(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービン用の遅延希薄噴射システムに関し、燃焼器ライナおよび移行ダクトに対する損傷を最小化するように設計されたノズル組立体を有する遅延希薄噴射システムを提供する。【解決手段】燃焼器と、燃焼器の内部に配置された燃焼器ライナ１５とを含む燃焼システム１１が提供される。燃焼器ライナ１５の上流側端部に近接して配置された１次燃焼領域に燃料を供給するために、少なくとも１つの１次燃料ノズル１３が用意される。燃焼器ライナ１５の下流側端部に移行ダクト２１が結合される。移行ダクト２１の表面領域のピーク熱負荷を低減するようにあらかじめ定められた位置の２次燃焼領域に燃料を供給するために、２次ノズル組立体２７が、燃焼器の下流側端部に近接して配置される。燃焼器ライナ１５の後部２３上の有利な位置に２次ノズル組立体２７を配置することにより、ホットスポットの顕著な減少を達成する。【選択図】図１
2013250047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器と、
上流側端部、下流側端部および周縁部を有し、前記燃焼器の内部に配置された燃焼器ライナと、
前記燃焼器ライナの前記上流側端部に近接して配置された１次燃焼領域に燃料を供給するための少なくとも１つの１次燃料ノズルと、
表面領域を有し、前記燃焼器ライナの前記下流側端部に結合された移行ダクトと、
前記燃焼器の前記下流側端部に近接して配置された２次ノズル組立体であって、前記移行ダクトの前記表面領域のピーク熱負荷を低減するようにあらかじめ定められた位置の２次燃焼領域に燃料を供給するための２次ノズル組立体とを備える燃焼システム。
【請求項２】
前記２次ノズル組立体が、前記移行ダクトの前記表面領域上のピーク熱負荷を低減するように選択された所定数の２次ノズルを備える請求項１記載の燃焼システム。
【請求項３】
前記所定数の２次ノズルが、前記燃焼器ライナの前記周縁部を通って配置される請求項２記載の燃焼システム。
【請求項４】
前記所定数の２次ノズルが、前記燃焼器ライナの前記周縁部のまわりに前記移行ダクトの前記表面領域上のピーク熱負荷を低減するように選択された所定の角度で配置される請求項３記載の燃焼システム。
【請求項５】
前記２次ノズルの所定数が、前記移行ダクトの前記表面領域上の熱負荷分布を求める計算流体力学アプリケーションを用いて求められる請求項２記載の燃焼システム。
【請求項６】
前記２次ノズルの所定数が４である請求項２記載の燃焼システム。
【請求項７】
前記所定数の２次ノズルが、前記２次燃焼領域の中へ半径方向に燃料を噴射する請求項２記載の燃焼システム。
【請求項８】
前記燃焼器ライナと前記移行ダクトが単一の構成要素へと組み合わせられる請求項２記載の燃焼システム。
【請求項９】
圧縮機と、
前記圧縮機に結合された複数の燃焼器であって、前記複数の燃焼器のそれぞれが、
上流側端部、下流側端部および周縁部を有する燃焼器ライナ、
前記燃焼器ライナの前記上流側端部に近接して配置された１次燃焼領域に燃料を供給するための少なくとも１つの１次燃料ノズル、
表面領域を有し、前記燃焼器ライナの前記下流側端部に結合された移行ダクト、および
前記燃焼器ライナの前記下流側端部に近接して配置され、前記移行ダクトの前記表面領域のピーク熱負荷を低減するようにあらかじめ定められた位置の２次燃焼領域に燃料を供給するための２次ノズル組立体を有する複数の燃焼器とを備えるガスタービン。
【請求項１０】
前記２次ノズル組立体が、前記移行ダクトの前記表面領域上のピーク熱負荷を低減するように配置された少なくとも１つの２次ノズルを備える請求項９記載のガスタービン。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの２次ノズルが、前記燃焼器ライナの前記周縁部を通って配置される請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１２】
前記２次ノズル組立体が、前記燃焼器ライナの前記周縁部のまわりに前記移行ダクトの前記表面領域上のピーク熱負荷を低減するように選択された所定の角度で配置された複数のノズルを備える請求項９記載のガスタービン。
【請求項１３】
前記２次ノズル組立体が、前記移行ダクトの前記表面領域上の熱負荷分布を求める計算流体力学アプリケーションを用いて求められた所定数のノズルを備える請求項９記載のガスタービン。
【請求項１４】
