(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジン内で空気及びガスを混合するためのバーナ管予混合器及び方法を提供する。【解決手段】バーナ管４内に形成されまた該バーナ管４内に向けて接線方向に空気流２６、２８を導入しかつ該空気流２６、２８に対してスワールを与えるように構成された複数のスロット１２と、バーナ管４に沿って軸方向に延びる複数の燃料通路１４と、各燃料通路１４に対して設けられた複数の燃料噴射孔１６とを含む。各燃料通路１４の燃料噴射孔１６の少なくとも１つは、隣接するスロット１２の空気流２６、２８間でバーナ管４内に向けて接線方向に燃料流２４を噴射して燃料及び空気共流を形成するように構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン内で使用するバーナ（２）であって、
入口端部（６）及び出口端部（８）を有するバーナ管（４）と、
前記バーナ管（４）内に形成されまた該バーナ管（４）内に向けて接線方向に空気流（２６、２８）を導入しかつ該空気流（２６、２８）に対してスワールを与えるように構成された複数のスロット（１２）と、
前記バーナ管（４）に沿って軸方向に延びる複数の燃料通路（１４）と、
各前記燃料通路（１４）に対して設けられた複数の燃料噴射孔（１６）と、を含み、
各前記燃料通路の燃料噴射孔（１６）の少なくとも１つが、隣接する前記スロット（１２）の空気流（２６、２８）間で前記バーナ管（４）内に向けて接線方向に燃料流（２４）を噴射して燃料及び空気共流を形成するように構成される、
バーナ。
【請求項２】
前記入口端部（６）及び出口端部（８）間で前記バーナ管（４）内に同軸に配置された中央本体（１８）をさらに含む、請求項１記載のバーナ。
【請求項３】
前記中央本体（１８）が、前記入口端部（６）から前記出口端部（８）まで収束している、請求項２記載のバーナ。
【請求項４】
前記中央本体（１８）が、中央通路（２０）を含む、請求項２又は請求項３のいずれか１項記載のバーナ。
【請求項５】
各前記スロット（１２）が、前記バーナ管（４）の軸線に対して接線方向及び／又は半径方向に前記空気流（２６、２８）を導くスロット端部（２２）を含む、
請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のバーナ。
【請求項６】
各前記燃料通路（１４）が、前記バーナ管（４）の外壁（３６）及び内壁（３０）間に形成される、請求項１〜請求項５のいずれか１項記載のバーナ。
【請求項７】
その中に形成された複数のスロット（１２）を備えたバーナ管（４）を有するガスタービンのバーナ（２）において空気及び燃料を混合する方法であって、
前記スロット（１２）を通して前記バーナ管（４）内に向けて接線方向に空気流（２６、２８）を導入しかつ該空気流（２６、２８）に対してスワールを与えるステップと、
隣接する前記スロット（１２）の空気流（２６、２８）間に燃料（２４）を噴射して燃料及び空気共流を形成するステップと、を含む、
方法。
【請求項８】
前記燃料を噴射するステップが、前記バーナ管（４）内に向けて接線方向に前記燃料（２４）を噴射するステップを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記スロット（１２）の端部（２２）において前記バーナ管の軸線に対して接線方向及び／又は半径方向に前記空気流を噴射するステップをさらに含む、
請求項７又は請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記バーナ管を通して該バーナ管（４）内に同軸に配置された中央本体（１８）に沿って前記共流を加速させるステップをさらに含む、請求項７〜請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器用の空気燃料混合器並びに空気及び燃料を混合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン製造業者は、調査研究及び工学設計プログラムに定期的に関与して、望ましくない大気汚染エミッションを発生せずに高い効率で作動する新規なガスタービンを製造している。従来通りの炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンによって通常発生する主な大気汚染エミッションは、窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃炭化水素である。空気吸入エンジンにおける窒素分子の酸化は、燃焼システム反応ゾーンにおける最高高温ガス温度に大きく依存している。窒素酸化物（ＮＯｘ）を形成する化学反応速度は、温度の指数函数である。燃焼チャンバの高温ガスの温度を十分に低レベルに制御した場合には、サーマルＮＯｘは、生成されない。
【０００３】
燃焼器の反応ゾーンの温度を、サーマルＮＯｘが形成されるレベル以下に制御する１つの方法は、燃焼に先立って燃料及び空気を希薄混合気に予混合することである。希薄予混合式燃焼器の反応ゾーン内に存在する過剰空気の熱質量が、熱を吸収しかつ燃焼生成物の温度上昇をサーマルＮＯｘが形成されないレベルまで低下させる。
【０００４】
