JP5134318B2

JP5134318B2 - 燃焼器内の空気燃料混合気の均質性を改良するための混合孔配列及び方法

Info

Publication number: JP5134318B2
Application number: JP2007231052A
Authority: JP
Inventors: プレッッドラッグ・ポポヴィック; デリック・ウォルター・サイモンズ; クリシュナ・クマール・ヴェンカタラマン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: RU2007133924A; CN101144620A; CN101144620B; CH703599B1; RU2449219C2; US20080060358A1; DE102007045053A1; KR20080024079A; JP2008101898A; KR101468214B1; DE102007045053B4; US7887322B2

Description

本開示事項は、全体的に燃焼器内の空気燃料混合気の均質性を改良するための混合孔の配列及び方法に関し、より詳細には、混合域への流体流れを妨げることにより、燃焼器内の空気燃料混合気の均質性を改良するための混合孔の配列及び方法に関する。

ガスタービンは、空気を加圧するための圧縮器、該圧縮器によって生成される加圧空気の存在下で燃料を燃焼することによって高温ガスを生成する燃焼器、及び燃焼器によって生成した膨張高温ガスから仕事を引き出すタービンを含む。ガスタービンは、望ましくない窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を排出することが知られている。既存のドライ式低ＮＯｘ燃焼器（ＤＬＮ燃焼器）は、ＮＯｘ、一酸化炭素、及び他の汚染物質の生成を最小にする。これらのＤＬＮ燃焼器は、火炎ゾーン空気の一部分が低負荷で燃料と混合可能にすることによって、不安定な火炎の存在及び火炎の失火の可能性を回避しながら、燃料希薄混合気に対応する。しかしながら、ＮＯｘエミッション要件がより厳しくなっており、従って、当該技術分野では低ＮＯｘエミッション燃焼器の必要性がある。
米国特許第６，０３８，８６１号公報

燃焼器内の空気燃料混合気の均質性を改良するための混合孔配列が開示され、該混合孔配列がライナーによって定められた複数の混合孔を含み、該複数の混合孔の少なくとも１つは、燃焼器のヘッド側に位置する一次混合域への流体流の進入を妨げるような大きさにされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

また、燃焼器内の空気燃料混合気の均質性を改良するための方法が開示され、本方法は、燃焼器の燃料流及び一次混合域の少なくとも１つへの流体流の進入を妨げる段階を含む。

燃焼器内の空気燃料混合気の均質性を改良するための方法が更に開示され、本方法は、複数の混合孔の少なくとも１つから燃焼器のヘッド側の燃料流及び一次混合域への流体流の進入を妨げる段階を含み、該複数の混合孔は、燃焼器内に含まれるライナーによって定められ、妨げる段階は、所定の孔直径を含むように複数の混合孔をサイジングし、所定の位置及び所定の数の少なくとも１つでライナーに沿って複数の混合孔を配置することによって実施される。

本発明の上述及び他の特徴並びに利点は、幾つかの図において同じ要素に同じ番号が付けられている添付図面を参照しながら例示的な実施形態の以下の詳細な説明からより完全に理解されるはずである。

図１及び図２を参照すると、ドライ式低ＮＯｘ燃焼器１４のヘッド側１３を含むライナー１２（図２に部分的に示すが、図１に示すフロースリーブ１６はない）が図示されている。燃焼器１４は、一次ノズルエンド１５及びベンチュリスロート１７を含み、その間にヘッド側１３が配置される。燃焼器１４のヘッド側１３に含まれるライナー１２は、ライナー１２の周りに円周方向に配置された複数の混合孔１８を定める。穴間隔は、燃焼器１４の長手方向中心軸１９に対する角度（すなわち２つの穴１８の間の２４度）で測定される。穴１８は、フロースリーブ１６を貫流する空気が、長手方向中心軸１９が伸びる一次混合域２０に進入することを可能にする。一次混合域２０に入ると、空気は燃料と混合して、燃焼を促進する。図２に示すように、一次混合域２０は、燃焼器１４内で、ライナー１２と中心本体管２２との間で半径方向に且つ一次ノズルエンド１５とベンチュリスロート１７との間で軸方向に配置される。

上述のライナー１２は、様々な量のパワーを生成する燃焼器内で見ることができる。図３を参照すると、３５メガワット燃焼タービンの燃焼器１４用のライナー１２が示され（図では平坦であるが、本出願において混合孔１８は、円筒型構造状態にあるライナー１２の周囲に半径方向に配置される）、一次混合域２０への空気流を可能にするような大きさにされ位置付けられた混合孔１８の配列２６を含む。これらの混合孔１８は、１０の混合孔１８各々について２つの行（第１の行２８ａ及び第２の行２８ｂ）で配置される。第１の行２８ａは、図１に示す一次ノズルエンド１５から典型的には４．９インチに配置され、直径０．７７インチで、円筒型ライナー１２の周りに互いに２４度及び４８度の距離で交互に位置決めされた（すなわち混合孔１８は、ライナー１２の周りに互いから２４−４８−２４−４８度のパターンで位置決めされる）混合孔１８を含む。第２の行２８ｂは、一次ノズルエンド１５から６．１５インチに配置され、直径１．０４インチで、ライナー１２の周りに互いに３６度の距離で位置決めされた混合孔１８を含む。２つのクロスファイア管２９ａ−ｂはまた、第１の行２８ａと一次ノズルエンド１５との間に示されている。

