JP2014153052A - プレノズル燃料噴射システムを備えた可変容積燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】全体エミッションが低く且つ低ダイナミックスで高い温度及び効率で作動するよう燃料及び空気の流れの良好な混合を促進する、マイクロミキサ燃焼器設計を提供すること。
【解決手段】本出願は、ガスタービンエンジンと共に使用する燃焼器を提供する。燃焼器は、幾つかの燃料ノズルと、燃料ノズルを支持するプレノズル燃料噴射システムと、燃料ノズル及びプレノズル燃料噴射システムを操作するための線形アクチュエータと、を含むことができる。
【選択図】 図１

Description

（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
本発明は、米国エネルギー省によって授与された契約第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４３号に基づき政府の支援を得てなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
（技術分野）
本出願及び結果として得られる特許は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、複数の空気力学的形状にされた燃料ノズル支持ストラットを用いた希薄プレノズル燃料噴射システムを備える可変容積燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンの運転効率及び全体の出力は、一般に、高温燃焼ガスストリームの温度が上昇するにつれて増大する。しかしながら、燃焼ガスストリームの高い温度は、高レベルの窒素酸化物及び他のタイプの規制エミッションをもたらす可能性がある。従って、効率的な高温の範囲でガスタービンエンジンを作動させる利点と、その一方で窒素酸化物及び他のタイプの規制エミッションの生成量を義務づけられたレベル未満に確実に維持する利点との間のバランス取りが存在する。その上、変動する負荷レベル、様々な周囲条件、及び他の多くのタイプの作動パラメータもまた、全体のガスタービン効率及びエミッションに対して大きな影響を及ぼす可能性がある。

窒素酸化物及び同様のもののエミッションレベルの低減は、燃焼前に燃料ストリームと空気ストリームとを良好に混合することによって促進させることができる。このような予混合は、燃焼温度勾配及び窒素酸化物の生成量を低減する傾向となる。このような良好な混合を可能にする１つの方法は、複数のマイクロミキサ燃料ノズルを備えた燃焼器を使用するものである。一般的には、マイクロミキサ燃料ノズルは、燃焼前にプレナム内の複数のマイクロミキサ管において小体積の燃料及び空気を混合する。

現行のマイクロミキサ燃焼器及びマイクロミキサ燃料ノズル設計は、燃焼性能の改善をもたらすが、特定のタイプの作動条件におけるマイクロミキサ燃料ノズルの作動性ウィンドウは、ダイナミックス及びエミッションに関する関心事項によって少なくとも部分的に定義されている場合がある。具体的には、特定の内部構成要素の作動周波数は、高又は低周波ダイナミックスフィールドを生成するよう結合することができる。このようなダイナミックスフィールドは、燃焼器構成要素並びに下流側タービン構成要素の物理的特性に悪影響を与える可能性がある。このような場合、現行の燃焼器設計は、燃料又は空気の流れを多段化してダイナミックスフィールドの形成を阻止することによって、こうした作動条件を回避しようと試みる場合がある。多段化は、バルク条件によって、エミッション、可燃性、及び同様のものの項目において設計が典型的な作動限界外になる可能性がある場合でも、安定した燃焼の局所的ゾーンを形成しようとするものである。しかしながら、このような多段化は、時間のかかる較正が必要となり、また、最適レベル未満での作動が要求される可能性がある。

米国特許第７，６６１，２６７号明細書

従って、マイクロミキサ燃焼器設計の改善に対する要求がある。このような改善されたマイクロミキサ燃焼器設計は、全体エミッションが低く且つ低ダイナミックスで高い温度及び効率で作動するよう燃料及び空気の流れの良好な混合を促進することができる。その上、このような改善されたマイクロミキサ燃焼器設計は、全体のシステムの複雑さ及びコストを大幅に増大させることなくこれらの目標を達成することができる。

