JP4049209B2 - ガス燃料の希薄直接噴射を有する予混合乾式ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はガス及び液体燃料タービンに関し、特に、発電所で用いられる工業用ガスタービンの燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人を含めガスタービン製造業者は、望ましくない大気汚染排出物を生じることなく高効率で運転できる新しいガスタービンの製造の研究並びに技術プログラムに現在取り組んでいる。従来の炭化水素燃料を燃焼するガスタービンによって通常生じる主な大気汚染排出物は、窒素酸化物、一酸化炭素、及び不燃焼炭化水素である。大気抽入エンジンの分子窒素の酸化は、燃焼系反応領域の最大高温ガス温度及び燃焼器内で最高温度に達する反応物の滞留時間に大きく依存することは当業界で周知である。熱ＮＯx の形成は、反応領域の温度を熱ＮＯx が形成されるレベルより下に維持するか、又は、ＮＯx 形成反応が進むには不十分になるような高温での滞留時間を非常に短かく維持することにより最小のレベルにする。
【０００３】
加熱エンジン燃焼器の反応領域の温度を熱ＮＯx が形成されるレベルより下になるように制御する好まし方法の一つは、燃焼前に燃料と空気を予混合して希薄混合物にすることである。１９８１年１０月付けの米国特許第４，２９２，８０１号の記載をここに参照するが、それには希薄予混合燃焼技術に基づく先駆的な燃焼器の設計の一つであるガスタービン用二段−二重モード低ＮＯx 燃焼器が記載されている。１９９３年１１月付けの米国特許第５，２５９，１８４号の記載もここに参照するが、それにはガスタービン用の乾式低ＮＯx 単一段−二重モード燃焼器の構成が記載されている。希薄予混合燃焼器の反応領域内の過剰な空気の熱質量は熱を吸収し、熱ＮＯx が形成されないレベルまで燃焼生成物の温度上昇を減少する。この技術を以ってしても、最も進んだ高効率工業用ヘビーデューティー・ガスタービンにとって、最大負荷時の燃焼器出口／第１段タービン入口での燃焼生成物の所要温度は非常に高く、燃焼器は反応領域内で最高ガス温度で運転しなければならず、この温度は熱ＮＯx 形成閾値温度を越え、たとえ燃料と空気を予混合希薄にしてもかなりのＮＯx の形成をもたらす。解決すべき課題は、著しい量の熱ＮＯx を形成させることなく、燃焼器出口温度を十分高くし得て最も進んだ高効率工業用ヘビーデューティー・ガスタービンエンジンを最大負荷で運転することである。
【０００４】
空気中の炭化水素燃料の希薄予混合燃焼は、ガスタービン燃焼器に対する大気汚染物質レベル、特に熱ＮＯx 排出レベルを減少させる方法としてガスタービン工業界全体に広く用いられている。炭化水素燃料と空気の希薄直接噴射（ＬＤＩ）も、希薄予混合燃焼ほど効果的ではないが、ガスタービン燃焼装置に対するＮＯx 排出レベルを減少させる効果的方法であることが示されている。ＬＤＩ燃料噴射器集成体の例が、１９８７年東京国際ガスタービン会議での「希薄一次領域：圧力損出及び滞留時間が燃焼性能及びＮＯx 排出に与える影響」と題する文献に記載されているので、その記載をここに参考の為に挙げる。本発明は、最も進進んだ高効率工業用ヘビーデューティー・ガスタービンエンジンを高負荷で運転する時、非常に低い大気汚染物質排出レベル、特に窒素酸化物、を達成する為にこれら二つの技術、即ち、希薄予混合燃焼及び希薄直接噴射を新規、且つ、独特な方法で組み合わせたものである。
【０００５】
【発明の概要】
【０００６】
【発明の目的】
本発明の目的は、炭化水素燃料と空気の希薄混合物の予混合燃焼と、燃焼過程の後期の希薄予混合燃焼生成物中への炭化水素燃料と空気の直接噴射とを組み合わせて、これにより、最も進んだ高効率工業用ヘビーデューティー・ガスタービンエンジンを高負荷で運転した時、大気汚染物質、特に窒素酸化物、の排出を非常に低くできる燃焼装置を製造することである。更に、本発明はこの目的を達成しながら、燃料／空気混合が十分に希薄であるため反応領域での熱ＮＯx 形成が無視し得るようにして予混合燃焼反応領域を動作させ、且つ、ガスタービンの入口温度の要求を満たすのに必要な量だけ、全体的に予混合反応領域の燃料／空気混合物の濃度を越える濃度で全燃焼装置を動作させる。本発明は、タービンの入口温度の要求が非常に高く、希薄予混合燃焼だけで非常に低いＮＯx 排出レベルを達成する可能性を排除するような用途に特に有利である。