図４を参照すると、８０メガワット燃焼タービンの燃焼器１４用のライナー１２が示され（図では平坦であるが、本出願において混合孔１８は、円筒型構造状態にあるライナー１２の周囲に円周方向に配置される）、一次混合域２０への空気流を可能にするような大きさにされ位置付けられた混合孔１８の配列３２を含む。これらの混合孔１８は、１２（３４ａ）及び６（３４ｂ）つの混合孔１８それぞれについて２つの行（第１の行３４ａ及び第２の行３４ｂ）で配置される。第１の行３４ａは、図１に示す一次ノズルエンド１５から６．３９インチに配置され、直径１．１２５インチであり、円筒型ライナー１２の周りに互いに２０度及び４０度の距離で交互に位置付けされる（すなわち混合孔１８は、ライナー１２の周りに互いに２０−４０−２０−４０度のパターンで位置付けされる）混合孔１８を含む。第２の行３４ｂは、一次ノズルエンド１５から７．６４インチに配置され、同様に直径１．１２５インチである混合孔１８を含む。しかしながら、第２の行３４ｂの混合孔１８は、ライナー１２の周りに互いに６０度の距離で一貫して位置付けされる。上述のような２つのクロスファイア管２９ａ−ｂは、第１の行３４ａの左に付加的に示されている。

配列２６及び３２のような混合孔１８配列は、図５に示すように典型的にはフロースリーブ１６から混合孔１８を通って一次混合域２０に半径方向に流れる流体流２４（空気であってもよい）を生じることになる。流体流２４は、混合域２０に導入された燃料流３０の方向にほぼ直角な一次混合域２０に入る。流体流２４の速度のために、この流れ２４は、中心本体管２２に衝突するのに十分な深さまで燃料流３０を進入させる。中央本体２２に対する流体流２４の衝突に起因して、この流体流２４は、中心本体管２２から「飛散し」、結果として図６に示すようなポケット状の不均質な空気燃料混合気３８を生じる。図６では、より濃い領域は、飛散流体流２４によって中心本体管２２から押しのけられた燃料のポケット４０ａ−ｂを表す。

ここで図７を参照すると、不均質が少ない空気燃料混合気４２が示される。図７では、燃料ポケッティングは、図６の燃料ポケッティングと比較して小さくなっている。この不均質の少ない混合気４２は、図１及び２に部分的に示したような、ドライ式低ＮＯｘ燃焼器などの燃焼器内のＮＯｘエミッションの改良を達成する。この均質性は、図８に示すように燃焼器運転中に一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げることによって達成することができる。図８では、燃料流３０への流体流２４の進入は、中心本体管２２からの流体流２４の飛散を減少させる、図５の混合（孔配列２６及び３２から生じる）と比較して低減（妨げられ）される。一次混合域３０への流体流２４の進入は、ライナー１２と中央本体２２との間の距離の百分率として表すことができる。１００％を超えるものはいずれも、流体流が例えば１２５％よりもはるかに強力な飛散を表す２００％で中央本体から飛散する状態となるであろう。進入は、クロスフローへのジェット（流体流２４）進入の標準相関を用いて計算される。すなわち、
標準相関Ｙ_ｍａｘ／Ｄ_ｊ＝√（ジェットの運動量／クロスフローの運動量）＊Ｃ_１
（式中、Ｙ_ｍａｘ＝最大ジェット進入、Ｄ_ｊ＝ジェット直径、ジェットの運動量＝０．５＊ρ_ｊ＊Ｖ_ｊ ^２、クロスフローの運動量＝０．５＊ρ_ｃｆ＊Ｖ_ｃｆ ^２、これらの計算ではＣ_１＝１．１５、ρ_ｊ＝ジェット流体の密度、ρ_ｃｆ＝クロスフロー流体の密度、Ｖ_ｊ＝ジェット速度、及びＶ_ｃｆ＝クロスフロー速度）。

一次混合域２０に約１９５％又はそれ以上進入する流体流２４は、望ましくない高エミッションを生成する不均質な空気燃料混合気を生じる可能性がある。図８では、流体流２４は、一次混合域２０に約１６５％以下で進入し、約１００％から１６５％までの例示的な範囲を有する。この例示的範囲は、エミッション低減と安定性維持との間の均衡を最適化する。

図９を参照すると、図７に示す不均質の少ない空気燃料混合気４２の改良を可能にする混合孔配列１００の例示的な実施形態が示されている。この配列１００は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げ、均質な混合気２４を可能にする。図８に示すように、この配列１００を介した流体流２４の阻止により、流体流２４を上述のように約１５０％から１６５％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１６５％以下で進入させるようにする。配列１００は、ヘッド側１０６のライナー１０４によって定められた複数の混合孔１０２を含む（図では平坦であるが、本出願では混合孔１０２は、構造上円筒型であるライナー１０４の周りに半径方向に配置される）。この複数の混合孔１０２の少なくとも１つは、図８に示す一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

この実施形態の燃焼器１４は、３５メガワット種類のタービン用とすることができるドライ式低ＮＯｘ燃焼器である（図１に示されたものと同様）。混合孔１０２は、第１の行１１０ａ、第２の行１１０ｂ、及び第３の行１１０ｃとして図示した３つの行で配列される。３つの行の少なくとも１つにおける混合孔１０２は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けられる。例示的な実施形態では、第１の行１１０ａ内の混合孔１０２は、一次ノズルエンド１５（図１に示した）から３．６５インチの距離で、ライナー１０４の周りの各混合孔１０２間に２４及び３６度の交互する距離を含むように位置付けされる（すなわち混合孔１０２は、ライナー１０４の周りで２４度、６０度、８４度、１２０度、及びその他である）。これらの混合孔１０２はまた、０．５９インチの直径１１２ａを有する。第２の行１１０ｂ内の混合孔１０２（例示的な実施形態における）は、一次ノズルエンド１５から４．９インチの距離で、ライナー１０４の周りに１２、６０、９０、１２６、１６８、１９２、２３４、２７０、３１２、及び３４８度で１０２に位置付けされる。これらの混合孔１０２は、０．７１インチの直径１１２ｂを有する。第３の行１１０ｃ内の混合孔１０２（同様に例示的な実施形態における）は、一次ノズルエンド１５から６．１５インチの距離で、ライナー１０４の周りに互いから３６度で位置付けされる。これらの混合孔１０２は、０．９８インチの直径１１２ｃを有する。

