(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部を有するノズル本体を含み、
このノズル本体は、軸方向に延在する空気通路を画成している内管と、同心的に配置されそして前記内管から半径方向に隔てられそして前記内管との間に拡散燃料通路を画成している中間管と、同心的に配置されそして前記中間管から半径方向に隔てられそして前記中間管との間に予混合燃料通路を画成している外管とを含み、
前記外管は、前記予混合燃料通路と連通している複数の半径方向延在噴射器を有し、
そして前記予混合燃料通路は、少なくとも一つのヒューズ域を形成した外管壁部によりさらに部分的に画成されており、前記ヒューズ域は、低融点合金から形成されるか、周囲の外管壁部より薄い壁厚に形成されるか、又は低融点合金から形成され且つ周囲の外管壁部より薄い壁厚に形成され、逆火の場合に焼けて穴があき、これにより予混合燃料の一部分が前記噴射器をバイパスしそして前記の少なくとも一つのヒューズ域から前記ノズル本体を出るようになっているガスタービン用の燃料ノズル。
【請求項２】
ガスタービンにおける複数の燃焼器であって、
各燃焼器は燃焼器縦軸線の周囲に配置された複数の燃料ノズルと、燃焼域とを有し、
各燃料ノズルは拡散ガス入口に接続された拡散ガス通路と、予混合ガス入口に接続された予混合ガス通路とを有し、前記予混合ガス通路は複数の予混合燃料噴射器と連通しており、これらの噴射器は前記予混合ガス通路から半径方向に離れる方向に延在しそして予混合専用管内に配置されており、この予混合専用管はその下流に配置された前記燃焼域内への流入前に予混合燃料と燃焼空気とを混合するようになっており、そして前記拡散ガス通路は前記予混合燃料噴射器の下流ただし前記予混合専用管内の前記燃料ノズルの前方排出端で終わっており、前記複数の予混合燃料噴射器は前記前端の上流に配置されており、さらに前記拡散ガス通路は燃料ノズル本体の前方壁部により部分的に画成されており、前記前方壁部には周方向に配列した複数の区域が形成されており、これらの区域は壁厚が前記前方壁部の残りの区域より小さいようになっている燃焼器。
【請求項３】
複数の燃焼器を含み、各燃焼器は予混合域と一つの燃焼域と複数のノズルとを含み、各ノズルは拡散ガス入口に接続された拡散ガス通路と、予混合ガス入口に接続された予混合ガス通路とを有し、前記予混合ガス通路は複数の予混合燃料噴射器と連通しており、これらの噴射器は前記予混合ガス通路から半径方向に離れる方向に延在しそして予混合専用管内に配置され、この予混合専用管はその下流に配置された前記単一の燃焼域内への流入前に予混合燃料と燃焼空気とを混合するようになっており、そして前記拡散ガス通路は前記予混合燃料噴射器の下流ただし前記予混合専用管内の前記燃料ノズルの前方排出端で終わっており、前記予混合燃料噴射器は前記前端の上流に配置されており、さらに前記拡散ガス通路は燃料ノズル本体の前方壁部により部分的に画成されているようなガスタービン燃焼器において、逆火損傷を最少にする方法であって、
低融点合金から形成されるか、周囲より薄い壁厚に形成されるか、又は低融点合金から形成され且つ周囲より薄い壁厚に形成されたヒューズ域を、前記予混合通路を部分的に画成している壁に設け、
