JP5883482B2 - 超低排出ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本願は、２０１０年１１月９日に出願された米国特許出願第１２／９２６，３２２号の優先権を主張するものであり、その内容は参照により本明細書中に組み込まれる。

[001] 本発明は缶型燃焼器に関する。特に、本発明は、ガスタービンエンジン用の、気体燃料燃焼式、衝突冷却式、乾式低排出缶型燃焼器に関する。

[002] 缶型燃焼器を使用するガスタービン燃焼システムは空気流の不均等分布を招くことが多い。ＮＯｘシステムの開発においては、このような異常に起因する問題が特に懸念される。燃焼器内における低レベルの窒素酸化物の達成は火炎温度及びその反応領域の初期における変化に密接に関係する。火炎温度は反応領域における有効燃料空気比に相関し、この比は、適用された燃料空気比及び火炎面の前で得られる混合の程度に依存する。これらの要素は燃料及び関連する空気の局所的な適用並びに混合の有効性に明らかに影響される。均一な燃料の適用は、通常、良好に設計された噴射システムでは制御されているが、不均等分布の修正のために特別な配慮がなされない限り、空気流の局所的変化は制御されないことが多い。

[003] 世界のいくつかの地域において規則で定められている窒素酸化物の現行のレベルを達成するには、有効な燃料空気比を約１０％の低い標準偏差に制御することが求められる。このような燃焼システムの開発コストは高額であるが、構成の正しい選択に大きく影響されうる。しかしながら、これら低火炎温度燃焼器におけるフィルム冷却の使用によって高レベルの一酸化炭素が排出される。炎管（ライナ）の外部衝突冷却によってこのような高レベルを低減することができる。さらに、低ＮＯｘに加え、高い出口温度を性能要件とするシステムでは、総空気流の大部分がスワラ／反応領域への空気流であるため、冷却及び希釈空気流が限られている。従って、全体的な流れの状態を最適化するためにこれらの流れを制御することに大きな利点がある。

[004] そのような最近の燃焼器設計の１つは、Norsterに付与され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，１６７，６８４号明細書に示されているものであり、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。対象のNorster式燃焼器では、燃焼用のほぼすべての空気流がまず希釈空気流から分離され、燃焼器ライナの、燃焼領域を画定する部分を衝突冷却するために使用され、その後、燃料と混合するために旋回ベーンに導かれる。Norster式燃焼器の特徴は、従来の衝突冷却式燃焼器と比較して、旋回ベーンに導かれる空気の量のより良好な制御、従って、総燃料／空気比を提供することができ、旋回ベーンへの燃焼空気流の空気力学のさらなる向上により、燃料／空気比の局所的な偏差を最小にすることができる。燃焼器内における他の冷却空気流の制御の向上もまた可能であり、これは燃焼器の排出のレベル及び熱効率に影響する。このような改良については以下に説明する。

[005] 本発明の一態様では、ガスタービン、例えばガスタービンエンジンにおいて使用するための気体燃料燃焼式の缶型燃焼器は、内部と、軸線と、閉鎖された軸線方向端部と、を有するほぼ円筒状のハウジングを含む。ほぼ円筒状の燃焼器ライナが、ハウジングの内部内に同軸上に配置され、燃焼空気のための半径方向外側流路をハウジングとともに画定するように構成されている。ライナはまた、燃焼領域及び希釈領域のための各々の半径方向内側容積を画定し、希釈領域は、燃焼領域に対して、閉鎖されたハウジング端部の軸線方向の遠位にあり、燃焼領域は、閉鎖されたハウジング端部に軸線方向に隣接している。混合装置は、閉鎖されたハウジング端部に配置されて、燃焼空気通路と流れ連通（flow communication）している。混合装置は、燃焼される気体燃料を燃焼空気の少なくとも一部と混合するための複数のベーンと、生じた燃料／空気混合物を燃焼領域に入れるための混合装置出口と、を含む。衝突冷却スリーブが、ハウジングとライナとの間の燃焼空気通路内に同軸上に配置され、スリーブは、ライナ部を衝突冷却するため、ライナの、燃焼領域を画定する部分の半径方向外側表面に対して燃焼空気を案内するためのサイズに形成されて分配された複数の孔を有する。燃焼空気を衝突冷却スリーブ出口領域から混合装置の入口に導くためのチャネリング装置が燃焼空気通路内に配置されている。チャネリング装置は流れの剥離を防ぐように構成されており、入口流領域と出口流領域とを有する拡散部を含む。出口流領域と入口流領域との比率は１．３〜１．５の範囲である。

