(57)【要約】【課題】燃料／空気噴射混合ゾーンに二次流を導入して燃料ペグの後縁に沿った伴流領域をなくすことによって流れ剥離を防止し、且つ局所的な空気／燃料混合を向上させること。【解決手段】火炎抑制装置９０は、ベース部１１６、及びベース部から離れる方向へ延びる直立支持体１０７と、それぞれが比較的尖った端部９６及び比較的尖っていない端部１００を有する、直立支持体上の少なくとも１つの三角翼状フラップ９２とを含む。【選択図】  図４
2012141124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炎抑制装置（９０）であって、
ベース部（１１６）、及び前記ベース部から離れる方向へ延びる直立支持体（１０７）と、
比較的尖った端部（９６）及び比較的尖っていない端部（１００）を有する、前記直立支持体上の少なくとも１つの三角翼状フラップ（９２）とを備えてなる火炎抑制装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの三角翼状フラップは、前記三角翼状フラップの間の水平方向中心線ＣＬに対して反対側に鋭角に延びるように配置された実質的に垂直方向に揃えられた一対の三角翼状フラップ（９２、９４）を備える、請求項１記載の火炎抑制装置。
【請求項３】
前記実質的に垂直方向に揃えられた一対の三角翼状フラップ（９２、９４）は、前記ベース部（１１６）よりも上で前記直立支持体（１０７）の上縁よりも下に配置される、請求項２記載の火炎抑制装置。
【請求項４】
前記実質的に垂直方向に揃えられた一対の三角翼状フラップ（９２、９４）は、前記比較的尖った端部（９６、９８）から前記比較的尖っていない端部への方向に分岐する、請求項２記載の火炎抑制装置。
【請求項５】
前記直立支持体（１０７）は、前縁（１０８）及び後縁（１１０）を有し、前記比較的尖った端部（９６、９８）が前記前縁と前記後縁の実質的に中間に配置される、請求項２記載の火炎抑制装置。
【請求項６】
前記比較的尖った端部（９６、９８）は、前記直立支持体（１０７）に形成された孔（１０６）から延びている、請求項５記載の火炎抑制装置。
【請求項７】
前記三角翼状フラップ（９２、９４）は、前記孔（１０６）を通過して前記三角翼状フラップ同士の間を前記直立支持体（１０７）に実質的に垂直に通過する水平方向中心線ＣＬに対して反対側に３０度の鋭角に延びている、請求項６記載の火炎抑制装置。
【請求項８】
前記ベース部（１１６）、前記直立支持体（１０７）、及び実質的に垂直方向に揃えられた一対の三角翼状フラップ（９２、９４）は、単一の金属ストック（１０４）で形成される、請求項２記載の火炎抑制装置。
【請求項９】
各燃焼器が、
複数のノズル（８４、８５）を支持する先端、及び使用時に高温の燃焼気体を第１の方向に第１のタービン段まで運ぶ移行部材（２６）に連結されるようになっている後端を有する燃焼器ライナ（６２）と、
使用時に、前記環状の流路に沿って第２の逆方向に流れ、前記先端の所で前記第１の方向に反転して前記燃焼器ライナ（６２）に流入する圧縮器空気用の環状の流路（７４）を画成する前記燃焼器ライナを囲むスリーブ（４６）と、
前記環状の流路内の、半径方向における前記燃焼器ライナと前記流れスリーブとの間に、前記先端の上流側に隣接して配置された複数の燃料噴射ペグ（８６）と、
前記燃料噴射ペグの上流側に近接して配置された複数の火炎抑制装置（９０）とを備えてなる１つ以上の燃焼器（１４）を組み込んだタービン燃料システム。
【請求項１０】
前記複数の火炎抑制装置（９０）は、前記環状の流路（７４）の周りに周方向に間隔を置いた関係に、前記複数の燃料噴射ペグ（８６）と実質的に軸方向に揃うように配置される、請求項９記載のタービン燃料システム。
【請求項１１】
各火炎抑制装置（９０）が、
ベース部（１１６）、及び前記ベース部から離れる方向へ延びる直立支持体（１０７）と、
