(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼器の動特性と作動性とを損なうことなく、特に軸方向に多段化された低公害燃焼装置用コアンダ噴射装置が求められている。【解決手段】燃焼器１２は、複数の燃焼ゾーンからなる燃焼室を形成する燃焼器ハウジング２０を有する。燃焼器ハウジング２０の中心線に沿って二次ノズル２８が配設され、第１の流体を第１の燃焼ゾーン３４の下流側に噴射する。燃焼室の上流側に近接して、かつ、二次ノズル２８のまわりには、複数の一次燃料ノズル３６が配設され、第２の流体を第１の燃焼ゾーン３４の上流側に噴射する。この燃焼器１２はさらに、複数のコアンダ三次ノズル４０を有する。コアンダ三次ノズル４０は希釈穴２３に結合されている。このコアンダ三次ノズル４０は、空気、燃料、ひとつ以上の希釈剤、またはこれらを組み合わせたものからなる第３の流体を第１の燃焼ゾーン３４の下流側に配設される第２の燃焼ゾーン４２に噴射する。【選択図】図２
2010025538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃焼ゾーン（３４、４２）からなる燃焼室（１７）を形成する燃焼器ハウジングと（２０）；
前記燃焼ハウジング（２０）内において、前記燃焼ハウジング（２０）との間に隙間（４４）を形成した状態で配設されるライナスリーブ（２４）と；
前記ライナスリーブ（２４）の内側に配設されるライナ（２２）であって、複数の希釈穴（２３）を含むライナ（２２）と；
前記燃焼室（１７）の中心線（３０）に沿って配設されるとともに、空気、燃料またはこれらを組み合わせたものからなる第１の流体を前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち第１の燃焼ゾーン（３４）の下流側（３２）に噴射するように構成される二次ノズル（２８）と；
前記燃焼室（１７）の上流側（３８）に近接して配設され、かつ前記二次ノズル（２８）のまわりに配置されるとともに、空気と燃料とからなる第２の流体を前記第１の燃焼ゾーン（３４）の上流側（３８）に噴射するように構成される複数の一次燃料ノズル（３６）と；
各々がそれぞれの希釈穴（２３）に結合される複数のコアンダ三次ノズル（４０）であって、空気、燃料またはこれらを組み合わせたものからなる第３の流体を、前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち１個以上の残りの燃焼ゾーンに噴射するように構成されており、前記１個以上の残りの燃焼ゾーンは、前記第１の燃焼ゾーン（３４）の下流側（３２）に配置される複数のコアンダ三次ノズル（４０）とからなる、低公害燃焼器（１２）。
【請求項２】
前記二次ノズル（２８）は、コアンダノズルからなる、請求項１に記載の燃焼器（１２）。
【請求項３】
各々の前記コアンダ三次ノズル（４０）は、空気をそれぞれの前記コアンダ三次ノズル（４０）内に導入するように構成される空気入口（５２）を含み、空気は、前記ライナスリーブ（２４）と前記燃焼器ハウジング（２０）との間に形成される前記隙間（４４）を経て前記空気入口（５２）に供給される、請求項１または２に記載の燃焼器（１２）。
【請求項４】
各々の前記コアンダ三次ノズル（４０）は、燃料をそれぞれの前記三次コアンダノズル（４０）内に導入するように構成される少なくとも１個の燃料プレナム（４８）を含む、請求項３に記載の燃焼器（１２）。
【請求項５】
各々の前記コアンダ三次ノズル（４０）は、前記燃料プレナム（４８）に近接して配設される所定の輪郭（６０）を含み、前記輪郭（６０）は、前記燃料が前記輪郭（６０）をなぞることで燃料境界層（８８）が形成されやすくなるように、かつ前記空気入口（５２）から到来する空気を連行することで空気と燃料との予混合を促進するように構成される、請求項５に記載の燃焼器（１２）。
【請求項６】
前記コアンダ三次ノズル（４０）は、前記燃料が前記コアンダ三次ノズル（４０）に供給されると、空気と燃料とからなる第３の流体を、前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち１個以上の残りの燃焼ゾーンに噴射するように構成される、請求項１に記載の燃焼器（１２）。
【請求項７】
