JP6266211B2 - 渦停留キャビティを備えた燃焼器組立体 - Google Patents

Description

本願の実施形態は、全般的にガスタービンエンジンに関し、さらに詳細には、渦停留キャビティ（ｔｒａｐｐｅｄ ｖｏｒｔｅｘ ｃａｖｉｔｙ）を含む燃焼器組立体に関する。

ガスタービン効率は、一般に、燃焼ガス流の温度と共に高まる。しかし、より高い燃焼ガス流温度により、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の、より高いレベルの望ましくない排ガスが生じる可能性がある。ＮＯｘ排ガスは、一般に、政府規制の対象である。したがって、ガスタービン効率の向上は、排ガス規制の遵守とバランスがとれていなければならない。

ＮＯｘ排ガスレベルの低下は、燃料流と空気流との良好な混合を行うことにより達成される可能性がある。例えば、燃料流と空気流とは、反応ゾーンまたは燃焼ゾーンに入る前に、Ｄｒｙ Ｌｏｗ ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器内で予混合されてもよい。そのような予混合は、燃焼温度およびＮＯｘ排ガス排出量を低減する傾向がある。

米国特許第７００３９６１号公報

燃料流と空気流とは、一般に、密集された束状の空気／燃料予混合管内で予混合されて、燃焼室内で軸方向ジェットを形成する。密集された束状の空気／燃料予混合軸方向ジェットは、低負荷条件もしくは部分速度（ｐａｒｔ−ｓｐｅｅｄ）条件において吹出しまたは不安定性に悩まされる可能性がある。したがって、必要なものは、信頼できる強力な点火およびクロスファイアリングと、より効率的な部分速度動作および無負荷動作と、マイクロミキサ空気／燃料予混合管束状構造を有するＤＬＮ燃焼器を使用する場合の、全体的に向上した燃焼の安定性および動作性の増大とを実現するシステムである。

上記のニーズおよび／または問題のいくつかもしくは全ては、本願のある実施形態により対処されてもよい。一実施形態によれば、燃焼器組立体が開示されている。燃焼器組立体は、束状の空気／燃料予混合噴射管の下流端部に隣接して配置されている環状渦停留キャビティを含んでいてもよい。環状渦停留キャビティは、束状の予混合管の先頭端部に隣接する環状渦停留キャビティの径方向内側部分に、開口部を含んでいてもよい。また、環状渦停留キャビティは、１つまたは複数の空気噴射孔および１つまたは複数の燃料源が環状渦停留キャビティ内の渦を駆動するように構成されているように、環状渦停留キャビティの周辺に配設されている１つまたは複数の空気噴射孔と１つまたは複数の燃料源とを含んでいてもよい。

別の実施形態によれば、燃焼器組立体が開示されている。燃焼器組立体は、上流端部と、下流端部と、それらの間に流路とを有する束状の空気／燃料予混合噴射管を含んでいてもよい。環状渦停留キャビティは、空気／燃料予混合噴射管の下流端部に隣接して配置されていてもよい。環状渦停留キャビティは、環状後壁と、環状前壁と、それらの間に形成されている環状径方向外壁とを含んでいてもよい。また、環状渦停留キャビティは、外壁から離間されておりかつ後壁と前壁との間に延在している環状渦停留キャビティの径方向内側部分に、開口部を含んでいてもよい。１つまたは複数の空気噴射孔および１つまたは複数の燃料源が環状渦停留キャビティ内の渦を駆動するように構成されているように、１つまたは複数の空気噴射孔および１つまたは複数の燃料源が、環状渦停留キャビティの周辺に配設されていてもよい。

さらに、別の実施形態によれば、燃焼器組立体が開示されている。燃焼器組立体は、上流端部と、下流端部と、それらの間に流路とを有する束状の空気／燃料予混合噴射管を含んでいてもよい。環状渦停留キャビティは、空気／燃料予混合噴射管の下流端部に隣接して配置されていてもよい。環状渦停留キャビティは、環状後壁と、環状前壁と、それらの間に形成されている環状径方向外壁とを含んでいてもよい。また、環状渦停留キャビティは、外壁から離間されておりかつ後壁と前壁との間に延在している環状渦停留キャビティの径方向内側部分に、開口部を含んでいてもよい。１つまたは複数の空気噴射孔および１つまたは複数の燃料源が環状渦停留キャビティ内の渦を駆動するように構成されているように、１つまたは複数の空気噴射孔および１つまたは複数の燃料源が、環状渦停留キャビティの周辺に配設されていてもよい。さらに、燃焼器組立体は、束状の予混合管、環状渦停留キャビティ、１つまたは複数の空気噴射孔、および１つまたは複数の燃料源と空気流連通して配設されている環状燃焼器ライナに取り巻かれている燃焼室を含んでいてもよい。