これにより、前記予混合域内への火炎逆行の場合に前記ヒューズ域が焼けて穴があき、予混合燃料のかなりの部分が前記予混合燃料噴射器をバイパスし、従って前記噴射器を出る予混合燃料は火炎持続には不十分であるようにする段階を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はガスタービン燃焼装置に関し、特に、燃焼逆火の場合に燃焼器の損傷を最少にするための新しい燃料ノズル設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン燃焼器は本質的に、多量の燃料と空気を混合しかつその結果生じた混合物を燃やすために用いる装置である。通例、ガスタービン圧縮機により圧縮された導入空気が変向または逆流して燃焼器に達し、そこで燃焼器の冷却に用いられるとともに燃焼用の空気として用いられる。本発明の譲受人（本件出願人）はその強力ガスタービンにおいて多数の燃焼室アセンブリを利用して確実で効率の良いタービン運転を達成する。各燃焼室アセンブリは筒形燃焼器と、燃料噴射装置と、遷移部とからなり、遷移部は燃焼器からの高温ガスの流れをタービン部の入口に導く。本燃料ノズル設計を利用すべきガスタービンは、タービンロータ軸線の周囲に円形に配列した６個、１０個、１４個または１８個の燃焼器を含み得る。
【０００３】
ガスタービンの排気内のＮＯXの量を減らすために、２段２モード燃焼器が既に開発されており、各燃焼器には２つの燃焼室が設けられ、従って、通常の運転負荷状態において、上流側または１次燃焼室が予混合室として働くとともに、下流側または２次燃焼室で実際の燃焼が発生する。通常運転状態では、１次室内に火炎が存在せず（その結果ＮＯXの発生が減り）、そして２次または中央ノズルが２次燃焼器内の燃焼用の火炎源となる。この特定形状では、各燃焼器内に環状列の１次ノズルが配置され、各１次ノズルが１次燃焼室内に燃料を放出し、そして１本の中央２次ノズルが２次燃焼室内に燃料を放出する。これらのノズルは、本件出願人が所有している米国特許第４２９２８０１号に記載されているように、拡散ノズルであり、各ノズルは軸方向燃料送給型のもので、その吐出し端の周囲に空気スワーラが配置されている。
【０００４】
本件出願人が所有している米国特許第４９８２５７０号には、拡散・予混合組合せノズルを中央に配置した２次ノズルとして利用する２段２モード燃焼器が開示されている。運転中、比較的少量の燃料が拡散パイロットの維持に用いられるのに対し、ノズルの予混合部分は、１次燃焼室内に向けられた１次ノズルからの主供給燃料の点火のために追加的な燃料を送給する。
【０００５】
米国特許第５２５９１８４号は、気体燃料と液体燃料とで作用し得る単段２モード燃焼器を開示している。ガスを用いる場合、燃焼器は低負荷（５０％以下の負荷）時に拡散モード（方式）で作用しそして高負荷（５０％以上の負荷）時に予混合モードで作用する。燃焼器は負荷の全範囲にわたって拡散モードで作用し得るが、ＮＯX低減のために希釈剤噴射が必要である。油を用いた場合のこの燃焼器の作用は全負荷範囲にわたって拡散モードであり、希釈剤噴射を用いてＮＯXを低減する。
【０００６】
気体燃料の燃焼中希釈剤噴射なしにガスタービンを非常に低いＮＯX排出レベルで運転するために、燃料と空気の可燃混合気が、燃焼器の燃焼発生域から離れた区域内で生成される。通例、予混合域は燃焼域で発生する高温に耐えるように設計されていない。残念ながら、燃焼器は、燃焼域から予混合域内への「逆火」を引起こすような不慮の作用をなすおそれがあり、その結果、燃焼による燃焼器構成部の重大な損傷と、焼けた燃焼器部品が離脱してタービン部を通る時のタービンの高温ガス通路の損傷とが発生するおそれがある。
【０００７】
逆火損傷の発生を防止する幾つかの限られた方法、例えば、耐逆火燃焼器を設計する方法が存在する。本件出願人の初期の乾式低ＮＯX燃焼器（米国特許第４２９２８０１号に開示されているようなもの）は耐逆火型の燃焼器である。予混合域内への逆火の場合、予混合域を監視する火炎検出器が火炎の指示をなし、そして被制御論理手段が信号を点火プラグに送って点火を引起こし、こうして燃焼器を予混合負荷から希薄・希薄モードに移行させる。燃焼器の損傷は発生しないが、燃焼器からのＮＯX排出レベルは保証されたレベルを超過する。しかし、この種の逆火検知は、５つの非接続予混合域を各燃焼室に設けた後期の乾式低ＮＯX燃焼器（米国特許第５２７４９９１号に開示されているようなもの）の場合実用的ではない。
