JP2013228194A - 燃焼器に燃料を供給するためのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器に燃料を供給するためのシステムを提供すること。
【解決手段】燃焼器に燃料を供給するためのシステムは、燃焼室と、燃焼室の少なくとも一部を円周方向に囲むライナと、ライナの少なくとも一部を円周方向に囲む流れスリーブとを含む。管体は、作動流体が流れスリーブ及びライナを通って燃焼室に流入するよう流体連通し、該管体が管体壁を含む。管体壁を貫通する複数の燃料ポートが、燃料が管体壁を通って管体に流入するよう流体連通し、該燃料ポートが非円形である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的に燃焼器に燃料を供給するためのシステムに関する。特定の実施形態において、本発明は、燃焼室の回りに円周方向に配列された遅延希薄噴射装置を通じて燃焼器に希薄燃料空気混合気を供給することができる。

燃焼器は、工業及び発電事業において一般的に使用され、燃料を点火して高温高圧の燃焼ガスを生成する。例えば、ガスタービンは通常、動力又は推力を発生する１つ又はそれ以上の燃焼器を含む。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、前方に軸流圧縮機と、中間付近に１つ又はそれ以上の燃焼器と、後方にタービンとを含む。圧縮機に周囲空気を供給することができ、該圧縮機内の回転ブレード及び固定ベーンが作動流体（空気）に運動エネルギーを漸次的に与え、高エネルギー状態の加圧作動流体を生成する。加圧作動流体は、圧縮機から流出して燃焼器に流れ、ここで加圧作動流体は、燃料と混合して点火され、高温高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービンで膨張されて仕事を産出する。例えば、タービンにおける燃焼ガスの膨張は、発電機に接続されたシャフトを回転させ、電力を生成する。

種々の設計及び作動パラメータは、燃焼器の設計及び動作に影響を及ぼす。例えば、一般に、高温燃焼ガスの温度がより高いほど、燃焼器の熱力学的効率が向上する。しかしながら、より高温の燃焼ガス温度はまた、逆火又は保炎状態を促進し、この場合、燃焼火炎がノズルにより供給される燃料に向かって進み、比較的短時間のうちにノズルに深刻な損傷を生じる場合がある。加えて、より高い燃焼ガス温度は、一般に、二原子窒素の解離率を高め、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を増大させる。反対に、燃料流量の減少及び／又は部分負荷運転（ターンダウン）に伴うより低温の燃焼ガス温度は、一般に、燃焼ガスの化学反応速度を低下させ、一酸化炭素及び未燃炭化水素の生成を増大させる。

特定の燃焼器設計では、１つ又はそれ以上の遅延希薄噴射装置又は管体は、燃料ノズルから下流側の燃焼室の回りに円周方向に配列することができる。燃料は、管体の燃料ポートを通って噴射することができ、圧縮機から流出する加圧作動流体の一部は、管体を通って流れて燃料と混合され、希薄燃料空気混合気を生成することができる。次いで、希薄燃料空気混合気は、管体を通って燃焼室に流入して追加の燃焼を生じ、これが燃焼ガスの温度を上昇させ、燃焼器の熱力学的効率を向上させる。

遅延希薄噴射装置は、ＮＯｘ生成の増加を伴うことなく、燃焼ガス温度の上昇に効果的であることが証明されており、様々な成果を得て遅延希薄噴射装置の性能を向上させる種々の取り組みが行われている。例えば、遅延希薄噴射装置を通じて供給できる燃料の量を増やすために、燃料ポートの数及び／又はサイズが増大されている。しかしながら、燃料ポートの追加及び／又は大型化は、管体内部の燃料の浸透を低減させ、及び／又は管体内部で噴射燃料が合体できるようになり、燃焼器のエミッションに悪影響を及ぼす。従って、燃焼器に作動燃料を供給するための改善されたシステムが有用となる。

米国特許第７，６６５，３０９号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の１つの実施形態は、燃焼器に燃料を供給するためのシステムである。本システムは、燃焼室と、燃焼室の少なくとも一部を円周方向に囲むライナと、ライナの少なくとも一部を円周方向に囲む流れスリーブとを含む。管体は、作動流体が流れスリーブ及びライナを通って燃焼室に流入するよう流体連通し、該管体が管体壁を含む。管体壁を貫通する複数の燃料ポートが、燃料が管体壁を通って管体に流入するよう流体連通し、該燃料ポートが非円形である。

本発明の別の実施形態は、燃焼室と、燃焼室の少なくとも一部を円周方向に囲むライナと、ライナの少なくとも一部を円周方向に囲む流れスリーブとを含む、燃焼器に燃料を供給するためのシステムである。第１の流路は、流れスリーブ及びライナを通って前記燃焼室に入る。第２の流体流路は、第１の流路と交差し、第１及び第２の流体流路の交差部における複数の燃料ポートは非円形である。

