JP2013253770A - 衝突冷却燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】衝突冷却燃焼器を提供すること。
【解決手段】本出願によれば、ガスタービンエンジンと共に使用するための燃焼器が提供される。燃焼器は、タービンノズルおよび該タービンノズルを統合したライナ冷却システムを含むことができる。ライナ冷却システムは、１つまたは複数の冷却フィーチャをその上に備えたライナと、衝突スリーブとを含むことができる。前記タービンノズルは１段ノズルを備えることができる。前記タービンノズルは燃料噴射器を備えることができる。燃焼器はジェット攪拌燃焼器を備えることができる。
【選択図】図１

Description

本出願および本出願の結果として生じる特許は、一般にはガスタービンエンジンに関し、より詳細には、指令された放出物レベルおよび所望の出力要求事項を可変範囲の燃料にわたって満足することができるジェット攪拌設計等々のライナ冷却システムを備えた燃焼器を有するガスタービンエンジンに関する。

ガスタービンエンジンの運転効率は、一般に、高温燃焼ガス流の温度が高くなるにつれて高くなる。しかしながら燃焼ガス流の温度が高ければ高いほど、より高いレベルの窒素酸化物（ＮＯ_x）および他のタイプの望ましくない放出物が生成されることになる。このような放出物は、米国では場合によっては連邦および州の両方の規制の対象になっており、また、場合によっては外国の同様の規制の対象にもなっている。さらに、ガスタービンエンジンおよび発電所の資金調達は、しばしば国際的な放出物規格の対象になる可能性がある。したがってバランスを取る行為は、有効な温度範囲内でのガスタービンエンジンの運転と、その一方で、窒素酸化物および他のタイプの規制放出物の放出が指令されたレベル内を十分に維持していることの保証との間に存在している。また、多くの他のタイプの運転パラメータを変更することによってこのような最適化バランスを提供することも可能である。

ガスタービンエンジン等々のオペレータは、可用性および価格に応じて、様々な時間に、異なるタイプの燃料を使用することを好むことがある。例えば重燃料油などの液体燃料は、特定の時間に、特定の場所で容易に入手することができる。しかしながら、重燃料油は、特定の燃焼温度を超えると、高いレベルで窒素酸化物に変換されることになる。具体的には、重燃料油などの液体燃料には、場合によっては多くの燃料拘束窒素が含まれている。したがってこのような燃料は、通常、放出物のレベルを低くするために、場合によっては選択的触媒還元等々の使用が必要である。しかしながら、このようなプロセスによって総運転コストが高くなり、また、ガスタービンエンジン全体がさらに複雑になることがある。

米国特許出願公開第２０１１／０１６２３７８号公報

したがってガスタービンエンジンのための、天然ガスから液体燃料に至る様々なタイプの燃料を効率的に燃焼させることができ、その一方で総放出物コンプライアンスを維持することができる燃焼器が望ましい。好ましいことには、このような燃焼器は適切に冷却することができ、したがって有効な総合運転および出力を犠牲にすることなくコンポーネントの寿命を長くすることができる。

したがって本出願および本出願の結果として生じる特許によれば、ガスタービンエンジンと共に使用するための燃焼器が提供される。燃焼器は、タービンノズルおよび該タービンノズルを統合したライナ冷却システムを含むことができる。ライナ冷却システムは、１つまたは複数の冷却フィーチャをその上に備えたライナと、衝突スリーブとを含むことができる。

本出願および本出願の結果として生じる特許によれば、さらに、燃焼器を冷却する方法が提供される。この方法は、タービンノズルを統合したライナ冷却システムを備えた燃焼ゾーンを画定するステップと、衝突スリーブを介してライナ冷却システムのライナを衝突冷却するために、燃焼器のヘッドエンドの周囲に空気を流すステップと、１つまたは複数のライナ表面冷却フィーチャを介してライナをさらに冷却するステップとを含むことができる。

