(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用ガスタービンの燃焼器（１４）であって、
ａ．端部カバー（２２）と、
ｂ．前記端部カバー（２２）の下流に配置された燃焼チャンバ（２８）と、
ｃ．前記端部カバー（２２）内に配置され、第１のサブセットの複数のノズル（３２）および第２のサブセットの複数のノズル（３４）を有する複数のノズルと、
ｄ．各々が、前記第２のサブセットの複数のノズル（３４）のそれぞれを囲み、該第２のサブセットの複数のノズル（３４）のそれぞれから下流方向に前記燃焼チャンバ（２８）内に延びる、複数の静止シュラウド（３６）と、
を備え、
低電力需要期間の間は、前記第１のサブセットの複数のノズル（３２）の各ノズルの燃料が点火され、前記第２のサブセットの複数のノズル（３４）の各ノズルのへの燃料を止める、
燃焼器（１４）。
【請求項２】
前記静止シュラウド（３６）のぞれぞれが、前記複数のノズル（２４）の少なくとも１つから下流方向に少なくとも７．６２ｃｍ前記燃焼チャンバ（２８）内に延びる、請求項１に記載の燃焼器（１４）。
【請求項３】
前記静止シュラウド（３６）のぞれぞれの内側壁表面（３８）および外側壁表面（４０）のうちの少なくとも１つを貫通する複数のアパーチャ（４４）をさらに含む、請求項１又は２に記載の燃焼器（１４）。
【請求項４】
前記静止シュラウド（３６）のそれぞれが、前記静止シュラウド（３６）の内側壁表面（３８）と外側壁表面（４０）との間に空洞（４２）を含む、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器（１４）。
【請求項５】
前記静止シュラウド（３６）のぞれぞれが、前記端部カバー（２２）に固定される、請求項１から４のいずれかに記載の燃焼器（１４）。
【請求項６】
燃焼器（１４）を作動させる方法であって、
ａ．複数のノズル（３２、３４）を通して燃焼チャンバ（２８）内に加圧作動流体を流すステップと、
ｂ．前記複数のノズル（３２、３４）の第２のサブセットにおける各ノズル（３４）に対する燃料を供給せずに、前記複数のノズル（３２、３４）の第１のサブセットにおける各ノズル（３２）を通して前記燃焼チャンバ（２８）内に燃料を流すステップと、
ｃ．前記複数のノズル（３２、３４）の第１のサブセットにおける各ノズル（３２）からの燃料を前記燃焼チャンバ（２８）内で点火燃焼させるステップと、
を含み、
前記複数のノズル（３２、３４）の第２のサブセットにおける各ノズル（３４）の周りで前記燃焼チャンバ（２８）内に別個の静止シュラウド（３６）が延びる、
方法。
【請求項７】
その各々が前記複数のノズル（３２、３４）の第２のサブセットにおける各ノズル（３４）から下流方向に前記燃焼チャンバ（２８）内に延びるように、各別個の静止シュラウド（３６）内に別個のノズル中心本体（４８）が延びる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複数のノズル（３２、３４）の第２のサブセットにおける各ノズル（３４）を通して燃料流を再供給するステップをさらに含む、請求項６または７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービン用の燃焼器に関連する。具体的には、本発明は、燃料消費量を減少させる様々なターンダウン方式で作動させることができる複数ノズルを備えた燃焼器について記述しかつその機能を可能にする。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電用の商業運転において広く使用されている。ガスタービンは、外気を加圧し、加圧空気と燃料を混合しかつその混合気を点火燃焼させて高エネルギー燃焼ガス発生させ、この燃焼ガスが、タービンを通って流れて仕事を行なう。タービンは、発電機に連結された出力シャフトを駆動して電気を産生（発電）し、この電気が次に、電力配電網に供給される。タービン及び発電機は、発電する電気量に関係なく比較的一定の回転速度で運転されて、所望の周波数で電気を産生する。
【０００３】
