JP2001208349A - 燃焼器の有害排出物の排出を減少させる方法及び装置 - Google Patents
燃焼器の有害排出物の排出を減少させる方法及び装置Info
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- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
- F23R3/34—Feeding into different combustion zones
- F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
Abstract
を減少させる方法と装置を提供する。 【解決手段】 燃焼器(16)は燃料を燃焼器内に噴射
するための燃料噴射器(48)、及び、収束下流側(9
4)とスプリッタ延長部(120)を含む基線空気噴出
パイロットスプリッタ(90)を備えている。スプリッ
タ延長部は、基線空気噴出スプリッタに取り付けられた
拡散上流部分(122)、拡散下流部分(124)、及
び上流部分と下流部分の間に延びる収束中間部分(12
6)を含んでいる。
Description
であり、より具体的にはガスタービン燃焼器に関する。
も国際的にもより厳しい排出物基準へと向かってきた。
航空機は米国環境保護局(EPA)と国際民間航空機関
(ICAO)の両方の基準によって管理される。これら
の基準は、飛行機から排出されて空港付近の都市光化学
スモッグ問題に影響を与える窒素酸化物(NOx),未
燃焼炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)の排出を
規制している。ほとんどの航空機エンジンは、過去50
年に亘るエンジンの発達で実証される燃焼器の技術と理
論を用いて、現在の排出基準を満たすことができる。し
かしながら、世界的なより大きい環境への関心が出現し
ている状況で、将来の排出物基準が現在の燃焼器技術の
能力範囲内にとどまるという保証はない。より厳しい基
準に適合するには、新しい設計と技術が必要となろう。
れる。即ち、火炎の温度が高いために形成されるもの
(NOx)と火炎の温度が低いために形成され、燃料と
空気の反応を完全に完了できないもの(HCとCO)で
ある。両方の汚染物質が最小になる狭い領域が存在す
る。しかしながら、この領域を実現するためには、反応
物は、高温スポットがあってNOxが生成されたり、低
温スポットがあってCOやHCが生成されることなく、
混合気全体を通して均一に燃焼が行われるようによく混
合されなければならない。高温スポットは、燃料と空気
の混合気が全ての燃料と全ての空気が化学反応をする
(つまり、生成物中に未燃焼の燃料も空気も存在しな
い)特定の割合に近い状態で生じる。この混合気を理論
混合気という。低温スポットは、生成物中に余分の空気
がある場合(リーン燃焼と呼ぶ)か、もしくは生成物中
に余分な燃料がある場合(リッチ燃焼と呼ぶ)に起きる
可能性がある。
に微細な燃料の噴霧を混合する10基ないし30基のミ
キサを含んでいる。これらミキサは通常火炎の安定と混
合を促進するために、吹き込まれる空気に旋回を与える
ように設計された装置の中央に位置する1つの燃料噴射
源を備えている。燃料噴射器とミキサはどちらも燃焼器
ドームに配置されている。一般的に、ミキサ内での空気
に対する燃料の割合はリッチである。ガスタービン燃焼
器において燃焼器全体での燃料−空気比はリーンなの
で、燃焼器を出る前に個別の希薄孔から追加の空気が加
えられる。混合不足と高温スポットは、噴射された燃料
が燃焼の前に気化して混合しなければならないドーム
と、リッチなドーム混合気に空気が加えられる希薄孔の
付近の両方において生じる可能性がある。適切に設計さ
れた場合、リッチなドーム燃焼器は広い火炎燃焼限界を
もつ非常に安定した装置であり、HCとCOの排出を低
