(57)【要約】【課題】高い燃焼効率を維持すると同時に、好ましくない燃焼生成物の排出を低減できる燃焼室構造を備えたガスタービンエンジン用燃焼器を提供することにある。【解決手段】ヘリカル軸線に沿って配置された複数の入口センターボディを備えた環状燃焼器ハウジングが設けられている。入口センターボディは、隣接構造および後方ブラフボディと協働して、入口流体を混合しかつ燃料を燃焼して高温燃焼ガスを形成する閉込め渦流キャビティ燃焼室を形成する。混合は、後壁に隣接するストラットを用いて流体の流れ中に渦を発生させ、かつバルク流体の流れにより発生される旋回とは逆方向に燃料および／または空気を噴射することにより増強される。高温の燃焼ガスは、運動エネルギの抽出のためタービン内で使用され、かつ熱エネルギの回収のため熱交換器内で使用される。高い燃焼効率および１０ｐｐｍ以下の窒素酸化物および一酸化炭素排出量を達成できる。【選択図】図５
2006528336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）１つ以上の閉込め渦流キャビティと、
（ｂ）入口空気を供給する空気供給システムと、
（ｃ）ガス状燃料を供給する燃料供給システムとを有し、該燃料供給システムは、
（ｉ）燃料供給システムからの燃料が入口空気と混合されて、１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第一キャビティの上流側に希薄予混合気を形成する予混合段と、
（ｉｉ）燃料供給システムと流体連通している１つ以上のインジェクタを備えた少なくとも１つの燃料段とを有し、１つ以上のインジェクタのうちの少なくとも１つが、前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第一キャビティ内に燃料を噴射するように構成されており、
（ｄ）前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの前記第一キャビティは、所定方向のバルク流体旋回を形成するように構成されており、
（ｅ）前記１つ以上のインジェクタのうちの前記少なくとも１つは、前記バルク流体旋回の所定方向とは逆方向の燃料および燃焼ガスのモーメントを付与するように少なくとも１つのインジェクタからのジェットを形成すべく配向された前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの前記第一キャビティ内に燃料を噴射するように構成されていることを特徴とする閉込め渦流燃焼器。
【請求項２】
前記燃料供給システムに流体連通している２つ以上のインジェクタを更に有し、該２つ以上のインジェクタの各々が、前記バルク流体旋回の所定方向とは逆方向のモーメントを付与するように燃料のジェットを形成すべく配向されていることを特徴とする請求項１記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項３】
後壁を備えた前方ボディおよび前壁を備えた第一後方ボディを有し、前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第一キャビティは、前方ボディの後壁と後方ボディの前壁との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項４】
前壁を備えた第二後方ボディを有し、前記第一後方ボディが更に後壁を備え、前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第二キャビティは、第一後方ボディの後壁と第二後方ボディの前壁との間に配置されていることを特徴とする請求項３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項５】
少なくとも第一燃料段および第二燃料段を有し、第二燃料段は、燃料を前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第二キャビティに供給する少なくとも１つの燃料インジェクタを有していることを特徴とする請求項４記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項６】
前記前方ボディに隣接する１つ以上のダクト通路を有し、前方ボディの後壁は一定断面積を有するダンプ平面を形成し、該ダンプ平面の断面積は、（ｉ）前方ボディの後壁の断面積と、（ｉｉ）前方ボディの後壁に隣接する１つ以上のダクト通路の断面積との合計であり、前方ボディの断面積を全ダンプ平面断面積で除すことにより決定されるブロック比は６０％より大きいことを特徴とする請求項３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項７】
前記ブロック比は約６３％であることを特徴とする請求項５記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項８】
前記前方ボディの後壁は噴出冷却により冷却されることを特徴とする請求項３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項９】
前記前方ボディの後壁は衝突冷却により冷却されることを特徴とする請求項３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１０】
前記第一後方ボディは噴出冷却により冷却されることを特徴とする請求項３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１１】
前記前方ボディから外方に延びている１つ以上の側方ストラットを更に有することを特徴とする請求項３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１２】
前記側方ストラットは、前方ボディの後壁に隣接する位置から外方に延びていることを特徴とする請求項１１記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１３】
前記側方ストラットは円筒状ドエルからなることを特徴とする請求項１１または１２記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１４】
前記側方ストラットは、下流側端部を備えた部分エアフォイル形状を有することを特徴とする請求項１１または１２記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１５】
前記前方ボディは、該前方ボディ内に加圧可能な冷却空気プレナムを形成すべく前方ボディの後壁に充分なシール性をもって固定された外側壁を更に有し、冷却空気プレナムは、前方ボディの後壁と流体連通していて、前方ボディの後壁に対して衝突冷却を行うことを特徴とする請求項３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１６】
前記後壁は、前記加圧可能な冷却空気プレナムと、１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの前記第一キャビティとの間に流体連通している複数の孔を有し、該複数の孔は、前方ボディの後壁に対して噴出冷却を行うように構成されていることを特徴とする請求項３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１７】
前記孔は、前記後壁に対して選択されたピッチ角およびヨー角で形成されていることを特徴とする請求項１６記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１８】
前記孔のピッチ角は、約３０°の上向き角度であることを特徴とする請求項１７記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項１９】
前記ヨー角は約３０°であることを特徴とする請求項１８記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項２０】
前記孔は均一なピッチ角およびヨー角で形成されており、前方ボディの後壁を横切ってスイープする冷却空気膜を形成することを特徴とする請求項１７記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項２１】
冷却空気供給システムを更に有し、前記第一後方ブラフボディは、冷却空気供給システムに流体連通している複数の孔を備え、該複数の孔は、第一後方ブラフボディの前方壁に対して噴出冷却を行うように構成されていることを特徴とする請求項３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項２２】
