JP6134544B2 - 作動流体を燃焼器に供給するシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般には、作動流体を燃焼器に供給するシステムに関する。特定の実施形態では、本発明は、燃焼室の周囲に周方向に配置した遅延希薄噴射器を通して希薄混合気を燃焼室に供給することができる。

燃焼器は、一般に、生産および発電の工程で使用され、燃料に点火して、高い温度および圧力を有する燃焼ガスを生成する。たとえば、ガスタービンは、通常、１つまたは複数の燃焼器を含んで、動力または推力を生成する。電力の生成に使用する通常のガスタービンは、前部に軸方向の圧縮機、中部周辺に１つまたは複数の燃焼器、および後部にタービンを含む。周囲空気を燃焼器に供給することができ、圧縮機内の回転羽根および静翼が徐々に運動エネルギを作動流体（空気）に伝達して、高度にエネルギが付与された状態の圧縮作動流体が生成される。圧縮作動流体は圧縮機を出て、燃焼室内に流れ、燃焼室で圧縮作動流体と燃料が混合され、点火されて、高い温度および圧力を有する燃焼ガスが生成される。燃焼ガスがタービン内で膨張して仕事量が発生する。たとえば、タービン内で燃焼ガスが膨張することによって、発電機に結合した軸を回転させて、電気を生成することができる。

様々な設計および動作パラメータが燃焼器の設計および動作に影響を与える。たとえば、より高い燃焼ガスの温度は、一般に、燃焼器の熱力学的効率を上げる。しかし、より高い燃焼ガスの温度では、急燃焼フレームが燃料ノズルによって供給される燃料に向かって移動する逆火または保炎状態が促進され、比較的短期間で燃料ノズルに重度の損傷が引き起こされる恐れがある。さらに、より高い燃焼ガスの温度では、一般に、二原子窒素の解離速度が上昇し、窒素酸化物（ＮＯ_X）の生成が増加する。反対に、燃料流量の低下、および／または部分負荷動作（ターンダウン）に関連する比較的低い燃焼ガスの温度では、一般に、燃焼ガスの化学反応速度が低下し、一酸化炭素および不燃焼炭化水素の生成が増加する。

特定の燃焼器の設計では、１つまたは複数の遅延希薄噴射器または管を燃料ノズルの下流の燃焼室の周囲に周方向に配置することができる。圧縮機を出た圧縮作動流体の一部が管を通って流れ、燃料と混合されるようにして、希薄混合気を生成することができる。次いで、希薄混合気が燃焼室内に噴射される。その結果、追加の燃焼が得られ、燃焼ガスの温度を上げ、燃焼器の熱力学的効率を上げることができる。

米国特許出願公開第２０１１／０１７９８０３号公報

遅延希薄噴射器は、燃焼ガスの温度を上げるのに有効であり、それに伴ってＮＯ_Xの生成を増加させることはない。しかし、遅延希薄噴射器によって燃焼室内に噴射される燃料は、通常、圧縮作動流体と十分に混合するには、管内に滞留する時間が限られている。さらに、管から外に流れる混合気は、局地的に保炎しやすい可能性がある管内の状態を生成する。結果として、管内の燃料と作動流体の混合を向上させ、かつ／または保炎状態を低減する、作動流体を燃焼器に供給するための改良型システムは有用であろう。

本発明の態様および利点を以下の説明で述べる。またはその説明から明らかになり、あるいは本発明の実施によって理解されよう。

本発明の一実施形態は、作動流体を燃焼器に供給するためのシステムである。このシステムは、燃焼室、および燃焼室の少なくとも一部を周方向に包囲する流れスリーブを含む。管は、作動流体が流れスリーブを通って燃焼室内に流れるように流体連通し、管は軸方向の中心線を含む。第１の組の噴射器が管の周囲に周方向に配置され、管の軸方向の中心線に対して半径方向に角度が付けられ、第１の組の噴射器は、作動流体が管の壁を通って流れるように流体連通する。

本発明の他の実施形態は、燃焼室、燃焼室の少なくとも一部を周方向に包囲するライナ、およびライナの少なくとも一部を周方向に包囲する流れスリーブを含む、作動流体を燃焼器に供給するシステムである。管は、作動流体が流れスリーブおよびライナを通って燃焼室内に流れるように流体連通し、管は、外側壁、外側壁から半径方向に間隔を置いて配置された内側壁、および軸方向の中心線を含む。第１の組の噴射器が、管の周囲に周方向に配置され、管の軸方向の中心線に対して半径方向に角度が付けられ、第１の組の噴射器は、作動流体が外側壁および内側壁を通って管内に流れるように流体連通する。

