(57)【要約】  ガスタービンエンジン（１０）内での濃淡燃焼のための装置及び方法であり、この装置は、燃焼器（１２）と、移行部（１４）と、燃焼器（１２）及び移行部（１４）の間に位置付けられて燃焼器（１２）と移行部（１４）とを接続する燃焼器拡張体（１６）と、を有する。開口部（１８）は、燃焼器拡張体（１６）の外周（２０）に沿って形成されている。ガスタービン（１０）は、同様に、燃焼器拡張体（１６）の外面（２０）に沿って延在するための燃料マニフォルド（２８）を有し、この燃料マニフォルドは、開口部（１８）それぞれと位置合わせされた燃料ノズル（３０）を有する。ガスタービンエンジン（１０）内での軸流段燃焼のための方法も示されている。
2016504559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン内の軸流段燃焼のための方法であって、
前記ガスタービンエンジンのカン型環状燃焼器の第１燃焼段内で希薄混合気を混合するステップであって、前記希薄混合気が１未満の等量比を有する、ステップと、
前記第１燃焼段で前記希薄混合気を点火し、第１温度及び遊離基を有する高温燃焼ガスを形成するステップと、
等量比が１より大きい過濃混合気を混合するステップと、
前記第１燃焼段から下流側にある前記カン型環状燃焼器の第２燃焼段で前記過濃混合気を前記高温燃焼ガス内に注入するステップと、
前記第２燃焼段で前記高温燃焼ガス内の前記過濃混合気を点火し、それにより、前記高温燃焼ガスの前記第１温度及び前記遊離基が、所定の炭化水素排出物限界内で過濃混合気の燃焼を促進させ、前記高温燃焼ガスの前記第１温度が、第２温度まで上昇するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記過濃混合気が、３から１０までの等量比を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記過濃混合気が、３から５までの等量比を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記過濃混合気が前記高温燃焼ガス内に拡散するにしたがって、前記過濃混合気の等量比が減少され、
前記過濃混合気の等量比が、前記第２温度が排出物閾値温度未満となるのに十分に高くなるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１温度が、１３００℃から１５００℃までの範囲内にあり、
前記第２温度が、１５００℃から１７００℃までの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記希薄混合気を点火することが、前記高温燃焼ガスに第１度合の排出物を発生させ、
前記過濃混合気を点火することが、第１排出物度合を第２排出物度合まで増加させ、
前記第２排出物度合が、所定の排出物限界内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
排出物が、ＮＯｘであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記希薄混合気と前記過濃混合気との間の総空気量の分配が、前記過濃混合気において０．５％から３．５％の間であり、
前記希薄混合気と前記過濃混合気との間の総燃料量の分配が、前記過濃混合気において５％から２０％の間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記総空気量の分配が、前記過濃混合気において０．５％から２％の間であり、
前記総燃料量の分配が、前記過濃混合気において５％から１５％の間であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
カン型環状の燃焼器と、
前記燃焼器とタービンとの間で流体連通する移行部と、
前記燃焼器と前記移行部との間で流体連通する燃焼器拡張体と、
前記燃焼器拡張体を貫通するように形成された複数の壁開口部と、
前記燃焼器拡張体の外面に沿って延在する燃料マニフォルドと、を備え、
前記燃料マニフォルドが、複数の前記壁開口部それぞれを通して燃料を送達させるように位置合わせされた複数の燃料ノズルを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１１】
複数の前記壁開口部それぞれにおいて前記燃料マニフォルドと前記燃焼器拡張体の前記外面との間に位置付けられた混合器であって、前記燃料ノズルそれぞれと位置合わせされて前記燃料ノズルそれぞれから燃料を受ける第１開口部と空気流を受ける第２開口部とを有する、混合器と、
