燃焼システムにおいて燃料ノズルを熱的に保護するための方法及びシステム
【課題】燃焼システムにおいて燃料ノズルを熱的に保護するための方法及びシステムを提供すること。
【解決手段】ガスタービンエンジンを組み立てる方法が提供される。本方法は、燃焼器が圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るように、燃焼器を圧縮機と流れ連通して結合する段階を含む。燃料ノズル組立体は、燃焼器に結合され、複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを備え、内部表面を燃焼ガスからシールドするために、複数の内部表面の少なくとも１つに熱障壁コーティングを施工する。
【解決手段】ガスタービンエンジンを組み立てる方法が提供される。本方法は、燃焼器が圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るように、燃焼器を圧縮機と流れ連通して結合する段階を含む。燃料ノズル組立体は、燃焼器に結合され、複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを備え、内部表面を燃焼ガスからシールドするために、複数の内部表面の少なくとも１つに熱障壁コーティングを施工する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で記載される実施形態は、一般に、ガスタービン燃焼システムに関し、より詳細には、設計外の保炎事象中の損傷を低減することができる燃料及び空気予混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、燃焼器内で燃料空気混合気を点火し、高温ガス通路を介してタービンに送られる燃焼ガスストリームを生成する。加圧空気は、圧縮機から燃焼器に送給される。公知の燃焼器組立体は、燃焼器の燃焼領域への燃料及び空気の送給を可能にする燃料ノズルを含む。タービンは、燃焼ガスストリームの熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、これを用いてタービンシャフトを回転させる。タービンの出力は、例えば、発電機又はポンプなどの機械に動力を供給するのに用いることができる。
【０００３】
従来の炭化水素燃料を燃焼するガスタービンにより生成されたエミッションは、窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素を含むことができる。空気吸入エンジンにおける窒素分子の酸化が燃焼システムの反応ゾーンで生成される高温ガス温度に依存することは、当該技術分野において公知である。ＮＯｘエミッションを低減する１つの方法は、混合気が点火する前に希薄混合気に燃料及び空気を予混合することにより、熱エンジン燃焼器の反応ゾーン温度をサーマルＮＯｘが形成されるレベル又はそれ以下のレベルに維持することである。多くの場合、このようなプロセスは、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムにおいて行われる。このようなシステムにおいて、燃焼器の反応ゾーンに存在する過剰空気の熱質量は、サーマルＮＯｘの生成が減少するレベルにまで燃焼生成物の温度上昇が低下するよう熱を吸収する。
【０００４】
ガス状又は液体燃料の燃焼中、公知の希薄予混合燃焼器は、保炎又は逆火を生じる場合があり、ここでは、燃焼ライナ内に閉じ込められる傾向がある火炎は、燃料及び空気の噴射位置に向けて上流側に移動して予混合セクションに入る。このような保炎／逆火事象は、過度に大きな熱負荷に起因して、エミッション性能の劣化、及び／又は予混合セクションに対する過熱及び損傷を生じる可能性がある。少なくとも一部の公知のガスタービン燃焼システムは、均一な希薄燃料空気予混合気を燃焼器ライナに送る目的で、燃料及び加圧空気流を予混合する予混合噴射装置を含む。通常は、あるバルクバーナー管速度が存在し、この速度以上では予混合器内の火炎が一次燃焼ゾーンに排出されることになる。
【０００５】
合成ガス（シンガス）、燃焼前炭素捕捉（高水素燃料をもたらす）を伴うシンガス、及び／又は高炭化水素の割合の高い天然ガスなどの高反応性燃料が使用されるので、現在のＤＬＮ燃焼システムは、エンジン運転中に保炎を維持するのが困難な場合がある。理想的な作動条件では、予混合器内部の火炎は、該予混合器内に留まらずに、下流方向に正常燃焼ゾーン内に移動している。最新の燃焼システムの設計ポイントは、３０００°Ｆのバルク火炎温度に達する場合があるので、保炎／逆火事象は、極めて短い時間期間で予混合ノズルセクションに多大な損傷を生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７３６８１６４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
１つの態様において、ガスタービンエンジンを組み立てる方法が提供される。本方法は、燃焼器が圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るように、燃焼器を圧縮機と流れ連通して結合する段階を含む。燃料ノズル組立体は、燃焼器に結合され、複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを備え、内部表面を燃焼ガスからシールドするために、複数の内部表面の少なくとも１つに熱障壁コーティングを施工する。
【０００８】
別の態様において、ガスタービンエンジンで使用するための燃料ノズルが提供される。燃料ノズルは、複数の内部表面と、複数の燃料ノズル内部表面の少なくとも１つにわたり施工される熱障壁コーティングとを含む。熱障壁コーティングは、燃料ノズル内部表面を燃焼ガスからシールドするよう構成される。
【０００９】
更に別の態様において、ガスタービンシステムが提供される。ガスタービンシステムは、圧縮機と、燃焼器と、熱障壁コーティングと、を含む。燃焼器は、圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るために圧縮機と流れ連通している。燃焼器は、複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを含む。熱障壁コーティングは、複数の燃料ノズル内部表面の少なくとも１つに施工される。熱障壁コーティングは、燃料ノズル内部表面を燃焼ガスからシールドするよう構成される。
【００１０】
本発明は、保炎に対して実質的に耐性があり、これにより予混合器内の火炎を検出して条件を補正するのに十分な時間を許容されるＤＬＮ燃焼システムを提供する。更に、本明細書で記載されるように、予混合器への熱障壁コーティングの施工は、予混合器で必要とされる冷却流体の量を低減することができ、従って、コスト節減及びメンテナンスコストの低減をもたらす。有利には、これにより燃焼システムが、高コストのハードウェア損傷及び強制停止のリスクを有意に低減して、シンガス、高水素、及び他の反応性燃料を用いてより効率的に運転できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的なガスタービンシステムの断面図。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンと共に使用することができる例示的な燃料ノズルの図。
【図３】図１に示すガスタービンエンジンと共に使用することができる例示的な燃料ノズルの拡大断面図。
【図４】例示的な燃料ノズルと共に使用することができる例示的な熱障壁コーティングの概略図。
