JP6105624B2 - 火炎安定化のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、火炎安定化のためのシステムおよび方法に関する。

船舶および産業の用途、特に機械的駆動用途で使用されるガスタービンは、構成要素として燃焼器を特色とし、長期間にわたり部分出力で作動されることが多い。本明細書で部分出力とは、１００％未満の負荷で作動することを意味する。燃料価格が上昇するにつれて、改善された部分出力効率は、操作者によって非常に所望される特性である。

タービン燃焼器内に、燃焼器を通過する空気流の中に燃料を導入する働きをするノズルが配置されている。点火装置は、典型的には、結果として生じる燃料／空気混合気を燃焼器内部で燃焼させるために使用される。燃焼した燃料／空気混合気は、燃焼器の外へ送り出され、１つまたは複数のタービンを通って動力を取り出し、その動力によって燃焼システムを駆動し、有益な仕事を操作者に提供する。

乾式低排出型（以下、ＤＬＥ：Ｄｒｙ−Ｌｏｗ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）燃焼器は、排出が制限値以内であるバルク炎温度（以下、火炎温度（Ｔｆｌａｍｅ））の範囲以内で作動する希薄予混合燃焼に頼るガスタービンエンジン構成要素である。Ｔｆｌａｍｅは、燃料を供給される燃焼器カップに入る空気および燃料の完全な燃焼から発生する、計算された断熱火炎温度である。Ｔｆｌａｍｅの最大値で、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出は急激に増加する。Ｔｆｌａｍｅの最小値（以下、最小火炎温度（Ｔｆｌａｍｅ ｍｉｎ））で、燃焼の望ましくない副産物として一酸化炭素（ＣＯ）の排出が増加する。当分野では、典型的な操作は、これらの望ましくない副産物的な排出を低下させるために、船外圧縮機ブリード空気を抽出することである。しかし、船外ブリード空気抽出を使用するそのような従来技術は、所望の幅の狭い温度範囲に局部的Ｔｆｌａｍｅを維持する働きをするが、しかし、部分出力効率が減少し、それによって、燃料作動費用を増加させることにもなる。

したがって、解決しようとする課題は、ＤＬＥガスタービンの部分的な出力効率特性を最大にしながら、一方で、望ましくない副産物である排出を最小にすることである。船外ブリード空気抽出は、典型的には、燃焼器バルク炎温度を狭い範囲に維持することによって、ＤＬＥシステム内の許容できる排出を維持するために、部分出力作動で使用される。加えて、従来技術は限定された量の、予混合されたリングおよびカップのステージング（ｓｔａｇｉｎｇ）を経験してきた。排出規制が厳しくなるにつれて、バルク炎温度の許容範囲は、更に益々狭くなり、達成するのが困難になっている。Ｔｆｌａｍｅ幅が狭くなるにつれて、エンジンは、バルク炎温度の許容範囲内に留まるためにブリード空気の使用を増加させることが必要になる。

ブリード回避技術（ＢＡＴ：Ｂｌｅｅｄ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）は、ブリード空気抽出量を減少させることによって、乾式低排出型（ＤＬＥ）エンジンにおける部分出力効率を改善するための方法に関連する。低出力状態での拡散火炎作動、高出力状態での予混合火炎作動、中間出力設定での予混合／拡散火炎作動の組合せを可能にし、それによってブリード空気要求を低減する手段を提供して、性能を改良し、同時に厳しい排出要求を満たすことを可能にするＢＡＴを含む実施形態が提供される。改良型希薄吹消え（以下、ＥＬＢＯ：Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｌｅａｎ Ｂｌｏｗｏｕｔ）は、選択された特徴によって、空気／燃料比率に非常に近い希薄空気／燃料比率で、および既存のシステムが火炎の完全な損失、すなわち「吹消え」を被る可能性のある境界で観察される温度で作動することを可能にする概念を意味する。可変ＥＬＢＯは、希薄作動を最適にするような態様で所望に応じて燃料搬送を変化させる能力を意味する。

従来技術のＤＬＥエンジンの燃料システム設計は、主に全負荷効率および排出に集中してきた。価値のある目標、および当分野で絶えず増大する要求を満たすことに着手するという目標の中で、可変ＥＬＢＯ燃料を使用する実施形態は、始動から全出力まで、はるかに幅広い範囲の出力設定で、向上した効率および低減された排出を提供する。代替形態は、燃料システムの機能性を向上させ、全出力での排出の低減を最適化し、部分出力によるＴｆｌａｍｅの下降を達成するために、可変ＥＬＢＯを大多数の予混合器に提供する。

ＤＬＥ応用の蓄積の中で部分出力効率を改善するために、主な手法は、円周方向のステージングモードを加えることであったが、その形態では、燃焼器のいくつかのカップが遮断される（すなわち、燃料を供給されない）。この手法は、燃焼器内に局所的低温領域を導入し、それによってＣＯ排出が増加し、追加の制御バルブおよび円周方向のモードを調査するための追加の時間が必要になる。