本発明の他の実施形態、態様、および特徴が、以下の詳細な説明、添付図面、および添付の特許請求の範囲から当業者に明らかになるであろう。

ここで添付図面を参照するが、それらは必ずしも縮尺通りに描かれていない。

ある実施形態による、圧縮機、燃焼器、およびタービンを備えたガスタービンエンジンの例示的図の概略図である。 ある実施形態による燃焼器組立体の概略図である。 ある実施形態による燃焼器組立体の一部分の横断面図である。 ある実施形態による燃焼器組立体の概略図である。 ある実施形態による燃焼器組立体の概略図である。

ここで、例示的実施形態が、本明細書以後、全てではなくいくつかの実施形態が示されている添付図面を参照してより十分に説明される。本願は、多数の異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載されている実施形態に限定されると見なされるべきではない。全体に亘って、同様の数字が同様の要素を指す。

例示的実施形態が、特に、渦停留キャビティを含む燃焼器組立体に関する。図１は、本明細書において用いられてもよいガスタービンエンジン１０の概略図を示す。既知の通り、ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含んでいてもよい。圧縮機１５は流入空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮空気流２０を燃焼器２５へ送達する。燃焼器２５は、圧縮空気流２０を加圧燃料流３０と混合し、該混合物を点火して燃焼ガス流３５を生成する。燃焼器２５が１つだけ示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含んでいてもよい。燃焼ガス流３５はタービン４０に送達される。燃焼ガス流３５は、機械的作用を生じさせるためにタービン４０を駆動する。タービン４０内で生じた機械的作用は、シャフト４５、および発電機等の外部負荷５０を介して、圧縮機１５を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、および／または他の種類の燃料を使用してもよい。ガスタービンエンジン１０は、限定はされないが、７シリーズまたは９シリーズの重荷重ガスタービンエンジン等のものを含むＮｅｗ Ｙｏｒｋ、Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから提供されている、複数の異なるガスタービンエンジンの任意の１つであってもよい。ガスタービンエンジン１０は異なる構成を有していてもよく、他の種類の構成要素を使用してもよい。

また、本明細書において、他の種類のガスタービンエンジンが用いられてもよい。また、本明細書において、複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電機器が共に用いられてもよい。

図２は、図１の燃焼器２５の構成要素、具体的にはマイクロミキサ１００またはその一部分を示す。マイクロミキサ１００は、束状の空気／燃料予混合噴射管１０２を含んでいてもよい。束状の空気／燃料予混合噴射管１０２は、上流端部１０４と、下流端部１０６と、それらの間に流路１０８とを含んでいてもよい。また、燃焼器は、束状の空気／燃料予混合噴射管１０２の下流に配設されている燃焼室１１０を含んでいてもよい。燃焼室１１０は、環状燃焼器ライナ１１２により形成されていてもよい。環状燃焼器ライナ１１２は、流動スリーブ１１３により少なくとも部分的に取り巻かれていてもよい。環状燃焼器ライナ１１２と流動スリーブ１１３とは、束状の予混合管１０２、および全てが以下で検討されている環状渦停留キャビティ、１つもしくは複数の空気噴射孔、または１つもしくは複数の燃料源などの燃焼器の他の構成要素と連通している空気流路１１４を形成していてもよい。

図２および図３に示されている通り、環状渦停留キャビティ１１６は、空気／燃料予混合噴射管１０２の下流端部１０６の周辺にかつそれに隣接して配置されていてもよい。環状渦停留キャビティ１１６は、環状後壁１１８と、環状前壁１２０と、それらの間に形成されている環状径方向外壁１２２とを含んでいてもよい。しかし、環状後壁１１８と、環状前壁１２０と、環状径方向外壁１２２とは、環状渦停留キャビティ１１６が１つの連続構造であるように一体であってもよいことが分かるであろう。また、環状渦停留キャビティ１１６は、外壁１２２から離間されておりかつ後壁１１８と前壁１２０との間に延在している環状渦停留キャビティ１１６の径方向内側部分に、開口部１２４を含んでいてもよい。

