(57)【要約】【課題】受動空気−燃料混合プレチャンバを提供する。【解決手段】本ガスタービン燃焼システム受動空気−燃料混合プレチャンバ（１０）は、１つ又はそれ以上の燃料通路（２０）を含む。各燃料通路（２０）は、少なくとも１つの下流燃料噴射オリフィス（２２）を含む。１つ又はそれ以上の流体導管（１４）が、少なくとも１つの燃料通路の上流部分を１つ又はそれ以上の空気通路（１８）と連結して、各燃料噴射オリフィス（２２）にわたる圧力降下が、該１つ又はそれ以上の連結流体導管（１４）を通って流れる空気と混合しながら該燃料通路を通って流れる燃料の約１５０Ｂｔｕ／ｓｃｆ〜約９００Ｂｔｕ／ｓｃｆの広範囲の燃料低位発熱量（ＬＶＨ）にわたって対応する空気通路圧力降下と受動的にほぼ自動均等化される。対応する燃料及び空気通路（２０）、（１８）に対する各流体導管（１４）の有効面積は、所望の燃料ＬＨＶ作動範囲に応じて決まる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼システム受動空気−燃料混合プレチャンバ（１０）であって、
その各々が上流部分を備えかつ少なくとも１つの下流燃料噴射オリフィス（２２）をさらに備えた１つ又はそれ以上の燃料通路（２０）と、
その各々が上流燃料通路を１つ又はそれ以上の空気通路（１８）と連結した断面積を備えた１つ又はそれ以上の流体導管（１４）と、を含み、
前記流体導管断面積が、前記対応する燃料及び空気通路（２０）、（１８）の断面積に基づいておりかつ該対応する燃料及び空気通路（２０）、（１８）の断面積と比較して十分に大きくて、該燃料通路（２０）を通って流れる広範囲かつ可変範囲の発熱量及び従って体積流量を有する燃料を前記１つ又はそれ以上の連結流体導管（１４）を通って流れる空気と混合させながら対応する空気通路圧力降下と受動的にほぼ自動均等化された各連結燃料噴射オリフィス（２２）にわたる圧力降下を発生させる、
ガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【請求項２】
前記燃料通路（２０）、空気通路（１８）、流体導管（１４）及び燃料噴射オリフィス（２２）が、燃焼システムにおける音響摂動がほぼ比例した量で空気及び燃料流量の両方に影響を与えるように共に構成されて、燃料対空気流量比がほぼ一定に保持されるようになる、請求項１記載のガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【請求項３】
各連結燃料噴射オリフィス（２２）にわたる前記圧力降下が、前記燃料通路（２０）を通って流れる燃料を前記１つ又はそれ以上の連結流体導管（１４）を通って流れる空気と混合させて、各燃料噴射オリフィス（２２）を通る空気−燃料混合気ストリームの運動量フラックスを空気ストリームの運動量フラックスにほぼ一致した状態に維持しながら前記対応する空気通路（１８）圧力降下と受動的にほぼ自動均等化される、請求項１記載のガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【請求項４】
燃料混合気が、空気スワーラ（５８）の下流に設置された燃料ペグ内に設置された燃料噴射オリフィス（６４）を介して該プレチャンバ（１０）から流出する、請求項１記載のガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【請求項５】
燃料混合気が、空気スワーラ（６６）の後端縁部上に設置された燃料噴射オリフィス（６４）を介して該プレチャンバ（１０）から流出する、請求項１記載のガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【請求項６】
燃料混合気が、空気スワーラ（７８）の下流で予混合器の中心本体（７４）上に設置された燃料噴射オリフィス（７５）を介して該プレチャンバ（１０）から流出する、請求項１記載のガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【請求項７】
燃料混合気が、空気スワーラ（７８）の下流で予混合器（７６）の外周表面上に設置された燃料噴射オリフィスを介して該プレチャンバ（１０）から流出する、請求項１記載のガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【請求項８】
前記燃料通路が、２つ又はそれ以上の燃料プレナム（８２）、（８４）に連結され、また
