JP4440780B2 - ガスタービン燃焼システムのための一体型燃焼器及びノズル - Google Patents

Description

本発明は、発電用ガスタービン燃焼システムの分野に関し、さらに詳細には、第１段ノズルのようなタービンノズルと一体化されたガスタービン燃焼器に関する。

現代の乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ガスタービン燃焼システム用の燃焼システムは、大型で複雑且つ高価である。本願の一部として引用する、本出願人の所有になる米国特許第６，２１７，２８０号（発明者Little：公開番号（第２００１／００３２４５０号）に開示されるように、図示の従来型構成のガスタービン燃焼システムは当業者によく知られた技術により発電を行う。

この複雑な装置は、圧縮機組立体、移行部を備えた燃焼器組立体または環状燃焼器、及び第１のタービン組立体を有する主要な燃焼タービンを含む。流路は、圧縮機、燃焼器組立体、移行部及び第１のタービン組立体を通って延びており、第１のタービン組立体は中央シャフトにより圧縮機組立体に機械的に結合されている。外側ケーシングが圧縮空気プレナムを形成するが、このプレナムは中央シャフトの周りに円周方向に位置する複数の燃焼器組立体及び移行部を包囲する。

このタイプのガスタービン燃焼システムは、低いｐｐｍのＮＯｘを放出する乾式低ＮＯｘ（ＤＮＬ）システムとして動作する。ＮＯｘ放出物が低ｐｐｍであることは運転時に厳しい環境基準を維持するために必要である。そのため、これらのガスタービン燃焼システムは複雑であり、保守コストが高くなる。ガスタービン燃焼システムのサイズ及び複雑さを軽減し、現代のガスタービン燃焼システムの乾式低ＮＯｘ特性を犠牲にせずに短いガスタービンをより少ない数の部品で製造できるようにすることが望ましい。
米国特許第２６５８３３８号は、燃焼室からノズルへ燃焼生成物が送り込まれるガスタービンを開示している。

発明の概要

本発明は、現代のタービンシステムの乾式低ＮＯｘ特性を犠牲にせずに短いガスタービンをより少ない数の部品で製造可能にする、サイズ及び複雑さを減少させたガスタービン燃焼システムを提供する。製造者のコスト削減及びそれに続く節約は、業界に転嫁されて発電コストをガスタービンが据え付けられる発電所の寿命全体にわたり減少することが可能である。

本発明の１つの局面によると、発電用のガスタービン燃焼システムは、空気を受けて圧縮する圧縮機と、圧縮機に接続され、前記圧縮機からの圧縮空気流が第１の空気流と第２の空気流とに分割され前記第１の空気流を受ける第１段タービンノズルと、前記第１段タービンノズルの周りで半径方向外側に位置して、前記第２の空気流を受ける円環状燃焼室とより成り、前記第２の空気流は空気と燃料が混合される前記燃焼室を通過し、燃焼して、半径方向内向きに前記第１段タービンノズル内へ放出され、第１段タービンノズルを介する前記第１の空気流と混合されると共に乾式低ＮＯｘ燃焼が達成される。

第１の空気流の第１段タービンノズルを通過する時の速度は、第１の空気流と第２の空気流の間にそれらの間に適当な空気流の分割を達成するに十分な空気力学的圧力を発生させるものである。燃焼室は、第１の空気流と混合するために第１段タービンノズルで放出される空気に半径方向内向きの流れを発生させるように構成されている。本発明の１つの局面において、燃焼室内の燃料対空気の比率は化学量論比以下に維持される。燃焼室内の燃料対空気の比率は約０．１８乃至約０．３６である。

好ましくは、燃焼室は該燃焼室の冷却を助けるために圧縮機から圧縮空気がその上を通過する裏側冷却表面を有する。燃焼室に位置する触媒表面は、燃料と空気の混合物に接触して燃料の触媒反応を開始させ維持する。燃焼室はさらに、触媒表面が位置する内壁を有する。本発明のさらに別の局面において、燃焼室はさらに、触媒表面の冷却を助けるために圧縮空気がその上を通過する裏側冷却表面を有する。

本発明のさらに別の局面において、空気は圧縮機の出口拡散器により偏向されて第２の空気流となり、該第２の空気流は空気と燃料が混合される燃焼室を通過し、燃焼して、第１段タービンノズルで放出され、第１段タービンノズルを流れる第１の空気流と混合される。これはまた、裏側冷却表面の上を流れて燃焼室を冷却する。

