JP2010060275A - ターボ機械燃焼器用の二次燃料ノズルの旋回角度 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械燃焼器を提供する。
【解決手段】本燃焼器（１０）は、一次燃焼チャンバ（１２）及び二次燃焼チャンバ（１４）と、一次燃焼チャンバ（１２）内に配置されかつ該一次燃焼チャンバ（１２）に燃料を供給する１以上の一次ノズル（２４）と、中心本体組立体（３０）と、中心本体組立体（３０）の下流に配置されたベンチュリ（１６）と、中心本体組立体（３０）内に収容され、ベンチュリ（１６）に向かって延びかつ二次燃焼チャンバ（１４）に燃料を供給する二次燃料ノズル（４０）とを含む。二次燃料ノズル（４０）は、燃料通路（４４）及び空気通路（４６）と、燃料通路（４４）の周りに配置されかつ空気通路（４６）内で半径方向に突出した１以上のベーン（１０５）を有するスワーラ（１００）とを含み、各ベーン（１０５）は、二次燃料ノズル（４０）の長手方向軸線に対する旋回角度で構成された後縁（１１０）を有し、その旋回角度は４５°を超える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ターボ機械に関する。より具体的には、本発明は、改善した旋回角度を有するターボ機械用の乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼器の二次燃料ノズルに関する。

従来型の乾式低ＮＯｘＤＬＮ燃焼器は、一次ノズル及び二次燃料ノズルを有する燃料噴射システムと、ライナと、ベンチュリと、キャップ／中心本体組立体とを含む。このシステムでは、燃料及び空気混合気は、二次燃料ノズルとライナに取付けられた外側バーナチューブとが境界になった環状通路を通って移動する。環状通路の下流燃焼チャンバ内で燃焼する前に、流れ速度（すなわち、旋回）のバルク成分が混合気に与えられる。従来型の低ＮＯｘＤＬＮ燃焼器では、ＮＯｘエミッションの低減は、二次燃料ノズルのバルク旋回特性に敏感である。つまり、反応燃焼ガスの旋回角度は、燃焼器の安定性及びエミッションにおける重要なパラメータである。従来型の燃焼器では、旋回角度は一般に約４５°以下である。

米国特許第７１３７２５８号明細書

本発明の例示的な実施形態は、燃焼器を提供し、本燃焼器は、一次燃焼チャンバ及び二次燃焼チャンバと、一次燃焼チャンバ内に配置されかつ該一次燃焼チャンバに燃料を供給する１以上の一次ノズルと、中心本体組立体と、中心本体組立体の下流に配置されたベンチュリと、中心本体組立体内に収容され、ベンチュリに向かって延びかつ二次燃焼チャンバに燃料を供給する二次燃料ノズルとを含む。二次燃料ノズルは、燃料通路及び空気通路と、燃料通路の周りに配置されかつ空気通路内で半径方向に突出した１以上のベーンを有するスワーラとを含み、各ベーンは、二次燃料ノズルの長手方向軸線に対する旋回角度で構成された後縁を有し、その旋回角度は４５°を超える。

本発明の別の例示的な実施形態は、燃焼器用のノズルを提供する。本ノズルは、燃焼器の中心本体組立体内に収容されたノズル本体と、スワーラとを含み、ノズル本体は、燃料通路及び該ノズル本体を囲む空気通路を含み、スワーラは、燃料通路及び空気通路の半径方向間に設置され、スワーラは、燃料通路の周りに円周方向に間隔を置いて配置された１以上のベーンを含み、また各ベーンは、ノズル本体の長手方向軸線に対して４５°超の角度で構成された後縁を有する。

本発明の別の例示的な実施形態は、燃焼器内におけるＮＯｘを低減する方法を提供する。本方法は、燃料通路及び空気通路を有するノズルを燃焼器の中心本体組立体内に設けまた燃料通路を支持しかつノズルの長手方向軸線に対する旋回角度を形成するような形状になった１以上のベーンを有するスワーラを該ノズル内に設けるステップと、圧縮機からの吐出空気を空気通路に送給しまた燃料を燃料通路に送給するステップと、スワーラにより吐出空気を燃料と混合しまた該混合気を４５°超の旋回角度で旋回させるステップとを含む。

本発明の別の例示的な実施形態は、ターボ機械を提供し、本ターボ機械は、圧縮機と、流入燃料及び圧縮機からの吐出空気を受けるように構成された１以上の燃焼器とを含む。燃焼器は、一次燃焼チャンバ及び二次燃焼チャンバと、一次燃焼チャンバ内に配置されかつ該一次燃焼チャンバに燃料を供給する１以上の一次ノズルと、中心本体組立体と、中心本体組立体の下流に配置されたベンチュリと、中心本体組立体内に収容され、ベンチュリに向かって延びかつ二次燃焼チャンバに燃料を供給する二次燃料ノズルとを含む。二次燃料ノズルは、燃料通路及び空気通路と、燃料通路の周りに配置されかつ空気通路内で半径方向に突出した１以上のベーンを有するスワーラとを含み、各ベーンは、二次燃料ノズルの長手方向軸線に対する旋回角度で構成された後縁を有し、スワーラは、空気通路内の吐出空気及び燃料通路内の燃料の混合気を４５°超の旋回角度で旋回させるように構成される。本ターボ機械はさらに、燃焼器に作動連結された１以上のタービンを含む。

