(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を空気中で燃焼させることにより高温ガスを生じさせる燃焼器であって、
燃焼領域と、
燃焼領域と流体連通していて、燃料と空気を混合させる第１の環状通路と、
液体燃料を第１の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第１の環状通路中へ導入する第１のマニホルドと、
気体燃料を第１の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第１の環状通路中へ導入する第２のマニホルドとを有し、
第２のマニホルドは、円周方向に延びる列状の気体燃料放出ポートを有し、
第１のマニホルドは、列状の気体燃料放出ポートから半径方向内方の位置で第２のマニホルドに結合されて一体マニホルド組立体を形成することを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
第１の環状通路は、入口を有し、第１及び第２のマニホルドは各々、ドーナッツ形をしており、第１の環状通路の入口の周りに円周方向に延びていることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
第１及び第２のマニホルドにそれぞれ形成された第１及び第２のドーナッツ形通路を更に有し、第１及び第２のドーナッツ形通路は、前記マニホルドの一方の壁で分離されていることを特徴とする請求項２記載の燃焼器。
【請求項４】
燃焼器は、軸線方向を定めており、第２のマニホルドは、前記軸線方向に垂直な平面上に投影された面積を有し、一体マニホルド組立体に結合された第１及び第２のマニホルドの前記平面上に投影された面積は、第２のマニホルドの前記投影面積と実質的に同一であることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項５】
第２のマニホルドの横断面形状は、実質的に円形であり、第１のマニホルドの横断面形状は、実質的に台形であることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項６】
第２のマニホルドは、第１の半径方向最も外側の位置及び第２の半径方向最も内側の位置を有し、第１のマニホルドは、前記第１の位置と第２の位置との間の第３の位置で第２のマニホルドに結合されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項７】
第３の位置は、第１の位置と第２の位置のほぼ中間にあることを特徴とする請求項６記載の燃焼器。
【請求項８】
第１のマニホルドは、前記第２の位置で第２のマニホルドに結合されていることを特徴とする請求項６記載の燃焼器。
【請求項９】
第１のマニホルドは、前記第２の位置から実質的に前記軸線方向に延びる壁を有することを特徴とする請求項８記載の燃焼器。
【請求項１０】
第１のマニホルドは、第１の壁を有し、第１の壁は、半径方向に対し角度をなして延びていることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項１１】
第１のマニホルドの第１の壁に設けられた複数の液体燃料ノズルを更に有し、液体燃料ノズルは、液体燃料を前記軸線方向に対して第１の角度で放出することを特徴とする請求項１０記載の燃焼器。
【請求項１２】
液体燃料ノズルは、液体燃料を円錐の形状のスプレーパターンで放出する手段を有し、前記円錐は夾角を定め、前記第１の角度は前記円錐の夾角の半分にほぼ等しいことを特徴とする請求項１１記載の燃焼器。
【請求項１３】
燃焼領域と流体連通していて、燃料と空気を混合させる第２及び第３の環状通路と、
液体燃料を第２及び第３の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第２及び第３の環状通路中へ導入する第３及び第４のマニホルドと、
気体燃料を第２及び第３の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第２及び第３の環状通路中へ導入する第５及び第６のマニホルドとを更に有し、
第３のマニホルドと第５のマニホルドは、互いに結合されて第２の一体マニホルド組立体を形成し、
第４のマニホルドと第６のマニホルドは、互いに結合されて第３の一体マニホルド組立体を形成していることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項１４】
燃料を空気中で燃焼させることにより高温ガスを生じさせる燃焼器であって、
燃焼領域と、
第１及び第２の燃料と空気の流れを受け入れる入口を有し、燃焼領域と流体連通していて、第１及び第２の燃料と空気を混合させる環状通路と、
第１及び第２の燃料を環状通路の入口に注入するマニホルド組立体を有し、
