JP2014178105A - 希釈孔を有する移行部品並びに移行部品に結合された燃料噴射システムを備えたターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】希釈孔を有する移行部品並びに移行部品に結合された燃料噴射システムを備えたターボ機械を提供すること。
【解決手段】ターボ機械が提供され、該ターボ機械は、燃料及び空気が燃焼する燃焼器と、燃焼器から燃焼生成物を受け取るよう配置されたタービンと、燃焼器とタービンとの間に流体移動可能に結合され、空気を燃焼器に流入可能にし、且つ燃焼器からタービンに進む燃焼生成物の主流に向けて蒸気噴射を可能にするよう構成された希釈孔を定めるように形成される本体を含む移行部品と、移行部品に支持可能に結合され、燃焼生成物の主流に向けて燃料を噴射し、これにより希釈孔により可能にされる蒸気噴射によって低下した燃焼生成物の主流の火炎温度を回復させるように構成された燃料噴射システムと、を備える。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械に関し、より詳細には、希釈孔を有する移行部品並びに移行部品に結合された燃料噴射システムを備えるターボ機械に関する。

典型的なターボ機械は、燃焼器、タービン、及び移行部品を含む。燃焼器は、ヘッド端部を有し、該ヘッド端部から後方に延びるライナを含む。ライナは、燃料の第１の分量と加圧空気とが混合されて燃焼し、燃焼生成物の主流を生成する燃焼ゾーンを定めるように形成される。タービンは、燃焼器から下流側に配置され、燃焼器からの燃焼生成物を受け入れることができるように構成される。タービン内では、燃焼生成物は、発電運転において膨張される。

蒸気噴射用に構成された幾つかのターボ機械において、蒸気は、出力増大のために移行部品に噴射され、火炎を冷却する。ターボ機械の幾何形状は、蒸気運転中のエミッションコンプライアンスに合わせた燃空比及びひいては火炎温度を設定するよう規定される。

蒸気噴射システムの欠点は、ターボ機械１０が蒸気噴射無しで稼働しているとき（すなわち、ドライ運転中）に生じる。この場合のエミッションコンプライアンスは、ガスタービンを過小燃焼させることによってのみ維持することができ、これにより蒸気運転で規定されたターボ機械幾何形状に起因して低出力が生成される。燃焼器幾何形状が、ドライ運転中のエミッションコンプライアンスに合わせた燃空比及びひいては火炎温度を設定するよう規定されている場合には、ターボ機械は蒸気で稼働しているときに欠点が生じる。この場合のエミッションコンプライアンスは、ガスタービンを過大燃焼することによってのみ維持することができ、これは高温ガス経路部品の寿命の短縮につながる。

米国特許第８，１５１，５５３号明細書

本発明の第１の態様によれば、ターボ機械が提供され、該ターボ機械は、燃料及び空気が燃焼する燃焼器と、燃焼器から燃焼生成物を受け取るよう配置されたタービンと、燃焼器とタービンとの間に流体移動可能に結合され、空気を燃焼器に流入可能にし、且つ燃焼器からタービンに進む燃焼生成物の主流に向けて蒸気噴射を可能にするよう構成された希釈孔を定めるように形成される本体を含む移行部品と、移行部品に支持可能に結合され、燃焼生成物の主流に向けて燃料を噴射し、これにより希釈孔により可能にされる蒸気噴射によって低下した燃焼生成物の主流の火炎温度を回復させるように構成された燃料噴射システムと、を備える。

本発明の別の態様によれば、ターボ機械が提供され、該ターボ機械は、燃料の第１の分量と空気とが燃焼する燃焼器と、燃焼器から燃焼生成物を受け取るよう配置されたタービンと、燃焼器とタービンとの間に流体移動可能に結合され、空気を燃焼器に流入可能にし、且つ燃焼器からタービンに進む燃焼生成物の主流に向けて蒸気噴射を可能にするよう構成された希釈孔を定めるように形成される本体を含む移行部品と、を備える。燃料噴射システムが移行部品に支持可能に結合され、燃焼生成物の主流に向けて燃料の第２の分量を噴射するよう構成される。

