JP6335903B2 - 火炎シート燃焼器ドーム - Google Patents

Description

本発明は、概して、燃料−空気混合物を燃焼システム内へ方向付ける装置および方法に関する。より具体的には、燃焼ライナに進入する燃料−空気混合物の速度をより良好に制御するために燃料−空気混合物をより有効な形式で方向付けるように、燃焼ライナへの入口の近くに半球状のドームが位置決めされている。

発明の背景
ガス駆動式タービンからの汚染エミッションの量を低減する努力において、政府省庁は、窒素酸化物（ＮＯｘ）および一酸化炭素（ＣＯ）の量の低減を要求する多くの規則を制定してきた。より少ない燃焼エミッションは、しばしば、特に燃料インジェクタ位置、空気流量および混合効率に関して、より効率的な燃焼プロセスに帰することができる。

初期の燃焼システムは、拡散型ノズルを利用していた。拡散型ノズルでは、燃料は、火炎領域の近くで、拡散によって、燃料ノズルの外部の空気と混合される。拡散型ノズルは、従来、十分な燃焼器安定性および低い燃焼ダイナミクスを維持するために燃料と空気とが、混合することなく、高温において化学量論的に実質的に相互作用時に燃焼することにより、比較的大量のエミッションを発生する。

燃料と空気を予混合し、より低いエミッションを得る択一的な主段は、複数の燃焼段を利用することによって得ることができる。複数の燃焼段を備える燃焼器を提供するために、混合され、燃焼されて高温燃焼ガスを形成する燃料および空気も、段付けされなければならない。燃焼システム内へ通過する燃料および空気の量を制御することにより、利用可能な電力およびエミッションを制御することができる。燃料は、燃料システム内の一連の弁または特定の燃料インジェクタへの専用の燃料回路によって段付けすることができる。しかしながら、エンジン圧縮機によって大量の空気が供給されると、空気を段付けすることはより困難となり得る。実際には、図１に示したように、ガスタービン燃焼システムの一般的設計により、燃焼器への空気流は通常、燃焼ライナ自体における開口のサイズによって制御され、したがって、容易に調節可能ではない。従来の燃焼システム１００の一例が、図１の断面図に示されている。燃焼システム１００は、燃焼ライナ１０４を含む流れスリーブ１０２を有する。燃料インジェクタ１０６はケーシング１０８に固定されており、ケーシング１０８は半径方向ミキサ１１０を収容している。ケーシング１０８の前側部分には、カバー１１２と、パイロットノズルアセンブリ１１４とが固定されている。

しかしながら、燃焼の前に燃料と空気を予混合することは、より低いエミッションを助長することが示されたが、噴射される燃料−空気予混合物の量は、様々な燃焼器変数により変化する傾向がある。これにより、燃焼器内へ噴射される燃料−空気予混合物の量を制御することに関して、いまだ障害が残っている。

発明の概要
本発明は、多段燃焼システムの燃焼ライナへ混合物を噴射する前における燃料−空気混合の制御を改良する装置および方法を開示する。より具体的には、本発明の１つの実施の形態において、概して円筒形の流れスリーブと、この流れスリーブ内に収容された概して円筒形の燃焼ライナとを有するガスタービン燃焼器が提供される。ガスタービン燃焼器は、さらに、主燃料インジェクタのセットと、燃焼ライナの入口端部を取り囲み、概して半球状の断面を有する燃焼器ドームアセンブリとを有する。ドームアセンブリは、主燃料インジェクタのセットに向かって軸方向にかつ燃焼ライナ内に延びており、燃料−空気混合物が通過する一連の通路を形成している。通路は、燃料−空気予混合物の流れを調整するように対応してサイズ決めされている。

本発明の択一的な実施の形態では、ガスタービン燃焼器用のドームアセンブリが開示される。ドームアセンブリは、燃焼器の軸線を中心に延びる、環状で、半球状のキャップと、半球状のキャップの半径方向外側部分に固定された外側環状壁部と、半球状のキャップの半径方向内側部分に固定された内側環状壁部とを有する。結果的に得られるドームアセンブリは、燃焼ライナの入口部分を取り囲むようにサイズ決めされた概してＵ字形の断面を有する。

