(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービン燃焼器の燃焼効率をさらに改善し、かつ望ましくないエミッションを低減するために燃焼に先立って燃料および作動流体の予混合を改善する。【解決手段】ガスタービン燃焼器のバーナは、該バーナの少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる内側シュラウド３６と、外側シュラウドと、内側シュラウド３６及び外側シュラウド間で半径方向に延びる複数のステータベーン４０とを有する。ステータベーン４０は、内側シュラウド３６に近接した内側端部４６及び外側シュラウドに近接した外側端部４８を有する。バーナはさらに、ステータベーン４０の内側端部４６又は外側端部４８のいずれかの１つにおける渦流先端部５０を含む。渦流先端部５０は、内側端部４６と内側シュラウド３６との間又は外側端部４８と外側シュラウドとの間にギャップを形成し、また渦流先端部５０は、複数の燃料ポート５２を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１０）で使用するバーナ（２４）であって、
ａ．前記バーナ（２４）の少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる内側シュラウド（３６）と、
ｂ．前記内側シュラウド（３６）から半径方向に分離されかつ前記バーナ（２４）の少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる外側シュラウド（３８）と、
ｃ．前記内側シュラウド（３６）及び外側シュラウド（３８）間で半径方向に延びかつ該内側シュラウド（３６）に近接した内側端部（４６）及び該外側シュラウド（３８）に近接した外側端部（４８）を有する複数のステータベーン（４０）と、
ｄ．前記複数のステータベーン（４０）の内側端部（４６）又は外側端部（４８）のいずれかの１つにおける渦流先端部（５０）と、を含み、
前記渦流先端部（５０）が、ｉ．前記内側端部（４６）の少なくとも１つと前記内側シュラウド（３６）との間、又はｉｉ．前記外側端部（４８）の少なくとも１つと前記外側シュラウド（３８）との間にギャップを含む、
バーナ（２４）。
【請求項２】
前記複数のステータベーン（４０）が、前記内側シュラウド（３６）又は外側シュラウド（３８）の少なくとも１つに連結される、請求項１記載のバーナ（２４）。
【請求項３】
前記複数のステータベーン（４０）の少なくとも幾つかが、異なる長さを有する、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のバーナ（２４）。
【請求項４】
前記内側シュラウド（３６）、外側シュラウド（３８）、又は複数のステータベーン（４０）の少なくとも１つ内に燃料ポート（５２）をさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項記載のバーナ（２４）。
【請求項５】
ガスタービン（１０）であって、
ａ．圧縮機（１２）と、
ｂ．前記圧縮機（１２）の下流に配置されかつバーナ（２４）を備えた少なくとも１つの燃焼器（１４）と、
ｃ．前記少なくとも１つの燃焼器（１４）の下流に配置されたタービン（１６）と、
を含み、前記バーナ（２４）が、
ｉ．該バーナ（２４）の少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる内側シュラウド（３６）と、
ｉｉ．前記内側シュラウド（３６）から半径方向に分離されかつ該バーナ（２４）の少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる外側シュラウド（３８）と、
ｉｉｉ．前記内側シュラウド（３６）及び外側シュラウド（３８）間で半径方向に延びかつ該内側シュラウド（３６）に近接した内側端部（４６）及び該外側シュラウド（３８）に近接した外側端部（４８）を有する複数のステータベーン（４０）と、
ｉｖ．前記複数のステータベーン（４０）の内側端部（４６）又は外側端部（４８）のいずれかの１つにおける渦流先端部（５０）と、を含み、
前記渦流先端部（５０）が、前記内側端部（４６）の少なくとも１つと前記内側シュラウド（３６）との間、又は前記外側端部（４８）の少なくとも１つと前記外側シュラウド（３８）との間にギャップを含む、
ガスタービン（１０）。
【請求項６】
前記複数のステータベーン（４０）が、前記内側シュラウド（３６）又は外側シュラウド（３８）の少なくとも１つに連結される、請求項５記載のガスタービン（１０）。
【請求項７】
前記複数のステータベーン（４０）の少なくとも幾つかが、異なる長さを有する、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載のガスタービン（１０）。
【請求項８】
前記内側シュラウド（３６）、外側シュラウド（３８）、又は複数のステータベーン（４０）の少なくとも１つ内に燃料ポート（５２）をさらに含む、請求項５から請求項７のいずれか１項記載のガスタービン（１０）。