前記ノズルの所定数が４である請求項１１記載のガスタービン。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの２次ノズルが、前記２次燃焼領域へ半径方向に燃料を噴射する請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１６】
前記燃焼器ライナと前記移行ダクトが単一の構成要素へと組み合わせられる請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１７】
燃焼器ライナの上流側端部に近接した１次燃焼領域で第１の燃料流れを燃焼させるステップと、
前記燃焼器ライナの下流側端部に近接して配置された２次燃焼領域へ燃焼ガスを流すステップと、
第２の燃料流れを、前記燃焼器ライナを通って配置された所定数のノズルを通して前記２次燃焼領域に噴射するステップであって、前記所定数のノズルが、前記燃焼器ライナに結合された移行ダクトの表面のピーク熱負荷を低減するように選択されたものであるステップとを含む、移行ダクト上の熱負荷プロファイルを制御する方法。
【請求項１８】
第２の燃料流れを噴射する前記方法の要素が、第２の燃料流れを、前記燃焼器ライナのまわりに所定の角度で配置された所定数のノズルを通して噴射するステップであって、前記所定の角度は、前記移行ダクトの前記表面のピーク熱負荷を低減するように選択されたものであるステップを含む請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記ノズルの所定数が、前記移行ダクトの前記表面の熱負荷分布を求める計算流体力学アプリケーションを用いて求められる請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の燃料流れを噴射する前記方法の要素が、第２の燃料流れを、前記２次燃焼領域へ半径方向に噴射するステップを含む請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記所定数のノズルが複数のノズルを備える請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記複数のノズルが、少なくとも４つのノズルを備える請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
ＣＦＤを用いて、仮想ライナの中の少なくとも１つのホットスポット位置を求めるステップと、
前記少なくとも１つのホットスポット位置に基づいて、噴射ノズルの最適な数を求めるステップと、
前記最適数の噴射ノズルを有する実際のライナを製作するステップと含む、ガスタービン用の燃焼器サブシステムを構成する方法。
【請求項２４】
前記仮想ライナに結合された仮想トランジションピースの熱負荷プロファイルを、前記最適数の噴射ノズルに基づいて求めるステップと、
前記最適数の噴射ノズルの前記仮想位置を変化させて、仮想位置の各組に関して新規の熱負荷プロファイルを求めるステップと、
仮想位置の各組に関する前記熱負荷プロファイルに基づいて、前記最適数の噴射ノズルの最適な仮想位置を求めるステップとをさらに含む請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
実際のライナを製作する前記方法の要素が、前記最適仮想位置に相当する位置に配置された最適数の噴射ノズルを有する実際のライナを製作するステップを含む請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記最適仮想位置は、前記トランジションピースの前記熱負荷プロファイルが、より少ない数のトランジションピースのホットスポットを示す位置である請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記実際のライナが、実際のトランジションピースとともに単一の構成要素へと組み合わせられる請求項２５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、一般にガスタービン用の遅延希薄噴射システムに関し、より具体的には、燃焼器ライナおよび移行ダクトに対する損傷を最小化するように設計されたノズル組立体を有する遅延希薄噴射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムは、一般に、圧縮機サブシステム、燃焼器サブシステム、燃料噴射サブシステム、およびタービンサブシステムを含む。
