(57)【要約】【課題】バーナチューブの中の軸線方向速度を制御するスワラアセンブリを提供すること。【解決手段】ガスタービン燃焼器の中のスワラアセンブリは、ハブと、シュラウドと、ハブとシュラウドとの間に接続された複数の静翼とを含む。複数の静翼の静翼角度は、調節可能である。【選択図】図１
2013140008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器の中のスワラアセンブリであって、前記スワラアセンブリは、
ハブと、
シュラウドと、
前記ハブと前記シュラウドとの間に接続された複数の静翼とを含み、
前記複数の静翼の静翼角度は、調節可能である、スワラアセンブリ。
【請求項２】
前記複数の静翼のそれぞれは、前記ハブと前記シュラウドとの間に固定された固定式セクション、および、前記固定式セクションに動かせるように固定された可動式セクションを含む、請求項１記載のスワラアセンブリ。
【請求項３】
前記可動式セクションは、前記固定式セクションに対して、０°〜６０°の静翼角度の間で位置決め可能である、請求項２記載のスワラアセンブリ。
【請求項４】
前記固定式セクションと前記可動式セクションとの間にパージ通路をさらに含む、請求項２記載のスワラアセンブリ。
【請求項５】
前記複数の静翼のうちの少なくとも１つが、燃料通路を含む、請求項１記載のスワラアセンブリ。
【請求項６】
前記複数の静翼のうちのいくつかが、前記燃料通路を含み、前記燃料通路を含む前記静翼が、前記燃料通路のない静翼の間に配置されている、請求項５記載のスワラアセンブリ。
【請求項７】
前記複数の静翼のそれぞれの間に配置された燃料注入静翼をさらに含む、請求項１記載のスワラアセンブリ。
【請求項８】
前記静翼角度は、前記複数の静翼のそれぞれについて、同じである、請求項１記載のスワラアセンブリ。
【請求項９】
前記静翼角度は、前記ガスタービンに入力される燃料のタイプにしたがって決定される、請求項１記載のスワラアセンブリ。
【請求項１０】
前記静翼角度は、前記ガスタービンが運転されている大気条件にもしたがって決定される、請求項９記載のスワラアセンブリ。
【請求項１１】
ガスタービンの燃焼システムの中で使用するためのバーナであって、前記バーナは、
空気入口部、燃料入口部、および環状混合通路を有する燃料／空気予混合器であって、前記燃料／空気予混合器は、燃焼器反応ゾーンへ注入するために、前記環状混合通路の中で燃料および空気を均一の混合物に混合し、前記燃料／空気予混合器は、前記空気入口部の下流にスワラアセンブリを含み、前記スワラアセンブリは、ハブと、シュラウドと、前記ハブと前記シュラウドとの間に接続され、前記流入空気にスワールを与える複数の静翼とを含み、前記複数の静翼の静翼角度は、調節可能である、燃料／空気予混合器と、
前記燃料入口部の上流の前記燃料／空気予混合器の前記空気入口部に配置された入口流量コンディショナとを含む、バーナ。
【請求項１２】
前記複数の静翼のそれぞれは、前記ハブと前記シュラウドとの間に固定された固定式セクション、および、前記固定式セクションに動かせるように固定された可動式セクションを含む、請求項１１記載のバーナ。
【請求項１３】
前記可動式セクションは、前記固定式セクションに対して、０°〜６０°の静翼角度の間で位置決め可能である、請求項１２記載のバーナ。
【請求項１４】
前記固定式セクションと前記可動式セクションとの間にパージ通路をさらに含む、請求項１２記載のバーナ。
【請求項１５】
前記複数の静翼のうちの少なくとも１つが、燃料通路を含む、請求項１１記載のバーナ。
【請求項１６】
前記複数の静翼のうちのいくつかが、前記燃料通路を含み、前記燃料通路を含む前記静翼が、前記燃料通路のない静翼の間に配置されている、請求項１５記載のバーナ。
【請求項１７】
前記静翼角度は、前記ガスタービンに入力される燃料のタイプにしたがって決定される、請求項１１記載のバーナ。
【請求項１８】
前記静翼角度は、前記ガスタービンが運転されている大気条件にもしたがって決定される、請求項１７記載のバーナ。
【請求項１９】
ガスタービン燃焼器の中のスワラアセンブリであって、前記スワラアセンブリは、
