JP5960968B2

JP5960968B2 - 予混合ノズル

Info

Publication number: JP5960968B2
Application number: JP2011238095A
Authority: JP
Inventors: ジェフリー・デイヴィッド・マイヤーズ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: US9010119B2; FR2966908A1; DE102011054859A1; US20120102957A1; CN102563701A; JP2012098022A; CN102563701B

Description

本明細書に開示した主題は、低エミッション産業用ガスタービンで使用される燃焼器の予混合ノズルに関する。

乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器と呼ばれることもある低エミッションガスタービンエンジンの燃焼システムでは、タービンの上流に配置された燃焼器内で予混合空気及び燃料を燃焼させ、タービンにおいて、燃焼によって発生された高温流体から機械的エネルギーが引き出される。次に、機械的エネルギーから電気的エネルギーを発生させて、電気回路に送電する。燃焼器は一般的に、その中で空気及び燃料を互いに混合させる予混合通路を有する燃料ノズルを含む。このような予混合は、燃焼器内における最高火炎温度を低下させかつ排気ストリーム内における窒素酸化物（ＮＯｘ）の形成を減少させるために行なわれる。

燃料自由度及び出力システム可用性のために、低エミッションガスタービンには、ガス予混合器に加えて二次又はバックアップ燃料としてオイル（燃料）を噴射するシステムが装備されることが多い。一般的に、これらのオイル噴射器をガス予混合器の中心内に貫通させて挿入して、オイル噴射出口が燃焼器反応ゾーンと連通するようにする。オイル燃料は気化せずかつ燃焼に先立って空気と予混合されないで燃焼ゾーン内に直接噴射されるので、反応ゾーン内に多量の水（大型発電タービンのケースでは、一日当り数１０万ガロン）を噴射して、火炎温度を低下させかつＮＯｘエミッションを規制当局によって特定されたレベルに低減させなければならない。実際には、現在の方法は多くの場合に、燃料よりも多い水を直接噴射して、オイル燃料を燃焼させる場合に普通期待される４２ｐｐｍ付近のＮＯｘレベルに到達するようにすることが必要である。

また、現在の尾装式／オイルカートリッジ／ガス予混合組立体では、一端部においてその全体を剛性支持しかつ遠端部において互いに自由に移動できるようにした同心チューブを互いに入れ子に配置している。タービン運転時に、それらチューブの遠端部は、ガスタービンエンジンによって発生した広周波数帯域ノイズに応答して振動しかつ互いに接触する傾向になる。従って、チューブ及びノズル先端部構成要素は、合せ部分間における過酷な摩耗及びフレッティングを生じる傾向になる。

米国特許第７１４０５６０号明細書

本発明の１つの態様によると、燃焼器の予混合ノズルを提供し、本予混合ノズルは、ガス予混合器モジュールと、ガス予混合器モジュール内に尾装可能な中心胴体と、ガス予混合器モジュールと中心胴体との間の変形可能なコンプライアント接合部とを含む。

本発明の別の態様によると、端部カバーを有する燃焼器の予混合ノズルを提供し、本予混合ノズルは、端部カバー上に取付けられたガス予混合器モジュールと、端部カバーを貫通してかつガス予混合器モジュール内に尾装可能な中心胴体と、ガス予混合器モジュールと中心胴体との間の変形可能なコンプライアント接合部とを含む。

本発明のさらに別の態様によると、燃焼器の予混合ノズルを提供し、本予混合ノズルは、予混合チャンバを形成するように構成された外側環状シュラウド並びに予混合チャンバの上流でその外側表面と外側環状シュラウドの間に予混合通路を形成するように構成された内側環状壁を有する外側体と、内側環状壁によって形成された尾端内に装着されて予混合通路に燃料を送給する中心胴体と、内側環状壁の内径と中心胴体の外径との間に半径方向に介在させて尾端内に該中心胴体を支持するように配置されたシール要素とを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

ガス予混合器モジュールの側面断面図。中心胴体の側面断面図。図１のガス予混合器モジュール内に尾装された図２の中心胴体の側面断面図。シール要素の斜視図。二次シール要素の斜視図。二次シール要素の斜視図。二次シール要素の斜視図。

詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本開示の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

