【手続補正書】
【提出日】平成16年12月17日(2004.12.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  ガスタービンエンジンの燃焼器圧力変動を減少する方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの燃焼器での燃料と空気との燃焼から生じる燃焼器圧力変動を減少する方法において、
燃料と空気とを燃料ノズルアセンブリの混合区域内で混合し、これにより燃料／空気混合体を生成する段階と、
前記混合体を、前記混合区域の下流の燃焼器入口ポートの出口面を通して燃焼器に流す段階と、
前記混合体の第１の部分を中央再循環区域に流し、この中央再循環区域で前記混合体の第１の部分の少なくとも一部を燃焼させる段階と、
前記混合体の第２の部分を、前記中央再循環区域から半径方向外側の外側再循環区域に流し、前記混合体の第２の部分の少なくとも一部を燃焼させる段階と、
前記エンジンのすべての作動状態で前記中央及び外側再循環区域を前記燃焼器入口ポートの出口面と間隔を置いた関係に維持し、燃焼生成物を前記混合区域の燃料と空気とから隔離する段階と、
を包含してなる方法。
【請求項２】
ガスタービンエンジンの燃焼器での燃料と空気との燃焼から生じる燃焼器圧力変動を減少する方法において、
中央本体を包含し、この中央本体が、長手方向軸線と、半径方向外側表面と、中央本体基部と、内部通路とを有し、前記半径方向外側表面が、前記長手方向軸線と同軸であると共に切頭円錐体の基部に向って広がる前記切頭円錐体の外側表面を限定する切頭円錐形部分と、この切頭円錐形部分と一体の曲り部分とを包含し、この曲り部分が、好適には、前記切頭円錐形部分と接していると共に前記切頭円錐形部分の半径方向外側に位置する中心を有する円を、前記長手方向軸線のまわりに回転させることにより形成される面の一部分を限定し、前記中央本体基部がこの基部を貫通して延びる少なくともひとつの空気供給穴を有し、前記内部通路が前記長手方向軸線と同軸である燃料ノズルアセンブリを設ける段階と、
燃料と空気とを前記燃料ノズルアセンブリ内で混合し、これにより燃料／空気混合体を生成する段階と、
前記混合体を、燃焼器入口ポートの出口面を通して燃焼器に流す段階と、
前記混合体の第１の部分を中央再循環区域に流し、この中央再循環区域で前記混合体の第１の部分の少なくとも一部を燃焼させる段階と、
前記混合体の第２の部分を、前記中央再循環区域から半径方向外側の外側再循環区域に流し、前記混合体の第２の部分の少なくとも一部を燃焼させる段階と、
前記エンジンのすべての作動状態で前記中央及び外側再循環区域を前記燃焼器入口ポートの出口面と間隔を置いた関係に維持し、燃焼生成物を前記混合区域の燃料と空気とから隔離する段階と、
を包含してなる方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジン、特に低ＮＯX予混合燃料ノズルを用いているガスタービンエンジンの燃焼方法、より詳細には、燃焼器圧力変動を減少する方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
窒素酸化物（以下“ＮＯX”という）の生成は、高温での燃焼の結果として生じる。ＮＯXはよく知られている汚染物質であり、このため、ＮＯXを生成せしめる燃焼装置はこのような汚染物質の放出に対しての非常に厳格な規則に服従させられる。したがって、多くの努力が燃焼装置におけるＮＯXの生成を減少するためになされている。
【０００３】
