(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼主導の変動は、ガスタービン部品の寿命に負の影響を及ぼし、これが結果としてタービンの電力出力の一層頻繁な供給停止および出力低下につながることがあるため、安定した燃焼をもたらす多数の予混合時間を有する予混合燃焼器を提供する。【解決手段】燃焼室２０を有する燃焼器１１が外部流れスリーブ１７、および燃焼室２０を取り囲む燃焼器ライナ１９を設けられる。複数の流れチャネル５６が燃焼器ライナ１９上に設けられ、複数のノズル４５が流れチャネル５６上の所定の位置に配置される。ノズル４５の位置は、ノズル４５を通して注入される燃料４９のための異なる混合時間を提供するように選択される。【選択図】図１
2014052178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、
外部流れスリーブと、
前記燃焼室を取り囲み、前記外部流れスリーブに連結された燃焼器ライナと、
前記燃焼器ライナと関連付けられた複数の流れチャネルと、
複数のノズルとを備え、
前記複数の流れチャネルのうちの少なくともいくつかが、所定の位置に配置された複数のノズルのうちの少なくとも１つを有し、前記所定の位置が、前記複数のノズルのうちのいくつかと前記燃焼室との間に異なる流路長を提供するように選択される、燃焼器。
【請求項２】
前記燃焼器ライナが、突出する螺旋状のフィンの配列を含む、請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記複数の流れチャネルが前記燃焼器ライナ上に形成される、請求項１記載の燃焼器。
【請求項４】
前記複数のノズルが少なくとも３つのノズルを含む、請求項３記載の燃焼器。
【請求項５】
前記複数の流れチャネルが、流体の流れを搬送するように適合され、前記複数のノズルが、燃料を注入するように適合される、請求項４記載の燃焼器。
【請求項６】
前記複数の流れチャネルが少なくとも２つの区画に分割され、前記少なくとも２つの区画の各々が独立して前記複数のノズルのうちの少なくとも１つから燃料を受け取る、請求項３記載の燃焼器。
【請求項７】
長手方向の軸を有し、前記燃焼室の前記長手方向の軸に沿って燃料と酸化用流体の混合物を注入するノズルを含むドームアセンブリをさらに備える、請求項１記載の燃焼器。
【請求項８】
前記外部流れスリーブに隣接して配置された少なくとも１つのダンパーをさらに備える、請求項１記載の燃焼器。
【請求項９】
燃焼室と、
外部流れスリーブと、
前記燃焼室を取り囲み、前記外部流れスリーブに連結され、前記外部流れスリーブと共に複数の流れチャネルを形成する燃焼器ライナと、
複数のノズルと
を備える燃焼器を備え、
前記複数の流れチャネルのうちの少なくとも２つが、前記複数のノズルのうちのいくつかと前記燃焼室との間に異なる流路長を提供するように内部に配置された前記複数のノズルのうちの少なくとも１つを有する、ガスタービン。
【請求項１０】
前記複数の流れチャネルが、前記燃焼器ライナ上の突出する螺旋状のフィンの配列によって形成される、請求項９記載のガスタービン。
【請求項１１】
前記燃焼室が長手方向の軸を有し、前記燃焼室の前記長手方向の軸に沿って燃料と酸化用流体の混合物を注入する中央ノズルを有するドームアセンブリをさらに備える、請求項９記載のガスタービン。
【請求項１２】
前記中央ノズルが異なる長さを有する複数の注入チャネルを有する、請求項１１記載のガスタービン。
【請求項１３】
前記中央ノズルに隣接して配置された少なくとも１つの液体燃料ノズルをさらに備える、請求項１１記載のガスタービン。
【請求項１４】
前記複数の流れチャネルが少なくとも２つの区画に分割され、前記少なくとも２つの区画の各々が独立して燃料を受け取る、請求項９記載のガスタービン。
【請求項１５】
燃焼器の力学的性質を抑制する方法であって、
燃焼器ライナ上に形成された複数のチャネルに酸化用流体を供給するステップと、
燃料および酸化用流体の複数の流れを生じさせるために複数のチャネルのうちの少なくとも２つに燃料を注入するステップであって、前記燃料が、所定の位置と燃焼室との間に異なる流路長を提供するような前記所定の位置で注入される、ステップと、
燃料および酸化用流体の前記複数の流れの各々を前記燃焼室内で燃焼させるステップとを含む方法。
【請求項１６】
前記複数のチャネルのうちの少なくともいくつかに前記燃料を注入するステップが、前記複数のチャネルの各々を通って流れる酸化用流体に前記燃料を注入するステップを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のチャネルが前記燃焼器ライナ上の螺旋状の突出部によって形成される、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
中央ノズルを通じて、前記燃焼室の長手方向の軸に沿って酸化用流体と燃料の混合物を注入するステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
高い周波数の変動をダンパーで消すステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
