JP2015135232A

JP2015135232A - 燃焼システムの、通路が形成された燃料ノズル

Info

Publication number: JP2015135232A
Application number: JP2015004614A
Authority: JP
Inventors: リチャード・マーティン・ディシンティオ; Martin Dicintio Richard; パトリック・ベネディクト・メルトン; Patrick Benedict Melton
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2015-07-27
Also published as: US20150198332A1; CH709147A2; DE102015100115A1

Abstract

【課題】燃焼システムの、通路が形成された燃料ノズルを提供する。【解決手段】燃焼システムが提供され、燃焼システムは、燃焼領域を形成する環状体および燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、中空内部を有する管状部材を含み、また、中空内部が燃焼領域と流体連通するように配置可能である。管状部材は、中空内部および燃焼領域の少なくとも一方と流体連通するように配置可能な通路が形成された壁部を含む。形成された通路は、燃焼領域の圧力を上回る圧力のクーラントによって加圧可能である。【選択図】図２

Description

本明細書に開示されている主題は、燃焼システムに関し、より具体的には、通路が形成された、燃料ノズルの壁部を含む燃焼システムに関する。

ガスタービンエンジンにおいて、圧縮機は、流入空気を圧縮し、圧縮された流入空気を燃焼器に出力する。燃焼器内では、圧縮された流入空気が、燃料と混合され、高温高圧の作動流体を生成するために燃焼される。作動流体は、タービン部に誘導され、そこで、圧縮機および発電機の動作を駆動するために膨張される。燃焼器内に発生した高温および高圧は、場合により、逆火または保炎をもたらす可能性がある。このような場合、圧縮された流入空気および燃料の燃焼は、燃焼器ハードウェアの極めて近くで発生して、障害が補正されないか、または障害の発生が阻止されない場合、ハードウェアの熱的損傷をもたらす可能性がある。

一般的に、逆火および保炎の補正または阻止を行うための装置は、燃料ノズルのヒューズ（ｆｕｓｅ）である。このようなヒューズは、ガスタービンエンジンの燃焼器の燃料ノズルに組み込まれ、逆火または保炎が発生したときに作動するように構成される。作動時、ヒューズは、燃焼を中断させることができ、したがって、障害が発生したことの識別特徴（ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）として機能する。

米国特許第８，０７４，４５２号明細書

本発明の一態様によれば、燃焼システムが提供され、燃焼システムは、燃焼領域を形成する環状体および燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、中空内部を有する管状部材を含み、また、中空内部が燃焼領域と流体連通するように配置可能である。管状部材は、中空内部および燃焼領域の少なくとも一方と流体連通するように配置可能な通路が形成された壁部を含む。形成された通路は、燃焼領域の圧力を上回る圧力のクーラントによって加圧可能である。

本発明の別の態様によれば、燃焼システムが提供され、燃焼システムは、主燃焼領域および該主燃焼領域の下流に下流燃焼領域を形成する環状体ならびに燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、中空内部を有する管状部材を含み、また、中空内部が下流燃焼領域と流体連通するように配置可能である。管状部材は、下流燃焼領域と流体連通するように配置可能な通路が形成された壁部を含む。形成された通路は、下流燃焼領域の圧力を上回る圧力のクーラントによって加圧可能である。

本発明のさらに別の態様によれば、燃焼システムが提供され、燃焼システムは、燃焼領域を形成する環状体および燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、中空内部を有する管状部材を含み、また、中空内部が燃焼領域の最上流部と流体連通するように配置可能である。管状部材は、中空内部および燃焼領域の最上流部の少なくとも一方と流体連通するように配置可能な通路が形成された壁部を含む。形成された通路は、燃焼領域の最上流部および中空内部の圧力を上回る圧力のクーラントによって加圧可能である。

これらのおよび他の利点および特徴は、図面に関連して行われる以下の説明からより明らかとなる。

本発明として考えられている主題は、本明細書の最後にある特許請求の範囲において特に指摘され、明確に特許請求される。本発明の前述のおよび他の特徴および利点は、添付図面に関連して行われる以下の詳細な説明から明らかとなる。

