JP2014509707A - Power augmentation system with dynamics attenuation - Google Patents
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Abstract
本願は、ガスタービンエンジンのためのダイナミクスの減衰を伴う出力増大システムを提供する。出力増大システムは、燃焼器のトランジションピースと、トランジションピースの周囲に配置されている蒸気マニホールドとを含んでいてもよい。トランジションピースは、貫通するいくつかのトランジションピース通路を含んでいてもよく、蒸気マニホールドは、貫通するいくつかのマニホールド通路を含んでいてもよい。マニホールド通路は、トランジションピース通路と整合していてもよい。
【選択図】図4The present application provides a power augmentation system with dynamic attenuation for a gas turbine engine. The power augmentation system may include a combustor transition piece and a steam manifold disposed around the transition piece. The transition piece may include several transition piece passages therethrough and the steam manifold may include several manifold passages therethrough. The manifold passage may be aligned with the transition piece passage.
[Selection] Figure 4
Description
本願は、全般的にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、出力増大およびダイナミクスの減衰をもたらすために、燃焼器のトランジションピースの周囲に配置されている蒸気マニホールドに関する。 The present application relates generally to gas turbine engines and, more particularly, to a steam manifold disposed about a combustor transition piece to provide increased power and dynamics damping.
希薄混合気を使用することは、NOx排出量を減少させる既知の方法であり、現在、ガスタービン燃焼システムの複数の設計において使用されている。希薄混合気は、大量の過剰空気と予混合されたある量の燃料を含む。そのような希薄混合気はNOx排出量を減少させるが、高周波燃焼不安定性が生じる可能性がある。そのような不安定性は燃焼ダイナミクスと呼ばれることがある。これらの不安定性は燃焼率の変動に起因する可能性があり、ガスタービンの耐久性に影響を及ぼす可能性がある有害な圧力振動を発生させる可能性がある。これらの不安定性の結果として、減衰装置または共鳴装置が燃焼器と共に使用されることがある。 Using lean mixtures is a known method of reducing NOx emissions and is currently used in several designs of gas turbine combustion systems. A lean mixture includes a quantity of fuel premixed with a large amount of excess air. Such a lean mixture reduces NOx emissions but may cause high frequency combustion instability. Such instabilities are sometimes referred to as combustion dynamics. These instabilities can be attributed to fluctuations in the combustion rate and can create harmful pressure oscillations that can affect the durability of the gas turbine. As a result of these instabilities, damping or resonance devices may be used with the combustor.
ガスタービン内に付加的な質量流量を供給することは、全体的なガスタービンエンジンの出力および効率性を高める既知の方法である。この目的のために、蒸気注入がよく用いられる。例えば、ガスタービン複合サイクルシテムへの約5パーセント(5%)の蒸気の付加が、結果として約10パーセント(10%)の出力増大をもたらす可能性がある。しかし、蒸気は火炎安定性に影響を及ぼしかつ燃焼器内のCO酸化を凍結させる可能性があるので、問題が生じる可能性がある。したがって、蒸気注入を用いることは、ガスタービンの全体的な排出量およびターンダウン能力を制限する可能性がある。 Providing additional mass flow into the gas turbine is a known method of increasing overall gas turbine engine power and efficiency. Steam injection is often used for this purpose. For example, the addition of about 5 percent (5%) steam to a gas turbine combined cycle system can result in a power increase of about 10 percent (10%). However, problems can arise because steam can affect flame stability and freeze the CO oxidation in the combustor. Thus, using steam injection can limit the overall emissions and turndown capability of the gas turbine.
したがって、燃焼ダイナミクスの減衰および出力増大システムおよび出力増大方法の改善が所望されている。そのようなシステムおよび方法は、燃焼ダイナミクスを軽減すると同時に、全体的なシステム性能およびシステム効率性を高める可能性があることが好ましい。 Accordingly, it is desirable to improve combustion dynamics attenuation and power augmentation systems and methods. Such systems and methods preferably may reduce overall combustion performance while at the same time increasing overall system performance and system efficiency.
したがって、本願は、ガスタービンエンジンのための出力増大システムを提供する。出力増大システムは、燃焼器のトランジションピースと、トランジションピースの周囲に配置されている蒸気マニホールドとを含んでいてもよい。トランジションピースは、貫通するいくつかのトランジションピース通路を含んでいてもよく、蒸気マニホールドは、貫通するいくつかのマニホールド通路を含んでいてもよい。マニホールド通路は、トランジションピース通路と整合していてもよい。 The present application thus provides a power augmentation system for a gas turbine engine. The power augmentation system may include a combustor transition piece and a steam manifold disposed around the transition piece. The transition piece may include several transition piece passages therethrough and the steam manifold may include several manifold passages therethrough. The manifold passage may be aligned with the transition piece passage.
