(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料入口端（２１２）およびタービン入口端（２１４）を有する全長Ｌの燃焼器（２１０）において、
燃焼器外壁（２１７）と、
前記燃焼器外壁（２１７）に配置され、燃料入口端（２１２）から軸線方向約０．０８Ｌ〜約０．１２Ｌの範囲に位置する複数の第１混合穴（２１６）と、
前記燃焼器外壁（２１７）に配置され、燃料入口端（２１２）から軸線方向約０．１２Ｌ〜約０．１５Ｌの範囲に位置する複数の第２混合穴（２１８）と、
前記燃焼器外壁（２１７）に配置され、燃料入口端（２１２）から軸線方向約０．１８Ｌ〜約０．２２Ｌの範囲に位置する複数の第１希釈穴（２２０）と、
前記燃焼器外壁（２１７）に配置され、燃料入口端（２１２）から軸線方向約０．３５Ｌ〜約０．４２Ｌの範囲に位置する複数の第２希釈穴（２２２）と
を備える最適化された燃焼器（２１０）。
【請求項２】
前記燃焼器は圧縮機と協働してガスタービンを駆動し、
前記燃焼器の外壁は円筒形形状を有し、
前記第１の混合穴と第２の混合穴は、前記燃焼器外壁（１０２，２１７）の外周に前記燃料入口端（１０６，２１２）に隣接して配置され、燃焼器内部でのＮＯｘ生成を低減するために形成され、
前記第１の希釈穴と第２の希釈穴は、前記燃焼器への希釈空気（１１０）の入口を与えるために形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃焼器（１００，２１０）。
【請求項３】
前記燃焼器は圧縮機と協働してガスタービンを駆動し、
前記燃焼器の外壁は、長さが約８８．９cm〜約１２７cmの範囲にある円筒形形状を有し、
前記第１の混合穴と第２の混合穴は、燃焼器内部でのＮＯｘ生成を低減するために設けられ、その直径が約１．２７cm〜約２．５４cmの範囲にあり、前記燃料入口端（１０６）から軸線方向約７．６２cm〜約２５．４cmに配置され、
前記第１の希釈穴と第２の希釈穴は、その直径が約３．１８cm〜約７．６２cmの範囲にあり、前記燃料入口端（１０６）から軸線方向約１２．７０cm〜約５０．８０cmに配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼器（１００）。
【請求項４】
前記混合穴（１０４，２１６，２１８）が前記燃焼器壁（１０２，２１７）の周りに円周方向等間隔に分布した、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、一般に工業用タービンエンジン、特にその燃焼器に関する。
【０００２】
【背景技術】
工業用発電ガスタービンエンジンでは、圧縮機で空気を圧縮し、圧縮空気を燃焼器で燃料と混合し、点火して燃焼ガスを生成する。燃焼ガスはタービンに流れ、タービンは、圧縮機に動力供給するシャフトを駆動するためのエネルギーを抽出し、またたとえば発電機に動力供給するための出力パワーを生成する。タービンは、代表的には、発電機に動力供給して送電線路網（ユーティリティグリッド）に電力を送り出すために、比較的大きなベース負荷で長期間運転される。
【０００３】
過去１０年ほどの間に、タービン発電所からのエミッション（排ガス排出量）を低減する法的規制条件が、格段に増加している。世界中の環境機関が、現行および新規タービン両方からのＮＯｘ、ＣＯその他の汚染物質の排出量の低減を要求している。
従来のタービン燃焼器は、燃料と空気が別々に自由に燃焼室に入り、燃料と空気の混合が燃焼と同時に起こる、非予混合の拡散炎に依拠している。代表的な拡散炎は、化学量論的条件またはその近傍で燃焼する領域により規定される。得られる火炎温度は３０００°Ｆ（１６５０℃）を超える。約２８５０°Ｆ（１５６５℃）を超える温度では２原子の窒素が酸素と迅速に反応するので、拡散炎は通常比較的高レベルのＮＯｘエミッションを生成する。
【０００４】
