JP2008122067A

JP2008122067A - 予混合装置内の混合を促進するための方法及び装置

Info

Publication number: JP2008122067A
Application number: JP2007289263A
Authority: JP
Inventors: Ronald Scott Bunker; ロナルド・スコット・バンカー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2008-05-29
Also published as: US20080104961A1; CN101220955B; CN101220955A; EP1921378A2

Abstract

【課題】予混合装置内の混合を促進するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】予混合装置は、（ｉ）空気口と、（ｉｉ）空気口と流体連通した燃料プレナムであって燃料プレナムに隣接した壁輪郭に１以上の燃料口スロットを含む燃料プレナムと、（ｉｉｉ）空気口及び１以上の燃料口スロットの下流に配置され、壁輪郭で形成される燃料境界層に沿った燃料と空気口からの圧縮空気とが混合される混合チャンバであって、混合チャンバ内での境界層流剥離及び火炎保持を起こさずに境界層からの燃料と圧縮空気との混合を空力的に促進するように構成された表面処理部が混合チャンバの内壁の少なくとも一部に設けられている混合チャンバとを備える。低エミッション燃焼器、ガスタービン燃焼器、燃焼システムで燃料と酸化剤とを予混合する方法、ガスタービン、並びに予混合装置を用いる天然ガス液化システムについても開示する。
【選択図】図４

Description

本発明の各実施形態は概して燃焼器に関し、具体的には、低エミッション燃焼プロセスで燃料と酸化剤との混合を促進するための表面処理部を備えた予混合装置に関する。

歴史的に、燃料からのエネルギーの抽出は、燃焼器内で拡散律速（diffusion-controlled）（非予混合とも呼ばれる）燃焼として行われており、この燃焼方式では、反応体は最初は分離されていて、反応が燃料と酸化剤との界面でのみ起こり、界面で混合と反応が起こる。かかる装置の具体例としては、航空機用ガスタービンエンジン、並びに発電用、舶用推進用、ガス圧縮用、コジェネレーション用及び海上作業台船動力用の航空転用ガスタービンが挙げられる。かかる燃焼器の設計において、技術者は、最高作動温度を高め比エネルギー放出率を増大させるため燃焼器全体の寸法を維持又は縮小させるという根強い要求だけでなく、規制汚染物質の発生量及びそれらの環境への排出を低減するというニーズの高まりという課題を抱えている。主要な汚染物質の具体例としては、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼及び部分燃焼炭化水素、並びに二酸化炭素（ＣＯ_２）のような温室効果ガスが挙げられる。燃焼を起こしながら流体力学的混合に依拠していること、局所化学量論的燃焼に付随するピーク温度、高温領域での滞留時間及び酸素の利用性のため流れの中での局所的組成変動を制御するのは困難であるので、拡散律速燃焼器では、望ましいレベルの性能向上を維持しながら現在及び将来の排出条件を満たすのには限界がある。

近年、望ましくない汚染物質の排出レベルをさらに低減するため希薄（リーン）予混合燃焼器が用いられている。これらの燃焼器では、有意な化学反応が起こる前に、適量の燃料と酸化剤を十分に混合し、上述の拡散律速燃焼器の難点の抑制を図っている。しかし、燃料と酸化剤の可燃性混合気が、所望の火炎安定位置の前方で形成されるので、予混合燃焼器の設計者は、望ましくない燃焼不安定性を最小限及び／又は完全に抑制するため、混合が起こる領域での流れの剥離及び／又は火炎保持を制御するという課題を抱えている。現在の設計課題としては、燃料と酸化剤の混合が起こる領域全体の長さを制御すること、予混合プロセスに付随する圧力降下を最小限にすることも挙げられる。これらの課題は、燃焼器を、天然ガス、水素及び合成燃料ガス（シンガスとしても知られ、石炭その他の物質の液化プロセスで得られる一酸化炭素と水素に富むガス）を始めとする広範な燃料で適切に作動させることができなければならないという必要性によって、さらに複雑になる。

従来の予混合バーナには、スワーラのベーン間又はベーン翼形部の表面に設けられた燃料ジェットが組み込まれている。しかし、この直交流（cross-flow）燃料噴射では、燃焼器内部に燃料／空気混合気濃度の高い局所領域と低い局所領域とを生じ、排ガス量がかなり高まる。さらに、かかる直交流噴射は、燃焼器内での燃料圧力の変動及び圧力振動のため燃焼プロセスに変動及び変調を引き起こし、燃焼プロセスに破壊的力学を生じかねない。最近、主に直交流燃料噴射による予混合燃焼器の悪影響を最小限に抑制して所望の予混合レベル及び全体的性能を達成する方法として、コアンダ表面を用いた予混合装置が提案されている。これらの装置では、コアンダ表面に沿って噴射した燃料は、主空気流が加速されると表面に付着して、燃焼の不安定性を起こしかねない燃料ジェットのリフトオフ及び剥離並びに不都合な圧力変動を防止する。しかし、燃料ジェットは、予混合装置の発散形壁に隣接して維持されるので、燃料と酸化剤との効率的な混合は若干遅れて燃料と酸化剤の適切な混合を担保するため予混合装置がむやみに長くなる。予混合装置の長さがエンジン全体の長さ要件によって制約される場合には、例えば火炎ゾーンに送られる燃料濃度のプロファイルは不要な空間的バラツキを含み、汚染物質形成プロセスに対する予混合の十分な効果が最小限となり燃焼ゾーンでの全体的な火炎安定性に悪影響を与えかねない。

