(57)【要約】【課題】いくつかの空気の流れおよびいくつかの燃料の流れを燃焼させるための燃焼器を提供すること。【解決手段】燃焼器は、高旋回急冷空気流を生成するための中央スワラと、燃焼ガスの流れを生成するための、中央スワラを取り囲むいくつかのトラップ渦空洞と、外側急冷空気流と高旋回急冷空気流との間で燃焼ガスの流れを急冷するための、トラップ渦空洞の下流にある短時間極度急冷ゾーンと、短時間極度急冷ゾーンの下流にある膨張ゾーンとを含むことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の空気の流れおよび複数の燃料の流れを燃焼させるための燃焼器であって、
高旋回急冷空気流を生成するための中央スワラと、
燃焼ガスの流れを生成するための、前記中央スワラを取り囲む複数のトラップ渦空洞と、
外側急冷空気流と前記高旋回急冷空気流との間で前記燃焼ガスの流れを急冷するための、前記複数のトラップ渦空洞の下流にある短時間極度急冷ゾーンと、
前記短時間極度急冷ゾーンの下流にある膨張ゾーンと
を含む燃焼器。
【請求項２】
前記短時間極度急冷ゾーンが、くびれた形状を有するライナを含む、請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記膨張ゾーンが、膨らんだ形状を有するライナを含む、請求項１記載の燃焼器。
【請求項４】
前記複数のトラップ渦空洞が、複数の空気噴射器を含む、請求項１記載の燃焼器。
【請求項５】
前記複数のトラップ渦空洞が、複数の燃料噴射器を含む、請求項１の燃焼器。
【請求項６】
前記複数の燃料噴射器が、後部壁燃料噴射器または前部壁燃料噴射器を含む、請求項５記載の燃焼器。
【請求項７】
前記複数の燃料噴射器が、ガス燃料噴射器および液体燃料噴射器を含む、請求項５記載の燃焼器。
【請求項８】
前記複数のトラップ渦空洞のそれぞれが、その中に燃料／空気渦を作り出す、請求項１記載の燃焼器。
【請求項９】
前記短時間極度急冷ゾーンが、前記外側急冷空気流を提供するための複数の急冷空気噴射器を含む、請求項１記載の燃焼器。
【請求項１０】
前記短時間極度急冷ゾーンが、その中に複数のスロットを含む、請求項１記載の燃焼器。
【請求項１１】
前記複数のスロットが、ヘリンボーン状のパターンを含む、請求項１０記載の燃焼器。
【請求項１２】
前記膨張ゾーンが、その中に１つまたは複数のリーン再循環ゾーンを含む、請求項１記載の燃焼器。
【請求項１３】
前記膨張ゾーンの下流にあるトランジションピースをさらに含む請求項１記載の燃焼器。
【請求項１４】
インピンジメント冷却ライナをさらに含む請求項１記載の燃焼器。
【請求項１５】
燃焼器において空気の流れおよび燃料の流れを燃焼させる方法であって、
低温リッチ燃焼のために、トラップ渦空洞内の前記燃料の流れおよび前記空気の流れを部分的に燃焼させるステップと、
短時間極度急冷ゾーンにおいて前記低温リッチ燃焼を急冷して、リッチ燃焼生成物にするステップと、
低温リーン燃焼のために、膨張ゾーンにおいて前記リッチ燃焼生成物を燃焼させるステップと
を含む方法。
【請求項１６】
いくつかの空気の流れおよびいくつかの燃料の流れを燃焼させるための燃焼器であって、
高旋回急冷空気流を生成するための中央スワラと、
燃焼ガスの流れを生成するための、前記中央スワラを取り囲む複数のトラップ渦空洞と、
前記複数のトラップ渦空洞の下流にある短時間極度急冷ゾーンであって、外側急冷空気流と前記高旋回急冷空気流との間で前記燃焼ガスの流れを急冷するように、前記外側急冷空気流を生成するための、複数の急冷空気噴射器およびその中の複数のスロットを含む短時間極度急冷ゾーンと
を含む燃焼器。
【請求項１７】
前記短時間極度急冷ゾーンの下流にある、膨らんだ形状を有する膨張ゾーンをさらに含む請求項１６記載の燃焼器。
【請求項１８】
前記短時間極度急冷ゾーンが、くびれた形状を有するライナを含む、請求項１６記載の燃焼器。
【請求項１９】
前記複数のトラップ渦空洞が、ガス燃料噴射器および液体燃料噴射器を含む、請求項１６記載の燃焼器。
【請求項２０】