【０００７】
これらの目的及び他の目的は、ガスタービンの負荷範囲に基づいて決められる複数のガスタービン・モードで動作し得る一次燃焼装置と、複数のガスタービン・モードのうちの高負荷範囲モードで選択的に動作し得る二次燃焼装置を含むガスタービンに対する燃焼器を提供することにより達成される。
燃焼器は更に、開放端と他端に固定された端カバー集成体を有する燃焼器ケーシング、ケーシング内に装着された流れスリーブ、流れスリーブ内にあって少なくとも一次反応領域を画定する燃焼器ライナーを備えることができる。一次燃焼装置は好ましくは、ケーシングに固定され、且つ、端カバー集成体の軸方向下流に配置されたスリーブ・キャップ集成体と、少なくとも一つの始動燃料ノズルと、一次反応領域に連通する予混合燃料ノズルを含む。これに関して、各予混合燃料ノズルは入ってくる空気に回転を与える複数の旋回羽根を含むスワーラーと、回転する空気流に燃料を分布する複数の燃料スポークを好ましくは含んでいる。燃焼器ライナーは一次反応領域の下流で二次反応領域を画定することもできる。このような状態で、二次燃焼装置は二次反応領域に連通する希薄直接噴射（ＬＤＩ）燃料噴射器集成体を含んでいる。ＬＤＩ燃料噴射器集成体は好ましくは空気マニホールド、燃料マニホールド、及び空気マニホールドと燃料マニホールドと連通する複数の燃料／空気噴射スポークを含む。複数の燃料／空気噴射スポークは燃焼器ライナーを貫通して二次反応領域に燃料及び空気を導入する。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、入口空気を圧縮する圧縮機部、圧縮機部の下流に配置されて圧縮された入口空気を受け取る燃焼部、及び燃焼部の下流に配置されて燃焼部から高温燃焼生成物を受け取るタービン部を含むガスタービンが提供される。燃焼部は本発明による燃焼器を複数個円周方向に離隔配置した円形配列を含む。
【０００９】
本発明の更に別の態様によれば、本発明によるガスタービン燃焼器での燃焼方法が提供される。その方法は、（ａ）タービンの低負荷範囲モードで、始動燃料ノズルに燃料を供給し、一次反応領域内で燃料を空気と混合し、（ｂ）タービンの中間負荷範囲モードで、予混合燃料ノズルに燃料を供給し、一次反応領域に入る前に燃料と空気とを予混合し、そして、（ｃ）タービンの高負荷範囲モードで、工程（ｂ）を行った後、二次燃料と空気を二次燃焼装置に供給し、二次反応領域に燃料及び空気を導入する。
【００１０】
本発明の他の態様と利点は添付図面を関する以下の詳述からさらに明らかとなろう。
【００１１】
【本発明を実施する最適例】
次に本発明の好ましい実施例の一例が添付図面に示されているが、この例で詳細に説明する。
周知のように、ガスタービンは圧縮機部、燃焼部、及びタービン部を含む。圧縮機部は共通の軸接続によりタービン部により駆動される。燃焼部は典型的には円周方向に離隔した複数の燃焼器の円形配列を含む。各燃焼器で燃料／空気混合物は燃焼され、高温のガス・エネルギ流を生じ、このエネルギ流が、ガスをタービン部のタービン動翼に流すために遷移部を通って流れる。従来の燃焼器は前述の米国特許第５，２５９，１８４号に記載されている。本記載の目的で一つだけ燃焼器を示すが、タービンの周りに配列された他の燃焼器も全て例示の燃焼器と略同じである。
【００１２】
図１について説明すると、希薄予混合燃焼器集成体１２、二次、即ち、希薄直接噴射（ＬＤＩ）燃料噴射器集成体５０、並びに、高温燃焼ガスをタービンノズル１１及びタービン動翼（図示せず）に流す遷移部材１８を含むガスタービンエンジン用燃焼器が全体に１０で示されている。希薄予混合燃焼器集成体１２はケーシング２０、端カバー２２、複数の始動燃料ノズル２４、複数の予混合燃料ノズル１４、キャップ集成体３０、流れスリーブ１７、及びスリーブ１７内の燃焼ライナー２８を含む。適当なキャップ集成体は米国特許第５，２７４，９９１号に記載され、ここに参考に挙げる。点火装置（図示せず）も設けられるが、好ましくは電気で付勢する点火プラグからなる。希薄予混合燃焼器集成体１２での燃焼は燃焼ライナー２８内で生じる。燃焼空気は流れスリーブ１７を介して燃焼ライナー２８内に向けられ、キャップ集成体３０に設けられた複数の開口を通して燃焼ライナーに入る。空気はキャップ集成体３０を横切る差圧により燃焼ライナーに入り、燃焼ライナー２８内の始動燃料ノズル２４及び／又は、予混合燃料ノズル１４からの燃料と混合する。従って、燃焼反応は燃焼ライナー２８内で起こり、ガスタービンを駆動するための熱を放出する。希薄予混合燃焼器集成体１２に対する高圧空気は環状プレナム２から流れスリーブ１７と遷移部材衝突スリーブ１５に入る。この高圧空気は、１３の位置の一連の静翼及び動翼及びディフューザ４２で代表される圧縮機により供給される。
