(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの周縁壁によって画成された少なくとも１つの燃焼領域（３６，４０，４４）と、上流端及び下流端を備え、少なくとも１つの燃焼領域に燃料空気混合物を供給するための少なくとも１つの燃料空気混合ダクト（５４，７０，９２）と、前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトに燃料を供給する燃料噴射手段（５６，９０，１１２）と、前記少なくとも１つの燃料空気混合混合ダクトに空気を供給する空気噴射手段（６２，６４，７６，９８）と、を備え、前記少なくとも１つの燃料空気混合混合ダクトに供給される空気の圧力変動が生じ、前記空気噴射手段は、前記少なくとも１つの燃焼領域に供給される燃料空気混合物の空燃比の変動の大きさを低減するために少なくとも１つの燃料空気混合ダクトを通る流れの方向に間隔を置いた複数の空気噴射器を備えている燃焼室において、
前記複数の空気噴射器は、前記空燃比の変動を吸収するため、空気を前記燃料空気混合ダクトへ段階的に導入するよう間隔を置き、
前記燃料空気混合ダクトの容積は、前記燃料噴射手段から前記燃料空気混合ダクトの下流端までの平均移動時間が前記空燃比の変動周期より大きくなるように選択され、前記燃料空気混合ダクトの長さに前記空燃比の変動振動数を掛け、かつ、前記燃料空気混合ダクトの下流端における燃料空気混合物の速度で割った値が少なくも２である、
ことを特徴とする燃焼室。
【請求項２】
少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、少なくとも１つの壁を有し、前記空気噴射器は、前記壁を通って延びる複数の開口を有する請求項１に記載の燃焼室。
【請求項３】
前記燃焼室は、一次燃焼領域と、前記一次燃焼領域の下流の二次燃焼領域と、を有する請求項１または２に記載の燃焼室。
【請求項４】
前記燃焼室は、一次燃焼領域と、前記一次燃焼領域の下流の二次燃焼領域と、前記二次燃焼領域の下流に三次燃焼領域と、を有する請求項３に記載の燃焼室。
【請求項５】
前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、燃料および空気を一次燃焼領域に供給する請求項３に記載の燃焼室。
【請求項６】
前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、燃料および空気を二次燃焼領域に供給する請求項３に記載の燃焼室。
【請求項７】
前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、燃料および空気を三次燃焼領域に供給する請求項４に記載の燃焼室。
【請求項８】
前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、単一の環状燃料空気混合ダクトを有し、前記空気噴射装置は、軸線方向に間隔を置いている請求項１に記載の燃焼室。
【請求項９】
前記環状燃料空気混合ダクトは、内側環状壁及び外側環状壁を有し、前記空気噴射手段は、内側及び外側環状壁の少なくとも一方に設けられている請求項８に記載の燃焼室。
【請求項１０】
前記空気噴射手段は、前記内側壁及び外側壁に配置されている請求項９に記載の燃焼室。
【請求項１１】
前記燃料空気混合ダクトは、半径方向燃料空気混合ダクトを有し、前記空気噴射手段は半径方向に間隔を置いている請求項１に記載の燃焼室。
【請求項１２】
前記半径方向燃料空気混合ダクトは、第１の半径方向壁及び第２の半径方向壁を有し、前記空気噴射手段は、前記第１の半径方向壁及び第２の半径方向壁の少なくとも一方に設けられている請求項１１に記載の燃焼室。
【請求項１３】
前記空気噴射手段は、前記第１及び第２の半径方向壁に設けられている請求項１２に記載の燃焼室。
【請求項１４】
前記燃料空気混合ダクトは、管状燃料空気混合ダクトを有し、前記空気噴射手段は軸線方向に間隔を置いている請求項１に記載の燃焼室。
【請求項１５】
前記燃料噴射手段は、前記燃料空気混合ダクトの上流端に配置され、前記空気噴射手段は前記燃料噴射手段の下流に配置されている請求項１に記載の燃焼室。
【請求項１６】
前記燃料噴射手段は、前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトの上流端と下流端との間に配置され、前記空気噴射手段のいくつかは、前記燃料噴射手段の上流に配置され、前記空気噴射手段のいくつかは、前記燃料噴射手段の下流に配置される請求項１に記載の燃焼室。
【請求項１７】
