(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形の端部カバー面上に配置された複数の燃料ノズル（１４）、（１６）、（１８）、（２２）、（２４）、（２８）を含む燃焼器缶（１０）であって、
少なくとも１つのノズルが第１の燃料ラインから燃料を受け取り、またさらに、異なる少なくとも１つのノズルが第２の燃料ラインから燃料を受け取り、各燃料ラインが、対応するインピーダンスを有し、その結果、第１の燃料ラインインピーダンスが第２の燃料ラインインピーダンスとは固定的にまたは可変的に異なり、
前記少なくとも１つのノズルと、前記異なる少なくとも１つのノズルとが、前記端部カバー面の周辺で、均等分割された位置からずれた位置に配置される、燃焼器缶（１０）。
【請求項２】
円形の端部カバー面上に配置された様々なノズルグループにおいて幾何学的変更または不活性物質添加を通じて燃料インピーダンスを変化させることによって、ほぼ同じレベルの燃焼排出物を放出しながらすべてのノズルに共通のノズル燃料インピーダンスを使用する多燃料ノズル式燃焼器によって燃焼器均等燃料分割条件下で達成可能なレベルより低いレベルの、燃焼器均等燃料分割条件下での燃焼ダイナミクスで、燃焼排出物を最低限に抑えるように構成され、
前記様々なノズルグループが、前記端部カバー面の周辺で、均等分割された位置からずれた位置に配置される、燃焼器缶（１０）。
【請求項３】
ガスタービン燃焼器缶である、請求項１または２に記載の燃焼器缶（１０）。
【請求項４】
複数の燃料ラインから燃料を受け取るマニホールドを含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃焼器缶（１０）。
【請求項５】
様々なノズルグループにおいて幾何学的変更または不活性物質添加を通じて燃料インピーダンスを変化させることによって、同一または類似のインピーダンスと、同じ低レベルの燃焼排出物の達成を妨げる高いダイナミクスとを有するノズルを使用する多燃料ライン式燃焼器によって燃焼器均等燃料分割条件下で達成可能なレベルより低いレベルの、燃焼器均等燃料分割条件下での燃焼ダイナミクスで、燃焼排出物を最低限に抑えるように、前記ノズル燃料ラインインピーダンスが構成される、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼器缶（１０）。
【請求項６】
前記複数の燃料ノズル（１４）、（１６）、（１８）、（２２）、（２４）、（２８）が、少なくとも２つの燃料ノズルグループ（１２）、（２０）、（２６）を含んでおり、第１の燃料ノズルグループが前記第１の燃料ラインから燃料を受け取り、第２の燃料ノズルグループが前記第２の燃料ラインから燃料を受け取る、請求項１記載の燃焼器缶（１０）。
【請求項７】
様々なノズルグループにおいて幾何学的変更または不活性物質添加を通じて燃料インピーダンスを変化させることによって、ほぼ同じ低レベルの燃焼排出物を放出しながらすべてのノズルグループに共通の燃料ラインインピーダンスを使用する多燃料ライン式燃焼器によって燃焼器均等燃料分割条件下で達成可能なレベルより低いレベルの、燃焼器均等燃料分割条件下での燃焼ダイナミクスで、燃焼排出物を最低限に抑えるように、前記ノズル燃料ラインインピーダンスが構成される、請求項６記載の燃焼器缶（１０）。
【請求項８】
前記第１の燃料ラインが、前記第２の燃料ラインのインピーダンスとは固定的にまたは可変的に異なるインピーダンスを含む、請求項６又は７に記載の燃焼器缶（１０）。
【請求項９】
前記端部カバー面の中心に、いずれのノズルの中心も配置されず、
同じノズルグループのノズルは、前記端部カバー面の中心から異なる距離だけ離れて配置される、請求項６又は７に記載の燃焼器缶（１０）。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の燃焼器缶（１０）を複数備える多缶式燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ガスタービン燃焼器に関し、より詳細には、様々なノズルグループ間で燃料ノズルインピーダンスを変化させることによってガスタービン燃焼ダイナミクスを制御するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多缶式ガスタービン燃焼システムの各缶は、通常、２〜３群またはそれ以上の別個の燃料供給ノズルグループを含む。別個のグループ内のこれらの燃料供給ノズルは、幾何学構造が概して同一であり、違いは燃料流量のみに関する。別個のノズルグループへの相対的な燃料流量は、燃料分割（ｆｕｅｌ  ｓｐｌｉｔ）と呼ばれ、燃焼ダイナミクスを制御するための主要なツールの１つである。しかし、最も低いダイナミクスを達成する最良の条件は、通常、最少の排出物に適した動作条件には一致せず、その逆もまた同様である。