様々な用途での熱伝達の促進のために表面処理部が用いられているが（例えば、それぞれタービン部又は発電機での作動温度を許容レベルに維持するための陥凹部の使用について開示した米国特許第６６４４９２１号及び第６５０４２７４号、高温で作動する様々な表面での熱伝達特性を増大させるために突起部を有する金属部品をタービンエンジンに使用することについて開示した米国特許第６４６８６６９号及び第６５９８７８１号、並びに低い圧力損失で冷却レベルを高めるために燃焼器ライナの外面に複数の軸方向に離隔した円周方向溝について開示した米国特許第７１０４０６７号参照）、燃料と酸化剤の混合を促進するために予混合燃焼器のコアンダ表面に表面処理部を使用することは、本発明者の知る限り、従来知らていない。
米国特許第６６４４９２１号明細書米国特許第６５０４２７４号明細書米国特許第６４６８６６９号明細書米国特許第６５９８７８１号明細書米国特許第７１０４０６７号明細書米国特許第６５２６７５６号明細書米国特許出願番号第１１／２７３２１２号明細書 BUNKER et al,: "Heat Transfer and Pressure Loss for Flows Inside Converging and Diverging Channels with Surface Concavity Shape Effects", Proceedings of the 4th International Conference compact Heat Exchangers and Enhancement Technology, Sep.29-Oct.3, 2003, Crete Island, Greece. BUNKER et al,: "Heat Transfer and Friction Factors for Flows Inside Circular Tubes with Concavity Surfaces", Proceedings of ASME Turbo Expo 2003: Power for Land, Sea, and Air, June 16-19, 2003, Atlanta, Georgia, USA. BUNKER.: "The Augmentation of Internal Blade Tip-Cap Cooling by Arrays of Shaped Pins", Proceedings of 2007 IGTI, ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea and Air, May 9-12, 2007. Montreal, Canada. EL-GABRY.: Experimental Investigation of Local Heat Transfer Distribution on Smooth and Roughened Surfaces Under an Array of Angled Impinging Jets", Transaction of the ASME, Vol.127, July 2005, pages 532-544, ASME.

従って、燃焼器の混合領域での流れ剥離及び火炎保持の抑制を維持しながら、燃料と酸化剤の混合能力を高めた希薄予混合燃焼器に用いるための予混合装置が必要とされている。混合性能の向上によって、装置全体での圧力低下に実質的に悪影響を与えずに、長さの短い予混合装置の開発が可能となり、かかる予混合器が組み込まれた予混合燃焼器は、広範な組成、発熱量及び比体積を有する燃料との使用に特に適したものとなる。

上述のニーズその他当技術分野で公知のニーズに対処すべく、本発明では、予混合装置であって、（ｉ）空気口と、（ｉｉ）空気口と流体連通した燃料プレナムであって燃料プレナムに隣接した壁輪郭に１以上の燃料口スロットを含む燃料プレナムと、（ｉｉｉ）空気口及び１以上の燃料口スロットの下流に配置され、壁輪郭で形成される燃料境界層に沿った燃料と空気口からの圧縮空気とが混合される混合チャンバであって、混合チャンバ内での境界層流剥離及び火炎保持を起こさずに境界層からの燃料と圧縮空気との混合を空力的に促進するように構成された表面処理部が混合チャンバの内壁の少なくとも一部に設けられている混合チャンバとを備える予混合装置を提供する。本発明の実施形態には、上述の予混合装置を有する低エミッション燃焼器及びガスタービン燃焼器も包含される。

本発明の別の態様では、圧縮機と、圧縮機と流体連通していて燃料と空気の予混合気を燃焼させる燃焼器と、燃焼器の下流に位置するタービンであって燃焼器から出た高温ガス流を膨張させるタービンとを備えるガスタービンについて開示する。かかるガスタービンの燃焼器は予混合装置を備えており、該予混合装置は、（ｉ）空気口と、（ｉｉ）空気口と流体連通した燃料プレナムであって燃料プレナムに隣接した壁輪郭に１以上の燃料口スロットを含む燃料プレナムと、（ｉｉｉ）空気口及び１以上の燃料口スロットの下流に配置され、壁輪郭で形成される燃料境界層に沿った燃料と空気口からの圧縮空気とが混合される混合チャンバであって、混合チャンバ内での境界層流剥離及び火炎保持を起こさずに境界層からの燃料と圧縮空気との混合を空力的に促進するように構成された表面処理部が混合チャンバの内壁の少なくとも一部に設けられている混合チャンバとを備える。

本発明の別の態様では、天然ガス液化システムであって、空気から酸素を分離するように構成された空気分離ユニットと、天然ガスを調製するためのガス処理ユニットと、酸素を天然ガスと高温・高圧で反応させて一酸化炭素及び水素ガスに富む合成ガスを生成するための燃焼器と、合成ガスから仕事を抽出し合成ガスを急冷するため燃焼器と流体連通したターボエキスパンダとを備えるシステムについて開示する。
かかる天然ガス液化システムの燃焼器は、燃焼器での反応させる前に酸素と天然ガスの予混合を促進するため燃焼器の上流に配置された予混合装置を備えており、該予混合装置は、（ｉ）空気口と、（ｉｉ）空気口と流体連通した燃料プレナムであって燃料プレナムに隣接した壁輪郭に１以上の燃料口スロットを含む燃料プレナムと、（ｉｉｉ）空気口及び１以上の燃料口スロットの下流に配置され、壁輪郭で形成される燃料境界層に沿った燃料と空気口からの圧縮空気とが混合される混合チャンバであって、混合チャンバ内での境界層流剥離及び火炎保持を起こさずに境界層からの燃料と圧縮空気との混合を空力的に促進するように構成された表面処理部が混合チャンバの内壁の少なくとも一部に設けられている混合チャンバとを備える。