【００１３】
各予混合燃料ノズル１４は、入ってくる空気に回転を与える複数の旋回羽根からなるスワーラー４と、回転する空気の流れに燃料を分布する複数の燃料スポーク６を含んでいる。次いで、燃料と空気は、一次反応領域８内で反応する前に、予混合燃料ノズル１４内の環状通路で混合する。
ＬＤＩ燃料噴射器集成体５０がガスタービン高負荷状態で運転するために設けられる。図２及び図３を説明すると、ＬＤＩ燃料噴射器集成体５０は、空気マニホールド５１、燃料マニホールド５２、及び燃焼ライナー２８を貫通し、追加の燃料及び空気を燃焼器集成体内の二次反応領域１９へ導入する複数の燃料／空気噴射スポーク５３を含む。この二次燃料／空気混合物は一次反応領域８を出る高温燃焼生成物によって点火され、その結果生じる二次的な炭化水素燃料の酸化反応は遷移部材１８内で完了する。二次燃料は複数の燃料オリフィス５７を通して二次空気に噴射され、二次燃料と二次空気の組み合わせが、各燃料／空気噴射スポーク５３の複数の空気オリフィス５６を通って二次反応領域１９内へ噴射される。
【００１４】
ガスタービンの運転には、ガスタービンの負荷範囲に依存する三つの異なる運転モードがある。第一運転モードは低タービン負荷（ベース負荷の約０乃至３０％）で、初期始動期間である。このモードでは、炭化水素燃料は始動燃料ノズル２４に供給され、燃焼空気は、始動燃料ノズル２４からの燃料と混合するために、キャップ集成体３０の複数の開口を通して燃焼ライナー２８に与えられる。拡散炎反応が燃焼ライナー２８内の一次反応領域８の所で生じる。この反応は、電気で付勢する点火プラグにより開始される。
【００１５】
中間範囲運転状態（ベース負荷の約３０乃至８０％）では、炭化水素燃料は燃料スポーク６を介して予混合燃料ノズル１４に供給される。予混合燃料ノズル１４は炭化水素燃料をスワーラー４からの空気と混合する。燃料と空気の混合物は、始動燃料ノズル２４からの拡散炎の存在下で点火する。予混合燃焼反応が開始されると、炭化水素燃料は始動燃料ノズル２４から予混合燃料ノズル１４へ転換される。それから一次反応領域８内の拡散炎は消滅し、一次反応領域８内の燃焼反応は完全に予混合になる。一次反応領域８に入る燃料／空気混合物は希薄なので、燃焼反応温度は低すぎて熱ＮＯx は著しい量では発生しない。炭化水素燃料酸化反応は燃焼ライナー２８の一次反応領域８内で完成する。従って、中間負荷状態の期間では、燃焼反応温度は低すぎて熱ＮＯx は著しい量では発生しない。
【００１６】
高負荷状態（ベース負荷の約８０％からピーク負荷）下では、前述したように予混合燃焼が行われる。更に、炭化水素燃料と空気がＬＤＩ燃料噴射器集成体５０に供給される。ＬＤＩ燃料噴射器集成体５０は二次燃料及び空気を二次反応領域１９に導入し、ここで中間負荷及び高負荷状態で燃焼ライナー２８内に存在する高温により自動点火が生じる。二次炭化水素燃料の酸化反応は遷移部材１８内で完成する。遷移部材１８へ入る二次燃料／空気混合物は希薄なので、燃焼反応温度は、化学量論的炎温度より低く、熱ＮＯx の形成する割合は低い。遷移部材１８に滞留する時間は短かく、且つ、熱ＮＯx の形成する割合は低いので二次燃料燃焼期間は非常にわずかの熱ＮＯx しか形成されない。
【００１７】
従って、ＮＯx の排出は、高点火温度、高効率工業用ヘビーデューティー・ガスタービンの中間負荷及び高負荷運転範囲を通して実質的に最小にされるか、無くされることが分かるであろう。このことは、簡単に、効率的に、且つ本質的に公知のガスタービン構成要素の独特な協調によって達成された。本発明の一次燃焼装置として用いられる希薄予混合燃焼及び本発明の二次燃焼装置として用いられる希薄直接燃料噴射は共にガスタービン工業においてＮＯx 減少法として良く知られている。本発明は、現在の技術の、高効率工業用ヘビーデューティー・ガスタービンに対する、ＮＯx 排出レベルを極めて低くするためにこれら二つの方法を新規且つ独特に組み合わせたものである。
