JP6283186B2 - 遅延希薄噴射燃焼器システムのための空気管理構成、及び空気流を経路誘導する方法 - Google Patents

Description

本書に開示される主題は、燃焼器システムに関し、さらに具体的には、遅延希薄噴射燃焼器システムのための空気管理構成、及びかかる遅延希薄噴射燃焼器システムの内部で空気流を経路誘導する（routing）方法に関する。

例えばガス・タービン・システムのような燃焼応用では、燃焼器部は燃焼器ライナによって画定された燃焼器室を含んでおり、燃焼器ライナは流動スリーブのようなスリーブによってしばしば包囲されている。空気流は典型的には、燃焼器ライナとスリーブとの間に配設された通路を通り、この通路によって燃焼器ライナを冷却し、且つ空気流を燃焼器ライナの前端に配置された空気−燃料噴射器に経路誘導する。空気流は空気供給から導かれ、空気供給は典型的には、空気を多様な目的で他の領域にも供給しなければならない。かかる領域として、周囲雰囲気への望ましくない排出を減少させることを試みて空気を燃焼器室に噴射する遅延希薄噴射器がある。

遅延希薄噴射燃焼器システムが普及して、空気を遅延希薄噴射器に供給するために用いられる空気供給が多くなるのに伴って、スリーブと燃焼器ライナとの間の通路の内部で冷却目的に用いられるべき空気供給からの空気の利用可能分が少なくなるため、燃焼器ライナを冷却する試みが妨げられている。

空気−燃料噴射器への空気流の直接供給に基づけば、燃焼が変動して燃焼圧力が突発的に増大すると燃焼システムは背圧を受ける。燃焼器室の内部での圧力が高まると、圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）のような空気供給室に可燃性燃料／空気混合物が瞬間的に「押し込まれる」。かかる可燃性混合物は、ＣＤＣに損傷を招いて停止に至る虞がある。

本発明の一観点によれば、遅延希薄噴射燃焼器システムのための空気管理構成が、燃焼器室を画定する燃焼器ライナを含んでいる。また、燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲するスリーブが含まれており、燃焼器ライナ及びスリーブは、冷却空気流を燃焼器ライナの後端の近傍から燃焼器ライナの前端へ向けて経路誘導する冷却環帯を画定している。さらに、冷却空気流を第一の冷却空気流部分と第二の冷却空気流部分とに分割するように構成されている冷却空気流分流器領域が含まれており、第一の冷却空気流部分は少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器に導かれ、第二の冷却空気流部分は、スリーブ及び冷却環帯を貫通して延在しており当該第二の冷却空気流部分を燃焼器室に噴射する少なくとも一つの希薄直接噴射器に導かれる。

本発明のもう一つの観点によれば、遅延希薄噴射器燃焼器システムのために空気流を経路誘導する方法が提供される。この方法は、燃焼器ライナ及び該燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲するスリーブによって画定される冷却環帯に冷却空気流を導き入れるステップを含んでおり、冷却空気流は、冷却環帯を通って燃焼器ライナの後端の近傍から燃焼器ライナの前端へ向けて経路誘導される。また、冷却空気流を第一の冷却空気流部分と第二の冷却空気流部分とに分割するステップが含まれる。さらに、第一の冷却空気流部分を少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器に経路誘導するステップが含まれる。さらにまた、第二の冷却空気流部分を、スリーブ及び冷却環帯を貫通して延在しており当該第二の冷却空気流部分を燃焼器室に噴射する少なくとも一つの希薄直接噴射器に経路誘導するステップが含まれる。

これらの利点及び特徴、並びに他の利点及び特徴は、以下の記載を図面と共に参照することによりさらに明らかとなろう。

本発明と看做される主題は、明細書の終結部の特許請求の範囲において具体的に指摘され明確に請求されている。以上に述べた本発明の特徴及び利点、並びに他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面と共に参照することにより明らかとなる。
ガス・タービン・システムの模式図である。 ガス・タービン・システムの燃焼器部の部分模式図である。 燃焼器部のための空気管理構成の模式図である。 燃焼器部のために空気流を経路誘導する方法を示す流れ図である。

