JP2013234833A - ガスタービン燃焼器のフロースリーブに配置される音響共鳴器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＬＮ燃焼器の燃焼ダイナミクスを所定のレベル未満に抑えて、排出物を低く維持するシステムを提供すること。
【解決手段】システムは、流入空気流を圧縮する圧縮機と、圧縮流入空気流を燃料と混合し燃焼区域内で空気燃料混合物を燃焼させる燃焼器組立体とを含む。燃焼器組立体は、燃焼区域の下流の高温側と、燃焼区域の上流の低温側とを含む。このシステムは、燃焼器から燃焼生成物を受け取るタービンも含む。燃焼器組立体は、燃焼器組立体のフロースリーブとケーシングとの間の環状通路内で燃焼器組立体の低温側に配置される共鳴器を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン用燃焼器組立体に関し、より具体的には、音響共鳴器を含むＤＬＮ燃焼器組立体に関する。

ガスタービンシステムは、通常、圧縮機、燃焼器組立体、及びタービンを含む、少なくとも１つのガスタービンエンジンを含む。燃焼器組立体は、ドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼を使用することができる。ＤＬＮ燃焼では、点火前に、燃料及び空気が予混合され、排出物を低減する。しかし、希薄予混合燃焼プロセスは、流量変動及び音響圧力波の影響を受けやすい。より具体的には、流量変動及び音響圧力波は、様々な振動数の自己持続圧力振動をもたらす可能性がある。これらの圧力振動は、燃焼ダイナミクス（combustion dynamics）と呼ばれることがある。燃焼ダイナミクスは、構造物振動、摩耗、及び他の性能低下をもたらす可能性がある。

米国特許第７４６１７１９号

ＤＬＮ燃焼器の燃焼ダイナミクスを所定のレベル未満に抑えて、排出物を低く維持するのが望ましい。通常５００Ｈｚ未満である軸方向モード振動数では、最適な位置に提供される音響共鳴器を使用して、燃焼ダイナミクスを効果的に制御することができる。

例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器組立体は、燃焼器組立体の外側境界部を画定するケーシングと、ケーシング内に配置され燃料供給部に結合された複数の燃料ノズルとを含む。ライナは、燃料ノズルから燃料及び空気を受け取り、燃焼区域を画定するが、フロースリーブ（ｆｌｏｗ ｓｌｅｅｖｅ）が、ライナとケーシングとの間に配置される。フロースリーブは、圧縮機吐出空気を燃焼器組立体のヘッド端部に供給し、ライナを冷却するように機能する。トランジションピースは、ライナに結合され、燃焼生成物をタービンに送給する。共鳴器が、トランジションピースの上流のフロースリーブに隣接して配置される。共鳴器は、燃焼ダイナミクスを減衰させるように機能する。

別の例示的な実施形態では、システムは、流入空気流を圧縮する圧縮機と、圧縮流入空気流を燃料と混合し燃焼区域内で空気燃料混合物を燃焼させる燃焼器組立体と、燃焼器から燃焼生成物を受け取るタービンとを含む。燃焼器組立体は、記載したケーシング、燃料ノズル、ライナ、フロースリーブ、トランジションピース、及び共鳴器を含む。

さらに別の例示的な実施形態では、システムは、流入空気流を圧縮する圧縮機と、圧縮流入空気流を燃料と混合し燃焼区域内で空気燃料混合物を燃焼させる燃焼器組立体とを含む。燃焼器組立体は、燃焼区域の下流の高温側と、燃焼区域の上流の低温側とを含む。このシステムは、燃焼器から燃焼生成物を受け取るタービンも含む。燃焼器組立体は、燃焼器組立体のフロースリーブとケーシングとの間の環状通路内で燃焼器組立体の低温側に配置される共鳴器を含む。

例示的なガスタービンシステムのブロック図である。 燃焼器組立体の概略図である。 図２に示す燃焼器の端部断面図である。 共鳴器の構成要素を示す概略図である。 別の実施形態の共鳴器を含む概略図である。

