(57)【要約】      （修正有）【課題】代替燃料の使用に適する二次燃料ノズルを含む乾式低ＮＯｘ燃焼システムを提供する。【解決手段】燃焼システムは、第１の燃焼室１０６及び第２の燃焼室１０８を含む。第２の燃焼室１０８は、第１の燃焼室１０６の下流に配置される。燃焼システムはまた、予混合直接噴射式二次燃料ノズル１１２を含む。この予混合直接噴射式二次燃料ノズル１１２は、第１の燃焼室１０６を貫通して第２の燃焼室１０８内へと延在する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の燃焼室（１０６）と、
前記第１の燃焼室（１０６）の下流に配置される第２の燃焼室（１０８）と、
前記第１の燃焼室（１０６）を通って前記第２の燃焼室（１０８）内へと延在する予混合直接噴射式二次燃料ノズル（１１２）とを備える燃焼システム。
【請求項２】
前記予混合直接噴射式二次燃料ノズル（１１２）は複数の混合管（１２０）を含む、請求項１に記載の燃焼システム。
【請求項３】
各混合管（１２０）は少なくとも１個の燃料噴射穴（１２６）を含む、請求項２に記載の燃焼システム。
【請求項４】
前記少なくとも１個の燃料噴射穴（１２６）は、前記混合管（１２０）の出口からある後退距離だけ後退する、請求項３に記載の燃焼システム。
【請求項５】
前記予混合直接噴射式二次燃料ノズル（１１２）は、
各々が入口（１２２）と少なくとも１個の燃料噴射穴（１２６）とを含む複数の混合管（１２０）と、
前記入口（１２２）と連通する燃焼空気通路（１１６）と、
前記燃料噴射穴（１２６）と連通する燃料通路（１１４）とを含む、請求項１に記載の燃焼システム。
【請求項６】
各混合管（１２０）は、前記二次燃焼室（１０８）と連通する出口（１２４）をさらに含む、請求項５に記載の燃焼システム。
【請求項７】
前記混合管（１２０）の周りに配置される燃料プレナム（１３８）であって、前記燃料通路（１１４）及び前記燃料噴射穴（１２６）と連通する燃料プレナム（１３８）をさらに含む、請求項５に記載の燃焼システム。
【請求項８】
前記予混合直接噴射式二次燃料ノズル（１１２）は、
前記ノズルの外面の周りにおいて冷却空気通路（１１６）を形成するルーバ外壁（１６０）と、
前記ルーバ外壁（１６０）に形成される複数の冷却穴（１４８）とをさらに含む、請求項５に記載の燃焼システム。
【請求項９】
前記燃焼空気通路（１１６）は、前記混合ヘッド（１１８）の周りに延在して、前記混合ヘッド（１１８）を冷却する、請求項５に記載の燃焼システム。
【請求項１０】
前記混合ヘッド（１１８）の外面上において前記燃焼空気通路（１１６）と連通して配置される複数の旋回羽根（１５０）をさらに含む、請求項９に記載の燃焼システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、二次燃料ノズルを含む乾式低ＮＯｘ燃焼システムに関し、より詳細には、予混合直接噴射式二次燃料ノズルを含む二段乾式低ＮＯｘ燃焼システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、一般に、圧縮機と燃焼システムとタービン部とを含む。燃焼システム内において、空気と燃料が燃焼して加熱ガスが生じる。この加熱ガスはその後、タービン部において膨張して、負荷を駆動する。
【０００３】
従来の燃焼システムは、拡散燃焼を用いていた。拡散燃焼器において、燃料は燃焼器内に直接拡散されて、該燃焼器で空気と混合して燃焼する。拡散燃焼器は効率的であるが、相対的に高レベルの亜酸化窒素（ＮＯｘ）等の汚染物質を発生させる高いピーク温度で動作する。
【０００４】
燃焼プロセスによって生じるＮＯｘのレベルを低下させるために、乾式低ＮＯｘ燃焼システムが開発された。これらの燃焼システムは、空気と燃料を予混合して相対的に均一な空気−燃料混合物を生成した後に、この混合物を燃焼領域内へと導く希薄予混合燃焼を用いる。混合物はその後、比較的低い温度で燃焼し、相対的により低いレベルのＮＯｘを発生させる。
【０００５】