図４および図５に示されている通り、１つまたは複数の空気噴射孔１２６および１つまたは複数の燃料源１２８が、環状渦停留キャビティ１１６の周辺に配設されていてもよい。空気噴射孔１２６および燃料源１２８は、環状渦停留キャビティ１１６内の渦１３０を駆動するように構成されていてもよい。例えば、ある実施形態では、図４に示されている通り、空気噴射孔１２６および燃料源１２８は、束状の予混合管１０２の流路１０８と逆方向回転（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｒｏｔａｔｉｏｎ）で環状渦停留キャビティ１１６内の渦１３０を駆動するように配置されていてもよいかつ／または角度が付けられていてもよい。別の実施形態では、図５に示されている通り、空気噴射孔１２６および燃料源１２８は、予混合管１０２の流路１０８と同方向回転（ｃｏ−ｒｏｔａｔｉｏｎ）で環状渦停留キャビティ１１６内の渦１３０を駆動するように配置されていてもよいかつ／または角度が付けられていてもよい。空気噴射孔１２６および燃料源１２８の数および位置は、渦１３０の回転ならびに該渦中の所望の空気量および燃料量に応じて変化する可能性がある。

図４に示されている通り、燃料源１２８は、上流方向に後壁１１８上の径方向内側部分に配設されている第１の空気／燃料予混合噴射管１３２と、下流方向に前壁１２０上の径方向外側部分に配設されている第２の空気／燃料予混合噴射管１３４とを含んでいてもよい。この構成では、第１の空気／燃料予混合噴射管１３２および第２の空気／燃料予混合噴射管１３４は、束状の空気／燃料予混合噴射管１０２の流路１０８に対して逆方向回転で環状渦停留キャビティ１１６内の渦１３０を駆動する。また、この構成では、空気噴射孔１２６は、環状渦停留キャビティ１１６の後壁１１８、前壁１２０、および／または径方向壁１２２上で角度が付けられており、束状の空気／燃料予混合噴射管１０２の流路１０８と逆方向回転で環状渦停留キャビティ１１６内の渦１３０をさらに駆動する。

図５に示されている通り、燃料源１２８は、上流方向に後壁１１８上の径方向外側部分に配設されている第１の空気／燃料予混合噴射管１３２と、下流方向に前壁１２０上の径方向内側部分に配設されている第２の空気／燃料予混合噴射管１３４とを含んでいてもよい。この構成では、第１の空気／燃料予混合管１３２および第２の空気／燃料予混合管１３４は、束状の空気／燃料予混合噴射管１０２の流路１０８と同方向回転で環状渦停留キャビティ１１６内の渦１３０を駆動する。また、この構成では、空気噴射孔１２６は、環状渦停留キャビティ１１６の後壁１１８、前壁１２０、および／または径方向壁１２２上で角度が付けられており、束状の空気／燃料予混合噴射管１０２の流路１０８と同方向回転で環状渦停留キャビティ１１６内の渦１３０をさらに駆動する。

ある実施形態では、環状渦停留キャビティ１１６は、クロスファイア管１３６と連通していてもよい。クロスファイア管１３６は、環状渦停留キャビティ１１６への点火源を提供してもよい。クロスファイア管１３６は、燃焼器の内部の１つまたは複数の環状渦停留キャビティと連通していてもよい。他の実施形態では、環状渦停留キャビティ１１６は点火装置１３８と連通していてもよい。さらに他の実施形態では、環状渦停留キャビティ１１６は、クロスファイア管１３６および点火装置１３８の両方と連通していてもよい。

ある実施形態では、燃料源１２８は、液体燃料噴射装置１４０を含んでいてもよい。例えば、図３〜図５に示されている通り、環状渦停留キャビティ１１６は、少なくとも１つの液体燃料噴射装置１４０を含んでいてもよい。液体燃料噴射装置は、環状渦停留キャビティ１１６の前壁１２０上にかつ下流方向に配置されていてもよい。しかし、任意の数の液体燃料噴射装置が任意の方向に環状渦停留キャビティの周辺に配置されていてもよいことが分かるであろう。いくつかの態様では、液体燃料噴射装置は噴霧噴射装置である。