複数の前記壁開口部それぞれに位置付けられたスクープであって、前記混合器から前記燃料及び前記空気流を受けるように構成され、前記燃料及び前記空気流の混合気を前記壁開口部それぞれ内に向けるようにさらに構成された、スクープと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記混合器の前記第２開口部が、環状開口部であり、前記空気流を受け、
前記第１開口部が、前記混合器の中央横断領域に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
前記スクープが、前記燃焼器拡張体の内側に向けて内方に向かうように角度付けされた円錐状をなすことを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記燃料マニフォルドの前記燃料ノズルそれぞれが、弁を有し、前記第１開口部内に向けられた燃料の体積流量を調整可能に変化させかつ前記壁開口部それぞれ内に向けられた前記混合気の等量比を調整可能に変化させることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
複数の前記壁開口部が、前記燃焼器拡張体の前記外面の外周に沿って形成されており、
前記燃料マニフォルドが、前記燃焼器拡張体の前記外面の外周に沿って延在することを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記燃焼器の外面の周囲にあるスリーブであって、燃料を前記燃料マニフォルドに向ける供給ラインを有する、スリーブと、
閾値負荷を超える当該ガスタービンエンジンの負荷に基づいて、前記供給ラインを通して前記燃料マニフォルドに燃料を供給する制御器と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
前記燃焼器拡張体を貫通するように形成された複数の前記壁開口部が、楕円状であることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
ガスタービンエンジン内の軸流段燃焼のための方法であって、
前記ガスタービンエンジンの第１燃焼段で希薄混合気を点火し、所定のＮＯｘ生成限界値未満の温度を有する高温燃焼ガスを形成するステップと、
等量比が３以上の過濃混合気を混合するステップと、
前記第１燃焼段から下流側にある第２燃焼段で前記高温燃焼ガス内に前記過濃混合気を注入するステップと、
前記高温燃焼ガスの熱及び前記高温燃焼ガス内の遊離基を利用して前記過濃混合気を点火させ、それにより、前記過濃混合気が、所定の炭化水素排出物限界内で燃焼され、前記高温燃焼ガスの温度が、依然として前記ＮＯｘ生成限界値未満のまま所定の温度まで閾値の近くに上昇されるステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記高温燃焼ガスの前記温度が、１３００℃から１５００℃までの範囲内から１５００℃から１７００℃までの範囲内まで上昇されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府による資金提供を受けた開発の記載
本発明のための開発は、アメリカ合衆国エネルギー省によって与えられた契約第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４号によって部分的に資金提供を受けている。したがって、アメリカ合衆国政府は、本発明においていくらかの権利を有することがある。
【０００２】
本発明は、カン型ガスタービンエンジンに、より具体的には、カン型ガスタービンエンジンの燃焼段配置に関する。
【背景技術】
【０００３】
カン型ガスタービンエンジン１１０のミッドフレーム設計のための従来の設計を図１に示す。圧縮機１１１は、軸流ディフューザ１１３を通してプレナム１１７内に圧縮空気を向け、その後、圧縮空気は、方向変換して燃焼器１１２の周りに位置付けられたスリーブ１２２に入る。圧縮空気は、燃焼器１１２の様々な燃料段１１９からの燃料と混合され、混合気は、燃焼器１１２の段１２１で点火される。高温燃焼ガスは、混合気の点火の結果として発生し、高温燃焼ガスは、燃焼器１１２を通過し、移行部１１４に入り、この移行部は、所定の角度で高温燃焼ガスをタービン１１５内へ向ける。
【０００４】
