JP4229614B2 - プラズマ生成ノズルを備える燃焼器ミキサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジン燃焼器ミキサに関し、より具体的には、プラズマ生成燃料ノズルを備える燃焼器ミキサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
流路の気体を加熱するために、ガスタービンエンジンの燃焼器内で、燃料と空気を混合し、燃焼させる。燃焼器は、燃料と空気を混合し、燃焼させる環状の燃焼室を構成する外ライナー及び内ライナーを含む。燃焼室の上流端に取り付けられたドームは、燃料と空気を混合するためのミキサを含む。ミキサから下流側に取り付けられた点火装置が混合ガスに点火し、該混合ガスが燃焼室内で燃焼する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
政府機関と業界団体は、ガスタービンエンジンからの窒素酸化物（ＮＯ_X）のエミッションを規制している。これらのエミッションは、燃料−空気比が高いこと、及び／又は、燃料−空気の混合が十分でないことによる高い火炎温度にある程度起因して、燃焼器内で生成する。燃料-空気比を低くしてＮＯ_X排出を減らす試みは、希薄失火と音響震動問題を招くことになった。従って、業界において、失火及び音響震動なしに、混合を改良し、エミッションを減少させた燃焼器が必要となっている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の種々の特徴の中で、ガスタービンエンジンの燃焼室内で使用するためのミキサ組立体を設けることが特筆される。ミキサ組立体は、中空の内部と、該中空の内部への空気の流入を可能にする導入口と、中空の内部から燃焼室への空気の流出を可能にする排出口とを有するミキサハウジングを備える。該ハウジングは、燃焼室を通り抜ける空気を加熱するために、燃料と空気の混合気を排出口を通して燃焼室に供給し、燃焼させる。更に、ミキサ組立体は、ハウジング内に取り付けられた燃料ノズル組立体を含み、該燃料ノズル組立体は、燃料供給を受けるために燃料供給源に接続されるようになった燃料流路を有する。流路は出口まで延びて、流路からミキサハウジングの中空の内部に燃料を供給し、燃料をミキサハウジングを通り抜ける空気と混合させる。ノズル組立体は、ノズル出口を通してハウジングの中空の内部に供給された燃料から、解離した燃料とイオン化した燃料のうちの少なくとも１つを生成することが可能なプラズマ発生器を含む。
【０００５】
別の態様において、ミキサ組立体は、ミキサハウジングと、該ミキサハウジング内に取り付けられたスワール生成翼組立体とを備える。スワール生成翼組立体は、ハウジングの中空の内部を通り抜ける空気にスワールを生成させるようになった複数の羽根を有する。更に、ミキサ組立体は、ノズル出口を通してハウジングの中空の内部に供給された燃料から、解離した燃料とイオン化した燃料のうちの少なくとも１つを生成することが可能なプラズマ発生器を有する燃料ノズル組立体を含む。
【０００６】
本発明の他の特徴は、一部は明らかであり、一部は以下に示す。
【０００７】
【発明の実施の形態】
対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。
【０００８】
図面、特に図１を参照すると、ガスタービンエンジンの一部分、より具体的には、本発明の燃焼器が、その全体を参照番号１０により示されている。燃焼器１０は、燃焼用空気を燃料と混合し、燃焼させる燃焼室１２を構成する。燃焼器１０は、外ライナー１４及び内ライナー１６を含む。外ライナー１４は、燃焼室１２の外側の境界を定め、内ライナー１６は、燃焼室の内側の境界を定める。外ライナー１４及び内ライナー１６から上流側に取り付けられた、全体を１８で示す環状のドームは、燃焼室１２の上流端を定める。各々の全体を２０で示すミキサ組立体、すなわち本発明のミキサを、ドーム１８の上に配置する。ミキサ組立体２０は、燃料と空気の混合気を燃焼室１２に供給する。燃焼室１２の他の特徴は、従来通りであり、更に詳細に説明しない。
【０００９】
