(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼チャンバ内の動的圧力変動を緩和するための燃焼カートリッジを提供する。【解決手段】本燃焼器２０は、管状内側壁６１を有する中心本体６０と、管状内側壁６１内に配置されて、その外側表面７１及び該管状内側壁６１間に外側環状空間７５をまた開放端部７７及び該開放端部７７と対向する閉鎖端部７８を有する内側環状空間７６を形成したカートリッジ７０と、外側環状空間７５内に配置されて、開放端部７７に近接してカートリッジ７０を囲みかつ環状前方部分及び部分的環状後方部分を有する本体を備えたインサート８０とを含み、部分的環状後方部分は、それによって外側環状空間７５の長手方向軸線とほぼ整列した長手方向軸線を有する陥凹トラック１２０を形成する。【選択図】図１
2012149642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状内側壁（６１）を有する中心本体（６０）と、
前記管状内側壁（６１）内に配置されて、その外側表面（７１）及び該管状内側壁（６１）間に外側環状空間（７５）をまた開放端部（７７）及び該開放端部（７７）と対向する閉鎖端部（７８）を有する内側環状空間（７６）を形成したカートリッジ（７０）と、
前記外側環状空間（７５）内に配置されて、前記開放端部（７７）に近接して前記カートリッジ（７０）を囲みかつ環状前方部分（１１０）及び部分的環状後方部分（１１１）を有する本体（１００）を備えたインサート（８０）と
を備える燃焼器（２０）であって、前記部分的環状後方部分（１１１）が、それによって前記外側環状空間（７５）の長手方向軸線とほぼ整列した長手方向軸線を有する陥凹トラック（１２０）を形成する、燃焼器（２０）。
【請求項２】
前記トラック（１２０）の長手方向長さが、前記外側環状空間（７５）の長手方向軸線と平行である、請求項１記載の燃焼器（２０）。
【請求項３】
前記内側環状空間（７６）が、前記開放端部（７７）を通してパージ空気供給を受ける、請求項１記載の燃焼器（２０）。
【請求項４】
前記トラック（１２０）及び外側環状空間（７５）が、拡散燃料供給又はパージ空気供給を受ける、請求項１記載の燃焼器（２０）。
【請求項５】
前記燃料供給又はパージ空気供給が、前記トラック（１２０）において半径方向内向きに噴射される、請求項４記載の燃焼器（２０）。
【請求項６】
前記カートリッジ（７０）が、前記閉鎖端部（７８）に複数の貫通孔（１３１）を形成するようにさらに構成され、少なくともカートリッジボリューム、フランジ側面における絞り上流孔及び前記貫通孔（１３１）が、前記カートリッジが燃焼器圧力変動による音響変動を減衰させるのを可能にする、請求項１記載の燃焼器（２０）。
【請求項７】
前記本体（１００）の後方部分（１１１）が、環状面（１１２）、陥凹面（１１３）及び端部面（１１４）を含んでおり、前記陥凹面（１１３）が、前記トラック（１２０）において前記端部面（１１４）から長手方向に陥凹し、前記環状面（１１２）が、前記インサート（８０）の外側表面から前記カートリッジ（７０）の外側表面まで半径方向に延び、前記陥凹面（１１３）が、拡散燃料流れを部分的に阻止しかつ動的圧力変動に対する前記外側環状空間の音響応答を変化させる、請求項１記載の燃焼器（２０）。
【請求項８】
前記インサート（８０）がヘッド部分（１４０）をさらに含んでおり、前記ヘッド部分が、前記中心本体（６０）と連結可能であるフランジ（１４１）と、パージ空気回路と連結可能であるノズル（１４２）とを含む、請求項１記載の燃焼器（２０）。
【請求項９】
燃焼器（２０）と、
前記燃焼器（２０）の上流におけるヘッド端部に配置されかつ共通中心軸線の周りに配列された複数のノズル（３０）と、
を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、各ノズル（３０）が、
その中に配置されてそれとの間に外側環状空間（７５）をまた開放端部（７７）及び該開放端部（７７）と対向する閉鎖端部（７８）を内部に有する内側環状空間（７６）を形成したカートリッジ（７０）を備えた中心本体（６０）と、
前記外側環状空間（７５）内に配置されて、前記開放端部（７７）に近接して前記カートリッジ（７０）を囲みかつ環状前方部分（１１０）及び部分的環状後方部分（１１１）を有する本体（１００）を備えたインサート（８０）と
を含んでいて、前記部分的環状後方部分（１１１）が、それによって前記外側環状空間（７５）の長手方向軸線及び前記共通中心軸線とほぼ整列した長手方向軸線を有する陥凹トラック（１２０）を形成する、ガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１０】