従来のカン型ガスタービンエンジンにおいて、希薄混合気を燃焼器１１２の段１２１で点火する。しかしながら、高負荷かつ高温において、窒素酸化物（ＮＯｘ）のような様々な排出物は、希薄混合気を点火する結果として高温燃焼ガス内に発生され、これら排出物は、許容可能な限界を大きく超えることがある。したがって、過濃混合気を燃焼器１１２の段１２１で点火する場合には、発生した燃焼ガスの温度は、燃焼ガス内に存在する炭化水素を燃焼させるのに十分でないことがあり、このため、炭化水素は、同様に、許容可能な限界を大きく超えることがある。
【０００５】
説明した従来の設計に加え、Beebeに付与された特許文献１は、ガスタービンエンジンにおける燃焼段配置を開示しており、この燃焼段配置では、希薄事前混合気を燃焼して燃焼ガスを発生させる上流段からの下流段において希薄混合気を燃焼ガスに注入する。
また、同様に、他の燃焼段設計をGensler等に付与された特許文献２及びSuesada等に付与された特許文献３で提案している。しかしながら、これら設計は、非ガスタービン燃焼配置のためのものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，１９２，６８８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２７１，７２９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，０２０，４７９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明において、本発明者は、従来の燃焼段設計の留意した欠点を解消するために、カン型ガスタービンエンジンの燃焼段設計に様々な改良をする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、図面を考慮して以下の説明において説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来技術のガスタービンエンジンを示す横断面図である。
【図２】ガスタービンエンジンの軸流段燃焼配置を示す横断面図である。
【図３】図２の軸流段燃焼配置の燃料マニフォルドを示す横断面図である。
【図４】燃焼ガスの温度に対する図２の軸流段燃焼配置で使用する高温燃焼ガスに関するΦを示すプロットである。
【図５】ガスタービンエンジン内の軸流段燃焼のための方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明者は、カン型ガスタービンエンジンのための軸流燃焼段配置を設計しており、この軸流燃焼段配置は、従来の燃焼段配置の短所を回避する。希薄混合気は、初期の上流段で燃焼され、過濃混合気は、その後の下流段に注入され燃焼される。希薄混合気は、初期の上流段で燃焼され、初期温度で高温燃焼ガスを発生させ、それにより、ＮＯｘを含む排出物レベルは、許容できない閾値を越えない。過濃混合気は、その後、下流段において高温燃焼ガス内に注入され、それにより、希薄燃焼からの熱及び遊離基の存在は、過濃混合気内の炭化水素の完全燃焼を促進し、高温燃焼ガスの初期温度は、閾値の近くに上昇され、それにより、ＮＯｘを含む排出物レベルは、許容できない閾値を越えない。
【００１１】
本願にわたって、用語「過濃」及び「希薄」は、混合気を説明するために使用される。本願の用語において、「過濃」混合気は、等量比（Φ）が１より大きい混合気であり、「希薄」混合気は、等量比（Φ）が１未満の混合気である。当業者によって明らかであるように、等量比は、混合気の空燃比と混合気の化学量論反応の空燃比との商として定義される。このため、等量比が１未満である場合（「希薄」混合気）、空気と燃料との間の化学量論反応に必要な燃料に関して、燃料が不足している。等量比が１より大きい場合（「過濃」混合気）、空気と燃料との間の化学量論反応に必要な燃料に関して、燃料が過剰である。
【００１２】
図２は、例示的な実施形態にかかるガスタービンエンジン１０を示しており、このガスタービンエンジンは、圧縮機１１と、ディフューザ１３と、を備え、このディフューザは、圧縮空気流４０をガスタービンエンジン１０のプレナム１７内に出力する。ガスタービンエンジン１０は、カン型ガスタービンエンジンであり、ガスタービンエンジン１０の回転軸（図示略）の周りで環状配置に配置された複数の燃焼器１２を特徴とする。図２は、環状配置にある燃焼器のうちの１つの燃焼器１２を示す。例示的な実施形態において、１６の燃焼器は、回転軸の周りのこのカン型環状配置に配置されている。カン型ガスタービンエンジン１０を図２に示しているが、本発明にかかる実施形態は、カン型ガスタービンエンジンに限定されず、例えば環状ガスタービンエンジンのような軸流段燃焼を特徴とする任意のガスタービンエンジンに適用されてもよい。
