(57)【要約】【課題】ガスタービン燃焼器（２３０）を提供する。【解決手段】本ガスタービン燃焼器（２３０）は、触媒（２５０）を含む中心燃焼ノズル（２４０）と、該中心燃焼ノズル（２４０）を囲繞する幾つかの外側燃焼ノズル（１８０〜２２０）とを含むことができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒（２５０）を含む中心燃焼ノズル（２４０）と、
前記中心燃焼ノズル（２４０）を囲繞する複数の外側燃焼ノズル（１８０〜２２０）と
を含備えるガスタービン燃焼器（２３０）。
【請求項２】
前記複数の外側燃焼ノズル（１８０〜２２０）が５つの燃焼ノズル（１８０〜２２０）を含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器（２３０）。
【請求項３】
前記中心燃焼ノズル（２４０）が中心燃焼ノズルマニホルド（１７５）を含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器（２３０）。
【請求項４】
前記触媒（２５０）が、貴金属、第ＶＩＩＩ族貴金属、卑金属、金属酸化物又はこれらの組合せを含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器（２３０）。
【請求項５】
前記触媒（２５０）が、ジルコニウム、バナジウム、クロム、マンガン、銅、プラチナ、パラジウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、セリウム、ランタン、その他のランタニド系元素、コバルト、ニッケル又は鉄を含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器（２３０）。
【請求項６】
前記中心燃焼ノズル（２４０）が、約１０００〜約１５００°Ｆ（約５３８〜約８１６℃）の温度範囲内の燃焼流を含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器（２３０）。
【請求項７】
前記複数の外側燃焼ノズル（１８０〜２２０）の１以上が触媒（２５０）を含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器（２３０）。
【請求項８】
中心燃焼ノズル（２４０）及び複数の外側燃焼ノズル（１８０〜２２０）を備えるガスタービン燃焼器（２３０）を作動させる方法であって、
前記中心燃焼ノズル（２４０）内に触媒（２５０）を配置するステップと、
前記中心燃焼ノズル（２４０）から出る燃料−空気混合気を約１０００〜約１５００°Ｆ（約５３８〜約８１６℃）の温度範囲に調整するステップと
を含む方法。
【請求項９】
触媒（２５０）を含む触媒燃焼ノズル（２４０）と、
前記触媒燃焼ノズル（２４０）の周りに配置された複数の非触媒燃焼ノズル（１８０〜２２０）と
を備えるガスタービン燃焼器（２３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、触媒作用によって安定化したガスタービン用の燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
約２８００°Ｆ（約１５３８℃）以上の温度では、空気中に存在する酸素及び窒素は、化合して窒素酸化物（ＮＯ及びＮＯ2、これらはまとめてＮＯｘとして知られている）を形成する。その結果、最新式の低排出量ガスタービンは一般的に、低ＮＯｘ燃焼のために非常に希薄な（リーンな）予混合火炎（フレーム）を使用する。作動限界には、「リーンブローアウト」（「ＬＢＯ」）が含まれ、このリーンブローアウトでは、１以上の燃焼器内でフレームの部分的な又は完全な吹消えが生じるおそれがある。別の限界は、音圧振動又は燃焼ダイナミックスである。これらの燃焼ダイナミックスは、全体として燃焼システムのオペラビリティ又は耐久性に悪影響を与えるおそれがある。その結果、依然として排出規制を満たしながら安定作動状態を維持するように各ガスタービンを個々に調整することが必要となる可能性がある。しかしながら、そのように調整することは、作動させておくことを必要とする時間に悪影響を与えるおそれがあるだけでなく、環境又は負荷変動に対処することが必要となる可能性もある。
【０００３】
ＬＢＯ及び燃焼ダイナミックス限界の両方には、燃焼器において安定したアンカリングフレームを形成することによって良好な影響を与えることができる。旧式の低ＮＯｘ燃焼器では、このアンカリングフレームは、パイロットとして生じさせた拡散フレームによって形成することができる。しかしながら、この種のパイロットは、ＮＯｘ排出量を所望又は許容状態よりも高くする可能性がある。具体的には、拡散パイロットの使用は、その高燃焼温度により、最新式のガスタービンにおいて所望の一桁ＮＯｘ排出量に到達することを困難にする。
【特許文献１】米国特許第６７５２６２３号明細書
【特許文献２】米国特許第６７４８７４５号明細書
【特許文献３】米国特許第６３９４７９１号明細書
【特許文献４】米国特許第６３５８０４０号明細書
【非特許文献１】L.B. DAVIS, ET AL., GE Power Systems, Title: "Dry Low NOx Combustion Systems for GE Heavy-Duty Gas Turbines," Dated: October 2000. Pages 1-26.
