JP5925464B2 - 自己振動する燃料噴射噴流 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、燃焼ダイナミックスに関し、より具体的には、燃料と燃焼器の主流の空気流のようなコンパクトな空間内の空気を効率的に混合するシステムおよび方法に関する。

燃焼ダイナミックスは、火炎の固有の不安定さが燃焼器の固有モードに固定され、フィードバックサイクルを確立するときに発生し、それによって大きな振り幅の圧力摂動が引き起こされ、対応するハードウェアの起こり得る重大な損傷に至る。燃焼ダイナミックスは、発電、原動機、航空機産業、船舶用途のガスタービンを悩ますものとして知られている。

燃焼ダイナミックスは、予混合燃焼システムの導入以来、その普遍的な問題であり、ガスタービンの製造業者が直面する最も大きな挑戦のうちの１つである。燃焼ダイナミックスに対処するには、これらに限定されるわけではないが、発生メカニズムを変える、燃焼器の寸法または減衰を変える、および能動的／受動的装置／方法を使用して問題を制御／抑制することを含む様々な技術が用いられてきた。

非常に大きな振り幅でダイナミックスが観測されると、決定的な燃焼器の損傷／故障を招くことになる。それほど深刻でなくても、ガスタービンの動作エンベロープを制限し、最良の性能の邪魔となる。燃焼ダイナミックスは、依然として、今ある設置済みのガスタービンにまん延する問題である。さらに、より厳しい排出規制および燃料フレキシビリティとともに、燃焼ダイナミックスに関する問題は深刻になると予想される。

燃焼ダイナミックスに関する１つの重大な問題は、燃料と燃焼器の主流の空気（オキシダント）流チューブなどのコンパクトな空間内の空気の効率的な混合を対象とする。現在、燃料噴射孔は概ね円筒形であり、標準的な噴射噴流を作り出すように配置される。燃料と燃焼器の主流の空気流内の空気の混合を向上させる１つの技術には、スワラ機構の使用がある。しかし、スワラは、コストや構造の観点から複雑である。さらに、一般的にスワラは可動部分を用い、逆にそれがシステムの信頼性に影響を及ぼしてしまう。既知の一般的な構造の中には、空気力学的に大きな損失を作り出し、局所的な火炎保持またはフラッシュバックにつながる恐れがあるものもある。今まで、ダイナミックスおよび音響的な問題の解決は、一般的に、受動的技術よりもむしろ燃料噴射の能動的調整に焦点が置かれてきた。

米国特許第７，７０３，７０７号公報

上記を考慮して、音響、エミッションおよび出力の点で最適な動作性能を達成するように、燃料と燃焼器の主流の空気（オキシダント）流などのコンパクトな空間内の空気を受動的に効率よく混合するシステムおよび方法が必要とされている。システムは、構造の点で、燃料とコンパクトな空間内の空気の混合を向上させる既知の構造に比べてシンプルでなくてはならない。

本開示の一実施形態は、燃焼器構造であって、
燃料噴射器を備える燃焼器と、
燃料噴射器の主流の空気流領域に配置される１つまたは複数の凹部であって、少なくとも１つの燃料噴射孔が少なくとも１つの凹部の上流基部領域に配置される、凹部と
を備える燃焼器構造を対象とする。

本開示の他の実施形態は、燃焼器構造であって、
燃焼器の主流の空気流領域に配置される１つまたは複数の凹部と、
少なくとも１つの凹部の上流基部領域に配置される１つまたは複数の燃料噴射孔と
を備える燃焼器構造を対象とする。

さらに他の実施形態によれば、燃焼器の動作方法は、
燃焼器の主流の空気流領域に１つまたは複数の凹部を設けることと、
少なくとも１つの凹部の上流基部領域に配置される燃料噴射孔を介して燃料を主空気流領域に噴射すること
を含む。

