JP4744953B2

JP4744953B2 - ガスタービン燃焼器用多ベンチュリ管燃料インジェクタ

Info

Publication number: JP4744953B2
Application number: JP2005189089A
Authority: JP
Inventors: コンスタンティン・アレクサンドル・ディヌ; アイリス・ツィチン・ヒュ; ジェイムズ・マイケル・ストーレイ; トーマス・レイモンド・ファレル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: JP2006029773A; US6983600B1; US20060000216A1; CN1715758A; CN100529548C

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器用燃料インジェクタに関し、具体的には、触媒式及び乾式低ＮＯｘ用途に適した多ベンチュリ管燃料インジェクタに関する。

ガスタービン用燃焼器の主要構成部品、例えば触媒燃焼器は、（１）一般的に燃料の僅かな部分を燃焼させて下流の触媒を活性化させるのに足りるだけ空気温度を上昇させる発散型燃焼器を構成することができるプレバーナと、（２）主燃料インジェクタを含み、燃料と空気との混合を達成する予混合器と、（３）窒素酸化物が全く発生しない無火炎反応で部分的に燃料を改質する触媒と、（４）比較的低い燃焼温度のためにＮＯｘを発生しない、触媒後方ライナ内における触媒から流れる希薄燃料／空気混合気の均一燃焼を含むバーンアウト区域とを含む。この形式の燃焼器では、発生エミッションを極めて低くすることができる。

触媒燃焼器では、主燃料インジェクタとしてこれまて多ベンチュリ管が用いられてきた。例えば、特許文献１を参照されたい。これらの構成は、触媒入口において一様な燃料／空気混合気を供給することを目的としている。触媒入口における広い断面積全体にわたって、厳密な燃料分布の一様性が維持されなければならないことが分かるであろう。燃料／空気の混合は、燃焼器の断面を埋め尽くす多数のベンチュリ管間に燃料を分布させることと、続いてベンチュリ管内部においてまたベンチュリ管出口平面と触媒入口との間の下流領域において空気力学的に混合することとによって達成される。一様な燃料／空気混合気に加えて、触媒は、触媒入口平面全体にわたる一様な温度及び一様な速度を必要とする。これらの要因のいずれか１つでも欠けると、触媒は最適に機能しない。また、多ベンチュリ管により層流が生成され、この層流が、大規模な混合を抑制しかつ流れを事前調整して、ディフューザ部出口と触媒入口との間で局所的混合のみを達成することができるようにすることも分かるであろう。つまり、その断面領域内での混合が、制約される。例えば、流れの領域が、残りの流れに比較して高温又は高速である場合には、熱又は速度の分布不良が、触媒入口において有害なものとなるであろう。
特開平０１−１６３４２６号米国特許出願第１０／６４８２０３号

従って、触媒入口に対して改善した一様な燃料／空気、温度及び速度分布をもたらすガスタービン燃焼器用燃料インジェクタの必要性がある。

本発明の好ましい態様によると、燃焼器内には、流れ調整器と、多側面を備えたディフューザ部を有するベンチュリ管構成と、改良型燃料回路との組合せが設けられる。流れ調整器は、２００３年８月２７日に出願された係属中の米国特許出願第１０／６４８２０３号に記載されかつ図示されている形式のものとすることができ、この特許出願の開示内容は参考文献として本明細書中に組入れられる。流れ調整器に加えて、錐台状断面構成を有する多ベンチュリ管は、燃料／空気の混合を高め、触媒入口において燃料／空気、速度及び温度の一様な分布をもたらし、かつ保炎問題を排除するために設けられる。ベンチュリ管構成は、再循環領域、すなわち出口平面内及び該出口平面の下流におけるベンチュリ管間の流れギャップを排除し、同時に保炎の可能性を排除する。ベンチュリ管は、様々なベンチュリ管間の燃料分布を改善し、また構造体のろう付け継手を熱遮蔽することによって機械的耐久性も向上させる３体構造を有する。ベンチュリ管燃料回路には、間隔を置いて配置された軸方向前方及び後方壁間に形成された、ベンチュリ管を囲む主燃料プレナムと、ベンチュリ管の収束入口部への燃料供給入口との間に二次プレナムを設ける。各ベンチュリ管内に二次プレナムを設けることによって、プレナム内への燃料取入れの平面は、ベンチュリ管内への燃料噴射の平面から最大利用可能距離だけ離される。また、低温燃料流を燃料プレナムの低温側に沿って導き、それによって前部及び後部プレートのろう付け継手における熱応力を最小にする。

