(57)【要約】【課題】燃焼器及び該燃焼器を冷却する方法を提供する。【解決手段】本燃焼器（１０）は、多孔下流側プレート（３０）を有する端部キャップ（１４）と、下流側プレート（３０）の下流の燃焼チャンバ（１８）とを含む。プレナム（３６）が、下流側プレート（３０）と流体連通しており、かつ下流側プレート（３０）内の多孔（３４）を通して燃焼チャンバ（１８）に冷却媒体を供給する。本燃焼器を冷却する方法は、燃焼器（１０）端部キャップ（１４）内に冷却媒体を流すステップと、燃焼器（１０）端部キャップ（１４）内の下流側プレート（３０）上に冷却媒体を衝突させるステップとを含む。本方法はさらに、下流側プレート（３０）内の多孔（３４）を通して燃焼チャンバ（１８）内に冷却媒体を流すステップを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１０）であって、
上流側プレート（２８）、前記上流側プレート（２８）に隣接する下流側プレート（３０）、並びに前記上流側プレート（２８）と下流側プレート（３０）の間の通路（３２）を備えた端部キャップ（１４）と、
前記下流側プレート（３０）内の多孔（３４）と、
前記下流側プレート（３０）の下流の燃焼チャンバ（１８）と、
前記上流側プレート（２８）を貫通したプレナム（３６）であって、前記上流側プレート（２８）と下流側プレート（３０）の間の通路（３２）に冷却媒体を供給するプレナム（３６）と
を備える燃焼器（１０）。
【請求項２】
前記上流側プレート（２８）内に多孔（３４）をさらに含む、請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項３】
前記下流側プレート（３０）内の多孔（３４）が、前記上流側プレート（２８）内の多孔（３４）に対して傾斜している、請求項２記載の燃焼器（１０）。
【請求項４】
前記冷却媒体が不活性ガスを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃焼器（１０）。
【請求項５】
前記冷却媒体が蒸気を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃焼器（１０）。
【請求項６】
前記冷却媒体が第１の圧力を有し、前記端部キャップ（１４）が第２の圧力を有し、前記冷却媒体の第１の圧力が前記端部キャップ（１４）の第２の圧力よりも大きい、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃焼器（１０）。
【請求項７】
前記上流側プレート（２８）を貫通した複数のプレナム（３６）をさらに含み、前記複数のプレナム（３６）の各々が、前記上流側プレート（２８）と下流側プレート（３０）の間の通路（３２）に前記冷却媒体を供給する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の燃焼器（１０）。
【請求項８】
燃焼器（１０）を冷却する方法であって、
燃焼器（１０）端部キャップ（１４）内に冷却媒体を流すステップと、
前記燃焼器（１０）端部キャップ（１４）内の下流側プレート（３０）上に前記冷却媒体を衝突させるステップと、
前記下流側プレート（３０）内の多孔（３４）を通して燃焼チャンバ（１８）内に前記冷却媒体を流すステップと
を含む方法。
【請求項９】
前記燃焼器（１０）端部キャップ（１４）内の前記下流側プレート（３０）に隣接した上流側プレート（２８）上に前記冷却媒体を衝突させるステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記燃焼器（１０）端部キャップ（１４）内の前記下流側プレート（３０）上に不活性ガスを衝突させるステップをさらに含む、請求項８又は請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記燃焼器（１０）端部キャップ（１４）内の前記下流側プレート（３０）上に蒸気を衝突させるステップをさらに含む、請求項８乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記端部キャップ（１４）内の圧力よりも大きい第１の圧力で、該端部キャップ（１４）内に前記冷却媒体を流すステップをさらに含む、請求項８乃至請求項１１のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には燃焼器を冷却するための装置及び方法に関連する。本発明の特定の実施形態は、燃焼器キャップを通して冷却媒体を供給して、該燃焼器キャップの下流側表面に冷却を行ない、望ましくないエミッションを低減しかつ／或いは保炎又は逆火の発生を減少させることができる。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、産業用発電運転において広く使用されている。一般的なガスタービンは、前部における軸流圧縮機と、中間部の周りの１以上の燃焼器と、後部におけるタービンとを含む。外気が圧縮機に流入し、圧縮機の回転ブレード及び固定ベーンは、作動流体（空気）に徐々に運動エネルギーを与えて高エネルギー状態の加圧作動流体を生成する。加圧作動流体は、圧縮機から流出しかつノズルを通って燃焼器内に流れ、燃焼器において、加圧作動流体は燃料と混合されかつ点火されて、高い温度、圧力及び速度を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービン内で膨張して仕事を産生する。例えば、タービン内における燃焼ガスの膨張は、発電機に連結されたシャフトを回転させて、電気を生成する。
