(57)【要約】  一実施形態において、第１の燃料を燃焼させて燃焼流ストリーム（５０）を形成する一次燃焼室（３０）と、この一次燃焼室（３０）の下流側に設けられたトランジションピース（３２）とを含むガスタービンエンジン用の燃焼器（２８）が提供される。トランジションピース（３２）は、第２の燃料を上記燃焼流ストリーム（５０）中に噴射するために、トランジションピース（３２）の円周の周りに設けられた複数のインジェクタ（６６）を含む。インジェクタ（６６）は、トランジションピース（３２）の入口（５４）での半径方向温度プロフィール（６４）と比較して変動係数の減らされている半径方向温度プロフィール（７４）をトランジションピース（３２）の出口（５８）に作り出すのに効果的である。二次燃料噴射の温度プロフィールを制御する方法も提供される。【選択図】図２
2010539437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン内の燃焼を制御する方法であって、
一次燃焼室と、前記一次燃焼室の下流側に設けられたトランジションピースとを提供するステップと、
前記一次燃焼室を通る圧縮空気ストリーム中に第１の燃料を噴射し、前記第１の燃料の燃焼により、前記トランジションピースの入口にて、前記圧縮空気ストリームを横切って第１の半径方向温度プロフィールが形成されるようなステップと、
前記トランジションピース内の前記圧縮空気ストリームの相対的に低温の部分に第２の燃料を選択的に噴射するステップであって、前記第２の燃料の燃焼が、前記圧縮空気ストリームの相対的に低温の部分を選択的に加熱し、また、前記第２の燃料の燃焼が、前記トランジションピースの入口での前記第１の半径方向温度プロフィールと比較して変動係数の減らされている第２の半径方向温度プロフィールを前記トランジションピースの出口に提供するのに効果的であるようなステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記トランジションピースが、少なくとも、中心ゾーン、前記中心ゾーンから周囲に外向きに位置づけられた第１のゾーン、および、前記第１のゾーンから周囲に外向きに位置づけられた第２のゾーンを含み、また、前記第２の燃料を噴射するステップが、
前記第２の燃料の第１の量を前記第１のゾーンに噴射するステップであって、前記第１のゾーン内の前記圧縮空気ストリームの一部の平均温度を、第１の大きさだけ高くするのに効果的であるステップと、
前記第２の燃料の第２の量を前記第２のゾーンに噴射するステップであって、前記第２のゾーン内の前記圧縮空気ストリームの一部の平均温度を、前記第１の大きさとは異なる第２の大きさだけ高くするのに効果的であるステップと、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２の燃料を前記第１のゾーンと前記第２のゾーンに噴射するステップが、前記トランジションピースの外周の周りに設けられた複数の第１のインジェクタと複数の第２のインジェクタから前記第２の燃料を半径方向に噴射することによって行われ、また、前記複数の第１のインジェクが、前記第１のゾーン中に前記第２の燃料の第１の量を噴射するのに効果的であり、さらに、前記複数の第２のインジェクタが、前記第２のゾーン中に前記第２の燃料の第２の量を噴射するのに効果的である請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の第１のインジェクが、前記第１のゾーン中に前記第２の燃料の第１の量の半径方向ストリームを噴射するのに効果的であり、また、前記複数の第２のインジェクタが、前記第２のゾーン中に前記第２の燃料の第２の量の均質分散液を噴射するのに効果的である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の第１のインジェクタが、前記第２の燃料の第１の量を半径方向に噴射できる中心穴を持つノズルを備え、また、前記複数の第２のインジェクタが、前記第２の燃料の第２の量の第１の部分を半径方向に噴射できる中心穴と、前記中心穴に対して傾斜していて、前記第２の燃料の第２の量の追加部分を斜めに噴射できる複数の噴射穴とを持つノズルを備える請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の第１のインジェクタのノズルが第１の長さのノズルを備え、また、前記複数の第２のインジェクタのノズルが、前記第１の長さよりも短い第２の長さのノズルを備える請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の燃料を噴射するステップよりも前に、前記第２の燃料を、蒸気、窒素、二酸化炭素、不活性ガスから成るグループから選択された希釈剤または複数の希釈剤の組合せたものと混合するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ガスタービンエンジン内の燃焼を制御する方法であって、
一次燃焼室と、前記一次燃焼室の下流側に設けられたトランジションピースとを提供するステップと、
前記一次燃焼室を通る空気ストリーム中に第１の燃料を噴射して、前記一次燃焼室と前記トランジションピースを通って軸方向に第１の運動量を持ち、さらに、前記トランジションピースの入口に流れる燃焼ストリームの高温の中心領域内の平均温度と低温の周囲領域内の平均温度との半径方向温度差も持つ燃焼ストリームを作り出すステップと、
前記トランジションピース内で軸方向に垂直な半径方向に２５〜５０の運動量比にて、第２の燃料を前記燃焼ストリーム中に噴射するステップであって、前記第２の燃料の燃焼が、前記トランジションピースを前記燃焼ストリームが通るときに前記燃焼ストリームの半径温度差を減らすのに効果的であるようなステップと、
を含む方法。
【請求項９】
前記低温の周囲領域が、前記中心領域から円周方向に周囲に外向きに位置づけられた第１のゾーンと、前記第１のゾーンから周囲に外向きに位置づけられた第２のゾーンとを含み、また、前記第２の燃料を噴射するステップが、
前記第２の燃料の一部を、３０〜５０の運動量比にて第１の環状ゾーンに噴射するステップであって、前記トランジションピースを前記燃焼ストリームが通るときに前記第１のゾーン内の半径温度を高めるのに効果的であるステップと、
前記第２の燃料の一部を、２５〜４５の運動量比で第２の環状ゾーンに噴射するステップであって、前記トランジションピースを前記燃焼ストリームが通るときに前記第２のゾーン内の半径温度を高めるのに効果的であるステップと、
を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の燃料が本質的に燃料から成っており、また、前記噴射するステップが、少なくとも約５０の運動量比にて行われる請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
ガスタービンエンジン用の燃焼器であって、
第１の燃料を燃焼させて燃焼流ストリームを形成する一次燃焼室と、
前記一次燃焼室の下流側に設けられたトランジションピースであって、第２の燃料を前記燃焼流ストリーム中に噴射するために、トランジションピースの円周の周りに設けられた複数のインジェクタを含むトランジションピースと、
を備え、
前記インジェクタが、前記トランジションピースの入口での半径方向温度プロフィールと比較して変動係数の減らされている半径方向温度プロフィールを前記トランジションピースの出口に作り出すのに効果的である、燃焼器。
