JP5513756B2 - クラウン混合孔を備えた燃焼器キャップ - Google Patents

Description

本発明は、ガス及び液体燃料タービンに関し、より具体的には、発電プラントで使用する産業用ガスタービンの燃焼器に関する。

ガスタービンは一般的に、圧縮機、１以上の燃焼器、燃料噴射システム及びタービンを含む。一般的に、圧縮機は吸入空気を加圧し、この加圧空気は次に、燃焼器に向かってその方向を転換されつまり逆方向に流れて、燃焼器において、この加圧空気は、該燃焼器を冷却しまたさらに燃焼プロセスに対して空気を供給するために使用される。マルチ燃焼器式タービンでは、燃焼器は、ガスタービンの周辺部の周りに設置され、移行ダクトが各燃焼器の出口端部をタービンの入口端部と連結して、燃焼プロセスの高温生成物をタービンに送給する。

ガスタービンの排出ガス中のＮＯｘ量を低減する目的で、発明者Ｗｉｌｋｅｓ及びＨｉｌｔは、二段デュアルモード式燃焼器を考案したが、この燃焼器は、本願出願人に対して１９８１年１０月６日に付与された米国特許第４２９２８０１号に示されている。この特許では、燃焼器内に２つの燃焼チャンバを構成して、正常運転負荷条件下で上流側つまり主燃焼チャンバが予混合チャンバとしての働きをしながら実際の燃焼は下流側つまり二次燃焼チャンバ内で行われるようにした場合には、従来型の単一段単一燃料ノズル式燃焼器と比較して、排出ＮＯｘの量を大幅に低減することができることを開示している。このような正常運転条件下では、主チャンバ内には火焔が全く存在せず（ＮＯｘ形成の低減が得られる）、二次つまり中央ノズルが、二次燃焼器内における燃焼用の火焔源となる。この特許発明の特定の構成は、各燃焼器の内部に配置されかつその各々が主燃焼チャンバ内に吐出する環状配列の主ノズルと、二次燃焼チャンバ内に吐出する中央二次ノズルとを含む。これらのノズルは、各ノズルが、燃料ノズル吐出オリフィスのために空気を供給する空気スワラによってその吐出端部において囲まれた軸方向燃料送給パイプを有する点で、その全てを拡散ノズルとして説明することができる。

米国特許第４９８２５７０号には、中央設置型二次ノズルとして複合拡散／予混合ノズルを利用した二段デュアルモード式燃焼器が開示されている。作動中に、比較的少量の燃料を使用して拡散パイロットを維持するが、ノズルの予混合セクションは、上流側主ノズルから主燃焼チャンバ内に向けられた主燃料供給の燃焼のために付加的燃料を供給する。

その後の開発において、これ迄は拡散及び予混合ノズルオリフィスの下流で（二次火焔ゾーンの境界において）二次燃焼チャンバ内に設置されていた二次ノズル空気スワラは、燃焼器内の火焔とのあらゆる直接接触を排除するために予混合ノズルオリフィスの上流の位置に設置し直した。

米国特許第５２７４９９１号は、低タービン負荷において拡散モードで作動しまた高タービン負荷において予混合モードで作動する単一段（単一燃焼つまりバーニングゾーン）デュアルモード式（拡散及び予混合式）燃焼器である燃焼器を開示している。一般的に、各燃焼器は、その各々が拡散／予混合二次ノズルに類似している複数燃料ノズルを含む。言い換えれば、各ノズルは、周囲専用予混合セクションつまりチューブを有し、予混合モードにおいて、燃料は単一燃焼チャンバ内での燃焼に先立って空気と予混合されるようになる。このようにして、複数専用予混合セクションつまりチューブにより、燃焼に先立つ燃料及び空気の完全な予混合が可能になり、これにより、最終的に低ＮＯｘレベルが得られる。