マニホルド組立体は、環状通路の入口の近くに設けられると共にその周りに円周方向に延びる第１及び第２のリングを有し、第１のリングは、第１の燃料を環状通路の入口に導入する手段を有し、第２のリングは、第２の燃料を環状通路の入口に導入する手段を有し、第２のリングは少なくとも一部が、第１のリング上でその第１の位置に一体に結合された第１の壁によって形成されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項１５】
第２のリングは少なくとも一部が、第１のリング上でその第２の位置に一体に結合された第２の壁によって形成されていることを特徴とする請求項１４記載の燃焼器。
【請求項１６】
第２のリングは少なくとも一部が第３の壁によって形成され、第１、第２及び第３の壁は、第２の燃料を収容する通路の境界部の少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項１５記載の燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン用燃焼器に関する。より詳細には、本発明は、低ＮＯｘ型燃焼器用の二元燃料注入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンでは、一又は二以上の燃焼器内で燃料を圧縮機により得られた圧縮空気内で燃焼させる。従来、かかる燃焼器は、燃料と空気から成るほぼ理論比の混合気を生じさせ、これを拡散燃焼方式で燃焼させる一次又はプライマリ燃焼領域を有していた。空気を一次燃焼領域の下流側で燃焼器内へ追加導入した。全体的な燃料／空気比（以下、「燃空比」という）は理論比よりもかなり小さいが、始動時における燃料と空気の混合気（以下、単に「混合気」という場合もある）への着火は容易であり、プライマリ燃焼領域内での混合気が局所的に濃厚なので着火温度の広範囲にわたり良好な火炎安定性が得られた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
残念なことに、かかるほぼ理論比の混合気を用いると、結果的に、一次燃焼領域中の温度が非常に高くなっていた。このように温度が高いために、大気汚染物とみなされる窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が促進された。希薄燃空比で燃焼を行うと、ＮＯｘ生成量が減少することは知られている。しかしながら、かかる希薄燃焼を行うには、局所濃厚域を生じさせないで燃焼用空気中へ全体的に十分良く分布させなければならない。
【０００５】
ガスタービンは、気体燃料と液体燃料の両方で動作することができる。残念ながら、かかる燃料分布と関連した幾何学的形状は複雑な構造を必要とし、これにより、燃焼器への二元燃料動作能力の組込みが極めて困難になる。
【０００６】
したがって、ＮＯｘの生成を減少させるよう極めて希薄な混合気で安定燃焼を行うことができ、しかも気体燃料だけでなく液体燃料でも動作できる燃焼器を提供することが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明の一般的な目的は、ＮＯｘの生成を減少させるよう極めて希薄な混合気で安定燃焼を行うことができ、しかも気体燃料だけでなく液体燃料でも動作できる燃焼器を提供することにある。
【０００８】
概要を述べると、本発明のこの目的及び他の目的は、燃料を空気中で燃焼させることにより高温ガスを生じさせる燃焼器であって、燃焼領域と、燃焼領域と流体連通していて、燃料と空気を混合させる第１の環状通路と、液体燃料を第１の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第１の環状通路中へ導入する第１のマニホルドと、気体燃料を第１の環状通路内でその周りに円周方向に分布させるよう第１の環状通路中へ導入する第２のマニホルドとを有し、第２のマニホルドは、円周方向に延びる列状の気体燃料放出ポートを有し、第１のマニホルドは、列状の気体燃料放出ポートから半径方向内方の位置で第２のマニホルドに結合されて一体マニホルド組立体を形成することを特徴とする燃焼器によって達成される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態では、第２のマニホルドは、軸線方向に垂直な平面上に投影された面積を有し、一体マニホルド組立体に結合された状態の第１及び第２のマニホルドの前記平面上に投影された面積は、第２のマニホルドの前記投影面積と実質的に同一である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面を参照すると、図１にはガスタービン用の燃焼器１、特に、ＮＯｘ生成量が非常に低レベルになるよう設計された燃焼器が示されている。本発明の燃焼器１は、空気と燃料を混合させる予混合領域１０及び予混合領域の下流側に設けられた燃焼領域１２を有している。前端部にフランジ１３が設けられたハウジング２７が、燃焼器１の予混合領域１０を包囲している。大きな窓形式の開口部３０が、ハウジング２７の周囲に間隔を置いて設けられており、これら開口部により燃焼用空気８が燃焼器１に流入することができる。ダクト２８がハウジング２７の後端部に取り付けられていて、燃焼領域１２を包囲している。冷却通路（図示せず）がダクト２８の周りに形成されていて、フィルム冷却空気を導入できるようになっている。燃焼器１で生じた高温ガスをタービンのタービン部に送り出すための出口（図示せず）がダクト２８の後端部に形成されている。
