JP2017531761A

JP2017531761A - タービンエンジン用のフレキシブルな燃料燃焼システム

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Publication number: JP2017531761A
Application number: JP2017522025A
Authority: JP
Inventors: ヴィ．バルヴェヴィナヤク; エイ．フォックスティモシー; エイチ．バートリーロバート; ターダルカーサチン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2034-10-23
Also published as: EP3209940A1; US10443855B2; US20170234542A1; WO2016064391A1; CN107076411A; JP6664389B2; CN107076411B

Abstract

液体燃料と気体燃料とをガスタービンエンジン（１４）の燃焼器（１２）内に噴射して、２つの燃料源（２０，２４）の燃焼でエンジン（１４）が作動するように構成された燃料バーナシステム（１０）が開示される。燃料バーナシステム（１０）は、ノズルキャップ（１６）から形成されていてよく、ノズルキャップ（１６）は、第１の燃料源（２０）の合成ガスと流体接続した１つ又は複数の第１の燃料噴射ポート（１８）と、第２の燃料源（２４）の天然ガスと流体接続した１つ又は複数の第２の燃料噴射ポート（２２）とを有している。燃料バーナシステム（１０）は、少なくとも１つのオイル源（３０）と流体接続し且つオイルを燃焼器（１２）内へ噴射するように構成された、１つ又は複数のオイル噴射通路（２８）を備えたオイルランス（２６）を有していてもよい。オイルランス（２６）は、オイル噴流、燃焼器（１２）の冷却水、又はオイル噴流と燃焼器（１２）の冷却水の両方を分散させるための空気を噴射するように構成された、１つ又は複数の流体噴射通路（３２）を有していてよい。

Description

本発明は、一般にタービンエンジンに関し、より詳細にはタービンエンジン用の燃料バーナシステムに関する。

典型的に、ガスタービンエンジンは、火炎ゾーンの上流側の空気と混合させるように燃焼器内に燃料を噴射するための複数のインジェクタを有している。従来のタービンエンジンの燃料インジェクタは、少なくとも３つの異なる配置形式のうちの１つで配置されていてよい。燃料インジェクタは、希薄予混合火炎システム内に配置されていてよく、希薄予混合火炎システム内で燃料は、燃料／空気混合物が点火される位置から十分に離れた上流側で空気流中に噴射され、これにより、火炎ゾーンでの燃焼時には、空気と燃料とは完全に混合された状態になる。燃料インジェクタは、拡散火炎システム内では、燃料と空気とが混合され且つ同時に燃焼するように構成されていてもよい。更に別の構成では、しばしば部分予混合システムと呼ばれるが、燃料インジェクタは、若干の空気が燃料と混合されるように、火炎ゾーンから十分に離れた上流側に燃料を噴射してよい。部分予混合システムは、希薄予混合火炎システムと拡散火炎システムとを組み合わせたものである。

典型的に、ガスタービンエンジンは、合成ガスを燃焼させるように構成されており、基本的にはＨ_２と、ＣＯと、Ｎ_２又は蒸気などの希釈剤とから形成された合成ガスを燃焼させるように構成された燃焼器を有している。燃焼器は、拡散火炎バーナから派生したものが多く、理論火炎温度に近い温度で燃焼させる。これは、燃焼器バスケットに対する熱的負荷を増大させ、燃焼器バスケットの損傷を招くことになる。合成ガスを燃焼させるように構成された燃焼器は、通常は他の燃料源を燃焼させるようには構成されていないので、潜在的な燃料を使用する可能性が制限されている。ゆえに、より多様な選択肢の燃料を扱うことができる燃料システムの必要性が生じている。

液体燃料と気体燃料とをタービンエンジンの燃焼器に噴射して、２つの燃料源の燃焼でエンジンが作動するように構成された燃料バーナシステムが開示される。この燃料バーナシステムは、第１の燃料源の合成ガスと流体接続した、１つ又は複数の第１の燃料噴射ポートと、第２の燃料源の天然ガスと流体接続した、１つ又は複数の第２の燃料噴射ポートとを有するノズルキャップから形成されていてよい。燃料バーナシステムは、少なくとも１つのオイル源と流体接続しており且つオイルを燃焼器内へ噴射するように構成された、１つ又は複数のオイル噴射通路を備えたオイルランスを有していてもよい。オイルランスは、１つ又は複数の流体噴射通路を有していてよい。少なくとも１つの実施形態では、オイルランスに設けられた流体噴射通路は、オイル噴流、燃焼器冷却水、又はその両方を分散させる空気を噴射するように構成されていてよい。各燃料は共燃焼可能であり、少なくとも１つの実施形態では、天然ガスとオイルと合成ガスとが一緒に共燃焼可能である一方で、エミッションを減らし、出力を増大させ、且つ燃焼器温度を下げるために、水が燃焼器内に噴射される。

