(57)【要約】  燃焼プロセスを安定させるため再循環域を形成する中心ブラフ体付き火炎ホルダを使用する、ガスタービン燃焼器用バーナが開示される。バーナは他の要素と共に円筒状主バーナ本体と火炎ホルダとを備える。火炎ホルダは燃料−空気混合室内に配置され、ベース部と細長いブラフ体とを備える。このベース部はある支持方法でバーナの主バーナ本体と係合し、細長いブラフ体は燃焼点火点を位置決めするためベース部から内部混合室を貫いて軸方向下流方向に延びる。代表的実施例では、バーナはさらに主バーナ本体の下流端部に隣接して配置される耐火要素を備える。この耐火要素は内部再循環室とバーナ出口とを画成する。内部再循環室は燃焼を安定させるのを助けるために混合室から流れる予燃焼ガスを受け入れ、燃焼生成物ガスの一部を上流方向に再循環するため適応させる。
2007504429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）  軸方向に対置される上流端部と下流端部とを有し、それぞれ燃料と空気とを混合室に供給するため適応させる、少なくとも１個の燃料入口通路と、少なくとも１個の空気入口通路とを備える円筒状主バーナ本体と、
ここで前記混合室は前記主バーナ本体の前記下流端部に形成され、前記混合室に供給される燃料と空気とを旋回させ、混合するように構成されており、
ｂ）  前記混合室内に配置され、前記主バーナ本体と係合するベース部と、燃焼点火点の位置を前記混合室の下流に調節するため前記ベース部から前記混合室を貫いて軸方向下流方向に延びる、細長いブラフ体とを備える火炎ホルダと
を備えるガスタービン燃焼器用バーナ。
【請求項２】
前記主バーナ本体の前記下流端部に隣接して配置される耐火要素を備え、前記耐火要素が内部再循環室とバーナ出口とを画成しており、前記内部再循環室が前記混合室から流れる予燃焼ガスを受け入れ、燃焼を安定させるのを助けるため上流方向に燃焼生成物の一部を再循環するように適応される請求項１記載のバーナ。
【請求項３】
前記火炎ホルダの前記ブラフ体が前記混合室の軸方向中心に位置決めされる請求項１記載のバーナ。
【請求項４】
前記ブラフ体がテーパ状領域を有する請求項１記載のバーナ。
【請求項５】
前記ブラフ体が半径方向に拡大した先端領域を有する請求項１記載のバーナ。
【請求項６】
前記火炎ホルダが約０．６よりも大きい旋回数を達成するため適応させる軸方向長さを有する請求項１記載のバーナ。
【請求項７】
前記少なくとも１個の空気入口が半径方向内側方向に形成される請求項１記載のバーナ。
【請求項８】
燃料が軸方向から前記主バーナ本体の前記混合室に流入する請求項１記載のバーナ。
【請求項９】
前記主バーナ本体に形成される前記少なくとも１個の燃料入口通路が燃料に角運動量を与えるら旋状部を備える請求項１記載のバーナ。
【請求項１０】
前記ブラフ体がその外面に形成される軸方向に延びる複数の溝を有する請求項１記載のバーナ。
【請求項１１】
ａ）  軸方向に対置される上流端部と下流端部とを有し、それぞれ燃料と空気とを混合室に供給するため適応させる、少なくとも１個の燃料入口通路と、少なくとも１個の空気入口通路とを備える円筒状主バーナ本体と、
ここで前記混合室は前記主バーナ本体の前記下流端部に形成され、前記混合室に供給される燃料と空気とを旋回させ、混合するように構成されており、
ｂ）  前記混合室内に配置され、前記主バーナ本体と係合するベース部と、燃焼点火点の位置を前記混合室の下流に調節するため前記ベース部から前記混合室を貫いて軸方向下流方向に延びる、細長いブラフ体とを備える火炎ホルダと
ｃ）  前記主バーナ本体の前記下流端部に隣接して配置される耐火要素と、
ここで前記耐火要素は内部再循環室とバーナ出口とを画成しており、前記内部再循環室が前記混合室から流れる予燃焼ガスを受け入れ、燃焼を安定させるのを助けるため上流方向に燃焼生成物の一部を再循環するように適応されており
を備えるガスタービン燃焼器用バーナ。
【請求項１２】
前記火炎ホルダの前記ブラフ体が前記混合室の軸方向中心に位置決めされる請求項１１記載のバーナ。
【請求項１３】