前記孔は、前記第一後方ブラフボディの前壁に対して選択されたピッチ角およびヨー角で形成されていることを特徴とする請求項２１記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項２３】
前記孔のピッチ角は、約３０°の上向き角度であることを特徴とする請求項２２記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項２４】
前記ヨー角は約３０°であることを特徴とする請求項２３記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項２５】
前記孔は均一なピッチ角およびヨー角で形成されており、前記第一後方ボディの前壁を横切ってスイープする冷却空気膜を形成することを特徴とする請求項２２記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項２６】
（ａ）互換可能な後壁部分を備えた少なくとも１つの前方ボディと、
（ｂ）少なくとも１つの後方ブラフボディと、
（ｃ）１つ以上の閉込め渦流キャビティと、
（ｄ）入口空気を供給するための空気供給システムと、
（ｅ）ガス状燃料を供給する燃料供給システムとを有し、該燃料供給システムは、
（ｉ）燃料供給システムからの燃料が入口空気と混合されて、１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第一キャビティの上流側に希薄予混合気を形成する予混合段と、
（ｉｉ）燃料供給システムと流体連通している１つ以上のインジェクタを備えた少なくとも１つの燃料段とを有し、１つ以上のインジェクタのうちの少なくとも１つが、前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第一キャビティ内に燃料を噴射するように構成されており、
（ｆ）前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの前記第一キャビティは、所定方向のバルク流体旋回を形成するように構成されており、
（ｇ）前記１つ以上のインジェクタのうちの前記少なくとも１つは、前記閉込め渦流キャビティに燃料および燃焼ガスのモーメントを付与するように少なくとも１つのインジェクタからのジェットを形成すべく配向された前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの前記第一キャビティ内に燃料を噴射するように構成されていることを特徴とするガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項２７】
前記１つ以上のインジェクタのうちの前記少なくとも１つは、前記バルク流体旋回の所定方向とは逆方向の燃料および燃焼ガスのモーメントを付与するジェットを形成すべく配向された前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの前記第一キャビティ内に燃料を噴射するように構成されていることを特徴とする請求項２６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項２８】
前記燃料供給システムに流体連通している２つ以上のインジェクタを更に有し、該２つ以上のインジェクタの各々が、前記バルク流体旋回の所定方向とは逆方向のモーメントを付与するように燃料のジェットを形成すべく配向されていることを特徴とする請求項２７記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの後方ブラフボディは前壁を備えた第一後方ボディを有し、前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第一キャビティは、前方ボディの互換可能な後壁と第一後方ボディの前壁との間に配置されていることを特徴とする請求項２６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３０】
前壁を備えた第二後方ボディを有し、前記第一後方ボディが更に後壁を備え、前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第二キャビティは、第一後方ボディの後壁と第二後方ボディの前壁との間に配置されていることを特徴とする請求項２９記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３１】
少なくとも第一燃料段および第二燃料段を有し、第二燃料段は、燃料を前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第二キャビティに供給する少なくとも１つの燃料インジェクタを有していることを特徴とする請求項３０記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３２】
前記前方ボディに隣接する１つ以上のダクト通路を有し、前方ボディの後壁は一定断面積を有するダンプ平面を形成し、該ダンプ平面の断面積は、（ｉ）前方ボディの後壁の断面積と、（ｉｉ）前方ボディの後壁に隣接する１つ以上のダクト通路の断面積との合計であり、前方ボディの断面積を前記１つ以上のダクト通路の断面積で除すことにより決定されるブロック比は６０％より大きいことを特徴とする請求項２９記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３３】
前記ブロック比は約６３％であることを特徴とする請求項３２記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３４】
前記前方ボディの互換可能な後壁は噴出冷却により冷却されることを特徴とする請求項２６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３５】
前記前方ボディの互換可能な後壁は衝突冷却により冷却されることを特徴とする請求項２６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３６】
前記第一後方ブラフボディは互換可能であることを特徴とする請求項２６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３７】
前記第一後方ボディは噴出冷却により冷却されることを特徴とする請求項３６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３８】
前記前方ボディから外方に延びている１つ以上の側方ストラットを更に有することを特徴とする請求項３６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項３９】
前記側方ストラットは、前方ボディの後壁に隣接する位置から外方に延びていることを特徴とする請求項３８記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項４０】
前記側方ストラットは円筒状ドエルからなることを特徴とする請求項３８または３９記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項４１】
前記側方ストラットは、下流側端部を備えた部分エアフォイル形状を有することを特徴とする請求項３８または３９記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項４２】
矩形の断面形状を有することを特徴とする請求項１、２６、または３６のいずれか１項記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項４３】
前記前方ボディは、該前方ボディ内に加圧可能な冷却空気プレナムを形成すべく前方ボディの後壁に充分なシール性をもって固定された外側壁を更に有し、冷却空気プレナムは、前方ボディの互換可能な後壁と流体連通していて、前方ボディの互換可能な後壁部分に対して衝突冷却を行うことを特徴とする請求項２６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項４４】
