(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンの燃焼器における燃焼プロセス中に高周波電磁放射を使用する。【解決手段】燃焼プロセス中に燃焼器１００に電磁放射を提供するための装置が開示される。電磁放射源２００は、第１の導波管２１０を通って第２の導波管に電磁放射を送出し、該第２の導波管は、燃焼器１１２の内部に電磁放射を送出するよう位置付けられた電磁放射出口２３２を含む。電磁放射は、燃焼器１００の低温領域に送出されて、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃炭化水素（ＵＨＣ）エミッションを低減する。加えて、電磁放射は、燃焼プロセスを誘導し、希薄空気燃料混合気及び低ＢＴＵガスが低温燃焼温度で燃焼し、ＮＯｘエミッションの低減をもたらすようにする。【選択図】図１
2011202946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１００）に電磁放射を提供する装置であって、前記燃焼器（１００）が、燃料混合気を該燃焼器（１００）に供給するための少なくとも１つの燃料ノズル（１２０）を含み、前記装置が、
電磁放射源（２００）と、
前記電磁放射源（２００）に結合された第１の導波管（２１０）と、
前記第１の導波管（２１０）に結合され、前記燃焼器（１００）の低温領域に電磁放射を送出するよう位置付けられた電磁放射出口を含む第２の導波管と、
を備え、
前記燃焼プロセス中に前記低温領域が、前記電磁放射なしで燃料混合気の燃焼を持続するための温度よりも低い作動温度を有する、
装置。
【請求項２】
前記燃料混合気が低ＢＴＵ燃料混合気である、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の導波管が、
環状マニホルド導波管（２２０）と、
前記環状マニホルド導波管（２２０）から延びる分岐導波管（２３０）と、
を含み、
前記分岐導波管（２３０）が前記電磁放射出口（２３２）を含み、該電磁放射出口（２３２）が、前記燃焼器（１００）の壁に設けられた開口に隣接して位置付けられ、該開口（１１５）が前記燃焼器（１００）への電磁放射の透過用に構成されている、
前記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項４】
前記装置が、前記環状マニホルド導波管（２２０）に結合された複数の分岐導波管（２３０）を備え、前記各分岐導波管（２３０）が、前記燃焼器（１００）の壁に定められる開口に隣接して位置付けられた電磁放射出口（２３２）を含む、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の導波管が、前記燃料ノズル（６２０）内に装着された第１の管構造体（５２０）を含む、
前記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項６】
前記第２の導波管が、前記第１の管構造体（５２０）との間にクリアランス（５２４）を定めるように該第１の管構造体（５２０）内に装着される第２の管構造体（５２２）を含み、前記クリアランス（５２４）が前記燃焼器（６１０）に電磁放射を送出するための同軸導波管として機能する、
前記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項７】
前記電磁放射源がマグネトロンを含む、
前記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項８】
前記電磁放射源が、前記第１の導波管（５１０）にパルス電磁放射信号を提供するように作動する、
前記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項９】
前記パルス電磁放射信号が、約１ＧＨｚから約３０ＧＨｚの搬送波周波数を有する、
請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記パルス電磁放射信号が、約５ＫＨｚから約５０ＫＨｚのパルス周波数を有する、