より具体的には、米国特許第５２７４９９１号では、各燃焼器は、長手方向軸線を有するほぼ円筒形のケーシングを含み、この燃焼器ケーシングは、互いに固定された前方及び後方セクションを有し、また燃焼器ケーシングは、全体としてタービンケーシングに固定される。各燃焼器はまた、内部流れスリーブと該流れスリーブの内部にほぼ同心に配置された燃焼ライナとを含む。流れスリーブ及び燃焼ライナの両方は、それらの前方つまり下流側端部に位置する二重壁移行ダクトとそれらの後方端部に位置するスリーブキャップ組立体（燃焼器の後方つまり上流側部分内に設置された）との間で延びる。流れスリーブは、燃焼器ケーシングに直接取付けられるが、ライナは、ライナキャップ組立体を受け、ライナキャップ組立体は次に、燃焼器ケーシングに取付けられる。移行ダクトの外壁及び流れスリーブの少なくとも一部分には、それらのそれぞれの表面の大部分にわたって空気供給孔が設けられ、それによって、圧縮機空気が燃焼器ライナと流れスリーブとの間の半径方向空間に流入しかつ燃焼器の後方つまり上流側部分に向かって逆方向に流れることが可能になり、燃焼器では、空気流の方向は再び逆になって該燃焼器の後方部分内にかつ燃焼ゾーンに向かって流れるようになる。

米国特許第４２９２８０１号明細書 米国特許第４、９８２、５７０号明細書 米国特許第５２７４９９１号明細書 米国特許第２６７６４６０号明細書 米国特許第４１００７３３号明細書 米国特許第５３５７７４５号明細書 米国特許第５４２３３６８号明細書 米国特許第６０４７５５１号明細書 米国特許第６４３８９５９号明細書 米国特許第７１８１９１６号明細書 米国特許第７１８５４９４号明細書

本発明は、燃焼器ライナキャップとして具現化することができ、本燃焼器ライナキャップは、キャップ中央本体部分と、該キャップ中央本体部分の周辺に形成された燃料ノズル部分とを含み、複数の燃料ノズルポートが、燃料ノズル部分を貫通して形成され、複数の空気ジェット孔が、キャップ中央本体部分を貫通して形成され、また各空気ジェット孔は、該ライナキャップの半径に沿ってそれぞれの燃料ノズルポートと整列している。

本発明はまた、燃焼器として具現化することができ、本燃焼器は、燃焼器ライナと、該燃焼器ライナの１つの軸方向端部に取付けられた燃焼器ライナキャップとを含み、燃焼器ライナキャップは、キャップ中央本体部分と、該キャップ中央本体部分の周辺に形成された燃料ノズル部分とを含み、複数の間隔を置いて配置された燃料ノズルポートが、燃料ノズル部分を貫通して形成され、複数の空気ジェット孔が、キャップ中央本体部分を貫通して形成され、また各空気ジェット孔は、該ライナキャップの半径に沿ってそれぞれの燃料ノズルポートと整列している。

従来型のＭＮＱＣ（マルチノズル式クワイエット燃焼器）キャップ及びライナ組立体。 図１で左から見た燃焼器ライナキャップ組立体の後端面図。 図２の燃焼器ライナキャップ組立体の前端面図。 図３の線４−４に沿って取った断面図。 本発明の例示的な実施形態によるＭＮＱＣキャップ及びライナ組立体を示す図。 図５で左から見た燃焼器ライナキャップ組立体の後端面図。 図６の燃焼器ライナキャップ組立体の前端面図。 図７の線８−８に沿って取った図。

合成ガス燃焼用として使用される、図１〜図３に概略的に図示した従来型のＭＮＱＣキャップ及びライナ組立体は、燃焼器のコア部つまり中心領域において酸素濃度が低下した場合には、ＣＯエミッションが増大した状態になることが判明した。本発明の例示的な実施形態では、コア領域における酸素レベルは、高い状態になっている。より具体的には、燃料ノズルを夾叉した従来型の小さいジェットを、中央本体上に配置されかつ各燃料ジェットに向けられたつまり各燃料ジェットに狙いを合わせた大きい空気混合ジェットと置き換えることによって、コア領域における酸素レベルが増大する。その結果得られた構造により、コア部における燃料空気混合の向上、ＣＯエミッション発生ポイントの変更、多量の希釈媒体注入、より広い作動範囲、及びＮＯｘエミッションの一層の低下が可能になる。
ＮＯｘ及びＣＯの低減は、燃焼器のコア領域における不十分な酸素濃度によって制限される。従って、従来では、燃焼器は、これ迄のエミッション目標を満たすのに必要な多量の希釈媒体流量を操作しながら安定作動を達成するために、１（理論空燃比）近傍で作動させていた。この方式では、より挑戦的なエミッション標的を達成することは著しく困難であった。従って、本発明によると、新規の中央本体構造内において空気を分布させ直して、これ迄経験してきたエミッション及び運転性限界を解決している。従って、本発明は、キャップ中央本体クラウンに配向混合孔を付加することにより燃焼ライナ領域における燃料−空気混合を促進することによって、より低いエミッション及びより大きいエミッション運転窓を達成することができるマルチノズル拡散火焔式燃焼器を提供する。

