(57)【要約】ガスタービンの燃焼器用の燃料とガスの混合器は、本体部材を含む。この本体部材は、円錐台状の環状部を有し、この環状部の小さいほうの端部が下流の円錐台状のチャンバと連通している。環状部内に径方向に配置された中空のスポークを通して環状部内にガス状燃料が噴射され、このガス状燃料は、上流側空気通路から導入された空気流と混合される。環状部の円錐台形状によって流れの通路の断面積が下流方向で減少するので、環状部内の一次混合気は、下流のチャンバに向かって導かれるに従って速度が増加する。一次混合気は、速度の増加によって円錐台状のチャンバに流入するときに拡散され、下流側空気通路から導入される空気とさらに混合される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの燃焼器用の混合器であって、
実質的に円錐台形状を有し、かつ上流端の直径が開口した下流端の直径よりも小さいチャンバと、
下流端の直径が上流端の直径よりも小さく、かつ下流端で前記チャンバの上流端と連通している円錐台状の環状部と、
前記環状部内に燃料を噴射するように該環状部内に配置された第１の燃料噴射手段と、
前記環状部と連通するとともに前記燃料噴射手段の上流に配置されており、かつ前記環状部内に噴射された燃料と混合されるように該環状部に空気流を供給して、これにより混合気を形成する複数の上流側空気通路と、
前記チャンバと連通するとともに該チャンバの上流端に隣接して配置されており、前記チャンバ内で混合気とさらに混合されるように空気流を導入する複数の下流側空気通路と、を有することを特徴とする混合器。
【請求項２】
前記チャンバの上流端の中央で該チャンバと連通する中央通路をさらに含み、この中央通路は、前記チャンバに空気流を供給することを特徴とする請求項１記載の混合器。
【請求項３】
前記中央通路は、前記チャンバの底部に隣接する第２の燃料噴射手段を含み、この第２の燃料噴射手段は、空気と混合されるように前記チャンバ内に燃料を噴射することを特徴とする請求項２記載の混合器。
【請求項４】
前記第１の燃料噴射手段は、前記環状部内で径方向に延在するとともに周方向に離間して配置された複数の中空スポークを有し、各々のスポークは、前記環状部内に燃料を噴射する複数の孔を備えていることを特徴とする請求項３記載の混合器。
【請求項５】
ガスタービンの燃焼器用の混合器であって、
それぞれ反対側に位置する上流端と下流端との間に延びる中心軸を有する本体部材と、
前記本体部材の内部に形成され、かつ前記本体部材の下流端から内側に延びて該本体部材の開口した端部を構成するとともに、前記本体部材の内部で終端となって前記の開口した端部の直径よりも小さい直径を有する該本体部材の底部を構成する、円錐台形状の部分を含む中央チャンバと、
前記チャンバの上流で前記本体部材の内部に形成されるとともに、小さい端部と大きい端部とを含み、かつ前記小さい端部で前記チャンバの底部と連通する円錐台状の環状部と、
前記本体部材の上流端から内側に延びるとともに、前記環状部および前記本体部材の外部と流体的に連通して、前記環状部に空気流を導入する複数の上流側空気孔と、
前記環状部内で径方向に延在するとともに周方向に離間して配置されており、かつ空気と混合されるように前記環状部内に燃料を噴射して、これにより混合気を形成する複数の第１の燃料噴射孔をそれぞれ含む複数の中空のスポークと、
前記チャンバの円錐台状部分および本体部材の外部と流体的に連通するように前記本体部材を通って延びており、かつ混合気とさらに混合されるように前記チャンバに空気流を導入する複数の下流側空気孔と、を有することを特徴とする混合器。
【請求項６】
前記本体部材は、その上流端から前記チャンバの底部まで延びる中央通路を含み、この中央通路は、前記チャンバに空気流を提供することを特徴とする請求項５記載の混合器。
【請求項７】
前記中央通路は、前記チャンバの底部に隣接する複数の第２の燃料噴射孔を含み、これらの第２の燃料噴射孔は、空気と混合されるように選択的に燃料を噴射することを特徴とする請求項６記載の混合器。
【請求項８】
前記上流側空気孔は、前記環状部内に空気の渦を形成するように、前記中心軸に対して軸方向でかつ周方向に延びていることを特徴とする請求項５記載の混合器。
【請求項９】
前記下流側空気孔は、前記キャビティ内に空気の渦を形成するように、前記中心軸に対して径方向でかつ周方向に延びていることを特徴とする請求項５記載の混合器。