３つの行、混合孔１０２の直径１１２ａ−ｃの全体的な縮小、及び混合孔１０２の位置付けは、図８に示すように流体流２４の進入を妨げることができる配列１００の全ての要素であり、結果として図７に示す不均質の少ない混合気４２を生じる。これらの３つの行１１０ａ−ｃは各々、同じ数の混合孔１０２（１０）を含むが、各個々の行は、これよりも多少の混合孔１０２を含むことができる点を理解すべきである。配列１００は、均質性を高めることを意図しているが、流体及び燃料混合気の均質性を最大にすることを意図する訳ではない点を同様に理解されたい。過度に均質である混合気は、ＮＯｘエミッションの減少と共に安定性を低下させることになる。配列１００は、エミッションと安定性との間の均衡を維持しながらエミッションを減少させる。この均衡をとること（すなわち混合気を過度に均質にすること）は、複数の混合孔１０２の一部だけが一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにして位置付けることができた理由の１つである。

図１０を参照すると、図７に示す不均質が少ない空気燃料混合気４２の改良を可能にする混合孔配列２００の例示的な実施形態が示される。図１０は、図９のライナー１０４のようなライナー内の混合孔配列２００の位置付けを表す表２０１を示している。この配列２００は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げ、均質な混合気４２を可能にする。配列２００は、適切な行及び列で配置した一定量の直径により表２０１に表した複数の混合孔を含む。配列２００のこの複数の混合孔の少なくとも１つは、図８に示す一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

この実施形態の燃焼器１４は、３５メガワットタービン用とすることができるドライ式低ＮＯｘ燃焼器である（図１に示されたものと同様）。配列２００の混合孔は、第１の列、第２の列、及び第３の列として表２０１に示した３つの行で配列される。３つの行の少なくとも１つ内の混合孔は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けられる。この実施形態では、混合孔直径は、図９に示すように増大するのとは対照的に、行が一次ノズルエンド１５（図１）から離れるにつれて縮小する。第３の行（表２０１の第３の列で表した）に配置される配列２００の混合孔は、一次ノズルエンド１５（図１に示される）から６．１５インチの距離で、円形ライナーの周りの各混合孔の間に２４、３６、及び４８度の交互する距離を含むように位置付けされる（すなわち混合孔１０２は、ライナー１０４の周りで２４度、４８度、８４度、１３２度、１５６度及びその他である）。これらの混合孔はまた、０．５９インチの直径を有する。第２の行内の配列２００の混合孔（表２０１の第２の列で表した）は、一次ノズルエンド１５から４．９インチの距離で、ライナーの周りに１２、６０、９０、１２６、１６８、１９２、２３４、２７０、３１２、及び３４８度で位置付けされる。これらの混合孔は、０．７１インチの直径を有する。第１の行内の配列２００の混合孔（表２０１の第３の列で表した）は、一次ノズルエンド１５から３．６５インチの距離で（図１に示されたものと同様）、ライナーの周りに互いから３６度で位置付けされる。これらの混合孔は、０．９８インチの直径を有する。

３つの行、混合孔の直径の全体的な縮小、及び混合孔の位置付けは、一次混合域２０の種々のレベルまで流体流２４の進入を妨げることができる配列２００の全ての要素であり、結果として図７に示す不均質の少ない混合気４２を生じる。この配列２００を介した流体流２４の阻止により、流れが第１の行か第２の行か又は第３の行の穴からのものかに応じて、流体流２４を様々に進入させる。第１の行からの流体流２４は最大進入を有し、約２５０％から２８０％までの例示的な範囲で一次混合域２０に約２５０％以上で進入する。第２の行からの流体流は、約１３０％から１７５％までの例示的な範囲で一次混合域２０に約１７５％以下で進入し、第３の行は、約８０％から１００％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１００％以下で進入する。配列２００の３つの行は各々、同じ数の混合孔（１０）を含み、各個々の行は、これよりも多少の混合孔を含むことができる点を理解されたい。配列２００は、均質性を高めることを意図しているが、流体及び燃料混合気の均質性を最大にすることを意図する訳ではない点を同様に理解されたい。過度に均質である混合気は、ＮＯｘエミッションの減少と共に安定性を低下させることになる。配列２００は、エミッションと安定性との間の均衡を維持しながらエミッションを減少させる。この均衡をとること（すなわち混合気を過度に均質にすること）は、複数の混合孔の一部だけが、一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにして位置付けることができた理由の１つである。

図１１を参照すると、図７に示す不均質が少ない空気燃料混合気４２の改良を可能にする混合孔配列３００の例示的な実施形態が示される。図１１は、図９のライナー１０４のようなライナー内の混合孔配列３００の位置付けを表す表３０１を示している。配列３００は、適切な行及び列で配置した一定量の直径により表３０１に表した複数の混合孔を含む。配列３００の複数の混合孔の少なくとも１つは、図８に示す一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

