JP2018529064A

JP2018529064A - 一体型の液体噴射器／蒸発器を備えた多種燃料予混合ノズルのためのシステムおよび方法

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Publication number: JP2018529064A
Application number: JP2018510071A
Authority: JP
Inventors: シェルシュノヴ，ボリス・ボリソヴィッチ; マイヤーズ，ジェフリー・デイヴィッド; ジェラシモヴ，アレクシー・ユリーヴィッチ; ビィゼムスカヤ，ナタリャ・イーゴレヴナ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: US10731862B2; EP3341656B1; WO2017034435A1; CN107923620B; JP6799056B2; CN107923620A; EP3341656A1; US20190011130A1

Abstract

ガスタービンエンジン用の燃料ノズル組立体が本明細書に開示される。燃料ノズル組立体は、外側環状シュラウドと内側環状ハブとの間に形成される予混合チャンバと、外側環状シュラウドと内側環状ハブとの間の予混合チャンバあたりに配設される幾つかのスワラベーンと、スワラベーンあたりに位置決めされる１つまたは複数の液体燃料インジェクタと、１つまたは複数の液体燃料インジェクタと連通する液体燃料の流れと、を含むことがある。【選択図】図３

Description

本開示は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、一体型の液体噴射器／蒸発器を備えた多種燃料予混合ノズルのためのシステムおよび方法に関する。

ガスタービンエンジンの運転効率および全パワー出力は、高温燃焼ガスストリームの温度が上昇すると概ね増大する。しかしながら、高燃焼ガスストリーム温度は、より高いレベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）を産出することがある。そういったエミッションは、米国の連邦規則および州規則の双方に規制されることがあり、海外の同種の規則に規制されることもある。このように、窒素酸化物および他のタイプの規制エミッションの出力が十分義務レベル以下に適切にとどまるということも保証しながらガスタービンエンジンを効率的な高い温度範囲で動作させる、という利益相互間には、バランスをとる行為が存在する。そのうえ、負荷レベルを変えること、周囲条件を変えること、および他のタイプの動作パラメータは、ガスタービンの全体効率およびエミッションに対するかなりの衝撃を有することにもなる。

ドライ低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器を用いているものなどの幾つかのタイプの知られているガスタービンエンジンの設計では、予混合燃料ノズルを幾つか介してＮＯｘエミッションを減らすように、反応即ち燃焼ゾーンの上流で燃料の流れと空気の流れとを概ね予混合する。そういった予混合は、火炎温度のピーク、したがって、ＮＯｘエミッションを減らす傾向がある。

燃料柔軟性およびパワーシステム可用性のため、低エミッションのガスタービンは、多くの場合、ガス予混合器に加えて補助または予備の燃料として液体燃料を注入するためのシステムを装備する。液体燃料インジェクタは、ガス予混合器の中央に挿入されることがある。液体燃料が燃焼前に蒸発して空気と十分に予混合しないことがあるという理由で、大量の水が、火炎温度と結果として生じるＮＯｘエミッションとを減らすように、燃焼ゾーンの中に注入されることがある。このように、有意かつ高価な量の水が、そういった液体燃料と共に動作するときに、必要とされることがある。そのうえ、水の注入は、ガスタービンの全体効率を低下させることがある。

このように、二重の燃料予混合ノズルを改善する要望が存在する。そういった予混合ノズルでは、液体燃料などの補助燃料を収容することができ、水の消費が全体的に減るかまたは水が何ら注入されず、同時にガスタービンの熱効率および発電が維持される。

欧州特許第２６６０５２１号

上の必要性および／または課題の幾つかまたはすべては、本開示のある種の実施形態によって対処されることがある。実施形態によれば、ガスタービンエンジン用の燃料ノズル組立体が開示される。燃料ノズル組立体は、外側環状シュラウドと内側環状ハブとの間に形成される予混合チャンバと、外側環状シュラウドと内側環状ハブとの間の予混合チャンバあたりに配設される幾つかのスワラベーンと、スワラベーンあたりに位置決めされる１つまたは複数の液体燃料インジェクタと、１つまたは複数の液体燃料インジェクタと連通する液体燃料の流れと、を含むことがある。

別の実施形態では、ガスタービンエンジンが開示される。ガスタービンエンジンは、圧縮機と、圧縮機と連通する燃焼器と、燃焼器と連通するタービンと、を含むことがある。燃焼器は、燃料ノズル組立体を含むことがある。燃料ノズル組立体は、外側環状シュラウドと内側環状ハブとの間に形成される予混合チャンバと、外側環状シュラウドと内側環状ハブとの間の予混合チャンバあたりに配設される幾つかのスワラベーンと、スワラベーンあたりに位置決めされる１つまたは複数の液体燃料インジェクタと、１つまたは複数の液体燃料インジェクタと連通する液体燃料の流れと、を含むことがある。

