JP3954138B2 - 径方向インフローデュアル燃料インジェクタを備えた燃焼器及び燃料／空気混合チューブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジン用の燃焼器に関し、より詳細には、窒素酸化物低放出性の液体燃料又は気体燃料運転用の燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼の副生成物として、ガスタービンエンジンは典型的には、大気汚染を生じさせる窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出する。燃焼プロセス中における窒素酸化物の形成は、通常、燃料と空気と、が高温で反応することに起因している。窒素酸化物放出水準は、上記燃焼プロセスの温度を制御することによって低減することができる。上記燃焼温度を制御し、上記窒素酸化物放出性を最低限とする既知の方法としては、上記燃料を確実に完全燃焼させるとともに、燃料と、空気と、を均一に混合させることを挙げることができる。
【０００３】
ロビンソン(Robinson)等の米国特許第４，２２２，２３２号及び、ルイス(Lewis)等による米国特許第４，２２６，０８３号及びルイス等による米国特許第４，２１５，５３５号は、液体燃料で運転されるガスタービンエンジンから、上記燃料を完全燃焼させ、かつ上記燃料を空気とともに均一に混合させることにより窒素酸化物放出を低減させる方法及び装置について開示している。上記それぞれの特許に開示された構成は、いかなる内部の変化に対して極めても影響を受け易かった。また、上記それぞれの特許に記載されているそのままのシステムを用いなければ、低窒素酸化物放出性を達成することはできなかった。しかしながら、燃料価格が変動することもあり、動力源を保有する多くの顧客にとっては、液体燃料又は気体燃料のいづれを選択しても、ガスタービンエンジンを運転できるようにすることが望まれていた。多くの市販のデュアルノズルが利用できるが、上記した米国特許に記載された構成の窒素酸化物低放出性のものは市販されていない。また、気体状燃料で運転されているガスタービンエンジンは、サイトに依存する天然ガスの特性により、温度及び圧力といった変動を補償してやる必要がある。これまでに知られているほとんどのデュアル燃料ノズルは、窒素酸化物放出性を低く抑えつつ、上記気体状燃料の変動を容易かつ適切に調節することは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、これまで動力源を使用する顧客に対して低窒素酸化物放出性を保ちつつ、液状燃料でも気体状燃料であっても運転を任意に選択することができるようにすることが、工業的に要求されていた。
【０００５】
従って、本発明は、液状燃料、気体状燃料のいずれに対しても窒素酸化物放出量を低く抑えることを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、窒素酸化物放出性に悪影響を与えずに依然として窒素酸化物放出水準を許容できるような水準とすることができるように、液状燃料のみの燃焼器に気体状燃料を加えられるような能力を付与するすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の目的は、本発明に従い、窒素酸化物低放出の既存の燃焼器システムに、気体状燃料噴射能力を設けることによって達成できる。環状の外側マニフォルドは、複数の混合チューブのそれぞれの上流端に取り付けられていて、気体状燃料が、上記マニホルドへと供給され、その後に上記複数の混合チューブへとガスオリフィスを通じて、上記混合チューブの流路を横切って均一に分散させることができるよう、充分な運動量で噴射されるようになっている。上記複数のオリフィスは、上記混合チューブ内に形成されていて、上記混合チューブ壁に対して実質的に垂直とされており、所定の運動量において最大の浸透性を与えるようにされている。噴射された上記気体状燃料は、上記流路を横切るように均一に分散され、各混合チューブの下流側において燃料／空気混合物として完全に混合されて、上記燃焼器へと導入されるようになっている。窒素酸化物低放出性を達成するため最適な燃料／空気比は、それぞれ気体状燃料及び液状燃料について、プライマリ混合チューブと、セコンダリ混合チューブとの双方において、量論比のほぼ５０〜７５％（５０〜７５％）であった。
【０００８】