各々が、比較的尖った端部（９６、９８）及び比較的尖っていない端部（１００、１０２）を有し、三角翼状フラップ（９２、９４）が互いに対して反対側に鋭角に延びるように配置された、前記直立支持体上に実質的に垂直方向に揃えられた一対の三角翼状フラップ（９２、９４）とを備えてなる、請求項９記載のタービン燃料システム。
【請求項１２】
前記実質的に垂直方向に揃えられた一対の三角翼状フラップ（９２、９４）は、前記ベース部（１１６）よりも上で前記直立支持体の上縁（１１８）よりも下に配置される、請求項９記載のタービン燃料システム。
【請求項１３】
前記実質的に垂直方向に揃えられた一対の三角翼状フラップ（９２、９４）は、前記比較的尖った端部（９６、９８）から前記比較的尖っていない端部（１００、１０２）への下流方向に分岐し、前記比較的尖っていない端部がそれぞれ、前記複数の燃料噴射ペグの半径方向内側及び外側の燃料オリフィス（８８）に近接して配置される、請求項９記載のタービン燃料システム。
【請求項１４】
燃焼器に燃焼空気を供給する空気通路（７４）内に半径方向に向けられた複数の燃料ペグ（８６）を含む燃焼器（１４）内の保炎マージン及び燃料／空気予混合を向上させる方法であって、前記半径方向に向けられた複数の燃料ペグ（８６）が、前記燃焼器の端部カバー内に支持された燃料ノズル（８４、８５）の上流側に配置される方法において、
（ａ）前記半径方向に向けられた複数の燃料ペグ（８６）の各々の上流側に隣接するように火炎抑制装置（９０）を設け、
（ｂ）前記半径方向に向けられた複数の燃料ペグ（８６）の各々の燃料供給穴８８から放出された前記燃料を確実に予混合し、且つ燃料が前記半径方向に向けられた複数の燃料ペグ８６の各々の外面に付着するのを防止するのに十分な渦が前記燃焼空気中に生じるように、前記半径方向に向けられた複数の燃料ペグ（８６）の各々の燃料供給穴（８８）に対して前記火炎抑制装置（９０）を揃えることを含んでなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器に関し、特に、燃焼器燃料ノズルの上流側に配置された希薄ノズル前噴射器ディフューザと一緒に使用される保炎抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の地上ガスタービン多重燃焼器構成では、各々がタービンの第１段に燃焼ガスを供給する個々の燃焼器がガスタービンケーシングの周りに環状配列として配置される。各燃焼器には圧縮器からの空気が供給され、圧縮器空気が反転して、一方で軸方向に揃えられた半径方向内側の移行部材及び燃焼室ライナと他方で軸方向に揃えられた半径方向外側の流れスリーブとの間に配置された環状の空気通路に流入する。圧縮器空気は一般に、流れスリーブに設けられた衝突冷却穴を通過して通路に流入し、したがって、燃焼器の入口すなわち先端で流れが反転する前に、移行部及び材燃焼器ライナも冷却する。
【０００３】
ある低ＮＯｘ燃焼器構成では、５つの半径方向外側ノズルが６番目の中央ノズルを囲む。この構成では、３本の予混合多岐管が６つのバーナに燃料を分配し、一方、第４の予混合多岐管が、燃焼器に燃焼空気を供給する空気通路内の、６つのノズルを支持する燃焼器の先端の上流側に配置された複数の燃料ペグに燃料を供給する。燃料ペグでは意図的な燃焼は行われないが、この希薄ノズル前燃料噴射ペグディフューザにおける保炎については、燃料ペグの動作時に問題が生じる。ディフューザにおける保炎は主として、混合が不十分であるために生じる局所的に多量に存在する混合気と、特に迎え角が大きいときの、翼型状の燃料ペグの後縁の周りでの局所的な流れ剥離とによって生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、燃料／空気噴射混合ゾーンに二次流を導入して燃料ペグの後縁に沿った伴流領域をなくすことによって流れ剥離を防止し、且つ局所的な空気／燃料混合を向上させることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的であるが非制限的な第１の実施態様によれば、本発明は、ベース部、及びベース部から離れる方向へ延びる直立支持体と、比較的尖った端部及び比較的幅の広い端部を有する、直立支持体上の少なくとも１つの三角翼状フラップとを備える保炎抑制装置を提供する。