【請求項１２】
前記複数のインジェクタが、前記トランジションピースに沿って軸方向の位置に設けられ、また、前記複数のインジェクタが、前記トランジションピースの下流端から目標距離内で、前記燃焼流ストリーム中での前記第２の燃料の燃焼を確実に達成できるようにするのに効果的である請求項１１に記載の燃焼器。
【請求項１３】
前記目標距離が、前記トランジションピースの軸方向の全長の０〜２０パーセントである請求項１２に記載の燃焼器。
【請求項１４】
前記目標距離が、前記トランジションピースの軸方向の全長の１０パーセントよりも短い請求項１３に記載の燃焼器。
【請求項１５】
トランジションピースの入口端と、前記入口端から前記トランジションピースの軸方向の全長に沿って０〜７５パーセントの一地点との間に設けられた複数の燃料インジェクタであって、前記トランジションピースを前記燃焼ストリームが通るときに前記燃焼ストリームの高温の中心領域内の平均温度と、前記燃焼ストリームの低温の周囲領域内の平均温度との半径方向温度差を減らすのに効果的である、複数の燃料インジェクタを備えるガスタービンエンジン用のトランジションピース。
【請求項１６】
前記インジェクタが、トランジションピースの軸方向の全長に沿って２５〜７５パーセントの一地点に設けられる請求項１５に記載のトランジションピース。
【請求項１７】
ガスタービン燃焼システム用の燃焼器であって、
第１の燃料を燃焼させて燃焼ストリームを作り出すようにした一次燃焼室と、
前記一次燃焼室から前記燃焼ストリームを受け取って、第２の燃料を燃焼させるトランジションピースであって、中心領域、前記中心領域から周囲に外向きに位置づけられた第１のゾーン、前記第１のゾーンから周囲に外向きに位置づけられた第２のゾーン、および、前記トランジションピースの外周の周りに設けられて前記第２の燃料を噴射する複数のインジェクタを有するトランジションピースと、
を備え、
前記複数のインジェクタが、複数の第１のインジェクタと複数の第２のインジェクタから成っており、
前記第１のインジェクタが、前記第２の燃料の半径方向ストリームを前記第１のゾーン中に噴射するのに効果的であり、また、前記第２のインジェクタが、前記第２の燃料の均質分散液を前記第２のゾーン中に噴射するのに効果的である、燃焼器。
【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を動作させる装置および方法に関し、より詳細には、二次燃料噴射を制御して、燃料燃焼に対してしだいに一様となる温度分布を実現し、それにより、トランジションピースからガスタービンエンジン内の最初の組のタービン羽根に進む排気ガス中のＮＯｘ、未燃炭化水素、一酸化炭素の量を減らす装置および方法に関する。
【０００２】
（関連出願）
本出願は、３５ＵＳＣ１１９（ｅ）（１）のもとで米国仮出願第６０／９７２，４０５号と米国仮出願第６０／９７２，３９５号の２００７年９月１４日出願日の特典を主張している。なお、これらの文献のそれぞれは、その全体が本明細書中に援用される。
【０００３】
（連邦政府による資金提供を受けた開発の記載）
本発明のための開発は、米国エネルギー省で与えられた「契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４」によって一部、支援された。よって、米国政府は、本発明において、一部の権利を持つことができる。
【背景技術】
【０００４】
公知のガスタービンは、圧縮機部、燃焼部、タービン部を含む。例えば、「従来技術の図１」は、軸流シリーズにおいて、入口１２、圧縮機部１４、燃焼部１６、タービン部１８、出力タービン部２０、排気装置２２を含む代表的な産業用ガスタービンエンジン１０を示している。圧縮機部１４は、共通の軸連結部を介して、タービン部１８により駆動される。燃焼部１６は一般に、円周方向に間隔を置いて設けられた複数の燃焼器の円形配列を含む。それぞれの燃焼器の中で燃料または燃料混合気を燃やして、高温の高エネルギーのガス流を生じさせ、そのガス流がトランジションピースを通って、タービン部のタービン羽根にガスを流す。
【０００５】
ガスタービンで生じる一次大気汚染物質は、窒素酸化物、一酸化炭素、未燃炭化水素である。これまで長い間、代表的な燃焼器は、圧縮機部１４からの圧縮空気とともに燃料を燃焼室に導き入れるために、この燃焼器の前端に一次燃料噴射システムを組み込んできた。一般に、燃料と空気をあらかじめ混合し、次にその混合気を点火装置に導き入れて、流れる燃焼ストリームを生じさせ、その燃焼ストリームが、燃焼室の全長に沿って進み、またトランジションピースを通って、第１の列のタービン羽根まで進む。このような単一設置場所の燃料噴射システムにおける１つの課題は、燃焼温度と燃焼器の効率との間で、つねにバランスを得なければならないことである。温度が高くなると、一般に燃焼効率が向上するとはいえ、温度が高くなると、ＮＯｘのレベルも高くなる。さらに、一次燃料の燃焼は一般に、燃焼室およびトランジションピース内で、相対的に高温のコア温度のゾーンと、低温の周囲ゾーンとを含む温度プロフィールを持つ火炎を形成する。これらの低温の周囲ゾーンでは、燃焼効率は一般に、高温の中心ゾーンのものよりも低い。この高温のコア温度は一般に、その内部の温度が高いために、ＮＯｘのレベルを高めている。さらに、低温の周囲エリア内では、最適以下の燃焼温度によって、一酸化炭素と未燃炭化水素のレベルが高くなることも見出せ得る。
【０００６】
もっと最近では、二次燃料も燃焼器に導き入れる燃焼器が開発されている。例えば、（特許文献１）、（特許文献２）、（特許文献３）、（特許文献４）はすべて、一次燃料噴射源の下流側で二次空気／燃料混合気を、燃焼器の全長を下降する圧縮空気のストリーム中に導き入れる二次燃料噴射システムを開示している。後ほど燃焼プロセスに燃料を導くことは、トランジションピース内での添加燃料の滞留時間が短いために、また、ヘッドエンドにて添加する燃料を少なくして、より低い燃焼温度を維持することで、少なくとも一部のＮＯｘレベルを下げることができると思われるが、燃焼室およびトランジションピース内に、高温の中心ゾーンと、低温の周囲ゾーンが依然として残る。周囲エリアが低温になれば、燃焼効率が下がり、一酸化炭素と未燃炭化水素のレベルが上がる。さらに、低温の周囲領域の温度を、燃焼に最適な温度まで上げれば当然、高温の中心領域の温度を、さらに高いＮＯｘレベルをもたらしそうな温度まで高くすることが必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，０４７，５５０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１９２，６８８号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４１８，７２５号明細書
【特許文献４】米国特許第６，８６８，６７６号明細書
【０００８】
次のものを示す図面の点から見て、以下の記述で本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本技術分野において知られている従来の燃焼システムの略図である。
【図２】本発明の一態様による多段軸方向燃焼器システムの断面図である。
【図３】図２の線３−３で切断した本発明の一態様によるマニホルドの断面図である。
