JP2013217635A - 拡散燃焼器燃料ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】拡散燃焼器燃料ノズルを提供すること。
【解決手段】本出願は、１以上の燃料の流れと空気の流れと共に使用するための燃料ノズルを提供する。燃料ノズルは、１以上の燃料の流れのための１以上のガス燃料通路と、ガス燃料通路を囲み、１以上の空気チャンバを備えたスワーラと、スワーラを囲み、１以上のカーテンスロットを備えたカラーと、を含むことができる。空気の流れは、空気チャンバを通るスワーラ流と、カーテンスロットを通るカーテン流とに分割される。
【選択図】 図１

Description

本出願及び結果として得られる特許は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、カーテン空気流を用いて効率性能を維持しながら窒素酸化物などの排出物を低減する拡散燃焼器燃料ノズルに関する。

ガスタービンエンジンの運転効率は一般に、燃焼流の温度が上昇するにつれて増大する。しかしながら、より高い燃焼流温度は、より高レベルの窒素酸化物（「ＮＯｘ」）及び他の種類の排出物を発生させる可能性がある。このような排出物は、米国の連邦及び州の両方の規制を受け、また海外でも同様の規制を受ける可能性がある。従って、ガスタービンエンジンを効率的な温度範囲内で運転することと同時に、窒素酸化物及び他の種類の規制排出物の発生量を法規制レベルよりも遙かに低く確実に維持することとの間でのバランス取りが存在する。他の多くの種類の動作パラメータもまた、このような最適バランスを提供する上で異なることができる。

拡散型燃焼器、すなわち、非予混合型燃焼器を含むガスタービンエンジンでは、燃料は空気スワーラに噴射される。空気はまた、スワーラを通って流れ、燃料と混合されて下流側で燃焼する。しかしながら、燃料及び結果として生じる高温燃焼ガスは、スワーラの下流側の再循環ゾーン内に取り込まれる場合がある。その結果、燃料ノズル及び燃焼室を囲むライナは、比較的高いヘッド端部温度を生じる可能性がある。その上、比較的高いヘッド端部温度は、燃焼器が特定のタイプの液体燃料を燃焼させた場合に更に上昇する可能性がある。このような高温は、ライナ及び他の部品の完全性及び寿命に影響を及ぼす可能性がある。

従って、ガスタービンエンジンにおける燃焼器、特に拡散型燃焼器で使用するための燃料ノズルに対する改善の要求がある。このような拡散型燃焼器用の燃料ノズルは、排出物の制限と共に、部品寿命の増大のためのライナ温度の制限をした状態で燃料及び空気流を効率的に燃焼することができる。

米国特許第７８１０３３３号明細書

本出願及び結果として得られる特許は、１以上の燃料の流れと空気の流れと共に使用するための燃料ノズルを提供する。燃料ノズルは、１以上の燃料の流れのための１以上のガス燃料通路と、ガス燃料通路を囲み、１以上の空気チャンバを備えたスワーラと、スワーラを囲み、１以上のカーテンスロットを備えたカラーと、を含むことができる。空気の流れは、空気チャンバを通るスワーラ流と、カーテンスロットを通るカーテン流とに分割される。

