JP6679233B2

JP6679233B2 - 多段燃焼器

Info

Publication number: JP6679233B2
Application number: JP2015148195A
Authority: JP
Inventors: ジョセフ・ビンセント・シテノ; トーマス・エドワード・ジョンソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: DE102015112008A1; JP2016038197A; US20160040884A1; US10041681B2; CN205425015U

Description

本出願及び結果として得られる特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、高温にて全体的に低エミッションの効率的な燃焼を行う可変配置多段マイクロミキサベースの燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンの運転効率及び全体の出力は、一般に、高温燃焼ガスストリームの温度が上昇するにつれて増大する。しかしながら、燃焼ガスストリームの高い温度は、高レベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）及び他のタイプの規制エミッションを発生する可能性がある。このようなエミッションは、アメリカ合衆国の連邦規制及び州規制の両方の適用対象となり、また、国外の同様の規制対象となる可能性がある。従って、効率的な高温の範囲でガスタービンエンジンを作動させる利点と、その一方で窒素酸化物及び他のタイプの規制エミッションの生成量を義務づけられたレベルよりも確実に十分低く維持する利点との間のバランス取りがある。その上、変動する負荷レベル、様々な周囲条件、及び他の多様な作動パラメータもまた、ガスタービン効率及びエミッション全体に対して大きな影響を及ぼす可能性がある。

窒素酸化物及び同様のもののエミッションレベルの低減は、燃焼前に燃料ストリームと空気ストリームとを良好に混合することによって向上させることができる。このような予混合は、燃焼温度勾配及び窒素酸化物の発生量を低下させる傾向がある。このような良好な混合を可能にする１つの方法は、複数のマイクロミキサ燃料ノズルを備えた燃焼器を使用するものである。一般的には、マイクロミキサ燃料ノズルは、燃焼前にプレナム内の複数のマイクロミキサ管において小体積の燃料及び空気を混合する。

現行のマイクロミキサ燃焼器及びマイクロミキサ燃料ノズルは、全体の燃焼性能の改善をもたらすが、特定のタイプの作動条件におけるマイクロミキサ燃料ノズルの作動性ウィンドウは、ダイナミックスに関する関心事項によって少なくとも部分的に定義することができる。具体的には、特定の内部構成要素の作動周波数は、高又は低周波のダイナミックスフィールドを生成するよう結合することができる。このようなダイナミックスフィールドは、燃焼器構成要素並びに下流側タービン構成要素の物理的特性に悪影響を与える可能性がある。このような場合、現行の燃焼器は、燃料及び／又は空気の流れを多段化してこのようなダイナミックスフィールドの形成を阻止することによって、こうした作動条件を回避しようと試みる場合がある。多段化は、全体条件によって、燃焼器がエミッション、可燃性、及び同様のものの項目において典型的な作動限界外となる可能性がある場合でも、複数の安定した燃焼の局所的ゾーンを形成しようとするものである。しかしながら、このような多段化は、時間のかかる較正が必要となり、また、出力が最適レベル未満となる作動が要求される可能性がある。異なるタイプの多段化構成を用いることもできる。

従って、マイクロミキサ燃焼器の改善に対する要求がある。このような改善されたマイクロミキサ燃焼器は、燃料及び空気の流れの良好な混合を促進して、全体エミッションが低く且つ低ダイナミックスでありながら高い温度及び効率で作動することができる。その上、このような改善されたマイクロミキサ燃焼器構成は、全体のシステムの複雑さ及びコストを大幅に増大させることなくこれらの目標を達成することができる。

本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンと共に使用する燃焼器を提供する。燃焼器は、線形アクチュエータと連通した１次段ノズルと、該１次段ノズルを全体又は部分的に囲む複数の固定２次ノズルとを含むことができる。線形アクチュエータは、複数の固定２次ノズルに対する１次段ノズルの位置を変更する。

