(57)【要約】【課題】燃料／空気混合燃焼器組立体内で使用するための燃料／空気混合ディスクを提供する。【解決手段】ディスクは、第１の面と、第２の面と、第１の面と第２の面の間に配設された少なくとも１つの燃料プレナムとを含む。複数の燃料／空気混合管は、予混合ディスクを通って延び、各混合管は、管軸に沿って軸方向に延び、少なくとも１つの燃料プレナムと流体連通する外管の壁を含む。複数の燃料／空気混合管の少なくとも一部分は、さらに、上記外管の壁を貫通して延びるある燃料噴射穴の直径を有する少なくとも１つの燃料噴射穴を含み、燃料噴射穴は、管軸に対して噴射角度を有する。本発明は、燃焼発生するＮＯｘが少なく、流れの圧力損失を小さくして高いガスタービン効率をもたらす良好な燃料空気混合を提供する、すなわち耐久性を有し、保炎および逆火に対する耐性を有するものである。【選択図】図２
2010203758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料／空気混合燃焼器組立体に使用するための燃料／空気混合ディスクであって、
第１の面と、第２の面と、前記第１の面と前記第２の面の間に配設され、燃料流路と流体連通するように適合された少なくとも１つの燃料プレナムとを有するディスクと、
前記予混合ディスクを通って前記第１の面と前記第２の面の間を延びる複数の燃料／空気混合管とを備え、各混合管が、管軸に沿って入口端部と出口端部の間を軸方向に延び、前記少なくとも１つの燃料プレナムと流体連通する外管の壁を含み、
前記複数の燃料／空気混合管の少なくとも一部分が、前記外管の壁を貫通して延びるある燃料噴射穴の直径を有する少なくとも１つの燃料噴射穴をさらに含み、前記少なくとも１つの燃料噴射穴が、前記管軸に対して、２０°〜９０°の範囲にある噴射角度を有し、
退出距離が、前記燃料噴射穴と前記出口端部の間を前記管軸に沿って延び、前記燃料噴射穴の直径より約５〜１００倍長い、燃料／空気混合ディスク。
【請求項２】
前記退出距離が、１．５インチ（３．８１ｃｍ）以下であり、前記管の直径が、０．０５（０．１２７ｃｍ）と０．３インチ（０．７６ｃｍ）の範囲内にある、請求項１記載の燃料／空気混合ディスク。
【請求項３】
前記退出距離が、０．３（０．７６ｃｍ）〜１インチ（２．５４ｃｍ）の範囲にあり、前記管の直径が、０．０５（０．１２７ｃｍ）と０．３インチ（０．７６ｃｍ）の範囲内にある、請求項１記載の燃料／空気混合ディスク。
【請求項４】
前記噴射角度が、前記管の軸方向に対して測定して約５０°〜６０°である、請求項１記載の燃料／空気混合ディスク。
【請求項５】
複数の燃料噴射穴の直径を有する複数の燃料噴射穴を備える、請求項１記載の燃料／空気混合ディスク。
【請求項６】
複数の燃料噴射穴の角度を有する複数の燃料噴射穴を備える、請求項１記載の燃料／空気混合ディスク。
【請求項７】
燃料／空気予混合燃焼器組立体に使用するための燃料／空気混合ディスクであって、
第１の面と、第２の面と、前記第１の面と前記第２の面の間に配設され、燃料流路と流体連通するように適合された少なくとも１つの燃料プレナムとを有するディスクと、
前記予混合ディスクを通って前記第１の面と前記第２の面の間を延びる複数の燃料／空気混合管とを備え、各混合管が、管軸に沿って入口端部と出口端部の間を軸方向に延び、前記少なくとも１つの燃料プレナムと流体連通する外管の壁と、内径を有する内管の表面とを含み、
前記複数の燃料／空気混合管の各々が、前記外管の壁を貫通して延びるある燃料噴射穴の直径を有する少なくとも１つの燃料噴射穴をさらに含み、前記少なくとも１つの燃料噴射穴が、前記管軸に対して噴射角度を有し、前記内管の表面の前記内径が、前記燃料噴射穴の直径より２〜２０倍大きく、
退出距離が、前記燃料噴射穴と前記出口端部の間を前記管軸に沿って延び、前記燃料噴射穴の直径より約１〜５０倍長い、燃料／空気混合ディスク。
【請求項８】
前記噴射角度が、２０°と９０°の範囲内にある、請求項７記載の燃料／空気混合ディスク。
【請求項９】
前記燃料噴射穴の直径が、約０．０３インチ（０．０７６ｃｍ）以下である、請求項７記載の燃料／空気混合ディスク。
【請求項１０】
タービン燃焼器用の予混合式直接噴射ディスク内で高水素または合成ガス燃料を混合する方法であって、
第１の面と、第２の面と、前記第１の面と前記第２の面の間に配設され、燃料流路と流体連通するように適合された少なくとも１つの燃料プレナムとを有するディスクを提供するステップと、
