JP5530131B2 - ガスタービン燃焼器用の耐保炎性燃料／空気予混合器 - Google Patents

Description

本明細書に開示した主題は、ガスタービン燃焼システム用の燃料／空気予混合器に関し、より具体的には、該システムに対する損傷を受けずに保炎を許すことになるような冷却システムに関する。

従来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（エミッション）は、窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃炭化水素である。当技術分野では、空気吸入機関における窒素分子の酸化は、燃焼システム反応ゾーンにおける最高ガス温度に大きく左右されることがよく知られている。熱機関燃焼器の反応ゾーンの温度を熱ＮＯｘが形成されるレベル以下に制御する１つの方法は、燃焼に先立って燃料及び空気を希薄混合気に予混合することであり、これは、しばしば乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムと呼ばれる。希薄予混合燃焼器の反応ゾーン内に存在する過剰空気の熱質量が、熱を吸収して、燃焼生成物の温度上昇を熱ＮＯｘが大幅に低減されるレベルまで低下させる。

燃料及び空気の希薄予混合によって作動する乾式低エミッション燃焼器に関連して、幾つかの困難な課題が存在する。それは、燃料及び空気の可燃性混合物が、燃焼器反応ゾーンの外側である燃焼器予混合セクション内に存在することである。一般的に、それ以上の速度では予混合器内の火炎が一次燃焼ゾーンに押し出されることになるようなあるバルクバーナ管速度が存在する。火炎が燃焼器反応ゾーンから予混合セクション内に伝播した時に発生する逆火によって、或いは予混合セクション内における燃料／空気混合気の滞留時間及び温度が逆火又はその他の点火事象なしで燃焼が開始するのに十分になった時に発生する自己着火によって、予混合セクション内で燃焼が起こり得る状況がある。予混合セクション内での燃焼及びそれによって生じるノズル内での燃焼の結果、エミッション性能が低下しかつ／又は予混合セクションが過熱及び損傷する。言い換えると、火炎が予混合器内に保持された場合、極めて大きな熱負荷により１０秒と経たないうちに、中央本体、バーナ管及び／又はベーンに対する損傷が発生するおそれがある。

燃料として天然ガスを使用する場合には、通常は適度に低い空気側圧力低下状態で、十分な保炎マージンを備えた予混合器を設計することができる。しかしながら、合成ガス（「シンガス」）、予燃焼炭素捕捉（これにより高水素燃料が得られる）したシンガス、及び高いパーセンテージの高炭化水素を含む天然ガスのようなより高い反応性燃料を使用する場合には、保炎マージン及び目標圧力低下を達成するような設計は、困難な課題となる。最新式ノズルの設計点は３０００°Ｆのバルク火炎温度に達することが可能であるので、ノズル内への逆火は、非常に短期間内にノズルに大きな損傷を引き起こすおそれがある。高水素燃料及びこれらの燃料用に改造したＤＬＮ予混合器を使用した実験により、最新式ノズルがエンジンの現実的条件における保炎テストに合格することの難しさが明らかになっている。テストに「合格した」ものでは、予混合器内部の火炎が該予混合器内に留まらずに、下流方向に正常燃焼ゾーン内に移動している。

米国特許第５１０１６３３号明細書 米国特許第６４３８９６１号明細書 米国特許第６９９３９１６号明細書 米国特許第７００７４７７号明細書 米国特許第７４１２８３３号明細書 米国特許出願公開第２００８／００７８１６０号明細書

Combustion Science and Technology; Burner Development and Operability Issues Associated with Steady Flowing Syngas Fired Combustors; Tim Lieuwen, Vince McDonell, Domenic Santavicca and Thomas Sattlemayer; June 1, 2008; pages: 1169-1192.

