JP6769714B2 - ガスタービン燃焼器用の燃料供給システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービン用の燃焼器に関する。より具体的には、本発明は、燃料を、燃焼器内に定められた一次燃焼ゾーンの下流に配置された燃料噴射装置に供給するための燃料供給システムに関する。

ガスタービンは、一般に、圧縮機セクション、燃焼器を有する燃焼セクション、及びタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、作動流体の圧力を徐々に高めて、圧縮作動流体を燃焼セクションに供給する。圧縮作動流体は、燃焼器の内部に軸方向に延びる燃料ノズルを通って及び／又はその周りを通って送られる。燃料は、圧縮作動流体の流れの中に噴射されて燃焼混合気を形成する。

燃焼混合気は、燃焼ゾーン内で燃焼されて、高温、高圧及び高速度の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービンセクションへの高温ガス経路を定める１又は２以上のライナ又はダクトを通って流れる。ロータ軸に結合されたタービンロータブレードによって燃焼ガスから運動エネルギーが抽出され、これによりロータ軸が回転する。ロータ軸は、圧縮機の動作をサポートすること、及び／又は発電機に結合して電力を発生させることができる。

全体的なエミッション性能のバランスをとるために、特定の燃焼器設計は、ライナの周りに配列され、燃焼ゾーンから概ね下流に配置された複数の燃料噴射装置を含む。燃料噴射装置は、一般に、ライナを通って半径方向に延びて、燃焼ガス流れ場への流体連通を可能にする。このタイプのシステムは、当技術分野及び／又はガスタービン産業において、遅延希薄噴射（ＬＬＩ）として及び／又は軸方向燃料ステージングとして一般的に知られている。

作動時、圧縮作動流体の一部は、燃料噴射装置の各々を通って及び／又はその周りを通って、燃焼ガス流れ場内に送られる。燃料噴射装置からの液体燃料又はガス燃料は、圧縮作動流体の流れの中に噴射されて、高温燃焼ガスと混合すると燃焼する希薄な又は空気過濃な燃焼混合気を生成し、これにより、燃焼ゾーン内での燃焼ガスの滞留時間を対応して長くしなくても、燃焼器の燃焼温度が上昇する。その結果、全体的なエミッション性能を犠牲にすることなく、燃焼器の全体的な熱力学的効果を高めることができる。

燃料を外部の燃料源から遅延希薄燃料噴射装置に供給するための現在のシステムは、燃焼器を取り囲むケーシング内に延びる多数の流体導管及び流体継ぎ手を含む。結果的に、設計者は、必要なハードウェアを収容するために、ケーシング内に所要の追加スペースを考慮する必要がある。このことは、燃焼器の全体サイズに影響を与える場合があり、及び／又は燃焼器内の流体流のプロファイルに悪影響を与える場合がある。従って、燃料を燃焼器、特に遅延希薄燃料噴射装置に供給するための改善されたシステムは有用であろう。

米国特許第8,745,987号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、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、ガスタービン燃焼器のための燃料供給システムである。本システムは、燃焼器の外側ケーシングに結合された燃料分配マニホルドを含む。第１の燃料回路は、燃料分配マニホルドから外側ケーシングの外面の周りで第１の周方向に延び、燃料分配マニホルドから、外側ケーシングを通って、外側ケーシング内に配置された複数の燃料噴射装置のうちの少なくとも１つの燃料噴射装置までの流体連通をもたらす。第２の燃料回路は、燃料分配マニホルドから、外側ケーシングの外面の周りで第２の周方向に延びる。第２の燃料回路は、燃料分配マニホルドから、外側ケーシングを通って、複数の燃料噴射装置までの流体連通をもたらす。