本出願および本出願の結果として生じる特許によれば、さらに、ガスタービンエンジンと共に使用するためのジェット攪拌燃焼器を提供することができる。ジェット攪拌燃焼器は、１段ノズルおよび該１段ノズルを統合したライナ冷却システムを含むことができる。ライナ冷却システムは、１つまたは複数の冷却フィーチャをその上に備えたライナと、衝突スリーブと、それらの間のエアギャップとを含むことができる。

本出願および本出願の結果として生じる特許のこれらおよび他のフィーチャならびに改善については、複数の図面および添付の特許請求の範囲に関連して行う以下の詳細な説明を精査することにより、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有するガスタービンエンジンの略線図である。 図１のガスタービンエンジンと共に使用することができる燃焼器の略線図である。 本明細書において説明される燃焼器の一部の斜視図である。 図３の燃焼器のライナ冷却システムの上面斜視図である。 図３の燃焼器のライナ冷却システムの底面斜視図である。 図３の燃焼器のライナ冷却システムの正面平面図である。 図３の燃焼器のライナ冷却システムの側面斜視図である。 図３の燃焼器のライナの一部の斜視図である。 本明細書において説明される多数の燃焼器セクションの斜視図である。

いくつかの図を通して同様の数表示は同様のエレメントを表している図面を参照すると、図１に、本明細書において使用することができるガスタービンエンジン１０の略線図が示されている。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２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０の流れを燃焼器２５に引き渡す。燃焼器２５は、圧縮された空気２０の流れと加圧された燃料３０の流れを混合し、かつ、この混合物を点火し、それにより燃焼ガス３５の流れが生成される。図には単一の燃焼器２５しか示されていないが、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３５の流れは、次いでタービン４０に引き渡される。この燃焼ガス３５の流れによってタービン４０が駆動され、それにより機械的な仕事が生成される。タービン４０内に生成されるこの機械的な仕事により、軸４５および発電機等々などの外部負荷５０を介して圧縮機１５が駆動される。

ガスタービンエンジン１０の燃焼器２５は、天然ガス、液体燃料、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、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ州ＳｃｈｅｎｅｃｔａｄｙのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙが提供している、それらに限定されないが、７または９シリーズ大型ガスタービンエンジン等々などのガスタービンエンジンを含む多くの異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つであってもよい。ガスタービンエンジン１０は異なる構成を有することができ、また、他のタイプのコンポーネントを使用することも可能である。また、本明細書においては他のタイプのガスタービンエンジンを使用することも可能である。また、本明細書においては、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設備を共に使用することも可能である。

図２は、上で説明したガスタービンエンジン１０等々に使用することができる燃焼器２５の一例を示したものである。この例では、燃焼器２５は、ジェット攪拌タイプの設計または同様のタイプの逆流設計を有することができる。燃焼器２５はタービンノズル６０と統合することができる。タービンノズル６０は１段ノズルであってもよい。燃焼器２５は、タービンノズル６０から延在している環状燃焼ライナ６５を含むことができる。環状燃焼ライナ６５は、その中に燃焼ゾーン７０を画定することができる。ノズル６０の周囲に燃料噴射器７５を配置して燃料３０の流れを提供することができる。燃料３０の流れおよび圧縮機１５または他のいずれかからの空気２０の流れは、タービンノズル６０の周囲の燃焼ゾーン７０に導入することができる。燃料３０および空気２０の流れは、それらを良好に混合するために、高温燃焼ガスの流れ３５の方向とは逆の方向に噴射することができる。本明細書において説明されている燃焼器２５は、単に例を示すことを目的としたものにすぎない。多くの他のタイプの燃焼器、燃焼器コンポーネントおよび燃焼器構成も同じく知られている。