ガスタービンは一般的に、設計ベース負荷において又はその近くで最も効率的に作動するように設計されている。しかしながら、ガスタービンの需要出力は、多くの場合に設計ベース負荷よりも小さくなる可能性がある。例えば、電力消費量、従って電力需要は、季節間で、また一日の間にも変化する可能性があり、一般に夜間の時間帯に需要電力は低下する。低需要期間の間にガスタービンをその設計ベース負荷で運転し続けることは、燃料を浪費しかつ過剰なエミッションを発生する。
【０００４】
低需要期間の間にガスタービンをベース負荷で運転することに代わる１つの代替手段は、単純にガスタービンを運転停止しかつ電力需要が増大するとガスタービンを始動してバックアップするようにすることである。しかしながら、ガスタービンを始動しまた運転停止することにより、多くの構成要素にわたり大きな熱応力が発生し、それにより、補修及び保全の増加を引き起こす。さらに、ガスタービンは、多くの場合に複合サイクルシステムにおける付加的補助装置と共に作動している。例えば、タービン排気に熱回収蒸気発生器を連結して排気ガスから熱を回収して、ガスタービンの全体効率を高めることができる。従って、低需要期間の間にガスタービンを運転停止することはまた、関連する補助装置を作動停止させることを必要とし、それにより、ガスタービンを運転停止することに関連するコストがさらに増加する。
【０００５】
低需要期間の間にガスタービンを運転する別の解決法は、ガスタービンをターンダウン方式下で運転することである。既存のターンダウン方式では、ガスタービンは依然として、所望の周波数で電気を産生するのに必要な回転速度で運転されており、また燃焼器への燃料及び空気の流量は、燃焼器内で発生する燃焼ガスの量を減少させ、それによってガスタービンが発生する出力を低下させるように、減少している。しかしながら、一般的な圧縮機の作動範囲は、空気流量を減少させることができる範囲を制限し、それによって最適な空気対燃料比を維持しながら燃料流量を減少させることができる範囲を制限する。より低い運転レベルでは、各燃焼器内における１以上のノズルは、アイドル状態ノズルに対して燃料流を止める（secure）ことによって「アイドル状態」になっている。燃料供給状態ノズルは、燃焼のために燃料を加圧作動流体と混合し続け、またアイドル状態ノズルは、燃焼のためのいかなる燃料もない状態で単にそれを通して燃焼チャンバに加圧作動流体を流している。ターンダウン方式では、タービン及び発電機を必要な回転速度で運転して、所望の周波数を持つ電気を産生するのに十分な燃焼ガスが生成され、またアイドル状態ノズルは、燃料消費量を低減する。電力需要が増大すると、全てのノズルに対する燃料流（量）を回復させて、再び設計ベース負荷でガスタービンを運転するのを可能にする。
【０００６】
既存のターンダウン方式は、達成することができる出力低下の量で制限される。例えば、ターンダウン方式においてアイドル状態ノズルを通って流れる加圧作動流体は、燃料供給状態ノズルからの燃焼ガスと混合しかつ燃焼チャンバ内における燃料燃焼を早期に消炎する傾向になる。燃料の不完全燃焼により、エッミッション限界値を超える可能性があるＣＯエッミッションの増加が生じる。その結果、既存のターンダウン方式の間における最小運転レベルは、ＣＯ及びＮＯｘのエッミッション限界値に適合させるために、４０〜５０％設計ベース負荷ほどもの高いものとする必要がある可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態は、燃焼器であり、本燃焼器は、端部カバーと、端部カバーの下流に配置された燃焼チャンバと、端部カバー内に半径方向に配置された複数のノズルとを含む。静止シュラウドが、複数のノズルの少なくとも１つを囲みかつ該複数のノズルの少なくとも１つから下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。静止シュラウドは、内側壁表面及び外側壁表面を含む。ノズル中心本体が、静止シュラウド内に配置されかつ複数のノズルの少なくとも１つから下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、燃焼器であり、本燃焼器は、端部カバーと、端部カバーの下流に配置された燃焼チャンバと、端部カバー内に半径方向に配置された複数のノズルとを含む。静止シュラウドが、複数のノズルの少なくとも１つを囲みかつ該複数のノズルの少なくとも１つから下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。静止シュラウドは、二重壁チューブを含む。ノズル中心本体が、静止シュラウド内に配置されかつ複数のノズルの少なくとも１つから下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。