詳細な説明では、図面に関して例として本発明の各実施形態を利点及び特徴と共に説明する。

図１には、ガス・タービン・システムが参照番号１０と共に模式図示されている。ガス・タービン・システム１０は、圧縮機部１２、燃焼器部１４、タービン部１６、シャフト１８、及び１又は複数の空気−燃料ノズル２０を含んでいる。ガス・タービン・システム１０の一実施形態は、複数の圧縮機部１２、複数の燃焼器部１４、複数のタービン部１６、複数のシャフト１８、及び１又は複数の空気−燃料燃料ノズル２０を含み得ることが認められよう。圧縮機部１２及びタービン部１６はシャフト１８によって結合されている。シャフト１８は単一のシャフトであってもよいし、複数のシャフト切片を共に結合してシャフト１８を形成したものであってもよい。

燃焼器部１４は、ガス・タービン・システム１０を作動させるための天然ガス又は富水素合成ガスのような可燃性液体燃料及び／又は気体燃料を用いる。例えば、１又は複数の空気−燃料ノズル２０は、後にあらためて議論されるように様々な形式のものであってよく、空気供給２２及び燃料供給２４と流体連通している。１又は複数の空気−燃料ノズル２０は空気−燃料混合物を生成し、この空気−燃料混合物を燃焼器部１４に吐出し、これにより燃焼を生じさせて高温の加圧された排ガスを生成する。燃焼器部１４は、高温の加圧されたガスを尾筒（transition piece）を通してタービン・ノズル（又は「第一段（stage one）ノズル」）、他の段のバケット及びノズルに導き、タービン・ケーシング２６の内部のタービン部１６の回転を生じさせる。タービン部１６の回転によってシャフト１８が回転し、これにより圧縮機１２に流入する空気を圧縮する。一実施形態では、高温ガス経路構成要素が燃焼器部１４に及び燃焼器部１４の近傍に配置されており、これらの構成要素の近傍の高温ガス流が構成要素のクリープ、酸化、摩耗及び熱疲労を招く。発火温度が高まるのに伴って、高温ガス経路構成要素は、耐用年数を満たして所期の作用範囲を実効的に果たすために、適正に冷却される必要がある。

図２を参照すると、燃焼器部１４がさらに詳細に模式図示されている。燃焼器部１４はダクトの形態の尾筒２８を含んでおり、この尾筒２８は、当該尾筒２８から半径方向外向きに配設された衝突スリーブ３０によって少なくとも部分的に包囲されている。この上流側で衝突スリーブ３０の前方領域の近傍に、燃焼器室３４を画定する燃焼器ライナ３２が位置している。燃焼器ライナ３２は、当該燃焼器ライナ３２から半径方向外向きに配設された流動スリーブ３６によって少なくとも部分的に包囲されている。燃焼器ライナ３２及び尾筒２８は別個の構成要素として記載されているが、燃焼器ライナ３２及び尾筒２８は、燃焼器室３４及び尾筒域を形成する単体構造の構成要素として形成され得ることを認められたい。同様に、流動スリーブ３６及び衝突スリーブ３０は別個の構成要素として記載されているが、流動スリーブ３６及び衝突スリーブ３０は、別個の構成要素であるか一体型構成要素であるかを問わず、燃焼器ライナ３２及び尾筒２８の少なくとも一部を包囲するように構成された単体スリーブとして形成され得ることを認められたい。

燃焼器ライナ３２、尾筒２８、流動スリーブ３６及び衝突スリーブ３０の正確な構成を問わず、圧縮機吐出ケーシング３８が図示されており、圧縮機吐出ケーシング３８は、多くの目的で燃焼器部１４の内部に用いられる空気供給２２を経路誘導するように構成されている圧縮機吐出口４０を含んでいる。空気供給２２は典型的には、圧縮機部１２から発して圧縮機吐出ケーシング３８に入る。空気供給２２は、圧縮機吐出口４０の近傍で圧縮機吐出ケーシング３８を出て、尾筒ダクト２８及び／又は燃焼器ライナ３２へ向けて一気に流れ下る。明確に述べると、空気供給２２の一部を空気−燃料ノズルのような様々な構成要素に直接経路誘導するのではなく、空気供給２２の近似的に全てが冷却空気流４２として、燃焼器ライナ３２及び流動スリーブ３６によって画定される第一の冷却環帯４４に導かれる。冷却空気流４２は、燃焼器ライナ３２の後端４８から燃焼器ライナ３２の前端４９へ向けて第一の冷却環帯４４の内部を導かれる。上で詳細に記載されているように、スリーブ（１又は複数）、並びに燃焼器ライナ３２及び尾筒２８構成に関連する様々な実施形態が思量され、空気供給２２が冷却空気流４２として、尾筒２８及び衝突スリーブ３０によって画定される第二の冷却環帯４６に導かれてもよいことを理解されたい。燃焼器室３４を画定する単一のライナ又はダクトが１又は複数のスリーブによって包囲されている実施形態については、空気供給２２は冷却空気流４２としてかかる冷却環帯に導かれ得る。この記載の目的のために、燃焼器ライナ３２及び流動スリーブ３６によって画定される第一の冷却環帯４４への参照は、冷却空気流４２の上述の任意の冷却環帯への経路誘導にも適用され得るものとする。