当分野の設計は、２つのカップおよび３つのカップの予混合器の使用を含む。予混合器の中に３つのカップを使用するこれらのシステム向けに、例はＡカップ、Ｂカップ、およびＣカップを提供する。ブリード空気抽出に対する要求を低減するための当分野の他の設計は、可変領域タービンノズル（ＶＡＴＮ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ａｒｅａ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｎｏｚｚｌｅ）、および出力タービン内へ戻すブリード再注入（バイパスブリードとしても公知である）を含む。しかし、これらの従来技術の設計は、比較的高価であり、限定された信頼性を経験しており、本発明の実施形態と比較すると技術的に複雑である。

更に詳細には、従来技術のＤＬＥエンジンは、ＣＯおよびＵＨＣ（未燃焼炭化水素）排出が急激に増加する、より低い閾値を超えて燃焼器火炎温度を維持するための手段として、船外ブリード空気抽出を提供するために圧縮機ブリードを取り出す。より低い閾値は、初発性希薄吹消えと呼ばれる。

欧州特許出願公開第1909030号明細書

対照的に、実施形態は、火炎安定化を改善することによって初発性希薄吹消えを未然に防ぐための手段を提供し、それによって燃焼器が、より低い火炎温度で許容できる排出と共に作動することができる。実施形態は、燃焼器が部分出力作動中により低いバルク炎温度で作動することを可能にし、それによって非効率的な船外ブリード空気抽出を使用することを低減し、または排除することも可能にする。

課題を解決するに際して、予混合器の特徴として可変ＥＬＢＯを利用し、燃焼室内に燃料を直接噴射する実施形態が提供される。ＥＬＢＯ燃料をこのような使用は、１つまたは複数の予混合器を通って燃焼室に入る燃料／空気混合気用の点火源として働く、小さい高温拡散火炎を生成することによって、火炎安定化を改善する。対照的に、ほとんどの燃焼は希薄予混合である。１つまたは複数の予混合器が、それぞれ１つまたは複数のカップを含むことができ、実施形態は、２つのカップ、ＡおよびＢを有する（図１に示す）予混合器を含み、代替形態は、３つのカップ、Ａ、ＢおよびＣ（図示せず）を有する予混合器を含む。許容できる排出レベルで、または許容できる排出レベル未満で、所望の効率的作動を可能にする火炎温度（Ｔｆｌａｍｅ）の範囲を拡大する実施形態および代替形態が提供される。その解決策は、可変および独立して制御されるＥＬＢＯ燃料を使用することを含み、それによって、作動範囲全体の排出を最適化することができ、低出力状態で作動中、火炎が主に拡散火炎であり、および高出力状態で作動中、火炎が主に予混合されることを可能にする、制御／ステージング論理を特徴とする制御システムを提供することができる。操作者は、部分出力熱効率でわずか１％の改善に関連する費用節約を明確に認識する。したがって、提供される実施形態を使用することから生じる測定可能な結果は、類似の状況下で、公知の技術であるＤＬＥガスタービン作動と比較する場合、部分出力熱効率で３％までの改善を含むという点において、これらの実施形態は、すべての操作者にとって高い価値がある。部分出力効率を高める一方で、実施形態は、燃料システムの費用および複雑さもまた低減する。追加の代替形態は、拡散火炎を使用し、それによって燃焼音響特性を低減する。そうであるので、実施形態は、一時的音響特性を低減することによって、燃焼システムの耐久性を改善する働きをする。段階分けされたＤＬＥ燃焼器の技術と比較すると、実施形態は、より一貫した出口形状およびパターン要因、ならびに部分出力作動中のより低いタービン入口温度を維持する能力を更に提供する。このことは、高温部分の耐久性を改善し、排気温度を測定する際のセンサの正確さ、およびシステム全体の信頼性をもたらす。一般的に、拡散燃料流は良好な操作性を可能にする。予混合燃料流は、良好な排出特性を可能にする。拡散燃料流および予混合燃料流を組み合わせることによって、操作性および排出の両方の最適化が可能になる。

