JP2005326143A - 燃料噴射装置および燃料噴射装置の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料噴射器構造を改良する。
【解決手段】 燃料噴射器は、複数のノズル群（３４Ａ〜３４Ｄ）を有する。これらのノズル群は、噴射器の軸（５００Ｅ）と実質的に同心状である。各々のノズルは、混合気の噴流を放出する出口を有するガス流路を画成する。燃料を空気に投入する投入手段（４６，５０Ａ〜５０Ｄ，５２）が設けられている。１つまたは複数のノズル群は、関連する噴流を噴射器の軸に対して斜めに導くように方向づけられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料噴射器に関し、特にガスタービンエンジン用のマルチポイント式燃料／空気噴射器に関する。

ガスタービンエンジンの燃焼技術分野は、かなり発展している。特許文献１は、ガスタービンエンジン用の例示的なマルチポイント式燃料／空気噴射器の構造および動作パラメータを開示している。特許文献１の例示的な噴射器は、各々のノズル群の燃空比を個別に制御することができる燃料／空気ノズルの群を含む。このような制御は、所望の燃焼パラメータを提供するために使用可能である。
米国特許出願第１０／２６０３１１号明細書

それでもなお、燃料噴射器構造の改良が引き続き求められている。

本発明の１つの形態は、ノズルの複数の環列を有する燃料噴射装置を含む。これらの環列は、噴射器の軸と同軸に設けられている。各々のノズルは、混合気の噴流を放出する出口を有するガス流路をそれぞれ画成する。投入手段が、燃料を空気に投入する。ノズルの１つまたは複数の群が、関連する噴流を噴射器の軸に対して斜めに導くように方向づけられている。

種々の実施例では、１つまたは複数の群のうちの第１の群は、環列の少なくとも第１の環列における全てのノズルを含むことができる。１つまたは複数の群のうちの第１の群は、環列の少なくとも最も外側の環列の全てのノズルを含むことができる。また、１つまたは複数の群のうちの第１の群は、環列の少なくとも第１および第２の環列における全てのノズルを含みうる。第１および第２の環列のノズルは、噴射器の軸を中心に同じサインの角度成分を有する関連する噴流を導くように方向づけることができる。１つまたは複数の群は、第１、第２、および第３の環列を含んでもよい。投入手段は、１つまたは複数の群のうちの第１の群に、他のノズルから少なくとも部分的に独立した燃料供給制御を提供することができる。燃料噴射装置は、ガスタービンエンジンの燃焼器とともに使用可能である。

本発明の他の形態は、このような燃料噴射装置の設計方法を含む。１つまたは複数の群について、長手方向から外れた１つまたは複数の方向がそれぞれ選択される。選択された性能を達成するために、選択された組合せに関連する少なくとも１つの性能係数を求める。性能係数を求めることは、ソフトウェアによるシミュレーションおよび物理的測定の少なくとも１つを含みうる。性能係数を求めることは、１つまたは複数の動作条件における１つまたは複数の群の燃空比を考慮して、またはこれと組み合わせて性能係数を求めることを含みうる。選択は、１つまたは複数の高温領域による１つまたは複数の低温領域の目標安定化を達成するように行うことができる。少なくとも１つの性能係数は、１つまたは複数の出力レベルにおけるＵＨＣ、ＣＯ、およびＮＯｘのレベルを含んでもよい。

本発明のまた他の形態は、ガス流路をそれぞれ画成する複数のノズルを有する燃料噴射装置を含む。ガス流路は、空気を受け入れる入口と、燃料を受け入れるポートと、混合気の噴流を放出する出口と、をそれぞれ含む。ノズルの１つまたは複数の群が、関連する噴流を噴射器の全体的な流路に対して部分的に接線方向に導くように方向づけられている。

種々の実施例では、ノズルは、複数の同心状の群として配列することができる。ノズルは、共通の噴射器本体に形成可能である。

本発明の１つまたは複数の実施例の詳細は、添付図面および以下の実施形態に開示されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、実施形態、図面、および請求項により明らかになる。

図１は、（例えば、発電に使用される産業ガスタービンエンジンである）ガスタービンエンジン用の燃焼器２０を示している。燃焼器２０は、内部２３を囲む壁構造体２２を有し、この壁構造体２２は、エンジンの圧縮機セクションから空気を受け入れる上流の入口２４からタービンセクションに燃焼ガスを放出する下流の出口２５まで延在する。燃焼器２０は、入口２４の近傍において、燃焼器２０の内部に混合気を導入するために圧縮機から受け入れた空気に燃料を投入する噴射器２６を含む。点火器２７が、混合気に点火するために配置される。