第１のモード、第２のモード及び第３のモードを含む複数燃焼モードで運転可能である、請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、燃焼ダイナミックスを緩和するための燃焼カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来型のガスタービンエンジンでは、燃料及びガスの混合気を燃焼させ、かつその燃焼により発生させた高エネルギー流体を動力の発生及び発電に使用する。そのような燃焼の副生成物は、大気内又はその中に配置されたその他内に排出される。いずれのケースでも、それらの副生成物内における特定の汚染物質の量を制限することが次第に必要となってきている。具体的には、局地的及び国家的汚染物質規制に適合するように窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）のエミッションを大幅に低減させることが必要となることが多い。
【０００３】
近年では、ガスタービンエンジンは、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器、乾式低エミッション（ＤＬＥ）燃焼器又は希薄予混合（ＬＰＭ）燃焼システムを使用して、ＮＯｘ低減を達成することができる。これらのオプションには、完全予混合運転モード時に希薄燃料空気混合気（例えば、０．５８〜０．６５の当量比を有する）を使用して、ＮＯｘ及びＣＯエミッションを低減させることが含まれる。
【０００４】
しかしながら、それらの燃焼器はそのような希薄燃料／空気（ｆ／ａ）比で作動するので、速度変動における比較的小さい変化により、質量流量及び燃料空気変動における比較的大きな変化が生じる可能性がある。これらの変動は、熱放出量における大きな変動を引き起こす可能性があり、また燃焼チャンバ内に高圧力変動を引き起こす可能性がある。それと同時に、チャンバ音響間の相互作用、燃料／空気変動、渦流火炎相互作用及び不安定熱放出量により、燃焼システム内に動的圧力変動を引き起こすフィードバックループ機構を生じる可能性がある。この圧力変動の現象は、熱音響又は燃焼ダイナミックス不安定性、或いはより一般的には燃焼ダイナミックスと呼ばれ、この現象は、少なくともＤＬＮ燃焼器において主要な問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７４６４５５２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によると、燃焼器を提供し、本燃焼器は、管状内側壁を有する中心本体と、管状内側壁内に配置されて、その外側表面及び該管状内側壁間に外側環状空間をまた開放端部及び該開放端部と対向する閉鎖端部を有する内側環状空間を形成したカートリッジと、外側環状空間内に配置されて、開放端部に近接してカートリッジを囲みかつ環状前方部分及び部分的環状後方部分を有する本体を備えたインサートとを含み、部分的環状後方部分は、それによって外側環状空間の長手方向軸線とほぼ整列した長手方向軸線を有する陥凹トラックを形成する。
【０００７】
本発明の１つの態様によると、各ノズルが共通中心軸線の周りに配列された複数のノズル構成を有する乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器を提供し、本ＤＬＮ燃焼器は、管状内側壁を有する中心本体と、管状内側壁内に配置されて、その外側表面及び該管状内側壁間に外側環状空間をまた開放端部及び該開放端部と対向する閉鎖端部を有する内側環状空間を形成したカートリッジと、外側環状空間内に配置されて、開放端部に近接してカートリッジを囲みかつ環状前方部分及び部分的環状後方部分を有する本体を備えたインサートとを含み、部分的環状後方部分は、それによって外側環状空間の長手方向軸線及び共通中心軸線とほぼ整列した長手方向軸線を有する陥凹トラックを形成する。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンエンジンを提供し、本ガスタービンは、燃焼器と、燃焼器の上流におけるヘッド端部に配置されかつ共通中心軸線の周りに配列された複数のノズルとを含み、各ノズルは、その中に配置されてそれとの間に外側環状空間をまた開放端部及び該開放端部と対向する閉鎖端部を内部に有する内側環状空間を形成したカートリッジを備えた中心本体と、外側環状空間内に配置されて、開放端部に近接してカートリッジを囲みかつ環状前方部分及び部分的環状後方部分を有する本体を備えたインサートとを含み、部分的環状後方部分は、それによって外側環状空間の長手方向軸線及び共通中心軸線とほぼ整列した長手方向軸線を有する陥凹トラックを形成する。
【０００９】
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃焼器の側面図。
【図２】図１の燃焼器におけるインサートの斜視図。
