JP5476462B2 - マルチプレミキサ燃料ノズル - Google Patents

Description

本願は、広義にはガスタービンエンジンに関し、具体的には、１つの燃料供給源と、取付カラムと、燃焼前に予混合するための複数のプレミキサとを備える燃料ノズルの使用に関する。

ガスタービン燃焼システム用の現在の燃料ノズルの設計は、概して、１本の燃料ノズル又は個別の燃料供給源につき１つの中心取付・燃料供給中心胴体とを含む。中心胴体の内部には、幾つかの燃料及び空気回路を配置し得る。燃料ノズルの数が約４〜６本のノズルの範囲内にあれば、中心胴体を備える現在の燃焼器は、概して、空気流を中心寄りのノズルに分配するという観点からは、全く問題がない。

しかし、燃料ノズルの数が増すと、中心胴体は、中心寄りのノズルへの空気流を制限し始める。こうした制限は、中心燃料ノズルと外側燃料ノズルとの間及び隣接ノズル間での空気流の均一性に容認し難い変動（ばらつき）を生じかねない。こうした変動は、不均一な燃料空気混合を生じて、保炎マージンの減少及び燃焼室内部で不均一な火炎温度を招きかねない。さらに、このような不均一な温度は、排出量の増大及び耐久性の問題を招くおそれがある。

米国特許第５４１０８８４号明細書

そこで、ノズルの数を問わず、中心及び外側ノズルでの空気流の分布の均一性が向上するガスタービン燃焼システムに対する要望がある。かかる燃焼システムは、広範な作動条件下で保炎マージン及び低燃焼ダイナミクス応答をもたらしながら、低排出量を維持すべきである。

本願は、ガスタービン用の燃料ノズルを提供する。本燃料ノズルは、取付フランジと、互いに結合した複数のプレミキサと、取付フランジから複数のプレミキサまで延在する複数のガス通路とを備える。

また、本願は、燃焼室を提供する。本燃焼室は、燃料通路とプレミキサとを有する中心ノズルと、複数の外側ノズルとを備える。外側ノズルの各々は、複数の燃料通路と複数のプレミキサとを含む。

さらに、本願は、ガスタービン用の燃料ノズルを提供する。本燃料ノズルは、取付フランジと、互いに結合した複数のプレミキサと、取付フランジからプレミキサまで延在する複数のガス管と、燃料管を囲繞する外殻とを備える。

本願の上記その他の特徴は、添付図面及び特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を参照すれば、当業者には明らかであろう。

ガスタービンエンジンの概略図。 公知の標準的な単一中心胴体燃料ノズルの斜視図。 中心胴体１個当たり１つのプレミキサを有するノズルを複数備える公知の燃焼室の斜視図。 本発明に係るマルチプレミキサ燃料ノズルの斜視図。 図４に示す中心胴体１個当たり複数のプレミキサを有するノズルを複数備える燃焼室の斜視図。 本発明に係るマルチプレミキサ燃料ノズルの代替的な実施形態の側断面図。

ここで図面を参照するが、図面を通して同様の構成要素には同様の符号を付した。図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図を示す。公知の通り、ガスタービンエンジン１０は、取り込まれた空気流を圧縮する圧縮機２０を備える。圧縮機２０は、圧縮空気流を燃焼器３０へ送る。燃焼器３０は、圧縮空気流を加圧燃料流と混合して、混合物を点火する。（図では、燃焼器３０は１つしか示していないが、ガスタービンエンジン１０に含まれる燃焼器３０の数は幾つでもよい。）。高温燃焼ガスは次いでタービン４０に送られる。高温燃焼ガスはタービン４０を駆動して機械的仕事を生じる。タービン４０で発生した機械的仕事は、圧縮機２０及び外部負荷５０（発電機など）を駆動する。ガスタービンエンジンでは、天然ガス、各種のシンガス（合成ガス）その他の燃料を使用し得る。

