JP2014178107A - Diffusion combustor fuel nozzle for limiting NOx emissions - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的に云えば、ガスタービン・エンジンに関し、より詳しく云えば、ガスタービン・エンジンの効率の良い動作を維持しながら、窒素酸化物などのような排出物質を制限するように構成された燃料ポートを含む拡散型燃焼器燃料ノズルに関するものである。 The present invention relates generally to gas turbine engines and, more particularly, configured to limit emissions such as nitrogen oxides while maintaining efficient operation of the gas turbine engine. The present invention relates to a diffusion combustor fuel nozzle including a formed fuel port.
ガスタービン・エンジンの動作効率は、一般に、燃焼流の温度が高くなるにつれて増大する。しかしながら、燃焼流の温度が高くなればなる程、結果として高レベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）及び他の種類の望ましくない排出物質が生じる。このような排出物質は米国内で並びに他の国でも規制の対象となることがある。ガスタービン・エンジンを効率の良い温度範囲内で動作させることと、窒素酸化物及び他の種類の規制された排出物質の放出が指令されたレベルよりも充分に低く維持されるようにすることととの間で釣り合いを取る行為が必要である。多くの他の種類の動作パラメータもまた、このような最適な釣り合いを取る際に変わり得る。 The operating efficiency of a gas turbine engine generally increases as the temperature of the combustion stream increases. However, higher combustion stream temperatures result in higher levels of nitrogen oxides (NOx) and other types of undesirable emissions. Such emissions may be regulated in the United States as well as in other countries. Operating the gas turbine engine within an efficient temperature range and ensuring that emissions of nitrogen oxides and other types of regulated emissions are maintained well below commanded levels; An act of balancing with the other is necessary. Many other types of operating parameters can also change in balancing such an optimal balance.
拡散型燃焼器、すなわち、予混合しないタイプの燃焼器を含むガスタービン・エンジンでは、燃料が燃料ノズルの空気旋回器の中へ噴射される。空気が空気旋回器を通って流れて、下流での燃焼のために燃料と混合する。或る特定の空気旋回器構成では、空気と燃料との混合は、高い燃焼流温度を生じることがあり、その結果として高レベルのＮＯｘを生じることがある。更に、或る特定の空気旋回器構成では、燃料とその結果の高温燃焼ガスとが空気旋回器の下流の再循環区域内に取り込まれることがある。その結果、燃料ノズル及び燃焼室を取り囲むライナーが、比較的高いヘッドエンド温度を受けることがある。また更に、比較的高いヘッドエンド温度は、燃焼器が或る種の液体燃料を燃焼するとき、それ以上に高くなることがある。このような高い温度は、ライナー及び他の構成部品の完全性及び寿命に影響を与えることがある。 In a gas turbine engine that includes a diffusion combustor, ie, a type of combustor that does not premix, fuel is injected into an air swirler of a fuel nozzle. Air flows through the air swirler and mixes with fuel for downstream combustion. In certain air swirler configurations, the mixing of air and fuel can result in high combustion flow temperatures, which can result in high levels of NOx. Furthermore, in certain air swirler configurations, fuel and the resulting hot combustion gases may be trapped in a recirculation zone downstream of the air swirler. As a result, the liner surrounding the fuel nozzle and combustion chamber may experience a relatively high headend temperature. Still further, the relatively high head end temperature can be higher when the combustor burns certain liquid fuels. Such high temperatures can affect the integrity and life of the liner and other components.
そこで、ガスタービン・エンジンの燃焼器、特に拡散型燃焼器に使用するための改良された燃料ノズルが要望される。このような拡散型燃焼器用の燃料ノズルは、燃料ノズルの下流で燃料及び高温燃焼ガスの再循環を制限することができる。また、このような拡散型燃焼器用の燃料ノズルは、その中の燃料及び空気の流れを効率よく燃焼させて、排出物質を制限すると共に、構成部品の寿命を長くするためにライナーの温度を制限することができる。 Accordingly, there is a need for an improved fuel nozzle for use in a gas turbine engine combustor, particularly a diffusion combustor. Such a fuel nozzle for a diffusion combustor can limit the recirculation of fuel and hot combustion gases downstream of the fuel nozzle. In addition, the fuel nozzle for such a diffusion combustor efficiently burns the fuel and air flow therein to limit emissions and limit the temperature of the liner to extend the life of the components. can do.
本発明によれば、ガスタービン・エンジン用の拡散型燃焼器燃料ノズルが提供される。当該燃料ノズルは、１つ以上の気体燃料流のための１つ以上の気体燃料通路と、前記１つ以上の気体燃料通路を取り囲み且つ当該燃料ノズルの下流面の近くに配置された旋回器と、前記旋回器に形成された複数の旋回器気体燃料ポートと、前記燃料ノズルの前記下流面に形成された複数の下流面気体燃料ポートとを含むことができる。前記旋回器は、複数の旋回羽根と、それらの隣り合う旋回羽根の間に画成された複数の空気室とを含むことができる。 In accordance with the present invention, a diffusion combustor fuel nozzle for a gas turbine engine is provided. The fuel nozzle includes one or more gaseous fuel passages for one or more gaseous fuel streams, and a swirler surrounding the one or more gaseous fuel passages and disposed near a downstream surface of the fuel nozzle. , A plurality of swirler gas fuel ports formed in the swirler, and a plurality of downstream surface gas fuel ports formed on the downstream surface of the fuel nozzle. The swirler may include a plurality of swirl vanes and a plurality of air chambers defined between the adjacent swirl vanes.
