(57)【要約】【課題】予混合器における保炎を防ぐ。【解決手段】ガスタービン燃焼器（１４）用の予混合器は、高反応性燃料（１０）を噴射する第１の通路（４）と、不活性ガス又は低反応性燃料（８）或いは両方の混合気を噴射する第２の通路（６、２０）とを含む。第２の通路（６、２０）は、不活性ガス又は低反応性燃料（８）或いは両方の混合気の層を形成し、高反応性燃料（１０）の層をブランケットする。別の予混合器は、複数のノズル（１６）を含み、各ノズルが同心管体のペア（１８、２０）を含み、該同心管体のペア（１８、２０）が、高反応性燃料（２２）を噴射する第１の管体（１８）と、該第１の管体（１８）を囲み、且つ不活性ガス又は低反応性燃料（２４）或いは両方の混合気を供給し、前記高反応性燃料（２２）の層をブランケットするように構成された第２の管体（２０）とを含む。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器（１４）用の予混合器であって、
高反応性燃料（１０、２２）を噴射するように構成された第１の通路（４、１８）と、
不活性ガス又は低反応性燃料（８、２４）或いは両方の混合気を噴射するように構成された第２の通路（６、２０）と、
を備え、
前記第２の通路（６、２０）が、前記不活性ガス又は低反応性燃料（８、２４）或いは両方の混合気の層を形成し、前記高反応性燃料（１０、２２）の層をブランケットするように構成されている予混合器。
【請求項２】
前記第２の通路（６）が、前記第１の通路（４）よりも幅広である、
請求項１に記載の予混合器。
【請求項３】
前記第２の通路（６）が、拡大区域を含む、
請求項１又は２に記載の予混合器。
【請求項４】
前記第１の通路（４）が、前記高反応性燃料（１０）をハブ及びシュラウドセクション（２）から離れて拡散するように構成される、
請求項１から３の何れか１項に記載の予混合器。
【請求項５】
前記第２の通路（６）が、前記ハブ及びシュラウドセクション（２）に延びて、前記第１の通路（４）を完全に覆うように、前記不活性ガス又は低反応性燃料（８、２４）或いは両方の混合気を拡散する、
請求項４に記載の予混合器。
【請求項６】
前記第１の通路及び前記第２の通路を定める同心管体のペア（１８、２０）を各々が含む、複数のノズル（１６）を更に備え、
前記同心管体のペア（１８、２０）が、前記高反応性燃料（２２）を噴射するよう構成された第１の管体（１８）と、該第１の管体（１８）を囲み、且つ前記不活性ガス又は低反応性燃料（２４）或いは両方の混合気を形成し、前記高反応性燃料（２２）の層をブランケットするように構成された第２の管体（２０）とを含む、
請求項１に記載のガスタービン燃焼器（１４）用の予混合器。
【請求項７】
逆火防止器（３２）を更に備える、
請求項１から６の何れか１項に記載の予混合器。
【請求項８】
ガスタービン燃焼器用の可燃混合気を形成する方法であって、
高反応性燃料（１０、２２）を噴射する段階と、
不活性ガス又は低反応性燃料（８、２４）或いは両方の混合気を噴射して、前記高反応性燃料（１０、２２）をブランケットする段階と、
を含む方法。
【請求項９】
前記高反応性燃料（１０、２２）を噴射する段階が、該高反応性燃料（１０、２２）を第１の通路（４、１８）から噴射する段階を含み、
前記不活性ガス又は低反応性燃料（８、２４）或いは両方の混合気を噴射する段階が、該不活性ガス又は低反応性燃料（８、２４）或いは両方の混合気を第２の通路（６、２０）から噴射する段階を含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の通路（６）が、前記第１の通路（４）よりも幅広である、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の通路（６）が、漸次的に拡大する区域を有する、
請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記高反応性燃料（２２）を噴射する段階が、前記第１の通路を定める第１の管体（１８）から前記高反応性燃料（２２）を噴射する段階を含み、
前記不活性ガス又は低反応性燃料（８、２４）或いは両方の混合気を噴射する段階が、前記第２の通路（６）を定め且つ前記第１の管体（１８）と同心の第２の管体（２０）から前記不活性ガス又は低反応性燃料（２４）或いは両方の混合気を噴射する段階を含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