【図４】トランジションピースの入口での代表的な燃焼ストリームの半径方向温度プロフィールを示すグラフである。
【図５】トランジションピースの入口において、中心ゾーンと低温の周囲ゾーンとを示す代表的な燃焼ストリームの断面図である。
【図６】本発明によるガスタービンエンジン内の燃焼を制御する方法の概略図である。
【図７Ａ】本発明の一態様により、二次燃料の燃焼後に図４の半径方向温度プロフィールの変化を示すグラフである。
【図７Ｂ】二次燃料の燃焼後に、燃焼ストリームの半径方向温度プロフィールを示す別のグラフである。
【図８】トランジションピースの入口において、中心ゾーンと複数の低温の周囲ゾーンとを示す代表的な燃焼ストリームの断面図である。
【図９】本発明の一態様により、二次燃料の燃焼後に図４の半径方向温度プロフィールの変化を示す別のグラフである。
【図１０】本発明によるガスタービンエンジン内の燃焼を制御する別の方法の概略図である。
【図１１】トランジションピースの入口において、中心領域と低温の周囲領域との半径方向温度差を示す代表的な燃焼ストリームの半径方向温度プロフィールを示すグラフである。
【図１２】本発明の一態様により、二次燃料の燃焼後に図１１の半径方向温度プロフィールの変化を示すグラフである。
【図１３】本発明による単口ノズルを持つインジェクタの断面図である。
【図１４】本発明による多口ノズルを持つインジェクタの断面図である。
【図１５】本発明によるトランジションピースでの第２の燃料の燃焼から生じるＮＯｘ、一酸化炭素、未燃炭化水素、遊離基の予想レベルを示すグラフである。
【図１６】完全燃焼と、混合レベルの異なる軸方向段階燃焼の結果として、異なるＮＯｘ排出量を比較するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一態様により、本発明の発明者は、燃焼器の効率を高めながら、排気ガス中のＮＯｘ、一酸化炭素、未燃炭化水素のレベルを減らす新規な装置および方法を開発してきた。本発明の装置および方法は、一次燃焼室およびトランジションピースを通る圧縮空気ストリーム中に第１の燃料を噴射して、トランジションピースの入口に半径方向温度プロフィールを持つ燃焼ストリームを作り出す。本発明の一態様では、トランジションピース内の燃焼ストリーム中に第２の燃料を差別的に噴射する装置および方法が提供される。本発明により第２の燃料をトランジションピースに噴射することで、燃焼が安定し、また、燃焼ストリームの温度プロフィールが、トランジションピースの末端よりも前に滑らかにされる。さらに、トランジションピースからの排気ガス中のＮＯｘ、一酸化炭素、未燃炭化水素のレベルは、従来技術の燃焼器と比較して、かなり減らされる。一態様において、温度プロフィールが一様であることから、低温の周囲領域内の温度が高くなるために、燃焼器の燃焼温度を下げることができ、それにより、生み出されるＮＯｘが少なくなる。もう１つの態様において、低温の周囲領域内の温度が高くなるために、噴射された二次燃料をより効率的に燃やすことができ、その結果、一酸化炭素と未燃炭化水素のレベルが下げられる。
【００１１】
次に、図面を参照すると、図２は、一次燃焼室３０とトランジションピース３２とを含む燃焼部１６の燃焼器２８を示している。一次燃焼室３０は、燃焼器２８の前端３４に配設されて、一次燃焼ゾーン３６を形成する。一般に、一次燃焼室３０は、第１の燃料を第１の燃料供給源４０から一次燃焼室３０に供給する少なくとも１つの燃料管路３８と、空気を供給して、圧縮空気ストリーム４２を形成する少なくとも１つの空気供給装置（例えば、圧縮機部１４）とを含む。一実施形態では、燃料供給管路で供給された燃料と空気供給管路で供給された空気とを混合するために、その燃料と空気をミキサー（図示されてない）に送ることがある。ミキサーは、空気と燃料を混合して、あらかじめ混合された燃料と空気の供給物を提供し、それを通路４４に通す。他の実施形態では、ミキサーは、燃料と空気の混合気が通路４４を通るときに、その混合気に環状運動量（annular momentum）を与える旋回羽根４６を含む。他の実施形態では、圧縮空気ストリーム４２を、燃料とは別に旋回羽根４６に通して、入ってくる空気に回転を与え、その後、この空気と燃料を混合する。旋回羽根４６の下流側では、パイロット火炎４８、および、随意に任意の二次点火装置を使って、燃料／空気の混合気に点火して、燃焼ストリーム５０を作り出す。その結果得られる燃焼ストリーム５０の少なくとも一部は、実質的に燃焼器２８の中心線５２に沿って、トランジションピース３２の入口５４まで進み、その後で、トランジションピース３２の出口５８まで進む。
【００１２】
図２に示されるように、一次燃焼室３０の下流側にはトランジションピース３２が配設されており、トランジションピース３２は、その内部に二次燃焼ゾーン５６を画成し、かつ入口５４、出口５８、周囲壁６０を持っている。トランジションピース３２の周囲壁６０は、高温ガスを、産業用ガスシステム内のタービン部１８のタービンノズルおよび第１の列のタービン羽根に向けて送るのに適した形状であれば、どんなものでもよい。一実施形態では、トランジションピース３２は、例えば、米国特許出願公開第２００３／０１６７７６号明細書に記載される非円筒形の形状を含むことがある。他の実施形態では、トランジションピース３２は、比較的に円筒形の形状を持ち、また、トランジションピース３２の出口５８の内径は、トランジションピース３２の入口５４の内径よりも小さいことがある。トランジションピース３２は、当技術分野においてよく知られている任意の適切な構造物（例えば、バネクリップ）によって、一次燃焼室３０に確実に取り付けられる。
【００１３】
従来技術の燃焼室では、この燃焼室のトランジションピースは、高温ガスを、産業用ガスシステム内のタービンノズルおよび第１の列のタービン羽根に単に流すだけであった。これに対して、本発明では、図示されるように、燃焼器２８は、第２の燃料を、トランジションピース３２の二次燃焼ゾーン５６に導き入れる二次燃料噴射システムを有するトランジションピース３２を含む。一実施形態では、図３に示されるように、二次燃料噴射システムは、トランジションピース３２上の軸周りの位置に設けられたマニホルド６２を含む。マニホルド６２は、トランジションピース３２の周囲壁６０の円周の周りに円周方向に間隔を置いて設けられた複数の二次インジェクタ６６に第２の燃料を供給するものである。別法として、燃料は、２つ以上のマニホルドにより、あるいは個々の燃料吐出し管路により、複数の二次インジェクタ６６に供給されることがある。一実施形態では、第２の燃料を噴射する前に、この第２の燃料を、以下に記述される１つまたは複数の追加の成分または希釈剤と混合する。二次インジェクタ６６で噴射された第２の燃料は、近づいている燃焼ストリーム５０に貫入し、そこで、第２の燃料が二次燃焼ゾーン５６内で燃焼された後で、トランジションピース３２から出て、タービン部１８の第１の列のタービン羽根に入る。重要なことには、第２の燃料が、タービン部１８の第１の列のタービン羽根に入ると、燃焼ストリーム５０のガスを膨張させて、このシステムの温度を下げる。したがって、その結果、この燃焼ストリームがトランジションピース３２から出た後では、ＮＯｘの排出が生じることが抑制される。
【００１４】
