JP5539938B2 - 燃焼器ノズル - Google Patents

Description

本発明は、燃焼タービンに使用される燃焼器に関する。特に、本発明は、燃焼器に燃料を噴射する、ノズルシステムに関する。

ガスタービンは、多くの用途、即ち、航空機の推進、船舶の推進、発電、及びポンプやコンプレッサー等の駆動プロセス、において、支配的な役割を演じる。典型的には、ガスタービンは、コンプレッサーと、燃焼器と、タービンと、を備える。運転中は、空気がコンプレッサーによって圧縮され、更に空気の一部が燃料に混合されるシステムに、空気が供給される。圧縮空気と燃料の混合物は、次に、燃焼されて膨張し、タービンの駆動を行う。

排気物質を低減するために、燃焼器は、点火の前に燃料と空気とを予混合するように設計されてきた。予混合された燃料と空気とは、従来の拡散燃焼での理論混合気燃焼よりも低い温度で、燃焼する。その結果、予混合燃焼では、ＮＯｘの放出が低減される。

典型的な燃焼器は、中央の第２燃料ノズルを取り囲む複数の第１燃料ノズルを備える。従来の第２燃料ノズルは、拡散燃料と予混合燃料とを同一の細長い管状構造内に通す通路を備える。このタイプのノズルは、しばしば、単一の管状シェル内に収容された複雑な通路構造を有する。拡散火炎を発生する通路は、ノズルの長さを貫通して延びる。予混合燃料は、燃料がノズルの下流に配置された火炎領域に到達する前に、燃焼器を通って流れる圧縮空気と混合するように、拡散チップの上流で供給される。その結果、予混合燃料用の通路は、拡散燃料用の通路よりも短いのが普通である。

更に、予混合燃料は、拡散チップの上流で、特に第２燃料ノズル構造の半径方向外側で、空気と混合してもよい。このタイプの第２燃料ノズルでは、予混合燃料は、ノズル本体から半径方向外側に通過して予混合インジェクターチップに至るまで、ノズル長さの一部分に沿って運ばれる。インジェクターチップでは、予混合燃料は、空気流路へ供給される。燃料と空気とは、第２燃料ノズル長さの残り部分に沿って下流へと流れ続けるので、混合され、ノズルチップの下流の火炎領域内で、より効率的な燃焼をする。

圧縮空気は高温であるが、それに比べて燃料は低温であるのが普通である。第２燃料ノズル内の異なった流路を流れる温度の差は、ノズルを構成する使用材料の熱膨張のレベルが異なるという結果を生じる。第２燃料ノズルのシンプル化は、内部の複雑さや極限運転条件や熱膨張差から生じるノズル構造の高い応力を、低減するのに有利であると考えられる。

本発明は、燃焼タービンの燃焼器内に備える第２燃料ノズルを提供するものである。第２燃料ノズルは、フランジと、フランジから延びる細長いノズル本体と、を備える。少なくとも１つの予混合燃料インジェクターが、ノズル本体から半径方向に配置され、フランジから軸方向に延び、普通はノズル本体と平行に配置される。

第２燃料ノズルは、燃料源と、フランジと、フランジから軸方向に延びる第１のノズルチューブと、を備える。少なくとも１つの第２のノズルチューブが、第１のノズルチューブから半径方向外側に配置され、フランジに固定された近位端部を有する。第２のノズルチューブは、燃料源に、流体接続されている。第２のノズルチューブは、遠位端部を有し、遠位端部は、第２燃料ノズルの近位端部から軸方向に配置され、その内部に少なくとも１つの穴を有する。第２のノズルチューブの近位端部と第２のノズルチューブの遠位端部との間には、通路が延び、この通路は、燃料源と少なくとも１つの穴とを流体接続する。

複数の第１燃料ノズルと、第２燃料ノズルと、を有する燃焼タービンの、燃焼器の実施例の断面図である。 第１燃料ノズルと第２燃料ノズルの実施例の、斜視図である。 図１と図２に示す複数の第１燃料ノズルと１つの第２燃料ノズルの、正面立面図である。 図１−３に示す第２燃料ノズルの、斜視図である。 図１−４に示す第２燃料ノズルの、部分斜視図である。 図１−５に示す第２燃料ノズルの、断面図である。 図１−６に示す第２燃料ノズルの、概略図である。 燃焼器の実施例の初期燃焼の、概略図である。 燃焼器の実施例のリーン・リーン燃焼の、概略図である。 燃焼器の実施例の第２段階燃焼の、概略図である。 燃焼器の実施例の予混合燃焼の、概略図である。

