JP4831364B2

JP4831364B2 - 予混合装置内での混合を強化するための高膨張燃料噴射スロットジェット及び方法

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Publication number: JP4831364B2
Application number: JP2007287978A
Authority: JP
Inventors: ロナルド・スコット・バンカー
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Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2011-12-07
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Description

本発明の実施形態は、総括的には燃焼器に関し、より具体的には、低エミッション燃焼プロセスにおいて燃料及び酸化剤の混合を強化するための高膨張燃料噴射スロットジェットを備えた予混合装置に関する。

歴史的に、燃料からのエネルギーの取り出しは、燃焼器内で拡散律速（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）（非予混合とも呼ばれる）燃焼として実行されてきており、その場合には、反応物質が最初は分離されており、反応は燃料と酸化剤との間の界面でのみ起こり、界面では混合及び反応の両方が発生する。そのような装置の実施例には、それに限定されないが、幾つかの例を挙げると航空機用ガスタービンエンジン、並びに発電、舶用推進、ガス圧縮、コジェネレーション及び海上作業台船動力における用途用の航空転用ガスタービンが含まれる。そのような燃焼器を設計する際には、技術者は、燃焼器の全体寸法を維持又は減少させ、最大作動温度を上昇させかつ比エネルギー放出率を増大させる継続的要求だけでなく、規制汚染物質の形成及びこれらの環境内への排出（エミッション）を低減する絶え間なく拡大する要求にも挑戦している。関心のある主要な汚染物質の実例には、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼及び部分燃焼炭化水素、並びに二酸化炭素（ＣＯ_２）などの温室効果ガスが含まれる。燃焼が発生している間における流体力学的混合、局所化学量論的燃焼と関連するピーク温度、高温を有する領域内での滞留時間、及び酸素利用率への依存のために、流れ内の局所的組成変動を制御するのは困難であるので、拡散律速燃焼器は、所望の高性能レベルを維持しながら現在及び将来のエミッション要件を満たす能力には限界がある。

近年では、望ましくない汚染物質の排出レベルをさらに低減するために、希薄予混合燃焼器が用いられている。これらの燃焼器では、あらゆる有意な化学反応の発生に先立って、適等な量の燃料及び酸化剤が十分に混合され、従って上述した拡散律速燃焼器の困難性を制御するのを可能にする。しかしながら、燃料及び酸化剤の可燃性混合気が、所望の火炎安定位置の前方に形成されるので、予混合燃焼器設計者は、望ましくない燃焼不安定性を最小化及び／又は排除するために、混合が発生する領域におけるあらゆる流れの剥離及び／又は火炎保持を制御する課題に挑戦し続けている。現在の設計課題にはまた、燃料及び酸化剤の混合が発生する領域の全体長さを制御することと、予混合プロセスと関連する圧力低下を最小にすることとが含まれる。これらの課題は、それに限定されないが、石炭又は他の材料のガス化プロセスにより得られる一酸化炭素及び水素の豊富なガスである、天然ガス、水素、及び合成燃料ガス（シンガスとしても知られている）を含む広範な燃料で適切に作動することができる燃焼器の必要性により、さらに複雑になる。

従来型の予混合バーナは、スワーラのベーン間又はベーン翼形部の表面上に配置した燃料ジェットを組み込んでいる。しかしながら、燃料ジェット出口に形成された渦構造体は、燃料ジェット下方の自由ストリームから酸化剤を引き寄せる傾向にあり、結果として表面近くの流れの部分又は全体「ブローオフ」を生じ、早期点火を引き起こす可能性がある剥離領域を主流内に形成する。加えて、この横流燃料噴射は、燃焼器内に高及び低濃度の燃料／空気混合気の局所領域を生成し、それによって実質的により高いエミッションを生じる。さらに、そのような横流噴射は、燃焼プロセス内に破壊ダイナミックスを生じる可能性がある燃焼器内の燃料圧力及び圧力振動の変動に起因して、燃焼プロセス内に変動及び変調を引き起こす。最近では、主として横流燃料噴射による予混合燃焼器のマイナス作用を最小にして所望のレベルの予混合及び全体的性能を達成する方法として、コアンダ表面を用いた予混合装置が提案されている。これらの装置では、コアンダ表面に沿って噴射した燃料は、主ストリーム空気流が加速されるにつれて該表面に付着して、燃焼不安定性を引き起こす可能性がある燃料ジェットのリフトオフ及び剥離並びに望ましくない圧力変動を防止する。コアンダ表面を備えた予混合装置では、燃料の酸化剤との有効な混合は、燃料ジェットが発散壁に隣接した状態に維持されるので幾分遅れ、従って燃料及び酸化剤の適切な混合を保証するために長い長さの装置を構成することになる可能性がある。予混合装置の長さが全体のエンジン長さ要件によって制約される場合には、例えば火炎ゾーンに供給された燃料濃度プロフィールは、不要な空間変形を含むことになり、従って汚染物質形成プロセスに対する予混合の最大効果を最小にすると共に燃焼ゾーンにおける全体的火炎安定性に悪影響を与える可能性がある。
米国特許出願公開第１１／２７３，２１２号公報

発散流路内での過膨張の望ましくない作用は、流体力学では周知の事実であるが、しかしながら、噴射部位での乱流の生成及び流体混合の意図で局所流れ剥離を制御した収束−発散燃料噴射スロットジェットの使用については、本発明者は知らない。従って、燃焼器の混合領域内での流れ剥離及び火炎保持の制御を維持しながら、燃料及び酸化剤を混合する能力を高めた希薄予混合燃焼器で用いるための予混合装置の必要性が存在する。混合性能を高めることにより、実質的にシステムの全体圧力低下に悪影響を与えずに、短い長さを有する予混合装置の開発が可能になり、そのような予混合器を組み込んだ予混合燃焼器は、広範な組成、発熱量及び比容積を有する燃料で使用するのに特に好適なものとなる。