【請求項９】
前記内側シュラウド（３６）及び外側シュラウド（３８）間で半径方向に延びかつ該内側シュラウド（３６）及び外側シュラウド（３８）に連結された複数のストラット（７４）をさらに含む、請求項５から請求項８のいずれか１項記載のガスタービン（１０）。
【請求項１０】
ガスタービン（１０）であって、
ａ．圧縮機（１２）と、
ｂ．前記圧縮機（１２）の下流に配置されかつバーナ（２４）を備えた少なくとも１つの燃焼器（１４）と、
ｃ．前記少なくとも１つの燃焼器（１４）の下流に配置されたタービン（１６）と、
を含み、前記バーナ（２４）が、
ｉ．該バーナ（２４）の少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる内側シュラウド（３６）と、
ｉｉ．前記内側シュラウド（３６）から半径方向に分離されかつ該バーナ（２４）の少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる外側シュラウド（３８）と、
ｉｉｉ．前記内側シュラウド（３６）及び外側シュラウド（３８）間で半径方向に延びかつ該内側シュラウド（３６）に近接した内側端部（４６）及び該外側シュラウド（３８）に近接した外側端部（４８）を有する複数のステータベーン（４０）と、
ｉｖ．前記複数のステータベーン（４０）の内側端部（４６）又は外側端部（４８）のいずれかの１つにおける渦流先端部（５０）と、を含み、
前記渦流先端部（５０）が、前記内側端部（４６）の少なくとも１つと前記内側シュラウド（３６）との間、又は前記外側端部（４８）の少なくとも１つと前記外側シュラウド（３８）との間にギャップを含み、また
前記渦流先端部（５０）が、複数の燃料ポート（５２）を含む、
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に関連する。より具体的には、本発明は、燃焼に先立って燃料を作動流体と混合するガスタービンバーナに関する。
【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る。ガスタービンは一般的に、前部に圧縮機、中央部あたりに１以上の燃焼器、また後部にタービンを含む。圧縮機は、作動流体を徐々に加圧し、加圧作動流体を燃焼器に吐出する。燃焼器は、作動流体を燃料と混合しかつその混合気を点火燃焼させて、高温、高圧かつ高速を有する燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼器から流出しかつタービンに流れ、タービンにおいて、それら燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。
【０００３】
燃焼ガスは、未燃炭化水素及び様々な酸化窒素（ＮＯｘ）化合物のような様々な量の望ましくない排出物（エミッション）を含む。燃焼ガス内に存在する未燃炭化水素及びＮＯｘ化合物の量は、燃焼効率及び温度によって決まる。具体的に、燃料の不完全燃焼又は低効率燃焼は、炭化水素エミッションの増加をもたらす。同様に、燃焼温度の上昇は、ＮＯｘエミッションの増加をもたらす。
【０００４】
燃焼効率を改善することによって炭化水素及びＮＯｘエミッションの量を低減させるための様々な努力がなされてきた。例えば、あらゆる目的で本明細書にその全体を組入れている米国特許第５２５９１８４号には、燃焼に先立って燃料及び作動流体を予混合するガスタービンバーナが記載されている。バーナは、作動流体に旋回運動を与える環状スワーラを含み、旋回作動流体は、噴射燃料と混合されて、より均一かつ希薄な燃焼用燃料混合気を生成する。より均一かつ希薄な燃料混合気は、燃焼効率を高めかつ燃焼温度を低下させ、それによって炭化水素及びＮＯｘエミッションを低減する。
【０００５】
あらゆる目的で本明細書にその全体を組入れている米国特許第６４３８９６１号には、燃焼に先立って燃料及び作動流体を混合する改良型のガスタービンバーナが記載されている。バーナは、組込み燃料通路を備えた旋回ベーンを含む。旋回ベーンは、作動流体及び燃料の両方に旋回を与えて燃焼に先立って燃料及び作動流体のより均一な混合を生じさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６４３８９６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃焼効率をさらに改善しかつ望ましくないエミッションを低減するために燃焼に先立って燃料及び作動流体の予混合を改善する必要性が存在する。
