(57)【要約】【課題】低酸素作動流体が使用されるガスタービン用途において、高効率燃焼を達成する燃焼器装置を提供すること。【解決手段】酸素不足の作動流体で作動するガスタービン用途における化学量論的拡散燃焼に対して高い燃焼効率をもたらす、特定の燃料及び酸化剤の流れ配置を有するガスタービン燃焼器。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面を有するハウジングと、ノズルと、ハウジング内に配置されたライナーアセンブリとを備える燃焼器であって、ライナーが内部空間を有しているとともに、ハウジングの内面から離隔して、作動流体を内部空間に移送するための燃焼器に沿って長手方向に延在する経路を画成しており、ライナーの内径の関数としてライナーに沿って長手方向に配置された混合孔及び希釈孔がライナーに設けられている、燃焼器。
【請求項２】
ライナー混合孔がノズルから０．６５〜１．０５Ｄの軸方向距離に配置される（ただし、Ｄはライナーの内径である。）、請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
ライナー混合孔が、ライナーの内部空間に、１．０５〜１．４Ｄ１のジェット侵入を生成する（ただし、Ｄ１は混合孔の直径である。）、請求項１記載の燃焼器。
【請求項４】
希釈孔がノズルから１．３〜１．７Ｄの軸方向距離に配置される（ただし、Ｄはライナーの内径である。）、請求項１記載の燃焼器。
【請求項５】
希釈孔が、ライナーの内部空間に、１．４〜１．６Ｄ２のジェット侵入を生じる（ただし、Ｄ２は希釈孔の直径である。）、請求項１記載の燃焼器。
【請求項６】
作動流体の約６〜９％を受け入れるクラウンホールが設けられる、請求項１記載の燃焼器。
【請求項７】
クラウンホールが０．６５〜１．０５Ｄの長さの再循環バブルを生じる（ただし、Ｄはライナーの内径である。）、請求項５記載の燃焼器。
【請求項８】
希釈孔が全燃焼器流の８〜１１％を受け入れる、請求項１記載の燃焼器。
【請求項９】
圧縮器吐出部の作動流体の３０〜３２％を受け入れる冷却孔が設けられる、請求項１記載の燃焼器。
【請求項１０】
外側通路が圧縮器吐出部の作動流体の２５〜３０％を流す、請求項１記載の燃焼器。
【請求項１１】
内蔵点火器が作動流体を点火するために設けられる、請求項１記載の燃焼器。
【請求項１２】
ノズル通路が傾斜していて、酸化剤と作動流体との間に対向回転流を生じる、請求項１記載の燃焼器。
【請求項１３】
ノズル通路が傾斜していて、酸化剤と作動流体との間に平行回転流を生じる、請求項１記載の燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素不足の作動流体で作動するガスタービン用途における化学量論的拡散燃焼に対して高い燃焼効率をもたらす、特定の燃料及び酸化剤の流れ配置を有するガスタービン燃焼器の形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
低酸素作動流体を使用するガスタービン用途が知られている。そのような用途の例は、炭素捕捉、オキシ燃料、及び高排気再循環であり、それらのすべては、経済的に実行可能であるために、高燃焼効率を必要とする。しかしながら、そのような高燃焼効率を達成することは、今までは不可能であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１７０２５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低酸素作動流体が使用されるガスタービン用途において、高効率燃焼の必要性が存在する。本発明は、その必要性を満足することを探求する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様では、本発明は、内面を有するハウジングと、内部空間と、ノズルと、ハウジング内に配置されたライナーアセンブリとを備える燃焼器を提供する。ライナーには、１以上のライナー混合孔及び１以上のライナー希釈孔が設けられる。ライナーアセンブリは、ハウジングの内面から離隔して作動流体をライナーの混合孔及び希釈孔を通して内部空間に移送するために、ライナーアセンブリとハウジングの内面との間の燃焼器に沿って長手方向に伸びる経路を画成する。ライナーの混合孔及び希釈孔は、ライナーアセンブリの中でライナーの直径に応じて特定の位置に軸方向に配置される。