当技術分野で公知の上記に要約した必要性及びその他の１つ又はそれ以上は、予混合装置によって対処され、本予混合装置は、空気入口と、該予混合装置の内壁の一部分に沿って燃料境界層を形成するように構成された壁輪郭を含み、空気入口の端部部分と流れ連通状態になった燃料入口スロットと、空気入口からの加圧空気が境界層からの燃料と混合される混合チャンバと、その発散部分内に流れ剥離領域を形成するように構成され、燃料入口スロット内に配置された発散燃料噴射スロットジェットとを含み、流れ剥離領域は、混合チャンバ内に境界層流れ剥離及び火炎保持を引き起こさずに、発散燃料噴射スロットジェットの出口において混合乱流を発生して境界層からの燃料の加圧空気との混合を空気力学的に強化するように構成されている。開示した本発明の実施形態はまた、上記に要約した予混合装置を有する低エミッション燃焼器及びガスタービン燃焼器を含む。

本開示した発明の別の態様では、ガスタービンを開示し、本ガスタービンは、圧縮器と、圧縮器と流れ連通状態になっており、予混合した燃料及び空気の混合気を燃焼するように構成された燃焼器と、燃焼器の下流に設置されて該燃焼器から流出するガスストリームを膨張させるタービンとを含む。そのようなガスタービンの燃焼器は、少なくとも１つの予混合装置を含み、予混合装置は、空気入口と、該予混合装置の内壁の一部分に沿って燃料境界層を形成するように構成された壁輪郭を含み、空気入口の端部部分と流れ連通状態になった燃料入口スロットと、空気入口からの加圧空気が境界層からの燃料と混合される混合チャンバと、その発散部分内に流れ剥離領域を形成するように構成され、燃料入口スロット内に配置された発散−収束燃料噴射スロットジェットとを含み、流れ剥離領域は、発散部分の範囲内に限定され、かつ混合チャンバ内に境界層流れ剥離及び火炎保持を引き起こさずに、発散−収束燃料噴射スロットジェットの出口において混合乱流を発生して境界層からの燃料の加圧空気との混合を空気力学的に強化するように構成されている。

開示した本発明の別の態様では、気体液体化システムを開示しており、本気体対液体システムは、空気から酸素を分離するように構成された空気分離ユニットと、天然ガスを調製するようになったガス処理ユニットと、高温及び高圧で酸素を天然ガスと反応させて一酸化炭素及び水素ガスの豊富な合成ガスを生成するようになった燃焼器と、燃焼器と流れ連通状態になっており、合成ガスから仕事を取り出しかつ該合成ガスを急冷するようになったターボ膨張器とを含む。そのような気体液体化システムの燃焼器は、該燃焼器の上流に配置されて該燃焼器内での反応に先立って酸素及び天然ガスの予混合を可能にする予混合装置を含む。予混合装置は、空気入口と、該予混合装置の内壁の一部分に沿って燃料境界層を形成するように構成された壁輪郭を含み、空気入口の端部部分と流れ連通状態になった燃料入口スロットと、空気入口からの加圧空気が境界層からの燃料と混合される混合チャンバと、その発散部分内に流れ剥離領域を形成するように構成され、燃料入口スロット内に配置された発散−収束燃料噴射スロットジェットとを含み、流れ剥離領域は、発散部分の範囲内に限定され、かつ混合チャンバ内に境界層流れ剥離及び火炎保持を引き起こさずに、発散−収束燃料噴射スロットジェットの出口において混合乱流を発生して境界層からの燃料の加圧空気との混合を空気力学的に強化するように構成されている。

燃焼システム内で燃料及び酸化剤を予混合する方法もまた、開示した本発明の実施形態の範囲内であり、そのような方法は、酸化剤入口を通して予混合装置内に酸化剤を取り込む段階と、発散燃料噴射スロットジェットを通して予混合装置内に燃料を噴射する段階と、予混合装置の内壁に沿って燃料境界層を形成するように、該予混合装置内の所定の壁輪郭に向けて噴射燃料を偏向させる段階と、燃料及び酸化剤を予混合して燃料−空気混合気を形成する段階とを含み、予混合する段階は、発散燃料噴射スロットジェットの発散部分内で燃料を過膨張させて該発散部分内に流れ剥離領域を形成し、該流れ剥離領域により、混合チャンバ内に境界層流れ剥離及び火炎保持を引き起こさずに、収束−発散燃料噴射スロットジェットの出口において混合乱流を発生して境界層からの燃料の酸化剤との混合を空気力学的に強化するように構成する段階を含む。

上記の簡単な記述は、以下に続く詳細な説明をより良好に理解することができるようにするために、また当技術分野に対する本発明の貢献をより良好に理解することができるようにするために本発明の特徴を記載している。勿論、以下に記載し、また提出した特許請求の範囲の主題になることになる本発明の他の特徴も存在する。

この点に関して、本発明の幾つかの好ましい実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、本発明の適用において、以下の説明に記載し又は図面に示した構造の詳細及び構成部品の配置に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態についても可能であり、また様々な方法で実用化しかつ実施することができる。また、本明細書で使用した専門語及び術語は、説明のためのものであって、限定と見なすべきではないことを理解されたい。

