(57)【要約】【課題】拡散火炎燃焼器における水消費量を低減したライナ空気流入法を提供する。【解決手段】燃焼器のライナにおける空気流入機構を変更して、混合孔を取り除き、ライナ冷却を低減し、混合空気の代わりに燃焼器ライナへの希釈空気を流入させることにより、従来の燃焼を「リッチ〜クエンチ〜リーン」に変更させた改善された燃焼器が開示される。代替の実施形態において、希釈空気は、空気がノズルスワールと反対方向のスワール流れとしてライナに入ってくるように配列される複数のパイプの助けを借りて燃焼器ライナに流入し、これにより燃焼ガスと空気の大きな混合及び結果として得られるクエンチ効果すなわちクエンチ空気による燃焼ガスの急冷をもたらすようにする。従って、燃焼ガスをクエンチするための冷却水の必要量が大幅に低減され、これによりタービン効率化及びタービンエミッション低減を助ける。【選択図】      図１
2016169936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１０）を駆動するため圧縮機（１２）と共に作動する燃焼器（５０）であって、
上流側燃料入口端部（５４）及び下流側タービン入口端部（５６）を有する外側燃焼器壁（５２）と、
前記外側燃焼器壁の上流側燃料入口端部に近接して配置された複数の混合孔（６０）と、
４つよりも多い複数の希釈孔（６２）と、
を備え、
前記希釈孔が、前記複数の混合孔に近接して配置された１つの列で配列されて、前記燃焼器の燃焼ゾーンに空気を流入させて該燃焼ゾーンにおいて燃焼ガスと前記流入した空気とを混合させ、これにより前記燃焼ゾーンにおけるＮＯｘ及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を低減するようにする、燃焼器（５０）。
【請求項２】
前記複数の混合孔が、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる複数の列で配列され、前記希釈孔の列が、前記外側燃焼器壁の周囲に延びるように配列される、請求項１に記載の燃焼器（５０）。
【請求項３】
前記複数の混合孔が、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる第１、第２、及び第３の列ではなく、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる第１及び第２の列で配列されて、前記複数の希釈孔が、前記上流側燃料入口端部から前記外側燃焼器壁の周囲に延びる第３の列で配列できるようにする、請求項１に記載の燃焼器（５０）。
【請求項４】
前記複数の混合孔が、１６個の混合孔から構成され、前記複数の希釈孔が６個の希釈孔から構成される、請求項３に記載の燃焼器（５０）。
【請求項５】
前記燃焼器が更に、
外側シェル（７４）と、
圧縮空気及び燃料を前記燃焼器に吐出するノズル（５１）と、
前記外側シェルと前記燃焼器壁との間に配置されて前記外側シェルと前記燃焼器壁との間にキャビティ（７０）を形成する流れスリーブ（６６）と、
を備え、その結果、前記圧縮機から前記燃焼器に流入する空気が、前記流れスリーブを通じて前記圧縮機空気の第１の部分が入ることにより前記燃焼器内に流入する第１の経路と、前記圧縮機空気の第２の部分が前記キャビティを通じて前記燃料器に流入する第２の経路とに分割されるようになり、
前記燃焼器が更に、
前記キャビティと前記複数の希釈孔との間に延びて、前記圧縮機空気の第２の部分を前記燃焼ゾーンに流入させて、前記燃焼ゾーンにおける前記燃焼ガスと前記流入した空気との混合を増大させ、これにより前記燃焼ゾーンにおけるＮＯｘ及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を低減するようにする複数のパイプ（７２）を備える、請求項１に記載の燃焼器（５０）。
【請求項６】
前記複数のパイプが、前記キャビティと前記複数の希釈孔との間の角度で延びて、前記複数のパイプを通過する圧縮機空気の第２の部分が前記燃焼器に接線方向で入るようにする、請求項５に記載の燃焼器（５０）。
【請求項７】
前記複数のパイプを通って接線方向で前記燃焼器に入る前記圧縮機空気により、前記パイプから流入する空気が前記ノズルから前記燃焼器に流入する空気とは反時計方向に流れることに起因して、前記燃焼器における前記燃焼ガスと空気の混合が増大することになる、請求項６に記載の燃焼器（５０）。
【請求項８】