【図５】図１に示すガスタービンエンジンと共に使用することができる燃料ノズルの代替の実施形態の図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書で記載される例示的な方法及びシステムは、保炎／逆火耐性を向上させることができる先進冷却システムを含む燃料ノズルを提供することによって、公知の乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムの欠点に対処する。より具体的には、本明細書の実施形態は、燃料ノズル温度を低下させる冷却流を提供することによって保炎／逆火事象中の燃料ノズル損傷を防ぎ、従って、予混合器における事象を検出して該検出した何らかの悪条件を改善する時間が増大する。１つの実施形態において、燃料ノズルは、背面対流冷却、衝突冷却、及びフィルム冷却を組み合わせて、保炎中の燃料ノズルの温度を低下させることができる冷却システムを含む。本明細書で使用される用語「冷却剤」及び「冷却流体」は、窒素、空気、燃料、又はこれらの何れかの組み合わせ、及び／又は本明細書で記載される機能を燃料ノズルが実施できるようにする他の何れかの流体を指す。
【００１３】
例示的な実施形態において、熱障壁コーティング（ＴＢＣ）が燃料ノズルに施工され、燃料ノズルをシールドし、必要な冷却流を低減し、又は燃料ノズル予混合器構成部品の温度を低下させることができる障壁を形成する。以下でより詳細に説明するように、施工されるＴＢＣの厚みは、耐熱性の所望のレベル、すなわち、ＴＢＣシステムにわたる必要な温度低下を達成するように可変的に選択することができる。本明細書全体を通じて使用される用語「軸方向の」及び「軸方向に」とは、燃料ノズルの中央本体の中心長手方向軸線に実質的に平行に延びる方向及び向きを指すことを理解されたい。また、用語「半径方向」及び「半径方向に」とは、中央本体の中心長手方向軸線に実質的に垂直に延びる方向及び向きを指すことを理解されたい。更に、本明細書全体を通じて使用される用語「上流側」及び「下流側」とは、中央本体の中心長手方向軸線に対して軸方向の全体の燃料流方向に配置された方向及び向きを指すことを理解されたい。
【００１４】
図１は、吸気セクション１２と、該吸気セクション１２から下流側にある圧縮機セクション１４と、吸気セクション１２から下流側で結合される燃焼器セクション１６と、燃焼器セクション１６から下流側で結合されるタービンセクション１８と、排気セクション２０とを含む、例示的なガスタービンシステム１０の断面図である。燃焼器セクション１６は、複数の燃焼器２４を含む。ガスタービンシステム１０は、燃料ノズル組立体２６を含む。燃料ノズル組立体２６は、複数の燃料ノズル２８を含む。燃焼器２４が圧縮機１４と流れ連通するように圧縮機セクション１４に結合される。燃料ノズル組立体２６は燃焼器２４に結合される。タービンセクション１８は、圧縮機セクション１４に、更に、限定ではないが、発電機及び機械式駆動用途などの負荷２２に回転可能に結合される。
【００１５】
作動中、吸気セクション１２は、空気を圧縮機セクション１４に送る。圧縮機セクション１４は、吸入空気を高圧高温にまで加圧し、加圧された空気を燃焼セクション１６に向けて排出し、ここで燃料と混合及び点火されて燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスがタービンセクションに流れ、圧縮機セクション１４及び／又は負荷２２を駆動する。具体的には、加圧空気は、燃料ノズル組立体２６に供給される。燃料は、燃料ノズルに送られ、ここで燃料が空気と混合され、燃焼器セクション１６における燃料ノズル２８の下流側で点火される。燃焼ガスが生成されてタービンセクション１８に送られ、ここでガスストリームの熱エネルギーが機械的回転エネルギーに変換される。排気ガスは、タービンセクション１８から出て、周囲雰囲気に排気セクション２０を通って流れる。
【００１６】
図２は、ガスタービンエンジン１０と共に使用できる例示的な燃料ノズル１００である。図３は、例示的な燃料ノズル１００の拡大断面図である。例示的な実施形態では、燃料ノズル１００は、バーナー管１１０、ノズル中央本体１１２、燃料／空気予混合器１１４、及び熱障壁コーティング１１８を含む。ノズル中央本体１１２は、バーナー管１１０を通って延びて、予混合通路１２１が中央本体１１２とバーナー管１１０との間に定められるようにする。例示的な実施形態において、燃料ノズル１００は、複数の内側表面１１９を含む。
【００１７】
バーナー管１１０は、外周壁１１１と内部バーナー壁１４４との間に定められる環状キャビティ１４３を含む。複数のオリフィス１４５が内部に定められ、内部バーナー壁１４４を通って延びて、環状キャビティ１４３を予混合通路１２１と流れ連通して結合する。内部バーナー壁１４４は、外側表面１４７を含む。代替の実施形態において、バーナー管１１０はオリフィス１４５を含まない。
【００１８】
中央本体１１２は、半径方向外側円周壁１３７、半径方向内側円周壁１３６、燃料通路１３２、逆流通路１３４、端壁１３３、及び中間壁１２４を含む。外側壁１３７は外面１３８を含む。端壁１３３は外側表面１３９を含む。燃料通路１３２は、内側壁１３６により定められ、燃料／空気予混合器１１４から端壁１３３に向かって延びる。中間壁１２４は、内部バーナー壁１４４と内側壁１３６との間に延びて、冷却剤入口１３１と端壁１３３との間に位置付けられる。逆流通路１３４は、中央本体１１２内に定められ、端壁１３３から中間壁１２４に実質的に軸方向に延びる。逆流通路１３４は、燃料通路１３２とほぼ同心状に整列され、中央本体１１２内に定められる内側円周壁１３６により燃料通路１３２から分離される。複数の環状リブ１３５が逆流通路１３４内に位置付けられ、リブ１３５が逆流通路１３４に沿って間隔を置いて配置され、予混合通路１２１から逆流通路１３４にまで外側円周壁１３７をわたる熱移動を最適化及び強化できるようにする。リブ１３５は、限定ではないが、壁１３６から円周方向に延びる離散的環状リング、及び/又は壁１３６から延びる独立ナブを含む、このような熱移動を可能にするあらゆる形状を有することができる。
【００１９】
燃料／空気予混合器１１４は、空気入口１１５、燃料入口１１６、冷却剤入口１３１、冷却剤通路１２３、スワールベーン１２２、及びスワールベーン１２２間に定められるベーン通路１１７を含む。スワールベーン１２２は、外側表面１２７を含む。冷却剤通路１２３は、燃料／空気予混合器１１４内に定められ、冷却剤入口１３１から中間壁１２４に延びる。チャンバ１４２は、ベーン１２２の後方部分１６０内に定められ、該チャンバ１４２が逆流通路１３４と流れ連通して結合されるようにする。複数の噴射ポート１２５が内部に定められ、ベーン１２２の後方部分１６０を通って延びて、チャンバ１４２及び逆流通路１３４を予混合通路１２１と流れ連通して結合する。チャンバ１４２は、ベーン１２２の前方部分１６２内に定められ、チャンバ１２６が冷却剤通路１２３と流れ連通して結合されるようにする。
【００２０】
バーナー管１１０は、燃料／空気予混合器１１４に結合され、チャンバ１２６が環状キャビティ１４３と流れ連通するようになる。中央本体１１２は、燃料／空気予混合器１１４に結合されて、チャンバ１４２が、逆流通路１３４及び予混合通路１２１と流れ連通して位置付けられるようにされ、燃料通路１３２が燃料入口１１６から端壁１３３に延びる。
【００２１】
図４は、燃料ノズル１００と共に使用することができる例示的な熱障壁コーティング１１８の概略図である。例示的な実施形態において、熱障壁コーティング１１８は、燃料ノズル１００の複数の内側表面１１９に施工される。熱障壁コーティング１１８は、プラズマスプレー法を用いて施工される。代替の実施形態において、熱障壁コーティング１１８は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）を用いて、熱障壁コーティング１１８のスラリー溶液を燃料ノズル１００上にスプレーし、及び／又は燃料ノズル１００を熱障壁コーティング１１８のスラリー溶液内に浸漬することにより施工される。熱障壁コーティング１１８は、最初に内側表面１１９の少なくとも一部に施工される金属ボンドコーティング１６４と、次に金属ボンドコーティング１６４の少なくとも一部に施工されるセラミックコーティング１６５とを含む。例示的な実施形態において、熱障壁コーティング１１８は、約１０００分の４インチ（０．００４インチ）から約１０００分の１インチ（０．００１インチ）までの範囲の厚み１６６で施工される。例示的な実施形態において、熱障壁コーティングは、約１０００分の２０インチ（０．０２０インチ）から１０００分の３０インチ（０．０３０インチ）の間の厚み１６６を有する。しかしながら、熱障壁コーティング１１８の厚み１６６は、本明細書で記載される機能を燃料ノズル１００が実施できる所望の耐熱レベルが確実に達成されるように、可変的に選択することができる。
