(57)【要約】  本発明は、ガスタービン燃焼システムにおいて燃料と空気とを混合するための新規の装置および方法を開示する。混合器は、汚染エミッションを低減するために種火のせん断層への燃料流を選択的に増大させることができる一方で、燃料と空気とを混合することを助ける。混合器は、空気の流れを燃焼システム内へ半径方向内方に方向付け、半径方向に向けられた各ベーン（３２０）内に燃料インジェクタの２つのセットを有する。第１の複数の燃料インジェクタ（３２２）は、第２の複数の燃料インジェクタ（３２４）から独立して作動し、第２の複数の燃料インジェクタは、結果として生じた種火のせん断層への燃料流を選択的に調整するために位置決めされている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器用の半径方向に段付けされた予混合器において、
端部カバーであって、燃焼器の長手方向軸線を中心に延びる第１の燃料プレナムと、該第１の燃料プレナムの半径方向外側に位置決めされた第２の燃料プレナムとを有する端部カバーと、
半径方向流入スワーラとを備え、該半径方向流入スワーラは、
少なくとも部分的な半径方向成分を有するように向けられた複数のベーンであって、該複数のベーンは、燃料−空気混合物を半径方向内方へ燃焼器内に方向付け、前記複数のベーンは、前記第１の燃料プレナムと流体通流可能に接続された第１の複数の燃料インジェクタと、前記第２の燃料プレナムと流体通流可能に接続された第２の複数の燃料インジェクタとを有する、複数のベーンと、
前記複数のベーンに隣接したところから概して前記長手方向軸線に対して垂直な方向へ延びており、かつ概して前記長手方向軸線に対して平行な方向に向かって移行している内壁と、
該内壁から間隔を置いて配置された、前記複数のベーンに隣接したところから概して前記長手方向軸線に対して垂直な方向に延びており、かつ概して前記長手方向軸線に対して平行な方向に向かって移行している外壁と、を備え、
該外壁は、概して前記内壁からずれており、これにより、前記内壁と、前記外壁との間に予混合通路を形成していることを特徴とする、ガスタービン燃焼器用の半径方向に段付けされた予混合器。
【請求項２】
前記第２の燃料プレナムは、前記第１の燃料プレナムと同心状である、請求項１記載の予混合器。
【請求項３】
前記複数のベーンはそれぞれ、概して矩形の横断面を有する、請求項１記載の予混合器。
【請求項４】
前記複数のベーンは、前記長手方向軸線に対して接線方向にも向けられている、請求項１記載の予混合器。
【請求項５】
前記第１の複数の燃料インジェクタは、概して前記長手方向軸線に沿って種火を形成するための燃料を提供する、請求項１記載の予混合器。
【請求項６】
前記第２の複数の燃料インジェクタは、主燃焼器火炎を形成するために、前記長手方向軸線から半径方向外側に位置決めされたせん断層に燃料を提供する、請求項５記載の予混合器。
【請求項７】
前記端部カバーからの燃料の約５％〜５０％が、前記第２の複数の燃料インジェクタを通過する、請求項１記載の予混合器。
【請求項８】
前記第１の複数の燃料インジェクタおよび前記第２の複数の燃料インジェクタの直径は、約０．０３０インチ〜０．２００インチである、請求項１記載の予混合器。
【請求項９】
前記複数のベーンは、翼形の横断面を有する、請求項１記載の予混合器。
【請求項１０】
ガスタービン燃焼器における種火を調節する方法において、
第１の燃料プレナムと、該第１の燃料プレナムの半径方向外側の第２の燃料プレナムと、前記第１の燃料プレナムおよび前記第２の燃料プレナムから燃料を流すための通路とを有する、ガスタービン燃焼器用のカバーを提供し、
該カバーに結合された半径方向に流入するスワーラを提供し、該スワーラは、
燃焼器の長手方向軸線に対して概して半径方向に向けられた複数のベーンであって、各ベーンは、前記第１の燃料プレナムおよび前記第２の燃料プレナムと流体通流可能に接続された複数の燃料インジェクタを有する複数のベーンと、
該複数のベーンの近くからまず概して前記長手方向軸線に対して垂直な方向に延び、かつ概して前記長手方向軸線に対して平行な方向に延びるように移行している内壁と、
該内壁から間隔を置いて配置され、かつ前記複数のベーンの近くからまず概して前記長手方向軸線に対して垂直な方向に延び、かつ概して前記長手方向軸線に対して平行な方向に延びるように移行している外壁と、を有しており、該外壁は、前記内壁からずれており、これにより、前記内壁と前記外壁との間に予混合通路を形成しており、