上述のように、ガスタービンシステムは、流量変動及び／又は音響圧力波の影響を受けやすい、ＤＬＮ燃焼プロセス又は他の燃焼プロセスを使用することができる燃焼器組立体を含む。具体的には、燃焼器組立体の燃焼ダイナミクスは、燃焼器組立体内に構造物振動、摩耗、機械的疲労、熱的疲労、及び他の性能低下をもたらす可能性がある、自己持続圧力振動をもたらす可能性がある。燃焼ダイナミクスを緩和するための１つの技法は、ヘルムホルツ共鳴器などの共鳴器を使用することである。具体的には、ヘルムホルツ共鳴器は、いくつかの細管、ネック、又は大きい容積空間に接続する他の通路を含む減衰機構である。共鳴器は、燃焼器組立体により生成される燃焼音を減衰させ、吸収するように動作する。ネック又は通路の深さ、及び共鳴器に取り囲まれた大きい容積空間のサイズを、共鳴器が有効である音波の振動数に関連付けることができる。

図１は、ガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図である。ガスタービンシステム１０は、圧縮機１２、燃焼器組立体１４、及びタービン１６を含む。以下の説明では、燃焼器１４の軸方向又は軸方向軸４２、半径方向又は半径方向軸４４、及び円周方向又は円周方向軸４６を参照することができる。燃焼器組立体１４は、液体燃料、及び／又は天然ガス若しくは合成ガスなどのガス燃料を燃焼器組立体１４内に導く燃料ノズル１８を含む。図示するように、各燃焼器組立体１４は、複数の燃料ノズル１８を含むことができる。より具体的には、燃焼器組立体１４は、それぞれ、１次燃料ノズル２０を有する１次燃料注入システムと、２次燃料ノズル２２を有する２次燃料注入システムとを含むことができる。燃料ノズルは、合計６つの燃料ノズルなどの複数の回路を含む可能性があり、燃料ノズルの１つは独立に燃料注入され、２つの燃料ノズルのグループは独立した燃料回路を有することができ、３つの燃料ノズルのグループは別の独立した回路を有することができる。燃料ノズルの構成及びグループ分けにかかわらず、燃焼器組立体は、複数の独立した燃料回路を含む。

図１に示す燃焼器組立体１４は、空気燃料混合物に点火し、それを燃焼させ、次いで、高温加圧燃焼ガス２４（排出ガスなど）をタービン１６内に送る。タービンブレードは、共通シャフト２６に結合され、共通シャフト２６はさらに、タービンシステム１０全体にわたる他のいくつかの構成要素に結合される。燃焼ガス２４がタービン１６内のタービンブレードを通過するとき、タービン１６は、回転力を与えられ、シャフト２６を回転させる。最終的に、燃焼ガス２４は、排気口２８を介してタービンシステム１０を出る。さらに、シャフト２６は、負荷３０に結合されてもよく、負荷３０は、シャフト２６の回転を通して動力を供給される。例えば、負荷３０は、発電プラント又は外部機械的負荷などの、タービンシステム１０の回転出力を通して動力を発生させることができる適当な任意の装置とすることができる。例えば、負荷３０には、発電機、航空機のプロペラなどが含まれる可能性がある。

タービンシステム１０の一実施形態には、圧縮機１２の構成要素として、圧縮機ブレードが含まれる。圧縮機１２内のブレードは、シャフト２６にさらに結合され、上述のように、タービン１６がシャフト２６に回転力を与えるとき回転する。圧縮機１２内のブレードの回転は、吸気口３２からの空気を圧縮して加圧空気３４にする。次いで、加圧空気３４は、燃焼器組立体１４の燃料ノズル１８内に送給される。燃料ノズル１８は、燃焼（例えば、燃料をより完全に燃やす燃焼）に適した混合比をもたらすように加圧空気３４と燃料とを混合し、燃料を無駄にすることも余分な排出物を出すこともないようにする。

図２は、燃焼器組立体１４と連携して配置される共鳴器４０の一実施形態を示す、図１の燃焼器組立体１４の１つの概略図である。上述のように、圧縮機１２は、吸気口３２から空気を受け取り、その空気を圧縮し、燃焼器１４内の燃焼プロセスで使用するための加圧空気３４の流れを発生させる。図示した実施形態に示すように、加圧空気３４は、燃焼器組立体１４に動作可能に結合された圧縮機吐出部４８に受け取られる。矢印５２で示すように、加圧空気３４は、圧縮機吐出部４８から燃焼器１４のヘッド端部５４に向かって流れる。より具体的には、加圧空気３４は、燃焼器組立体１４のライナ５８とフロースリーブ６０との間のアニュラス５６を通って流れ、ヘッド端部５４に達する。ケーシング５９は、燃焼器組立体の外側境界部又はハウジングとして機能する。