前記予混合ディスクを通って第１の面と第２の面の間を延びる燃料／空気混合管を提供するステップであって、前記複数の混合管の各々が、流れ経路に沿って入口端部と出口端部の間を軸方向に延び、前記少なくとも１つの燃料プレナムと流体連通し、前記複数の管の各々が、管軸に沿って前記入口端部と前記出口端部の間を軸方向に延びる外管の壁を含む、ステップと、
前記入口端部において第１の流体を前記複数の混合管内に噴射するステップと、
高水素燃料または合成ガスを前記少なくとも１つの燃料プレナム内に提供するステップと、
前記高水素燃料または合成ガスを前記少なくとも１つの燃料プレナムから前記混合管内に複数の噴射穴を通して前記管軸に対して２０°と９０°の範囲内の角度で噴射するステップと、
前記第１の流体および前記高水素燃料または合成ガスを混合して、前記管の前記出口端部で５０％を上回る燃料と第１の流体の混合気の混合度にするステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示する主題は、予混合式直接噴射燃焼システムに関し、より詳細には、良好な混合、保炎および逆火の耐性を有する直接噴射ディスクに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の炭化水素燃料を燃却するガスタービンによって通常生成される主な大気汚染排出物は、窒素酸化物、一酸化炭素、および未燃炭化水素である。空気吸入機関（ａｉｒ−ｂｒｅａｔｈｉｎｇ  ｅｎｇｉｎｅｓ）内の窒素分子の酸化は、燃焼システム反応領域内の最高高温ガス温度に大きく依存していることが、当技術分野でよく知られている。熱機関燃焼器の反応領域の温度を、サーマルＮＯｘが形成されるレベルを下回るように制御する１つの方法は、燃焼前に燃料および空気を希薄混合気に予混合することである。
【０００３】
燃料および空気の希薄予混合状態で作動する乾式低排出燃焼器に付随する問題がいくつか存在する。すなわち燃料および空気の可燃性混合物は、燃焼器の反応領域の外側にある燃焼器の予混合区域内に存在する。通常、いくらかの大きさの予混合領域速度が存在し、これを上回って予混合器内の火炎が一次燃却領域に押し出される。しかし、水素またはシンガスなどの特定の燃料は、高速の火炎速度を有する。乱流火炎速度が高速であり、可燃範囲が広範であるため、予混合式水素燃料燃焼システムの設計は、適度なノズル圧力損失で保炎および逆火に見舞われる。本来、直接燃料噴射方法を用いて水素およびシンガス燃料によって拡散燃焼させると、希薄予混合式燃焼よりも高いＮＯｘが発生する。
【０００４】
燃料として天然ガス用いる場合、適切な保炎マージン、すなわち予混合器内部で保炎を伴わずに作動するための空気力学的ウィンドウを有する予混合器は、たいてい空気側の圧力降下を適度に小さくして設計され得る。しかし、高水素燃料などのより反応性の高い燃料の場合、保炎マージンおよび目標の圧力降下のための設計は困難になる。最新式のノズルの設計点は華氏３０００度（１６４８．９℃）の大きさの火炎温度に近付き得るため、保炎を生じさせるノズル内への逆火が、非常に短期間の間にノズルに多大な損傷を引き起こす恐れがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃焼発生するＮＯｘが少なく、流れの圧力損失を小さくして高いガスタービン効率をもたらす良好な燃料空気混合を提供する予混合式直接噴射ディスク設計である。予混合式直接噴射ディスクは、カン型の燃焼器の保持端部に通常見出される燃料ノズルおよびキャップ組立体を置き換えるように設計される。本発明は、耐久性を有し、構築が簡単であり、ノズル内への火炎の逆火のリスクが低いものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によれば、燃料／空気混合燃焼器組立体に使用するための燃料／空気混合ディスクが提供される。ディスクは、第１の面と、第２の面と、第１の面と第２の面の間に配設され、燃料流路と流体連通するように適合された少なくとも１つの燃料プレナムとを含む。複数の燃料／空気混合管が、予混合ディスクを通って第１の面と第２の面の間を延び、各混合管は、管軸に沿って入口端部と出口端部の間を軸方向に延び、少なくとも１つの燃料プレナムと流体連通する外管の壁を含む。複数の燃料／空気混合管の少なくとも一部分は、さらに、前記外管の壁を貫通して延びるある燃料噴射穴の直径を有する少なくとも１つの燃料噴射穴を含む。少なくとも１つの燃料噴射穴は、前記管軸に対して、２０°〜９０°の範囲の噴射角度を有する。前記燃料噴射穴と前記出口端部の間には、前記燃料噴射穴の直径より約５〜１００倍長い退出距離が、前記管軸に沿って延びている。