前記燃焼器の前記長手方向軸線を中心とするせん断層への燃料流を調節するために、前記燃料インジェクタへの燃料の半径方向段付けを提供するように、前記第２の燃料プレナムからの燃料は、前記第１の燃料プレナムからの燃料から独立して制御されることを特徴とする、ガスタービン燃焼器における種火を調節する方法。
【請求項１１】
前記第１の燃料プレナムおよび前記第２の燃料プレナムはそれぞれ、前記複数のスワーラへの、気体燃料の独立して調節された流れを供給する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の燃料プレナムは、前記第１の燃料プレナムと同心状である、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記複数のベーンは、通過する空気流に旋回運動を与える、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
各ベーンは、前記第１の燃料プレナムから燃料を噴射するための複数の燃料インジェクタと、前記第２の燃料プレナムから燃料を噴射するための１つの燃料インジェクタとを有する、請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
燃焼器の主燃料インジェクタの点火を改良するように燃焼システムを作動させる方法において、
第１の燃料プレナムから、半径方向流入スワーラの燃料インジェクタの第１のセットを通じて燃料の流れを提供し、通過する空気流と混合させ、
燃焼器において種火を形成し、該種火には半径方向流入スワーラから燃料が供給され、かつ種火に隣接したせん断層を形成し、
前記種火に隣接したせん断層における燃料／空気比を増大させるために、第２の燃料プレナムから、半径方向流入スワーラの燃料インジェクタの第２のセットを通じて燃料を提供し、
燃料を燃料インジェクタの主セットに提供し、
前記種火による前記インジェクタの主セットからの燃料の点火により、主燃焼火炎を形成することを特徴とする、燃焼システムを作動させる方法。
【請求項１６】
前記種火は、概して前記燃焼器の長手方向軸線に沿って形成される、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の燃料インジェクタは、各スワーラにおいて１つまたは複数の軸方向に間隔を置かれた穴から成る、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の燃料インジェクタは、前記第１の燃料インジェクタと、前記スワーラの端部との間に位置決めされた１つまたは複数の穴から成る、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
主燃焼火炎を形成するとき、インジェクタの主セットが、インジェクタの第１および第２のセットを通じて噴射された燃料と同時に、周囲の空気流へ燃料を送り込む、請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
前記主燃焼火炎は、前記主インジェクタからの燃料が、第１および第２の燃料インジェクタを通じて噴射された燃料によって形成された種火の高められたせん断層と混合したときに生じる反応によって、点火される、請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ガスタービン燃焼器における燃焼安定性を改良しかつエミッションを低減するためのシステムおよび方法に関する。より具体的には、燃焼器予混合器および燃料噴射位置における改良が提供される。
【０００２】
発明の背景
ガス駆動式タービンからの汚染エミッションの量を低減する努力において、政府省庁は、窒素酸化物（ＮＯｘ）および一酸化炭素（ＣＯ）の量の低減を要求する多くの規則を制定してきた。より少ない燃焼エミッションは、しばしば、特に燃料インジェクタ位置および混合効率に関して、より効率的な燃焼プロセスに帰することができる。
【０００３】
早期の燃焼システムは、拡散型ノズルを利用していた。拡散型ノズルでは、燃料は、火炎領域の近くで、拡散によって、燃料ノズルの外部の空気と混合される。拡散型ノズルは、十分な燃焼器安定性および低い燃焼ダイナミクスを維持するために燃料と空気とが高温において化学量論的に燃焼することにより、大量のエミッションを発生する。
【０００４】