本発明の更に別の態様によれば、ターボ機械が提供され、該ターボ機械は、燃料の第１の分量と空気とが燃焼する燃焼器と、燃焼器から燃焼生成物を受け取るよう配置されたタービンと、燃焼器とタービンとの間に流体移動可能に結合され、空気を燃焼器に流入可能にし、且つ燃焼器から前記タービンに進む燃焼生成物の主流に向けて蒸気噴射を可能にするよう構成された希釈孔を定めるように形成される本体を含む移行部品と、燃料噴射システムと、コントローラと、を備える。燃料噴射システムは、移行部品に支持可能に結合され、燃焼生成物の主流に向けて燃料の第２の分量を噴射するよう構成される。コントローラは、燃料噴射システムに動作可能に結合され、燃料の第１及び第２の分量の相対量を調整するよう構成される。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

幾つかの実施形態によるターボ機械の概略図。 幾つかの実施形態によるターボ機械のコントローラの概略図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

以下で提供される説明は、出力増大のための蒸気噴射と軸方向多段噴射又は遅延希薄噴射（ＬＬＩ）とを組み合わせたターボ機械に関する。軸方向多段噴射又はＬＬＩは、蒸気噴射出力増大をより市場性のあるものにするのに利用される。すなわち、例えばＥクラス高出力ガスタービンエンジン用の軸方向多段噴射又はＬＬＩは、大幅に増大した火炎温度範囲全体にわたり安定した燃焼を可能にする。この新規の柔軟性は、燃料（燃料ステージング）を火炎ゾーンから離れて迂回させ、燃焼器のエミッションコンプライアントを維持することにより達成される。

軸方向多段噴射又はＬＬＩは、反応ゾーンに関与する燃料の量を調節することによって燃焼器を能動的に「調整」する。このようにして、反応又は火炎温度を調節して、蒸気の導入によって生じる火炎温度の低下を補償することができる。現在までのところ、火炎温度の調節及び蒸気噴射の補償能力は、機械設備の変更を通じてのみ可能である。蒸気噴射と遅延希薄噴射を組み合わせることにより、現行の蒸気出力増大の発生の欠点が低減又は排除される。

図１を参照すると、ターボ機械１０が提供され、燃焼器１１、タービン１２、及び移行部品１３を含む。燃焼器１１は、ヘッド端部１１０を有し、該ヘッド端部１１０から後方に延びるライナ１１１を含む。ライナ１１１は、燃料の第１の分量と加圧空気とが混合されて燃焼し、燃焼生成物の主流１５を生成する燃焼ゾーン１４を定めるように形成される。タービン１２は、燃焼器１１から下流側に配置され、燃焼器１１からの燃焼生成物を受け入れることができるように構成される。タービン１２内では、燃焼生成物は、発電運転において膨張される。

移行部品１３は、燃焼器１１とタービン１２との間に流体移動可能に配置される。移行部品１３は、前方部分１３１、後方部分１３２、及び中央部分１３３を有する本体１３０を含む。前方部分１３１は、燃焼器１１のライナ１１１の後方部分１１２と伸縮自在に同軸上に配置される。後方部分１３２は、タービン１２の前方部分１２０（すなわち、第１段）に結合される。中央部分１３３は、前方部分１３１から後方部分１３２に曲線を成して延び、例えばターボ機械１０の缶アニュラ構成において、後方部分１３２が、前方部分１３１の半径方向外向き位置と比べて半径方向内向き位置に配置できるようにする。中央部分１３３に沿って、移行部品１３の本体１３０は、希釈孔２０を定めるように形成される。