【０００６】
本発明の燃焼器は、安定な火炎及び高い燃焼効率をもたらしながら、十分なハードウェアの耐久性を確保する。炭素捕捉、オキシ燃料、高排気再循環の用途は、近化学量論的（near stoichiometric）燃焼を必要とするので、本発明の燃焼器は、高効率燃焼をもたらして、燃料及び酸化剤がガスタービンの作動流体で希釈される前に確実に燃焼が完了する。
【０００７】
したがって、本発明の燃焼器は、従来の燃焼器を使用して得られる燃焼効率と比較して改善された燃焼効率を達成するために、低酸素作動流体が使用されるガスタービン用途において、コスト効率の高い解決策を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の燃焼器の内部の部分的斜視図である。
【図２】混合孔及び希釈孔を示す、本発明の燃焼器のライナーアセンブリの側面図である。
【図３】本発明の燃焼器内で使用されるノズル構造の斜視図である。
【図４】燃焼器の概略断面図である。
【図５】対向流スワール（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｓｗｉｒｌ）ノズル構成の概略図である。
【図６】平行流スワール（ｃｏ−ｓｗｉｒｌ）ノズル構成の概略図である。
【図７】内蔵点火器を示す、ノズルの部分的側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図を参照すると、図１は、内面６を有するハウジング４と、内部空間８とを有する、本発明の燃焼器２の内部の斜視図を示す。ライナーアセンブリ１０はハウジング４内に設けられ、ハウジングの内面６から離隔してライナーアセンブリ１０と内面６との間の燃焼器２の長さに沿って長手方向に伸びる経路１２を画成し、内面６に沿ってガスタービン（ＧＴ）の希釈剤に富む作動流体が流れる。
【００１０】
図１及び図３はまた、燃焼器２の一端に設けられたノズル１４を示す。ノズル１４には、燃焼器２の内部空間８と流体連通している。ノズル１４には、燃料孔１６を画成する一連の同心円の開口が設けられる。
【００１１】
本発明で使用されるノズル構造は、本願出願人に譲渡された２００８年３月５日出願の米国特許出願公開第２００９／０２２３２２７号（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）に詳しく記載されている。
【００１２】
図２は、ライナー１０に沿った異なる軸方向位置にライナー混合孔１８、２０、ライナー希釈孔４０、４２及びライナー冷却孔４４、４６、４８が設けられたライナーアセンブリ１０を示す。本発明によれば、ライナー混合孔１８、２０は、燃料成分の良好な混合と完全燃焼とをもたらすように大きさを決められ、ライナーアセンブリ１０の中で軸方向位置に配置される。一実施形態では、例えば、ライナー混合孔１８、２０が、ＧＴ流、すなわち圧縮器からの、燃焼器に利用可能な流れの約１０％を供給するように大きさを決められる。燃料ノズルからライナー混合孔を通して噴射されるジェットは、燃料と酸化剤との間のせん断混合を促進する酸化剤の流れの膨張を制限する。ライナー混合孔の位置は、消炎（flame quenching）を回避するように最適化され得る。このことを、図４に関連して以下で論じる。
【００１３】
図４は、ノズル１４から概して０．６５〜１．０５Ｄの軸方向距離Ｌに位置するライナー混合孔１８、２０を示す（ただし、Ｄはライナー１０の内径である。）。ライナー混合孔は、ライナーの内部空間８の中への１．０５〜１．４Ｄ１のジェット侵入を生成する（ただし、Ｄ１は混合孔の直径である。）。
【００１４】
冷却孔４４、４６、４８は、異なる軸方向位置に配置され、圧縮器吐出部（すなわち、圧縮器の出口位置でかつ燃焼器の開始位置）において、例えばＧＴ作動流体の約３０〜３２％を受け入れるように設計される。いずれかの特定の位置における冷却孔の大きさ及び数は、その位置における所望の効率的な熱伝達に基づく。
【００１５】
クラウンホール（crown hole）２８は、圧縮器吐出部においてＧＴ作動流体の約６〜９％を受け入れる。クラウンホール２８は、０．６５〜１．０５Ｄの長さＬ２の再循環バブル５０を生じる（ただし、Ｄはライナー１０の内径である。）。これは燃焼効率を高める。