本発明の好ましい態様によると、ガスタービン用燃焼器を提供し、本ガスタービン用燃焼器は、フローライナを含み、圧縮機吐出空気を受けるようになった燃焼器ハウジングと、フローライナの下流に配置され、圧縮機吐出空気を受けかつ空気と燃料とを混合するようになった主燃料インジェクタと、主燃料インジェクタの下流に配置され、該主燃料インジェクタから空気及び燃料の混合気を受けるようになった触媒セクションとを含み、主燃料インジェクタは、（ｉ）その各々が収束入口部、スロート部及びディフューザ部を含み、それらを通して燃料／空気混合気をほぼ軸方向に流して該ディフューザ部から流出させるようになったベンチュリ管の列と、（ｉｉ）前部プレートと、（ｉｉｉ）エンクロージャによって囲まれ、前部プレートとの間に燃料供給プレナムを形成した後部プレートとを含み、各プレートは、ベンチュリ管を受けるための複数の開口を有し、各ベンチュリ管入口部は、スロート部から軸方向上流の位置において燃料供給プレナムから該ベンチュリ管入口部内に燃料を供給するための少なくとも１つの燃料供給孔を有する。

本発明の別の態様によると、ガスタービン用燃焼器を提供し、本ガスタービン用燃焼器は、フローライナを含み、圧縮機吐出空気を受けるようになった燃焼器ハウジングと、フローライナの下流に配置され、圧縮機吐出空気を受けるようになった主燃料インジェクタと、主燃料インジェクタの下流に配置され、該主燃料インジェクタから空気及び燃料の混合気を受けるようになった触媒セクションとを含み、主燃料インジェクタは、燃焼器軸線の周りに配置されたベンチュリ管の列を含み、各ベンチュリ管は、燃料／空気混合気を流すようになった収束入口部、スロート部及びディフューザ部と、燃料を該ベンチュリ管内に流すようになった燃料供給孔とを含み、ディフューザ部は、該ディフューザ部に沿って多数の個別の角度交差側壁を有し、ベンチュリ管の列は、軸線の周りに互いに円周方向並列状態でかつ互いに半径方向に間隔を置いて配置される。

良く知られているように、典型的なガスタービンは、タービンの軸線の周りに配置され、燃料／空気混合気を燃焼させかつタービン段の高温ガス流路に沿って流れるように移行部品を通して燃焼の生成物を流すようになった円周方向に間隔を置いて配置された燃焼器の列を有し、それによってエネルギーを含む流れがタービンロータを回転させる機械的エネルギーに変換される。タービン用圧縮機は、燃料と混合するためにその加圧空気の一部を燃焼器の各々に供給する。タービン用燃焼器の１つの一部分が図１に示されており、タービン用の残りの燃焼器は同様に構成されることが分かるであろう。より小型のガスタービンは、図１に示す構成を有する燃焼器を１つのみ備えるように構成することができる。

図１を参照すると、全体を符号１０で表した燃焼器は、内部フローライナ１４を有するプレバーナセクション１２を含む。ライナ１４は、プレバーナセクション１２内に流すための圧縮機吐出空気を受けるようになった複数の穴１６を有する。プレバーナセクション１２はまた、燃料をプレバーナセクションに供給するようになったプレバーナ燃料ノズル１８を含む。プレバーナセクションからの燃焼生成物の流れは、中心にピークを持つ流れ分布、すなわち流れ速度及び温度分布の両方を有し、このことにより、追加燃料インジェクタ、例えば特開平０１−１６３４２６号に記載されかつ図示されているベンチュリ管燃料タイプのインジェクタに対する所望の一様な流れが得られない。主燃料インジェクタは、図１に符号２０で表しており、その一部の態様が本発明の好ましい実施形態に従っている多ベンチュリ管構成の一部を形成する。プレバーナセクション１２からの空気及び燃焼生成物と燃料インジェクタ２０からの燃料とは、触媒又は触媒セクション２２に流れる。結果として、入口における触媒セクション２２への流れには一様性が欠如している。このような一様性を得ようとする１つの努力により、プレバーナセクション１２と燃料インジェクタ２０との間の、全体を符号２４で表した流れ制御装置の設計が得られた。流れ制御装置２４の詳細は、「ガスタービン燃焼器用流れ制御装置」として２００３年８月２７日に出願した米国特許出願第１０／６４８２０３号に見出すことができ、この特許出願の内容は、参考文献として本明細書中に組入れられる。