希薄予混合燃焼に適する燃焼器のひとつは、「二段デュアルモード低ＮＯｘ燃焼器」という名称の米国特許第４，２９２，８０１号に開示されている種類の二段燃焼器である。このような燃焼器は、互いに隣接して配置される２つの燃焼室を含む。一方の燃焼室は、多数の一次燃料ノズルと連通し、第２の燃焼室は、二次燃料ノズルと連通する。これらの別個のノズルは、段階的モードにおいて空気と燃料を燃焼室内に導入することを可能にする。例えば、予混合モードにおいて、空気と燃料の希薄混合物が第１の燃焼室内で生成され、この混合物を第２の燃焼室内において相対的により低い制御されたピーク温度で燃焼し、ＮＯｘの生成が削減される。
【０００６】
このような燃焼システムはより低いレベルのＮＯｘ排出量を達成するが、燃料ノズルは相対的に、逆火又は自己着火等の望ましくない火炎条件にさらされ易い。逆火は、燃焼室内の予想される位置から炎が上流に燃料ノズル内へと伝播することを意味し、自己着火は、空気−燃料混合物が直接燃料ノズル自体において予想外の着火を起こすことを意味する。火炎源がいかなるものでも、燃料ノズルは火炎を「保持」する傾向にあり、このため燃料ノズル又はガスタービンのその他の部分が損傷し得る。この問題に対処するため、燃焼システムは通常、自己着火、逆火及び保炎の発生を減少させるように設計される。
【０００７】
近年、効率の向上、汚染物質の排出量の削減又はその両方を達成する代替燃料がガスタービン用に研究されている。例えば、合成ガス（「シンガス」）は、石炭等の原料に由来する代替燃料である。上記及びその他の代替燃料は、相対的に反応性となる比較的高い窒素含有量を有する。このような燃料の反応性は燃焼器の効率を向上させるが、逆火、自己着火及び保炎といった望ましくない火炎現象の危険性を増加させる。
【０００８】
火炎現象は、特に二段燃焼システムの二次燃料ノズル内において発生し易い。二次ノズルは、合成ガス及びその他の高反応性燃料を使用するのには適さないため、システムの燃料柔軟性が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，４２７，４４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のことから、代替燃料の使用に適する二次燃料ノズルを含む乾式低ＮＯｘ燃焼システムが必要とされていることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
燃焼システムは、第１の燃焼室と第２の燃焼室とを含む。第２の燃焼室は、第１の燃焼室の下流に配置される。燃焼システムは、予混合直接噴射式二次燃焼ノズルをさらに含む。予混合直接噴射式二次燃焼ノズルは、第１の燃焼室を通って第２の燃焼室内へと延在する。
【００１２】
開示のシステム及び方法のその他のシステム、装置、方法、特徴及び利点は、以下の図と詳細な説明とを考察することにより、当業者に明らかになろう。このような他のシステム、装置、方法、特徴及び利点は全て、本明細書に含まれることが意図されるとともに、添付の特許請求の範囲により保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】二段燃焼器の部分断面図である。
【図２】二段燃焼器に用いられる予混合直接噴射式二次燃料ノズルの実施形態の部分断面図である。
【図３】図２に示す予混合直接噴射式二次燃料ノズルの実施形態の部分切取斜視図である。
【図４】図２に示す予混合直接噴射式二次燃料ノズルに用いられる混合管の実施形態の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、以下の図面を参照してより明確に理解される。同じ参照符号は、図面全体を通して対応する部分を示しており、図の構成要素は、必ずしも同じ共通の縮尺で示されているわけではない。
【００１５】
図１は、ガスタービンの二段燃焼器１００の実施形態の部分断面図である。ガスタービン内において、燃焼器１００は、圧縮機の下流及びタービン部の上流に配置される。ガスタービンは一般に、該ガスタービンの周りに円形に配置される多数の燃焼器１００を含むが、図１には１つの燃焼器のみを示す。動作時において、圧縮機は、圧縮空気を燃焼器１００に供給する。燃焼器１００は、圧縮空気と燃料を燃焼させて加熱ガスを発生させる。この加熱ガスはタービン部において膨張して、負荷と、場合によっては圧縮機を駆動する。これにより、エネルギーが燃料から抽出されて、有用な仕事が産出する。
【００１６】