【０００３】
一般に、圧縮機サブシステムが流入空気を加圧し、次いで、この空気が、燃焼器サブシステムに運ばれ、燃焼プロセスに空気を供給し、かつ冷却するのに用いられる。圧縮機サブシステムは、圧縮機ロータ、圧縮機ブレード、圧縮機ステータ、圧縮機外筒および圧縮機排気外筒を含む。一般的な圧縮機サブシステムは、変化するインレットガイドベーンを有する複数の段を有してよい。冷却のために、段のいくつかの間に空気を引き出してよい。
【０００４】
燃焼器サブシステムは、少なくとも１つの燃焼器および点火機構を含んでよい。燃焼器は、燃焼器外筒、流れスリーブ、ライナ、少なくとも１つのノズルおよびトランジションピースを含んでよい。各燃焼器が、流れスリーブと、流れスリーブの内部で実質的に同心状に配置された燃焼器ライナとを含む。流れスリーブおよび燃焼器ライナの両方が、下流または後端の２重壁のトランジションピースと、上流または前端の燃焼器ライナキャップ組立体の間に延在する。各燃焼器の内部に、円筒状のライナおよびライナキャップ組立体がある。ライナおよびライナキャップ組立体が、燃料を燃やす燃焼室を画定する。
【０００５】
各燃焼器は、燃焼室の中に燃料または空気燃料混合物を噴射する少なくとも１つの燃料ノズルを含んでよい。燃料ノズルは、とりわけ、チューブの中のチューブ噴射器、渦噴射器、リッチ触媒噴射器の構成、およびマルチチューブノズル設計を含むがこれらに限定されないさまざまな設計のものでよい。
【０００６】
トランジションピースは、熱ガスを燃焼室からタービンノズルへ導く。トランジションピースは、出口でタービンノズルに向かう環状部分に合わせた円形の入口トランジションを有する。漏洩流を制御するために、両方の結合位置でシールが利用されている。
【０００７】
圧縮機サブシステムおよび燃焼器サブシステムによって生成された高温の加圧ガスからのエネルギーは、機械エネルギーに変換される。タービン部分は、燃焼ラッパー、タービンロータ、タービンシェル、排気フレーム、排気拡散器、ノズルおよびダイアフラム、静止シュラウド、ならびに後部軸受け組立体から成る。タービンロータ組立体は、前部軸、少なくとも１つのタービンホイール、ならびに後部タービン軸および複数の動翼から成る。
【０００８】
タービン動翼は、蒸気またはガス流れを導くためにタービンロータの周辺のまわりで組み立てられた羽根状の翼である。タービン動翼は、タービンホイールのリムの合わせ抜き穴の中に収まるファートリダブテールを有するホイールに取り付けられている。タービン部分は、動翼へのガス流れを導くノズル（固定羽根）の１つまたは複数の組も有してよい。
【０００９】
いくつかのガスタービンシステムは、燃焼器の内部の燃料および空気の滞留時間を短縮することによってＮＯｘ形成を低減する方法として、遅延希薄噴射（ＬＬＩ）システムを使用する。ＬＬＩは、主燃焼帯から下流の軸方向の位置で、燃焼器の中へ燃料および空気の一部分を噴射する。ＬＬＩシステムは、ガスタービンシステムの構成要素に対して非常に苛酷な排気ガス出口プロファイルを形成する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０２７７４８１号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
限定的でない例示の一実施形態によれば、本発明は、燃焼器と、燃焼器の内部に配置された燃焼器ライナとを含む燃焼システムに関する。燃焼器ライナは、上流側端部、下流側端部および周縁部を有する。燃焼器ライナの上流側端部に近接して配置された１次燃焼領域に燃料を供給するために、少なくとも１つの１次燃料ノズルが用意される。燃焼器ライナの下流側端部に、表面領域を有する移行ダクトが結合される。移行ダクトの表面領域のピーク熱負荷を低減するようにあらかじめ定められた位置の２次燃焼領域に燃料を供給するために、２次ノズル組立体が、燃焼器の下流側端部に近接して配置される。
【００１２】
別の実施形態では、圧縮機と、圧縮機に結合された複数の燃焼器を有するガスタービンとが提供される。各燃焼器は、上流側端部、下流側端部および周縁部を有する燃焼器ライナと、１次燃焼領域に燃料を供給するための少なくとも１つの１次燃料ノズルとを含む。少なくとも１つの１次ノズルが、燃焼器ライナの上流側端部に近接して配置されている。燃焼器は、燃焼器ライナの下流側端部に結合された移行ダクト、および移行ダクトの表面領域のピーク熱負荷を低減するようにあらかじめ定められた位置の２次燃焼領域に燃料を供給するための、燃焼器ライナの下流側端部に近接して配置された２次ノズル組立体も含む。