前記燃料空気混合ダクトの下流端の各空気噴射手段は、前記燃料空気混合ダクトの上流端の各空気噴射手段より多い空気を燃料空気混合ダクトに供給するように配置されている請求項１に記載の燃焼室。
【請求項１８】
前記燃料空気混合ダクトを通る流れの方向の第１の位置の各空気噴射手段は、前記第１の位置の上流の各空気噴射手段より多い空気を燃料空気混合ダクトに送るようになっている請求項１に記載の
燃焼室。
【請求項１９】
前記燃料空気混合混合ダクトの前記第１の位置の各空気噴射手段は、前記第１の位置の下流の各空気噴射手段より少ない空気を前記燃料空気混合ダクトに供給するように配置されている請求項１８に記載の燃焼室。
【請求項２０】
前記複数の空気噴射器は、前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトに供給される前記圧力変動の波長の半分に等しい長さにわたって
少なくとも１つの燃料空気混合ダクトを通る流れの方向に間隔を置いている請求項１に記載の燃焼室。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトはスワラである請求項１に記載の燃焼室。
【請求項２２】
前記スワラは半径流スワラである請求項２１に記載の燃焼室。
【請求項２３】
請求項１に記載の燃焼室を有するガスタービンエンジン。
【請求項２４】
燃料を燃料空気混合ダクトに供給する燃料噴射手段と、前記燃料空気混合ダクトに空気を供給するための空気噴射手段と、を有し、前記空気噴射手段は、前記燃料空気混合ダクトを通って流れる方向に間隔を置いている複数の空気噴射器を有する、燃焼室用燃料空気混合ダクトにおいて、
前記複数の空気噴射器は、前記空燃比の変動を吸収するため、空気を前記燃料空気混合ダクトへ段階的に導入するよう間隔を置き、
前記燃料空気混合ダクトの容積は、前記燃料噴射手段から前記燃料空気混合ダクトの下流端までの平均移動時間が前記空燃比の変動周期より大きくなるように選択され、前記燃料空気混合ダクトの長さに前記空燃比の変動振動数を掛け、かつ、前記燃料空気混合ダクトの下流端における燃料空気混合物の速度で割った値が少なくも２である、
ことを特徴とする燃焼室用燃料空気混合ダクト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室、特にガスタービンエンジンの燃焼室に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用低排出物ガスタービンエンジンにおいて、生成される窒素酸化物（NOx）の量を最小限にするために段階的な燃焼が必要とされる。現在、排出物の水準の要求は、産業用ガスタービン排出物のＮＯｘに関して、２５容積ｐｐｍ以下である。窒素酸化物の排出物を低減する基本的な方法は、燃焼反応温度を低下することであり、これは、燃焼が生じる前に、燃料と燃焼空気の大部分、好ましくは燃焼空気全体を予め混合する必要があることである。窒素酸化物（NOx)は、通常、二段階の燃料噴射を使用する方法によって低減される。英国特許GB1489339号は、二段階の燃料噴射を開示している。国際特許出願公開WO92/07221号は、二段階及び三段階の燃料噴射を示している。段階燃焼において、燃焼の全段階においてNOxを最小限にするために希薄燃焼及び必要な低温燃焼を提供することを目的としている。この明細書で使用する希薄燃焼という用語の意味は、空気に対して燃料が薄い、すなわち、化学量論比より小さい空燃比の空気内での燃料の燃焼を意味する。NOxとCOとの低い排出物を達成するために、燃料と空気を均一に混合することが重要である。
【０００３】
国際特許出願公開WO92/07221号に開示された産業用ガスタービンエンジンは、複数の管状燃焼室を使用し、この軸線は、ほぼ半径方向に配置されている。管状燃焼室の入口は、それらの半径方向の外端にあり、高温ガスをガスタービンエンジンのタービン部分に軸線方向に排出するために一列のノズルガイドベーンと管状燃焼室の出口を接続する。管状燃焼室の各々は、２つの同軸半径流スワラを有し、これは、燃料空気混合物を一次燃焼領域に送る。環状の二次燃料空気混合ダクトは一次燃焼領域を包囲し、混合気を二次燃焼領域に送る。
【０００４】
ガスタービンエンジンに関する１つの問題は、空気またはガスの圧力変動によって生じ、ガスタービンエンジンを通って流れる。ガスタービンエンジンを通って流れる空気またはガスの圧力変動は、部品の圧力変動の振動数が１つまたは複数の部品の振動モードの固有振動数と一致する場合には、重大な損傷または故障を生じる。これらの圧力変動は、燃焼プロセスによって増幅され、不利な状況において、共振振動が十分な振幅を達成し、燃焼室及びガスタービンエンジンに深刻な損傷を与える。
