JP6034180B2 - 燃焼器、および燃焼器をパージする方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、燃焼器、および燃焼器をパージする方法に関する。

生産工程および発電工程では、一般に、燃料に点火して高温かつ高圧の燃焼ガスを発生させるために燃焼器を使用する。燃焼器の設計および動作には、様々な競合する問題点が影響を及ぼしている。例えば、燃焼ガスの温度が高いと、通常、ガスタービンの熱力学的効率が向上する。しかし、燃焼ガスの温度が高いと逆火または保炎の状態も促進させてしまう。逆火または保炎の状態では、燃焼の炎が、ノズルによって供給されている燃料に移って、比較的短時間でノズルをひどく損傷させる可能性がある。さらに、燃焼ガスの温度が高いと、通常、二原子窒素の解離速度が上昇して、窒素酸化物（ＮＯ_X）の生成が増大する。逆に、燃料の流れの減少および／または部分負荷動作（ターンダウン）に関連して燃焼ガスの温度が低いと、通常、燃焼ガスの化学反応速度が低下して、一酸化炭素および未燃焼の炭化窒素の生成が増大する。

特定の燃焼器の設計では、複数のチューブをエンドキャップ内に径方向に配置して、作動流体がエンドキャップを通って燃焼室中に流れるように流体連通させることができる。燃料をエンドキャップの内側の燃料プレナムに供給することができる。燃料は、チューブの外側を覆うように流れ、その後、複数の燃料注入ポートを通ってチューブ中に流れて、作動流体と混ざる。チューブ内で燃料と作動流体との混合を強化すると、逆火または保炎に対して保護し望ましくない排出ガスを制御しながら、より高い動作温度でより希薄な燃焼が可能になる。しかし、ある一定の燃焼器の設計では、燃料が燃料プレナムから漏出し、エンドキャップ内の体積中に捕捉される可能性があり、作動流体の速度が燃料をエンドキャップからパージするのに不十分になる可能性がある。その結果、作動流体および燃料は、逆火および／または保炎の発生を助ける状況を生み出す恐れがある。

米国特許出願公開第２０１１／００８９２６６号公報

したがって、逆火の発生のリスクを最小限に抑える、改良型の燃焼器、および燃焼器から燃料をパージする方法が有用になる。

本発明の態様および利点は、以下に続く説明に記載されているか、あるいは、その説明から明らかにすることができるか、または本発明の実践を通して学ぶことができる。

本発明の一実施形態は、第１の面、および第１の面の下流の第２の面を含むエンドキャップと、第１の面および第２の面の少なくとも一部分を円周方向に囲繞するシュラウドと、シュラウド内を径方向に延在するプレートと、プレートならびに第１の面および第２の面を貫通する複数のチューブと、複数のチューブのうちの１つまたは複数を貫通する第１のパージポートであって、プレートと軸方向に位置合わせされた第１のパージポートとを含む燃焼器である。

本発明の第２の実施形態は、エンドキャップと、エンドキャップを貫通しエンドキャップを通して流体連通させる複数のチューブと、エンドキャップの内側を径方向に延在するプレートと、プレートと複数のチューブのうちの１つまたは複数との間の第１のパージポートであって、複数のチューブのうちの１つまたは複数に流体連通させる第１のパージポートとを含む、燃焼器である。

本発明の実施形態は、エンドキャップを軸方向に貫通する複数のチューブを通して作動流体を流すステップと、複数のチューブ中に燃料を流すステップと、エンドキャップの内側に位置する希釈剤プレナムを通って複数のチューブのうちの１つまたは複数の中に至るように作動流体の少なくとも一部を流すステップとを含む、燃焼器をパージする方法を含むこともできる。

