(57)【要約】【課題】ガスタービン（１００）用の燃料／酸化剤予混合装置（１０２）を提供する。【解決手段】本燃料／酸化剤予混合装置（１０２）は、酸化剤を含む流体ストリーム（２０）を受けるように構成されたコアンダ輪郭燃料噴射翼形部（１０６）の環状配列を含み、翼形部の各１つは、前縁（１２０）と、後縁（１２０）と、前縁（１２０）の周りにコアンダ効果を生じさせるように燃料（３２）を導入するように構成された燃料噴射開口部（１２４）とを含む。また、本明細書に開示しているのは、その作動方法である。【選択図】      図４
2008089295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体ストリーム（２０）を加圧するように構成された圧縮セクション（１４）と、
前記圧縮セクション（１４）に結合されると共に前記加圧流体ストリームを受けかつ燃料（３２）を燃焼させるようになった燃焼セクション（１０４）であって、プレミキサ（１０２）を含み、前記プレミキサが、それに対してほぼ接線方向の角度で前記燃料（３２）を噴射してコアンダ効果を生じさせるようになったコアンダ輪郭燃料噴射翼形部（１０６）の環状配列を含む、燃焼セクション（１０４）と、
前記燃焼セクション（１０４）と流体連通状態になったタービンセクション（１８）と、
を含むガスタービン（１００）。
【請求項２】
前記コアンダ輪郭燃料噴射翼形部（１０６）が、前記圧縮セクション（１４）に面した前縁（１２０）と、該前縁（１２０）の周りに燃料（３２）を噴射するように構成された燃料噴射開口部（１２４）と、後縁（１２２）とを含む、請求項１記載のガスタービン
【請求項３】
前記プレミキサ（１０２）が、前記ガスタービンの燃焼セクションの移行ダクト内部に統合される、請求項１及び請求項２のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項４】
前記プレミキサ（１０２）が、前記圧縮セクション（１４）に流体結合された燃焼器（２４）内部に配置される、請求項１記載のガスタービン。
【請求項５】
前記燃料（３２）が、天然ガス、液化天然ガス、水素、合成ガス、灯油、ジェット燃料、ガソリン、エタノール、ディーゼル、バイオディーゼル又はそれらの混合物を含む、請求項１記載のガスタービン。
【請求項６】
前記ガスタービン（１００）の運転時における前記プレミキサ（１０２）が、５パーセンよりも小さい圧力損失を生じるように構成される、請求項１記載のガスタービン。
【請求項７】
前記プレミキサ（１０２）が、前記ガスタービン（１００）の運転時において三重火炎燃焼反応（１１２、１４０、１４２）を生じるように構成される、請求項１記載のガスタービン。
【請求項８】
前記プレミキサ（１０２）が、前記ガスタービン（１００）の運転時において前記後縁（１２２）の直後に拡散状火炎（１１２）を形成するように構成される、請求項１記載のガスタービン。
【請求項９】
前記圧縮セクション（１４）、前記タービンセクション（１８）或いは前記圧縮セクション（１４）及びタービンセクション（１８）の両方の段（２２、４０）間に配置された少なくとも１つの付加的プレミキサ（１０２）をさらに含む、請求項１記載のガスタービン。
【請求項１０】
燃焼システム内で燃料（３２）及び酸化剤（２０）を予混合する方法であって、
前記燃焼システムが、コアンダ輪郭燃料噴射翼形部（１０６）の環状配列を含み、前記翼形部（１０６）の各１つが、前縁（１２０）と、前記前縁（１２０）の周りに燃料を噴射するように構成された燃料噴射開口部（１２４）と、後縁（１２２）とを有し、該方法が、
前記酸化剤を含む流体ストリーム（２０）を加圧し、かつ前記加圧流体ストリームを、該加圧流体ストリームが前記前縁（１２０）から前記後縁（１２２）の方向に流れるように前記燃焼システム内に流す段階と、
前記翼形部（１０６）に対してほぼ接線方向の角度で前記前縁（１２０）の周りに燃料（３２）を噴射してコアンダ効果を生じさせる段階と、
前記後縁（１２２）の直後に拡散状火炎（１１２）を形成する段階と、