本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンと共に使用する燃焼器を提供する。燃焼器は、幾つかの燃料ノズルと、燃料ノズルを支持するプレノズル燃料噴射システムと、燃料ノズル及びプレノズル燃料噴射システムを操作するための線形アクチュエータと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンにおける燃焼器を作動させる方法を提供する。本方法は、幾つかの支持ストラットの周りに幾つかの燃料ノズルを支持するステップと、支持ストラットを通って燃料ノズルに燃料流を流すステップと、
支持ストラットからの燃料のプレノズル流を分流するステップと、支持ストラットを通って空気流を流すステップと、燃料ノズルの上流側で空気流と燃料のプレノズル流とを混合するステップと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンと共に使用する燃焼器を提供する。燃焼器は、幾つかのマイクロミキサ燃料ノズルと、マイクロミキサ燃料ノズルを支持し、幾つかの燃料噴射孔を有する幾つかの支持ストラットと、マイクロミキサ燃料ノズル及び支持ストラットを操作する線形アクチュエータと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善点は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって当業者には明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、及びタービンを示すガスタービンエンジンの概略図。 図１のガスタービンエンジンと共に使用できる燃焼器の概略図。 図２の燃焼器と共に使用できるマイクロミキサ燃料ノズルの一部の概略図。 本明細書で説明することができるマイクロミキサ燃焼器の概略図。 プレノズル燃料噴射システムを備えた、図４のマイクロミキサ燃焼器の１つの実施例の斜視図。 図５のプレノズル燃料噴射システムを備えた、マイクロミキサ燃焼器の側断面図。

ここで、複数の図にわたって同じ符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用できるガスタービンエンジン１０の概略図を示す。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、圧縮した空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮した空気２０の流れを燃料の加圧流と混合し、この混合気を点火して燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５のみが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動し、機械的仕事を産出する。タービン４０において産出された機械的仕事は、シャフト４５及び外部負荷５０（発電機及び同様のものなど）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、液体燃料、種々のタイプのシンガス、及び／又は他のタイプの燃料、並びにこれらの組合せを用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、限定ではないが、７又は９シリーズ高出力ガスタービンエンジン及び同様のものなどを含む、ニューヨーク州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される幾つかの様々なガスタービンエンジンのうちの何れかとすることができる。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、他のタイプの構成要素を用いることもできる。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び同様のもの他のタイプの発電設備もまた、本明細書で共に使用することができる。

図２は、上述のガスタービンエンジン１０及び同様のものと共に用いることができる燃焼器２５の一例の概略図を示す。燃焼器２５は、ヘッド端部の端部カバー５２から、タービン４０の周りの後方端部の移行部品５４まで延びることができる。幾つかの燃料ノズル５６を端部カバー５２の周りに位置付けることができる。ライナ５８は、燃料ノズル５６から移行部品５４に向かって延びることができ、内部に燃焼ゾーン６０を定めることができる。ライナ５８は、流れスリーブ６２によって囲むことができる。ライナ５８及び流れスリーブ６２は、圧縮機１５又はその他からの空気２０の流れのためこれらの間に流路６４を定めることができる。あらゆる数の燃焼器２５を缶アニュラアレイ及び同様の形態で本明細書で使用することができる。本明細書で記載される燃焼器２５は、単に例示の目的のものである。他の構成要素及び他の構成を有する燃焼器を本明細書で用いることもできる。

図３は、燃焼器２５及び同様のものと共に用いることができるマイクロミキサ燃料ノズル６６の一部を示す。マイクロミキサ燃料ノズル６６は、燃料管７０の周りに位置する幾つかのマイクロミキサ管６８を含むことができる。マイクロミキサ管６８は、一般に、実質的に均一な直径を有することができ、同心のアニュラ列状に配列することができる。あらゆる数のマイクロミキサ管６８を本明細書においてあらゆるサイズ、形状、又は構成で用いることができる。マイクロミキサ管６８は、燃料管７０から燃料プレート７２を介して燃料３０の流れと、及び圧縮機１５から流路６４を介して空気２０の流れと連通することができる。小体積の燃料３０の流れと小体積の空気２０の流れとが各マイクロミキサ管６８内で混合することができる。混合した燃料空気ストリームは、燃焼ゾーン６０において燃焼のために下流側に流れ、上述のようにタービン４０において用いることができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で使用することができる。

図４は、本明細書で説明することができる燃焼器１００の一例を示す。燃焼器１００は、内部に位置付けられるあらゆる数のマイクロミキサ燃料ノズル１２０及び同様のものを有するマイクロミキサ燃焼器１１０とすることができる。マイクロミキサ燃料ノズル１２０は、上述のものと同様とすることができる。マイクロミキサ燃料ノズル１２０は、扇形、円形、及び／又はあらゆるサイズ、形状、又は構成のものとすることができる。同様に、マイクロミキサ燃料ノズル１２０は、内部に何れかの構成であらゆる数のマイクロミキサを含むことができる。マイクロミキサ燃料ノズル１２０は、共通燃料管１２５と連通することができる。共通燃料管１２５は、内部に１つ又はそれ以上の燃料回路を保持することができる。従って、複数の燃料回路がマイクロミキサ燃料ノズル１２０の多段化を可能にすることができる。マイクロミキサ燃料ノズル１２０は、キャップ組立体１３０又は同様の構造内に装着することができる。キャップ組立体１３０は、あらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。キャップ組立体１３０は、従来のシール１４０及び同様のものにより囲むことができる。