こうした実施形態の特性および態様などを、当業者は明細書を評価する際により良く理解するであろう。

当業者に対する本発明の最良のモードを含む本発明の完全かつ実施可能な開示を、添付の図を参照することを含む本明細書の残りの部分により詳細に記載している。

本発明の一実施形態による例示的な燃焼器の単純化した断面図である。 図１に示す燃焼器の部分拡大断面図である。

次に、本発明の実施形態を詳細に参照する。それらの実施形態のうちの１つまたは複数の例を図面に例示する。詳細な説明では、図面中の特性を指すために数字および文字による呼称を用いる。図面および説明の類似または同様の呼称は、本発明の類似または同様の部分を指すために用いられている。本明細書で用いるように、用語「ｆｉｒｓｔ（第１の）」、「ｓｅｃｏｎｄ（第２の）」、および「ｔｈｉｒｄ（第３の）」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために交換可能に用いることができ、個々の構成要素の位置または重要度を意味するものではない。さらに、用語「ｕｐｓｔｒｅａｍ（上流）」および「ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ（下流）」は、流体の経路内における構成要素の相対的な位置を指す。例えば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂに流れる場合は、構成要素Ａは構成要素Ｂの上流にある。逆の言い方をすれば、構成要素Ｂが構成要素Ａから流体の流れを受ける場合は、構成要素Ｂは構成要素Ａの下流にある。

各例は、本発明の説明として提示されており、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の範囲または精神から逸脱することなく本発明に様々な変更および改変を実施できることが当業者には明らかになるであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示または説明する特性を別の実施形態で使用して、さらに他の実施形態を生み出すことができる。したがって、本発明は、添付の請求項およびそれらの等価物の範囲内に包含されるこうした変更形態および改変形態をカバーするものである。

本発明の様々な実施形態は、燃焼器、および燃焼器から燃料をパージする方法とを含む。燃焼器は、概して、エンドキャップおよび複数のチューブを含み、それらのチューブはエンドキャップを貫通してエンドキャップを通して流体連通させる。１つまたは複数のプレートが、エンドキャップの内側に１つまたは複数の希釈剤プレナムを少なくとも部分的に画定するようにエンドキャップの内側に径方向に延在している。１つまたは複数のチューブは、１つまたは複数の希釈剤プレナムからチューブ中に流体連通させる１つまたは複数のパージポートを含むことができる。特定の実施形態では、パージポートを、プレートと軸方向に位置合わせすることができる。このようにして、１つまたは複数の希釈剤プレナムを通って流れる作動流体の少なくとも一部が、エンドキャップ内側の低速領域内に捕捉された燃料または他のガスを、パージポートを通るように方向付けすることが可能になり、したがって、エンドキャップ内側の燃料の蓄積が低減される。本発明の例示的な実施形態を、例示の目的で燃焼器をガスタービンに組み込んだ状況で概略的に説明しているが、本発明の実施形態をどの燃焼器にも応用でき、請求項に具体的に記載されていない限りガスタービンの燃焼器に限定されるものではないことを、当業者なら容易に理解するであろう。

図１には、本発明の一実施形態による例示的な燃焼器１０の単純化した断面図を提示しており、図２には、図１に示す燃焼器の部分拡大断面図を提示している。図１に示すように、外筒１２は、燃焼器１０に流れる作動流体１４を収容するように燃焼器１０を全体的に囲繞している。外筒１２は、燃焼器１０に燃料、希釈剤、および／または他の添加剤を供給するインターフェースを設けるように、エンドカバー１６を一方の端部に含むことができる。エンドカバー１６と少なくとも１つの燃料ノズル２０との間を流体連通させるように、少なくとも１つの流体導管１８がエンドカバー１６の下流に軸方向に延在することができる。流体導管１８は、燃料ノズル２０および／または燃焼器に燃料、希釈剤、および／または他の添加剤を流すように構成することができる。特定の実施形態では、燃焼器は中心燃料ノズル２２を含むことができ、その中心燃料ノズル２２は、エンドカバー１６の軸方向の中心線に沿ってエンドカバー１６の下流に軸方向に延在する。外筒１２と燃料ノズル２０との間に環状の通路２６を少なくとも部分的に画定するように、シュラウド２４が燃料ノズル２０を円周方向に囲繞することができる。特定の実施形態では、シュラウドは、エンドキャップ２８の第１の面３０からエンドキャップの第２の面３２に軸方向に延在することができる。

