JP6212260B2 - 燃焼器組立体内の逆火を防止するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本願の実施形態は、全般的にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、燃焼器組立体に関する。

ガスタービン効率は、一般に、燃焼ガス流の温度と共に高まる。しかし、より高い燃焼ガス流温度により、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の、より高いレベルの望ましくない排ガスが生じる可能性がある。ＮＯｘ排ガスは、一般に、政府規制の対象である。したがって、ガスタービン効率の向上は、排ガス規制の遵守とバランスがとれていなければならない。

ＮＯｘ排ガスレベルの低下は、燃料流と空気流との良好な混合を実現することにより達成される可能性がある。例えば、燃料流と空気流とは、反応区域または燃焼区域に入る前に、Ｄｒｙ Ｌｏｗ ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器内で予混合されてもよい。そのような予混合は、燃焼温度およびＮＯｘ排ガス排出量を低減する傾向がある。

燃料流と空気流とは、一般に、密集された束の空気／燃料予混合管内で予混合されて、燃焼室内で軸方向ジェットを形成する。密集された束の空気／燃料予混合管は逆火に見舞われる可能性がある。例えば、水素燃料または他の高反応性燃料は、予混合管の壁に沿った、より遅く移動する境界層の内部で逆火を生じる可能性がある。

上記のニーズおよび／または問題のいくつかもしくは全ては、本願のある実施形態により対処されてもよい。一実施形態によれば、燃焼器組立体が開示されている。燃焼器組立体は、燃焼室と、第１のプレナムと、第２のプレナムと、１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管とを含んでいてもよい。細長い空気／燃料予混合噴射管の各々は、第１のプレナムの内部に少なくとも部分的に配設されておりかつ第１のプレナムから第１の流体を受け入れるように構成されている第１の長さを含んでいてもよい。さらに、細長い空気／燃料予混合噴射管の各々は、第１の長さの下流に配設されておりかつ第２のプレナムの内部に少なくとも部分的に配設されている第２の長さを含んでいてもよい。第２の長さは、第２のプレナムからの第２の流体が第２の長さに進入し、多孔壁の周辺に境界層を作り出すことを可能にするように構成されている多孔壁から形成されていてもよい。このように、ある実施形態では、第２のプレナムは、不活性ガスまたは低反応性の燃料である可能性があるガス状流体を運んでもよく、該流体は、以後、燃料と呼ばれる。

別の実施形態によれば、燃焼器組立体が開示されている。燃焼器組立体は、燃焼室と、第１の燃料プレナムと、第２の燃料プレナムと、１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管とを含んでいてもよい。細長い空気／燃料予混合噴射管の各々は、第１の燃料プレナムの内部に少なくとも部分的に配設されておりかつ第１の燃料プレナムから第１の燃料を受け入れて第１の空気／燃料混合物を作り出すように構成されている第１の長さを含んでいてもよい。さらに、細長い空気／燃料予混合噴射管の各々は、第１の長さの下流に配設されておりかつ第２の燃料プレナムの内部に少なくとも部分的に配設されている第２の長さを含んでいてもよい。第２の長さは、第２の燃料プレナムからの第２の燃料が第２の長さに進入し、多孔壁の周辺に第２の空気／燃料混合物の境界層を作り出すことを可能にするように構成されている多孔壁から形成されていてもよい。

さらに、別の実施形態によれば、燃焼器内での空気／燃料予混合のための方法が開示されている。本方法は、空気流を１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管内に方向付けるステップを含んでいてもよい。本方法はまた、第１の燃料プレナムからの第１の燃料を、第１の長さに沿った細長い空気／燃料予混合噴射管内に方向付けるステップを含んでいてもよい。さらに、本方法は、第２の長さに沿った第２の燃料プレナムからの第２の燃料を、多孔壁を通して細長い空気／燃料予混合噴射管内に拡散して、第１の長さの下流の多孔壁の周辺に境界層を作り出すステップを含んでいてもよい。

本発明の他の実施形態、態様、および特徴が、以下の詳細な説明、添付図面、および添付の特許請求の範囲から当業者に明らかになるであろう。

ここで添付図面を参照するが、それらは必ずしも縮尺通りに描かれていない。

圧縮機、燃焼器、およびタービンを備えたガスタービンエンジンの例示的図の概略図である。 ある実施形態による燃焼器組立体の一部分の横断面図である。

ここで、例示的実施形態が、以下、本明細書において、全てではなくいくつかの実施形態が示されている添付図面を参照してより十分に説明される。本願は、多数の異なる形状で具体化されてもよく、本明細書に記載されている実施形態に限定されると見なされるべきではない。全体に亘って、同様の数字が同様の要素を指す。