本発明の上記その他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読めばより良く理解できるようになる。

予め定義されたレイノルズ数の、噴射がない、凹部における局所的な流体圧力場による対の渦巻き運動を示す図である。 他の予め定義されたレイノルズ数の、噴射がない、凹部における局所的な流体圧力場による主要な渦巻き運動を示す図である。 一実施形態による、凹部の上流基部領域に配置され燃料を凹部内に流れる主流の空気流に噴射する別個の燃料孔を含む単一の凹部を示す図である。 一実施形態による、凹部の上流基部領域に配置される１対の個別の燃料噴射孔をそれぞれ含む、局部的な燃料―空気混合の向上を可能にするように構成される一対の凹部を示す図である。 一実施形態による、凹部の上流基部領域に配置される単一の燃料噴射孔をそれぞれ含む、局部的な燃料−空気混合の向上を可能にするように構成される一対の凹部を示す図である。 一実施形態による、燃料を凹部の上流基部領域に噴射するように構成される一対のディフューザの形の燃料噴射孔をそれぞれ含む、局部的な燃料−空気混合の向上を可能にするように構成される一対の凹部を示す図である。 一実施形態による、局部的な燃料−空気混合の向上を可能にするように、燃料噴射孔がある複数の凹部と一緒に構成される燃料噴射孔がない複数の凹部を示す図である。 図３〜７に示されている凹部と一緒に構成可能であるガスタービンエンジンを示す図である。 一実施形態による、凹部付きで構成される燃料噴射器を示す図である。

上記で特定した図面は、代替実施形態を示しているが、議論からわかるように本発明の他の実施形態も企図される。いかなる場合でも、本開示は、例示される本発明の実施形態を、限定のためでなく説明のために提示する。当業者は、本発明の原理の範囲および精神の範囲に入る他の多くの修正形態および実施形態を考案することができる。

天然ガスなどのガス燃料の燃料噴射は、一般的に、シリンダを横切る面に垂直に噴流を噴射することによって、または主流の空気流内に成形加工の障害物を配置することによって達成される。成形加工の障害物は、例えば、燃焼器の主流の空気（オキシダント）流に挿入される成形加工のストラットまたはパイロンであってよい。今まで、噴流噴射技術は、一般的に、円形の燃料噴射孔を用いており、その中にはクレータ付きくぼみ構造で終端することが知られているものもある。

本明細書で述べる実施形態は、一般的に、凹部の上流基部領域に噴射する燃料孔を用いる。本明細書で述べる凹部の実施形態は、いくつかある中で特に発電、原動機、航空機産業および船舶用途のガスタービンに使用可能である。発明人は、この場所に噴射される燃料が、凹部内の主流の空気との局所的に不安定な混合動作を受け、その後、渦の中に混合気として放出されることを確認した。というのも、渦は燃料噴射領域における典型的な乱流状態のために左右に振動するからである。この特徴は、この混合流れの自己振動の性質によって広い燃料−空気混合領域を作り出し、燃焼器の音響に関連する問題をなくす助けとなる。

図１は、予め定義された流れレイノルズ数の、燃料噴射がない、凹部１２における局所的な流体圧力場による予測される対の渦巻き運動場１０を示す。図２は、他の予め定義された流れレイノルズ数の、燃料噴射がない、凹部１２における局所的な流体圧力場による予測される単一の渦巻き運動場１４を示す。乱流の渦巻き運動場が図１に示されるような対の渦１６、１８を含むか図２に示されるような単一の渦２０を含むかにかかわらず、渦は左右に振動する。この受動的振動の性質によって、燃料噴射孔の寸法、形状および数が可変である特定の実施形態に関して本明細書で述べる原理を使用して広い燃料−空気混合領域を作り出すことが可能になる。

図３は、一実施形態による、別個の燃料孔３２を含む単一の凹部３０を示す。別個の燃料孔３２は、凹部の上流基部領域３４内に配置され、凹部３０内を流れる主流の空気３８に燃料３６を噴射する。凹部３０の形状は可変であるが、本明細書で述べる原理に従って燃料−空気混合の向上を可能にするには断面が実質的に球形であるのが望ましい。凹部３０の表面直径に対する深さは、放出される混合渦４０の強さを制御すなわち設定するのに用いることができる１つの特徴である。

