JP6334198B2 - 燃焼ダイナミクスのモードカップリングを低減させる燃料ノズル - Google Patents
燃焼ダイナミクスのモードカップリングを低減させる燃料ノズル Download PDFInfo
- Publication number
- JP6334198B2 JP6334198B2 JP2014034776A JP2014034776A JP6334198B2 JP 6334198 B2 JP6334198 B2 JP 6334198B2 JP 2014034776 A JP2014034776 A JP 2014034776A JP 2014034776 A JP2014034776 A JP 2014034776A JP 6334198 B2 JP6334198 B2 JP 6334198B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- central body
- fuel nozzle
- shroud
- helical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 110
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims description 39
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 41
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 19
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 11
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 239000003570 air Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 2
- -1 syngas Substances 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
- F02C7/24—Heat or noise insulation
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
- F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
- F23D14/045—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with a plurality of burner bars assembled together, e.g. in a grid-like arrangement
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
- F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
- F23D14/80—Selection of a non-toxic gas
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D9/00—Burners in which a stream of liquid fuel impinges intermittently on a hot surface
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
- F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
- F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Gas Burners (AREA)
Description
本発明は、総括的には、燃焼ダイナミクスのモードカップリングを低減させるための燃料ノズルに関する。具体的な実施形態において、この燃料ノズル及びその方法は、ガスタービン又は他のターボ機械に組み込むことができる。
燃焼器は一般に、燃料を点火させて高温高圧の燃焼ガスを発生させる産業用及び商用運転において使用される。例えば、ガスタービン及び他のターボ機械は通常、電力及び推力を発生させるために１つ又はそれ以上の燃焼器を含む。電力を発生させるのに使用する典型的なガスタービンは、前方に軸流圧縮機、中央付近に複数の燃焼器、及び後方にタービンを含む。作動流体として周囲空気が圧縮機に流入し、該圧縮機は、作動流体に運動エネルギーを漸次的に与えて、高エネルギー状態の加圧された作動流体を生成させる。加圧作動流体は、圧縮機から流出して、燃焼器における１つ又はそれ以上の燃料ノズルに流れ、ここで加圧作動流体が燃料と混合した後、燃焼室で点火されて高温高圧の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、タービンに流れ、ここで燃焼ガスが膨張して仕事を行う。例えば、タービンにおける燃焼ガスの膨張により、発電機に接続されたシャフトを回転させ、電力を発生させることができる。
