JP3710479B2 - ガス・タービン・エンジン用パイロット噴射装置 - Google Patents

Description

関連出願の参照
本出願は、１９９４年６月２４に出願され、ドケット番号がＴＰＭ−１８１、出願番号が０８／２６７，１０２であり、本発明と共通の譲受人に係わる「産業用ガス・タービン・エンジン用の圧力容器燃料ノズル支持装置」という名称の特許出願に関連する装置を開示し、これに対する特許を請求するものである。
技術分野
本発明は、エンジンのフレームアウトを防止するパイロット噴射装置に関する。
背景技術
動力を発生するため、種々の用途にガス・タービン・エンジンが使用されていることが知られている。これらの用途には、航空用及び海上用の推進システム並びに陸上用の発電装置が含まれている。
ガス・タービン・エンジンは、炭化水素を燃焼し、汚染物質を有する副産物の流れを排出する。これらの汚染物質の内で、窒素酸化物、以下ＮＯｘと呼ぶ、がその環境に対する影響のため最も懸念される。
これらの環境に対する懸念の結果として、タービン業界はそのエンジン内で生成されるＮＯｘを削減する方法を検討してきた。ＮＯｘの放出とＮＯｘの放出の削減の間には直接的な因果関係が存在することが知られ、タービン業界は、「リーン」モードで運転することのできるタービン・エンジンの設計を検討している。リーン・モードの運転とは、これが燃焼目的のエンジン内で使用されている際に、空気に対する燃料の比率を実質的に低くすることである。リーン・モードでのガス・タービン・エンジンの運転は、下記の式から最もよく理解することができる。
Φ＝［燃料部分／空気部分］＊［１／ａ］
ここで、ａは定数を表し、Φは当量比を表す。メタン・ガスの場合、ａの値は０．０５８５に等しく、その結果、エンジンの運転は、Φで表す当量比が１に等しい場合、「化学量論的」と呼び、当量比Φが１を超える場合、「リッチ」と呼ぶ。これに対して、当量比Φが１未満の場合、エンジンはリーンの状態にあると呼ぶ。
ガス・タービン・エンジンをリーン・モードで運転する場合、幾つかの問題点が生じる。最も重要な問題点はエンジンが「フレームアウト」を起こす可能性のあることである。フレームアウトは、エンジンを空気に対する燃料の混合を実質的にリーンにした状態−過度に低い空撚比−で運転する場合に一般的に発生し、その結果、エンジンの内部で燃焼している火炎が消失する。数字的に見ると、メタン・ガスを使用する場合、リーン状態の当量比Φは０．４７乃至０．５０の範囲に実質的にあると予測される。しかし、エンジンのフレームアウトにつながるメタン・ガスを使用した場合のタービン・エンジンのリーン・モードによる運転を表す当量比Φのこの範囲−０．４７乃至０．５０−は、単に運転条件と形状寸法によって決まる一般的な範囲の予測に過ぎないことが当業者にとって明らかである。フレームアウト中の当量比Φを正確に測定するためには、更に配慮を払わなければならない。
エンジンのフレームアウトの状態が発生すると、このエンジンは再始動しなければならない。これにはコストと時間がかかる。更に、エンジンの用途によっては、エンジンのフレームアウトは潜在的に危険である。従って、タービン業界では、エンジンがリーン・モードで動作するのを尚可能にしながらフレームアウトを防止する装置に対する必要性が存在する。更に、可動部品を追加する必要のないフレームアウト防止装置に対する需要が、タービン業界にある。
発明の開示
本発明の第１の効果は、エンジンがリーン・モードで動作するのを尚可能にしながらフレームアウトを防止する装置を提供することである。
本発明の他の目的は、可動部品の追加を必要としないフレームアウト防止装置を提供することである。
