JP4851674B2 - エネルギーシステムと併用する環状燃焼器 - Google Patents
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Description
本発明は燃焼器に関し、より詳細には、エネルギーシステムと併用する環状燃焼器に関する。
【0002】
本出願は、2000年5月1日付で出願された米国仮出願第60/200,946号の特典を請求する。
【0003】
燃焼器は、概念的にはその名の通りの装置である。いずれも、燃料と空気等の酸化剤とが内部で化合して燃焼し、高温燃焼ガスを生成するチャンバを備えている。しかし、効率的な燃焼器を設計することは、実際上は複雑な作業である。燃料から手に入れることのできる最大エネルギーを引き出して、しかも排出物を最少レベルに低減させるために、燃焼器は、燃料の完全燃焼が行える環境を提供しなければならない。方策を講じて、燃料と酸化剤を完全に混合するようにしなければならない。燃焼器内で燃焼させる燃料が、プロパンガスや天然ガス等のガスではなく、ディーゼル燃料等の液体である場合、燃焼器は、燃焼が起きる前にその液体を霧化して気化させる何らかの手段も備えていなければならない。燃焼器は、燃料と酸化剤の混合物を点火する何らかの手段、並びに点火後の火炎を安定して維持する何らかの手段も含んでいなければならない。エネルギーシステムと併用する環状燃焼器は、例えば、ここで引用して組み込んだPCT出願PCT/US97/22007の開示で周知である。
【0004】
本発明の目的は、低レベルのNOX、CO、および未燃焼炭化水素の各排出物とともに、効率的な燃料使用を結果としてもたらす環状燃焼器を提供することである。
【0005】
環状燃焼器は、内表面と外表面を有する環状インナーシェル、内表面と外表面を有する同軸の環状アウターシェル、およびインナーシェルとアウターシェルを接続するドーム端壁とを備える。インナーシェル、アウターシェルおよびドーム端壁は、アウターシェルの内表面とインナーシェルの外表面との間に、チャンバ幅を持つ環状燃焼チャンバを画成し、ここで、チャンバは長手方向軸に沿って延在し、ドーム端壁の反対側に出口端を有する。ダムが、ドーム端壁と出口端との間に配置されて、インナーシェルとアウターシェルの少なくとも一方から半径方向に延在する。このダムは、燃焼チャンバ内に流路面積減少通路と、燃焼プロセスへ二次空気を供給するチャネルとを画成する。
【0006】
更に、環状燃焼器は、内表面と外表面を有する環状インナーシェル、内表面と外表面を有する同軸の環状アウターシェル、およびインナーシェルとアウターシェルを接続するドーム端壁とを備え、ここで、インナーシェル、アウターシェルおよびドーム端壁は、アウターシェルの内表面とインナーシェルの外表面との間に、チャンバ幅を持つ環状燃焼チャンバを画成し、チャンバは長手方向軸に沿って延在し、ドーム端壁の反対側に出口端を有する。このダムは、ドーム端壁と出口端との間に配置されて、インナーシェルとアウターシェルの少なくとも一方から半径方向に延在し、ここで、ダムは燃焼チャンバ内に流路面積減少通路を画成する。燃焼チャンバは、ドーム端壁と燃焼器のダムとの間にある燃焼チャンバ領域によって画成される1次ゾーン、ダムに隣接する燃焼チャンバ領域によって画成される2次ゾーン、およびダムと出口端の間の燃焼チャンバ領域によって画成される希釈ゾーンを有する。燃焼器は更に、燃料と、空気または酸素とを1次ゾーンに供給する手段、1次ゾーン内に備えられた、点火を行う手段、2次ゾーン内に画成された空気、または酸素の複数通路、および希釈ゾーン内に備えられた、空気または酸素の複数通路を含む。
【0007】
図1は、コンプレッサ/タービン編成100へ接続された、本発明による環状燃焼チャンバ10を示す。コンプレッサ/タービン編成100は、コンプレッサーブレード102、ディフューザ103、タービンブレードノズルベーン104、および長手方向軸Xの周りを回転するロータリ駆動シャフト(不図示)の周りに配置されたタービンブレード105を含む。更に図2に示す燃焼器10は、内表面(inner surface)17と外表面(outer surface)19とを有する環状インナーシェル15を備える。燃焼器10は、更に、内表面(inner surface)22と外表面(outer surface)24とを有する同軸の環状アウターシェル20を有する。ドーム端壁30はインナーシェル15とアウターシェル20を接続するが、ここで、インナーシェル15、アウターシェル20およびドーム端壁30は、インナーシェル15の外表面19とアウターシェル20の内表面22との間にチャンバ幅Wを有する環状燃焼チャンバ35を画成する。チャンバ35は、長手方向軸Xに沿って延在し、ドーム端壁30の反対側に出口端40を有する。ダム45は、ドーム端壁30と出口端40との間に配置され、インナーシェル15から半径方向外側に向けて延在し、燃焼チャンバ35内に流路面積減少通路50を画成する。
【0008】
言うまでもないが、更に説明を加えると、ダム45は、図1と2で示すように、インナーシェル15から半径方向外側に向けて延在してもよいし、あるいは、代替としてアウターシェル20から半径方向内側に向けて延在してもよく、さもなければ、別の代替として、インナーシェル15から半径方向外側に向けて、かつアウターシェル20から半径方向内側に向けて延在してもよい。
