JP5715360B2 - 汎用複数ノズル燃焼システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、汎用複数ノズル燃焼システムに関し、より具体的には、支持燃料マニホルド内に取付けられた一連の独立燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼システムに関する。

最新式ガスタービン用の燃焼システムの設計は、最終製品を完成する前に広範囲にわたる開発及び試験を必要とする。開発された部品は、その機械固有のものとなり、殆どの又は全ての部品が全ての機械に対しては汎用性がない状態になる傾向がある。

米国特許第７１８１９１６号明細書

開発したノズル技術を利用して、最低量の独自の機械部品を必要とする複数機械用の高適用性プラットフォームを製作することは、望ましいと言える。

例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼システムは、複数の燃料ノズル支持開口部及び複数の燃料ライン通路を備えた支持燃料マニホルドと、燃焼ゾーンの少なくとも一部を形成した後部ケースとを含む。支持燃料マニホルドは、後部ケースに連結される。複数の燃料ノズルが、複数の燃料ノズル支持開口部の各々に支持され、また複数の燃料ラインが、複数の燃料ライン通路と連通する。複数の燃料ラインは、複数の燃料ライン通路を介して複数の燃料ノズルに燃料を送給する。

別の例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼システムは、エンドカバーと該エンドカバーに連結された後部ケースとを含み、これらは共に、燃焼ゾーンの少なくとも一部を形成する。支持燃料マニホルドが、エンドカバー及び後部ケース間に挟持される。支持燃料マニホルドは、複数の燃料ノズル支持開口部と複数の燃料ライン通路とを含む。複数の燃料ノズルが、複数の燃料ノズル支持開口部の各々に支持され、また複数の燃料ラインが、複数の燃料ライン通路と連通する。複数の燃料ラインは、複数の燃料ライン通路を介して複数の燃料ノズルに燃料を送給する。

さらに別の例示的な実施形態では、機械出力要求量を満たすようにガスタービン燃焼システムをカスタマイズする方法であって、機械出力要求量を満たすのに必要な燃料ノズルの数を決定するステップと、燃料ノズルの数に対応する複数の燃料ノズル支持開口部及び複数の燃料ライン通路を備えた支持燃料マニホルドを構成するステップと、複数の燃料ノズル支持開口部の各々に燃料ノズルを固定するステップと、燃料ノズルに燃料を送給するように複数の燃料ライン通路に燃料ラインを連結するステップと、支持燃料マニホルド、複数の燃料ノズル及び複数の燃料ラインを後部ケースに連結することによってガスタービン燃焼システムを組立てるステップとを含む。

例示的な燃料マニホルドの斜視図。 マニホルド内に据付けられた燃料ノズル／噴射装置を備えたシステム全体の断面図。 燃料噴射装置の別の配置を示す、システムの断面図。 燃料マニホルドの詳細断面図。 燃料ライン経路オプションを示す図。 インピンジメント冷却オプションを示す断面図。

好ましい実施形態によると、ガスタービン燃焼システムは、支持燃料マニホルド内に取付けられた一連の小型かつ独立した燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、標準的設計のもの（ＧＥＡＥ Ｄｕａｌ Ａｎｎｕｌａｒ Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｓｗｉｒｌｅｒ（ＧＥＡＥ型二重環状反転式スワーラ）ノズル）であり、またノズルの数は、特定の機械出力に合わせて変化させることができる。この構成では、各特定の用途に合わせて、独自の燃料マニホルドのみを設計することを必要とする。より小型の燃料ノズルは、それらの高い混合能力により、優れたエミッション、ダイナミックス、燃料柔軟性及び性能特性を有する。従って、これらの簡易ノズル、燃料マニホルド及びエンドカバーは、機械群全体にわたって劇的なコスト節減をもたらす。

図１は、燃料ノズル及び対応する燃料ラインに対して構造的支持を与える例示的な「ワインラック」燃料マニホルド１２の斜視図である。燃料マニホルド１２は、複数の燃料ノズル支持開口部１４と複数の燃料ライン通路１６とを含む。燃料マニホルド１２は、各機械に特有でありかつ特定の機械出力要求量にあった適切な数のノズルを支持するように設計される。