希釈孔２０は、空気が燃焼器１１に流入できるようにし、ライナ１１１における開口及び混合孔並びに移行部品１３における同様の希釈孔と同様に機能する。詳細には、希釈孔２０とライナ１１１における開口及び混合孔とによって、ターボ機械１０の外部から内部への蒸気噴射が可能になる。ヘッド端部１１０付近でのライナ１１１における開口及び混合孔を介して、並びに希釈孔２０を介して流入する蒸気は、燃焼器１１からタービン１２に進む燃焼生成物の主流１５に向けて配向され、燃焼ゾーン１４及び移行部品１３内部における火炎温度を下げる役割を担う。

ターボ機械１０は更に、軸方向多段燃料噴射システム又は遅延希薄噴射（ＬＬＩ）システムのような燃料噴射システム３０を含む。燃料噴射システム３０は、移行部品１３の本体１３０に支持可能に結合され、燃料の第２の分量を移行部品１３の内部及び燃焼生成物の主流に向けて噴射するよう構成される。燃料噴射システム３０は、少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１と、燃料回路３２と、少なくとも１つ又はそれ以上のバルブ組立体３３とを含むことができる。少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１は、移行部品１３の本体１３０に支持可能に結合され、燃料の第２の分量が移行部品１３の内部に向けて及び燃焼生成物の主流に向けて噴射可能となる。燃料回路３２は、燃料の第１の分量を燃焼器１１のヘッド端部１１０に送給するよう構成され、少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１に結合される。従って、燃料回路３２は更に、燃料の第２の分量を少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１に送給するよう構成される。

少なくとも１つ又はそれ以上のバルブ組立体３３は、燃料の第１及び第２の分量の相対量をヘッド端部１１０及び１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１それぞれに送給できるように手動で又は自動的に制御可能にすることができる。図１においては三方バルブとして例示されているが、これは例証に過ぎず、他の実施形態が存在できる点は理解されるであろう。例えば、代替の実施形態において、二方バルブのペアを燃料回路３２の線路に沿って動作可能に配置することができ、燃料の第１及び第２の分量をヘッド端部１１０及び１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１に送給する。

図２を参照すると、ターボ機械１０は更に、コントローラ４０を含むことができる。コントローラ４０は、処理ユニット４１、メモリ４２、及びサーボユニット４３を含む、コンピュータ又は機械可読媒体として具現化することができる。メモリ４２は、実行時に処理ユニット４１に本明細書で記載される方法を実行させる実行可能命令を格納させることができる。例えば、コントローラ４０のサーボユニット４３は、燃料噴射システム３０の少なくとも１つ又はそれ以上のバルブ組立体３３に動作可能に結合することができ、これにより、ヘッド端部１１０及び１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１に送給可能な燃料の第１及び第２の分量の相対量を調整するよう構成することができる。すなわち、実行可能命令は、実行時に、サーボユニット４３に命令して少なくとも１つ又はそれ以上のバルブ組立体３３を作動させ、ヘッド端部１１０に送給可能な燃料の第１の分量と、少なくとも１つ又はそれ以上の噴射装置３１に送給可能な燃料の第２の分量のそれぞれの量を適宜増減できるようにすることができる。

幾つかの実施形態によれば、コントローラ４０は、予め定められたスケジュールに従って、又は蒸気運転モードの開始及びドライ運転モードの開始の一方に従って、燃料の第１及び第２の分量の相対量を調整するよう構成される。

例えば、コントローラ４０は、ヘッド端部１１０から又は少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１に迂回可能又は送給可能な燃料の第２の分量を、利用可能な供給燃料５０（図１を参照）の０％（例えば、ターボ機械１０の蒸気噴射運転中）〜約２０％（例えば、ターボ機械１０のドライ運転中）であるようにするよう構成することができる。別の実施形態によれば、コントローラ４０は、ヘッド端部１１０から又は少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１に迂回可能又は送給可能な燃料の第２の分量を、利用可能な供給燃料５０の約１１％であるようにするよう構成することができる。