【００１３】
図２は、燃焼器１２の外面の周りに位置付けられたスリーブ２２を示しており、スリーブ２２は、開口部２３を有し、プレナム１７からの空気流４０の一部を受ける。空気流４０は、スリーブ２２を通るように向けられて燃料段１９からの燃料と混合され、燃焼器１２の第１段２１において希薄混合気５８を発生させる。上述のように、希薄混合気５８は、混合気の等量比が１未満であるように混合される。例示的な実施形態において、希薄混合気の等量比は、０．６である。希薄混合気５８は、燃焼器１２の第１段２１で点火され第１温度６２（図４）にありかつ遊離基を含む高温燃焼ガス６０を形成する。
【００１４】
図２は、燃焼器拡張体１６をさらに示しており、この燃焼器拡張体は、燃焼器１２の下流端部に接続されており、燃焼器１２の第１燃焼段２１において発生した高温燃焼ガス６０を受ける。後述するように、燃焼器拡張体１６は、燃焼器１２の第１段燃焼２１から下流にある第２燃焼段６６を特徴としており、そのため、混合気４４（図３）は、第２段６６において燃焼器拡張体１６を通過する高温燃焼ガス６０内に注入される。また、移行部１４は、燃焼器拡張体１６の下流端部に接続されており、移行部１４は、図１の従来のガスタービンエンジン１１０で使用される従来の移行部１１４よりも長さが短い。例示的な実施形態において、図２のガスタービン１０の燃焼器拡張体１６及び移行部１４は、共同で図１の従来のガスタービンエンジン１１０で使用される従来の移行部１１４を置換するために使用されている。
【００１５】
燃焼器拡張体１６の外面２０は、開口部１８を特徴としており、これら開口部は、外面２０の外周５４に沿って形成されている。燃料マニフォルド２８が設けられており、この燃料マニフォルドは、外面２０の外周５４の周りに延在するリング状をなしている。図２に示すように、燃料は、スリーブ２２内を燃料マニフォルド２８まで延在する燃料供給ライン２４から燃料マニフォルド２８に供給される。当業者には明らかなように、図１の従来のガスタービンエンジン１１０のスリーブ１２２は、空気流１４０を燃料段１１９からの燃料と混合する前に（場合によってはＣ段燃料と称される）燃料をプレナム１１７からスリーブ１２２内に受けられた空気流１４０と事前に混合する燃料供給ライン（図示略）を特徴とする。図２のガスタービンエンジン１０において、スリーブ２２内にある燃料供給ライン２４は、その替わりに、スリーブ２２から外へ燃料マニフォルド２８に向けられており、開口部１８それぞれにおいて、燃料を燃料マニフォルド２８に供給する。制御器２６は、燃料供給ライン２４を方向付けるように設けられており、例えば出力または負荷の閾値を超えるガスタービンエンジン１０の出力または負荷の要求のような所定の限界を超えるガスタービンエンジン１０のパラメータに基づいて、燃料を燃料マニフォルド２８に供給する。
【００１６】
図３に示すように、燃焼器拡張体１６の外面２０の開口部１８それぞれにおいて、燃料マニフォルド２８は、側方キャップ５７を有する燃料ノズル３０を有する。図２及び図３に示す開口部１８が円状の開口部であるが、後述するように、開口部１８は、楕円状の開口部または燃焼器拡張体１６内への混合気の送達に適合する任意の他の形状であってもよい。図３に示すように、混合器３２は、開口部１８それぞれに設けられており、燃料ノズル３０と開口部１８との間に位置する。混合器３２は、燃料マニフォルド２８の燃料ノズル３０から燃料３６を受ける第１開口部３４と、ガスタービンエンジン１０のプレナム１７から空気流４０の一部を受ける第２開口部３８と、を有する。例示的な実施形態において、第１開口部３４は、混合器３２の中央横断領域に位置しており、第２開口部３８は、混合器３２内にある環状開口部である。燃料ノズル３０は、弁５２を有しており、燃料ノズル３０から第１開口部３４を通って混合器３２への燃料３６の体積流量を調整可能に変化させる。図３に示すように、弁５２は、ネジ５３を有しており、このネジは、開口部５５を開位置に回転させるように調整可能であり、燃料３６が燃料マニフォルド２８から開口部５５を通って混合器３２の第１開口部３４内に入ることを可能とする。開口部５５及び混合器３２の第１開口部３４を通る燃料３６の体積流量は、ネジ５３を調整することによって調整可能に変化されてもよく、このネジは、順に、開口部５５を燃料マニフォルド２８に対して回転させる。また、燃料３６の流量は、開口部５５を閉位置に回転させるようにネジ５３を調整することによって、開口部５５及び混合器３２の第１開口部３４に入ることから遮断されてもよく、それにより、燃料マニフォルド２８からの燃料３６は、開口部５５または混合器３２の第１開口部３４に入ることができない。上述のように、燃料マニフォルド２８は、開口部１８それぞれにある燃料ノズル３０を有しており、燃料ノズル３０のネジ５３は、全ての燃料ノズル３０に関して同じ度合に同時に調整されてもよく、同程度に燃料ノズル３０における燃料３６の流量を変更させる。
