(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体燃料および混合される圧縮空気の噴射のための入口を備えたプレナムと、大気圧で燃焼させたときに放射型の表面燃焼を生じる領域および青炎燃焼を生じる高い気孔率の散在領域を有し、前記プレナムに取り付けられる多孔質の繊維のバーナー表面と、前記プレナム内の前記バーナー表面の後ろ側の有孔シェルと、前記バーナー表面と隣接する小型の燃焼ゾーンを形成するように配置され、冷却用の圧縮空気を通過させて前記燃焼ゾーンのガスと合流させる複数の開口部を有する金属ライナーと、を有する、空気汚染物質の含有量が少ない燃焼ガスを生成させるために高い過剰空気量で高圧で動作可能なガスタービン用の改良されたバーナー。
【請求項２】
前記バーナー表面が、円筒状のプレナムを囲んで円筒状であり、前記金属ライナーも円筒状であり、前記ライナーの開口部が、前記ライナーのフィルムの冷却を促進するルーバーを有する、請求項１に記載のバーナー。
【請求項３】
前記バーナー表面は、有孔領域が散在している多孔質の金属繊維のマットである、請求項２に記載のバーナー。
【請求項４】
前記プレナムが、環状の円筒形を有し、前記バーナー表面が、前記プレナムの内側の円筒の側面であり、前記金属ライナーが管状で前記バーナー表面の長さに沿って軸線方向に延びており、前記ライナーの開口部が、前記ライナーのフィルムの冷却を促進するルーバーを有する、請求項１に記載のバーナー。
【請求項５】
前記バーナー表面は、有孔領域が散在している多孔質の金属繊維のマットである、請求項４に記載のバーナー。
【請求項６】
前記バーナー表面は、有孔領域が散在している多孔質の金属繊維のマットである、請求項１に記載のバーナー。
【請求項７】
大気圧で燃焼させたときに、前記多孔質の金属繊維のマットが、１１０〜６３０ｋＷ／ｍ2（３５，０００〜２００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）の速度で燃焼させることが可能であり、前記有孔領域が、１，５７７〜２５，２３４ｋＷ／ｍ2（５００，０００〜８，０００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）の速度で燃焼させることが可能である、請求項６に記載のバーナー。
【請求項８】
気体燃料および混合される圧縮空気を、大気圧で燃焼させたときに表面燃焼を生じる領域と青炎燃焼を生じる高い気孔率の散在領域とを有する多孔質の繊維のバーナー表面に通す段階と、前記燃料および混合される空気を、前記バーナー表面に隣接し、複数の開口部を備えた金属ライナーによって囲まれている小型の燃焼ゾーンにおいて、約３〜２０気圧の圧力と少なくとも約１，５７７ｋＷ／ｍ2 ／ｂａｒ（５００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ／ａｔｍ）の速度で燃焼させる段階と、冷却用の圧縮空気を、前記圧縮空気の一部が前記開口を通って前記燃焼ゾーンのガスと合流する状態で前記ライナーに沿って流す段階と、断熱火炎温度を１，４２７〜１，８１５℃（２６００°Ｆ〜３３００°Ｆ）に維持するために、前記混合される空気を過剰量約４０％〜１５０％になるように調整し、したがって、ＮＯx を５ｐｐｍ以下しか含まず、ＣＯおよびＵＨＣを合わせて１０ｐｐｍ以下しか含まない燃焼ガスを生成する段階と、を含む、空気汚染物質の生成を抑えるように改良されたガスタービンの燃焼方法。
【請求項９】
前記前記多孔質の繊維のバーナー表面は、有孔領域が散在している多孔質の金属繊維のマットである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記多孔質の金属繊維のマットは、大気圧で燃焼させたときに１１０〜６３０ｋＷ／ｍ2（３５，０００〜２００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）の速度で燃焼させることが可能であり、前記多孔質の領域は、１，５７７〜２５，２３４ｋＷ／ｍ2（５００，０００〜８，０００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）の速度で燃焼させることが可能である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
燃焼が、約５〜１０気圧の圧力で行われ、過剰空気量が、断熱火炎温度を１，５１０℃〜１，５９３℃（２７５０°Ｆ〜２９００°Ｆ）に維持するように調整され、したがって、ＮＯx を２ｐｐｍ以下しか含まない燃焼ガスを生成する、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記多孔質の繊維のバーナー表面と前記金属ライナーが円筒状であり、環状で小型の燃焼ゾーンを形成している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記多孔質の繊維のバーナー表面は、有孔領域が散在している多孔質の金属繊維のマットである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
気体燃料および混合される圧縮空気の噴射のため入口を備えたプレナムと、前記プレナムと流通状態にあり、大気圧で燃焼させられるときに、青炎燃焼が散在していると共に放射型の表面燃焼を生じる２種類の気孔率を有する多孔質の繊維のバーナー表面と、前記バーナー表面に隣接する小型の燃焼ゾーン内で燃焼を囲むように配置されている、冷却の増強に適した金属ライナーと、を有する、燃焼空気汚染物質の生成を抑えるために高い過剰空気量で動作可能なガスタービン用の高圧バーナー。
