JP5411793B2 - タービン・エンジン用の大量燃料ノズル - Google Patents

Description

本発明は、タービン・エンジンにおいて用いる燃料ノズルに関する。

発電プラントにおいて用いるタービン・エンジンは通常、可燃性燃料を燃焼させる。燃焼は、タービン・エンジンの外側周辺の周りに配置された複数の燃焼器において行なわれる。タービン・エンジンの圧縮機部分から圧縮空気が、燃焼器内に送出される。燃焼器内に配置された燃料ノズルから圧縮空気内に燃料が噴射されて、燃料と空気とが混合される。燃料空気混合気が次に点火されて高温燃焼ガスが形成され、これが次にエンジンのタービン部分に送られる。

種々の異なる燃料をタービン・エンジンにおいて用いることができる。良く知られた燃料としては、天然ガスおよび種々の液体燃料たとえばディーゼル油が挙げられる。燃料ノズルは、適切な量の燃料を燃焼器内に送出して適切な燃空比が維持されるように形作られている。適切な燃空比であれば、実質的に完全な燃焼が起こり、したがって高効率が実現される。

米国特許第６，２０１，０２９号明細書

高い燃焼効率を実現する燃料ノズルを提供する。

タービン・エンジン用の燃料ノズルが、略円筒型の主ボディと、円筒型の主ボディの内部に主ボディの出口端に隣接して取り付けられた円板形状の燃料旋回翼プレートとを備える。複数の燃料供給開口部が旋回翼プレートを通って延びている。燃料供給開口部は、旋回翼プレートの第１および第２の平坦面に対して角度が付いている。燃料ノズルはまた、主ボディの出口端に取り付けられたノズル・キャップであって、ノズル・キャップの直径は、主ボディに結合される第１の端部から出口を形成する第２の端部へと徐々に小さくなっており、燃料旋回翼プレートの出口側とノズル・キャップの内部側壁とによって渦流室が画定されるノズル・キャップを備えている。

大きな丸い燃料供給開口部を備えるノズル・デザインの断面斜視図である。 大きな丸い燃料供給開口部を備えるノズル・デザインの断面斜視図である。 小さな丸い燃料供給開口部を有するノズル・デザインの断面斜視図である。 小さな丸い燃料供給開口部を有するノズル・デザインの断面斜視図である。 螺旋状の燃料供給開口部を有するノズル・デザインの断面斜視図である。 螺旋状の燃料供給開口部を有するノズル・デザインの断面斜視図である。 スロット形状の燃料供給開口部を有する燃料ノズルの断面斜視図である。 スロット形状の燃料供給開口部を有する燃料ノズルの断面斜視図である。 ノズル・キャップの断面図である。 ノズル・キャップの断面図である。 代替的なノズル・キャップ・デザインの断面図である。 代替的なノズル・キャップ・デザインの断面図である。 別の代替的なノズル・キャップ・デザインの断面図である。 別の代替的なノズル・キャップ・デザインの断面図である。 パイロットまたはスタータ燃料ノズルを伴う燃料ノズル・デザインを例示する断面図である。

前述したように、タービン・エンジン用の燃料ノズルが、適切な量の燃料を燃焼器内に送出して適切な燃料空気混合気が得られるように構成されている。適切な燃料空気混合気比率によって、実質的に完全な燃焼が確実になり、結果的に高効率が得られる。

燃料コストが増加しているため、代替的な安価な燃料をタービン・エンジン内で用いることに新たな関心が持たれている。代替燃料として、タービン・エンジン内で燃焼させることができるが通常は使用されていないものには、石炭ガス、製鋼所から出る高炉ガス、埋め立て地ガス、および他の供給原料を用いて形成されるガスがある。通常、これらの代替燃料に含まれる単位体積当たりのエネルギーの量は比較してかなり小さい。たとえば、代替ガスによっては、含まれる単位体積当たりの熱エネルギーが、通常燃料の１つたとえば天然ガスまたはディーゼル油と比べて約１０パーセントしかない。この意味は、同じ量の熱エネルギーを得るためには、通常燃料の１つと比較して１０倍の体積の代替燃料を燃焼させる必要があるということである。