空気流（１２、２６）を提供して、前記不活性ガス又は低反応性燃料（２４）或いは両方の混合気及び前記高反応性燃料（１０、２２）を混合する段階を更に含む、
請求項８から１２の何れか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記空気流（２６）にスワール（２８）を提供する段階を更に含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記空気流（２６）に逆スワール（３０）を提供する段階を更に含む、
請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器用空気燃料ミキサに関し、更に、空気及び燃料を混合するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン製造業者は、通常、望ましくない空気汚染エミッションを産出することなく、高効率で運転する新しいガスタービンを実現するための研究設計プログラムに取り組んでいる。従来の炭化水素燃料を燃焼するガスタービンにより通常産出される主な大気汚染エミッションは、窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素である。空気吸入エンジンにおける窒素分子の酸化は、燃焼システムの反応ゾーンにおける高温ガス最高温度に高度に依存する。窒素酸化物（ＮＯｘ）を形成する化学反応率は、温度の指数関数であり、従って、これらの反応によって生成されるＮＯｘは、サーマルＮＯｘとも呼ばれる。燃焼室の高温ガスの温度が十分に低いレベルに制御される場合、サーマルＮＯｘは産出されないことになる。
【０００３】
燃焼器の反応ゾーンの温度をサーマルＮＯｘが形成されるレベル未満に制御する１つの方法は、燃焼の前に燃料及び空気を予混合して希薄混合気にすることである。希薄予混合燃焼器の反応ゾーン内に存在する過剰な空気の熱質量は、熱を吸収し、燃焼生成物の温度上昇をサーマルＮＯｘが形成されないレベルにまで低減する。
【０００４】
燃料及び空気の希薄予混合状態で作動する乾式低エミッション燃焼器と関連した問題が潜在的に幾つか存在しており、この乾式低エミッション燃焼器では、燃料及び空気の可燃性混合気が、燃焼器の反応ゾーンの外部にある該燃焼器の予混合セクション内に存在している。火炎が燃焼器反応ゾーンから予混合セクション内に伝播し、該火炎が燃料噴射コラム（噴射直交流）又はベーン後縁の後方の伴流内部に保持される場合に発生する逆火、或いは、予混合セクション内における燃料／空気混合気のドエル時間及び温度が点火装置なしで燃焼を開始するのに十分である場合に発生する自己点火に起因して、燃焼が予混合セクション内で発生する傾向が存在する可能性がある。予混合セクション内における燃焼の結果として、エミッション性能の低下、及び／又は通常は燃焼の熱に耐えるようには設計されていない予混合セクションへの過熱及び損傷を生じる。従って、解決すべき問題は、予混合器の内部で燃焼を発生させる逆火又は自己点火を防止することである。
【０００５】
更に、予混合器から流出し且つ燃焼器の反応ゾーンに流入する燃料及び空気の混合気は、所望のエミッション性能を達成するために極めて均一でなければならない。燃料／空気混合気濃度が平均値よりも大幅に濃厚である流れ場の領域が存在する場合には、これら領域における燃焼生成物は、平均値よりも高い温度に達することになり、サーマルＮＯｘが形成される可能性がある。このことは、温度及び滞留時間の組み合わせに応じて決まるＮＯｘエミッション目標に適合できない結果となる可能性がある。燃料／空気混合気濃度が、平均値よりも大幅に希薄である流れ場の領域が存在する場合には、炭化水素及び／又は一酸化炭素を平衡レベルにまで酸化させ得ない状態で消炎が発生する可能性がある。これにより、一酸化炭素（ＣＯ）及び／又は未燃炭化水素（ＵＨＣ）エミッション目標に適合できなくなる可能性がある。従って、解決すべきもう１つの問題点は、予混合器から流出する燃料／空気混合気濃度分布を、エミッション性能目標に適合するために十分に均一なものにすることである。
【０００６】
更にまた、多くの用途においてガスタービンに課されたエミッション性能目標を満たすためには、大半の炭化水素燃料において、燃料／空気混合気濃度を希薄可燃性限界値に近いレベルにまで低下させることが必要である。このことは、火炎伝播速度の低下並びにエミッション低減をもたらすことができる。その結果として、希薄予混合燃焼器は、より多くの従来型の拡散火炎燃焼器よりも安定性が劣る傾向があり、高レベル燃焼により誘起される動的圧力変動（燃焼ダイナミックスとも呼ばれる）が生じることが多い。燃焼ダイナミックスは、摩耗又は疲労による燃焼器及びタービンハードウェア損傷、逆火、或いはブローアウトのような、悪影響をもたらす可能性がある。従って、解決すべきもう１つの問題は、燃焼ダイナミックスを許容可能な低レベルに制御することである。