【請求項１５】
前記バーナー表面および前記金属ライナーが円筒状であり、前記ライナーがルーバー付きの開口部を有している、請求項１４に記載のバーナー。
【請求項１６】
前記バーナー表面は、有孔領域が散在している多孔質の金属繊維のマットである、請求項１５に記載のバーナー。
【請求項１７】
前記バーナー表面の２種類の気孔率の小さい方は、大気圧で燃焼させたときに、１１０〜６３０ｋＷ／ｍ2（３５，０００〜２００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）の速度で燃焼させることが可能であり、気孔率の大きい方は、１，５７７〜２５，２３４ｋＷ／ｍ2（５００，０００〜８，０００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）の速度で燃焼させることが可能である、請求項１４に記載のバーナー。
【請求項１８】
気体燃料および混合される圧縮空気を、大気圧で燃焼させたときに、青炎燃焼が散在する表面燃焼を生じる２種類の気孔率を有する多孔質の繊維のバーナー表面に通す段階と、前記バーナー表面に隣接する小型の燃焼ゾーンにおける燃焼を、増強冷却に適した金属ライナーによって囲み、前記燃料および混合される空気を、少なくとも約３気圧の圧力と少なくとも約１，５７７ｋＷ／ｍ2／ｂａｒ（５００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ／ａｔｍ）の速度で燃焼させる段階と、冷却用の圧縮空気を前記ライナーに沿って前記ライナーを冷却するように流す段階と、断熱火炎温度を１，４２７〜１，８１５℃（２６００°Ｆ〜３３００°Ｆ）に維持するために、前記混合される空気を過剰量約４０％〜１５０％になるように調整し、したがって、ＮＯxを５ｐｐｍ以下しか含まず、ＣＯおよびＵＨＣを合わせて１０ｐｐｍ以下しか含まない燃焼ガスを生成する段階と、を含む、ガスタービンの高圧バーナーを燃焼空気汚染物質の生成を抑えるように動作させる方法。
【請求項１９】
前記多孔質の繊維のバーナー表面は、孔が散在している多孔質の金属繊維のマットである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記金属ライナーが、複数の開口部を有し、前記ライナーに沿って流される圧縮空気が、前記開口部を通過して前記燃焼ゾーンの燃焼ガスと合流する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記多孔質の繊維のバーナー表面と前記金属ライナーが円筒状であり、環状で小型の燃焼ゾーンを形成している、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
燃焼が、約５〜１０気圧の圧力で行われ、過剰空気量が、断熱火炎温度を１，５１０℃〜１，５９３℃（２７５０°Ｆ〜２９００°Ｆ）に維持するように、したがって、ＮＯx を２ｐｐｍ以下しか含まない燃焼ガスを生成するように調整される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
気体燃料および混合される圧縮空気を導入するための入口を備えたプレナムと、全体を通じて圧力降下が３％未満であることを保証し、大気圧で燃焼されたときに多数の青炎を生じるように十分に孔が設けられている、前記プレナムの側面を形成する多孔質の繊維のバーナー表面と、前記プレナム内部の前記バーナー表面の後ろ側の多孔シェルと、前記バーナー表面と隣接する小型燃焼ゾーンを形成するように配置され、冷却用の圧縮空気を通過させて前記燃焼ゾーンの燃焼ガスと合流させる複数の開口部を有する金属のライナーと、を有する、燃焼空気汚染物質の生成を抑えるために高い過剰空気量で動作可能なガスタービン用の高圧バーナー。
【請求項２４】
前記バーナー表面および前記金属ライナーが円筒状であり、前記金属ライナーの開口部がルーバーを有している、請求項２３に記載のバーナー。
【請求項２５】
前記バーナー表面は、孔が散在している多孔質の金属繊維マットである、請求項２４に記載のバーナー。
【請求項２６】
コンプレッサからの少なくとも３気圧の圧力の圧縮空気と、混合する気体燃料とを、全体を通じて圧力降下が３％未満であることを保証し、大気圧で燃焼されたときに多数の青炎を生じるように十分に孔が設けられている多孔質の繊維のバーナー表面に流す段階と、前記混合される燃料と圧縮空気とを、前記バーナー表面と隣接し、複数の開口部を有する金属ライナーによって囲まれている小型の燃焼ゾーンにおいて、少なくとも約１，５７７ｋＷ／ｍ2／ｂａｒ（５００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ／ａｔｍ）の速度で燃焼させる段階と、前記コンプレッサからの圧縮空気を、前記圧縮空気の一部が前記開口部を通って前記燃焼ゾーンのガスと合流する状態で前記ライナーに沿って流す段階と、断熱火炎温度を１，４２７〜１，８１５℃（２６００°Ｆ〜３３００°Ｆ）に維持し、したがってＮＯx を５ｐｐｍ以下しか含まず、ＣＯおよびＵＨＣを合わせて１０ｐｐｍ以下しか含まない燃焼ガスを生成させるために、前記混合される燃料と圧縮空気を、過剰空気量約４０％〜１５０％となるように比例配分する段階と、を含む、回転式コンプレッサと、共通軸線上のタービンとを有するガスタービンの運転中の燃焼空気汚染物質の生成を抑える、改良された方法。