【００２２】
作動中、燃料５０は、ノズル中央本体１１２に入り、燃料入口１１６を通って燃料通路１３２に流入する。燃料が中央本体１１２を通って送られて、端壁１３３に衝突し、その結果、燃料５０の流れが反転し、燃料は逆流通路１３４内に送られる。燃料が逆流通路１３４に入ると、燃料がリブ１３５を超えて中間壁１２４に向けて送られ、ここで燃料５０が壁１２４に衝突し、次いで、チャンバ１４２内に再配向される。燃料５０は、チャンバ１４２から噴射ポート１２５を通ってベーン通路１１７及び予混合通路１２１内に排出される。空気５２は、ベーン通路１１７内に空気入口１１５を通って配向される。空気５２がベーン１２２を通過すると、空気は、予混合通路１２１内の噴射ポート１２５から排出された燃料５０と混合される。完全燃焼を可能にするために、予混合通路１２１は、燃料／空気混合気が燃焼器反応ゾーン（図示せず）に排出される前に、該混合気の実質的に完全な混合が確保されるような大きさにされる。例示的な実施形態において、燃料５０は、通路１３２を通って流れて端壁１３３に衝突するときに、該端壁１３３を冷却することができる。加えて、燃料５０は、逆流通路１３４を通って流れるときに予混合通路１２１の背面対流冷却を可能にする。従って、中央本体１１２の外側円周壁１３７は、燃料５０が燃料通路１３２及び逆流通路１３４を通って流れるときに、対流冷却により冷却される。
【００２３】
冷却剤５４は、冷却剤入口１３１を通って中央本体１１２に、及び冷却剤通路１２３に送られる。冷却剤５４は、中間壁１２４に衝突し、チャンバ１２６内に配向される。冷却剤５４は、チャンバ１２６を通って送られ、環状キャビティ１４３に入った後にオリフィス１４５を通って排出される。例示的な実施形態において、冷却剤５４は、環状キャビティ１４３を通って流れるときに、バーナー外周壁１１１を冷却することができる。更に、冷却剤５４はまた、オリフィス１４５を通して排出されるときに、内部バーナー壁１４４のフィルム冷却を提供する。加えて、冷却剤５４が環状キャビティ１４３を通過するときに、外周壁１１１に対する背面対流冷却が得られる。
【００２４】
作動中、熱障壁コーティング１１８は、設計外保炎事象中に予混合通路１２１内に生成された燃焼ガスから燃料ノズル１００の内側表面１１９をシールドすることができる。１つの実施形態において、熱障壁コーティング１１８を用いることで、少なくとも１００°Ｆの金属温度の低減が達成された。従って、このような実施形態において、２５％未満の冷却流を用いて、同じ作動条件で保炎／逆火中の熱的損傷から燃料ノズル１００を保護することができる。
【００２５】
図５は、ガスタービン１０と共に用いることができる燃料ノズル２００の代替の実施形態である。図３で参照され且つ図２に示すものと同一の構成部品は、図３における同じ参照符号で識別される。従って、燃料ノズル２００は、バーナー管１００、ノズル中央本体２１２、燃料／空気混合気２１４、及び熱障壁コーティング１１８を含む。ノズル中央本体２１２は、バーナー管１１０を通って延び、予混合通路２２１が中央本体２１２とバーナー管１１０との間に定められるようになる。燃料ノズル２００は複数の内側表面１１９を含む。
【００２６】
代替の実施形態において、中央本体２１２は、半径方向外側壁２３７、半径方向内側壁２３６、冷却剤通路２３２、逆流通路２３４、端壁２３３、及び中間壁２２４を含む。冷却剤通路２３２は、燃料／空気予混合器２１４から端壁２３３に向かって延び、中間壁２２４は、内部バーナー壁１４４と内側壁２３６との間に延びて、燃料入口２１６と端壁２３３との間に位置付けられる。逆流通路２３４は、中央本体２１２内に定められ、端壁２３３から中間壁２２４に延びる。更に、逆流通路２３４は、燃料通路２３２とほぼ同心状に整列され、中央本体２１２内に延びる内側壁２３６により燃料通路２３２から分離される。複数の環状リブ２３５が逆流通路２３４内に位置付けられ、リブ２３５が逆流通路２３４に沿って間隔を置いて配置され、予混合通路２２１から逆流通路２３４にまで外側円周壁２３７をわたる熱移動を最適化及び強化できるようにする。
【００２７】
燃料／空気予混合器２１４は、空気入口２１５、燃料入口２１６、冷却剤入口２３１、冷却剤通路２２３、スワールベーン２２２、及びスワールベーン１２２間に定められるベーン通路２１７を含む。燃料通路２２３は、燃料／空気予混合器２１４内に定められ、燃料入口２１６から中間壁２２４に延びる。チャンバ２４２は、ベーン２２２の前方部分２６２内に定められ、燃料通路２２３と流れ連通している。複数の噴射ポート２２５が内部に定められ、ベーン２２２の前方部分２６２を通って延びて、予混合通路２２１と流れ連通して燃料通路２２３を結合する。チャンバ２２６は、ベーン２２２の後方部分２６０内に定められ、チャンバ２２６が逆流通路２３４と流れ連通して結合されるようにする。
【００２８】
バーナー管１１０は、燃料／空気予混合器２１４に結合され、チャンバ２２６が環状キャビティ１４３と流れ連通するようになる。中央本体２１２は、燃料／空気予混合器２１４に結合されて、チャンバ２２６が、環状キャビティ１４３及び逆流通路２３４と流れ連通して位置付けられるようにされ、冷却剤通路２３２が冷却剤入口２３１から端壁２３３に延びる。熱障壁コーティング１１８は、燃料ノズル２００の内側表面１１９に施工される。
【００２９】
代替の実施形態において、作動中、燃料５０は、ノズル中央本体２１２に入り、燃料入口２１６を通って燃料通路２２３に流入する。燃料５０は、中間壁２２４に衝突し、そこで燃料５０の流れはチャンバ２４２に送られ、チャンバ２４２から噴射ポート２２５を通ってベーン通路２１７内に排出される。冷却剤５４は、中央本体２１２に入り、冷却剤入口２３１を通って冷却剤通路２３２に流入する。冷却剤５４は、中央本体２１２を通って送られ、端壁２３３に衝突し、そこで冷却剤５４の流れが反転され、冷却剤５４が逆流通路２３４に送られる。冷却剤５４が逆流通路２３４に流入すると、該冷却剤５４はリブ２３５を超えて中間壁２２４に向けて送られ、ここで冷却剤５４が中間壁２２４に衝突し、チャンバ１４２内に再配向される。冷却剤５４は、チャンバ２２６を通って環状キャビティ１４３に送られた後、複数のオリフィス１４５を通って排出される。
【００３０】
代替の実施形態において、冷却剤５４は、環状キャビティ１４３を通って流れるときに、バーナー外周壁１１１を冷却することができ、冷却剤５４がオリフィス１４５を通して排出されるときに、内部バーナー壁１４４のフィルム冷却を提供する。加えて、冷却剤５４が環状キャビティ１４３を通過すると、外周壁１１１に対する背面対流冷却が得られる。冷却剤５４はまた、冷却剤通路２３２を通過して端壁２３３に衝突するときに、端壁２３３を冷却することができる。加えて、冷却剤５４は、逆流通路２３４を通過するときに、外側壁２３７を背面対流冷却することができる。熱障壁コーティング１１８は、設計外保炎事象中に燃料ノズル２００内に生成された燃焼ガスから燃料ノズル２００の内側表面１６５をシールドすることができる。従って、このような代替の実施形態において、同じ作動条件で、保炎／逆火事象中に燃料ノズル２００への損傷の低減を可能にするのに必要な冷却剤の量が低減される。
【００３１】
上述の方法及びシステムは、保炎／逆火特性が強化された燃料ノズルを設けることによって、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムの作動を改善することができる。従って、本明細書で記載される実施形態は、例えば、ガスタービン用途でコスト効果の高い方法でＤＬＮ燃焼システムにおいて合成ガス（「シンガス」）及び高炭化水素の割合の高い天然ガスなどの高反応性燃料の使用を可能にする。上述のシステムはまた、背面対流冷却、衝突冷却、及びフィルム冷却の組み合わせを含む、冷却システムと共に燃料ノズルを用いることによって、保炎／逆火事象中の損傷を低減する方法を提供する。従って、ＤＬＮ燃焼システムの作動寿命全体にわたり発生する可能性のある保炎／逆火事象に起因する損傷が低減されるので、乾式低ＮＯｘ燃焼システムの性能寿命を延ばすことができる。
【００３２】
