JP5441304B2 - 燃料ノズル、ガスタービン燃焼器および二次燃料ノズルにおける独立パイロット燃料制御の方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンに関し、特に、燃焼系統の放出物濃度を最適にすることを目的として個別に制御される燃料回路を有するガスタービン燃焼器の二次燃料ノズルに関する。

ガスタービンの燃焼器は、本質的には、燃料と空気とを混合し、その結果形成される混合物を燃焼させるために使用される装置である。ガスタービンの圧縮機は吸気を加圧する。加圧された空気は、流れの方向を反転させて、燃焼器へ流れる。燃焼器において、空気は、燃焼器を冷却すると共に、燃焼行程に供給され使用される。信頼性が高く且つ効率のよいタービン動作を実現するために、複数の燃焼室構体が利用されてもよい。各燃焼室構体は、円筒形の燃焼器ライナと、燃料噴射系統と、燃焼器ライナからの高温ガスの流れをタービン部分の入口へ案内する接合部分とを具備する。本発明の燃料ノズル構造が利用されるガスタービンは、１つの燃焼器を含んでもよいし、あるいはタービン回転子軸に関して環状アレイとして配列されたいくつかの燃焼器を含んでもよい。

従来のガスタービン燃焼器は、拡散（すなわち、非予混合）燃焼を使用する。この場合、燃料及び空気は、別個に燃焼火炎ゾーンに流入し、燃焼時に混合される。混合及び燃焼の工程は、３，９００°Ｆを超える火炎温度を発生する。２原子窒素は、約３，０００°Ｆ（約１，６５０℃）を超える温度で急速に解離して酸化するため、拡散燃焼の高温により相対的に高い濃度のＮＯｘが放出される。

燃焼器の異なる領域に流れる燃料の量を制御可能であれば、所定の動作条件に対して、ＣＯ放出物及びＮＯｘ放出物を最小限に抑えられる。

従って、周囲範囲及びガスタービン負荷範囲の全体にわたり放出物を更に減少し且つ稼動性を更に最適化するための追加調整レベルを提供するための手段として、複数の燃料導入場所への燃料流れを独立可変制御することが必要とされる。

燃料ノズルが開示される。燃料ノズルは、第１の燃料導入場所、第２の燃料導入場所及び複数の燃料流路を含む。第１の燃料導入場所は、燃料ノズルの周囲に半径方向に配置され、燃料流路と接続される。第２の燃料導入場所は、燃料ノズルの一端部に配置され、第１の燃料導入場所に接続された燃料流路が第２の燃料導入場所に接続された燃料流路とは別個になるように、別の燃料流路と接続される。

更に、ガスタービン燃焼器が開示される。ガスタービン燃焼器は、一次燃焼室、複数の一次ノズル、二次燃焼室及び二次ノズルを含む。複数の一次ノズルは一次燃焼室へ燃料を送り出すことが可能である。二次燃焼室は一次燃焼室の下流側に位置する。二次ノズルは二次燃焼室へ燃料を送り出すことが可能である。二次ノズルは複数の個別に制御される燃料回路を有する。

更に、ガスタービン燃焼器の二次燃料ノズルにおける燃料流れを制御する方法が開示される。第１の燃料流れは燃焼器の反応ゾーンへ搬送される。第１の燃料流れが第２の燃料流れから独立して制御され且つ第２の燃料流れが第１の燃料流れから独立して制御されるように、第２の燃料流れは燃焼器の下流側燃焼室へ搬送される。

添付の図面を参照して説明する。図中、同じ要素は、同一の図中符号により示される。

図１を参照すると、ガスタービン１０（一部が示される）は、圧縮機１２（同様に一部が示される）と、複数の燃焼器１４（そのうち１つが示される）と、本実施形態においては単一のブレード１６により表されるタービン部分とを含む。詳細には示されていないが、タービンは、共通軸に沿って燃焼器１２に駆動自在に結合される。圧縮機１２は、吸気を圧縮する。圧縮された空気は、燃焼器１４に向かって逆方向に流れ、そこで、燃焼器を冷却すると共に、燃焼工程に空気を供給するために使用される。

前述のように、複数の燃焼器１４は、ガスタービンの軸に関して環状アレイを形成するように配列される。燃焼の高温生成物を承認温度プロファイルの形態でタービンへ送り出すために、接合導管１８は、各燃焼器１４の出口端部をタービンの入口端部と接続する。