[006] 本発明の別の態様では、ガスタービン用の気体燃料缶型燃焼器は、内部と、軸線と、閉鎖された端部と、を有するほぼ円筒状の外部ハウジングを含む。ほぼ円筒状の燃焼器ライナが、ハウジング内部内に同軸上に配置され、燃焼空気のための半径方向外側流路をハウジングとともに画定するように構成されており、ライナは、ハウジングの閉鎖された端部の近位に燃焼領域のための半径方向内側容積を画定する内部を有している。複数の旋回ベーンを含む混合装置がハウジングの閉鎖された端部に配置されている。混合装置は、燃焼空気流路と流れ連通している入口と、燃焼領域と流れ連通している軸線方向に案内される出口と、を有する。旋回ベーンは、軸線にほぼ垂直な平面内に、ハウジングの軸線を中心として周方向に離間して配置されている。気体燃料を送達するため、気体燃料供給システムが、燃焼空気流路から受け入れた燃焼空気と混合するための旋回ベーンの近位の混合装置に作動的に連結されている。周方向に離間しているベーンのうち隣接するものが、ほぼ半径方向内側に向けられた混合流路を部分的に画定し、混合流路のそれぞれは、ほぼ一定の断面流面積及び旋回ベーン間の流れの向きに沿って増加するアスペクト比を有する。

[007] 本明細書に組み込まれて一部をなす添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を図示するものであり、明細書とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。

本発明によるガスタービン缶型燃焼器の概略断面図である。 旋回ベーンを含む図１の燃焼器の混合装置の詳細である。 図１の燃焼器の旋回ベーンの設計特性を示す軸線方向概略図である。 図１の燃焼器の旋回ベーンの設計特性を示す側部概略図である。 拡散部における流れの剥離を最小化するために空気を入れるための穴を示す、図１の燃焼器の詳細である。

[012] 全体を符号１０で示す本発明の缶型燃焼器は、気体燃料を圧縮機６からの圧縮空気とともに燃焼させ、例えば、ガスタービンエンジン等における仕事生成膨張（work−producing expansion）のため、燃焼ガスをガスタービン８に送達するために使用されることを意図している。図１を参照のこと。圧縮機６は遠心圧縮機であってもよく、ガスタービン８は半径流タービンであってもよいが、これらは単に好適というだけであり、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって画定される本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

[013] 本明細書中で具体化されかつ広範に記載される本発明によれば、缶型燃焼器は、内部と、軸線と、閉鎖された軸線方向端部と、を有するほぼ円筒状のハウジングを含んでもよい。本明細書中で具体化されるように、図１を参照すると、缶型燃焼器１０は、内部１４と、長手方向軸線１６と、閉鎖された軸線方向端部１８と、を有する外部ハウジング１２を含む。ハウジング１２は、軸線１６を中心としたほぼ円筒状の形状であるが、特定の用途の必要に応じて、及び以下に記載される本発明の特定の特徴に適応するため、異なる直径を有するテーパ状及び／又は階段状の部分を含むことができる。

[014] 本発明によれば、燃焼器はまた、ハウジング内に同軸上に配置され、燃焼空気のための各々の半径方向外側通路をハウジングとともに画定するように構成されたほぼ円筒状の燃焼器ライナを含む。ライナは、燃焼領域及び希釈領域のための各々の半径方向内側の容積を画定する。希釈領域は、燃焼領域に対して、閉鎖されたハウジング端部の軸線方向の遠位にあり、燃焼領域は、閉鎖されたハウジング端部に軸線方向に隣接している。

