JP5364275B2

JP5364275B2 - 燃焼システムにおけるＮＯｘエミッションを低減するのを可能にするための方法及びシステム

Info

Publication number: JP5364275B2
Application number: JP2008043684A
Authority: JP
Inventors: ベンジャミン・ポール・レーシー; ギルバート・オット・クレーマー; バラチャンダー・ヴァラサラジャン; アータン・イルマズ; ジョン・ジョセフ・リピンスキ; ウィリー・スティーブ・ジミンスキー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: US7886545B2; EP1985927A2; EP1985927A3; EP1985927B1; JP2008275299A; US20080264033A1

Description

本発明は、総括的には燃焼システムに関し、より具体的には、燃焼システムにおけるＮＯｘエミッションを低減するのを可能にするための方法及びシステムに関する。

天然ガス及び液体燃料の燃焼時には、それに限定されないが、一酸化炭素（「ＣＯ」）、未燃焼炭化水素（「ＵＨＣ」）及び窒素酸化物（「ＮＯｘ」）エミッションのような汚染物質が形成されかつ周囲環境中に放出される可能性がある。ＣＯ及びＵＨＣは一般的に、低温度の燃焼条件及び／又は反応が完了するのには不充分な時間の燃焼条件の間に形成される。これと対照的に、ＮＯｘは一般的に、高温度の下で形成される。少なくとも幾つかの公知の汚染物質エミッション源には、それに限定されないが、産業用ボイラ及び加熱炉、公共大型ボイラ及び加熱炉、ガスタービンエンジン、蒸気発生装置及びその他の燃焼システムのような装置が含まれる。厳しいエミッション制御標準の理由から、ＮＯｘエミッションは、該ＮＯｘエミッションの形成を抑制することによって制御するのが望ましい。

一般的に、より低い火焔温度、より均一かつリーンな燃料−空気混合気及び／又はより短い滞留燃焼時間は、ＮＯｘの形成を減少させることが知られている。少なくとも幾つかの公知の燃焼システムは、それに限定されないが、ＮＯｘエミッションを低減しようとしたリーン予混合燃焼及びリーンダイレクト噴射概念を含む乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器のような燃焼改善制御法を実行している。リーン予混合燃焼概念を実行する他の公知の燃焼器システムは、燃焼ライナ内に形成された燃焼ゾーン内に混合気を送る前に、燃料及び空気のリーンな配合を予混合することによってＮＯｘエミッションを減少させようとしている。主燃料−空気予混合気は一般的に、燃焼器の上流端部における燃焼ライナ内に導入され、また二次燃料−空気予混合気は、燃焼器の下流排出端部に向かって導入することができる。

リーンダイレクト噴射概念を実行する少なくとも幾つかの公知の燃焼器はまた、混合する前に燃料及び空気を燃焼器の上流端部において燃焼ライナ内部に直接かつ個別に導入する。燃焼器内での燃料及び空気混合の特性は、燃焼性能に影響を及ぼす。しかしながら、少なくとも幾つかの公知のリーンダイレクト噴射燃焼器は、燃焼器ライナ内部でのリーン燃料及びリッチ空気の急速かつ均一な混合において問題を生じる可能性がある。その結果、燃焼器ライナ内部に局所化学量論的ゾーンを形成する可能性がある。そのようなゾーン内部での局所火焔温度は、最少ＮＯｘ形成閾値温度を超えてＮＯｘエミッションの形成を可能にするおそれがある。

しかしながら、少なくとも幾つかの公知のリーン予混合燃焼器は、燃焼器ライナ内部に閉じ込めるように意図したパイロット火焔が、主及び／又は二次噴射位置に向かって上流方向に移動する火焔保持又は逆火状態を生じる可能性がある。その結果、燃焼器構成部品が損傷するおそれがあり、また／或いは燃焼器の運転性を損なうおそれがある。公知のリーン予混合燃焼器はまた、負荷を駆動する産業用ガスタービンと組合せる場合がある。その結果、駆動される負荷におけるタービン要求を満たすためには、そのような燃焼器は、反応ゾーンにおける最少ＮＯｘ形成閾値温度を超えたピークガス温度で作動させる必要がある可能性がある。従って、そのような燃焼器におけるＮＯｘ形成レベルは、たとえ燃焼器をリーン燃料−空気予混合気で作動させたとしても、高くなるおそれがある。さらに、近似化学量論的温度でのより長い燃焼滞留時間を可能にする公知のリーン予混合燃焼器は、ＮＯｘ及び／又はその他の汚染物質エミッションの形成を可能にするおそれがある。
米国特許第６，８６８，６７６号公報米国特許第６，２７２，８６３号公報米国特許第６，１９２，６８８号公報米国特許第６，０９４，９１６号公報米国特許第６，０４７，５５０号公報米国特許第６，０３８，８６１号公報米国特許第５，９１８，４５７号公報米国特許第５，９７４，７８１号公報米国特許第５，６８８，１１５号公報米国特許第５，６２３，８１９号公報