ハブと、
シュラウドと、
前記ハブと前記シュラウドとの間に接続された複数の静翼とを含み、
前記複数の静翼の静翼角度は、調節可能であり、前記複数の静翼のそれぞれは、前記ハブと前記シュラウドとの間に固定された固定式セクション、および、前記固定式セクションに動かせるように固定された可動式セクションを含み、前記複数の静翼のうちの少なくとも１つが、燃料通路を含む、スワラアセンブリ。
【請求項２０】
前記固定式セクションと前記可動式セクションとの間にパージ通路をさらに含む、請求項１９記載のスワラアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに関し、とりわけ、可変スワラを有するガスタービン燃焼器のための空気−燃料予混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、一般的に、流入空気流れを圧縮するための圧縮機を含む。空気流れは、燃料と混合され、高温燃焼ガスを発生させるために燃焼器の中で点火される。次いで、燃焼ガスは、タービンへ流れる。タービンは、シャフトを駆動するためにガスからエネルギーを取り出す。シャフトは、圧縮機、および発電機などのような一般的に別のエレメントに動力を供給する。
【０００３】
ガスタービン出力は、多くの要因に基づいて変化し、そのうちの１つは燃料のタイプである。より低い反応性燃料は、典型的に、より低い火炎速度を有し、その結果として、一次ノズルからの燃料および圧縮作動混合物の流量が十分に大きく、上流チャンバの中の燃焼が一次ノズルから十分な距離において起こり、燃焼によって一次ノズルが過度に加熱および／または溶融されることが防止されるようになっている。しかし、より高い反応性燃料は、より高い火炎速度を有する。増加された火炎速度によって、燃焼が、上流チャンバの中に、一次ノズルの近くへ移動させられる可能性がある。より高い反応性燃料を使用した上流チャンバの中の局所的な火炎温度は、コンポーネントの早期故障および破滅的故障を引き起こす可能性がある。
【０００４】
現在のスワラまたはスウォズル（ｓｗｏｚｚｌｅ）の構成では、ベース負荷または任意の所定負荷の条件において、バーナチューブ出口部の平均軸線方向速度は、一定のままである。軸線方向速度および接線方向速度の成分は、スワラベーン角度に依存する。バーナチューブ出口部の所望の軸線方向速度は、特定の燃料成分の火炎速度から決定される（例えば、バーナチューブ出口部において３０ｆｔ／ｓの安全マージン）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，４３８，９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
バーナチューブの中の軸線方向速度を制御し、様々な燃料成分について、拡張された運転範囲にわたり機械を運転するのに役立つことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器の中のスワラアセンブリは、ハブと、シュラウドと、ハブとシュラウドとの間に接続された複数の静翼とを含む。複数の静翼の静翼角度は、調節可能である。
【０００８】
別の例示的な実施形態では、ガスタービンの燃焼システムの中で使用するためのバーナは、空気入口部、燃料入口部、および環状混合通路を有する燃料／空気予混合器を含む。燃料／空気予混合器は、燃焼器反応ゾーンへ注入するために、環状混合通路の中で燃料および空気を均一の混合物に混合する。燃料／空気予混合器は、空気入口部の下流にスワラアセンブリを含む。スワラアセンブリは、ハブと、シュラウドと、ハブとシュラウドとの間に接続され、流入空気にスワールを与える複数の静翼とを含む。複数の静翼の静翼角度は、調節可能である。また、バーナは、燃料入口部の上流の燃料／空気予混合器の空気入口部に配置された入口流量コンディショナも含む。
【０００９】
