JP6297165B2 - 二次燃料段用の２つの出口燃料予混合ノズルを有するガスタービンエンジン - Google Patents

Description

連邦政府による資金提供を受けた開発の記載
本発明のための開発は、アメリカ合衆国エネルギー省によって認められた契約番号DE-FC26-05NT42644によって一部補助された。したがって、アメリカ合衆国政府は本発明における何らかの権利を有することがある。

発明の分野
本発明は、ガスタービンエンジン、特に、ガスタービンエンジンの燃焼器の二次燃料段（secondary fuel stage）に位置決めされたノズルに関する。

発明の背景
ガスタービンエンジンにおいて、燃料は燃料源から燃焼セクションへ供給され、燃焼セクションにおいて燃料は空気と混合され、点火され、作動ガスを形成する高温の燃焼生成物を発生する。作動ガスは、タービンセクションへ送られ、タービンセクションにおいてタービンロータの回転を生じさせる。燃焼セクションにおいて燃料が燃焼することによるＮＯｘガスの発生は、主燃焼ゾーンの下流において点火される燃料部分を提供することによって減じることができることが分かっている。

図１は、ガスタービンエンジン１１０に設けられたカニュラー型燃焼システムの従来の燃焼器１１２を示している。加圧空気は、主燃料インジェクタおよびパイロット燃料インジェクタ１６６，１６８からの燃料と混合され、主燃焼ゾーン１４３において点火され、高温作動ガス１４４を含む燃焼生成物を発生する。燃焼器１１２は、さらに、主燃焼ゾーン１４３の下流に配置された二次燃焼ゾーン１７０に位置決めされた二次燃料段１１４を有する。二次燃料段１１４は、空気／燃料混合物を二次燃焼ゾーン１７０へ噴射するために位置決めされたノズル１１８を有する。図２は、空気−燃料混合物を噴射する１つの出口を備えた、燃焼器１１２の二次燃焼ゾーン１７０において使用される従来のノズル１１８を示している。

図面の簡単な説明
以下の説明では本発明を図面に関連して説明する。

ガスタービンエンジンにおいて使用される従来の燃焼器を側方から見た断面図である。 図１の燃焼器の二次燃料段において使用されるノズルの透視図である。 図１の燃焼器の二次燃料段の下流の位置における温度分布である。 ガスタービンエンジンにおいて使用される燃焼器を側方から見た断面図である。 図４の燃焼器の二次燃料段において使用されるノズルの透視図である。 図４の二次燃料段の下流の位置における温度分布である。 図４の燃焼器の概略図である。 図１および図４の燃焼器の二次燃料段の下流の平均温度およびピーク温度のプロット図である。

発明の詳細な説明
本発明者らは、燃焼器１１２の二次燃料段１１４において使用される従来のノズル１１８の複数の制限を認識した。例えば、従来のノズル１１８は、二次燃焼ゾーン１７０内における周方向成分を持たないただ１つの出口を特徴としており、その結果、隣接するノズル１１８の間において、噴射された空気／燃料混合物の周方向の混合が制限されるということを、発明者らは認識した。ノズル間のこの制限された周方向混合は、リッチな空気−燃料混合物を噴射するためのより小さな開口（図２）を備える低分割気流ノズル設計１１８’の場合により一層顕著となることも、発明者らは認識した。図３は、最大温度のピーク温度領域１５６を含む、二次燃焼ゾーン１７０の下流の位置における温度分布１５５を示している。ノズル１１８間の周方向の混合が制限されている結果、ピーク温度領域１５６がノズル１１８の間に配置されているということを発明者らは認識した。発明者らは、ピーク温度領域１５６が著しく大きいことも認識した。当業者によって認められるように、ピーク温度領域１５６が大きくなるほど、燃焼器１１２内の最大燃焼温度が上昇し、ひいては、より高レベルのＮＯｘ生成を生じる。

このような認識に基づき、本発明者らは、隣接するノズルの間における噴射された空気／燃料混合物の周方向の混合を高めるために、２つの出口が周方向成分を有している、燃焼器の二次燃料段用の２つの出口ノズルを開発した。隣接するノズル間における噴射された空気／燃料混合物の周方向混合を高めることによって、燃焼器における最大燃焼温度が低下させられ、このことは、有利には、より低レベルのＮＯｘ生成を生じた。加えて、従来のノズル設計とは異なり、改良された２つの出口ノズル設計は、ノズル設計が、低い分割気流または高い分割気流（すなわちリッチな空気−燃料混合物またはリーンな空気−燃料混合物）のいずれに適応させられているかにかかわらず、周方向の混合を高め、ＮＯｘ生成を低下させた。