前記コアンダ三次ノズル（４０）は、前記燃料が前記コアンダ三次ノズル（４０）に供給されない場合、空気を前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち１個以上の残りの燃焼ゾーンに噴射するように構成される、請求項１または６に記載の燃焼器（１２）。
【請求項８】
複数の燃焼ゾーン（３４、４２）からなる燃焼室（１７）を形成する燃焼器ハウジング（２０）と；
前記燃焼ハウジング（２０）内において、前記燃焼ハウジング（２０）との間に隙間（４４）を形成した状態で配設されるライナスリーブ（２４）と；
前記ライナスリーブ（２４）の内側に配設されるライナ（２２）であって、複数の希釈穴（２３）を含むライナ（２２）と；
前記燃焼室（１７）の中心線（３０）に沿って配設されるとともに、空気、燃料またはこれらを組み合わせたものからなる第１の流体を、前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち第１の燃焼ゾーン（３４）の下流側（３２）に噴射するように構成される二次ノズル（２８）と；
前記燃焼室（１７）の上流側（３８）に近接して配設され、かつ前記二次ノズル（２８）のまわりに配置されるとともに、空気と燃料とからなる第２の流体を前記第１の燃焼ゾーンの上流側（３８）に噴射するように構成される複数の一次燃料ノズル（３６）と；
各々がそれぞれの希釈穴（２３）に結合される複数のコアンダ三次ノズル（４０）であって、燃料がコアンダ三次ノズル（４０）に供給されるときに、空気と燃料とからなる第３の流体を前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち１個以上の残りの燃焼ゾーンに噴射するか、または燃料がコアンダ三次ノズル（４０）に供給されていないときに、空気を前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち１個以上の残りの燃焼ゾーンに噴射するように構成されており、前記１個以上の残りの燃焼ゾーンは、前記第１の燃焼ゾーン（３４）の下流側（３２）に配置される複数のコアンダ三次ノズル（４０）とからなる、低公害燃焼器（１２）。
【請求項９】
複数の燃焼ゾーン（３４、４２）からなる燃焼室（１７）を形成する燃焼器ハウジング（２０）と；
前記燃焼ハウジング（２０）内において、前記燃焼ハウジングとの間に隙間（４４）を形成した状態で配設されるライナスリーブ（２４）と；
前記ライナスリーブ（２４）の内側に配設されるライナ（２２）であって、複数の希釈穴（２３）を含むライナ（２２）と；
前記燃焼室（１７）の中心線（３０）に沿って配設されるとともに、空気、少なくともひとつの希釈剤、燃料またはこれらを組み合わせたものからなる第１の流体を、前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち第１の燃焼ゾーン（３４）の下流側（３２）に噴射するように構成される二次ノズル（２８）と；
前記燃焼室（１７）の上流側（３８）に近接して配設され、かつ前記二次ノズル（２８）のまわりに配置されるとともに、空気と燃料とからなる第２の流体を、前記第１の燃焼ゾーン（３４）の上流側（３８）に噴射するように構成される複数の一次燃料ノズル（３６）と；
各々がそれぞれの希釈穴（２３）に結合される複数のコアンダ三次ノズル（４０）であって、空気、少なくともひとつの希釈剤、燃料またはこれらを組み合わせたものからなる第３の流体を前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち１個以上の残りの燃焼ゾーンに噴射するように構成されており、前記１個以上の残りの燃焼ゾーンは、前記第１の燃焼ゾーン（３４）の下流側（３２）に配置される複数のコアンダ三次ノズル（４０）とからなる低公害燃焼器（１２）。
【請求項１０】
複数の燃焼ゾーン（３４、４２）からなる燃焼室（１７）を形成する燃焼器ハウジング（２０）と；
前記燃焼ハウジング（２０）内において、前記燃焼ハウジング（２０）との間に隙間（４４）を形成した状態で配設されるライナスリーブ（２４）と；
前記ライナスリーブ（２４）の内側に配設されるライナ（２２）と；