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、燃料／空気予混合燃焼器組立体に使用するための燃料／空気混合ディスクが提供される。ディスクは、第１の面と、第２の面と、第１の面と第２の面の間に配設され、燃料流路と流体連通するように適合された少なくとも１つの燃料プレナムとを含む。複数の燃料／空気混合管が、予混合ディスクを通って第１の面と第２の面の間を延び、各混合管は、管軸に沿って入口端部と出口端部の間を軸方向に延び、少なくとも１つの燃料プレナムと流体連通する外管の壁と、内径を有する内管の表面とを含む。複数の燃料／空気混合管の各々は、さらに、前記外管の壁を貫通して延びるある燃料噴射穴の直径を有する少なくとも１つの燃料噴射穴を含む。少なくとも１つの燃料噴射穴は、前記管軸に対して噴射角度を有し、前記内管の表面の前記内径は、前記燃料噴射穴の直径よりも２〜２０倍大きい。前記燃料噴射穴と前記出口端部の間には、前記燃料噴射穴の直径よりも１〜５０倍長い退出距離が、前記管軸に沿って延びている。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によれば、タービン燃焼器用の予混合式直接噴射ディスク内で高水素燃料を混合する方法が提供される。本方法は、第１の面と、第２の面と、第１の面と第２の面の間に配設され、燃料流路と流体連通するように適合された少なくとも１つの燃料プレナムとを有するディスクを提供するステップを含む。本方法はさらに、予混合ディスクを通って第１の面と第２の面の間を延びる燃料／空気混合管を提供するステップであって、前記複数の混合管の各々が、流れ経路に沿って入口端部と出口端部の間を軸方向に延び、少なくとも１つの燃料プレナムと流体連通し、前記複数の管の各々が、管軸に沿って前記入口端部と前記出口端部の間を軸方向に延びる外管の壁を含む、ステップを含む。本方法は、さらに、前記入口端部において第１の流体を前記複数の混合管内に噴射するステップと、高水素燃料または合成ガスを前記少なくとも１つの燃料プレナム内に提供するステップと、高水素燃料または合成ガスを少なくとも１つの燃料プレナムから前記混合管内に複数の噴射穴を通して前記管軸に対して２０°と９０°の範囲内の角度で噴射するステップと、前記第１の流体および前記高水素燃料または合成ガスを混合して前記管の前記出口端部で５０％を上回る燃料と第１の流体の混合気の混合度にするステップとを含む。
【０００９】
これらおよび他の利点および特徴は、図と併用して以下の説明からより明白になるであろう。
【００１０】
本発明としてみなされる主題を、具体的に指摘し、本明細書の最後の特許請求の範囲で明確に特許請求する。本発明の前述および他の特徴および利点は、添付の図と併用して以下の詳細な説明から明白になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による噴射ディスクの位置を含む、ガスタービン機関の断面図である。
【図２】本発明による一例の予混合噴射ディスクを含む一例の燃焼器組立体の断面図である。
【図３Ａ】図２の１つの例の予混合噴射ディスクの端面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに類似するが、別の例の予混合噴射ディスクを示す図である。
【図３Ｃ】図３Ａに類似するが、別の例の予混合噴射ディスクをさらに示す図である。
【図４】本発明による１つの例の燃料／空気混合管の部分断面図である。
【図５】本発明による予混合噴射ディスクの１つの例の扇形部分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明は、本発明の実施形態を、利点および特徴とともに、例として図を参照して説明する。
【００１３】
次に、同じものには限定されないが特定の実施形態を参照して本発明を説明する図１を参照すると、例示的なガスタービン機関１０の概略図が示されている。機関１０は、コンプレッサ１１と燃焼器組立体１４とを含む。燃焼器組立体１４は、燃焼室１２を少なくとも部分的に画定する燃焼器組立体の壁１６を含む。予混合噴射ディスク４０は、燃焼器組立体１４の少なくとも一部分を横切って延び、燃焼室１２内に通じる。以下でより詳しく論じるように、ディスク４０は、第１の流体または燃料を燃料入口２１を通して受け入れ、第２の流体または圧縮空気をコンプレッサ１１から受け入れる。次いで燃料および圧縮空気は、混合され、燃焼室１２内に送られ、点火されて高温、高圧の燃焼生成物またはガス流を形成する。例示的な実施形態では、単一の燃焼器組立体１４のみが示されているが、機関１０は、複数の燃焼器組立体１４を含むことができる。いずれの場合も、機関１０はまた、タービン３０とロータシャフト３１とを含む。当技術分野で知られている方法で、タービン３０は、シャフト３１に連結されてそれを駆動し、さらにシャフト３１がコンプレッサ１１を駆動する。シャフト３１はまた、発電機（図示せず）または別の回転機械（図示せず）に連結され、それを駆動することもできる。
