JP4718188B2 - ＮＯｘ排出を低減するための無触媒燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンのための燃焼器、特にＮＯ_ｘ排出を低減するための無触媒燃焼器に関する。

燃焼プロセスにおける汚染物の生成を低減するために様々な燃焼器システムがガスタービン用途においてよく知られている。公知のように、ガスタービンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮機によって形成された圧縮空気中で燃料を燃焼させることによって高温ガスを形成するための燃焼段と、シャフトパワーを取り出すために高温ガスを膨張させるためのタービンとを有している。多くの従来のガスタービンエンジンにおける燃焼プロセスは、３０００°Ｆを超える火炎温度を伴う化学量論的条件において又はその近傍において燃焼する拡散炎によって支配されている。しかしながら、このような燃焼は一般的に高レベルの窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を生成する。現在の排出規制は、許容されるＮＯ_ｘ排出レベルを著しく低くしている。

燃焼温度を低減するための１つの方法は、燃焼段に希薄な予混合された燃料を提供することである。予混合燃料プロセスにおいて、燃料と空気とは燃焼器の予混合区分において予混合される。引用により本明細書に記載されたものとする米国特許第６０８２１１１号明細書に記載されているように混合を改良するためにスワールが誘発されることができる。次いで、燃料−空気混合物は、これが燃料される燃焼段へ導入される。したがって、火炎温度が、著しいＮＯ_ｘ排出を発生する火炎温度よりも低くなるように、局所的な燃料−空気比は十分に低く保たれることができる。しかしながら、希薄予混合燃焼の難しさは、希薄火炎が不安定であり、火炎が安定するように付加的なステップが必要であるということである。

希薄火炎を安定させる１つの方法は、希薄な燃料−空気混合物のための一定の点火源を提供するために口火として安定した高温の拡散炎を提供することである。燃焼器に供給される燃料及び空気の一部は、口火を提供するために貯蔵される。しかしながら、拡散火炎はＮＯ_ｘの発生源であり、その結果、口火のサイズは、例えばＮＯ_ｘ排出を低減するために口火に提供される燃料及び空気を予混合することによって、最小限にされなければならない。口火の最適化に加え、燃料及び空気の混合の程度は、ＮＯ_ｘ汚染物の形成を最小限に抑制することができる。このアプローチは、うまく実施されればＮＯ_ｘレベルを６〜９ｐｐｍに低減することができるが、希薄火炎の安定性は依然として懸念事項である。

ＮＯ_ｘ排出を低減するための別の方法は、リッチ・クェンチ・リーン（ＲＱＬ）技術を使用することであり、この技術において、希薄混合物を形成するために空気の噴射によって迅速に希釈される前に、高濃度の燃料空気混合部が点火されかつ部分的に燃焼される。しかしながら、高温の準拡散火炎ゾーンを回避しながら、混合物全体を迅速に希薄状態にするために、噴射された空気を部分的に燃焼された濃厚な燃料空気と迅速かつ均一に混合することが困難である。

ＮＯ_ｘ排出を低減するためのさらに別の方法は、口火を使用する代わりに希薄な予混合された火炎を安定させるために触媒燃焼を使用することができる。１つのアプローチにおいて、バルク希薄混合物は触媒燃焼器区分を通過させられることができ、この区分において触媒材料（例えばプラチナ又はパラジウム等の貴金属）が金属基板に付着させられている。この希薄触媒アプローチにおいて、混合物は、触媒区分から出る前に部分的に転換され、温度上昇され、これにより、触媒作用が与えられた混合物は下流において安定的に燃焼する。このアプローチの問題は、希薄混合物が触媒によって点火されるために幾分予熱されなければならず（ＮＯ_ｘ排出を生じるステップ）、触媒反応を進行させすぎ、触媒を損傷するような温度に曝す可能性があるということである。さらに、触媒燃焼器区分は高価であり、より多くの保守及び交換を必要とする。うまく実施されれば、このアプローチは、２〜４ｐｐｍのＮＯ_ｘレベルを生ぜしめることができるが、最適な混合が必要とされる。

ＮＯ_ｘ排出を低減するためのさらに別の方法は、高温の燃料ガスを形成するために、燃料と比較的小さな空気部分との濃厚な反応性混合物を複数の触媒被覆チューブ若しくはプレート上に通過させることである。このようなシステムは、本発明の譲受人によって所有されかつ引用により本明細書に記載されたものとする米国特許第６４１５６０８号明細書に記載されている。被覆されたチューブ又はプレートは、燃焼器に提供された空気の残りのより大きな部分によって、“後側冷却”構造のチューブ又はプレートの無触媒の後側にこの空気のより大きな部分を通過させることによって、冷却される。この技術は、希薄触媒法よりも利点を有する。なぜならば、触媒は過熱されにくく、燃料−空気混合物の予熱が不要だからである。チューブ排出構造の性質により、この技術は、下流の均一な燃焼ゾーンにおける高温燃料ガスとより大きな空気部分との予混合を高める。このアプローチは、うまく実施されれば、１〜３ｐｐｍのＮＯ_ｘレベルを生ぜしめることができる。