以下に、燃焼タービンに使用される燃焼器の実施例を説明する。図示されたタイプの燃焼器は、通常、燃焼タービン内のコンプレッサーステージの後に配置される、複数の燃焼器の１つである。

図１では、燃焼器は符号１０で示され、デュアルステージの、デュアルモード燃焼器であり、燃焼器流れスリーブ１２と、後壁組立体１４と、燃焼器の壁１３と、を備える。燃焼器の壁１３の半径方向内側には、複数の第１燃料ノズル１６と、１つの第２燃料ノズル１８と、が備えられている。ノズル１６、１８は、燃料を燃焼器１０の中に噴射する働きをする。

燃焼用（と冷却用）の入口空気は、タービンコンプレッサー（図示せず）によって加圧され、次に、燃焼器流れスリーブ１２と連結ダクト（図示せず）とを介して、燃焼器１０へ導かれる。燃焼器１０への空気流れは、燃焼と燃焼器１０の冷却との両方に利用される。空気は、燃焼器流れスリーブ１２と燃焼器の壁１３との間を、「Ａ」の方向に流れる。一般に、図示の空気流れは、「Ａ」方向が、タービンと燃焼チャンバーとを通って流れる空気の正規流れ方向に対して上流であるために、逆方向の流れになっている。

燃焼器１０は、第１の燃焼チャンバー４２と、第１の燃焼チャンバー４２の下流に配置された第２の燃焼チャンバー４４と、を備える。ベンチュリのスロート領域４６は、第１の燃焼チャンバー４２と第２の燃焼チャンバー４４との間に配置される。図２、３に示すように、第１燃料ノズル１６は、第２燃料ノズル１８の周りに、環状リング形態で配置されている。図１では、中央本体３８が、燃焼器１０の中央のライナー４０によって形成されている。

図１−３を参照すると、各第１燃料ノズル１６は、後壁組立体１４に取り付けられている。第１燃料ノズル１６は、後壁組立体１４から突き出し、第１の燃焼チャンバー４２に燃料を供給する。燃料は、第１の燃料源２０を介して、第１燃料ノズル１６へ供給される。第１の燃焼チャンバー４２での燃焼着火用の火花又は火炎は、スパークプラグ又はクロスファイアチューブ（図示せず）によって与えられる。

第１燃料ノズル１６に関して、空気スワラーを備えることができ、燃焼空気と燃料とを混合し、燃料と空気との点火し易い混合気を得ることができる。上述のように、燃焼空気は、コンプレッサーから供給され、燃焼器流れスリーブ１２と燃焼器の壁１３との間を、「Ａ」方向に導かれる。加圧空気は、後壁組立体１４に到着したら、燃焼器の壁１３と後壁１４との間を、半径方向内側に流れ、第１の燃焼チャンバー４２内に流入する。更に、燃焼器の壁１３は、冷却の目的で、第１の燃焼チャンバー４２と第２の燃焼チャンバー４４の両方において、スロット又はルーバー（図示せず）を備えることができる。スロット又はルーバーはまた、第１の燃焼チャンバー４２又は第２の燃焼チャンバー４４の中の火炎温度を適正化するために、燃焼器１０に希釈空気を供給することができる。

図１−４を参照すると、第２燃料ノズル１８は、フランジ２２から燃焼器１０の中へ、後壁１４を通って延びる。第２燃料ノズル１８は、ベンチュリのスロート領域の上流点まで延び、燃料を第２の燃焼チャンバー４４の中へ導く。フランジ２２は、第２燃料ノズル１８を燃焼器１０の後壁１４に取り付ける手段（図示せず）を備える。この取り付け手段は、ボルトのような機械的な結合で、フランジ２２を後壁１４に固定したり、修理や交換などのために第２燃料ノズル１８を取り外したりすることができる。ボルト以外の取り付け手段も考えられる。

第１燃料ノズル１６への燃料は、第１の燃料源２０によって供給され、後壁１４を通って導かれる。燃料の二次的な転送と予混合を行う燃料源２４、２５は、フランジ２２を通して第２燃料ノズル１８に供給される。図示しないが、第２燃料ノズル１８はまた、燃料を燃焼器１０に噴射する拡散回路又はパイロット回路を備えることができる。

第２燃料ノズル１８は、ノズル本体３０と、少なくとも１つの予混合燃料インジェクター３２と、を備える。第２燃料ノズル１８は、図１に示すように、中央本体３８の内部に配置され、ライナー４０によって囲まれている。予混合燃料インジェクター３２は、図３に示すように、フランジ２２の上に環状に、ノズル本体３０の周りに配置されるのが普通である。予混合燃料インジェクター３２の各々は、上から見ると、長方形の又は細長い断面形状をしているのが普通である。図３から判るように、インジェクター３２の第１の側即ち端部３４は、ノズル本体３０の直近に配置されている。インジェクター３２の第２の側即ち端部３６は、第１の端部３４の半径方向外側に配置されている。

