JP6203371B2 - リーン方位角炎燃焼器 - Google Patents

Description

関連出願に関する相互参照
この出願は、その内容の全てを本明細書に含ませることができる２０１３年３月１３日に提出された米国仮特許出願Ｎｏ．６１／７８０８３５の優先権を請求する。

技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンの改良された燃焼室に関する。

背景技術
ガスタービンエンジンの燃焼の改良は、エミッションの低減と、様々な燃料源の燃焼を可能にすることに焦点が当てられている。窒素酸化物（ＮＯｘ）と一酸化炭素（ＣＯ）を低排出にするためのいくつかの要件により、特定の設計上の制約が生じる。低ＣＯの達成は一般的に、完全燃焼と、熱力学的に平衡にある生成ガスに関連している。低ＮＯｘの達成は、低い燃焼温度及び短い滞留時間に関連しており、これは、リーンな空燃比及び／又は希釈によってもたらされるものである。燃焼ガスの希釈は、排ガス再循環（ＥＧＲ）及び煙道ガス再循環（ＦＧＲ）のように排ガスによって達成される。これにより、結果として不完全燃焼が生じる恐れがあり、これは高いＣＯの放出につながる。

不完全燃焼を防止するために、従来の燃焼システムは、適切な体積を有したサイズとなっている。しかしながら高希釈（ＥＧＲ又はＦＧＲ）を伴うこのようなアプローチは、可燃性と温度制限により限界がある。従って、超低ＮＯｘ・ＣＯ排出での燃焼が行われるように形成された燃焼室が必要である。

特許請求の範囲は、特定の図に限定されるものではないが、図示した様々な実施態様を議論することにより、様々な側面が理解される。図面を参照すると、実施態様の図が詳しく示されている。図面は実施態様を示しているが、図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、実施態様の革新的な側面をより良好に図示し、説明するためにいくつかの特徴を誇張して示すことができる。さらに、ここに記載した実施態様は、全てを網羅しているわけではなく、又は別の形式を制限するものではなく、図示され、以下の詳細な説明に開示された厳密な形式と構成に制限するものではない。以下に、図面につき、本発明の実施態様を詳しく説明する。

本明細書で説明される改良点を含むガスタービンエンジンを概略的に示した図である。 燃焼室の実施態様を示した斜視図である。 燃焼室の別の実施態様を示した斜視図である。 運転中の図３の燃焼室の実施態様を示した斜視図である。 燃焼室の実施態様を示した断面図である。 燃焼室の流体の流れを示す図である。 流体の流路が示された燃焼室の図である。

詳細な説明
ここで説明する燃焼室は、燃焼室の出口端部からの空気と、燃焼室の入口端部において噴射された燃料との混合により燃焼室内に渦を形成するように構成されている。空気が燃焼室の出口端部に進入する方式により、空気と燃料の混合の反応により形成された生成ガスは、部分的に捕捉され、その一部は強制的に入口端部に戻される。さらに、反応物を供給するために、方位角反応物噴出口を燃焼室内に間隔を置いて配置することができる。これらの噴出口は、逆流スワール噴射口であって良く、バルク流体運動を起こさせるので、１つの噴射口における生成ガスは、次のための反応物を提供する。即ち、各反応は、その前の反応からの生成ガス流によってサポートされている。しかしながら形成されるスワールは、渦崩壊を引き起こすには十分ではなく、単に円錐状の流路を形成するのに十分である。ここに記載される実施態様は、安定した高希釈燃焼を達成するリーン方位角炎（ＬＥＡＦ）燃焼器に関するものである。このような構成を提供するために、出口端部で燃焼室に入る空気流は、方位角流を形成することができる。即ち、この空気流は、空気流の終端部が、ここで記載されているように、空気孔からオフセットされるように角度付けられていて良い。

図１には、一般的な発電機を提供するように形成することができるガスタービンエンジン１０が示されている。このエンジン１０は、低圧圧縮機１４、中圧圧縮機（図示せず）、高圧圧縮機１６、燃焼器１８、高圧タービン２０、中圧タービン（図示せず）、低圧タービン２２をそれぞれ有していて良い。高圧圧縮機１６は第１のロータ軸２４に接続されていて、低圧圧縮機１４は第２のロータ軸２６に接続されている。中圧圧縮機は第３のロータ軸を介して中圧タービンに接続されている。これらの軸は軸方向に延在していて、長手方向中心軸線２８と平行である。このエンジン１０は、ここに開示する改良された特徴を有する、改良された燃焼室１８を有している。

