JP4771771B2 - 燃焼器用の同心定量希釈噴射及び変量バイパス空気噴射 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジン燃焼器用の同心定量希釈噴射及び変量バイパス空気噴射に関する。

最近、ガスタービン製造業者は、望ましくない空気汚染排出物を発生せずに、高い効率で作動するような新規のガスタービンを製造するための研究及び設計を必要としている。従来型の炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンによって通常発生する主な空気汚染排出物は、窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素である。

一般的に、接触反応装置は、燃料及び空気混合気を低温で燃焼し、従って燃焼時に放出される汚染物質を低減するので、ガスタービンにおいては接触反応装置を使用して汚染物質の量を制御する。接触反応装置が古くなると、反応装置の有効性を最大にするために、時間の経過と共に反応装置を通って流れる反応物質の当量比（実燃料／空気比を燃焼の理論燃料／空気比で除算したもの）を増大させることが必要になる。
米国特許６，４４９，９５６号公報

本発明の例示的な実施形態は、ガスタービン用の燃焼器を含み、本燃焼器は、開口部を有する燃焼器本体と、燃焼器本体を囲みかつ該燃焼器本体との間に圧縮機吐出空気を運ぶための通路を形成したケーシングとを含む。ある量の圧縮機吐出空気を燃焼器本体内に供給するための少なくとも１つの噴射管が設けられ、噴射管は、開口部とケーシングとの間に配置される。カラーは、通路の位置に配置され、噴射管がカラーを貫通するように該噴射管を囲む。カラーと噴射管との間にギャップが配置される。カラーは、複数の孔を有する。

本発明の別の例示的な実施形態は、ガスタービンにおいて燃焼をクエンチングする方法を含み、本方法は、一定量の圧縮機吐出空気をガスタービンの燃焼器の本体内に供給する段階と、可変量の圧縮機吐出空気を本体内に供給する段階とを含む。一定量の圧縮機吐出空気は、可変量の圧縮機吐出空気の周りに同心に配置され、本体内への噴射位置の各々における浮動カラー内の複数の孔によって供給される。

ガスタービンは一般的に、圧縮機セクション、燃焼セクション及びタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、一般的に共通シャフト結合を介してタービンセクションによって駆動される。燃焼セクションは一般的に、円周方向に間隔を置いて配置された燃焼器の円形配列を含む。燃料／空気混合気は、各燃焼器内で燃焼して高エネルギーガスを発生し、この高エネルギーガスは、移行部品を通ってタービンセクションに流れる。本説明の目的のために、１つだけの燃焼器を説明しかつ図示しているが、タービンの周りに配置された他の燃焼器の全てが互いにほぼ同一であることは分かるであろう。

ここで図１を参照すると、全体を符号１０で表したガスタービン用の燃焼器を示しており、燃焼器１０は、単一のノズル又は複数の燃料ノズル（図示せず）を有する燃料噴射組立体１２と、燃焼チャンバ１４内の第１の燃焼ゾーン、主燃料プレミキサ（ＭＦＰ）組立体２４の１部である円筒形本体組立体１６及び主燃焼チャンバ２９を含む内部ライナ組立体１３とを含む。燃料噴射組立体１２はまた、本体組立体１６を囲み、それによって本体組立体１６との間に通路１８、好ましくはアニュラス１８を形成するケーシング２０を含む。点火装置（図示せず）が設けられ、この点火装置は、タービン始動時にプレバーナ組立体１１内で燃料空気混合気に点火するための電気作動スパークプラグを含むのが好ましい。圧縮機４０から入口ダクト３８を介して受けた吐出空気４４は、アニュラス１８を通って流れ、第１の燃焼チャンバ１４上に設けられた複数の孔２２を通ってプレバーナ組立体１１及び本体１６に流入する。

圧縮機吐出空気４４は、キャップ組立体２１との間の圧力差により本体１６に流入して、燃料噴射組立体１２からの燃料と混合する。この混合気の燃焼は、プレバーナ組立体１１の本体１６内における第１の燃焼チャンバすなわち第１の燃焼ゾーン１４内において起こり、従って燃焼ガスの温度を触媒２７が反応するのに十分なレベルに上昇させる。第１の燃焼チャンバ１４からの燃焼空気は、主燃料プレミキサ（ＭＦＰ）組立体２４を通って流れ、次に触媒２７を通って燃焼用の主燃焼チャンバすなわち主燃焼ゾーン２９内に流入する。ＭＦＰ組立体２４内に追加の燃料を圧送して、第１の燃焼チャンバ１４を出る高温ガスと混合し、従って主燃焼チャンバ２９内で燃焼反応を生じさせる。その結果、高温の燃焼ガスは、移行部品３６を通って流れて、タービン（タービンの入口セクションを符号４２で示す）を駆動する。