【請求項１０】
管路をさらに含み、この管路は、一方の端部で前記本体部材の開口した下流端部に連結されており、かつ他方の端部で混合気を供給するように燃焼器に連結可能に設けられていることを特徴とする請求項５記載の混合器。
【請求項１１】
加圧空気供給源に連結された缶をさらに含み、この缶は、前記本体部材の少なくとも一部を収容するとともに、空気流を供給するように前記上流および下流側空気孔と連通していることを特徴とする請求項１０記載の混合器。
【請求項１２】
前記本体部材は、前記チャンバと前記環状部の外側壁を構成する円錐台状のキャビティとを含む本体基部と、プレートとこのプレートから垂直に突出するように延在する円錐台状の中央部分とを含む本体先端部と、を有し、前記本体先端部と前記本体基部とが組み立てられたときに、前記プレートは、前記本体部材の上流端を構成し、かつ、前記中心部材は、前記環状部の内側壁と前記チャンバの底部の中央部とを構成することを特徴とする請求項７記載の混合器。
【請求項１３】
前記本体基部は、複数の燃料通路を含み、これらの燃料通路は、対応する中空のスポークと第１の外部燃料通路との間でこれらと流体的に連通していることを特徴とする請求項１２記載の混合器。
【請求項１４】
前記中央通路は、前記プレートから前記中央部分の該プレートとは反対側の端部まで軸方向に延びており、前記第２の燃料噴射孔は、前記本体先端部を通って第２の外部燃料流路と連結可能に延びていることを特徴とする請求項１３記載の混合器。
【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に関し、特にガスタービンエンジンの燃焼器用の燃料と空気の混合器に関し、より詳細には、発電用途で使用可能な種類のガスタービンエンジン用の燃焼器の混合器として使用可能なガス−液体混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用のタービンエンジンの選択において、タービンエンジンのＮＯｘエミッションのレベルが１０ｐｐｍｖよりも低いことが重要な基準になってきている。ＮＯｘエミッションを低くする最新技術では、燃料／空気の予混合器が必要でありうる。水噴射を行わずに低いＮＯｘエミッションを達成する燃焼器は、ドライローエミッション（ＤＬＥ）として知られており、きれいな排気とともに高いエンジン効率を得る有望な技術である。この技術は、混合気の空気含有量が高いことに依存する。
【０００３】
ＤＬＥ装置では、燃焼器に噴射される前に燃料と空気とが希薄（リーン）に予混合される。実質的に低い燃焼温度を得るために水噴射などの希釈剤を追加する必要がなく、これにより、酸化窒素の発生量が減少する。しかし、２つの問題が確認されている。第１の問題は、燃焼効率の低下につながる燃焼の不安定性すなわちエンジンの不安定な運転性である。希薄な状態では、燃焼プロセスの安定性が急速に低下し、化学反応の指数関数的な温度依存性のために燃焼器がブローアウト限界で動作しているおそれがある。これは、燃焼プロセスの動的特性を変更するとともに、ガスタービンエンジン全体の機械的一体性を危険にさらす局部的な燃焼の不安定性にもつながりうる。平均よりも希薄な混合ポケットは安定性の問題につながるおそれがあり、平均よりも濃厚（リッチ）なポケットは許容できないほど高いＮＯｘエミッションにつながるので、混合気の均一性に種々の制約が課されるからである。同時に、燃焼効率のトレーサである一酸化炭素および未燃炭化水素（ＵＨＣ）の実質的な増加が確認され、これは、所定の燃焼器において、より希薄な混合気では化学反応速度が指数関数的に減少するからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
成功しているＤＬＥ触媒燃焼装置の重要な必要条件は、燃料／空気の比の変動が５％よりも小さい、完全に混合されたガス状の混合気を反応させることであることが分かった。
【０００５】
また、エンジンの動作時における異なる条件の下で、ガス状および液体の燃料を選択的に使用することが望ましい。例えば、液体燃料は緊急時にバックアップ装置で使用可能であり、一方、ガス状燃料は正常動作時に使用される。
【０００６】