さらに別の例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器の中のスワラアセンブリは、ハブと、シュラウドと、ハブとシュラウドとの間に接続された複数の静翼とを含む。複数の静翼の静翼角度は、調節可能である。複数の静翼のそれぞれは、ハブとシュラウドとの間に固定された固定式セクション、および、固定式セクションに動かせるように固定された可動式セクションを含む。複数の静翼のうちの少なくとも１つが、燃料通路を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガスタービンスワラの垂直断面図である。
【図２】スワラアセンブリの概略図である。
【図３】スワラアセンブリの変化する静翼角度を示す図である。
【図４】パージ通路を示す図である。
【図５】パージ通路を示す図である。
【図６】燃料注入静翼を示す図である。
【図７】代替的な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、ガスタービンの中のバーナチューブを通る断面である。バーナアセンブリは、機能によって、入口流量コンディショナ１、空気スワラアセンブリ２（スウォズルアセンブリと称される）、環状燃料空気混合通路３、および中央拡散火炎燃料ノズルアセンブリ４を含む、４つの領域に分割されている。
【００１２】
空気は、高圧プレナム６からバーナに進入し、高圧プレナム６は、排出端部を除いてアセンブリ全体を取り囲んでおり、空気は、燃焼器反応ゾーン５に進入する。燃焼のための空気の大部分は、入口流量コンディショナ（ＩＦＣ）１を介して予混合器に進入する。ＩＦＣは、環状流路１５を含み、環状流路１５は、内径側にある孔のない（ｓｏｌｉｄ）円筒状内壁部１３、外径側にある孔の開いた円筒状外壁部１２、および上流端部にある孔の開いた端部キャップ１１によって境界を定められている。流路１５の中央には、１つまたは複数の環状ターニングベーン１４がある。予混合器空気は、端部キャップおよび円筒状外壁部の穿孔を介してＩＦＣ１に進入する。
【００１３】
孔の開いた壁部１１、１２は、システムの背圧を形成する機能、およびＩＦＣ環１５の周りに流量を円周方向に均等に分配する機能を果たし、（１つまたは複数の）ターニングベーン１４は、孔の開いた壁部に関連して動作し、ＩＦＣ環１５の中に、流入空気の適切な半径方向の分配を生成する。予混合器の中の所望の流量分配に応じて、および、複数のバーナ燃焼器についての個々の予混合器の間での流量分割に応じて、（１つまたは複数の）ターニングベーン１４の軸線方向位置に関連して、孔の開いた壁部についての適切な穴のパターンが選択される。
【００１４】
スウォズル２への入口部のシュラウド壁部２０２の近辺の低速度領域を除去するために、ベルマウス形状の移行部２６が、ＩＦＣとスウォズルとの間に使用されることが可能である。
【００１５】
燃焼空気は、ＩＦＣ１を出た後、スウォズルアセンブリ２に進入する。スウォズルアセンブリは、一連のエーロフォイル形状のターニングベーン２３によって接続されたハブ２０１（図２）およびシュラウド２０２を含み、ターニングベーン２３は、予混合器を通過する燃焼空気にスワールを与える。環状通路３を出た後、燃料／空気混合物は、燃焼器反応ゾーン５に進入し、燃焼器反応ゾーン５で燃焼が起こる。
【００１６】
例示的な実施形態によるスワラアセンブリは、バーナチューブの中の軸線方向速度を制御するための役割を果たし、様々な燃料に対して拡張された運転範囲にわたり、運転中のガスタービンの役に立つ。スワラアセンブリは、燃料の適応性および拡張された操作性を強化する役割を果たす。図３を参照すると、スワラアセンブリの静翼２３は、ハブとシュラウドとの間に固定された固定式セクション２３１、および、固定式セクション２３１に動かせるように固定された可動式セクション２３２を含む。可動式セクション２３２は、静翼２３の静翼角度を変更するために調節可能である。図３は、静翼角度が０°、１０°、および３０°の例示的な方向を示している。可動式セクションは、固定式セクションに対して、０°〜６０°の静翼角度の間で位置決め可能であることが好ましい。
【００１７】
真っ直ぐな静翼であれば、速度の接線方向成分は、ほとんど無視してよく、一方、軸線方向速度が、速度の大きさの大部分を表す。静翼角度が増加するにつれて、軸線方向速度は減少し、接線方向速度は増加する。
【００１８】
