(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）端部カバー（２２）と、
（ｂ）上記端部カバー（２２）の下流に配置された燃焼チャンバ（２８）と、
（ｃ）上記端部カバー（２２）内に半径方向に配置された複数のノズル（２４）と、
（ｄ）複数の伸縮式シュラウド（３６）であって、各伸縮式シュラウドが上記ノズル（２４）を囲んでいて、ターンダウン作動時に上記ノズル（２４）から下流方向に上記燃焼チャンバ（２８）内に延び、ベース負荷作動時に上記端部カバー（２２）内に後退する複数の伸縮式シュラウド（３６）と
を備える燃焼器（１４）であって、上記シュラウド（３６）が内壁表面（３８）及び外壁表面（４０）を含む、燃焼器（１４）。
【請求項２】
各伸縮式シュラウド（３６）が前記ノズル（２４）から下流方向に少なくとも５インチ前記燃焼チャンバ（２８）内に延在する、請求項１記載の燃焼器（１４）。
【請求項３】
前記内壁表面（３８）又は外壁表面（４０）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又は請求項２記載の燃焼器（１４）。
【請求項４】
各伸縮式シュラウド（３６）が前記内壁表面（３８）及び外壁表面（４０）間に空洞（４２）を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃焼器（１４）。
【請求項５】
各伸縮式シュラウド（３６）が前記端部カバー（２２）に固定される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃焼器（１４）。
【請求項６】
各伸縮式シュラウド（３６）を伸展及び後退させるための手段をさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃焼器（１４）。
【請求項７】
（ｉ）圧縮機（１２）と、
（ｉｉ）上記圧縮機の下流に設けられた請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の燃焼器（１４）と、
（ｉｉｉ）上記燃焼器の下流のタービン（１６）と
を備えるガスタービン（１０）。
【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、様々なターンダウン方式で作動して燃料消費量を低減することができる複数燃料ノズルを備えた燃焼器について記述しかつそのような燃焼器を可能にする。
【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、燃料を加圧空気と混合しかつ混合気を点火燃焼させて、高エネルギー燃焼ガスを生成し、この高エネルギー燃焼ガスは、仕事を産生するためにタービンを通って流れる。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力を発生させ、この電力は次に、配電網に供給するようにすることができる。タービン及び発電機は、発電されている電力量に関係なく比較的一定の速度で作動して、所望の周波数の電力を生成しなければならない。
【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該設計ベース負荷付近において最も効率的に作動するように設計される。しかしながら、ガスタービンの出力需要量は、多くの場合に設計ベース負荷よりも低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、季節を通して、また一日を通してさえも変化する可能性があり、一般的に夜間には電力需要が低下する。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作動させ続けることは、燃料を浪費しかつ必要以上のエミッションを発生させる。
【０００４】
低需要期間の間にガスタービンをベース負荷で作動させることに代わる１つの方法は、単にガスタービンを作動停止させかつ電力需要が増大すると該ガスタービンを始動させて戻すことである。しかしながら、ガスタービンを始動させること及び作動停止させることは、多くの構成要素にわたる大きな熱応力を発生させ、それにより補修及び整備の増加を招く。さらに、ガスタービンは、複合サイクルシステムにおける付加的補助設備と共に作動させることが多い。例えば、タービン排出口に熱回収蒸気発生器を連結して、排出ガスから熱を回収してガスタービンの全体効率を増大させることができる。従って、低需要期間の間にガスタービンを作動停止させることはまた、関連する補助設備を作動停止させることを必要として、ガスタービンを作動停止させることに関連するコストをさらに増大させる。
【０００５】
低需要期間の間にガスタービンを作動させる別の解決法は、ガスタービンをターンダウン方式の下で作動させることである。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、所望の周波数で電力を生成するのに必要な速度で作動し、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るように減少され、それによってガスタービンによって生成される出力を減少させる。しかしながら、一般的な圧縮機の作動範囲により、空気流量を減少させることができる程度は制限され、それによって最適な燃料対空気比を維持しながら燃料流量を減少させることができる程度が制限される。より低い作動レベルでは、各燃焼器における１つ又はそれ以上のノズルは、「作動休止（idled）」状態にされ、それは作動休止ノズルに対する燃料流を留めて供給しなくすることによって行なわれる。燃料供給中（fueled）ノズルは、引続き燃焼のために燃料を加圧空気と混合し、また作動休止ノズルは、燃焼用のいかなる燃料もない状態で加圧作動流体を単に燃焼チャンバに通過させる。ターンダウン方式は、所望の周波数を有する電力を生成するのに必要な速度でタービン及び発電機を作動させるのに十分な燃焼ガスを発生させ、また作動休止ノズルは、燃料消費量を減少させる。電力需要が増大すると、全てのノズルに燃料を回復させて、ガスタービンを再び設計ベース負荷で作動させるのを可能にすることができる。
【０００６】
既存のターンダウン方式では、達成することができる出力低下の量が制限される。例えば、ターンダウン方式において作動休止ノズルを通過する加圧作動流体は、燃料供給中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させる傾向がある。燃料の不完全燃焼は、エミッション限界値を超える可能性がある多量のＣＯエミッションを発生させる。その結果、既存のターンダウン方式の間における最低作動レベルは、ＣＯ及びＮＯｘのエミッション限界値に適合させるために４０〜５０％設計ベース負荷の高さほどにもすることが必要となる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７２９９６１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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】