前記複数のスロットが、ヘリンボーン状のパターンを含む、請求項１６記載の燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願および結果としての特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、低温燃焼を提供し、望ましくない排出物を制限するために、たとえば燃料結合窒素の高い液体燃料、ガス燃料、その他を燃焼させるための短時間極度急冷ゾーンを備えた燃焼器を有する、ガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおける運転効率は、一般に、燃焼ストリームの温度が上昇するにつれて増大する。しかしながら、より高い燃焼ストリームの温度は、結果として、高いレベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）、および他のタイプの望ましくない排出物を生成することがある。そのような排出物は、アメリカ合衆国においては連邦および州の両方の規制を受けることがあり、海外でもまた同様の規制を受けることがある。さらに、ガスタービンエンジンおよび電力プラントの資金調達には、しばしば、国際的な排出基準が条件になることがある。したがって、効率的な温度範囲内でガスタービンエンジンを運転することと、同時にまた、窒素酸化物および他のタイプの規制された排出物の発生が規定レベルよりもはるかに下回るのを確実にすることとのバランスが取られる。そのような最適化されたバランスを提供するうえで、多くの他のタイプの運転パラメータを変えることができる。
【０００３】
ガスタービンエンジンなどの運転者は、利用可能性および料金に応じて、異なるタイプの燃料を使用するのを好むことがある。たとえば、重油燃料などの液体燃料が利用可能なことがある。しかしながら、重油燃料は、特定の温度を超えると、窒素酸化物に転化されるレベルが高いことがある。具体的には、重油燃料などの液体燃料は、燃料結合窒素が高いことがある。結果として、そのような燃料は、排出物のレベルを削減するために、選択的触媒還元などの使用を必要とする場合がある。しかしながら、そのようなプロセスは、ガスタービンエンジンの全体の運転コストおよび全体の複雑性を増加させる。
【０００４】
したがって、重油燃料などの、燃料結合窒素の高い液体燃料を含むさまざまな燃料を、効率的に燃焼させることができる燃焼器が望まれている。好ましくは、そのような燃焼器は、そのような燃料をより低い温度で燃焼させて、全体の排出コンプライアンスを維持することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第2011／0162378号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本出願および結果としての特許は、いくつかの空気の流れおよびいくつかの燃料の流れを燃焼させるための燃焼器を提供する。燃焼器は、高旋回急冷空気流を生成するための中央スワラと、燃焼ガスの流れを生成するための、中央スワラを取り囲むいくつかのトラップ渦空洞と、外側急冷空気流と高旋回急冷空気流との間で燃焼ガスの流れを急冷するための、トラップ渦空洞の下流にある短時間極度急冷ゾーンと、短時間極度急冷ゾーンの下流にある膨張ゾーンとを含むことができる。
【０００７】
本出願および結果としての特許は、燃焼器において空気の流れおよび燃料の流れを燃焼させる方法をさらに提供する。方法は、低温リッチ燃焼のために、トラップ渦空洞内の燃料の流れおよび空気の流れを部分的に燃焼させるステップと、短時間極度急冷ゾーンにおいて低温リッチ燃焼を急冷して、リッチ燃焼生成物にするステップと、低温リーン燃焼のために、膨張ゾーンにおいてリッチ燃焼生成物を燃焼させるステップとを含むことができる。
【０００８】
本出願および結果としての特許は、いくつかの空気の流れおよびいくつかの燃料の流れを燃焼させるための燃焼器をさらに提供する。燃焼器は、高旋回急冷空気流を生成するための中央スワラと、燃焼ガスの流れを生成するための、中央スワラを取り囲むいくつかのトラップ渦空洞と、トラップ渦空洞の下流にある短時間極度急冷ゾーンとを含むことができる。短時間極度急冷ゾーンは、外側急冷空気流と高旋回急冷空気流との間で燃焼ガスの流れを急冷するように、外側急冷空気流を生成するための、いくつかの急冷空気噴射器およびその中のいくつかのスロットを含むことができる。