【請求項２７】
前記バーナー表面および前記金属ライナーが円筒状である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記多孔質の繊維のバーナー表面が、２種類の大きさの孔を有するセラミック繊維部材であり、より大きな各孔の孔面積は、より小さい各孔の孔面積の約２０倍である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記過剰空気量が、断熱火炎温度を１，５１０℃〜１，５９３℃（２７５０°Ｆ〜２９００°Ｆ）に維持するように、したがって、ＮＯx を２ｐｐｍ以下しか含まない燃焼ガスを生じるように調整される、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、大気汚染物質、特に窒素酸化物（ＮＯx） の排出を極力少なくするバーナーと、ガスタービンの操作方法とに関する。特に、本バーナーおよび本方法は、ガスタービンの燃焼器を高い過剰空気量と高圧で動作させることができる。
【０００２】
ガスタービンのキャスティングに装着され、限られた含有量の大気汚染物質［ＮＯx 、一酸化炭素（ＣＯ）、および未燃炭化水素（ＵＨＣ）］しか含まない燃焼生成物を生じる小型バーナーの開発は、商業的に容認できる製品を長いあいだ送り出していない。１９８１年に、ラクレイ（Ｒａｃｋｌｅｙ）他の米国特許第４，２８０，３２９号が、多孔質セラミックス製のＶ字形の構成要素の形の放射型表面バーナーを開示した。提案されたバーナーは、理論的には興味をそそるものであったが、実際には、脆弱、それを通して著しい圧力降下、および限られた熱流束など、重大な欠陥があった。ラクレイ他の提案以来、ガスタービン用の放射型表面燃焼技術に進歩は見られなかった。
【０００３】
ガスタービンの作動に起因する大気汚染物質の放出を最小限にする努力は、種々の方法に向けられた。米国特許第４，３３９，９２４号、同第５，３０９，７０９号、および同第５，４５７，９５３号は、複雑で高価な装置を要する提案の実例である。カタリティカ社（Ｃａｔａｌｙｔｉｃａ  Ｉｎｃ．）は、評価を受けていると伝えられている（サンフランシスコ・クロニクル（Ｓａｎ  Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ  Ｃｈｒｏｎｉｃｌｅ）、１９９６年１１月２１日）ガスタービン用の触媒燃焼器を推進しようとしている。しかし、この提案は単純な小型の装置でなく、触媒は高価で、しかも耐用年数が限られている。
【０００４】
本発明の主目的は、最小限の汚染放出物しか生じさせないために、高い過剰空気量を伴う高い燃焼速度で実施される表面安定型の燃焼を特徴とするガスタービン用小型バーナーを提供することである。
【０００５】
別の重要目的は、熱流束を広範囲に調節できるガスタービン用バーナーを提供することである。
【０００６】
関連した目的は、圧力降下が小さく、広い圧力範囲と過剰空気量の変化にわたって安定した動作をする小型バーナーを提供することである。
【０００７】
さらに別の目的は、簡易で耐久性のある構造を有するガスタービン用のバーナーを提供することである。
【０００８】
本発明の別の主目的は、大気汚染物質含有量がきわめて少ない燃焼生成物しか出ないようにガスタービンを動作させる方法を提供することである。
【０００９】
本発明の前述および他の特徴と利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１０】
【発明の大要】
本発明で使用されるバーナー表面は、基本的には、金属繊維またはセラミック繊維で形成されている多孔質で低伝導率の材料であり、それを通過する気体燃料と空気との混合気を放射型表面燃焼させるのに適している。好適なバーナー表面は、大気圧で燃焼させたときに、青炎燃焼する高気孔率の散在部または散在領域とともに、放射型の表面燃焼を生じる多孔質の金属繊維マットである。複数の孔を備えたバンドまたは領域を散在させた、硬質であるが多孔質の焼結金属繊維のマットを開示しているデュレット他（Ｄｕｒｅｔ）に対する米国特許第  ５，４３９，３７２号のそのようなバーナー表面を図１に示す。多孔質の金属繊維の供給業者の１つは、ベルギー国ツウェベジェムのエヌ・ヴィー・アコテック・エス・エー（Ａｃｏｔｅｃｈ  Ｓ．Ａ．）である。特許権所有者によって示されているように、青炎燃焼させるための複数の孔を備えたバンドが多孔質のマットに形成されており、一方、多孔質のマットの隣接領域が放射型の表面燃焼をもたらす。
【００１１】
アコテック社が販売する多孔質の金属繊維マットの別の形態は、金属繊維で形成されたヤーンで作られているニット布である。ヤーンは多孔質であるのと同時に、ニット布の編目により、当然のことながら、気孔率が高い箇所が均一に散在している。したがって、金属繊維のニット布は複数の青炎箇所が混合している表面放射型燃焼を生じる。
【００１２】
本発明に適した多孔質のバーナー表面のさらに別の形態は、放射型の表面燃焼に効果的な小孔を有するカースウェル（Ｃａｒｓｗｅｌｌ）に対する米国特許第５，５９５，８１６号において開示されている有孔のセラミック繊維のプレートであるが、これは、より大きな青炎燃焼用の孔を備えた散在領域を有するように変更しただけのものである。
【００１３】