実施形態に係るガスタービンエンジンの概略図である。実施形態に従って下流燃焼領域に燃料ノズルを含む、図１のガスタービンエンジンの燃焼システムの概略側面図である。実施形態に従って燃焼領域の最上流部に燃料ノズルを含む、図１のガスタービンエンジンの燃焼システムの概略側面図である。

詳細な説明では、本発明の実施形態が、利点および特徴と共に、図面を参照しながら例として説明される。

図１〜図３を参照すると、ガスタービンエンジン１が提示されており、ガスタービンエンジン１は、圧縮機２、燃焼器３、トランジションピース４、およびタービン部５を含む。燃焼器３は、燃焼領域３０１が設けられるように形成された環状体３０を含み、燃焼領域３０１は、主燃焼領域３０２と、主燃焼領域３０２の最上流部３０３と、主燃焼領域３０２の下流に形成された下流燃焼領域３０４とを有する。圧縮機２は、流入空気を圧縮し、圧縮された流入空気を回路６および７に出力する。回路６は、圧縮された空気と燃料とを混合することならびに燃焼器３のヘッドエンド３１および主燃焼領域３０２の最上流部３０３の近傍に、結果として得られた燃料／空気混合物を噴射することを可能にしている。回路７は、圧縮された空気と付加的な燃料とを混合することならびに燃焼器３の下流部３２またはトランジションピース４および下流燃焼領域３０４の近傍に、結果として得られた燃料／空気混合物を噴射することを可能にしている。

燃料／空気混合物は、高温高圧の燃焼生成物の作動流体を生成するために燃焼器３内で燃焼される。作動流体は、移行領域４を通ってタービン部５に誘導され、仕事を取り出すためにタービン部５内で膨張される。タービン部５での作動流体の膨張は、圧縮機２、タービン部５、および発電機９を通って延在するタービン軸８を回転させ、このような回転は、圧縮機２および発電機９の動作を駆動する。

以下で説明されるように、環状体３０および燃料ノズル４０（図２および図３参照）を含む、ガスタービンエンジン１と共に使用するための燃焼システム１０が提供される。燃料ノズル４０は、中空内部５００を有する管状部材５０を含み、また、中空内部５００が燃焼領域３０１と流体連通するように環状体３０に配置可能である。管状部材５０は、通路７０が形成された壁部６０を含む。通路７０は、中空内部５００および燃焼領域３０１の少なくとも一方と流体連通するように配置可能である。通路７０は、第１の圧力Ｐ１のクーラント７１によって加圧可能である。特定の実施形態によれば、第１の圧力Ｐ１は、中空内部５００の第２の圧力Ｐ２を上回り、中空内部５００の第２の圧力Ｐ２は、燃焼領域３０１の第３の圧力Ｐ３を上回る。

より詳細には、図２に示されているように、燃焼システム１０は、長手方向軸線Ａ１に沿った主燃焼領域３０２および主燃焼領域３０２よりも流体的に下流の位置にある下流燃焼領域３０４を形成する環状体３０ならびに燃料ノズル４０を含む。図示のように、燃料ノズル４０は、遅延希薄噴射（ＬＬＩ）燃料ノズル４００として設けられてもよく、環状体３０は、二次的な環状体３３および三次的な環状体３５を含んでもよい。二次的な環状体３３は、環状体３０の周囲に配置されてもよく、三次的な環状体３５は、二次的な環状体３３の周囲に配置されてもよい。この場合、燃料ノズル４０は、燃料ノズル本体４１を含み、燃料ノズル本体４１は、二次的な環状体３３の後端の近傍に配置され、また、管状部材５０が三次的な環状体３５から環状体３０にかけて延在し、管状部材５０の長手方向軸線Ａ２が環状体３０の長手方向軸線Ａ１に対して横方向に配置されるように二次的な環状体３３を横切っている。