前記所定の位置が少なくとも３つの位置を含む、請求項１５記載の方法。
【請求項２１】
燃焼器のためのライナであって、
燃焼室とスリーブとの間で燃焼器内に配置された複数の流れチャネルを有するアセンブリを備えるライナ。
【請求項２２】
前記複数の流れチャネルが、突出する螺旋状のフィンの配列を含む、請求項２１記載のライナ。
【請求項２３】
複数のノズルをさらに備え、前記複数のノズルのうちの少なくとも２つが前記複数の流れチャネルのうちの少なくとも２つの上の所定の位置に配置される、請求項２１記載のライナ。
【請求項２４】
前記所定の位置が、前記複数のノズルのうちの少なくとも２つと燃焼室との間に異なる流路長を提供する、請求項２３記載のライナ。
【請求項２５】
前記流れチャネルが前記ライナ上に一体化して形成される、請求項２１記載のライナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題事項は概してガスタービン燃焼器に関し、より詳細には多数の予混合時間を有する予混合燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮機を使用して空気を圧縮し、その空気は、燃料と混合されて燃焼器へと送り込まれる。この混合物が燃焼器内の燃焼室の中で点火され、ここから高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスがタービンへと搬送され、タービンは燃焼ガスからエネルギーを抽出し、圧縮機を駆動し、また発電機などの負荷を駆動することに役立つ仕事をする。
【０００３】
従来の燃焼器は、通常、燃焼器ケーシング、ライナ、ドーム、燃料注入具、および点火器を含む。燃焼器ケーシングは、燃焼器の内部で高い圧力を含む圧力容器として働く。ライナは燃焼ゾーンをカプセル封入し、燃焼ゾーンに入る様々な空気流を管理するために使用することができる。ドームは、最初の空気が燃焼ゾーンに入るときに空気が流れる部品である。ドームと共にスワーラが使用されることもあり得る。ドームとスワーラは、空気と燃料を混合するために流れに乱流を発生させる機能を提供する。スワーラは、燃焼産物の一部を強制的に再循環させることによって乱流を作り出すことができる。
【０００４】
燃焼器は、空気または酸化用流体と燃料を最初に混合して点火し、次いで燃焼過程を完了させるために更なる空気を混合するように設計される。酸化用流体は、空気などの酸化剤、または酸化剤を希釈するために使用される水、水蒸気、窒素もしくは他の不活性物質と酸化剤の混合物であってもよい。燃焼器に関する設計基準は、火炎の封じ込め、均一な出口温度プロファイル、動作の範囲および環境への放出など、いくつかの要素を含む。これらの要素はタービンの信頼性および発電所の採算に影響を及ぼす。
【０００５】
ガスタービン燃焼の動作中に、システムの１つまたは複数の音響モードが燃焼過程によって励起されると不安定性が生じることがある。励起された音響モードは、システムの特性（例えば速度、温度および圧力）および過程（例えば反応速度または熱伝達率）の周期的変動を引き起こすおそれがある。
【０００６】
燃焼の不安定性は、音響的動揺に対する火炎の敏感性に起因することがある。この動揺は火炎を乱し、熱放出の変動を引き起こし、これは他方で燃焼器表面から反射して火炎に再衝突する音波を発生させ、付加的な熱放出変動を引き起こす。いくつかの状況では、自励式のフィードバックサイクルが作り出されることもあり得る。このフィードバックサイクルは結果として大きな振幅を伴う変動につながる。
【０００７】
燃焼不安定性の他の発生源は、予混合燃焼器内の燃料／空気比の変動であることもある。予混合器内の圧力変動は、燃料注入具全体にわたって変動する圧力低下を引き起こすこともあり、結果として燃焼器への燃料送達の変動につながる。これらはさらにフィードバックループ内に流量と圧力の撹乱を作り出す。このメカニズムは、変動の周波数ｆ、および燃料一回分が予混合器の中に注入される時間と火炎で燃焼される時間との間の遅延（予混合時間またはタウ）の積が或る値の範囲の中にあるときに自励とすることができる。タウは予混合器内の空気の速度と予混合器の長さの関数である。
【０００８】
燃焼主導の変動は、ガスタービン部品の寿命に負の影響を及ぼし、これが結果としてタービンの電力出力の一層頻繁な供給停止および出力低下につながることがある。加えて、燃焼主導の変動は、結果として汚染物質（例えばＮＯXおよびＣＯ）の放出の増大につながることもあり得る。従来の燃焼器は、その動作範囲内で損傷を与える燃焼主導の変動を示し、燃料−入圧力比（修正ウォッベ）、燃焼器の負荷および入口の状態に敏感である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００４３４４８号明細書
【発明の概要】
【００１０】
一例の限定しない実施形態によれば、本発明は長手方向の軸を有する燃焼室と、外部の流れスリーブと、および燃焼室を取り囲み、外部の流れスリーブに連結された燃焼器ライナとを有する燃焼器に関する。燃焼器ライナは複数の流れチャネルを含む。この燃焼器は複数のノズルも含む。複数の流れチャネルのうちの少なくともいくつかは所定の位置に配置された複数のノズルのうちの少なくとも１つを有する。この所定の位置は複数のノズルのうちのいくつかと燃焼室との間に異なる流路長を提供するように選択される。