図４は、一実施形態による、局部的な燃料−空気混合の向上を可能にするように構成される１対の凹部４２、４４を示す。各凹部は、その上流基部領域３４内に配置される１対の別個の燃料噴射孔４７、４８を含む。隣接する凹部４２と凹部４４の間の間隔によって、全流れ領域４６における燃料混合範囲が決まる。

図５は、他の実施形態による、局部的な燃料−空気混合の向上を可能にするように構成される１対の凹部５０、５２を示す。各凹部は、その上流基部領域３４内に配置される単一の燃料噴射孔５４を含む。図４と同様に、隣接する凹部５０と凹部５２の間の間隔によって、対応する全流れ領域５５における燃料混合範囲が決まる。

図６は、他の実施形態による、局部的な燃料−空気混合の向上を可能にするように構成される１対の凹部６０、６２を示す。各凹部は、その対応する上流基部領域３４に燃料を噴射するように構成される１対のディフューザの形の燃料噴射孔６４を含む。図４、５に関して本明細書で述べる実施形態と同様に、隣接する凹部６０と凹部６２の間の間隔によって、対応する全流れ領域６６における燃料混合範囲が決まる。

一態様によれば、燃料−空気混合の向上を可能にするように、燃料噴射孔がない１つまたは複数の凹部を燃料噴射孔があるものの隣に使用してもよい。例えば、図７は、他の実施形態による、局部的な燃料−空気混合の向上を可能にするように、燃料噴射孔７８、８０を含む複数の凹部７４、７６と一緒に構成される燃料噴射孔がない複数の凹部７０、７２を示す。一態様によれば、各噴射孔７８、８０の主流面８２に対する角度は、全流れ領域８４における燃料―空気混合の最適化に使用することができる。

要約すると、別個の燃料孔による凹部の上流基部領域への噴射を用いて、燃焼器の燃料噴射位置に局所的に不安定な混合動作をもたらし、それによって広い燃料―空気混合領域が作り出される。この技術は、現在の乾式低窒素（ＤＬＮ）タイプの噴射器とともに簡単に使用可能であり、有利には、噴射噴流がクレータ縁部などの障害と相互作用するような既知の燃料―空気混合技術に比べて損失がより低く火炎保持問題が少ないより広い燃料―空気混合範囲の選択をもたらすことができる。さらに、別個の燃料孔による機械加工のエッジがない凹部を介する凹部の上流基部領域への噴射を用いると、さらに、燃料と空気の不安定な混合においてより低い差圧損失（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ）を作り出すことができる。本明細書で述べる実施形態は、受動的に自己振動する燃料噴射構造を実現するので、有利には、いくつかある燃焼器ダイナミックスの中でも音響および音響的に結びついた発熱の問題を低減することができる。

図８は、例示的なガスタービンシステム１００を示す。ガスタービンシステム１００は、本明細書で述べる原理を使用した凹部の上流基部領域に噴射する燃料孔を用いることができる。タービンシステム１００は、いくつかあるシステムの中でも特にガスタービンエンジン１２０を有することができる。ガスタービンエンジン１２０は、圧縮機セクション１２２、本明細書で述べる原理を使用した凹部の上流基部領域に噴射する燃料孔を用いるように構成可能な複数の燃焼剤カン１２６および対応する点火システム１２７を含む燃焼器セクション１２４、ならびに圧縮機セクション１２２に連結されるタービンセクション１２８を含む。排出セクション１３０は、ガスタービンエンジン１２０からの排ガスを流す。

一般的に、圧縮機セクション１２２は、入ってくる空気を圧縮して燃焼器セクション１２４に送り、そこで圧縮空気が燃料と混合され、混合気が燃やされて高圧高速のガスが生成される。タービンセクション１２８は、燃焼器セクション１２４から流れてくる高圧高速ガスからエネルギを取り出す。いっそう明確にし、簡略を期すために、本明細書では、実施燃焼プロセスを説明するのに役立つガスタービンシステム１００のこれらの態様だけしか述べないことにする。