【００１８】
以上、本発明の最も実際的且つ好適実施例と現在考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲にの思想及びその範囲に含まれる様々な改変と均等な構成が包含されることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成されたガスタービンの部分を形成する希薄予混合燃焼器の概略を示す断面図である。
【図２】図１の線２ー２に沿ってとった断面図である。
【図３】図２からとった燃料／空気噴射スポークの断面図である。
【符号の説明】
８ 一次反応領域
１０ 燃焼器
１２ 希薄予混合燃焼器集成体
１４ 予混合燃料ノズル
１８ 遷移部材
１９ 二次反応領域
２４ 始動燃料ノズル
５０ 希薄ＬＤＩ燃料噴射器集成体

Claims (3)

1. 燃料及び空気の混合物を一次反応領域（ 8 ）内で燃焼し、ガスタービンの負荷範囲に基づいて決められる複数のガスタービンモードで動作可能な一次燃焼装置（ 12 ）と、
   複数のガスタービンモードのうち高負荷状態に対応する高負荷範囲モードで動作する二次燃焼装置（ 50 ）とを含み、
   前記二次燃焼装置は、希薄直接噴射（ＬＤＩ）燃焼装置を含み、
   前記ＬＤＩ燃焼装置は、空気マニホールド（ 51 ）と、燃料マニホールド（ 52 ）と、前記空気マニホールド（ 51 ）及び燃料マニホールド（ 52 ）と通じた燃料／空気噴射スポーク（ 53 ）と、を備え、前記一次反応領域（ 8 ）下流の二次反応領域（ 19 ）内に二次燃料及び二次空気の混合物を導入する
   ガスタービン燃焼器。
2. 入口空気を圧縮する圧縮機部、圧縮機部の下流に配置されて圧縮された入口空気を受け取り該空気及び燃料の混合物が燃焼される一次反応領域（ 8 ）を備える燃焼部、及び燃焼部の下流に配置されて燃焼部から高温燃焼生成物を受け取るタービン部を含むガスタービンであって、
   前記燃焼部が、ガスタービンの負荷範囲に基づいて決められる複数のガスタービンモードで動作可能な一次燃焼装置（ 12 ）と、
   複数のガスタービンモードのうち高負荷状態に対応する高負荷範囲モードで動作する二次燃焼装置（ 50 ）とを含み、
   前記二次燃焼装置は、希薄直接噴射（ＬＤＩ）燃焼装置を含み、
   前記ＬＤＩ燃焼装置は、空気マニホールド（ 51 ）と、燃料マニホールド（ 52 ）と、前記空気マニホールド（ 51 ）及び燃料マニホールド（ 52 ）と通じた燃料／空気噴射スポーク（ 53 ）と、を備え、前記一次反応領域（ 8 ）下流の二次反応領域（ 19 ）内に二次燃料及び二次空気の混合物を導入する、ガスタービン。
3. 複数のガスタービンモードで動作可能な一次燃焼装置（ 12 ）と、少なくとも一つの始動燃料ノズルと、一次反応領域（ 8 ）に連通する複数の予混合燃料ノズルと、前記一次燃焼装置（ 12 ）下流の二次燃焼装置（ 50 ）の二次反応領域（ 19 ）に連通する希薄直接噴射（ＬＤＩ）燃焼装置とを含み、該ＬＤＩ燃焼装置が空気マニホールド（ 51 ）と燃料マニホールド（ 52 ）と前記空気マニホールド（ 51 ）及び燃料マニホールド（ 52 ）と通じた燃料／空気噴射スポーク（ 53 ）とを備える、ガスタービン燃焼器で燃焼する方法であって、
   （ａ）タービンの低負荷範囲モードで、前記少なくとも一つの始動燃料ノズルに燃料を供給し、一次反応領域内で燃料を空気と混合し、
   （ｂ）タービンの中間負荷範囲モードで、前記予混合燃料ノズルに燃料を供給し、一次反応領域（ 8 ）内で燃焼させるために、燃料と空気とを予混合し、次いで、
   （ｃ）タービンの高負荷状態に対応する高負荷範囲モードで、工程（ｂ）を行い、それから、二次反応領域（ 19 ）内で燃焼させるために、前記ＬＤＩ燃焼装置が前記一次反応領域（ 8 ）下流の二次反応領域（ 19 ）内に二次燃料及び二次空気の混合物を供給する工程、を含む方法。

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