前記互換可能な後壁部分は、前記加圧可能な冷却空気プレナムと、１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの前記第一キャビティとの間に流体連通している複数の孔を有し、該複数の孔は、前方ボディの互換可能な後壁部分に対して噴出冷却を行うように構成されていることを特徴とする請求項４３記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項４５】
前記孔は、前記後壁に対して選択されたピッチ角およびヨー角で形成されていることを特徴とする請求項４４記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項４６】
前記孔のピッチ角は、約３０°の上向き角度であることを特徴とする請求項４５記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項４７】
前記ヨー角は約３０°であることを特徴とする請求項４６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項４８】
前記孔は均一なピッチ角およびヨー角で形成されており、前方ボディの互換可能な後壁部分を横切ってスイープする冷却空気膜を形成することを特徴とする請求項１７記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項４９】
冷却空気供給システムを更に有し、前記第一後方ブラフボディは、冷却空気供給システムに流体連通している複数の孔を備え、該複数の孔は、第一後方ブラフボディの前方壁に対して噴出冷却を行うように構成されていることを特徴とする請求項２６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項５０】
前記孔は、前記第一後方ブラフボディの前壁に対して選択されたピッチ角およびヨー角で形成されていることを特徴とする請求項４９記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項５１】
前記孔のピッチ角は、約３０°の上向き角度であることを特徴とする請求項５０記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項５２】
前記ヨー角は約３０°であることを特徴とする請求項５１記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項５３】
前記孔は均一なピッチ角およびヨー角で形成されており、前記第一後方ボディの前壁を横切ってスイープする冷却空気膜を形成することを特徴とする請求項５２記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項５４】
窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量は１５％酸素に補正された、２０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２６記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項５５】
窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量は１５％酸素に補正された、１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２６記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項５６】
一酸化炭素の排出量は１５％酸素に補正された、２０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２６記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項５７】
一酸化炭素の排出量は１５％酸素に補正された、１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２６記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項５８】
（ａ）窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量は１５％酸素に補正された、１０ｐｐｍ以下であり、（ｂ）一酸化炭素の排出量は１５％酸素に補正された、１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２６記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項５９】
燃焼効率は９９．５％より高いことを特徴とする請求項５８記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項６０】
燃焼効率はは９９．９％以上であることを特徴とする請求項５８記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項６１】
前記燃料インジェクタはパイロット燃料インジェクタからなることを特徴とする請求項１または２６記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項６２】
１つ以上の空気インジェクタを更に有し、前記１つ以上の空気インジェクタのうちの少なくとも１つは、所定の前記バルク流体旋回方向とは逆方向のジェットを発生するように配向されていることを特徴とする請求項１または２６記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項６３】
前記前方ボディから外方に延びている１つ以上の側方ストラットを更に有することを特徴とする請求項２６記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項６４】
前記空気インジェクタの各々が、所定の前記バルク流体旋回方向とは逆方向のジェットを発生するように配向されていることを特徴とする請求項６２記載の閉込め渦流燃焼器。
【請求項６５】
前記１つ以上の空気インジェクタの各々が２次空気インジェクタを備えていることを特徴とする請求項６３記載のガスタービン用閉込め渦流燃焼器。
【請求項６６】
（ａ）閉込め渦流燃焼器を用意する段階を有し、該閉込め渦流燃焼器は、
（１）１つ以上の閉込め渦流キャビティを有し、該キャビティの１つが、所定方向のバルク流体旋回を形成するように構成されており、
（２）入口空気を供給する空気供給システムと、
（３）ガス状燃料を供給する燃料供給システムとを有し、該燃料供給システムは、（ｉ）燃料供給システムからの燃料が入口空気と混合されて、１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第一キャビティの上流側に希薄予混合気を形成する予混合段と、（ｉｉ）燃料供給システムと流体連通している１つ以上のインジェクタを備えた少なくとも１つの燃料段とを有し、１つ以上のインジェクタのうちの少なくとも１つが、前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第一キャビティ内に燃料を噴射するように構成されており、
（ｂ）前記１つ以上のインジェクタのうちの前記少なくとも１つを通して燃料を噴射する段階を更に有し、前記インジェクタは、バルク流体旋回の所定方向とは逆方向の燃料および燃焼ガスのモーメントを付与するように、前記少なくとも１つのインジェクタからのジェットを形成すべく配向された前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの前記第一キャビティ内に燃料を噴射するように構成されていることを特徴とする閉込め渦流燃焼器の作動方法。
【請求項６７】
前記閉込め渦流燃焼器は１つ以上の空気インジェクタを更に有し、バルク流体旋回の所定方向とは逆方向の噴射空気のモーメントを付与するように、前記１つ以上のインジェクタのうちの前記少なくとも１つを通して空気を噴射する段階を更に有することを特徴とする請求項６６記載の閉込め渦流燃焼器の作動方法。
【請求項６８】