【００１３】
別の実施形態では、移行ダクト上の熱負荷プロファイルを制御する方法は、燃焼器ライナの上流側端部に近接した１次燃焼領域で第１の燃料流れを燃焼させるステップと、燃焼器ライナの下流側端部に近接して配置された２次燃焼領域へ燃焼ガスを流すステップと、第２の燃料流れを、燃焼器ライナを通って配置された所定数のノズルを通して２次燃焼領域に噴射するステップであって、所定数のノズルは、燃焼器ライナに結合された移行ダクトの表面のピーク熱負荷を低減するように選択されたものであるステップとを含む。
【００１４】
本発明の他の特徴および利点が、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から、本発明の原理を一例として示す添付図面とともに解釈されて明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】２次ノズル組立体を含む燃焼器の実施形態の断面図である。
【図２】一実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの側面図である。
【図３】一実施形態の燃焼器ライナの後部を横切って２次ノズルの角度位置を示す断面図である。
【図４】２次ノズルの角度配置を示す、第１の実施形態の燃焼器ライナの後部を横切る断面図である。
【図５】第１の実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの表面の熱負荷分布を示す上面図である。
【図６】第１の実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの表面の熱負荷分布を示す第１の側面図である。
【図７】第１の実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの表面の熱負荷分布を示す第２の側面図である。
【図８】第２の実施形態の燃焼器ライナの後部を横切って２次ノズルの角度配置を示す断面図である。
【図９】第２の実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの表面の熱負荷分布を示す上面図である。
【図１０】第２の実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの表面の熱負荷分布を示す第１の側面図である。
【図１１】第２の実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの表面の熱負荷分布を示す第２の側面図である。
【図１２】第３の実施形態の燃焼器ライナの後部を横切って２次ノズルの角度配置を示す断面図である。
【図１３】第３の実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの表面の熱負荷分布を示す上面図である。
【図１４】第３の実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの表面の熱負荷分布を示す第１の側面図である。
【図１５】第３の実施形態の燃焼器ライナの後部および移行ダクトの表面の熱負荷分布を示す第２の側面図である。
【図１６】一実施形態の出口プロファイル分布を示す図である。
【図１７】移行ダクト上の熱負荷プロファイルを制御する方法を示す流れ図である。
【図１８】燃焼器ライナを製作する方法を示す流れ図である。
【図１９】遅延希薄噴射システムを有するタービンシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
遅延希薄噴射システム（ＬＬＩシステム１）の実施形態が図１に示されている。ＬＬＩシステム１は、燃焼器組立体３および移行ダクト組立体５を含む。燃焼器組立体３は、燃焼器外筒７、流れスリーブ９、およびエンドカバー組立体１１を含んでよい。燃焼器組立体３は、燃料源（図示せず）および燃焼器ライナ１５に結合された１次ノズル組立体１３も含む。移行ダクト組立体５は、内側の移行ダクト壁２１を有する移行ダクトを含む。燃焼器ライナ１５は、１つまたは複数の２次ノズル２７を有してもよい燃料源（図示せず）に結合された２次ノズル組立体２５を支持するように適合された燃焼器ライナ後部２３を含む。燃焼器組立体３からの排気ガスは、タービン（単一のブレード２８で表されている）を駆動するのに用いられる。
