、図面の特徴部分を指すのに数字と文字の記号を利用している。図面中の同様のまたは同等の記号は、本発明の同様または同等の部品を指すのに使用されている。本明細書で使用されるように、用語「上流」および「下流」は、流路中の構成要素の相対的な位置を指している。例えば流体が構成要素Ａから構成要素Ｂに流れる場合、構成要素Ａは構成要素Ｂから上流にある。逆に構成要素Ｂが、構成要素Ａから流体の流れを受け取る場合、構成要素Ｂは構成要素Ａから下流にある。

各々の例は、本発明を説明するために提供されており、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明に対する修正形態および変形形態を作製することができることは当業者には明らかであろう。例えばある実施形態の一部として示され記載される特徴を、別の実施形態で使用することでさらに別の実施形態を生み出す場合がある。したがって本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内にある限り、このような修正形態および変形形態を包含することが意図されている。

本発明の多様な実施形態には、燃焼器と、燃焼器内に燃料を分配するための方法が含まれている。燃焼器は一般に、複数の管を有するチューブ束を含んでおり、これにより燃焼室に入る前に燃料と作業流体を完全に混ぜ合わせることができる。特定の実施形態において、燃焼器はまた、バッフル、または管の周りに燃料を分配して管の冷却を強化するための手段を含んでいる。本発明の例示の実施形態は、例示の目的で例えばガスタービンなどのターボ機械に組み込まれる燃焼器の文脈で概ね記載されるが、本発明の実施形態は、いずれの燃焼器にも適用することが可能であり、特許請求の範囲に具体的に列記されていなければ、ターボ機械の燃焼器に限定されるものではないことを当業者は容易に理解するであろう。

図１は、本発明の一実施形態による、例えばガスタービンに含まれるものなどの例示の燃焼器１０の簡素化された側部断面を示している。ケーシング１２と、端部カバー１４が燃焼器１０を取り囲むことで、燃焼器１０に流れる作業流体１６が収容され得る。作業流体１６が、衝突スリーブ２０にある流入穴１８を通過して、移行部分２２およびライナー２４の外側に沿って流れることで、移行部分２２とライナー２４の対流冷却を実現することができる。作業流体１６が端部カバー１４に到達すると、作業流体１６は、方向を逆にして、端部キャップ２６を通って端部キャップ２６から下流にある燃焼室２８へと流れ込む。

端部キャップ２６は、１つまたは複数のチューブ束３２内に半径方向に配列された複数の管３０を含むことができる。図２によって、本発明の第１の実施形態による、線Ａ−Ａに沿って切り取られた、図１に示される例示のチューブ束３２の拡大された側部断面図が提供され、図３によってＢ−Ｂに沿って切り取られた、図２に示されるチューブ束３２の軸方向の断面図が提供されている。示されるように、各々のチューブ束３２は概ね、下流面３６から軸方向に分離された上流面３４を含んでおり、管３０が、上流面３４から下流面３６に延在することで、作業流体１６がチューブ束３２を通って燃焼室２８に流れるような流体連通が実現する。シュラウド３８が上流面３４および下流面３６を円周方向に取り囲むことで、少なくとも部分的にチューブ束３２内に燃料プリナム４０を画定する。燃料導管４２が、上流面３４および／またはシュラウド３８を貫通して延びることで、燃料４４が各々のチューブ束３２内の燃料プリナム４０に流れ込むような流体連通を実現することができる。１つまたは複数の管３０は、燃料プリナム４０から１つまたは複数の管３０への流体連通を実現する燃料ポート４６を含むことができる。燃料ポート４６は、半径方向、軸方向および／または方位角的に角度を付けることで、燃料ポート４６から管３０へと流れ込む燃料４４にスワールを投じるおよび／または与えることができる。この方法において、作業流体１６は管３０へと流れ込むことができ、燃料プリナム４０からの燃料４４が、燃料ポート４６を通って管３０へと流れ込むことで作業流体１６と混ざり合うことができる。燃料と作業流体の混合物は、その後管３０を通って燃焼室２８へと流れることができる。

管３０およびチューブ束３２の特定の形状、サイズおよび数は、特定の実施形態によって変わる場合がある。例えば管３０は円筒形状として概ね示されているが、本発明の範囲内にある代替の実施形態は、実質的にいずれかの幾何学断面を有する管３０を含むこともある。同様に燃焼器１０が、端部キャップ２６全体にわたって半径方向に延在する１つのチューブ束３２を含むこともあり、あるいは熱交換器１０が、端部キャップ２６内に様々に配置された、円形、三角形、正方形、楕円形またはパイ型などの多種多様なチューブ束３２を含む場合もある。管３０およびチューブ束３２の形状、サイズおよび数は、添付の特許請求の範囲に具体的に列記されていなければ本発明を限定するものではないことを当業者は容易に理解するであろう。