【０００７】
エミッション低減のための希薄予混合燃料噴射装置は、二十年間以上にわたって高出力産業用ガスタービンでの実施が減少してきているが、産業界全体で使用されている。このような装置の代表的な実施例が、米国特許第５，２５９，１８４号に記載されている。このような装置により、ガスタービン排出エミッション低減の分野で進歩を遂げてきた。先行技術の拡散火炎バーナに比較して、数倍又はそれ以上の窒素酸化物ＮＯｘエミッションの低減が、蒸気又は水などの希釈剤噴射を利用することなく達成された。
【０００８】
しかしながら上述のように、エミッション性能におけるこれらの向上は、幾つかの問題が発生するリスクの下で得られた。具体的には、この装置の予混合セクション内での逆火及び保炎により、過熱に起因したエミッション性能の低下及び／又はハードウェア損傷が生じる。更に、高レベルの燃焼誘起動的圧力作用により、摩耗又は高サイクル疲労損傷に起因した、ガスタービンの燃焼システム部品及び／又は他の部品の有効寿命の低下が生じる。更にまた、高レベルの動的圧力作用、逆火又はブローアウトに至る状態を回避するためには、ガスタービンの運転上の複雑さが増大し、及び／又はガスタービンに対する運転制約条件が必要となる。
【０００９】
これらの問題に加えて、従来型の希薄予混合式燃焼器は、予混合器から流出して反応ゾーンに入る燃料及び空気の完全な均一予混合では実現可能な最大エミッション低減が達成することができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，２５９，１８４号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１つの実施形態によれば、ガスタービン燃焼器用の予混合器は、高反応性燃料を噴射するように構成された第１の通路と、不活性ガス又は化学的に低反応性の燃料或いは両方の混合気を噴射するように構成された第２の通路と、を備え、第２の通路が、不活性ガス又は低反応性燃料或いは両方の混合気の層を形成し、高反応性燃料の層をブランケットするように構成されている。
【００１２】
別の実施形態によれば、ガスタービン燃焼器用の予混合器は、同心管体のペアを各々が含む複数のノズルを備え、同心管体のペアが、高反応性燃料を噴射するよう構成された第１の管体と、該第１の管体を囲み、且つ不活性ガス又は低反応性燃料或いは両方の混合気を形成し、高反応性燃料の層をブランケットするように構成された第２の管体とを含む。
【００１３】
更に別の実施形態によれば、ガスタービン燃焼器用の可燃混合気を形成する方法は、高反応性燃料を噴射する段階と、不活性ガス又は低反応性燃料或いは両方の混合気を噴射して、高反応性燃料をブランケットする段階と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】拡散水平方向燃料通路及び不活性及び／又は低反応性燃料通路を有する予混合器の概略図。
【図２】図１の予混合器による、不活性及び／又は低反応性燃料による燃料ブランキングの概略図。
【図３】別の実施形態による、寒帯内に複数のバーナ管体を有する予混合器の概略図。
【図４】他の実施形態による、第１及び第２の通路の概略図。
【図５】他の実施形態による、第１及び第２の通路の概略図。
【図６】他の実施形態による、第１及び第２の通路の概略図。
【図７】他の実施形態による、第１及び第２の通路の概略図。
【図８】他の実施形態による、第１及び第２の通路の概略図。
【図９】他の実施形態による、第１及び第２の通路の概略図。
【図１０】他の実施形態による、第１及び第２の通路の概略図。
【図１１】他の実施形態による、第１及び第２の通路の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１及び２を参照すると、燃焼器の予混合器のハブ及びシュラウドセクション２は、第１の通路４及び第２の通路６を含む。燃料１０は、第１の通路４から提供される。燃料１０は、例えば、水素（Ｈ２Ｏ）又は高水素レベルを有する燃料など、高反応性燃料とすることができる。燃料１０はまた、例えば、天然ガス、液体燃料、石炭ガス化からのガス、合成燃料、及び炭化水素燃料もしくは高水素レベルの燃料とすることができる。燃料１０は、空気１２の流れと混合されて、燃焼用の燃料空気混合気を形成する。不活性ガス及び／又は低反応性燃料はまた、高反応性燃料の直後に噴射することができる点は理解されたい。これは、場合によっては、燃料噴射により誘起される再循環ゾーンの反応性を低下させ、従って、保炎傾向を低減することができる。