エンドカバー１６の下流に配設されたエンドキャップ２８が第１の面３０を含み、その第１の面３０は、第１の面３０の下流の第２の面３２から軸方向に分離している。エンドキャップ２８を、径方向に燃焼器１０の少なくとも一部分を横切って延在するように構成することができる。エンドキャップ２８の第１の面３０および第２の面３２を、シュラウド２４によって少なくとも部分的に円周方向に囲繞することができる。少なくとも１つのプレート３４が、シュラウド２４内を概して径方向に延在することができる。複数のチューブ３６が、プレート３４ならびに第１の面３０および第２の面３２を貫通して、エンドキャップ２８を通して流体連通させることができる。図２に示すように、チューブ３６は、燃料プレナム３８からチューブ３６中に流体連通させる、全体がエンドキャップ２８内に配設された燃料ポート３７を１つまたは複数含むことができる。燃料ポート３７は、径方向に、軸方向に、および／または方位角に傾いて、燃料ポート３７を通ってチューブ３６中に流れる燃料にスワールを引き起こしかつ／または与えることができる。

図１および図２に示すように、燃料プレナム３８を、チューブ３６のうちの１つまたは複数に連結し、シュラウド２４で少なくとも部分的に囲繞することができる。図１に示すように、エンドキャップ２８および流れスリーブ４０は、概して、エンドキャップ２８の下流に燃焼室４２を画定する。このようにして、作動流体１４は、環状の通路２６を通ってシュラウド２４の外側に沿って流れて、シュラウド２４を対流冷却することができる。特定の実施形態では、シュラウドは、シュラウドを貫通する少なくとも１つの希釈剤ポート５２を含むこともできる。このようにして、作動流体は、燃料ノズル２０に媒体をパージすることができる。作動流体１４がエンドカバー１６に達すると、作動流体１４は、方向を逆にして、エンドキャップ２８および／または少なくとも１つのチューブ３６を通って燃焼室４２中に流れることができる。

図２に示すように、プレート３４は、軸方向にプレート３４を貫通する少なくとも１つのチューブ用通路４４を画定することができる。チューブ用通路４４は、チューブ３６の様々なサイズおよび形状を収容するどんなサイズおよび／または形状のものでもよく、チューブ３６を補完するどんな構成のものでもよい。特定の実施形態では、チューブ用通路４４は、複数のチューブ３６それぞれとプレート３４との間に径方向の隙間４６を設けることができる。径方向の隙間４６は、作動流体および／または燃料がそれらの間を流れることができるのに十分なサイズのものとすることができる。プレート３４は、エンドキャップ内に１つまたは複数の希釈剤プレナムを少なくとも部分的に画定することができる。例えば、図１および図２に示すように、エンドキャップの第１の面３０、シュラウド２４、およびプレート３４は、エンドキャップ２８内に第１の希釈剤プレナム４８を形成することができ、プレート３４、シュラウド２４、およびエンドキャップの第２の面は、エンドキャップ２８内に第２の希釈剤プレナム５０を形成することができる。特定の実施形態では、プレート３４の上流かつ／またはプレート３４の下流に少なくとも１つの希釈剤ポート５２を配置することができる。

図１に示すように、燃料プレナム３８を、第１の希釈剤プレナム４８内においてエンドキャップ２８の第１の面３０とプレート３４との間に配置することができる。図２に示すように、燃料プレナム３８は、複数のチューブ３６のうちの１つまたは複数を少なくとも部分的に囲繞することができる。燃料プレナム３８は、例えばろう付けもしくは溶着によって、または燃料プレナム３８とチューブ３６との間にシールを形成する任意の適切な手法で、複数のチューブ３６のうちの１つまたは複数に連結することができる。このようにして、燃料が燃料プレナム３８に入るときに、燃料プレナム３８と第１の希釈剤プレナム４８との間に圧力差が存在することができる。燃料プレナム３８内の圧力が概して第１の希釈剤プレナム４８内の圧力よりも高い特定の例では、シールが少なくとも部分的に機能しなくなる可能性がある。その結果、燃料は、燃料プレナム３８から漏出し、第１の希釈剤プレナム４８内に生み出された低速の体積５４中に流入することがある。低速の体積５４は、概して燃料プレナム３８とシュラウド２４との間に生じることがある。これは、燃料プレナム３８、希釈剤ポート５２、チューブ３６、および／またはエンドキャップ２８内の他の障害物のサイズおよび／または位置の結果として起きることがある。その結果、漏出した燃料は、低速の体積５４内に停滞し、加熱される恐れがあり、それにより、燃料がエンドキャップ２８内で自己点火するリスクが高まり、燃料ノズル２０および／または燃焼器１０が甚大な損傷を受けることになる。