ガスタービン燃焼器システムを組立てる方法を提供する。本方法は、中心軸線、外壁、第１の端部及び第２の端部を含む燃焼ライナを準備する段階を含む。外壁は、中心軸線に略平行に配向される。本方法はまた、ライナの第２の端部に移行部品を結合する段階を含む。移行部品は、外壁を含む。本方法はさらに、ライナの外壁及び移行部品の外壁のうちの少なくとも１つに沿って複数のリーンダイレクト噴射装置を、該噴射装置が外壁に沿って軸方向に間隔を置いて配置されるように、結合する段階を含む。

本明細書で説明した例示的な方法及びシステムは、リーン予混合燃焼と軸方向多段式リーンダイレクト噴射概念とを組合せることによって公知の乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器の構造上の欠点を克服するものである。本明細書では、「ＬＤＩ」という用語を使用して、リーンダイレクト噴射概念を利用したリーンダイレクト噴射装置を表していることを理解されたい。また、本出願全体を通して「第１の端部」という用語を使用して、燃焼ガスの全軸流方向において燃焼ライナの中心長手方向軸線に関して上流側に定位された方向及び配向を表していることを理解されたい。本出願全体を通して「軸方向の」及び「軸方向に」という用語を使用して、燃焼ライナの中心長手方向軸線に略平行に延びる方向及び配向を表していることを理解されたい。本出願全体を通して「半径方向の」及び「半径方向に」という用語を使用して、燃焼ライナの中心長手方向軸線に対して略垂直方向に延びる方向及び配向を表していることも理解されたい。また、本出願全体を通して「上流方向」及び「下流方向」という用語を使用して、全軸方向燃料流方向において燃焼ライナの中心長手方向軸線に関して定位された方向及び配向を表していることも理解されたい。

図１は、例示的なガスタービンシステム１０の概略図であり、ガスタービンシステム１０は、吸気セクション１２、該吸気セクション１２の下流側に結合された圧縮機セクション１４、該吸気セクション１２の下流側に結合された燃焼器セクション１６、該燃焼器セクション１６の下流側に結合されたタービンセクション１８、及び排気セクション２０を含む。タービンセクション１８は、圧縮機セクション１４、並びにそれに限定されないが発電機及び機械駆動用途のような負荷２２に回転可能に結合される。

運転中に、吸気セクション１２は、圧縮機セクション１４に向かって空気を送る。圧縮機セクション１４は、吸入空気をより高い圧力及び温度に加圧する。加圧空気は、燃焼器セクション１６に向かって吐出され、燃焼器セクションにおいて、加圧空気は燃料と混合されかつ点火されて燃焼ガスを発生し、燃焼ガスはタービンセクション１８に流れ、タービンセクション１８は、圧縮機セクション１４及び／又は負荷２２を駆動する。排気ガスは、タービンセクション１８から流出し、排気セクション２０を通って周囲環境に流れる。

図２は、例示的な公知の乾式低ＮＯｘ（「ＤＮＬ」）燃焼器２４の概略図であり、ＤＮＬ燃焼器２４は、複数の予混合噴射装置２６、中心軸線Ａ−Ａを有する燃焼ライナ２８、及び移行部品３０を含む。図３は、線３−３（図２に示す）に沿って取ったＤＬＮ燃焼器２４の断面図である。各予混合噴射装置２６は、それぞれ環状の入口流調整装置（「ＩＦＣ」）３４及び環状の燃料中心体３６を通って流入する加圧空気及び燃料を予混合するように構成された複数の環状スワールベーン３２及び燃料スポーク（図示せず）を含む。

公知の予混合噴射装置２６は一般的に、燃焼器２４の端部キャップ３８に結合されるか又は燃焼ライナ２８の第１の端部４０近傍に結合される。この例示的な実施形態では、４つの予混合噴射装置２６が端部キャップ３８に結合され、端部キャップ３８は、拡散先端面３８ａを含む。端部キャップ３８には、予混合噴射装置２６の拡散先端２６ａと流れ連通状態になった複数の開口部３８ｂが形成される。ライナの第１の端部４０は端部キャップ３８に結合されて、燃焼ライナ２８が予混合噴射装置２６から噴射された燃料−空気予混合気を受けかつ該混合気を燃焼ライナ２８によって定まる燃焼チャンバ２８ｂ内部に形成された局所火焔ゾーン４２内で燃焼させることができるようになる。燃焼ライナ２８の第２の端部４４は、移行部品３０の第１の端部４６に結合される。移行部品３０は、運転中にタービンセクション１８（図１に示す）のようなタービンセクションに向かって燃焼流を流す。