図４は、燃料を燃焼器１２へ供給する二次燃料段１４を有する、ガスタービンエンジン１０の燃焼器１２を示している。二次燃料段１４は、燃焼器１２の長手方向軸線３０に沿ってベースプレート１５から所定の距離１７だけ分離されている。図４にさらに示されているように、複数のノズル１８は、空気−燃料混合物を燃焼器１２内へ噴射するように、二次燃料段１４に配置されている。１つの典型的な実施の形態では、距離１７は、例えば燃焼器１２の直径の０．５〜３．５倍の範囲である。しかしながら、二次燃料段１４においてノズル１８から噴射される燃料−空気混合物が燃焼器１２内のＮＯｘ生成のレベルを減じるために有効であるならば、二次燃料段１４は、燃焼器１２のベースプレート１５からあらゆる距離だけ分離されていてもよい。

図５は、１つの入口２１と２つの出口２０，２２とを備えるノズル１８を示している。図５は、さらに、ノズル１８が、分割気流を変化させるように、すなわちノズル１８によって噴射される空気−燃料混合物の空燃比を変化させるように選択された横断面幅４２を備える開口４０を有することを示している。図２の従来のノズル１１８，１１８’の設計と同様に、開口４０の幅４２は、より大きな分割気流（すなわち、よりリーンな空燃比）を達成するように増大されてもよく、また、より小さな分割気流（すなわち、よりリッチな空燃比）を達成するように減少させられてもよい。

図６は、周方向成分を有するように向けられた２つの出口２０，２２を各ノズル１８が有しているところの、燃焼器１２の長手方向軸線３０に直交する平面（すなわち、図６の平面）において、複数のノズル１８が二次燃料段１４に周方向に配置されていることを示している。図６は、１２のノズル１８が二次燃料段１４において周方向に間隔を置かれていることを示しているが、本発明の実施の形態は、１２のノズルに限定されるのではなく、二次燃料段１４に位置決めされたあらゆる数の周方向に間隔を置いたノズルを含む。２つの出口２０，２２は周方向で互いに反対向きになるように示されているが、２つの出口は、周方向で同じ方向に向けられていてもよい。加えて、ノズル１８は好適には２つの出口２０，２２を有するが、ノズルは２つの出口に限定されず、出口が、燃焼器１２の長手方向軸線３０に直交する平面において周方向成分を有するならば、１つの出口または３つ以上の出口を有してもよい。加えて、図６は、各ノズル１８の２つの出口２０，２２が、長手方向軸線３０に直交する平面において所定の角度３２だけ分離されていることを示している。１つの典型的な実施の形態では、角度３２は、例えば３０〜４０度の範囲である。しかしながら、２つの出口２０，２２が周方向に向けられており、ノズル１８から噴射された空気−燃料混合物が燃焼器１２内のＮＯｘ生成のレベルを減じるために有効であるならば、角度３２はいかなる特定の角度範囲にも限定されない。

図７は、（図１の主燃焼ゾーン１４３と同様の）主燃焼ゾーン４３と、主燃焼ゾーン４３の下流に位置決めされた（図１の二次燃焼ゾーン１７０と同様の）二次燃焼ゾーン７０とを含む燃焼器１２の概略図を示しており、ノズル１８は、主燃焼ゾーン４３からの作動ガス４４内へ空気−燃料混合物２４を噴射するように配置されている。図７は、さらに、空気をノズル１８に供給するために空気源３４がノズル１８に接続されており、燃料をノズル１８に供給するために燃料源３８がノズル１８に接続されていることを示している。典型的な実施の形態では、空気源３４は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機（図示せず）から圧縮空気の分割気流を提供してもよい。別の典型的な実施の形態では、燃料源３８は、例えば燃焼器１２の主燃料インジェクタおよびパイロット燃料インジェクタへ燃料を供給する燃焼器１２の主燃料源に接続された、二次燃料源であってもよい。ノズル１８は、ノズル１８内において空気と燃料とを混合するように構成されており、空気−燃料混合物２４がノズル１８から燃焼器１２の二次燃焼ゾーン７０内へ噴射されるようになっている。択一的な実施の形態では、ノズルは、本願の譲受人に譲渡されかつ引用したことにより本明細書にその全体が組み込まれる米国特許出願公開第２０１１／０２８９９２８号明細書に開示された燃料インジェクタ３８の改良型として設計されてもよく、この場合、燃料インジェクタ３８は、ノズル１８の２つの出口２０，２２と同じ形式で周方向成分を有する２つの出口を有するように変更される。