従って、開示事項が基にしている概念は、本発明の幾つかの目的を実行するような他の構造、方法及びシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることは、当業者には分かるであろう。従って、本特許請求の範囲は、そのような構成が本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱しない限りにおいて、それら均等の構成を含むと見なすことが重要である。

さらに、記載した要約書の目的は、特許庁及び国民全体、特に特許又は法律用語或いは専門語に精通していない当技術分野の科学者、技術者及び専門家が本出願の技術的開示事項の性質及び本質を一瞥して速やかに判断することができるようにすることである。従って、要約書は、特許請求の範囲のみによって判定される本発明又は本出願を定めることを意図するものでもないし、またいずれにしても本発明の技術的範囲を限定することを意図するものでもない。

本発明のより完全な理解及び本発明の付随的利点の多くは、以下の詳細な説明を参照しながら添付の図面と関連して検討することにより一層良好に理解されるようになるので、容易に把握されるであろう。

図面では図全体にわたって同じ参照番号が同一又は対応する部品を示しており、次にこの図面を参照して、開示した幾つかの予混合装置の実施形態を説明することにする。以下に続く説明では、ガスタービンで用いる開示した予混合装置の例示的な実施形態を使用することにする。それにも拘わらず、この同一の予混合装置は、主として燃料及び酸化剤の予混合によって燃焼が制御される他の用途においても用いることができることは、当業者には容易に分かるであろう。

図１は、作動中に高圧空気を低エミッション燃焼器１２に供給する圧縮器１４を有するガスタービン１０を示している。燃焼器１２内に噴射された燃料の空気（又は他の酸化剤）との燃焼の後に、高圧の高温燃焼ガスが、燃焼器１２から流出しかつタービン１６を通って膨張し、タービン１６は、シャフト１８を介して圧縮器１４を駆動する。当業者には分かるように、空気又は空気流に対する本明細書での説明はまた、それ限定されないが、純酸素又は２１％よりも少ない（例えば、１０％の）容積酸素含有量を有する低質空気流を含むあらゆる他の酸化剤を意味する。１つの実施形態では、燃焼器１２は、カン型燃焼器を含む。別の実施形態では、燃焼器１２は、カン−アニュラ型燃焼器又は単にアニュラ型燃焼器を含む。用途に応じて、燃焼ガスは、推力を生成するためにノズル（図示せず）内でさらに膨張させることができ、或いはガスタービン１０は、外部負荷を駆動するために燃焼ガスから付加的エネルギーを抽出する付加的タービン（図示せず）を有することができる。

この図示した実施形態では、燃焼器１２は、燃焼区域を形成する燃焼器ハウジング２０を含む。加えて、燃焼器１２は、燃焼区域内での燃焼に先立って加圧空気及び燃料を混合するための予混合装置を含む。具体的には、予混合装置は、コアンダ効果を用いて、混合プロセスの効率を高める。本明細書で用いる場合に、「コアンダ効果」という用語は、それ自体を隣接する表面に付着させかつ表面が流体運動の元の方向から離れる方向に湾曲した場合でさえ、付着した状態を維持する流体ストリームの傾向を意味する。

図２は、図１のガスタービン１０内で使用する低エミッション燃焼器２２の例示的な構成を示している。この図示した実施形態では、燃焼器２２は、カン型燃焼器を含む。燃焼器２２は、燃焼器ケーシング２４と燃焼器ケーシング２４内に配置された燃焼器ライナ２６とを含む。燃焼器２２はまた、ドームプレート２８と、燃焼器壁の温度を低下させるように構成された熱シールド３０とを含む。さらに、燃焼器２２は、燃焼に先立って酸化剤及び燃料を予混合するための複数の予混合装置３２を含む。１つの実施形態では、複数の予混合装置３２は、水素のような燃料を使用する用途の場合には、燃焼器２２内に段階的な燃料導入を達成するように配列することができる。作動中に、予混合装置３２は、空気流３４を受け、空気流３４は、燃料プレナムから予混合装置３２内に導入された燃料と混合される。その後、空気−燃料混合気は、燃焼器２２内の火炎３６で燃焼される。図示するようにケーシング２４内にはまた、希釈又は冷却孔３８を設けることができる。

図３は、図１のガスタービン１０内で使用する別の低エミッション燃焼器４０の別の例示的な構成を示している。この図示した実施形態では、燃焼器４０は、アニュラ型燃焼器を含む。図示するように、内側ケーシング４２及び外側ケーシング４４は、燃焼器４０内に燃焼区域を形成する。加えて、燃焼器４０は一般的に、内側及び外側燃焼器ライナ４６及び４８とドームプレート５０とを含む。さらに燃焼器４０は、内側及び外側燃焼器ライナ４６及び４８に隣接して配置された内側及び外側熱シールド５２及び５４と空気流５８を燃焼区域内に向けるためのディフューザセクション５６とを含む。燃焼器４０はまた、燃焼区域の上流に配置された複数の予混合装置６０を含む。作動中に、それぞれの予混合装置６０は、燃料パイプ６２及び６４を介して燃料プレナムから燃料を受け、燃料は、予混合装置６０内の所定の壁輪郭上を流れるように向けられて、コアンダ効果を用いる同伴空気によって予混合装置６０の混合効率を高めるようになる。さらに、燃料パイプ６２及び６４からの燃料は、流入空気流５８と混合され、燃焼用の燃料−空気混合気は、火炎６６に送給される。この実施形態では、燃料の導入により、燃焼器４０内での分割空気流が変化する。具体的には、コアンダ効果によって生じた圧力の変化に起因して、燃焼器４０内で希釈空気は実質的に減少し、燃焼分割空気は増加する。

