(57)【要約】      （修正有）【課題】予混合低エミッションガスタービン及び同様のものにおける低燃焼ダイナミックスのための二重ソフト通路ノズルを提供する。【解決手段】本燃料ノズルシステム１００は、第１の圧力降下のための前置オリフィスと、前置オリフィスと連通状態になった捕捉応答ボリュームと、捕捉応答ボリュームと連通状態になった、第２の圧力降下のための後置オリフィスと、後置オリフィスの下流に配置された、第３の圧力降下のための二次燃料通路１２０とを含むことができる。第２の圧力降下は第１の圧力降下よりも小さく、また第３の圧力降下は第２の圧力降下よりも小さい。【選択図】図３
2012052791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ノズルシステム（１００）であって、
第１の圧力降下のための前置オリフィス（８０）と、
前記前置オリフィス（８０）と連通状態になった捕捉応答ボリューム（９５）と、
前記捕捉応答ボリューム（９５）と連通状態になった、前記第１の圧力降下よりも小さい第２の圧力降下のための後置オリフィス（９０）と、
前記後置オリフィス（９０）の下流に配置された、前記第２の圧力降下よりも小さい第３の圧力降下のための二次燃料通路（１２０）と、を含む、
燃料ノズルシステム（１００）。
【請求項２】
前記前置オリフィス（８０）が、複数の前置オリフィス（８０）を含む、請求項１記載の燃料ノズルシステム（１００）。
【請求項３】
前記後置オリフィス（９０）が、複数の後置オリフィス（９０）を含む、請求項１記載の燃料ノズルシステム（１００）。
【請求項４】
前記捕捉応答ボリューム（９５）が、環状チャンバ（８５）を含む、請求項１記載の燃料ノズルシステム（１００）。
【請求項５】
前記後置オリフィス（９０）が、一次ソフト通路（１１０）を含む、請求項１記載の燃料ノズルシステム（１００）。
【請求項６】
前記二次燃料通路（１２０）が、二次ソフト通路（１２０）を含む、請求項１記載の燃料ノズルシステム（１００）。
【請求項７】
前記二次燃料通路（１２０）が、複数の二次燃料通路（１２０）を含む、請求項１記載の燃料ノズルシステム（１００）。
【請求項８】
前記後置オリフィス（９０）が、スワーラ（７０）の周りに配置される、請求項１記載の燃料ノズルシステム（１００）。
【請求項９】
前記二次燃料通路（１２０）と連通状態になった断続的又は連続的な燃料（２５）の流れをさらに含む、請求項１記載の燃料ノズルシステム（１００）。
【請求項１０】
燃料ノズルシステム（１００）を通して燃料（２５）を流す方法であって、
第１のオリフィス（８０）における第１の圧力降下で前記燃料（２５）を流すステップと、
捕捉応答ボリューム（９５）を通して前記燃料（２５）を流すステップと、
第２のオリフィス（９０）における、前記第１の圧力降下よりも小さい第２の圧力降下で前記燃料（２５）を流すステップと、
二次燃料通路（１２０）における、前記第２の圧力降下よりも小さい第３の圧力降下で前記燃料（２５）を流すステップと、を含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、予混合低エミッションガスタービン及び同様のものにおける低燃焼ダイナミックスのための二重ソフト通路ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料及び空気の予混合は、従来型の非予混合燃焼システムと比較した時、非定常燃焼を引き起こす可能性がある。ガスタービン燃焼器のような閉鎖環境における予混合燃焼により放出される一般的に非定常な熱は、エンクロージャ又は燃焼器の固有音響モードと組合さる可能性がある。燃焼は、圧力変動に応答する可能性があり、そのことは、その中に音響フィードバックサイクルを生じさせる可能性がある。そのようなフィードバックサイクルは、高振幅圧力変動を発生させる能力を持つ可能性がある。燃焼ダイナミックス又は燃焼不安定性として知られているこれらの圧力変動は、燃焼器及びガスタービンエンジン全体に壊滅的影響を与えるおそれがある。
【０００３】
