(57)【要約】  タービンエンジンの排出物及び燃焼動特性を燃焼器システムを通して管理する。燃焼器システムは、第１燃料流へ水を噴射し、第２水蒸気を、中心の又は燃料ノズルアセンブリの第２液体ノズルを通して燃焼器の火炎ゾーンへ供給する。【選択図】図１
2013530371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼燃料の火炎ゾーンを提供する燃焼チャンバと、
第１燃料排出口、及び、前記第１燃料排出口の下流で前記火炎ゾーンへ液体を散布する第２液体ノズル、を有する燃料ノズルアセンブリと、
前記第１燃料排出口と連通し、前記第１燃料排出口へ燃料を供給する燃料経路と、
前記燃料経路と連通し、前記第１燃料排出口の上流で前記燃料経路中に水を供給して燃料と混合する第１水経路と、
前記第２液体燃料ノズルと連通し、前記第２液体ノズルを通して前記火炎ゾーンへ水を供給する第２水経路と、
を備える、タービンエンジンの燃焼システム。
【請求項２】
前記第２液体ノズルは、前記燃料ノズルアセンブリの中心線と実質的に整列させてある、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第２液体ノズルは、中空円錐散布パターンで燃焼器内へ水を分配する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２ノズルへ第２燃料又は水のいずれかを供給する第２経路をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２燃料がオイル燃料である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１燃料排出口への燃料が気体である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記燃料ノズルアセンブリは、前記第２燃料ノズルを取り巻く複数の孔を有する霧化エアキャップを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記液体ノズルが約±３％で流れ調整される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
第１燃料排出口、及び、前記第１燃料排出口の下流で液体を散布する第２液体ノズル、を有する燃料ノズルアセンブリと、
前記第１燃料排出口と連通し、前記第１燃料排出口へ燃料を供給する燃料経路と、
前記燃料経路と連通し、前記第１燃料排出口の上流で前記燃料経路中に水を供給して燃料と混合する第１水経路と、
前記第２液体ノズルと連通し、前記第２燃料ノズルを通して燃料又は水のいずれかを供給する第２水経路と、
を備える、タービンエンジンの燃焼システム用の燃料ノズルアセンブリ。
【請求項１０】
前記第２液体ノズルは、前記燃料ノズルアセンブリの中心線と実質的に整列させてある、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ノズルは、気体燃料運転中、中空円錐散布パターンで水を分配する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第２液体ノズルへ第２燃料を供給する第２燃料経路をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第２燃料がオイル燃料である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１燃料排出口への燃料が気体である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記燃料ノズルアセンブリは、前記第２液体ノズルを取り巻く複数の孔を有する霧化エアキャップを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
タービン燃焼器における排出物を抑制する方法であって、
第１気体燃料流へ水を噴射し、
該水を噴射した第１燃料流を、燃料ノズルアセンブリを通して燃焼チャンバへ供給し、
火炎ゾーンで前記第１燃料流を燃焼させ、