本発明に適応させた有孔のセラミックまたは金属繊維のプレートの別の変形物は、青炎燃焼を生じさせる均一な孔を有するものであるが、そのようなプレートは、プレートの選択箇所が放射型またはそれに近い状態の表面燃焼で作用するように該箇所への流れを制限する上流構成と組み合わされている。この方法の一実施形態は、主プレートの上流側からわずかに間隔をあけて配置した別の有孔プレートをただ単に含むことができる。支持プレートの複数の孔は、その孔のいくつかが主プレートの孔と位置合わせされるような大きさと分布のものであり、主プレートの孔が青炎燃焼を支援するようになっている。主プレートの孔と位置合わせされている支持プレートの無孔部は、これらの孔への空燃混合気の流れを妨げ、それにより表面燃焼を生じる。支持プレートは、バーナー表面である主プレートのような低伝導率のプレートである必要はない。この場合、支持プレートが、有孔のセラミック繊維または金属繊維のプレートの選択領域を通過する空燃混合気の流れを減少させるように働くことは明らかである。
【００１４】
有孔の支持プレートは、前述のバーナー表面の他のさまざまな形態と組み合わせて使用することもできるが、支持プレートは、通常は、空燃混合気がバーナー表面全体に向かって確実に均一に流れるのを助ける。金属繊維のヤーンで形成されたニット布を使用する場合、支持プレートは、ニット布を支持し、また、ニット布に対する均一な流れを形成する。したがって、有孔の支持プレートは、組み合わせられるバーナー表面に応じて違った機能を有することができる。以下に説明するように、バーナー表面はほとんどの場合は円筒状になるので、やはり円筒状になるであろう支持プレートのことを、これ以後、有孔シェルと呼ぶことにする。
【００１５】
本発明の完全なバーナーは、気体燃料と空気の混合気を噴射する入口を備えたプレナムを横切って取り付けられている多孔質の繊維のバーナー表面と、プレナム内部のバーナー表面の後ろ側の有孔シェルと、バーナー表面と隣接する小型の燃焼ゾーンを形成するように配置されている金属のライナーとを有する。そのようなバーナーを、高い燃焼速度すなわち高い熱流速で、高い過剰空気量で作動させて、ＮＯx を５ｐｐｍ以下しか含まず、ＣＯとＵＨＣを合わせて１０ｐｐｍ以下しか含まない燃焼ガスを生じさせることに成功した。バーナーは、過剰空気量の制御により、ＮＯx を２ｐｐｍ以下しか含まず、ＣＯとＵＨＣを合わせて１０ｐｐｍ以下しか含まない燃焼ガスを送出できる。明細書および請求項に記載されているＮＯx 、ＣＯ、およびＵＨＣのすべてのｐｐｍ（１００万分率）は、ガスタービン基準である１５％Ｏ2 に対して補正された値である。
【００１６】
ガスタービンのケーシングにはめ込むことができるバーナーに要求される、バーナー表面の高い表面燃焼速度、すなわち、少なくとも１，５７７ｋＷ／ｍ2（５００，０００  ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）（英熱量／時間／平方フィート）では、気孔率が高い領域からの火炎は、気孔率がより低い領域からの通常の表面放射が消滅するような強い非表面放射を生じる。しかしながら、２種類の気孔率により、表面安定型の燃焼、すなわち、バーナー表面に付属する青炎を安定させる表面燃焼が可能になる。簡略のために、２種類の気孔率を備えた表面を有するバーナーを、表面安定化バーナーと呼ぶ。
【００１７】
視覚的には有炎燃焼が非常にコンパクトなので、強度の赤外線放射ゾーンがバーナー表面の近くに吊り下げられているように見える。有炎燃焼のコンパクト性は、バーナー表面近傍に燃焼を閉じ込める金属ライナーによって支援される。この表面安定型の燃焼が、入口温度に応じて過剰空気量約４０％〜１５０％で行われたとしても、燃焼生成物に２ｐｐｍという少なさのＮｏx と、合わせて１０ｐｐｍ以下のＣＯおよびＵＨＣが含まれせることができる。
【００１８】
バーナー表面の少なくとも約１，５７７ｋＷ／ｍ2（５００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）という前述の燃焼速度は、大気圧での燃焼の場合である。ガスタービンは高圧で作動するので、基本燃焼速度に、気圧で表される圧力を乗じなくてはならない。例えば、１０．３ｂａｒ(１５０ポンド／平方インチ）、すなわち１０．１ｂａｒ（１０気圧）の絶対圧力のとき、公称最小燃焼速度は１５，７７０ｋＷ／ｍ2（（５，０００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）になる。高圧での表面安定化バーナーの安定動作により、４７，３１０ｋＷ／ｍ2（１５，０００，０００  ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）という高さの燃焼速度、すなわち熱流束が可能となることは全く予測外で、正に注目に値する。この熱流束は、前述のラクレイ他の特許の多孔質のセラミック繊維のバーナーの少なくとも１０倍になると算定され、また、バーナーのセラミック繊維の被覆は、高圧および高ガス流の作用でこなごなになるであろう。
【００１９】
本発明の説明および理解を容易にするために、添付図面を参照する。
【００２０】
【好適な実施形態の説明】