前記ブラフ体がテーパ状領域を有する請求項１１記載のバーナ。
【請求項１４】
前記ブラフ体が半径方向に拡大した先端領域を有する請求項１１記載のバーナ。
【請求項１５】
前記火炎ホルダが約０．６から約２．０の範囲にわたる旋回数を持つ主再循環を固定するため適応させる軸方向長さを有する請求項１１記載のバーナ。
【請求項１６】
前記少なくとも１個の空気入口が半径方向内側方向に形成される請求項１１記載のバーナ。
【請求項１７】
燃料が軸方向から前記主バーナ本体の前記混合室に流入する請求項１１記載のバーナ。
【請求項１８】
前記主バーナ本体に形成される前記少なくとも１個の燃料入口通路が燃料に角運動量を与えるら旋状部を備える請求項１１記載のバーナ。
【請求項１９】
前記ブラフ体がその外面に形成される軸方向に延びる複数の溝を有する請求項１１記載のバーナ。
【請求項２０】
ａ）  軸方向に対置される上流端部と下流端部とを有し、それぞれ燃料と空気とを混合室に供給するため適応させる、少なくとも１個の燃料入口通路と、少なくとも１個の空気入口通路とを備える円筒状主バーナ本体と、
ここで前記混合室は前記主バーナ本体の前記下流端部に形成され、前記混合室に供給される燃料と空気とを旋回させ、混合するように構成されており、
ｂ）  前記混合室内に配置され、燃焼点火点の位置を前記混合室の下流に調節する手段と
を備えるガスタービン燃焼器用バーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン・エンジン用バーナに係り、特にエンジン燃焼を安定させるために適用されるバーナに関する。さらに、本発明は燃焼プロセスを安定させるため中心ブラフ体付き火炎ホルダと組み合わせる耐火要素を使用するバーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは電力発生装置、軍用、商用航空機、パイプライン輸送および船舶輸送を含む、多様な用途で使用されている。ガスタービン・エンジンでは燃料と空気とが混合されるバーナ室に供給され、火炎を用いて点火され、これにより、燃焼が始まる。幾つかの主要な技術的問題がガスタービン・エンジンの燃焼プロセスと関わりを持つ。これらの問題は、たとえばバーナ／燃焼器の熱効率、燃料と空気との適正な混合、火炎の安定性、振動および燃焼音の除去、汚染排出物質、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）の抑制を含む。火炎安定とは、とりわけ脈動を除去し、燃焼音を減少させるためバーナ内における火炎温度と火炎強度とを固定することを称する。
【０００３】
ガスタービン・エンジンの安定燃焼には燃焼プロセスを促進するため上流に戻すべく火炎点火点まで輸送する、燃焼生成物、すなわち熱とラジカルとの周期的過程を必要とする。
【０００４】
現在火炎安定性を向上するため燃料−空気混合気に旋回空気を供給し、あるいは燃料−空気混合気に旋回を与え、これにより燃焼プロセスを安定させることは知られている。旋回安定燃焼は熱とラジカルとを上流の未燃焼燃料−空気混合気に戻すべく還流する、バーナ中心周りに逆向きの流れを発生して燃焼を促進する。
【０００５】
モンローらに付与された米国特許第5,131,334号明細書および第5,415,114号明細書は燃料−空気混合気に旋回作用を与える火炎安定装置を備える石炭点火バーナを開示する。開示される火炎安定装置は中心燃料供給管の真上に位置決めされるリング部材に装着された間隔をおいて放射状に並ぶ複数のベーン要素を備える。各ベーンは燃料供給管の下流端に旋回空気を供給するように形づくられ、それぞれ配置される。
【０００６】
明細書の開示が参照してここにその全体を取り入れる、サミュエルソンに付与された米国特許第5,477,685号明細書はガスタービン燃焼器用旋回安定希薄燃焼噴射器を開示する。例示的実施例では、燃料−空気混合気が半径方向に向く複数の出口ポートを通って中心に位置決めされたノズルから流出する。空気スワーラーと耐火要素とが再循環流を促進するためサミュエルソン噴射器の下流端部に取り付けられる。ノズルから半径方向に流出する燃料−空気混合気は空気スワーラーによってら旋径路を流出し、噴射器を軸方向に流動する空気と合流する。耐火要素は再循環高温燃焼生成物の流動形態を強め、改良するためこれまで工業用ボイラおよび工業用炉で使用している装置である。