少なくとも１つのパージポート５６が、エンドキャップ２８内の複数のチューブ３６のうちの１つまたは複数を貫通することができ、第１の希釈剤プレナム４８および／または第２の希釈剤プレナム５０からチューブ３６中に流体連通させることができる。一実施形態では、パージポート５６を、プレート３４と軸方向に位置合わせすることができる。このようにして、プレート３４は、作動流体が第１の希釈剤プレナム４８および／または第２の希釈剤プレナム５０を通るときに、さらに燃料プレナム３８の少なくとも一部分を概して横切るときに、作動流体１４をパージポート５６に方向付けすることができる。第１の希釈剤プレナム４８と、第２の希釈剤プレナム５０と、チューブ３６を通って流れる流体との間の圧力差により、パージポート５６を通して作動流体を引き抜いてチューブ３６中に渡すことができ、それにより、漏出した燃料が低速の体積５４ならびに／または第１の希釈剤プレナム４８および第２の希釈剤プレナム５０からパージされる。代替の実施形態では、（１つまたは複数の）パージポート５６は、１つまたは複数のプレート３４の上流および／または下流にあってよい。

図１〜図２に関して示し説明した様々な実施形態は、燃焼器１０をパージする方法も提供することができる。その方法は、複数のチューブ３６のうちの少なくとも１つを通して作動流体１４を流すステップと、複数のチューブ３６中に燃料を流すステップと、エンドキャップ２８の内側に位置する少なくとも１つの希釈剤プレナム４８、５０を通って複数のチューブ３６のうちの１つまたは複数の中に至るように作動流体１４の少なくとも一部を流すステップとを含むことができる。その方法はさらに、プレート３４の上流に位置する第１の希釈剤ポート５２を通して作動流体１４を流すステップと、燃料プレナム３８を横切るように、さらに複数のチューブ３６のうちの１つまたは複数の中に至るように、作動流体１４を方向付けするステップとを含むことができる。その方法は、複数のチューブ３６を通して、さらに第１の希釈剤ポート５２を通して、作動流体１４を流すステップと、１つまたは複数のパージポート５６を通して複数のチューブ３６のうちの１つまたは複数の中に至るように作動流体１４を方向付けするステップであって、１つまたは複数のパージポート５６のうちの少なくとも１つが、プレート３４と少なくとも部分的に軸方向に位置合わせされている、方向付けするステップとを含むこともできる。その方法はさらに、燃料プレナム３８中に燃料を流すステップと、燃料プレナム３８を横切ってパージポート５６中に至るように作動流体１４を方向付けし、したがって、燃料プレナム３８を囲繞する低速の体積５４から漏出した燃料をパージするステップとを含むことができる。特定の実施形態では、その方法はさらに、第２の希釈剤ポート５２を通して作動流体１４を流すステップであって、第１の希釈剤ポート５２がプレート３４の上流に位置し、第２の希釈剤ポート５２がプレート３４の下流に位置する、作動流体１４を流すステップを含むことができる。その方法はさらに、プレート３４の上流のパージポート５６のうちの１つまたは複数の中に作動流体１４を方向付けするステップを含むことができる。この方法はさらに、パージポート５６のうちの１つまたは複数の中に作動流体１４を方向付けするステップであって、１つまたは複数のパージポート５６のうちの少なくとも１つがプレート３４の下流に配置されている、作動流体１４を方向付けするステップを含むことができる。

この書面による説明は、いくつかの例を用いて、最良のモードを含む本発明を開示し、さらに、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、採用される任意の方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実践できるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって定義されており、当業者が思いつく他の例を含むことができる。こうした他の例は、請求項の文字通りの言葉と相違ない構造上の要素を含む場合、または請求項の文字通りの言葉とは実質のない相違しかない等価の構造上の要素を含む場合は、特許請求の範囲内に包含されるものである。

１０ 燃焼器
１２ 外筒
１４ 作動流体
１６ エンドカバー
１８ 流体導管
２０ 燃料ノズル
２２ 中心燃料ノズル
２４ シュラウド
２６ 環状の通路
２８ エンドキャップ
３０ 第１の面
３２ 第２の面
３４ プレート
３６ チューブ
３７ 燃料ポート
３８ 燃料プレナム
４０ 流れスリーブ
４２ 燃焼室
４４ チューブ用通路
４６ 径方向の隙間
４８ 第１の希釈剤プレナム
５０ 第２の希釈剤プレナム
５２ 第１の希釈剤ポート、第２の希釈剤ポート
５４ 低速の体積
５６ パージポート