前記閉込め渦流燃焼器はガスタービンエンジンの燃焼器からなることを特徴とする請求項６６記載の閉込め渦流燃焼器の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼技術分野に関し、より詳しくは、ガスタービンエンジンに特に適した燃焼器の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、固定発電プラントの原動機として広く使用されている。しかしながら、排出物の低減に特に有効な燃焼効率の改善が望まれている。このような改善を達成するための種々の試みにおいて、多くの異なる方法および構造が、実験的または商業的に試みられている。このような幾つかの試みとして、循環ゾーンを設けて高温燃焼生成物と流入混合気とを混合することにより、連続着火源を形成する方法がある。火炎安定性のための循環ゾーンを確立するのに、旋回羽根、ブラフボディ（bluff bodies）、および後向きステップ（rearward facing steps）が一般に使用されている。しかしながら、燃料導入方法論、およびキャピタルコストおよび作動コストを低減させると同時に性能（許容可能な排出物および音響学的安定性）を確保できる火炎安定器の構造に挑戦がなされている。
【０００３】
トランスソニックすなわち超音速吸込条件で作動するときは、火炎安定基準が非常に重要である。このような条件下で作動するバーナにとって特に望まれることは、外的フローフィールドダイナミックス（external flow field dynamics）および／または摂動に対する抵抗性の大きい火炎安定器を設けることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、エンジンが、特に、高い燃焼効率を維持すると同時に、（ａ）窒素酸化物、（ｂ）部分酸化炭化水素および（ｃ）一酸化炭素等の好ましくない燃焼生成物の排出を低減できるようにする燃焼室構造を備えたガスタービンエンジン用燃焼器を提供することが望まれている。
また、このような装置において、効率的で有効な燃焼器冷却が達成できることは有益である。このような設計アプローチは、燃焼器の作動寿命（従って、寿命サイクルコスト）を増大させると同時に、燃焼効率を最高にする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
特定用途の特定作動条件に基いて、上記課題の或る一部（または全部）は、例示実施形態の種々の組合せまたはこのような例示実施形態の種々の特徴を用いることにより実行できる。
【０００６】
本明細書に開示するガスタービンエンジン用の新規な燃焼器設計の一実施形態は、内側燃焼室壁と外側燃焼室壁との間に延びている火炎ホルダが設けられた燃焼器構造を有している。一実施形態では、内側壁および外側壁の各々が実質的に円筒状であり、従って、半径方向に延びた複数の火炎ホルダが設けられた環状燃焼室を形成している。
【０００７】
１つの設計は入口センターボディを使用するものであり、該入口センターボディ内では、先端縁構造から隣接センターボディ構造まで横方向外方に延びる傾斜衝撃を設計速度で発生させることにより、予め選択した入口速度で圧縮が達成される。このような場合には、きれいな圧縮入口空気を円滑かつ連続的に得るため、および得られる燃焼生成物を効率良くかつ信頼性をもって排出するため、センターボディおよび付属の後方ブラフボディが予め選択した実質的に一致する方向に取付けられる。一実施形態では、複数のセンターボディが、環状燃焼器ハウジング内でヘリカル角に配向される。
【０００８】
環状燃焼器ハウジングは、入口センターボディの後壁が燃焼室の上流側壁として機能し、火炎保持を行うので簡単化される。入口センターボディの後壁が内側燃焼室壁から外側燃焼室壁へと外方に延びており、かつ内側燃焼室壁と外側燃焼室壁との間で同様に外方に延びている第一ブラフボディを使用しているため、下流側に一定距離を隔てた位置に閉込め渦流燃焼室が形成され、燃料と空気との完全混合、不完全燃焼生成物の逃散を最小にする、燃料とオキシダントとの反応のための充分な滞留時間、および全体的な火炎安定性が得られる。
【０００９】
上記燃焼室構成は、燃料と空気とを、特に超音波入口流入速度で充分に混合できるように設計されている。入口ボディの後壁の使用により、前方ボディと後方ボディとの間に位置する高エネルギロックされた渦流対をもつ流入低温装填物を分割する分離流線が形成される。この構成により、よりコンパクトな１次ゾーンおよび広い作動範囲に亘って望まれる安定火炎保持が得られる。閉込め渦流の自然の回転方向とは逆方向の燃料および／または酸化剤噴射を行うと、このような燃焼室内での燃料と空気との混合が更に増強されることが判明している。上記実施形態は、従来のスキームに亘って優れた燃料／空気混合による高燃焼強度を提供する。センターボディの後壁からまたは該後壁に隣接して延びる側方ストラットが組込まれた実施形態により、１次ゾーンの幾つかの高温生成物が一層容易に未反応入口流内に対流して高性能が達成され、更に優れた特徴が得られる。他の変更形態では、多数の後方ブラフボディ（ブラフボディは、性能を高めるのに必ずしも２次噴射を使用する必要はない）の使用により多数の閉込め渦流燃焼室が形成される。
【００１０】
また、粗くセグメント化された環状および流路に沿う任意の選択されたステーションでの実質的に矩形断面を有する燃焼器キャビティが示されているが、上記以外の入口ボディの後壁火炎ホルダ形状を用いる他の設計（例えば、矩形断面形状または非矩形断面形状）も可能であることを理解すべきである。しかしながら、燃焼器体積を最適化することにより、すなわち望ましい温度プロファイルおよび排出量結果を維持すると同時に熱発生を最適化する望ましい圧力および温度で作動することにより、このような閉込め渦流燃焼器を用いるエンジンの「高温セクション」部品を有利に減少できる。
【００１１】
他の実施形態では、燃料／空気予混合気は、入口センターボディに隣接する入口流体圧縮ダクトを介して高速で供給されるため、非常に高い火炎速度を有する燃料の場合でも、燃焼器からのフラッシュバックが信頼性をもって防止される。このような高速入口は、燃焼室音響から上流側の流れ音響を音響学的に遮断する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明および本発明の新規な特徴および長所のより完全な理解が得られるように、添付図面に関連して述べる以下の詳細な説明を参照されたい。
【００１３】
単なる例示に過ぎない図面には、状況により実際の実施時に使用されまたは省略されることもある種々の構成要素が含まれている。図面を作成するにあたり、本発明の種々の実施形態および態様を理解する上で重要な少なくともこれらの構成要素を示す試みがなされている。しかしながら、ガスタービンエンジン用の効率的で信頼性のある燃焼器を得るために如何にして種々の任意の特徴を使用できるかを理解できるようにすべく、他の種々の構成要素およびパラメータも示されかつ簡単に説明されている。
【００１４】
図１には、ガスタービンエンジン用の閉込め渦流燃焼器３０の一例が詳細に示されている。参照符号Ａで示す入口流入流体（通常は圧縮空気）が、内側入口壁３６と外側入口壁３８との間に形成された入口３４を通って供給される。入口３４の下流側で、入口流体Ａは３つの流れ、すなわち、外側冷却空気サプライＢと、燃焼空気サプライＣと、内側冷却空気サプライＤとに分割される。流入空気サプライＡは、前縁部４０、４２によりこのように分割される。外側冷却空気サプライＢは、燃焼器外側壁４６と外側プレナム壁４８との間に形成された外側プレナム４４内に収容される。内側冷却空気サプライＤは、燃焼器内側壁５２と内側プレナム壁５４との間に形成された内側プレナム５０内に収容される。図示のように、各壁４８、４６、５２、５４は、所望サイズおよび出力のガスタービンエンジンの他のコンポーネンツに適合するように、所望直径の管状円筒状セクションにより大部分が形成されている。燃焼器内側壁５２および燃焼器外側壁４６によりの環状燃焼器ハウジング６０が形成され、該燃焼器ハウジング６０内には、複数の入口センターボディ６２（「フォアボディ」とも呼ばれる）が配置されている。これらのセンターボディ６２は、図示のように壁５２から壁４６まで延びており、かつ燃焼器ハウジング６０の長手方向中心軸線６４に対してヘリカル角アルファαでオフセットしている。１つの適当な角度αは約３０°である。
【００１５】
環境的関心の高い状況で、低汚染燃焼生成物を発生すると同時に適正燃焼条件を得るため、燃料供給システムには、センターボディ６２を通って流れる前に燃料と燃焼空気とが予混合される予混合段が設けられる。この予混合段では、図１０により良く示すように、燃料インジェクタ７０が、燃料Ｆを、入口流体（通常は空気Ａ）または他の無燃料オキシダント含有流（但し、この流れには、水素等の何らかの高値燃料、または石炭床メタン、炭坑パージガス、埋立地メタン、バイオマス生成燃料ガス、亜品位天然ガス、または他の低品位燃料が含まれる）に添加する。作動的に信頼できる態様で実燃焼ステップを実行するためには、圧縮入口燃料／空気予混合の速度は、燃焼室７２と可燃焼燃料／空気混合気の供給位置との間の相互混合位置で高くして、燃焼室７２から燃料インジェクタ７０に向かう火炎面の逆火が防止または低減されるようにすべきである。本明細書に開示する例示のエンジン設計では、本明細書に開示する適正な条件で作動するとき、ディフューザ部分７４内の滞留時間が短か過ぎて、規定された滞留時間内に自動着火プロセスを開始することはできない。また、ディフューザ７４および入口セクション７６、７８の空気力学的設計は、火炎保持には寄与しない。