く抑えNOxの排出も許容可能レベルにすることができ
る。しかしながら、リッチなドーム混合気は、燃焼器を
出る前に理論空燃比、あるいはNOxが最大に発生する
範囲を通らなければならないので、リッチなドーム燃焼
器には基本的な限界が存在する。このことは、現代のガ
スタービンはサイクル効率の改善と小型化を目的として
作動圧力比(OPR)が高くなっており、燃焼器入口温
度と圧力がNOx生成率を劇的に上昇させるので特に重
要である。排出物基準がより厳しくなりOPRが増大す
るにつれて、従来型のリッチなドーム燃焼器はこの難題
に対応できないように見える。
かを解決する潜在能力を有している。ある現代の最新技
術による設計の薄いドーム燃焼器は、二重環状燃焼器
(DAC)と呼ばれる。なぜなら、燃焼器が各燃料ノズ
ル上に半径方向に積み上げた2個のミキサを備えてお
り、それが燃焼器の前方から見ると2個の環状リングに
見えるからである。ミキサの列を追加することで、この
設計は異なる条件に合わて調整することが可能となる。
アイドリング時においては、アイドリング時に効率的に
作動するように設計されている外側のミキサに燃料が供
給される。より高い出力時には、両方のミキサに燃料が
供給されるが、大半の燃料と空気は高出力時に最も効率
的に作動し、排出物もほとんどないように設計されてい
る内側の環に供給される。このような設計は、低NOx
と低CO/HCとの間の妥協である。ミキサは各ドーム
に最適の運転が可能なように調整してあるが、両ドーム
間の境界においては広い領域でCOの反応を消炎し、こ
のことが、類似のリッチなドームの単環型燃焼器(SA
C)よりもこれらの設計のCOの発生を高くする。しか
しながら、この方式は非常にうまく成功して数年間に亘
って使用に供されており、低出力時の排出物と高出力時
のNOxとの優れた妥協である。
ドーム燃焼器のコンセプトで問題を軽減させている。別
個のドームにおいてパイロット段階と主段階とを分離
し、境界部に明確なCOの消炎ゾーンを作り出す代わり
に、この設計のミキサは同心的な、しかし個別のパイロ
ット空気流とメイン空気流を装置内に組み入れている。
しかしながら、燃料/空気の混合を促進することは往々
にして高いCO/HCの排出及びその逆をもたらすの
で、このような設計で低出力時のCO/HCとスモーク
排出とを同時に抑制することは困難である。旋回するメ
イン空気は通常、パイロット火炎を巻き込んで消炎する
傾向にある。燃料噴射がメイン空気に巻き込まれないよ
うにするために、パイロット側は狭い角度の噴射となっ
ている。このことが、低い旋回数の流れを特徴とする長
いジェット火炎を作り出す。そのようなパイロット火炎
は、多量のスモーク、一酸化炭素及び炭化水素の排出を
もたらし、安定度が低い。
解決しようとするものである。
燃焼器は高い燃焼効率と低い一酸化炭素、炭化水素及び
スモークの排出で作動する。燃焼器は、燃料を燃焼器内
に噴射するための燃料噴射器と、中央本体の対称軸に向
かって収束する下流側を備えた基線空気噴出パイロット
スプリッタと、スプリッタ延長部とを含んでいる。スプ
リッタ延長部は、パイロットスプリッタに取り付けられ
た拡散する上流部分と、拡散する下流部分と、上流部分
と下流部分の間に延びる中間部分を含んでいる。
角度に対する有効パイロット流の旋回数を増大させる。
有効旋回数の増大は、軸線周りの再循環区域の強化をも
たらす。再循環するガスは、燃料リッチなパイロットカ
ップ内の完全燃焼のための酸素を供給し、十分な混合と
燃焼速度の上昇とをもたらし、火炎中に生み出される煤
煙を燃焼させる。スプリッタ延長部は低いベーン角度で
安定した旋回の火炎を可能にする。スプリッタ延長部は
また、燃焼器内に噴射されるパイロット燃料の速度及び
パイロット内側空気流の速度を低下させる。より低い速
度は燃料と空気の混合を改善し、燃料の火炎内滞留時間
を増加させる。パイロット外側空気流が燃料を巻き込ん