図１に、エアコンプレッサ１１の出口部と、燃焼部１２と、タービン１３の入口部と、を備えたガスタービン１０を概略的に示す。コンプレッサ１１およびタービン１３は、共通の軸１５を共有している。２種類の気孔率を備えた表面１８を有するバーナー１６は、シャフト１５を中心として環状に燃焼部１２の内部に配置されている。図１には２個のバーナー１６が示されているが、ガスタービン１０の大きさに応じて通常は６〜１２個のバーナー１６が軸１５を中心として燃焼部１２の内部に等間隔で配置される。各バーナー１６は円筒状で、バーナー表面１８から間隔をあけて配置されている外側の金属ライナー１７を有する。
【００２１】
コンプレッサ１１を出た圧縮空気の一部は、各バーナー１６の円筒状の首部１９に入り、残りはライナー１７の外側に流れる。各バーナー１６は、ガスタービン１０のケーシングを貫通して延びている管２０によって気体燃料を供給される。管２０は、ネック１９に間隔をおいて配置されている２つのブロック２１の間（または、単一ブロック２１の複数の半径方向の穴を通じて）に吐出し、それによって気体燃料が、ネック１９を通り抜ける圧縮空気中に放射状に全方向に流入する。そのようにして得られた燃料と空気とのの混合物がバーナーのブレナム２２を満たす。空燃混合気は、そこから、２種類の気孔率のバーナー表面１８から間隔をあけて配置されている有孔シェル２３を通過する。シェル２３は、すべてのバーナー表面１８を通る均一な流れの形成を助ける。点火すると、バーナー表面１８から出る混合気は、視覚的に低気孔率の領域が無炎に見え、かつ高気孔率の領域に安定した火炎パターンを有する小型の燃焼ゾーンの形で燃焼する（先に表面安定型の燃焼と呼んだ）。本発明による燃焼に不可欠なのは、少なくとも１，５７７ｋＷ／ｍ2／ｂａｒ（５００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ／ａｔｍ）の燃焼速度で過剰空気量４０％〜１５０％の空燃混合気を供給することである。
【００２２】
コンプレッサ１１からの圧縮空気の一部は、燃焼部１２の、空気を通過させるための複数の開口部を有するいくつかの円筒状の金属ライナー１７の間およびそのまわりの空間を流れる。したがって、燃焼に利用されない圧縮空気は、金属ライナー１７を冷却し、タービン部１３に入る前に燃焼生成物を冷却するのを助ける。ライナー１７は、タービン部１３の入口まで延びており、まだ熱い圧縮されたガス混合気をタービン１３に供給して、その回転翼を駆動して動力を生じさせる。エンジン１３を出る膨張したガス混合気は、排熱回収装置（図示せず）に排出してもよい。バーナー表面１８と有孔シェル２３によって閉じられているバーナー１６の端部が図１に示されている。該端部は、固体のプレートで任意に密閉することもできるが、それにより燃焼容量が少なくなることは言うまでもない。
【００２３】
図２は、ガスタービン１０の燃焼ゾーン１２内で軸１５を中心として等間隔に配置された５つのバーナーの閉じた端部に対して平行にとった、５つのバーナー１６の簡略図である。５つのバーナー１６は、個別の金属ライナー１７を含んでいる。
【００２４】
図３は、個別のライナー１７が、５つのバーナー１６すべての燃焼を１つの環状ゾーンに閉じ込める一対の金属ライナー１７Ａおよび１７Ｂと置き換えられている点を除き、図２と同じである。ライナー１７Ａおよび１７Ｂを冷却し、ライナー１７Ａ、１７Ｂの開口部を通じて環状の燃焼ゾーンに入る圧縮空気は、ライナー１７Ａの外面の長さに沿っておよびライナー１７Ｂの内面の長さに沿って流れる。
【００２５】
図４に、バーナー１６の変更形態を示す。閉じた端部Ｅは、断熱材（図示せず）によって保護された不浸透性のディスクによって密閉されている。短い首部１９が、中心のテーパ型の穴２６を有する円形のプレート２５に取り付けられている。金属ライナー１７もプレート２５に取り付けられている。穴２６のテーパとプラグ２９との間の間隙を調節するためにテーパ型のプラグ２９が移動できる中心穴２８を備えている別の円形のプレート２７が、プレート２５から間隔をあけて配置されている。気体燃料の供給管２０が、ガスタービン１０のシェルを貫通してプレート２７の環状のボア３０に連結されている。ボア３０は、気体燃料をプレート２５に向かって放出するいくつかの直角な開口部３１（示されているのは２つだけ）を有する。プレート２５、２７の間の間隙を流れる圧縮空気は、開口部３１から出る気体燃料と混じり、プレナム２２を満たす。混合気は、そこからすべての円筒状の有孔シェル２３およびバーナー表面１８を一様に通過して、表面１８と金属ライナー１７の間の小型ゾーンで表面安定化燃焼させられる。プレート２５、２７の間の間隙を流れない圧縮空気は、ライナー１７の外面に沿って流れて、その冷却を行い、また、該空気の一部はライナー１７の複数の開口部を通過して燃焼生成ガスと混じり、それによってその温度を和らげる。
【００２６】
図４は、気体燃料と圧縮空気の確実に十分に混合させる方法の１つと、プレナム２２に流入する圧縮空気の量を調整する方法の１つを説明するのに役立つ。テーパ型のプラグ２９からガスタービン１０のシェルの外側まで延びている機械的または空圧式または電気式の連結機構により、プラグ２９は、プラグ２９のテーパと穴２６のテーパの間の間隙を絞るまたは広げるように移動させられることが可能であり、それによって燃料と混合させる空気の量を調整する。プラグ２９を移動させる手段は本発明の一部ではなく、熟練した機械作業従事者の知識の範囲内のことである。
【００２７】