現在、低ＮＯ_ｘ排出及び安定した燃焼条件を提供するための改良された燃焼技術が必要とされている。

発明の概要
本明細書に記載された燃焼器は、第１の燃料−酸化剤混合物を受容しかつ部分的に酸化された混合物を排出する一次燃焼室と、部分的に酸化された混合物と酸化剤の流れとを複数の別個の流れチャネル内に受容しかつ、酸化剤を排出する複数の出口端部の間に散在させられた、部分的に酸化された混合物を排出する複数の出口端部を有するミキサエレメントと、ミキサエレメントの下流において、部分的に酸化された混合物を酸化剤と混合するための、ミキサエレメントの出口端部と流体連通した室とを有している。

さらに、燃焼器は熱交換器を有しており、この熱交換器は、部分的に酸化された混合物を受容するためのシェルと、酸化剤の流れを受容するための複数のチューブと、酸化剤を排出する複数の出口端部の間に介在させられた、部分的に酸化された混合物を排出する複数の出口端部とを有している。燃焼器はさらに、チューブの下流端部におけるチューブシートと、チューブの上流端部におけるチューブシートと、ミキサエレメントの下流において、さらに部分的に酸化された混合物を酸化剤と混合するための、熱交換器の出口端部と流体連通した混合室と、後混合室の下流における、部分的に酸化された混合物を酸化剤と共に燃焼させるための二次燃焼室とを有している。

本明細書に記載された燃料−酸化剤混合物を燃焼させる方法は、燃焼室において燃料−酸化剤混合物を部分的に燃焼させ、部分的に酸化された混合物を形成し、部分的に酸化された混合物と酸化剤流体とをミキサエレメントに供給し、該ミキサエレメントが、複数の酸化剤流体流れの間に散在させられた複数の部分的に酸化された混合物流を形成するための複数の流れチャネルを含んでおり、ミキサエレメントの下流において、部分的に酸化された混合物流を酸化剤流体流れと混合し、部分的に酸化された混合物流を酸化剤流体流れと共にさらに燃焼させることを含むものとしてここでは説明されている。

図面の簡単な説明
本発明のこれら及びその他の利点は、図面を考慮した以下の説明からさらに明らかになるであろう。

図１は、改良された燃焼器構成を有するガスタービンエンジンの機能的な図である。

図２は、燃焼器を通る流れ方向に対して垂直に見た燃焼器の断面図である。

図３は、燃焼器を通る流れ方向に対して垂直に見た、マニホールドを含む燃焼器の断面図である。

図４は、本発明の内部の態様を示す、図３に４−４で示された断面矢印によって示された図３のチューブシートのマニホールドの断面図である。

発明の詳細な説明
図１は、ろ過された周囲空気１４の流れを受容しかつ圧縮空気１６の流れを形成するための圧縮機１２を有するガスタービンエンジン１０を示している。圧縮空気１６は、燃焼器２６に導入するために、燃料混合流２１と酸化剤流２４とにそれぞれ分割される。燃料混合流２１は、燃料源１８によって提供される、例えば天然ガス又は燃料オイル等の可燃性燃料２０の流れと混合され、燃焼器２６の一次燃焼室２８に導入される前に燃料濃厚な燃料−酸化剤混合物流２２を形成する。一次燃焼室２８において、燃料−酸化剤混合物流２２は点火装置３０によって点火され、部分的に酸化された混合物の流れ３２を形成する。一次燃焼室２８から、部分的に酸化された混合物の流れ３２は、ミキサエレメント３４の部分的に酸化された混合物の流れチャネル３６へ案内される。酸化剤流２４は、ミキサエレメント３４の酸化剤流れチャネル３８へ案内され、これにより、ミキサエレメント３４は、部分的に酸化された混合物の流れ３２を酸化剤流２４から分離し、個々の流れ２４，３２は個々の流れチャネル３６，３８を通過する。有利には、混合エレメント３４は、流れ２４，３２が出口４４から出る時に流れ２４，３２を散在させることによって、ミキサエレメント３４の出口４４において個々の流れの改良された混合を提供する。

本発明の１つの態様において、ミキサエレメント３４は熱交換器として構成されており、部分的に酸化された混合物の流れ３２における酸化によって生ぜしめられた熱の一部を吸収することによって酸化剤流２４の加熱を促進する。例えば、個々の流れ２４，３２は長手方向で十分な長さを有しているので、ミキサエレメント３４を流過している間の酸化剤流２４の温度は、最低でも１００°Ｆだけ上昇させられる。１つの実施形態において、ミキサエレメントは、酸化剤流２４と部分的に酸化された混合物の流れ３２との個々の温度を平衡させるように構成されているので、個々の流れ２４，３２がミキサエレメント３４から出る時には、個々の流れ２４，３２はほぼ同じ温度を有している。