【０００９】
本発明の１つの実施形態では、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を含む。本燃焼器はさらに、端部カバー内に半径方向に配置された複数のノズルと、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在するシュラウドとを含む。シュラウドは、内壁表面及び外壁表面を含む。
【００１０】
本発明の別の実施形態では、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を含む。本燃焼器はさらに、端部カバー内に半径方向に配置された複数のノズルと、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在するシュラウドとを含む。シュラウドは、二重壁チューブを含む。
【００１１】
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。加えて、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個別の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する燃料を隔離するステップとを含む。
【００１２】
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。
【００１３】
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】
【００１４】
【図１】本発明の技術的範囲内にあ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除いた状態における、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】本発明の技術的範囲内にある、特定のターンダウン方式での作動休止及び燃料供給中ノズルを示す図。
【図６】本発明の技術的範囲内にある、特定のターンダウン方式での作動休止及び燃料供給中ノズルを示す図。
【図７】本発明の技術的範囲内にある、特定のターンダウン方式での作動休止及び燃料供給中ノズルを示す図。
【図８】本発明の技術的範囲内にある、特定のターンダウン方式での作動休止及び燃料供給中ノズルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、その１つ又はそれ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。
【００１６】
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、１つの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。
【００１７】
図１は、本発明の技術的範囲内にあるガスタービン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、中間部の周りにおける１つ又はそれ以上の燃焼器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を共有している。
【００１８】
圧縮機１２は、作動流体（空気）を加圧することによって該作動流体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、複数のノズル２４及びライナ２６を含み、ライナ２６は、端部カバー２２の下流に燃焼チャンバ２８を形成する。ノズル２４は、燃料を加圧作動流体と混合し、また燃焼チャンバ２８内で混合気を点火燃焼させて、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、トランジションピース３０を通ってタービン１６に流れ、タービン１６において、燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。
【００１９】
図２は、明瞭にするためにライナ２６を取除いた状態における、図１に示す燃焼器１４の斜視図を示している。図示するように、端部カバー２２は、ノズル２４のための構造支持体を構成する。ノズル２４は一般的に、図２に示すように例えば単一のノズルを囲む５つのノズルのような様々なジオメトリとして端部カバー２２内に半径方向に配置することができる。本発明の技術的範囲内におけるさらに別のジオメトリには、単一のノズルを囲む６つ又は７つのノズル或いは特定の設計要求に従った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。
【００２０】
ベース負荷出力で作動している時に、各ノズル２４は、燃料を加圧作動流体と混合する。混合気は、端部カバー２２の下流で燃焼チャンバ２８内において点火燃焼されて、燃焼ガスを生成する。低い電力需要の期間の間に、燃焼器１４は、作動休止ノズルに対する燃料流を留めて供給しなくすることによって１つ又はそれ以上のノズル２４が「作動休止」状態になるターンダウン方式で作動させることができる。
【００２１】
図３は、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では、３つのノズルが燃料供給中ノズル３２であり、また３つのノズルが作動休止ノズル３４である。燃料及び加圧作動流体が、燃料供給中ノズル３２を通って流れ、一方、作動休止ノズル３４を通しては、加圧作動流体のみが流れる。加えて、シュラウド３６が、各作動休止ノズル３４を囲みかつ各作動休止ノズル３４から下流方向に燃焼チャンバ内に延在する。シュラウド３６は、作動休止ノズル３４及び／又は端部カバー２２に固定取付けするか或いは可動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案内して、作動休止ノズル３４からの加圧作動流体が燃焼を早期に消炎させるのを防止する。電力需要が増大すると、燃焼器１４は、作動休止ノズル３４に燃料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すことができる。
【００２２】