火炎安定化のためのシステムの実施形態の選択された特徴を示す、燃焼室内に配置された予混合器の横断面図である。 火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態に関連するバーナモードでの作動を示す図である。エンジン始動時でのバーナモード１の作動を示す、燃焼室内に配置された予混合器の横断面図である。 火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態に関連するバーナモードでの作動を示す図である。バーナモード１の作動について図２に示す横断面図に関連して、燃焼室内に配置された複数の予混合器の端面図である。 火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態に関連するバーナモードでの作動を示す図である。バーナモード２の作動を示す、燃焼室内に配置された予混合器の横断面図である。 火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態に関連するバーナモードでの作動を示す図である。バーナモード２の作動について図４に示す横断面図に関連して、燃焼室内に配置された複数の予混合器の端面図である。 火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態に関連するバーナモードでの作動を示す図である。バーナモード３の作動を示す燃焼室内に配置された予混合器の横断面図である。 火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態に関連するバーナモードでの作動を示す図である。バーナモード３の作動について図６に示す横断面図に関連して、燃焼室内に配置された複数の予混合器の端面図である。 火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態に関連するバーナモードでの作動を示す図である。バーナモード４の作動を示す燃焼室内に配置された予混合器の横断面図である。 火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態に関連するバーナモードでの作動を示す図である。バーナモード４の作動について図８に示す横断面図に関連して、燃焼室内に配置された複数の予混合器の端面図である。 出力と制御温度との関数として、従来技術のＤＬＥステージング（ＤＬＥ Ｓｔａｇｉｎｇ）を示す図である。 出力と制御温度との関数として、火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態に関連するステージングを示す図である。 平均シャフト出力と平均熱効率との関数として、火炎安定化のためのシステムおよび方法の実施形態と比較した、図１０の従来技術のシステムを示す図である。

図１を参照すると、一般的に、火炎安定化のためのシステム１０が、１つまたは複数の予混合カップを有する１つまたは複数の予混合器２０を含む燃焼器１５を備える。１つまたは複数の予混合カップは、その中に形成される１つまたは複数の可変ＥＬＢＯ導管と流体連通している。

限定する意図ではなく、例示の目的だけのために図示するべく選択された実施形態は、２つの予混合カップを使用する実施形態を含み、その実施形態では、１つまたは複数の予混合カップは、ＥＬＢＯ特性を含み、Ａ予混合カップ３０およびＢ予混合カップ４０である。図示されない他の実施形態は、３つ以上の予混合カップを各予混合器の中に使用する。代替形態は、１つまたは複数の予混合器が、合計２４個の予混合器に達する実施形態を含む。

２カップ予混合器の実施形態の実施例を提供する目的で、各予混合器２０内に、可変ＥＬＢＯ導管２２、Ａカップ予混合導管３２、およびＢカップ予混合導管４２が配置され、形成されている。可変ＥＬＢＯ導管２２は、ＡカップおよびＢカップの両方に供給するが、別法として、別々の可変ＥＬＢＯ導管が各カップに設けられている代替形態（図示せず）が提供される。これらの導管２２、３２、４２は、予混合器２０の各カップ３０、４０から燃焼器１５内の下流に、それぞれ火炎３４および４４を生成する際に使用される燃料を供給する。所望に応じて、燃料は可変ＥＬＢＯ導管２２だけを通って導入されることができ、それによって火炎３４、４４を拡散火炎にする。燃料は、予混合導管３２、４２を通って導入されることも可能であり、それによって火炎３４、４４を予混合火炎にする。図１に示す火炎３４、４４は、概念的であり、燃焼器１５の内部でそのような火炎３４、４４の伝播が全体的に開始する、カップ３０、４０から下流の場所に関して、参照の構成を提供する形で図示されていることに留意されたい。すべての導管２２、３２、４２が、燃料を予混合器２０内に、更に燃焼のために燃焼器１５内に導入するために使用される場合、そのとき火炎３４、４４は、拡散火炎と予混合火炎との組合せである。所望に応じて選択的に、任意の予混合器２０または任意の導管２２、３２、４２内の内部に燃料流を調節することによって、または燃料流を完全に停止することによって、改良された作動効率を達成し、一方、排出を低く維持することも可能になる。

タービンの作動中、音響は、燃焼音響／力学であり、ＤＬＥエンジン内で発見されることが多い圧力振動であると知られている。そのような圧力振動は、様々な方法で所望のように制御され、本明細書で提示する実施形態では、何らかの拡散火炎またはＥＬＢＯを使用することによって制御される。拡散燃料流、すなわち可変ＥＬＢＯ導管２２を通る燃料流を用いて作動する場合、追加の利点が、そのような圧力振動を低減する形で操作者に選択的に提供される。

要求に応じた使用に対してのみ、第１の船外ブリード導管５０および第２の船外ブリード導管５２が、ブリード空気抽出を促進するために設けられる。代替形態は、ブリード空気５４が燃焼器ケース１６（図１参照）から、または圧縮機の段階間のポート（図示せず）から、または圧縮機間の位置（図示せず）から抽出される例を含む。船外ブリードは、一般にＤＬＥシステム用に使用されて、バルク炎温度（以下、Ｔｆｌａｍｅ）が許容できるレベルに維持されることを保証する。可変ＥＬＢＯを備えるＢＡＴ技術は、Ｔｆｌａｍｅが低減され、一方良好な排出を維持し、したがって、ブリード空気抽出の開始を遅らせ、それによって改善された部分出力効率を提供することができる。

上記に詳細に説明し、図１に示すように、各予混合器２０内に含まれる可変ＥＬＢＯ特性は、完全負荷出力比率で割った現在の動力出力の関数として、部分出力作動を向上させることができる。