別の態様において、ミキサエレメントは、酸化剤流２４と部分的に酸化された混合物の流れ３２との間の熱交換の量を制御するように構成されている。例えば、流れ方向に沿ってミキサエレメント３４における個々の流れ２４，３２の長さが、ミキサエレメント３４を流過している間に酸化剤流２４の温度が最大でも１００°Ｆしか増大されないように制限されている。

本発明の別の態様において、ミキサエレメント３４は流体流を閉じ込めるためのチューブを有している。酸化剤流２４は、チューブの内部を移動するように案内されるのに対し、部分的に酸化された混合物の流れ３２は、これらのチューブの外側を移動するように案内される。例えば、ミキサエレメント３４は、シェル内に収容された多数のチューブを有するチューブ／シェル型熱交換器として構成されており、チューブは、シェル内に散在形式で配置されており、これにより、チューブ内の流体流と、チューブの外側を流れるように案内されるシェル内の別の流体流との熱交換を促進する。例えば、酸化剤流２４は、チューブ内を移動するように案内されるのに対し、部分的に酸化された混合物の流れ３２は、シェル内において、チューブの外側を流れるように案内される。さらに、酸化剤流２４と部分的に酸化された混合物の流れ３２とを分離するために、個々の流れ２４，３２を分割するプレート等の別の方法を使用することもできる。

１つの実施形態において、流れがミキサエレメント３４内に均一に分配されるように、流れ２４，３２の一方又は両方にバッフル４０が配置されている。本発明の別の態様において、チューブシート等のミキサエレメントリテーナ４２が、出口４４において改良された混合を提供するためにミキサエレメント３４の出口４４に位置決めされている。

流れ２４，３２が出口４４においてミキサエレメント３４から出た後、流れ２４，３２は混合室４６において混合され、高温の可燃性のガス混合物４７を形成する。混合室において、流れ２４，３２の散在した混合は優勢なプロセスである一方、流れ２４，３２の僅かな燃焼が生じる。次いで、高温の可燃性のガス混合物４７は二次燃焼室４８へ進み、高温の燃焼ガス４９を形成する。二次燃焼室４８において、優勢なプロセスは高温の可燃性のガス混合物４７の燃焼であるが、流れの僅かな混合も継続する。幾つかの実施形態において、混合室４６と二次燃焼室４８とは１つのチャンバに組み合わされている。本発明の態様において、１つのチャンバは、混合ゾーン及び燃焼ゾーンを含む。さらに別の実施形態において、二次燃焼室４８は点火装置を有する。

タービン５０は高温の燃焼ガス４９を受け取り、タービンにおいて燃焼ガスは膨張させられ、機械的なシャフトパワーを取り出す。１つの実施形態において、共通のシャフト５２はタービン５０を圧縮機１２と、周囲空気１４を圧縮するための及び電力を発生するための機械的パワーを提供するための発電機（図示せず）とに結合している。膨張させられた燃焼ガス５４は直接に大気中へ排出されるか、又は付加的な熱回収システム（図示せず）へ案内される。

図２及び図３に示された実施形態における燃焼器２６は、均一な予混合された火炎の安定化及び、１つの態様において、それに続く冷却を、冷却の後の混合を希薄にするために、酸化剤、例えばバルク圧縮空気との部分的に燃焼された濃厚混合物の改良された混合と組み合わせることによって、従来の触媒又はＲＱＬ燃焼技術よりも改良された性能を提供する。したがって、燃焼器２５は、ＮＯ_ｘ排出を低減するために触媒を使用する必要性を排除する一方で、触媒技術を使用した場合に可能であるよりも安定した下流の燃焼及び優れた変換効率のための上昇した生成ガス温度を提供する。さらに、燃焼器２６のミキサエレメント３４は、酸化剤と部分的に酸化された混合物との混合を改良し、典型的なＲＱＬ技術に関連した高温の準拡散ゾーン火炎を回避する。