燃焼システムにおける燃料ノズルを熱的に保護する方法及びシステムの例示的な実施形態が上記で詳細に説明された。本方法及びシステムは、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ、本システムの構成要素及び／又は本方法のステップは、本明細書で記載される他の構成要素及び／又はステップとは独立して別個に利用してもよい。例えば、本方法はまた、他の燃料燃焼システム及び方法と組み合わせて用いることができ、本明細書で記載されるＤＬＮ燃焼システム及び方法での実施に限定されるものではない。むしろ、例示的な実施形態は、他の多くの燃料燃焼用途と併せて実施及び利用することができる。
【００３３】
本明細書では特定の用語が利用されているが、これらは、限定の目的ではなく、一般的及び説明的な意味でのみ用いられる。本発明の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。
【００３４】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３５】
１０ ガスタービンエンジン
１２ 吸気セクション
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器セクション
１８ タービンセクション
２０ 排気セクション
２２ 負荷
２４ 燃焼器
２５ 実施形態
２６ 燃料ノズル組立体
２８ 燃料ノズル
５０ 燃料
５２ 空気
５４ 冷却剤
１００ 燃料ノズル
１１０ バーナー管
１１１ バーナー外周壁
１１２ 中央本体
１１４ 燃料／空気予混合器
１１５ 空気入口
１１６ 燃料入口
１１７ ベーン通路
１１８ 熱障壁コーティング
１１９ 内側表面
１２１ 予混合通路
１２２ スワールベーン
１２３ 冷却剤通路
１２４ 中間壁
１２５ 複数の噴射ポート
１２６ チャンバ
１２７ 外側表面
１３１ 冷却剤入口
１３２ 燃料通路
１３３ 端壁
１３４ 逆流通路
１３５ 複数の環状リブ
１３６ 内側円周壁
１３７ 外側円周壁
１３８ 外部表面
１３９ 外側表面
１４２ チャンバ
１４３ 環状キャビティ
１４４ 内側バーナー壁
１４５ 複数のオリフィス
１４７ 外側表面
１６０ 後方部分
１６２ 前方部分
１６４ 金属ボンドコーティング
１６５ セラミックコーティング
１６６ 厚み
２００ 燃料ノズル
２１２ 中央本体
２１４ 燃料／空気予混合器
２１５ 空気入口
２１６ 燃料入口
２１７ ベーン通路
２２１ 予混合通路
２２２ スワールベーン
２２３ 燃料通路
２２４ 中間壁
２２５ 噴射ポート
２２６ チャンバ
２３１ 冷却剤入口
２３２ 冷却剤通路
２３３ 端壁
２３４ 逆流通路
２３５ リブ
２３６ 内側壁
２３７ 半径方向外側壁
２４２ チャンバ
２６０ 後方部分
２６２ 前方部分
【技術分野】
【０００１】
本明細書で記載される実施形態は、一般に、ガスタービン燃焼システムに関し、より詳細には、設計外の保炎事象中の損傷を低減することができる燃料及び空気予混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、燃焼器内で燃料空気混合気を点火し、高温ガス通路を介してタービンに送られる燃焼ガスストリームを生成する。加圧空気は、圧縮機から燃焼器に送給される。公知の燃焼器組立体は、燃焼器の燃焼領域への燃料及び空気の送給を可能にする燃料ノズルを含む。タービンは、燃焼ガスストリームの熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、これを用いてタービンシャフトを回転させる。タービンの出力は、例えば、発電機又はポンプなどの機械に動力を供給するのに用いることができる。
【０００３】
従来の炭化水素燃料を燃焼するガスタービンにより生成されたエミッションは、窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素を含むことができる。空気吸入エンジンにおける窒素分子の酸化が燃焼システムの反応ゾーンで生成される高温ガス温度に依存することは、当該技術分野において公知である。ＮＯｘエミッションを低減する１つの方法は、混合気が点火する前に希薄混合気に燃料及び空気を予混合することにより、熱エンジン燃焼器の反応ゾーン温度をサーマルＮＯｘが形成されるレベル又はそれ以下のレベルに維持することである。多くの場合、このようなプロセスは、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムにおいて行われる。このようなシステムにおいて、燃焼器の反応ゾーンに存在する過剰空気の熱質量は、サーマルＮＯｘの生成が減少するレベルにまで燃焼生成物の温度上昇が低下するよう熱を吸収する。
【０００４】
ガス状又は液体燃料の燃焼中、公知の希薄予混合燃焼器は、保炎又は逆火を生じる場合があり、ここでは、燃焼ライナ内に閉じ込められる傾向がある火炎は、燃料及び空気の噴射位置に向けて上流側に移動して予混合セクションに入る。このような保炎／逆火事象は、過度に大きな熱負荷に起因して、エミッション性能の劣化、及び／又は予混合セクションに対する過熱及び損傷を生じる可能性がある。少なくとも一部の公知のガスタービン燃焼システムは、均一な希薄燃料空気予混合気を燃焼器ライナに送る目的で、燃料及び加圧空気流を予混合する予混合噴射装置を含む。通常は、あるバルクバーナー管速度が存在し、この速度以上では予混合器内の火炎が一次燃焼ゾーンに排出されることになる。
【０００５】
合成ガス（シンガス）、燃焼前炭素捕捉（高水素燃料をもたらす）を伴うシンガス、及び／又は高炭化水素の割合の高い天然ガスなどの高反応性燃料が使用されるので、現在のＤＬＮ燃焼システムは、エンジン運転中に保炎を維持するのが困難な場合がある。理想的な作動条件では、予混合器内部の火炎は、該予混合器内に留まらずに、下流方向に正常燃焼ゾーン内に移動している。最新の燃焼システムの設計ポイントは、３０００°Ｆのバルク火炎温度に達する場合があるので、保炎／逆火事象は、極めて短い時間期間で予混合ノズルセクションに多大な損傷を生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７３６８１６４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
１つの態様において、ガスタービンエンジンを組み立てる方法が提供される。本方法は、燃焼器が圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るように、燃焼器を圧縮機と流れ連通して結合する段階を含む。燃料ノズル組立体は、燃焼器に結合され、複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを備え、内部表面を燃焼ガスからシールドするために、複数の内部表面の少なくとも１つに熱障壁コーティングを施工する。
【０００８】
別の態様において、ガスタービンエンジンで使用するための燃料ノズルが提供される。燃料ノズルは、複数の内部表面と、複数の燃料ノズル内部表面の少なくとも１つにわたり施工される熱障壁コーティングとを含む。熱障壁コーティングは、燃料ノズル内部表面を燃焼ガスからシールドするよう構成される。
【０００９】
更に別の態様において、ガスタービンシステムが提供される。ガスタービンシステムは、圧縮機と、燃焼器と、熱障壁コーティングと、を含む。燃焼器は、圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るために圧縮機と流れ連通している。燃焼器は、複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを含む。熱障壁コーティングは、複数の燃料ノズル内部表面の少なくとも１つに施工される。熱障壁コーティングは、燃料ノズル内部表面を燃焼ガスからシールドするよう構成される。
【００１０】