図２には、燃焼器１８の燃焼室１００の実施態様の斜視図が示されている。この燃焼室１００は、ジェット燃料エンジン又は産業用ガスタービン内での燃焼のために、燃料と空気の混合を促進することができる。燃料は、気体、液体、固体、又はこれらのいずれの組み合わせであって良い。気体燃料の一般的な例としては、天然ガス（これに限定するわけではないが、メタン及び／又はエタン及び／又はプロパン及び／又はブタン及び／又はペンタン（及び／又はそれらの異性体変種）、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、水等から成っている）、かつ／又は合成ガス（これに限定するわけではないが、水素及び／又は一酸化炭素、メタン、二酸化炭素、窒素、水等から成っている）のいずれか、又はこれらのいずれかの組み合わせであって良い。液体燃料の例は、アルコール、灯油、ディーゼル等のいずれか、又はこれらのいずれかの組み合わせであって良い。固体燃料の例は、粉砕された石炭であって良い。空気は酸化体であって良く、様々なソースから成る複数の組成を含むことができる。燃料と空気は予混合することができ、又は予混合されていなくても良い。燃焼室１００内で燃料と空気は混合され、反応する。このような反応は燃焼を促進することができる。混合された燃料と空気は、本明細書では「生成ガス」と呼ぶことができる。

燃焼室１００は、以後、出口端部１０２と称する第１の面と、以後、入口端部１０４と称する第２の面とを有している。２つの端部１０２，１０４は、円形又は別の幾何学的形状で構成されていて良く、円筒状の燃焼室１００を形成するように壁１０８によって互いに接続されている。入口端部１０４は少なくとも１つの入口開口１１０を有していて良い。出口端部１０２は少なくとも１つの出口開口１１２を有していて良く、この出口開口１１２は、排気物が燃焼室１００から出られるように構成されている。排気は、タービン（図示せず）にエネルギを供給することができる。開口１１０，１１２はそれぞれ各端部１０２，１０４の軸線Ａに沿って軸方向で整列していて良い。

入口開口１１０は、中央の噴射器１１４（図４参照）を収容するように形成されていて良い。中央の噴射器１１４は、燃焼室１００に中央の反応区域を提供するように構成することができる。中央の反応区域は、燃焼室１００の安定性を維持することができる。これは、燃焼室のための反応を提供することによって行われる。パイロットを含むことができるが必須ではない。パイロットは、生成ガスを点火するために使用され、燃焼室１００内での反応を促進する。安定化は、パイロット燃料が継続的に点火されることによって得られる。付加的に、又は選択的に、中央の噴射器１１４も、ここに記載したように、燃焼室１００に燃料と空気とを供給することができる。出口開口１１２は、ガスと排気とが燃焼室１００から出ることができるように形成されて良い。軸線Ａは一般的に燃焼室１００の中央に配置されるように示されているが、排気１１２及び／又は中央の噴射器１１４は、燃焼室１００の中心からずらされていて良い。