燃焼不安定性は、ガスタービンの１つ又はそれ以上の音響モードが、燃焼プロセスによって励起された時の運転中に発生する可能性がある。励起された音響モードにより、システムパラメータ（例えば、速度、温度、圧力）及びプロセス（例えば、反応速度、熱伝達率）の周期的振動が生じる可能性がある。例えば、燃焼不安定性の１つのメカニズムは、音響圧力脈動が燃料ポートにて質量流量の変動を発生させ、その結果、火炎に燃空比変動をもたらす時に発生する可能性がある。結果として生じる燃空比変動及び音響圧力脈動が、特定の相挙動（例えば、ほぼ同相）を有するときには、自己励起フィードバックループを生じる可能性がある。燃焼ダイナミクスに関するこのメカニズム及び結果として生じる大きさは、少なくとも１つには、燃料が燃料ノズルを通じて噴射される時間と、対流時間（Ｔａｕ）として定義される、燃料が燃焼室に到達して点火する時間との間の遅延によって決まる。対流時間が長くなると、燃焼不安定性の頻度が減少し、対流時間が短くなると、燃焼不安定性の頻度が増大する。
結果として生じる燃焼ダイナミクスは、１つ又はそれ以上の燃焼器及び／又は下流側構成部品の有効寿命を短縮する可能性がある。
従って、対流時間を変化させる燃料ノズルは、燃焼器の熱力学的効率を高め、摩耗の促進に対して保護し、火炎安定性を向上させ、及び／又は広範囲の運転レベルにわたって望ましくないエミッションを低減させるのに有用となる。
本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。
本発明の１つの実施形態は、軸方向中心線に沿ってある長さで軸方向に延びる中央本体を含む燃料ノズルである。シュラウドは、中央本体の長さの少なくとも一部分で中心本体を円周方向に囲む。複数の壁が、中心本体とシュラウドとの間で半径方向に延びる。中心本体と、シュラウドと、複数の壁とによって少なくとも部分的に定められた複数の螺旋通路は、中心本体の長さの少なくとも一部分に沿って中心本体を円周方向に囲む。各螺旋通路における燃料ポートは、各螺旋通路において異なる軸方向位置を有する。
本発明の別の実施形態において、燃料ノズルは、軸方向中心線に沿ってある長さで軸方向に延びる中央本体を含む。シュラウドは、中心本体の長さの少なくとも一部分で中心本体を円周方向に囲む。複数の螺旋通路は、中心本体の長さの少なくとも一部分に沿って中央本体を円周方向で囲み、各螺旋通路における燃料ポートは、異なる対流時間を有する。
本発明はまた、圧縮機セクションと、圧縮機セクションの下流側の燃焼セクションと、燃焼セクションの下流側のタービンセクションと、を有するガスタービンを含むことができる。燃料ノズルは、燃焼セクション内にあり、複数の螺旋通路が燃料ノズルにおいて軸方向に延びている。各螺旋通路内にある燃料ポートは、異なる対流時間を有する。
当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。
添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。
ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似した表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流側」、「下流側」、「半径方向」、及び「軸方向」は、流体経路における流体流に対する相対方向を指す。例えば、「上流側」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流側」は、流体がそこへ流れ込む方向を指す。同様に、「半径方向」とは、流体流に実質的に垂直な相対方向を指し、「軸方向」とは、流体流に実質的に平行な相対方向を指す。
各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
本発明の種々の実施形態は、燃焼ダイナミクスのモードカップリングを低減する燃料ノズルを含む。燃料ノズルは一般に、該燃料ノズル内で軸方向に延びた複数の螺旋通路を含み、各螺旋通路内には少なくとも１つの燃料ポートが設けられている。特定の実施形態において、燃料ノズルは、中央本体、該中央本体の少なくとも一部分を円周方向に囲むシュラウド、及び／又は中央本体とシュラウドとの間で半径方向に延びて螺旋通路を少なくとも部分的に形成する複数の壁を含むことができる。各燃料ポートは、該各燃料ポートが異なる対流時間を有するように、それぞれの螺旋通路内で異なる軸方向位置を有することができる。異なる対流時間は、燃料ノズル及び／又は燃焼器間の周波数及び／又は振幅関係を変化させ、全体として燃焼システムのコヒーレンスを減少させ、燃料ノズル及び／又は燃焼器間のあらゆるカップリングを減衰させる。本明細書で使用する場合にコヒーレンスとは、２つ（又はそれ以上）のダイナミック信号間の直線関係の強さを意味し、これらの間の周波数の重なり度合いによって大きく影響を受ける。その結果、本発明の種々の実施形態は、下流側構成部品において振動応答を発生させる燃焼器トーンの能力を低減することができる。本発明の例示的な実施形態を例証の目的でガスタービンにおける燃焼ダイナミクスの関連において一般的に説明するが、当業者であれば、本発明の実施形態が、特許請求の範囲に特に記載されない限り、あらゆる燃焼ダイナミクスに適用することができ、ガスタービンに限定されるものではない点は容易に理解されるであろう。
次に、図全体を通して同一の符号が同一の要素を表す図面を参照すると、図１は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン１０の簡易側断面図を示している。図示のように、ガスタービン１０は一般に、入口セクション１２、圧縮機セクション１４、燃焼セクション１６、タービンセクション１８、及び排気セクション２０を含むことができる。入口セクション１２は、ガスタービン１０に流入する作動流体（例えば、空気）２８の清浄化、加熱、冷却、加湿、脱湿、及び／又はその他の調節を行うために、一連の濾過器２２及び１つ又はそれ以上の流体調節装置２４を含むことができる。清浄化され且つ調整された作動流体２８は、圧縮機セクションの圧縮機３０に流れる。圧縮機ケーシング３２は、作動流体２８を収納し、回転ブレード３４及び固定ベーン３６の交互する段が、作動流体２８を漸次的に加速して再配向し、高温及び高圧の加圧作動流体３８の連続流を発生させるようにする。
