JP2013148340A - 段付き中心本体を備えた軸流燃料ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用の改良した軸流燃料ノズルを提供する。
【解決手段】軸流燃料ノズルは、燃焼用の材料を供給するための複数の環状通路６２，６６，７０を含む。環状空気通路６２が圧縮機吐出空気を受け取り、また複数の旋回翼スロット６４が前記環状空気通路６２の軸方向端部に隣接して位置決めされる。第１の隣りの環状通路６６が前記環状空気通路６２の半径方向内側に配置され、また該第１の環状通路６６は、該第１の環状通路６６の軸方向端部に隣接して且つ前記複数の旋回翼スロット６４の下流に位置決めされた複数の第１の開口６８を含む。第２の隣りの環状通路７０が前記第１の環状通路６６の半径方向内側に配置され、また該第２の環状通路７０は、該第２の環状通路７０の軸方向端部に隣接して且つ前記複数の第１の開口６８の下流に位置決めされた複数の第２の開口７２を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ノズルに関し、より詳しく云えば、混合を容易にするために複数の環状通路を含むガスタービン用軸流燃料ノズルに関するものである。

ガスタービン・エンジンは、一般に、入来空気流を圧縮するための圧縮機を含む。空気流は燃料と混合され点火されて、高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは次いでタービンの中へ流れる。タービンは該ガスからエネルギを抽出して、シャフトを回転させる。シャフトは圧縮機を駆動すると共に、一般に発電機のような別の要素を駆動する。燃焼ガスからの排出物質は一般に関心のある事項であり、強制的な規制を受けることがある。或る特定の種類のガスタービン・エンジンは、低排出物質運転用に設計され、特に、最小燃焼動特性、充分な自動点火及び火炎保持余裕を持つ低ＮＯｘ（窒素酸化物）運転用に設計されている。

既存の低ＮＯｘ燃焼ノズルでは、液体燃焼回路が再循環区域（燃焼区域）内に燃料及び水を直接噴射している。燃料の高濃度の燃焼により高い温度が生じ、これにより排出物がより多量に生成される。既存の設計はまた、ＮＯｘ低減のために噴霧化用空気及び水を一緒に使用している。このことから、予混合通路内での液体燃料の霧化をより向上させると共に、カーテン空気をより良く利用する簡単な設計を提供できれば望ましいであろう。

米国特許第５３５１４７７号

模範的な実施形態では、ガスタービン用の軸流燃料ノズルが提供され、該ノズルは、燃焼用の材料を供給するための複数の環状通路を含む。環状空気通路が圧縮機吐出空気を受け取り、また複数の旋回翼スロットが前記環状空気通路の軸方向端部に隣接して位置決めされる。第１の環状通路が前記環状空気通路の半径方向内側に配置され、また該第１の環状通路は、該第１の環状通路の軸方向端部に隣接して且つ前記複数の旋回翼スロットの下流に位置決めされた複数の第１の開口を含む。第２の環状通路が前記第１の環状通路の半径方向内側に配置され、また該第２の環状通路は、該第２の環状通路の軸方向端部に隣接して且つ前記複数の第１の開口の下流に位置決めされた複数の第２の開口を含む。

別の模範的な実施形態では、環状空気通路が圧縮機吐出空気を受け取り、また複数の旋回翼スロットが前記環状空気通路の軸方向端部に隣接して位置決めされる。前記環状空気通路は、前記複数の旋回翼スロットを介して、前記複数の旋回翼スロットの下流の予混合領域へカーテン／噴霧化空気を供給する。環状液体燃料通路が前記環状空気通路の半径方向内側に配置されていて、前記予混合領域へ液体燃料を供給する。環状水通路が前記環状液体燃料通路の半径方向内側に配置されていて、前記予混合領域へ水を供給する。この場合、水は、燃料ノズルを冷却するように作用し且つ液体燃料と圧縮機吐出空気との混合を容易にする。