例示的実施形態が、特に、封入渦キャビティ（ｔｒａｐｐｅｄ ｖｏｒｔｅｘ ｃａｖｉｔｙ）を含む燃焼器組立体に関する。図１は、本明細書において用いられてもよいガスタービンエンジン１０の概略図を示す。既知の通り、ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含んでいてもよい。圧縮機１５は流入空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮空気流２０を燃焼器２５へ送達する。燃焼器２５は、圧縮空気流２０を加圧燃料流３０と混合し、該混合物を点火して燃焼ガス流３５を生成する。燃焼器２５が１つだけ示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含んでいてもよい。燃焼ガス流３５はタービン４０に送達される。燃焼ガス流３５は、機械的作用を生じさせるためにタービン４０を駆動する。タービン４０内で生じた機械的作用は、シャフト４５、および発電機等の外部負荷５０を介して、圧縮機１５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、および／または他の種類の燃料を使用してもよい。ガスタービンエンジン１０は、７シリーズまたは９シリーズヘビーデューティガスタービンエンジン等のものを含むがそれらに限定されない、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから提供されている、複数の異なるガスタービンエンジンの任意の１つであってもよい。ガスタービンエンジン１０は異なる構成を有していてもよく、他の種類の構成要素を使用してもよい。

また、本明細書において、他の種類のガスタービンエンジンが用いられてもよい。また、本明細書において、複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電機器が共に用いられてもよい。

図２は、図１の燃焼器２５の構成要素、具体的には環状マイクロミキサ燃料噴射装置（ａｎｎｕｌａｒ ｍｉｃｒｏ−ｍｉｘｅｒ ｆｕｅｌ ｉｎｊｅｃｔｏｒ）１００またはその一部分の断面図を示す。ある実施形態では、燃料噴射装置１００は、前部プレート１０２と、中間プレート１０４と、後部プレート１０６とを含んでいてもよい。前部プレート１０２、中間プレート１０４、および後部プレート１０６は、外側スリーブ１０８に取り囲まれていてもよい。ある態様では、前部プレート１０２と、中間プレート１０４と、外側スリーブ１０８とが、集合的に第１の燃料プレナム１１０を形成していてもよい。他の態様では、中間プレート１０４と、後部プレート１０６と、外側スリーブ１０８とが、集合的に第２の燃料プレナム１１２を形成していてもよい。第１の導管１１４が、第１の燃料を第１の燃料プレナム１１０へ供給してもよく、第２の導管１１６が、第２の燃料を第２の燃料プレナム１１２へ供給してもよい。

複数の細長い空気／燃料予混合噴射管１１８が、第１の燃料プレナム１１０および第２の燃料プレナム１１２の内部に少なくとも部分的に配設されていてもよい。例えば、細長い空気／燃料予混合噴射管１１８は、前部プレート１０２から延在している第１の端部１２１を含んでいてもよく、中間プレート１０４を通って、後部プレート１０６の周辺の第２の端部１２３で終端する。高圧圧縮排気流１２０が、上流入口１２２において細長い空気／燃料予混合噴射管１１８に進入してもよく、そこで、空気は、以下に記載されている第１および第２の燃料と混合し、下流出口１２５において燃焼器１２４内に排出する。

細長い空気／燃料予混合噴射管１１８は、第１の燃料プレナム１１０の内部に少なくとも部分的に配設されている第１の長さ１２０を含んでいてもよい。第１の長さ１２０は、第１の燃料プレナム１１０から第１の燃料を受け入れて、細長い空気／燃料予混合噴射管１１８の内部に第１の空気／燃料混合物を作り出すように構成されている。例えば、第１の燃料は、第１の長さ１２０に沿って、（流路矢印１１９で示されているように）１つまたは複数の開口部１１７を通って細長い空気／燃料予混合噴射管１１８に進入して、細長い空気／燃料予混合噴射管１１８の内部で第１の空気／燃料混合物を作り出してもよい。

