JP5780697B2 - ガスタービン機関のための燃料ランス - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン機関の燃焼器、特に、連続燃焼のガスタービンで、燃料をガス流に案内するための燃焼ランスに関する。

連続燃焼のガスタービンは、ガスタービンの効率を向上することが知られている。これは、タービン入り口温度を増加することによって達成される。連続燃焼ガスタビン機関では、燃料は、第１の燃焼器で燃焼され、かつ、高温燃焼ガスが第１のタービンを通過し、続いて、燃焼が案内されるＳＥＶ燃焼器として知られている第２の燃焼器に供給される。高温ガスの燃焼は、ＳＥＶ燃焼器で達成され、かつ、燃焼ガスが、続いて、第２のタービンに供給される。

しかしながら、ガスタービンの排出物規制は、より厳しくなっており、有害な排出物を減少する一方で、ガスタービンの効率を維持するための方法が必要とされている。排出物を改善するために、燃焼室で起きる処理が非常に重要であり、特に、燃料を酸化ガスと混合することが非常に重要である。燃焼室での状況は、特に、水素高濃度燃料、例えば、短い発火遅れ時間、より高い断熱火炎温度、及び、より高い火炎速度を持つＭＢＴＵを用いる場合に、特に重要である。これらの特性は、有害な排出物、例えば、ＮＯｘを生成する傾向を増加している。これらの高H₂含有の燃焼は、天然ガスのような従来の燃焼に比べて、より低い濃度であり、それゆえ、燃焼室により大きな流率を必要としている。そのような燃料の存在する燃焼器のデザインの装置は、高濃度排出物及び安全問題に直面している。存在する燃焼器のデザインは、燃料を高温ガス流に案内するための燃料ランスを備えている。燃料は、径方向、又は、軸方向のいずれかに案内される。特に、水素高濃度燃料の使用、より伝統的な燃料の使用でも、これらのデザインに直面している課題は、３次元領域での均一でない混合と、より高濃度排出物になる時間である。燃料ジェットは、水素高濃度燃料が、混合領域の出口上流から離れたバーナー壁に届くように配置されている。それによって、バーナー壁に近くにある燃料残留物が望まれない自動発火（例えば、早期点火）を促進する。存在するバーナーデザインは、排出物又はフラッシュバックの安全について妥協することなしに、複数の燃料注入を許容していない。

軸方向に、ＭＢＴＵのような水素高濃度燃料を近づいてくる酸化流に注入することは、燃料ジェットの妨害効果（例えば、近づいてくるエアの停滞するジェット下流の停滞領域）のため、問題であり、燃料の特定の場所での残留時間を増加し、かつ、自動点火を促進している。せん断応力は、燃料噴出が、主要な流れに対して垂直であるため、最大となり、かつ、その結果起きる乱流が、フレームの上流への伝播を許容するのみ十分なのである。

本発明は、これらの課題を解決するためにある。本発明は、燃料とガス流との混合を改善するガスタービン機関の燃焼器で、燃料をガス流に案内すること、及び、排出物を減少する一方、効率を向上するための燃料ランスを供給することを目的としている。

本発明によると、これらの課題は、請求項１の特徴を備えた燃料ランスを有することによって解決される。本発明による燃料ランスのより好ましい実施例は、従属請求項で示されている。

本発明によると、燃料がガス流に案内される燃料ランスの領域は、らせん状の構造を備えている。

燃料がガス流に案内されるらせん状の構造は、燃料に渦を生じさせ、それによって、燃料とガス流との混合を促進している。

本発明のさらに好ましい実施例では、らせん状の構造は、ランスのおおよそ軸方向に延在しているランスの外側表面にらせん状の溝を備えている。複数の燃料出口は、らせん状の表面に配置され、かつ、軸、及び/又は、径方向に離れて配置されている。複数のより小さい燃料ジェットは、軸、及び/又は、径方向にに離れて配置されると共に、燃料ジェットに円周構成要素を与えるらせん状の溝が、燃料をガス流と混合するのを促進している。燃料直径は、所望の運動量とジェット力を得るために適切に選択されている。

本発明の上記および他の目的、特徴、及び、効果は、添付している図面と共に、好ましい実施例である次の記載からより明確になるだろう。

本発明は、図面で示された実施例を参考にして記載され、次により詳細に図面を参考にして記載する。

本発明による燃料ランスを備えたガスタービン機関の燃焼器を示している。 従来の技術による燃料ランスを示している。 本発明の第１の実施例による燃料ランスを示している。 本発明の第２の実施例による燃料ランスを示している。