予混合低エミッション燃焼システムの使用が拡大するにつれて、燃焼ダイナミックスの問題が重要になってきた。燃焼ダイナミックスに対処しかつそれを制限するための様々な方法が試みられてきた。それらの方法には、発生メカニズムに対する変更及び修正、燃焼器のジオメトリ又は音響特性に対する変更、並びに発生ダイナミックスを制御しかつ／又は抑制する能動的又は受動的方法を使用することが含まれていた。そのような不安定性を円滑にする燃料系路応答を含むさらなる解決方法について、以下により詳細に説明する。その他のタイプの制御及び抑制方法もまた、公知である可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，１０４，０７０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、予混合低エミッションガスタービン及び同様のものにおける燃焼ダイナミックスを制御しかつ抑制するようにそれらを作動させる燃料ノズルシステム及び方法を改善する要望が存在する。それらの燃料ノズルシステム及び方法は好ましくは、継続的な作動信頼性及び効率をもたらしながら、そのような燃焼ダイナミックスを低下させるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本出願は、燃料ノズルシステムを提供する。本燃料ノズルシステムは、第１の圧力降下のための前置オリフィスと、前置オリフィスと連通状態になった捕捉応答ボリュームと、捕捉応答ボリュームと連通状態になった、第２の圧力降下のための後置オリフィスと、後置オリフィスの下流に配置された、第３の圧力降下のための二次燃料通路とを含むことができる。第２の圧力降下は第１の圧力降下よりも小さく、また第３の圧力降下は第２の圧力降下よりも小さい。
【０００７】
本出願はさらに、燃料ノズルシステムを通して燃料を流す方法を提供する。本方法は、第１のオリフィスにおける第１の圧力降下で燃料を流すステップと、捕捉応答ボリュームを通して燃料を流すステップと、第２のオリフィスにおける、第１の圧力降下よりも小さい第２の圧力降下で燃料を流すステップと、二次燃料通路における、第２の圧力降下よりも小さい第３の圧力降下で燃料を流すステップとを含む。
【０００８】
本出願はさらに、燃料ノズルシステムを提供する。本燃料ノズルシステムは、第１の圧力降下のための第１の燃料オリフィスと、第１の燃料オリフィスと連通状態になった捕捉応答ボリュームと、捕捉応答ボリュームと連通状態になった、第２の圧力降下のための第２の燃料オリフィスと、第２の燃料オリフィスの下流に配置された、第３の圧力降下のための１つ又はそれ以上の二次燃料通路とを含むことができる。第２の圧力降下は第１の圧力降下よりも小さく、また第３の圧力降下は第２の圧力降下よりも小さい。
【０００９】
本出願のこれらの及びその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】公知の第二段燃料ノズルの部分側面断面図。
【図３】本明細書に記載することができるような二重ソフト通路ノズルの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、幾つかの図を通して同じ参照符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、本明細書に記載することができるようなガスタービンエンジン５の概略図を示している。ガスタービンエンジン５は、圧縮機１０を含むことができる。圧縮機１０は、流入する空気１５の流れを加圧する。圧縮機１０は、加圧した空気１５の流れを燃焼器２０に送給する。燃焼器２０は、加圧した空気１５の流れを加圧した燃料２５の流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させて、燃焼ガス３０の流れを形成する。単一の燃焼器２０のみを示しているが、ガスタービンエンジン５は、幾つかの燃焼器２０を含むことができる。燃焼ガス３０の流れは次に、タービン３５に送給される。燃焼ガス３０の流れは、タービン３５を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン３５内で生成された機械的仕事は、圧縮機１０並びに発電機及び同様のもののような外部負荷４０を駆動する。
【００１２】