[015] 本明細書中で具体化されるように、引き続き図１を参照すると、燃焼器１０は、軸線１６に対してほぼ同心円状にハウジング１２内に配置された燃焼器ライナ２０を含む。ライナ２０は、衝突冷却及び燃焼空気のために使用される、エンジン圧縮機６から供給される圧縮空気のための外側通路２６をハウジング１２とともに画定するようなサイズに形成されるように構成されてもよい。ライナ２０はまた、希釈空気路２８を部分的に画定する。図１の実施形態では、希釈空気路２８は、ライナ２０の周縁の周りに分配された複数の希釈ポート３０を含む。

[016] ライナ２０の内部は、閉鎖された端部１８に軸線方向に隣接した燃焼領域３２を画定し、燃焼領域３２では、渦流燃焼空気と燃料混合物とが燃焼されて高温燃焼ガスを生成する。閉鎖された端部１８にある混合装置４０（以下に記載される）とともに、ライナ部２０ａは、当業者に公知の手法で、燃焼領域３２の領域３４において安定的な再循環を提供するように構成される。ライナ２０の内部は希釈領域３６をさらに画定する。希釈領域３６では、タービン８内における仕事生成膨張前に、燃焼ガスの温度を低下させるために燃焼ガスが希釈ポート３０からの希釈空気と混合される。

[017] また、本発明によれば、燃焼器は、燃焼空気の少なくとも一部を気体燃料と混合するための複数のベーンを有する装置を含み、混合装置は、生じた燃料／空気混合物を燃焼領域に入れるための出口を有する。本明細書中で具体化されるように、引き続き図１に注目すると、混合装置４０は、旋回プレート４２の周縁の周りに配置された複数の旋回ベーン４４を有する旋回プレート４２並びに混合装置の入口４６及び出口４８を含む。各ベーン４４は、前縁６８と、後縁７０と、上部７２と、底部７４と、を有する。図４を参照のこと。混合装置４０は、さらに、複数のノズル５０を含み、そのそれぞれは、気体燃料を噴射するための複数のオリフィス５２を有することが好ましい。当業者が理解するように、ノズル５０は、燃料供給部５４から適切なバルブ式連結部及びチャネルを通じて制御可能に供給される。

[018] ここで図２〜図４を参照すると、旋回ベーン４４は、好ましくは、α_２のテーパ角度を有する空気力学的形状であり、剥離のない良好な燃料／空気混合を燃焼空気通路６０に提供するために周方向に離間している。具体的には、通路６０は、隣接するベーン同士の間に一定の断面流面積６２を有するように構成されているが、それぞれベーン前縁６８及びベーン後縁７０に隣接している（図３を参照のこと）通路入口６４から通路出口６６までのベーン長さに沿って、通路幅Ｗに対する通路高さＨの変化するアスペクト比を有する。好ましくは、アスペクト比は、通路入口６４における約１．５から通路出口６６における約４．５までの範囲である。

[019] さらに、図２に最も良く見られるように、各ベーン４４はベーンの対向側部４４ａ、４４ｂ内に凹んだ状態で配置された一対のノズル５０を有する。各ノズルは、ベーン前縁６８の近位にあり、各々の通路６０に向けられた複数のオリフィス５２を有する。ノズル５０は、例えば、様々な気体燃料に適応するため、又は修理のため様々なオリフィスサイズを有するノズルと交換できるように構成されることができる。また、図４に最も良く見られるように、前方ベーン縁６８は、好ましくは、入ってくる燃焼空気をより良好に受け取るために軸線方向１６ａに対して角度βに設定される。図４に示されるように、角度βは、入ってくる空気の方向に対して直角になるように設定されてもよい。