更に別の模範的な実施形態では、ガスタービン内での燃焼のために燃料及び空気を予混合する方法が提供され、本方法は、圧縮機吐出空気を、環状空気通路を通り、次いで前記環状空気通路の軸方向端部に隣接して位置決めされた複数の旋回翼スロットを通って、前記複数の旋回翼スロットの下流の予混合領域へ流れさせる段階と、（１）燃料、（２）水、及び（３）燃料−水混合物の内の１つを、前記環状空気通路の半径方向内側に配置された第１の環状通路を介して前記予混合領域へ供給する段階と、（１）水及び（２）空気の内の一方を、前記第１の環状通路の半径方向内側に配置された第２の環状通路を介して前記予混合領域へ供給する段階と、を有する。

図１は、ガスタービン・エンジンの側断面図である。 図２は、記載の実施形態に従った燃料ノズルの断面図である。 図３は、燃料ノズルの端面図である。

図１は、ガスタービン・エンジン１０の断面図を示す。ガスタービン・エンジン１０は、入来空気流を圧縮する圧縮機２０を含む。圧縮された空気流は燃焼器３０へ供給され、そこで複数の入来燃料管路４０からの燃料と混合される。燃焼器３０は、ケーシング５５内に配置された複数の燃焼器缶又はノズル５０を含むことができる。既知のように、燃料及び空気はノズル５０内で混合して点火することができる。次いで、高温燃焼ガスがタービン６０へ供給されて、圧縮機２０と発電機などの外部負荷とを駆動する。ノズル５０は、典型的には、１つ以上の旋回器を含む。

図２は、記載の実施形態に従った軸流燃料ノズルの断面図である。燃料ノズルは複数の環状通路を含む。環状空気通路６２が最も半径方向外側の通路を画成していて、圧縮機吐出空気を受け取る。複数の旋回翼スロット６４が、図示のように、環状空気通路６２の軸方向端部に隣接して位置決めされる。第１の隣りの環状通路６６が環状空気通路６２の半径方向内側に配置される。第１の隣りの環状空気通路６６は、該通路６６の軸方向端部に隣接して位置決めされた複数の第１の開口６８を含む。これらの開口６８は複数の旋回翼スロット６４の下流に位置決めされる。第２の隣りの環状通路７０が第１の環状通路の半径方向内側に配置され、この第２の隣りの環状通路７０は、該通路７０の軸方向端部に隣接し且つ複数の第１の開口６８の下流に位置決めされた複数の第２の開口７２を含む。

一実施形態では、第１の環状通路６６は液体燃料の供給源に結合される。この場合には、第１の開口６８は、旋回翼スロット６４を通った空気が、該第１の開口６８を通って流れる液体燃料を少なくとも部分的に霧化するように、環状空気通路６２に対して位置決めされる。この配置構成では、第２の環状通路７０は水の供給源に結合することができる。この場合には、第２の開口７２は、該第２の開口７２を通った水が、第１の開口６８を通って流れる液体燃料に衝突するように、第１の開口６８に対して位置決めされる。第１及び第２の開口６８，７２に隣接した旋回翼スロット６４の上流の領域が、予混合領域として作用する。

代替形態の運転では、第２の環状通路７０は空気の供給源に結合することができる。この場合には、第２の開口７２は、該第２の開口７２を通った空気が、第１の開口６８を通って流れる液体燃料に衝突するように、第１の開口６８に対して位置決めされる。第２の開口７２は、該第２の開口７２を通った空気が、ノズル中心本体の末端部に沿って環状の空気層を生成するように、配向することができる。環状の空気層又は空気カーテンは、中心本体を冷却するように作用し、また液体燃料ジェット（噴流）を霧化する。

更に別の態様では、第１の環状通路６６は、混合された液体燃料及び水の供給源に結合することができる。水の使用はシステム冷却器を作るように作用し、これによって炭素堆積物を低減する。更に、水は、火炎温度を下げ且つＮＯｘ排出量を低減するように作用する。第２の環状通路７０内の空気は、燃料入力の下流の表面をパージ（清浄化）するように作用し、これにより火炎保持に関する懸念を低減することができる。