【非特許文献２】ROBERTA ELDRID, ET AL., GE Power Systems, Title: "The 7FA: The Next Evolution of the F Gas Turbine," Dated: October 2000, Pages 1-22.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、低ＮＯｘ燃焼器におけるより安定したアンカリングフレームに対する要望が存在する。そのような安定したアンカリングフレームは、ブローアウト傾向を減少させ、高温セクション寿命を増大させ、調整要件を緩和し、かつ低ＮＯｘ作動範囲を拡大するものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本出願は、ガスタービンエンジン用の燃焼器を提供する。本ガスタービン燃焼器は、触媒を含む中心燃焼ノズルと、該中心燃焼ノズルを囲繞する幾つかの外側燃焼ノズルとを含むことができる。
【０００６】
本出願はさらに、中心燃焼ノズル及び幾つか外側燃焼ノズルを備えたガスタービン燃焼器を作動させる方法を提供する。本方法は、中心燃焼ノズル内に触媒を配置するステップと、中心燃焼ノズルから出る燃料−空気混合気を約１０００〜約１５００°Ｆ（約５３８〜約８１６℃）の温度範囲に調整するステップとを含む。
【０００７】
本出願はさらに、ガスタービン燃焼器を提供する。本ガスタービン燃焼器は、触媒を含む触媒燃焼ノズルと、該触媒燃焼ノズルの周りに配置された幾つかの非触媒燃焼ノズルとを含むことができる。
【０００８】
本出願のこれらの及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、幾つかの図にわたって同じ参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１００の一部分を示している。一般的に説明すると、ガスタービンエンジン１００は、圧縮機１１０を含む。圧縮機１１０は、流入空気流を加圧する。空気流は次に、燃焼器１２０に吐出される。燃焼器１２０は、幾つかの燃焼缶１３０を含む。加圧空気及び燃料は、燃焼缶内で着火され、タービンセクション１４０を駆動するために使用される。タービンセクション１４０内で、高温燃焼ガスのエネルギーが機械的仕事に変換される。仕事の一部は、シャフト１５０を介して圧縮機１１０を駆動するために使用され、残りの部分は、発電機のような負荷を駆動するために利用可能である。
【００１０】
一例として、ガスタービンエンジン１００は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国ニューヨーク州スケネクタディ）から入手可能な７ＦＡ＋ｅ型汎用ガスタービンエンジンとすることができる。本明細書では、燃焼器１２０を備えたその他の形式のガスタービンエンジン１００を使用することもできる。
【００１１】
燃焼器１２０は、これも同様にＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国ニューヨーク州スケネクタディ）から入手可能な乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器とすることができる。具体的には、燃焼器１２０は、ＤＬＮ２．６燃焼器として知られているものとすることができる。図２に示すように、ＤＬＮ２．６燃焼器１６０は、第１のノズル１７０と、５つの周囲外側ノズル、すなわち第２のノズル１８０、第３のノズル１９０、第４のノズル２００、第５のノズル２１０及び第６のノズル２２０とを含む。本明細書では、あらゆる数のノズルを使用することもできる。第１のノズル１７０は、外側ノズル１８０〜２２０とは別個に燃料供給することができる。従って、第１のノズル１７０は、外側ノズル１８０〜２２０と比べて別個のマニホルド１７５を有することができる。従って、第１のノズル１７０の燃料−空気比は、外側ノズル１８０〜２２０に対して調整することができる。外側ノズル１８０〜２２０は同一であり、第１のノズル１７０も、同様であるが、利用可能なスペース内に取付けるための簡略型幾何学形状を有する。約５０パーセント（５０％）負荷範囲にわたっての約９ｐｐｍＮＯｘ及びＣＯの排出目標が、実現可能である。本明細書では、その他の形式及び構成の燃焼器１６０を使用することもできる。
【００１２】
図３は、本明細書に説明する触媒燃焼器２３０を示している。触媒燃焼器２３０は、大部分は上記のＤＬＮ２．６燃焼器１６０と同一とすることができ、第１のノズル１７０が、触媒ノズル２４０で置き換えられている。触媒ノズル２４０は、その中に配置された１以上の触媒層２５０を含むことができる。本明細書では、その他の構成の触媒燃焼器２３０及び触媒ノズル２４０を使用することもできる。