【００１６】
入口センターボディ８０の後壁１０４の下流側の燃焼プロセスを安定化するため、燃焼室７２を通るガスの速度は、入口ダクト７６、７８により形成されるよりも実質的に大きい流れ断面積を有する燃焼室７２を設けることにより低減される。図１０に示すように、充分な滞留時間を得て、燃焼器７２内での一酸化炭素（ＣＯ）の発生を実質的に最小にするため、閉込め渦流Ｖを閉じ込める局部的循環ゾーンが設けられ、かつ排出燃焼ガス中の残留ＣＯを環境的に許容可能な低残留レベルにするため、適当な長さのバーンアウトゾーンＬＢｚが設けられる。
【００１７】
本発明者は、最初に、閉込め渦流閉込め渦流燃焼キャビティが存在しない場合でも、図７および図８に示す構成を採用することにより、燃焼器内の１次混合ゾーン「ＬＰｚ」の長さをかなり短縮できることを見出した。これらの図面は、図１に上述した態様で本願明細書に教示する例示燃焼器１００に半径方向に取付けられた燃焼器に沿って内側を見た図面である。燃焼器１００は、センターボディ１２８の後壁１２６の後方で、第一壁１２２と第二壁１２４との間に配置される。一実施形態では、センターボディ１２８の後壁１２８孔穿き壁１３０により形成されており、孔穿き壁１３０は、図７に参照番号１４２で示すように、内側後壁１４０の孔１３８を用いて後壁１２６の衝突冷却を行うための冷却ガス源と（例えばセンターボディ１２８の内部空間の加圧により）作動可能に連通している。これとは別にまたはこれに加えて、後壁１２６には、該後壁１２６の孔１４６を通る冷却空気流１４４で示すように、噴出冷却が行われる。クーラント通路１３８を備えた内側後壁１４０を用いた、センターボディ１２８の後壁／火炎ホルダ１２６の衝突冷却と噴出冷却との組合せによる冷却力の増強は、他の図面にも示すように、多くの形態で有効である。この簡単で頑丈なブラフボディの設計は、所要入口速度の容易なサイジングを可能にするが、燃焼効率は最適効率より低くなってしまう。なぜならば、１次ゾーンの長さを従来のようにコンパクトにできず、これにより、多分、非定常的な渦流シェディングおよび縮小１次ゾーン燃焼強度に遭遇し、これにより、商業的に重要な多くの燃焼器設計を行うための最適の設計的解決法とはならないからである。かくして、燃焼効率は、最適効率より低いものとなってしまうであろう。従って、特に、以下に説明する新規な閉込め渦流燃焼器と比較して、小さい燃焼強度となってしまうであろう。
【００１８】
ここで図９に示すように、例示の燃焼器２００を開発した。燃焼器２００には、閉込め渦流２０４、２０５を発生させるための後方ボディ２０２が設けられている。この燃焼器２００の構成は、図７および図８の簡単なブラフボディ構成に比べて、燃焼器２００を通る圧力低下が小さい。また、センターボディ（すなわち「前方ボディ」）１２８と後方ボディ２０２との間の下流側渦流２０４、２０６のロッキングにより、火炎安定性が改善される。また、後方ボディ２０２の後方（流れ方向後方）に充分な空間を設けることにより、長さＬＢｚのバーンアウトゾーンが設けられる。かくして、比較的高い燃焼効率を有するコンパクトな１次ゾーンＰｚが形成される。本明細書に開示するこの設計および他の設計は、図７および図８に関連して最初に述べた衝突冷却法と噴出冷却法との組合せを有利に利用できる。
【００１９】
図９において、燃焼器の単位体積当りの効率的燃焼および高い発熱は、高度の乱流の１次ゾーンにより可能になる。重要なことは、図１０に更に示されているようなジェット衝突およびポンピング作用によって、燃焼器効率が少なくとも９９％に、より好ましくは少なくとも９９．５％以上に高められる。
【００２０】
図４と図９とを比較することにより、図４に示す設計に対する１つの技術的改善を容易に理解できるであろう。図４では、ガスタービンエンジン用の閉込め渦流燃焼器３００が提供される。ガス状燃料Ｆを供給するための燃料供給システムが設けられている。燃料供給システムは予混合段を有し、該予混合段では、燃料供給システムからの燃料Ｆが燃料供給構造３０２から射出されかつ入口空気Ａと混合されて、１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの第一閉込め渦流キャビティ３０６の上流側で希薄予混合気を形成する。ここで、第一閉込め渦流キャビティ３０３は、前方ボディ３１０の後壁３０６の後方に設けられている。前壁３１２を備えた第一後方ブラフボディ３１０が設けられており、後方キャビティすなわち第一閉込め渦流キャビティ３０３を形成する。前方ボディ３０８を通る予混合気のバルクフローにより、所定の内向きバルク流体が矢印３２０、３２２で示された方向に旋回する。燃料供給システムに流体連通している１つ以上のパイロットインジェクタ３３０を使用する少なくとも１つのパイロット燃料段が設けられている。１つ以上のパイロットインジェクタ３３０の少なくとも１つは、前記１つ以上の閉込め渦流キャビティのうちの最初の閉込め渦流キャビティ３０６内に燃料を噴射するように構成されている。図４に示すように、パイロットインジェクタは、所定方向のバルク流体旋回３２０、３２２とは逆方向の燃料および燃焼ガスのモーメントをするようにパイロットインジェクタ３３０からのジェットを形成すべく、燃料を、矢印３３２、３３４により示すように噴射するように構成されている。ここでは２つのパイロットインジェクタ３３０が設けられているが、この数は、必要混合度を得る必要性、および所望の燃焼効率を達成する必要性、並びに適正量の補充燃料を供給する必要性に応じて調節できる。例えば、バルク予混合で必要なガス状燃料の約９５％を供給することが許容されるならば、このような場合には、燃料供給システムのパイロットインジェクタ段により、約５％の必要ガス状燃料が供給されることが判明している。
【００２１】
図５は、図４に示した例示の閉込め渦流燃焼器の一部を破断した斜視図であり、前方ボディ３０８の後壁３０６と実質的に共平面内にある後壁３４４を有する部分エアフォイル形状の第一ストラット３４０および第二ストラット３４２が明瞭に示されている。ストラット３４０、３４２は、閉込め渦流３５０、３５２に別の付加渦流位置を導入する。フローフィールドは、例示および説明を目的としてここに図示したような平面的なものではなく、３次元であることに留意されたい。或いは、円筒状のドエル型ストラット３６０を設けることもできる。円筒状ストラット３６０は、前方ボディ３０８の後壁３０６から上流側に長さＳLだけ間隔を隔てているところが示されている。所望ならば、ストラット３４０、３４２も、同様に後壁３０６から上流側に配置できる。図示のように、いずれのストラット３４０、３４２または３６０も前方ボディ３０８の第一側壁３６２または第二側壁３６４から外方に延びており、かつ図５に示すように、燃焼器３００の外側壁３７０、３７２に向かって外方に延びている。図４に示す燃焼器は、図７、図８および図９に関連して上述したような後壁３０６の冷却技術を有利に利用できることを理解すべきである。
再び図５を参照すると、燃焼器３００には、前方ボディ３０８に隣接して１つ以上のダクト通路３８０が設けられている。このような通路は、この形態では、前方ボディ３０８の一方の側で壁３６４と壁３７２との間、および他方の側で壁３６２と壁３７０との間、かつ燃焼器の床３８０とルーフ３８２との間に形成されている。前方ボディの後壁３０６は、床３８０とルーフ３８２との間および側壁３７０と側壁３７２との間に形成される断面積を有するダンプ平面（dump plane）を形成している。ダンプ平面の断面積は、（ｉ）前方ボディの後壁３０６の断面積と、（ｉｉ）前方ボディの後壁３０６に隣接する１つ以上の全てのダクト通路の断面積との合計である。前方ボディの後壁３０６の断面積をダンプ平面で除すことにより決定されるブロック比は、６０％を超える。一実施形態では、ブロック比は約６３％である。
【００２２】