前記燃焼室（１７）の上流側（３８）に近接して配設されるとともに、空気と燃料とからなる流体を前記第１の燃焼ゾーン（３４）の上流側（３８）に噴射するように構成される複数の一次燃料ノズル（３６）と；
前記ライナ（２２）に設けられる複数のコアンダ三次ノズル（４０）であって、空気、燃料またはこれらを組み合わせたものからなるまた他の流体を前記複数の燃焼ゾーン（３４、４２）のうち１個以上の残りの燃焼ゾーンに噴射するように構成されており、前記１個以上の残りの燃焼ゾーンは、前記第１の燃焼ゾーン（３４）の下流側（３２）に配置される複数のコアンダ三次ノズル（４０）とからなる、低公害燃焼器（１２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、燃焼器に関し、特に軸方向に多段化された低公害燃焼装置用コアンダ噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電所または複合サイクル発電所において用いられるガスタービンは、より高温度条件下かつより高圧条件下でより高い運転効率を達成するべく運転されており、その結果、排気ガス流中の排出物質（たとえばＮＯｘ）が増加する傾向にある。様々なＮＯｘ発生要因が知られているが、主な原因は、燃焼器内の火炎温度である。ＮＯｘ排出量は、燃焼器内の火炎温度に正比例する。
【０００３】
燃焼器の排気ガス流中のＮＯｘを減少させるための従来技術がいくつかある。従来的に採用されている方法のひとつにおいては、燃焼時に燃焼器内の高温燃焼領域に、蒸気または水を噴射して火炎温度を低下させることが必要となる。この方法は、実行容易であるが、大量の蒸気または水が必要になり、その結果としてプラント効率が低下するという問題点がある。加えて、大量の蒸気または水を燃焼器内に噴射することにより、燃焼振動と不完全燃焼生成物とが増加するだけでなく、寿命が短くなる。
【０００４】
上述の欠点に鑑み、単段燃焼器において燃料と燃焼用空気とを、予混合モードで噴射し、希薄燃料条件下で燃焼させる乾式予混合希薄燃焼法が開発された。ＮＯｘ排出量は低減されるものの、予混合噴射モードにより、燃焼器の作動範囲は小さくなる。燃焼器において単段燃焼を用いることで、ＮＯｘ排出量を確実に低減できない可能性もある。
【０００５】
多段燃焼を採用すると、ＮＯｘ排出量を低減し、燃焼器の作動範囲を拡大することができる。このような従来装置においては、追加の予混合器が１個以上の一次ノズルからの反応ガス流を有する燃焼器の、後続段の環境下に設けられる。予混合器が存在することにより、燃焼器の後続段における高温ガスの流動パターンが乱れ、その結果として燃焼器を介して圧力降下が大きくなる。さらにまた、高温と燃焼器の後続段に可燃混合気が導入されることとにより、このような予混合器の冷却は困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３，８７６，３６２Ａ号
【特許文献２】米国特許第５，８０２，８５４Ａ号
【特許文献３】米国特許第６，８７４，３２３Ｂ２号
【特許文献４】欧州特許第０１０６６５９Ａ２号
【特許文献５】国際公開第０１／３５０２２Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、燃焼器の動特性と作動性とを損なうことなく、軸方向に多段化された燃焼器からのＮＯｘ排出量が低減された、ガスタービンに用いられる装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の例示的実施形態のひとつにおいて、低公害燃焼器を開示する。この燃焼器は、複数の燃焼ゾーンを有する燃焼室を形成する燃焼器ハウジングを含む。この燃焼器ハウジング内において、ライナスリーブが、燃焼器ハウジングとの間に隙間を形成した状態で配設される。燃焼室の中心線に沿って、二次ノズルが配設され、空気、少なくともひとつの希釈剤、燃料、またはこれらを組み合わせたものからなる第１の流体を複数の燃焼ゾーンのうち第１の燃焼ゾーンの下流側に噴射するように構成される。燃焼室の上流側に近接し、かつ二次ノズルのまわりに、複数の一次燃料ノズルが配設され、空気と燃料とからなる第２の流体を第１の燃焼ゾーンの上流側に噴射するように構成される。燃焼器は、さらにまた、複数の三次コアンダノズルを含む。各三次コアンダノズルは、それぞれの希釈穴に結合される。三次コアンダノズルは、空気、少なくともひとつのまた他の希釈剤、燃料またはこれらを組み合わせたものを複数の燃焼ゾーンのひとつ以上の残りの燃焼ゾーンに噴射するように構成される。これらのひとつ以上の残りの燃焼ゾーンは、第１の燃焼ゾーンの下流側に配置される。
