JP2013231583A

JP2013231583A - 燃焼ノズルおよびその関連する方法

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Publication number: JP2013231583A
Application number: JP2013093299A
Authority: JP
Inventors: Uyigue Omoma Idahosa; ウイグエ・オモマ・イダホサ; Keith Robert Mcmanus; キース・ロバート・マクマヌス; Anthony Robert Brand; アンソニー・ロバート・ブランド; Hasan Karim; ハサン・カリム; Michael John Hughes; マイケル・ジョン・ヒューズ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-04-30
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2013-11-14
Also published as: RU2013119486A; US20130283810A1; CN103375818A; EP2660522A2

Abstract

【課題】燃焼ノズルおよびその関連する方法を提供すること。
【解決手段】燃焼ノズルは、混合セクションと出口セクションとを有する少なくとも１つの通路を備える。混合セクションは、吸気部および燃料入口を備える。混合セクションは、第１の長さおよび第１の直径を有する。出口セクションは、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。第１の長さを第２の長さより大きく、第１の直径を前記第２の直径より大きくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に燃焼器に関するものであり、より詳細には、燃焼器内の燃焼帯の中に混合気を噴射するための燃焼ノズルに関するものである。

燃焼器は、燃焼が生じるエンジンの一構成要素または領域である。例えば、ガスタービンエンジンでは、圧縮機が高圧の空気を燃焼器または燃焼室に供給する。次いで、燃焼器が、一定の圧力で燃料とともに空気を加熱する。燃焼後、発生した排ガスは、ノズルガイドベーンを介して燃焼器からタービンに供給される。ガスタービン発電所またはコンバインドサイクル発電所で使用されるこのようなエンジンは、例えば、より高い温度およびより高い圧力条件の下でより高い運転効率を達成するように運転され、排ガス流中の排出物（例えば、ＮＯｘ）を増大する傾向を有する。ＮＯｘを生成するさまざまな要因が知られているが、主たる要因は、燃焼器内の火炎温度である。ＮＯｘ排出量は、燃焼器内の火炎温度に比例する。

燃焼帯内の乱れ強さを高めると、ＮＯｘ排出量は低下する。より高い乱流レベルでは、火炎帯中の生成物の混合が高められ、燃焼帯内の局所的火炎温度が効果的に下げられることにより、ＮＯｘは低減される。乱流を増大する一方法は、噴射の速度を上げることである。このようなシナリオでは、乱流のレベルは、噴射速度に直接相関する。

米国特許出願公開第２０１０／００５０６４８号公報

本発明の一実施形態によれば、例示的な燃焼ノズルが開示されている。燃焼ノズルは、混合セクションと出口セクションとを有する少なくとも１つの通路を備える。混合セクションは、吸気部および燃料入口を備える。混合セクションは、第１の長さおよび第１の直径を有する。出口セクションは、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、ガスタービンが開示されている。ガスタービンは、圧縮機、例示的な燃焼ノズルを有する燃焼器、およびタービンを備える。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、方法は、燃焼ノズルの混合セクション内で空気と燃料とを混合し、混合気を生成するステップを含む。混合セクションは、第１の長さおよび第１の直径を有する。この方法は、燃焼ノズルの出口セクションを介して混合気を燃焼ノズルの下流に配設されている燃焼帯に噴射するステップをさらに含む。出口セクションは、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。この方法は、燃焼帯内に混合気の乱流を生成するステップをも含む。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、方法は、燃焼ノズル内に少なくとも１つの通路を形成するステップを含み、１つの通路は混合セクションと出口セクションとを有する。混合セクションは、吸気部および燃料入口を備える。混合セクションは、第１の長さおよび第１の直径を有する。出口セクションは、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して類似の文字は類似の部分を表す付属の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むと、よりよく理解されるであろう。

本発明の例示的な一実施形態による例示的な燃焼器を有するガスタービンエンジンを表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による例示的な燃焼ノズルを有する燃焼器を表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による燃焼ノズルを表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による燃焼ノズルの出口セクションを表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による例示的な燃焼ノズルを表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による例示的な燃焼ノズルを表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による例示的な燃焼ノズルを表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による例示的な燃焼ノズルを表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による例示的な燃焼ノズルを表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による例示的な燃焼ノズルを表す線図である。本発明の例示的な一実施形態による例示的な燃焼ノズルを表す線図である。

