JP6110854B2 - ガス・タービン・エンジンで使用するための予混合燃料空気を用いた接線方向環状燃焼器 - Google Patents
ガス・タービン・エンジンで使用するための予混合燃料空気を用いた接線方向環状燃焼器 Download PDFInfo
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Description
この発明は、ガス・タービンエンジン用の環状の燃焼器において燃焼反応物を混合する方法を提供する。前記燃焼器は、外側シェル、内側シェル、前記外側シェルおよび前記内側シェルを連結して前記燃焼器の中心線まわりに配置された環状容積を形成する穿孔された前壁、ならびに前記前壁に対向し、前記中心線まわりに配置された環状の排出開口と、前記前壁および前記排出開口の間において、前記中心線に直交する第1平面内に配置され、前記中心線まわりの円周方向に離間して前記外側シェルに配置された複数の第1ノズルと、前記第1ノズルと前記前壁との間において、前記中心線に直交する第2平面内に配置され、前記中心線まわりの円周方向に離間して前記外側シェルに配置された複数の第2ノズルと、を含む。そして、前記方法は、各前記第1ノズルが前記外側シェルの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記環状容積内に予め混合された第1燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第1ノズルから前記環状容積内に予め混合された前記第1燃料空気混合気を噴射することにより、前記環状容積を通って前記燃焼器の中心線まわりに回転し、かつ前記環状容積を通って前記穿孔された前壁から前記排出開口に向かう方向の流れ場を形成するステップと、各前記第2ノズルが前記外側シェルの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記環状容積内に予め混合された第2燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第2ノズルから前記環状容積内に予め混合された前記第2燃料空気混合気を噴射するステップと、圧縮機吐出空気を前記穿孔された前壁を通して前記環状容積を通る前記流れ場に導入するステップと、を同時に実行して、燃焼を促進させ、NOxおよびCOの排出を減少させる燃料空気段階的効果を生じさせる。
この発明は、さらに、ガス・タービンエンジン用の環状の燃焼器を提供する。この燃焼器は、外側シェル、内側シェル、前記外側シェルおよび前記内側シェルを連結して前記燃焼器の中心線まわりに配置された環状容積を形成する穿孔された前壁、ならびに前記前壁に対向し、前記中心線まわりに配置された環状の排出開口と、前記前壁および前記排出開口の間において、前記中心線に直交する第1平面内に配置され、前記中心線まわりの円周方向に離間して前記外側シェルに配置された複数の第1ノズルと、前記第1ノズルと前記前壁との間において、前記中心線に直交する第2平面内に配置され、前記中心線まわりの円周方向に離間して前記外側シェルに配置された複数の第2ノズルと、を含む。そして、この燃焼器は、各前記第1ノズルが前記外側シェルの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記環状容積内に予め混合された第1燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第1ノズルから前記環状容積内に予め混合された前記第1燃料空気混合気が噴射されることにより、前記環状容積を通って前記燃焼器の中心線まわりに回転し、かつ前記環状容積を通って前記穿孔された前壁から前記排出開口に向かう方向の流れ場が形成され、各前記第2ノズルが前記外側シェルの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記環状容積内に予め混合された第2燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第2ノズルから前記環状容積内に予め混合された前記第2燃料空気混合気が噴射され、圧縮機吐出空気が前記穿孔された前壁を通して前記環状容積を通る前記流れ場に導入され、それによって、燃焼を促進させ、NOxおよびCOの排出を減少させる燃料空気段階的効果を生じさせるように構成されている。
前記予め混合された第1燃料空気混合気が第1燃料空気比を有し、前記予め混合された第2燃料空気混合気が第2燃料空気比を有し、前記第2燃料空気比が前記第1燃料空気比よりも大きいことが好ましい。
1.地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、
前後方向に垂直な平面に並べられるとともに円周方向に離間された複数の燃料ノズル、空気ノズル、および/または、燃料空気ノズルと、
高温合金またはセラミック材料から作られたシェル/ライナと、
前壁と称され、内側ライナと外側ライナとを連結して環状の容積を形成する前記高温合金または前記セラミック材料から作られたライナと、
を備える、燃焼器。
2.燃料空気混合気が、前記燃料/空気ノズルを出て燃焼室に入るまでに予混合される、項1記載の燃焼器。