【０００９】
また他の例示的実施形態において、低公害燃焼器を有するガスタービンを開示する。
【００１０】
本発明による、以上に記載のまたはその他の特徴、態様、および利点は、全図面を通して同様の参照符号によって同様の要素を示す添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明を読むことによってさらに理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、低公害燃焼ノズルを有するガスタービンの線図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、複数のコアンダ三次ノズルを有する燃焼器の線図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、コアンダ三次ノズルの線図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、コアンダ三次ノズルの線図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、コアンダ三次ノズルの線図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態において、コアンダ効果によってコアンダ三次ノズルの輪郭に隣接して燃料境界層が形成されることを示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に詳細に説明するが、本発明のある実施形態において、複数の燃焼ゾーンを含む燃焼室を形成する燃焼器ハウジングを有する低公害燃焼器を開示する。ライナスリーブは、燃焼器ハウジング内において、燃焼器ハウジングとの間に隙間を形成した状態で配設される。複数の希釈穴を有するライナが、ライナスリーブ内に配設される。二次ノズルは、燃焼室の中心線に沿って配設されるとともに、複数の燃焼ゾーンのうち第１の燃焼ゾーンの下流側に空気、少なくともひとつの希釈剤、燃料またはこれらを組み合わせたものを含む第１の流体を噴射（「パイロット噴射」とも呼ぶ）するように構成される。複数の一次ノズルは、燃焼室の上流側に近接して配設され、かつ二次ノズルのまわりに配置されるとともに、第１の燃焼ゾーンの上流側に空気と燃料とを含む第２の流体を噴射（「主噴射」とも称する）するように構成される。第１の流体の量は、一般に第２の流体よりも少ない。
【００１３】
燃焼器は、さらにまた、複数のコアンダ三次ノズルを含み、各コアンダ三次ノズルは、対応する希釈穴に結合される。このコアンダ三次ノズルは、空気、少なくともひとつのまた他の希釈剤、燃料またはこれらを組み合わせたものを、第１の燃焼ゾーンの下流に配置される複数の燃焼ゾーンのうちのひとつ以上の、残りの燃焼ゾーンに噴射するように構成される。これらのコアンダ三次ノズルは、コアンダ三次ノズルへの燃料供給に応じて可変予混合モードで動作する。コアンダ三次ノズルは、空気と燃料と希釈剤とを混合するように構成されるコアンダ装置を含む。コアンダ三次ノズルによって、燃焼器の後続段における熱供給が容易になり、その結果、作動性が向上し、排出物質が低減される。コアンダ三次ノズルをライナに設けることにより、燃焼器の後続段における圧力降下が最小限に抑えられ、それに伴って燃焼器全体の効率を最大限に高めることが容易になる。なお、本明細書において、以下に記載の実施形態において、たとえ明記していなくても、「空気」は、空気と希釈剤とを組み合わせたものを意味することがある。同様に、「燃料」は、燃料と希釈剤とを組み合わせたものを意味することがある。
【００１４】