複数のリーン及びリッチ状態（１４０、１４２）を有する火炎（１１４）を形成して、該リーンな火炎状態（１４２）の各１つが前記翼形部（１０６）間に形成されかつ該リッチな火炎状態（１４０）の各１つが前記翼形部（１０６）の各１つの後方に形成されるようにする段階と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には燃焼タービンに関し、より具体的には燃料プレミキサを含む燃焼タービン及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンエンジンは、多くの用途で用いられる。その最も普通の用途では、タービンは、飛行機の推力を生成するために、また発電用の回転動力を得るために用いられる。タービンは一般的に、空気のような酸化剤との燃料混合気の燃焼により生じるガスの膨脹で回転エネルギーを得ることによって作動する。図１に示すように、その全体を参照符号１０で示したタービンエンジンは、４つの主要構成要素、すなわち吸気セクション１２、圧縮セクション１４、燃焼セクション１６及びタービンセクション１８を含む。使用中、圧縮セクション１４は、吸気セクション１２を通して流体ストリーム２０（例えば、空気）を吸込みかつ該流体ストリーム２０を一連のブレード付きロータ２２及びステータ２３を使用して加圧する。加圧空気２０は次に、燃焼セクション１６に導かれ、該燃焼セクション１６において空気は燃料（例えば、灯油、ディーゼル、ガソリン、バイオディーゼル、液化天然ガス等々）と混合されかつ点火される。図に示すようなカン−アニュラ型燃焼器２４の場合には、プレナム２８の一端部に複数配列のプレミキサ２６が配置され、またプレナム４４の別の端部にはダクト３０（すなわち、カンからアニュラセクタまでの移行部品）が配置される。カン型燃焼器の場合には、一般的に複数のプレミキサが用いられる。プレミキサ２６は、逆流ライナ内で燃料３２を流体２０の大部分と混合した後に、該混合気をプレナム２８内に送給し、該プレナム２８において混合気は燃焼し、その後、燃焼した混合気は、プレナム２８内に配置された孔３４（希釈孔）を通って流れる加圧流体ストリーム２０の残りの部分と混合される。その結果得られた燃料混合気は、プレナム２８内での燃焼反応３６を支持するように用いられて排出ガス３８を発生する。排出ガス３８は、タービンセクション１８を通って流れてタービンセクション１８内のロータ４０を回転させる。多くの場合、圧縮セクション１４及びタービンセクション１８は、シャフト４２を介して機械的に結合されて、燃焼反応が圧縮セクションに動力を供給する、すなわち圧縮セクション１４内のブレード付きロータ２２を回転させるようにする。排出ガス３８は、タービンセクション１８から排出される。別の設計を備えたタービンは、複数のシャフトを含むことができる。この種のタイプのプレミキサを含むガスタービンは、比較的長尺である燃焼セクションを有することは明らかであろう。
【０００３】
図２により明確に示すように、各プレミキサ２６は、カン４４内部に配置されかつ一般に直交流形燃料噴射装置４６と該噴射装置４６の周りに半径方向に配置されたミキサ部分（スワーラとも呼ばれる）４８とを含む。ミキサ部分４８は一般的に、第１の端部において燃料噴射装置４６に固定されかつ第２の端部においてカン４４に固定された角度付きベーン５０の環状配列を含む。ベーン５０間に又は該ベーン５０上に配置されているのは、二次燃料噴射ノズル５２であり、該二次燃料噴射ノズル５２は角度付きベーン１０間を流れる加圧流体ストリーム２０に対して燃料３２を供給することができる。流体ストリーム２０は一般に、タービン１０の圧縮セクション１４（図１）から流れる加圧空気（または、燃料用の適切な酸化剤）を含む。角度付きベーン５０は、流体ストリーム２０がそれを通って流れる時に乱流（例えば、スワール）を発生させ、この乱流により流体ストリーム２０内での燃料３２の分散を促進して燃料プレミックス５４を形成する。燃料噴射装置４６はさらに、主噴射ノズル５６を含み、この主噴射ノズル５６は燃料プレミックス５４内に一次燃料を噴射して、噴射装置５６の下流に燃料噴出物５５を形成する。
【０００４】
使用中に、燃料プレミックス５４は、プレミキサの下流の領域５８内で点火され、これにより、さらに主燃焼ゾーン５８が形成される。燃焼反応の生成物は次に、燃焼器２４と流体連通状態になったノズル３０（図１参照）を介してタービンセクション内に強制的に流される。タービンは、仕事、例えばシャフトの回転を行う。
【０００５】
