(57)【要約】【課題】熱効率が向上し、ＮＯXおよびＣＯの排気が低減する、高い焼成温度を可能にするガスタービンエンジン用燃焼器を提供すること。【解決手段】微量噴出口による逆流燃焼器がＮＯXの排出を低減するために使用される。燃焼器は、燃焼室の頭部端に配置されているノズルを有する。ノズルは、燃料および酸化剤混合流を燃焼室内に注入するための複数の噴出口を含む。燃焼ライナはノズルの一方の側面上の外筒内に配置され、プレナム室はノズルの他方の側面上に配置されて、燃料および酸化剤の流入を提供するように構成されている。ノズルおよび燃焼ライナが、燃料および酸化剤混合流を高い速度比で燃焼ライナ内に流入させるようにサイズ調整され、成形されており、燃焼ライナ内の乱流を増加させ、燃焼排気を低減するために、噴射速度が燃焼ライナ内の燃焼平均速度よりも速い。【選択図】図１
2013156008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向の軸を有する外筒（１２）と、
複数の燃料および酸化剤噴出口（２６）がその中に形成されている、前記長手方向の軸に沿って前記外筒（１２）に連結されたノズル（１３）と、
外筒（１２）内に、前記ノズル（１３）の一方の側面上に形成されている燃焼ライナ（２２）と、
外筒（１２）内に、前記ノズル（１３）の他方の側面上に形成されており、燃料および酸化剤の流入（２７）を提供するように構成されているプレナム室（１８）と
を備える燃焼器（１０）であって、
前記ノズル（１３）および前記燃焼ライナ（２２）が、燃料および酸化剤混合流（２８）を高い速度比で前記燃焼ライナ（２２）内に流入させるようにサイズ調整され、成形されており、前記燃焼ライナ（２２）内の乱流を増加させ、燃焼排気を低減するために噴射速度が前記燃焼ライナ（２２）内の燃焼平均速度よりも速い、燃焼器（１０）。
【請求項２】
前記ノズル（１３）が穴の開いたプレート（１４）である、請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項３】
前記燃焼ライナ（２２）内の前記乱流の増加が燃焼炎の長さを減少させる、請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項４】
前記燃焼ライナ（２２）内の前記乱流の増加が、燃焼排気を減少させる、請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項５】
前記燃焼ライナ（２２）内の前記乱流の増加が、火炎前面の燃焼生成物の一部を混合する、請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項６】
前記外筒（１２）と前記燃焼ライナ（２２）との間に配置されている冷却スリーブ（２０）をさらに備える、請求項１記載の燃焼器（１０）。
【請求項７】
燃焼器（１０）内の燃焼排気を低減する方法であって、
長手方向の軸を有する外筒（１２）を用意するステップと、
複数の燃料および酸化剤噴出口（２６）がその中に形成されているノズル（１３）を、前記長手方向の軸に沿って前記外筒（１２）に連結するステップと、
外筒（１２）内に、前記ノズル（１３）の一方の側面上に燃焼ライナ（２２）を配置するステップと、
前記ノズル（１３）の他方の側面上に、燃料および酸化剤の流入（２７）を提供するように構成されているプレナム室（１８）を配置するステップと
を含み、
前記ノズル（１３）および前記燃焼ライナ（２２）が、燃料および酸化剤混合流（２８）を高い速度比で前記燃焼ライナ（２２）内に流入させるようにサイズ調整され、成形されており、前記燃焼ライナ（２２）内の乱流を増加させ、燃焼排気を低減するために噴射速度が前記燃焼ライナ（２２）内の燃焼平均速度よりも速い、方法。
【請求項８】
前記燃焼ライナ（２２）内の乱流の増加が、燃焼炎の長さ、および燃焼排気を減少させる、請求項７記載の燃焼器（１０）内の燃焼排気を低減する方法。
【請求項９】
前記燃焼ライナ（２２）内の乱流の増加が、火炎前面の燃焼生成物の一部を混合する、請求項７記載の燃焼器（１０）内の燃焼排気を低減する方法。
【請求項１０】
前記外筒（１２）と前記燃焼ライナ（２２）との間に冷却スリーブ（２０）を配置するステップをさらに含む、請求項７記載の燃焼器（１０）内の燃焼排気を低減する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に提示する実施形態は、一般には、ガスタービン用燃焼器に関し、より詳細には、窒素酸化物（ＮＯX）排出量を低減するためにサイズ調整され、成形された燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に説明すると、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機、圧縮済み空気を燃料と混合し、その混合物に点火するための燃焼器、および動力を生成するためのタービン動翼組立体を備える。周知のタービンエンジンは、非常に複雑で精巧な装置に発達してきた。
