(57)【要約】【課題】本発明は、ガスタービンエンジンの予混合器をもつカン型環状燃焼器２３に関する。【解決手段】主燃料噴射器６８は、燃料２２を予混合器流路１３４中に噴射するように配置される。燃焼チャンバ２６は、予混合器２８と供給流体連通状態で配置された環状の燃焼器ライナによって囲まれる。燃焼ライナ２７の上流端３０に配置された環状のトラップ式二重渦キャビティ４０は、環状の後方壁４４と環状の前方壁４６とその間に形成された円形の外側壁４８との間に形成される。キャビティ４０の半径方向内側端３９にあるキャビティ開口部４２は、外側壁４８から間隔をおいて位置している。空気噴射用第一穴１１２が前方壁４６を貫通して配置され、空気噴射用第二穴１１４が後方壁４４を貫通して配置される。燃料噴射穴７０は、前方壁及び後方壁の少なくとも１つを貫通して配置される。【選択図】　　　図１
2004012123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０）における燃焼器缶組立体（２５）であって、
予混合器（２８）の下流に燃焼器缶（２３）を備え、
前記予混合器（２８）は、予混合器上流端と、予混合器下流端と、その間の予混合器流路（１３４）と、前記上流端と前記下流端との間で前記予混合器流路（１３４）を横切って、周方向に間隔をおいて配置された複数のスワール羽根（３２）と、燃料（２２）を前記予混合器流路（１３４）中に噴射するための主燃料噴射手段とを有し、
前記燃焼器缶（２３）は、前記予混合器（２８）と供給流体連通状態で配置された環状の燃焼ライナ（２７）によって囲まれた燃焼チャンバ（２６）を有し、
前記燃焼ライナ（２７）の上流端（３０）に配置され、環状の後方壁（４４）と環状の前方壁（４６）とその間に形成された円形の半径方向外側壁（４８）との間に形成された環状のトラップ式二重渦キャビティ（４０）と、
前記キャビティ（４０）の半径方向内側端（３９）にあり、前記半径方向外側壁（４８）から間隔をおいた位置で前記後方壁（４４）と前記前方壁（４６）との間に延びるキャビティ開口部（４２）と、
前記前方壁（４６）にある空気噴射用第一穴（１１２）と、前記後方壁（４４）にある空気噴射用第二穴（１１４）と、
が設けられ、
前記空気噴射用第一穴（１１２）及び前記空気噴射用第二穴（１１４）が半径方向に間隔をおいて配置され、
前記前方壁（４６）及び後方壁（４４）の少なくとも１つに燃料噴射穴（７０）が設けられている、
ことを特徴とする燃焼器缶組立体。
【請求項２】
前記主燃料噴射手段が、前記スワール羽根（３２）内部の燃料キャビティ（１３０）と、該燃料キャビティ（１３０）から前記予混合器流路（１３４）まで前記スワール羽根（３２）の後縁（１３３）を貫通して延びる燃料噴射穴（１３２）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項３】
前記後方壁（４４）と、前記前方壁（４６）と、前記外側壁（４８）とを貫通して配置された傾斜したフィルム冷却孔（８４）を更に備えることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項４】
前記後方壁（４４）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が半径方向外向き（ＲＯ）に傾斜され、前記前方壁（４６）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が下流方向（Ｄ）に向かって半径方向内向き（ＲＩ）に傾斜され、前記外側壁（４８）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が軸方向前向き（ＡＦ）に傾斜されていることを更に特徴とする、請求項３に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項５】
前記後方壁（４４）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が半径方向内向き（ＲＩ）に傾斜され、前記前方壁（４６）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が下流方向（Ｄ）に向かって半径方向外向き（ＲＯ）に傾斜され、前記外側壁（４８）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が軸方向後向き（ＡＡ）に傾斜されていることを特徴とする、請求項３に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項６】