加圧作動流体の大部分は、圧縮機吐出プレナム４０を通って燃焼セクション１６における１つ又はそれ以上の燃焼器４２に流れる。各燃焼器４２と流体連通している燃料供給部４４は、各燃焼器４２に燃料を供給する。利用可能な燃料は、例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、メタン、蒸発した液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、シンガス、ブタン、プロパン、オレフィン、ディーゼル、石油蒸留物、及びこれらの組み合わせを含むことができる。加圧作動流体３８は、燃料と混合して点火し、高温高圧の燃焼ガス４６を発生する。
燃焼ガス４６は、高温ガス経路に沿ってタービンセクション１８のタービン４８を通って流れ、ここでガスが膨張して仕事を産出する。具体的には、燃焼ガス４６は、タービン４８における固定ノズル５０と回転バケット５２の交互する段にわたって流れることができる。固定ノズル５０は、燃焼ガス４６を回転バケット５２の次の段に再配向し、燃焼ガスが回転ブレード５２にわたって通過すると燃焼ガスが膨張し、回転バケット５２を回転させるようにする。回転バケット５２は、シャフト５４に接続することができ、該シャフト５４は圧縮機３０に結合されて、シャフト５４の回転によって圧縮機３０が駆動され、加圧作動流体３８を生成するようにすることができる。代替として、又はこれに加えて、シャフト５４は、発電のため発電機５６に接続することができる。タービンセクション１８からの排気ガス５８は、排出セクション２０を通って流れた後、環境に放出される。
燃焼器４２は、当技術分野で公知のあらゆる形式の燃焼器とすることができ、本発明は、特許請求の範囲に特に記載されない限り、特定のあらゆる燃焼器設計に限定されるものではない。図２は、本発明の種々の実施形態による例示的な燃焼器４２の簡易側断面図を示している。図２に示すように、燃焼器ケーシング６０及び端部カバー６２を組み合わせて、燃焼器４２に流れる加圧作動流体３８を収容することができる。キャップ組立体６４は、燃焼器４２の少なくとも一部分にわたって半径方向に延びることができ、１つ又はそれ以上の燃料ノズル６６は、キャップ組立体６４にわたって半径方向に配列されて、キャップ組立体６４の下流側の燃焼室７０に燃料を供給することができる。ライナ７２は、燃焼室７０の少なくとも一部分を円周方向に囲むことができ、ライナ７２の下流側の移行ダクト７４は、タービン４８の入口に燃焼室７０を接続することができる。流れ孔７８を備えたインピンジメントスリーブ７６は、移行ダクト７４を円周方向に囲むことができ、流れスリーブ８０は、ライナ７２を円周方向に囲むことができる。このようにして、加圧作動流体３８は、インピンジメントスリーブ７６における流れ孔７８を通過して、移行ダクト７４及びライナ７２の外側の環状通路８２を流れることができる。加圧作動流体３８が、端部カバー６２に到達すると、加圧作動流体３８は、反転して、燃料ノズル６６を通って燃焼室７０に流入する。
図３は、本発明の種々の実施形態の技術的範囲内にある例示的な燃料ノズル６６の斜視図を示し、図４は、図３に示す燃料ノズル６６の側断面図を示している。図３及び図４に示すように、燃料ノズル６６は、燃料ノズル６６の軸方向中心線９２に沿って長さ９４で軸方向に延びる中央本体９０を含むことができる。中央本体９０は、端部カバー６２に接続及び／又は貫通して、該端部カバー６２からキャップ組立体６４を通って燃焼室７０に流体連通することができる。例えば、中央本体９０は、燃料、希釈剤、及び／又は他の添加剤が端部カバー６２から燃焼室７０に流れるのを可能にする１つ又はそれ以上の流体プレナムを含むことができる。図３及び図４に示す特定の実施形態において、燃料プレナム９６は、中央本体９０内部で長さ９４に沿って軸方向に延びて、燃料ノズル６６を介して燃料を供給することができる。
燃料ノズル６６はまた、中央本体９０の長さ９４の少なくとも一部分において中央本体９０を円周方向に囲むシュラウド１００を含むことができる。シュラウドは、該シュラウド１００の内側に直径１０２を定める。複数の壁１０４が、中央本体９０とシュラウド１００との間で半径方向に延びることができる。このようにして、中央本体９０、シュラウド１００、及び壁１０４を組み合わせて、中央本体９０の長さ９４の少なくとも一部分に沿って該中央本体９０を円周方向に囲む複数の螺旋通路１０６を少なくとも部分的に定めることができる。螺旋通路１０６は、燃料ノズル６６を通って流れる加圧作動流体３８にスワールを与える。図３及び図４に示す特定の実施形態において、各壁１０４及び／又は螺旋通路１０６は、シュラウド１００の上流側で軸方向に延びて、加圧作動流体３８を受けるか又は燃料ノズル６６内に取り出すことができる。代替として、又はこれに加えて、シュラウド１００は、壁１０４及び／又は螺旋通路１０６の下流側で軸方向に延びることができ、シュラウド１００の直径１０２は、壁１０４及び／又は螺旋通路１０６の下流側で縮小し、燃料ノズル６６から流出し燃焼室７０に流入する加圧作動流体３８の連続したスワールを増強することができる。
壁１０４及び螺旋通路１０６の個数及びピッチ角は、全体の混合長さ及び／又は出口スワール強度を変えるために変更することができる。図３及び図４に示す特定の実施形態において、例えば、燃料ノズル６６は、中央本体９０の周りに約５０度の角度が付けられた１２個の螺旋通路１０６を形成する１２個の壁１０４を含む。本発明の範囲内にある他の実施形態において、壁の個数は、３個〜１５個又はそれ以上の間で変えることができ、ピッチ角は、約１０度〜８０度の間で変えることができる。しかしながら、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に特に記載されない限り、壁１０４及び／又は螺旋通路１０６の何らかの特定の数及び／又は特定のピッチ角に限定されるものではない。