以下に詳細に説明するように、本発明の実施形態は、地上電源ガスタービン燃焼器、ガスレンジおよび内燃機関等の様々な用途において、燃焼過程の排出物を減少させる役割を果たす。特に、本発明は、「コアンダ効果」によって空気と希釈剤と燃料とが混合されるように構成した複数のコアンダノズルを備えた、複数の軸方向燃焼ゾーンを有する低公害燃焼器を開示する。次に図面を参照されたい。まず図１に、低公害燃焼器１２を有するガスタービン１０を示す。このガスタービン１０は、周囲空気を圧縮するように構成された圧縮機１４を含む。燃焼器１２は、この圧縮機１４と連通しており、圧縮機１４から圧縮空気１１を受け、かつ燃料流を燃焼させて燃焼器出口ガス流１３を生じるように構成される。図示の実施形態において、燃焼器１２は、燃焼領域を形成する燃焼器ハウジング２０を含む。ひとつの実施形態において、燃焼器１２は、缶形燃焼器を含む。また別の実施形態では、燃焼器１２は、缶形環状燃焼器または純粋な環状燃焼器を含む。加えて、ガスタービン１０は、燃焼器１２の下流に配置されるタービン１６を含む。このタービン１６は、燃焼器出口ガス流１３を膨張させて外部負荷を駆動するように構成される。図示の実施形態では、圧縮機１４は、軸１８を介してタービン１６により生じる動力によって駆動される。
【００１５】
図２に、図１の態様による低公害燃焼器１２を示す。この例示的な燃焼器１２は、燃焼室１７を形成する燃焼器ハウジング２０を含む。カバー組立体１９は、燃焼器ハウジング１４の一方の端部２１に設けられる。燃焼ライナ２２は、燃焼器ハウジング２０に設けられるフロースリーブ２４の内側に配設される。複数の希釈穴２３が燃焼ライナ２２に設けられる。ベンチュリ組立体２６は、燃焼ライナ２２の内部に配設される。
【００１６】
二次ノズル２８（「パイロットノズル」とも呼ぶ）は、燃焼室１７の中心線３０と整合して配設される。この二次ノズル２８は、空気と燃料とを混合するとともに、第１の流体（「パイロット流体」とも呼ぶ）を燃焼室１７の第１の燃焼ゾーン３４の下流側３２に噴射するように構成される。第１の燃焼ゾーン３４は、希薄状態で作動し、ＮＯｘ等の排出物質が最小限に抑えられるように設計されている。ある一定の実施形態において、燃料は、炭化水素、天然ガスまたは高水素ガスまたは水素またはバイオガスまたは一酸化炭素または合成ガスまたは不活性ガスまたは水蒸気または酸化剤とともに所定量の希釈剤を含む。希釈剤は、窒素、二酸化炭素、水または蒸気等を含んでもよい。ひとつの実施形態において、二次ノズル２８は、コアンダ形ノズルである。複数の一次ノズル３６が、燃焼室１７の上流側に配設され、かつ二次ノズル２８のまわりに配置されるとともに、空気、燃料および／または希釈剤を含む第２の流体（「主流体」とも呼ぶ）を燃焼室１７の第１の燃焼ゾーン３４の上流側３８に噴射するように構成される。ひとつの実施形態において、一次ノズル３４は、コアンダノズルであってもよい。本明細書において、空気と燃料との第１の混合気の量は、空気と燃料との第２の混合気の量よりも少ないことに注意されたい。本明細書において、一部の実施形態では、燃焼器１２に二次ノズルを含まないことに注意されたい。
【００１７】
図示の実施形態では、燃焼器１２は、予混合モードで動作する。燃料は、一次ノズル３６と二次ノズル２８とに分配供給される。火炎は、完全に燃焼室１７の下流燃焼ゾーン３２内に収まる。ベンチュリ組立体２６は、下流燃焼ゾーン３２に流入する流体の予混合モード時に、燃料と空気との混合を促進する。
【００１８】
この例示的な実施形態では、さらにまた、複数のコアンダ三次ノズル４０が燃焼器１２に設けられる。各コアンダ三次ノズル４０は、ライナ２２に設けられるそれぞれの希釈穴２３に結合される。これらの三次ノズル４０は、空気、燃料、ひとつ以上の希釈剤またはこれらを組み合わせたものを含む第３の流体を、第１の燃焼ゾーン３４の下流側に配設される第２の燃焼ゾーン／段４２に噴射するように構成される。燃焼器内のゾーン／段の個数は、用途によって変動することがある。コアンダ三次ノズル４０は、「コアンダ効果」によって燃料と空気とを混合するように構成される。本明細書において用いられる場合、「コアンダ効果」という用語は、流体流が近接する表面をなぞるとともに、その表面が本来の流体の運動方向から離れる方向に湾曲してもなぞり続ける傾向を指す。ライナ２２と燃焼器ハウジング２０との間に形成される隙間４４によって、ライナ２２の希釈穴２３に配設される三次ノズル４０へと空気が通過する。特に、ノズル４０は、コアンダ効果によって、後続の図を参照して以下に説明する装置の混合効率を高める。本明細書において、一部の実施形態では、ライナ２２は、希釈穴を備えなくてもよいことに注意されたい。かかる実施形態においては、また他の適宜手段をライナ２２に設けて、コアンダ三次ノズル４０を収容することができる。ライナ２２にコアンダ三次ノズル４０を設けることにより燃焼器の後続段における高温ガスの流動パターンが乱れるということはなく、その結果、燃焼器を介した圧力降下が小さくなる。なお、本明細書において、一次および二次ノズル３６および２８の種類にかかわりなく、または二次ノズルが燃焼器内において用いられるか否かにもかかわりなく、コアンダ形三次ノズル４０を燃焼器１２の後続段に用いることができる。