本発明の別の実施形態は、ガスタービンのための燃焼器である。本燃焼器は、外側ケーシング及び外側ケーシングに結合された端部カバーを含む。一次燃料ノズルが、外側ケーシング内の端部カバーの下流に軸方向に延びる。一次燃焼ゾーンが、一次燃料ノズルの下流に定められる。複数の燃料噴射装置が、一次燃焼ゾーンの下流の外側ケーシング内に配置される。燃料分配マニホルドが、燃焼器の外側ケーシングに結合される。第１の燃料回路は、燃料分配マニホルドから外側ケーシングの外面の周りで第１の周方向に延びる。第１の燃料回路は、燃料分配マニホルドから、外側ケーシングを通って、複数の燃料噴射装置のうちの１つの燃料噴射装置までの流体連通をもたらす。第２の燃料回路は、燃料分配マニホルドから外側ケーシングの外面の周りで第２の周方向に延びる。第２の燃料回路は、燃料分配マニホルドから、外側ケーシングを通って、複数の燃料噴射装置のうちの１つの燃料噴射装置までの流体連通をもたらす。

本発明はまた、ガスタービンも含む。本ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機の下流に配置された燃焼器とを含む。燃焼器は、外側ケーシング及び外側ケーシングに結合された端部カバーと、外側ケーシング内で端部カバーの軸方向下流に延びる燃料ノズルとを有する。ガスタービンは、燃焼器と流体連通している燃料供給部と、燃焼器の下流に配置されたタービンとをさらに含む。燃焼器は、燃料ノズルの下流の外側ケーシング内に配置された複数の燃料噴射装置をさらに含む。燃料分配マニホルドは、燃焼器の外側ケーシングに結合され、燃料供給部と流体連通している。第１の燃料回路は、燃料分配マニホルドから外側ケーシングの外面の周りで第１の周方向に延び、燃料分配マニホルドから、外側ケーシングを通って、複数の燃料噴射装置のうちの１つの燃料噴射装置までの流体連通をもたらす。第２の燃料回路は、燃料分配マニホルドから外側ケーシングの外面の周りで第２の周方向に延び、燃料分配マニホルドから、外側ケーシングを通って、複数の燃料噴射装置のうちの１つの燃料噴射装置までの流体連通をもたらす。

本明細書を検討すると、当業者は、こうした実施形態等の特徴及び態様をより良く理解するであろう。

本発明の完全かつ有効な開示（当業者にとってのその最良の形態を含む）本発明の開示は、本明細書の残りの部分（添付図面への参照を含む）により詳細に説明される。

本発明の範囲内の例示的なガスタービンの機能ブロック図。 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缶型燃焼器の一部の側断面図。 本発明の種々の実施形態による、燃料を燃焼器に供給するための燃料供給システムを含む、図２に示される燃焼器の一部の側面図。 本発明の種々の実施形態による、図３に示される燃料供給システムの一部の上面図。 本発明の１つの実施形態による、図３に示される燃料供給システムの斜視図。 本発明の１つの実施形態による、図３に示される燃料供給システムを含む燃焼器の一部の斜視側面図。

次に本発明の本実施形態を詳細に参照するが、添付図面には１又は２以上の実施例が示される。詳細な説明では、図中の特徴部を指すために、数字及び文字の表示が用いられる。図及び説明における同様の又は類似の表示は、本発明の同様の又は類似の部分に言及するために用いられている。本明細書で用いられる場合、「第１の」、「第２」及び「第３」という用語は、１つの構成要素と別の構成要素とを区別するために交換可能に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要度を示すことを意図するものではない。「上流」及び「下流」という用語は、流体経路における流体流に関する相対方向を指す。例えば、「上流」は、流体が流れてくる方向を指し、「下流」は、流体が流れる方向を指す。「半径方向」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に対して略垂直な相対方向を指し、「軸方向」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線と略平行な相対方向を指す。