【0009】
図1に戻って、コンプレッサ/タービン編成100内には、環状ハウジング壁108が備えられて、コンプレッサーブレード102に隣接して配置された吸気通路110を画成する。内側ハウジング壁114は、燃焼器10の出口端40に隣接して位置決めされて、燃焼チャンバ35を囲んでいる。燃焼チャンバ35、空気路118、およびタービンブレード105は、相互に流体連通状態にある。環状冷却領域119は、前部ハウジング壁114の末端120と、燃焼器10のアウターシェル20とによって画成される。環状冷却領域119は、タービンノズルベーン104とタービンブレード105に向かう、より多くの希釈空気を考慮している。
【0010】
吸気通路110に入った空気は、通路118を通って燃焼器10の外面(exterior surface)に沿って送られて、多数の通路125、128、130、および燃焼器の壁を貫通して延在する開口80を通って、燃焼チャンバ35へ導入され、さらに、通路118の端部120のところで燃焼チャンバ35へ導入される。複数の燃料/空気混合管132が、燃焼器10の壁を貫通して延在し、チャンバ35の1次ゾーン55への燃料供給に供する。燃料/空気混合管132は管形状を成し、液体燃料または気体燃料と、圧縮した空気または酸素を、燃焼器10の1次ゾーン55へ角度を成して向ける。点火器140は、燃焼器10を貫通して燃焼チャンバ35まで通っている。ここで、点火器140は、燃焼が自己持続着火状態になるまでは、チャンバ55内の空気/燃料混合物に点火できる。
【0011】
図1と図2に着目すると、燃焼チャンバ35は、1次ゾーン55、2次ゾーン65、および希釈ゾーン75を備える。1次ゾーン55は、チャンバ35内の、ドーム端壁30とダム45の間にある領域である。2次ゾーン65は、チャンバ35内の、通常、ダム45周辺にある領域である。希釈ゾーン75は、チャンバ35内の、ダム45と出口端部40の間にある領域である。
【0012】
先に検討したように、図2に示すダム45は、インナーシェル15から外方に向けて延在する。図6に概略で示すように、アウターシェル20から半径方向内側に向けて延在して通路150を画成する第2のダム145によってダム45を補間することも全く可能である。図7に示す代替では、燃焼器10内の単一のダムを、アウターシェル20から半径方向内側に向けて延在するダム145とするようにして、ダム45を完全になくすことも可能である。
【0013】
図1に戻って、ダム45を、全く別の2つの部品から構成してもよく、そこでは、第1部品46は、出口側47からダム45の周囲端48まで延在し、第2部品49に隣接して位置決めされる。ダム部品46、49は、相互に溶接しても、または共通アンカープレートによって相互を堅固に保持してもよい。
【0014】
図2に戻り、更に図3に着目すると、ダム45は、ダムを貫通して延在する複数の開口80を有し、インナーシェル15の内表面17とインナーシェル15の外表面19との間の流体連通を可能にしている。開口80は、ダム45を貫通して半径方向に延在してよい。
【0015】
図4に示すように、開口80が燃焼器10の出口端40に向けて延在することができるように、ダム45は、長手方向軸Xに対し角度を成す周面(circumferential faces)82を有する。これらの周面82は、長手方向軸Xに対して0から80度の間の角度Aを持ち、それにより、流体を開口80から燃焼器10の出口端40へ向ける。
【0016】
図3に示すように、互いに間隔をおいて半径方向に延在する開口80は、ダム45の前側85に断続するパターンを備えてもよい。先に述べたように、ダム45は、図6に示す第2のダム145で補間してもよい。このような場合、単独のダム45とともに検討したときと同じ特徴(features)を実施してもよい。その代替では、先に述べたように、ダム45をなくして、単独で残るダムをダム145とし、この場合も、類似する特徴(features)を単独ダム145に適用してよい。
【0017】
ダム45とダム145は、チャンバ幅Wの半分未満の距離だけ、それぞれのインナーシェル15またはアウターシェル20から半径方向に延在してもよい。好ましくは、ダムは、チャンバ幅Wの略3分の1の距離だけ延在する。インナーシェル15とアウターシェル20の各々から一つのダムが延在する場合、言うまでもなく、各々のダムは、チャンバ幅Wの略3分の1距離だけ半径方向に延在してもよい。
【0018】
図1と図2に示すように、インナーシェル15と、そこから延在するダム45とが、一体部品であってもよい。実際上、インナーシェル15は、ダム45の形状を組み込んで成形されるので、結果的に、ダムは本質的に中空であり、開口は、ダム45の周面82だけに存在することになる。
【0019】