図２は、従来の技術のガスタービン機関の燃焼室１を図式的に示している。燃焼室は、連続燃焼するガスタービンの部分を形成するＳＥＶタービンであり、これによって、燃料は、第１の燃焼器で燃焼し、かつ、高温燃焼ガスが第１のタービンを通過し、続いて、燃料が案内されるＳＥＶ燃焼器として知られている第２の燃焼きに供給される。高温燃焼ガスは、ＳＥＶ燃焼器１に、渦生成器又は生成器２を通って、ＳＥＶ燃焼器１に案内される。燃焼ガスは、ＳＥＶ燃焼器でのさらなる燃焼のために十分な酸化ガスを含んでいる。ＳＥＶ燃焼器１は、燃料を燃焼器１に案内するために、ＳＥＶ燃料器１に突出している燃料ランス７を備えている。燃料は、ランスの穴から酸化流に、径方向（矢印３で示した）に注入され、かつ、渦生成器２によって生成された渦/複数の渦と相互に作用する。特に、ＭＢＴＵのような水素濃度の高い燃料を使用する場合、燃料は、点線６（点線の前方は、燃料空気混合を示し、点線の後方は、酸化ガスのみを示している。）で示したように、燃料フロントパネル５の上流の燃焼器の壁４に到達する。壁４近傍の燃料の存在は、自動点火によって促進される（例えば、早期点火）。

図１は、ガスタービン機関の燃焼器１を図式的に示している。燃焼室は、連続燃焼するガスタービンの一部を形成するＳＥＶ燃焼器であり、この場合、燃料は第１の燃焼器で燃焼し、
かつ、高温燃焼ガスが、第１のタービンを通過し、続いて、燃料が案内されるＳＥＶ燃焼器１として知られている第２の燃焼器に供給される。酸化ガスが、渦生成器又は生成器２を通ってＳＥＶ燃焼器１に案内される。本発明による燃料ランスは、燃焼器に燃料を案内するために備えられている。燃料ランス７は、燃料を酸化ガスとより良く混合するために設計されている。本発明の燃料ランス７は、燃料が燃焼フロントパネル５の上流の燃焼器の壁４に到達するのを妨げ、自動点火を回避するように、形成されもしている。点線６は、酸化ガスのみの領域と下流の燃料と酸化ガスの混合領域の間の境界をもう一度示している。

図３は、本発明による燃料ランス７の１つの実施例を示している。燃料ランスは、燃料注入器出口８を備えている。酸化ガス流に所望の燃料供給を実現するために、本発明による燃料ランス７がらせん状、又は、渦巻き状の形状１２が備えられている。らせん状、又は、渦巻き状の形状１２は、燃料出口８が位置するランスの領域に配置されている。図３の実施例では、らせん状の形状が燃料ランスの外側表面９上に溝１３の形状で配置されている。少なくとも１つの燃料出口８は、溝上に配置されている。好ましくは、一連の燃料出口８は、溝上に配置され、かつ、軸方向に間隔を持って配置されている。燃料出口８は、円周方向に間隔を持っても配置されている。一連のより小さい燃料注入出口８は、より大きな燃料注入出口より良好に燃料を分配可能である。らせん状の溝１３の表面に配置されている燃料注入器出口８は、径方向及び/又は軸方向に向いている。らせん状の溝１３の表面に配置されている燃料注入器出口８は、溝の方向にも向いている。それらは、燃料ランス７の中心軸に対して、軸方向、径方向、及び、円周方向/接線方向の構成要素を備えている。らせん形状は、燃料と酸化流との円周方向の混合を改善している。この渦生成器２からの酸化ガスの渦流との混合は、優れた混合効果を達成している。燃料の散らばりは、燃料に与えられる渦によって、制御もされ、フラッシュバックの安全性を改善し、かつ、有害な廃棄物を削減している。

らせん状の形状１２は、ランスの周り全部にあってはいけないことを理解すべきである。
例えば、ランス７に対して、燃料又は酸化ガスに円周状又は接線の構成要素を与えるために、ランス７の外側表面９の周りに十分に存在するらせん状の形状が備えることが可能である。

図４は、燃料ランス７の外側表面上の突出部１０によって与えられたらせん形状の他の実施例を示している。同様の構成は、図３の構成の参照符号と同じ参照符号で示している。

ランスの直径は、一定に保たなければならない。図３及び４で示されるように、燃料注入器出口８は、ランス７の表面に、中心軸から異なる径方向の距離で備えられている。燃料注入出口１４から、外側領域及び他の燃料出口の上流で注入された燃料は、中心線から最も離れた主要の酸化流に達する。しかしながら、より小さい半径領域、及び、さらに下流で、注入出口１５から注入された燃焼は、流れのコアにより近づいている。この達成された効果は、燃料と酸化流との改善された混合に貢献もしている。この効果を達成するために、ランスは、図３で示された段のある形状以外にも他の形状にすることが可能である。例えば、ランスは、ほぼ円錐形状にすることも可能である。らせん状の形状は、円錐の軸方向長さに沿って設けることも可能である。

ランス７は、例えば、石油、天然ガス、合成ガス、又は、ＭＢＴＵのような水素高濃度燃料の混合物を抽出することが可能な複数のランスであってもよい。この場合、燃料ランス７に、それぞれの燃料種類のための分離した内部通路を備えている。それぞれの燃料は、図３を参照して、上記した位置で酸化ガス流に注入される。有益には、酸化ガス流との適切な混合を達成するために、それぞれにある燃料特性に応じて、燃料ランス７上の異なる位置で、燃料注入出口を用いて、異なる燃料が供給可能である。有益には、らせん状の形状又は溝１３は、天然ガス又は水素高濃度燃料抽出器の出口が供給される領域に備えられる。石油は、好ましくは、ランスの先端の出口１１を通じて案内される一方で、合成ガスは、好ましくは、燃料ランス７の出口表面９（すなわち、らせん形状の領域ではない）の燃料出口１６を介して、案内される。