[020] 表１は、図３及び図４における記述に関する、ベーン４４の形状及び向きの設
計パラメータ範囲の特に好ましい組を示す。

[021] さらに、本明細書中で具体化されて広範に記載される本発明によれば、缶型燃焼器は、ハウジングと燃焼ライナとの間に同軸上に配置されて、閉鎖されたハウジング端部から燃焼領域のかなりの長さにわたって軸線方向に延在する衝突冷却スリーブをさらに含んでもよい。衝突冷却スリーブは、衝突冷却のため、燃焼器ライナの、燃焼領域を画定する部分の半径方向外側表面に対して燃焼空気を案内するためのサイズに形成されて分配された複数の孔を有してもよい。

[022] 本明細書中で具体化されるように、図１を参照すると、ハウジング１２とライナ２０との間に同軸上に配置された衝突冷却スリーブ８０が示される。衝突冷却スリーブ８０は、ライナ２０の、燃焼領域３２を画定する部分に沿って、閉鎖された端部１８に隣接する位置から、希釈ポート３０の近位ではあるが燃焼ガスの軸線方向の流れに対して希釈ポート３０の上流側の位置まで軸線方向に延在する。スリーブ８０は、スリーブ８０の周りに周方向に分配され、通路２６内の燃焼空気を燃焼領域３２の近接したライナ２０の外部表面に対して案内するように構成されて配向される複数の衝突冷却オリフィス８２を含む。衝突冷却スリーブ８０の形状は、スリーブ端部８４から、スリーブ８０を横断した後の燃焼空気流のための出口領域を備えるとともに衝突冷却されるライナ表面８８を有するスリーブ端部８６まで増加する直径を有する円錐台形を得るために軸線方向にテーパ状であることが好ましい。スリーブ端部８４は、好ましくは、燃焼空気が衝突冷却オリフィス８２を横断した後、通路２６内の燃焼／衝突冷却空気を希釈空気路２８から密閉するように構成されている。

[023] 重要なことに、図１に示す実施形態では、最終的に燃焼領域３２に入れられる燃焼空気のほぼすべて、つまり、不可避の漏れ以外は、まず衝突スリーブ８０のオリフィス８２を通過して冷却を提供する。燃焼空気は、低ＮＯｘ構成において、缶型燃焼器に供給される（燃焼空気に希釈空気を加えた）合計空気の約４５〜５５％を含んでもよい。

[024] さらに本明細書中で具体化されて広範に記載される本発明によれば、缶型燃焼器は、燃焼空気を衝突冷却スリーブの下流側の出口領域から混合装置の入口まで導くための装置を含む。チャネリング装置は、流れの剥離を防ぐように構成されており、入口流領域と出口流領域とを有する拡散部を含み、出口流領域と入口流領域との比率は１．３〜１．５の範囲であるか、それを超える。

[025] 本明細書中で具体化されるように、図１を参照すると、チャネリング装置９０は、拡散部９２と案内部９４とを含み、その両方が燃焼空気流路２６の連続的な部分を含む。拡散部９２は、スリーブ出口領域８６の下流側の位置「Ａ」と、内側に湾曲した案内部９４の起端である位置「Ｂ」との間に延在する。案内部９４は、さらには、位置「Ｂ」から旋回ベーン４４の前縁６８の近傍にある混合装置４０の入口４６まで延在する。案内部９４は、燃焼空気を軸線１６及び混合装置入口４６に向かって内側に回転する機能を果たし、大きな曲率半径を有する、ハウジング１の滑らかに湾曲した内部表面９６及び旋回プレート４２の表面４２ａを使用することにより流れの剥離が最小限になっている。図１に示されるように、案内部表面９６は、好ましくは、急な段差及び流れの剥離の可能性を防止するため、前縁６８の位置において旋回プレート表面４２ａと同じ外径及び曲率を有するように構成されるべきである。

[026] 特に、以下の関係を満たす曲率半径ｒを使用することが好ましい場合がある。

ここで、Ｈ_１は、ベーン４４の後縁７０における高さであり、Ｒ_１は、案内部９４の起端（位置Ｂ）における、軸線１６からハウジング１８の内部表面９６までの半径方向距離である。図１及び図４を参照のこと。また、ベーン４４及び旋回プレート４２が、空気と燃料との混合物が軸線１６に対する接線方向（±３°以内）において旋回ベーン４４を出るように構成されることが特に好ましい場合がある。これは、空気と燃料との混合物のための最長の流れ通路を提供し、これがより均質な混合物を提供する。この特徴は、旋回ベーン通路の変化するアスペクト比により可能にされている。