噴射器２６は、上流端部３０から下流端部３２まで延在する本体２８を含み、これらの端部の間に延びる複数の通路が関連する燃料／空気ノズルを構成する。図２は、単一の中央通路３４Ｅを中心に同心の環状の列（環列）として配列された通路３４Ａ〜３４Ｄを示している。例示的な中央通路は、本体２８の中心軸と一致する中心軸５００Ｅを有する。少なくとも１つの他の環列の通路は、軸５００Ｅに平行でない中心軸を有する。図３〜６は、軸５００Ｅ（図２および図７参照）に対して平行でなく、角度θ_A〜θ_Dだけ斜めの軸５００Ａ〜５００Ｄをそれぞれ有する通路／ノズル３４Ａ〜３４Ｄを示している。各々の通路は、上流の空気入口４２から下流の燃料／空気出口４４まで延在する面４０によって境界づけられている。通路の入口から流入する空気に燃料を投入するために、面４０に燃料入口ポート４６（図２参照）が形成されている。よって、関連する混合気噴流４８が関連するノズル軸に沿って各々のノズルから噴射される。

１つまたは複数のノズル群は、少なくとも部分的に独立して燃料供給を受けることができ、操作者は群の噴流の相対的な燃空比を少なくとも部分的に変更することができる。例示的な実施例では、各々の環列のノズルは、他の環列のノズルおよび中央ノズルから独立して共通の燃料供給を受ける。例えば、各々のノズルの環列におけるノズルは、関連する燃料管路（図示省略）から供給を受ける関連する燃料プレナム５０Ａ〜５０Ｄ（図２参照）から供給を受けることができ、中央ノズルは他の燃料管路５２から直接供給を受ける。各々の管路は、（例えば、タンクである−図示省略）燃料供給源からの流れを制御するために独立した燃料ポンプ（図示省略）、圧力調整バルブ（図示省略）、および／または流量制御バルブ（図示省略）をそれぞれ有しうる。

ノズルの位置決め、寸法または寸法の組合せ、および方向づけ（例えば、角度θ_A〜θ_D）は、１つまたは複数の所望の動作条件における所望の流れ特性を得るように選択可能である。角度は、同じサイン（ｓｉｇｎ）または（例えば、逆旋回効果を生じさせるために）逆のサインを有してもよい。また、角度は、等しい大きさまたは異なる大きさとすることができる。例示的な角度の大きさは、６０°以下であり、より狭くは１０°〜５０°、特に２０°〜４５°である。異なる方向づけに加えて、各々の環列（または、他のグループ分け）のノズルは、異なる断面積、（例えば、図示の円形断面以外の）形状、または他の寸法パラメータを有しうる。非円形の環列やノズル群、単一の中央ノズルを含まない配列または中央ノズルのクラスタを含む配列などの種々の配列／位置決めを使用することができる。種々の動作段階において、各々の群のノズルに（例えば、特許文献１に開示されているように）異なる燃料供給を与えることができる。また、（例えば、いくつかのノズルの燃料流れを停止するとともに、他のノズルの燃料流れを継続してその群に関連する最終的な反応をさらに希薄にするために）所定の群におけるノズルに異なる燃料供給を与えることもできる。

各々の群におけるノズルの方向づけおよび寸法は、１つまたは複数の動作条件において有利な性能を提供するために、利用可能な燃空比との兼ね合いで最適化することができる。例示的な反復最適化プロセスは、既存の噴射器の再設計で実施することができる。ノズルの方向づけおよび寸法は、反復して変更可能である。各々の反復プロセスにおいて、関連する動作条件を設定するために燃空比の組合せを変更することができる。これらの動作条件において（効率、エミッション、および安定性などの）性能パラメータが測定可能である。所望の性能に関連する構造および動作パラメータを求めることができ、この構造を再設計噴射器構造として選択するとともに、動作パラメータを潜在的に利用して制御装置を構成することができる。最適化には、適切に重み付けした（例えば、ＮＯｘ、ＣＯ、および未燃炭化水素［ＵＨＣ］などの）エミッションパラメータや（例えば、圧力変動レベルなどの）他の性能特性を含む性能指数を使用することができ、これらの測定基準に基づいて最も良好な（または少なくとも許容される）総合的な性能を提供する最適化された構成が得られる。自由度は、燃料ステージング計画（すなわち、所定の固定された総燃料流れにおいて、各々の環列にどれぐらいの燃料が通過するか）に制限されるか、各々の環列の旋回角度または各々の環列の相対的な最大流量に基づく各々の環列に関連する相対的な空気流量を含むように拡大することができる。前者は、噴射器の製造後に使用可能で、燃焼器を最適な動作点に調整するために使用可能な技術である。後者の技術は、最終的な装置を製造する前に適切に使用される。