【００１７】
あるいは、燃料ノズル３０それぞれにおけるネジ５３は、個別に調整されてもよく、第２段６６の燃焼調節要求に基づいて、燃料ノズル３０それぞれにおける燃料３６の流量を個別に調整する。
【００１８】
図３にさらに示すように、スクープ４２は、第１開口部３４の出口からの燃料３６を受け、同様に、第２開口部３８からの空気流４０の一部を受ける。燃料３６及び空気流４０は、スクープ４２内で混合され、過濃混合気４４を形成し、この過濃混合気は、１より大きい等量比を有する。スクープ４２は、燃焼器拡張体１６内の第２燃焼段６６において、過濃混合気４４を高温燃焼ガス６０に向ける。図３に示すように、スクープ４２は、燃焼器拡張体１６の内部に向かうにしたがって内方に向かうように角度付けされた円錐状をなす。例示的な実施形態において、過濃混合気４４の等量比は、出口４８の幅５０によって制御されてもよく、この出口は、燃焼器拡張体１６内の高温燃焼ガス６０内に向けられた混合気４４内で混合される空気流４０の容積を決定する。例えば、出口４８の幅５０を増大させることにより、混合気４４内で混合される空気流４０の容積を増大させ、このため、燃焼器拡張体１６内に向けられた過濃混合気４４の等量比を減少させる。別の例示的な実施形態において、過濃混合気４４の等量比は、空気流４０を受けるように構成された第２開口部３８の幅によって制御されてもよい。
【００１９】
上述のように、空気流４０の一部は、燃料段１９からの燃料と混合され、燃焼器の第１段２１で燃焼される希薄混合気５８を生成する。同様に、上述のように、空気流４０の一部は、燃料供給ライン２４から燃料マニフォルド２８に向けられた燃料３６と混合され、過濃混合気４４を生成する。希薄混合気５８と過濃混合気４４との間の使用する総空気量の分配は、過濃混合気４４において総空気流の０．５％から３．５％である。また、希薄混合気５８と過濃混合気４４との間の使用する総燃料量の分配は、過濃混合気４４において総空気流の５％から２０％である。例示的な実施形態において、例えば、総空気量の分配は、過濃混合気４４において０．５％から２％の間である。例示的な実施形態において、例えば、総燃料の分配は、過濃混合気４４において５％から１５％である。
【００２０】
図４は、高温燃焼ガスの温度に対するこの温度において高温燃焼ガスを発生させるために点火した混合気の等量比を示すプロットである。図４に示すように、燃焼器１２／燃焼器拡張体１６内の高温燃焼ガスの温度が排出物閾値温度７６を越える場合、許容できないレベルのＮＯｘ排出物を発生させる。図４にさらに示すように、点火した混合気の等量比が等量比範囲７５内にあるときに、高温燃焼ガスの温度は、排出物閾値温度７６を越える。例示的な実施形態において、等量比範囲７５は、等量比が１の混合気を点火することによって高温燃焼ガスの最大温度をもたらすので、等量比１で中心付されている。
【００２１】
図４は、燃焼器１２の第１燃焼段２１で点火された希薄混合気５８の等量比７０を示しており、この希薄混合気は、第１温度６２の高温燃焼ガス６０を発生させる。上述のように、等量比７０は、１未満であり、一例において例えば約０．６であってもよい。図４は、等量比７０が等量比範囲７５の外側にあることを示しており、このため、高温燃焼ガス６０の第１温度６２は、排出物閾値温度７６未満である。図４は、燃焼器拡張体１６内の第２燃焼段６６で高温燃焼ガス６０に注入された過濃混合気４４の等量比７２をさらに示す。上述のように、例示的な実施形態において、等量比７２は、３から１０の範囲内となるように選択されており、別の例示的な実施形態において、等量比７２は、例えば３から５の範囲内となるように選択されている。第２段６６において過濃混合気４４を高温燃焼ガス６０内に注入すると、過濃混合気４４は、高温燃焼ガス６０と組み合わされ、いくらか希釈され、このため、等量比７２は、過濃混合気４４及び高温燃焼ガス６０の組み合わせた等量比７４まで減少される。高温燃焼ガス６０の第１温度６２は、過濃混合気４４の自己点火温度を超え、そのため、過濃混合気４４は、高温燃焼ガス６０内で点火される。図４に示すように、過濃混合気４４及び高温燃焼ガス６０の組み合わせた等量比７４は、高温燃焼ガス６０の第１温度６２を第２温度６８まで上昇させるのに十分である。また、図４に示すように、等量比７０と同様に、等量比７４は、等量比範囲７５の外側にあり、このため、第２温度６８は、排出物閾値温度７６未満である。例示的な実施形態において、第１温度６２は、１３００℃〜１５００℃の範囲の温度である一方、第２温度６８は、１５００℃〜１７００℃の範囲の温度であり、それにより、過濃混合気４４の点火は、例えば約２００℃だけ高温燃焼ガス６０の温度変化６９を引き起こす。
