JP5572366B2 - 環状の燃料および空気の並行流型予混合器 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、燃焼器に関する。より具体的には、本発明は、燃料ノズルによる燃料および空気の予混合器に関する。

燃焼器は、通常、燃料あるいは燃料および空気の混合気を燃焼室に導入する１つまたは複数の燃料ノズルを含み、この燃焼室では、この燃料または混合気が点火される。燃焼する前に燃料および空気を混合すると、化学量論的状態（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）におけるよりもより低い火炎温度が可能となり、それにより、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の排出が減少することになる。通常、燃料は、ノズルを通して流れ、燃料噴流が、ノズルに沿って軸方向に流れる空気のクロスフローの中に噴射される。しかし、クロスフローの中に燃料を噴射すると、燃料噴流の下流に燃料−空気の混合気の低速再循環ゾーンをつくりだす。Ｈ_２含有量が多い燃料など、速い火炎速度および短い吹き出し時間を有する多くの燃料の場合には、再循環ゾーンに保炎（ｆｌａｍｅｈｏｌｄｉｎｇ）が生じがちであり、その結果、ノズルおよび他の燃焼器構成部品を損傷することになる。再循環などの流れ異常を低減する燃料ノズルによる予混合器は、当業界で十分に受け入れられるであろう。

米国特許第６３０１８９９号公報 米国特許第６９９３９１６号公報

環状外殻および環状内殻を含む燃焼器のための予混合器を提供する。

本発明の１つの態様によれば、燃焼器のための並行流型予混合器（ｃｏ−ｆｌｏｗ ｐｒｅｍｉｘｅｒ）は、環状外殻および環状内殻を含んでいる。内殻は、この内殻の内側に内側流れチャンネルを画定し、外殻と内殻との間に外側流れチャンネルを画定するように配置される。燃料吐出環状部が、外側流れチャンネルと内側流れチャンネルとの間に配置され、外側流れチャンネルを通る外気流、および内側流れチャンネルを通る内側流れと実質的に平行な方向に混合領域の中へ燃料流を噴射するように構成される。

本発明の他の態様によれば、ターボ機械用の燃焼器は、複数の予混合器を含んでいる。各予混合器は、環状外殻と、環状内殻の内側に内側流れチャンネルを画定し、かつ外殻と内殻との間に外側流れチャンネルを画定するように配置される環状内殻とを含む。燃料吐出環状部が、外側流れチャンネルと内側流れチャンネルとの間に配置され、外側流れチャンネルを通る外気流、および内側流れチャンネルを通る内側流れと実質的に平行な方向に混合領域の中へ燃料流を噴射するように構成される。

本発明の他の態様によれば、燃焼器内で空気および燃料を予混合する方法は、混合領域に向かって外気流チャンネルに沿って外気流を流すことを含む。内気流は、混合領域に向かって内気流チャンネルに沿って流される。燃料は、内気流チャンネルと外気流チャンネルとの間に配置される燃料吐出環状部から混合領域の中に噴射される。この燃料は、内気流および外気流と実質的に平行な方向に混合領域の中へ噴射される。内気流、外気流、および燃料は、混合領域内で混合される。

これらならびに他の利点および特徴は、図面と共に考慮される次の説明によって一層明らかになるであろう。

本発明と考えられる主題は、本明細書の末尾の特許請求の範囲において具体的に指摘され、明確に特許請求されている。本発明の上述ならびに他の特徴および利点は、添付図面と共に考慮される次の詳細な説明によって明らかになる。

詳細な説明により、図面を参照して例示として、本発明の実施形態ならびに利点および特徴を説明する。

燃焼器の実施形態の断面図である。 燃焼器の予混合器の実施形態の断面図である。 燃焼器の予混合器の実施形態の端面図である。 燃焼器の予混合器の他の実施形態の端面図である。 燃焼器の予混合器の他の実施形態の断面図である。 燃焼器の他の予混合器の断面図である。

