(57)【要約】【課題】ガスタービン燃焼器用の予混合器を提供する。【解決手段】本予混合器は、予混合器を通る空気流に旋回速度を与える複数の旋回ベーン（１４）を含むスワーラ（１２）と、予混合器内で燃料を空気流と混合することができる少なくとも１つの燃料噴射部位（１６）とを含む。燃料噴射部位は、クレータ付き孔（３２）で終端する。クレータ付き孔は、混合効率を高め、かつ逆火／保炎抵抗を増大させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器用の予混合器であって、
予混合器を通る空気流の速度特性に影響を与える複数の直線又は湾曲旋回ベーン（１４）を含むスワーラ（１２）と、
予混合器内で燃料を空気流と混合することができる少なくとも１つの燃料噴射部位（１６）と
を含み、少なくとも１つの燃料噴射部位がクレータ付き孔（３２）で終端する、予混合器。
【請求項２】
少なくとも１つの燃料噴射部位（１６）が旋回ベーンの１つ上に配置される、請求項１記載の予混合器。
【請求項３】
それぞれのクレータ付き孔（３２）で終端する複数の燃料噴射部位（１６）をさらに含む、請求項１記載の予混合器。
【請求項４】
燃料噴射部位（１６）の数が高い混合率が得られるように決定される、請求項３記載の予混合器。
【請求項５】
燃料噴射部位（１６）の数並びにクレータ付き孔（３２）の形状及び配向の組合せが、高い混合率が得られるように決定される、請求項３記載の予混合器。
【請求項６】
燃料噴射部位（１６）の数並びにクレータ付き孔（３２）の寸法及び深さが、高い混合率が得られるように決定される、請求項３記載の予混合器。
【請求項７】
空気流の方向に対する燃料噴射の方向が高い混合率が得られるように変化する、請求項１記載の予混合器。
【請求項８】
ガスタービン燃焼器内における逆火及び保炎抵抗を改善する方法であって、
予混合器内の燃料噴射部位（１６）の空気流端部に少なくとも１つのクレータ付き孔（３２）を形成するステップ
を含む方法。
【請求項９】
少なくとも１つのクレータ付き孔（３２）が、慣用穿孔法、レーザ穿孔法及び放電加工（ＥＤＭ）法の１つによって形成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ガスタービン燃焼器用の予混合器であって、
予混合器を通る空気流の速度特性に影響を与える複数の直線又は湾曲旋回ベーン（１４）を含むスワーラ（１２）と、
予混合器内で燃料を空気流と混合することができる複数の燃料噴射部位（１６）と、
旋回ベーンの少なくとも１つの表面上で燃料噴射部位の少なくとも１つの端部に形成されたクレータ付き孔（３２）と
を含む予混合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービンにおける混合効率及び逆火／保炎抵抗の強化に関し、より具体的には、クレータ付き燃料噴射部位を備えたガスタービン燃焼器用の予混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現存のガスタービン燃焼器用の予混合器では、燃料ジェットは、燃料ペグ又はスワーラベーンから放出され、また直交流形態のジェットによく似ている。燃料ジェットは一般的に、燃料ジェットに関連した比較的大きな伴流領域を有する。燃料ジェットは、予混合器通路内の乱流旋回流によって、また固有の渦構造内への燃料ジェットの進展によって混合される。この混合の大部分は、噴射部位の下流に発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５６１１１９７号明細書
【特許文献２】米国特許第５８２２８５３号明細書
【特許文献３】米国特許第５９３３６９９号明細書
【特許文献４】米国特許第６０００９０８号明細書
【特許文献５】米国特許第６２３４７５５号明細書
【特許文献６】米国特許第６６８１５７８号明細書
【特許文献７】米国特許第６７６１０３１号明細書
【特許文献８】米国特許第７０１０９２１号明細書
【特許文献９】米国特許第７１０４０６７号明細書
【特許文献１０】米国特許第７３７３７７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