本発明によれば、更に、ガスタービン・エンジンの拡散型燃焼器燃料ノズルを動作させる方法が提供される。本方法は、前記ノズルを通る１つ以上の気体燃料流を供給する段階と、前記１つ以上の気体燃料流の内の第１の部分を、前記燃料ノズルの下流面の近くに配置された旋回器に形成された複数の旋回器気体燃料ポートに通す段階と、前記１つ以上の気体燃料流の内の第２の部分を、前記燃料ノズルの前記下流面に形成された複数の下流面気体燃料ポートに通す段階とを含むことができる。 The present invention further provides a method of operating a diffusion combustor fuel nozzle of a gas turbine engine. The method includes providing one or more gaseous fuel streams through the nozzle, and a first portion of the one or more gaseous fuel streams is disposed near a downstream surface of the fuel nozzle. Passing a plurality of swirler gas fuel ports formed in the swirler and a second portion of the one or more gaseous fuel streams to a plurality of downstream surfaces formed on the downstream surface of the fuel nozzle; Passing through the gaseous fuel port.
本発明によれば、更に、ガスタービン・エンジン用の拡散型燃焼器燃料ノズルが提供される。当該燃料ノズルは、１つ以上の気体燃料流のための１つ以上の気体燃料通路と、前記１つ以上の気体燃料通路を取り囲み且つ当該燃料ノズルの下流面の近くに配置された旋回器と、前記旋回器に形成された複数の旋回器気体燃料ポートと、前記燃料ノズルの前記下流面に形成された複数の下流面気体燃料ポートとを含むことができる。前記１つ以上の気体燃料通路は、前記燃料ノズルの前記下流面へ向かって延在することができる。前記旋回器は、複数の旋回羽根と、それらの隣り合う旋回羽根の間に画成された複数の空気室とを含むことができる。前記複数の旋回器気体燃料ポートの各々は、隣り合う旋回羽根の間で前記旋回器に形成することができる。 The present invention further provides a diffusion combustor fuel nozzle for a gas turbine engine. The fuel nozzle includes one or more gaseous fuel passages for one or more gaseous fuel streams, and a swirler surrounding the one or more gaseous fuel passages and disposed near a downstream surface of the fuel nozzle. , A plurality of swirler gas fuel ports formed in the swirler, and a plurality of downstream surface gas fuel ports formed on the downstream surface of the fuel nozzle. The one or more gaseous fuel passages may extend toward the downstream surface of the fuel nozzle. The swirler may include a plurality of swirl vanes and a plurality of air chambers defined between the adjacent swirl vanes. Each of the plurality of swirler gas fuel ports may be formed in the swirler between adjacent swirl vanes.
本発明によるこれらの及び他の特徴及び改良は、当業者には、図面及び特許請求の範囲の記載と共に以下の記載を読めば明らかになろう。 These and other features and improvements in accordance with the present invention will become apparent to those skilled in the art upon reading the following description in conjunction with the drawings and claims.
次に、図面を参照して説明すると、図面では幾つかの図にわたって同様な要素を同様な参照数字で表しているが、図１は、本願で使用することのできるようなガスタービン・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、入って来る空気流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へ送り出す。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、その混合物に点火して燃焼ガス流３５を生成する。１つの燃焼器２５のみを図示しているが、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。次いで、燃焼ガス流３５はタービン４０へ供給される。燃焼ガス流３５はタービン４０を駆動して、機械的仕事を生じさせる。タービン４０で生じる機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を駆動すると共に、発電機などのような外部負荷５０を駆動する。他の構成及び他の構成部品も使用することができる。 Referring now to the drawings, wherein like reference numerals refer to like elements throughout the several views, FIG. 1 illustrates a gas turbine engine 10 as may be used herein. The schematic of is shown. The gas turbine engine 10 may include a compressor 15. The compressor 15 compresses the incoming air stream 20. The compressor 15 sends the compressed air stream 20 to the combustor 25. The combustor 25 mixes the compressed air stream 20 with the pressurized fuel stream 30 and ignites the mixture to produce a combustion gas stream 35. Although only one combustor 25 is illustrated, the gas turbine engine 10 may include any number of combustors 25. The combustion gas stream 35 is then supplied to the turbine 40. The combustion gas stream 35 drives the turbine 40 to generate mechanical work. The mechanical work that occurs in the turbine 40 drives the compressor 15 through the shaft 45 and drives an external load 50 such as a generator. Other configurations and other components can also be used.
ガスタービン・エンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、及び／又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、例えば、限定するものではないが、米国ニューヨーク州所在のゼネラル・エレクトリック・カンパニイ社によって提供される７又は９シリーズの重構造ガスタービン・エンジンなどのような、様々なガスタービン・エンジンの内の任意の１つであってよい。ガスタービン・エンジン１０は、異なる構成を持つことができ、また他の種類の構成部品を使用することができる。他の種類のガスタービン・エンジンもまた使用することができる。複数のガスタービン・エンジン、他の種類のタービン、及び他の種類のパワー発生装置もまた使用することができる。 The gas turbine engine 10 may use natural gas, various types of syngas, and / or other types of fuel. The gas turbine engine 10 may be a variety of gases such as, but not limited to, a 7 or 9 series heavy-duty gas turbine engine provided by General Electric Company of New York, USA. It can be any one of the turbine engines. The gas turbine engine 10 can have different configurations and other types of components can be used. Other types of gas turbine engines can also be used. Multiple gas turbine engines, other types of turbines, and other types of power generation devices may also be used.
