JP6176707B2 - 二次燃焼システム - Google Patents

Description

本出願及びその結果として与えられる特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、特に、排気と性能とを向上させる改良型二次燃焼システムを有する、ガスタービンエンジンと共に用いられる燃焼器に関する。

従来のガスタービンエンジンにおいて、運転効率は一般に燃焼流の温度が増加すると高くなる。しかし、燃焼流の温度の増加は、結果的により高レベルの窒素酸化物（「ＮＯ_x」）及びその他の種類の望ましくない排出物質の生成をもたらしかねない。このような排出物質は、米国において連邦及び州の規制の対象となる場合があり、国外でも同様の規制の対象となることがある。このため、効率的な温度範囲内でガスタービンエンジンを運転する一方で、同時に窒素酸化物及びその他の種類の規制対象の排出物質を確実に規制レベルより十分に低いレベルに維持する両天秤策がある。このような最適なバランスを達成する上で、多くのその他のパラメータも変動することがある。

乾式低ＮＯ_x（「ＤＬＮ」）燃焼器を用いる設計等のいくつかの種類の周知のガスタービンエンジン設計は、一般に複数の予混合燃料ノズルにより燃料流と空気流とを反応領域又は燃焼領域の上流で予混合して窒素酸化排出物を減少させるようにする。一般的に言えば、こうした予混合は全体としての燃焼温度を低下させ、よって窒素酸化排出物等を減少させる傾向にある一方で、効率的な運転を達成することができる。

全体としての窒素酸化排出物を減少させるまた他の方法は、反応領域の温度を窒素酸化排出物が形成されるレベル未満に最低限に抑えることである。このため、二次燃焼システムが一次燃焼システムの下流に配置される。二次燃焼システムは複数の噴射器を含んで、燃焼器のヘッドエンドにおいて燃料及びその他の流体を噴射することができる。燃料は高温環境により急速に燃焼し、よって燃焼器ヘッドエンドの温度が和らげられて、全体としての窒素酸化排出物が減少するようになる。このような二次燃焼システムは全体としての排出量を減少させる上で効果的かもしれないが、燃料噴射器が高温ガス流路内に直接配置されることを考えると、こうしたシステムが信頼性に関する懸念を有する場合がある。

米国特許第８０２８５２９号

よって、窒素酸化物等の全体としての排出量を減少させることができる改良型燃焼器が求められている。このような燃焼器は、全体としての出力、効率及び構成要素の信頼性を犠牲にすることなしに排出量の改善を達成できることが好ましい。

従って、本出願及びその結果として与えられる特許は、ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼ガス流中に燃料／空気混合物を導入する二次燃焼システムを提供するものである。この二次燃焼システムは、マニホルド環とこのマニホルド環から延在する複数の噴射器とを含んでよい。各々の噴射器は、マニホルド環と連通する複数の噴射口を含んでよい。１つ以上の噴射器は、燃料／空気混合物を燃焼ガス流中にある角度で導入する斜め構成を有する。

本出願及びその結果として与えられる特許は、更に、ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼ガス流中に燃料／空気混合物を導入する二次燃焼システムを提供するものである。この二次燃焼システムは、マニホルド環とこのマニホルド環から延在する複数の噴射器とを含んでよい。各々の噴射器は、マニホルド環と連通する複数の噴射口を含んでよい。これらの噴射口は、入口直径が出口直径より大きくなるようにしてある入口直径を有する入口と出口直径を有する出口とを含んでよい。

本出願及びその結果として与えられる特許は、更に、ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃焼ガス流中に燃料／空気混合物を導入する二次燃焼システムを提供するものである。この二次燃焼システムは、マニホルド環とこのマニホルド環から延在する複数の噴射器とを含んでよい。各々の噴射器は、マニホルド環と連通する複数の噴射口を含んでよい。補助噴射システムが噴射器と連通してよい。補助噴射システムは、補助燃料圧縮機、補助空気圧縮機、補助希釈剤圧縮機、燃料改質器、蒸気又は触媒要素、及び／又は低BTUガス化装置と連通してよい。

本出願及びその結果として与えられる特許の上記及びその他の特徴と改良点とは、幾つかの図面と添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には明らかになるであろう。

圧縮機と燃焼器とタービンとを有するガスタービンエンジンの略図である。 図１の燃焼器と共に用いることができる二次燃料噴射器の側断面図である。 本明細書に記載の燃焼器の一例を示す略断面図である。 図３の燃焼器の二次燃焼システムの側面図である。 図４の二次燃焼システムの燃料噴射口の側断面図である。 本明細書に記載の補助噴射システムを有する燃焼器の略図である。 本明細書に記載の燃料改質システムを有する燃焼器の略図である。 本明細書に記載のオフガス供給機能を有する燃焼器の略図である。