圧縮機セクション１２２は、空気を圧縮することができる任意の装置を含むことができる。この圧縮空気は、燃焼器セクション１２４の入口ポートに向けられ得る。燃焼器セクション１２４は、圧縮空気を燃料と混合し、その混合気を燃焼器セクション１２４の１つまたは複数の燃焼剤カン１２６に送達するように構成される複数の燃料噴射器を含むことができる。各燃焼剤カン１２６に送達される燃料は、ディーゼルまたは天然ガスなどの任意の液体またはガスの燃料を含むことができる。任意の燃焼剤カン１２６に送達された燃料は、燃焼を経て燃焼副産物である高圧混合気を形成することができる。結果として生じる燃焼器セクション１２４からの高温高圧の混合気は、タービンセクション１２８に向けられ得る。次いで、燃焼ガスは、排出セクション１３０を通って大気に放出される前にタービンセクション１２８から出ることができる。

図９は、ガスタービン用に使用可能な燃料噴射器１５０の一実施形態を示す。燃料噴射器１５０は、複数の角度付きベーン１５２を備える。複数の角度付きベーン１５２は、全流れに予混合器の旋回をもたらし、燃焼ゾーンの安定化を助け点火を可能にし燃焼効率を向上させるように滞留時間を増大させる流れ再循環領域を作り出す。複数のベーン１５２は中に配置される凹部１５４、１５６、１５８を備える。各凹部は、噴射された燃料と凹部内を流れる振動している空気の渦を受動的に混合するように構成される。振動している空気の渦は、燃料噴射器１５０の主空気通路を通る主空気流によって生成される。燃料は、対応する振動している空気の渦によって作り出される所望の受動的燃料−空気混合を可能にするように、少なくとも１つの凹部の上流基部領域に噴射される。凹部は、角度付きベーン１５２の外面に配置されるとして示してあるが、特定の用途のために凹部を燃料噴射器１５０自体の内壁面に配置する、または燃焼器の主空気流通路の燃料―空気混合が必要とされる任意の他の部分に配置することによっても所望の燃料―空気混合を達成することができる。

図９に関して本明細書で述べる角度付きベーン１５２は、一般的に、予混合スワラに連結して用いられ、全体的に本文で別に指摘される「障害物」とは同様でないことに留意されよう。本明細書で参照されるより一般的に使用される工業用障害物は、これらに限定されるわけではないが、Ｖ字形の溝または円筒形のカップなどの火炎保持器を含むことができる。噴射は、角度付きベーン１５２によってよく混合され得るが、それに加えて、凹部１５４、１５６、１５８は本明細書で述べる原理を使用して予混合装置内における火炎保持を防止する。

本明細書では、凹部の上流基部領域への直線噴射噴流または平行噴流に関して具体的な実施形態を述べてきたが、空気／燃料混合を保持または向上させる一方予混合器内での火炎保持への抵抗も増大させるように、凹部に対するまたは燃焼器／噴射器の壁部に対する他の噴流方向も用いることができる。さらに、噴射孔の寸法は、特定の用途および／またはエンジンの必要性に従って変えることができる。さらに、本明細書では、燃料噴射があるごく少数の凹部しか示さない特定の実施形態を述べてきたが、他の実施形態は、燃料噴射を用いることができるものまたはできないものがある様々なパターンを含むことができることに留意されよう。

本明細書では、本発明のいくつかの特徴しか図示され述べられていないが、当業者なら多くの修正および変更が思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が本発明の真の精神に入るようなそうした全ての修正および変更を包含するものであると理解されるべきである。