この種の先行技術のプレミキサ構成では、プレミキサがそれを通る加圧流体ストリーム１６の流れを制限するので、ミキサ及び燃焼器部分１６間で約４〜５パーセント又はそれ以上の大きな圧力損失が観察される。このために、タービン効率が低下する。さらに、ミキサ部分４８は、渦を形成させる、すなわち限られた領域内での流体の螺旋運動を生じさせる。この渦の作用により、燃料混合気５８がカン４４近傍での燃料リッチ混合気とカン４４の中心線近傍での燃料リーン混合気とを構成することになり、このことにより、燃焼の局所的バラツキが生じて、タービン効率の一層の低下、音響上の障害及びＮＯｘエミッションを招くおそれがある。燃焼反応の安定性は、タービンの性能にとって重要である。燃焼反応の安定性に影響を与える多くの変数のうちの１つは、燃料の混合である。燃料が適正に混合されない場合には、燃焼反応は、非効率的なものになり、またリッチ過ぎる運転とリーン過ぎる運転とが交互するなどのように燃焼器のボリューム内で変動することになり、システムが不安定状態になることになる。さらに、燃焼反応がリーン過ぎる場合には、燃料供給における過渡現象がサージ状態を引き起こすことになり、これによりエンジンの有効寿命を短縮させ、またさらに燃焼の消炎（通常、リーンブローアウトと呼ばれる）を引き起こすおそれがある。その上さらに、混合の安定性は、エンジンが発生するＮＯｘ及び煤煙並びに燃焼温度に影響を与える。
【特許文献１】米国特許第６，４４２，９３９  Ｂ１号公報
【特許文献２】米国特許第６，７３５，９４９  Ｂ１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
当技術分野において必要とされるものは、大きな圧力損失によって生じる効率の望ましくない低下がない状態で十分な燃料混合を行うことができる、燃焼タービン用途におけるより効率的な燃料ミキサとその作動方法である。燃焼器長さの短縮もまた、タービンへの圧縮機の緊密結合を強化するために望ましい。さらに、再熱サイクルは、そのようなサイクルにおいて使用する燃焼器におけるコンパクト性及び低圧力損失により利点を得ることができ、従ってその効率を高めることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に開示しているのは、翼形燃料プレミキサ、翼形燃料プレミキサを用いた燃焼タービン、及びその使用方法である。１つの実施形態では、ガスタービンは、流体ストリームを加圧するように構成された圧縮セクションと、圧縮セクションに結合されると共に加圧流体ストリームを受けかつ燃料を燃焼させるようになった燃焼セクションであって、プレミキサを含み、プレミキサが、それに対してほぼ接線方向の角度で燃料を噴射してコアンダ効果を生じさせるようになったコアンダ輪郭燃料噴射翼形部の環状配列を含む燃焼セクションと、燃焼セクションと流体連通状態になったタービンセクションとを含む。
【０００８】
別の実施形態では、燃焼システム内で燃料及び酸化剤を予混合する方法を提供し、本方法は、酸化剤を含む流体ストリームを加圧し、かつ加圧流体ストリームを燃焼システム内に流す段階を含み、燃焼システムは、コアンダ輪郭燃料噴射翼形部の環状配列を含み、翼形部の各１つが、前縁と、該前縁の周りに燃料を噴射するように構成された燃料噴射開口部と、後縁とを有し、この段階において、加圧流体ストリームは、前縁から後縁の方向に流れ、本方法はまた、翼形部に対してほぼ接線方向の角度で前縁の周りに燃料を噴射してコアンダ効果を生じさせる段階と、後縁の直後に拡散状火炎を形成する段階と、複数のリーン及びリッチレジームを有する火炎を形成して、該リーン火炎レジームの各１つが翼形部間に形成されかつ該リッチ火炎レジームの各１つが翼形部の各１つの後方に形成されるようにする段階とを含む。
【０００９】
別の実施形態では、燃料／酸化剤予混合装置は、酸化剤を含む流体ストリームを受けるように構成されたコアンダ輪郭燃料噴射翼形部の環状配列を含み、翼形部の各１つは、前縁と、後縁と、前縁の周りにコアンダ効果を生じさせるように燃料を導入するように構成された燃料噴射開口部とを含む。
【００１０】
上述の及びその他の特徴は、以下の詳細な説明及び図によって例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、同様の構成要素には同じ参照符号を付した図を参照する。
【００１２】
本明細書に開示しているのは、予混合装置（すなわち、プレミキサ）であり、この予混合装置は、提案した燃焼器内で輪郭燃料噴射翼形部構成を利用してコアンダ効果を生じさせまた燃料及び酸化剤を効果的に予混合し、燃焼させかつ安定化させる。コアンダ効果（Coanda effect）は流体力学現象であり、この現象においては、空気及び／又は燃料のような湾曲面に対して接線方向に噴射した流体は、湾曲面と接触すると該湾曲面に沿う傾向をもつことになる。例えば、翼形部の上面上を通過する空気は、該翼形部の湾曲面に沿う傾向をもつことになる。この方法で燃料及び空気（すなわち、酸化剤）を混合することによって、プレミキサは、安定した燃焼反応をもたらしかつＮＯｘ、非反応炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）のような望ましくないエミッションを低減する二重又は三重火炎燃焼パターンを形成することができる。