前記燃焼器が更に、前記燃焼器壁に沿って長手方向に位置付けられたライナルーバ冷却孔の複数の列を含み、前記複数のパイプからの空気が前記燃焼器へ通過する複数の希釈孔の直径が、前記燃焼器の燃焼室への空気流の増大が生じることになる寸法まで増大され、ルーバ冷却空気が通過する前記複数のルーバ冷却孔の直径が、燃焼ゾーンにおける燃焼ガスと前記流入空気との混合の増大を更にもたらすように低減され、これにより前記燃焼ゾーンにおけるＮＯｘ及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を更に低減するようにする、請求項５に記載の燃焼器（５０）。
【請求項９】
前記燃焼室への空気流が１０〜１５％増大し、これにより前記燃焼室における高温ゾーンへの空気の侵入が増大し、前記燃焼器を冷却するためのルーバ冷却孔の複数の列を通過する空気が、空気流の２５〜３５％から１０〜１５％にまで低減される、請求項８に記載の燃焼器（５０）。
【請求項１０】
ガスタービン（１０）を駆動するため圧縮機（１２）と共に作動する燃焼器（５０）であって、
上流側燃料入口端部（５４）及び下流側タービン入口端部（５６）を有する外側燃焼器壁（５２）と、
前記外側燃焼器壁の上流側燃料入口端部に近接して配置され、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる複数の列で配列される複数の混合孔（６０）と、
前記外側燃焼器壁の周囲に延びる少なくとも１つの列で配列され、前記複数の混合孔に近接して配置される複数の希釈孔（６２）と、
外側シェル（７４）と、
圧縮空気及び燃料を前記燃焼器に吐出するノズル（５１）と、
前記外側シェルと前記燃焼器壁との間に配置されて前記外側シェルと前記燃焼器壁との間にキャビティ（７０）を形成する流れスリーブ（６６）と、
を備え、その結果、前記圧縮機から前記燃焼器に流入する空気が、前記流れスリーブを通じて前記圧縮機空気の第１の部分が入ることにより前記燃焼器内に流入する第１の経路と、前記圧縮機空気の第２の部分が前記キャビティを通じて前記燃料器に流入する第２の経路とに分割されるようになり、
前記燃焼器が更に、
前記キャビティと前記複数の希釈孔との間に延びて、前記圧縮機空気の第２の部分を前記燃焼ゾーンに流入させて、前記燃焼ゾーンにおける前記燃焼ガスと前記流入した空気との混合を増大させ、これにより前記燃焼ゾーンにおけるＮＯｘ及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を低減するようにする複数のパイプ（７２）を備える、燃焼器（５０）。
【請求項１１】
前記複数の混合孔が、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる複数の列で配列され、前記複数の希釈孔が、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる少なくとも１つの列で配列される、請求項１０に記載の燃焼器（５０）。
【請求項１２】
前記複数の混合孔が、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる第１、第２、及び第３の列ではなく、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる第１及び第２の列で配列されて、前記複数の希釈孔が、前記上流側燃料入口端部から前記外側燃焼器壁の周囲に延びる第３の列で配列できるようにする、請求項１０に記載の燃焼器（５０）。
【請求項１３】
前記複数の混合孔が、１６個の混合孔から構成され、前記複数の希釈孔が６個の希釈孔から構成される、請求項１２に記載の燃焼器（５０）。
【請求項１４】
前記複数のパイプが、前記キャビティと前記複数の希釈孔との間の角度で延びて、前記複数のパイプを通過する圧縮機空気の第２の部分が前記燃焼器に接線方向で入るようにする、請求項１０に記載の燃焼器（５０）。
【請求項１５】
前記複数のパイプを通って接線方向で前記燃焼器に入る前記圧縮機空気により、空気がノズルスワールとは反対方向でスワール流としてライナに入り、これにより前記燃焼ガスとの空気の大きな混合及びクエンチ作用をもたらして、空気のクエンチにより前記燃焼ガスの急冷を生じるようにする、請求項１４に記載の燃焼器（５０）。
【請求項１６】
前記燃焼器が更に、前記燃焼器壁に沿って長手方向に位置付けられたライナルーバ冷却孔の複数の列を含み、前記複数のパイプからの空気が前記燃焼器へ通過する複数の希釈孔の直径が、前記燃焼器の燃焼室への空気流の増大が生じることになる寸法まで増大され、ルーバ冷却空気が通過する前記複数のルーバ冷却孔の直径が、燃焼ゾーンにおける燃焼ガスと前記流入空気との混合の増大をもたらす寸法にまで低減され、これにより前記燃焼ゾーンにおけるＮＯｘ及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を更に低減するようにする、請求項１０に記載の燃焼器（５０）。
【請求項１７】