【００１３】
触媒層２５０は、活性成分として、貴金属、ＶＩＩＩ族貴金属、卑金属、金属酸化物、又はそのあらゆる組合せを含むことができる。ジルコニウム、バナジウム、クロム、マンガン、銅、プラチナ、パラジウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、セリウム、ランタン、その他のランタニド系元素、コバルト、ニッケル、鉄などの元素を使用することができる。触媒層２５０は、基体に直接適用するか、或いはアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、その他の高融点金属酸化物、又はそのあらゆる組合せから成る中間ボンディングコート又はウォッシュコートに適用することができる。触媒被覆基体は、様々な高温（耐熱）材料のいずれかで製作することができる。耐熱金属合金、特にアルミニウム、クロム及び／又はその他の合金化材料と組合せた鉄、ニッケル及び／又はコバルトから成る合金が好ましい。耐熱ニッケル合金が、特に好ましい。使用することができるその他の材料には、セラミック、金属酸化物、金属間化合物材料、カーバイド及び窒化物が含まれる。金属基体は、その優れた熱伝導性により触媒層２５０の効果的な背面冷却を可能にするものが最も好ましい。本明細書では、その他の材料及び構成を使用することもできる。
【００１４】
触媒ノズル２４０は、Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ社（米国コネチカット州ニューヘーブン）から「ＲＣＬ」という商品名で販売されているノズルとすることができる。本明細書では、その他の形式の触媒ノズル２４０を使用することもできる。燃料の一部分のみを反応させて、ノズル２４０の内部温度を許容範囲内に維持するようにすることができる。空気、未反応燃料、燃焼生成物及び高反応性部分燃焼生成物の混合気は、ノズル２４０によって燃焼流内に噴射することができる。混合気は、約１０００〜約１５００°Ｆ（約５３８〜約８１６℃）の温度範囲内にあることになるのが理想的である。触媒ノズル２４０からの流れが、外側ノズル１８０〜２２０によって供給された旋回燃料及び空気混合気内に噴射された時に、この相対的高温かつ高反応性ガス流は、予混合フレームに対して安定したアンカリング（火炎維持）を与える筈である。従って、外側ノズル１８０〜２２０は、より低い作動温度に調整することができる。
【００１５】
部分反応ガスの比較的低い温度は、パイロットフレームによって非常に僅かなＮＯｘを生成することになる筈である。ノズル２４０からのこれらガスは、燃焼器２３０内の混合気を着火させるのではなく、いったん着火したフレームに対して安定したアンカリングを単に与えようとするものである。この相対的に低温のアンカリングフレームを形成することによって、ＮＯｘ排出量に悪影響を与えずにオペラビリティを改善しかつ燃焼ダイナミックスを低下させることができる。
【００１６】
外側ノズル１８０〜２２０の幾つか又は全てはまた、触媒ノズル２４０で置き換えることができる。この置き換えにより、従来型のリーン予混合燃焼器によって達成可能なレベルを超える大幅な低ＮＯｘ排出レベルを得る可能性がもたらされる。本明細書では、あらゆる数又は構成の触媒ノズル２４０を使用することができる。
【００１７】
以上の説明は本出願の好ましい実施形態のみに関連していること、また特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的な技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく当業者が本明細書において多くの変更及び修正を行うことができることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃焼器、圧縮機及びタービンの一部分を示すガスタービンエンジンの側面断面図。
【図２】本明細書に説明する乾式低ＮＯｘ燃焼器の正面図。
【図３】本明細書に説明する触媒燃焼器の側面断面図。
【符号の説明】
【００１９】
１００  ガスタービンエンジン
１１０  圧縮機
１２０  燃焼器
１３０  燃焼缶
１４０  タービンセクション
１５０  シャフト
１６０  ＤＬＮ２．６燃焼器
１７０  第１のノズル
１７５  マニホルド
１８０  第２のノズル
１９０  第３のノズル
２００  第４のノズル
２１０  第５のノズル
２２０  第６のノズル
２３０  触媒燃焼器
２４０  触媒ノズル
２５０  触媒層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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