図１に、少なくとも１つの予混合器１２を含む燃焼器１０の実施形態が示されている。図２に示されるように、予混合器１２は、外殻１４および内殻１６を含む。内殻１６および外殻１４は、図２に示されるように形状が実質的に環状であってもよく、外殻１４および内殻１６は、予混合器の軸１８の周りに実質的に同心であってもよい。内殻１６は、外気通路２０が内殻１６と外殻１４との間に画定されるように外殻１４の内側に配置される。

複数のストラット２２が、外殻１４から内殻１６まで内側に延在して外殻１４の内側に内殻１６を支持する。各ストラット２２は、中空であり、またはそれを通して延在する少なくとも１つの入口空気通路２４を含む。入口空気通路２４は、外殻外部２６から内殻内部２８まで延在し、したがって、内気流３０が外殻外部２６から内殻内部２８まで流れることができる。内殻１６は、上流端部３４においてキャップ３２を含んで、実質的に予混合器の軸１８に沿って内殻１６の下流端部３６の方へ、内殻内部２８に入る内気流３０を方向付ける。さらに、外気流３８は、下流端部３６に向かって複数のストラット２２を通り過ぎて外気通路２０を介して流れる。内殻１６は、燃料源（図示せず）から燃料吐出環状部４６まで燃料流４２を案内するように配置され、構成される複数の燃料通路４０を含み、この燃料吐出環状部４６では、燃料流４２が混合領域４８の中へ噴射される。燃料通路４０は、内殻１６の内壁５０と外壁５２との間に配置され、上流端部３４から下流端部３６まで延在する。

図３に示されるようにいくつかの実施形態では、吐出環状部４６は、内殻１６の先端５６に複数の吐出孔５４を備え、一方、図４に示されるように他の実施形態では、吐出環状部４６は、先端５６を囲んで周囲に延在する連続吐出スリット５８を備えることができる。再度、図２を参照すると、吐出環状部４６は、予混合器の軸１８と実質的に平行に、かつ内気流３０および外気流３８の両方と実質的に平行に混合領域４８の中に燃料流４２を吐出するように構成される。燃料流４２は、混合領域４８において内気流３０および外気流３８と混合する。燃料流４２は内気流３０および外気流３８と実質的に平行に噴射されるので、再循環ゾーンを形成する蓋然性が低減され、したがって、保炎など燃焼器の動作上の問題の発生率を低下させる。

内気流３０および外気流３８の両方について混合領域４８の中への円滑な流れをさらに確実にするために、ストラット２２は、吐出環状部４６の上流の十分に離れたところにあるように配置され、したがって、ストラット２２によって生じるいかなる流れの乱れも抑制されてから、内気流３０および外気流３８は混合領域４８に到達する。さらに、ストラット２２は、流れの乱れを最小限度にするように空気力学的に流線形を有することができる。

図５に示されるように他の実施形態では、複数のストラット２２が、複数のストラット燃料案内部６０を介して複数の燃料通路４０に燃料源を接続するように構成される。燃料流４２は、燃料源から複数のストラット燃料案内部６０を通して、および燃料通路４０の中に導かれ、次いで吐出環状部４６から混合領域４８の中に吐出される。この実施形態では、内殻１６は、上流端部３４および下流端部３６の両方において開口され、その結果、内気流３０と外気流３８は共に、上流端部３４から下流端部３６に向かって実質的に軸方向に流れ、したがって、流れの乱れが低減される。

図６に、予混合器１２の他の実施形態を示す。この実施形態では、複数の外気通路入口６２が、外殻外部２６において配置され、いくつかの実施形態では、外気流３８が、実質的に半径方向に外気通路２０に入るように配置される。外気通路２０は、半径方向から軸方向に曲げられ、したがって、半径方向に向いた流れから軸方向に向いた流れに外気流３８の向きを変えてから、この外気流３８は混合領域４８に入る。同様に、複数の燃料通路入口６４が、外気通路入口６２の上流に配置される。燃料通路入口６４は、吐出環状部４６の方へ燃料流４２を方向付ける。燃料通路入口６４は外気通路入口６２の上流に配置されるので、燃料通路４０は、外気通路２０を横切らず、したがって、ストラット２２は必要とされない。ストラット２２を利用しないで予混合器１２を構成すると、潜在的な流れの乱れがさらに軽減され、それによって、予混合器および燃焼器の作動性が改善される。

