JP2007113911A - 段階的燃料予混合器を備える燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮器（１１０）からの圧縮空気の流れ（１５０）と燃料供給源（１６０）からの燃料の流れ（１７０）を混合するための燃焼器（１２０）を提供すること。
【解決手段】燃焼器（１２０）は、圧縮空気の流れ（１５０）と燃料の流れ（１７０）を混合して第１の混合気の流れ（１９０）にするための第１のスワラ（１８０）と、第１のスワラ（１８０）の下流に第２の流れ（２１０）を供給するための第２の流れの供給源（２００）と、第１の混合気の流れ（１９０）と第２の流れ（２１０）を混合するための第２のスワラ（２２０）を備えることができる。
【選択図】図１

Description

本願は一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、段階的燃料噴射器およびスワラを備える、ガスタービンエンジンの燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、流入する空気を圧縮するための圧縮器を備える。この空気は、燃焼ガスを生成するための燃焼器内で、燃料と混合され点火される。この燃焼ガスはタービンへ流れる。タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出してシャフトを駆動する。シャフトは、圧縮器と、一般にはもう１つの発電機などの負荷とに動力を供給する。

燃焼ガスからの排気ガスは関心事になっており、規制を受けている。あるタイプのガスタービンエンジンは、低排気ガス運転、具体的には低ＮＯ_ｘ（窒素酸化物）運転を行い、燃焼ダイナミックスを最小限にし、自動点火／保炎マージンを十分にとるように設計される。低ＮＯ_ｘ燃焼器は一般に、エンジンの周囲に互いに円周方向に隣接するいくつかの缶形バーナの形をしている。各バーナにはスワラを配置することができる。スワラは、そこを通過する圧縮空気と燃料にスワールを形成させ、混合させるように、円周方向に隔置された静翼をいくつか有してもよい。

周知のガスタービンエンジンに関する１つの問題は、燃料／空気の混合気をできるだけ均質にし、燃料／空気の混合気のウォッベ指数をできるだけ一貫したものにする必要があるということである。従来、ウォッベ指数は、燃料を外部加熱することによって制御されている。保炎マージン、自動点火マージンと、燃料および空気を均質に混合する問題は、燃料ノズル旋回翼の角度を変更することによって、かつ／または燃料を空気に導入またはその逆に導入する方法、すなわち直交流または共軸流を使用できる方法を変更することによって部分的に取り組まれてきた。流れが均質になるほど、排気ガスの発生は低下するが、燃焼プロセスの効率を良くすることができる。
米国特許第６１６４０５５号公報

したがって、燃料／空気の混合、燃焼ダイナミックス、ウォッベ制御、および保炎／自動点火マージンを、特に低ＮＯ_ｘ燃焼の文脈において、改良したガスタービンエンジンが望まれる。この混合の改良は、エンジン効率の損失無しに成し遂げられるべきである。

したがって、本願では、圧縮器からの圧縮空気の流れと燃料供給源からの燃料の流れを混合するための燃焼器について説明する。燃焼器は、圧縮空気の流れと燃料の流れを混合して第１の混合気の流れにするための第１のスワラと、第１のスワラの下流に第２の流れを供給するための第２の流れの供給源と、第１の混合気の流れと第２の流れを混合するための第２のスワラを備えることができる。

第２の流れは第２の燃料の流れを含んでもよく、第２の流れ供給源は燃料噴射器を備えることができる。第２の流れは第２の圧縮空気の流れを含んでもよく、第２の流れ供給源は圧縮空気の供給源を含むことができる。第１の混合気の流れは、約ゼロ（０）〜約２分の１（０．５）（低）または約１（１．０）〜１．３（高）の当量比を有することができ、不燃性の混合気になり得る。第２の混合気の流れは、第２のスワラから出る。第２の混合気の流れは、約２分の１（０．５）〜約１（１）の当量比を有することができ、可燃性の混合気になり得る。

本願では、圧縮器からの圧縮空気の流れと燃料供給源からの燃料の流れを混合する方法について説明する。この方法は、第１のスワラ内で圧縮空気の流れと燃料の流れを混合して第１の混合気の流れにする段階と、第１のスワラの下流に第２の流れを追加する段階と、第２のスワラ内で第１の混合気の流れと第２の流れを混合する段階を含むことができる。