図２に示すように、各ミキサ組立体２０は、全体として、パイロットミキサ組立体２２と、該パイロットミキサ組立体を取り囲むメインミキサ組立体２４とを備える。パイロットミキサ組立体２２は、環状の内側ミキサハウジング３２と、全体を３４で示すスワール生成翼組立体と、パイロットミキサ２２の中心線３８に沿ってハウジング３４内に取り付けられた、全体を３６で示す燃料ノズル組立体とを含む。ハウジング３２は、中空の内部４０と、該中空の内部の上流端において該中空の内部への空気の流入を可能にする導入口４２と、該内部の下流端において該中空の内部から燃焼室１２への空気の流出を可能にする排出口４４とを有する。燃焼室を通り抜ける空気を加熱するために、ハウジング３２の中空の内部４０内で燃料と空気を混合し、排出口４４を通して燃焼室に供給し、そこで燃焼させる。ハウジング３２は、スワール生成翼組立体３４から下流側に位置し、燃料と空気を混合するための制御された拡散を与え、ハウジングを通り抜ける空気の軸流速度を減らすための集束−拡開形状の内面４６を有する。
【００１０】
スワール生成翼組立体３４はまた、それぞれ燃料ノズル３６から上流側に配置された複数の羽根５４、５６を有する、同心に取り付けられた、全体を５０、５２で示す１対の軸流スワール生成翼を含む。スワール生成翼５０、５２は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、異なる数の羽根５４、５６を有することができるが、一実施形態において、内側スワール生成翼５０は１０個の羽根５４を有し、外側スワール生成翼５２は１０個の羽根５６を有する。羽根５４、５６の各々は、パイロットミキサ２２の中心線３８に対して斜めになっており、スワール生成翼５０、５２を通って移動する空気にスワールを生成させて、燃料ノズル３６により供給される燃料と混合させ、エンジンの選定された動力設定に対する最適燃焼のために選択された燃料−空気混合気が生成される。開示した実施形態のパイロットミキサ２２は、２つの軸流スワール生成翼５０、５２を有するが、ミキサが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、より少ない、又はより多いスワール生成翼を含むことができるということは、当業者には明らかであろう。更に当業者には明らかなように、スワール生成翼５０、５２は、空気に対し同じ方向又は反対方向にスワールを生成させるような形状にすることができる。更に、選択された出力状態において、良好な点火特性、希薄燃料安定性、及び低エミッションを与えるように、パイロットハウジング３２のサイズを定め、パイロット内側及び外側スワール生成翼５０、５２における空気流量及び旋回角度を選択することができる。
【００１１】
外側スワール生成翼５２を通って流れる空気流から内側スワール生成翼５０を通って移動する空気流を分離するために、スワール生成翼５０、５２の間に円筒障壁５８を配置する。障壁５８は、集束−拡開形状の内面６０を有し、この面が低出力性能を助けるための燃料フィルム面を形成する。当業者には明らかなように、パイロットミキサ組立体２２の幾何学的形状配置、特にミキサハウジングの内面４６、及び障壁内面６０の形状は、点火特性、燃焼器安定性が向上し、ＣＯ及びＨＣエミッションが低くなるように選択することができる。
【００１２】
燃料ノズル組立体３６は、ハウジング３２の中心線３８に沿って、内側スワール生成翼４０の内部に取り付ける。燃料マニホルド７０は、燃料供給源７２からノズル組立体３６に燃料を供給する（図２に概略的に示す）。本発明の技術的範囲から逸脱することなく、他の燃料、及び他の状態の燃料を用いることができるが、一実施形態において、燃料は天然ガスである。マニホルド７０は、中心に配置された絶縁体７６と、該絶縁体を取り囲む管状ハウジング７８との間のノズル組立体３６の中に形成された環状の流路７４に燃料を供給する。流路を通り抜ける燃料にスワールを生成させるために、流路７４の上流端に複数の羽根８０を配置する。ノズル組立体３６はまた、ノズル組立体の出口８４を通してハウジング３２の中空の内部４０に供給された燃料をイオン化、及び／又は、解離させるための、全体を８２で示すプラズマ発生器を含む。図２に示すように、出口８４は、ノズル組立体３６の下流端においてスワール生成翼組立体から下流側に配置する。燃料が天然ガスの場合には、プラズマ発生器８２は、燃料の一部を、部分的に解離及びイオン化した水素、アセチレン、及び他のＣ_XＨ_Y種に変える。
【００１３】