図４は、上述の燃焼器で使用する予混合装置７０の例示的な構成の断面図である。図４に示した実施形態では、予混合装置７０は、加圧空気を混合チャンバ７４に導入するように構成された空気入口７２を含む。さらに、予混合装置７０は、それから燃料が、円周スロット７８内に配置した収束−発散燃料噴射スロットジェット９０を介して混合チャンバ７４に供給される燃料プレナム７６を含む。当業者には分かるように、スロット７８は、予混合装置７０の周辺部の周りに連続的に又は不連続的に配置することができる。図４の拡大部分は、スロット７８内の収束−発散燃料噴射スロットジェット９０の配置を質的に示す。燃料噴射スロットジェット９０の三次元性を示すために、図４の拡大部分は、回転させている。燃料噴射スロットジェット９０の更なる詳細は、図５と関連して以下にさらに説明する。

収束−発散燃料噴射スロットジェット９０を介して導入された燃料は、所定の壁輪郭８０上に偏向されて、燃料流８２を形成する。この例示的な実施形態では、予混合装置７０は、環状の構成を有し、燃料は、所定の壁輪郭８０内にかつ該壁輪郭８０を横切って半径方向に導入される。所定の壁輪郭８０の幾何学形状及び寸法は、それに限定されないが、燃料圧力、燃料温度、流入空気の温度、及び燃料噴射速度のような因子を含む所望の予混合効率及び作動条件に基づいて選択／最適化することができる。燃料の実施例には、天然ガス、高水素ガス、水素、バイオガス、一酸化炭素及び合成ガスが含まれる。しかしながら、様々な他の燃料を使用することができる。この図示した実施形態では、所定の壁輪郭８０は、コアンダ効果によって導入燃料を壁輪郭８０に付着させ、従って燃料境界層を形成する。この燃料境界層は、空気の同伴を可能にし、それによって予混合装置７０の混合チャンバ７４内の混合効率を高める。

この図示した実施形態では、流入空気は、空気入口７２を介して予混合装置７０内に導入される。一部の実施形態では、空気の流れは、円周スロット７８の上流又は下流に配置した複数の空気入口を通して導入して、混合チャンバ７４内で空気及び燃料を混合するのを可能にすることができる。同様に、燃料は、予混合装置７０の長さに沿った複数のスロットを通して複数の位置で噴射することができる。別の実施形態では、予混合装置７０は、該装置７０の上流に配置されて混合チャンバ７４に導入した空気に旋回運動を与えるようになったスワーラ（図示せず）を含むことができる。別の実施形態では、所定の壁輪郭８０を横切る燃料流に旋回運動を導入するために、スワーラ（図示せず）は、燃料入口ギャップに配置される。さらに別の実施形態では、空気スワーラは、予混合装置７０からの出口平面において予混合装置７０と同一の軸方向レベルかつ同軸に配置することができる。

その上に、予混合装置７０はまた、混合チャンバ７４内に形成された燃料−空気混合気を、出口８６を介して燃焼セクションに向けるための直線的な又は発散した輪郭を有するディフューザ８４を含む。１つの実施形態では、ディフューザ８４の角度は、約＋／−０度〜約２５度の範囲内にある。予混合装置７０の予混合の程度は、それに限定されないが、燃料タイプ、所定の壁輪郭８０の幾何学形状、空気の予旋回の程度、円周スロット７８の大きさ、燃料圧力、燃料温度、流入空気の温度、ディフューザ８４の長さ及び角度、並びに燃料噴射速度のような複数の因子によって制御される。

作動中に、所定の壁輪郭８０は、ディフューザ８４に沿って燃料境界層を形成し、同時に空気入口７２からの空気流の一部分が燃料境界層によって同伴されて流入空気又は酸化剤と燃料との混合を促進するための剪断層を形成するのを可能にする。この図示した実施形態では、燃料は、流入空気の圧力よりも比較的高い圧力で供給される。１つの実施形態では、燃料圧力は、空気入口７２における流入空気の圧力よりも約１％〜約２５％大きい。

上述の燃料境界層は、コアンダ効果によって形成される。この図示した実施形態では、燃料流８２は、壁輪郭８０に付着し、かつ壁輪郭８０の表面が初期の燃料流方向から離れる方向に湾曲した時でさえ、付着した状態を維持する。より具体的には、燃料流が壁輪郭８０の周りで加速するにつれて、流れにわたって圧力差が存在し、この圧力差が、壁輪郭８０の表面により近接するように燃料流８２を偏向させる。燃料流８２が壁輪郭８０を横切って移動する時に、燃料流８２と壁輪郭８０との間に特定量の表面摩擦が発生する。流れに対するこの抵抗により、燃料流８２が壁輪郭８０に向かって偏向し、それによって燃料流８２は壁輪郭８０に近接した状態を維持する。さらに、このメカニズムによって形成された燃料境界層は、流入空気流を同伴して、空気流及び燃料の混合を促進する剪断層を形成する。さらに、本出願の出願人と同一出願人の出願番号第１１／２７３，２１２号の米国特許出願には、コアンダ表面を有する予混合装置が論じられている。この特許出願の内容は、参考文献としてその全体を本明細書に組み入れている。

