JP5536354B2 - 希薄直接噴射燃焼システム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より具体的には、シェル及びチューブ熱交換器概念を使用して燃焼器に対して燃料及び空気を運ぶ希薄直接噴射（ＬＤＩ）燃焼システムに関する。

大半の燃焼プロセスは、何らかの再循環流れ場を有する。再循環流れ場は、燃焼反応域を安定化させる傾向を有するが、不必要に大きな再循環域は、燃焼システムにおける窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを増大させる可能性がある。

燃焼のための希薄直接噴射は、ＮＯｘエミッションを低減する可能性を有することが判明している。しかしながら、多くの燃料及び空気ストリームを単純にかつ均一に噴射するように燃焼器を構成することは、容易ではない。非予混合燃焼器は一般的に、複数燃料通路を使用して、拡散チップから該拡散チップの外側リングを通って流れる空気内に燃料を噴射する。これは、それら全てが複雑なヘッド端部組立体内に取り付けられた複数の個別空気及び燃料通路を備えた複数拡散チップを必要とする。

本発明のシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムは、シェル及びチューブ熱交換器設計と同様な概念を使用して、全ての通路を通る均一な空気及び燃料流れを備えた多くのＬＤＩ噴射器の組からなる燃焼システムを容易に構成するための手段を提供する。シェル及びチューブ熱交換器は、シェルとその内部のチューブの束とで構成される。１つの流体が、チューブを通って流れ、また別の流体が、シェルを通ってチューブ上を流れて、２つの流体間で熱を伝達する。

本発明は、希薄直接噴射（ＬＤＩ）燃焼システムに関し、本希薄直接噴射（ＬＤＩ）燃焼システムは、シェル及びチューブ熱交換器概念を使用して、燃焼システムで使用するシェル及びチューブ希薄直接噴射器（ＬＤＩ）を構成する。本発明によると、ＬＤＩ噴射器の一方の側つまりシェル又はチューブのいずれかは、燃焼器に対して空気のような酸化剤を運び、また、ＬＤＩ噴射器の他方の側は、燃焼器に対して燃料を運ぶ。チューブは、燃焼器に対して酸化剤（又は燃料、或いは希釈剤又はそれらの組合せ）を運び、また燃焼器の端部プレート内に穿孔又はその他の方法で切り込まれた真直ぐな又は傾斜した孔は、燃料（又は酸化剤、或いは希釈剤又はそれらの組合せ）がシェルから燃焼器に流入するのを可能にする。ろう付け又は溶接のような熱交換器構成技術を使用して、ＬＤＩ燃焼システムの構成要素を組み立てる。

本発明のシェル及びチューブ希薄直接噴射燃焼システムの１つの実施形態の部分断面斜視図。 シェル側から燃料をまたチューブ側から空気を燃焼器内に導入する燃焼器端部プレート内の孔を示す、図１のシェル及びチューブ希薄直接噴射燃焼システムの実施形態の別の部分断面斜視図。 燃焼器の端部プレート内に燃料及び空気孔を切り込む２つの異なる方法を示す概略断面図。 そこでは漸次大きくなるシェルが互いに入れ子状態で配置されかつ対応するチューブ群と共に使用されているシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムの別の実施形態を示す図。 そこでは偏平チューブ又はバー／プレート又はフィンストックを使用してチューブを形成しているシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムの別の実施形態を示す図。 そこでは偏平チューブ又はバー／プレート又はフィンストックを使用してチューブを形成しているシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムの別の実施形態を示す図。 そこでは偏平チューブ又はバー／プレート又はフィンストックを使用してチューブを形成しているシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムの別の実施形態を示す図。 その内部にチューブ組立体が挿入されたシェル組立体を含むシェル及びチューブＬＤＩ組立体を使用したシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムのさらに別の実施形態を示す図。 その内部にチューブ組立体が挿入されたシェル組立体を含むシェル及びチューブＬＤＩ組立体を使用したシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムのさらに別の実施形態を示す図。 その内部にチューブ組立体が挿入されたシェル組立体を含むシェル及びチューブＬＤＩ組立体を使用したシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムのさらに別の実施形態を示す図。 その内部にチューブ組立体が挿入されたシェル組立体を含むシェル及びチューブＬＤＩ組立体を使用したシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムのさらに別の実施形態を示す図。