上述と同様に、燃焼器１００は、ヘッド端部１５０にて端部カバー１４０から延びることができる。ライナ１６０は、内部にマイクロミキサ燃料ノズル１２０と共にキャップ組立体１３０及びシール１３５を囲むことができる。ライナ１６０は、キャップ組立体１３０の下流側に燃焼ゾーン１７０を定めることができる。ライナ１６０は、ケース１８０により囲むことができる。ライナ１６０、ケース１８０、及び流れスリーブ（図示せず）は、圧縮機１５又はその他から空気２０の流れのために間に流路１９０を定めることができる。ライナ１６０、燃焼ゾーン１７０、ケース１８０、及び流路１９０は、あらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。あらゆる数の燃焼器１００を缶アニュラアレイ及び同様の形態で本明細書で使用することができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で用いることができる。

燃焼器１００はまた、可変容積燃焼器１９５とすることができる。従って、可変容積燃焼器１９５は、線形アクチュエータ２００を含むことができる。線形アクチュエータ２００は、端部カバー１４０の周り及びその外部に位置付けることができる。線形アクチュエータ２００は、従来設計のものとすることができ、線形又は軸方向運動を提供することができる。線形アクチュエータ２００は、機械的、電気機械的、圧電的、空気圧的、液圧的、及び／又はこれらの組合せで作動することができる。一例として、線形アクチュエータ２００は、液圧シリンダ、ラックアンドピニオンシステム、ボールスクリュー、ハンドクランク、又は制御された軸方向運動を可能にする何れかのタイプの装置を含むことができる。線形アクチュエータ２００は、システムフィードバック及び同様のものに基づいた動的作動のための全体のガスタービン制御部と連通することができる。

線形アクチュエータ２００は、駆動ロッド２１０及び同様のものを介して共通燃料管１２５と連通することができる。駆動ロッド２１０は、あらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。共通燃料管１２５は、駆動ロッド２１０の周りに位置付けて、共に移動させることができる。従って、線形アクチュエータ２００、駆動ロッド２１０、及び共通燃料管１２５は、あらゆる好適な位置においてライナ１６０の長さに沿ってマイクロミキサノズル１２０と共にキャップ組立体１３０を軸方向に操作することができる。共通燃料管１２５内の複数の燃料回路は、燃料ノズルの多段化を可能にすることができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で使用することができる。

使用時には、線形アクチュエータ２００は、ライナ１６０の容積に対してヘッド端部１５０の容積を変えるようにキャップ組立体１３０を操作することができる。従って、ライナの容積（並びに燃焼ゾーン１７０の容積）は、ライナ１６０に沿ってマイクロミキサ燃料ノズル１２０を延伸又は後退させることにより増減することができる。その上、キャップ組立体１３０は、全体のシステム圧力降下を変えることなく操作することができる。典型的な可変幾何形状の燃焼器システムは、全体の圧力降下が変わる可能性がある。しかしながら、このような圧力降下は、一般に、内部構成要素の冷却に影響を及ぼす。更に、圧力降下のばらつきは、燃焼ダイナミックスの制御の点で問題を生じる可能性がある。

上流側及び下流側容積の変更は、全体の反応滞留時間の変化、ひいては、窒素酸化物、一酸化炭素、及び他のタイプのエミッションの全体のエミッションレベルの変化をもたらす可能性がある。一般的には、反応滞留時間は、ライナ容積と直接的に相関があり、従って、所与の作動モードに対するエミッション要件に適合するように調整することができる。その上、滞留時間の変化は、ヘッド端部及びライナ容積の変化に伴って全体の音響挙動が変動する可能性がある点で、ターンダウン及び燃焼器ダイナミックスに影響を及ぼす可能性がある。

例えば、一般に、短い滞留時間は、ベース負荷で低い窒素酸化物レベルを確保することが必要となる可能性がある。逆に、より長い滞留時間は、低負荷条件にて一酸化炭素レベルを低減することが必要となる可能性がある。従って、本明細書で記載される燃焼器１００は、全体の圧力降下を伴わずに調整可能な燃焼器として最適化されたエミッション及びダイナミックスの軽減をもたらす。具体的には、燃焼器１００は、燃焼器を調整して燃料多段化に影響を及ぼすことなく最小の動的応答をもたらすように、内部の容積を能動的に変える能力を提供する。