図６は、二次燃料段１４の下流の位置４８における、図４の線６−６に沿って見た断面温度分布５５を示している。１つの典型的な実施の形態では、位置４８は、例えば、ノズル１８の２つの出口２０，２２の出口直径の１〜３倍の範囲だけ二次燃料段１４の下流に位置決めされている。しかしながら、本発明の実施の形態は、二次燃料段１４からのいかなる特定の下流の位置４８にも限定されない。温度分布５５は、位置４８における作動ガス（すなわち、引き込まれた空気−燃料混合物２４と、作動ガス４４）のピーク温度領域５６を有する。各ノズル１８の２つの出口２０，２２は、位置４８における空気−燃料混合物２４のピーク温度領域５６が凸状の周縁部５４を有するように向けられている。周縁部５４を時計回りに辿っていくと、周縁部５４の傾斜は一定して時計回りに変化している。同様に、周縁部５４を反時計回りに辿っていくと、周縁部５４の傾斜は一定して反時計回りに変化している。択一的に、凸状の周縁部５４は、周縁部の周囲に沿って、外方へ湾曲した周縁部５４に基づいてもよい。対照的に、従来の燃焼器１１２におけるピーク温度領域１５６（図３）は、凹状−凸状周縁部１５８を有しており、これにより、時計回りで周縁部１５８を辿っていくと、傾斜は、周縁部１５８の１つの部分においては時計回りに変化しており、周縁部１５８の別の部分においては反時計回りに変化している。同様に、反時計回りで周縁部１５８を辿っていくと、傾斜は、周縁部１５８の１つの部分においては時計回りに変化しており、周縁部１５８の別の部分において反時計回りに変化している。

加えて、燃焼器１２内の作動ガスのピーク温度領域５６は、ピーク温度領域しきい値よりも小さい領域に広がっている。例えば、ピーク温度領域しきい値は、燃焼器１２内の作動ガスのピーク温度領域５６よりも著しく大きな、従来の燃焼器１１２における作動ガスの温度分布のピーク温度領域１５６（すなわち、空気−燃料混合物が１つの出口ノズル１１８によって噴射されたときの作動ガスのピーク温度領域１５６）であってもよい。さらに、二次燃焼ゾーン７０の横断面積のピーク温度領域５６のパーセンテージ比は、しきい値パーセンテージ比よりも小さい。例えば、ピーク温度領域５６のパーセンテージ比は、２〜１０％の範囲であってもよい。しかしながら、ピーク温度領域５６のパーセンテージ比は、いかなる特定の範囲にも限定されない。しきい値パーセンテージ比は、空気−燃料混合物が１つの出口ノズル１１８によって燃焼器１１２内へ噴射されたときの、燃焼器１２の二次燃焼ゾーン１７０の横断面積に対する従来の燃焼器１１２におけるピーク温度領域１５６（図３）のパーセンテージ比であってもよい。例えば、ピーク温度領域１５６のパーセンテージ比は、１５〜３０％の範囲であってもよい。

図８は、二次燃料段１４の下流における、２つの出口２０，２２から引き込まれた噴射された空気燃料混合物２４と、作動ガス４４とのピーク温度４６のプロット図を示している。図８は、さらに、二次燃料段１４の下流における、従来の燃焼器１１２（図２）の１つの出口１１８から引き込まれた噴射された空気燃料混合物２４と、作動ガス１４４とのピーク温度５０のプロット図を示している。二次燃料段１４の下流の位置４８におけるピーク温度４６が温度しきい値よりも低くなるように、ノズル１８の２つの出口２０，２２は、燃焼器１２内において噴射された空気−燃料混合物２４を作動ガス４４に引き込むように向けられている。１つの例では、温度しきい値は、下流位置における、１つの出口ノズル１１８から噴射された引き込まれた空気燃料混合物と、従来の燃焼器１１２における作動ガス１４４とのピーク温度５０である。図８は、さらに、燃料段１４の下流における、２つの出口２０，２２からの引き込まれた噴射された空気燃料混合物２４と、作動ガスとの平均温度４７と、二次燃料段の下流における、従来の燃焼器１１２（図２）の１つの出口１１８からの引き込まれた噴射された空気燃料混合物２４と、作動ガス１４４との平均温度４９とを示している。上記実施の形態は、ノズル１８の２つの出口２０，２２が二次燃料段１４において周方向成分を有することを説明している。しかしながら、ピーク温度領域５６が凸状の周縁部５４を有する、および／または引き込まれた空気−燃料混合物２４と作動ガス４４とのピーク温度４６が１つの出口ノズル１１８からの引き込まれた空気−燃料混合物と作動ガスとのピーク温度５０よりも低くなるようにノズルが前記空気−燃料混合物２４を前記作動ガス４４に引き込むために有効であるならば、ノズルの出口は周方向成分を有する必要はない。