【００２２】
慣行的な実践では、未燃炭化水素が排気装置を通過する可能性があるので、過濃混合気を二次軸流段で使用しないことを提案しており、このため、従来技術では、ガスタービンエンジンに希薄−希薄燃焼を使用している。しかしながら、本発明者は、ＮＯｘ生成限界７６に到達しようとする温度を目標としている場合に、このような希薄−希薄配置が所望するよりも多くのＮＯｘを生成する傾向があることを認識した。さらに、本発明者は、所望しない範囲７５内でいかなる燃焼も経験することなく温度７６に近い最終的な温度に到達するために、高温燃焼ガス６０と共に発生させる二次混合気の希釈及び混合があるので、希薄二次混合気ではなく過濃二次混合気を高温燃焼ガス６０内に注入することが好ましいことを認識した。図４に示すように、二次混合気４４は、所定の等量比７２で注入されるが、その後、希釈され、等量比７０で燃焼する。しかしながら、少なくとも一部の局所的な燃焼は、希釈処理中に注入した混合気の周辺で発生し、比がバルク基準で徐々に減少するにしたがって、この局所的な燃焼は、等量比７２及び等量比７４間の等量比で発生する。希薄二次混合気で最終温度６８を達成するために、望まない範囲７５に入る等量比で二次混合気を注入する必要があり、それにより、その希釈は、結果として、範囲７５のうち希薄側かつ温度７６に近い温度でバルク燃焼を引き起こす。しかしながら、発明者は、バルク希薄混合気を希釈するにしたがって、望まない範囲７５内での少なくとも一部の局所的な燃焼があり、これにより、望まないＮＯｘガスを発生させることを認識している。したがって、本発明は、希薄二次混合気ではなく過濃二次混合気を使用し、所望の温度６８を達成し、これにより、ＮＯｘ生成を最小化し、当初予想されたよりも、一次燃焼ガス６０の高温かつ高遊離基含有量に起因して、未燃炭化水素排出物も最小化する。
【００２３】
過濃混合気４４の燃焼中に、高温燃焼ガス６０内の第１温度６２及び遊離基は、過濃混合気４４を燃焼させ、それにより、高温燃焼ガス６０内の炭化水素レベルは、所定の炭化水素限界内で維持される。また、希薄混合気５８を第１段２１で点火することにより、第１度合の排出物を高温燃焼ガス６０内に発生させ、高温燃焼ガス６０内で過濃混合気４４を点火することにより、排出物を第１度合から第２度合まで増加させ、それにより、第２排出物度合は、所定の排出物限界内にある。例示的な実施形態において、例えば、排出物は、ＮＯｘであり、高温燃焼ガス６０の第１ＮＯｘ度合は、３５ＰＰＭであり、高温燃焼ガス６０の第２ＮＯｘ度合は、５０ＰＰＭであり、これは、所定のＮＯｘ限界未満である。
【００２４】
図５は、ガスタービンエンジン１０内の軸流段燃焼に関する方法２００を示すフローチャートを示す。この方法２００は、ステップ２０１において、ガスタービンエンジン１０のカン型環状燃焼器１２の第１燃焼段２１において希薄混合気５８を混合するステップ２０２によって開始し、このステップでは、希薄混合気５８は、図４に示す等量比７０を有する。方法２００は、図４に示す等量比７２の過濃混合気４４を混合するステップ２０４をさらに有する。方法２００は、希薄混合気５８を第１燃焼段２１で点火させ、第１温度６２（図４）及び遊離基を有する高温燃焼ガス６０を形成するステップ２０６をさらに有する。方法２００は、第１段２１から下流側にあるカン型環状燃焼器１２の第２燃焼段６６で過濃混合気４４を高温燃焼ガス６０に注入するステップ２０８をさらに有する。方法２００は、ステップ２１１で終了する前に、第２燃焼段６６で高温燃焼ガス６０内の過濃混合気４４を点火し、それにより、高温燃焼ガス６０の第１温度６２及び遊離基が過濃混合気４４を所定の炭化水素限界内で燃焼させ、高温燃焼ガスの第１温度６２を第２温度６８（図４）まで上昇させるステップ２１０をさらに有する。また、方法２００は、第１温度６２が例えば所定のＮＯｘ生成限界値未満となるように点火するステップ２０６を実行するように変更されてもよい。さらに、方法２００は、過濃混合気４４が３以上の等量比を有するような混合するステップ２０４であるように変更されてもよい。その上、方法２００は、高温燃焼ガス６０の熱及びそこの遊離基を使用して点火するステップ２１０中に過濃混合気４４を点火するステップを有するように変更されてもよく、それにより、過濃混合気４４は、所定の炭化水素排出物限界内で燃焼され、高温燃焼ガスの温度は、依然としてＮＯｘ生成限界値未満であるが、閾値の近くに所定の温度まで上昇される。