前記燃焼室への空気流が１０〜１５％増大し、これにより前記燃焼室における高温ゾーンへの空気の侵入が増大し、前記燃焼器を冷却するためのルーバ冷却孔の複数の列を通過する空気が、空気流の２５〜３５％から１０〜１５％にまで低減される、請求項１６に記載の燃焼器（５０）。
【請求項１８】
ガスタービン（１０）を駆動するため圧縮機（１２）と共に作動する燃焼器（５０）であって、
上流側燃料入口端部（５４）及び下流側タービン入口端部（５６）を有し、３５インチ〜５０インチの間の長さを有する外側燃焼器壁（５２）と、
前記燃焼器壁に沿って長手方向に位置付けられたライナルーバ冷却孔（５８）の複数の列と、
前記外側燃焼器壁の上流側燃料入口端部に近接して配置された複数の混合孔（６０）と、
前記複数の混合孔に近接して配置された複数の希釈孔と、
を備え、
前記複数の混合孔が、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる第１、第２、及び第３の列ではなく、前記外側燃焼器壁の周囲に延びる第１及び第２の列で配列されて、前記複数の希釈孔が、前記上流側燃料入口端部から前記外側燃焼器壁の周囲に延びる第３の列で配列されて、前記燃焼器壁の燃料入口端部から５インチ〜４０インチの距離内に配置されるようにし、
前記燃焼器（５０）が更に、
外側シェル（７４）と、
圧縮空気及び燃料を前記燃焼器に吐出するノズル（５１）と、
前記外側シェルと前記燃焼器壁との間に配置されて前記外側シェルと前記燃焼器壁との間にキャビティ（７０）を形成する流れスリーブ（６６）と、
を備え、その結果、前記圧縮機から前記燃焼器に流入する空気が、前記流れスリーブを通じて前記圧縮機空気の第１の部分が入ることにより前記燃焼器内に流入する第１の経路と、前記圧縮機空気の第２の部分が前記キャビティを通じて前記燃料器に流入する第２の経路とに分割されるようになり、
前記燃焼器が更に、
前記キャビティと前記複数の希釈孔との間にある角度で延びて、前記圧縮機空気の第２の部分を前記燃焼ゾーンに接線方向に流入させて、前記燃焼ゾーンにおける前記燃焼ガスと前記流入した空気との混合を増大させるようにする複数のパイプ（７２）を備え、
前記パイプの前記燃焼器に入る前記角度が、前記燃焼器の中心から０〜７インチのパイプのオフセットを用いることにより達成され、前記複数のパイプからの空気が前記燃焼器へ通過する前記複数の希釈孔の直径が、前記燃焼器の燃焼室への空気流の増大が生じることになる寸法まで増大され、前記ルーバ冷却空気が通過する前記複数のルーバ冷却孔の直径が、燃焼ゾーンにおける燃焼ガスと前記流入空気との混合の増大を更にもたらす寸法にまで低減され、これにより前記燃焼ゾーンにおけるＮＯｘ及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を低減するようにする、燃焼器（５０）。
【請求項１９】
前記燃焼室への空気流が１０〜１５％増大し、これにより前記燃焼室における高温ゾーンへの空気の侵入が増大し、前記燃焼器を冷却するためのルーバ冷却孔の複数の列を通過する空気が、空気流の２５〜３５％から１０〜１５％にまで低減される、請求項１８に記載の燃焼器（５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンに関し、より詳細には、燃焼器のＮＯｘエミッション及びこのようなエミッション低減時の水分必要量を削減するためライナに空気を導入する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、空気を圧縮する圧縮機を含み、圧縮空気は、燃焼器において燃料と混合され点火されて、燃焼ガスを発生するようになる。燃焼器からの燃焼ガスはタービンに流れ、該タービンは、シャフトを駆動して圧縮機に動力を供給するためのエネルギーを抽出し、多くの場合発電機に動力を供給するための出力を生成する。
【０００３】
現在、タービン発電プラントからのエミッションを低減する要求が高まったことにより、タービン燃焼器からのＮＯｘ（一酸化窒素ＮＯ（酸化窒素）及びＮＯ２（二酸化窒素））、ＣＯ（一酸化炭素）及び他の汚染物質の排出率を低くすることが求められている。
【０００４】
従来のタービン燃焼器は、非予混合の拡散火炎を使用しており、この場合、燃料及び空気は別々に燃焼室に自由に流入して燃料と空気の混合が燃焼と同時に生じ、また、ＮＧ（天然ガス）、ＬＦ（液体燃料）又はシンガス燃料により結果として得られる火炎温度が、典型的には４０００°Ｆを上回り、そのため、比較的高レベルのＮＯｘエミッションを生成するようになる。従って、燃焼室の一次ゾーンにおける温度は、水が注入されない場合には極めて高くなる可能性があるが、この温度は燃焼室の長さに沿って低下する。これらの燃焼器においては拡散火炎が使用され、一次燃料ゾーンの温度が極めて高く、水が使用されない場合にシンガス／ＬＦ燃料で約２５０ｐｐｍ及びＮＧ燃料で約１２０ｐｐｍ程度のＮＯｘが生成されるので、一般的には水が使用されている。