燃料供給は、異なる温度の領域を形成するために使用可能である。（例えば、火炎温度が）比較的低温の領域は、理論値外の混合気に関連する。比較的高温の領域は、理論値により近い。低温領域は、安定性を欠く傾向がある。比較的高温の領域を比較的低温の領域に隣接して設けると、低温の領域を安定化させることができる。例示的な動作では、異なるノズル環列に異なる燃空比を用いた場合に、噴射器の下流で例示的な３つの環状燃焼領域が形成されうる。これらの燃焼領域は、希薄でかつ比較的高温の外側領域および内側領域と、さらに希薄でかつ比較的低温の中間領域である。外側領域および内側領域は安定性を提供し、中間領域は低出力設定（または範囲）において総燃料流れを減少させる。ＮＯｘの発生は高温と関連するので、低温の中間領域におけるＮＯｘは比較的低くなる。総合的に希薄な化学的性質および良好な安定性を有することで、所望の有利な低レベルのＵＨＣおよびＣＯを達成することができる。中間領域における当量比の増加／減少は、所望の安定性および低エミッションを維持しながらエンジン出力を増加／減少させるように機能する。

このような例示的な３領域動作では、異なる燃空比で動作する少なくとも３つの通路が含まれうる。個々に燃料供給を受けるノズル環列が（中央ノズルがあればこれを数に入れて）３つより多い場合には、異なる混合気は３つの領域の空間分布の変更を容易にするか、（例えば、５領域装置を形成する中間の濃厚領域内の希薄なトラフなどの）さらに複雑な分布を容易にする。２領域動作も可能である。

上述の例では、ノズルから放出される化学的性質が総合的に希薄であるが、他の実施例は総合的に濃厚な化学的性質を有しうる。所謂濃厚−クエンチ−希薄動作は、希薄な燃焼を発生させるために下流で追加の空気を導入する。このような動作では、ノズルから放出される中間領域は理論値よりも十分に高くかつ低温とすることができる。内側領域および外側領域は、中間領域を安定化させるために（希薄または濃厚のいずれでも）理論値に比較的近く、すなわち比較的高温でかつ安定性が高い。ＮＯｘの発生は高温に関連するので、（燃料の大部分が流れる）低温の中間領域はＮＯｘが比較的低い。内側領域および外側領域は、総燃料（および／または空気）の流れの比較的少ない部分を含むので、これらの領域における（燃料および空気の総量が同じでかつ均一な分布に比べて）ＮＯｘの増加は（あったとしても）相殺される。異なる燃焼器構造および動作条件に対して、高温領域および低温領域の他の組合せ、およびその絶対的および相対的な燃空比を少なくとも一時的に使用することもできる。

１．０気圧の空気中におけるメタン燃料の例示的な燃焼では、濃厚な場合には約１．６以上、希薄な場合には約０．５以下の当量比でなければ火炎が不安定になるおそれがある。比較的低温の領域は、この範囲（より狭くは０．１〜０．５または１．６〜５．０）で動作可能である。比較的高温の領域は、０．５〜１．６で（より狭くは０．５〜０．８または１．３〜１．６、さらに狭くは０．５〜０．６または１．５〜１．６で、高い火炎温度を避けてＮＯｘの形成を減少させるために理論値から離れて）動作可能である。他の燃料および圧力は、他の範囲と関連づけることができる。

本発明の１つまたは複数の実施例を説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに種々の変更が可能である。例えば、既存の噴射器の再設計として実施される場合には、既存の噴射器または関連する燃焼器の詳細によって特定の実施例の詳細が影響を受ける。より複雑な構造および追加の要素を提供することもできる。斜軸ノズルによって提供される全体的な旋回に加えて、（例えば、特許文献１に開示されているように）個々の噴流に追加の旋回を与えることもできる。缶形燃焼器に関して説明したが、環状燃焼器を含む他の燃焼器構造も可能である。よって、請求の範囲には他の実施例も含まれる。

ガスタービンエンジンの燃焼器の概略的な断面図である。 図１の燃焼器の噴射器の後方／下流端部の説明図である。 図２の噴射器のノズルの３−３線に沿った部分断面図である。 図２の噴射器の第２のノズルの４−４線に沿った部分断面図である。 図２の噴射器の第３のノズルの５−５線に沿った部分断面図である。 図２の噴射器の第４のノズルの６−６線に沿った部分断面図である。 図２の噴射器の第５のノズルの７−７線に沿った部分断面図である。