請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的にガスタービン燃焼器関し、より詳細には、ガスタービンの燃焼器における燃焼プロセス中に高周波電磁放射を使用することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電の商業運転において広く利用されている。典型的なガスタービンは、前部に圧縮機と、中央部付近に１つ又はそれ以上の燃焼器と、後部にタービンとを含む。圧縮機は、作動流体（空気）に運動エネルギーを与えて高エネルギー状態にする。加圧された作動流体は圧縮機から流出し、燃焼器に流れる。燃焼器は、加圧された作動流体と燃料を混合し、燃料及び作動流体の混合気が点火し、高温・高圧・高速の燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンに流れ、ここで膨張して仕事を発生する。
【０００３】
ガスタービンは、エミッションの生成を低くしながら、高効率で機能することが次第に求められている。効率をより高くすることは、ガスタービンの燃焼器内の燃料混合気の燃焼温度を上昇させることにより達成することができる。しかしながら、燃焼温度が高くなると、ＮＯｘエミッションの増大のような、エミッション増大をもたらす可能性がある。従って、高効率燃焼とＮＯｘエミッションとの間にトレードオフがあることが多い。更に、低ＢＴＵ燃料は、多くの場合、他の燃料に比べて相対的に安価である。しかしながら、低ＢＴＵ燃料は、燃焼させるのが難しく、同様にＮＯｘエミッションの増大につながる可能性がある。
【０００４】
ＮＯｘエミッションは、より低い燃焼温度を用いることにより低減することができる。より低い燃焼温度は、希薄空気燃料混合気を燃焼器に供給することによって達成することができる。しかしながら、燃焼温度が低いほど、低い燃焼温度の結果として生じる不完全な燃料燃焼に起因して、過剰な一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃炭化水素（ＵＨＣ）エミッションをもたらす可能性がある。更に、ＣＯ及びＵＨＣエミションはまた、ターンダウン状態の間など、低負荷でガスタービンを稼働する結果として生じる場合がある。
【０００５】
低温高効率の燃焼プロセスは、燃焼プロセス中に高周波電磁放射を使用することによって達成することができる。例えば、米国特許第５，３７０，５２５号は、複数のマグネトロンをバーナの周りに位置付けて、燃焼ゾーンにマイクロ波を送ることによって燃焼を向上させることができることを開示している。燃焼中に電磁放射を使用すると、ＣＯ及び他のＵＨＣのアフターバーニングに対応するフリーラジカルの生成につながり、より低いＣＯ及びＵＨＣエミッションをもたらす可能性がある。加えて、電磁放射は、燃料中の炭素原子を励起することによって燃料燃焼を誘導し、燃焼プロセスの効率を高める。
【０００６】
高周波電磁放射を燃焼器の燃焼ゾーンに提供する既存のシステムは、燃焼器の既存の構造体に複雑な修正を必要とする可能性がある。加えて、このようなシステムは、多くの場合、単一の供給源からガスタービンの複数の異なる領域に電磁放射を同時に提供することはない。更に、既存のシステムは、燃焼器の不焼成燃料ノズル又は燃焼器の不燃領域に近接するような、燃焼器の低温領域に高周波電磁放射の印加を集中させる機能を提供することができない。
【０００７】
従って、上記の欠点を解消し、ＮＯｘ、ＣＯ、及びＵＨＣエミッションを低くしながら低温でより効率的な燃焼プロセスを可能にする、燃焼器の燃焼ゾーンに高周波電磁放射を提供する装置及びシステムが当該技術分野において望ましい。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。
【０００９】
本開示の１つの例示的な実施形態は、燃焼プロセス中に燃焼器に電磁放射を提供するための装置に関する。燃焼器は、該燃焼器の燃料混合気を供給するための燃料ノズルを含む。装置は、電磁放射源、該電磁放射源に結合された第１の導波管、及び第１の導波管に結合された第２の導波管を含む。該第２の導波管は、燃焼器の低温領域に電磁放射を送出するよう位置付けられた電磁放射出口を含む。燃焼プロセス中、低温領域は、電磁放射なしで燃料混合気の燃焼を持続するための温度よりも低い作動温度を有する。