管状部材５０が、中空内部５００を有し、燃料ノズル４０が、二次的な環状体３３の後端の近傍に配置されている場合、中空内部５００は、下流燃焼領域３０４と流体連通する。このようにして、回路７および燃料管３４を経由して、燃料／空気混合物が、下流燃焼領域３０４に噴射され、これにより、燃焼器３およびトランジションピース４内の作動流体の温度が上昇され得る。この温度の上昇は、発電機９の出力の上昇をもたらすことができる。

さらに、温度の上昇は、逆火の可能性の上昇をもたらし、したがって、燃焼システム１０の潜在的な損傷をもたらす可能性がある。このような損傷の例は、燃料ノズル４０の周囲の環状体３０の熱的損傷を含み得る。しかしながら、図２に示されているように、管状部材５０は、少なくとも１つ以上の通路７０が形成された上記の壁部６０を含む。少なくとも１つ以上の通路７０は、三次的な環状体３５の内部および下流燃焼領域３０４と流体連通するように配置可能であってもよい。このようにして、クーラント７１は、第１の圧力Ｐ１で三次的な環状体３５を通って少なくとも１つ以上の通路７０に供給されてもよい。なお、第１の圧力Ｐ１は、中空内部５００の第２の圧力Ｐ２を上回り、さらに、第２の圧力Ｐ２は、下流燃焼領域３０４の第３の圧力Ｐ３を上回る。

通路７０の少なくとも１つ以上のそれぞれは、第１の部分７０１および第２の部分７０２を含んでもよい。第１の部分７０１は、管状部材５０の長手方向軸線Ａ２に対して横方向に配置されており、第２の部分７０２は、管状部材５０の長手方向軸線Ａ２に沿って配置されている。したがって、クーラント７１の加圧流は、第１の部分７０１に沿って、三次的な環状体３５から中空内部５００に向かって、長手方向軸線Ａ２に対して径内方向に進む。次に、クーラント７１の加圧流は、第２の部分７０２に沿って下流燃焼領域３０４に向かって、長手方向軸線Ａ１に対して径内方向に進む。この際、クーラント７１は、環状体３０および燃料ノズル４０の局所部分から熱を除去する。

実施形態によれば、少なくとも１つ以上の通路７０の第２の部分７０２は、逆火にさらされることに起因して高温または高熱を受ける可能性が最も高い、壁部６０の領域の近くに配置されてもよい。このような領域は、第１のヒューズ本体８１を有するヒューズ８０を含んでもよい。第１のヒューズ本体８１は、壁部６０の他の領域より先に溶融するように壁部６０の他の領域に比べて薄くされてもよい。あるいは、第１のヒューズ本体８１は、壁部６０の他の領域よりも低い温度で溶融する材料から作製されてもよい。逆火の場合に、第１のヒューズ本体８１の薄くなった材料または低融点材料は溶融し、このような溶融により、少なくとも１つ以上の通路７０の拡大された流れ領域がもたらされる。この拡大された流れ領域は、クーラント７１がさらに流れることを可能にし、局所的な吹き出し（ｌｏｃａｌｓｏｕｒｃｅ）によって逆火が追い出されることおよび広範囲に及ぶハードウェアの損傷が防止されることならびに潜在的な問題が発生したことを知らせる放出の増加がもたらされることを可能にする。

実施形態によれば、図２に示されているように、少なくとも１つ以上の通路７０は、単一の通路７０または複数の通路７０として設けられてもよい。後者の場合、複数の通路７０は、環状もしくは略円状のアレイ形状または何らかの他の適切なアレイ形状もしくは構成で管状部材５０の周囲に配列されてもよい。

