JP6203510B2 - マイクロミキサ燃焼ヘッド端部組立体 - Google Patents

Description

本出願の実施形態は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、マイクロミキサに関する。

ガスタービンの効率は、一般に、燃焼ガスストリームの温度と共に増大する。しかしながら、より高い燃焼ガスストリームの温度は、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び同様のものなどの望ましくない高レベルのエミッションを生成する可能性がある。一般に、ＮＯｘエミッションには政府規制が課せられている。従って、ガスタービン効率の改善は、エミッション規制の準拠と均衡をとる必要がある。

より低いＮＯｘエミッションレベルは、燃料ストリームと空気ストリームとの良好な混合を行うことによって達成することができる。例えば、燃料ストリームと空気ストリームは、反応又は燃焼ゾーンに流入する前に乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器において予混合することができる。このような予混合は、燃焼温度及びＮＯｘエミッション出力を低下させる傾向がある。

現行のマイクロミキサ設計では、複数の燃料フィード及び／又は液体カートリッジ又はブランクフィードが存在する場合があり、これは、空気流を妨げ、燃料及び空気の混合を低下させる。また、現行のマイクロミキサは、一般に外部壁によって支持されており、マイクロミキサのヘッド端部への空気流が妨げられる。従って、燃料及び空気混合をより促進させるマイクロミキサに対する要求がある。

上述の要求及び／又は問題の一部又は全ては、本出願の特定の実施形態によって対処することができる。１つの例示的な実施形態によれば、マイクロミキサが開示される。マイクロミキサは、１つ又はそれ以上のベースノズル構造体を含むことができる。ベースノズル構造体は、同軸管体を含むことができる。同軸管体は、内側管体及び外側管体を有することができる。マイクロミキサはまた、ベースノズル構造体それぞれによって少なくとも部分的に支持される１つ又はそれ以上のセグメント化された混合管体バンドルを含むことができる。更に、マイクロミキサは、１つ又はそれ以上のセグメント化された混合管体バンドルの周りに配置された端部キャップ組立体を含むことができる。

別の実施形態によれば、マイクロミキサが開示される。マイクロミキサは、ベースノズル構造体を含むことができる。ベースノズル構造体は、同軸管体を含むことができる。同軸管体は、内側管体及び外側管体を有することができる。マイクロミキサはまた、ベースノズル構造体それぞれによって少なくとも部分的に支持される１つ又はそれ以上のセグメント化された混合管体バンドルを形成した複数の混合管体を含むことができる。更に、マイクロミキサは、セグメント化された混合管体バンドルの周りに配置された取り外し可能な端部キャップ組立体を含むことができる。

更に別の実施形態によれば、マイクロミキサが開示される。マイクロミキサは、１つ又はそれ以上のベースノズル構造体を含むことができる。マイクロミキサはまた、ベースノズル構造体それぞれによって少なくとも部分的に支持される１つ又はそれ以上のセグメント化された管体バンドルを含むことができる。更に、マイクロミキサは、１つ又はそれ以上のセグメント化された混合管体バンドルの周りに配置された取り外し可能な端部キャップ組立体を含むことができる。

本発明の他の実施形態、態様、及び特徴は、当業者であれば、以下の詳細な説明、添付図面、及び添付の請求項から明らかであろう。

ここで必ずしも縮尺通りではない添付図面を参照する。

１つの実施形態による、圧縮機、燃焼器、及びタービンを備えるガスタービンエンジンの実施例の概略図。 １つの実施形態による、マイクロミキサの斜視図。 １つの実施形態による、マイクロミキサの一部の斜視図。 １つの実施形態による、マイクロミキサの一部の実施例の断面図。 １つの実施形態による、マイクロミキサの一部の斜視図。 １つの実施形態による、マイクロミキサの一部の実施例の断面図。 １つの実施形態による、マイクロミキサの一部の実施例の断面図。

次に、本発明の全てではなく一部の実施形態を示している添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を以下でより詳細に説明する。本出願は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書で記載される実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。全体を通じて同様の参照符号は同様の要素を示す。

例示的な実施形態は、特に、燃焼器用のマイクロミキサに関する。図１は、本明細書で使用できるガスタービンエンジン１０の概略図を示す。周知のように、ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮した空気流２０を燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮した空気流２０を加圧燃料流３０と混合し、該混合気を点火して、燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５のみが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス２５の流れは、タービン４０に送給される。燃焼ガス２５の流れは、タービン４０を駆動して機械的仕事を生成するようにする。タービン４０で生成された機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を駆動し、また、発電機及び同様のものなどの外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプのシンガス、及び／又は他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定ではないが、７又は９シリーズ高出力ガスタービンエンジン及び同様のものを含む、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される複数の異なるガスタービンエンジンのうちの何れかとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することもでき、他のタイプの構成要素を使用してもよい。

