JP2004522122A - 拡散混合器 - Google Patents

Abstract

産業型のガスタービンエンジン用の予混合器であって、この予混合器は、同心状の環状リングからなるディフューザリングアセンブリを含み、ディフューザリングアセンブリの上流の空気流路には、対応する燃料マニホルドリングアセンブリが設けられる。マニホルドリングアセンブリの各々のリングは、ディフューザリングの間に形成された通路にそれぞれ対応しているとともに、空気がリングを通過するに従ってこの空気に燃料を供給する下流チャネルを含む。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、燃焼器用の空気／燃料混合器に関する。この種類のガスタービンエンジンは、発電用途にも使用できる。
【背景技術】
【０００２】
発電用途のタービンエンジンの選択において、タービンエンジンのＮＯｘエミッションが１０ｐｐｍｖより低いことが重要な判断基準になってきている。ＮＯｘエミッションを少なくする最新技術は、触媒燃焼器と燃料／空気の予混合器との組み合わせを含みうる。この技術は、ドライローエミッション（ＤＬＥ）として知られており、きれいな排気と高いエンジン効率とを組み合わせる可能性を示すものである。この技術は、混合気の空気含有量が比較的高いことに依存する。
【０００３】
しかし、このような希薄な燃焼条件では、火炎の安定性が急速に低下し、燃焼器がブローアウト限界付近で動作するおそれがある。さらに、平均よりも希薄な混合ポケットでは安定性の問題が生じうるとともに、平均よりも濃厚なポケットでは許容できないほど高いＮＯｘエミッションが発生しうるので、混合気の均一性に厳しい制約が課される。混合気が希薄な燃焼器では、化学反応速度の指数関数的な減少のために、燃焼効率のトレーサである一酸化炭素の排出が増加してしまう。また、希薄な燃焼条件では、燃焼器内の火炎の不安定性によって生じる大きな圧力変動のために、エンジンの信頼性および耐久性が重要な問題となる。
【０００４】
ＤＬＥ型装置では、燃料および空気は、燃焼器内に噴射される前に、実質的に低い燃焼温度のために調整された希釈剤を添加せずに予混合され、これにより、窒素酸化物の形成が最小化される。しかし、２つの問題が確認された。第一の問題は、安定性すなわちエンジンの操作性に関し、これにより、燃焼効率が低下して一酸化炭素の排出が増加する。燃焼過程の安定性は、化学反応の指数関数的な温度依存性のために希薄な条件では急速に減少してしまう。このことは、燃焼過程の動的特性を変更するフレームアウトや燃焼の局部的な不安定性を引き起こし、ガスタービンエンジン全体の機械的一体性を危険にさらすおそれがある。同時に、このような条件では、一酸化炭素と未燃炭化水素（ＵＨＣ）のエミッションの実質的な増加が確認されるとともに、エンジン効率の低下が見られる。
【０００５】
好適なＤＬＥ型触媒燃焼装置の重要な必要条件は、混合率の変動が１％よりも小さく、かつ充分に混合されたガス状の混合気を反応させることである。装置の制約には、混合器にわたる圧力降下が１％より小さいことが含まれる。また、燃焼可能な混合気の逆火や自己点火が生じない流れを発生させることも重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、変動が１％よりも少ない混合気を提供することができる拡散ガス混合器を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、圧力降下が１％より低く、かつ自己点火や逆火のおそれを減少させるガス混合気を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の構造は、ガスタービン燃焼器用の燃料／空気予混合器を含み、この予混合器は、燃焼器の入口の上流の空気流路に配置された環状のディフューザアセンブリを含む。このディフューザアセンブリは、空気流路を基準として上流部分と下流部分とを有するとともに、複数の同心状のリングを含み、対となった各々の隣接するリングの間にはディフューザ通路が形成される。このように形成された通路は、リングアセンブリの上流部分における断面収束部と、リングアセンブリの下流部分における断面拡大部と、を有し、隣接するリングによって形成される通路の最も狭い部分には間隙が定められる。同心状の燃料マニホルドリングのアセンブリが、ディフューザアセンブリの上流に設けられており、各々のマニホルドリングは、対応するディフューザ通路と軸方向に一致するように配置されており、これにより、空気がマニホルドリングの周囲およびディフューザ通路を通って流れるとともに、燃料がマニホルドリングから空気流路内に供給される。
【０００９】