図２から図９を参照すると、システム１０の代表的な図が示されており、燃焼器１５は低出力から全出力まで、これら２つの両極端の間の部分出力設定を含む、エンジン作動の様々なステージで燃料を燃焼させる。選択されたバーナモードが、各バーナモードに対して１対の図面によって図２から図９の中で見られ、１つの予混合器２０の横断面図が図示され、それに続いて端面図が図示されており、端面図は、拡散、予混合またはその両方のグループからの選択による燃料流を有するすべてのエンジンの予混合器の環状表示である。更に、予混合器２０の任意の部分集合が、上記のグループから得られた燃料流の任意の選択を有することができる。一般的に、低出力に対して、拡散燃料流が使用される。高出力に対して、予混合燃料流が使用される。これら両極端の間の所望の出力に対して、選択されるバランスは、拡散燃料流および予混合燃料流の両方から選択される。実施例は、４つのバーナモードを示しているが、提供される実施形態の可変の性質から、エンジン始動時のために使用されるモードから全出力でのモードまでの間に配置される、限定されない数のバーナモードが存在することを意味すると容易に理解されよう。

最小火炎温度（Ｔｆｌａｍｅ_minimum）は、拡散火炎安定化を利用することを通して改善され、拡散火炎安定化は、所望に応じて燃焼器１５内部のいくつかの、またはすべての予混合器２０、カップ３０、４０を通って、選択的に燃料が送られる燃焼器１５上の可変ＥＬＢＯ（改良型希薄吹消え）の特性の使用を増加することによって達成される。

ブリード導管５０、５２を通って送られ、バーナモード間の移行を可能にするために必要である船外ブリードが５０％以上低減され、ピークのエンジン使用範囲で排除される実施形態が提供される。

限定することを意味しない、少なくとも図２から図９に関連する実施例として、本明細書で使用されるステージングは、エンジンが以下に更に詳細に説明するバーナモードで作動することを意味する。

図２および図３に示すように、ガスタービンエンジンが始動され、燃焼器１５内で燃料の燃焼が発生している。この時点でエンジンは、燃料がＡのＥＬＢＯであることに相当する、バーナモード１の状態である。代替形態ではＢカップを通してのみ燃料を供給するが、この実施例では、燃料流はＡ予混合カップ３０の可変ＥＬＢＯ導管２２だけを通って流れる。Ｂ予混合カップ４０を通って燃料は全く送られない。エンジンは、完全に可変ＥＬＢＯ導管２２を通って導入された燃料で、低出力で作動を開始し、結果として生じる火炎３４は、Ａ予混合カップ３０からのみ生じる拡散火炎３４である。更に詳細には、その中に配置され、形成された導管２２、３２、４２に関連して、予混合器２０内に形成された導管は、Ａ予混合カップ３０とのみ流体連通して配置されている。加えて、このバーナモード１では、そのように使用されるのは可変ＥＬＢＯ導管２２だけである。Ｂ予混合カップ４０（および、３つのカップを使用する実施形態向けには、Ｃカップ−図示せず）では、空気だけがそのカップを通って通過し、火炎４４は存在しない。これが、始動時から約１５％の出力設定までの状態である。

更に実施例によって、図４および図５を参照すると、出力要求が、約１５％から約５０％まで、およびそれらの値の範囲内の任意の点に増加し、タービンがより多くの燃料を供給されて、その出力を提供するとき、燃焼器１５は、低出力でのＡのＥＬＢＯ（Ａ予混合カップ３０の拡散流のみ）だけの作動であるバーナモード１から、ＡのＥＬＢＯと共にＢのＥＬＢＯの組合せであるバーナモード２へ移行する。必要であれば更に詳細には、燃料流は所望に応じて予混合器に加えられ、その場合、いくらかの燃料が可変ＥＬＢＯ導管２２を通って流れ続け、その燃料が前述のように任意の数のＡ予混合カップ３０内に導入され、次いで任意の数のＢ予混合カップ４０（存在する場合は、図示しないＣカップ）の中にも、必要に応じて円周方向に段階分けされた態様で導入され、それによって、段階分けされた作動方式を提供する。段階分けされた作動方式は、動力出力を増加させる一方で、作動効率を最大にし、タービンからの望ましくない排出の生成を最小にすることができる。バーナモード２では、結果として生じる火炎３４、４４が、それぞれＡ予混合カップ３０およびＢ予混合カップ４０から生じる拡散火炎３４、４４である。