前記燃料噴射穴（７０）の各々が複数の前記空気噴射用第二穴（１１４）によって囲まれ、前記空気噴射用第一穴（１１２）が単一の周方向の列に並べられていることを特徴とする、請求項３に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項７】
前記後方壁（４４）と、前記前方壁（４６）と、前記外側壁（４８）とを貫通して配置された傾斜したフィルム冷却孔（８４）を更に備えることを特徴とする、請求項６に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項８】
前記後方壁（４４）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が半径方向外向き（ＲＯ）に傾斜され、前記前方壁（４６）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が下流方向（Ｄ）に向かって半径方向内向き（ＲＩ）に傾斜され、前記外側壁（４８）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が軸方向前向き（ＡＦ）に傾斜されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項９】
前記後方壁（４４）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が半径方向内向き（ＲＩ）に傾斜され、前記前方壁（４６）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が下流方向（Ｄ）に向かって半径方向外向き（ＲＯ）に傾斜され、前記外側壁（４８）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が軸方向後向き（ＡＡ）に傾斜されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項１０】
下流方向の直列流れ関係で、外側流れスリーブ（１８２）と前記環状の燃焼ライナ（２７）との間にある後方から前方への部分（１８０）と、前記渦キャビティ（４０）の前方にある１８０度湾曲部（１８１）とを含む逆流燃焼器流路（１７８）を更に備え、
前記予混合器流路（１３４）が前記燃焼器流路（１７８）の下流端（１３５）に位置し、
前記スワール羽根３２が、前記外側流れスリーブ（１８２）と内側流れスリーブ（１８４）との間に形成された前記予混合器流路（１３４）を横切って配置されている、
ことを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項１１】
前記後方壁（４４）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が半径方向内向き（ＲＩ）に傾斜され、
前記前方壁（４６）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が下流方向（Ｄ）に向かって半径方向外向き（ＲＯ）に傾斜され、
前記外側壁（４８）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が軸方向後向き（ＡＡ）に傾斜され、
前記燃料噴射穴（７０）及び前記空気噴射用第二穴（１１４）が前記前方壁（４６）を貫通して配置され、
前記空気噴射用第一穴（１１２）が前記後方壁（４４）を貫通して配置されている、
ことを特徴とする、請求項１０に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項１２】
前記主燃料噴射手段が、前記スワール羽根（３２）内部の燃料キャビティ（１３０）と、該燃料キャビティ（１３０）から前記予混合器流路（１３４）まで前記スワール羽根（３２）の後縁（１３３）を貫通して延びる燃料噴射穴（１３２）とを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項１３】
前記後方壁（４４）と、前記前方壁（４６）と、前記外側壁（４８）とを貫通して配置された傾斜したフィルム冷却孔（８４）を更に備えることを特徴とする、請求項１１に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項１４】
前記予混合器（２８）と前記渦キャビティ（４０）との間に配置された２段目の予混合コンボリュート式混合器（１５４）を更に備え、該予混合コンボリュート式混合器（１５４）が前記予混合器流路（１３４）内に半径方向内向きに延びる、周方向に交番配置された突状部（１５９）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の燃焼器缶組立体。