本発明の主要な利点の一つとしては、上記気体状燃料噴射能力追加により、上記液状燃料流路を遮ることが無く、かつ、液状燃料で上記ガスタービンエンジンを運転している際の上記窒素酸化物放出性に対して悪影響を与えないようになっていることを挙げることができる。
【０００９】
本発明の上記目的及びその他の目的及び効果については、詳細な説明で後述する代表的な実施例と、添付の図面と、をもってより詳細に説明を行う。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、カン型燃焼チャンバ即ち、燃焼器を示しており、これは、ルイス等による米国特許第４，２２６，０８３号、第４，２１５，５３５号及びロビンソン等による米国特許第４，２２２，２３２号に記載のものと同一である。上記それぞれの特許に開示されている内容については、本願中においても参照することができる。上記燃焼器は、燃料／空気混合領域１０と、燃焼領域１２と、ディリューション(dilution)領域、即ち希釈領域１４と、を有している。上記燃焼領域１２は、円筒体１６によって形成されている。上記燃料／空気混合領域１０は、複数のプライマリ、即ちパイロット混合チューブ１８と、一つのセコンダリ、即ちメインミキシングチューブ２０と、を有している。それぞれの上記プライマリチューブ１８は、曲がりくねった形状と、を有している。上記セコンダリ混合チューブ２０は、上記燃焼チャンバに対して軸向きに配列されているとともに、これに近接して位置決めされているが、上記燃焼チャンバの軸とが同一にされている必要はない。
【００１１】
図には、一つの燃焼器を示しているが、複数の燃焼器は、それぞれのエンジンにおいて用いられていても良い。図２には、インナエンジンケース２４とアウタエンジンケース２６との間の環状部２２内において複数の上記燃焼器が、上記エンジンを取り囲むように周方向に離間しているのが示されている。ディフューザ２８は、圧縮機領域（図示せず）から上記環状部２２へと軸方向に導いている。それぞれの燃焼器は、トランジッションダクト３０を通してタービン領域（図示せず）へと吐出を行う。希釈用空気は、上記燃焼器の上記希釈領域へと複数の希釈ホール３２を通して流されるようになっている。イグナイタ３４は、上記プライマリチューブ１８から上記燃料／空気混合物が吐出される領域まで上記燃焼器へと突き出ている。
【００１２】
図２から図４には、それぞれのプライマリチューブ１８と上記セコンダリチューブ２０とがベンチュリ型の燃料／空気予混合器４０をそれぞれのチューブ上流側端４２に備えているのが示されている。空気により噴霧される液状燃料ノズル４４は、それぞれのベンチュリ型予混合器４０の中心に配設されている。上記セコンダリチューブ２０は、また、複数のインレット旋回ベーン４６を有しており、これらの旋回ベーンは、上記空気噴霧液体型ノズル４４の径方向外側、かつ、上記ベンチュリ型予混合器４０のベンチュリ予混合壁４８の径方向内側に取り付けられているが、これを図４に示す。環状の外側気体燃料マニホルド５０は、上記プライマリチューブ１８及び上記セコンダリチューブ２０のそれぞれの上記ベンチュリ型予混合器壁４８の径方向外側に配設されている。複数のガスオリフィス５２は、上記それぞれのチューブ１８，２０の上記ベンチュリ予混合器壁４８に形成されている。上記ガスオリフィス５２は、上記ベンチュリ型予混合器壁４８に対して実質的に垂直となるように成形されているとともに、その周方向において互いに均等に離間している。上記ガスオリフィスは、最適混合させるためにはできるだけ上流側に配設されることが好ましいが、これら複数のオリフィスは、上記セコンダリチューブ２０の旋回ベーン４６に衝突しないよう、充分下流に配設してやる必要がある。上記複数のガスオリフィス５２の形状は、円形として示してある。しかしながら、スロット又はスリットといった別の形状とすることもできる。
【００１３】
図３には、液状燃料供給手段５６が、液状燃料をそれぞれのプライマリチューブ１８の空気噴霧型燃料ノズル４４へと供給しているのが示されている。気体状燃料供給手段５８は、上記プライマリチューブ１８のそれぞれの上記マニホルド５０へと気体状燃料を供給している。また、液体燃料供給手段６０と、気体状燃料供給手段６２と、はそれぞれ、上記空気噴霧型液状燃料ノズル４４と上記チューブ２０の上記マニホルド５０のそれぞれへと、液状及び気体状燃料をそれぞれ供給している。上記プライマリ液状燃料供給手段５６と、上記セコンダリ液状燃料供給手段６０とは、それぞれが独立して運転できるようになっていて、上記燃焼器へと上記液状燃料を段階的に流すことができるようにされている。上記プライマリ気体状燃料供給手段５８と上記セコンダリ気体状燃料供給手段６２とは、それぞれ独立して運転できるようにされていて、上記燃焼器へと気体状燃料だけを段階的に流すことができるようにされている。
