JP6240433B2 - 燃焼ダイナミックスを低減するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、燃焼ダイナミックスを低減するためのシステム及び方法に関する。特定の実施形態において、本発明は、ガスタービン又は他のターボ機械に組み込むことができる。

燃焼器は、燃料を点火して高温及び高圧の燃焼ガスを生成する産業用及び商用運転において一般的に使用されている。例えば、ガスタービン及び他のターボ機械は通常、出力又は推力を発生させるため１つ又はそれ以上の燃焼器を含む。電力を発生するのに使用される典型的なガスタービンは、前方に軸流圧縮機と、中間付近に複数の燃焼器と、後方にタービンとを含む。周囲空気が作動流体として圧縮機に流入し、該圧縮機は、作動流体に漸次的に運動エネルギーを与え、高エネルギー状態の加圧作動流体を生成する。加圧作動流体は、圧縮機から流出して、燃焼器において１つ又はそれ以上の燃料ノズル及び／又は管体を通って流れ、ここで加圧作動流体が燃料と混合した後に点火して、高温高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービンを通って流れ、ここで膨張して仕事を産出する。例えば、タービンにおける燃焼ガスの膨張によって、発電機に接続されたシャフトを回転させて電気を発生させる。

種々の要因が燃焼器の設計及び作動に影響を及ぼす。例えば、一般的には、燃焼ガス温度が高いほど燃焼器の熱力学的効率が向上する。しかしながら、より高温の燃焼ガス温度はまた保炎状態を促進し、この場合、燃焼火炎がノズルによって供給されている燃料に向かって進み、比較的短時間のうちに燃料ノズルに促進損耗を生じさせる場合がある。加えて、より高い燃焼ガス温度は一般に、二原子窒素の解離率を高め、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を増大させる。反対に、燃料流量の低下及び／又は部分負荷運転（ターンダウン）に伴う低温の燃焼ガス温度は一般に、燃焼ガスの化学反応速度を低下させ、一酸化炭素及び未燃炭化水素の生成を増大させる。

保炎を防ぎ、望ましくないエミッションを制御しながらより高い作動温度を可能にする点では効果的であるが、特定の作動条件では、一部の燃焼器は、燃焼プロセス又は火炎ダイナミックスと燃焼器の１つ又はそれ以上の音響共振周波数との相互作用又はカップリングに起因した燃焼不安定性を生じる可能性がある。例えば、燃焼不安定性の１つの機構は、音響圧力脈動が燃料ポートにて質量流量変動を引き起こし、結果として火炎ゾーンにおける燃空比変動をもたらしたときに生じる場合がある。結果として生じる燃料／空気変動及び音響圧力脈動が特定の相挙動（例えば、ほぼ同相の）を有する場合には、自励のフィードバックループが生じる。この機構及び結果として生じる燃焼ダイナミックスの大きさは、燃料噴射と火炎ゾーンに到達する時間との間の遅延に依存し、当該技術分野において対流時間（Ｔａｕ）として知られている。対流時間が増大すると、燃焼不安定性の周波数が低下し、対流時間が減少した場合には、燃焼不安定性の周波数が高くなる。その結果、燃焼ダイナミックスは、場合によっては、１つ又はそれ以上の燃焼器及び／又は下流側構成要素の耐用寿命を短縮することになる。例えば、燃焼ダイナミックスは、燃料ノズル及び／又は燃焼室内部で圧力パルスを発生する場合があり、この圧力パルスは、これらの構成要素の高サイクル疲労寿命、燃焼火炎の安定性、保炎の設計マージン、及び／又は望ましくないエミッションに悪影響を及ぼす可能性がある。代替として、又はこれに加えて、同相及びコヒーレントである特定の周波数及び十分な大きさを有する燃焼ダイナミックスは、タービン及び／又は他の下流側構成要素において望ましくない共振を生じる可能性がある。１つ又はそれ以上の燃焼器における燃焼不安定性の周波数を他のものから引き離してシフトさせることによって全体としての燃焼システムのコヒーレンスが低下し、燃焼器間のカップリングが減少することになる。このことは、下流側構成要素において振動応答を引き起こす燃焼器トーンの能力を弱め、また、燃焼器間による減殺的干渉を促進して、燃焼ダイナミックスの大きさを低減させる。従って、各燃焼器によって生成される燃焼ダイナミックスの位相及び／又はコヒーレンスを調整するシステム及び方法は、広範囲の作動レベルにわたって燃焼器の熱力学的効率を向上させ、促進損耗から保護し、火炎安定性を促進し、及び／又は望ましくないエミッションを低減するのに有用である。

米国特許第７，５７８，１３０号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の１つの実施形態は、軸線の周りに配列された第１及び第２の燃焼器を含む燃焼ダイナミックスを低減するためのシステムであり、該各燃焼器は、燃焼器の少なくとも一部を通って軸方向に延びた複数の管体と、該複数の管体から下流側の燃焼室とを含む。燃料噴射装置が、各管体を貫通して延びて、燃焼室から第４の軸方向距離にて各管体内に流体連通する。第１の燃焼器における第４の軸方向距離は、第２の燃焼器における第４の軸方向距離とは異なる。

本発明の別の実施形態は、軸線の周りに配列された第１及び第２の燃焼器を備えた、燃焼ダイナミックスを低減するためのシステムであり、各燃焼器が、前記燃焼器の少なくとも一部にわたって半径方向に延びたキャップ組立体と、該キャップ組立体から下流側の燃焼室と、を含む。各キャップ組立体は、キャップ組立体を通って軸方向に延びて、該キャップ組立体を通って燃焼室に流体連通した複数の管体と、各管体を貫通して延びて、燃焼室から第４の軸方向距離にて各管体内に流体連通した燃料噴射装置と、を含む。第１の燃焼器における第４の軸方向距離は、第２の燃焼器における第４の軸方向距離とは異なる。