燃焼器の予混合ノズルの内部構成要素は、溶接、ロウ付け、ネジ連結、円錐嵌合、又は単純に増加させた接触表面寸法の使用によって片持ち支持され、かつそれらの長さに沿ったシール要素によって付加的に支持される。中心胴体とガス予混合器モジュールの間の熱膨張差が可能であり、一方、振動は減衰されかつ弱められる。シール要素は、モジュール間における強力な熱伝導経路を与えず、従って中心胴体内の液体燃料湿潤表面を隔離するのを助ける。

図１〜図３を参照すると、端部カバーを有する燃焼器の予混合ノズル１０を提供し、予混合ノズル１０は、ガス予混合器モジュール２０のような外側体と、中心胴体３０と、シール要素４０とを含む。

図１に示すように、ガス予混合器モジュール２０は、外側環状シュラウド２１及び内側環状壁２２を有する。外側環状シュラウド２１は、上流端部２３から中流部分２４を通って下流端部２５に延びる。下流端部２５において、外側環状シュラウド２１は、その内部内に予混合チャンバ２６を形成するように構成される。上流端部２３において、外側環状シュラウド２１及び内側環状壁２２は協働して、それを通して圧縮機吐出空気がガス予混合器モジュール２０に流入する空気入口２７を形成する。中流部分２４に沿って外側環状シュラウド２１及び内側環状壁２２は協働して、その中で可燃性流体が予混合された後に予混合チャンバ２６内に流入する予混合通路２８を形成する。

上流端部２３の上流において、更なる構成要素として取付けフランジ５０、構造ステム支持チューブ５１及び空気スワーラ６０が含まれる。取付けフランジ５０は、燃焼器内における予混合ノズル１０の取付けを支持し、また構造ステム支持チューブ５１は、取付けフランジ５０から上流端部２３に延びる。取付けフランジ５０及び構造ステム支持チューブ５１内に、同心燃料ガスチューブが形成される。

中心胴体３０は、取付けフランジ５０、構造ステム支持チューブ５１及び内側環状壁２２によって形成された尾端５５に装着することができかつ乾燥オイル、液体燃料、パージ空気及び／又はガス燃料のような燃料を少なくとも予混合通路２８に送給するように構成される。この送給は、中心胴体３０及び内側環状壁２２の外径内に形成された液体燃料アトマイザのような燃料噴射器孔を介して達成することができる。中心胴体３０は、その形状がほぼ管状かつ中空であって、その内部３１に燃料を送給することができる。

図２に示すように、中心胴体は、取付けフランジ端部３２、拡散先端部３３及び中央部分３４を含む。中央部分３４は、取付けフランジ端部３２と拡散先端部３３の間に軸方向に配置される。中心胴体３０はさらに、取付けフランジ端部３２に液体及びパージ空気／ガス燃料入口３５を含みかつ取付けフランジ端部３２において端部カバー上に少なくとも部分的に片持ち支持される。加えて、中心胴体３０の少なくとも内部３１は、拡散先端部３３に形成された開口部を介して燃焼器の燃焼ゾーンと連通する。端部カバーに少なくとも部分的に片持ち支持された中心胴体３０では、シール要素４０は、内側環状壁２２の内径と中心胴体３０の外径との間に半径方向に介在するように配置される。この位置において、シール要素４０は、尾端５５内における中心胴体３０に対する付加的な支持を与える。シール要素４０の大きな接触表面積及び比較的コンプライアントな特性はまた、ガスモジュール及び液体モジュール組立体が受ける相対運動、フレッティング摩耗及び振動応力レベルを低下させるダンパとして作用して、耐久性の向上及び構成要素寿命の延長が得られる。

図３に示すように、シール要素４０は、溶接、ロウ付け、冶金学的結合又は幾つかのその他の同様なタイプの結合法によって内側環状壁２２内に据付けられる。中心胴体３０は、拡散先端部３３を前端部とした状態で端部カバー、尾端５５及びシール要素４０を貫通させて該中心胴体３０を挿入することによって、尾端５５内に装着される。完全に挿入されると、端部カバーに対して取付けフランジ端部３２を結合し、また中心胴体３０の中央部分は、ガス予混合器モジュール２０の中流部分２４に近接したシール要素４０によって支持される。

