(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービン燃焼システムにおける窒素酸化物排出量を低減するための装置を提供する。【解決手段】ドライＮＯｘ排出燃焼器３０は、燃料と冷却ガスを混合する予混合室３６と、予混合燃料と冷却ガスを燃焼させるため、予混合室の下流に位置する燃焼室３２とを備える。燃焼器は、予混合室と燃焼室の間に位置し、狭窄部を画成する収束及び発散壁部４１，４３を有する環状壁を有するベンチュリであって、予混合燃料と空気を燃焼室へと流すベンチュリ４６をさらに備える。壁は、燃焼室に沿って冷却ガスが流れる通路４４を画成し、燃焼室内に冷却ガスを流す出口６４を有する。収束及び発散壁部の複数の入口５６が、通路に冷却ガスを取り込んでインピンジメント冷却作用を生じさせる。入口の下流に設けられた複数のタービュレータ６２が冷却ガスと相互作用して乱流冷却作用を生じさせる。燃焼器のＮＯｘ排出量が低減する温度範囲で燃焼器を効果的に燃焼させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライ低窒素酸化物（ＮＯｘ）排出燃焼器（３０）であって、当該燃焼器（３０）が、
燃料（１１）と冷却ガスを混合するための予混合室（３６）と、
予混合燃料と冷却ガスを燃焼させるための、予混合室（３６）の下流に位置する燃焼室（３２）と、
予混合室（３６）と燃焼室（３２）との間に位置し、狭窄部を画成する収束壁部（４１）と発散壁部（４３）を有する略環状の壁を有するベンチュリ（４６）であって、予混合燃料と空気を燃焼室（３２）へと流すベンチュリ（４６）と
を備えており、
上記壁が、燃焼室（３２）に沿って軸方向に延びる冷却ガス流用の通路（４４）を画成しているとともに燃焼室（３２）に冷却ガスを流す出口を有しており、収束壁部（４１）及び発散壁部（４３）の複数の入口（５６）が、通路（４４）に冷却ガスを取り込んでインピンジメント冷却作用を生じさせ、入口（５６）の下流に配置された複数のタービュレータ（６２）が冷却ガスと相互作用して乱流冷却作用を生じさせ、もって当該燃焼器（３０）のＮＯｘ排出量が低減する温度範囲で当該燃焼器（３０）を効果的に燃焼させることができる、燃焼器（３０）。
【請求項２】
収束壁部（４１）と発散壁部（４３）が約６０度〜約９０度の円錐角を形成する、請求項１記載の燃焼器（３０）。
【請求項３】
前記円錐角が約６７．５度である、請求項２記載の燃焼器（３０）。
【請求項４】
前記ベンチュリ（４６）が、フィン（５４）を有する中実本体（５２）を有する前方一体形リング（５０）をさらに含む、請求項１記載の燃焼器（３０）。
【請求項５】
前記フィン（５４）が、前方一体形リング（５０）の中実本体（５２）から軸方向に離れて延びる、請求項４記載の燃焼器（３０）。
【請求項６】
前記ベンチュリ（４６）が、燃焼器（３０）の親ライナ（３８）に組込まれる、請求項１記載の燃焼器（３０）。
【請求項７】
前記通路（４４）が、タービュレータ（６２）の設置された箇所で直径が減少している、請求項１記載の燃焼器（３０）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義にはガスタービン燃焼システムにおける窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量を低減するための装置に関する。具体的には、本発明は、窒素酸化物排出量を低減するため燃焼室／ベンチュリを冷却する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンの温度がガスタービンエンジンの効率に影響することは周知である。そのため高温化の傾向が強まっているが、これはタービンの熱負荷の増大だけでなく、ＮＯｘ排出量の増加を招く。燃焼器の入口温度の上昇に伴ってＮＯｘ排出量が指数関数的に増大することも周知である。このようなタービン部品への熱負荷は、燃焼室からの燃料空気混合気からの大量の熱流束への暴露に起因する。
【０００３】
近年、ガスタービンの汚染物排出に対する政府の排出規制は一段と厳しさを増している。大気汚染の原因となる一酸化窒素については特に問題とされている。
【０００４】
米国特許第５１１７６３６号は、燃焼室及びベンチュリ壁を冷却するための装置に関する。この装置は、１つの入口から圧縮空気を用いてベンチュリ壁を冷却し、次いで空気を下流方向に燃焼室内に流出させる。効率的燃焼器を維持するには、ベンチュリスロート部から妥当な間隔をおいて冷却空気を放出する必要があることが判明した。さもなければ、冷却空気が上流に移動して燃焼室内に入り（逆流として知られる）、安定火炎が損なわれてしまう。
【０００５】
米国特許第６４４６４３８号も同様に、燃焼室及びベンチュリ壁を冷却するための装置に関する。ここでは、装置は上流方向の流れを使用し、冷却済み空気を予混合室内に再度導くので、空気は燃焼室内には全く放出されない。