運転中に、局所的低速度領域が、燃焼チャンバ２８ｂ内にまたライナ２８のライナ内面２８ａに沿って形成されることが知られている。例えば、運転中に、旋回空気が、予混合噴射装置２６からより大型の燃焼ライナ２８内に送られる。燃焼ライナ２８内への流入の領域において、旋回空気が、燃焼ライナ２８内で半径方向に膨張することが知られている。ライナ２８の中心部における軸方向速度が、低下する。そのような燃焼器の局所的低速度領域は、所定の燃料／空気混合気における火焔速度以下になる可能性がある。従って、そのような領域内におけるパイロット火焔は、例えばそれに限定されないが予混合噴射装置２６内部の領域のような低速度ゾーンが許容されることになるほど遙か上流側の望ましい燃料−空気濃度の領域に向かって逆火する可能性がある。逆火の結果、予混合噴射装置２６及び／又はその他の燃焼器構成部品を損傷させまた／或いは燃焼器２４の運転性を損なうおそれがある。

燃焼ライナ２８内の予混合燃料／空気濃度における大きな変化もまた、より均一な予混合燃料／空気濃度と比較して、予混合噴射装置２６内への逆火及び／又はより大きな動的挙動（ダイナミックス）を生じる燃焼不安定性を引き起こす可能性がある。また、燃焼器２４内部のより均一性がない燃料及び空気混合気の局所的領域もまた、ＮＯｘを生成することになる近似化学量論的温度で燃焼が起こる可能性がある場所となるおそれがある。

図４は、ガスタービンシステム１０（図１に図す）で使用することができる例示的な乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器４８の概略図である。図５は、線５−５（図４に示す）に沿って取った燃焼器４８の断面図である。この例示的な実施形態では、燃焼器４８は、複数の予混合噴射装置２６、中心軸線Ａ−Ａを有する燃焼ライナ５０、及び移行部品５２を含む。各予混合噴射装置２６は、それぞれＩＦＣ３４及び中心体３６を通して送られた加圧空気及び燃料を予混合するのを可能にするスワーラベーン３２及び燃料スポーク（図示せず）を含む。

この例示的な実施形態では、予混合噴射装置２６は、燃焼器４８の端部キャップ５４に結合される。より具体的には、この例示的な実施形態では、４つの予混合噴射装置２６が端部キャップ５４に結合され、端部キャップ５４は拡散先端面５４ａを含む。端部キャップ５４はまた、予混合噴射装置２６の拡散先端２６ａと流れ連通状態になった複数の噴射孔５４ｂを含む。予混合噴射装置２６は、燃焼ライナ５０の第１の端部５６に結合することができることを理解されたい。この例示的な実施形態では、第１の端部５６は端部キャップ５４に結合されて、運転中に燃焼チャンバ５８ｃ内部の局所予混合火焔ゾーン５８内での燃焼を可能にする。燃焼ライナ５０の第２の端部６０は、移行部品５２の第１の端部６２に結合される。移行部品５２は、エンジン運転中にタービンセクション１８（図１に示す）のようなタービンセクションに向かって燃焼ガスを送る。

この例示的な実施形態では、燃焼器４８はまた、燃焼ライナ５０及び移行部品５２の両方に沿って結合された複数の軸方向に多段になった（軸方向多段式）リーンダイレクト噴射装置（「ＬＤＩ」）６４を含む。ＬＤＩ６４は、燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２のいずれかに沿って結合することができることを理解されたい。この例示的な実施形態では、燃焼ライナ５０には、それぞれのＬＤＩ６４の拡散先端６４ａと流れ連通状態になった複数の開口部（図示せず）が形成される。各ＬＤＩ６４は、それぞれ燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２の外面５０ａ及び５２ａ並びに内面５０ｂ及び５２ｂを貫通して形成されたオリフィスの集合体として形成することができることを理解されたい。

