JP2010539438A - 二次燃料供給システム - Google Patents

Abstract

燃焼機関の一次燃料領域の下流において、燃焼機関の移行部内に配置された二次燃焼ゾーンに燃料及び／または希釈剤の二次流を供給するための二次燃料供給システムが開示される。このシステムには、移行部と一体形成されて、その一部を包囲するマニホルドと、マニホルド吸込み口と、噴射ノズルの集合が含まれている。フロースリーブが燃料／希釈剤の流速を増し、システムの冷却有効性を改善する。移行部境界内に配置された噴出冷却孔と熱応力の蓄積に耐える熱応力放出ギャップを含む受動的冷却要素によって、重要な領域の補助的な放熱が施される。このシステムによれば、移行部の全長に沿って配置された二次燃焼ゾーンに二次燃料／希釈剤混合物が供給され、その一方で、移行部内で見受けられる高振動レベルの影響が低減し、従来の振動低減法に付随することが多い放熱問題が回避される。
【選択図】図３

Description

関連出願の引用
本発明は、「Ｆｕｅｌ Ｍａｎｉｆｏｌｄ ｆｏｒ Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｔａｇｅｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国仮出願第６０／９７２，４０５号に対する優先権を主張するものである。本発明は、同様に、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｕｅｌ」と題する米国仮出願第６０／９７２，３９５号に対する優先権を主張する、２００８年８月２０日に出願の「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｕｅｌ」と題する米国特許出願第１２／１９４，６１１号の一部継続出願でもある。これら上述の出願は本書において引用例として援用される。

連邦政府支援による開発に関する声明
本発明の開発は、米国エネルギ省が発注した契約第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４号によって部分的に支援されている。従って、米国政府は本発明に一定の権利を有するものとする。

本発明は、一般に、軸方向多段燃焼器の分野に関するものであり、とりわけ、振動減衰及び冷却装置が改善された二次燃料供給システムに関するものである。

燃焼機関は、燃料に貯えられた化学エネルギを、発電、推力の発生、または、別様の働きをするのに役立つ機械的エネルギに変換する機械である。これらの機関には、一般に、何らかの形でこのエネルギ変換プロセスに役立ついくつかの協働セクションが含まれている。ガスタービンエンジンの場合、圧縮機セクションから排出される空気と燃料供給源から注入される燃料を燃焼セクションで混合して、燃焼させる。燃焼生成物は活用され、タービンセクションに通されて、そこで膨張し、中央部のロータを回転させる。

さまざまな燃焼器の設計が存在し、ある特定の機関に適合するように、また所望の性能特性を実現するためにさまざまな設計が選択されている。燃焼器設計の１つには、中央パイロットノズルと、パイロットノズルのまわりを円周方向に配置されたいくつかの主燃料噴射ノズル（不図示）が含まれている。その設計の場合、ノズルは、パイロット火炎ゾーンと混合領域を形成するように配置される。動作中、パイロットノズルはパイロット火炎ゾーンを中心とする安定した火炎を発生し、一方、主ノズルは上述の混合領域において燃料と空気の混合流を発生する。燃料と空気の混合流は、混合領域から出て、パイロット火炎ゾーンを通過し、主燃料ゾーンに流入するが、そこでさらなる燃焼が生じる。燃焼中に放出されたエネルギは下流の構成要素によって捕獲され、電気を発生するかまたは別様の働きをする。