で運び去ることも、スプリッタ延長部分によって減少さ
れる。最後に、スプリッタ延長部は、スプリッタ延長部
の出口でのパイロット空気流の速度は低いので、パイロ
ット内側及び外側空気流の混合を物理的に遅らせ、その
ような混合の強さを弱める。その結果、低い一酸化炭
素、炭化水素、及びスモークの排出を保ちつつ、高い燃
焼効率で作動する燃焼器が得られる。
縮機14、及び燃焼器16を備えたガスタービンエンジ
ン10の概略図である。エンジン10はまた高圧タービ
ン18、低圧タービン20及び出力タービン22を備え
ている。
れ、圧縮された空気が低圧圧縮機12から高圧圧縮機1
4へ供給される。高い圧力に圧縮された空気が燃焼器1
6に供給される。燃焼器16からの空気の流れがタービ
ン18,20,22を駆動する。
用の燃焼器16(図1に示す)の断面図である。1つの
実施形態においては、このガスタービンエンジンは、オ
ハイオ州イベンデイルのゼネラルエレクトリック社で入
手可能なGE90型である。代わりに、このガスタービ
ンエンジンは、オハイオ州イベンデイルのゼネラルエレ
クトリック社で入手可能なF110型である。燃焼器1
6は中央本体42、メインスワーラ43、パイロット外
側スワーラ44、パイロット内側スワーラ46、及びパ
イロット燃料噴射器48を備えている。中央本体42は
対称軸60を備え、全般的には環状の断面形状をもつ円
筒形をしている。時にパイロットと呼ばれる内側火炎
(図示せず)は、ガスタービン起動状態から全範囲で燃
料を供給される噴霧拡散火炎である。ガスタービンエン
ジンの増大した出力設定においては、中央本体42内に
配置された燃料噴射器(図示せず)を通して追加の燃料
が燃焼器16内に噴射される。
を備え、中央本体42の中に燃料噴射器の対称軸62が
中央本体の対称軸60と実質的に同軸であるように配置
されている。燃料噴射器48はパイロットに燃料を噴射
し、吸入側64、排出側66及び吸入側64と排出側6
6の間に延びる本体68を備えている。排出側66は燃
料流れ72を燃料噴射器48から外側へ中央本体の対称
軸60に実質的に平行に導く収束排出ノズル70を備え
ている。
おり、パイロット燃料噴射器48の周囲に円周方向に配
置されている。パイロット内側スワーラ46は吸入側8
0と出口側82とを備えている。内側パイロット空気流
84は、パイロット内側スワーラの吸入側80に入り出
口側82から出る。
は、パイロット内側スワーラ46から下流に配置されて
いる。基線空気噴出パイロットスプリッタ90は上流側
92及び下流側94を備えている。上流側92は前縁9
6を含み、前縁96から下流側94まで一定の直径98
を有する。上流側92は内側スワーラ46に対して実質
的に平行に隣接して位置する内側表面99を備えてい
る。
側94は、基線空気噴出パイロットスプリッタ90の上
流側92から後縁100まで延在する。後縁100は上
流側の直径98よりも小さい直径102を有する。下流
側94は、中央本体の対称軸60に対して角度104
で、パイロット燃料噴射器48に向かって収束してい
る。
出パイロットスプリッタ90から実質的に垂直に延び
て、郭壁110に取付けられている。郭壁110は中央
本体42に取り付けられている。パイロット外側スワー
ラ44は環状をしており、基線空気噴出パイロットスプ
リッタ90の周囲に円周方向に配置されている。パイロ
ット外側スワーラ44は吸入側112と出口側114を
備えている。外側パイロット空気流116は、パイロッ
ト外側スワーラの吸入側112に入り角度118で導か
れる。
イロットスプリッタ90から下流に位置している。スプ
リッタ延長部120は上流部分122、下流部分12
4、及び上流部分122と下流部分124との間に延び
る中間部分126を備える。上流部分122は第1の直
径130、内側表面132及び外側表面134を有す
る。スプリッタ延長部の上流部分122の内側表面13
2は、拡散しており基線空気噴出パイロットスプリッタ