【００１６】
不活性ガス又は低反応性燃料、或いは両方の混合気８は、第２の通路６から提供される。不活性ガスは、例えば、窒素（Ｎ２）蒸気（Ｈ２Ｏ）、又は二酸化炭素（ＣＯ２）或いはこれらの組み合わせとすることができる。第１の通路すなわち燃料通路４は、燃料１０が保持されて保炎を引き起こす可能性があるハブ及びシュラウドセクション２から燃料１０を離して維持するよう構成される。図２に詳細に示されるように、第２の通路６は、漸次的に拡大する区域を有する。第２の通路６は、図１に示す燃料通路４よりも幅広で、燃料層１０を完全に覆うようにハブ及びシュラウドセクション２に延びる。
【００１７】
流れ関連の問題に起因する燃焼の早期発生を制御するために、図２に示すような不活性ガス又は低反応性燃料、或いはその両方の混合気の層によって高反応性の燃料１０をブランケットすることにより、保炎マージンを増大させることができる。水素のような高反応性燃料では、流れの外乱は、燃料を捕捉し、保炎問題が起き始める可能性がある。
【００１８】
通路４、６は、不活性ガス又は低反応性燃料８によって覆われる高反応性燃料１０の層を緩慢に拡散及び形成し、燃料空気境界面間の反応を遅らせるのに使用される。図２に詳細に説明するように、第２の通路６は、漸次的に拡大する区域を有するが、第１及び第２の通路４、６の両方は、漸次的に拡大する区域を有し、不活性ガス又は低反応性燃料及び高反応性燃料のストリームを該漸次的に拡大する区域を介して緩慢に拡散させることができる点を理解されたい。通路４、６は、高反応性燃料１０を覆ってほぼ均一な分布をもたらし、不活性ガス又は低反応性燃料８の層を形成するよう構成される。漸次的拡大による流れの導入はまた、ベーン表面で見られるジェット誘起分離を低減する。
【００１９】
また、高反応性燃料１０に対して、燃料導入スペース近傍での空気燃料相互作用を制御することによって保炎を防止することができる。通路４、６はまた、空気／燃料混合気境界面を制御して、点火を制御するよう構成される。不活性ガス又は低反応性燃料による高反応性燃料のブランケットはまた、図３に示す同心管体構成でも使用することができる。
【００２０】
燃焼器１４は、ノズル１６を備えた予混合器を含む。各ノズル１６は、内側管体１８及び外側管体２０を有する、同心管体を含む。内側管体１８は、例えば、高反応性燃料である燃料２２を提供し、外側管体２０は、燃料２２をブランケットする、不活性ガス又は低反応性燃料２４を提供する。燃焼器１４に空気流２６が提供され、燃料２２と可燃混合気を形成する。空気流２６は、スワール（旋回）２８及び逆スワール２８を含むことができる。逆火防止器３２を設けることもできる。
【００２１】
予混合器は、高水素燃料又は高水素シンガス燃料を必要とする機械に使用することができる。
【００２２】
図４から１１を参照すると、通路４、６は、種々の構成を有することができる。例えば、通路４、６は、図４に示すように円形、又は図５に示すように矩形とすることができる。通路４、６はまた、図６から８に示す形状の組み合わせとすることができる。図１０に示すように、通路４の１つは、複数の通路として形成してもよい。また、両方の通路を複数の通路として形成することができる点は理解されたい。図１１を参照すると、通路は、互いに垂直に設けることができる。
【００２３】
現時点で最も実用的且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、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２４】
２  ハブ及びシュラウドセクション
４  第１のスロット
６  第２のスロット
８  不活性ガス／低反応性燃料
１０  燃料
１２  空気流
１４  燃焼器
１６  ノズル
１８  内側管体
２０  外側管体
２２  燃料
２４  不活性ガス／低反応性燃料
２６  空気流
２８  スワール（旋回）
３０  逆スワール
３２  逆火防止器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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