図５に、圧縮空気が、燃焼ガス流と逆方向にバーナーに向かって流れる；円筒状のバーナーが、外側ではなく内側で燃焼する；金属ライナーが、バーナーの周囲ではなくバーナーの内部にある；コンプレッサからバーナーのプレナムに流入する空気の比率が、バーナーを迂回させる、すなわちバーナーのプレナムに入らせない比率を変更することによって間接的に調整される、という４つの主たる態様が図４のものと異なっているバーナーを示す。バーナー３５は、圧縮空気を、円筒状の金属壁３８と円筒状のバーナー表面３９との間に環状のプレナム３７が形成されているバーナー３５の供給端部に向かって導くように働く金属ケーシング３６の内部にある。プレナム３７の供給端部は、壁３８と、プレナム３７への入り口として作用するように互いに間隔をおいて円形に配置されている複数の開口部４１を有する環状のディスク４０に連結されている。円筒状のプレナム３７の反対側の端部は、壁３８とバーナー表面３９に連結されている環状のプレートＡによって閉じられている。すべてのプレナム３７内の有孔シェル４２が、多孔質のバーナー表面３９を包囲するとともに該表面３９から間隔をあけて配置されており、全てのバーナー表面３８に対する空燃混合気の均一な流れを促進する。
【００２８】
バーナー３５の入口端部において、円形のブロック４３が環状のディスク４０に連結されており、円形のブロック４３は、ディスク４０の開口部と一致する中心のテーパ型の穴４４を有する。ディスク４０の中心開口部に取り付けられているのは、内部の円筒状の金属ライナー４８である。バーナー３５への入口に向かって流れる圧縮空気は、ディスク４０とブロック４３のくぼんでいる側４６の間の間隙を流れることによってプレナム３７に入ることができる。圧縮空気は、同時に、テーパ型の穴４４とテーパ型のプラグ４７の間の間隙を流れることができる。図４のバーナーに関連して述べたように、プラグ４７は、円筒状のライナー４５への圧縮空気の流れを制限したり増大したりするように移動させられることが可能である。図４とは異なり、バーナー３５のプレナム３７に流入する空気の量は、テーパ型の穴４４に向かってまたはテーパ型の穴４４から離れるようにテーパ型のプラグ４６を移動させることにより、コンプレッサからライナー４５に流入するすべての空気の可変比率を可能にすることによって間接的に調整される。
【００２９】
内部に金属のケーシング３６が取り付けられているガスタービン（図示せず）のシェルを貫通する管４８によって、ガス状の、すなわち気化している燃料が供給される。管４８は、ケーシング３６も貫通しており、円形のブロック４３の環状のボア４９に接続されている。ブロック４３のくぼんでいる側４６からボア４９までの、等間隔に配置されているいくつかの穴５０は、ディスク４０とブロック４３のくぼんでいる側４６との間の間隙に燃料を噴射する働きをする。この間隙を流れる圧縮空気は、間隔をおいて配置された穴５０によって噴射される気体燃料と十分に混じり、該混合気はバーナーのプレナム３７に流入する。多孔質のバーナー表面３９から出る混合気は、バーナー表面３９と有孔ライナー４５との間の囲まれた環状の空間において表面安定化燃焼させられる。ライナー４５を流れる圧縮空気は、ライナー４５を冷却するとともに、燃焼生成ガスと混ざることによって燃焼生成ガスを冷却する。
【００３０】
図６のガスタービン５５は、エアコンプレッサ５７、タービン５８、５７と５８を連結する軸５９を包囲するケーシング５６を有する。コンプレッサ５７とタービン５８の間には、コンプレッサ５７から、ケーシング５６に取り付けられる外側ハウジング６１への空気の流れを誘導する溝付き部６０がある。円筒状のバーナー６２がハウジング６１の中に吊り下げられている。
【００３１】
バーナー６２のプレナム６３は、プレート６７のテーパ型の穴６６に取り付けられているバーナーの首部６５に連結されている２種類の気孔率のバーナー表面６４を有している。プレナム６３内の有孔シェル６８は、バーナー表面６４から間隔をあけて配置されており、すべての表面６４に対する空燃混合気の均一な流れを促進する。保護の断熱材（図示せず）を備えているディスク６９が、首部、すなわち入口端部６５と反対側のプレナム６３の端部を密閉している。金属のライナー７０が、バーナー表面６４から間隔をおいて配置され、バーナー表面６４を包囲し、その間に囲まれた燃焼ゾーンを形成している。
【００３２】
プレート６７の穴６６に心合わせされる穴７２を備えているブロック７１が、プレート６７の上方に間隔をおいて配置されている。テーパ型のプラグ７３は、穴７２の中を上下に滑って、穴６６のテーパとプラグ７３のテーパの間の間隙を変化させ、それによってハウジング６１およびプレート６７とブロック７１との間からプレナム６３に流入すう圧縮空気の量を変化させることができる。ガス状の又は気化している燃料は、ハウジング６１を貫通し、プレート６７に沿って流れてプレナム６３に流入する圧縮空気と十分な混合を遂げるようにプレート６７に向かって燃料を誘導するブロック７１内のノズル７５と接続しているいくつかの管７４によって、バーナー６２に供給される。
【００３３】
表面安定化燃焼は、バーナー表面６４とライナー７０との間の囲まれた環状の空間で行われる。ノズル７５を通じて噴射される燃料との混合物としてプレナム６３に流入しない、ハウジング６１を満たすコンプレッサ５７からの空気は、ライナー７０の開口部を通り抜けて燃焼生成ガスと混ざる。混合されたガスは、流路付き部６０によってタービン５８に誘導される。
【００３４】
図７のバーナーは、図５のものと同様に金属のケーシング８０の内部にあるが、コンプレッサからの空気は、図５に示されているように長軸方向に入るのではなく、横方向のダクト８１を通じて半径方向に入る。前述のバーナーとは異なり、バーナー８２は、有孔シェル８５を含む皿状のプレナム８４全体に広がる平坦なバーナー表面８３を有している。バーナーのこの形は、有孔シェル８５が金属繊維のニット布の支持物としておよび表面８３全体に均一にガスを流す補助物として作用する状態で、金属繊維のニット布をバーナー表面８３として使用する場合にとても適している。