燃焼システムで燃料と酸化剤とを予混合する方法も本発明の実施形態の一つであり、かかる方法は、（ｉ）予混合装置内に酸化剤を取り込む段階と、（ｉｉ）予混合装置内に燃料を噴射する段階と、（ｉｉｉ）予混合装置の内壁に沿って燃料境界層を形成するように、予混合装置内の壁輪郭に向かって噴射燃料を偏向させる段階と、（ｉｖ）混合チャンバ内での境界層流剥離及び火炎保持を起こさずに、燃料と酸化剤を予混合して燃料−空気混合気を形成する段階であって、予混合装置の内壁の少なくとも一部に設けられた表面処理部によって、燃料境界層で生成した乱流による燃料境界層への酸化剤の同伴を促進することを含む段階を含む。

以上の記載は、以下の詳細な説明の理解を深め、本発明の技術的貢献についての理解を深めることができるように本発明の特徴を記載したものである。本明細書の以降の部分に記載し、特許請求の範囲の主題になり得る本発明の他の特徴も存在する。

この点に関して、本発明の幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明又は図面に記載した構造の詳細及び部品の配置に限定されるものではないことを理解されたい。本発明では、他の実施形態も可能であり、様々な様式・形態で実施することができる。また、本明細書で用いた表現及び用語は説明を目的としたものであって、限定的なものではない。

当業者には明らかであろうが、本明細書で開示する技術的思想は、本発明の幾つかの目的を遂行するための他の構造、方法及びシステムを設計するための基礎として容易に利用できる。従って、このような均等な構成は、本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱しない限り、特許請求の範囲に包含されるとみなすことが重要である。

さらに、要約書は、米国特許商標庁及び一般公衆、特に特許又は法律用語・表現に不慣れな当技術分野の科学者、技術者及び専門家が本願明細書に開示された技術の性質及び本質を一瞥して速やかに判断できるようにすることを目的とする。従って、要約書は、特許請求の範囲によって規定される本発明又は本願を定めることを意図したものでも、本発明の技術的範囲を限定することを意図したものでもない。

以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することによって、本発明とその効果についての理解を深め、本発明とその効果を十分に理解することができよう。

以下、図面を参照して本発明の予混合装置の幾つかの実施形態について説明するが、図を通して同一又は対応する部品は同じ符号を付す。以下の説明では、ガスタービンに用いられる予混合装置の例示的な実施形態を用いるが、主に燃料と酸化剤の予混合によって燃焼を制御する他の用途にも本予混合装置を用いることができることは当業者には明らかであろう。

図１は、作動時に高圧空気を低エミッション燃焼器１２に供給する圧縮機１４を有するガスタービン１０を示す。燃焼器１２に噴射された燃料と空気（又は他の酸化剤）との燃焼の後に、高温の燃焼ガスが高圧で燃焼器１２から出てタービン１６で膨張するが、タービン１６はシャフト１８を介して圧縮機１４を駆動する。当業者には明らかであろうが、本明細書でいう空気又は空気流には、純酸素又は酸素含有量２１体積％未満（例えば、１０体積％）の低質空気流を始めとする他のあらゆる酸化剤も包含される。一実施形態では、燃焼器１２はカン型燃焼器を含む。別の実施形態では、燃焼器１２はカン−アニュラ型燃焼器又は純然たるアニュラ型燃焼器を含む。用途に応じて、燃焼ガスは、推力発生のためノズル（図示せず）でさらに膨張させてもよいし、或いはガスタービン１０は、外部負荷を駆動するために燃焼ガスから追加のエネルギーを抽出する追加のタービン（図示せず）を有していてもよい。

この図に示す実施形態では、燃焼器１２は燃焼領域を画成する燃焼器ハウジング２０を有する。また、燃焼器１２は、燃焼領域での燃焼前に圧縮空気と燃料を混合するための予混合装置も備えている。具体的には、予混合装置は、混合プロセスの効率を高めるためコアンダ効果を用いる。本明細書で用いる「コアンダ効果」という用語は、流体の流れが近傍の表面に付着し、表面が流体の当初の移動方向からそれて曲がっても、表面に付着したまま残る傾向をいう。

図２は、図１のガスタービン１０に用いられる低エミッション燃焼器２２の例示的な構成を示す。この図に示す実施形態では、燃焼器２２はカン型燃焼器を含む。燃焼器２２は、燃焼器ケーシング２４とその中に配置された燃焼器ライナ２６とを含む。燃焼器２２はドームプレート２８と燃焼器壁の温度を低下させる構成の熱シールド３０も含んでいる。さらに、燃焼器２２は、燃焼前に酸化剤と燃料を予混合するための複数の予混合装置３２を含む。一実施形態では、水素のような燃料を用いる用途で燃焼器２２に段階的な燃料導入を達成するため複数の予混合装置３２を配置してもよい。作動時に、予混合装置３２に空気流３４が導入され、燃料プレナムから予混合装置３２に導入された燃料と混合される。空気−燃料混合気は次いで燃焼器２２内の火炎３６で燃焼する。図示したようにケーシング２４には、希釈又は冷却孔３８を設けてもよい。