図６および図７を参照すると、出力要求が、約５０％から約７５％まで、およびそれらの値のこの範囲内の任意の点に増加し、タービンがより多くの燃料を供給されて、その出力を提供する場合、燃焼器１５は、低出力でのＡのＥＬＢＯ（Ａ予混合カップ３０の拡散流）、およびＢのＥＬＢＯ（Ｂ予混合カップ４０の拡散流）の作動に関連するバーナモード１および２から、より高い出力設定での部分的希薄予混合作動であるバーナモード３へ移行する。その場合、いくらかの燃料が可変ＥＬＢＯ導管２２を通って流れ続け、燃料が、いくつか、またはすべての予混合導管３２、４２内に導入され、所望に応じてＡカップおよびＢカップ（および存在する場合は、図示しないＣカップ）の中に導入され、それによって、段階分けされた作動方式を提供する。段階分けされた作動方式は、動力出力を増加させる一方で、作動効率を最大にし、タービンからの望ましくない排出の生成を最小にすることができる。例えば、図６および図７は、Ａの予混合＋ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯ燃料流の実施例を図示し、その図では、Ａ予混合カップ３０が、Ａカップ予混合導管３２およびＡカップ可変ＥＬＢＯ導管２２の両方の中の燃料流に移行しており、結果として生じる火炎３４は、拡散火炎および予混合火炎の組合せである。Ｂ予混合カップ４０からの燃料は、可変ＥＬＢＯ導管２２からの拡散燃料流であり、結果として生じる火炎４４は拡散火炎である。所望に応じて、いくつかの出力設定で、いくつかの予混合器２０が全く燃料を供給されず、空気だけがそれらの予混合器２０を通過する。

前述のことに対して補足的態様で説明すると、図６および図７は、更により高い出力設定を示すと考えることもできるが、やはり全出力未満であり、燃料はすべてのカップを通って流れ続ける。しかし、Ａ予混合カップ３０は、依然としてＥＬＢＯの状態であるが、燃料はＡカップの可変ＥＬＢＯ導管２２を通って流れ続け、Ａカップ内の結果として生じる火炎３４は、拡散火炎であり、この段階では燃料はＢカップ予混合導管４２を通っても更に導入され、それによって火炎４４を予混合火炎にする。

明確にするために、バーナモードは、それぞれ図４から図５ではバーナモード２、図６から図７ではバーナモード３として上記に説明し、図示されているが、ステージングを相互に限定するのではない。言い換えれば、所望に応じて、操作者または制御システムは、所望に応じて、かつ任意の順番で、バーナモード２またはバーナモード３にシステム１０を選択的に配置することができて、Ｔｆｌａｍｅ_minimum、ブリードの量、出力などの制御パラメータが、効率を最大にし、更に排出を最小にするために選択されるようになる。

次いで、全出力での作動に注意を向けると、図８および図９はバーナモード４における燃料流の状態を示し、出力要求が、約７５％から概ね全出力まで、およびそれらの値の範囲内の任意の点に増加し、タービンがより多くの燃料を供給されて、その出力を提供する場合、燃焼器１５は、すべての導管２２、３２、４２を活性化させて、カップ３０、４０に移行し、それによって少量の拡散燃料を含む、または含まない主に予混合火炎として火炎３４、４４を生成する。

要約として、および限定する意味ではなく図示の目的で提供される実施例に関係して、バーナモードについて均等な図２から図９、実施形態および代替形態が、以下のバーナモードでのステージング作動のために提供される。

１．ＡのＥＬＢＯ（図２および図３）
２．ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯ（図４および図５）
−（任意の要求される状態によって、他のバーナモードが円周方向のバーナモードを含むことを可能にする。）
３．ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯ＋Ａ予混合（図６および図７）
−（任意の要求される状態によって、他のバーナモードが円周方向のバーナモードを含むことを可能にする。）
４．ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯ＋Ａ予混合＋Ｂ予混合であり、ＮＯｘ排出を最適にするために、ＥＬＢＯが完全負荷状態でゼロ近くに最小化されている（図８および図９）
火炎安定化のための方法が、
１）燃料流のための制御装置（図示せず）を備えるエンジンを用意するステップであって、燃焼器１５が１つまたは複数の予混合器２０を備え、各予混合器２０が１つまたは複数のカップ、例えば、限定する意図はないが、Ａ予混合カップ３０およびＢ予混合カップ４０を備え、１つまたは複数の予混合器２０が、内部に可変ＥＬＢＯ導管２２、各カップ３０、４０用の予混合導管３２、４２を形成し、配置しており、そのような導管２２、３２、４２がカップ３０、４０と流体連通するように配置され、可変ＥＬＢＯ導管２２が、使用される場合、各カップから下流に拡散火炎を生成する際に使用される燃料を提供し、予混合導管３２、４２が、使用される場合、各カップの下流に予混合火炎を生成するための燃料を提供するステップと、
２）エンジンを始動するステップであって、始動時の燃料が、バーナモード１で、バーナモード１を維持する中で、ＡのＥＬＢＯ（拡散）燃料によって提供され、ＡのＥＬＢＯ（拡散）燃料流が、約１５％の部分出力までの要求によって、拡散火炎である火炎３４をもたらすステップと、
３）ＡのＥＬＢＯカップが所望の作動パラメータ内での作動を可能にする燃料流を提供するレベルを越えて、出力要求が上昇する場合、制御装置が燃料流をバーナモード２に変化させるステップにおいて、ＡのＥＬＢＯ（拡散）＋ＢのＥＬＢＯ（拡散）燃料流が、約１５％から約５０％の間の出力要求による拡散火炎である火炎３４、４４を発生させるステップと、
４）出力要求が、ＡのＥＬＢＯ閾値、またはＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯの閾値のどちらかを超えて上昇する場合、制御装置が、燃料流をバーナモード３に変化させるステップにおいて、ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯ（拡散）＋Ａの予混合燃料流が、拡散火炎に留まる火炎４４、および拡散火炎から予混合火炎に移行し、約５０％と約７５％との間の出力要求による火炎３４を発生させるステップと、
５）出力要求が、バーナモード３の中で増加し続ける場合、実施形態は、Ｂ予混合カップが活性化されて、それによってバルク炎温度を制御するために、所望に応じて、拡散火炎から予混合火炎に火炎４４を移行させるステップと、
６）出力要求が全出力設定まで上昇する場合、制御装置が燃料流をバーナモード４に変化させるステップにおいて、ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯ＋Ａ予混合＋Ｂ予混合燃料流が、予混合火炎であり、約７５％と約１００％、または全出力との間の出力要求による火炎３４、４４を発生させるステップと
を含む。