いくつかの実施形態では、ヘッド端部５４は、図１に示す燃料ノズル２０を支持することができるプレート６１及び６２を含む。図２に示す実施形態では、燃料供給部６４は、燃料ノズル２０に燃料６６を提供する。それに加えて、燃料ノズル２０は、燃焼器組立体１４のアニュラス５６から加圧空気３４を受け取る。燃料ノズル２０は、加圧空気３４を燃料供給部６４により供給された燃料６６と混合し、空気／燃料混合物を形成する。空気／燃料混合物は、燃焼器組立体１４の燃焼区域６８内で点火され、燃焼し、燃焼ガス（排出ガスなど）を形成する。燃焼ガスは、燃焼器組立体１４のトランジションピース７２の方向７０に流れる。燃焼ガスは、矢印７４で示すように、タービン１６に向かってトランジションピース７２を通過し、燃焼ガスがタービン１６内のブレードを回転させる。

燃焼器組立体１４は、フロースリーブ６０と、フロースリーブ６０の入口に隣接するケーシング５９との間に配置される共鳴器４０をさらに含む。上述のように、燃焼プロセスは、燃焼ダイナミクスと呼ばれる、様々な圧力波、音波、及び他の振動を発生させる。燃焼ダイナミクスは、燃焼器組立体１４における性能低下、構造物応力、及び機械的又は熱的疲労をもたらす可能性がある。したがって、燃焼器組立体１４は、ヘルムホルツ共鳴器などの共鳴器４０を含み、燃焼器組立体１４の燃焼ダイナミクスの影響を緩和するのを助けることができる。

図２に示すように、共鳴器４０は、燃焼器組立体の低温側のフロースリーブ上に取り付けられる。図３は、図２の線３−３に沿った断面図である。図示するように、共鳴器４０は、フロースリーブ６０とケーシング５９との間の環状通路内に配置されるのが好ましい。共鳴器４０は、フロースリーブ６０に取り付けられるのが好ましい。図４に示すように、共鳴器４０は、ライナ５８とフロースリーブ６０との間の空気流と流体連通する複数の管７６を含む容積空間７８を含む。管７６は、フロースリーブ６０とケーシング５９との間の容積空間７８内の環状通路内に延びる。図５は、共鳴器４０が軸方向注入フロースリーブのすぐ下流に配置された、別の構成を示す。共鳴器４０をこのように配置することにより、高い振幅の音響圧力を効果的に緩和することができる。

図４では、Ｐ’ＩＮは、燃焼器ヘッド端部から来る音響圧力波を示し、Ｐ’ＯＵＴは、トランジションピースから来る音響圧力波を示す。

フロースリーブ６０上の共鳴器４０を目標の振動数範囲に同調することができる。それに加えて、共鳴器４０をフロースリーブ６０に固定することができるので、共鳴器４０は容易に取り換えられる。

説明した実施形態の共鳴器は、燃焼により発生した音響効果を抑圧／減衰させるように機能する。その結果、ＤＬＮ燃焼器の操作性及び耐久性を拡張することができる。

本発明は、現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されることなく、むしろ、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる、様々な変更及び均等な構成を網羅するものとすることを理解されたい。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器組立体
１６ タービン
１８ 燃料ノズル
２０ １次燃料ノズル
２２ ２次燃料ノズル
２４ 燃焼ガス
２６ シャフト
２８ 排気口
３０ 負荷
３２ 吸気口
３４ 加圧空気
４０ 共鳴器
４２ 軸方向又は軸方向軸
４４ 半径方向又は半径方向軸
４６ 円周方向又は円周方向軸
４８ 圧縮機吐出部
５２ 矢印
５４ ヘッド端部
５６ アニュラス
５８ ライナ
５９ ケーシング
６０ フロースリーブ
６１ プレート
６２ プレート
６４ 燃料供給部
６６ 燃料
６８ 燃焼区域
７０ 方向
７２ トランジションピース
７４ 矢印
７６ 管
７８ 容積空間

Claims (17)

