(57)【要約】【課題】ガスタービンシステム内における燃焼の温度を低減してＮＯｘエミッションの低減を容易にする改良型のシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】本発明の一実施形態に従って、燃焼器（１０）が提供される。燃焼器（１０）は、燃焼室（１４）、第１の空気流（２０）を第１の方向に燃焼室（１４）にもたらすようになされた第１の入口（２２）、燃料流（３４）を第１の方向に燃焼室（１４）にもたらすようになされた燃料制御装置（３２）、および対向空気流（２６）を第１の方向と概ね反対の第２の方向に燃焼室（１４）にもたらすようになされた対向入口（２８）を備え、第１の空気流（２０）および燃料流（３４）が、対向空気流（２６）と相互に作用して燃焼室（１４）内によどみ域（３８）を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室（１４）と、
第１の空気流（２０）を第１の方向に前記燃焼室（１４）に供給するよう構成された第１の入口（２２）と、
燃料流（３４）を前記第１の方向に前記燃焼室（１４）に供給するよう構成された燃料制御装置（３２）と、
対向空気流（２６）を、前記第１の方向と概ね反対の第２の方向に前記燃焼室（１４）に供給するよう構成された対向入口（２８）とを備え、
前記第１の空気流（２０）および前記燃料流（３４）が、前記対向空気流（２６）と相互に作用して前記燃焼室（１４）内によどみ域（３８）を形成する、
燃焼器（１０）。
【請求項２】
前記燃料制御装置（３２）が、対向燃料流（４２）を前記第２の方向に前記燃焼室（１４）にもたらすようになされる、請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項３】
前記対向空気流（２６）および前記対向燃料流（４２）が、前記燃焼室（１４）にもたらされる前に予混合される、請求項２記載の燃焼器（１０）。
【請求項４】
前記対向空気流（２６）および前記対向燃料流（４２）が、前記燃焼室（１４）にもたらされる前に部分的に予混合される、請求項２記載の燃焼器（１０）。
【請求項５】
前記対向空気流（２６）および前記対向燃料流（４２）が、前記燃焼室（１４）にもたらされる前に全体的に予混合される、請求項２記載の燃焼器（１０）。
【請求項６】
第１の空気流（２０）および燃料流（３４）を第１の方向に燃焼室（１４）内に噴射するステップ（４６）と、
対向空気流（２６）を前記第１の空気流（２０）とは反対方向に前記燃焼室（１４）内に噴射して前記燃焼室（１４）内によどみ域（３８）を形成するステップ（４８）
とを含む、燃焼室（１４）を動作させる方法（４４）。
【請求項７】
対向燃料流（４２）を前記第１の空気流（２０）とは反対方向に前記燃焼室（１４）内に噴射するステップを含む、請求項６記載の方法（４４）。
【請求項８】
前記対向空気流（２６）および前記対向燃料流（４２）を予混合するステップを含む、請求項７記載の方法（４４）。
【請求項９】
前記対向空気流（２６）および前記対向燃料流（４２）を部分的に予混合するステップを含む、請求項７記載の方法（４４）。
【請求項１０】
前記対向空気流（２６）および前記対向燃料流（４２）を全体的に予混合するステップを含む、請求項７記載の方法（４４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にガスタービン装置に関し、詳細には、燃焼器内に燃料および空気の対向流（ｏｐｐｏｓｅｄ  ｆｌｏｗ）をもたらすシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービン装置では、環境から空気を取り入れて燃料と混合し、その後点火して燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、例えば、機械要素の駆動または発電に使用することができる。従来のガスタービン装置は、一般に、３つの主要なシステムである圧縮機、燃焼器およびタービンを含む。圧縮機は、空気を加圧しそれを燃焼器に送る。燃焼器には圧縮空気および燃料が送達される。燃焼器に送達された燃料および空気は点火され、生じた燃焼ガスがタービンまたは他の機械的装置の作動に使用される。タービンの駆動に使用される場合、燃焼ガスは、タービンを横断して流れて、圧縮機に動力を供給しかついくつか例をあげると発電機を作動させるまたは航空機に動力を供給する出力を生成する軸を駆動する。
【０００３】
ガスタービンエンジンは、典型的には、長時間にわたって運転され、燃焼ガスからの排気エミッションは重大な関心事である。例えば、燃焼中、窒素と酸素が結合して窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成する。それらのＮＯｘエミッションは、しばしば法的限度規制を受け、一般的に好ましくない。従来から、ガスタービン装置は、燃空比を低減することによってＮＯｘエミッション量を低減させている。そうした装置は、しばしば希薄装置（ｌｅａｎ  ｄｅｖｉｃｅ）と呼ばれる。希薄装置は、燃焼室内の燃焼温度を低くし、その結果燃焼中に生成されるＮＯｘエミッション量を低減する。