３つのカップを有する実施形態について、燃料流が、ＡのＥＬＢＯで開始し、全出力設定でのバーナモードに対して、ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯ＋ＣのＥＬＢＯ＋Ａ予混合＋Ｂ予混合＋Ｃ予混合カップが活性化される全出力まで次第に上昇することができる組合せでバーナモードが提供されることが理解されよう。同様に、中間の３つのカップのバーナモードが前述のバーナモードに対応して提供される。

加えて、制御装置は、出力要求、Ｔｆｌａｍｅで表された制御温度、および平均熱効率を含む要因を分析し、所望の動力出力レベルを維持する一方で、船外ブリード空気を最小にし、または排除し、かつ排出を最小にするために、何らかの任意の順番で円周方向のステージングを含む、任意のバーナモードによるステージング、順番にバーナモードに従うこと、選択されたバーナモードで予混合器の使用を変更すること、または要求に応じて任意のバーナモードをスキップすることを調節する。

システムおよび方法１０、ならびに関連する燃料流およびバーナモードに関して考察されたこれらの原理および詳細を用いて、ここで注意を特徴のグラフ表示に向けることができよう。

図１０は、ＤＬＥ用の従来技術のシステム、およびそのようなシステムに関連する典型的なＤＬＥステージングを参照するための単なる手段として提供される。図１０の底部に沿って左のより低い部分から右のより高い部分まで平行に走る、出力の無次元化表示が示されている。タービン入口で測定された制御温度が、図面の左の垂直な余白に沿って、低い方の温度（制御温度が出力に一致する）から高い方の温度まで示されている。従来技術の実施例は３カップ作動を参照しており、その実施例は、最大ブリード空気を使用する、各四辺形の上方左手領域内にある。従来技術の２カップシステムに対してもこの状態は同様であろう。加えて、従来技術では、ブリード空気の広範囲な使用が要求され、それによって出力でのタービン入口温度が上昇し、したがって排出を維持するが、エンジン効率を犠牲にする。

対照的に、図１１は、同様の方式でデータを表示するように設定されているが、このグラフはシステムおよび方法１０の実施形態に対するデータである。図１１と図１０との比較によって、図１２に示すように、実施形態が、高負荷で必要な任意のブリードの全体量を制御し、低減し、または排除する全く異なる態様を提供することが明らかである。

特に図１１を参照すると、図面の上方右手の全出力から出力が減少するにつれて、実施形態の特徴が、上記に考察するように選択的にバーナモードを選択して、許容できる制御温度が、ブリード導管および関連する船外ブリード抽出を使用する必要なしに、維持されるようになることを理解されたい。この特徴は、図１０のシステムを超える、著しい排出の削減を説明する。ＮＯｘ排出レベルが、完全負荷に近い、低量の可変ＥＬＢＯによって達成されることを指摘しておきたい。可変ＥＬＢＯを使用して火炎温度の下降または希薄吹消え（以下、ＬＢＯ：ｌｅａｎ ｂｌｏｗｏｕｔ）を改善して、エンジン内のブリード抽出の使用を最小にし、それによって部分出力効率を改善する実施形態が提供される。

図１２は、出力対平均熱効率のパーセンテージとして表される平均シャフト出力のグラフ表示を提供する。火炎安定化のためのシステムの実施形態は、より高い負荷でブリードが全く使用されず、グラフに示すように曲線をたどるシステムを含む。対照的に、従来技術のシステム（図１０も参照のこと）は、システム１０の実施形態のブリードの全くないラインから全体的に下方に外れて描かれているグラフのプロットをたどる。本明細書に提示する実施形態および代替形態と対照的に、そのような従来技術のシステムは、ブリード量を増加させ、より高いレベルの排出、および出力が低下するにつれて低減される効率（本明細書に提示する実施形態および代替形態と比較して）を許容しなければならない。図１２のグラフ上の最大出力比率約０．８で、主要な曲線から逸脱している右手の曲線に留意されたい。