符号の説明

３４Ａ〜３４Ｄ…通路
３４Ｅ…中央通路
４６…燃料入口ポート
５０Ａ〜５０Ｄ…燃料プレナム
５２…燃料管路
５００Ｅ…中心軸

Claims (19)

1. ノズルの複数の環列を有し、これらの環列は、噴射器の軸と同軸に設けられており、各々のノズルは、混合気の噴流を放出する出口を有するガス流路をそれぞれ画成しており、
   燃料を空気に投入する投入手段を有し、
   前記ノズルの１つまたは複数の群が、関連する噴流を噴射器の軸に対して斜めに導くように方向づけられていることを特徴とする燃料噴射装置。
2. １つまたは複数の群のうちの第１の群は、前記環列の少なくとも第１の環列における全てのノズルを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
3. １つまたは複数の群のうちの第１の群は、前記環列の少なくとも最も外側の環列の全てのノズルを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
4. １つまたは複数の群のうちの第１の群は、前記環列の少なくとも第１および第２の環列における全てのノズルを含み、第１および第２の環列のノズルは、噴射器の軸を中心に同じサインの角度成分を有する関連する噴流を導くように方向づけられていることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
5. １つまたは複数の群は、第１、第２、および第３の環列を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
6. 前記投入手段は、１つまたは複数の群のうちの第１の群に、他のノズルから少なくとも部分的に独立した燃料供給制御を提供することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
7. ガスタービンエンジンの燃焼器とともに使用されることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
8. 請求項１記載の燃料噴射装置の設計方法であって、
   １つまたは複数の群について、長手方向から外れた１つまたは複数の方向をそれぞれ選択し、
   選択された組合せに関連する少なくとも１つの性能係数を求めることを繰り返して選択された性能を達成することを含むことを特徴とする燃料噴射装置の設計方法。
9. 前記性能係数を求めることは、ソフトウェアによるシミュレーションおよび物理的測定の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項８記載の燃料噴射装置の設計方法。
10. 前記性能係数を求めることは、１つまたは複数の動作条件における１つまたは複数の群の燃空比を考慮して、またはこれと組み合わせて前記性能係数を求めることを含むことを特徴とする請求項８記載の燃料噴射装置の設計方法。
11. 前記選択は、１つまたは複数の高温領域による１つまたは複数の低温領域の目標安定化を達成するように行われることを特徴とする請求項１０記載の燃料噴射装置の設計方法。
12. 少なくとも１つの性能係数が、１つまたは複数の出力レベルにおけるＵＨＣ、ＣＯ、およびＮＯｘのレベルを含むことを特徴とする請求項８記載の燃料噴射装置の設計方法。
13. ガス流路をそれぞれ画成する複数のノズルを有し、これらのガス流路は、
    空気を受け入れる入口と、
    燃料を受け入れるポートと、
    混合気の噴流を放出する出口と、をそれぞれ含み、
    前記ノズルの１つまたは複数の群が、関連する噴流を前記噴射器の全体的な流路に対して部分的に接線方向に導くように方向づけられていることを特徴とする燃料噴射装置。
14. 前記ノズルは、複数の同心状の群として配列されていることを特徴とする請求項１３記載の燃料噴射装置。
15. 前記ノズルは、複数の円形配列の同心状の群として配列されていることを特徴とする請求項１３記載の燃料噴射装置。
16. 前記ノズルは、共通の噴射器本体に形成されていることを特徴とする請求項１３記載の燃料噴射装置。
17. 前記群のうちの第１の群のノズルは、第１の燃空比で動作し、
    前記群のうちの第１の群の実質的に外側の第２の群のノズルは、第１の燃空比よりも大きい第２の燃空比で燃料供給を受け、
    前記群のうちの第２の群の実質的に外側の第３の群のノズルは、第２の燃空比よりも小さい第３の燃空比で燃料供給を受けていることを特徴とする請求項１３記載の燃料噴射装置。
18. 第１の燃焼領域と、
    第１の燃焼領域の内側でかつ第１の燃焼領域よりも希薄な第２の燃焼領域と、
    第２の燃焼領域の内側でかつ第２の燃焼領域よりも濃厚な第３の燃焼領域と、を提供するように動作していることを特徴とする請求項１３記載の燃料噴射装置。
19. 第１の燃焼領域、第２の燃焼領域、および第３の燃焼領域は、理論値よりも低いことを特徴とする請求項１３記載の燃料噴射装置。
    

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