ガスタービンによって生じる主な大気汚染物質は、窒素酸化物、一酸化炭素、及び、未燃炭化水素である。もう何年もの間、典型的な燃焼器には、圧縮機セクションからの圧縮空気と共に燃料を燃焼室に注入するため、その前方端に一次噴射システムが含まれている。一般に、燃料と空気は予混合しておき、その後で点火装置に注入して、燃焼室の全長に沿って進み、移行部を通って、第１のタービン動翼列に達する流動燃焼流を生じるようにする。こうした単一部位噴射システムにおける問題の１つは、常に燃焼温度と燃焼器の効率の間でバランスをとる必要があるという点である。燃焼中に放出されるエネルギ量は、燃焼が生じる温度を含む多くの要因の結果であり、一般に、燃焼温度が上昇すると、エネルギの放出が増大することになる。しかしながら、燃焼温度が上昇すると、エネルギ準位が増す可能性があるが、それによって窒素酸化物（ＮＯｘ）のような望ましくない排出物生成の増大を含むおもわしくない結果を生じる可能性もあり、これに関して総合的なレベルは高温で費やされる時間の長さに直接関連している。一般には高温によって燃焼効率が高くなるが、ＮＯｘのレベルも高くなる。

最近になって、二次燃料を燃焼器に注入する燃焼器が開発されている。例えば、先行技術文献には、それらの全てに、燃焼器の全長に沿って進む圧縮空気流に一次噴射源の下流で二次空気／燃料混合物を注入するための二次燃料噴射システムが開示されているものがある（例えば、特許文献１、２、３、及び、４参照）。これらのシステムでは、燃焼プロセスの遅い時点で燃料を注入し、一次燃料に対する付加燃料の滞留時間を短縮することによって、また、一次噴射部で付加する燃料を少なくして全体的に低い燃焼温度を保つことによって少なくともＮＯｘレベルをある程度低下させる。しかしながら、これらの進歩があったとしても、移行部のような機関のいくつかのセクションで見受けられる過剰な振動レベルに対処するように特に設計された二次燃料供給システムが依然として必要とされている。移行部は、例えば、二次燃料供給システムを取り付けるのが困難な場所である可能性がある。というのは、移行部はとりわけ高い振動レベルになりやすく、既知の二次燃料供給システムを配置すると、もし対処しなければ過度の摩耗をもたらし、早期故障を生じさせる可能性のある力にそれらのシステムをさらすことになるためである。構成要素の質量を増して、剛性を改善するといった伝統的な振動低減方法を用いると、そのかさが増すことによって、冷却が困難になるだけではなく、流路の微妙な空気力学特性にも支障をきたし、効率の総合損失及び／または性能問題を生じることになるので、移行セクションに適用する場合にはさらなる困難を提起する。従って、一次燃焼ゾーンの下流の移行部の二次燃焼領域に燃料及び／または希釈剤を供給するだけではなく、高振動レベルに対処し、その一方で二次燃焼ゾーンを囲む領域の十分な冷却も維持する燃料供給システムが依然として必要とされている。

米国特許第６，０４７，５５０号明細書 米国特許第６，１９２，６８８号明細書 米国特許第６，４１８，７２５号明細書 米国特許第６，８６８，６７６号明細書

従って、本発明の目的は、能動的放熱装置と、該システムを協働して冷却する流速増加要素を含む二次燃料／希釈剤供給システムを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、動作中の繰返し負荷によって生じる熱応力に耐える熱応力放散ギャップと共に、重要な領域に補助放熱を施す受動的冷却要素を含む二次燃料／希釈剤供給システムを提供することにある。

本発明は、燃焼機関内の一次燃焼ゾーンの下流にある二次燃焼ゾーンに燃料を供給するのに適した振動減衰及び放熱装置を備えた二次燃料／希釈剤供給システムである。このシステムには、１つの燃料／希釈剤吸込み口及び複数の二次燃料／希釈剤調合噴射器と共に、一体化された燃料／希釈剤マニホルドセクションを備える１つの移行部が含まれている。このマニホルドセクションには、流速増加要素と共に働き、協働してシステムを冷却する能動的放熱装置が含まれている。マニホルドセクションには、動作中の繰返し負荷に関連した熱応力蓄積傾向に耐える熱応力放散ギャップと共に、重要な領域に補助放熱を施す受動的冷却要素を含むことも可能である。

この構成によれば、移行部の全長に沿って配置された二次燃焼ゾーンに二次燃料／希釈剤混合物が有効に供給され、その一方で、移行部内で見受けられる高振動レベルの影響が低減し、従来の振動低減法に付随することが多い放熱の問題が回避されることになる。

