JP2012117806A - 保炎抵抗を向上させる予混合器後流及び渦補填システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼システム予混合器を提供する。
【解決手段】燃焼システム予混合器１０は、この予混合器１０を通る空気に応じて、周囲高速空気の方向を燃焼システム燃料ノズル内の後流及び渦領域の少なくとも１つへ向けて受動的に変更するように構成される、１つ以上の縦渦発生器１２、１４を含む。縦渦発生器１２、１４は、乱流構造を最小限に抑えることにより、空気／燃料の混合を促進すると共に予混合器１０内の保炎及び逆火抵抗を向上させるように作用する。
【選択図】図１

Description

本発明は概して、ガスタービン燃焼システムに関し、特に、保炎抵抗を高めると共に燃焼システム予混合器の燃料と空気の混合を促進する技術に関する。

天然ガス又は燃料油の予混合燃焼が定置用ガスタービンのＮＯｘ排出量を最小限に抑える非常に効果的な手段であることは、既に商業的に立証されている。同様に、一般的には部分予混合を適用して、航空エンジンにおいても同様の排出削減を達成する。こうした燃焼モードでは、この予混合空気燃料流が意図する燃焼領域よりも上流で着火した場合に早期燃焼又は保炎の危険が生じる。上流領域が燃焼に伴う高温に耐えられるように設計されていない場合、部品の過熱と、これに伴う機械設備の故障が生じる可能性がある。また、燃料酸化剤の予混合能力を高めることにより、機械設備の損傷を引き起こしかねない潜在的な燃焼挙動に関する問題が増加することも知られている。

燃料／空気予混合器の予混合能力を高めるために用いられてきた技術のひとつが、アレイ状の空気通路を用いるものである。別の技術としては、予混合ベーンを用いてスワール型予混合器を設けるものがある。燃料／空気予混合器の予混合能力を高めるために用いられてきた別の技術としては、保炎抵抗を更に高めるクレーター状燃料噴射穴がある。

これらの周知の予混合技術は、混合能力又は予混合器保炎抵抗を高める利点があるが、燃焼システム予混合器の混合能力及び保炎マージンを更に最適化するべく改良する余地がある。最新の混合技術のひとつには、後縁機構を用いてシグナチュアと騒音（例えば航空エンジンのジェットノイズ）との両方を低減するものがある。このような後縁機構が、燃焼システム予混合器内で燃料／空気予混合と予混合器保炎抵抗とを高める技術として研究されることはなかった。

K. KNOWLES; A. J. SADDINGTON, "A review of jet mixing enhancement for aircraft propulsion applications", Proc. IMechE, Vol. 220, Part G, J. Aerospace Engineering, pp 103-127, 2006.

上記に鑑みて、全ての種類のガスタービン燃焼器に関連する周知の燃焼システム予混合器構造の空気／燃料混合能力を維持又は促進しつつ、保炎マージンを向上させ得る空気／燃料予混合器構造を設けることが有利であろう。この空気／燃料予混合器構造では、受動的手法を有利に用いて、空気／燃料混合能力を維持又は促進すると共に保炎抵抗を高めつつ、随意的に予混合器内の運動量損失領域を最小限に抑えるべきである。

手短に言うと、一実施形態に従って、定置用燃焼システムの保炎抵抗を高める燃焼システム予混合器を提供する。この予混合器は、
自身を通過する空気に応じて、周囲の高速空気の方向を受動的に変更することで、燃料ノズル内の後流及び渦領域を補填するように構成された、１つ以上の縦渦発生器を含む。

別の実施形態によると、燃焼システム予混合器内の保炎抵抗を高める方法は、
予混合器の１つ以上の部分に１つ以上の縦渦発生器を設けるステップと、
少なくとも１つの予混合器縦渦発生器に空気を通すことにより、各縦渦発生器を通過する空気の方向が、対応する燃料ノズルの後流及び渦領域内に向けて受動的に変更されるようにするステップと、を含む。

また別の実施形態によると、燃焼システム予混合器は、
１つ以上の噴射オリフィスを有し尚且つ１つ以上の縦渦発生器を有する少なくとも１つの後縁領域を含み、これらの１つ以上の縦渦発生器は、１つ以上の噴射オリフィスを介して後縁領域内に噴射される周囲高速空気又は燃料の方向を受動的に変更することにより、この方向変更された空気又は燃料が混ざり合って後縁領域よりも下流に発生する後流及び渦領域の少なくとも１つを解消するように構成される。