【０００５】
特に、希薄燃焼を有するガスタービンエンジンは、この問題が特に大きい。さらに、希薄燃焼を有するガスタービンエンジンが燃料と空気のさらに均一な混合を達成することによって排出物を下方の水準に低減するので、共振振動の振幅がさらに大きくなる。
【０００６】
ガスタービンエンジンの圧力変動は、燃料空気混合ダクトの出口で空燃比の変動を生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、上述した問題を低減し最小限にする燃焼室を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明は、少なくとも１つの周縁壁によって画成された少なくとも１つの燃焼領域と、上流端及び下流端を備え、少なくとも１つの燃焼領域に燃料空気混合物を供給するための少なくとも１つの燃料空気混合ダクトと、前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトに燃料を供給する燃料噴射手段と、前記少なくとも１つの燃料空気混合混合ダクトに空気を供給する空気噴射手段と、を備え、前記少なくとも１つの燃料空気混合混合ダクトに供給される空気圧が変動し、前記空気噴射手段は、前記少なくとも１つの燃焼領域に供給される燃料空気混合物の空燃比の変動の大きさを低減するために少なくとも１つの燃料空気混合ダクトを通る流れの方向に間隔を置いた複数の空気噴射器を備えている燃焼室を提供する。
【０００９】
好ましくは、少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、少なくとも１つの壁を有し、前記空気噴射器は、前記壁を通って延びる複数の開口を有する。
好ましくは、前記燃焼室は、一次燃焼領域と、前記一次燃焼領域の下流の二次燃焼領域と、を有する。
【００１０】
好ましくは、前記燃焼室は、一次燃焼領域と、前記一次燃焼領域の下流の二次燃焼領域と、前記二次燃焼領域の下流に三次燃焼領域と、を有する。
前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、燃料および空気を一次燃焼領域に供給する。前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、燃料および空気を二次燃焼領域に供給する。前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、燃料および空気を三次燃焼領域に供給する。
【００１１】
前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトは、単一の環状燃料空気混合ダクトを有し、前記空気噴射装置は、軸線方向に間隔を置いている。前記環状燃料空気混合ダクトは、内側環状壁及び外側環状壁を有し、前記噴射手段は、内側及び外側環状壁の少なくとも一方に設けられている。前記空気噴射手段は、前記内側壁及び外側壁に配置されている。
【００１２】
好ましくは、前記燃料空気混合ダクトは、半径方向燃料空気混合ダクトを有し、前記空気噴射手段は半径方向に間隔を置いている。好ましくは、前記半径方向燃料空気混合ダクトは、第１の半径方向壁及び第２の半径方向壁を有し、前記噴射手段は、前記第１の半径方向壁及び第２の半径方向壁の少なくとも一方に設けられている。好ましくは、前記空気噴射手段は、前記第１及び第２の半径方向壁に設けられている。
【００１３】
好ましくは、前記燃料空気混合ダクトは、管状燃料空気混合ダクトを有し、前記空気噴射手段は軸線方向に間隔を置いている。
好ましくは、前記燃料噴射手段は、前記燃料空気混合ダクトの上流端に配置され、前記噴射手段は前記燃料噴射手段の下流に配置されている。
【００１４】
好ましくは、前記燃料噴射手段は、前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトの上流端と下流端との間に配置され、前記空気噴射手段のいくつかは、前記燃料噴射手段の上流に配置され、前記空気噴射手段のいくつかは、前記燃料噴射手段の下流に配置される。
【００１５】
好ましくは、前記燃料空気混合ダクトの下流端の各空気噴射手段は、前記燃料空気混合ダクトの上流端の各空気噴射手段よりさらに多い空気を燃料空気混合ダクトに供給するように配置されている。
【００１６】
好ましくは、前記燃料空気混合ダクトを通る流れの方向の第１の位置の各空気噴射手段は、前記燃料空気混合ダクトの第１の位置の上流の各空気噴射手段より多く燃料空気混合ダクトに空気を送るようになっている。
【００１７】