さらに、プレミキサにおける圧力損失は、従来型のプレミキサ設計の圧力損失よりも大幅に低くなり、従って少ないエネルギー量を利用して燃料混合気を予混合し、従ってタービン効率の向上が得られる。さらに、本明細書に記載したプレミキサにより、高いターンダウン比（作動圧力及び温度の好適な範囲にわたって燃焼を制御することができること）及び耐フラッシュバック性が得られ、また燃焼器のフレームアウト又はブローアウトマージンが高められる。さらに、本明細書内に開示したプレミキサの幾つかの段は、ガスタービンにおいて再熱サイクル用途に使用して、圧力損失に起因した効率損失を一般的再熱サイクルにおいて最低になるようにすることができる。先行技術のガスタービンと比較して、燃焼セクションの全長は減少し、それによって再熱サイクルが向上し、圧力損失が最少になりかつタービン効率が高まる。言い換えれば、本明細書に開示した予混合装置により、これまで可能であったものよりもタービンセクションに対する圧縮セクションの緊密結合が可能になる。
【００１３】
次に、図３を参照すると、燃焼セクション１０４内部に環状に配置された１つ又は幾つかのプレミキサ１０２を有する例示的なガスタービン１００を示しており、燃焼セクション１０４は、上述したように圧縮セクション１４及びタービンセクション１８の中間に位置しかつそれらセクションと流体連通状態になるか又は下流側で膨脹セクション１８内部に配置することができる。この実施例におけるプレミキサ１０２は、燃焼セクション１０４内部に統合された状態で示しており、これまでに達成可能であったものよりも圧縮及びタービンセクションの緊密結合を構成している。例えば、燃焼セクションの全長は、先行技術の燃焼セクション（図１に示す燃焼セクションのような）に用いた全長の半分にもすることができる。プレミキサ１０２を含むガスタービンは、下流においてセクション１８内で使用する場合に、必要に応じて従来型の燃焼器とのあらゆる組合せとして変更しかつ使用することができることを理解されたい。言い換えれば、ガスタービンは、図１に関連して述べたもののような燃焼器を含むことができ、その場合に、下流側燃焼器は、セクション１８内にプレミキサ１０２を含むように付加されるようになる。従って、１つよりも多いプレミキサ１０２は、ガスタービンの様々な段間で、例えば中間のタービン段１８の複数の再熱燃焼段間で利用することができることも理解されたい。一例として、プレミキサ１０２は、圧縮セクションの段間、タービンセクションの段間又はそれらの組合せの段間の複数の位置で使用することができる。このようにして、再熱サイクルが大幅に改善されかつガスタービン効率が高められる。
【００１４】
プレミキサ１０２は、コアンダ輪郭燃料噴射翼形部１０６の環状配列を含む。圧縮セクション１４からの加圧空気ストリーム２０は、輪郭燃料噴射翼形部１０６を通って流れ、次に輪郭燃料噴射翼形部１０６において燃料が噴射されかつコアンダ効果により高速度（例えば、１００〜５００ｍ／s）で翼形部表面に対してほとんど接線方向に流れて、得られた燃料／空気混合気による特有の燃焼パターン１０８を形成しかつ排出ガスを生成し、この排出ガスは次に、ノズル１１１を介してタービンセクション１８に供給される。燃焼パターンは、極めて安定していると認められている拡散状火炎１１２と、燃料及び空気のいわゆる予混合状態を増進させながら非常にリーンな状態からよりリッチな状態まで変わる複数のレジームを特徴とする二次火炎領域１１４とを含む。パターンは、ピッチ及び燃料対空気比の組合せのために翼形部の各々において同じである。結果として非常に均一な火炎温度が生じる。
【００１５】
図４により明確に示すように、プレミキサ１０２は、コアンダ輪郭燃料噴射翼形部１０６の環状配列を含む。翼形部１０６は、第１の端部でハブ１１６に連結された状態で示しており、またさらに第２の端部で燃焼セクションハウジング１１８（図３に示す）に連結される。任意選択的に、２つの連続した翼形部１０６間のハブ及びハウジング領域の両方はまた、コアンダ輪郭上に燃料噴射ポート１１７を有することができる（図４参照）。ポート１１７は、複数のオリフィスの形態のものとすることができ、或いは単一オリフィス、例えばスロットを含むことができる。各翼形部１０６は、前縁１２０及び後縁１２２を備えており、加圧空気ストリーム２０は、最初に前縁１２０と接触するようになる。１つの大きな及び／又は一連の燃料噴射スロット１２４は、翼形部１０６の前縁１１４近傍に配置されかつ高速度で翼形部表面に対して接線方向に燃料を導入するように構成されて燃料プレミックス５４を形成する。