[027] 拡散部９２に戻ると、示される実施形態における拡散部流れ領域９８は、位置「Ａ」と位置「Ｂ」との間の、ハウジング１４の円錐形の内部表面１００と、環状の離間部材１０２の壁１１４の円錐形の外部表面１０４との間の空間である。これら２つの円錐表面は、拡散部入口（位置「Ａ」）から拡散部出口（位置「Ｂ」）まで連続的に増加する環状の拡散部流れ領域を提供するようなサイズに作られて構成されるとともに、滑らかな、連続的な拡張により、１．３〜１．５の範囲の、出口流領域と入口流領域との膨張比を提供するようなサイズに形成されて構成される。結果として生じた平均速度の低下により、混合装置４０に入る燃焼空気とノズル５０から噴射される燃料との間のより最適な速度比が提供され、従って、より均一な混合が提供されてもよい。

[028] 当業者であれば、上記から、所望の膨張比を提供するためには、拡散部９２を画定する表面の構成は双方とも円錐形である必要はないことを理解するであろう。つまり、環状の離間部材１０２の外部表面１０４を有する壁１１４を円筒状とすることができる一方で、ハウジング１４の拡散部４２の内部表面１００を円錐形とすることができる、又は、この逆とすることができる。これらの代替形態のそれぞれによって、半径方向によりコンパクトな燃焼器を生じうるが、それぞれにおいて、混合装置の入口４６の近位でのより急な回転（小さな曲率半径）のために、案内部９４における油圧損失の重大度が増加するため好適でない場合がある。図１の実施形態では、拡散部９２を通る大量の燃焼空気流は軸線１６からわずかに離れているが、案内部９４を通る流れは軸線１６の方に向かっており、延在する案内部長さにわたって回転のほとんどを滑らかに達成することができるため、混合装置の入口において急にならない。旋回ベーン通路６０の上境界を提供する皿形の湾曲した混合プレート表面４２ａもまた、燃焼空気の回転を補助する。

[029] また、再循環された燃焼ガスが高い熱負荷を生成することができる場合、拡散部９２からの燃焼空気のわずかな部分（約１４％）が、ライナ２０の「ヘッド」端部、すなわち、燃焼領域の部分３４を取り囲むライナ部２０ａを冷却するために使用されることが好ましい場合がある。図１の実施形態では、環状の部材１０２は内壁１０６で構成されうる。内壁１０６は、ライナ部２０ａから離間し、案内される衝突冷却孔１０８が設けられている。図１の実施形態では、ライナ部２０ａを衝突冷却するための燃焼空気は外壁１１４の孔１１２を通じて環状の部材１０２に入る。

[030] さらに、図１に最も良く見られるように、環状の部材１０２の上壁１１６は、旋回ベーン４４に当接し、旋回ベーン通路６０の底部部分を画定する。

[031] 拡散部入口Ａにおける流れの剥離を防止するため、燃焼空気の別のわずかな部分（約１％）を使用することがさらに好ましい場合もある。図５に最も良く見られるように、衝突スリーブ８０は、段差１２０の原因となるフランジ付き連結部によりハウジング１４に捕捉されている。段差１２０における流れ領域の急な拡張に起因する流れの剥離を防止するため、抽気穴１２２が段差１２０内に設けられ、衝突スリーブ８０の上流側の通路２６から燃焼空気が供給される。

[032] 上記の缶型燃焼器の特徴のため、及び上述した旋回ベーンへのより均一な空気流の利点に加え、缶型燃焼器は、旋回ベーンにおけるより均一な予混合、従って、特定のＮＯｘ及びＣＯ基準に対してより高い有効な燃料空気比を提供してもよい。また、上記の缶型燃焼器は、より安定的な再循環パターンの提供という点において安定燃焼のより大きな余地を提供してもよく、また、タービンに送られる燃焼生成物の温度偏差（「分散」）を最小にしてもよい。最後に、上に開示した缶型燃焼器はまた、冷却空気の有効性を最大にしてもよく、最適なライナ壁金属温度を提供してもよい。