別の実施形態によれば、ガスタービンエンジン用の燃料ノズル組立体が開示される。燃料ノズルは、外側環状シュラウドと内側環状ハブとの間に形成される予混合チャンバと、外側環状シュラウドと内側環状ハブとの間の予混合チャンバあたりに配設される幾つかのスワラベーンと、スワラベーンの後縁あたりに位置決めされる１つまたは複数の液体燃料インジェクタと、１つまたは複数の液体燃料インジェクタと連通する液体燃料の流れと、を含むことがある。液体燃料は、液相の蒸留物、バイオディーゼル、エタノール、重炭酸ガス、またはそれらの組合せを含むことがある。１つまたは複数の燃料インジェクタは、噴霧によって液体燃料の流れを予混合／蒸発チャンバの中に注入することがある。

本開示の他の実施形態、態様、および特徴については、以下の詳細な説明、添付の図面、および添付の特許請求の範囲から、当業者には明らかとなるであろう。

ここで必ずしも縮尺通りでない添付の図面に言及する。

実施形態に係るガスタービンエンジン例を概略的に示す図である。実施形態に係る燃焼器の断面例を概略的に示す図である。実施形態に係る予混合燃料ノズルの断面例を概略的に示す図である。実施形態に係る燃料噴射器の断面例を概略的に示す図である。実施形態に係る燃料噴射器の断面例を概略的に示す図である。実施形態に係る燃料噴射器の断面例を概略的に示す図である。実施形態に係る１つまたは複数の燃料噴射器の断面例を概略的に示す図である。実施形態に係るスワラの断面例を概略的に示す図である。

ここで、例証的な実施形態について、実施形態のすべてではなく幾つかを示している添付の図面を参照してより詳細に下で説明する。本開示は、多くの異なった形式に具現化されることがあり、本明細書に記載された実施形態に限定されると解釈すべきではない。同様の数字は、全体にわたって同様の要素を指す。

ここで、図面を参照すると、そこでは同様の数字が幾つかの図面全体にわたって同様の要素を指しているが、図１は、本明細書で使用されることのあるようなガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことがある。圧縮機１５は、入ってくる空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０の流れを燃焼器２５に送達する。燃焼器２５は、圧縮された空気２０の流れを加圧した燃料３０の流れと混合させて、この混合物を点火して、燃焼ガス３５の流れを作り出す。単一の燃焼器２５だけが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、周方向配列でまたは別のやり方で配置される任意の数の燃焼器２５を含むことがある。燃焼ガス３５の流れは、ひいてはタービン４０に送達される。燃焼ガス３５の流れは、機械的な仕事を産出するようにタービン４０を駆動する。タービン４０で産出される機械的な仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を駆動すると共に、発電機や同種のものなどの外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々なタイプの合成ガス、および／または、他のタイプの燃料あるいはそれらの混合物を使用することがある。ガスタービンエンジン１０は、それらに限定されないが、７シリーズまたは９シリーズのヘビーデューティ型ガスタービンエンジンや同種のものなどのガスタービンエンジンを含む、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙｏｆＳｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ、ＮｅｗＹｏｒｋによって提供される幾つかの異なったガスタービンエンジンのうちのいずれか１つであることがある。ガスタービンエンジン１０は、異なった構成を有することがあり、他のタイプの部品を使用することがある。他のタイプのガスタービンエンジンについては、本明細書で使用してもよい。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、および他のタイプの発電機器については、本明細書で協働して使用してもよい。

図２は、上で説明したガスタービンエンジン１０および同種のものと共に使用され得るような燃焼器２５の一例の概略断面を示す。燃焼器２５は、頭部端部の端部カバー５２からタービン４０あたりの後部端部の移行部片５４まで延びることがある。幾つかの燃料ノズル５６は、端部カバー５２あたりに位置決めされることがある。ライナ５８は、燃料ノズル５６から移行部片５４に向けて延びることがあり、また、燃焼ゾーン６０をその中に画定することがある。ライナ５８および移行部片５４は、流れスリーブ６２によって取り囲まれることがある。ライナ５８、移行部片５４および流れスリーブ６２は、圧縮機１５または別のものからの空気２０の流れのために流れ経路６４をその間に画定することがある。外側ケーシング６６は、流れスリーブ６２を一部取り囲むことがある。任意の数の燃焼器２５については、本明細書で周方向配列でおよび同種のもので使用してもよい。上で説明しているように、空気２０の流れおよび燃料３０の流れは、燃焼ガス３５の流れを作り出すために燃焼器２５の中で点火させることができる。本明細書で説明する燃焼器２５は、例としての目的のためだけである。他のタイプの部品および他の構成を備えた燃焼器については、本明細書で使用してもよい。