【０００８】
【発明の目的】
本発明の主目的は、単段２モード燃焼器における各燃焼器燃料ノズルに「ヒューズ」構造を設け、これにより、多くの予混合域（現用ガスタービンモデルでは７０または９０個）のうちの任意の一つ以上の予混合域内への逆火の場合に、燃焼器の損傷を最小限に抑制し、従ってタービン部自体の有意損傷が生じないようにすることである。他の主目的は、やはり逆火の場合に、機械的トリップの必要なしにガスタービンを停止することである。最後の目的は、既存燃焼器構成部の大幅な再設計なしに逆火保護をなすことである。
【０００９】
【発明の概要】
これらの目的に対し、本発明は各拡散・予混合燃料ノズルの側壁に複数の犠牲的な「プラグ」または「ヒューズ」を配設することを包含し、これらのプラグまたはヒューズは燃焼器の予混合域の他部よりかなり早く溶融するか焼けて穴があく。これは、プラグまたはヒューズを低融点合金で作るか、またはプラグ域が薄い壁厚を有して急速に熱するようにするか、あるいは両方の特徴、すなわち、低融点と薄い材料とを用いてプラグを作ることにより達成される。プラグまたはヒューズが溶融または焼失した時、燃料ガスは新しく形成された開口を通り、従って燃料ノズル内の燃料ガス圧力を下げる。同時に、予混合燃料のかなりの部分がもはや予混合ノズルオリフィスを通らず、その結果、予混合域が希薄になり過ぎて燃焼を維持することができなくなり、逆行火炎が消失する。この時、タービン燃焼器は、修理が可能になるまで、拡散だけのモードで比較的低い効率で作用する。
【００１０】
従って、本発明は、比較的広範な態様によれば、ガスタービン用の燃料ノズルに関し、この燃料ノズルは先端部を有するノズル本体を含み、このノズル本体は、軸方向に延在する空気通路を画成している内管と、同心的に配置されそして内管から半径方向に隔てられそして内管との間に拡散燃料通路を画成している中間管と、同心的に配置されそして中間管から半径方向に隔てられそして中間管との間に予混合燃料通路を画成している外管とを含み、外管は、予混合燃料通路と連通している複数の半径方向延在噴射器を有し、そして予混合燃料通路は、少なくとも一つの弱化域を形成した外管壁部によりさらに部分的に画成されており、該弱化域は逆火の場合に焼けて穴があくようになっており、これにより予混合燃料の一部分が噴射器をバイパスしそして前記の少なくとも一つの弱化域からノズル本体を出る。
【００１１】
他の態様によれば、本発明はガスタービンにおける複数の燃焼器に関し、各燃焼器は燃焼器縦軸線の周囲に配置された複数の燃料ノズルと、燃焼域とを有し、各燃料ノズルは拡散ガス入口に接続された拡散ガス通路と、予混合ガス入口に接続された予混合ガス通路とを有し、予混合ガス通路は複数の予混合燃料噴射器と連通しており、これらの噴射器は予混合ガス通路から半径方向に離れる方向に延在しそして予混合専用管内に配置されており、この予混合専用管はその下流に配置された燃焼域内への流入前に予混合燃料と燃焼空気とを混合するようになっており、そして拡散ガス通路は予混合燃料噴射器の下流ただし予混合専用管内の燃料ノズルの前方排出端で終わっており、前記複数の予混合燃料噴射器は前記前端の上流に配置されており、さらに拡散ガス通路は燃料ノズル本体の前方壁部により部分的に画成されており、この前方壁部には周方向に配列した複数の区域が形成されており、これらの区域は壁厚が前記前方壁部の残りの区域より小さい。
【００１２】