【０００３】
ガスタービン内の温度が高くなると、高い熱効率の機械作動がもたらされるということはよく知られている。周知のガスタービンエンジンについて問題となっているのは、好ましくない空気排出を生成せずに、高い熱効率での作動を促進することである。ガスタービンエンジンによって通常、生成される主要な空気排出には、窒素酸化物（ＮＯX）および一酸化炭素（ＣＯ）が含まれる。ＮＯXは温度に依存し、したがって、高い焼成温度が要求される場合、最も大きい課題である。多くの燃焼技術が、ＮＯXおよびＣＯを一桁の数字に削減するために提案されてきたが、３１５０°Ｆに近い高い焼成温度ではそれを達成していない。高い焼成温度は高い熱効率を意味し、言い換えると、全体的な排気量が低減される（生成される単位動力当たり燃焼する燃料が減少する）ということになる。
【０００４】
ＮＯXおよびＣＯを低減するように試みてきた従来の燃焼技術には、よどみ点逆流燃焼器（ＳＰＲＦＣ：ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ  ｐｏｉｎｔ  ｒｅｖｅｒｓｅ  ｆｌｏｗ  ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）、無火炎酸化燃焼器（ＦＬＯＸＣＯＭ：ｆｌａｍｅｌｅｓｓ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）および次世代型渦燃焼器（ＡＶＣ：ａｄｖａｎｃｅｄ  ｖｏｒｔｅｘ  ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）が含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８０２８５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、熱効率が向上し、ＮＯXおよびＣＯの排気が低減する、高い焼成温度を可能にするガスタービンエンジン用燃焼器が求められている。ガスタービンエンジンの信頼性、効率および性能を維持または改良しながら、排気出力を低減させることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一例示的実施形態によれば、長手方向の軸を有する外筒と、長手方向の軸に沿って外筒に連結されているノズルと、外筒内で、ノズルの一方の側面上に形成されている燃焼ライナと、外筒内で、ノズルの他方の側面上に形成されており、燃料および酸化剤の流入を提供するように構成されているプレナム室とを備える燃焼器が開示される。ノズルは、その中に形成される複数の燃料および酸化剤噴出口を含む。ノズルおよび燃焼ライナが、燃料および酸化剤混合流を高い速度比で燃焼室内に流入させるようにサイズ調整され、成形されており、燃焼ライナ内の乱流を増加させ、燃焼排気を低減するために、噴射速度が燃焼ライナ内の燃焼平均速度よりも速い。
【０００８】
別の例示的実施形態によれば、長手方向の軸を有する外筒と、外筒内に配置されている冷却スリーブと、長手方向の軸に沿って中間の位置で外筒に連結されている穴の開いたプレートと、冷却スリーブ内、およびプレートの一方の側面上に配置されている燃焼ライナと、プレートの他方の側面上に形成されており、燃料および酸化剤の流入を提供するように構成されているプレナム室とを備える燃焼器が開示される。穴の開いたプレートは、その中に形成される複数の燃料および酸化剤噴出口を含む。プレートおよび燃焼ライナが、燃料および酸化剤混合流を高い速度比で燃焼室内に流入させるようにサイズ調整され、成形されており、燃焼ライナ内の乱流を増加させ、燃焼排気を低減するために、噴射速度が燃焼ライナ内の燃焼平均速度よりも速い。
【０００９】
別の例示的実施形態によれば、燃焼器内の燃焼排気を低減する方法が開示される。その方法は、長手方向の軸を有する外筒を用意するステップと、長手方向の軸に沿って外筒にノズルを連結するステップと、外筒内で、ノズルの一方の側面上に燃焼ライナを配置するステップと、ノズルの他方の側面上に、燃料および酸化剤の流入を提供するように構成されているプレナム室を配置するステップとを含む。ノズルは、その中に形成される複数の燃料および酸化剤噴出口を含む。ノズルおよび燃焼ライナが、燃料および酸化剤混合流を高い速度比で燃焼室内に流入させるようにサイズ調整され、成形されており、燃焼ライナ内の乱流を増加させ、燃焼排気を低減するために、噴射速度が燃焼ライナ内の燃焼平均速度よりも速い。