予混合燃料インジェクター３２は、第１燃料ノズル１６とノズル本体３０との間に直接配置され、中央本体３８を通ってノズル本体３０の周りに空気流れを生じさせるように示されている。この配置において、予混合燃料インジェクター３２の第２の端部３６は、第１燃料ノズル１６の直近に配置される。燃焼器１０への空気流れ「Ａ」は、燃焼器の壁１３の外側から半径方向内側へ流れ込む。この空気の一部は下流へ流れ、第１の燃焼チャンバー４２に流入し、第１の燃焼チャンバー４２を通過する。空気の他の部分は、燃焼器を流れる全空気流量の例えば５から２０パーセントが、半径方向内側に流れ、第１燃料ノズル１６及び第１の燃焼チャンバー４２を通過して、中央本体３８に流入し、中央本体の下流に流出する。この、フランジ２２と後壁１４に沿った空気流れの第２の部分の方向は、図３に「Ｂ」で示している。一方、他の構成も使用することができ、予混合燃料インジェクター３２を、第１燃料ノズル１６と第２燃料ノズル１８との間で、第１燃料ノズル１６の半径方向内側に配置し、最大空気流れを中央本体３８に流すこともできる。同様に、予混合燃料インジェクター３２は細長い断面を有するように示されているが、他の形状、例えば丸、長方形、三角形等も、使用することができる。

図１−４に続いて図５−７を参照すると、第２燃料ノズル１８が、ノズル本体３０と予混合燃料インジェクター３２とを備えて示されている。上述のように、第２燃料ノズル１８は、中央本体３８内に配置され、ライナー４０によって囲まれている（図１）。ノズル本体３０は、中央本体３８の長手方向の軸に沿って延びる。ノズル本体３０は、細長い円筒状であるのが一般的な、外側スリーブ部分５２を有し、外側スリーブ部分５２は、内部に空洞３１を形成している。図示のように、燃料転送通路６４は、空洞３１の外側部分内に配置されている。燃料転送通路６４は、フランジ２２から末端まで延び、空間を空けた配置で環状に配置されている。燃料転送通路のない形態もまた公知であり、利用できる。

燃料転送通路６４は、燃料輸送マニフォルド５１に流体接続され、燃料は、転送燃料源２４によって供給される。燃料転送通路６４は、細長いチューブ６６と、少なくとも１つの半径方向通路６８と、を備える。通路６８は、チューブ６６から半径方向外側に導かれ、ノズル本体３０の壁の穴７１と位置合わせされている。通路６８は、開口７１を通して燃料をスリーブ５２の外側に噴射し、壁５２に沿って流れている空気と混合させる。第２の開口７０が、開口７１の上流に示されており、空気をノズル本体３０内に配置されたセンターチューブを取り囲む空洞３１の一部に入れる、空気の入口を与える。開口７０を通過する空気の一部は、空洞３１に導かれ、ノズル本体３０を冷却する。空洞３１内の空気は、ノズルの端部５４の開口５８から放出される。センターチューブは、第２燃焼チャンバー４４の火炎を保持するために、燃料をノズル端部５４に供給する（図１及び図９−１１参照）。開口７０は、通路６８によって供給される燃料及びインジェクター３２によって供給される追加の燃料からは離れている。更なる開口を設けてノズル本体３０の外側の燃料の流れを混合し、又は空気の流れを空洞３１に導くことができることに、注意すべきである。また、望むならば、燃料通路６４は省略することもできる。

ノズル本体３０の外側スリーブ部分５２は、フランジ２２から遠位先端５４まで延びる。ノズル本体３０の先端５４は、加圧空気を、センターチューブ部分を取り囲む通路３１の内部から通す、少なくとも１つの穴５８を有す。

上述のように、燃料は、転送燃料源２４と予混合燃料源２５を通って、第２燃料ノズル１８に供給される。図６に示すように、転送燃料源２４は、フランジ２２の中に延び、転送燃料通路６４に流体接続された転送マニフォルド５１に燃料を供給する。予混合燃料源２５は、フランジ２２の中に延び、予混合燃料インジェクター３２に流体接続された予混合マニフォルドチャンバー５０と流体接続されている。