【０００３】
燃焼器缶の内側の非定常火炎は、燃焼器の固有モード（ｎａｔｕｒａｌ  ｍｏｄｅｓ）と結び付いたときフィードバックサイクルを確立し、高振幅の圧力脈動を引き起こすおそれがあり、金属部品を損傷する可能性がある。これらの問題は、排出物を低減するために使用される最新の希薄予混合燃焼システムの場合に、より顕著となり、発生機構の修正、燃焼器幾何学構造の変更、ならびに能動制御および受動制御を含めた、様々な仕方で対処されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６８２０４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多ノズル式ガスタービン燃焼システムにおける様々な火炎グループ間の相互作用が、燃焼器の燃焼ダイナミクスを誘発／制御する際の決定的因子になりえるので、燃焼ダイナミクス振幅を低減しながら同時に排出物を最低限に抑えるようにガスタービンを均等燃料分割で動作させるシステムおよび方法を提供することが、有利かつ有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔に言うと、一実施形態によれば、燃焼器は、複数の燃料ノズルを含んでおり、少なくとも１つのノズルが第１の燃料ラインから燃料を受け取り、またさらに、異なる少なくとも１つのノズルが第２の燃料ラインから燃料を受け取り、各燃料ラインが、対応するインピーダンスを有し、その結果、第１の燃料ラインインピーダンスが第２の燃料ラインインピーダンスとは固定的にまたは可変的に異なる。燃料ラインのインピーダンスは、ノズルの幾何学的寸法および燃料流量によって決まる。様々なノズルへの全燃料の分配は、燃料分割と呼ばれる。様々なノズルグループ間に分配されるノズル当たりの燃料の量が等しいときには、その条件は、均等燃料分割と呼ばれる。
【０００７】
他の実施形態によれば、燃焼器は、複数の燃料ノズルを含んでおり、少なくとも１つのノズルが第１の燃料ラインから燃料を受け取り、またさらに、異なる少なくとも１つのノズルが第２の燃料ラインから燃料を受け取り、各ノズルが、他の少なくとも１つのノズル燃料ラインインピーダンスとは固定的にまたは可変的に異なる燃料ラインインピーダンスを含む。
【０００８】
他の実施形態によれば、燃焼器は、様々なノズルグループにおいて幾何学的変更または不活性物質添加を通じて燃料インピーダンスを変化させることによって、同一または類似のインピーダンスと、同じ低レベルの燃焼排出物の達成を妨げる高いダイナミクスとを有するノズルを使用する多燃料ノズル式燃焼器によって燃焼器均等燃料分割条件下で達成可能なレベルより低いレベルの、燃焼器均等燃料分割条件下での燃焼ダイナミクスで、燃焼排出物を最低限に抑えるように構成される。
【０００９】
本発明の、前述および他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付図面に即して読めば、よりよく理解される。添付図面では、類似の文字は、全図面を通して類似の部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による、１つのノズルグループについてのプレオリフィスサイズおよびポストオリフィスサイズが他のノズルグループについてのプレオリフィスサイズおよびポストオリフィスサイズとは異なる、複数のノズルグループを備えた燃焼器缶を示す図である。
【図２】図１に示す燃焼器缶を用いるガスタービンを示す図である。