燃焼技術の向上は、予混合の利用であり、燃料と空気は燃焼前に混合され、均質な混合物を形成する。均質な混合物は、拡散型火炎よりも低温で燃焼し、より少ないＮＯｘエミッションを発生する。予混合は、それが燃焼領域の上流である限り、燃料ノズルの内部または外部において生じ得る。従来技術の予混合燃焼器の一例が図１に示されている。燃焼器８は複数の燃料ノズル１８を有しており、各燃料ノズル１８は、燃料を予混合キャビティ１９内へ噴射する。予混合キャビティ１９において、燃料は、プレナム１０からの圧縮空気６と混合された後、燃焼室２０へ進入する。燃料と空気とを燃焼前に予混合することにより、燃料と空気はより均質な混合物を形成し、この均質な混合物はより完全に燃焼する結果、エミッションが少なくなる。しかしながら、この構成では、燃料は、燃焼器の比較的同じ平面において噴射され、混合長さを変化させることによるあらゆる改良の可能性を阻止する。
【０００５】
予混合およびより少ないエミッションの代替手段は、複数の燃焼段によって達成することができ、これは、負荷が増大するにつれて予混合を高める。ここで図２を参照すると、従来の多段燃焼器の一例が示されている。燃焼器３０は、狭いのど領域３４を有するベンチュリ管３３によって分離された、第１の燃焼室３１と第２の燃焼室３２とを有している。負荷条件に応じて燃焼が第１または第２の燃焼室においてまたは両燃焼室において生じることができるが、ノズル領域３５を通じて噴射される燃料が、第２の燃焼室３２において燃焼する前に第１の燃焼室３１において圧縮空気と完全に混合されたときに最も低いエミッションレベルが生じる。したがって、ベンチュリ管を備えたこの多段燃焼器は、より高い負荷条件においてより効果的である。
【０００６】
ガスタービンエンジンは、様々な動力設定で運転することが要求される。ガスタービンエンジンが、発電機を駆動するように接続されている場合、エンジンの所要の出力は、しばしば、発電機における負荷の大きさ、または発電機によって発生されなければならない電力に従って測定される。全負荷条件とは、発電機から最大の発電能力が引き出されている状態である。これは、発電に使用される陸上ガスタービンのための最も一般的な運転状態である。しかしながら、しばしば電力需要は発電機の全容量を必要とせず、オペレータは、エンジンをより低い負荷設定で運転させたいので、要求される負荷のみが発生され、これによって、燃料を節約し、運転コストを削減している。従来技術の燃焼システムは、より低い負荷設定、特に５０％未満の負荷において不安定になることが知られており、許容できないレベルのＮＯｘおよびＣＯエミッションをも発生する。これは、主に、ほとんどの燃焼システムが、高負荷設定において最も効率的な運転を行うように段付けされていることによるものである。潜在的に不安定な燃焼と、より高いエミッションとの組合せは、しばしば、エンジンオペレータがエンジンをより低い負荷設定で運転することを妨げ、エンジンをより高い設定で運転せざるを得ず、これにより、付加的な燃料を燃焼させるか、または停止させ、これにより、部分負荷需要から発生することができたであろう貴重な収入を失っている。
【０００７】
エンジンを停止させることに関する別の問題は、エンジンハードウェアによって付加的なサイクルが行われるということである。サイクルとは、一般的に、エンジンが、通常運転範囲を完了することであると定義される。エンジン製造者は、通常、運転時間または同等の運転サイクルに関してハードウェア寿命を格付けする。したがって、付加的なサイクルを行うことは、ハードウェア寿命を短縮する可能性があり、これは、エンジンオペレータの支払による早期の修理または交換を必要とする。必要なことは、部分負荷条件および全負荷条件において火炎安定性および低エミッション利益を提供することができ、これにより、エンジンをより低い負荷条件において効率的に運転させることができ、これにより、高負荷運転が要求されていないときに消費される燃料を排除するかまたは停止時のエンジンハードウェアにおける付加的なサイクルを発生する、システムである。
【０００８】
発明の概要