他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電設備も本明細書で共に使用することができる。

図２及び３は、図１の燃焼器２５の構成要素、具体的にはマイクロミキサ１００又はその一部を示している。マイクロミキサ１００は、燃料プレナム１０４、吸気口１０６、及び１つ又はそれ以上のセグメント化された混合管体バンドルを形成する多数の混合管体１０８と連通したベースノズル構造体１０２を含むことができる。ベースノズル構造体１０２は、燃料を燃料プレナム１０４に供給する。燃料は、燃料プレナム１０４から流出して混合管体１０８に流入する。空気は、吸気口１０６を通って混合管体１０８に配向され、燃料と混合して空気／燃料混合気を生成する。空気／燃料混合気は、混合管体１０８から流出し、下流側の燃焼室に流入する。

図２及び３を更に参照すると、マイクロミキサ１００はセグメント化することができ、これは、マイクロミキサ１００が幾つかのベースノズル構造体１０２を含むことができることを意味する。セグメント化されたマイクロミキサ１００では、各ベースノズル構造体１０２は、該ベースノズル構造体１０２によって少なくとも部分的に支持される混合管体１０８のバンドルと関連付けられる。ベースノズル構造体１０２は、燃焼器端部プレート１０９に取り付けることができる。

図４に示すように、マイクロミキサ１００は、内側管体１１０及び外側管体１１２を備えた同軸管体を有するベースノズル構造体１０２を含むことができる。同軸管体の外側管体１１２は、燃料を混合管体１０８に供給する。特定の実施形態において、同軸管体の内側管体１１０は、液体カートリッジ又はブランクを燃焼室に供給する。他の実施形態において、同軸管体の内側管体１１０は、点火装置又は火炎検出器を含むことができる。しかしながら、同軸管体の内側管体１１０は、様々な燃焼器構成要素を含むことができる点は理解されるであろう。

空気入口１１４は、混合管体１０８の上流側に配置され、空気を混合管体１０８に供給する。特定の実施形態において、空気調整プレート１１６を混合管体１０８の上流側に配置することができる。

同軸管体の外側管体１１２によって供給される燃料は、混合管体１０８に流入する前に燃料プレナム１０４に流入する。特定の実施形態において、燃料プレナム１０４に流入する燃料は、混合管体１０８の１つ又はそれ以上の孔１１８を通って混合管体１０８に流入する前に１８０度方向を変える（外側管体１１２の端部にて破線矢印で示される）。他の実施形態では、燃料は、方向を変えることなく燃料プレナム１０４に直接流入する。

特定の実施形態において、燃料調整プレート１２０は、燃料プレナム１０４内に配置される。他の実施形態において、燃料プレナム１０４は、燃料調整プレート１２０を含まない。空気／燃料混合気は、混合管体１０８から流出し（混合管体１０８の端部にて破線矢印で示される）、燃焼室に流入する。

マイクロミキサ１００のベースノズル構造体１０２は、構造的支持と、燃料プレナム１０４に流入する燃料用の外側管体１１２とを提供する。上述のように、燃料はガスとすることができる。内側管体１１０は、液体カートリッジ（二系統燃料用）、ブランクカートリッジ（ガス専用）、点火装置、火炎検出器、又は他の燃焼器構成要素を含むことができる。ベースノズル構造体１０２は、マイクロミキサ組立体の入口プレート１１６に取り付けられる。燃料は、端部カバー１０９からベースノズル構造体１０２に注入され、内側管体１１０と外側管体１１２との間に形成されるアニュラスを通って燃料プレナム１０４内に流れる。次いで、燃料は、混合管体孔１１８に流入し、ここでヘッド端部空気と混合される。ヘッド端部空気は、流れ調整プレート１１６を通って混合管体１０８に流入する。

図５〜７に示すように、マイクロミキサ１００は、セグメント化された混合管体バンドル１０８の各々の周りに配置された端部キャップ組立体１４０を含むことができる。端部キャップ組立体１４０は、対応するセグメント化された混合管体バンドル１０８を通過させる複数のアパーチャ１４３を有するキャップ面１４１を含むことができる。側壁１４５は、キャップ面の周囲に延びてリップを形成することができる。端部キャップ組立体１４０は、セグメント化された混合管体バンドル１０８に追加の支持を提供することができる。特定の実施形態において、端部キャップ組立体１４０は、セグメント化された混合管体バンドル１０８から取り外し可能であり、保守管理中に端部キャップ組立体１４０を取り外すことができ、セグメント化された混合管体バンドル１０８を交換して、端部キャップ組立体１４０をその上に置くことができるようになる。他の実施形態では、端部キャップ組立体１４０は、マイクロミキサを包含する支持構造体１４６に取り外し可能に取り付けることができる。