燃焼ストリーム５０が、一次燃焼ゾーン３６を通ってトランジションピース３２の入口５４に進むと、燃焼ストリーム５０は一般に、トランジションピース３２の入口５４の所に、図４に示される第１の半径方向温度プロフィール６４を持つ。一実施形態では、半径方向温度プロフィール６４は、燃焼ストリーム５０の中心領域６８における少なくとも１つの高温の領域と、中心領域６８の周縁から半径方向外向きに、あるいはその周縁に位置づけられる相対的に低温の領域７２とを含む。「高温の（ｈｏｔｔｅｒ）」と「低温の（ｃｏｏｌｅｒ）」という相対語は、中心領域６８が、中心領域６８の周縁から半径方向外向きに、あるいはその周縁に位置づけられた領域（すなわち、低温の領域７２）の最高温度、最低温度、または平均温度よりも高い最高温度、高い最低温度、および／または高い平均温度を持つことを意味する。図５は、同一領域を持つトランジションピース３２の入口５４での燃焼ストリーム５０の他の断面図である。図４〜図５はそれぞれ、トランジションピース３２の入口５４を横切る燃焼ストリーム５０の平均温度プロフィールを示している。見てわかるように、中心領域６８は、低温の周囲領域７２よりも高い平均温度を持っている。このようにして、中心領域６８は一般に、相対的に高い燃焼温度のために、周囲領域６８よりも少ない量の一酸化炭素と未燃炭化水素を持つことになる。しかしながら、中心領域６８は、火炎温度が高くなるために、さらに高いＮＯｘレベルを持つことがある。
【００１５】
図４にも示されるように、第１の半径方向温度プロフィール６４は、特定の変動係数（ＣＶ）を定めている。データセット（すなわち、燃焼温度）に対する変動係数は、データをその平均値に対して広げる度合い、すなわち「データ（すなわち、温度）の開き」の測度である。大きいＣＶは、平均値を中心として相対的に広げられるデータを表すが、一方、小さいＣＶは、平均値を中心として密集するデータを表している。したがって、一実施形態では、平均温度が、燃焼中にトランジションピース３２の入口５４の横断面を横切って決定される場合は、データのＣＶすなわち開きは、ＣＶ＝σ／μという式により、決定できる。
【００１６】
図６は、トランジションピース３２の入口５４での燃焼ストリーム５０の第１の半径方向温度プロフィール６４の変動係数を、トランジションピース３２の出口５８よりも前に減らすのに効果的である、ガスタービンエンジン内の燃焼を制御する方法１００の一実施形態を示している。ステップ１０２において、この方法は、一次燃焼室３０と、一次燃焼室３０の下流側に設けられたトランジションピース３２とを提供することを含む。ステップ１０４において、一次燃焼室３０を通る圧縮空気ストリーム４２中に第１の燃料を噴射する。その結果得られる圧縮空気ストリーム、すなわち燃焼ストリーム５０は、トランジションピース３２の入口５４にて、燃焼ストリーム５０を横切って第１の半径方向温度プロフィール６４を持っている。第１の半径方向温度プロフィール６４は、高温の中心領域６８と、高温の中心領域６８の周縁の周りの相対的に低温の領域７２とを持っている。ステップ１０６において、トランジションピース３２内の圧縮空気ストリーム５０の相対的に低温の領域７２に第２の燃料を選択的に噴射する。ステップ１０６において、第２の燃料の燃焼は、圧縮空気ストリーム（燃焼ストリーム５０）の相対的に低温の領域７２を選択的に加熱し、また、このような燃焼は、入口５４での第１の半径方向温度プロフィール６４と比較して変動係数の減らされている第２の半径方向温度プロフィール７４を、トランジションピース３２の出口５８に、または出口５８よりも前に提供するのに効果的である。
【００１７】
第１の温度の変動係数の減少は、図７Ａを参照すれば、容易に理解できる。図７Ａは、低温の周囲領域７２内で第２の燃料を燃焼させることにより、図４の第１の半径方向温度プロフィール６４の半径方向温度プロフィールの変化を示している。低温の周囲領域７２において、参照番号７５で示されるように温度が高くなると、入口５４での燃焼ストリーム５０の半径方向温度プロフィールが変わる。特に、低温の周囲領域７２内で燃料を燃焼させることで、低温の周囲領域７２内の温度を高めて、燃焼ストリームの全体の温度プロフィールを滑らかにし、第２の半径方向温度プロフィール７４を作り出す。第２の半径方向温度プロフィール７４は、低温の周囲領域７２内で第２の燃料を燃焼させた後の燃焼ストリーム５０の半径方向温度プロフィールであって、これは、トランジションピース３２の出口５８で、または出口５８よりも前に、トランジションピース３２の横断面にて得られたものである。第２の半径方向温度プロフィール７４は、低温の周囲領域７２内の温度上昇を含む。
【００１８】
図７Ｂは、結果として得られる第２の半径方向温度プロフィール７４の形状を、より明確に示す他の図である。図示されるように、第２の半径方向温度プロフィール７４の変動係数は、図４に示される第１の半径方向温度プロフィール６４の変動係数よりも小さい。温度プロフィールがますます一様となれば、低温の周囲領域７２内の温度上昇と、燃焼ストリーム中の高温ゾーンの排除のために、トランジションピース３２内の全体の燃焼温度を下げることができ、それにより、ＮＯｘレベルが下げられる。さらに、低温の周囲領域７２内の温度を上げれば、これらの周囲領域内の温度が高くなるために、不完全燃焼からもたらされる一酸化炭素のレベルと未燃炭化水素のレベルを下げることができる。
【００１９】
他の実施形態では、燃焼ストリーム５０の中心領域６８は中心ゾーン７０を画成し、また、低温の周囲領域７２は、少なくとも第１の周囲ゾーン７６と第２の周囲ゾーン７８を画成している。参照し易くするために、図８は、トランジションピース３２の入口５４の横断面を示しており、その横断面の中心ゾーン７０、第１の周囲ゾーン７６、第２の周囲ゾーン７８が、図示されるように一方が他方の中にある環状リングの外観を呈する環状ゾーンの形を取っている。しかしながら、これらのゾーンは、あらかじめ定められた形状または定形を持つことができないと考えられ、また、本発明による燃焼器とトランジションピースは、最低温度、最高温度、および／または平均温度を持つゾーンをそれぞれが画成している複数の周囲ゾーンをいくつでも含めることができると考えられる。さらに、隣接するゾーンは、少なくとも多少の重なり部分を含むことができるものとする。ここで、この実施形態を説明するために、燃焼ストリーム５０は、中心ゾーン７０、第１の周囲ゾーン７６、第２の周囲ゾーン７８を含み、また、それぞれのゾーンは、トランジションピース３２内で、それ自体の最低温度、最高温度、および／または平均温度を持っている。それぞれのゾーンは、隣接ゾーンとは異なるか、あるいは隣接ゾーンに等しいこともある。第１の周囲ゾーン７６は、中心ゾーン７０から半径方向にまたは周囲に外向きに位置づけられるが、一方、第２の周囲ゾーン７８は、第１の周囲ゾーン７６から半径方向にまたは周囲に外向きに位置づけられている。
【００２０】