本発明により解決される問題は、どちらかといえばＮＯｘ制御用として希釈媒体を使用するマルチノズル拡散火焔式燃焼システムとは区別される。燃料を反応させるために、予混合燃焼のような又は単一ノズルバーナを使用する複数のその他の解決方法が、公知である。予混合式解決方法には、燃料中に酸素が適切に分散される利点がある。

図１及び図２にはそれぞれ、従来型のＭＮＱＣ（マルチノズル式クワイエット燃焼器）キャップ１２及びライナ１４を示している。図１〜図４に示す従来型の構造は、小さい空気孔つまりジェット１４を使用しかつ燃料ノズルを夾叉しており、従ってキャップ中央本体２０に流入する空気の大部分は外壁１８及び既にリーンの領域に向かって外向きに噴射される。その結果、従来型の混合孔構造では、希釈媒体及び燃焼生成物がライナコア領域を占有することが促進されかつコア領域における低い酸素濃度によりＣＯ転換が妨げられる。

図６及び図５にはそれぞれ、本発明の例示的な実施形態によるＭＮＱＣキャップ１１２及びライナ１１４を示している。本発明によると、その直径が約０．３７５インチの１２個の小さい混合孔つまりジェット１４ではなく、各々その直径が約０．５〜１．５インチ、さらに好ましくは約１．０インチである６個のより大きい混合孔つまりジェット１１４が、キャップ中央本体１２０のクラウン内に設置される。各混合孔１１４は、ライナキャップの半径に沿って、対応する燃料ジェットポート１１６と整列するように配向されているが、上述したように、先行技術の図２〜図４の構成では、混合孔１４は、隣接する燃料ジェットポート１６間に整列するように配向されていた。従って、６個の燃料ジェットポート１１６が設けられているこの実施例では、空気ジェット孔１１４は、燃料ジェットポート１１６と整列するように６０度間隔で配置されている。これと対照的に、図２〜図４のキャップの空気ジェット１４は、３０度間隔で配置されて、燃料ジェットポート１６の中心から約１５度ほどオフセットするようになっていた。燃料ノズル直径は、１〜８インチの範囲にある。ＩＧＣＣ ＭＮＱＣノズルは一般的に、２〜４インチの間にある。この例示的な実施形態では、燃料ジェットポート１１６は、約２．５５０インチの直径Ｄ１を有しかつ１６インチライナでは一般的である図２〜図４に示す従来型のキャップにおけるのと同様に、約１０．５００インチの直径Ｄ２の円上で該ライナキャップの周囲に整列した中心を有する。ＭＮＱＣ ＩＧＣＣユニットの場合には、１４インチ直径ライナは、約９．５インチの円上で整列した燃料ジェットポートを有する。

本発明によると、燃料及び空気ジェット（噴流）の衝突は、燃焼ライナのコア領域における混合を促進する。図８に示す例示的な実施形態では、空気ジェット孔１１４を通る空気流は、この図示した実施形態では図８におけるポート１１６の配向から分かるようにライナの軸方向である燃料噴流に対して交差している。具体的には、図８に示す実例実施形態では、空気ジェット孔１１４を通る空気流は、燃料噴流の軸方向に対して約３５度の角度で交差している。別の実施形態（図示せず）として、空気ジェット孔は、燃料噴流に対して垂直な方向に開口することができる。

より大きい開口によって供給された多量の酸素及び混合の向上により、燃焼副生物及び大量の希釈媒体流れの中で未燃ＣＯがＯ_２を得ることが可能になる。ＣＯ転換の向上により、さらなるＮＯｘ低減のために希釈媒体の量を増大させることが可能になる。

本発明により得られた新規な混合孔構成により、より多くの空気がコア領域に加えられかつ混合の向上が得られる。技術面では、この噴射方式は、１６インチ直径ＭＮＱＣライナ構成を使用して達成されるエミッション性能における劇的な改善を可能にした。この構成はまた、従前の設計における大幅なエミッション及び運転性の向上を示している。