本発明の実施形態により、燃焼ノズルが開示される。例示的な燃焼ノズルは、混合セクションと出口セクションとを備える少なくとも１つの通路を備える。混合セクションは、第１の長さおよび第１の直径を有し、出口セクションは、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。空気と燃料は、混合セクション内で混合され、出口セクションにおいて燃焼器の燃焼帯内に混合気の乱流を生成する。言い換えると、混合セクション内の燃料／空気の混合度は、燃焼器の燃焼帯に入る乱れ強さレベルから分離される。乱流レベルのこのような生成は、ＮＯｘ排出量を、特に燃焼器内のより高い火炎温度において削減するのに有用である。ＮＯｘを削減する乱流レベルは、ノズルの出口セクションの長さ対直径の比に基づいて制御することができる。さらに、混合セクションの直径および長さは、空気と燃料とが混合されないシナリオと比較してさらなるＮＯｘの低減を目指す空気／燃料の最適な混合を行うように独立して設計することができる。

次に、図面を参照することにし、図１を最初に参照すると、低排出燃焼器１２を有するガスタービン１０が例示されている。ガスタービン１０は、周囲空気を圧縮するように構成された圧縮機１４を備える。燃焼器１２は、圧縮機１４と流体連通し、圧縮機１４から圧縮空気１１を受け入れ、燃料流を燃焼させて燃焼器の出口ガス流１３を生成するように構成される。例示されている実施形態では、燃焼器１２は、燃焼領域を画成する燃焼器ハウジング２０を備える。一実施形態では、燃焼器１２は、筒形燃焼器を含む。代替実施形態では、燃焼器１２は、環状筒形燃焼器または純粋に環状の燃焼器を含む。さらに、ガスタービン１０は、燃焼器１２の下流に配置されているタービン１６を備える。タービン１６は、燃焼器の出口ガス流１３を膨張させて外部負荷を駆動するように構成される。例示されている実施形態では、圧縮機１４は、軸１８を介してタービン１６が生成する動力によって駆動される。

燃焼器１２は、圧縮空気１１および燃料流を受け入れ、空気１１と燃料流とを混合して混合気を生成し、混合気を燃焼帯に噴射するための燃料ノズルを備える。燃焼ノズルは、後の図を参照しつつさらに詳しく説明される。

図２を参照すると、図１の態様による燃焼器１２が例示されている。例示されている燃焼器１２は、燃焼室２４を画成する燃焼器ハウジング２２を備える。カバーアセンブリ（図示せず）を燃焼器ハウジング２２の一端に備えることができる。燃焼ライナー２６は、燃焼器ハウジング２２内に配設される。燃焼ライナー２６は、複数の希釈孔を備えることができる。

燃焼ノズル２８は、燃焼室２４内に配設される。例示的な燃焼ノズル２８は、混合セクション３２と出口セクション３４とを有する少なくとも１つの通路（チューブ）３０を備える。例示されている実施形態では、４つの通路３０が示されている。他の実施形態では、通路３０の数は、用途に応じて異なる。混合セクション３２は、第１の長さおよび第１の直径を有し、出口セクション３４は、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。燃焼器１２は、燃焼室２４に燃料を供給するための燃料プレナム３６をさらに備える。燃料は、それぞれの通路３０の混合セクション３２内に設けられている複数の燃料入口孔３８を介して燃焼ノズル２８に入る。通路３０は、圧縮機から空気流１１を受け入れるための空気入口４０も有する。

いくつかの実施形態では、燃料として、所定の量の希釈剤とともに、炭化水素、天然ガス、または高圧水素ガス、または水素、またはバイオガス、または一酸化炭素、または合成ガス、または不活性ガス、または水蒸気、または酸化剤が挙げられる。希釈剤として、窒素、二酸化炭素、水、蒸気などが挙げられる。

燃焼ノズル２８の混合セクション３２は、空気１１と燃料とを混合し、混合気を生成するように構成される。出口セクション３４は、混合気を受け入れ、その混合気を燃焼室２４の燃焼帯４２に噴射するように構成される。出口セクション３４は、燃焼器１２の燃焼帯４２内に混合気の乱流を生成するように構成される。出口セクション３４の寸法は、混合セクション３２内で混合する燃料／空気が燃焼器１２の燃焼帯４２内に生成される乱流から分離されるように混合セクション３２の寸法と異なる。乱流レベルのこのような生成は、ＮＯｘ排出量を、特に燃焼器１２内のより高い火炎温度において削減するのに有用である。