【０００３】
ガスタービンの熱力学的効率は運転温度つまり燃焼ガス温度が高くなるにつれて増大することが、広く知られている。しかしながら、燃焼に先立って燃料及び空気が均一に混合されていない場合には、ノズル出口付近において燃焼器内に局所的ホットスポットが形成される可能性がある。局所的ホットスポットは、ノズルに損傷を与えるおそれがある逆火及び保炎の発生の可能性を増大させる。逆火及び保炎は燃料において発生する可能性があるが、それらは、より高い燃焼速度及びより広い燃焼範囲を有する水素のような高反応性燃料の場合に一層容易に発生する。局所的ホットスポットはまた、燃料リッチ領域において窒素酸化物の発生を増大させる可能性があり、一方、燃料リーン領域は、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素の発生を増大させる可能性があり、これらの全てが、望ましくない排気エミッションである。
【０００４】
局所的ホットスポット及び望ましくないエミッションを最少にしながら、より高い運転温度を可能にする種々の技術が存在する。例えば、燃焼に先立ってより高い反応性燃料を作動流体とより均一に混合するような様々なノズルが、開発されてきた。しかしながら、より高い反応性燃料のより高い燃焼速度は、依然として逆火及び／又は保炎事象を引き起こし易い環境を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７５８１４０１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
その結果、燃焼器キャップに対して実施して、該燃焼器キャップを冷却し、望ましくないエミッションを低減しかつ／或いは保炎及び逆火の発生を減少させるようにする冷却における継続的な改良は、有用であると言える。
【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１つの実施形態は、端部キャップを含む燃焼器である。端部キャップは、上流側プレート、上流側プレートに隣接する下流側プレート、並びに上流側及び下流側プレート間の通路を含む。下流側プレートは、多孔を含む。燃焼チャンバが、下流側プレートの下流に配置される。上流側プレートを貫通したプレナムが、上流側及び下流側プレート間の通路に冷却媒体を供給する。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、端部キャップを有する燃焼器である。端部キャップは、多孔を有する下流側プレートを含む。燃焼チャンバが、下流側プレートの下流に配置される。プレナムが、下流側プレートと流体連通しており、かつ下流側プレート内の多孔を通して燃焼チャンバに冷却媒体を供給する。
【００１０】
本発明の実施形態はまた、燃焼器を冷却する方法を含む。本方法は、燃焼器端部キャップ内に冷却媒体を流すステップと、燃焼器端部キャップ内の下流側プレート上に冷却媒体を衝突させるステップとを含む。本方法はさらに、下流側プレート内の多孔を通して燃焼チャンバ内に冷却媒体を流すステップを含む。
【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１つの実施形態による燃焼器の断面斜視図。
【図２】図１に示す燃焼器キャップの一部分の拡大下流方向斜視図。
【図３】図１に示す燃焼器キャップの一部分の拡大上流方向斜視図。
【図４】冷却媒体の圧力が燃焼器キャップの上流の作動流体圧力よりも僅かに低い場合における該燃焼器キャップを通る冷却媒体の上流側イメージ。
【図５】冷却媒体の圧力が燃焼器キャップの上流の作動流体圧力にほぼ等しい場合における該燃焼器キャップを通る冷却媒体の上流側イメージ。
【図６】冷却媒体の圧力が燃焼器キャップの上流の作動流体圧力よりも僅かに高い場合における該燃焼器キャップを通る冷却媒体の上流側イメージ。
【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、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。
【００１６】
本発明の実施形態は、燃焼器キャップに冷却媒体を供給するプレナムを有する燃焼器を含む。冷却媒体は、燃焼器キャップから熱を移送することができる窒素又は別の不活性ガスのような或いは蒸気でさえあるような流体を含むことができる。冷却媒体は、インピンジメント（衝突）冷却により燃焼器キャップから熱を取去る。加えて、冷却媒体は、燃焼器キャップ内の多孔を通って流れて、該燃焼器キャップの燃焼チャンバ側上に薄い保護層を形成する。燃焼器キャップの燃焼チャンバ側上の薄い冷却媒体の層は、該燃焼器キャップの表面を過熱から保護し、燃焼器内のピーク温度を低下させ、保炎及び逆火の発生を減少させかつ／又は燃焼器からの望ましくないエミッションを低減させることができる。