本願は、ガスタービンエンジンのための出力増大システムをさらに提供する。出力増大システムは、燃焼器のトランジションピースと、トランジションピースの周囲に配置されている蒸気マニホールドとを含んでいてもよい。トランジションピースは、貫通して延在しているいくつかの開口部を含んでいてもよく、蒸気マニホールドは、開口部が管と整合しているように貫通して延在しているいくつかの管を含んでいてもよい。管は、燃焼器の周波数に基づく所定の大きさを含んでいてもよい。 The present application further provides a power augmentation system for a gas turbine engine. The power augmentation system may include a combustor transition piece and a steam manifold disposed around the transition piece. The transition piece may include a number of openings extending through it, and the steam manifold has a number of openings extending through so that the openings are aligned with the tubes. It may contain a tube. The tube may include a predetermined size based on the combustor frequency.
本願は、ガスタービンエンジンのための出力増大システムをさらに提供する。出力増大システムは、燃焼器と、燃焼器の周囲に配置されている蒸気マニホールドとを含んでいてもよい。燃焼器は、貫通して延在しているいくつかの開口部を含んでいてもよく、蒸気マニホールドは、貫通して延在しているいくつかの管を含んでいてもよい。管は、燃焼器の周波数に基づく所定の大きさを含んでいてもよい。 The present application further provides a power augmentation system for a gas turbine engine. The power augmentation system may include a combustor and a steam manifold disposed around the combustor. The combustor may include several openings extending therethrough and the steam manifold may include several tubes extending therethrough. The tube may include a predetermined size based on the combustor frequency.
本願のこれらのかつ他の特徴および改良点は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を精査すると、当業者に明らかになるであろう。 These and other features and improvements of the present application will become apparent to those skilled in the art upon review of the following detailed description, taken in conjunction with the several drawings and appended claims.
ここで、いくつかの図を通じて同様の参照番号が同様の要素を指す図面を参照すると、図1は、ガスタービンエンジン10の概略図を示す。既知の通り、ガスタービンエンジン10は、流入空気流を圧縮する圧縮機20を含んでいてもよい。圧縮機20は圧縮空気流を燃焼器30に送達する。燃焼器30は、圧縮空気流を圧縮燃料流と混合し、該混合物を点火する。(単一の燃焼器30のみが示されているが、ガスタービンエンジン10はいくつかの燃焼器30を含んでいてもよい。)高温燃焼ガスが次々にタービン40に送達される。高温燃焼ガスが、機械的作用を生じさせるためにタービン40を駆動する。タービン40内で生じた機械的作用は、圧縮機20、および発電機等の外部負荷50を駆動する。ガスタービンエンジン10は、天然ガス、種々の合成ガス、および他種の燃料を使用してもよい。ガスタービンエンジン10は、多くの他の構造を有していてもよく、多種の構成要素を使用していてもよい。複数のガスタービンエンジン10、多種のタービン、および多種の発電機器が、本明細書において共に使用されていてもよい。 Referring now to the drawings wherein like reference numerals refer to like elements throughout the several views, FIG. 1 shows a schematic diagram of a gas turbine engine 10. As is known, the gas turbine engine 10 may include a compressor 20 that compresses the incoming air stream. The compressor 20 delivers a compressed air stream to the combustor 30. The combustor 30 mixes the compressed air stream with the compressed fuel stream and ignites the mixture. (Although only a single combustor 30 is shown, the gas turbine engine 10 may include several combustors 30.) Hot combustion gases are delivered to the turbine 40 one after the other. Hot combustion gases drive the turbine 40 to cause mechanical action. The mechanical action generated in the turbine 40 drives the compressor 20 and an external load 50 such as a generator. The gas turbine engine 10 may use natural gas, various syngases, and other types of fuels. The gas turbine engine 10 may have many other structures and may use a variety of components. A plurality of gas turbine engines 10, a variety of turbines, and a variety of power generation equipment may be used together herein.