すでに論じたように、燃焼帯内の乱れ強さを高めると、ＮＯｘ排出量が低下する。より高い乱流レベルでは、火炎帯中の燃焼生成物と新鮮な反応物との混合が高められ、燃焼帯内の局所的火炎温度が効果的に下げられることにより、ＮＯｘは低減される。このような現象は、事実上、ミクロ（極小）スケールでの燃焼排気再循環（ＥＧＲ）である。乱流を増大する一方法は、噴射の速度を上げることである。このようなシナリオでは、乱流のレベルは、噴射速度に直接相関する。

本発明の実施形態によれば、出口セクション３４を介した乱流の生成により、乱れの強化および混合の増大を並行して行うことができる。特に、出口セクションの長さ対直径の比の修正により、燃焼帯４２に入る混合気噴射の剪断速度を制御することができる。例えば、長さ対直径の比を下げると、燃焼帯４２内に導入される増大した剪断を通じてＮＯｘ排出量が下がることが実験的に観察されている。乱流を反応物の混合レベルから分離することによって、ＮＯｘ排出量の低減を実現することができる。

図３を参照すると、本発明の例示的な一実施形態による燃焼ノズル２８が開示されている。例示的な燃焼ノズル２８は複数の通路３０を備え、それぞれの通路３０は混合セクション３２と出口セクション３４とを有する。混合セクション３２は、第１の長さ（Ｌ_m）と第１の直径（ｄ_m）を有し、出口セクション３４は、第１の長さ（Ｌ_m）と異なる第２の長さ（Ｌ_j）、および第１の直径（ｄ_m）と異なる第２の直径（ｄ_j）を有する。

図４を参照すると、本発明の一実施形態による燃焼ノズルの混合セクション３２および出口セクション３４が開示されている。上で論じたように、出口セクション３４は、混合セクションの長さおよび直径と異なる長さおよび直径を有する。出口セクション３４の上流の位置における混合気の速度分布は、曲線４４によって表される。流れの剪断速度は、関係式

で表され、式中、μは流れの粘度であり、ｕは流体速度であり、ｄｕ／ｄｙは速度勾配を表す。曲線４４は、ｄｕ／ｄｙが出口セクション３４の壁面において大きく、より高い剪断速度を表すことを示している。燃焼帯内の火炎は、噴射が燃焼器内に膨張するときに剪断層内で安定する。より高い乱流からの剪断速度が上昇すると、ＮＯｘ低減に寄与する火炎帯内の排ガスの混合を増幅する。

出口セクション３４の下流の位置における混合気の速度分布は、曲線４６によって表される。曲線４６は、ｄｕ／ｄｙが出口セクション３４の壁面において比較的小さく、比較的低い剪断速度を表すことを示している。上で指摘したように、出口セクション３４の長さ対直径の比の修正により、燃焼帯に入る混合気噴射の剪断速度を制御することができる。長さ対直径の比を下げると、燃焼帯４２内に導入される増大した剪断を通じてＮＯｘ排出量が下がる。

図５を参照すると、図２の態様による燃焼器１２が例示されている。燃焼ノズル２８は、燃焼室２４内に配設される。例示的な燃焼ノズル２８は、混合セクション３２と出口セクション３４とを有する少なくとも１つの通路（チューブ）３０を備える。混合セクション３２は、第１の長さおよび第１の直径を有し、出口セクション３４は、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。例示されている実施形態では、出口セクション３４の直径は、混合セクション３２の直径より小さい。混合セクション３２の長さは、出口セクション３４の長さより大きい。

図６を参照すると、本発明の別の実施形態による燃焼器４８が例示されている。燃焼ノズル５０は、燃焼室５２内に配設される。例示的な燃焼ノズル５０は、混合セクション５６と出口セクション５８とを有する少なくとも１つの通路（チューブ）５４を備える。混合セクション５６は、第１の長さおよび第１の直径を有し、出口セクション５８は、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。例示されている実施形態では、出口セクション５８の直径は、混合セクション５６の直径より大きい。混合セクション５６の長さは、出口セクション５８の長さより大きい。