本発明は、燃焼室、燃焼室の少なくとも一部を周方向に包囲するライナ、およびライナの少なくとも一部を周方向に包囲する流れスリーブを含む、作動流体を燃焼器に供給するシステムを含むこともできる。管は、作動流体が流れスリーブおよびライナを通って燃焼室内に流れるように流体連通する。第１の組の噴射器は、作動流体が管の壁を通って流れるように流体連通し、第１の組の噴射器は、管の軸方向の中心線に対して半径方向に角度が付けられる。第２の組の噴射器は、第１の組の噴射器の下流にあり、第２の組の噴射器は、作動流体が管の壁を通って流れるように流体連通する。

当業者は、本明細書を検討すれば、こうした実施形態、およびその他の特徴および態様をより良く理解されよう。

当業者に向けた、本発明の最良の形態を含む、本発明の完全かつ可能な開示を、添付の図の参照を含み、本明細書の後半でより詳細に述べる。

一例示のガスタービンを示す簡略化した側断面図である。 本発明の第１の実施形態による、図１で示した燃焼器の一部を示す簡略化した側面斜視図である。 図２で示した遅延希薄噴射器を示す拡大側面斜視図である。 線Ａ−Ａに沿って切り取られた図３で示した遅延希薄噴射器を示す断面図である。

次に、本発明の本実施形態を詳細に述べる。実施形態の１つまたは複数の例が添付の図面に示されている。詳細な説明では数字および文字の表示を使用して、図面の特徴を示す。図面および説明中の類似または同様の表示は本発明の類似または同様の部分を示すために使用されている。本明細書で使用するとき、用語「第１」、「第２」、および「第３」は、１つの構成要素を他の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことが意図されたものではない。さらに、用語「上流」および「下流」は、流体経路内の構成要素の相対位置を示す。たとえば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂに流れる場合、構成要素Ａは構成要素Ｂの上流にある。反対に、構成要素Ｂが構成要素Ａから流体の流れを受ける場合、構成要素Ｂは構成要素Ａの下流にある。

各例は本発明の説明のために提供するものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明に修正または変更を加えることができるということが、当業者には明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として示した、または記載した特徴を他の実施形態に使用して、さらなる実施形態をもたらすことができる。したがって、本発明は、こうした修正形態および変形形態を添付の特許請求および等価のものの範囲内に包含するものとする。

本発明の様々な実施形態は、作動流体を燃焼器に供給するためのシステムを含む。このシステムは、全般的に、燃料と作動流体の希薄混合物を燃焼室内に噴射する、燃焼室の周囲に周方向に配置された１つまたは複数の遅延希薄噴射器を含む。各遅延希薄噴射器は、全般的に、作動流体の燃焼器内への流体連通を行う管を含み、管の周囲に周方向に配置された１つまたは複数の組の噴射器は、作動流体が管を通り、管内に入るように流体連通する。特定の実施形態では、燃料通路は、１つまたは複数の組の噴射器を包囲することができ、燃料ポートは、燃料が燃料通路から１つまたは複数の組の噴射器内に流れるように流体連通することができる。本発明の例示の実施形態を、全般的に、例示の目的で、ガスタービンに組み込んだ燃焼器に関連して記載するが、当業者には、本発明の実施形態を任意の燃焼器に適用することができ、特許請求の範囲に特に記載のない場合は、ガスタービン燃焼器に限定されないことが理解されよう。

図１は、本発明の一実施形態を組み込んだ例示のガスタービン１０の簡略化した断面図である。図で示したように、ガスタービン１０は、前部に圧縮機１２、中部周囲に半径方向に配置された１つまたは複数の燃焼器１４、および後部にタービン１６を含むことができる。圧縮機１２およびタービン１６は、通常、発電機２０に結合された共通のロータ１８を共用して電気を生成する。

圧縮機１２は、軸流圧縮機でもよく、周囲空気など作動流体２２が圧縮機１２に入り、静翼２４と回転羽根２６の交互の段を通過する。圧縮機ケーシング２８は、静翼２４および回転羽根２６が加速される時に作動流体２２を含み、圧縮された作動流体２２の連続した流れが生成されるように作動流体２２を方向付ける。圧縮作動流体２２の大部分は、圧縮機の排出プレナム３０を通って燃焼器１４に流れる。