本発明はまた、燃料ノズルと、燃料ノズルから下流側の燃焼室と、燃焼室を円周方向に囲む流れスリーブと、を含む、燃焼器に燃料を供給するためのシステムを含むことができる。流れスリーブの回りに円周方向に配列された複数の燃料噴射装置が、流れスリーブを通って燃焼室に流体連通している。各燃料噴射装置の回りに円周方向に配列された複数の燃料ポートは、流れスリーブを通って各燃焼室に流体連通し、該燃料ポートが非円形である。

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

例示的なガスタービンの簡易側断面図。 図１に示す燃焼器の一部の簡易斜視側面図。 本発明の第１の実施形態による、図２に示す遅延希薄噴射装置の拡大斜視側面図。 本発明の第２の実施形態による、図２に示す遅延希薄噴射装置の拡大斜視側面図。 本発明の第３の実施形態による、図２に示す遅延希薄噴射装置の拡大斜視側面図。

ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似した表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。加えて、用語「上流側」及び「下流側」は、流体経路における構成要素の相対的位置を示している。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の上流側にある。逆に、構成要素Ｂが構成要素Ａから流体を受け取る場合、構成要素Ｂは構成要素Ａの下流側にある。

各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本発明の種々の実施形態は、燃焼器に燃料を供給するためのシステムを含む。本システムは、一般に、燃焼室に燃料及び作動流体の希薄混合気を噴射するため燃焼室の回りに円周方向に配列された１つ又はそれ以上の遅延希薄噴射装置を含む。各遅延希薄噴射装置は、一般に、各噴射装置に流すために燃料と流体連通した複数の非円形燃料ポートを含む。特定の実施形態において、燃料ポートは、１つ又はそれ以上の対称軸線を有することができ、長円、レーストラック、又はティアドロップなどの形状にすることができる。本発明の例示的な実施形態は、説明のためにガスタービンに導入された燃焼器の関連で全体的に説明するが、当業者であれば、本発明の実施形態は、請求項に記載のない限りガスタービン燃焼器に限定されず、あらゆる燃焼器に適用できることは容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン１０の簡易断面図を示す。図示のように、ガスタービン１０は、前方に圧縮機１２と、中間付近に半径方向に配置された１つ又はそれ以上の燃焼器１４と、後方にタービン１６とを含む。圧縮機１２及びタービン１６は通常、電気を生成するために発電機２０に接続された共通のロータ１８を共用する。

圧縮機１２は、軸流圧縮機とすることができ、周囲空気などの作動流体２２が圧縮機１２に流入し、固定ベーン２４と回転ブレード２６の交互する段を通って流れる。圧縮機ケーシング２８は、作動流体２２を収容し、固定ベーン２４及び回転ブレード２６が作動流体２２を加速して再配向し、加圧作動流体２２の連続流を生成するようにする。加圧作動流体２２の大部分は、圧縮機吐出プレナム３０を通って燃焼器１４に流れる。

燃焼器１４は、当該技術分野で公知のあらゆるタイプの燃焼器とすることができる。例えば、図１に示すように、燃焼器ケーシング３２は、燃焼器１４の一部又は全てを円周方向に囲み、圧縮機１２から流れる加圧作動流体２２を収容することができる。１つ又はそれ以上の燃料ノズル３４は、端部カバー３６内に半径方向に配列され、燃料ノズル３４から下流側の燃焼室３８に燃料を供給することができる。使用できる燃料としては、例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化した液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、及びプロパンのうちの１つ又はそれ以上が挙げられる。加圧作動流体２２は、端部カバー３６に到達して反対方向に向かう前に、圧縮機吐出プレナム３０から燃焼室３８の外側に沿って流れることができ、燃料ノズル３４を通って流れて燃料と混合するようになっている。燃料及び加圧作動流体２２の混合気は、燃焼室３８に流入してここで点火され、高温高圧の燃焼ガスを発生するようになっている。燃焼ガスは、移行部品４０を通ってタービン１６に流れる。

タービン１６は、ステータ４２及び回転バケット４４の交互する段を含むことができる。ステータ４２の第１段は、燃焼ガスをタービンバケット４４の第１段に再配向して集中させる。燃焼ガスがタービンバケット４４の第１段を通過すると、燃焼ガスは膨張し、タービンバケット４４及びロータ１８を回転させる。次に、燃焼ガスは、該燃焼ガスを回転タービンバケット４４の次の段に向け直すステータ４２の次の段に流入し、このプロセスは後続の段において繰り返される。