【０００６】
例示的であるが非制限的な他の態様によれば、本発明は、各燃焼器が、複数のノズルを支持する先端、及び使用時に高温の燃焼気体を第１の方向に第１のタービン段まで運ぶ移行部材に連結されるようになっている後端を有する燃焼器ライナと、使用時に、環状の流路に沿って第２の逆方向に流れ、先端の所で第１の方向に反転して燃焼器ライナに流入する圧縮器空気用の環状の流路を画成する燃焼器ライナを囲むスリーブと、環状の流路内の、半径方向における燃焼器ライナと流れスリーブとの間に、先端の上流側に隣接して配置された複数の燃料ペグと、燃料ペグの上流側に近接して配置された複数の保炎抑制装置とを備えてなる１つ以上の燃焼器を組み込んだタービン燃料システムを提供する。
【０００７】
例示的であるが非制限的な他の態様によれば、本発明は、燃焼器に燃焼空気を供給する空気通路内に半径方向に向けられた複数の燃料ペグを含む燃焼器内の保炎マージン及び燃料／空気予混合を向上させる方法であって、半径方向に向けられた複数の燃料ペグが、燃焼器の端部カバー内に支持された燃料ノズルの上流側に配置される方法において、（ａ）半径方向に向けられた複数の燃料ペグの各々の上流側に隣接するように火炎抑制装置を設け、（ｂ）半径方向に向けられた複数の燃料ペグの各々の燃料供給穴に対して火炎抑制装置を揃え、それによって、燃料供給穴から放出された燃料を予混合し、且つ燃料が半径方向に向けられた複数の燃料ペグの各々の外面に付着するのを確実に防止するのに十分な渦を燃焼空気中に生じさせることを含んでなる方法を提供する。
【０００８】
次に、本発明について、以下に識別される図面に関連して詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】公知のガスタービン燃焼器の簡略化された断面図である。
【図２】図１の燃焼器構成の簡略化された前端面図である。
【図３】本発明の例示的であるが非制限的な実施形態によるクォータナリ燃料ペグ及び保炎抑制装置の部分斜視図である。
【図４】図３の保炎抑制装置の拡大斜視図である。
【図５】隣接する保炎抑制装置を有さない燃料ペグの簡略化された流れ図である。
【図６】図５に類似しているが、保炎抑制装置がクォータナリ燃料ペグの上流側に隣接して配置されたときの流れを示す簡略化された流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず図１及び２を参照すると分かるように、ガスタービンエンジン１０は、圧縮器１２と、燃焼器１４と、タービン１６とを含む。タービン１６の第１段ノズル１８のみが図１に示されている。例示的な実施形態では、タービン１６は、単一の共通の軸（不図示）によって互いに連結されたロータ（不図示）によって圧縮器１２に駆動可能に結合されている。圧縮器１２は入口空気２０を加圧し、加圧された空気は次に、燃焼器１４のアレイ（１つの燃焼器が示されている）に送られ、そこで燃焼器１４を冷却し、空気が燃料プロセスに送られる。具体的には、燃焼器に送られた空気２２が、エンジン１０内の流れと概ね逆方向に流れる。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、エンジンケーシング２４の周りに周方向に向けられた複数の燃焼器１４を含む。具体的には、例示的な実施形態では、燃焼器１４は、たとえば、いわゆる燃焼器の「環状筒形」構成に制限されない。
【００１１】