燃焼器１４は、当技術分野で周知の任意のタイプの燃焼器でもよい。たとえば、図１で示したように、燃焼器ケーシング３２は、燃焼器１４の一部、または全てを周方向に包囲して、圧縮機１２から流れる圧縮作動流体２２を含むことができる。１つまたは複数の燃料ノズル３４を端部カバー３６内に半径方向に配置して、燃料を燃料ノズル３４の下流の燃焼室３８に供給することができる。可能な燃料には、たとえば、１つまたは複数の高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、およびプロパンが含まれる。圧縮作動流体２２は、圧縮機排出プレナム３０から燃焼室３８の外側に沿って流れてから、端部カバー３６に到達し、方向を逆にして、燃料ノズル３４を通って流れ、燃料と混合される。燃料と圧縮作動流体２２の混合物は、燃焼室３８内に流れ、燃焼室３８で点火されて、高い温度および圧力を有する燃焼ガスが生成される。燃焼ガスはトランジションピース４０を通ってタービン１６に流れる。

タービン１６は、固定子４２と回転動翼４４の交互の段を含むことができる。固定子４２の第１の段は、燃焼ガスを回転動翼４４の第１の段に向け、集中させる。燃焼ガスが回転動翼４４の第１の段を通過するときに、燃焼ガスが膨張して、回転動翼４４およびロータ１８を回転させる。次いで、燃焼ガスは固定子４２の次の段に流れ、固定子４２は燃焼ガスを回転動翼４４の次の段に向け、このプロセスが後続の段で繰り返される。

図２は、本発明の第１の実施形態による、図１で示した燃焼器１４の一部の簡略化した斜視図である。図で示したように、燃焼器１４は、燃焼室３８の少なくとも一部を周方向に包囲するライナ４６を含むことができ、流れスリーブ４８は、ライナ４６を周方向に包囲して、ライナ４６を包囲する環状通路５０を画定することができる。こうすると、圧縮機排出プレナム３０からの圧縮作動流体２２が、環状通路５０を通り、ライナ４６の外側に沿って流れ、ライナ４６を対流冷却してから、方向を逆にして、（図１で示した）燃料ノズル３４を通り燃焼室３８内に流れるようにすることができる。

燃焼器１４は、さらに、燃焼室３８の周囲に周方向に配置された複数の遅延希薄噴射器６０を含んで、燃料と圧縮作動流体２２の希薄混合物を燃焼室３８内に供給することができる。各遅延希薄噴射器６０は、全般的に、圧縮作動流体２２が流れスリーブ４８およびライナ４６を通って燃焼室３８内に流れるように流体連通する管６２を含むことができる。図２で示したように、管６２の少なくとも一部は、流れスリーブ４８から外側に半径方向に延びることができる。

図３および４は、図２で示した遅延希薄噴射器６０の拡大図であり、本発明の様々な実施形態に存在することができる様々な特徴および特徴の組み合わせを示している。具体的には、図３は、図２で示した遅延希薄噴射器６０の拡大斜視図であり、図４は、線Ａ−Ａに沿って切り取られた図３で示した遅延希薄噴射器６０の断面図である。図３および４で示したように、遅延希薄噴射器６０の管６２は、外側壁６４、内側壁６６、および軸方向の中心線６８を含むことができる。特定の実施形態では、外側壁６４と内側壁６６を半径方向に間隔を置いて配置して、その間に流体通路７０を形成することができる。

各管６２は、外側壁６４および内側壁６６を通る管６２内への流体連通を行う１つまたは複数の組の噴射器をさらに含むことができる。たとえば、図３および４で示した特定の実施形態では、各管６２は、管６２の周囲に周方向に配置された第１および第２の組の噴射器７２、７４を含み、第１および第２の組の噴射器７２、７４は、圧縮作動流体２２が外側壁６４および内側壁６６を通って管６２内に流れるように流体連通する。

燃料プレナム、管、または他の流体通路は、燃料を噴射器に供給することができる。たとえば、図３で最も明瞭に示したように、流れスリーブ４８は、各管６２と流体連通する内部燃料通路７６を含むことができる。具体的には、図３で最も明瞭に示したように、燃料通路７６は外側壁６４と内側壁６６の間で流体通路７０と結合し、または流体通路７０内に延びて、燃料通路７６の少なくとも一部が第１および／または第２の組の噴射器７２、７４の少なくとも一部を包囲することができる。こうすると、第１および／または第２の組の噴射器７２、７４を通って流れる圧縮作動流体２２は、燃料通路７６および／または流体通路７０を通って流れる燃料を予熱することができる。図３および４でさらに示すように、第１の組の噴射器７２は、燃料通路７６から第１の組の噴射器７２内に流体連通する１つまたは複数の燃料ポート７８を含むことができる。こうすると、管６２は、燃料ノズル３４に供給されるのと同じ、または異なる燃料を受け、燃料と管６２の中心を通って流れる圧縮作動流体２２の一部を混合することができる。結果として得られる燃料と圧縮作動流体２２の希薄混合物を次いで追加の燃焼として燃焼室３８内に噴射して、温度を上げ、したがって、燃焼器１４の効率を上げることができる。