ガスタービン燃焼システムを発電のために作動する方法は、圧縮機からの圧縮空気を第１段タービンノズルを通過する第１の空気流と、圧縮空気を第１段タービンノズルの周りで半径方向外側に位置する円環状燃焼室を通過して燃料と混合され燃焼されるようにする第２の空気流とに分割するステップを含む。燃焼後の混合物は、半径方向内向きに第１段タービンノズル内へ放出されて第１の流れと混合されると共に乾式低ＮＯｘ燃焼が達成される。

本発明を、好ましい実施例を示す添付図面を参照して以下に詳しく説明する。しかしながら、本発明は多数の異なる形態での実施が可能であり、図示説明する実施例に限定されると解釈すべきでなく、これらの実施例は開示を完全に、また当業者に本発明の範囲を完全に伝達するように提供されるものである。同様な参照番号は全体を通して同様な構成要素を指示する。

図１は本発明の典型的な産業用ガスタービン燃焼システム１０を示すが、このシステムでは、圧縮空気の流れが圧縮機の出口拡散器１２を出て燃焼器ケーシング１４内の大きな体積部に流入した後、燃焼器バスケット１６を通過し、そこで公知のＤＬＮシステム２０（それぞれそれ自身の燃料供給マニホルドを備えている）のパイロットと３つの段１８を介して点火される。空気と燃料の混合物は、移行部２２を経てタービンの第１段ノズル２４に流入する。当業者に知られているように、バイパスシステム２６は幾分かの燃焼ケーシング空気をバイパスする。トルク管状シャフト２８は圧縮機１２ａへ動力を伝達する。

本発明は、燃焼システムのサイズ及び複雑さを減少させて、ガスタービン燃焼システムのＤＬＮ（乾式低ＮＯｘ）特性を犠牲にせずに少ない部品により短いガスタービンを構成できるようにする。製造者のコスト削減及びその後の節約は業界に転嫁できるため、ガスタービン燃焼システムが据え付けられる発電所の寿命にわたり発電コストが大きく減少する。

本発明では、濃厚燃料状態で作動する燃焼器をタービンの第１段ノズルと一体化することが可能であるが、これは、ノズル組立体の周りを燃焼室により「円環状」または「ドーナツ状」に包み、空気力学的圧力による力を用いて燃焼生成物を燃焼が完了する動翼通路内に差し向けるのを支援することにより可能となる。図２は、本発明のガスタービン燃焼システム３０を示す。このシステムでは、図１に示す複雑な燃焼器組立体が第１段タービンノズルに完全に一体化された図２に示す燃焼器組立体３２により置き換えられている。

本発明において、圧縮機３５の出口拡散器３４から出る圧縮空気は２つの流路に分割される。圧縮機３６からの空気の一部は、第１の空気流３８としてタービンの第１段ノズル３９を流れる。圧縮機３５からの圧縮空気の実質的に残りの部分は、第２の空気流４２として第２の空気流チャンネル４０へ向けられ、燃焼室３３がほぼ第１段タービンノズル３９上に「ドーナツ状」または「円環状」に（または他の同様な適当な幾何学的形状に）配置された燃焼組立体３２内に流入する。当業者に知られた方法またはノズル装置を用いることにより燃料が燃料ノズル３９ａを介して注入される。燃焼器組立体３２は、各第１段タービンノズルと連通する流路を形成し、かくして各第１段タービンノズル３９の空気と燃料３９ｂがタービン３９ｃに流入する領域で空気流３８及び４２を結合する。これらのコンポーネントは、第１段タービンノズル３９上を流れる空気により発生される空気力学的圧力による力が所望の如く空気流を効率よく分割するために第１の空気流３８と第２の空気流４２との間に十分な圧力差を与えるようにガスタービン燃焼システム内に配置される。

所要量の空気は円環状の燃焼室３３に流入し、圧縮空気と燃焼生成物とは、空気が第１段タービンノズル３９を流れる主要な圧縮機送出空気内に取り込まれるように半径方向で内向きに流れる。

以下に述べるように、乾式低ＮＯｘを達成するためには２つの択一的なアプローチが存在する。図２は、装置の長さを大きく減少し、燃焼器ケーシングのサイズを最小限に抑え、燃料供給システムを単純化し、複雑なバスケット及び移行部を不要にする本発明の基本的構造を示す。

図３Ａ及び３Ｂに示す第１の実施例は濃厚急冷希薄燃焼(rich quench lean combustion)を利用する。本発明のこの実施例では、全ての燃料を、燃焼室３３を形成する第２の流れチャンネル４０内に流入する圧縮空気に導入する。燃料と空気が効率よく混合され（当業者に知られた方法により）、燃料が濃厚な可燃性混合物が得られる。この混合物を、第１段タービンノズル３９の周りを「ドーナツ状」または「円環状」で取り囲む燃焼室内で点火し燃焼させる。