図７を参照すると、本発明の例示的な一実施形態による燃焼ノズル６０が例示されている。例示的な燃焼ノズル６０は、混合セクション６４と出口セクション６６とを有する少なくとも１つの通路（チューブ）６２を備える。混合セクション６４は、第１の長さおよび第１の直径を有し、出口セクション６６は、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。例示されている実施形態では、第２の直径は、徐々に変化する直径である。出口セクション６６の第２の直径は、混合セクション６４の第１の直径より小さい。混合セクション６４の長さは、出口セクション６６の長さより大きい。

図８を参照すると、本発明の例示的な一実施形態による燃焼ノズル６０が例示されている。例示されている実施形態は、図７に示されている実施形態に類似している。さらに、出口セクション６６は、空気を燃焼帯に噴射し、燃焼帯に送出される混合気中の乱れ強さレベルをさらに高めるための１つまたは複数の噴射孔６８を備える。

図９を参照すると、本発明の例示的な一実施形態による燃焼ノズル６０が例示されている。例示されている実施形態は、図７に示されている実施形態に類似している。さらに、混合セクション６４は、混合気の乱流を生成するために複数の乱流生成装置７０を備える。別の実施形態では、複数の乱流生成装置７０は燃焼ノズル６０の出口セクション６６にも配設される。一実施形態では、複数の乱流生成装置７０は、ノズル６０の周上に配設される。別の実施形態では、複数の乱流生成装置７０は、ノズル６０の軸方向に配設される。いくつかの実施形態では、複数の乱流生成装置７０は、メッシュ、スクリーンなどを備えることができる。

図１０を参照すると、本発明の例示的な一実施形態による燃焼ノズル７２が例示されている。例示的な燃焼ノズル７２は、混合セクション７６と出口セクション７８とを有する少なくとも１つの通路（チューブ）７４を備える。混合セクション７６は、第１の長さおよび第１の直径を有し、出口セクション７８は、第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する。例示されている実施形態では、１つまたは複数の同心円状の輪８０が出口セクション７８に配設される。

図１１を参照すると、本発明の例示的な一実施形態による燃焼ノズル６０が例示されている。例示されている実施形態は、図７に示されている実施形態に類似している。さらに、壁８２が、燃焼ノズルの混合セクション６４内に配設される。壁８２は、混合セクション６４の流れ通路の一部を部分的に塞ぐ。壁の位置は、混合気中の乱流レベルを高めつつ燃焼室内の保炎を回避するように設計される。

いくつかの実施形態では、図１〜１１を参照しつつ説明されている特徴のすべての順列および組み合わせが企図される。上で論じたように、本発明の実施形態は、混合気の混合を混合気の乱流から分離しやすくし、それによりＮＯｘ排出量を削減する。

本明細書では、本発明のいくつかの特徴のみが例示され、説明されているが、当業者であれば、多くの修正形態および変更形態を思い付くであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内に入るすべての修正形態および／または変更形態を包含することが意図されていることを理解されたい。

１０ガスタービン
１１圧縮空気
１２低排出燃焼器
１３出口ガス流
１４圧縮機
１６タービン
１８軸
２０燃焼器ハウジング
２２燃焼器ハウジング
２４燃焼室
２６燃焼ライナー
２８燃焼ノズル
３０通路（チューブ）
３２混合セクション
３４出口セクション
３６燃料プレナム
３８燃料入口孔
４０空気入口
４２燃焼帯
４４、４６曲線
５０燃焼ノズル
５２燃焼室
５４通路（チューブ）
５６混合セクション
５８出口セクション
６０燃焼ノズル
６２通路（チューブ）
６４混合セクション
６６出口セクション
７０乱流生成装置
７２燃焼ノズル
７４通路（チューブ）
７６混合セクション
７８出口セクション
８２壁