3.前記燃料空気ノズルは、軸流スワラおよび/またはパイロット燃料空気ノズルが配置され得る同軸の円形領域と、流れに旋回がほとんどまたは全く付与されない(たとえば、0回転より大きく0.5回転より小さい)同心の環状流れ入口とから構成される、項1または2に記載の燃焼器。
4.前記燃料空気ノズルは、相当の接線速度で前記流れを導入するために、前記流れにほとんどまたは全く旋回を付与しない前記環状流れ入口を有し、それにより前記燃焼器の出口に接近する流れの角度を実質的に増加させることで、第1の段の固定されたNGVの必要な長さを短くする、項3記載の燃焼器。
5.単列の燃料/空気ノズルが、前記外側燃焼器ライナの周りに円となるようにして配置される、項1〜4のいずれか一項に記載の燃焼器。
6.2列またはそれ以上の燃料/空気ノズルが、前記外側燃焼器ライナの周りに円となるようにして配置される、項1〜4のいずれか一項に記載の燃焼器。
7.前後方向に垂直で前記前壁の近くの平面において円周方向に離間されたノズルは、そのノズルよりも下流の前後方向に垂直な平面において円周方向に離間されたノズルよりも燃料の濃い燃料空気比の燃料空気混合気を噴射し、前記燃料空気混合気は、主に円周方向成分を有しつつ径方向および/または前後方向成分を有し得る、項1記載の燃焼器。
8.前記下流の平面に配置されたノズルは、前記前壁の近くの平面に配置されたノズルの燃料空気比よりも燃料の薄い燃料空気比の燃料空気混合気を噴射し、前記燃料空気混合気は、主に円周方向成分を有しつつ径方向および/または前後方向成分を有し得る、項7記載の燃焼器。
9.前記燃料空気ノズルは、部分負荷運転において火炎を安定する機能を提供するパイロット燃料/空気ノズルを備える、項1〜8のいずれか一項に記載の燃焼器。
10.前記燃料空気ノズルは、参照符号10で示されるような0度から90度の角度を有し、その角度はノズルが配置される平面毎に異なっていてもよく、ノズルが配置される複数の平面間で等しくてもよい、項1〜9のいずれか一項に記載の燃焼器。
11.前記燃料空気ノズルは、同じ平面において、0度から90度の範囲にある一定の値の角度または異なる値の角度を有し得る、項10記載の燃焼器。
12.同じ平面にあって2つの組に分けられた前記燃料空気ノズルを少なくとも有し、それらの2組の燃料空気ノズルが、0度から90度の範囲にある値の異なる角度で噴射し得る、項10または11に記載の燃焼器。
13.異なる平面にある前記ノズルが噴射する燃料空気混合気は、同じ燃料空気比または異なる燃料空気比であり得る、項1〜12のいずれか一項に記載の燃焼器。
14.同じ平面にある前記燃料空気ノズルが噴射する燃料空気混合気は、同じ燃料空気比または異なる値の燃料空気比であり得る、項1〜13のいずれか一項に記載の燃焼器。
15.接線方向に向けられた前記ノズルは、隣接するノズル同士がそれらの火炎をその平面において隣接するノズルに向けられており、前記燃焼器の点火過程を高めることにより、複数のパイロット・バーナの必要性を小さくする、項1〜14のいずれか一項に記載の燃焼器。
16.高められた前記点火過程は、部分負荷レベル運転および全負荷レベル運転における火炎の不安定さから発生させられる火炎に誘発される振動および音を減らし、本質的に安定するバーナを提供する、項15記載の燃焼器。
17.接線方向の前記燃料空気ノズルの構成は、非常に低い負荷レベルにおいて、効率的な燃焼に向けて反応物の混合を高める、項1〜16のいずれか一項に記載の燃焼器。
18.低BTUガスなどの低反応物燃料を、増進された火炎安定性のため、前記燃焼器において容易に利用および燃焼させることができる、項1〜17のいずれか一項に記載の燃焼器。
19.前記燃料空気混合気を燃焼するために必要な滞留時間を短くし、その結果、必要な燃焼空間を小さくし、それが(すべてのガス・タービン用途において重要である)エンジンの大きさを縮小し、それによって(航空機のガス・タービン用途において重要である)重量の推力に対する比を小さくする、項1〜18のいずれか一項に記載の燃焼器。
20.より一様な温度分布を前記燃焼器の出口で達成することで、前記燃焼器を、前記燃焼器およびタービン部品の耐用期間を損なうことなく、より高い燃焼(点火)温度で作動させることができる、項1〜19のいずれか一項に記載の燃焼器。
21.より高い燃焼温度で作動する能力は、エンジン効率および出力の向上をもたらし、そのためCO排出レベルを低下させる、項20に記載の燃焼器。
22.前記前壁ライナは、圧縮機吐出空気を、前記ライナを通して前記ライナを冷却させるとともに燃焼室の内部で燃焼排ガスと素早く混合させることができる少なくとも1つの孔(スパーク放電加工によって作られた直線状または鐘形状の入口孔であり得る)、または孔の組合せを備える、項1〜21のいずれか一項に記載の燃焼器。
23.内側ライナおよび外側ライナの両方の半径は、前記ガス・タービン・エンジンの大きさおよび形状に応じて、前後方向位置に応じて変化している、項1〜22のいずれか一項に記載の燃焼器。
24.例えば、衝突冷却、しみ出し冷却、蒸気冷却などの、ガス・タービン構成部品を冷却するために利用可能な任意の冷却方法が用いられる、項1〜23のいずれか一項に記載の燃焼器。