各ＬＤＩ６４は、複数の空気噴射装置６６及び対応する燃料噴射装置６８を含む。各ＬＤＩ６４は、燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２内部に所望の燃料−空気混合気が形成されるように空気のダイレクト（直接）噴射及び燃料のダイレクト（直接）噴射を可能にするように配向されたあらゆる数の空気及び燃料噴射装置６６及び６８を含むことができることを理解されたい。空気噴射装置６６はまた、部分的な予混合のために燃料と共に希釈媒体又は空気の噴射或いは燃料及び希釈媒体と共に空気の噴射を可能にすることも理解されたい。燃料噴射装置６８はまた、部分的な予混合のために空気と共に希釈媒体又は燃料の噴射或いは空気及び希釈媒体と共に燃料の噴射を可能にすることも理解されたい。噴射装置６６及び６８は別個の噴射装置として示しているが、それぞれのＬＤＩ６４の空気及び燃料噴射装置６６及び６８は、同軸に整列させて、燃焼器ライナ５０及び／又は移行部品５２内への噴射の後に空気及び燃料流の混合を可能にすることができることも理解されたい。さらに、あらゆる数のＬＤＩ６４を燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２に対して結合することができることを理解されたい。さらに、各ＬＤＩ６４は、あらゆる数の他のＬＤＩ６２から独立して制御してまた／或いは該あらゆる数の他のＬＤＩと共に制御して性能最適化を可能にすることができることを理解されたい。

完全に組立てられると、この例示的な実施形態では、各ＬＤＩ６４は、約０度〜約９０度の範囲又はより好ましくは約３０度〜約４５度の範囲またそれら範囲内の全ての部分範囲の角度で燃料噴射装置６８に対して配向された空気噴射装置６６を含む。各ＬＤＩ６４は、本明細書で説明するように燃焼器４８が機能するのを可能にするあらゆる角度で空気噴射装置６６に対して配向された燃料噴射装置６８を含むことができることを理解されたい。噴射装置の配向、噴射装置６６の数及び噴射装置６６の位置は、燃焼器及び意図した目的に応じて変化させることができることも理解されたい。

ＬＤＩの空気及び燃料噴射装置６６及び６８に対応する空気及び燃料噴射孔（図示せず）は、それぞれ燃焼ライナ５０内に燃料−空気予混合気を噴射するのに使用する噴射孔５４ｂよりも小さい。その結果、空気及び燃料噴射装置６６及び６８からの流れにより、非衝突空気及び燃料流を使用した燃焼器と比較して燃料及び空気を燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２内部でより急速に混合するのを可能にすることができる。より具体的には、各ＬＤＩ６４によって噴射された空気及び燃料の合成流は、それぞれの局所火焔ゾーン７０に向かって導かれて局所予混合火焔ゾーン５８内に形成されたリーン予混合乱流火焔を安定化させるのを可能にする。様々な寸法及び／又は形状を有する、あらゆる数のＬＤＩ６４、空気及び燃料噴射装置６６及び６８並びに／或いは空気及び燃料噴射孔（図示せず）は、燃焼ライナ５０、移行部品５２及び／又は端部キャップ５４に結合するか或いはそれらの内部に形成して、燃焼器４８内部に形成された特定のセクション及び／又はゾーンに向かって所望の量の空気及び燃料を送るのを可能にすることができることを理解されたい。このような寸法は、そこにおいて燃焼器構成部品が結合されまた／或いは形成された、中心軸線Ａ−Ａに対する軸方向位置に応じて変化させることができることも理解されたい。

この例示的な実施形態では、燃焼器４８は、該燃焼器４８の安定性を高めるのを可能にしかつＮＯｘミッションを低減するのを可能にするように、予混合噴射装置２６及び軸方向多段式ＬＤＩ６４が配向される。上述したように、ＬＤＩ６４は、運転中に燃焼チャンバ５０ｃ内部に形成された局所火焔ゾーン７０を生成するように、燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２に沿って間隔を置いて配置される。そのような局所火焔ゾーン７０は、局所予混合火焔ゾーン５８と比較して、安定した燃焼ゾーンを形成することができる。従って、予混合噴射装置２６に隣接して結合されたＬＤＩ６４を使用して、リーン予混合乱流火焔を安定化し、動的挙動を軽減し、逆火を減少させ、リーン消炎（「ＬＢＯ」）マージンを縮小し、かつ燃焼器４８運転性を向上させるのを可能にすることができる。さらに、ＬＤＩ６４は、それぞれ燃焼ライナ５０及び移行部品５２の内面５０ｂ及び５２ｂに沿って燃料−空気予混合気の一酸化炭素（「ＣＯ」）及び未燃焼炭化水素を焼尽するのを可能にする。従って、ＬＤＩ６４はまた、一酸化炭素（「ＣＯ」）エミッションを低減するのを可能にする。このことは、エミッション適合ターンダウン性能を高めるのを可能にすることができ、また／或いはより短い滞留時間の燃焼器を可能にして熱ＮＯｘを低減することができる。