【００１９】
図３に、燃焼器内に配設される１個のコアンダ三次ノズル４０を示す。上述したように、燃焼ライナ２２は、燃焼器ハウジング２０内に設けられるフロースリーブの内側に配設される。複数の希釈穴２３が燃焼ライナ２２に設けられる。図示の実施形態では、１個のコアンダ三次ノズル４０が希釈穴２３に結合されている。空気および／または希釈剤は、ライナスリーブと燃焼器ハウジング２０との間に形成された隙間４４を経てコアンダ三次ノズル４０へと流れる。コアンダ三次ノズル４０は、空気、燃料またはこれらを組み合わせたものからなる第３の流体を、１個以上のより下流の燃焼ゾーン（たとえば図２に示す第２の燃焼ゾーン／段４２）に噴射するように構成される。ノズル４０は、後続の図を参照してより詳細に説明するが、コアンダ効果によって燃料と空気とが混合されるように設計される。ひとつの実施形態において、コアンダ三次ノズル４０は、燃料がコアンダ三次ノズル４０に供給されると、空気と燃料との混合気を下流の燃焼ゾーンに供給する。燃料がコアンダ三次ノズル４０に供給されると、ノズル４０の有効領域が相応に変化して、より多くの空気が燃料に連行され、その結果、確実に混合気が好適に混合され、下流の燃焼ゾーンへ供給される。燃料がコアンダ三次ノズル４０に供給されない場合は、コアンダ三次ノズル４０は、空気だけを下流の燃焼ゾーンに噴射する。言い換えれば、ノズル４０は、ある一定の運転条件下では希釈源として機能する。コアンダ三次ノズル４０からの予混合噴射は、運転条件に応じて行われることがある。
【００２０】
多段燃焼によってより良好に作動範囲を得られることは従来的に周知である。しかし、追加の予混合器を後続段の燃焼器に配設することは、圧力降下の増大と、一次ノズルからの反応ガス流を含む環境に予混合器を配置する必要性とにより困難である。また、かかる予混合器の冷却は、高温と後続段の燃焼器における可燃性混合気の導入とにより困難である。例示的なコアンダノズルを配設することにより、圧力降下が最小限に抑えられ、その結果、燃焼器全体の効率が最大限に高まる。コアンダノズルは、燃料が供給されないときは、希釈装置として作用する。従って、これらのノズルを特別に冷却する必要はない。コアンダノズルは、火炎を保持せず、かつ燃焼流を妨げない。コアンダノズルはまた、実質的に耐逆火性である。コアンダノズルは、空気と燃料との予混合を促進するだけでなく、燃焼器のライナ内の既存の希釈穴に容易に後付可能である。空気流中の流動燃料のせん断作用により、コアンダノズルを介してより多くの空気が送り込まれる（連行される）。このため、より多くの空気がコアンダノズルを介して流れるので、局所的な火炎温度が低下するとともに、空気と燃料とがより良好に混合される。コアンダ三次ノズル４０に燃料が供給されないときは、より多くの空気が一次燃料ノズルを介して供給され、これによって燃焼器内において局所的な燃空比が低下する。局所的な火炎温度が低下すると、局所的なサーマルＮＯｘの生成が減少する。軸方向の多段化を燃焼器に適用することによって、より多くの空気がコアンダ三次ノズルを介して送り込まれ、その結果、サーマルＮＯｘの生成が減少する。
【００２１】
図４は、図２および３の燃焼器に用いられるコアンダ三次ノズル４０の例示的な構成の線図である。図４に示す実施形態において、コアンダ三次ノズル４０は、燃料をコアンダ三次ノズル４０の燃料プレナム４８の内側に誘導する燃料経路４６を含む。コアンダ三次ノズル４０の空気入口ノズル輪郭と空気入口とは、参照符号５０および５２により表されている。加えて、ノズル４０は、ノズル出口５４とディフューザ壁部５６とのど部５８とを含む。ノズル４０は、燃料プレナム４８から燃料を受け、この燃料は、燃料出口環６２を介して所定の輪郭６０または１組のスロットまたはオリフィスを渡って流れるように誘導される。その後、燃料が空気入口５２から到来する空気と混合され、混合気が形成される。予混合の程度は、燃料の種類または輪郭の形状または燃料の圧力または燃料の温度または空気の温度または予混合の長さまたは燃料噴射速度またはこれらを組み合わせたものによって制御される。一部の実施形態では、複数のプレナム４８または燃料スロット／オリフィスを用いて、様々な組合せの燃料および／または希釈剤を噴射することができる。