本出願及び結果として得られる特許は更に、燃焼器において燃料ノズルを作動させる方法を提供する。本方法は、燃料ノズルを通る１以上の燃料の流れを提供するステップと、燃料ノズルの回りに空気の流れを提供するステップと、空気の流れを、スワーラを通るスワーラ流と、カラーを通るカーテン流とに分割し、カーテン流がスワーラ流と１以上の燃料の流れの燃料−空気流を囲むようにするステップと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、拡散燃焼器において１以上の燃料の流れと空気の流れと共に使用するための燃料ノズルを提供する。燃料ノズルは、燃料の流れのための１以上のガス燃料通路と、ガス燃料通路を囲むスワーラと、スワーラを囲むカラーと、を含むことができる。スワーラは、幾つかの空気チャンバを画成する幾つかのスワールベーンを含むことができる。カラーは、幾つかのカーテンスロットを含むことができる。空気の流れは、空気チャンバを通るスワーラ流と、カーテンスロットを通るカーテン流とに分割することができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善点は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって当業者には明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、及びタービンを示すガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すような、燃焼器の１つの実施例の側面図。 図２の燃焼器で用いることができる燃料ノズルの側断面図。 図３の燃料ノズルの正面図。 本明細書で説明することができる燃料ノズルの部分斜視図。 図５の燃料ノズルと共に用いるノズルカラーの斜視図。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用できるガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、空気２０の流入流れを加圧する。圧縮機１５は、空気２０の加圧流を燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、空気２０の加圧流を燃料３０の加圧流と混合し、該混合気を点火して燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５のみが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動し、機械的仕事を産出するようにする。タービン４０にて産出される機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を駆動し、また、発電機などの外部負荷５０を駆動する。他の構成及び他の部品も本明細書で使用することができる。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプのシンガス、及び／又は他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定ではないが、７又は９シリーズ高出力ガスタービンエンジンなどを含む、ニューヨーク州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される幾つかの様々なガスタービンエンジンのうちの何れかとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他のタイプの部品を用いることができる。他のタイプのガスタービンエンジンも本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電機器も本明細書で共に使用することができる。

図２は、ガスタービンエンジン１０などと用いることができる燃焼器２５の１つの実施例を示している。燃焼器２５は、幾つかの燃料ノズル５５を含むことができる。上述のように、燃料ノズル５５の各々は、空気２０の流れ、燃料３０の流れ、及び任意選択的な他の流体の流れを配向して燃焼させることができる。あらゆる数の燃料ノズル５５をあらゆる構成で用いることができる。燃料ノズル５５は、燃焼器５５のヘッド端部６５付近の端部カバー６０に取り付けることができる。空気２０及び燃料３０の流れは、端部カバー６０及びヘッド端部６５を通じて燃料ノズル５５の各々に配向し、燃料空気混合気をその下流側に分配することができる。

燃焼器２５はまた、燃焼室７０を内部に含むことができる。燃焼室７０は、燃焼ケーシング７５、燃焼ライナ８０、流れスリーブ８５などによって画成することができる。燃焼ライナ８０及び流れスリーブ８５は、互いに対して同軸に位置付けられ、空気２０の流れが流れる空気経路９０を画成するようにすることができる。燃焼室７０は、下流側トランジションピース９５に通じることができる。空気２０及び燃料３０の流れは、燃料ノズル５５の下流側で混合され、燃焼室７０内で燃焼することができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、トランジションピース９５を介してタービン４０に向けて配向され、そこで有用な仕事を産出することができる。他の部品及び他の構成も本明細書で使用することができる。

図３及び４は、燃焼器２５などと共に用いることができる燃料ノズル５５の１つの実施例を示す。燃料ノズル５５は、拡散燃料ノズル１００とすることができる。より具体的には、燃料ノズル５５は、デュアル燃料ノズル１０５とすることができる。このような場合、燃料３０の流れは、天然ガスのようなガス燃料１１０の１以上の流れと、シンガスなどの液体燃料１１５の１以上の流れとを含むことができる。他のタイプの燃料流及び他のタイプの燃料流の組み合わせも本明細書で使用することができる。

燃料ノズル５５は、外側管体１２０を含むことができる。外側管体１２０は、燃料ノズル先端１３０を有する下流側面１２５に通じることができる。外側管体１２０は、幾つかの燃料通路、空気通路、及び水通路を含むことができる。具体的には、幾つかのガス燃料通路１３５が貫通することができ、下流側面１２５の回りに軸方向に位置付けることができる。ガス燃料通路１３５は、ガス燃料１１０の流れと連通することができる。幾つかの先端出口１４０もまた貫通することができ、燃焼ノズル先端１３０の回りに位置付けることができる。先端出口１４０は、液体燃料１１５の流れと連通した液体燃料出口１４５を含むことができる。先端出口１４０はまた、噴霧空気の流れと連通した噴霧空気出口１５０と、水の流れと連通した水出口１５５とを含むことができる。他の部品及び他の構成も本明細書で使用することができる。

