JP6134732B2

JP6134732B2 - マルチゾーン燃焼器

Info

Publication number: JP6134732B2
Application number: JP2014545849A
Authority: JP
Inventors: ジネシン，レオニード・ユレヴィッチ; シャーシュニョヴ，ボリス・ボリソヴィッチ; サボッタ，アンドレイ・パヴロヴィッチ; ヴァリーフ，アルマズ・カミレヴィッチ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2031-12-05
Also published as: EP2788685A1; RU2598963C2; US9500372B2; RU2014120381A; JP2015500454A; CN103975200B; US20140260259A1; CN103975200A; EP2788685B1; WO2013085411A1

Description

本明細書中で開示された主題は、マルチゾーン燃焼器に関し、より詳細には、段状中央体を有するマルチゾーン燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、圧縮機は入り口ガスを圧縮して、圧縮ガスを生成する。この圧縮ガスは燃焼器に送られ、燃焼器において圧縮ガスを燃料と混合および燃焼し、高温流体の流体流を生成することができる。これらの高温流体はタービン部に送られ、そこでその高温流体のエネルギーは、動力および／または電気の発生で用いられる機械エネルギーに変換される。

全速力および全負荷の動作条件では、この構成は高効率となる可能性があり、汚染物質排出が比較的少量である傾向がある。しかしながら、ターンダウンまたは部分的負荷動作条件では、燃料と空気の混合物、およびその後の燃焼は、効率的な燃焼につながる温度および質量流量では起こらない。したがってそのプロセスは、汚染物質排出も増加させ、不必要に動力および／または電気の発生を減少させ得る。

米国特許第７，０２４，８６１号

本発明の１つの態様によれば、第１の混合物を燃焼器部の一次帯に出力するように構成された予混合器と、予混合器内に画定された環帯に配置可能な段状中央体とを備えるマルチゾーン燃焼器が提供される。前記段状中央体は、第１の半径方向および軸方向の段において、第２の混合物を燃焼器部の二次帯に出力するように構成された外部本体と、前記外部本体内に画定された環帯に配置可能であり、第２の半径方向および軸方向の段で、第３の混合物を前記燃焼器部の三次帯に出力するように構成された内部本体とを含む。

本発明の別の態様によれば、ヘッドエンド、前記ヘッドエンドから下流にある燃焼器部、および前記ヘッドエンドと前記燃焼器部の間に置かれる混合部を有する燃焼器本体と、前記混合部を通して前記ヘッドエンドから延在可能であり、第１の軸方向位置において第１の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された予混合器と、予混合器内に画定された環帯に配置可能である段状中央体とを備えるマルチゾーン燃焼器が提供される。前記段状中央体は、前記第１の軸方向位置から下流にある第２の軸方向位置で第２の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された外部本体と、前記外部本体内に画定された環帯に配置可能であり、前記第２の軸方向位置から下流にある第３の軸方向位置で第３の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された内部本体とを含む。

本発明のさらに別の態様によれば、ヘッドエンド、前記ヘッドエンドから下流にある燃焼器部、および前記ヘッドエンドと前記燃焼器部の間に置かれる混合部を有する燃焼器本体と、前記混合部を通して前記ヘッドエンドから延在可能であり、第１の軸方向位置において第１の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された予混合器と、予混合器内に画定された環帯に配置可能である段状中央体とを備えるマルチゾーン燃焼器が提供される。前記段状中央体は、前記第１の軸方向位置から下流にある第２の軸方向位置で第２の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された外部本体と、前記外部本体内に画定された環帯に配置可能であり、前記第２の軸方向位置から下流にある第３の軸方向位置で第３の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された内部本体とを含む。

これらおよび他の利点や特徴は、図面と併せ読めば以下の説明によりさらに明確になろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結末で特許請求の範囲において具体的に指摘され明確に特許請求される。本発明の以下の他の特徴および利点は、添付の図面と併用した以下の詳細な説明から明らかである。

