JP2012132670A - 渦停留型燃焼器とその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】渦停留型燃焼器を提供する。
【解決手段】渦停留型燃焼器１４は、第１の表面４２と第２の表面４４とを有する渦停留キャビティ４０を有する。複数の流体混合器４６が、渦停留キャビティ４０の第１の表面４２と第２の表面４４とに沿って周方向に配置される。少なくとも１つの流体混合器４６が、第１の流体流４８を受け取る第１の開口端部と、この第１の開口端部に近接するコアンダ形状部と、コアンダ形状部の上に燃料流を放出する燃料プレナムと、第１の流体流４８と燃料流との混合物を受け取り、第１の流体流４８と燃料流とのこの混合物を、渦停留キャビティ４０内に放出する第２の開口端部とを含む。コアンダ形状部は、燃料流をコアンダ形状部に吸着させて燃料流の境界層を形成し、この燃料流の境界層に、到来する第１の流体流４８を取り込んで第１の流体流４８と燃料流との混合物を形成するように構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は概して燃焼器に関し、特にガスタービンの渦停留型燃焼器に関する。

従来のガスタービンエンジンでは、圧縮機から流出する圧縮空気が燃焼器内で燃料と混合される。この混合物が燃焼器内で燃焼し、燃焼後排ガスとよばれる高圧高温のガス流が生成される。燃焼後排ガスは、タービン（高圧タービン）内で膨脹し、この燃焼後排ガスに付随する熱エネルギーが、タービン軸を回転させる機械エネルギーに変換される。燃焼後排ガスは、膨脹燃焼ガスとなって高圧タービンから流出する。

一部のガスタービンは、再熱燃焼器を備え、膨脹燃焼ガス中に含まれる酸素を利用する。膨脹燃焼ガスが、追加の燃料の添加後に再熱燃焼器内で再燃焼し、この再燃焼された膨脹燃焼ガスが、第２のタービン（低圧タービン）内で膨脹されて、追加の動力が生成される。

燃焼器及び再熱燃焼器内で生じる燃焼プロセスが不完全／非効率的な場合、燃焼器／再熱燃焼器から流出する高温ガスには、部分燃焼した炭化水素や窒素酸化物等といった汚染原因物質が含まれることになる。このような汚染原因物質は、高圧タービン（又は、低圧タービンを備える場合は低圧タービン）から流出後、最終的に大気中に放出される。したがって、燃焼プロセスを効率的且つ完全なものにすることが必要である。

燃焼器の効率を高めるための課題として、特に、燃料と空気を効率的に混合することと、結果的に得られる火炎の安定化が挙げられる。これらの課題に対処する手段の１つは、燃焼器の壁面に配置される渦停留キャビティを設けることである。燃料が、この渦停留キャビティ内の或る固定点からキャビティ内に噴射される。燃焼器に流入する空気（再熱燃焼器の場合は膨脹燃焼ガス）の一部分が、渦停留キャビティへと導かれる。渦停留キャビティは、その名称からわかるように、空気の一部分を停留させて渦を形成する。空気と渦停留キャビティ内に噴射される燃料とを効率的に混合する一助となる安定した高速渦を得ることが望ましい。しかし、安定した渦を得るためには、燃焼器に流入する空気を加速して高速にしなければならないが、これはガスタービン効率の低下に繋がる。更に、キャビティ内の固定点から燃料を噴射すると、空気渦中に燃料過濃ポケットが創出されることが多いため、所望の混合量を達成することができない。混合が非効率的で渦が不安定であると火炎が不安定になり、ひいては非効率的な燃焼に繋がる。