１つの実施形態において、圧縮機１２によって提供された圧縮空気１６の１２〜１８体積％は、分離され、燃料２０と混合され、燃料−酸化剤混合物流２２を形成し、この混合物流は次いで一次燃焼室２８へ案内される。本発明の態様において、燃料−酸化剤混合物流２２の燃料対空気比は、約３〜３．５の当量比を有する。燃料−酸化剤混合物流２２は、燃焼室２８において（例えば点火装置３０を用いて混合物を点火することによって）部分的に燃焼させられ、１５００〜１８００°Ｆの断熱火炎温度又はその近傍の燃料−酸化剤混合物を形成し、利用可能な炭素の約４０％を一酸化炭素（ＣＯ）に転換する。次いで、生じた部分的に酸化された混合物流３２は、ミキサエレメント３４の部分的に酸化された混合物流チャネル３６内へ排出される。残りの圧縮空気１６（８２〜８８体積％）はミキサエレメント３４の酸化剤流れチャネル３８内へ案内される。ミキサエレメント３４は、個々の流れ２４，３２は個々の流れチャネル３６，３８を通過する時に、部分的に酸化された混合物の流れ３２を酸化剤流２４から分離する。本発明の態様において、流れ２４，３２の間の熱交換がミキサエレメント３４内で促進され、酸化剤流２４は、燃焼室２８において部分的に酸化された混合物の流れ３２から熱を吸収する。したがって、個々の流れ２４，３２がミキサエレメント３４から出て混合室４６において混合するときには、部分的に燃焼された流れ３２の温度は、約１１００°Ｆにまで冷却されている。有利には、ガス４７が混合室４６から出て二次燃焼室４８において燃焼される時の高温の可燃性のガス混合物の燃料変換は、約７５〜９０％である。その結果、部分的に酸化された混合物流３２を冷却するように熱交換を促進することによって、燃料−酸化剤混合物流２２のより高温の部分燃焼が一次燃焼室２８において維持されることができ、より高温で、より安定して燃焼する、高温の可燃性のガス混合物４７を生じる。さらに、一次燃焼室２８における燃料−酸化剤混合物流２２のより高温の部分燃焼は、ほとんどがＣＯ（４０％の利用可能な炭素がＣＯ転換へ）とＨ_２（ＣＯのモルごとに約２モルのＨ_２）とを含む燃焼生成物を生成し、この生成物は、より安定して燃焼し、高温の燃焼ガス４９を形成する。

慣用のＲＣＬタイプ燃焼器において部分的燃焼温度を上昇させることは、触媒を早期にバーンオフさせるか又は触媒を破壊するおそれがあるが、本発明はより高い部分的燃焼温度が使用されることを可能にする。したがって、別の実施形態において、改良された効率及び低減されたＮＯ_ｘ排出を提供するために、一次燃焼室２８におけるさらに高い一次断熱火炎温度が使用されることができる。例えば、圧縮機１２によって提供される圧縮空気１６の約２０体積％は、より希薄な燃料−酸化剤混合物流２２を形成するために、分離され、燃料２０と混合されることができる。燃焼室２８に提供される燃料−酸化剤混合物流２の燃料対空気比は、約２．１の当量比を有する。燃料−酸化剤混合物流２２は燃焼室２８において（例えば点火装置３０を使用して混合物を点火することによって）部分的に燃焼させられ、２５８０〜２６５０°Ｆの断熱火炎温度を生ぜしめ、利用可能な炭素の約８０％はＣＯに転換される。次いで、部分的に酸化された混合物流３２は、ミキサエレメント３４の部分的に酸化された混合物流チャネル３６内へ排出される。残りの圧縮空気１６（８０体積％）はミキサエレメント３４の酸化剤流れチャネル３８へ案内され、これにより、ミキサエレメント３４は、個々の流れ２４，３２が個々の流れチャネル３６，３８を流過するときに、部分的に酸化された混合物流３２を酸化剤流２４から分離する。本発明の態様において、流れ２４，３２の間の熱交換はミキサエレメント３４によって促進され、これにより、酸化剤流２４は、燃焼室２８において部分的に酸化された混合物流３２の部分的燃焼によって生ぜしめられた熱の一部を吸収する。したがって、個々の流れ２４，３２がミキサエレメントから出て、混合室４６において高温の燃焼ガス４７を形成するように混合されるとき、高温の燃焼ガス４７の温度は約１３００°Ｆである。有利には、ガス４７が混合室４６から出て、二次燃焼室４８において燃焼されるときの高温の燃焼ガス４７の燃料転換は、約１００％である。一次燃焼室２８における燃料−酸化剤混合物流２２のより高い温度での部分燃焼は、ほとんどＣＯ（８０％の利用可能な炭素がＣＯ転換へ）とＨ_２（ＣＯのモルごとに約１．５モルのＨ_２）とから成る燃焼生成物を生成し、この燃焼生成物はより安定的に燃焼し、高温の燃焼ガス４９を形成する。