主燃料インジェクタ２０の一部を形成する多ベンチュリ管構成２１（以後はＭＶＴ）への入口には、燃料／空気の流れを調整して最適の混合と触媒セクション２２への入口における流れ及び温度の一様な分布とを得るのに役立つ多孔プレート２４が設けられる。

主燃料インジェクタ２０は、一対の軸方向に間隔を置いて配置された多孔プレート、すなわち前部プレート３０及び後部プレート３２（図１、図３及び図５）を含む。プレート３０及び３２は、多孔にされて、軸方向に整列した環状列の開口、例えば図４におけるプレート３０の開口３４を形成する。プレナム３８を形成するケーシング３６は、それぞれ前部及び後部プレート３０及び３２の外縁部を囲みかつ該外縁部に固定される。図２及び図４に示すように、例えば４つとして示している複数の燃料入口４０が、ケーシング３６の周辺部の周りに等間隔で配置されて燃料をプレナム３８に供給するようになる。

プレート３０及び３２を貫通する開口は、その全体を符号４２で表したベンチュリ管によって閉じられ、ＭＶＴ２１の一部を形成する。従って、プレート３０及び３２を貫通する各対の軸方向に整列した開口３４は、ベンチュリ管４２を受ける。各ベンチュリ管は、収束入口セクション４４、スロート部４６及び発散セクションすなわちディフューザ部４８を含む。各ベンチュリ管は、３部品構造であり、第１の部品は、入口収束部４４を含み、第２の部品は、スロート部及びディフューザ部４６及び４８を含み、また第３の部品は、環状ベンチュリ管部材すなわち本体５０を含む。本体５０は、前部及び後部プレート３０及び３２内の軸方向に整列した開口の各々間で延び、例えばろう付けによってそれらプレートに固定される。ベンチュリ管４２の収束入口セクション４４は、本体５０の突出部５４にねじ止めされた入口フランジ５２を含む。一体形のそれぞれスロート部及びディフューザ部４６及び４８は、入口部４４の後端部を囲み、好ましくは該後端部にろう付けして固定された、その前端部における拡大直径部５６を有する。

前部及び後部プレート３０及び３２間の、かつ各ベンチュリ管の環状本体５０の周りの空間は、燃料入口４０と連通状態になった主燃料プレナム６０を構成することが分かるであろう。主燃料プレナム６０は、環状本体５０を貫通する開口６２と、本体５０と入口部４４との間に形成されたミニ燃料プレナム６４と、入口セクション４４の前端縁に隣接して形成された供給孔６６とを介して各入口セクション４４と連通状態になっている。燃料供給孔６６は、入口部４４の周りで互いに円周方向に間隔を置いて配置され、その数が４つであることが好ましい。ベンチュリ管への燃料入口孔６６は、スロート部４６の上流にかつ入口セクション４４の収束区域内に設置されることが分かるであろう。燃料／空気の混合の大きな改善が、燃料噴射孔６６をベンチュリ管の収束入口セクション内に設置することによって、流れ剥離又は有害な保炎事象を生じることなしに達成される。

燃料入口プレナム３８からの燃料は、前部及び後部プレート３０及び３２間でかつ環状本体５０の周りで循環して、燃料開口６２と、入口セクション４４と環状本体５０との間のミニプレナムと、燃料入口孔６６とを介してベンチュリ管４２内に流れるようになる。ベンチュリ管の収束セクションへの入口に隣接して設置された燃料入口孔の場合には、燃料は、空気側の圧力が、例えばスロート部における静圧と比較してより高い領域内に噴射される。各ベンチュリ管内で起こる燃料／空気の混合の大きさは、噴流貫入に直接関連し、この噴流貫入は次に、燃料噴射孔６６の内外側間の圧力比と、噴流と主フローストリームとの間の噴流運動量比とに応じて決まることが分かるであろう。圧力比を増大させまた燃料噴射を空気流分布と関係のないものにするために、燃料孔は、スロート部の上流に設置される。従って、燃料は、空気側の圧力がスロート部における静圧と比較してより高い領域内に噴射され、従って、同一の燃料側有効面積の場合には、圧力比が増大する。最適の圧力比−円周方向到達範囲が得られる。空気速度もまた、スロート部におけるよりも低く、従ってベンチュリ管入口セクション４４に隣接した燃料の噴流は、運動量比の観点からより良好な状態を生じる。さらに、この燃料入口位置による空気燃料混合の改善は、混合時間を増大させること、すなわち管の全長が同一の場合にベンチュリ管内部での実際の移動距離を増大させることによっても達成される。