図３は、本明細書において説明される環状燃焼器１００の一例を示したものである。上で説明した燃焼器と同様、燃焼器１００の個々のセグメント１０５は、タービンノズル１１０と統合することができる。この例では、タービンノズル１１０は１段ノズル１２０であってもよい。タービンノズル１１０は、燃料３０の流れと連通している燃料マニホルド１３０を含むことができる。また、タービンノズル１１０は、燃料マニホルド１３０と連通している燃料噴射器１４０を含むことも可能である。燃料３０の流れおよび圧縮機１５または他のいずれかからの空気２０の流れは、タービンノズル１２０の周囲に導入することができる。本明細書において説明されている燃焼器１００は、コンパクトで、かつ、高強度にすることができ、また、低放出物燃焼器、つまりあるタイプのジェット攪拌燃焼器１５０または同様のタイプの逆流設計にすることができる。本明細書においては、他のコンポーネントおよび他の構成を使用することも可能である。

図４〜８は、燃焼器１００と共に使用するための、本明細書において説明されているライナ冷却システム１６０を示したものである。ライナ冷却システム１６０は、その中に燃焼ゾーン１６５を画定することができる。ライナ冷却システム１６０は、内部ライナ１７０および外部衝突スリーブ１８０を含むことができる。ライナ１７０および衝突スリーブ１８０は、エアギャップ１９０によって分離することができる。ライナ１７０は、遮熱コーティング等々を備えたハステロイＸ材料（ニッケル、クロム、鉄合金）から構築することができる（ハステロイＸは、Ｉｎｄｉａｎａ州ＫｏｋｏｍｏのＨａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．の商標である）。本明細書においては他のタイプの材料を使用することも可能である。衝突スリーブ１８０も同様の材料から構築することができる。ライナ１７０、衝突スリーブ１８０およびエアギャップ１９０の厚さは変更が可能である。ライナ１７０および衝突スリーブ１８０は、実質的にくずれた「Ｕ」字様の形２００を有することができる。本明細書においては、所望の流路、温度、圧力および他のタイプの運転パラメータに応じて、他の形状およびサイズを使用することができる。さらに、本明細書においては、他のコンポーネントおよび他の構成を使用することも可能である。

ライナ１７０は、燃焼ゾーン１６５と対向している燃焼側２１０、および空気２０の流れと連通し、かつ、エアギャップ１９０および衝突スリーブ１８０と対向している冷却側２２０を含むことができる。図８に示されているように、ライナ１７０の冷却側２２０は、その上に多数の冷却フィーチャ２３０を有することも可能である。この例では、冷却フィーチャ２３０は、多数のリブ２４０の形態を取ることができる。任意の数のリブ２４０を任意のサイズ、形状および構成で使用することができる。リブ２４０は、その中に形成することができ、あるいはさもなければその上に配置することができる。本明細書においては任意のタイプの冷却フィーチャ２３０を使用してライナ１７０の局部表面積を広くすることができ、したがってライナ１７０を介して伝達される熱の量を多くすることができる。本明細書においては、例えば菱形パターン、魚骨形パターン、千鳥形フィンおよび他のタイプのパターンならびに構造を使用することができる。図にはライナ１９０の冷却側２２０の頂部側２５０および底部側２６０に配置された冷却フィーチャ２３０が示されているが、本明細書においては、前面すなわちヘッドエンド２７０の周囲または他のいずれかを含む他の位置を使用することも可能である。

また、ライナ１７０は、頂部側２５０、底部側２６０または他のいずれかの周囲に、ライナ１７０を貫通して延在している多数の拡散孔２９０を有することも可能である。本明細書においては、任意の数の拡散孔２９０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。本明細書においては、他のコンポーネントおよび他の構成を使用することも可能である。

衝突スリーブ１８０は、衝突スリーブ１８０を貫通して延在している多数の衝突孔３００を含むことができる。本明細書においては、任意の数の衝突孔３００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。図に示されているように、１つまたは複数の頂部径３２０を有する多数の頂部衝突孔３１０、ならびに１つまたは複数の底部径３４０を有する多数の底部衝突孔３３０を使用することができる。同様に、１つまたは複数の冷却フィーチャ孔径３６０を有する多数の冷却フィーチャ孔３５０をライナ１７０の冷却フィーチャ２３０の周囲に配置することができる。さらに、１つまたは複数のヘッドエンド衝突孔径３８０を有する多数のヘッドエンド衝突孔３７０をライナ１７０のヘッドエンド２７０の周囲に配置することができる。したがって衝突孔３００の数は、ライナ１７０に対する位置に応じて変更することができる。同様に、局部圧力降下および他の運転パラメータを考慮して、ライナ１７０のその特定のセクションに有効な冷却が提供されるよう、衝突孔３００のサイズ、形状および構成を変更することも可能である。図７に示されているように、流れの方向は、ヘッドエンド２７０からタービン４０へ向かう方向にすることができる。本明細書においては、多くの異なる構成の衝突孔３００ならびに構成の組合せを使用することができ、かつ、最適化することができる。