本発明の１つの態様によると、燃料ノズルを提供し、本燃料ノズルは、外周壁と、該外壁内に同心に配置されたノズル中央本体とを含む。空気入口、燃料入口、及び外壁と中央本体との間に形成された予混合通路を備えかつ少なくとも部分的にその円周方向に延びる燃料／空気予混合器が、設けられる。また、中央本体内に形成されかつ少なくとも部分的にその円周方向に延びるガス燃料流れ通路が、設けられる。本ノズルは、中央本体内に形成されかつ少なくとも部分的にその円周方向に延びる第１の冷却通路と、中央本体と外周壁との間に形成された第２の冷却通路とを含む。

本発明の別の態様によると、燃料ノズルを冷却する方法を提供する。燃料ノズルは、外周壁と、該外壁内に配置されたノズル中央本体と、空気入口、燃料入口、及び外周壁と中央本体との間に形成された予混合通路を備えた燃料／空気予混合器とを含む。少なくとも１つの冷却通路が、ノズル内に形成されかつ少なくとも部分的にその円周方向に延び、またガス燃料流れ通路が、該中央本体内に形成されかつ少なくとも部分的にその円周方向に延びる。本方法は、冷却通路を通して冷却流体を流すステップと、中央本体の端部面の内表面に対して該冷却流体を衝突させるステップとを含む。本方法はさらに、外壁に隣接させて冷却流体を流すステップと、ノズル中央本体及びノズル外壁間に形成された予混合通路内に該冷却流体を放出するステップとを含む。

能動冷却式予混合器の本発明は、耐保炎性となり、それによって予混合器内の火炎を検出しかつ制御システムにより状態を補正するのに十分な時間が得られるようなＤＬＮ燃焼システムの作動を可能にすることになる。このことは、高額なハードウエア損傷及び強制的運転停止の危険性を大幅に減少させた状態で、燃焼システムがシンガス、高水素及びその他の高反応性燃料で作動するのを可能にする利点がある。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面に関連してなした以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面に関連してなした以下の詳細な説明から明らかである。

本発明による耐保炎性ノズルを示す図。 本発明の耐保炎性ノズルの別の実施形態を示す図。 本発明の耐保炎性ノズルのさらに別の実施形態を示す図。

以下の詳細な説明は、図面を参照しながら実例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

耐保炎性は、最新式冷却システムを用いて達成することができる。本発明の冷却システムは、背面対流冷却、衝突冷却及びフィルム冷却の組合せを含む。作動冷却媒体流体は、当業者に公知のいずれかの流体とすることができ、それら流体には、それに限定されないが、窒素、空気、燃料、又はそれらの組合せが含まれる。従って、本発明は、ノズルが耐保炎性であることを必要としないので、代替的ノズル設計の展開を可能にし、ノズルは、最新式冷却システムと共に使用する場合には、耐保炎性となることができる。

次に、特定の実施形態に関して本発明を説明するが、図１を参照すると、それに限定されないがバーナ組立体１０の断面図を示している。バーナ組立体１０は、外周壁１１と、その外壁１１内に配置されたノズル中央本体１２とを含む。燃料／空気予混合器１４は、空気入口１５と、燃料入口１６と、それから燃料が噴射される旋回ベーン２２と、ベーン通路１７と呼ばれるベーン間の区域と、外壁１１及び中央本体１２間でベーン通路１７の下流に設置された環状予混合通路２１とを含む。

図示するように、燃料は、燃料通路２３内への燃料入口１６を通してノズル中央本体１２に流入する。燃料は、中間壁２４上に衝突し、そこで燃料は、ベーン２２の前半分内に設置されたベーン通路２６内に半径方向に導かれ、燃料噴射ポート２５を通してベーン通路１７内に放出される。これと同時に、主空気が、空気入口１５を通してベーン通路１７内に導かれる。空気は、それがベーン２２の翼形状部上を流れる時、１つ又はそれ以上のポート２５から噴出されているガス燃料と混合し始めかつ予混合通路２１内で混合し続ける。ベーンは、流体に旋回を与えるように湾曲させることができる。燃料／空気混合気が予混合通路２１から流出すると、燃料／空気混合気は、正常燃焼ゾーン３０に流入し、この正常燃焼ゾーン３０で燃焼が行われる。この空気力学的設計は、空気及び燃料を低エミッションになるように混合するのに、また燃焼器反応ゾーン内において燃料ノズル出口の下流に火炎を安定化させるのに非常に有効である。