出口端部１０２は、以後、空気孔１２０と称する複数の第１の孔を有することができる。これらの空気孔１２０は、燃焼室１００内部へ空気を供給し、燃焼室１００内でのバルク流体運動を促進するように形成されている。入口端部１０４は、以後、燃料孔１２２と称する複数の第２の孔を有することができる。これらの燃料孔１２２は、燃焼室１００の内部に予混合燃料を供給するように形成することができる。空気孔１２０は、「逆」入口と考えることができる。何故ならば、これらの空気孔１２０は、中央流を通る排気流の全体的な方向とは反対向きだからである。空気孔１２０からの空気流は、バルク流体運動を提供することができる。空気孔１２０は、円錐台形又はピラミッド状であって良い。空気孔１２０は、外側の径と、この外側の径よりも小さな内側の径を有している。空気は、外側の径のところで空気孔１２０へと流入し、内側の径のところで燃焼室１００内に流入する。円錐台形及び／又はピラミッド状のこれらの孔１２０により空気は、孔１２０が円筒状であった場合よりも高い運動量で燃焼室１００内に入ることができる。付加的に又は選択的に、空気孔１２０の内側の径は、燃料孔１２２の直径よりも大きくて良い。即ち、燃料よりも多くの空気が燃焼室１００内に入ることができる。付加的に、空気は、燃料よりも高い運動量で燃焼室１００内へと流入することができる。空気孔１２０の数は燃料孔１２２よりも多くて良く、これにより燃料よりも多くの空気が燃焼室１００内に入ることができる。より多くの空気が出口端部１０２で受け取られるならば、燃料孔１２２の数よりも空気孔１２０の数が多い必要はない。ここで記載するように、リーンシステムでは、空気流は、燃料流よりもずっと大きな体積を有していて良い。

入口開口１１０で導入される燃料と空気により、燃焼室１００内での燃焼が促進される。このような燃料流及び空気流によっても、入口開口１１０から出口開口１１２への生成ガスの流れを促進することができる。これは、以後、中央流と呼ぶ。この中央流により、生成ガスは出口開口１１２から燃焼室１００を出ることができる。空気孔１２０からの空気流は、中央流よりも大きな流れを有していて良い。これにより、中央流の生成ガスの一部を、入口端部１０４に向かって押し戻すことができ、生成ガスの少なくとも一部を燃焼室１００内に留めることができる。このことは図６につきより詳しく説明される。さらに、燃料孔１２２からの燃料流は、空気孔１２０からの下方への空気流と結びついて、燃焼室１００内で生成ガスの渦を形成する。

図３及び図５には、燃焼室１００の別の実施態様が示されている。この実施態様では、複数の入口ポート１３０が半径方向内側に向かって、出口開口１１２に向かって延在している。この入口ポート１３０は、出口端部１０２で、燃焼室１００の外側から空気を燃焼室１００の内部へと供給するように形成された空気通路を形成することができる。各入口ポート１３０は少なくとも１つの入口ポート孔１３２を有することができる。これらの孔１３２は、上述した空気孔１２０と類似のものであって良い。入口ポート孔１３２は、燃焼室１００の出口端部１０２において空気を供給することができ、これにより入口端部１０４の近くにおいて、方位角回転及びスワールを伴う渦１１８（図４参照）の形成を促進する。入口ポート孔１３２は、空気孔１２０について上述した通り、円錐台形の形を有していて良い。

図４には、運転中の燃焼室１００の実施態様の斜視図が示されている。燃焼室１００は円筒状に示されているが、中心軸線Ａを有する任意の形のものであって良い。燃焼室１００は軸線Ａに関して対称的に示されているが、必ずしも対称的である必要はない。渦１１８は燃焼室１００内に形成される。渦１１８は少なくとも部分的に、空気孔１２０からの空気流１４８と、燃料孔１２２からの燃料流１５０（図５参照）とによって形成されている。このことは図６及び図７につきより詳しく後述する。渦１１８は入口端部１０４の近くにあって良く、燃焼室１００内で再循環流とバルクスワールを形成することにより、生成ガスの少なくとも一部を燃焼室１００内に維持することができる。一実施態様では、空気流１４８は、第１の運動量で出口端部１０２から受け取ることができる。燃料は、入口端部１０４で第２の運動量で受け取られる。空気流は、燃料流の運動量よりも大きな運動量であって良い。空気流１４８は、中央の噴射器１１４からの中央流の運動量よりも大きな運動量であっても良い。従って、空気流１４８は中央流１５２（図５参照）と燃料流１５０に対して逆向きであって良く、生成ガスの少なくとも一部を強制的に、入口端部１０４へと戻して生成ガスの渦１１８を形成し、燃焼室１００内で再循環させる。排気の一部は、出口開口１１２から燃焼室１００を出て行くことができる。