各燃焼器１４は、ベンチュリスロート領域２８により分離された一次燃焼室又は上流側燃焼室２４と、二次燃焼室又は下流側燃焼室２６とを具備してもよい。燃焼器１４は、燃焼器流れスリーブ３０により包囲される。燃焼器流れスリーブ３０は、圧縮機排気流れを燃焼器１４へ搬送する。燃焼器１４は、タービンケーシング３４にボルト留めされた外側ケーシング３２により更に包囲される。

一次ノズル３６は、上流側燃焼室２４へ燃料を送り出す。一次ノズル３６は、中央二次ノズル３８の周囲に環状アレイとして配列される。種々の燃焼器１４において、点火は、クロスファイア管２２（１つが示される）と関連する点火プラグ２０によって実現される。二次ノズル３８は、下流側燃焼室２６へ燃料を送り出す。

図２は、二次ノズルペグ４０及び二次ノズルパイロットチップ４２を含む２つの燃料導入場所を有する二次ノズル３８の一例を示した図である。二次ノズルペグ４０は、燃焼器１４の予混合反応ゾーンに燃料を供給し、二次ノズルパイロットチップ４２は、下流側燃焼室２６に燃料を供給する。下流側燃焼室２６においては、燃料は直ちに燃焼される（拡散燃焼）。二次ノズル３８は、個別に制御される別個の燃料回路を有する燃焼系統燃料送り出し装置である。燃料回路が個別に制御されるため、２つの燃料導入場所（二次ノズルペグ４０及び二次ノズルパイロットチップ４２）へ送り出される燃料の流量を個別に変化させることが可能である。例えば、二次ノズルパイロットチップ４２を通過する燃料の流量は、二次ノズルペグ４０を通過する燃料の流量とは関係なく変化されてもよく、二次ノズルペグ４０を通る燃料の流量は、二次ノズルパイロットチップ４２を通過する燃料の流量とは関係なく変化されてもよい。更に、二次ノズルペグ４０及び二次ノズルパイロットチップ４２は、それぞれ、独自の独立した燃料配管回路を有し、各回路は、独立した専用の燃料源を有する。二次ノズルパイロットチップ４２へ送り出される燃料の流量は、ガスタービン全体の燃料流量の約２％未満であり、一実施形態においては、燃料流量を約０．９１ｇ/秒（０．００２ｐｐｓ（ポンド／秒））〜約９．１ｇ/秒（０．０２０ｐｐｓ）の範囲で送り出し、制御することが可能である。２つの燃料導入場所を独立して制御することにより自由度が更に増し、その結果、燃焼系統が最適化されると共に、ガスタービン系統により発生されるＣＯ放出物及びＮＯｘ放出物が最小限に抑えられる。特に、２つの燃料導入場所の独立制御は、周囲範囲及びバーナ負荷調整範囲の全体にわたり、５ｐｐｍ（百万分率）以下のＮＯｘ放出物を実現する。燃料配管回路及び燃料流路に関しては、以下に更に詳細に説明する。

図３は、二次ノズルペグ４０並びに独立した燃料回路及び燃料流路を更に示した図である。二次燃料ノズル３８は、一連の同心管を具備する。半径方向の最も外側に位置する２つの同心管４４及び４８は、三次ガス流路４６を形成する。三次ガス流路４６は、二次ノズルパイロットチップ４２に三次ガスを供給する。

三次ガス流路４６に隣接する二次ガス燃料流路５０は、同心管４８及び５２の間に形成される。二次ガス燃料流路５０は、二次ノズル３８の周囲に沿って配列された複数の半径方向に延出する二次ノズルペグ４０と連通し、二次ノズルペグ４０に二次ガス燃料を供給する。

二次ガス燃料流路５０に隣接するサブパイロットガス燃料流路５４は、同心管５２及び５６の間に規定される。サブパイロットガス燃料流路５４は、二次ノズルパイロットチップ４２にサブパイロットガス燃料を供給する。

サブパイロットガス燃料流路５４に隣接する水パージ流路５８は、同心管５６及び６０の間に規定される。水パージ流路５８は、一酸化炭素（ＣＯ）放出物及び窒素酸化物（ＮＯｘ）放出物を低減するために、二次ノズルパイロットチップ４２に水を供給する。