[033] 本明細書中に含まれる教示から逸脱することなく開示された衝突冷却される缶型燃焼器に種々の変更及び変形を施すことができることは当業者には明らかであろう。実施形態は本明細書の考察及び開示された装置の実施により当業者には明らかとなるであろうが、明細書及び実施例は単に例示的なものであるとみなされることを意図しており、実際の範囲は以下の特許請求の範囲及びこれら均等物によって示される。

Claims (8)

1. ガスタービン用の気体燃料缶型燃焼器であって、
   内部と、軸線と、閉鎖された端部と、を有する円筒状の外部ハウジングと、
   前記外部ハウジングの前記内部内に同軸上に配置され、燃焼空気のための半径方向外側流路を前記外部ハウジングとともに画定する円筒状の燃焼器ライナであって、前記外部ハウジングの前記閉鎖された端部の近位に燃焼領域のための半径方向内側容積を画定する内部を有する、円筒状の燃焼器ライナと、
   前記外部ハウジングの前記閉鎖された端部に配置された複数の旋回ベーンを含む混合装置であって、前記混合装置が、前記半径方向外側流路と流れ連通している入口と、前記燃焼領域と流れ連通している軸線方向に向けられた出口と、を有し、前記旋回ベーンが、前記軸線に垂直な平面内で前記軸線を中心として周方向に離間して配置されている、混合装置と、
   気体燃料を送達するため、前記半径方向外側流路から受け入れた燃焼空気と混合するための前記旋回ベーンの近位にある前記混合装置に作動的に連結された気体燃料供給システムと、を備え、
   前記周方向に離間した前記旋回ベーンのうちで隣接する前記旋回ベーン同士が、半径方向内側に向けられた混合流路を部分的に画定し、
   前記混合流路のそれぞれが、一定の断面流面積と、前記旋回ベーン間の流れの向きに沿って増加するアスペクト比と、を有する、缶型燃焼器。
2. 前記アスペクト比が、各混合流路の起端における１．５から４．５まで及び各混合流路の端部まで増加する、請求項１に記載の缶型燃焼器。
3. 前記外部ハウジングの前記閉鎖された端部が、前記旋回ベーンを取り付けるための、前記軸線に対して垂直に配置されたプレート部材を含み、前記プレート部材が、前記燃焼空気の流れの半径方向内側方向への回転を促進する、湾曲した皿形の取り付け表面を有する、請求項１に記載の缶型燃焼器。
4. 前記混合装置の前記入口における前記半径方向外側流路内の前記燃焼空気の流れの方向が少なくとも部分的に軸線方向であり、前記旋回ベーンが各々の前縁を有し、各々の前記前縁は、前記軸線に対して所定の角度で配向され、前記混合装置の前記入口における前記燃焼空気の流れの方向に対して垂直である、請求項１に記載の缶型燃焼器。
5. 前記気体燃料供給システムが複数のノズルを含み、各前記ノズルが、燃料を噴射するための１つ又は複数のオリフィスを有し、前記ノズルが、前記混合流路の各々の起端の近位にある前記混合装置に脱着可能に取り付けられている、請求項１に記載の缶型燃焼器。
6. 一対の前記複数のノズルが、前記旋回ベーンの前縁に隣接する各前記旋回ベーンの対向壁に形成された凹部内に取り付けられている、請求項５に記載の缶型燃焼器。
7. 前記旋回ベーンが、前記軸線に対して実質的に接線方向で前記混合流路を出る燃料／空気混合物を案内する、請求項１に記載の缶型燃焼器。
8. 空気圧縮機とガスタービンとの間で作動的に相互連結された、請求項１に記載の缶型燃焼器を含むガスタービンエンジン。

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