JP6466102B2 - ガスタービンエンジン用のデュアル燃料燃焼器 - Google Patents

Description

本出願および結果としての特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、気体燃料または液体燃料を燃焼させるときに許容可能な動作性を維持しながら規制排出物を制御する、ガスタービンエンジン用のデュアル燃料燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンの動作効率および出力全体は、一般に、高温の燃焼ガス流の温度が上昇するにつれて向上する。しかしながら、燃焼ガス流のより高い温度によって、より高いレベルの酸化窒素（ＮＯＸ）および他の種類の規制排出物が生成され得る。したがって、酸化窒素および他の種類の規制排出物の排出量を規定レベル未満に確実に抑えながらも、効率的な高い温度範囲でガスタービンエンジンを動作させる利益のバランスをとる手段が存在する。さらに、変動する負荷レベル、変動する周囲条件、ならびに多くの他の種類の動作パラメータおよび設計要件もまた、ガスタービンエンジン全体の効率および排出に大きな影響を与える場合がある。

酸化窒素などのより低い排出レベルは、燃焼の前に燃料流と空気流とを混合することによって促進され得る。このような予混合は、燃焼温度勾配および酸化窒素の排出量を低減する傾向がある。特定の燃焼器は、燃焼領域の上流に配置され、かつ燃焼の前に燃料流および空気流の少なくとも一部を混合するように構成された予混合器を含んでもよい。１つの知られている予混合器の構造によれば、燃焼器は、プレナム内に配置された小さなチューブの配列を有するマイクロ混合器を含んでもよく、各チューブは、燃焼領域の上流で少量の燃料流および空気流を混合する。

多くのガスタービンエンジン用途において、気体燃料（天然ガスもしくは合成ガスなど）または液体燃料（ディーゼル燃料、ケロシン、エタノール、もしくは水および石油の混合物）のどちらでも動作することができる燃焼器を有することが望ましい場合がある。しかしながら、このような燃料の柔軟性は、多くの場合、どちらか一方の種類の燃料で動作するときに動作性または性能を犠牲にし得る複雑で費用のかかる燃料噴射システムを必要とする。さらに、マイクロ混合器などの予混合器と共に動作するこのような燃料噴射システムを採用することには、燃料噴射ならびに酸化窒素および他の種類の規制排出物を規定レベル未満に維持することに関して大きな課題があり得る。液体燃料が、気体燃料の約５０倍の濃度の場合があることから、マイクロ混合器の各チューブ内に液体燃料を噴射するのに必要とされる噴射ポートおよび燃料供給網は、同様の方法で気体燃料を噴射するために一般的に使用されるものと比較して大幅に小さくかつ複雑であることが必要とされ得る。しかしながら、液体燃料は、より高い温度（例えば、約２９０℃）において燃料通路内で熱的崩壊（ｔｈｅｒｍａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）またはコーキングを起こす傾向があるため、燃料供給網は、マイクロ混合器に液体燃料を供給したわずか数分後にコーキングによって遮断される可能性がある。

特定のデュアル燃料燃焼器は、ある動作モード中は燃焼器内で気体燃料を噴射し、別の動作モード中は燃焼器内で液体燃料を噴射して気化するように構成される場合がある。しかしながら、液体燃料のこのような噴射および気化は、燃焼器の前部端における自動点火、炭素生成、逆火、および保炎のリスクを増加させ得る。１つの知られている燃焼器の構造によれば、これらのリスクに対処するための噴射システムの修正は、許容可能な動作性と共に気体燃料を燃焼させる能力に悪影響を及ぼす場合がある。別の知られている燃焼器の構造によれば、液体燃料は、燃焼器の外部の補助的な気体発生システムにおいて気化され、次に、気体燃料噴射システムによって燃焼器内に噴射されてもよい。気体発生システムは、大量の不活性ガス（窒素など）を必要とし、最終的に、ガスタービンエンジン全体の寄生負荷（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｌｏａｄ）、複雑性、および費用を増加させ得る。他のデュアル燃料燃焼器は、二次燃焼段内に燃料を噴射するように構成される場合があり、したがって、一次燃焼段の一次燃料予混合器（マイクロ混合器など）に適合しない場合がある。したがって、このような燃焼器には、酸化窒素および他の種類の規制排出物を規定レベル未満に維持することに関して課題があり得る。さらに他のデュアル燃料燃焼器は、燃焼領域内で液体燃料を気化させるように構成される場合があるが、これも同様に、一次燃料予混合器に適合しない場合があり、排出制御に関して課題があり得る。