本発明では、他のタイプのガスタービンエンジン１０も使用し得る。ガスタービンエンジン１０は、他の構成を有していてもよいし、別のタイプの部品を用いてもよい。本発明では、複数のガスタービンエンジン１０、他のタイプのタービン及び他のタイプの発電装置を用いてもよい。

図２は、ある公知の燃料ノズル１００を示す。概説すると、燃料ノズル１００は、プレミキサ１１５へと通じる一端にフランジ１１０を含む。ノズル１００は、フランジ１１０からプレミキサ１１５を貫いて延在する中心胴体管１２０を含む。中心胴体管１２０の内部に、パージ空気通路１３０が設けられる。パージ空気通路１３０の周囲に複数の燃料通路１４０が設けられ、フランジ１１０から中心胴体管１２０を貫いて延在する。燃料ノズル１００は、プレミキサ１１５の中心胴体管１２０と共に配置されたスワーラ１５０を含む。スワーラ１５０は中心胴体管１２０からバーナ管１６０まで延在し得る。スワーラ１５０は複数の羽根１７０を含む。燃料通路１４０は、フランジ１１０から中心胴体管１２０の一部を貫いて延在し、スワーラ１５０の羽根１７０から出てもよい。燃料ノズル１００のプレミキサ１１５は、空気を取り込んでスワーラ１５０に流すための入口部１９０を含んでいてもよい。燃料ノズル１００及びその部品についてその他の構成を使用してもよい。

使用に際して、ガスはフランジ１１０に入り、プレミキサ１１５を通過して、スワーラ１５０の羽根１７０から出る。ガス流は、入口部１９０から流入した空気と混合し得る。ガス流と空気流をプレミキサ１１５の内部で混合し、燃料ノズル１００の下流で点火してもよい。

図３に示す通り、燃焼室２０５のエンドカバー組立体２００の内部に複数の燃料ノズル１００を取り付けてもよい。図に示す通り、各ノズルは１本の燃料供給管２１０を有する。しかし、複数のノズル１００を用いると、少なくとも１以上の中心ノズル２３０に関して、空気流の遠回りの経路２２０を生じかねない。中心ノズル２３０と複数の外側燃料ノズル２４０との間の空気流がこのように制限されると、空気流に容認し難い変動を生じかねない。こうした変動は、燃焼室２０５の内部に全体として不均一な温度を生じるおそれがある。前述の通り、このような不均一な温度は、排出量の増大及び耐久性の問題を招くおそれがある。

図４は、本発明に係るマルチプレミキサ燃料ノズル２５０を示す。マルチプレミキサ燃料ノズル２５０は、中心胴体管２７０へと通じるフランジ２６０を含んでいてもよい。同様に、パージ通路２８０がフランジ２６０から中心胴体管２７０を貫いて延在していても。同様に、複数の燃料通路２９０が、フランジ２６０から中心胴体管２７０を貫いて延在していてもよい。本発明では、その他の構成も使用できる。

マルチプレミキサ燃料ノズル２５０は、複数のプレミキサ３００を含む。３個のプレミキサ３００を示したが、任意の数のプレミキサ３００を使用し得る。各プレミキサ３００は、その内部配置されたスワーラ３１０を含んでいてもよい。前述の通り、各スワーラ３１０は複数の羽根３２０を含んでいてもよい。燃料通路２９０は、フランジ２６０を貫通し、中心胴体管２７０を部分的に貫いて各プレミキサ３００へと入り、スワーラ３１０の羽根３２０の周辺から出るようにしてもよい。各プレミキサ３００は、上述のものと同様に、スワーラ３１０の周囲に配置されたバーナ管３３５と、空気入口部３４０を含んでいてもよい。

使用に際して、ガスは燃料通路２９０を流れて、各プレミキサ３００のスワーラ３１０の羽根３２０に入る。同様に、空気は入口部３４０及びスワーラ３１０を通過して、バーナ管３３５内部でガスと混合される。混合物は、マルチプレミキサ燃料ノズル２５０の下流で点火される。