【０００４】
米国のいくつかの地域では、天然ガス操業でのＮＯｘレベルをわずか１００万分の３（ｐｐｍ）に義務付けている。ガスタービンからのＮＯｘエミッションは、予混合される天然ガスの配合（ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）を使用して大幅に減少されてきた。予混合の度合いは、ＮＯｘ低減に強い影響を持つ。しかし、十分に予混合された火炎は不安定性が増し、定まり（ａｎｃｏｒ）難いことが証明されている。従来の予混合システムは、ＮＯｘエミッション目標または理論限界への到達が不十分であり、したがってアンモニア噴射によるＮＯｘの触媒脱硝（ＳＣＲ）が用いられてきた。ＳＣＲは、費用のかかる手法であり、燃焼システムの改良によりシステムを動作させる電気のコストなど運転費が低減されていた。合成ガスまたは水素によって作動されるシステムでは、拡散火炎が使用されてきた。というのも水素含有量に関連する火炎伝播速度が速いと予混合器内に逆火をもたらすことがあるからである。潜在的にＮＯｘエミッションを減らすように希釈剤が噴射口（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｔｉｐ）で加えられる。
【０００５】
天然ガスに加えて、燃焼器は、合成ガスまたは水素など他の燃料を使用することもできる。合成ガスは、火炎安定化および高い入口温度（ｆｉｒｉｎｇ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）でのエミッションの低減に問題がある。予混合された水素の燃焼は、逆火の危険の原因となり、典型的には予混合しなければかなりのＮＯｘが生成される。
【特許文献１】米国特許出願２００５／００５８９５９Ａ１
【特許文献２】米国特許第６，３１５，５５２号公報
【特許文献３】米国特許第６，３７１，７５４号公報
【特許文献４】米国特許第６，４３９，８８１号公報
【特許文献５】米国特許第６，４３９，８８２号公報
【特許文献６】米国特許第６，８６８，６７６号公報
【特許文献７】米国特許第６，７３５，９４９号公報
【特許文献８】米国特許第６，９３５，３２８号公報
【特許文献９】米国特許第６，９５１，１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、ガスタービンシステム内における燃焼の温度を低減してそうしたシステムからのＮＯｘエミッションの低減を容易にする改良型のシステムおよび方法の提供が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡単に言えば、本発明の一実施形態による燃焼器が提供される。燃焼器は、燃焼室、第１の空気流を第１の方向に燃焼室にもたらすようになされた第１の入口、燃料流を第１の方向に燃焼室にもたらすようになされた燃料制御装置、および対向空気流を第１の方向と概ね反対の第２の方向に燃焼室にもたらすようになされた対向入口を備え、第１の空気流および燃料流が、対向空気流と相互に作用して燃焼室内によどみ域を形成する。
【０００８】
本発明の例示的な一実施形態による燃焼室の動作方法も提供される。本方法は、第１の空気流および燃料流を第１の方向に燃焼室内に噴射すること、および対向空気流を第１の空気流とは反対方向に燃焼室内に噴射して燃焼室内によどみ域を形成することを含む。
【０００９】
本発明の上記その他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めばより良く理解されるであろう。複数の図面を通して同じ符合は同じ部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
前置きとして、以下の議論および添付の特許請求の範囲において「または」という言葉の定義は、包括的な「または」であるとする。「または」という言葉は、２つの相容れない選択肢を区別するものではない。むしろ、２つの要素の接続詞として用いられる場合の「または」という言葉は、一方の要素だけ、他方の要素だけならびにそれらの要素の組合せおよび並べ替えを含むとして定義される。例えば、術語「Ａ」または「Ｂ」を用いた論議または詳述は、「Ａ」だけ、「Ｂ」だけならびに「ＡＢ」および／または「ＢＡ」などそれらの任意の組合せを含む。
【００１１】
本発明の例示的な一実施形態によるフレキシブルな燃料燃焼器は、ＮＯｘエミッションおよびダイナミックスを低く維持しつつ、ガスタービン内で水素、天然ガスまたは合成ガスを燃焼させることができる。そうしたシステムは、燃料空気混合気の対向流を用いて空力的な火炎安定を作り出し、燃焼器内に非常に安定した火炎域を生じさせることができる。本発明の実施形態は、サイズがコンパクトであり、火炎のピーク温度を低く抑えて望ましくないＮＯｘエミッションの低減を助けることができる。