ここで図６を参照すると、燃焼器４００には、体積調節機構が設けられたユニークな閉込め渦流キャビティ４０３が設けられている。この実施形態は図５の６−６線に沿う断面図として示されているが、調節可能な後方ブラフボディ４１０が付加されている。後方ブラフボディ４１０は実質的にＩビーム形状を有し、上方ルーフシーリング面４１６に対するシーリングを行う下方シーリング面４１４を備えた上方フランジ４１２が設けられている。床の下方シーリング面４２６に対するシーリングを行う上方シーリング面４２４を備えた下方フランジ４２２が設けられている。ルーフ４３０および床４３２は、ルーフに対する縁壁４３４、４３５と、床に対する縁壁４３６、４３７とにより形成されるギャップを有し、これらの縁壁に対する後方ブラフボディ４１０の正確な位置が、矢印４４０の方向に前方へ、または矢印４４２の方向に後方へと調節できる。この調節は、上方フランジ４１２の溝歯４５２に作用するウォームギヤ４５０等の適当なギヤ装置およびサーボモータ４４８の作用により行われる。この構成により、高い燃焼効率が得られるように、渦流キャビティ３０３のサイズのチューニングを行うことができる。
【００２３】
図１１は、ガスタービンまたは他のエンジンの中心線に対してスパイラル角すなわちヘリカル角αでオフセットした多数の入口センターボディ５００、５０２を側壁５０６と５０８との間に使用したところを示すものである。ガスタービンエンジンのヘリカル角αは、約３０°までの角度またはこれより大きい角度にすることができる。図示のように、センターボディ５００、５０２の火炎保持後壁５１４、５１６の後方には後方ボディ５１０、５１２が設けられており、火炎保持後壁５１４と後方ボディ５１０との間および火炎保持後壁５１６と後方ボディ５１２との間に渦流を閉じ込める。
【００２４】
図１２には、増強型二重壁火炎保持後壁６００が例示されており、該火炎保持後壁６００には、入口センターボディ６１０のための第一壁６０３の衝突冷却通路６０２および第二壁６０５の噴出冷却通路６０４が設けられている。また、パイロット燃料ポート６１２、６１４が設けられている。更に、パイロット燃料ポート６２２、６２４を備えた後方ボディ６２０が設けられており、燃焼器６３０の閉込め渦流作動を行う。
【００２５】
図１３には、二重ブラフボディの例示形態が示されている。ここには、第一後方ブラフボディ６２０および第二後方ブラフボディ７００が示されている。この例示実施形態にも、図１２に示したような二重壁火炎保持後壁６００を設けることができる。しかしながら、第二ブラフボディ７００には、図１２に示したような第一循環ゾーン７２０以外に、第二循環ゾーン７１０が設けられている。この構成により、燃焼効率を更に高めることができる。
【００２６】
技術的背景および参考として、図１４には、従来技術による１つの閉込め渦流燃焼器の設計が概略的に示されており、この設計は、噴射流体ジェットが、閉込め渦流の旋回方向に対し、これとは逆方向ではなく、これをサポートする方向のモーメントを旋回ガスに伝達するように燃料および空気を配向する態様で燃料および空気の噴射を行うという基本的概念を用いている。しかしながら、本発明では、高い燃焼強度および燃焼効率が、閉込め渦流の旋回方向に対し、これを支持する方向ではなく、これとは逆方向のモーメントを旋回ガスに伝達するように燃料および／または空気の噴射を行うことにより達成できることが発見されている。
【００２７】
図１５にはユニークな閉込め渦流燃焼器８００の一実施形態が示されている。この実施形態には簡単なブラフ前方ボディ（すなわち「センターボディ」）８０２が設けられており、該ブラフボディ８０２は、互換可能な後壁部分８０５の供給を行うための互換可能なボディモジュール部分８０４を備えている。センターボディ８０２は側壁８０４、８０６を有し、該側壁８０４、８０６は、燃焼器側壁８１０、８１４と協働してダクト通路８１６を形成している。燃料通路８３０および燃料インジェクタ８３２を備えた第一後方ボディ８２０が設けられている。インジェクタ８３２には、バーナ燃料の一部またはパイロット燃料が供給される。第一後方ボディ８２０にはまた、冷却空気供給システムに連結された冷却空気通路８４０と、冷却空気を後方ブラフボディ８２０の薄膜冷却を行う冷却空気を供給する冷却空気噴射ポート８４２とが設けられている。複数の孔８４２が冷却空気供給システムに流体連通しており、これにより、複数の孔は、特に第一後方ブラフボディ８２０の前壁８２１を含む壁の噴出冷却を行う。図１９に示す実施形態では、第一後方ブラフボディの前記前壁に対して選択されたピッチ角（すなわち、図１５に中心線８５０として示す長手方向流れ軸線に対して上下方向の角度）で、およびヨー角（すなわち、図１５に中心線８５０として示す長手方向流れ軸線に対して横方向の角度）で形成された出口の上流側の通路８４３を備えた孔８４２が設けられている。一実施形態では、孔のピッチ角は、上流側方向に向かって約３０°上向きの角度である。このような実施形態では、一方の側または他方の側に約３０°のヨー角の孔を設けて、冷却膜がブラフボディ８２０の回りを時計回り方向または反時計回り方向に循環するように構成できる。通常、このような孔は、第一後方ブラフボディの前記前方壁を横切ってスイープするように、均一のピッチ角およびヨー角で設けられている。しかしながら、図１８に更に示すように、均一ピッチ角およびヨー角は、第一側８６０および第二側８６２で反転（すなわち、一方の側では上方に、他方の側では下方に傾斜）させて、膜冷却に旋回作用を生じさせることができる。このような場合には、上向き角Ωを下向きピッチ角βに等しくすることができるが、旋回方向は均一に維持するのが好ましい。
【００２８】
ここで図１６について説明する。この実施形態は、図１５の実施形態と同様であるが、改善された燃焼器８０１を有している。この燃焼器８０１には、第一ブラフボディから横方向に突出する側方ストラット８７０、８７２が付加されており、高温燃焼ガスを更に混合させるための小さい循環ゾーンを形成し、これにより燃焼効率を改善することができる。図示のように、このようなストラット８７０、８７２は、図５に示したストラット３４０、３４２と同様のものである。
【００２９】
図１７は、互換可能な後方ブラフボディ８２０の一例を示す部分破断斜視図であり、冷却空気噴射ポート８４２および燃料噴射ポート８３２が示されている。図１８は図１７の１８−１８線に沿う部分断面図であり、燃料通路８３０および空気通路８４０が示され、更に、前述のように冷却空気の流れを、後方ブラフボディの回りで周方向に増強するように傾斜された冷却空気出口の詳細が示されている。図１９は後方ブラフボディ８２０の部分側面図であり、冷却空気出口８４２並びに幾つかのパイロット燃料出口８３２が示されている。
【００３０】
図２０は、前方ボディ８０２に隣接した側方ストラット８７０、８７２の使用を含む、図１６に示した燃焼器と同様な燃焼器８０３の更に別の実施形態を示すものであるが、この実施形態は、第二後方ボディ８８０の前壁８８２と第一後方ボディ８２０の後壁８８４との間に２次閉込め渦流キャビティを形成して所望長さの閉込め渦流燃焼器を得るための、前壁８８２を備えた第二後方ボディ８８０の使用を更に示している。
【００３１】
前述のように、ＴＶＣ燃焼の概念は、さもなくば１次ゾーンの安定性を損ない、従ってシステムの作動条件を早期に制限する虞れのあるブラフボディからの渦流シェディングを防止することに基いている。殆どの燃焼システム、特に部分衆力条件による陸用燃焼システムにとって、広範囲の作動条件（operating envelopes）は高度に望まれることである。また、前方ボディと後方ボディとの間に存在する強い燃焼活動は、コールドチャージと高温燃焼生成物との相互作用を容易にするメカニズムとして機能し、競争的排出レベル（competitive emissions levels）を改善する。性能を評価するため、空燃比（air-to-fuel ratio：Ａ／Ｆ）の値は理論空燃比により標準化されて、当量比すなわちΦ＝理論空燃比／測定空燃比を得る。この定義により、Φ＞１は、フュエルリッチ（濃厚燃料）作動であることを示し、Φ＜１は、フュエルリーン（希薄燃料）作動であることを示す。一般に、混合気が希薄であるときに最高効率が生じるが、残念なことに、或る希薄混合気範囲に亘ってＮＯｘ生成が増大し、希薄混合気の増大により燃焼温度は一層低下するけれども、ＮＯｘ生成も減少する。かくして、希薄混合気の効率的燃焼を行うと同時に好ましくない排出物を減少させる、本発明の教示による改善されたＴＶＣバーナ設計は、当業界の技術の重大な改善である。
【００３２】
以下、２つのＴＶＣ形態（１つは図１５に示すＴＶＣ形態、他は、混合を更に高めるためにダンプ平面に配置された側方ストラットを備えた、図１６に示すＴＶＣ形態）について行われた試験について説明する。
【００３３】