本発明は、複数の運転負荷条件においてエミッションの低減を達成するために、燃焼器への燃料流の正確な段付けと組み合わせて、燃焼前に燃料および空気を予混合するための混合器を開示する。混合器は、種火の境界層への燃料流を選択的に増大させるために作動し、これにより、燃焼器へ噴射された他の燃料の点火において使用するための種火の安定性を高める。より具体的には、本発明の１つの実施の形態において、ガスタービン燃焼器用の予混合器が開示される。予混合器は、複数の燃料プレナムを有する端部カバーと、半径方向流入スワーラとを有する。半径方向流入スワーラは、燃焼器の長手方向軸線に対して少なくとも部分的に垂直に向けられた複数のベーンを有する。複数のベーンはそれぞれ、端部カバーの複数の燃料プレナムと流体通流可能に接続した複数の燃料インジェクタを有する。予混合器はさらに、内壁および外壁を有しており、内壁および外壁は、長手方向軸線に対して概して垂直な方向から延びており、長手方向軸線に対して概して平行な方向へ移行している。
【０００９】
本発明の択一的な実施の形態では、ガスタービン燃焼器における種火を調整する方法が開示される。この方法は、複数の燃料プレナムと、プレナムから燃料を流れさせる通路とを有する、燃焼器用のカバーを提供することを含む。この方法は、カバーに接続され、かつ燃焼器軸線に対して概して半径方向に向けられた複数のベーンを有する、半径方向に流入するスワーラを提供し、各ベーンは、複数の燃料インジェクタを有しており、燃料インジェクタは、第１の燃料プレナムと第２の燃料プレナムとに流体通流可能に接続されており、各ベーン内の燃料インジェクタへの燃料の半径方向段付けを提供するために、第２の燃料プレナムからの燃料は、第１の燃料プレナムからの燃料から独立して制御される。
【００１０】
本発明のさらに別の実施の形態では、燃焼器の主燃料インジェクタの点火を改良するために燃焼システムを運転する方法が提供される。この方法は、燃料インジェクタの主セットからの燃料の噴射時に主燃焼火炎をより容易に点火することができるように、燃料インジェクタの第２のセットによる燃料噴射によって、種火のせん断層への燃料／空気比を増大させる。
【００１１】
本発明の予混合器は、燃焼器が長手方向軸線を有する燃焼器ケーシング内に位置決めされており、ケーシングはエンジン圧縮機と流体通流可能に接続されている。本発明の１つの実施の形態において、予混合器は、複数の燃料インジェクタを有する半径方向流入スワーラを有しており、複数の燃料インジェクタは、段付けされた燃料噴射を行うことで、燃料インジェクタの主セットによって噴射された燃料を点火するためのせん断層における燃料／空気混合物を調整する。
【００１２】
本発明の付加的な利点および特徴は、以下に続く説明において部分的に示され、部分的に以下の説明の検討により当業者に明らかになるか、または本発明の実施によって学ばれ得る。ここで、添付の図面を特に参照して、本発明を説明する。
【００１３】
添付の図面を参照して、本発明を以下で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のガスタービン燃焼システムの断面図である。
【図２】従来の択一的なガスタービン燃焼システムの断面図である。
【図３】本発明の１つの実施の形態による燃焼システムの断面図である。
【図４】本発明の１つの実施の形態による燃焼システムの一部を示す透視図である。
【図５】本発明の１つの実施の形態による、図４の燃焼システムの一部の断面図である。
【図６】本発明の１つの実施の形態による、図４の燃焼システムの一部の端面図である。
【図７】本発明の１つの実施の形態による、図３の燃焼システムの端部カバーおよびスワーラ部分の断面図である。
【図８】本発明の１つの実施の形態による、図７に示された端部カバーおよびスワーラの一部の詳細な断面図である。
【図９】本発明の１つの実施の形態による燃焼システムを運転する方法を示す図である。
【００１５】
発明の詳細な説明
引用により、本願は、米国特許第６９３５１１６号明細書、米国特許第６９８６２５４号明細書、米国特許第７１３７２５６号明細書、米国特許第７２３７３８４号明細書、米国特許第７３０８７９３号明細書、米国特許第７５１３１１５号明細書および米国特許第７６７７０２５号明細書の内容を含む。
【００１６】
ここで、図３から図９までを特に参照して、本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。ここで図３を参照すると、本発明の１つの実施の形態によるガスタービン燃焼システム３００が示されている。燃焼システム３００は、圧縮機から圧縮空気を受け取るためのエンジンの圧縮機プレナムに接続されたケーシング（図示せず）に取り付けられている。
【００１７】