本発明のさらに別の実施形態において、圧縮機１２によって提供された圧縮空気１６の約２６体積％は、燃料−酸化剤流２２を形成するために、分離され、燃料２０と混合されることができる。燃焼室２８に提供される燃料−酸化剤混合物流２２の燃料対空気比は、約１．７の当量比を有している。燃料−酸化剤混合物流２２は、燃焼室２８において部分的に燃焼させられ、約３０００°Ｆの断熱火炎温度を生ぜしめ、利用可能な炭素の約８０％がＣＯに転換される。次いで、部分的に酸化された混合物流３２が、ミキサエレメント３４の部分的に酸化された混合物流チャネル３６内へ排出される。３０００°Ｆの燃焼温度においてある程度のＮＯ_ｘ前駆体が形成される場合があるが、ＮＯ_ｘ前駆体の生成は、熱交換ゾーンと一致する放熱ゾーンを形成することによって、例えばミキサエレメント３４内に一次燃焼室２８を含むことによって、著しく低減されることができる。例えば、ミキサエレメント２３の上流端部の近くに点火装置３０が設けられることができる。さらに、部分的に酸化された混合物流３２の混合を促進するためにミキサエレメント３４の部分的に酸化された混合物流チャネル３６内に渦発生体が位置決めされることができる。別の態様において、ミキサエレメント３４内の混合及び火炎安定を促進するために、部分的に酸化された混合物流３２の少なくとも一部を、分配された位置において、ミキサエレメント３４内へ方向付けるように、ミキサエレメント３４を取り囲むように環状のインジェクタ配列が設けられることができる。

残りの圧縮空気１６（７４容積％）は、ミキサエレメント３４の酸化剤流れチャネル３８内に案内され、部分的に酸化された混合物流３２を酸化剤流２４から、個々の流れ２４，３２が個々の流れチャネル３６，３８を通過しながら分離する。本発明の態様において、流れ２４,３２の間の熱交換はミキサエレメント３４によって促進され、これにより、酸化剤流２４は、燃焼室２８における部分的に酸化された混合物流３２の部分的燃焼によって生ぜしめられた熱の一部を吸収する。したがって、個々の流れ２４，３２がミキサエレメントから出て、混合室４６において高温の燃焼ガス混合物４７を形成するように混合されるときには、ガス２８の温度は約１５００°Ｆである。有利には、ガス４７が混合室４６から出て、二次燃焼室４８において燃焼されるときの高温の可燃性ガス混合物４７の燃料転換は、約１００％である。一次燃焼室２８における燃料−酸化剤混合物流２のより高温での部分燃焼は、ほとんどがＣＯ（８０％の利用可能な炭素がＣＯ転換へ）及びＨ_２（ＣＯのモルごとに約１．１モルのＨ_２）から成る燃焼生成物を生じ、この燃焼生成物は、高温の燃焼ガス４９を形成するように安定的に燃焼する。

使用される流入空気の特定の割合と、上の実施形態において引用された当量比とは、単なる例である。本発明において使用される燃料−酸化物混合物の当量比は約１．７〜３．５であることができるのに対し、一次燃焼室２８に案内される圧縮空気１６の体積パーセントは、約１２〜２６％であることができる。さらに、約０．４〜０．５５の（燃焼器に供給される燃料２０と合計圧縮空気１６との容積に基づく）当量比が使用されることができる。

図２は、燃焼器２６を通る流れ２４，３２の方向に対して垂直に見た図１の燃焼器２６の実施形態の断面図を示している。燃焼器２６は、一次燃焼室２８と、ミキサエレメント３４と、二次燃焼室４８とを有している。可燃性燃料２０の流れは燃料マニホールド５８の燃料入口５６において燃焼器３６に導入される。燃料酸化剤混合物流２２を形成するために、可燃性燃料２０の流れとの燃料混合酸化剤流２１の予混合を可能にするために、燃料混合酸化剤流２１が予混合室６０に導入される。燃料酸化剤混合物流２２は一次燃焼室２８に受容され、この一次燃焼室において燃料酸化剤混合物流２２は部分的に燃焼され、部分的に酸化された混合物流３２となる。例えば、酸化剤混合物流２２は、燃焼を開始するために、一次燃焼室２８に位置決めされた点火装置３０によって点火される。本発明の態様において、一次燃焼室２８は、上流端部において、燃焼器２６を環状に取り囲んでいる。次いで、部分的に酸化された混合物流３２はミキサエレメント３４内へ排出される。酸化剤流２４はミキサエレメント３４内へ案内され、これにより、個々の流れ２４，３２がミキサエレメント３４を通過しながら、ミキサエレメント３４は部分的に酸化された混合物流３２を酸化剤流２４から分離する。

本発明の態様において、ミキサエレメント３４はチューブ／シェル熱交換器として構成されることができ、チューブ６２は酸化剤流２４のための流れチャネル３８を形成しており、酸化剤流２４を部分的に酸化された混合物流３２から分離する。ミキサエレメント３４を形成した燃焼器２６部分の側壁６４は、熱交換器のシェルを形成しており、熱交換を促進するためにミキサエレメント３４におけるチューブ６２の周囲に、部分的に酸化された混合物流３２を案内する。したがって、酸化剤流２４はチューブ入口６６へ導入されるのに対し、一次燃焼室２８から排出された部分的に酸化された混合物流３２はミキサエレメント３４の入口端部６８に導入される。別の態様において、チューブ６２と部分的に酸化した混合物流３２とが通過したバッフルプレート４０は、部分的に酸化された混合物流３２をミキサエレメント３４における全てのチューブ６２の周囲に分配するように、部分的に酸化された混合物流入口６８の近くに設けられている。例えば、バッフルプレート４０は、チューブ６６を貫通させるための通路４１と、部分的に酸化された混合物流３２を二次元の形式で等しく分配するように位置決め及び寸法決めされた流れ通路３９とを有している。別の態様において、チューブ６２をチューブ入口６６の近くに保持するために、上流チューブシート７０が設けられている。