幾つかの図を通じて同様の符号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、本発明において用いられるガスタービンエンジン１０の略図である。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含んでよい。圧縮機１５は流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮空気流２０を燃焼器２５に送る。燃焼器２５は、圧縮空気流２０を加圧燃料流３０と混合すると共に、この混合物に点火して燃焼ガス流３５を創出する。図には単一の燃焼器２５のみを示すが、ガスタービンエンジン１０はいかなる個数の燃焼器２５を含んでもよい。燃焼ガス流３５は次にタービン４０に送られる。燃焼ガス流３５はタービン４０を駆動して力学的仕事を生み出す。タービン４０において生み出された力学的仕事は、軸４５を介して圧縮機１５を駆動すると共に発電機等の外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス及び／又はその他の種類の燃料を用いてよい。ガスタービンエンジン１０は、ゼネラルエレクトリックカンパニー（General Electric Company）が提供する７又は９シリーズの重構造ガスタービンエンジン等を含むがこれらに制限されない複数の多様なガスタービンエンジンのいずれか１つであってよい。ガスタービンエンジン１０は異なる構成を有してよく、且つその他の種類の構成要素を用いてもよい。その他の種類のガスタービンエンジンも本発明において用いることができる。複数のガスタービンエンジンとその他の種類のタービンとその他の種類の発電設備とを本発明において一緒に用いることもできる。

上述した燃焼器２５は、一次燃焼システムと二次燃焼システムとを有してよい。二次燃焼システムが用いられる場合に二次燃焼システムで用いられる周知の二次噴射器５５の一例を図２に示す。一般的に言えば、二次噴射器５５は燃料流３０と連通する燃料通路６０と、空気流２０と連通する空気通路６５とを含んでよい。二次燃焼器５５は、継手７５から延在する細長壁７０を有してよい。二次噴射器５５は、燃料通路６０及び空気通路６５と連通する１つ以上の噴射口８０を有してよい。燃料通路６０及び空気通路６５は噴射口８０の周りにおいて混合通路８５で合流して、燃料／空気混合物９０を創出する。燃料／空気混合物９０は、燃焼ガス流３５中に略横断方向に導入される。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成も用いてよい。

図３は、本明細書に記載の燃焼器１００の図である。燃焼器１００は一次燃焼システム１１０を含んでよい。一般的に言えば、一次燃焼システム１１０は、外筒１２０とエンドカバー１３０と複数のノズル１４０とキャップ組立体１５０とフロースリーブ１６０と燃焼器内筒１７０とを含んでよい。ノズル１４０は複数の予混合ノズル１８０を含んでよい。予混合ノズル１８０は自身上にスワラ１９０を含んでよい。一次燃焼領域２００は、燃焼器内筒１７０内においてノズル１４０の下流に配置されてよい。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成を用いてもよい。

圧縮機１５からの空気流２０は、フロースリーブ１６０と燃焼器内筒１７０との間の流入空気に沿って流れる。空気流２０は、その後、エンドカバー１３０の周りで流路を反転させて、ノズル１４０の周りで燃料流３０と混合される。空気流２０と燃料流３０とは一次燃焼領域２００内で燃焼して、高温燃焼ガス３５が形成されるようになる。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成を用いてもよい。

図３及び図４に示すように、燃焼器１００は二次燃焼システム２１０も含んでよい。二次燃焼システム２１０は一次燃焼領域２００の下流且つトランジションピース２２０及びタービン４０のすぐ上流に配置されてよい。二次燃焼システム２１０は、複数の二次噴射器２４０を自身から延在させたマニホルド環２３０を含んでよい。二次噴射器２４０は高温燃焼ガス流３５中へと延在する。マニホルド環２３０は、二次噴射器２４０と連通する空気マニホルド２５０と燃料マニホルド２６０とを含んでよい。以下により詳細に説明するように、二次噴射器２４０は複数の空気オリフィスと複数の燃料オリフィスとを含んでよい。二次燃焼領域２７０は、マニホルド環２３０から下流方向にトランジションピース２２０の方へと延在してよい。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成を用いてもよい。

また他の空気流２０とまた他の燃料流３０とが二次燃焼システム２０の二次噴射器２４０から高温燃焼ガス３５中に噴射される。このため、一次燃焼領域２００から出てくる高温燃焼ガス３５がこの二次混合物に点火する。一般的に言えば、その結果として起こる二次反応は、トランジションピース２２０内で且つタービン４０内に入る前に実質的に完結して、タービンにおける温度と排出量とが低下するようになる。