【００３５】
プレナム８４の側壁８６は、バーナー表面８３を、プレナム８４への入口として働く中心のテーパ型の穴８８を有するプレート８７に連結する。中心の穴９０を備えたブロック８９が、プレート８７から距離をあけて配置されている。穴９０の中のテーパ型のプラグ９１は、プレナム８４への圧縮空気の流入を変化させるようにプレート８７の穴８８に向かってまたは離れるように移動させることができる。いくつかの管９２がケーシング８０を貫通して、ブロック８９のノズル９３に接続されている。管９２によって供給される気体燃料は、プレート８７にぶつかって、ケーシング８０からプレート８７とブロック８９との間の空間に流入する圧縮空気と混ざる。そのようにして得られた混合気は、プレナム８４に入り、２種類の多孔質のバーナー表面８３から出て、表面安定化燃焼させられる。
【００３６】
バーナー表面８３と隣接する管状のゾーン内の燃焼を囲む、複数の開口部を備えている金属ライナー９４が、皿状のプレナム８４の側壁８６に取り付けられている。燃焼を助けるためにプレナム８４に流入しないケーシング８０内の圧縮空気は、ライナー９４のまわりを流れてライナー９４を冷却し、ライナー９１の開口部を通過して、燃焼ガスと混ざることによって燃焼ガスを冷却する。
【００３７】
図８は、デュレット他に対する前述の特許で教示されている、間を空けて配置されたバンド１０１に沿って孔があけられている、焼結金属の繊維からなる多孔質のマット１００の拡大図である。バーナー表面のこの好適な形態は、一般に、バーナー表面１００の上流側から間隔をあけて配置されている金属またはセラミックのプレート１０２と組み合わせて使用される。有孔シェルは、例えば図１および図２に示されているように円筒状などに曲がっていることが多いので、プレート１０２のためにこれまで採用されていた用語である。すべてのバーナー表面１００に向かって均一な流れを達成するのを助けるために、比較的大きな孔を備えた有孔シェル１０２が、バーナーのプレナムの中に配置されている。
【００３８】
図９に、金属繊維のヤーンで作られたニット布の形態のバーナー表面１０３を同様にしめす。この場合、有孔シェル１０２は、表面１０３を支持するともに、表面１０３への均一なガス流を促進するように働く。
【００３９】
図１０は、均一に孔があけられているバーナー表面１０４と、間をあけて配置されたバンド１０６に孔が並んでいる有孔シェル１０５とを示す。焼結金属の繊維で作られた表面１０４は、放射型表面燃焼を行うために低すぎる気孔率を有することもできる。表面１０４の気孔率は、青炎燃焼するように選択される。有孔シェル１０５は、表面１０４の孔のいくつかへのガス流が減少させるように設計されている。具体的には、シェルの有孔バンド１０６間の無孔領域により、無孔領域に位置合わせされている表面１０４の孔へのガス流が減少する。減少した流れを受け入れるそのような孔が表面燃焼を支援し、一方、有孔バンド１０６と直線状に並んだ、表面１０４の他の孔が、青炎燃焼を生じる。焼結金属繊維の表面１０４の代わりに、間隔をおいて配置される青炎燃焼のバンドと共に表面燃焼を生じさせるように均一に孔をあけたセラミック繊維の表面を使用することもできる。
【００４０】
図１１に、小さい孔のバンド１０８と大きな孔のバンド１０９が交互に並んでいるバーナー表面１０７を示す。バンド１０９のより大きな孔は青炎燃焼するが、バンド１０８の孔は、大気圧で燃焼させたときに、放射型の表面燃焼を生じるように寸法決定されている。大まかな指針として、より大きな各孔の孔面積は、通常は、小さい各孔の孔面積の約２０倍である。バーナー表面１０７は、金属またはセラミック繊維で形成された熱伝導率の低い材料で作られている。バーナー表面１０７の好適な実施形態は、所望の２タイプの燃焼を生じさせるようになっている２種類の大きさの孔を備えている、カースウェルに対する前述の特許のセラミックファイバー製品である。図１１に示されているように、バーナー表面１０７は、有孔シェルと組みあせないで使用されることもしばしばある。
【００４１】
図８に示されているタイプのバーナー表面は、２ｐｐｍという少なさのＮＯxと、合わせて１０ｐｐｍ以下のＣＯおよびＵＨＣを含む生成ガスを生じる燃焼を実現するのに好適である。バーナー表面に供給される空燃混合気中の過剰空気量を調整しながら、少なくとも３気圧の圧力および少なくとも約１，５７７ｋＷ／ｍ2／ｂａｒ（５００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ／ａｔｍ）の速度で燃焼させたとき、前述のすべてのバーナー表面は、ＮＯx を５ｐｐｍ以下しか含まず、ＣＯおよびＵＨＣを合わせて１０ｐｐｍ以下しか含まない燃焼生成ガスを送出できる。過剰空気量は、気体燃料と混合される圧縮空気の温度に応じて約４０％〜１５０％の間で変化させられ、また、断熱火炎温度が１，４２７〜１，８１５℃（２６００°Ｆ〜３３００°Ｆ）の範囲に維持するために、圧縮空気が高温であるほど過剰空気量の割合が高くなる。燃焼ガス内の空気汚染物質の含有量を、ＣＯとＵＨＣが合わせて１０ｐｐｍ以下の状態でＮＯx を２ｐｐｍ以下に下げるために、過剰空気量は、断熱火炎温度を１，５１０℃〜１，５９３℃（２７５０°Ｆ〜２９００°Ｆ）に保つように調整されることが好ましい。