好ましくは、前記燃料空気混合混合ダクトの第１の位置の各空気噴射手段は、前記燃料空気混合ダクトの第１の位置の下流の各空気噴射手段より少ない空気を前記燃料空気混合ダクトに供給するように配置されている。
【００１８】
好ましくは、前記燃料空気混合ダクトの容積は、燃料噴射手段から前記燃料空気混合ダクトの下流端までの平均移動時間が変動する時間より大きくなるように配置されている。
【００１９】
好ましくは、燃料空気混合ダクトの容積は、前記燃料空気混合ダクトの下流端を出る前記燃料空気混合物の速度によって分割され変動の振動数によって倍加された燃料空気混合ダクトの長さが少なくとも２になるように配置されている。
【００２０】
好ましくは、前記複数の空気噴射器は、前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトに供給される空気の変動の長さの波長の半分に等しい長さにわたって少なくとも１つの燃料空気混合ダクトを通る流れの方向に間隔を置いている。
【００２１】
好ましくは、前記少なくとも１つの燃料空気混合ダクトはスワラである。前記スワラは半径流スワラである。
本発明は、燃料空気混合ダクトが、燃料を前記燃料空気混合ダクトに供給する燃料噴射手段と、前記燃料空気混合ダクトに空気を供給するための空気噴射手段と、を有し、前記空気噴射手段は、前記燃料空気混合ダクトを通って流れる方向に間隔を置いている複数の空気噴射器を有する、燃焼室用燃料空気混合ダクトを提供する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１に示す産業用ガスタービンエンジン１０は、軸流列において、入口１２と、圧縮部分１４と、燃焼室組立体１６と、タービン部分１８と、動力タービン部分２０及び排気部分２２とを有する。タービン部分２０は、１つまたは複数の軸（図示せず）を介して圧縮部分１４を駆動するように配置されている。動力タービン部分２０は、軸２４を介して発電機２６を駆動するようになっている。しかしながら、動力タービン部分２０は、他の目的のために駆動力を提供するようになっていてもよい。ガスタービンエンジン１０の動作は、まったく従来のものであり、以下に説明する必要はない。
【００２３】
燃焼室組立体１６は、複数、例えば、等間隔に配置された９個の管状燃焼室２８を有する。管状燃焼室２８は、半径方向に延びている。管状燃焼室２８の入口は、半径方向最外端であり、それらの出口は、それらの最内端にある。
【００２４】
管状燃焼室２８の各々は、管状壁の上流端に取付られた上流壁３０を有する。第１に管状壁３２の上流部分は、一次燃焼領域３６を画成し、管状壁３２の部分３８は、二次燃焼領域４０を画成し、環状壁３２の部分の第３の下流部分は、三次燃焼領域４４を画成する。環状壁３２の第２の部分３８は、環状壁３２の第１の部分３４より大きな直径を有し、同様に環状壁３２の第３の部分４２は環状壁３２の第２の部分３８より大きい直径を有する。
【００２５】
複数の等間隔に配置された移行ダクト４６が設けられており、移行ダクト４６の各々は、その上流端４８に円形の断面を有する。移行ダクト４６の各々の上流端４８は、管状燃焼室２８の対応する燃焼室２８の上流端と同軸に配置されている。移行ダクト４６の各々は、ノズルガイドベーンの角度が形成された部分に接続され、それを密封する。
【００２６】
管状燃焼室２８の各々の上流壁３０は、一次燃焼領域３６に空気燃料の供給を可能にすることができる開口５０を有する。上流壁３０の開口５０と同軸に半径流スワラ５２が配置されている。
【００２７】
半径流スワラ５２の上流に形成された一次燃料空気混合ダクト５４に複数の燃料噴射器５６が設けられている。一次燃料空気混合ダクト５４の壁５８及び６０は、複数の半径方向、円周方向に間隔を置いた開口６２及び６４を備えており、この開口６２及び６４は、一次燃料空気混合ダクト５４に空気を供給するために一次空気インテークを形成する。半径方向に間隔を置いた開口６２及び６４は、距離Ｄにわたって一次燃料空気混合ダクト５４の流れの方向に長手方向に間隔を置いている。開口６２は、円またはスロットである。
【００２８】
開口５０と同軸に中央のパイロット点火器６６が配置されている。パイロット点火器６６は、半径流スワラ５２から一次燃焼領域３６に燃料空気混合気が流れるように一次燃料空気混合ダクト５４の下流部分を画成する。パイロット点火器６６は、半径方向から軸線方向に半径流スワラ５２から流れる燃料空気混合物を回転する。一次燃料及び空気は、一次燃料空気混合ダクト５４で一緒に混合される。
【００２９】
燃料噴射器５６には、一次燃料マニフォルド６８から燃料が供給される。