【００１０】
本開示の別の例示的な実施形態は、燃焼プロセス中に燃焼器に電磁放射を提供するための装置に関する。本装置は、電磁放射源と、該電磁放射源に結合された第１の導波管とを含む。本装置は更に、第１の導波管に結合された環状マニホルド導波管と、該マニホルド導波管に結合され且つこれから延びる分岐導波管とを含む。分岐導波管は、燃焼器の壁内の開口に隣接して位置付けられた電磁放射出口を含む。
【００１１】
本開示の別の例示的な実施形態は、燃焼プロセス中に燃焼器に電磁放射を提供するための装置に関する。本装置は、電磁放射源と、該電磁放射源に結合された第１の導波管と、第１の導波管に結合された第２の導波管とを含む。第２の導波管は、燃焼器の燃料ノズル内に装着された第１の管構造体を含む。
【００１２】
本開示のこれらの例示的な実施形態に対して変形及び修正を行うことができる。
【００１３】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照するとより理解できるであろう。本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１４】
添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の例示的な実施形態による、燃焼器に電磁放射を提供する装置の切り欠き斜視図。
【図２】本開示の例示的な実施形態による、燃焼器に電磁放射を提供する装置の断面図。
【図３】本開示の例示的な実施形態による、燃焼器に電磁放射を提供する装置で使用される電磁放射出口の断面図。
【図４】本開示の例示的な実施形態による、燃焼器に電磁放射を提供する装置の断面図。
【図５】本開示の例示的な実施形態による、燃焼器に電磁放射を提供する装置の断面図。
【図６】本開示の例示的な実施形態による、燃焼器に電磁放射を提供する装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、１つ又はそれ以上の実施例を図示した本発明の実施形態について詳細に説明する。各実施例は、本発明の限定ではなく例証として提供される。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できる点は理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１７】
一般に、本開示は、燃焼プロセス中に電磁放射を提供するための装置及びシステムに関する。本開示は、ガスタービン用の燃焼ガスを発生させるのに用いられる燃焼器に関して検討するが、当業者であれば、本明細書で提供される開示事項を用いて、本発明が何れかの燃焼プロセスに等しく適用可能であることは容易に理解されるはずである。
【００１８】
本開示の実施形態は、マイクロ波放射又は他の好適な高周波電磁放射などの高周波電磁放射を燃焼器の内部に提供し、燃焼プロセスを向上させ、燃焼プロセス中に生成されるエミッションを低減するために使用される。高周波電磁放射は、電磁放射によって生成される振動場においてプラズマストリーマの交錯を発生させるのに十分な周波数及び出力を有する。プラズマストリーマは、不焼成燃料ノズルの近傍の不燃ゾーンなど、燃焼器の低温領域に集めることができる。プラズマストリーマは、燃焼器において何れかの未燃ＣＯ又はＵＨＣのアフターバーニングに対応する電子及び紫外線放射を発生する。加えて、プラズマストリーマは、燃焼器において点火された燃料中の炭素原子を励起させることによって燃焼プロセスを誘導することができる。
【００１９】
高周波電磁放射の印加によって提供される燃焼の向上は、通常は電磁放射の印加なしで燃焼することのない、ベース負荷領域での希薄空気燃料混合気又は低ＢＴＵ燃料混合気の使用を可能にする。このような希薄空気燃料混合気又は低ＢＴＵ燃料の使用は、燃焼プロセスにおける燃焼温度の低下をもたらし、ＮＯｘエミッション低減につながる可能性がある。更に、燃焼プロセスに燃焼器の低温領域においてプラズマストリーマによって生成されたラジカルは、ＣＯ及びＵＨＣのアフターバーニングに対応し、ＣＯ及びＵＨＣエミッションの低減につながる。
【００２０】