【０００５】
従来の燃焼器ライナでは、１５％Ｏ２にてｐｐｍｖｄ（百万分の一、体積乾燥）で測定して燃焼器から出るＮＯｘの約９５％は、燃焼ガスが希釈孔に達するまでに既に形成されている。従来の燃焼器ライナでは、ＮＯｘ形成速度は、燃焼室の狭窄ゾーンにおいて最も高く、そのため燃焼ガスが希釈孔に達した後では極めて小さくなる。従って、従来の燃焼器ライナにおいて希釈孔により導入される空気は、燃焼ガスの温度及びＮＯｘ生成の低減には関係がない。
【０００６】
米国特許第６，１９２，６８９号の背景段落で説明されるように、従来の拡散火炎燃焼器においてピーク温度を下げ、これによりＮＯｘエミッションを低減するために一般的に用いられる方法の１つは、水又は水蒸気を燃焼器に注入することである。しかしながら、水又は水蒸気の注入は、比較的高価な技法であり、一酸化炭素（ＣＯ）バーンアウト反応をクエンチング（すなわち、急冷）する望ましくない副次的作用を引き起こす可能性があり、このことは、低レベル汚染物質を達成する能力が制限されることになる。
【０００７】
従来の拡散火炎燃焼器は、低メガワット（ＭＷ）タービン機械において天然ガス（ＮＧ）、合成ガス（シンガス）及び液体燃料（ＬＦ）を燃焼させるのに有効である。しかしながら、従来の燃焼器は、水又は水蒸気注入の利用に関して極めて旧式のライナ冷却設計を用いており、発電に関する構成部品の寿命、作動性、及びコストの観点からガスタービン発電プラントにおいて望ましいものではない。これらの機械において水消費量を低減する取り組みがこれまで十分にはなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第８，６１６，００４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１９２，６８９号明細書
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、従来の燃焼器において水分必要量を低減して、ＮＧ／ＬＦ又はシンガス燃料で作動する際の温度及びＮＯｘエミッションの低減を達成しようとするものである。本発明において、従来の燃焼器の燃焼は、従来の燃焼器のライナにおける空気流入機構を変えることにより、「リッチ〜リーン」から、「リッチ〜クエンチ〜リーン」に変更されている。この変更した空気流入機構においては、希釈孔が取り除かれ、ライナ冷却が削減されて、混合空気が混合孔の第３の列を通って燃焼器ライナに流入する代わりに、希釈空気が燃焼器ライナに流入する。代替の実施形態において、希釈空気は、このような希釈空気がノズルスワールと反対方向のスワール流れとしてライナに入ってくるように配列される複数のパイプの助けを借りて燃焼器ライナに流入し、これにより燃焼ガスと空気の大きな混合及び結果として得られるクエンチ効果すなわちクエンチ空気による燃焼ガスの急冷をもたらすようにする。従って、燃焼ガスをクエンチするための冷却水の必要量が大幅に低減され、これによりタービン効率化及びタービンエミッション低減を助ける。
【００１０】
本発明は、希釈空気を上流側に移動させて、流入空気にスワールをもたらして混合を強化することにより、燃焼器の一次反応ゾーンにおける温度を低下させる。温度の低下により、従来のライナにおいて燃焼ガスが燃焼器の希釈孔に到達するまでに極めて多いＮＯｘの生成が低減されることになる。本発明はまた、従来のライナにおいて通常は極めて大きな冷却水必要量を低減する。
【００１１】
本発明では、従来の燃焼器における燃焼は、従来の燃焼器の空気流入機構を変えることにより、「リッチ」〜「リーン」から、「リッチ」〜「クエンチ」〜「リーン」に変更されている。本発明による空気流入機構においては、希釈孔は、燃焼器内の燃焼室の下流側端部に近接した燃焼室の領域からは取り除かれており、ライナ冷却が低減され、空気は、パイプから流入する空気がノズルスワールと反対方向のスワール流れとして燃焼器３０に流入するようにして配列される複数のパイプの助けを借りて、混合孔の第３の列にて燃焼器に流入し、従って、大きなコング及びクエンチ効果をもたらすようにする。本発明による修正された燃焼器の好ましい実施形態において、複数のパイプは６つのパイプを含む。
【００１２】
図３は、本発明による燃焼器ライナ５０の概略斜視図である。燃焼器５０は、燃料入口端部５４及びタービン入口端部５６を有する円筒形燃焼器壁５２を含む。
【００１３】