図３は、図１のガスタービン１０に用いられる低エミッション燃焼器４０の別の例示的な構成を示す。この図に示す実施形態では、燃焼器４０はアニュラ型燃焼器を含む。図示したように、内側ケーシング４２及び外側ケーシング４４は燃焼器４０内の燃焼領域を画成する。また、燃焼器４０は通例、内側及び外側燃焼器ライナ４６，４８とドームプレート５０とを含む。さらに、燃焼器４０は、内側及び外側燃焼器ライナ４６，４８に隣接して配置された内側及び外側熱シールド５２，５４と空気流５８を燃焼領域内に導くためのディフューザセクション５６とを含む。燃焼器４０は、燃焼領域の上流に配置された複数の予混合装置６０も備えている。作動時に、各予混合装置６０には燃料ライン６２，６４を介して燃料プレナムから燃料が導入されるが、コアンダ効果を用いた同伴空気によって予混合装置６０の混合効率を高めるため、燃料は予混合装置６０内の所定の壁輪郭に沿って流れるように方向付けられる。さらに、燃料ライン６２，６４からの燃料は、流入する空気流５８と混合され、燃焼用の燃料−空気混合気が火炎６６に送給される。この実施形態では、燃料の導入によって、燃焼器４０内の空気の分割量が変化する。具体的には、コアンダ効果による圧力変化のため、燃焼器４０内の希釈空気は実質的に減少し、燃焼空気分は増加する。

図４は、上述の燃焼器で使用する予混合装置７０の例示的な構成の断面図である。図４に示す実施形態では、予混合装置７０は、圧縮空気を混合チャンバ７４に導入するように構成された空気口７２を備える。さらに、予混合装置７０は燃料プレナム７６を備えており、そこから円周スロット７８を介して燃料が混合チャンバ７４に供給される。当業者には明らかであろうが、スロット７８は予混合装置７０の周囲に連続的に設けてもよいし、或いは離散して設けてもよい。円周スロット７８を介して導入された燃料は、所定の壁輪郭８０に沿って偏向されて、燃料流８２を生じる。この例示的な実施形態では、予混合装置７０は環状の構成を有しており、燃料は所定の壁輪郭８０に半径方向に導入される。所定の壁輪郭８０の幾何形状及び寸法は、燃料圧力、燃料温度、流入空気の温度及び燃料噴射速度など因子を始めとする所望の予混合効率及び作動条件に基づいて選択／最適化できる。燃料の具体例としては、天然ガス、高水素ガス、純水素、バイオガス、一酸化炭素及び合成ガスが挙げられるが、その他の多種多様な燃料も使用できる。この図に示す実施形態では、所定の壁輪郭８０は、導入された燃料をコアンダ効果に基づいて壁輪郭８０にさらに付着させて、境界層を形成させる。所定の壁輪郭８０に隣接して形成された境界層は、空気同伴を起こして予混合装置７０の混合チャンバ７４内での混合効率を高める。コアンダ表面を有する予混合装置については、本願出願人に譲渡されたの米国特許出願第１１／２７３，２１２号でさらに説明されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。

この図に示す実施形態では、流入空気は空気口７２を介して予混合装置７０に導入される。ある実施形態では、空気の流れは、混合チャンバ７４での空気と燃料の混合を促進するため、円周スロット７８の上流又は下流に設けられた複数の空気口を通して導入してもよい。同様に、燃料は、予混合装置７０の長さ方向に沿った複数の位置の複数のスロットを通して噴射してもよい。別の実施形態では、予混合装置７０は、混合チャンバ７４に導入される空気に旋回運動を与えるため、装置７０の上流に配置されたスワーラ（図示せず）を備えていてもよい。別の実施形態では、所定の壁輪郭８０を流れる燃料流に旋回運動を導入するため、燃料口スロット間隙にスワーラ（図示せず）が配置される。さらに別の実施形態では、予混合装置７０からの出口平面に予混合装置７０と同じ軸方向に同軸に空気スワーラを配置してもよい。

さらに、予混合装置７０は、混合チャンバ７４内で形成された燃料−空気混合気を出口８６を介して燃焼セクションに向けるための直線形又は発散形の輪郭を有するディフューザ８４も備える。一実施形態では、ディフューザ８４の角度は約±０〜約２５度の範囲にある。予混合装置７０の予混合の程度は、燃料の種類、所定の壁輪郭８０の幾何形状、空気の予旋回の程度、円周スロット７８の大きさ、燃料圧力、燃料温度、流入空気の温度、ディフューザ８４の長さ及び角度、並びに燃料噴射速度などの複数の因子によって制御される。

作動時に、所定の壁輪郭８０は、ディフューザ８４に沿った境界層の形成を促進する同時に、空気口７２からの空気流の一部が境界層によって同伴されて流入空気と燃料との混合を促進する剪断層の形成を促進する。この図に示す実施形態では、燃料は、流入酸化剤の圧力よりも比較的高い圧力で供給される。一実施形態では、燃料圧力は、空気口７２での流入空気の圧力よりも約１％〜約２５％高い。