低ＮＯｘを達成した全負荷運転では、火炎は、予混合通路２１の下流に留まるべきである。時には、予混合通路２１及び／又はベーン通路１７内への火炎の逆火が発生するであろう。逆火又は別の火炎発生事象が生じた場合には、火炎が予混合器内で保持されて、中央本体１２、バーナ及び／又はベーン２２に損傷を引き起こすおそれがある。

能動冷却式バーナ組立体１０の本発明は、火炎がバーナ１０内に保持される可能性があるような場合に、乾式低ＮＯｘ燃焼システムの耐保炎性を有する作動を可能にする。従って、冷却媒体入口３１を通して、冷却ガスが中央本体１２内に導入される。冷却媒体は、端部壁３３の内面に衝突するまで冷却通路３２内を移動し、端部壁３３において冷却媒体は、流れを反転しかつ逆方向流れ通路３４に流入する。逆方向流れ通路３４は、冷却通路３２と同心に設置され、また流れ通路３４に沿って環状に配置されて熱伝達を最適化しかつ増大させる一連のリブ３５を含むことができる。リブ３５は、あらゆる数の形状を取ることができることは明らかであり、それらの形状には、流れ通路３４の内周壁３６から円周方向に垂下した離散弓形環状リング、又はこれまた流れ路３４の内周壁３６から垂下した独立ナブが含まれる。

端部壁３３と反対側の逆方向流れ通路３４の端部において、冷却媒体は、中間壁２４上に衝突し、開口４１を通してベーン２２の後半分のチャンバ４２内に導かれる。冷却媒体は、チャンバ４２を通って、外周壁１１とバーナ内壁４４との間に形成された環状空洞４３内に流れる。バーナ内壁４４内に設置された複数の小孔４５を使用して、冷却媒体がバーナ内壁４４上にフィルムを形成して該バーナ内壁４４を高温燃焼ガスから保護するのを可能にすることができる。冷却媒体はまた、該冷却媒体がベーン２２の前半分の上流で小孔４５から流出することができるようにするために、環状空洞４３内で軸方向上流に導かれる。

次に図１の流れについてさらに説明する。燃料は、燃料通路２３内への入口１６に流入しかつ噴射ポート２５から流出する一方、冷却媒体は、冷却媒体入口３１内に導かれる。冷却媒体は、冷却通路３２内を流れながら該通路３２の内部を円周方向に冷却した後に、端部壁３３に衝突して燃焼反応ゾーンに直接隣接して衝突冷却を行う。冷却媒体が逆方向流れ通路３４内で軸方向上流に導き直されると、予混合通路２１に隣接して背面対流冷却が行われる。冷却媒体がベーン２２のチャンバ４２を通して導かれると、冷却媒体は、環状空洞４３に流入しかつ小孔つまりオリフィス４５を介して流出して、バーナ壁１１の環状内表面４４上にフィルム冷却を行う。この能動冷却式予混合器システムは、火炎がバーナ１０を損傷せずに長時間にわたって予混合通路２１内で保持されるのを許す。この装置のテストにより、何らの損傷も発生しない状態で一回に最大１分までの間にわたって観察した安定バーナ壁温度で、火炎が予混合器内に保持されることが判明した。

次に図２を参照すると、バーナ組立体１１０の別の実施形態を示している。バーナ組立体１１０のジオメトリは、バーナ組立体１０のそれと同様であり、同様な要素は、同じ参照符号で記述している。しかしながら、後で明らかになるように、バーナ組立体１１０の冷却機構は、バーナ組立体１０とは異なった状態で機能する。