図５には、燃焼室１００の実施態様の断面図が例として示されている。この実施態様では、入口ポート１３０が空気を燃焼室１００へと供給する。付加的に複数の燃料ポート１３８が入口端部１０４において燃料を燃焼室１００へと供給する。燃料ポート１３８は、入口端部１０４の近くで、壁１０８に入る燃料通路として示されている。例として、燃料流１５０も示されている。燃料流１５０は壁１０８に平行に示されているが、別の例の燃料流も考えられる。例えば、燃料は、壁１０８からずらされて流れることができる。付加的に又は選択的に、燃料は、入口端部１０４に対して平行に流れることができる。例として、空気流１４８も示されている。この実施態様では、空気流１４８は、この空気流１４８の終端又は先端が、空気孔１２０における空気流の始点からオフセットしているように角度付けられて良い。即ち、空気は、中央流に平行に流れるのではなく、所定の角度だけオフセットさせることができる。この実施態様では、各空気流１４８が方位角のような空気流を形成することができる。一実施態様では、入口ポート孔１３２はそれぞれ、燃焼室全体にわたって連続的な方位角流を形成するように同じオフセットで角度付けされていて良い。別の例では、入口ポート孔１３２は異なる角度で角度付けされていて良い。空気流１４８の角度付けにより、燃焼室１００内でのスワール流の形成を促進することができる。

上述した例は入口ポート１３０に関するものであるが、同じオフセットは図２及び図４につき説明したような、出口端部１０２における空気孔１２０の形成により達成することができる。

スワール流は、中央の噴射器１１４によってもさらに促進することができる。中央の噴射器１１４は、燃料と空気の少なくとも一方、及びパイロット燃料を燃焼室１００に供給することができる。これにより中央流１５２を形成することができ、この中央流は部分的に再循環流へと再循環させることができる（図６参照）。

図６には、燃焼室１００の流体の流れを示す図の例がされている。上述したように、空気孔１２０又は入口ポート孔１３２及び燃料孔１２２又は燃料ポート孔１４０（図５参照）は、それぞれ空気流１４８と燃料流１５０を形成するように構成されている。付加的に、入口開口１１０で中央の噴射器１１４を通った空気及び／又は燃料は、中央流１５２を形成するように構成することができる。中央流１５２のいくつかの部分は、出口開口１１２のところで燃焼室１００を出て行くことができる。しかしながら中央流１５２の残りの部分は、再循環流１５４を形成するために空気流１４８によって変向されることができる。再循環流１５４は、空気と燃料の両方を含み、出口端部１０２から入口端部１０４へと流れ、入口端部１０４において生成ガスの渦１１８に再統合される。

図７には、等しく間隔を置いて配置された燃料ポート１３８を介して燃料が供給されている運転中にある燃焼室１００の実施態様が斜視図で示されている。これらの燃料ポート１３８は、反応物、例えば燃料を、燃焼室１００へと同時に供給するように形成された方位角噴出口として形成することができる。燃料ポート１３８は燃焼室１００の周囲に沿って均等に間隔を置いて配置することができる。各燃料ポート１３８は、燃焼室１００の一領域に燃料を供給するように構成されている。各領域は、生成ガスの少なくとも一部を次の領域に供給するように形成されているので、各燃料ポート１３８における反応のための生成ガス１２４の継続的な供給が行われる。付加的に、この渦１１８は、生成ガス及び反応物のバルクスワールを含むことができ、生成ガスを強制的に入口端部１０４へと戻しながら、燃焼室１００内で生成ガスを部分的に再循環させるように構成されている。

燃料流は、図５に示されたように、壁１０８に対して垂直に導入される。燃料流は、図７に示されたように角度付けされていても良い。説明したように、燃料（反応物）は逆流空気噴流によって形成された渦１１８を貫通することができ、これにより、生成ガス１２４の方位角円錐流の形成を促進する。パイロット燃料及び生成ガスにより一度、燃焼が開始されると、各燃料噴出口又はポート１３８は、先行する反応による生成ガス１２４の近くで入る。燃料ポート１３８はいくつ使用しても良い。適正な循環によっては、１つだけのポート１３８が必要である。付加的に３つのポート１３８を考えることができ、約４〜１２のポート１３８が、燃焼室１００の周囲に沿って配置されて良い。