ガスタービンエンジン５は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス、及びその他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン５は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙによって売り出されている幾つかの異なる予混合低エミッションガスタービンエンジン又はその他の１つとすることができる。ガスタービンエンジン５は、その他の構成を有することができまたその他のタイプの構成要素を使用することができる。本明細書では、その他のタイプのガスタービンエンジンもまた使用することができる。本明細書では、複数のガスタービンエンジン５、その他のタイプのタービン及びその他のタイプの発電装置を共に使用することができる。
【００１３】
図２は、公知の第二段燃料ノズル４５又は「ソフト」ノズルの１つの実施例を示している。ソフトノズル４５の構成要素の基本的構成は、それを貫通して延びる幾つかの導管５５を備えたスリーブ５０を含むことができる。導管５５は、燃料、空気、及びその他のタイプのガスの流れのための流路を構成する。例えば、窒素及びその他のタイプの不活性ガスもまたそれを通って流れることができる。導管５５は、カバー組立体６０からノズル４５の長さに沿ってノズル先端６５の周りの端部に延びることができる。１つ又はそれ以上のスワーラをスリーブ５０の周りにかつ導管５５の１つ又はそれ以上と連通状態で配置することができる。本明細書では、その他のノズル構成も使用することができる。
【００１４】
天然ガス及び同様のもののような燃料ガスは、燃料導管７５としての導管５５の１つ又はそれ以上に供給することができる。燃料導管７５は、ノズル４５の上流端部の周りに配置された１つ又はそれ以上の第１のつまり前置オリフィス８０を含むことができる。前置オリフィス８０は、それを通しての比較的高い圧力降下を有することができる。燃料導管７５は次に、ノズル４５に沿って環状チャンバ８５を介してかつ１つ又はそれ以上の第２のつまり後置オリフィス９０内に延びることができる。後置オリフィス９０は、スワーラ７０の周りに又はその他の位置に配置することができる。後置オリフィス９０は、それを通しての比較的低い圧力降下を有することができ、従ってそれを通るより小さい変動を有する「ソフト」通路として記述することができる。本明細書では、その他のノズル構成も使用することができる。
【００１５】
それぞれ前置オリフィス８０及び後置オリフィス９０間のボリュームは、環状チャンバ８５の周りに捕捉応答ボリューム９５を形成することができる。燃料ガスは、燃料導管７５に流入し、前置オリフィス８０を通って又はその周りを流れ、捕捉応答ボリューム９５内に流れ、スワーラ７０の周りで後置オリフィス９０を通って又はその周りを流れ、かつ下流の予混合器ゾーン内に流れることができる。従って、従来型の燃料ノズルの気体燃料出口で通常生じる高い圧力降下は、予混合器ゾーン及び後置オリフィス９０から上流方向に捕捉応答ボリューム９５及び前置オリフィス８０まで間隔を置くことができる。
【００１６】
予混合器ゾーン内の圧力擾乱がより低い予混合器ゾーン圧力を生じさせることができると仮定すると、燃焼器２０の開口部を通しての予混合器ゾーンへの空気供給を増大させることができる。そのような応答は、急速なものとなる可能性がありまた圧力擾乱の位相角に対して小さい位相角を有する可能性がある。予混合燃料吐出オリフィスの周りに、従来型の高圧力ガス燃料ノズルを設置した場合には、予混合圧力の低下に応答して燃料流量もまた同様に増大する傾向になる。しかしながら、予混合器ゾーン内のそのような圧力の低下に対する燃料供給の応答は、空気圧力の応答時間よりも長くなって、燃料及び空気圧力応答間の位相角の不整合を生じるようになる可能性がある。
【００１７】
従って、本明細書における燃料通路内の高い圧力降下は前置オリフィス８０において生じて、応答ボリューム９０内の圧力を圧縮機吐出圧力にほぼ近いものとすることができるようになる。燃焼器２０を通しての圧力降下が後置オリフィス９０での低い圧力降下とほぼ同じである場合には、圧力強制関数に応答した位相角もまたほぼ整合させることができる。位相角を整合させることによって、燃料空気濃度は、燃料及び空気送給システム内における圧力擾乱にも拘らず、ほぼ一定に維持することができる。その結果、本明細書では、振動サイクルをほぼ最小にすることができる。
【００１８】
一例として、燃料流れ及び空気流れの質量流量差又は圧力差に関してノズル圧力関数を評価することができる。
【００１９】
【数１】
2012052791.tif 000003
例えばスワーラ７０での空気圧力降下が、例えば後置オリフィス９０での燃料圧力降下に等しい場合には、