90の下流側94に取り付けられている。中間部分12
6は上流部分122から延びており、中央本体対称軸6
0に向かって収束している。中間部分126は、上流部
分の第1の直径130よりも小さい第2の直径140及
び内側表面142、外側表面144を備えている。下流
部分124は中間部分126から延びて、内側表面15
0、外側表面152及び第3の直径154を備えてい
る。下流部分124は中央本体対称軸60から拡散して
おり、従って第3の直径154は中央部分の第2の直径
140よりも大きい。
110に向かって拡散している。郭壁110は、郭壁1
10の収束部分158と郭壁110の拡散部分160の
間に位置する頂点を含む。スプリッタ延長部120は、
スプリッタ延長部の上流部分122からスプリッタ延長
部の下流部分124に至る長さ168を備えている。郭
壁110はメインスワーラまで延在する。メインスワー
ラ43は郭壁110の周囲に円周方向に配置され、旋回
する空気流170を燃焼器の空洞178の中に導く。
スワーラの吸入側80に入り、内側スワーラ出口側82
から外方へ加速される。内側パイロット空気流84は中
央本体対称軸60に実質的に平行に流れて基線空気噴出
スプリッタ90に当たる。パイロットスプリッタ90は
内側空気流84を旋回運動させながら燃料流れ72へ向
かって角度104で導く。内側空気流84は燃料流れ7
2に衝突し、パイロット燃料噴射器48を出る噴霧パタ
ーン(図示せず)を乱すことなく燃料流れ72を混合、
霧化する。
イロット外側スワーラ44を通って加速される。外側空
気流116は中央本体対称軸60に実質的に平行に流れ
て外側スワーラから出る。外側空気流116は中央本体
対称軸60に実質的に平行に流れ続けて郭壁110に当
たる。郭壁110は、外側空気流116を旋回運動させ
ながら中央本体対称軸に向かって角度118で導く。外
側空気流116は中央本体対称軸60へ向かって流れを
続け、スプリッタ延長部上流の外側表面に当たる。
は、空気流116をスプリッタ延長部中間部分の外側表
面144に向けて導き、そこで気流116は郭壁の拡散
部分160に向かって再び方向を変えて導かれる。外側
空気流116はスプリッタ延長部の長さ168に亘って
流れ、さらに郭壁110に実質的に平行に流れ続けて、
メインスワーラ43から出てくる気流170に衝突され
る。
に衝突して燃料と空気の混合気を作り、混合気はスプリ
ッタ延長部120を通って流れる。スプリッタ延長部1
20はこの混合気の速度を減速して、従って混合気の中
央本体42内での滞留時間を増大する。滞留時間が増大
されることにより、蒸発が多くなり、燃料流れ72と内
側パイロット空気流84の混合の改善を可能にする。低
い速度はまた混合気がパイロット火炎(図示せず)の中
にある時間を長くすることを可能にし、混合気のより完
全な燃焼をもたらす。スプリッタ延長部120は、パイ
ロットのスワール旋回数を増加させ、火炎を中央本体4
2内側に入れ、これによって実質的に火炎の安定性を改
善し、一酸化炭素、炭化水素及びスモークの排出を減少
させる。
ッタ延長部120が外側パイロット空気流116を内側
パイロット空気流84から分離することを可能にし、空
気流84と116のいかなる混合も遅延させる。スプリ
ッタ延長部の長さ168はまた、内側空気流84と外側
空気流116の個別の制御も可能にし、このことにより
外側空気流116による燃料の巻き込みや運び去りを減
少させる。内側空気流84と外側空気流116を個別に
制御することにより、外側パイロット空気流116の速
度を低下させることが可能となる。外側パイロット空気
流116の軸線方向速度を減少させることは、内側パイ
ロット空気流84と外側パイロット空気流116の間の
速度差を減少させることになる。速度がより低いと滞留
時間が増加し、外側パイロット気流116による燃料の
巻き込みや消炎を減少させる。その結果、燃焼器16は