特定の実施形態において、図６及び７に示すように、マイクロミキサ１００は、該マイクロミキサ１００の周りに配置された１つ又はそれ以上の減衰機構１４２を含むことができる。例えば、減衰機構１４２は、１つ又はそれ以上のフラスプリング１４４を含むことができる。フラスプリング１４４は、マイクロミキサ１００のセグメント化された部分と、燃焼器の外側支持構造体１４６との間に配置することができる。フラスプリング１４４は、燃焼器に付随する振動を減衰させ、マイクロミキサ組立体に追加の支持を提供することができる。更に、フラスプリング１４４は、セグメント化された混合管体バンドル１０８に追加の支持を少なくとも部分的に提供することができる。

特定の実施形態において、図６及び７に示すように、マイクロミキサ内の空気の転回を可能にする手段を設けることができる。例えば、図６において、バッフル１４８をマイクロミキサ１００の空気流路内に配置することができる。別の実施例において、図７に示すように、マイクロミキサ１００を包含する支持構造体１４６は、フレア部分１５２を含むことができる。

マイクロミキサの各セグメント化された部分において、空気側方流れ障害物である、ノズルベース構造体が１つだけである。従って、本発明のマイクロミキサは、空気流路への突出部の数を低減し、混合管体におけるより均一な空気送給を可能にする。

本発明のマイクロミキサの技術的利点には、混合管体へのより均一な空気送給が挙げられる。本発明のマイクロミキサの別の利点は、混合管体への燃料送給分配を促進し、マイクロミキサ組立体を支持するため複雑なベースノズル構造体を必要としないことである。これにより、空気及び燃料分配がより均一になるので、低ＮＯｘエミッションを有するマイクロミキサ組立体が得られる。溶接数が削減され、部品点数が減少し、分析評価がより簡単になるので、マイクロミキサの全体コストを低減することができ、信頼性を向上させることができる。

構造上の特徴及び／又は方法論的行為に対する特定的な表現で実施形態を説明してきたが、本開示事項は、上記の特定的特徴及び行為に必ずしも限定されないことを理解すべきである。むしろ、特定の特徴要素及び動作は、実施形態を実施する例証として開示されている。

１００ マイクロミキサ
１０２ ベースノズル構造体
１０４ 燃料プレナム
１０６ 吸気口
１０８ 混合管体
１０９ 燃焼器端部プレート

Claims (9)

1. 燃焼室を有する燃焼器用のマイクロミキサであって、
   端部プレートと、
   前記端部プレートから延在する複数のベースノズル構造体であって、各ベースノズル構造体が、内側管体及び外側管体を有する同軸管体を含む、複数のベースノズル構造体と、
   混合管体の複数のバンドルにセグメント化された複数の混合管体であって、各混合管体のバンドルが、前記複数のベースノズル構造体の１つに少なくとも部分的に支持され、前記複数の混合管体が、第１の端と第２の端を備え、前記複数の混合管体の第１の端が、前記端部プレートから離れて位置づけられて、前記複数のベースノズル構造体の周りで空気流路を形成する、複数の混合管体と、
   複数の燃料プレナムであって、前記混合管体の各バンドルが、前記空気流路の下流で前記複数の混合管体の第１と第２の端の間で、前記混合管体の周りに配置された、前記複数の燃料プレナムの１つを備え、前記同軸管体の前記外側管体が前記燃料プレナムの各々と流体連通し、前記同軸管体の前記内側管体が前記燃焼室と流体連通している、複数の燃料プレナムと、
   前記複数の混合管体の周りに配置された取り外し可能な端部キャップ組立体と、
   を備え、
   前記端部プレートから延在する前記複数のベースノズル構造体が、前記空気流路、前記複数の燃料プレナム及び、セグメント化された混合管体の複数のバンドルが互いに隣接し、前記燃焼室に空気／燃料混合気を排出する単一で円形のマイクロミキサを形成するように円周状に延びる、マイクロミキサ。
2. 前記各ベースノズル構造体の同軸管体のうちの外側管体が、複数の前記混合管体に燃料を供給する、請求項１に記載のマイクロミキサ。
3. 空気入口を更に備える、請求項１または２に記載のマイクロミキサ。
4. 前記混合管体の１つ又はそれ以上のバンドルの上流側に配置された空気調整プレートを更に備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロミキサ。
5. 前記混合管体の１つ又はそれ以上のバンドルの上流側の空気入口に隣接して配置された空気バッフルを更に備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロミキサ。
6. 前記燃料プレナム内に配置された燃料調整プレートを更に備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロミキサ。
7. 前記混合管体の複数のバンドルが、空気／燃料混合気を燃焼室に供給する、請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロミキサ。
8. 前記マイクロミキサと外側ケーシングとの間に配置された減衰機構を更に備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のマイクロミキサ。
9. 前記減衰機構がフラスプリングである、請求項８に記載のマイクロミキサ。