(57)【要約】  燃焼器組立部品は、壁を有する燃焼器、開口部を規定する隣接端部および前記隣接端部の反対側にある閉じた遠位端部を含む。マニホールドは隣接端部により支持される。マニホールドは、燃焼生成物出口を規定する。燃焼生成物出口は、閉じた遠位端部の一部と軸方向に一直線になる。隣接端部領域から閉じた遠位端部へと可燃性反応物質を燃焼器に導くよう、複数の可燃性反応物質ポートがマニホールドにより支持される。
2008502877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁、開口部を規定する隣接端部および前記隣接端部の反対側にある閉じた遠位端部を有する燃焼器と、
前記隣接端部に支持されるマニホールドで、燃焼生成物出口を規定する前記マニホールドと、
前記の閉じた遠位端部の一部と軸方向に一直線になった、前記燃焼生成物出口と、
前記隣接端部領域から前記の閉じた遠位端部に向けて前記燃焼器に可燃性反応物質を導くために前記マニホールドにより支持される、少なくとも第一の可燃性反応物質ポートとからなる燃焼器組立品。
【請求項２】
第二の可燃性反応物質ポートをさらに含み、第一および第二の可燃性反応物質ポートは少なくとも一つの燃料ポートと少なくとも一つの酸化剤ポートを含み、前記酸化剤ポートは中間の前記燃焼生成物出口と前記燃料ポートの間に配置されて酸化剤が可燃性反応物質から燃料を遮ることを可能にする、請求項１の燃焼器組立品。
【請求項３】
前記可燃性反応物質ポートが酸化剤を前記燃焼器に導くための第一のポート一式と燃料を前記燃焼器に導くための第二のポート一式を含む、請求項１の燃焼器組立品。
【請求項４】
前記の第一のポート一式および第二のポート一式が前記マニホールド内に交互に配置される、請求項３の燃焼器組立品。
【請求項５】
前記マニホールドが前記隣接端部内から受け取られる燃焼器接面を含み、前記の第一のポート一式および第二のポート一式が燃焼器接面全体に沿って交互に円周配置され、前記燃焼器の前記壁の近辺に配置され、前記隣接端部から前記燃焼器の前記遠位端部に向けて前記壁の内面に沿って可燃性反応物質が流入することを可能にする、請求項４の燃焼器組立品。
【請求項６】
酸化剤供給部材から酸化剤供給を受け入れるための燃焼器組立品であって、
外壁、開口部を規定する隣接端部および前記の隣接端部の反対側にある閉じた遠位端部を有する燃焼器と、
前記燃焼器の外壁を取り囲むスリーブと、
そのスリーブは前記燃焼器の外壁に沿って圧縮機から受け取られる酸化剤供給を導くための酸化剤供給路を規定する前記燃焼器の前記壁からオフセットされており、
前記の隣接端部領域から前記の閉じた遠位端部に向けて前記燃焼器に酸化剤供給を導くための前記酸化剤供給路と流動的につながっている酸化剤供給ポートと
を備えた燃焼器組立品。
【請求項７】
前記燃焼器の隣接端部によって支持されたマニホールドを含み、前記マニホールドが燃焼生成物出口を規定する環状構成を持ち、前記燃焼生成物出口が前記の閉じた遠位端部の一部分と軸方向に一直線になった、請求項６の燃焼器組立品。
【請求項８】
前記の隣接端部領域から前記の閉じた遠位端部に向けて前記燃焼器に可燃性反応物質を導くための前記マニホールドにより支持される複数の可燃性反応物質ポートをさらに含む、請求項７の燃焼器組立品。
【請求項９】
前記可燃性反応物質ポートが少なくとも一つの酸化剤ポートおよび燃料ポートを含む、請求項８の燃焼器組立品。
【請求項１０】
前記酸化剤ポートが中間の前記燃料ポートと前記燃焼生成物出口である、請求項９の燃焼器組立品。
【請求項１１】
可燃性反応物質ポートが、前記マニホールド内に交互に配置される第一の酸化剤ポート一式と第二の燃料ポート一式を含む、請求項１０の燃焼器組立品。
【請求項１２】
前記マニホールドが前記の隣接端部内から受け取られる燃焼器接面を含み、前記の第一および第二のポート一式が燃焼器接面全体に沿って交互に円周配置される、請求項１１の燃焼器組立品。
【請求項１３】
前記燃焼器が内外面を有する外壁と内外面を有する内壁を持った円環断面を持つ、請求項６の燃焼器組立品。
【請求項１４】
前記燃焼器の前記内外壁の内面に沿って前記の隣接端部から前記の閉じた遠位端部に燃料供給を導くための複数の燃料供給ポートをさらに含む、請求項１３の燃焼器組立品。
【請求項１５】
前記燃焼器の前記内外壁の内面に沿って流入する燃料の流れの近くにある前記隣接端部から前記の閉じた遠位端部に酸化剤供給を導くための複数の酸化剤供給ポートをさらに含む、請求項１４の燃焼器組立品。
【請求項１６】
前記内壁の外側表面から相殺される燃焼器内に受け取られる内側スリーブをさらに含み、前記内側スリーブと内壁が前記の外側表面を冷却するために前記内壁の外側表面に沿って圧縮機から酸化剤供給を導くための内側の酸化剤供給路を規定する、請求項１３の燃焼器組立品。
【請求項１７】
ガスタービンシステムであって、
圧縮空気を供給するための圧縮機と、
壁、開いた隣接端部および閉じた遠位端部を持つ燃焼器であって、開いた隣接端部は燃焼生成物端部を含むことと、
前記の隣接端部から閉じた遠位端部に可燃性反応物質を導くための複数の可燃性反応物質ポートを持つマニホールドと、
前記燃焼器から燃焼生成物を受け入れるタービンと、
前記タービンの方向を向くよう配置された前記燃焼器の前記の開いた隣接端部および、前記圧縮機の方向を向くよう配置された前記の閉じた遠位端部と
を備えたガスタービンシステム。
【請求項１８】
前記燃焼器を取り囲むスリーブをさらに含み、前記スリーブが、圧縮空気を前記圧縮機から受け取り、前記壁の外表面に沿って前記圧縮空気を前記燃焼器の前記の開いた隣接端部に導くための酸化剤供給路を規定する前記燃焼器壁からオフセットされている、請求項１７のガスタービンシステム。
【請求項１９】
前記マニホールドが前記隣接端部から前記の閉じた遠位端部に向けて前記燃焼器の前記壁の内面に沿って可燃性反応物質を導く環状部分を含む、請求項１７のガスタービンシステム。
【請求項２０】
前記燃焼器が前記タービンから前記圧縮機にわたる軸を受け入れるための軸路を規定する円環断面を持つ、請求項１７のガスタービンシステム。
【請求項２１】
ジェットエンジンシステムであって、
圧縮空気を供給するための圧縮機と、
壁、開いた隣接端部および閉じた遠位端部を持つ燃焼器であって、開いた隣接端部は燃焼生成物端部を含むことと、
前記の隣接端部から閉じた遠位端部に可燃性反応物質を導くための複数の可燃性反応物質ポートを持つマニホールドと、
前記燃焼器から燃焼生成物を受け入れるためのタービンと、
前記タービンの方向を向くよう配置された前記燃焼器の前記の開いた隣接端部および、前記圧縮機の方向を向くよう配置された前記の閉じた遠位端部と
を備えたジェットエンジンシステム。
【請求項２２】
前記燃焼器を取り囲むスリーブをさらに含み、前記スリーブが、圧縮空気を前記圧縮機から受け取り、前記壁の外表面に沿って前記圧縮空気を前記燃焼器の前記の開いた隣接端部に導く酸化剤供給路を規定する前記燃焼器壁からオフセットされている、請求項２１のジェットエンジンシステム。
【請求項２３】
前記マニホールドが前記隣接端部から前記閉じた遠位端部に向けて前記燃焼器の前記壁の内面に沿って可燃性反応物質を導く環状部分を含む、請求項２１のジェットエンジンシステム。
【請求項２４】
前記燃焼器が前記タービンから前記圧縮機にわたる軸を受け入れるための軸路を規定する円環断面を持つ、請求項２１のジェットエンジンシステム。
【請求項２５】
ボイラーシステムであって、
酸化剤を供給するための酸化剤供給部材と、
壁、開いた隣接端部および閉じた遠位端部を持つ燃焼器、および燃焼生成物端部を含む開いた隣接端部と、
前記隣接端部から閉じた遠位端部に可燃性反応物質を導くための複数の可燃性反応物質ポートを持つマニホールドと、
内側を持つボイラーと、
前記ボイラーの前記ボイラー内側とは反対側に位置する前記ボイラーの前記の閉じた遠位端部の前記内側を向くよう配置された前記燃焼器の前記の開いた隣接端部と
を備えたボイラーシステム。
【請求項２６】
反応物質の燃焼方法であって、
燃焼室を規定する隣接端部と閉じた遠位端部の近くに開口部を持つ容器を提供し、
可燃性反応物質の混合物を前記燃焼室に導入し、
前記可燃性反応物質の混合物を発火させて火炎および燃焼生成物を形成し、