上述の境界層は、コアンダ効果によって形成される。この図に示す実施形態では、燃料流８２は壁輪郭８０に付着し、壁輪郭８０の表面が当初の燃料流方向からそれて曲がっても付着したままである。具体的には、燃料流が壁輪郭８０の周りで加速されると、流れに圧力差が生じて、その圧力差によって、壁輪郭８０の表面に近づくように燃料流８２が偏向する。当業者には明らかであろうが、燃料流８２が壁輪郭８０を移動する際に、燃料流８２と壁輪郭８０との間にある量の表面摩擦が生ずる。この流れに対する抵抗によって、燃料流８２が壁輪郭８０に向かって偏向し、燃料流８２は壁輪郭８０の近くに留まる。さらに、この機序によって形成された燃料境界層は流入空気流を同伴して、空気流と燃料の混合を促進する剪断層を形成する。本明細書ではコアンダ表面によって形成される境界層への空気の同伴の促進による燃料境界層について説明するが、壁に沿って得られる境界層は上述の通り燃料だけでなく、燃料と空気の混合気も含む。

ディフューザ８４の内面に設けられた幾つかの表面ジオメトリ又は処理部は、表面での流れ剥離とそれに続く望ましくない領域での早期燃焼を起こさずに、燃料と空気の乱流混合を改善し加速させる働きをする。本明細書で用いる「表面ジオメトリ」又は「表面処理部」という表現は、システムでそれ以上の実質的な圧力降下も流れ剥離も起こさずに空気と燃料の混合を増大させるべく空力的に渦構造及び壁乱流を発生させるために、予混合装置７０の表面の物理的変更部を意味する。これらの表面処理部は、壁輪郭８０の表面及び／又は燃料スロットの内壁の部分にも設けることができる。これらの特徴的形状は、剪断層及びブラフボディ（bluff body）効果ではなく、表面渦構造又は壁乱流の生成によって混合プロセスを向上させる。燃料と酸化剤の混合の改善に伴って、混合チャンバ７４内で早期燃焼をもたらす流れ剥離とそれに伴う火炎保持の可能性を完全に排除又は実質的に低減しながら、予混合装置全体の長さを縮小できる。

図４は、表面処理部の第１の実施形態９０も示している。図示したように、この第１の実施形態は、ディフューザ８４の内面に設けられた浅い陥凹部９２の規則正しいパターン配列を含んでいる。この図に示す実施形態では、陥凹部９２は、表面流体渦構造が得られるような配列パターンでディフューザ８４の内面に形成される。陥凹部９２の表面パターンは、燃料と酸化剤の混合を促進するのに役立つが、機械式タービュレータのような混合を誘起するために用いられる従来の装置に比べ、摩擦による圧力損失が格段に少ない。表面流体渦構造の局所的な生成によって、ディフューザ８４の中心部を流れる空気の表面近傍の領域に向かっての同伴が促進され、それによって燃料と酸化剤の混合プロセスが促進される。

図５は、作動中の陥凹部の概略図である。図５に示すように、処理表面に沿って燃料境界層λを流れる燃料部分９４は各陥凹部に取り込まれ、各陥凹部９２で生じた渦が陥凹部９２から放出されて（矢印９６で示す）、空気の自由流の流れ（局所自由流速度Ｕ_０を有する空気流を表す矢印９８で示す）に向かい、自由流空気の一部（矢印１００を参照）を燃料境界層λに向かって局所的に取り込む。各陥凹部９２の表面直径「Ｄ」に対する深さ「ｄ」の比（ｄ／Ｄ）は、陥凹部での流れ剥離を避けるため約０．３以下とすべきであり、好ましくは約０．１未満である。

陥凹部９２は例えば半球によって形成できるし、或いは完全半球の任意の部分の陥没面によって形成することができる。図６及び図７は、他の例示的な陥凹部の実施形態を示す。図６に示す逆又は切頭円錐形１１０は半球に近似した直線壁の幾何形状である。一実施形態では、逆円錐形の直径Ｄは約３ｍｍであり、深さｄは約０．７ｍｍであり、側壁１１２は垂直方向と約４５°の角度をなす。図７に示す円錐ピット１２０は、逆円錐形の幾何形状を円筒ピットと合成した幾何形状である。これらの半球の変形はすべて様々な方法で製造することができ、半球よりも実施に経費がかからないこともある。当業者には明らかであろうが、図６及び図７に示す例示的な実施形態の幾何学寸法は特定の寸法に限定されるものではなく、例えば３ｍｍ径の陥凹部は例示にすぎない。表面の直径及び深さの絶対値は、予混合器装置全体の寸法並びに利用可能な壁厚によって決まる。限定的なものではなく、単に例として挙げると、予混合器の入口領域（燃料スロット近傍）が約２５．４ｍｍの流れ直径を有していれば、陥凹部直径の好ましい実施形態は約２．５４ｍｍであり、深さは約０．５１ｍｍとなるであろう。

また、陥凹部の特徴的寸法及びそれらの表面での配置は、達成すべき所望の混合度に応じて変更し得る。例えば、特に限定されないが、各陥凹部９２は、予混合装置の軸方向に一定の表面直径を有していてもよいし、或いは燃料噴射点からの距離の増大に伴ってその寸法が増すようにしてもよい。別の実施形態では、陥凹部９２の配列の中心間隔は、通例、陥凹部９２の表面直径（Ｄ）の約１．１〜約２倍とすることができ、それらはディフューザ８４の表面に均一に各列をスタガード整列させて配置してもよい。他の実施形態では、各陥凹部９２の寸法及び間隔を、燃料側に存在する混合条件とよく一致するように、ディフューザ８４内の陥凹部９２の軸方向位置に関して変化させてもよい。この一致作用は、陥凹部深さ又は直径の変化によっても達成することができる。通例、各陥凹部９２は、表面に鋭い縁部を有していてもよいが、製造プロセスで滑らかな縁部としてもよい。また、陥凹部９２は、非半球形及び／又は非軸対称形（例えば、卵形又は楕円形表面形状）のような変形幾何形状も取り得る。