バーナ組立体１１０は、外周壁１１１と、その外壁１１１内に配置されたノズル中央本体１１２とを含む。燃料／空気予混合器１１４は、空気入口１１５と、燃料入口１１６と、旋回ベーン１２２と、ベーン通路１１７と呼ばれるベーン間の区域と、外壁１１１及び中央本体１１２間でベーン通路１１７の下流に設置された予混合通路１２１とを含む。

図示するように、燃料は、燃料入口１１６を通して燃料通路１３２内にノズル中央本体１１２に流入する。燃料は、中央本体１１２の全長に沿って軸方向に移動し、端部壁１３３の内面上に衝突し、そこで燃料は、流れを反転しかつ逆方向流れ通路１３４に流入する。逆方向流れ通路１３４は、燃料流れ通路１３２と同心に設置され、また本明細書に記載するように流れ通路１３４に沿って環状に配置されて熱伝達を最適化しかつ増大させる一連のリブ１３５を含むことができる。図１の実施形態と同様に、リブ１３５は、あらゆる数の形状を取ることができ、それらの形状には、流れ通路１３４の内周壁１３６から円周方向に垂下した離散弓形環状リング、又はこれまた流れ路１３４の内周壁１３６から垂下した独立ナブが含まれる。

端部壁１３３と反対側の逆方向流れ通路１３４の軸方向に延びる端部において、燃料は、中間壁１２４上に衝突し、ベーン１２２の中央及び後部分内に設置されたチャンバ１４２内に導かれる。その後すぐに、燃料は、噴射ポート１２５を通してベーン通路１１７内に放出される。これと同時に、主空気が、空気入口１１５を通してベーン通路１１７内に導かれる。空気は、それがベーン１２２の翼形状部上を流れる時、噴射ポート１２５から噴出されているガス燃料と混合し始めかつ予混合通路１２１内で混合し続ける。燃料／空気混合気が予混合通路１２１から流出する時までに、燃料／空気混合気は、実質的に完全に混合されかつ燃焼器反応ゾーンに流入し、この燃焼器反応ゾーンで燃焼が行われる。このバーナ１１０は、空気及び燃料を混合するのに、低エミッションを達成するのに、また燃焼器反応ゾーン内において燃料ノズル出口の下流に火炎を安定化させるのに非常に有効である。

燃料を空気と混合する前に熱伝達流体として使用するために、図２に示すバーナ組立体の冷却機構は、図１の冷却機構とは異なっている。従って、冷却ガスは、冷却媒体通路１２３への冷却媒体入口１３１を通して中央本体１１２に導入される。冷却媒体は、中間壁１２４上に衝突し、そこで冷却媒体は、ベーン１２２の前半分内に設置されたベーン通路１２６内に半径方向に導かれる。冷却媒体は、ベーン通路１２６を通って、外周壁１１１とバーナ内壁１４４との間に形成された環状空洞１４３内に流れる。その後、冷却媒体は、外壁１１１の環状端部壁１４７内に設置された環状オリフィス１４６を通して環状空洞１４３から正常燃焼ゾーン１３０内に流出する。冷却媒体はまた、環状オリフィス１４６を通してではなくて一連の離散孔／オリフィス又は弓形オリフィスを通して、環状端部壁１４７を貫通して放出させることもできることが分かるであろう。

