JP2018526603A - 燃焼滞留時間が短縮された遅延希薄噴射を有するガスタービントランジションダクト - Google Patents

Abstract

燃焼タービンエンジンにおいて短縮された燃焼滞留時間を有する改良されたガスタービン燃焼システムが提供される。燃焼システムは、入口（２６）および出口（２８）を有する、トランジションダクトなどの流れ加速構造（１６，５１）を有する。流れ加速構造の入口（２６）は、燃焼器出口から燃焼ガスの流を受け取るように流体接続されている。少なくとも１つの燃料インジェクタ（３２，６４，６６）は、流れ加速構造（１６，５１）の入口（２６）と出口（２８）との間に配置されている。流れ加速構造（１６，５１）は、燃焼ガスの流れに、加速する速度を生じさせ、その結果、流れ加速構造（１６，５１）における燃焼ガスの流れは、低下した静温度および短縮された燃焼滞留時間を有し、それらはそれぞれ、タービンエンジンの高い燃焼温度においてＮＯｘエミッションを低減するために有効である。

Description

背景
１．分野
開示される実施の形態は、一般に、ガスタービンエンジンなどの燃焼タービンエンジンに関し、より詳細には、燃焼滞留時間が短縮された燃焼システムに関する。

２．関連技術の説明
ガスタービンエンジンにおいて、燃料は燃料源から燃焼セクションへ供給され、燃焼セクション内で燃料は空気と混合され点火され、作動ガスを形成する高温の燃焼生成物を発生する。作動ガスは、タービンセクションへ送られ、そこでタービンロータを回転させる。燃焼セクション内で燃料が燃焼することによるＮＯｘエミッションの発生を、主燃焼ゾーンの下流で点火される燃料部分を提供することによって低減し得ることが知られている。このアプローチは、当該技術分野において分配燃焼システム（ＤＣＳ）と呼ばれる。例えば、米国特許第８３７５７２６号明細書および米国特許第８７５２３８６号明細書を参照されたい。

ガスタービンエンジン内のある配管配列が、作動ガスの流れを適切に整列させるように構成されていてもよく、これにより、例えば、このような流れの整列が、エンジンのタービンセクションにおける流れ方向付けベーンの第１の段の必要性を回避するように調整されてよいことも知られている。例えば、米国特許第７７２１５４７号明細書および米国特許第８２７６３８９号明細書を参照されたい。上記で挙げた各特許は、引用により本明細書に組み込まれる。

そのそれぞれが燃焼タービンエンジンの高い燃焼温度におけるＮＯｘエミッションを減じることに資する比較的より低い静温度および短縮された燃焼滞留時間を特徴とする、流れ加速円錐体などの流れ加速構造における所定の位置に配置された燃料インジェクタを備える配管配列の１つの非制限的な実施の形態の部分的な概略図である。 図１に示した流れ加速円錐体における円錐体入口と円錐体出口との間で増大する流速に関して低下する静温度の非制限的なプロットを示している。 それぞれの流れ加速円錐体に配置された燃料インジェクタを備える配管配列の別の非制限的な実施の形態を示している。 それぞれの流れ加速円錐体に配置された燃料インジェクタを備える配管配列の別の非制限的な実施の形態を示している。 １つの非制限的な実施の形態において、クロスフロー噴射内にジェットを提供するように配置可能である、燃料インジェクタの概略図である。 別の非制限的な実施の形態において、クロスフロー噴射内にジェットを提供することなく配置可能である、燃料インジェクタの概略図である。

詳細な説明
本発明の発明者らは、分配燃焼システム（ＤＣＳ）アプローチを含み得る外観上独立した燃焼器設計アプローチおよびガスタービンエンジンなどの燃焼タービンエンジンの燃焼器システムにおける進歩した配管アプローチとして本発明までに認識されたものの革新的な統合の結果として生じる相乗効果を認識した。ある非制限的な実施の形態におけるこれらの設計アプローチの統合により、今では、静温度の低下および燃焼滞留時間の短縮を達成することが可能であり、それらはそれぞれ、約１７００℃（３２００°Ｆ）以上のタービン入口温度でＮＯｘエミッションを許容レベル範囲内に減じることに資する。