図３は、本明細書で説明されているような予混合燃料ノズル１００の断面例を概略的に示す。予混合燃料ノズル１００は、燃焼器２５または同種のものと共に使用されることがある。燃焼器２５は、任意の数の予混合燃料ノズル１００を任意の構成で含むことがある。

一般に説明されるように、予混合燃料ノズル１００は、外側環状シュラウド１０２を含むことがある。外側環状シュラウド１０２は、その上流端部の空気入口１０４から延びることがあり、また、その下流端部の燃焼ゾーン６０あたりで終わることがある。外側環状シュラウド１０２は、内側環状壁またはハブ１０６を取り囲むことがある。ハブ１０６は、その上流端部の燃料ノズルフランジ１０８から延びることがあり、また、外側環状シュラウド１０２の端部の上流で終わることがある。外側環状シュラウド１０２およびハブ１０６は、予混合チャンバ１１０をその間に画定することがある。予混合チャンバ１１０は、圧縮機１５または他のところからの空気２０の流れと連通することがある。

予混合燃料ノズル１００は、異なったタイプの流体の流れのための独立した通路を画定する幾つかの管を含むこともある。例えば、予混合燃料ノズル１００は、幾つかの燃料回路を画定する幾つかの管を含むことがある。管は、任意の適切な寸法、形状、または構成を有することがある。例えば、パイロット燃料通路１１２は、予混合燃料ノズル１００の中央を燃料ノズルフランジ１０８からパイロット先端１１４まで貫通して延びることがある。パイロット先端１１４は、直接注入パイロットノズルを含むことがある。即ち、パイロット燃料通路１１２およびパイロット先端１１４は、燃焼ゾーン６０への直接注入のための液体燃料もしくはガス燃料または他のタイプの流体の流れのために使用されることがある。例えば、パイロット燃料通路１１２は、水の流れを含むことがある、および／または、他のタイプの流体については、本明細書で使用できる。他の通路については、本明細書で使用してもよい。他の部品および他の構成については、本明細書で使用してもよい。

幾つかのスワラベーン１１６は、ハブ１０６から外側環状シュラウド１０２までまたはそのあたりに延びることがある。スワラベーン１１６は、任意の適切な寸法、形状、または構成を有することがある。大いに詳細に下で論じられるように、幾つかの燃料インジェクタ１１８は、スワラベーン１１６のあたりに位置決めされることがある。例えば、各スワラベーン１１６は、１つまたは複数の燃料インジェクタ１１８を含むことがある。例によっては、各スワラベーン１１６は、１０、２０、３０、４０、５０以上の燃料インジェクタ１１８を含むことがある。任意の数の燃料インジェクタ１１８については、本明細書で使用してもよい。実施形態によっては、燃料インジェクタ１１８は、スワラベーン１１６あたりの同一径方向場所に周方向配列で配置されることがある。他の例では、燃料インジェクタ１１８は、スワラベーン１１６あたりの幾つかの周方向配列で配置されることがある。燃料インジェクタ１１８は、スワラベーン１１６のあたりの任意の場所に任意の構成またはパターンで配設されることがある。

燃料インジェクタ１１８は、液体燃料を予混合チャンバ１１０の中に注入および噴霧するための液体燃料インジェクタとして機能することがある。いくつかの例では、燃料インジェクタ１１８は、各スワラベーン１１６の径方向中間点あたりに配設されることがある。他の例では、燃料インジェクタ１１８は、スワラベーン１１６の後縁あたりに配設されることがある。燃料インジェクタ１１８は、スワラベーン１１６の任意の場所に配設されることがある。燃料インジェクタ１１８は、液体燃料１２０の流れと連通することがある。例えば、予混合燃料ノズル１００は、液体燃料システム１２２を含むことがある。液体燃料システム１２２は、液体燃料（蒸留物、バイオディーゼル、エタノールまたは同種のものなどの）あるいは液体ガス（重炭酸ガス等々などの）であり得る液体燃料１２０の流れを提供することがある。液体燃料システム１２２は、液体燃料１２０を燃料インジェクタ１１８に提供し得る液体燃料通路１２４を含むことがある。例えば、液体燃料通路１２４は、ガス燃料ノズルフランジ１０８からスワラベーン１１６あたりの燃料インジェクタ１１８まで延びることがある。実施形態によっては、液体燃料通路１２４は、パイロット燃料通路１１２の一部分あたりにコイルを形成することがある。このように、スワラベーン１１６および燃料インジェクタ１１８は、液体燃料／空気の混合を提供することがある。空気２０の流れおよび液体燃料１２０の流れは、スワラベーン１１６のまたはその下流の予混合チャンバ１１０内で混合を始めて、燃焼ゾーン６０の中に流入することがある。他の部品および他の構成については、本明細書で使用してもよい。