したがって、ある動作モード中は燃焼器内で気体燃料を噴射し、別の動作モード中は燃焼器内で液体燃料を噴射して気化するように構成された改善されたデュアル燃料燃焼器が求められる。具体的には、このような燃焼器は、気体燃料または液体燃料を燃焼させるときに許容可能な動作性を実現しながら、自動点火、炭素生成、逆火、および保炎のリスクに対処すべきである。さらに、このような燃焼器は、ガスタービンエンジン全体の費用および複雑性を最小限に抑えながらも、一次燃料予混合器に適合し、かつ規制排出物を規定レベル未満に維持する燃料噴射システムを含むべきである。

米国特許出願公開第２０１２／０１２５００４号明細書

したがって、本出願および結果としての特許は、ガスタービンエンジン用のデュアル燃料燃焼器を提供する。燃焼器は、燃焼器の前部端プレナム内に配置される主予混合器ならびに前部端プレナム内におよび予混合器の上流に配置されるデュアル燃料噴射システムを含んでもよい。噴射システムは、燃焼器が気体燃料で動作する場合は予混合器の入口端の付近で気体燃料を噴射するように構成されてもよい。また、噴射システムは、燃焼器が液体燃料で動作する場合は予混合器の入口端の付近で液体燃料を気化して噴射するように構成されてもよい。

また、本出願および結果としての特許は、デュアル燃料燃焼器を動作させる方法を提供する。本方法は、燃焼器の前部端プレナム内に配置されたデュアル燃料噴射システム内に空気流を誘導するステップおよび噴射システム内に液体燃料の流れを誘導するステップを含んでもよい。また、本方法は、噴射システム内で液体燃料の流れを気化して、気化した燃料の流れを主予混合器の入口端の付近で噴射するステップを含んでもよい。

本出願および結果としての特許は、ガスタービンエンジンシステムをさらに提供する。本システムは、圧縮機と、圧縮機と連通しているデュアル燃料燃焼器と、燃焼器と連通しているタービンとを含んでもよい。燃焼器は、燃焼器の前部端プレナム内に配置される主予混合器ならびに前部端プレナム内におよび予混合器の上流に配置されるデュアル燃料噴射システムを含んでもよい。噴射システムは、燃焼器が気体燃料で動作する場合は予混合器の入口端の付近で気体燃料を噴射するように構成されてもよい。また、噴射システムは、燃焼器が液体燃料で動作する場合は予混合器の入口端の付近で液体燃料を気化して噴射するように構成されてもよい。

本出願および結果としての特許におけるこれらのおよび他の特徴および改善点は、複数の図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を検討することによって当業者に明らかとなる。

圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含むガスタービンエンジンの概略図である。 図１のガスタービンエンジンで使用され得るような燃焼器であって、主予混合器を含む燃焼器の側断面図である。 本明細書で説明され得て、図１のガスタービンエンジンで使用され得るようなデュアル燃料燃焼器であって、主予混合器およびデュアル燃料噴射システムを含むデュアル燃料燃焼器の側断面図である。 図３のデュアル燃料噴射システムのドーナツ状の噴射マニホルドの部分の詳細な断面図である。

次に図面（図面において、同じ符号が、複数の図にわたって同じ要素を指示している）を参照すると、図１は、本明細書で使用され得るようなガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含んでもよい。圧縮機１５は、流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５に供給する。燃焼器２５は、圧縮された空気流２０と加圧された燃料流３０とを混合し、この混合物に点火して燃焼ガス流３５を生成する。１つの燃焼器２５しか示されていないが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含んでもよい。次に、燃焼ガス流３５は、タービン４０に供給される。燃焼ガス流３５は、機械的仕事を発生させるためにタービン４０を駆動する。タービン４０で発生した機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５および外部の負荷５０（発電機など）を駆動する。本明細書において他の構造および他の部品が使用されてもよい。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々な種類の合成ガス、および／または他の種類の燃料を使用してもよく、また、これらの組合せを使用してもよい。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州のスケネクタディ市にあるゼネラル・エレクトリック・カンパニー（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって販売されている多数の様々なガスタービンエンジン（これらは、７シリーズまたは９シリーズの重荷重ガスタービンエンジンなどのガスタービンエンジンを含むが、これらに限定されない）のうちの任意の１つであってもよい。ガスタービンエンジン１０は、様々な構造を有してもよく、また、他の種類の部品を使用してもよい。また、本明細書において、他の種類のガスタービンエンジンが使用されてもよい。また、本明細書において、複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電装置が一緒に使用されてもよい。