図１は、本発明のシェル及びチューブ希薄直接噴射燃焼システム１０の１つの実施形態の部分断面斜視図である。シェル及びチューブＬＤＩ燃焼システム１０は、燃焼器１２と、該燃焼器１２に対して燃料及び空気のような酸化剤を運ぶシェル及びチューブ希薄直接噴射器１４とを含む。

シェル及びチューブＬＤＩ１４は、シェル１６と、該シェル１６の内部に配置されたチューブ１８の束又は複数のチューブ１８とを含む。図１に示すＬＤＩ１４の実施形態では、燃料は、燃焼器１２に対してＬＤＩ１４の「シェル側」１６によって運ばれ、また空気は、燃焼器１２に対してＬＤＩ１４の「チューブ側」１８によって運ばれる。しかしながら、別の実施形態として、いずれの側も、燃料、空気又は希釈剤、或いはそれらのあらゆる組合せを含むことができる。

図２は、シェル側１６から燃料をまたチューブ側１８から空気を燃焼器１２内に噴射する燃焼器１２の端部プレート内の２つの孔の組を示す、図１のシェル及びチューブ希薄直接噴射燃焼システム１０の実施形態の別の部分断面斜視図である。

シェル１６内の複数のチューブ１８は、該シェル１６の第１の端部プレート２０から該シェル１６の第２の端部プレート２２まで該シェル１６の内部を完全に横切って延びる。第１の端部プレート２０は、該第１の端部プレート内に穿孔されるか又はその他の方法で切り込まれた複数の孔２４を有しており、チューブ１８の第１の端部２６は、これらの孔２４で終端している。端部プレート２０内の複数の孔２４は、その数がシェル１６内の複数のチューブ１８に相当している。シェル１６の第２の端部プレート２２もまた、該第２の端部プレート内に穿孔されるか又はその他の方法で切り込まれた複数の孔３０を有しており、チューブ１８の第２の端部３６は、これらの孔３０で終端している。

シェル１６の端部プレート２２に隣接しているのは、燃焼器１２の端部プレートつまりキャップ３２である。図１及び図２において、燃料及び空気を燃焼器１２内に噴射するための端部プレート３２内の孔を容易に図示することができるように、端部プレート３２は、仮想線で示している。

空気は、図１及び図２に示す燃焼システム１０の実施形態のＬＤＩ１４のチューブ側１８を通して燃焼器１２に流入する。図１及び図２に見られるように、複数の孔３４が、端部プレート３２内に穿孔されるか又はその他の方法で切り込まれる。孔３４は、その数及び位置が端部プレート２２内の孔３０に相当している。従って、孔３４は、燃焼器１２内に空気を噴射するために使用される。この目的のために、シェル１６の第１の端部プレート２０は、図１に示す上流プレナム４０に接合される。上流プレナム４０からの空気は、端部プレート２０内の孔２４内に流入し、チューブ１８を通して、端部プレート３２内の孔３４を介して燃焼器１２内に流れる。

燃料は、ＬＤＩ１４のシェル側１６を通して燃焼器１２に流入する。シェル１６は、それを通して燃料がシェル１６内に圧送される燃料入口２８を含む。シェル１６の端部プレート２２はまた、燃焼器１２の端部プレート３２内の複数の燃料孔３８に相当する複数の燃料孔２９を含む。燃料孔２９を通って、次に燃料孔３８を通って流れる燃料は、燃焼器１２内に噴射され、燃焼器１２において、燃料は、チューブ１８に連結された空気孔３４から燃焼器１２内に噴射された空気と混合される。図２から分かるように、燃焼器１２の端部プレート３２内の各空気孔３４に対して、該空気孔を跨いだ状態で少なくとも１対の燃料孔３８が設けられるのが好ましい。シェル側１６、燃料入口２８、端部プレート２２内の燃料孔２９、及び端部プレート３２を貫通した燃料孔３８は、燃焼器１２への適切な燃料送給のために全体的に均一な孔寸法が保証されるような寸法にされる。