この例示的な実施形態では、ＬＤＩ６４は、空気及び燃料を燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２内に直接噴射し、その後混合する。その結果、予混合噴射装置２６のより長い滞留時間と比較してより短い滞留時間を使用する局所火焔ゾーン７０が形成される。従って、軸方向多段式ＬＤＩ６４により、公知のＤＮＬ燃焼器と比較して全体燃焼温度を低下させることが可能になり、また全体ＮＯｘエミッションを低減することが可能になる。

様々な運転状態の間に、燃焼器４８では、様々な燃料タイプの場合に予混合噴射装置２６及び／又は軸方向多段式ＬＤＩ６４間での燃料分割を変化させることによって並びに空気及び燃料噴射装置６６及び６８の寸法を選定することによって燃料の自由度を増大させることが可能になる。例えば、始動、加速、移行及び／又は部分負荷運転状態時には、予混合噴射装置２６及びＬＤＩ６４を通って流れる燃料及び空気流は、局所予混合火焔ゾーン５８内におけるリーン予混合火焔の火焔安定性及びＣＯ焼尽を可能にするように分配することができる。完全負荷運転状態時には、予混合噴射装置２６及びＬＤＩ６４を通って流れる燃料及び空気流は、燃焼器４８内における高温燃焼生成物の滞留時間を短縮するのを可能にするように分配することができる。例えば、燃焼器４８は、グリッド適合のような用途における短い時間高出力運転を実行するのを可能にする。多数のＬＤＩ６４集合体は軸方向に分散配置されているので、それぞれの噴射装置６６及び６８に対する空気及び／又は燃料流は、様々な運転状態に従って調整することができる。ライナ表面５０に沿ったＬＤＩはまた、点火／再点火のための表面点火装置と共に使用してクロスファイア管の削減を可能にすることができることを理解されたい。

予混合噴射装置２６及び軸方向多段式ＬＤＩ６４を組合せることによって、燃焼器４８は、ターンダウン及び／又は燃焼器ダイナミックスを制御するのを可能にする。燃焼器４８はまた、全ＮＯｘエミッションを低減するのを可能にする。その結果、公知の燃焼器と比較して、燃焼器４８は、そのようなシステムを含むタービンの効率及び運転性を向上させるのを可能にする。

図６は、ガスタービンシステム１０（図１に示す）で使用することができる別のダイレクト低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器７２の概略図である。図７は、線７−７に沿って取ったＤＬＮ燃焼器７２（図６に示す）の断面図である。燃焼器７２は、燃焼器４８（図４及び図５に示す）と略同様であり、図４及び図５の構成部品と同一である図６及び図７における構成部品は、図６及び図７では、図４及び図５で使用したのと同じ参照符号を使用して特定している。

この例示的な実施形態では、燃焼器７２は、燃焼ライナ５０、移行部品５２及び複数のリーンダイレクト噴射装置（「ＬＤＩ」）６４を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、６つのＬＤＩ６４が端部キャップ７４に結合され、端部キャップ７４は拡散先端面７４ａを含む。燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２に対してあらゆる数のＬＤＩ６４を結合することができることを理解されたい。端部キャップ７４はまた、それぞれのＬＤＩ６４の拡散先端６４ａと流れ連通状態になった複数の噴射孔５４ｃを含む。この例示的な実施形態では、燃焼器７２はさらに、燃料ライナ５０及び／又は移行部品５２の両方に沿って結合された複数の軸方向多段式ＬＤＩ６４を含む。燃焼ライナ５０には、それぞれのＬＤＩ６４の拡散先端６４ａと流れ連通常状態になった複数の開口部（図示せず）が形成される。各ＬＤＩ６４は、端部キャップ５４、燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２内部に形成されたオリフィスの集合体として形成することができることを理解されたい。

各ＬＤＩ６４は、複数の空気噴射装置６６及び対応する燃料噴射装置６８を含む。各ＬＤＩ６４は、燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２内部に所望の燃料−空気混合気が形成されるように空気のダイレクト噴射及び燃料のダイレクト噴射を可能にするように配向されたあらゆる数の空気及び燃料噴射装置６６及び６８を含むことができることを理解されたい。噴射装置６６及び６８は別個の噴射装置として示しているが、それぞれのＬＤＩ６４の空気及び燃料噴射装置６６及び６８は、同軸に整列させて、燃焼器ライナ５０及び／又は移行部品５２内への噴射の後に空気及び燃料流の混合を可能にすることができることも理解されたい。さらに、あらゆる数のＬＤＩ６４を燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２に対して結合することができることを理解されたい。