図５は、燃焼室３５０内部でのマルチプレミキサ燃料ノズル２５０の使用を示す。図に示す通り、単一燃料ノズル１００を中心ノズル３６０として使用するが、複数のマルチプレミキサ燃料ノズル２５０を複数の外側燃料ノズル３７０として使用する。図に示す通り、燃焼室３５０は、特に中心ノズル３６０への単純化された空気流路３８０を有する。特に、空気流路３８０は、図３の設計に比べると制限が少ない。さらに、制限の少ない空気進入路は、外側燃料ノズル３７０の各プレミキサ３００の空気入口部３４０についても得られる。

マルチプレミキサ燃料ノズル２５０を使用すると、ノズル１００、２５０間で均一な空気流分布をもたらしてガスタービンエンジン１０の全体的な効率性を向上させるだけでなく、マルチプレミキサ燃料ノズル２５０の使用は、燃料ノズル１００の単一中心胴体の設計に比してコスト削減ももたらす。さらに、燃焼室３５０の全体的な設計も単純化できる。

図６は、マルチプレミキサ燃料ノズル４００の代替的な実施形態の断面図を示す。中心胴体管２７０の使用に代えて、マルチプレミキサ燃料ノズル４００は、フランジ４２０から複数のプレミキサ４３０まで延在する複数の燃料管４１０を含んでいてもよい。フランジ４２０とプレミキサ４３０との間の空間は外殻４４０で囲んでもよい。外殻４４０は、中心胴体管２７０の非存在下で、構造を提供する。こうすると、燃料管４１０は、構造部材ではなく、可撓性チューブから作ることができる。各燃料管４１０は、プレミキサ４３０の１つと連通する。フランジ４２０は、複数の燃料開口４５０及び空気開口４６０を含めて、複数の開口を含んでいてもよい。燃料開口４５０は燃料管４１０と連通し、空気開口４６０は空気の流れを各々のプレミキサ４３０の方向に向ける。本発明では、その他の構成も使用できる。

複数の燃料管４１０を使用すると、プレミキサ４３０の各々への燃料の可変流が可能となる。負荷の性状、定常状態条件及び過渡条件に応じて、燃料の流れを変化させることが各プレミキサ４３０に望まれることがある。

以上の記載は、本願の特定の実施形態に関するものであり、特許請求の範囲によって定められる本願発明の技術的思想及び技術的範囲並びにその均等の範囲内で、当業者が様々な変更及び修正をなし得ることは明らかである。

Claims (9)

1. ガスタービン用のマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）であって、
   取付フランジ（２６０）と、
   前記取付フランジと連通した中心胴体（２７０）と、
   前記中心胴体に結合した複数のプレミキサ（３００）と、
   複数のガス通路（２９０）であって、少なくとも１つのガス通路が前記取付フランジから前記中心胴体を通って複数のプレミキサの各々まで延在している複数のガス通路と
   を備えるマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）。
2. 前記複数のプレミキサ（３００）の各々がその内部にスワーラ（３１０）を含む、請求項１記載のマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）。
3. 前記複数のプレミキサ（３００）の各々がスワーラ（３１０）の下流にバーナ管（３３５）を含む、請求項２記載のマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）。
4. 前記スワーラ（３１０）が複数の羽根（３２０）を含む、請求項２又は請求項３記載のマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）。
5. 前記少なくとも１つのガス通路（２９０）が、取付フランジから複数のプレミキサの各々のスワーラの複数の羽根（３２０）まで延在する、請求項４記載のマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）。
6. 前記複数のプレミキサ（３００）の各々が空気入口部（３４０）を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）。
7. 前記少なくとも１つのガス通路（２９０）が少なくとも１つの燃料管を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）。
8. 前記中心胴体（２７０）の周りに３つのプレミキサ（３００）が三角形の形で配置されている、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）。
9. 前記中心胴体（２７０）の周りに３つのプレミキサ（３００）が二等辺三角形の形で配置されている、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のマルチプレミキサ燃料ノズル（２５０）。