図２は、ガスタービン・エンジン１０などに使用できる燃焼器２５の一例を示す。燃焼器２５は、複数の燃料ノズル５５を含むことができる。各々の燃料ノズル５５は、空気流２０、燃料流３０、及び随意選択による他の燃焼用の流体の流れを方向付けることができる。任意の数の燃料ノズル５５を任意の構成で使用することができる。これらの燃料ノズル５５は、燃焼器２５のヘッドエンド６５近くの端蓋６０に取り付けることができる。空気流２０及び燃料流３０は端蓋６０及びヘッドエンド６５を通って各々の燃料ノズル５５へ導かれて、その下流に燃料・空気混合物を分配することができる。 FIG. 2 shows an example of a combustor 25 that can be used in the gas turbine engine 10 or the like. The combustor 25 can include a plurality of fuel nozzles 55. Each fuel nozzle 55 can direct a flow of air stream 20, fuel stream 30, and optionally other combustion fluids. Any number of fuel nozzles 55 can be used in any configuration. These fuel nozzles 55 can be attached to an end cap 60 near the head end 65 of the combustor 25. The air stream 20 and the fuel stream 30 can be directed through the end cap 60 and the head end 65 to the respective fuel nozzles 55 to distribute the fuel / air mixture downstream thereof.
燃焼器２５はまた、燃焼室７０を含むことができる。燃焼室７０は、燃焼器ケーシング７５、燃焼器ライナー８０、流れスリーブ８５等々によって画成することができる。ライナー８０及び流れスリーブ８５は、互いに対して同軸に配置されて、空気流２０を通すための空気通路９０を画成することができる。燃焼室７０は、下流の燃焼器尾筒９５へ続くことができる。空気流２０及び燃料流３０は、燃焼室７０内での燃焼のために燃料ノズル５５の下流で混合することができる。次いで、燃焼ガス流３５は燃焼器尾筒９５を介してタービン４０へ導かれて、そこで有用な仕事を生じることができる。他の構成部品及び他の構成を使用することもできる。 The combustor 25 can also include a combustion chamber 70. Combustion chamber 70 may be defined by a combustor casing 75, a combustor liner 80, a flow sleeve 85, and the like. The liner 80 and the flow sleeve 85 may be disposed coaxially with respect to each other to define an air passage 90 for the passage of the air stream 20. The combustion chamber 70 can continue to the downstream combustor transition 95. The air stream 20 and the fuel stream 30 can be mixed downstream of the fuel nozzle 55 for combustion in the combustion chamber 70. The combustion gas stream 35 can then be directed to the turbine 40 via the combustor transition 95 where it can produce useful work. Other components and other configurations can also be used.
図３及び図４は、燃焼器２５などに使用できる燃料ノズル５５の一例を示す。燃料ノズル５５は拡散型燃料ノズル１００とすることができる。より具体的に述べると、燃料ノズル５５は二重燃料ノズル１０５とすることができる。このような場合、燃料流３０は、天然ガスのような気体燃料１１０の１つ以上の流れと、合成ガスなどのような液体燃料１１５の１つ以上の流れとを含むことができる。他の種類の燃料流及び他の種類の燃料流の組合せを使用することができる。 3 and 4 show an example of a fuel nozzle 55 that can be used in the combustor 25 or the like. The fuel nozzle 55 may be a diffusion type fuel nozzle 100. More specifically, the fuel nozzle 55 can be a dual fuel nozzle 105. In such cases, the fuel stream 30 may include one or more streams of gaseous fuel 110, such as natural gas, and one or more streams of liquid fuel 115, such as synthesis gas. Other types of fuel streams and combinations of other types of fuel streams can be used.
燃料ノズル５５は外管１２０を含むことができる。外管１２０は、燃料ノズル・チップ１３０を備えた下流面１２５につながることができる。外管１２０は、複数の燃料、空気及び水通路を含むことができる。詳しく述べると、複数の気体燃料通路１３５が外管１２０を通って延在することができ、またこれらの気体燃料通路１３５は下流面１２５の近くに軸方向に配置することができる。複数の気体燃料通路１３５は気体燃料流１１０と連通することができる。また、複数のチップ出口１４０が外管１２０を通って延在することができ、またこれらのチップ出口１４０は燃料ノズル・チップ１３０の近くに配置することができる。チップ出口１４０は、液体燃料流１１５と連通する液体燃料出口１４５を含むことができる。チップ出口１４０はまた、噴霧化空気流と連通する噴霧化空気出口１５０、並びに水流と連通する水出口１５５を含むことができる。他の構成部品及び他の構成を使用することができる。 The fuel nozzle 55 can include an outer tube 120. The outer tube 120 can lead to a downstream surface 125 with a fuel nozzle tip 130. The outer tube 120 can include a plurality of fuel, air and water passages. Specifically, a plurality of gaseous fuel passages 135 can extend through the outer tube 120 and the gaseous fuel passages 135 can be axially disposed near the downstream surface 125. The plurality of gaseous fuel passages 135 can communicate with the gaseous fuel stream 110. Also, a plurality of tip outlets 140 can extend through the outer tube 120 and these tip outlets 140 can be located near the fuel nozzle tip 130. The tip outlet 140 can include a liquid fuel outlet 145 in communication with the liquid fuel stream 115. Tip outlet 140 may also include an atomizing air outlet 150 in communication with the atomizing air stream, and a water outlet 155 in communication with the water stream. Other components and other configurations can be used.