【００１７】
燃焼器ライナ１５およびエンドカバー組立体１１が、１次燃焼領域３１および２次燃焼領域３３を画定する。２次ノズル組立体２５は、１次燃焼領域３１から下流の軸方向の位置の２次燃焼領域３３に、燃料および空気の一部分を噴射する。
【００１８】
２次燃焼領域３３で燃焼された燃料および空気は、２次ノズル組立体２５があるために、燃焼器を通って伝わる距離がより短くなる。そのため、燃料と空気の十分な混合が起こる限り、１次燃焼領域３１および２次燃焼領域３３で燃焼した燃料および空気が形成するＮＯｘは、一般により少なくなる。
【００１９】
２次ノズル２７の数および位置は、移行ダクト１７および燃焼器ライナの後部２３の表面の熱負荷分布に対して顕著な影響を及ぼす。熱負荷は、単位温度当りの、単位時間で単位面積を横切る熱エネルギーの量である。この影響は計算流体力学（ＣＦＤ）解析を用いて示すことができる。
【００２０】
ＣＦＤは、模型実験ではなく、数値的方法を用いて、熱ガス流れからさまざまな構成要素への熱伝達を正確に計算するのに用いられる。液体およびガスと、境界条件によって定義された表面との相互作用をシミュレートするのに必要な計算を遂行するのに、コンピュータが使用される。一般に、ＣＦＤは、流路（例えば仮想の燃焼器ライナ１５および移行ダクト１７）と、ノズルおよび燃料噴射などの流れを乱すさまざまな構成要素との両方の幾何形状の詳細情報を必要とする。燃焼器ライナ１５および移行ダクト１７を通るガス流れのＣＦＤ解析から、構成要素の全体にわたる位置における熱負荷の値が得られる。熱負荷の値は、構成要素においてホットスポットが生じる位置を示す。
【００２１】
仮想の、燃焼器ライナの後部２３および燃焼器ライナの後部２３の周縁部におけるさまざまな位置に配置された１つまたは複数の２次ノズル２７を有する移行ダクト１７を使用して、一連のＣＦＤ研究を行なった。これらの研究の結果は、燃焼器ライナの後部２３上の有利な位置に２次ノズル２７を配置することにより、ホットスポットの顕著な減少を達成することができることを示す。
【００２２】
図２および図３には、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１が示されている。図３に示された一実施形態では、燃焼器ライナの後部２３の周縁部のまわりに、４つの２次ノズル２７が配置されてよい。２次ノズル２７の位置は、隠れた縦軸の位置および角度測定によって明らかになり得る。例えば、図３では、第１の２次ノズル２７は垂直から角度αで配置されている。第２のノズルは、垂直から９０°−βの角度で配置して示されている。第３のノズルは１８０°＋θの角度で、また第４のノズルは２７０°＋Φの角度で配置して示されている。
【００２３】
図５〜図７には、仮想の燃焼器ライナの後部２３および仮想の内側の移行ダクト壁２１の表面の熱負荷分布に関するＣＦＤの結果が示されている。図４〜図７の実例では、４つの２次ノズル２７が、αが９０°、βがＡ°、θがＡ°、Φが０°といった構成で、燃焼器ライナの後部２３の周縁部のまわりに配置されている。図５は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の上部に沿った熱負荷分布を示す。図６は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の第１の側に沿った熱負荷分布を示す。図７は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の第２の側に沿った熱負荷分布を示す。図５〜図７が示すように、この構成では顕著なホットスポット（熱負荷＞４００）が明白である。これらのホットスポットは、実際の燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の寿命に悪影響を及ぼすことになる。
【００２４】
図８〜図１１の実例では、４つの２次ノズル２７が、αがＡ°、βが０．５×Ａ°、θが１．５×Ａ°、ΦがＡ°といった構成で、燃焼器ライナの後部２３の周縁部のまわりに配置されている。図９は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の上部に沿った熱負荷分布を示す。図１０は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の第１の側に沿った熱負荷分布を示す。図１１は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の第２の側に沿った熱負荷分布を示す。図９〜図１１が示すように、この構成では、図５〜図７と比較してホットスポットの顕著な減少がある。このことは、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１に、より長い製品寿命をもたらすはずである。