各プレナム連結が、圧力降下を発生させかつガスタービン燃焼システムにおける複数の燃料予混合ノズル（８６）、（８８）に均等燃料分配を生じさせるようになった適当寸法のオリフィスを有する、
請求項１記載のガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【請求項９】
バッフルが、前記流体導管に隣接して該プレチャンバ内に設置されて、燃料が該流体導管を通ってその対応する空気通路内に流れるのをほぼ防止するようになる、請求項１記載のガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【請求項１０】
前記流体導管（９２）、（９４）が、流入空気流れに向けて上流に面した状態で対応する空気通路のよどみ領域内に設置されて、前記燃料通路内の圧力がほぼ該流入空気流れのよどみ点圧力であるようになる、請求項１記載のガスタービン燃焼システムプレチャンバ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービン燃焼システムに関し、より具体的には、ガスタービン燃焼システムにおいて広範な燃料自由度を可能にする受動空気−燃料混合プレチャンバに関する。
【背景技術】
【０００２】
希薄予混合燃焼システムにおける燃料自由度は、末端ユーザが天然ガス以外の各種の利用可能燃料源を使用することを望んでいるので、ガスタービンにおける重要な課題である。これらの様々な代替燃料は、異なる燃焼特性を有しておりまた季節可変の量及び組成で利用可能にすることができる。真の燃料自由度燃焼システムは、理想的には燃料制御設定の変更のみでそれらの変動に適応することができなければならない。
【０００３】
最も一般的には天然ガスであるガス燃料で作動する最新式ガスタービンは、政府規制で要求される低ＮＯｘエミッションレベルを効果的に達成するために、希薄予混合燃焼に依存している。燃料−空気予混合プロセスは一般的に、燃焼チャンバの直ぐ上流に設置された予混合器内で行なわれる。予混合器内では、燃料が、より大量の空気流れストリーム内に噴射される。燃料噴射は、多くの場合に直交流内噴流（ジェット・イン・クロスフロー）構成として行なわれるが、多くのその他の方式も利用できる。燃料は、流体流れ内の渦流構造体を通しての空気と混合される。
【０００４】
予混合プロセスは、幾つかの要因に敏感である。直交流内噴流混合のケースでは、噴流貫入は、主ストリーム流れに対する燃料噴流の運動量フラックス比率に非常に敏感である。噴流運動量フラックスが高過ぎる場合には、噴流は、主ストリーム流れ内に過剰貫入することになる。この強力な噴流は、空気通路内に傾斜燃料プロフィールを生じさせるだけでなく、噴流はまた、ブラフボディのように挙動して、予混合器内における望ましくない保炎発生箇所となる可能性がある強力な伴流領域を発生させる。逆に、噴流運動量フラックスが低過ぎる場合には、燃料は、その孔から少しずつ流出し、かつ主ストリーム流れ内に突入してここでも同様に傾斜燃料プロフィールを生じさせることはない。最終的には、予混合の不足により、平均値よりも高いまた低い燃料／空気比を有する領域が生じる。高燃料／空気比は、過度のＮＯｘ生成及び予混合器内への逆火の発生可能性の原因となり、また低燃料／空気比は、火炎前面の局所的消炎を引き起こすおそれがある。
【０００５】
燃料−空気予混合器は、ガスタービン条件の特定の設定においてまた特定の燃料特性を使用して作動するように設計される。１つの重要な燃料特性は、その燃料の単位ボリューム当たりのエネルギー含有量又は反応熱に等しい低位発熱量（ＬＨＶ）である。ＬＨＶが減少するにつれて、ガスタービンは、同一の出力を維持するために燃料のより大きい体積流量を必要とする。しかしながら、本明細書で説明する課題の幾つかの故に、予混合器は、特定のＬＨＶ値及び従って特定の体積流量あたりで最適化される。予混合器は、狭い範囲のＬＨＶにわたっては適度に良好に作動することができるが、燃料ＬＨＶが数パーセントよりも多く変化した場合には、予混合特性が悪化するおそれがある。加えて、固定オリフィスを通してより多くの体積流量が送給されると、燃料噴射を作動させるのに必要な圧力降下は、おおまかに体積流量の二乗で増大する。燃料圧力降下における大きな変化は、一部の燃焼ダイナミック音（燃焼騒音）における感度を増大させることが観察された。さらに、燃料圧力を増大させることは、付加的な燃料加圧設備の必要性を増大させ、従ってシステムにおける付加的なコスト及び性能低下を引き起こす。
【０００６】