本発明の第１の実施形態において、ガスタービンを駆動するため圧縮機と共に作動する燃焼器は、上流側燃料入口端部及び下流側タービン入口端部を有する外側燃焼器壁と、外側燃焼器壁の上流側燃料入口端部に近接して配置された複数の混合孔と、複数の希釈孔と、を備え、該希釈孔が、複数の混合孔に近接して配置された１つの列で配列されて、燃焼器の燃焼ゾーンに空気を流入させて該燃焼ゾーンにおいて燃焼ガスと流入した空気とを混合させ、これにより燃焼ゾーンにおけるＮＯｘ及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を低減するようにする。
【００１４】
本発明の別の実施形態において、ガスタービンを駆動するため圧縮機と共に作動する燃焼器は、上流側燃料入口端部及び下流側タービン入口端部を有する外側燃焼器壁と、外側燃焼器壁の上流側燃料入口端部に近接して配置され、外側燃焼器壁の周囲に延びる複数の列で配列される複数の混合孔と、外側燃焼器壁の周囲に延びる１又はそれ以上の列で配列され、複数の混合孔に近接して配置される複数の希釈孔と、外側シェルと、圧縮空気及び燃料を燃焼器に吐出するノズルと、外側シェルと燃焼器壁との間に配置されて外側シェルと燃焼器壁との間にキャビティを形成する流れスリーブと、を備え、その結果、圧縮機から燃焼器に流入する空気が、流れスリーブを通じて圧縮機空気の第１の部分が入ることにより燃焼器内に流入する第１の経路と、圧縮機空気の第２の部分がキャビティを通じて燃料器に流入する第２の経路とに分割されるようになり、燃焼器が更に、キャビティと複数の希釈孔との間に延びて、圧縮機空気の第２の部分を燃焼ゾーンに流入させて、燃焼ゾーンにおける燃焼ガスと流入した空気との混合を増大させ、これにより燃焼ゾーンにおけるＮＯｘ及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を低減するようにする複数のパイプを備える。
【００１５】
本発明の別の実施形態において、ガスタービンを駆動するため圧縮機と共に作動する燃焼器は、上流側燃料入口端部及び下流側タービン入口端部を有し、３５インチ〜５０インチの間の長さを有する外側燃焼器壁と、燃焼器壁に沿って長手方向に位置付けられたライナルーバ冷却孔の複数の列と、外側燃焼器壁の上流側燃料入口端部に近接して配置された複数の混合孔と、複数の混合孔に近接して配置された複数の希釈孔と、を備え、複数の混合孔が、外側燃焼器壁の周囲に延びる第１、第２、及び第３の列ではなく、外側燃焼器壁の周囲に延びる第１及び第２の列で配列されて、複数の希釈孔が、上流側燃料入口端部から外側燃焼器壁の周囲に延びる第３の列で配列されて、燃焼器壁の燃料入口端部から５インチ〜４０インチの距離内に配置されるようにし、燃焼器が更に、外側シェルと、圧縮空気及び燃料を燃焼器に吐出するノズルと、外側シェルと燃焼器壁との間に配置されて外側シェルと燃焼器壁との間にキャビティを形成する流れスリーブと、を備え、その結果、圧縮機から燃焼器に流入する空気が、流れスリーブを通じて圧縮機空気の第１の部分が入ることにより燃焼器内に流入する第１の経路と、圧縮機空気の第２の部分がキャビティを通じて燃料器に流入する第２の経路とに分割されるようになり、燃焼器が更に、キャビティと複数の希釈孔との間にある角度で延びて、圧縮機空気の第２の部分を燃焼ゾーンに接線方向に流入させて、燃焼ゾーンにおける燃焼ガスと流入した空気との混合を増大させるようにする複数のパイプを備え、パイプの燃焼器に入る角度が、燃焼器の中心から０〜７インチのパイプのオフセットを用いることにより達成され、複数のパイプからの空気が燃焼器へ通過する複数の希釈孔の直径が、燃焼器の燃焼室への空気流の増大が生じることになる寸法まで増大され、ルーバ冷却空気が通過する複数のルーバ冷却孔の直径が、燃焼ゾーンにおける燃焼ガスと流入空気との混合の増大を更にもたらす寸法にまで低減され、これにより燃焼ゾーンにおけるＮＯｘ及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を低減するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】米国特許第６，１９２，６８９号明細書からの図であり、圧縮機及びタービンと流れ連通して連結された低ＮＯｘ燃焼器を有する工業用ガスタービンエンジンの一部の概略図。
【図２Ａ】工業用ガスタービンエンジンにおいて使用される従来の燃焼器ライナの側面図。
【図２Ｂ】工業用ガスタービンエンジンにおいて使用される従来の燃焼器ライナの概略斜視図。
【図３】本発明による燃焼器ライナの概略斜視図。
【図４Ａ】図３に示す燃焼器ライナを組み込んだ乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼システムの第１の実施形態を示す図。