本出願及び結果として得られる特許は更に、燃焼器の作動方法を提供する。本方法は、複数の固定２次ノズル内に操作可能１次段ノズルを位置付けるステップと、部分負荷条件にて複数の固定２次ノズルに対して操作可能１次段ノズルを格納するステップと、全負荷条件にて複数の固定２次ノズルに対して操作可能１次段ノズルを延長するステップと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、圧縮機と、タービンと、複数の燃焼器と、を備えることができる。燃焼器の各々は、操作可能１次段ノズルと、該１次段ノズルを全体又は部分的に囲む複数の固定２次ノズルとを含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善点は、複数の図面及び添付の請求項を参照しながら以下の詳細な説明を精査することによって当業者には明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、及びタービンを示すガスタービンエンジンの概略図。図１のガスタービンエンジンと共に使用できる燃焼器の概略図。図２の燃焼器と共に使用できるマイクロミキサ燃料ノズルの一部の概略図。本明細書で説明することができる多段燃焼器の概略図。図４の多段燃焼器の燃料ノズルの概略図。

ここで、複数の図にわたって同じ符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用できるガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮した空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮した空気２０の流れを燃料３０の加圧流と混合し、この混合気を点火して燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５のみが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、円周方向アレイ又はその他で配列されたあらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して機械的仕事を産出する。タービン４０において産出された機械的仕事は、シャフト４５及び外部負荷５０（発電機及び同様のものなど）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、液体燃料、種々のタイプのシンガス、及び／又は他のタイプの燃料、並びにこれらの配合物を用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、限定ではないが、７又は９シリーズ高出力ガスタービンエンジン及び同様のものなどを含む、ニューヨーク州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙによって提供される幾つかの様々なガスタービンエンジンのうちの何れかとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、また、他のタイプの構成要素を用いることもできる。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び同様のもの他のタイプの発電設備もまた、本明細書で共に使用することができる。

図２は、上述のガスタービンエンジン１０及び同様のものと共に用いることができる燃焼器２５の１つの実施例の概略図を示す。燃焼器２５は、ヘッド端部の端部カバー５２から、タービン４０の周りの後方端部の移行部品５４まで延びることができる。幾つかの燃料ノズル５６を端部カバー５２の周りに位置付けることができる。ライナ５８は、燃料ノズル５６から移行部品５４に向かって延びることができ、内部に燃焼ゾーン６０を定めることができる。ライナ５８は、ケース６２と流れスリーブによって囲むことができる。ライナ５８及びケース６２は、圧縮機１５又はその他からの空気２０の流れのためこれらの間に流路６４を定めることができる。あらゆる数の燃焼器２５を円周方向アレイ及び同様の形態で本明細書で使用することができる。上述のように、空気２０の流れ及び燃料３０の流れは、燃焼器２５において点火されて燃焼ガス３５の流れを生成することができる。本明細書で記載される燃焼器２５は、単に例示の目的のものである。他の構成要素及び他の構成を有する燃焼器を本明細書で用いることもできる。

図３は、燃焼器２５及び同様のものと共に用いることができるマイクロミキサ燃料ノズル６６の一部を示す。マイクロミキサ燃料ノズル６６は、燃料管７０の周りに位置する幾つかのマイクロミキサ管６８を含むことができる。マイクロミキサ管６８は、一般に、実質的に均一な直径を有することができ、同心のアニュラ列で配列することができる。あらゆる数のマイクロミキサ管６８を本明細書においてあらゆるサイズ、形状、又は構成で用いることができる。マイクロミキサ管６８は、燃料管７０から燃料プレート７２を介した燃料３０の流れと、圧縮機１５から流路６４を介した空気２０の流れと連通することができる。小体積の燃料３０の流れと小体積の空気２０の流れとがマイクロミキサ管６８の各々内で混合することができる。混合した燃料空気ストリームは、燃焼ゾーン６０において燃焼のために下流側に流れ、上述のようにタービン４０において用いることができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で使用することができる。

図４及び５は、本明細書で説明することができる燃焼器１００の１つの実施例を示す。上述のものと同様に、燃焼器１００は、一方端における端部カバー１１０から他方端における移行部品１２０まで延びることができる。ライナ１３０は、端部カバー１１０から移行部品１２０まで延びることができ、内部に燃焼ゾーン１４０を定めることができる。ライナ１３０は、ケース１５０及び流れスリーブにより囲むことができる。ライナ１３０及びケース１５０は、これらの間に流路１６０を定めることができる。流路１６０は、圧縮機１５又はその他からの空気２０の流れを受け取ることができる。ライナ１３０、燃焼ゾーン１４０、ケース１５０、及び流路１６０は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。あらゆる数の燃焼器１００を円周方向アレイ及び同様の形態で本明細書で使用することができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で用いることができる。