【特許文献１】米国特許第５１１７６３６号明細書
【特許文献２】米国特許第６４４６４３８号明細書
【特許文献３】米国特許第６４３０９３２号明細書
【特許文献４】米国特許第６４８４５０９号明細書
【特許文献５】米国特許第６７７２５９５号明細書
【特許文献６】米国特許第６８６５８９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ベンチュリ壁を含めた燃焼室の冷却性を向上させながら、同時に窒素酸化物排出量を低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、燃料と冷却ガスを混合するための予混合室と、予混合燃料と冷却ガスを燃焼させるための、予混合室の下流に位置する燃焼室とを備えるドライ低窒素酸化物（ＮＯｘ）排出燃焼器を提供する。本燃焼器は、予混合室と燃焼室との間に位置し、狭窄部を画成する収束壁部と発散壁部を有する略環状の壁を有するベンチュリであって、予混合燃料と空気を燃焼室へと流すベンチュリをさらに備えている。上記壁は、燃焼室に沿って軸方向に延びる冷却ガス流用の通路を画成しているとともに燃焼室に冷却ガスを流す出口を有する。収束壁部及び発散壁部の複数の入口が、通路に冷却ガスを取り込んでインピンジメント冷却作用を生じさせる。入口の下流に配置された複数のタービュレータが冷却ガスと相互作用して乱流冷却作用を生じさせる。こうして、本燃焼器のＮＯｘ排出量が低減する実質的な温度範囲で燃焼器を効果的に燃焼させることができる。
【０００８】
また、燃料と冷却ガスを予混合し、燃料及び冷却ガスの流れを収縮させることを含む、燃焼器でのドライ低窒素酸化物（ＮＯｘ）排出方法も提供する。本方法は、冷却ガスのインピンジメント冷却及び冷却ガスの乱流冷却をさらに含む。本方法は、さらに、ＮＯｘ排出量の低い実質的な温度範囲で予混合した燃料と冷却ガスを燃焼させることも含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、既存のガスタービン燃焼器１０を概略的に示している。燃焼器１０は、ベンチュリ１２、空気及び燃料を予混合するための環状予混合室１４、及び燃焼器チャンバ１６を含む。タービン圧縮機（図示せず）は、予混合室１４内に空気流を供給し、予混合室１４には次に燃料が導入されて、燃料空気混合気が生成される。燃料１１は、燃料流量制御装置１３によって１以上の燃料ノズル１５に供給される。空気は、１以上の入口ポート１７を通して導入される。燃焼室１６は、燃焼器中心線１９周りでその形状が略円筒形でありかつ壁２１及び親ライナ又は壁２３によって囲まれる。この燃料−空気混合気は、矢印２５で示すように、燃焼室１６に向かって下流方向に移動する。その場合に、燃料−空気混合気の流れは、約１１２．５度の円錐角を有する円錐を形成した収束／発散壁部２７及び２９によって収縮させられる。こうした収縮により、燃料−空気混合気は燃焼室１６内に向けて加速され、燃焼室１６において、燃料−空気混合気は燃焼され、それにより大量の熱流束がベンチュリ１２上に発生することになる。タービン圧縮機（図示せず）は、上部壁１８及び下部壁２０間でチャネル２２内に流入するように入口２４を通して冷却空気を供給し、背面インピンジメント冷却を生じさせる。冷却空気は次に、ベンチュリのチャネル２２を通って下流方向に移動して該チャネル２２の壁を冷却するようになる。冷却空気は、燃焼室壁に沿って吐出開口部２６を通して流出する。空気は次に、燃焼室１６内部での冷却及び燃焼プロセスに使用される。
【００１０】
図２を参照すると、本発明の実施形態のガスタービン燃焼器を参照符号３０で概略的に示している。ガスタービン燃焼器３０は一般に、燃焼室３２、燃料ノズル３４（ここで示すように、幾つかのガスタービンは、各燃焼器において複数のノズルを使用する）、環状予混合室３６及びベンチュリ４６を含む。タービン圧縮機（図示せず）は、予混合室３６内に空気流を供給し、予混合室３６には次に燃料が導入されて、燃料空気混合気が生成される。燃料３１は、燃料流量制御装置３３によって燃料ノズル３４に供給される。空気は、１以上の入口ポート４８を通して導入される。燃焼室３２は、燃焼器中心線３５周りでその形状が略円筒形でありかつ壁３７及び親ライナ又は壁３８によって囲まれる。略円筒形の親ライナ３８は、燃焼室３２を形成した上部壁４０及び下部壁４２を含む。上部壁４０及び下部壁４２間の半径方向スペースにより、空気流通路又はチャネル４４が形成される。
【００１１】