【請求項１５】
前記後方壁（４４）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が半径方向外向き（ＲＯ）に傾斜され、
前記前方壁（４６）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が下流方向（Ｄ）に向かって半径方向内向き（ＲＩ）に傾斜され、
前記外側壁（４８）を貫通する前記フィルム冷却孔（８４）が軸方向前向き（ＡＦ）に傾斜され、
前記燃料噴射穴（７０）及び前記空気噴射用第二穴（１１４）が前記後方壁（４４）を貫通して配置され、
前記空気噴射用第一穴（１１２）が前記前方壁（４６）を貫通して配置されている、
ことを特徴とする、請求項１４に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【請求項１６】
前記燃料噴射穴（７０）の各々が複数の前記空気噴射用第二穴（１１４）によって囲まれ、前記空気噴射用第一穴（１１２）が単一の周方向の列に並べられていることを特徴とする、請求項１１又は請求項１５に記載の燃焼器缶組立体（２５）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器に関し、より具体的には、予混合器をもつカン型環状燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ガスタービンエンジンは、空気を加圧する圧縮機を含み、加圧された空気は燃料と混合され、燃焼器において点火されて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンに流れ、該タービンはエネルギーを取り出し、シャフトを駆動して圧縮機に動力供給し、また例えば発電機に動力供給するための出力を生成する。発電用ガスタービンエンジンは、一般的に長期間作動されるもので、燃焼ガスからの排気エミッションが懸念事項であり、規制された制限の対象である。従って、燃焼器は低排気エミッションでの作動、特に低ＮＯｘでの作動が可能なように設計される。典型的な低ＮＯｘ燃焼器は、エンジンの周りで互いに周方向に隣接する複数の燃焼器缶を含む。各々の燃焼器缶は、上流端に接合された複数の予混合器を有する。希薄燃焼予混合低ＮＯｘ燃焼器は、低排気エミッションを生成するように設計されてきたが、燃焼チャンバにおける燃焼不安定を生じやすい。
【０００３】
二原子の窒素は華氏約３０００度を超える温度で、急激に分離し、酸素と結合して、許容不可能な高水準のＮＯｘエミッションを生成する。ピーク温度を下げるため、従ってＮＯｘエミッションを減らすために一般的に用いられる１つの方法は、燃焼器中に水又は蒸気を噴射するものである。しかしながら、水／蒸気の噴射は、比較的高価な技術であり、一酸化炭素（ＣＯ）の完全燃焼反応に消炎作用を与えるという望ましくない副次的作用の原因となることがある。更に、水／蒸気の噴射方法は、多くの場所において求められている非常に低い汚染物質レベル目標を達成する能力に限界がある。希薄予混合燃焼は、ピークのフレーム温度を下げ、その結果として、ＮＯｘエミッションレベルを下げるのにはるかに魅力的な方法である。希薄予混合燃焼においては、燃料と空気が予混合部において予混合され、燃料空気混合気は燃焼チャンバ中に噴射され、そこで混合気が燃焼される。予混合によってもたらされる希薄空燃比により、より低いフレーム温度及びＮＯｘエミッションのレベルが達成される。カン型環状燃焼器及びアニュラ型燃焼器を含む、ガスタービンのための幾つかの形式の低ＮＯｘエミッション燃焼器が、希薄予混合燃焼を現在用いている。
【０００４】
カン型環状燃焼器は、典型的には、遷移部品内に挿入された円筒形のカン型ライナからなり、多数の燃料空気のための予混合器が該ライナの頭部端に配置されている。アニュラ型燃焼器もまた、多数のガスタービン用途において用いられており、環状のタービンノズルのすぐ上流側にリング状に配置された複数の予混合器を含む。アニュラ型バーナは、内側及び外側ライナによって半径方向に境界付けられた環状の断面をもつ燃焼チャンバを有し、一方、カン型バーナは、１つのライナによって半径方向に境界付けられた円形の断面をもつ燃焼チャンバを有する。
【０００５】
産業用ガスタービンエンジンは、一般的に低排気エミッションでの作動、特に低ＮＯｘでの作動が可能なように設計された燃焼器を含む。低ＮＯｘ燃焼器は、一般的に複数の燃焼器缶がエンジンの周りに互いに周方向に隣接する構成であり、各々の燃焼器缶は、その上流端に接合された複数の予混合器を有する。各々の予混合器は、一般的に円筒形のダクトを含み、該ダクトの入口から該ダクトの出口まで延びる管状の中央本体が該ダクト内に同軸に配置され、該ダクトは、ダクト出口において、燃焼器缶の上流端及びその内部の燃焼チャンバを形成するより大きなドームに接合される。