燃料及び空気の希薄予混合状態で作動する乾式低エミッション燃焼器と関連した問題が幾つか存在しており、この乾式低エミッション燃焼器では、燃料及び空気の可燃性混合気が、燃焼器の反応ゾーンの外部である該燃焼器の予混合セクション内に存在している。火炎が燃焼器反応ゾーンから予混合セクション内に伝播しかつ該火炎が燃料噴射コラム（噴射直交流）又はベーン後縁の後方の伴流の内部に保持された時に発生する逆火、或いは予混合セクション内における燃料／空気混合気のドエル時間及び温度が点火装置なしで燃焼を開始するのに十分である時に発生する自己点火に起因して、燃焼が予混合セクション内で発生する傾向が存在する。予混合セクション内における燃焼の結果として、エミッション性能の低下及び／又は一般的に燃焼の熱に耐えるようには設計されていない予混合セクションの過熱及び損傷を生じる。従って、解決すべき問題は、予混合器の内部で燃焼を発生させる逆火又は自己点火を防止することである。
【０００５】
さらに、予混合器から流出しかつ燃焼器の反応ゾーンに流入する燃料及び空気の混合気は、所望のエミッション性能を達成するために極めて均一でなければならない。燃料／空気混合気濃度が平均値よりも大幅に濃厚である流れ場の領域が存在する場合には、これら領域における燃焼生成物は、平均値よりも高い温度に達することになり、サーマルＮＯｘが形成される。このことは、温度及び滞留時間の組合せに応じて決まるＮＯｘエミッション目標を満たさない可能性がある。燃料／空気混合気濃度が、平均値よりも大幅に希薄である流れ場の領域が存在する場合には、炭化水素及び／又は一酸化炭素を平衡レベルまで酸化させ得ない状態で消炎が発生する可能性がある。これにより、一酸化炭素（ＣＯ）及び／又は未燃炭化水素（ＵＨＣ）エミッション目標を満たさない可能性がある。従って、解決すべきもう１つの問題点は、予混合器から流出する燃料／空気混合気濃度分布を、エミッション性能目標を満たすために十分なほど均一なものにすることである。
【０００６】
なおさらに、多くの用途におけるガスタービンに課されたエミッション性能目標を満たすためには、大半の炭化水素燃料の場合にその燃料／空気混合気濃度を希薄可燃性限界値に近いレベルまで低下させることが必要である。このことは、火炎伝播速度の低下並びにエミッションの低減をもたらす。その結果として、希薄予混合燃焼器は、より多くの従来型の拡散火炎燃焼器よりも安定性が劣る傾向があり、高レベル燃焼誘発動的圧力変動（ダイナミックス）が生じることが多い。ダイナミックスは、摩耗又は疲労による燃焼器及びタービンハードウェア損傷、逆火、或いは吹消えのような悪い結果をもたらす可能性がある。従って、解決すべきもう１つの問題は、燃焼ダイナミックスを容認可能な低レベルに制御することである。
【０００７】
エミッション低減のための希薄予混合燃料噴射装置は、二十年間以上にわたって大型の産業用ガスタービンでの実施が減少してきているが、産業界全体において使用されている。そのような装置の代表的な実施例が、米国特許第５２５９１８４号に記載されている。このような装置により、ガスタービン排出エミッション低減の分野における進歩が達成されてきた。先行技術の拡散火炎バーナに比較して数倍又はそれ以上ほどの窒素酸化物ＮＯｘエミッションの低減が、蒸気又は水のような希釈剤噴射の使用がない状態で達成された。
【０００８】
しかしながら、上述のように、エミッション性能におけるこれらの利得は、幾つかの問題の発生ノリスクの下で得られた。具体的には、この装置の予混合セクション内での逆火及び火炎保持により、過熱に起因したエミッション性能の低下及び／又はハードウェア損傷が生じる。さらに、高レベルの燃焼誘導動的圧力作用により、摩耗又は高サイクル疲労損傷に起因したガスタービンの燃焼システム部品及び／又はその他の部品の有効寿命の低下が生じる。なおさらに、高レベルの動的圧力作用、逆火又は吹消えに至る状態を回避するためには、ガスタービンの操作上の複雑さが増大しかつ／或いはガスタービンに対する作動制約条件が必要となる。
【０００９】
これらの問題に加えて、従来型の希薄予混合式燃焼器は、燃料及び空気の完全な均一予混合では実現可能な最大エミッション低減が達成されなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５２５９１８４号明細書
【特許文献２】米国特許第５７７８６７６号明細書
【特許文献３】米国特許第６３０１８９９号明細書
【特許文献４】米国特許第６４３８９６１号明細書
【特許文献５】米国特許第６９９３９１６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの実施形態によると、ガスタービンエンジン内で使用するバーナは、入口端部及び出口端部を有するバーナ管と、バーナ管内に形成されまた該バーナ管内に向けて接線方向に空気流を導入しかつ該空気流に対してスワールを与えるように構成された複数のスロットと、バーナ管に沿って軸方向に延びる複数の燃料通路と、各燃料通路に対して設けられた複数の燃料噴射孔とを含む。各燃料通路の燃料噴射孔の少なくとも１つは、隣接するスロットの空気流間でバーナ管内に向けて接線方向に燃料流を噴射して燃料及び空気共流を形成するように構成される。
【００１２】