他の態様では、本発明は、複数の燃焼器を含み、各燃焼器は予混合域と燃焼域と複数のノズルとを含み、各ノズルは拡散ガス入口に接続された拡散ガス通路と、予混合ガス入口に接続された予混合ガス通路とを有し、予混合ガス通路は複数の予混合燃料噴射器と連通しており、これらの噴射器は予混合ガス通路から半径方向に離れる方向に延在しそして予混合専用管内に配置され、この予混合専用管はその下流に配置された単一燃焼域内への流入前に予混合燃料と燃焼空気とを混合するようになっており、そして拡散ガス通路は予混合燃料噴射器の下流ただし予混合専用管内の燃料ノズルの前方排出端で終わっており、予混合燃料噴射器は前記前端の上流に配置されており、さらに拡散ガス通路は燃料ノズル本体の前方壁部により部分的に画成されているようなガスタービン燃焼器において、逆火損傷を最少にする方法に関し、この方法は、予混合燃料噴射器の下流に、予混合通路を部分的に画成している壁に弱化域を設け、これにより、予混合域内への火炎逆行の場合に弱化域が焼けて穴があき、予混合燃料のかなりの部分が予混合燃料噴射器をバイパスし、従って噴射器を出る予混合燃料は火炎持続には不十分であるようにする段階を含む。
【００１３】
本発明の他の目的と利点は以下の詳述からさらに明らかとなろう。
【００１４】
【実施例の記載】
図１において、公知のガスタービン構造１０が圧縮機ケーシング１２（一部図示）と、複数の燃焼器１４（１個図示）と、単一タービン動翼１６で代表されるタービン部とを備えている。詳細に示してないが、タービン翼列は共通軸線に沿って圧縮機ロータに連結されそれを駆動する。圧縮機は導入空気を圧縮し、次いでこの空気は（流れ矢印で示すように）逆向きに流れて燃焼器１４に達し、そこで燃焼器の冷却に用いられ、また燃焼用空気として用いられる。
【００１５】
前述のように、ガスタービンには複数の燃焼器１４が含まれ、ガスタービン内に円形に配列されている。二重壁遷移ダクト１８が各燃焼器の出口端とタービン部の入口端とを接続して高温のガス状燃焼生成物をタービン部に送る。
各燃焼器１４における点火は、通常の仕方で全燃焼器を連結しているクロスファイア管２２（１本図示）と関連する点火プラグ２０により行われる。
【００１６】
各燃焼器１４には実質的に筒形の燃焼ケーシング２４が含まれ、その開いた前端がボルト２８によりタービンケーシング２６に固定されている。燃焼ケーシング２４の後端は端カバーまたは端キャップ組立体３０により閉ざされ、この組立体は、ガスと液体燃料と空気（そして所望に応じて水）を燃焼器に送給するための従来の供給管とマニホルドと関連弁等を含み得る。端カバー組立体３０は、燃焼器の縦軸線の周囲に円形列に配置された複数個（例えば５個）の拡散・予混合燃料ノズル組立体３２（簡便と明示のため１個だけ図示）を支承している。
【００１７】
燃焼器ケーシング２４内には、それと実質的に同心関係にあるほぼ筒形のフロースリーブ３４が配置されており、その前端は二重壁遷移ダクト１８の外壁３６と結合している。フロースリーブ３４の後端は、燃焼器ケーシング２４の前部と後部とが接合されている突合わせ継手３７の箇所で、半径方向フランジ３５により燃焼器ケーシング２４に連結されている。
【００１８】
フロースリーブ３４内には燃焼ライナ３８が同心的に配置され、その前端は遷移ダクト１８の内壁４０に連結されている。燃焼ライナ３８の後端は燃焼ライナキャップ組立体４２に支持され、この組立体は、米国特許第５２７４９９１号に説明されているように燃焼器ケーシング２４内に支持されている。遷移ダクト１８の外壁３６と、フロースリーブの一部分、すなわち、燃焼ケーシング２４がタービンケーシング２６に（ボルト２８により）固定されている箇所の前方に延在する部分には、それぞれの周面に孔４４の列が形成されており、これにより、空気が（図１に示した流れ矢印で示すように）圧縮機から孔４４を通ってフロースリーブ３４とライナ３８との間の環状空間に逆向きに流入して燃焼器の上流端すなわち後端に向かうということを理解されたい。