【０００６】
複数の周方向に間隔をおいて配置された羽根を有するスワール生成器が、エンジンの圧縮機から受けた加圧空気にスワールを与えるためにダクトの入口に配置される。スワール生成器の下流には適当な燃料噴射器が配置されており、該燃料噴射器は、典型的には周方向に間隔をおいて配置された燃料用スポークの列の形態であり、該スポークの各々は、複数の半径方向に間隔をおいて配置された燃料噴射オリフィスを有し、該オリフィスは中央本体を通して通常の方法でガス状メタンのような燃料を受け、該燃料を燃焼器ドームの上流において予混合器ダクト中に吐出する。
【０００７】
燃料噴射器は、燃料及び空気が混合され、予め蒸発するのに十分な時間を有するように、燃焼チャンバの軸線方向上流に配置される。このようにして、予め混合され、予め蒸発された燃料空気混合気は、燃焼チャンバにおいてよりクリーンな燃焼を支持し、排気エミッションを減らす。燃焼チャンバは、一般的に無孔であり、予混合器に到達する空気の量を最大にし、従って、より低い量のＮＯｘエミッションを生成し、従って、規制された排気エミッション限界を満たすことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
希薄予混合低ＮＯｘ燃焼器は、燃焼器における燃焼不安定を起こしやすく、これが燃料空気混合気に変化を生じさせ、従って、エミッションを減らすための燃焼器の効率を下げる。予混合器をもつ希薄燃焼低ＮＯｘエミッション燃焼器は、燃焼不安定を生じ、これが予混合された燃焼システムの作動性に対して深刻な制限を課すことになる。本技術分野において、予混合を用いる燃焼器における燃焼安定性をもたらすための必要性が存在する。
【０００９】
【発明を解決するための手段】
ガスタービンエンジンの燃焼器缶組立体は、予混合器上流端と、予混合器下流端と、その間の予混合器流路とを有する予混合器の下流に、燃焼器缶を備える。周方向に間隔をおいて配置された複数の羽根が、上流端と下流端との間で予混合器流路を横切って配置される。主燃料噴射器が、燃料を予混合器流路中に噴射するために用いられる。燃焼器缶は、予混合器と供給流体連通状態で配置された環状の燃焼ライナによって囲まれた燃焼チャンバを有する。環状のトラップ式二重渦キャビティが、燃焼ライナの上流端に配置され、環状の後方壁と環状の前方壁とその間に形成された円形の半径方向外側壁との間に形成される。キャビティの半径方向内側端にあるキャビティ開口部が、半径方向外側壁から間隔をおいた位置で後方壁と前方壁との間に延びる。空気噴射用第一穴が前方壁を貫通して配置され、空気噴射用第二穴が後方壁を貫通して配置される。空気噴射用第一穴及び第二穴は、半径方向に間隔をおいて配置され、燃料噴射穴は、前方壁及び後方壁の少なくとも１つを貫通して配置される。
【００１０】
燃焼器缶組立体の例示的な実施形態は、半径方向外向きに傾斜され後方壁を貫通して配置された傾斜したフィルム冷却孔と、下流方向に向かって半径方向内向きに傾斜され前方壁を貫通して配置された傾斜したフィルム冷却孔と、軸方向前向きに傾斜され外側壁を貫通して配置された傾斜したフィルム冷却孔とを含む。或いは、後方壁を貫通するフィルム冷却孔は、半径方向内向きに傾斜され、前方壁を貫通するフィルム冷却孔は、下流方向に向かって半径方向外向きに傾斜され、外側壁を貫通するフィルム冷却孔は、軸方向後向きに傾斜される。燃料噴射穴の各々は、複数の空気噴射用第二穴によって囲まれ、空気噴射用第一穴は、単一の周方向の列に並べられる。主燃料噴射器は、スワール羽根内部の燃料キャビティと、該燃料キャビティから予混合器流路までスワール羽根の後縁を貫通して延びる燃料噴射穴とを含む。
【００１１】
別の実施形態の燃焼器缶組立体は、下流方向の直列流れ関係で、外側流れスリーブと環状の燃焼ライナとの間にある後方から前方への部分と、渦キャビティの前方にある１８０度湾曲部とを含む逆流燃焼器流路を備え、予混合器流路が該燃焼器流路の下流端に位置している。スワール羽根が、外側流れスリーブと内側流れスリーブとの間に形成された予混合器流路を横切って配置される。更に別の実施形態の燃焼器缶組立体は、予混合器と渦キャビティとの間に配置された２段目の予混合コンボリュート式混合器を有する。該コンボリュート式混合器は、予混合器流路内に半径方向内向きに延びる周方向に交番配置された突状部を含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本明細書には、本発明を具体的に示しかつ明確に特許請求する特許請求の範囲が冒頭に添付されるが、本発明は、添付の図面に関連してなされる以下の説明から一層よく理解されるであろう。
