JP5544141B2 - ガスタービンにおける統合型燃焼器−第１段ノズル並びに関連する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関し、より具体的には、ガスタービン用の統合型燃焼器−第１段ノズルに関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、圧縮機セクション、燃焼器セクション及び少なくとも１つのタービンセクションを含む。圧縮機は、空気を加圧し、加圧空気は、燃料と混合されかつ燃焼器に送られる。混合気は次に、点火燃焼されて、高温燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは、タービンに送られ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取出して、圧縮機に動力供給すると同時に、発電機のような負荷に動力供給する有用な仕事を行うようになる。

一般的に、燃焼セクションは、下流のタービンとは別個のものでありかつ該タービンとは分離している。具体的には、缶−アニュラ型設計の場合では、これら２つの部品、つまり燃焼器及びタービンは、燃焼トランジションピース及びタービン第１段ノズルのインタフェースにおいて接合されている。このインタフェースでは、ガス通路内への漏洩を最少にするためにシールの使用を必要としている。それらの漏洩は、同一のタービン吸気温度の場合でも大量の漏洩により燃焼温度の上昇が生じることになるので、エミッション性能（つまり、ＮＯｘ）に悪影響を与える。従って、第１段ノズルをトランジションピース設計に統合することによって、シールを排除しかつ部品数を減少させることが望ましい。

トランジションピース長さ（及び、全体燃焼器長さ）は、完全燃焼（特に、部分出力設定時における）に必要な時間によって決まる。この長さは、通常は長過ぎて、実際にはトランジションピースを第１段ノズルと組合せることはできない（製造上の見通し及びタービン／燃焼器インタフェースの相対的な動きに適応する観点の両方から）。従って、第１段ノズルをトランジションピース設計に統合するためには、燃焼器長さを縮小することが望ましい。

米国特許第４４０９７８７号明細書 米国特許第４４３２２０７号明細書 米国特許第４４４５３３９号明細書 米国特許第４７１９７４８号明細書 米国特許第５２０３７９６号明細書 米国特許第５４９１９７０号明細書 米国特許第５７４９７０１号明細書 米国特許第６０８９０２５号明細書 米国特許第６２２０８１５号明細書 米国特許第６２５００６３号明細書 米国特許第６６３３６２３号明細書 米国特許第６６８０５４９号明細書 米国特許第６８８２０６８号明細書 米国特許第６９７９１１８号明細書 米国特許第６９９３９１６号明細書 米国特許第７０８２７６６号明細書 米国特許第７１８１９１６号明細書 米国特許第７１８５４９４号明細書 米国特許第７２１０２９７号明細書 米国特許第７２７８２６６号明細書 米国特許第７３２０２１３号明細書 米国特許第７３３７０５７号明細書 米国特許第７４４１３９８号明細書 米国特許第７４９０４７１号明細書

本発明の例示的な実施形態では、ガスタービンにおける統合型燃焼器−第１段ノズルは、個別軸方向位置において少なくとも１つの燃料ノズル群から予混合燃料−空気を受ける燃焼チャンバを含む。燃焼チャンバは、高温燃焼ガスをタービンに送給するライナ及びトランジションピースを含む。第１段ノズル、ライナ及びトランジションピースは、単一部品に統合される。１以上の燃料ノズル群の軸方向位置の少なくとも１つは、熱発生を集中させかつ火炎長さを短縮させる複数の小型混合装置を含む。

本発明の別の例示的な実施形態では、本ガスタービンにおける統合型燃焼器−第１段ノズルは、個別軸方向位置において少なくとも１つの燃料ノズル群から予混合燃料−空気を受ける燃焼チャンバを含む。燃焼チャンバは、高温燃焼ガスをタービンに送給するライナ及びトランジションピースを含む。１以上の燃料ノズル群の軸方向位置の少なくとも１つは、熱発生を集中させかつ火炎長さを短縮させる複数の小型混合装置を含む。火炎長さの短縮により、第１段ノズル、ライナ及びトランジションピースを単一部品に統合することが可能になる。

本発明のさらに別の例示的な実施形態では、ガスタービンにおいて燃焼器及び第１段ノズルを統合する方法は、高温燃焼ガスをタービンに送給するライナ及びトランジションピースを含む燃焼チャンバを、個別軸方向位置において少なくとも１つの燃料ノズル群から予混合燃料−空気を受けるように配置するステップと、１以上の燃料ノズル群の軸方向位置の少なくとも１つに、熱発生を集中させかつ火炎長さを短縮させる複数の小型混合装置を設けるステップと、火炎長さの短縮の利点を生かして、第１段ノズル、ライナ及びトランジションピースを単一部品に統合するステップとを含む。