一連のスロットを通しての導入により、スロット間の空気同伴及び高運動量燃料との混合が決まることになる。得られた流れは、翼形部壁に近接した成長する境界層の形態の燃料及び空気の混合気である。混合により減速した状態になるが依然として高い燃料及び空気混合気の運動量に起因して翼形部全長に沿ってコアンダ効果が維持されることにより、境界層は強制的に翼形部壁に対して付着させられる。従って、比較的小さいスロット１１７を通して導入されかつ同伴空気との混合後においてさえも維持されている燃料の高運動量のために、局所的乱流火炎速度よりもはるかに大きい比較的高い燃料／空気混合気速度が結果として生じる。このようにして火炎保持並びにベーン領域内へのフラッシュバックが防止される。燃料対空気比はこの境界層全体にわたって変化するが、生じる境界層が成長するので、混合は、燃料導入からの短い距離の範囲内で完了する。従って、翼形部輪郭は２つの機能を有しており、１つは翼形部壁に対する燃料／空気混合気の付着を維持することにあり、一方では流れ方向において境界層成長速度を最大にすることである。その結果、燃料及び空気混合気の境界層は、常に成長し続けかつ翼形部輪郭の設計に応じて決まることになり、２つの対向する燃料／空気境界層は、互いに近接した状態になりまた接触した状態にさえなることができる。
【００１６】
次に、この燃焼器の円周方向セクションである図５を参照すると、従って、燃料導入の位置１２６の周りにおいて（すなわち、スロット開口部１２４において）、火炎は存在又は安定することができず、下流方向に押下げられる。同様に、燃料は輪郭翼形部１０６の中間付近における側壁１２８に沿って流れるので、燃料濃度はコアンダ効果のために１００%に近い状態に保たれる。その結果、燃焼もまたそこで発生することができず、燃料は高速度でさらに下流方向に押出される。ベーン高さに沿った燃料スロット間の半径方向距離に応じて、燃料スロット間に同伴された空気により、燃料噴射スロット１２６の下流に位置する形成境界層における濃度及び速度が決まることになる。燃料の速度及び濃度は翼形部の壁から離れる方向で評価されるので、輪郭は異なったものになっており、濃度は燃料がない領域、例えば参照符号１３０の位置（すなわち、燃料濃度境界層端縁１３２に隣接している）に向かって単調に減少し、また境界層内の速度は、最初に最大値（輪郭によって決まり、境界層高さの半分により近い位置に生じる可能性がある）まで増大し、次に空気の自由ストリームの速度に向かって減少するようになる。これらの輪郭がどのように形成されることになるのかは翼列の設計の問題である。しかしながら、翼形部壁１２８に対する境界層１３２の付着、局所的状態（燃料の温度及び濃度）及び流れひずみにより、翼形部の範囲内での火炎の非存在又は非安定化が決まる。しかしながら、下流の幾つかの箇所において、ベーン間隔の拡散領域内での翼形部間の空間内に実際に火炎が存在する。火炎前面の位置は一般に、２つの対向する翼形部（上面及び下面）による２つの境界層１３２の合体箇所１３４の位置に応じて決まることになる。従って、合体箇所１３４の下流に、リーン予混合ゾーン１３６が形成される。予混合状態の程度は、高いままであるが、局所的燃料対空気比は、隣接する翼形部の後縁１２２の外側に混合気が移動するにつれて下流側でさらに高まり、最終的にはより高い当量比での完全な燃料／空気混合気が、ステータ段（ベーン間の少なくとも１つのピッチ距離に等しい距離だけ下流にある）から発生する。
【００１７】
ここでもスロットを通しての燃料の導入及び翼形部の輪郭に応じて、各翼形部１０６の後縁１２２に近接して低い予混合状態の領域が存在することになる。コアンダ効果により、非常に優れた火炎の安定性を保持するより多くの拡散状火炎１１２が、後縁１２２の下流に形成される。拡散状火炎１１２（図６）の効果は、その内部に拡散されてシステムの作動時に着火状態を持続する十分な酸化剤を含むが、その内部で燃料３２の全てを消費させるのに十分な酸素を含まないことである。そのために、拡散状火炎は、極めて安定している。さらに、拡散状火炎１１２の燃焼は、付加的な乱流を発生させることによって下流側の燃料混合気５４の分散を助ける。拡散火炎１１２以外に、燃料リッチ領域１３８は、ベーン間での高速度のために燃焼させるには余りにもリッチ過ぎる。さらに、上記のように、燃料リーン領域１３６は、ベーン間で燃焼させるには余りにもリーン過ぎる。しかしながら、図６により明確に示すように、燃料リーン領域１３６及び燃料リッチ領域１３８の下流（流体ストリーム２０の流れ方向に対して）に、翼形部１０６及び拡散状火炎１１２によって形成された乱流に起因して２つの領域１３６、１３８間での拡散が発生し、この拡散は、火炎１１４を支持するのに十分である。燃料リッチ火炎１４０及び燃料リーン火炎１４２は、その結果得られる燃焼反応の生成物となる火炎１１４を発生させる。燃料リッチ火炎１４０の火炎前面は、燃料リーン火炎１４２の火炎前面の僅かに上流に位置する。