本発明の例示的な実施形態の方法により、付加的な特徴及び利点が実現される。本明細書では本発明のその他の実施形態及び態様を詳細に説明しており、それらの実施形態及び態様は、本特許請求した発明の一部と考えられる。本発明をその利点及び特徴と共に良好に理解するためには、以下の説明及び図面を参照されたい。

本発明の実施形態内に実施することができる燃焼器の部分側面断面図。 本発明の実施形態内に実施することができる燃焼器の二次燃料ノズルの側面断面図。 本発明の実施形態内に実施することができるスワーラを示す図。 本発明の実施形態内に実施することができる、図３に示すスワーラの複数のベーンの１つのベーンを示す図。

図１によると、本発明の実施形態によるターボ機械１用の燃焼器１０を示している。ターボ機械１は、１以上の燃焼器１０と、圧縮機２０と、燃焼器１０に作動連結された、単一のブレード５０で表した１以上のタービンとを含む。燃焼器１０は、ベンチュリ１６によって分離された一次燃焼チャンバ１２及び二次燃焼チャンバ１４を含む。燃焼器１０は、圧縮機２０からの吐出空気（矢印で示す）を該燃焼器１０に案内する流れスリーブ１８によって囲まれる。燃焼器１０はさらに、燃料を一次燃焼チャンバに送給する１以上の一次ノズル２４と、燃料を二次燃焼チャンバ２４に送給する二次燃料ノズル４０とを含む。図１には、１つのみの一次ノズルを示しているが、燃焼器１０は、より多くの一次ノズル２４を含むことができる。図１に示すように二次燃料ノズルは中心本体組立体３０内に収容されかつライナ３２を貫通してベンチュリ１６に向かって延びる。ベンチュリ１６は、中心本体組立体３０の下流に配置される。二次燃料ノズル４０は、ノズル本体４２と、該ノズル本体４２内に形成された燃料通路４４（図２に示すような）と、該ノズル本体４２を囲む空気通路４６とを含む。スワーラ１００が、燃料通路４４の周りに配置され、かつ空気通路４６内で半径方向に突出した１以上のベーン１０５を含む。つまり、スワーラ１００は燃料通路４４及び空気通路４６の半径方向間に設置される。スワーラ１００に関しての付加的な細部は、図２〜図４を参照して以下に説明する。スワーラ１００は、ライナ３２を通って移動する吐出空気（矢印で示す）を二次燃料ノズル４０からの燃料と混合する。

図２は、本発明の実施形態内で実施することができる燃焼器１００の二次燃料ノズル４０を示している。図２に示すように、スワーラ１００は、燃料／空気混合気を受けかつ該燃料／空気混合気を４５°超の旋回角度で旋回させる。燃料／空気混合気は、該燃料／空気混合気が下流において二次燃焼チャンバ１４内で燃焼する前に、図２に示すような火炎ゾーン（矢印１２０で示すような）内の旋回流れ場として旋回する。別の実施形態によると、旋回角度は、４５°超乃至約５０°の範囲内にある。それに代えて、別の実施形態によると、旋回角度は、４５°超乃至約６０°の範囲内にある。加えて、さらに別の実施形態によると、旋回角度は、４５°超乃至約７０°の範囲内にある。

図３に示すように、一実施形態によると、スワーラ１００は、ベーン１０５の配列を含み、このベーン１０５の配列は、該ベーン１０５を通って流れる燃料／空気混合気の旋回を与える。複数のベーン１０５は、燃料通路４４の周りに円周方向に間隔を置いて配置される。

図４は、本発明の実施形態内で実施することができる、図３に示すスワーラ１００の複数のベーン１０５のベーンを示している。図４に示すように、各ベーン１０５は、二次燃料ノズル４０の長手方向軸線に対する角度θで構成された後縁１１０を含む。一実施形態によると、角度θは、４５°超の角度である。本発明の別の例示的な実施形態によると、角度θは、４５°超乃至約５０°の範囲内にある。さらに別の例示的な実施形態では、角度θは、４５°超乃至約６０°の範囲内にある。さらに別の例示的な実施形態では、角度θは、４５°超乃至約７０°の範囲内にある。

本発明の実施形態によると、二次燃料ノズルの旋回の角度を４５°超に増大させることによって、本発明は燃焼器を作動させながらＮＯｘエミッションを低減する利点をもたらす。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができかつ均等物をその要素と置き換えることができることは当業者には分かるであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの改良を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実行するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。さらに、第１の、第２のなどの用語の使用は、何らの順序又は重要度を示すものではなく、むしろ第１の、第２のなどの用語は、１つの要素を他の要素から区別するために使用している。