前記燃焼室内で燃焼生成物の逆流を形成する前記燃焼室の前記開口部に向かって燃焼生成物を導くために、前記燃焼室の前記の閉じた端部を使用し、
前記火炎を維持するために、燃焼生成物の前記逆流を前記可燃性反応物質の混合物と混合させる方法。
【請求項２７】
前記容器が円筒型であり、前記開口部の面積が前記の閉じた遠位端部の面積とおよそ同じである、請求項２６の方法。
【請求項２８】
前記可燃性反応物質の流れと前記可燃性生成物の流れが前記遠位壁と相互に作用して、前記火炎を安定化させるために前記燃焼室内でよどみ領域を形成する、請求項２６の方法。
【請求項２９】
前記燃焼生成物が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項２６の方法。
【請求項３０】
前記燃焼生成物が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項２６の方法。
【請求項３１】
前記燃焼生成物が１ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項２６の方法。
【請求項３２】
前記可燃性反応物質の混合物が燃料成分および酸化剤成分を等量比０．６５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が３０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項２６の方法。
【請求項３３】
前記可燃性反応物質の混合物が燃料成分および酸化剤成分を等量比０．６以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項２６の方法。
【請求項３４】
前記可燃性反応物質の混合物が燃料成分および酸化剤成分を等量比０．５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項２６の方法。
【請求項３５】
前記可燃性反応物質の混合物が燃料成分および酸化剤成分を等量比０．８５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が１５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項２６の方法。
【請求項３６】
前記可燃性反応物質の混合物が燃料成分および酸化剤成分を等量比０．８以下で含み、前記燃焼過程の前記ＮＯｘ排出が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項２６の方法。
【請求項３７】
前記可燃性反応物質の混合物が燃料成分および酸化剤成分を等量比０．７５以下で含み、前記燃焼過程の前記ＮＯｘ排出が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項２６の方法。
【請求項３８】
前記可燃性反応物質の混合物がノズルから異なる割合で前記燃焼室に注入することができ、前記燃焼過程のターンダウン比が少なくとも１．５である、請求項２６の方法。
【請求項３９】
燃焼される前記可燃性反応物質の混合物に含まれる燃料容積あたりの前記燃焼室の大きさの前記関係が、ＮＯｘ排出が百万分の３０（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下で２０  ＭＷ／ｍ３以上の出力密度を確立する、請求項２６の方法。
【請求項４０】
燃焼される前記可燃性反応物質の混合物に含まれる燃料容積あたりの前記燃焼室規模の前記関係が、ＮＯｘ排出が百万分の１５（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下で２８  ＭＷ／ｍ３以上の出力密度を確立する、請求項２６の方法。
【請求項４１】
前記可燃性反応物質の混合物が非予混合状態での液体燃料成分を含む、請求項２６の方法。
【請求項４２】
前記可燃性反応物質の混合物が予混合状態での液体燃料成分を含む、請求項２６の方法。
【請求項４３】
前記可燃性反応物質の混合物が非予混合状態での気体燃料を含む、請求項２６の方法。
【請求項４４】
前記可燃性反応物質の混合物が予混合状態での気体燃料成分を含む、請求項２６の方法。
【請求項４５】
可燃性反応物質の燃焼方法であって、
燃焼室を規定する隣接端部と閉じた遠位端部の近くに開口部を持つ容器を提供し、
前記隣接端部から前記の閉じた遠位端部に、液体燃料の流れを前記燃焼室に導入し、
前記隣接端部から前記遠位端部に、液体燃料と区別できる酸化剤の流れを前記燃焼室に導入し、
前記液体燃焼および酸化剤を、可燃性反応物質の混合物を規定する前記燃焼室内で混合するのを可能にし、
可燃性反応物質の混合物を発火させて火炎および燃焼生成物を形成し、
前記可燃性反応物質の混合物および燃焼生成物の低速領域を確立し、
前記の閉じた遠位端部へ導かれることから前記の開いた隣接端部に向かって、燃焼性生物の流れを逆流させ、
前記火炎を維持するために、燃焼生成物の前記逆流を前記可燃性反応物質の混合物と混合させる方法。
【請求項４６】
前記可燃性反応物質の混合物の流れと前記可燃性生成物の流れが前記遠位壁と相互作用して、前記火炎を安定化させるために前記燃焼室内でよどみ領域を形成する、請求項４５の方法。
【請求項４７】
前記燃焼室が所定の長さを持ち、前記よどみ領域が前記遠位端部と前記所定の長さの中間点の間の位置に形成される、請求項４６の方法。
【請求項４８】
前記酸化剤および液体燃料の流れの間に第一のせん断層を、前記酸化剤の流れと燃焼生成物の流れの間に第二のせん断層をさらに形成して、前記燃焼生成物が前記液体燃料を発火できるようにする、請求項４５の方法。
【請求項４９】
前記燃焼生成物が３０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項４５の方法。
【請求項５０】
前記燃焼生成物が２０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項４５の方法。
【請求項５１】
前記燃焼生成物が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項４５の方法。
【請求項５２】
前記燃焼生成物が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項４５の方法。
【請求項５３】
前記燃焼生成物が１ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項４５の方法。
【請求項５４】
前記燃焼反応物質の混合物が液体燃料成分および酸化剤成分を等量比０．６５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が３０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項４５の方法。
【請求項５５】
前記燃焼反応物質の混合物が液体燃料成分および酸化剤成分を等量比０．６以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項４５の方法。
【請求項５６】
前記燃焼反応物質の混合物が液体燃料成分および酸化剤成分を等量比０．５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項４５の方法。
【請求項５７】
可燃性反応物質の燃焼方法であって、
燃焼室を規定する隣接端部と閉じた遠位端部の近くに開口部を持つ容器を提供し、
前記隣接端部から前記の閉じた遠位端部に向けて、気体燃料の流れを前記燃焼室に導入し、
前記隣接端部から前記遠位端部に、気体燃料と区別できる酸化剤の流れを前記燃焼室に導入し、
前記気体燃焼および酸化剤を可燃性反応物質の混合物を規定する前記燃焼室内で混合するのを可能にし、
可燃性反応物質の混合物を発火させて火炎および燃焼生成物を形成し、
前記可燃性反応物質の混合物および燃焼生成物の低速のよどみ領域を確立し、  前記の閉じた遠位端部へ導かれることから前記の開いた隣接端部に向かって、燃焼性生物の流れを逆流させ、
前記火炎を維持するために、燃焼生成物の前記逆流を前記可燃性反応物質の混合物と混合させる方法。
【請求項５８】
前記燃焼室が所定の長さを持ち、前記よどみ領域が前記遠位端部と前記の所定の長さの中間点との間の位置に形成される、請求項５７の方法。
【請求項５９】
前記酸化剤および気体燃料の流れの間に第一のせん断層を、前記酸化剤の流れと燃焼生成物の流れの間に第二のせん断層をさらに形成して、前記燃焼生成物が前記液体燃料を発火できるようにする、請求項５７の方法。
【請求項６０】
前記燃焼生成物が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項５７の方法。
【請求項６１】
前記燃焼生成物が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項５７の方法。
【請求項６２】
前記燃焼生成物が１ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項５７の方法。
【請求項６３】
前記可燃性反応物質の混合物が気体燃料成分および酸化剤成分を等量比０．８５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が３０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項５７の方法。
【請求項６４】
前記可燃性反応物質の混合物が気体燃料成分および酸化剤成分を等量比０．８以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項５７の方法。
【請求項６５】
前記可燃性反応物質の混合物が気体燃料成分および酸化剤成分を等量比０．７５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項５７の方法。
【請求項６６】
前記開口部が前記圧縮容器の前記隣接端部により規定される、請求項５７の方法。
【請求項６７】
可燃性反応物質の燃焼方法であって、
燃焼室を規定する隣接端部と閉じた遠位端部の近くに開口部を持つ容器を提供し、
可燃性反応物質の混合物を規定する予混合の液体燃料および酸化剤の流れを、前記隣接端部から前記遠位端部に向けて前記燃焼室に導入し、
可燃性反応物質の混合物を発火させて火炎および燃焼生成物を形成し、
前記可燃性反応物質の混合物および燃焼生成物の間に長い反応時間を提供する低速のよどみ領域を確立し、
前記の閉じた遠位端部へ導かれることから前記の開いた隣接端部に向かって、燃焼性生物の流れを逆流させ、
前記よどみ領域の近辺において前記火炎を維持するために、燃焼生成物の前記逆流を前記可燃性反応物質の混合物と混合させる方法。
【請求項６８】
前記燃焼室が所定の長さを持ち、前記よどみ領域が前記遠位端部と前記の所定の長さの中間点との間の位置に形成される、請求項６７の方法。
【請求項６９】
前記燃焼生成物が前記可燃性反応物質の混合物を発火できるようにする、前記可燃性反応物質の混合物の流れと燃焼生成物の間にせん断層を形成することをさらに含む、請求項６７の方法。
【請求項７０】
前記燃焼生成物が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項６７の方法。
【請求項７１】
前記燃焼生成物が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項６７の方法。
【請求項７２】
前記燃焼生成物が１ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項６７の方法。
【請求項７３】
前記可燃性反応物質の混合物が液体燃料成分および酸化剤成分を等量比０．６５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が３０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項６７の方法。
【請求項７４】
前記可燃性反応物質の混合物が液体燃料成分および酸化剤成分を等量比０．６以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項６７の方法。
【請求項７５】
前記可燃性反応物質の混合物が液体燃料成分および酸化剤成分を等量比０．５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項６７の方法。
【請求項７６】
前記開口部が前記圧縮容器の前記隣接端部により規定される、請求項６７の方法。
【請求項７７】
可燃性反応物質の燃焼方法であって、
燃焼室を規定する隣接端部と閉じた遠位端部の近くに開口部を持つ容器を提供し、
可燃性反応物質の混合物を規定する予混合の気体燃料および酸化剤の流れを、前記隣接端部から前記遠位端部に向けて前記燃焼室に導入し、
可燃性反応物質の混合物を発火させて火炎および燃焼生成物を形成し、
前記可燃性反応物質の混合物および燃焼生成物の低速のよどみ領域を確立し、
前記閉じた遠位端部へ導かれることから前記開いた隣接端部に向かって、燃焼性生物の流れを逆流させ、
前記火炎を維持するために、燃焼生成物の前記逆流を前記可燃性反応物質の混合物と混合させる方法。
【請求項７８】
前記燃焼室が所定の長さを持ち、前記よどみ領域が前記遠位端部と前記所定の長さの中間点の間の位置に形成される、請求項７７の方法。
【請求項７９】
前記燃焼生成物が前記燃料混合物を発火できるようにする、前記可燃性反応物質の混合物と前記燃焼生成物の間にせん断層を形成することをさらに含む、請求項７７の方法。
【請求項８０】
前記燃焼生成物が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項７７の方法。
【請求項８１】
前記燃焼生成物が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項７７の方法。
【請求項８２】
前記燃焼生成物が１ｐｐｍ（１５％  Ｏ２  乾燥に補正）以下のＮＯｘを含む、請求項７７の方法。
【請求項８３】
前記可燃性反応物質の混合物が気体成分および酸化剤成分を等量比０．８５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が３０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項７７の方法。
【請求項８４】
前記可燃性反応物質の混合物が気体成分および酸化剤成分を等量比０．８以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が１０ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項７７の方法。
【請求項８５】
前記可燃性反応物質の混合物が気体成分および酸化剤成分を等量比０．７５以下で含み、前記燃焼過程のＮＯｘ排出が５ｐｐｍ（１５％  Ｏ２乾燥に補正）以下である、請求項７７の方法。
【請求項８６】
可燃性反応物質の燃焼システムであって、
燃焼室を規定する所定の輪郭を持つ容器と、
隣接端部と閉じた遠位端部を持つ前記容器と、
前記隣接端部近くで規定される容器の排気口と、
可燃性反応物質の流れを前記燃焼室に分注するための前記の隣接端部近辺に配置される、可燃性反応物質と、
前記可燃性反応物質の流れに近接して酸化剤の流れを分配するための前記の可燃性反応物質ジェットに近接する、少なくとも一つの酸化剤ジェットと、
前記可燃性反応物質および燃焼用の酸化剤の両方を受け入れる前記燃焼室と、
前記可燃性反応物質および酸化剤の発火により形成される燃焼生成物の流れを前記排気口に導くよう適応された、前記可燃性反応物質の流れと前記酸化剤の流れと直角の壁を持つ、前記遠位端部と
を備えるシステム。
【請求項８７】
前記閉じた遠位壁が所定の表面積を持ち、前記燃焼器排気口が通常は前記の閉じた遠位壁と同じ大きさである、請求項８６のシステム。
【請求項８８】
前記可燃性反応物質と酸化剤の流れと前記可燃性生成物の流れが前記遠位壁と相互作用を行い、前記火炎を安定化させるために前記燃焼室内でよどみ領域を形成する、請求項８６のシステム。
【請求項８９】
可燃性反応物質の燃焼システムであって、
燃焼室を規定する所定の輪郭を持つ容器と、
隣接端部と閉じた遠位端部を持つ前記容器と、
前記隣接端部近くで規定される容器の排気口と、
可燃性反応物質の流れを前記燃焼室に分注するための前記の隣接端部近辺に配置される、可燃性反応物質の混合物ジェットと、
前記可燃性反応物質の混合物を受け入れるための前記燃焼室と、
前記可燃性反応物質により形成される燃焼生成物の流れを前記排気口に導くために適応された、前記可燃性反応物質の流れと直角の壁を持つ、前記遠位端部と
を備えたシステム。
【請求項９０】
前記可燃性反応物質の流れと前記可燃性生成物の流れが前記遠位壁と相互作用して、前記火炎を安定化させるために前記燃焼室内でよどみ領域を形成する、請求項８９のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００４年６月１０日に提出された米国仮出願第６０／５７８，５５４号の利益を請求するものであり、２００４年８月２６日に提出された米国出願番号１０／９２７，２０５の一部継続である。
【０００２】
本発明はその作業中、一部において航空宇宙局（ＮＡＳＡ）の助成、＃ＮＣＣ３−９８２を含む米国政府の援助を受けて行われた。政府は、本発明に対する特定の権利を有する場合がある。
【０００３】
本発明は、燃焼システム一般およびより具体的には、火炎と燃焼生成物の逆流を固定するための、流入する反応物質を部分的に混合するよどみ領域を形成することで、汚染物質の排出低減に向けた燃焼室設計を利用する燃焼システムに関連する。
【背景技術】
【０００４】
燃焼とその制御は、日常生活に欠かせない特徴である。米国だけを見ても、使用されるおよそ８５パーセントのエネルギーが燃焼過程から生じる。可燃性資源の燃焼は、数ある中でも、輸送、熱および動力に使用されている。しかしながら、燃焼が一般的に発生するため、これらの過程の大きなマイナス面は環境汚染である。特に、生成される主な汚染物質は、窒素酸化剤（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＵＨＣ）、煤煙および二酸化硫黄である。ＮＯｘの排出は特に、前年では２５００万ショートトンを超過した。このような汚染物質は社会的関心を呼んでいる。
【０００５】
この社会的関心に応えるべく、政府は汚染物質の排出を規制する法律に着手した。その結果、現在の燃焼システムは燃料エネルギーをＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣおよび煤煙の排出量が低い熱エネルギーに効率的に転換しなければならない。
【０００６】
燃焼するためには、燃料は最初に空気などの酸化剤と混合される必要がある。その結果生まれる混合物には、発火するために十分な熱および可能な場合にはＨ、ＯＨおよびＯなどの反応性の高い化学種であるフリーラジカルを提供する必要がある。いったん発火が起こると、燃焼は通常、極めて短時間の内に終了する。最初の発火後、流入する反応物質を熱い燃焼生成物と、また時には以前に注入された反応物質が生む反応ガスポケットと燃焼器内において接触させることにより、燃焼は、該反応物質を発火させる内部のフィードバック過程によって進行する。
【０００７】
燃焼器内部に火炎を保つには、流入する反応物質の流速が低い領域に火炎を固定する必要がある。低速度または長い滞留時間により、反応物質の発火に十分な時間が与えられる。よく知られているブンゼンバーナーでは、火炎はバーナーの周縁に固定され、火炎から迫り来る反応物質の流れへの熱の分子伝導とラジカルの分子拡散により、必要なフィードバックが達成される。ガスタービンでは、火炎の固定化と必要なフィードバックは通常、火炎を固定するための低速の再循環領域および流入する反応物質を発火させる熱い燃焼生成物と反応ポケットの逆流を生む、一つまたは複数の旋回翼を使用することで達成される。ラムジェットやアフターバーナーでは、火炎を固定化し反応物質を発火させる低流速度の領域と、熱い燃焼ポケットおよび反応ガスポケットの再循環を生むために、Ｖ型の溝などの鈍頭物体を燃焼器に挿入することでこの点が達成される。
【０００８】
より最近では、産業過程におけるＮＯｘ排出を低減する努力として、無火炎燃焼と呼ばれるものを得るための高速燃料や空気ジェットの使用が提唱されている。特許文献１では、無火炎燃料システムが開示されている。特許文献１では、インパルスバーナーが開示されている。規定距離により空間的に分離された燃料および空気ジェットは、燃焼器または高速のプロセスに注入される。システムは、二つの別々の操作状態を組み入れている。最初の状態では、第一の燃料弁が開き、第二の燃料弁が閉じられているように、バーナーには最初に電源が入れられる。燃料および酸化剤は燃焼室で混合され、安定した火炎成長を伴い発火し、火炎ガスが燃焼室の排気口から現れ、炉室を加熱する。炉室が燃料の発火温度まで加熱されるとすぐに、第一の燃料弁を閉じ第二の燃料弁を開くことで、制御ユニットはバーナーを第二の操作状態に切り換える。この第二の操作状態においては、燃焼室には燃料は導入されず、結果として燃焼室での火炎内燃料の燃焼は実質的にすべて抑えられる。燃料は炉室のみに送られる。
【０００９】
その運動量が高いため、流入する燃料や酸化ジェットは大量の熱い燃焼生成物を炉室内に噴入するポンプとして作用する。炉室は燃料の発火温度まで加熱されるため、燃料の燃焼酸化剤との反応は、認識できる火炎が発生することなく容器に沿った分散型燃焼過程で発生する。その結果、この過程は無炎燃焼または無炎酸化と呼ばれている。この過程では流入する反応物質ジェットが大量の熱い生成物と混合する必要があるため、その燃焼負荷率、つまり一単位体積が一秒あたりに燃焼する燃料量は低い。また、該システムは、燃料と熱い燃焼生成物を混合させる上で必要なポンプ作用を生むために、高い流速の燃料ジェットが必要である。さらに、注入される反応物質ジェットの大きな運動エネルギーの相当な割合が炉内で消散するため、この過程では大規模な圧力損失が起こる。その結果、現在の設計では、この過程は地上ガスタービンや航空機エンジンの燃焼器、および高い燃焼負荷率および／または低圧損失が必要となるその他の過程への応用には適していない。
【００１０】
多くの場合、攪拌燃焼器またはジェット攪拌燃焼器とも呼ばれる別の燃焼システムでは、燃料と酸化剤が燃焼室の上流で混合され、その結果生まれる可燃混合気が一つまたは複数の高速ジェットにより比較的小さいの燃焼器に注入される。流入ジェットの高い運動量は、流入する反応物質と熱い燃焼生成物や燃焼器内の燃焼ガスとの非常に素早い混合を生み、燃焼過程において燃焼器容積全体にほぼ均一分布された非常に急速な発火と反応物資の燃焼が結果として生じる。
【００１１】
一般的に、既存の燃焼システムは燃焼器容積全体の温度をできる限り低く保つことで、ＮＯｘ排出を最小限に抑える。最大目標温度はおよそ１８００Ｋであり、これ以上の温度はゼルドビッチ（Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ）機構を通して熱ＮＯｘが形成し始める閾値である。ＮＯｘ形成を最小限に抑えるもう一つの要件は、ＮＯｘが簡単に形成される高温度領域での反応種および燃焼生成物の滞留時間を最小限に抑えることである。その一方、これらの燃焼器内の反応ガスおよび熱い燃焼生成物の温度および滞留時間は、燃料を完全に燃焼させ、ＣＯ、ＵＨＣおよび煤煙の排出を政府の制限値以下に抑えるために十分高くなければならない。
【００１２】
ガスタービンシステムは、空気圧縮のための圧縮機、燃料を圧縮機が供給する圧縮空気と反応させることで高温ガスを生むための燃焼器、および軸動力を引き出すために高温ガスを膨張させるタービンを含むことが知られている。数多くのより古いガスタービンでの燃焼過程は、火炎温度が華氏３，０００度（摂氏１６４９度）を超えるほぼ化学量論的な状況で燃焼する拡散フレームにより支配されている。高温ガスは、燃焼帯を過ぎたタービン入口の前で、タービン入口の温度を許容レベルに抑えるために圧縮機排気口から余分な「冷」気により希釈される。かかる燃焼は、高レベルの窒素酸化剤（ＮＯｘ）を生む。現在の排出規制は、ＮＯｘ排出の許容レベルを大幅に低くしている。希薄予混合燃焼は、火炎最高温度を低下させ、相応してガスタービンエンジン内のＮＯｘの生成を低減するために開発された。予混合燃焼過程では、燃料と空気は燃焼器の予混合セクション上流において予混合される。燃料と空気の混合物はその後、それが燃焼する燃焼室に導かれる。特許文献２では、環状筒型予混合燃焼器の設計を使用するガスタービンエンジンについて述べられている。複数の予混合機は、予混合燃料／空気の混合物を燃焼室に送るために環状に位置付けられる。パイロット燃料ノズルは、パイロット燃料の流れを燃焼室に送るために環の中心に位置付けられる。
【００１３】
多様な動力レベルにおいて低い排出量で信頼性高くガスタービンエンジンを操作する必要性により、ガスタービン燃焼器の設計は複雑である。高出力操作は、窒素酸化剤の生成を増大させる傾向がある。より低い燃焼温度での低出力操作は、燃料の不完全燃料により、一酸化炭素や未燃炭化水素の生成を増大させる傾向がある。すべての操作状態において、予想外の消炎、音響振動の被害レベル、および燃焼室から燃焼器の燃料予混合セクション上流への火炎の逆火被害を避けるため、火炎の安定性を確保することが重要である。比較的濃縮な燃料／空気の混合物は燃焼過程の安定性を改善するが、排出レベルには悪影響を及ぼす。極めて厳格な現在および今後の排出規制を充足できる信頼性を持った機械を提供するには、これらのさまざまな制約事項の中で慎重なバランスを取ることが必要である。
【００１４】
ガスタービンに関して、図９で典型的なガスタービンシステム８０の概略図が示されている。圧縮機８２は、環境大気８４を吸い込み、圧縮空気８６を燃焼器８８に供給する。燃料供給装置９０が燃料９２を燃焼器８８に送り、ここで該燃料は圧縮空気と反応して高温の燃焼ガス９４を生成する。燃焼ガス９４はタービン９６により膨張し、圧縮機８２及び発電機９８などの負荷を駆動するための軸９５を駆動する軸馬力を生成する。燃料を単一のトロイダル環に供給するために一つまたは複数の同心円状の輪に配置される複数のバーナーを含め、環状燃焼室を持つガスタービンが存在する。特許文献３は、かかる環状燃焼室の設計を記述している。
【００１５】
ジェットエンジンのガスタービンに関して、図１０は、オハイオ州シンシナティのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｉｒｃｒａｆｔ  Ｅｎｇｉｎｅｓから市販されている従来のＬＭ６０００エンジンを図示している。ガスタービンエンジン１００には、低圧圧縮機１０２、高圧圧縮機１０４および燃焼器１０６が含まれる。エンジン１００はまた、高圧タービン１０８および低圧タービン１１０も含む。圧縮機１０２およびタービン１１０は、第一の軸１１２により結合され、圧縮機１０４とタービン１０８は第二の軸１１４により結合される。エンジン１００はまた、その中を通って伸びる対称の重心縦軸１１６を含む。
【００１６】
ジェットエンジンの設計については、歴史的には３種の燃焼室が存在する。多室型、ターボ環状室型、そして環状室型がある。これらの設計では、圧縮機周辺の圧縮空気を受け入れる入口のある燃焼室と、タービン周辺の反対側にあるガス排気口を使用する。操作時には、空気が低圧圧縮機から流入し、圧縮空気は低圧圧縮機から高圧圧縮機に供給される。高圧縮空気は、システムの圧縮機側にある燃焼器に送られる。燃焼器からのガス流入はタービンを駆動し、ノズルからガスタービンエンジンを流出させる。
【００１７】
ガスタービンやジェットエンジンが燃焼システムを採用するにあたり、ガスタービンやジェットエンジンシステムで使用される際はＮＯｘ排出が少ない簡素な燃焼システムを開発する必要がある。ガスタービン発電機やジェットエンジンに加え、燃焼器はまた発電や同等物を生成するために蒸気の発生を支援するため、産業用ボイラーにも使用される。また、燃焼器は温水暖房、空気暖房や原料乾燥といった家庭用加熱過程および工業用加熱過程にも使用される。
【００１８】
上述されたほとんどの燃焼システムの主要な問題は、燃料および空気の燃焼中に数ある中でもＮＯｘなどの汚染物質が生じることである。これは、反応燃料と酸化剤の流れの化学量論を理由として生じる。化学量論に基づく酸化剤量は、燃料量の完全燃焼に必要な量だけである。化学量論に基づく量よりも多くの酸化剤が供給された場合、その混合物は燃料希薄だと言われ、その一方化学量論に基づく量より少ない酸化剤の供給は、燃料リッチの混合物を生む。燃料がリッチかまたは希薄かを示すために、等量比が一般に使用される。通常、低ＮＯｘとなるには燃焼希薄で燃焼が実行される。これには、大量の酸化剤の存在、および通常は燃焼前に燃料と空気を混合するための旋回翼の使用が必要となる。通常の燃焼過程は、火炎の上流で混合された酸化剤と燃料を持つ軸に沿って、火炎から燃焼器下流に抜ける燃焼生成物により構成される。意図される目的には適しているものの、かかるシステムは、空気を混合するために複雑な構造を使用し、混合する上で常に効果的であるとは限らない。さらに、酸化剤の低減は通常、より高いＮＯｘ排出を生む、より高い燃焼処理温度をもたらす。
【特許文献１】米国特許第５，５７０，６７９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０８２，１１１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４００，５８７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の目的は、ＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣおよび煤煙の低排出をもたらす一方で、幅広い燃料流速に対して燃料の完全燃焼を得るために幾何学的構成を用いる、単純かつ低コストの燃焼システムを開発することにある。
【００２０】
本発明による燃焼システムの別の目的は、ＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣおよび煤煙の排出が同程度に低い状態で燃料が予混合燃焼モードまたは非予混合燃焼モードで燃焼される場合に、気体燃料および液体燃料の完全燃焼に対する手段を提供することにある。
【００２１】
本発明の別の目的は、燃焼システムが燃焼の予混合モードまたは非予混合モードで燃料を燃焼する場合に、該システムにおいて有害な燃焼不安定性を刺激しない、堅牢な燃焼過程を生成する能力を提供することにある。
【００２２】
本発明の別の目的は、ＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣおよび煤煙の排出量を指定される政府制限値以下に保ちつつ、幅広い燃料流速に対して反応物質を発火させる流入する反応物質と熱い流出燃焼生成物の間のフィードバックを確立するために、燃焼システムの幾何学的配置を使用することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
反応物質を燃焼させる方法には、燃焼室を規定する隣接端部と閉じた遠位端部の近くに開口部を持つ燃焼器の提供が含まれる。可燃性反応物質は、燃焼室に導入される。可燃性反応物質が発火し、火炎と燃焼生成物が形成される。燃焼室の閉じた端部は、燃焼生成物を燃焼室の開口部に導き、燃焼室内での燃焼生成物の逆流を形成するために使用される。燃焼生成物の逆流は、火炎を維持するために可燃性反応物質の流入と混合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明を実行するための方法およびシステムを、それらの他の特徴とともに以下に記述する。本発明は、下記の仕様を読み、その一部を成す付随図面の参考文献を参照することで、より簡単に理解できる。
【００２５】
さて、図面に従って、本発明をより詳細に記述する。図１Ａに示される通り、燃焼のシステムおよび方法が開示される。燃焼システムＡは、燃焼室１６を規定する隣接端部１２と閉じた遠位端部１４を持つ容器１０を含む。隣接端部１２は開口部１３を規定しる。また、開口部１３は側壁１７の一方の隣接端部１２の近くに配置される。燃料供給１８および酸化剤供給１９は、燃焼のため燃焼室に送られる。点火装置（図示されていない）は、反応物質を点火し、火炎２０と燃焼生成物２２を生む。燃焼室１６の形状により、最初は遠位端部に向けて流れる流入する反応物質の流れが逆流し、燃焼生成物の流れ２２および２３は開口部１３から流出する。
【００２６】
図２Ａおよび２Ｂは、燃焼システムＡの適応性を図示している。図２Ａに示される通り、異なる反応物質の流速で操作される場合には、火炎の下流端部は、閉じた遠位壁と側壁を持つ燃焼室設計を用いてよどみ領域内の異なる場所で確立される。あらかじめ決められた流速を持つ第一の操作条件については、火炎の下流端部は場所Ａである。より高い流速度の反応物質を用いる別の操作条件については、火炎の下流端部はより流速度が低い反応物質よりも燃焼室端壁に近い場所Ｂに設定される。図２Ａが図示する通り、火炎の下流端部は流入する反応物質の流速が低い遠位端壁に近いよどみ領域の近くで安定化する。図２Ｂに示される通り、安定した火炎の形状は反応物質の等量比が変化すると異なり、安定した火炎は異なる反応物質の等量比で得られる。
【００２７】
よどみ領域は、幅広い燃料流速および等量比の下での火炎の安定化につながる、低速で滞留時間の長い状況を生むよう作用する。それゆえ、高い流入速度であっても、よどみ領域は低い局所速度により区別される。同様に、火炎は極めて低い等量比であっても安定性を保つ。
【００２８】
図１Ａに示される通り、システムの一つの実施態様は非予混合燃焼システムに対するものである。非予混合燃焼システムにおいては、燃料および酸化剤は別々に燃焼室に供給され、燃焼室内で混合される。好ましい実施態様においては、燃料ジェット１８は中心的流れから燃料を供給する。中心のジェットに近接するのが酸化剤ジェット１９である。好ましい実施態様においては、酸化剤ジェット１９は、中心の燃料ジェットを取り囲む環状である。しかしながら、燃料流量を取り囲む酸化剤の流入を提供する多様な酸化剤ジェットの構成が可能である。燃料および酸化剤は、可燃性の反応物質混合物を提供するために燃焼室内で混合される。図１Ａに示される通り、ジェットはその排気口を予混合を避けるために整列されており、また容器１０と軸整列させるのが好ましい。これらのジェットは、燃焼室内または燃焼室外部の近くに配置される。可燃性反応物質は、ノズルにより異なる速度で燃焼室に注入することができ、燃焼過程のターンダウン比は少なくとも１．５以上でありうる。
【００２９】
図１Ｂに示される通り、別々の燃料および酸化剤の流れは燃焼室内で相互作用を行う。燃料流量３２は燃焼室の端壁に向かって流れると、酸化剤の流れ３４と相互作用を行い、これもまた燃焼室の端壁に向かって流れる。燃料と酸化剤の流れの相互作用は、内部のせん断層４０を形成する。前記の発生中、燃焼生成物および燃焼ガスポケットの流れ３６は、燃焼室の遠位端部から離れて燃焼室の開口端部に向かって流れている。燃焼生成物および燃焼ガスポケットの流れ３６は、下流酸化剤の流れ３４と同時に相互作用を行い、第二の外側せん断層４２を形成する。迫り来る反応物質の流れはまた、燃焼室の閉じた端壁に近づくにつれ緩慢化し、よどみ領域３８を端壁の近くに形成する。
【００３０】
外側せん断層４２において、酸化剤は熱い生成物と混合し、および内部せん断層において酸化剤は燃料と混合する。外側せん断層は、逆に流れる二つの流れの間に配置されるため、このせん断層内での混合は、同じ方向に移動する燃料の流れと酸化剤の流れの間の混合が伴う内部せん断層での混合よりも遥かに激しい。燃料と酸化剤、および酸化剤と熱い燃焼生成物の結果的な流れ、および内側と外側のせんだん層でそれぞれに形成する燃焼ガスポケットは、燃焼の予混合モードに類似する方法で接触して燃焼し、これが反応物質混合物の等量比が低い場合に低いＮＯｘ排出を生む。そのため、流入する反応物質と流出する熱い生成物および反応ガスポケットの間の本混合物は、幅広い燃料流速において点火する上で必要な熱やラジカルのフィードバックを確立する。反応物質混合物中のラジカルの存在は点火温度を低めるため、燃料の中には通常の温度よりも低い温度で点火・燃焼するものがあり、これは本燃焼システムにおけるＮＯｘ生成量の低下につながりえる。
【００３１】
せん断層における流入する反応物質と流出する熱い燃焼生成物および燃焼ガスポケットの間の混合物の強度は、燃料の発火と消費率を制御する。特に、これらのせん断層内における混合強度の増大は、燃料の発火と消費率を加速する。本発明では燃焼室への燃料供給率が上がるのに連れてせん断層の両側における同流または逆流の流れの速度が増大するため、燃焼器内でより多量の反応物質が燃焼されるに連れてせん断層内での混合率の強度が高くなり、反応物質の発火と燃焼を加速する。そのため、本発明においては燃焼室への反応物質の注入率の増大に連れて反応物質を自動的に消費する処理率が高くなるため、発明された燃焼システムは幅広い反応物質の供給率、またそれゆえ動力レベルに対して効果的に操作を行うことができる。従って、発明された燃焼室は、地上ガスタービン、航空機エンジン、温水暖房および空間暖房ならびにアルミウム溶解や乾燥といったエネルギー集約型の産業過程を含む幅広い用途において必要となる割合で反応物質を効率的に燃焼することができることになる。
【００３２】
図１Ａの実施態様において、熱ガスは燃焼室を過ぎる中、冷たい反応物質を燃焼器に供給するパイプ周辺を移動する。この接触が熱い燃焼生成物から反応物質の流れに熱を移動させ、燃焼器への注入前に反応物質の温度を上昇させる。これが次に、燃料の燃焼に必要な時間を低減したり、より希薄な混合物の燃焼を可能にする。
【００３３】
図３Ａおよび３Ｂは、予混合燃焼モードでの燃焼発明の操作を図示している。図３Ａに示される通り、該システムは通常、図１Ａに関して記述される非予混合システムと同じであるが、燃焼室に流入する前に酸化剤の流れ４８と混合する燃料を提供するように燃料ジェット４６が配置される点を除く。図３Ｂに示される通り、予混合反応物質の流れ５０は、逆流燃焼生成物の流れ５２と相互作用して、逆流の間に一つのせん断層５４のみを確立する。注入された可燃性混合物はせん断層５４の外側境界で発火し、ここで、燃焼室から反対方向に流れるガスの流れにより供給される熱い燃焼生成物やラジカルと混合する。反応物質の流れが燃焼室の閉じた端部に近づき減速するに連れて、流れに渦巻きが形成されることによって反応物質と熱い生成物や反応ガスポケットの混合率が増大する。これが次に、流れが燃焼室の閉じた端部に近づくに連れて、より大部分の反応物質を発火・燃焼させる原因となる。
【００３４】
発明された燃焼システムはまた、燃焼の予混合モードおよび非予混合モードにおいて液体燃料を燃焼することもできる。予混合モードで燃焼される場合、液体燃料は最初に予蒸発させてから酸化剤と予混合して可燃性混合物を形成し、これが次に燃焼室に注入される。その結果生まれる混合物は次に、上記段落で記述されたように可燃性の気体の燃料・酸化剤混合物が予混合モードで燃焼されるのと類似した方法で燃焼される。液体燃料が非予混合モードで燃焼される場合、燃料は燃焼室の軸に沿った穴から別々に燃焼器に注入され、燃焼酸化剤は上述されたように非予混合モードで気体燃料を燃焼する際に使用されるのと類似した方法で、燃料穴を取り囲む環状の穴から注入される。非予混合の気体燃料燃焼の場合に見られるように、酸化剤の流れはその内側と外側の境界の２つのせん断層内に制限される。内側せん断層では、酸化剤は注入された液体燃料の流れと混合する。該過程において、液体燃料はせん断層に噴入され、ここで該燃料は気流により加熱される。この加熱は液体燃料を蒸発させ、可燃性混合物を形成するために酸化剤と混合する燃料蒸気を形成する。外側せん断層では、酸化剤は熱い燃焼生成物と反応ガスポケットの逆流と混合する。内側せん断層に形成される結果として生まれる燃料・酸化剤混合物は、外側せん断層に形成される酸化剤と熱い燃焼生成物や反応ガスポケットの混合物と接触した場合に、実質的に燃焼の予混合モードで発火・燃焼される。
【００３５】
図４は、ジェットエンジンに適用される場合の燃焼システムの使用を示している。燃料および酸化剤は供給源５６から提供され、燃焼室６０の閉じた端壁５８に導かれる。閉じた端壁５８近くのよどみ領域６４の火炎領域において形成される燃焼生成物は、閉壁５８によって流れの方向を逆流させ燃焼器排気口６６に向けて移動するよう強いられる。本実施態様に示される通り、燃焼器排気口６６は、反応物質５６の入口位置に近い燃焼器全体内の点と定義される。それゆえ、本態様に示される通り、燃焼室自体はより大きな容器の一部といえる。示される例では、燃焼器は、燃焼生成物の燃焼器からの流出を可能にする排気ノズル６８を持つ遷移セクション６９に接続される。この流出は、本書で使用されるような燃焼排気口６６と区別される。
【００３６】
図５及び６は、本発明内の平均温度分布の測定値の例を示している。図５は、本発明において気体燃料が燃焼された場合に形成された火炎の近似の形状を示している。本発明の一つの重要な特徴は、燃焼室内の高温領域を消去したことである。かかる高温領域を消去することで、ＮＯｘ排出は最小限に抑えられる。図５に示される通り、火炎の一部分はよどみ領域７０近辺の位置で安定化される。また、発明された燃焼器内の平均温度は通常、１８００Ｋ以下である。発明された燃焼システムは燃焼の予混合モードにおいて実質的に気体燃料および液体燃料を燃焼するため、燃料および酸化剤が別々に燃焼室に注入される場合でさえ、燃焼室に供給される酸化剤および燃料の量を制御することで、結果的に生まれる火炎の温度をＮＯｘを形成する１８００Ｋの閾値以下に保つことができる。全体的な空気−燃料比率が高い場合は、結果的に生まれる火炎温度が低く、その結果ＮＯｘ排出も低くなる。図６は、等量比０．４８および注入気流速度１１２ｍ／ｓで液体燃料を燃焼する場合の特定例について、発明された燃焼器内での平均温度分布を示している。７４と壁との間のよどみ領域が確立され、火炎の一部分が線７４周辺で安定して固定される遠心壁近くの低速領域を提供する。また、いかなる高温領域も明らかでない。
【００３７】
図７は、燃焼の非予混合コードにおいてヘプタン液体燃料を燃焼する際に、図１に示される燃焼室内のＮＯｘ排出の注入気流およびグローバル等量比への依存性を示している。表に示される通り、等量比の増大と酸化剤の速度の上昇に連れてシステムの出力密度が増大した。この表は、図１の燃焼システムの最終的な用途次第であるが、良質の出力密度を持つ１パーツパーミリオン（ｐｐｍ）程度に低いＮＯｘ排出を得ることが可能であり、またより高い出力または緩慢な流入率が望まれる場合は、燃焼器の大きさを変えずにＮＯｘ排出をなおも低レベルに保つことができる。
【００３８】
図８は、図１および３に示される燃焼システムを使用して実施された複数の試験結果を示している。燃焼システムは、幅広い反応物質の流入率および等量比において気体および液体を燃焼させる一方、極めて低いＮＯｘ排出を生んだ。さらに、本発明では、生成された燃料・空気混合物が熱い燃焼生成物およびＯ、ＯＨ、Ｈなどのラジカルと混合するため、燃焼器は低い等量比、従って低温度で操作することができ、ＮＯｘ排出を低減する。事実、図７および８は、燃焼の予混合モードおよび非予混合モードにおいて気体燃料および液体燃料を燃焼する際に、発明された燃焼システムに対する試験は１５％  Ｏ２で１ｐｐｍ程度に低いＮＯｘ排出を生んだことを図示している。
【００３９】
前述された操作において、燃料を燃焼させる方法には、燃焼室を規定する開いた隣接端部と閉じた遠位端部を持つ容器の供給が含まれる。燃料および酸化剤は、燃焼室に導入される。燃料が発火し、火炎と燃焼生成物が形成される。迫りくる流れを緩慢化させてよどみ領域を形成するため、また燃焼生成物を燃焼室の開いた端部に再び導くために燃焼室の閉じた端部が使用されるため、燃焼室内での燃焼生成物の逆流が形成される。燃焼生成物の逆流は、火炎を維持する反応物質と混合されて、火炎を維持する。燃焼室内における燃焼生成物の逆流の使用とよどみ領域の形成は、低温度であっても安定した火炎を維持する。操作においては、出力密度１００  ＭＷ／ｍ３が達成された。
【００４０】
図１１および１２は、上述の技術をボイラーやガスタービンなどの燃焼システムに実施するための燃焼器組立品１２０の第一の実施態様を示している。図１３〜１７は、ジェットエンジンシステムで使用するための燃焼器組立品を図示している。燃焼器組立品１２０には、燃焼室１２６を規定する隣接端部１２２と閉じた遠位端部１２４を持つ主要な燃焼器１２１を含む。隣接端部１２２は、燃焼生成物出口の開口部１２３を規定しうる。燃焼生成物出口の開口部１２３は、容器１２１内に同心円状に配置されることが好ましい。主として燃料供給および酸化剤供給である反応物質は、燃焼させるため燃焼室に送られる。燃料は気体でも液体でもよく、酸化剤供給業者からの酸化剤は圧縮機による圧縮空気が好ましいが送風機などの外部供給源から得られるものでもよい。点火装置（図示されていない）は、反応物質を点火し、火炎と燃焼生成物を生む。主要な燃焼器１２１の幾何学により、最初は遠位端部に向けて流れる流入する反応物質の流れは逆流し、燃焼生成物の流れは燃焼生成物出口１２３から流出する。
【００４１】
図１２に示される通り、燃焼器組立品１２０には、燃焼器１２１、外筒または第二のハウジング１３０および空気・燃料マニホールド１４０が含まれる。外筒または第二のハウジング１３０には、燃焼器１２１を適合させて受け入れるよう設計されていることが好ましい外筒または第二のハウジングの内側１３１が含まれる。外筒または第二のハウジングの内側１３１の幅は、燃焼器１２１の外側幅よりも広い。外筒または第二のハウジング１３０には、圧縮機から酸化剤供給を受け入れるための空気吸入口１３２、および空気燃料マニホールド１４０との結合配列のためのフランジ付き低部周辺部１３３が含まれる。燃焼器１２１が外筒または第二のハウジングの内側１３１から受け取られると、空気経路１３４が規定されて、圧縮機からの空気が燃焼器１２１周辺を流れることが可能になる。好ましい実施態様においては、燃焼器１２１には、燃焼器１２１の周辺から空気経路１３４へと外側に広がる冷却フィン１３５が含まれる。好ましい実施態様においては、外筒または第二のハウジング１３０および燃焼器１２１は同心的である。外筒または第二のハウジング１３０はまた、燃焼器１２１を包み込むような円筒型スリーブでもよい。
【００４２】
燃焼器１２１には、外側周辺を規定する外壁部分１５１および燃焼室１２６を規定する内壁部分１５３が含まれる。燃焼器１２１は、隣接端部１２２および閉じた遠位端部１２４を持つ円筒型または円環型であることが好ましい。好ましい実施態様においては、酸化剤供給は圧縮機から供給され、外壁１５１から空気経路１３４を通り過ぎ、酸化剤供給入口１５５を通って隣接端部１２２から燃焼室１２６に導かれる。この構成では、酸化剤供給は燃焼器１２１の外壁を冷却する冷却剤として使用され、また酸化剤供給の予熱を可能にする。
【００４３】
燃焼器組立品１２０には、燃料供給を燃焼室１２６に導くための燃料供給入口１５８が含まれる。燃料が液体の場合は燃料供給入口１５８はノズルでもよい。燃料供給入口１５８は、酸化剤供給１５５に近接した燃焼室１２６に燃料を提供するために隣接端部１２２の近くに配置される。好ましい実施態様では、酸化剤供給入口と燃料入口の関係は、酸化剤供給が燃料供給を包み、酸化剤との混合が行われるまで燃料が既存の燃焼生成物からは離れているものである。操作において、酸化剤の質量は燃料の質量よりも大幅に大きく、包み込みにより燃料と酸化剤を燃焼前に完全に混合することができる。それゆえ、操作においては、燃焼生成物が中心軸に沿って燃焼室を流出するに連れて、流入する酸化剤供給は流出する燃焼生成物と流入する燃料供給の間を流れるように配置され、燃焼の時期尚早な燃焼を防ぐ。
【００４４】
図１３〜１７は、圧縮機を駆動する軸を組み入れたタービンシステムと併用する燃焼器組立品の第二の実施態様を図示している。本実施態様では、外筒または第二のハウジング１３０には、外側スリーブ１７２および内側スリーブ１７３が含まれる。内側スリーブ１７３は、燃焼器１８０を受け入れる燃焼器空洞１７４を規定する外側スリーブ１７２からオフセットされている。内側スリーブ１７３は、タービン圧縮機軸１７６を受け入れるための軸チャンネル１７５を規定する内側を持つ円筒型であることが好ましい。燃焼器１８０は円環型であることが好ましい。円環型の構成は、ともに内側部分を持つ内壁１８６および外壁１８８を規定し、外側の空気経路１８２が燃焼器１８０の外壁と外側スリーブ１７２の間で規定されるように燃焼器空洞１７４内に配置され、内側の空気経路１８４は燃焼器１８０の内壁および内側１７３の間で規定される。また、空気燃料マニホールドは、外側スリーブ１７２に適合させて取り付けられた第一の空気燃料マニホールド構成部品１９０と外側スリーブ１７３に適合させて取り付けられた第二の空気燃料マニホールド構成部品１９２から構成される。第一の空気燃料マニホールド構成部品１９０は、燃焼器の開いた隣接端部と連結して燃焼生成物の排気ポート１９４を規定する環状であることが好ましい。第二の空気・燃料マニホールド１９２は、タービン軸チャンネルを規定する環状のものである。第二の空気・燃料マニホールドは、第一の空気・燃料マニホールドと同心状であることが好ましい。