燃焼器部１４は遅延希薄噴射（ＬＬＩ）対応である。ＬＬＩ対応燃焼器は、高温側滞留時間が１０ミリ秒（ｍｓ）よりも長い状態で２５００°Ｆを上回る出口温度を有するか又はメタンよりも反応性が高い成分を有する燃料を扱うかの何れかによる任意の燃焼器である。

ガス・タービン・システム１０に用いられる実施形態を問わず、少なくとも一つであるが典型的には複数の希薄直接噴射器（「ＬＤＩ」）５０が、複数のハウジングに各々一体化され又は各々構造的に支持されて、尾筒２８又は燃焼器ライナ３２の少なくとも一方の内部へ向けて半径方向に延在している。複数のＬＤＩ５０はそれぞれの構成要素すなわち尾筒２８又は燃焼器ライナ３２を通って様々な深さまで延在する。すなわち、複数のＬＤＩ５０は、尾筒２８及び／又は燃焼器ライナ３２を通る支配的な流れ方向に対して全体的に横向きである方向での燃料噴射を通じて、燃焼域に第二の燃料（すなわちＬＬＩ燃料）を供給するように各々構成されている。上述の実施形態の各々について、図示の実施形態では尾筒２８及び燃焼器ライナ３２の一方のみに関連して配設された複数のＬＤＩ５０の配設を示しているが、複数のＬＤＩ５０が尾筒２８又は燃焼器ライナ３２の近傍に配設され得ることを特記しておく。さらに、複数のＬＤＩ５０は、尾筒２８及び燃焼器ライナ３２の両方に関連して配設されていてもよい。複数のＬＤＩ５０は単一軸方向円周段に配設されることができ、この単一軸方向円周段は、尾筒２８及び／又は燃焼器ライナ３２の単一の軸方向位置の円周の周りにそれぞれ配設された多数の現在動作中のＬＤＩを含む。また、複数のＬＤＩ５０が、単一軸方向段、多数軸方向段、又は多数軸方向円周段として載置され得ることも認められよう。単一軸方向段は、現在動作中の単一のＬＤＩを含んでいる。多数軸方向段は、多数の軸方向位置にそれぞれ配設されている多数の現在動作中のＬＤＩを含んでいる。多数軸方向円周段は、尾筒２８及び／又は燃焼器ライナ３２の円周の周りで多数の軸方向位置に配設された多数の現在動作中のＬＤＩを含んでいる。

図３を参照すると、冷却空気流４２が燃焼器ライナ３２の前端４９の近傍に図示されている。図示のように、冷却空気流４２は、第一の冷却環帯４４の内部で複数のＬＤＩ５０の周りを燃焼器ライナ３２の前端４９へ向けて経路誘導される。冷却空気流４２は、燃焼器ライナ３２の前端４９へ向けて流れている間に燃焼器ライナ３２に対流冷却効果を与える。前述のように、空気供給２２の近似的に全て（すなわち約１００％）が冷却目的で第一の冷却環帯４４へ導かれる。燃焼器ライナ３２の前端４９の近傍の位置に達すると、冷却空気流分流器領域５２が（図示の実施形態に示すように単に燃焼器部１４の壁で仕切られた領域であってよい）、冷却空気流４２を第一の冷却空気流部分５４と第二の冷却空気流部分５６とに分割する。

第一の冷却空気流部分５４は、燃焼器ライナ３２の前端４９に配置されて空気−燃料混合物の混合及び燃焼器室３４への噴射を行なう少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器５８へ導かれる。少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器５８は典型的には、燃焼器室３４の内部の支配的な流れ方向に相対的に平行に揃っている。第二の冷却空気流部分５６は、上述のように、ＬＬＩ燃料の混合及び噴射を行なう複数のＬＤＩ５０へ導かれる。燃焼器ライナ３２の前端４９の近傍に配置されるように図示され上で説明されているが、冷却空気流分流器領域５２は、燃焼器ライナ３２及び／又は尾筒２８に沿った任意の位置、並びに流動スリーブ３６及び／又は衝突スリーブ３０に沿った任意の位置に配設され得ることを認められたい。明確に述べると、冷却空気流４２は、特定の用途適用に適した所望の任意の位置において第一の冷却空気流部分５４と第二の冷却空気流部分５６とに分割され得る。さらに、燃焼器部１４は、複数の冷却空気流分流器領域を含んでいてもよく、冷却空気流４２は２よりも多い部分に分流されてもよい。