図2〜図4は、ダイナミクスの減衰を伴う出力増大システムまたは本明細書に記載されている蒸気マニホールドシステム100を示す。蒸気マニホールドシステム100は、燃焼器30のトランジションピース120の端部110に配置されていてもよい。トランジションピース120は、前述の通り、高温排ガス流125を燃焼器30からタービン40へ方向付ける。トランジションピース120は、その端部110の周辺に配置されているいくつかの開口部130を有していてもよい。任意の数の開口部130が使用されていてもよい。開口部130のいくつかは、燃焼器30を通る高温排ガス流125の方向に対してある角度で配置されていてもよい。本明細書では任意の所望の角度が使用されている可能性があるが、該角度は約30度から約60度までとしてもよい。開口部130は、以下により詳細に記載されている任意の所望の大きさまたは形状を有していてもよい。 2-4 illustrate a power augmentation system with dynamics attenuation or a steam manifold system 100 as described herein. The steam manifold system 100 may be located at the end 110 of the transition piece 120 of the combustor 30. The transition piece 120 directs the hot exhaust gas stream 125 from the combustor 30 to the turbine 40 as described above. The transition piece 120 may have a number of openings 130 disposed around its end 110. Any number of openings 130 may be used. Some of the openings 130 may be arranged at an angle with respect to the direction of the hot exhaust gas flow 125 through the combustor 30. Although any desired angle may be used herein, the angle may be from about 30 degrees to about 60 degrees. The opening 130 may have any desired size or shape, described in more detail below.
蒸気マニホールドシステム100は、開口部130の近傍に、トランジションピース120の端部110の周囲に配置されている蒸気マニホールド140を含んでいてもよい。蒸気マニホールド140は任意の所望の大きさまたは形状を有していてもよい。蒸気マニホールド140は内部空洞部150を含んでいてもよい。空洞部150は、トランジションピース120の端部110を取り囲んでいてもよい。蒸気マニホールド140は、その一端にいくつかの管160を有していてもよい。管160は、トランジションピース120の開口部130と連通していてもよい。管160の任意の数が使用されていてもよい。管160はまた、高温排ガス流125に対してある角度で配置されていてもよい。上記の通り、任意の角度が使用されている可能性があるが、該角度は約30度から約60度までとしてもよい。管160は、以下により詳細に記載されている任意の所望の大きさまたは形状を有していてもよい。蒸気マニホールド140はまた、配置されているいくつかのパージ孔170を有していてもよい。本明細書では、パージ孔170の任意の数が使用されている可能性がある。パージ孔170は、任意の所望の大きさまたは形状を有していてもよい。 The steam manifold system 100 may include a steam manifold 140 that is disposed around the end 110 of the transition piece 120 in the vicinity of the opening 130. The steam manifold 140 may have any desired size or shape. The steam manifold 140 may include an internal cavity 150. The cavity 150 may surround the end 110 of the transition piece 120. The steam manifold 140 may have several tubes 160 at one end. The tube 160 may be in communication with the opening 130 of the transition piece 120. Any number of tubes 160 may be used. The tube 160 may also be arranged at an angle with respect to the hot exhaust gas stream 125. As described above, any angle may be used, but the angle may be from about 30 degrees to about 60 degrees. The tube 160 may have any desired size or shape as described in more detail below. The steam manifold 140 may also have a number of purge holes 170 disposed therein. Any number of purge holes 170 may be used herein. The purge hole 170 may have any desired size or shape.
蒸気マニホールドシステム100は蒸気道180を有していてもよい。蒸気道180は、蒸気マニホールド140の空洞部150と連通していてもよい。蒸気道180は、取り付けられている弁190を有していてもよい。蒸気道180は、トランジションピース120の後部フレーム200上に取り付けられていてもよい。本明細書では、他の位置が使用されている可能性がある。蒸気道180は、ある量の蒸気210を蒸気マニホールド140の空洞部150に供給してもよい。蒸気210の質および特性は変化する可能性がある。 The steam manifold system 100 may have a steam path 180. The steam path 180 may be in communication with the cavity 150 of the steam manifold 140. The steam path 180 may have a valve 190 attached. The steam path 180 may be mounted on the rear frame 200 of the transition piece 120. Other locations may be used herein. The steam path 180 may supply a quantity of steam 210 to the cavity 150 of the steam manifold 140. The quality and characteristics of the steam 210 can vary.
使用中、蒸気道180からの蒸気210は、蒸気マニホールド140の空洞部150内に入ってもよい。蒸気210の大部分は、蒸気マニホールド140の管160を通過し、トランジションピース120の開口部130を通り、タービン40に向かって高温排ガス流125中に入る。蒸気210の少量が、パージ孔170を通過し、圧縮機の排出域に入り、圧縮機空気流と混合し、次いで燃焼器内に入り、したがって、NOx排出量を減少させる可能性がある。 In use, steam 210 from the steam path 180 may enter the cavity 150 of the steam manifold 140. Most of the steam 210 passes through the pipe 160 of the steam manifold 140, passes through the opening 130 of the transition piece 120, and enters the hot exhaust gas stream 125 toward the turbine 40. A small amount of steam 210 may pass through purge hole 170, enter the compressor discharge zone, mix with the compressor air stream, and then enter the combustor, thus reducing NOx emissions.