【００４５】
図１５は、燃焼器１８０および第二のハウジング１３０の分解図である。外側スリーブ１７２および内側スリーブ１７３は、燃焼器１８０を受け入れるための燃焼器空洞１７４を規定する。燃焼器１８０は、内壁１８６および外壁１８８を持つトロイダル状である。
【００４６】
図１６および１７は、酸化剤および燃料供給経路およびそれらの相互関係のクローズアップ図を図示している。燃焼器および外筒または第二のハウジングの間の空間で規定される酸化剤経路１３２により、酸化剤の流れが燃焼器の外側を過ぎることが可能になり、冷却を提供する。空気は圧縮機から提供されることが好ましい。酸化剤経路１３２はマニホールド酸化剤供給チャンネル１６０と流動的につながっている。マニホールド酸化剤供給チャンネルは、酸化剤の流れを燃焼器の外壁に沿った下流から酸化剤出口１９６から開いた隣接端部に燃焼器が入る上流へと再び導く。燃料入口２１０は、燃料を燃焼器に導く燃料出口２１２を燃料供給に供給するためのマニホールド内で規定される。燃料／空気壁の接触面２１４は、酸化剤経路１３２を燃料出口２１２から分離する。一つの実施態様において、酸化剤出口１９６は、環状マニホールドに沿って円周配置されている環状の細長い穴である。また、類似の実施態様において、燃料出口２１２は環状マニホールドに沿って円周配置されている環状の細長い穴であり、酸化剤出口１９６は燃料出口２１２および燃焼生成物出口１２３の間に配置される。この構成では、酸化剤供給が燃料を包み込み、燃料を流出燃焼生成物と分離するような形で、酸化剤および燃料は燃焼器に導入される。この分離により、燃料と酸化剤が燃焼室に入り、閉じた遠位端部に向けて移動する中で混合することが可能となり、該端部でこれらは火炎の下流が安定化した低速領域に到達する。
【００４７】
図１１に示される通り、空気燃料マニホールド１４０は、燃焼器の隣接端部内に受け取られる表面に面する燃焼器を持つ環状であることが好ましい。マニホールドには、開いた隣接端部とともに燃焼生成物出口１２３を規定する中心空間が含まれる。燃焼生成物は、閉じた遠位端部の一部に軸整合されつつ流出するのが好ましい。マニホールドは、隣接する端部領域から閉じた遠位端部へと可燃性反応物質を燃焼器に導くよう、複数の可燃性反応物質ポートを運ぶ。燃料および酸化剤が予混合される場合は、予混合された可燃性反応物質は、可燃性反応物質ポートから分散される。構成によっては、酸化剤および燃料が別々に供給される。
【００４８】
燃焼生成物出口１２３と可燃性反応物質ポートの関係は重要である。可燃性反応物質を開いた隣接端部から閉じた遠位端部に導くことで、可燃性反応物質は閉じた遠位端部の近くにある低速位置に到達する。また、せん断層は可燃性反応物質と流出する燃焼生成物の間に形成される。環状の構成では、マニホールドには、第一の複数の可燃性反応物質入口を持つ外側環状輪、燃焼器の内壁の近くに配置される第二の複数の可燃性反応物質入口を持つ内側のマニホールド構成を含む。これらの構成では、可燃性反応物質は、内側・外側の燃焼壁を燃焼生成物の流出から隔てる二つの明確に異なる上昇流により燃焼室に導入される。可燃性反応物質入口は、可燃性反応物質が予混合されていない場合には、酸化剤用の第一の入口一式と燃料用の第二の入口一式を含む。
【００４９】
燃焼器組立品の設計は、図１８に示される通りガスタービンに、図１９に示される通りジェットエンジンに、図２０に示される通りボイラーに適している。図１８、１９および２０に示される通り、燃焼器組立品は圧縮機の方向にある閉じた遠位端部に配置されている。燃焼器組立品３００の空気吸入口は、圧縮機３０２から圧縮空気を受け入れる。空気は燃焼器の外壁３１０に沿って移動し、外壁を冷却し、また圧縮空気を予熱する。空気および燃料は、燃焼生成物の排気口を規定する燃焼器の開いた端部１２２近くに導入される。燃焼生成物出口の開口部１２３は、システムのタービンまたはタービン４００近くに存在し、タービンの方向に配置される。空気および燃料は、一部の燃料が燃焼される燃焼器の閉じた遠位端部により燃焼器内で低速点に到達する。この燃焼は、空気と燃料が燃焼生成物出口の開口部からタービンにむけて流出していく燃焼生成物と相互作用を行うことで開始される。酸化剤供給を燃焼器の外側部分に導くことで、燃焼器が冷却され、酸化剤供給が予熱される。ガスタービンシステムについては発電機４１０が駆動され、ジェットエンジンについては熱い生成ガスがノズル４２０を通過する。ボイラーに関しては図２０に示される通り、燃焼器１２０は中心ボイラー４３０の外側に配置されており、燃焼反応物質は燃焼器からボイラーに導入される。ガスを排出するために出口煙道４３２が提供される。
【００５０】
該燃焼システムにより提供される利点は、幅広い供給燃料と空気の割合、圧力および温度、そして高出力密度にわたり、安定性、燃焼効率が高く、ＮＯｘおよびＣＯ排出が低い形で、燃焼の予混合モードまたは非予混合モードのいずれにおいても気体ガスおよび液体ガスを酸化剤と燃焼させることのできる能力である。かかる燃焼システム設計は特に、ガスタービン、ジェットエンジンおよびボイラーに適している。本発明では、ＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣおよび煤煙の排出量を指定される政府制限値以下に保ちつつ、幅広い燃料流速に対して反応物質を着火させる流入する反応物質と熱い流出燃焼生成物の間のフィードバックを確立するために、燃焼システムの幾何学的配置を使用している。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】本発明に従い非予混合燃料の供給を使用する燃焼方法の予想図を示している。
【図１Ｂ】図１Ａで示された方法内での流動の概略図を示している。
【図２Ａ】本発明に従い開発された多様な火炎形状を示している。
【図２Ｂ】本発明に従い開発された多様な火炎形状を示している。
【図３Ａ】本発明に従い予混合燃料の供給を使用する燃焼方法の予想図を示している。
【図３Ｂ】図３Ａで示された方法内での流動の概略図を示している。
【図４】本発明に従った燃焼方法の予想図を示している。
【図５Ａ】気体燃料を燃焼する場合の、本発明の一例を図示した温度分布の測定値を示している。
【図６】液体燃料を燃焼する場合の、本発明の一例を図示した温度分布の測定値を示している。
【図６Ａ】液体燃料を燃焼する場合の、本発明の一例を図示した温度分布の測定値を示している。
【図６Ｂ】液体燃料を燃焼する場合の、本発明の一例を図示した温度分布の測定値を示している。
【図７】液体燃料を燃焼する場合の、本発明におけるＮＯｘ排出および出力密度の数例を示している。
【図８】気体燃料および液体燃料を多様な酸化剤射出速度や異なる等量比で燃焼する場合の、本発明のＮＯｘ排出の数例を示している。
【図９】ガスタービンシステムの先行技術図である。
【図１０】ジェットエンジンの先行技術図である。
【図１１】本発明に従った燃焼組立品の分解図を示している。
【図１２】図１１の線１２−１２に沿って作成された燃焼器組立品の断面図を示している。
【図１３】本発明に従った燃焼組立品の第二の実施態様を示している。
【図１４】本発明に従った燃焼組立品の第二の実施態様を示している。
【図１５】燃焼器の第二の実施態様の分解図を示している。
【図１６】本発明に従った、燃料と燃焼器に流入する酸化剤供給の相互作用のクローズアップ図を示している。
【図１７】本発明に従った、燃焼器に入る燃料と酸化剤供給の相互作用の別の図を示している。
【図１８】本発明のガスタービン設計の概略図を示している。
【図１９】本発明のジェットエンジン設計の概略図を示している。
【図２０】本発明のボイラー設計の概略図を示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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