本発明の更に別の実施形態において、燃焼ダイナミックスを低減するためのシステムは、軸線の周りに配列された第１及び第２の燃焼器を含み、該各燃焼器が、該燃焼器の少なくとも一部を通って軸方向に延びた複数の管体と、該複数の管体から下流側の燃焼室とを含む。燃料噴射装置が、各管体を貫通して延びて、燃焼室から第４の軸方向距離にて各管体内に流体連通する。本システムは更に、第２の燃焼器における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を第１の燃焼器において生成する構造を含む。

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の種々の実施形態による、例示的なガスタービンの簡易側断面図。 本発明の種々の実施形態による、例示的な燃焼器の簡易側断面図。 本発明の１つの実施形態による、図２に示すキャップ組立体の上流側平面図。 本発明の代替の実施形態による、図２に示すキャップ組立体の上流側平面図。 本発明の代替の実施形態による、図２に示すキャップ組立体の上流側平面図。 本発明の１つの実施形態による、線Ａ−Ａに沿った図３に示す燃焼器のヘッド端部の側断面図。 本発明の第１の実施形態による、燃焼ダイナミックスを低減するためのシステムの図。 本発明の第２の実施形態による、燃焼ダイナミックスを低減するためのシステムの図。 本発明の１つの実施形態による、線Ｂ−Ｂに沿った図５に示す燃焼器のヘッド端部の側断面図。 本発明の第３の実施形態による、燃焼ダイナミックスを低減するためのシステムの図。 本発明の第４の実施形態による、燃焼ダイナミックスを低減するためのシステムの図。 本発明の種々の実施形態による、燃焼器ダイナミックスの例示的なグラフ。

ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似した表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。加えて、用語「上流側」及び「下流側」は、流体経路における構成要素の相対的位置を示している。例えば、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の上流側にある。逆に、構成要素Ｂが構成要素Ａから流体を受け取る場合、構成要素Ｂは構成要素Ａの下流側にある。

各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本発明の種々の実施形態は、燃焼ダイナミックスを低減して、熱力学的効率を向上させ、火炎安定正を促進し、及び／又は広範囲の作動レベルにわたって望ましくないエミッションを低減するためのシステム及び方法を含む。本システム及び方法は一般に、複数の燃焼器を含み、各燃焼器は、１つ又はそれ以上の燃料ノズル及び／又は管体と、該燃料ノズル及び／又は管体から下流側の燃焼室とを含む。各燃料ノズルは、１つ又はそれ以上の燃料ポート及び／又は半径方向に延びるベーンを含み、各管体は、１つ又はそれ以上の燃料噴射装置を含む。本システム及び方法は、第１の燃焼器において燃焼不安定周波数を生成する種々の手段を含み、該第１の燃焼器における燃焼不安定周波数は、第２の燃焼器における燃焼不安定周波数とは異なる。結果として、本発明の種々の実施形態は、作動条件の拡張、寿命及び／又は保守間隔の延長、保炎設計マージンの改善、及び／又は望ましくないエミッションの低減をもたらすことができる。本発明の例示的な実施形態は、全体的に例証の目的でガスタービンにおける燃焼ダイナミックスに関連して説明しているが、本発明の実施形態は、あらゆる燃焼ダイナミックスにも適用することができ、請求項に特に指定のない限りガスタービンに限定されない点は当業者であれば容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン１０の簡易断面図を示す。図示のように、ガスタービン１０は、全体的に、前方に圧縮機セクション１２、中間付近で燃焼器セクション内に半径方向に配置された複数の燃焼器１４、及び後方にタービンセクション１６を含むことができる。圧縮機セクション１２及びタービンセクション１６は、発電機２０に接続された共通のロータ１８を共用し、電気を生成することができる。周囲空気のような作動流体２２は、圧縮機セクション１２に流入し、固定ベーン２４及び回転ブレード２６の交互する段を通過することができる。圧縮機ケーシング２８は、作動流体２２を収容し、固定ベーン２４及び回転ブレード２６が作動流体２２を加速して再配向し、加圧作動流体２２の連続流を生成するようにする。加圧作動流体２２の大部分は、圧縮機吐出プレナム３０を通って燃焼器１４に流れる。燃焼器ケーシング３２は、各燃焼器１４の一部又は全てを円周方向に囲み、圧縮機セクション１２から流れる加圧作動流体２２を収容することができる。燃料は、１つ又はそれ以上の燃料ノズル３４及び／又は管体３６において加圧作動流体２２と混合することができる。使用できる燃料としては、例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化した液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、及びプロパンのうちの１つ又はそれ以上が挙げられる。燃料及び加圧作動流体２２の混合気は、燃焼室３８に流入してここで点火され、高温高圧の燃焼ガスを発生するようになっている。移行ダクト４０は、燃焼室３８の少なくとも一部を円周方向に囲み、燃焼ガスは、移行ダクト４０を通ってタービンセクション１６に流れる。

タービンセクション１６は、固定ノズル４２及び回転バケット４４の交互する段を含むことができる。固定ノズル４２は、燃焼ガスを回転バケット４４の次の段に再配向し、該燃焼ガスは回転バケット４４を通過するときに膨張して、回転バケット４４及びロータ１８を回転させるようにする。次いで、燃焼ガスは、固定ノズル４２の次の段に流れ、該固定ノズルは、燃焼ガスを回転バケット４４の次の段に再配向して、このプロセスは後続の段について繰り返される。