本発明は、保炎に対して実質的に耐性があり、これにより予混合器内の火炎を検出して条件を補正するのに十分な時間を許容されるＤＬＮ燃焼システムを提供する。更に、本明細書で記載されるように、予混合器への熱障壁コーティングの施工は、予混合器で必要とされる冷却流体の量を低減することができ、従って、コスト節減及びメンテナンスコストの低減をもたらす。有利には、これにより燃焼システムが、高コストのハードウェア損傷及び強制停止のリスクを有意に低減して、シンガス、高水素、及び他の反応性燃料を用いてより効率的に運転できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的なガスタービンシステムの断面図。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンと共に使用することができる例示的な燃料ノズルの図。
【図３】図１に示すガスタービンエンジンと共に使用することができる例示的な燃料ノズルの拡大断面図。
【図４】例示的な燃料ノズルと共に使用することができる例示的な熱障壁コーティングの概略図。
【図５】図１に示すガスタービンエンジンと共に使用することができる燃料ノズルの代替の実施形態の図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書で記載される例示的な方法及びシステムは、保炎／逆火耐性を向上させることができる先進冷却システムを含む燃料ノズルを提供することによって、公知の乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムの欠点に対処する。より具体的には、本明細書の実施形態は、燃料ノズル温度を低下させる冷却流を提供することによって保炎／逆火事象中の燃料ノズル損傷を防ぎ、従って、予混合器における事象を検出して該検出した何らかの悪条件を改善する時間が増大する。１つの実施形態において、燃料ノズルは、背面対流冷却、衝突冷却、及びフィルム冷却を組み合わせて、保炎中の燃料ノズルの温度を低下させることができる冷却システムを含む。本明細書で使用される用語「冷却剤」及び「冷却流体」は、窒素、空気、燃料、又はこれらの何れかの組み合わせ、及び／又は本明細書で記載される機能を燃料ノズルが実施できるようにする他の何れかの流体を指す。
【００１３】
例示的な実施形態において、熱障壁コーティング（ＴＢＣ）が燃料ノズルに施工され、燃料ノズルをシールドし、必要な冷却流を低減し、又は燃料ノズル予混合器構成部品の温度を低下させることができる障壁を形成する。以下でより詳細に説明するように、施工されるＴＢＣの厚みは、耐熱性の所望のレベル、すなわち、ＴＢＣシステムにわたる必要な温度低下を達成するように可変的に選択することができる。本明細書全体を通じて使用される用語「軸方向の」及び「軸方向に」とは、燃料ノズルの中央本体の中心長手方向軸線に実質的に平行に延びる方向及び向きを指すことを理解されたい。また、用語「半径方向」及び「半径方向に」とは、中央本体の中心長手方向軸線に実質的に垂直に延びる方向及び向きを指すことを理解されたい。更に、本明細書全体を通じて使用される用語「上流側」及び「下流側」とは、中央本体の中心長手方向軸線に対して軸方向の全体の燃料流方向に配置された方向及び向きを指すことを理解されたい。
【００１４】
図１は、吸気セクション１２と、該吸気セクション１２から下流側にある圧縮機セクション１４と、吸気セクション１２から下流側で結合される燃焼器セクション１６と、燃焼器セクション１６から下流側で結合されるタービンセクション１８と、排気セクション２０とを含む、例示的なガスタービンシステム１０の断面図である。燃焼器セクション１６は、複数の燃焼器２４を含む。ガスタービンシステム１０は、燃料ノズル組立体２６を含む。燃料ノズル組立体２６は、複数の燃料ノズル２８を含む。燃焼器２４が圧縮機１４と流れ連通するように圧縮機セクション１４に結合される。燃料ノズル組立体２６は燃焼器２４に結合される。タービンセクション１８は、圧縮機セクション１４に、更に、限定ではないが、発電機及び機械式駆動用途などの負荷２２に回転可能に結合される。
【００１５】
作動中、吸気セクション１２は、空気を圧縮機セクション１４に送る。圧縮機セクション１４は、吸入空気を高圧高温にまで加圧し、加圧された空気を燃焼セクション１６に向けて排出し、ここで燃料と混合及び点火されて燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスがタービンセクションに流れ、圧縮機セクション１４及び／又は負荷２２を駆動する。具体的には、加圧空気は、燃料ノズル組立体２６に供給される。燃料は、燃料ノズルに送られ、ここで燃料が空気と混合され、燃焼器セクション１６における燃料ノズル２８の下流側で点火される。燃焼ガスが生成されてタービンセクション１８に送られ、ここでガスストリームの熱エネルギーが機械的回転エネルギーに変換される。排気ガスは、タービンセクション１８から出て、周囲雰囲気に排気セクション２０を通って流れる。
【００１６】
図２は、ガスタービンエンジン１０と共に使用できる例示的な燃料ノズル１００である。図３は、例示的な燃料ノズル１００の拡大断面図である。例示的な実施形態では、燃料ノズル１００は、バーナー管１１０、ノズル中央本体１１２、燃料／空気予混合器１１４、及び熱障壁コーティング１１８を含む。ノズル中央本体１１２は、バーナー管１１０を通って延びて、予混合通路１２１が中央本体１１２とバーナー管１１０との間に定められるようにする。例示的な実施形態において、燃料ノズル１００は、複数の内側表面１１９を含む。
【００１７】
バーナー管１１０は、外周壁１１１と内部バーナー壁１４４との間に定められる環状キャビティ１４３を含む。複数のオリフィス１４５が内部に定められ、内部バーナー壁１４４を通って延びて、環状キャビティ１４３を予混合通路１２１と流れ連通して結合する。内部バーナー壁１４４は、外側表面１４７を含む。代替の実施形態において、バーナー管１１０はオリフィス１４５を含まない。
【００１８】
中央本体１１２は、半径方向外側円周壁１３７、半径方向内側円周壁１３６、燃料通路１３２、逆流通路１３４、端壁１３３、及び中間壁１２４を含む。外側壁１３７は外面１３８を含む。端壁１３３は外側表面１３９を含む。燃料通路１３２は、内側壁１３６により定められ、燃料／空気予混合器１１４から端壁１３３に向かって延びる。中間壁１２４は、内部バーナー壁１４４と内側壁１３６との間に延びて、冷却剤入口１３１と端壁１３３との間に位置付けられる。逆流通路１３４は、中央本体１１２内に定められ、端壁１３３から中間壁１２４に実質的に軸方向に延びる。逆流通路１３４は、燃料通路１３２とほぼ同心状に整列され、中央本体１１２内に定められる内側円周壁１３６により燃料通路１３２から分離される。複数の環状リブ１３５が逆流通路１３４内に位置付けられ、リブ１３５が逆流通路１３４に沿って間隔を置いて配置され、予混合通路１２１から逆流通路１３４にまで外側円周壁１３７をわたる熱移動を最適化及び強化できるようにする。リブ１３５は、限定ではないが、壁１３６から円周方向に延びる離散的環状リング、及び/又は壁１３６から延びる独立ナブを含む、このような熱移動を可能にするあらゆる形状を有することができる。
【００１９】
燃料／空気予混合器１１４は、空気入口１１５、燃料入口１１６、冷却剤入口１３１、冷却剤通路１２３、スワールベーン１２２、及びスワールベーン１２２間に定められるベーン通路１１７を含む。スワールベーン１２２は、外側表面１２７を含む。冷却剤通路１２３は、燃料／空気予混合器１１４内に定められ、冷却剤入口１３１から中間壁１２４に延びる。チャンバ１４２は、ベーン１２２の後方部分１６０内に定められ、該チャンバ１４２が逆流通路１３４と流れ連通して結合されるようにする。複数の噴射ポート１２５が内部に定められ、ベーン１２２の後方部分１６０を通って延びて、チャンバ１４２及び逆流通路１３４を予混合通路１２１と流れ連通して結合する。チャンバ１４２は、ベーン１２２の前方部分１６２内に定められ、チャンバ１２６が冷却剤通路１２３と流れ連通して結合されるようにする。
【００２０】
バーナー管１１０は、燃料／空気予混合器１１４に結合され、チャンバ１２６が環状キャビティ１４３と流れ連通するようになる。中央本体１１２は、燃料／空気予混合器１１４に結合されて、チャンバ１４２が、逆流通路１３４及び予混合通路１２１と流れ連通して位置付けられるようにされ、燃料通路１３２が燃料入口１１６から端壁１３３に延びる。
【００２１】