【００２５】
図１２〜図１５の実例では、４つの２次ノズル２７が、αがＡ°、βが１．２×Ａ°、θが０．４４×Ａ°、ΦがＢ°といった構成で、燃焼器ライナの後部２３の周縁部のまわりに配置されている。図１３は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の上部に沿った熱負荷分布を示す。図１４は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の第１の側に沿った熱負荷分布を示す。図１５は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１の第２の側に沿った熱負荷分布を示す。図１３〜図１５が示すように、この構成では、図５〜図７と比較してホットスポットの顕著な減少がある。このホットスポットの減少は、燃焼器ライナの後部２３および内側の移行ダクト壁２１に、より長い製品寿命をもたらすはずである。
【００２６】
２次ノズル２７の配置のさらなる利点には、移行ダクト出口におけるより好ましい出口プロファイルがある。エンジン製造業者は、燃焼器の出口プロファイルを指定し、かつ測定することにより、熱勾配性能を評価する。
【００２７】
目標は、実際のプロファイルを設計プロファイルと一致させることである。図１６は、図１２〜図１５に示された実施形態に関して計算された出口プロファイルを示す。
【００２８】
噴射の配置および方法は、燃焼器およびタービンの構成要素の寿命に大きな影響を及ぼすことになる。さまざまな噴射方法のＣＦＤ解析により、渦の影響を含むヘッドエンドからのピーク熱負荷を最初に求め、次いでヘッドエンドの影響を受ける領域のまわりに２次ノズル２７を設置することによって噴射器の量および位置を決定することにより、構成要素に対する影響が大幅に低減され得ることが示された。
【００２９】
図１７は、移行ダクト１７上の熱負荷プロファイルを制御する方法（方法４１）を示す流れ図である。方法４１は、方法の要素４３において、仮想トランジションピースの最適な熱負荷プロファイルを求めてよい。方法４１は、最適な熱負荷プロファイルから、２次ノズル２７の数および位置を求めてよい（方法の要素４５）。ノズルの数はＣＦＤを用いて求められてよく、また、ノズルは、燃焼器ライナのまわりに所定の角度で配置されてよく、所定の角度は、移行ダクト１７の表面のピーク熱負荷を低減するように選択される。方法４１は、１次燃焼領域において第１の燃料流れを燃焼させてよい（方法の要素４７）。方法４１は、燃焼ガスを２次燃焼領域３３へ流す（方法の要素４９）。方法４１は、最適な熱負荷プロファイルを達成する位置における２次燃焼領域３３に、２次燃料流れを噴射してよい（方法の要素５１）。２次燃料流れは、２次燃焼領域へ半径方向に噴射されてよい。本明細書に用いられる「最適な熱負荷プロファイル」は、燃焼器ライナの後部２３および移行ダクト１７上の、ホットスポットが最小限の熱負荷分布を意味する。本明細書で図４〜図１５の実例に関して用いられる「ホットスポット」は、好ましくは１の熱負荷を、より好ましくは０．７５を上回る熱負荷を、最も好ましくは０．５を上回る熱負荷を意味する。
【００３０】
図１８は、燃焼器ライナを構成する方法（方法６１）の実施形態を示す流れ図である。方法６１は、使用される２次噴射器のタイプを求めてよい（方法の要素６２）。方法６１は、所与のタイプの２次ノズルを有する仮想の燃焼器ライナ１５上に成長し得るホットスポットを求めてよい（方法の要素６３）。これは、燃焼器組立体３、燃焼器ライナ１５および移行ダクト１７の幾何形状を含む仮想の燃焼器組立体３においてＣＦＤを用いて達成され得る。方法６１は、仮想の移行ダクトまたはライナ上のホットスポットを最小化するのに必要な２次噴射ノズルの位置を求めてよい（方法の要素６５）。渦の影響を含む、ヘッドエンド（エンドカバー組立体１１）からのピーク熱負荷を求め、次いでヘッドエンドの影響を受ける領域のまわりに２次ノズル２７を設置することによって噴射器の量および位置を求めてよい。一般に、２次ノズルは、ハードウェア寿命を最適化するように、ピーク熱負荷領域から離して配置することになる。方法６１は、仮想移行ダクト上のホットスポットを求めてよい（方法の要素６７）。方法６１は、移行ダクト１７上のホットスポットを最小化するのに必要な２次ノズル２７の位置を求めてよい（方法の要素６９）。方法６１は、２次ノズル２７の数および位置に基づいて、２次ノズル２７のタイプ、数および位置に対応するように実際の燃焼器ライナを製作してよい（方法の要素７１）。