図３及び図４に示すように、各螺旋通路１０６は、燃料プレナム９６から中央本体９０を通って各螺旋通路１０６に流体連通を形成する少なくとも１つの燃料ポート１０８を含む。燃料ポート１０８により、燃料１０９を各螺旋通路１０６内に噴射し、加圧作動流体３と共にスワールを生じさせ、燃焼室７０に到達する前に燃料１０９と加圧作動流体３８との間の混合を向上させることが可能になる。各燃料ポート１０８に関連する対流時間（Ｔａｕ）は、燃料１０９が燃焼室７０に到達するまでに移動する距離に正比例する。この距離は、燃料ノズル６６における各螺旋通路１０６のピッチ角（すなわち、長さ）と各燃料ポート１０８の軸方向位置との関数である。対流時間が短いほど、螺旋通路１０６を通って流れる燃料１０９と加圧作動流体３８との間の混合量が減少する。対流時間が長いほど、燃料１０９と加圧作動流体３８との間の混合が向上するが、燃料１０９の反応性も増大し、燃料１０９が燃焼室７０に到達する前の早期点火につながる状態を生じる可能性がある。
図３及び図４に示す特定の実施形態において、各燃料ポート１０８は、各螺旋通路１０６において異なる軸方向位置を有し、各燃料ポート１０８において対応する異なる対流時間が発生する。異なる対流時間は、各螺旋通路１０８において対応する異なる周波数が発生する。その結果、燃料ノズル６６によって生じる周波数は、更に拡散し、ホワイトノーズと同様の小さい振幅を有し、燃焼不安定性につながる状態を低減する。
図５は、図３及び図４に示す例示的な螺旋通路１０６及び燃料ポート１０８の側断面図を示している。図示のように、燃料ポート１０８は、隣接する壁１０４と等距離にすることができ、各螺旋通路１０６内に半径方向に延びる円錐状の外側表面１１０を含むことができる。その結果、螺旋通路１０６及び円錐状外側表面１１０の組合せは、螺旋通路１０６を通って流れる加圧作動流体３８の２倍の渦流を発生させ、螺旋通路１０６内に噴射される燃料との混合を高めることができる。特定の実施形態において、燃料ポート１０８は、合成角で螺旋通路１０６に角度を付けることができる。代替として、又はこれに加えて、螺旋通路１０６は、燃料ノズル６６を通る燃料１０９及び加圧作動流体３８の層流を阻止するタービュレータを含むことができる。
図１〜図５に関して説明及び図示された種々の実施形態は、既存の燃焼器４２に優る以下の利点の１つ又はそれ以上を提供することができる。具体的には、螺旋通路１０６に関連するより多くの拡散及びより少ない振幅の周波数により、燃焼不安定性につながる状態を低減し、これにより燃焼ダイナミクスのコヒーレンス及び／又はモードカップリングを低減する。その結果、本明細書で説明された種々の実施形態は、下流側の高温ガス経路構成部品の寿命に悪影響を及ぼすことなく、熱力学的効率を向上させ、火炎安定性を促進し、及び／又は広範囲の運転レベルにわたって望ましくないエミッションを減少させることができる。
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
１０ ガスタービン
１２ 入口セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 燃焼セクション
１８ タービンセクション
２０ 排気セクション
２２ フィレット
２４ 流体調整デバイス
２８ 作動流体
３０ 圧縮機
３２ 圧縮機ケーシング
３４ 回転ブレード
３６ 固定ベーン
３８ 加圧作動流体
４０ 圧縮機吐出プレナム
４２ 燃焼器
４４ 燃料供給（部）
４６ 燃焼ガス
４８ タービン
５０ 固定ノズル
５２ 回転バケット
５４ シャフト
５６ 発電機
５８ 排気ガス
６０ 燃焼器ケーシング
６２ 端部カバー
６４ キャップ組立体
６６ 燃料ノズル
７０ 燃焼室
７２ ライナ
７４ 移行ダクト
７６ インピンジメントスリーブ
７８ 流れ孔
８０ 流れスリーブ
８２ 環状通路
９０ 中央本体
９２ 燃料ノズルの軸方向中心線
９４ 長さ
９６ 燃料プレナム
１００ シュラウド
１０２ 直径
１０４ 壁
１０６ 螺旋通路
１０８ 燃料ポート
１０９ 燃料
１１０ 円錐面
１２ 入口セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 燃焼セクション
１８ タービンセクション
２０ 排気セクション
２２ フィレット
２４ 流体調整デバイス
２８ 作動流体
３０ 圧縮機
３２ 圧縮機ケーシング
３４ 回転ブレード
３６ 固定ベーン
３８ 加圧作動流体
４０ 圧縮機吐出プレナム
４２ 燃焼器
４４ 燃料供給（部）
４６ 燃焼ガス
４８ タービン
５０ 固定ノズル
５２ 回転バケット
５４ シャフト
５６ 発電機
５８ 排気ガス
６０ 燃焼器ケーシング
６２ 端部カバー
６４ キャップ組立体
６６ 燃料ノズル
７０ 燃焼室
７２ ライナ
７４ 移行ダクト
７６ インピンジメントスリーブ
７８ 流れ孔
８０ 流れスリーブ
８２ 環状通路
９０ 中央本体
９２ 燃料ノズルの軸方向中心線
９４ 長さ
９６ 燃料プレナム
１００ シュラウド
１０２ 直径
１０４ 壁
１０６ 螺旋通路
１０８ 燃料ポート
１０９ 燃料
１１０ 円錐面
Claims (10)
- 燃料ノズルであって、
ａ.軸方向中心線に沿ってある長さで軸方向に延びる中央本体と、
ｂ.前記中央本体の前記長さの少なくとも一部分で前記中央本体を円周方向に囲むシュラウドと、
ｃ.前記中央本体と前記シュラウドとの間で半径方向に延びる複数の壁と、
