JP2013238388A - 表面加工した燃料プレナム予混合管 - Google Patents

Abstract

【課題】混合管および外筒にわたってより均一な熱分布を提供しながら、良好な燃料−空気混合を促進することができる、改善されたマイクロミキサ設計を有する燃焼器を提供すること。
【解決手段】本出願は、燃料流および空気流を燃焼器内で混合するためのマイクロミキサ燃料プレナムを提供する。マイクロ混合燃料プレナムは、外筒および外筒内に配置された多数の混合管を含むことができる。混合管は１つまたは複数の熱伝導部を含むことができる。複数の混合管は、外筒の第１の端部の境界板から第２の端部の燃料分配板へと延びる構成とすることができる。
【選択図】図２

Description

本出願およびこれによる特許は一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、改善された均一な温度分布のために表面加工された、マイクロミキサなどで使用するための燃料プレナム予混合管に関する。

ガスタービンエンジンの運転効率および出力は一般に、高温の燃焼ガス流の温度が上昇するにつれて増加する。しかし、高温の燃焼ガス流温度は、高レベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）および他のタイプの規制排出物を産生することがある。したがって、ガスタービンエンジンを効率的な温度範囲で運転することと、窒素酸化物および他のタイプの規制排出物の出力が義務付けられたレベルを確実に下回るようにすることとの間に、均衡作用が存在する。

燃焼前に燃料流および空気流を良く混合することによって、窒素酸化物などの排出レベルを低減することを促進することができる。そのような予混合は、燃焼温度および窒素酸化物の出力を低減する傾向にある。そのような良好な混合を提供する１つの方法は、燃料および空気がプレナム内の多数のマイクロ混合管で混合される、マイクロミキサの使用による。そのような良好な混合を促進するために、それぞれの混合管に同量の燃料を送り込むべきである。しかし、燃料密度が一部では温度の関数であるため、この目的は困難なことがある。したがって、それぞれの管に送り込まれる燃料が確実に均一の熱収集を有するようにすることが困難な場合がある。さらに、混合管とプレナムの外筒との間に顕著な温度差が生じることがある。この温度差によって、構成部品の寿命が短くなるとともに、時間の経過とともに構成部品の歪みが生じることがある。

米国特許出願公開第２０１２／００５８４３７号公報

したがって、改善されたマイクロミキサ設計を有する燃焼器が望まれている。そのような改善されたマイクロミキサ設計は、混合管および外筒にわたってより均一な熱分布を提供しながら、良好な燃料−空気混合を促進することができる。

したがって、本出願およびこれによる特許は、燃料流および空気流を燃焼器内で混合するためのマイクロミキサ燃料プレナムを提供する。マイクロ混合燃料プレナムは、外筒および外筒内に配置された多数の混合管を含むことができる。混合管は１つまたは複数の熱伝導部を含むことができる。

本出願およびこれによる特許は、多数の混合管を備えたマイクロミキサ燃料プレナムにわたって均一の温度分布を促進するための方法をさらに提供する。方法は、第１の温度の空気を混合管を通って第１の方向に流すステップと、第２の温度の燃料を混合管の１つまたは複数の熱伝導部にわたって第２の方向に流すステップと、空気を流すステップと燃料を熱伝導部にわたって流すステップとの間で熱交換するステップと、燃料を多数のポストオリフィスを通って混合管へと流すステップとを含むことができる。

本出願およびこれによる特許は、燃料流および空気流を燃焼器内で混合するためのマイクロミキサ燃料プレナムをさらに提供する。マイクロミキサ燃料プレナムは、燃料流を導入するための外筒と、外筒内に配置された空気流を導入するための多数の混合管を含むことができる。混合管は、燃料流がポストオリフィスに入る前に、燃料流と空気流との間で熱交換するように、多数のポストオリフィスおよび１つまたは複数の熱伝導部を含むことができる。

本出願およびこれによる特許のこれらおよび他の利点および改良は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を検討すれば、当業者には明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、およびタービンを示すガスタービンエンジンの概略図である。 図１のガスタービンエンジンで使用することができる燃焼器の概略図である。 図２の燃焼器で使用することができるマイクロミキサ燃料プレナムの斜視図である。 図３のマイクロミキサ燃料プレナムの側面断面図である。 本明細書で説明することができるマイクロミキサ燃料プレナムの側面断面図である。 本明細書で説明することができるマイクロミキサ燃料プレナムの代替実施形態の一部分の平面図である。 本明細書で説明することができるマイクロミキサ燃料プレナムの代替実施形態の一部分の平面図である。 図７のマイクロミキサ燃料プレナムで使用することができる混合管の側面断面図である。