予混合器効率は、ＮＯｘエミッションが混合のレベルと直接関係を有しているという点において、設計上の重要問題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器用の予混合器は、予混合器を通る空気流の速度特性に影響を与える複数の直線又は湾曲旋回ベーンを含むスワーラと、予混合器内で燃料を空気流と混合することができる少なくとも１つの燃料噴射部位とを含む。燃料噴射部位はクレータ付き孔で終端する。
【０００６】
別の例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器内における逆火及び保炎抵抗を改善する方法であって、予混合器内の燃料噴射部位の空気流端部に少なくとも１つのクレータ付き孔を形成するステップを含む。
【０００７】
さらに別の例示的実施形態では、ガスタービン燃焼器用の予混合器は、予混合器を通る空気流の速度特性に影響を与える複数の直線又は湾曲旋回ベーンを含むスワーラと、予混合器内で燃料を空気流と混合することができる複数の燃料噴射部位と、旋回ベーンの少なくとも１つの表面上で燃料噴射部位の少なくとも１つの端部に形成されたクレータ付き孔とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ガスタービン燃焼器用の予混合器の斜視図。
【図２】クレータ付き孔で終端する燃料噴射部位の断面図。
【図３】クレータ付き孔を使用した混合特性を、従来の直線形孔と比較して示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、ガスタービン予混合器１０の斜視図である。一般的な予混合器１０には、ハブ１１で始まりかつシュラウド１３で終端するスワーラ１２が設けられ、スワーラ１２は、予混合器１０を通る空気流に旋回速度を付加することができる直線又は湾曲旋回ベーン１４の組を含む。旋回運動は、混合を強化しかつ燃焼器内下流での火炎安定性をもたらす。燃料噴射部位１６もまた一般的に、旋回ベーン１４内に形成され、伝統的に燃料配送通路が予混合器ハブの半径方向内部に設置され、予混合器ハブはまた、旋回ベーンを備えた空洞を含む。
【００１０】
今回、燃料噴射部位の終端部におけるクレータ付き孔が、局所的及び全体的混合効果を増大させるのに役立つことが判明した。図２は、予混合器１０を過る空気流に隣接する表面内に形成されたクレータ付き孔３２で終端した円筒形燃料孔３０を含む燃料噴射部位の断面図である。クレータ付き孔は、例えば慣用又はレーザ穿孔法、放電加工（ＥＤＭ）法、鋳造法或いは同様の方法のいずれかの形態を含む多数のあらゆる許容可能な製造方法によって、燃焼器予混合器内に組入れることができる。
【００１１】
本願では、「クレータ付き孔」という用語は、燃料を空気流に噴射する燃料孔３０よりも大きい開口部又は孔をいう。クレータ付き孔３２は、任意の形状と配向の組合せとして形成することができ、またクレータの寸法及び深さも変化させることができる。この用語はさらに、離散クレータの代わりに又はそれらと組合せて使用することができる二次元クレータ又はトレンチ設計を含むことを意図している。クレータ又はトレンチ３２の深さは好ましくは０．５Ｄ〜１．５Ｄの範囲内である（ただし、Ｄは孔３０の直径（すなわち、スロート内径であって、表面フットプリント直径ではない。））。クレータ有効平均直径は好ましくは１．５Ｄ〜３Ｄの範囲である。有効平均直径とは、形状とは無関係に、実面積の換算円直径である。トレンチ構造において、トレンチ幅は好ましくは１Ｄ〜３Ｄの範囲である。トレンチ構造では、孔３０の軸線がトレンチの長さ方向に沿って配向されている場合には、１Ｄの幅が可能になる。
【００１２】
孔３０に対するクレータ又はトレンチ３２の配置は、好ましくは孔の下流端縁部及びクレータ端縁部間の距離が０〜１Ｄの範囲となるようにすべきである。これに関連して、「下流方向」とは、燃料ジェット噴射の方向として定義される。トレンチ構造において、孔３０がトレンチ長さ方向に沿って配向している場合には、この範囲は重要ではなく、つまり無限大までになる。しかしながら、構成は、特に製造を容易にする上での利点をもたらす。０〜１Ｄの範囲は、孔３０軸線がトレンチの長さ方向に対して横方向に配向している時に、適用するのが好ましい。