完全に組立てられると、この例示的な実施形態では、各ＬＤＩ６４は、約０度〜約９０度の範囲又はより好ましくは約３０度〜約４５度の範囲またそれら範囲内の全ての部分範囲の角度で燃料噴射装置６８に対して配向された空気噴射装置６６を含む。各ＬＤＩ６４は、本明細書で説明するように燃焼器７２が機能するのを可能にするあらゆる角度で空気噴射装置６６に対して配向された燃料噴射装置６８を含むことができることを理解されたい。噴射装置の配向、噴射装置６６の数及び噴射孔の位置は、燃焼器及び意図した目的に応じて変化させることができることも理解されたい。

この例示的な実施形態では、ＬＤＩ６４は、空気及び燃料噴射装置６６及び６８から空気及び燃料を送るように配向された複数の空気及び燃料噴射孔７４ｂと組合されて、空気及び燃料が燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２内部で衝突するようになる。その結果、空気及び燃料噴射装置６６及び６８からの流れにより、非衝突空気及び燃料流を使用した燃焼器と比較して、空気及び燃料が燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２内部でより急速に混合することができるようにするのを可能にする。より具体的には、各ＬＤＩ６４によって噴射された空気及び燃料の合成流は、それぞれの局所火焔ゾーン７０に向かって導かれて局所予混合火焔ゾーン７０内に形成されたリーン予混合乱流火焔を安定化させるのを可能にする。さらに、ＬＤＩ６４は、リーン消炎（「ＬＢＯ」）マージンを縮小するのを可能にしかつ燃焼器７２の運転性を向上させるのを可能にする。

この例示的な実施形態では、ＬＤＩ６４は、空気及び燃料を燃焼ライナ５０及び／又は移行部品５２内に直接噴射し、その後混合する。その結果、公知の燃焼器のより長い滞留時間と比較してより短い滞留時間を使用する局所火焔ゾーン７０が形成される。従って、軸方向多段式ＬＤＩ６４により、公知のＤＮＬ燃焼器と比較して全体燃焼温度を低下させることが可能になり、また全体ＮＯｘエミッションを低減することが可能になる。

様々な運転状態の間に、燃焼器７２では、様々な燃料タイプの場合に軸方向多段式ＬＤＩ６４間での燃料分割を変化させることによって並びに空気及び燃料噴射装置６６及び６８の寸法を選定することによって燃料の自由度を増大させることが可能になる。燃焼器７２はまた、ターンダウン及び／又は燃焼器ダイナミックスを制御するのを可能にする。さらに、燃焼器７２は、全ＮＯｘエミッションを低減するのを可能にする。その結果、公知の燃焼器と比較して、燃焼器７２は、そのようなシステムを含むタービンの効率及び運転性を向上させるのを可能にする。

図８は、ガスタービンシステム１０（図１に示す）で使用することができる別の乾式低ＮＯｘ（「ＤＮＬ」）燃焼器７６の概略図である。燃焼器７６は、燃焼器７２（図６及び図７に示す）とほぼ同様であり、図６及び図７の構成部品と同一である図８における構成部品は、図８では、図６及び図７で使用したのと同じ参照符号を使用して特定している。

この例示的な実施形態では、燃焼器７６は、燃焼ライナ７８、移行部品５２及びリーンダイレクト噴射装置（「ＬＤＩ」）６４を含む。燃焼ライナ７８は、第１の端部８０と移行部品５２の第１の端部６２に結合された第２の端部８２とを含む。第１の端部８０は略凸面形外面８０ａを有するものとして示しているが、外面８０ａは、本明細書で説明するように燃焼器７６が機能するのを可能にするあらゆる形状とすることができることを理解されたい。

この例示的な実施形態では、燃焼器７６は、燃焼ライナ７８及び／又は移行部品５２の両方に沿って結合された複数の軸方向多段式ＬＤＩ６４を含む。燃焼ライナ７８には、それぞれのＬＤＩ６４の拡散先端６４ａと流れ連通状態になった複数の開口部（図示せず）が形成される。各ＬＤＩ６４は、それぞれ燃焼ライナ７８及び／又は移行部品５２の外面７８ａ及び５２ａ並びに内面７８ｂ及び５２ｂを貫通して形成されたオリフィスの集合体として形成することができることを理解されたい。

各ＬＤＩ６４は、空気噴射装置６６及び対応する燃料噴射装置６８を含む。各ＬＤＩ６４は、燃焼ライナ７８及び／又は移行部品５２内部に所望の燃料−空気混合気が形成されるように空気のダイレクト噴射及び燃料のダイレクト噴射を可能にするように配向されたあらゆる数の空気及び燃料噴射装置６６及び６８を含むことができることを理解されたい。噴射装置６６及び６８は別個の噴射装置として示しているが、それぞれのＬＤＩ６４の空気及び燃料噴射装置６６及び６８は、同軸に整列させて、燃焼器ライナ７８及び／又は移行部品５２内への噴射の後に空気及び燃料流の混合を可能にすることができることも理解されたい。さらに、あらゆる数のＬＤＩ６４を燃焼ライナ７８及び／又は移行部品５２に対して結合することができることを理解されたい。