図４は、燃料ノズル１００と共に使用することができる例示的な熱障壁コーティング１１８の概略図である。例示的な実施形態において、熱障壁コーティング１１８は、燃料ノズル１００の複数の内側表面１１９に施工される。熱障壁コーティング１１８は、プラズマスプレー法を用いて施工される。代替の実施形態において、熱障壁コーティング１１８は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）を用いて、熱障壁コーティング１１８のスラリー溶液を燃料ノズル１００上にスプレーし、及び／又は燃料ノズル１００を熱障壁コーティング１１８のスラリー溶液内に浸漬することにより施工される。熱障壁コーティング１１８は、最初に内側表面１１９の少なくとも一部に施工される金属ボンドコーティング１６４と、次に金属ボンドコーティング１６４の少なくとも一部に施工されるセラミックコーティング１６５とを含む。例示的な実施形態において、熱障壁コーティング１１８は、約１０００分の４インチ（０．００４インチ）から約１０００分の１インチ（０．００１インチ）までの範囲の厚み１６６で施工される。例示的な実施形態において、熱障壁コーティングは、約１０００分の２０インチ（０．０２０インチ）から１０００分の３０インチ（０．０３０インチ）の間の厚み１６６を有する。しかしながら、熱障壁コーティング１１８の厚み１６６は、本明細書で記載される機能を燃料ノズル１００が実施できる所望の耐熱レベルが確実に達成されるように、可変的に選択することができる。
【００２２】
作動中、燃料５０は、ノズル中央本体１１２に入り、燃料入口１１６を通って燃料通路１３２に流入する。燃料が中央本体１１２を通って送られて、端壁１３３に衝突し、その結果、燃料５０の流れが反転し、燃料は逆流通路１３４内に送られる。燃料が逆流通路１３４に入ると、燃料がリブ１３５を超えて中間壁１２４に向けて送られ、ここで燃料５０が壁１２４に衝突し、次いで、チャンバ１４２内に再配向される。燃料５０は、チャンバ１４２から噴射ポート１２５を通ってベーン通路１１７及び予混合通路１２１内に排出される。空気５２は、ベーン通路１１７内に空気入口１１５を通って配向される。空気５２がベーン１２２を通過すると、空気は、予混合通路１２１内の噴射ポート１２５から排出された燃料５０と混合される。完全燃焼を可能にするために、予混合通路１２１は、燃料／空気混合気が燃焼器反応ゾーン（図示せず）に排出される前に、該混合気の実質的に完全な混合が確保されるような大きさにされる。例示的な実施形態において、燃料５０は、通路１３２を通って流れて端壁１３３に衝突するときに、該端壁１３３を冷却することができる。加えて、燃料５０は、逆流通路１３４を通って流れるときに予混合通路１２１の背面対流冷却を可能にする。従って、中央本体１１２の外側円周壁１３７は、燃料５０が燃料通路１３２及び逆流通路１３４を通って流れるときに、対流冷却により冷却される。
【００２３】
冷却剤５４は、冷却剤入口１３１を通って中央本体１１２に、及び冷却剤通路１２３に送られる。冷却剤５４は、中間壁１２４に衝突し、チャンバ１２６内に配向される。冷却剤５４は、チャンバ１２６を通って送られ、環状キャビティ１４３に入った後にオリフィス１４５を通って排出される。例示的な実施形態において、冷却剤５４は、環状キャビティ１４３を通って流れるときに、バーナー外周壁１１１を冷却することができる。更に、冷却剤５４はまた、オリフィス１４５を通して排出されるときに、内部バーナー壁１４４のフィルム冷却を提供する。加えて、冷却剤５４が環状キャビティ１４３を通過するときに、外周壁１１１に対する背面対流冷却が得られる。
【００２４】
作動中、熱障壁コーティング１１８は、設計外保炎事象中に予混合通路１２１内に生成された燃焼ガスから燃料ノズル１００の内側表面１１９をシールドすることができる。１つの実施形態において、熱障壁コーティング１１８を用いることで、少なくとも１００°Ｆの金属温度の低減が達成された。従って、このような実施形態において、２５％未満の冷却流を用いて、同じ作動条件で保炎／逆火中の熱的損傷から燃料ノズル１００を保護することができる。
【００２５】
図５は、ガスタービン１０と共に用いることができる燃料ノズル２００の代替の実施形態である。図３で参照され且つ図２に示すものと同一の構成部品は、図３における同じ参照符号で識別される。従って、燃料ノズル２００は、バーナー管１００、ノズル中央本体２１２、燃料／空気混合気２１４、及び熱障壁コーティング１１８を含む。ノズル中央本体２１２は、バーナー管１１０を通って延び、予混合通路２２１が中央本体２１２とバーナー管１１０との間に定められるようになる。燃料ノズル２００は複数の内側表面１１９を含む。
【００２６】
代替の実施形態において、中央本体２１２は、半径方向外側壁２３７、半径方向内側壁２３６、冷却剤通路２３２、逆流通路２３４、端壁２３３、及び中間壁２２４を含む。冷却剤通路２３２は、燃料／空気予混合器２１４から端壁２３３に向かって延び、中間壁２２４は、内部バーナー壁１４４と内側壁２３６との間に延びて、燃料入口２１６と端壁２３３との間に位置付けられる。逆流通路２３４は、中央本体２１２内に定められ、端壁２３３から中間壁２２４に延びる。更に、逆流通路２３４は、燃料通路２３２とほぼ同心状に整列され、中央本体２１２内に延びる内側壁２３６により燃料通路２３２から分離される。複数の環状リブ２３５が逆流通路２３４内に位置付けられ、リブ２３５が逆流通路２３４に沿って間隔を置いて配置され、予混合通路２２１から逆流通路２３４にまで外側円周壁２３７をわたる熱移動を最適化及び強化できるようにする。
【００２７】
燃料／空気予混合器２１４は、空気入口２１５、燃料入口２１６、冷却剤入口２３１、冷却剤通路２２３、スワールベーン２２２、及びスワールベーン１２２間に定められるベーン通路２１７を含む。燃料通路２２３は、燃料／空気予混合器２１４内に定められ、燃料入口２１６から中間壁２２４に延びる。チャンバ２４２は、ベーン２２２の前方部分２６２内に定められ、燃料通路２２３と流れ連通している。複数の噴射ポート２２５が内部に定められ、ベーン２２２の前方部分２６２を通って延びて、予混合通路２２１と流れ連通して燃料通路２２３を結合する。チャンバ２２６は、ベーン２２２の後方部分２６０内に定められ、チャンバ２２６が逆流通路２３４と流れ連通して結合されるようにする。
【００２８】
バーナー管１１０は、燃料／空気予混合器２１４に結合され、チャンバ２２６が環状キャビティ１４３と流れ連通するようになる。中央本体２１２は、燃料／空気予混合器２１４に結合されて、チャンバ２２６が、環状キャビティ１４３及び逆流通路２３４と流れ連通して位置付けられるようにされ、冷却剤通路２３２が冷却剤入口２３１から端壁２３３に延びる。熱障壁コーティング１１８は、燃料ノズル２００の内側表面１１９に施工される。
【００２９】
代替の実施形態において、作動中、燃料５０は、ノズル中央本体２１２に入り、燃料入口２１６を通って燃料通路２２３に流入する。燃料５０は、中間壁２２４に衝突し、そこで燃料５０の流れはチャンバ２４２に送られ、チャンバ２４２から噴射ポート２２５を通ってベーン通路２１７内に排出される。冷却剤５４は、中央本体２１２に入り、冷却剤入口２３１を通って冷却剤通路２３２に流入する。冷却剤５４は、中央本体２１２を通って送られ、端壁２３３に衝突し、そこで冷却剤５４の流れが反転され、冷却剤５４が逆流通路２３４に送られる。冷却剤５４が逆流通路２３４に流入すると、該冷却剤５４はリブ２３５を超えて中間壁２２４に向けて送られ、ここで冷却剤５４が中間壁２２４に衝突し、チャンバ１４２内に再配向される。冷却剤５４は、チャンバ２２６を通って環状キャビティ１４３に送られた後、複数のオリフィス１４５を通って排出される。
【００３０】
代替の実施形態において、冷却剤５４は、環状キャビティ１４３を通って流れるときに、バーナー外周壁１１１を冷却することができ、冷却剤５４がオリフィス１４５を通して排出されるときに、内部バーナー壁１４４のフィルム冷却を提供する。加えて、冷却剤５４が環状キャビティ１４３を通過すると、外周壁１１１に対する背面対流冷却が得られる。冷却剤５４はまた、冷却剤通路２３２を通過して端壁２３３に衝突するときに、端壁２３３を冷却することができる。加えて、冷却剤５４は、逆流通路２３４を通過するときに、外側壁２３７を背面対流冷却することができる。熱障壁コーティング１１８は、設計外保炎事象中に燃料ノズル２００内に生成された燃焼ガスから燃料ノズル２００の内側表面１６５をシールドすることができる。従って、このような代替の実施形態において、同じ作動条件で、保炎／逆火事象中に燃料ノズル２００への損傷の低減を可能にするのに必要な冷却剤の量が低減される。