図8は、ダム45の別の実施の形態を示す。ダム45を通過する流体が燃焼器10の出口端40に向けて偏向するように、偏向板155はダム45の周端48に沿って配置される。このような場合、開口80は、出口端40に面するダム45の壁内にある。偏向板は、1次燃料/空気混合気と混合する2次空気が、出口端40に向く方向へ円滑によどみなく流れるのを確保することにより、2次空気が1次ゾーンへ導入されないようにし、その上、直流する2次空気の貫流を衝撃冷却方式で(in an impinging cooling scheme)受け入る面を備える。
【0020】
円周方向に間隔をあけたスロット部145が、出口壁を受けるアウターシェルの出口端40の周りに設けられて、燃焼生成物を燃焼器から離れるように、例えば、タービンブレードへ向ける。
【0021】
運転においては、圧縮空気または圧縮酸素が、例えば320KPa(45psi)gでコンプレッサを介して供給されて燃焼器10の外面を囲む。燃料は、燃料噴射装置135によって、角度がついた燃料/空気予混合管132(図5)の対応する内面に向けられる。圧縮空気および/または酸素も、角度がついた燃料/空気予混合管132へ流入し、リッチな燃料空気混合気(fuel to air mixture)を形成する。角度がついた管132は周方向の渦巻き動作(swirling action)を生起する。燃料/空気混合気は管132を出て、角度Bを成して第1部分へ入る(図3)。好ましくは、角度Bは、燃料/空気または酸素混合物がシェルの内面に対して、真直に、または接線方向に向けるほどの大きさではない。好ましくは、リッチな混合物を生成するのに十分な空気または酸素を供給するだけでよい。次に、このリッチな燃料混合気は、点火器140により点火される。燃焼の発生とともに、不完全燃焼(partial combustion)を通じて燃焼生成物(products of combustion)(POC)が形成される。このPOCおよび他の物質は、次いで、この2次ゾーン65内のダム45に向けて流れる。追加の圧縮空気および/または酸素は、通路128を通って半径方向に向けられて、希薄混合気を結果として生ずる。更に、燃焼チャンバ45の流路面積が2次ゾーン65内で減少するので、混合気の速度は、1次ゾーン55内での速度を超えて増加する。2次ゾーン65で得られる混合気は希薄混合気である。追加燃焼が起きると、混合気とPOCは希釈ゾーン75へ向けて進む。希釈空気は通路125、130のところで希釈ゾーンへ添加されて、必要なタービン入口温度、および所望の低火炎パターンファクタを提供する。続いてPOCは希釈ゾーン75を出て、タービンノズルベーン104を経てタービンブレード105へ向けられる。
【0022】
本発明およびその意図する利点の多くは、以上の説明で理解され、そして発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、または全ての材質上の利点を犠牲にすることなく、形状構造およびその部品編成において様々な変更が可能であり、ここに記載の形態は、単に好ましい実施の形態または説明用の実施の形態であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に従って製作された燃焼器を含むコンプレッサ/タービンの側断面図である。
【図2】 本発明による燃焼器の透視図である。
【図3】 本発明による燃焼器の端面図である。
【図4】 図2に示す燃焼器の側面図であり;
【図5】 図3に示す丸囲い部の拡大詳細図である。
【図6】 図1の燃焼器の代替の実施の形態の側面図である。
【図7】 図1の燃焼器の別の代替の実施の形態の側面図である。
【図8】 図1に示すダムの代替の実施の形態の側面図である。
Claims (2)
- 環状燃焼器であって、
a)内表面と外表面を有する環状インナーシェルと、
b)内表面と外表面を有する同軸の環状アウターシェルと、
c)前記インナーシェルと前記アウターシェルを接続するドーム端壁とを備え、
前記インナーシェル、前記アウターシェルおよび前記ドーム端壁が、前記アウターシェルの前記内表面と前記インナーシェルの前記外表面との間に、チャンバ幅を有する環状燃焼チャンバを形成し、前記チャンバは長手方向軸に沿って延在して前記ドーム端壁の反対側に出口端を有し、
d)前記ドーム端壁と前記出口端の間に位置決めされて、前記インナーシェルと前記アウターシェルからそれぞれ半径方向に延在する第1のダムと第2のダムとを備え、
前記ダムは前記燃焼チャンバ内に流路面積減少通路を形成し、
前記ダムは、前記ダムが前記インナーシェルと前記アウターシェルの少なくとも一方に垂直であり、よって前記ダムと前記ドーム端壁の間にある1次燃焼ゾーンと、前記ダムの周辺にある2次燃焼ゾーンと、前記2次燃焼ゾーンと前記燃焼チャンバの出口端との間にある希釈ゾーンを形成し、
前記ダムは、前記ダムを貫通して延在する複数の開口を有し、
前記第1のダムが前記インナーシェルから半径方向外側に向けて突出し、前記第2のダムが前記アウターシェルから半径方向内側に向けて突出し、
前記第1のダムと前記第2のダムが互いに同一平面上にある、
環状燃焼器。 - 前記環状燃焼器の壁を貫通して延在し前記1次燃焼ゾーンに燃料を供給する管に、燃料を噴射する燃料噴射装置を備える、
請求項1に記載の環状燃焼器。
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