いくつかの図面を通して同様の番号は同様の要素を示すが、ここで図面を参照すると、図１は本明細書で使用することができるようなガスタービンエンジン１０の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５へと送り込む。燃焼器２５は、圧縮された空気流２０を加圧された燃料流３０と混合し、混合物に点火して燃焼ガス流３５を生成する。単一の燃焼器２５のみが示されているが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス流３５は、次いでタービン４０へと送り込まれる。燃焼ガス流３５は、タービン４０を駆動して、機械的作業を産生する。タービン４０で産生された機械的作業は、シャフト４５および発電機などの外部負荷５０を介して、圧縮機１５を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス、および／または他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定はされないが、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社から販売されている７または９シリーズ重荷重ガスタービンエンジンなどを含む、多数の様々なガスタービンエンジンの任意のものとすることができる。ガスタービンエンジン１０は様々な構成を有することができ、他のタイプの構成部品を使用することもできる。他のタイプのガスタービンエンジンを本明細書で使用することもできる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービンおよび他のタイプの発電機器をともに本明細書で使用することもできる。

図２は、上記のガスタービンエンジン１０で使用することができるような燃焼器２５の例の概略図を示す。燃焼器２５は、先端部の端部キャップ５２からタービン４０付近の後端部の尾筒５４へと延びることができる。多数の燃料ノズル５６を端部キャップ５２付近に配置することができる。ライナ５８は、燃料ノズル５６から尾筒５４に向かって延びることができ、燃焼領域６０を画成することができる。ライナ５８はフロースリーブ６２によって包囲することができる。ライナ５８およびフロースリーブ６２は、圧縮機１５またはその他からの空気流２０のために、ライナ５８とフロースリーブ６２との間に流路６４を画成することができる。本明細書で説明される燃焼器２５は、例示のためのものに過ぎない。他の構成部品および他の構成を有する燃焼器を本明細書で使用することもできる。

図３および４は、マイクロミキサ燃料プレナム７０の例を示す。マイクロミキサ燃料プレナム７０を、燃料ノズル５６またはその他の付近で使用することができる。上記のように、マイクロミキサ燃料プレナム７０は、多数の混合管７４を備えた外筒７２を含むことができる。混合管７４は、第１の端部７８の境界板７６から境界板７６を通って、第２の端部８２の燃料分配板８０へと燃料分配板８０を通って延びることができる。任意の数の混合管７４を、本明細書では様々な構成で使用することができる。外筒７２および混合管７４は任意のサイズ、形状または構成を有することができる。それぞれの混合管７４は、内面８４および外面８６を有することができる。それぞれの混合管７４は、外面８６から内面８４へと延びる多数の柱状オリフィス８８を含むこともできる。任意の数の柱状オリフィス８８は、任意のサイズ、形状または構成で使用することができる。混合管７４と外筒７２との間の空間は、燃料流３０を導入するための燃料空間９０を画成することができる。

使用時には、燃料流３０は第２の端部８２から燃料分配板８０を通ってマイクロミキサ燃料プレナム７０に入り、燃料空間９０内を混合管７４の外面８６に沿って流れる。燃料流３０は、華氏約８０度から約４００度（摂氏２６．７度から約２０４．４度）の温度Ｔ_FUELとすることができる。空気流２０は第１の端部７８で混合管７４に入る。圧縮機１５からの空気流２０は、圧縮機排出温度、Ｔ_CD、華氏約７００度から約９００度（摂氏約３７１．１度から約７８２．２度）のオーダーとすることができる。燃料流３０は柱状オリフィス８８を通って流れ、空気流２０と混合して、燃料／空気混合物９２を形成する。次いで、燃料／空気混合物９２は第２の端部８２付近で混合管７４を出る。

空気流２０はまた、約温度Ｔ_CDでマイクロミキサ燃料プレナム７０の外筒７２を包囲する。上記のように、外筒７２はその結果温度Ｔ_CDおよびＴ_FUELの両方に露出される。したがって、混合管７４は比較的高温となり、外筒７２は比較的低温となることができるように、外筒７２は華氏約５００度から約６００度（摂氏約２６０度から約３１５．６度）のオーダーとすることができる。本明細書では、他の温度および他のタイプの温度差にも対応することができる。

したがって、燃料流３０がそれぞれの柱状オリフィス８８に達するために必要な流路は、集熱量がそれぞれの混合管７４の付近で変動することができるように、独特のものとすることができる。密度は温度の関数であるので、この不均一性によって、それぞれの混合管７４に送り込まれる燃料の量が変動することがある。上記のように、この変動は、排気、保炎、全体的な性能および出力に対して好ましくない影響を及ぼすことがある。同様に、混合管７４と外筒７２との温度差は、熱的な不一致を生じることがあり、それにより混合管７４が圧縮状態になり、塑性変形することがある。したがって、そのような温度差は、構成部品の歪み、または場合によっては、長期間にわたっておよび使用時に損傷を引き起こすことがある。