図２は、図１に示す燃焼器１４の一部の簡易斜視図を示す。図示のように、燃焼器１４は、燃焼室３８の少なくとも一部を円周方向に囲むライナ４６を含むことができる。流れスリーブ４８は、ライナ４６の少なくとも一部を円周方向に囲み、ライナ４６を囲む環状通路５０を定めるようにする。このようにして、圧縮機吐出プレナム３０からの加圧作動流体２２は、ライナ４６の外側に沿って環状通路５０を通って流れ、ライナ４６を対流冷却した後、反転して燃料ノズル３４（図１に示す）を通って流れて燃焼室３８に入る。

燃焼器１４は更に、燃焼室３８に燃料及び作動流体の遅延希薄噴射を提供できる複数の遅延希薄噴射装置又は管体６０を含むことができる。管体６０は、燃料ノズル３４から下流側の燃焼室３８、ライナ４６、及び流れスリーブ４８の回りに円周方向に配列され、作動流体２２の少なくとも一部に流体連通して、流れスリーブ４８及びライナ４６を通って燃焼室３８に流入するようにする。図２に示すように、流れスリーブ４８は、内部燃料通路６２を含むことができ、各管体６０は、管体６０の回りに円周方向に配列された１つ又はそれ以上の燃料ポート６４を含むことができる。内部燃料通路６２は、燃料ノズル３４に供給される同じ又は異なる燃料を燃料ポート６４に供給することができる。従って、燃料ポート６４は、管体６０に流れる燃料と流体連通し、燃料及び作動流体２２が管体６０を通って燃焼室３８に流れながら混合できるようにすることができる。このようにして、管体６０は、追加の燃焼のため燃料及び作動流体２２の希薄混合気を供給して燃焼器１４の温度を上昇させ、従って、効率を向上させることができる。

燃料ポート６４の数、サイズ、及び形状は、遅延希薄噴射装置６０の能力に直接的に影響を及ぼし、付随するＮＯｘエミッションの増加を伴うことなく燃焼室３８の温度を上昇させる。例えば、燃料ポート６４の数、サイズ、及び形状は、管体６０に流れる燃料の流量、圧力、及び浸透に直接的に影響を及ぼす。燃料ポート６４の複合断面積が大きすぎる場合には、燃料は、作動流体２２と効果的に混合して所望の希薄燃料空気混合気を生成するのに十分に管体６０内に浸透しなくなる。加えて、燃料ポート６４の過剰な断面積は、各燃焼器１４において並びに異なる燃焼器１４間で管体６０を通る一貫性のない種々の燃料流をもたらす場合がある。逆に、燃料ポート６４の複合断面積が小さすぎる場合には、管体６０への燃料流は、燃料供給圧力の実質的な増大を必要としないほど不十分となる可能性がある。

燃料ポート６４の様々な形状に対して実施された数値流体力学（ＣＦＤ）モデルは、燃料ポート６４の形状が、幾何学的断面積に比べて燃料ポート６４の有効断面積を変えることができることを示している。具体的には、ＣＦＤモデルは、円形の燃料ポート６４とお案じ幾何学的断面積を有する非円形の燃料ポート６４がより大きな有効断面積を有することができることを示している。より大きな有効断面積により、非円形の燃料ポート６４が、円形の燃料ポート６４に比べて低い燃料供給圧力で同等の燃料浸透及び流量を達成できるようになる。結果として、非円形の燃料ポート６４は、円形の燃料ポート６４に比べて同じ燃料供給圧力でより良好な燃料浸透及び流量を達成することができる。

図３〜５は、本発明の種々の実施形態による、図２に示す遅延希薄噴射装置の拡大斜視側面図を示す。各図に示すように、各管体６０は、作動流体２２が流れスリーブ４８及びライナ４６を通って燃焼室３８に入る第１の流路６６を提供する。加えて、燃料ポート６４は、燃料が管体６０に流入して、第１の流路６６における作動流体２２と交わるための第２の流路６８を提供する。各燃料ポート６４は、流れスリーブ４８に近接した第１の端部７０と、ライナ４６に近接し第１の端部６６の反対側にある第２の端部７２とを含むことができる。図３〜５に示す特定の実施形態において、第１の端部７０は、ほぼ一定の半径７４を有することができるが、本発明は、請求項に特に記載のない限り限定されない。代替として、又はこれに加えて、燃料ポート６４は、図３及び４に示すように、テーパ付き幅７６を有することができる。図４に示す特定の実施形態において、テーパ付き幅７６は、燃料ポート６４がティアドロップ形状を有するように頂点７８にて終端することができる。或いは、図５に示すように、ライナ４６に近接した第２の端部７２は、ほぼ一定の半径８０を有し、燃料ポート６４が長円又はレーストラック形状を有するようにすることができる。