図５には、予混合装置７０内に配置した収束−発散燃料噴射スロットジェット９０の構造的特徴を示している。この収束−発散燃料噴射スロットジェット９０は、酸化剤ストリーム内に噴射するのに先立ってスロット内側方に流れ剥離領域１１２を形成する働きをする。剥離領域１１２内の流れは、強制的に燃料を膨張させかつ混合乱流を形成し、それによって混合チャンバ内の酸化剤の自由ストリーム流との燃料の混合を強化する。収束−発散燃料噴射スロットジェット９０は、燃料入口９２、燃料出口９４、上壁９６、底壁９８、及び側壁１００を含む。燃料流の方向１０１に対して垂直な方向で測定した収束−発散燃料噴射スロットジェット９０の高さ１０２は、スロットジェット９０の長さ１０４に沿って実質的に一定であるが、側壁１００は、入口９２からスロート１０８までの収束部分１０６と、スロート１０８から下流方向に出口９４まで延びる発散部分１１０とを形成するような側方形状にされる。

作動中に、燃料は、先ず収束−発散スロットジェット９０の収束部分１０６内でスロート１０８に向けて加速され、次にスロットの発散部分１１０内での過膨張が続き、それによって出口９４において酸化剤ストリーム内に噴射されるのに先立ってスロット内で側方に流れ剥離領域１１２が形成される。図示するように、剥離は、スロット内で発生し、強制的に燃料を膨張させかつ混合乱流を形成する。当業者には分かるように、参照符号１１２における流れの局所剥離によって形成された乱流レベルの増大は、収束−発散燃料噴射スロットジェット９０の出口９４における酸化剤の自由ストリーム流との噴射燃料の混合レベルを増大させることになる。局所剥離領域１１２によって生成された付加的な乱流は、燃料噴射がスロットを出る時の燃料噴射の剥離を依然として回避しながら、スロット出口９４の外側の領域内での燃料及び酸化剤の混合を強化する。燃料噴射通路用の幾何学形状は、スロットジェット幾何学形状内で発生する少なくとも流体ダイナミックスにより、スロットジェットの出口から燃料及び酸化剤の混合を促進するように構成される。当業者には、スロットが収束部分１０６を有することが必ずしも必要ではないことが分かるであろう。収束部分１０６を設けた場合には、スロート領域は通常、流量を測定しかつあらゆるフラッシュバックを阻止するのを可能にするように形成され、また収束−発散スロットは、より容易に製作しかつより容易に流量損失の少ないものとすることができる。しかし一般に、スロットの入口は、幾らかの長さにわたって一定の断面とし、その後発散部分が続くようにすることができる。スロットの入口はまた、円形とすることができ、それは、実際にはスロートとして機能することになる。

収束−発散燃料噴射スロットジェット９０の発散角度αは、図５に示すように剥離領域１１２がスロット内に含有されるが出口９４を越えては延びないようにするのに十分な大きさである。１つの実施形態では、発散角度αは、スロットジェット９０の２つの側壁１００の各々に対して２０°又はそれより大きい。別の実施形態では、発散セクションの長さ１１４は、あらゆる剥離バブルがスロットジェット９０の出口９４の手前で洗い流されることを保証するように選択される。それに代えて、発散セクションは、スロート１０８からの軸方向距離につれて発散を増大させる湾曲壁を有することができる。亜音速スロットジェット９０では入口９２におけるよどみ点圧力対出口９４における静圧の比率は、約１．２〜１．８の範囲で変化させることができる。別の実施形態では、その比率は、１．５であるのが好ましい。

図４に示すように、収束−発散燃料噴射スロットジェット９０の上壁９４は、燃料が、コアンダ効果を生成する表面に沿って加速する酸化剤の主ストリーム流とほぼ接線方向に噴射されるのを可能にするように、予混合装置７０の壁輪郭８０との間で連続面を形成する。従って、収束−発散燃料噴射スロットジェット９０内の局所剥離領域１１２によって生成されたより高いレベルの乱流は、燃料内に導入され、従って燃料及び酸化剤の混合を高める。

本発明の他の実施形態では、収束−発散燃料噴射スロットジェット９０の側壁１００は、まさに説明したように乱流の発生をさらに強化するように修正される。例えば、図６は、第１の例示的な実施形態を示し、この実施形態では、側壁１００は、剥離領域１１２が出口９４を超えて延びることになる可能性を減少させながら付加的な混合を促進するために、発散部分１１０に沿って粗く作られている。図７では、側壁１００は、発散部分１１０に沿ってギザギザであり、図８では、側壁は、発散部分１１０に沿って階段状である。図６〜図８に示す３つの例示的な実施例に加えて、これらの表面に沿って流れ内に乱流又は小さな混乱を生成する発散部分の他の実施形態も、開示した本発明の技術的範囲内にあることは、当業者には分かるであろう。各側壁上に配置した図６〜図８に示した特徴形状、及び他の均等物は、局所断面流面積の５〜２０％よりも大きい（平滑表面実施形態と比較して）遮断を構成すべきではなく、好ましくは約１０%の遮断とすべきである。

開示した予混合装置では、コアンダ表面に沿って噴射した燃料は、収束−発散燃料噴射スロットジェット９０によって生成された高い乱流レベルを含み、従って、混合チャンバ内での燃料分離及び結果としての自動点火又は火炎保持の可能性を最小化及び／又は排除しながら、短い距離で酸化剤とより効率的に混合する。燃料噴射通路用の幾何学形状は、スロットジェットの出口からの燃料及び酸化剤の混合が、スロットジェット幾何学形状内で発生する流体ダイナミックスによってさらに促進されるようになっており、従って混合チャンバの噴射表面又はディフューザ壁に沿った燃料のリフトオフ又は剥離がない状態で、短い長さでの高い燃料−空気混合レベルを達成するのを助ける。開示した本発明が、予混合装置のコアンダ表面と統合することができる広範な収束−発散噴射スロットタイプを包含し、結果として、横流の形態で円形ジェットを用いる従来型の個別のジェット噴射と比較して、性能の改良をもたらすことは、当業者には分かるであろう。