陥凹部９２の使用によって実現される利点を幾つか挙げると、摩擦圧力損失を大幅に低減（従来の装置と比較して５０％以上の低減）して、混合速度が増大することである。さらに、陥凹部９２の設計によって、現在の機械式タービュレータよりも応力拡大係数の少ないシステムが得られる。また、燃料と酸化剤の混合は、陥凹部９２の使用によってディフューザ８４の表面全体に一段と均一に分布する。

これらの陥凹部９２の製造方法の一実施形態では、パルス電解加工（ＰＥＣＭ）法を使用できる。この方法は通例、耐食性金属管（チタニウム管など）とパターン化電気絶縁コーティングからなる特殊工具カソードを使用する。かかる製造法の詳細は、本願出願人に譲渡された米国特許第６６４４９２１号に開示されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。

図８は、本発明に係る別の表面処理部の実施形態１５０を示す。当業者には明らかであろうが、図８及びさらに表面処理部の様々な例示的実施形態を示すいずれの図も、図４に示す予混合装置と同様の予混合装置で実施される表面処理部の実施形態１５０を示しているが、本明細書に開示した表面処理部は、その特定の予混合装置のみに限定されるものではない。図示したように、この実施形態は、交差した浅い球面溝１５２，１５４を含んでおり、ダイヤモンド模様の表面組織を生じる。環状陥凹環又は円周方向溝は、ディフューザ８４の長さに沿って軸方向に離隔して配置されて、陥凹面は流れに向かって半径方向外向きに面している。この複数の円周方向溝は流れ方向に対して傾斜しており、ディフューザ８４に沿ってパターン化された混合を生じる。この浅い溝によって、既に説明した離散陥凹部の機能と同様の機能が得られる。これらの溝はディフューザ表面での流れを混乱させるように作用して、混合を促進するが、従来の装置に比べ圧力損失が格段に少ない。具体的には、燃料流は溝に流れ込んで渦を形成し、主流の流れと相互作用して混合を促進する。

溝１５２，１５４の深さはディフューザ８４の寸法に基づいて決定すればよく、陥凹部９２と同様に、これらの溝は約０．３未満、好ましくは約０．１未満の相対的深さを有することができる。図示したように、第１の陥凹円周方向溝１５２の列が、ディフューザ８４の表面に形成されディフューザ８４の長さに沿って一方向に傾斜（すなわち、ディフューザの中心軸線に対して鋭角で）しており、同様の第２の溝１５４の列が反対方向に傾斜して十字模様を形成し、全体として追加の混合促進効果を生じる。十字形溝１５２，１５４は均一な断面（図示）でもよいし、或いはパターン化（図示せず）してもよい。パターン化配置では、溝１５０は、円周方向に重なった略円形又は卵形陥凹部によって形成し、陥凹部が燃料流に半径方向に面するようにしてもよい。図８の例示的な実施形態は連続溝を用いているが、不連続溝も本発明の技術的範囲に属することは当業者には自明であろう。

図９は、混合のために流れ渦を生成するように構成したパターン配列で、背が低く丸い隆起部１６２（つまりモーグル）を含むさらに別の表面処理部の実施形態１６０を示す。局所流れ剥離を避けるため、これらの隆起部は、隆起部の高さ／直径比が約０．３以下（基本的に陥凹部９２の逆）となるように背を低くすべきである。この実施形態の変形としては、特に限定されないが、様々な高さ、直径、中心間隔、ピン先端半径及びピン根元フィレット半径のピン配列が挙げられる。背が低いピン配列は、隣接するフィレット同士が互いにほとんど触れるようにピン間隔を小さくすることによってピン密度を増大させてもよいと思料される。図９に示す実施形態の設計特徴の一つは、流れ剥離ゾーンを実際に安定化させずに流れ乱流を生成又は乱流を増大できるほど隆起部又は粗さ片が十分に小さいことである。流れ剥離ゾーンは小さく、不安定又は変動するおそれがあり、その場合にはこのような流れ剥離ゾーンは局所的に火炎を安定化させることができなくなる。また、隆起部にフィレット及び半径を追加すると、圧力損失を低減するとともにこうした特徴的形状の近傍に層流を保つのに役立ち、安定な剥離を避けることができる。

図１０及び図１１は他の表面処理部の実施形態の写真であり、それぞれディフューザ８４の表面に設けられた小規模なランダムな表面粗さ１７０（図１０）及びパターン化された表面粗さ１８０（図１１）に対応する。これらの処理部の構造的特徴の一つは、ブラフボディ剥離を避けるため、粗さ要素間に十分な間隔が残っていことである。隆起部と同様に、ランダムな表面粗さ１７０及びパターン化された表面粗さ１８０は、ノズル製作後にろう付けによって設けることができる。一実施形態では、何箇所かでプロフィルメーターを用いて測定した表面粗さは、それぞれ３０〜５０μｍ及び１８０〜３００μｍの算術平均粗さＲ_ａ及び十点平均粗さＲ_ｚを有することができる。図１０及び図１１に示す表面処理部の形成についての詳細は米国特許第６５２６７５６号及び第６４６８６６９号に開示されており、それらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。