Claims (17)

1. ａ．第１の面、および前記第１の面の下流にある第２の面を含むエンドキャップと、
   ｂ．前記第１の面および前記第２の面のうちの少なくとも一部分を円周方向に囲繞するシュラウドと、
   ｃ．前記シュラウド内を径方向に延在し、それを通って軸方向に延在する複数のプレート通路を画成するプレートと、
   ｄ．前記プレートならびに前記第１の面および前記第２の面を貫通する複数のチューブであって、各チューブが入口と出口を有し、前記複数のプレート通路のうちの対応するプレート通路を通って延在する、複数のチューブと、
   ｅ．前記対応するプレート通路で、前記複数のチューブのうちの１つまたは複数と前記プレートとの間に画定された径方向の隙間と、
   ｆ．前記複数のチューブのうちの１つまたは複数の壁を貫通する第１のパージポートであって、前記対応するプレート通路に面する前記プレートに径方向に位置合わせされた第１のパージポートと、
   を備える、燃焼器。
2. 前記プレートが前記プレートと前記第１の面との間に第１の希釈剤プレナムを少なくとも部分的に画定する、請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記シュラウドを前記プレートの上流の部分で貫通する第１の希釈剤ポートをさらに備える請求項１に記載の燃焼器。
4. 前記プレートが、前記プレートと前記第２の面との間に第２の希釈剤プレナムを少なくとも部分的に画定する請求項１に記載の燃焼器。
5. 前記シュラウドを前記プレートの下流の部分で貫通する第２の希釈剤ポートをさらに備える、請求項１に記載の燃焼器。
6. 前記プレートの上流に位置する第２のパージポートをさらに備える、請求項１に記載の燃焼器。
7. 前記プレートの上流の第１の希釈剤ポートと、前記プレートの下流の第２の希釈剤ポートとをさらに備える請求項１に記載の燃焼器。
8. 前記複数のチューブを囲繞する燃料プレナムをさらに備え、前記燃料プレナムが、前記プレートの上流に位置し、前記シュラウドによって少なくとも部分的に円周方向に囲繞される、請求項１に記載の燃焼器。
9. ａ．エンドキャップと、
   ｂ．前記エンドキャップを貫通し前記エンドキャップを通して流体連通させる、それぞれが入口と出口とを有する複数のチューブと、
   ｃ．前記エンドキャップの内側を径方向に延在し、それを通って軸方向に延在する複数のプレート通路を画成するプレートと、
   ｄ．前記対応するプレート通路で、前記複数のチューブのうちの１つまたは複数と前記プレートとの間に画定された径方向の隙間と、
   ｅ．前記プレートと前記複数のチューブのうちの１つまたは複数との間で壁を通って延在する第１のパージポートであって、前記複数のチューブのうちの１つまたは複数に流体連通させ、前記対応するプレート通路に面する前記プレートと前記径方向の隙間に径方向に位置合わせされた第１のパージポートと
   を備える、燃焼器。
10. 前記プレートの上流に位置する第２のパージポートさらに備える、請求項９に記載の燃焼器。
11. 前記プレートの下流に位置する第３のパージポートをさらに備える、請求項１０に記載の燃焼器。
12. 前記複数のチューブを囲繞する燃料プレナムをさらに備え、前記燃料プレナムが前記プレートの上流に位置する、請求項９に記載の燃焼器。
13. 前記エンドキャップが、下流の第２の面から軸方向に分離している第１の面を含む、請求項９に記載の燃焼器。
14. 前記エンドキャップの第１の面から前記エンドキャップの第２の面に軸方向に延在するシュラウドをさらに備え、前記シュラウドが、前記複数のチューブを少なくとも部分的に囲繞する請求項１３に記載の燃焼器。
15. 前記プレートが、前記プレートと前記第１の面との間の第１の希釈剤プレナムを少なくとも部分的に画定する、請求項１４に記載の燃焼器。
16. 前記プレートが、前記プレートと前記第２の面との間の第２の希釈剤プレナムを少なくとも部分的に画定する、請求項１４に記載の燃焼器。
17. 前記プレートの上流の第１の希釈剤ポートと、前記プレートの下流の第２の希釈剤ポートとをさらに備える、請求項１４に記載の燃焼器。