一実施形態では、図６に示されるように、ステップ１０６は、随意に燃焼を均等にし、また、当初図４に示される第１の半径方向温度プロフィール６４を、ステップ１０８とステップ１１０により、トランジションピース３２の入口にて滑らかにする。ステップ１０８は、第２の燃料の第１の量を第１の周囲ゾーン７６に噴射することを含み、これは、第１の周囲ゾーン７６内の圧縮空気ストリーム（燃焼ストリーム５０）の一部の平均温度を、第１の大きさだけ高くするのに効果的である。ステップ１１０は、第２の燃料の第２の量を第２の周囲ゾーン７８に噴射することを含み、これは、第２の周囲ゾーン７８内の圧縮空気ストリーム（燃焼ストリーム５０）の一部の平均温度を、第１の大きさとは異なる第２の大きさだけ高くするのに効果的である。このようにして、図９に示されるように、第２の燃料を第１の周囲ゾーン７６と第２の周囲ゾーン７８に噴射すると、第２の燃料がトランジションピース３２の末端よりも前に、またはその末端に噴射され、また、燃焼の結果として、参照番号７７で示される第１の周囲ゾーン７６と参照番号７９で示される第２の周囲ゾーン７８内で、平均温度または最低温度が高くなるために、第１の半径方向温度プロフィール６４の変動係数が減らされるようになる。言い換えれば、この燃料の燃焼を、さらに広いエリアに広げ、かつ相対的に一様に燃焼させると、この燃料の燃焼温度が下げられる。したがって、本発明により、トランジションピース３２内で第２の燃料を噴射することは、隣接ゾーン間の平均温度差、最低温度差、または最大温度差を減らすか、あるいは、それらの温度差を、互いにほぼ等しく、または等しくするのに効果的である。
【００２１】
主として、本発明は、当技術分野における任意の多段燃料噴射システムまたは方法とは違って、二次的に噴射される燃料の配給を制御することを目指している。トランジションピース３２の入口５４に対して、トランジションピース３２の出口５８での第２の半径方向温度プロフィール７４を変更するために、トランジションピース３２を下る燃焼ストリーム５０に第２の燃料が貫入する深度は、一次燃焼室３０からトランジションピース３２を通る燃焼ストリーム５０中に第２の燃料を噴射する複数の二次燃料インジェクタ６６のどれか１つから制御できるものと、本発明者は考えている。これらの二次燃料インジェクタから噴射された第２の燃料への貫入深度を制御する能力は、二次燃料インジェクタのノズルにおける燃料噴射ポートの数と角度の変更、二次燃料インジェクタのノズルの内径の変更、二次燃料噴射の角度の変更、第２の燃料を噴射する運動量の変更、および、二次燃料に添加される希釈剤の量の変更のうち、任意の変更、あるいは１つまたは複数の変更など、ここに詳述される様々な方法および構造により制御できるものと、本発明者は考えている。
【００２２】
まず最初に、様々な領域または周囲ゾーン中への二次燃料の噴射を制御する一方法は、二次燃料インジェクタ６６の選択された１つ１つから燃焼ストリーム５０中に二次燃料を噴射する運動量を区別することである。このようにして、一実施形態では、燃焼ストリーム５０の相対的に低温の領域７２中に第２の燃料を噴射するように、第２の燃料の或る量が、特定の運動量比で噴射されることができ、これは、低温の周囲領域７２内の平均温度、最低温度、最高温度のいずれかを高くすることで、燃焼ストリーム５０がトランジションピース３２から出る前に、トランジションピース３２の入口５４にて第１の半径方向温度プロフィール６４の変動係数を減らすのに効果的である。他の実施形態では、燃焼ストリームの温度プロフィールを特に滑らかにするために、燃焼ストリーム５０において、例えば中心ゾーン７０ではなく、第１の周囲ゾーン７６に貫入するのに充分な量の燃料が第１の運動量にて二次燃料インジェクタ６６の１つまたは複数から噴射されることができ、また、第１の周囲ゾーン７６でも、中心ゾーン７０でもなく、第２の周囲ゾーン７８に貫入するのに充分な別の量の第２の燃料が第２の運動量にて噴射される。
【００２３】
図１０は、第２の燃料を噴射する場所および運動量を制御することで、本発明によるガスタービンエンジン内の燃焼を制御する方法の特定の実施形態を示している。方法２００は、ステップ２０２において、一次燃焼室３０と、一次燃焼室３０の下流側に設けられたトランジションピース３２とを提供することを含む。ステップ２０２において、この方法はさらに、一次燃焼室３０を通る圧縮空気ストリーム４２中に第１の燃料を噴射して、一次燃焼室３０とトランジションピース３２を通って、軸方向に第１の運動量を持つ燃焼ストリーム５０を作り出すことも含む。図１１に示されるように、燃焼ストリーム５０は、第１の半径方向温度差（ΔＴ1）を持っており、この第１の半径方向温度差は、トランジションピース３２の入口５４での燃焼ストリーム５０の高温の中心領域６８内の最低温度、最高温度、または平均温度と、低温の周囲領域７２内の最低温度、最高温度、または平均温度との差を表している。ステップ２０６において、この方法はさらに、少なくとも約２５の運動量比にて、トランジションピース３２内の燃焼ストリーム５０の軸方向の流れに垂直な半径方向に第２の燃料を燃焼ストリーム５０中に噴射することも含む。それぞれの領域内の最高温度を描く図１１〜図１２に示されるように、第２の燃料の燃焼は、低温の周囲領域７２内で第２の燃料を燃焼させることで、トランジションピース３２の出口５８の場所で、または出口５８よりも前の場所で燃焼ストリーム５０がトランジションピース３２を通るときに、燃焼ストリーム５０の半径方向温度差（ΔＴ1、ΔＴ2）を減らすのに効果的である。
【００２４】
トランジションピース３２を通る燃焼ストリーム５０の温度差が減らされれば、低温の周囲領域７２内の温度上昇と、高温ゾーンの排除のために、トランジションピース３２内の全体の燃焼温度を下げることができ、それにより、ＮＯｘレベルが下げられる。さらに、低温の周囲領域７２内の温度を上げれば、これらの周囲領域内の温度が高くなるために、排気ガス中の不完全燃焼からもたらされる一酸化炭素のレベルと未燃炭化水素のレベルを下げることができる。
【００２５】
さらに他の特定の実施形態では、高温の中心領域６８は中心ゾーン７０を含み、また、低温の周囲領域７２は、先立って上に説明されたように、中心ゾーン７０から周囲に外向きに位置づけられた第１の周囲ゾーン７６と、第１の周囲ゾーン７６から周囲に外向きに位置づけられた第２の周囲ゾーン７８とを含む。この実施形態では、図１０に示されるように、上述のステップ２０６は、以下に述べられるステップ２０８とステップ２１０により、随意に実行されることができる。ステップ２０８とステップ２１０は、選択的に第１の周囲ゾーン７６と第２の周囲ゾーン７８に第２の燃料を噴射することで、また、第２の燃料の貫入深度を制御することで、トランジションピース３２内の燃焼ストリーム５０の第１の半径方向温度プロフィール６４を滑らかにできるようにする。
【００２６】
ステップ２０８は特に、３０〜５０の運動量比にて第１の周囲ゾーン７６内で第２の燃料の一部を噴射することを必要とし、これは、燃焼ストリーム５０がトランジションピース３２を通るときに、第１の周囲ゾーン７６内の最低温度、最高温度、または平均温度を高くするのに効果的である。ステップ２１０において、この方法はさらに、２５〜４５の運動量比にて第２の周囲ゾーン７８中に第２の燃料の一部を噴射することも含み、これは、燃焼ストリーム５０がトランジションピース３２を通るときに、第２の周囲ゾーン７８内の最低温度、最高温度、または平均温度を高くするのに効果的である。前述の図９に示されたように、第１の周囲ゾーン７６および第２の周囲ゾーン７８に噴射した第２の燃料を、トランジションピース３２の末端よりも前に、またはその末端にて燃焼させるときには、燃焼の結果として、参照番号７６で示される第１の周囲ゾーン７６と参照番号７８で示される第２の周囲ゾーン７８内の平均温度または最低温度が高くなるために、第１の半径方向温度プロフィール６４の変動係数が減らされることができる。したがって、本発明により、トランジションピース３２内で第２の燃料を噴射することは、隣接ゾーン間の平均温度差、最低温度差、または最高温度差を減らすか、あるいは、それらの温度差を、互いにほぼ等しく、または等しくするのに効果的である。
【００２７】