本発明のこれらの効果を達成するため、加熱燃焼生成物を燃焼して排出する改良型の好適な燃焼装置を開示する。この燃焼装置は燃焼室を有している。加熱燃焼生成物の排出を可能にするため、燃焼室を出口によって構成する。燃焼装置は、燃料と圧縮空気を燃焼室の一次ゾーンに噴射する一次噴射装置を更に有し、燃料を再循環ゾーン内に誘導する。燃料と圧縮空気を燃焼室内で燃焼し、その結果加熱燃焼生成物を発生する燃焼手段が、また燃焼装置に内蔵されている。更に、この燃焼装置は、この燃焼装置がプレフレームアウト状態を実質的に検出するのを検出する手段を有している。本発明の効果を実現するため、燃焼装置は上記検出手段による上記フレームアウト状態の検出に応答して推進剤を再循環ゾーン内に噴射するパイロット噴射装置によって更に有し、推進剤は拡散フレームとして燃焼する。
本発明の他の実施例では、加熱燃焼生成物を燃焼及び排出する改良型の燃焼装置は、燃焼室を形成するために前端部に於いて金属壁すなわち隔壁によって結合した内部及び外部環状壁を有している。更に、この燃焼装置は、加熱燃焼生成物を排出するために後端部に形成した開口端部によって更に構成する。この燃焼装置は、高出力運転に於いて低いＮＯｘと安定した燃焼を達成するような方法で燃料と空気を混合し、これらを燃焼室内に噴射する一次燃焼装置によってまた構成する。別の燃料噴射装置が燃料を燃焼装置のコーナに於ける再循環ゾーン内に噴射し、低出力運転に於けるフレームアウトを防止する。この別の燃料噴射装置と付属の燃料マニフォールドを燃料制御装置によって動作させる。燃料制御装置は、例えば、速度、温度及び燃料の流量のようなエンジンからの動作信号に基づいて開閉するように予めセットしてもよい。または、この燃料制御装置は検出装置によって動作させてもよいが、この検出装置は燃焼装置のプレフレームアウト状態を実質的に監視し、上記別の燃料噴射装置に一次ゾーンのコーナに於いて再循環ゾーンに燃料の供給を開始させるものである。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付の図面を参照して以下の実施例の説明の読むことによってより良く理解することができるが、これらの実施例は限定を意図するものではない。
第１ａ図と第１ｂ図は、本発明の部分図と断面図を示す。
強調すべきことは、本出願の図面は縮尺を示すものではなくて単なる図示を意図するものであり、また本発明の特定のパラメータまたは構造上の細部を示すものではなく、これらは当業者がここで提供される情報を検討することによって決めることができることである。
発明を実施するための最良の形態
第１ａ図と第１ｂ図を参照して、これらの図面は、本発明の改良型燃焼装置１０の部分図と断面図を示す。この好適な実施例に於いて、燃焼装置１０は、環状の形状を有しており、加熱燃焼生成物を燃焼して排出する陸上用ガス・タービン・エンジンに使用する。
本発明の好適な実施例では、燃焼装置１０は環状の燃焼室１６を形成するために前端部に於いて金属壁すなわち隔壁によって結合した内部環状壁１２と外部環状壁１４によって形成されている。または、他の実施例では、燃焼装置１０は複数の燃焼装置の缶（カン）によって形成する。燃焼室１６は、燃焼室内に於ける燃焼の結果として形成された加熱燃焼性生成物を排出するために、燃焼室の後端部に位置する出口１８を有する。燃焼装置１０は形状が環状であるのが好ましく、従って燃焼室１６もまた環状であることが好ましいことは、当業者にとって明らかである。