図３に示されているように、燃焼システム１０は、長手方向軸線Ａ１に沿った主燃焼領域３０２の端部および主燃焼領域３０２の最上流部３０３を形成する環状体３０ならびに燃料ノズル４０を含む。図示のように、燃料ノズル４０は、管状部材５０を囲むバーナ管アセンブリ４０１の上流に設けられてもよい。管状部材５０が、中空内部５００を有し、燃料ノズル４０が、主燃焼領域３０２の最上流部３０３の近傍に配置されている場合、中空内部５００は、主燃焼領域３０２の最上流部３０３と流体連通する。このようにして、燃料／空気混合物は、燃焼動作の際に回路６を経由して主燃焼領域３０２の最上流部３０３に噴射されてもよい。

上述したように、このような燃焼動作は、逆火をもたらし、燃焼システム１０の損傷をもたらす可能性がある。なお、このような損傷の例は、燃料ノズル４０の周囲の環状体３０の熱的損傷を含む。しかしながら、図３に示されているように、管状部材５０は、少なくとも１つ以上の通路７０が形成された上記の壁部６０を含む。少なくとも１つ以上の通路７０は、バーナ管４０２の外部、ならびに、中空内部５００および主燃焼領域３０２の最上流部３０３の少なくとも一方と流体連通するように配置可能であってもよい。このようにして、クーラント７１は、第１の圧力Ｐ１でバーナ管４０２の外部から少なくとも１つ以上の通路７０に供給されてもよい。なお、第１の圧力Ｐ１は、中空内部５００の第２の圧力Ｐ２を上回り、さらに、第２の圧力Ｐ２は、主燃焼領域３０２の最上流部３０３の第３の圧力Ｐ３を上回る。

少なくとも１つ以上の通路７０のそれぞれは、管状部材５０の長手方向軸線Ａ２に沿って、および、延長線上で考えた場合に主燃焼領域３０２の長手方向軸線Ａ１に沿って配置されてもよい。実施形態によれば、少なくとも１つ以上の通路７０の１つは、管状部材５０の上流部５０１から延在してもよく、管状部材５０の下流端５０２で終端してもよい。代替的な実施形態によれば、少なくとも１つ以上の通路７０の１つは、管状部材５０の上流部５０１から延在してもよく、管状部材５０の下流端５０２の近傍で終端してもよい。さらなる代替的な実施形態によれば、少なくとも１つ以上の通路７０は、管状部材５０の上流部５０１から延在し、管状部材５０の下流端５０２で終端する第１の通路７２および管状部材５０の上流部５０１から延在し、管状部材５０の下流端５０２の近傍で終端する第２の通路７３を含んでもよい。

図３の実施形態の第２の通路７３は、管状部材５０および環状体３０の局所部分のフィルム冷却効果を実現する。同様の構造が、第１のヒューズ本体８１とは別に図２の実施形態に設けられてもよいことが理解されるべきである。このような場合、図３の第２の通路７３と同様に、図２の少なくとも１つ以上の通路７０の第２の部分７０２の代替的な実施形態は、管状部材５０および環状体３０の局所部分のフィルム冷却効果を実現するために中空内部５００の下流端の近傍で終端してもよい。

実施形態によれば、第１の通路７２および第２の通路７３は、逆火にさらされることに起因して高温または高熱を受ける可能性が最も高い、壁部６０の領域の近くに配置されてもよい。このような領域は、第２のヒューズ本体８２を有するヒューズ８０を含んでもよい。第２のヒューズ本体８２は、壁部６０の他の領域より先に溶融するように壁部６０の他の領域に比べて薄くされてもよい。あるいは、第２のヒューズ本体８２は、壁部６０の他の領域よりも低い温度で溶融する材料から作製されてもよい。逆火の場合に、第２のヒューズ本体８２の薄くなった材料または低融点材料は溶融し、このような溶融により、少なくとも１つ以上の通路７０の拡大された流れ領域がもたらされる。この拡大された流れ領域は、クーラント７１がさらに流れることを可能にし、局所的な吹き出しによって逆火が追い出されることおよび広範囲に及ぶハードウェアの損傷が防止されることならびに潜在的な問題が発生したことを知らせる放出の増加がもたらされることを可能にする。