例示的な実施形態では、エンジン１０は二重壁移行ダクト２６を含む。具体的には、例示的な実施形態では、移行ダクト２６は、各燃焼器１４の出口端部２８とタービン１６の入口端部との間を延びており、燃焼気体３２をタービン１６に流す。また、例示的な実施形態では、各燃焼器１４は実質的に円筒形の燃焼器ケーシング３４を含む。燃焼器ケーシング３４は、開放された後端３６の所でエンジンケーシング２４に結合されている。燃焼器ケーシング３４は、たとえば、ボルト３８、機械的ファスナ（不図示）、溶接、及び／又はエンジン１０が本明細書の記載通りに作用するのを可能にする任意の他の適切な結合手段などであるがこれらに限定されない手段を使用してエンジンケーシング２４に結合されてよい。例示的な実施形態では、燃焼器ケーシング３４の前端４０が端部カバー組立体４２に結合されている。端部カバー組立体４２は、たとえば、気体燃料、液体燃料、空気、及び／又は水を燃焼器に送る供給チューブ、多岐管、弁、並びに／或いはエンジン１０が本明細書の記載通りに作用するのを可能にする他のあらゆる構成部材を含む。例示的な実施形態では、端部カバー組立体４２内の各構成部材は、少なくとも燃焼器１４に流入する空気及び燃料を調節する制御システム４４に結合されている。制御システム４４は、たとえば、コンピュータシステム及び／又は燃焼器１４が本明細書の記載通りに作用するのを可能にする任意の他のシステムであってよいがそれらに限らない。
【００１２】
例示的な実施形態では、実質的に円筒形の流れスリーブ４６が燃焼器ケーシング３４内に結合され、それによって、ケーシング３４に実質的に同心状に揃えられている。流れスリーブ４６は、後端４８の所で移行ダクト２６の外壁５０に結合され、前端５２の所で燃焼器ケーシング３４に結合されている。具体的には、例示的な実施形態では、前端５２は、たとえば、それによって、ケーシング３４の前部５８と後部６０が互いに結合されるようにスリーブ４６の半径方向フランジ５４を突き合わせ継手５６の所で燃焼器ケーシング３４に結合することによって燃焼器ケーシング３４に結合されている。或いは、スリーブ４６は、エンジン１０が本明細書の記載通りに作用するのを可能にする任意の他の適切な結合組立体を使用してケーシング３４及び／又は移行ダクト２６に結合されてもよい。
【００１３】
例示的な実施形態では、流れスリーブ４６に燃焼器ライナ６２が結合されている。燃焼器ライナ６２は、後端６４が移行ダクト２６の内壁６６に結合され、且つ前端６８が燃焼ライナキャップ組立体７０に結合されるように、流れスリーブ４６内に実質的に同心状に揃えられている。燃焼ライナキャップ組立体７０は、複数の支柱７２及び関連する取り付け組立体（不図示）によって燃焼器ケーシング３４内に固定されている。例示的な実施形態では、空気通路７４が、ライナ６２と流れスリーブ４６との間、移行ダクトの内壁６６と外壁５０との間、及びキャップインナーバレル７３と前部ケーシング５８の内壁との間に画成されている。移行ダクト外壁５０には、圧縮器１２からの圧縮空気２０が空気通路７４に流入するのを可能にする複数の孔７６が形成されている。例示的な実施形態では、空気２２が、圧縮器１２から端部カバー組立体４２に向かう流れ２０の方向と逆方向に流れる。
【００１４】
また、例示的な実施形態では、燃焼器１４は、複数の点火プラグ７８と複数の火炎伝播管８０も含む。点火プラグ７８及び火炎伝播管８０は、圧縮器ゾーン８２内の燃焼ライナキャップ組立体７０から下流側に画成されたライナ６２のポート（不図示）を通って延びている。点火プラグ７８及び火炎伝播管８０は、各燃焼器１４内で燃料及び空気に点火して燃焼気体３２を生成する。
【００１５】
例示的な実施形態では、複数の燃料ノズル組立体が端部カバー組立体４２に結合されている。具体的には、例示的な実施形態では、燃焼器１４は、中心が燃焼器の長手方向軸Ａ上に位置する中央ノズル組立体８５の周りに配置された５つの外側ノズル組立体８４を含む６つのノズル組立体を含む。或いは、燃焼器１４に含まれる燃料ノズル組立体４００の数は５つより多くても少なくてもよい。例示的な実施形態では、外側燃料ノズル組立体８４は、図２を見ると最もよく分かるように、中央ノズル８５及び燃焼器１４の中心線Ａの周りに概ね円形の配列として配置されている。或いは、燃料ノズル組立体４００を非円形配列として配置してもよい。