メインミキサ２４は、パイロットハウジング３２を取り囲み、環状のキャビティ９２を定めるメインハウジング９０を含む。燃料マニホルド７０の一部が、パイロットハウジング３２とメインハウジング９０との間に取り付けられる。マニホルド７０は、燃料をメインミキサ２４のキャビティ９２の中に導入可能な複数の燃料噴射ポート９４を有する。マニホルド７０は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、異なる数のポート９４を有することができるが、一実施形態において、マニホルドは、均等に間隔を置いて配置された６つのポートからなる前列と、均等に間隔を置いて配置された６つのポートからなる後列とを有する。ポート９４は、図２に示す実施形態において周方向の２つの列に配置されるが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、他の形状に配置できることは当業者には明らかであろう。また、当業者には理解されるように、異なる軸位置において、メインミキサキャビティに沿った燃料噴射ポートの２つの列を用いることにより、燃料−空気混合度を調節するための融通性が得られ、種々の運転状態において低ＮＯ_Xと完全燃焼が達成される。加えて、各列における多数の燃料噴射ポートは、良好な周方向燃料−空気混合を与える。更に、燃焼不安定性を避けるために、列の異なる軸方向位置を選択することができる。
【００１４】
パイロットミキサハウジング３２は、メインミキサキャビティ９２からパイロットミキサ内部４０を物理的に隔離し、燃料ノズル３６とメインミキサキャビティとの間の視野の明確なラインを遮るものである。従って、パイロットミキサ２２は、パイロット性能安定性及び効率性を改良し、ＣＯ及びＨＣエミッションを低下させるために、パイロット作動中にメインミキサ２４から遮蔽される。更に、パイロットハウジング９０は、メインミキサ２４の空気流の中へのパイロットフレームの拡散及び混合を制御することにより、パイロット燃料の完全燃焼を可能にするような形状にされる。当業者には明らかなように、高出力及び低出力における点火特性及び燃焼安定性を向上させ、低出力状態におけるＣＯ及びＨＣエミッションを低下させるために、パイロットミキサ２２とメインミキサ２４との間の距離を選択することができる。
【００１５】
メインミキサ２４はまた、複数の燃料噴射ポート９４から上流側に位置する全体を９６で示すスワール生成翼を含む。メインスワール生成翼９６は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく他の形状とすることもできるが、一実施形態においては、メインスワール生成翼は、空気と燃料マニホルド７０内のポート９４により供給された燃料の液滴とを混合するために、スワール生成翼を通って流れる空気にスワールを生成させることのできる、半径方向に斜めになった複数の羽根９８を有するラジアルスワール生成翼であり、エンジンの高出力設定の間における最適燃焼のために選択された燃料−空気混合気を形成させる。スワール生成翼９６は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく異なる数の羽根９８を有することもできるが、一実施形態においては、メインスワール生成翼は２０個の羽根を有する。メインミキサ２４は、希薄な空気−燃料混合気の状態で作動する高出力状態において、燃料と空気の予混合を最大限にすることにより低ＮＯ_Xを達成するように主として設計される。メインミキサ２４のラジアルスワール生成翼９６は、ラジアル羽根９８を通って流入する空気にスワールを生成させ、燃焼器１０の基本流れ場を確立する。燃料は、メインスワール生成翼９６から下流側でスワール状態の空気流の中に半径方向外方に向かって噴射され、その出口から上流側のメインミキサキャビティ９２内で十分に混合が可能になる。このスワール状態の混合気は、燃焼室１２に流入し、そこで完全に燃焼する。
【００１６】