加えて、本開示の実施形態を用いて、低負荷領域でのガスタービンの運転中に燃料の効率的な燃焼に対応することができる。例えば、ガスタービンのターンダウン状態の間、電磁放射をガスタービンの燃焼器に提供し、燃焼器の低温領域にも関わらず効率的な燃焼への対応並びにＣＯ及びＵＨＣエミッションの低減を行うことができる。
【００２１】
電磁放射は、燃焼器を囲む環状マニホルド導波管により、或いは、導波管を備えた燃料ノズルを通じて燃焼器の内部に印加することができる。環状マニホルド導波管及び燃料ノズル導波管の実施形態は、特に、燃焼器内部の低温領域に電磁放射を放出するよう構成することができる。本明細書で使用される場合、燃焼器の「低温領域」とは、燃焼プロセス中に、電磁放射を印加することなく燃焼器内部において燃料混合気の燃焼を持続するための温度を下回る運転温度を有する燃焼器内の領域を指すものとする。
【００２２】
環状マニホルド導波管及び燃料ノズル導波管は、燃焼器の大きな構造上の修正を伴うことなく実装することができる。環状マニホルド導波管及び燃料ノズル導波管はまた、電磁放射を単一の電磁放射源から燃焼器の複数の領域に同時に提供することができる。実際に、環状マニホルド導波管及び燃料ノズル導波管は、複数の不焼成燃料ノズルに隣接するような燃焼器内部の複数の低温領域に同時に電磁放射を送出するよう構成することができる。このようにして、本開示の実施形態は、ベース負荷領域外のガスタービン運転を可能にすることによって、ＣＯ及びＵＨＣエミッションの効率的な低減、安定した燃焼器作動範囲の拡大、及び燃料節減を提供することができる。
【００２３】
ここで図１を参照して、本開時の第１の例示的な実施形態を詳細に検討する。図１は、燃焼器１００に電磁放射を提供する装置を含む円筒形燃焼器１００の切り欠き斜視図を示す。燃焼器１００は、該燃焼器１００の内部１１２を例示するために切り欠き斜視図で示されている。
【００２４】
図示のように、燃焼器１００は、燃焼器壁１１０及び燃焼器内部１１２を含む。燃焼プロセスは、燃焼器内部１１２の内側で行われる。燃焼器１００は、中央燃料ノズル１２０と、周辺燃料ノズル１２２、１２４、及び１２６とを有する複数の燃料ノズルを含む。周辺燃料ノズル１２２、１２４、及び１２６は、中央燃料ノズル１２０に対して半径方向に離間した関係で配置される。燃焼器１００は、本開示の範囲から逸脱することなくあらゆる数の周辺燃料ノズルを含むことができる。
【００２５】
中央燃料ノズル１２０及び周辺燃料ノズル１２２、１２４、及び１２６は、空気燃料混合気を燃焼器内部１１２に送給するのに使用される。空気燃料混合気は、燃焼器内部１１２で点火されて高温・高圧・高速の燃焼ガスを発生し、これはガスタービンにおいて仕事を行うのに使用される。以下でより詳細に検討するように、燃焼器内部１１２における燃焼プロセスの効率を高めるために電磁放射が燃焼器内部１１２に提供される。
【００２６】
電磁放射源２００は、燃焼器１００に対する高周波電磁放射を発生させるのに使用される。電磁放射源２００は、燃焼器１００により生じる可能性がある有害な加熱作用を回避するために、燃焼器１００から離間して配置されるのが好ましい。特定の実施形態において、電磁放射源２００は、マイクロ波エネルギーを発生するよう構成されたマグネトロンを含む。しかしながら、本開示の範囲から逸脱することなく他の好適な高周波電磁放射源を用いてもよい。特定のタイプの磁放射源は、燃焼器１００に提供される高周波エネルギー信号の特定の用途及びタイプに基づいて決定されることになる。例えば、電磁放射源２００は、パルス電磁放射信号を燃焼器１００に提供するよう構成することができる。
【００２７】
電磁放射源２００は、環状マニホルド導波管２２０などの第２の導波管に電磁放射を送出するため第１の導波管２１０に結合される。第１の導波管２１０は、電磁発電機２００により発生する電磁放射を案内するための何れかのタイプの構造体とすることができる。例えば、第１の導波管２１０は中空の構造体を含むことができ、該中空構造体は、その内壁に反射させることによって導波管の長さを伝搬する電磁波をＴＥ（ｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モード又はＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ）モードで送出するような寸法にされる。別の実施形態では、第１の導波管２１０は、ＴＥＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ）モード伝搬を可能にする同軸構成を有することができる。導波管２１０のサイズ及び構成は、設計上の選択肢の事柄として変えることができる。例えば、第１の導波管２１０は、実際には、複数の結合された導波管を含むことができる。