本明細書で記載される線形アクチュエータ２００は、キャップ組立体１３０内のマイクロミキサ燃料ノズル１２０をグループとして操作するように図示されているが、マイクロミキサ燃料ノズル１２０を個別に操作してノズル多段化を提供するように、複数の線形アクチュエータ２００を用いることもできる。この実施例では、個々のマイクロミキサ燃料ノズル１２０は、これらマイクロミキサ燃料ノズル１２０の間及びキャップ組立体１３０に対して追加のシールを提供することができる。回転移動もまた、本明細書で使用することができる。その上、非マイクロミキサ燃料ノズルも本明細書で使用することができ、及び／又は非マイクロミキサ燃料ノズルとマイクロミキサ燃料ノズルを本明細書で共に用いることもできる。他のタイプの軸方向移動装置も本明細書で使用することができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で使用することができる。

図５及び６は、燃焼器１００及び同様のものと共に使用できるプレノズル燃料噴射システム２２０の１つの実施例を示している。燃料ノズル１２０の各々は、プレノズル燃料噴射システム２２０に装着することができる。プレノズル燃料噴射システム２２０は、燃料ノズルマニホルド２３０を含むことができる。燃料ノズルマニホルド２３０は、共通燃料管１２５と連通することができ、上述のように駆動ロッド２１０を介して操作可能とすることができる。燃料ノズルマニホルド２３０は、あらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。

プレノズル燃料噴射システム２２０の燃料ノズルマニホルド２３０は、中央ハブ２４０を含むことができる。中央ハブ２４０は、あらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。中央ハブ２４０は、幾つかの異なる流れを内部に収容することができる。プレノズル燃料噴射システム２２０の燃料ノズルマニホルド２３０は、中央ハブ２４０から延びる幾つかの支持ストラット２５０を含むことができる。あらゆる数の支持ストラット２５０を用いることができる。支持ストラット２５０は、実質的に空力的に曲線輪郭の形状２５５を有することができるが、本明細書ではあらゆるサイズ、形状、又は構成を用いることができる。具体的には、支持ストラット２５０の各々は、上流側端部２６０、下流側端部２７０、第１の側壁２８０、及び第２の側壁２９０を含むことができる。支持ストラット２５０は、中央ハブ２４０からキャップ組立体１３０に半径方向に延びることができる。各支持ストラット２５０は、燃料ノズル１２０の１つ又はそれ以上と連通し、燃料３０の流れを提供するようにすることができる。燃料ノズル１２０は、支持ストラット２５０の各々の下流側端部２７０から軸方向に延びることができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で使用することができる。

支持ストラット２５０はまた、第１の側壁２８０及び／又は第２の側壁２９０の周りに位置付けられた幾つかの燃料噴射孔３００を含むことができる。幾つかの燃料噴射孔３００はまた、端部２６０、２７０の周りに位置付けることもできる。あらゆる数の燃料噴射孔３００を本明細書においてあらゆるサイズ、形状、又は構成で用いることができる。異なるサイズ及び形状もまた、本明細書で共に用いることもできる。燃料噴射孔３００は、燃料３０の比較的少ない割合の流れをプレノズル流３１０として燃料ノズル１２０の上流側の空気２０の流れに分流することができる。プレノズル流３１０は、燃料３０の合計の流れの約２０パーセント（２０％）未満とすることができる。プレノズル流３１０の割合は変えることができる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることができる。

使用時には、プレノズル燃料噴射システム２２０の支持ストラット２５０は、燃料３０の流れを送給しながら、燃料ノズル１２０を構造的に支持する。支持ストラット２５０は、空気２０の均一な流れを燃料ノズル１２０の混合管６８に提供する。支持ストラット２５０はまた、燃料噴射孔３００を介してプレノズル流３１０を提供することができる。プレノズル流３１０は、十分に混合された希薄燃料／空気混合気を提供するよう、空気２０のヘッド端部流と混合する。従って、プレノズル燃料噴射システム２２０は、全体のエミッション性能を向上させるように良好な燃料／空気混合を促進する。その上、プレノズル流３１０はまた、燃料多段化のための追加の回路を提供する。この回路は、燃焼ダイナミックスの振幅及び／又は周波数を低減するよう調整することができる。従って、プレノズル燃料噴射システム２２０は、大きなハードウェアコストを追加することなく、全体の燃焼性能を向上させる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