燃焼装置１０及びその燃焼室１６に結合されているのは、ノズル即ち噴射装置２０である。ノズル２０は、ノズル支持装置２２によって詳述したタービン構造内に支持されている。液体または気体の形態によって構成することのできる燃料２４は、当業者に周知の一連のオリフィス（図示せず）またはその他の装置を介してノズル２０から噴射する。本発明と共に一般に譲渡された「産業用ガス・タービン・エンジン用の圧力容器燃料ノズル支持装置」という名称の同時係属中の詳細に説明しているように、第１及び第２の空気のスロットを介してコンプレッサ・ディフューザ２５またはその他の同様の公知の手段から、ノズル２０はまた圧縮加圧空気２６を受け取る。この構成によって、ノズル２０は燃料と空気の混気気体を燃焼室１６内に噴射する。本発明では、この混合気体は実質的に低いＮＯｘの放出を排気管１８を介して達成するための空気に対する燃料の比率の低いリーン状態にあるのが好ましいが、この混合気体は尚高出力で動作している場合に安定した燃焼をサポートするのに十分なものである。
この燃料と圧縮空気の混合気体を燃焼室１６内に噴射することによって、ノズルの出口の一次ゾーン２８を燃焼室１６内に形成する。この一次ゾーン２８を形成する結果、第１及び第２再循環ゾーン２９ａと２９ｂが一次ゾーン２８のコーナに於いて誘導されるようにして形成される。
燃料と圧縮空気を燃焼室１６内に注入すると、この混合気体は第１ｂ図の断面斜視図に示す燃焼手段３５によって点火される。本発明の好適な実施例では、燃焼手段３５は点火装置（イグナイタ）を有している。
更に、本発明の燃焼装置は、検出手段（図示せず）を有している。この本発明の検出手段は、燃焼装置とエンジンのフレームアウトの状態を検出する。本発明の１実施例では、この検出手段は、エンジンのフレームアウトに対する計量可能なエンジンの特性を監視するセンサを有している。これらの特性には、排出した加熱燃焼生成物の出口温度または圧力、燃料の流量とエンジン速度並びにエンジンのその時点での出力が含まれるが、これらに限定されるものではない。その他の測定可能な特性は、当業者にとって周知である。更に、エンジンのフレームアウトを検出するための幾つかの他のセンサ手段が技術上周知であり、これらの手段には米国特許番号３，６１１，２８２、米国特許番号５，２６５，４１４及び米国特許番号５，３０３，６８４に於いて提案されているセンサ手段が含まれ、これらは全てここに参考として包含されている。
本発明で使用している検出手段は、エンジンに於ける「プレフレームアウト」状態を検出する機能を有する。プレフレームアウト状態はエンジンが実質的にフレームアウトに近い点として定義され、この点では、エンジンは外部からの刺激がなければ事実上フレームアウトを発生する。上で述べたように、エンジンがプレフレームアウトの状態にある場合、燃料と空気の混合気体は過度にリーンとなっている。燃料及び空気の混合気体とフレームアウトの状態の間に所定の関係を０関係を与えれば、本発明の他の実施例の検出手段は、燃料吸入量を測定するための圧縮空気吸入量測定手段によって実現することができる。この実施例の検出手段は、圧縮空気吸入量測定手段と、燃料吸入量測定手段と、をさらに有し、圧縮空気の測定値と燃料の測定値の両方に応答して以下で述べるパイロット噴射装置３０を制御する。
本発明の利点を実現するため、改良型の燃焼装置１０は、パイロット噴射装置３０と、付属の推進剤用マニフォールド（図示せず）と、をさらに有する。パイロット噴射装置２０と付属の推進剤用マニフォールドは、いずれもセンサ手段の発生した制御信号によって動作される。パイロット噴射装置３０は、低出力運転ではセンサ手段と連動してフレームアウト防止装置として動作する。パイロット噴射装置３０は、プレフレームアウト状態を検出すると、少なくとも１つの再循環ゾーン２９ａまたは２９ｂに推進剤を噴射することによって、その目標を達成する。
ここで使用する推進剤は液体または気体のいずれでも良いが、燃料２４と同じ組成であるのが好ましい。本発明の１実施例では、パイロット噴射装置３０は液体燃料と気体燃料の両方に対する能力を有している。