環状二次燃料空気混合ダクト７０は、管状燃焼室２８の各々に設けられている。各二次燃料空気混合ダクト７０は、対応する管状燃焼領域７０の周りに配置されている。二次燃料空気混合ダクト７０の各々は、二次環状壁７２と三次環状壁７４との間に画成されている。二次環状壁７２は、二次燃料空気混合ダクト７０の内縁を画成し、三次環状壁７４は、二次燃料空気混合ダクト７０の外縁を画成する。二次燃料空気混合ダクト７０の二次環状壁７２は、軸線方向及び円周方向に間隔を置いた複数の開口７６を有し、この開口７６は、二次燃料ダクト混合ダクト７０に二次空気インテークを形成する。開口７６は、二次燃料空気混合ダクト７０の流れの軸線方向、長手方向に間隔を置いている。開口７６は、円形または溝形である。
【００３０】
二次燃料空気混合ダクト７０の下端において、二次及び三次環状壁７２及び７４は、壁部分３４及び３８を相互に接続する円錐台形壁部分７８に取り付けられる。円錐台壁部分７８は、複数の開口８０を備えている。開口８０は、管状燃焼室２８の軸線に向かって下流の方向の二次燃焼領域４０に燃料及び空気混合を向けるようになっている。開口８０は、円形または溝形であり、等しい流れ面積を有する。
【００３１】
二次燃料空気混合ダクト７０は、上流端のインテーク７６から下流端の開口８０まで断面積が減少する。二次燃料空気混合ダクト７０は、ダクト７０を通る一定の加速度を有する流れを生じる。
【００３２】
管状燃焼室２８の各々の二次燃料空気混合ダクト７０に燃料を供給するために複数の二次燃料装置８２が設けられている。各管状燃焼室２８用の二次燃料装置８２は、管状燃焼室２８の二次燃料空気混合ダクト７０の上流端に管状燃焼室８４を有する。各二次燃料マニフォルド８４は、複数の、例えば、等間隔の二次燃料開口８６を有する。二次燃料開口８６は、環状スプラッシュプレート８８に管状燃焼室２８の燃料を軸線方向に向ける。燃料は、スプラッシュプレート８８から管状通路９０を通って下流方向に、燃料の管状シートとして二次燃料空気混合ダクト７０に流れる。
【００３３】
管状燃焼室の各々に管状三次燃料空気混合ダクト９２が設けられている。各三次燃料空気混合ダクト９２は、対応する管状燃焼室２８の二次燃焼領域９２の周囲に配置されている。三次燃料空気混合ダクト９２の各々は、第４の管状壁９４と第５の管状壁９６との間に規定されている。第４の管状壁９４は、三次燃料空気混合ダクト９２のを画定し、第５の管状壁９６は、三次燃料空気混合ダクト９２の外端を画成する。三次燃料空気混合ダクト９２は、軸線方向及び周縁方向に間隔を置いた開口９８を有し、開口９８は、三次燃料空気混合ダクト９２への第３の空気インテークを形成する。開口９８は、第４の管状壁９４の三次燃料空気混合ダクト９２の軸線方向及び長手方向及び流れの方向に間隔を置いている。開口９８は、円形または溝形である。
【００３４】
三次燃料空気混合ダクト９２の下端において、第４及び第５の管状壁９４及び９６は、壁部分３８及び４２を相互に接続する円錐台壁部分１００に取り付けられる。円錐台壁部分１００は、複数の開口１０２を備えている。開口１０２は、管状の燃焼室２８の軸線に向かって下方に三次燃焼領域４４に燃料空気混合物を流すようになっている。開口１０２は、円形か溝形であり、等しい流れ面積である。
【００３５】
三次燃料空気混合ダクト９２は、上流端のインテーク９８から下流端の開口１０２まで断面が減少する。三次燃料空気混合ダクト９２は、ダクトを通って一定の割合で加速する流れを生じる。
【００３６】
管状燃焼室２８の各々の三次燃料空気混合ダクト９２に燃料を供給するために複数の三次燃料装置１０４が設けられている。各管状燃焼室２８の三次燃料装置１０４は、三次燃料空気混合ダクト９２の上流端に配置された管状三次マニフォルド１０６を有する。各三次マニフォルド１０６は、複数の、例えば、３２の等間隔に配置された燃料開口１０８を有する。三次燃料開口１０８の各々は、管状燃焼室２８の燃料を軸線方向に環状スプラッシュプレート１１０に向ける。燃料は、スプラッシュプレート１１０から環状通路１１２を通って下流方向に燃料の環状シートとして三次燃料空気混合ダクト９２に流れる。
【００３７】
上述したように、燃焼領域に加えられる燃料空気は予め混合され、燃焼領域３６，４０及び４４の各々は、NOxを最小限にするために希薄燃焼を提供するように配置されている。一次燃焼領域３６からの燃焼生成物は、二次燃焼領域４０に流れ、二次燃焼領域４０からの燃焼生成物は、三次燃焼領域４４に流れる。
【００３８】