チューブ１８及びシェル１６は、互いにろう付け又は溶接することができる。空気孔３４及び燃料孔３８は、端部プレート３２を貫通してあらゆる従来型の方法を用いて穿孔するか又は切り込むことができる。図１及び図２に示す構成では、燃料孔３８は、最初真直ぐであり、次に端部プレート３２内におけるそれらの出口において傾斜して、空気孔３４から流入する空気ストリーム内に燃料を噴射する。図２では、燃料孔３８は、燃焼器１２内に流出するものとして示しているが、それら燃料孔は、端部プレート３２内で空気孔と交差し、従って燃焼器１２内に流入するのに先立って空気及び燃料の幾分かの予混合を形成するように切り込むことができる。燃料及び空気孔３８及び３４はまた、端部プレート３２を貫通する流入チューブと一列になってか又は端部プレート３２を貫通する流入チューブに対して完全に傾斜してかのいずれかで切り込むことができることに注目されたい。空気孔３４の周りに配置した燃料孔３８の数又は位置は、燃焼システム１０の性能を最適化することに基づいて変化させることができることにもさらに注目されたい。

図２Ａは、燃焼器の端部プレート３２内に燃料及び空気孔を切り込む２つの異なる方法を示す概略断面図である。第１の方法は、図２に示すものと同様に、端部プレート３２を真直ぐに貫通した孔３８Ａを穿孔する方法である。第２の方法は、燃焼器内に流入する流れを傾斜させるように空気及び燃料孔３８Ｂを傾斜して切り込む方法である。燃焼器の周りにおける異なる傾斜のチューブの組合せは、渦流を生じさせるように使用することができる。

ＬＤＩ１４のシェル側１６は、必要なだけ多くのＬＤＩ噴射器チューブ１８を収容するような寸法にされる。燃焼システム１０は、１つの大型のシェル及びチューブＬＤＩ１４を含み、ＬＤＩ１４の端部プレート２２が燃焼器１２のキャップ３２となるようにすることができ、或いは燃焼システム１０は、燃焼器１２のキャップ３２の周りにあるパターンで互いに隣接して取付けられた幾つかのより小型のシェル及びチューブＬＤＩ１４を含むことができる。

燃焼システム１０の１つの別の実施形態では、燃料はチューブ側１８で運ばれまた空気はシェル側１６で運ばれて、空気が燃料内に噴射される。加えて、燃料又は空気側のいずれかが、純粋な燃料又は純粋な空気を使用する代わりに、予混合空気／燃料混合気を有するようにして、燃焼器１２内における空気及び燃料の混合が一層急速になるようにすることができる。燃料側又は空気側はまた、燃焼器１２内に希釈剤を導入する方法として、希釈剤の何らかの組合せを含むことができる。

本発明の燃焼システム１０の別の実施形態は、シェル及びチューブＬＤＩ１４内で複数組のチューブ及び／又は分離シェルセクション（内部で仕切られた）を使用して、複数の異なるＬＤＩ組合せによる複数の異なる空気／燃料／希釈剤の組合せの使用を可能にすることができる。図３には、この種の実施形態の１つの実施例を示しており、この実施例においては、互いに入れ子状態に配置された漸次大きくなるシェル、例えばシェル１６Ａ〜１６Ｇが、端部プレート２２内の孔２９Ａ〜２９Ｇに至る対応する群のチューブ、例えば８Ａ〜１８Ｇと共に使用される。

本発明の燃焼システム１０のさらに別の実施形態は、図４Ａに示すように、より多数の燃料孔１２９によって囲まれた空気孔１３０に至る偏平チューブ１１８を使用することができ、或いは図４Ｂ及び４Ｃに示すように、より多数の燃料孔２２９又は３２９によって囲まれた空気孔２３０又は３３０に至るバー／プレート又はフィンストック（金属の薄いラッフルシート）２１８又は３１８を使用することができる。バー／プレート又はフィンストックは、互いにろう付けして、異なる燃料／空気／希釈剤通路を分離することができる。別の実施形態は、互いに入れ子状態になった漸次大きくなるチューブを有し、チューブ間の空間に空気、燃料、希釈剤、又はそれら各々の組合せを交互に収容することができる。さらに別の実施形態は、性能を最適化するようなあらゆる組合せとして、多様な異なるチューブ寸法／形状を使用することができる。