【００２５】
本発明の様々な実施形態を本明細書で示して説明したが、明らかなことは、このような実施形態が例のみとして提供されていることである。本明細書の本発明から逸脱することなく、さまざまな変形例、変更及び置換をしてもよい。したがって、意図することは、本発明を添付の特許請求の範囲の精神及び範囲によってのみ限定されることである。
【符号の説明】
【００２６】
１０  カン型ガスタービンエンジン，ガスタービンエンジン，ガスタービン、１２  カン型環状燃焼器，燃焼器、１４  移行部、１６  燃焼器拡張体、１８  開口部、２０  外面、２１  第１燃焼段，第１段、２２  スリーブ、２４  燃料供給ライン、２６  制御器、２８  燃料マニフォルド、３０  燃料ノズル、３２  混合器、３４  第１開口部、３６  燃料、３８  第２開口部、４０  圧縮空気流，空気流、４４  二次混合気，過濃混合気，混合気、５２  弁、５８  希薄混合気、６０  一次燃焼ガス，高温燃焼ガス、６２  第１温度、６６  第２燃焼段，第２段
【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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【手続補正書】
【提出日】平成27年10月5日(2015.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン内の軸流段燃焼のための方法であって、
前記ガスタービンエンジンのカン型環状燃焼器の第１燃焼段内で希薄混合気を混合するステップであって、前記希薄混合気が１未満の等量比を有する、ステップと、
前記第１燃焼段で前記希薄混合気を点火し、第１温度及び遊離基を有する高温燃焼ガスを形成するステップと、
等量比が１より大きい過濃混合気を混合するステップと、
前記第１燃焼段から下流側にある前記カン型環状燃焼器の第２燃焼段で前記過濃混合気を前記高温燃焼ガス内に注入するステップと、
前記第２燃焼段で前記高温燃焼ガス内の前記過濃混合気を点火し、それにより、前記高温燃焼ガスの前記第１温度及び前記遊離基が、所定の炭化水素排出物限界内で過濃混合気の燃焼を促進させ、前記高温燃焼ガスの前記第１温度が、第２温度まで上昇するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記過濃混合気が、３から１０までの等量比を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記過濃混合気が、３から５までの等量比を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記過濃混合気が前記高温燃焼ガス内に拡散するにしたがって、前記過濃混合気の等量比が減少され、
前記過濃混合気の等量比が、前記第２温度が排出物閾値温度未満となるのに十分に高くなるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１温度が、１３００℃から１５００℃までの範囲内にあり、
前記第２温度が、１５００℃から１７００℃までの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記希薄混合気を点火することが、前記高温燃焼ガスに第１度合の排出物を発生させ、
前記過濃混合気を点火することが、第１排出物度合を第２排出物度合まで増加させ、
前記第２排出物度合が、所定の排出物限界内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
排出物が、ＮＯｘであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記過濃混合気における空気量が、前記希薄混合気と前記過濃混合気との総空気量の０．５％から３．５％の間であり、
前記過濃混合気における燃料量が、前記希薄混合気と前記過濃混合気との総燃料量の５％から２０％の間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記過濃混合気における空気量が、前記希薄混合気と前記過濃混合気との総空気量の０．５％から２％の間であり、