スワーラ１６０は、燃料ノズル５５の下流側面１２５の回りに位置付けることができる。スワーラ１６０は、幾つかのスワールベーン１６５を含むことができる。スワールベーン１６５は、幾つかの空気チャンバ１７０を画成することができる。空気チャンバ１７０は、端部カバー６０からの空気２０の流れと連通することができる。幾つかのスワーラ通路１７５は、ガス燃料１１０の流れの少なくとも一部に対してガス燃料通路１３５から空気チャンバ１７０まで延在することができる。従って、空気２０の流れ及びガス燃料１１０の流れは、スワーラ１６０の回りで混合を開始し、下流側の燃焼室７０内で燃焼することができる。一般的に説明すると、空気２０の流れの全ては、スワーラ流１８０としてスワーラ１６０の空気チャンバ１７０を通過する。カラー１８５は、スワーラ１６０の周りを囲むことができる。コーン（図示せず）は、燃料ノズル５５からライナ８０に延在することができる。他のタイプの燃料ノズル５５及び他のタイプの燃焼器２５が、様々なタイプの燃料と共に本明細書で使用することができる。同様に、他の部品及び他の構成を本明細書で使用することができる。

図５及び６は、本明細書で説明することができる燃料ノズル２００を示す。燃料ノズル２００は、上流側燃料空気予混合が全くか又はほとんど無い、拡散ノズル２１０とすることができる。燃料ノズル２００はまた、ガス燃料１１０の流れと液体燃料１１５の流れの両方と共に用いるデュアル燃料ノズル２２０とすることができる。他のタイプの流れを本明細書で使用することができる。上述と同様にして、燃料ノズル２００は、貫通する１以上のガス燃料通路２３０を含む。ガス燃料通路２３０は、下流側面２４０に向けて延在することができる。燃料ノズル２００はまた、幾つかの先端出口２５０を含むことができる。先端出口２５０は、下流側面２４０付近の燃料ノズル先端２６０の回りに位置付けることができる。先端出口２５０は、１以上の液体燃料出口２７０並びに噴霧空気、水などのための出口を含むことができる。他の部品及び他の構成も本明細書で使用することができる。

燃料ノズル２００はまた、その下流側面２４０の回りに位置付けられたスワーラ２８０を含むことができる。スワーラ２８０は、燃料ノズル先端２６０を囲む。スワーラ２８０は、幾つかのスワールベーン２９０を含むことができ、該スワールベーン２９０は、幾つかの空気チャンバ３００を貫通して画成する。スワールベーン２９０及び空気チャンバ３００は、あらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。あらゆる数のスワールベーン２９０及び空気チャンバ３００を本明細書で使用することができる。幾つかのスワールベーンガス燃料通路３１０が、ガス燃料１１０の流れの少なくとも一部が流れるため、ガス燃料通路２３０の１以上から空気チャンバ３００に延在することができる。空気入口３２０は、端部カバー６０からの空気２０の流れと連通してスワーラ２８０の上流側端部上に画成することができる。空気入口３２０は、あらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。他の部品及び他の構成も本明細書で使用することができる。