以下の詳細な説明では、このような実施の形態の十分な理解を提供するために、様々な特定の詳細が示される。しかしながら、当業者は、本発明の複数の実施の形態が、これらの特定の詳細なしに実施され得ること、本発明が、例示された実施の形態に限定されないことおよび本発明が様々な代替的な実施の形態において実施され得ることを理解するであろう。他の例では、当業者によって十分に理解されるであろう方法、手順および構成部材は、不要で煩わしい説明を避けるため、詳細に説明されていない。

さらに、本発明の実施の形態を理解するために役立つ形式で行われる複数の個別のステップとして、様々な操作が説明されることがある。しかしながら、説明の順序は、別段の定めがない限り、これらの操作が、説明された順序で行われる必要があることまたは順序に依存していることを示唆するものとして解釈されるべきではない。さらに、「１つの実施の形態では」の文言の反復した使用は、必ずしも、同一の実施の形態を示すものではないが、そういう場合もある。開示された実施の形態は、互いに排他的な実施の形態として解釈される必要はないことに留意されたい。なぜならば、このような開示された実施の形態の複数の態様は、任意の用途の必要性に応じて、当業者によって適切に組み合わされてもよいからである。

本願において使用されている「含む」、「包含する」、「有する」などの表現は、別段の定めがない限り、同義であることが意図されている。最後に、本明細書において使用されるときは、「構成されている」または「配置されている」という記載は、特段の定めがない限り、「構成されている」または「配置されている」という記載の前にある特徴が、特定の方式で作用または機能するように意図的にかつ特に設計または形成されているという概念を包含し、当該特徴が、その特定の方式においてのみ作用または機能する能力または適性を有することを意味すると解釈されるべきではない。

図１は、ガスタービンエンジンなどの燃焼タービンエンジンの燃焼器システムの１つの非制限的な実施の形態における最新の配管配列１０の部分的な概略図である。最新の配管配列１０では、複数の流路１２が、１つの環状のチャンバ１４へ滑らかに統合している。１つの非制限的な実施の形態では、各流路１２は、エンジンのタービンセクションにおける流れ方向付けベーンの第１の段の必要性なしに、それぞれの燃焼器内で形成された燃焼ガスをエンジンのタービンセクションへ排出するように構成されていてもよい。

１つの非制限的な実施の形態では、各流路１２は、円錐体１６および統合された出口片（ＩＥＰ）１８を有する。１つの非制限的な実施の形態では、各円錐体１６は、円形の横断面を有しかつ燃焼器出口（図示せず）から燃焼ガスを受け取るように構成された円錐体入口２６を有する。円錐体１６の横断面輪郭は、互いに流体連通したＩＥＰ入口３０と関連した円錐体出口２８に向かって狭まっている。

円錐体１６の狭まっていく横断面輪郭に基づき、流れが円錐体入口２６から円錐体出口２８へ移動するとき、燃焼ガスの流れは比較的高い亜音速マッハ（Ｍ）数まで加速され、例えば、制限することなく、約０．３Ｍ〜約０．８Ｍの範囲を含んでもよく、これにより、円錐体１６は、一般に、流れ加速構造の非制限的な実施の形態として概念化されてもよい。したがって、燃焼ガスは、流速を加速しながら円錐体１６を通流してよく、その結果、燃焼ガスのこの流れは、円錐体１６内で静温度の低下を経験し得る。

例えば、図２は、図１に示したように、円錐体１６における円錐体入口と円錐体出口との間の加速する流速に関して低下する静温度の非制限的なプロット４０を示している。比較として、図２は、さらに、円錐体入口と円錐体出口との間で加速する流速から実質的に独立した、合計温度のプロット４２を示している。

本発明の発明者らは、円錐体入口２６と円錐体出口２８との間の位置などの、比較的低い静温度を有する円錐体の位置において燃料および空気を噴射することによって、ある非制限的な実施の形態では、燃焼温度が約１７００℃以上であり得るとしても、反応温度を効果的にＮＯｘ形成しきい値よりも小さくすることが可能であることを、賢明にも認識した。すなわち、インジェクタ位置は、静温度が円錐体入口２６における静温度と比較してより低い位置である。説明を簡略にするため、図１は、図１に示す各円錐体に関連する、エアスクープおよび燃料ノズルのアセンブリを含んでもよい１つのインジェクタ３２を示している。しかしながら、各円錐体１６内で複数のインジェクタが周方向に分配されていてもよいことが認められるであろう。