ケーシング２０内に設置された開口部２５の配列（図２）を介してアニュラス１８からマニホールド２６内に所定量の圧縮機吐出空気４４を抽出し、バイパス導管３０の１つの端部とシール状態で組合わされた開口部２８内に導き、一方、バイパス導管３０の第２の端部は、噴射マニホールド３２につながっている。弁３１は、マニホールド２６からマニホールド３２に供給される空気の量を調整する。マニホールド３２に受けた空気４４は、複数の噴射管３３によって本体組立体１６内に噴射され、触媒２７をバイパスすることになる。この例示的な実施形態は噴射管３３として円形管を示しているが、噴射管は、空気が管を通って移動できるような中空である限り任意の形状とすることができ、必ずしも円形である必要はないことに注目されたい。噴射管３３及びマニホールド３２の各々は、ほぼ燃焼器中心線に垂直な共通軸平面内に位置する（同一平面内において本体組立体１６の周囲の周りに間隔を置いて配置される）。

図３を参照すると、各噴射管３３は、開口部３４を通して本体１６内に開口している。それぞれの噴射管３３とほぼ半径方向に整列した状態で噴射マニホールド上に取外し可能なフランジカバー２３を設けて、管へのアクセスを可能にする。噴射管３３は、ケーシング２０及び本体１６の周りの円周方向に間隔を置いた位置でフランジカバー２３によって噴射マニホールド３２の外側から取付けられる。例示的な実施形態では、ケーシング２０の周りに約９０度離して間隔を置いて配置された４つの噴射管がある。噴射した空気は、反応を冷却し、燃焼過程をクエンチング（消炎）する。

図３及び図４を参照すると、燃焼器の半分の断面を示している。このことは、符号５８で示した燃焼器中心線を参照すると明らかになる。噴射管３３の各々は、開口６１（例えば、孔、スロット等々）（カラー孔とも呼ばれる）を有する浮動カラー６０によって本体１６とインタフェースする。圧縮機吐出空気４４が浮動カラー６０に到達すると、空気４４は、所定量の空気６２及び可変量の空気６４として定められる。浮動カラー６０は、通路１８からの所定量の空気６２が燃焼器内の高温ガス路６３内に定常的に噴射されるのを可能にする。浮動カラー６０はまた、バイパス導管３０を通って流れかつ弁３１（図１参照）によって制御された可変量の空気６４が燃焼器の高温ガス路６３内に噴射されるのを可能にする。従って、浮動カラー６０は、可変量の空気６４と該可変量の空気６４の外側の周りで同心の環状空間内に位置する一定量の空気６２とが高温ガス路６３内に噴射されるのを可能にする。

噴射管３３は、ケーシング２０及び通路１８を貫通して本体１６まで挿入される。噴射管３３は、ケーシング２０に対して結合、例えば螺合される。例示的な実施形態では、本体１６と噴射管３３の端部６８との間にスペース６６が存在する。スペース６６は、燃焼器の作動時に噴射管３３及び本体１６が加熱され膨張したときに、噴射管３３が本体１６を越えて延びないようにするために存在している。

浮動カラー６０は、第１の端部７０において本体１６に取付けられ、かつ第２の端部７２において噴射管に対して載置される。カラー６０は、通路１８の位置において噴射管３３を囲む円筒形部材である。浮動カラー６０は、所定数の孔を有する。孔の数及び寸法は、定常的に燃焼器に供給されることになる空気６２の量（定量希釈流量）を決定するために変えることができる。例示的な実施形態では、孔６１は、直径が約０．６センチメートル〜約１．３センチメートルであり、カラー６０の傾斜部分８６内にカラー全体の周りに等間隔に配置された２列の１５〜２０個の孔がありまたカラー６０の直線部分８８内にカラー全体の周りに等間隔に配置された１列の１５〜２０個の孔があるように整列される。しかしながら、孔の寸法、数及び位置は、所望され又は必要とされる定量希釈流の量に応じて変ることになる。

例示的な実施形態では、浮動カラー６０は、保持クリップ８０によって本体１６に取付けられる。浮動カラー６０の両側に設置された２つの保持クリップ８０があるようにすることもできる。保持クリップ８０は、本体１６の延長部８２上に嵌められかつ浮動カラー６０の第１の端部７０におけるスロット８４内に嵌合される。保持クリップ８０は、延長部８２において所定の位置に溶接される。保持クリップ８０は、浮動カラー６０を回転しないようにかつ本体１６の延長部８２から浮き上がらないように保つことによって浮動カラー６０の運動を制限する。