【００１７】
図１は、本発明の１つの実施形態による燃焼器１０の断面斜視図を示している。図示するように、燃焼器１０は一般的に、端部キャップ１４内に半径方向に配列された１以上のノズル１２を含む。明瞭にするために、この図では、ノズル１２は、該ノズル１２のタイプ、構成又は内部構成要素に関する細部を全く備えていない円筒体として図示している。本発明が、特許請求の範囲において具体的に記載していない限り、いかなる特定のノズルタイプ、形状又は設計に限定されるものではないことは、当業者には容易に分かるであろう。ライナ１６が、端部キャップ１４の下流に燃焼チャンバ１８を形成する。燃焼器１０を囲むケーシング２０が、該燃焼器１０内に流れる空気又は加圧作動流体を内包する。空気又は加圧作動流体は、流れスリーブ２４内の孔２２を通って環状通路２６内に流れる。空気又は加圧作動流体は次に、環状通路２６を通り端部キャップ１４内に流れ、端部キャップ１４において、空気又は加圧作動流体は、その方向を反転して、ノズル１２を通りかつ燃焼チャンバ１８内に流れる。
【００１８】
図２及び図３は、図１に示す端部キャップ１４の一部分の拡大下流及び上流方向斜視図を示している。図示するように、端部キャップ１４は一般的に、上流側プレート２８、上流側プレート２８に隣接する下流側プレート３０、並びに上流側プレート２８と下流側プレート３０の間の通路３２を含む。上流側及び下流側プレート２８、３０は一般的に、端部キャップ１４の下流部分の幅にわたって延びて、該端部キャップ１４に流入する空気又は加圧作動流体を下流の燃焼チャンバ１８から分離する。上流側及び下流側プレート２８、３０は一般的に、約１６００°Ｆの温度に耐えることができる合金、超合金、被覆セラミックス又はその他の材料で製作される。しかしながら、燃焼チャンバ１８内の火炎温度は、多くの場合に、２８００〜３０００°Ｆを超える。従って、上流側及び下流側プレート２８、３０は一般的に、燃焼チャンバ１８内に存在する高温による該上流側及び下流側プレート２８、３０への損傷を防止することができる冷却供給源からの恩恵を受ける。
【００１９】
上流側及び下流側プレート２８、３０は、複数の穿孔（多孔）３４を含むことができる。例えば、図２及び図３に示すように、上流側及び下流側プレート２８、３０の両方は、複数の穿孔（多孔）３４を含むことができる。下流側プレート３０内の多孔３４は、上流側プレート２８内の多孔３４よりも小さくかつ該上流側プレート２８内の多孔３４に対して傾斜している。このように、通路２６を通りかつ端部キャップ１４内に流れる加圧作動流体は、上流側プレート２８内の多孔３４を通って流れて、下流側プレート３０上にインピンジメント冷却を与える（行なう）ことができる。加圧作動流体は次に、下流側プレート３０内の多孔３４を通って流れて、該下流側プレート３０の燃焼チャンバ１８側にフィルム冷却を与える（行なう）ことができる。
【００２０】
１以上のプレナム３６が、上流側プレート２８、下流側プレート３０及び／又は通路３２と流体連通している。例えば、図１〜図３に示すように、各プレナム３６は、ノズル１２に燃料を供給する導管３８にほぼ平行に端部キャップ１４の少なくとも一部分を貫通することができる。このように、プレナム３６は、端部キャップ１４内のノズル１２間で半径方向に配列される。各プレナム３６はさらに、上流側プレート２８を貫通して、該プレナム３６を通って上流側プレート２８、下流側プレート３０へのまた通路３２内への流体通路を構成する。各プレナム３６は、上流側プレート２８と下流側プレート３０の間の通路３２に冷却媒体を供給する。冷却媒体は、熱を取去ることができる窒素、別の不活性ガス又は蒸気のような流体を含むことができる。各プレナム３６は、同一の冷却媒体を供給することができ、或いは運転ニーズ及び冷却媒体の可用性に応じて、異なるプレナム３６を通して異なる冷却媒体を供給することができる。
【００２１】
冷却媒体は一般的に、各プレナム３６を通って通路３２内に流れかつ上流側及び下流側プレート２８、３０にインピンジメント冷却を与えることによって端部キャップ１４の下流部分を冷却する。冷却媒体は次に、上流側及び／又は下流側プレート２８、３０内の多孔３４を通して通路３２から流出することができる。下流側プレート３０内の多孔３４を通って流れる冷却媒体は、該下流側プレート３０の燃焼チャンバ１８側上に薄い不活性ガス又は蒸気の層を形成することができる。この薄い不活性ガス又は蒸気の層は、燃焼チャンバ１８内で発生する高温燃焼と端部キャップ１４の下流部分との間に保護バリアを構成し、従って端部キャップ１４の表面温度を低下させる。加えて、冷却媒体によって構成された保護バリアは、ノズル１２から流出する燃料及び空気が燃焼に先立って混合するより多くの時間を可能にして、燃料−空気混合気のより均一かつ完全な燃焼を生じさせることができる。冷却媒体によって構成された保護バリアはまた、燃焼火炎が該保護バリアを通り抜けるのを防止して、ノズル１２内部における保炎又は逆火の発生を減少させる。最後に、不活性ガス又は蒸気は、最終的にはノズル１２から流出した燃料−空気混合気と混合して、燃焼ガスのピーク温度を低下させる。燃焼ガスのピーク温度を低下させることにより、同じ平均燃焼温度において望ましくないエミッションの低減が得られる。