本発明を、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明したが、本発明はこのように開示した実施形態に限定されないことが容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまで説明しなかった任意の数の変形、改変、置換、または均等な構成を組み込むように修正することができるが、このことは本発明の趣旨および範囲に対応している。さらに、本発明のさまざまな実施形態を説明したが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを包含する場合もあることを理解すべきである。したがって、本発明は、上述の説明によって限定されると理解すべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されるものである。

１０ 燃焼器
１２ 予混合器
１４ 外殻
１６ 内殻
１８ 予混合器の軸
２０ 外気通路
２２ ストラット
２４ 入口空気通路
２６ 外殻外部
２８ 内殻内部
３０ 内気流
３２ キャップ
３４ 上流端部
３６ 下流端部
３８ 外気流
４０ 燃料通路
４２ 燃料流
４６ 燃料吐出環状部
４８ 混合領域
５０ 内壁
５２ 外壁
５４ 吐出孔
５６ 先端
５８ 連続吐出スリット
６０ ストラット燃料案内部
６２ 外気通路入口
６４ 燃料通路入口

Claims (7)

1. 環状外殻（１４）と、
   環状内殻（１６）の内側に円柱状の空気の内側流れチャンネルを画定し、前記外殻（１４）と内殻（１６）との間に空気の外側流れチャンネルを画定するように配置される環状内殻（１６）と、
   前記外側流れチャンネルと前記内側流れチャンネルとの間に配置される燃料吐出環状部（４６）であって、前記外側流れチャンネルから吐出される環状の外気流（３８）、および前記環状内殻（１６）から吐出される円柱状の内気流（３０）と実質的に平行な方向に前記外殻（１４）内の混合領域（４８）の中へ燃料流（４２）を噴射するように構成される燃料吐出環状部（４６）と
   前記外殻（１４）から前記内殻（１６）まで延在し、前記内側流れチャンネルの中に外殻（１４）の外部（２６）からの内気流（３０）を吐出するように構成される、複数の中空のストラット（２２）を含む、
   を備える燃焼器（１０）のための予混合器（１２）。
2. 前記複数のストラット（２２）は、前記燃料吐出環状部（４６）の上流の十分に離れたところに配置され、前記複数のストラット（２２）によって生じる流れの乱が抑制されてから、前記内側流れチャンネルから吐出される内気流（３０）および前記外気流（３８）は前記混合領域（４８）に到達するように構成される、請求項１に記載の予混合器（１２）。
3. 前記複数のストラット（２２）は、前記外気流（３８）の乱れを最小限度にするように流線形を有する、請求項１または２に記載の予混合器（１２）。
4. 前記内殻（１６）が、前記燃料吐出環状部（４６）に前記燃料流（４２）を送出するように構成される複数の燃料通路（４０）を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の予混合器（１２）。
5. 前記燃料吐出環状部（４６）は、前記燃料流（４２）が前記混合領域（４８）の中へ噴射される複数の燃料吐出孔（５４）又は周囲スロットを備える、請求項１乃至４のいずれかに記載の予混合器（１２）。
6. 前記燃料流（４２）が、前記内側流れチャンネルから吐出される円柱状の内気流（３０）と、前記外側流れチャンネルから吐出される環状の前記外気流（３８）との間で噴射される、請求項１乃至５のいずれかに記載の予混合器（１２）。
7. 複数の請求項１乃至６のいずれかに記載の予混合器（１２）を備えるターボ機械用の燃焼器（１０）。
   

Images