【００１４】
作動においては、空気は、コンプレッサ１１に流入し、他の圧力もまた企図されるが約１０気圧（ａｔｍ）〜約２５ａｔｍの範囲の圧力などの高圧に圧縮される。たとえばプロセスガスおよび／または合成ガス（シンガス）などの高圧ガスが、燃焼器組立体１４に供給され、予混合ディスク４０内で高水素燃料などの燃料と混合される。燃料／空気または燃焼性の混合物は、燃焼室１２内に送られ、点火されて高圧、高温の燃焼ガス流を形成する。あるいは、燃焼器組立体１４は、それだけに限定されないが天然ガスおよび他の炭化水素燃料を含む燃料を燃焼させることができる。その後、燃焼器組立体１４は、燃焼ガス流をタービン３０まで導き、タービン３０は、熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換する。
【００１５】
次に図２を参照すると、一例の予混合ディスク４０を含む燃焼器組立体１４を通る断面が示されている。予混合ディスク４０は、少なくとも１つの燃料流路４２（すなわち燃料供給ライン）および環状のチャネル４４に連結されてコンプレッサ１１から空気の供給を受ける。図示するように、予混合ディスク４０は、環状のチャネル４４と燃焼室１２の点火領域１５０の間に配設される。予混合ディスク４０および／または燃焼器組立体１４の他の部分は、作動中、予混合ディスク４０を定位置に保持し、熱成長が起こるのを可能にするためのさまざまな支持構造、締結具、シールなどを含むことができる。
【００１６】
環状のチャネル４４は、燃焼器組立体の壁１６と燃焼ライナ４６の間に配設される。したがって、空気をコンプレッサ１１から供給することにより、燃焼ライナ４６を冷却することができる。燃焼器組立体１４は、一方の端部をエンドカバー４８でシールすることができる。１つまたは複数の燃料流路４２（１つのみを示す）は、エンドカバー４８を貫通して延びることができる。さらにまたは代替的には、予混合ディスク４０の上流側に１つまたは複数の流量調節装置５０を配設することができる。環状のチャネル４４を通って流れる、コンプレッサ１１から供給された空気は、エンドカバー４８によって予混合ディスク４０に向かうように向きを変えられる。流量調節装置（複数可）５０は、乱流を低減し、圧力降下を調節し、かつ／またはより均一な空気流を予混合ディスク４０に提供することができる。たとえば、流量調節装置（複数可）５０は、穴あきプレート、管の集合体などでよい。
【００１７】
一時的に図３Ａに移ると、予混合ディスク４０の１つの例は、第２の面５８から距離を置いて隔てられ、環状の壁５７（図５を参照）を介して第２の面５８に結合された第１の面５６を含む。予混合ディスク４０は、さらに、複数の管５２として示される複数の燃料／空気混合管を含む。複数の管５２は、予混合ディスク４０を通って第１の面５６と第２の面５８の間を延びる個々の燃料／空気混合管１３０を含む。複数の管５２は、さまざまな模様、配列、またはさらには無作為に予混合ディスク４０の周りにさまざまに配置させることができる。１つの例では、予混合ディスク４０は、約２０インチ（５０．８ｃｍ）の外径のものでよいが、約１０インチ（２５．４ｃｍ）〜約３０インチ（７６．２ｃｍ）の範囲のさまざまな外径を有することができる。さらに、予混合ディスク４０は、概ね円形のジオメトリを有するものとして図示されているが、さまざまな他のジオメトリを有することができる。同様に、各個々の燃料／空気混合管１３０は、さまざまな断面のジオメトリおよび／またはサイズを有することができる。
【００１８】
図４に示すように、各個々の燃料／空気混合管１３０は、第２の端部区域１３２まで中間部分１３３を通って延びる第１の端部区域１３１を含む。第１の端部区域１３１は、第１の面５６において第１の流体入口１３４を画定し、第２の端部区域１３２は、第２の面５８において流体出口１３５を画定する。第１の流体入口１３４および／または流体出口１３５の各々は、さまざまなフィーチャを有することができる。１つの例では、流体入口１３４は、円形縁、楕円形縁、傾斜縁などの先細縁のジオメトリを有することができ、このジオメトリは、その中を流れる空気の圧力降下を低減し、かつ／または再循環領域または同様のものなどの形成を抑止することができる。別の例では、流体出口１３５は、空気／燃料混合気の再循環領域が火炎面または同様のものを生み出すために点火領域内で火炎を安定化するのを促すために、概ね垂直な縁（すなわち第２の面５８に対して約９０°に配置された内管の壁２０３）を有することができる。