二次ノズル３８を形成する一連の同心流路のうち最も内側に位置する液体燃料流路６２は、管６０により規定される。液体燃料流路６２は、二次ノズルパイロットチップ４２に液体燃料を供給する。

更に、図２は４つの独立した燃料回路を示すが、動作条件及び設計条件に従って、燃料回路の数は４以外であってもよい。

図４は、二次ノズルパイロットチップ４２を更に示した図である。一実施形態においては、二次ノズルパイロットチップ４２は、サブパイロット部分６４、水パージ部分６６及びチップ部分６８を有する３分割構体であってもよい。サブパイロット部分６４は、二次ノズルパイロットチップ４２においてサブパイロットガス燃料を含み、管５２に当接する。水パージ部分６６は、二次ノズルパイロットチップ４２において水を含み、管５６に当接する。チップ部分６８は、二次ノズル３８に至る出口端部を形成する。３分割二次ノズルパイロットチップは、例えば、電子ビーム溶接工程により固定接合されてもよい。

図５は、管５６と二次ノズルべース７２との間のリップシール７０を示す。リップシール７０は、管５６と二次ノズルベースとの間に制御された締り嵌めを形成することにより、二次ノズル３８内部における燃料漏れを防止する。燃料漏れを防止するために、必要に応じて、（管５６以外の）管を規定する他の燃料流路と二次ノズルベース７２との間でリップシール７０が利用されてもよい。

１つ以上の好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、種々の変更を実施でき、実施形態の要素を等価の要素と置き換えてもよいことは当業者により理解される。更に、本発明の本質的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適応させるために、数多くの変形が実施されてもよい。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されてはならず、本発明は、特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。

本発明の一実施形態に従って使用するためのガスタービンを示した部分横断面図である。 本発明の一実施形態に従って使用するための二次ノズルの一例を示した側面図である。 図２の二次ノズルの二次ノズルペグ領域を示した拡大図である。 図２の二次ノズルの二次ノズルパイロットチップを示した拡大図である。 図２の二次ノズルのリップシール領域を示した拡大図である。

符号の説明

１０…ガスタービン、１４…燃焼器、２４…上流側燃焼室、２６…下流側燃焼室、３６…一次ノズル、３８…中央二次ノズル、４０…二次ノズルペグ、４２…二次ノズルパイロットチップ、４６…三次ガス流路、５０…二次ガス燃料流路、５４…サブパイロットガス燃料流路、５８…水パージ流路、６２…液体燃料流路、７０…リップシール

Claims (4)

1. 燃料ノズル（３８）において、
   ノズルベース（７２）と、
   第１の管（６０）と、
   前記第１の管（６０）の周囲に同心に配置された第２の管（５６）と、
   前記第２の管（５６）の周囲に同心に配置された第３の管（５２）と、
   前記第３の管（５２）の周囲に同心に配置された第４の管（４８）と、
   前記第１の管と前記第２の管との間に形成され、前記燃料ノズル（３８）のノズルパイロットチップ（４２）に水を供給する第１の流路（５８）と、
   前記第２の管と前記第３の管との間に形成された第２の流路（５４）と、
   前記第１の管の内側に形成され、前記ノズルパイロットチップ（４２）に液体燃料を供給する第３の流路（６２）と、
   前記第３の管と前記第４の管との間に形成され、前記ノズルから半径方向に延出するペグ（４０）にガス燃料を供給する第４の流路（５０）と、
   前記第２の管（５６）と前記ノズルベース（７２）との間に設けられ、該第２の管（５６）と該ノズルベース（７２）との間に締り嵌めを形成して燃料漏れを防止するリップシール（７０）
   と
   を有することを特徴とする、燃料ノズル（３８）。
2. ガスタービン燃焼器（１４）に用いられる請求項１に記載の燃料ノズル（３８）における燃料流れを制御する方法において、
   前記燃焼器の反応ゾーンへ第１の燃料流れを搬送することと；
   前記燃焼器（１４）の下流側燃焼室（２６）へ第２の燃料流れを搬送することとから成り、前記第１の燃料流れは、前記第２の燃料流れから独立して制御され、前記第２の燃料流れは、前記第１の燃料流れから独立して制御される方法。
3. 前記第２の燃料流れの搬送は、ガスタービン全体の燃料流れの２％未満である請求項２記載の方法。
4. 前記第２の燃料流れの搬送は、０．９１ｇ/秒〜９．１ｇ/秒の範囲である請求項２記載の方法。
   

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