(57)【要約】【課題】遅延希薄噴射装置を通って流れる作動流体の圧力および／または流れの変動を低減するための改善されたシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】作動流体を燃焼器へと供給するためのシステムは、燃料ノズルと、燃焼室と、燃焼室の周りに周方向に配置された燃料噴射装置とを含む。燃焼器ケーシングが燃焼室を囲む。分配マニホールドが燃料噴射装置を取り囲み、プレナムが燃焼器ケーシングを通過する。作動流体を燃焼器へと供給するための方法は、作動流体を圧縮機から燃焼室を通って流し、作動流体の一部分をプレナム内へと分流し、作動流体の分流部分を圧縮機および燃焼器の外側に流すことを含む。本方法は、作動流体の分流部分を燃焼器ケーシングを通って流し、燃焼室の周りに周方向に配置された燃料噴射装置を取り囲む分配マニホールドを通って流すことをさらに含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を燃焼器へと供給するためのシステムであって、
ａ．燃料ノズルと、
ｂ．前記燃料ノズルの下流の燃焼室と、
ｃ．前記燃料ノズルの下流の前記燃焼室の周りに周方向に配置された複数の燃料噴射装置と、
ｄ．前記燃焼室の少なくとも一部分を周方向に囲む燃焼器ケーシングと、
ｅ．前記複数の燃料噴射装置を取り囲む分配マニホールドと、
ｆ．作動流体が前記分配マニホールドへと流れる流体連通を提供するように前記燃焼器ケーシングを通過するプレナムとを含むシステム。
【請求項２】
前記分配マニホールドが前記燃焼器ケーシング内の前記燃焼室を周方向に囲む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記プレナムが前記分配マニホールドと流体連通する複数の分岐ラインを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記プレナムが前記燃焼器ケーシングを通過後に複数の分岐ラインへと分離する、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記プレナムが圧縮機から前記作動流体を受けるように構成された上流部分を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記プレナムが圧縮機ケーシングを通過する上流部分を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記プレナムが圧縮機ケーシングを通過する上流部分を含み、前記プレナムの少なくとも一部分が前記燃焼器の外側に延在する、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
作動流体を燃焼器へと供給するためのシステムであって、
ａ．圧縮機と、
ｂ．前記圧縮機の下流にあり、燃焼室および前記燃焼室の周りに周方向に配置された複数の燃料噴射装置を含む燃焼器と、
ｃ．前記圧縮機から前記燃焼器へと流れる作動流体を収容するように、前記燃焼器の少なくとも一部分を囲む燃焼器ケーシングと、
ｄ．前記複数の燃料噴射装置を取り囲む分配マニホールドと、
ｅ．前記作動流体の一部分が前記分配マニホールドへと流れる流体連通を提供するように、前記燃焼器ケーシングを通過するプレナムとを含むシステム。
【請求項９】
前記分配マニホールドが前記燃焼器ケーシング内の前記燃焼室を周方向に囲む、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記プレナムが前記分配マニホールドと流体連通する複数の分岐ラインを含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１１】
前記プレナムが前記燃焼器ケーシングを通過後に複数の分岐ラインへと分離する、請求項８記載のシステム。
【請求項１２】
前記プレナムが前記圧縮機から前記作動流体の前記一部分を受けるように構成された上流部分を含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１３】
前記プレナムが圧縮機ケーシングを通過する上流部分を含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１４】
前記プレナムが圧縮機ケーシングを通過する上流部分を含み、前記プレナムの少なくとも一部分が前記圧縮機および前記燃焼器の外側に延在する、請求項８記載のシステム。
【請求項１５】