図３は、流れ加速円錐体５１が、上述のように一片の流れ加速円錐体の代わりに２つ以上の互いに接続された円錐体セクションから構成されてもよい、配管配列５０の別の非制限的な実施の形態を示している。１つの非制限的な実施の形態では、第１の円錐体セクション５２は、燃焼器出口５４から燃焼ガスを受け取るように配置されてもよく、第１の円錐体セクション５２の一端に固定された第２の円錐体セクション５６は、燃焼ガスを、対応するＩＥＰ入口５８へ供給するように配置されてもよい。１つの非制限的な実施の形態では、各円錐体セクション５２，５６は、不変の横断面輪郭を規定するそれぞれの平坦化された部分６０を含んでもよく、この部分６０にインジェクタ３２が配置されてもよい。

図４に示すように、１つの非制限的な実施の形態では、それぞれのマニホールド３４（例えば、リングマニホールド）が、燃料インジェクタ３２に流体接続されている。１つの非制限的な実施の形態では、マニホールド３４は、それぞれの互いに接続されたフランジ３３，３５の間で固定（例えば、ボルト締結）されてもよい。本発明の態様は、流れ加速円錐体の機械的設計に関するまたは燃料インジェクタを流れ加速円錐体に固定するための機械的配列に関するいかなる特定の構成にも限定されないことが認められるであろう。なぜならば、このような機械的設計および／または配列を、任意の用途の必要性に基づき容易に調整することができるからである。

図２に戻ると、図３に示したような流れ加速円錐体５１に関連する円錐体入口と円錐体出口との間の流速に関する静温度の別の非制限的なプロット４４を認めることができる。プロット４４の部分４６は、円錐体５１の平坦化された部分６０に対応し、この平坦化された部分６０においては、流速は平坦化された部分６０にわたって一定であってもよいが、このような流速は、円錐体入口２６における静温度と比較してより低い。

１つの非制限的な実施の形態では、図５に概略的に示すように、インジェクタ６４は、クロスフロー噴射でジェットを提供するように配置されてもよいことが認められるであろう。代替的に、矢印６８が流れ方向を概略的に表している図６に概略的に示したように、インジェクタ６６は、流れ加速円錐体の壁部６２に対して垂直に配置されてもよい。図５および図６に示したもの以外の、流れ方向に対するインジェクタ角度を使用することができ、これにより、本発明の態様は、流れに対して垂直または壁部に対して垂直なインジェクタ角度に限定されないことが認められるであろう。すなわち、本発明の態様は、いかなる特定の種類のインジェクタまたは流れ方向に対するいかなる特定のインジェクタ角度にも限定されない。

作動中、開示された実施の形態は、ガスタービンエンジンにおいて約６５％以上のコンバインドサイクル効率を実現することができる燃焼システムに資することが予想される。開示された実施の形態は、比較的低レベルのＮＯｘエミッションを維持しかつ冷却空気消費の増大なしにエンジンの構成部材における許容できる温度を維持しながら、約１７００℃以上のタービン入口温度において安定した作動を維持することができる燃焼システムを実現することも予想される。

本開示の実施の形態が典型的な形式で開示されているが、以下の請求項に示されるように、本発明およびその均等物の思想および範囲から逸脱することなく、本開示の実施の形態において多くの変更、付加および削除をなすことができることが当業者に明らかになるであろう。

Claims (20)