第一の冷却環帯４４を通して空気供給２２の近似的に全てを経路誘導することにより、燃焼器室３４の内部での燃焼圧力の突発的上昇又は変動の際の燃焼器室３４からの「逆火（flame flash back）」の押出しの可能性が抑えられる。燃焼圧力のかかる上昇又は変動が生じたとしても、損傷を受け易い弱い領域に到達するように延びるために空気−燃料混合物が移動しなければならない経路は、さらに曲がりくねったものになっている。明確に述べると、空気−燃料混合物が圧縮機吐出ケーシング３８に達する可能性が低くなる。有利なこととして、さらに長くさらに曲がりくねった経路を有することに加え、空気−燃料混合物は逆火となって通過するための多数の経路を提供される。具体的には、燃焼器ライナ３２の前端４９の近傍で冷却流４２を分割すると、押し戻された空気−燃料混合物が少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器５８又は複数のＬＤＩ５０の一つに流入する。例えば、空気−燃料混合物が複数のＬＤＩ５０の一つから押し出された場合に、空気−燃料混合物は少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器５８を通過して燃焼器室３４に再度流入することができる。

図４の流れ図に示すように、図１〜図３を参照しながら述べると、遅延希薄噴射燃焼器システム１００のために空気流を経路誘導する方法もまた提供される。ガス・タービン・システム１０及び燃焼器部１４については上で記載されており、特定的な構造構成要素については立ち入って説明しない。遅延希薄噴射燃焼器システム１００のために空気流を経路誘導する方法は、燃焼器ライナ３２及び該燃焼器ライナ３２の少なくとも一部を包囲するスリーブによって画定される冷却環帯に冷却空気流を導き入れるステップ１０２を含んでいる。冷却空気流は、第一の冷却空気流部分と第二の冷却空気流部分とに分割される（ブロック１０４）。第一の冷却空気流部分は、少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器に経路誘導され（ブロック１０６）、第二の冷却空気流部分は少なくとも一つの希薄直接噴射器に経路誘導される（ブロック１０８）。

有利なこととして、空気供給２２の近似的に全てを用いて、例えば尾筒２８及び／又は燃焼器ライナ３２のように極端な熱条件を蒙る様々な構成要素を冷却する。複数のＬＤＩ５０を含めた幾つもの空気−燃料噴射器に冷却空気流４２を経路誘導することにより、空気供給２２は二つの目的の利益を与える。明確に述べると、冷却空気４２は様々な構成要素を冷却し、次いで燃料と混合されて、燃焼のために燃焼器室３４へ導かれる。

発明を限られた数の実施形態にのみ関連して詳細に記載したが、本発明はかかる開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されよう。寧ろ、本発明は、本書では記載されていないが発明の要旨及び範囲に沿った任意の数の変形、変更、置換又は均等構成を組み入れるように改変され得る。加えて、発明の様々な実施形態について記載したが、発明の各観点は所載の実施形態の幾つかのみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は、以上の記載によって制限されるのではなく、特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。

１０：ガス・タービン・システム
１２：圧縮機部
１４：燃焼器部
１６：タービン部
１８：シャフト
２０：１又は複数の空気−燃料ノズル
２２：空気供給
２４：燃料供給
２６：タービン・ケーシング
２８：尾筒
３０：衝突スリーブ
３２：燃焼器ライナ
３４：燃焼器室
３６：流動スリーブ
３８：圧縮機吐出ケーシング
４０：圧縮機吐出口
４２：冷却空気流
４４：第一の冷却環帯
４６：第二の冷却環帯
４８：後端
４９：前端
５０：複数の希薄直接噴射器
５２：冷却空気流分流器領域
５４：第一の冷却空気流部分
５６：第二の冷却空気流部分
５８：少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器
１００：遅延希薄噴射燃焼器システムのために空気流を経路誘導する方法

Claims (17)