【００３１】
本明細書に開示されたシステムおよび方法により、ハードウェアの耐久性に顕著な改善が得られ、修繕費が削減される。さらに、本明細書に開示されたシステムおよび方法がハードウェア寿命の余裕を拡大することにより、新技術の導入が可能になる。ＬＬＩシステム１の動作可能領域は、１次燃焼領域３１を通る流れと２次燃焼領域３３を通る流れの間の分割を制御することにより、動作可能領域を増大させるのに用いることができる。一般に、動作領域は、少なくとも１つの境界が熱音響ダイナミクスによって制限される。放出速度に影響を及ぼす流れの方向を、１次燃焼領域３１から２次燃焼領域３３に変えると、熱音響周波数が変化することになり、その後、ハードウェアに対する熱音響の共振周波数が変わって、動作領域を広げるという目的が達成されることになる。
【００３２】
図１９は、圧縮機７７、１つまたは複数のＬＬＩシステム１、タービン２８および軸７９を有するガスタービン７５を示す。軸７９は、タービン２８および圧縮機７７に結合されている。ガスタービン７５は、制御システム８１も含んでよい。吸気ダクト８３は、圧縮機７７に、周囲空気と、場合によっては噴射水とを供給する。吸気ダクト８３は、吸気ダクト８３を通って圧縮機７７のインレットガイドベーン８５に流れる周囲空気の圧力損失に寄与する、ダクト、フィルタ、遮蔽物および吸音装置を有してよい。排気ダクト８７は、タービン２８から例えば、排気ガス制御装置および吸音装置を通して燃焼ガスを導く。
【００３３】
タービン２８は、電力を生成する発電機８９を駆動してよい。ガスタービン７５の動作は、ガスタービン７５および周囲の環境のさまざまな状態を検出するセンサを有するいくつかのセンサモジュール９１、９３、９５および９７によって監視されてよい。例えば、温度センサは、ガスタービンを取り巻く室温、圧縮機放出物温度、タービン排気ガス温度、およびガスタービンを通るガス流れの他の温度測定を監視してよい。
【００３４】
圧力センサは、周囲の圧力と、圧縮機の入口および出口、タービン排気、ガスタービンを通るガス流れの他の位置における静圧レベルおよび動圧レベルとを監視してよい。例えば乾湿球温度計といった湿度センサ２６が、圧縮機の吸気ダクトの中の周囲湿度を測定する。センサモジュール９１、９３、９５および９７は、流量センサ、速度センサ、火炎検出器センサ、弁位置センサ、インレットガイドベーン角度センサ、またはガスタービン７５の動作に関するさまざまなパラメータを感知するものなども含んでよい。本明細書に用いられる「パラメータ」は、温度、圧力、およびガスタービン７５の中の定義された位置におけるガス流れなど、タービンの動作条件を明らかにするのに用いられ得る項目を指す。これらのパラメータは、所与のタービン動作状態を表すのに用いることができる。
【００３５】
燃料制御システム９９は、燃料供給１００からＬＬＩシステム１へ流れる燃料を調節する。燃料制御システム９９は、１次ノズル組立体１３および２次ノズル組立体２５に流れ込む燃料と、１次燃焼領域および２次燃焼領域の中に流れ込む２次空気と混合された燃料との間の分割を調節してもよい。燃料制御システム９９は、ＬＬＩシステム１向けの燃料のタイプを選択してもよい。燃料制御システム９９は、個別の装置でよく、より大きな制御システム１０１の構成要素でもよい。燃料制御システムは、１次ノズル組立体１３に流れる燃料の部分および２次ノズル組立体２５に流れる燃料の部分を決定する燃料分割命令を生成し、かつ実施してよい。制御システム１０１は、ニューヨーク州スケネクタディのＧＥ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ＆  ６５  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓによって出版された、Ｒｏｗｅｎ，Ｗ．