再循環ゾーン２９ａまたは２９ｂに推進剤を噴射することによって、この再循環ゾーン内の混合気体はリーンの程度が軽減され、燃焼装置の動作モードをフレームアウトの状態からシフトさせる。再循環ゾーン２９ａまたは２９ｂ内の空気の速度は低下し燃料空気混気体は一次ゾーン２８内のそれよりもよりリッチになり、これによってより安定した動作環境が得られる。この領域に於ける燃料と空気は予め混合されず、その結果得られる拡散フレームは一次ゾーン２８の予め混合したフレームよりもより大きい安定性の限度を有している。
パイロット噴射装置３０は、再循環ゾーン２９ａまたは２９ｂのいずれかにアクセスすることのできる燃焼装置内の幾つかの位置に配設することができる。好適な実施例では、パイロット噴射装置３０は、燃焼室１６の外部ライナー１４に沿った側壁に位置する。しかし、パイロット噴射装置３０は、燃焼室１６の内部ライナー１４に沿った側壁にまた位置してもよい。更に、本発明の他の実施例では、パイロット噴射装置３０は燃焼室１６の前部壁に位置している。
本発明を構成する場合、検出手段並びにパイロット噴射装置３０と連動するタイミングを考慮に入れなければならないことは、当業者にとって明らかである。検出手段に関して遅れが存在しているため、このことは特に１つの問題点である。従って、潜在的なフレームアウトを回避するため、パイロット噴射装置３０をトリガするプレフレームアウトの動作レベルをこれらの遅延を較正して保証してやる必要がある。
図示の実施例を参照して特定の発明を説明したが、この説明は限定された意味で解釈することを意味するものではない。本発明を好適な実施例によって説明したが、例示した実施例の種々の変形並びに本発明の他の実施例がこの説明に鑑みて添付の請求の範囲で説明した本発明の技術思想から逸脱することなく当業者にとって明らかであることを理解しなければならない。従って、例えば、本発明の燃焼装置は、陸上及び航空用のガス・タービン・エンジン並びに加熱燃焼生成物を燃焼及び排出するための改良型の燃焼装置を必要としフレームアウト防止装置を有する他の装置に使用することができる。従って、添付の請求の範囲は本発明の真の範囲内にあるかかる全ての変形例または実施例を包含するものと考える。
ここで引用した全ての米国特許は、その全体を本願明細書において参照することができる。

Claims (14)

1. 加熱燃焼生成物を排出する出口を有する燃焼室と、
   燃料と圧縮空気の混合気体を上記燃焼室の一次ゾーンに噴射する一次噴射装置であって、その結果上記混合気体を再循環ゾーン内に誘導する上記一次噴射装置と、
   上記混合気体を上記燃焼室内で燃焼し、その結果上記加熱燃焼生成物を発生する燃焼手段と、
   圧縮空気吸入量の測定を行う圧縮空気吸入量測定手段および燃料吸入量の測定を行う燃料吸入量測定手段を備え、かつ、燃焼装置を監視してプレフレームアウト状態を実質的に検出する検出手段と、
   上記検出手段による上記プレフレームアウト状態の検出時に上記再循環ゾーン内に推進剤を噴射することにより上記推進剤が拡散フレームとして燃焼し、これによって上記燃焼装置の安定性を制御するパイロット噴射装置と、
   上記圧縮空気吸入量の測定値と上記燃料吸入量の測定値に応答して上記パイロット噴射装置を制御する手段と、を有することを特徴とする加熱燃焼生成物を燃焼及び排出する燃焼装置。
2. 上記燃焼室は、環状の形状を有することを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
3. 上記燃焼装置を複数の燃焼装置のカンによって形成することを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
4. 上記推進剤が上記再循環ゾーン内に噴射可能であるように上記パイロット噴射装置を上記燃焼室の側壁に沿って位置させることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