そのひとつの解決として、燃料を過剰空気と予混合し、これにより燃焼を局部的に高い過剰空気でもって生じさせ、その結果燃焼温度を比較的低くし、これによりＮＯXの生成を最少にすることがなされている。このように作用する燃料ノズルは米国特許第５，３０７，６３４号明細書に示されており、この米国特許は円錐形の中央本体を具備するスクロールスワラを開示している。この型式の燃料ノズルは、タンジェンシャル入口燃料ノズルとして知られていて、２つのオフセットしている円筒弧形のスクロールを包含し、これらのスクロールは２つの端板に接続されている。燃焼用空気は、２つのオフセットスクロールにより形成されている２つの実質的に矩形状のスロットを通してスワラに入り、それから、一方の端板の燃焼器入口を通して出て、燃焼器内に流れる。そして、内方後縁と対向して外方スクロールに設けられている直線配列のオリフィスが、燃料をマニホルドから各入口スリットで空気流れ中に注入し、これにより燃焼器内へ出る前に均一な燃料／空気混合体を作る。
【０００４】
このタンジェンシャル入口型式の予混合燃料ノズルは、従来技術の燃料ノズルと比較してＮＯXの低放出を実現するものである。しかしながら、あいにく、この型式の予混合燃料ノズル（例えば、上述の米国特許に開示されているような燃料ノズル）は、一定の作動状態で、音響及び過剰な燃焼器圧力変動（これらはガスタービンエンジンの劣化を導くものである）を生じさせることが知られている。その結果、この型式のタンジェンシャル入口燃料ノズルは商業的に有効なガスタービンエンジンに組込むことができないでいる。
【０００５】
以上述べたことから、過剰な燃焼器圧力変動を導く音響効果をかなり減少せしめる燃焼方法が要望されている。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、このような要望に応じてなされたものである。したがって、本発明の目的は、従来技術と比較して燃焼の音響効果をかなり減少せしめる燃焼方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、ＮＯXの生成を許容しうる低いレベルに維持しながら、タンジェンシャル入口燃料ノズルと一緒に用いることができると共に燃焼の音響効果をかなり減少せしめる燃焼方法を提供することにある。
【０００８】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、ガスタービンエンジンの燃焼器での燃料と空気との燃焼から生じる燃焼器圧力変動を減少する方法において、燃料と空気とを燃料ノズルアセンブリの混合区域内で混合し、これにより燃料／空気混合体を生成する段階と、前記混合体を、前記混合区域の下流の燃焼器入口ポートの出口面を通して燃焼器に流す段階と、前記混合体の第１の部分を中央再循環区域に流し、この中央再循環区域で前記混合体の第１の部分の少なくとも一部を燃焼させる段階と、前記混合体の第２の部分を、前記中央再循環区域から半径方向外側の外側再循環区域に流し、前記混合体の第２の部分の少なくとも一部を燃焼させる段階と、前記エンジンのすべての作動状態で前記中央及び外側再循環区域を前記燃焼器入口ポートの出口面と間隔を置いた関係に維持し、燃焼生成物を前記混合区域の燃料と空気とから隔離する段階とを包含してなる方法、が提供される。
【０００９】
【好適な実施例の説明】
図１を参照するに、本発明で用いる低ＮＯX予混合燃料ノズル１０は、スクロールスワラ１４内の中央本体１２を包含する。スクロールスワラ１４は、第１の端板１６と第２の端板１８とを包含し、第１の端板１６は中央本体１２に接続されていると共に第２の端板１８に関して間隔を置いており、また第２の端板１８はこの第２の端板を貫通して延びる燃焼器入口ポート２０を有する。そして、複数の、好適には２つの円筒弧形のスクロール部材２２、２４が第１の端板１６から第２の端板１８に延びている。
【００１０】