【００１９】
たとえば、（管１３０を介する）何百もの空気通路およびさらにより微小な燃料噴射穴１４２を有する場合、燃料／空気混合は、従来のガス燃料燃焼システムにおけるものよりも１桁小さい規模で起こり得る。このため、ハードウエアを破壊する恐れがある予混合器内の保炎を伴うことなく水素の操作性を可能にする。迅速な燃料−空気混合は、拡散−火炎燃焼器に比べＮＯｘ排出を大幅に低減する。本発明はまた、（管１３０を介する）個々の空気通路を比較的短い長さに保つことによって小さな空気通路に通常伴う大きな圧力降下を部分的に軽減するようにも設計される。また、空気側の圧力降下が小さくなるほど、機関の効率はよりすぐれたものになり得る。
【００２０】
図２に戻ると、燃料流路４２は、予混合ディスク４０の燃料プレナム６０に流体的に連結され、さらにこの燃料プレナム６０は、複数の個々の燃料／空気混合管１３０の各々内に設けられた流体入口１４２に流体的に連結される。燃料プレナム６０は、予混合ディスク４０の第１の面５６と第２の面５８の間に全体的に配設された中空の空洞であり、個々の管１３０を全体的に取り囲む。燃料プレナム６０は、燃料入口ポート（図３Ａ〜３Ｃを参照）を介して燃料流路４２に結合される。
【００２１】
この構成では、空気は管１３０の第１の流体入口１３４に流入し、燃料は、燃料流路４２を通って送られ、個々の管１３０を取り囲む燃料プレナム６０に入る。燃料は、複数の燃料／空気混合管１３０の周りを流れ、個々の燃料噴射入口（または燃料噴射穴）１４２を通り抜けて管１３０内で空気と混合して燃料／空気混合気を形成する。燃料／空気混合物は、出口１３５から点火領域１５０内に進み、その中で燃焼され、タービン３０に送られる高温、高圧のガス流を形成する。燃料噴射穴１４２の数が多いため、空気／燃料混合を比較的効率良く起こすことが可能になり、それによってＮＯｘ排出を低減することができる。
【００２２】
ＮＯｘを少なくするための全負荷作動においては、火炎は、点火領域１５０内に存在しなければならない。しかし、高水素／シンガス燃料を使用すると、逆火が問題となる。混合管１３０内部のいかなる保炎を回避するためにも、混合管内部の火炎からの管内部の熱放出は、管壁に対する熱損失を下回らねばならない。この基準が、管のサイズ、燃料ジェットサイズ、および管当たりの数、ならびに燃料ジェット退出距離を制約する。基本的に、退出距離が長いと、燃料／空気混合はより良好になる。混合度が高くなり、燃料および空気が１００％の混合に近付くと、比較的少ないＮＯｘ産物が生じるが、予混合ディスク４０および個々の混合管１３０内において保炎および／または火炎の逆火が起きやすくなる。複数の管５２の個々の燃料／空気混合管１３０は、損傷を受けたために取り換えが必要になることがある。したがって、さらに説明するように、本発明の燃料／空気混合管１３０は、点火領域１５０内での燃焼を十分に可能にしながら逆火が燃料／空気混合管１３０内に入るのを防止する混合度を生み出す。混合管１３０の特有の構成により、保炎および点火領域１５０から管１３０内への火炎の逆火というリスクを有意に有することなく、比較的少ないＮＯｘを伴って高水素またはシンガス燃料を燃却することが可能になる。
【００２３】
次に図４を参照すると、複数の管５２から１つの例の燃料／空気混合管１３０が示されている。管１３０は、外側円周表面２０２を有する外管の壁２０１と、管軸Ａに沿って第１の流体入口１３４と流体出口１３５の間を軸方向に延びる内側円周表面２０３とを含む。外側円周表面２０２は、外管の直径Ｄｏを有し、内側円周表面２０３は、内管の直径Ｄｉを有する。図示するように、管１３０は、管の周りに円周方向に配設された複数の燃料噴射穴または入口１４２を有し、その各々は、外側円周表面２０２と内側円周表面２０３の間を延びる燃料噴射穴の直径Ｄｆを有する。非限定的な実施形態では、燃料噴射穴の直径Ｄｆは、概ね０．０５インチ（０．１２７ｃｍ）以下であり、あるいはさらには概ね０．０３インチ（０．０７６ｃｍ）以下である。別の非限定的な実施形態では、内管の直径Ｄｉは、燃料噴射穴の直径Ｄｆより概ね２〜２０倍の大きさである。
【００２４】