作動流体を燃焼器へと供給するための方法であって、
ａ．作動流体を圧縮機から燃焼室を通って流すステップと、
ｂ．前記作動流体の一部分をプレナム内へと分流するステップと、
ｃ．前記作動流体の分流部分を、前記圧縮機および前記燃焼器の外側に流すステップと、
ｄ．前記作動流体の前記分流部分を、前記燃焼室の少なくとも一部分を周方向に囲む燃焼器ケーシングを通って流すステップと、
ｅ．前記作動流体の前記分流部分を、前記燃焼室の周りに周方向に配置された複数の燃料噴射装置を取り囲む分配マニホールドを通って流すステップとを含む方法。
【請求項１６】
前記作動流体の前記分流部分を、前記分配マニホールド内の前記燃焼室の周りの周方向に流すステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記作動流体の前記分流部分を、前記分配マニホールドと流体連通する複数の分岐ラインへと分離するステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記作動流体の前記分流部分を、前記燃焼器ケーシングを通過後に複数の分岐ラインへと分離するステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記作動流体の前記分流部分を、圧縮機ケーシングを通って流すステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
前記作動流体の前記分流部分を、圧縮機ケーシングを通り、前記燃焼器の外側に流すステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、作動流体を燃焼器へと供給するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼器は一般に、高温および高圧の燃焼ガスを生成するように燃料に点火するために、工業および発電工程で使用される。例えば、ガスタービンは通常、電力または推力を生成する１つまたは複数の燃焼器を含む。電力を生成するために使用される典型的なガスタービンは、前部に軸流式圧縮機、中間付近に１つまたは複数の燃焼器、後部にタービンを含む。周囲空気が圧縮機に供給され、圧縮機の動翼および静翼が作動流体（空気）に漸増的に運動エネルギーを与えることによって、高エネルギー状態の圧縮された作動流体を生成することができる。圧縮された作動流体は圧縮機から出て、１つまたは複数のノズルを通って流れ、それぞれの燃焼器の燃焼室内へと入り、そこで圧縮された作動流体が燃料と混合し、点火して高温および高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスはタービン内で膨張して仕事を行う。例えば、タービン内で燃焼ガスが膨張することによって、発電機に連結されたシャフトが回転して、電気を生成することができる。
【０００３】
様々な設計および動作パラメータが、燃焼器の設計および動作に影響を与える。例えば、燃焼ガスの温度が高いほど、一般に燃焼器の熱力学効率が向上する。しかし、燃焼ガス温度が高いほど、燃焼炎がノズルによって供給される燃料に向かって移動するフラッシュバックまたは保炎状態も促進され、比較的短時間でノズルに重大な損傷を生じる可能性がある。さらに、燃焼ガス温度が高いほど、一般に二原子窒素の解離率が増加し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が増加する。反対に、燃料流の低下および／または部分負荷運転（ターンダウン）に関連して燃焼ガス温度が低くなるほど、一般に燃焼ガスの化学反応速度が低下し、一酸化炭素および未燃炭化水素の生成が増加する。
【０００４】
特定の燃焼器設計では、遅延希薄噴射装置としても知られる１つまたは複数の燃料噴射装置を、ノズルの下流の燃焼室の周りに周方向に配置することができる。圧縮機から出た圧縮された作動流体の一部分が燃料噴射装置を通って流れ、燃料と混合して、希薄燃料空気混合気を生成することができる。次いで、追加燃焼のために希薄燃料空気混合気を燃焼室内へと噴射して、燃焼ガス温度を上昇し、燃焼器の熱力学効率を増加することができる。
【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２０１１／０１７９８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