【０００８】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において下記しており、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つ実施形態は、ガスタービンで使用するバーナである。本バーナは、該バーナの少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる内側シュラウドと、内側シュラウドから半径方向に分離されかつ該バーナの少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる外側シュラウドと、内側シュラウド及び外側シュラウド間で半径方向に延びる複数のステータベーンとを含む。ステータベーンは、内側シュラウドに近接した内側端部及び外側シュラウドに近接した外側端部を有する。バーナはさらに、ステータベーンの内側端部又は外側端部のいずれかの１つにおける渦流先端部を含む。渦流先端部は、内側端部と内側シュラウドとの間又は外側端部と外側シュラウドとの間にギャップを形成する。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、ガスタービンである。本ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機の下流に配置された少なくとも１つの燃焼器とを含む。燃焼器は、バーナを含み、バーナは、該バーナの少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる内側シュラウドと、内側シュラウドから半径方向に分離されかつ該バーナの少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる外側シュラウドと、内側シュラウド及び外側シュラウド間で半径方向に延びる複数のステータベーンとを有する。ステータベーンは、内側シュラウドに近接した内側端部及び外側シュラウドに近接した外側端部を有する。バーナはさらに、ステータベーンの内側端部又は外側端部のいずれかの１つにおける渦流先端部を含む。渦流先端部は、内側端部と内側シュラウドとの間又は外側端部と外側シュラウドとの間にギャップを形成する。本ガスタービンはさらに、燃焼器の下流に配置されたタービンを含む。
【００１１】
本発明のさらに別の実施形態は、ガスタービンである。本ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機の下流に配置された少なくとも１つの燃焼器とを含む。燃焼器は、バーナを含み、バーナは、該バーナの少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる内側シュラウドと、内側シュラウドから半径方向に分離されかつ該バーナの少なくとも一部分に沿って軸方向に延びる外側シュラウドと、内側シュラウド及び外側シュラウド間で半径方向に延びる複数のステータベーンとを有する。ステータベーンは、内側シュラウドに近接した内側端部及び外側シュラウドに近接した外側端部を有する。バーナはさらに、ステータベーンの内側端部又は外側端部のいずれかの１つにおける渦流先端部を含む。渦流先端部は、内側端部と内側シュラウドとの間又は外側端部と外側シュラウドとの間にギャップを形成し、また渦流先端部は、複数の燃料ポートを含む。本ガスタービンはさらに、燃焼器の下流に配置されたタービンを含む。
【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実施形態の平面図。
【図２】本発明の一実施形態によるバーナの断面斜視図。
【図３】本発明の一実施形態によるステータベーンの一部分の斜視図。
【図４】本発明の別の実施形態による渦流ステータ組立体の平面図。
【図５】図４に示す渦流ステータ組立体によって形成された旋回渦流の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【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、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。
【００１７】
図１は、本発明の技術的範囲内にあるガスタービン１０の実施形態を示している。図１に示すように、ガスタービン１０は一般的に、前部に圧縮機１２、中央部あたりに１以上の燃焼器１４、また後部にタービン１６を含む。圧縮機１２は、作動流体を徐々に加圧する複数段の圧縮機ブレード１８を含む。圧縮機１２は、加圧作動流体を燃焼器１４に吐出する。各燃焼器１４は、作動流体を燃料と混合する１以上のバーナを含み、混合気は次に、燃焼室２２内で点火燃焼されて高温、高圧かつ高速を有する燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼室２２から流出しかつタービン１６に流れ、タービンにおいて、それら燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。
【００１８】
図２は、本発明の一実施形態によるバーナ２４の断面斜視図を示している。この実施形態では、バーナ２４は、吸気流調整装置２６、渦流ステータ組立体２８及び混合燃料通路３０を含む。
【００１９】