ガスタービンエンジン用の燃料ノズルは、逆火の場合に壊滅的な損傷を防止することを助けるヒューズを採用してきた。しかしながら、このようなヒューズは、劣化して、間違った機能停止の原因となる可能性がある。これを踏まえて、微小通路を有する燃料ノズル（上述した燃料ノズルなど）は、ヒューズの代わりにまたはヒューズに加えて冷却目的で使用することができ、さらに、放出をトリガとして保炎位置にクーラントを導入することを可能にする。

本発明について、限られた数の実施形態のみに関連して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るわけではないことが容易に理解されるべきである。それどころか、本発明は、これまでに説明されていないが、本発明の精神および範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換、または同等の配置を取り入れるために修正されてもよい。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様が、説明されている実施形態の一部しか含まなくてもよいことが理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものとして理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１ガスタービンエンジン
２圧縮機
３燃焼器
４トランジションピース
５タービン部
６、７回路
８タービン軸
９発電機
１０燃焼システム
３０環状体
３１ヘッドエンド
３２下流部
３３二次的な環状体
３４燃料管
３５三次的な環状体
４０燃料ノズル
４１燃料ノズル本体
５０管状部材
６０壁部
７０通路
７１クーラント
７２第１の通路
７３第２の通路
８０ヒューズ
８１第１のヒューズ本体
８２第２のヒューズ本体
３０１燃焼領域
３０２主燃焼領域
３０３最上流部
３０４下流燃焼領域
４００ＬＬＩ燃料ノズル
４０１バーナ管アセンブリ
４０２バーナ管
５００中空内部
５０１上流部
５０２下流端
７０１第１の部分
７０２第２の部分
Ａ１環状体の長手方向軸線
Ａ２管状部材の長手方向軸線
Ｐ１第１の圧力
Ｐ２第２の圧力
Ｐ３第３の圧力