【００１１】
また、図１に示すように、４つの円筒形ライナ１８〜２１が、燃焼器１の予混合領域１０内に同心状に配置されていて、４つの環状の燃料予混合通路２３〜２６を形成しており、隣り合う各ライナ対の間に環状通路が一つずつ形成されている。環状通路の各々は、入口端３１及び出口又は送出し端３６を有する。バッフル又は他の乱流促進装置を通路２３〜２６内に組み込んで燃料と空気の混合を促進するのが良い。スワール板２２が環状通路の出口端３６に隣接してライナ１８〜２１の後端部に取り付けられていて、燃焼器の予混合領域１０を燃焼領域１２から分離している。複数のスワーラ又は旋回翼１７がスワール板２２内に配置されていて、排出端３５に隣接して環状通路２３〜２６の各々の周りに円周方向に分布して配置されている。スワーラ１７は燃料及び空気に回転を与えて燃料と空気の混合を促進すると共にフレームを定着させるのに役立つ再循環状態を生じさせるようになっている。
【００１２】
また、図１に示すように、本発明によれば、二元燃料注入組立体が燃焼器１内に設けられている。二元燃料注入組立体は、４つの同心状のドーナッツ形又は環状の二元燃料マニホルド組立体３２〜３５で構成されている。各二元燃料マニホルド組立体３２〜３５は、環状通路２３〜２６のうちの一つの入口端３１のすぐ上流側に配置されている。
【００１３】
また、図１及び図２に示すように、軸方向に延びる燃料供給管３８が４つの二元燃料マニホルド組立体３２〜３５の各々に連結されていて、気体燃料５０をマニホルドに差し向けている。さらに又、軸方向に延びる燃料供給管３９が４つの二元燃料マニホルド組立体３２〜３５の各々に連結されていて、図１及び図４に示すように液体燃料５１をマニホルドに差し向けている。かくして、各二元燃料マニホルド組立体３２〜３５には、別個の燃料供給管によって気体燃料と液体燃料の両方が供給される。流量調節弁５４が、燃料供給管３８，３９の各々内に設けられていて、各マニホルドへの燃料供給源（図示せず）からの気体燃料又は液体燃料の流量を別々に調節することができるようになっている。かくして、本発明によれば、各環状通路２３〜２６への燃料の供給は別個に調節できる。好ましい実施例では、気体燃料は天然ガスであり、液体燃料は蒸留油である。
【００１４】
本発明の二元燃料マニホルド組立体のうち一つが図２〜図５に詳細に示されている。本発明の重要な特徴によれば、各マニホルド組立体は、互いに別個の気体燃料マニホルド４０と液体燃料マニホルド４２から成り、これらは一体ユニットを形成するよう互いに結合される。
【００１５】
気体燃料マニホルド４０は、横断面が全体として円形であり、それぞれの環状通路２３〜２６の入口３１の周囲に延びる通路４３を形成している。図２で最も良く分かるように、気体燃料供給管３８は、ほぼ９時の位置で気体燃料マニホルド４０の上流側端に連結されている。複数の後方に向いた燃料放出ポート４９が、気体燃料マニホルド４０の下流側端の周りに分布状態で設けられている。本発明の好ましい実施形態では、放出ポート４９は、比較的僅かな間隔を置いて設けられていて、気体燃料５０が環状通路２３〜２６の周りに均等に分布されるようになっている。その上、燃料放出ポート４９の各々は、燃焼器１の軸線に対して角度Ａをなすように気体燃料マニホルド４０上で３時の位置を僅かに越えたところに位置しており、軸線方向は、空気８が環状通路２３〜２６に流入する方向とほぼ一致している。その結果、放出ポート４９は、気体燃料の細かい流れ６０を環状通路２３〜２６の各々の中へ半径方向外方へ差し向け、それにより混合を促進するようになっている。本発明の好ましい実施形態では、角度Ａは約１８°である。
【００１６】
図２に示すように、液体燃料マニホルド４２は、対応の環状通路２３〜２６の入口３１の周囲に延びる通路４４を形成している。液体燃料マニホルド４２は、横断面がほぼ台形の形状となるよう互いに結合された３つの円周方向に延びる壁５５〜５７によって構成されている。外側の壁５５は、気体燃料マニホルド４０から軸方向後方に延びており、ほぼ３時の位置、即ち気体燃料マニホルド上の半径方最も外側の位置と半径方向最も内側の位置の中間位置において、気体燃料放出ポート４９のすぐ下で例えば溶接により気体燃料マニホルドに一体的に取り付けられている。内側の壁５６も又、軸方向後方に延び、ほぼ６時の位置、即ち半径方向最も内側の位置で気体燃料マニホルドに取り付けられている。後方の壁５７は、内壁５６と外壁５５との間に延びている。ほぼ３時の位置と６時の位置との間の気体燃料マニホルドの周囲の一部は、気体燃料通路４３と液体燃料通路４４を互いに分離している。かくして、液体燃料通路４４は、３つの側部が壁５５〜５７で境界付けられ、４番目の側部が気体燃料マニホルド４０の周囲の一部で境界付けられている。
【００１７】