燃焼システム３００は、長手方向軸線Ａ−Ａを中心に延びており、所定量の圧縮空気を燃焼ライナ３０４の外面に沿って方向付けるために流れスリーブ３０２を有する。主燃料インジェクタ３０６は、燃焼ライナ３０４の半径方向外側に位置決めされており、燃焼ライナ３０４に進入する前に、燃焼ライナ３０４の外面の一部に沿って圧縮空気と混合するために燃料供給を提供するように設計されている。
【００１８】
燃焼システムのための種火を提供および維持するためのパイロット燃料ノズル３０８は、概して長手方向軸線Ａ−Ａに沿って延びている。種火は、燃焼システム３００の燃料インジェクタの複数の段を点火、支持および維持するために使用される。
【００１９】
ここで図３から図５までを参照すると、燃焼システム３００は、半径方向に段付けされた予混合器３１０をも有している。図４は、半径方向予混合器３１０の透視図を示しており、図５は、半径方向予混合器３１０の断面図を示している。予混合器３１０は、端部カバー３１２を有しており、端部カバー３１２は、燃焼システム３００の長手方向軸線Ａ−Ａを中心に延びる第１の燃料プレナム３１４と、第１の燃料プレナム３１４の半径方向外側に位置決めされており、第１の燃料プレナム３１４と同心状の第２の燃料プレナム３１６とを有する。
【００２０】
半径方向に段付けされた予混合器３１０は、半径方向流入スワーラ３１８をも有しており、半径方向流入スワーラ３１８は、燃焼システム３００の長手方向軸線Ａ−Ａに対して少なくとも部分的な半径方向成分を有する方向に向けられた複数のベーン３２０を有している。半径方向の向きは、燃焼システム３００の外側部分からの空気流を内方へ燃焼器内に、長手方向軸線Ａ−Ａに向かって方向付けるように機能する。ベーン３２０は、図６のスワーラ３１８によって示されているように、それらに周方向角度を有していてもよい。ベーン３２０の周方向角度は、燃料および空気の混合を高めるために、半径方向内方への流れに角運動量を与えるのを助けるために機能する。ベーン３２０は、図４および図６から図８までに示したように、概して矩形の横断面を有している。しかしながら、半径方向に段付けされた予混合器および燃料通路の形状、ならびに製造技術に応じて、翼形横断面などの異なる横断面を有することができる。
【００２１】
ここで図７および図８を参照すると、スワーラ３１８の複数のベーン３２０はそれぞれ、第１の複数の燃料インジェクタ３２２と、第２の複数の燃料インジェクタ３２４とを有する。すなわち、図７および図８に示された本発明の実施の形態の場合、各ベーン３２０は、３つの燃料インジェクタ３２２と、第２の燃料インジェクタ３２４とを有している。第１の複数の燃料インジェクタ３２２は、第１の通路３２３によって、端部カバー３１２の第１の燃料プレナム３１４と流体通流可能に接続されており、第２の複数の燃料インジェクタ３２４は、第２の通路３２５によって、第２の燃料プレナム３１６と流体通流可能に接続されている。これにより、それぞれのベーン３２０によって噴射される燃料の量を、第１のインジェクタ３２２および第２のインジェクタ３２４によって独立して制御することができる。
【００２２】
図７および図８に開示された発明の実施の形態では、第１の通路３２３は、長手方向軸線Ａ−Ａに対して概して平行であり、第２の通路３２５は、長手方向軸線Ａ−Ａに対して角度を成している。第１の通路３２３および第２の通路３２５の正確な向きは、端部カバー３１２および半径方向流入スワーラ３１８のサイズおよび形状に応じて変化することができる。
【００２３】
第１の複数の燃料インジェクタ３２２および第２の複数の燃料インジェクタ３２４の正確なサイズおよび間隔は、噴射される燃料の量に応じて変化することができる。図８に示された実施の形態の場合、インジェクタ穴は、ベーン３２０の出口平面に対して概して垂直である。インジェクタ穴３２２および３２４の直径は変化することができるが、概して０．０３０インチ〜０．２００インチの範囲である。
【００２４】
半径方向流入スワーラ３１８は、さらに、複数のベーン３２０に隣接したところから、最初は長手方向軸線Ａ−Ａに対してほぼ垂直な方向に延びた一対の壁部を有しており、これにより、予混合通路３３０を形成している。一対の壁部は、内壁３３２と、外壁３３４とを含み、外壁３３４は、ベーン３２０の軸方向長さとほぼ等しい距離だけ、内壁３３２から間隔を置かれている。内壁３３２および外壁３３４は、長手方向軸線Ａ−Ａに対して概して平行な方向に向かって移行している。図５に示された実施の形態の場合、内壁３３２および外壁３３４によって形成された予混合通路３３０は、概して一定の横断面を維持しており、複数のベーン３２０からの燃料が周囲の空気流と混合することができる領域を提供している。内壁３３２は、実質的に端部カバー３１２の一部とパイロットノズルとによって形成されており、外壁３３４は、成形された薄板金から形成されている。しかしながら、内壁３３２および外壁３３４はそれぞれ、端部カバー３１２とは別個であることができ、予混合通路３３０の形状は、燃焼システム３００に必要な燃料／空気混合物を提供するための要求に応じて、変化することもできる。