1. ガスタービン燃焼器組立体であって、
   燃焼器組立体の外側境界部を画定するケーシングと、
   前記ケーシング内に配置され燃料供給部に結合された複数の燃料ノズルと、
   前記燃料ノズルから燃料及び空気を受け取り、燃焼区域を画定するライナと、
   前記ライナと前記ケーシングとの間に配置され、圧縮機吐出空気を燃焼器組立体のヘッド端部に供給し前記ライナを冷却するフロースリーブと、
   前記ライナに結合され、燃焼生成物をタービンに送給するトランジションピースと、
   前記トランジションピースの上流の前記フロースリーブに隣接して配置され、燃焼ダイナミクスを減衰させる共鳴器と
   を備える、ガスタービン燃焼器組立体。
2. 前記フロースリーブと前記ケーシングとの間の環状通路を備え、前記共鳴器が、前記環状通路内に配置される、請求項１記載のガスタービン燃焼器組立体。
3. 前記共鳴器が前記フロースリーブに取り付けられる、請求項２記載のガスタービン燃焼器組立体。
4. 前記共鳴器が前記フロースリーブに取り付けられる、請求項１記載のガスタービン燃焼器組立体。
5. 前記共鳴器が前記フロースリーブの入口に隣接して前記フロースリーブに取り付けられる、請求項４記載のガスタービン燃焼器組立体。
6. 前記共鳴器が前記フロースリーブの入口に隣接して配置される、請求項１記載のガスタービン燃焼器組立体。
7. 前記共鳴器がヘルムホルツ共鳴器である、請求項１記載のガスタービン燃焼器組立体。
8. 前記共鳴器が、前記ライナと前記フロースリーブとの間の空気流と流体連通する複数の管を備え、前記複数の管が、前記フロースリーブと前記ケーシングとの間の環状通路内に延びる、請求項７記載のガスタービン燃焼器組立体。
9. 前記共鳴器が目標の振動数範囲に同調される、請求項１記載のガスタービン燃焼器組立体。
10. 流入空気流を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮流入空気流を燃料と混合し燃焼区域内で前記空気燃料混合物を燃焼させる燃焼器組立体と、
    前記燃焼器から燃焼生成物を受け取るタービンと
    を備え、
    前記燃焼器組立体が、
    前記燃焼器組立体の外側境界部を画定するケーシングと、
    前記ケーシング内に配置され燃料供給部に結合された複数の燃料ノズルと
    前記燃料ノズルから燃料及び空気を受け取り、燃焼区域を画定するライナと、
    前記ライナと前記ケーシングとの間に配置され、前記圧縮機からの吐出空気を前記燃焼器組立体のヘッド端部に供給し前記ライナを冷却するフロースリーブと、
    前記ライナに結合され、前記燃焼生成物を前記タービンに送給するトランジションピースと、
    前記トランジションピースの上流の前記フロースリーブに隣接して配置され、燃焼ダイナミクスを減衰させる共鳴器と
    を備える、システム。
11. 前記燃焼器組立体が、前記フロースリーブと前記ケーシングとの間の環状通路をさらに備え、前記共鳴器が前記環状通路内に配置される、請求項１０記載のシステム。
12. 前記共鳴器が前記フロースリーブに取り付けられる、請求項１０記載のシステム。
13. 前記共鳴器が前記フロースリーブの入口に隣接して前記フロースリーブに取り付けられる、請求項１０記載のシステム。
14. 前記共鳴器がヘルムホルツ共鳴器である、請求項１０記載のシステム。
15. 前記共鳴器が、前記ライナと前記フロースリーブとの間の空気流と流体連通する複数の管を備え、前記複数の管が、前記フロースリーブと前記ケーシングとの間の環状通路内に延びる、請求項１４記載のシステム。
16. 前記共鳴器が目標の振動数範囲に同調される、請求項１０記載のシステム。
17. 流入空気流を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮流入空気流を燃料と混合し燃焼区域内で前記空気燃料混合物を燃焼させ、前記燃焼区域の下流の高温側と前記燃焼区域の上流の低温側とを含む燃焼器組立体と、
    前記燃焼器から燃焼生成物を受け取るタービンと
    を備え、
    前記燃焼器組立体が、前記燃焼器組立体のフロースリーブとケーシングとの間の環状通路内で前記燃焼器組立体の前記低温側に配置される共鳴器を含む、
    システム。