遅延希薄噴射装置は、ＮＯｘ生成の増加を伴うことなく燃焼ガス温度を上昇するのに効果的である。しかし、圧縮機から出た圧縮された作動流体の圧力および流れは、燃焼室の周囲で実質的に変動することがある。その結果、遅延希薄噴射装置を通って流れる燃料空気比が大きく変動し、普通ならば燃焼室内への燃料の遅延希薄噴射によって得られる有益な効果が減少することがある。これまで、遅延希薄噴射装置を通る作動流体の流れをより均一にする試みが行われてきた。例えば、燃料噴射装置を通る作動流体の流れをより均一に調整するように、燃料噴射装置の一部分にスクープまたはシュラウドが設置されてきた。しかし、遅延希薄噴射装置を通って流れる作動流体の圧力および／または流れの変動を低減するための改善されたシステムおよび方法が有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様および利点は以下の説明に記載されており、または説明から明らかとなることができ、または本発明の実施によって理解することができる。
【０００８】
本発明の１つの実施形態は、燃料ノズルおよび燃料ノズルの下流の燃焼室を含む、作動流体を燃焼器へと供給するためのシステムである。複数の燃料噴射装置が、燃料ノズルの下流の燃焼室の周りに周方向に配置されている。燃焼器ケーシングが、燃焼室の少なくとも一部分を周方向に囲む。分配マニホールドが複数の燃料噴射装置を取り囲み、プレナムが、作動流体が分配マニホールドへと流れる流体連通を提供するように、燃焼器ケーシングを通過する。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、圧縮機および圧縮機の下流の燃焼器を含む、作動流体を燃焼器へと供給するためのシステムである。燃焼器は、燃焼室および燃焼室の周りに周方向に配置された複数の燃料噴射装置を含む。燃焼器ケーシングが、圧縮機から燃焼器へと流れる作動流体を収容するように、燃焼器の少なくとも一部分を囲む。分配マニホールドが、複数の燃料噴射装置を取り囲み、プレナムが、作動流体の一部分が分配マニホールドへと流れる流体連通を提供するように、燃焼器ケーシングを通過する。
【００１０】
本発明はまた、作動流体を燃焼器へと供給するための方法を含む。方法は、作動流体を圧縮機から燃焼室を通って流し、作動流体の一部分をプレナム内へと分流し、作動流体の分流部分を圧縮機および燃焼器の外側に流すことを含む。方法はさらに、作動流体の分流部分を、燃焼室の少なくとも一部分を周方向に囲む燃焼器ケーシングを通って流し、作動流体の分流部分を、燃焼室の周りに周方向に配置された複数の燃料噴射装置を取り囲む分配マニホールドを通って流すことを含む。
【００１１】
当業者は、本明細書を読めばこのような実施形態および他の実施形態の特徴および態様をより良く理解するであろう。
【００１２】
当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全かつ実施可能な開示が、添付の図面の参照を含む本明細書の以下の部分に、より詳細に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による、システムの簡略化された側面断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による、図１に示す燃焼器の簡略化された側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで本発明の実施形態が詳細に参照され、本発明の１つまたは複数の例が添付の図面に図示されている。詳細な説明では、図面中の特徴を参照するために数字および文字の表示を使用する。図面および説明において、発明の同一または同様の部品の参照には、同一または同様の表示を使用した。本明細書で使用される「第１」、「第２」および「第３」という用語は、１つの構成部品を別の構成部品と区別するために互換的に使用することができ、個々の構成部品の位置または重要性を表すものではない。さらに、「上流」および「下流」という用語は、流体経路における構成部品の相対的な位置をいう。例えば、流体が構成部品Ａから構成部品Ｂへと流れる場合、構成部品Ａは構成部品Ｂの上流にある。反対に、構成部品Ｂが構成部品Ａから流体流を受ける場合、構成部品Ｂは構成部品Ａの下流にある。
【００１５】