【００２５】
本発明は、燃焼システム用の主インジェクタの点火を改良するための形式において作動可能な燃焼システムを提供する。図９を参照すると、インジェクタの主セットの点火を改良するために燃焼システムを作動させる方法９００が示されている。
【００２６】
ステップ９０２において、第１の燃料プレナムから、半径方向流入スワーラの燃料インジェクタの第１のセットを通じて、燃料の流れが提供され、通過する空気流と混合させられる。燃料／空気混合物は、予混合通路を通過し、燃焼室内へ排出され、燃焼室におけるステップ９０４において、燃焼器の長手方向軸線に沿って種火が形成される。種火は、半径方向の流入スワーラからの燃料によって補助される。
【００２７】
当業者が理解するように、火炎は本体、せん断層を含んでいる。一般的に言えば、せん断層もしくは境界層は、大きな速度勾配が存在し得る流れの領域である。火炎のせん断層は、火炎の最も外側の縁部と、非可燃性の周囲または隣接する火炎との間の、共有領域である。
【００２８】
ステップ９０６において、第２のプレナムからの燃料は、半径方向流入スワーラの燃料インジェクタの第２のセットを通って方向付けられる。スワーラの各ベーンにおける第２のインジェクタへ燃料の供給を方向付けることによって、付加的な燃料が、通路外壁に隣接した、予混合通路の半径方向で最も外側の領域へ方向付けられ、これにより、せん断層に沿った燃料の量を増大させ、燃料／空気比が局所的に増大させられる。作動中、燃料が第２のインジェクタへ供給されるとき、これは、半径方向流入スワーラの燃料インジェクタの第１のセットのみを通流する燃料の量よりも、約５〜５０％の燃料流増大を意味する。
【００２９】
ステップ９０８において、燃料は、燃料インジェクタの主セットに提供される。図３に示された本発明の実施の形態の場合、燃料インジェクタの主セットは、燃料の流れを、通過する空気流の上流およびその内部へ噴射するために、燃焼ライナ３０４の周囲に位置決めされた環状燃料インジェクタのセットを有する。主インジェクタからの燃料は、種火の結果として点火し、せん断層を高め、ステップ９１０において主燃焼火炎を形成する。
【００３０】
本発明の結果、燃料インジェクタの主セットからの燃料の点火は、種火のせん断層の燃料／空気比を制御することができることにより、より容易にかつ確実に生じることができる。より具体的には、予混合通路における最も外側の半径方向位置における燃料の供給を局所的に増大させることにより、結果として生じる種火のせん断層における燃料の濃度が高められる。その結果、濃度が高められたせん断層により、主インジェクタは、多くのエネルギを必要とすることなく、より容易にかつ確実に点火することができ、ひいてはその結果、主燃料インジェクタの点火中の脈動レベルが低下する。
【００３１】
せん断層への燃料流を局所的に高濃度にすることができることの付加的な利点は、主インジェクタによって噴射された燃料を点火する安定したプロセスを維持することができるということである。すなわち、予混合された燃焼システムでは、燃料流レベルは、従来、エミッションを低減するために可能な限り希薄に保たれる。選択的な時間の間にせん断層に燃料を局所的に加えることによって、より燃料の多い混合物が形成され、これにより、せん断層領域における燃料／空気比を高める。より燃料の多い混合物は、点火を発生させるためのよい好ましい条件を提供し、火炎の安定性を高める。火炎が点火されると、火炎の安定性を損なうことなく、燃料濃度のレベルを、より希薄な混合物へ減じることができる。
【００３２】
本発明の半径方向での燃料段付けにより認識されたさらに別の利点は、燃焼ノイズに関する。燃焼ノイズとは、燃焼プロセスの副産物である。より具体的には、燃焼プロセスにおける変動が、発熱率の不安定性を生ぜしめ、これが音を発生する。燃焼ノイズは、不安定な燃焼による温度の不均一性によっても生ぜしめられる。通常、より希薄な火炎、すなわちより希薄な燃料・空気混合物から生じる火炎は、そのより低い燃料レベルにより、概して、より変動および不安定性が生じやすい傾向を有する。火炎のせん断層領域は、通常、燃料・空気混合物調整に対して敏感である。せん断層への燃料流を調整することによって、せん断層における燃料／空気混合物は、より燃料の濃度が高くなるかまたは希薄になり、これは、燃焼不安定性を低減するための有効な手段となり得る。