第２の流れは、第２の燃料の流れおよび／または圧縮空気の流れを含むことができる。第１の混合気の流れは、約ゼロ（０）〜約２分の１（０．５）（低）または約１（１．０）〜１．３（高）の当量比を有することができ、不燃性の混合気とすることができる。第２の混合気の流れは、第２のスワラから出る。第２の混合気の流れは、約２分の１（０．５）〜約１（１）の当量比を有することができ、可燃性の混合気とすることができる。

本願ではさらに、ガスタービンついて説明する。ガスタービンは、圧縮器と、圧縮器の下流に配置された燃焼剤カンを備えることができる。燃焼剤カンは、いくつかのスワラを備えることができる。

スワラは、第１のスワラおよび第２のスワラと、スワラ同士の間に配置された流れの供給源を備えることができる。流れの供給源は、燃料噴射器および／または圧縮空気の供給源を備えることができる。

以下の詳細な説明を、図面および添付の特許請求の範囲と併せて考慮することにより、上記ならびにその他の本願の特徴が当業者には明らかになるであろう。

ここで図面を参照すると、図面を通して同じ部品を同じ参照番号で示すが、図１に、本願で説明するタービンエンジン１００が示されている。タービンエンジン１００は、低ＮＯ_ｘ燃焼器１２０およびタービン１３０と連続的な流れで連通するように配設された圧縮器１１０を備えることができる。本願では、他のタイプの燃焼器１２０を使用してもよい。タービン１３０は、ドライブシャフト１４０を介して圧縮器１１０に結合される。ドライブシャフト１４０はそこから延びて、発電機（図示せず）または他のタイプの外部負荷に動力を供給することができる。動作中、圧縮器１１０は、圧縮空気の流れ１５０を燃焼器１２０内に放出する。燃料噴射器１６０も同様に、燃焼器１２０で混合を行うために、そこに燃料の流れ１７０を送達することができる。燃焼器１２０はいくつかの燃焼剤カン１２５を備えることができ、その１つが図１に示されている。

第１のスワラ１８０は、燃料噴射器１６０と圧縮器１１０の下流の、燃焼剤カン１２５内部に配置することができる。上記のように、第１のスワラ１８０は、圧縮空気の流れ１５０と燃料の流れ１７０にスワールを形成させて流れ１５０と１７０の混合を促進させるように、いくつかの隔置された静翼を備えることができる。第１のスワラ１８０は、従来の設計のものであってもよい。第１の混合気１９０は、第１のスワラ１８０から出ることができる。第１の混合気１９０は、着火範囲の下側より低くできるのが好ましい。例えば、第１の局所的な混合気１９０は、約ゼロ（０）〜約２分の１（０．５）の当量比を有することができる。（これは、燃料が１００％メタンと仮定すると、空燃比０．２９２と等価である。）ただし、第１の混合気１９０は、燃料濃厚（不燃性）、可燃性、または燃料希薄（不燃性）であってもよい。着火性指数より高い比は約１．０〜約１．３になるはずである。この比は一般的に、圧縮器１１０で発生させる空気量によって制御することができる。

燃焼剤カン１２５はまた、第１のスワラ１８０の下流に配置された第２の流れの供給源２００も有する。第２の流れ供給源２００は、第１の混合気１９０内に第２の流れ２１０を噴射することができる。第１の混合気１９０の性質に応じて、第２の流れ供給源２００は、噴射第２の燃料の流れを噴射するための第２の燃料噴射器であってもよく、あるいは第２の流れ供給源２００は、第２の圧縮空気の流れを供給するための圧縮空気の第２の供給源であってもよい。圧縮空気の第２の供給源は、補助圧縮器、加工空気、または同様の供給源を含むことができる。第２の圧縮空気の流れを噴射すると、タービン１３０に入る流れの低位発熱量に影響を与えることができる。あるいは、第２の燃料噴射器および圧縮空気の第２の供給源を両方とも使用してもよい。

燃焼剤カン１２５は、第２の燃料供給源２００の下流に配置された、第２のスワラ２２０を有することができる。第２のスワラ２２０内部で、第１の混合気１９０と第２の流れ２１０にスワールを形成させ、混合することができる。第２のスワラ２２０の構造は、第１のスワラ１８０と同様でよい。第２の混合気２３０は、第２のスワラ２２０から出ることができる。第２の混合気２３０は、引火範囲内にある。第２の混合気２３０は、約２分の１（０．５）〜約１（１）の当量比を有することができる。