燃焼器１４は、当該技術分野で公知の何れかのタイプの燃焼器とすることができ、本発明は、請求項に別途指定のない限り、何れかの特定の燃焼器設計に限定されない。図２は、本発明の種々の実施形態による、例示的な燃焼器１４の簡易側断面図を示す。燃焼器ケーシング３２は、燃焼器１４の少なくとも一部を円周方向に囲み、圧縮機１２から流れる加圧作動流体２２を収容する。図２に示すように、燃焼器ケーシング３２は、各燃焼器１４の少なくとも一部にわたって半径方向に延びて、燃料、希釈剤、及び／又は他の添加剤を各燃焼器１４に供給するための接続部を提供する端部カバー４６に接続又は含めることができる。加えて、燃焼器ケーシング３２及び端部カバー４６を組み合わせて、各燃焼器１４内部にヘッド端部４８を少なくとも部分的に定めることができる。燃料ノズル３４及び／又は管体３６は、ヘッド端部４８から下流側の各燃焼器１４の少なくとも一部にわたって半径方向に延びるキャップ組立体５０において半径方向に配列させることができる。ライナ５２は、キャップ組立体５０に接続され、該キャップ組立体５０から下流側で燃焼室３８を少なくとも部分的に定めることができる。このようにして、作動流体２２は、例えば、インピンジメントスリーブ５４内の流れ孔５４を通り、移行ダクト４０及びライナ５２の外側に沿って流れ、移行ダクト４０及びライナ５２に対して対流冷却をもたらすことができる。作動流体２２がヘッド端部４８に到達すると、該作動流体２２は反転し、燃料ノズル３４及び／又は管体３６は、作動流体２２がキャップ組立体５０を通って燃焼室３８に流入するよう流体連通を形成する。

燃料ノズル３４及び／又は管体３６の半径方向断面は、全体的に円筒形で示されているが、あらゆる幾何形状であってもよく、本発明は、請求項に別途記載のない限り、何らかの特定の半径方向断面に限定されない。加えて、燃焼器１４の種々の実施形態は、キャップ組立体５０において燃料ノズル３４及び／又は管体３６の異なる数及び配列を含むことができ、図３〜５は、本発明の範囲内にあるキャップ組立体５０における燃料ノズル３４及び／又は管体３６の例示的な配列の上流側平面図を示す。図３に示すように、例えば、複数の燃料ノズル３４を単一の燃料ノズル３４の周りに半径方向に配列することができる。或いは、図４に示すように、管体３６は、キャップ組立体５０全体にわたって半径方向に配列することができ、また、管体３６は、燃焼器１４の作動範囲にわたって複数の燃料供給形態を可能にするよう種々のグループに分割することができる。例えば、管体３６は、図４に示すように、中心管体バンドル６０を円周方向に囲む複数の円形管体バンドル５８にグループ化することができる。或いは、図５に示すように、複数のパイ形管体バンドル６２が単一の燃料ノズル３４を円周方向に囲むことができる。ベース負荷運転中、燃料は、図３〜５に示す各燃料ノズル３４及び管体バンドル５８、６０、６２に供給することができ、他方、低減又はターンダウン運転中には、中心燃料ノズル３４又は中心燃料バンドル６０及び／又は１つ又はそれ以上の円周方向に配列された燃料ノズル３４又は円形もしくはパイ形管体バンドル５８、６２からの燃料流は、低減又は完全に排除することができる。本明細書の教示による燃料ノズル３４、管体３６、及び管体バンドル５８、６０、６２の複数の他の形状及び配列、並びに燃料ノズル３４、管体３６、及び管体バンドル５８、６０、６２の特定の形状及び配列は、別途請求項に記載のない限り、本発明を限定するものではない点は当業者には容易に理解されるであろう。

図６は、本発明の実施形態による、線Ａ−Ａに沿った図３に示す燃焼器１４のヘッド端部４８の側断面図を示す。図３及び６に示すように、燃焼器１４は、燃焼器１４の軸方向中心線６４と実質的に整列した中心燃料ノズル３４の周りに半径方向に配列された複数の燃料ノズル３４を含むことができる。各燃料ノズル３４は、端部カバー４６から下流側軸方向に延びる中央本体６６と、中央本体６６の少なくとも一部を円周方向に囲んで、該中央本体６６との間に環状通路７０を定めるシュラウド６８とを含むことができる。１つ又はそれ以上のベーン７２が、中央本体６６とシュラウド６８との間で半径方向に延びることができ、ベーン７２は、中央本体６６とシュラウド６８との間で環状通路７０を通って流れる作動流体２２にスワールを与えるよう角度を付けるか、又は湾曲することができる。ベーン７２及び／又は中央本体６６は、１つ又はそれ以上の燃料ポート７４を含むことができる。このようにして、燃料は、中央本体６６及び／又はベーン７２を通って供給することができ、燃料ポート７４は、燃料が環状通路７０に流入して、作動流体２２と混合した後、混合気が燃焼室３８に到達するよう流体連通する。

燃料ノズル３４が、燃焼器１４（図２に示す例示的な燃焼器１４など）内に組み込まれると、燃焼室３８における結果として生じる燃焼プロセスが放熱変動を生じ、その結果、燃焼器１４の１つ又はそれ以上の音響モードと結合して燃焼不安定性を発生する場合がある。燃焼不安定性を生じる可能性がある１つの特定の機構は、放熱変動によって引き起こされる音響脈動によって燃料ポート７４を通る質量流量変動が生じたときに発生する。例えば、燃焼火炎に関連する圧力パルスは、燃焼室３８から上流側の各環状通路７０に伝播することができる。圧力パルスが燃料ポート７４及び／又はベーン７２に到達すると、該圧力パルスは、燃料ポート７４を通過及び／又はベーン７２を超える燃料流と干渉し、燃焼火炎に向かって下流側に流れる燃料−空気混合気の濃度の変動をもたらす可能性がある。次に、この燃料／空気比の変動は下流側の火炎領域に移動し、ここで放熱変動を引き起こす。結果として生じる放熱変動が圧力変動とほぼ同相である場合には、放熱変動が更に促進され、連続的なフィードバックループを生じることになる。逆に、結果として生じる放熱変動と圧力変動とが位相ずれしている場合には、減殺的干渉により、特定の燃料ノズル３４に関連する燃焼不安定周波数の大きさが減少することになる。燃料ノズル３４に関連する燃焼不安定周波数は、互いに相乗的又は減殺的に干渉し、特定の燃料ノズル３４に関連する燃焼不安定周波数の大きさを増大又は減少させることができる。