二次インジェクタ６６は、第１の半径方向温度プロフィール６４と比較して変動係数が減らされている（方法１００または方法２００の場合と同じ）か、あるいは、トランジションピース３２の入口５４での燃焼ストリームの横断方向の温度差（ΔＴ1）と比較して、燃焼ストリーム５０の横断方向の温度差（ΔＴ2）が減らされている第２の半径方向温度プロフィール７４を、トランジションピース３２の出口５８に提供する任意の適切な配置に置かれることもできる。一実施形態では、二次インジェクタ６６は、第２の燃料を低温の周囲領域７２中にのみ噴射するように配置されている。この実施形態では、もしあれば最小量の第２の燃料が、中心領域６８中に噴射される。したがって、第２の燃料の燃焼が行われると、この燃焼は主として、低温の周囲領域７２内で行われ、それにより、低温の周囲領域７２の平均温度、最低温度、または最高温度を高くし、また、その結果、トランジションピース３２の出口５８よりも前に、または出口５８にて、変動係数が減らされるか、あるいは、燃焼ストリーム５０の温度差が減らされる。高温の中心領域６８中に噴射される第２の燃料は最小限であるか、まったくないことが望ましいと考えられる。しかしながら、少なくとも一部の第２の燃料は、高温の中心領域６８に吐き出して、高温の中心領域６８内で燃焼させることができるものとする。
【００２８】
本発明の一態様により、本発明者は、二次インジェクタ６６のノズルの構造を変えれば、進行中の燃焼ストリーム５０中に二次燃料を噴射する運動量および深度を制御できることがわかっている。一実施形態では、図３に示されるように、トランジションピース３２上のマニホルド内に設けられた二次インジェクタ６６は、トランジションピース３２の外周の周りに円周方向に間隔を置いて設けられた複数の第１のインジェクタ８０と複数の第２のインジェクタ８２とを含む。この実施形態では、複数の第１のインジェクタ８０は、第１の周囲ゾーン７６中に第２の燃料の第１の量の半径方向ストリームを噴射するのに効果的であり、また、複数の第２のインジェクタ８２は、第２の周囲ゾーン７８中に第２の燃料の第２の量の均質分散液を噴射するのに効果的である。したがって、この第１のインジェクタと第２のインジェクタは、燃焼ストリーム５０中への第２の燃料の差別的噴射深度を作り出すのに効果的である。
【００２９】
燃焼ストリーム５０中へのこのような差別的噴射深度を達成するために、一実施形態では、図１３に示されるように、第１のインジェクタ８０は、所定の直径の単一噴射穴８６を持つノズル８４を含む。単口の半径方向噴射は、一般に、多口の均質分散よりも大きい噴射深度を持つ噴射ストリームを提供する。したがって、単一噴射穴８６を提供すれば、第１のインジェクタ８０は、二次燃料の一部を、半径方向に、さらにトランジションピース３２の中心および中心領域６８寄りに噴射することもできる。第１のインジェクタ８０で噴射された第２の燃料が燃焼ストリーム５０の第１の周囲ゾーン７６に貫入するように、パラメータ（ここに述べられるように、噴射運動量、希釈剤の添加などを含む）を選択することができる。また好ましくは、噴射された燃料は、第１の周囲ゾーン７６に貫入するが、ただし、事実上、中心領域６８には貫入しない。
【００３０】
それに対応して、図１４に示されるように、第２のインジェクタ８２は、燃料物質を半径方向に噴射できる中心穴９０と、中心穴９０に対して傾斜していて、さらにトランジションピース３２の外部周囲壁６０寄りに第２の燃料の他の部分を燃やせるようにする２つ以上の噴射穴９２とを持つノズル８８を含む。このような効果は、中心穴９０と２つ以上の噴射穴９２が、単一の半径方向噴射穴（すなわち８６）を経る燃料噴射と比較して、第２の燃料の噴射について噴霧状の効果を優先するために、もたらされ、したがって、この燃料は、第１のインジェクタ８０からの燃料噴射ストリームと同程度には進行中の燃焼ストリームに貫入しない。このようにして、第１のインジェクタ８０から噴射された燃料は、燃焼ストリーム５０において、燃焼ストリーム５０の中心領域６８により近く貫入する。逆に、第２のインジェクタ８２から噴射された二次燃料が燃焼ストリーム５０に貫入する度合いは、第１のインジェクタ８０よりも少なくなるが、それでも、この二次燃料は燃焼ストリーム５０に貫入する。第１のインジェクタ８０と第２のインジェクタ８２は一体となって、トランジションピース３２の中心領域６８から周囲に外向きに少なくとも２つの異なるゾーンに二次燃料を噴射する。このようにして、中心領域６８から半径方向に、または周囲に外向きに設けられた少なくとも２つのゾーン内の平均温度、最低温度、および／または、最高温度を高くすることができる。一実施形態では、噴射穴９２は、中心穴９０から約１５°〜約４５°傾斜され、好ましくは、図示されるように中心穴９０から約３０°傾斜されている。
【００３１】
他の実施形態では、第１のインジェクタ８０のノズル８４と第２のインジェクタ８２のノズル８８をトランジションピース３２の二次燃焼ゾーン５６に差し込む程度を変えれば、第１のインジェクタ８０と第２のインジェクタ８２が第２の燃料を噴射する深度を制御することができる。一実施形態では、第１のインジェクタ８０のノズル８４と第２のインジェクタ８２のノズル８８はそれぞれ、長さの点で類似するか、または同等である。他の実施形態では、第１のインジェクタ８０のノズル８４と第２のインジェクタ８２のノズル８８は、二次燃料の一部を異なる周囲ゾーン中に噴射するのにさらに役立つように、長さが異なっている。例えば、図３に示されるように、第１のインジェクタ８０と第２のインジェクタ８２は、マニホルド６２の外周の周りに円周方向に間隔を置いて設けられている。しかしながら、第１のインジェクタ８０のノズル８４の長さは、第２のインジェクタ８２のノズル８８の長さよりも長い。このようにして、長い方のノズル８４は、トランジションピース３２を貫いて、進行中の燃焼ストリーム５０中にノズル８８よりもさらに深く入り込み、また、上述の半径方向の燃料噴射の結果として、ここに記述されるように、第２の周囲ゾーン７８中に第２の燃料を噴射することができる。逆に、第２のインジェクタ８２の相対的に短いノズル８８は、その多段噴射穴の形態と相俟って、第１のインジェクタ８０と同程度には燃焼ストリーム５０に貫入しない噴霧状のパターンを優先し、したがって、ノズル８８から噴射された燃料は、第２の周囲ゾーン７８中には貫入するが、ただし選択的に、第１の周囲ゾーン７６にも中心ゾーン７０にも貫入しない。
【００３２】
トランジションピース３２を貫いて、最適な混合、最適な滞留時間、および、進行中の燃焼ストリーム５０中への噴射貫入の異なる度合いは、第１のインジェクタ８０が、約２８ｍｍ〜約３８ｍｍの長さ、好ましくは約３４ｍｍの長さを持つときに得られることが本発明者にはわかっている。さらに、第１のインジェクタ８０からの最適な混合、最適な滞留時間、および、進行中の燃焼ストリーム５０中への噴射貫入の異なる度合いは、第２のインジェクタ８２が、約１６ｍｍ〜約２８ｍｍの長さ、好ましくは約２４ｍｍの長さを持つときに得られることも本発明者にはわかっている。
【００３３】