ガス運転の際は、全ての３つの通路は、空気のみの供給源に結合することができる。

翼スロット６４は剪断作用を生じさせて、ガスの混合を増大させる。角度をより大きくすると（例えば、４５°よりも大きくすると）、旋回（渦）が増大することによって、中心再循環を強くする。この作用は火炎安定化にとって望ましい。複数の燃料孔６８は、好ましくは、空気通路６２内の高速の空気が燃料ジェットを破断する作用を行うように配置される。運動量比は、孔６８及びスロット６４の数を制御することによって容易に制御することができる。水を加えることはまた、燃料ジェットを破断するように作用し、且つ液体燃料の冷却及び目詰まりの防止（コッキング防止(anti-cocking)）を行いながらＮＯｘを低減する。

図２及び図３について説明すると、主燃焼空気が、主燃焼空気通路７６の上流端部に配置された主燃焼空気旋回器７４を通って流れる。図示のように、主燃焼空気通路７６は環状空気通路６２を取り囲むように配置される。主燃焼空気旋回器は、該主燃焼空気旋回器７４を通って流れる空気に旋回を与えるように配向された複数の翼７８を含む。環状空気通路６２内の複数の旋回翼スロット６４は、主燃焼空気旋回器７４の複数の翼７８と同じ配向で又は逆の配向で配向することができる。複数の旋回翼スロット６４が複数の主旋回翼７８と整列している場合、ノズルによる圧力低下が比較的低く、また、スロットが逆の配向で配列されている場合、より良い混合を達成することができる。

図２について更に説明を続けると、環状空気通路６２の末端部８０は、図示のように、第１の厚さから相対的に薄い第２の厚さまでテーパーを付けることができる。例えば、末端部の厚さは０．０１２〜０．０２０インチ（１２〜２０ミル）又はそれより小さくすることができる。端部８０は、図には、複数の旋回翼スロット６４の下流にあり且つ複数の第１の開口６８と大体半径方向に整列するものとして示されている。第１の環状通路６６が開口６８を介して液体燃料を供給する実施形態では、端部８０は、液体燃料が燃料噴射ノズル管状ケーシングと接触するのを防止する。これは、燃料噴射ノズル・ケーシングに対する火炎保持及び損傷を防止するために望ましい。このリップ状部材は、燃料のより良好な噴霧化のために液体燃料の膜又は液体燃料ジェットを生成するように作用する。

空気通路６２は、従来、ノズル中心本体８２を冷却するために用いられている。図に破線で示されているように、ノズル中心本体もまたテーパーを付けることができ、この場合、中心本体の直径をより大きくすると、火炎安定化をより良好にすることができる。通路６２は圧縮機吐出空気を複数の旋回翼スロット６４の中へ駆動する。記載の実施形態の構造では、この空気は、該空気が第１に液体燃料ジェットを霧化するために、次いで中心本体及び中心本体先端部に空気のみの層を形成することによって中心本体及び中心本体先端部を冷却するために用いられるように、供給される。ガス運転の際、この空気は、該空気が主旋回器空気と共に中心部の上に剪断層を生成するので、更なる混合のために使用することができる。僅かに中心部中間範囲が濃厚なガス燃料−空気混合分布を生成する燃料孔パターンを持つことが可能である。すなわち、主空気と混合するカーテン空気により、燃料-空気混合分布を調節することが可能である。

隣りの半径方向内側の通路６６は液体燃料のために用いることができ、或いは、前に述べたように、ガス運転の際、空気でパージ（清浄化）することができる。この回路は、液体燃料のみ又はエマルジョン燃料（水と混合された液体燃料）を入れることができる。

隣りの半径方向内側の通路７０は、好ましくは、水のために用いられ、その水は下から液体燃料を冷却して、炭素形成／コッキング問題を防止する。図示のように、複数の孔７２は、該孔を通って流れる水が燃料ジェットに衝突して、水により燃料ジェットの背後の起こり得る低速領域を除くように（従って、ジェットの直ぐ背後における火炎保持を防止するように）、配置される。水は燃料ジェットを破断するのに役立つ。下流の位置では、水は燃焼している燃料と混合して、局部的な温度を下げ且つＮＯｘの生成を低減する。

