JP5675060B2 - ハイブリッド燃料ノズル - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、異なる特性を有する燃料で使用するハイブリッド燃料燃焼ノズルに関する。

様々なタイプの燃焼器が公知であり、かつガスタービンエンジンで実際に使用されている。言い換えると、これらの燃焼器は、使用中の燃料のタイプに応じて異なるタイプの燃料ノズルを使用している。例えば、大半の天然ガス燃焼システムは、希薄予混合火炎を使用して作動する。これらのシステムでは、燃料は反応ゾーンの上流で空気と混合して、予混合火炎を形成するようにしている。一例は、燃料ポートが幾つかのベーンの周りに配置された「スウォズル（swozzle）」（＝スワーラ（swirler）＋ノズル（nozzle）である。それに代えて、大半の合成ガスベースのシステムでは、燃料の高反応性のために、拡散ノズルを使用して燃料及び空気を燃焼室内に直接噴射することができる。

天然ガスと合成ガスとのウォッベ数及び燃料反応性における特性間の大きな差異のために、天然ガスシステムに使用する伝統的なベーン孔噴射設計は、合成ガスに対して使用した場合に、保炎問題を引き起こす可能性がある。同様に、拡散ノズルは、希釈剤を噴射しない限り、高ＮＯｘエミッションを生じる可能性がある。

空気内への燃料の並流噴射を使用することによって保炎の発生可能性を減少させながら幾らかの合成ガス予混合を可能にした別の合成ガス燃焼方法が、開発されてきている。しかしながら、そのような噴射方法では、天然ガス火炎を安定させるのを可能にすることができない。

米国特許第６４３８９６１号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１３０９５４号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２３４７３５号明細書 米国特許出願公開第２００８／００８３２２９号明細書 米国特許出願公開第２００８／００７８１８３号明細書

従って、異なる特性を有する様々な燃料で作動することができるタービン燃焼システムに対する要望が存在する。本システムは、様々な作動条件にわたって低エミッション及び高効率を維持しながら、燃料フレキシビリティを有するべきである。

従って、本出願は、天然ガス、合成ガス又はその他のタイプの燃料で使用するハイブリッド燃料燃焼ノズルを提供する。本ハイブリッド燃料燃焼ノズルは、幾つかのスウォズルベーンを備えた天然ガスシステムと幾つかの同軸環状燃料チューブを備えた合成ガスシステムとを含むことができる。

本出願はさらに、複数燃料式タービンを作動させる方法を提供する。本方法は、幾つかのスウォズルベーンを通して第１の燃料を流すステップと、第１の燃料を空気と予混合するステップと、複数の同軸環状燃料チューブを通して第２の燃料を流すステップと、第２の燃料の一部分をスウォズルベーンに迂回させるステップと、第２の燃料を空気と予混合するステップとを含む。

本出願はさらに、幾つかの異なるタイプの燃料で使用するハイブリッド燃料燃焼ノズルを提供する。本ハイブリッド燃料燃焼ノズルは、幾つかの旋回ベーンを備えた第１のガスシステムと、幾つかの燃料チューブを備えた第２のガスシステムと、燃料チューブから旋回ベーンまで延びるバイパス管路とを含むことができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

タービンエンジンの概略図。 本明細書で説明することができるハイブリッド燃料ノズルの概略図。 本明細書で説明することができるハイブリッド燃料ノズルの別の概略図。

次に、幾つかの図を通して同じ参照符号が同様な要素を指している図面を参照する。図１は、複数燃料式ガスタービンエンジン１００の概略図を示している。ガスタービンエンジン１００は、流入空気流を加圧する圧縮機１１０を含むことができる。加圧空気流は次に、燃焼システム１２０に送給され、燃焼システム１２０において、加圧空気流は燃焼室１２５内で燃料流と共に燃焼される。燃料は、天然ガス管路１３０からの天然ガス流又は合成ガス管路１４０からの合成ガス流とすることができる。公知なように、燃料及び空気は、燃焼システム１２０内で混合させかつ燃焼させることができる。高温燃焼ガスは次に、タービン１５０に送給されて、圧縮機１１０並びに発電機などの外部負荷を駆動するようになる。本明細書では、ガスタービンエンジン１００は、その他の構成及び構成要素を使用することができる。

図２及び図３は、本明細書で説明するハイブリッド燃料ノズル１６０を示す。ハイブリッド燃料ノズル１６０は、燃焼システム１２０内で使用して、燃焼室１２５内で燃焼させるための燃料及び空気の混合気を形成することができる。ハイブリッド燃料ノズル１６０は、天然ガスシステム１６５を含むことができる。ハイブリッド燃料ノズル１６０の天然ガスシステム１６５は、天然ガス入口１７０を含むことができる。天然ガス入口１７０は、天然ガス管路１３０と連通状態にすることができる。天然ガス管路１３０は、天然ガス、合成ガス、又は同様の特性を有するその他の燃料を有することができる。