矢印Ａによって示された空気のある部分は、室１１４への一次燃焼流の場合、これは、壁５８の開口６２を通って一次燃料空気混合ダクト５４に流れる。室１１６への一次燃焼の場合、矢印Ｂに示された空気の残りは室１１６に流れ、これは、壁５６の開口６０を通って一次燃料空気混合ダクト５４に流れる。二次燃焼の場合、矢印Ｃによって示された空気は、室１１６に流れ、これは、壁７２の開口７６を通って二次燃料空気混合ダクト７０に流れる。二次燃焼の場合、矢印Ｃによって示された空気は、室１１６に流れ、これは、壁７２の開口７６を通って二次燃料空気混合ダクト７０に流れる。三次燃焼の場合、矢印Ｅによって示された空気は、室１１８に流れ、これは、壁９４の開口９８を通って三次燃料空気混合ダクト９２に流れる。
【００３９】
燃焼方法は、上述した理由によって、圧力変動を増幅し、もしそれらが圧力変動の振動数と一致する振動モードの固有振動数を有する場合にはガスタービンエンジンの部品が損傷を受ける。
【００４０】
燃焼室の圧力変動または圧力波は、燃料空気混合ダクトの出口で空燃比に変動を生じる。空気流の圧力変動及び管状燃焼室の燃料空気混合ダクトへの燃料の一定の供給は、燃料空気混合ダクトの出口での空燃比の変動を生じる。
【００４１】
公式は次のようである。
Δｕ／Ｕ＝１／Ｍ×Δｐ／Ｐ
ここでＵは、空気の速度であり、Ｍは質量、Ｐは圧力、Δｕは速度変動、Δｐは圧力変動、ＦＡＲは空燃比、及びΔ（ＦＡＲ）／ＦＡＲは、空燃比の変動である。
【００４２】
通常の燃料空気混合ダクトにおいて、もし、Δｐ／Ｐが約１％、次にΔｕ／Ｕが約３０％である場合には、Δ（ＦＡＲ）／ＦＡＲは、約３０％で燃焼室に入る。
【００４３】
したがって、本発明は、燃料及び空気の混合物をさらに一定の空燃比で燃焼室に供給する燃料空気混合ダクトを提供することである。本発明は、燃料空気混合ダクトへの少なくとも１つの燃料噴射点と、燃料空気混合ダクトへに複数点の空気噴射点を提供する。空気噴射点は、燃料空気混合ダクトの流れ方向に長手方向に間隔を置いている。長手方向に間隔を置いた空気噴射点での空気圧は、時間的にどの瞬間においても異なる。したがって、燃料空気混合物は、燃料空気混合ダクトに沿って流れ、燃料空気混合物は、追加される空気によって弱くなる。さらに重要な点は、実際の空燃比と平均的な空燃比との間の最大限の差は、比較的低い（図１１の線Ｆ参照）。しかしながら、単一の燃料噴射点及び単一の空気噴射点において、実際の空燃比と平均的な空燃比との間の最大限の差は、比較的大きいままである（図１１の線Ｆ参照）。
【００４４】
計算は、単一の燃料噴射点及び複数の燃料噴射点を備えた燃料空気混合ダクトにおける空燃比の変動は、燃料空気混合ダクトの容積が次の等式ＬＦ/Ｕ＞Ｘを満足する場合には、単一の燃料噴射点及び単一の空気噴射点を有する燃料空気混合ダクトの場合、空燃比の変動の数％である。
【００４５】
ここでＬは、燃料空気混合ダクトの長さであり、Ｆは、振動数であり、Ｕは、燃料空気混合物の出口速度、Ｘは、２より大きな数である。数Ｘが大きくなればなるほど、空燃比の変動は小さくなる。例えば、Ｘ＝２の場合、変動は約７％であり、Ｘ＝３の場合、変動は約４％であり、Ｘ＝４の場合、変動は約３％である。好ましくは、Ｘは、３より大きい数であり、さらに好ましくは、Ｘは、４より大きい数であり、さらに好ましくはＸは、５より大きい数である。
【００４６】
燃料空気混合ダクトに沿った空気の導入は、多数の物理的機構を生じ、この物理的機構は、燃焼室における圧力変動、圧力波、または不安定性を低減し、好ましくは解消し、不安定性をなくすことに貢献する。この物理的な機構は、燃焼室における低速領域の生成、空燃比の変動の平均化、滞留時間の配分、圧力波の減衰及び位相関係の破壊を行う。
【００４７】
燃料噴射器の近傍の空気流は、燃料空気混合ダクトの圧力変動によってバルク速度が変動する。これは、燃料濃度の局所的な変動、空燃比の局所的な変動を生じ、これは、燃料空気混合ダクトで空気のバルク速度で下流に流れる。燃料空気混合ダクトの燃料空気の混合によって、これらの空燃比の変動は拡散するが、燃焼プロセスはきわめてゆっくりになる。しかしながら、局所的な対流速度が小さく、局所的な乱れが大きい場合には、本発明におけるように、空燃比の変動は、空燃比の変動が燃焼室に到達する時間までに消散する。したがって、空気の燃焼による低速の燃焼及び大きな乱れは、空気燃料の混合が燃料噴射器の速度において燃料濃度、空燃比における変動を円滑にする。
【００４８】
燃料噴射器の近傍における局所的な空燃比の変動は下流に流れ、燃料空気混合ダクトの長さの沿った空気の連続的な導入は、燃料噴射器による局所的な空燃比の変動を平均化する。これは、空気噴射器の各々から供給される空気圧が時間によって変動する。もし、噴射器の近傍から燃料空気混合ダクトの下端まで流体粒子の平均走行時間が圧力変動の時間より長い場合には、燃料噴射器の近傍から始まる流体粒子は、燃料濃度がより希薄になり、より豊富になる多数のサイクルを受け、最初の燃料濃度の変動が平均化される。これは、空気噴射器の空間的な範囲、すなわち、空気噴射器を含む燃料空気混合ダクトの長さＤを定める。また、これは、これが燃料空気混合ダクトの全滞留時間に影響を与えるので、燃料空気混合ダクトの幅、または断面積を決定する。