ｄ.前記中央本体と、前記シュラウドと、前記複数の壁とによって少なくとも部分的に定められ、前記中央本体の前記長さの少なくとも一部分に沿って前記中央本体を円周方向に各々が囲む複数の螺旋通路であって、前記複数の壁が、前記シュラウドの上流端と前記中央本体の下流端の間で前記中央本体の周りに連続して延在する、前記複数の螺旋通路と、
ｅ.各螺旋通路に配置される燃料ポートであって、各燃料ポートが前記燃料ノズルの軸方向中心線に関連して前記複数の螺旋通路の残りの螺旋通路に配置される残りの燃料ポートと異なる軸方向位置を有する、前記燃料ポートと、
を含む、燃料ノズル。 - 前記中央本体の内部に燃料プレナムを更に含む、請求項１に記載の燃料ノズル。
- 前記シュラウドが、前記複数の壁の下流側で軸方向に延びる、請求項１または２に記載の燃料ノズル。
- 前記シュラウドが直径を定め、該直径が前記複数の壁から下流側で縮小する、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料ノズル。
- 前記各壁が、前記シュラウドの上流側で軸方向に延びる、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料ノズル。
- 前記各燃料ポートが、前記中央本体を通って異なる螺旋通路に流体連通している、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料ノズル。
- 前記各燃料ポートが、前記各螺旋通路内に半径方向に延びる円錐状外側表面を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料ノズル。
- 前記各燃料ポートが、隣接する壁と等間隔になっている、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料ノズル。
- 燃料ノズルであって、
ａ.軸方向中心線に沿ってある長さで軸方向に延びる中央本体と、
ｂ.前記中央本体の前記長さの少なくとも一部分で前記中央本体を円周方向に囲むシュラウドと、
ｃ.前記中央本体の前記長さの少なくとも一部分に沿って前記中央本体を円周方向に囲む複数の螺旋通路であって、前記複数の螺旋通路が、前記シュラウドの上流端と前記中央本体の下流端の間で前記中央本体の周りに連続して延在する、前記複数の螺旋通路と、
ｄ.各螺旋形通路配置される燃料ポートであって、各燃料ポートが前記燃料ノズルの軸方向中心線に関連して前記複数の螺旋通路の残りの螺旋通路に配置される残りの燃料ポートと異なる軸方向位置を有する、前記燃料ポートと、
を含む、燃料ノズル。 - ガスタービンであって、
ａ.圧縮機セクションと、
ｂ.前記圧縮機セクションの下流側の燃焼セクションと、
ｃ.前記燃焼セクションの下流側のタービンセクションと、
ｄ.前記燃焼セクションにおける燃料ノズルと、
ｅ.前記燃料ノズル内で軸方向に延びる複数の螺旋通路であって、前記複数の螺旋通路が、前記燃料ノズルの中央本体の周りに連続して延在する、前記複数の螺旋通路と、
ｆ.各螺旋形通路配置される燃料ポートであって、各燃料ポートが前記燃料ノズルの軸方向中心線に関連して前記複数の螺旋通路の残りの螺旋通路に配置される残りの燃料ポートと異なる軸方向位置を有する、前記燃料ポートと、
を含む、ガスタービン。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US13/778,222 | 2013-02-27 | ||
| US13/778,222 US9217373B2 (en) | 2013-02-27 | 2013-02-27 | Fuel nozzle for reducing modal coupling of combustion dynamics |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014163664A JP2014163664A (ja) | 2014-09-08 |
| JP2014163664A5 JP2014163664A5 (ja) | 2017-03-16 |
| JP6334198B2 true JP6334198B2 (ja) | 2018-05-30 |
Family
ID=51349652
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014034776A Expired - Fee Related JP6334198B2 (ja) | 2013-02-27 | 2014-02-26 | 燃焼ダイナミクスのモードカップリングを低減させる燃料ノズル |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9217373B2 (ja) |
| JP (1) | JP6334198B2 (ja) |
| CH (1) | CH707666A2 (ja) |
| DE (1) | DE102014102584A1 (ja) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014081334A1 (en) * | 2012-11-21 | 2014-05-30 | General Electric Company | Anti-coking liquid fuel cartridge |
| US10088165B2 (en) | 2015-04-07 | 2018-10-02 | General Electric Company | System and method for tuning resonators |
| US9964045B2 (en) | 2014-02-03 | 2018-05-08 | General Electric Company | Methods and systems for detecting lean blowout in gas turbine systems |