１０ システム
１５ 燃焼器
１６ 燃焼器ケース
２０ 予混合器
２２ 可変ＥＬＢＯ導管
３０ Ａ予混合カップ
３２ Ａカップ予混合導管
３４ 火炎
４０ Ｂ予混合カップ
４２ Ｂカップ予混合導管
４４ 火炎
５０ 第１の船外ブリード導管
５２ 第２の船外ブリード導管
５４ ブリード空気

Claims (18)

1. 火炎安定性のためのシステム（１０）であって、前記システム（１０）が、１つまたは複数の予混合器（２０）を備える燃焼器（１５）を含み、
   各予混合器（２０）が１つまたは複数の予混合カップ（３０、４０）を備え、
   各予混合器（２０）内に、１つまたは複数の可変ＥＬＢＯ導管（２２）が形成され、配置されており、
   前記カップ（３０、４０）と流体連通するように配置された前記１つまたは複数の可変ＥＬＢＯ導管（２２）が、前記燃焼器（１５）の燃焼室内に直接噴射されて各カップ（３０、４０）から下流に拡散火炎（３４、４４）を生成する際に使用される燃料を提供し、
   前記予混合器（２０）に設けられた各カップ（３０、４０）のための予混合導管（３２、４２）が、各カップ（３０、４０）の下流に予混合火炎（３４、４４）を生成するための予混合燃料を提供する、システム（１０）。
2. 前記燃焼器（１５）の燃焼器ケース（１６）からブリード空気（５４）を抽出する１つまたは複数のブリード導管（５０、５２）を更に備える、請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 前記１つまたは複数のブリード導管（５０、５２）が、第１のブリード導管（５０）および第２のブリード導管（５２）である、請求項２に記載のシステム（１０）。
4. 前記燃焼器（１５）が、前記予混合器（２０）が、拡散、予混合、拡散および予混合の両方、燃料流なしのグループから選択された燃料流を備え、前記予混合器（２０）の任意の部分集合が、前記グループから得られる燃料流の任意の選択を含むことができるよう構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
5. 前記燃焼器（１５）が、何らかの任意の順番で円周方向のステージングを含む、任意のバーナモードによるステージング、順番にバーナモードに従うこと、選択されたバーナモードで予混合器（２０）の使用を変更すること、または要求に応じて任意のバーナモードをスキップすることができるよう構成されている、請求項４に記載のシステム（１０）。
6. 前記選択された燃焼器（１５）が、所望の動力出力レベルを維持する一方で、前記燃焼器（１５）の燃焼器ケース（１６）から抽出されるブリード空気（５４）を最小にし、または排除し、かつ排出を最小にする、請求項５に記載のシステム（１０）。
7. 前記選択された燃焼器（１５）が、約５０％から全出力の範囲に平均シャフト出力を維持し、一方、そのような出力設定を維持する中で、前記燃焼器（１５）の燃焼器ケース（１６）から抽出されるブリード空気（５４）を排除する、請求項５に記載のシステム（１０）。
8. 前記予混合カップ（３０、４０）が、２つのカップ、Ａ予混合カップ（３０）およびＢ予混合カップ（４０）であり、
   前記可変ＥＬＢＯ導管（２２）が、Ａ予混合カップ予混合導管（３２）およびＢ予混合カップ予混合導管（４２）である、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
9. 前記予混合カップ（３０、４０）が、３つのカップ、Ａ予混合カップ（３０）、Ｂ予混合カップ（４０）およびＣ予混合カップであり、
   前記可変ＥＬＢＯ導管（２２）が、Ａ予混合カップ予混合導管（３２）、Ｂ予混合カップ予混合導管（４２）およびＣ予混合カップ予混合導管である、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
10. 火炎（３４、４４）安定化のための方法が、
    ａ．燃料流のための制御装置を備えるエンジンを用意するステップであって、燃焼器（１５）が１つまたは複数の予混合器（２０）を備え、各予混合器（２０）が１つまたは複数のカップ（３０、４０）を備え、前記１つまたは複数の予混合器（２０）が、内部に可変ＥＬＢＯ導管（２２）、各カップ（３０、４０）用の予混合導管（３２、４２）を形成し、配置しており、そのような導管（３２、４２）が前記カップ（３０、４０）と流体連通するように配置され、前記可変ＥＬＢＯ導管（２２）が、使用される場合、各カップ（３０、４０）から前記燃焼器（１５）の燃焼室内に直接噴射されて下流に拡散火炎（３４、４４）を生成する際に使用される燃料を提供し、前記予混合導管（３２、４２）が、使用される場合、各カップ（３０、４０）の下流に予混合火炎（３４、４４）を生成するための予混合燃料を提供するステップと、
