JP6134508B2

JP6134508B2 - タービンエンジン及びタービンエンジンにおいて空気を流す方法

Info

Publication number: JP6134508B2
Application number: JP2012275235A
Authority: JP
Inventors: ルーカス・ジョン・ストイア; パトリック・ベネディクト・メルトン; プレドラグ・ペジャ・ポポヴィック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-01-03
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: EP2613085B1; US20130167547A1; CN103184899B; RU2012158330A; JP2013140003A; US9010082B2; EP2613085A1; CN103184899A

Description

本明細書で開示される主題はガスタービンに関する。より詳細には、本主題は、ガスタービンステータ構成要素の組立体に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、燃焼器は、燃料又は空気燃料混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、流体（多くの場合、圧縮機からの空気）によってタービンに運ばれ、そこで熱エネルギーが機械エネルギーに変換される。低負荷状態又はターンダウン状態の間、タービンエンジンへの燃料流を低減し消費量を低減することが望ましい。しかしながら、場合によっては、燃焼器に供給される燃料の量が一定流量の酸素によって制限されることがあるが、燃焼器内で清浄な燃焼を可能にするためには特定の量の燃料が必要とされる。

米国特許第５１９７２９０号明細書

本発明の１つの態様によれば、ガスタービンエンジンは、燃焼器と、燃焼器の端部に配置された燃料ノズルと、圧縮機吐出ケーシングから空気流を受け入れるように構成された通路とを含み、通路は空気流をノズルの下流側のチャンバに導くが、チャンバの圧力は、圧縮機吐出ケーシングの圧力よりも低い。ガスタービンエンジンはまた、圧縮機吐出ケーシングから通路への空気流を制御するように構成された流量制御装置を含む。

本発明の別の態様によれば、タービンエンジン内で空気を流す方法は、圧縮機吐出ケーシングから通路内に空気を受け入れるステップと、通路からの空気を燃焼室の燃焼領域の下流側に導くステップとを含む。本方法はまた、タービンエンジンの作動状態に基づいて燃焼室への空気の流れを制御するステップを含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンシステムの一実施形態の概略図。別の例示的なガスタービンエンジンの一部の概略図。例示的な燃焼器の詳細な側断面図。別の例示的な燃焼器の詳細な側断面図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１は、ガスタービンシステム１００の一実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８、及び燃料ノズル１１０を含む。一実施形態では、システム１００は、複数の圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０を含むことができる。圧縮機１０２及びタービン１０６は、シャフト１０８により結合される。シャフト１０８は、単一のシャフトであってもよいし、或いは複数のシャフトセグメントを結合してシャフト１０８としたものであってもよい。

１つの態様において、燃焼器１０４は、天然ガス又は水素リッチ合成ガスなどの液体及び／又はガス燃料を使用してエンジンを稼働する。例えば、燃料ノズル１１０は、空気供給部及び燃料供給部１１２と流体連通している。燃料ノズル１１０は、空気燃料混合気を生成し、該空気燃料混合気を燃焼器１０４に吐出し、これにより燃焼を引き起こして加圧ガスを加熱する。燃焼器１０４は、高温の排出ガスをトランジションピースに通ってタービンノズル（又は「第１段ノズル」）に、次いで、タービンバケットに導き、タービン１０６の回転を生じさせる。タービン１０６の回転により、シャフト１０８が回転し、これにより空気が圧縮機１０２に流入するときに該空気を加圧する。

一実施形態では、燃料ノズル１１０が受け入れる空気は、圧縮機１０２からの加圧空気の一部である。オフピーク需要の間のようなターンダウン状態の間、燃料供給部１１２からの燃料流を低減することが望ましいことがある。種々のエミッション及び効率目標に適合するために、燃料ノズル１１０に供給される空気の量は、タービン作動条件に基づいて調整される。図２〜図４に関して以下で説明する構成は、ノズルに供給される空気の可変流量をもたらし、これによりターンダウン状態中の燃料流量を低減させることができる。