既に説明した通り、上述の表面処理部の寸法及び形状は、主流の流れの加速に伴って局所的条件調整できるように表面の位置の関数として変化させてもよい。表面はそれ以上顕著なシステム圧力降下を生じさせないという点で空力的である。表面は、流体（燃料）渦混合構造及び壁乱流の生成を推進して燃料−空気混合を促進し、予混合ノズル全体を小型化することができる。表面処理部は、流体の移動距離の関数としてパターンを変化させ、燃料と空気の混合が下流に進行するとともに効果が変化する物理的メカニズムを与える。表面は流れ剥離を発生せず、ディフューザ８４内での自然着火及び火炎保持を回避又は最小限にする。これらの表面は機械加工、鋳造、放電機械加工による形成、及び場合によってはろう付けによって設けることができる。

上述の予混合装置は、天然ガス液化システムにおいて、システムの燃焼器での反応前に酸素と天然ガスの予混合の促進に用いることもできる。通例、天然ガス液化システムは、空気分離ユニット、ガス処理ユニット及び燃焼器を備える。作動時に、空気分離ユニットは空気から酸素を分離し、ガス処理ユニットは燃焼器で転化するための天然ガスを調製する。空気分離ユニットからの酸素及びガス処理ユニットからの天然ガスを燃焼器に導いて、天然ガスと酸素を高温・高圧で反応させて合成ガスを生成する。この実施形態では、予混合装置は、燃焼器での反応前に酸素と天然ガスの予混合を促進するため、燃焼器に連結される。さらに、予混合装置の１以上の表面は所定の輪郭を有し、この所定の輪郭で酸素を偏向させて酸素を輪郭に付着させて境界層を形成し、境界層は流入する天然ガスを同伴して天然ガスと酸素を高い燃料／酸素当量比（例えば、約３．５〜約４又はそれ以上）で混合するの促進して、最小限の滞留時間で合成ガス生産収率を最大にする。ある実施形態では、プロセス効率を高めるため酸素又は燃料に蒸気を加えてもよい。

次いで合成ガスを急冷してフィッシャー・トロプシュ処理ユニットに導入し、触媒によって水素ガスと一酸化炭素を再結合させて長鎖液体炭化水素を生じさせる。最後に、液体炭化水素はクラッキングユニットで各種生成物に転化し分留される。コアンダ効果に基づく予混合装置は天然ガスと酸素を迅速に予混合し、天然ガス液化システムでの滞留時間を大幅に短縮できるという利点がある。

以上説明してきた本発明方法の様々な態様は、ガスタービンで用いられる燃焼器及び加熱炉のような加熱装置などの様々な用途に有用である。さらに、本明細書に記載した技術は、燃焼前の燃料と空気の予混合を促進し、ガスタービン及び装置ガスバーナのようなシステムの排ガス量を実質的に低減し、効率を高める。予混合法は、天然ガス、炭化水素、一酸化炭素、水素、バイオガス及び合成ガスなどを始めとする体積発熱量の種々異なるガス化化石燃料のような様々な燃料に使用できる。従って、予混合装置は、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）の異種燃料を使用できるｆｕｅｌ−ｆｌｅｘｉｂｌｅ燃焼器de
汚染物質の排出量の低減に使用できる。また、予混合装置はガスレンジ器具にも使用できる。ある実施形態では、予混合装置は、航空機エンジン水素燃焼器並びにその他の航空転用及び産業用ガスタービン燃焼器に使用される。特に、本明細書に開示した予混合装置は、低ＢＴＵ（英熱量）から高水素及び純水素Ｗｏｂｂｅ指数に至る種類の燃料を使用するシステムで排ガス量を大幅に低減できる。さらに、予混合装置は、特に二酸化炭素フリーサイクル及び排出ガス再循環に有用な酸素燃料のよう流れの部分的混合の促進に利用できる。

従って、上述の混合促進用の表面処理部を有する予混合装置でのコアンダ効果に基づく予混合技術は、燃焼器内での予混合の促進と火炎安定化を可能にする。さらに、本技術は、排ガス量、特にかかる燃焼器からのＮＯｘ排出量を低減でき、ガスタービンを環境に優しく運転することができる。ある実施形態では、本方法は、燃焼器、特に水素燃焼器での圧力降下を最小限に抑制できる。また、混合促進用の表面処理部を有するノズルでのコアンダ効果で達成される予混合の促進によって、ターンダウン（すなわち、バーナの最大燃焼能力／バーナの最小燃焼能力の比）の向上、耐フラッシュバック性及び燃焼器のフレームアウト・マージンの増大がもたらされる。

以上説明してきた実施形態では、燃料境界層はコアンダ効果によって壁に沿って位置し、予混合装置の出口平面を始めとする壁面での燃料濃度を大幅に高める。さらに、壁面での高い燃料濃度の存在によって、ターンダウンに有益な効果を生じ、それによって火炎を安定させ、耐フラッシュバック性を高める。なお、火炎は壁面から離れた状態に保たれ、ターンダウンを向上させ、当量比が約０．２程度の低さの天然ガスと空気の混合気でも作動できる。また、フレームアウト・マージンは、既存のシステムに比べ大幅に改善される。さらに、既に説明した通り、このシステムは、様々な燃料で使用でき、燃料のフレキシビリティが高い。例えば、本システムは、例えば天然ガスとＨ_２のいずれも燃料として使用できる。かかるシステムの燃料フレキシビリティによって、異なる燃料毎に異なる燃料ポートが必要とされるハードウェアの変更又は複雑なアーキテクチャの必要性がなくなる。上述のように、本明細書に開示した予混合装置は様々な燃料で使用することができ、システムの燃料フレキシビリティをもたらす。さらに、上述の方法を既存のカン型又はカン−アニュラ型燃焼器で使用すると、排ガス量並びに燃焼器内のダイナミック振動及び変調を低減することができる。さらに、この装置は既存の燃焼器におけるパイロットとしても使用できる。