燃料噴射入口１４２は、図４に示すように軸Ａに平行である管軸Ａに対して噴射角度Ｚを有する。図４に示すように、噴射入口１４２の各々は、概ね２０°と９０°の範囲内の噴射角度Ｚを有する。本発明をさらに精密化すると、特定の高水素燃料では、噴射角度は、管の軸方向（すなわち軸Ａ）に対して測定して概ね５０°と６０°の間であることが望ましくなり得ることが見出される。燃料噴射入口１４２はまた、管流体出口１３５の上流側に退出距離Ｒとして知られている特定の距離を置いて配置される。退出距離Ｒは、燃料噴射穴の直径Ｄｆよりも概ね５（Ｒ最小）〜１００（Ｒ最大）倍の大きさの範囲にあり、燃料噴射穴の直径Ｄｆは、上記で説明したように概ね０．０３インチ（０．０７６ｃｍ）以下である。退出距離Ｒは、一般的にジオメトリの制約、燃料の反応性、および／または所望のＮＯｘ排出に依存し得る。実際には、水素／シンガス燃料に対する退出距離Ｒは、概ね１．５インチ（３．８１ｃｍ）以下であり、内管直径Ｄｉは、概ね０．０５（０．１２７ｃｍ）と０．３インチ（０．７６ｃｍ）の範囲内にある。さらに精密化すると、０．３（０．７６ｃｍ）〜１インチ（２．５４ｃｍ）の範囲の退出距離Ｒが見出されるが、内管直径Ｄｉは、所望の混合および目標のＮＯｘ排出を達成するために概ね０．０８（０．２０３）と０．２インチ（０．５０８ｃｍ）の範囲内にある。一部の高水素／シンガス燃料は、０．１５インチ（０．３８１ｃｍ）の内管直径Ｄｉ未満でより良好に作用する。本発明をさらに精密化すると、最適な退出距離は、バーナ管速度、管壁の伝熱係数、燃料噴出時間に概ね比例し、直交流ジェット貫通距離、乱流燃却速度、および圧力に反比例することが見出される。
【００２５】
燃料噴射入口１４２の直径Ｄｆは、概ね０．０３インチ（０．０７６ｃｍ）以下であるべきであり、個々の管１３０の各々は、水素燃料などの高反応性燃料に関しては約０．８（２．０３ｃｍ）〜２インチ（５．０８ｃｍ）の長さである。個々の管１３０の各々は、少なくとも１つの燃料噴射入口１４２を含むことができ、たとえば約１〜８個の範囲の燃料噴射入口１４２など、さまざまな数の燃料噴射入口１４２を有してよい。天然ガスなどの低反応性の燃料に関しては、管１３０の各々は、１フィート（３０．４８ｃｍ）程度の長さであり得る。複数の燃料噴射入口１４２、すなわち圧力降下が小さい２〜８個の燃料噴射入口もまた企図される。前述したパラメータを用いる場合、５０°と６０°の間の角度Ｚを有する燃料噴射入口１４２が、所望の混合および目標のＮＯｘ排出を達成するのに良好に作用することが見出される。上記のいくつかの異なる組合せを用いて所望の混合および目標のＮＯｘ排出を達成できることが当業者に理解されるであろう。実際に、個々の管１３０のすべては同一でよく、あるいは管１３０の一部またはすべては異なっていてよい。
【００２６】
たとえば、単一の管１３０内に複数の燃料噴射入口１４２が存在するとき、一部の噴射入口は、図４に示すように、たとえば退出距離Ｒに応じて異なるさまざまな噴射角度Ｚを有することができる。別の例として、噴射角度Ｚは、燃料噴射入口１４２の直径Ｄｆまたは直径Ｄｆおよび燃料噴射入口１４２の退出距離Ｒの組合せに応じて異なることができる。さらに別の例としては、個々の燃料噴射入口１４２の各々は、さまざまな燃料噴射入口１４２が軸方向にずれるように異なる退出距離Ｒを有することができる。さらに別の例としては、隣り合う燃料噴射入口１４２の対の間のランドのサイズ（すなわち隣り合う燃料噴射入口１４２間の内側円周表面２０３の空間）は等しくてよく、または異なっていてもよい。この目的は、管１３０の長さをできるだけ短く保ち、流体入口端部１３４と流体出口端部１３５の間の圧力降下を小さくしながら（すなわち５％未満）適切な混合を得ることである。
【００２７】
上記のパラメータはまた、燃料組成物、燃料温度、空気温度、圧力および管１３０の内側および外側の円周壁２０２および２０３に対する任意の処理に基づいて変更することもできる。燃料／空気混合物がそこを通って流れる内側円周表面２０３が、使用する材料にかかわらず滑らかに研磨されている場合、パフォーマンスは高められ得る。また、予混合ディスク４０、点火領域１５０に晒される第２の面５８、および個々の管１３０を燃料、空気またはその他の冷却材で冷却することによって保護することも可能である。最後に、通常の燃焼領域に隣接する面５８は、セラミックコーティング剤または高い熱抵抗を有する他の層でコーティングすることができる。
【００２８】
