JP2014119250A - 遅延希噴射事前混合作用のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼プロセスによって生成される汚染物質の量を低下させるためのＬＬＩ燃焼器組立体を提供すること。
【解決手段】遅延希噴射燃焼器組立体は、供給される第１の燃料が燃焼性である第１の内部と、供給される第２の燃料が燃焼性である第２の内部を含む流れスリーブ環状部と、第２の内部の周りに配設された少なくとも１つの燃料噴射器と、流れスリーブの周りに配設され、少なくとも１つの燃料噴射器と流体連通する少なくとも１つの細長い事前混合導管とを含む。少なくとも１つの細長い事前混合導管が、圧縮機吐出空気および第２の燃料と流体連通することができることにより、圧縮機吐出空気と第２の燃料は、少なくとも１つの燃料噴射器を介して第２の内部に流入する前に細長い事前混合導管の中で事前混合される。
【選択図】図２

Description

本出願の実施形態は一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には遅延希噴射（ＬＬＩ）事前混合作用を含む燃焼器組立体に関する。

ガスタービンエンジンでは、燃料とガスの混合気が、トランジションピースおよびタービンから上流に配設された燃焼器の中で燃焼される。燃焼器は、高いエネルギーの流体を生成し、この流体から機械的エネルギーを引き出して動力および電力を生成することができる。高エネルギー流体は、この流体が大気中に排出される時点で有意なレベルの発電を引き出すことができなくなるまで継続的に再利用される。このような排気は、亜酸化窒素（ＮＯｘ）および一酸化炭素（ＣＯ）などの燃焼中に生成される汚染物質を含むことが多い。

燃焼プロセスによって生成される汚染物質の量を低下させるような取り組みがなされており、これにはＬＬＩの開発が含まれる。ＬＬＩは、燃焼器内の通常の燃焼区域から下流の位置での高エネルギー流体の流れへの燃焼性物質の噴射を伴う。この下流の位置は、燃焼器ライナの区画またはトランジションピースの区画に画定することができる。いずれの場合でも、この位置で噴射される燃焼性物質は、高エネルギー流体の温度およびエネルギーを上昇させ、これによりＬＬＩ燃料流れの妥当なレベルに関してＮＯｘがほとんどあるいは全く増加せずにＣＯの消費が増加することになる。

米国特許出願公開第２０１０／０１７０２１６号公報

上記の必要性および／または問題の一部または全ては、本出願の特定の実施形態によって対処することができる。一実施形態によって、ＬＬＩ燃焼器組立体が開示されている。ＬＬＩ燃焼器組立体は、供給される第１の燃料が燃焼性である第１の内部を含むことができる。ＬＬＩ燃焼器組立体はまた、供給される第２の燃料が燃焼性である第２の内部を含む流れスリーブ環状部を含むことができる。流れスリーブ環状部は、第１の内部と第２の内部を流体結合することができる。ＬＬＩ燃焼器組立体はまた、第２の内部の周りに配設された少なくとも１つの燃料噴射器を含むこともできる。少なくとも１つの燃料噴射器は、第２の流体を第２の内部に供給するように構成されてよい。ＬＬＩ燃焼器組立体はまた、少なくとも１つの細長い事前混合導管を含むことができ、これは流れスリーブ環状部の周りに配設され、少なくとも１つの燃料噴射器と流体連通する。このように、少なくとも１つの細長い事前混合導管は、圧縮機吐出空気および第２の燃料と流体連通することができるため、圧縮機吐出空気と第２の燃料は、少なくとも１つの燃料噴射器を介して第２の内部に流入する前に細長い事前混合導管の中で事前混合される。

