JP2011196680A - 低排出燃焼システム用マルチゾーンパイロット - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器の一次と二次の燃焼領域間の燃焼不安定を防止する。
【解決手段】燃焼器の動作方法は、一次燃料の流れを、複数の一次燃料ノズル３０を通して一次燃焼領域３４に向かって送り、この一次燃料の流れを一次燃焼領域で燃焼させるステップを含む。二次燃料の流れは、二次燃料ノズル３２を通して二次燃焼領域３８に向かって送られ、そこで燃焼する。二次燃料ノズルは、複数の一次燃料ノズルがこの二次燃料ノズルの周囲に配列されるように配置される。外側スワラー４０は、複数の一次燃料ノズルと二次燃料ノズルとの間に配置されており、その間に延在する複数の外側スワラーチャネル４２を含む。スワラー燃料５４の流れは、一次燃焼領域及び／又は二次燃焼領域内での燃焼を安定させるために、複数の外側スワラーチャネルを通して、ほぼ一次燃焼領域と二次燃焼領域との間にある燃焼器内へと送られる。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示の主題は概してターボ機械に関する。具体的には、本開示はターボ機械用燃料ノズルを通る燃料及び空気通路に関する。

ガスタービンの排出要件の厳格化に伴って、このような要件を満たすためのアプローチの１つとして、拡散火炎燃焼器から、完全予混合動作モードを用いた希薄燃料混合気を使用する燃焼器へ移行して、例えばＮＯｘやＣＯの排出量を削減することが挙げられる。これらの燃焼器は、当該分野において、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）、乾式低排出（ＤＬＥ）、又は希薄予混合（ＬＰＭ）燃焼システムとして周知である。これらの燃焼器は、大抵、一次燃焼領域内の燃焼器の低負荷及び中負荷動作用に点火される、複数の一次ノズルを含む。完全予混合動作時、一次ノズルは二次火炎に燃料を供給する。一次ノズルは、大抵、燃焼器の中負荷から完全予混合動作モードまで使用する二次ノズルを取り囲んでおり、二次燃焼領域に供給を行う。外側スワラーが、大抵、二次ノズルを取り囲むように、一次燃焼領域と二次燃焼領域との間に配置される。外側スワラーは、複数のスワラー通路を含んでおり、このスワラー通路を通って二次燃焼領域に空気が注入される。このスワラー空気によって、一次燃焼領域と二次燃焼領域との間に空燃比が低い領域が形成され、一次火炎と二次火炎を消散させる。この消散の結果、燃焼が不安定になり、排出ガスが増加し、ターンダウンマージンが低下する。

米国特許第５４８７２７５号

本発明の一態様によると、ターボ機械用の燃焼器は、燃焼器ライナ内に位置する複数の一次燃料ノズルと、燃焼器ライナ内に位置する二次燃料ノズルとを含んでおり、複数の一次燃料ノズルが二次燃料ノズルの周囲に配列されている。外側スワラーは、二次燃料ノズルと複数の一次燃料ノズルとの間で二次燃料ノズルの周囲に円周方向に配置されており、燃料及び／又は空気を燃焼器の内部へと送るための複数の外側スワラーチャネルを含む。

本発明の別の態様によると、燃焼器の動作方法は、一次燃料の流れを複数の一次燃料ノズルを通して一次燃焼領域に向かって送り、この一次燃料の流れを一次燃焼領域又は二次燃焼領域の一方又は両方で燃焼させるステップを含む。二次燃料の流れは、二次燃料ノズルを通って二次燃焼領域に向かって送られ、燃焼する。二次燃料ノズルは、複数の一次燃料ノズルが二次燃料ノズルの周囲に配列されるように配置される。外側スワラーは、複数の一次燃料ノズルと二次燃料ノズルとの間に配置されており、その間に延在する複数の外側スワラーチャネルを含む。スワラーの燃料及び／又は空気の流れは、一次燃焼領域及び／又は二次燃焼領域における燃焼を安定させるために、複数の外側スワラーチャネルを通してほぼ一次燃焼領域と二次燃焼領域との間にある燃焼器内へと送られる。

図面に関連した以下の説明から、これら及びその他の利点及び特徴が明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結びの特許請求の範囲において特に明示され、明瞭にクレームされている。上述及びその他の特徴、並びに本発明の利点は、添付図面に関連した以下の詳細な説明から明らかである。

ターボ機械の一実施例の部分断面図である。 ターボ機械の燃焼器の一実施例の断面図である。 燃焼器の一実施例のノズル配置の端面図である。 燃焼器の一実施例の動作モードの概略図である。