燃料ノズルは現在、熱エネルギーが高い燃料を送出するようにデザインされているため、既存のノズル・デザインは、代替燃料を燃焼させるときに要求される比較的高い流量において燃料を送出することには適していない。現在の燃料ノズル・デザインは単に、代替燃料の１つを十分な量で送出してタービン・エンジンを適切に動かすことができないだけである。

タービン・エンジンの燃焼器内に送出されている燃料は、燃焼器内の圧力よりも高い圧力で燃焼器内に送出されている。前述したように、燃焼器は、タービンの圧縮機部分からの圧縮空気で満たされている。そのため、燃料を、燃料ノズル内に送出する前に、ポンプを用いて加圧する必要がある。通常、燃料を燃焼器内に送出する圧力は、燃焼器内の空気の圧力よりも１０〜２５パーセント高い。この結果、燃料がノズルを出る速度が十分に高くて圧縮空気と適切に混合することが確実になり、またこのことは、燃料がノズル自体から十分に離れるまで点火されないことを確実にするのにも役立つ。燃料の点火を、ある程度ノズルから離れた後にのみ行なうことは、燃料ノズルが極めて高い温度の影響を受けないことを確実にするのに役立つ。またこれによって、燃料の燃焼がノズル自体の中で起きたときに生じる可能性がある燃料ノズルの劣化または破壊が防止される。

燃料をノズルへ送出する前に加圧するために用いるエネルギーの量は基本的に、タービンにおけるエネルギー損失を表わす。典型的な燃料の比較的少量のみがタービン・エンジン内で利用されるため、燃料を加圧するために要求されるエネルギーが示す損失は、プロセス全体の中ではそれほど大きくはない。しかし代替燃料を用いる場合には、はるかに大量の燃料を燃焼器に送出しなければならない。はるかに大量の代替燃料を加圧するために要求されるエネルギー量は、はるかに大きな割合のエネルギー損失を表す。

エネルギー損失が大量の代替燃料の加圧に伴うため、代替燃料に対する燃料ノズルのデザインは、燃料ノズル自体が起こす圧力損失はできるだけ小さくなるように行なうことが望ましい。その結果、燃料をノズル内に送出する前に上げるべき圧力が小さくなるため、燃料の加圧に伴うエネルギー損失が小さくなる。

図１Ａ〜４Ｂに、代替燃料をタービン・エンジンに送出するようにデザインされたいくつかの代替的なノズル・デザインを例示する。代替燃料は、単位体積当たりのエネルギー含有量が比較的小さいものである。これらの燃料ノズル・デザインは、タービン・エンジンの燃焼器内に比較的大量の代替燃料を送出することができるものであり、そのため、代替燃料を用いるときの大量の必要性に対応する。

図１Ａおよび１Ｂに、第１のタイプのノズルを例示する。第１のタイプのノズルは、略円筒型の主ボディ部分１１０と、主ボディ１１０の出口端上に取り付けられたノズル・キャップ１３０とを備える。円板形状の燃料旋回翼プレート１２０が、円筒型の主ボディ１１０の内部に主ボディの出口端に隣接して取り付けられている。複数の燃料供給開口部１２２が旋回翼プレートを通って延びている。

燃料ノズルの最終的な設置構成は、図８に例示するように、パイロットまたはスタータ・ノズルを備えているであろう。図８に示すように、パイロットまたはスタータ・ノズル１４０が、旋回翼プレート１２０の中心に取り付けられるであろう。スタータ・ノズルを用いて、単位体積当たりのエネルギーがより大きな従来燃料をより多く送出するであろう。スタータ燃料をタービンを始動する間に用いるであろう、代替燃料を用いるだけではタービンを始動させることは難しいであろう。いったんタービンが目標の速度に達したら、スタータ燃料の流れを遮断して、代替燃料のみを用いるであろう。いずれにしても、旋回翼プレートの中心は通常、パイロット・ノズルによって塞がれるであろう。