図９に示されているように、燃焼器１００の個々のセクション１０５を一体に結合して総合燃焼器１００を形成することができる。本明細書においては、任意の数のセクション１０５を使用することができる。セクション１０５は、任意のタイプの従来の方法で結合することができる。セクション１０５は、可変のサイズ、形状および構成、ならびに個々のライナ冷却システム１６０における変形形態を有することができる。

使用中、圧縮機１５またはいずれかからの空気２０の流れがライナ冷却システム１６０を横切って流れる。具体的には、空気２０の流れは、衝突スリーブ１８０の衝突孔３００を通って流れ、それによりライナ１７０に衝突冷却が提供される。したがって空気２０の流れは、ライナ１７０の頂部２５０、底部２６０およびヘッドエンド２７０の周囲、ならびにライナ冷却フィーチャ２３０の周囲に衝突冷却を提供する。冷却の量は、衝突孔３００の数、サイズ、形状および構成に依存する。さらに、ライナ１７０の上に配置される冷却フィーチャ２３０によってライナ１７０の冷却を改善することも可能である。したがって冷却フィーチャ２３０は、ライナ１７０上の様々な位置を追加冷却し、衝突流がそれていたり、あるいは十分にあたらない範囲を冷却する。したがってライナ冷却システム１５０は、衝突冷却および改善された表面冷却を提供し、ライナ１７０自体への空気の侵入がなく、したがって放出物が最少化される。

ライナ１７０を冷却した後、空気２０の流れおよび燃料３０の流れは、次にタービンノズル１１０の周囲の燃焼器１００に流入する。空気２０の流れおよび燃料３０の流れは、高温燃焼ガス３５の流れとは逆の方向に噴射することができる。空気２０の流れおよび燃料３０の流れが燃焼ゾーン１６５に流入すると、空気２０および燃料３０が流出する燃焼流３５と混合される。具体的には、これらの流れが混合され、燃焼され、かつ、方向が反転され、それにより燃焼流３５および流入する空気２０が希釈される。また、空気２０の流れは、タービンノズル１１０を通って流れる際に、該タービンノズル１１０を同じく冷却する。本明細書においては、他のコンポーネントおよび他の構成を使用することも可能である。

したがって本明細書において説明されている燃焼器１００によれば、ガス燃料および液体燃料の範囲に及ぶ燃料柔軟性が提供される。また、この燃焼器１００によれば、放出物コンプライアンス内における拡張ターンダウンが提供される。さらに、この燃焼器１００によれば、コンポーネントがより少ない簡易構造が提供され、したがって総合コストが低減される。したがって、本明細書において説明されているライナ冷却システム１６０を備えた、コンパクトで、かつ、高インテンシティの、低放出物燃焼器設計により、コンポーネントの寿命をより長くするための衝突冷却ならびに改善された表面冷却が提供される。さらに、燃焼器１００は、触媒および関連するコストを使用することなく、地方放出物規格、国家放出物規格および国際放出物規格に合致することができる。