詳細な説明では、図面を参照しながら例を用いて、本発明の実施例をその利点及び特徴と併せて説明する。

図１に、例えばガスタービン１０等のターボ機械を示す。ガスタービン１０は、複数の燃焼器１４を含む。燃焼器１４内には、燃料が噴射、混合され、点火される。燃焼による高温ガス生成物は、この高温ガスからロータシャフト１８を駆動させる仕事を取り出す、タービン１６へと流れる。ロータシャフト１８の周囲には、円周方向に複数の燃焼器１４を配置してもよく、幾つかの実施例において、１０個又は１４個の燃焼器１４を配置する。トランジションピース２０が、上流側端部２２において燃焼器１４の燃焼器ライナ２４に連結されており、下流側端部２６においてタービン１６の後部フレーム２８に連結されている。トランジションピース２０は、高温ガスの流れを燃焼器ライナ２４からタービン２６へと送る。

図２に、例えばガスタービン１０等の燃焼器１４の断面図を示す。燃焼器１４は、二次燃料ノズル３２の周囲に配列された複数の一次燃料ノズル３０を含む。幾つかの実施例においては、複数の一次燃料ノズル３０が円形パターンで設置され、二次燃料ノズル３２がその円の中心に位置している。複数の一次燃料ノズル３０は、燃焼室３６内の一次燃焼領域３４に燃料と空気を供給し、二次燃料ノズル３２は、燃焼室３６内の二次燃焼領域３８に燃料と空気を供給する。

図４ａ〜４ｄを参照すると、一次燃料ノズル３０と二次燃料ノズル３２が、燃焼器１４の異なる動作条件用に、異なる態様で用いられている。図４ａに示すように、燃焼器１４が一次モードで動作している場合、点火及び低負荷動作中は、一次燃料ノズル３０のみに燃料が供給されて点火し、全ての燃焼が一次燃焼領域３４内で生じる。燃焼器１４の低負荷から中負荷時に用いる図４ｂに示す希薄モードにおいて、一次燃焼領域３４で動作させるには、複数の一次燃料ノズル３０に燃料を供給し、点火する。二次燃焼領域３８で動作させるには、二次燃料ノズル３２にも燃料を供給して点火する。燃焼器１４が図４ｃに示す移行モードで動作している場合、二次燃料ノズル３２のみに燃料が供給され、点火する。図４ｄに示す全予混合モードでは、二次燃料ノズル３２に燃料が供給されて点火し、二次燃焼領域３８で燃焼が生じる。燃料は、複数の一次燃料ノズル３０を通して二次燃焼領域３８にも供給される。

二次燃料ノズル３２を外側スワラー４０が取り囲んでいる。図２を再び参照すると、外側スワラー４０は、幾つかの実施例においてはほぼ軸方向に延在する、複数本のスワラーチャネル４２を含む。図３に示すように、各々のスワラーチャネル４２は、例えば外側スワラー４０の下流側端部４６において、複数のスワラー穴４４のうちの１つのスワラー穴４４で終端している。図２を再び参照すると、幾つかの実施例において、複数のスワラー穴４４が燃焼器１４のベンチュリ４８の上流側に配設されている。但し、別の実施例では、複数のスワラー穴４４をベンチュリ４８の下流側に設けてもよい。

複数のスワラーチャネル４２は、燃料源５０に接続されており、幾つかの実施例においては、受動供給空気源５２に接続される。燃焼器１４の動作中、スワラー燃料５４の流れと空気５６の流れが、燃料源５０と空気源５２から到来し、複数のスワラーチャネル４２内で予混合された後、燃焼室３６に注入される。幾つかの実施例においては、スワラー燃料５４の流れと空気５６の流れを、燃焼室３６に軸方向に直接噴射するが、その他の実施例においては、複数のスワラーチャネル４２を、例えば螺旋形に構成することで、スワラー燃料５４の流れと空気５６の流れを、燃焼器の軸５８に対して非平行な角度をなして噴射する。

実際に、複数のスワラー穴４４を経て燃焼室３６に噴射されるスワラー燃料５４の流れと空気５６の流れは、一次燃焼領域３４と二次燃焼領域３８の両方における燃焼を安定させる予混合パイロットとしての役割を果たす。例えば、燃焼器１４が希薄モードで動作している場合、一次燃焼領域３４と二次燃焼領域３８の両方に燃焼火炎が存在する。一次燃焼領域３４と二次燃焼領域３８との間の燃焼室３６に噴射されるスワラー燃料５４の流れと空気５６の流れとが存在することで、一次燃焼領域３４と二次燃焼領域３８との間の空燃比の均一性が高まり、ひいては両方の燃焼領域３４／３８内の安定性が高まる。

燃焼器１４の柔軟性を高めるために、スワラー燃料５４の流れを複数の一次燃料ノズル３０への一次燃料の流れと結合して、燃料が複数の一次燃料ノズル３０に供給される場合は常に複数のスワラーチャネル４２にも燃料が供給されるようにしてもよい。幾つかの実施例では、その代わりに、スワラー燃料５４の流れを二次燃料ノズル３２への二次燃料の流れと結合して、燃料が二次燃料ノズル３２に供給される場合は常に複数のスワラーチャネル４２にも燃料が供給されるようにしてもよい。或いは、複数のスワラーチャネル４２への燃料供給を、一次燃料の流れ及び二次燃料の流れとは別々にパイロット管路に結合させてもよい。