旋回器１６０は、燃料ノズル５５の下流面１２５の近くに配置することができる。旋回器１６０は複数の旋回羽根１６５を含むことができる。これらの旋回羽根１６５は複数の空気室１７０を画成することができる。これらの空気室１７０は端蓋６０からの空気流２０と流体連通することができる。複数の気体燃料ポート１７５が、気体燃料流１１０の少なくとも一部分を案内し供給するために複数の気体燃料通路１３５から複数の空気室１７０へ延在することができる。従って、空気流２０及び気体燃料流１１０が、下流の燃焼室７０内での燃焼のために旋回器１６０の近くで混合し始めることができる。一般的に述べると、空気流２０の全てが旋回器１６０の空気室１７０を旋回流１８０として通過する。カラー１８５が旋回器１６０を取り囲むことができる。円錐体（図示せず）が燃料ノズル５５からライナー８０へ延在することができる。他の種類の燃料ノズル５５及び他の種類の燃焼器２５を、様々な種類の燃料と共に使用することができる。同様に、他の構成部品及び他の構成を使用することができる。 The swirler 160 can be located near the downstream surface 125 of the fuel nozzle 55. The swirler 160 can include a plurality of swirl vanes 165. These swirl vanes 165 can define a plurality of air chambers 170. These air chambers 170 can be in fluid communication with the airflow 20 from the end cap 60. A plurality of gaseous fuel ports 175 can extend from the plurality of gaseous fuel passages 135 to the plurality of air chambers 170 to guide and supply at least a portion of the gaseous fuel stream 110. Thus, the air stream 20 and the gaseous fuel stream 110 can begin to mix near the swirler 160 for combustion in the downstream combustion chamber 70. Generally speaking, all of the air flow 20 passes through the air chamber 170 of the swirler 160 as a swirl flow 180. A collar 185 can surround the swirler 160. A cone (not shown) can extend from the fuel nozzle 55 to the liner 80. Other types of fuel nozzles 55 and other types of combustors 25 can be used with various types of fuel. Similarly, other components and other configurations can be used.
図５及び図６は、本願で開示の特徴を含み得る燃料ノズル２００を示す。燃料ノズル２００は、燃料・空気予混合を全く又は殆ど行わない拡散型ノズルとすることができる。燃料ノズル２００はまた、気体燃料流２１０及び液体燃料流２１５の両方を使用するための二重燃料ノズル２０５とすることができる。他の種類の流れを使用することができる。前に述べたものと同様に、燃料ノズル２００は、下流面２２５、燃料ノズル・チップ２３０、並びに燃料ノズル２００を通って延在する１つ以上の気体燃料通路２３５を含む。これらの気体燃料通路２３５は下流面２２５へ向かって延在することができる。燃料ノズル２００はまた、複数のチップ出口２４０を含むことができる。これらのチップ出口２４０は、下流面２２５の近くの燃料ノズル・チップ２３０の近くに配置することができる。燃料ノズル２００はまた１つ以上の液体燃料通路２４２を含むことができ、またチップ出口２４０は、１つ以上の液体燃料通路２４２に対応する１つ以上の液体燃料出口２４５を含むことができる。チップ出口２４０はまた、噴霧化空気、水などのための出口を含むことができる。他の構成部品及び他の構成も使用することができる。 5 and 6 illustrate a fuel nozzle 200 that may include the features disclosed herein. The fuel nozzle 200 may be a diffusion nozzle that performs no or little fuel / air premixing. The fuel nozzle 200 may also be a dual fuel nozzle 205 for using both a gaseous fuel stream 210 and a liquid fuel stream 215. Other types of streams can be used. Similar to that previously described, the fuel nozzle 200 includes a downstream surface 225, a fuel nozzle tip 230, and one or more gaseous fuel passages 235 extending through the fuel nozzle 200. These gaseous fuel passages 235 can extend toward the downstream surface 225. The fuel nozzle 200 can also include a plurality of tip outlets 240. These tip outlets 240 can be located near the fuel nozzle tip 230 near the downstream surface 225. The fuel nozzle 200 can also include one or more liquid fuel passages 242 and the tip outlet 240 can include one or more liquid fuel outlets 245 corresponding to the one or more liquid fuel passages 242. Tip outlet 240 can also include an outlet for atomizing air, water, and the like. Other components and other configurations can also be used.