図示のように、燃焼器１００は、燃焼プロセスにおいて相対的に低レベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）を生成するように構成される二段燃焼器である。また、燃焼器１００は、逆火、自己着火又は保炎等の火炎現象の危険性を低下させる予混合直接噴射（ＰＤＩ）式二次燃料ノズルを備える。このため、燃焼器１００は、合成燃料、高水素燃料又は一酸化炭素やエタン又はプロパンを含む燃料等のその他の反応性燃料、反応性燃料の混合物又はこれらを組み合わせたものを含む広範な燃料で動作する。
【００１７】
上述のように、燃焼器１００の上流側１０２は圧縮機と連通し、燃焼器１００の下流側１０４はタービン部と連通する。上流側１０２及び下流側１０４の間において、燃焼器１００は２つの燃焼室を含む。これらの燃焼室は、一次燃焼室１０６が相対的に上流側１０２寄りに、二次燃焼室１０８が相対的に下流側１０４寄りに位置する状態で互いに隣接して配置される。
【００１８】
燃焼器１００はまた、多数の燃料ノズルを含む。これらの燃料ノズルは、燃焼器１００を上流側１０２において外囲する端部キャップを貫通して延在する。多数の一次燃料ノズル１１０は、端部キャップを貫通して一次燃焼室１０６内へと延在し、二次燃料ノズル１１２は、端部キャップを貫通して二次燃焼室１０８内へと延在する。周知のように、燃料ノズル１１０、１１２は、空気と燃料をそれぞれ圧縮機及び燃料供給源から燃焼室１０６、１０８内へと送り込む。
【００１９】
一次燃料ノズル１１０は、当該技術分野において周知の範囲の構成を有する。例えば、一次燃料ノズル１１０は、旋回流を生成する予混合ノズル、すなわち「スウォズル」である。このようなノズルは周知であるため、本明細書ではこれ以上の説明を省略する。二次燃料ノズル１１２は、予混合直接噴射（「ＰＤＩ」）式燃料ノズルである。
【００２０】
図示のように、ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２は、一般に、燃料通路１１４と空気通路１１６と混合ヘッド１１８とを含む。燃料通路１１４及び空気通路１１６は、燃料及び空気を混合ヘッド１１８内へ送り込むように配置される。混合ヘッド１１８は、多数の混合管１２０を含む。空気と燃料が混合管１２０内で混合され、二次燃焼室１０８内に噴射される空気−燃料混合物が生成される。
【００２１】
ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２が燃焼器１００に付随する場合は、燃料通路１１４及び空気通路１１６は、端部キャップを介して燃料及び空気を送り込む。燃料通路１１４は、メタン等の従来燃料又は合成ガス等の代替燃料等の燃料供給源とつながっている。空気通路１１６は、圧縮機と連通する。例えば、空気通路１１６は、当該技術分野において周知のように、燃焼器１００の周りに配置される環状フロースリーブを介して空気を受けるように配置される。混合ヘッド１１８は、燃料通路１１４及び空気通路１１６の下流において、燃焼器１００の二次燃焼室１０８に隣接して配置される。この構成では、燃料及び空気は、燃料通路１１４及び空気通路１１６を通って混合管１２０内に流入し、該混合管で燃料と空気が混合されて、二次燃焼室１０８内で燃焼される空気−燃料混合物が形成される。
【００２２】
ノズル１１２の実施形態の部分断面図である図２と、同実施形態の斜視部分切取図である図３とを参照して、ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２をさらに詳細に説明する。図示のように、ノズル１１２の混合ヘッド１１８は、約７５〜１５０本の範囲内の混合管１２０を含むが、混合管１２０は何本用いられてもよい。混合管１２０は、実質的に互いに平行に整列する管の「束」である。各々の混合管１２０は、入口部分、中間部分及び出口部分を含む。入口部分は、空気通路１１６と連通する入口１２２を形成する。出口部分は、燃焼器１００の二次燃焼室１０８と連通する出口１２４を形成する。中間部分は、燃料通路１１４と連通する１個以上の燃料噴射穴１２６を含み、燃料が混合管１２０内に噴射されて空気と混合するようになっている。混合管１２０は、燃焼器キャップの表面に対して角度をなして配置され、旋回流がノズル１１２の下流において二次燃焼室１０８内で形成されるようになっている。
【００２３】