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、水または水蒸気を燃焼器に噴射する方法が通常用いられる。しかし、水または水蒸気の噴射は、比較的経費のかさむ手段であり、一酸化炭素バーンアウト反応を鎮静する望ましくない副作用を起こす。その上、水または水蒸気噴射法は、現在多くの地域で要求されているきわめて低い汚染物質レベルをクリアする能力の点で限界がある。さらに、この方法は、遠隔地のパイプライン基地などの、水や水蒸気が得られない施設には使用できない。
【０００５】
従来の拡散炎燃焼器にはこのような制約があるため、リーン予混合タービン燃焼器が開発された。リーン予混合燃焼器は、希釈剤を注入することなく、きわめて低いＮＯｘおよびＣＯエミッションを達成することができる。リーン予混合燃焼器は、燃焼前に燃料と空気を混合し、これによりＮＯｘ形成につながる高温条件を回避する。しかし、このエミッション低減は、簡易性およびコストと引き換えに得られる。予混合燃焼器にはたいていの場合、多数の燃料噴射器または燃料ノズル、多数の燃料マニホールド、多数のパージマニホールド、そして多数の燃料制御弁を設けるので、予混合燃焼器のコストは従来の拡散炎燃焼器の５〜１０倍になる。さらに、予混合燃焼器は、通常、多数の運転モードを有する。リーン予混合燃焼器は、狭い負荷範囲にわたってのみ、代表的にはベース負荷近くでのみ、予混合モードで運転でき、予混合燃焼の低エミッションを達成できる。しかし、低負荷時には、可燃性限界のために、予混合燃焼器を拡散炎燃焼器として運転しなければならないことが多い。このモード切替の必要から、燃焼システムのコストと複雑さが増大する。
【０００６】
上述したところから明らかなように、拡散炎燃焼器の運転の低コストおよび簡易性と予混合燃焼器の低エミッションとを組み合わせた改良型ガスタービン燃焼器が当業界で求められている。
【０００７】
【発明の概要】
この発明の、圧縮機と協働してガスタービンを駆動する最適化された燃焼器は、上流の燃料入口端および下流のタービン入口端を有する円筒形燃焼器外壁を備える。燃焼器内部でのＮＯｘ生成を低減するための混合穴の配列が、燃焼器外壁の外周に燃料入口端に隣接して配置されている。燃焼器への希釈空気の入口を与える希釈穴の配列が、燃焼器外壁の中間部に配置されている。
【０００８】
【好適な実施態様の説明】
図１に、低ＮＯｘ燃焼器を圧縮機およびタービンと流れ連通関係に連結した工業用ガスタービンエンジンを線図的に示す。図１に例示した工業用発電ガスタービンエンジン１０は、空気１４を圧縮する圧縮機１２を含み、少なくとも１つの燃焼器１８で、圧縮空気１４を燃料１６と混合し、点火する。タービン２０が圧縮機１２に駆動シャフト２２で連結され、駆動シャフト２２の一部は後方に延在して発電を行う発電機（図示せず）にパワーを供給する。運転中は、圧縮機１２が排出する圧縮空気１４を燃料１６と混合、点火して、燃焼ガス２４を発生し、タービン２０により燃焼ガス２４からエネルギーを抽出し、これによりシャフト２２を回転して圧縮機１２に動力供給するとともに、発電機または他の外部負荷を駆動するための出力パワーを生成する。燃焼器１８は、内部に燃焼室２８を画定する円筒形燃焼器壁２６を備える。
【０００９】
従来の燃焼器は、図２に示すように、燃焼器の外周に複数組の一次空気穴を配置した構成をとるのが代表的である。混合穴と呼ばれる第１組の空気穴５０は、適当な量の空気を燃焼室２８内の反応領域に供給する。ほとんどの従来の燃焼器において、第１組の空気穴５０はその中央領域に配置されている。第２組の空気穴５４が燃焼室の下流端に配置されて、移行部材（図示せず）やタービン入口（図示せず）に入る前に燃焼ガス２４を急冷する。
【００１０】
従来の燃焼器を設計した当初、生成するＮＯｘエミッション（排出）にほとんど注意を払わなかった。当初の設計目的は、代表的には、完全燃焼を達成すること、妥当な圧力降下、長い部品寿命（低い金属温度）、良好な火炎安定性、ターンダウン比および点火特性、そして所望の排気温度分布などであった。これらの目的を達成したら、設計作業は完了した。その結果、従来の燃焼器は比較的多量のＮＯｘエミッションを生成する。
【００１１】