【００１３】
図１に示されるのは、低ＮＯｘ燃焼器１４及び単一段又は多段タービン１６と直列流体連通状態で配置された多段軸流圧縮機１２を含む、例示的な産業用ガスタービンエンジン１０である。タービン１６は、駆動シャフト１８により圧縮機１２に駆動関係で連結されており、この駆動シャフト１８は、電力を発生するための発電機（図示せず）を駆動するためにも用いられる。作動中、圧縮機１２は、加圧空気２０を下流方向Ｄに向けて燃焼器１４内に吐出し、該燃焼器内において加圧空気２０は燃料２２と混合され、点火されて燃焼ガス２４を生成し、この燃焼ガス２４からタービン１６によってエネルギーが取り出され、シャフト１８を回転させて該圧縮機１２に動力供給し、また発電機又は他の適当な外部負荷を駆動する。燃焼器１４は、エンジン中心線４の周りに周方向に配置された複数の燃焼器缶組立体を有するカン型環状形である。
【００１４】
更に図２を参照すると、各々の燃焼器缶組立体２５は、予混合器２８のすぐ下流に燃焼器缶２３を含み、該予混合器２８は、該予混合器と燃焼器缶との間の予混合ゾーン１５８における燃料／空気混合気流３５内の主燃料／空気混合気を形成する。燃焼器缶２３は、缶の軸線８の周りにあって燃焼器ドーム２９に取り付けられた管状又は環状の燃焼ライナ２７によって囲まれた燃焼チャンバ２６を含む。燃焼チャンバ２６は、回転体形状の本体を有し、その円形の断面は、缶の軸線８に対して垂直である。例示的な実施形態において、燃焼ライナ２７は無孔であり、ＮＯｘエミッションを減らすために、予混合器２８に到達する空気の量を最大にする。ほぼ平坦な燃焼器ドーム２９が、燃焼チャンバの上流端３０に配置され、排出口３１は、該燃焼チャンバの下流端３３に配置される。遷移部分（図示せず）は、複数の燃焼器缶の排出口３１を結合して、共通の環状排気をタービン１６に与える。
【００１５】
本発明が関連する希薄燃焼プロセスは、燃焼を達成すること及びそれを維持することを困難にし、関連する流れの不安定性は、燃焼器の低ＮＯｘエミッションの効率に影響を与える。燃焼チャンバ２６内におけるこの問題を克服するために、燃料／空気混合気を点火し、そのフレームを安定させるためのいくつかの技術が必要とされる。このことは、燃焼ライナ２７において形成されるトラップ式渦キャビティ４０を組み込むことによって達成される。トラップ式渦キャビティ４０は、図１、図２及び図３におけるキャビティにより概略的に示されるように、燃料空気混合気の環状の回転渦４１を生成するために利用される。
【００１６】
図３を参照すると、点火器４３を用いて、燃料空気混合気の環状回転渦４１に点火し、フレームの前面を燃焼チャンバ２６の残りの中に広める。従って、トラップ式渦キャビティ４０は、空気燃料予混合器２８から燃焼チャンバ２６中に噴射された燃料／空気混合気流３５内の主燃料／空気混合気に点火するためのパイロットとして働く。トラップ式渦キャビティ４０は、ほぼ四角形であるように示され、環状の後方壁４４と、環状の前方壁４６と、その間に形成され該後方壁４４と該前方壁４６に対しほぼ垂直である円形の半径方向外側壁４８との間に形成される。「後方」という用語は、下流方向Ｄを意味し、「前方」という用語は、上流方向Ｕを意味する。
【００１７】
キャビティ開口部４２は、キャビティ４０の半径方向内側端３９において後方壁４４と前方壁４６との間に延び、燃焼チャンバ２６に対して開口し、外側壁４８から半径方向内側に間隔をおいた位置にある。ここに示される例示的な実施形態において、渦キャビティ４０は、ほぼ四角形の断面であり、後方壁４４、前方壁４６及び外側壁４８は、図に示されるように、軸方向断面において、ほぼ等しい長さである。
【００１８】
特に図３を参照すると、渦を駆動するように後向きに噴射される空気１１０は、キャビティ４０の半径方向内側端３９の開口部４２近くの半径方向位置において、前方壁４６に沿った半径方向位置にある該前方壁４６の空気噴射用第一穴１１２を通して噴射される。渦を駆動するように前向きに噴射される空気１１６は、外側壁４８近くの半径方向位置にある後方壁４４の空気噴射用第二穴１１４を通して噴射される。渦燃料１１５は、半径方向外側壁４８近くにある後方壁４４の燃料噴射穴７０を通して噴射される。各燃料噴射穴７０は、円形に並べられた幾つかの第二穴１１４によって囲まれる。前方壁４６における第一穴１１２は、図４に示されるように、缶の軸線８の周りに、単一の周方向の列に並べられる。しかしながら、１つ以上の列の燃料噴射穴７０及び／又は第一穴１１２を含む、他の配列を用いることもできる。
【００１９】