本発明の他の目的及び利点については、説明及び例証のため本発明のいくつかの実施形態が示された添付の図面に関連してなされる下記の解説から明らかになるであろう。図面は本明細書の一部をなすものであり、本発明の典型的な実施形態を含んでおり、そのさまざまな目的及び特徴を明らかにする。

本発明の二次燃料供給システムを利用することが可能な燃焼機関の略図である。 本発明の二次燃料供給システムを用いた燃焼器の部分切取側面図である。 図２の切断線３−３に沿って描かれた本発明のマニホルドの断面図である。 図３の切断線４−４に沿って描かれた本発明のマニホルドの断面図である。

ここで、本発明の二次燃料供給システム１１０が示された図について概括的に言及することにする。図２、３、及び、４に示すように、この燃料供給システム１１０は、とりわけ、不図示の関連するタービンエンジンの動作中におけるＮＯｘ排出レベルを低下させる方法として、一次燃焼ゾーン４８の下流で移行部１１６内に配置された二次燃焼ゾーン１１４に燃料及び／または希釈剤の二次流１１２を供給するのに特に適している。概括のため、図３についてさらに言及すると、二次燃料供給システム１１０には、移行部１１６のまわりで円周方向に配置されたマニホルド１２２と、二次供給される燃料１２８及び／または希釈剤１３０をマニホルド主空洞１３６に流入させるマニホルド吸込み口１３４と、移行部１１６の内部領域１３２に配置された二次燃焼ゾーン１１４に燃料及び／または希釈剤を送り込むための複数の長いノズル１２４及び短いノズル１２６が含まれている。より詳細に後述するように、十分に配慮して配置されたフロースリーブ１４６によって、吸込み口１３４から離れた複数の重要な位置におけるマニホルド１２２の燃料／希釈剤流速を、移行部に十分な冷却を施すのに有効なレベルに維持することが確実になる。

特に図３を参照すると、マニホルド１２２は、移行部１１６の境界壁１２３と一体になるように形成されている。マニホルド１２２を移行部１１６と一体化することによって、本発明の移行部は製造しやすくなり、燃焼器の音響的及び機械的振動によって生じるモーダル励振に耐性を示すようになる。しかしながら、振動を減衰させるのにマニホルド１２２と移行部１１６を一体化する必要はないことに留意されたい。 − 即ち、マニホルド１２２と移行部１１６が、二次燃焼領域１１４を囲む移行部とほぼ同じレベルの剛性をマニホルドに生じさせるのに十分なほど接触している限りにおいて、マニホルドの半径方向の内側境界１３８が個別要素である構成でも十分である。

図３を引き続き参照すると、マニホルド１２２の半径方向の内側の壁または境界１３８は、噴射ノズル１２４、１２６が挿入される一連の取り付け穴１４０を有することを特徴とする。噴射ノズル１２４、１２６は、必要に応じて互いに間隔をあけて配置することが可能である。実施形態の１つでは、二次噴射器は互いに等間隔をあけて配置されている。マニホルド１２２の半径方向の外側境界またはカバー１４２には、必要に応じて、取り外すとノズル１２４、１２６に手の届く点検口１４４が含まれている。ノズル１２４、１２６及び取付け穴１４０には、ノズルのねじ込みタイプの取り付けを可能にするぴったりと合うネジ山も含まれている。こうして、これらのノズルは、必要に応じて交換するかあるいは移動させて、さまざまな周方向の異なる流れ形状または機関動作条件に適応することが可能である。簡単に取外し可能な取付けが必要とされないかまたは要求されない用途には、溶接またはろう付けといった他の取り付け方法でも十分である。