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、２，８００〜３，０００°Ｆよりも高い燃焼温度に耐えることができる合金、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、関連する作動休止ノズルに面した内壁表面３８と、関連する作動休止ノズルとは反対の外側に面した外壁表面４０と、内壁表面３８及び外壁表面４０間の空洞４２とを備えた二重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、単一壁構造として、内壁表面３８及び外壁表面４０が該単一壁の単なる両側面であるようにすることができる。その構造には関係なく、シュラウド３６は、内壁表面３８及び外壁表面４０のいずれか又は両方内におよそ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。
【００２３】
冷却流体は、空洞４２及び／又はアパーチャ４４を通して供給して、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、迂回加圧作動流体及び空気が含まれる。当業者に公知である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、ガスタービンノズルを冷却するための方法及び装置が記載されており、これら方法及び装置は、シュラウド冷却に使用するようにもすることができる。
【００２４】
各シュラウド３６は、関連する作動休止ノズルよりも僅かに大きい直径を有し、また特定の実施形態及び設計要求に応じて、図示するようにその形状を円筒形とすることができ或いは収束形又は発散形形状を有することができる。シュラウド３６の長さは、該シュラウド３６を燃焼チャンバ内に十分遠くまで延ばして、作動休止ノズルからの加圧作動流体が燃料供給中ノズルからの燃焼ガスと混合しかつ燃焼を早期に消炎させるのを防止するのに十分なものとすべきである。好適な長さは、特定の燃焼器設計及び予想される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とすることができる。
【００２５】
図４に示すシュラウド３６は、端部カバー２２に対して後退可能とすることができる。後退可能な場合には、シュラウド３６は一般的に、ベース負荷作動の間に後退させまた関連するノズルに対する燃料流を留めて供給しなくするターンダウン作動の間に伸展させる。図４に示すように、シュラウド３６は、該シュラウド３６を伸展及び後退させるための手段を含むことができる。シュラウド３６を伸展及び後退させるための手段は、当技術分野で公知である、対象物を伸展及び後退させるためのあらゆる好適な手動的、機械的、電気的、液圧的、空圧的又は同等のシステムとすることができる。例えば、シュラウド３６は、端部カバー２２内に螺合させることができる図４に示すようなネジ付き延長部を含むことができる。シュラウド３６は、手動により或いは電気、液圧又は空圧モータを使用して回転させることができる。１つの方向にシュラウド３６を回転させることにより、ターンダウン作動のために該シュラウド３６を燃焼チャンバ内に伸展させることができ、また他の方向にシュラウド３６を回転させることにより、ベース負荷作動のために該シュラウド３６を端部カバー２２内に後退させることができる。対象物を伸展及び後退させるための当技術分野で公知であるその他の同等の構造には、液圧ピストン、空圧ラチェット、スプリング、ラチェットポール機構、及び磁気又は誘導コイルが含まれる。
【００２６】
図５、図６、図７及び図８は、本発明の技術的範囲内にある、特定のターンダウン方式での燃料供給中ノズル３２及び作動休止ノズル３４を示している。各図における斜線付き円は、燃料供給中ノズル３２を表しており、また空白円は、作動休止ノズル３４を表している。図４に示すようなシュラウド３６が、各作動休止ノズル３４を囲みかつ各作動休止ノズル３４から下流方向に燃焼チャンバ内に延在する。
【００２７】
図５では、周辺の周りの５つのノズルは、燃料供給中ノズル３２であり、また中心ノズルは、作動休止ノズル３４である。このターンダウン方式では、燃料消費量はおよそ１６％ほど減少させることができ、また燃焼ガス出口温度は、いかなるエミッション要件も超えない状態で７０°Ｆほども低下させることができる。図６、図７及び図８では、作動休止状態のノズルを増やして、ターンダウン方式の間における動力消費をさらに低減する。図５、図６、図７及び図８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。各図において、ノズルの第１のサブセットは、燃料供給中ノズル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。各図において、ノズルの第２のサブセットは、作動休止ノズル３４に対する燃料流を留めて供給しなくしかつ該作動休止ノズル３４から下流方向に燃焼チャンバ内に延在するシュラウドで各作動休止ノズル３４を囲むことによって作動休止ノズル３４として作動する。
【００２８】
本発明の技術的範囲内の燃焼器は、下記のような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、燃料供給中ノズル）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。１つ又はそれ以上のシュラウドは、ノズルの第２のサブセット（作動休止ノズル）における各ノズルの周りで伸展させることができ、また燃料は、各作動休止ノズルに対して隔離（遮断）することができる。必要な場合には、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、迂回加圧作動流体及び／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、各作動休止ノズルを通して燃料を燃焼チャンバ内に流しかつその各以前は作動休止状態であったノズルからの該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作動に移行させることができる。シュラウドは、以前は作動休止状態であったノズルから下流方向に燃焼チャンバ内に伸展した状態のままとすることができる。それに代えて、シュラウドは、燃焼チャンバから後退させることができる。
【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  トランジションピース
３２  燃料供給中ノズル
３４  作動休止ノズル
３６  シュラウド
３８  内壁表面
４０  外壁表面
４２  空洞
４４  アパーチャ
５４  延長部
【図１】
0005965600.tif 000002
【図２】
0005965600.tif 000003
【図３】
0005965600.tif 000004
【図４】
0005965600.tif 000005
【図５】
0005965600.tif 000006
【図６】
0005965600.tif 000007
【図７】
0005965600.tif 000008
【図８】
0005965600.tif 000009