【０００７】
上述の開示された手段のように、旋回安定燃焼に利用する従来のバーナは、図１に示されるように、中心線周りに再循環流を発生させるのに十分である、旋回強さを備えねばならない。先に述べたように、旋回安定燃焼では、燃焼プロセスで発生した熱とラジカルとを未反応燃料−空気混合気と混合し、燃焼を開始させるために再循環域の上流にかけて輸送したとき、燃焼が安定する。安定燃焼はこれらの上流に戻す高温燃焼生成物の再循環に多くを依存する。その上さらに、再循環燃焼生成物の速度が上昇したとき、上流での燃焼生成物の熱流束と化学的活性程度が増し、燃焼プロセスが運転条件の広い範囲にわたりより安定する傾向がある。
【０００８】
旋回強さは再循環域の寸法と、高温燃焼生成物の状態と、強さとに強く左右される。この旋回強さは角運動量の軸方向熱流束と軸方向運動量の軸方向熱流束との比として規定される、無次元数で評価される。一般に、再循環域は旋回数が０．４よりも小さいと発生しない。旋回数が増加したとき、これは前部よどみ点の全圧を減少させる。前部よどみ点とは中心線に沿う燃焼生成物の上流への流れがバーナ入口から下流に向かう空気の軸方向流れと一つになる、そこで全ての流体の速度が零になる、図１に示される点のことである。典型的には、約０．６よりも大きい旋回数は前部よどみ点に低圧域を発生する。この低圧域によりバーナ内の圧力がより高くなる、バーナ下流端部から圧力が低下する、前部よどみ点にかけて上流に向かって燃焼生成物を流動させることができる。これが主再循環域（図１参照）を形成する機構である。
【０００９】
旋回数（Ｓn）を増加することは前部よどみ点の圧力を下げることにつながり、中心線に近い再循環流の速度を上昇する。この上流に向かう燃焼生成物の流れが速くなると、強力な燃焼を開始する前部よどみ点にある高温ガスの熱流束と活性状態の化学種とを増大させることになる。旋回数が低い値（すなわち、０．４＜Ｓn＜０．６）になったとき、前部よどみ点の圧力は再循環域の後部よどみ点の圧力よりも僅かだけ低くなる。結果として、上流に輸送される高温ガスの熱流束と活性状態の燃焼生成物とは低いレベルになり、特に燃焼が希薄状態にあるとき、燃焼が不安定に陥る。
【００１０】
この旋回数は再循環域に別の影響を及ぼす。たとえば、Ｓnを大きくすると、前部よどみ点の圧力が下がって後部よどみ点を上流側に吸い寄せ、再循環域長さをより短くする。加えて、Ｓnが大きくなったとき、同様に周方向の力が大きくなることから、再循環域の直径は同様に大きくなる。
【００１１】
耐火要素は旋回数の大きさから再循環域の長さと直径とが影響を受ける度合いを下げる、工業用ボイラおよび工業用炉で使用される、装置である。耐火要素によりＳnを大きくすることなく、再循環域の直径が耐火要素出口の直径まで膨張させることが可能になる。その上さらに、耐火要素を使用するとき、再循環域の長さは旋回数の大きさから受ける影響をより小さくし、耐火要素出口直径の約２倍から２．５倍の長さになることを保証する。
【００１２】
耐火要素により大きい直径を持つ再循環域を生じることなく、使用されるＳnについて大きい値とすることができる。しかしながら、耐火要素を使用するバーナでは、旋回強さが強まると、火炎が上流に向かってバーナ内側の深い位置に移動する傾向があり、バーナ構成部品に損傷が生じる。加えて、燃焼が初期的に化学量論上の希薄側にあるとき、火炎速度を速くする、より濃厚な混合気を生成することになる。この火炎速度の上昇により火炎が一段と上流に向かってバーナの深い位置に移動する。バーナ機器に損傷を与えるのに加えて、火炎がバーナの奥深くに移動すると、ＮＯｘ排出が増加する。
【００１３】
さらに、安定性の問題は、燃／空比が変わるとき、拡大の様相を呈する。希薄予混合燃焼が極めて希薄状態に陥ったとき、火炎速度は燃／空比の変化に敏感に反応する。火炎速度を連続的に変えることはしばしばバーナ内で火炎位置を移動することになり、燃焼に伴う圧力振動と燃焼音とを引き起こす。
【００１４】
燃焼不安定性はまた火炎がバーナ内側に移動し、さらにバーナの深い位置まで移動して燃／空比が濃厚になったときに発生する。濃厚な燃／空比は、典型的には旋回強さの減少によって反作用を伴う。しかしながら、これはバーナの内、外へ周期的に動く火炎の不安定な過程を生じさせる。しばしば起こるこの火炎の不安定によって非常に高圧の脈動が発生し、ＮＯｘ排出が増加する。この不安定性は、典型的には低周波数を持つ不安定性であり、一般には周波数は８０Ｈｚから１５０Ｈｚにわたる。この圧力脈動の大きさは１０，０００Ｐａ（０．１バール）を超え、ガスタービン・エンジンを破壊に導く。さらに、燃焼が濃厚状態になる、不安定な周期の一時期には大量のＮＯｘが生成される。
【００１５】
上述した点を考慮して、火炎安定性を向上し、圧力脈動、燃焼音およびＮＯｘ排出を減少する改良されたバーナについての要望がある。
【発明の開示】
【００１６】
本出願は燃焼プロセスを安定させるために中心ブラフ体付き火炎ホルダと耐火要素とを使用するガスタービン燃焼器用バーナに向けられる。このバーナは、とりわけ円筒状主バーナ本体と火炎ホルダとを備える。
【００１７】
主バーナ本体は軸方向に対置される上流端部と下流端部とを有し、本体内部に形成される少なくとも１個の燃料入口通路と、少なくとも１個の空気入口通路とを有する。それぞれ燃料と空気とを主バーナ本体の下流端部に形成される混合室に供給するため燃料入口通路と空気入口通路とが適応される。混合室はそこに供給される燃料と空気とを旋回させ、混合する、混合室内に形成される周方向に間隔をおいて並ぶ複数の面を有する。
【００１８】
火炎ホルダは混合室内に配置され、ベース部とブラフ体とを備える。このベース部はある支持方法でバーナの主バーナ本体と係合し、細長いブラフ体は燃焼点火点を内部混合室下流に位置決めするためベース部から内部混合室に貫いて軸方向下流方向に延びている。
【００１９】
バーナはさらに主バーナ本体の下流端部に隣接して配置される耐火要素を備える。この耐火要素は内部再循環室とバーナ出口とを画成する。内部再循環室は混合室から流れる予燃焼ガスを受け入れ、燃焼を安定させるのを助けるため上流方向に燃焼生成物ガスの一部を再循環するため適応させる。
【００２０】
本発明は火炎ホルダのブラフ体が混合室の中心に位置決めされ、テーパ状上流部と実質的に円筒状の先端領域とを備えることを予め見通す。理想的には、火炎ホルダは約０．６よりも大きいＳnを達成するため適応させる軸方向長さを有する。軸方向運動量と接線方向運動量との比である旋回数はバーナを通過する燃焼空気のうち、どれだけの量が回転し、バーナを流出する燃焼空気のうち、どれだけの量が軸方向流動条件であるかを規定する。旋回数の数学的定義はモンローに付与された米項特許第5,365,865号明細書に見出すことができる。明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。
【００２１】
代表的実施例では、少なくとも１個の空気入口通路が実質的に半径方向内側方向に向けて形成され、燃料が実質的に軸方向から主バーナ本体の混合室に流入する。理想的には、空気は空気入口通路の接線方向から半径方向内側方向に流入し、約０．６よりも大きいＳnを達成するため適応させる、バーナを通過する空気に旋回作用を与える。
【００２２】
当業者は本開示の進歩的様相が燃焼器または固体燃料バーナ、炉内燃料バーナのようないずれの種類のバーナにも適用できることを容易に理解する。
【００２３】
本発明のバーナの上述した特徴と他の特徴とは以下の好ましい実施例の詳細な説明から当業者に容易に明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
同様な参照符号が本発明の類似する構造様相と同一である、図面を参照すると、図２には符号１００で表わされるガスタービン用バーナが示される。このバーナ１００は燃焼プロセスを安定させるため中心ブラフ体付き火炎ホルダ２０と耐火要素８０とを使用する。バーナ１００は、とりわけ円筒状主バーナ本体５０と、火炎ホルダ２０と、耐火要素８０とを備える。主バーナ本体５０と火炎ホルダ２０とは従来方法で、すなわちしまり嵌めまたは機械的結合によって互いに取り付けられる。
【００２５】
主バーナ本体５０は軸方向に対置される上流端部５２と下流端部５４とを備える。主バーナ本体５０には軸方向に向けた複数の燃料入口通路５６と、半径方向に向けた複数の空気入口通路５８とが形成される。当業者は燃料入口通路５６および空気入口通路５８の位置、容量および方向が本開示の進歩的様相と例示のみを目的としてここに示した配置とから離れることなく、変更できることを容易に理解する。
【００２６】
燃料入口通路５６と空気入口通路５８とはそれぞれ燃料と空気とを主バーナ本体５０の下流端部５４に形成される混合室６０に供給するため適応される。混合室６０はそこに供給される燃料と空気とに旋回作用を与え、混合する、周方向に間隔をおいて並ぶ複数の面６２または混合室内に形成されるベーンを有する。
【００２７】
火炎ホルダ２０は混合室６０に配置され、ベース部２２と細長いブラフ体２４とを備える。このベース部２２はある支持方法でバーナ１００の主バーナ本体５０と係合し、細長いブラフ体２４は内部混合室下流の燃焼点火点または前部よどみ点（図３参照）を位置決めするためベース部から混合室を貫いて軸方向下流方向に延びている。細長いブラフ体２４はバーナ１００内部に生じさせる乱流の規模を定めるためブラフ体外面に形成される軸方向に延びる複数の溝２７を有する。
【００２８】
耐火要素８０は主バーナ本体５０の下流端部５４に隣接して配置される。この耐火要素８０は内部再循環室８２とバーナ出口８４とを画成する。内面８２ａで形成される内部再循環室８２は混合室６０から流れる予燃焼ガスを受け入れ、燃焼を安定させるのを助けるため上流方向に燃焼生成物ガスの一部を再循環するように適応される。開示された実施例では、内部再循環室８２は従来のヴェンチュリー形に形づくられる。しかしながら、混合室および再循環室の傾斜圧力分布を達成する、これ以外の形状も本発明は予め見通す。
【００２９】
火炎ホルダ２０のブラフ体２４は混合室６０の中心に位置決めされ、テーパ状上流部２６と、半径方向に拡大したヘッドを有する、下流ネック部２８とを備える。ネック部２８の形状は燃焼生成物の再循環と火炎の安定性とをさらに向上するため適応させる。火炎ホルダ２０の長さは約０．６を超え、約２．０を超えない旋回数を有する主再循環を固定するため選択される。上述したように、旋回数とはバーナを通過する旋回燃焼空気量と軸方向流動条件が成立するバーナを流出する燃焼空気量との比として定義される。
【００３０】
バーナ１００はより安定した周期的燃焼プロセスをつくり出し、希薄予混合燃焼を使用する、ガスタービン・エンジンが不安定燃焼で生じる失火や圧力脈動を引き起こす傾向を大きく減少する。中心ブラフ体付き火炎ホルダ２０と耐火要素８０とは、１）燃焼の開始される点が空間内で固定される、２）火炎がバーナ１００の混合室６０に向かって反対に動く不安定燃焼を伴わず、旋回速度をより速くできるという、２つの重要な効果がある。中心軸に置くブラフ体付き火炎ホルダ２０を用いて火炎を固定することにより燃／空比の自然な増減と旋回速度の変化とを火炎位置を変えずに生じさせることができる。この火炎のフラッシュ・バックを抑えて旋回強さを増強し、燃焼開始点を固定する能力によって燃焼プロセスをさらに安定させることができる。したがって、耐火要素８０とブラフ体付き火炎ホルダ２０とを用いることは従来のバーナと比べて旋回安定燃焼の安定性を基本的に変えることになる。
【００３１】
火炎ホルダ２０は火炎がバーナ１００の中心線上を混合室６０に向かって反対に動くのを物理的に防ぐ。混合室６０へ中心線上を火炎が反対に動くのを防ぐことにより燃料−空気混合気は接線方向旋回成分がより高くなる。この火炎のフラッシュ・バックを抑えて旋回強さを高めることで、耐火要素が上流に向かう高温ガスの再循環を増強するのを一段と効果的に行い、全燃焼プロセスをさらに安定させることが可能になる。上流に戻る熱量を増すことにより直線的に増す燃料−空気混合気を安定燃焼させることができる。これは、エンジン運転中、汚染物質の排出を低く保ちながら、運転での柔軟性と健全性とをさらに高める。
【００３２】
耐火要素８０は単独の旋回数がもたらす結果よりもさらに小さい再循環域を形成するために使用される。耐火要素８０は再循環域の直径を小さくし、長さを短く保ちながら、旋回数を大きくする。大きい旋回数は前部および後部よどみ点間に大きい圧力差を生じさせる。このとき生じる大きな圧力勾配によって燃焼が開始される前部よどみ点の中心線周りに流動する、活性状態の高温燃焼生成物の速度を速く、しかも熱流束を増大することができる。燃焼が開始する場所にある活性状態の高温燃焼生成物が有する大きい熱流束によって希薄燃料−空気混合気を安定燃焼させることができる。希薄燃料−空気混合気の安定燃焼はガスタービン・エンジンから排出される、亜酸化窒素、ＮＯ、ＮＯ2を低く保つために重要である。
【００３３】
高温燃焼ガスの化学的活性状態を保存するのを助ける小さい再循環域を保つことによって燃焼、特に、低ＮＯｘ（ＮＯおよびＮＯ2）エンジンでしばしば温度が１４２７°Ｃ（１７００°Ｆ）以下になる低温燃焼時にもより素早く、安定に燃焼を開始することができる。この活性状態の燃焼生成物の再循環中の滞留時間が極短いことは燃焼圧力の上昇、そして燃焼温度の降下に特に重要である。高圧が保たれるとき、燃焼を素早く開始させるのに有用であるラジカルとして知られた活性状態の化学種は高圧の影響下では素早く平衡レベルまで緩和する。平衡レベル以上であるラジカルの生命は圧力の上昇に従って一段と短くなる。これらの高い非平衡レベルのラジカルを有効に使用するのは低温条件ではラジカルの平衡レベルが低くなるので、低ＮＯｘエンジンのように燃焼温度が低くなるときにはさらに重要である。
【００３４】
ここで図３を参照すると、燃焼プロセスを維持するため燃焼生成物を上流に再循環する様子を表わす、旋回安定バーナ１００の断面図が示される。バーナ１００の上流端部と下流端部とはそれぞれ符号“Ｕ”と“Ｄ”とによって表わす。図に示されるように、燃焼生成物の流れは別々の領域、すなわち主再循環域９０と外再循環域９２とに分離される。
【００３５】
先に述べたように、上流に移動する燃焼生成物を生じるように燃料−空気混合気を旋回する過程は、一般には燃焼を安定させるため使用される。開示されるバーナ１００では、ブラフ体付き火炎ホルダ２０が主再循環域９０を固定位置に固定する。火炎前部または予混合流の燃焼点火点９４は熱とラジカルとを混合し、未反応予混合燃料−空気混合気の燃焼を開始する、主再循環域９０の外面に沿って現われる。この火炎は火炎ホルダ２０の先端部で燃え始め、円錐状に下流に膨張する。
【００３６】
バーナ１００は燃／空比が大きく変動するときも火炎ホルダ２０の先端２４に固定した火炎位置を維持する。希薄予混合燃焼が極めて希薄状態に陥ったとき、火炎速度は燃／空比に敏感に反応する。火炎速度の変動はしばしば燃焼圧力を振動させる火炎位置を移動させる。中心ブラフ体付き火炎ホルダ２０を用いて火炎を固定することで、火炎が移動するのを防ぐことができ、これにより、圧力振動を防ぐことが可能になる。
【００３７】
図４ａは火炎ホルダ２０に固定した円錐状火炎９８を表わすバーナ１００の断面図を示す。図４ｂないし図４ｄは中心ブラフ体付き火炎ホルダを持たないバーナ２００を描写する。バーナ２００では、旋回強さが強く、すなわち予混合燃／空比が濃厚であるとき、火炎２９８は、図４ｂに示されるように、バーナ内側の深い位置まで移動する傾向がある。燃焼が化学量論上の希薄側にあるとき、より濃厚な混合気が火炎速度を速くする。上昇した火炎速度によって火炎がさらに上流側に移動することが可能になる。旋回強さを増強することもまた同様に火炎がさらに上流側に移動する傾向を生じる。一般に、図４ｂに示されるように、火炎２９８をバーナ混合域２６０まで移動させるのは望ましくない。火炎がバーナ２００の深い位置に移動するのを調節できないとき、機器に損傷が生じ、ＮＯｘ排出が増加する。改良したバーナに中心ブラフ体付き火炎ホルダ２０を追加することにより再循環域９０の前部よどみ点９６を火炎ホルダ２０の先端部に固定することができ、主再循環域９０と火炎とが混合室６０側に移動するのを防ぐことが可能になる。この中心ブラフ体付き火炎ホルダ２０は旋回強さを得るために前部よどみ点９６をバーナ１００内側の深い位置に、または出口８４方向に、あるいはバーナ１００外側に水平に動かし、火炎ホルダ２０の先端部に前部よどみ点９６（図３参照）を固定する。中心ブラフ体付き火炎ホルダ２０は旋回強さを変えるときに連続的に移動するのではなく、唯一の固定位置に前部よどみ点９６と火炎１９８とを固定する。
【００３８】
中心ブラフ体付き火炎ホルダ２０には旋回数を目標値と等しくなるように増減し、前部よどみ点９６と火炎１９８とを火炎ホルダ２０に付けたままにする、最適な位置がある。仮に、旋回強さを連続的に減少するのであれば、火炎１９８が最終的に火炎ホルダ２０から飛び出し、下流方向にかなりの距離、すなわちバーナの出口８４の外に延びて安定するまで、火炎は火炎ホルダに付いたままになる。同じ最適旋回数および火炎ホルダ位置で燃焼を開始したとき、火炎位置が上流側に動き、主再循環域内側に火炎ホルダ２０の先端部を巻き込んである臨界的旋回強さになるまでは、旋回強さを増強しても、火炎位置には影響が及ばない。運転条件が旋回強さおよび燃／空比の双方にとって理に適う範囲に留まる限り、火炎位置は、エンジン運転条件が仮に変動したとしても、固定したままである。これらが有効である範囲はバーナ１００の実用的特性である、極めて広い範囲にわたることが実証されている。
【００３９】
火炎位置を移動することは極めて希薄状態で運転する燃焼システムにとって大きな問題である。図４ｃおよび図４ｄに示される火炎１９８は燃／空比が最も希薄であるか、および／または旋回強さが最も小さいときに発生する。燃焼が極めて希薄状態になったとき、旋回安定燃焼は非常に不安定な状態に陥る。しかしながら、ＮＯｘ排出を減少するのに最良の結果を得る方法は二価の窒素および酸素（Ｎ2およびＯ2）が分解し、ＮＯとＮＯ2とに再結合する温度以下に火炎温度を弱める、非常に希薄な燃焼状態にする必要がある。燃料−空気混合気が燃焼する前に２倍近い量の空気を燃料と混合したとき、余分な空気は燃焼プロセスで加熱されても、化学変化しない物質としての役割を果たす。燃焼プロセスで放出されるエネルギ量は十分か、またはより大量の空気が燃焼プロセスに供給される限り、燃焼する燃料だけによって決まる。燃焼に必要な量を超える空気は燃焼プロセスで放出されるエネルギ量に効果をもたらさないだけでなく、放出されるエネルギは一定したまま、結合した燃料−空気の質量が大きくなるので、火炎温度が低下し、燃焼生成物の温度も下げてしまう。この火炎温度の低下によりＮＯｘ（ＮＯおよびＮＯ2）の形成は少量に留まる。これは実質的に全ての低ＮＯｘガスタービン・エンジンが現時点で礎とすべき基本的考え方である。
【００４０】
上述したように、バーナ１００に中心ブラフ体付き火炎ホルダ２０を追加することで、混合室６０への火炎の逆流を伴わず旋回強さを増強することができる。旋回強さを強める能力によって上流に戻される高温燃焼生成物の量を増加することができる。この流量の増加した高温燃焼生成物により燃焼をより健全な状態にし、不安定に陥り易い傾向を解消する、熱とラジカルとをより多くすることができる。
【００４１】
仮に、火炎前部がバーナの外にある状態で燃焼が始まるとすれば、バーナ前後に生じる一定の圧力損失のためにバーナは最大流量に達する。何箇所かの火炎の揺らぎで火炎がバーナ内側に飛び移ったならば、燃焼プロセスで生じる熱が空気を膨張させ、バーナ出口から流出する空気の体積流量が増すためにバーナを通過する空気の質量流量が減少する。一定の圧力損失がもたらすこの体積流量の増加はバーナを通過する空気の質量流量をある値だけ減少させる。大部分のガスタービン・エンジンの場合、エンジンの出力等級に応じて６個から１００個のバーナが使用される。火炎が全部のバーナでなく、数個のバーナに飛び移ったとすれば、火炎が内側に付いたバーナがより濃厚な状態で燃焼する。これは全てのバーナには共通の燃料マニホールドから等しく同じ量の燃料を供給するためである。火炎が内側に付いたバーナはバーナ内側での燃焼の結果、体積流量の増加によって空気の質量流量が減少するために一段と濃厚になる。燃焼が部分的に希薄状態であるときの濃厚な燃焼は結果として火炎速度を上昇させることになる。この火炎速度の上昇により火炎はバーナのより深い位置に移動する。これは空気の体積流量を増加し、空気の質量流量をさらに減少させ、燃焼を一段と濃厚状態にする。いったんバーナ内側で燃え始めたとき、火炎が外に留まってバーナが休止することがある一方、火炎が内側に留まり、燃え続ける少数のバーナが発生する可能性もある。これはＮＯｘ排出を増加し、ガスタービン入口に流入する燃焼ガス中にホットスポットを発生する場合に一段と濃厚に燃焼するバーナに符合する状況が起こる。
【００４２】
バーナ内側での燃焼プロセスはまたバーナ内側に火炎を引き寄せる、それ以前のプロセスから逆の状態に陥り、旋回特性に対して悪影響を及ぼす。火炎がバーナ内側に引いたとき、空気の質量流量は減少する。スワーラーを通過する空気の密度は変わらず、速度が低下し、旋回強さが減少する。旋回強さの減少は主再循環域の前部よどみ点を下流方向に移動する傾向がある。燃焼プロセス自身は燃焼によって全ての方向に不均一に燃焼ガスを膨張させるので、旋回強さを減少させる傾向にある。不安定性は火炎がバーナ内側に移動し、バーナの深い位置まで移動して燃／空比がより濃厚になったときに発生する。火炎速度をより速くする、一段と濃厚な燃／空比による反作用は旋回強さを弱める。これはバーナの内、外へ周期的に動く火炎の不安定な過程を生じさせる。しばしば起こるこの火炎の不安定性によって非常に高圧の脈動が発生し、ＮＯｘ排出が増加する。この不安定性は、一般には８０Ｈｚから１５０Ｈｚにわたる低周波数を持つ周知の不安定性である。この圧力脈動の大きさは１０，０００Ｐａ（０．１バール）を超え、ガスタービン・エンジンを破壊に導く。燃焼が濃厚状態になる、不安定な周期の一時期には大量のＮＯｘが生成される。バーナの基部をなす耐火要素に適用する中心ブラフ体付き火炎ホルダ２０により火炎位置を旋回強さおよび燃／空比の変化には影響を受けず、火炎を火炎ホルダの先端部の固定位置に安定させることができる。これは火炎の移動から起こる圧力振動を取り除き、ＮＯｘ排出を抑制する。
【００４３】
本発明が好ましい実施例について説明されたが、当業者は添付の請求の範囲によって定義される本発明の本質と範囲とから離れることなく、多様な変更および／または変形をなし得ることを容易に理解する。
【００４４】
軸方向運動量と接線方向運動量との比である旋回数はバーナを通過する燃焼空気のうち、どれだけの量が回転し、バーナを流出する燃焼空気のうち、どれだけの量が軸方向流動条件であるかを規定する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
本発明が関係する当業者が本発明の装置をどのように製作し、使用するかを容易に理解できるように参照が図面に対してなされる。
【図１】図１は従来技術による旋回安定バーナの断面による斜視図である。
【図２】図２は中心ブラフ体付き火炎ホルダを備える本発明による旋回安定バーナの断面による斜視図である。
【図３】図３はバーナ内の旋回流と、中心ブラフ体付き火炎ホルダによる主再循環域の前部よどみ点および火炎前部の固定状態とを示す、図２に示されるバーナの断面図である。
【図４ａ】図４ａは中心ブラフ体付き火炎ホルダ上で安定した火炎を示す、本発明の好ましい実施例に従い構成されるバーナの断面図である。
【図４ｂ】図４ｂはフラッシュ・バック位置にある火炎を示す、中心ブラフ体付き火炎ホルダを使用しない従来技術によるバーナの断面図である。
【図４ｃ】図４ｃはバーナ出口に近いバーナの下流端部に位置決めされた火炎を示す、図４ｂに示されるバーナの断面図である。
【図４ｄ】図４ｄはバーナ出口の外に位置決めされた火炎を示す、図４ｂに示されるバーナの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【国際調査報告】
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