図３を参照すると、渦燃料１１５は、燃料噴射穴７０内に中心がある燃料噴射器６８を通って、トラップ式渦キャビティ４０に入る。燃料噴射器６８は、燃料導管７２を経て渦燃料１１５を受ける外部燃料マニホルド７４と流体連通する。本発明の例示的な実施形態において、燃料マニホルド７４は、該燃料マニホルドを熱から保護するために断熱層８０を有し、該断熱層は空気又は他の断熱材料のいずれかを含むことができる。
【００２０】
壁を貫通して傾斜して形成された冷却穴又はスロットのような冷却孔８４の形態のフィルム冷却手段は、燃焼器における壁を冷却するために業界においてよく知られている。本発明の例示的な実施形態においては、後方壁４４、前方壁４６及び外側壁４８を貫通して配置されたフィルム冷却孔８４が、フィルム冷却手段として用いられる。フィルム冷却孔８４は、キャビティ４０内に形成される燃料と空気の渦４１を増強させるのを助けるように傾斜され、更に、壁を冷却するためにも用いられる。フィルム冷却孔８４は、冷却空気１０２を渦の回転方向１０４に流すように傾斜される。第一穴１１２と第二穴１１４、及びフィルム冷却孔８４からの空気がキャビティ４０に入ることにより、渦キャビティ４０のキャビティ開口部４２におけるトラップされた渦４１の接線方向は、下流方向Ｄとなり、これは燃料／空気混合気が燃焼チャンバ２６に入る方向と同じである。これは、トラップされた渦４１が渦キャビティ４０のキャビティ開口部４２において下流方向Ｄの接線方向をもつためには、後方壁４４を貫通するフィルム冷却孔８４は半径方向外向きＲＯに傾斜され、前方壁４６を貫通するフィルム冷却孔８４は下流方向Ｄに向かって半径方向内向きＲＩに傾斜され、外側壁４８を貫通するフィルム冷却孔８４は軸方向前向きＡＦに傾斜されることを意味する。トラップされた渦４１が該渦４１の渦キャビティ４０のキャビティ開口部４２において上流方向Ｕの接線方向をもつためには、後方壁４４を貫通するフィルム冷却孔８４は上流方向Ｕに向かって半径方向内向きＲＩに傾斜され、前方壁４６を貫通するフィルム冷却孔８４は下流方向Ｄに向かって半径方向外向きＲＯに傾斜され、外側壁４８を貫通するフィルム冷却孔８４は軸方向後向きＡＡに傾斜される（図７及び図９参照）。
【００２１】
従って、キャビティ４０内にトラップされた渦によって発生させられた燃焼ガスは、予混合器から燃焼チャンバ２６内に受けられる燃料空気混合気の燃焼のためのパイロットとして働く。トラップ式渦キャビティ４０は、燃焼チャンバ２６に入る燃料／空気混合気に対して、連続的な点火及びフレーム安定化源となる。トラップされた渦がフレーム安定化機能を達成するため、他のすべての低ＮＯｘ燃焼器で行われるような、高温ガスの再循環ゾーンを主空気流の流れに発生させる必要はない。このことは、スワール安定化再循環ゾーンをカン型燃焼器における主空気流の流れ領域から排除することを可能にする。主燃料は、流れの分離又は再循環なしで、自己着火又はフラッシュバックの危険が最小となる状態で、及び燃料／空気予混合器の領域においてフレームが維持されている状態で、燃焼チャンバに入る高速流中に噴射される。
【００２２】
トラップされた渦をもつ燃焼器缶は、通常の産業用ガスタービンの希薄予混合燃焼器より大幅に少ない滞留時間で、ほぼ完全な燃焼を達成する。燃焼器における滞留時間を比較的短く維持することにより、熱的ＮＯｘ形成のしきい値を超える温度で使用される時間を減らすことができ、従って、生成されるＮＯｘの量を減らすことができる。この手法のリスクは、完全なＣＯの燃焼のための時間が減らされることによりＣＯレベルが増加することである。しかしながら、燃焼チャンバのフレームゾーンは渦と主空気との間の強力な混合により、非常に短くなると思われる。トラップされた渦は、通常の航空機用燃焼器よりかなり少ない滞留時間で、高い燃焼器効率を与える。最適な燃焼器の長さ及び滞留時間を定めるために、ＣＯレベルが主要な要因となると予想される。
【００２３】
点火、加速及び低出力時の作動は、燃料をトラップされた渦だけに供給することにより達成される。負荷範囲における一部の作動時には、燃料が主空気流予混合器中に導入されることになる。トラップされた渦から主空気流中への高温燃焼生成物の半径方向内向きの流れは、主空気流に点火させることになる。負荷が増加し続けるにつれて、主空気流への燃料噴射は増加され、トラップされた渦の燃料はより遅い速度で減少されることになり、燃焼器排出口の温度は上昇する。全負荷状態では、トラップされた渦の燃料流は、渦における温度が熱的ＮＯｘ形成のしきい値の水準より低いが、依然として主空気流の燃焼を安定させるのに十分な点まで減少される。多量の熱的ＮＯｘを生成させるにはトラップされた渦が希薄過ぎ、多量の熱的ＮＯｘを生成させるには主空気流の高温での滞留時間が短か過ぎ、燃焼器の全エミッションは、最小にされることになる。
【００２４】