図の実施形態に示されるように、燃料通路１１４及び空気通路１１６は互いに分離され、燃料と空気が混合管１２０の上流で混合されることを防ぐ。例えば、外側壁部１２８は空気通路１１６の境界を画定し、内側壁部１３０は燃料通路１１４の境界を画定する。これらの壁部１２８、１３０は、例えば実質的に円筒状とする。壁部１２８、１３０は同心的に配置され、燃料通路１１４が空気通路１１６を貫通して混合ヘッド１１８に向かって（又はその逆に）延在するようになっている。
【００２４】
図３に示すように、混合ヘッド１１８は、上流面１３２、下流面１３４及び側面１３６によって実質的に密閉される。上流面１３２及び下流面１３４は実質的に平面であり、側面１３６は、例えば実質的に円筒状とする。混合管１２０の入口１２２及び出口１２４は、それぞれ混合ヘッド１１８の上流面１３２及び下流面１３４を貫通して形成される。混合管１２０は、これらの入口１２２及び出口１２４と整合して、混合ヘッド１１８を貫通して上流面１３２から下流面１３４まで延在する。
【００２５】
燃料プレナム１３８は、混合ヘッド１１８の内部において、混合ヘッド１１８の面１３２、１３４と混合管１２０の外面の間に形成される。燃料プレナム１３８は、燃料通路１１４と連通する。例えば、開口１４０が、混合ヘッド１１８の上流面１３２に形成され、燃料通路１１４は、この開口１４０で終端して、燃料が燃料プレナム１３８内に導かれるようになっている。燃料プレナム１３８はさらに、混合管１２０の燃料噴射穴１２６と連通して、燃料が燃料プレナム１３８から燃料噴射穴１２６内に導かれるようになっている。燃料通路１１４から流出する燃料は、混合ヘッド１１８の内面に衝突して、高い熱伝達係数をもたらす。燃料通路１１４が中央に配置される図示のような実施形態では、燃料は燃料プレナム１３８を通って燃料噴射穴１２６内へと急速に外方に膨張する。その他の構成も可能である。
【００２６】
この構成では、空気は、空気通路１１６を通って入口１２２から混合管１２０内に流入する。同時に、燃料は、燃料通路１１４を通って燃料プレナム１３８内に流れ込むとともに、混合管１２０の外面の周りを流れて燃料噴射穴１２６内に流入する。空気と燃料は混合管１２０内で混合され、混合管１２０の出口１２４から流出する空気−燃料混合物を形成する。この空気−燃料混合物は、出口１２４から二次燃焼室１０８の点火領域内へと通過し、該点火領域において混合物が燃焼し、タービン内で膨張する加熱ガスが形成される。
【００２７】
通常運転において、燃焼炎は、二次燃焼室１０８の点火領域内にある。しかし、水素、一酸化炭素、エタン又はプロパンを含む燃料或いはこのような燃料の混合物を含む合成ガスやその他の高反応性燃料等の代替燃料を使用すると、二次燃料ノズル内における炎燃焼を引き起こす自己着火、逆火及び保炎の危険性が増加する。この危険性を低下又は解消させるために、ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２は、混合管１２０内で保炎が起こった場合に、保炎による混合管１２０内部の発熱が混合管１２０の壁部への熱損失より小さくなるように設計される。この基準により、管の大きさ、燃料ジェット浸透性及び燃料ジェット後退距離が制限される。原則として、後退距離が長い方が燃料と空気の混合は良好になる。混合管１２０の管内径ＤＬに対する燃料噴射穴１２６の後退距離Ｒ（後述）の比が比較的大きい場合は、燃料が空気と相対的に均一に混合された後に二次燃焼室１０８に流入することを意味し、その結果、燃焼時におけるＮＯｘの発生量は相対的に低下するが、ノズル１１２は、個々の混合管１２０内において逆火及び保炎を生じ易くなる。火炎により個々の混合管１２０が損傷し、混合管の交換が必要となる。
【００２８】
従って、比較的小さい混合管１２０は、燃料と空気を相対的に迅速に混合して、二次燃料室１０８内における汚染物質の排出量の減少を達成できる比にすると同時に、混合管１２０における火炎の危険性を低下させる。この混合管１２０の構成により、ノズル１１２内において意図しない火炎が生じる有意な危険性を伴うことなく、水素又は合成ガス燃料を燃焼させてＮＯｘを相対的に低くすることができる。
【００２９】
