JP2015511698A - 酸素含有ガスの流れに燃料を混合する混合装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、軸方向流路内で、特に連続燃焼のガスタービンの第２の燃焼器内で軸線（１６）に沿って流れる、酸素含有ガスの流れに燃料（１３，１５）を混合する混合装置に関する。ガスの流れにより内側及び外側で通過される少なくとも１つのインジェクタリング（１１）を有するインジェクタ（１０）を備える混合装置により、混合が改善され、混合長さが低減される。

Description

本発明はガスタービンの技術に関する。本発明は、請求項１の上位概念による、酸素含有ガスの流れに燃料を混合する混合装置に関する。

先行技術
連続燃焼のガスタービンは、当該技術分野において広く知られている。図４は、連続燃焼のガスタービン２５の概略図を示している。図４のガスタービンは、圧縮機２６と、第１の燃焼器２７と、第１の高圧タービン２８と、第２の燃焼器２９と、低圧タービン３０とを備える。第２の燃焼器２９は、高温ガスの流れに燃料を噴射することにより第１のタービン２８の排気ガスを再加熱させる。これは、例えば図５による混合装置により行われ、図５において、実際に延在する燃料ランス３３が、高温ガス流路３１内に配置されており、これにより、軸線１６に沿って流れる高温ガス３２に１つ又は複数の燃料が噴射される。

そのようなガスタービン再熱システム（連続燃焼）は、型式ＧＴ２４／ＧＴ２６の大型の産業用ガスタービンにおいて高い着火温度で極めて少量のエミッションを達成する点で優れていることが証明された。

そのような燃焼システムは、低い圧力降下、低い冷却空気消費量、長い耐用期間、燃料柔軟性のような多くの厳しい要求も満たしている。

再熱燃焼システムの基礎となる主要な要素の１つは、火炎の手前で高温ガスと燃料との間で得られる混合レベルである。

現在までに開発されたコンセプトは、極めて良好な混合レベル及び燃焼性能を提供する。

しかし、これらは、高い運動量フラックス比、複雑な幾何学形状、又は燃料インジェクタと高温ガス路との間の複雑なシーリングシステムに基づいている（例えば文献米国特許第５６４５４１０号明細書、国際公開第２０１１／０３７６４６号、米国特許第５３５１４７４号明細書、米国特許第６１９２６８８号明細書、国際公開第２０１１／０５４７５７号、国際公開第２０１１／０５４７６６号又は欧州特許第２２１１１０９号明細書参照）。

文献国際公開第２０１１／０５４７５７号及び国際公開第２０１１／０５４７６６号に記載されたマルチポイントインジェクションシステムは、専用の渦発生器（ボルテックスジェネレータ）又は突起により形成された流体力学的な構造により助力されて、マルチポイントインジェクション方式を用いることにより、最小限の圧力降下で燃料と高温ガスとを混合する効果的な方法を提供する。

発明の概要
本発明の目的は、改良された混合及びより短い混合長さを生じさせる、連続燃焼用途の混合装置を提供することである。

この目的及び他の目的は、請求項１による混合装置により達成される。

軸方向流路内で、特に連続燃焼のガスタービンの第２の燃焼器内で軸線に沿って流れる、酸素含有ガスの流れに燃料を混合する混合装置であって、当該混合装置は、前記ガスの流れにより内側及び外側で通過される少なくとも１つのインジェクタリングを有するインジェクタを備えることを特徴としている。

発明の第１の態様によれば、前記少なくとも１つのインジェクタリングは、前記軸線に対して環状である。

発明の第２の態様によれば、前記少なくとも１つのインジェクタリングは、軸方向に空気力学的なプロファイルを有する。

特に、前記少なくとも１つのインジェクタリングは、前記軸線に整合している対称平面に対して対称的な翼型の空気力学的なプロファイルを有する。

発明の別の態様によれば、前記少なくとも１つのインジェクタリングは、異なる流体の複数の流れを噴射するように設計されている。

特に、前記少なくとも１つのインジェクタリングは、液体燃料、特に油の流れ、空気の流れ及び燃料ガスの流れを噴射するように設計されている。

本発明の更に別の態様によれば、前記少なくとも１つのインジェクタリングは、周方向に分配されていて、かつその噴射方向が前記軸線に整合されている、並んだ複数の噴射ノズルを備える。

発明の別の態様によれば、前記少なくとも１つのインジェクタリングは、周方向に分配されていて、かつその噴射方向が前記ガスの流れに対してクロスフローに配向されている、複数の噴射ノズルを備える。