各実施例は、本発明の説明として提示されるものであり、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく、本発明において修正及び変形をなし得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として示されるか又は説明される特徴を別の実施形態で用いて、さらに別の実施形態を得ることが可能である。従って、本発明は、かかる修正及び変形を、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内に入るものとして網羅することを意図している。本発明の例示的な実施形態は、一般に、説明のために、地上設置用すなわち工業用ガスタービンに組み込まれる燃焼器との関連で説明されるが、当業者であれば、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に特に列挙されない限り、任意のターボ機械に組み込まれる任意の燃焼器に適用することができ、かつ、地上設置用又は産業用ガスタービン燃焼器に限定されないことを容易に理解するであろう。

次に図全体を通して同一の数字が同じ要素を示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の機能ブロック図を提示する。図示されるように、ガスタービン１０は、一般に、入口セクション１２を含み、この入口セクション１２は、一連のフィルタ、冷却コイル、水分分離器、及び／又は他の装置を含み、ガスタービン１０に入る作動流体（例えば、空気）１４を浄化するか、さもなければ調節することができる。作動流体１４は、圧縮機セクションに流れ、そこで、圧縮機１６が運動エネルギーを徐々に作動流体１４に与えて、圧縮作動流体１８を生成する。

圧縮作動流体１８は、燃料供給システム２２からの燃料２０と混合されて、１又は２以上の燃焼器２４内で燃焼性混合物を形成する。燃焼性混合物は燃焼して、高温、高圧及び高速度の燃焼ガス２６を生成する。燃焼ガス２６は、タービンセクションのタービン２８を通って流れて、仕事を産出する。例えば、タービン２８は軸３０に結合するので、タービン２８の回転により圧縮機１６が駆動されて圧縮作動流体１８を生成することができる。代替的に又は付加的に、軸３０は、タービン２８を発電機３２に結合して電力を発生させることができる。タービン２８からの排出ガス３４は、タービン２８を該タービン２８の下流の排出スタック３８に接続する排出セクション３６を通って流れる。排出セクション３６は、例えば、環境へ放出する前に排出ガス３４を浄化して、さらなる熱を取り出すための排熱回収蒸気発生器（図示せず）を含むことができる。

燃焼器２４は、当技術分野において公知の任意のタイプ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のない限り、いかなる特定の燃焼器設計にも限定されない。例えば、燃焼器２４は、缶型又は環状缶型燃焼器とすることができる。図２は、燃焼器２４の一部を含む例示的なガスタービン１０の一部の側断面図を提示する。図２に示されるように、外側ケーシング４０は、燃焼器２４の少なくとも一部を取り囲む。特定の実施形態において、環状前方ケーシング４２は、外側ケーシング４０に結合される。端部カバー４４は、燃焼器２４の一端において、前方ケーシング４２に結合される。端部カバー４４、前方ケーシング４２及び外側ケーシング４０は、全体的に、燃焼器２４を取り囲む高圧プレナム４６を定める。高圧プレナム４６は、圧縮機１６と流体連通しており、圧縮機１６から圧縮作動流体１８を受け取る。

少なくとも１つの一次燃料ノズル４８は、前方ケーシング４２内で端部カバー４４から軸方向下流に延びる。ライナ５０は、外側ケーシング４０内の一次燃料ノズル４８の下流に延びる。ライナ５０は、略環状であり、少なくとも部分的に高圧プレナム４６を通って延びて、少なくとも部分的に、燃焼器２４内に高温経路５２を定め、燃焼ガス２６を、高圧プレナム４６を通ってタービン２８（図１）に向けて送るようにする。

ライナ５０は、単一のライナとすること、又は別個の構成要素に分割することができる。例えば、図２に示されるように、ライナ５０は、一次燃料ノズル４８に近接して配置される燃焼ライナ５４と、燃焼ライナ５４の下流に延びる移行ダクト５６とから構成することができる。燃焼ライナ５４及び／又は移行ダクト５６は、タービン２８（図１）の入口に近接して配置された固定ノズル（図示せず）の段の上流の高温ガス経路５２を通る燃焼ガス２６の流れを加速するような形状にすることができる。一次燃焼ゾーン５８は、一次燃料ノズル４８の下流に定められる。一次燃焼ゾーン５８は、少なくとも部分的に、ライナ５０によって定めることができる。