第１のインジェクタ８０と第２のインジェクタ８２のそれぞれの数は、改善される混合と費用とのトレードオフ（兼ね合い）の関係にあることも考えられる。全体として、いずれかのタイプのインジェクタ（第１のインジェクタまたは第２のインジェクタ）がさらに多くなると、この燃料は、トランジションピース３２の中心線をすでに下っている高温ガスとより良く混合できる。しかしながら、燃焼室とマニホルド用にインジェクタを追加すると、製造費がかさむことがある。改善された混合と費用とのバランスを取っている特定の一実施形態では、上述の実施形態のどれにおいても二次インジェクタ６６の少なくとも１／３〜１／２が第１のインジェクタ８０となる。例えば、図３に示される実施形態では、（長いノズルの）第１のインジェクタ８０が８個あり、また、（短いノズルの）第２のインジェクタ８２が１６個ある。第１のインジェクタ８０のノズル８４と第２のインジェクタ８２のノズル８８はそれぞれ、燃焼ストリーム５０に入り込むノズル端の外面が、セラミックの熱遮蔽コーティング（ＴＢＣ）で被覆されることがある。また、それぞれのノズルは、温度を燃料物質の限度より下に維持するために、燃料と希釈剤の流れで内部冷却されることがある。
【００３４】
通常の当業者で理解されるように、第１のインジェクタ８０と第２のインジェクタ８２が第２の燃料を燃焼ストリーム５０中に噴射する貫入深度はまた、ノズル８４、ノズル８８の直径を変えることで制御されてもよい。一般に、ノズルの直径を大きくすれば、第２の燃料を、さらに大きい運動量でトランジションピース３２に噴射できる。しかしながら、運動量と燃料ノズルの直径は、噴射される燃料の量と、ノズルから出る速度とのトレードオフの関係にある。例えば、一実施形態では、第１のインジェクタ８０のノズル８４の単一の半径方向噴射穴８６は、約３ｍｍ〜約６ｍｍの内径、好ましくは約５．４ｍｍの内径を持っている。それに対応して、一実施形態では、第２のインジェクタ８２のノズル８８の中心穴９０は、約１．５ｍｍ〜約３．０ｍｍの内径、好ましくは約２．４ｍｍの内径を持っているが、一方、傾斜させた２つの穴は、約２．０ｍｍ〜約３．５ｍｍの内径、好ましくは約２．８ｍｍの内径を持っている。
【００３５】
したがって、第１のインジェクタ８０は、望ましくは、トランジションピース３２の中心領域６８に向けて、第２のインジェクタ８２よりも遠くに第２の燃料を噴射するが、第１のインジェクタ８０の単一の中心噴射穴８６の内径は、第２のインジェクタ８２の中心穴９０よりも大きいことがある。なぜなら、第１のインジェクタ８０の単一の中心噴射穴８６を通って噴射される二次燃料の量が一般に、第２のインジェクタ８２の中心噴射穴９０を通って噴射されている二次燃料の量よりも多いからである。これは、第２のインジェクタ８２でそうであるように、第１のインジェクタ８０では、第２の燃料の流れが、傾斜させた２つ以上の穴に分けられていないという事実によるかもしれない。
【００３６】
さらに、トランジションピース３２を貫いて、二次インジェクタ６６が第２の燃料を進行中の燃焼ストリーム５０に噴射する貫入深度はまた、噴射されている第２の燃料の量を変えることで制御されることもある。一実施形態では、第１のインジェクタ８０と第２のインジェクタ８２からトランジションピース３２中に噴射される第２の燃料に希釈剤が添加されることがある。この希釈剤は、不活性ガス、例えば窒素、蒸気、または他の任意の適切な物質である場合もあり、これは、好ましくは空気ではない。希釈剤を添加すると、反応速度が変わって、事実上、燃料への点火（自己点火）が遅れ、また、噴射が行われる第２の燃料ストリームに、さらに大きい運動量も与えられ、それにより、燃焼ストリーム５０への貫入がさらに深くなり得る。したがって、一実施形態では、第１のインジェクタ８０と第２のインジェクタ８２から噴射された第２の燃料が、ここに述べられる実施形態のいずれかの場合と同じように、異なる度合いで燃焼ストリーム５０に貫入し、それにより、二次燃料を燃焼ストリーム５０の異なる領域またはゾーンに噴射するように、添加希釈剤の量を戦略的に変えることができる。有利には、希釈剤と燃料との量比２：１〜約４：１は、最小限のＮＯｘ排出で燃料をトランジションピース３２内で最適に燃やせることが判明している。希釈剤が蒸気であるときには、希釈剤と燃料との量比は、約４：１であってもよい。
【００３７】
上述のように空気以外の希釈剤を二次燃料に添加することも、本発明のさらに他の利点である。一般に、空気を燃料と混合して、それを燃焼室中に噴射する。特に一次噴射場所の下流側での軸方向噴射に関する１つの問題は、主題インジェクタ中に噴射し戻されている燃料物質への点火および逆火である。一般に、この現象は、燃料を噴射している燃焼ストリームの温度と、燃料と空気の混合気への急速点火による。一態様において、本発明は、空気がないときに、二次インジェクタ、すなわち二次インジェクタ６６から二次燃料を取り入れることで、逆火を排除することができる。そうせずに、上述のように、或る量の希釈剤を第２の燃料に添加することができる。この希釈剤は、不活性ガス、例えば窒素、蒸気、または他の任意の適切な物質であってもよい。
【００３８】
特定の実施形態では、二次インジェクタ６６のいずれかから噴射される第２の燃料は、添加される空気や希釈剤を最小限の量だけ含むか、あるいはまったく含まない。そうではなく、本質的に第２の燃料から成っている物質を、二次インジェクタ６６のいずれか、または両方から噴射する。一実施形態では、第２の燃料が、希釈剤で添加される量を欠いているから、本質的に第２の燃料から成っている物質を、高速／大運動量の噴流としてトランジションピース３２中に噴射する。一実施形態では、例えば、第１のインジェクタ８０のノズル８４の噴射穴８６、および／または、第２のインジェクタ８２のノズル８８の噴射穴９０と噴射穴９２は、非常に大きい運動量比（すなわち、５０よりも大きい）を持つ噴射ストリームを提供するために、比較的に小さい断面内径をさらに含むことがある。第１のインジェクタと第２のインジェクタが希釈剤なしに燃料を噴射する運動量は、ここに述べられる低温の周囲領域中に燃料を導き入れるように変えられるものと考えられる。このようにして、第２の燃料（希釈剤なし）は、ここに述べられるように、トランジションピース内の２つ以上の領域またはゾーン中に差別的に噴射されて、燃焼ストリームの入口にて得られた第１の半径方向温度プロフィールの変動係数を減らすか、あるいは、トランジションピースの入口にて得られた半径方向温度差を減らすことができる。
【００３９】
さらに、二次インジェクタ６６が二次燃料を、進行中の燃焼ストリーム５０中に噴射する運動量および貫入深度はまた、第２の燃料を噴射する圧力を変えることによっても、制御できる。例えば、一実施形態では、第２の燃料を噴射する圧力は、燃料および／または任意の希釈剤を二次インジェクタ６６に送る圧力を高めることで、また、上述のように、第１のインジェクタ８０のノズル８４と第２のインジェクタ８２のノズル８８の内径を変えることで、あるいは、当技術分野において知られている他の任意の適切な方法により、上げたり、下げたりすることができる。
【００４０】
理想的には、ここに述べられる実施形態において、本発明者は、トランジションピース３２の下流端にできるだけ近くで第２の燃料の燃焼を達成するように、二次噴射の周りで上記パラメータを制御することが特に望ましいことを認識している。さらに、本発明者は、ＮＯｘ、ＣＯ、未燃炭化水素の排出が、それらの共通の最小限度にある一地点にて燃焼を達成することが望ましいことも認識している。図１５に示されるように、コンピュータモデリングから、ＮＯｘとＣＯの排出の予想濃度が、トランジションピース３２上の軸方向位置（トランジションピース３２の全長に沿って軸方向位置の割合で表す）に対して、プロットされている。本発明の一実施形態では、第２の燃料の燃焼が、トランジションピース３２の出口５８端よりも前の一地点にて、あるいは出口５８端にて達成され、かつ、二次燃料の燃焼からもたらされるＮＯｘ、未燃炭化水素、一酸化炭素のレベルがそれらの最小限度にあるか、または最小限度に近いように、二次燃料の燃焼物質を、トランジションピース３２の軸方向の全長に沿った一地点に噴射する。