予混合燃料インジェクター３２は、ノズル本体３０の長さよりも長さが短いフランジ２２から遠位に延びる。予混合燃料インジェクター３２の遠位端部６０は、燃料をノズル本体３０の外側の中央本体３８の領域に供給する予混合穴部６２を有す。予混合燃料は、ライナー４０内を流れる空気と混合される。混合物が、第２の燃焼チャンバー４４に到達したときには、混合物は、第２の燃焼チャンバー４４内での効率的な燃焼に対して最適化されている（図１参照）。

拡散及び予混合された燃料がフランジから延びる単一の構造物を通って送出される、普通の第２燃料ノズルとは異なり、独立型予混合燃料インジェクター３２の利用は、ノズル本体３０のシンプル化を可能とする。図示のインジェクター３２は、普通のノズルに比べて、ノズル本体３０内の内部通路を少なくすることができる。このシンプル化は、燃料と加圧空気の温度変化に基づいた、ノズル構造１８、３２内の温度差から生じる、第２燃料ノズル１８の応力を、低減する。更に、本願発明の設計では、モジュール化の度合いを維持し向上させることが容易であるが、従来の第２燃料ノズルでは不可能である。

図示の構造に加え、予混合燃料インジェクター３２は、１以上の組の予混合穴部６２に流体接続された供給リングを備えることができる。図示したタイプの予混合燃料インジェクター３２に、別の供給先端構造を利用することもできる。

図８を参照すると、典型的な「初期」作動で、火炎７２が、第２の燃焼チャンバー４４の上流の第１の燃焼チャンバー４２で、最初に確立されている。この初期火炎のための燃料は、第１燃料ノズル１６を通して単独に供給される。図９では、火炎７２が、第２の燃焼チャンバー４４内で確立され、火炎７２は、第１の燃焼チャンバー４２内にも残っている。第２の燃焼チャンバー４４内で火炎７２を確立するためには、燃料の一部が、第２燃料ノズル１８を通して噴射され、一方、燃料の大部分は、第１燃料ノズル１６を通して供給される。例えば、燃料送出全体の３０パーセントが、第２燃料ノズルを通して噴射され、これに対して燃料の７０パーセントが、第１燃料ノズル１６を通して供給される。この火炎パターンは、「リーン・リーン」タイプの燃焼を示している。

図１０において、燃料全体の流れは、第２燃料ノズル１８のノズル本体３０を通して導かれ、第２の燃焼チャンバー４４内の安定火炎を確立する。火炎は、第１燃料ノズル１６への燃料の流れを遮断することによって、第１の燃焼チャンバー４２内で消滅する。この「第２段階」の燃焼の間、前段階で第１燃料ノズル１６を通して噴射された燃料は、燃料転送通路６４を通して第２燃料ノズル１８へ導かれる。転送され予混合された燃料は、火炎７２の上流に噴射される。第２燃料ノズル１８を通る燃料と空気の流れは、１００パーセントの燃料が、燃焼用に予定された空気の一部だけとともに第２燃料ノズル１８を通って流れるので、この段階では比較的「リッチ」であると考えられる。

図１１を参照すると、一旦、安定な火炎が第２の燃焼チャンバー４４内で確立され、火炎が第１の燃焼チャンバー４２内で消滅すると、燃料流れは第１燃料ノズル１６に戻され、第２燃料ノズル１８への燃料流れは減少させらされる。火炎は、第１の燃焼チャンバー４２内で消滅しているので、第１燃料ノズル１６は、予混合器として作動する。この「予混合」運転モードの間、火炎は、ベンチュリスロート領域４６によって第２の燃焼チャンバー４４内に維持される。例えば、燃料送出全体の８３パーセントが第１燃料ノズル１６を通して送られ、これに対して残りの１７パーセントの燃料が、第２燃料ノズル１８を通して噴射される。これ以外の相対比率も可能である。

本明細書における開示から、記載した実施例に対する様々な修正が、当業者に明確になったであろう。従って、本発明は、本発明の精神や、主要な属性から離れることなく、別の形態で実施することができ、従って、本発明の範囲の表示としては、上述の明細書よりはむしろ、添付請求項を参照すべきである。

１０ 燃焼器
１２ 流れスリーブ
１３ 燃焼器の壁
１４ 後壁
１６ 第１燃料ノズル
１８ 第２燃料ノズル
２０ 第１の燃料源
２２ フランジ
３０ ノズル本体
３２ 予混合燃料インジェクター
４２ 第１の燃焼チャンバー
４４ 第２の燃焼チャンバー
７２ 火炎

Claims (10)