【００１６】
希釈孔４０、４２は、１．３〜１．７Ｄの軸方向距離Ｌ３に位置する（ただし、Ｄはライナーの内径である。）。希釈孔は、Ｄ２の１．４〜１．６倍であるＬ４のジェット侵入を生じる（ただし、Ｄ２は希釈孔の直径である。）。強いせん断混合が、酸化剤と燃料との間で生じ、短い滞留時間の間に速やかな反応をもたらして、より大きな反応ゾーンを進展させる。さらに、ＧＴ作動流体と混合することで、火炎のピーク温度を制御することと同時に、火炎をノズルから遠ざけておくことが支援される。希釈孔は、全燃焼器流の８〜１１％を受け入れる。
【００１７】
ノズルの中央通路２４は、概ね、空気、酸素、希釈された酸素又は燃料など、酸化剤流のために使用される。外側通路２２、２６は、ガスタービン（ＧＴ）の作動流体（一般に希釈剤に富む流体）用に意図される。通路２２、２４、２６は、一般に傾斜していて、酸化剤とＧＴ作動流体との間で対向回転流（counter-rotating flow）を生じる。このことが図５に示されており、図５は、ノズルを出て、対向流スワールの形で内部空間８に入るガスを概略的に示す。図６は、ガスがノズルを出て、平行流スワールの形で内部空間８に入る平行流スワールの一例を示す。
【００１８】
ノズル１４の中央通路２４は、一般に、強いスワール流を生じるために、４０〜６０度の範囲の角度を有する斜めの燃料噴射孔を含む。ノズルの中央環状通路２４は、ガス状の燃料流のために意図されており、一般的に、反時計回りのスワールを誘導するために、ノズル軸に対して、２０〜２６度の円錐角及び５〜１６度のスワール角によって傾けられている（図５参照）。ノズルの外側環状通路２６は、概ね、希釈流のために意図されており、時計回り回転を誘導するために、ノズル軸に対して、３０〜３６度の円錐角及び５〜１６度のスワール角によって傾けられている。そのような流れ配置では、酸化剤と燃料との間の強いせん断混合が、短い滞留時間の間に速やかな反応をもたらして、従来の配置よりも大きな反応ゾーンを進展させる。
【００１９】
ノズルの中央通路２４は、圧縮器吐出部において酸化剤の２０〜８０％とＧＴ作動流体の８０〜２０％とを含む混合流体を流すように設計される。混合は、反応速度及び火炎温度を制御して、反応ゾーンからの解離損失を引き下げるように最適化される。外側通路２６は、全燃焼器流の２５〜３０％を流すように設計される。この流れ配置は、ノズルの下流の燃焼反応を遅らせて、それによりハードウェアを損傷する潜在的なリスクを回避するように働く。
【００２０】
図７は、可燃性燃料に点火するための、ノズル１４における内蔵点火器（ingetraged igniter）３０を示す。点火器は、一般に、ノズルの縦軸に対して２５〜３０度の角度で置かれる。パイロットノズル５２が、代替として、始動の用途のために設けられてもよい。パイロットノズルは、存在する場合は通常、液体燃料を通過させる燃料ノズルの中ほどに置かれる。
【００２１】
本発明を、現在のところ最も実際的で好ましい実施形態であるものとみなされるものに関して説明したが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、反対に、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲に含まれる種々の改変及び等価な配置を包含することが意図されていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２２】
２  燃焼器
４  ハウジング
６  内面
８  内部空間
１０  ライナー
１２  経路
１４  ノズル
１６  燃料孔
１８、２０  ライナー混合孔
２２、２６  外側通路
２４  中央通路
２６  外側環状通路
２８  クラウンホール
３０  内蔵点火器
４０、４２  ライナー希釈孔
４４、４６、４８  ライナー冷却孔
５０  バブル
５２  パイロットノズル
【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】
2013228192.tif 000007
【図６】
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【図７】
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