【０００９】
本出願および結果としての特許のこれらの、ならびに他の特徴および改良点は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併用して、以下の詳細な説明を検討するとき、当業者に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧縮機、燃焼器、およびタービンを有するガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】本明細書で説明できるようなガスタービンエンジンのための燃焼器の概略図である。
【図３】図２の燃焼器の短時間極度急冷ゾーンの一部の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、いくつかの図全体を通して同様の番号が同様の要素を指す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用できるようなガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、入ってくる空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０の流れを燃焼器２５に送り出す。燃焼器２５は、圧縮された空気２０の流れを加圧した燃料３０の流れと混合し、混合物に点火して、燃焼ガス３５の流れを作り出す。単一の燃焼器２５のみが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス３５の流れは次いで、タービン４０に送り出される。燃焼ガス３５の流れは、機械的作用を生成するために、タービン４０を駆動する。タービン４０において生成された機械的作用は、シャフト４５、および発電機その他などの外部負荷５０を介して、圧縮機１５を駆動する。
【００１２】
ガスタービンエンジン１０の燃焼器２５は、天然ガス、液体燃料、さまざまなタイプの合成ガス、および／または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１０は、ニューヨーク、スケネクタディのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙが提案する、いくつかの異なるガスタービンエンジンのうちのいずれか１つであってよく、限定はしないが、７または９シリーズなどのヘビーデューティガスタービンエンジンなどを含む。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他のタイプの構成要素を使用することができる。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用されてよい。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、および他のタイプの発電装置がまた、本明細書において一緒に使用されてもよい。
【００１３】
図２は、本明細書で説明できるような燃焼器１００の例を示す。燃焼器１００は、上で説明したガスタービンエンジン１０などに使用することができる。燃焼器１００は、頭端部１２０の端部カバー１１０から、タービン４０に隣接した尾端部１４０のトランジションピース１３０まで延在することができる。ライナ１５０が、頭端部１２０から、尾端部１４０に向かって延在することができる。ライナ１５０は、その中で燃焼ゾーン１６０を画定することができる。ライナ１５０は、インピンジメントスリーブ１７０などによって取り囲まれてもよい。インピンジメントスリーブ１７０は、ライナ１５０にインピンジメント冷却を提供する。流路１８０が、インピンジメントスリーブ１７０と連通してもよい。流路１８０は、冷却および燃焼のために、圧縮機１５または他の場所から、空気２０の流れを提供することができる。燃焼器１００は、頭端部１２０から尾端部１４０まで、ケーシング１９０によって囲まれてもよい。他の構成要素および他の構成もまた、本明細書で使用されてよい。