最近では、広範な燃料自由度が、時として余分の燃料噴射回路を付加することによって達成される。一般的に、このことは、同時に圧力降下及び従って燃料送給圧力を増大させずに低ＬＨＶに関連した多くの体積流量を可能にするために必要とされる。あらゆる付加的燃料回路は、燃料間を切替えるためのまた回路が使用されていない時に該回路を空気又は不活性ガスでパージするための余分の制御装置を必要とする不利益がある。さらに、一般的な燃料噴射方策は、狭い範囲の燃料について設計されているので、任意の付加的な回路は、今や異なるＬＨＶに中心を置いた１つの付加的な狭い範囲の燃料で作動する能力を付加するだけである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，６０３，８４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上の説明に鑑みて、ガスタービン燃焼システムにおいて広範な燃料自由度を可能にし、従って単体構造の燃焼器ハードウェア内においてより広範囲の燃料能力をもたらして、希薄予混合広範燃料自由度ガスタービンに近付けるのを可能にする受動空気−燃料混合プレチャンバを提供することは利点があると言える。本プレチャンバは、１）予混合器内で受動補正されて、燃料体積流量における変化に合わせて圧力降下を調整しかつ制御すべきであり、２）燃料ＬＨＶにおける変動に対する燃料予混合プロセスの感度を低下させるべきであり、また３）広範囲の燃料にわたって適用する時に予混合器（燃料噴射）設計を最適化することができるようにすべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
つまり、本発明の１つの態様によると、ガスタービン燃焼システムにおいて広範な燃料自由度を可能にする受動空気−燃料混合プレチャンバを提供する。本プレチャンバは、その各々が上流部分を備えかつ少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを有する下流部分をさらに備えた１つ又はそれ以上の燃料通路と、その各々が上流部分燃料通路を１つ又はそれ以上の空気通路と連結した１つ又はそれ以上の流体導管とを含み、各燃料噴射オリフィスにわたる圧力降下が、１つ又はそれ以上の対応する流体導管を通って流れる空気と混合しながら該燃料通路を通って流れる燃料の約１５０Ｂｔｕ／ｓｃｆ〜約９００Ｂｔｕ／ｓｃｆの広範囲の燃料低位発熱量（ＬＶＨ）にわたって対応する空気通路圧力降下と自動均等化されるようになる。
【００１０】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】１つの実施形態による、空気−燃料混合プレチャンバを備えた燃料自由度予混合器を示す簡略図。
【図２】従来型の燃料−空気予混合器に対して１つの実施形態による燃料自由度予混合器を使用した場合における、燃料噴射器を通って流れる燃料の燃料ＬＨＶにおける変化に応答した空気−燃料混合プレチャンバ燃料噴射オリフィスにわたる圧力降下変化を示すグラフ。
【図３】従来型の燃料−空気予混合器に対して１つの実施形態による燃料自由度予混合器を使用した場合における、燃料噴射器を通って流れる燃料の燃料ＬＨＶにおける変化に応答した燃料噴射オリフィスを通る運動量フラックス比率変化を示すグラフ。
【図４】８倍を超える範囲にある燃料体積流量において一貫した予混合挙動を表す、広範囲の燃料流量における実験測定した予混合プロフィールを示すグラフ。
【図５】別の実施形態による、空気スワーラベーンの下流に設置された個別のペグを通して燃料が噴射されるようになった空気−燃料混合プレチャンバを備えた燃料自由度予混合器を示す簡略図。
【図６】さらに別の実施形態による、空気スワーラベーンの後端縁部から燃料が噴射されるようになった空気−燃料混合プレチャンバを備えた燃料自由度予混合器を示す簡略図。
【図７】さらに別の実施形態による、空気スワーラベーンの下流で中心本体及び／又はバーナチューブ表面から燃料が噴射されるようになった空気−燃料混合プレチャンバを備えた燃料自由度予混合器を示す簡略図。
【図８】受動空気−燃料混合プレチャンバに連結されかつその各々が燃焼システム内の複数の燃料−空気予混合ノズルに対して均等な燃料分配を生じさせるようになった適当寸法のプレオリフィスを有する１つよりも多い燃料プレナムを示す図。