結果として生じる燃焼不安定周波数は、音響圧力パルスが燃料ポートに到達し、次いで結果として生じる燃料／空気比の変動が火炎ゾーンに到達するのに要する時間の関数となる。この時間は、当該技術分野において対流時間すなわちＴａｕとして知られている。従って、燃料／空気比の変動と音響圧力変動の相互作用によって生じる燃焼不安定周波数は、燃料ポート７４及び／又はベーン７２と燃焼室３８（すなわち、燃料ノズル３４の端部又はシュラウド６８の端部）との間の軸方向距離に反比例する。特定の実施形態において、これらの燃焼不安定周波数は、１つ又はそれ以上の燃料ノズル３４において調整及び／又は同調され、個々の燃焼器１４に関連する燃焼ダイナミックスに影響を及ぼすことができる。図３及び６に示す特定の実施形態において、例えば、燃焼器１４は、各燃料ノズル３４に対して燃料ポート７４及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間に異なる軸方向距離７６を備えた、複数の燃料ノズル３４を含むことができる。結果として、各燃料ノズル３４に対して発生する燃焼不安定周波数が僅かに異なることになり、特定の燃焼器１４に関連する燃焼ダイナミックスの大きさを増大させることによる燃料ノズル３４間の相乗的干渉が低減又は排除される。燃料ポート７４及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間の軸方向距離７６の変動の複数の組み合わせによって、各燃料ノズル３４に対して所望の燃焼不安定周波数及び／又は特定の燃焼器１４に対して所望の燃焼ダイナミックスを達成することが可能になることは、当業者であれば本明細書の教示から容易に理解されるであろう。例えば、特定の実施形態において、燃料ポート７４及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間の軸方向距離７６は、特定の燃焼器１４における燃料ノズル３４の一部又は全てについて同じか又は異なることができ、本発明は、請求項に別途記載のない限り、軸方向距離７６の特定の何れかの組み合わせに限定されるものではない。

ガスタービン１０に組み込まれた複数の燃焼器１４に関連する燃焼ダイナミックスは、互いに相乗的又は減殺的に干渉し、ガスタービン１０に関連する燃焼ダイナミックスの大きさ及び／又はコヒーレンスを増大又は減少させることができる。詳細な実施形態において、１つ又はそれ以上の燃焼器１４に関連する燃焼不安定周波数及び／又は燃焼ダイナミックスは、別の燃焼器１４の燃焼ダイナミックス、及びひいてはガスタービン１０に関連する燃焼ダイナミックスとの相互作用に影響を及ぼすように調整及び／又は同調させることができる。例えば、図７は、本発明の第１の実施形態による、燃焼ダイナミックス及び／又は燃焼ダイナミックスのコヒーレンスを低減するシステムを示す。図７に示す特定の実施形態において、図３及び６に示すような複数の燃焼器１４が軸線７８の周りに配列されている。軸線７８は、例えば、ガスタービン１０において圧縮機セクション１２をタービンセクション１６に接続するロータ１８と一致することができるが、本発明は、軸線７８の特定の配向又は軸線７８の周りの燃焼器１４の特定の配列に限定されない。

図７に示すように、各燃焼器１４は、図２、３及び６に関して上述したように燃料ノズル３４から下流側に燃焼室３８を備えた複数の燃料ノズル３４を含む。加えて、本システムは更に、他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を一方の燃焼器１４において生成する手段を含む。他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を一方の燃焼器１４において生成する機能により、燃焼ダイナミックスの大きさを増大させ又は２つ又はそれ以上の燃焼器１４の燃焼ダイナミックスのコヒーレンスを増大させる可能性がある燃焼不安定周波数間の相乗的干渉が低減又は阻止される。この手段のための構造は、２つの燃焼器１４の間における、燃料ポート７４と燃焼室３８との間及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間の軸方向距離７６のうちの１つ又はそれ以上の差違を含むことができる。図７に示す特定の実施形態において、例えば、燃料ポート７４と燃焼室３８との間及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間の各軸方向距離７６は、２つの燃焼器１４の間で異なる。結果として、この手段は、２つの燃焼器１４において異なる燃焼不安定周波数を生成する。燃料ポート７４と燃焼室３８及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間の軸方向距離７６の変動の複数の組み合わせによって、他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を一方の燃焼器１４において生成することが可能になることは、当業者であれば本明細書の教示から容易に理解されるであろう。例えば、特定の実施形態において、燃料ポート７４と燃焼室３８及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間の１つ又はそれ以上の軸方向距離７６は、軸方向距離７６が両方の燃焼器１４において必ずしも全て同じではない限り、他の燃焼器１４と比べて特定の燃焼器における燃料ノズル３４のうちの１つ又はそれ以上について同じであっても異なっていてもよく、本発明は、請求項に別途記載のない限り、軸方向距離７６の何れかの特定の組み合わせに限定されない。

図８は、本発明の第２の実施形態による、燃焼ダイナミックスを低減するシステムを示す。図８に示すように、各燃焼器１４はまた、図２、３、６、及び７に関して上述したように、燃料ノズル３４から下流側に燃焼室３８を備えた複数の燃料ノズル３４を含む。加えて、燃料ポート７４及び／又はベーン７２の軸方向位置は、各燃焼器１４において同じ又は異なることができる。例えば、図８に示す特定の実施形態では、燃料ポート７４及びベーン７２の軸方向位置は同じ燃焼器１４内では異なるが、両方の燃焼器１４においては燃料ポート７４及びベーン７２の軸方向位置が繰り返されている。