【００１４】
燃焼器１００は、中央ジェット２００を含むことができる。中央ジェット２００は、端部カバー１１０から延在することができる。中央ジェット２００は、空気２０の流れと連通している中央空気噴射器２１０を含むことができる。中央空気噴射器２１０は、スワラ２２０によって取り囲まれてもよい。スワラ２２０は、任意の大きさ、形状、または構成を有することができる。スワラ２２０は、流路１８０から延びる空気２０の流れの中に旋回流を噴射して、高速旋回急冷流れ２２５を形成する。他の構成要素および他の構成が、本明細書で使用されてもよい。
【００１５】
燃焼器１００はまた、１つまたは複数のトラップ渦空洞２３０を含むことができる。トラップ渦空洞２３０は、頭端部１２０のまわりに位置付けられてよく、中央ジェット２００を全体的に、または部分的に取り囲むことができる。それぞれのトラップ渦空洞２３０は、環状後部壁２４０、環状前部壁２５０、および半径方向外側壁２６０によって画定されてよい。トラップ渦空洞２３０はまた、中央ジェット２００に向かって通じる空洞開口２７０を有することができる。トラップ渦空洞２３０は、捕えた再循環流れを駆動するための、いくつかのシンブルジェットまたは空気噴射器２８０を含むことができる。トラップ渦空洞２３０はまた、１つまたは複数の前部壁燃料噴射器２９０、および／または１つまたは複数の後部壁燃料噴射器３００を含むことができる。この例で、前部壁燃料噴射器２９０は、１つまたは複数のガス燃料噴射器３１０、および／または１つまたは複数の液体燃料噴射器３２０を含むことができる。空気噴射器２８０および燃料噴射器２９０、３００の数および位置は、さまざまであってよい。他の構成要素および他の構成もまた、本明細書で使用されてよい。
【００１６】
トラップ渦空洞の空気噴射器２８０および燃料噴射器２９０、３００は、その中で渦３３０を駆動するように構成されてもよい。空気２０および燃料３０の流れが混合し、燃焼して、燃焼ガス３５の流れを形成する。燃焼ガス３５は、膨張し、中央ジェット２００に向かって、トラップ渦空洞２３０の空洞開口２７０を通って広がる。他の構成要素および他の構成が、本明細書で使用されてもよい。
【００１７】
短時間極度急冷ゾーン３４０は、中央ジェット２００およびトラップ渦空洞２３０の下流に位置付けられてよい。短時間極度急冷ゾーン３４０は、ライナ１５０のくびれた形状３５０によって画定されてよい。短時間極度急冷ゾーン３４０での空気２０の流れのために、いくつかの急冷空気噴射器３６０が、短時間極度急冷ゾーン３４０を取り囲むことができる。短時間極度急冷ゾーン３４０はまた、そこに形成される、いくつかのスロット３７０、または他のタイプの成形穴を有することができる。スロット３７０は、おおむねヘリンボーン状のパターン３８０を有することができる。本明細書では、多くの他の異なる形状を使用することができる。スロット３７０の数、大きさ、形状、および向きは、さまざまであってよい。このようにして、スロット３７０に沿った空気２０の流れは、外側急冷流れ３８５を形成することができる。図３に示すように、スロット３７０は、中央ジェット２００のスワラ２２０を介して噴射された高旋回急冷流れ２２５に衝撃を与える。他の構成要素および他の構成が、本明細書で使用されてもよい。
【００１８】
燃焼器１００は、短時間極度急冷ゾーン３４０の下流にある膨張ゾーン３９０を含むことができる。膨張ゾーン３９０は、より大きな流れ範囲のために、ライナ１５０の膨らんだ形状４００を有することができる。膨張ゾーン３９０は、おおむね軸対称な形状であってよい。膨張ゾーン３９０は、トランジションピース１３０に向かって延在することができる。本明細書では、いくつかの希釈／トリムジェット４１０を使用することができる。リーン燃焼の安定化のために、１つまたは複数のリーン再循環ゾーン４２０が、そこに形成されてよい。他の構成要素および他の構成もまた、本明細書で使用されてよい。
【００１９】