| US9709279B2 (en) | 2014-02-27 | 2017-07-18 | General Electric Company | System and method for control of combustion dynamics in combustion system |
| US9709278B2 (en) | 2014-03-12 | 2017-07-18 | General Electric Company | System and method for control of combustion dynamics in combustion system |
| US9644846B2 (en) | 2014-04-08 | 2017-05-09 | General Electric Company | Systems and methods for control of combustion dynamics and modal coupling in gas turbine engine |
| US20150285502A1 (en) * | 2014-04-08 | 2015-10-08 | General Electric Company | Fuel nozzle shroud and method of manufacturing the shroud |
| US9845956B2 (en) | 2014-04-09 | 2017-12-19 | General Electric Company | System and method for control of combustion dynamics in combustion system |
| US9845732B2 (en) | 2014-05-28 | 2017-12-19 | General Electric Company | Systems and methods for variation of injectors for coherence reduction in combustion system |
| US9551283B2 (en) | 2014-06-26 | 2017-01-24 | General Electric Company | Systems and methods for a fuel pressure oscillation device for reduction of coherence |
| EP3034945B1 (en) * | 2014-12-19 | 2018-05-30 | Ansaldo Energia Switzerland AG | Gas turbine fuel pipe comprising a damper |
| US11015809B2 (en) | 2014-12-30 | 2021-05-25 | General Electric Company | Pilot nozzle in gas turbine combustor |
| US10113747B2 (en) | 2015-04-15 | 2018-10-30 | General Electric Company | Systems and methods for control of combustion dynamics in combustion system |
| US10443854B2 (en) * | 2016-06-21 | 2019-10-15 | General Electric Company | Pilot premix nozzle and fuel nozzle assembly |
| US10415833B2 (en) * | 2017-02-16 | 2019-09-17 | General Electric Company | Premixer for gas turbine combustor |
| KR101889542B1 (ko) * | 2017-04-18 | 2018-08-17 | 두산중공업 주식회사 | 연소기 노즐 조립체 및 이를 포함하는 가스터빈 |
| EP4165348B1 (en) * | 2020-07-17 | 2024-04-17 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Premixer injector assembly in gas turbine engine |
| US11421883B2 (en) * | 2020-09-11 | 2022-08-23 | Raytheon Technologies Corporation | Fuel injector assembly with a helical swirler passage for a turbine engine |
| DE102021123513A1 (de) | 2021-09-10 | 2023-03-16 | Man Energy Solutions Se | Brenner und Verfahren zu dessen Herstellung |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3904119A (en) * | 1973-12-05 | 1975-09-09 | Avco Corp | Air-fuel spray nozzle |
| US4271675A (en) * | 1977-10-21 | 1981-06-09 | Rolls-Royce Limited | Combustion apparatus for gas turbine engines |