【００１０】
本発明のさらに別の実施形態は、燃焼器を作動させる方法である。本方法は、複数のノズルを通して燃焼チャンバ内に加圧作動流体を流すステップと、複数のノズルの第１のサブセットにおける各ノズルを通して燃焼チャンバ内に燃料を流すステップとを含む。本方法はさらに、複数のノズルの第１のサブセットにおける各ノズルからの燃料を燃焼チャンバ内で点火燃焼させるステップを含む。さらに、本方法は、複数のノズルの第２のサブセットにおける各ノズルの周りで燃焼チャンバ内に別個の静止シュラウドを延ばすステップと、複数のノズルの第２のサブセットにおける各ノズルに対して燃料を隔離するステップとを含む。
【００１１】
本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。
【００１２】
添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の技術的範囲に属するガスタービンの簡略断面図。
【図２】明瞭にするためにライナを取外した状態になっている、図１に示す燃焼器の斜視図。
【図３】特定のターンダウン方式で作動している、図２に示す燃焼器の斜視図。
【図４】図３に示すシュラウドの斜視図。
【図５】本発明の一実施形態によるノズル中心本体及びシュラウドの側面図。
【図６】本発明の技術的範囲に属する特定のターンダウン方式におけるアイドル状態ノズル及び燃料供給状態ノズルを示す図。
【図７】本発明の技術的範囲に属する特定のターンダウン方式におけるアイドル状態ノズル及び燃料供給状態ノズルを示す図。
【図８】本発明の技術的範囲に属する特定のターンダウン方式におけるアイドル状態ノズル及び燃料供給状態ノズルを示す図。
【図９】本発明の技術的範囲に属する特定のターンダウン方式におけるアイドル状態ノズル及び燃料供給状態ノズルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。
【００１５】
各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更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。
【００１６】
図１は、本発明の技術的範囲に属するガスタービン１０の簡略断面図を示している。ガスタービン１０は一般的に、前部における圧縮機１２と、中間部の周りの１以上の燃焼器１４と、後部におけるタービン１６とを含む。圧縮機１２及びタービン１６は一般的に、共通のロータ１８を共有する。
【００１７】
圧縮機１２は、それを加圧することによって作動流体（空気）に運動エネルギーを与えて、該作動流体を高エネルギー状態にする。加圧作動流体は、圧縮機１２から流出しかつ圧縮機吐出プレナム２０を通って燃焼器１４に流れる。各燃焼器１４は一般的に、端部カバー２２と、複数のノズル２４と、端部カバー２２の下流に燃焼チャンバ２８を形成したライナ２６とを含む。ノズル２４により燃料を加圧作動流体と混合しまたその混合気を燃焼チャンバ２８内で点火燃焼させて、高い温度、圧力及び速度を有する燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、移行部品３０を通ってタービン１６に流れ、タービン１６において、燃焼ガスが膨張して仕事を行なう。
【００１８】
図２は、明瞭にするためにライナ２６を取除いた状態になっている、図１に示す燃焼器１４の斜視図である。図示するように、端部カバー２２は、ノズル２４に対して構造的支持を与える。ノズル２４は一般的に、図２に示すように５つのノズルが単一のノズルを囲んでいるような様々なジオメトリで、端部カバー２２内に半径方向に配置される。本発明の技術的範囲に属する別のジオメトリには、６つ又は７つのノズルが単一のノズルを囲んでいるもの或いは特定の設計ニーズによるあらゆる好適な構成が含まれる。ノズル２４は、図２に示すように、均一な直径又は異なる直径を有することができる。