ここに示される例示的な実施形態においては、燃焼器ライナ２７は、後方壁４４に対して平行な半径方向外向きに開口する環状の冷却スロット１２０を含み、該スロット１２０は、後方壁に沿って冷却空気１０２を指向させかつ流すように作動可能である。燃焼器ライナ２７は、下流方向に開口する環状の冷却スロット１２８を含み、該冷却スロット１２８は、キャビティ４０の下流の燃焼器ライナ２７に沿って冷却空気１０２を指向させかつ流すように作動可能である。半径方向外向きに開口する冷却スロット１２０及び下流方向に開口する冷却スロット１２８は、冷却ナゲット１１７と呼ばれるものの一部である。
【００２５】
再び図２を参照すると、予混合器２８は環状のスワール生成器１２６を含み、該スワール生成器１２６は、予混合器管１４０を貫通して延びる予混合器流路１３４を横切って中空の中央本体４５の周りに周方向に配置された複数のスワール羽根３２を有する。燃料ライン５９は、燃料２２を、環状のスワール生成器１２６のスワール羽根３２（図８参照）内部の燃料キャビティ１３０として例示されている燃料噴射器に供給する。燃料２２は、燃料キャビティ１３０から予混合器流路１３４までスワール羽根３２の後縁１３３を貫通して延びる燃料噴射穴１３２を介して、該予混合器流路１３４中に噴射される。そうしたスワール羽根３２の例が、図８に断面で示される。これは、燃料を予混合器流路１３４中に噴射するための１つの主燃料噴射手段である。他の手段が当該技術では周知であり、それに限定されるものではないが、それら手段には、燃料を予混合器流路１３４において下流方向に噴射する半径方向に延びる燃料ロッド、及び、燃料を予混合器流路１３４中に半径方向に噴射する中央燃料管が含まれる。予混合器管１４０は、燃焼器ドーム２９に連結され、予混合器と燃焼チャンバ２６との間の予混合器ノズル１４４で終端する。中空の中央本体４５は、噴流により冷却される中央本体先端部１５０によって蓋される。
【００２６】
図５に示されるのは、第１予混合段１５７が環状のスワール生成器１２６を含む場合の、２段目の予混合器１５２である。スワール羽根３２は、予混合器管１４０内の予混合器流路１３４を横切って中空の中央本体４５の周りに周方向に配置される。燃料ライン５９は、図８に更に示されるように、燃料を、環状のスワール生成器１２６のスワール羽根３２内部の燃料キャビティ１３０に供給する。環状のスワール生成器１２６の下流には、コンボリュート式混合器１５４の形態の第２予混合段１６１があり、第１予混合段１５７と渦キャビティ４０との間に配置される。コンボリュート式混合器１５４は、予混合器流路１３４及び燃料空気混合気流３５内に半径方向内向きに延びる周方向に交番配置された突状部１５９を含む。
【００２７】
予混合ゾーン１５８は、環状のスワール生成器１２６とコンボリュート式混合器１５４との間に延びる。コンボリュート式混合器１５４の突状部１５９は、図５及び図６に示されるように、燃料／空気混合気流３５の第１の部分１５６を予混合ゾーン１５８から該突状部１５９に沿って半径方向内向きに向ける。予混合ゾーン１５８からの燃料／空気混合気流３５の第２の部分１６６は、突状部１５９の間を通過する。コンボリュート式混合器１５４は、該突状部１５９のすぐ下流の伴流内に低圧ゾーン１７０を発生させる。これにより、渦キャビティ４０内のガスが燃料／空気混合気流３５中に深く入り込ませ、燃焼チャンバ２６内の渦キャビティ４０の下流の燃焼ゾーン１７２において、燃料／空気混合気に良好なパイロット点火を与える。コンボリュート式混合器１５４は、渦キャビティ４０からの燃焼ガスに迅速な混合を与える。半径方向外側壁４８の近くの後方壁４４にある燃料噴射穴７０からの渦燃料１１５の一部は、前方壁４６に衝突することになる。この燃料は、コンボリュート式混合器５４の後方に面する表面までかつ該表面に沿って半径方向内向きに流れ、燃料／空気混合気流３５内に随伴されようになる。これは、燃料／空気混合気のさらなる混合を与える。コンボリュート式混合器１５４は、燃焼ゾーン１７２における燃料／空気混合気のフレームの前面を固定しかつ安定化させ、高度なフレームの安定性を与える。
【００２８】
図７に示されるのは、逆流燃焼器流路１７８をもつ乾式低ＮＯｘ単一段燃焼器１７６である。燃焼器流路１７８は、下流方向に直列流れ関係で、外側流れスリーブ１８２と環状の燃焼ライナ２７との間の後方から前方までの部分１８０と、渦キャビティ４０の前方の１８０度湾曲部１８１とを含み、予混合器流路１３４が燃焼器流路１７８の下流端１３５に位置している。予混合器２８のスワール羽根３２は、外側流れスリーブ１８２と内側流れスリーブ１８４との間に形成された予混合器流路１３４を横切って配置される。燃料ライン５９は、燃料２２を環状のスワール生成器１２６のスワール羽根３２内部の燃料キャビティ１３０に供給する。燃料は、図８に断面で示されるように、燃料キャビティ１３０から、スワール羽根３２の後縁１３３を貫通して延びる燃料噴射穴１３２を通して予混合器流路１３４中に噴射される。