マルチゾーン燃焼器の側面図である。図１のマルチゾーン燃焼器の中央体の拡大側面図であるさらなる実施形態による図２の中央体の拡大側面図である。

詳細な説明は、図面を参照して、本発明の実施形態を、利点および特徴とともに、例として説明する。

図１を参照すると、ガスタービンエンジンなどのターボ機械のマルチゾーン燃焼器１０が提供される。例示的なガスタービンエンジンにおいて、圧縮機は、入り口ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する。この圧縮ガスはマルチゾーン燃焼器１０に送られ、燃焼器において圧縮ガスを燃料と混合および燃焼し、高温流体の流体流を生成することができる。これらの高温流体はタービン部に送られ、そこでその高温流体のエネルギーは、動力および／または電気の発生で用いられる機械エネルギーに変換される。

マルチゾーン燃焼器１０は、燃焼器本体２０、予混合器４０、および段状中央体６０を備える。燃焼器本体２０は、環状であり燃焼帯が中にある燃焼器部２１１を画定するように形成される燃焼器ライナ２１、燃焼器ライナ２１の周囲に設けられ少なくとも圧縮機流により生成される圧縮ガスを通して環帯を画定する燃焼器流スリーブ２２、およびマルチゾーン燃焼器１０のヘッドエンド２１２を画定するエンドカバー２３を備える。燃焼器部２１１はヘッドエンド２１２から下流に画定され、混合部２１３はそれらの間に軸方向に設けられる。

予混合器４０は、混合部２１３を通してヘッドエンド２１２から延在可能であり、環状形状であっても、環状アレイ内の一連のキャビティとして提供されてもよい。いずれの場合にも、予混合器４０は、第１の燃料回路４１からの第１の量の燃料および圧縮機によって生成される第１の量の圧縮ガスを受け入れ可能である。第１の量の燃料および第１の量の圧縮ガスは、予混合器４０の軸長に沿って混合され、第１の軸方向位置７０において第１の混合物として燃焼器部２１１の一次帯８０に出力される。一次帯８０は、燃焼器部２１１の前方部分から後部に延在するように画定され、燃焼器ライナ２１に対して半径方向に最も近くてもよい。

図１および図２を参照すると、段状中央体６０は、予混合器４０内に画定された環帯６１において配置可能であり、少なくとも外部本体６２および内部本体６３を含む。外部本体６２は、第２の燃料回路６４からの第２の量の燃料および圧縮機によって生成される第２の量の圧縮ガスを受け入れ可能である。第２の量の燃料および第２の量の圧縮ガスは、外部本体６２の軸長に沿って混合され、第１の軸方向位置７０から下流にある第２の軸方向位置７１において第２の混合物として燃焼器部２１１の二次帯９０に出力される。二次帯９０は、一次帯８０から半径方向内向きに画定され、第２の軸方向位置７１から後部に延在するように画定される。第２の軸方向位置７１は、第１の軸方向位置７０から軸方向距離Ｌ１に設けられる。外部本体６２はこうして、第１の半径方向および軸方向の段１１０において、第２の混合物を二次帯９０に出力するように構成される。

内部本体６３は、外部本体６２内に画定された環帯６５において配置可能である。内部本体６３は、第３の燃料回路６６からの第３の量の燃料および圧縮機によって生成される第３の量の圧縮ガスを受け入れ可能である。第３の量の燃料および第３の量の圧縮ガスは、内部本体６３の軸長に沿って混合され、第２の軸方向位置７１から下流にある第３の軸方向位置７２において第３の混合物として燃焼器部２１１の三次帯１００に出力される。三次帯１００は、二次帯９０から半径方向内向きに画定され、第３の軸方向位置７２から後部に延在するように画定される。第３の軸方向位置７２は、第２の軸方向位置７１から軸方向距離Ｌ２に設けられる。内部本体６３はこうして、第２の半径方向および軸方向の段１２０において、第３の混合物を三次帯１００に出力するように構成される。