１ ターボ機械
１０ 燃焼器
１２ 一次燃焼チャンバ
１４ 二次燃焼チャンバ
１６ ベンチュリ
１８ 流れスリーブ
２０ 圧縮機
２４ 一次ノズル
３０ 中心本体組立体
３２ ライナ
４０ 二次ノズル
４２ ノズル本体
４４ 燃料通路
４６ 空気通路
５０ タービン
１００ スワーラ
１０５ ベーン
１１０ 後縁
１２０ 旋回流れ場

Claims (10)

1. 一次燃焼チャンバ（１２）及び二次燃焼チャンバ（１４）と、
   前記一次燃焼チャンバ（１２）内に配置されかつ該一次燃焼チャンバ（１２）に燃料を供給する１以上の一次ノズル（２４）と、
   中心本体組立体（３０）と、
   前記中心本体組立体（３０）の下流に配置されたベンチュリ（１６）と、
   前記中心本体組立体（３０）内に収容され、前記ベンチュリ（１６）に向かって延びかつ前記二次燃焼チャンバ（１４）に燃料を供給する二次燃料ノズル（４０）と
   を備える燃焼器（１０）であって、前記二次燃料ノズル（４０）が、
   燃料通路（４４）及び空気通路（４６）と、
   前記燃料通路（４４）の周りに配置されかつ前記空気通路（４６）内で半径方向に突出した１以上のベーン（１０５）を有するスワーラ（１００）と
   を含んでおり、各ベーン（１０５）が前記二次ノズル（４０）の長手方向軸線に対する旋回角度で構成された後縁（１１０）を有し、前記旋回角度が４５°を超える、燃焼器（１０）。
2. 前記旋回角度が４５°超乃至約５０°の範囲内にある、請求項１記載の燃焼器（１０）。
3. 前記旋回角度が４５°超乃至約６０°の範囲内にある、請求項１記載の燃焼器（１０）。
4. 前記旋回角度が４５°超乃至約７０°の範囲内にある、請求項１記載の燃焼器（１０）。
5. 燃焼器（１０）用のノズル（４０）であって、当該ノズル（４０）が、
   前記燃焼器（１０）の中心本体組立体（３０）内に収容されたノズル本体（４２）と、
   スワーラ（１００）と
   を備えており、前記ノズル本体（４２）が燃料通路（４４）及び該ノズル本体（４２）を囲む空気通路（４６）を含み、前記スワーラ（１００）が前記燃料通路（４４）及び空気通路（４６）の半径方向間に設置され、前記スワーラ（１００）が、前記燃料通路（４４）の周りに円周方向に間隔を置いて配置された１以上のベーン（１０５）を含み、各ベーン（１０５）が、前記ノズル本体（４２）の長手方向軸線に対して４５°超の角度で構成された後縁（１１０）を有する、ノズル（４０）。
6. 前記角度が４５°超乃至約５０°の範囲内にある、請求項５記載のノズル（４０）。
7. 前記角度が４５°超乃至約６０°の範囲内にある、請求項５記載のノズル（４０）。
8. 前記角度が４５°超乃至約７０°の範囲内にある、請求項５記載のノズル（４０）。
9. 燃焼器内におけるＮＯｘを低減する方法であって、
   燃料通路及び空気通路を有するノズルを前記燃焼器の中心本体組立体内に設けまた前記燃料通路を支持しかつ前記ノズルの長手方向軸線に対する旋回角度を形成するような形状になった１以上のベーンを有するスワーラを該ノズル内に設けるステップと、
   圧縮機からの吐出空気を前記空気通路に送給しまた燃料を前記燃料通路に送給するステップと、
   前記スワーラにより前記吐出空気を燃料と混合しまた該混合気を４５°超の旋回角度で旋回させるステップと
   を含む方法。
10. ターボ機械であって、当該ターボ機械が、
    圧縮機と、
    流入燃料及び前記圧縮機からの吐出空気を受けるように構成された１以上の燃焼器と
    を備えており、前記燃焼器が、
    一次燃焼チャンバ及び二次燃焼チャンバと、
    前記一次燃焼チャンバ内に配置されかつ該一次燃焼チャンバに燃料を供給する１以上の一次ノズルと、
    中心本体組立体と、
    前記中心本体組立体の下流に配置されたベンチュリと、
    前記中心本体組立体内に収容され、前記ベンチュリに向かって延びかつ前記二次燃焼チャンバに燃料を供給する二次燃料ノズルと
    を備えており、前記二次燃料ノズルが、
    燃料通路及び空気通路と、
    前記燃料通路の周りに配置されかつ前記空気通路内で半径方向に突出した１以上のベーンを有するスワーラと
    を備えており、各ベーンが前記二次燃料ノズルの長手方向軸線に対する旋回角度で構成された後縁を有し、前記スワーラが、前記空気通路内の吐出空気及び前記燃料通路内の燃料の混合気を４５°超の旋回角度で旋回させるように構成され、該ターボ機械が、前記燃焼器に作動連結された１以上のタービンをさらに含む、ターボ機械。

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