燃料ノズル２００はまた、スワーラ２８０を囲むカラー３３０を含むことができる。コーン３４０は、カラー３３０からライナ８０に向かって延在することができる。カラー３３０は、貫通する幾つかのカーテンスロット３５０を含むことができる。カーテンスロット３５０は、角度付き構成３６０を含むことができる。カーテンスロット３５０は、あらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。あらゆる数のカーテンスロット３５０を本明細書で使用することができる。カーテンスロット３５０は、空気入口３２０付近から下流側面２４０に延在することができる。従って、空気２０の流れは、スワーラ２８０の空気チャンバ３００を通過するスワーラ３７０と、カラー３３０のカーテンスロット３５０を貫通するカーテン流３８０とに分割することができる。スワーラ流２７０とカーテン流３８０のそれぞれの割合は変えることができる。他の部品及び他の構成を本明細書で使用することができる。

使用時には、ガス燃料１１０の流れの少なくとも一部は、ガス燃料通路２３０を通り、スワーラベーンガス燃料通路３１０を通ってスワーラ２８０の空気チャンバ３００内に帯びる。同様に、液体燃料１１５の流れ、噴霧空気流、及び水流は、先端出口２５０を通過する。空気２０の流れは空気入口３２０を通って流れ、次いで、空気チャンバ３００を通過するスワーラ流３７０と、カラー３３０のカーテンスロット３５０を通過するカーテン流３８０とに分離することができる。ガス燃料１１０の流れとスワーラ流３７０とがスワーラ２８０の空気チャンバ３００内で混合を開始し、燃焼室７０に延在する混合燃料空気流３９０を生成する。カーテン流３８０は、カーテンスロット３５０の角度付き構成３６０をもたらす角度で噴射することができる。従って、カーテン流３８０は、この混合燃料空気流３９０を覆う（ブランケット）役割を果たす。

カーテン流３８０を噴射することにより、混合燃料空気流３９０及び／又は燃焼ガス３５の流れが燃料ノズル２００の回りの再循環ゾーンに取り込まれるのが阻止される。従って、カーテン流３８０を覆う効果は、ＮＯｘ排出物などの低減を提供することができる。具体的には、燃料空気流３９０の可燃値を低下させ、排出物を改善し、高温ガス経路中のライナ８０及び他の部品の有効寿命を延ばすようにすることができる。水−燃料比もまた、本明細書で低減することができる。

従って、本明細書で説明される燃料ノズル２００は、液体燃料の適応性が広い低天然ガス排出物を提供する。燃料空気予混合を増大させる現行の手法とは異なって、本明細書で説明される燃料ノズル２００は、実際に予混合を低減し、全体のＮＯｘ排出物を改善するようにする。燃料空気予混合を低下させるこの非直感的手法は、このような現行の燃料ノズル設計及び動作理論とは異なるものである。すなわち、本明細書でのカーテン流３８０の使用は、排出物及び全体の部品寿命を向上させる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
５５ 燃料ノズル
６０ 端部カバー
６５ ヘッド端部
７０ 燃焼室
７５ 燃焼ケーシング
８０ ライナ
８５ 流れスリーブ
９０ 空気通路
９５ トランジションピース
１００ 拡散燃料ノズル
１０５ デュアル燃料ノズル
１１０ ガス燃料
１１５ 液体燃料
１２０ 外側管体
１２５ 下流側面
１３０ 燃料ノズル先端
１３５ ガス燃料通路
１４０ 先端出口
１４５ 液体燃料出口
１５０ 噴霧空気出口
１５５ 水出口
１６０ スワーラ
１６５ スワールベーン
１７０ 空気チャンバ
１７５ スワーラ通路
１８０ スワーラ流
１８５ カラー
２００ 燃料ノズル
２０５ 燃焼器
２１０ 拡散ノズル
２２０ デュアル燃料ノズル
２３０ ガス燃料通路
２４０ 下流側面
２５０ 先端出口
２６０ 燃料ノズル先端
２７０ 液体燃料出口
２８０ スワーラ
２９０ スワールベーン
３００ 空気チャンバ
３１０ ガス燃料通路
３２０ 空気入口
３３０ カラー
３４０ コーン
３５０ カーテンスロット
３６０ 角度付き構成
３７０ スワーラ流
３８０ カーテン流
３９０ 燃料−空気流