実施形態によれば、軸方向距離Ｌ１およびＬ２は、設計検討および操作性要件に応じて、互いに似ていても互いに異なっていてもよい。

第１の燃料回路４１、第２の燃料回路６４、および第３の燃料回路６６は互いに独立しており、第１の混合物、第２の混合物、および第３の混合物が独立して別々に供給されるように制御される。このようにして、燃料および圧縮ガスの相対量はそれぞれ、マルチゾーン燃焼器１０の動作モードに従って独立して別々に制御され得る。例えば、全速力および全負荷（ＦＳＦＬ）動作の際は、第１の混合物、第２の混合物、および第３の混合物はすべて、燃料および圧縮ガスを含んでもよい。対照的に、ターンダウンまたは部分的負荷動作の際は、第２の混合物および３の混合物は、圧縮ガスおよび実質的に減少された量（すなわち、全く含まれないまたは微量）の燃料を含んでもよい。

図２に示されるように、外部本体６２は第１のベーン列１３０を含んでもよく、内部本体６３は第２のベーン列１３１を含んでもよい。実施形態によれば、第１のベーン列１３０および第２のベーン列は、第２の混合物および第３の混合物にそれぞれ、渦流を与えるように構成されてもよい。この渦流は、第２の混合物および第３の混合物が各々、共回転状態または反回転状態で出力されるように提供され得る。いずれにしても、渦流には同一／類似の渦流角度または異なる渦流角度が提供されてもよい。第１のベーン列１３０および第２のベーン列１３１は第１の軸方向位置７０の後部に設置されているように図示されているが、これは単に例示的なものであって、第１のベーン列１３０および第２のベーン列１３１は、第１の軸方向位置７０の前部、後部および／または第１の軸方向位置７０と同軸に設置され得ることを理解されたい。

図３を参照して、さらなる実施形態によれば、少なくとも１つまたは複数の付加的な半径方向および軸方向の（１つまたは複数の）段１４０は、段状中央体６０のために準備されてもよい。明確および簡潔にするために、１つの付加的な半径方向および軸方向の段１４０のみを説明するが、これは単に例示的なものであることを理解されたい。段状中央体６０が付加的な半径方向および軸方向の段１４０を含む場合、段状中央体６０は、外部本体６２と内部本体６３の間において配置可能な付加的本体１４１をさらに備える。付加的本体１４１には、独立して別々に、燃料および圧縮ガスが供給され、これらの燃料および圧縮ガスは、付加的本体１４１の軸長に沿って混合され、第２の軸方向位置７１から下流にあり第３の軸方向位置７２から上流にある第４の軸方向位置１４２において第４の混合物として燃焼器部２１１に出力される。第２の軸方向位置７１は、第１の軸方向位置７０から軸方向距離Ｌ１に設けられ、第４の軸方向位置１４２は、第１の軸方向位置７０から軸方向距離Ｌ２に設けられ、第３の軸方向位置７２は、第１の軸方向位置７０から軸方向距離Ｌ３に設けられる。付加的本体１４１はこうして、付加的な半径方向および軸方向の段１４０において、第４の混合物を出力するように構成される。

付加的本体１４１はまた、渦流を、第４の混合物に、第１のベーン列１３０および／または第２のベーン列１３１と同様のまたは異なる方向／角度で与えるために、付加的なベーン列１４３を含んでもよい。上述のように、第１のベーン列１３０、第２のベーン列１３１、および付加的なベーン列１４３は第１の軸方向位置７０の後部に設置されているように図示されているが、これは単に例示的なものであって、第１のベーン列１３０、第２のベーン列１３１および付加的なベーン列１４３は、第１の軸方向位置７０の前部、後部および／または第１の軸方向位置７０と同軸に設置され得ることを理解されたい。