図２は、複数ノズル燃焼器コンセプトを利用している燃焼ノズルシステム１０の断面図である。燃料マニホルド１２は、燃焼ゾーンの少なくとも一部を形成した後部ケースと結合される。後部ケース１８の半径方向内側に、ライナ２０が配置される。燃料マニホルド１２の燃料ノズル支持開口部１４内には、複数の燃料ノズル２２が支持される。燃料マニホルド１２の燃料ライン通路１６と連通状態で、燃料ライン２４が設けられる。燃料ライン２４は、燃料ライン通路１６を介して燃料ノズル２２に燃料を送給する。

小型の燃料ノズル２２故に、本システムは、前部ケースを全く必要とせず、むしろ単純なドーム形エンドカバー２６を利用する。ドーム形エンドカバー２６は、連結部を全く必要としない単純な半球形圧力容器である。燃料マニホルド１２は、ドーム形エンドカバー２６及び後部ケース１８間に挟持され、また燃料ライン２４は、図２に示すように燃料マニホルド１２の側面から延びるのが好ましい。

図３は、燃料マニホルド１２’の僅かに修正した構成を示しており、この構成では、燃料マニホルド１２’は、全体としてボウル形状であり、それによって燃料ノズル２２の相対位置を多段階化する。つまり、湾曲マニホルド１２’により、中心ノズル２２の「ネスティング」が可能になる。この構成は、ターンダウンを改善し（つまり、低負荷で運転しながらエミッション順守を維持し）、かつ燃焼システムの特定ダイナミックス周波数応答を減少させる。

図４は、燃料マニホルド１２、ドーム形エンドカバー２６、及び該エンドカバー２６とのマニホルド接合部の詳細図である。図示した燃料ノズル２２は、燃料ノズルコーン２８を備えたＤＡＣＲ（Ｄｕａｌ Ａｎｎｕｌａｒ Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｒｏｔａｔｉｎｇ（二重環状反転式））スワーラである。燃料ノズル２２は、ロウ付け又はボルト止めによるような好適な方法で燃料マニホルド１２内に固定され、かつ好適なシールを含む。

ストラット３０は、その中を空気が流れるのを可能にしながら内側円筒形フレーム構造体を外側フレーム構造体に連結した複数の薄い支持体である。ストラットは、図４に菱形形状で示すような空気力学的断面を有する。

ディフューザ３２は、空気を放出するのに先立って、該空気を拡散させる又は速度低下させる環状空間である。静止又はより低速空気内に高速空気を放出させた場合には、該高速空気は、損失を生じる。空気を放出するのに先立って、その流れ内に剥離を生じさせずに速度低下させた場合には、エネルギーの損失を殆ど生じない。図４では、内側円筒形特徴形状部は、内向きに円錐形の形状になっており、そのことにより、膨張領域を形成し、従って空気を拡散させる。

ライナストッパ３４は、ライナが前方方向に押されるのを停止させる働きをする。ライナは、円錐（コーン）形状を有しかつその内側よりも外側により高い圧力を受け、それにより、正味前向き力（図４において左方向の）を生じる。ライナは、その周辺部のまわりで該ライナに溶接された３つのラグを有し、この構成では、３つのフィンガ状タブは、キャップ支持構造体に付加して、該タブをライナ上の位置させることができる。このようにして、空気の遮断を最少にしながらライナが前方に移動するのを停止させる。

ピストンリング３６は、燃焼器内への漏洩を最少にすることを意図している。ライナ及び燃料マニホルドを組立てた時に、それら２つの部品間には、小さなギャップが存在する。ピストンリング３６は、ギャップの寸法範囲にわたる漏洩を防止するようになったコンプライアント型のシールである。空気の全てが燃料ノズルを通って流れかつ漏洩しないことが望ましい。

図５は、マニホルド１２の個々の通路への流量を制御することにより燃焼器の多段階化を行なうことができる燃料ライン経路オプションを示している。マニホルド１２内の燃料ライン通路１６と連結された複数の燃料ライン２４を示している。