また、細長い空気／燃料予混合噴射管１１８は、第１の長さ１２０の下流に配設されておりかつ第２の燃料プレナム１１２の内部に少なくとも部分的に配設されている第２の長さ１２２を含んでいてもよい。第２の長さ１２２は、第２の燃料プレナム１１２からの第２の燃料が第２の長さ１２２に沿って均一に流出することを可能にするように構成されている多孔壁１２３から形成されていてもよく、多孔壁１２３の内側部分に沿って第２の空気／燃料混合物の境界層を作り出してもよい。例えば、第２の長さ１２２は、例えば高密度オープンセル金属などの耐熱多孔質材から形成されていてもよい。さらに、第２の長さ１２２は、例えば、（例えば、電子ビームまたはレーザで作り出される）多数の非常に小さい穴を有する管、または目の細かい金網（ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｗｉｒｅ ｍｅｓｈ）を含んでいてもよい。第２の長さ１２２はまた、セラミック材料、金属材料、またはセラメタリック材料で形成されていてもよい。

動作中、第１の燃料は、第１の燃料導管１１４を通って第１の燃料プレナム１１０に進入する。第１の燃料は、次いで、第１の長さ１２０に沿った１つまたは複数の開口部１１７を介して、細長い空気／燃料予混合噴射管１１８に進入し、そこで、該第１の燃料は、燃焼器１２４まで第１の長さ１２０および第２の長さ１２２を下方へ移動しながら、空気と混合する。上記の通り、より遅く移動する予混合空気／燃料混合物の境界層が、細長い空気／燃料予混合噴射管１１８の多孔壁１２３に隣接して生じてもよい。境界層内の空気／燃料混合物が十分に反応性でありかつ十分に遅い場合、火炎が、燃焼器１２４の上流で、細長い空気／燃料予混合噴射管１１８内に伝搬する可能性がある。火炎温度が管材料の融解温度より実質的に高い可能性があるので、これにより、通常は燃料噴射装置が破壊される。この問題を解決するために、第２の燃料または流体が、いかなる再循環領域も生じることなく、第２の長さ１２２に沿った細長い空気／燃料予混合噴射管１１８の多孔壁１２３を通ってより遅く移動する境界層内へ流出することが可能にされてもよい。境界層内に流出する第２の燃料は、例えば窒素など、より低い反応性または無反応性であってもよい。ある態様では、多孔壁１２３を介して細長い空気／燃料予混合噴射管１１８に進入する第２の燃料は、より高い反応性の第１の空気／燃料混合物を多孔壁１２３から離して押し進めてもよい。したがって、より低い反応性の第２の空気／燃料混合物は、多孔壁１２３の周辺に配置されて、境界層を形成してもよい。

本開示を典型的な実施形態において例示し記載したが、本開示の精神から決して逸脱することなく種々の修正および置換を施すことができるため、示されている詳細に限定されないものとする。したがって、所定の実験だけを用いて、本明細書に開示されている開示のさらなる修正形態および等価物が当業者に思い付く可能性があり、全てのそのような修正形態および等価物は、以下の特許請求の範囲により定められる本開示の範囲の範囲内であると考えられる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 流入空気流、圧縮空気流
２５、１２４ 燃焼器
３０ 加圧燃料流
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部負荷
１００ 燃料噴射装置
１０２ 前部プレート
１０４ 中間プレート
１０６ 後部プレート
１０８ 外側スリーブ
１１０ 第１の燃料プレナム
１１２ 第２の燃料プレナム
１１４ 第１の導管、第１の燃料導管
１１６ 第２の導管
１１７ 開口部
１１８ 細長い空気／燃料予混合噴射管
１１９ 流路矢印
１２０ 高圧圧縮排気流、第１の長さ
１２１ 第１の端部
１２２ 第２の長さ、上流入口
１２３ 第２の端部、多孔壁
１２５ 下流出口

Claims (19)