本発明の別の実施形態によると、ガスタービンのバーナにおいて空気及び燃料を混合する方法を提供する。バーナは、その中に形成された複数のスロットを備えたバーナ管を有する。本方法は、スロットを通してバーナ管内に向けて接線方向に空気流を導入しかつ該空気流に対してスワールを与えるステップと、隣接するスロットの空気流間に燃料を噴射して燃料及び空気共流を形成するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態によるバーナの概略斜視図
【図２】線２−２に沿って取った、図１のバーナの概略断面図。
【図３】線３−３に沿って取った、図１のバーナの概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜図３を参照すると、バーナ２は、入口端部６及び出口端部８を有するバーナ管４を含む。バーナ管４には、バーナ２をガスタービンエンジン内に取付けるためのフランジ１０が設けられる。フランジ１０はバーナ管４と一体形に形成するか又は個別に形成することができることを理解されたい。また、バーナ２において、その他の取付け構成を設けることができることも理解されたい。
【００１５】
バーナ管４内には、複数のスロット１２が形成される。空気は、スロット１２を通してバーナ管４内に向けて接線方向に導入される。各スロット１２は、該スロット１２に流入する燃焼空気に対してスワールを与えるような螺旋状又は旋回状構成を有している。図２に示すように、バーナ管４は、該バーナ管４に沿って軸方向に延びる複数の燃料通路１４を含む。燃料通路１４からバーナ管４内に向けて接線方向に燃料を噴射する複数の燃料噴射孔１６が設けられる。燃料通路１４は、外壁３６及び内壁３０間でバーナ管４内に形成される。
【００１６】
図２及び図３を参照すると、バーナ管４内には、該バーナ管４の軸線に沿って空気及び燃料の混合気を加速しかつ中央本体１８の表面における流れ剥離がない状態に維持する収束形中央本体１８が設けられる。中央本体１８は、バーナ管４の出口端部８に隣接した中央本体先端３２を有する。中央本体１８はまた、パージ空気が中央本体１８を通って流れて、該中央本体１８、例えば中央本体先端３２における火炎保持を回避するのを可能にする中央通路２０を含む。
【００１７】
図３を参照すると、スロット１２は各々、バーナ管４の軸線３４に対して接線方向であって空気及び燃料の混合における外乱を最少にするスロット端部２２を有する。図２に示すように、噴射燃料は、スロット１２からの空気流２６と別のスロット１２からの空気流２８との間に挟まれる。噴射燃料２４は、空気流２６、２８と共流を形成しかつバーナ管４の内壁３０と接触することが防止される。これにより、火炎保持を引き起こす傾向がある噴射直交流が排除される。接線方向に流入した燃料及び空気共流層は次に、迅速な混合状態で軸方向に流下しかつ燃焼器に送り出されて、安定した予混合燃焼が行われるようになる。
【００１８】
燃料及び空気共流２４、２６、２８は、半径方向にバーナ管４に流入する。共流２４、２６、２８の半径方向の流入は、バーナ管４の内部に如何なる伴流領域も発生させず、またあらゆる発生可能性のある火炎保持スポットも排除する。半径方向燃料及び空気共流２４、２６、２８はまた、軸方向渦流破壊をもたらして、良好な燃料及び空気混合を保証する。スロット端部２２は、空気流２６、２８がバーナ管軸線３４に対して接線方向にまた半径方向にバーナ管４に流入するのを可能にするように構成される。中央本体１８は、バーナ管４の中央部における火炎逆火を防止しかつ中央本体先端３２近傍に火炎を安定させる。
【００１９】
バーナ２は、簡単な幾何学形状を有しかつ低コストで製作することができる。バーナ２はまた、高効率及び低エミッションをもたらす。バーナ管４の内壁３０はまた、純空気又は空気パージによって保護することができる。バーナ管２ではまた、低空気及び燃料圧力損失が得られかつ漸進的軸方向燃料噴射により、ダイナミックスが回避される。バーナ２はまた、高水素燃料及び合成ガスで使用することもできる。
【００２０】
スロット１２の長さ及び幅、燃料噴射孔１６の個数、燃料噴射孔１６の直径、燃料噴射孔１６の位置、並びに中央本体１８の表面輪郭は、計算流体力学（ＣＦＤ）を使用して、所望の又は強化した空気／燃料混合が得られかつバーナ内での自己点火及び火炎保持が回避されるように設計することができる。また、バーナは、例えば４つのスロットを含むものとして示しているが、任意の複数のスロットを設けることができることも理解されたい。
【００２１】
現時点で最も実用的か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、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な改良及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２２】
２  バーナ
４  バーナ管
６  入口端部
８  出口端部
１０  フランジ
１２  スロット
１４  燃料通路
１６  燃料噴射孔
１８  中央本体
２０  中央通路
２２  スロット端部
２４  噴射燃料
２６  空気流
２８  空気流
３０  壁（内壁）
３２  中央本体先端
３４  軸線
３６  壁（外壁）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2009250604000001.pdf