本発明のさらに別の実施の形態では、ガスタービン燃焼器のための燃料−空気混合物の速度を制御する方法が開示される。この方法は、燃料−空気混合物を、燃焼ライナの半径方向外側に配置された第１の通路を通って方向付け、次いで、燃料−空気混合物を、第１の通路から、第１の通路に隣接して配置された第２の通路を通って方向付けることを含む。次いで、燃料−空気混合物は、第２の通路から、半球状のドームキャップによって形成された第４の通路を通って方向付けられ、これにより、燃料−空気混合物の方向を反転させる。次いで、燃料−空気混合物は、燃焼ライナ内に配置された第３の通路を通過する。

本発明の付加的な利点および特徴は、以下に続く説明において部分的に示され、部分的に以下の説明の検討により当業者に明らかになるか、または本発明の実施によって学ばれ得る。ここで、添付の図面を特に参照して、本発明を説明する。

添付の図面を参照して、本発明を以下で詳細に説明する。

従来の燃焼システムの断面図である。 本発明の１つの実施の形態によるガスタービン燃焼器の断面図である。 本発明の１つの実施の形態による、図２のガスタービン燃焼器の一部の詳細な断面図である。 本発明の１つの実施の形態によるドームアセンブリの断面図である。 本発明の択一的な実施の形態によるドームアセンブリの断面図である。 ガスタービン燃焼器に進入する燃料−空気混合物を調節するプロセスを開示する流れ図である。

発明の詳細な説明
引用により、本願は、米国特許第６９３５１１６号明細書、米国特許第６９８６２５４号明細書、米国特許第７１３７２５６号明細書、米国特許第７２３７３８４号明細書、米国特許第７３０８７９３号明細書、米国特許第７５１３１１５号明細書および米国特許第７６７７０２５号明細書の内容を含む。

本発明は、燃焼システム内へ噴射される燃料−空気混合物の速度を制御するシステムおよび方法を開示する。すなわち、燃料−空気混合物が通過する公知の有効流れ領域の環を形成する２つの同軸的な構造により、所定の有効流れ領域が維持される。

ここで、図２から図５に関して本発明を説明する。本発明が機能するガスタービン燃焼システム２００の１つの実施の形態が、図２に示されている。燃焼システム２００は、多段燃焼システムの一例であり、長手方向軸線Ａ−Ａを中心に延びており、所定の量の圧縮空気を概して円筒状で同軸的な燃焼ライナ２０４の外面に沿って方向付けるための概して円筒状の流れスリーブ２０２を有している。燃焼ライナ２０４は、入口端部２０６と、反対側の出口端部２０８とを有する。燃焼システム２００は、さらに、燃焼ライナ２０４の半径方向外側で、流れスリーブ２０２の上流端部の近くに位置決めされた主燃料インジェクタ２１０のセットを有する。主燃料インジェクタ２１０のセットは、燃焼システム２００用の燃料−空気混合物を提供するために、制御された量の燃料を、通過する空気流内へ方向付ける。

図２に示された本発明の実施の形態の場合、主燃料インジェクタ２１０は、燃焼ライナ２０４の半径方向外側に配置されており、燃焼ライナ２０４の周囲に環状の配列で広がっている。主燃料インジェクタ２１０は、２つの段に分割されており、第１の段は、燃焼ライナ２０４の周囲に約１２０°にわたって延びており、第２の段は、燃焼ライナ２０４の周囲に、残りの環状部分、もしくは約２４０°にわたって延びている。主燃料インジェクタ２１０の第１の段は、メイン１火炎を発生するために使用され、主燃料インジェクタ２１０の第２の段は、メイン２火炎を発生する。

燃焼システム２００は、さらに、図２および図３に示したように燃焼ライナ２０４の入口端部２０６を包囲する燃焼器ドームアセンブリ２１２を有する。より具体的には、ドームアセンブリ２１２は、外側環状壁部２１４を有する。外側環状壁部２１４は、主燃料インジェクタ２１０のセットの近くから、概して半球状のキャップ２１６まで延びている。キャップ２１６は、燃焼ライナ２０４の入口端部２０６の前方の所定の距離に位置決めされている。ドームアセンブリ２１２は、半球状キャップ２１６において方向転換し、ドームアセンブリ内壁２１８において燃焼ライナ２０４内へ所定の距離だけ延びている。