遅延希薄噴射装置（ＬＬＩ）としても知られる複数の燃料噴射装置６０が、ライナ５０の周りに周方向に配置又は離間配置され、少なくとも部分的に、ライナ５０を貫通して延びる。燃料噴射装置６０は、燃料ノズル４８の下流、及び／又は一次燃焼ゾーン５８の下流の位置において、ライナ５０を貫通して高温ガス経路５２内への流体連通をもたらす。燃料噴射装置６０は、管体６２及び／又は取付け具（図示せず）を介して燃料供給部と流体連通している。特定の構成において、管体６２は、ライナ５０に沿って、燃焼器２４のヘッド端部６４に向かって延びることができる。

種々の実施形態において、燃料は、燃料供給システム１００を介して燃料噴射装置６０に供給される。図３は、本発明の種々の実施形態による、本明細書では「システム」と呼ばれる燃料供給システム１００を含む燃焼器２４の一部の側面図を提示する。図４は、図３に示されるようなシステム１００の上面図を提示する。図５は、図３に示されるようなシステム１００の斜視図を提示する。図６は、本発明の１つの実施形態による燃料供給システム１００を含む燃焼器２４の一部の斜視側面図を提示する。

図３〜図６に集合的に示されるように、システム１００は、燃料分配マニホルド１０２と、前方ケーシング４２の外面の周りで燃料分配マニホルド１０２から第１の周方向に延びる第１の燃料回路１０４（図３、図４及び図５）と、前方ケーシング４２の外面の周りで燃料分配マニホルド１０２から反対方向に又は第２の周方向に延びる第２の燃料回路１０６（図４及び図５）とを含む。燃料分配マニホルド１０２は、燃料供給部２２と流体連通している。第１の燃料回路１０４及び第２の燃料回路１０６はそれぞれ、燃料分配マニホルド１０２及び複数の燃料噴射装置６０の対応する燃料噴射装置６０と流体連通している。システム１００は、ガス燃料又は液体燃料を供給するように構成することができる。

第１の燃料回路１０４及び第２の燃料回路１０６の各々は、種々の管体及び取付け具を含む。特定の実施形態において、図５に示されるように、第１の燃料回路１０４は、一次燃料ライン１０８及び１又は２以上の二次燃料ライン１１０を含む。一次燃料ライン１０８は、燃料分配マニホルド１０２及び少なくとも１つのフロースプリッタ１１４と流体連通している。二次燃料ライン１１０の各々は、フロースプリッタ１１４から１又は２以上の燃料噴射装置６０まで流体連通している。二次燃料ライン１１０は、取付け具１１６を介して燃料噴射装置６０に流体結合することができ、前方ケーシング４２を通る流体連通をもたらす。フロースプリッタ１１４は、Ｔ型フロースプリッタ（１つの入口及び２つの出口）とすること、又は複数の燃料噴射装置６０に送り込むための任意の数の出口を含むことができる。１つのフロースプリッタのみが示されるが、第１の燃料回路１０４は、任意の数の燃料噴射装置６０に送り込むために、必要に応じて任意の数のフロースプリッタを含むことができる。