それぞれの例は、本発明を限定するのではなく説明のために提供される。実際、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、本発明に修正および変更を行うことができることが、当業者には明らかである。例えば、１つの実施形態の一部として図示または説明された特徴を別の実施形態で使用して、さらなる実施形態を得ることができる。したがって、本発明はそのような修正および変更が添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内にあるものとしてカバーするものである。
【００１６】
本発明の様々な実施形態は、作動流体を燃焼器へと供給するためのシステムおよび方法を含む。全体的にシステムは、燃焼室を周方向に囲む複数の遅延希薄噴射装置を含む。システムは作動流体の一部分を共通位置から分流し、または流し、作動流体の分流部分を、遅延希薄噴射装置を囲む分配マニホールドへと向かわせる。作動流体を１つの共通位置から引き出し、分配マニホールドへと供給することによって、システムは、燃焼室内へと噴射されるより均一な燃料空気混合気を生成するように、それぞれの遅延希薄噴射装置で分流された作動流体の圧力および／または流速の変動を低減する。本発明の例示的な実施形態は全体的に、例示のために、ガスタービンに組み込まれる燃焼器に関連して説明されるが、本発明の実施形態はどのような燃焼器にも適用することができ、特許請求の範囲において具体的に記載がない限り、ガスタービン燃焼器に限定されないことが当業者には容易に理解されよう。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による、システム１０の簡略化された断面図である。図示するように、システム１０は、前部に圧縮機１４、中間付近に径方向に配設された１つまたは複数の燃焼器１６および後部にタービン１８を有するガスタービン１２に組み込むことができる。圧縮機１４およびタービン１８は通常、電気を生成するように、発電機２２に連結された共通回転子２０を共有する。
【００１８】
圧縮機１４は、周囲空気などの作動流体２４が圧縮機１４に入り、静翼２６および動翼２８の交互段を通過する、軸流式圧縮機とすることができる。静翼２６および動翼２８が圧縮された作動流体２４の連続流を生成するように作動流体２４を加速し方向変換すると、圧縮機ケーシング３０は作動流体２４を収容する。圧縮された作動流体２４の大部分は、圧縮機排出プレナム３２を通って燃焼器１６へと流れる。
【００１９】
燃焼器１６は、当分野で既知の任意のタイプの燃焼器を含むことができる。例えば、図１に示すように、燃焼器ケーシング３４は、燃焼器１６へと流れる圧縮された作動流体２４を収容するように、燃焼器１６の一部または全部を周方向に囲むことができる。燃料を燃料ノズル３６の下流の燃焼室４０へと供給するように、１つまたは複数の燃料ノズル３６を端部カバー３８に径方向に配置することができる。可能な燃料には、例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、蒸発した液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素およびプロパンのうちの１つまたは複数を含む。圧縮された作動流体２４は、圧縮機排出プレナム３２から、燃焼室４０の外側に沿って流れ、端部カバー３８に達し、方向を反転して燃料ノズル３６を通って流れ、燃料と混合することができる。燃料と圧縮された作動流体２４との混合気は、燃焼室４０内へと流れ、そこで点火して高温および高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、尾筒４２を通ってタービン１８へと流れる。
【００２０】
タービン１８は、固定子４４および回転動翼４６の交互段を含むことができる。固定子４４の第１の段は、燃焼ガスをタービン動翼４６の第１の段へと方向変換し集める。燃焼ガスがタービン動翼４６の第１の段を通過すると、燃焼ガスは膨張し、タービン動翼４６および回転子２０を回転させる。次いで、燃焼ガスは、燃焼ガスを回転しているタービン動翼４６の次の段へと方向変換させる固定子４４の次の段へと流れ、この工程がその後の段で繰り返される。
【００２１】
図２は、本発明の一実施形態による、図１に示す燃焼器１６の簡略化された側面図である。図示するように、燃焼器１６は、燃料ノズル３６の下流の燃焼室４０の周りに周方向に配置された複数の燃料噴射装置５０を含む。燃料噴射装置５０は、燃料ノズル３６に供給されるものと同じまたは異なる燃料を受け、燃料を圧縮された作動流体２４の一部分と混合し、混合気を燃焼室４０内へと噴射することができる。このようにして、燃料噴射装置５０は、追加燃焼のための燃料および空気の希薄混合気を供給して温度を上昇し、したがって燃焼器１６の効率が向上する。