本発明の態様の１つによれば、点検口１４４は、マニホルドの内側領域１３８と外側領域１４２の間の熱膨張差によって誘発される熱応力を低減するのに役立つグループをなすように形成されている。移行部の内側領域１３２と移行部の外側領域１４８との温度差は、動作中に顕著になる可能性があり、マニホルド１２２本体に対してかなりの熱応力を生じる可能性がある。例えば、移行部１１６の二次燃焼ゾーン１１４内の温度は、約１５００°Ｆ〜約１８００°Ｆの範囲にわたる可能性があり、一方、移行部１１６の外部の温度は、約７００°Ｆ〜約９００°Ｆ、一般的には約８００°Ｆになる可能性がある。望ましい構成の場合、点検口はそれぞれ３つからなるグループをなすように構成され、それらのグループは放熱ギャップ１５０によって間隔をあけて配置されている。これら放熱ギャップ１５０は、二次燃料供給システム１１０が動作中におけるより長時間の繰返し熱負荷に耐えるのを助ける。放熱ギャップ１５０は、さまざまな方法で形成することが可能である。例えば、マニホルドの外側カバー１４２に、それぞれが複数の噴射器を覆うように配置するのに適した複数のセグメント１５２を備えることが可能であり、マニホルドの外側カバー１４２の各隣接セグメント１５２間にギャップ１５０が形成される。ギャップ１５０は、マニホルドの形成時にマニホルド１２２に直接機械加工することも可能である。噴射器１２４、１２６、及び、マニホルド１２２は、ハステロイＸ（登録商標）、ニッケル−クロム−鉄−モリブデン合金、または、任意の他の適合する高温材料または金属合金から製造することが可能である。点検口１４４はそれぞれ３つからなるグループをなすように構成する必要はなく、放熱ギャップ１５０は、マニホルドのまわりに均等に配置する必要はなく、特定の機関設計の冷却要件によっては完全に省略することも可能であるという点に留意されたい。

図３に示すように、マニホルド吸込み口１３４は、二次燃料１２８及び／または希釈剤１３０の流れ１１２を受け入れて、噴射器１２４、１２６に対する流れを生じるように構成されている。二次燃料１１２は、不図示の一次燃料源と同じかまたはそれとは別個のものとすることが可能な不図示の任意の適合する供給源から延びている管路によって供給することが可能である。希釈剤１３０は、後述する理由から、空気、蒸気、または、窒素のような不活性ガスを含むさまざまな材料とすることが可能である。二次燃料１２８及び任意の添加材料１３０は、その流れを不図示のミキサまたは旋回羽根に通すことによって吸込み口１３４への流入前に予混合することもできるし、あるいは、マニホルド１２２内に別個に注入して、混合することも可能である。

動作中、燃料及び／または希釈剤流は、マニホルド吸込み口１３４を通ってマニホルド内部空洞１２５に流入し、二次燃焼ゾーン１１４へ流入する前に、ノズル１２４、１２６、及び、移行部１１６に対する冷却剤の働きをする。このため、図３及び４に詳細に示すように、流れ加速フロースリーブ１４６がマニホルド吸込み口１３４とほぼ反対側の位置にあるマニホルド１２２の領域１５６に十分に配慮して配置され、流速が移行部冷却を施すのに有効なレベルに確実に保たれるようになっている。フロースリーブ１４６は、マニホルド１２２の半径方向の内側壁１３８に対してほぼ平行に向けられた阻止帯１６０によって間隔をあけられた対向側板１５８を備える周方向に弓状の鉢形状に似ていることが望ましい。動作中、燃料及び／または希釈剤流（または他の流体）が、マニホルドの半径方向の内側境界１３８と阻止帯１６０の間を流れる。噴射ノズル１２４、１２６は、フロースリーブ阻止帯１６０に配置された貫通口１６６を通って延びており、貫通口１６６には、二次燃料／希釈剤流１１２が、ノズル１２４、１２６の外部に沿って半径方向の外側に流れて、マニホルドの半径方向の内側境界１３８及び阻止帯１６０から離れ、次に方向を変えて、ノズルに流入し、それを通過した後、マニホルドを出て、二次燃焼ゾーン１１４に入り込むことができるようにするサイズが付与されている。フロースリーブ１４６が占めている領域内に結果生じる対流熱伝達の増大によって、この領域における温度勾配が小さくなり、その結果、熱機械応力が低減する。さらに、フロースリーブ１４６が占めている領域を通過する流体の速度が増すことによって、その領域の熱伝達特性が改善され、十分な冷却が確保される。フロースリーブ１４６がなければ、マニホルド吸込み口の反対側にあるマニホルド１２２の部分は、燃料−希釈剤質量流量がこの領域１５６において最小になるので、おそらく熱機械応力を受けることになるであろうし、またおそらくは、十分に冷却されなければ、構成要素の材料限界に達するかまたはそれを超えることになり、故障を生じる可能性がある。この実施形態の場合、フロースリーブが占めている領域１５６は、中心がマニホルド吸込み口１３４から周方向に約１８０度離れた位置にあり、円弧に沿って約１２０度の長さにわたって延びているが、わずか約１０度の狭さにすることも可能である。