【００４９】
燃焼室における燃料噴射器と熱解放場所との間で明確に規定される支配的な時間遅延は、燃焼の不安定性のための１つの機構になる。長手方向に間隔を置いた空気噴射器によってつくられた燃料空気混合ダクトの強度の乱れの混合の存在は、燃料粒子が熱解放の場所に移動するために多数の可能な通路をつくる。多数の可能な通路に関連するのは、等しい燃料空気混合ダクトの可能な滞留時間である。燃料空気混合ダクトの滞留時間の可能性は、ある遅延時間によってシフトされる指数分布に従う。この時間遅延の広範な分布は、ランダムに、装置が多数のサイクルの固有の空燃比の変動を維持することを困難にし、したがって、これは、共振作用を達成することを困難にする。この滞留時間分布は、燃料空気混合ダクトの燃料空気混合物の自動点火を防止するように調整される。
【００５０】
平均の空気速度は、空気噴射器が燃焼室で始まる圧力変動に対して反応するように選択される。圧力波が燃料空気混合ダクトの下端から伝搬するので、それは次第に振幅が小さくなる。なぜならば、空気噴射器の空気圧を変動させるエネルギーが使用されるからである。これは、燃料噴射器の近傍における局所的な空燃比の変動を生じる圧力変動の可能性を低減する。また、これは、燃焼室の内部と外部との間の結合を完全に変動させる。
【００５１】
燃焼の安定性を生じるために燃焼室の内側の圧力変動と燃焼室に供給される化学エネルギーの変動との間に一貫性のある関係が要求される。燃焼室への化学エネルギーの入力は、燃焼室に供給される燃料空気混合物の強度及び燃料空気混合ダクトの出口の空気速度に比例する。複数の空気噴射器は、燃料空気混合物の強度及び圧力変動を調整する。また、燃料空気混合ダクトの下流端に存在する空燃比の変動は、それらを生じる圧力変動とは互いに関連しない。圧力変動または空燃比の変動の正の補強の可能性は低減される。
【００５２】
平均的なバルク速度は、燃料空気混合ダクトの長さに沿って増大する。したがって、燃料空気混合ダクトの十分な浸透及び混合を確実にするために燃料空気混合ダクトに沿って空気噴射器の断面積を次第に増大する必要がある。
【００５３】
本発明の他の燃料空気混合ダクト１２０は、図５、図６及び図７に示されている。矩形の断面の燃料空気混合ダクト１２０は、４つの側壁１２２，１２４，１２６及び１２８を有する。壁１２４及び１２６は、長手方向及び横方向に間隔を置いた複数の開口１３０及び１３２を有し、この開口１３０及び１３２は、燃料空気混合ダクト１２０への空気インテークを形成する。開口１３０及び１３２は燃料空気混合ダクト１２０の上流端１３４と燃料空気混合ダクト１２０の下流端１３６との間で断面積が次第に増大する。燃料空気混合ダクト１２０の上流端に燃料を供給するために単一の燃料噴射器１４０が設けられている。燃料噴射器１４０は、燃料マニフォルド１３８から燃料が供給される。
【００５４】
本発明による燃料空気混合ダクト１５０は、図８、図９及び図１０に示されている。円形の断面の燃料空気混合ダクト１５０は、軸線方向及び周縁方向に間隔を置いた開口１５４を有する管状壁１５２を有し、この軸線方向及び周縁方向に間隔を置いた開口１５４は、燃料空気混合ダクト１５０への空気インテ０クを形成する。開口１５４は、燃料空気混合ダクト１２０と燃料空気混合ダクト１５０の下流端１５８との間で断面積が次第に増大する。燃料空気混合ダクト１５０の上流端１５６に燃料を供給するために単一の燃料噴射器１６０が設けられている。燃料噴射器１６０には燃料マニフォルドからの燃料が供給される。
【００５５】
本発明による他の一次燃料空気ダクト１７０が図１３に示されており、図３に示すものと同様である。一次燃料空気混合ダクト１７０は、壁１７４及び１７６を有し、この壁１７４及び１７６は、半径方向及び円周方向に間隔を置いた複数の開口１７６及び１７８を備えており、この開口１７６及び１７８は、空気を一次燃料空気混合ダクト１７０に供給する一次空気インテークを形成する。また、一次燃料空気混合ダクト１７０は、開口１７６及び１７８の上流で一次燃料空気混合ダクト１７０に配置された複数の燃料噴射器１７２を有する。さらに、燃料噴射器１７２の上流に一次空気インテークの部分を形成するために円周方向に間隔を置いた複数の開口１８０が設けられている。開口１８０は、噴射器１７２の上流の一次空気流の１０％まで供給する。開口１８０は、一次燃料空気混合ダクト１７０の上流端に滞留領域、速度のない領域の形成を防止する。滞留領域は、燃料と少量の空気からなり、動作において、燃料の長い滞留時間を生じ、一次燃料空気混合ダクト１７０の燃料の自動点火の危険性が増大する。この開口１８０は、自動点火の危険性を最小限にする。一次燃料空気混合ダクト１７０は、下流方向に示すような断面が増大する。燃料噴射器の上流での空気の導入は、図１５に示すような空燃比にわずかな影響を有し、ここでラインＨは、図３の空燃比を示し、ラインＩは、図１３の空燃比を示す。