第一に、図１５に示したＴＶＣについて、基本ＴＶＣおよびブラフボディ設備を用いて２つの試験を行った。フュエリングは、予混合燃料システムおよびＴＶＣフュエルレッグ（TVC fuel legs）を用いて行った。いかなるブラフボディフュエリング（部分的予混合）または拡散パイロッティング（diffusion piloting）も使用しなかった。全ての試験は、ＴＶＣへの５％（３．５％全空気）フロントエンド空気装填およびチャネルへの９５％フロントエンド空気に集中した。３つの異なる１次ゾーン（フロントエンド）当量比（Φfe）点が、前記当量比（Φfe）についての主フュエリングフラクションに対してＴＶＣを変化させて試験された（０．５１、０．５５、０．６０）。全てのＴＶＣ（図１６のストラット構造および図１５の無ストラット構造）試験を通して、ライナー冷却空気装填が２５％（全空気流パーセンテージ）に維持された。ＴＶＣへの空気装填を１０％フロントエンド空気装填まで増大させる試みが成されたが、ブローアウトおよび／またはハードウェアオーバーテンピング（hardware overtemping）（ライナーモジュール熱電対および／またはＩＥモジュール熱電対）のため成功しなかった。全てのエクスカーションを通して、ライナー温度は、熱発生位置および／または燃料装填位置（当量比）に基いて、８００〜１７００°Ｆ（４２７〜９２７℃）の範囲で、燃焼器の長さに沿って均一でなかったことに留意されたい。完全燃焼圧力（２７５lb／in2絶対圧または１９００ｋＰａ絶対圧）が達成された。
図２３および図２４には、１次ゾーン（フロントエンド）当量比（Φfe）に対するＮＯｘおよびＣＯ排出量が示されており、これらの全てのデータは、ＴＶＣ／チャネル燃料スプリットの如何にかかわらず、この構成の下で得たものである。排出量は、１５％Ｏ2標準に補正された。ＮＯｘ排出量は、１次ゾーン（フロントエンド）当量比（Φfe）またはフロントエンド火炎温度が上昇する典型的な挙動を表し、１次ゾーンの火炎温度が上昇すると、１次ＮＯｘ発生メカニズムによりＮＯｘ排出量が増大する。逆に、ＣＯ排出量は逆傾向を示し、この傾向はまた、カイネチックＣＯ生成（kinetic CO production）にとって一般的である。明白ではあるが、温度とともにＣＯレベルが上昇し始める平衡ＣＯ生成機構は、試験中のエクスカーションによっては得られなかった。ｙ軸に対数目盛を使用するのは、希薄な混合気であるほどＣＯレベルが急激にジャンプするからである。
【００３４】
図２５は、ＣＯ排出量に対するＮＯｘをプロットすることにより、主当量比の値（０．５１、０．５５、０．６０）の３つのエクスカーションを表したものである。Φmain＝チャネル燃料／チャネル空気である各チャネルベース当量比で、ＴＶＣベース当量比Φtvc＝ＴＶＣ燃料／ＴＶＣ空気は、全燃料レベルをデザインテーブル当り一定に保持する試みに着手された。これにより、ＴＶＣ当量比の広範囲のエクスカーション０．５１〜１．５が得られる。明白であるが、当量比の低い設定は、エクスカーションの間に高レベル（数百ｐｐｍ）が生成されるという点で、ＣＯ生成に劇的な効果を与える。全体的フロントエンド当量比を濃厚化すると、混合気が有効に「バーンアウト」する（すなわちＣＯがＣＯ2に変換される）ので、サイズの揃ったＣＯ粒（sizeable drops in C O）が得られる。
達成された最適フュエリングスプリットは、当量比Φmain＝０．６を有するものであった。これにより、１５％Ｏ2に補正された２８／２８ｐｐｍの同時ＮＯｘ／ＣＯ値が記録された。前の図面の拡大図である図２７を参照されたい。明瞭化のため、当量比Φmain＝０．５１曲線はデータセットから除去されていることに留意されたい。
【００３５】
セットの最後の図面（図２６）には、排出量ベース燃焼効率と、２００１年にRoquemore等により次式のように定義されている重大度パラメータ（Severity Parameter：ＳＰ）との関係が示されている。
【００３６】
【数１】
2006528336.tif 000003
【００３７】
本質的に、重大度パラメータは、種々の燃料／空気スケジューリング研究を有効に標準化する装填パラメータに似たものである。明らかに証明されることは、装填パラメータが７．０から８．０に増大しているため、効率が上昇していることであり、その後に装填パラメータは平坦化する。効率の上昇は、乱流の強化、従って、増大する燃料装填作用の下でのＴＶＣ領域（ブラフボディと後方ボディとの間の領域）内の燃焼活性によるものと考えられる。しかしながら、より重要なことは、高レベルの効率（＞９９．５％）が証明されたことである。これは、軸線方向および／またはラジアルインフロー予混合のように、本発明により得られる新規な設計の他の火炎安定器概念に比べて全体として優れた性質によるものであるといえる。
【００３８】
図１６に示した設計、すなわちストラットを備えたＴＶＣによれば、データは、低温並流チャネルフローを有する１次高エネルギコアフローの相互作用の更なる増大が、ＴＶＣ概念の利益を完全に活用する必要があることを確認している。前方ボディと後方ボディとの間の高温乱流燃焼生成物がチャネルフロー内でより有効に分散されるならば、より高い燃焼強度従ってより高い燃焼効率が得られる。また、この高度の相互作用により、ＣＯ排出量が低減される。なぜならば、着火がライナ内でより早期に開始され、従ってバーンアウトのための時間を長くとれるからである。この試験において、直径０．２５インチの４本のロッドが、チャネルフロー内への高温のＴＶＣ燃焼生成物の導管として機能すべく等間隔の流れ面積を隔てて、ストラットとしてダンプ平面に配置された。燃焼器温度での部品の信頼性を確保するため、簡単な冷却孔８４２の列（同様な構成として図２１を参照されたい）が、ロッドの軸線に沿って使用された。表１には、このハードウェア構成に関する正確なデータ点が詳細に示されている。全てのデータ点で、約２７０lb／in2絶対圧（１８６０kPa絶対圧）の燃焼圧力および０．７５ＴＶＣ当量比（Φtvc）が維持された。これらのベースライン条件を確立した後、チャネル当量比すなわち主当量比（Φmain）を調節することにより、フロントエンド当量比のエクスカーションが導かれた。
【００３９】
図２８は、このような修正の結果と、以前に示したベースラインＴＶＣの結果とを比較したものである。ここでも、燃焼効率が、重大度パラメータＳＰに対してプロットされている。前回に比べて１００％近くの燃焼効率の幅が大きくなっていることは明らかであり、ほぼ完全燃焼する効率の領域が、前よりも低い重大度パラメータ値に及んでいる。
おそらく、この構成の性能利得の最大の保証は、従来の全ての構成（ＴＶＣまたはブラフボディ）より遥かに優れた、サイズを定めることができる理論的範囲に亘って達成されるＣＯ対ＮＯｘ（１５％Ｏ2に補正）のプロットにより証明される。また、１０ｐｐｍＮＯｘ／１０ｐｐｍＣＯ閾値が達成されかつこれを超えることもあった。曲線は、より濃厚な混合気についての平衡生成およびより希薄な混合気についてのカイネチック生成の両ＣＯ発生メカニズムを示している。コールドチャージとホットチャージとの相互作用を促進することの重要性が明瞭に示されている。
【００４０】
３つのハードウェア構成についての燃焼試験を遂行した。試験は、期待成功レベルをもつ６３％ブロック比で、最も簡単な火炎安定器（ブラフボディすなわち図７）について開始した。９９％以上の燃焼効率が定常的に達成されたが、競争的燃焼排気ガスは排出されなかった。第二試験シリーズは、前方ボディと後方ボディとの間の渦流対のロッキングに頼るＴＶＣ概念（すなわち図１５）を評価した。この構成により、排出量レベルが数百ｐｐｍ（ブラフボディ構成の特徴）から、２０〜３０ｐｐｍの範囲に低下され、得られる利得は９９％より高い全体的燃焼効率である。高乱流ＴＶＣとチャネルフローとの間の相互作用を促進する知識は効率利得にとって好ましく、チャネル自体内のストラットを使用した第三概念の評価に通じる（図４、図５および図１６）。試験の目的で、図４に示したようなロッドがストラットとして使用された。これらの保護された導管は、流入する低音予混合気流と高温循環燃焼ガスとの相互作用の増大に有効であることが証明された。得られる排出量レベル（１０ｐｐｍ以下のＮＯｘ／ＮＯおよび９９．９％以上の高い燃焼効率）は、この構成が、産業用ガスタービンシステムでの実施を首尾良く可能にできることを証明した。
【００４１】