開示した本発明の別の実施形態では、予混合装置７０はまた、図９に示すようにその中に複数の隣接する内部収束−発散燃料噴射スロットジェットが配置された連続燃料入口スロットを含むことができる。図９に示す収束−発散スロットの各１つはまた、まさに説明したように乱流の発生をさらに強化するような上述の側壁修正を含むことができる。複数の隣接する内部収束−発散燃料噴射スロットジェットが互いに隣接して設置されると、あらゆる２つの隣接スロットが一緒になる出口壁は、鈍頭物体後流領域を形成すべきではなく、従って剥離流、それ故火炎保持を生じる可能性がある。代わりに、この接合部は、燃料及び酸化剤が出会う前に剥離が発生することを可能にするために発散セクション内で合うようにすべきであるか、或いは接合部は、如何なる剥離領域も形成することができないような小さな半径特徴形状又は鋭いエッジを有するように形成すべきであるかのいずれかである。１つの実施形態では、鋭い接合部は、内部に、スロット出口に、又はスロット出口の後方にさえ作ることができる。

本発明の収束−発散燃料噴射スロットジェット９０は、別々の部品として形成して、予混合装置７０に組立てることができる。それに代えて、スロットジェット９０はまた、予混合装置７０の一体形部分として形成することができる。１つの具体的な実施形態では、収束−発散燃料噴射スロットジェットは、予混合装置７０の一体形部分として鋳造される。

上述の予混合装置はまた、システムの燃焼器内での反応に先だって酸素及び天然ガスを予混合するのを強化するために、気体液体化システムで使用することができる。一般的に、気体液体化システムは、空気分離ユニット、ガス処理ユニット及び燃焼器を含む。作動中に、空気分離ユニットは、空気から酸素を分離し、またガス処理ユニットは、燃焼器内での変換のための天然ガスを調製する。空気分離ユニットからの酸素及びガス処理ユニットからの天然ガスは、燃焼器に導かれ、燃焼器において、天然ガス及び酸素が、高温及び高圧で反応して合成ガスを生成する。この実施形態では、予混合装置は、燃焼器に連結されて、燃焼器内での反応に先立って酸素及び天然ガスを予混合するのを可能にする。さらに、予混合装置の少なくとも１つの表面は、所定の輪郭を有し、この所定の輪郭は、該輪郭に酸素を付着させるのを可能にするように酸素を偏向させて境界層を形成し、収束−発散スロットジェットは、混合チャンバ内での境界層流れ剥離を生じさせないで局所乱流を生成し、また境界層は、天然ガス及び酸素を高い燃料対酸素当量比（例えば、約３．５から最大約４及びそれ以上）で混合するのを可能にするように流入天然ガスを同伴して、滞留時間を最小にしながら合成ガス生産収率を最大にする。一部の実施形態では、酸素又は燃料に蒸気を加えて、プロセス効率を高めることができる。

次いで合成ガスは、急冷しかつフィッシャー・トロプシュ処理ユニットに導入し、このフィッシャー・トロプシュ処理ユニットにおいて触媒作用によって水素ガス及び一酸化炭素を長鎖液体炭化水素に再結合させる。最後に、液体炭化水素は、クラッキングユニット内において製品に分留変換される。収束−発散スロットジェットと組合せたコアンダ効果に基づいて混合チャンバ内に境界層流れ剥離を生じさせないで局所乱流を生成する予混合装置は、天然ガス及び酸素の迅速な予混合並びに気体液体化システム内での実質的に短い滞留時間を生じさせる利点がある。

以上に説明した本方法の様々な態様は、ガスタービン及び炉などの加熱装置で使用する燃焼器のような様々な用途において実用性を有する。さらに、本明細書に記載した方法は、燃焼に先立って燃料及び空気の予混合を強化し、それによって実質的にガスタービン及び電気器具ガスバーナのようなシステムのエミッションを低減しかつ効率を高める。予混合法は、それに限定されないが、天然ガス、炭化水素、一酸化炭素、水素、バイオガス及び合成ガスを含む高い及び低い容積発熱量のガス状化石燃料のような様々な燃料に使用することができる。従って、予混合装置は、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）の燃料フレキシブル燃焼器において、汚染物質の排出を低減するために使用することができる。加えて、予混合装置は、ガスレンジ電気器具で使用することができる。一部の実施形態では、予混合装置は、航空転用及び重作業機械用の航空機エンジン水素燃焼器及び他のガスタービン燃焼器で使用される。具体的には、記載した予混合装置は、低イギリス熱単位（ＢＴＵ）から高水素及び純水素ウォッベ指数までにわたる燃料タイプを使用するシステムでのエミッションの大幅な低減を可能にすることができる。さらに、予混合装置は、特に二酸化炭素フリーサイクル及び排出ガス再循環に有用なものとなる、酸素−燃料などのストリームの部分的混合を可能にするために利用することができる。

従って、上述のコアンダ効果に基づいた予混合法は、燃焼器内の予混合及び火炎安定性を高めるのを可能にする。さらに、本方法は、エミッション、特にそのような燃焼器からのＮＯｘエミッションの低減を可能にし、それによって環境に優しい状態でガスタービンを作動させるのを可能にする。一部の実施形態では、本方法は、燃焼器、より具体的には水素燃焼器における圧力低下を最小にするのを可能にする。加えて、コアンダ効果によって達成された予混合の強化により、ターンダウン（すなわち、バーナの最大燃焼能力対バーナの最小燃焼能力の比率）の強化、耐フラッシュバック性の強化及び燃焼器のフレームアウト・マージンの増大を可能にする。