高効率かつ一酸化炭素及び炭化水素の低排出で作動す
る。
の旋回数の増加は、強力な軸線周りの再循環区域180
を生み出し、パイロット燃料/空気混合気の速度の低下
と組み合わさって中央本体内に強力な吸い戻し(図示せ
ず)をもたらし、このことがあらゆる未燃焼の燃焼生成
物(図示せず)のパイロット火炎内への再循環を生じさ
せる。吸い戻しあるいは空気流の逆流によって、燃焼効
率は実質的に改善される。加えて、燃焼ガスの再循環
は、メイン空気流170からパイロット火炎に酸素をも
ち込む。その結果パイロット火炎中に生成される煤煙
(図示せず)が排出されないで燃焼する。
なり信頼性が高い。燃焼器は上流部分、下流部分、及び
上流部分と下流部分との間に延びる中間部分を含むスプ
リッタ延長部を備えている。上流部分は拡散しており、
収束中間部分へ延びている。収束中間部分は拡散下流部
分へと延びている。このスプリッタ延長部によって、燃
料の巻き込みがほとんどなく、燃料/空気の混合気の燃
焼器の中央本体部分内での滞留時間が増加された状態で
作動する燃焼器が提供される。こうして、高い燃焼効率
と低い一酸化炭素、炭化水素及びスモーク排出で作動す
る燃焼器が提供される。
説明してきたが、本発明は特許請求の範囲の技術思想及
び技術的範囲内の変更で実施可能なことは当業者には理
解されるであろう。
断面図。
Claims (20)
- 【請求項1】 パイロット燃料噴射器(48)と基線空
気噴出パイロットスプリッタ(90)と中央本体(4
2)とを備えるガスタービン燃焼器(16)からの一酸
化炭素と炭化水素の排出量及びスモーク量を、基線空気
噴出パイロットスプリッタに取り付けられた第1の直径
(130)の拡散上流部分(122)、第2の直径(1
54)の拡散下流部分(124)、及び上流部分と下流
部分の間に延在する収束中間部分(126)を含むスプ
リッタ延長部(120)を用いて、減少させる方法であ
って燃料を燃焼器内に噴射する段階、及び空気流(11
6)を、該空気流が基線空気噴出スプリッタと、スプリ
ッタ延長部の拡散上流部分、収束中間部分、及び拡散下
流部分とを通るように導く段階、を含んでなる、方法。 - 【請求項2】 空気流(116)が基線空気噴出スプリ
ッタ(90)の周囲とスプリッタ延長部の拡散上流部分
(122)、収束中間部分(126)及び拡散下流部分
(124)の周囲を通るように、空気流を燃焼器(1
6)内に導く段階をさらに含む、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 基線空気噴出パイロットスプリッタ(9
0)が、上流側(92)とスプリッタ延長部の上流部分
(122)よりも小さい直径をもつ下流側(94)とを
含み、スプリッタ延長部中間部分(126)が噴出パイ
ロットスプリッタの下流側直径(102)よりも小さい
第3の直径(140)をもち、空気流(116)を空気
噴出スプリッタを通して燃焼器(16)内に導く段階
が、燃料が燃焼器内に噴射された後、噴射された燃料の
速度を減少させるようにスプリッタ延長部(120)を
用いる段階をさらに含む、請求項2記載の方法。 - 【請求項4】 燃焼器(16)が燃焼器内の中央本体部
分(42)の内部に軸方向空気流(72)及び外側空気
流(116)をさらに含み、当該方法が、 内側空気流が燃焼器中へ軸方向に導かれた後、内側空気
流の速度を減少させるようにスプリッタ延長部(12
0)を用いる段階、及び小さいパイロットベーン角度
(118)で有効なパイロット流れの旋回数を増加させ
るようにスプリッタ延長部を用いる段階、をさらに含
む、請求項3記載の方法。 - 【請求項5】 外側空気流(116)が燃焼器(16)
中に導かれた後、外側空気流の速度を減少させるように
スプリッタ延長部(120)を用いる段階をさらに含
む、請求項4記載の方法。 - 【請求項6】 外側空気流(116)の速度を減少させ
るようにスプリッタ延長部(120)を用いる段階が、