図６は、燃料マニホルド１２のためのインピンジメント冷却スキームを示す断面図である。運転中に、マニホルド１２内に燃料ノズル２２を固定したロウ付け継手又は同様のものにおける熱は、熱勾配を生じる可能性があり、そのことは、燃焼システムの作動に悪影響を与えるおそれがある。図６は、燃料ノズル２２の２つの間においてマニホルド１２に固定された浮動熱シールド４０を示している。熱シールド４０は、本システムの作動時にロウ付け継手を熱から保護する。

本システムにより、最小数の独自の部品を利用した、ガスタービン燃焼システムの複数ファミリを形成する低コストの手段が得られる。この燃焼システムを備えた機械は、燃料ノズル技術を共有し、従って各機械に特有な個々のノズルの必要性を排除することになる。より小型の燃料ノズルは、それらの高い混合能力により、優れたエミッション、ダイナミックス、燃料柔軟性及び性能特性を有する。さらに、これらの簡易ノズル、燃料マニホルド及びエンドカバーは、機械群全体にわたって劇的なコスト節減をもたらす。その上さらに、このコンセプトは、既存の機械に対して改造可能であるので、旧式の機械における本システムの据付けは、現在の機械群のより高い作動性を可能にすることができる。

現時点で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、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、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。

１２ 燃料マニホルド
１４ 燃料ノズル支持開口部
１６ 燃料ライン通路
１８ 後部ケース
２０ ライナ
２２ 燃料ノズル
２４ 燃料ライン
２６ ドーム形エンドカバー
２８ 燃料ノズルコーン
３０ ストラット
３２ ディフューザ
３４ ライナストッパ
３６ ピストンリング
４０ 浮動ヘッドシールド

Claims (8)

1. ガスタービン燃焼システムであって、
   複数の燃料ノズル支持開口部（１４）及び複数の燃料ライン通路（１６）を備えた支持燃料マニホルド（１２）であって、前記複数の燃料ノズル支持開口部（１４）は、中心ノズル支持開口部を囲む１つ以上の同心のアレイとして配置され、前記燃料ライン通路（１６）は、燃焼ゾーンの少なくとも一部を画成する、支持燃料マニホルド（１２）と、
   中心長手方向軸を画成し、前記支持燃料マニホルドが連結された後部ケース（１８）と、
   前記中心ノズル支持開口部内に支持され、前記後部ケースと前記中心長手方向軸を分かち合う中心ノズルと、
   前記複数の燃料ノズル支持開口部の各々にそれぞれ支持された複数の燃料ノズル（２２）と、
   前記複数の燃料ライン通路と連通しかつ該複数の燃料ライン通路を介して前記複数の燃料ノズルに燃料を送給する複数の燃料ライン（２４）と、
   を含む、ガスタービン燃焼システム。
2. 前記複数の燃料ノズル（２２）の数が、機械出力要求量に応じて可変である、請求項１に記載のガスタービン燃焼システム。
3. 前記支持燃料マニホルド（１２）が、前記燃料ノズル（２２）の数に対応する数の前記燃料ノズル支持開口部（１４）を含む、請求項２に記載のガスタービン燃焼システム。
4. 前記支持燃料マニホルド（１２）の上流側にエンドカバー（２６）をさらに含み、前記支持燃料マニホルドが、前記エンドカバー及び後部ケース（１８）間に挟持される、請求項１に記載のガスタービン燃焼システム。
5. 前記支持燃料マニホルド（１２）が、ボウル形状であり、
   前記複数の燃料ノズルの少なくとも一部が、他の燃料ノズルに対して軸方向に多段階化されている、請求項１に記載のガスタービン燃焼システム。
   
6. 前記複数の燃料ライン（２４）が、前記支持燃料マニホルド（１２）の側面から延びる、請求項１に記載のガスタービン燃焼システム。
7. 前記複数の燃料ライン（２４）が、該複数の燃料ライン内の燃料流量を制御することによって該燃焼システムの多段階化を行なうように径路を定められている、請求項１に記載のガスタービン燃焼システム。
8. 前記複数の燃料ノズル（２２）間において前記支持燃料マニホルド（１２）に固定され、前記燃料ノズルの長手方向軸を横切る方向に配向された少なくとも１つの熱シールド（４０）をさらに含む、請求項１に記載のガスタービン燃焼システム。
   

Images