【００３１】
上述の方法及びシステムは、保炎／逆火特性が強化された燃料ノズルを設けることによって、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムの作動を改善することができる。従って、本明細書で記載される実施形態は、例えば、ガスタービン用途でコスト効果の高い方法でＤＬＮ燃焼システムにおいて合成ガス（「シンガス」）及び高炭化水素の割合の高い天然ガスなどの高反応性燃料の使用を可能にする。上述のシステムはまた、背面対流冷却、衝突冷却、及びフィルム冷却の組み合わせを含む、冷却システムと共に燃料ノズルを用いることによって、保炎／逆火事象中の損傷を低減する方法を提供する。従って、ＤＬＮ燃焼システムの作動寿命全体にわたり発生する可能性のある保炎／逆火事象に起因する損傷が低減されるので、乾式低ＮＯｘ燃焼システムの性能寿命を延ばすことができる。
【００３２】
燃焼システムにおける燃料ノズルを熱的に保護する方法及びシステムの例示的な実施形態が上記で詳細に説明された。本方法及びシステムは、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ、本システムの構成要素及び／又は本方法のステップは、本明細書で記載される他の構成要素及び／又はステップとは独立して別個に利用してもよい。例えば、本方法はまた、他の燃料燃焼システム及び方法と組み合わせて用いることができ、本明細書で記載されるＤＬＮ燃焼システム及び方法での実施に限定されるものではない。むしろ、例示的な実施形態は、他の多くの燃料燃焼用途と併せて実施及び利用することができる。
【００３３】
本明細書では特定の用語が利用されているが、これらは、限定の目的ではなく、一般的及び説明的な意味でのみ用いられる。本発明の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。
【００３４】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３５】
１０ ガスタービンエンジン
１２ 吸気セクション
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器セクション
１８ タービンセクション
２０ 排気セクション
２２ 負荷
２４ 燃焼器
２５ 実施形態
２６ 燃料ノズル組立体
２８ 燃料ノズル
５０ 燃料
５２ 空気
５４ 冷却剤
１００ 燃料ノズル
１１０ バーナー管
１１１ バーナー外周壁
１１２ 中央本体
１１４ 燃料／空気予混合器
１１５ 空気入口
１１６ 燃料入口
１１７ ベーン通路
１１８ 熱障壁コーティング
１１９ 内側表面
１２１ 予混合通路
１２２ スワールベーン
１２３ 冷却剤通路
１２４ 中間壁
１２５ 複数の噴射ポート
１２６ チャンバ
１２７ 外側表面
１３１ 冷却剤入口
１３２ 燃料通路
１３３ 端壁
１３４ 逆流通路
１３５ 複数の環状リブ
１３６ 内側円周壁
１３７ 外側円周壁
１３８ 外部表面
１３９ 外側表面
１４２ チャンバ
１４３ 環状キャビティ
１４４ 内側バーナー壁
１４５ 複数のオリフィス
１４７ 外側表面
１６０ 後方部分
１６２ 前方部分
１６４ 金属ボンドコーティング
１６５ セラミックコーティング
１６６ 厚み
２００ 燃料ノズル
２１２ 中央本体
２１４ 燃料／空気予混合器
２１５ 空気入口
２１６ 燃料入口
２１７ ベーン通路
２２１ 予混合通路
２２２ スワールベーン
２２３ 燃料通路
２２４ 中間壁
２２５ 噴射ポート
２２６ チャンバ
２３１ 冷却剤入口
２３２ 冷却剤通路
２３３ 端壁
２３４ 逆流通路
２３５ リブ
２３６ 内側壁
２３７ 半径方向外側壁
２４２ チャンバ
２６０ 後方部分
２６２ 前方部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンを組み立てる方法であって、当該方法が、
燃焼器が圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るように、前記燃焼器を前記圧縮機と流れ連通して結合する段階と、
燃料ノズル組立体を前記燃焼器に結合する段階と
を含んでおり、前記燃料ノズル組立体が複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを備えていて、前記内部表面を燃焼ガスからシールドするために前記複数の内部表面の少なくとも１つに熱障壁コーティングを施工する、方法。
【請求項２】
前記燃料ノズルが内側表面を有するバーナー管を備えていて、当該方法が更に、前記バーナー管の内側表面の少なくとも一部に熱障壁コーティングを施工する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記燃料ノズルが外側表面を有する中央本体を備えていて、当該方法が更に、前記中央本体の外側表面の少なくとも一部に熱障壁コーティングを施工する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記燃料ノズル組立体を前記燃焼器に結合する段階が更に、前記燃料ノズルの複数の内部表面の少なくとも一部にわたり金属ボンドコーティングを施工する段階と、前記金属ボンドコーティングの少なくとも一部にわたりセラミック熱コーティングを施工する段階とを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
ガスタービンエンジンで使用するための燃料ノズルであって、
複数の内部表面と、
前記複数の燃料ノズル内部表面の少なくとも１つにわたり施工される熱障壁コーティングと
を備えていて、前記熱障壁コーティングが、前記燃料ノズル内部表面を燃焼ガスからシールドするよう構成される、燃料ノズル。
【請求項６】
前記燃料ノズルが内側表面を有するバーナー管を備え、前記熱障壁コーティングが、前記バーナー管の内側表面の少なくとも一部に施工される、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項７】
前記燃料ノズルが外側表面を有する中央本体を備え、前記熱障壁コーティングが、前記中央本体の外側表面の少なくとも一部に施工される、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項８】
前記燃料ノズルが外側表面を有する燃料／空気予混合器を備え、前記熱障壁コーティングが、前記中央本体の外側表面の少なくとも一部に施工される、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項９】
前記熱障壁コーティングが、前記燃料ノズルの内部表面の少なくとも一部に施工される金属ボンドコーティングと、前記金属ボンドコーティングの少なくとも一部にわたり施工されるセラミック熱コーティングとを含む、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項１０】
前記熱障壁コーティングの厚みが、約０．００４インチ〜約０．００１インチである、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項１１】
内部表面を有するバーナー管と、前記バーナー管に結合された燃料／空気予混合器と、外側表面を有し、前記バーナー管を通って延びるように前記燃料／空気予混合器に結合されたノズル中央本体とを更に備える、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項１２】
前記燃料／空気予混合器から前記バーナー管に冷却流を送ることを可能にするために、前記燃料／空気予混合器及び前記バーナー管内に定められる冷却流路を更に備える、
請求項１１記載の燃料ノズル。
【請求項１３】