燃料の第２の分量を少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置３１に迂回させることにより、燃料の大きな分量を移行部品１３の本体１３０に噴射できるようになり、燃料の大きな分量が移行部品１３の内部及び燃焼生成物の主流に向けて噴射可能となる。ヘッド端部１１０付近での開口及び混合孔を介した燃焼器１１への蒸気の侵入により、燃焼ゾーン１４における火炎温度が低下する場合、移行部品１３の内部及び燃焼生成物の主流に向けた移行部品１３の本体１３０への燃料の大きな分量を噴射することで火炎温度が回復される。この火炎温度の回復は、燃料のより良好な完全燃焼及び汚染物質エミッションの減少をもたらし、これは、名目的にはこれまで構成及び／又は構成要素の幾何形状の変更によってのみ実施可能であった。

図２を更に参照すると、コントローラ４０はまた、希釈孔２０に動作可能に結合することができ、該希釈孔２０は、能動的に制御可能な幾何形状を備えることができる。すなわち、コントローラ４０は、変化する運転条件に従って、希釈孔２０の１つ又はそれ以上の幾何形状を能動的に制御（例えば、希釈孔２０の直径を拡大又は縮小することにより）できるようにすることができる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ ターボ機械
１１ 燃焼器
１１０ ヘッド端部
１１１ ライナ
１２ タービン
１３ 移行部品
１４ 燃焼ゾーン
１５ 主流
２０ 希釈孔
３０ 燃料噴射システム
３１ 燃料噴射装置
３２ 燃料回路
３３ バルブシステム
４０ コントローラ
４１ 処理ユニット
４２ メモリ
４３ サーボユニット
５０ 供給燃料
１２０ 前方部分
１３０ 本体
１３１ 前方部分
１３２ 後方部分
１３３ 中央部分

Claims (20)