実施形態によれば、軸方向距離Ｌ１、Ｌ２、およびＬ３は、設計検討および操作性要件に応じて、同様の、または互いに異なる軸方向間隔で設けられてもよい。

本発明は限定された数の実施形態のみに関連して詳細に説明されているが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、これまでに説明されていないが発明の精神および範囲と等しい変化、変更、代替、または同等の構成のうちのいくつでも組み入れるように修正され得る。さらに、本発明の種々の実施形態が説明されてきたが、本発明の態様が説明された実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解されたい。したがって、本発明は上述の説明により限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０マルチゾーン燃焼器
２０燃焼器本体
２１燃焼器ライナ
２２燃焼器流スリーブ
２３エンドカバー
４０予混合器
４１第１の燃料回路
６０段状中央体
６１環帯
６２外部本体
６３内部本体
６４第２の燃料回路
６６第３の燃料回路
７０第１の軸方向位置
７１第２の軸方向位置
７２第３の軸方向位置
８０一次帯
９０二次帯
１００三次帯
１１０第１の半径方向および軸方向の段
１２０第２の半径方向および軸方向の段
１３０第１のベーン列
１３１第２のベーン列
１４０付加的な半径方向および軸方向の段
１４１付加的本体
１４２第４の軸方向位置
１４３付加的なベーン列
Ｌ１軸方向距離
Ｌ２軸方向距離
Ｌ３軸方向距離