本明細書で使用される「下流」及び「上流」とは、タービンを通る作動流体の流れに関する方向を示す用語である。従って、「下流側」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を意味し、「上流側」又は「前方」という用語は一般的に、作動流体の流れの方向とは反対の方向を意味する。「半径方向」という用語は、軸線又は中心線に対して垂直方向の運動又は位置を意味する。これは、軸線に対して異なる半径方向位置にある部品を説明するのに有用である。このような場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に対して近接して存在する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内側」にあるということができる。これに対して、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くに存在する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側」又は「外側寄り」にあるということができる。用語「軸方向」とは、軸線に平行な運動又は位置を示す。最後に「円周方向に」とは、軸線の周りの運動又は位置を示す。以下の説明は、主としてガスタービンに集中しているが、本発明の概念は、ガスタービンに限定されるものではなく、蒸気タービンを含む他の回転機械にも適用できる。

図２は、例示的なガスタービンエンジン２００の一部の概略図である。圧縮機２０２は、空気２０６などの流体を加圧し、該流体は、下流側の圧縮機吐出ケーシング２０８に流れる。空気２２０の流れ（すなわち、加圧空気）は、圧縮機吐出ケーシング２０８で受け取られ、受け取られた空気２２０の一部（空気２２２として図示される）は、１以上のノズル２２３に導かれ、燃料と混合されて燃焼室内で燃焼する。燃焼により、加圧された高温ガスがタービン２１０に流入し、タービンノズル又はブレードを通過する高温ガス流がタービン２１０の回転を生じさせる。図に示すように、管路又は導管２１２は、２次空気２２４の流れを受け入れるが、この２次空気流２２４も、受け取られた空気流２２０の一部である。導管２１２は、導管２１６を介して複数の空気バイパス通路又はインジェクタ（図３〜図４に示す）と流体連通していてもよい。２次空気２２４の流れを増大させることによって、燃焼のための燃料ノズル２２３に導かれる空気２２２の量を低減させることができる。バルブなどの流量制御装置２１８は、導管２１２を通して２次空気２２４を選択的に流すことができるようにし、もって燃焼のため燃料ノズル２２３で受け取られる空気２２２の量を調整するように構成される。空気２２２の量の低減は、導管２１６に流れる２次空気２２４（燃料ノズル２２３には流れない空気）を増大させることによって起こる。流量制御装置２１８の位置は、タービンエンジン２００の作動状態（例えば、低負荷、高負荷）に基づいて選択的に調整することができる。流量制御装置２１８は、開放位置にあるときには、導管２１６を介して１以上の燃焼器２０４に２次空気２２４を導くリングマニホルド２１４又は導管に対して２次空気２２４の実質的に制限のない流れを供給する。導管２１６は、燃焼器２０４における主燃焼領域の下流側（燃焼器２０４における空気／燃料の流れに対して）に２次空気２２４を導くように構成される。２次空気２２４の増大し且つ実質的に制限のない空気流によって、ノズル２２３に供給される空気が減少し、これによりターンダウン時の効率が改善される。燃料ノズル２２３への空気の供給を低減することにより、副生成物の低減した効率的な燃焼を可能にしつつ、燃料の供給量も低減することができる。更に、圧縮機２０２の空気流は、図示の構成により維持され、タービン効率が向上する。以下で説明するように、一実施形態では、導管２１６は、２次空気２２４の調整可能な量を燃焼室に導き、空気は燃料ノズル２２３の下流側で燃焼室に流入する。

図３は、例示的な燃焼室２０４の詳細な側断面図である。燃焼器２０４は、流れスリーブ３０２内に配置されたライナ３００を含み、空気３０３はライナ３００に沿って燃料ノズル３０４に流れる。空気３０３は、燃料ノズルで受け取られ、燃料３０５の流れと混合される。燃料ノズル３０４に供給される空気３０３の量は、２次空気３０６の流れの量により調整され、２次空気３０６は、導管２１６からチャンバ３０８内に入る。次いで、２次空気３０６は、流れスリーブ３０２内の通路３１０を通って導かれる。一実施形態では、通路３１０は、流れスリーブ３０２を構成する２つの壁の間に形成された環状通路である。環状通路３１０は、燃焼器２０４において実質的に軸方向の空気流を可能にする。他の実施形態では、通路３１０は、流れスリーブ３０２の壁の一部に形成された孔又は管路である。２次空気３０６は、通路３１０からインジェクタ３１２を通って燃焼室３１４に導かれる。２次空気３０６は、燃料ノズル３０４に近接した燃焼領域３１６の下流側の燃焼室３１４内で受けられ、２次空気３０６は、燃焼又は燃焼副生成物に実質的に影響を及ぼさない。