少なくとも１つの実施形態では、タービンエンジン用の燃料バーナシステムは、燃焼器ハウジングと、１つ又は複数のノズルキャップとから形成された、１つ又は複数の燃焼器を有していてよい。ノズルキャップは、少なくとも１つの第１の燃料源と流体接続した、１つ又は複数の第１の燃料噴射ポートと、少なくとも１つの第２の燃料源と流体接続した、１つ又は複数の第２の燃料噴射ポートとを有していてよい。第１の燃料源は、第２の燃料源に含まれる第２の燃料とは異なる第１の燃料を含んでいてよい。少なくとも１つの実施形態では、第１の燃料源は合成ガスを含んでいてよく、第２の燃料源は天然ガスを含んでいてよい。少なくとも１つの実施形態では、第１の燃料噴射ポートと第２の燃料噴射ポートとは、第１の燃料を第１の燃料源から、且つ第２の燃料を第２の燃料源から、１つ又は複数の燃焼器内へ同時に噴射するように構成されていてよい。少なくとも１つの実施形態では、第１の燃料源は合成ガスを含んでいてよく、第２の燃料源は天然ガスを含んでいてよい。

燃料バーナシステムは、オイル、水、空気、又は窒素、又はこれらのあらゆる組合せを１つ又は複数の燃焼器内へ噴射するための、１つ又は複数のオイルランスを有していてよい。１つ又は複数のオイルランスは、ノズルキャップから突出していてよい。オイルランスは、１つ又は複数のオイル源と流体接続した、１つ又は複数のオイル噴射通路を有していてよい。オイルランスは、オイルを合成ガスと天然ガスと同時に燃焼器内へ噴射するように構成されていてよい。オイルランスは、合成ガス、天然ガス、又はその両方が燃焼器内へ噴射されている間に、オイルを燃焼器内へ噴射するように構成されていてよい。燃料バーナシステムは、オイルをオイルランスから、且つ合成ガスを第１の燃料源から同時に噴射するように構成されていてよい。少なくとも１つの実施形態では、燃料バーナシステムは、オイルランスからオイルを、且つ第２の燃料源から天然ガスを同時に噴射するように構成されていてよい。オイルランスは、１つ又は複数の圧縮空気源と流体接続された、１つ又は複数の流体噴射通路を有していてよく、且つ圧縮空気を燃焼器内に噴射するように構成されていてよい。流体噴射通路は、この流体噴射通路が圧縮空気を燃焼器内に噴射可能であるように構成されているのに対し、オイルは１つ又は複数のオイル噴射通路から燃焼器内へ噴射されるようになっている。少なくとも１つの実施形態では、オイルランスは、燃焼器内に水を噴射するための１つ又は複数の水源と流体接続された、１つ又は複数の流体噴射通路を有していてよい。流体噴射通路は、この流体噴射通路が燃焼器内に水を噴射可能であるように構成されていてよいのに対し、オイルは１つ又は複数のオイル噴射通路から燃焼器内へ噴射されるようになっている。

運転中、オイルランスのオイル噴射通路は、タービンエンジンの点火及び低負荷運転用に使用することができる。点火用に、オイルがオイル噴射通路を通って燃焼器内へ噴射されると共に、圧縮空気が圧縮空気源から流体噴射通路を通って噴射されてよい。圧縮空気は、燃焼器内のオイルの燃焼効率を高めるように、オイル噴流を分散させるために使用されてよい。オイルが少なくとも１つの部分的な燃料源である場合の、より高い負荷運転の最中には、ＮＯｘエミッションを制限し且つ燃焼器を冷却するために、流体噴射通路を介して水が噴射されてよい。

本燃料バーナシステムの利点は、燃料バーナシステムを、高度な燃料フレキシビリティを有して作動するように構成することができる点にあり、これにより、燃料バーナシステムは、限定はされないが低ＢＴＵ燃料、高ＢＴＵ燃料、液体燃料、又は気体燃料、又はこれらのあらゆる組合せといった、複数の燃料を燃焼させることができるようになっている。

本燃料バーナシステムの別の利点は、燃料バーナシステムを、エミッション及び出力増大に関して、限定はされないが蒸気又は窒素といった希釈剤を１つ又は複数の燃焼器内へ直接に噴射するように構成することができる点にある。