本発明のより詳細な実施例では、ディフューザリングの間に定められる間隙は、Ｍ＝ＡＣｄ√（２ρ・ΔＰ）の式によって決定され、ここで、Ｍは質量流量、ＡＣｄは有効流路面積、ρは空気密度、ΔＰは圧力降下である。
【００１０】
本発明によって得られる特徴は、燃料が非常に低い圧力で供給されることにより燃料が空気流内に引き込まれることである。よって、典型的な燃料ノズルのように、燃料を高圧で供給するとともに燃料の運動量に依存して燃料を空気流に混合するのではなく、マニホルドリングの周囲の空気流によって燃料を引き込むことで空気を燃料に混合する。この方法は、流体の９５％が空気であり、空気が混合する働きをしているために非常に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
特に図１を参照すると、エンジンケース１４内に設けられた燃焼チャンバ１２を有する燃焼器装置１０が示されている。本実施例では、圧縮された空気流が、図１の右側から左側へと燃焼チャンバ１２の入口１３の方向に移動する。燃料／空気の予混合器１６が、空気流の通路を画成するハウジング１８内に設けられている。燃焼チャンバ１２の各々の入口１３にそれぞれ１つの予混合器が対応するように、単一の燃焼チャンバ１２に対して複数の予混合器を設けることができる。図１，図２は、予混合器１６の構造を詳細に示している。
【００１２】
予混合器１６は、同心状でかつ断面が同一のディフューザリングからなるディフューザリングアセンブリ２０を含む。本発明では、４つのディフューザリング２２ａ〜２２ｄが含まれる。ハウジング１８の内側壁および外側壁には、半分にしたディフューザリング２２ｅ，２２ｆが設けられる。各々のディフューザリングは、隣接する同心状のディフューザリング２２と共に、ディフューザリングアセンブリ２０の上流部分における収束面（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅｓ）２４，２５と、下流部分におけるディフューザリングの拡大面（ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅｓ）２６，２７と、によって形成されるディフューザ通路を画成する。よって、ディフューザリング２２の断面は、リングの最も幅の広い部分に共通の底辺を有する２つの二等辺三角形を合わせた細長い四辺形のような形状である。各々のディフューザリング２２の最も幅の広い部分は、隣接する環状のリングとの間に間隙を定める。リングアセンブリとして使用できるディフューザリング２２の数には制限がない。
【００１３】
混合気の均一な混合の程度は、以下で説明するように、下流通路の混合領域３０の長さによって決まる。この領域は限られているので、拡大面２６，２７の角度および長さを調整することができる。
【００１４】
図２，図３に示すように、ディフューザアセンブリ１６の上流にマニホルドアセンブリ３２が設けられる。環状のマニホルドリング３４ａ〜３４ｅには、独立した燃料供給管３６ａ〜３６ｅがそれぞれ設けられている。図３では、３つのリング、すなわちリング３４ａ，３４ｂ，３４ｃのみが示されているが、これらのリングは、装置に設けることができる５つのリングを代表して示している。
【００１５】
図２に示すように、各々のマニホルドリング３４ａ〜３４ｅは、マニホルドの全体にわたって延びる燃料チャンバ３８を含む。また、リング３４は、その下流部分においてチャネル４０をそれぞれ画成する。接線方向の開口部４２が、チャンバ３８とチャネル４０との間に延在しており、燃料がチャンバ３８からチャネル４０内に流れることを可能にする。燃料は、管３６ａ〜３６ｅを通して各々のリング３４ａ〜３４ｅの燃料チャンバ３８にガス状で供給されるとともに、各々のリングのチャネル４０内に接線方向で分配されるので、チャネル４０内のガス状の燃料流れには回転成分が含まれる。燃料は、チャネル４０の壁に沿って進んでマニホルドリング３４の端部で剪断され、ここで、燃料は、流路内でマニホルドリング３４の周囲を通過するとともにディフューザリング２２の収束面２４，２５によって形成される領域に向かって流れる空気によって混合される。
【００１６】
液体燃料でも同様の構造を使用することができるが、その場合には、空気の圧力降下がより高くなる。
【００１７】
混合気は、狭い間隙２８を通り、ディフューザリング２２の拡大面２６，２７が広がるに従って拡散し、均一な混合気を生じさせる。この混合気がディフューザアセンブリの下流の拡散領域３０を通って進むに従って、入口１３を通過して燃焼チャンバ１２に入る前に燃料と空気の混合が完了する。
【００１８】