本発明の１つの局面において、濃厚燃料状態は燃料対空気比率（Ｆ／Ａ）を化学量論比以下、典型的には０．１８乃至０．３６（等価比が１．３乃至３．０）の範囲内に維持することにより確立する。これらの状態は約１６００°Ｆ乃至約３５００°Ｆの燃焼温度に相当する。これらの濃厚燃料燃焼状態の下では、熱ＮＯｘは生成されない。燃焼室３３内に含まれる高温燃焼ガスは、第１段タービンノズル３９のノズル構造を介してまたはその上を半径方向内向きに流れ、第１段タービンノズルの空気流内に取り込まれてそれと混合される。

濃厚燃料の燃焼生成物３３ｂ（図３Ａ及び３Ｂ）は、第１段タービンノズルの空気流３８と接触しそれと混合されると反応して、さらなる燃料エネルギーを放出し、燃焼プロセスを完了する。急冷燃焼生成物３３ｃを形成する急冷も幾分か起こる。混合ガス温度は濃厚燃料のガス流の化学量論に応じて増加または減少する。２つのガス流が迅速に混合されるため、このプロセスではＮＯｘはほとんどまたは全く発生しない。図３Ａ及び３Ｂはまた、必要であれば、圧縮機３５から燃焼室３３の裏側冷却表面３３ｄに沿って冷却空気４５を流すことにより、圧縮機送出空気を用いて燃焼室３３及び第１段タービンノズルの高温表面を冷却できることを示す。図３Ｂに示すように、幾分かの冷却空気４５は流れを指示する矢印で示すようにノズル３９の領域内に流入する。

触媒燃焼を用いる本発明の第２の実施例を図４Ａ及び４Ｂに示す。この実施例において、触媒活性表面５０は燃焼室に一体化されているため、濃厚燃料ガスが触媒活性表面５０と接触して燃料の触媒酸化反応を開始させ維持する。燃料の炭化水素成分の２０％乃至４０％を反応させるに十分な触媒表面が設けられているため、熱を放散され、改質された燃料またはガス４７の平均温度が約１６００°Ｆまたはそれより高い温度に上昇する。触媒プロセスには有意なＮＯｘ発生はない。

この実施例において、圧縮機の出口拡散器３４からの空気の一部を裏側冷却表面３３ｄに沿って流して触媒作用を有する基層を適当な温度条件に維持することにより、触媒活性表面５０を冷却する。触媒活性材料として、Ｐｔ及びＰｄまたは他の貴金属（当該技術分野で知られた）を用いることができる。この冷却空気はこのプロセスで加熱され、高温の改質燃料と混合される。これらの高温燃焼ガスは、ノズル構造３９の中またはその上を半径方向内側に流れ、タービン第１段ノズルの空気流に取り込まれてそれと混合する。濃厚燃料の燃焼生成物は、第１の空気流であるタービン第１段ノズルの空気流と接触しそれと混合されると反応してさらなる燃料エネルギーを放出し、自動点火燃焼プロセス４８として燃焼プロセスを完了する。２つのガス流が迅速に混合されるため、このプロセスではＮＯｘはほとんどまたは全く発生しない。

触媒表面の裏側を冷却するために多くの特定の幾何学的形状（管、チャンネル、板など）を使用できるが、好ましい実施例では、燃焼室３３の内壁に触媒作用を有する被覆を設ける。第２の空気流のための第２の流路を形成する圧縮機の出口拡散器３４の空気流の一部を、図示のように裏側冷却のための冷却空気４５として用いる。これは逆方向の流れで効果的に実現できるが、これは熱伝達の分野の当業者によく知られた方法である。この加熱空気は、高度の渦流成分をもって、「ドーナツ状」または「円環状」の、触媒物質を被覆した燃焼室３３に導入される。燃料は、その流路においてまたはその流路に沿って混合が効率良く行われるようにまた渦流を増加（または駆動）するように導入される。この濃厚燃料の混合物は、燃焼室の触媒物質を被覆した壁と接触して触媒反応を引き起こす。高度渦流成分により、触媒表面への効果的な酸素質量伝達が確保され、触媒反応及び燃料変換（現代の触媒燃焼反応器の設計を制限するファクタである）が維持される。

本発明の多数の変形例及び他の実施例は、上記説明及び関連の図面に提示された教示を見れば当業者が想到できるであろう。従って、本発明は図示説明した特定の実施例に限定されず、頭書の特許請求の範囲内に変形例及び実施例が包含されることを理解されたい。