酸化剤流２４はチューブ６２の内部を移動するのに対し、部分的に酸化された混合物流３２はチューブ６２の外側を移動し、個々の流れ２４，３２がミキサエレメント３４を通過するときに酸化剤流２４を加熱する。本発明の別の態様において、チューブ６２の長さは、個々の流れ２４，３２の間の熱交換が最少限になるように制限されることができる。その結果、制限された長さの構成におけるミキサエレメント３４の主な機能は、ミキサエレメント３４の下流における流れ２４の改良された混合を促進することである。

ミキサエレメント３４の下流端部には、ミキサエレメント３４から出る個々の流れ２６，３２の分配された混合を促進するために、部分的に酸化された混合物流出口７４の間に、チューブ出口７２が散在させられている。例えば、チューブ６２をチューブ出口７２の近くに保持し、流れ２６，３２の分配された混合が高められるように個々の流れ２６，３２を散在させられた形式で通過させるために、下流チューブシート７６が設けられている。したがって、散在させられた流れ２６，３２はミキサエレメント３４から混合室４６内へ排出され、十分に混合された高温の可燃性ガス混合物４７を形成し、この可燃性ガス混合物は二次燃焼室４８においてさらに燃焼させられることができ、下流のタービン５０に導入されるための高温燃焼ガス４９を形成する。

図２はプロセス概念の例である。チューブの内側に反応性混合物を、外側に冷媒を有する場合、又は反応性混合物と冷却空気とを交互に含む矩形のチャネルを分離するために平らなプレートを使用する場合のような択一的な態様は、本発明から逸脱することなく当業者に明らかである。

図３は、燃焼器２６を通る流れ２４，３２の方向に対して垂直に見た、マニホールド７８を有する燃焼器２６の断面を示している。燃焼器２６は、一次燃焼室２８と、マニホールド７８と、ミキサエレメント３４と、二次燃焼室４８とを有している。図３に示された実施形態において、燃焼室は燃焼器２６のボディ８０内へ延びている。可燃性燃料２０の流れは燃料マニホールド５８の燃料入口５６において燃焼器２６に導入される。次いで、燃料混合酸化剤流２１が燃料予混合室６０内へ案内され、可燃性燃料２０の流れとの燃料混合酸化剤流２１の予混合を行い、燃料酸化剤混合物流２２を形成する。燃料酸化剤混合物流２２は一次燃焼室２８に受容され、ここで燃料酸化剤混合物流２２は燃焼させられ、部分的に酸化された混合物流３２となる。例えば、酸化剤混合物流２２は最初は、燃料酸化剤混合物流２２を部分的に燃焼させるために一次燃焼室２８に位置決めされた点火装置３０によって点火される。別の態様において、一次燃焼室２８は、混合物に点火するために高温の燃焼生成物を点火装置３０の近く等の点火ゾーンへ戻すために一次燃焼室２８内に再循環ゾーンを提供する等の、燃焼を安定させるための構造を有することができる。例えば、一次燃焼室２８内に適切に位置決めされた羽根等の旋回構造、又は一次燃焼室２８内に設けられた段階的膨張特徴等が、火炎安定性を改善するために設けられることができる。

一次燃焼室２８から、部分的に酸化された混合物流がミキサエレメント３４内へ排出される。酸化剤流２４はマニホールド７８によってミキサエレメント３４内へ案内されることができ、これにより、ミキサエレメント３４は、個々の流れ２４，３２がミキサエレメント３４を通過するときに、部分的に酸化された混合物流３２を酸化剤流２４から分離する。