吸気流調整装置２６は、圧縮機１２から加圧作動流体を受けかつ該加圧作動流体を渦流ステータ組立体２８内に流入させるための調整を行なう。吸気流調整装置２６は、それを通って加圧作動流体が流れる環状通路３２を形成した穿孔壁を含む。流れガイド３４が、渦流ステータ組立体２８内に流入する前に加圧作動流体を半径方向に分配する。
【００２０】
渦流ステータ組立体２８は、燃料を加圧作動流体と混合しかつ混合気に渦流旋回を与える。渦流ステータ組立体２８は、内側シュラウド３６と、外側シュラウド３８と、複数のステータベーン４０とを含む。内側シュラウド３６及び外側シュラウド３８は、バーナ２４の一部分に沿って軸方向に延びて燃料及び加圧作動流体のための環状通路を形成する。内側シュラウド３６、外側シュラウド３８及び／又はステータベーン４０は、ディンプル、リッジ又は突出部のような成形壁つまりタービュレータ４２を含んでいて加圧作動流体の層流を崩壊させかつ混合を向上させることができる。
【００２１】
図３は、本発明の一実施形態によるステータベーン４０の斜視図を示している。ステータベーン４０は、翼形形状４４を有しかつ加圧作動流体の流れの方向に対して傾斜していて、加圧作動流体がステータベーン４０を横切って流れる時に、該ステータベーン４０により、加圧作動流体を内側シュラウド３６の周りで旋回又は回転させるようにする。例えば、作動流体が図３において左側から右側に通過すると、ステータベーン４０は、図３の右下から見た状態で、加圧作動流体を時計回りに回転させる。
【００２２】
図３に示すように、ステータベーン４０は、内側シュラウド３６に近接した内側端部４６及び外側シュラウド（図２に図示しており、明確にするために図３からは省略している）に近接した外側端部４８を有する。各ステータベーン４０の内側端部４６は、内側シュラウド３６に連結される。各ステータベーン４０の外側端部４８は、渦流先端部５０を含み、渦流先端部５０は、各ステータベーン４０の外側端部４８と外側シュラウド３８との間にギャップを形成する。渦流先端部５０と外側シュラウド３８との間のギャップは、加圧作動流体が該渦流先端部５０と外側シュラウド３８との間を流れることが可能になるのに十分なほど大きくなくてはならないが、傾斜したステータベーン４０によって与えられた旋回を過度に減弱させるほど大き過ぎてはならない。適当なギャップは、内側端部４６及び外側端部４８間の距離の５〜２０％とすることができる。ステータベーン４０は、均一なギャップを形成するような均一な寸法を有することができる。それに代えて、ステータベーン４０は、その長さ又は幅を変化させて、僅かに異なる半径及び均一でないギャップ寸法になった渦流先端部を形成するようにすることができる。
【００２３】
図３に示す実施形態はまた、渦流先端部５０に、加圧作動流体内に燃料を導入する燃料ポート５２を含む。ステータベーン４０の翼形部４４のいずれか又は両方の側面上に付加的な燃料ポート５２を備えて、サージつまり高出力運転時に付加燃料を導入することができる。図３に示す燃料ポート５２は、その形状が円形であるが、燃料ポートは、使用する特定の燃料に適したあらゆる幾何学形状のものとすることができる。例えば燃料ポート５２は、三角形、矩形又は曲線形とすることができる。加えて、燃料ポート５２は、加圧作動流体の流れ内に所望の角度で燃料を噴射するような方向とすることができる。
【００２４】
傾斜したステータベーン４０、翼形部表面４４、渦流先端部５０及び燃料ポート５２は協働して、燃料及び加圧作動流体の混合気の渦流旋回を形成する。つまり、燃料が加圧作動流体の流れ内に噴射されると、傾斜したステータベーン４０及び翼形部４４は、燃料及び加圧作動流体に対して旋回力を与える。同時に、渦流先端部５０は、流れの外周部に付加的な渦流又は渦を発生させる。その結果、燃料及び加圧作動流体の混合を向上させて燃焼用のより均一な混合気が形成されると思われる。加えて、加圧作動流体は一般的に、毎秒およそ５００フィートの比較的高速でステータベーン４０上を流れる。加圧作動流体がステータベーン４０上を流れている時に加圧作動流体の流れ内に燃料を噴射することにより、燃料が燃焼室２２内ではなく燃料ポート５２の近傍で過早に点火燃焼する保炎として知られる危険性が低下する。
【００２５】
図４は、本発明の別の実施形態による渦流ステータ組立体５４の平面図を示している。渦流ステータ組立体５４はここでも同様に、内側シュラウド５６と、外側シュラウド５８と、複数のステータベーン６０とを含む。内側シュラウド５６及び外側５８シュラウド５８は、バーナの一部分に沿って軸方向に延びて燃料及び加圧作動流体のための環状通路を形成する。内側シュラウド５６、外側シュラウド５８及び／又はステータベーン６０は、ディンプル、リッジ又は突出部のような成形壁つまりタービュレータ６２を含んでいて加圧作動流体の層流を崩壊させかつ混合を向上させることができる。加えて、内側シュラウド５６、外側シュラウド５８及び／又はステータベーン６０は、旋回加圧作動流体内に燃料を導入する燃料ポート６４を含むことができる。これらの燃料ポート６４は、サージつまり高出力運転時に付加燃料を導入することができる。それに代えて、内側シュラウド５６及び／又は外側シュラウド５８シュラウド内の燃料ポート６４は、ステータベーン６０内における燃料ポート６４の必要性を取除いて、ステータベーン６０を中実とすることを可能にすることができる。中実のステータベーンは、製造がより容易であり、建造時の大幅な費用低減をもたらす。