これらのスクロール部材２２、２４は、図２に示されるように、ノズル１０の長手方向軸線２６のまわりに均一に間隔を置き、これによりそれらの間に混合区域２８を画成している。各スクロール部材２２、２４は、長手方向軸線２６に面すると共に中心線３２、３４のまわりに部分回転面を限定する半径方向内側表面３０を有する。ここにおいて、用語“部分回転面”とは、中心線３２、３４の各々のまわりを完全に回転する一回転よりも少ない範囲を回転することにより形成される面を意味するものとして用いられている。
【００１１】
図２に示されるように、各スクロール部材２２、２４は他方のスクロール部材２４、２２に間隔を置いており、またスクロール部材２２、２４の各々の中心線３２、３４は混合区域２８内に位置されている。また、図２及び図３を参照するに、中心線３２、３４の各々は長手方向軸線２６に平行であると共に間隔を置いた関係であり、かつ中心線３２、３４のすべては長手方向軸線２６から等しい距離で位置されており、これにより各対の隣接するスクロール部材２２、２４間に長手方向軸線２６と平行に延びる入口スロット３６、３８を画成し、これらの入口スロット３６、３８は燃焼用空気４０を混合区域２８に導入するためのスロットである。圧縮機（図示せず）からの燃焼支持用空気は、オフセットしている中心線３２、３４を持つスクロール部材２２、２４の重なり端４４、５０；４６、４８により形成されている入口スロット３６、３８を通過する。
【００１２】
スクロール部材２２、２４の各々は、更に、燃焼用空気４０が入口スロット３６、３８の各々を通して導入されているときに燃料をこの燃焼用空気４０中に導入する燃料導管５２、５４を包含する。そして、液体又はガス燃料、好適にはガスを供給する第１の燃料供給ライン（図示せず）が、燃料導管５２、５４の各々に接続されている。長手方向軸線２６と同軸である燃焼器入口ポート２０は、燃焼器５６のすぐ近くに隣接して設けられ、燃料及び燃焼用空気を本発明で用いるノズル１０から燃焼器５６内に放出し、これにより燃焼器５６で燃料と空気との燃焼が生じる。
【００１３】
再び図１を参照するに、中央本体１２は少なくともひとつ、好適には複数の空気供給穴６０、６２を有する基部５８を有し、これらの空気供給穴６０、６２は基部５８を貫通して延びている。基部５８は、この基部を通過して延びる長手方向軸線２６に垂直である。中央本体１２は、また、長手方向軸線２６と同軸であると共に燃焼器入口ポート２０内に空気を放出する内部通路６４を有する。この内部通路６４を通過する空気（この空気は、好適には入口スロット３６、３８を通して入ってくる燃焼用空気と同一方向に回転するが、しかし、逆方向に回転しても又は回転しなくてもよい）は、燃料が加えられてもよいし又は加えられなくてもよい。もし中央本体が燃料を加えることが所望される場合には、本発明の好適な実施例によれば、内部通路６４は、第１の端６８及び第２の端７０を有する第１の円筒形通路６６と、この第１の円筒形通路６６よりも大きな直径であって、かつ同様に第１の端７４及び第２の端７６を有する第２の円筒形通路７２とを包含する。第２の円筒形通路７２は、テーパ通路７８を通して第１の円筒形通路６６と連通する。テーパ通路７８は、第１の円筒形通路６６の直径と等しい直径を有する第１の端８０と、第２の円筒形通路７２の直径と等しい直径を有する第２の端８２とを有する。通路６６、７２、７８の各々は長手方向軸線２６と同軸であり、またテーパ通路７８の第１の端８０は第１の円筒形通路６６の第２の端７０と一体であり、更にテーパ通路７８の第２の端８２は第２の円筒形通路７２の第１の端７４と一体である。第１の円筒形通路６６は放出オリフィス６８を包含し、この放出オリフィス６８は円形であると共に長手方向軸線２６と同軸であり、かつ第１の円筒形通路６６の第１の端６８に設けられている（便宜上、符号６８はこの第１の端と放出オリフィスとの両方を示すものとして用いられている）。
【００１４】