図１Ａおよび１Ｂにおける燃料供給開口部１２２は大きな丸い孔である。しかし大きな丸い孔１２２は、円板形状の燃料旋回翼プレート１２０をある角度で通っている。その結果、燃料供給開口部１２２を通して送出される燃料は、円板形状の燃料旋回翼プレート１２０内の燃料供給開口部１２２を出るときに、回転するように動く傾向がある。

図１Ａおよび１Ｂに例示したノズル・デザインでは、渦流室１３５が、円板形状の燃料旋回翼プレート１２０の出口端とノズル・キャップの内部側壁１３０との間に形成されている。燃料供給開口部１２２を通った燃料は、渦流室１３５の随所で旋回する傾向がある。

図１Ａに例示した実施形態においては、複数の空気吸入開口部１３６が、ノズル・キャップ１３０の側壁内に形成されている。空気吸入開口部１３６によって、燃料ノズルの外側からの空気が渦流室１３５に入ることができる。吸気口１３６を通って入る空気も渦流室内に旋回運動を与える傾向があり、空気は、燃料旋回翼プレート１２０内の燃料供給開口部１２２を出る燃料と混合する。燃料空気混合気は次に、ノズル・キャップ１３０の出口端１３２においてノズルを出る。図１Ｂに例示した実施形態は、空気吸入開口部を備えていない。

また図２Ａおよび１Ｂにおける実施形態は、ノズル・キャップ１３０の最上部の円周縁１３２に流出冷却孔１３４を備えている。これらの流出冷却孔１３４によって、空気がノズル・キャップの材料を通ってノズル・キャップの冷却に役立つことが可能になる。

図２Ａおよび２Ｂに、代替的なノズル・デザインを例示する。この実施形態においては、燃料供給開口部１２４、１２６はより小さい直径の孔から形成され、これらの孔は、円板形状の燃料旋回翼プレート１２０の周りの２つの同心リングに配置されている。燃料供給開口部１２４、１２６の２つの同心リングは、同じ直径とすることもできるし、異なる直径とすることもできる。いくつかの実施形態においては、燃料供給開口部１２４、１２６も燃料旋回翼プレート１２０をある角度で通って、その結果、燃料供給開口部１２４、１２６を出る燃料がノズル・キャップ１３０の内部を回転するように動くであろう。図２Ａおよび２Ｂにおける実施形態は、燃料供給開口部からなる２つの同心リングを備えているが、代替的な実施形態においては燃料供給開口部からなる異なる数の同心リングを形成することができる。さらに他の実施形態においては、円形の孔形状の燃料供給開口部を、旋回翼プレート１２０内に何らかの他のタイプのパターンで配置することができる。

図３Ａおよび３Ｂに、別の代替的なノズル・デザインを例示する。この実施形態においては、燃料旋回翼プレート１２０を通る燃料供給開口部１２７は事実上螺旋状である。ここで再び、螺旋状の燃料供給開口部１２７は、旋回翼プレートから出る燃料がノズル・キャップ１３０の随所で回転するように意図されている。

図４Ａおよび４Ｂに他の代替的な実施形態を例示する。これらの実施形態においては、燃料供給開口部１２９は、燃料旋回翼プレート１２０を通って延びる矩形の断面を有するスロットである。

図５Ａおよび５Ｂに、複数の空気吸入開口部１３６を備えるノズル・キャップ・デザインを例示する。図５Ｂに示すように、空気吸入開口部１３６はノズル・キャップ１３０の側壁をある角度で通っている。これは、渦流室内で燃料空気混合気に旋回運動を与えるのに役立つ。図５Ａおよび５Ｂに例示する実施形態においては、細長い空気吸入開口部１３６の長手軸は、ノズル・キャップ自体の中央の長手軸に実質的に平行に配向されている。