図５に、本明細書に記載の二次噴射器２４０の部分図を示す。二次噴射器２４０は、自身上に配置される複数の噴射口３１０を有してよい。各噴射口３１０は入口３２０から出口３３０まで延在してよい。入口３２０は、燃料／空気混合物３６５を創出するように燃料通路３５０及び空気通路３６０と連通する混合通路３４０を始点としてよい。出口３３０は二次噴射器２４０の壁３７０に沿って延在してよい。上述したように、周知の二次噴射器５５は燃料／空気混合物９０を高温燃焼ガス流３５に略横断方向に導入する。しかし、本例では、二次噴射器２４０の噴射口３１０は、斜め構成３８０を有して、燃料／空気混合物３６５を導入する。特に、噴射口３１０は噴射器２４０の壁３７０に対して角度θ（シータ）を有してよい。噴射口３１０は、混入度を低下させながら混合率を高めることができるように、燃焼ガス流３５に対して上流方向の配置３９０を有する斜め構成３８０を有してよい。噴射口３１０は、火炎の浮き上がりを改善することができるように、下流方向の配置４００を有する斜め構成３８０を有してもよい。本発明において、角度θは変動してよい。

噴射器２４０の噴射口３１０は、更にまた、混合通路３４０付近の入口３２０の周りにおける入口直径４１０と、壁３７０に沿った出口３３０の周りにおける出口直径４２０とを有してよい。出口直径４２０を入口直径４１０に対して大きくして、一次流中への燃料／空気混合物３６５の流量と混入度とを増加させるようにすることができる。これに代わる方法として、出口直径４２０を小さくして燃料／空気混合物３６５の全体としての流速を高めることができる。このため、図５には、入口直径４１０と等しいか又は入口直径４１０より大きい大直径４３０と入口直径４１０と等しいか又は入口直径４１０より小さい小直径４４０とを示す。その他の直径を有する噴射口３１０も本発明において用いてよい。更に、本発明において異なる直径を有する噴射口３１０を一緒に用いてもよい。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成も用いてよい。

図６に、本明細書に記載の燃焼器４５０のまた他の実施形態を示す。燃焼器４５０は、一般に上記に説明した一次燃焼システム１１０と二次燃焼システム２１０とを含んでよい。同様に、燃焼器４５０は、燃料流３０及び燃焼器１５からの空気流２０と連通してよい。燃焼器４５０は、更にまた、燃焼ガス流３５をタービン４０に供給することができる。ただし、燃焼器４５０は補助噴射システム４６０を含んでよい。この補助噴射システム４６０は、補助希釈剤圧縮機４７０と補助燃料圧縮機４８０と補助空気圧縮機４９０と圧縮機１５と連通してよい。このため、二次燃焼システム２１０は、加圧された燃料／空気又は希釈剤の供給を受けて、噴射口３１０を通過する燃料／空気流３６５の速度が増加するようになっている。このように、燃料／空気流３６５の速度を増加させることにより、二次燃焼システム２１０の周りの全体としての圧力を増大させることができる。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成も用いてよい。

図７に、本明細書に記載の燃焼器５００のまた他の実施形態を示す。本例において、補助噴射システム４６０は燃料改質器５１０とも連通してよい。燃料改質器５１０は、補助燃料圧縮機４８０と蒸気又は触媒要素入力５２０と連通して、燃料流３０を改質するようになっている。蒸気又は触媒要素５２０は、補助噴射システム４６０へと流れる前にガス分離器５３０で除去される。よって、燃料改質器５１０を用いることにより、噴射口３１０から流出する燃料／空気流３６５の発熱量を変化させることができる。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成を用いてもよい。

図８に、本明細書に記載の燃焼器の更に他の実施形態を示す。本例において、補助噴射システム４６０は、低ＢＴＵガス化装置５５０と熱交換器５６０を介して連通してよい。これにより、低ＢＴＵガス化装置５５０は、補助噴射システムで使用されるオフガスを補助噴射システム４６０に供給することができる。よって、低ＢＴＵガス化装置５５０を用いることにより、噴射口３１０から流出する燃料／空気流３６５の発熱量を変化させることができる。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成を用いてもよい。

このように、二次燃焼システム２１０と二次噴射器２４０とを有する本明細書に記載の燃焼器では、様々な噴射角度、直径、速度及び／又は発熱量を用いて、全体としての排出量を減少させることができるようになる。特に、噴射流の所望の発熱量及び組成と噴射角度と直径と速度とを判断すること及び変動させることができる。噴射角度を変化させることにより、混入度を低下させて混合率を高め且つ／又は失火を改善することができる。噴射口の直径を大きくして流量及び混入を高めること又は小さくして全体としての速度を高めることができる。速度の増加は、噴射器に対する圧力を高めることによっても達成可能である。同様に、発熱量は、燃料改質器又はガス化装置により変化させることができる。よって、これらの特徴を組み合わせることによって混合速度の増加及び／又は失火の改善が可能となって、その結果として効率と全体としての出力とを犠牲にすることなしに全体としての排出量を削減することができるようになる。