別の実施形態によって、ガスタービンエンジン組立体が開示されている。ガスタービンエンジン組立体は、供給される第１の燃料が燃焼性である第１の内部を有する燃焼器を含むことができる。ガスタービンエンジン組立体はまた、少なくとも第１の燃料の燃焼の生成物を受け取るタービンを含むことができる。ガスタービンエンジン組立体はまた、第２の内部を含む流れスリーブ環状部を含むことができ、この第２の内部では、そこに供給される第２の燃料および第１の燃料の燃焼の生成物は燃焼性である。流れスリーブ環状部は、燃焼器とタービンを流体結合することができる。ガスタービンエンジン組立体はまた、少なくとも１つの燃料噴射器を含むことができ、これは第２の内部の周りに配設され、第２の燃料を第２の内部に供給するように構成されてよい。ガスタービンエンジン組立体はまた、少なくとも１つの細長い事前混合導管を含むことができ、これは流れスリーブ環状部の周りに配設され、少なくとも１つの燃料噴射器と流体連通する。このように、少なくとも１つの細長い事前混合導管が、圧縮機吐出空気および第２の燃料と流体連通することができることにより、圧縮機吐出空気と第２の燃料は、少なくとも１つの燃料噴射器を介して第２の内部に流入する前に細長い事前混合導管内で事前混合される。

さらに別の実施形態によって、ＬＬＩを促進するための方法が開示されている。この方法は、燃焼器の第１の内部に第１の燃料を提供するステップを含むことができる。方法はまた、流れスリーブ環状部の周りに配設された少なくとも１つの細長い事前混合導管に第２の燃料を提供するステップを含むこともできる。方法はまた、少なくとも１つの細長い事前混合導管に圧縮機吐出空気を提供するステップを含むこともできる。方法はまた、少なくとも１つの細長い事前混合導管の中で第２の燃料を圧縮機吐出空気と事前混合するステップを含むこともできる。方法はまた、事前混合された第２の燃料／圧縮機吐出空気を少なくとも１つの燃料噴射器を使用して燃焼器の第２の内部に噴射するステップを含むこともできる。

本発明の他の実施形態、態様および機能は、以下の詳細な記載、添付の図面および追記された特許請求の範囲から当業者に明らかになるであろう。

次に添付の図面を参照されたい、但しこれらの図面は必ずしも縮尺通りに描かれてはいない。

圧縮機、燃焼器およびタービンを備えたガスタービンエンジンの一例の概略図である。 本発明の一実施形態による、燃焼器組立体の一部の断面図である。 一実施形態による方法の一例のフロー図である。

例示の実施形態は、添付の図面を参照して以下でより完全に記載されており、そこでは一部の、但し全てではない実施形態が示されている。本出願は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定するものと解釈すべきではない。同様の数字は図面を通して同様の要素を指している。

例示の実施形態は、とりわけＬＬＩ事前混合作用を含む燃焼器組立体に向けられている。図１は、本明細書で使用され得るガスタービンエンジン１０の概略図を示している。知られているように、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、流入する空気の流れ２０を圧縮することができる。圧縮機１５は、圧縮された空気の流れ２０を燃焼器２５へと送達することができる。燃焼器２５は、圧縮された空気の流れ２０を加圧された燃料の流れ３０と混合し、この混合気を点火して燃焼ガスの流れ３５を生成することができる。単一の燃焼器２５が示されているが、ガスタービンエンジン１０は、いずれの数の燃焼器２５も含むことができる。燃焼ガスの流れ３５は、タービン４０へと送達される。燃焼ガスの流れ３５は、機械的な仕事を生み出すためにタービン４０を駆動させることができる。タービン４０内で生成された機械的な仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を駆動し、発電機などの外部負荷５０を駆動することができる。

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／または他の種類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、米国、スケネクタディのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供されるいくつかの異なるガスタービンエンジンのいずれか１つであってよく、これには、これに限定するものではないが７または９シリーズのヘビーデューティガスタービンエンジンなどが含まれる。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、他のタイプの構成要素を使用する場合もある。

他のタイプのガスタービンエンジンも本明細書で使用することができる。さらに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装備を本明細書で一緒に使用することもできる。