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 端部カバー
５４ 移行部品
５６ 燃料ノズル
５８ ライナ
６０ 燃焼ゾーン
６２ 流れスリーブ
６４ 流路
６６ マイクロミキサ燃料ノズル
６８ 混合管
７０ 燃料管
７２ 燃料プレート
１００ 燃焼器
１１０ マイクロミキサ燃焼器
１２０ 燃料ノズル
１２５ 燃料管
１３０ キャップ組立体
１３５ シール
１４０ 端部カバー
１５０ ヘッド端部
１６０ ライナ
１７０ 燃焼ゾーン
１８０ ケース
１９０ 流路
１９５ 可変容積燃焼器
２００ 線形アクチュエータ
２１０ 駆動ロッド
２２０ プレノズル燃料噴射システム
２３０ 燃料マニホルド
２４０ 中央ハブ
２５０ 支持ストラット
２６０ 上流側端部
２７０ 下流側端部
２８０ 第１の側壁
２９０ 第２の側壁
３００ 燃料噴射孔
３１０ プレノズル流

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンと共に使用する燃焼器であって、
   複数の燃料ノズルと、
   前記複数の燃料ノズルを支持するプレノズル燃料噴射システムと、
   前記複数の燃料ノズル及び前記プレノズル燃料噴射システムを操作するための線形アクチュエータと、
   を備える燃焼器。
2. 前記複数の燃料ノズルが、複数のマイクロミキサ燃料ノズルを含む、請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記複数の燃料ノズルが、キャップ組立体内に位置付けられる、請求項１に記載の燃焼器。
4. 前記プレノズル燃料噴射システムと連通した共通燃料管を更に備える、請求項１に記載の燃焼器。
5. 前記プレノズル燃料噴射システムが、燃料ノズルマニホルドを含む、請求項１に記載の燃焼器。
6. 前記燃料ノズルマニホルドが中央ハブを含む、請求項５に記載の燃焼器。
7. 前記プレノズル燃料噴射システムが、前記複数の燃料ノズルを支持する複数の支持ストラットを含む、請求項１に記載の燃焼器。
8. 前記複数の支持ストラットが、実質的に空力的に曲線輪郭の形状を含む、請求項７に記載の燃焼器。
9. 前記複数の支持ストラットが、前記複数の燃料ノズルの上流側に位置付けられる、請求項７に記載の燃焼器。
10. 前記複数の支持ストラットが、複数の燃料噴射孔を含む、請求項７に記載の燃焼器。
11. 前記複数の支持ストラットが、第１の側壁及び第２の側壁を含み、前記複数の燃料噴射孔が前記側壁上に位置付けられる、請求項１０に記載の燃焼器。
12. 前記複数の燃料噴射孔をプレノズル燃料流が通過する、請求項１０に記載の燃焼器。
13. 前記プレノズル燃料流が、前記複数の燃料ノズルへの燃料流の約２０パーセント又はそれ未満を含む、請求項１２に記載の燃焼器。
14. 前記線形アクチュエータが、前記プレノズル燃料噴射システムと連通した駆動ロッドを含む、請求項１に記載の燃焼器。
15. ガスタービンエンジンにおける燃焼器を作動させる方法であって、
    複数の支持ストラットの周りに複数の燃料ノズルを支持するステップと、
    前記複数の支持ストラットを通って前記複数の燃料ノズルに燃料流を流すステップと、
    前記複数の支持ストラットからの燃料のプレノズル流を分流するステップと、
    前記複数の支持ストラットを通って空気流を流すステップと、
    前記複数の燃料ノズルの上流側で前記空気流と前記燃料のプレノズル流とを混合するステップと、
    を含む、方法。
16. ガスタービンエンジンと共に使用する燃焼器であって、
    複数のマイクロミキサ燃料ノズルと、
    前記複数のマイクロミキサ燃料ノズルを支持し、複数の燃料噴射孔を有する複数の支持ストラットと、
    前記複数のマイクロミキサ燃料ノズル及び前記複数の支持ストラットを操作する線形アクチュエータと、
    を備える、燃焼器。
17. 前記複数の支持ストラットが、実質的に空力的に曲線輪郭の形状を含む、請求項１６に記載の燃焼器。
18. 前記複数の支持ストラットが、前記複数の燃料ノズルの上流側に位置付けられる、請求項１６に記載の燃焼器。
19. 前記複数の支持ストラットが、第１の側壁及び第２の側壁を含み、前記複数の燃料噴射孔が前記側壁上に位置付けられる、請求項１６に記載の燃焼器。
20. 前記複数の燃料噴射孔をプレノズル燃料流が通過する、請求項１６に記載の燃焼器。