Claims

少なくとも１つの通路を備える燃焼ノズルであって、前記少なくとも１つの通路が、
吸気部および燃料入口を備え、第１の長さおよび第１の直径を有する混合セクションと、
第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する出口セクションとを備える
燃焼ノズル。
それぞれ前記第１の長さが前記第２の長さより大きく、前記第１の直径が前記第２の直径より大きい、請求項１記載の燃焼ノズル。
前記第１の長さが前記第２の長さより大きく、前記第１の直径が前記第２の直径より小さい、請求項１記載の燃焼ノズル。
前記第２の直径が、徐々に変化する直径を含む、請求項１記載の燃焼ノズル。
前記混合セクションが、空気と燃料とを混合して混合気を生成するように構成される、請求項１記載の燃焼ノズル。
前記出口セクションが、前記ノズルから混合気を噴射するように構成される、請求項１記載の燃焼ノズル。
前記出口セクションが少なくとも１つの空気噴射孔を備える、請求項１記載の燃焼ノズル。
前記混合セクション、前記出口セクションのうちの少なくとも１つに配設された複数の乱流生成装置をさらに備える、請求項１記載の燃焼ノズル。
前記複数の乱流生成装置が、前記混合セクション、前記出口セクションのうちの少なくとも１つの周上に配設される、請求項８記載の燃焼ノズル。
前記複数の乱流生成装置が、前記混合セクション、前記出口セクションのうちの少なくとも１つの軸方向に配設される、請求項８記載の燃焼ノズル。
前記出口セクション内に配設された１つまたは複数の同心円状の輪をさらに備える、請求項１記載の燃焼ノズル。
前記混合セクションが、第１の側壁と第２の側壁との間に延在する乱流壁を備える、請求項１記載の燃焼ノズル。
空気圧縮機と、
前記圧縮機に結合された燃焼器と、
前記燃焼器に結合されたタービンとを備え、
前記燃焼器が、
ケーシングと、
前記ケーシング内の燃焼帯の上流に配設された燃焼ノズルとを備え、
前記燃焼ノズルが、少なくとも１つの通路を備え、前記少なくとも１つの通路が、
吸気部および燃料入口を備え、第１の長さおよび第１の直径を有する混合セクションと、
第１の長さと異なる第２の長さ、および第１の直径と異なる第２の直径を有する出口セクションと
を備える、ガスタービン。
前記第１の長さが前記第２の長さより大きく、前記第１の直径が前記第２の直径より大きい、請求項１３記載のガスタービン。
前記第１の長さが前記第２の長さより大きく、前記第１の直径が前記第２の直径より小さい、請求項１３記載のガスタービン。
前記第２の直径が、徐々に変化する直径を含む、請求項１３記載のガスタービン。
前記混合セクションが、空気と燃料とを混合して混合気を生成するように構成される、請求項１３記載のガスタービン。
前記出口セクションが、前記ノズルから前記燃焼帯に前記混合気を噴射し、前記燃焼帯内に前記混合気の乱流を生成するように構成される、請求項１３記載のガスタービン。
前記出口セクションが少なくとも１つの空気噴射孔を備える、請求項１３記載のガスタービン。
前記混合セクション、前記出口セクションのうちの少なくとも１つに配設された複数の乱流生成装置をさらに備える、請求項１３記載のガスタービン。
前記出口セクション内に配設された１つまたは複数の同心円状の輪をさらに備える、請求項１３記載のガスタービン。
前記混合セクションが、第１の側壁と第２の側壁との間に延在する乱流壁を備える、請求項１３記載のガスタービン。
燃焼ノズルの混合セクション内で空気と燃料とを混合し、混合気を生成するステップであって、前記混合セクションが第１の長さおよび第１の直径を有する、ステップと、
前記燃焼ノズルの出口セクションを介して前記混合気を前記燃焼ノズルの下流に配設されている燃焼帯に噴射するステップであって、前記出口セクションが、前記第１の長さと異なる第２の長さ、および前記第１の直径と異なる第２の直径を有する、ステップと、
前記燃焼帯内に前記混合気の乱流を生成するステップとを含む方法。
前記出口セクション内の複数の噴射孔を介して空気を噴射し、前記燃焼帯内に前記混合気の乱流を生成するステップをさらに含む、請求項２３記載の方法。
少なくとも１つの通路を形成するステップを含み、前記少なくとも１つの通路が、
吸気部および燃料入口を備え、第１の長さおよび第１の直径を有する混合セクションと、
前記第１の長さと異なる第２の長さ、および前記第１の直径と異なる第２の直径を有する出口セクションとを備える方法。
前記第２の直径が、徐々に変化する直径を含む、請求項２５記載の方法。
前記混合セクション、前記出口セクションのうちの少なくとも１つに配設された複数の乱流生成装置を配設することをさらに含む、請求項２５記載の方法。
前記出口セクション内に配設された１つまたは複数の同心円状の輪を配設することをさらに含む、請求項２５記載の方法。