本明細書で説明した燃焼室の設計の種々の態様および実施形態は、閉込め渦流燃焼器の技術状態の重要な改善であることは明白である。幾つかの例示実施形態のみを詳細に説明したが、本願の図面および明細書には種々の詳細が充分に説明されており、更なる詳細な説明を付加することなく、当業者は本発明（単一または複数）を作りかつ使用することができる。重要なことは、本明細書で説明しかつ特許請求の範囲に記載された態様および実施形態は、本発明により提供される新規な技術および長所から実質的に逸脱することなく変更でき、かつ本発明の精神または本質的な特徴から逸脱することなく他の特定形態に具現できるであろう。従って、本明細書に開示する実施形態は例示であって制限的なものではないと理解すべきである。本明細書の開示は、本明細書に開示する構造および構造的均等物だけでなく、均等構造物をもカバーすることを意図したものである。上記教示から、多くの変更および修正が可能である。従って、本発明（単一または複数）は、特許請求の範囲内で、本明細書において特に説明した態様以外の態様で実施できる。かくして、特許請求の範囲に記載され、添付図面に示されかつ上記説明で説明された本発明の範囲は、広義の解釈および特許請求の範囲の記載の平易な意味に適正に合致する範囲により定められる実施形態からの変更形態を含むことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ガスタービンエンジンに取付けられる燃焼器セクションの一部を破断した斜視図であり、内側燃焼壁と外側燃焼壁との間を通る圧縮空気を受入れる用意が整った状態、燃料／空気予混合を受入れる内側環状通路および外側環状通路、一定角度でオフセットした複数の燃焼器、および１つのセンターボディおよび２つのブラフボディ（各ブラフボディは、混合および火炎安定性を補助するためのパイロット燃焼添加を有している）の使用を示すものである。
【図２】新規な燃焼器の断面図であり、３つの軸流圧縮段および１つの遠心圧縮段を備えた圧縮機を有するガスタービンエンジンに使用すべく取付けられたところを示し、圧縮空気は、センターボディを通る前に燃焼器および燃料入口を通って前方に移動して燃料−空気予混合の用意をし、排気ガスはガスタービンの前方に向かって排出される前に中心シャフトに取付けられたガスタービンを駆動する。
【図３】従来技術による閉込め渦流燃焼器の構成の簡単な概略図であり、燃焼ゾーンへの燃料および空気の噴射を使用して、いかにしてこのような添加流のモーメントを、第一センターボディを通ったバルクフローから生じる渦流の方向に配向させるべく設計されているかを示すものである。
【図４】本発明の一実施形態の簡単な概略図であり、燃料および／または空気の噴射は、第一センターボディを通るバルクフローから生じる旋回方向とは逆方向のモーメントを与えて逆方向の渦流回転を与えるように設計されているところを示すものである。
【図５】本発明の一実施形態の斜視図であり、この実施形態は図４のフロースキームと同様であるが、更に、第一センターボディから横方向に突出する側方ストラットを使用しており、側方ストラットが高温１次ゾーン生成物を流入チャネルフロー内に付加混合させる小さい循環ゾーンを形成するところを示すものである。
【図６】本発明の他の実施形態の図面であり、軸線方向に調節可能な後方ブラフボディを使用しており、該後方ブラフボディが、所望サイズの１次ゾーンを形成すべく主ブラフボディの後端部に対して所定位置に調節でき、かつ後方ブラフボディのパイロット燃料および冷却空気出口を使用しているところを示すものである。
【図７】所要冷却装填に対して増強された簡単なブラフボディを使用し、および後ろ側衝突と火炎保持面上の噴出冷却との組合せを使用する燃焼器設計を示す図面である。
【図８】１次燃焼ゾーンを安定化させるべく、パイロット燃料インジェクタを使用して更に増強された燃焼器の設計を示す図面である。
【図９】閉込め渦流設計を用いて燃焼器効率を更に増強させた構成を示し、この設計は、前方ボディ（すなわち「センターボディ」）と後方ボディとの間に静止渦流をロックし、かつ１次ゾーン内への２次空気流のポンピングを通してチャネル空気および／または予混合気の帯同を増強させると同時に、閉込め渦流の旋回方向とは逆の燃料および／または空気を添加するものである。
【図１０】閉込め渦流燃焼器に希薄予混合燃料を供給するための、センターボディの上流側の複数の燃料混合ポートと、センターボディを通る燃料添加ポートとを備えた燃焼器設計を示す図面である。
【図１１】図１０に示した閉込め渦流燃焼器設計の概略図であり、燃焼器の中心線が、図１に示した態様でガスタービン中心線からオフセットしており、環状空間内にヘリカルフロー構造を形成して、ＣＯ生成を低減させるバーンアウトゾーンを拡大するところを示すものである。
【図１２】１つの閉込め渦流燃焼器構成を上から見た部分断面図であり、前方ボディからの燃料噴射を使用して、火炎安定性を向上させ、かつ後方ボディからの燃料および／または空気の噴射を使用して、閉込め渦流の旋回方向とは逆方向のモーメントを伝達し、混合、燃焼強度および燃焼効率を高める構成を示すものである。
【図１３】図１２に示した燃焼器であるが、第二後方ブラフボディを付加した構成の燃焼器を示し、第二後方ブラフボディが燃料および／または空気の噴射を使用して閉込め渦流の旋回方向とは逆方向のモーメントを伝達し、混合、燃焼強度および燃焼効率を高める構成を示すものである。
【図１４】燃料および空気の噴射を使用して、閉込め渦流の旋回をサポートするモーメントを伝達する構成を概略的に示す図面である。
【図１５】ユニークな閉込め渦流燃焼器の一実施形態を示す図面であり、該実施形態では、互換可能なボディモジュールを備えた簡単なブラフ前方ボディ（すなわち「センターボディ」）および燃料および空気噴射ポートを備えた後方ボディが設けられている。
【図１６】図１５と同様な実施形態であって、付加混合を行うための小さい循環ゾーンを形成する第一ブラフボディから横方向に突出している側方ストラットが付加された構成を示すものである。
【図１７】互換可能な後方ブラフボディの一例の部分破断斜視図であり、冷却空気ポート、および燃料および空気噴射ポートの配置を示すものである。
【図１８】図１７の１８−１８線に沿う部分断面図であり、燃料および空気通路、および後方ブラフボディの回りの周方向の冷却空気の流れを増強すべく傾斜された冷却空気出口を示すものである。
【図１９】後方ブラフボディの部分側面図であり、冷却空気出口並びに幾つかのパイロット燃料出口の方向を示すものである。
【図２０】図１６と同様な更に別の実施形態を示す図面であり、該実施形態は、前方ボディに隣接する側方ストラットおよび第二後方ボディを使用して、所望流れさの２次閉込め渦流燃焼器を形成する構成を示すものである。
【図２１】正方形断面形状の燃焼器内に図１６に示した前方ボディを使用したところを示す図面である。
【図２１Ａ】正方形断面形状の燃焼器内に図１６に示した前方ボディを使用したところを示す図面である。
【図２２】第二後方ボディの一実施形態であって、冷却空気孔のみが設けられており、燃料および／または空気（冷却空気以外の空気）は噴射されない構成を示すものである。
【図２３】ＮＯｘ性能と１次ゾーン（フロントエンド）当量比との関係を示すグラフであり、ここでΦfeは、試験したベースラインＴＶＣ構成の全燃料／フロントエンド空気である。
【図２４】試験したベースラインＴＶＣ構成のＣＯ性能と１次ゾーン（フロントエンド）当量比（Φfe）との関係を示すグラフである。
【図２５】行われたベースラインＴＶＣ試験についての要約態様でのＮＯｘとＣＯとの関係を示すグラフである。
【図２６】行われたベースラインＴＶＣ試験についての燃焼効率と重大度パラメータとの関係を示すグラフである。
【図２７】ＣＯが５０ｐｐｍ以下である場合について行われたベースラインＴＶＣ試験についてのＮＯｘとＣＯとの関係を示すグラフである。
【図２８】異なる２つのＴＶＣ構成、すなわちストラットを使用しない閉込め渦流燃焼器、およびストラットを使用した閉込め渦流燃焼器についての燃焼効率と重大度パラメータとの関係を示すグラフである。
【図２９】本発明のストラットを備えた閉込め渦流燃焼器の試験についての要約的態様でのＮＯｘとＣＯとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
３０  閉込め渦流燃焼器
７０  燃料インジェクタ
１２８  センターボディ
２０２  後方ボディ
３０８  前方ボディ
３４０  第一ストラット
３６０  ドエル型ストラット
５１４、５１６  火炎保持後壁
６０２  衝突冷却通路
６０４  噴出冷却通路
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２１Ａ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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