燃料ノズル２００はまた、その下流面２２５の近くに配置された旋回器２６０を含むことができる。旋回器２６０は燃料ノズル・チップ２３０を取り囲む。旋回器２６０は、それを通って延在する複数の空気室２７０を画成する複数の旋回羽根２６５を含むことができる。これらの旋回羽根２６５及び空気室２７０は、任意のサイズ、形状又は構成を持つことができる。任意の数の旋回羽根２６５及び空気室２７０を使用することができる。複数の旋回器気体燃料ポート２７５を旋回器２６０内に形成することができる。これらの旋回器気体燃料ポート２７５は、気体燃料流２１０の少なくとも一部分を案内し供給するために複数の気体燃料通路２３５の１つから複数の空気室２７０へ延在することができる。各々の旋回器気体燃料ポート２７５は、隣り合う旋回羽根２６５の間の旋回器２６０内に且つノズル２００の下流面２２５よりも上流に形成することができる。旋回器２６０の上流端に、端蓋６０からの空気流２０と連通する空気入口２７７を画成することができる。前に述べたのと同様に、空気流２０が空気入口２７７に入って、旋回流２８０として空気室２７０を通過する。空気入口２７７は、任意のサイズ、形状又は構成を持つことができる。更に、カラー２８５が旋回器２６０を取り囲むことができる。円錐体（図示せず）が燃料ノズル２００からライナー８０へ延在することができる。ノズル２００はまた、ノズル２００の下流面２２５に形成された複数の下流面気体燃料ポート２９０を含むことができる。これらの下流面気体燃料ポート２９０は、気体燃料流２１０の少なくとも一部分を案内し供給するために複数の気体燃料通路２３５の内の１つからノズル２００の下流面２２５まで延在することができる。下流面気体燃料ポート２９０は燃料ノズル２００の軸に平行にすることができる。この代わりに、下流面気体燃料ポート２９０は燃料ノズル２００の軸に対して角度を成すようにすることができる。他の構成部品及び他の構成も使用することができる。 The fuel nozzle 200 can also include a swirler 260 disposed near its downstream surface 225. A swirler 260 surrounds the fuel nozzle tip 230. The swirler 260 can include a plurality of swirl vanes 265 that define a plurality of air chambers 270 extending therethrough. These swirl vanes 265 and air chamber 270 can have any size, shape or configuration. Any number of swirl vanes 265 and air chambers 270 can be used. A plurality of swirler gas fuel ports 275 can be formed in swirler 260. These swirler gaseous fuel ports 275 can extend from one of the plurality of gaseous fuel passages 235 to the plurality of air chambers 270 to guide and supply at least a portion of the gaseous fuel stream 210. Each swirler gas fuel port 275 can be formed in a swirler 260 between adjacent swirl vanes 265 and upstream of the downstream surface 225 of the nozzle 200. An air inlet 277 in communication with the air flow 20 from the end cap 60 can be defined at the upstream end of the swirler 260. As previously described, the air stream 20 enters the air inlet 277 and passes through the air chamber 270 as a swirl stream 280. The air inlet 277 can have any size, shape or configuration. In addition, a collar 285 can surround the swirler 260. A cone (not shown) can extend from the fuel nozzle 200 to the liner 80. The nozzle 200 can also include a plurality of downstream gas fuel ports 290 formed in the downstream surface 225 of the nozzle 200. These downstream surface gaseous fuel ports 290 can extend from one of the plurality of gaseous fuel passages 235 to the downstream surface 225 of the nozzle 200 to guide and supply at least a portion of the gaseous fuel stream 210. The downstream gas fuel port 290 can be parallel to the axis of the fuel nozzle 200. Alternatively, the downstream gas fuel port 290 can be angled with respect to the axis of the fuel nozzle 200. Other components and other configurations can also be used.
使用するとき、気体燃料流２１０の少なくとも第１の部分が、１つの気体燃料通路２３５を通過し、旋回器気体燃料ポート２７５を通って、旋回器２６０の空気室２７０に入る。気体燃料流２１０の少なくとも第２の部分が、１つの気体燃料通路２３５を通過し、下流面気体燃料ポート２９０を通って、ノズル２００を出て燃焼室７０に入る。同様に、液体燃料流２１５、噴霧化空気流及び水流が、チップ出口２４０を通過してノズル２００から燃焼室７０の中へ入る。空気流２０が旋回器２６０の空気入口２７７を通過して、旋回流２８０として空気室２７０に入る。気体燃料流２１０の第１の部分及び旋回流２８０が旋回器２６０の空気室２７０内で混合し始めて、燃焼室７０の中へ入る燃料・空気混合流を生成する。従って、燃焼室７０は、その中での燃焼のために、旋回器２６０から燃料・空気混合流を受け取ると共に、下流面気体燃料ポート２９０から気体燃料流２１０の第２の部分を受け取る。 In use, at least a first portion of the gaseous fuel stream 210 passes through one gaseous fuel passage 235 and enters the air chamber 270 of the swirler 260 through the swirler gaseous fuel port 275. At least a second portion of the gaseous fuel stream 210 passes through one gaseous fuel passage 235, through the downstream gaseous fuel port 290, exits the nozzle 200 and enters the combustion chamber 70. Similarly, a liquid fuel stream 215, an atomized air stream and a water stream pass through the tip outlet 240 and enter the combustion chamber 70 from the nozzle 200. Airflow 20 passes through air inlet 277 of swirler 260 and enters air chamber 270 as swirlflow 280. The first portion of the gaseous fuel stream 210 and the swirl stream 280 begin to mix within the air chamber 270 of the swirler 260 to produce a fuel / air mixture stream that enters the combustion chamber 70. Thus, the combustion chamber 70 receives a fuel / air mixture stream from the swirler 260 and a second portion of the gaseous fuel stream 210 from the downstream gas fuel port 290 for combustion therein.
図５に示されているように、旋回器気体燃料ポート２７５及び下流面気体燃料ポート２９０は、同じ気体燃料通路２３５と流体連通することができる。従って、同じ種類の気体燃料が旋回器気体燃料ポート２７５及び下流面気体燃料ポート２９０を通過して、旋回器２６０から燃料・空気混合流を形成し且つ下流面気体燃料ポート２９０から気体燃料流２１０の第２の部分を形成することになる。この態様では、気体燃料通路２３５が、共通の燃料源からの気体燃料を、旋回器気体燃料ポート２７５及び下流面気体燃料ポート２９０へ供給することができる。前に述べたように、ノズル２００はまた、液体燃料流２１５を通すために液体燃料通路２４２及び液体燃料出口２４５を含むことができ、これによりノズル２００は二重燃料ノズルとして動作することができる。 As shown in FIG. 5, the swirler gas fuel port 275 and the downstream gas fuel port 290 can be in fluid communication with the same gas fuel passage 235. Accordingly, the same type of gaseous fuel passes through swirler gaseous fuel port 275 and downstream gas fuel port 290 to form a fuel / air mixed flow from swirler 260 and gaseous fuel flow 210 from downstream gas fuel port 290. The second portion of the second portion is formed. In this aspect, the gaseous fuel passage 235 can supply gaseous fuel from a common fuel source to the swirler gaseous fuel port 275 and the downstream gas fuel port 290. As previously mentioned, the nozzle 200 can also include a liquid fuel passage 242 and a liquid fuel outlet 245 for passing the liquid fuel stream 215 so that the nozzle 200 can operate as a dual fuel nozzle. .