【００１０】
以下の図面を参照して、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を読めば、本開示の他の目的および利点が明らかになるであろう。複数の図面および添付の特許請求の範囲と併せて考慮する場合、以下の詳細な説明を再検討すると、本出願のこれら、ならびに他の特徴および改良は当業者に明らかになるであろう。
【００１１】
本開示の上記ならびに他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読めば、より良く理解されるであろうが、添付の図面全体を通して、同じ符号は同じ部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態による、微量噴出口による逆流燃焼器の横断面側面図である。
【図２】一実施形態による、図１の微量噴出口による逆流燃焼器の部分的切欠き図である。
【図３】一実施形態による、微量噴出口による逆流燃焼器の部分の横断面側面図である。
【図４】一実施形態による、微量噴出口による逆流燃焼器の燃焼室を通って撮られた画像である。
【図５】様々な圧力状況下で、一実施形態による、実験的微量噴出口による逆流燃焼器間の火炎温度の関数としてのＮＯX排出量の水準を比較するグラフである。
【図６】一実施形態による、実験的微量噴出口による逆流燃焼器の火炎温度の関数としてのＮＯX排出量の水準と、周知の燃焼器からの火炎温度の関数としてのＮＯX排出量の水準とを比較するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照すると、様々な図面全体で同じ参照符号は同じ要素を指し、図１および２は、微量噴出口による逆流燃焼システム１０を示す。燃焼システム１０は、実質的に開放型の内部を有する外筒または筐体１２を備える。外筒１２は、円柱形チューブの形態で示されるが、必ずしもこの形状に限定するわけではない。ノズル１３は、複数の燃料および酸化剤噴出口を備えるように構成されており、外筒１２の一方の端部に、外筒１２の長手方向の軸に沿って配置されている。一実施形態では、ノズル１３は、穴の開いたプレート１４として構成され、外筒１２の端部に配置されている。別の実施形態では、穴の開いたプレート１４は中間の位置で外筒１２内部に配置されてよく、穴の開いたプレート１４の直径は、実質的に外筒１２の内径に等しく、その結果、プレート１４は外筒１２内にぴったりと嵌合することができる。さらに別の実施形態では、ノズル１３は、燃料と酸化剤とが燃焼システム１０に流入するように、複数のチューブのような構造体として構成され得る。
【００１４】
図示の実施形態では、ノズル１３、より詳細には、穴の開いたプレート１４は、燃焼システム１０を２つの明確な区域に分割し、２つの区域とは、外筒１２の内部に画定され、プレート１４の下流側に隣接する燃焼室１６、およびプレート１４の上流側に隣接するプレナム室１８である。燃料が燃焼する場所である燃焼室１６は、冷却スリーブ２０をさらに備えることができ、冷却スリーブ２０は、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）合金、または温度感応性用途で典型的に使用される他の材料など、少なくとも適度に高温に耐える材料から形成され得る。冷却スリーブ２０は、プレナム室１８内の燃料と混合する前に、圧縮機（現在説明している）から冷却スリーブ２０の外側面上方への入口空気流を介して燃焼室１６に冷却を提供することができる。したがって、相対的に冷たい圧縮機空気が、冷却スリーブ２０に後部冷却をもたらすことになる。
【００１５】
燃焼室１６は、さらに、その中に保護燃焼ライナ２２を配置していることが可能である。一実施形態では、保護燃焼ライナ２２は、セラミック材料、または高温の用途で典型的に使用される他の材料から形成され得る。燃焼室１６の下流端部に存在する燃焼生成物の流れが、タービンまたはその類似のものを駆動するために使用され得る。
【００１６】