燃焼ライナ２０４に関連した燃焼器ドームアセンブリ２１２の形状の結果、燃焼器ドームアセンブリ２１２の部分と、燃焼ライナ２０４との間に、一連の通路が形成されている。外側環状壁部２１４と燃焼ライナ２０４との間には、第１の通路２２０が形成されている。図３を参照すると、第１の通路２２０のサイズは、主燃料インジェクタ２１０のセットの近くにおける第１の半径方向高さＨ１から、第２の通路２２２におけるより小さな高さＨ２までテーパ（減少）している。第１の通路２２０は、十分な逆火マージンを提供するために、位置Ｈ２において流れを目標しきい値速度まで加速するように、所定の角度でテーパしている。すなわち、燃料−空気混合物の速度が十分に高い場合、燃焼システムにおいて逆火が生じるならば、第２の通路を通る燃料−空気混合物の速度は、火炎がこの領域に維持されるのを防止する。

第２の通路２２２は、燃焼ライナの入口端部２０６の近くにおいて、外側環状壁部２１４の円筒状部分と、燃焼ライナ２０４との間に形成されており、第１の通路２２０と流体通流可能に接続されている。第２の通路２２２は、２つの円筒状部分の間に形成されており、燃焼ライナ２０４の外面と、外側環状壁部２１４の内面との間で測定される第２の半径方向高さＨ２を有する。燃焼器ドームアセンブリ２１２は、さらに、第３の通路２２４を有し、第３の通路２２４は、やはり円筒状であり、燃焼ライナ２０４と内壁２１８との間に位置決めされている。第３の通路は、第３の半径方向高さＨ３を有しており、第２の通路のように、２つの円筒状壁部、すなわち燃焼ライナ２０４と、ドームアセンブリの内壁２１８とによって形成されている。

上述のように、第１の通路２２０は、性質上概して円筒状である第２の通路２２２へ向かって縮小している。第２の半径方向高さＨ２は、燃料−空気混合物が通過しなければならない制限領域として機能する。半径方向高さＨ２は、その形状によって部分ごとに調整され、一貫して保たれており、図３に示したように２つの円筒状の（すなわちテーパしていない）面によって制御されている。すなわち、制限流れ領域として円筒状の面を利用することによって、より良好な寸法制御が提供される。なぜならば、テーパした面の場合と比較して、より正確な機械加工技術および円筒面の機械加工公差の制御が達成可能であるからである。例えば、円筒面の公差を±０．００１インチ以内に保つことは、標準的な機械加工能力の十分な範囲内である。

第２の通路２２２および第３の通路２２４の円筒状の形状を利用することは、有効流れ領域を制御および調整するためのより有効な方法を提供し、有効流れ領域を制御することにより、燃料−空気混合物が所定の公知の速度に維持される。混合物の速度を調節することができることにより、速度を、ドームアセンブリ２１２において火炎の逆火が生じないことを保証するのに十分な高い速度に維持することができる。

図２〜図４Ｂに示されたこれらの重要な通路形状を表すための１つのこのような方法は、第３の通路高さＨ３に対する第２の通路高さＨ２の回転半径比によるものである。すなわち、燃焼入口領域の高さに対する最小高さである。例えば、本明細書に示された本発明の実施の形態では、Ｈ２／Ｈ３の比は約０．３２である。このアスペクト比は、ライナに隣接して存在する、再循環および安定化捕捉渦のサイズを制御し、これは、全体的な燃焼器安定性を提供する。例えば、図２および図３に示された実施の形態の場合、この形状を利用することにより、第２の通路における燃料−空気混合物の速度は、毎秒約４０〜８０メートルの範囲にとどまることができる。しかしながら、比は、所望の通路高さ、燃料−空気混合物の質量流量、および燃焼器速度に応じて変化することができる。開示された燃焼システムの場合、Ｈ２／Ｈ３の比は、約０．１〜約０．５の範囲であることができる。より具体的には、本発明の１つの実施の形態の場合、第１の半径方向高さＨ１は、約１５ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲であることができ、第２の半径方向高さＨ２は、約１０ｍｍ〜約４５ｍｍの範囲であることができ、第３の半径方向高さＨ３は、約３０ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲であることができる。

上述のように、燃焼システムは、第４の高さＨ４を有する第４の通路２２６も有しており、第４の通路２２６は、燃焼ライナの入口端部２０６と、半球状のキャップ２１６との間に配置されている。図３から分かるように、第４の通路２２６は、半球状のキャップ２１６内に位置決めされており、ライナの入口端部２０６から半球状のキャップ２１６における交差位置までの距離に沿って測定された第４の高さを有している。これにより、第４の高さＨ４は、第２の半径方向高さＨ２よりも大きいが、第４の高さＨ４は、第３の半径方向高さＨ３よりも小さい。第２、第３および第４の通路のこの相対的な高さの構成により、燃料−空気混合物は、制御され（Ｈ２において）、半球状のキャップ２１６を通って方向転換し（Ｈ４において）、燃焼ライナ２０４に進入し（Ｈ３において）、これらは全て、燃料−空気混合物の速度が、燃料−空気混合物がドームアセンブリ２１２の表面に付着したままであるように十分に速いことを保証するような形式でなされる。なぜならば、付着されていない、もしくは分離された燃料混合物が、逆火の際に火炎を支持するための可能な条件を提供する恐れがあるからである。

図３に示したように、少なくとも部分的に外側環状壁部２１４の形状の結果、第１の通路２２０の高さはテーパしている。より具体的には、第１の通路２２０は、主燃料インジェクタ２１０のセットに隣接する領域において最大の高さを、第２の通路に隣接する領域において最小の高さを有している。上述の通路形状を有するドームキャップアセンブリ２１２の択一的な実施の形態が、図４Ａおよび図４Ｂにさらに詳しく示されている。

図５を参照すると、ガスタービン燃焼器のための燃料−空気混合物の速度を制御する方法５００が開示されている。この方法５００は、燃料−空気混合物を、燃焼ライナの半径方向外側に配置された第１の通路を通って方向付けるステップ５０２を含む。次いで、ステップ５０４において、燃料−空気混合物は、第１の通路から、やはり燃焼ライナの半径方向外側に配置された第２の通路へ方向付けられる。ステップ５０６において、燃料−空気混合物は、第２の通路から、半球状のドームキャップ２１６によって形成された第４の通路内へ方向付けられる。その結果、燃料−空気混合物は、流れ方向を反転させ、今度は燃焼ライナ内へ方向付けられる。次いで、ステップ５０８において、燃料−空気混合物は、燃焼ライナ内に配置された第３の通路を通って方向付けられ、燃料−空気混合物は、下流へ燃焼ライナ内に進入する。

当業者が理解するように、ガスタービンエンジンは通常、複数の燃焼器を有する。概して、議論のために、ガスタービンエンジンは、ここに開示されるような低エミッション燃焼器を有してよく、ガスタービンエンジンの周囲に缶型環状構成で配置されていてよい。ガスタービンエンジンの１つのタイプ（例えばヘビーデューティガスタービンエンジン）には、通常、６〜１８個の個々の燃焼器が設けられていてよいが、このような数に限定されない。各燃焼器は、上に概説した構成部材によって取り付けられている。したがって、ガスタービンエンジンのタイプに基づいて、ガスタービンエンジンを作動させるために利用される複数の異なる燃料回路があり得る。図２および図３に開示された燃焼システム２００は、エンジンの負荷に基づいて４つの燃料噴射段を有する多段予混合燃焼システムである。しかしながら、特定の燃料回路および関連する制御機構を、より少ないまたは付加的な燃料回路を有するように変更することができると考えられる。

現時点で好適な実施の形態として知られるものについて、本発明は説明されているが、本発明は、開示された実施の形態に限定されるのではなく、反対に、以下の請求項の範囲の様々な変更および同等の配列を包含することが意図されている。本発明は、全ての観点から制限的ではなく例示的である特定の実施の形態に関して説明されている。

前記説明から、本発明が、システムおよび方法にとって明白でかつ固有である他の利点とともに、全ての目的および課題を達成するために十分に適応されたものであることが分かる。ある特徴および準組合せは利用でき、他の特徴および準組合せを参照することなく使用されて良いことが理解されるであろう。これは、請求項の範囲によっておよび請求項範囲において考慮される。

Claims (11)