図２は、ＬＬＩ事前混合作用を促進させるための本出願のＬＬＩ燃焼器組立体２００の一実施形態を描いている。ＬＬＩ燃焼器組立体２００は、供給される第１の燃料が燃焼性である第１の内部２０２を含むことができる。例えば第１の内部２０２は、燃焼器の一次燃焼区域であってよい。このように、第１の燃料は、一次燃焼区域に噴射される一次燃料であってよい。一部の場合では、一次燃料は、一次燃焼区域に噴射される前、噴射中、または噴射後に圧縮機吐出空気と事前混合されてよい。例えば１つまたは複数の事前混合ノズルが、事前混合されている第１の燃料を第１の内部２０２に噴射することができる。他の場合では、第１の燃料は、第１の内部に直接噴射される場合もある。したがって第１の内部２０２は、一次燃焼区域からの一次燃焼ガスの流れ２０４を含むことができる。第１の内部２０２、および一次燃焼ガス２０４を生成するための関連する燃焼器構成要素は、詳細には示されていない。すなわち任意の数の燃焼器またはノズル配置を使用して、一次燃焼ガス２０４を提供することができる。

引き続き図２を参照すると、一実施形態において、流れスリーブ環状部２１０が、第１の内部２０２をトランジションピース２１２と接続することができる。トランジションピース２１２は、燃焼器組立体２００の含有物をタービン（図示せず）に誘導することができる。一部の場合では、流れスリーブ環状部２１０は、冷却流２１３のための通路を形成するライナ２１１を含む場合もある。冷却流は、とりわけ圧縮機吐出空気２１６を含むことができる。流れスリーブ環状部２１０は、第２の内部２０６を含むことができ、この第２の内部では、第２の燃料２１５（空気と混合されている）が供給されてよい。例えば特定の実施形態では、第２の燃料２１５は、燃料マニフォルド２２０および流れスリーブ環状部２１０の周りに配設された関連する燃料導管２２１を経由して第２の内部２０６に供給されてよい。第１の燃料および第２の燃料は、同一の供給源から始まる、あるいは異なる供給源から始まる場合がある。さらに第１の燃料および第２の燃料は同一である、異種であるまたはそれらのいずれかの組み合わせであってよい。当然のことながら、第１の燃料および第２の燃料はいずれの燃料でもよい。

一実施形態において、１つまたは複数の燃料噴射器２１４が、流れスリーブ環状部２１０によって構造上支持されてよい。燃料噴射器２１４は、第２の内部２０２の周りに配設されてよく、第２の内部２０６に第２の燃料２１５（空気と混合されている）を供給するように構成されてよい。燃料噴射器２１４は、単一の軸方向の段、複数の軸方向の段、単一の軸方向円周方向の段、複数の軸方向円周方向の段などのいずれか１つにおいて第２の内部２０６の周りに配設することができる。このように燃料噴射器２１４は、流れスリーブ環状部２１０の主流を実質的に横切る方向で、第２の内部２０６に第２の燃料２１５を供給することができる。いずれの数、タイプまたは構成の燃料噴射器ノズル２１４も使用することができる。

特定の態様において、少なくとも１つの細長い事前混合導管２０８を流れスリーブ環状部２１０の周りに配設することができる。この細長い事前混合導管２０８は、燃料と空気の混合を促進させるいずれの通路、チャネル、スロット、ダクトなどを含むことができる。例えば一部の例では、細長い事前混合導管２０８は、流れスリーブ環状部２１０の内側の壁と外側の壁の間に形成されてよく、流れスリーブ環状部２１０の軸方向の長さの全体的にまたは一部に沿って延在する場合もある。