燃料−空気混合気は、矢印３９で示すように、燃焼室３２に向かって下流方向に移動する。その場合に、燃料−空気混合気の流れは、約６７．５度の円錐角を有する円錐を形成した収束／発散壁部４１及び４３によって収縮させられる。しかしながら、約６０度〜約９０度の範囲内の円錐角が、良好な性能及び適切な冷却の本発明の利点をもたらすと思われかつ本発明の技術的範囲内でもある。予混合した燃料及び空気は次に、下流方向に燃焼室３２内に導入されることになる。ベンチュリ４６によって生じた流れの収縮により、混合気が収束壁部を通過する時にベルヌーイの定理に基づいて該混合気の加速が生じ、それに従って、速度の増加と共に圧力の低下が生じる。従って、このことにより、燃料−空気混合気は燃焼室３２内に向けて加速され、燃焼室３２において、燃料−空気混合気は燃焼され、それにより大量の熱流束がベンチュリ４６上に発生し、ベンチュリ４６は、冷却するのが望ましいことになる。
【００１２】
ベンチュリ４６は、複数の冷却手段を構成する。１つの冷却手段として、背面インピンジメント冷却が含まれ、この冷却では、タービン圧縮機（図示せず）は、上部壁４０及び下部壁４２間でチャネル４４内に流入するように複数の入口又は開口部５６を通して冷却空気（加圧空気）を供給する。入口５６は、親ライナ３８の上部壁４０上に配向されかつベンチュリ４６の収束及び発散壁部に沿って集中している。その後、冷却空気は、下流方向にベンチュリのチャネル４４を通って乱流冷却部分５８に向かって移動することになる。
【００１３】
乱流冷却部分５８は、上部壁４０を内向きに収束させることによって、収縮している。この形状を維持するために、支持ストリップ６０が、乱流冷却部分５８の吸込口及び吐出口に設置される。乱流冷却部分５８内部には、タービュレータ６２が、ベンチュリチャネル４４の下部壁４２に沿って長手方向に等間隔に、内側から上部壁４０に向かった状態で配向される。タービュレータ６２は、冷却空気と上部壁４０及び下部壁４２の金属との間でより多くの接触を発生させ、それによって乱流によるより良好な熱交換を生じさせる。
【００１４】
その後、乱流冷却部分５８からの冷却空気は、チャネル４４を通って吐出開口部６４に移動することになる。吐出開口部６４は次に、冷却空気を燃焼室３２内に放出し、燃焼室３２内で、冷却空気は、燃焼プロセスにおいて安定火炎を形成するのを助けると同時に、燃焼室３２の冷却を行う。
【００１５】
また図３を参照すると、チャネル４４上の前方内側円錐連結部位における熱応力を低下させると同時に有効な冷却パターンが維持する前方一体形リング５０を示している。無漏洩継手がまた、前方一体形リング５０によって形成される。前方一体形リング５０は、中実本体５２と傾斜フィン５４とを有し、傾斜フィン５４は、限られた量の冷却を受けるチャネル４４の小さいセグメントを遮蔽し、それによって排出量を低減するのを助ける。フィン５４は、中実本体５２から離れて軸方向に延びて、熱応力を低下させるのに十分な量のチャネル４４を覆う。
【００１６】
この燃焼器３０内のガスを冷却するのを強化する前述の複数の手段により、安定火炎を維持しながらＮＯｘ排出量が低減される。さらに、前方一体形リング５０の導入による漏洩通路の排除及び親ライナ３８内へのベンチュリ４６の組込みは、前述の流量変動を制御する手段を大きく助ける。さらに、約６７．５度のベンチュリ円錐角もまた、性能を犠牲にせずに冷却するのを助ける。複数の冷却手段すなわちインピンジメント冷却及び乱流冷却の使用により、冷却空気が節約される。ＮＯｘ排出量の低減は、政府規制の順守を支援する。
【００１７】
好ましい実施形態を示しかつ説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずにそれら実施形態に対して様々な変更及び置換えを行うことができる。従って、本発明は、例示として説明したものであって、限定としてのものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】先行技術のガスタービン燃焼器システムの簡略断面図。
【図２】本発明の例示的な実施形態のガスタービン燃焼器システムの簡略断面図。
【図３】図２のガスタービン燃焼器システムの前方一体形リングの断面図。
【符号の説明】
【００１９】
１０、３０  燃焼器
１１、３１  燃料
１２、４６  ベンチュリ
１３、３３  燃料流量制御装置
１４、３６  予混合室
１５、３４  燃料ノズル
１６、３２  燃焼室
１７、４８  ポート
１８、４０  上部壁
１９、３５  中心線
２０、４２  下部壁
２１、３７  外部壁
２２、４４  空気流路
２３、３８  親ライナ
２４、５６  入口
２５、３９  矢印方向
２６、６４  吐出開口部
２７、４１  収束壁部
２９、４３  発散壁部
５８  乱流冷却部分
６０  支持ストリップ
６２  タービュレータ
５０  前方一体形リング
５２  一体形リング中実本体
５４  一体形リング傾斜フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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