【００２８】
第１の導波管２１０は、環状マニホルド導波管２２０に結合される。環状マニホルド導波管２２０は、ＴＥモード、ＴＭモード、又は他の好適な伝搬モードで高周波電磁放射を送出するよう構成された何れかの好適な導波管とすることができる。例えば、環状マニホルド導波管２２０は、電磁放射のＴＥモード又はＴＭモード伝搬を可能にするような寸法にされた中空構造体とすることができる。環状マニホルド導波管２２０は、図１において、全体的に燃焼器１００の一部を囲むリング形状を有するように示されている。しかしながら、環状マニホルド導波管２２０は、このようなリング形状に限定されず、矩形、多角形、又は全体的に燃焼器１００を囲むことができる他の好適な形状など、他の形状を含むことができる。
【００２９】
環状マニホルド導波管２２０は、完全なリングを形成する又は燃焼器１００を完全に囲む必要はない。実際に、環状マニホルド導波管２２０は、要求通りに部分的な環状断面又は複数の部分的に環状断面を含むことができる。例えば、環状マニホルド導波管２２０は、本開示の範囲から逸脱することなく、燃焼器１００の外周の約１０％、約２０％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、約１００％、又は他の何れかの割合を囲む半円形導波管を含むことができる。
【００３０】
環状マニホルド導波管２２０は全体的に、燃焼器内部１１２に電磁放射を伝送する複数の場所を提供するように燃焼器１００を囲む。詳細には、少なくとも１つの分岐導波管２３０は、環状マニホルド導波管２２０に結合されてここから延びる。環状マニホルド導波管２２０と同様に、分岐導波管２３０は、ＴＥモード、ＴＭモード、又は他の好適な伝搬モードで高周波電磁放射を送出するよう構成された中空構造体とすることができる。図１に描かれた分岐導波管２３０は、導波管の内壁に反射させることによって電磁波がＴＥモード又はＴＭモードで分岐導波管２３０の長さを伝搬する中空構造体である。
【００３１】
分岐導波管２３０は、電磁放射を電磁放射出口２３２に送出する。電磁放射出口２３２は、電磁放射を燃焼器内部１１２に配向するスロットアンテナ又は他の好適な出口とすることができる。図３は、電磁放射出口２３２の１つの例示的な実施形態を示す。図３に示すように、電磁放射出口２３２は、一般に、燃焼器内部１１２への電磁放射の誘導結合を改善するベルマウス２３４を含むことができる。加えて、電磁放射出口２３２は、ベルマウス２３４内に挿入された誘電材料２３８のプラグ２３６を含むことができる。誘電材料２３８は、汚染又は他の有害な作用を防ぐために、電磁放射出口２３２、分岐導波管２３０、及び環状マニホルド導波管２２０の内部のシールを提供することができる。
【００３２】
図１を再度参照すると、電磁放射出口２３２は、燃焼器壁１１０内に設けられた開口１１５に隣接して位置付けられる。燃焼器壁１１０内の開口１１５は、電磁放射の印加を周辺燃料ノズル１２４に隣接した燃焼器内部１１２の領域に集中させるため、周辺燃料ノズル１２４に隣接して位置付けられる。電磁放射出口２３２と同様に、開口１１５は、燃焼器内部１１２を外部環境からシールされた状態にするために誘電材料のプラグ又はキャップを同様に含むことができる。
【００３３】
燃焼器壁１１０は、複数の開口１１５を含むことができる。各開口１１５は、周辺燃料ノズル１２２、１２４、及び１２６の１つに近接するなど、周辺燃料ノズルに近接して位置付けることができる。本開示の特定の実施形態によれば、複数の分岐導波管２３０は、環状マニホルド導波管２２０から延び、各分岐導波管２３０の端部に配置された電磁放射出口２３２が複数の開口１１５の各々に隣接して位置付けられるようにすることができる。このようにして、環状マニホルド導波管２２０は、燃焼器１００の構造に対する修正を最小限にして、燃焼器内部１１２の複数の領域に電磁放射を同時に送出することができる。