典型的な従来技術の産業用ガスタービン及びその基本的構成を示す断片的な部分断面立面図である。 ガスタービン燃焼器が第１段タービンノズルと一体化された本発明の産業用ガスタービンの断片的な部分断面立面図である。 「円環状」または「ドーナツ状」の燃焼室の断片的な部分断面図であり、本発明の第１の実施例による静翼を示す。 第１の実施例による第１段タービンノズルの静翼の中間部の断片的な部分断面図である。 「円環状」または「ドーナツ状」の燃焼室の断片的な部分断面図であり、触媒ライナーまたは要素が燃焼室の内側表面に沿って配置された本発明の第２の実施例による静翼を示す。 第２の実施例による第１段タービンノズルの静翼の中間部の断片的な部分断面図である。

Claims (18)

1. 空気を受けて圧縮する圧縮機と、
   圧縮機に接続され、前記圧縮機からの圧縮空気流が第１の空気流と第２の空気流とに分割され前記第１の空気流を受ける第１段タービンノズルと、
   前記第１段タービンノズルの周りで半径方向外側に位置して、前記第２の空気流を受ける円環状燃焼室とより成り、
   前記第２の空気流は空気と燃料が混合される前記燃焼室を通過し、燃焼して、半径方向内向きに前記第１段タービンノズル内へ放出され、第１段タービンノズルを介する前記第１の空気流と混合されると共に乾式低ＮＯｘ燃焼が達成されるガスタービン燃焼システム。
2. 第１の空気流の第１段タービンノズルを通過する時の速度は、第１の空気流と第２の空気流の間にそれらの間に適当な空気流の分割を達成するに十分な空気力学的圧力を発生させるものである請求項１のガスタービン燃焼システム。
3. 第１段タービンノズルは、第１の空気流と混合するために第１段タービンノズルで放出される空気に半径方向内向きの流れを発生させるように構成されている請求項１のガスタービン燃焼システム。
4. 燃焼室内の燃料対空気の比率は化学量論比以下に維持される請求項１のガスタービン燃焼システム。
5. 燃焼室内の燃料対空気の比率は約０．１８乃至約０．３６である請求項４のガスタービン燃焼システム。
6. 燃焼室はさらに、該燃焼室の冷却を助けるために圧縮機から圧縮空気がその上を通過する裏側冷却表面を有する請求項１のガスタービン燃焼システム。
7. 燃焼室はさらに、燃料の触媒反応を開始させ維持させるために燃料と空気の混合物に接触する燃焼室内の触媒表面を有する請求項１のガスタービン燃焼システム。
8. 燃焼室はさらに、触媒表面が位置する内壁を有する請求項７のガスタービン燃焼システム。
9. 燃焼室はさらに、触媒表面の冷却を助けるために圧縮空気がその上を通過する裏側冷却表面を有する請求項８のガスタービン燃焼システム。
10. ガスタービン燃焼システムの作動方法であって、
    圧縮機からの圧縮空気を第１段タービンノズルを通過する第１の空気流と、圧縮空気を第１段タービンノズルの周りで半径方向外側に位置する円環状燃焼室を通過して燃料と混合され燃焼されるようにする第２の空気流とに分割し、
    燃焼した混合物を半径方向内向きに第１段タービンノズル内へ放出して第１の空気流と混合すると共に乾式低ＮＯｘ燃焼を達成するステップより成るガスタービン燃焼システムの作動方法。
11. 第１の空気流を第１段タービンノズルの上を流すことによって十分な空気力学的圧力を発生させ、第１の空気流と第２の空気流の間にそれらを適当に分割するに十分な圧力差を得るステップをさらに含む請求項１０の方法。
12. 燃焼室内の燃料と空気の比率を化学量論比以下に維持するステップをさらに含む請求項１０の方法。
13. 燃焼室内の燃料と空気の比率を約０．１８乃至約０．３６に維持するステップをさらに含む請求項１２の方法。
14. 燃料の一部を第１段タービンノズルを通過する第２の空気流と混合して燃焼プロセス条件の制御を助けるステップをさらに含む請求項１０の方法。
15. 燃焼室の裏側冷却表面上に圧縮機からの空気を通過させることにより燃焼室の冷却を助けるステップをさらに含む請求項１０の方法。
16. 燃焼室内に位置する触媒表面に空気及び燃料混合物を接触させることにより燃焼室内の燃料の触媒反応を開始させ維持するステップをさらに含む請求項１０の方法。
17. 触媒表面は燃焼室の内壁上に位置する請求項１６の方法。
18. 燃焼室の裏側に沿って冷却空気を逆方向に流すことにより触媒表面の冷却を助けるステップを有する請求項１０の方法。

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