第１の組の噴射器７２に、管６２の軸方向の中心線６８に対して半径方向に、かつ／または軸方向に角度を付けることができる。特定の実施形態では、図４で最も良く分かるように、第１の組の噴射器７２に管６２の内側壁６６に対して実質的に接線方向に角度を付けることができる。軸方向の中心線６８に対する第１の組の燃料噴射器７２の半径方向および／または軸方向の方向付けの結果、燃料と圧縮作動流体２２の混合を向上させてから燃焼室３８内に噴射する、１つまたは複数の利点が得られる。たとえば、第１の組の噴射器７２と軸方向の中心線６８の間の半径方向および／または軸方向の角度により、管６２の外側壁６４と内側壁６６の間の第１の組の噴射器７２の長さ、体積、および／または表面積が増加する。それによって、第１の組の噴射器７２を通って流れる圧縮作動流体２２から第１の組の噴射器７２の周囲を流れる燃料への熱伝達が向上する。さらに、第１の組の噴射器７２内部の体積が追加されることにより、第１の組の噴射器７２の内部を流れる燃料の滞留時間が増加し、それによって、管６２に到達し、その後燃焼室３８内に噴射される前に、第１の組の噴射器７２を通って流れる燃料と圧縮作動流体２２の混合が向上する。第１の組の噴射器７２の軸方向の中心線６８に対する半径方向および／または軸方向の角度により、混合気が管６２を通って燃焼室３８内に流れるときに混合気の旋回が引き起こされる。旋回混合は、遅延希薄噴射器によって生成される渦流の発生を低減することができ、一方で、混合気を燃焼室３８内にさらに深く侵入させて、燃焼ガスとの混合を向上させることができる。

図３で最も明瞭に示したように、第２の組の噴射器７４を第１の組の噴射器７２の下流に配置し、管６２の軸方向の中心線６８に対して軸方向に角度を付けることができる。こうすると、第２の組の噴射器７４は内側壁６６に沿った圧縮作動流体２２の層、フィルム、またはブランケットを提供して、内側壁６６を、第１の組の噴射器７２から外に管６２内に流れる混合気から分離することができる。内側壁６６に沿った圧縮作動流体２２の層、フィルム、またはブランケットは、管６２内の保炎、および／または逆火を誘発する状態を緩和する。

当業者には本明細書の教示から、図２で示した遅延希薄噴射器６０は、図３および４でさらに詳細に記載し示した特徴のうちの１つだけ、または複数の特徴を含むことができ、本発明の実施形態は特許請求の範囲に特に記載されない場合は、こうした特徴の任意の組み合わせに限定されないことが容易に理解されよう。さらに、図１から４に関して示し、記載した特定の実施形態は、作動流体２２を燃焼器１４に供給する方法を提供することもできる。この方法は、作動流体２２が圧縮機１２から燃焼室３８を通って流れるようにすること、および作動流体２２の一部が燃焼室３８の周囲に周方向に配置された遅延希薄噴射器６０を通るようにそらし、または流れるようにすることを含むことができる。特定の実施形態では、この方法は、圧縮作動流体２２の一部を、遅延希薄噴射器６０の周囲、かつ／または管６２の外側壁６４と内側壁６６の間にらせん旋回させ、かつ／または半径方向にそらしてから、燃焼室３８内に噴射することをさらに含むことができる。別法として、またはさらに、この方法は、圧縮作動流体２２の一部を管６２の内側壁６６に沿って噴射することを含むことができる。したがって、本明細書に記載した遅延希薄噴射器６０の様々な特徴は、燃焼室３８内に噴射する前に、燃料と圧縮作動流体２２の混合を向上させて、ＮＯ_Xの減少を向上させることができる。さらに、本明細書に記載した様々な実施形態は、管６２内の保炎を引き起こす状態を緩和することができる。