【００２０】
【数２】
2012052791.tif 000004
従って、上流空気圧力変動及び上流燃料系路圧力変動が小さい又は同一である場合には、
【００２１】
【数３】
2012052791.tif 000005
従って、本明細書における目標は、ノズルでの全体圧力変動を上述したノズル４５及び同様の設計で、現在可能であるものよりも大きい程度まで制限することである。
【００２２】
従って図３は、本明細書で説明することができるような燃料ノズル１００の概略図である。燃料ノズル１００は、一次ソフト通路１１０を含むことができる。一次ソフト通路１１０は、上述した後置オリフィス９０と同様にすることができる。燃料ノズル１００はまた、１つ又はそれ以上の二次ソフト通路１２０を含むことができる。二次ソフト通路１２０は、一次ソフト通路１１０の下流又は上流に配置することができる。本明細書では、あらゆる数の二次ソフト通路１２０を使用することができる。
【００２３】
従って、燃料ノズル１００は、より低い燃焼ダイナミックスにさえ合せて、上述したノズル４５を修正する。具体的には、燃料ノズル１００は、前置オリフィス８０及び２つ又はそれ以上のソフト通路１１０、１２０を含んで、燃料流れ内の圧力降下の付加的調整／整合能力を与えて空気流れでの圧力降下を整合させるようにする。二次ソフト通路１２０及びその他のソフト通路を使用して、特定の圧力降下を達成するのに必要な量の燃料／燃料混合物のみを流して本来の一次ソフト通路１１０による残留する圧力降下不整合を実質的に減少させるか又は無効にするようにすることができる。
【００２４】
加えて、二次ソフト通路１２０は、燃料ノズル１００の作動範囲を増大させるようになった高い調整能力をもたらす。さらに、二次ソフト通路１２０は、特定の燃料／不活性流れと共に使用して、音響特性を変更しまた従って燃焼ダイナミックス性能を向上させかつ制御するようにすることができる。二次ソフト通路１２０の作動並びに／或いは一次及び二次ソフト通路１１０、１２０間の流れの分割は、燃焼ダイナミックス解析（ＣＤＡ）ツール又はその他により予め設定する及び／又はリアルタイムに制御することができる。ＣＤＡツールアルゴリズムの使用は、より広い有効作動境界及び低い燃焼ダイナミックスにより燃料ノズル１００及び同様のものの全体性能の強化をもたらすことができる。より低いダイナミックスによるそのような作動境界の向上はまた、より長い平均寿命をもたらす必要がある。燃料ノズル１００は同様に、突然の作動停止を回避することができる。本明細書では、その他のタイプの制御システム及び方法もまた使用することができる。
【００２５】
二次ソフト通路１２０での圧力降下は一般的に一次ソフト通路１１０及びその他での圧力降下よりも小さくなるが、圧力降下はより大きくすることができる。具体的には、燃料ノズル１００にはまた、本来の燃料２５の流れの上流又は下流のいずれかに独立した二次燃料供給を行なうことができる。この独立した燃料供給には、その前置オリフィス８０での第３の圧力降下、二次前置オリフィス１１０及び後置オリフィス１２０と連通状態になった捕捉応答ボリューム９５、並びにその後置オリフィス１２０での第４の圧力降下を含むことができる。従って、二次後置オリフィス１２０は、既存の前置オリフィス１１０から全体的に独立したものとすることができる。従って、付加的二次ソフト通路１２０は、前置オリフィス８０とは異なるそれら独自の前置オリフィスを有することができる。
【００２６】
上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２７】
５  ガスタービンエンジン
１０  圧縮機
１５  空気の流れ
２０  燃焼器
２５  燃料の流れ
３０  燃焼ガスの流れ
３５  タービン
４０  外部負荷
４５  ノズル
５０  スリーブ
５５  導管
６０  カバー組立体
６５  ノズル先端
７０  スワーラ
７５  燃料導管
８０  前置オリフィス
８５  環状チャンバ
９０  後置オリフィス
９５  捕捉応答ボリューム
１００  燃料ノズル
１１０  一次ソフト通路
１２０  二次ソフト通路
【図１】
2012052791.tif 000006
【図２】
2012052791.tif 000007
【図３】
2012052791.tif 000008
【外国語明細書】
2012052791000001.pdf