好適には、前記少なくとも１つのインジェクタリングに渦発生器が設けられている。

特に、前記渦発生器の各々が前記噴射ノズルの１つに対応するように、前記渦発生器は、前記少なくとも１つのインジェクタリングに周方向に分配されている。

より具体的には、渦発生器は、前記少なくとも１つのインジェクタリングの内側及び外側に交互に配置されている。

択一的に、突起が、並んだ隣り合う噴射ノズルの間に設けられている。

特に、前記突起は、前記少なくとも１つのインジェクタリングの内側及び外側に交互に延在している。

発明の更に別の態様によれば、複数のインジェクタリングが、マルチリング構造で設けられている。

特に、前記インジェクタリングは、それぞれサイズが異なり、同一平面上に配置されている。

択一的に、前記インジェクタリングは、それぞれサイズが異なり、それぞれ異なる軸方向位置に配置されている。

ここで、図面を参照して様々な態様を用いて本発明を詳説する。

発明の１つの態様による、液体燃料、シールディング空気及び燃料ガスを噴射するように設計された環状のインジェクタを軸方向にみた図を示している。 対称的で空気力学的な輪郭と同様の、図1のインジェクタリングの横断面図を示している。 並んだ噴射部、クロスフロー配列及び関係する渦発生器及び突起に関する、発明の異なる３つの態様（ａ）（ｂ）（ｃ）を１つの図面で示している。 連続燃焼のガスタービンの簡単な概略図を示している。 先行技術による再熱システムの混合装置を示している。

発明の様々な態様の詳細な説明
本発明では、１つのシステムが提供されており、そのシステムでは、新規な燃料インジェクタが、高い運動量フラックス比の必要がない優れた燃料／空気混合を提供し、かつ円筒形のバーナに適している。そのような構造は、環状燃焼器システム（ＧＴ２４／ＧＴ２６ガスタービンにおけるような）に、又同様に缶型燃焼器構造に良好に適していてよい。

本発明は、専用の渦発生器又は突起を有するマルチポイント噴射にも基づいていて、これは、軸対称に構造化されていて、円筒形のバーナに適していて、より均一の燃料分配を可能にする。

文献欧州特許第２２１１１０９号明細書に記載されたシステムと比較して、そのような構造の主要な利点は、国際公開第２０１１／０５４７５７号及び国際公開第２０１１／０５４７６６号におけるような燃料インジェクタの線状に並んだ丈夫な構成要素のおかげで、運動量フラックス比の独立性にある。

燃料と空気との混合を改良するために、以下の混合器が提案されている。

図１は、本発明の第１の態様で、単一の「リング」混合器の概略的な配置を示している。

「リング」システムの基本原理は、インジェクタリング１１を有する環状のインジェクタ１０のものであり、環状のインジェクタ１０は、異なる３つの流体流れ：液体燃料１３（例えば油）、燃料ガス１５及びその間にシールディング空気１４を噴射することができる（例えば欧州特許出願公開第０６２０３６２号明細書に記載されたようにＧＴ２４／ＧＴ２６ガスタービンの広く知られたＳＥＶランスと同様）。３つの流体は、流体供給配列１２における同心の管路配列によりインジェクタリング１１に供給される。

軸方向（軸線１６）で、インジェクタリング１１は、文献国際公開第２０１１／０５４７５７号及び国際公開第２０１１／０５４７６６号に記載された設計と同様の設計を有する対称的な翼型（図２）と同様の空気力学的な輪郭（又はプロファイル、以下輪郭とする）を有する。この輪郭は、低い圧力降下及びランス内の有効な対流冷却を可能にする。図２は、主高温ガス流れ方向１７に整合する空気力学的な輪郭を表すそのような構造の概略図を示している。

そのようなインジェクタリング１８の３つの態様が考えられていて、図３に概略図で示されている（３つの態様の各々では各インジェクタノズル及び渦発生器構造はリングの全周に沿って延在しているが図３では明確化のために例示的な区分しか示されていない）。

第１の態様（図３ａ）では、インジェクタリング１８ａの内側及び外側に設けられた渦発生器（ＶＧｓ）２０ａ，２０ｂは、並んだ噴射部と組み合わされている。インジェクタノズル１９は、主高温ガス流れ（軸線１６）に整合している。燃料の分配を助力している鉛直（垂直）構造を形成している専用の渦発生器２０ａ，２０ｂにより混合が高められる。並んだ噴射部の利点は、より安価な製造性、性能に対する運動量フラックス比のより低い影響、より高い逆火マージン／燃料柔軟性にある。

第２の態様（図３ｂ）では、渦発生器２２ａ，２２ｂは、傾斜した噴射部と組み合わされている。インジェクタノズル２１ａ，２１ｂは、クロスフロー配列で傾斜しているので、燃料は、前述の態様と同様に渦発生器２２ａ，２２ｂにより形成された鉛直構造に、より良好に達することができる。これにより、より低いＮＯxエミッションのための良好な混合が提供される。

第３の態様（図３ｃ）は、噴射ノズル２３を用いた並んだ噴射部と組み合わされた突起２４ａ，２４ｂに関する。突出した構造は、燃料と空気との混合を最適化するのに必要な速度場を形成する。突起は、より小さな圧力降下で同じ混合レベルを得ることができる。これらは、国際公開第２０１１／０５４７５７号及び国際公開第２０１１／０５４７６６号に記載されていて、その特許出願に記載された全ての変化態様を含む。

大きな丸い輪郭のためには、マルチリングブレンダー（例えば同一平面（軸線１６に対して垂直）で様々なサイズ（半径等）の幾つかのインジェクタリング又は軸線１６に沿った様々な軸方向位置で様々なサイズの幾つかのリング）も同じく考えられる。