図４を参照すると、シール要素４０は、ラビリンスシール及び／又はハニカムシール４１を形成した変形可能なかつ／又はコンプライアントな材料を含むことができる。このようにして、中心胴体３０の支持は、大規模回転機械によって又は燃焼誘発動的圧力振動（燃焼ノイズ又は燃焼ダイナミックスと呼ばれることも多い）によって発生した正規振動がフレッティング、接触表面摩耗、或いは疲労による割れを引き起こす可能性があるほどに該支持を剛性のあるものにしない状態で行なうことができる。つまり、シール要素４０のコンプライアンス性及び変形性は、中心胴体３０とガス予混合器モジュール２０との相対振動を減衰させるような働きをして、幾らかの振動は許すが、それらの構成要素の損傷を引き起こす可能性がある中心胴体３０とガス予混合器モジュール２０との接触が回避されるようにする。シール要素４０はまた、ガス予混合器モジュール２０と中心胴体３０との間の熱伝達が制限されるような、また中心胴体３０内の液体燃料湿潤表面をガス予混合器モジュール２０内の空気スワーラによって吸収される対流から隔離することができような低熱伝導性を有する材料で形成することができる。

図１及び図３を参照すると、外側環状シュラウド２１はさらに、予混合通路２８の軸方向上流の位置に圧縮機吐出空気噴射器６５を形成するように構成することができる。外側環状シュラウド２１の空気スワーラ６０は、圧縮機吐出空気噴射器６５の下流にかつ予混合通路２８の上流に又は該予混合通路２８内に配置することができる。外側環状シュラウド２１はさらに、二次シール要素６６を含むことができる。二次シール要素６６は、空気スワーラ６０と中心胴体３０の間に半径方向に介在するように配置して、尾端内における該中心胴体３０に対する付加的な支持を与える。

図３に示すように、空気スワーラ６０の半径方向内側部分は、中心胴体３０の外径から半径方向に移動させることができ、また二次シール要素６６は、圧縮機吐出空気噴射器６５から軸方向に移動させることができる。この構成では、圧縮機吐出空気噴射器６５を通ってガス予混合器モジュール２０に流入する圧縮機吐出空気（ＣＰＤ）のためのパージフィルム通路６７を形成することができる。空気スワーラ６０を介して予混合通路２８に直接には流入しない圧縮機吐出空気の少なくとも一部分が、圧縮機吐出空気噴射器６５に沿って半径方向内向きに流れ、中心胴体３０上に衝突しかつ次に中心胴体３０の外径に沿って軸方向に二次シール要素６６に向けて流れた後に、予混合通路２８に流れるようになる。

パージフィルム通路６７によって構成されたＣＰＤフィルムは、伴流、厚い境界層及びその他の弱い二次流によって引き起こされる予混合器内への火炎の逆火を回避し、逆火内では、局所的混合気速度が乱流火炎速度以下になる。このことは、フィルムがない状態でディーゼル燃料を蒸発させかつ予混合させようとする場合に特に困難なものとなり、ディーゼル燃料は、それが約４００〜５００°Ｆ以上の温度に達した場合にはおよそ数ミリ秒の間に自己着火する。ＣＰＤフィルムは、それら表面上の途中に存在する可能性があるあらゆる液体オイルを洗い流し、それによって固体炭素形成を回避させ、このことが次に、予混合火炎を予混合環状空間内に入り込ませかつ該火炎に適合するように設計されていないシステムの部品を焼損させることを引き起こす固体炭素堆積物の背後における厚い境界層及び伴流を形成する予混合器空気流を取除くことができる。従って、予混合オイル燃焼の場合において、そうでなければＮＯｘ制御に使用される数百万ガロンの水の必要性が回避される。さらに得られるのは、ＣＰＤフィルムで境界層をパージして取除くことができること、及び液体燃料噴射器を中心胴体３０上に直接取付けることができることである。