全図面を通じて同様の符号で同様のバーツを示す添付図面を参照しながら、下記の詳細な説明を読めば、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点の理解が深まるであろう。

一実施形態に従った縦渦発生器を備えた燃焼システム予混合器を示す切取斜視図である。 図１に示す予混合器のスワラ部分上の縦渦発生器を示す斜視図である。 図１に示す予混合器のスワラ部分上の縦渦発生器を示す別の斜視図である。 図１に示す予混合器の後縁部分上の縦渦発生器を示す斜視図である。 図１に示す予混合器の後縁部分上の縦渦発生器を示す詳細斜視図である。 図１に示す予混合器の後縁部分上の縦渦発生器を示す切取斜視図である。 縦渦発生領域を有する、図１に示す予混合器の後縁部分の実施に適する、一実施形態に従ったローブ状ノズルを示す斜視図である。 図１に示す予混合器の後縁部分付近に設けられる一対の縦渦発生ノッチを示す斜視図である。 図１に示す予混合器の１つ以上の縦渦発生領域の実施に適する、別の縦渦発生構造を示す斜視図である。 本明細書に記載の縦渦発生構造の原理を用いた予混合器の実施形態の使用に適するガスタービンエンジンの一実施形態を示す図である。

上記図面について説明するが、詳細な説明において記載するように、本発明の代替実施形態及びその他の実施形態も考えられる。いずれの場合も、本開示では、図示した本発明の実施形態を、限定目的ではなく説明目的において提示している。本発明の範囲及び概念に含まれるその他数多くの修正及び実施形態が、当業者には想到可能であろう。

図１は、一実施形態に従った、複数の縦渦発生器１２、１４を備えた燃焼システム予混合器１０を示す切取斜視図である。本明細書で説明する縦渦発生器とは、相当量の縦渦を発生させる構造を意味すると共に、一部の用途においては、特定のノズル寸法及び形状と結びついた場合に相当量の縦渦を発生させる適切な構成のシェブロン構造を含むことがある。縦渦発生器１２は、スワラ機構１６の後縁部に配置される。縦渦発生器１４は、予混合ノズル１８の後縁部に配置される。縦渦発生器１２、１４は、予混合器１０を通る空気流に応じて少量の周囲高速空気の方向を、予混合器１０の内側及び／又は下流の後流及び渦領域内に向けて受動的に変更することにより、乱流構造を最小限に抑えるように作用する。本発明者らは、燃焼システム予混合器に適用される縦渦発生構造を用いてこのように周囲高速空気の方向を後流及び渦領域内に向けて受動的に変更すると、燃焼システム予混合器１０の保炎抵抗が高まることを発見した。更に、縦渦発生構造を用いて周囲高速空気の方向を後流及び渦領域内に向けて受動的に変更することにより、有利には、予混合器１０による燃料／酸化剤混合が促進されることがわかった。後流及び渦領域について詳しくは、本明細書では図８を参照して説明するが、Ｋｎｏｗｌｅｓ及びＳａｄｄｉｎｇｔｏｎによる非特許文献１（"A review of jet mixing enhancement for aircraft propulsion applications"）にも記載されている。

また、本明細書で説明する受動的混合技術を用いて予混合器１０内の運動量損失領域を最小限に抑えることもできる。本明細書では幾つかの実施形態を、縦渦を発生させるように適切に構成された改良シェブロン構造と記載しているが、シェブロン構造は、図８を参照して本明細書に示すようなノッチ、整形溝、又は図９を参照して本明細書に示すような予混合器ベーン後縁部上の鋸歯状部、又は図７を参照して本明細書に示すと共にＨｕ、Ｓａｇｏ、Ｋｏｂａｙａｓｈｉらによる"A study on a lobed jet mixing flow by using stereoscopic particle image velocimetry technique"にも記載されているシェブロン拡張ローブ等の、その他の形状であってもよい。

図１は、予混合器１０と縦渦発生器を追加可能な位置とを示す図であるが、本明細書に記載の原理を用いると、例えば予混合器内側流路壁部又は外側ベーン壁部等のその他の位置も考えられる。このため、所望の用途と縦渦発生器による空気／燃料混合の促進の度合いとに応じて、縦渦発生器を予混合器１０内の戦略的な位置に配置することができる。また、縦渦発生器を空気／燃料混合比の調節に且つ／又は後流補填機構として用いることで、機械設備の損傷を招きかねない燃料ノズル内部の逆火と保炎とを実質的に解消することができる。

一態様によると、予混合器１０は、圧縮機排気プレナム又は外側ライナ環状部等であるがこれらに制限されない供給源から空気を受けることができる。予混合器ベーン後縁部２０及び／又は内側及び外側ベーン壁部の縦渦発生整形通路１２は、縦渦発生構造１２を通過する周囲高速空気の方向を予混合器１０内の後流及び渦領域内に向けて受動的に変更することにより、本明細書に更に詳細に説明する特有の状況下での空気／燃料混合及び／又は保炎抵抗を向上させる。予混合器ノズル１８の後縁部及び／又は内側及び／又は外側ノズル壁部の縦渦発生整形通路１４は、縦渦発生構造１４を通過する周囲高速空気の方向を、予混合器ノズル１８よりも下流の後流及び渦領域内に向けて受動的に変更することにより、本明細書に更に詳細に説明する特有の状況下での空気／燃料混合及び／又は保炎抵抗を更に向上させる。

別の態様によると、燃焼システム予混合器１０は、図１に示すような１つ以上の噴射オリフィスを有する少なくとも１つの後縁領域２０を含む。１つ以上の縦渦発生器１２は、１つ以上の噴射オリフィスを介して後縁領域２０内に噴射される周囲高速空気又は燃料の方向を受動的に変更することにより、噴射された空気又は燃料が後縁領域２０よりも下流に発生する後流及び渦領域の少なくとも１つに向けて誘導されるように構成される。

図２及び３にスワラ機構１６の後縁シェブロン１２の詳細図を示す。図４、５、６は、予混合器ノズル１８の後縁部の縦渦発生器１４の詳細図である。

図７は、縦渦発生領域３２を有すると共に、図１に示す予混合器１０の後縁部分の実施に適するローブ状ノズル３０の一実施形態を示す斜視図である。図９は、図１に示す予混合器１０の１つ以上の縦渦発生領域の実施に適する別の縦渦発生器構成５０を示す斜視図である。

図８は、図１に示す予混合器ノズル１８の後縁部分付近に設けられる一対の縦渦発生ノッチ構造４０を示す斜視図である。図８に、縦渦発生ノッチ４０により創出される後流渦４２の形態を示す。こうして得られる渦４２を用いて、対応する空気流４４に伴う後流の補填を促進することができる。更に、こうして得られる渦４２を用いて、対応する燃料と酸化剤との混合を促進することができる。縦渦発生器を予混合器１０の構造部に導入することにより燃焼振動を低減できる可能性があることから、このような縦渦発生構造を用いことによって得られる付加的な利益のひとつは、騒音及び振動の低減に関するものである。

本明細書に記載の燃焼システム予混合器の実施形態は、予混合プロセスの保炎抵抗の向上を可能にすると同時に、予混合器内の空気／燃料混合を維持又は促進することにより、ガスタービン燃焼システムの予混合の問題を解決する役割を果たす。特に、これらの実施形態は、縦渦発生構造を乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）型燃料予混合器に付加的に導入することでノズル内の後流を受動的に補填し、且つ／又は実質的に解消し、その結果、機械設備の損傷原因となりかねない保炎及び逆火の潜在的原因を減少させるか又は解消する。本発明者らはまた、縦渦発生構造により混合が促進され、燃焼システム予混合器内の予混合レベルが高まることから、ガスタービン排出物、特にＮＯｘの排出量を減少させる手段として、縦渦発生構造が功を奏する手段であることを発見した。また、燃焼器内の燃焼振動は、縦渦発生構造を燃焼システム予混合器に適用し、概して燃料と酸化剤との予混合に関連する標準的な方法を改良することにより、低減可能である。

図１０に、本明細書に記載の縦渦発生構造の原理を用いた実施形態の予混合器の使用に適する、ガスタービンエンジン１００の一実施形態を示す。図面を参照して本明細書に説明する実施形態及び原理は、定置用ガスタービン燃焼器だけでなく全ての種類のガスタービン燃焼器に適用可能であることを理解されたい。タービンシステム１００は、とりわけガスタービンエンジン１２０を有することがある。ガスタービンエンジン１２０は、圧縮部１２２と、複数の缶型燃焼器１２６及びこれに対応する点火装置１２７を含む燃焼部１２４と、圧縮部１２２に結合されるタービン部１２８とを含む。排気部１３０はガスタービンエンジン１２０の排気ガスを導く。