【００１４】
上記プライマリチューブ１８は、それぞれが上記燃焼器の燃焼領域の径方向外側部分へと周方向に上記気体状燃料が流れるように吐出できるように調節されている。上記セコンダリチューブ２０は、上記燃焼領域の上記中心部分へと上記気体を流すべく吐出するように調節されている。図５には、上記セコンダリチューブ２０の下流側端に、排出側旋回器７０が流れを横切る向きに配設されているのが示されている。上記旋回器７０は、上記セコンダリ混合チューブ２０を通って流れる上記媒体ガスを周方向に旋回させるようにしている複数の排出ベーン７２を備えている。中心プラグ７４は、複数のホール７６を有しているとともに、上記混合チューブ２０の中心に位置決めされている。上記プライマリ混合チューブ即ち、パイロット混合チューブ１８（図示せず）は、それぞれ対応するアパーチャ７８を通して上記燃焼チャンバ内へ吐出を行なうようになっている。上記プライマリ混合チューブ１８の複数の上記アパーチャ７８を通して吐出される流れは、上記チャンバをを取り囲むように周方向へと旋回されることとなるが、この方向は、上記セコンダリ混合チューブ２０から吐出される気体の方向と逆方向にされている。
【００１５】
上記燃焼器を液状燃料で運転している際には、上記燃焼器の運転は、上記それぞれの米国特許に開示されている方法と同一である。従って、上記それぞれの特許において開示された内容それ自体については、上記気体状燃料噴射能力の追加によっては影響を受けるものではない。
【００１６】
上記燃焼器を気体状燃料で運転している場合には、気体状燃料は、上記気体状燃料供給手段５８を通して、複数の上記プライマリチューブ１８の上記それぞれのマニホルド５０へと流される。上記気体状燃料は、複数の上記ガスオリフィス５２を通して上記流路内へと径方向から充分な運動量で噴射されて、上記プライマリ混合チューブ１８の上記流路を横着る向きに分散されることとなる。この燃焼器空気は、上記ベンチュリ型予混合器４０へと上記ガスジェットに対して実質的に垂直方向から導入され、上記ガスは、所定の運動量において最大に侵入させることができるようになっている。上記プライマリチューブ１８内において、用いる気体状燃料に対する量論比の約５０〜７５％の空気と上記気体状燃料が混合される。
【００１７】
上記燃料／空気混合物は、次いで上記アパーチャ７８を通って上記燃焼チャンバの上記燃焼領域１２へと吐出される。上記燃料／空気混合物が接線方向から吐出されて方向に旋回運動が生じることとともに、複数の上記プライマリチューブ１８の曲がりくねった構造により、上記燃料と空気混合物の混合時間が増加できる。このような旋回する混合物は、上記イグナイタ３４によって上記燃焼領域内において着火される。
【００１８】
上記エンジンの出力水準を高めるには、上記供給手段６２を通して上記セコンダリチューブ２０の上記マニホルド５０へと気体燃料を流す。上記気体状燃料は、複数の上記ガスオリフィス５２を通して上記流路内へと径方向から充分な運動量をもって噴射され、複数の上記セコンダリ混合チューブ２０の上記流路を横切って分散される。上記燃焼器空気は、上記ベンチュリ型予混合器４０へと上記ガスジェットに対して実質的に垂直に導入されるので、上記ガスは、所定の運動量において最大侵入量を得ることができる。上記セコンダリチューブ２０内の気体状燃料は、それを通して流れる空気と、用いるべき量論比の空気に対して５０〜７５％の比で混合される。上記燃料／空気混合物は、実質的に上記旋回ベーン７２を横切るように流されている。上記複数のベーンは、上記混合物を周方向に旋回運動を生じさせるとともに、上記プライマリチューブ１８からの上記旋回燃料／空気混合物は、上記燃焼領域内において大きな遠心力場を生じさせる。
【００１９】
上記プライマリ燃料／空気混合物を着火して燃焼させることで、上記燃焼領域の径方向外側における実質的に上記ガスの密度は減少する。従って、上記セコンダリチューブからの上記燃料／空気混合物は、これらの加熱され、より低密度のガスへ、外側へと遠心力によって向けられることとなる。上記加熱ガスは、上記セコンダリ燃料／空気混合物の温度を上記セコンダリ混合物の着火が自発的に生じる温度にまで高めることになる。上記燃焼するプライマリ燃料／空気混合物へと、上記セコンダリ燃料／空気混合物を強制的に混合することによって、利用可能な燃料が極めて迅速に燃焼することになる。このため、窒素と、酸素と、を含有する気体が上記の高い燃焼温度へと晒される時間は、複数のホール３２を通してくる温度制御された希釈用空気が注入されるまでの短時間に短縮できることになる。