【００１１】
別の実施形態では、燃焼器を備えたガスタービンが提供される。この燃焼器は長手方向の軸を有する燃焼室と、外部の流れスリーブと、および燃焼室を取り囲み、外部の流れスリーブに連結された燃焼器ライナとを含む。燃焼器ライナと外部の流れスリーブは複数の流れチャネルを形成する。複数のノズルが設けられる。複数の流れチャネルのうちの少なくともいくつかは、複数のノズルのうちのいくつかと燃焼室との間に異なる流路長を提供するように配置された複数のノズルのうちの少なくとも１つを有する。
【００１２】
別の実施形態では、燃焼器の力学的性質を抑制する方法が提供される。本方法は燃焼器ライナ上に形成された複数のチャネルに酸化用流体を供給するステップを含む。本方法はまた、燃料および酸化用流体の複数の流れを発生させるために複数のチャネルのうちの少なくともいくつかに燃料を注入するステップも含み、燃料は所定の位置で注入され、それにより、この所定の位置と燃焼室との間に異なる流路長を提供する。本方法はまた、燃料および酸化用流体の複数の流れの各々を燃焼室内で燃焼させるステップも含む。
【００１３】
別の実施形態では、複数の流れチャネルを有するアセンブリを含む燃焼器用のライナが燃焼室とスリーブとの間で燃焼器内に配置される。
【００１４】
本発明の他の特徴および利点は、実例として本発明の或る態様の原理を例示する添付の図面と結び付けて為される下記の好ましい実施形態のさらに詳しい説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】多数タウ式燃焼器の一実施形態の長手方向の軸を横切る断面図である。
【図２】多数タウ式燃焼器で使用されるフィン付きライナを例示する図である。
【図３】多数タウ式燃焼器の一実施形態の長手方向の軸を横切る断面図である。
【図４】多数タウ式燃焼器の一実施形態の周波数と振幅の性能を例示するチャートである。
【図５】多数タウ式燃焼器の異なる例証の実施形態の周波数と振幅の性能を例示するチャートである。
【図６】フィン付きライナの平面的なマップ化であって異なるノズルの位置を示す図である。
【図７】注入ノズルの位置による予混合時間の散乱プロット図である。
【図８】多数タウ式燃焼器の一実施形態によって実施される方法の流れ図である。
【図９】ガスタービンシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に例示されたものは燃焼器ケーシング１３、および端部カバーアセンブリ１５を含む多数タウ式燃焼器１１である。燃焼器ケーシング１３の中に配置されたものは実質的に円筒状であってもよい流れスリーブ１７である。流れスリーブ１７の中に挿入されたものは下記でさらに詳しく述べられるフィン付きライナ１９である。フィン付きライナ１９と端部カバーアセンブリ１５は一体になって燃焼室２０を規定する。
【００１７】
端部カバーアセンブリ１５に隣接するものはドームアセンブリ２１である。ドームアセンブリ２１は端部カバーアセンブリ１５を貫いて配置された中央本体カートリッジ２３を含んでもよい。中央本体カートリッジ２３は中空であり、１つまたは複数のセンサ２５および他の中央本体部品２７（例えば点火器、トーチ、液体燃料パイロット、小型高周波（ＨＦ）レゾネータ、または様々なフィードバックセンサ）を含んでもよい。特定の役目または産物構成（例えばガスのみまたは複式の燃料）を最良に支える特定の選択肢が選択されてもよい。中央本体カートリッジ２３は酸化用流体が中央本体カートリッジ２３の内部に入ることを可能にする開口２９を含む。酸化用流体は空気などの酸化剤、または酸化剤を希釈するために使用される水、水蒸気、窒素もしくは他の不活性物質などの希釈剤と酸化剤の混合物であってもよい。センサ２５および中央本体部品２７を支持するため、およびセンサ２５および中央本体部品２７のための冷却を提供するために穿孔された平板３０が中央本体カートリッジに配置されてもよい。
【００１８】
ドームアセンブリ２１はまた、凹面を備えた円錐台形の部材であってもよい中央ノズルアセンブリ３１を含んでもよい。中央ノズルアセンブリを取り囲むものは第１の外部ドーム要素３３と第２の外部ドーム要素３４であり、これらは半環状の形状であってもよい。中央ノズルアセンブリ３１は１つまたは複数の一次注入チャネル、例えば一次注入チャネル３５と３７を有してもよく、これらは異なる長さであってもよい。中央ノズルアセンブリ３１は一次燃料供給源３９から端部カバーアセンブリ１５を通じて一次ノズルマニホールド４１の中へと燃料を供給される。スワーラ４３がドームアセンブリ２１に備えられてもよい。ドームアセンブリ２１とスワーラ４３は酸化用流体を燃料と急速に混合するために流れの中に乱流を発生させる。スワーラ４３は燃焼産物の一部を強制的に再循環させ、激しい乱流を作り出す。一実施形態では、酸化用流体の大部分は急速に中央ノズルアセンブリ３１へと流れる。スワーラ４３はベーンまたは長穴（図示せず）を使用して一部の渦（旋回速度）を流れに加える。中央ノズルアセンブリ３１を通じて酸化用流体の流れに加えられる渦の角度（ベーンまたは長穴の角度）は約−６０°と＋６０°との間であり、ここで負の値は本線に対して逆の、ダンプ渦流である（０°は渦が無い）。一実施形態では流出する渦は約４５°であってもよい。燃料は渦が加えられる以前、途中および以後に酸化用流体の中に注入されてもよい。ドームアセンブリ２１は複数のしみ出し冷却用穴４４を備えてもよい。しみ出し冷却用穴４４は燃焼室２０の内側表面に冷却用流体の層を供給する。