| US4803836A (en) * | 1986-09-03 | 1989-02-14 | General Electric Company | Method and apparatus for feeding an extrudable fuel to a pressurized combustion chamber |
| US5129333A (en) * | 1991-06-24 | 1992-07-14 | Aga Ab | Apparatus and method for recycling waste |
| US5511375A (en) * | 1994-09-12 | 1996-04-30 | General Electric Company | Dual fuel mixer for gas turbine combustor |
| US5943866A (en) * | 1994-10-03 | 1999-08-31 | General Electric Company | Dynamically uncoupled low NOx combustor having multiple premixers with axial staging |
| JP3192055B2 (ja) * | 1994-11-08 | 2001-07-23 | 株式会社日立製作所 | ガスタービン燃焼器 |
| US5822992A (en) | 1995-10-19 | 1998-10-20 | General Electric Company | Low emissions combustor premixer |
| GB0111788D0 (en) | 2001-05-15 | 2001-07-04 | Rolls Royce Plc | A combustion chamber |
| JP2005180799A (ja) * | 2003-12-19 | 2005-07-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 予混合燃料ノズル、燃焼器及びそれを用いたガスタービン |
| US7416404B2 (en) * | 2005-04-18 | 2008-08-26 | General Electric Company | Feed injector for gasification and related method |
| US20070193272A1 (en) * | 2006-02-21 | 2007-08-23 | Woodward Fst, Inc. | Gas turbine engine fuel injector |
| US20070263477A1 (en) | 2006-05-11 | 2007-11-15 | The Texas A&M University System | Method for mixing fluids in microfluidic channels |
| US8001761B2 (en) * | 2006-05-23 | 2011-08-23 | General Electric Company | Method and apparatus for actively controlling fuel flow to a mixer assembly of a gas turbine engine combustor |
| US8037689B2 (en) * | 2007-08-21 | 2011-10-18 | General Electric Company | Turbine fuel delivery apparatus and system |
| US8220271B2 (en) * | 2008-09-30 | 2012-07-17 | Alstom Technology Ltd. | Fuel lance for a gas turbine engine including outer helical grooves |
| US20100223930A1 (en) * | 2009-03-06 | 2010-09-09 | General Electric Company | Injection device for a turbomachine |
| JP5524407B2 (ja) * | 2011-03-16 | 2014-06-18 | 三菱重工業株式会社 | ガスタービン燃焼器およびガスタービン |
| US9212823B2 (en) * | 2012-09-06 | 2015-12-15 | General Electric Company | Systems and methods for suppressing combustion driven pressure fluctuations with a premix combustor having multiple premix times |
-
2013
- 2013-02-27 US US13/778,222 patent/US9217373B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2014
- 2014-02-26 JP JP2014034776A patent/JP6334198B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2014-02-27 DE DE102014102584.9A patent/DE102014102584A1/de active Pending