前記中央本体と前記バーナー管との間に予混合通路が定められ、前記バーナー管が、前記予混合通路と流れ連通して前記冷却流路を結合する複数のオリフィスを含む、請求項１２記載の燃料ノズル。
【請求項１４】
前記燃料／空気予混合器が更に、内部冷却通路を定める複数のスワールベーンを更に備える、請求項１２記載の燃料ノズル。
【請求項１５】
前記中央本体が、内側壁と、外側壁と、前記内側壁内に定められる燃料通路と、前記内側壁及び前記外側壁間に定められる逆流通路とを備える、請求項１１記載の燃料ノズル。
【請求項１６】
圧縮機と、
前記圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るために前記圧縮機と流れ連通し、複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを含む燃焼器と、
前記複数の燃料ノズル内部表面の少なくとも１つに施工され、前記燃料ノズル内部表面を燃焼ガスからシールドするよう構成される熱障壁コーティングと
を備えるガスタービンシステム。
【請求項１７】
前記燃料ノズルが更に、内側表面を有するバーナー管を備え、前記熱障壁コーティングが、前記バーナー管の内側表面の少なくとも一部に施工される、請求項１６記載のガスタービンシステム。
【請求項１８】
前記燃料ノズルが更に、外側表面を有する中央本体を備え、前記熱障壁コーティングが、前記中央本体の外側表面の少なくとも一部に施工される、請求項１６記載のガスタービンシステム。
【請求項１９】
前記熱障壁コーティングが、前記複数の燃料ノズルの内部表面の少なくとも一部に施工される金属ボンドコーティングと、前記金属ボンドコーティングの少なくとも一部にわたり施工されるセラミック熱コーティングとを含む、請求項１６記載のガスタービンシステム。
【請求項２０】
前記熱障壁コーティングの厚みが、約０．００４インチ〜約０．００１インチである、請求項１６記載のガスタービンシステム。
【請求項１】
ガスタービンエンジンを組み立てる方法であって、当該方法が、
燃焼器が圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るように、前記燃焼器を前記圧縮機と流れ連通して結合する段階と、
燃料ノズル組立体を前記燃焼器に結合する段階と
を含んでおり、前記燃料ノズル組立体が複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを備えていて、前記内部表面を燃焼ガスからシールドするために前記複数の内部表面の少なくとも１つに熱障壁コーティングを施工する、方法。
【請求項２】
前記燃料ノズルが内側表面を有するバーナー管を備えていて、当該方法が更に、前記バーナー管の内側表面の少なくとも一部に熱障壁コーティングを施工する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記燃料ノズルが外側表面を有する中央本体を備えていて、当該方法が更に、前記中央本体の外側表面の少なくとも一部に熱障壁コーティングを施工する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記燃料ノズル組立体を前記燃焼器に結合する段階が更に、前記燃料ノズルの複数の内部表面の少なくとも一部にわたり金属ボンドコーティングを施工する段階と、前記金属ボンドコーティングの少なくとも一部にわたりセラミック熱コーティングを施工する段階とを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
ガスタービンエンジンで使用するための燃料ノズルであって、
複数の内部表面と、
前記複数の燃料ノズル内部表面の少なくとも１つにわたり施工される熱障壁コーティングと
を備えていて、前記熱障壁コーティングが、前記燃料ノズル内部表面を燃焼ガスからシールドするよう構成される、燃料ノズル。
【請求項６】
前記燃料ノズルが内側表面を有するバーナー管を備え、前記熱障壁コーティングが、前記バーナー管の内側表面の少なくとも一部に施工される、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項７】
前記燃料ノズルが外側表面を有する中央本体を備え、前記熱障壁コーティングが、前記中央本体の外側表面の少なくとも一部に施工される、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項８】
前記燃料ノズルが外側表面を有する燃料／空気予混合器を備え、前記熱障壁コーティングが、前記中央本体の外側表面の少なくとも一部に施工される、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項９】
前記熱障壁コーティングが、前記燃料ノズルの内部表面の少なくとも一部に施工される金属ボンドコーティングと、前記金属ボンドコーティングの少なくとも一部にわたり施工されるセラミック熱コーティングとを含む、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項１０】
前記熱障壁コーティングの厚みが、約０．００４インチ〜約０．００１インチである、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項１１】
内部表面を有するバーナー管と、前記バーナー管に結合された燃料／空気予混合器と、外側表面を有し、前記バーナー管を通って延びるように前記燃料／空気予混合器に結合されたノズル中央本体とを更に備える、請求項５記載の燃料ノズル。
【請求項１２】
前記燃料／空気予混合器から前記バーナー管に冷却流を送ることを可能にするために、前記燃料／空気予混合器及び前記バーナー管内に定められる冷却流路を更に備える、
請求項１１記載の燃料ノズル。
【請求項１３】
前記中央本体と前記バーナー管との間に予混合通路が定められ、前記バーナー管が、前記予混合通路と流れ連通して前記冷却流路を結合する複数のオリフィスを含む、請求項１２記載の燃料ノズル。
【請求項１４】
前記燃料／空気予混合器が更に、内部冷却通路を定める複数のスワールベーンを更に備える、請求項１２記載の燃料ノズル。
【請求項１５】
前記中央本体が、内側壁と、外側壁と、前記内側壁内に定められる燃料通路と、前記内側壁及び前記外側壁間に定められる逆流通路とを備える、請求項１１記載の燃料ノズル。
【請求項１６】
圧縮機と、
前記圧縮機により排出される空気の少なくとも一部を受け取るために前記圧縮機と流れ連通し、複数の内部表面を有する少なくとも１つの燃料ノズルを含む燃焼器と、
前記複数の燃料ノズル内部表面の少なくとも１つに施工され、前記燃料ノズル内部表面を燃焼ガスからシールドするよう構成される熱障壁コーティングと
を備えるガスタービンシステム。
【請求項１７】
前記燃料ノズルが更に、内側表面を有するバーナー管を備え、前記熱障壁コーティングが、前記バーナー管の内側表面の少なくとも一部に施工される、請求項１６記載のガスタービンシステム。
【請求項１８】
前記燃料ノズルが更に、外側表面を有する中央本体を備え、前記熱障壁コーティングが、前記中央本体の外側表面の少なくとも一部に施工される、請求項１６記載のガスタービンシステム。
【請求項１９】
前記熱障壁コーティングが、前記複数の燃料ノズルの内部表面の少なくとも一部に施工される金属ボンドコーティングと、前記金属ボンドコーティングの少なくとも一部にわたり施工されるセラミック熱コーティングとを含む、請求項１６記載のガスタービンシステム。
【請求項２０】
前記熱障壁コーティングの厚みが、約０．００４インチ〜約０．００１インチである、請求項１６記載のガスタービンシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１２９４８（Ｐ２０１１−１２９４８Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−９８３５０（Ｐ２０１０−９８３５０）
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９８３５０（Ｐ２０１０−９８３５０）
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
[ Back to top ]