図５Ａ〜５Ｄは、本発明のシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムのさらに別の実施形態を示している。図５Ａ〜５Ｄに示す燃焼システム５０は、燃焼器５２と、該燃焼器５２に燃料及び空気を送給するシェル及びチューブ希薄直接噴射器組立体５４とを含む。シェル及びチューブＬＤＩ５４は、シェル組立体５６と、該シェル組立体５６内に配置されたチューブ組立体５８とを含む。

シェル組立体５６は、図５Ｄに示すように、その内部にチューブ組立体５８（図５Ｃ）が挿入された中空の中央部を有する大きな円筒体６０と、円筒体（又はチューブ）６０の外側に溶接されて該チューブに強度を与える２つのフランジ６２及び６４とを含む。

チューブ組立体５８は、第１の端部プレート６６と、第２の端部プレート６８と、端部プレート６６及び６８間で延びるチューブ７０の束つまり複数のチューブ７０とを含む。第１の端部プレート６６は、該第１の端部プレート６６内に穿孔され又はその他の方法で該第１の端部プレート６６内に切り込まれて上流プレナム６９からの空気又は燃料を受ける複数の孔７２を有する。第２の端部プレート６８は、燃焼器５２内に空気及び燃料を噴射する複数の孔７６及び７８を有する。チューブ７０は、孔７２及び７６間で延びる。孔７２及び７６の構成は、図２に示す孔３４及び３８の構成と同様である。

シェル組立体５６に取付けられているのは、それぞれ該組立体５６を上流プレナム６９及び燃焼器５２上における対応するフランジ８０及び８２に対して取り付ける２つの付加的なフランジ７６及び７８（図５Ａ及び５Ｂ）である。シェル組立体５６はまた、それを通して該シェル組立体５６内に燃料が圧送される燃料入口８４を含む。シェル組立体５６内に導入された燃料は次に、端部プレート６８内の孔７８を通して燃焼器５２内に噴射される。

本発明のシェル及びチューブＬＤＩ燃焼システムは、現在のＭＮＱＣノズルよりも低いＮＯｘエミッションをもたらす。試験によると、本燃焼システムを使用したＮＯｘレベルは、同じ条件においてＭＮＱＣノズルを使用して得られたＮＯｘレベルの半分よりも少ないことを示した。このことは、大きなエミッションの利点をもたらしかつ／又は希釈剤の必要性を減少させることを可能にすることができる。本発明の燃焼システムはまた、燃料及び空気をより良好に分散させて燃焼の向上をもたらす。このことは、噴射器寸法を非常に小さな寸法に縮小すること又は大きな寸法にまで拡大することを可能にする。これは、現在のＭＮＱＣ方式の代わりに又は現在のＤＬＮ方式における拡散チップの代わりに使用することができる。これはまた、あらゆるサンガスエンジンにおける現在のＭＮＱＣノズルの代わりに又はあらゆる現在のＤＬＮ燃焼器における拡散チップの代わりに使用することができる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、むしろ特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ シェ及びチューブ希薄直接噴射燃焼システム
１２ 燃焼器
１４ シェル及びチューブ希薄直接噴射器（シェル及びチューブＬＤＩ）
１６、１６Ａ〜１６Ｇ シェル
１８、１８Ａ〜１８Ｇ チューブ
２０ 第１の端部プレート
２２ 第２の端部プレート
２４ 第１の端部プレート内の孔
２６ チューブの第１の端部
２８ 燃料入口
２９、２９Ａ〜２９Ｇ 燃料孔
３０ 第２の端部プレート内の孔
３２ 端部プレート
３４ 端部プレート内の孔
３６ チューブの第２の端部
３８ 端部プレート内の燃料孔
３８Ａ 端部プレート内に真直ぐに切り込まれた孔
３８Ｂ 端部プレート内に傾斜して切り込まれた孔
４０ 上流プレナム