1. 燃焼器室を画定する燃焼器ライナと、
   該燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲するスリーブであって、前記燃焼器ライナ及び当該スリーブは、前記燃焼器ライナの後端の近傍から前記燃焼器ライナの前端へ向けて冷却空気流を経路誘導する冷却環帯を画定している、スリーブと、
   前記燃焼器ライナの前端に達した前記冷却空気流を第一の冷却空気流部分と第二の冷却空気流部分とに分割するように構成されている冷却空気流分流器領域であって、前記第一の冷却空気流部分は少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器に導かれ、前記第二の冷却空気流部分は、前記スリーブ及び前記冷却環帯を貫通して延在しており当該第二の冷却空気流部分を前記燃焼器室に噴射する少なくとも一つの希薄直接噴射器に導かれる、冷却空気流分流器領域と、
   を備えた遅延希薄噴射燃焼器システムのための空気管理構成。
2. 前記冷却空気流は空気供給から導かれる、請求項１に記載の空気管理構成。
3. 前記空気供給の約１００％が前記冷却空気流として前記冷却環帯に導かれる、請求項２に記載の空気管理構成。
4. 前記少なくとも一つの希薄直接噴射器は複数の希薄直接噴射器を含んでいる、請求項１から３のいずれかに記載の空気管理構成。
5. 前記複数の希薄直接噴射器は軸方向に隔設された関係で段を成している、請求項４に記載の空気管理構成。
6. 前記燃焼器ライナの前記後端の近傍に配設された尾筒をさらに含んでおり、当該尾筒の少なくとも一部が前記スリーブにより包囲されている、請求項１から５のいずれかに記載の空気管理構成。
7. 前記少なくとも一つの希薄直接噴射器は、前記スリーブ及び前記燃焼器ライナを貫通して延在している、請求項６に記載の空気管理構成。
8. 前記少なくとも一つの希薄直接噴射器は、前記スリーブ及び前記尾筒を貫通して延在している、請求項６に記載の空気管理構成。
9. 前記燃焼器ライナの前記後端の近傍に配設された尾筒をさらに含んでおり、前記燃焼器ライナを包囲する前記スリーブは流動スリーブを含んでおり、前記尾筒は衝突スリーブにより少なくとも部分的に包囲されている、請求項１から５のいずれかに記載の空気管理構成。
10. 前記少なくとも一つの希薄直接噴射器は前記流動スリーブ及び前記燃焼器ライナを貫通して延在している、請求項９に記載の空気管理構成。
11. 前記少なくとも一つの希薄直接噴射器は前記衝突スリーブ及び前記尾筒を貫通して延在している、請求項９に記載の空気管理構成。
12. 前記冷却空気流分流器領域は前記流動スリーブの近傍の軸方向位置に配設されている、請求項９に記載の空気管理構成。
13. 前記冷却空気流分流器領域は前記衝突スリーブの近傍の軸方向位置に配設されている、請求項９に記載の空気管理構成。
14. 遅延希薄噴射燃焼器システムのために空気流を経路誘導する方法であって、
    燃焼器ライナ及び該燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲するスリーブにより画定される冷却環帯に冷却空気流を導き入れるステップであって、前記冷却空気流は、前記冷却環帯を通って前記燃焼器ライナの後端の近傍から前記燃焼器ライナの前端へ向けて経路誘導される、導き入れるステップと、
    前記燃焼器ライナの前端に達した前記冷却空気流を第一の冷却空気流部分と第二の冷却空気流部分とに分割するステップと、
    前記第一の冷却空気流部分を少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器に経路誘導するステップと、
    前記第二の冷却空気流部分を、前記スリーブ及び前記冷却環帯を貫通して延在しており当該第二の冷却空気流部分を燃焼器室に噴射する少なくとも一つの希薄直接噴射器に経路誘導するステップと、
    を含む、方法。
15. 前記燃焼器室から押し出された逆火を形成した燃料−空気混合物を前記燃焼器室に再び流入させるために、当該逆火を形成した燃料−空気混合物を、前記少なくとも一つの一次空気−燃料噴射器及び前記少なくとも一つの希薄直接噴射器の少なくとも一方の近傍に経路誘導するステップをさらに含んでいる請求項１４に記載の方法。
16. 空気供給から前記冷却空気流を供給するステップをさらに含んでおり、前記空気供給の約１００％が前記冷却空気流として前記冷却環帯に導かれる、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 前記第二の冷却空気流部分を複数の希薄直接噴射器を通して前記燃焼器室に噴射するステップをさらに含んでいる請求項１４から１６のいずれかに記載の方法。