水を中空円錐散布パターンで前記火炎ゾーンへ噴射する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１０年６月２３日出願の米国仮出願６１／３５７，６１６の優先権を主張する。
本発明は、概して、タービンエンジン用の拡散炎燃焼器、特に、そのような拡散炎燃焼器へ液体水の状態で水を供給することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＯｘは、モノナイトロジェンオキサイドＮＯ及びＮＯ2（一酸化窒素及び二酸化窒素）の総称である。燃焼器の進歩は、ＮＯｘ排気物質がシステム設計全体の一部をなす他の重要な領域に影響を与えることのないように対処することに焦点が当てられている。拡散炎燃焼器では、ＮＯｘ排出物を抑制するために燃焼器内へ水又は水蒸気を噴射可能である。水の噴射は、高い燃焼器動特性（dynamics）の形態において、好ましくない安定性の問題や、ライナー亀裂に関連した耐久性の問題を引き起こし得る。このようなシステムの進歩は、これら相反する設計基準…排出物、動特性、ハードウェア寿命のデリケートなバランスを要求する。
【０００３】
ガスタービンエンジンの拡散炎燃焼器において、第１燃料（プライマリフューエル）は、メタンや天然ガスのような気体の状態で供給されることが多い。この燃焼器において、燃料ガスは、圧縮空気と、及び液体，蒸気又は水蒸気の状態の水とが混合される。設計基準は、燃料及び水の適切な混合を要求する。Ｈ2Ｏを分配し混合する方法が適切でないと、ＮＯｘ排出物の増加と不満足な動特性の結果を招く。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、エンジン排出物を減少させる利益だけでなく、高火炎温度で満足できるエンジン運転を可能にすることにより、燃焼動特性及びエンジンパフォーマンスを向上させることも望まれる。本発明は、これらの目標をそれぞれ促進する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、タービンエンジン燃焼システムは、第１（プライマリ）燃料排出口を有する燃料ノズルアセンブリと、その第１燃料排出口の下流で燃焼器の火炎ゾーンへ液体を散布する第２（セカンダリ）ノズルと、を含む。燃料経路が、第１燃料排出口と流体連結して、第１燃料排出口へ燃料を供給する。第１水経路が第１燃料排出口の上流で水を供給し燃料と混合すると共に、第２経路が第２液体散布ノズルを通して火炎ゾーンへ水を供給する。第２ノズルは、燃料ノズルアセンブリの中心線に整列させてある。第２液体ノズルは、中空円錐（円錐面状）散布パターンで燃焼器内へ水を分配する。
【０００６】
セパレート（separate）経路が、液体のオイル燃料などの第２燃料（セカンダリフューエル）を第２液体ノズルへ供給する。第１燃料は気体であり得る。
【０００７】
燃料ノズルアセンブリは、液体ノズルを取り巻く複数の孔を有する霧化エアキャップを含み得る。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、タービン燃焼器における排出物を抑制する方法であって、第１の水を第１燃料流へ噴射し、該第１燃料流及び水の混合体を燃料ノズルアセンブリから燃焼チャンバへ供給し、火炎ゾーンでその第１燃料流を燃焼させ、第２の水を中空円錐散布パターンで火炎ゾーンへ噴射する、方法が提案される。
【０００９】
上記システム及び方法は、燃焼動特性を管理しシステムハードウェアの摩耗を減少させる一方で、排出物の抑制を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１及び第２水供給経路を備えた拡散炎燃焼器用の燃料ノズルアセンブリの概略図。
【図２】霧化エアキャップ及び液体燃料のノズルを示す、図１の右側端部概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、タービンエンジン拡散炎燃焼器用の燃料ノズルアセンブリ１が提示されている。燃料経路２が、燃料３を燃料ノズルアセンブリ１へ供給可能である。第１液体（水）経路４が、水などの第１液体を、燃料経路２とつながっている水噴射ドーナツ５へ供給可能である。水噴射ドーナツ５は、燃料経路２を取り囲む又は周回するように取り付け可能である。水噴射ドーナツ５は、燃料経路２を通っている燃料３中へ１以上の水流６を噴射することを容易にし得る。
【００１２】
追加して又は代替として、燃料ノズルアセンブリ１の下流で燃焼器の燃焼中火炎ゾーンへ水が噴射される。燃料及び燃焼ゾーンの両方への水の噴射は、排気物質、特にＮＯｘを抑制可能である。
【００１３】
ここで使用する水は、液体又は蒸気、液体と蒸気の組み合わせ、液滴を含む各種の相を表す。水はここでは、代替的に液体、蒸気又は水蒸気として参照され得る。
【００１４】
第２液体（水）経路８が、水などの第２流体１３を、燃料ノズルアセンブリ１へ供給することが可能である。第２水経路８（８Ａ，８Ｂ）は、単独で、あるいは、第１水経路４とのコンビネーションで、使用することができる。第１水経路４及び第２水経路８は、同一の又は異なる水源７から供給を受け得る。燃焼タービンが天然ガスで運転している場合、第１水経路４と第２水経路８とを経る二箇所で水を噴射するのが有効である。第１水経路４及び第２水経路８の両方が使用される場合、水の供給は、第１と第２の二箇所の噴射位置間でおおよそ等分される。異なる散布比も使用可能である。例えば、第２水経路８の水供給に対する第１水経路４の水供給の比は、５０：５０、６０：４０、７０：３０、８０：２０、９０：１０、１００：０、４０：６０、３０：７０、２０：８０、１０：９０、又は０：１００、さらにはその他のコンビネーションとすることができる。
【００１５】
第２水経路８Ａは、燃料ノズルアセンブリ１を通して燃焼器へ水を供給可能である。図２を参照すると、液体燃料ノズル１１が、例えば、燃料ノズルアセンブリで、第２液体経路８Ａから水を噴射するために使用可能である。液体燃料ノズル１１は、図１に示すように、燃料ノズルアセンブリの中心線１２と整列させることができる。中心線１２は、燃料ノズルアセンブリ１を通る流れの方向と平行とすることができる。液体燃料ノズル１１は、好適には、水を、中空円錐散布パターンで中心線１２の周りに等配分する。水散布の品質は、均一分配及び微小水滴又は水粒子を生成するようにした、液体燃料ノズル１１を通じる噴射によって向上する。当該パターンは、効果的なＮＯｘ低減及び向上した安定性に関わり、改善された気体燃料と第２の水との混合を実現可能とする。液体燃料ノズル１１の流量（flow rate）は、好ましくは、約±３％で調整される。
【００１６】
燃料ノズルアセンブリ１は、霧化エアキャップ９を含むことができる。霧化エアキャップ９は、第２噴射液体燃料ノズル１１を取り巻き、１以上の孔１０を有し得る。例えば、霧化エアキャップ９は、４つの孔１０をもつことができる。以前の気体燃料システムにおいて、水は孔１０を通じて供給されていたが、霧化エアキャップ９は、例えば、控えめな１つ又は複数の孔１０を経た噴射で生じる大きな液滴の形態に起因した、粗悪な水分配で劣っている。さらに、孔１０の向きがハードウェアの組み立て時に調整されないので、エンジンに対する燃焼器位置でばらつく。
【００１７】
本発明の形態によれば、水は、気体燃料運転中、霧化エアキャップ９の孔１０よりむしろ、第２噴射液体燃料ノズル１１を通して供給される。気体燃料で運転している燃焼器へ水を噴射するための、この代替的水噴射スキームは、満足のいく動的活動性を維持しつつＮＯｘ排出物の低減を押し進める。液体燃料ノズル１１を経る、より制御された方法で水を噴射する実施形態が、全３つの設計領域…排出物、動特性、ハードウェア寿命において有益であることを、テストが証明した。この設計を実行する前、エンジンは、満足のいく動特性を維持するのと同時に所望の排出物目標を達成することが難しかった。それ故、霧化エアキャップ９に代えて液体燃料ノズル１１を使用して火炎ゾーンへ第２の水を噴射することが有益であると見出された。霧化エアキャップは、高負荷液体燃料運転中に水を噴射するべく使用される。
【符号の説明】
【００１８】
１  燃料ノズルアセンブリ
２  燃料経路
４  第１液体（水）経路
５  噴射ドーナツ
７  水源
８Ａ  第２水経路
８Ｂ  第２燃料経路
９  霧化エアキャップ
１０  孔
１１  液体燃料ノズル
１２  中心線
１３  第２流体（第２の水）
【図１】
2013530371.tif 000003
【図２】
2013530371.tif 000004
【国際調査報告】
2013530371.tif 000005
2013530371.tif 000006
2013530371.tif 000007