ハイブリッド燃料ノズル１６０はさらに、合成ガスシステム１７５を含むことができる。ハイブリッド燃料ノズル１６０の合成ガスシステム１７５は、合成ガス入口１８０を含むことができる。合成ガス入口１８０は、合成ガス管路１４０と連通状態にすることができる。合成ガス管路１４０は、水素（Ｈ₂）燃料又は同様な特性を有する燃料の範囲の合成ガスを有することができる。合成ガスの体積流量は一般的に、天然ガスの体積流量よりも遙かに大きい。

ハイブリッド燃料ノズル１６０の天然ガスシステム１６５は、幾つかのスウォズルベーン１９０を含むことができる。公知なように、スウォズルベーン１９０は、幾つかの噴射ポート２００を含むことができる。各スウォズルベーン１９０は、１つ又はそれ以上の噴射ポート２００を有することができる。噴射ポート２００は、スウォズルベーン１９０上の傾斜位置又はその他のタイプの構成を有することができる。燃料は、スウォズルベーン１９０の正圧及び負圧側面の両方上に噴射することができる。この実施例では、スウォズルベーン１９０は、縮小旋回ベーン設計を有することができるが、本明細書ではその他の設計を使用することができる。スウォズルベーン１９０は、燃料／空気混合作用を最大にして、保炎マージン、逆火マージン及び低エミッションのような性能要件を満たすようにすることができる。スウォズルベーン１９０を通して導入された天然ガス、合成ガスなどの燃料は、ベーン列を通って流れる空気と混合させかつノズル１６０の下流において燃焼室１２５内で燃焼させることができる。

ハイブリッド燃料ノズル１６０の合成ガスシステム１７５は、その中に幾つかの同軸環状燃料チューブ２１０を含むことができる。同軸環状燃料チューブ２１０は、合成ガス入口１８０と連通状態にすることができる。同軸環状燃料チューブ２１０は、ハイブリッド燃料ノズル１６０の長さに沿って延びることができ、かつ１つ又はそれ以上のオリフィス２１５、１つ又はそれ以上の燃料噴射ポート２１７、或いはその他のタイプの構造体を通して流出することができる。本明細書では、その他の構成及び配向を使用することができる。

同軸環状燃料チューブ２１０はまた、燃料バイパス管路２２０と連通状態にすることができる。燃料バイパス管路２２０は、合成ガスの幾らかを天然ガスシステム１６５のスウォズルベーン１９０及び噴射ポート２００に送給するのを可能にする。従って、合成ガス流の一部分は、上記した天然ガスシステム１６５の流れと同様な方法で燃焼させることができる。

ハイブリッド燃料ノズル１６０の合成ガスシステム１７５はまた、合成ガス入口１８０と連通状態になった中心合成ガスポート２３０を含むことができる。中心合成ガスポート２３０はまた、上記したようにハイブリッド燃料ノズル１６０を貫通して延びかつオリフィス２１５の１つ、燃料噴射ポート２１７の１つ、又はその他のタイプの構造体で終わるさらに別の同軸環状燃料チューブ２１０を含むことができる。中心合成ガスポート２３０の使用は、任意選択的なものである。本明細書では、その他の構成及びその他の数の同軸環状燃料チューブ２１０もまた、使用することができる。

空気は、ベーン１９０間に配置された幾つかの開口部２４０を含む幾つかの異なる空気ポート２３５を通して合成ガスシステム１７５に流入することができる。空気ポート２３５及び開口部２４０のあらゆる数並びに構成を使用することができる。空気はまた、天然ガス入口１７０の周りで同軸環状に流入することができる。空気は、同軸環状燃料チューブ２１０の周りをかつそれら同軸環状燃料チューブ２１０間を流れて、合成ガスとの幾らかの混合作用を行うようになる。空気はまた、中心合成ガスポート２３０の周りを流れる。空気及び合成ガスは、混合させかつオリフィス２１５の下流で燃焼させることができる。同様に、空気は、ベーン１９０及び開口部２４０の周りで天然ガスシステム１６５に流入することができる。空気と天然ガスシステム１６５から流出した合成ガス又は天然ガスとは、上記したように混合させかつスウォズルベーン１９０の下流で燃焼させることができる。

使用中に、天然ガスは、天然ガス管路１３０を通って天然ガスシステム１６５の天然ガス入口１７０内に流れる。天然ガスは次に、スウォズルベーン１９０の噴射ポート２００を通って流れ、かつ下流での燃焼のためにそこを通って流れている空気と混合する。