さらに、ベンチュリ管４２は、２つのプレート３０及び３２間に固定されて、プレートとベンチュリ管の外部表面との間に主燃料プレナム６０を形成する。燃料は、外径からプレナム６０内に導入される。ベンチュリ管が燃料を供給されるときに、幾分か軸対称の燃料の全体的な流れが、プレナムの外径からＭＶＴの中心に向かって起こる。従って、ベンチュリ管内への燃料噴射孔はその中で全体的なプレナム流れが起こる平面から空間的に位置がずれているので、ベンチュリ管スロート部における燃料噴射の場合に起こる混合性能上のマイナス面をもつ、管の周りでの及び管の間での燃料流れに起こる可能性がある不均衡が、回避される。最後に、燃料入口噴射孔６６は、ベンチュリ管入口セクション４４に隣接して設置されるため、燃料噴流が誘起するベンチュリ管内部での流れ剥離の可能性は、大いに減少する。

次に図２、図６及び図７を参照すると、各ディフューザ部４８は、スロート部４６における円形形状から出口におけるほぼ台形形状に移行する。つまり、ディフューザ部４８は、スロート部における円形形状から多数の個別の角度交差（ａｎｇｕｌａｒｌｙｒｅｌａｔｅｄ）した側面７０（図７）に移行する。側面７０は、円周方向に間隔を置いた半径方向に延びる側壁７２と半径方向に間隔を置いた円周方向に延びる互いに対向する円弧形側壁７４とで終わる。図示するように、ディフューザ部４８は、円形スロート部面積からそれらの出口におけるほぼ台形面積に移行することによって軸対称の幾何学形状が得られるような円形パターンとして配置される。半径方向及び円周方向の両方向における隣接するベンチュリ管間のあらゆるギャップが、図２及び図７で解るように実質的に排除される。従って、図７に示すように、各ベンチュリ管出口における各ディフューザ部の半径方向に延びる壁７２は、円周方向に隣接するディフューザ部の対応する壁７２と接触状態になり、かつ該対応する壁７２に固定される。同様に、各ディフューザ部出口の円弧形壁７４は、次の半径方向に隣接するディフューザ部出口の隣接する壁７４と接触状態になる。また、ベンチュリ管は、軸線の周りで異なる半径での円形列のパターンで配置される。従って、半径方向及び円周方向に隣接するディフューザ部出口壁間のギャップは、出口平面において最小にされるか又は排除される。これ迄は、例えば特開平０１−１６３４２６号に示されているように、ベンチュリ管ディフューザ部の出口平面は、円形出口間に大きなギャップを有していた。それらのベンチュリ管間ギャップは、出口平面の下流に大きな再循環領域を形成し、この大きな再循環領域が、円形ベンチュリ管からの流出流によって満たされていた。ベンチュリ管のスロート部における円形断面からベンチュリ管の出口平面におけるほぼ台形に移行させて、円周方向及び半径方向に隣接するベンチュリ管出口間のギャップを最小にするか又は排除した状態にすることによって、ベンチュリ管出口の下流に形成されていたこれらの従来の大きな再循環領域と保炎の危険性とが、大いに減少されるか又は排除される。さらに、各ベンチュリ管を、多部品構造の形態、すなわち入口部４４と組合せスロート及びディフューザセクション４６、４８との形態として形成することによって、入口部４４は、調整、改造又は試験の自由度の目的で取外すことが可能になることも分かるであろう。

さらに、図３を良く見ると、ベンチュリ管出口は、外径に向かってかつ上流方向に階段状になっている。つまり、ベンチュリ管出口は、燃焼器を通る流れに垂直な平面からの軸方向の間隔が半径方向外向き上流方向に増大するように、該平面から間隔を置いて配置される。これによって、隣接するベンチュリ管間のあらゆるギャップをさらに減少させることが可能になる。また、半径方向外側ベンチュリ管をより短くすることによって、出口ディフューザ部の角度は、例えば約７．８度まで減少され、それによって出口ディフューザ部内での流れ剥離の可能性を低下させる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の好ましい態様による多ベンチュリ管構成を組入れた、ガスタービン内で使用する触媒燃焼器の一部分を一部破断しかつ断面で示した部分斜視図。多ベンチュリ管構成の斜視図。図２に示す多ベンチュリ管構成の断面図。図３のほぼ線４−４で取った、多ベンチュリ管構成の断面図。ベンチュリ管及び燃料プレナムを一部断面で示した部分拡大図。ベンチュリ管の発散チューブの部分の部分斜視図。上流方向に見た、多ベンチュリ管の発散セクションの部分拡大端面図。