図５は燃焼器１１０などで使用するために本明細書で説明されるような、マイクロミキサ燃料プレナム１００の側面断面図を示す。マイクロミキサ燃料プレナム１００は、多数の混合管１３０を備えた外筒１２０を含むことができる。任意の数の混合管１３０を本明細書で使用することができる。外筒１２０および混合管１３０は、任意のサイズ、形状または構成を有することができる。混合管１３０は、第１の端部１５０の境界板１４０から境界板１４０を通って、第２の端部１７０の燃料分配板１６０へと燃料分配板１６０を通って延びることができる。混合管１３０と外筒１２０との間の空間は、燃料空間１８０を画成することができる。混合管１３０は、内面１９０および外面２００を含むことができる。多数の柱状オリフィス２１０が、外面２００から内面１９０へと延びることができる。任意の数の柱状オリフィス２１０を任意のサイズ、形状または構成で使用することができる。他の構成部品および他の構成を本明細書で使用することもできる。

したがって、一部または全部の混合管１３０の外面２００は、１つまたは複数の形成された熱伝導部２２０を有することができる。この例では、熱伝導部２２０は、１つまたは複数の凹状熱伝導部２３０とすることができる。凹状熱伝導部２３０は１つまたは複数のねじ山２４０などの形態とすることができる。凹状熱伝導部２３０は、ねじ山２４０を機械加工することによって、またはそのような凹状熱伝導部２３０を混合管１３０の外面２００に他の方法で形成することによって、形成することができる。任意の数の凹状熱伝導部２３０およびねじ山２４０を任意のサイズ、形状または構成で使用することができる。他の構成部品および他の構成を本明細書で使用することもできる。

図６は凹状熱伝導部２３０の他の例を示す。この例では、凹状熱伝導部２３０は、多数の窪み２４５の形態とすることができる。窪み２４５は、混合管１３０の１つまたは複数の外面２００に形成することができる。任意の数の凹状熱伝導部２３０および窪み２４５を、任意のサイズ、形状または構成で、本明細書で使用することができる。凹状熱伝導部２３０は、ねじ山２４０、窪み２４５などに加えて、多くの他の異なる形状をとることができる。他の構成部品および他の構成を本明細書で使用することもできる。

図７および８は熱伝導部２２０の他の例を示す。この例では、熱伝導部２２０は、混合管１３０の１つまたは複数に形成された多数の凸状熱伝導部２５０を含むことができる。凸状熱伝導部２５０は、１つまたは複数のリブ２６０または他のタイプの外向き突起の形態とすることができる。リブ２６０は、軸方向および／または径方向に延びることができる。凸状熱伝導部２５０は、混合管１３０の外面２００からリブ２６０または他のタイプの突起を延ばし、または形成することによって、形成することができる。任意の数の凸状熱伝導部２５０およびリブ２６０を、任意のサイズ、形状または構成で使用することができる。凸状熱伝導部２５０は、リブ２６０などに加えて、多くの他の異なる形状をとることができる。他の構成部品および他の構成を本明細書で使用することもできる。

したがって、熱伝導部２２０の使用により、混合管１３０の表面積が増加し、流が柱状オリフィス２１０に入る前に燃料流３０に伝達される熱量が増加する。具体的には、熱伝導部２２０は柱状オリフィス２１０での均一な温度分布を促進する。熱伝導部２２０で集熱量を増加することによって、燃料流３０の温度が最大値に近付くことができ、その結果柱状オリフィス２１０での燃料温度Ｔ_FUELが実質的に均一となることができるようになる。同様に、混合管１３０内で空気流２０から引き出される熱量を増加することによって、混合管１３０と外筒１２０との間でより好ましい温度分布を生じることができる。熱伝導部２２０を混合管１３０の外面２００に付加することによって、混合管１３０は、より低温となることに加えて、適合性をより高くすることができる。これらの結果はいずれも、混合管１３０の耐久性を高め、混合管１３０と外筒１２０との連結部への負荷も軽減する。

熱伝導部２２０の構成は様々とすることができ、本明細書では目標の集熱量および許容可能な応力に基づくことができる。したがって、熱伝導部２２０は任意の数およびタイプの凹状熱伝導部２３０および／または凸状熱伝導部２５０および／またはそれらの組み合わせとすることができる。他のタイプの熱伝導部２２０を本明細書で使用することもできる。具体的には、混合管１３０などの全体的な表面積を増加する任意の構造を、伝達される熱量を増加するように、任意の向きまたは構成で、本明細書で使用することができる。したがって、本明細書では熱伝導部２２０を使用することによって、複雑性または運転費用をさらに追加することなく、本明細書における構成部品全体にわたる燃料の均一性が促進される。