ディフューザリングの形状および位置は、ディフューザアセンブリ２０の上流部分の収束部において混合気が加速されるように設けられ、逆火や自己点火のおそれが最少になる。空力的な拡散によって、混合気の自然な化学的拡散が促進される。混合気は、ディフューザアセンブリの下流でかつディフューザアセンブリ領域３０の下流の領域にわたって、１％よりも少ない変動を有することが分析により示された。燃料は、低圧で供給される。入口にわたる空気流において、１％よりも低い圧力降下が達成された。
【００１９】
予混合気が設けられるエンジンの寸法により、プレートの寸法、特に間隙の寸法２８が変わりうる。間隙の領域を決定するために、以下の式が用いられる。
【００２０】
Ｍ＝ＡＣｄ√（２ρ・ΔＰ）
ここで、Ｍは質量流量、ＡＣｄは有効流路面積、ρは空気密度、ΔＰは圧力降下である。
【００２１】
上述したように、混合されるガスの分散は、収束面および拡大面２４，２５，２６，２７の角度を変更することによって調整可能である。
【００２２】
マニホルドリング３４ａ〜３４ｅからなるマニホルドアセンブリ３２は、ハウジング内に取り付けられ、同心状のリング３４ａ〜３４ｅは、空気流の抵抗が最も小さくなるように９０°で互い違いに配置されたフィン４４によって組み合わさって固定される。これらのフィンは、図３に示されている。
【００２３】
ディフューザアセンブリ２０は、マニホルドアセンブリ３２の下流に配置される。各々のディフューザリング２２ａ〜２２ｄは、図２に示すように、細長いボルト４６およびブラケット４８によって、マニホルドアセンブリにそれぞれ取り付けられている。各々のボルト４６は、ボルトヘッド４７を有する。ブラケット４８には、マニホルドリングにねじ留め可能な追加のボルト５０も含まれる。
【００２４】
ディフューザリングアセンブリの下流には、触媒（図示省略）を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る燃焼器装置の軸方向断面図である。
【図２】予混合器の部分的な軸方向拡大断面図である。
【図３】予混合器の他の実施例の上流からみた端部の説明図である。

Claims (7)

1. ガスタービン燃焼器用の燃料／空気予混合器であって、前記予混合器は、燃焼器の入口の上流の空気流内に配置された環状のディフューザアセンブリを含み、このディフューザアセンブリは、複数の同心状のリングを含み、対となった各々の隣接するリングの間にはディフューザ通路が形成され、前記ディフューザアセンブリは、前記空気流を基準として上流部分と下流部分とを有し、対となった隣接するリングによって形成される前記通路は、前記ディフューザアセンブリの上流部分における断面収束部と、ディフューザアセンブリの下流部分における断面拡大部と、前記上流部分と前記下流部分との間に位置する前記通路の最も狭い部分に定められる間隙と、を有し、同心状の燃料マニホルドリングのアセンブリが、前記ディフューザアセンブリの上流に設けられており、前記マニホルドリングは、それぞれ対応するディフューザ通路と軸方向で一致して配置されており、これにより、空気が前記マニホルドの周囲および対応するディフューザ通路を通って流れるとともに、燃料がマニホルドリングから空気流内に供給されることを特徴とする燃料／空気予混合器。
2. 前記通路の間隙は、Ｍ＝ＡＣｄ√（２ρ・ΔＰ）によって決定され、ここで、Ｍは質量流量、ＡＣｄは有効流路面積、ρは空気密度、ΔＰは圧力降下であることを特徴とする請求項１記載の燃料／空気予混合器。
3. 前記マニホルドリングは、その上流側で該マニホルドリングの全体にわたって延びる燃料チャンバをそれぞれ有するとともに、別個の開口した軸方向チャネルが前記リングの下流側に形成されており、前記燃料チャンバから前記チャネルへと燃料を供給するために、該燃料チャンバと該チャネルとの間に接線方向のボアが延在していることを特徴とする請求項１記載の燃料／空気予混合器。
4. 少なくとも１つの独立した燃料管が、前記マニホルドリングにそれぞれ接続されているとともに、該マニホルドの燃料チャンバと連通していることを特徴とする請求項３記載の燃料／空気予混合器。
5. 径方向に離間されたフィンが、前記リングアセンブリを支持するために、前記各々のマニホルドリングの間にそれぞれ延在していることを特徴とする請求項４記載の燃料／空気予混合器。
6. 前記各々のディフューザリングは、隣接するリングと共に前記の収束する通路を形成する一対のフレア状の面を定める二等辺三角形状の上流部分と、この第１の二等辺三角形と共通の底辺上で下流に延在する第２の二等辺三角形と、を含む四辺形であることを特徴とする請求項１記載の燃料／空気予混合器。
7. 前記燃料は、低い圧力降下で供給されたガス状の燃料であり、このガス状の燃料は、前記チャネルにおいて空気流路内に引き込まれることを特徴とする請求項１記載の燃料／空気予混合器。