この実施形態の燃焼器１４は、３５メガワットタービン用とすることができるドライ式低ＮＯｘ燃焼器である（図１に示されたものと同様）。混合孔は、第１の列、第２の列、及び第３の列として表３０１に示した３つの行で配列される。３つの行の混合孔は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにされ、第１の列及び第２の列が、空気流の進入を妨げて不均質が少ない空気燃料混合気４２（図７）を可能にするように位置付けされた行を示している。この実施形態では、混合孔直径は、３つの行全てにわたって一定のままであり、配列３００の混合孔の各々は０．７７７インチの直径を有する。第１の行内の混合孔（表３０１の第１の列に表されている）は、一次ノズルエンド１５から３．６５インチの距離で（図１に示すように）、２４、４８、８４、１３２、１５６、２０４、２２８、２７６、３００、及び３３６度に位置付けされる。第２の行内の混合孔（表３０１の第２の列に表された）は、一次ノズルエンド１５から４．９インチの距離で、円形ライナーの周りに１２、６０、９０、１２６、１６８、１９２、２３４、２７０、３１２、及び３４８度に位置付けされる。第３の行内の混合孔３０２（表３０１の第３の列で表した）は、一次ノズルエンド１５から６．１５インチの距離で、ライナーの周りに互いに３６度に位置付けされる。

３つの行、配列３００の混合孔の直径の全体的な縮小、及び混合孔の位置付けは、流体流２４の進入を妨げることができる配列３００の全ての要素であり、結果として図７に示す不均質の少ない混合気４２を生じる。この配列３００を介した流体流２４の阻止により、第１の行からの流体流２４を約２００％から２２０％の例示的な範囲で一次混合域２０に約２００％以下で進入させ、第２の行からの流体流２４を約１５０％から１６５％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１６５％以下で進入させ、第３の行からの流体流２４を約１１５％から１３０％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１３０％以下で進入させる。これらの３つの行は各々、同じ数の混合孔（１０）を含むが、各個々の行は、これよりも多少の混合孔を含むことができる点を理解されたい。配列３００は、均質性を高めることを意図しているが、流体及び燃料混合気の均質性を最大にすることを意図する訳ではない点を同様に理解されたい。過度に均質である混合気は、ＮＯｘエミッションの減少と共に安定性を低下させることになる。配列３００は、エミッションと安定性との間の均衡を維持しながらエミッションを減少させる。この均衡をとること（すなわち混合気を過度に均質にすること）は、複数の混合孔の一部だけが、一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにして位置付けることができた理由の１つである。

図１２を参照すると、図７に示す不均質が少ない空気燃料混合気４２の改良を可能にする混合孔配列４００の例示的な実施形態が示される。図１２は、図９のライナー１０４のようなライナー内の混合孔配列４００の位置付けを表す表４０１を示している。配列４００は、適切な行及び列で配置した一定量の直径により表４０１に表した複数の混合孔を含む。配列４００の複数の混合孔の少なくとも１つは、図８に示す一次混合域２０への空気流の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

この実施形態の燃焼器１４は、３５メガワットタービン用とすることができるドライ式低ＮＯｘ燃焼器である（図１に示されたものと同様）。混合孔は、第１の列、第２の列、及び第３の列として表４０１に示した３つの行で配列される。この実施形態４００の第１の行及び第２の行（表４０１のそれぞれ第１の列及び第２の列で表した）の配列４００の混合孔は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにされるが、第３の行（表４０１の第３の列で表した）の一部だけが必然的に燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにされる。このような状況であるので、この実施形態では第３の行内の混合孔がこれら自体種々の大きさのものであり、一部は進入を妨げることになる大きさのものではない可能性がある。この実施形態における位置付けに関して、第１の行及び第２の行は、空気流の進入を妨げ、不均質が少ない空気燃料混合気４２（図７）を可能にするように位置付けされる。第１の行内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から３．６５インチの距離で（図１に示すように）、ライナーの周りに２４、４８、８４、１３２、１５６、２０４、２２８、２７６、３００、及び３３６度に位置付けされる。これらの混合孔は、０．５９の直径を有する。第２の行内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から４．９インチの距離で、ライナーの周りに１２、６０、９０、１２６、１６８、１９２、２３４、２７０、３１２、及び３４８度に位置付けされる。これらの混合孔は、０．７１インチの直径４１２ｂを有する。第３の行内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から３．６５インチの距離で、ライナーの周りに互いから３６度にある。これらの混合孔は、この実施形態では０．７１インチの直径と１．３９インチの直径とを有する間を交互にする。

３つの行、配列４００の混合孔の直径の全体的な縮小、及び混合孔の位置付けは、流体流２４の進入を妨げることができる配列４００の全ての要素であり、結果として図７に示す不均質の少ない混合気４２を生じる。この配列４００を介した流体流２４の阻止により、流体流２４を第１及び第２の行に対して約１５０％から１６５％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１６５％以下で進入させる。０．７１の直径を有する第３の行の穴からの流体流２４は、約１００％から１２０％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１２０％以下で進入するが、１．３９インチの直径を有する第３の行の穴からの流体流２４は、約２００％から２２０％の例示的な範囲で一次混合域２０に約２００％以下で進入する。配列４００の３つの行は各々、同じ数の混合孔（１０）を含むが、各個々の行は、これよりも多少の混合孔を含むことができる点を理解されたい。配列４００は、均質性を高めることを意図しているが、流体及び燃料混合気の均質性を最大にすることを意図する訳ではない点を同様に理解されたい。過度に均質である混合気は、ＮＯｘエミッションの減少と共に安定性を低下させることになる。配列４００は、エミッションと安定性との間の均衡を維持しながらエミッションを減少させる。この均衡をとること（すなわち混合気を過度に均質にすること）は、複数の混合孔４０２の幾つかだけが、一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにして位置付けることができた理由の１つである。この特定の実施形態では、０．７１及び１．３９の直径を有する第３の行内の混合孔は、安定性とエミッションとの間の均衡を維持するために特に局所不均質性を引き起こすように異なる大きさにされる。