次に図３Ａ〜３Ｃに戻ると、予混合ディスク４０は、一体型装置として形成することができ、あるいは互いに締め付けられた複数の扇形部分から形成されてもよい。たとえば、図３Ａに示すように、予混合ディスク４０は、概ね等しいジオメトリおよびサイズを有する８つの扇形部分（セクタ）４０１〜４０８などの複数のパイ状（ｐｉｅ−ｓｈａｐｅｄ）の扇形部分から形成することができる。図３Ｂに示すように、予混合ディスク４０’は、複数の４つの扇形部分５０１〜５０４から同じようにして形成することができる。図３Ｃに示すように、予混合ディスク４０’’は、複数のパイ状の扇形部分６０５〜６０８と結合された複数の環状の扇形部分６０１〜６０４など、さまざまなサイズおよびジオメトリを有する複数の扇形部分から形成することができる。したがって、扇形部分４０１〜４０８または５０１〜５０４の各々は、個々に形成され、続いて機械式締結具（たとえばボルト、クリップまたは同様のもの）、接着剤、溶接などのさまざまな取り外し可能または取り外し不能な方法で互いに締め付けることができる。いずれの場合も、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）プロセスなどのさまざまな構築技術を使用することができる。
【００２９】
図３Ａ〜３Ｃを続いて見ると、予混合ディスク４０、４０’、４０’’は、少なくとも１つの燃料流路４２に連結され、またこれは、各々が燃料を独立して供給する複数の燃料流路に連結することもできる。各燃料流路４２は、予混合ディスク４０の１つまたは複数の燃料プレナム６０に流体的に連結され、さらにこの燃料プレナム６０は、複数の個々の燃料／空気混合管１３０の各々内に設けられた流体入口１４２に流体的に連結される。各燃料プレナム（複数可）６０は、燃料入口ポートを介して燃料流路（複数可）４２に結合することができる。図３Ａ〜３Ｂに示すように、各扇形部分４０１〜４０８および５０１〜５０４は、個々の燃料入口ポート４１１〜４１８および５１１〜５１４をそれぞれ含むことができる。したがって、個々の燃料入口ポート４１１〜４１８および５１１〜５１４の各々への燃料供給を変化させることにより、予混合器のさまざまな区分においてさまざまな燃料組成物または燃料／空気比を提供することができる。複数の別個に燃料供給された領域は、燃焼ダイナミックス（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｄｙｎａｍｉｃｓ）および希薄吹消を制御し、ステージングを可能にすることができ、それによって機関効率の相対的な上昇、排出物の低下、および／または装置を損傷し得る燃焼ダイナミックスの低減を達成する向上した微調整能力が可能になり得る。たとえば、燃料入口４１１を介した扇形部分４０１への燃料供給を、任意の他の扇形部分への燃料供給を変更することなく変更するように設定することができる。
【００３０】
予混合器ディスクが一体型構成のものである場合、図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃに示すものなどの個々の領域または扇形部分は、ディスク内部に仕切り壁を含んで複数の燃料プレナム６０を形成することによって作り出すことができることが留意される。各燃料プレナム６０は、燃料入口ポートを介して燃料流路４２に結合させることができる。
【００３１】
上記で留意したように、扇形部分４０１〜４０８、５０１〜５０４、および６０１〜６０８の各々は、互いに流体連通することができ、あるいは一部またはすべての扇形部分は、他の扇形部分から流体的に分離することもできる。したがって、各予混合ディスク４０、４０’、４０’’は、複数の燃料プレナム６０を有することができる。たとえば、燃料入口６１１は、共通の燃料プレナムを共有することができる扇形部分６０１および６０５の少なくとも両方に燃料を供給することができる。したがって、燃料入口６１２を介した扇形部分６０２および６０６への燃料供給の変更は、任意の他の扇形部分への燃料供給を変更することなく実施することができる。あるいは、各扇形部分６０１〜６０８は、専用の燃料入口６１１〜６１８によってそれぞれ供給することができる。
【００３２】
次に図５に移ると、ここでは複数のパイ状の扇形部分４０１の１つを論じるが、そのような論議は、一体型構造などの予混合ディスク４０のさまざまな構造に同様にあてはまることを理解されたい。本明細書で図示し、論じるように、この例の扇形部分４０１は、扇形部分４０１を通って第１の面５６と第２の面５８の間を延びる複数の個々の燃料／空気混合管１３０を含む。燃料プレナム６０は、第１の面５６と第２の面５８の間に全体的に配設され、個々の管１３０を全体的に取り囲む中空の空洞である。燃料プレナム６０は、１つの連続した空洞でよく、あるいは図示するように、１つまたは複数流量調節装置７４によって分離された複数の空洞７０、７２に分離されてもよい。流量調節装置（複数可）７４は、乱流を低減し、圧力降下を制御し、かつ／または燃料プレナム６０内により均一な燃料の流れをもたらすことができる。流量調節装置（複数可）７４は、穴あきプレートでよい。１つの例では、燃料は、空洞７０内に流入し、調節装置７４を通り抜けて空洞７２内に入り、その後燃料噴射穴１４２に入って管１３０内で空気と混合することができる。別の例では、燃料は、最初空洞７２に流入し、調節装置７４を通り抜けて空洞７０内に入り、燃料噴射穴１４２に入る前に空洞７２内へと向きを変えて戻ることができる。したがって、燃料の流れを使用して面５６、５８および／または管１３０を冷却して、そのフィーチャを熱損傷から保護し、管１３０内部の保炎の傾向を低減することもできる。