【００２６】
ステータベーン６０はここでも同様に、加圧作動流体の流れの方向に対して傾斜していて、加圧作動流体がステータベーン６０を横切って流れる時に、該ステータベーンにより、加圧作動流体を内側シュラウド５６の周りで旋回又は回転させるようにする。例えば、作動流体が、図４に示す渦流ステータ組立体５４を通って下流に流れると、ステータベーン６０は、図４の上方から見た状態で、加圧作動流体を反時計回りに回転させる。
【００２７】
図４に示すように、ステータベーン６０はここでも同様に、内側シュラウド５６に近接した内側端部６６及び外側シュラウド５８に近接した外側端部６８を有する。各ステータベーン６０は、内側端部６６又は外側端部６８のいずれかに、交互の順序で、渦流先端部７０を含み、ステータベーン６０の反対側端部は近接するシュラウド５６、５８に結合される。その結果、渦流先端部７０は、内側端部６６と内側シュラウド５６との間又は外側端部６８と外側シュラウド５８との間のいずれかにギャップ７２を交互に形成する。渦流先端部７０は、内側シュラウド５６及び外側シュラウド５８に交互に近接した状態で燃料及び加圧作動流体の渦流を生じさせる。ステータベーン６０は、均一なギャップを形成するような均一な寸法を有することができる。それに代えて、ステータベーン６０は、その長さ又は幅を変化させて、僅かに異なる半径及び均一でないギャップ寸法になった渦流先端部を生じるようにすることができる。
【００２８】
図４に示す渦流ステータ組立体５４はさらに、内側シュラウド５６及び外側シュラウド５８間で半径方向に延びかつ該内側シュラウド５６及び外側シュラウド５８に連結されたストラット７４を含むことができる。ストラット７４は、内側シュラウド５６及び外側シュラウド５８間に付加的構造支持を与え、またステータベーン６０の場合と同様に翼形形状を有しかつ傾斜させることができる。加えて、ストラット７４は、中空としかつ旋回加圧作動流体内に燃料を導入する燃料ポートを含むことができる。
【００２９】
図５は、明瞭にするために外側シュラウド５８を除去した状態での、図４に示す渦流ステータ組立体５４によって形成された旋回渦流の斜視図を示している。図示するように、渦流先端部７０は、燃料ポート６４を含む。燃料及び加圧作動流体は、渦流先端部７０とそれぞれの内側シュラウド５６又は外側シュラウド５８との間に形成されたギャップを通って流れて、燃料及び加圧作動流体混合気の渦流旋回を形成する。この渦流旋回流は、傾斜したステータベーン６０によって形成された燃料及び加圧作動流体の旋回流に付加された状態になる。
【００３０】
当業者には、この図示した実施形態の変形形態を組合せて本発明の技術的範囲内にあるさらに別の実施形態を形成することができることを理解されたい。例えば、渦流先端部の位置及び数は、変更することができ、また渦流先端部と内側又は外側シュラウドとの間に形成されたギャップの寸法は、バーナの特定の設計必要性により変更することができる。加えて、内側シュラウド、外側シュラウド及び／又はステータベーン上の燃料ポート及びタービュレータの存在及び位置は、各実施形態で異なるものとすることができる。
【００３１】
特許請求の範囲に記載したような本発明の技術的範囲及び技術思想並びにその均等物から逸脱せずに本明細書に記載した本発明の実施形態に対して改良及び変更を加えることができることは当業者には分かるであろう。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  圧縮機ブレード
２０  バーナ
２２  燃焼室
２４  バーナ
２６  吸気流調整装置
２８  渦流ステータ組立体
３０  混合燃料通路
３２  環状通路
３４  流れガイド
３６  内側シュラウド
３８  外側シュラウド
４０  ステータベーン
４２  タービュレータ
４４  翼形部
４６  内側端部
４８  外側端部
５０  渦流先端部
５２  燃料ポート
５４  渦流ステータ組立体
５６  内側シュラウド
５８  外側シュラウド
６０  ステータベーン
６２  タービュレータ
６４  燃料ポート
６６  内側端部
６８  外側端部
７０  渦流先端部
７２  ギャップ
７４  ストラット
７６  渦流旋回
【図１】
2011027405.tif 000003
【図２】
2011027405.tif 000004
【図３】
2011027405.tif 000005
【図４】
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【図５】
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