Claims (9)

1. 端部プレート（３２）を備え、空気及び燃料の混合気を燃焼させるための燃焼器（１２）と、
   前記燃焼器（１２）内に燃料及び空気を直接噴射するための希薄直接噴射器（１４）と、
   を含み、
   前記噴射器が、
   その中を通って空気又は燃料をシェル（１６）に導入する入口（２８）を備え、かつ前記燃焼器（１２）に連結された端部（２２）を備えるシェル（１６）であって、前記シェルからの空気又は燃料が燃焼器端部プレートに直接入って前記燃焼器内に直接噴射を行う、シェル（１６）と、
   前記シェル（１６）内部に配置され、前記燃焼器まで延びる複数のチューブ（１８）であって、前記複数のチューブからの空気又は燃料が前記燃焼器端部プレートに直接入って前記燃焼器内に直接噴射を行う、複数のチューブ（１８）と、
   を含み、
   前記燃焼器端部プレート（３２）が、
   前記シェル（１６）からの空気又は燃料を前記燃焼器（１２）内に直接噴射するための第１の複数の孔（３４）と、
   前記チューブ（１８）からの空気又は燃料を前記燃焼器（１２）内に直接噴射するための第２の複数の孔（３８）と、
   を備え、
   前記複数のチューブ（１８）は、前記燃焼器端部プレート（３２）と前記シェル（１６）の端部（２２）との間を延び、
   前記シェル（１６）が、
   その中に形成されてそれに連結されたプレナム（４０）から空気又は燃料を受ける第３の複数の孔（２４）を備えた第１の端部プレート（２０）と、
   前記燃焼器端部プレート（３２）に連結されかつその中に形成されて前記燃焼器（１２）に対して空気又は燃料を直接運ぶ第４の複数の孔（３０）を備えた第２の端部プレート（２２）と、
   を含み、
   前記複数のチューブ（１８）が、前記第１及び第２の端部プレート（２０、２２）内に形成された前記第３及び第４の複数の孔（２４、３０）間でさらに延びる、
   燃焼システム（１０）。
2. 前記シェル（１６）が、前記燃焼器（１２）に対して燃料を運び、また前記複数のチューブ（１８）が、前記燃焼器（１２）に対して空気を運ぶ、請求項１に記載の燃焼システム。
3. 前記シェル（１６）が、前記燃焼器（１２）に対して空気を運び、また前記複数のチューブ（１８）が、前記燃焼器（１２）に対して燃料を運ぶ、請求項１に記載の燃焼システム。
4. 前記シェル（１６）及び複数のチューブ（１８の一方が空気または空気と希釈剤との組み合わせを、他方が燃料または燃料と希釈剤との組み合わせを、前記燃焼器（１２）に対して運ぶ、請求項１に記載の燃焼システム。
5. 前記シェル（１６）の第２の端部プレート（２２）が、該第２の端部プレート内に切り込まれて前記燃焼器に対して空気又は燃料を直接運ぶ第５の複数の孔（２９）を含む、請求項１に記載の燃焼システム。
6. 前記第２の複数の孔（３８）が、前記チューブ（１８）と一列になって前記燃焼器端部プレート（３２）を貫通して切り込まれる、請求項１に記載の燃焼システム。
7. 前記第１及び第２の複数の孔（３４、３８）が、前記チューブ（１８）に対して傾斜して前記燃焼器端部プレート（３２）を貫通して切り込まれる、請求項１に記載の燃焼システム。
8. 前記第２の複数の孔（３８）が、前記第１の複数の孔（３４）と交差するように前記燃焼器端部プレート（３２）内に傾斜して切り込まれて、該第２の複数の孔（３８）によって運ばれた燃料が、該第１の複数の孔（３４）によって運ばれた空気と混合される、請求項１に記載の燃焼システム。
9. 前記複数のチューブ（１８）が、前記シェル（１６）に対してろう付け又は溶接され、
   前記端部プレートが、前記燃焼器のためのキャップである、
   請求項１に記載の燃焼システム。