1. 燃焼器組立体であって、
   燃焼室と、
   第１のプレナムと、
   第２のプレナムと、
   １つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管であり、各々が、
   前記第１のプレナムの内部に少なくとも部分的に配設されておりかつ前記第１のプレナムから第１の流体を受け入れるように構成されている、前部プレートと中間プレートとの間の長さで規定される第１の長さ、および
   前記第１の長さの下流に配設されておりかつ前記第２のプレナムの内部に少なくとも部分的に配設されている第２の長さであり、前記第２のプレナムから第２の流体が前記第２の長さに沿って均一に流出して多孔壁の周辺に境界層を作り出すことを可能にするように構成されている、高密度オープンセル材を備える前記多孔壁から形成されている、前記中間プレートと後部プレートの間の長さで規定される第２の長さ
   を含む、１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管と、
   を含む、燃焼器組立体。
2. 前記１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管は各々、
   圧縮空気流に対して開いている第１の端部と、
   前記燃焼室に対して開いている第２の端部と、
   を含む、請求項１に記載の燃焼器組立体。
3. 前記第１の長さは、前記第１のプレナムから前記第１の流体を受け入れるように構成されている１つまたは複数の開口部を含む、請求項１または２に記載の燃焼器組立体。
4. 前記第１のプレナムおよび前記第２のプレナムは互いに隣接して配設されている、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器組立体。
5. 前記高密度オープンセル材が、セラミック材料、金属材料、またはセラメタリック材料で形成さ形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の燃焼器組立体。
6. 前記第１の流体は高反応性燃料である、請求項１から５のいずれかに記載の燃焼器組立体。
7. 前記第２の流体は低反応性燃料である、請求項１から６のいずれかに記載の燃焼器組立体。
8. 前記第２の流体は無反応性流体である、請求項１から６のいずれかに記載の燃焼器組立体。
9. 前記第２の流体は窒素である、請求項１から６のいずれかに記載の燃焼器組立体。
10. 無反応性の前記第２の流体により、前記境界層が不燃性である、請求項１から６のいずれかに記載の燃焼器組立体。
11. 前記１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管の中心における空気／燃料混合物の速度が、前記境界層の速度より大きい、請求項１から１０のいずれかに記載の燃焼器組立体。
12. 前記多孔壁を介して前記１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管に進入する前記第２の流体は、空気／燃料混合物を前記多孔壁から離して押し進める、請求項１から１１のいずれかに記載の燃焼器組立体。
13. 燃焼器組立体であって、
    燃焼室と、
    前部プレート、中間プレートおよび外側スリーブで画定される第１の燃料プレナムと、
    後部プレート、前記中間プレートおよび前記外側スリーブで画定される前記第２の燃料プレナムと、
    １つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管であり、各々が、
    前記第１の燃料プレナムの内部に少なくとも部分的に配設されておりかつ前記第１の燃料プレナムからの第１の燃料を受け入れて、第１の空気／燃料混合物を作り出すように構成されている、前記前部プレートと前記中間プレートとの間の長さで規定される第１の長さ、および
    前記第１の長さの下流に配設されておりかつ前記第２の燃料プレナムの内部に少なくとも部分的に配設されている第２の長さであり、前記第２の燃料プレナムから第２の流体が前記第２の長さに沿って均一に流出し、多孔壁の周辺に第２の空気／燃料混合物の境界層を作り出すことを可能にするように構成されている、高密度オープンセル材を備える前記多孔壁から形成されている、前記中間プレートと前記後部プレートとの間の長さで規定される第２の長さ
    を含む、１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管と、
    を含む、燃焼器組立体。
14. 前記１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管は各々、
    圧縮空気流に対して開いている第１の端部と、
    前記燃焼室に対して開いている第２の端部と、
    を含む、請求項１３に記載の燃焼器組立体。
15. 前記第１の燃料は高反応性燃料であり、前記第２の燃料は低反応性燃料である、請求項１３または１４に記載の燃焼器組立体。
16. 前記第２の燃料は窒素である、請求項１３から１５のいずれかに記載の燃焼器組立体。
17. 前記１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管の中心における前記第１の空気／燃料混合物の速度が、前記境界層における前記第２の空気／燃料混合物の速度より大きい、請求項１３から１６のいずれかに記載の燃焼器組立体。
18. 前記多孔壁を介して前記１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管に進入する前記第２の流体は、前記第１の空気／燃料混合物を前記多孔壁から離して押し進める、請求項１３から１７のいずれかに記載の燃焼器組立体。
19. 燃焼器内での空気／燃料予混合のための方法であって、
    空気流を１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管内に方向付けるステップと、
    第１の燃料プレナムからの第１の燃料を、前部プレートと中間プレートとの間の長さで規定される第１の長さに沿った前記１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管内に方向付けるステップと、
    前記中間プレートと後部プレートとの間の長さで規定される第２の長さに沿った第２の燃料プレナムから第２の燃料を、高密度オープンセル材を備える多孔壁を通して、前記１つまたは複数の細長い空気／燃料予混合噴射管内に均一に流出して、前記第１の長さの下流で前記多孔壁の周辺に境界層を作り出すステップと、
    を含む、方法。