1. 燃焼システムであって、
   入口（２６）および出口（２８）を有する流れ加速構造（１６，５１）であって、該流れ加速構造の前記入口は、燃焼器出口から燃焼ガスの流れを受け取るように流体接続されている、流れ加速構造（１６，５１）と、
   前記流れ加速構造の前記入口と前記出口との間に配置された少なくとも１つの燃料インジェクタ（３２，６４，６６）であって、前記流れ加速構造は、前記燃焼ガスの流れに、加速する速度を生じさせ、その結果、前記流れ加速構造における前記燃焼ガスの流れは、低下した静温度および短縮された燃焼滞留時間を有する、少なくとも１つの燃料インジェクタ（３２，６４，６６）と、
   を備える、燃焼システム。
2. 前記流れ加速構造は、流れ加速円錐体を含む、請求項１記載の燃焼システム。
3. 前記流れ加速円錐体は、前記燃焼ガスの流れが前記流れ加速円錐体の前記出口に向かって移動しながら狭まっていく横断面輪郭を有する、請求項２記載の燃焼システム。
4. 前記流れ加速構造は、一体型の流れ加速円錐体（１６）を含む、請求項１記載の燃焼システム。
5. 前記流れ加速円錐体は、２つの互いに接続された円錐体セクション（５２，５４）を含む、請求項２記載の燃焼システム。
6. 前記２つの互いに接続された円錐体セクションの一部分（６０）は、不変の横断面輪郭を有する、請求項５記載の燃焼システム。
7. 前記少なくとも１つの燃料インジェクタは、前記不変の横断面を有する前記一部分（６０）に配置されている、請求項６記載の燃焼システム。
8. 前記少なくとも１つの燃料インジェクタ（６４）は、クロスフロー噴射でジェットを提供するように配置されている、請求項１記載の燃焼システム。
9. 前記少なくとも１つの燃料インジェクタ（６６）は、クロスフロー噴射でジェットを提供することなく配置されている、請求項１記載の燃焼システム。
10. 前記流れ加速構造の前記出口は、前記燃焼ガスの流れをタービンエンジンのタービンセクションに供給するように流体接続されている、請求項１記載の燃焼システム。
11. 前記流れ加速構造は、前記タービンエンジンの前記タービンセクション内に流れ方向付けベーンの第１の段を有することなく前記タービンエンジンの前記タービンセクションに前記燃焼ガスの流れを供給するように構成された配管配列の一部分である、請求項１０記載の燃焼システム。
12. ガスタービンエンジンであって、
    複数の流路（１２）を有する配管配列（１０）を有する燃焼システムであって、各流路は、燃焼ガスの流れを燃焼器出口から受け取りかつ前記燃焼ガスの流れを前記ガスタービンエンジンのタービンセクションに供給するように配置されている、燃焼システムを備え、
    各流路は、入口（２６）および出口（２８）を有する流れ加速構造（１６，５１）を有し、該流れ加速構造の前記入口は、前記燃焼器出口から前記燃焼ガスの流れを受け取るように流体接続されており、
    前記流れ加速構造の前記入口と前記出口との間に配置された少なくとも１つの燃料インジェクタ（３２，６４，６６）を備え、前記流れ加速構造は、前記燃焼ガスの流れに、加速する速度を生じさせ、その結果、前記流れ加速構造における前記燃焼ガスの流れは、前記流路内で、低下した静温度および短縮された燃焼滞留時間を有する、ガスタービンエンジン。
13. 前記流れ加速構造は、流れ加速円錐体を含む、請求項１２記載のガスタービンエンジン。
14. 前記円錐体は、前記燃焼ガスの流れが前記流れ加速構造の前記出口に向かって移動しながら狭まっていく横断面輪郭を有する、請求項１３記載のガスタービンエンジン。
15. 前記流れ加速構造は、一体型の円錐体（１６）を含む、請求項１２記載のガスタービンエンジン。
16. 前記流れ加速円錐体は、２つの互いに接続された円錐体セクション（５２，５４）を含む、請求項１３記載のガスタービンエンジン。
17. 前記２つの互いに接続された円錐体セクションの一部分（６０）は、不変の横断面輪郭を有し、さらに、前記少なくとも１つの燃料インジェクタは、前記不変の横断面を有する前記一部分に配置されている、請求項１６記載のガスタービンエンジン。
18. 前記少なくとも１つの燃料インジェクタ（６４）は、クロスフロー噴射でジェットを提供するように配置されている、請求項１２記載のガスタービンエンジン。
19. 前記少なくとも１つの燃料インジェクタ（６６）は、クロスフロー噴射でジェットを提供しなくてもいいように配置されている、請求項１２記載のガスタービンエンジン。
20. 前記配管配列は、流れ方向付けベーンの第１の段なしに前記タービンエンジンの前記タービンセクションに燃焼ガスの流れを供給するように構成されている、請求項１２記載のガスタービンエンジン。

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