図３に示す一実施形態において、プラズマ発生器８２は、中央に配置された絶縁体７６を貫通して延びる電極１００を備える電気放電プラズマ発生器である。電極１００とハウジング７８は、電力供給源１０６まで延びる電気ケーブル１０２、１０４にそれぞれ接続される（図３に概略的に示す）。ハウジング７８は、テーパした下流端部１０８を有し、電極１００は、ハウジングの端部の内側に配置された先端１１０を含む。絶縁体７６は、先端１１０の部分を除く全長に渡って電極１００を取り囲み、電極の先端とハウジングの端部１０８との間の部分を除いた電極とハウジング７８との間の電気放電を抑制する。電力供給源１０６は、電極１００とハウジング７８との間に電気アークを生じさせ、このアークは電極先端１１０とハウジングの端部１０８との間を移動する燃料を通過する。燃料がアークを通り抜けるに伴い、燃料がイオン化し、解離することになる。当業者には明らかなように、電極先端１１０と端部１０８との間の距離１１２と、電荷の振幅は、燃料のイオン化及び解離を促進するように選択することができる。更に、流路７４を通り抜ける燃料の割合は、イオン化及び解離した燃料が生成する割合が制御されるように調節することができる。
【００１７】
図４に示す別の実施形態において、プラズマ発生器８２は、中央に配置された絶縁体７６を貫通して延びる電極１２０を備える、マイクロ波放電プラズマ発生器である。電極１２０は、電力供給源１２６に接続されたマグネトロン１２４まで延びるウェーブガイド１２２に接続される（図４に概略的に示す）。電力供給源１２６はマグネトロン１２４に電力を供給し、マグネトロン１２４はウェーブガイド１２２を通して電極１２０に向かうようにマイクロ波信号を方向付け、該電極は、該電極から下流側に通り抜ける燃料にマイクロ波エネルギーを放射して、燃料をイオン化し解離させる。当業者には明らかなように、マイクロ波信号は燃料のイオン化及び解離を促進するように調節することができる。更に、流路７４を通り抜ける燃料の割合は、イオン化及び解離した燃料が生成する割合が制御されるように調節することができる。
【００１８】
図５に示す更に別の実施形態において、プラズマ発生器８２は、中央に配置された絶縁体７６を貫通してレンズ１３２まで延びる光ウェーブガイド１３０を備えるレーザプラズマ発生器であり、該レンズ１３２は、ガイド１３０から下流側にレーザを合焦させるようになっている。ウェーブガイド１３０は、電力供給源１３６に接続されたレーザ１３４に接続される（図５に概略的に示す）。電力供給源１３６は、ウェーブガイド１３０に沿ってレンズ１３２まで光エネルギーを方向付けるレーザ１３４に電力を供給し、レンズから下流方向に移動する燃料を通してエネルギーが移動し、燃料をイオン化し解離させる。
【００１９】
プラズマ発生器８２は、継続的にプラズマを発生させるように作動できるが、図６に概略的に示す一実施形態において、プラズマ発生器は電子燃焼器制御装置１４０に作動的に接続され、この制御装置が、プラズマ発生器を、所定の周波数で所定の振幅に、かつ、燃焼室１２内の圧力パルスに対する所定の位相でパルス変動させ、燃焼室内の熱−音響震動を除去し、又は減らす。制御装置１４０は、通常の電力供給源１４２により動力を与えられる。燃焼室１２内に取り付けられた圧力センサー１４４は、燃焼室内の圧力パルスを計測し、対応する信号を制御装置１４０に送信する。更に、燃料流量コントローラ１４６は、プラズマ発生器８２に流れる燃料の量とメインミキサ組立体２４（図２）内のポート９４を通って流れる燃料の量を制御する。
【００２０】
スワール生成翼組立体３４は、羽根５４、５６を通り抜けて流入する空気にスワールを生成させ、燃焼器１０の基本流れ場を確立する。プラズマ発生器８２により発生したプラズマ（すなわち、イオン化した及び解離した燃料）は、羽根５４、５６から下流側のスワール状態の空気流の中へ放たれ、プラズマと空気はミキサハウジング内部４０内で完全に混合される。このスワール状態の混合気は燃焼室１２に流入して、完全に燃焼する。
【００２１】
作動中、低出力安定性及び低ＣＯ／ＨＣエミッションが重要である始動及び低出力状態の間、パイロットミキサ２２だけから燃料供給される。メインミキサ２４は、推進用エンジンにおいては、離陸、上昇、及び巡航出力設定を含む高出力運転時、軸出力用途及び／又は発電用途に使用されるエンジンを含む地上運転用エンジンにおいては、中間出力設定、連続運転出力設定、及び最大定格出力設定を含む高出力運転時に、燃料供給される。パイロットミキサとメインミキサとの間の燃料分配は、当業者には周知のように、高効率及び低ＮＯ_Xエミッションを得られるように選択される。
【００２２】
本発明又は本発明の１つ又はそれ以上の好適な実施形態の要素を説明する場合に、「１つ」、「２つ」、「複数」及び「多数」などの数詞の特定のないものは、１つ又はそれ以上の要素があるということを意図する。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的であり、記載した要素以外にも更なる要素があってもよいことを意味せんとするものである。