【００１９】
注入具４５などの複数（少なくとも２つ）のノズルが流れスリーブ１７上に配置されて流れスリーブ１７上の注入具の燃料マニホールド４７に連結されてもよい。注入具の燃料マニホールド４７は注入具の燃料供給源４９から端部カバーアセンブリ１５を通して搬送される燃料を供給される。一実施形態では、注入具の燃料供給源４９は端部カバーアセンブリ１５内に形成されて流れスリーブ１７上の複数の注入具の燃料マニホールド４７を有するリングであってもよい。中央本体カートリッジ２３に酸化用流体を供給するために開口５１が流れスリーブ１７上に形成されてもよい。一実施形態では、複数の開口５１が設けられてもよい。レゾネータ（制動子）５３が第１の外部ドーム要素３３と第２の外部ドーム要素３４との間で流れスリーブ１７に隣接して配置されてもよい。レゾネータ５３は、じゃま板または他の形状の容量分割具を具備する、または具備しない環状の形状であってもよい。ドームアセンブリ２１とフィン付きライナ１９は、燃料と酸化用流体の混合物が流れチャネル５６から搬送されて混合される一次ダンプゾーン６０を規定する。レゾネータ５３は一次ダンプゾーン６０に相対して特定の場所でドームアセンブリ２１に供給される冷却用流体（通常は酸化用流体）によって浄化されてもよい。
【００２０】
第１の外部ドーム要素３３と中央本体カートリッジ２３の寸法は所望の結果に応じて変わってもよい。例えば、より長い第１の外部ドーム要素３３と中央本体カートリッジ２３はより長い平均予混合時間（平均タウ）を提供することになる。より長い第１の外部ドーム要素３３と中央本体カートリッジ２３はまた、流れスリーブ１７を通じて供給される酸化用流体と燃料の混合物からのより大きな独立性も提供することになる。より短い第１の外部ドーム要素３３はより少量の冷却用材料を有し、より短い平均予混合時間を提供することになる。一実施形態では、第１の外部ドーム要素３３は第１のダンプゾーン６０の近傍で終結する。
【００２１】
フィン付きライナ１９（図２にも図解される）は複数の流れチャネル５６を規定する複数のフィン５５を備えてもよい。一実施形態では、フィン５５は螺旋状で均等に間隔を置かれてもよい。フィン付きライナ１９と流れスリーブ１７は螺旋状の幾何学形状を有する個々の流れチャネル５６（螺旋状流れチャネル）の配列を作り出す。フィン付きライナ１９はピン５７などの適切な取り付け手段によって流れスリーブ１７に固定されてもよい。
【００２２】
前述の実施形態ではフィン５５は螺旋状のフィンとして描かれているが、他の幾何学形状も想定され、直線状のチャネル、迷路状のチャネル等々として構成された流れチャネル５６を含んでもよい。
【００２３】
多数タウ式燃焼器１１は高圧の燃焼排気（破線矢印で示される）をタービン６２へ搬送するライナ延長部または遷移部材６１を設けられる。遷移部材６１を冷却するように圧縮機の放出流体（実線矢印で示される）を方向付け、酸化用流体を流れチャネル５６の中へと方向付けるために環状のスリーブ６３が設けられてもよい。
【００２４】
多数タウ式燃焼器１１の動作中では、圧縮された酸化用流体が圧縮機（図示せず）から開口５１を通って燃焼器ケーシング１３と流れスリーブ１７との間に搬送される。酸化用流体の第１の部分は、第２の外部ドーム要素３４上に形成されてドームアセンブリ２１を冷却するために使用される複数の突き当て穴５２を通過して搬送される。酸化用流体の第２の部分は中央本体カートリッジ２３へと搬送される。酸化用流体の第１の部分の一部はレゾネータ５３へと搬送され、レゾネータ５３を浄化することに役立つ。酸化用流体の第１の部分の残りは中央ノズルアセンブリ３１のスワーラ４３に与えられる。
【００２５】
燃料は一次燃料供給源３９から中央ノズルアセンブリ３１の中へ流れ込み、一次注入チャネル３５および３７を通って燃焼室２０の中へ注入される。図１に例示されるように、一次注入チャネル３５および３７は一次ノズルマニホールド４１の半径に沿って異なる位置に配置され、それによって酸化用流体と燃料の混合物のための異なる予混合時間を提供する。
【００２６】
燃料は注入具の燃料供給源４９から複数の注入具４５を通って注入具の燃料マニホールド４７へ搬送され、フィン付きライナ１９に形成された流れチャネル５６の中に入る。燃料は酸化用流体と混ざり合い、酸化用流体と燃料の混合物の流れを生じる。フィン付きの設計は、チャネル毎の独立した空気と燃料の混合物の流れを可能にする。複数の注入具４５の各々は相当する流れチャネル５６上で所定の位置に配置される。注入具４５の位置は空気と燃料の混合物の複数の流れの少なくともいくつかについて異なる予混合時間を提供するように、且つ実質の経路長距離（例えば５〜４０インチ）全体にわたって混合を促進するように選択される。この実施形態では、流れチャネル５６は全て同じ入口平面と出口ダンプ平面とを有する。流れチャネル５６の経路に沿って燃料が注入される注入具４５の位置は注入具４５と燃焼室２０との間の流路長を決定する。この流路長は燃料が予混合器に注入されてから多数タウ式燃焼器１１内で燃えるまでの時間として定義される予混合時間（タウ）を決定する。