代替の態様では、図７に示されているように、旋回器気体燃料ポート２７５及び下流面気体燃料ポート２９０は、異なる気体燃料通路２３５と流体連通することができる。例えば、旋回器気体燃料ポート２７５は第１の気体燃料通路２９２と流体連通することができ、また下流面気体燃料ポート２９０は第２の気体燃料通路２９４と流体連通することができる。図示のように、第１の気体燃料通路２９２は第２の気体燃料通路２９４から分離されており、従って第２の気体燃料通路２９４と流体連通しない。この態様では、第１の種類の気体燃料を、第１の燃料源から第１の気体燃料通路２９２を介して旋回器気体燃料ポート２７５に供給することができ、他方、第２の種類の気体燃料を、第２の燃料源から第２の気体燃料通路２９４を介して下流面気体燃料ポート２９０に供給することができ、これによってノズル２００は二重燃料ノズルとして動作することができる。更に、ノズル２００はまた液体燃料流２１５を含むことができ、これによってノズル２００は三重燃料ノズルとして動作することができる。 In an alternative aspect, as shown in FIG. 7, the swirler gas fuel port 275 and the downstream gas fuel port 290 can be in fluid communication with different gas fuel passages 235. For example, the swirler gaseous fuel port 275 can be in fluid communication with the first gaseous fuel passage 292 and the downstream gas fuel port 290 can be in fluid communication with the second gaseous fuel passage 294. As shown, the first gaseous fuel passage 292 is separate from the second gaseous fuel passage 294 and is therefore not in fluid communication with the second gaseous fuel passage 294. In this embodiment, the first type of gaseous fuel can be supplied from the first fuel source to the swirler gas fuel port 275 via the first gaseous fuel passage 292, while the second type of gas is supplied. Fuel can be supplied from the second fuel source to the downstream gas fuel port 290 via the second gaseous fuel passage 294, which allows the nozzle 200 to operate as a dual fuel nozzle. In addition, the nozzle 200 can also include a liquid fuel stream 215 that allows the nozzle 200 to operate as a triple fuel nozzle.
使用するとき、ノズル２００を通る相異なる燃料流をガスタービン・エンジン１０の動作モードに従って変えることができる。例えば、図５に示されているような、二重燃料ノズル２００は、液体燃料出口２４５を介して燃焼室７０の中へ液体燃料流２１５を通すが、旋回器気体燃料ポート２７５又は下流面気体燃料ポート２９０を介して何ら気体燃料を通さないことによって、始動又は低負荷状態で動作することができる。これと対照的に、二重燃料ノズル２００は、旋回器気体燃料ポート２７５及び下流面気体燃料ポート２９０を介して気体燃料流２１０通すことによって、ベース負荷状態で動作することができる。旋回器気体燃料ポート２７５の面積と下流面気体燃料ポート２９０の面積との比は、最適な排出物質、希薄吹き消し（ＬＢＯ）余裕、動特性、出口分布、及び金属温度を達成するように選択することができる。 In use, the different fuel flows through the nozzle 200 can be varied according to the mode of operation of the gas turbine engine 10. For example, the dual fuel nozzle 200, as shown in FIG. 5, passes the liquid fuel stream 215 through the liquid fuel outlet 245 into the combustion chamber 70, but the swirler gas fuel port 275 or downstream gas. By not passing any gaseous fuel through the fuel port 290, it is possible to operate in starting or low load conditions. In contrast, dual fuel nozzle 200 can operate at base load conditions by passing gaseous fuel flow 210 through swirler gaseous fuel port 275 and downstream gaseous fuel port 290. The ratio of swirler gas fuel port 275 area to downstream gas fuel port 290 area is selected to achieve optimal emissions, lean blowout (LBO) margin, dynamics, outlet distribution, and metal temperature. can do.