米国特許第７４６７５１８号

燃焼器の渦停留キャビティ内に安定した渦を創出し、燃料と空気を効率的に混合することが望ましい。

本発明の一実施例に従って、渦停留型燃焼器を開示する。この渦停留型燃焼器は、第１の表面と第２の表面とを有する渦停留キャビティを含む。複数の流体混合器が渦停留キャビティの第１の表面と第２の表面とに沿って周方向に配置される。少なくとも１つの流体混合器が、第１の流体流を受け取る第１の開口端部と、第１の開口端部に近接するコアンダ形状部と、コアンダ形状部の上に燃料流を放出する燃料プレナムと、第１の流体流と燃料流との混合物を受け取り、この第１の流体流と燃料流との混合物を渦停留キャビティ内に放出する第２の開口端部とを含む。コアンダ形状部は、燃料流をコアンダ形状部に吸着させることにより燃料流の境界層を形成し、この燃料流の境界層に、到来する第１の流体流を取り込むことにより第１の流体流と燃料流との混合物を形成するように構成される。

本発明の別の実施例に従って、渦停留型燃焼器の運転方法を開示する。この方法は、渦停留型燃焼器に流入する流体流を第１の流体流と第２の流体流とに分けるステップを含む。第２の流体流の一部分が、渦停留型燃焼器の渦停留キャビティの開口端部へと導かれる。第１の流体流は、渦停留キャビティの第１の表面と第２の表面とに沿って周方向に配置される複数の流体混合器へと導かれる。この複数の燃料混合器のうち少なくとも１つの燃料混合器の第１の開口端部付近で燃料流がコアンダ形状部の上に放出され、これによって、燃料流がコアンダ形状部に吸着して燃料流の境界層を形成し、この燃料流の境界層に、到来する第１の流体流が取り込まれて第１の流体流と燃料流との混合物が形成される。渦停留キャビティ内の、第１の流体流と燃料流とから成るこの混合物は、少なくとも１つの流体混合器の第２の開口端部から排出される。

本発明の実施形態に従ったガスタービンエンジンの図である。 本発明の実施形態に従った渦停留型燃焼器の図である。 図２の実施形態に従った渦停留型燃焼器内の渦停留キャビティと複数の流体混合器とを示す図である。 図２及び図３の実施形態に従った流体混合器の図である。 図４の実施形態に従った流体混合器内のコアンダ形状部に隣接する燃料境界層の形成を示す図である。

全図面を通じて同様の符号で同様のパーツを示す添付図面を参照しながら下記の説明を読めば、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。

以下で詳細を論じるが、本発明の実施形態は、渦停留型燃焼器とその運転方法を提供する。

但し、本発明は多数の異なる形態で実施可能であり、本明細書に記載の実施形態に限定されるとみなされるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が綿密で完全なものになるように、且つ本発明の範囲が当業者に十分に伝わるように提示されたものである。

図１に、本発明の実施形態に従ったガスタービンエンジン１０を示す。図１には、圧縮機１２、燃焼器１４、第１のタービン１６、再熱燃焼器１８、及び第２のタービン２０が示されている。大気等の空気流２２が圧縮機１２内に送給され、所望の温度及び圧力に圧縮される。圧縮後、空気流２２は圧縮空気流２４となって圧縮機１２から流出し、燃焼器１４内で燃料流２６と混合される。圧縮空気流２４と燃料流２６から成るこの混合物は、燃焼器１４内で燃焼し、高温高圧の燃焼後排ガス流２８になる。この燃焼後排ガス２８は、第１のタービン１６内で膨脹し、燃焼後排ガス２８に付随する熱エネルギーが機械エネルギーに変換される。燃焼後排ガス２８は膨脹燃焼ガス３０となって第１のタービン１６から流出する。一実施形態によると、第１のタービン１６は軸３２を介して圧縮機１２に結合され、圧縮機１２を駆動させる。