動作中、空気が、環状燃焼器ライナ１１２と流動スリーブ１１３との間に形成されている空気流路１１４を介して燃焼器組立体に進入する。該空気の一部分が、束状の空気／燃料予混合噴射管１０２内に方向付けられ、そこで、空気の一部分は燃料と混合される。また、空気の一部分は空気噴射孔１２６内に方向付けられ、そこで、該空気の一部分は、環状渦停留キャビティ１１６内の渦１３０を駆動する。さらに、空気の一部分は空気／燃料予混合噴射管１３４および１３６内に方向付けられ、そこで、該空気の一部分は、環状渦停留キャビティ１１６に進入して渦１３０をさらに駆動する前に、管内で燃料と混合される。前段で検討されている通り、渦１３０は、束状の空気／燃料予混合噴射管１０２を出て燃焼室１１０内に入る空気／燃料ジェットに対して、同方向回転または逆方向回転で回転してもよい。いくつかの実施形態では、環状渦停留キャビティ１１６は、液体燃料噴射装置１４０、クロスファイア管１３６、および／または点火装置１３８をさらに含んでいてもよい。

環状渦停留キャビティは、全燃焼空気の一部分および全燃焼燃料（液体または気体）の一部分を使用して、束状の空気／燃料予混合管のジェット流路に対して同方向回転または逆方向回転を有する停留渦輪を駆動する。環状渦停留キャビティは、束状の空気／燃料予混合管噴流火炎への、安定した、新鮮な高温の燃焼生成物および燃焼ラジカルの源を供給することにより、束状の空気／燃料予混合管の燃焼のための環状パイロットとしての機能を果たす。環状渦停留キャビティはパイロットゾーンであるため、比較的少量の総燃焼燃料および空気、例えば動作中に１０％、が使用される。

燃料および空気は、マイクロミキサ予混合噴射装置ジェットを介してキャビティに進入し、渦を駆動する。気体−燃料反応物質は予混合され、マイクロミキサ管に従って噴射されるか、または、液体燃料の場合には、別個に噴射されて拡散燃焼ゾーンを成す。環状渦停留キャビティ反応物質は、（主要な束状の空気／燃料予混合管燃焼ゾーンに対して）リーンモード、リッチモード、またはニュートラルモードで燃焼させることができる。負荷状態において、ＮＯｘ排ガスをより少なくし安定性をより低くするように、リーンモードが使用されてもよい。リッチモードまたはニュートラルモードが、無負荷状態または低負荷状態において、主燃焼のより高い安定性を実現する可能性がある。また、環状渦停留キャビティは、気体燃料または液体燃料で燃焼器を始動させる点火ゾーンおよび／またはクロスファイアゾーンとしての機能を果たす。

構造特性および／または方法論的行為（ｍｅｔｈｏｄｏｒｏｇｉｃａｌ ａｃｔ）に特定的な文言で実施形態を記載したが、本開示が、記載されている具体的な特徴または行為に必ずしも限定されないことは言うまでもない。むしろ、具体的な特徴および行為は、実施形態を実施する例示的形態として開示されている。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 流入空気流、圧縮空気流
２５ 燃焼器
３０ 加圧燃料流
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部負荷
１００ マイクロミキサ
１０２ 空気／燃料予混合噴射管
１０４ 上流端部
１０６ 下流端部
１０８ 流路
１１０ 燃焼室
１１２ 環状燃焼器ライナ
１１３ 流動スリーブ
１１４ 空気流路
１１６ 環状渦停留キャビティ
１１８ 環状後壁
１２０ 環状前壁
１２２ 環状径方向外壁
１２４ 開口部
１２６ 空気噴射孔
１２８ 燃料源
１３０ 渦
１３２ 第１の空気／燃料予混合噴射管
１３４ 第２の空気／燃料予混合噴射管
１３６ クロスファイア管
１３８ 点火装置
１４０ 液体燃料噴射装置

Claims (7)