特定の実施形態において、図５に示されるように、第２の燃料回路１０６は、一次燃料ライン１１８及び１又は２以上の二次燃料ライン１２０を含む。一次燃料ライン１１８は、燃料分配マニホルド１０２の第２の出口１２２及び少なくとも１つのフロースプリッタ１２４と流体連通している。二次燃料ライン１２０の各々は、フロースプリッタ１２４から１又は２以上の燃料噴射装置６０までの流体連通をもたらす。二次燃料ライン１２０は、取付け具１１６を介して燃料噴射装置６０に流体結合することができ、前方ケーシング４２を通る流体連通をもたらす。フロースプリッタ１２４は、Ｔ型フロースプリッタ（１つの入口及び２つの出口）とすること、又は複数の燃料噴射装置６０に送り込むための任意の数の出口を含むことができる。１つのフロースプリッタのみが示されるが、第２の燃料回路１０６は、任意の数の燃料噴射装置６０に送り込むために、必要に応じて任意の数のフロースプリッタを含むことができる。

再び図４を参照すると、特定の実施形態において、燃料分配マニホルド１０２及び／又は一次燃料ライン１０８、１１８は、前方ケーシング４２に連結又は固定結合することができる。例えば、燃料分配マニホルド１０２及び／又は一次燃料ライン１０８、１１８は、ブラケット１３０を介して前方ケーシング４２のフランジ部分１２８に連結又は固定結合することができる。

特定の実施形態において、図６に示されるように、シールド１３２は、前方ケーシング４２の少なくとも一部の周りを周方向に延び、一次燃料ライン１０８、１１８（図５）及び二次燃料ライン１１０、１２０を覆うか又は遮蔽する。プレナム１３４は、前方ケーシング４２とシールド１３２との間に定めることができる。シールド１３２は、一般に、システム１００の点検、修理及び／又は組み立てのためのアクセスを可能にしながら、第１の燃料回路１０４及び第２の燃料回路１０６の種々の構成要素の意図しない損傷を防ぐ。さらに、シールド１３２は、プレナム１３４内の前方ケーシングからの熱エネルギーを留めることができるので、第１の燃料回路１０４及び第２の燃料回路１０６を通って流れる燃料に熱エネルギーを与えることになる。

作動時、燃料２２は、燃料分配マニホルド１０２に供給される。燃料２０は、出口１１２、１２２を通って、燃料分配マニホルド１０２の外へ及び一次燃料ライン１０８、１１８内に送られる。次に、燃料２０は、スプリッタ１１４、１２４によって個々の二次燃料ライン１１０、１２０に分割され、ここで、燃料は、取付け具１１６、１２６を介して、前方ケーシング４２を通って外側ケーシング４２に流入する。次に、燃料は、外側ケーシング４０内に延びる管体６２を介して燃料噴射装置６０に送られる。

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、また、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組み込み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含む場合、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
１４ 作動流体
１６ 圧縮機
１８ 圧縮作動流体
２０ 燃料
２２ 燃料供給システム（燃料供給部）
２４ 燃焼器
２６ 燃料ガス
２８ タービン
３０ 軸
３２ 発電機
３６ 排出セクション
３８ 排出スタック
４０ 外側ケーシング
４２ 前方ケーシング
４４ 端部カバー
４６ 高圧プレナム
４８ 一次燃料ノズル
５０ ライナ
５４ 燃焼ライナ
５６ 移行ダクト
５８ 一次燃焼ゾーン
６０ 燃料噴射装置
６２ 管体
６４ ヘッド端部
１００ 燃料供給システム
１０２ 燃料分配マニホルド
１０４ 第１の燃料回路
１０６ 第２の燃料回路
１０８ 一次燃料ライン
１１０ 二次燃料ライン
１１２ 出口
１１４ フロースプリッタ
１１６ 取付け具
１１８ 一次燃料ライン
１２０ 二次燃料ライン
１２２ 第２の出口
１２４ フロースプリッタ
１２６ 取付け具
１２８ フランジ部分
１３２ シールド
１３４ プレナム

Claims (9)