以下に、上記の実施形態及び別の実施形態を、より詳細に説明する。

本明細書に組み込まれてその一部を成す添付図面は、開示された本発明の実施形態を図示するものであり、詳細な説明と共に本発明の原理を開示するものである。

燃料バーナシステムを含むタービンエンジン部分の断面図である。図１に示した切断線２−２における、燃料バーナシステムを備えた燃焼器の詳細な側方断面図である。ノズルキャップを備えた燃料バーナシステムの部分断面斜視図である。図３に示した切断線４−４における、ノズルキャップを備えた燃料バーナシステムの断面図である。ノズルキャップを備えた燃料バーナシステムの端部を示す図である。

図１〜図５に示すように、液体燃料と気体燃料とをガスタービンエンジン１４の燃焼器１２内に噴射して、２つの燃料源の燃焼でエンジン１４が作動するように構成された燃料バーナシステム１０が開示されている。燃料バーナシステム１０は、ノズルキャップ１６から形成されていてよく、ノズルキャップ１６は、第１の燃料源２０の合成ガスと流体接続した１つ又は複数の第１の燃料噴射ポート１８と、第２の燃料源２４の天然ガスと流体接続した１つ又は複数の第２の燃料噴射ポート２２とを有している。燃料バーナシステム１０は、少なくとも１つのオイル源３０と流体接続しており且つオイルを燃焼器１２内へ噴射するように構成された、１つ又は複数のオイル噴射通路２８を備えたオイルランス２６を有していてもよい。オイルランス２６は、１つ又は複数の流体噴射通路３２を有していてよい。少なくとも１つの実施形態では、オイルランス２６に設けられた流体噴射通路３２は、オイル噴流、燃焼器冷却水、又はオイル噴流と燃焼器冷却水の両方を分散させるための空気を噴射するように構成されていてよい。各燃料は共燃焼可能であり、少なくとも１つの実施形態では、天然ガス、オイル及び合成ガスが一緒に共燃焼可能である一方で、水は、エミッションを減らし、出力を増大させ、且つ燃焼器温度を下げるために燃焼器１２内へ噴射される。

少なくとも１つの実施形態では、図１に示すように、燃料バーナシステム１０は１つ又は複数の燃焼器１２から形成されていてよく、燃焼器１２は、燃焼器ハウジング３４と１つのノズルキャップ１６とから形成されている。図３〜図５に示すように、ノズルキャップ１６は、１つ又は複数の第１の燃料源２０と流体接続した１つ又は複数の第１の燃料噴射ポート１８と、１つ又は複数の第２の燃料源２４と流体接続した１つ又は複数の第２の燃料噴射ポート２２とを有していてよい。第１の燃料源２０は、第２の燃料源２４に含まれる第２の燃料とは異なる第１の燃料を含んでいてよい。少なくとも１つの実施形態では、第１の燃料源２０内の第１の燃料は合成ガスであってよく、第２の燃料源２４内の第２の燃料は天然ガスであってよい。第１の燃料噴射ポート１８は、第２の燃料噴射ポート２２よりも大きな寸法のポート１８から形成されていてよい。より大きな寸法を有する第１の燃料噴射ポート１８は、大幅に希釈された合成ガス又は低ＢＴＵ燃料を噴射するように構成されていてよい。より小さな第２の燃料噴射ポート２２は、天然ガス又は高ＢＴＵ燃料を噴射するように構成されていてよい。少なくとも１つの実施形態では、第１の燃料噴射ポート１８と第２の燃料噴射ポート２２とは、第１の燃料を第１の燃料源２０から、且つ第２の燃料を第２の燃料源２４から燃焼器１２内へ同時に噴射するように構成されていてよい。第１の燃料源２０から第１の燃料噴射ポート１８に到る第１の燃料の流れは、１つ又は複数の弁５４を介して制御可能であり、第２の燃料源２４から第２の燃料噴射ポート２２に到る第２の燃料の流れは、１つ又は複数の弁５２を介して制御可能である。燃焼器１２内で２つ以上の燃料が同時に燃焼することが、共燃焼である。少なくとも１つの実施形態では、第１の燃料源２０は合成ガスを含んでいてよく、第２の燃料源２４は、燃焼器１２内で共燃焼可能な天然ガスを含む。