図２から分かるように、燃料は、入口１１６から燃料通路１３２に流入しかつ噴射ポート１２５から流出する一方、冷却媒体は、冷却媒体入口１３１内に導かれる。しかしながら、燃料通路１３２内の燃料は、それが加圧下で導かれる時に、大きな冷却効果をもたらす。燃料は、通路１３２に沿って流れ、かつ中央本体１１２の内部側壁１３３に衝突する。燃料流れは逆方向流れ通路１３４内で軸方向上流方向に導き直されるので、予混合通路１２１に隣接して背面対流冷却が行われる。従って、中央本体１１２の外周表面は、バーナ１１０の内部通路内を流れる燃料による衝突及び対流の両方によって冷却される。冷却媒体は、燃料通路１３２を同心に囲む冷却媒体入口１３１及び冷却媒体通路１２３内に導かれる。冷却媒体は、中間壁１２４に衝突し、かつベーン１２２のベーン通路１２６を通して半径方向に導き直される。バーナ外周壁１１１は、環状空洞１４３内を流れかつ小孔１４５から流出する冷却媒体によってさらに冷却されるが、その場合、冷却媒体は、環状空洞１４３内を流れるにつれて、バーナ内壁１４４上にフィルム冷却を行いまた外壁１１１の外面上に背面対流冷却を行う。

次に、図１の実施形態を変更形態でありまた同様な要素に対して同じ参照符号が使用している図３に移ると、改造した冷却方式を示している。具体的には、冷却媒体は、ベーン通路４２を通り、外周壁３１１とバーナ内壁３４４との間に形成された環状空洞３４３内に流れる。それぞれ環状端部壁３４７に隣接して、またベーン２２２の前縁及びベーン通路２１７に隣接して、バーナ内壁３４４内に設置された複数の小孔３４５及び３４６は、それらの区域内のバーナ壁３４４に沿って目標のフィルム冷却を行う。

さらに、流れ通路３４内のリブ３５と同様な方式で、バーナ壁３４４の外周部に沿って環状空洞３４３内に一連のリブ３５１を環状に配置して、熱伝達を最適化しかつ増大させる。リブ３５１は、環状空洞３４３内であらゆる数の形状を取ることができ、それらの形状には、バーナ壁３４４から環状空洞３４３内に延びる弓形環状リング又は独立ナブが含まれる。

この図示した実施形態では、冷却流体は、燃焼器が作動状態にある間は常時流されて、予混合器があらゆる瞬間時点における逆火又は保炎事象にも耐えるのを可能にする。

フィルム冷却ジオメトリは、用途及びノズルサイズに応じて大きく変化させることができることは、当業者には分かるであろう。適切な冷却は、使用する燃料のタイプ、燃料及び空気の流速、並びに燃料の噴射及び混合を制御する具体的ジオメトリに応じて異なるものとすることができる。一例を挙げると、高水素燃料を使用する直径１．５インチ程度のノズルの場合では、適切なフィルム冷却は、隣接する冷却媒体出口オリフィス間のピッチ又は横方向間隔がフィルム冷却オリフィスの直径の約２〜５倍である時に達成されることが判明した。さらに、外周壁の平面に対する冷却媒体噴射角度は、２０°〜９０°の範囲で変化させることができる。最後に、冷却媒体がバーナ内の軸方向流れ方向に対してさらに複合角度で噴射される場合には、冷却が向上することが判明した。この複合角度もまた、２０°〜９０°の範囲で変化させることができるが、約３０°の角度が多くの異なる状況において有効であることを、テストは示している。