【図３】図２に示す燃焼器をより詳細に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以上で特定した諸図は、代替的な諸実施形態を示しているが、また、議論で述べたように、本発明の他の諸実施形態も企図される。いずれの場合にも、本開示は、制限するものではなく典型として、ここに示した本発明の諸実施形態を提示するものである。本発明の原理の範囲および趣旨内に含まれる他の多数の修正形態および実施形態が、当業者には考案可能である。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態による、１つのノズルグループについてのプレオリフィスサイズおよびポストオリフィスサイズが他のノズルグループについてのプレオリフィスサイズおよびポストオリフィスサイズとは異なる、複数のノズルグループ１２、２０、２６を備えた燃焼器缶１０を示す。多缶式燃焼システム内の各燃焼器缶は、通常、図１に示すような２〜３群の別個の燃料供給ノズルグループを有する。通常、これらのノズルは、同一であるが、これは、燃焼器均等燃料分割（別個のグループのノズルで燃料／空気混合物が等しい）条件時に、燃焼ダイナミクスに関して問題となる。燃焼器の内側の非定常火炎は、燃焼器の固有モードと結び付いて、金属部品を損傷する可能性のある高振幅の圧力脈動を引き起こすフィードバックサイクルを確立するおそれがある。この問題は、排出物低減を達成するために使用される最新の希薄予混合燃焼システムの場合、これらのシステムが当量比および音響／流れ摂動（ａｃｏｕｓｔｉｃ／ｆｌｏｗ  ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ）の影響をより受けやすいので、より顕著となる。さらに、多ノズル式システムでは、異なるノズルからのすべての火炎が同一または類似の特徴を有するときに問題がより深刻となり、均等分割の場合がそうである。しかし、ガスタービンは、しばしば、均等分割において最少の排出物を達成するが、燃焼ダイナミクスが高いので、この条件では動作することができない。
【００１３】
多ノズル式燃焼器システムにおける様々な火炎グループ間の相互作用は、燃焼器の燃焼ダイナミクスを誘発／制御する際の決定的因子であることが知られている。したがって、燃料分割が、燃焼ダイナミクスを制御するために使用され、成功を収めてきた。しかし、均等燃料分割においては、様々な火炎グループの特徴は、非常に類似／同一であり、それは、排出物をさらに低減する作動を妨げる。燃料ラインインピーダンスが、特定のノズルの応答を特徴づけ、燃焼ダイナミクスに非常に重要な役割を果たすので、１つまたは複数のノズルグループの燃料ラインインピーダンスを他の１つまたは複数のノズルグループから変える工程を用いて、火炎−音響相互作用を変化させ、また燃焼ダイナミクス振幅を低減しながら、同時に、これだけに限定するものではないがＮＯｘなどの排出物を最低限に抑えるように、様々な火炎グループの応答を変化させることができる。
【００１４】
引き続き図１を参照すると、燃焼器缶１０は、例えば、図２および図３に関して後述するようなガスタービンとすることのできる多缶式燃焼器システムの、１つの部材とすることができる。燃焼器缶１０は、第１の燃料ノズルグループ１２、第２の燃料ノズルグループ２０、および第３の燃料ノズルグループ２６を含む。ノズルグループ１２は、ノズル１４、１６、１８を含む。ノズルグループ２０は、ノズル２２、２４を含む。ノズルグループ２６は、単一のノズル２８を含む。各ノズルグループ１２、２０、２６は、対応する燃料ライン３０、３２、３４から燃料を受け取る。各燃料ノズルは、対応するプレオリフィス３６と、対応するポストオリフィス３８とを含む。各燃料ノズル１４、１６、１８、２２、２４、２８は、その対応するプレオリフィス３６と、その対応するポストオリフィス３８との間に、所望の容積を備えて構成される。ノズル設計によっては、ノズル内側の燃料経路内に、燃料ラインインピーダンスに影響を与えることのできる、追加の幾何学的特徴が存在してもよい。
【００１５】
特定の諸実施形態によれば、各ノズルグループ１２、２０、２６または特定の燃料ノズル１４、１６、１８、２２、２４、２８についての燃料ラインインピーダンスは、その対応するプレオリフィス３６のサイズ、その対応するポストオリフィス３８のサイズ、燃料ノズル容積、もしくはそれらの組合せを変更することによって、またはノズルのうちの１つの燃料ライン内への不活性種の添加によって、変化させることができる。例えば、燃料ノズルグループ１２についてのプレオリフィスサイズおよびポストオリフィスサイズは、燃料ノズルグループ２０についてのプレオリフィスサイズおよびポストオリフィスサイズとは異なるものにすることができる。この方法では、燃料ラインインピーダンスは、ノズルグループごとに異なっていて、火炎グループごとに挙動を変えている。さらに、ノズル燃料流路の内側の追加の特徴によっては、また、それらの特徴の変化／変更を使用して、ノズル燃料ラインインピーダンスを修正することができる。