燃焼器(16)内での燃料の巻き込みを減少させる段階
をさらに含む、請求項5記載の方法。 - 【請求項7】 燃料噴射器(48)及び基線空気噴出パ
イロットスプリッタ(90)を備えるガスタービン燃焼
器(16)用の延長部分(120)であって、第1の直
径(130)をもち、基線空気噴出パイロットスプリッ
タに取り付けられた上流部分(122)、第2の直径
(154)をもつ下流部分(124)、及び上流部分と
下流部分の間に延びる中間部分(126)を含む、延長
部分。 - 【請求項8】 中間部分(126)が第3の直径(14
0)をもつ、請求項7記載の延長部分(120)。 - 【請求項9】 中間部分の第3の直径(140)が上流
部分の第1の直径(130)よりも小さい、請求項8記
載の延長部分(120)。 - 【請求項10】 中間部分の第3の直径(140)が下
流部分の第2の直径(154)よりも小さい、請求項9
記載の延長部分(120)。 - 【請求項11】 基線空気噴出パイロットスプリッタ
(90)が上流側(92)及び下流側(94)を備え、
下流側が直径(102)を有し、延長部分の上流部分の
第1の直径(130)が噴出パイロットスプリッタの下
流側の直径(102)よりも大きい、請求項10記載の
延長部分(120)。 - 【請求項12】 中間部分の第3の直径(140)が基
線空気噴出パイロットスプリッタの下流側の直径(10
2)よりも小さい、請求項11記載の延長部分(12
0)。 - 【請求項13】 燃料噴射器(48)と、環状の本体及
び対称軸(92)を含み、燃料噴射器がその中に配置さ
れている中央本体(42)と、 上流側(92)及び中央本体の対称軸に向かって収束す
る下流側(94)を含む基線空気噴出パイロットスプリ
ッタと、 基線空気噴出パイロットスプリッタに取り付けられた拡
散上流部分(122)、拡散下流部分(124)、及び
上流部分と下流部分との間に延びる中間部分を含むスプ
リッタ延長部分(120)と、を含む、ガスタービン
(10)用の燃焼器(16)。 - 【請求項14】 スプリッタ延長部分の中間部分(12
6)が中央本体の対称軸(60)に向かって収束する、
請求項13記載の燃焼器(16)。 - 【請求項15】 スプリッタ延長部の上流部分(12
2)が第1の直径(130)をもち、スプリッタ延長部
の中間部分(126)が第2の直径(140)をもち、
スプリッタ延長部の下流部分(124)が第3の直径
(154)をもち、第2の直径が前期第1の直径よりも
小さい、請求項14記載の燃焼器(16)。 - 【請求項16】 スプリッタ延長部の中間部の第2の直
径(140)が下流部分の第3の直径(154)よりも
小さい、請求項15記載の燃焼器(16)。 - 【請求項17】 スプリッタ延長部(120)が、上流
部分(122)に隣接する第1の端部から下流部分(1
24)に隣接する第2の端部に至る、スプリッタ延長部
が燃料噴射器(48)によって軸方向に噴射された燃料
の噴霧を減速させることが可能なように形成される長さ
(168)をもつ、請求項16記載の燃焼器(16)。 - 【請求項18】 空気流(116)を、基線空気噴出パ
イロットスプリッタ(120)の外側で燃焼器へ導入す
るように構成された外側スワーラ(44)をさらに含
み、スプリッタ延長部の長さ(168)が外側空気流
(116)を軸方向に噴射された燃料噴霧の流れ(7
2)から分離するように構成されている、請求項17記
載の燃焼器(16)。 - 【請求項19】 スプリッタ延長部分(120)が燃焼
器からの一酸化炭素の排出を減少させるように構成され
る、請求項16記載の燃焼器(16)。 - 【請求項20】 スプリッタ延長部分(120)が燃焼
器からの炭化水素の排出とスモークの排出を減少させる
ように構成される、請求項16記載の燃焼器(16)。
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