図４に最も良く示されているように、液体燃料供給管３９は、気体燃料マニホルド４０を貫通し、気体燃料通路４３と液体燃料通路４４を互いに分離している気体燃料マニホルドの周囲の一部を通って液体燃料通路４４に入り込んでいる。
本発明の重要な特徴によれば、液体燃料マニホルド４２は、環状通路２３〜２６内への空気流８に対する妨害を最小限に抑えるよう気体燃料マニホルド４０に取り付けられている。事実、燃焼器１の軸線に垂直な、即ち、空気流８の方向に垂直な平面上に投影された面積又は領域について言えば、液体燃料マニホルド４２の面積は増加せず、換言すると、このマニホルド４２は気体燃料マニホルド４０の投影部分内に完全に納まっている。
【００１８】
複数の後方に向いた燃料ノズル４５が、各液体燃料マニホルド４２の後壁５７の周囲に分布状態で設けられている。燃料ノズル４５は好ましくは、パーカー・ハネフィン社により販売されていて、３枚のプレートをロウ付けにより互いに結合して構成されたフォトエッチプレート形式のものである。図４に示すように、燃料ノズル４５中の２つの通路４７は、液体燃料を通路４８の周囲へ差し向けて燃料に回転を付与するようになっている。通路４８から燃料はオリフィス４６を通って放出され、このオリフィスは燃料の細かい円錐形の霧又はスプレー６１を生じさせる。図２に示すように、燃料の噴霧形状としての円錐６１は夾角Ｄを定めている。
【００１９】
図２に示すように、燃料ノズル４５は、マニホルド４２に設けられたネジ孔にねじ込まれている。しかしながら、燃料ノズル４５も又、マニホルド４２にロウ付けするのが良い。本発明の好ましい実施形態では、燃料ノズル４５は、比較的僅かな間隔を置いて設けられていて、液体燃料５０は環状通路２３〜２６の周囲にぐるりと均等に分布されるようになっている。
【００２０】
図２に示すように、本発明の重要な特徴によれば、液体燃料マニホルド４２の後壁５７は、半径方向に対して角度Ｃをなしている。かくして、燃料ノズル４５は、軸線方向に対して角度Ｂ（これは角度Ｃに等しい）をなすことになろう。その結果、各燃料ノズル４５は、液体燃料の円錐６１をその中心線が軸線方向に対して角度Ｃをなすように差し向ける。その結果、液体燃料は各環状通路２３〜２６の半径方向外側領域中へ差し向けられ、それにより混合が促進される。
【００２１】
好ましくは、角度Ｂと角度Ｃは燃料ノズル４５から放出された燃料の円錐夾角Ｄの半分に等しく、それにより、燃料の円錐６１の下縁が半径方向内方へ突き出ないようにする（これは、燃料混合の観点からは望ましくない）。かくして、本発明の一実施形態では、燃料ノズル４５は、円錐夾角Ｄが６０°の液体燃料スプレー６１を生じさせ、液体燃料マニホルド４２の後壁５７は半径方向に対して３０°の角度をなし、従って燃料ノズル４５が軸線方向に対して３０°の角度Ｂをなすようになる。かくして、燃料円錐６１の最も下側の部分は、軸線方向に差し向けられ、即ち、約０°の角度をなすので、当初、半径方向内方へ差し向けられる燃料の部分は生じない。
【００２２】
作用を説明すると、燃焼用空気８は、各環状通路２３〜２６を通って流れる流れに分割される。本発明によれば、超希薄燃焼は、気体燃料又は液体燃料を希薄混合気の状態で二元燃料マニホルド３２〜３５を経て環状通路２３〜２６中へ導入することにより達成される。燃料が環状通路２３〜２６を通って流れると、燃料と空気８の高度の混合が得られる。かかる混合により、結果的に生じた燃料と空気の流れが全体にわたって希薄燃空比を有するようになる。その結果、ＮＯｘの生成を促進するような局所的に燃料が濃いめの領域は生じない。混合気は、環状通路２３〜２６の通過後、スワーラ１７を経て予混合領域１０を出て燃焼領域１２に入る。燃焼領域１２中において、希薄混合気の燃焼が行われる。
【００２３】
本発明は、その精神又は本質的な属性から逸脱しないで他の特定の形態で実施できるので、本発明の範囲を定めるにあたっては、上記説明ではなく特許請求の範囲を参照されたい。
【００２４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二元燃料注入装置を有する燃焼器の部分概略縦断面図である。
【図２】気体燃料供給管の付近における図１に示す二元燃料マニホルド組立体の詳細図である。
【図３】図１に示すIII-III 線における横断面図である。
【図４】液体燃料供給管の付近における図１に示す二元燃料マニホルド組立体の詳細図である。
【図５】図３に示す液体燃料ノズルのうち一つの詳細図である。
【符号の説明】
１  燃焼器
１０  予混合領域
１２  燃焼領域
２３〜２６  環状通路
２７  ハウジング
３２〜３５  マニホルド組立体
３８  気体燃料供給管
３９  液体燃料供給管
４０，４２  燃料マニホルド
４３，４４  燃料通路
４５  液体燃料ノズル
４９  気体燃料放出ポート
６１  円錐状の燃料スプレー
【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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