二次的動作モードでは、蒸気道180の弁190は閉じていていもよい。圧縮機の排出域からの空気が、蒸気マニホールド140のパージ孔170、空洞部150および管160、ならびにトランジションピース120の開口部130を通過してもよい。 In the secondary mode of operation, the valve 190 of the steam path 180 may be closed. Air from the discharge area of the compressor may pass through the purge hole 170 of the steam manifold 140, the cavity 150 and the pipe 160, and the opening 130 of the transition piece 120.
蒸気マニホールドシステム100は、Schenectady、New York所在のGeneral Electric Companyにより提供されているMS6001V燃焼器において使用されてもよい。蒸気マニホールドシステム100は、カン型、アニュラ型、もしくはカニュラ型のいずれかの型の燃焼システムにおいてトランジションピース120の後端部に、または他の方法で設置されてもよい。 The steam manifold system 100 may be used in an MS6001V combustor provided by General Electric Company, New York, New York. The steam manifold system 100 may be installed at the rear end of the transition piece 120 or otherwise in any of the can, annular, or cannula type combustion systems.
したがって、タービン40のほんの上流での蒸気210の注入により、出力および効率性の向上がもたらされる。トランジションピース120の端部110の周囲に蒸気マニホールド140を配置することにより、蒸気210が燃焼器30の反応域の下流およびタービン40のほんの上流に注入されることが確実になる。したがって、蒸気210の注入は燃焼器30の反応温度に影響を及ぼさず、CO排出量が増大しないはずである。また、火炎安定性への影響も小さくなる。 Thus, injection of steam 210 just upstream of turbine 40 results in increased power and efficiency. Placing the steam manifold 140 around the end 110 of the transition piece 120 ensures that the steam 210 is injected downstream of the reaction zone of the combustor 30 and just upstream of the turbine 40. Therefore, the injection of steam 210 will not affect the reaction temperature of the combustor 30 and the CO emissions should not increase. Also, the impact on flame stability is reduced.
また、蒸気マニホールドシステム100は、ヘルムホルツ(Helmholtz)共鳴器の一種としての機能を果たしてもよい。ヘルムホルツ共鳴器が、貫通する開口部を備えた側壁を有する空洞部をもたらす。開口部130および管160のパターン内のガスの流体慣性は、通り抜ける蒸気210の流動の速度で共鳴を引き起こすために、閉じた空洞部150の体積剛性で反応する可能性がある。開口部130および管160の数、長さ、直径、形状、位置、ならびに空洞部150の容積は、減衰周波数範囲に関して変化する。具体的に、設計基準には、開口部130および管160の大きさと、開口部130および管160の直径と、開口部130および管160の数と、空洞部150を通る質量流量と、空洞部150の容積とが含まれていてもよい。 The steam manifold system 100 may also function as a type of Helmholtz resonator. A Helmholtz resonator provides a cavity having a sidewall with an opening therethrough. The fluid inertia of the gas in the pattern of openings 130 and tubes 160 may react with the volume stiffness of the closed cavity 150 to cause resonance at the rate of flow of vapor 210 through. The number, length, diameter, shape, position of the openings 130 and tubes 160, and the volume of the cavity 150 vary with respect to the attenuation frequency range. Specifically, the design criteria include the size of the opening 130 and tube 160, the diameter of the opening 130 and tube 160, the number of openings 130 and tubes 160, the mass flow rate through the cavity 150, and the cavity portion. 150 volumes may be included.
燃焼器30の動的脈動スペクトル(dynamic pulsation spectrum)は、既知の試験方法から判定されてもよい。開口部130および管160は、低速蒸気が燃焼器30内に流れ込むことを可能にする大きさで作製されている。したがって、任意の周波数での動的圧力脈動(dynamic pressure pulsation)は、蒸気マニホールドシステム100により減衰されてもよい。さらに、周波数は、別個の共鳴器を使用することなく減衰されてもよい。いくつかの異なる周波数を減衰することができるように、本明細書では、任意の数の蒸気マニホールド140が使用されている可能性がある。 The dynamic pulsation spectrum of the combustor 30 may be determined from known test methods. Opening 130 and tube 160 are sized to allow low speed steam to flow into combustor 30. Accordingly, dynamic pressure pulsation at any frequency may be attenuated by the steam manifold system 100. Furthermore, the frequency may be attenuated without using a separate resonator. Any number of steam manifolds 140 may be used herein so that several different frequencies can be attenuated.