本発明の様々な実施の形態が本明細書中で図示および説明されているが、これらの実施の形態は単に例として提供されていることが明らかになるであろう。本明細書における本発明から逸脱することなく、多数の改変、変更および代用がなされ得る。したがって、本発明は、添付の請求項の思想および範囲によってのみ限定されることが意図されている。

Claims (6)

1. ガスタービンエンジンにおいて、
   二次燃料段（１４）を有する燃焼器（１２）と、
   該燃焼器（１２）の長手方向軸線（３０）に直交する平面において周方向に配置された、間隔を置かれた複数のノズル（１８）とを備え、各ノズル（１８）は、前記燃焼器（１２）の主燃焼ゾーンから受け取られた作動ガスと混合するために、それぞれの周方向流れ成分を有するそれぞれの空気−燃料混合物（２４）を前記燃焼器（１２）の前記二次燃料段（１４）内へ噴射するように配置された２つの出口（２０，２２）を有し、該２つの出口（２０，２２）によって噴射されたそれぞれの空気−燃料混合物（２４）は、互いに対して周方向で反対方向に周方向流れ成分を有しており、それぞれの周方向流れ成分を有するそれぞれの空気−燃料混合物（２４）は、周方向に配置された前記ノズル（１８）によって噴射されたそれぞれの空気−燃料混合物（２４）を前記作動ガスと周方向で混合するために有効であり、
   それぞれのノズル（１８）における前記２つの出口（２０，２２）は、前記平面内において所定の角度（３２）だけ周方向に分離されていることを特徴とする、ガスタービンエンジン。
2. 前記角度（３２）は、３０度〜４０度の範囲である、請求項１記載のガスタービンエンジン。
3. 前記複数のノズル（１８）に空気を供給するために前記複数のノズル（１８）に接続された空気源と、
   前記複数のノズル（１８）に燃料を供給するために前記複数のノズル（１８）に接続された燃料源とを有し、
   各ノズル（１８）は、それぞれの周方向流れ成分を有するそれぞれの空気−燃料混合物（２４）が前記複数のノズル（１８）の前記２つの出口（２０，２２）によって前記燃焼器（１２）の前記二次燃料段（１４）内へ噴射されるように、空気と燃料とを混合するように構成されている、請求項１記載のガスタービンエンジン。
4. ガスタービンエンジンにおいて、
   作動ガスに点火するための主燃焼ゾーン（４３）を有する燃焼器（１２）と、
   該主燃焼ゾーン（４３）の下流に位置決めされた二次燃料段（１４）と、
   前記燃焼器（１２）の長手方向軸線（３０）に直交する平面において周方向に配置された、間隔を置かれた複数のノズル（１８）とを備え、各ノズル（１８）は、前記燃焼器（１２）の前記主燃焼ゾーン（４３）から受け取られた前記作動ガスと混合するために、それぞれの周方向成分を有するそれぞれの空気−燃料混合物（２４）を前記燃焼器（１２）の前記二次燃料段（１４）内へ噴射するように配置された２つの出口（２０，２２）を有し、該２つの出口（２０，２２）によって噴射されたそれぞれの空気−燃料混合物（２４）は、互いに対して周方向で反対方向に周方向成分を有しており、それぞれの周方向成分を有するそれぞれの空気−燃料混合物（２４）は、周方向に配置された前記ノズル（１８）によって噴射されたそれぞれの空気−燃料混合物（２４）を前記作動ガスと周方向で混合するために有効であり、それぞれのノズルにおける前記２つの出口（２０，２２）は、前記平面内において所定の角度（３２）だけ周方向に分離されていることを特徴とする、ガスタービンエンジン。
5. 前記角度（３２）は、３０度〜４０度の範囲である、請求項４記載のガスタービンエンジン。
6. 前記複数のノズル（１８）に空気を供給するために前記複数のノズル（１８）に接続された空気源と、
   前記複数のノズル（１８）に燃料を供給するために前記複数のノズル（１８）に接続された燃料源とを有し、
   各ノズル（１８）は、それぞれの周方向成分を有するそれぞれの空気−燃料混合物（２４）が前記複数のノズル（１８）の２つの出口（２０，２２）によって前記燃焼器（１２）の前記二次燃料段（１４）内へ噴射されるように、空気と燃料とを混合するように構成されている、請求項４記載のガスタービンエンジン。

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