【００１６】
また、例示的な実施形態では、燃焼器１４は、半径方向において燃焼器ケーシング３４から空気通路７４内に延び、燃料ノズル組立体８４を実質的に囲む複数の燃料ペグ８６を含む。したがって、燃料ペグ８６は、燃焼器の先端の上流側、したがって、空気が反転してノズル空気入口端部８７に流入する位置の上流側に配置されている。
【００１７】
次に図３を参照すると、空気通路７４内の、周方向に間隔を置いて配置された位置で半径方向に延びる複数のクォータナリ燃料ペグ８６が示されている。各々が実質的に対称的な翼型状態であり、前縁が上流側、すなわち、通路７４内の空気流と逆方向を向いた、１６個以上のペグがあってよい。各燃料ペグ８６は、その各側面上に一対の燃料供給オリフィス８８を備えてよい。オリフィス８８から放出された燃料が、ペグの各側面から通路７４に、空気の流れを横切る方向に流入するように、各オリフィスを、図３に示されているように、半径方向に揃えてもよい。
【００１８】
例示的であるが非制限的な実施形態では、さらに図４を参照すると分かるように、希薄ノズル前燃料噴射ディフューザ（保炎抑制装置又は渦発生装置とも呼ばれる）９０が各燃料ペグ８６の上流側に（しかし近接して）配置されている。保炎抑制装置同士は実質的に同一であるため、１つの保炎抑制装置について詳しく説明する。特に、図４を参照すると分かるように、保炎抑制装置９０は、金属薄板で構成されてよく、且つ保炎抑制装置９０は、尖った前縁９６、９８がほぼ接触し、一方、尖っていないか或いは幅の広い後縁１００、１０２が互いに半径方向に間隔を置いて配置されるように互いに傾斜して配置された、半径方向に揃えられた少なくとも１つで好ましくは２つの実質的に同一の三角形プレート、すなわち三角翼９２、９４を含んでいる。翼型９２、９４は、三角翼用の直立支持体１０７を形成する単一のプレートストック１０４から（たとえば、レーザ切断によって）切断され曲げられたものである。具体的には、プレートの前縁と後縁１０８、１１０の間に配置され、切断曲げプロセスを容易にする穴１０６から延びる水平方向の切断部がプレートに形成される。プレートの厚さに沿ったプレートの厚さ内の垂直方向（又は半径方向）切断部によって、フラップ状の材料を「剥ぎ取って」互いに逆方向に曲げて三角翼９２、９４を形成することができる。後縁の所の三角翼同士の間の半径方向距離は、三角翼間の角度によって決定され、隣接する下流側の燃料ペグ８６の燃料供給オリフィス８８の位置に依存する。プレートの下端（すなわち半径方向内側端部）の所でさらに切断することによって、追加的な２つのフラップ１１２、１１４を互いに逆方向に曲げて、保炎抑制装置をたとえば溶接又は適切な他の手段によって燃焼器ライナ６２又はキャップインナーバレル７３に取り付けるためのベース１１６を形成することができる。保炎抑制装置の半径方向外側縁部１１８が流れスリーブまで延びる必要がないことに留意されたい。より重要なのは、以下に詳しく説明するように燃料供給オリフィス８８に対する三角翼９２、９４の位置である。
【００１９】
代替構成では、保炎抑制装置９０を図３の向きに対して逆方向を向くように１８０度回転させることができる。言い換えれば、この代替構成では、保炎抑制装置９０の尖っているか或いは鋭い前縁９６、９８が下流側方向を向く。空気／燃料混合を最適化し、燃料が抑制装置によって生成された渦の中心で滞留するのを防止するために、燃料供給オリフィス８８の位置をさらに調整することが必要になる場合がある。
【００２０】
保炎抑制装置９０が、他の方法で形成されてもよく、且つ複数の構成部品を含んでよいことが理解されよう。上記に指摘したように、たとえば、保炎抑制装置９０は一対の三角翼ではなく１つの三角翼を備えてもよい。
【００２１】