Claims

第１の混合物を、燃焼器部の一次帯に出力するように構成された予混合器と、
前記予混合器内に画定された第１の環帯に配置された段状中央体と、
を備え、
前記段状中央体が、
第１の半径方向および軸方向の段で、第２の混合物を前記一次帯の下流にある前記燃焼器部の二次帯に出力するように構成された外部本体と、
前記外部本体内に位置する内部本体であって、前記外部本体と前記内部本体との間に第２の環帯を画定し、第２の半径方向および軸方向の段で、第３の混合物を前記二次帯の下流にある前記燃焼器部の三次帯に出力するように構成された内部本体と、
を含み、
前記内部本体、前記外部本体、および前記予混合器が、共通の長手方向軸の周りに同心円状に配置されている、
マルチゾーン燃焼器。
前記第１の混合物が第１の燃料回路により前記予混合器に、
前記第２の混合物が第２の燃料回路により前記外部本体に、
前記第３の混合物が第３の燃料回路により前記内部本体に、
供給される、請求項１に記載のマルチゾーン燃焼器。
第１の複数のベーンが前記第２の環帯内に位置し、
第２の複数のベーンが前記内部本体内に位置し、
前記第２の混合物および前記第３の混合物が各々、共回転状態で出力されるように、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが構成されている、
請求項１または２に記載のマルチゾーン燃焼器。
第１の複数のベーンが前記第２の環帯内に位置し、
第２の複数のベーンが前記内部本体内に位置し、
前記第２の混合物および前記第３の混合物が各々、反回転状態で出力されるように、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが構成されている、
請求項１または２に記載のマルチゾーン燃焼器。
第１の複数のベーンが前記第２の環帯内に位置し、
第２の複数のベーンが前記内部本体内に位置し、
前記第２の混合物および前記第３の混合物が各々、同様の回転角度で出力されるように、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが構成されている、
請求項１または２に記載のマルチゾーン燃焼器。
前記段状中央体は、前記外部本体と前記内部本体の間に配置され、第３の半径方向および軸方向の段で、第４の混合物を前記燃焼器部の四次帯に出力するように構成された付加的本体をさらに含み、
前記四次帯は、前記二次帯と前記三次帯の間の軸方向位置に位置する、
請求項１から５のいずれかに記載のマルチゾーン燃焼器。
ヘッドエンド、前記ヘッドエンドの下流にある燃焼器部、および前記ヘッドエンドと前記燃焼器部の間に置かれる混合部を有する燃焼器本体と、
前記混合部を通して前記ヘッドエンドから延在可能であり、第１の軸方向位置において第１の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された予混合器と、
前記予混合器内に画定された第１の環帯に配置された段状中央体と、
を備え、
前記段状中央体が、
前記第１の軸方向位置の下流にある第２の軸方向位置で、第２の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された外部管状部材と、
前記外部管状部材内に位置する内部管状部材であって、前記外部管状部材と前記内部管状部材との間に第２の環帯を画定し、前記第２の軸方向位置の下流にある第３の軸方向位置で、第３の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された内部管状部材と、
を含み、
前記内部管状部材、前記外部管状部材、および前記予混合器が、共通の長手方向軸を共有する、
マルチゾーン燃焼器。
前記第１の混合物が第１の燃料回路により前記予混合器に、
前記第２の混合物が第２の燃料回路により前記外部管状部材に、
前記第３の混合物が第３の燃料回路により前記内部管状部材に、
供給される、請求項７に記載のマルチゾーン燃焼器。
前記第２の混合物および前記第３の混合物は、ターンダウン動作の際に、燃料の全く含まれない空気、または空気と微量の燃料を含む、請求項７または８に記載のマルチゾーン燃焼器。
第１の複数のベーンが前記第２の環帯内に位置し、
第２の複数のベーンが前記内部管状部材内に位置し、
前記第２の混合物および前記第３の混合物が各々、共回転状態で出力されるように、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが構成されている、
請求項７から９のいずれかに記載のマルチゾーン燃焼器。
第１の複数のベーンが前記第２の環帯内に位置し、
第２の複数のベーンが前記内部管状部材内に位置し、
前記第２の混合物および前記第３の混合物が各々、反回転状態で出力されるように、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが構成されている、
請求項７から９のいずれかに記載のマルチゾーン燃焼器。
第１の複数のベーンが前記第２の環帯内に位置し、
第２の複数のベーンが前記内部管状部材内に位置し、
前記第２の混合物および前記第３の混合物が各々、同様の回転角度で出力されるように、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが構成されている、
請求項７から９のいずれかに記載のマルチゾーン燃焼器。
前記段状中央体は、前記外部管状部材と前記内部管状部材の間に配置され、第３の半径方向および軸方向の段で、第４の混合物を、前記第２の軸方向位置の下流にある四次帯で前記燃焼器部に出力するように構成された付加的本体をさらに含む、請求項７から１２のいずれかに記載のマルチゾーン燃焼器。
ヘッドエンド、前記ヘッドエンドの下流にある燃焼器部、および前記ヘッドエンドと前記燃焼器部の間に置かれる混合部を有する燃焼器本体と、
前記混合部を通して前記ヘッドエンドから延在可能であり、第１の軸方向位置において第１の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成され、前記燃焼器部の長手方向軸に沿う第１の環帯を画定する予混合器と、
前記第１の環帯に配置された段状中央体と、
を備え、
前記段状中央体が、
第１の長さを有し、前記第１の軸方向位置の下流にある第２の軸方向位置で、第２の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された外部管と、
前記外部管内に画定された内部管であって、
前記外部管と前記内部管との間に第２の環帯を画定し、
前記第１の長さよりも長い第２の長さを有し、
前記第２の軸方向位置の下流にある第３の軸方向位置で、第３の混合物を前記燃焼器部に出力するように構成された、
内部管と、
を含む、
マルチゾーン燃焼器。
前記第１の混合物が第１の燃料回路により前記予混合器に、
前記第２の混合物が第２の燃料回路により前記外部管に、
前記第３の混合物が第３の燃料回路により前記内部管に、
供給される、請求項１４に記載のマルチゾーン燃焼器。
前記第２の混合物および前記第３の混合物は、ターンダウン動作の際に、燃料の全く含まれない空気、または空気と微量の燃料を含む、請求項１４または１５に記載のマルチゾーン燃焼器。
第１の複数のベーンが前記第２の環帯内に位置し、
第２の複数のベーンが前記内部管内に位置し、
前記第２の混合物および前記第３の混合物が各々、共回転状態で出力されるように、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが構成されている、
請求項１４から１６のいずれかに記載のマルチゾーン燃焼器。
第１の複数のベーンが前記第２の環帯内に位置し、
第２の複数のベーンが前記内部管内に位置し、
前記第２の混合物および前記第３の混合物が各々、反回転状態で出力されるように、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが構成されている、
請求項１４から１６のいずれかに記載のマルチゾーン燃焼器。
第１の複数のベーンが前記第２の環帯内に位置し、
第２の複数のベーンが前記内部管内に位置し、
前記第２の混合物および前記第３の混合物は各々、同様の回転角度で出力されるように、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが構成されている、
請求項１４から１６のいずれかに記載のマルチゾーン燃焼器。
前記段状中央体は、前記外部管と前記内部管との間に配置され、第３の半径方向および軸方向の段で、第４の混合物を、前記第２の軸方向位置の下流にある四次帯で前記燃焼器部に出力するように構成された付加的本体をさらに含む、請求項１４から１９のいずれかに記載のマルチゾーン燃焼器。