図示の実施形態では、ノズル１３、より具体的には、穴の開いたプレート１４は、一般的に、その中に形成される複数の穴またはオリフィス２４を有するように構成されている。一実施形態では、穴２４は複数の燃料および酸化剤噴出口２６として構成される。本明細書で使用する場合、「噴出口（ｊｅｔ）」という用語は、流体の流れが排出される開口を指す。したがって、定義では、燃料および酸化剤噴出口２６は、燃料および酸化剤混合流２８を燃焼室１６内に、より詳細には、燃焼ライナ２２内に画定されている領域内に排出する。一実施形態では、燃料および空気の流入２７が燃焼室１６内に注入される前に予め混合され、より具体的には、燃焼室１６の外で予め混合されて、燃料および酸化剤混合流２８を形成する。より具体的には、燃料および空気の流入２７は、ノズル１３によって混合され、またはノズル１３に到達する前に予め混合され得る。図面に示すように、燃料および酸化剤噴出口２６は、通常、プレート１４の二次元面に配向されている。したがって、噴出口は、燃料および酸化剤混合流２８を軸方向に燃焼室１６内に、より詳細には、燃焼ライナ２２内に注入する。別法として、燃料および酸化剤噴出口２６は、ある角度でプレート１４に配向されて、燃料および酸化剤混合流２８の角度のある注入を生成することができる。角度のある注入は、燃料および酸化剤混合流２８内に、ある網目による渦を生成することができ、それにより、火炎安定性を改良する。角度のある注入はまた、火炎前面を燃焼室１６の壁、より詳細には、燃焼ライナ２２の壁から離す方向に向けるために使用することができ、それによって、燃焼システム１０の寿命を向上させることができる。
【００１７】
燃料および空気の流入２７は、プレナム室１８を介して噴出口２６に搬送され、噴出口２６はプレナム室１８と流体連通している。プレナム室１８は、燃料の外部供給源（図示せず）および典型的には圧縮機である空気の供給源（図示せず）に連結されており、それにより、プレナム室１８を介して、燃料および酸化剤を混合された状態、または混合されない状態で複数の噴出口２６のそれぞれに搬送する。上記には回避したが、一実施形態では、入口空気がプレナム室１８内で、またはノズル１３を介して、燃料と混合する前に、冷却スリーブ２０の外側面上方に流れるように空気流入を構成することができる。したがって、相対的に冷たい圧縮機空気が、冷却スリーブ２０および燃焼ライナ２２に後部冷却をもたらすことになる。
【００１８】
穴の開いたプレート１４内に形成される燃料および酸化剤噴出口２６の数、または燃料および酸化剤の流入２７をノズル１３内に運搬するチューブの数は、図１および２に示す数に限定されず、燃焼室１６の全体に均一な流れ分布を提供するために十分であるべきである。さらに、穴の開いたプレート１４を組み込む実施形態では、燃料および酸化剤噴出口２６はプレート１４の周りに均等に分布して、均一な流れ分布を生成するべきである。
【００１９】
低減された燃焼排気を達成するために、ノズル１３、および図示の実施形態では、より詳細には、穴の開いたプレート１４、および燃焼ライナ２２は、燃料および酸化剤混合流２８を高い速度比で燃焼室１６内に流入させるようにサイズ調整され、成形されている。より具体的には、燃料および酸化剤混合流２８は、速い噴射速度で噴出口２６を介して燃焼室１６内に注入され、その噴射速度は、燃焼室１６内の乱流を増加させ、燃焼排気を低減するために、燃焼室１６内の燃焼平均速度よりも速い。簡単に説明すると、噴射速度は、燃焼室１６内の平均流速よりも速い。燃焼室１６内、より詳細には、燃焼ライナ２２内の乱流の増加により、燃焼火炎の長さが減少し、燃焼排気が削減され、火炎前面に燃焼生成物の一部の混合をもたらす。
【００２０】
噴射速度と燃焼平均速度との高い速度比により、燃焼室１６内に逆流の発達および撹拌作用がもたれされ、それにより、燃焼排気の削減が得られるであろう。より具体的に図３を参照すると、燃焼室１６、および燃焼中に形成され、火炎の長さ「ｘ」を示す複数の渦巻き状構造体２５が概略横断面図で示されている。図４には、燃焼中に撮られた渦巻き状構造体２５の画像が示されている。速度の相違が、燃焼生成物を燃料および酸化剤混合流２８の流入と混合する内側の撹拌作用をもたらす。撹拌作用は、噴出口２６縁部の周り、より詳細には、プレート１４内に形成された穴またはオリフィス２４のそれぞれの周囲の周りに、またはノズル１３を形成するチューブ状構造物のそれぞれの周りに、発達する多くの数の渦巻き状構造体２５に主に起因するものである。図３および４で分かるように、渦巻き状構造体２５の密度は速度比の増加と共に増加する。内側の再循環は、ＮＯXの生成を弱め、ＣＯを燃焼させる。最終的な結果として、火炎温度の広範囲にわたって、ＮＯXおよびＣＯが一桁の数字になる。
【００２１】