【００１８】
三重火炎燃焼反応、すなわちリーンプレミックス、リッチプレミックス及び拡散状火炎は、先行技術の燃焼反応と比較して高い燃焼安定性をもたらすことが予想外にも判明した。この種の火炎はまた、トリ−ブラキアル（ｔｒｉ−ｂｒａｃｈｉａｌ）火炎としても知られている。拡散火炎をリーン又はリッチ予混合火炎のいずれかと組合せたバイ−ブラキアル火炎もまた、存在することができる。理論に束縛さるのを欲するものではないが、化学量論的条件により火炎安定性は保証されるが、高い安定性作用は、燃焼反応の動的挙動がそれに対して供給される燃料３２の量の変動及び／又は流体ストリーム２０の量の変化のような過渡現象を受けた時に燃焼を支持する燃料リッチ火炎１４０及び燃料リーン火炎１４２の能力に起因していると考えられる。例えば、タービンに供給される燃料３２の量が増加する（例えば、タービンにより生じる出力を増大させるために）と、燃焼セクション１００に供給される燃料３２は、流体ストリーム２０の量の即時の増加がない状態で増加し、このことにより、本質的に燃料対空気比が高くなる。この状態の結果として、燃料リッチ領域１３８は、その範囲が増大することになり、また燃料リッチ火炎１４０は、それら火炎１４０がそこに十分な空気が拡散して燃焼を支持する箇所に達するまで、下流方向に押し下げられることになる。しかしながら、同時に、燃焼セクション１００に供給される付加的燃料３２により、燃料リーン領域１３６内に拡散する燃料３２の量が増加して燃焼を一層促進するようになり、燃料リーン火炎１４２は、燃料リーン領域１３６に向かって前進する。このようにして、燃料リーン火炎１４２は、燃焼反応の大部分を支持する。
【００１９】
別の実施例では、燃焼チャンバ１００への燃料供給が減少した（例えば、出力を低下させるために）時に、燃料リッチ領域１３８に供給される燃料３２の量も減少して燃焼を一層促進するようになり、燃料リッチ火炎１４０を燃料リッチ領域１３８に向かって前進させる。同時に、燃料リーン領域１３６内に拡散する燃料３２の量は、さらに減少して、燃料リーン火炎１４２は、そこに十分な燃料３２が拡散して燃焼を支持することができる箇所まで下流方向に押下げられる。この状態の下において、燃料リッチ火炎１４０は、燃焼プロセスの大半を支持する。
【００２０】
さらに別の実施例では、出力をさらに低下させるために燃料流量のさらなる減少を行なった時には、燃料スロットの幾つかのみを使用して、燃焼生成物の許容可能な輪郭及びパターン因子を依然として達成しながら燃料リッチ領域１３８に対する良好な安定メカニズムをこのように維持することができる。
【００２１】
プレミキサ１０２はまた、十分な燃料混合気を生成するのに関連した圧力損失を低減することが判明した。より具体的に言うと、各翼形部１０６における（入口側と出口側との間の）圧力損失は、約３％よりも少ないか又はそれに等しい、或いはさらに約２％よりも少ないか又はそれに等しい、或いは約１%よりも少ないか又はそれに等しいだけ加圧流体ストリーム２０の圧力を低下させる。その結果、プレミキサ１０２を用いるあらゆるタービンシステムの全体効率は、上述したタイプの先行技術のプレミキサを用いるものよりも大幅に高くなる。このことは、単サイクルガスタービンにおいて特に重要であり、また再熱概念を導入するためにも極めて重要であって、この再熱概念では、記載したような燃焼器段の幾つかを使用して、効率を高め、かつ燃焼生成物内の最少１ボリューム％に至るまでの酸素の大部分を利用することができるようにする。
【００２２】
さらに、プレミキサ１０２を用いる燃焼タービンは、運転条件の範囲全体にわたって十分な燃焼反応を維持する燃焼タービンの能力と定義される優れたターンダウン比を発揮する。例えば、ジェット機に用いたタービンが発揮するターンダウン比は、低出力発生状態からほぼ全出力発生状態までにわたっているのが望ましい。
【００２３】