1. ガスタービン燃焼器（２４）のための燃料供給システム（２２）であって、
   外側ケーシング（４０）と、
   前記外側ケーシング内に配置されたライナ（５０）と、
   前記外側ケーシングの軸方向上流に配置されて前記外側ケーシングの外部に位置する前方ケーシング（４２）であって、前記外側ケーシング及び前記前方ケーシングが少なくとも部分的に第１のプレナム（４６）を定める、前方ケーシング（４２）と、
   前記前方ケーシング（４２）に結合された燃料分配マニホルド（１０２）と、
   前記前方ケーシングの外面及び前記外側ケーシングの外面の周りで前記燃料分配マニホルドから第１の周方向に延びる第１の燃料回路（１０４）であって、前記燃料分配マニホルドから前記外側ケーシングを通って前記外側ケーシング内に配置された複数の燃料噴射装置（６０）のうちの少なくとも１つの燃料噴射装置までの流体連通をもたらす、第１の燃料回路（１０４）と、
   前記前方ケーシングの外面及び前記外側ケーシングの外面の周りで前記燃料分配マニホルドから第２の周方向に延びる第２の燃料回路（１０６）であって、前記燃料分配マニホルドから、前記外側ケーシングを通って、前記複数の燃料噴射装置のうちの少なくとも１つの別の燃料噴射装置までの流体連通をもたらす、第２の燃料回路（１０６）と、
   前記前方ケーシングの少なくとも一部を周方向に取り囲むシールド（１３２）であって、前記第１の燃料回路及び前記第２の燃料回路を少なくとも部分的に収容する、シールド（１３２）と
   を含む、燃料供給システム。
2. 前記シールドは、少なくとも部分的に、前記前方ケーシングと前記シールドとの間に第２のプレナム（１３４）を定め、前記第１の燃料回路及び前記第２の燃料回路は前記第２のプレナム内に延びる、請求項１に記載の燃料供給システム。
3. 前記第１の燃料回路は、前記燃料分配マニホルド及び複数の二次燃料ライン（１１０）と流体連通している一次燃料ライン（１０８）を含み、前記複数の二次燃料ラインの各々の二次燃料ラインは、前記一次燃料ライン及び前記複数の燃料噴射装置のうちの少なくとも１つの燃料噴射装置と流体連通している、請求項１又は請求項２に記載の燃料供給システム。
4. 前記第１の燃料回路の前記二次燃料ラインに流体接続された取付け具（１１６）であって、前記外側ケーシングを通る流体連通をもたらす取付け具（１１６）をさらに含む、請求項３に記載の燃料供給システム。
5. 前記第２の燃料回路は、前記燃料分配マニホルド及び複数の二次燃料ライン（１２０）と流体連通している一次燃料ライン（１１８）を含み、前記複数の二次燃料ラインの各々の二次燃料ラインは、前記一次燃料ライン及び前記複数の燃料噴射装置のうちの少なくとも１つの別の燃料噴射装置と流体連通している、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料供給システム。
6. 前記第２の燃料回路の前記二次燃料ラインに流体接続された取付け具（１２６）であって、前記外側ケーシングを通る流体連通をもたらす取付け具（１２６）をさらに含む、請求項５に記載の燃料供給システム。
7. 前記前方ケーシングは、前記ガスタービン燃焼器の少なくとも一部を取り囲む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料供給システム。
8. ガスタービン（１０）のための燃焼器（２４）であって、
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料供給システム（２２）と、
   前記燃料供給システムの前方ケーシング（４２）に結合された端部カバー（４４）と、
   前記前方ケーシング内で前記端部カバーから軸方向下流に延びる一次燃料ノズル（４８）と、
   前記一次燃料ノズルの下流に定められた一次燃焼ゾーン（５８）と
   を含み、前記燃料供給システムの複数の燃料噴射装置（６０）が前記一次燃焼ゾーンの下流の前記外側ケーシング内に配置されている、燃焼器。
9. ガスタービン（１０）であって、
   圧縮機（１６）と、
   前記圧縮機の下流に配置された、請求項８に記載の燃焼器（２４）と、
   前記燃焼器の下流に配置されたタービン（２８）と
   を含む、ガスタービン。