【００３３】
限定された数の実施形態のみを併用して本発明を詳細に説明してきたが、本発明は、そのように開示された実施形態に限定されないことを容易に理解されたい。そうではなく、本発明は、これまで説明してきていないが本発明の趣旨および範囲に相応する、任意の数の変形形態、変更形態、代用物、または等価の構成を組み込むように改変することができる。さらに、本発明のさまざまな実施形態を説明してきたが、本発明の態様は説明された実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると理解されるものではなく、付属の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３４】
１０  例示的なガスタービン機関
１０  −機関（３）
１１  コンプレッサ（７）
１２  燃焼室（５）
１４  燃焼器組立体（９）
１４  −単一の燃焼器組立体
１４  −複数の燃焼器組立体
１６  燃焼器組立体の壁（２）
３０  タービン（４）
３１  コンプレッサ／タービンシャフト
３１  −シャフトを駆動する
４０  予混合噴射ディスク
４０  −ディスク
４０  −予混合ディスク（２４）
４０  −各予混合ディスク
４０’  予混合ディスク（４）
４０’  −各予混合ディスク（２）
４２  少なくとも１つの燃料流路（２）
４２  −１つまたは複数の燃料流路
４２  −燃料流路（３）
４２  −各燃料流路
４４  環状のチャネル（４）
４６  燃焼ライナ（２）
４８  エンドカバー（３）
５０  １つまたは複数の流量調節装置
５２  複数の管（５）
５６  第１の面（６）
５６  −面
５６  −面
５７  環状の壁
５８  第２の面（８）
５８  −面
５８  −面
６０  燃料プレナム（９）
６０  −複数の燃料プレナム
７０  複数の空洞
７０  −空洞（２）
７２  複数の空洞
７２  −空洞（３）
７４  調節装置（２）
１３０  個々の燃料／空気混合管（２）
１３０  −各個々の燃料／空気混合管（２）
１３０  −空気通路
１３０  −個々の空気通路
１３０  −複数の個々の燃料／空気混合管（３）
１３０  −個々の管（５）
１３０  −管（８）
１３０  −個々の管の取り囲み
１３０  −複数の燃料／空気混合管
１３０  −混合管（２）
１３０  −個々の混合管
１３０  −燃料／空気混合管（複数）（２）
１３０  −燃料／空気混合管（単数）
１３０  −管（２）
１３０  −単一の管
１３１  第１の端部区域（２）
１３２  第２の端部区域（２）
１３３  中間部分
１３４  流体入口端部
１３５  流体出口端部
１４２  さらにより微小な燃料噴射穴
１４２  −燃料噴射穴（３）
１４２  −複数の燃料噴射入口（２）
１４２  −燃料噴射入口（５）
１４２  −噴射入口
１４２  −複数の燃料噴射入口
１４２  −個々の燃料噴射入口
１４２  −さまざまな燃料噴射入口
１４２  −隣り合う燃料噴射入口の対
１４２  −隣り合う燃料噴射入口
１５０  点火領域（６）
２０１  外管の壁
２０２  外側円周表面（３）
２０２  −内側円周壁（内側および外側の円周壁）
２０３  内管の壁
２０３  −内側円周表面（５）
２０３  −外側円周壁（内側および外側の円周壁）
４０１  ８つの扇形部分
４０１  −扇形部分（複数）（２）
４０１  −各扇形部分
４０１  −扇形部分（単数）（２）
４０１  −複数のパイ状の扇形部分
４１１  個々の燃料入口ポート
５０１  扇形部分
６０１  複数の環状扇形部分
６０１  −扇形部分
６０２  扇形部分
６０５  複数のパイ状の扇形部分
６０５  −扇形部分
６０６  扇形部分
括弧内の数字は、数字／記述子の発生回数である。参照番号に対する字下げした補助線は、参照番号の記述子のわずかな変形を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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