１０ 予想される対の渦巻き運動場
１２ 凹部
１４ 予想される単一の渦巻き運動場
１６ 対の渦（１６、１８）の１つ
１８ 対の渦（１６、１８）の１つ
２０ 単一の渦
３０ 単一の凹部
３２ 別個の燃料孔
３４ 単一の凹部の上流基部領域
３６ 燃料
３８ 主流の空気
４０ 放出される混合渦
４２ 対の凹部（４２、４４）の１つ
４４ 対の凹部（４２、４４）の１つ
４６ 対の凹部の（４２、４４）の流れ領域
５０ 対の凹部（５０、５２）の１つ
５２ 対の凹部（５０、５２）の１つ
５４ 各凹部（５０）、（５２）の燃料噴射孔
５５ 対の凹部（５０、５２）の流れ領域
６０ 対の凹部（６０、６２）の１つ
６２ 対の凹部（６０、６２）の１つ
６４ 対の凹部（６０、６２）のディフューザの形の燃料噴射孔
７０ 対の凹部（７０、７２）の１つ
７２ 対の凹部（７０、７２）の１つ
７４ 対の凹部（７４、７６）の１つ
７６ 対の凹部（７４、７６）の１つ
７８ 凹部（７４）の燃料噴射孔
８０ 凹部（７６）の燃料噴射孔
８２ 主流面
８４ 凹部（７０）、（７２）、（７４）、（７６）の全流れ領域
１００ ガスタービンシステム
１２０ ガスタービンエンジン
１２２ 圧縮機セクション
１２４ 燃焼器セクション
１２６ 燃焼剤カン
１２７ 点火システム
１２８ タービンセクション
１３０ 排出セクション
１５０ 燃料噴射器
１５２ 角度付きベーン
１５４ 凹部
１５６ 凹部
１５８ 凹部

Claims (2)

1. ガスタービンエンジンの燃焼器セクションに用いる燃料噴射器であって、
   中心軸のまわりに周方向に延在するハブを有する本体と、
   空気と燃料とを予混合するための複数の角度付きベーンと、
   前記複数の角度付きベーンのうちの少なくとも１つの上に配置された少なくとも１つの凹部と、
   を備え、
   各ベーンは、前記ハブから外側環状シュラウドまで延在して、前記ハブ上を前記中心軸の周りに周方向に配列され、
   各ベーンは、前記ハブの径方向近傍に位置する根元部分と、前記外側環状シュラウド径方向近傍に位置する先端部分とを有し、
   各ベーンは、前記根元部分と前記先端部分との間に延在する前縁および後縁を有し、
   各ベーンは、前記中心軸に対して角度付けされて、前記燃料噴射器に入ってくる空気に回転運動成分を与え、
   前記少なくとも１つの凹部は、実質的に球形の断面を有し、前記少なくとも１つの凹部内を流れる主流の空気に燃料を噴射するために前記少なくとも１つの凹部の上流基部領域内に配置された別個の燃料孔を含み、
   前記少なくとも１つの凹部が、改善された燃料−空気混合を提供する、
   燃料噴射器。
2. 圧縮機セクションと、複数の燃焼器缶を備える燃焼器セクションとを含むガスタービンエンジンと、
   前記圧縮機セクションに結合されたタービンセクションと、
   前記ガスタービンエンジンからの排気ガスを流す排出セクションと、
   燃料と空気の混合物を前記燃焼器セクションに噴射する燃料噴射器と、
   を備え、
   前記燃料噴射器が、
   中心軸のまわりに周方向に延在するハブを有する本体と、
   空気と燃料とを予混合するための複数の角度付きベーンと、
   前記複数の角度付きベーンのうちの少なくとも１つの上に配置された少なくとも１つの凹部と、
   を備え、
   各ベーンは、前記ハブから外側環状シュラウドまで延在して、前記ハブ上を前記中心軸の周りに周方向に配列され、
   各ベーンは、前記ハブの径方向近傍に位置する根元部分と、前記外側環状シュラウド径方向近傍に位置する先端部分とを有し、
   各ベーンは、前記根元部分と前記先端部分との間に延在する前縁および後縁を有し、
   各ベーンは、前記中心軸に対して角度付けされて、前記燃料噴射器に入ってくる空気に回転運動成分を与え、
   前記少なくとも１つの凹部は、実質的に球形の断面を有し、前記少なくとも１つの凹部内を流れる主流の空気に燃料を噴射するために前記少なくとも１つの凹部の上流基部領域内に配置された別個の燃料孔を含み、
   前記少なくとも１つの凹部が、改善された燃料−空気混合を提供する、
   ガスタービンシステム。