- 2014-02-27 CH CH00292/14A patent/CH707666A2/de not_active Application Discontinuation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH707666A2 (de) | 2014-08-29 |
| JP2014163664A (ja) | 2014-09-08 |
| US20140238026A1 (en) | 2014-08-28 |
| DE102014102584A1 (de) | 2014-08-28 |
| US9217373B2 (en) | 2015-12-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6334198B2 (ja) | 燃焼ダイナミクスのモードカップリングを低減させる燃料ノズル | |
| JP6240433B2 (ja) | 燃焼ダイナミックスを低減するためのシステム及び方法 | |
| JP6169920B2 (ja) | 燃焼ダイナミクスを低減するためのシステムおよび方法 | |
| US9151502B2 (en) | System and method for reducing modal coupling of combustion dynamics | |
| EP2657611B1 (en) | System for supplying fuel to a combustor | |
| US8904798B2 (en) | Combustor | |
| JP6219061B2 (ja) | 燃焼器に燃料を供給するためのシステム | |
| US8984887B2 (en) | Combustor and method for supplying fuel to a combustor | |
| JP6050821B2 (ja) | 燃焼器及び燃焼器に燃料を供給する方法 | |
| KR102046455B1 (ko) | 연료 노즐, 이를 포함하는 연소기 및 가스 터빈 | |
| US11054140B2 (en) | Fuel supply device for gas turbine having multiple perforated plates | |
| US20130084534A1 (en) | Combustor and method for supplying fuel to a combustor | |
| US20150219336A1 (en) | Systems and methods for reducing modal coupling of combustion dynamics | |
| EP2733331A2 (en) | System and method for reducing modal coupling of combustion dynamics | |
| US10935245B2 (en) | Annular concentric fuel nozzle assembly with annular depression and radial inlet ports | |
| US20120282558A1 (en) | Combustor nozzle and method for supplying fuel to a combustor | |
| US9249734B2 (en) | Combustor | |
| JP2014122784A (ja) | 燃焼器に燃料を供給するためのシステム | |
| JP2011141112A (ja) | 燃料を供給するための装置及び方法 | |
| US20130283802A1 (en) | Combustor | |
| EP2592345B1 (en) | Combustor and method for supplying fuel to a combustor | |
| US9644845B2 (en) | System and method for reducing modal coupling of combustion dynamics | |
| JP2021162299A (ja) | 改良されたスワーラベーン構造を有する燃料ノズル | |
| US8640974B2 (en) | System and method for cooling a nozzle | |
| KR102632603B1 (ko) | 연소기용 노즐, 연소기, 및 이를 포함하는 가스 터빈 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170209 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170209 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20171215 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20171219 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180312 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180403 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180426 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6334198 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |