(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料予混合器を有する燃焼器アセンブリであって、
内部の空気流と燃料とを混合するためのダクトと、
燃料源から燃料を受け入れるように前記ダクト内で同軸上に位置合わせされ、前記燃料を前記ダクト内の少なくとも１つの軸方向位置に分配するように構成された中心本体部と、
前記空気流および前記燃料源と連通して燃料の第１の噴射を行い、前記空気流に流動調整効果をもたらす前記ダクト内の平面状翼部と、
を備え、
前記平面状翼部は、複数の比較的平面状の翼を備え、前記平面状の翼のそれぞれは、後縁から軸方向に離れた前縁を含み、前記平面状の翼のそれぞれの前記前縁及び後縁は、軸方向に位置合わせされ、前記複数の平面状の翼は、円周上に相隔てて並び、前記平面状の翼のそれぞれは、前記ダクトの縦方向に沿って配設されて前記空気流を直線化する平面状部分を備え、円周上に隣接する２つの前記平面状の翼がそれぞれ、当該２つの平面状の翼の間に流路を形成し、
前記燃焼器アセンブリは、前記ダクト内で前記平面状翼部の下流に配設されたスワラ翼部をさらに備え、
前記スワラ翼部は、円周上に離間する複数のスワラ翼を備え、前記複数のスワラ翼のそれぞれは、前記複数の平面状翼部の、前記円周上に隣接する２つの平面状の翼の対応する後縁から下流に位置する前縁を備え、前記各スワラ翼の前記前縁は、前記複数の平面状翼部の、前記円周上に隣接する２つの平面状の翼からオフセットしており、これにより前記平面状翼部と前記スワラ翼部との間で食い違い配置を形成し、
前記スワラ翼のそれぞれは、前記縦方向に位置合わせされた比較的平面状の部分と、該比較的平面状の部分から該縦方向に対し１つの角度のみをなして下流に向けて延びる下流部分とを備え、
該スワラ翼部が、燃料の第２の噴射を行い、前記燃料と前記空気流との混合を行うように構成された
燃焼器アセンブリ。
【請求項２】
前記複数の比較的平面状の翼のそれぞれは、前記中心本体部に動作可能に接続され、前記中心本体部から半径方向外向きに延在し、前記燃料は、前記複数の比較的平面状の翼を通して分配され、複数の半径方向位置のところで前記ダクトの流れ経路へ吐出されて前記空気流と混合する請求項１記載の燃焼器アセンブリ。
【請求項３】
前記複数のスワラ翼を通して分配される前記燃料が、複数の半径方向位置のところで前記ダクトの流れ経路へ吐出されて前記空気流と混合する請求項１又は２記載の燃焼器アセンブリ。
【請求項４】
前記空気流は、圧縮機から受け入れられ、前記燃料源は、燃料マニホールドである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃焼器アセンブリ。
【請求項５】
前記燃料は、前記平面状翼部と前記スワラ翼部とを通して前記ダクトの流れ経路に分配され、前記燃料の第１の割合部分は、前記平面状翼部を通して分配され、前記燃料の残りの割合部分は、前記スワラ翼部を通して分配される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃焼器アセンブリ。
【請求項６】
燃料予混合器を有する燃焼器であって、
前記燃焼器の上流に配設されている圧縮機から空気流を受け入れるための第１の端部を有するダクトであって、前記空気流は、前記ダクトの縦方向に沿って前記ダクトを通して移送される、ダクトと、
前記ダクト内に、前記ダクトの縦方向に沿って配設され、前記ダクトの前記第１の端部の近くにある少なくとも１つの燃料マニホールドから燃料を受け入れるように構成された中心本体部と、
円周上に相隔てて並び、前記ダクト内の第１の軸方向位置のところに配設された複数の比較的平面状の翼を備える平面状翼部であって、前記平面状翼部は、前記空気流および燃料源と連通する、平面状翼部と、
を備え、
前記複数の平面状の翼のそれぞれは、後縁から軸方向に離れ、前記ダクトの縦方向に沿って配設さた前縁を含んで前記空気流を直線化し、円周上に隣接する２つの前記平面状の翼がそれぞれ、当該２つの平面状の翼の間に流路を形成し、
前記燃焼器は、円周上に相隔てて並び、前記ダクト内の第２の軸方向位置のところに配設された複数のスワラ翼を備えるスワラ翼部をさらに備え、
前記スワラ翼部は、円周上に離間する複数のスワラ翼を備え、前記複数のスワラ翼のそれぞれは、前記複数の平面状翼部の、前記円周上に隣接する２つの平面状の翼の対応する後縁から下流に位置する前縁を備え、前記各スワラ翼の前記前縁は、前記複数の平面状翼部の、前記円周上に隣接する２つの平面状の翼からオフセットしており、これにより前記平面状翼部と前記スワラ翼部との間で食い違い配置を形成し、前記第２の軸方向位置は、前記第１の軸方向位置の下流にあり、前記スワラ翼のそれぞれは、前記縦方向に位置合わせされた比較的平面状の部分と、該比較的平面状の部分から該縦方向に対し１つの角度のみをなして下流に向けて延びる下流部分とを備える、
燃焼器。
【請求項７】
前記複数の比較的平面状の翼のそれぞれは、前記中心本体部に動作可能に接続され、前記中心本体部から半径方向外向きに延在し、前記燃料は、前記複数の比較的平面状の翼を通して分配され、複数の半径方向位置のところで前記ダクトの流れ経路へ吐出されて前記空気流と混合する請求項６記載の燃焼器。
【請求項８】
前記複数のスワラ翼のそれぞれは、前記中心本体部に動作可能に接続され、前記中心本体部から半径方向外向きに延在し、前記燃料は、前記複数の比較的平面状の翼を通して分配され、複数の半径方向位置のところで前記ダクトの流れ経路へ吐出されて前記空気流と混合する請求項６又は７に記載の燃焼器。
【請求項９】
ガスタービンシステムであって、
空気流を供給するための圧縮機と、
燃料予混合器であって、
前記空気流を受け入れるためのダクトであって、前記空気流は第１の方向に前記ダクトを通して移送され、燃料と混合される、ダクトと、
円周上に相隔てて並び、中心本体部と前記ダクトの内壁との間で半径方向に延在する複数の比較的平面状の翼を備える第１の翼部と
を備える燃料予混合器と
を具備し、
前記複数の比較的平面状の翼のそれぞれは、後縁から軸方向に離れ、前記ダクトの縦方向に沿って位置合わせされて、前記空気流を直線化し、円周上に隣接する２つの前記平面状の翼がそれぞれ、当該２つの平面状の翼の間に流路を形成し、
前記燃料予混合器は、円周上に相隔てて並び、前記中心本体部と前記ダクトの前記内壁との間で半径方向に延在する複数のスワラ翼をさらに備え、
前記スワラ翼部は、円周上に離間する複数のスワラ翼を備え、前記複数のスワラ翼のそれぞれは、前記複数の平面状翼部の、前記円周上に隣接する２つの平面状の翼の対応する後縁から下流に位置する前縁を備え、前記各スワラ翼の前記前縁は、前記複数の平面状翼部の、前記円周上に隣接する２つの平面状の翼からオフセットしており、これにより前記平面状翼部と前記スワラ翼部との間で食い違い配置を形成し、
前記複数のスワラ翼のそれぞれは、前記縦方向に位置合わせされた比較的平面状の部分と、該比較的平面状の部分から該縦方向に対し１つ角度のみをなして下流に向けて延びる下流部分とを備え、
前記燃料は、前記第１の翼部と前記スワラ翼部とを通して前記ダクトの流れ経路に分配され、前記燃料の第１の割合部分は、前記第１の翼部を通して分配され、前記燃料の残りの割合部分は、前記スワラ翼部を通して分配される
ガスタービンシステム。
【請求項１０】
前記複数のスワラ翼の前記スワラ翼前縁部は、前記複数の比較的平面状の翼のインライン平面からオフセットされる、請求項９に記載のガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示されている発明対象は、ガスタービンシステム用の燃焼器アセンブリに関するものであり、より具体的には、そのような燃焼器アセンブリ用の燃料予混合器（ｆｕｅｌ  ｐｒｅ−ｍｉｘｅｒｓ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムの燃焼プロセスから出る排出ガスは、関心事になっており、法的な規制を受ける。ある種のガスタービンエンジンは、低排出ガス運転、特に、低ＮＯｘ（窒素酸化物）運転を行い、燃焼ダイナミックスを低減し、自動点火および保炎マージンを十分にとるように設計されている。低ＮＯｘ燃焼器は、多くの場合、少なくとも１つの燃料予混合器を備え、圧縮空気と燃料とをこの少なくとも１つの燃料予混合器を通るときに混合する。圧縮空気と燃料とを効率的に混合することは、一部は、燃焼室に移送される前に空気と燃料との均質な混合を促すように流れを調整することを含む。このような効率的な混合は、ガスタービンシステムの全体的効率を損なうことなく達成されなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７８３６６９８号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明の一態様によれば、燃焼器アセンブリは内部の空気流と燃料とを混合するためのダクトを備える燃料予混合器を有する。また、燃料源から燃料を受け入れるようにダクト内で同軸上に位置合わせされ、燃料をダクト内の少なくとも１つの軸方向位置に分配するように構成された中心本体部も備える。さらに、空気流および燃料と連通して燃料の第１の噴射を行い、空気流に流動調整効果をもたらす平面状翼部を備える。さらに、平面状翼部の下流に配設されているスワラ翼部も備え、スワラ翼部は燃料の第２の噴射を行い、燃料と空気流との混合を行うように構成される。
【０００５】
本発明の別の態様によれば、燃焼器アセンブリは燃焼器アセンブリの上流に配設されている圧縮機から空気流を受け入れるための第１の端部を有するダクトを備える燃料予混合器を有し、空気流は、ダクトの縦方向に沿ってダクトを通して移送される。また、ダクト内に、ダクトの縦方向に沿って配設され、ダクトの第１の端部の近くにある少なくとも１つの燃料マニホールドから燃料を受け入れるように構成された中心本体部も備える。さらに、円周上に相隔てて並び、ダクトの縦方向にダクト内の第１の軸方向位置のところに配設された複数の比較的平面状の翼を備える平面状翼部を備え、平面状翼部は、空気流および燃料と連通する。さらに、円周上に相隔てて並び、ダクト内の第２の軸方向位置のところに配設された複数のスワラ翼を備えるスワラ翼部を備え、第２の軸方向位置は、第１の軸方向位置の下流にある。
【０００６】
本発明のさらに別の態様によれば、ガスタービンシステムは、空気流を供給するための圧縮機を備える。また、燃料予混合器も備える。燃料予混合器は、空気流を受け入れるためのダクトを備え、空気流は、第１の方向にダクトを通して移送される。燃料予混合器は、円周上に相隔てて並び、中心本体部とダクトの内壁との間で半径方向に延在する複数の比較的平面状の翼を備える第１の翼部も具備し、複数の比較的平面状の翼のそれぞれは、第１の方向に位置合わせされる。燃料予混合器は、円周上に相隔てて並び、中心本体部とダクトの内壁との間で半径方向に延在する複数のスワラ翼を備える第２の翼部もさらに具備し、複数のスワラ翼のそれぞれの少なくとも一部は、第１の方向に対してある角度で配設される。
【０００７】
これらおよび他の利点ならびに特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明を読むと明らかになるであろう。
【０００８】
発明とみなされる本発明対象は、明細書の終わりの請求項において特に指摘され、明確に区別できる形で請求される。本発明の前記および他の特徴および他の利点は、付属の図面と併せて以下の詳細な説明を読むとより明確になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃焼器アセンブリを有するガスタービンシステムの略図である。
【図２】燃焼器アセンブリの燃料予混合器の略側面、正面図である。
【図３】第１の実施形態の第１の翼部および第２の翼部の配置構成を示す略図である。
【図４】第２の実施形態の第１の翼部および第２の翼部の配置構成を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
「発明を実施するための形態」において、例として図面を参照しつつ本発明の実施形態について利点および特徴と併せて説明する。
【００１１】
図１を参照すると、ガスタービンシステムの概略が、参照番号１０を付けて例示されている。ガスタービンシステム１０は、圧縮機１２、燃焼器アセンブリ１４、タービン１６、およびシャフト１８を備える。ガスタービンシステム１０の一実施形態は、複数の圧縮機１２、燃焼器アセンブリ１４、タービン１６、および／またはシャフト１８を備えることができることは理解されるであろう。圧縮機１２およびタービン１６は、シャフト１８によって結合される。シャフト１８は、単一のシャフトであるか、または一緒に結合されたシャフト１８を形成する複数のシャフトセグメントであるものとしてよい。
【００１２】
燃焼器アセンブリ１４は、天然ガスもしくは水素を豊富に含む合成ガスなどの可燃性液体および／または気体燃料を使用してガスタービンシステム１０を運転する。燃焼器アセンブリ１４は、空気流２４および燃料源２６と流体的に連通する燃料予混合器２２と流体的に連通する燃焼室２０を備える。燃料予混合器２２は、空気／燃料混合気を生成し、この空気／燃料混合気を燃焼室２０内に放出し、それにより、燃焼を引き起こし高温加圧排出ガスを発生する。燃焼室２０は、高温加圧ガスをトランジションピースに通してタービン１６内に導き、タービン１６を回転させる。タービン１６が回転すると、シャフト１８が回転し、これにより、空気が圧縮機１２内に流れ込むときに空気が圧縮される。
【００１３】
次に図２を参照すると、燃料予混合器２２は、圧縮機１２から圧縮空気であってもよい空気流２４を、さらには燃料マニホールドなどの燃料源２６から燃料を受け入れる。燃料予混合器２２は、内部領域３２を画成する内壁３０を有するダクト２８を備える。ダクト２８は、空気流２４を受け入れるように構成された第１の端部３４と、空気／燃料混合気を燃焼室２０に移送して中で燃焼させるための第２の端部３６とを備える。ダクト２８は、典型的には、チューブ状の幾何学的形状を有するが、ダクト２８は、さまざまな幾何学的断面構成を有することができることは理解されるであろう。
【００１４】
燃料予混合器２２は、ダクト２８内の同軸上に配設された中心本体部３８も備える。中心本体部３８は、燃料源２６と流体的に連通し、ダクト２８の第１の端部３４の近くで燃料を受け入れる。中心本体部３８は、ダクト２８を通して延在し、より具体的には、第１の翼部４０と第２の翼部４２とに接続され、第１の翼部４０と第２の翼部４２とを通り、ダクト２８の第１の端部３４の近くからダクト２８の第２の端部３６に延在する。中心本体部３８は、ダクト２８の内壁３０の半径方向内向きに配設され、間に流れ経路４４を画成する。
【００１５】
第１の翼部４０は、中心本体部３８に動作可能に接続され、中心本体部３８から半径方向に遠ざかる形で延在する複数の比較的平面状の翼４６を備える。比較的平面状の翼の数は、用途に基づき変わりうることは理解されるであろう。複数の比較的平面状の翼４６は、ダクト２８内の第１の軸方向位置４８のところに配設され、ダクト２８の内壁３０の方へ延在し、ダクト２８の内壁３０に接続しうる。複数の比較的平面状の翼４６のそれぞれは、第１の軸方向位置４８のところで円周上に相隔てて並び、中心本体部３８から燃料を受け入れるように構成される。複数の比較的平面状の翼４６のそれぞれは、第１の軸方向位置４８のところで流れ経路４４のさまざまな円周上および半径方向の位置に燃料を選択的に分配するための複数の開口（図示せず）を備える。複数の比較的平面状の翼４６は、中を通る空気流２４がダクト２８の縦方向に配設されている複数の比較的平面状の翼４６の平面状部分に基づき低い抵抗を受けるように（つまり、空気流２４の主方向に対して０°の角度で）位置合わせされる。複数の比較的平面状の翼４６の位置合わせを行うとその結果、流動調整効果、つまり、空気流２４が第１の翼部４０を通過するときにクリーンで均一な流れプロファイルをもたらす流れの直線化が生じる。燃料は、複数の比較的平面状の翼４６上に配置されている複数の開口を通って吐出されるときに、第１の翼部４０内で空気流２４と混合される。
【００１６】
第２の翼部４２は、中心本体部３８に動作可能に接続され、中心本体部３８から半径方向に遠ざかる形で延在する複数のスワラ翼５０を備える。スワラ翼の数は、用途に応じて変わりうることは理解されるであろう。複数のスワラ翼５０は、ダクト２８内の第２の軸方向位置５２のところに配設され、ダクト２８の内壁３０の方へ延在し、ダクト２８の内壁３０に接続しうる。第２の軸方向位置５２は、第１の軸方向位置４８の下流にあり、第１の軸方向位置４８と第２の軸方向位置５２との間の実際の軸方向間隔は、用途に基づき変わりうることは理解されるであろう。複数のスワラ翼５０のそれぞれは、第２の軸方向位置５２のところで円周上に相隔てて並び、中心本体部３８から燃料を受け入れるように構成される。複数の比較的平面状の翼４６と同様に、複数のスワラ翼５０のそれぞれは、第２の軸方向位置５２のところで流れ経路４４のさまざまな円周上および半径方向の位置に燃料を選択的に分配するための複数の開口を備える。複数のスワラ翼５０は、空気流２４、または燃料が第２の翼部４２の上流に導入される場合には空気／燃料混合気のスワール流が得られ、空気流２４と流れ経路４４に導入された燃料との混合をさらに高めるように位置合わせされる。複数のスワラ翼５０の位置合わせは、結果として、流れに影響を及ぼす、つまり、上で説明されているように、混合を促進する流れのスワール流を生じる。これは、複数のスワラ翼５０の全体的部分を流れの方向に対して何通りもの角度で向き付けることによって達成されうる。代替的に、または複数のスワラ翼５０の全体的部分をある１つの角度で配設することと組み合わせて、複数のスワラ翼５０の一部のみを流れの方向に対してある１つの角度で配設することができる。このような構成では、複数のスワラ翼５０は、ダクト２８の縦方向に（つまり、流れの方向に対して０°の角度で）位置合わせされた比較的平面状の部分５４と、例えば、図３および４に例示されている角度で配設された下流部分５６とを備えることができる。第２の翼部４２内において、燃料は空気流２４、または燃料が第２の翼部４２の上流にすでに導入されている場合には燃料／空気混合気と混合される。第１の翼部４０と同様に、燃料は、複数のスワラ翼５０上に配置された複数の開口を通して吐出される。
【００１７】
第１の翼部４０および／または第２の翼部４２を通して空気流２４と混合するための燃料と流れ経路４４との分配比を制御することができる。このようにして、第１の翼部４０および第２の翼部４２を通して流れ経路４４に導入される燃料の各割合を変化させて、空気流２４との混合を効率的に行うことができる。例えば、燃料の５０％を第１の翼部４０および第２の翼部４２のそれぞれに通して流れ経路４４に分配することができる。この比は、第１の翼部４０と第２の翼部４２の両方に対して０％〜１００％の範囲内で変化しうることは理解されるであろう。燃料分配比は、固定されるか、または能動的に制御することができる。能動的制御の場合、１つまたは複数のコントローラを使用して、燃料予混合器２２の動作中に分配比を能動的に変化させることができる。さらに、追加の翼部が、燃料を分配し、および／または流れ特性に影響を及ぼすために使用されうることが企図される。
【００１８】
次に図３を参照すると、燃料予混合器２２の第１の実施形態が例示されている。例示的な実施形態では、複数のスワラ翼５０に関する複数の比較的平面状の翼４６の位置合わせは、「インライン」位置合わせとして説明される。複数の比較的相平面状の翼４６のそれぞれは、ダクト２８の縦方向に延在する「インライン」平面５８を備える。複数のスワラ翼５０のそれぞれは、複数のスワラ翼５０の上流位置のところに配設された前縁部６０を備える。例示されている実施形態では、複数のスワラ翼５０のそれぞれの前縁部６０は、複数の比較的平面状の翼４６のインライン平面５８と位置合わせされる。
【００１９】
次に図４を参照すると、燃料予混合器２２の第２の実施形態が例示されている。例示的な実施形態では、複数のスワラ翼５０に関する複数の比較的平面状の翼４６の位置合わせは、食い違い配置による位置合わせとして説明される。例示されている実施形態では、複数のスワラ翼５０のそれぞれの前縁部６０は、複数の比較的平面状の翼４６のインライン平面５８に対してオフセットして位置合わせされる。食い違い配置による位置合わせでは、燃料分配パターンが向上する。
【００２０】
したがって、翼の複数の部分上に燃料噴射を拡散することで、本質的に、燃料分布を複数の段階に分け、燃料と空気流２４との混合を助ける。このような配置構成では、燃料／空気混合気のスワール流の上流にある燃料噴射位置との「よりクリーンな」流動場の相互作用に基づき、保炎およびＮＯｘ排出の性能が改善される。
【００２１】
本発明は、限られた数の実施形態に関してのみ詳細に説明されているが、本発明は、そのような開示されている実施形態に制限されないことは容易に理解されるであろう。むしろ、本発明は、これまでに説明されていないが、本発明の精神と範囲に適合している、多くの変更、改変、置換、または同等の配列を組み込むように修正することができる。それに加えて、本発明のさまざまな実施形態について説明されているが、本発明の態様は、説明されている実施形態の一部のみを含みうることは理解されるであろう。したがって、本発明は、前記の説明によって制限されるものとみなされるべきではなく、付属の請求項の範囲によってのみ制限される。
【符号の説明】
【００２２】
１０  ガスタービンシステム
１２  圧縮機
１４  燃焼器アセンブリ
１６  タービン
１８  シャフト
２０  燃焼室
２２  燃料予混合器
２４  空気流
２６  燃料源
２８  ダクト
３０  内壁
３２  内部領域
３４  第１の端部
３６  第２の端部
３８  中心本体部
４０  第１の翼部
４２  第２の翼部
４４  流れ経路
４６  比較的平面状の翼
４８  第１の軸方向位置
５０  スワラ翼
５２  第２の軸方向位置
５４  比較的平面状の部分
５６  下流部分
５８  インライン平面
６０  前縁部
【図１】
0006397165.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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