ガスタービンの設計は、大きく変化させることができることは当業者には明らかであろう。例えば、燃焼セクション１００の設計は、複数のプレミキサ１０２を含むように変更するか或いは１つ又はそれ以上のプレミキサ１０２を用いる燃焼器を備えたものとして変更することができる。１つの別の実施形態では、流体ストリーム２０が第１の翼形プレミキサを通って流れ、次に第２の翼形プレミキサを通って流れるように２つ又はそれ以上の翼形プレミキサ１０２を互いに隣接して配置することができる。さらに、本明細書で説明したプレミキサ１０２は、特にガスタービンと組合せ、発電のような用途に使用される。しかしながら、この種のミキサは、あらゆる燃焼タービンシステムで用いることができることは明らかであろう。例示的なシステムには、航空機用途（例えば、旅客機及び軍用機）、陸上車両（例えば、タンク、列車等々）、発電（例えば、電力）等々が含まれる。
【００２４】
プレミキサ１０２は、天然ガス、液化天然ガス、水素、合成ガス、灯油、ジェット燃料、ガソリン、エタノール、ディーゼル、バイオディーゼル、液体の予熱事前気化燃料等々のようなあらゆる燃料源を用いて利用することができる。プレミキサ１０２、翼形部１０６、燃料噴射スロット１１８等々の特有の構成は、用いる特定の燃料及び他の変数に基づいて構成可能とすることができることを理解されたい。例えば、ガス状の燃料の場合、燃料噴射スロット１２４は、それを通してガスを流体ストリーム２０に供給することができる孔の列を含むように構成することができる。システムに燃料を供給する圧力もまた、特定の用途に基づいて構成されることになる。しかしながら、用いる燃料圧力は、加圧流体ストリーム２０の圧力よりも高いものになる。
【００２５】
別の実施形態では、単一の翼形部１０６上で複数の燃料噴射スロット１２４及び／又は孔の列を用いることができ、或いは燃料噴射スロット１２４、燃料噴射孔等々を含む組合せさえ用いることができる。さらに、燃料噴射スロット１２４は、翼形部１０６の前縁１２０に緊密に近接した状態で示しているが、燃料噴射スロット１２４或いはあらゆるスロット、孔又は他の燃料噴射口は、燃料３２が翼形部１０６のあらゆる１つ又は複数の部分から噴射されるように構成することができることは明らかであろう。例えば、１つの実施形態では、一連の燃料噴射孔は、配置された燃料噴射スロット１２４と組合せて前縁１２０上に配置することができる。別の実施形態では、２つの燃料噴射スロットの列を用いることができ、その場合、１つのスロットが前縁１２０に近接して配置され、また第２の列が後縁１２２に近接して配置される。
【００２６】
プレミキサ１０２に用いる特定の翼形部設計及びピッチは、用途に基づいて選択することになる。流体ストリーム２０の量、用いる特定の燃料３２及びその他のような変数は、それらのパラメータに影響を及ぼすことになり、そのことは、当業者にはよく知られている。さらに、流体ストリーム２０に曝されるプレミキサ１０６の例えば参照符号１２８のような表面は、翼形部１０６の表面全体にわたって乱流を増加又は減少させかつ／或いはその上での流体ストリーム１６の流れを変更することができるディンプル、ディボット及び／又はその他の表面形状のような表面形状部を含むことができる。１つの実施例では、好適なプレミキサは、ディンプル付き表面（例えば、ゴルフボールに類似した）を有して、その上での流体ストリームの流れを変更する翼形部を含むことができる。別の実施形態では、翼形部は、該翼形部の表面上での乱流を増加させる荒表面仕上げを含むことができる。
【００２７】
翼形部は、フライス加工、研削加工、鋳造、放電加工（ＥＤＭ）等々のような機械加工法を使用して製作することができる。用いる材料は、クロム、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、チタン、アルミニウム及びそれらの少なくとも１つを含む混合物を含む、ニッケル、鉄及びコバルト基合金並びにその混合物を含む超合金のようなあらゆる金属とすることができる。例えば、コバルト、クロム、ニッケル、鉄、シリコン、カーボン、モリブデン及びマンガンを含むＳｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）６Ｂ（英国スインドン所在のＤｅｌｏｒｏ−Ｓｔｅｌｌｉｔｅ  Ｃｏｍｐａｎｙから購入可能な）のようなコバルト−クロム超合金を用いることができる。超合金は、その高い硬度のロックウエル硬度（例えば、ロックウエルＣスケールで測定して約４０〜約５０）のために通常の金属合金（例えば、ステンレス鋼）と比較して高い耐腐食性を示すことができる。さらに、超合金は、約１２００°Ｆ（６５０℃）に等しいか又はそれよりもさらに高い作動条件においてその強度を維持することができる。
【００２８】
任意選択的に、翼形部１０６は、その連続運転温度を高めるために断熱被膜を有するように構成することができる。例示的な溶射法には、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）、高速度酸素燃料（ＨＶＯＦ）等々が含まれる。