一実施形態において、細長い事前混合導管２０８は、燃料噴射器２１４、圧縮機吐出空気２１６および第２の燃料２１５と流体連通することができる。このように、圧縮機吐出空気２１６と第２の燃料２１５は、燃料噴射器２１４を介して第２の内部２０６に流入する前に細長い事前混合導管２０８の中で事前混合されてよい。例えば燃料マニフォルド２２０は、点線２２２によって表されるように、第２の燃料２１５を細長い事前混合導管２０８に供給するために燃料導管２２１を介して細長い事前混合導管２０８と流体連通されてよい。圧縮機吐出空気２１６が、入口２１８において細長い事前混合導管２０８に流入することで、第２の燃料２１５と圧縮機吐出空気２１６は、細長い事前混合導管２０８の中で事前混合され、これにより破線２２４によって表されるように空気／燃料混合気を形成することができる。したがってこの実施形態において、流れスリーブ環状部２１０の軸方向の長さの一部を利用して、第２の燃料２１５を圧縮機吐出空気２１６と事前混合することができる。事前混合された空気／燃料混合気はその後、燃料噴射ノズル２１４によって第２の内部２０６に流入するように誘導されてよい。

第２の燃料と圧縮機吐出空気２１６は、任意の数の回路構成によって細長い事前混合導管２０８に供給することができる。例えば、ＬＬＩ燃焼器組立体２００は、細長い事前混合導管２０８と流体連通する１つまたは複数の燃料導管２２１（または供給路）と、細長い事前混合導管２０８と流体連通する１つまたは複数の圧縮機吐出空気入口２１８（または供給路）とを含むことができる。このように任意の数または組み合わせの導管または通路を利用して、燃料２１５および／または空気２１６を細長い事前混合導管２０８に供給することができる。さらに任意の数または組み合わせの細長い事前混合導管２０８が利用される場合もある。

トランジションピース２１２もまた、ＬＬＩ事前混合作用を促進させるための同様の構造を含むことができる。すなわち、トランジションピースは、上記に記載した流れスリーブ環状部２１０と同様の様式でトランジションピース２１２の周りに配設された任意の数または組み合わせの燃料マニフォルド、燃料導管、空気入口、細長い事前混合導管、燃料噴射器などを含むことができる。

図３は、遅延希噴射を促進させるための方法３００の一例のフロー図を示している。この特定の実施形態では、方法３００は、図３のブロック３０２で開始することができ、このブロックで方法３００は、燃焼器の第１の内部に第１の燃料を提供するステップを含むことができる。例えば第１の内部は、燃焼器の一次燃焼区域であってよい。ブロック３０４において、方法３００は、流れスリーブ環状部の周りに配設された少なくとも１つの細長い事前混合導管に第２の燃料を提供するステップを含むことができる。例えば第２の燃料は、燃料マニフォルドおよび流れスリーブ環状部の周りに配設された関連する燃料導管を介して細長い事前混合導管に供給することができる。ブロック３０６において、方法３００は、少なくとも１つの細長い事前混合導管に圧縮機吐出空気を提供するステップを含むことができる。圧縮機吐出空気は、細長い事前混合導管の周りの任意の数の開口またはスロットを介して細長い事前混合導管に提供されてよい。例えば圧縮機吐出空気は、第２の燃料が細長い事前混合導管に流入する前および／または後に提供されてよい。ブロック３０８において、方法３００は、少なくとも１つの細長い事前混合導管の中で第２の燃料を圧縮機吐出空気と事前混合するステップを含むことができる。このように第２の燃料と圧縮機吐出空気は、流れスリーブ環状部の全てまたは一部の軸方向の長さに沿って混合されてよい。ブロック３１０において、方法３００は、少なくとも１つの燃料噴射器を使用して事前混合された第２の燃料／圧縮機吐出空気を燃焼器の第２の内部に噴射するステップを含むことができる。