多くのタイプのガス冷却媒体を使用することができ、また冷却媒体は実施形態に応じて変化さることができることが当業者には分かるであろう。冷却媒体は、それに限定されないが、プラント現場における冷却媒体の入手可能性及び量、必要な圧力まで冷却媒体を加圧するコスト、冷却媒体の物理的特性、並びにフィルム冷却を使用する場合の不活性ガスの有用性を含むような要因に応じて変化させることができる。例えば、冷却媒体が窒素のような不活性ガスを含む場合には、バーナ壁４４又は１４４上へのフィルム冷却はまた、燃焼反応に伴うあらゆる化学種から壁を実質的に隔離する働きをし、このことが損傷の危険性をさらに減少させる。冷却媒体はまた、それに限定されないが、窒素、空気又は燃料を含むあらゆる数の作動流体の１つとすることができる。事実、本明細書に記載したように、ノズルの設計及びシステムの特性に応じて、異なる冷却流体の組合せもまた実施可能である。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる多数の変形形態、変更形態、代替形態又は均等な構成を組込むように修正することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、記載した実施形態の幾つかだけを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、前述の説明によって限定されると見なすべきではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ バーナ組立体
１１ 外周壁
１２ ノズル中央本体
１１ 外壁
１４ 燃料／空気予混合器
１５ 空気入口
１６ 燃料入口
２２ 旋回ベーン
１７ ベーン通路
２１ 環状予混合通路
２３ 燃料通路
２４ 中間壁
２６ ベーン通路
２５ 燃料噴射口
３０ 燃焼ゾーン
３１ 冷却媒体入口
３２ 冷却通路
３３ 端部壁
３４ 流れ通路
３５ リブ
３６ 内周壁
４１ 開口
４２ チャンバ
４３ 環状空洞
４４ バーナ内壁
４５ 小孔
１１０ バーナ組立体
１１１ 外周壁
１１２ ノズル中央本体
１１４ 燃料／空気予混合器
１１５ 空気入口
１１６ 燃料入口
１２２ 旋回ベーン
１１７ ベーン通路
１２０ 予混合通路
１３２ 燃料通路
１３３ 端部壁
１３４ 逆方向流れ通路
１３５ リブ
１３４ 流れ通路
１３５ リブ
１３６ 内周壁
１４２ チャンバ
１２２ ベーン
１２５ 噴射ポート
１１７ ベーン通路
１１５ 空気入口
１２１ 予混合通路
１４４ バーナ内壁
１４３ 環状空洞
１４６ 環状オリフィス
１４７ 環状端部壁
１４６ 環状オリフィス
３４３ 環状空洞
３１１ 外周壁
３４４ バーナ内壁
３４５、３４６ 小孔
３４７ 環状端部壁
２２２ ベーン
２１７ ベーン通路
３５１ リブ

Claims (4)

1. 外周壁（１１）および該外周壁（１１）に隣接する内周壁であって、前記外周壁（１１）および前記内周壁はその間に環状空洞を画成し、前記環状空洞は周辺冷却通路を形成する、前記外周壁および内周壁と、
   前記外周壁（１１）内に配置されたノズル中央本体（１２）であって、
   その遠位の端部の端部壁と、
   前記ノズル中央本体内に画成され、その全長の少なくとも一部に延びるガス燃料通路と、
   前記ノズル中央本体（１２）内に形成され、その全長の少なくとも部分的に円周方向に延び、冷却流体の流入口を画成するノズル冷却通路と、
   を備えるノズル中央本体と、
   前記ノズル中央本体の近位の端部部分を囲み、空気入口（１５）および前記ガス燃料通路と流体連通している複数のベーンを備える、燃料／空気予混合器（１４）と、
   を備え、
   前記内周壁（１１）と前記ノズル中央本体（１２）が、その間に予混合通路を形成し、該予混合通路に前記燃料／空気予混合器（１４）からガス燃料と空気とが放出され、
   前記冷却流体は、前記ノズル冷却通路から前記周辺冷却通路に運ばれ、
   前記ノズル冷却通路が、空気源または不活性ガス源と流体連通しており、
   前記周辺冷却通路が、少なくとも１つの出口オリフィスを通って、前記予混合通路と流体連通している、
   燃料ノズル。
2. 前記ノズル冷却通路が、前記予混合通路（１２１）と流体連通している、請求項１に記載のノズル。
3. 前記ノズル冷却通路が、その中に環状にかつ間隔を置いて配置されたリブ（３５）を含む、請求項１に記載のノズル。
4. 前記複数のベーンが内部冷却通路（４２、１２６）を含み、該複数のベーン内の内部冷却通路が前記ノズル冷却通路及び前記周辺冷却通路と流体連通している、請求項１に記載のノズル。
   
   

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