【００１２】
本発明の例示的な一実施形態において、燃焼器の火炎安定域は、バーナから離れている。燃焼プロセスによる反応物は、反応前に燃焼器内にある希釈剤リッチな生成物を同伴する。火炎は、よどみ域（ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ  ｚｏｎｅ）を作り出す超希薄燃料空気混合気の対向流によって空力的に安定化される。対向流はまたよどみ域近くの燃焼器壁部を冷却する。燃焼生成物は、バーナの方に流れ、次いでタービン高温部に流入する。
【００１３】
次に図面に移ると、図１は、本発明の例示的な一実施形態によるガスタービン装置の図である。図１において、ガスタービン装置は、全体的に、参照番号１０で示される。ガスタービン装置１０は、１つまたは複数の圧縮機段１２、燃焼器１４および１つまたは複数のタービン段１６を備える。圧縮機段１２は、第１の空気流室１８の形状に沿って第１の入口２２を通って燃焼器１４に流入するようになされた第１の空気流２０をもたらす。燃焼器１４は、対向空気流２６を収容する対向空気流室２４も含む。さらに、圧縮機段１２のアウトプットは、分割されて第１の空気流２０および対向空気流２６を形成する。図１に示される実施形態において、対向空気流２６は、対向入口２８を通って燃焼器１４に送達される。
【００１４】
燃料源３０は、燃料を燃料制御装置３２にもたらす。燃料制御装置３２は、第１の燃料流３４を第１の入口２２を通って燃焼器１４に送達する。第１の空気流２０および第１の燃料流３４は、部分的に予混合されることができる。第１の空気流２０および第１の燃料流３４は、燃料流を表す矢印３４によって示される第１の方向に燃焼器１４内に導かれる。対向空気流２６は、第１の空気流２０および第１の燃料流３４がたどる第１の方向と概ね反対の第２の方向に燃焼器１４に入る。
【００１５】
燃焼器１４内部において、第１の入口２２と対向入口２８との間には多孔板３６が配置されることができる。第１の空気流２０と対向空気流２６が向き合うことによって、燃焼器１４内によどみ域が作り出される。よどみ域は、反応／燃焼域と呼ばれることもあり、図１において参照番号３８で特定される。燃焼が起こるとき、この燃焼は、よどみ域３８付近で起こる傾向がある。
【００１６】
燃焼器１４内の空気燃料混合気は、点火されて矢印４０で示される燃焼ガス流が生成される。燃焼ガス流４０は、燃焼器１４を出てタービン段１６に送達される。燃焼プロセスによる反応物は、超希薄燃料空気混合気の流出流（ｅｆｆｕｓｉｏｎ  ｆｌｏｗ）とともに多孔板３６の方に導かれる。こうして作り出される噴流は、燃焼器の高温生成物を同伴する。燃料は、その噴流が高温燃焼生成物で非常によく希釈されるまで点火されない。これによって、予混合の必要なくして火炎のピーク温度およびＮＯｘ生成が低く抑えられる。よどみ域３８によって希薄状態における燃焼プロセスが安定化され、動的不安定性が低減される。
【００１７】
本発明の例示的な一実施形態は、希釈剤を使用せずに合成ガスと水素の燃焼を用いることができる。この手法によって、安定した燃焼域がもたらされ、システムにおけるダイナミックスが低減される。燃焼器の寸法を小さくし、ガスのピーク温度をより低くすることによって、燃焼器の冷却が低減されることができる。
【００１８】
図２は、本発明の例示的な一実施形態による燃焼器アセンブリの部分断面図である。図２に示される実施形態において、第１の空気流２０および第１の燃料流３４は、図２の左側から第１の入口２２を通って同軸方向に燃焼器１４に送達される。第１の空気流２０および第１の燃料流３４は、燃焼器１４を横断し燃焼による高温生成物を同伴する噴流を形成する。図２に示される実施形態において、対向空気流２６および対向燃料流４２を含む燃料ならびに空気の第２の噴流は、望ましくは予混合され、図２の右側に示される対向入口２８を通って燃焼器１４内に噴射される。対向空気流２６および対向燃料流４２の予混合は、全体または一部であってよい。対向入口２８は、右側壁部に多数の開口を含むことができる。
【００１９】
図２に示される実施形態において、第１の空気流２０および第１の燃料流３４は、システム可燃下限界より高い可燃性を示す。対向空気流２６および対向燃料流４２は、可燃下限界より低い可燃性を示す。左側から燃焼器１４に入る噴流の速度は比較的速い。よどみ制御圧ｐｓｃは、燃焼室１４内において、対向空気流２６が流入するポイントまわりであるが対向空気流２６が多孔板３６に衝突するポイントより前である領域の圧力と定義される。図２に示されるように、よどみ制御圧ｐｓｃは、よどみ域圧力ｐｓｔａｇｎａｔｉｏｎより大きい。燃焼器１４内部において、火炎は、２つの流れの間のよどみ領域内で安定し、高温生成物は、燃焼ガス流４０を表す矢印で示されるように左側にある開口の方に逆流する。図２に示される例示的な実施形態において、燃焼ガス流４０は、よどみ域３８から（矢印３４で示される）第１の方向に対して逆らうように燃焼室１４を出る。さらに、図２に示される例示的な実施形態において、燃焼ガス流４０の出口は（矢印３４で示される）第１の方向と共軸ではない。