一般的に、ＮＯX生成の３つの影響要因は、温度、酸素および滞留時間である。燃焼システム１０は、内部の混合および増加した速度による遊離酸素基の減少に基づいて、ＮＯX濃度の減少を可能にする。これは、反応する混合物速度の増加によって達成されるが、一方、燃焼生成物の速度を減少させる。燃焼生成物の有効な滞留時間は、有効な火炎滞留時間よりもはるかに短い。その結果、低酸素の環境でＮＯX生成が抑制されることになろう。十分な滞留時間を与えられると、ＣＯ濃度は、高い焼成温度、ならびに求められる高い程度の均質性によって影響されるため、低く維持されるであろう。高度の均質性および内部の混合が、低い火炎温度でＣＯが燃え切ることを保証する。これは、主に、新鮮な予め混合された燃料および酸化剤混合流２８を高温ガスの存在の中で反応させることによるものである。
【００２２】
本開示の概念は、様々な実験室レベルの微量噴出口による逆流燃焼器で実験された。実験は、実質的に高圧状態下で実施された。図５に、様々な高圧状態下で作動する、本明細書に開示される微量噴出口による逆流燃焼器から生じるＮＯX排気間の比較が図示される。火炎温度に対する百万分の一（ｐａｒｔｓ  ｐｅｒ  ｍｉｌｌｉｏｎ）のＮＯX排気が比較して図示されている。座標で描かれた点は、座標で描かれた点ならびに曲線Ａ、ＢおよびＣによって、本開示で提示されている実験室レベルの装置の３つの変動からの燃焼排気データを示す。曲線Ａは、約３００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）で作動する、本明細書に開示する一実施形態による微量噴出口による逆流燃焼器を示す。曲線Ｂは、約２４５ｐｓｉで作動する、本明細書に開示する一実施形態による微量噴出口による逆流燃焼器を示す。曲線Ｃは、約１８０ｐｓｉで作動する、本明細書に開示する一実施形態による微量噴出口による逆流燃焼器を示す。結果によると、作動圧力を減少させることによって、ならびに燃焼室１６、より詳細には、燃焼ライナ２２に対してノズル１３を燃料および酸化剤混合流２８が高い速度比（噴出速度は燃焼室１６内での燃焼平均速度よりも速い）で燃焼室１６内に流入するようにサイズ調整し、成形することによって、ＮＯX排気は、火炎温度が上昇すると、減少する。これらの結果は、実験室レベルの試験に基づくものであると念頭に置くべきである。
【００２３】
加えて、図６は、本明細書に開示する実験室レベルの微量噴出口による逆流燃焼器のＮＯX排気と低い速度比下で作動する燃焼装置からのＮＯX排気との比較を示す。データは、周知の従来の燃焼器（低い速度比で作動中）から収集したデータを示す曲線Ｄを形成する座標で描かれた点によって示される。データは、本明細書に開示する実験室レベルの微量噴出口による逆流燃焼器から収集したデータを示す曲線Ｅを形成する座標で描かれた点によって示される。それらの曲線は、燃焼器の火炎温度が増加すると、ＮＯX排気は増加することを示す。曲線Ｅによって証明されるように、ＮＯX排気が削減されるという利点が、本明細書に開示する微量噴出口による逆流燃焼器から示されることに留意されたい。結果によると、本明細書に開示されるサイズ調整され、成形された微量噴出口による逆流燃焼器は、その低い速度比全体で、燃焼排気の約７５％の削減を達成することができることを示す。
【００２４】
上記に、上昇した温度で低い燃焼排気をもたらす微量噴出口による逆流燃焼器を説明した。より詳細には、当分野で現在知られている燃焼器よりも、削減されたＮＯX排気をもたらす微量噴出口による逆流燃焼器を開示し、それによって、排気の法令順守を維持しながら、ガスタービン熱効率は従来の燃焼器よりも高い水準に向上し、最少ＣＯ値に対する罰金の免除が増加し、液体燃料の使用を可能にする。本開示を典型的な実施形態で図示し、説明してきたが、図示する具体例に限定する意図はなく、その理由は、様々な修正形態および代替形態が、本開示の精神とは異ならずに作製され得るからである。そのため、ここに開示する開示の追加の修正形態および均等物が、通常の試験だけを使用する当業者に思い当たる可能性があるが、そのような修正形態および均等物のすべてが、以下の特許請求の範囲によって定義する開示の精神および範囲の中にあると考えられたい。
【符号の説明】
【００２５】
１０  燃焼システム
１２  外筒
１３  ノズル
１４  穴の開いたプレート
１６  燃焼室
１８  プレナム室
２０  冷却スリーブ
２２  保護燃焼ライナ
２４  複数の穴またはオリフィス
２５  渦巻き状構造体
２６  複数の燃料および酸化剤混合流噴出口
２７  燃料および空気の流入
２８  燃料および酸化剤混合流
【図１】
2013156008.tif 000003
【図２】
2013156008.tif 000004
【図３】
2013156008.tif 000005
【図４】
2013156008.tif 000006
【図５】
2013156008.tif 000007
【図６】
2013156008.tif 000008
【外国語明細書】
2013156008000001.pdf