図３を参照するに、中央本体１２の半径方向外側表面８４は切頭円錐形部分８６と曲り部分８８とを包含する。切頭円錐形部分８６は、長手方向軸線２６と同軸である切頭円錐体の外側表面を限定すると共に、基部５８に向って広がっている。曲り部分８８は、切頭円錐形部分８６と一体であり、また、好適には、切頭円錐形部分８６と接すると共に切頭円錐形部分８６の半径方向外側に位置する中心を有する円を、長手方向軸線２６のまわりに回転することにより形成される面の一部分を限定する。好適な実施例では、切頭円錐形部分８６は放出オリフィス６８が設けられている面で終っており、また、切頭円錐形部分８６の基部（中央本体の基部５８とは区別される）の直径は、切頭円錐形部分８６の頂部の直径よりも大きくて、その２．６５倍であり、更に、切頭円錐形部分８６の高さ（切頭円錐形部分８６の基部が設けられている面と、切頭円錐形部分８６の頂部が設けられている面との間の距離）９０は、切頭円錐形部分８６の基部の直径のほぼ１．９０倍である。後で一層詳細に述べるように、中央本体１２の基部５８と切頭円錐形部分８６との間に設けられている曲り部分８８は、基部５８に隣接してタンジェンシャル入口ノズル１０に入る燃焼用空気４０を軸方向に曲げる滑らかな移行表面を提供する。図３に示されるように、内部通路６４は中央本体１２の半径方向外側表面８４から半径方向内側に位置され、また、切頭円錐形部分８６は長手方向軸線２６と同軸であり、更に、中央本体１２は切頭円錐形部分８６が第１の円筒形通路６６の放出オリフィス６８に向ってテーパしてこの放出オリフィス６８で終るように基部５８に接続されている。
【００１５】
図２に示されるように、切頭円錐形部分８６の基部は円９２と一致し、この円９２は混合区域２８に内接すると共に長手方向軸線２６上の中心９４を有する。当業者であれば容易に認識されるように、混合区域２８は断面において円形ではないので、曲り部分８８は混合区域２８に適合するように切断しなければならない。傾斜部分、すなわちランプ９６、９８が曲り部分８８に残されており、この部分で曲り部分８８は各入口スロット３６、３８内へ延びており、この部分は空気力学的形状のランプ９６、９８を形成するように機械加工され、この空気力学的形状のランプ９６、９８は入口スロット３６、３８に入る空気を基部５８から離れるようにして混合区域２８内の曲り部分８８上へ指向する。
【００１６】
図１を参照するに、好適な実施例では、内部室１００が基部５８と第２の円筒形通路７２の第２の端７６との間の中央本体１２内に設けられ、第２の円筒形通路７２はこの内部室１００で終っている。そして、空気１０２が、内部室１００に連通する基部５８の空気供給穴６０、６２を通して内部室１００に供給され、それから、内部室１００が第２の円筒形通路７２の第２の端７６を通して空気を内部通路６４に供給する。第１の端板１６は開口１０４、１０６を有し、これらの開口１０４、１０６はガスタービンエンジンの圧縮機からの燃焼用空気１０２の流れを妨げないようにするために基部５８の空気供給穴６０、６２と整列されている。スワラ、好適には当分野で知られている半径流型式のスワラ１０８は、長手方向軸線２６と同軸であると共に、第２の円筒形通路７２の第２の端７６のすぐ近くに隣接して内部室１００内に設けられ、その結果内部室１００から内部通路６４に入る空気のすべてがスワラ１０８を通過しなければならない。
【００１７】
好適には、燃料ランス１１０も、長手方向軸線２６と同軸であり、この燃料ランス１１０は、基部５８、内部室１００及びスワラ１０８を通して内部通路６４の第２の円筒形通路７２内に延びている。大径の第２の円筒形通路７２は燃料ランス１１０の断面を収容し、その結果第２の円筒形通路７２の流れ面積は第１の円筒形通路６６の流れ面積と本質的に等しい。そして、液体又はガス燃料を供給する第２の燃料供給ライン（図示せず）が、燃料ランス１１０に接続されて、燃料を燃料ランス１１０の内部通路１１２に供給する。また、複数の燃料噴射口１１４が燃料ランス１１０に設けられ、燃料を燃料ランス１１０から内部通路６４内へ退出せしめる複数の通路を提供する。