図４は、予混合燃料ノズル１００の軸方向平面に沿ったスワラベーン１１６のうちの１つの断面例を概略的に示し、図５は、予混合燃料ノズル１００の径方向平面に沿ったスワラベーン１１６のうちの１つの断面例を概略的に示す。図４および５に示すように、燃料インジェクタ１１８は、両面型の噴霧器１２６を含むことがある。両面型の噴霧器１２６は、液体燃料通路１２４と連通する液体燃料コンジット１２８を含むことがある。液体燃料コンジット１２８は、スワラベーン１１６内に配設されるキャビティ１３０の中に出ることがある。こんな具合に、液体燃料１２０は、キャビティ１３０の中に出ることがある。キャビティ１３０は、第１のオリフィス１３２をスワラベーン１１６の第１の側１３４に、また、第２のオリフィス１３６をスワラベーン１１６の第２の側１３８に、含むことがある。第１のオリフィス１３２および第２のオリフィス１３６は、液体燃料１２０をスワラベーン１１６の両側で注入および噴霧することがある。

図６は、予混合燃料ノズル１００の径方向平面に沿ったスワラベーン１１６のうちの１つの断面例を概略的に示す。図６に示すように、燃料インジェクタ１１８は、片面型の噴霧器１４２を含むことがある。片面型の噴霧器１４２は、両面型の噴霧器１２６と同様であるが、片面型の噴霧器１４２が唯一のオリフィスをスワラベーン１１６の一方側に含み得ることを除く。例えば、片面型の噴霧器１４２は、液体燃料通路１２４と流体連通する液体燃料コンジット１４４を含むことがある。液体燃料コンジット１４４は、スワラベーン１１６内に配設されるキャビティ１４６の中に出ることがある。キャビティ１４６は、オリフィス１４８をスワラベーン１１６の第１の側１５０に含むことがある。スワラベーン１１６の第２の側１５２は、オリフィスを含まないことがある。オリフィス１４８は、液体燃料１２０をスワラベーン１１６の第１の側で注入および噴霧することがある。

図７は、予混合燃料ノズル１００の軸方向平面に沿ったスワラベーン１１６のうちの１つの断面例を概略的に示す。図７に示すように、燃料噴射器１１８は、一群の両面型の噴霧器１２６および／または片面型の噴霧器１４２を含むことがある。例えば、両面型の噴霧器１２６および／または片面型の噴霧器１４２は、連結コンジット１４０を経由して互いに連通することがある。このようにして、幾つかの両面型の噴霧器１２６および／または片面型の噴霧器１４２は、幾つかの連結コンジット１４０を経由して相互連結されることがある。

図８は、予混合燃料ノズル１００の径方向面に沿ったスワラベーン１１６の断面例を概略的に示す。図８は、スワラベーン１１６のあたりの燃料噴射器１１８の配置を示す。いくつかの例では、燃料噴射器１１８は、スワラベーン１１６のあたりの同じ径方向場所に単一の周方向配列で配置されることがある。例えば、燃料噴射器１１８は、Ｄ１またはＤ２に配置されることがある。他の例では、燃料噴射器１１８は、スワラベーン１１６のあたりの幾つかの周方向配列で配置されることがある。例えば、燃料噴射器１１８は、Ｄ１またはＤ２に配置されることがある。燃料噴射器１１８は、スワラベーン１１６のあたりの任意の場所に任意の構成またはパターンで配設されることがある。燃料噴射器は、片面型または両面型の噴霧器を含むことがある。

実施形態については、構造的な特徴および／または方法論的な行為に特有の言葉で説明してきたが、理解すべきことは、本開示が、説明されている特定の特徴や行為に必ずしも限定されないということである。むしろ、特定の特徴や行為は、本実施形態を実装する例証的な形式として開示されている。