前記過濃混合気にける燃料量が、前記希薄混合気と前記過濃混合気との総燃料量の５％から１５％の間であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
カン型環状の燃焼器と、
前記燃焼器とタービンとの間で流体連通する移行部と、
前記燃焼器と前記移行部との間で流体連通する燃焼器拡張体と、
前記燃焼器拡張体を貫通するように形成された複数の壁開口部と、
前記燃焼器拡張体の外面に沿って延在する燃料マニフォルドと、を備え、
前記燃料マニフォルドが、複数の前記壁開口部それぞれを通して燃料を送達させるように位置合わせされた複数の燃料ノズルを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１１】
複数の前記壁開口部それぞれにおいて前記燃料マニフォルドと前記燃焼器拡張体の前記外面との間に位置付けられた混合器であって、前記燃料ノズルそれぞれと位置合わせされて前記燃料ノズルそれぞれから燃料を受ける第１開口部と空気流を受ける第２開口部とを有する、混合器と、
複数の前記壁開口部それぞれに位置付けられたスクープであって、前記混合器から前記燃料及び前記空気流を受けるように構成され、前記燃料及び前記空気流の混合気を前記壁開口部それぞれ内に向けるようにさらに構成された、スクープと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記混合器の前記第２開口部が、環状開口部であり、前記空気流を受け、
前記第１開口部が、前記混合器の中央横断領域に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
前記スクープが、前記燃焼器拡張体の内側に向けて内方に向かうように角度付けされた円錐状をなすことを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記燃料マニフォルドの前記燃料ノズルそれぞれが、弁を有し、前記第１開口部内に向けられた燃料の体積流量を調整可能に変化させかつ前記壁開口部それぞれ内に向けられた前記混合気の等量比を調整可能に変化させることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
複数の前記壁開口部が、前記燃焼器拡張体の前記外面の外周に沿って形成されており、
前記燃料マニフォルドが、前記燃焼器拡張体の前記外面の外周に沿って延在することを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記燃焼器の外面の周囲にあるスリーブであって、燃料を前記燃料マニフォルドに向ける供給ラインを有する、スリーブと、
閾値負荷を超える当該ガスタービンエンジンの負荷に基づいて、前記供給ラインを通して前記燃料マニフォルドに燃料を供給する制御器と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
前記燃焼器拡張体を貫通するように形成された複数の前記壁開口部が、楕円状であることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
ガスタービンエンジン内の軸流段燃焼のための方法であって、
前記ガスタービンエンジンの第１燃焼段で希薄混合気を点火し、所定のＮＯｘ生成限界値未満の温度を有する高温燃焼ガスを形成するステップと、
等量比が３以上の過濃混合気を混合するステップと、
前記第１燃焼段から下流側にある第２燃焼段で前記高温燃焼ガス内に前記過濃混合気を注入するステップと、
前記高温燃焼ガスの熱及び前記高温燃焼ガス内の遊離基を利用して前記過濃混合気を点火させ、それにより、前記過濃混合気が、所定の炭化水素排出物限界内で燃焼され、前記高温燃焼ガスの温度が、依然として前記ＮＯｘ生成限界値未満のまま所定の温度まで閾値の近くに上昇されるステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記高温燃焼ガスの前記温度が、１３００℃から１５００℃までの範囲内から１５００℃から１７００℃までの範囲内まで上昇されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【国際調査報告】
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