【００１８】
図３を参照するに、燃焼器入口ポート２０は長手方向軸線２６と同軸であり、また、先細面１１６と放出面１１８とを包含し、放出面１１８は燃料ノズル１０の出口面１２４にまで延びている。この放出面１１８は、円筒形、先細又は末広状とすることができる。先細面１１６及び放出面１１８も長手方向軸線２６と同軸であり、先細面１１６は第１の端板１６と放出面１１８との間に設けられている。先細面１１６は、実質的に円錐形の形状であって、放出面１１８に向ってテーパしている。放出面１１８は、中間面１２０と燃焼器入口ポート２０の燃焼器面１２２との間に延び、この燃焼器面１２２は長手方向軸線２６に垂直であると共に、本発明の燃料ノズル１０の出口面１２４を限定する。
【００１９】
また、先細面１１６は中間面１２０で終り、この部分で先細面１１６の直径は円筒形面１１８の直径と等しい。図３に示されるように、中間面１２０は出口面１２４と内部通路６４の放出オリフィス６８との間に設けられ、また、先細面１１６は放出面１１８と第１の端板１６との間に設けられている。そして、燃焼器入口ポート２０内に燃料／空気混合体の所望する速度特性を確立せしめるために、先細面１１６が長手方向軸線２６に沿って第１の距離１２６を延びていると共に、放出面１１８が長手方向軸線２６に沿って第１の距離１２６の少なくとも３０％の第２の距離１２８を延びている。
【００２０】
作用において、ガスタービンエンジンの圧縮機からの燃焼用空気１０２は、開口１０４、１０６及び基部５８の空気供給穴６０、６２を通して中央本体１２の内部室１００内に流れる。それから、燃焼用空気は半径流スワラ１０８を通して内部室１００を出て、長手方向軸線２６に関してかなりの接線速度でもって、すなわち旋回して内部通路６４に入る。この燃焼用旋回空気が燃料ランス１１０上を通過するときに、燃料、好適にはガス状の燃料が燃料ランス１１０から内部通路６４内に噴霧されて、燃焼用旋回空気と混合する。燃料と燃焼用空気との混合体は、それから、テーパ通路７８を通して第２の円筒形通路７２から第１の円筒形通路６６内に流れる。混合体は、それから、第１の円筒形通路６６の長さに沿って進み、燃焼器入口ポート２０の中間面１２０のすぐ手前のところで又はこの中間面１０２で第１の円筒形通路６６を出て、燃料／空気混合体の中央流れを生成する。
【００２１】
また、ガスタービンエンジンの圧縮機からの追加の燃焼用空気４０が、入口スロット３６、３８の各々を通して混合区域２８に入る。基部５８のすぐ近くに隣接して入口スロット３６、３８に入る空気は、スクロールスワラ１４の混合区域２８内の曲り部分８８上にランプ９６、９８によって向けられる。燃料導管５２、５４に供給された燃料、好適にはガス状の燃料は、入口スロット３６、３８を通過する燃焼用空気中に噴霧され、燃焼用空気との混合を始める。スクロール部材２２、２４の形状のために、この燃料／空気混合体は中央本体１２のまわりを旋回する環状流れを確立し、燃料／空気混合体は中央本体１２のまわりを旋回するにしたがって混合を続けると共に燃焼器入口ポート２０に向って長手方向軸線２６に沿って進む。
【００２２】
スクロールスワラ１４によって生じさせられる環状流れの旋回は、好適には第１の円筒形通路６６内の燃料／空気混合体の旋回と同一方向に回転し、また、好適には第１の円筒形通路６６内の燃料／空気混合体の角速度よりも少なくとも大きい角速度を有する。中央本体１２の形状のために、環状流れの軸方向速度は、燃焼器火炎がスクロールスワラ１４内に移動して中央本体１２の外側表面８４に付着するのを防止する速度に維持される。中央流れの旋回燃料／空気混合体（又は燃料を混合しない空気流れ）は、第１の円筒形通路６６を出ることにより、スクロールスワラ１４の環状流れにより囲まれ、これら２つの流れが燃焼器入口ポート２０の中間面１２０に入り、それから、混合区域２８の下流の燃焼器入口ポート２０の出口面１２４に到達するまで、放出面１１８の半径方向内側を流れる。