本発明の目的は、より良好な混合気を提供することができる燃料と空気の混合器を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、ガス状燃料と液体燃料の両方を使用して混合気を提供することができるガスと液体の混合器を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、比較的製造しやすい燃料と空気の混合器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの形態では、ガスタービンの燃焼器用の混合器が提供される。この混合器は、実質的に円錐台形状を有するチャンバを含み、このチャンバの上流端の直径は、開口した下流端の直径よりも小さい。チャンバの下流端における円錐台状の環状部が、チャンバの上流端でこのチャンバと連通している。円錐台状の環状部の下流端の直径は、その上流端の直径よりも小さい。混合器は、環状部内に燃料を噴射するように環状部内に配置された第１の燃料噴射手段と、環状部と連通する複数の上流側空気通路と、を含む。上流側空気通路は、第１の燃料噴射手段の上流に配置されており、環状部内に噴射された燃料と混合されるように環状部に空気流を供給し、これにより混合気が形成される。混合器は、チャンバと連通する複数の下流側空気通路をさらに含む。下流側空気通路は、チャンバの上流端に隣接して配置され、チャンバ内で混合気とさらに混合されるように空気流を導入する。
【００１０】
第１の燃料噴射手段から噴射された燃料は、環状部内の空気と混合され、混合気は、チャンバ内へと下流に流れるとともに下流側空気通路から導入された空気とさらに混合される。上流側空気通路からの空気流と環状部内で形成された混合気が環状部を通って下流に移動すると、環状部の断面積が上流端から下流端に向かって減少するために流体流れの速度が増加する。流体流れの速度の増加は、燃料と空気の混合を改善する。
【００１１】
チャンバに空気流を供給するために、チャンバの上流端の中央にこのチャンバと連通する中央通路を設けることが好ましい。この中央通路は、好ましくは、チャンバの底部に隣接する第２の燃料噴射手段を含み、この第２の燃料噴射手段は、空気と混合されるようにチャンバ内に燃料を噴射する。第２の燃料噴射手段は、環状部内の第１の燃料噴射手段から独立して動作するように設けられており、第１の燃料噴射手段がガス状燃料の噴射に使用される一方で、第２の燃料噴射手段は、選択的に液体燃料の噴射に使用することができる。
【００１２】
より詳細には、本発明の実施例におけるガスタービンの燃焼器用の混合器は、それぞれ反対側に位置する上流端および下流端との間に延びる中心軸を有する本体部材によって構成される。中央チャンバが、本体部材内に形成されており、この中央チャンバは、円錐台状部分を含む。このチャンバは、本体の下流端から内側に延びてチャンバの開口端を形成するとともに、本体部材の内部で終端となってチャンバの底部を形成する。この底部の直径は、開口端の直径よりも小さい。本体部材内でかつチャンバの上流に円錐台状の環状部が形成される。この環状部は、小さい端部と大きい端部とを含む。この環状部は、その小さい端部でチャンバの底部と連通する。複数の上流側空気孔が、環状部および本体部材の外部と流体的に連通して環状部に空気流を導入するように、本体部材の上流端から内側に延びている。複数の中空のスポークが環状部内に径方向に延在するとともに、周方向に離間して配置される。各々の中空スポークは、空気と混合されるように環状部内に燃料を噴射する複数の第１の燃料孔を含み、これにより混合気が形成される。複数の下流側空気孔が、円錐台状部分および本体部材の外部と流体的に連通するように本体部材を通って延びており、混合気とさらに混合されるようにチャンバに空気流を導入する。
【００１３】
本体部材は、その上流端からチャンバの底部まで軸方向に延びて、チャンバに空気流を供給する中央通路を含むことが好ましい。この中央通路は、好ましくは、チャンバの底部に隣接する複数の第２の燃料噴射孔を含み、これらの第２の燃料噴射孔は、空気と混合されるように選択的に燃料を噴射する。上流および下流側空気孔は、角度をなすように方向づけられていることが好ましく、これにより、燃料と空気の混合を改善する空気の渦が形成される。
【００１４】