三角翼９２、９４は、図３に示されているように設置され、上流側方向を指し（すなわち、尖っているか或いは鋭い先端９６、９８が上流側を向き）、上記に指摘したように、以下に詳しく説明するように、燃料／空気混合を最適化し、ペグに付着する流れ剥離ゾーンをなくすとはいかないまでも最小限に抑えるように燃料ペグ８６の燃料供給オリフィス８８の位置に対する三角翼９２、９４の先端９６、９８の位置を調整することができる。
【００２２】
図５は、燃料ペグ８６、及び約２０度の迎え角で前縁１１８に衝突する通路７４内の空気流の概略図である。火炎抑制装置を所定の位置に配置しない場合、流れが、ペグの後縁部に沿って分離し、燃料塊画分を変形してペグの表面上に捕捉する流れ剥離ゾーンを伴流領域すなわち「気泡」領域１２０内に生成する。意図しない火炎イベントが生じた場合、気泡領域内の局所的に多量に存在する燃料／空気混合火炎がペグ上に固着又は保持される可能性がある。図６は、図５と同様の図であるが、保炎抑制装置９０がペグ８６の上流側に設置されたときのペグ８６を横切る流れの変形例を示している。この場合、伴流領域又は気泡領域１２０内の流れ剥離ゾーンは、保炎抑制装置９０の三角翼９２、９４によって生成される二次流又は渦によってほぼなくなる。また、燃料供給オリフィス８８から経路７４に流入する燃料が三角翼９２、９４によって生成される入ってくる流れに揃えられるため、多量の燃料を含む局所流が、改善された局所燃料／空気混合によって押し流される。
【００２３】
抑制装置によって流入空気が流れるにつれて、二次流（バルク流方向に垂直な平面上の流れ）が渦を形成し、伴流領域をなくし、局所的な混合を向上させる。
【００２４】
したがって、本明細書で説明した保炎抑制装置の利点が以下の２つであることを理解されたい。１．ペグ付近の流れ剥離ゾーンをなくすことによって既存のクォータナリ燃料ペグの保炎マージンを向上することができる。２．効率的な燃料／空気混合を推進し、燃焼器燃料ノズルの上流側で総燃料のうちの大きな画分を流入空気と混合することによって、ＮＯｘ排出量をさらに削減することができる。
【００２５】
他の場所、たとえば、燃焼器の噴射混合ゾーンで保炎抑制の設計を利用してもよく、且つ抑制装置が、同様に動作して同様の結果を実現する他の形状の装置であってもよいことも理解されよう。
【００２６】
本発明を現在最も実際的で好ましい実施形態とみなされるものに関連して説明したが、本発明が開示された実施形態に限定されず、逆に、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内に含まれる様々な変形例及び均等構成を対象とするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２７】
１０  エンジン
１２  圧縮器
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  第１段ノズル
２０  入口空気
２２  空気
２４  エンジンケーシング
２６  移行部材又はダクト
２８  出口端部
３０  入口端部
３２  燃焼気体
３４  燃焼器ケーシング
３６  開放された後端
３８  ボルト
４０  前端
４２  カバー組立体
４４  制御システム
４６  流れスリーブ
４８  後端
５０  外壁
５２  前端
５４  半径方向フランジ
５６  突き合わせ継手
５８  前部又はケーシング
６０  後部
６２  燃焼器ライナ
６４  後端
６６  内壁
６８  前端
７０  ライナキャップ組立体
７２  支柱
７３  キャップインナーバンド
７４  環状通路又は流路
７６  孔
【図１】
2012141124.tif 000003
【図２】
2012141124.tif 000004
【図３】
2012141124.tif 000005
【図４】
2012141124.tif 000006
【図５】
2012141124.tif 000007
【図６】
2012141124.tif 000008
【外国語明細書】
2012141124000001.pdf