完全に組立てられると、この例示的な実施形態では、各ＬＤＩ６４は、約０度〜約９０度の範囲又はより好ましくは約３０度〜約４５度の範囲またそれら範囲内の全ての部分範囲の角度で燃料噴射装置６８に対して配向された空気噴射装置６６を含む。各ＬＤＩ６４は、本明細書で説明するように燃焼器７６が機能するのを可能にするあらゆる角度で空気噴射装置６６に対して配向された燃料噴射装置６８を含むことができることを理解されたい。噴射装置の配向、噴射装置６６の数及び噴射孔の位置は、燃焼器及び意図した目的に応じて変化させることができることも理解されたい。

この例示的な実施形態では、ＬＤＩ６４は、空気及び燃料噴射装置６６及び６８から空気及び燃料を送るように配向された複数の空気及び燃料噴射孔（図示せず）と組合されて、空気及び燃料が燃焼ライナ７８及び／又は移行部品５２内部で衝突するようになる。その結果、空気及び燃料噴射装置６６及び６８からの流れにより、非衝突空気及び燃料流を使用した燃焼器と比較して、空気及び燃料が燃焼ライナ７８及び／又は移行部品５２内部でより急速に混合することができるようにするのを可能にする。より具体的には、各ＬＤＩ６４によって噴射された空気及び燃料の合成流は、燃焼チャンバ７８ｂ内に形成された局所火焔ゾーン７０に向かって導かれて局所予混合火焔ゾーン７０内に形成されたリーン予混合乱流火焔を安定化させるのを可能にする。さらに、ＬＤＩ６４は、リーン消炎（「ＬＢＯ」）マージンを縮小するのを可能にしかつ燃焼器７２の運転性を向上させるのを可能にする。

この例示的な実施形態では、ＬＤＩ６４は、空気及び燃料を燃焼ライナ７８及び／又は移行部品５２内に直接噴射し、その後混合する。その結果、公知の燃焼器のより長い滞留時間と比較してより短い滞留時間を使用する局所火焔ゾーン７０が形成される。従って、軸方向多段式ＬＤＩ６４により、公知のＤＮＬ燃焼器と比較して全体燃焼温度を低下させることが可能になり、また全体ＮＯｘエミッションを低減することが可能になる。

様々な運転状態の間に、燃焼器７６では、様々な燃料タイプの場合に軸方向多段式ＬＤＩ６４間での燃料分割を変化させることによって並びに空気及び燃料噴射装置６６及び６８の寸法を選定することによって燃料の自由度を増大させることが可能になる。燃焼器７６はまた、ターンダウン及び／又は燃焼器ダイナミックスを制御するのを可能にする。さらに、燃焼器７６は、全ＮＯｘエミッションを低減するのを可能にする。その結果、公知の燃焼器と比較して、燃焼器７６は、そのようなシステムを含むタービンの効率及び運転性を向上させるのを可能にする。

ガスタービン燃焼器システム４８,７２及び７６を組立てる方法を提供している。本方法は、中心軸線Ａ−Ａ、外壁、第１の端部及び第２の端部を含む燃焼ライナを準備する段階を含む。外壁は、中心軸線に略平行に配向される。本方法はまた、ライナの第２の端部に移行部品を結合する段階を含む。移行部品は、外壁を含む。本方法はさらに、ライナの外壁及び移行部品の外壁のうちの少なくとも１つに沿って複数のリーンダイレクト噴射装置を、該噴射装置が外壁に沿って軸方向に間隔を置いて配置されるように、結合する段階を含む。

各例示的な実施形態では、複数の軸方向多段式リーンダイレクト噴射装置及び燃料噴射装置は、燃焼ライナ及び／又は移行部品の壁に結合されるか或いは該壁内に形成される。その結果、本明細書で説明した燃焼器は、該燃焼器全体にわたって燃料及び空気を直接分配するのを可能にする。燃料及び空気の分配を高めることにより、パイロット火焔の安定化、逆火の減少、リーン消炎（「ＬＢＯ」）マージンの縮小、燃料自由度の増大、燃焼器ダイナミックスの制御、各種負荷運転状態の実行、ＮＯｘエミッションの低減及び／又は燃焼器運転性の向上が可能になる。