【図３】図１の燃焼器のカートリッジの端部の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１３】
図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０を示しており、ガスタービンエンジン１０は、その中で動力及び電力のために燃焼させる乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器のような燃焼器２０と、複数のデュアル燃料両用燃料ノズル３０とを含む。燃焼器２０は、それを貫通して予混合通路２２１が形成されたシュラウド２１及び壁２２を含む。複数のノズル３０は、燃焼器２０の燃焼ゾーンの上流に位置する軸方向位置において、ガスタービンエンジン１０のヘッド端部に配置される。この軸方向位置において、複数のノズル３０は、共通中心軸線の周りに配列される。
【００１４】
各ノズル３０は、シュラウド２１の長さによって形成されて、スワーラベーン及び燃料スポーク並びに該シュラウド２１内に配置された中心本体６０により気体状燃料及び燃焼空気を混合する予混合器を含む。中心本体６０は、管状形状内側壁６１、該中心本体６０に収容されて液体燃料作動モードにおいて液体燃料流れを可能にしまたガス専用燃料モードにおけるパージ空気流れ及び無液体を可能にするオイルカートリッジ７０、並びにインサート８０を有する。カートリッジ７０は、管状内側壁６１内に配置されて該カートリッジ７０の外側表面７１及び管状内側壁６１間に外側環状空間７５を形成する。カートリッジ７０は、ほぼ管状形状であり、ガス専用構造のために中空にすることができ、かつデュアル燃料ノズル構造のための液体燃料噴射器を収容することができる。
【００１５】
燃焼器２０のようなＤＬＮ燃焼器の作動には、様々燃焼モードが含まれ、１つのモードでは、燃料を空気と混合させないで燃焼ゾーン内に燃料を直接噴射することによって燃焼空気と非予混合燃料を燃焼させる（「燃焼モード１」）。別のモードでは、燃焼器２０は、燃料ノズル３０のバーナチューブに設けられた予混合通路内に燃料スポークにより気体状燃料を噴射することによって、燃焼器２０に流入するのに先立って燃焼空気と予混合される燃料を燃焼させる（「燃焼モード２」）。さらに別のモードでは、燃焼器２０は、拡散モードによる燃料の一部及び予混合モードにおける燃料の残部を燃焼させる（「燃焼モード３」）。
【００１６】
つまり、燃焼モード１又はモード３では、カートリッジ７０はさらに、開放端部７７及び該開放端部７７と対向する絞り端部７８を有する内側管状空間７６を形成し、かつガス専用燃料ノズル設計のためのパージ空気を包含するような中空である。幾つかのケースでは、内側管状空間７６は、中空でないようにすることができ、かつ液体燃料噴射器を収容することができる。インサート８０は、開放端部７７に近接した軸方向位置において外側環状空間内に配置され、また拡散燃料流れに対する部分的遮断として作用しかつ燃焼器２０の高温側から伝達された動的圧力変動に対する外側環状空間７５の音響応答を変化させる。
【００１７】
パージ空気回路９０は、カートリッジ７０の開放端部７７と流体連通していて、ガス専用状態のような第１の所定の運転条件時に該カートリッジ７０にパージ空気を送給する。従って、内側環状空間７６は、開放端部７７を通してパージ空気供給を受ける。対照的に、外側環状空間７５は、該外側環状空間７５と流体連通した燃料／空気回路９５を通して拡散燃料のような燃料供給及び／又はパージ空気供給を受ける。図１に示すように、燃料／空気回路９５は、外側環状空間に対して少なくとも半径方向内向き配向方向９５０に拡散燃料及び／又はパージ空気を送給する。これは、ガス専用運転並びに燃焼モード１、２及び３において有効である。
【００１８】
図２を参照すると、インサート８０は、カートリッジ７０を比較的緊密に囲むような寸法になった本体１００を含み、カートリッジ７０は、本体１００よりも僅かに狭くなっている。本体１００は、その前方部分１１０においてほぼ管状でありまたその後方部分１１１において部分的にのみ管状である。その部分的管状化により、後方部分１１１にトラック１２０が形成される。つまり、後方部分１１１において、本体１００は、円周方向円弧長さＬAに沿ってほぼ管状であるが、円周方向円弧長さＬA2にわたって延びていない。円周方向円弧長さＬA2は、トラック１２０が大きな流れ絞りを形成しかつ燃焼ダイナミックスに対する音響応答を調整するように調整することができるように設けられる。トラック１２０の長方方向長さＬは、外側環状空間７５の長手方向軸線とほぼ整列しかつ幾つかのケースでは該長手方向軸線と平行になっている。これは、流れに対する部分的遮断を達成する１つの例示的実施例である。
【００１９】