【００２７】
一実施形態では、各々の流れチャネル５６は自体の特異的な予混合時間（タウ）を有してもよく、例えば２４枚のベーンを備えた多数タウ式燃焼器１１は相対的に広範囲（例えば３〜１５ｍｓｅｃ）にわたって広がる２４（またはそれ以上）の異なるタウを有してもよい。最小のタウは予混合の品質によって制限され、それに対して最大のタウは（燃料に特異的な）自己点火時間または外囲サイズの束縛条件によって制限されることがある。特定のタウに相当する位置の所与の流れチャネル５６の中で、ガス燃料は流れスリーブ１７の内壁から１つまたは複数の注入具４５で流れチャネル５６の中に注入される。注入具４５は特定の燃料充満キャビティ（例えば注入具の燃料供給源）４９と連通する一方で、流れスリーブ１７の内壁から流れチャネル５６の中へ半径方向内側に（複合の角度で）張り出してもよい。注入具４５は複数の注入穴を備えたエーロフォイル、チャネルの中へ突出する多数のテーパ付きチューブ、または多数の単調な壁のオリフィスであってもよい。一実施形態では、燃料注入具４５はフィン付きライナ１９またはフィン５５に構造的に取り付けられないことも考えられる。しかしながら、フィン付きライナ１９は尾部端部の近傍の多数の位置で流れスリーブ１７に構造的にピンで留められることになる。
【００２８】
フィン付きライナ１９は熱伝達冷却面積（フィン冷却）を上げることによって、および流れチャネル５６内の冷却流を連続的に加速させることによって冷却能力を促進する追加的機能を提供する。熱伝達面積（低温側）を大きくすること、および／または流れの加速を大きくすることはフィン付きライナ１９の冷却を高め、したがって所与の熱流束について温度を下げることを意味する。
【００２９】
一実施形態では、フィン５５は純粋に軸方向の環状のダクト流（端部カバーアセンブリ１５または先頭端部へ向かう前方向）の一部を螺旋状の流れに変換し、それにより、流れは渦成分を伴なって流れチャネル５６を出て一次ダンプゾーン６０に入る。螺旋のピッチは全体的な混合長さまたは流出する渦の強さを変えるために変更され得る設計パラメータである。概して、螺旋のピッチは出て行く流れが燃焼器の対称軸に対して０°（渦無し）から約６５°（極めて強い渦）のいずれかで方向転換される（渦速度成分）ように設定されることがある。この実施形態では、ピッチは出て行く流れが概ね３５°と５５°の間（公称では４５°）に方向転換されるように設定される。また、他の実施形態では、螺旋のピッチはタウの値および／または予混合経路に沿った混合品質に影響を及ぼすようにフィン付きライナ１９の長さに沿って変えられることもあり得る。
【００３０】
流れチャネル５６の出口で、渦流はドームアセンブリ２１によって形成される一次ダンプゾーン６０の中に投げ出され、これが流れを半径方向内側へと加速させる。渦流の強い内側方向への加速は反応物質をさらに混合し、膨張および強くて安定したトロイダル型再循環のための流れを準備する。燃焼室２０の燃焼領域が、主反応に噛み合って先導する中央ノズルアセンブリ３１の独立した燃料供給によってさらに安定化させる。
【００３１】
残りの空気、すなわち流れチャネル５６を迂回する燃焼空気の大部分は（衝突およびしみ出し冷却を介して）ドームアセンブリ２１を冷却し、中央ノズルアセンブリ３１を使用して一次燃料供給源３９からの燃料と予混合して燃焼し、レゾネータ５３のキャビティを浄化し、液体燃料の噴霧化を助成し、且つ／または中央本体カートリッジ２３とセンサ２５と中央本体部品２７とを冷却するために使用される。「迂回空気」の３／４以上はしみ出し冷却、浄化、および中央ノズルアセンブリ３１内での予混合に使用される前に最初にドームアセンブリ２１を衝突冷却する。
【００３２】
中央ノズルアセンブリ３１は消費されたドーム冷却衝突空気（燃焼空気の１５〜２０％である）を収集してこれを渦流にし、その一方でガス燃料をその中に注入して混合する。渦流の反応物質は多数タウ式燃焼器１１の中へと広がって安定した中央の再循環ゾーンを作り出す。中央ノズルアセンブリ３１は一次燃料供給源３９から燃料を供給され、主として点火、加速、および低負荷動作のための頼りにされる。点火時に、多数タウ式燃焼器１１は多数タウ式燃焼器１１の合計の燃料流の１００％近くを有するように設計されてもよい。基礎負荷付近（ＮＯX排出応諾の間）では、燃料流は約１５％未満であることになる。中央ノズルアセンブリ３１は速度−負荷空間全体をカバーする柔軟性を多数タウ式燃焼器１１に与える。
【００３３】