図１３を参照すると、図７に示す不均質が少ない空気燃料混合気４２の改良を可能にする混合孔配列５００の例示的な実施形態が示される。図１３は、図９のライナー１０４のようなライナー内の混合孔配列４００の位置付けを表す表５０１を示している。この配列５００を介した流体流２４の阻止により、上述され且つ図８に示されるように、流体流２４を約１５０％から１６５％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１６５％以下で進入させる。配列５００は、適切な行及び列で配置した一定量の直径により表５０１に表した複数の混合孔を含む。配列５００の複数の混合孔の少なくとも１つは、図８に示す一次混合域２０への空気流の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

この実施形態の燃焼器１４は、８０メガワットタービン用とすることができるドライ式低ＮＯｘ燃焼器である（図１に示されたものと同様）。配列５００の混合孔は、第１の列、第２の列、及び第３の列として表５０１に示した３つの行で配列される。３つの行の少なくとも１つ内の混合孔は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けられる。第１の行（表５０１の第１の列で表した）の混合孔は、一次ノズルエンド１５から５．１４インチの距離で（図１に示すように）、ライナーの周りに互いに３０度に位置付けされる。これらの混合孔は、０．７８４インチの直径を有する。第２の行（表５０１の第２の列で表した）内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から６．３９インチの距離で、ライナーの周りに互いに３０度に位置付けされる。これらの混合孔は、０．８５インチの直径を有する。第３の行（表５０１の第３の列で表した）内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から７．６４インチの距離で、ライナーの周りに互いに３０度で位置付けされる。これらの混合孔５０２は、０．９１２インチの直径を有する。

３つの行、配列５００の混合孔の直径の全体的な縮小、及び混合孔の位置付けは、流体流２４の進入を妨げることができる配列５００の全ての要素であり、結果として図７に示す不均質の少ない混合気４２を生じる。これらの３つの行は各々、同じ数の混合孔（１２）を含むが、各個々の行は、これよりも多少の混合孔を含むことができる点を理解されたい。配列５００は、均質性を高めることを意図しているが、流体及び燃料混合気の均質性を最大にすることを意図する訳ではない点を同様に理解されたい。過度に均質である混合気は、ＮＯｘエミッションの減少と共に安定性を低下させることになる。配列５００は、エミッションと安定性との間の均衡を維持しながらエミッションを減少させる。この均衡をとること（すなわち混合気を過度に均質にすること）は、複数の混合孔の一部だけが、一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにして位置付けることができた理由の１つである。

図１４を参照すると、図７に示す不均質が少ない空気燃料混合気４２の改良を可能にする混合孔配列６００の例示的な実施形態が示される。図１４は、図９のライナー１０４のようなライナー内の混合孔配列６００の位置付けを表す表６０１を示している。配列６００は、適切な行及び列で配置した一定量の直径により表６０１に表した複数の混合孔を含む。配列６００の複数の混合孔の少なくとも１つは、図８に示す一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

この実施形態の燃焼器１４は、８０メガワットタービン用とすることができるドライ式低ＮＯｘ燃焼器である（図１に示されたものと同様）。混合孔は、第１の列、第２の列、及び第３の列として表６０１に示した３つの行で配列される。３つの行の少なくとも１つ内の混合孔は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けられる。この実施形態では、混合孔直径は、図１３に示すように増加するのとは対照的に、行が一次ノズルエンド１５（図１）から離れるにつれて縮小する。第１の行（表６０１の第１の列で表した）内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から５．１４インチの距離で、ライナーの周りに互いに３０度に位置付けされる。これらの混合孔は、０．９１２インチの直径を有する。第２の行（表６０１の第２の列で表した）内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から６．３９インチの距離で、ライナーの周りに互いに３０度に位置付けされる。これらの混合孔は、０．８５インチの直径を有する。第３の行（表６０１の第３の列で表した）内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から７．６４インチの距離で、ライナーの周りに互いに３０度に位置付けされる。これらの混合孔６０２は、０．７８４インチの直径を有する。

３つの行、配列６００の混合孔の直径の全体的な縮小、及び混合孔の位置付けは、流体流２４の進入を妨げることができる配列６００の全ての要素であり、結果として図７に示す不均質の少ない混合気４２を生じる。この配列６００を介した流体流２４の阻止により、流れが第１の行か第２の行か又は第３の行内の穴からのものであるかに応じて流体流２４を様々に進入させる。第１の行からの流体流２４は最大進入を有し、約２５０％から２８０％の例示的な範囲で一次混合域２０に約２５０％以下で進入する。第２の行からの流体流は、約１３０％から１７５％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１７５％以下で進入し、第３の行は、約８０％から１００％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１００％以下で進入する。これら３つの行は各々、同じ数の混合孔（１２）を含むが、各個々の行は、これよりも多少の混合孔を含むことができる点を理解されたい。配列６００は、均質性を高めることを意図しているが、流体及び燃料混合気の均質性を最大にすることを意図する訳ではない点を同様に理解されたい。過度に均質である混合気は、ＮＯｘエミッションの減少と共に安定性を低下させることになる。配列６００は、エミッションと安定性との間の均衡を維持しながらエミッションを減少させる。この均衡をとること（すなわち混合気を過度に均質にすること）は、複数の混合孔の一部だけが、一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにして位置付けることができた理由の１つである。