本発明の範囲内にある実施形態は、図３〜５で詳細に説明し例示した燃料ポート６４形状のうちの１つ又はそれ以上を含むことができ、本発明の実施形態は、別途請求項に記載のない限り、このような特徴要素のあらゆる組み合わせに限定されるものではない点は、当業者には容易に理解されるであろう。従って、本明細書で記載される燃料ポート６４の種々の非円形の形状は、円形燃料ポート６４に比べて燃料ポート６４の有効面積を増大させることができる。結果として、本明細書で記載される燃料ポート６４は、燃焼器１４のより広い温度範囲にわたってエミッションの付随する増大なしに効率の改善を可能にすることができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ ロータ
２０ 発電機
２２ 作動流体
２４ 固定ベーン（圧縮機）
２６ 回転ブレード
２８ 圧縮機ケーシング
３０ 圧縮機吐出プレナム
３２ 燃焼器ケーシング
３４ 燃料ノズル
３６ 端部カバー
３８ 燃焼室
４０ 移行部品
４２ ステータ
４４ バケット
４６ ライナ
４８ 流れスリーブ
５０ 環状通路
６０ 管体
６２ 燃料通路
６４ 燃料ポート
６６ 第１の流体流路
６８ 第２の流体流路
７０ 第１の端部
７２ 第２の端部
７４ 一定半径
７６ テーパ付き幅
７８ 頂点

Claims (18)

1. 燃焼器に燃料を供給するためのシステムであって、
   燃焼室と、
   前記燃焼室の少なくとも一部を円周方向に囲むライナと、
   前記ライナの少なくとも一部を円周方向に囲む流れスリーブと、
   作動流体が前記流れスリーブ及び前記ライナを通って前記燃焼室に流入するよう流体連通し且つ管体壁を含む管体と、
   燃料が前記管体壁を通って前記管体に流入するよう流体連通した、前記管体壁を貫通する非円形の複数の燃料ポートと、
   を備える、システム。
2. 前記各燃料ポートが、前記流れスリーブに近接した第１の端部を含み、該第１の端部がほぼ一定の半径を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記各燃料ポートが、前記ライナに近接した第２の端部を含み、該第２の端部がほぼ一定の半径を有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記各燃料ポートがテーパ付き幅を有する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記各燃料ポートが、前記ライナに近接した第２の端部を含み、該第２の端部が頂点を含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記管体と流体連通した前記流れスリーブ内部に燃料通路を更に備える、請求項１に記載のシステム。
7. 燃焼器に燃料を供給するシステムであって、
   燃焼室と、
   前記燃焼室の少なくとも一部を円周方向に囲むライナと、
   前記ライナの少なくとも一部を円周方向に囲む流れスリーブと、
   前記流れスリーブ及び前記ライナを通って前記燃焼室に入る第１の流路と、
   前記第１の流路と交差する第２の流体流路と、
   前記第１及び第２の流体流路の交差部にて非円形の複数の燃料ポートと、
   を備える、システム。
8. 前記各燃料ポートが、前記流れスリーブに近接した第１の端部を含み、該第１の端部がほぼ一定の半径を有する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記各燃料ポートが、前記ライナに近接した第２の端部を含み、該第２の端部がほぼ一定の半径を有する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記各燃料ポートがテーパ付き幅を有する、請求項８に記載のシステム。
11. 前記各燃料ポートが、前記ライナに近接した第２の端部を含み、該第２の端部が頂点を含む、請求項８に記載のシステム。
12. 前記第２の流体流路が前記流れスリーブの内部にある、請求項７に記載のシステム。
13. 燃焼器に燃料を供給するためのシステムであって、
    燃料ノズルと、
    前記燃料ノズルから下流側の燃焼室と、
    前記燃焼室を円周方向に囲む流れスリーブと、
    前記流れスリーブの回りに円周方向に配列され、前記流れスリーブを通って前記各燃焼室に流体連通した複数の燃料噴射装置と、
    前記各燃料噴射装置の回りに円周方向に配列され、燃料を前記各燃料噴射装置に流体連通した非円形の複数の燃料ポートと、
    を備える、システム。
14. 前記各燃料ポートが、前記流れスリーブに近接した第１の端部を含み、該第１の端部がほぼ一定の半径を有する、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記各燃料ポートが、前記ライナに近接した第２の端部を含み、該第２の端部がほぼ一定の半径を有する、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記各燃料ポートがテーパ付き幅を有する、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記各燃料ポートが、前記ライナに近接した第２の端部を含み、該第２の端部が頂点を含む、請求項１３に記載のシステム。
18. 前記各燃料噴射装置と流体連通した前記流れスリーブ内部に燃料通路を更に備える、請求項１３に記載のシステム。