図８に示す実施形態はまた、他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数又は共振周波数とは異なる燃焼不安定周波数又は共振周波数を一方の燃焼器１４において生成する手段を含む。この特定の実施形態において、この手段のための構造は、他の燃焼器１４におけるキャップ組立体の軸方向距離８０と比べて、一方の燃焼器１４におけるキャップ組立体の軸方向距離８０の差違を含むことができる。両方の燃焼器１４において燃料ポート７４及びベーン７２の軸方向位置が繰り返されると、２つの燃焼器１４間の軸方向距離８０の差違により、２つの燃焼器１４の間で、燃料ポート７４と燃焼室３８並びにベーン７２と燃焼室３８との間の軸方向距離７６の対応する差違が生じる。２つの燃焼器１４間の軸方向距離８０の差違により、２つの燃焼器１４の間での燃焼不安定性又は共振周波数の対応する差違が生じる。燃料ポート７４と燃焼室３８及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間の軸方向距離７６の変動の複数の組み合わせによって、他の燃焼器１４における燃焼不安定性又は共振周波数とは異なる燃焼不安定性又は共振周波数を一方の燃焼器１４において生成することが可能になることは、当業者であれば本明細書の教示から容易に理解されるであろう。例えば、特定の実施形態において、燃料ポート７４と燃焼室３８及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間の１つ又はそれ以上の軸方向距離７６は、他の燃焼器１４と比べて特定の燃焼器１４における燃料ノズル３４のうちの１つ又はそれ以上について同じであっても異なっていてもよく、本発明は、請求項に別途記載のない限り、軸方向距離７６の何れかの特定の組み合わせに限定されない。

図９は、本発明の実施形態による、線Ｂ−Ｂに沿った図５に示す燃焼器１４のヘッド端部４８の側断面図を示す。図示のように、キャップ組立体５０は、燃焼器１４の少なくとも一部にわたって半径方向に延び、下流側表面８４から軸方向に離れた上流側表面８２を含む。上流側及び下流側表面８２、８４は全体的に平坦又は直線状であり、キャップ組立体５０を通る作動流体２２の全体の流れに垂直に配向することができる。図９に示す特定の実施形態において、燃料ノズル３４はまた、キャップ組立体５０の軸方向中心線６４と実質的に整列され、キャップ組立体５０を貫通して延びて、該キャップ組立体５０を通じて燃焼室３８に流体連通している。燃料ノズル３４は、燃焼室３８に流入する前に燃料を作動流体２２と混合させるための当業者には周知のあらゆる好適な構造を含むことができ、本発明は、請求項に別途記載のない限りあらゆる特定の構造に限定されるものではない。例えば、図９に示すように、燃料ノズル３４は、図６に示す実施形態に関して上述したように、中央本体６６、シュラウド６８、環状通路７０、ベーン７２、及び燃料ポート７４を含むことができる。

図５及び９に示すように、管体３６は、パイ形の管体バンドル６２において燃料ノズル３４の周りに円周方向に配列することができ、キャップ組立体５０の上流側表面８２から下流側表面８４を貫通して延びることができる。各管体３６は全体的に、上流側表面８２に近接した入口８６と、下流側表面８４に近接した出口８８とを含み、キャップ組立体５０を通って管体３６から下流側の燃焼室３８内に流体連通している。

図９に示すように、上流側表面８２及び下流側表面８４は、キャップ組立体５０の内部に燃料プレナム９０を少なくとも部分的に定めることができる。燃料導管９２は、ケーシング３２及び／又は端部カバー４６から上流側表面８２を通って延びて、燃料が燃料プレナム９０に流入するよう流体連通することができる。管体３６の１つ又はそれ以上は、管体３６を貫通して延びて、燃料プレナム９０から管体３６内に流体連通した燃料噴射装置９４を含むことができる。燃料噴射装置９４は、半径方向、軸方向及び／又は方位角方向に角度を付けて、燃料噴射装置９４を通って管体３６に流入する燃料を噴射及び／又は燃料にスワールを与えることができる。従って、作動流体２２は、タービン入口８６に流入することができ、燃料導管９２からの燃料は、燃料プレナム９０において管体３６の周りを流れて管体３６に対流冷却を提供した後に、燃料噴射装置９４を通って管体３６内に流れて作動流体２２と混合することができる。次いで、燃料−作動流体混合気は、管体３６を通って燃焼室３８に流入することができる。

図６に示す実施形態に関して上述したように、管体３４が燃焼器１４（図２に示す例示的な燃焼器１４など）内に組み込まれると、燃焼室３８における結果として生じる燃焼プロセスが放熱変動を生じ、その結果、燃焼器１４の１つ又はそれ以上の音響モードと結合して燃焼不安定性を発生する場合がある。燃焼不安定性を生じる可能性がある１つの特定の機構は、放熱変動によって引き起こされる音響脈動が上流側の燃料噴射装置９４に移動するときに発生し、この燃料噴射装置９４で音響脈動が燃料噴射装置９４を通る燃料流と干渉し、燃焼火炎に向かって下流側に流れる燃料−空気混合気の濃度の変動をもたらす可能性がある。次いで、燃料／空気比変動は、下流側の火炎領域に向かって移動し、ここで放熱変動を引き起こす場合がある。結果として生じる放熱変動が圧力変動とほぼ同相である場合には、放熱変動が更に促進され、連続的なフィードバックループを生じることになる。逆に、結果として生じる放熱変動と圧力変動とが位相ずれしている場合には、減殺的干渉により、管体３６、管体バンドル６２、及び／又はキャップ組立体５０と関連する燃焼不安定周波数の大きさが減少することになる。管体３６及び管体バンドル６２に関連する燃焼不安定周波数は、互いに相乗的又は減殺的に干渉し、特定の燃焼器１４に関連する燃焼ダイナミックスの大きさを増大又は減少させることができる。