図３は液体燃料動作に適合した多数タウ式燃焼器１１を例示しており、複式燃料選択肢の実施形態のための液体燃料注入具６８を備えたドームアセンブリ２１の断面を示している。液体燃料動作に関しては、１つまたは複数の液体燃料注入具６８がドームアセンブリ２１に隣接して配置されてもよく、ドームアセンブリ２１の遠方から液体燃料を、（ドームアセンブリ２１に向かって）前方向に流れる螺旋渦状の空気流の中へ、この空気流が一次ダンプゾーン６０に入るときに注入する。（複数の）液体燃料注入具６８は液体を注入するためのいくつかの異なるタイプの噴霧器、例えばプレインジェット、ジェットスワール、ファンスプレー、シンプレックス、プレフィルムエアブラストなどのうちのいずれであってもよい。ガス燃料のシナリオと同様に、（複数の）液体燃料注入具６８は部分集合へと一体にまとめられ、様々な構成で１つまたは複数の主たる液体燃料回路によって供給されてもよい。一実施形態では、（端部カバーアセンブリ１５を貫いて尾部に搭載された）８個の液体燃料注入具６８が液体燃料回路６９によって均等に供給されてもよい。独立した液体燃料パイロット７０が中央本体カートリッジ２３に配置されてもよい。液体燃料パイロット７０は点火および無負荷動作のための頼りにされることが可能である。液体燃料パイロット７０と主たる液体燃料回路６９は能動的に制御され、且つエンジン速度、負荷または両方の関数として動作中に調整されてもよい。
【００３４】
図４は燃焼主導の変動への多数タウの効果を例示するチャートである。このチャートは実線で表わされる２４の異なるタウで、全タウについて構造的結合を控えめに仮定して各々が等間隔を設けられたタウと二重線で表わされる単一タウ（例えば２．６＋、５−ａｒｏｕｎｄ−１の先頭端部構成）を比較する励起結果を表わしている。各々のタウは特定の周波数に反比例してタウ−∝Ｃ／ｆである。単一タウの事例では、６個の全ノズルからの変動エネルギーの全てが特定の周波数（またはこれらの中の一部の最小のばらつきを仮定すると小さい周波数範囲）に集束される。多数タウの事例における多くの予混合時間を備えると、熱放出（エネルギー）の変動は多くの周波数にわたって配分され、感知できるほどに変動を励起するために十分な熱放出の変動を単一の燃焼器周波数が供給されることは無い。したがって、単一の周波数が支配的になることは不可能であり、エネルギーは多くの周波数にわたって、全て低い相対的振幅で広がる。多数タウを使用する結果は低振幅、無定形のホワイトノイズと類似している。
【００３５】
図５は異なる数のタウについて結果を比較している。最上部から最下部の３つのグラフはそれぞれ６、１２および２４のタウを有する結果を例示し、個別タウの数が多くなるにつれて平坦な振幅応答になることを示している。流れチャネル５６を通って流れる各々の燃料空気流については、タウは部分的にその特定の流れチャネル５６に関する注入具４５の位置の関数である。多くのタウ全体にわたって熱放出を広げる処理はホワイトノイズのシナリオに近付けるため、少なくともより低い周波数（例えば８０〜１０００Ｈｚ）に和らげるために為され、これらの周波数は通常では特定の熱力学／流体力学の境界条件および励起メカニズムと組み合わせた燃焼器の特徴的容積と長さとに関係している。存続するさらに高いいずれの周波数（半径方向または横断モードの例えば、＞１０００Ｈｚ）も、平均的熱放出が実際に起きている一次ダンプゾーン６０の中および周囲に戦略的に配置されるレゾネータ５３によって消される。
【００３６】
少なくとも２つの流れチャネル５６が少なくとも２つのタウを供給するような方式で配置される注入具４５を設けられるとき、または場合によっては少なくとも６つの流れチャネル５６が、少なくとも６つの予混合時間（タウ）を提供するような方式で配置される注入具４５を有して設けられるとき、または場合によっては少なくとも１２の流れチャネル５６が、少なくとも１２の予混合時間を提供するような方式で配置される少なくとも１２の注入具４５を備えて設けられるとき、または場合によっては少なくとも２４の流れチャネル５６が、少なくとも２４の予混合時間を提供するような方式で配置される少なくとも２４の注入具４５を備えて設けられるとき、燃焼主導の力学的性質は削減されることができる。予混合時間は流れチャネル５６に沿って異なる位置に注入具４５を設置すること、および燃焼室２０への距離を変えることにより流れチャネル５６に沿った燃料空気混合物の移動経路の長さを変えることによって調節されることが可能である。改善は、空気燃料混合物の複数の流れを生じるように複数の位置で燃料を空気流の中に注入することによって達成される。各々の注入具４５の位置は、空気燃料混合物の流れの少なくともいくつかのために異なる予混合時間を提供するように選択される。
【００３７】
異なる流れチャネル５６についての燃料注入は様々な部分集合の中に共にまとめられてもよい。図６は２４の流れチャネル５６が、各々が４つの流れチャネル５６を有して各々が注入具４５によって供給を受ける６つの集団にまとめられる配列を例示している。螺旋状の配列が図解の目的で平面にマップ化されている。親の燃料流を分けるために流れスリーブ１７と端部カバーアセンブリ１５（図１に示される）とを使用し、各々の部分集合（子）は特定の燃料回路（例えばＡ、Ｂ、その他）によって供給を受けてもよい。これは独立した部分集合の燃料供給段階を可能にする。回路間の燃料の分割は速度または負荷の関数として変更または調整されてもよい。この実施形態では、部分集合は２つの等しいサイズの予混合回路（ＡとＢ）によって供給を受ける。図６の実例では、予混合回路Ａおよび予混合回路Ｂによって燃料供給される部分集合は多数タウ式燃焼器１１の外側円周の周りを進みながら交互になっている。予混合回路を交互にすることによって、予混合回路Ｂによって燃料供給される３つの４チャネル集合と交互になる予混合回路Ａによって燃料供給される３つの４チャネル集合が得られてもよい。
【００３８】