これらの例示した実施形態では、燃料境界層は、コアンダ効果によって壁に沿って位置付けされて、予混合装置の出口平面を含む壁において実質的により高い燃料濃度レベルを生じる。さらに、壁におけるより高い燃料濃度の存在により、ターンダウンの利点が生じ、それによって火炎を安定させる。従って、壁に隣接して可燃性混合気が存在しないこと及び壁には１００％燃料が存在することにより、その領域内には火炎が存在しないことになり、それによって耐フラッシュバック性を高める。火炎は壁から離れた状態に保たれ、従って良好なターンダウンを可能にし、かつ約０．２もの低い当量比を有する天然ガス及び空気混合気での作動を可能にすることに注目されたい。加えて、フレームアウト・マージンは、既存のシステムと比較して著しく改善される。さらに、前に記載したように、このシステムは、様々な燃料で使用することができ、従って高い燃料フレキシビリティをもたらす。例えば、本システムは、例えば燃料として天然ガス又はＨ_２のいずれかを使用することができる。そのようなシステムの燃料フレキシビリティは、異なる燃料を必要とする異なる燃料ポートを備えたハードウェアの変更又は複雑なアーキテクチャの必要性を排除する。上述のように、記載した予混合装置は、様々な燃料で使用することができ、従ってシステムの燃料フレキシビリティをもたらす。その上、上述の方法は、既存のカン型又はカン−アニュラ型燃焼器で使用して、エミッション並びに該燃焼器内のあらゆるダイナミック振動及び変調を低減することができる。さらに、この例示した装置は、既存の燃焼器内のパイロットとして使用することができる。

燃焼システム内で燃料及び酸化剤を予混合する方法もまた、開示した本発明の実施形態の範囲内であり、そのような方法は、酸化剤入口を通して予混合装置内に酸化剤を取り込む段階と、収束−発散燃料噴射スロットジェットを通して予混合装置内に燃料を噴射する段階と、予混合装置の内壁に沿って燃料境界層を形成するように、該予混合装置内の所定の壁輪郭に向けて噴射燃料を偏向させる段階と、燃料及び酸化剤を予混合して燃料−空気混合気を形成する段階とを含み、予混合する段階は、収束−発散燃料噴射スロットジェットの発散部分内で燃料を過膨張させて該発散部分内に流れ剥離領域を形成し、該流れ剥離領域を発散部分の範囲内に限定しかつ該流れ剥離領域により、混合チャンバ内に境界層流れ剥離及び火炎保持を引き起こさずに、収束−発散燃料噴射スロットジェットの出口において混合乱流を発生して境界層からの燃料の酸化剤との混合を空気力学的に強化するように構成する段階を含む。

上記の説明に関して、サイズ、形態機能並びに作動、組立及び用途の状態における変更を含む本発明の部品についての最適な寸法関係は、当業者には容易に明らかかつ自明であると考えられ、従って、図面に示しかつ明細書に説明したものと均等な全ての関係は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ包含されることになるように意図していることを理解されたい。加えて、本発明は、現在実用的でありかつ本発明の幾つかの例示的な実施形態であると考えられるものに関して具体的にかつ詳細に図面に示しかつ上記に十分に説明してきたが、本明細書に記載した原理及び概念から逸脱せずにそれら実施形態の多くの変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の適切な技術的範囲は、全てのそのような変更及び均等物を包含するように特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ決定されるべきである。

本技術の態様による、予混合装置を備えた燃焼器を有するガスタービンの概略図。本技術の態様による、図１のガスタービン内で使用するカン型燃焼器の例示的な構成の概略図。本技術の態様による、図１のガスタービン内で使用するアニュラ型燃焼器の別の例示的な構成の概略図。本技術の態様による収束−発散スロットジェットを備えた、図１の燃焼器で使用する予混合装置の例示的な構成の断面図。図４の収束−発散スロットジェットの斜視図。ジェットの発散部分内に粗い壁を備えた別の収束−発散スロットジェットの平面図。ジェットの発散部分内にギザギザの壁を備えたさらに別の収束−発散スロットジェットの平面図。ジェットの発散部分内に階段状の壁を備えたさらに別の収束−発散スロットジェットの平面図。本技術の態様による、複数の隣接する収束−発散スロットジェットの平面図。

符号の説明

１０ガスタービン
１２燃焼器
１４圧縮機
１６タービン
１８シャフト
２０ハウジング
２２燃焼器の例示的な構成
２４燃焼器ケーシング
２６燃焼器ライナ
２８ドームプレート
３０熱シールド
３２予混合装置
３４空気流
３６火炎
３８冷却孔
４０燃焼器
４２内側ケーシング
４４外側ケーシング
４６燃焼器ライナ
４８燃焼器ライナ
５０ドームプレート
５２熱シールド
５４熱シールド
５６ディフューザセクション
５８空気流
６０予混合装置
６２燃料パイプ
６４燃料パイプ
６６火炎
７０予混合装置
７２空気入口
７４混合チャンバ
７６燃料プレナム
７８スロット
８０壁輪郭
８２燃料流
８４ディフューザ
８６出口
９０収束−発散燃料噴射スロットジェット
９２燃料入口
９４燃料出口
９６上壁
９８底壁
１００側壁
１０１流れ方向
１０２スロットジェットの高さ
１０４スロットジェットの長さ
１０６収束部分
１０８スロート
１１０発散部分
１１２剥離領域