さらに、本体１６内の開口部３４は噴射管の端部６８よりも大きいので、通路１８を貫通して本体１６まで噴射管を挿入する時に、ギャップ７８が形成される。燃焼器が作動している時に本体１６内に発生する熱膨張のため、開口部３４は、端部６８よりも大きくなっている。熱膨張はまた、燃焼器の状態に応じて、噴射管３３を開口部３４内で異なる位置に位置させることにもなる。従って、冷間状態時に、噴射管は開口部３４に対して一定の位置にあり、完全作動時には、噴射管は開口部３４に対して異なる位置に位置することになる。完全作動時に、噴射管３３の中心線は、開口部３４の中心線に位置するようにする。冷間状態においては、噴射管３３の中心線は、開口部３４の中心線からオフセットすることになる。

さらに、浮動カラーは、制御した状態の孔６１による以外は、空気４４が燃焼器内に漏洩しないようにギャップ７８を覆う。さらに、空気６２は、浮動カラー６０の孔６１を通って空洞９０内に流れるので、変量バイパス希釈流を囲む定量同心希釈流を供給するプレナムが形成される。プレナムは、噴射管３３の外側の周りのギャップ７８（又は環状空間）に空気の均一制御流を供給し、この制御流は、次に環状ジェットの形態で燃焼器流内に噴射される。

このように構成された浮動カラー６０を有することの利点は、カラー６０により、開口部３４に対する噴射管３３の位置に関係なく、変量バイパス流の周りに制御した量の定量同心希釈流が噴射されるようになることである。定量同心希釈流を有することによって、弁３１が作動するのに必要な移動範囲は、定量同心希釈流量が、弁３１を通る流れの中に含まれている場合よりも小さくなる。従って、適当な寸法の弁３１をその最高の精度範囲内で作動させることができ、そのことにより、変量バイパス流の微調整（より良好な制御）が可能になる。また、浮動カラー６０によって可能になった一定量の希釈流を有することによって、変量流のみに適応すればよいので、マニホールド２６及び３２、バイパス導管３０並びに弁３１の必要寸法が小さくなる。定量同心希釈流により、変量バイパス流の範囲全体にわたって、主燃焼流６３と混合するジェットの整合性を高めることが可能になる。

図６を参照すると、第２の実施形態を示し、ここでは、図１の燃焼器におけるのと同じ要素は、同じ参照符号の前に添字「１」を付加することによって示している。この実施形態では、燃焼器１１０は、主燃焼が起こる燃焼チャンバすなわち燃焼ゾーン１１４を含む。この実施形態では、触媒２７及びＭＦＰ組立体２４は存在しない。この実施形態では、アニュラス１１８からの圧縮機吐出空気は、マニホールド１２６内に流れ、マニホールド１２６から導管１３０を介して噴射管１１３を通って本体１１６内に流れ、燃焼チャンバ１１４をバイパスすることになる。さらに、圧縮機吐出空気と混合するために供給される燃料の全量は、触媒及びＭＦＰ組立体がない状態で、燃料噴射組立体１１２を通して噴射される。燃焼チャンバ１１４の位置は、必ずしも燃料噴射組立体１１２に極めて近接した位置である必要がないことが分かるであろう。むしろ、燃焼チャンバ１１４は、端部部材１４３とマニホールド１３２との間で本体１１６内に設置されればよい。同様に、燃焼過程をクエンチングするために燃焼チャンバをバイパスしている場合には、マニホールド１３２は、空気を本体１１６内に噴射するためにケーシング１２０に沿って適当に設置することができる。同一の浮動カラー６０（図２〜図５参照）は、燃焼器１１０の噴射管１３３に組込むことができる。

従って、本発明は、接触反応の有効性を最大にし、それによって燃焼器の効率を増大させる利点を有する。本発明はさらに、機械（タービン）の作動とは独立して、燃焼ゾーンに対する空気の制御能力を備えることによって、無触媒燃焼器における燃焼過程を制御する簡単な方法を提供する。

さらに、例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には明らかであろう。さらに、発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要素を本発明の教示に適応させるように、多くの修正を加えることができる。なお、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。さらに、第１の、第２の、等々の用語の使用は、何らの順番又は重要度を表すものではなくて、第１の、第２の、等々の用語は、１つの要素を他と区別するために使用している。

ガスタービンの一部分を形成する燃焼器の概略断面図。 圧縮機吐出空気を抽出するための開口部の配列を有する、図１の燃焼器ケーシングの断面図。 バイパス噴射方式の詳細図。 バイパス噴射方式として組立てられた浮動カラーの詳細断面図。 図４の浮動カラーの前面図。 燃焼器から接触反応装置を除去した、本発明の別の実施形態を示す図。