【００２９】
特に別に明記しない限り、本明細書で使用した技術的及び科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって普通に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書で使用する場合の「第１の」、「第２の」などという用語は、いかなる順序、数量又は重要度も意味するものでなく、むしろ、１つの要素を他の要素と区別するために使用している。さらに、「数詞のない表現」は、数量の限定を意味するものではなく、むしろ、そこで述べたアイテムの少なくとも１つが存在することを意味し、また「前方」、「後方」、「下」及び／又は「上」という用語は、他に特に特定しない限り、単に説明の都合で使用しているにすぎず、いずれか１つの位置又は空間的配向を限定するものではない。範囲を開示している場合には、同一構成部品又は特性に向けられた全ての範囲のエンドポイントは、全て包含されており、独立して組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％までの又はより具体的には約５重量％〜約２０重量％」の範囲は、エンドポイント及び「約５重量％〜約２５重量％」などの範囲の全ての中間値を全て包含する）。数量に関して使用する「約」という修飾語は、そこに述べた数値を全て包含しておりかつ文章の前後関係によって決まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定値と関連した誤差の程度を含む）。本明細書で使用する場合の「数詞のない表現」は、その用語が意味するものの単数及び複数の両方を含むことを意図しており、従ってその用語が意味するものの１つ又はそれ以上を含む（例えば、着色剤というのは、１つ又は複数の着色剤を含む）。さらに、本明細書で使用する場合、「組合せ」には、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などの全てが包含される。
【００３０】
例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き変えることができることは当業者には分かるであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように、多くの変更を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】先行技術のガスタービンの断面図。
【図２】図１のガスタービンに用いられる先行技術のプレミキサの断面図。
【図３】本開示によるプレミキサを含む燃焼セクションの断面図。
【図４】図３のプレミキサの斜視図。
【図５】ガスタービンの運転時における図３のプレミキサの平面断面図。
【図６】ガスタービンの運転時における図３のプレミキサの平面断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ガスタービン
１２  吸気セクション
１４  圧縮セクション
１６  燃焼セクション
１８  タービンセクション
２０  流体ストリーム
２２  ブレード付きロータ
２４  カン−アニュラ型燃焼器
２６  プレミキサ
２８  プレナム
３０  ダクト
３２  燃料
３４  孔
３６  燃焼反応
３８  排出ガス
４０  ロータ(タービン)
４２  シャフト
４４  カン（プレミキサ）
４６  燃料噴射装置
４８  ミキサ部分（スワーラ）
５０  角度付きリブ
５２  二次燃料噴射ノズル
５４  燃料プレミックス
５６  第１の噴射ノズル
５８  燃料混合気
１００  ガスタービン
１０２  プレミキサ
１０４  燃焼セクション
１０６  コアンダ輪郭燃料噴射翼形部
１０８  燃焼パターン
１１０  排出ガス
１１２  拡散状火炎
１１４  第２の火炎領域
１１６  ＨＵＢ
１１８  燃焼セクションハウジング
１２０  スロット前縁
１２２  後縁
１２４  燃料噴射スロット
１２６  位置
１２８  側壁
１３０  燃料のない領域
１３２  境界層
１３４  合体箇所
１３６  リーン予混合ゾーン
１３８  リッチ予混合ゾーン
１４０  燃料リッチ火炎
１４２  燃料リーン火炎
【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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