【００２３】
これら２つの流れが燃焼器入口ポート２０を出ると、中央流れと環状流れとの相互作用により中央再循環区域２００が生成される。この中央再循環区域２００は、出口面１２４（すなわち、中央再循環区域２００と内部通路６４の放出オリフィス６８との間に位置している出口面）から下流であって、この出口面１２４と間隔を置いている。また、放出面１１８が燃焼器入口ポート２０と出会うところに鋭いリップ１３０が形成され、このリップ１３０は中央再循環区域２００の半径方向外側に燃料／空気混合体の急激な膨張及び燃料／空気混合体の再循環を生じせしめる。この外側再循環区域３００において生じる燃焼及び火炎はリップ１３０に隣接する“外側”火炎を定着せしめる。しかし、この“外側”火炎は、出口面１２４と間隔を置いて出口面１２４の完全に下流である。本発明の設計の結果として、両方の再循環区域２００、３００はエンジンのすべての作動状態で出口面１２４と間隔を置いた関係が維持される。
【００２４】
本発明で用いる燃料ノズル１０は、流れ振動及びこの流れ振動により生じる付随的な発熱速度（これらは過剰な燃焼器圧力変動及び音響を生じせしめるものである）を相当減少せしめる。また、本発明は、燃焼プロセスと出口面１２４との間の前述した相互作用を除去せしめ、これによりかなり低い音響変動を生じさせる。したがって、本発明は、タンジェンシャル入口燃料ノズル１０の低ＮＯX放出性能を達成しながら、その過剰な圧力変動の問題を解決するものである。
【００２５】
以上本発明をその実施例に関して図示し詳述してきたけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更ができることは当業者にとって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図２の線１−１に沿う本発明で用いる燃料ノズルの断面図である。
【図２】
図１の線２−２に沿う本発明で用いる燃料ノズルの断面図である。
【図３】
図２の線３−３に沿う本発明で用いる燃料ノズルの断面図である。
【符号の説明】
１０    燃料ノズル
１２    中央本体
１４    スクロールスワラ
１６    第１の端板
１８    第２の端板
２０    燃焼器入口ポート
２２，２４    スクロール部材
２６    長手方向軸線
２８    混合区域
３０ 半径方向内側表面
３２，３４    中心線
３６，３８    入口スロット
４０    燃焼用空気
４４，４６，４８，５０    重なり端
５２，５４    燃料導管
５６    燃焼器
５８    基部
６０，６２    空気供給穴
６４    内部通路
６６    第１の円筒形通路
６８    第１の端又は放出オリフィス
７０    第２の端
７２    第２の円筒形通路
７４    第１の端
７６    第２の端
７８    テーパ通路
８０    第１の端
８２    第２の端
８４    半径方向外側表面
８６    切頭円錐形部分
８８    曲り部分
９０    切頭円錐形部分の高さ
９２    円
９４    中心
９６，９８    ランプ
１００    内部室
１０２    空気
１０４，１０６    開口
１０８    スワラ
１１０    燃料ランス
１１２    内部通路
１１４    燃料噴射口
１１６    先細面
１１８    放出面
１２０    中間面
１２２    燃焼器面
１２４    出口面
１２６    第１の距離
１２８    第２の距離
１３０ リップ
２００    中央再循環区域
３００    外側再循環区域