別の例では、図７に示されているような、三重燃料ノズル２００は、液体燃料出口２４５を介して燃焼室７０の中へ液体燃料流２１５を通すが、旋回器気体燃料ポート２７５又は下流面気体燃料ポート２９０を介して何ら気体燃料を通さないことによって、始動又は低負荷状態で動作することができる。この代わりに、三重燃料ノズル２００は、旋回器気体燃料ポート２７５に第１の気体燃料を通すが、下流面気体燃料ポート２９０又は液体燃料出口２４５には何ら燃料を通さないことによって、始動又は低負荷状態で動作することができる。これと対照的に、三重燃料ノズル２００は、旋回器気体燃料ポート２７５を介して気体燃料流２１０の第１の部分を通し且つ下流面気体燃料ポート２９０を介して気体燃料流２１０の第２の部分を通すが、液体燃料出口２４５には何ら燃料を通さないことによって、ベース負荷状態で動作することができる。旋回器気体燃料ポート２７５の面積と下流面気体燃料ポート２９０の面積との比は、最適な排出物質、ＬＢＯ余裕、動特性、出口分布、及び金属温度を達成するように選択することができる。 In another example, triple fuel nozzle 200, as shown in FIG. 7, passes liquid fuel stream 215 into combustion chamber 70 via liquid fuel outlet 245, but with swirler gas fuel port 275 or downstream. By not passing any gaseous fuel through the planar gaseous fuel port 290, it is possible to operate in starting or low load conditions. Instead, the triple fuel nozzle 200 starts or lowers by passing the first gaseous fuel through the swirler gaseous fuel port 275 but not passing any fuel through the downstream gaseous fuel port 290 or the liquid fuel outlet 245. Can operate under load conditions. In contrast, triple fuel nozzle 200 passes a first portion of gaseous fuel stream 210 through swirler gaseous fuel port 275 and a second portion of gaseous fuel stream 210 through downstream gaseous fuel port 290. By passing the part through but not passing any fuel through the liquid fuel outlet 245, it is possible to operate at base load. The ratio of the swirler gas fuel port 275 area to the downstream gas fuel port 290 area can be selected to achieve optimal emissions, LBO margin, dynamics, outlet distribution, and metal temperature.
旋回器気体燃料ポート２７５及び下流面気体燃料ポート２９０の両方に気体燃料流２１０を通すことにより、燃料・空気混合流及び／又は燃焼ガス流３５が燃料ノズル２００の近くの再循環区域に取り込まれるのを防止する。燃料ポート２７５，２９０の構成はＮＯｘ排出物質などを制限する。従って、当該技術分野で一般に認められている見識では燃料・空気予混合の低減の結果として排出物質の増大を生じるとされているので、燃料ノズル２００は予想外の結果を生じた。言い換えると、気体燃料流２１０の一部分を下流面気体燃料ポート２９０に通すことによって、従って該気体燃料流部分を、空気流２０と予混合しないことによって、たとえ燃料ノズル２００内で行われる予混合の程度が低減された場合でも、燃料ノズル２００のＮＯｘ排出物質が予想外に低減される。更に、予混合の低減により、燃焼流温度を下げることができ、従って高温ガス路におけるライナー８０及び他の構成部品の有効寿命を延ばすことができる。水対燃料比もまた、燃料ポート２７５，２９０の構成の結果として低減することができる。 By passing the gaseous fuel stream 210 through both the swirler gaseous fuel port 275 and the downstream gaseous fuel port 290, the fuel / air mixture stream and / or the combustion gas stream 35 is taken into the recirculation zone near the fuel nozzle 200. To prevent. The configuration of the fuel ports 275, 290 limits NOx emissions and the like. Therefore, the fuel nozzle 200 has produced unexpected results, as generally accepted in the art is that emissions are increased as a result of reduced fuel / air premixing. In other words, by passing a portion of the gaseous fuel stream 210 through the downstream gaseous fuel port 290, and thus not premixing the gaseous fuel stream portion with the air stream 20, even the premixing performed within the fuel nozzle 200. Even when the degree is reduced, the NOx emissions of the fuel nozzle 200 are unexpectedly reduced. In addition, the reduction in premixing can reduce the combustion flow temperature, thus extending the useful life of the liner 80 and other components in the hot gas path. The water to fuel ratio can also be reduced as a result of the configuration of the fuel ports 275,290.
本願で開示の燃料ノズル２００は、このように広範な燃料融通性を提供しながら天然ガス排出物質を制限する。燃料・空気予混合を増大する従来の方式と比べて、本願で開示の燃料ノズル２００は、全体のＮＯｘ排出物質を改善するように実際に予混合を少なくする。この予混合を少なくする非直感的方法は、従来の燃料ノズル設計及び動作理論とは異なる。本書に述べた旋回器気体燃料ポート２７５及び下流面気体燃料ポート２９０の使用により、排出物質及び全体の構成部品寿命が改善される。 The fuel nozzle 200 disclosed herein limits natural gas emissions while providing such a wide range of fuel flexibility. Compared to conventional schemes that increase fuel / air premixing, the fuel nozzle 200 disclosed herein actually reduces premixing to improve overall NOx emissions. This non-intuitive method of reducing premixing is different from conventional fuel nozzle designs and theory of operation. The use of the swirler gaseous fuel port 275 and downstream gas fuel port 290 described herein improves emissions and overall component life.
上記の記載は本発明の或る特定の実施形態にのみ関するものであることを理解されたい。当業者には、「特許請求の範囲」によって規定された発明の一般的な精神及び範囲並びにその等価な内容から逸脱することなく様々な変更及び修正を為し得よう。 It should be understood that the above description pertains only to certain specific embodiments of the invention. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the general spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and equivalents thereof.