【００１９】
燃焼ライナキャップ組立体４２は複数の予混合管４６を支持し、これらの予混合管は各燃料ノズル組立体３２に一つずつ設けられている。さらに詳述すると、各予混合管４６はその前端と後端がそれぞれ前板４７と後板４９により燃焼ライナキャップ組立体４２内に支持されており、前後両板はそれぞれ、開端を有する予混合管４６と整合する複数の開口を備えている。前板４７（冷却孔列を設けた衝突板）は、やはり米国特許第５２７４９９１号に記載されているように遮蔽板（図示せず）により燃焼器火炎の熱放射から保護され得る。
【００２０】
後板４９に複数の後方に延在する浮遊カラー４８が各予混合管４６に対して１個ずつ支承されている。このような構成により、ライナ３８とフロースリーブ３４との間の環状空間内を流れる空気が燃焼器の後端において（端カバー組立体３０と燃焼器ライナキャップ組立体４２との間で）再び逆向きにされ、スワーラ５０と予混合管４６とを通流した後、予混合管４６の下流のライナ３８内の燃焼域５１に流入する。前述のように、燃焼ライナキャップ組立体４２の構造の詳細と、このライナキャップ組立体が燃焼ケーシング内に支持される態様と、予混合管４６がライナキャップ組立体内に支持される態様は、参照によりここに包含される前述の米国特許第５２７４９９１号にさらに詳細に記載されている。
【００２１】
図２には本発明による拡散・予混合燃料ノズル組立体５４が示され、これは図１に示したノズル組立体３２の代わりに用いるものである。ノズル組立体５４は、後方供給部５８に接続されたノズル本体５６と、前方燃料空気送給部６０とを含んでいる。ノズル組立体５４はカラー６２を含み、環状通路６４がカラー６２とノズル本体５６との間に画成されている。この環状通路内には、空気スワーラ６６（図１におけるスワーラ５０と同様のもの）が、複数の半径方向燃料噴射器６８の上流に存在し、各噴射器には複数の吐出しオリフィス７０が形成されて予混合ガスを（予混合管４６内の）予混合域において通路６４内に吐出す。
【００２２】
図３と図４についても説明すると、ノズル本体内部には中央に配置された（半径方向内側）霧化空気管７２が含まれ、空気を内部通路７３により燃焼域に送給する。管７２より直径の大きい半径方向中間管７４が管７２と同心的に配向されて環状拡散ガス通路７６を画成している。半径方向外側管７８が管７４を囲み、予混合燃料ガスを後述のように予混合域に導くための半径方向最外通路８０を画成している。通路８０はノズルの前方先端で閉ざされており、従って、予混合ガスは半径方向噴射器６８の吐出しオリフィス７０を出て予混合管４６内の予混合域に入る。
【００２３】
本発明を包含するノズル先端部８２を図５〜図８に明示する。先端部８２は、ノズル本体５６と係合しそして８４でそれに溶接されるような寸法を有する（図２参照）。先端部には内側環状肩８６が形成され、管７４の前縁を支承しそしてこの前縁で溶接またはろう付けされている。またここで拡散ガス通路７６の前端が閉ざされている（図３参照）。
【００２４】
また先端部８２には孔８８が中央開口として形成されており、内管７２の前端を圧入ばめに受入れている。管７２はその前端に小径吐出し開口を有し、燃焼オリフィス７２´ を画成している。複数の吐出しオリフィスまたは通路９０が先端部の前壁を貫通しそして拡散ガス通路７６と連通している。オリフィスまたは通路９０は図８に明示のように傾斜しており、拡散ガスがノズル本体を出て燃焼域燃焼室に入る時ガスを旋回させる。
【００２５】