5. 上記推進剤が上記再循環ゾーン内に噴射可能であるように上記パイロット噴射装置を上記燃焼室の前部壁に沿って位置させることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
6. 上記一次噴射装置と上記パイロット噴射装置のうち少なくとも１つは、液体燃料と、気体燃料と、を噴射することを特徴とする請求の範囲項１記載の燃焼装置。
7. 上記燃焼手段は、上記燃料と、上記圧縮空気を点火する点火装置とを、有することを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
8. 加熱燃焼生成物を燃焼及び排出する燃焼装置を有するエンジンの上記燃焼装置に於いて、上記燃焼装置は、
   加熱燃焼生成物を排出する出口を有する燃焼室と、
   燃料と圧縮空気の混合気体を上記燃焼室の一次ゾーンに噴射するノズルであって、その結果上記混合気体によって構成される再循環ゾーンを形成する上記ノズルと、
   上記混合気体を上記燃焼室内で燃焼し、その結果上記加熱燃焼生成物を発生する点火装置と、
   加圧空気吸入量の測定を行う加圧空気吸入量測定手段および燃料吸入量の測定を行う燃料吸入量測定手段を備え、かつ、上記燃焼装置を監視してプレフレームアウト状態を実質的に検出する検出手段と、
   上記検出手段による上記プレフレームアウト状態の検出時に上記再循環ゾーン内に推進剤を噴射することにより上記推進剤が拡散フレームとして燃焼し、これによって上記燃焼装置の安定性を制御するパイロット噴射装置と、
   上記加圧空気吸入量の測定値と上記燃料吸入量の測定値に応答して上記パイロット噴射装置を制御する手段と、を有することを特徴とするエンジン。
9. 上記燃焼室は環状の形状を有することを特徴とする請求項８記載の燃焼装置。
10. 上記燃焼装置を複数の燃焼装置のカンによって形成することを特徴とする請求項８記載の燃焼装置。
11. 上記推進剤が上記再循環ゾーン内に噴射可能であるように上記パイロット噴射装置を上記燃焼室の側壁に沿って位置させることを特徴とする請求項８記載の燃焼装置。
12. 上記推進剤が上記再循環ゾーン内に噴射可能であるように上記パイロット噴射装置を上記燃焼室の前部壁に沿って位置させることを特徴とする請求項８記載の燃焼装置。
13. 上記ノズルと上記パイロット噴射装置の少なくとも１つは、液体燃料と、気体燃料と、を噴射することを特徴とする請求項８記載の燃焼装置。
14. 加熱燃焼生成物を燃焼及び排出する燃焼装置を有する陸上用ガス・タービン・エンジンの上記燃焼装置に於いて、上記燃焼装置は、
    内部ライナーと外部ライナーによって形成された環状の形状を有すると共に加熱燃焼生成物を排出する出口を有する燃焼室と、
    燃料と圧縮空気の混合気体を上記燃焼室の一次ゾーンに噴射するノズルであって、その結果上記混合気体によって構成される一対の再循環ゾーンを上記一次ゾーンの第１コーナ及び第２コーナに形成する上記ノズルと、
    上記混合気体を上記燃焼室内で燃焼し、その結果上記加熱燃焼生成物を発生する点火装置と、
    加圧空気吸入量の測定を行う加圧空気吸入量測定手段および燃料吸入量の測定を行う燃料吸入量測定手段を備え、かつ、上記燃焼装置を監視してプレフレームアウト状態を検出する検出手段と、
    上記検出手段による上記プレフレームアウト状態の検出時に上記一対の再循環ゾーンの少なくとも１つの中に推進剤を噴射することにより上記推進剤が拡散フレームとして燃焼し、これによって上記燃焼装置の安定性を制御する上記パイロット噴射装置と、
    上記加圧空気吸入量の測定値と上記燃料吸入量の測定値に応答して上記パイロット噴射装置を制御する手段と、を有することを特徴とする陸上用ガス・タービン・エンジン。

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