この発明の１実施例による、最適化された燃焼器１００を図３に示す。燃焼器１００は、燃料入口端１０６およびタービン入口端１０７を有する円筒形燃焼器外壁１０２を備える。燃焼器壁１０２は、代表的には、公称直径（ｄ）が約２２．８６cm〜３８．１０cm（約９〜約１５インチ）、公称長さ（Ｌ）が約８８．９０cm〜１２７．００cm（約３５〜約５０インチ）の範囲である。燃焼器壁１０２は、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）Ｘなどの通常の燃焼ライナー材料のいずれかから作成することができるが、それに限定されるものではない。
【００１２】
この発明の１実施例では、複数の混合穴１０４を燃焼器１００の燃料入口端１０６の近くに配置して、混合空気１０５用の入口を構成する。代表的には、混合穴１０４の直径は約１．２７cm〜２．５４cm（約０．５〜約１インチ）の範囲である。混合穴１０４の数は、代表的には、燃焼器１００の全体寸法に応じて変えることができる。本発明の１実施例では、混合穴１０４の数は約５〜約２０穴の範囲である。
【００１３】
代表的には、混合穴１０４を燃料入口端１０６から軸線方向約７．６２cm〜２５．４０cm（約３〜約１０インチ）の範囲に配置する。さらに、必ずしも必要ではないが、混合穴１０４を燃焼器壁１０２の円周方向に等間隔に分布させる。この発明の１実施例では、混合穴１０４を燃焼器壁１０２の円周のまわりに軸線方向に離間した少なくとも２列の穴として配置し、燃焼器１００に入る混合空気１０５を軸線方向に離す。混合空気１０５の比較的大きな部分を燃料入口端１０６またはその付近で燃焼器１００中に導入することにより、燃料−空気混合特性が改良される。空気の大部分をこのように導入することにより、化学量論的状態で生起する燃焼の量を減らし、したがってＮＯｘエミッションを低減する。
【００１４】
燃焼器１００にはさらに、複数の希釈穴１０８を燃焼器壁１０２に配置して、燃焼器１００への希釈空気１１０の進入区域を与える。希釈空気１１０を供給して、タービン入口（図示せず）または移行部材（図示せず）に入る前に、燃焼ガス２４の温度を下げる。代表的には、希釈穴１０８の直径は約３．１８cm〜７．６２cm（約１．２５〜約３．０インチ）の範囲である。希釈穴１０８の数は、代表的には、燃焼器１００の全体寸法に応じて変えることができる。本発明の１実施例では、希釈穴１０８の数は約４〜約１２穴の範囲である。
【００１５】
代表的には、希釈穴１０８を燃料入口端１０６から軸線方向約１２．７０cm〜５０．８０cm（約５〜約２０インチ）の範囲に配置する。
【００１６】
混合穴１０４および希釈穴１０８を（従来の燃焼器とは対照的に、図２参照）燃焼器１００の燃料入口端１０６に向かって軸線方向にずらすことにより、燃焼器の最適設計が得られる。さらに、完全燃焼、妥当な圧力降下、長い部品寿命、良好な火炎安定性、ターンダウン比および点火特性、そして所望の排気温度分布を維持しながら、拡散炎・非予混合燃焼器用の最適設計が達成される。
【００１７】
本発明の別の実施例によれば、燃焼器１００はさらに、複数のルーバー１１２を備える。１実施例では、燃焼器１００は、燃焼器壁１０２の円周に沿って等間隔に分布する１列あたり３２個のルーバー１１２を１７列備える。本発明の１実施例では、燃焼器１００の全長（Ｌ）が約１１１．２５cm（４３．８０インチ）であり、そしてそれぞれ３２個のルーバー１１２を有する列を、燃料入口端１０６に関して、つぎの軸線方向位置、すなわち約７．９２cm（３．１２インチ）、約１０．４６cm（４．１２インチ）、約１３．００cm（５．１２インチ）、約１３．３９cm（５．２７インチ）、約１６．８１cm（６．６２インチ）、約１８．７２cm（７．３７インチ）、約２０．６２cm（８．１２インチ）、約２２．５３cm（８．８７インチ）、約２４．４３cm（９．６２インチ）、約２８．２４cm（１１．１２インチ）、約３２．０５cm（１２．６２インチ）、約３６．５０cm（１４．３７インチ）、約４０．９４cm（１６．１２インチ）、約４５．３９cm（１７．８７インチ）、約５１．７４cm（２０．３７インチ）、約５８．０９cm（２２．８７インチ）、および約６４．４４cm（２５．３７インチ）の軸線方向位置に配置する。
【００１８】