燃焼器１００は、１次燃焼段１７０を含むことができる。１次燃焼段１７０は、１次段ノズル１８０を含むことができる。１次段ノズル１８０は、マイクロミキサ燃料ノズル１９０とすることができる。マイクロミキサ燃料ノズル１９０は、上述のものと同様とすることができる。１次段ノズル１８０は、１次燃料管２００と連通することができる。１次燃焼段１７０は、可変容量段２１０とすることができる。このような場合、１次段ノズル１８０は操作可能とすることができる。例えば、１次段ノズル１８０は、線形アクチュエータ２２０と連通することができる。線形アクチュエータ２２０は、端部カバー１１０の周り及びその外部に位置付けることができる。線形アクチュエータ２２０は、従来構成のものであってもよく、線形又は軸方向移動を提供することができる。線形アクチュエータ２２０は、機械的、電気機械的、圧電的、空気圧的、液圧的、及び／又はこれらの組み合わせで作動することができる。例証として、線形アクチュエータ２２０は、液圧シリンダー、ラックアンドピニオンシステム、ボールスクリュー、ハンドクランク、又は制御された軸方向移動を可能にするあらゆるタイプの装置を含むことができる。線形アクチュエータ２２０は、システムフィードバック及び同様のものに基づいた動的作動のための全体のガスタービン制御システムと連通することができる。

線形アクチュエータ２２０は、駆動ロッド２３０及び同様のものを介して１次燃料管２００と連通することができる。駆動ロッド２３０は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。１次燃料管２００は、共に移動させるように駆動ロッド２３０の周り又はその内部に位置付けることができる。従って、線形アクチュエータ２２０、駆動ロッド２３０、及び１次燃料管２００は、１次段ノズル１８０の位置を変えることができるように軸方向に操作することができる。１次段ノズル１８０はまた、空気２０の流れと連通した可変空気バイパス２４０を含むことができる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いてもよい。

燃焼器１００は、２次燃焼段２５０を含むことができる。２次燃焼段２５０は、複数の２次段ノズル２６０を含むことができる。２次段ノズル２６０は固定とすることができる。２次段ノズル２６０は、マイクロ混合ノズル１９０及び同様のものとすることができる。この実施例においては、４つの２次段ノズル２６０が図示されているが、あらゆる数のノズル２６０を本明細書で用いることができる。２次段ノズル２６０は、１次段ノズル１８０の周りに円周方向に位置付けることができる。２次段ノズル２６０の各々は、２次段燃料管２７０により送給することができる。２次段ノズル２６０の１又はそれ以上は、全体又は一部で角度付き形状２８０を有することができる。角度付き形状２８０は、移行部品１２０の形状と実質的に共形とすることができる。他の好適なサイズ及び形状を本明細書で用いることもできる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で用いることもできる。

一般に、１次燃焼段１７０は、全出力における予混合燃料／空気の僅かな部分に対して比較的長い滞留時間を有することができる。１次燃焼段１７０は、２次又は「主」燃焼段に対する「副燃焼器」として中央に位置することができる。従って、１次燃焼段１７０は、低出力用に最適化することができる。２次燃焼段２５０は、比較的低滞留時間を有することができ、低出力にて燃料を受け取らない場合があり、また、高出力にて大部分の燃料を受け取ることができる。図示のように、１次燃焼段１７０及び２次燃焼段２５０は軸方向に多段化することができる。

より具体的には、１次燃焼段１７０は、高出力にて２次燃焼段２５０をパイロット着火する。１次燃焼段１７０は、可変配置を組み込み、可変の滞留時間を提供することができる。１次燃焼段１７０は、可変空気バイパス２４０を組み込み、点火、部分速度、及び低出力運転を改善することができる。低出力では、１次段ノズル１８０は、長い滞留時間のために格納することができる。高出力では、１次段ノズル１８０は、滞留時間を短くするために延長することができる。複数カム構成において、１次段ノズル１８０の位置は缶毎に変えて、構成要素の全体の寿命に影響を及ぼす可能性がある「コヒーレントな」燃焼音響モードから燃焼ダイナミックスをデチューンする「オンザフライ」調整を提供することができる。コヒーレントな燃焼モードの励起に応じて、複数缶構成における各缶は、隣接する燃焼器間の音響エネルギーのコヒーレンス性を低減するよう別個の軸方向設定を有することができる。