例示的な混合管１２０を部分断面図である図４に示す。混合管１２０は、管軸Ａに沿って入口１２２から出口１２４まで軸方向に延在する外側管壁部１４２を含む。この外側管壁部１４２は、外周面１４４と内周面１４６とを有する。外周面１４４は管外径Ｄｏを有し、内周面１４６は管内径ＤＬを有する。図示のように、多数の燃料噴射穴１２６が外側管壁部１４２の外周面１４４と内周面１４６の間において延在し、各燃料噴射穴１２６は燃料噴射穴径Ｄｆを有する。実施形態において、燃料噴射穴径Ｄｆは、約０．０３インチ以下である。さらに、実施形態において、管内径ＤＬは燃料噴射穴径Ｄｆの約４〜１２倍である。
【００３０】
燃料噴射穴１２６は、混合管１２０の外側管壁部１４２を貫通して角度をなす。具体的には、各燃料噴射穴１２６は、管軸Ａに沿って出口１２４に向かって延びるベクトルに対して噴射角Ｚをなす。燃料噴射穴１２６はまた、出口１２４から後退距離Ｒだけ上流に配置される。後退距離Ｒは、燃料と空気が混合管１２０内で少なくとも部分的に混合した後に二次燃焼室１０８に流入させる長さである。後退距離Ｒは比較的短距離とされるが、燃料噴射穴１２６の個数及び大きさと噴射角Ｚは、空気中での燃料の混合が相対的に急速にできるように選択される。このため、得られた混合物を燃焼させると、約９ｐｐｍ未満の規模のＮＯｘ排出量といったような比較的低いＮＯｘ排出量となる。噴射角Ｚは、ジェット直交流ウェーク領域を減少させるとともに燃料と空気の混合を高めるように選択される。ジェット直交流ウェーク領域が減少又は実質的に解消されると、局所的な保炎が起こらなくなる。広がった部分拡散火炎面は、小さな炎の鎮火によって浮き上がる。後退距離Ｒが火炎の浮き上がり高さより小さい場合は、火炎はノズルの外に位置する。後退距離Ｒは比較的短距離とされるため、管長さは相対的に短くなる。このため、混合管１２０を横切る方向の圧力降下は、許容可能な範囲となる。
【００３１】
噴射角Ｚは、約２０度〜９０度の範囲である。ある高水素燃料を用いるのに適した実施形態では、噴射角Ｚを最適化して、排出量を合理的な保炎マージンで達成する。また、複合噴射角を用いて、空気と燃料の混合を促進させる余分な旋回流を発生する。
【００３２】
後退距離Ｒは一般に、燃料噴射穴径Ｄｆの約５倍である最小後退距離Ｒｍｉｎと燃料噴射穴径Ｄｆの１００倍である最大後退距離Ｒｍａｘの間である。上述のように、燃料噴射穴径Ｄｆは一般に、約０．０３インチ以下である。実施形態において、後退距離Ｒは約１．５インチ以下であり、管内径ＤＬは約０．０５インチ〜０．３インチである。このような実施形態の混合管は、高水素燃料又は合成ガス等の燃料用に設計される。このような実施形態は、許容可能な混合と目標のＮＯｘ排出量とを達成する。高水素燃料又は合成ガス等の一部の燃料は、約０．１５インチの管内径ＤＬを有する混合管１２０を用いると、より良好に作用する。実施形態において、後退距離Ｒは、バーナ管速度、管壁部熱伝達係数及び燃料ブローオフ時間に略比例する。後退距離Ｒはまた、直交流ジェット高さ、乱流燃焼速度及び圧力に反比例する。
【００３３】
相対的に反応性の高い燃料を用いるのに適する実施形態では、混合管１２０は、約１〜３インチの長さを有する。各混合管１２０は、各々が約０．０３インチ以下である燃料噴射穴径Ｄｆを有する約１〜８個の燃料噴射穴１２６を有する。例えば、各混合管１２０は、各々が約０．０１インチ〜０．０３インチの燃料噴射穴径Ｄｆを有する約４〜６個の燃料噴射穴１２６を有する。天然ガス等の反応性の低い燃料を用いるのに適する実施形態においては、混合管１２０は約１フィートの長さを有する。各混合管は、低い圧力降下に適する約２〜８個の燃料噴射穴１２６を有する。上記及びその他の実施形態において、燃料噴射穴１２６は、約１０度〜９０度の噴射角Ｚを有する。
【００３４】
上記の構成の異なる組合せを多数用いることにより、異なるノズルを設計し、或いはこれらを同じノズル内に組み込んで、燃料と空気の所望の混合を達成することができ、目標のＮＯｘ排出量又は動力学特性を達成する。例えば、混合管１２０は、変動する後退距離Ｒにおいて多数の燃料噴射穴１２６を含む。これらの燃料噴射穴１２６は、例えば後退距離Ｒ、燃料噴射穴１２６の直径Ｄｆ又はこれらを組み合わせたものの関数として変動する異なる噴射角Ｚを有する。上記及びその他のパラメータを変動させて適切な混合を達成すると同時に、混合管１２０の長さを短くして、入口１２２と出口１２４の間の圧力降下が著しく高くならないようにする。例えば、約５％未満の圧力降下といったような相対的に低い圧力降下が、入口１２２と出口１２４の間で達成される。