25.共通の平面に共存するノズルは、異なる平面にある別の組合せのノズルから、エンジン中心線の周りの円周方向の角度だけずらされている、項1〜24のいずれか一項に記載の燃焼器。
26.前記燃焼器を通った後の流れは、第1の段のタービンNGVの必要な長さを短縮する実質的に円周方向の速度成分を伴って前記燃焼器から出ていき、前記第1の段のタービンのための境界入口条件を実現し、結果として、関連するNGV冷却要件を減らし、そのため性能損失およびコスト問題を小さくする、項1〜25のいずれか一項に記載の燃焼器。
27.窒素の酸化物の排出を低減する、項2〜26のいずれか一項に記載の燃焼器。
Claims (4)
- ガス・タービンエンジン用の環状の燃焼器において燃焼反応物を混合する方法であって、
前記燃焼器が、
外側シェル、内側シェル、前記外側シェルおよび前記内側シェルを連結して前記燃焼器の中心線まわりに配置された環状容積を形成する穿孔された前壁、ならびに前記前壁に対向し、前記中心線まわりに配置された環状の排出開口と、
前記前壁および前記排出開口の間において、前記中心線に直交する第1平面内に配置され、前記中心線まわりの円周方向に離間して前記外側シェルに配置された複数の第1ノズルと、
前記第1ノズルと前記前壁との間において、前記中心線に直交する第2平面内に配置され、前記中心線まわりの円周方向に離間して前記外側シェルに配置された複数の第2ノズルと、を含み、
前記方法が、
各前記第1ノズルが前記外側シェルの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記環状容積内に予め混合された第1燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第1ノズルから前記環状容積内に予め混合された前記第1燃料空気混合気を噴射することにより、前記環状容積を通って前記燃焼器の中心線まわりに回転し、かつ前記環状容積を通って前記穿孔された前壁から前記排出開口に向かう方向の流れ場を形成するステップと、
各前記第2ノズルが前記外側シェルの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記環状容積内に予め混合された第2燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第2ノズルから前記環状容積内に予め混合された前記第2燃料空気混合気を噴射するステップと、
圧縮機吐出空気を前記穿孔された前壁を通して前記環状容積を通る前記流れ場に導入するステップと、
を同時に実行して、燃焼を促進させ、NOxおよびCOの排出を減少させる燃料空気段階的効果を生じさせる、方法。 - 前記予め混合された第1燃料空気混合気が第1燃料空気比を有し、前記予め混合された第2燃料空気混合気が第2燃料空気比を有し、前記第2燃料空気比が前記第1燃料空気比よりも大きい、請求項1に記載の方法。
- ガス・タービンエンジン用の環状の燃焼器であって、
外側シェル、内側シェル、前記外側シェルおよび前記内側シェルを連結して前記燃焼器の中心線まわりに配置された環状容積を形成する穿孔された前壁、ならびに前記前壁に対向し、前記中心線まわりに配置された環状の排出開口と、
前記前壁および前記排出開口の間において、前記中心線に直交する第1平面内に配置され、前記中心線まわりの円周方向に離間して前記外側シェルに配置された複数の第1ノズルと、
前記第1ノズルと前記前壁との間において、前記中心線に直交する第2平面内に配置され、前記中心線まわりの円周方向に離間して前記外側シェルに配置された複数の第2ノズルと、を含み、
各前記第1ノズルが前記外側シェルの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記環状容積内に予め混合された第1燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第1ノズルから前記環状容積内に予め混合された前記第1燃料空気混合気が噴射されることにより、前記環状容積を通って前記燃焼器の中心線まわりに回転し、かつ前記環状容積を通って前記穿孔された前壁から前記排出開口に向かう方向の流れ場が形成され、
各前記第2ノズルが前記外側シェルの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記環状容積内に予め混合された第2燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第2ノズルから前記環状容積内に予め混合された前記第2燃料空気混合気が噴射され、
圧縮機吐出空気が前記穿孔された前壁を通して前記環状容積を通る前記流れ場に導入され、
それによって、燃焼を促進させ、NOxおよびCOの排出を減少させる燃料空気段階的効果を生じさせるように構成された、燃焼器。 - 前記予め混合された第1燃料空気混合気が第1燃料空気比を有し、前記予め混合された第2燃料空気混合気が第2燃料空気比を有し、前記第2燃料空気比が前記第1燃料空気比よりも大きい、請求項3に燃焼器。
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