図１５を参照すると、図７に示す不均質が少ない空気燃料混合気４２の改良を可能にする混合孔配列７００の例示的な実施形態が示される。図１５は、図９のライナー１０４のようなライナー内の混合孔配列７００の位置付けを表す表７０１を示している。この配列７００を介した流体流２４の阻止により、上述され且つ図８に示されるように、流体流２４を約１１０％から１３８％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１３８％以下で進入させる。配列７００は、適切な行及び列で配置した一定量の直径により表７０１に表した複数の混合孔を含む。配列７００のこの複数の混合孔の少なくとも１つは、図８に示す一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

この実施形態の燃焼器１４は、８０メガワットタービン用とすることができるドライ式低ＮＯｘ燃焼器である（図１に示されたものと同様）。混合孔は、第１の列、第２の列、及び第３の列として表７０１に示した３つの行で配列される。３つの行の少なくとも１つ内の混合孔は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けられる。この配列７００では、混合孔の大きさは、各混合孔を有する３つの行全て（それぞれ表７０１の第１の列、第２の列、及び第３の列に表される）にわたって一定のままであり、各混合孔は０．８５インチの直径を有する。第１の行（表７０１の第１の列で表した）内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から５．１４インチの距離で（図１に示すように）、ライナーの周りに互いに３０度に位置付けされる。第２の行（表７０１の第２の列で表した）内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から６．３９インチの距離で、ライナーの周りに互いに３０度に位置付けされる。第３の行（表７０１の第３の列で表した）内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から７．６４インチの距離で、ライナーの周りに互いに３０度に位置付けされる。

３つの行、配列の混合孔の直径の全体的な縮小、及び混合孔の位置付けは、流体流２４の進入を妨げることができる配列７００の全ての要素であり、結果として図７に示す不均質の少ない混合気４２を生じる。これらの３つの行の各々は、同じ数の混合孔（１２）を含むが、各個々の行は、これよりも多少の混合孔を含むことができる点を理解されたい。配列７００は、均質性を高めることを意図しているが、流体及び燃料混合気の均質性を最大にすることを意図する訳ではない点を同様に理解されたい。過度に均質である混合気は、ＮＯｘエミッションの減少と共に安定性を低下させることになる。配列７００は、エミッションと安定性との間の均衡を維持しながらエミッションを減少させる。この均衡をとること（すなわち混合気を過度に均質にすること）は、複数の混合孔の一部だけが、一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにして位置付けることができた理由の１つである。

図１６を参照すると、図７に示す不均質が少ない空気燃料混合気４２の改良を可能にする混合孔配列８００の例示的な実施形態が示される。この配列８００は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げ、均質混合気４２を可能にする。この配列８００を介した流体流２４の阻止により、上述され且つ図８に例示されるように流体流２４を約９０％から１１０％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１１０％以下で進入させる。配列８００は、ヘッド側８０６のライナー８０４によって定められた複数の混合孔８０２を含む（図では平坦であるが、本出願において混合孔８０２は、構造上円筒型であるライナー８０４の周囲に円周方向に配置される）。この複数の混合孔８０２の少なくとも１つは、図８に示す一次混合域２０への流体流の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

この実施形態の燃焼器１４は、８０メガワットタービン用とすることができるドライ式低ＮＯｘ燃焼器である（図１に示されたものと同様）。混合孔８０２は、第１の行８１０ａ、第２の行８１０ｂ、第３の行８１０ｃ、及び第４の行８１０ｄとして図示した４つの行で配列される。４つの行８１０ａ−ｄの少なくとも１つ内の混合孔８０２は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けられる。この実施形態では、混合孔８０２の大きさは、４つの行８１０ａ−ｄ全てにわたって一定のままであり、各混合孔８０２が０．６５５インチの直径８１２を有する。第１の行８１０ａ内の混合孔８０２は、一次ノズルエンド１５から５．１４インチの距離で（図１に示すように）、ライナー８０４の周りに互いに２４度に位置付けされる。第２の行８１０ｂ内の混合孔８０２は、一次ノズルエンド１５から６．３９インチの距離で、ライナー８０４の周りに互いに２４度に位置付けされる。第３の行８１０ｃ内の混合孔８０２は、一次ノズルエンド１５から７．６４インチの距離で、ライナー８０４の周りに互いに２４度に位置付けされる。第４の行８１０ｄ内の混合孔８０２は、一次ノズルエンド１５から８．８９インチの距離で、ライナー８０４の周りに互いに２４度に位置付けされる。

４つの行、混合孔８０２の直径８１２の全体的な縮小、混合孔８０２の位置付け、及び各行８１０ａ−ｄ内の混合孔の数（１５）は、流体流２４の進入を妨げることができる配列８００の全ての要素であり、結果として図７に示す不均質の少ない混合気４２を生じる。これらの４つの行８１０ａ−ｄは各々、同じ数の混合孔８０２（１５）を含むが、各個々の行は、これよりも多少の混合孔８０２を含むことができる点を理解されたい。配列８００は、均質性を高めることを意図しているが、流体及び燃料混合気の均質性を最大にすることを意図する訳ではない点を同様に理解されたい。過度に均質である混合気は、ＮＯｘエミッションの減少と共に安定性を低下させることになる。配列８００は、エミッションと安定性との間の均衡を維持しながらエミッションを減少させる。この均衡をとること（すなわち混合気を過度に均質にすること）は、複数の混合孔８０２の一部だけが一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにして位置付けることができた理由の１つである。

図１７及び図１８を参照すると、図７に示す不均質が少ない空気燃料混合気４２の改良を各々可能にする混合孔配列９００の２つの実施形態が示されている。図１７及び図１８は、図９のライナー１０４のようなライナー内に各々混合孔配列９００の２つの実施形態の位置付けを表す表８０１及び表９０１を示している。この配列９００は、適切な行及び列で配置した一定量の直径により表８０１及び９０１に表した複数の混合孔を含む。配列９００のこの複数の混合孔の少なくとも１つは、図８に示す一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けされたうちの少なくとも１つである。

この実施形態の燃焼器１４は、８０メガワットタービン用とすることができるドライ式低ＮＯｘ燃焼器である（図１に示されたものと同様）。混合孔９０２は、第１の列、第２の列、及び第３の列として表７０１及び８０１に示した３つの行で配列される。３つの行の少なくとも１つ内の配列９００の混合孔は、燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の空気流進入を妨げるような大きさ（直径）にされ位置付けられる。この配列９００では、混合孔直径は、第１の行及び第３の行（表８０１及び９０１のそれぞれ第１の列及び第３の列で表した）で異なる。両方の実施形態の第１の行の混合孔は、一次ノズルエンド１５から約４．７５から５．１４インチの距離で（図１に示すように）、ライナーの周りに互いに２０度に位置付けされる。これらの混合孔は、０．７８４インチの直径と０．９１２インチの直径とを有する間を交互する。両方の実施形態の第２の行（表８０１及び９０１の第２の列で表した）の混合孔９０２は、一次ノズルエンド１５から約６．３９インチの距離で、ライナーの周りに互いに２０度に位置付けされる。これらの混合孔は、０．８５インチの直径を有する。両方の実施形態の第３の行内の混合孔は、一次ノズルエンド１５から７．６４から８．１５インチまでの距離で、ライナーの周りに互いに２０度に位置付けされる。これらの混合孔は、０．７８４インチの直径と０．９１２インチの直径とを有する間を交互する。

３つの行、配列９００の混合孔の直径の全体的な縮小、及び混合孔の位置付けは、流体流２４の進入を妨げることができる配列９００の全ての要素であり、結果として図７に示す不均質の少ない混合気４２を生じる。この配列９００を介した流体流２４の阻止により、第２の行内の流体流２４を約１５０％から１６５％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１６５％以下で進入させ、０．７４インチの直径の第１及び第３の行の穴からの流体流２４を約１４０％から１５５％の例示的な範囲で一次混合域２０に約１５５％以下で進入させ、０．９１２インチの直径の第１及び第３の行の穴からの流体流２４を約１７５％から１８５％の例示的な範囲を有する約１７５％以下で進入させる。これらの３つの行は各々、同じ数の混合孔（１２）を含むが、各個々の行は、これよりも多少の混合孔を含むことができる点を理解されたい。配列９００は、均質性を高めることを意図しているが、流体及び燃料混合気の均質性を最大にすることを意図する訳ではない点を同様に理解されたい。過度に均質である混合気は、ＮＯｘエミッションの減少と共に安定性を低下させることになる。配列９００は、エミッションと安定性との間の均衡を維持しながらエミッションを減少させる。この均衡をとること（すなわち混合気を過度に均質にすること）は、複数の混合孔の一部だけが、一次混合域２０への流体流２４の進入を妨げるような大きさにして位置付けることができた理由の１つである。

燃焼器内の空気燃料混合気の均質性を改良するための方法も開示されている点を理解されたい。本方法は、燃焼器１４のヘッド側１３の燃料流３０及び一次混合域２０の少なくとも１つへの流体流２４の進入を阻止する段階を含む。流体流２４の阻止は、燃焼器１４のライナー１２に沿った混合孔のサイジング及び混合孔の位置付けの少なくとも１つにより達成される。

燃焼器内の空気及び燃焼混合気の均質性を改良するための別の方法が更に開示される点を更に理解されたい。本方法は、燃焼器１４のヘッド側１３の燃料流３０及び一次混合域２０への流体流２４の進入を阻止する段階を含み、該阻止段階は、所定の直径を含むように複数の混合孔をサイジングする段階と、所定の位置及び所定数の少なくとも１つ内において燃焼器１４のライナー１２に沿った複数の混合孔を配置する段階とによって実施される。配置段階は、少なくとも３つの行に複数の混合孔を位置付ける段階を更に含むことができる。

本発明を例示的な実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の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、且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は当業者には理解されるはずである。加えて、本発明の範囲から逸脱することなく多くの修正を行い、本発明の教示に対して特定の状況又は材料を適合させることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の請求項の範囲内に包含される全ての実施形態を含むことになることは重要である。更に、別途指示しない限り、第１、第２、その他などの用語のいずれの使用もあらゆる順序又は重要性を意味するものではなく、これらは、１つの要素と他の要素を区別するために用いられる。