燃料流１５０は、点火が行われる前に燃料を環状の方位角渦にするために十分な運動量を伴って、燃料ポート１３８（又は燃料孔１２２）から導入することができる。付加的に又は選択的に、空気流１４８は燃料流をスワールにするのに十分な運動量を供給することができ、点火が行われるまで高温の燃焼ガスとの混合を促進する。このことは、渦１１８にバルクスワールを与える角度付けられた空気孔１２０によって促進される。

本開示は燃焼室に関して説明しているが、記載した流体流は、限定的な体積の例での生成物の再循環及び／又は反応物の希釈化により利点が得られる任意の反応工程にも適用することができる。上述した装置及び方法により、十分な希釈、混合、エネルギが達成され、加えて、反応の方位安定を形成することにより燃焼室のバルクにおける安定的な高度に希釈された燃焼状態が達成される。

入口端部の近くで生成物のこのような渦を形成することにより、生成物の組成及び温度の極めて高い均一性が、燃焼室にわたって維持される。最高火炎温度も減じられ、従って燃焼室の壁や噴射器における熱負荷は最小になる。付加的に、極めて低いＣＯ、ＮＯｘ、ＵＨＣ（未燃炭化水素）エミッションが達成される。さらに、上述したシステムは、完全に口火なしで運転可能である。このシステムは幅広い範囲の運転で使用することができ、比較的長い滞留時間及び高度な混合により良好な燃料フレキシビリティを有する。

上述した方法及び装置は、いくつかの構成要素とステップを省くように改良することができ、又は付加的な構成要素及びステップを追加するように改良することができ、それら全ては、本開示の思想の範囲内にあると考えられる。本開示により、特定の実施態様につき詳細な説明がなされているが、様々な変化態様及び変更は、特許請求の範囲に記載された本開示の範囲から逸脱することなく、これらの実施態様に対してなされ得ることが理解されるであろう。明細書及び図面は、限定的な思想ではなく、１つの例示的思想であると見なすべきである。

Claims (20)