図６に例示された実施形態では６つの集団にまとめられた２４の流れチャネル５６が述べられているが、流れチャネル５６および集団のいずれの組み合わせが使用されることもあり、例えば３〜３６の間の流れチャネルを有することもあり得る。
【００３９】
図７は、流れチャネル５６内の異なる位置に注入具４５を設置することによって達成され得る予混合時間の分布の実例を例示している。縦軸は流れチャネル５６を表わすフィン番号を示し、横軸は最小のタウによって分割される特定の数の流れチャネル５６によって提供されるタウを表わす。
【００４０】
本明細書に述べられる様々な実施形態は燃料−空気予混合器の変動が原因の、燃焼主導の力学的性質を抑制するように設計された傾斜予混合型ガスタービンのための多数タウ式燃焼器１１を提供する。図８は燃焼器の力学的性質を抑制する方法８１を例示している。ステップ８３において、酸化用流体がフィン付きライナ１９上に形成された複数の流れチャネル５６に供給されてもよい。次いでステップ８５において、燃料および酸化用流体の複数の流れを生じさせるために複数の流れチャネル５６のうちの少なくとも２つに燃料が注入されてもよい。燃料は、所定の位置と燃焼室２０との間に異なる流路長を提供するように所定の位置で注入されてもよい。ステップ８７において燃料および酸化用流体の複数の流れを燃焼室２０内で燃焼させてもよい。燃焼器の力学的性質は、異なる流路長を有する複数の一次注入チャネル（例えば一次注入チャネル３５と一次注入チャネル３７）を備えた中央ノズルアセンブリ３１などの中央ノズルを通じて燃焼室２０の長手方向軸に沿って酸化用流体と燃料の混合物を注入することによって抑制されることも可能である。燃焼器の力学的性質は高い周波数の変動をレゾネータ（制動子）５３で制動することによって抑制されることも可能である。
【００４１】
多数タウ式燃焼器１１は複数の燃料−空気予混合時間（タウ）を使用すること、および高い周波数を減衰させるためのレゾネータ５３、および安定した燃焼のためのダンプ渦流のトロイダル型再循環によってその動作範囲全体にわたって力学的性質的静穏に留まるように設計される。付け加えると多数タウ式燃焼器１１は燃料注入圧力比（修正ウォッベ）、変動または循環条件に実質的に影響されない。
【００４２】
図９は圧縮機１０２、多数タウ式燃焼器１０４、駆動するように圧縮機に連結されたタービン１０６、および制御システム（制御器）１０８を有するガスタービンシステム１０１を描いている。圧縮機への入り口ダクト１１０は周囲の空気、および場合によって注入水を圧縮機に供給する。入り口ダクト１１０はダクト、フィルタ、仕切りおよび圧縮機１０２の入り口ダクト１１０を通って入り口ガイドベーン１１２に流れ込む周囲空気の圧力損失に寄与する音響吸収装置を有してもよい。タービン１０６のための排気ダクト１１４は燃焼ガスをタービン１０６の出口から、例えば放出制御および音響吸収装置（図示せず）を通るように方向付けされる。排気ダクト１１４は音響吸収材料および背圧をタービン１０６に加える放出制御装置を含んでもよい。タービン１０６は発電機１１５などの負荷を駆動することができる。多数タウ式燃焼器１０４はフィン付きライナ１１６、中央ノズルアセンブリ１１８およびフィン付きライナ１１６上の異なる位置に配置された注入具１２０を含んでもよい。
【００４３】
燃料制御システム１２２は一次燃料供給源１２４から中央ノズルアセンブリ１１８へと流れる燃料、ならびにフィン付きライナ１１６上に配置された注入具１２０の中および／またはフィン付きライナ１１６上の流れチャネルのゾーンへ流れる燃料を調節する。燃料制御システム１２２はまた、多数タウ式燃焼器１０４のための燃料のタイプを選択してもよい。燃料制御システム１２２は独立したユニットであってもよく、または一層大きい制御システム１０８の部品であってもよい。燃料制御システム１２２は中央ノズルアセンブリ１１８へ流れる燃料の部分と注入具１２０へ流れる燃料の部分を決定する燃料分割命令を発生および実施することもあり得る。
【００４４】
制御システム１０８はニューヨーク州スケネクタディのＧＥ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ＆Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓにより出版されたＲｏｗｅｎ，Ｗ．１．，「ＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣTM  ＭａｒｋＶ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」，ＧＥ−３６５８Ｄに記載のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社のＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ（商標）Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍであってもよい。制御システム１０８はセンサ入力と人間のオペレータからの命令を使用してガスタービンの動作を制御するためのプログラムを実行する（複数の）プロセッサを有するコンピュータシステムであってもよい。制御システム１０８によって実行されるプログラムは多数タウ式燃焼器１１への燃料流を調節するためのスケジューリングアルゴリズムを含んでもよい。