【図４Ｂ】図３に示す燃焼器ライナを組み込んだ乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼システムの第１の実施形態を示す図。
【図４Ｃ】図３に示す燃焼器ライナを組み込んだ乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼システムの第１の実施形態を示す図。
【図５Ａ】図３に示す燃焼器ライナを組み込んだＤＬＮ燃焼システムの第２の実施形態を示す図。
【図５Ｂ】図３に示す燃焼器ライナを組み込んだＤＬＮ燃焼システムの第２の実施形態を示す図。
【図５Ｃ】図３に示す燃焼器ライナを組み込んだＤＬＮ燃焼システムの第２の実施形態を示す図。
【図６Ａ】図３に示す燃焼器ライナを組み込んだＤＬＮ燃焼システムの第２の実施形態を示す図。
【図６Ｂ】図３に示す燃焼器ライナを組み込んだＤＬＮ燃焼システムの第２の実施形態を示す図。
【図６Ｃ】図３に示す燃焼器ライナを組み込んだＤＬＮ燃焼システムの第２の実施形態を示す図。
【図７】燃焼器の中心からパイプのある範囲のオフセットを用いて、図５Ａ〜６Ｃの実施形態においてパイプが燃焼器に入る角度を表した端面図。
【図８】拡散型燃焼器の一部の部分破断斜視図。
【図９Ａ】図２Ａ及び２Ｂに示すものと同様の従来型のライナを用いて作動している図８の拡散型燃焼器内の温度場の画像。
【図９Ｂ】図３に示したものと同様の本発明によるライナタイプを用いて作動している図８の拡散型燃焼器内の温度場の画像。
【図１０Ａ】図２Ａ及び２Ｂに示すものと同様の従来型のライナと、図３に示したものと同様の本発明によるタイプのライナとを用いた場合の作動中の図８と同様の拡散型燃焼器の内部及び外部に流出するエミッションのグラフ。
【図１０Ｂ】図２Ａ及び２Ｂに示すものと同様の従来型のライナと、図３に示したものと同様の本発明によるタイプのライナとを用いた場合の作動中の図８と同様の拡散型燃焼器の内部と外部の温度のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
米国特許第６，１９２，６８９号の図１は、圧縮機１２及びタービン２０と流れ連通して連結された低ＮＯｘ燃焼器１８を有する例示的な工業用ガスタービンエンジン１０の一部の概略図である。工業用ガスタービンエンジン１０は、図１に示すように、空気１４を圧縮するための圧縮機１２を含み、該空気１４は、少なくとも１つの燃焼器１８において燃料１６と混合されて点火される。タービン２０は、駆動シャフト２２により圧縮機１２に結合され、この駆動シャフト２２の一部が延びて、例えば、発電機（図示せず）に動力供給して電力を発生させるようにする。作動時には、圧縮機１２は、圧縮空気１４を吐出し、該圧縮空気は、燃料１６と混合されて点火され、燃焼ガス２４を生成し、この燃焼ガスからタービン２０によりエネルギーが抽出されて、シャフト２２を回転させて圧縮機１２に動力を供給すると共に、発電機又は他の外部負荷を駆動するための出力を生成する。燃焼器１８は、円筒形燃焼器壁２６を含み、これが燃焼室２８の円筒形燃焼器壁２６を定める。
【００１８】
図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、工業用ガスタービンエンジン１０において使用される従来の燃焼器ライナ３０の側面図及び概略斜視図である。燃焼器３０は、燃料入口端部３４及びタービン入口端部３６を有する円筒形燃焼器壁３２を含む。燃焼器ライナ３０は、ライナ３０に沿って長手方向に位置付けられ且つライナ３０に沿った異なる位置で異なる直径を有するライナルーバ冷却孔３８の複数の列を含む。
【００１９】
燃焼器ライナ３０はまた、その周辺部の周りに配置された空気孔の複数のセットを含む。空気孔の第１のセット４０は、混合孔と呼ばれ、燃焼室２８内の反応ゾーンに所定量の空気を供給する。混合孔４０は、燃焼器３０の燃料入口端部３４に近接して配置され、空気を混合するための入口を提供する。混合孔４０の数は可変であり、通常は燃焼器３０の全体のサイズによって決まる。空気孔の第２のセット４２は、燃焼室の下流側に位置付けられ、燃焼ガス２４を移行部品（図示せず）又はタービン入口（図示せず）に流入する前にクエンチする。
【００２０】
空気孔の第２のセット４２は、希釈孔と呼ばれ、燃焼器３０内の燃焼室２８の下流側端部に近い燃焼器３０の中央領域に配置される。希釈孔４２は、燃焼器３０に入る希釈空気のための入口領域を提供する。希釈空気は、燃焼ガス２４がタービン入口（図示せず）又は移行部品（図示せず）に流入する前に燃焼ガス２４の温度を下げるために設けられる。
【００２１】
作動時の燃焼器３０内の温度場は、燃焼器３０内に水が注入されない場合には、燃焼器３０の一次ゾーンにおいて温度が極めて高温になるが、燃焼器３０の長さに沿って温度が低下する点に留意されたい。