【００１９】
ベース負荷出力で運転されている時には、各ノズル２４は、燃料を加圧作動流体と混合する。混合気は、燃焼チャンバ２８内において端部カバー２２の下流で点火燃焼されて、燃焼ガスを発生する。低い電力需要の期間の間には、燃焼器１４は、アイドル状態ノズルに対して燃料流を止めること（securing）によって１以上のノズル２４を「アイドル状態」にしたターンダウン方式で作動させることができる。
【００２０】
図３は、特定の拡張ノズル構成についての特定のターンダウン方式で作動している、図２に示す燃焼器１４を示している。この特定のターンダウン方式及びノズル構成では、３つのノズルが燃料供給状態ノズル３２であり、また３つのノズルがアイドル状態ノズル３４である。燃料及び加圧作動流体は、燃料供給状態ノズル３２を通って流れ、一方、アイドル状態ノズル３４を通って、加圧作動流体のみが流れる。加えて、シュラウド３６が、各アイドル状態ノズル３４を囲みかつ各アイドル状態ノズル３４から下流方向に燃焼チャンバ内に延びている。シュラウド３６は、アイドル状態ノズル３４及び／又は端部カバー２２に固定取付けすることができる。各シュラウド３６は、燃焼チャンバの一部分を通して加圧作動流体を導いて、アイドル状態ノズル３４からの加圧作動流体が早期に燃焼を消炎するのを防止する。電力需要が増大すると、燃焼器１４は、アイドル状態ノズル３４に対して燃料流（量）を回復させかつ燃焼チャンバ内で燃料混合気を点火燃焼させることによって、ベース負荷出力レベルに戻ることができる。
【００２１】
図４は、図３に示すシュラウド３６の斜視図を示している。シュラウド３６は、２８００〜３０００°Ｆ以上の燃焼温度に耐えることができるあらゆる合金、超合金、被覆セラミック又はその他の好適な材料で製作することができる。シュラウド３６は、内側壁表面３８が関連するアイドル状態ノズルに面し、外側壁表面４０が関連するアイドル状態ノズルと反対方向に面しかつ内側及び外側壁表面３８、４０間に空洞４２が配置された状態になった複数壁構造とすることができる。別の実施形態では、シュラウド３６は、内側及び外側壁表面３８、４０が単一壁の単に両側面であるような単一の壁構造とすることができる。そのような構造に関係なく、シュラウド３６は、内側及び外側壁表面３８、４０のいずれか又は両方内に約０．０２インチ〜０．０５インチの直径を有する複数のアパーチャ４４を含むことができる。
【００２２】
空洞４２及び／又はアパーチャ４４を通して冷却流体を供給して、シュラウド３６の表面３８、４０を冷却することができる。好適な冷却流体には、蒸気、水、分流加圧作動流体及び空気が含まれる。当業者に公知のその他の構造及び方法を使用して、シュラウド３６を冷却することができる。例えば、米国特許出願公開第２００６／０１９１２６８号には、同様にシュラウドの冷却に使用することができるガスタービンノズルの冷却方法及び装置が記載されている。
【００２３】
各シュラウド３６は、関連するアイドル状態ノズルよりも僅かに大きい直径を有し、かつ特定の実施形態及び設計ニーズに応じて、図示するようにその形状を円筒形とするか或いは収束又は発散形状を有するようにすることができる。シュラウド３６の長さは、該シュラウド３６が燃焼チャンバ内に十分な距離延びてアイドル状態ノズルからの加圧作動流体が燃料供給状態ノズルからの燃焼ガスと混合しかつ燃焼を早期に消炎するのを防止するのに十分なものであるべきである。好適な長さは、特定の燃焼器設計及び予測ターンダウン方式に応じて、３インチ、５インチ、７インチ又はそれ以上の長さとすることができる。
【００２４】
図５は、本発明の一実施形態による静止シュラウド４６及びノズル中心本体４８の側面図を示している。図５に示すように、静止シュラウド４６及びノズル中心本体４８は、端部カバー２２から下流方句に燃焼チャンバ内に延びる。ターンダウン運転の間には、加圧空気は、混合又はスワーラベーン５０を通りかつ静止シュラウド４６を通って燃焼チャンバ内に流れ続けるが、燃料流は、このノズルに対して止められる。ベース負荷運転の間には、このノズルに対して燃料流が回復され、またノズル中心本体４８は、シュラウド４６の端部における火炎の安定性を高める。
【００２５】