製造の都合上、本体部材は、チャンバと環状部の外側壁を構成する円錐台状のキャビティとを含む本体基部と、プレートとこのプレートから垂直に延在する円錐台状の中央部分とを含む本体先端部と、を有する。プレートは、本体部材の上流端を構成し、中央部分は、本体先端部と本体基部とを組み立てたときに環状部の内側壁を構成する。
【００１５】
本発明の混合器は、特に希薄な条件において、炎の安定性を増加させるように燃料と空気の混合を改善し、かつ製造しやすい。
【００１６】
本発明の他の利点および特徴は、以下の本発明の好適実施例を参照することでより明瞭に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の燃料と空気の混合器は、ガスタービンエンジンの燃焼器において第１段混合器および第２段混合器のいずれにも使用可能である。以下の実施例では、本発明の混合器を第２段混合器として使用しているが、これは、本発明の用途の一例を示すものであり、本発明の混合器を第１段混合器として使用するという本発明の他の用途を除外するものではない。
【００１８】
図面、特に図１を参照すると、符号１０として示されているガスタービンの燃焼アセンブリが、燃焼チャンバ１２を含んでいる。第１段混合器１４が、燃焼チャンバ１２の端部の中央入口に取り付けられており、燃焼チャンバ１２内に混合気を形成するように燃料と空気とを混合する。３つの第２段混合器２０が燃焼チャンバ１２にそれぞれ連結されており、これらの第２段混合器は、第１段混合器１４の下流で燃焼チャンバ１２の周囲に周方向に離間して配置されている。図では、第２段混合器２０が１つだけ示されている。
【００１９】
燃焼チャンバ１２は、本発明の一部ではない。第１段混合器１４は、図２を参照して詳細に説明する第２段混合器２０と同様の構成を有してもよい。しかし、図１に示す第１段混合器１４は、本出願人が有する２０００年１２月２２日出願の米国特許出願第０９／７４２，００９号、名称「拡散混合器」に開示された種類のものである。
【００２０】
第１段混合器１４の下流には、３つの第２段混合器２０が設けられている。各々の第２段混合器２０は、本体部材２２を含み、これは図２で最も明瞭に示されている。本体部材２２は、実質的に円筒形であり、それぞれ反対側に位置する上流端２６と下流端２８との間に延びる中心軸２４を有する。本体部材２２は、本体基部３０と本体先端部３２とを含む。
【００２１】
図２に示すように、本体基部３０の内部に中央チャンバ３４が形成されており、この中央チャンバ３４は、円錐台状部分３６と円筒形部分３８とを含む。中央チャンバ３４は、下流端２８から延びてその開口端４０を形成するとともに、本体基部の内部で終端となってその底部４２を形成する。チャンバ３４の底部４２の直径は、チャンバ３４の開口端４０の直径よりも小さい。
【００２２】
円錐台状のキャビティ４４が、中央チャンバ３４の上流側で本体基部に形成されている。円錐台状のキャビティ４４は、直径が大きい上流端４３と直径が小さい下流端４５とを有し、下流端４５の直径は、チャンバ３４の底部４２の直径と等しい。これにより、キャビティ４４の下流端４５とチャンバ３４の底部４２とは、滑らかに一体化して本体基部３０の内部でスロート構造を構成する。
【００２３】
本体先端部３２は、プレート４６と、プレート４６から垂直に突出するように延在する円錐台状の中央部分５０と、を含む。よって、本体基部３０に本体先端部３２を組み付けると、図２に示すように、本体基部３０と本体先端部３２との間に円錐台状の環状部４８が形成され、キャビティ４４は、環状部４８の外側壁を構成し、中央部分５０は、環状部４８の内側壁およびチャンバ３４の底部４２の中央部を構成する。本体先端部３２のプレート４６は、本体部材２２の上流端２６を構成する。
【００２４】
複数の中空のスポーク５２が、互いから周方向に離間した状態で環状部４８内に径方向に配置されている。各々のスポーク５２は、複数の燃料噴射孔５４を含み、かつ本体基部３０を通って延在するとともにガス状燃料の供給管路５８と流体的に連通する燃料通路５６と連通しており、これにより、混合器に供給されたガス状燃料が中空のスポーク５２を通って環状部４８内に噴射される。
【００２５】