事前改質器（図示せず）を用いて、燃料が燃焼器に注入される前に燃料を部分的に反応させ、超低滞留時間で燃料の急速完全燃焼を促進させることができる。具体的には、改質器は、燃料を部分的に酸化させて燃焼器内部の点火遅延時間を短縮し、火炎中の化学作用を加速し、全体エミッションを低減することができる。

使用時には、１次燃料ノズル１８０は、点火及び加速中に長い滞留時間を提供するように格納することができる。可変空気バイパス２４０を作動状態にすることができる。加速中、１次段ノズル１８０は、空気バイパスの一部を閉鎖し、全速無負荷運転を行うことができる。低出力運転中、１次段ノズル１８０は、高負荷にてバイパスのサイズを低減するよう延長し、エミッション性能を保持することができる。中間出力において、２次段ノズル２６０は、低レベルにて燃料供給されて放熱を増大させ、燃焼器動作を向上させるようにすることができる。高出力では、２次燃焼段２５０が燃料の大半又は全てを受け取るまで、より多くの燃料を２次燃焼段２５０に添加することができる。より高い出力設定では、１次段ノズル１８０は、完全に延長することができる。２次燃焼段２５０は、燃焼器の排出プロファイル制御のため中央燃料スプリットの外側に「調整」され、高燃焼温度での効率性と長い構成部品寿命とのバランスをとるようにすることができる。

従って、本明細書の燃焼器１００は、流れスリーブの圧力低下部の軸方向下流側に遅延希薄燃料を送給し、制御されない燃焼を防ぐようにする。燃焼器１００は、空気流の大半が半径方向であるのと対照的に軸方向に遅延希薄燃料を注入し、不均一性をもたらす可能性がある円周方向のホットスポットを排除するようにする。燃焼器１００は、１次段ノズル１８０を使用して、より高出力にて後方に送り、全体の対流時間ペナルティを低減するようにする。従って、マイクロミキサノズル１９０の使用は、エミッション性能の向上をもたらす。具体的には、燃焼器１００は、全体効率の向上、同調性の改善、エミッション低減、及び全体耐久性の向上を提供する。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

１０ガスタービンエンジン
１５圧縮機
２０空気
２５燃焼器
３０燃料
３５燃焼ガス
４０タービン
４５シャフト
５０負荷
５２端部カバー
５４移行部品
５６燃料ノズル
５８ライナ
６０燃焼ゾーン
６２ケース
６４流路
６６マイクロミキサ燃料ノズル
６８管体
７０燃料管
７２燃料プレート
１００燃焼器
１１０端部カバー
１２０移行部品
１３０ライナ
１４０燃焼ゾーン
１５０ケース
１６０流路
１７０１次燃焼段
１８０１次段ノズル
１９０マイクロミキサ燃料ノズル
２００１次燃料管
２１０可変段ノズル
２２０線形アクチュエータ
２３０駆動ロッド
２４０可変空気バイパス
２５０２次燃焼段
２６０２次段ノズル
２７０２次段燃料管
２８０角度付き形状