実施形態を構造上の機能および／または方法論的な作用において固有の言語で記載してきたが、本開示は、必ずしも記載される固有の機能または作用に限定されないことを理解されたい。むしろ固有の機能および作用は、実施形態を実施する例示の形態として開示されている。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気の流れ
２５ 燃焼器
３０ 燃料の流れ
３５ 燃焼ガスの流れ
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部負荷
２００ ＬＬＩ燃焼器組立体
２０２ 第１の内部
２０４ 一次燃焼ガス
２０６ 第２の内部
２０８ 細長い事前混合導管
２１０ 流れスリーブ環状部
２１１ ライナ
２１２ トランジションピース
２１３ 冷却流
２１４ 燃焼噴射器
２１５ 第２の燃料
２１６ 圧縮機吐出空気
２１８ 圧縮機吐出空気入口
２２０ 燃料マニフォルド
２２１ 燃料導管
２２２ 点線
２２４ 点線
３００ 方法
３０２ 燃焼器の第１の内部に第１の燃料を提供する。

３０４ 流れスリーブ環状部の周りに配設された少なくとも１つの細長い事前混合導管に第２の燃料を提供する。

３０６ 少なくとも１つの細長い事前混合導管に圧縮機吐出空気を提供する。

３０８ 少なくとも１つの細長い事前混合導管の中で第２の燃料を圧縮機吐出空気と事前混合する。

３１０ 少なくとも１つの燃料噴射器を使用して事前混合された第２の燃料／圧縮機吐出空気を燃焼器の第２の内部に噴射する。

Claims (20)