以上、燃焼器の例示的な実施形態を詳細に説明している。本燃焼器は、本明細書で説明したシステムを含む特定のタービンで使用することを限定されるものではなく、むしろ、本燃焼器は、本明細書で説明したシステム構成部品を含む他のタービンから独立してかつ別個に利用することができる。さらに、本発明は、上記に詳細に説明した燃焼器の実施形態に限定されるものではない。むしろ、燃焼器実施形態の他の変更形態は、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には分かるであろう。

燃焼セクションを備えた例示的なタービンエンジン組立体の概略図。図１に示す燃焼セクションで使用することができる例示的な公知の乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器の概略図。線３−３に沿って取った、図２に示す公知のＤＬＮ燃焼器の断面図。図１に示すタービン燃焼セクションで使用することができる例示的なＤＬＮ燃焼器の概略図。線５−５に沿って取った、図４に示すＤＬＮ燃焼器の断面図。図１に示すタービン燃焼セクションで使用することができるＤＬＮ燃焼器の別の実施形態の概略図。線６−６に沿って取った、図６に示すＤＬＮ燃焼器の断面図。図１に示すタービン燃焼セクションで使用することができるさら別のＤＬＮ燃焼器の概略図。

符号の説明

１０ガスタービンシステム
１２吸気セクション
１４圧縮機セクション
１６燃焼器セクション
１８タービンセクション
２０排気セクション
２２負荷
２４乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器
２６予混合噴射装置
２８燃焼ライナ
３０移行部品
３２スワールベーン
３４入口流調整装置（「ＩＦＣ」）
３６燃料中心体
３８端部キャップ
４０第１の端部
４２局所火焔ゾーン
４４第２の端部
４６第１の端部
４８燃焼器
５０燃焼ライナ
５２移行部品
５４端部キャップ
５６第１の端部
５８局所予混合火焔ゾーン
６０第２の端部
６２第１の端部
６４リーンダイレクト噴射装置（「ＬＤＩ」）
６６空気噴射装置
６８燃料噴射装置
７０局所予混合火焔ゾーン
７２燃焼器
７４端部キャップ
７６ＤＬＮ燃焼器
７８燃焼ライナ
８０第１の端部
８２第２の端部

Claims

中心軸線、前記中心軸線に略平行に配向された外壁、第１の端部（５６、８０）及び第２の端部（６０、８２）を含む燃焼ライナ（５０、７８）と、
前記ライナの第２の端部に結合されかつ外壁を含む移行部品（５２）と、
前記ライナの外壁及び移行部品の外壁のうちの少なくとも１つに沿って軸方向に間隔を置いて配置された複数のリーンダイレクト噴射装置（６４）と、
前記ライナの第１の端部（５６、８０）に隣接して結合された少なくとも１つの予混合噴射装置（２６）と、
を含むガスタービン燃焼器システム。
前記燃焼ライナの前記外壁の前記第１及び第２の端部（５６、８０、６０、８２）が同じ断面積を有し、前記移行部品（５２）の前記外壁が、前記移行部品（５２）が円錐台形状となるような、第１の断面積を有する第１の端部と、第２の断面積を有する第２の端部とを有している、請求項１記載のガスタービン燃焼器システム。
前記ライナの第１の端部（５６、８０）に隣接して結合された少なくとも１つのリーンダイレクト噴射装置（６４）をさらに含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器システム。
前記ライナの第１の端部（５６）に結合された端部キャップ（５４、７４）をさらに含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器システム。
前記端部キャップ（５４）に結合された少なくとも１つの予混合噴射装置（２６）をさらに含む、請求項４記載のガスタービン燃焼器システム。
前記端部キャップ（７４）に結合された少なくとも１つのリーンダイレクト噴射装置（６４）をさらに含む、請求項４記載のガスタービン燃焼器システム。
前記リーンダイレクト噴射装置（６４）の各々が、
前記燃焼ライナ（５０、７８）内部に空気流を導入するように構成された少なくとも１つの空気噴射装置（６６）と、
前記燃焼ライナ内部に燃料を供給して、該燃料が前記空気と混合するように構成された少なくとも１つの燃料噴射装置（６８）と、
を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のガスタービン燃焼器システム。
前記少なくとも１つの空気噴射装置（６６）及び少なくとも１つの燃料噴射装置（６８）が、前記ライナの外壁及び移行部品の外壁のうちの少なくとも１つ内に形成されたオリフィスである、請求項７記載のガスタービン燃焼器システム。
前記燃焼ライナ（５０、７８）及び移行部品（５２）のうちの少なくとも１つが、その中に形成された複数の開口部を含み、
前記開口部が、前記少なくとも１つの空気噴射装置（６６）及び少なくとも１つの燃料噴射装置（６８）と流れ連通状態になっている、
請求項７記載のガスタービン燃焼器システム。