Claims

燃焼器（２５）であって、
複数の１次マイクロミキサ管を備える１次マイクロミキサノズルを有する１次段ノズル（１８０）と、
前記１次段ノズルと機械的に連通した駆動ロッドを備える線形アクチュエータ（２２０）と、
前記駆動ロッド内に配置され、前記複数の１次マイクロミキサ管と流体連通された１次段燃料管と、
複数の２次マイクロミキサ管を有する複数の２次マイクロミキサノズルを備え、前記１次段ノズルを全体又は部分的に囲む複数の固定２次ノズル（２６０）と、
前記１次段ノズルと前記複数の固定２次ノズルとの間に配置された可変空気バイパスと、
を備え、
前記線形アクチュエータが、前記複数の固定２次ノズルに対する前記１次段ノズルの位置を変化させ、前記１次段ノズルが前記複数の固定２次ノズルに対して引き込まれるときにバイパスされる可変空気を増加させ、前記１次段ノズルが前記複数の固定２次ノズルに対して延長されるときにバイパスされる可変空気を減少させる、燃焼器（２５）。
前記複数の固定２次ノズルが、２次燃焼段（２５０）に燃料を噴出する２次段燃料管を含む、請求項１に記載の燃焼器（２５）。
前記複数の固定２次ノズルが、４つの固定２次ノズルを含む、請求項１に記載の燃焼器（２５）。
前記固定２次ノズルが、角度付き形状を含む、請求項１に記載の燃焼器（２５）。
前記１次段ノズルの下流側に燃焼ゾーンを更に備える、請求項１に記載の燃焼器（２５）。
燃焼器（２５）の作動方法であって、
複数の固定２次ノズル（２６０）内に操作可能１次段ノズル（１８０）を位置付けるステップであって、前記操作可能１次段ノズル（１８０）が、複数の１次マイクロミキサ管を備える１次マイクロミキサノズルを備え、前記複数の固定２次ノズル（２６０）が、複数の２次マイクロミキサ管を有する複数の２次マイクロミキサノズルを備える、前記ステップと、
部分負荷条件にて前記複数の固定２次ノズルに対して前記操作可能１次段ノズルを格納して、前記１次段ノズルと前記複数の固定２次ノズルとの間に配置された可変空気バイパスのバイパス空気を増加させるステップと、
全負荷条件にて前記複数の固定２次ノズルに対して前記操作可能１次段ノズルを延長して、前記１次段ノズルと前記複数の固定２次ノズルとの間に配置された可変空気バイパスのバイパス空気を減少させるステップと、
を含む、方法。
部分負荷条件にて前記操作可能１次段ノズルにのみ燃料流を提供するステップを更に含む、請求項６に記載の方法。
前記操作可能１次段ノズルへの燃料流を低減している間、負荷が増大するにつれて前記複数の固定２次ノズルへの燃料流を増大させるステップを更に含む、請求項６または７に記載の方法。
全負荷条件にて前記複数の固定２次ノズルに対してのみ燃料流を提供するステップを更
に含む、請求項６乃至８のいずれかに記載の方法。
前記複数の固定２次ノズルに対して前記操作可能１次段ノズルの位置を変えて燃焼ダイナミックスを変化させるようにするステップを更に含む、請求項６乃至９のいずれかに記載の方法。
ガスタービンエンジン（１０）であって、
圧縮機（１５）と、
タービン（４０）と、
複数の燃焼器（２５）と、
を備え、前記複数の燃焼器の各々が、操作可能１次段ノズル（１８０）と、該１次段ノズルを全体又は部分的に囲む複数の固定２次ノズル（２６０）とを含み、
前記操作可能１次段ノズル（１８０）が、複数の１次マイクロミキサ管を備える１次マイクロミキサノズルを備え、前記複数の固定２次ノズル（２６０）が、複数の２次マイクロミキサ管を有する複数の２次マイクロミキサノズルを備え、
前記複数の燃焼器の各々が、前記操作可能１次段ノズル（１８０）と流体連通する可変空気バイパスを備え、
前記複数の燃焼器の各々が、前記１次段ノズルと機械的に連通した駆動ロッドを備える線形アクチュエータ（２２０）を備え、
前記線形アクチュエータが、前記複数の固定２次ノズルに対する前記１次段ノズルの位置を変化させ、前記１次段ノズルが前記複数の固定２次ノズルに対して引き込まれるときにバイパスされる可変空気を増加させ、前記１次段ノズルが前記複数の固定２次ノズルに対して延長されるときにバイパスされる可変空気を減少させる、ガスタービンエンジン（１０）。
ガスタービンエンジン（１０）が、前記複数の燃焼器の各々の前記線形アクチュエータに接続された複数カム構成を備え、前記操作可能１次段ノズル（１８０）の位置は前記複数の燃焼器毎に変えて、隣接する燃焼器間の音響エネルギーのコヒーレンス性を低減するよう前記線形アクチュエータを別個に軸方向に設定する、請求項１１に記載のガスタービンエンジン。