図示の実施形態では、通路３１０及びインジェクタ３１２を通って流れる２次空気３０６の量を変えることによって、燃料ノズル３０４に供給される空気３０３の調整が可能となる。圧縮機吐出ケーシング２０８から燃焼室３１４への２次空気３０６の流れは、領域間の圧力差によって引き起こされる。具体的には、圧縮機吐出ケーシング２０８の圧力（Ｐ１で示される）は、燃焼室３１４の圧力Ｐ２よりも高い。流量制御装置２１８は、導管２１６を介して圧縮機吐出ケーシング２０８から供給される２次空気３０６の量を制御する。例えば、高需要又は高負荷状態の間は、燃料ノズル３０４に供給される空気３０３の量が増加され、燃焼室３１４に流れる２次空気３０６の量が減少される。更に、低負荷又はターンダウン状態の間は、燃料ノズル３０４に供給される空気３０３の量が減少され、
燃焼室３１４に流れる２次空気３０６の量が増加される。詳細には、低負荷状態の間、燃料ノズル３０４に供給される空気３０３の量を減少させることにより、燃焼に悪影響を及ぼすことなく、ノズルに供給される燃料３０５の量を減少させることができる。具体的には、燃料３０５と燃焼させるための空気３０３の量が低減され、それにより燃焼副生成物としての一酸化炭素が低減する。更に、ターンダウン中の燃焼を含む種々のタービン条件に対する柔軟性の向上は、燃焼室３１４に燃料なしで２次空気３０６を導くことにより達成される。加えて、高負荷状態の間、流量制御装置２１８は、燃焼室３１４への２次空気３０６の流れを低減又は遮断するように制限され、これにより燃料３０５と燃焼させるための空気３０３の供給を増大させることができる。従って、調整可能又は変更可能な空気流構成は、作動条件及び効率の改善に対する柔軟性を可能にする。

図４は、燃焼器４００の別の実施形態の詳細な側断面図である。燃焼器４００は、流れスリーブ４０２内に配置されたライナ４０１を含み、空気４０３はライナ４０１に沿って燃料ノズル４０４に流れる。空気４０３は、燃料ノズル４０４で受け取られ、燃料４０５の流れと混合される。燃料ノズル４０４に供給される空気４０３の量は、２次空気４０６の流れの量により調整され、２次空気４０６は、流れスリーブ４０２と後方ケーシング４１２（すなわち、一体式又は非一体式の後方ケーシング）との間のプレナム又はチャンバ４１０から入る。２次空気４０６は、タービンの圧縮機吐出ケーシング（例えば、図２の２０８）から流れ、圧縮機吐出ケーシングはまた、空気４０３を燃料ノズル４０４に供給する。２次空気４０６は、燃焼器４００のフランジ４２２内の入口４２０を通って流れる。回転式バルブのような流量制御装置４０７は、チャンバ４０８とそれに続く通路４０９への２次空気４０６の流れを制御する。２次空気４０６は、通路４０９からインジェクタ４１４を通って燃焼室４１６に流れる。例示的なインジェクタ４４４及び３１２（図３）は、それぞれ、通路４０９及び燃焼室４１６、並びに通路３１０及び燃焼室３１４としか流体連通していない。従って、インジェクタを通して導かれる空気流４０６、３０６は、それぞれ通路４０９及び３１０から送られるものだけであり、燃料を含まない。更に、空気流４０６、３０６は燃焼領域４１８、３１６の下流側で燃焼室に導かれるので、空気は燃焼しない。