燃焼器のライナーの側面図。図１の燃焼器の部分横断図。実質的に平坦に図示された３５メガワット燃焼器のライナーの概略図。実質的に平坦に図示された８０メガワット燃焼器のライナーの概略図。一次混合チャンバ内へのフローパターンの図である。一次混合チャンバ内の燃料濃度の図である。本発明の１つの態様による一次混合チャンバ内の燃料濃度の図である。本発明の１つの態様による一次混合チャンバ内へのフローパターンの図である。実質的に平坦に図示された混合孔配列１００の例示的な実施形態による、燃焼器のライナーのヘッド側部分の概略図。燃焼器のライナーのヘッド側部分内の混合孔配列２００を表す表である。実質的に平坦に図示された混合孔配列３００の例示的な実施形態による、燃焼器からのライナーのヘッド側部分の概略図。実質的に平坦に図示された混合孔配列４００の例示的な実施形態による、燃焼器からのライナーのヘッド側部分の概略図。実質的に平坦に図示された混合孔配列５００の例示的な実施形態による、燃焼器からのライナーのヘッド側部分の概略図。実質的に平坦に図示された混合孔配列６００の例示的な実施形態による、燃焼器からのライナーのヘッド側部分の概略図。実質的に平坦に図示された混合孔配列７００の例示的な実施形態による、燃焼器からのライナーのヘッド側部分の概略図。実質的に平坦に図示された混合孔配列８００の例示的な実施形態による、燃焼器からのライナーのヘッド側部分の概略図。実質的に平坦に図示された混合孔配列９００の例示的な実施形態による、燃焼器からのライナーのヘッド側部分の概略図。実質的に平坦に図示された同様に混合孔配列９００の例示的な実施形態による、燃焼器からのライナーのヘッド側部分の概略図。

符号の説明

１２ライナー
１３、１０６、８０６ヘッドエンド
１４燃焼器
１５一次ノズルエンド
１６フロースリーブ
１７ベンチュリスロート
１８、１０２複数の混合穴
１９中心軸
２０一次混合域
２２中心本体管
２４流体流
２６、３２、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００混合穴配列
２８ａ１０の混合穴の第１の行
２８ｂ１０の混合穴の第２の行
２９ａ−ｂクロスファイア管
３０燃料流
３４ａ１２の混合穴の第１の行
３４ｂ６の混合穴の第２の行
３８不均質な空気及燃料混合気
４０ａ−ｂ燃料ポケット
４２不均質の少ない空気燃料混合気
１０４、８０４ライナー
１０６ヘッドエンド
１１０ａ、８１０ａ第１の行
１１０ｂ、８１０ｂ第２の行
１１０ｃ、８１０ｃ第３の行
１１２ａ−ｃ３つの行
２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、９０１表
３０２、６０２、８０２、９０２混合穴
８１０ｄ第４の行
８１２直径の４つの行の減少
１１００方法
１１０２操作ブロック
１２ライナー
１８複数の混合孔
２６混合孔配列
２８ａ１０の混合孔の第１の行
２８ｂ１０の混合孔の第２の行
２９ａ−ｂクロスファイア管

Claims

燃焼器（１４）内の空気燃料混合気（３８）の均質性を改良するための混合孔配列（２６）であって、
前記混合孔配列（２６）がライナー（１２）によって定められた複数の混合孔（１８）を含み、前記複数の混合孔（１８）が、前記ライナーの周りに円周方向に、複数の列を成して配置され、前記複数の混合孔（１８）の少なくとも１つが、前記燃焼器（１４）のヘッド側（１３）に位置する一次混合域（２０）への流体流（２４）の進入を妨げるような大きさにされ位置付けされたうちの少なくとも１つであり、
前記妨げている混合孔により、前記流体流（２４）が、少なくとも１００％、かつ、最大１６５％まで半径方向に前記一次混合域（２０）に進入でき、
１００％を超えて侵入する流体流は、前記燃焼器の中心本体管から前記ライナーに向かって半径方向外側に進み、
前記複数の列の少なくとも１つが、前記燃焼器（１４）の一次ノズルエンド（１５）から１２．４ｃｍ（４．９インチ）未満に位置付けされ、
前記進入は、燃料流（３０）へ進入する前記流体流（２４）に対する標準相関を用いて計算され、
前記標準相関が、

で定義されること
を特徴とする配列。
前記複数の混合孔（１８）が、前記ライナー（１２）の周りに円周方向に少なくとも３列に配置されることを特徴とする請求項１に記載の配列。
前記妨げている混合孔が、２．６４ｃｍ（１．０４インチ）よりも小さな直径を有することを特徴とする請求項２に記載の配列。
前記複数の混合孔（１８）が、前記ライナーの周りに円周方向に、少なくとも４列を成して配置され、各列に配置した前記複数の混合孔（１８）の各々が、前記燃焼器（１４）の長手方向中心軸（１９）に対して互いから約２４度に位置付けられることを特徴とする請求項２に記載の配列。
前記少なくとも４列に配置された前記複数の混合孔（１８）のそれぞれが、最大で１．６６ｃｍ（０．６５５インチ）の直径を有することを特徴とする請求項４に記載の配列。
燃焼器（１４）内の空気燃料混合気（４２）の均質性を改良するための方法（１１００）であって、前記方法（１１００）が、
前記燃焼器（１４）の燃料流（３０）及び一次混合域（２０）の少なくとも１つへの流体流（２４）の進入を妨げる段階を含み、
前記妨げている混合孔により、前記流体流（２４）が、少なくとも１００％、かつ、最大１６５％まで半径方向に前記一次混合域（２０）に進入でき、
１００％を超えて侵入する流体流は、前記燃焼器の中心本体管から前記ライナーに向かって半径方向外側に進み、
前記ライナーは、ライナーを貫く複数の混合孔（１８）を規定し、
前記混合孔（１８）が、前記ライナーの周りに円周方向に、複数の列を成して配置され、
前記混合孔（１８）の少なくとも１つが、前記流体流（２４）の進入を妨げるように大きさおよび位置の少なくとも一方が決定され、
前記複数の列の少なくとも１つが、前記燃焼器（１４）の一次ノズルエンド（１５）から１２．４ｃｍ（４．９インチ）未満に位置付けされ、
前記進入は、燃料流（３０）へ進入する前記流体流（２４）に対する標準相関を用いて計算され、
前記標準相関が、

で定義されること
を特徴とする方法。