【００３５】
上記のパラメータは、燃料組成、燃料温度、空気温度、混合管１２０の上流又は下流の圧力、混合管１２０を横切る方向の圧力降下、及び混合管１２０の外側管壁部１４２の外周面１４４及び内周面１４６に施される何らかの処理の性質等の要素に基づいて変更される。空気と燃料の混合物は混合管の内周面１４６を横切って流れるため、性能は内周面を円滑にすると向上する。例えば、内周面１４６は、円滑にホーニング仕上げされる。
【００３６】
実施形態において、混合管１２０はさらに、混合ヘッド１１８内の位置に基づいて構成される。例えば、図の実施形態では、混合ヘッド１１８の周縁部に配置される混合管１２０は、混合ヘッド１１８の中心付近に配置される混合管１２０よりも相対的に少ない空気流を受ける。このため、燃料噴射穴１２６の大きさ、個数及び位置をさらに選択して、混合ヘッド１１８内の位置によって混合管１２０に対する燃料流を変動させることができる。例えば、混合ヘッド１１８の周縁部の周りに配置される混合管１２０は、混合ヘッド１１８の中心付近に配置される混合管よりも相対的に少ない燃料を受ける。
【００３７】
再び図２を参照すると、ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２は、一次燃焼室１０６内において比較的高い温度と時には燃焼炎とにさらされる自身の外面に対する損傷を防ぐために冷却される。ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２は一般に、ノズルの長手に沿って、フィルム冷却等により冷却され、混合ヘッド１１８は、ヘッドの下流面１３４の周りにおいて、旋回流等により冷却される。例えば、冷却空気がノズルの外面の周りに流出することを可能にする多数の冷却穴１４８が、ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２の長手に沿って形成される。また、旋回空気流をノズル１１２の下流面１３４の周りに導く多数の旋回羽根１５０が、ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２の下流側の周りに配置される。
【００３８】
図２を参照すると、実施形態において、外側壁部１２８は、混合ヘッド１１８内に至る空気通路１１６を形成する上流部分１５２を有する。上流部分１５２に沿って、外側壁部１２８は、相対的に一様な断面積を有する。下流に移動すると、外側壁部１２８は、断面積が漸増する末広部分１５４に沿って外方に広がる。末広部分１５４に沿って外方に広がることにより、相対的により大きい混合ヘッド１１８を外側壁部１２８の下流部分１５６内に収容することができる。下流部分１５６に沿って、外側壁部１２８は混合ヘッド１１８より若干大きい直径の相対的に一様な断面積に戻って、混合ヘッド１１８の外側壁部１２８と側面１３６の間に隙間１５８が形成される。
【００３９】
冷却するため、ルーバ壁１６０が外側壁部１２８の上流部分の周りに配置される。実施形態において、ルーバ壁１６０は多数のルーバパネルを含む。ルーバ壁１６０は、末広部分１５４に沿って外側壁部１２８に接合される接合部１６２で終端する。冷却穴１４８は、ルーバ壁１６０を貫通し、接合部１６２を貫通し、外側壁部１２８の末広部分１５４を貫通し、外側壁部１２８の下流部分１５６を貫通して形成される。
【００４０】
ルーバ壁１６０は、外側壁部１２８から離間して、冷却空気チャネル１６４を形成する。この冷却空気チャネル１６４は、圧縮機と連通して空気を受ける。例えば、圧縮機からの空気は、燃焼器の周りに配置される環状フロースリーブから冷却空気チャネル１６４へと通過する。同じ空気源からの空気は、ノズル１１２を通って空気通路１１６内へと通過する。冷却空気チャネル１６４を通って流れる空気は、ルーバ壁１６０の冷却穴１４８を通って流出する。ルーバ壁１６０は流出する空気を下流に導き、ノズル１１２の外面の周りに冷却空気のフィルムを形成させる。冷却空気チャネル１６４を通って流れる空気はまた、ルーバ壁１６０及び外側壁部１２８を接合する接合部１６２の冷却穴１４８を通って流出して、接合部１６２を冷却する。ノズル１１２の内部において、空気通路１１６を通って流れる空気は、外側壁部１２８の末広部分１５４及び下流部分１５６に沿った冷却穴１４８を通って流出する。このため、ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２の外面は、燃焼器１００が拡散モードで動作しているとき等にノズルを熱損傷から保護する冷却空気のフィルムによって保護される。