Claims

燃焼システム（１０）であって、燃焼領域（３０１）を形成する環状体（３０）と、中空内部（５００）を有する管状部材（５０）を備える燃料ノズル（４０）であって、前記中空内部（５００）が前記燃焼領域（３０１）と流体連通するように配置可能である燃料ノズル（４０）とを備え、前記管状部材（５０）が、前記中空内部（５００）および前記燃焼領域（３０１）の少なくとも一方と流体連通するように配置可能な通路（７０）が形成された壁部（６０）を備え、前記形成された通路（７０）が、前記燃焼領域（３０１）の圧力（Ｐ３）を上回る圧力（Ｐ１）のクーラント（７１）によって加圧可能である燃焼システム（１０）。
前記クーラント（７１）の前記圧力（Ｐ１）が、前記中空内部（５００）が、前記燃焼領域（３０１）の前記圧力（Ｐ３）を上回る圧力（Ｐ２）に加圧されている状態において前記中空内部（５００）の前記圧力（Ｐ２）を上回る、請求項１に記載の燃焼システム（１０）。
前記環状体（３０）が、長手方向軸線（Ａ１）を有し、前記管状部材（５０）が、前記環状体（３０）の前記長手方向軸線（Ａ１）に対して横方向に配置された長手方向軸線（Ａ２）を有する、請求項１に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、前記管状部材（５０）の前記長手方向軸線（Ａ２）に対して横方向に配置された第１の部分（７０１）と、前記管状部材（５０）の前記長手方向軸線（Ａ２）に沿って配置された第２の部分（７０２）とを備える、請求項３に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、前記管状部材（５０）の周囲に配列された複数の通路として設けられている、請求項１に記載の燃焼システム（１０）。
前記環状体（３０）が、長手方向軸線（Ａ１）を有し、前記管状部材（５０）が、前記環状体（３０）の前記長手方向軸線（Ａ１）に沿って配置された長手方向軸線（Ａ２）を有する、請求項１に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、前記管状部材（５０）の前記長手方向軸線（Ａ２）に沿って配置されている、請求項６に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、前記管状部材（５０）の上流部（５０１）から延在し、前記管状部材（５０）の下流端（５０２）の位置または近傍で終端している、請求項１に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、第１の通路（７２）および第２の通路（７３）として設けられており、前記第１の通路（７２）が、前記管状部材（５０）の上流部（５０１）から延在し、前記管状部材（５０）の下流端（５０２）で終端しており、前記第２の通路（７３）が、前記管状部材（５０）の前記上流部（５０１）から延在し、前記管状部材（５０）の前記下流端（５０２）の近傍で終端している、請求項１に記載の燃焼システム（１０）。
前記壁部（６０）が、逆火ヒューズ（８０）を備える、請求項１に記載の燃焼システム（１０）。
燃焼システム（１０）であって、主燃焼領域（３０２）および該主燃焼領域（３０２）の下流に下流燃焼領域（３０４）を形成する環状体（３０）と、中空内部（５００）を有する管状部材（５０）を備える燃料ノズル（４０）であって、前記中空内部（５００）が前記下流燃焼領域（３０４）と流体連通するように配置可能である燃料ノズル（４０）とを備え、前記管状部材（５０）が、前記下流燃焼領域（３０４）と流体連通するように配置可能な通路（７０）が形成された壁部（６０）を備え、前記形成された通路（７０）が、前記下流燃焼領域（３０４）の圧力（Ｐ３）を上回る圧力（Ｐ１）のクーラント（７１）によって加圧可能である燃焼システム（１０）。
前記環状体（３０）が、長手方向軸線（Ａ１）を有し、前記管状部材（５０）が、前記環状体（３０）の前記長手方向軸線（Ａ１）に対して横方向に配置された長手方向軸線（Ａ２）を有する、請求項１１に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、前記管状部材（５０）の前記長手方向軸線（Ａ２）に対して横方向に配置された第１の部分（７０１）と、前記管状部材（５０）の前記長手方向軸線（Ａ２）に沿って配置された第２の部分（７０２）とを備える、請求項１２に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、前記管状部材（５０）の周囲に配列された複数の通路として設けられている、請求項１１に記載の燃焼システム（１０）。
燃焼システム（１０）であって、燃焼領域（３０１）を形成する環状体（３０）と、中空内部（５００）を有する管状部材（５０）を備える燃料ノズル（４０）であって、前記中空内部（５００）が前記燃焼領域（３０１）の最上流部（３０３）と流体連通するように配置可能である燃料ノズル（４０）とを備え、前記管状部材（５０）が、前記中空内部（５００）および前記燃焼領域（３０１）の前記最上流部（３０３）の少なくとも一方と流体連通するように配置可能な通路（７０）が形成された壁部（６０）を備え、前記形成された通路（７０）が、前記燃焼領域（３０１）の前記最上流部の圧力（Ｐ３）および前記中空内部（５００）の圧力（Ｐ２）を上回る圧力（Ｐ１）のクーラント（７１）によって加圧可能である燃焼システム（１０）。
前記環状体（３０）が、長手方向軸線（Ａ１）を有し、前記管状部材（５０）が、前記環状体（３０）の前記長手方向軸線（Ａ１）に沿って配置された長手方向軸線（Ａ２）を有する、請求項１５に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、前記管状部材（５０）の前記長手方向軸線（Ａ２）に沿って配置されている、請求項１６に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、前記管状部材（５０）の上流部（５０１）から延在し、前記管状部材（５０）の下流端（５０２）で終端している、請求項１５に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、前記管状部材（５０）の上流部（５０１）から延在し、前記管状部材（５０）の下流端（５０２）の近傍で終端している、請求項１５に記載の燃焼システム（１０）。
前記形成された通路（７０）が、第１の通路（７２）および第２の通路（７３）として設けられており、前記第１の通路（７２）が、前記管状部材（５０）の上流部（５０１）から延在し、前記管状部材（５０）の下流端（５０２）で終端しており、前記第２の通路（７３）が、前記管状部材（５０）の前記上流部（５０１）から延在し、前記管状部材（５０）の前記下流端（５０２）の近傍で終端している、請求項１５に記載の燃焼システム（１０）。