【００１３】
上述したように、クレータ３２の形状は、円形から直線状トレンチまでかつそれらの中間の全て変形形態に変化させることができ、また隣接する孔３０間の距離は、３Ｄよりも大きくはないのが好ましい。孔の隣接する間隔が３Ｄよりも大きい場合には、クレータ形状は、有効平均直径の制限の範囲内で円形から楕円形、正方形、長楕円形等々まで変化させることができる。トレンチ形状は、直線状から鋸歯状つまり周期的端縁部配置まで変化させることができ、この場合も同様に推奨値に依然として従った幅範囲を有するのが好ましい。
【００１４】
燃料は、円筒形燃料孔３０を通りかつ複数のクレータ付き孔３２のいずれかを介して噴射されるが、この場合、クレータ付き孔３２の数並びにその形状及び配向の組合せは、火炎保持マージンを損なわずに又は圧力低下のない状態で高い混合率が得られるように変化させる。空気流に対する燃料噴射方向もまた、変化させることができる。クレータ付き孔を使用して予混合することによって、燃料の横方向拡散（混合）が、非常に強化される。より短い混合距離は、より短い燃焼長さを可能にし、従って滞留時間を短縮する。その結果、クレータ付き孔は、ＮＯｘエミッションを低減するための手段として役立つ。クレータ付き孔はまた、燃料を予混合器表面に隣接して分布させることを可能にし、それによって、予混合器表面に隣接して濃厚混合気を形成する。濃厚混合気は、逆火／保炎抵抗を増大させる。
【００１５】
クレータ付き燃料孔３２は、旋回ベーン１４の表面上に形成することができ、或いはベーンの隣接するハブ１１又はシュラウド１３を含む予混合器内のあらゆる燃料噴射部位上に形成することができる（図１参照）。クレータ付き燃料孔により、燃料ジェットは、主空気ストリーム内への噴射に先立って、表面凹部内に膨張することが可能になる。表面凹部のリップとの燃料ストリームの相互作用と組合さったこの膨張により、混合の強化が生じ、その結果、最新のガスタービン燃焼器の主要設計目標の１つであるＮＯｘエミッションの一層の低下が得られる。
【００１６】
図３は、直線形孔を通しての空気流内への燃料噴射部位とクレータ付き孔を備えた燃料噴射部位との間の比較を示している。図３で分かるように、クレータ付き孔は、ジェット貫入及び伴流効果を低下させて、逆火／保炎に対する抵抗を増大させる。クレータ付き燃料孔はまた、全燃料供給圧力つまり圧力比を低下させるのを助け、それによって燃焼ダイナミックスの軽減に役立てることができる。クレータ付き孔は、予混合器内で燃料の横方向拡散を増大させ、それによって混合距離及び滞留時間を短縮させることが、図３から明らかである。混合の強化に関して、クレータ付き孔について行ったテストは、ジェット（燃料）の横方向拡散がクレータなしの場合の２〜３倍であることを示している。
【００１７】
クレータ付き孔はまた、燃焼器設計全体にわたって使用することができる改造適用可能な機構として形成することができ、また現存の燃焼器内で火炎形成問題が生じた時に必要に応じて使用することもできる。
【００１８】
クレータ付き孔を燃料噴射部位の一部として形成することによって、空気流との燃料のより急速かつ完全な混合を達成することができる。この構造はまた、高レベルの混合度、従って予混合効率を維持しながら、直交流（貫入及び伴流）形態のジェット効果を低下させる。直交流形態のジェット効果を低下させることによって、予混合器（旋回ベーン）表面に隣接して濃厚混合気を維持することができる。ジェットの下流側における再循環区域もまた、減少する。壁に隣接した一層濃厚な混合気及び低速度区域の減少は、逆火／保炎抵抗を増大させる。
【００１９】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれた様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２０】
１０  ガスタービン予混合器
１１  ハブ
１２  スワーラ
１３  シュラウド
１４  直線又は湾曲旋回ベーン
１６  燃料噴射部位
３０  円筒形燃料孔
３２  クレータ付き孔
【図１】
2010025541.tif 000003
【図２】
2010025541.tif 000004
【図３】
2010025541.tif 000005