1. 燃焼器組立体であって、
   束状の空気／燃料予混合噴射管の下流端部に隣接して配置された環状渦停留キャビティであって、前記束状の予混合管の先頭端部に隣接する径方向内側部分に開口部を含む、環状渦停留キャビティと、
   前記環状渦停留キャビティの周辺に配設された１以上の空気噴射孔と、
   前記環状渦停留キャビティの周辺に配設された１以上の燃料源と
   を含み、
   前記１以上の燃料源は、前記環状渦停留キャビティの環状後壁に配置された少なくとも１つの空気／燃料予混合噴射管と、前記環状渦停留キャビティの環状前壁に配置された少なくとも１つの空気／燃料予混合噴射管と、下流方向に配置された液体燃料噴射装置とを含み、
   前記１以上の空気噴射孔および前記１以上の燃料源は、前記環状渦停留キャビティ内の渦を駆動するように構成されている、
   燃焼器組立体。
2. 燃焼器組立体であって、
   上流端部、下流端部、およびそれらの間に流路を有する束状の空気／燃料予混合噴射管と、
   前記空気／燃料予混合噴射管の前記下流端部に隣接して配置された環状渦停留キャビティであって、環状後壁と、環状前壁と、それらの間に形成された環状径方向外壁との間に画定される環状渦停留キャビティと、
   前記外壁から離間した前記環状渦停留キャビティの径方向内側部分にあって前記後壁と前記前壁との間に延在する環状渦停留キャビティ開口部と、
   前記環状渦停留キャビティの周辺に配設された１以上の空気噴射孔と、
   前記環状渦停留キャビティの周辺に配設された１以上の燃料源と
   を含み、
   前記１以上の燃料源は、
   上流方向に前記後壁上の径方向外側部分に配設された第１の空気／燃料予混合噴射管と、
   下流方向に前記前壁上の径方向内側部分に配設された第２の空気／燃料予混合噴射管と、
   下流方向に配置された液体燃料噴射装置と
   を含み、
   前記１以上の空気噴射孔および前記１以上の燃料源は、前記環状渦停留キャビティ内の渦を駆動するように構成されており、
   前記第１の空気／燃料予混合噴射管および前記第２の空気／燃料予混合噴射管は、前記束状の空気／燃料予混合噴射管の前記流路と同方向回転で前記環状渦停留キャビティ内の前記渦を駆動する、
   燃焼器組立体。
3. 前記１以上の空気噴射孔は、前記予混合管の前記流路と同方向回転で前記環状渦停留キャビティ内の前記渦を駆動するように角度が付けられている、請求項１または２に記載の燃焼器組立体。
4. 前記環状渦停留キャビティと連通しているクロスファイア管又は点火装置
   をさらに含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃焼器組立体。
5. 燃焼器組立体であって、
   上流端部、下流端部、およびそれらの間に流路を有する束状の空気／燃料予混合噴射管と、
   前記空気／燃料予混合噴射管の前記下流端部に隣接して配置された環状渦停留キャビティであって、環状後壁と、環状前壁と、それらの間に形成された環状径方向外壁との間に画定される環状渦停留キャビティと、
   前記外壁から離間した前記環状渦停留キャビティの径方向内側部分にあって前記後壁と前記前壁との間に延在する環状渦停留キャビティ開口部と、
   前記環状渦停留キャビティの周辺に配設された１以上の空気噴射孔と、
   前記環状渦停留キャビティの周辺に配設された１以上の燃料源と、
   前記束状の予混合管、前記環状渦停留キャビティ、前記１以上の空気噴射孔、および前記１以上の燃料源と空気流連通して配設された環状燃焼器ライナにより取り巻かれている、燃焼室と
   を含み、
   前記１以上の燃料源は、
   上流方向に前記後壁上の径方向外側部分に配設された第１の空気／燃料予混合噴射管と、
   下流方向に前記前壁上の径方向内側部分に配設された第２の空気／燃料予混合噴射管と、
   下流方向に配置された液体燃料噴射装置と
   を含み、
   前記１以上の空気噴射孔および前記１以上の燃料源は、前記環状渦停留キャビティ内の渦を駆動するように構成されており、
   第１の予混合噴射装置および第２の予混合噴射装置は、前記束状の空気／燃料予混合噴射管の前記流路と同方向回転で前記環状渦停留キャビティ内の前記渦を駆動する、
   燃焼器組立体。
6. 前記１以上の空気噴射孔は、前記予混合管の前記流路に対して逆方向回転で前記環状渦停留キャビティ内の前記渦を駆動するように角度が付けられている、請求項５に記載の燃焼器組立体。
7. 前記環状渦停留キャビティと連通しているクロスファイア管又は点火装置
   をさらに含む、請求項５または６に記載の燃焼器組立体。