上述のフレア状のまたは鉢形状に似たフロースリーブ形状によって、フロースリーブの容積が増すが、マニホルドは比較的薄型に保たれるので、マニホルドの流れ加速効率が高くなるという点に留意されたい。マニホルドの周方向スパンに沿った望ましい流れ阻止度に応じて、輪郭加工を施すかまたは半径方向に整列させたフロースリーブ側板１５８といった他の構成を利用することも可能である。上述のように、フロースリーブ１４６は、周方向に弓形をなすように示されているが、フロースリーブをマニホルド内にぴったりとはめ込むことができるようにし、要求どおりに燃料及び／または希釈剤の二次流１１２を加速するのに十分な容積を与える任意の形状をとることも可能である。フロースリーブ１４６が占める容積は一様である必要はなく、一般に吸込み口１３４からの流れ距離に応じて拡大して、この距離に応じて強まる流速損失傾向を補償する。フロースリーブ１４６が占めている容積は、非加速流では十分な自然冷却ができない領域において十分な冷却を施すために要求される流量増加量に比例する。フロースリーブ１４６は、マニホルド１５２内のさまざまな周方向位置に取り付けることができ、フリースリーブの望ましい位置は用途毎に変わる可能性があるが、フロースリーブ１４６は、ある領域の流速がマニホルド吸込み口１３４のすぐ近くでの公称流速（Ｖｎ）の約６０％未満の場合に適しており、フロースリーブ側板１５８、阻止帯１６０、及び、貫通口１６６の最適寸法は、フロースリーブ１４６が占めている領域の流量（流速）が吸込み口の近くの公称流速Ｖｎの約６５％〜１２０％になるようになっている。公称流速Ｖｎを超えるまで加速することは、移行部内部との間の温度勾配が平均より大きい場合の特に長い流れ距離、または、二次燃料／希釈剤流１１２が放熱能力の低下を示す他の設定の用途において役立つことになる。というのは、これらの領域で大幅に加速された流れによって、さらに乱流が強まり、冷却が促進されることになる。

また、図４をさらに参照すると、移行部１１６は、空気が二次燃焼ゾーン１１４のまわりを回って、その中に流入し、それによって移行部本体を冷却できるようにするために配置された複数の噴出冷却孔１６８を備えることが可能である。噴出孔１６８は約５〜約４５度の角度で、ある実施形態では約１０度の角度で配置することもできるし、あるいは、移行部本体の冷却を可能にするのに適した任意の他の角度にすることも可能である。

理解すべきは、本発明のいくつかの形態について例示及び解説してきたが、本発明が、本書で解説され、示された部分の特定の形態または構成に限定されることはないという点である。当該技術者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、修正、再構成、及び、置換を含むさまざまな変更を施すことが可能であり、本発明は、図面に示され、明細書で説明されたものに限定されるとみなすべきではない。本発明の範囲は、請求項によって定義される。