【００２０】
対向燃料流は、燃料制御装置によってもたらされることができる（図１参照）。対向燃料流４２によって燃焼器１４内に噴射される燃料の量および速度は、可変であることが望ましい。これは燃焼器１４内における温度分布を均一にさせるように流体手段などで制御されることができる。流体制御において、流速に比例する流れ面積は、全域に例えば同じ入口を通るような第２の流れを導入することによって変えられる。そうしたやり方で対向空気流２６および／または対向燃料流４２の大きさを調整して燃焼室１４内のよどみ域を左方向に移動させることができる。このやり方でよどみ域を図２の右側から遠ざかるように移動させることによって、対向入口２８に隣接する燃焼器１４の右側壁部の温度が低くされ得ることが望ましい。
【００２１】
図３は、本発明の別の例示的な実施形態による燃焼器アセンブリの部分断面図である。図３に示される例示的な実施形態では、明確にするため、第１の燃料流３４および対向燃料流４２は省略する。燃焼器１４は、水平方向に対してθの角度で配置される。第１の入口２２および対向入口２８は、燃焼室１４内に外方に延びる。
【００２２】
θの値は、燃焼器１４の設計基準に応じて０〜９０度の範囲内であってよい。θが０度の場合、燃焼器は、空間内に延びすぎて実用的でないことがある。θが９０度の場合、流出ガスは、タービン段１６に向かうより直進的な経路を有することができる。
【００２３】
図４は、本発明のさらに別の例示的な実施形態による燃焼器アセンブリの部分断面図である。図４に示される実施形態において、第１の空気流２０は、比較的中央の位置から燃焼器１４に入る。燃焼ガス流４０は、矢印４０で示される、第１の入口２２の位置に対して径方向に移動した位置から燃焼器１４を出る。
【００２４】
図５は、本発明のさらに別の例示的な実施形態による燃焼器アセンブリの部分断面図である。図５に示される実施形態において、燃焼器１４は、角形シール（ｈｏｒｎ  ｓｅａｌ）４４でタービン段（図示せず）に連結される。角形シール４４によって保守のための燃焼室１４の取り外しが容易になることが当業者には明らかであろう。
【００２５】
図１を念頭において、図６は、本発明の例示的な一実施形態による燃焼器内に対向流を確立する例示的なプロセスを示す流れ図である。プロセスは、全体的に、参照番号４４で示される。ブロック４６で第１の空気流および燃料流が第１の方向に燃焼室内に噴射される。ブロック４８で対向空気流が第１の空気流および燃料流とは反対方向に燃焼室内に噴射されて燃焼室内によどみ域を形成する。さらに、第１の空気流および燃料流が対向空気流と相互に作用して燃焼室内に渦流を形成する。
【００２６】
本明細書では本発明のいくつかの特徴しか図示され説明されていないが、多くの修正および変更が当業者には思い付くであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内にあるすべてのそうした修正および変更を包合するものであると理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の例示的な一実施形態によるガスタービン装置の図である。
【図２】本発明の例示的な一実施形態による燃焼器アセンブリの部分断面図である。
【図３】本発明の別の例示的な実施形態による燃焼器アセンブリの部分断面図である。
【図４】本発明のさらに別の例示的な実施形態による燃焼器アセンブリの部分断面図である。
【図５】本発明のさらに別の例示的な実施形態による燃焼器アセンブリの部分断面図である。
【図６】本発明の例示的な一実施形態による燃焼器内に対向流を確立する例示的なプロセスの流れ図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  燃焼器
１２  圧縮機段
１４  燃焼室
１６  タービン段
１８  空気流室
２０  第１の空気流
２２  第１の入口
２４  対向空気流室
２６  対向空気流
２８  対向入口
３０  燃料源
３２  燃料制御装置
３４  第１の燃料流
３６  多孔板
３８  反応／燃焼域／よどみ域
４０  燃焼ガス流
４２  対向燃料流
【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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【外国語明細書】
2007155320000001.pdf