【００４５】
本明細書に使用される用語は特定の実施形態のみを述べる目的のためであり、本発明を限定しているように意図されない。用語の定義が一般的に使用される用語の意味から逸脱する場合、出願人は特に示さない限り下記に与えられる定義を利用することを意図する。本明細書に使用されるとき、単数形の「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」は文脈が明らかにそれ以外を示さない限り複数形も同様に含むように意図される。本明細書に使用されるとき、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える、含む）」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」は述べた特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または成分の存在を指定しており、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、成分および／またはそれらの集合の存在または追加を除外しないこともさらに理解されることになる。第１、第２などの用語が様々な要素を記述するために本明細書で使用され得るが、これらの要素がこれらの用語によって限定されてはならないことは理解されることになる。これらの用語は１つの要素を他から区別するために使用されるに過ぎない。例えば、実例の実施形態の範囲から逸脱することなく、第１の要素が第２の要素と称されることも可能であり、同様に第２の要素が第１の要素と称されることも可能である。本明細書に使用されるとき、用語「および／または」は１つまたは複数の関連する列挙項目のいずれか、および全て、の組み合わせを含む。本明細書に使用されるとき、本明細書および特許請求の範囲に使用される「〜に連結された」および「〜と連結された」という語句は直接的または間接的な連結を意図している。
【００４６】
当業者なら理解するように、いくつかの実例の実施形態に関連して上記で述べた多くの変化する特徴および構成は本発明の他の考え得る実施形態を形成するためにさらに選択的に応用されることが可能である。簡潔にするため、および当業者の能力を考慮に入れて、考え得る繰り返しの全ては提供または詳しく検討されていないが、しかし全ての組み合わせおよび考え得る実施形態は下記のいくつかの特許請求項により包含され、またはそれ以外はその場でできる応用の一部であると意図される。加えて、本発明のいくつかの実例の実施形態の上記の説明から、当業者は改善、変更および改造を気付くことになる。当該技術の中のそのような改善、変更および改造も添付の特許請求の範囲によって網羅されると意図される。さらに、前述のものが本出願の記述された実施形態のみに関連すること、下記の特許請求の範囲およびその等価事項により規定されるような本出願の精神と範囲から逸脱することなく数多くの変更および改造が為され得ることは明らかであるはずである。
【符号の説明】
【００４７】
１１  多数タウ式燃焼器
１３  燃焼器ケーシング
１５  端部カバーアセンブリ
１７  流れスリーブ
１９  フィン付きライナ
２０  燃焼室
２１  ドームアセンブリ
２３  中央本体カートリッジ
２５  センサ
２７  中央本体部品
２９  （中央本体カートリッジ上の）開口
３０  穿孔平板（冷却用）
３１  中央ノズルアセンブリ（凹形状の壁を備えた円錐台形の部材）
３３  第１の外部ドーム要素（円環体）
３４  第２の外部ドーム要素
３５  一次注入チャネル
３７  一次注入チャネル（多数タウ）
３９  一次燃料供給源
４１  一次ノズルマニホールド
４３  スワーラ
４４  しみ出し冷却穴
４５  注入具
４７  注入具の燃料マニホールド
４９  注入具の燃料源
５１  空気開口
５２  突き当て穴
５３  レゾネータ（制動子）
５５  フィン
５６  流れチャネル
５７  ピン
６０  一次ダンプゾーン
６１  遷移部材
６２  タービン
６３  環状のスリーブ
６８  液体燃料注入具
６９  液体燃料回路
７０  液体燃料パイロット
７１  ６タウに関する中央の振幅
７３  １２タウに関する中央の振幅
７５  ２４タウに関する中央の振幅
８１  燃焼器の力学的性質を抑制する方法
８３  複数の流れチャネルに酸化用流体を供給する。
【００４８】
８５  所定の位置で燃料を注入する。
【００４９】
８７  燃料を燃焼させる。
【００５０】
１０１  ガスタービンシステム
１０２  圧縮機
１０４  多数タウ式燃焼器
１０６  タービン
１０８  制御システム
１１０  入り口ダクト
１１２  入り口ガイドベーン
１１４  排気ダクト
１１５  発電機
１１６  フィン付きライナ
１１８  中央ノズルアセンブリ
１２０  注入具
１２２  燃料制御システム
１２４  一次燃料供給源
１２６  二次燃料供給源
【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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