４８ 一次燃焼ゾーン
１１０ 二次燃料供給システム
１１２ 燃料／希釈剤の二次流
１１４ 二次燃焼ゾーン
１１６ 移行部
１２２ マニホルド
１２４ ノズル
１２６ ノズル
１３２ 移行部内部領域
１３４ マニホルド吸込み口
１３６ マニホルド主空洞
１３８ マニホルド内側境界
１４０ 取付け穴
１４２ マニホルド外側カバー
１４４ 点検口
１４６ フロースリーブ
１４８ 移行部外側領域
１５０ 放熱ギャップ
１５２ マニホルド外側カバーセグメント
１５８ フロースリーブ側板
１６０ 阻止帯
１６６ 貫通口
１６８ 噴出冷却孔

Claims (15)

1. 二次燃料供給システムであって、
   二次燃焼ゾーンを囲む細長い境界壁を有し、一次燃焼ゾーンと燃焼機関タービンセクションを流体的につなぐようになっている細長い移行部と、
   マニホルド内部と二次流体源を流体的につなぐようになっている吸込み口を具備し、前記境界壁と一体化して形成されたマニホルドと、
   前記マニホルド内部と前記二次燃焼ゾーンを流体的につなぐ複数の噴射ノズルと、
   非加速の二次流体流速が前記吸込み口の近くで示される前記二次流体流速の約６０％未満になる前記マニホルド内の位置に配置された流れ加速領域と、
   前記吸込み口の近くで示される前記二次流体流速の約６５％〜１２０％のレベルまで前記加速領域内の流体流量を増すようになっている、前記流れ加速領域内に配置されたフロースリーブとを備え、
   それによって前記マニホルドが剛性を増し、前記移行部によって生じる振動に耐性を示すようにし、前記フロースリーブが、流れ方向において前記吸込み口から離れた領域における二次流体冷却効率の損失を補償するようにしてなることを特徴とする、二次燃料供給システム。
2. 前記二次流体が燃料であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記二次流体にさらに希釈剤が含まれることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
4. 前記希釈剤が蒸気であることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
5. 希釈剤が不活性ガスであることを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
6. 前記フロースリーブは、前記ノズルがそれを通って延びている開口を備えた阻止帯を有し、前記開口に、前記二次流体が前記ノズルの外部に沿って半径方向の外側に流れて、マニホルドの半径方向の内側境界から離れ、次に方向を変えて、前記ノズルに流入し、それを通過した後、前記マニホルドを出て、前記二次燃焼ゾーンに入り込むことができるようにしてなるサイズが付与されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
7. 前記フロースリーブは、周方向の長さが約１０度〜１２０度の範囲のスパンにわたって延びる周方向の弓状の鉢をなすことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
8. さらに、前記移行部境界壁内の前記マニホルドに近接した領域に配置された噴出冷却孔を備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
9. 前記冷却孔が、一般に前記移行部境界壁に対して約５〜約４５度の角度で配置されることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
10. 前記マニホルドは、半径方向の外側カバーを有し、前記カバーは、動作中、熱応力を解放するようになっている少なくとも１つの周方向に延びるギャップを有してなることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
11. 前記ノズルの少なくとも１つが前記マニホルドとねじ込み式に係合されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記マニホルドカバーは、さらに、前記ノズルの少なくとも１つに触れることができるようにする少なくとも１つの取外し可能キャップを有することを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
13. 燃焼器であって、
    燃料を含む第１の材料を燃焼させるための一次燃焼室と、
    前記一次燃焼室の下流にあって、燃料を含む第２の材料を噴射するためのマニホルドを具備する移行部とを備え、前記マニホルドは、前記移行部の周辺部まわりに周方向に間隔をあけて配置された複数の噴射器を備えることを特徴とする、燃焼器。
14. 前記マニホルドは、さらに複数のセグメントを有するカバーを備え、前記セグメントのそれぞれは、複数の噴射器を覆うように配置され、前記マニホルドのカバーの各隣接セグメント間にギャップが形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の燃焼室。
15. 前記マニホルドは、さらに環状リングと、前記環状リング内に配置されたフロースリーブとを備え、前記環状リング内に配置された前記フロースリーブの領域において前記環状リングの断面積が縮小されるようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。

Images