概して、燃焼部１２２は、流入する空気を圧縮して燃焼部１２４に送り、燃焼部１２４は、圧縮された空気を燃料と混合し、この混合物を燃焼させて高圧高速ガスを生成する。タービン部１２８は、燃焼部１２４から流入する高圧高速ガスからエネルギーを取り出す。本明細書では、よりわかりやすく簡潔に示すために、ガスタービンシステム１００の、予混合器縦渦発生構造の使用説明に役立つ局面のみを説明した。

圧縮部１２２は、空気を圧縮可能ないかなる装置も含み得る。こうして圧縮された空気は、燃焼部１２４の入口ポートへと導かれる。燃焼部１２４は、圧縮された空気を燃料と混合すると共に、この混合物を燃焼部１２４の１つ以上の缶型燃焼器１２６に送るように構成される複数の燃料噴射器を含み得る。各缶型燃焼器１２６に送られる燃料は、ディーゼル又は天然ガス等のあらゆる液体又は気体燃料を含み得る。いずれの缶型燃焼器１２６に送られる燃料も、燃焼して燃焼副生成物である高圧混合物となる。燃焼部１２４から結果として得られる高温且つ高圧の混合物はタービン部１２８へと導かれる。そして、燃焼ガスはタービン部１２８から流出した後、排気部１３０を通って大気中に排出される。

本明細書では、本発明の一部の特徴についてのみ図示及び記述したが、当業者には多くの修正及び改変が想到されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、こうした修正及び改変も全て、本発明の概念の範囲に含まれるものとして包含することを意図している。

Claims (10)

1. 自身を通過する空気に応じて燃焼システム燃料ノズル内の後流及び渦領域の少なくとも１つに向けて、周囲高速空気の方向を受動的に変更するように構成された、１つ以上の縦渦発生器（１２、１４）を含む、燃焼システム予混合器（１０）。
2. 少なくとも１つの縦渦発生器（１２）が、スワラ機構（１６）の後縁部（２０）に配置される、請求項１に記載の燃焼システム予混合器（１０）。
3. 少なくとも１つの縦渦発生器（１４）が、予混合器排気ノズル（１８）の後縁部、内壁部、又は外壁部に配置される、請求項１に記載の燃焼システム予混合器（１０）。
4. 少なくとも１つの縦渦発生器（１２、１４）が、空気通路の内壁部又は外壁部に関連している、請求項１に記載の燃焼システム予混合器（１０）。
5. 少なくとも１つの縦渦発生器（１２、１４）が、ノッチ構造として構成される、請求項１に記載の燃焼システム予混合器（１０）。
6. 少なくとも１つの縦渦発生器（１２、１４）が、予混合器ベーン後縁部（２０）上の整形溝、鋸歯状部、又は整形ローブとして構成される、請求項１に記載の燃焼システム予混合器（１０）。
7. 少なくとも１つの縦渦発生器（１２、１４）が、該予混合器（１０）を通る空気に応じて渦を発生させることにより、前記渦が該予混合器（１０）を通る前記空気に伴う後流領域を受動的に補填するように、尚且つ該予混合器（１０）内における保炎抵抗が高まるように構成される、請求項１に記載の燃焼システム予混合器（１０）。
8. 少なくとも１つの縦渦発生器（１２、１４）が、該予混合器（１０）を通る空気に応じて渦を発生させることにより、前記渦が該予混合器（１０）を通る前記空気に伴う後流領域を受動的に補填するように、尚且つ該予混合器（１０）内における逆火抵抗が高まるように構成される、請求項１に記載の燃焼システム予混合器（１０）。
9. １つ以上の噴射オリフィスと、１つ以上の縦渦発生器（１２、１４）を含む少なくとも１つの後縁領域（２０）とを有する燃焼システム予混合器（１０）であって、前記１つ以上の縦渦発生器（１２、１４）が、前記１つ以上の噴射オリフィスを介して前記後縁領域（２０）内に噴射される周囲高速空気又は燃料の方向を受動的に変更することにより、前記方向変更された空気又は燃料が混ざり合って前記後縁領域（２０）よりも下流に発生する後流及び渦領域の少なくとも１つを解消するように構成される、燃焼システム予混合器（１０）。
10. 少なくとも１つの噴射オリフィスが、前記後縁領域（２０）を通る空気流と実質的に整合しない、請求項９に記載の燃焼システム予混合器（１０）。