合成ガス作動の場合には、合成ガスは、合成ガス管路１４０を通って合成ガスシステム１７５の合成ガス入口１７０内に流れる。合成ガスの幾らかは、燃料バイパス管路２２０に流入することができ、かつスウォズルベーン１９０の噴射ポート２００を通って流れることができる。合成ガスの残りの部分は、同軸環状燃料チューブ２１０を通って流れることができ、かつ空気ポート２３５又はその他を介して流入する並流空気と混合させることができる。燃料及び空気は、オリフィス２１５を介して流出することができ、かつ下流において燃焼室１２５内で燃焼させることができる。

合成ガス作動の場合には、体積流量は、同一の断熱火炎温度及び作動条件において天然ガス流の体積流量の２倍以上となる可能性がある。それ故、スウォズルベーン１９０の噴射ポート２００のみを通して燃料を噴射した場合には、燃料圧力比は、非常に高いものとなることになる。従って、合成ガス作動の場合には、スウォズルベーン１９０の噴射ポート２００及び同軸環状燃料チューブ２１０の両方を使用することができる。

従って、本明細書に記載した燃料併用式ガスタービンエンジン１００は、要求及び使用可能性に応じて天然ガス、高Ｈ₂ガス、合成ガス、低Ｈ₂ガス、又はその他のタイプの燃料を使用する燃料フレキシビリティを有する。燃料は、効率的にかつ一般的なエミッション基準の範囲内で燃焼することになる。

以上の説明は本出願の特定の実施形態のみに関するものであること、また特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想並びに技術的範囲から逸脱せずに当業者が本明細書において多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１００ 複数燃料式ガスタービンエンジン
１１０ 圧縮機
１２０ 燃焼システム
１２５ 燃焼室
１３０ 天然ガス管路
１４０ 合成ガス管路
１５０ タービン
１６０ ハイブリッド燃料ノズル
１６５ 天然ガスシステム
１７０ 天然ガス入口
１７５ 合成ガスシステム
１８０ 合成ガス入口
１９０ スウォズルベーン
２００ 噴射ポート
２１０ 同軸環状燃料チューブ
２１５ オリフィス
２１７ 噴射ポート
２２０ 燃料バイパス管路
２３０ 中心合成ガスポート
２３５ 空気ポート
２４０ 開口部

Claims (8)

1. ハイブリッド燃料燃焼ノズル（１６０）であって、
   １以上の噴射ポート（２００）を有する複数のスウォズルベーン（１９０）を備える天然ガスシステム（１６５）と、
   前記複数のスウォズルベーン（１９０）の半径方向内側に配置された複数の同軸環状燃料チューブ（２１０）を備える合成ガスシステム（１７５）と、
   前記複数の同軸環状燃料チューブ（２１０）から前記複数のスウォズルベーン（１９０）まで延びて合成ガスの一部分を天然ガスシステム（１６５）のスウォズルベーン（１９０）の噴射ポート（２００）に送給する燃料バイパス管路（２２０）と
   を含む、ハイブリッド燃料燃焼ノズル（１６０）。
2. 前記天然ガスシステム（１６５）が、前記複数のスウォズルベーン（１９０）と連通した天然ガス入口（１７０）を含む、請求項１記載のハイブリッド燃料燃焼ノズル（１６０）。
3. 前記合成ガスシステム（１７５）が、前記複数の同軸環状燃料チューブ（２１０）と連通した合成ガス入口（１８０）を含む、請求項１又は請求項２記載のハイブリッド燃料燃焼ノズル（１６０）。
4. 前記複数の同軸環状燃料チューブ（２１０）が、複数のオリフィス（２１５）及び／又は複数の噴射ポート（２１７）を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のハイブリッド燃料燃焼ノズル（１６０）。
5. 前記合成ガスシステム（１７５）が、中心合成ガスポート（２３０）を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のハイブリッド燃料燃焼ノズル（１６０）。
6. 前記複数のスウォズルベーン（１９０）の周りに配置されかつ前記合成ガスシステム（１７５）と連通した複数の開口部（２４０）をさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のハイブリッド燃料燃焼ノズル（１６０）。
7. １以上の空気ポート（２３５）をさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のハイブリッド燃料燃焼ノズル（１６０）。
8. 複数燃料式タービン（１００）を作動させる方法であって、
   複数のスウォズルベーン（１９０）を通して第１の燃料を流すステップと、
   前記第１の燃料を空気と予混合するステップと、
   複数の同軸環状燃料チューブ（２１０）を通して第２の燃料を流すステップと、
   前記第２の燃料の一部分を前記複数のスウォズルベーン（１９０）に迂回させるステップと、
   前記第２の燃料を空気と予混合するステップと
   を含む、方法。
   

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