結果として生じる燃焼不安定周波数は、音響圧力パルスが燃料噴射装置９４に到達し、次いで結果として生じる燃料／空気比の変動が火炎ゾーンに到達するのに要する時間の関数となる。この時間は、当該技術分野において対流時間すなわちＴａｕとして知られている。従って、燃料／空気比の変動と音響圧力変動の相互作用によって生じる燃焼不安定周波数は、燃料噴射装置９４と燃焼室３８（すなわち、管体出口８８）との間の軸方向距離に反比例する。特定の実施形態において、これらの燃焼不安定周波数は、１つ又はそれ以上の管体３６及び／又は管体バンドル６２において調整及び／又は同調され、個々の燃焼器１４に関連する燃焼ダイナミックスに影響を及ぼすことができる。図５及び９に示す特定の実施形態において、例えば、管体３６は、各管体バンドル６２に対して燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間に異なる軸方向距離９６を有することができる。結果として、各管体３６に対する燃焼不安定周波数が僅かに異なることになり、特定の燃焼器１４に関連する燃焼ダイナミックスの大きさを増大させることによる管体バンドル６２間の相乗的干渉が低減又は排除される。燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の軸方向距離９６の変動の複数の組み合わせによって、各管体３６及び／又は管体バンドル６２に対して所望の燃焼不安定周波数及び／又は特定の燃焼器１４に対して所望の燃焼ダイナミックスを達成することが可能になることは、当業者であれば本明細書の教示から容易に理解されるであろう。例えば、特定の実施形態において、燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の軸方向距離９６は、特定の燃焼器１４における管体３６及び／又は管体バンドル６２の一部又は全てについて同じか又は異なることができ、本発明は、請求項に別途記載のない限り、軸方向距離９６の特定の何れかの組み合わせに限定されるものではない。

ガスタービン１０に組み込まれた複数の燃焼器１４に関連する燃焼ダイナミックスは、互いに相乗的又は減殺的に干渉し、ガスタービン１０に関連する燃焼ダイナミックスの大きさ及び／又はコヒーレンスを増大又は減少させることができる。詳細な実施形態において、１つ又はそれ以上の燃焼器１４に関連する燃焼不安定周波数及び／又は燃焼ダイナミックスは、別の燃焼器１４の燃焼ダイナミックス、及びひいてはガスタービン１０に関連する燃焼ダイナミックスとの相互作用に影響を及ぼすように調整及び／又は同調させることができる。例えば、図１０は、本発明の第３の実施形態による、燃焼ダイナミックスを低減するシステムを示す。図１０に示す特定の実施形態において、図５及び９に示すような複数の燃焼器１４が軸線１００の周りに配列されている。軸線１００は、例えば、ガスタービン１０において圧縮機セクション１２をタービンセクション１６に接続するロータ１８と一致することができるが、本発明は、軸線１００の特定の配向又は軸線１００の周りの燃焼器１４の特定の配列に限定されない。

図１０に示すように、各燃焼器１４は、燃料ノズル３４を円周方向に囲むパイ形の管体バンドル６２に配列された複数の管体３６を含み、燃焼室３８は、図２、５及び９に関して上述したように、管体３６、管体バンドル６２、及び燃料ノズル３４から下流側にある。加えて、本システムは更に、他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を一方の燃焼器１４において生成する手段を含む。この手段のための構造は、２つの燃焼器１４の間における、燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の軸方向距離９６のうちの１つ又はそれ以上の差違を含むことができる。図１０に示す特定の実施形態において、例えば、各管体バンドル６２における燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の軸方向距離９６は、２つの燃焼器１４の間で異なる。結果として、この手段は、２つの燃焼器１４において異なる燃焼不安定周波数を生成する。燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の軸方向距離９６の変動の複数の組み合わせによって、他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を一方の燃焼器１４において生成することが可能になることは、当業者であれば本明細書の教示から容易に理解されるであろう。例えば、特定の実施形態において、燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の１つ又はそれ以上の軸方向距離９６は、軸方向距離９６が両方の燃焼器１４において必ずしも全て同じではない限り、他の燃焼器１４と比べて特定の燃焼器における管体３６及び／又は管体バンドル６２のうちの１つ又はそれ以上について同じであっても異なっていてもよく、本発明は、請求項に別途記載のない限り、軸方向距離９６の何れかの特定の組み合わせに限定されない。

図１１は、本発明の第４の実施形態による、燃焼ダイナミックスを低減するシステムを示す。図１１に示すように、各燃焼器１４はまた、燃料ノズル３４を円周方向に囲むパイ形の管体バンドル６２に配列された複数の管体３６を含み、燃焼室３８は、図２、５、９、及び１０に関して上述したように、管体３６、管体バンドル６２、及び燃料ノズル３４から下流側にある。加えて、燃料噴射装置９４の軸方向位置は、各燃焼器１４において同じ又は異なることができる。例えば、図１１に示す特定の実施形態では、燃料噴射装置９４の軸方向位置は同じ燃焼器１４内で各管体バンドル６２について異なるが、両方の燃焼器１４においては各管体バンドル６２における燃料噴射装置９４の軸方向位置が繰り返されている。