【００２０】
本発明は、上記したように気体状燃料と同様、液状燃料に対しても燃料／空気比を小さくして燃焼器を運転することによるものであり、これは、上記量論的温度よりも上記燃焼温度を実質的に低くするべく酸素リッチ環境とするものである。燃料／空気比を、量論比の７５％を超えないようにすることにより、窒素酸化物の発生を適切に抑えることが可能である。さらに、過剰量の酸素は、上記燃料が確実に完全燃焼させ、この結果、確実に一酸化炭素発生量も低減させることができる。
【００２１】
低燃料／空気比を維持させるためには、段階的燃焼法を使用できる。上記エンジンの運転領域にわたって、上記プライマリチューブ及び上記セコンダリチューブ双方の上記燃料／空気比は、密接に制御されている。
【００２２】
本発明の主な効果は、上記ガスタービンエンジンが、窒素酸化物を低放出としつつ、液状燃料又は気体状燃料の双方に対して運転可能とされることにある。
【００２３】
本発明のの別の効果としては、気体状燃料の噴射の構成を、異なった顧客における運転条件の相違を相殺するように容易に改良することができることにある。それぞれの顧客において、天然ガスの性質により、異なった温度と圧力を示すことになる。ガスの性質によるこれらの変動を補償させるために、それぞれ特定の場合について、個々のガスタービンエンジンを適合させてやる必要がある。本発明は、上記改良を、上記オリフィスサイズを変更することで容易にすることができる。
【００２４】
本発明は、好適な実施例をもって説明を行ってきたが、当業者によれば、形態及びその詳細にわたって種々の変更、除外を本発明の趣旨及び範囲内において行うことが可能である。例えば、上記マニホルドを含んでいることは、上記セコンダリチューブほどには、上記プライマリチューブに対しては必ずしも必須ではない。上記曲がりくねった上記プライマリチューブの形状は、空気と燃料との混合を促進し、この様にすることによって実質的に均一な燃料／空気混合物が上記プライマリチューブの下流側で得られることとなる。しかしながら、上記セコンダリチューブには、液状燃料のための空気噴霧型ノズル及び気体状燃料のための上記マニホルドは必須である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、セコンダリ混合チューブと、複数のプライマリ混合チューブと、を備えた燃焼器の簡略化した外側斜視図である。
【図２】図２は、図１に示した燃焼器が、エンジンに装着された状態を示した簡略化した一部切り欠き断面図である。
【図３】図３は、図１に示した燃焼器の正面図である。
【図４】図４は、図１のセコンダリ混合チューブにおけるベンチュリ型予混合器の簡略化した断面図である。
【図５】図５は、上記燃焼器の図２に示した方向５−５における断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料／空気混合領域
１２…燃焼領域
１４…希釈領域
１６…円筒体
１８…プライマリ混合チューブ
２０…メイン混合チューブ
２２…環状部
２４…内側エンジンケース
２６…外側エンジンケース

Claims (4)

1. 中心部分及び径方向外側部分を備えた燃焼領域と、
   この燃焼領域の上流側において燃料／空気混合領域と、を備えた燃焼器であって、
   前記燃焼器は、その径方向外側部分へと周方向から燃料と、空気と、の混合物を吐出するように配列された複数のプライマリ燃料／空気混合チューブと、
   前記燃焼器の前記中心部分に設けられ、上流側端部分がベンチュリ形状をなすセコンダリ燃料／空気混合チューブと、
   旋回が生じるようにプライマリ燃料／空気混合物を着火する手段と、を有しており、
   セコンダリ燃料／空気混合物が、燃焼している前記プライマリ燃料／空気混合物に向かって遠心力によって外側へと向けられるようになっている燃焼器において、
   前記燃焼器は、さらに、
   前記セコンダリ燃料／空気混合チューブへと液状燃料を噴射するため、前記セコンダリ燃料／空気混合チューブの上流側端の中心に取り付けられた空気噴霧型液状燃料噴射器と、