図２に示すように、本体１００は、それらの各々が該本体１００の厚さに対応する厚さＴを有する管状面１１２、長手方向陥凹面１１３及び端部面１１４を含む。端部面１１４及び長手方向陥凹面１１３は各々、後方方向に面し、また長手方向陥凹面１１３の平面は、端部面１１４の平面から長手方向に陥凹して、それにより長手方向範囲の陥凹トラック１２０を形成する。管状面１１２は、インサート８０の外側表面からカートリッジ７０の外側表面７１まで半径方向に延びる。
【００２０】
カートリッジ７０の周りで外側環状空間５内に設けられたインサート８０の場合には、外側環状空間７５に供給される拡散燃料及び／又はパージ空気は、トラック１２０において半径方向内向き配向で該外側環状空間７５に送給され、かつ次にトラック１２０の形状に従って軸方向後方に導かれる。従って、噴射音響圧力変動は、燃焼器の所定の共振周波数に従って減衰又は共鳴させて、それにより対象周波数の圧力変動を吸収しかつ／或いは音響圧力から熱放出変動を切離して、燃焼ダイナミックス緩和を生じさせることができる。
【００２１】
具体的には、インサート８０は、燃料／空気回路９５の端部に近接して配置されて、該燃料／空気回路９５による燃料及び／又はパージ空気の半径方向内向き送給がトラック１２０に向けて導かれるようにすることができるので、それによる拡散火炎面において反応することになりかつ拡散火炎変動を受ける流入拡散燃料の送給は、音響応答により堅固にする／柔らげる又は脱調させて、拡散火炎変動を減少させかつガスタービンエンジン１０における燃焼ダイナミックク緩和をもたらすことができる。
【００２２】
さらに別の実施形態によるとまた図３を参照すると、燃焼ダイナミックス緩和は、カートリッジ７０内部ボリューム、上流及び下流フィード孔の数、並びにそれらフィード孔の直径及びネック部長さの更なる変更によって達成することができる。カートリッジ７０内部ボリューム、フランジ側面における開放端部７８に近接した絞り上流フィード孔、及びヘッドシールド側面における閉鎖端部７８に近接した音響的開放下流フィード孔により、カートリッジ７０が、燃焼器圧力変動による音響変動を減衰させる四分の一波長のチューブとして作用することが可能になる。具体的に、内側環状空間７６の閉鎖端部７８に配置されたカートリッジ７０の熱シールド１３０は、それを通して圧縮機２０及びノズル先端が流体連通した複数貫通孔１３１を形成するように構成することができる。カートリッジ７０の中心線の周りにおける卵形配列として、最大２０個又はそれ以上の貫通孔１３１を配置することができる。各貫通孔１３１は、ほぼ直線状としかつカートリッジ７０の長手方向軸線と整列させることができる。
【００２３】
上記した様々な実施形態は、単独で或いは互いに組合せて使用することができる。例えば、燃焼モード１の拡散燃料タービン運転時には、インサート８０を通って流れる燃焼燃料は、燃焼ダイナミックス緩和するために各ノズル３０内において使用される拡散燃料となる。燃焼モード３運転の場合には、インサート８０は、ノズル３０の少なくとも１つに付加的貫通孔１３１が設けられた状態で各ノズル３０内において使用される。パイロット予混合（ＰＰＭ）運転の場合には、インサート８０及び付加的貫通孔１３１は、各ノズル３０に設けられることになり、また予混合燃焼運転モード２の場合には、付加的貫通孔１３１のみが、燃焼ダイナミックス緩和するためにノズル３０の各々において使用される。
【００２４】
図２に戻って参照すると、インサート８０はさらに、ヘッド部分１４０を含む。ヘッド部分１４０は、それによってインサート８０が中心本体６０及びノズル１４２と連結可能であるフランジ１４１を含む。ノズル１４２は、内側環状空間７６に対してパージ空気を送給可能にするように、パージ空気回路９０と連結可能である。
【００２５】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２６】
１０  ガスタービン
２０  燃焼器
２１  シュラウド
２２  壁
２２１  予混合通路
３０  燃料ノズル
６０  中心本体
７０  オイルカートリッジ
７１  外側表面
７５  環状空間
７６  内側環状空間
７７  開放端部
７８  絞り端部
８０  インサート
９０  パージ空気回路
９５  燃料／空気回路
９５０  方向
１００  本体
１１０  前方部分
１１１  後方部分
１１２  管状面
１１３  長手方向嵌凹面
１１４  端部面
１２０  トラック
１３０  ヘッドシールド
１３１  貫通孔
１４０  ヘッド部分
１４１  フランジ
１４２  ノズル
【図１】
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【図２】
2012149642.tif 000004
【図３】
2012149642.tif 000005
【外国語明細書】
2012149642000001.pdf