膨脹燃焼ガス３０は或る一定量の未使用酸素（約１５質量％〜約２０質量％）を含む。そこで、膨脹燃焼ガス３０を大気中に放出するのではなく、ガスタービンエンジン１０では、再熱燃焼器１８と第２のタービン２０とを活用して更なる動力を生成する。膨脹燃焼ガス３０は、再熱燃焼器１８内で燃料流３４と混合され、膨脹燃焼ガス３０と燃料流３４から成るこの混合物が再熱燃焼器１８内で燃焼する。燃焼後の混合物は、流れ３６となって再熱燃焼器１８から流出し、この流れが第２のタービン２０内で膨張する。一実施形態では、第２のタービン２０は、軸３８を介して第１のタービン１６に結合されている。

効率的且つ完全な燃焼のために、燃焼器１４及び再熱燃焼器１８は、渦停留キャビティを有し、渦停留キャビティの表面上には、複数の流体混合器が配置されている。後続図面において、この渦停留キャビティと複数の流体混合器とを、燃焼器１４に関してより詳細に示す。その他の或る一定の実施形態においても、同様の渦停留キャビティと複数の流体混合器とを再熱燃焼器１８内に同様に装備できる。一部の実施形態では、燃焼器１４及び再熱燃焼器１８の両方が同じく、渦停留キャビティと、この渦停留キャビティの表面上に配置される複数の流体混合器とを有する。

図２は渦停留キャビティ４０を含む燃焼器１４の線図である。燃焼器１４は渦停留キャビティ４０を含むので、渦停留型燃焼器１４とも言える。渦停留キャビティ４０は、第１の表面４２と第２の表面４４とを含む。燃焼器１４は更に、第１の表面４２及び第２の表面４４上に配置される複数の流体混合器４６を含む。第１の表面４２及び第２の表面４４上の複数の流体混合器４６の配置については、以下に図３に関連して詳述する。図示の実施例によると、渦停留キャビティ４０は矩形断面を有する。その他の実施形態では、渦停留キャビティ４０は、半円形断面等のその他の断面を有してよい。

圧縮空気流２４（総称的に「流体流」ともいう）は、燃焼器１４に流入後、第１の流体流４８と第２の流体流５０とに分けられる。再熱燃焼器１８に関する別の実施形態では、膨脹燃焼ガス３０（総称的に「流体流」ともいう）が第１の流体流４８と第２の流体流５０とに分けられる。燃焼器１４は、圧縮空気流２４を第１の流体流４８と第２の流体流５０とに分ける、フラップ等の分流装置５２を備える。一実施形態によると、分流装置５２は空力形状を有し、燃焼器１８の上流の位置５１でヒンジ止めされている。なお、図２に示す分流装置５２は一例であって、膨脹燃焼ガス２４を第１の流体流４８と第２の流体流５０とに分けるにあたり、その他の分流装置を装備してもよい。

第１の流体流４８は、第１の表面４２及び第２の表面４４上に配置される流体混合器４６へと導かれる。流体混合器４６は、燃料を燃料流２６として流体混合器４６に供給する燃料貯蔵部５４に結合される。制御装置５６が、燃料貯蔵部５４から流体混合器４６への燃料供給を制御する。一実施形態によると、制御装置５６は、渦停留型燃焼器１４への負荷に基づいて、流体混合器４６への燃料供給を制御する。第１の流体流４８と燃料流２６とが流体混合器４６で混合され、この混合物は流れ５８となって渦停留キャビティ４０内に放出される。なお、流体混合器４６は、第１の流体流４８と燃料流２６を十分に混合し、流れ５８を、流体混合器４６に流入する第１の流体流４８の速度よりも高速で渦停留キャビティ４０内に放出するように構成される。第１の流体流４８と燃料流２６の混合の詳細を、後続図面において説明する。図示の実施形態によると、第１の表面４２及び第２の表面４４は互いに対向して配置されている。表面４２上に配置される流体混合器４６から放出される流れ５８が、表面４４上に配置される流体混合器４６から放出される流れ５８と合わさって、渦６２を形成する。

圧縮空気流２４の第２の流体流５０は、主チャンバ６０へと導かれる。第２の流体流５０の一部分６４が、開口端部６６を介して渦停留キャビティ４０に流入する。第２の流体流５０の一部分６４は、渦停留キャビティ４０の内側で流れ５８が形成する渦６２を更に増大させる。

図３は、図２の実施形態に従った渦停留キャビティ４０の斜視図である。図３に、第１の表面４２及び第２の表面４４上に配置される複数の流体混合器４６を示す。一実施形態によると、第１の表面４２は内端部６４と外端部６６を有する。同様に、第２の表面４４は内端部６８と外端部７０を有する。一実施形態によると、１つ以上の流体混合器４６が第１の表面４２の内端部６４に沿って周方向に配置され、１つ以上の流体混合器４６が第２の表面４４の外端部７０に沿って周方向に配置される。なお、図３に示す第１の表面４２及び第２の表面４４上に配置された流体混合器４６の個数はあくまでも例にすぎない。図面では更に、流体混合器４６に流入する第１の流体流４８も示している。

図４に、図１〜３の実施形態に従った流体混合器４６を示す。流体混合器４６は、第１の部分７２、第２の部分７４、第１の半円形部分７６、及び第２の半円形部分（図示せず）を含む。第２の半円形部分は、第１の半円形部分７６の反対側に配置される。第１の部分７２は、第１の半円形部分７６と第２の半円形部分とを介して第２の部分７４に結合される。流体混合器４６は更に、第１の部分７２、第２の部分７４、第１の半円形部分７６、及び第２の半円形部分によって囲繞された末広形状部８０を有する拡散部７８を含む。拡散部７８の末広形状部８０は、第１の開口端部８１から第２の開口端部８３に向かって末広状になっている。流体混合器４６は更に、第１の部分７２に結合された、燃料貯蔵部５４（図２）から流体混合器４６に燃料流２６を流入させる燃料入口８２を含む。燃料プレナム８４が、第１の部分７２、第２の部分７４、第１の半円形部分７６、及び第２の半円形部分に沿って延在しており、燃料入口８２から到来する燃料流２６を一時的に貯蔵する。第１の開口端部付近で、第１の部分７２、第２の部分７４、第１の半円形部分７６、及び第２の半円形部分の各々が、複数のスロット８６とコアンダ形状部８８とを有する。

流体混合器４６は、第１の開口端部８１を介して第１の流体流４８を受け取る。燃料プレナム８４は、燃料流２６を複数のスロット８６からコアンダ形状部８８の上に放出する。コアンダ形状部８８は、燃料流２６をコアンダ形状部８８に吸着させることにより、燃料流２６の境界層が形成され、この燃料流２６の境界層に、到来する第１の流体流４８が取り込まれて第１の流体流４８と燃料流２６との混合物が形成されるように、構成されている。一実施形態によると、流体混合器４６は、「コアンダ効果」に基づいて第１の流体流４８と燃料流２６とを混合するように構成される。本明細書で用いる場合、「コアンダ効果」という用語は、近接する表面に流体流が吸着し、この表面が流体の本来の流動方向から離れる方向に湾曲したとしても、流体が吸着したままになる性質を指す。コアンダ効果については、図５に関連して以下に更に説明する。

流体混合器４６の拡散部７２は、第１の流体流４８と燃料流２６との混合物を第２の開口端部８３へと導く。第１の流体流４８と燃料流２６との混合物は、第２の開口端部８３から流出し、図２に関連して例示及び説明したように渦停留キャビティ４０内に放出される。

燃料流２６は、燃料プレナム８４からコアンダ形状部８８の上に第１の圧力で排出され、第１の開口端部８１が第１の流体流４８を第２の圧力で受け取る。一実施形態において、第１の圧力は第２の圧力よりも高い。燃料流２６を高圧で排出することにより、第１の流体流４８が加速するので、流れ５８が、流体混合器４６に流入する第１の流体流４８の速度よりも高速で渦停留キャビティ４０内に排出される。なお、渦停留キャビティ４０内へ流れ５８を高速で排出することにより、渦６２（図２）の安定性が向上する。

図２及び４の両図を参照して、流体混合器４６内への高圧燃料排出を利用して、燃料と空気の混合を増進すると共に渦停留キャビティ４０内へ流入する流れ５８の速度を上昇させるプロセスを、流体混合器４６の「活性化」という。制御装置５６を用いると、１つ以上の流体混合器を、燃焼器１４の負荷要件に応じて選択的に活性化することができる。

図５は、図４の実施形態に従った燃料混合器４６（図４に示す）のコアンダ形状部８８に隣接する燃料境界層の形成を示す図である。図示の実施形態において、燃料流２６はコアンダ形状部８８に吸着し、このコアンダ形状部８８の表面が当初の燃料の流動方向から離れる方向に湾曲したとしても、燃料流２６が吸着したままになる。具体的には、燃料流２６が加速するにつれて、モーメントの伝達が釣り合うように、この流れに対して圧力差が生じるが、この圧力差によって燃料流２６が偏向し、燃料流２６がコアンダ形状部８８の表面に接近する。燃料流２６がコアンダ形状部８８を通過する際、或る一定量の表面摩擦が燃料流２６とコアンダ形状部８８との間に生じる。この表面摩擦による流れ抵抗が、燃料流２６をコアンダ形状部８８に向けて偏向させるので、燃料流２６がコアンダ形状部８８から離れない。更に、コアンダ効果により形成される燃料流２６の境界層９４は、第１の流体流４８を取り込み、第１の流体流４８と境界層９４とが相俟って剪断層９６を形成し、これによって、第１の流体流４８と燃料流２６との混合が促進される。更に、流れの剥離によって形成される剪断層９６と、境界層９４と第１の流体流４８との混合によって、均一な混合がもたらされる。

コアンダ装置に関する更なる詳細は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１１／２７３，２１２号を参照すると、より詳細に説明されている。

図１〜５を参照すると、高圧燃料流の使用により、高速の燃料空気混合物が渦停留キャビティに流入する。高速の燃料空気混合物によって、安定な渦と、結果的に得られる火炎の安定性とがもたらされる。

本発明の一部の特徴についてのみ図示及び説明したが、当業者には多数の修正及び変更が想到されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、こうした修正及び変更も全て、本発明の概念に含まれるものとして包含することを理解されたい。

Claims (21)

1. 第１の表面と第２の表面とを含む渦停留キャビティと、
   周方向に前記渦停留キャビティの前記第１の表面と前記第２の表面とに沿って配置される複数の流体混合器であって、少なくとも１つの流体混合器が、
   第１の流体流を受け取る第１の開口端部と、
   前記第１の開口端部に近接するコアンダ形状部と、
   前記コアンダ形状部の上に燃料流を放出する燃料プレナムであって、前記コアンダ形状部は、前記燃料流を前記コアンダ形状部に吸着させて前記燃料流の境界層を形成し、到来する前記第１の流体流を前記燃料流の前記境界層に取り込んで前記第１の流体流と前記燃料流との混合物を形成するように構成される、燃料プレナムと、
   前記第１の流体流と前記燃料流との前記混合物を受け取り、前記第１の流体流と前記燃料流との前記混合物を前記渦停留キャビティ内に放出する第２の開口端部と、を有する複数の流体混合器と、
   を含む、渦停留型燃焼器。
2. 渦停留型燃焼器の上流の位置に配置された、該渦停留型燃焼器に流入する流体流を前記第１の流体流と第２の流体流とに分ける分流装置を更に含み、
   前記第２の流体流の一部分が前記渦停留キャビティへと導かれる、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
3. 前記第１の流体流と前記燃料流との前記混合物と、前記第２の流体流の前記一部分とが前記渦停留キャビティの内側で渦を形成する、請求項２に記載の渦停留型燃焼器。
4. 前記流体流が空気を含む、請求項２に記載の渦停留型燃焼器。
5. 前記流体流が膨張燃焼ガスを含む、請求項２に記載の渦停留型燃焼器。
6. 前記第１の流体流が、前記燃料流と前記第１の流体流との混合を可能にする剪断層を前記燃料流の前記境界層内に形成する、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
7. 前記燃料プレナムが前記燃料流を前記コアンダ形状部の上に第１の圧力で放出するように構成され、前記第１の開口端部が前記第１の流体流を第２の圧力で受け取り、前記第１の圧力が前記第２の圧力よりも高い、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
8. 前記コアンダ形状部が、前記燃料プレナムから供給される前記燃料流を、コアンダ効果により前記コアンダ形状部に向けて偏向させる、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
9. 前記少なくとも１つの流体混合器が更に、前記第１の流体流と前記燃料流との前記混合物を前記第２の開口端部へと導く末広形状を有する拡散部を含む、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
10. 前記渦停留キャビティが矩形断面を有する、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
11. 前記第１の表面が内端部と外端部とを含み、前記少なくとも１つの流体混合器が前記第１の表面の前記内端部上に配置される、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
12. 前記第２の表面が内端部と外端部とを含み、前記少なくとも１つの流体混合器が前記第２の表面の前記外端部上に配置される、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
13. 前記少なくとも１つの流体混合器の前記燃料プレナムへの燃料供給を制御するように構成される制御装置を更に含む、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
14. 前記制御装置が、該渦停留型燃焼器への負荷に基づいて前記燃料プレナムへの前記燃料供給を制御するように構成される、請求項１３に記載の渦停留型燃焼器。
15. 前記第２の表面が前記第１の表面の反対側に配置される、請求項１に記載の渦停留型燃焼器。
16. 渦停留型燃焼器の運転方法であって、
    前記渦停留型燃焼器に流入する流体流を第１の流体流と第２の流体流とに分けるステップと、
    前記第２の流体流の一部分を前記渦停留型燃焼器内の渦停留キャビティの開口端部へと導くステップと、
    前記第１の流体流を、前記渦停留キャビティの第１の表面及び第２の表面に沿って周方向に配置される複数の流体混合器へと向けるステップと、
    前記複数の流体混合器のうち少なくとも１つの流体混合器の第１の開口端部付近でコアンダ形状部の上に燃料流を放出することにより、前記燃料流を前記コアンダ形状部に吸着させて前記燃料流の境界層を形成し、到来する前記第１の流体流を前記燃料流の前記境界層に取り込んで前記第１の流体流と前記燃料流との混合物を形成するステップと、
    前記第１の流体流及び前記燃料流から成る前記混合物を、前記少なくとも１つの流体混合器の第２の開口端部から前記渦停留キャビティ内に放出するステップと、を含む方法。
17. 前記第１の流体流及び前記燃料流から成る前記混合物を前記渦停留キャビティ内に放出する前記ステップが、前記第１の流体流及び前記燃料流から成る前記混合物を、前記第１の表面の内端部付近で前記渦停留キャビティ内に放出するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の流体流及び前記燃料流から成る前記混合物を前記渦停留キャビティ内に放出する前記ステップが、前記第１の流体流及び前記燃料流から成る前記混合物を、前記第２の表面の外端部付近で前記渦停留キャビティ内に放出するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記第２の流体流の前記一部分と、前記第１の流体流及び前記燃料流から成る前記混合物とにより、前記渦停留キャビティ内で渦が形成されるように、前記第１の流体流及び前記燃料流から成る前記混合物を、前記少なくとも１つの流体混合器の第２の開口端部から前記渦停留キャビティ内に放出するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記燃料流を前記コアンダ形状部の上に第１の圧力で放出し、前記第１の流体流を、第２の圧力で複数の流体混合器へと向けるステップであって、前記第１の圧力が前記第２の圧力よりも高いステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
21. 前記コアンダ形状部の上に放出される前記燃料流を、コアンダ効果により前記コアンダ形状部に向けて偏向させるステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。