【００３４】
ここで図２に関して、図１に描かれた例示的な実施形態の動作を詳細に検討する。図示のように、環状マニホルド導波管２２０は、燃焼器１００の一部を囲み、環状マニホルド導波管２２０に結合され且つこれから延びる複数の分岐導波管２３０を含むことができる。分岐導波管２３０は、燃焼器１００の燃焼器壁１１０と外側シェル１３０との間に定められるクリアランス内に配置される。このようにして、分岐導波管２３０は、視界から遮断され、損傷から保護することができる。各分岐導波管２３０は、周辺燃料ノズル１２２及び１２４など、周辺燃料ノズルの１つに隣接した燃焼器内部１１２に電磁放射を送出するよう位置付けられた電磁放射出口２３２を含む。詳細には、各電磁放射出口２３２は、燃焼器壁１１０に定められた開口１１５に隣接して位置付けられ、各開口１１５は、周辺燃料ノズルの１つに近接して位置付けられる。
【００３５】
本開示の実施形態によれば、高周波電磁放射は、電磁放射源から環状マニホルド導波管２２０に送出される。電磁放射は、環状マニホルド導波管２２０の周りを進み、分岐導波管２３０に分割される。次いで、電磁放射は、電磁放射出口２３２から燃焼器壁１１０の開口１１５を通って燃焼器内部１１２に送給される。
【００３６】
環状マニホルド導波管２２０は、燃焼器１００の不焼成燃料ノズル又は不燃ゾーンに隣接したような、燃焼器内部の低温領域に電磁放射を集中させることができる。例えば、図２では、燃料ノズル１２０及び１２２が燃焼され、火炎ゾーン２５０及び２５２をそれぞれ生成している。燃料ノズル１２４は、不焼成のままであり、燃焼器内部１１２の低温領域をもたらし、未燃ＣＯ及びＵＨＣを生じさせる可能性がある。
【００３７】
未燃ＣＯ及びＵＨＣに対処するために、高周波電磁放射は、環状マニホルド導波管２２０から燃焼器内部１１２に送出される。火炎ゾーン２５２は、符号２６２で示されるように、周辺燃料ノズル１２２に隣接する電磁放射出口２３２から送出される電磁放射を遮断する。しかしながら、不焼成燃料ノズル１２４に隣接して送出される電磁放射を遮断するための火炎ゾーンは存在しない。次いで、電磁放射は、環状マニホルド導波管２２０を通って再分配され、不焼成燃料ノズル１２４に近接する領域に送出される。以下でより詳細に検討するように、電磁放射は、不焼成燃料ノズル１２４に隣接する領域においてプラズマストリーマ２６０の交錯を生成する。プラズマストリーマ２６０の交錯は、燃焼器内部１１２の低温領域における未燃ＣＯ及びＵＨＣのアフターバーニングに対応するためのラジカルを生成する。
【００３８】
ここで図４を参照し、燃焼器内部１１２の低温領域におけるプラズマストリーマ２６０の交錯の発生を詳細に検討する。図４は、燃焼器１００の一部の断面図を示す。高周波電磁放射２４０は、環状マニホルド導波管２２０、分岐導波管２３０、及び電磁放射出口２３２から燃焼器内部１１２に送出される。電磁放射２４０は、不焼成周辺燃料ノズルに近接して位置付けられた開口１１５を通って送出される。
【００３９】
温度曲線３１０、ガス絶縁破壊強度曲線３２０、及び誘導電磁放射強度曲線３３０をガスタービンの位置の関数として示すために、燃焼器内部１１２上にグラフが重畳されている。温度曲線３１０は、ガスタービン内部温度が最低で約５５０Ｋから最高で約１８００Ｋまで変わることができることを示している。未燃燃料ノズルに隣接する領域は、約５５０Ｋに近い温度を有し、燃焼器内部１１２の低温領域と考えることができる。
【００４０】
曲線３２０で示されるように、ガス絶縁破壊強度は、燃焼器内部１１２の温度が低温領域から高温領域に移るにつれて低下する。低温領域におけるガスの絶縁破壊及びガスの燃焼に対応するために、低温領域のガスタービン内部１１２に追加のエネルギーを提供しなければならない。電磁放射強度曲線３３０は、燃焼器内部の誘導電界強度を表す。電磁放射強度がガスの絶縁破壊強度を超える点３４０では、電気絶縁破壊が生じ、プラズマストリーマが形成されることになる。電磁放射によって生成される振動電磁場内で移動するプラズマストリーマは、プラズマストリーマの交錯を形成する。プラズマストリーマの交錯は、燃焼器内部１１２の低温領域におけるＣＯ及びＵＨＣのアフターバーニングに対応するための電子及び紫外線放出の生成並びにラジカルの生成をもたらすことになる。