従来型の「長尺型」燃焼器の断面図。 説明した実施形態の「小型」統合型燃焼器の断面図。 燃焼器内に予混合燃料−空気を送給する小型混合器急速混合ノズルの拡大図。 統合型燃焼器−第１段ノズルと第１段バケットとの間のインタフェースの別の実施形態を示す図。 統合型燃焼器−第１段ノズルと第１段バケットとの間のインタフェースの別の実施形態を示す図。 統合型燃焼器−第１段ノズルの斜視図。

図１は、従来技術によるガスタービン用の燃焼器を示しており、ガスタービンは、圧縮機、複数の燃焼器及びタービンを含む。具体的には示していないが、タービンは、共通の軸線に沿って圧縮機に駆動連結される。圧縮機は、吸入空気を加圧し、この加圧空気は次に、燃焼器に向かって逆方向に流され、燃焼器において、加圧空気は、該燃焼器を冷却するためにまた燃焼過程に空気を供給するために使用される。燃焼器１０は、燃焼ゾーンを形成したライナ１２と、該燃焼器の出口端部をタービンの入口端部と連結して高温の燃焼生成物をタービンに送給するトランジションピース１４とを含む。上述したように、燃焼トランジションピース１４及びタービン第１段ノズル間のインタフェースでは、ガス通路内への漏洩を最少にするためにシールの使用を必要とする。この説明した実施形態では、第１段ノズルをトランジションピース設計に統合することを提案している。

図２は、統合型燃焼器−第１段ノズル２０の断面図である。この構造は、個別軸方向位置において少なくとも１つの燃料ノズル群２４から予混合燃料−空気を受ける燃焼チャンバ２２を含む。燃焼チャンバ２２は、第１段ノズル２９を介して高温燃焼ガスをタービンに送給する燃焼ライナ２６及びトランジションピース２８を含む。図２に示すように、第１段ノズル２９、ライナ２６及びトランジションピース２８は、単一部品に統合されている。図６は、このアセンブリの斜視図である。

図３は、１以上の燃料ノズル群２４の軸方向位置の少なくとも１つに設けられた小型混合器急速混合ノズルの拡大図である。小型混合装置３０は、熱発生を集中させかつ特有火炎長さを短縮させるような働きをする。図示するように、この軸方向位置には、３１個の急速混合ノズルが含まれるが、本発明は、この図示した構造に限定されることを意図するものではない。混合要素３０は、ライナ直径（又は、アニュラ型設計の場合にはライナ高さ）の１／３のオーダの長さスケールを有する混合ノズルを使用する従来型の設計と比較して、ライナ直径の１／１０〜１／１００のオーダの長さスケールを有するのが好ましい。小型混合装置３０によって得られた熱発生の集中及び特有火炎長さの短縮により、第１段ノズル２９、ライナ２６及びトランジションピース２８を単一部品に統合し、それによって図１に示す従来技術による「長尺型」燃焼器と比較して図２に示す「小型」燃焼器を形成することが可能になる。

混合要素３０は、多くの最新設計の場合と同様に単一平面内に或いは複数軸方向位置にアレイとして配置することができる。軸方向配置に関係なく、燃焼器は、各軸方向位置についての個々の燃焼器レベルでの燃料制御（装置）を有するように構成される。この局所燃料制御のレベルは、最新設計の性能を低下させるバラツキを最少にするような働きをする。１つの実施形態では、第２段階燃料噴射器３２が、トランジションピース２８内に配置される。これに関連して、燃料制御装置は、１つ又は複数の第１段階燃料噴射器及び１つ又は複数の第２段階燃料噴射器間で燃料流量を制御可能に分割する燃料回路を含む。現在圧倒的に多い全体構成レベルでの燃料制御実施方法ではなくて、個々の燃焼器レベルでの燃料制御を行う。つまり、大半の缶−アニュラ型燃焼器構成では、燃料は、全ての缶を１つの制御弁に連結したマニホルドを介して制御されることになる。それと対照的に、缶レベルでの制御の場合には、各チャンバが、それ自体の制御弁を有する。従って、ガスタービン周りでのマニホルド配管又は空気流分配に固有の非均一性は、各燃焼器に対する燃料流量を調整することによって打ち消すことができ、その結果、全ての缶に対する均一な燃料対空気比を達成することができる。局所燃料制御によってバラツキをなくすことができることにより、複数チャンバアレイを組立てるのに必要となる可能性があったあらゆる付加的長さが排除される。この燃料制御を小型混合装置３０によって得られたコンパクトな熱発生と組合せることにより、ライナ、トランジションピース及び第１段ノズルを単一部品により良好に統合することが可能になる。