図４に示すように、燃料バーナシステム１０は、ノズルキャップ１６から突出した１つ又は複数のオイルランス２６を有していてもよい。オイルランス２６は、１つ又は複数のオイル源３０と流体接続した、１つ又は複数のオイル噴射通路２８を有していてよい。オイル噴射通路２８は、合成ガス及び天然ガスと同時に、オイルを燃焼器１２内に噴射するように構成されていてよい。オイル源３０からのオイルの流れは、オイル噴射通路２８に通じる１つ又は複数の弁４８を介して制御されてよい。燃料バーナシステム１０は、オイルをオイルランス２６から、且つ合成ガスを第１の燃料源２０から、同時に噴射するように構成されていてよい。少なくとも１つの実施形態では、燃料バーナシステム１０は、オイルをオイルランス２６から、且つ天然ガスを第２の燃料源２４から、同時に噴射するように構成されていてよい。

オイルランス２６は、１つ又は複数の圧縮空気源３８と流体接続され且つ燃焼器１２内へ圧縮空気を噴射するように構成された、１つ又は複数の流体噴射通路３２を有していてよい。圧縮空気源３８からの圧縮空気の流れは、流体噴射通路３２に通じる１つ又は複数の弁５０を介して制御することができる。オイルランス２６は、燃焼器１２内に水を噴射するための１つ又は複数の水源４０と流体接続された、１つ又は複数の流体噴射通路３２を有していてもよい。流体噴射通路３２は、燃焼器１２内に水を噴射するように構成されていてよい。水源４０からの水の流れは、流体噴射通路３２に通じる１つ又は複数の弁５０を介して制御することができる。オイルランス２６は、燃焼器１２内へ水を噴射するように構成されている一方で、１つ又は複数のオイル噴射通路２８を有していてよく、オイル噴射通路２８は、１つ又は複数のオイル源３０と流体接続されており且つ燃焼器１２内にオイルを噴射するように構成されている。

運転中、オイルランス２６のオイル噴射通路２８は、タービンエンジン１４の点火及び低負荷運転用に用いられてよい。点火用に、オイルがオイル噴射通路２８を通って燃焼器１２内へ噴射されてよく、また、圧縮空気が圧縮空気源３８から流体噴射通路３２を通って噴射されてよい。圧縮空気は、燃焼器１２内でのオイルの燃焼効率を高めるようにオイル噴流を分散させるために使用されてよい。オイルが少なくとも１つの部分的な燃料源である場合の、より高い負荷運転の最中には、ＮＯｘエミッションを制限し且つ燃焼器１２を冷却するために、流体噴射通路３２を介して水が噴射されてよい。

燃料バーナシステム１０は、限定はされないが燃焼器１２内への同時噴射を介して、オイルと合成ガスとが共燃焼可能であるように運転することができる。別の実施形態では、燃料バーナシステム１０は、限定はされないが燃焼器１２内への同時噴射を介して、天然ガスと合成ガスとが共燃焼可能であるように運転することができる。更に別の実施形態では、燃料バーナシステム１０は、限定はされないが燃焼器１２内への同時噴射を介して、天然ガスとオイルとが共燃焼可能であるように運転することができる。更に別の実施形態では、燃料バーナシステム１０は、限定はされないが合成ガス、天然ガス及びオイルといった３つの燃料が同時に共燃焼可能であるように運転することができる。オイルランス２６の流体噴射通路３２は、エミッションを減らし、出力を増大させ、且つ燃焼器温度を下げるために、２つの燃料を共燃焼させる間、又は合成ガス、天然ガス及びオイルを一緒に共燃焼させる間に燃焼器１２に水を噴射するために用いられてよい。

少なくとも１つの実施形態では、燃料バーナシステム１０は、エミッションを減らすため、金属温度を下げるため、又はその両方のために、天然ガス運転中又はオイル運転中に、燃焼器１２内に蒸気を噴射するように運転することができる。蒸気は、蒸気源４２からオイルランス２６の流体噴射通路３２を介して噴射されてよい。蒸気は、別の手段を介して噴射されてもよい。１つ又は複数の蒸気源４２からの蒸気の流れは、流体噴射通路３２に通じる１つ又は複数の弁４６を介して制御することができる。

少なくとも１つの実施形態では、燃料バーナシステム１０は、エミッションを減らすため、金属温度を下げるため、又はその両方のために、天然ガス運転中又はオイル運転中に、燃焼器１２内に窒素を噴射するように運転することができる。窒素は、窒素源４４からオイルランス２６の流体噴射通路３２を介して噴射されてよい。窒素は、別の手段を介して噴射されてもよい。１つ又は複数の窒素源４４からの窒素の流れは、流体噴射通路３２に通じる１つ又は複数の弁４６を介して制御することができる。

上述した記載は、本発明の実施形態の図示、説明及び描写の目的のために提供されたものである。上記の各実施形態に対する変更及び適合は、当業者には明らかであり、本発明の範囲又は意図から逸脱することなく行われてよい。