【００３３】
例えば、本発明の１つの実施の形態の場合、種火のせん断層に付加的な燃料が提供されない本明細書に開示された燃焼プロセスに関連するノイズレベルは、ある移行運転条件において概して高い音圧レベルを生じる可能性がある。しかしながら、せん断層に付加的な燃料が提供されると、試験が示すところによれば、同じ移行運転条件の間の燃焼ノイズレベルは約３３％にまで低減された。
【００３４】
現時点で好適な実施の形態として知られるものについて、本発明は説明されているが、本発明は、開示された実施の形態に限定されるのではなく、反対に、以下の請求項の範囲の様々な変更および同等の配列を包含することが意図されている。本発明は、全ての観点から制限的ではなく例示的である特定の実施の形態に関して説明されている。硬化面表面以外のシュラウド面の機械加工および硬化面の運転により生じた摩耗などの、択一的な実施の形態および所要の運転は、発明の範囲から逸脱することなく、本発明が属する技術分野の当業者に明らかになるであろう。
【００３５】
前記説明から、本発明が、システムおよび方法にとって明白でかつ固有である他の利点とともに、全ての目的および課題を達成するために十分に適応されたものであることが分かる。ある特徴および準組合せは利用でき、他の特徴および準組合せを参照することなく使用されて良いことが理解されるであろう。これは、請求項の範囲によっておよび請求項範囲において考慮される。
【図１】
2015534632.tif 000003
【図２】
2015534632.tif 000004
【図３】
2015534632.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015534632.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年6月2日(2015.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器用の半径方向に段付けされた予混合器において、
端部カバーであって、燃焼器の長手方向軸線を中心に延びる第１の燃料プレナムと、該第１の燃料プレナムの半径方向外側に位置決めされた第２の燃料プレナムとを有する端部カバーと、
半径方向流入スワーラとを備え、該半径方向流入スワーラは、
少なくとも部分的な半径方向成分を有するように向けられた複数のベーンであって、該複数のベーンは、燃料−空気混合物を半径方向内方へ燃焼器内に方向付け、前記複数のベーンは、前記第１の燃料プレナムと流体通流可能に接続された第１の複数の燃料インジェクタと、前記第２の燃料プレナムと流体通流可能に接続された第２の複数の燃料インジェクタとを有する、複数のベーンと、
前記複数のベーンに隣接したところから概して前記長手方向軸線に対して垂直な方向へ延びており、かつ概して前記長手方向軸線に対して平行な方向に向かって移行している内壁と、
該内壁から間隔を置いて配置された、前記複数のベーンに隣接したところから概して前記長手方向軸線に対して垂直な方向に延びており、かつ概して前記長手方向軸線に対して平行な方向に向かって移行している外壁と、を備え、
該外壁は、概して前記内壁からずれており、これにより、前記内壁と、前記外壁との間に予混合通路を形成していることを特徴とする、ガスタービン燃焼器用の半径方向に段付けされた予混合器。
【請求項２】
前記第２の燃料プレナムは、前記第１の燃料プレナムと同心状である、請求項１記載の予混合器。
【請求項３】
前記複数のベーンはそれぞれ、概して矩形の横断面または翼形の横断面を有しており、前記長手方向軸線に対して接線方向に向けられている、請求項１記載の予混合器。
【請求項４】
前記第１の複数の燃料インジェクタは、概して前記長手方向軸線に沿って種火を形成するための燃料を提供し、前記第２の複数の燃料インジェクタは、主燃焼器火炎を形成するために、前記長手方向軸線から半径方向外側に位置決めされたせん断層に燃料を提供する、請求項１記載の予混合器。
【請求項５】
前記端部カバーからの燃料の約５％〜５０％が、前記第２の複数の燃料インジェクタを通過する、請求項１記載の予混合器。
【請求項６】