1. ガスタービン燃焼器において、
   燃焼器軸線に沿って延びる概して円筒状の流れスリーブと、
   該流れスリーブに対して同軸に、かつ半径方向で該流れスリーブ内に配置された概して円筒状の燃焼ライナであって、該ライナは、入口端部と、反対側の出口端部とを有する、燃焼ライナと、
   該燃焼ライナの半径方向外側に、前記流れスリーブの上流端部の近くにおいて位置決めされた主燃料インジェクタのセットと、
   前記燃焼ライナの入口端部を包囲した燃焼器ドームアセンブリであって、該ドームアセンブリは、前記主燃料インジェクタのセットの近くから、前記燃焼ライナの入口端部の前方に所定の距離に位置決めされた概して半球状のキャップまで延びており、前記燃焼ライナ内へ所定の距離だけ延びるように方向転換しており、これにより、前記燃焼ライナと、ドームアセンブリ外壁との間に、第１の通路と、第２の通路とが形成されており、前記燃焼ライナと、ドームアセンブリ内壁との間に、第３の通路が形成されている、燃焼器ドームアセンブリと、を備え、
   前記第１の通路は第１の半径方向高さを有しており、前記第２の通路は第２の半径方向高さを有しており、前記第３の通路は第３の半径方向高さを有しており、前記第２の半径方向高さは、ガスタービン燃焼器に進入する燃料−空気混合物の体積を調節するものであり、前記第２の半径方向高さは、前記第３の半径方向高さよりも小さく、前記第３の半径方向高さに対する前記第２の半径方向高さの比によって、前記ガスタービン燃焼器において火炎を固定しかつ安定させるための捕捉された渦のサイズが制御されていることを特徴とする、ガスタービン燃焼器。
2. 前記第２の通路および前記第３の通路は、円筒状である、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記燃焼ライナの入口端部と、前記燃焼器ドームアセンブリとの間で測定される第４の高さを有する第４の通路をさらに備える、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
4. 十分な逆火マージン速度を達成するために燃料−空気混合物を加速するように、前記第１の通路は前記第２の通路に向かってテーパしている、および／または前記第１の通路は、前記主燃料インジェクタのセットに隣接した領域において最大の高さを有する、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記第１の半径方向高さは、１５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲である、前記第２の半径方向高さは、１０ｍｍ〜４５ｍｍの範囲である、および／または前記第３の半径方向高さは、３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲である、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
6. 燃料−空気混合物は、前記第１の通路および前記第２の通路を前記ドームアセンブリに向かって通過し、前記燃料−空気混合物は、前記ドームアセンブリにおいて方向転換し、下流へ前記第３の通路を通って前記燃焼ライナ内へ通過する、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
7. ガスタービン燃焼器のための燃料−空気混合物の速度を制御する方法において、
   燃料−空気混合物を、燃焼ライナの半径方向外側に配置された第１の通路を通って方向付け、
   前記燃料−空気混合物を、前記第１の通路から、前記燃焼ライナの半径方向外側に配置された第２の通路内へ方向付け、
   前記燃料−空気混合物を、前記第２の通路から、半球状のドームキャップにおける第４の通路内へ方向付け、これにより、前記燃料−空気混合物の流れ方向を反転させ、
   前記燃料−空気混合物を、前記燃焼ライナ内に配置された第３の通路を通って前記燃焼ライナ内へ方向付け、前記第２の通路は、第２の半径方向高さを有し、前記第３の通路は、第３の半径方向高さを有し、前記第３の半径方向高さに対する前記第２の半径方向高さの比によって、前記ガスタービン燃焼器において火炎を固定しかつ安定させるための捕捉された渦のサイズを制御する、ことを含むことを特徴とする、ガスタービンのための燃料−空気混合物の速度を制御する方法。
8. 前記第１の通路は、前記第２の通路に向かってテーパした円錐状の断面を有する、前記第２の通路は、円筒状の断面を有する、および／または前記第３の通路は、円筒状の断面を有する、請求項７記載の方法。
9. 前記第２の通路は、前記第１の通路と、前記第２の通路と、前記第３の通路との間で最小の断面積を有する、請求項７記載の方法。
10. 前記第３の半径方向高さに対する前記第２の半径方向高さの比は、０．１〜０．５である、請求項７記載の方法。
11. 前記燃焼ライナの壁部は、前記第１の通路、前記第２の通路および前記第３の通路の部分を形成している、請求項７記載の方法。

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