上記は、本出願のある種の実施形態およびこれによる特許のみに関することが明らかになるはずである。当業者であれば、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に多くの変更および修正を行うことができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
５２ 端部キャップ
５４ 尾筒
５６ 燃料ノズル
５８ ライナ
６０ 燃焼領域
６２ フロースリーブ
６４ 流路
７０ マイクロミキサ燃料プレナム
７２ 外筒
７４ 混合管
７６ 境界板
７８ 第１の端部
８０ 燃料分配板
８２ 第２の端部
８４ 内面
８６ 外面
８８ ポストオリフィス
９０ 燃料空間
９２ 燃料−空気混合物
１００ マイクロミキサ燃料プレナム
１１０ 燃焼器
１２０ 外筒
１３０ 混合管
１４０ 境界板
１５０ 第１の端部
１６０ 燃料分配板
１７０ 第２の端部
１８０ 燃料空間
１９０ 内面
２００ 外面
２１０ ポストオリフィス
２２０ 熱伝導部
２３０ 凹状熱伝導部
２４０ ねじ山
２４５ 窪み
２５０ 凸状熱伝導部
２６０ リブ

Claims (20)

1. 燃料流および空気流を燃焼器内で混合するためのマイクロミキサ燃料プレナムであって、
   外筒と、
   前記外筒内に配置された複数の混合管とを含み、
   前記複数の混合管が１つまたは複数の熱伝導部を含むマイクロミキサ燃料プレナム。
2. 前記複数の混合管が、前記外筒の第１の端部の境界板から第２の端部の燃料分配板へと延びる、請求項１記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
3. 前記外筒が前記燃料流のための燃料空間を含む、請求項１記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
4. 前記複数の混合管が前記燃料流のための複数の柱状オリフィスを含む、請求項１記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
5. 前記燃料流が、前記複数の混合管のそれぞれの前記複数の柱状オリフィスの付近で最大温度を含む、請求項４記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
6. 前記燃料流が、前記複数の混合管のそれぞれの前記複数の柱状オリフィスの付近で実質的に均一の温度を含む、請求項４記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
7. 前記複数の混合管が外面および内面を含む、請求項１記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
8. 前記１つまたは複数の熱伝導部が前記外面の付近に配置されている、請求項７記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
9. 前記１つまたは複数の熱伝導部が１つまたは複数の凹状熱伝導部を含む、請求項１記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
10. 前記１つまたは複数の凹状熱伝導部が１つまたは複数のねじ山を含む、請求項９記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
11. 前記１つまたは複数の凹状熱伝導部が１つまたは複数の窪みを含む、請求項９記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
12. 前記１つまたは複数の熱伝導部が１つまたは複数の凸状熱伝導部を含む、請求項１記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
13. 前記１つまたは複数の凸状熱伝導部が１つまたは複数のリブを含む、請求項１２記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
14. 前記１つまたは複数の熱伝導部が複数の凹状熱伝導部および／または複数の凸状熱伝導部を含む、請求項１記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
15. 多数の混合管を備えたマイクロミキサ燃料プレナムにわたって均一の温度分布を促進するための方法であって、
    第１の温度の空気を前記複数の混合管を通って第１の方向に流すステップと、
    第２の温度の燃料を前記複数の混合管の１つまたは複数の熱伝導部にわたって第２の方向に流すステップと、
    前記空気流と前記燃料流との間で前記１つまたは複数の熱伝導部にわたって熱交換するステップと、
    前記燃料を複数の柱状オリフィスを通して前記複数の混合管へと流すステップとを含む方法。
16. 燃料流および空気流を燃焼器内で混合するためのマイクロミキサ燃料プレナムであって、
    前記燃料流を導入するための外筒と、
    前記外筒内に配置された前記空気流を導入するための複数の混合管とを含み、
    前記複数の混合管が複数の柱状オリフィスを含み、
    前記燃料流が前記複数の柱状オリフィスに入る前に、前記燃料流と前記空気流との間で熱交換するように、前記複数の混合管が１つまたは複数の熱伝導部を含むマイクロミキサ燃料プレナム。
17. 前記複数の混合管が、前記外筒の第１の端部の境界板から第２の端部の燃料分配板へと延びる、請求項１６記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
18. 前記１つまたは複数の熱伝導部が１つまたは複数の凹状熱伝導部を含む、請求項１６記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
19. 前記１つまたは複数の熱伝導部が１つまたは複数の凸状熱伝導部を含む、請求項１６記載のマイクロミキサ燃料プレナム。
20. 前記１つまたは複数の熱伝導部が１つまたは複数の適合性のある部分を含む、請求項１６記載のマイクロミキサ燃料プレナム。