現時点で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べきものではなく、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形態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。従って、ライナキャップの半径に沿って燃料ノズルポートの各々と整列させた空気ジェット孔に対する変形形態として、燃料ノズルポートよりも少ない空気ジェット孔を設けることができる。例えば、各主空気ジェット孔をライナキャップの半径に沿って燃料ノズルポートのそれぞれの別のポートと整列させた状態で、３個の主空気ジェット孔及び６個の燃料ノズルポートを設けて、ポートの３個のみを空気ジェット孔と整列させ、整列したポートが整列していないポートと交互になるようにすることができる。別の実施例として、各主空気ジェット孔をライナキャップの半径に沿ってそれぞれの燃料ノズルと整列させた状態で、４個の主空気ジェット孔及び６個の燃料ノズルポートを設けて、ポートの４個のみが空気ジェット孔と整列するようにすることができる。上記の実施形態に対するさらに別の変形形態として、必要又は望ましいと思われる場合には、例えば主空気ジェット孔の直径よりも小さい直径を有するような１以上の二次空気ジェット孔を、空気ジェット孔に整列した主燃料ジェット間に挿置することができる。また、６個の燃料ノズルポート有するライナキャップを詳細に説明しかつ図示してきたが、本発明は、６個の燃料ノズルポートを有するライナキャップに限定されるものではないことを理解されたい。

１２ キャップ
１４ ライナ
１６ 燃料ノズル
１８ 外壁
２０ キャップ中央本体
１１２ キャップ
１１４ ライナ
１１６ ポート
１２０ キャップ中央本体

Claims (9)

1. 燃焼器ライナキャップ（１１２）であって、
   キャップ中央本体部分（１２０）と、
   前記キャップ中央本体部分の周辺に形成された燃料ノズル部分と、を含み、
   複数の燃料ノズルポート（１１６）が、前記燃料ノズル部分を貫通して形成され、
   複数の空気ジェット孔（１１４）が、前記キャップ中央本体部分（１２０）を貫通して形成され、
   各前記空気ジェット孔が、該ライナキャップの半径に沿ってそれぞれの前記燃料ノズルポートと整列しており、
   前記キャップ中央本体（１２０）の周辺に形成された６個の燃料ノズルポート（１１６）と前記キャップ中央本体（１２０）の周りに形成された６個の空気ジェット孔（１１４）とが設けられ、
   前記燃料ノズルポート及び空気ジェット孔が、該ライナキャップの共通半径上に中心を有しかつそれぞれの前記空気ジェット孔が、該キャップの周りで互いに６０度離れて配置されるようになっており、
   前記燃焼器ライナキャップ（１１２）を通る燃料の流れは、前記燃料ノズルポート（１１６）の流れに限定されている、
   燃焼器ライナキャップ。
2. 各前記空気ジェット孔（１１４）が、約１．２７〜３．８１ｃｍの直径を有する、請求項１に記載の燃焼器ライナキャップ。
3. 各前記空気ジェット孔（１１４）が、それを通って流れる空気がそれぞれの前記燃料ノズルポート（１１６）からの燃料と衝突し、それによって燃料及び空気噴流の衝突が、それに対して該キャップを取付けた燃焼器ライナのコア領域において混合を促進するようになる、請求項１に記載の燃焼器ライナキャップ。
4. 前記空気ジェット孔（１１４）を通る空気流が、それぞれの前記燃料ノズルポート（１１６）からの燃料噴流に対して交差している、請求項３に記載の燃焼器ライナキャップ。
5. 前記空気ジェット孔（１１４）を通る空気流が、それぞれの前記燃料ノズルポート（１１６）からの燃料噴流に対して約３５度の角度で交差している、請求項４に記載の燃焼器ライナキャップ。
6. 前記空気ジェット孔（１１４）が、前記キャップ中央本体（１２０）の周囲に均等に間隔を置いて配置される、請求項１に記載の燃焼器ライナキャップ。
7. 各前記燃料ノズルポート（１１６）が、約５．０８〜１０．１６ｃｍの直径を有する、請求項１に記載の燃焼器ライナキャップ。
8. 前記燃料ノズルポート（１１６）が、該燃料ノズルポートの中心が約２６．６７ｃｍの直径を有する仮想円上で整列するように、前記燃料ノズル部分の周りに配置される、請求項１に記載の燃焼器ライナキャップ。
9. 燃焼器ライナ（１１４）と、
   前記燃焼器ライナ（１１４）の１つの軸方向端部に取付けられた、請求項１に記載したような燃焼器ライナキャップ（１１２）と、
   を含む、燃焼器。