図５に示す実施形態は、従来型の単一段燃焼器に比して付加的なエミッション利点を得ることができる複段タイプの燃焼器を構成する。例えば、低負荷又はターンダウン運転の間には、静止シュラウド４６は、アイドル状態ノズルからの加圧空気が燃料供給状態ノズルからの燃焼ガスと混合しかつ該燃焼ガスを早期に消炎するのを防止し、それによってターンダウン運転の間におけるＣＯエミッションを低減する。ベース負荷運転の間に、ノズル中心本体４８は、静止シュラウドの端部における火炎を維持する。このことにより、燃焼チャンバ内における燃焼のより短い滞留時間により、ベース負荷運転の間におけるＮＯｘエミッションを低減させることができる。加えて、ベース負荷運転の間に、延長ノズル中心本体４８は、燃焼チャンバの長さに沿って放熱を分散させ、それによって燃焼に先立って加圧作動流体を燃料と予混合する燃焼器において通常特有である圧力変動を減少させることができる。
【００２６】
図６、図７、図８及び図９は、本発明の技術的範囲に属する特定のターンダウン方式における燃料供給状態ノズル３２及びアイドル状態ノズル３４を示している。各図における斜線付き円は、燃料供給状態ノズル３２を表し、また空白の円は、アイドル状態ノズル３４を表している。図４及び図５に示すような静止シュラウドが、各アイドル状態ノズル３４を囲みかつ各アイドル状態ノズル３４から下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。
【００２７】
図６では、周辺部の周りの５つのノズルが、燃料供給状態ノズル３２であり、また中心ノズルが、アイドル状態ノズル３４である。このターンダウン方式では、燃焼器出口温度は、あらゆるエミッション要件を超えることなく７０°Ｆほども低下させることができる。図７、図８及び図９では、付加的ノズルは、アイドル状態になっていて、ターンダウン方式の間における燃料消費量をさらに減少させる。図７、図８及び図９に示す各ターンダウン方式では、圧縮機からの加圧作動流体は、各ノズル３２、３４を通って流れる。各図示した構成において、ノズルの第１のサブセットは、燃料供給状態ノズル３２として作動しかつ燃焼チャンバ内での燃焼のための燃料を受け続ける。各図示した構成において、ノズルの第２のサブセットは、アイドル状態ノズル３４として作動し、この作動は、アイドル状態ノズル３４に対して燃料流を止めかつ該アイドル状態ノズル３４から下流方向に燃焼チャンバ内に延びるシュラウドで各アイドル状態ノズル３４を囲むことによって達成される。
【００２８】
本発明の技術的範囲に属する燃焼器は、下記するようにターンダウン方式で作動させることができる。加圧作動流体の流れは、各ノズルを通して燃焼チャンバ内に供給することができる。燃料の流れは、ノズルの第１のサブセット（つまり、燃料供給状態ノズル）を通して燃焼チャンバ内に供給しかつ該燃焼チャンバ内で点火燃焼させることができる。ノズルの第２のサブセット（つまり、アイドル状態ノズル）内の各ノズルの周りに、１以上の静止シュラウドを延ばすことができ、かつ各アイドル状態ノズルに対して燃料を隔離することができる。必要に応じて、各シュラウドは、例えば各シュラウド内のアパーチャを通して蒸気、水、分流加圧作動流体及び／又は空気を流すことによって冷却することができる。
【００２９】
燃焼器は、各アイドル状態ノズルを通して燃焼チャンバ内に燃料を流しかつ各以前はアイドル状態であったノズルからの燃料を燃焼チャンバ内で点火燃焼させることによって、設計ベース負荷運転に移行させることができる。シュラウドは、以前はアイドル状態であったノズルから下流方向に燃焼チャンバ内に延びた状態をそのまま保持している。
【００３０】
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  ロータ
２０  圧縮機吐出プレナム
２２  端部カバー
２４  ノズル
２６  ライナ
２８  燃焼チャンバ
３０  移行部品
３２  燃料ノズル
３４  アイドルノズル
３６  シュラウド
３８  内側壁表面
４０  外側壁表面
４２  空洞
４４  アパーチャ
４６  静止シュラウド
４８  ノズル中心本体
５０  混合ベーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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