【００４１】
具体的に言えば、模範的な図１５で見られるように、ＮＯｘとＣＯの量は、トランジションピース３２の軸方向の全長の約２５％〜約７５％にて、それらの最小限度にある。未燃炭化水素排出の濃度は、トランジションピース３２に沿って図示されるＣＯ排出量に類するか、あるいは、このＣＯ排出量を反映させるものと予想されることに留意する。よって、燃焼ストリーム５０の排出プロフィールが、トランジションピース３２の軸方向の全長の２５％〜７５％の割合で示されるように、二次燃料を噴射すれば、とりわけ有利となることに本発明者は留意している。これを達成するために、二次燃焼が、示される所望の排出プロフィール（例えば、図１５に２５％〜７５％で示される排出プロフィール）を持ちながら、トランジションピース３２の出口５８端よりも前に達成されるように、トランジションピース３２の軸方向の全長に沿った一地点に、二次インジェクタ６６を位置づけることができる。それゆえ、一実施形態では、トランジションピース３２の軸方向の全長の少なくとも０％から７５％までの一地点に二次インジェクタを配置する。他の実施形態では、トランジションピース３２の軸方向の全長の２５％から７５％までの一地点に二次インジェクタを配置する。
【００４２】
図１５に示されるグラフは、一組の二次燃焼排出の単に好例にすぎず、また、燃焼システムが異なれば、排出プロフィールも異なる場合があると考えられる。しかしながら、本発明者は有利にも、噴射される二次燃料が、最少量のＮＯｘ、ＣＯ、未燃炭化水素の排出をもたらすようにトランジションピース３２の一端に近い所で、またはその端で燃焼を達成するようなトランジションピース３２の軸方向の全長に沿った一地点に、二次インジェクタ（または、任意の二次噴射システム）を位置づけるべきであることを認識している。
【００４３】
一実施形態では、目標距離は、トランジションピース３２の軸方向の全長から５０パーセント以内の所である。この目標距離内では、ＮＯｘ、ＣＯ、未燃炭化水素の排出量は、おそらく最小限度にあるであろう。他の実施形態では、目標距離は、トランジションピース３２の軸方向の全長から２０パーセント以内の所である。さらに他の実施形態では、目標距離は、トランジションピース３２の軸方向の全長から１０パーセント以内の所である。トランジションピース３２の一端のすぐ前で燃焼を達成することがもっとも望ましいが、動作中、燃料の二次噴射を繰り返しての燃焼を達成するのに必要な時間に、多少の変化を考慮に入れなければならないものとする。あまりに早く燃焼を達成しないことが重要であるけれども、ＮＯｘ、ＣＯ、未燃炭化水素のレベルが急速に高まることがあるときには、二次燃料が、トランジションピース３２内でまったく燃焼を達成しないように、二次燃料を噴射しないことも同様に重要である。よって、トランジションピース３２から２０％または１０％以内の目標距離内で燃焼を達成するように二次燃焼システムを設計すれば、多少の変わりやすさを考慮に入れながらも、トランジションピース３２の出口端で、またはその出口端の近くで燃焼が達成される。
【００４４】
本発明のさらに他の面により、本発明者は、例えば、米国特許第６，４１８，７２５号明細書に記載されるように、下流側で少なくとも二次燃料を噴射する軸方向段階設計だけでは、ＮＯｘ排出を減らし、かつ、比較的に高い燃焼効率を維持するという問題を充分には解決しないことも意外にわかっている。多段軸方向燃焼器システムのそれぞれの軸方向段階には、妥当な燃料／空気の混合もなければならない。そうでなければ、発生したＮＯｘの量は実際に、軸方向段階燃焼を用いずに、ヘッドエンドシステムでの標準的な完全燃焼で発生したＮＯｘよりも多いこともある。例えば、図１６に示されるように、燃焼室のヘッドエンドでの完全燃焼と比較して、燃焼室およびトランジションピース３２を通しての距離の７５％にて、２０％の燃料を用いる軸方向段階燃焼（完全混合を用いる）は、ＮＯｘ排出を減らすことになる。ただし、これも図１６に示されるように、空気／燃料の混合が、それぞれの軸方向段階にて不完全である場合には、燃料と空気の不充分な混合による燃焼で発生したＮＯｘの量は実際に、ヘッドエンドの場合の完全燃焼よりも多いこともある。混合とは、残りの空気をどれくらい、軸方向の燃料と混合するのかと定義できる。一般に、空気が多くなると、ＮＯｘ排出が少なくなる。図で見られるように、８０％、７０％、６０％の空気過剰率を用いる軸方向段階燃焼は実際に、ヘッドエンドの場合よりも多くのＮＯｘを生み出した。したがって、本発明の一態様において、本発明は、二次燃料噴射から得られる燃焼ストリームの温度プロフィールを選択的に滑らかにするだけでなく、燃料を最適に混合することも保証する装置および方法を提供する。
【００４５】
噴射される燃料混合気の最適な混合時間の設定をもたらすことのできるいくつかのファクタがある。これらのバランスを取るべき考慮事項は主として、充分な時間を提供して第２の燃料を混合することと、ＮＯｘ排出量が多くならないように滞留時間を最小限に抑えることから成っている。これらの対抗する２つの考慮事項のバランスを取るために、考慮に入れるべきファクタには、インジェクタのノズルの数、トランジションピース３２内のインジェクタの軸方向位置、噴射される燃料の量、燃料に添加される希釈剤の量、噴射される一次燃料の量に対して二次的に噴射される燃料の量、燃料ノズルの内径、燃料の流れにインジェクタのノズルが差し込まれる度合い、および、それぞれのノズル出口での二次燃料混合気の運動量がある。
【００４６】
この燃料の量は、著しいＮＯｘ排出をもたらすことなく二次混合気が燃えるように、第２の燃料の最適な混合および滞留時間を設定する上で特に考慮すべき事項である。本発明者は、第２の燃料の最適な混合および滞留時間を提供するには、二次インジェクタ６６により、トランジションピース３２中に総燃料の約１０％〜約３０％（一実施形態では、約２０％）を噴射することで充分であることがわかっている。この総燃料は、全体として燃焼室およびトランジションピース３２中に噴射される燃料の量を表している。このようにして、充分ではあるが、過多でない量の第２の燃料が、燃焼ストリーム５０の高温ガスと混合して、事実上、上述のようにトランジションピース３２の出口５８で、または出口の近くで燃え、それにより、ＮＯｘ、ＣＯ、未燃炭化水素の排出を最小限に抑えている。
【００４７】
本発明の様々な実施形態がここに図示され、かつ説明されてきたが、このような実施形態は、例示としてのみ与えられることは明白であろう。ここに述べられる本発明から逸脱しなければ、様々な変形、変更、代用を行うことができる。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範疇によってのみ限定されることを意図する。
【符号の説明】
【００４８】
２８  燃焼器
３０  一次燃焼室
３２  トランジションピース
５０  燃焼ストリーム
６６  インジェクタ
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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