図５〜図７を参照すると、二次シール要素６６は、その中でｃ字形断面が下流方向に開口しているｃ字形シール本体７１を有するｃ字形シール７０（図５参照）、その中でｃ字形断面が半径方向外向きに開口している軸方向ｃ字形シール本体７３を有する軸方向ｃ字形シール７２（図６参照）、及びその中でシールの端部が互いに向けてカールしかつ上流方向に向いているスーパｃ字形シール本体７５を有するスーパｃ字形シール７４（図７参照）の１つ又はそれ以上を含むことができる。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０予混合ノズル
２０ガス予混合器モジュール
２１外側環状シュラウド
２２内側環状壁
２３上流端部
２４中流部分
２５下流端部
２６予混合チャンバ
２７空気入口
２８予混合通路
３０中心胴体
３２取付けフランジ端部
３３拡散先端部
３４中央部分
３５燃料入口
４０シール要素
４１ハニカムシール
５０取付けフランジ
５１構造ステム支持チューブ
５５尾端
６０空気スワーラ
６５空気噴射器
６６二次シール要素
６７パージフィルム通路
７０ｃ字形シール
７１ｃ字形シール本体
７２軸方向ｃ字形シール
７３軸方向ｃ字形シール本体
７４スーパｃ字形シール
７５スーパｃ字形シール本体

Claims

燃焼器の予混合ノズル（１０）であって、当該予混合ノズル（１０）が、
ガス予混合器モジュール（２０）と、
前記ガス予混合器モジュール（２０）内に尾装可能な中心胴体（３０）と、
前記ガス予混合器モジュール（２０）と中心胴体（３０）の間の変形可能なコンプライアント接合部（４０）と
を備えており、前記ガス予混合器モジュール（２０）が、外側環状シュラウド（２１）及び内側環状壁（２２）を備えていて、外側環状シュラウド（２１）と内側環状壁（２２）とが空気入口（２７）を画成する上流端部（２３）から、外側環状シュラウド（２１）と内側環状壁（２２）とが予混合通路（２８）を画成する中流部分（２４）を通って延びており、変形可能なコンプライアント接合部（４０）が、ハニカムシール（４１）を含む、予混合ノズル。
取付けフランジ（５０）と、構造ステム支持チューブ（５１）と、空気スワーラ（６０）とをさらに含む、請求項１記載の予混合ノズル。
前記変形可能なコンプライアント接合部が、前記ガス予混合器モジュール（２０）の内径と前記中心胴体（３０）の外径との間に据付けられる、請求項１又は請求項２記載の予混合ノズル。
前記中心胴体（３０）が、
取付けフランジ端部（３２）と、
拡散先端部（３３）と、
前記取付けフランジ端部（３２）と拡散先端部（３３）との間に軸方向に配置されかつ前記変形可能なコンプライアント接合部と軸方向に整列した中央部分（３４）と
を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の予混合ノズル。
端部カバーを有する燃焼器の予混合ノズル（１０）であって、当該予混合ノズル（１０）が、
前記端部カバー上に取付けられたガス予混合器モジュール（２０）と、
前記端部カバーを貫通してかつ前記ガス予混合器モジュール（２０）内に尾装可能な中心胴体（３０）と、
前記ガス予混合器モジュール（２０）と中心胴体（３０）の間の変形可能なコンプライアント接合部（４０）と
を備えており、前記ガス予混合器モジュール（２０）が、外側環状シュラウド（２１）及び内側環状壁（２２）を備えていて、外側環状シュラウド（２１）と内側環状壁（２２）とが空気入口（２７）を画成する上流端部（２３）から、外側環状シュラウド（２１）と内側環状壁（２２）とが予混合通路（２８）を画成する中流部分（２４）を通って延びており、変形可能なコンプライアント接合部（４０）が、ハニカムシール（４１）を含む、予混合ノズル（１０）。
取付けフランジ（５０）と、構造ステム支持チューブ（５１）と、空気スワーラ（６０）とをさらに含む、請求項５記載の予混合ノズル（１０）。
前記中心胴体（３０）が、
取付けフランジ端部（３２）と、
拡散先端部（３３）と、
前記取付けフランジ端部（３２）と拡散先端部（３３）の間に軸方向に配置されかつ前記変形可能なコンプライアント接合部（４０）と軸方向に整列した中央部分（３４）と
を含む、請求項５又は請求項６記載の予混合ノズル（１０）。
前記中心胴体（３０）が、前記取付けフランジ端部（３２）に液体及び気体燃料入口（３５）を含む、請求項７記載の予混合ノズル（１０）。
前記中心胴体（３０）が、前記取付けフランジ端部（３２）において前記端部カバー上に片持ち支持される、請求項７記載の予混合ノズル（１０）。
前記中心胴体（３０）の内部が、前記拡散先端部（３３）を介して前記燃焼器の燃焼ゾーンと連通する、請求項７記載の予混合ノズル（１０）。