したがって、蒸気マニホールドシステム100は、CO排出量の増大または火炎安定性への影響を最小限に、ガスタービンエンジン10に出力増大をもたらす。同様に、蒸気マニホールドシステム100は、操作性を向上させかつ耐久性リスクを低下させるために、燃焼器30の動的脈動を効果的に減衰する可能性がある。したがって、蒸気マニホールドシステム100は、一般に、出力を増大させ、同時にまた、強制停止および燃焼の点検期間を減少させる。したがって、蒸気マニホールドシステム100は、修繕費および管理費を低減する可能性がある。 Thus, the steam manifold system 100 provides increased power to the gas turbine engine 10 with minimal impact on CO emissions or flame stability. Similarly, the steam manifold system 100 can effectively damp the dynamic pulsations of the combustor 30 to improve operability and reduce durability risks. Thus, the steam manifold system 100 generally increases power and at the same time also reduces forced shutdown and combustion inspection periods. Thus, the steam manifold system 100 may reduce repair and management costs.
上述が本願のある実施形態にのみ関すること、および以下の特許請求の範囲およびその等価物により定められる本発明の一般的な精神および範囲から逸脱することなく、本明細書において多数の変更および修正が当業者により施されてもよいことが明らかであるはずである。 Numerous changes and modifications may be made herein without departing from the general spirit and scope of the invention as defined by the following claims and their equivalents as set forth below. It should be clear that may be applied by those skilled in the art.
10 ガスタービンエンジン
20 圧縮機
30 燃焼器
40 タービン
50 外部負荷
100 蒸気マニホールドシステム
110 端部
120 トランジションピース
125 排ガス流
130 開口部
140 蒸気マニホールド
150 内部空洞部
160 管
170 パージ孔
180 蒸気道
190 弁
200 後部フレーム
210 蒸気
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas turbine engine 20 Compressor 30 Combustor 40 Turbine 50 External load 100 Steam manifold system 110 End part 120 Transition piece 125 Exhaust gas flow 130 Opening part 140 Steam manifold 150 Internal cavity part 160 Pipe 170 Purge hole 180 Steam path 190 Valve 200 Rear part Frame 210 steam
Claims (20)
前記トランジションピースの周囲に配置されている蒸気マニホールドと
を含み、
前記トランジションピースは、貫通する複数のトランジションピース通路を含み、
前記蒸気マニホールドは、貫通する複数のマニホールド通路を含み、
前記複数のマニホールド通路は、前記複数のトランジションピース通路と整合している、
ガスタービンエンジンのためのダイナミクスの減衰を伴う出力増大システム。 The transition piece of the combustor,
A steam manifold disposed around the transition piece,
The transition piece includes a plurality of transition piece passages extending therethrough,
The steam manifold includes a plurality of manifold passages therethrough,
The plurality of manifold passages are aligned with the plurality of transition piece passages;
Power augmentation system with dynamics attenuation for gas turbine engines.
前記トランジションピースの周囲に配置されている蒸気マニホールドと
を含み、
前記トランジションピースは、貫通して延在している複数の開口部を含み、
前記蒸気マニホールドは、貫通して延在している複数の管を含み、
前記複数の管は、前記燃焼器の周波数に基づく所定の大きさを含み、
前記複数の開口部は前記複数の管と整合している、
ガスタービンエンジンのためのダイナミクスの減衰を伴う出力増大システム。 The transition piece of the combustor,
A steam manifold disposed around the transition piece,
The transition piece includes a plurality of openings extending therethrough,
The steam manifold includes a plurality of tubes extending therethrough,
The plurality of tubes includes a predetermined size based on the frequency of the combustor,
The plurality of openings are aligned with the plurality of tubes;
Power augmentation system with dynamics attenuation for gas turbine engines.
前記燃焼器の周辺に配置されている蒸気マニホールドと
を含み、
前記燃焼器は、貫通して延在している複数の開口部を含み、
前記蒸気マニホールドは、貫通して延在している複数の管を含み、
前記複数の管は、前記燃焼器の周波数に基づく所定の大きさを含む、
ガスタービンエンジンのためのダイナミクスの減衰を伴う出力増大システム。 A combustor,
A steam manifold disposed around the combustor,
The combustor includes a plurality of openings extending therethrough;
The steam manifold includes a plurality of tubes extending therethrough,
The plurality of tubes includes a predetermined size based on the frequency of the combustor.
Power augmentation system with dynamics attenuation for gas turbine engines.
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