Claims

予混合装置（７０）であって、
空気入口（７２）と、
該予混合装置の内壁の一部分に沿って燃料境界層を形成するように構成された壁輪郭（８０）を含む複数の燃料入口スロット（７８）であって、前記予混合装置（７０）の周辺部の周りに配置され、前記空気入口の端部部分と流れ連通状態になった複数の燃料入口スロット（７８）と、
前記空気入口及び複数の燃料入口スロットの下流に配置され、そこで該空気入口からの加圧空気が前記境界層からの燃料と混合される混合チャンバ（７４）と、
その一部分内に流れ剥離領域（１１２）を形成するように構成され、各前記複数の燃料入口スロット内に配置された少なくとも１つの収束−発散燃料噴射スロットジェット（９０）と、を含み、
前記流れ剥離領域が、前記少なくとも１つの収束−発散燃料噴射スロットジェットの発散部分（１１０）の範囲内に限定され、且つ、前記混合チャンバ内に境界層流れ剥離及び火炎保持を引き起こさずに、前記少なくとも１つの収束−発散燃料噴射スロットジェットの出口（９４）において混合乱流を発生して前記境界層からの燃料の前記加圧空気との混合を空気力学的に強化するように構成されている、
予混合装置（７０）。
前記壁輪郭が、前記複数の燃料入口スロットを通して供給された燃料をコアンダ効果によって該壁輪郭に向けて偏向させるように構成され、
前記少なくとも１つの収束−発散燃料噴射スロットジェットが、入口（９２）、スロート（１０８）、上壁（９６）、底壁（９８）及び側壁（１００）を含み、
前記側壁が、前記入口から前記スロートまでの収束部分（１０６）と前記スロートから下流方向に前記出口まで延びる発散部分（１１０）とを形成するような側方形状にされ、
前記発散部分の発散角度が、２０°である、
請求項１記載の予混合装置。
前記少なくとも１つの収束−発散燃料噴射スロットジェットの底壁が、前記加圧空気流と接線方向に燃料を噴射するのを可能にするように、前記壁輪郭との間で連続面を形成する、請求項２記載の予混合装置。
前記側壁の発散部分が、粗い壁、ギザギザの壁、階段状の壁及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項２記載の予混合装置。
請求項１〜請求項４のいずれか１項による予混合装置を含み、
カン型燃焼器又はカン−アニュラ型燃焼器又はアニュラ型燃焼器を含み、
燃料が、天然ガス又は高水素ガス又は水素又はバイオガス又は一酸化炭素又は合成ガスを含む、
ガスタービン燃焼器。
燃焼システム内で燃料及び酸化剤を予混合する方法であって、
酸化剤入口を通して予混合装置内に前記酸化剤を取り込む段階と、
前記予混合装置（７０）の周辺部の周りに配置され、各々が少なくとも１つの収束−発散燃料噴射スロットジェットを備える複数の燃料入口スロット（７８）を通して前記予混合装置内に燃料を噴射する段階と、
前記予混合装置の内壁に沿って燃料境界層を形成するように、該予混合装置内の壁輪郭に向けて前記噴射燃料を偏向させる段階と、
前記燃料及び酸化剤を予混合して燃料−空気混合気を形成する段階と、を含み、
前記予混合する段階が、前記少なくとも１つの発散燃料噴射スロットジェットの発散部分内で燃料を過膨張させて該発散部分内に流れ剥離領域を形成し、前記流れ剥離領域により、前記混合チャンバ内に境界層流れ剥離及び火炎保持を引き起こさずに、前記少なくとも１つの収束−発散燃料噴射スロットジェットの出口において混合乱流を発生して前記境界層からの燃料の前記酸化剤との混合を空気力学的に強化するように構成する段階を含む、
方法。
前記偏向させる段階が、前記壁輪郭によってコアンダ効果を生じさせる段階をさらに含み、
前記壁輪郭が、前記複数の燃料入口スロットを通して供給された燃料をコアンダ効果によって該壁輪郭に向けて偏向させるように構成され、前記少なくとも１つの収束−発散燃料噴射スロットジェットが、入口（９２）、スロート（１０８）、上壁（９６）、底壁（９８）及び側壁（１００）を含み、前記側壁が、前記入口から前記スロートまでの収束部分（１０６）と前記スロートから下流方向に前記出口まで延びる発散部分（１１０）とを形成するような側方形状にされ、発散角度が、２０°である前記発散部分により、前記境界層からの燃料の前記酸化剤との混合を空気力学的に強化するように構成する段階を達成する
ことを特徴とする請求項６記載の方法。
圧縮器と、
その上流に配置された請求項１〜請求項４のいずれか１項による予混合装置を含み、前記圧縮器と流れ連通状態になっており、予混合した燃料及び空気の混合気を燃焼するように構成された燃焼器と、
前記燃焼器の下流に設置され、該燃焼器から流出するガスストリームを膨張させるように構成されたタービンと、
を含むガスタービン。
空気から酸素を分離するように構成された空気分離ユニットと、
天然ガスを調製するようになったガス処理ユニットと、
高温及び高圧で前記酸素を前記天然ガスと反応させて一酸化炭素及び水素ガスの豊富な合成ガスを生成するようになった燃焼器と、
前記燃焼器の上流に配置されて該燃焼器内での反応に先立って前記酸素及び天然ガスの予混合を可能にするようになった請求項１〜請求項４のいずれか１項による予混合装置と、
前記燃焼器と流れ連通状態になっており、前記合成ガスから仕事を取り出しかつ該合成ガスを急冷するようになったターボ膨張器と、
を含む気体液体化システム。