【００４１】
ガスダイナミック及び燃焼プロセスは極めて緩慢とすることができるので、図１の電磁放射源２００は、電磁放射源２００の作動に必要な出力を低減するためにパルス方式で作動することができる。例えば、特定の実施形態において、電磁放射源から送出される磁気信号は、搬送波周波数が約１ＧＨｚから約３０ＧＨｚ（約８ＧＨｚから約１２ＧＨｚなど）、パルス周波数が約５ＫＨｚから約５０ＫＨｚ（約１０ＫＨｚから約３０ＫＨｚなど）、出力が約６０ｋＷから約１００ｋＷを有することができる。
【００４２】
この特定の実施形態において、第１の導波管２１０、環状マニホルド導波管２２０、及び分岐導波管２３０は、電磁放射を燃焼器内部１１２に送出するために約１０ｍｍから約２４ｍｍまでの矩形管を含むことができる。電磁放射は、第１の導波管２１０、環状マニホルド導波管２２０、及び分岐導波管２３０を通ってＴＥモード又はＴＭモードで伝搬し、約８００ｋＶ／ｍから約９００ｋＶ／ｍの電界強度を提供することができる。
【００４３】
図５及び図６は、本開示の例示的な実施形態による、電磁放射を燃焼器に送出するための装置の変形形態の断面図を示している。この例示的な実施形態において、燃料ノズル自体は、電磁放射を燃焼器内部に送出するための導波管を含む。燃料ノズルが燃焼された場合、燃焼ゾーンは、燃焼器内部への電磁放射の送出を遮断する。燃料ゾーンが不焼成の場合、電磁放射は、不焼成燃料ノズルに隣接する燃焼器内部の領域に提供されることになる。上記で検討したように、これは、不焼成燃料ノズルに隣接する領域において、未燃ＣＯ及びＵＨＣのアフターバーニングに対応する。この例示的な実施形態は、１つの例示的な燃料ノズルを参照して以下で検討するが、当業者であれば、本装置は、要求に応じて１つの燃焼器に対する１つ又はそれ以上の燃料ノズルにおいて実施することができる点は理解されたい。
【００４４】
図５は、燃焼器６１０の燃焼器内部６１５に燃料を供給する例示的な燃料ノズル６２０を示している。空気燃料混合気は、流れ矢印５３０で示すように燃料ノズル６２０から燃焼器内部６１５に提供される。空気燃料混合気が燃焼器内部６１５にて点火され、高温・高圧・高速の燃焼ガスを発生する。
【００４５】
電磁放射源５００は、燃焼器６１０に対して高周波電磁エネルギーを発生させるのに使用される。電磁放射源５００は、有害な加熱作用を回避するために燃焼器６１０から離間して配置されるのが好ましい。特定の実施形態において、電磁放射源５００は、マイクロ波エネルギーを発生するよう構成されたマグネトロンを含む。しかしながら、本開示の範囲から逸脱することなく他の好適な高周波電磁放射源を用いてもよい。特定のタイプの電磁放射源５００は、燃焼器６００に提供される高周波エネルギー信号の特定の用途及びタイプに基づいて決定することができる。例えば、電磁放射源５００は、パルス電磁放射信号を燃焼器６１０に提供するよう構成することができる。
【００４６】
第１の導波管５１０は、電磁放射源５００から電磁放射を提供するのに使用される。第１の導波管５１０は、電磁放射源から提供される電磁放射を案内するための何れかのタイプの構造体とすることができる。例えば、第１の導波管５１０は、中空の矩形構造体とすることができ、該構造体は、中空構造体の壁の反射によってＴＥモード又はＴＥＭモードで第１の導波管５１０の長さを伝搬する電磁波を送出するような寸法にされる。別の実施形態では、第１の導波管５１０は、ＴＥＭ伝搬を可能にするような同軸構成を有することができる。導波管５１０のサイズ及び構成は、設計上の選択肢の事柄として変えることができる。例えば、第１の導波管５１０は、実際には、複数の結合された導波管を含むことができる。
【００４７】
第１の導波管５１０は、導体５１２を通って燃料ノズル６２０内部に装着された第２の導波管に結合される。第２の導波管は、燃料ノズル６２０内に装着された第１の管構造体５２０を含むことができる。導体５１２は、第１の導波管５１０から第２の導波管に電磁放射を提供するのに使用される。例えば、特定の実施形態において、導体５１２は、第１の導波管５１０内に定められる第１の波腹と、第２の導波管の第１の管構造体５２０内に定められる第２の波腹とに結合することができる。導体５１２は、第１の管構造体５２０の壁に設けられた孔を通って該第１の管構造体５２０に提供することができる。第１の管構造体５２０の壁に設けられた孔に誘電キャップ５１５を備え、第１の管構造体を外部環境からシールすることができる。