１０ガスタービンエンジン
１５圧縮機
２０空気
２５燃焼器
３０燃料
３５燃焼ガス
４０タービン
４５シャフト
５０外部負荷
５２端部カバー
５４移行部片
５６燃料ノズル
５８ライナ
６０燃焼ゾーン
６２流れスリーブ
６４流れ経路
６６外側ケーシング
１００予混合ノズル
１０２外側環状シュラウド
１０６ハブ
１０８燃料ノズルフランジ
１１０予混合チャンバ
１１２パイロット燃料通路
１１４パイロット先端
１１６スワラベーン
１１８燃料インジェクタ
１２０液体燃料
１２２液体燃料システム
１２４液体燃料通路
１２６噴霧器
１２８液体燃料コンジット
１３０キャビティ
１３２第１のオリフィス
１３４第１の側
１３６第２のオリフィス
１３８第２の側
１４０連結コンジット
１４２噴霧器
１４４液体燃料コンジット
１４６キャビティ
１４８オリフィス
１５０第１の側
１５２第２の側

Claims

外側環状シュラウド（１０２）と内側環状ハブ（１０６）との間に形成される予混合チャンバ（１１０）と、
前記外側環状シュラウド（１０２）と前記内側環状ハブ（１０６）との間の前記予混合チャンバ（１１０）あたりに配設される複数のスワラベーン（１１６）と、
前記複数のスワラベーン（１１６）あたりに位置決めされる１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）と、
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）と連通する液体燃料の流れと、を含む、ガスタービンエンジン（１０）用の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の燃料インジェクタ（１１８）は、前記液体燃料の流れを前記予混合チャンバ（１１０）の中に注入および噴霧する、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、両面型の噴霧器を含む、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、片面型の噴霧器を含む、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、両面型の噴霧器および片面型の噴霧器の組合せを含む、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、一群の液体燃料噴霧器を含む、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、１つまたは複数の径方向場所に１つまたは複数の周方向配列で配置される、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、前記スワラベーン（１１６）の後縁あたりに配設される、請求項１記載の燃料ノズル組立体。
圧縮機（１５）と、
前記圧縮機（１５）と連通する燃焼器（２５）であって、前記燃焼器（２５）が、燃料ノズル組立体を含み、前記燃料ノズル組立体が、
外側環状シュラウド（１０２）と内側環状ハブ（１０６）との間に形成される予混合チャンバ（１１０）と、
前記外側環状シュラウド（１０２）と前記内側環状ハブ（１０６）との間の前記予混合チャンバ（１１０）あたりに配設される複数のスワラベーン（１１６）と、
前記複数のスワラベーン（１１６）あたりに位置決めされる１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）と、
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）と連通する液体燃料の流れと、を含む、燃焼器（２５）と、
前記燃焼器（２５）と連通するタービン（４０）と、を含むガスタービンエンジン（１０）。
前記１つまたは複数の燃料インジェクタ（１１８）は、前記液体燃料の流れを前記予混合チャンバ（１１０）の中に注入および噴霧する、請求項９記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、両面型の噴霧器を含む、請求項９記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、片面型の噴霧器を含む、請求項９記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、両面型の噴霧器および片面型の噴霧器の組合せを含む、請求項９記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、一群の液体燃料噴霧器を含む、請求項９記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、１つまたは複数の径方向場所に１つまたは複数の周方向配列で配置される、請求項９記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、前記スワラベーン（１１６）の後縁あたりに配設される、請求項９記載の燃料ノズル組立体。
外側環状シュラウド（１０２）と内側環状ハブ（１０６）との間に形成される予混合チャンバ（１１０）と、
前記外側環状シュラウド（１０２）と前記内側環状ハブ（１０６）との間の前記予混合チャンバ（１１０）あたりに配設される複数のスワラベーン（１１６）と、
前記複数のスワラベーン（１１６）の後縁あたりに位置決めされる１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）と、
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）と連通する液体燃料の流れと、を含み、
前記液体燃料が、液相の蒸留物、バイオディーゼル、エタノール、重炭酸ガス、またはそれらの組合せを含み、
前記１つまたは複数の燃料インジェクタ（１１８）が、前記液体燃料の流れを前記予混合チャンバ（１１０）の中に注入および噴霧する、ガスタービンエンジン（１０）用の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、両面型の噴霧器、片面型の噴霧器、またはそれらの組合せを含む、請求項１７記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、１つまたは複数の連結コンジットによって相互連結される一群の液体燃料噴霧器を含む、請求項１８記載の燃料ノズル組立体。
前記１つまたは複数の液体燃料インジェクタ（１１８）は、１つまたは複数の径方向場所に１つまたは複数の周方向配列で配置される、請求項１７記載の燃料ノズル組立体。