図に示すように、通路４０９は、流れスリーブ４０２を構成する２つの壁の間に形成された環状通路である。環状通路４０９は、燃焼器４００において実質的に軸方向の空気流を可能にする。流量制御装置４０７が開放されると、該流量制御装置４０７は、燃焼室Ｐ４内の圧力Ｐ４よりも高い圧力Ｐ３で空気４０６を受け取り、チャンバ４１０からの空気流が通路４０９を通って燃焼領域４１８の下流側の燃焼室４１６に流入する。従って、ターンダウン状態の間など、流量制御装置４０７が開放されたときには、ノズル４０４に流れる空気４０３の量が減少する。ターンダウン（低負荷）状態の間、燃料４０５と燃焼させるための空気４０３の量が減少することにより、燃焼副生成物としての一酸化炭素の生成が減少する。更に、ターンダウン中の燃焼を含む種々のタービン条件に対する柔軟性の向上は、燃焼室４１６に燃料なしで２次空気４０６を導くことにより達成される。加えて、高負荷状態の間、流量制御装置４０７は、燃焼室４１６への２次空気４０６の流れを低減又は遮断するように制限され、これにより燃料４０５と燃焼させるための空気４０３の供給を増大させることができる。一実施形態では、流量制御装置４０７の位置は、チャンバ４１０からの流れを可能にし、チャンバ４１０から流れる空気４０６は、燃焼器４００の下流側のトランジションピース（図示せず）への空気流の量を低減させる。空気４０３の流れは、トランジションピースからの空気によって供給され、従って、流量制御装置４０７を通る空気４０６の量の増大又は減少に伴って、空気４０３の流れがそれぞれ減少又は増大する。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１００ガスタービンシステム
１０２圧縮機
１０４燃焼器
１０６タービン
１０８シャフト
１１０燃料ノズル
１１２燃料供給部