図１１に示す実施形態はまた、他の燃焼器１４における燃焼不安定性又は共振周波数とは異なる燃焼不安定性又は共振周波数を一方の燃焼器１４において生成する手段を含む。図８において説明し例示した上述の実施形態と同様に、この手段のための構造は、他の燃焼器１４におけるキャップ組立体の軸方向長さ８０と比べて一方の燃焼器１４におけるキャップ組立体５０の軸方向長さ８０の差違を含むことができる。両方の燃焼器１４において燃料噴射装置９４の軸方向位置が繰り返されると、２つの燃焼器１４の間の軸方向長さ８０の差違により、２つの燃焼器１４の間で、燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の軸方向距離９６の対応する差違が生じる。２つの燃焼器１４間の軸方向距離９６の差違により、２つの燃焼器１４の間での燃焼不安定性又は共振周波数の対応する差違が生じる。燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の軸方向距離９６の変動の複数の組み合わせによって、他の燃焼器１４における燃焼不安定性又は共振周波数とは異なる燃焼不安定性又は共振周波数を一方の燃焼器１４において生成することが可能になることは、当業者であれば本明細書の教示から容易に理解されるであろう。例えば、特定の実施形態において、燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の１つ又はそれ以上の軸方向距離９６は、他の燃焼器１４と比べて特定の燃焼器１４における管体３６及び／又は管体バンドル６２のうちの１つ又はそれ以上について同じであっても異なっていてもよく、本発明は、請求項に別途記載のない限り、軸方向距離９６の何れかの特定の組み合わせに限定されない。

図１２は、本発明の種々の実施形態による、燃焼器ダイナミックスの例示的なグラフを示す。横軸が燃焼不安定性又は共振周波数を表し、縦軸が大きさの範囲を表す。図１２に描いたシステムは、ガスタービン１０又は他のターボ機械に組み込まれた３つ又はそれ以上の燃焼器１４を含むことができる。他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を一方の燃焼器１４において生成する手段を用いると、各燃焼器１４は、所望の燃焼不安定周波数又は燃焼ダイナミックスを達成するよう調整又は同調することができる。図１２に示すように、例えば、燃焼器１４の第１のグループは、第１の燃焼不安定周波数１０２を達成するよう調整又は同調することができ、燃焼器１４の第２のグループは、第２の燃焼不安定周波数１０４を達成するよう調整又は同調することができ、燃焼器１４の第３のグループは、第３の燃焼不安定周波数１０６を達成するよう調整又は同調することができる。第１、第２、及び第３の燃焼不安定周波数１０２、１０４、１０６は、互いに僅かに異なり、従って、互いに僅かに位相外れしている。結果として、燃焼器１４に関連する燃焼不安定周波数１０２、１０４、１０６は、互いにコヒーレントに又は相乗的に干渉することができず、燃焼ダイナミックスの増大を低減又は阻止し、及び／又は下流側のタービンセクション１６における共振を引き起こす燃焼システムの能力を低減する。

図１〜１１に関して説明し例示した種々の構造は、２つ又はそれ以上の燃焼器１４において燃焼ダイナミックスを低減し及び／又は燃焼ダイナミックスのコヒーレンスを低減する１つ又はそれ以上の方法を提供できることは、当業者であれば本明細書の教示から容易に理解されるであろう。本方法は、例えば、作動流体２２及び燃料を１つ又はそれ以上の燃料ノズル３４、管体３６、及び／又は管体バンドル６２を通じて複数の燃焼器１４の燃焼室３８に流入する段階を含むことができる。特定の実施形態において、本方法は、軸方向距離７６が燃焼器１４の全ての間で必ずしも同じではない限り、燃料ポート７４と燃焼室３８及び／又はベーン７２と燃焼室３８との間の１つ又はそれ以上の軸方向距離７６を変更し、他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を一方の燃焼器１４において生成する段階を含むことができる。別の特定の実施形態において、本方法は、軸方向距離９６が燃焼器１４の全ての間で必ずしも同じではない限り、燃料噴射装置９４と燃焼室３８との間の１つ又はそれ以上の軸方向距離９６を変更し、他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を一方の燃焼器１４において生成する段階を含むことができる。更に別の特定の実施形態において、本方法は、軸方向長さ８０が燃焼器１４の全ての間で必ずしも同じではない限り、キャップ組立体５０の軸方向長さ８０の１つ又はそれ以上を変更し、他の燃焼器１４における燃焼不安定周波数とは異なる燃焼不安定周波数を一方の燃焼器１４において生成する段階を含むことができる。

図１〜１２に関して説明し例示した種々の実施形態は、既存の燃焼器１４よりも優れた以下の利点の１つ又はそれ以上を提供することができる。具体的には、異なる軸方向距離７６、９６及び／又は軸方向長さ８０は、単独で又は様々な組み合わせで燃焼ダイナミックスの燃焼不安定周波数を減結合することができる。結果として、本明細書で記載される種々の実施形態は、広範囲の作動レベルにわたって熱力学的効率を向上させ、火炎安定性を促進し、及び／又は望ましくないエミッションを低減することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器
１６ タービンセクション
１８ ロータ
２０ 発電機
２２ 作動流体
２４ 固定ベーン
２６ 回転ブレード
２８ 圧縮機ケーシング
３０ 圧縮機吐出プレナム
３２ 燃焼器ケーシング
３４ 燃料ノズル
３６ 管体
３８ 燃焼室
４０ 移行ダクト
４２ 回転バケット
４４ 固定ノズル
４６ 端部カバー
４８ ヘッド端部
５０ キャップ組立体
５２ ライナ
５４ 流れ孔
５６ インピンジメントスリーブ
５８ 円形管体バンドル
６０ 中心管体バンドル
６２ パイ形管体バンドル
６４ 軸方向中心線
６６ 中心本体
６８ シュラウド
７０ 環状通路
７２ ベーン
７４ 燃料ポート
７６ 軸方向距離
７８ 軸線
８０ キャップ組立体の軸方向長さ
８２ 上流側表面
８４ 下流側表面
８６ 管体入口
８８ 管体出口
９０ 燃料プレナム
９２ 燃料導管
９４ 燃料噴射装置
９６ 軸方向距離
１００ 軸線
１０２ 第１の共振周波数
１０４ 第２の共振周波数
１０６ 第３の共振周波数

Claims (7)