【図９】空気流れ通路のよどみ領域内に設置された流体導管を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上記の図面の図は、幾つかの代替的な実施形態を表しているが、以下の説明において述べるように本発明のその他の実施形態もまた考えられる。全てのケースにおいて、本開示は、本発明の例示した実施形態を限定としてではなく説明として提示している。当業者には、多くのその他の変更形態及び実施形態を案出することができるが、それらもまた、本発明の原理の技術的範囲及び技術思想の範囲内に属する。
【００１３】
本明細書で説明する実施形態は、燃料噴射及び予混合プロセスが大きな範囲の燃料ＬＨＶ及び従って燃料体積流量にわたってより一貫しているのを可能にすることによってガスタービン燃焼システムにおける燃料自由度予混合の課題を解決するように機能する。ほぼ全てのガスタービン燃焼システム予混合器設計において、圧力降下が、空気流れ通路内で、一般的には１つ又はそれ以上のスワーラ、ベーン又はオリフィスにわたって発生する。１つの設計法では、燃料噴射オリフィスにわたる圧力降下は、空気側における圧力降下とおおまかに一致するように設計される。このようにして、燃焼システムにおけるあらゆる音響摂動が、空気及び燃料流れの両方に同様に影響を与え、従って燃料／空気比が、音響圧力変動にも拘わらず、幾分一定に保持される。しかしながら、強力発散ＬＶＨを有する新規燃料が導入される場合には、その他の効果のうちでも燃料噴射圧力降下における変化により、このシステムは、最早バランス状態ではなくなることになる。
【００１４】
図１は、１つの実施形態による、空気−燃料混合プレチャンバ１２を備えた燃料自由度予混合器１０を示す簡略図である。プレチャンバ１２は、空気通路１８の上流で燃料通路２０と連結して、空気及び燃料流れ１９、２１における圧力を自動均等化させる１つ又はそれ以上の流体導管１４を含む。１つの実施形態によると、流体導管１４は、１つ又はそれ以上のバッフル１５を含むことができる。このプロセスは、受動的に行なわれる。例えば、圧力がバランスしている時に低いＬＨＶの値で開始して、ＬＨＶが増大するにつれて、必要な燃料流れがより少なくなる。燃料オリフィス２２にわたる圧力降下が、減少し始める。このポイントにおいて、上流空気圧力は、燃料圧力よりも高くなり、また空気が流体導管１４を介してプレチャンバ１２内に流入し始めて、圧力降下が今一度均等化されるまでその流量が増大するようになる。流体相互連結部１４における有効面積並びに空気スワーラ２４、２６及び燃料オリフィス２２の有効面積に応じて、このプロセスは、対応する空気スワーラ２４、２６及び互いに比較的近接しかつ非常に広範囲の燃料ＬＨＶにわたっている対応する燃料オリフィス２２にわたる圧力降下を維持して、例えばＬＨＶが約１５０Ｂｔｕ／ｓｃｆから約９００Ｂｔｕ／ｓｃｆまで変化した時に僅か約２０％だけ異なるようにすることができる。各流体相互連結部における有効面積は、対応する燃料及び空気通路の特定の寸法、形状及び幾何学的特徴、並びに燃料ＬＨＶの所望の作動範囲を考慮することによって設計される。１つの実施形態によると、燃料オリフィス２２にわたる実圧力降下は、僅かに変化するだけであり、一般的な予混合器でのこの燃料範囲にわたる燃料圧力降下におけるほとんど１００倍の変化に比較して、同一の燃料範囲にわたり公称値の約４％〜約４０％だけ変化する。
【００１５】
図２は、従来型の燃料−空気予混合器に対して本明細書で説明する原理を用いた１つの実施形態による燃料自由度予混合器を使用した場合における、燃料噴射器を通って流れる燃料の燃料ＬＨＶにおける変化に応答した空気−燃料混合プレチャンバ燃料噴射オリフィスにわたる予測圧力降下を示すグラフである。それらの原理は、図１及び図５〜図９を参照して本明細書で説明する構造のような種々の燃料−空気混合器幾何学的寸法形状において正に容易に適応することができる。
【００１６】
本明細書で説明する燃料通路２０及び対応する空気通路１８間における流体連通は、燃料の受動修正を行なって、少なくとも燃料噴射及び混合の観点から該燃料を本明細書で述べたような広範囲の燃料ＬＨＶにわたり強制的に一貫して挙動させる。このことは、必要に応じて幾らかの空気を燃料と受動的に混合して、噴射オリフィス２２にわたる体積燃料混合気流量をほとんど一定に保つことによって達成される。噴射される燃料混合気は、時には純粋燃料（低ＬＨＶ燃料）であり、またある時にはリッチ燃料−空気混合気（高ＬＨＶ燃料）である。多くの低ＬＨＶ燃料は、それらのＮ２及び／又はＣＯ含有量のために空気に似た分子量を有する。従って、体積流量が安定して保たれるだけでなく、実際には燃料噴射オリフィス２２を通る質量流量及び従って運動量フラックスもまた、小さい変動の範囲内に保たれる。