液体燃料オリフィス６８及び水オリフィス７２は、液体燃料と衝突／混合するのに良好な機会を持つことができるように、互いの近くに配置することができる。前に述べたように、代替の実施形態では、水の代わりに、噴霧化空気を低い圧力比で含めることができる。低温の噴霧化空気は下から液体燃料通路を冷却することができ、また液体燃料ジェットの霧化に役立つ。

一般的に云えば、本発明の設計は、良好な噴霧化及び予混合（その結果として少ない排出物質）を生じるように液体燃料を用いる廉価な方法を提供する。本設計はまた、ガス燃料運転及び中心本体先端部の冷却を改善する。噴霧化及び予混合の改善により、集中した燃焼及びその結果の高い温度を低減し、これによってＮＯｘ排出量を低減する。ガス側の予混合のためにカーテン空気を剪断層と共に供給することによって、中心本体先端部の近くで急速な混合を行うことが可能である。本設計はまた、水についての要件を低減することができ、また噴霧化空気の使用を省くことができ、これによって液体燃料運転時の熱消費率を改善する。

以上、本発明について最も実用的で好ましい実施形態であると現在考えられるものに関して説明したが、本発明が開示した実施形態に制限されないこと、またそれよりむしろ、本発明が「特許請求の範囲」に記載の精神及び範囲内に含まれる様々な修正及び等価な構成を包含するものであることを理解されたい。

１０ ガスタービン・エンジン
２０ 圧縮機
３０ 燃焼器
４０ 入来燃料管路
５０ 燃焼器缶又はノズル
５５ ケーシング
６０ タービン
６２ 環状空気通路
６４ 旋回翼スロット
６６ 環状通路
６８ 第１の開口
７０ 環状通路
７２ 第２の開口
７４ 主燃焼空気旋回器
７６ 主燃焼空気通路
７８ 旋回翼
８０ 末端部
８２ ノズル中心本体

Claims (18)