【００２２】
図５は、図２および３の燃焼器において空気流量と燃料ステージング能力とを実質的に高めるために用いられるコアンダ三次ノズル４０の、また他の例示的な構成の線図である。図５に示す実施形態において、コアンダ三次ノズル４０は、壁部および中央での混合を容易にする二重混合構成のノズルを含む。ノズル４０は、２本の燃料入口経路６４および６６と２個の燃料プレナム６８および７０とを含んでおり、これにより燃料が別個に供給されて壁部および中央で混合される。さらに、ディフューザ壁部と中央本体とを、それぞれ参照符号７２および７４で示す。燃料プレナム６８および７０からの燃料は、２個の燃料出口８０、８２を経て所定の輪郭７６および７８をなぞって流れるように誘導される。ノズル４０は、その中心線８４に沿った空気流を受け、これによりノズル４０内における空気と燃料との混合が容易になる。所定の輪郭７６および７８を、コアンダ効果によって予混合装置内での混合が容易になるように設計することができる。図示の実施形態において、所定の輪郭７６および７８によって、導入された燃料がこの輪郭７６および７８をなぞることで、燃料境界層が形成されやすくする。加えて、所定の輪郭７６および７８に隣接して形成される燃料境界層により、空気の連行が促進され、その結果ノズル４０の混合効率が高まる。ノズル４０内に生じるコアンダ効果によって、燃焼に先立って比較的高度の予混合が可能となるので、燃焼装置からの汚染物質の排出量が実質的に減少する。特に、コアンダ効果によって燃料が輪郭７６および７８をなぞり、その後空気が連行されることで、燃焼前のノズル４０の予混合効率は比較的高くなる。
【００２３】
図６は、図５のコアンダ三次ノズル４０において、コアンダ効果によって輪郭７６に隣接して燃料境界層が形成されることを示す線図である。この図に示す実施形態において、燃料流８６は、輪郭７６を、たとえ輪郭７６の表面が初期の燃料流の方向から離れる方向に湾曲しても、そのままなぞり続ける。具体的には、燃料流８６が加速して運動量移動をバランスしようとすると、燃料流の横断方向に圧力差が生じ、この圧力差により燃料流８６が偏向して輪郭７６の表面に接近する。当業者には理解されるように、燃料８６が輪郭７６を横切って移動すると、ある一定量の表面摩擦が燃料流８６と輪郭７６との間に生じる。この流れ抵抗により、燃料８６が輪郭７６の方へと偏向し、これによって燃料が輪郭７６に付着する。さらに、こうしたメカニズムによって形成される燃料境界層８８により、せん断層９２を形成する、到来する空気流９０が連行され、これが燃料境界層８８と相まって空気流９０と燃料８６との混合が促進される。さらにまた、燃料境界層８８と連行空気９０とが分離することおよび混合されることによって形成されるせん断層９２により、一様な混合気が得られる。
【００２４】
コアンダ装置に関するさらなる詳細は、参照により本明細書に援用される米国特許出願第１１／２７３，２１２号を参照すると説明されている。上述の様々な態様の三次ノズル４０は、ガスタービンに用いられる燃焼器および炉等の加熱装置等、様々な用途に適用可能である。加えて、ノズル４０は、ガスレンジ設備に適用可能である。ある実施形態において、ノズル４０は、航空エンジンの水素燃焼器および航空転用ガスタービンおよび重作業機械用のその他のガスタービン燃焼器に適用可能である。
【００２５】
本明細書では、本発明の一部の特徴についてのみ記載したが、これらの様々な修正形態および改変形態が当業者には想起可能であろう。従って、添付の特許請求の範囲は、かかる修正形態および改変形態を、本発明の本質に含まれるものとして網羅するものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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