以上の説明に関して、本発明の部材についての最適な寸法の関係が様々な寸法、形態機能並びに作動方式、組立方式及び用途の変更を含むことは当業者には自明であり、図面及び明細書に記載したものと均等な関係はすべて特許請求の範囲に包含される。また、現時点で実用的であると思料される本発明の幾つかの例示的な実施形態に関して本発明を具体的・詳細に説明し、図面に記載してきたが、当業者には明らかな通り、本明細書に記載した原理及び技術的思想から逸脱せずにそれらに多くの修正をなすことができる。従って、本発明の技術的範囲の解釈に当たっては、かかるあらゆる修正及び均等が包含されると特許請求の範囲を最も広く解釈すべきである。

本発明に係る予混合装置を備えた燃焼器を有するガスタービンの概略図。本発明に係る図１のガスタービンに用いられる低エミッション燃焼器の例示的な構成の概略図。本発明に係る図１のガスタービンに用いられる低エミッション燃焼器の別の例示的な構成の概略図。本発明に係る予混合装置の内壁に表面処理部が設けられた、図１の燃焼器で使用する予混合装置の例示的な構成の断面図。図４の表面処理部の一つの要素での流れの概略を示す図。図４の表面処理部のジオメトリの変形を示す図。図４の表面処理部の別のジオメトリの変形を示す図。本発明に係る図１の燃焼器で使用する予混合装置の内壁に設けられた表面処理部の別の実施形態を示す図。本発明に係る図１の燃焼器で使用する予混合装置の内壁に設けられた表面処理部のさらに別の実施形態を示す図。本発明に係る図１の燃焼器で使用する予混合装置の内壁に設けられた表面処理部のさらに別の実施形態の写真。本発明に係る図１の燃焼器で使用する予混合装置の内壁に設けられた表面処理部のさらに別の実施形態の写真。

符号の説明

１０ガスタービン
１２，２２，４０燃焼器
１４圧縮機
１６タービン
１８シャフト
２０燃焼器ハウジング
２４，４２，４４ケーシング
２６，４６，４８燃焼器ライナ
２８，５０ドームプレート
３０，５２，５４熱シールド
３２，６０，７０予混合装置
３４，５８空気流
３６、６６火炎
３８希釈又は冷却孔
５６ディフューザセクション
６２，６４燃料ライン
７２空気口
７４混合チャンバ
７６燃料プレナム
７８スロット
８０壁輪郭
８２燃料流
８４ディフューザ
８６出口
９０，１５０，１６０表面処理部
９２陥凹部
９４燃料の部分
１１２側壁
１２０円錐ピット
１５２，１５４溝
１６２丸い隆起部
１７０，１８０表面粗さ

Claims

予混合装置であって、
空気口と、
空気口の端部と流体連通しているとともに壁輪郭に１以上の燃料口スロットを含む燃料プレナムであって、壁輪郭が予混合装置の内壁の一部分に沿って１以上の燃料口スロットから供給された燃料の境界層が形成されるように構成されている、燃料プレナムと、
空気口及び１以上の燃料口スロットの下流に配置され、空気口からの圧縮空気が境界層からの燃料と混合される混合チャンバであって、混合チャンバ内での境界層流剥離及び火炎保持を起こさずに境界層からの燃料と圧縮空気との混合を空力的に促進するように構成された表面処理部が内壁の少なくとも一部に設けられている混合チャンバと
を備える予混合装置。
前記壁輪郭が、１以上の燃料口スロットを通して供給された燃料をコアンダ効果によって壁輪郭に向かって偏向させるように構成されている、請求項１記載の予混合装置。
前記表面処理部が浅い陥凹部の規則正しいパターン配列を含む、請求項１記載の予混合装置。
前記表面処理部が丸い隆起部のパターン配列を含む、請求項３記載の予混合装置。
前記表面処理部がパターン化された表面粗さ又はランダムな表面粗さを含む、請求項３記載の予混合装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の予混合装置を含む低エミッション燃焼器。
燃焼システムで燃料と酸化剤とを予混合する方法であって、
酸化剤入口を通して予混合装置に酸化剤を取り込む段階と、
円周スロットを通して予混合装置に燃料を噴射する段階と、
予混合装置の内壁に沿って燃料境界層を形成するように、予混合装置内の所定の壁輪郭に向かって噴射燃料を偏向させる段階と、
混合チャンバ内での境界層流剥離及び火炎保持を起こさずに、燃料と酸化剤とを予混合して燃料−空気混合気を形成する段階であって、予混合装置の内壁の少なくとも一部に設けられた表面処理部によって燃料境界層で生成した乱流による燃料境界層への酸化剤の同伴を促進することを含む段階
を含んでなる、方法。
前記偏向させる段階が、所定の壁輪郭によるコアンダ効果を生じさせる段階をさらに含む、請求項７記載の方法。
請求項６記載の低エミッション燃焼器を備えるガスタービン。
天然ガス液化システムであって、
空気から酸素を分離するように構成された空気分離ユニットと、
天然ガスを調製するためのガス処理ユニットと、
酸素を天然ガスと高温・高圧で反応させて一酸化炭素及び水素ガスに富む合成ガスを生成するための燃焼器と、
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の予混合装置と、
合成ガスから仕事を抽出し合成ガスを急冷するため燃焼器と流体連通したターボエキスパンダと
を備えるシステム。