【００１６】
様々なノズルグループ間の異なる燃料ラインインピーダンスは、本明細書に記載の原理によって望ましくない排出物が最低限に抑えられ、同時に燃焼器均等燃料分割（空燃比）条件下で燃焼ダイナミクスが低減される限り、特定の用途の要件にしたがって、固定の幾何学的変化によって達成することも、可変／可調にすることもできる。様々なノズルグループ間の燃料インピーダンスのこの変化によって、ほとんど／すべてのノズルが類似／同一の当量比で動作できるようになり、これは、そのガスタービンについて最少の排出物を達成するのに役立つ。さらに、可変／可調インピーダンス変化特徴を、能動的または受動的制御戦略の一部として使用することができる。
【００１７】
要約すると、均等燃料分割条件で多ノズル式システムを備えた燃焼器を動作させるために燃料インピーダンス変化を用いると、燃焼ダイナミクスが、最も望ましくない最も高いものとなり、排出物が、最も望ましい最少のものになる。本明細書に記載のシステムおよび方法は、類似／同一の燃料ラインインピーダンスの燃焼器システムによって達成可能な燃焼ダイナミクスよりも低い、低減された燃焼ダイナミクスを達成し、燃焼器均等燃料分割条件下での最少の排出物の達成を助け、均等燃料分割燃焼器動作を可能にしており、これは、既存の燃焼器構造および技術を使用して達成不可能な特徴である。
【００１８】
図２は、図１に示す燃焼器缶１０を用いるガスタービンシステム５０を示す。ガスタービンシステム５０は、圧縮空気を燃焼器５４に供給する圧縮機５２と、燃焼器５４によって生成された燃焼生成物に応答して動作するガスタービン５６とを含む。ノズル１４、１６、１８、２２、２４、２８のような燃料ノズル５８は、燃焼器５４と一体化される。
【００１９】
図３は、図２に示す燃焼器５４のより詳細な図である。燃料ノズル５８は、燃焼ダイナミクスが低減され、排出物が最低限に抑えられた、均等燃料分割条件における燃焼器動作を可能にするために、本明細書に記載したように動作するように構成される。燃料ノズル５８内で噴射された燃料は、空気と混合し、燃焼室６０内で燃焼する。燃焼室ダイナミクスは、所望の最少の排出物を維持しながら、個々の燃料ノズルインピーダンス間の相違に応答して低減される。
【００２０】
一実施形態によれば、燃焼器５４は、複数のノズルグループを含む多燃料ライン式燃焼器であり、各ノズルグループが対応する燃料ラインから燃料を受け取り、またさらに、少なくとも１つのノズルグループ燃料ラインが、他の少なくとも１つのノズルグループ燃料ラインインピーダンスとは異なるインピーダンスを有する。他の実施形態によれば、燃料を動力源とする機械５０は、缶または燃焼器５４を含んでおり、その缶または燃焼器は、多燃料ラインマニホールドを含んでおり、少なくとも１つの燃料ラインは、他の少なくとも１つの燃料ラインとは異なるインピーダンスを有する。
【００２１】
本明細書では、本発明の特定の特徴だけを示し、記載したが、当業者には、多くの修正および変更が思い浮かぶであろう。したがって、特許請求の範囲が、本発明の真の趣旨の中に含まれるそのようなすべての修正および変更に及ぶことが意図されていることを、理解すべきである。
【符号の説明】
【００２２】
１０  燃焼器缶
１２  ノズルグループ
１４  ノズルグループ１２のノズル
１６  ノズルグループ１２のノズル
１８  ノズルグループ１２のノズル
２０  ノズルグループ
２２  ノズルグループ２０のノズル
２４  ノズルグループ２０のノズル
２６  ノズルグループ
２８  ノズルグループ２６のノズル
３０  ノズルグループ１２の燃料ライン
３２  ノズルグループ２０の燃料ライン
３４  ノズルグループ２６の燃料ライン
３６  ノズルプレオリフィス
３８  ノズルポストオリフィス
５０  ガスタービンシステム
５２  圧縮機
５４  燃焼器
５６  ガスタービン
５８  燃料ノズル
６０  燃焼室
【図１】
0005604222.tif 000002
【図２】
0005604222.tif 000003
【図３】
0005604222.tif 000004