前記第１の複数の燃料インジェクタおよび前記第２の複数の燃料インジェクタの直径は、約０．０３０インチ〜０．２００インチである、請求項１記載の予混合器。
【請求項７】
ガスタービン燃焼器における種火を調節する方法において、
第１の燃料プレナムと、該第１の燃料プレナムの半径方向外側の第２の燃料プレナムと、前記第１の燃料プレナムおよび前記第２の燃料プレナムから燃料を流すための通路とを有する、ガスタービン燃焼器用のカバーを提供し、
該カバーに結合された半径方向に流入するスワーラを提供し、該スワーラは、
燃焼器の長手方向軸線に対して概して半径方向に向けられた複数のベーンであって、各ベーンは、前記第１の燃料プレナムおよび前記第２の燃料プレナムと流体通流可能に接続された複数の燃料インジェクタを有する複数のベーンと、
該複数のベーンの近くからまず概して前記長手方向軸線に対して垂直な方向に延び、かつ概して前記長手方向軸線に対して平行な方向に延びるように移行している内壁と、
該内壁から間隔を置いて配置され、かつ前記複数のベーンの近くからまず概して前記長手方向軸線に対して垂直な方向に延び、かつ概して前記長手方向軸線に対して平行な方向に延びるように移行している外壁と、を有しており、該外壁は、前記内壁からずれており、これにより、前記内壁と前記外壁との間に予混合通路を形成しており、
前記燃焼器の前記長手方向軸線を中心とするせん断層への燃料流を調節するために、前記燃料インジェクタへの燃料の半径方向段付けを提供するように、前記第２の燃料プレナムからの燃料は、前記第１の燃料プレナムからの燃料から独立して制御されることを特徴とする、ガスタービン燃焼器における種火を調節する方法。
【請求項８】
前記第１の燃料プレナムおよび前記第２の燃料プレナムはそれぞれ、前記複数のスワーラへの、気体燃料の独立して調節された流れを供給する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第２の燃料プレナムは、前記第１の燃料プレナムと同心状である、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
各ベーンは、前記第１の燃料プレナムから燃料を噴射するための複数の燃料インジェクタと、前記第２の燃料プレナムから燃料を噴射するための１つの燃料インジェクタとを有する、請求項７記載の方法。
【請求項１１】
燃焼器の主燃料インジェクタの点火を改良するように燃焼システムを作動させる方法において、
第１の燃料プレナムから、半径方向流入スワーラの燃料インジェクタの第１のセットを通じて燃料の流れを提供し、通過する空気流と混合させ、
燃焼器において種火を形成し、該種火には半径方向流入スワーラから燃料が供給され、かつ種火に隣接したせん断層を形成し、
前記種火に隣接したせん断層における燃料／空気比を増大させるために、第２の燃料プレナムから、半径方向流入スワーラの燃料インジェクタの第２のセットを通じて燃料を提供し、
燃料を燃料インジェクタの主セットに提供し、
前記種火による前記インジェクタの主セットからの燃料の点火により、主燃焼火炎を形成することを特徴とする、燃焼システムを作動させる方法。
【請求項１２】
前記種火は、概して前記燃焼器の長手方向軸線に沿って形成される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の燃料インジェクタは、各スワーラにおいて１つまたは複数の軸方向に間隔を置かれた穴から成る、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の燃料インジェクタは、前記第１の燃料インジェクタと、前記スワーラの端部との間に位置決めされた１つまたは複数の穴から成る、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
主燃焼火炎を形成するとき、インジェクタの主セットが、インジェクタの第１および第２のセットを通じて噴射された燃料と同時に、周囲の空気流へ燃料を送り込み、前記主燃焼火炎は、前記主インジェクタからの燃料が、第１および第２の燃料インジェクタを通じて噴射された燃料によって形成された種火の高められたせん断層と混合したときに生じる反応によって、点火される、請求項１１記載の方法。
【国際調査報告】
2015534632.tif 000012
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2015534632.tif 000014