Claims

ガスタービンエンジンであって、
流れスリーブ（３０２，４０２）内に配置されたライナ（３００，４０１）を備える燃焼器（２０４）と、
前記燃焼器（２０４）の端部に配置された燃料ノズル（３０４，４０４）であって、前記流れスリーブ（３０２，４０２）と前記ライナ（３００，４０１）によって画成される環状空間を通る空気（３０３，４０３）が流れ込む燃料ノズル（３０４，４０４）と、
前記流れスリーブ（３０２，４０２）の内部に形成され、圧縮機吐出ケーシングから空気流を受け入れるように構成された通路（３１０，４０９）であって、前記燃料ノズル（３０４，４０４）と軸方向に実質的に同じ位置にある第１のチャンバ（３０８，４０８）からの空気流（３０６，４０６）を、前記圧縮機吐出ケーシングの圧力よりも低い圧力の燃焼室（３１６，４１８）内の燃焼領域（３１６，４１８）の下流側に導く、通路（３１０，４０９）と、
前記圧縮機吐出ケーシングから前記通路（３１０，４０９）への空気流を制御するように構成された流量制御装置（２１８，４０７）と
を備える、ガスタービンエンジン。
前記流量制御装置（２１８，４０７）が、前記ガスタービンエンジンのターンダウン状態で前記燃焼室（３１６，４１８）に空気流を実質的に制限のない状態で供給して前記燃料ノズル（３０４，４０４）に供給される空気の量を低減し、これにより前記ターンダウン状態でのガスタービンからの一酸化炭素の生成を低減する開放位置を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
前記流量制御装置（２１８，４０７）が、全負荷状態で空気流を実質的に制限する閉鎖位置を有し、前記流量制御装置（２１８，４０７）が前記閉鎖位置にあるときに前記燃料ノズル（３０４，４０４）に供給される空気の量が増大する、請求項２に記載のガスタービンエンジン。
ガスタービンエンジンであって、
圧縮機（２０２）と、
流れスリーブ（３０２，４０２）内に配置されたライナ（３００，４０１）を備える燃焼器（２０４）と、
タービン（２１０）と、
燃焼器（２０４）の端部に配置された燃料ノズル（３０４，４０４）であって、前記流れスリーブ（３０２，４０２）と前記ライナ（３００，４０１）によって画成される環状空間を通る空気（３０３，４０３）が流れ込む燃料ノズル（３０４，４０４）と、
第１の圧力を有する圧縮機吐出ケーシングと流体連通した燃焼室（３１６，４１８）であって、前記燃焼室（３１６，４１８）が第２の圧力を有していて、前記第１の圧力と第２の圧力との圧力差によって、前記燃料ノズル（３０４，４０４）と軸方向に実質的に同じ位置にある第１のチャンバ（３０８，４０８）から、前記流れスリーブ（３０２，４０２）の内部に形成された通路（３１０，４０９）を介して燃焼領域（３１６，４１８）の下流側の燃焼室（３１６，４１８）内に空気流（３０６，４０６）が導かれる、燃焼室（３１６，４１８）と、
前記圧縮機吐出ケーシングから前記燃焼室（３１６，４１８）への前記空気流を制御するように構成された流量制御装置（２１８，４０７）であって、前記流量制御装置（２１８，４０７）が、ターンダウン状態で前記燃焼室（３１６，４１８）に空気流を実質的に制限のない状態で供給する開放位置と、全負荷状態で空気流を実質的に制限する閉鎖位置とを有する流量制御装置（２１８，４０７）と
を備える、ガスタービンエンジン。
前記通路（３１０，４０９）が、実質的に軸方向に空気流を流す環状通路を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン。
前記通路（３１０，４０９）が、前記燃焼器（２０４）の外部の導管（２１６）を介して前記圧縮機吐出ケーシングから前記空気流を受け入れるように構成される、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のガスタービンエンジン。
前記通路（３１０，４０９）が、流れスリーブ（４０２）とケーシング（４１２）との間のプレナム（４１０）を介して前記圧縮機吐出ケーシングから前記空気流を受け入れるように構成される、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のガスタービンエンジン。
前記空気流が、燃料なしで前記通路（３１０，４０９）を通って前記燃焼室（３１６，４１８）に導かれ、該空気流は前記燃焼室（３１６，４１８）に導かれたときに燃焼しない、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のガスタービンエンジン。
流れスリーブ（３０２，４０２）内に配置されたライナ（３００，４０１）を有する燃焼器（２０４）と、前記燃焼器（２０４）の端部に配置された燃料ノズル（３０４，４０４）とを備えるタービンエンジン内で空気を流す方法であって、
前記流れスリーブ（３０２，４０２）と前記ライナ（３００，４０１）によって画成される環状空間に空気（３０３，４０３）を流すステップと、
圧縮機吐出ケーシングから、前記流れスリーブ（３０２，４０２）（３０２，４０２）の内部に形成された通路（３１０，４０９）内に空気を受け入れるステップと、
前記通路（３１０，４０９）に沿って、前記燃料ノズル（３０４，４０４）と軸方向に実質的に同じ位置にある第１のチャンバ（３０８，４０８）からの空気（３０６，４０６）を、燃焼室（３１６，４１８）内の燃焼領域（３１６，４１８）の下流側に導くステップと、
前記タービンエンジンの作動状態に基づいて前記燃焼室（３１６，４１８）への空気の流れを制御するステップと、
を含む、方法。
前記空気を導くステップが、前記圧縮機吐出ケーシングの高い圧力から前記燃焼室（３１６，４１８）内の相対的に低い圧力に前記空気を導くステップを含む、請求項９記載の方法。
前記通路（３１０，４０９）内に空気を受け入れるステップが、燃焼器（２０４）の外部の導管（２１６）から前記通路（３１０，４０９）内に空気を受け入れるステップを含む、請求項９又は請求項１０に記載の方法。
前記圧縮機吐出ケーシングから前記通路（３１０，４０９）内に空気を受け入れるステップが、流れスリーブ（４０２）とケーシング（４１２）との間のプレナム（４１０）から前記空気を受け入れるステップを含む、請求項９又は請求項１０に記載の方法。
前記空気の流れを制御するステップが、ターンダウン状態で前記燃焼室（３１６，４１８）に空気流を実質的に制限のない状態で供給する開放位置に流量制御装置（２１８，４０７）を位置付けるステップを含む、請求項９乃至請求項１２のいずれかに記載の方法。
前記流量制御装置（２１８，４０７）が開放位置にあるときに燃料ノズル（３０４，４０４）に供給される空気の量が低減され、これにより前記ターンダウン状態の間前記ガスタービンからの一酸化炭素の生成が減少する、請求項１３記載の方法。
前記空気の流れを制御するステップが、ターンダウン状態の間に前記空気の流れを増大させ、全負荷状態の間に前記空気の流れを減少させるステップを含む、請求項９乃至請求項１４のいずれかに記載の方法。