複数の上流側空気孔６０が、プレート３２を通って上流端部２６から軸方向に延びており、これらの上流側空気孔６０は、環状部４８と連通しており、環状部４８内に噴射されたガス状燃料と混合される圧縮空気を環状部４８に供給して混合気を形成する。また、上流側空気孔６０は、環状部４８に対して周方向に向けられており、燃料と空気の均一な混合を促進する空気の渦を環状部４８内に形成する。複数の下流側空気孔６２が、チャンバ３４の底部４２に隣接してチャンバ３４の円錐台状部分３６に設けられている。下流側空気孔６２は、２列に配列されているとともに、各々の列において互いから周方向に離間されている。また、下流側空気孔６２は、本体基部３０を通って径方向でかつ周方向に延びており、チャンバ３４と基部部材２２の外部とを流体的に連通させる。これにより、追加の空気流が導入されるとともにチャンバ３４内に空気の渦が形成され、この空気流は、環状部４８内に形成される混合気と混合されてチャンバ３４へと下流方向に流れる。環状部４８の円錐台形状により、環状部４８内に形成された混合気用の通路の断面が下流方向で徐々に減少し、これにより、混合流の速度が増加する。混合気の速度が増加することで、下流側空気孔６２からの追加の空気流とのさらなる混合プロセスが改善され、より良好な混合結果が得られる。
【００２６】
本体先端部３２は、さらに上流端２６からチャンバ３４の底部４２まで軸方向に延びる中央通路６４を含み、この中央通路６４は、チャンバ３４に空気流を供給するためにチャンバ３４と連通している。中央通路６４は、チャンバ３４の底部４２に隣接する複数の燃料噴射孔６６を含み、これらの燃料噴射孔６６は、液体燃料供給源（図示省略）と流体的に連通するように本体先端部３２を通って延びており、中央通路６４内に選択的に液体燃料を噴射する。中央通路に噴射された液体燃料は、中央通路６４を通る空気流と混合されるとともにこの空気流によってチャンバ３４へと運ばれ、ここで液体燃料はさらに空気と混合される。このような構成では、図１に示す第２段混合器２０は、要求に応じて液体ガスと空気との混合物を燃焼チャンバ１２に提供するように設けられている。液体燃料は、図１に示す液体燃料管路７８を通って混合器２０に供給され、この液体燃料管路７８は、本体先端部３２に連結されているとともにその液体燃料噴射孔６６（図２参照）と連通している。
【００２７】
本体基部３０は、真鍮で形成されるとともに機械加工される。機械加工された本体基部３０には、中空のスポーク５２およびガス状燃料の管路５８が組み付けられる。本体先端部３２は、機械加工されてから本体基部アセンブリにボルト留めされる。しかし、本体先端部３２および本体基部３０の両方を鋳造することもできる。
【００２８】
図１に示すように、各々の第２段混合器２０は、空気管路７０を通して加圧空気供給源と連通する缶チャンバ６８を含み、空気管路７０には、３つの第２段混合器２０への空気流を制御するために蝶形弁７２が設けられている。蝶形弁７２は、他の種類の流量制御弁と交換可能であり、また、第２段混合器２０の１つへの空気供給をそれぞれ制御する３つの弁を設けてもよい。缶チャンバ６８は、缶チャンバ６８内の加圧された空気が中央通路６４および上流と下流側空気孔６０，６２にそれぞれ流入するように、第２段混合器２０の本体部材２２の主要部を密封して収容する。
【００２９】
各々の第２段混合器２０は、管路７４を通して燃焼チャンバ１２と流体的に連通している。管路７４は、一方の端部で本体部材３０の下流端に組み付けられており、他方の端部で適切な角度に曲げられて、好ましくは燃焼チャンバ１２に対して３０°の角度で燃焼チャンバ１２の円錐台状の端部７６に連結されている。これにより、管路７４から燃焼チャンバ１２に混合気が供給されるときに流体の渦が形成され、燃焼チャンバ内の燃焼反応が改善される。
【００３０】
本発明の上述の実施例の変更および改良は、当業者には明らかとなるであろう。上述の説明は、例示的であり、限定的ではない。従って、本発明の範囲は、請求項の範囲のみによって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の好適実施例に含まれるガスタービンの燃焼器の断面図である。
【図２】図１の実施例における混合器の本体部材の詳細を示す拡大断面図である。
【国際公開パンフレット】
2004534198.tif 000003
2004534198.tif 000004
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【国際調査報告】
2004534198.tif 000023
2004534198.tif 000024
2004534198.tif 000025