【００４８】
第２の導波管は、燃料ノズル６２０内部に装着された第１の管構造体５２０を含む。第１の管構造体５２０は、第１の管構造体５２０と燃焼器内部６１５との間の誘導結合を改善するベルマウス５２５を含むことができる。第２の管構造体５２２は、第１の管構造体５２０内に配置される。第２の管構造体５２２は、中空であるように構成することができ、或いは、中実部品であってもよい。第１の管構造体５２０と第２の管構造体５２２との間にクリアランス５２４が定められる。特定の実施形態において、燃料は、流れ矢印５３２で示すようにクリアランス５２４を通って燃焼器内部６１５に供給することができる。
【００４９】
第１の管構造体５２０及び第２の管構造体５２２は、電磁放射を燃焼器内部６１５に送給するための同軸導波管を定める。電磁放射は、第１の管構造体５２０及び第２の管構造体５２２の間に定められるクリアランス５２４に沿ってＴＥＭモードで伝搬する。上記で詳細に検討したように、電磁放射は、プラズマストリーマの交錯を発生し、自由電子及び紫外線放射を生成する。これは、燃焼器における未燃ＣＯ及びＵＨＣのアフターバーニングに対応するラジカルの生成をもたらす。
【００５０】
図６には、この例示的な実施形態の別の実施例が示されている。図６では、燃料ノズル内に配置された単一の管構造体５２０が、第２の導波管として使用される。この単一の管構造体５２０は、燃焼器内部６１５との誘導結合を改善するためのベルマウス５２５を含むことができる。加えて、単一の管構造体５２０は、流れ矢印５３２で示すように、燃料を燃焼器内部６１５に供給するよう構成することができる。電磁放射は、管構造体５２０の内部壁に反射することによって管構造体５２０に沿ってＴＥモード又はＴＭモードの何れかで伝搬することができる。このようにして、図６の単一の管構造体５２０は、燃焼器内部６１５の低温領域になど、燃焼器６１０の内部６１５に電磁放射を提供することができる。
【００５１】
当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく本明細書で開示される例示的な実施形態に対して変形及び修正を行うことができる点は容易に理解されるであろう。１つの実施形態に関して説明された特徴を別の実施形態に関して説明された特徴と組み合わせて、異なる実施形態を更にもたらすことができる。例えば、本明細書で開示される環状マニホルド導波管の実施形態を本明細書で開示される燃料ノズル導波管の実施形態と組み合わせて、燃焼プロセス中に燃焼器に電磁放射を提供してもよい。
【００５２】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００５３】
１００  燃焼器
１１０  燃焼器壁
１１２  燃焼器内部
１１５  開口
１２０  中央燃料ノズル
１２２  周辺燃料ノズル
１２４  周辺燃料ノズル
１２６  周辺燃料ノズル
１３０  外側シェル
２００  電磁放射源
２１０  第１の導波管
２２０  環状マニホルド導波管
２３０  分岐導波管
２３２  電磁放射出口
２３４  ベルマウス
２３６  プラグ
２３８  誘電材料
２４０  電磁エネルギー
２５０  火炎ゾーン
２５２  火炎ゾーン
２６０  プラズマストリーマ
２６２  点
３１０  温度曲線
３２０  ガス絶縁破壊強度曲線
３３０  電磁エネルギー強度曲線
３４０  点
５００  電磁放射源
５１０  第１の導波管
５１２  導体
５１５  接続部
５２０  第１の管構造体
５２２  第２の管構造体
５２４  クリアランス
５２５  ベルマウス
５３０  流れ矢印
５３２  流れ矢印
６１０  燃焼器
６１５  燃焼器内部
６２０  燃料ノズル
【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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