【００２２】
作動時の燃焼器３０内のＮＯｘ形成は、１５％でのｐｐｍｖｄのＮＯｘの９５％は、燃焼ガス２４が希釈孔４２に到達するまでに既に形成されているようになる。ＮＯｘ形成速度は、狭窄ゾーンにおいて最も高く、燃焼室３０の希釈孔４２の後に形成されるＮＯｘはあまり多くはない。従って、希釈孔の空気は、従来の燃焼器３０においては温度及びＮＯｘの低減には関係しない。
【００２３】
本発明では、従来の燃焼器における燃焼は、従来の燃焼器の空気入口機構を変えることにより、「リッチ」〜「リーン」から、「リッチ」〜「クエンチ」〜「リーン」に変更されている。本発明による空気入口機構においては、希釈孔は、燃焼器内の燃焼室の下流側端部に近接した燃焼室の領域からは取り除かれており、ライナ冷却が低減され、空気は、パイプから流入する空気がノズルスワールと反対方向のスワール流れとして燃焼器３０に流入するようにして配列される複数のパイプの助けを借りて、混合孔の第３の列にて燃焼器に流入し、従って、大きなコング及びクエンチ効果をもたらすようにする。本発明による修正された燃焼器の好ましい実施形態において、複数のパイプは６つのパイプを含む。
【００２４】
図３は、本発明による燃焼器ライナ５０の概略斜視図である。燃焼器５０は、燃料入口端部５４及びタービン入口端部５６を有する円筒形燃焼器壁５２を含む。燃焼器５０において、空気流入機構は、希釈空気が燃料入口端部５４に近接して燃焼器５０に流入するように変更されている。燃焼器壁５２はまた、燃焼器５０に沿って長手方向に位置付けられ且つ燃焼器５０に沿った異なる位置で異なる直径を有するライナルーバ冷却孔５８の複数の列を有する。
【００２５】
図２Ａ及び図２Ｂに示された燃焼器と同様に、燃焼器５０は、その周辺部の周りに配置された空気孔の複数のセットを含む。この場合も同様に、燃焼器５０は、該燃焼器５０の燃料入口端部５４に近接して配置された混合孔６０のセットを含み、燃焼室２８内の反応ゾーンに供給されることになる所定量の空気のための入口を供給する。燃焼器５０はまた、希釈孔６２のセットを含む。この場合も同様に、混合孔６０の数及び希釈孔６２の数は、燃焼器５０の全体サイズに応じて変化する。
【００２６】
米国特許第６，１９２，６８９号で開示された燃焼器と同様に、燃焼器壁５２の好ましい実施形態は、約９インチ〜約１５インチの範囲の好ましい公称直径（ｄ）と、約３５インチ〜約５０インチの範囲の好ましい公称長さ（Ｌ）とを有する。加えて、混合孔６０は、約０．５インチ〜約１インチの範囲の好ましい直径を有し、希釈孔６２は、約１．２５インチ〜約４．０インチの範囲の好ましい直径を有する。
【００２７】
図４Ａ〜図４Ｃは、図３に示す燃焼器ライナ５０を組み込んだ乾式低ＮＯｘ（「ＤＬＮ」）燃焼システムの第１の実施形態を示す。
【００２８】
図４Ａ〜図４Ｃに示す好ましい実施形態において、混合孔６０は、好ましくは２つの列で配列され、円筒形燃焼器壁５２の周囲の周りに延び且つ円筒形燃焼器壁５２の燃料入口端部５４に近接している。希釈孔５２は、通常は従来の燃焼器に存在するおとになる混合孔の第３の列の代わりとなる単一の列で配列される。希釈孔５２の列は、好ましくは、円筒形燃焼器壁５２の周囲の周りに延び、また円筒形燃焼器壁５２における混合孔６０の２つの列に近接し、希釈空気が燃焼器５０の燃料入口端部５４に近接して燃焼器５０内に流入するようにする。請求項に記載の燃焼器５０の好ましい実施形態において、希釈孔６２は、燃焼器壁５２の燃料入口端部５４から５インチ〜４０インチの範囲内に配置される。好ましくは、従来の燃焼器における２４個の混合孔６０のうちの８つ、すなわち、混合孔の第３の列における孔が取り除かれ、希釈孔６２の数は、従来の燃焼器において通常は４個から６個に増え、燃焼室２８内で反応ゾーンに供給されることになる空気を混合するためのジェット侵徹を維持する。圧縮機１２からのフレーム中間空気６４は、燃焼器５０を収容するシェル７４内で流れスリーブ６６を通って流入することにより、燃焼器５０内に継続して流入する。
【００２９】
図５Ａ〜図５Ｃは、図３に示す燃焼器５０を組み込んだＤＬＮ燃焼システムの第２の実施形態を示す。図５Ａ〜図５Ｃに示す実施形態において、図４Ａ〜図４Ｃの実施形態において示された修正ライナが維持されている。しかしながら、図５Ａ〜図５Ｃに示す実施形態は、燃焼室２８内で燃焼ガスと空気の遙かに大きな混合のための修正キャビティ機構を含む。従って、図４Ａ〜図４Ｃの実施形態と同様に、希釈孔５２は、この場合も燃焼器へ壁６２において混合孔５０の第３の列に移動され、混合孔５０の第３の列にて希釈空気が燃焼器５０に流入するようにされ、このため第３の列の混合孔５０が取り除かれる。修正キャビティ機構において、フレーム中間空気６４は、２つの経路、すなわち、フレーム中間空気６４の一部が流れスリーブ６６を通って入ることにより引き続き燃焼器５０に流入する１つの経路と、フレーム中間空気６４の別の部分６８が流れスリーブ６６と外側シェル７４との間のキャビティ７０を通って流れる別の経路に分割される。パイプ７２を通って接線方向で燃焼器５０に流入する空気６８は、燃焼器の一次ゾーンにおける燃焼ガス２４と混合する空気の増大をもたらす。好ましい実施形態においてパイプ７２が燃焼器５０に入る角度は、図７に示すように、燃焼器５０の中心からパイプの０〜７インチのオフセット範囲を用いて得られる。パイプ７２から流れる空気は、ノズル５１から流れる空気と反時計方向に流れるので、混合が改善されることになる。