図４及び図５は、統合型構造についての別の実施形態を示している。図４では、トランジションピース２８は、第１段タービンバケット（Ｓ１Ｂ）に向けて好適な角度で高温燃焼ガスの流れを導くチョーク端部３４を含む。この実施形態では、トランジションピースのチョーク端部３４は、第１段ノズルとしての働きをする。図５では、トランジションピース２８は、第１段ノズルを囲んで配置された延長シュラウド３６を含み、延長シュラウド及び第１段ノズルは、第１段タービンバケットＳ１Ｂに向けて好適な角度で前記高温燃焼ガスの流れを導く。

本明細書に記載した実施形態は、燃焼器長さを短縮することによって燃焼器をタービンと統合する。燃焼器長さは、熱発生を集中させかつチャンバ間のバラツキを減少させることによって短縮される。統合型構造は、ガスタービン設計についての熱付加及び流量絞りを完全に行うのに必要な部品数を減少させるのを可能にする。部品数の減少はまた、コスト及び運転停止時間を低減することになる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ 燃焼器
１２ ライナ
１４ トランジションピース
２０ 統合型燃焼器／Ｓ１ノズル
２２ 燃焼チャンバ
２４ 燃料ノズル群
２６ 燃焼ライナ
２８ トランジションピース
２９ 第１段ノズル
３０ 小型混合装置
３２ 第２段階燃料噴射器
３４ チョーク端部
３６ 延長シュラウド

Claims (9)

1. ガスタービンにおける統合型燃焼器−第１段ノズルであって、
   個別軸方向位置において少なくとも１つの燃料ノズル群（２４）から予混合燃料−空気を受ける燃焼チャンバ（２２）、を含み、
   前記燃焼チャンバが、高温燃焼ガスをタービンに送給するライナ（２６）及びトランジションピース（２８）を含み、
   前記第１段ノズル（２９）、ライナ（２６）及びトランジションピース（２８）が、単一部品に統合され、
   前記１以上の燃料ノズル群の軸方向位置の少なくとも１つが、熱発生を集中させかつ火炎長さを短縮させる複数の小型混合装置（３０）を含み、
   前記混合装置（３０）が、複数の軸方向位置におけるアレイの形態で配置される、
   統合型燃焼器−第１段ノズル。
2. 前記小型混合装置（３０）が、単一平面又は複数の軸方向位置内に配置されかつ各軸方向位置についての燃料制御装置を含む、請求項１記載の統合型燃焼器−第１段ノズル。
3. 統合型燃焼器−第１段ノズルが、前記少なくとも1つの燃料ノズル群と共に作動可能である少なくとも1つの第１段階燃料噴射器と、前記トランジションピース（２８）内に配置された第２段階燃料噴射器（３２）とをさらに含み、前記燃料制御装置が、前記少なくとも1つの第１段階燃料噴射器及び第２段階燃料噴射器間で燃料流量を制御可能に分割する燃料回路を含む、請求項２記載の統合型燃焼器−第１段ノズル。
4. 前記混合装置（３０）が、ライナ直径の１／１０〜１／１００の長さスケールを有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の統合型燃焼器−第１段ノズル。
5. 前記混合装置（３０）が、単一平面内におけるアレイの形態で配置される、請求項１乃至４のいずれかに記載の統合型燃焼器−第１段ノズル。
6. 前記ガスタービンが、前記単一部品に隣接して配置された第１段タービンバケットを含み、前記トランジションピースが、前記第１段タービンバケットに向けて好適な角度で前記高温燃焼ガスの流れを導くチョーク端部（３４）を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の統合型燃焼器−第１段ノズル。
7. 前記トランジションピースのチョーク端部（３４）が、前記第１段ノズルとしての働きをする、請求項６記載の統合型燃焼器−第１段ノズル。
8. 前記ガスタービンが、前記単一部品に隣接して配置された第１段タービンバケットを含み、前記トランジションピースが、前記第１段ノズルを囲んで配置された延長シュラウド（３６）を含み、前記延長シュラウド及び第１段ノズルが、前記第１段タービンバケットに向けて好適な角度で前記高温燃焼ガスの流れを導く、請求項１乃至７のいずれかに記載の統合型燃焼器−第１段ノズル。
9. ガスタービンにおいて燃焼器及び第１段ノズルを統合する方法であって、
   高温燃焼ガスをタービンに送給するライナ（２６）及びトランジションピース（２８）を含む燃焼チャンバ（２２）を、個別軸方向位置において少なくとも１つの燃料ノズル群（２４）から予混合燃料−空気を受けるように配置するステップと、
   前記１以上の燃料ノズル群の軸方向位置の少なくとも１つに、熱発生を集中させかつ火炎長さを短縮させる複数の小型混合装置（３０）を設けるステップと、
   前記火炎長さの短縮の利点を生かして、前記第１段ノズル、ライナ及びトランジションピースを単一部品に統合するステップと
   を含み、
   前記混合装置（３０）が、複数の軸方向位置におけるアレイの形態で配置される、
   方法。
   
   

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