    ｂ．エンジンを始動するステップであって、始動時の燃料が、バーナモード１の中で、バーナモード１を維持する中で、ＡのＥＬＢＯ（拡散）燃料によって提供されるステップにおいて、ＡのＥＬＢＯ（拡散）燃料流が、約１５％の部分出力までの要求によって、拡散火炎（３４、４４）である火炎（３４、４４）をもたらすステップと、
    ｃ．ＡのＥＬＢＯカップ（３０）が、所望の作動パラメータ内での作動を可能にする燃料流を提供するレベルを越えて、出力要求が上昇する場合、前記制御装置が燃料流をバーナモード２に変化させるステップにおいて、ＡのＥＬＢＯ（拡散）＋ＢのＥＬＢＯ（拡散）燃料流が、約１５％から約５０％の間の出力要求による、拡散火炎（３４、４４）である火炎（３４、４４）を発生させるステップと、
    ｄ．出力要求が、前記ＡのＥＬＢＯ閾値、または前記ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯの閾値のどちらかを超えて上昇する場合、前記制御装置が、燃料流をバーナモード３に変化させるステップにおいて、ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯ（拡散）＋Ａの予混合燃料流が、拡散火炎（３４、４４）に留まるＢカップ内（４０）の燃料流から生じる火炎（４４）、および拡散火炎（３４、４４）から予混合火炎（３４、４４）に移行する、約５０％と約７５％との間の出力要求による、Ａカップ（３０）内の燃料流から生じる火炎（３４）を発生させるステップと、
    ｅ．出力要求が、バーナモード３の中で増加し続ける場合、実施形態は、Ｂ予混合カップ（４０）が活性化されて、それによって、バルク炎温度を制御するために、拡散火炎（４４）から予混合火炎（４４）にＢカップ内の燃料流から生じる火炎（４４）を移行させるステップと、
    ｆ．出力要求が全出力設定まで上昇する場合、前記制御装置が燃料流をバーナモード４に変化させるステップにおいて、ＡのＥＬＢＯ＋ＢのＥＬＢＯ＋Ａ予混合＋Ｂ予混合燃料流が、予混合火炎（３４、４４）であり、約７５％と約１００％または全出力との間の出力要求による火炎（３４、４４）を発生させるステップと
    を含む方法。
11. 前記制御装置が、前記燃焼器（１５）を、前記予混合器（２０）が、拡散、予混合、拡散および予混合の両方、燃料流なしのグループから選択された燃料流を備え、予混合器（２０）の任意の部分集合が、前記グループから得られる燃料流の任意の選択を含むことができるよう制御する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記制御装置が、出力要求、火炎温度（Ｔｆｌａｍｅ）としての制御温度、平均熱効率のグループから選択された要因を分析し、所望の動力出力レベルを維持する一方で、燃焼器ケース（１６）から抽出されるブリード空気（５４）を最小にし、または排除し、かつ排出を最小にするために、何らかの任意の順番で円周方向のステージングを含む、任意のバーナモードによるステージング、順番にバーナモードに従うこと、選択されたバーナモードで予混合器（２０）の使用を変更すること、または要求に応じて任意のバーナモードをスキップすることを調節する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記制御装置が、前記燃焼器（１５）を、所望の動力出力レベルを維持する一方で、燃焼器ケース（１６）から抽出されるブリード空気（５４）を最小にし、または排除し、かつ排出を最小にする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記制御装置が、前記燃焼器（１５）を、約５０％から全出力の範囲に平均シャフト出力を維持し、一方、そのような出力設定を維持する中で、燃焼器ケース（１６）から抽出されるブリード空気（５４）を排除する、請求項１３に記載の方法（１０）。
15. 前記カップ（３０、４０）が、２つのカップ、Ａ予混合カップ（３０）およびＢ予混合カップ（４０）である、請求項１３に記載の方法。
16. 前記予混合カップ（３０、４０）が、２つのカップ、Ａ予混合カップ（３０）およびＢ予混合カップ（４０）であり、
    前記可変ＥＬＢＯ導管（２２）が、Ａ予混合カップ予混合導管（３２）およびＢ予混合カップ予混合導管（４２）である、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記カップが、３つのカップ、Ａ予混合カップ（３０）、Ｂ予混合カップ（４０）およびＣ予混合カップである、請求項１３に記載の方法。
18. 前記予混合カップが、３つのカップ、Ａ予混合カップ（３０）、Ｂ予混合カップ（４０）およびＣ予混合カップであり、
    前記可変ＥＬＢＯ導管（２２）が、Ａ予混合カップ予混合導管（３２）、Ｂ予混合カップ予混合導管（４２）およびＣ予混合カップ予混合導管である、
    請求項１７に記載の方法。