【００４１】
空気通路１１６を通って流れる空気はまた、混合ヘッド１１８の外側壁部１２８と側面１３６の間の隙間１５８に沿って移動する。一連の旋回羽根１５０は、下流面１３４に隣接して混合ヘッド１１８の側面１３６から延在する。例えば、旋回羽根１５０は４０度の旋回角を有する。旋回羽根１５０は、隙間１５８を通って移動する空気を旋回させる。旋回流は、混合ヘッド１１８の下流面１３４の周りにおいて二次燃焼室１０８内に導かれる。旋回流は、隙間１５８の範囲等において混合ヘッド１１８を冷却する。旋回流は、燃焼炎を二次燃焼室１０８内で安定させ易くし、可燃混合気が存在する一次燃焼室１０６内への逆火の可能性を低下させる。一次燃焼室１０６及び二次燃焼室１０８を接続するのど部分の断面積を小さくすることにより、当該技術分野において周知のように、逆火の可能性をさらに低下させる。
【００４２】
実施形態において、ＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２は、従来の二次燃料ノズルと同様の態様で冷却される。このため、燃焼室１０６、１０８の構造環境は、従来の二次燃料ノズル１１２を用いるのに適する対流燃焼室の構造環境に相対的に類似する。このような構成により、実質的に燃焼器を再設計することなく、既存の燃焼器にＰＤＩ式二次燃料ノズル１１２を後付けすることができる。
【００４３】
上記のＰＤＩ式燃料ノズルの実施形態により、メタン等の従来の燃料又は高窒素燃料及び合成ガスを含む代替燃料を用いて二段燃焼器を動作させることが可能になる。このような燃料は、実質的に自己着火、逆火又は保炎の危険性を増加させることなく、ＰＤＩ式二次燃料ノズルを用いて二次燃焼室内に噴射される。ＰＤＩ式二次燃料ノズルは、一次燃焼室内の高温及び火炎の存在下における損傷を防ぐため、適正に冷却される。このような冷却は、ＰＤＩ式二次燃料ノズル構造を収容するために燃焼器を実質的に再設計しなくてもよい態様で達成される。
【００４４】
本明細書は、最良の形態を含む例を用いて本発明を開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用と本明細書に組み込まれたあらゆる方法の実行とを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により限定されるとともに、当業者が想到するその他の例を含む。このようなその他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合又は特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない同等の構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内に含まれることを意図している。
【符号の説明】
【００４５】
１００  燃焼器
１０２  上流側
１０４  下流側
１０６  一次燃焼室
１０８  二次燃焼室
１１０  一次燃料ノズル
１１２  二次燃料ノズル
１１４  燃料通路
１１６  空気通路
１１８  混合ヘッド
１２０  混合管
１２２  入口
１２４  出口
１２６  燃料噴射穴
１２８  外側壁部
１３０  内側壁部
１３２  上流面
１３４  下流面
１３６  側面
１３８  燃料プレナム
１４０  開口
１４２  外側管壁部
１４４  外周面
１４６  内周面
１４８  冷却穴
１５０  旋回羽根
１５２  上流部分
１５４  末広部分
１５６  下流部分
１５８  隙間
１６０  ルーバ壁
１６２  接合部
１６４  冷却空気チャネル
【図１】
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【図２】
2010266185.tif 000004
【図３】
2010266185.tif 000005
【図４】
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