1. ガスタービン用の軸流燃料ノズルであって、
   圧縮機吐出空気を受け取る環状空気通路と、
   前記環状空気通路の軸方向端部に隣接して位置決めされた複数の旋回翼スロットと、
   前記環状空気通路の半径方向内側に配置された第１の環状通路であって、当該前記第１の環状通路の軸方向端部に隣接して且つ前記複数の旋回翼スロットの下流に位置決めされた複数の第１の開口を含んでいる第１の環状通路と、
   前記第１の環状通路の半径方向内側に配置された第２の環状通路であって、当該第２の環状通路の軸方向端部に隣接して且つ前記複数の第１の開口の下流に位置決めされた複数の第２の開口を含んでいる第２の環状通路と、
   を有する軸流燃料ノズル。
2. 前記第１の環状通路は液体燃料の供給源に結合される、請求項１記載の軸流燃料ノズル。
3. 前記複数の第１の開口は、前記複数の旋回翼スロットを通った空気が、該複数の第１の開口を通って流れる液体燃料を少なくとも部分的に霧化するように、前記環状空気通路に対して位置決めされている、請求項２記載の軸流燃料ノズル。
4. 前記第２の環状通路は水の供給源に結合される、請求項３記載の軸流燃料ノズル。
5. 前記複数の第２の開口は、該複数の第２の開口を通った水が、前記複数の第１の開口を通って流れる液体燃料に衝突するように、前記複数の第１の開口に対して位置決めされている、請求項４記載の軸流燃料ノズル。
6. 前記第２の環状通路は空気の供給源に結合される、請求項２記載の軸流燃料ノズル。
7. 前記複数の第２の開口は、該複数の第２の開口を通った空気が、前記複数の第１の開口を通って流れる液体燃料に衝突するように、前記複数の第１の開口に対して位置決めされている、請求項６記載の軸流燃料ノズル。
8. 前記複数の第２の開口は、該複数の第２の開口を通った空気がノズル中心本体の末端部に沿って環状の空気層を生成するように、配向されている、請求項６記載の軸流燃料ノズル。
9. 前記第１の環状通路は、混合された液体燃料及び水の供給源に結合される、請求項１記載の軸流燃料ノズル。
10. 前記第２の環状通路は水の供給源に結合される、請求項１記載の軸流燃料ノズル。
11. 前記第２の環状通路は空気の供給源に結合される、請求項１記載の軸流燃料ノズル。
12. 前記第１の環状通路は液体燃料の供給源に結合され、また前記第２の環状通路は水の供給源に結合され、更に前記複数の第１の開口は、前記複数の旋回翼スロットを通った空気が、該複数の第１の開口を通って流れる燃料を少なくとも部分的に霧化するように、前記環状空気通路に対して位置決めされている、請求項１記載の軸流燃料ノズル。
13. 前記軸流燃料ノズルは更に、主燃焼空気通路の上流端部に配置され且つ前記環状空気通路を取り囲むように配置された主燃焼空気旋回器を有し、前記主燃焼空気旋回器は、該主燃焼空気旋回器を通って流れる空気に旋回を与えるように配向された複数の旋回翼を含み、更に前記複数の旋回翼スロットが、前記主燃焼空気旋回器の複数の旋回翼と同じ配向で配向されている、請求項１記載の軸流燃料ノズル。
14. 前記軸流燃料ノズルは更に、主燃焼空気通路の上流端部に配置され且つ前記環状空気通路を取り囲むように配置された主燃焼空気旋回器を有し、前記主燃焼空気旋回器は、該主燃焼空気旋回器を通って流れる空気に旋回を与えるように配向された複数の旋回翼を含み、更に前記複数の旋回翼スロットが、前記主燃焼空気旋回器の複数の旋回翼とは逆の配向で配向されている、請求項１記載の軸流燃料ノズル。
15. 前記環状空気通路の末端部には、第１の厚さから相対的に薄い第２の厚さまでテーパーが付けられている、請求項１記載の軸流燃料ノズル。
16. ガスタービン用の軸流燃料ノズルであって、
    圧縮機吐出空気を受け取る環状空気通路と、
    前記環状空気通路の軸方向端部に隣接して位置決めされた複数の旋回翼スロットであって、前記環状空気通路が、当該複数の旋回翼スロットを介して、当該複数の旋回翼スロットの下流の予混合領域へカーテン／噴霧化空気を供給するようにした、複数の旋回翼スロットと、
    前記環状空気通路の半径方向内側に配置されていて、前記予混合領域へ液体燃料を供給する環状液体燃料通路と、
    前記環状液体燃料通路の半径方向内側に配置されていて、前記予混合領域へ水を供給する環状水通路であって、水が燃料ノズルを冷却するように作用し且つ液体燃料と圧縮機吐出空気との混合を容易にするようにした、環状水通路と、
    を有する軸流燃料ノズル。
17. 前記環状液体燃料通路は、該環状液体燃料通路の軸方向端部に隣接し且つ前記複数の旋回翼スロットの下流に位置決めされた複数の第１の開口を含んでおり、また前記環状水通路は、該環状水通路の軸方向端部に隣接し且つ前記複数の第１の開口の下流に位置決めされた複数の第２の開口を含んでいる、請求項１６記載の軸流燃料ノズル。
18. ガスタービン内での燃焼のために燃料及び空気を予混合する方法であって、
    圧縮機吐出空気を、環状空気通路を通り、次いで前記環状空気通路の軸方向端部に隣接して位置決めされた複数の旋回翼スロットを通って、前記複数の旋回翼スロットの下流の予混合領域へ流れさせる段階と、
    （１）燃料、（２）水、及び（３）燃料−水混合物の内の１つを、前記環状空気通路の半径方向内側に配置された第１の環状通路を介して前記予混合領域へ供給する段階と、
    （１）水及び（２）空気の内の一方を、前記第１の環状通路の半径方向内側に配置された第２の環状通路を介して前記予混合領域へ供給する段階と、
    を有する方法。