符号の説明

１０ 燃焼器
１１ プレバーナ組立体
１２ 燃料噴射組立体
１３ 内部ライナ組立体
１４ 燃焼チャンバ
１６ 燃焼器本体
１８ 通路
２０ ケーシング
２４ 主燃料プレミキサ組立体
２６ マニホールド
２７ 触媒
２９ 主燃焼ゾーン
３０ バイパス導管
３１ 弁
３２ マニホールド
３３ 噴射管
３４ 本体の開口部
４４ 圧縮機吐出空気
６０ 浮動カラー
６１ 浮動カラーの孔
６２ 一定量の空気
６３ 高温ガス路
６４ 可変量の空気
６６ スペース
７８ ギャップ

Claims (11)

1. ガスタービン用の燃焼器（１０）であって、当該燃焼器（１０）が、
   開口部（３４）を有する燃焼器本体（１６）と、
   前記燃焼器本体（１６）を囲みかつ前記燃焼器本体との間に圧縮機吐出空気（４４、６２、６４）を運ぶための通路（１８）を形成したケーシング（２０）と、
   前記開口部（３４）とケーシング（２０）との間に配置された、ある量の圧縮機吐出空気（６４）を前記燃焼器本体（１６）内に供給するための少なくとも１つの噴射管（３３）と、
   前記通路（１８）の位置に配置されたカラー（６０）と
   を含んでおり、前記カラー（６０）が、前記噴射管が該カラー（６０）を貫通しかつ該カラー（６０）と噴射管（３３）との間にギャップ（７８）が配置されるように該噴射管を囲んでいるとともに、前記カラー（６０）が複数の孔（６１）を有する、燃焼器（１０）。
2. 前記複数の孔（６１）が、一定量の圧縮機吐出空気（６２）が前記燃焼器本体（１６）内に定常的に供給される配置及び寸法にされている、請求項１記載の燃焼器（１０）。
3. 前記カラー（６０）が、第１の端部（７０）と第２の端部（７２）とを有し、前記第１の端部（７０）が前記燃焼器本体（１６）に取付けられ、また前記第２の端部（７２）が前記噴射管（３３）まで延びる、請求項１記載の燃焼器（１０）。
4. 前記第１の端部（７０）において前記カラー（６０）を燃焼器本体（１６）に結合する保持クリップ（８０）をさらに含む、請求項３記載の燃焼器（１０）。
5. 前記燃焼器本体（１６）の開口部（３４）の外径と前記噴射管（３３）の端部（６８）との間に配置されたスペース（６６）をさらに含む、請求項１記載の燃焼器（１０）。
6. 前記開口部（３４）が、前記噴射管（３３）の外側スパンよりも大きい、請求項１記載の燃焼器（１０）。
7. 前記カラー（６０）が、前記燃焼器本体（１６）に取付けられた直線部分（８８）と前記噴射管（３３）まで延びる傾斜部分（８６）とを含む、請求項１記載の燃焼器（１０）。
8. 前記燃焼器本体（１６）内に配置された、燃焼時に放出される汚染物質を制御するための触媒反応装置（２７）をさらに含む、請求項１記載の燃焼器（１０）。
9. 前記燃焼器本体（１６）内に、燃料及び空気の主燃焼のための燃焼ゾーン（１４）をさらに含む、請求項１記載の燃焼器（１０）。
10. 前記少なくとも１つの噴射管（３３）からの前記圧縮機吐出空気（６４）の量が可変であり、前記複数の孔（６１）が、一定量の圧縮機吐出空気（６２）を前記燃焼器本体（１６）内に供給する、請求項１記載の燃焼器（１０）。
11. 燃焼器（１０）を備えるガスタービンにおいて燃焼をクエンチングする方法であって、前記燃焼器（１０）が、開口部（３４）を有する燃焼器本体（１６）と、前記燃焼器本体（１６）を囲みかつ前記燃焼器本体との間に圧縮機吐出空気（４４、６２、６４）を運ぶための通路（１８）を形成したケーシング（２０）と、前記開口部（３４）とケーシング（２０）との間に配置された少なくとも１つの噴射管（３３）と、前記通路（１８）内に前記少なくとも１つの噴射管（３３）の周囲に同心に配置されたカラー（６０）とを含んでおり、当該方法が、
    前記カラー（６０）を通して一定量の圧縮機吐出空気をガスタービンの燃焼器本体（１６）に供給する段階と、
    前記少なくとも１つの噴射管（３３）を通して可変量の圧縮機吐出空気を燃焼器本体（１６）に供給する段階とを含んでおり、前記一定量の圧縮機吐出空気は、可変量の圧縮機吐出空気の周りに同心に配置され、燃焼器本体内への噴射位置の各々における浮動カラー内の複数の孔によって供給される、方法。

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