符号の説明

１０燃焼器
１２プレバーナセクション
１４フローライナ
１６ライナの穴
１８プレバーナ燃料ノズル
２０燃料インジェクタ
２１多ベンチュリ管構成（ＭＶＴ）
２２触媒セクション
２４流れ制御装置
３０前部プレート
３２後部プレート
３６ケーシング
３８燃料プレナム
４０燃料入口
４２ベンチュリ管
４４収束入口部
４６スロート部
４８発散ディフューザ部

Claims

フローライナを含み、圧縮機吐出空気を受けるようになった燃焼器ハウジングと、
前記フローライナの下流に配置され、前記圧縮機吐出空気を受けかつ空気と燃料とを混合するようになった主燃料インジェクタと、
前記主燃料インジェクタの下流に配置され、該主燃料インジェクタから空気及び燃料の混合気を受けるようになった触媒セクションと、を含み、
前記主燃料インジェクタが、
（ｉ）その各々が収束入口部、スロート部及びディフューザ部を含み、それらを通して燃料／空気混合気をほぼ軸方向に流して該ディフューザ部から流出させるようになったベンチュリ管の列と、
（ｉｉ）前部プレートと、
（ｉｉｉ）ケーシングによって囲まれた後部プレートであって、前記前部プレートとの間に燃料供給プレナムを形成した後部プレートとを含み、
各前記プレートが、前記ベンチュリ管を受けるための複数の開口を有し、
各前記ベンチュリ管入口部が、前記スロート部から軸方向上流の位置において前記燃料供給プレナムから該ベンチュリ管入口部内に燃料を供給するための少なくとも１つの燃料供給孔を有しており、前記燃料供給プレナムと前記燃料供給孔との間で連通状態になった二次プレナムを含む、
ガスタービン用燃焼器。
各前記ベンチュリ管が、前記収束入口部の周りに配置されたベンチュリ管部材を含み、前記部材が、前記二次プレナムと連通した開口を含み、前記二次プレナムが、前記入口部と前記部材との間に位置している、請求項１記載の燃焼器。
前記入口部内の１つの燃料供給孔が、軸方向に前記スロート部よりも前記入口部への入口開口により近接して設置されている、請求項１記載の燃焼器。
各前記ベンチュリ管が、前記収束入口部の周りに配置されたベンチュリ管部材を含み、前記部材が、前記二次プレナムと連通した開口を含み、前記二次プレナムが、前記入口部と前記部材との間に位置し、前記部材と各ベンチュリ管の入口部とが互いにねじ止めされ、前記ディフューザ部と前記スロート部とが互いにろう付けされている、請求項１記載の燃焼器。
各前記ディフューザ部が、前記スロート部から離れた出口で終わる多数の個別の角度交差した側壁を有する、請求項１記載の燃焼器。
各前記ディフューザ部が、該ディフューザ部に沿って多数の個別の角度交差側壁を有し、前記ベンチュリ管の列が、軸線の周りに互いに円周方向並列状態でかつ互いに半径方向に間隔を置いて配置されている、請求項１記載の燃焼器。
各ディフューザ部の角度交差側壁が、前記スロート部から離れた出口で終わり、前記スロート部が円形断面を有し、また前記ディフューザ部が、前記スロート部から前記出口まで滑らかに移行している、請求項６記載の燃焼器。
前記ディフューザ部の側壁が、２つの対向する半径方向に間隔を置いた円弧形壁表面と一対の直線状に延びる円周方向に間隔を置いた側壁表面とを含む、請求項７記載の燃焼器。
前記ベンチュリ管が、前記軸線の周りでほぼ同心の列として配置され、前記ベンチュリ管のスロート部が、前記軸線に垂直な共通平面内に位置し、前記ベンチュリ管が、軸方向に段差配列された出口開口を形成する前記多数の角度交差側壁で終わり、半径方向最内側ベンチュリ管の前記出口開口がその対応するスロート部から間隔を置いて配置された距離が、半径方向最外側出口開口がその対応するスロート部から間隔を置いて配置された距離よりも大きい、請求項７記載の燃焼器。