Ｉの「ＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ（商標）  Ｍａｒｋ  Ｖ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」、ＧＥ−３６５８Ｄに説明されているものなど、Ｇｅｎｅｒａｌ  ＥｌｅｃｔｒｉｃのＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ（商標）ガスタービン制御システムでよい。制御システム１０１は、センサ入力および人間オペレータからの指令を用いて、ガスタービンの動作を制御するプログラムを実行するプロセッサを有するコンピュータシステムでよい。制御システム１０１によって実行されるプログラムは、ＬＬＩシステム１への燃料流れを調節するためのスケジューリングアルゴリズムを含んでよい。制御システム１０１によって生成される命令が、アクチュエータ１０３に、流れ、燃料分割、および燃焼器に流れる燃料のタイプを調節させてよい。
【００３６】
ＬＬＩシステム１は、１次ノズル組立体１３への燃料の流れと２次ノズル組立体２５への燃料の流れの間の分割を制御することにより、動作可能領域を増大させるのに用いることができる。一般に、ガスタービン７５の動作領域は、構成要素への熱負荷に加えて、熱音響ダイナミクスによって限定され得る。１次燃焼領域３１と２次燃焼領域３３の中の流れの割合を変えると、放出速度に影響を及ぼし、その結果として熱音響周波数を変化させることになる。熱音響周波数を変化させると、熱音響に対するハードウェアの共振周波数を変更することになり、熱負荷を許容値の範囲内に維持したまま動作領域を広げるという目的を達成することになる。
【００３７】
当業者には理解されるように、いくつかの例示的実施形態に関して上記で説明された多くの多種多様な特徴および構成が、本発明の別の可能な実施形態を形成するためにさらに選択的に適用され得る。簡潔さのために、また当業者の能力に配慮して、すべての組合せと、以下のいくつかの請求項によって、または別様に包含された可能な実施形態とが、本出願の一部分であるように意図されていても、すべての可能な繰返しが提供されている、または詳細に議論されているわけではない。さらに、本発明のいくつかの例示的実施形態の上記説明から、当業者なら、改良形態、変更形態および修正形態に気付くであろう。当業者の能力範囲内の、そのような改良形態、変更形態および修正形態も、添付の特許請求の範囲によって包含されるように意図されている。さらに、前述のものが、本出願の説明された実施形態にのみ関連し、多数の変更形態および修正形態が、本明細書の以下の特許請求の範囲およびその等価物によって定義される本出願の趣旨および範囲から逸脱することなく作製され得ることが明らかであろう。
【符号の説明】
【００３８】
１  ＬＬＩシステム
３  燃焼器組立体
５  移行ダクト組立体
７  燃焼器外筒
９  流れスリーブ
１１  エンドカバー組立体
１３  １次ノズル組立体
１５  燃焼器ライナ
１７  移行ダクト
２１  内側の移行ダクト壁
２３  燃焼器ライナの後部
２５  ２次ノズル組立体
２７  ２次ノズル
２８  タービン（ブレード）
３１  １次燃焼領域
３３  ２次燃焼領域
４１  熱伝達係数のプロファイルを制御する方法
４３  仮想トランジションピースの最適なＨＴＣプロファイルを求める
４５  最適なプロファイルを達成するための２次ノズルの数および位置を求める
４７  １次燃焼領域において第１の燃料流れを燃焼させる
４９  燃焼ガスを２次燃焼領域へ流す
５１  最適なプロファイルを達成する位置における２次燃焼領域に、複数の２次燃料流れを噴射する
６１  燃焼器ライナを構成する方法
６３  ＣＦＤを用いて仮想ライナ上のホットスポットを求める
６５  ライナ上のホットスポットを最少化するための２次噴射ノズルの数を求める
６７  仮想移行ダクト上のホットスポットを求める
６９  移行ダクト上のホットスポットを最少化するための２次噴射ノズルの位置を求める
７１  ２次ノズルの数および位置に対応するように燃焼器ライナを製作する
７５  ガスタービン
７７  圧縮機
７９  軸
８１  制御システム
８３  吸気ダクト
８５  前置靜翼
８７  排気ダクト
８９  発電機
９１  センサ
９３  センサ
９５  センサ
９６  センサ
９７  センサ
９９  燃料制御システム
１００  燃料供給
１０３  アクチュエータ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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