【００２３】
上述の構成において本発明の技術的範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができるので、上述の説明に含まれあるいは添付の図面に示す全ての事項は、例示として解釈されるべきであり、限定的意味を有するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のノズルを含むミキサを有する燃焼器の上半分の縦断面図。
【図２】 本発明のミキサ組立体の縦断面図。
【図３】 本発明の第1の実施形態のノズルの縦断面図。
【図４】 本発明の第２の実施形態のノズルの縦断面図。
【図５】 本発明の第３の実施形態のノズルの縦断面図。
【図６】 本発明のプラズマ発生器制御回路の概略図。
【符号の説明】
１０ 燃焼器
１２ 燃焼室
２０ ミキサ組立体
２２ パイロットミキサ組立体
２４ メインミキサ組立体
３２ ミキサハウジング
３４ スワール生成翼組立体
３６ 燃料ノズル組立体
４０ 中空の内部
４２ 導入口
４４ 排出口
７２ 燃料供給源
７４ 燃料流路
８２ プラズマ発生器
８４ ノズル出口

Claims (7)

1. ガスタービンエンジンの燃焼室（１２）内で使用するためのミキサ組立体（２０）であって、
   中空の内部（４０）と、該中空の内部（４０）への空気の流入を可能にする導入口（４２）と、前記中空の内部（４０）から前記燃焼室（１２）への空気の流出を可能にする排出口（４４）とを有し、前記燃焼室（１２）を通り抜ける空気を加熱するために、燃料と空気の混合気を前記排出口（４４）を通して前記燃焼室（１２）に供給し、そこで燃焼させるためのミキサハウジング（３２）と、
   前記ハウジング（３２）内に取り付けられた燃料ノズル組立体（３６）と、
   を備え、
   該ノズル組立体（３６）が、燃料の供給を受けるために燃料供給源（７２）に接続されるようになった燃料流路（７４）を有し、前記流路（７４）が、出口（８４）まで延びて前記流路から前記ミキサハウジング（３２）の前記中空の内部（４０）に燃料を供給し、該燃料を前記ミキサハウジング（３２）を通り抜ける空気と混合させるようになっており、
   前記ノズル組立体（３６）が、前記ノズル出口（８４）を通して前記ハウジング（３２）の前記中空の内部（４０）に供給される燃料から、解離した燃料とイオン化した燃料のうちの少なくとも１つを生成するためのプラズマ発生器（８２）を備え、
   前記解離した燃料とイオン化した燃料のうちの少なくとも１つが、前記プラズマ発生器（８２）により生成される割合を制御するように作動可能な燃焼器制御装置（１４０）と組み合わされており、
   前記燃焼器制御装置（１４０）が、燃焼室（１２）内の計測された圧力変動に応じて、前記解離した燃料とイオン化した燃料のうちの少なくとも１つが生成される割合を、前記圧力変動が減少するように変化させるようになっていることを特徴とするミキサ組立体（２０）。
2. 前記プラズマ発生器（８２）が、解離した燃料とイオン化した燃料の少なくとも１つを気体燃料から生成するように作動可能であることを特徴とする、請求項１に記載のミキサ組立体（２０）。
3. 前記プラズマ発生器（８２）が、解離した燃料とイオン化した燃料の少なくとも１つを天然ガスから生成するように作動可能であることを特徴とする、請求項１に記載のミキサ組立体（２０）。
4. 前記プラズマ発生器（８２）が、電気放電プラズマ発生器であることを特徴とする、請求項１に記載のミキサ組立体（２０）。
5. 前記プラズマ発生器（８２）が、マイクロ波放電プラズマ発生器であることを特徴とする、請求項１に記載のミキサ組立体（２０）。
6. 前記プラズマ発生器（８２）が、レーザ放電プラズマ発生器であることを特徴とする、請求項１に記載のミキサ組立体（２０）。
7. 前記ハウジング（３２）の前記中空の内部（４０）を通り抜ける空気にスワールを生成させるための複数の羽根（５４、５６）を有する、前記ミキサハウジング（３２）内に取り付けられたスワール生成翼組立体を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載のミキサ組立体（２０）。

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