   この空気噴霧型液状燃料噴射器の周囲に設けられ、燃料／空気混合物を旋回させる手段と、
   前記セコンダリ燃料／空気混合チューブの前記上流側端において、ベンチュリ形状をなす混合チューブ壁の径方向外側に周方向に配設され、かつ、気体状燃料が導かれる環状のマニホルドと、
   前記気体状燃料を前記セコンダリ燃料／空気混合チューブへと噴射させるように前記混合チューブ壁に実質的に垂直に形成され、かつ周方向に等間隔に配置された複数のオリフィスと、
   を備えた燃焼器。
2. 中心部分及び径方向外側部分を備えた燃焼領域と、
   この燃焼領域の上流側において燃料／空気混合領域と、を備えた燃焼器であって、
   前記燃焼器は、その径方向外側部分へと周方向から燃料と、空気と、の混合物を吐出するように配列された複数のプライマリ燃料／空気混合チューブと、
   前記燃焼器の前記中心部分に設けられ、上流側端部分がベンチュリ形状をなすセコンダリ燃料／空気混合チューブと、
   旋回が生じるようにプライマリ燃料／空気混合物を着火する手段と、を有しており、
   セコンダリ燃料／空気混合物は、燃焼している前記プライマリ燃料／空気混合物に向かって遠心力によって外側へと向けられるようになっている燃焼器において、
   前記燃焼器はさらに、
   それぞれの前記燃料／空気混合チューブへと液状燃料を噴射するため、それぞれの燃料／空気混合チューブの上流側端の中心に取り付けられた空気噴霧型液状燃料噴射器と、
   この空気噴霧型液状燃料噴射器の周囲に設けられ、燃料／空気混合物を旋回させる手段と、
   それぞれ前記燃料／空気混合チューブの前記上流側端において、ベンチュリ形状をなす混合チューブ壁の径方向外側に周方向に配設され、かつ、気体状燃料が導かれる環状のマニホルドと、
   前記気体状燃料をそれぞれの前記燃料／空気混合チューブへと噴射させるように前記混合チューブ壁に実質的に垂直に形成され、かつ周方向に等間隔に配置された複数のオリフィスと、
   を備えた燃焼器。
3. 中心部分及び円筒体に収容された径方向外側部分を備えた燃焼領域と、
   その上流側において、複数のプライマリ（パイロット）燃料／空気混合チューブに取り囲まれるとともに、上流側端部分がベンチュリ形状をなすセコンダリ（メイン）燃料／空気混合チューブを備えた燃料／空気混合領域と、を有する燃焼器構造であって、
   前記セコンダリ（メイン）燃料／空気混合チューブは、前記燃焼領域の中心部分へと周方向に旋回する流出物を吐出可能とする手段を有し、かつ、複数の前記プライマリ（パイロット）燃料／空気混合チューブは、前記燃焼器の径方向外側部分を周方向に旋回するように流体を吐出させるべく配列されている燃焼器構造において、
   この燃焼器構造は、さらに、
   前記セコンダリ燃料／空気混合チューブへと液状燃料を噴射するための前記セコンダリ燃料／空気混合チューブの上流側端の中心に取り付けられた空気噴霧型液状燃料噴射器と、
   前記セコンダリ燃料／空気混合チューブの前記上流側端においてベンチュリ形状をなす混合チューブ壁の径方向外側に周方向に配設され、かつ、気体状燃料を受ける環状のマニホルドであって、前記マニホルドの外側壁部と前記ベンチュリ形の混合チューブ壁との間に画定されるマニホルドと、
   前記気体状燃料を前記セコンダリ燃料／空気混合チューブへと噴射させるように前記混合チューブ壁に実質的に垂直に形成され、かつ周方向に等間隔に配置された複数のオリフィスと、
   を備えた燃焼器構造。
4. 上流側端と、下流側端と、を有し、かつ、その下流側端から燃焼器へと燃料を吐出しているガスタービンエンジン用燃料／空気混合チューブにおいて、
   前記燃料／空気混合チューブはさらに、
   前記燃料／空気混合チューブへと液状燃料を噴射し、かつ、その上流側端の中心に取り付けられた空気噴霧型液状燃料噴射器と、
   前記燃料／空気混合チューブの前記上流側端においてベンチュリ形状をなす混合チューブ壁の径方向外側に周方向に配設され、かつ、気体状燃料を受ける環状のマニホルドであって、前記マニホルドの外側壁部と前記ベンチュリ形の混合チューブ壁との間に画定されるマニホルドと、
   前記気体状燃料を前記燃料／空気混合チューブへと噴射させるように前記混合チューブ壁に実質的に垂直に形成され、かつ周方向に等間隔に配置された複数のオリフィスと、
   を備えた燃料／空気混合チューブ。

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