1. ガスタービンの燃焼器内で使用する第２燃料ノズルであって、
   前記燃焼器が、第２燃料ノズルの周りに環状配列で配置された複数の第１燃料ノズルを備え、前記第２燃料ノズルが、
   フランジと、
   前記フランジから延びる細長いノズル本体であって、前記細長いノズル本体が、外側スリーブ部分と、燃料を前記外側スリーブ部分の外側に放出する、前記外側スリーブ部分の壁の第１の開口と、前記外側スリーブ部分の内部の空洞と、前記空洞に空気を入れる、前記外側スリーブ部分の壁の第２の開口と、を備える、細長いノズル本体と、
   前記細長いノズル本体の半径方向外側に配置され、前記細長いノズル本体と前記第１燃料ノズルとの間に配置された少なくとも１つの予混合燃料インジェクターであって、前記予混合燃料インジェクターが、細長い断面形状、又は、丸、長方形、三角形、のうちのいずれかの断面形状と、前記フランジに固定された近位端部を有し、前記ノズル本体の直近に配置されており、前記フランジから直接軸方向に延び、前記ノズル本体の長さの一部で前記ノズル本体と平行である、少なくとも１つの予混合燃料インジェクターと、
   を備え、
   前記ノズル本体が、第１の長さを有し、前記予混合燃料インジェクターが、第１の長さよりも短い第２の長さを有する、
   ガスタービンの第２燃料ノズル。
2. 前記少なくとも１つの予混合燃料インジェクターが、前記ノズル本体の周りに環状配列で配置された複数の予混合燃料インジェクターを備える、請求項１に記載の第２燃料ノズル。
3. 予混合燃料インジェクターと第１燃料ノズルとを、同じ数だけ備える、請求項２に記載の第２燃料ノズル。
4. 各予混合燃料インジェクターが、前記第２燃料ノズルのノズル本体と、隣接する第１燃料ノズルとの間に配置された、請求項３に記載の第２燃料ノズル。
5. タービンの燃焼器であって、
   前記燃焼器内に環状配列で配置された複数の第１燃料ノズルと、
   前記第１燃料ノズルの環状配列の半径方向内側に配置された第２燃料ノズルと、を備え、
   前記第２燃料ノズルが、
   フランジと、
   前記フランジと流体接続された燃料源と、
   前記フランジから延び、前記フランジを通して前記燃料源と流体接続された細長いノズル本体であって、前記細長いノズル本体が、外側スリーブ部分と、燃料を前記外側スリーブ部分の外側に放出する、前記外側スリーブ部分の壁の第１の開口と、前記外側スリーブ部分の内部の空洞と、前記空洞に空気を入れる、前記外側スリーブ部分の壁の第２の開口と、を備える、細長いノズル本体と、
   前記細長いノズル本体の半径方向外側に配置され、前記細長いノズル本体と前記第１燃料ノズルとの間に配置された複数の予混合インジェクターチューブであって、前記インジェクターチューブが、細長い断面形状、又は、丸、長方形、三角形、のうちのいずれかの断面形状と、前記フランジに固定された近位端部と、を有し、前記ノズル本体の直近に配置されており、前記ノズル本体の長さの一部に沿って前記フランジから直接軸方向に延び、前記インジェクターチューブが、前記フランジを通して前記燃料源に流体接続され、前記燃料源と前記ノズル本体との間の接続から分離されており、前記近位端部から離れて配置された遠位端部を有し、
   前記ノズル本体が、第１の長さを有し、前記インジェクターチューブが、第１の長さよりも短い第２の長さを有する、
   タービンの燃焼器。
6. 前記第２燃料ノズルが、前記フランジから延び前記ノズル本体内に配置される少なくとも１つの細長いチューブを備え、前記少なくとも１つの細長いチューブが、燃料を前記燃焼器に選択的に供給する燃料源に流体接続され、燃料転送通路を構成する、請求項５に記載のタービンの燃焼器。
7. 前記第１燃料ノズルが、複数のインジェクターチューブを、各インジェクターチューブが第１燃料ノズルと中央に配置されたノズル本体との間に配置されるように、半径方向に配列されている、請求項５に記載のタービンの燃焼器。
8. 各インジェクターチューブが、細長い断面を有する、請求項７に記載のタービンの燃焼器。
9. 前記インジェクターチューブの、前記細長い断面の第１の端部が、前記ノズル本体に近接して配置され、前記細長い断面の第２の端部が、第１燃料ノズルに近接して配置された、請求項８に記載のタービンの燃焼器。
10. 前記少なくとも１つのインジェクターチューブが、前記ノズル本体の周りに環状配列で配置された複数のインジェクターチューブを備える、請求項５に記載のタービンの燃焼器。

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