【００２２】
図４、図５及び図６は、冷却媒体の様々な流量及び／又は圧力における数学モデルによる、端部キャップを通る冷却媒体の上流側イメージを示している。例えば、図４では、冷却媒体の圧力は、端部キャップ１４内部の加圧作動流体の圧力よりも低い。例えば、この状況は、端部キャップ１４に対して冷却を行なうために冷却媒体を使用できないか或いは冷却媒体が必要でないかのいずれかである場合に、存在する。端部キャップ１４内部の加圧作動流体のより高い圧力は、冷却媒体がプレナム３６を通って通路３２内に流れるのを効果的に防止する。その結果、冷却媒体は、下流側プレート３０の燃焼チャンバ１８側に存在せず、かつ加圧作動流体が、端部キャップ１４に冷却を与える。具体的には、加圧作動流体は、上流側プレート２８内の多孔３４を通って流れて下流側プレート３０上にインピンジメント冷却を与える。加圧作動流体は次に、下流側プレート３０内の多孔３４を通って流れて該下流側プレート３０の燃焼チャンバ１８側にフィルム冷却を与えることができる。
【００２３】
図５では、冷却媒体の圧力は、端部キャップ１４内部の加圧作動流体の圧力にほぼ等しい。例えば、この状況は、端部キャップ１４に対して冷却を行なうために冷却媒体による幾らかの付加的冷却が望ましい場合に存在する。冷却媒体と端部キャップ１４内部の加圧作動流体との間のほぼ等しい圧力により、冷却媒体が各プレナム３６から通路３２内に流れるようになる。従って、冷却媒体は、上流側プレート２８内の多孔３４を通って下流側プレート３０の上流側に流れる加圧作動流体によって行なわれるインピンジメント冷却に加えて、幾らかのインピンジメント冷却を与える。さらに、冷却媒体は、加圧作動流体と共に下流側プレート３０の多孔３４を通って燃焼チャンバ１８内に流れる。その結果、冷却媒体は、下流側プレート３０の燃焼チャンバ１８側の部分にわたって存在する。一般的に、図５に示すように、冷却媒体は、プレナム３６の近傍に薄いフィルム層（斜線領域によって示す）を形成することができ、また加圧作動流体は、プレナム３６からさらに離れかつ端部キャップ１４の半径中心部に向かう薄いフィルム層（斜線のない領域によって示す）を形成することができる。
【００２４】
図６では、冷却媒体の圧力は、端部キャップ１４内部の加圧作動流体の圧力よりも高い。この状況は、端部キャップ１４に対して冷却を行なうために冷却媒体による最大の付加的冷却が望ましい場合に存在する。冷却媒体のより高い圧力は、加圧作動流体が上流側プレーと２８内の多孔３４を通って通路３２内に流れるのを効果的に防止する。その結果、冷却媒体は、各プレナム３６を通って通路３２内に流れて下流側プレート３０上にインピンジメント冷却を与える。冷却媒体は次に、上流側及び下流側プレート２８、３０の多孔３４を通って流れる。下流側プレート３０を通る冷却媒体流は、下流側プレート３０の燃焼チャンバ１８側にフィルム冷却を与える。その結果、冷却媒体は、図５に示す場合とは異なり、下流側プレート３０の燃焼チャンバ１８側のより大きな部分にわたって存在する。一般的に、図６に示すように、冷却媒体は、端部キャップ１４の半径中心部を除いて下流側プレート３０の燃焼チャンバ１８側全体にわたって薄いフィルム層（斜線領域によって示す）を形成することができる。
【００２５】
本発明の実施形態はまた、燃焼器１０の端部キャップ１４を冷却する方法を提供することができる。例えば、燃焼器１０の端部キャップ１４は、該端部キャップ１４内に冷却媒体を流すステップと下流側プレート３０上に冷却媒体を衝突させるステップとによって冷却することができる。本方法はさらに、下流側プレート３０内の多孔３４を通して燃焼チャンバ１８内に冷却媒体を流すステップを含むことができる。特定の実施形態では、本方法はさらに、上流側プレート２８上に冷却媒体を衝突させるステップ及び／又は通路３２を通して冷却媒体を流すステップを含むことができる。
【００２６】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００２７】
１０  燃焼器
１２  ノズル
１４  端部キャップ
１６  ライナ
１８  燃焼チャンバ
２０  ケーシング
２２  孔
２４  流れスリーブ
２６  環状通路
２８  上流側プレート
３０  下流側プレート
３２  通路
３４  多孔
３６  プレナム
３８  導管
【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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