本発明によれば、予混合燃料通路８０の前部を形成する長さ方向向き筒形壁９２に沿う先端部８２の壁厚が、複数の有形区域９４において薄くされ、すなわち、アンダカットされ、これらの区域は図５と図７と図８に明示のような様式で壁の周沿いに相隔たっている。これらのプラグまたはヒューズ域９４は比較的厚いウエブ部９６により隔てられている。
【００２６】
先端部が図３に示すようにノズル本体に溶接された状態では、図からわかるように、空気通路７３と拡散ガス通路７６と予混合ガス通路８０は先端部内に続いており、霧化空気が中央開口７２′から流出し、拡散ガスが円形列の開口９０から流出し、そして予混合ガスが上流の半径方向噴射器６８のオリフィス７０から出される。
【００２７】
図３に戻って説明すると、本発明の他の特徴は、中間管７４に一体ベロー部９８を設けることであり、これは、さもなければ剛固に固定される管７４、７８間の熱膨張差を許容する。内管７２には同様の構造は必要でない。なぜなら、内管７２はノズル先端部８２内に９３においてすきまばめされるだけであり、相互間の差動を可能にするからである。
【００２８】
予混合域内への燃焼逆火の場合、一つ以上（または全て）のヒューズ域９４が、ヒューズ域９４で生じる比較的高い温度により焼けて穴があき、これにより、火炎は半径方向燃料噴射器６８に付着し（図１参照）、予混合ガスは半径方向噴射器６８を実質的にバイパスし、そして焼失したプラグまたはヒューズを経て燃焼域内に直接流出する。半径方向噴射器６８から流出し続ける少量の予混合ガスは火炎維持には不十分であり、従って逆火は消滅する。
【００２９】
破壊したヒューズ域により燃焼器内に放出された溶融金属は燃焼室内で実質的に蒸発するので、燃焼器をさらに破損するおそれはない。同時に燃焼器は、修理が可能になるまで、予混合燃焼モードから拡散燃焼モードに切換わる。この時タービンは比較的低い排出効率で作動するが、それでも好適に作動し、燃焼器の破損は極めて少なくそしてタービン自体の破損は生じない。
【００３０】
プラグまたはヒューズ域９４はまた次のような個別プラグ、すなわち、低温合金で作られ、厚さが先端部の周囲部分より少ないか同じであり、そして先端部８２に形成された開口内の適所に溶接されたプラグによって形成され得ることを認識されたい。
以上、本発明の最適実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変と対等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知ガスタービン燃焼器の部分断面図である。
【図２】本発明の一実施例による、図１の燃焼器用のノズルの斜視図である。
【図３】図２に示したノズルの断面図である。
【図４】図２に示したノズルの正面図であるが、明示のため幾つかの部分を省略してある。
【図５】図２に示したノズルの先端部の断面図である。
【図６】図５の先端部の正面図である。
【図７】図５と図６の先端部の側面図である。
【図８】図７の線８−８に沿う断面図である。
【符号の説明】
１４  燃焼器
４６  予混合管
５１  燃焼域
５４  燃料ノズル組立体
５６  ノズル本体
６８  燃料噴射器
７２  内管
７３  空気通路
７４  中間管
７６  拡散ガス通路（拡散燃料通路）
７８  外管
８０  予混合ガス通路（予混合燃料通路）
８２  ノズル先端部
９４  プラグまたはヒューズ域（弱化域）
【図１】
0003977478.tif 000002
【図２】
0003977478.tif 000003
【図３】
0003977478.tif 000004
【図４】
0003977478.tif 000005
【図５】
0003977478.tif 000006
【図６】
0003977478.tif 000007
【図７】
0003977478.tif 000008
【図８】
0003977478.tif 000009