使用中、インピンジメントスリーブ１７０を介してライナ１５０を冷却する空気２０の流れを介して、燃焼器１００をインピンジメント冷却することができる。したがって、流路１８０に沿って延びる空気２０の流れは、その中で予熱されてよい。空気２０の流れを、空気噴射器２８０を介して、トラップ渦空洞２３０の中に入れることができる。同様に、燃料３０の流れを、前部壁燃料噴射器２９０および後部壁燃料噴射器３００を介して、トラップ渦空洞２３０の中に入れることができる。ガス燃料噴射器３１０および／または液体燃料噴射器３２０が使用されてもよい。このようにして、トラップ渦空洞２３０は、その中で渦３３０を形成する。トラップ渦空洞２３０は、液体燃料をおおむね完全に蒸発させるためだけでなく、低温リッチ燃焼のための適切な混合および化学量論比、すなわち、およそ１．５よりも大きな当量比のために、十分な滞留時間を提供する。具体的には、トラップ渦空洞２３０は、低温において安定したリッチ燃焼を提供する。
【００２０】
燃焼ガス３５は次いで、短時間極度急冷ゾーン３４０の中に流れ込む。短時間極度急冷ゾーン３４０で提供された急冷流れ２２５、３８５は、燃焼ガス３５の炎を消火させるように、十分な高歪み速度および強度を有してもよい。具体的には、短時間極度急冷ゾーン３４０が、スロット３７０およびヘリングボーンパターン３８０を介した急冷空気噴射器３６０からの外側急冷流れ３８５と、中央ジェット２００のスワラ２２０からの高旋回急冷流れ２２５との間に、トラップ渦空洞２３０からのリッチ燃焼生成物４３０の流れを挟み込む。このようにして、急冷流れ２２５、３８５の強度および歪みが、高温燃焼を防止し、同時に膨張ゾーン３９０の下流のリーン燃焼のために迅速に混合する。短時間極度急冷ゾーン３４０の下流にある膨張ゾーン３９０の膨らんだ形状４００は次いで、安定化およびリーン燃焼を、すなわち、比較的低温でのおよそ０．４９よりも少ない当量比を提供する。他の構成要素および他の構成もまた、本明細書で使用されてよい。
【００２１】
本明細書で説明した燃焼器１００における短時間極度急冷ゾーン３４０の使用は、重油燃料その他などの燃料結合窒素の高い液体燃料の燃焼に、低窒素酸化物の解決策を提供する。したがって、短時間極度急冷ゾーン３４０の急冷流れ２２５、３８５は、触媒などを必要とせずに、低排出物による低温燃焼を可能にする。
【００２２】
以上は、本出願および結果としての特許の特定の実施形態のみに関することは明らかなはずである。この中で、当業者は、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義されたとおりの本発明の全体的な主旨および範囲から逸脱せずに、多くの変更形態および修正形態を行うことができる。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ガスタービンエンジン
１５  圧縮機
２０  空気
２５  燃焼器
３０  燃料
３５  燃焼ガス
４０  タービン
４５  シャフト
５０  負荷
１００  燃焼器
１１０  端部カバー
１２０  頭端部
１３０  トランジションピース
１４０  尾端部
１５０  ライナ
１６０  燃焼ゾーン
１７０  インピンジメントスリーブ
１８０  流路
１９０  ケーシング
２００  中央ジェット
２１０  中央空気噴射器
２２０  スワラ
２２５  高旋回急冷流れ
２３０  トラップ渦空洞
２４０  後部壁
２５０  前部壁
２６０  外側壁
２７０  空洞開口
２８０  空気噴射器
２９０  前部壁燃料噴射器
３００  後部壁燃料噴射器
３１０  ガス燃料噴射器
３２０  液体燃料噴射器
３３０  渦
３４０  短時間極度急冷ゾーン
３５０  くびれた形状
３６０  急冷空気噴射器
３７０  スロット
３８０  ヘリンボーン状のパターン
３８５  外側急冷流れ
３９０  膨張ゾーン
４００  膨らんだ形状
４１０  トリムジェット
４２０  リーン再循環ゾーン
４３０  リッチ燃焼生成物
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013253767.tif 000005