【００３０】
図６Ａ〜６Ｃは、図３に示す燃焼器５０を組み込んだＤＬＮ燃焼システムの第３の実施形態を示す。図６Ａ〜６Ｃに示す実施形態において、図４Ａ〜図４Ｃの実施形態で示されるような希釈孔が再配置された修正ライナが再度使用される。加えて、この場合も同様に、図５Ａ〜５Ｃで示した実施形態における空気と燃焼ガスとの遙かに大きな混合のための修正キャビティ機構が使用される。しかしながら、１０〜１５％の空気流の増大が加えられ、燃焼室２８における高温ゾーンへの空気の侵入が増大する。これは、パイプ７２からの空気が燃焼器５０を通過する希釈孔６２のサイズ／直径を増大させることにより達成される。また、燃焼器ライナ５０においてルーバ冷却孔５８の複数の列を通過するルーバ冷却空気は、冷却孔５８のサイズ／直径を低減することによって、フレーム中間空気６４の２５〜３５％から、１０〜１５％まで半減する。２５〜３５％ルーバ冷却は旧式の設計であり、ここではライナ温度が８００°Ｆ〜１０００°Ｆに達する可能性がある点に留意されたい。
【００３１】
より大きな希釈孔を使用する１つの代替の機構は、混合孔とより大きな希釈孔が図３Ａ〜図３Ｃの実施形態における希釈孔６２の列のように燃焼器ライナ５２の燃料入口端部５４からある距離に配置される単一の列で配列されるものであり、図８が、拡散型燃焼器８０の一部の部分破断斜視図である点に留意されたい。燃焼器は、入口ノズル８１と、円筒形燃焼器壁を備えた燃焼器ライナ８２と、フレーム中間空気が燃焼器８０に流入するのに通過する流れスリーブ８４とを含む。
【００３２】
図９Ａは、作動時の図８の拡散型燃焼器８０内の温度場の画像であり、ライナ８２は図２Ａ及び２Ｂに示すものと同様の従来型のライナである。図９Ｂは、作動中の図８の拡散型燃焼器８０内の温度場の画像であり、ライナ８２は図３に示すものと同様のタイプである。図３に示したものと同様のライナタイプを用いた場合の図９Ｂで分かるように、燃焼器８０内の温度は、図２Ａ及び２Ｂに示すものと同様の従来型のライナを用いた図９Ａに示す温度よりも低くなっている。図９Ａ及び９Ｂから、燃焼室２８内の高温反応ゾーンは、燃焼器の出口プロファイルがあまり変化していないにもかかわらず、希釈孔６２が円筒形燃焼器壁５２の燃料入口端部５４に近接して移動した後では有意に低減されていることが分かる。
【００３３】
図１０Ａは、図２Ａ及び２Ｂに示すものと同様の従来型のライナと、図３に示したものと同様の本発明によるタイプのライナとを用いた場合の、作動中の図８と同様の拡散型燃焼器８０内部及び外部に流出するエミッションのグラフである。図１０Ｂは、図２Ａ及び２Ｂに示すものと同様の従来型のライナと、図３に示したものと同様の本発明によるタイプのライナとを用いた場合の作動中の図８と同様の拡散型燃焼器８０の内部と外部の温度のグラフである。
【００３４】
図９Ａ及び図９Ｂ並びに図１０Ｂのグラフから、燃焼室２８内の高温反応ゾーンは、希釈孔６２が円筒形燃焼器壁５２の燃料入口端部５４に近接して移動した後では有意に低減され、そのため、燃焼器の出口プロファイルがあまり変化していないにもかかわらず、図８の拡散型燃焼器８０が図３に示したものと同様のタイプのライナ８２で作動していたことが分かる。また、図１０Ａのグラフから、図８の燃焼器８０は、図３に示したものと同様のタイプのライナ８２で作動したときに、燃焼器８０の出口にてＮＯｘエミッションを約６５％及びＣＯエミッションを約５０％低減していることが分かる。
【００３５】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
５０  燃焼器
５２  外側燃焼器壁
５４  上流側燃料入口端部
５６  下流側タービン入口端部
６０  混合孔
６２  希釈孔
【図７】
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【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【外国語明細書】
2016169936000001.pdf