以上の説明は、単に本出願および本出願の結果として生じる特許の特定の実施形態に関するものにすぎないことは明らかであろう。当業者は、以下の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって定義されている本発明の一般的な精神および範囲を逸脱することなく、本明細書において多くの変更および修正を加えることができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５、１００ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ 軸
５０ 負荷
６０、１１０ タービンノズル
６５、１７０ ライナ
７０ 燃焼ゾーン
７５ 燃料噴射器
１０５ セグメント
１２０ １段ノズル
１３０ 燃料マニホルド
１４０ 燃料噴射器
１５０ ジェット攪拌燃焼器
１６０ ライナ冷却システム
１６５ 燃焼ゾーン
１８０ 衝突スリーブ
１９０ エアギャップ
２００ Ｕ字様の形
２１０ 燃焼側
２２０ 冷却側
２３０ 冷却フィーチャ
２４０ リブ
２５０ 頂部側
２６０ 底部側
２７０ ヘッドエンド
２９０ 拡散孔
３００ 衝突孔
３１０ 頂部衝突孔
３２０ 頂部径
３３０ 底部衝突孔
３４０ 底部径
３５０ 冷却フィーチャ衝突孔
３６０ 冷却フィーチャ径
３７０ ヘッドエンド衝突孔
３８０ ヘッドエンド径

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンと共に使用するための燃焼器であって、
   タービンノズルと、
   前記タービンノズルを統合したライナ冷却システムと
   を備え、前記ライナ冷却システムが、１つまたは複数の冷却フィーチャをその上に備えたライナと、衝突スリーブとを備える燃焼器。
2. 前記タービンノズルが１段ノズルを備える、請求項１記載の燃焼器。
3. 前記タービンノズルが燃料噴射器を備える、請求項１記載の燃焼器。
4. 前記燃焼器がジェット攪拌燃焼器を備える、請求項１記載の燃焼器。
5. 前記ライナ冷却システムが、前記ライナと前記衝突スリーブの間にエアギャップを備える、請求項１記載の燃焼器。
6. 前記１つまたは複数の冷却フィーチャが複数のリブを備える、請求項１記載の燃焼器。
7. 前記ライナが、遮熱コーティングをその上に備えた合金を備える、請求項１記載の燃焼器。
8. 前記ライナが１つまたは複数の拡散孔を備える、請求項１記載の燃焼器。
9. 前記衝突スリーブが複数の衝突孔を備える、請求項１記載の燃焼器。
10. 前記複数の衝突孔が、異なる形状の複数の衝突孔を備える、請求項１記載の燃焼器。
11. 前記衝突スリーブが、複数の頂部衝突孔を備えた頂部側を備える、請求項１記載の燃焼器。
12. 前記衝突スリーブが、複数の底部衝突孔を備えた底部側を備える、請求項１記載の燃焼器。
13. 前記衝突スリーブが複数の冷却フィーチャ衝突孔を備える、請求項１記載の燃焼器。
14. 前記衝突スリーブが、複数のヘッドエンド衝突孔を備えたヘッドエンドを備える、請求項１記載の燃焼器。
15. 燃焼器を冷却する方法であって、
    タービンノズルを統合したライナ冷却システムを備えた燃焼ゾーンを画定するステップと、
    衝突スリーブを介して前記ライナ冷却システムのライナを衝突冷却するために、前記燃焼器のヘッドエンドの周囲に空気を流すステップと、
    １つまたは複数のライナ表面冷却フィーチャを介して前記ライナをさらに冷却するステップと
    を含む方法。
16. ガスタービンエンジンと共に使用するためのジェット攪拌燃焼器であって、
    １段ノズルと、
    前記１段ノズルを統合したライナ冷却システムと
    を備え、前記ライナ冷却システムが、１つまたは複数の冷却フィーチャをその上に備えたライナと、衝突スリーブと、それらの間のエアギャップとを備えるジェット攪拌燃焼器。
17. 前記１つまたは複数の冷却フィーチャが複数のリブを備える、請求項１６記載のジェット攪拌燃焼器。
18. 前記衝突スリーブが、複数の頂部衝突孔を備えた頂部側を備える、請求項１６記載のジェット攪拌燃焼器。
19. 前記衝突スリーブが、複数の底部衝突孔を備えた底部側を備える、請求項１６記載のジェット攪拌燃焼器。
20. 前記衝突スリーブが、複数のヘッドエンド衝突孔を備えたヘッドエンドを備える、請求項１６記載のジェット攪拌燃焼器。