図４および図５を参照すると、角度の調節可能なスワラベーン２２のそれぞれが、固定式セクション２３１と可動式セクション２３２との間にパージ通路２３３を含む。可動式部品と非可動式不品との間の通路は、流れの剥離に起因する保炎の可能性領域であり、その後に再循環ゾーンを形成する可能性が一層高い。これらの領域は、空気または希釈剤などのような非引火性流体によってパージされ、保炎が連続的に回避されている。
【００１９】
図６を参照すると、１つまたはいくつかのスワラベーンは、空気流れの中に燃料を注入するための燃料通路２３４を含むことが可能である。燃料注入静翼は、燃料通路のない静翼の間に配置されることを含む様々な構成で、静翼の間に配置されることが可能である。
【００２０】
静翼角度は、複数の静翼２３のそれぞれについて、同じ角度で設定されることが好ましい。静翼角度は、ガスタービンの入口ガイドベーン（ＩＧＶ）を制御するために使用される構造などのような従来の構造を使用して設定されることが可能である。例えば、米国特許第７，９８５，０５３号の図１および図２を参照されたい。静翼角度は、ガスタービンに入力される燃料のタイプにしたがって決定されることが好ましい。すなわち、燃料成分に基づいて、スワラベーンについての最適角度が、タービン起動の前に設定されることが可能であり、信頼性の高い運転に対して十分な安全マージンが与えられる。また、静翼角度は、ガスタービンが運転されている大気条件にしたがって決定されることも可能である。さらには、静翼角度は、システムが稼働している間に変更されることが可能である。
【００２１】
代替的な実施形態では、図７を参照すると、スワラベーン３３は、可動式静翼３３１が燃料注入を含む静翼３３２の前方または後方のいずれかに設置された、２つの個々の静翼３３１、３３２の組み合わせに分割されることが可能である。燃料注入静翼３３２は、静翼の内側に燃料プレナム３３４を含んでおり、燃料プレナム３３４は、静翼の間の空気通路に接続されている。静翼の圧力側および吸い込み側の上にある複数のペグによって、接続が行われることが可能である。また、燃料を注入する方法は、ハブまたはシュラウドの上に設置された燃料穴を通して、または、シュラウド／ハブから突出されたペグを通して、実施されることも可能である。
【００２２】
様々なスワラ角度が、（予混合器の内側の）保炎の問題に対処し、軸線方向速度を適切に変化させることによって、幅広い範囲の燃料成分について燃焼ゾーンの中の火炎を安定化する役割を果たす。
【００２３】
本発明は、最も実用的なおよび好適な実施形態であると現在考えられるものに関連付けて記載されてきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されず、反対に、添付の特許請求の範囲の精神および範囲の中に含まれる様々な修正例および均等な構成がカバーされるということが意図されているということが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００２４】
１  入口流量コンディショナ
２  空気スワラアセンブリ
３  環状混合通路
４  中央拡散火炎燃料ノズルアセンブリ
５  燃焼器反応ゾーン
６  高圧プレナム
１１  孔の開いた端部キャップ
１２  孔の開いた円筒状外壁部
１３  円筒状内壁部
１４  環状ターニングベーン
１５  環状流路
２２  スワラベーン
２３  エーロフォイル形状のターニングベーン
２６  ベルマウス形状の移行部
３３  スワラベーン
２０１  ハブ
２０２  シュラウド
２３１  固定式セクション
２３２  可動式セクション
２３３  パージ通路
２３４  燃料通路
３３１、３３２  個々の静翼
３３４  燃料プレナム
【図１】
2013140008.tif 000003
【図２】
2013140008.tif 000004
【図３】
2013140008.tif 000005
【図４】
2013140008.tif 000006
【図５】
2013140008.tif 000007
【図６】
2013140008.tif 000008
【図７】
2013140008.tif 000009