大きな円筒形のバーナ又は缶に対しては、マルチリング構造、例えば同一の軸平面で様々なサイズの幾つかのリング又は様々な軸方向位置で様々なサイズの幾つかのリングが考えられる。

発明の利点は：
・より良好な混合→放出されるエミッションの減少；
・より短い混合部長さ→コンパクトな設計；
・燃料噴射の軸方向の可能な段付け→様々なタイムラグによる燃焼力学の防止；
・円筒形のバーナ又は缶の適合；
・ノズル又はリングを付け加えることにより様々なバーナ又は缶サイズに適合できる簡単な可能性；
にある。

１０，１８ 環状のインジェクタ
１１ インジェクタリング
１２ 流体供給配列
１３ 液体燃料
１４ シールディング空気
１５ 燃料ガス
１６ 軸線
１７ 主高温ガス流れ方向
１８ａ〜ｃ インジェクタリング
１９，２３ インジェクタノズル
２０ａ，ｂ 渦発生器
２１ａ，ｂ インジェクタノズル
２２ａ，ｂ 渦発生器
２４ａ，ｂ 突起
２５ ガスタービン（連続燃焼の）
２６ 圧縮機
２７，２９ 燃焼器
２８，３０ タービン
３１ 高温ガス流路
３２ 高温ガス
３３ 燃料ランス

Claims (16)

1. 軸方向流路（３１）内で、特に連続燃焼のガスタービン（２５）の第２の燃焼器（２９）内で軸線（１６）に沿って流れる、酸素含有ガス（３２）の流れに燃料（１３，１５）を混合する混合装置であって、
   当該混合装置は、前記ガス（３２）の流れにより内側及び外側で通過される少なくとも１つのインジェクタリング（１１；１８ａ〜ｃ）を有するインジェクタ（１０，１８）を備えることを特徴とする、混合装置。
2. 前記少なくとも１つのインジェクタリング（１１；１８ａ〜ｃ）は、前記軸線（１６）に対して環状である、請求項１記載の混合装置。
3. 前記少なくとも１つのインジェクタリング（１１；１８ａ〜ｃ）は、軸方向に空気力学的なプロファイルを有する、請求項１又は２記載の混合装置。
4. 前記少なくとも１つのインジェクタリング（１１；１８ａ〜ｃ）は、前記軸線（１６）に整合している対称平面に対して対称的な翼型の空気力学的なプロファイルを有する、請求項３記載の混合装置。
5. 前記少なくとも１つのインジェクタリング（１１；１８ａ〜ｃ）は、異なる流体の複数の流れを噴射するように設計されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の混合装置。
6. 前記少なくとも１つのインジェクタリング（１１；１８ａ〜ｃ）は、液体燃料（１３）、特に油の流れ、空気（１４）の流れ及び燃料ガス（１５）の流れを噴射するように設計されている、請求項５記載の混合装置。
7. 前記少なくとも１つのインジェクタリング（１１；１８ａ〜ｃ）は、周方向に分配されていて、かつその噴射方向が前記軸線（１６）に整合されている、並んだ複数の噴射ノズル（１９，２３）を備える、請求項１から６までのいずれか１項記載の混合装置。
8. 前記少なくとも１つのインジェクタリング（１８ｂ）は、周方向に分配されていて、かつその噴射方向が前記ガス（３２）の流れに対してクロスフローに配向されている、複数の噴射ノズル（２１ａ，ｂ）を備える、請求項１から６までのいずれか１項記載の混合装置。
9. 前記少なくとも１つのインジェクタリング（１８ａ，ｂ）に渦発生器（２０ａ，ｂ；２２ａ，ｂ）が設けられている、請求項７又は８記載の混合装置。
10. 前記渦発生器（２０ａ，ｂ；２２ａ，ｂ）の各々が前記噴射ノズル（１９；２１ａ，ｂ；２３）の１つに対応するように、前記渦発生器（２０ａ，ｂ；２２ａ，ｂ）は、前記少なくとも１つのインジェクタリング（１８ａ，ｂ）に周方向に分配されている、請求項９記載の混合装置。
11. 前記渦発生器（２０ａ，ｂ；２２ａ，ｂ）は、前記少なくとも１つのインジェクタリング（１８ａ，ｂ）の内側及び外側に交互に配置されている、請求項１０記載の混合装置。
12. 複数の突起（２４ａ，ｂ）が、並んだ隣り合う噴射ノズル（２３）の間に設けられている、請求項７記載の混合装置。
13. 前記突起（２４ａ，ｂ）は、前記少なくとも１つのインジェクタリングの内側及び外側に交互に延在している、請求項１２記載の混合装置。
14. 複数のインジェクタリング（１１；１８ａ〜ｃ）が、マルチリング構造で設けられている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の混合装置。
15. 前記インジェクタリングは、それぞれサイズが異なり、同一平面上に配置されている、請求項１４記載の混合装置。
16. 前記インジェクタリングは、それぞれサイズが異なり、それぞれ異なる軸方向位置に配置されている、請求項１４記載の混合装置。

Images