Claims

タービンエンジン用の燃料バーナシステム（１０）であって、
燃焼器ハウジング（３４）と、少なくとも１つのノズルキャップ（１６）とから形成された、少なくとも１つの燃焼器（１２）が設けられており、
前記少なくとも１つのノズルキャップ（１６）は、少なくとも１つの第１の燃料源（２０）と流体接続した、少なくとも１つの第１の燃料噴射ポート（１８）と、少なくとも１つの第２の燃料源（２４）と流体接続した、少なくとも１つの第２の燃料噴射ポート（２２）とを有しており、
前記少なくとも１つの第１の燃料源（２０）は、前記少なくとも１つの第２の燃料源（２４）に含まれる第２の燃料とは異なる第１の燃料を含むことを特徴とする、燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つの第１の燃料源（２０）は合成ガスを含み、前記少なくとも１つの第２の燃料源（２４）は天然ガスを含む、請求項１記載の燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つの第１の燃料噴射ポート（１８）と前記少なくとも１つの第２の燃料噴射ポート（２２）とは、前記第１の燃料を前記少なくとも１つの第１の燃料源（２０）から、且つ前記第２の燃料を前記少なくとも１つの第２の燃料源（２４）から、前記少なくとも１つの燃焼器（１２）内へ同時に噴射するように構成されている、請求項１記載の燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つの第１の燃料源（２０）は合成ガスを含み、前記少なくとも１つの第２の燃料源（２４）は天然ガスを含む、請求項３記載の燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つのノズルキャップ（１６）から突出した、少なくとも１つのオイルランス（２６）が設けられており、該少なくとも１つのオイルランス（２６）は、少なくとも１つのオイル源（３０）と流体接続し且つオイルを合成ガス及び天然ガスと同時に前記少なくとも１つの燃焼器（１２）内へ噴射するように構成された、少なくとも１つのオイル噴射通路（２８）を有している、請求項４記載の燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つのノズルキャップ（１６）から突出した、少なくとも１つのオイルランス（２６）が設けられており、該少なくとも１つのオイルランス（２６）は、少なくとも１つのオイル源（３０）と流体接続し且つオイルを前記少なくとも１つの燃焼器（１２）内へ噴射するように構成された、少なくとも１つのオイル噴射通路（２８）を有している、請求項１記載の燃料バーナシステム（１０）。
当該燃料バーナシステム（１０）は、前記少なくとも１つのオイルランス（２６）からオイルを、且つ前記少なくとも１つの第１の燃料源（２０）から合成ガスを同時に噴射するように構成されている、請求項６記載の燃料バーナシステム（１０）。
当該燃料バーナシステム（１０）は、前記少なくとも１つのオイルランス（２６）からオイルを、且つ前記少なくとも１つの第２の燃料源（２４）から天然ガスを同時に噴射するように構成されている、請求項６記載の燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つのオイルランス（２６）は、少なくとも１つの圧縮空気源（３８）と流体接続され且つ圧縮空気を前記少なくとも１つの燃焼器（１２）内に噴射するように構成された、少なくとも１つの流体噴射通路（３２）を有している、請求項６記載の燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つのオイルランス（２６）は、前記少なくとも１つの燃焼器（１２）内に水を噴射するための少なくとも１つの水源（４０）と流体接続された、少なくとも１つの流体噴射通路（３２）を有している、請求項６記載の燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つのノズルキャップ（１６）から突出した、少なくとも１つのオイルランス（２６）が設けられており、該少なくとも１つのオイルランス（２６）は、少なくとも１つの圧縮空気源（３８）と流体接続され且つ圧縮空気を前記少なくとも１つの燃焼器（１２）内に噴射するように構成された、少なくとも１つの流体噴射通路（３２）を有している、請求項１記載の燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つのノズルキャップ（１６）から突出した、少なくとも１つのオイルランス（２６）が設けられており、該少なくとも１つのオイルランス（２６）は、少なくとも１つの水源（４０）と流体接続され且つ前記少なくとも１つの燃焼器（１２）内に水を噴射するように構成された、少なくとも１つの流体噴射通路（３２）を有している、請求項１記載の燃料バーナシステム（１０）。
前記少なくとも１つのノズルキャップ（１６）から突出した前記少なくとも１つのオイルランス（２６）は、少なくとも１つのオイル源（３０）と流体接続し且つオイルを前記少なくとも１つの燃焼器（１２）内へ噴射するように構成された、少なくとも１つのオイル噴射通路（２８）を有している、請求項１２記載の燃料バーナシステム（１０）。