燃焼器の設計のために、適切な傾斜を持つらせん状の形状が選択されている。らせん状の形状の位置は、例えば、この形状は、酸化ガスの渦流の方向を引き立たせる又は妨げるために、時計方向又は半時計方向に走っている。燃料ランスの先端に、酸化ガス又は燃料の再循環を、面取りされた先端を備えることによって妨げている。

溝上の燃料注入器出口の直径及び数は、適切な燃焼器のデザインのために選択されもする。注入出口は、穴又はスロット形状である。

ランスの冷却は、燃料自身によって提供される。燃料を供給する通路は、それゆえ、この効果を提供するために配置されている。

燃料ランス７は、改良された燃料ランスとして提供される。この方法では、異なる燃料ランス７に、注入要求を変化するために、異なる注入出口形状を備えることも可能である。本発明による燃料ランス７は、燃料と空気の混合は、改良されたランスに必要とされる最も短時間の滞在時間で達成することを可能としている。

前述の燃料ランスは、燃焼器に圧縮空気が案内される従来のガスタービンの燃料器で使用されることも可能である。

本発明による前述の実施例の記載は、図面のみの目的のためであり、本発明の範囲を限定するように解釈すべきでない。

特に好ましい実施例の観点で、当業者は、本発明の範囲から逸脱しない限り、形状及び詳細を変更及び改良可能である。それゆえ、本発明の開示は、限定されるべきでない。本発明の開示は、次の請求項で説明する発明の範囲を明確にするために、代替的に提供されている。

１．燃焼器
２．渦生成器
３．矢印
４．燃焼器壁
５．燃焼フロントパネル
６．点線
７．燃料ランス
８．燃料注入器出口
９．外側表面
１０．突出部
１１．燃料ランス先端
１２．らせん状の形状
１３．溝
１４．出口
１５．燃料注入器出口
１６．燃料出口

Claims (9)

1. 連続燃焼器を備えるガスタービン機関であって、
   高温ガスは、第１の燃焼器で生成され、かつ、続いて、燃料ランス（７）が燃料を高温ガスに案内するために配置されている第２の燃焼器（１）に案内されるガスタービン機関において、
   前記燃料ランス（７）は、燃料を第２の燃焼器（１）内の高温ガス流に直接案内するよう前記第２の燃焼器（１）の壁（４）だけに取り囲まれており、
   燃料が高温ガス流に案内される燃料ランスの領域は、らせん状の形状（１２）を備え、
   らせん状の形状（１２）は、燃料ランス（７）の外側表面に、燃料ランス（７）の軸方向に伸びるらせん状の溝（１３）を備え、
   燃料を高温ガス流に案内するために、少なくとも１つの燃料出口（８）が、らせん状の溝（１３）の表面に配置されており、
   前記少なくとも１つの燃料出口は、径方向、軸方向及び溝（１３）の方向に向いていて、径方向、軸方向及び円周方向の構成要素を有していることを特徴とするガスタービン機関。
2. 請求項１に記載のガスタービン機関において、
   複数の燃料出口が、らせん状の溝（１３）の表面に配置され、かつ、前記ランスの軸方向及び/又は円周方向及び/又は径方向に離れて配置されていることを特徴とするガスタービン機関。
3. 請求項１又は２に記載のガスタービン機関において、
   燃料が高温ガス流に案内される領域で、燃料ランス（７）の直径は、前記ランスの軸方向に、一定ではないことを特徴とするガスタービン機関。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のガスタービン機関において、
   らせん状の形状（１２）は、燃料ランス（７）の外側表面に、ランスの軸方向に伸びる突出部（１０）によって形成されることを特徴とするガスタービン機関。
5. 請求項１に記載のガスタービン機関において、
   燃料ランス（７）は、前記燃料と異なる燃料を高温ガス流に案内するための複数の燃料通路を備えることを特徴とするガスタービン機関。
6. 請求項５に記載のガスタービン機関において、
   第１の燃料通路は、第１の燃料を、溝（１３）の表面の燃料出口（８）に供給し、かつ、第２の燃料通路は、第２の燃料を、燃料ランスの表面（９）の燃料出口（８）に供給することを特徴とするガスタービン機関。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のガスタービン機関において、
   燃料ランスに、燃料ランスの先端（１１）に燃料を供給するための中央通路を備えることを特徴とするガスタービン機関。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のガスタービン機関において、
   燃料出口は、穴又はスロットによって形成されることを特徴とするガスタービン機関。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のガスタービン機関において、高水素濃度の燃料が、高温ガス流に案内されることを特徴とするガスタービン機関。

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