【００２９】
渦を駆動するように前向きに噴射される空気１１０は、後方壁４４における空気噴射用第一穴１１２を通して噴射される。第一穴１１２は、キャビティ４０の半径方向内側端３９における開口部４２の近くで長手方向に配置される。渦を駆動するように後向きに噴射される空気１１６は、前方壁４６における空気噴射用第二穴１１４を通して噴射される。第二穴は、外側壁４８に可能な限り近接するような前方壁に沿った半径方向位置に配置される。渦燃料１１５は、半径方向外側壁４８の近くで前方壁４６における燃料噴射穴７０を通して噴射される。各燃料噴射穴７０は、円形に並べられた幾つかの第二穴１１４によって囲まれる。後方壁４４における第一穴１１２は、図４に示されるように、缶の軸線８の周りに単一の周方向の列に並べられる。
【００３０】
第一穴１１２と第二穴１１４、及びフィルム冷却孔８４からの空気がキャビティ４０に入ることにより、渦キャビティ４０のキャビティ開口部４２におけるトラップされた渦４１の接線方向は上流方向となり、これは燃焼チャンバ２６に入る燃料／空気混合気の下流方向とは反対である。このことが、渦４１の高温燃焼ガスの混合を更に促進する。
【００３１】
従って、キャビティ４０内にトラップされた渦によって発生させられた燃焼ガスは、予混合器から燃焼チャンバ２６内に受けられた空気及び燃料の混合気の燃焼のためのパイロットとして働く。トラップ式渦キャビティ４０は、燃焼チャンバ２６に入る燃料／空気混合気に対する連続的な点火及びフレーム安定化源となる。トラップされた渦は、フレーム安定化機能を達成するため、他のすべての低ＮＯｘ燃焼器で行われるような、高温ガスの再循環ゾーンを主空気流の流れに発生させることは必要ではない。キャビティ内におけるフィルム冷却孔は、冷却空気１０２を、渦が回転している回転方向に流すように傾斜される。第一穴１１２と第二穴１１４、及びフィルム冷却孔８４からの空気がキャビティ４０に入ることにより、渦キャビティ４０のキャビティ開口部４２におけるトラップされた渦４１の接線方向は下流方向となり、これは燃焼チャンバ２６に入る燃料／空気混合気の方向と同じである。
【００３２】
主燃料は、流れの分離又は再循環なしで、スワール羽根を通って高速流中に噴射されるため、自己着火又はフラッシュバックの危険が最小にされ、燃料／空気の予混合領域において維持されるフレームは最小にされる。トラップされた渦をもつ燃焼器缶は、通常の産業用ガスタービンの希薄予混合式燃焼器より、大幅に少ない滞留時間で、完全燃焼を達成することができることがわかる。トラップされた渦の平面と燃焼器缶の排出口との間の滞留時間を比較的短く維持することにより、熱的ＮＯｘ形成のしきい値を超えた温度で使用される時間を減らすことができる。
【００３３】
本発明の好ましくかつ例示的な実施形態と考えられるものをここで説明してきたが、本発明の他の変更が本明細書の教示から当業者には明らかであり、従って、本発明の技術思想及び技術的範囲内に入るそうしたすべての変更が添付の特許請求の範囲において保護されることが望まれる。
【００３４】
なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、低ＮＯｘ予混合器とトラップ式渦キャビティをもつカン型燃焼器とを有する産業用ガスタービンエンジンの一部の概略図。
【図２】図１に示すカン型燃焼器の拡大縦断面図。
【図３】図２に示すトラップ式渦キャビティの拡大縦断面図。
【図４】図３における線４−４に沿って見た正面図。
【図５】予混合器とカン型燃焼器との間にコンボリュート式混合器をもつ、第１の別の実施形態のカン型燃焼器の概略縦断面図。
【図６】図５における線６−６に沿う方向に見たコンボリュート式混合器の正面図。
【図７】逆流流路をもつ、第２の別の実施形態のカン型燃焼器の概略縦断面図。
【図８】図７における線８−８を通る、逆流流路における燃料用の羽根の縦断面図。
【図９】図８に示すトラップ式渦キャビティの拡大図。
【符号の説明】
１０　ガスタービンエンジン
１２　圧縮機
１４　燃焼器
１６　タービン
２０　加圧空気
２２　燃料
２３　燃焼器缶
２４　燃焼ガス
２５　燃焼器缶組立体
２６　燃焼チャンバ
２７　燃焼ライナ
２８　予混合器
３２　スワール羽根
３５　燃料／空気混合気流
４０　渦キャビティ
４４　後方壁
４６　前方壁
４８　外側壁
４２　キャビティの開口部
【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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