１０ ガスタービン・エンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気流
２５ 燃焼器
３０ 燃料流
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部負荷
５５ 燃料ノズル
６０ 端蓋
６５ ヘッドエンド
７０ 燃焼室
７５ 燃焼器ケーシング
８０ 燃焼器ライナー
８５ 流れスリーブ
９０ 空気通路
９５ 燃焼器尾筒
１００ 拡散型燃料ノズル
１０５ 二重燃料ノズル
１１０ 気体燃料流
１１５ 液体燃料流
１２０ 外管
１２５ 下流面
１３０ 燃料ノズル・チップ
１３５ 気体燃料通路
１４０ チップ出口
１４５ 液体燃料出口
１５０ 噴霧化空気出口
１５５ 水出口
１６０ 旋回器
１６５ 旋回羽根
１７０ 空気室
１７５ 気体燃料ポート
１８０ 旋回流
１８５ カラー
２００ 燃料ノズル
２０５ 二重燃料ノズル
２１０ 気体燃料流
２１５ 液体燃料流
２２５ 下流面
２３０ 燃料ノズル・チップ
２３５ 気体燃料通路
２４０ チップ出口
２４２ 液体燃料通路
２４５ 液体燃料出口
２６０ 旋回器
２６５ 旋回羽根
２７０ 空気室
２７５ 旋回器気体燃料ポート
２７７ 空気入口
２８０ 旋回流
２８５ カラー
２９０ 下流面気体燃料ポート
２９２ 第１の気体燃料通路
２９４ 第２の気体燃料通路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas turbine engine 15 Compressor 20 Air flow 25 Combustor 30 Fuel flow 35 Combustion gas flow 40 Turbine 45 Shaft 50 External load 55 Fuel nozzle 60 End cap 65 Head end 70 Combustion chamber 75 Combustor casing 80 Combustor liner 85 Flow Sleeve 90 Air passage 95 Combustor tail cylinder 100 Diffusion fuel nozzle 105 Dual fuel nozzle 110 Gaseous fuel flow 115 Liquid fuel flow 120 Outer pipe 125 Downstream surface 130 Fuel nozzle tip 135 Gas fuel passage 140 Tip outlet 145 Liquid fuel outlet 150 Atomization air outlet 155 Water outlet 160 Swivel 165 Swirl vane 170 Air chamber 175 Gaseous fuel port 180 Swirl 185 Color 200 Fuel nozzle 205 Dual fuel nozzle 210 Gaseous fuel flow 215 Liquid fuel flow 225 Downstream surface 2 30 Fuel nozzle tip 235 Gaseous fuel passage 240 Tip outlet 242 Liquid fuel passage 245 Liquid fuel outlet 260 Swivel 265 Swirl vane 270 Air chamber 275 Swivel gas fuel port 277 Air inlet 280 Swirl 285 Color 290 Downstream gas fuel port 292 First gaseous fuel passage 294 Second gaseous fuel passage
Claims (20)
１つ以上の気体燃料流のための１つ以上の気体燃料通路と、
前記１つ以上の気体燃料通路を取り囲み且つ当該燃料ノズルの下流面の近くに配置された旋回器であって、複数の旋回羽根、並びに各々が隣り合う旋回羽根の間に画成された複数の空気室を有する旋回器と、
前記旋回器に形成された複数の旋回器気体燃料ポートと、
当該燃料ノズルの前記下流面に形成された複数の下流面気体燃料ポートと、
を有する拡散型燃焼器燃料ノズル。 A diffusion combustor fuel nozzle for a gas turbine engine,
One or more gaseous fuel passages for one or more gaseous fuel streams;
A swirler surrounding the one or more gaseous fuel passages and disposed near a downstream surface of the fuel nozzle, wherein the swirlers are each defined between a plurality of swirl vanes and adjacent swirl vanes. A swirler having an air chamber;
A plurality of swirler gas fuel ports formed in the swirler;
A plurality of downstream gas fuel ports formed on the downstream surface of the fuel nozzle;
A diffusion-type combustor fuel nozzle.
前記ノズルを通る１つ以上の気体燃料流を供給する段階と、
前記１つ以上の気体燃料流の内の第１の部分を、前記燃料ノズルの下流面の近くに配置された旋回器に形成された複数の旋回器気体燃料ポートに通す段階と、
前記１つ以上の気体燃料流の内の第２の部分を、前記燃料ノズルの前記下流面に形成された複数の下流面気体燃料ポートに通す段階と、
を有する方法。 A method for operating a diffusion combustor fuel nozzle of a gas turbine engine comprising:
Supplying one or more gaseous fuel streams through the nozzle;
Passing a first portion of the one or more gaseous fuel streams through a plurality of swirler gaseous fuel ports formed in a swirler disposed near a downstream surface of the fuel nozzle;
Passing a second portion of the one or more gaseous fuel streams through a plurality of downstream gas fuel ports formed in the downstream surface of the fuel nozzle;
Having a method.
１つ以上の気体燃料流のための１つ以上の気体燃料通路であって、当該燃料ノズルの下流面へ向かって延在する１つ以上の気体燃料通路と、
前記１つ以上の気体燃料通路を取り囲み且つ当該燃料ノズルの下流面の近くに配置された旋回器であって、複数の旋回羽根、及びそれらの隣り合う旋回羽根の間に画成された複数の空気室を有する旋回器と、
各々が隣り合う旋回羽根の間で前記旋回器に形成された複数の旋回器気体燃料ポートと、
当該燃料ノズルの前記下流面に形成された複数の下流面気体燃料ポートと、
を有する拡散型燃焼器燃料ノズル。 A diffusion combustor fuel nozzle for a gas turbine engine,
One or more gaseous fuel passages for one or more gaseous fuel streams, the one or more gaseous fuel passages extending toward a downstream surface of the fuel nozzle;
A swirler surrounding the one or more gaseous fuel passages and disposed near a downstream surface of the fuel nozzle, the swirlers being defined between the swirl vanes and their adjacent swirl vanes A swirler having an air chamber;
A plurality of swirler gas fuel ports each formed in the swirler between adjacent swirl vanes;
A plurality of downstream gas fuel ports formed on the downstream surface of the fuel nozzle;
A diffusion-type combustor fuel nozzle.
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