２つのスワラ１８０、２２０の使用を示したが、本願では任意の数のスワラ１８０、２００を使用してもよい。追加の燃料または空気の噴射も利用してよい。

第２の混合気２３０は、燃焼ガス２４０を生成するために点火することができる。上記のように、燃焼ガス２４０からのエネルギーは、シャフト１４０を回転させて圧縮器１１０に動力を供給するために、ならびに出力動力を発生させて発電機または他のタイプの外部負荷を駆動するために、タービン１３０で取り出される。

したがって、第１、第２のスワラ１８０、２２０を使用することによって、均質な第２の混合気２３０がもたらされる。その結果、タービンエンジン１００は、効率を良くしながら、全般的に排気ガスの発生を低下させることができる。例えば、タービンエンジン１００は、所与の期間にわたって約３５％の単純サイクル効率で動作させた場合、約９ｐｐｍ（「ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ」１００万分の１）〜約２５ｐｐｍ（１５％Ｏ_２に補正）のＮＯ_ｘ排気ガスを発生させ得る。一酸化炭素および他のタイプの排気ガスもまた、低減させることができる。

上記の説明は、本願の好ましい実施形態だけに関し、以下の特許請求の範囲およびその等価物によって定義される、本発明の全般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更および改変を本願にて行うことができることは明らかであろう。

本願に記載のガスタービンエンジン概略図である。

符号の説明

１００ タービンエンジン
１１０ 圧縮器
１２０ 燃焼器
１２５ 燃焼剤カン
１３０ タービン
１４０ ドライブシャフト
１５０ 圧縮空気の流れ
１６０ 燃料噴射器
１７０ 燃料の流れ
１８０ 第１のスワラ
１９０ 第１の混合気
２００ 第２の流れの供給源
２１０ 第２の流れ
２２０ 第２のスワラ
２３０ 第２の混合気
２４０ 燃焼ガス

Claims (8)

1. 圧縮器（１１０）からの圧縮空気の流れ（１５０）と燃料供給源（１６０）からの燃料の流れ（１７０）を混合するための燃焼器（１２０）であって、
   前記圧縮空気の流れ（１５０）と前記燃料の流れ（１７０）を混合して第１の混合気の流れ（１９０）にするための第１のスワラ（１８０）と、
   前記第１のスワラ（１８０）の下流に第２の流れ（２１０）を供給するための第２の流れの供給源（２００）と、
   前記第１の混合気の流れ（１９０）と前記第２の流れ（２１０）を混合するための第２のスワラ（２２０）とを備える燃焼器（１２０）。
2. 前記第２の流れ（２１０）が、第２の燃料の流れを含む請求項１記載の燃焼器（１２０）。
3. 前記第２の流れ供給源（２００）が燃料噴射器を含む、請求項２記載の燃焼器（１２０）。
4. 前記第２の流れ（２１０）が、第２の圧縮空気の流れを含む、請求項１記載の燃焼器（１２０）。
5. 前記第２の流れ供給源（２００）が、圧縮空気の供給源を含む、請求項４記載の燃焼器（１２０）。
6. 前記第１の混合気の流れ（１９０）が不燃性の混合気を含む、請求項１記載の燃焼器（１２０）。
7. 第２の混合気の流れ（２３０）が第２のスワラから出るように構成され、前記第２の混合気の流れ（２３０）が可燃性の混合気を含む、請求項１記載の燃焼器（１２０）。
8. 圧縮器（１１０）からの圧縮空気の流れ（１５０）と燃料供給源（１６０）からの燃料の流れ（１７０）を混合する方法であって、
   第１のスワラ（１８０）内で前記圧縮空気の流れ（１５０）と前記燃料の流れ（１６０）を混合して第１の混合気の流れ（１９０）にする段階と、
   前記第１のスワラ（１８０）の下流に第２の流れ（２１０）を追加する段階と、
   第２のスワラ（２２０）内で前記第１の混合気の流れ（１９０）と前記第２の流れ（２１０）を混合する段階とを含む方法。

Images