1. 第１の燃料、第２の燃料および燃焼器吐出空気を含む遅延希噴射燃焼器組立体であって、
   供給される前記第１の燃料が燃焼性である第１の内部と、
   供給される前記第２の燃料が燃焼性である第２の内部を備え、前記第１の内部と前記第２の内部を流体結合する流れスリーブ環状部と、
   前記第２の内部の周りに配設され、前記第２の内部に前記第２の燃料を供給するように構成された少なくとも１つの燃料噴射器と、
   前記流れスリーブ環状部の周りに配設され、前記少なくとも１つの燃料噴射器と流体連通する少なくとも１つの細長い事前混合導管と、
   を備え、
   前記少なくとも１つの細長い事前混合導管が、前記圧縮機吐出空気および前記第２の燃料と流体連通することにより、前記圧縮機吐出空気と前記第２の燃料が、前記少なくとも１つの燃料噴射器を介して前記第２の内部に流入する前に前記細長い事前混合導管の中で事前混合される遅延希噴射燃焼器組立体。
2. 前記流れスリーブ環状部の周りに配設された燃料マニフォルド入口をさらに備え、該燃料マニフォルド入口が、前記第２の燃料をそこに供給するために前記少なくとも１つの細長い事前混合導管と流体連通する、請求項１記載の遅延希噴射燃焼器組立体。
3. 前記少なくとも１つの細長い事前混合導管と流体連通する１つまたは複数の燃料噴射供給路をさらに備える、請求項１記載の遅延希噴射燃焼器組立体。
4. 前記少なくとも１つの細長い事前混合導管と流体連通する１つまたは複数の圧縮機吐出空気供給路をさらに備える、請求項１記載の遅延希噴射燃焼器組立体。
5. 前記第２の燃料が、前記圧縮機吐出空気の前に前記少なくとも１つの細長い事前混合導管内に噴射される、請求項１記載の遅延希噴射燃焼器組立体。
6. 前記第２の燃料が、前記圧縮機吐出空気の後に前記少なくとも１つの細長い事前混合導管内に噴射される、請求項１記載の遅延希噴射燃焼器組立体。
7. 前記少なくとも１つの燃料噴射器が、単一の軸方向の段、複数の軸方向の段、単一の軸方向円周方向の段または複数の軸方向円周方向の段のいずれか１つにおいて前記第２の内部の周りに配設される、請求項１記載の遅延希噴射燃焼器組立体。
8. 事前混合されている前記第１の燃料を、前記第１の内部に噴射する１つまたは複数の事前混合ノズルをさらに備える、請求項１記載の遅延希噴射燃焼器組立体。
9. 前記少なくとも１つの燃料噴射器が、前記流れスリーブ環状部の主流を実質的に横切る方向で前記第２の燃料を前記第２の内部に供給する、請求項１記載の遅延希噴射燃焼器組立体。
10. 供給される第１の燃料が燃焼性である第１の内部を有する燃焼器と、
    少なくとも前記第１の燃料の燃焼の生成物を受け取るタービンと、
    第２の内部を備える流れスリーブ環状部であって、該第２の内部では、そこに供給される第２の燃料および前記第１の燃料の燃焼の生成物が燃焼性であり、前記燃焼器と前記タービンを流体結合する流れスリーブ環状部と、
    前記第２の内部の周りに配設され、前記第２の燃料を前記第２の内部に供給するように構成された少なくとも１つの燃料噴射器と、
    前記流れスリーブ環状部の周りに配設され、前記少なくとも１つの燃料噴射器と流体連通する少なくとも１つの細長い事前混合導管と、
    を備え、
    前記少なくとも１つの細長い事前混合導管が、圧縮機吐出空気および前記第２の燃料と流体連通することにより、前記圧縮機吐出空気と前記第２の燃料が、前記少なくとも１つの燃料噴射器を介して前記第２の内部に流入する前に前記細長い事前混合導管の中で事前混合されるガスタービンエンジン組立体。
11. 前記流れスリーブ環状部の周りに配設された燃料マニフォルド入口をさらに備え、該燃料マニフォルド入口が、前記第２の燃料をそこに供給するために前記少なくとも１つの細長い事前混合導管と流体連通する、請求項１０記載のガスタービンエンジン組立体。
12. 前記少なくとも１つの細長い事前混合導管と流体連通する１つまたは複数の燃料噴射供給路をさらに備える、請求項１０記載のガスタービンエンジン組立体。
13. 前記少なくとも１つの細長い事前混合導管と流体連通する１つまたは複数の圧縮機吐出空気供給路をさらに備える、請求項１０記載のガスタービンエンジン組立体。
14. 前記第２の燃料が、前記圧縮機吐出空気の前に前記少なくとも１つの細長い事前混合導管内に噴射される、請求項１０記載のガスタービンエンジン組立体。
15. 前記第２の燃料が、前記圧縮機吐出空気の後に前記少なくとも１つの細長い事前混合導管内に噴射される、請求項１０記載のガスタービンエンジン組立体。
16. 前記少なくとも１つの燃料噴射器が、単一の軸方向の段、複数の軸方向の段、単一の軸方向円周方向の段または複数の軸方向円周方向の段のいずれか１つにおいて前記第２の内部の周りに配設される、請求項１０記載のガスタービンエンジン組立体。
17. 事前混合されている前記第１の燃料を、前記第１の内部に噴射する複数の事前混合ノズルをさらに備える、請求項１０記載のガスタービンエンジン組立体。
18. 前記少なくとも１つの燃料噴射器が、前記流れスリーブ環状部の主流を実質的に横切る方向で前記第２の燃料を前記第２の内部に供給する、請求項１０記載のガスタービンエンジン組立体。
19. 遅延希噴射のための方法であって、
    燃焼器の第１の内部に第１の燃料を提供するステップと、
    流れスリーブ環状部の周りに配設された少なくとも１つの細長い事前混合導管に第２の燃料を提供するステップと、
    前記少なくとも１つの細長い事前混合導管に圧縮機吐出空気を提供するステップと、
    前記少なくとも１つの細長い事前混合導管の中で前記第２の燃料を前記圧縮機吐出空気と事前混合するステップと、
    少なくとも１つの燃料噴射器を使用して、前記事前混合された第２の燃料／圧縮機吐出空気を前記燃焼器の第２の内部に噴射するステップとを含む方法。
20. 前記第１の燃料を圧縮機吐出空気と事前混合するステップをさらに含む、請求項１９記載の方法。