1. ターボ機械であって、
   燃料及び空気が燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器から燃焼生成物を受け取るよう配置されたタービンと、
   前記燃焼器と前記タービンとの間に流体移動可能に結合され、空気を前記燃焼器に流入可能にし、且つ前記燃焼器から前記タービンに進む前記燃焼生成物の主流に向けて蒸気噴射を可能にするよう構成された希釈孔を定めるように形成される本体を含む移行部品と、
   前記移行部品に支持可能に結合され、前記燃焼生成物の主流に向けて燃料を噴射し、これにより前記希釈孔により可能にされる蒸気噴射によって低下した前記燃焼生成物の主流の火炎温度を回復させるように構成された燃料噴射システムと、
   を備える、ターボ機械。
2. 前記移行部品の本体が、
   前記燃焼器の後方部分と同軸である前方部分と、
   前記タービンの前方部分に結合される後方部分と、
   前記前方部分から前記後方部分に曲線を成して延びる中央部分と、
   を含む、請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記燃料噴射システムが、
   前記燃焼生成物の主流に向けて燃料を噴射可能にする少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置と、
   前記燃焼器のヘッド端部及び前記１つ又はそれ以上の燃料噴射装置に燃料を送給するよう構成された燃料回路と、
   を含む、請求項１に記載のターボ機械。
4. 前記燃焼生成物の主流に向けて利用可能な供給燃料の０〜約２０％が噴射可能である、請求項１に記載のターボ機械。
5. 前記燃焼生成物の主流に向けて利用可能な供給燃料の約１１％が噴射可能である、請求項１に記載のターボ機械。
6. 前記希釈孔が能動的幾何形状を有する、請求項１に記載のターボ機械。
7. ターボ機械であって、
   燃料の第１の分量と空気とが燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器から燃焼生成物を受け取るよう配置されたタービンと、
   前記燃焼器と前記タービンとの間に流体移動可能に結合され、空気を前記燃焼器に流入可能にし、且つ前記燃焼器から前記タービンに進む前記燃焼生成物の主流に向けて蒸気噴射を可能にするよう構成された希釈孔を定めるように形成される本体を含む移行部品と、
   前記移行部品に支持可能に結合され、前記燃焼生成物の主流に向けて燃料の第２の分量を噴射するよう構成された燃料噴射システムと、
   を備える、ターボ機械。
8. 前記移行部品の本体が、
   前記燃焼器の後方部分と同軸である前方部分と、
   前記タービンの前方部分に結合される後方部分と、
   前記前方部分から前記後方部分に曲線を成して延びる中央部分と、
   を含む、請求項７に記載のターボ機械。
9. 前記燃料噴射システムが、
   前記燃焼生成物の主流に向けて燃料の第２の分量を噴射可能にする少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置と、
   前記燃焼器のヘッド端部に燃料の第１の分量を、及び前記１つ又はそれ以上の燃料噴射装置に燃料の第２の分量を送給するよう構成された燃料回路と、
   を含む、請求項７に記載のターボ機械。
10. 前記燃料の第２の分量が、利用可能な供給燃料の０〜約２０％である、請求項７に記載のターボ機械。
11. 前記燃料の第２の分量が、利用可能な供給燃料の約１１％である、請求項７に記載のターボ機械。
12. 前記希釈孔が能動的幾何形状を有する、請求項７に記載のターボ機械。
13. ターボ機械であって、
    燃料の第１の分量と空気とが燃焼する燃焼器と、
    前記燃焼器から燃焼生成物を受け取るよう配置されたタービンと、
    前記燃焼器と前記タービンとの間に流体移動可能に結合され、空気を前記燃焼器に流入可能にし、且つ前記燃焼器から前記タービンに進む前記燃焼生成物の主流に向けて蒸気噴射を可能にするよう構成された希釈孔を定めるように形成される本体を含む移行部品と、
    前記移行部品に支持可能に結合され、前記燃焼生成物の主流に向けて燃料の第２の分量を噴射するよう構成された燃料噴射システムと、
    前記燃料噴射システムに動作可能に結合され、前記燃料の第１及び第２の分量の相対量を調整するよう構成されたコントローラと、
    を備える、ターボ機械。
14. 前記移行部品の本体が、
    前記燃焼器の後方部分と同軸である前方部分と、
    前記タービンの前方部分に結合される後方部分と、
    前記前方部分から前記後方部分に曲線を成して延びる中央部分と、
    を含む、請求項１３に記載のターボ機械。
15. 前記燃料噴射システムが、
    前記燃焼生成物の主流に向けて燃料の第２の分量を噴射可能にする少なくとも１つ又はそれ以上の燃料噴射装置と、
    前記燃焼器のヘッド端部に燃料の第１の分量を、及び前記１つ又はそれ以上の燃料噴射装置に燃料の第２の分量を送給するよう構成された燃料回路と、
    を含む、請求項１３に記載のターボ機械。
16. 前記コントローラが、前記燃料の第２の分量を利用可能な供給燃料の０〜約２０％であるようにするよう構成される、請求項１３に記載のターボ機械。
17. 前記コントローラが、前記燃料の第２の分量を利用可能な供給燃料の約１１％であるようにするよう構成される、請求項１３に記載のターボ機械。
18. 前記コントローラが、予め定められたスケジュールに従って、前記燃料の第１及び第２の分量の相対量を調整するよう構成される、請求項１３に記載のターボ機械。
19. 前記コントローラが、蒸気運転モードの開始及びドライ運転モードの開始の一方に従って、前記燃料の第１及び第２の分量の相対量を調整するよう構成される、請求項１３に記載のターボ機械。
20. 前記希釈孔が、能動的幾何形状を有し、前記コントローラに動作可能に結合されており、前記コントローラが更に、前記希釈孔の能動的幾何形状を制御するよう構成されている、請求項１３に記載のターボ機械。