１つの実施形態において、ミキサエレメントは、酸化剤流れチャネル３８を形成する多数のチューブ６２を有しており、酸化剤流２４を閉じ込め、酸化剤流２４を部分的に酸化された混合物流３２から分離する。発明の態様において、マニホールド７８は酸化剤流２４をチューブ６２の間に分配する。マニホールド７８は、酸化剤流２４を一次燃焼室２８に通過させるために上流端部における細長い部分８２と、チューブの個々のチューブ入口６６をマニホールド７８と流体連通して取り付けかつ細長い部分８２における酸化剤流２４をチューブ入口６６内へ案内するための、下流端部における分配部分８４とを有している。マニホールドは、ミキサエレメント３４の上流端部を形成しており、部分的に酸化された混合物流３２をマニホールド７８の外側に沿ってミキサエレメント３４内へ通過させるように構成されることができる。例えば、図４の断面図に示したように、マニホールド７８の分配部分８４は酸化剤流２４を分割して個々のチューブ入口６６内へ案内するための多数のアーム８６を有しており、アーム８６の間の空間において、部分的に酸化された混合物流３２が分配部分８４の周囲を、ミキサエレメント３４内へ通過する。概して矩形の構成が図４に示されているが、酸化剤流を個々のチューブ６６内へ案内しかつ、部分的に酸化された混合物流３２をマニホールド７８の周囲において混合室３４内へ通過させながら、燃焼器の内部形状に合致するように、あらゆる数の構成が当業者によって使用されることができる。

部分的に酸化された混合物流３２が一次燃焼室２８からミキサエレメント３４に進入した後、ミキサエレメント３４を形成した燃焼器２６部分の側壁６４は、チューブ６２の周囲を流れるように、部分的に酸化された混合物流３２を閉じ込める。実施形態において、チューブ６２の長さは、個々の流れ２４，３２の間の熱交換が最少限になるように限定されることができる。その結果、制限された長さの構成におけるミキサエレメント３４の主な機能は、ミキサエレメント３４の下流における流れ２４，３２の改良された混合を促進することである。

ミキサエレメント３４の下流端部において、ミキサエレメント３４から出る個々の流れ２４，３２の分配された混合を促進するために、部分的に酸化された混合物流出口７４の間にチューブ出口７２が散在させられている。例えば、下流チューブシート７６が設けられており、チューブ６２をチューブ出口７２の近くに保持し、個々の流れ２４，３２を散在させられた形式で通過させ、これにより、流れ２４，３２の分配された混合が高められる。したがって、散在させられた流れ２４，３２がミキサエレメント３４から混合室４６内へ排出され、十分に混合された可燃性のガス混合物４７を形成し、このガス混合物は二次燃焼室４８においてさらに燃焼させられ、下流のタービン５０に導入されるための高温の燃焼ガス４９を形成する。

図３はプロセス概念の例である。チューブの内側に反応性混合物を、外側に冷媒を有する場合、又は反応性混合物と冷却空気とを交互に含む矩形のチャネルを分離させるために平らなプレートを使用する場合等の択一例が、本発明から逸脱することなしに当業者に明らかである。

本発明の好適な実施形態がここでは図示及び説明されているが、このような実施形態は単なる例として提供されていることは明らかである。本発明から逸脱することなく、多くの変更及び代用が当業者に明らかとなるであろう。例えば、燃焼器２６は、二次燃焼室４８の近くに位置決めされた始動パイロット、例えば燃焼器２６のカン環状構成における中央パイロット、を含むことができる。したがって、本発明は、添付の請求項の精神及び範囲によってのみ限定される。

改良されたガスタービンエンジンの機能図である。 燃焼器を通る流れ方向に対して垂直方向で見た燃焼器の断面図である。 燃焼器を通る流れ方向に対して垂直方向で見た、マニホールドを含む燃焼器の断面図である。 図３における断面矢印“４−４”によって示された、図３のチューブシートのマニホールドの断面図であり、マニホールドの内部の様子を示している。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン、 １６ 圧縮空気、 １８ 燃料源、 ２０ 可燃性燃料、 ２１ 燃料混合流、 ２２ 燃料酸化剤混合物流、 ２３ 混合物の流れ、 ２４ 酸化剤流、 ２６ 燃焼器、 ２８ 主燃焼室、３０ 点火装置、 ３２ 混合物の流れ、 ３４ ミキサエレメント、 ３６，３８ 流れチャネル、 ３９ 流れ通路、 ４０ バッフル、 ４２ リテーナ、 ４４ 出口、 ４６ 混合室、 ４７ ガス混合物、 ４８ 二次燃焼室、 ４９ 燃焼ガス、 ５０ タービン、 ５２ シャフト、 ５４ 燃焼ガス、 ５６ 燃料入口、 ６０ 予混合室、 ６２ チューブ、 ６４ 側壁、 ６６ チューブ入口、 ６８ 入口端部、 ７０ 上流チューブシート、 ７２ チューブ出口、 ７４ 混合物流出口、 ７６ 下流チューブシート、 ７８ マニホールド、 ８２ 細長い部分、 ８４ 分配部分、 ８６ アーム

Claims (21)