本発明の別の実施例では、燃焼器２１０は図４に示すとおりの設計である。図４では、燃焼器２１０は、冷間圧延加工前に、頂部２１２および底部２１４を有する機械加工部品として示されている。燃焼器２１０の公称長さ（Ｌ）が約１１６．８４cm（約４６インチ）で、公称幅（Ｗ）が約８６．３６cm（約３４インチ）である。
複数の第１混合穴２１６が頂部２１２から軸線方向約１１．６８cm（約４．６インチ）に位置する。第１混合穴２１６の数は、燃焼器２１０の全体寸法に応じて変わる。１実施例では、第１混合穴２１６の数は約５である。第１混合穴２１６の公称直径は約２．２２cm（約０．８７５インチ）である。
【００１９】
複数の第２混合穴２１８が頂部２１２から軸線方向約１６．７６cm（約６．６インチ）に位置する。第２混合穴２１８の数は、燃焼器２１０の全体寸法に応じて変わる。１実施例では、第２混合穴２１８の数は約４である。第２混合穴２１８の公称直径は約１．９３cm（約０．７６インチである。
複数の第１希釈穴２２０が頂部２１２から軸線方向約２２．８６cm（約９インチ）に位置する。第１希釈穴２２０の数は、燃焼器２１０の全体寸法に応じて変わる。１実施例では、第１希釈穴２２０の数は約４である。第１希釈穴２２０の公称直径は約４．４５cm（約１．７５インチ）である。
【００２０】
複数の第２希釈穴２２２が頂部２１２から軸線方向約４５．３４cm（約１７．８５インチ）に位置する。第２希釈穴２２２の数は、燃焼器２１０の全体寸法に応じて変わる。１実施例では、第２希釈穴２２２の数は約４である。第２希釈穴２２２の公称直径は約４．４５cm（約１．７５インチ）である。
【００２１】
複数の第２混合穴２１８が燃焼器壁２１７に設けられ、燃料入口端２１２から軸線方向約０．１２Ｌ〜約０．１５Ｌの範囲に位置する。
複数の第１希釈穴２２０が燃焼器壁２１７に設けられ、燃料入口端２１２から軸線方向約０．１８Ｌ〜約０．２２Ｌの範囲に位置する。
複数の第２希釈穴２２２が燃焼器壁２１７に設けられ、燃料入口端２１２から軸線方向約０．３５Ｌ〜約０．４２Ｌの範囲に位置する。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
標準燃焼器と本発明の１実施例による最適化燃焼器からのＮＯｘ排出量の比較を図５のグラフに示す。図５に示すように、負荷に応じて、最適化燃焼器のＮＯｘ排出物レベルは、標準燃焼器のそれより４０〜５０％低かった。
標準燃焼器と最適化燃焼器からのＣＯ排出量の比較を図６のグラフに示す。図６に示すように、負荷に応じて、最適化燃焼器のＣＯ排出量は、前述したように、標準燃焼器と比べて増加した。
【００２４】
以上、この発明の特徴だけを説明し、図示したが、当業者には種々の変更や変形が明らかである。このような変更や変形も本発明の要旨の範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による低ＮＯｘ燃焼器を圧縮機およびタービンと流れ連通関係に連結した工業用ガスタービンエンジンの一部の線図である。
【図２】従来の燃焼器の側面図である。
【図３】本発明の１実施例による燃焼器の側面図である。
【図４】本発明の他の実施例による燃焼器の展開図である。
【図５】標準燃焼器と本発明の最適化燃焼器からのＮＯｘレベルを比較するグラフである。
【図６】標準燃焼器と本発明の最適化燃焼器からのＣＯレベルを比較するグラフである。
【符号の説明】
１００  最適化された燃焼器
１０２  燃焼器外壁
１０４  混合穴
１０６  燃料入口端
１０７  タービン入口端
１０８  希釈穴
１１０  希釈空気
２１０  最適化された燃焼器
２１２  燃料入口端
２１４  タービン入口端
２１６，２１８  混合穴
２１７  燃焼器外壁
２２０，２２２  希釈穴
【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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【図６】
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