限られた数の実施例に関してのみ本発明を詳細に説明したが、本発明はこうした開示の実施例に限定されないことは明らかであろう。むしろ、本発明を修正して、これまで説明しなかった変形、改変、置換、又は等価の措置を幾つでも取り入れることができ、これらも本発明の特許請求の範囲に含まれる。また、本発明の様々な実施例を説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施例の一部を含むのみでもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、以上の説明によって限定されると解釈されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービン
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ ロータシャフト
２０ トランジションピース
２２ 上流側端部
２４ 燃焼器ライナ
２６ 下流側端部
２８ 後部フレーム
３０ 一次燃料ノズル
３２ 二次燃料ノズル
３４ 燃焼領域
３６ 燃焼室
３８ 燃焼領域
４０ スワラー
４２ スワラーチャネル
４４ スワラー穴
４６ 下流側端部
４８ ベンチュリ
５０ 燃料源
５２ 空気源
５４ スワラー燃料
５６ 空気
５８ 燃焼器の軸

Claims (16)

1. ターボ機械用の燃焼器であって、
   燃焼器ライナ内に配置された複数の一次燃料ノズルと、
   二次燃料ノズルであって、該二次燃料ノズルの周囲に前記複数の一次燃料ノズルが配列されるように前記燃焼器ライナ内に配置された二次燃料ノズルと、
   前記二次燃料ノズルと前記複数の一次燃料ノズルとの間で前記二次燃料ノズルの周囲に円周方向に配置された外側スワラーであって、前記燃焼器の内部に燃料を送るための複数の外側スワラーチャネルを含む外側スワラーと、を有する燃焼器。
2. 前記複数の外側スワラーチャネルは、燃料を一次燃焼領域と二次燃焼領域との間の前記燃焼器の内部に送るように構成される、請求項１に記載の燃焼器。
3. 予混合された燃料／空気混合物を前記複数の外側スワラーチャネルを通じて送ることができる、請求項１に記載の燃焼器。
4. 前記複数の外側スワラーチャネルを通る燃料の流れは、前記複数の一次燃料ノズルを通る一次燃料の流れに結合される、請求項１に記載の燃焼器。
5. 前記複数の外側スワラーチャネルを通る燃料の流れは、前記二次燃料ノズルを通る二次燃料の流れに結合される、請求項１に記載の燃焼器。
6. 前記燃焼器のベンチュリの上流位置にある前記複数の外側スワラーチャネルから前記燃焼器の内部へと燃料が流入する、請求項１に記載の燃焼器。
7. 前記複数の外側スワラーチャネルは、燃焼器の軸とほぼ平行な方向に延在する、請求項１に記載の燃焼器。
8. 前記複数の外側スワラーチャネルから前記燃焼器の軸とほぼ平行な方向に前記燃焼器の内部へと燃料が送られる、請求項７に記載の燃焼器。
9. 前記複数の外側スワラーチャネルは、前記二次燃料ノズルの周囲でほぼ螺旋方向に延在する、請求項１に記載の燃焼器。
10. 前記複数の外側スワラーチャネルから燃焼器の軸と実質的に非平行な方向に前記燃焼器の内部へと燃料が送られる、請求項９に記載の燃焼器。
11. 燃焼器の動作方法であって、
    一次燃料の流れを、複数の一次燃料ノズルを通して一次燃焼領域に向かって送るステップと、
    前記一次燃料の流れを前記一次燃焼領域又は二次燃焼領域の一方又は両方で燃焼させるステップと、
    二次燃料の流れを、二次燃料ノズルを通して前記二次燃焼領域に向かって送るステップであって、前記二次燃料ノズルは、前記複数の一次燃料ノズルが前記二次燃料ノズルの周囲に配列されるように配置される、ステップと、
    前記二次燃料の流れを前記二次燃焼領域内で燃焼させるステップと、
    外側スワラーを前記複数の一次燃料ノズルと前記二次燃料ノズルとの間に配置するステップであって、前記外側スワラーは、その間に延在する複数の外側スワラーチャネルを含む、ステップと、
    前記一次燃焼領域及び／又は前記二次燃焼領域内の燃焼を安定させるために、スワラー燃料の流れを、前記複数の外側スワラーチャネルを通してほぼ前記一次燃焼領域と前記二次燃焼領域との間にある前記燃焼器内へと送るステップと、を含む方法。
12. 前記スワラー燃料の流れを、前記燃焼器のベンチュリの前記燃焼器の上流側へと送るステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. スワラー燃料の流れが前記一次燃料の流れに結合される、請求項１１に記載の方法。
14. スワラー燃料の流れが前記二次燃料の流れに結合される、請求項１１に記載の方法。
15. 前記スワラー燃料の流れを前記燃焼器へと送ることで、前記一次燃焼領域と前記二次燃焼領域の間の空燃比の均一性を高める、請求項１１に記載の方法。
16. 燃料と空気との予混合物が、前記複数の外側スワラーチャネルを通して前記燃焼器へと送られる、請求項１１に記載の方法。