Claims (20)

1. 燃焼器において１以上の燃料の流れと空気の流れと共に使用するための燃料ノズルであって、
   前記１以上の燃料の流れのための１以上のガス燃料通路と、
   前記１以上のガス燃料通路を囲み、１以上の空気チャンバを含むスワーラと、
   前記スワーラを囲み、１以上のカーテンスロットを含むカラーと、
   を備え、前記空気の流れが、前記１以上の空気チャンバを通るスワーラ流と、前記１以上のカーテンスロットを通るカーテン流とに分割される、燃料ノズル。
2. 前記燃料ノズルが、拡散燃焼器におけるデュアル燃料ノズルを含む、請求項１記載の燃料ノズル。
3. 前記１以上の燃料の流れが、前記１以上のガス燃料通路を通って流れるガス燃料を含む、請求項１記載の燃料ノズル。
4. 前記１以上のガス燃料通路が、下流側面に向かって延在する、請求項３記載の燃料ノズル。
5. 前記１以上の燃料の流れが、液体燃料出口を通って流れる液体燃料を含む、請求項１記載の燃料ノズル。
6. 前記液体燃料出口が、燃料ノズル先端の回りに位置付けられた先端出口を含む、請求項５記載の燃料ノズル。
7. 前記スワーラが、前記１以上の空気チャンバを画成する複数のスワールベーンを含む、請求項１記載の燃料ノズル。
8. 前記複数のスワールベーンが、複数のガス燃料通路を含む、請求項７記載の燃料ノズル。
9. 前記１以上の空気チャンバ及び前記１以上のカーテンスロットと連通した空気入口を更に備える、請求項１記載の燃料ノズル。
10. 前記カラーが、そこから延在するコーンを含む、請求項１記載の燃料ノズル。
11. 前記１以上のカーテンスロットが、角度付き構成を含む、請求項１記載の燃料ノズル。
12. 前記カーテン流が、前記スワーラ流を囲む、請求項１記載の燃料ノズル。
13. 前記カーテン流が、前記スワーラ流と前記１以上の燃料の流れの燃料−空気流を囲む、請求項１記載の燃料ノズル。
14. 前記カーテン流が、ライナに沿って延在する、請求項１記載の燃料ノズル。
15. 燃焼器において燃料ノズルを作動させる方法であって、
    前記燃料ノズルを通る１以上の燃料の流れを提供するステップと、
    前記燃料ノズルの回りに空気の流れを提供するステップと、
    前記空気の流れを、スワーラを通るスワーラ流と、カラーを通るカーテン流とに分割し、前記カーテン流が前記スワーラ流と前記１以上の燃料の流れの燃料−空気流を囲むようにするステップと、
    を含む、方法。
16. 拡散燃焼器において１以上の燃料の流れと空気の流れと共に使用するための燃料ノズルであって、
    前記１以上の燃料の流れのための１以上のガス燃料通路と、
    前記１以上のガス燃料通路を囲み、複数の空気チャンバを画成する複数のスワールベーンを含むスワーラと、
    前記スワーラを囲み、複数のカーテンスロットを含むカラーと、
    を備え、前記空気の流れが、前記複数の空気チャンバを通るスワーラ流と、前記複数のカーテンスロットを通るカーテン流とに分割される、燃料ノズル。
17. 前記複数のスワールベーンが、貫通する複数のガス燃料通路を含む、請求項１６記載の燃料ノズル。
18. 前記複数の空気チャンバ及び前記複数のカーテンスロットと連通した空気入口を更に備える、請求項１６記載の燃料ノズル。
19. 前記カラーが、そこから延在するコーンを含む、請求項１６記載の燃料ノズル。
20. 前記１以上のカーテンスロットが、角度付き構成を含む、請求項１６記載の燃料ノズル。