図２および図３に示されるように、各々のチューブブロック３２はさらに、管３０の周りに燃料４４を分配するための手段を含んでいる。燃料４４を管３０の周りに半径方向に分配することで、燃料４４が管３０とより均一に熱交換することが可能になり、保炎や逆火状態につながる恐れのある管３０内の局所的なホットスポットが減少する。これに加えて燃料４４をより均一に分配することで、より均一に燃料が燃料ポート４６を通って管３０に流れ込むことになり、望ましくない排気を増大させる可能性のある燃焼室２８内の局所的なホットストリークや高い燃料濃度がいずれも抑えられる。

燃料４４を管３０の周りに半径方向に分配するのに関連する構造体は、任意の流れ誘導羽根、パネル、ガイド、または熱交換器１０に関連する温度や圧力に継続的に曝されるのに適した他のタイプのバッフルを含むことができる。例えば図２および図３に示される特定の実施形態では、燃料４４を管３０の周りに分配するための手段は、燃料プリナム４０の内部で隣接する管３０の間に概ね位置するバッフル５０であり、燃料４４の向きを変えて管３０を囲むようにする。特定の実施形態において、バッフル５０は、上流面３４から下流面３６まで軸方向に延在することもある。代替としてあるいはこれに加えて、バッフル５０は、管３０にほぼ平行になるように位置合わせされる、あるいは管３０に対して軸方向に角度を付けられることで、燃料プリナム４０内に軸方向ならびに半径方向に燃料４４を分配することができる。

図２および図３に示されるように、バッフル５０は、１つまたは複数のプレート５２を含むことができ、このプレートは、それを貫通する穿孔５４またはスロットを有する。プレート５２の穴の空いていない部分は、燃料４４の向きを変えて管３０を囲むようにするすることができ、プレート５２にある穿孔５４またはスロットによって燃料４４が所望の場所でプレート５２を通り抜けることで、燃料プリナム４０の中の燃料の流れをより均一に分配することができる。特定の実施形態において、穿孔５４またはスロットは、円周方向よりも軸方向に長い場合があり、穿孔５４またはスロットが管３０と半径方向に位置合わせされることで、燃料４４が管３０に対して特定の場所でプレート５２を通り抜けることが可能になる。例えば図２および図３に示される特定の実施形態では、燃料４４は、燃料導管４２から全ての方向に半径方向外向きに概ね流れている。プレート５２の穴の空いていない部分は、燃料の流れの向きを変えて管３０を囲むようにしており、プレートの穿孔５４またはスロットは、管３０と半径方向に位置合わせされることで、好ましくは燃料４４が、管３０の半径方向外側の部分にわたって流れることが可能になる。この方法において燃料４４は、燃料プリナム４０の中をより均一に分配され、管３０を囲む全ての面をより均一に冷却することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態による、線Ａ−Ａに沿って切り取られた図１に示されるチューブ束３２の拡大された側部断面図を提供しており、図５から図７は、多様な代替の実施形態による、線Ｃ−Ｃに沿って切り取られた図４に示されるチューブ束３２の軸方向の断面図を提供している。図４から図７に示される特定の実施形態において、バッフル５０は、燃料４４の向きを変えて管３０を囲むようにする複数のロッド５６を含んでいる。各々の実施形態では中空のロッド５６として示されているが、本発明は中空のロッド５６に限定されるのではなく、中実のロッド５６も同様に含むことができる。図５から図７に示されるように、ロッド５６の外面は、種々の実施形態において変わる場合がある。例えば図５に示される実施形態では、各々のロッド５６は、管３０の周りで燃料４４を偏向する角度の付いた外面５８を有する。あるいは図６および図７に示される実施形態に示されるように、各々のロッド５６は、アーチ形の外面６０を有する。具体的には図６に示される実施形態では、アーチ形の外面６０は概ね円形または凸面である。あるいはアーチ形の外面６０は、図７に示される特定の実施形態に示されるように凹面の場合もある。ロッド５６の特定の形状、サイズおよび数は、様々な作動要因によって左右され、この作動要因には、これに限定するものではないがチューブ束３２のサイズ、チューブ束３２内の管３０の数、予測される燃料の種類、予測される作動レベルおよび温度ならびに／あるいは管３０の壁の厚さが含まれる。

図１から図７に関して示され記載される多様な実施形態はまた、熱交換器１０内に燃料４４を分配するための方法も提供することができる。例えばこの方法は、上流面３４、下流面３６、シュラウド３８および管３０によって少なくとも一部が画定される燃料プリナム４０に燃料４４を流し込むステップを含むことができる。方法はさらに、燃料プリナム４０内で隣接する管３０の間に軸方向に延在するバッフル５０に対して燃料４４をぶつけるまたは衝突させるステップを含むことができる。このやり方において、燃料４４は、管３０を囲むように半径方向に分配することができる。特定の実施形態において、バッフル５０を管３０に対して軸方向に角度を付けることで、該ぶつけるまたは衝突させるステップによって燃料４４を燃料プリナム４０内に軸方向に分配することができる。