上記の説明は本出願及びその結果として与えられる特許のある一定の実施形態のみに関することは明らかである。当業者は、以下の特許請求の範囲及びその均等物により定められる本発明の一般的な精神及び範囲から逸脱することなしに本発明に数多くの変更及び改変を加えることができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ 軸
５０ 負荷
５５ 噴射器
６０ 燃料通路
６５ 空気通路
７０ 壁
７５ 継手
８０ 噴射口
８５ 混合通路
９０ 燃料／空気混合物
１０ 燃焼器
１１０ 一次燃焼システム
１２０ 外筒
１３０ エンドカバー
１４０ ノズル
１５０ キャップ組立体
１６０ フロースリーブ
１７０ 燃焼器内筒
１８０ 予混合ノズル
１９０ スワラ
２００ 一次燃焼領域
２１０ 二次燃焼システム
２２０ トランジションピース
２３０ マニホルド環
２４０ 噴射器
２５０ 空気マニホルド
２６０ 燃料マニホルド
２７０ 二次燃焼領域
３１０ 噴射口
３２０ 入口
３３０ 出口
３４０ 混合通路
３５０ 燃料通路
３６０ 空気通路
３６５ 燃料／空気混合物
３７０ 壁
３８０ 斜め構成
３９０ 上流方向の配置
４００ 下流方向の配置
４１０ 入口直径
４２０ 出口直径
４３０ 大直径
４４０ 小直径
４５０ 燃焼器
４６０ 補助噴射システム
４７０ 補助希釈剤圧縮機
４８０ 補助燃料圧縮機
４９０ 補助空気圧縮機
５００ 燃焼器
５１０ 燃料改質器
５２０ 蒸気又は触媒要素
５３０ ガス分離器
５４０ 燃焼器
５５０ 低ＢＴＵガス化装置
５６０ 熱交換器

Claims (10)

1. 燃料／空気混合物をガスタービンエンジンの燃焼器（１００）内の燃焼ガス流中に導入する二次燃焼システム（２１０）であって、当該二次燃焼システム（２１０）が、
   マニホルド環（２３０）と、
   前記マニホルド環（２３０）から燃焼ガス流中に延在する複数の噴射器（２４０）と
   を含んでおり、前記複数の噴射器（２４０）が、前記マニホルド環（２３０）と連通していて燃料／空気混合物を燃焼ガス流中に導入するように構成された複数の噴射口（３１０）を含んでいて、前記複数の噴射口（３１０）の各々が、前記燃焼ガス中への燃料／空気混合物の混合率を高めるために、当該二次燃焼システム（２１０）の上流の燃焼ガス流に対して第１の角度をなしているともに、それぞれの噴射機（２４０）の壁（３７０）に対して第２の角度（θ）をなしている、二次燃焼システム（２１０）。
2. 前記マニホルド環（２３０）が空気マニホルド（２５０）と燃料マニホルド（２６０）とを含む、請求項１に記載の二次燃焼システム（２１０）。
3. 前記複数の噴射口（３１０）の各々が、入口直径（４１０）を有する入口（３２０）と出口直径（４２０）を有する出口（３３０）とを含む、請求項１又は請求項２に記載の二次燃焼システム（２１０）。
4. 前記入口直径（４１０）が前記出口直径（４２０）と等しいか又は前記出口直径（４２０）より大きい、請求項３に記載の二次燃焼システム（２１０）。
5. 前記入口直径（４１０）が前記出口直径（４２０）と等しいか又は前記出口直径（４２０）より小さい、請求項３に記載の二次燃焼システム（２１０）。
6. 前記複数の噴射器（２４０）と連通する補助噴射システム（４６０）を更に含む、請求項１に記載の二次燃焼システム（２１０）。
7. 前記補助噴射システム（４６０）は、補助燃料圧縮機（４８０）、補助空気圧縮機（４９０）及び／又は補助希釈剤圧縮機（４７０）と連通する、請求項６に記載の二次燃焼システム（２１０）。
8. 前記補助噴射システム（４６０）が燃料改質器（５１０）及び蒸気又は触媒要素（５２０）と連通する、請求項６に記載の二次燃焼システム（２１０）。
9. 前記補助噴射システム（４６０）が低ＢＴＵガス化装置（５５０）と連通する、請求項６に記載の二次燃焼システム（２１０）。
10. 前記第２の角度（θ）が可変である、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の二次燃焼システム（２１０）。