【００１７】
図３は、従来型の燃料−空気予混合器に対して図１を参照して説明したような本明細書で説明する原理を用いた１つの実施形態による燃料自由度予混合器１０を使用した場合における、燃料噴射器を通って流れる燃料の燃料ＬＨＶにおける変化に応答した燃料噴射オリフィス２２を通る運動量フラックス比率（空気ストリームの運動量フラックスに対する燃料ストリームの運動量フラックス）における変化を示すグラフである。
【００１８】
図４は、図１を参照して説明したような本明細書で説明する原理を用いた１つの実施形態による燃料自由度予混合器１０を使用した実験データによる、燃料／空気混合の円周方向平均軸方向プロフィールを示すグラフである。燃料対空気の局所的質量比は、バルク平均燃料対空気比によって正規化されて、１．０の値が完全な混合を生じさせるようになる。この設計における燃料圧力降下及び運動量フラックス比率は、図２及び図３に示すように挙動する。ＬＨＶが約１５０Ｂｔｕ／ｓｃｆ〜約９００Ｂｔｕ／ｓｃｆであるような広範囲の燃料が同様の混合性能を達成することは、明らかである。この混合は、図に示すように燃料噴射オリフィス圧力降下における変化が限られている状態で達成される。
【００１９】
図５、図６、図７、図８及び図９は、本明細書で説明する原理を用いた燃料自由度予混合器の他の実施形態である。より具体的には、図５は、別の実施形態による空気−燃料混合プレチャンバ５２を備えた燃料自由度予混合器５０を示す簡略図であり、この予混合器５０では、空気スワーラベーン５８の下流に設置された個別のペグ５６を通して燃料混合気５４が噴射される。
【００２０】
図６は、さらに別の実施形態による空気−燃料混合プレチャンバ６２を備えた燃料自由度予混合器６０を示す簡略図であり、この予混合器６０では、空気スワーラベーン６６の後端縁部における燃料オリフィス６４から燃料混合気５４が噴射される。
【００２１】
図７は、さらに別の実施形態による空気−燃料混合プレチャンバ７２を備えた燃料自由度予混合器７０を示す簡略図であり、この予混合器７０では、空気スワーラベーン７８の下流で複数の燃料オリフィス７５を介して中心本体７４及び／又はバーナチューブ表面７６から燃料混合気５４が噴射される。
【００２２】
図８は、さらに別の実施形態による燃料自由度予混合器８０を示す図である。燃料自由度予混合器８０は、受動空気−燃料混合プレチャンバ８７に連結されかつその各々が燃焼システム内の複数の燃料−空気予混合ノズルに対して均等な燃料分配を生じさせるようになった適当寸法のプレオリフィス８６、８８を有する１つよりも多い燃料プレナム８２、８４を含む。
【００２３】
図９は、さらに別の実施形態による燃料自由度予混合器９０を示す図である。燃料自由度予混合器９０は、空気流れ通路９６のよどみ領域内に設置された流体導管９２、９４を含む。
【００２４】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２５】
１０  燃料自由度予混合器
１２  プレチャンバ
１４  流体導管
１５  バッフル
１８  空気通路
１９  空気流れ
２０  燃料通路
２１  燃料流れ
２２  燃料オリフィス
２４  空気スワーラ
２６  空気スワーラ
５０  燃料自由度予混合器
５２  空気−燃料混合プレチャンバ
５４  燃料混合気
５６  ペグ
５８  空気スワーラベーン
６０  燃料自由度予混合器
６２  空気−燃料混合プレチャンバ
６４  燃料オリフィス
６６  空気スワーラベーン
７０  燃料自由度予混合器
７２  空気−燃料プレチャンバ
７４  中心本体
７５  燃料オリフィス
７６  バーナチューブ表面
７８  空気スワーラベーン
８０  燃料自由度予混合器
８２  燃料プレナム
８４  燃料プレナム
８６  プレナムプレオリフィス
８７  空気−燃料混合プレチャンバ
８８  プレナムプレオリフィス
８９  燃料−空気予混合ノズル
９０  燃料自由度予混合器
９２  流体導管
９４  流体導管
【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】
2012127639.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012127639.tif 000011
【外国語明細書】
2012127639000001.pdf