1. 燃焼室であって、該燃焼室には、
   燃焼のために構成された室を形成する壁によって互いに接続された、第１の面と、該第１の面と平行な第２の面とが設けられており、
   前記第１の面は、複数の第１の開口を有していて、第１の開口はそれぞれ、外側の径と、該外側の径よりも小さい内側の径とを有する円錐台形であり、空気流及び／又は燃料流が、外側の径のところから入って内側の径のところを通過して前記室内に入るように形成されており、
   前記第２の面は、複数の第２の開口を有していて、該第２の開口は燃料を受け取るように形成されており、前記第１の開口からの空気流と前記第２の開口からの燃料とは、前記第２の面の近くで生成物の渦を形成するように実質的に逆向きに噴射され、
   前記室は中心軸線を有し、前記第１の面は、該室から生成物を排出するように構成された排気開口を形成し、前記第２の面は、燃料及び空気の少なくとも一方を前記室に供給するように構成された入口開口を形成し、前記排気開口と前記入口開口は、前記中心軸線に沿って整列し、前記複数の第１の開口と前記複数の第２の開口の少なくとも一方が、前記中心軸線の周りに配置されていることを特徴とする、燃焼室。
2. 前記第１の開口の前記内側の径は、前記第２の開口の径よりも大きい、請求項１記載の燃焼室。
3. 前記第１の開口は、前記壁からオフセットされていて、前記壁に対して垂直である、請求項１または２記載の燃焼室。
4. 前記第１の開口はそれぞれ、前記壁から等しくオフセットされている、請求項３記載の燃焼室。
5. 前記第２の面は、空気と燃料のうちの少なくとも一方を受け取るように形成された入口開口を有していて、これによりさらに空気流が形成される、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃焼室。
6. さらに、前記入口開口においてパイロットを有している、請求項５記載の燃焼室。
7. 前記第１の開口の数は、前記第２の開口の数よりも多い、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃焼室。
8. 前記各第２の開口からの燃料流は、前記渦内の生成物の少なくとも一部と反応するように形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃焼室。
9. 燃焼室であって、該燃焼室には、
   燃焼のために構成された、中心軸線を有する室を形成する壁によって互いに接続された第１の面及び第２の面が設けられており、前記第１の面は、前記室から生成物を排出するように構成された排気開口を形成し、前記第２の面はパイロット開口を形成しており、前記排気開口と前記パイロット開口とは、前記室の前記中心軸線に沿って整列していて、
   前記第１の面の内面に配置された複数の入口ポートが設けられており、該入口ポートはそれぞれ、前記中心軸線に関して半径方向内側に、前記室の外側から該室の内側へ前記排気開口に向かって延在していて、各入口ポートは、前記室に空気を供給するように構成されており、前記入口ポートはそれぞれ、外側の径と、該外側の径よりも小さい内側の径とを有する入口ポート孔を有し、空気流及び燃料流の少なくとも一方が、外側の径のところから入って内側の径のところを通過して前記室内に入るように形成されており、
   前記第２の面の内面に配置され燃料を受け取るように構成された複数の燃料ポートが設けられており、該燃料ポートはそれぞれ、前記中心軸線に関して半径方向内側に、前記室の外側の前記第２の面の縁部から前記室の内側に延在していて、前記室に燃料を供給するようになっており、前記燃料ポートはそれぞれ、前記室内に燃料を供給するように構成された燃料ポート孔を有しており、
   前記入口ポートからの空気流と、前記燃料ポートからの燃料とは、前記第２の面の近くで生成物の渦を形成するように実質的に逆向きに噴射されることを特徴とする、燃焼室。
10. 前記入口ポートからの空気流の運動量は、前記燃料ポートからの燃料の運動量よりも大きい、請求項９記載の燃焼室。
11. 前記入口ポートはそれぞれその端部に、前記室に空気を供給する少なくとも１つの第１の開口を有している、請求項９または１０記載の燃焼室。
12. 前記第１の開口は外側の径と、該外側の径よりも小さい内側の径とを有している、請求項１１記載の燃焼室。
13. 前記第１の開口はそれぞれ、前記壁に対して方位角を有している、請求項１２記載の燃焼室。
14. 前記入口ポートの数は、前記燃料ポートの数よりも多い、請求項９から１３までのいずれか１項記載の燃焼室。
15. 前記燃料ポートは、前記渦内の生成物の少なくとも一部と反応するように形成されている逆流噴射口である、請求項９から１４までのいずれか１項記載の燃焼室。
16. 前記パイロット開口は、中央流を形成しながら空気と燃料のうちの少なくとも一方を前記室内に供給するように形成されていて、前記中央流の一部は、前記排気開口のところで前記室から出て行き、前記中央流のその他の部分は、前記第１の面からの空気流に接触して、前記中央流の周りで再循環流を形成する、請求項９から１５までのいずれか１項記載の燃焼室。
17. 燃焼室内に渦を形成する方法であって、
    前記燃焼室の第１の面で第１の運動量を持った空気流を受け取り、該空気流は前記第１の面に対して所定の角度を成しており、
    前記燃焼室の第２の反対の面で、第２の運動量を持った燃料流を受け取り、前記第１の運動量は、前記第２の運動量よりも大きく、衝突する流体流が、前記第２の面の近くで、生成物の回転する渦を形成し、
    前記燃焼室は中心軸線を有し、前記第１の面は、該燃焼室からの生成物を排出するように構成された排気開口を形成し、前記第２の面は、燃料及び空気の少なくとも一方を前記燃焼室に供給するように構成された入口開口を形成し、前記排気開口と前記入口開口は、前記中心軸線に沿って整列し、前記複数の第１の開口と前記複数の第２の開口の少なくとも一方が、前記中心軸線の周りに配置されていることを特徴とする、燃焼室内に渦を形成する方法。
18. 前記第２の面に設けられた中央の噴射器において燃料及び空気の少なくとも一方を含む中央流を受け取り、該中央流は、前記第１の面からの空気流とは逆向きである、請求項１７記載の方法。
19. 前記中央流の一部は、前記第１の面に形成された排気開口のところで前記燃焼室を出る、請求項１８記載の方法。
20. 前記第１の面からの前記空気流は、前記中央流と衝突するように形成されていて、前記中央流のその他の部分を、再循環流を形成するように前記第２の面に向かって方向付ける、請求項１９記載の方法。

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