【００４２】
図８に示されており、天然ガスを用いて、１０気圧、速度３１，５４０ｋW／m2 （１０，０００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）で燃焼させる表面を備えた図４のバーナーのようなバーナーについて実施された試験では、空燃混合気の温度が増加したとしても、過剰空気量も増加するならば、燃焼生成ガス中のＮＯx の含有量は２ｐｐｍ未満に保たれた。具体的には、以下の試験では、２ｐｐｍ未満のＮＯxしか生じなかった。
空燃混合気の温度  ℃（°Ｆ）．                      過剰空気量の範囲
２０４（４００）  ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿  ５５〜６７％
３１６（６００）  ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿  ６６〜８１％
４２７（８００）  ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿  ８１〜９８％
５３８（１，０００）  ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿  ９８〜１１８％
全試験の断熱火炎温度は、過剰空気量を前述の範囲内に調整することによって１，５１０℃〜１，５９３℃（２７５０°Ｆ〜２９００°Ｆ）に維持された。そのような高い燃焼速度を達成しかつＮＯx を２ｐｐｍ未満に抑えることは、これまで及びもしないことであったと考えられる。同様の卓越した結果は、燃焼速度を１５，７７０ｋＷ／ｍ2（５，０００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）に減少させるか、４７，３１０  ｋＷ／ｍ2  （１５，０００，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｓｆ）まで増加させたときに達成可能であり、これは、オペレータが、燃焼速度を、任意の与えられた圧力において最小値の少なくとも約３倍の最大値まで変化させる自由を持っていることを意味する。この操作適応性は、それ自体が注目に値する。
【００４３】
天然ガスは、ガスタービンと組み合わせて一般に利用される燃料であるが、本発明のバーナーは、プロパンなど、より高度な炭化水素を使用して燃焼させることもできる。多孔質のバーナー表面に通す前に完全に気化されるのであれば、アルコールやガソリンなどの液体燃料を本発明のバーナーと組み合わせて利用することもできる。気体燃料という用語は、常に気体の燃料ならびに液体であるがバーナー表面に通す前に完全に気化される燃料を含むように使用されている。本発明の別の特徴は、しばしばわずか約４０％のメタンである埋立地発生ガスなど、低ＢＴＵガスの場合でさえもバーナーが有効であることである。
【００４４】
本願明細書では、過剰空気量という用語は、混合される燃料の化学量的な要求量を上回る空気量を意味する従来と同じように使用されている。
【００４５】
当業者であれば、前述の教示内容に照らして本発明の精神または範囲から逸脱しない本発明の変更物または修正物をすぐに思い浮かべるであろう。たとえば、図面に示されているバーナー表面の平坦な形状および円筒状の形状のほかに、円錐形およびドーム形が使用されてもよい。ガスタービンのバーナーへの圧縮空気の流入を調整する手段に関する数多くの特許は、バーナーに入る圧縮空気を調整するための、図面に概略的に示されている可動プラグの代用品を示唆するものであることは間違いない。したがって、添付クレームに記載されている通りに本発明に対して、そのような制限だけが課せられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一般的なエアコンプレッサと一般的なガスタービンとの間に配置される、環状配置の本発明のガスバーナーの一実施形態の概略図である。
【図２】  コンプレッサとタービンを連結するシャフトを中心とするバーナーの配列の断面図である。
【図３】  コンプレッサとタービンを連結するシャフトを中心とするバーナーの別の配列の断面図である。
【図４】  本発明のバーナーの別の実施形態の縦断面図である。
【図５】  本発明のバーナーのさらに別の実施形態の縦断面図である。
【図６】  ガスタービンのケーシングの外側のハウジング内にバーナーが記載されている点が図１と異なっている。
【図７】  図５と同様に、本発明のバーナーのさらに別の実施形態を示す。
【図８】  本発明に準じて使用されるバーナー表面の一実施形態を示す。
【図９】  本発明に準じて使用されるバーナー表面の別の実施形態を示す。
【図１０】  本発明に準じて使用されるバーナー表面のさらに別の実施形態を示す。
【図１１】  本発明に準じて使用されるバーナー表面のさらに別の実施形態を示す。
【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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【図１０】
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【図１１】
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