【００２２】
分配マニホールド５２は、圧縮機１４から流れ出た圧縮された作動流体２４による直接衝突から燃料噴射装置５０を保護するように、燃料噴射装置５０を取り囲む。図２に示すように、分配マニホールド５２は、共通供給源から分流され、燃料噴射装置５０へと供給される圧縮された作動流体２４の一部分を収容するように、燃焼器ケーシング３４内の燃焼室４０の少なくとも一部分を周方向に囲むことができる。プレナム５４は、分流された作動流体２４が分配マニホールド５２へと流れる流体連通を提供するように、分配マニホールド５２を、分流され圧縮された作動流体２４の共通供給源と連結することができる。例えば、図１により明瞭に示すように、プレナム５４は、圧縮機１４から作動流体２４の一部分を受け、または分流するように構成された上流部分５６を含むことができる。上流部分５６は、プレナム５４の少なくとも一部分が、燃焼器ケーシング３４を通過して分配マニホールド５２と連結する前に、圧縮機１４および燃焼器１６の外側に延在するように、圧縮機ケーシング３０を通過することができる。特定の実施形態では、図２に示すように、プレナム５４は燃焼器ケーシング３４を通過前または通過後に、複数の分岐ライン５８へと分離することができる。分岐ライン５８は、それぞれの分岐ライン５８が分配マニホールド５２との別個の流体連通を提供するように、例えば導管または可撓性ホースを含むことができる。このようにして、プレナム５４は、圧縮された作動流体２４の一部分を圧縮機１４の排出圧力またはそれに近い圧力で分流し、この分流された圧縮された作動流体２４を、圧縮された作動流体２４の圧力損失をほとんどまたは全く伴うことなく、分配マニホールド５２内の燃料噴射装置５０へと直接供給することができる。
【００２３】
図１および２に関して図示し説明したシステム１０は、作動流体２４を燃焼器１６へと供給するための方法も提供することができる。本方法は、作動流体２４を圧縮機１４から燃焼室４０を通って流し、作動流体２４の一部分をプレナム５４内へと分流することを含むことができる。本方法は、作動流体２４の分流部分を、燃焼室４０の少なくとも一部分を周方向に囲む燃焼器ケーシング３４を通り、燃焼室４０の周りに周方向に配置された燃料噴射装置５０を取り囲む分配マニホールド５２を通り、圧縮機１４および燃焼器１６の外側に流すことをさらに含むことができる。特定の実施形態では、本方法は、作動流体２４の分流部分を、分配マニホールド５２内の燃焼室４０の少なくとも一部分を周方向に囲む圧縮機ケーシング３０を通って流し、および／または作動流体２４の分流部分を、燃焼器ケーシング３４を通過前または通過後に、分岐ライン５８へと分離することをさらに含むことができる。
【００２４】
本発明の様々な実施形態は、既存の遅延希薄噴射システムに対して、１つまたは複数の技術的利点を提供することができる。例えば、本明細書で説明したシステムおよび方法は、それぞれの燃料噴射装置５０を通る作動流体２４の圧力および／または流れの変動を低減することができる。その結果、様々な実施形態では燃料噴射装置５０を通る所望の燃料空気比を達成するために必要な分析が少なくなり、燃料噴射装置５０が所望の効率および燃焼器１６からの排出低減を達成するための意図された能力が向上する。
【００２５】
本明細書は、例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、当業者が、任意のデバイスまたはシステムの作製および使用、ならびに組み込まれた任意の方法の実施を含む本発明を実施できるようにもする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの用語と異ならない構成要素を含む場合、または特許請求の範囲の文字通りの用語とごくわずかな差異しかない均等な構成要素を含む場合、特許請求の範囲内に含まれるものである。
【符号の説明】
【００２６】
１０  システム
１２  ガスタービン
１４  圧縮機
１６  燃焼器
１８  タービン
２０  共通回転子
２２  発電機
２４  作動流体
２６  静翼
２８  動翼
３０  圧縮機ケーシング
３２  圧縮機排出プレナム
３４  燃焼器ケーシング
３６  燃料ノズル
３８  端部カバー
４０  燃焼室
４２  尾筒
４４  固定子
４６  動翼
５０  燃料噴射装置
５２  分配マニホールド
５４  プレナム
５６  上流部分
５８  分岐ライン
【図１】
2013145107.tif 000003
【図２】
2013145107.tif 000004