【００５６】
さらに本発明による二次燃料空気混合ダクト１９０は、図１４に示されており、図４に示すものと同様である。二次燃料空気混合ダクト１９０は、内側管状壁１９４と外側管状壁１９６と、外側管状壁１９６を有する。内側管状壁１９２は、軸線方向、円周方向に間隔を置いた複数の開口１９８を備えており、この開口１９８は、空気を二次燃料空気混合ダクト１９０に供給する二次空気インテークを形成する。また、二次燃料空気混合ダクト１９０は、開口１９８の上流に二次燃料空気混合ダクト１９０に配置された環状燃料噴射器スロット１９２を有する。さらに、燃料噴射器スロット１９２の上流に二次空気インテークの部分を形成するために円周方向に間隔を置いた複数の開口２００が設けられている。開口２００は、二次空気流の１０％まで供給する。またこれらの開口２００は、二次燃料空気混合ダクト１９０の上流端に対流領域の形成と自動点火を防止する。また、二次燃料空気混合ダクト１９０は、下流方向に示すように断面が増大する。対流領域と自動点火の形成を防止するために三次燃料空気混合ダクトに同様の構成の開口がさらに追加される。
【００５７】
燃料空気混合ダクトの壁の開口は、円形か、細長い、例えば溝形かまたは他の適当な形状である。燃料空気混合ダクトの壁の開口は、燃料空気混合ダクトまたは他の適当な角度で配置される。
【００５８】
燃料噴射器によって供給される燃料は、液体燃料またはガス状燃料である。
本発明は、他の燃料空気混合ダクトにも応用可能である。例えば、燃料空気混合ダクトは、燃料空気混合ダクトを通って流れる方向に、燃料空気混合ダクトに長手方向に間隔を置いた複数点に空気噴射器がある。開口は、燃料空気混合ダクトを画成する１つまたは複数の壁に設けられている。
【００５９】
また本発明は、他の空気噴射器にも適用可能である。例えば、空気を燃料空気混合ダクトに供給するために燃料空気混合に延びている中空の有孔部材を備えていてもよい。
【００６０】
燃料空気混合ダクトは、スワラを有するか、あるいはスワラを有しない。燃料空気混合ダクトは、２つの同軸の逆渦巻き型スワラを有する。このスワラは、軸流スワラであってもよい。
【００６１】
本発明を産業用ガスタービンエンジンについて説明したが、航空機用ガスタービンまたは船舶用ガスタービンにも等しく適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃焼室を有するガスタービンエンジンの図面である。
【図２】図１に示す燃焼室の長手方向の拡大断面図である。
【図３】図２に示す一次燃料空気混合ダクトの一部の拡大断面図である。
【図４】図２に示す二次燃料空気混合ダクトの一部の拡大断面図である。
【図５】他の実施形態による燃料空気混合ダクトの断面図である。
【図６】図５の矢印Ｗ−Ｗの方向の断面図である。
【図７】図５の矢印Ｘ−Ｘの方向の断面図である。
【図８】他の実施形態による燃料空気混合ダクトの断面図である。
【図９】図８の矢印Ｙ−Ｙの方向の断面図である。
【図１０】図８の矢印Ｚ−Ｚの方向の断面図である。
【図１１】本発明による燃料空気混合ダクトの半径方向の距離における空燃比の変動と、従来技術による燃料空気混合ダクトの半径方向の距離における空燃比の変動とを比較するグラフである。
【図１２】本発明による燃料空気混合ダクトの空燃比を従来技術の燃料空気混合ダクトの空燃比で割った値をＹ軸に、変動の振動数と燃料空気混合ダクトの長さとをかけたものを燃料空気混合ダクトを出る燃料空気混合物の速度で割わった値をＸ軸に示したグラフである。
【図１３】他の実施形態による燃料空気混合ダクトの断面図である。
【図１４】さらに他の実施形態による燃料空気混合ダクトの断面図である。
【図１５】本発明による燃料空気混合ダクトの空燃比をＹ軸に、燃料空気混合ダクトの長さに燃料空気混合ダクトを出る燃料空気混合物の速度をかけたものを変動の振動数で割った値をＸ軸に示したグラフである。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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