本明細書に記載されるシステムおよび方法によって、既存のノズルと燃焼器に対する以下の利点の１つまたは複数を提供することができる。例えば管３０を囲むように燃料４４を分配することで、燃料４４が管３０の全ての面にわたってより均一に流れることが可能になる。その結果、燃料４４と管３０の熱交換が増大し、保炎や逆火状態につながる恐れのある管３０に沿った局所的なホットスポットがなくなる。代替としてまたはこれに加えて、燃料４４を燃料プリナム４０を通して均一に分配することで、燃料がより均一に燃料ポート４６を通って管３０に流れ込むことになり、望ましくない排気を増大させる可能性のある燃焼室２８におけるいかなる局所的なホットストリークや高い燃料濃度も減少させる。

本明細書は最適な態様を含めた例を使用して本発明を開示しており、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、かつ任意の採り入れられた方法を実施することを含め、当業者が本発明を実施することを可能にしている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違点のない構造的な要素を含む場合、あるいはそれらが、特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかに相違点のある等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるとみなされる。

１０ 燃焼器
１２ ケーシング
１４ 端部カバー
１６ 作業流体
１８ 流入穴
２０ 衝突スリーブ
２２ 移行部分
２４ ライナー
２６ 端部キャップ
２８ 燃焼室
３０ 管
３２ チューブ束
３４ 上流面
３６ 下流面
３８ シュラウド
４０ プリナム
４２ 燃料導管
４４ 燃料
４６ 燃料ポート
５０ バッフル
５２ プレート
５４ 穿孔
５６ ロッド
５８ 角度の付いた外面
６０ アーチ形の外面

Claims (20)

1. ａ．燃焼器の少なくとも一部にわたって半径方向に延在し、下流面から軸方向に分離された上流面を備えるチューブ束と、
   ｂ．前記上流面から前記下流面を貫通して延在する複数の管であって、各々の管によって前記チューブブロックを通る流体連通が実現する複数の管と、
   ｃ．隣接する管の間で前記チューブブロック内に軸方向に延在するバッフルと
   を備える燃焼器。
2. 前記バッフルが、前記上流面から前記下流面に延在する、請求項１記載の燃焼器。
3. 前記バッフルが、前記複数の管にほぼ平行して延在する、請求項１記載の燃焼器。
4. 前記バッフルが、穿孔を有する複数のプレートを備える、請求項１記載の燃焼器。
5. 前記穿孔が、前記複数の管と半径方向に位置合わせされる、請求項４記載の燃焼器。
6. 前記バッフルが複数のロッドを備える、請求項１記載の燃焼器。
7. 各々のロッドがアーチ形の外面を有する、請求項６記載の燃焼器。
8. 各々のロッドが、角度の付いた外面を有する、請求項６記載の燃焼器。
9. ａ．燃焼器の少なくとも一部にわたって半径方向に延在し、下流面から軸方向に分離された上流面を備えるチューブ束と、
   ｂ．前記上流面と下流面を円周方向に囲むことで、少なくとも部分的に前記チューブ束内に燃料プリナムを画定するシュラウドと、
   ｃ．前記チューブ束の前記上流面から前記下流面に延在する複数の管であって、各々の管によって、前記チューブ束を通る流体連通が実現する複数の管と、
   ｄ．前記複数の管を囲むように燃料を分配する手段と
   を備える燃焼器。
10. 前記複数の管を囲むように燃料を分配する前記手段が、前記上流面から前記下流面に軸方向に延在する、請求項９記載の燃焼器。
11. 前記複数の管を囲むように燃料を分配する前記手段が、前記複数の管とほぼ平行に延在する、請求項９記載の燃焼器。
12. 前記複数の管を囲むように燃料を分配する前記手段が、穿孔を有する複数のプレートを備える、請求項９記載の燃焼器。
13. 前記穿孔が、前記複数の管と半径方向に位置合わせされる、請求項１２記載の燃焼器。
14. 前記複数の管を囲むように燃料を分配する前記手段が、複数のロッドを備える、請求項９記載の燃焼器。
15. 各々のロッドがアーチ形の外面を有する、請求項１４記載の燃焼器。
16. 前記燃焼器がターボ機械に組み込まれる、請求項９記載の燃焼器。
17. 燃焼器内に燃料を分配する方法であって、
    ａ．上流面、該上流面から軸方向に分離された下流面、前記上流面と下流面を円周方向に囲むシュラウド、および前記上流面から前記下流面に延在する複数の管によって少なくとも一部が画定される燃料プリナムに燃料を流し込むステップと、
    ｂ．隣接する管の間で前記燃料プリナム内に軸方向に延在するバッフルに対して前記燃料をぶつけるステップと
    を含む方法。
18. 前記ぶつけるステップが、前記上流面から前記下流面に延在する前記バッフルに前記燃料をぶつけるステップを含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記ぶつけるステップが、前記複数の管にほぼ平行に延在する前記バッフルに対して前記燃料をぶつけるステップを含む、請求項１７記載の方法。
20. 前記ぶつけるステップが、隣接する管の各々の組の間で前記バッフルに対して前記燃料をぶつけるステップを含む、請求項１７記載の方法。