1. 燃焼器において、
   第１の燃料−酸化剤混合物を受容しかつ部分的に酸化された混合物を排出する一次燃焼室が設けられており、
   部分的に酸化された混合物と酸化剤の流れとを複数の別個の流れチャネル内に受容するミキサエレメントが設けられており、該ミキサエレメントが、部分的に酸化された混合物を排出する複数の出口端部を有しており、これらの出口端部が、酸化剤を排出する複数の出口端部の間に散在させられており、
   部分的に酸化された混合物を酸化剤と混合するための、ミキサエレメントの出口端部と流体連通した室が、ミキサエレメントの下流に設けられており、
   酸化剤の温度がミキサエレメントを通過する間に最低でも５５℃だけ増大させられるように、ミキサエレメントの流れチャネルが長手方向に沿って十分な個々の長さを有していることを特徴とする、燃焼器。
2. 前記室の下流において、部分的に酸化された混合物を酸化剤と共にさらに燃焼させるための二次燃焼室が設けられている、請求項１記載の燃焼器。
3. ミキサエレメントが熱交換器を含む、請求項１記載の燃焼器。
4. ミキサエレメントがチューブ／シェル熱交換器を含む、請求項３記載の燃焼器。
5. 酸化剤の温度がミキサエレメントを通過する間に最大で５５℃だけ増大させられるように、ミキサエレメントの流れチャネルが流れ方向に沿って個々の長さを有している、請求項１記載の燃焼器。
6. ミキサエレメントが複数のチューブを含む、請求項１記載の燃焼器。
7. 部分的に酸化された混合物と酸化剤とを室内へ通過させるためにミキサエレメントがさらにチューブの下流端部にチューブシートを含んでいる、請求項６記載の燃焼器。
8. チューブの上流端部にチューブシートが設けられている、請求項６記載の燃焼器。
9. 一次燃焼室に位置決めされた点火装置が設けられている、請求項１記載の燃焼器。
10. ミキサエレメントがさらに、一次燃焼室の出口端部の近くにおいて、ミキサエレメントの個々の出口端部の上流に配置された、酸化剤及び部分的に酸化された混合物を通過させるように構成されたバッフルプレートを含んでいる、請求項１記載の燃焼器。
11. ミキサエレメントがさらに、酸化剤を複数の酸化剤流体流れに分割するマニホールドを含んでいる、請求項１記載の燃焼器。
12. 第１の燃料−酸化剤混合物が、１〜３．５の当量比を有している、請求項１記載の燃焼器。
13. 部分的に酸化された混合物が、一次燃焼室において８１６℃〜１６４９℃の断熱火炎温度を有している、請求項１記載の燃焼器。
14. 請求項１の燃焼器を含むガスタービンエンジン。
15. ガスタービンエンジンのための燃焼器において、
    第１の燃料−酸化剤混合物を受容しかつ部分的に酸化された混合物を排出する一次燃焼室が設けられており、
    熱交換器が設けられており、該熱交換器が、部分的に酸化された混合物を受容するためのシェルと、酸化剤の流れを受容するための複数のチューブと、酸化剤を排出する複数の出口端部の間に散在させられた、部分的に酸化された混合物を排出する複数の出口端部とを含んでおり、
    前記熱交換器の下流に、部分的に酸化された混合物を酸化剤と混合するための、熱交換器の出口端部と流体連通した混合室が設けられており、
    混合室の下流に、部分的に酸化された混合物を酸化剤と共にさらに燃焼させるための二次燃焼室が設けられており、
    一次燃焼室の出口端部の近くに、熱交換器の個々の出口端部の上流に配置されたバッフルプレートが設けられていることを特徴とする、ガスタービンエンジンのための燃焼器。
16. チューブの下流端部にチューブシートが設けられている、請求項１５記載の燃焼器。
17. チューブの上流端部にチューブシートが設けられている、請求項１５記載の燃焼器。
18. 燃料−酸化剤混合物を燃焼させる方法において、
    一次燃焼室において燃料−酸化剤混合物を部分的に燃焼させ、部分的に酸化された混合物を形成し、
    酸化剤流体を提供し、
    部分的に酸化された混合物と酸化剤流体とをミキサエレメントに供給し、該ミキサエレメントが、複数の酸化剤流体流れの間に散在させられた複数の部分的に酸化された混合物流を形成するための複数の流れチャネルを含んでおり、
    ミキサエレメントの下流において、部分的に酸化された混合物流を酸化剤流体流れと混合し、
    部分的に酸化された混合物流を酸化剤流体流れと共にさらに燃焼させ、
    酸化剤流体の温度をミキサエレメントを通過する間に最低でも５５℃だけ増大させるのに十分な、流れ方向に沿った長さを有するようにミキサエレメントを提供することを特徴とする、燃料−酸化剤混合物を燃焼させる方法。
19. ミキサエレメントを熱交換器として形成する、請求項１８記載の方法。
20. ミキサエレメントをチューブ／シェル熱交換器を形成する、請求項１８記載の方法。
21. 酸化剤流体流れの温度がミキサエレメントを通過する間に最大で５５℃だけしか増大させられないように、流れ方向に沿ったミキサエレメントの長さを制限する、請求項１８記載の方法。

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