1. ガスタービンであって、
   （ａ）ガスタービンの軸線の周りに環状に配列された複数の燃焼器を備え、
   前記複数の燃焼器が第１及び第２の燃焼器を含み、
   （ｂ）前記第１の燃焼器が、該第１の燃焼器の中心線の周りに環状に配列された複数のバンドルされた管燃料ノズルを含み、
   バンドルされた管燃料ノズルの各々が、燃料プレナムと、該燃料プレナム内を延びる複数の管体とを含み、
   各管体が、前記燃料プレナムの上流の入口と、前記燃料プレナムの下流の出口と、前記燃料プレナムと前記管体との間の流体連通を提供する燃料噴射装置とを備え、
   前記燃料噴射装置が、前記管体の出口から第１の軸方向距離に配置され、
   各々のバンドルされた管燃料ノズルを構成する各管体が、同じ第１の軸方向距離を有しており、
   （ｃ）前記第２の燃焼器が、該第２の燃焼器の中心線の周りに環状に配列された複数のバンドルされた管燃料ノズルを含み、
   バンドルされた管燃料ノズルの各々が、燃料プレナムと該燃料プレナム内を延びる複数の管体を含み、
   各管体が、前記燃料プレナムの上流の入口と、前記燃料プレナムの下流の出口と、前記燃料プレナムと前記管体との間の流体連通を提供する燃料噴射装置とを備え、
   前記燃料噴射装置が、前記管体の出口から第１の軸方向距離に配置され、
   各々のバンドルされた管燃料ノズルを構成する各管体が、同じ第１の軸方向距離を有しており、
   （ｄ）前記第１の燃焼器の前記複数のバンドルされた管燃料ノズルの内の１つにおける前記第１の軸方向距離が、前記第２の燃焼器の前記複数のバンドルされた管燃料ノズルの内の１つにおける前記第１の軸方向距離とは異なる、ガスタービン。
2. （ｄ）前記第１の燃焼器の前記複数のバンドルされた管燃料ノズルが第１のバンドルされた管燃料ノズル及び第２のバンドルされた管燃料ノズルを備えていて、前記第１の燃焼器の第１のバンドルされた管燃料ノズルの第１の軸方向距離が、前記第１の燃焼器の第２のバンドルされた管燃料ノズルの前記第１の軸方向距離とは異なり、（ｅ）前記第２の燃焼器の前記複数のバンドルされた管燃料ノズルが第１のバンドルされた管燃料ノズル及び第２のバンドルされた管燃料ノズルを備えていて、前記第２の燃焼器の第１のバンドルされた管燃料ノズルの第１の軸方向距離が、前記第２の燃焼器の第２のバンドルされた管燃料ノズルの前記第１の軸方向距離とは異なる、請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記各燃焼器を通って軸方向に延びて燃焼室に流体連通した燃料ノズルを更に備え、前記各燃料ノズルが、軸方向に延びた中央本体と、該軸方向に延びた中央本体の少なくとも一部を円周方向に囲むシュラウドと、前記中央本体と前記シュラウドとの間で半径方向に延びる複数のベーンと、前記燃焼室から第１の軸方向距離にて前記複数のベーンのうちの少なくとも１つを通る第１の燃料ポートと、前記燃焼室から第２の軸方向距離にて前記中央本体を通る第２の燃料ポートと、を含み、前記複数のベーンが前記燃焼室から第３の軸方向距離にある、請求項１または２に記載のガスタービン。
4. 前記第１の燃焼器における第２の軸方向距離が前記第２の燃焼器における第２の軸方向距離と異なるか、或いは、前記第１の燃焼器における第３の軸方向距離が前記第２の燃焼器における第３の軸方向距離と異なる、うちの少なくとも１つである、請求項３に記載のガスタービン。
5. 前記第１の燃焼器における第２の軸方向距離が前記第２の燃焼器における第２の軸方向距離と異なるか、或いは、前記第１の燃焼器における第３の軸方向距離が前記第２の燃焼器における第３の軸方向距離と異なる、請求項３に記載のガスタービン。
6. 前記各燃焼器が更に、前記複数の管体を円周方向に囲むキャップ組立体を含み、該各キャップ組立体が軸方向長さを有し、前記第１の燃焼器におけるキャップ組立体の軸方向長さが、前記第２の燃焼器におけるキャップ組立体の軸方向長さとは異なる、請求項１乃至５のいずれかに記載のガスタービン。
7. 燃焼器であって、
   （ａ）前記燃焼器の中心線の周りに配置され、前記燃焼器内で軸方向に延びる、第１及び第２のバンドルされた管燃料ノズルを備え、
   （ｂ）前記第１のバンドルされた管燃料ノズルが、燃料プレナムと、該燃料プレナム内を複数の軸方向に延びる管体を含み、
   各管体が、前記燃料プレナムの上流の入口と、前記燃料プレナムの下流の出口と、前記燃料プレナムと前記管体との間の流体連通を提供する燃料噴射装置とを備え、
   前記燃料噴射装置が、前記管体の出口から第１の軸方向距離に配置され、
   前記第１のバンドルされた管燃料ノズルを構成する各管体が、同じ第１の軸方向距離を有しており、
   （ｃ）前記第２のバンドルされた管燃料ノズルが、燃料プレナムと、該燃料プレナム内を複数の軸方向に延びる管体を含み、
   各管体が、前記燃料プレナムの上流の入口と、前記燃料プレナムの下流の出口と、前記燃料プレナムと前記管体との間の流体連通を提供する燃料噴射装置とを備え、
   前記燃料噴射装置が、前記管体の出口から第１の軸方向距離に配置され、
   前記第２のバンドルされた管燃料ノズルを構成する各管体が、同じ第１の軸方向距離を有しており、
   （ｄ）前記第１のバンドルされた管燃料ノズルの前記第１の軸方向距離が、前記第２のバンドルされた管燃料ノズルの前記第１の軸方向距離とは異なる、燃焼器。