代替的なデザインでは、図６Ａおよび６Ｂに例示するように、細長い空気吸入開口部は、ノズル・キャップ自体の中央の長手軸に対して角度が付いている。しかし空気吸入開口部１３６はやはり、ノズル・キャップ１３０の側壁を通るときに角度が付いている。前述したように、これは、渦流室の内部で燃料空気混合気に旋回運動を与えるのに役立つ。

図７Ａおよび７Ｂに、図５Ａおよび５Ｂに示すものと同様の別の代替的なデザインを例示する。しかしこの実施形態においては、細長い空気吸入開口部がノズル・キャップの側壁を半径方向にまっすぐ通る。さらに他の実施形態においては、空気吸入開口部は、図７Ｂに例示するようにノズル・キャップの側壁を半径方向に通っても良いが、しかし開口部は、図６Ａに例示するように中央の長手軸に対して角度が付いていても良い。

本発明を、現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものと関連して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されず、それどころか、添付の請求項の趣旨および範囲に含まれる種々の変更および等価な配置に及ぶことが意図されていることを理解されたい。

Claims (8)

1. タービン・エンジン用の燃料ノズルであって、
   略円筒型の主ボディと、
   円筒型の主ボディの内部に主ボディの出口端に隣接して取り付けられた円板形状の燃料旋回翼プレートであって、複数の燃料供給開口部が旋回翼プレートを通って延び、旋回翼プレートを出て渦流室に入る燃料に旋回運動が与えられるように燃料供給開口部は旋回翼プレートの第１および第２の平坦面に対して角度が付いており、前記円板形状の燃料旋回翼プレートの中心に円形の開口が形成される、燃料旋回翼プレートと、
   前記円形の開口内に取り付けられ、前記渦流室内に配置されるパイロット・ノズルと、
   主ボディの出口端に取り付けられたノズル・キャップであって、ノズル・キャップの直径は、主ボディに結合される第１の端部から出口を形成する第２の端部へと徐々に小さくなっており、燃料旋回翼プレートの出口側とノズル・キャップの内部側壁とによって渦流室が画定されるノズル・キャップと、
   前記タービン・エンジンを始動する間に前記燃料よりも単位体積当たりのエネルギーの量が大きいスタータ燃料を前記パイロット・ノズルに供給する手段と、
   前記タービン・エンジンが目標の速度に達した後に、前記スタータ燃料の供給を遮断する手段と、
   前記ノズル・キャップの側壁内に形成された複数の空気吸入開口部と、
   を備え、
   前記複数の空気吸入開口部によって、前記燃料ノズルの外側からの空気が前記渦流室に入る、
   燃料ノズル。
2. 旋回運動が与えられた前記燃料は、前記出口において前記燃料ノズルを出る請求項１に記載の燃料ノズル。
3. 燃料供給開口部は、円板形状の燃料旋回翼プレートの中心の周りに形成された開口部からなる複数の又は単一のリングを備える請求項１又は２に記載の燃料ノズル。
4. 燃料供給開口部は円形の断面形状又は直線的断面形状を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料ノズル。
5. 燃料供給開口部は円板形状の燃料旋回翼プレートを通って螺旋状に延びる請求項１に記載の燃料ノズル。
6. 前記第２の端部の内径が前記燃料旋回翼プレートの外径の半分以上である、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料ノズル。
7. 前記燃料ノズル内に送出する前に、前記燃料を加圧するポンプを備え、
   前記燃料が石炭ガス、製鋼所から出る高炉ガス、埋め立て地ガスのいずれかである、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料ノズル。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料ノズルを備えるタービン・エンジンの運転方法であって、
   前記タービン・エンジンを始動する間に前記燃料よりも単位体積当たりのエネルギーの量が大きいスタータ燃料を前記パイロット・ノズルに供給する段階と、
   前記タービン・エンジンが目標の速度に達した後に、前記スタータ燃料の供給を遮断する段階と、
   前記燃料供給開口部に前記燃料を供給する段階と、
   を含む方法。
   

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