この記載の説明は、例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示しており、全ての当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作製し、使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含み、本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許請求可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。こうした他のものおよび例は、それらが特許請求の範囲の文字言語と異ならない構造的要素を有し、特許請求の範囲の文言とわずかにしか異ならない等価の構造的要素を含む場合は、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ ロータ
２０ 発電機
２２ 作動流体
２４ 静翼（圧縮機）
２６ 回転羽根
２８ 圧縮機ケーシング
３０ 圧縮機排出プレナム
３２ 燃焼器ケーシング
３４ 燃料ノズル
３６ 端部カバー
３８ 燃焼室
４０ トランジションピース
４２ 固定子
４４ 動翼
４６ ライナ
４８ 流れスリーブ
５０ 環状通路
６０ 遅延希薄噴射器
６２ 管
６４ 外側壁
６６ 内側壁
６８ 軸方向の中心線
７０ 流体通路
７２ 第１の組の噴射器
７４ 第２の組の噴射器
７６ 燃料通路
７８ 燃料ポート

Claims (10)

1. 作動流体を燃焼器に供給するシステムであって、
   ａ．前記燃焼器内の燃焼室を規定するライナと、
   ｂ．前記ライナの少なくとも一部を周方向に包囲する流れスリーブと、
   ｃ．前記ライナと前記流れスリーブとを通る管であって、該管が、外側壁から半径方向に離れて配置された内側壁と、出口から軸方向に隔たって配置された入口と、前記内側壁と外側壁の間で、前記管内に規定された流体通路とを有し、該流体通路が燃料通路と流体連通し、前記入口が圧縮空気源と流体連通し、前記出口が前記燃焼室と流体連通する、前記管と、
   を備え、
   ｄ．前記管が該管内に環状に配置され、前記管の軸方向の中心線に対して半径方向に角度が付けられた第１の組の噴射器を規定し、各噴射器が、前記外側壁及び前記内側壁を通して前記作動流体の流体連通を提供し、前記管は、さらに、前記外側壁と前記内側壁の間で、前記第１の組の噴射器の各噴射器内に配置された少なくとも１つの燃料ポートを規定し、前記少なくとも１つの燃料ポートは、前記流体通路と流体連通する、
   システム。
2. 前記第１の組の噴射器が前記管の前記軸方向の中心線に対して軸方向に角度が付けられる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の組の噴射器の下流で前記管の周囲に周方向に配置された第２の組の噴射器をさらに備え、
   前記第２の組の噴射器が前記作動流体が前記管の前記内側壁を通って前記出口から上流へ流れるように流体連通する、
   請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記第２の組の噴射器が前記管の前記軸方向の中心線に対して軸方向に角度が付けられる、請求項３に記載のシステム。
5. 前記燃料通路が前記流れスリーブの内側壁と外側壁との間を少なくとも部分的に画成する、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記燃料通路少なくとも一部が前記第１の組の噴射器の少なくとも一部を包囲する、請求項５に記載のシステム。
7. 作動流体を燃焼器に供給するシステムであって、
   ａ．燃焼室と
   ｂ．前記燃焼室の少なくとも一部を周方向に包囲するライナと、
   ｃ．前記ライナの少なくとも一部を周方向に包囲する流れスリーブと、
   ｄ．前記作動流体が前記流れスリーブおよび前記ライナを通って前記燃焼室内に流れるように流体連通する管であって、外側壁から半径方向に間隔を置いて配置された内側壁を含む管と、
   ｅ．前記作動流体が前記管の前記外側壁および前記内側壁を通って流れるように流体連通し、前記管の軸方向の中心線に対して半径方向に角度が付けられる第１の組の噴射器であって、各噴射器が前記外側壁および前記内側壁の間に画成された燃料ポートを含む、第１の組の噴射器と、
   ｆ．前記第１の組の噴射器の下流に配置された第２の組の噴射器であって、前記作動流体が前記管の前記内側壁および前記外側壁を通って流れるように流体連通する第２の組の噴射器と、
   を備える、システム。
8. 前記第１の組の噴射器が前記管の前記軸方向の中心線に対して軸方向に角度が付けられる、請求項７に記載のシステム。
9. 前記第２の組の噴射器が前記管の前記軸方向の中心線に対して軸方向に角度が付けられる、請求項７または８に記載のシステム。
10. 前記第１および第２組の噴射器の少なくとも一部を包囲する燃料通路をさらに含み、
    前記燃料通路が、前記燃料ポートと流体連通する、
    請求項７から９のいずれかに記載のシステム。