図２は、上述したガスタービンエンジン１０などで使用され得るような燃焼器２５の例の側断面図を示している。燃焼器２５は、上流端または前部端５２からタービン４０に隣接して配置された下流端または後部端５４まで延在してもよい。燃焼器２５は、前部端５２に配置されたエンドカバー５６およびエンドカバー５６の付近に配置された多数の燃料ノズル５８を含んでもよい。任意の構造の任意の数の燃料ノズル５８が使用されてもよい。燃料ノズル５８は、燃料流３０を生成する燃料源（図示せず）と流体連通していてもよい。図示のように、燃料ノズル５８は、エンドカバー５６に取り付けられてもよく、また、エンドカバー５６から下流に向かって燃焼器２５の燃焼領域６０まで延在してもよい。また、燃焼器２５は、燃料ノズル５８の下流端から、燃焼器２５の後部端５４の近傍に配置された尾筒６４まで延在するライナ６２を含んでもよい。このようにして、ライナ６２は、その中に燃焼領域６０を形作ってもよく、また、尾筒６４は、燃焼領域６０とタービン４０との流体連通を実現してもよい。ライナ６２は、流れスリーブ６６によって取り囲まれていてもよく、これにより、流路６８であって、該流路６８を通る空気流（圧縮機１５からの圧縮された空気流２０など）を受け入れるための流路６８が、ライナ６２と流れスリーブ６６との間に形作られる。

燃焼器２５は、マイクロ混合器７０などの主予混合器であって、図示のように燃料ノズル５８の付近に、および燃焼領域６０の上流にある燃焼器２５の前部端プレナム７２内に配置された主予混合器をさらに含んでもよい。マイクロ混合器７０は、１つ以上の燃料チューブ７６の付近に配置された多数のマイクロ混合器チューブ７４を含んでもよい。マイクロ混合器チューブ７４は、一般に、略均一な直径を有してもよく、また、複数の同心の環状列として配置されてもよい。本明細書において、任意のサイズ、形状、または構造の任意の数のマイクロ混合器チューブ７４および燃料チューブ７６が使用されてもよい。燃料チューブ７６は、燃料流３０を生成する燃料源と流体連通していてもよく、また、燃料流３０のほんの一部をマイクロ混合器チューブ７４のそれぞれに供給するように構成されてもよい。

燃焼器２５の動作中、圧縮機１５からの空気流２０は、流路６８を経由して燃焼器２５の前部端プレナム７２内に誘導されてもよい。燃料ノズル５８のそれぞれは、燃焼領域６０における混合および燃焼のために空気流２０の一部、燃料流３０の一部、および他の流体の随意の流れを燃焼領域６０内に誘導してもよい。一方、マイクロ混合器チューブ７４のそれぞれは、マイクロ混合器チューブ７４内での混合のために流路６８からの空気流２０のほんの一部および燃料チューブ７６からの燃料流３０のほんの一部を受け入れてもよい。混合された燃料−空気流は、燃焼領域６０における燃焼のためにマイクロ混合器７０から燃焼領域６０内に通過してもよい。次に、結果として生じた燃焼ガス流３５は、タービン４０において有用な仕事を発生させるために尾筒６４を経由してタービン４０内に誘導されてもよい。カニュラ型（ｃａｎ−ａｎｎｕｌａｒ ａｒｒａｙ）または他の構造の任意の数の燃焼器２５が使用されてもよい。なお、本明細書で説明され、示されている燃焼器２５は、例示のためのものに過ぎない。また、本明細書において、他の部品を含む燃焼器が使用されてもよい。

図３は、本明細書で説明され得るようなデュアル燃料燃焼器１００の一実施形態の側断面図を示している。デュアル燃料燃焼器１００は、上述したガスタービンエンジン１０などで使用されてもよい。デュアル燃料燃焼器１００は、上流端または前部端１０２からタービン４０に隣接して配置された下流端または後部端１０４まで延在してもよい。デュアル燃料燃焼器１００は、前部端１０２に配置されたエンドカバー１０６およびエンドカバー１０６の付近に配置された多数の燃料ノズル１０８を含んでもよい。任意の構造の任意の数の燃料ノズル１０８が使用されてもよい。燃料ノズル１０８は、燃料流３０を生成する燃料源（図示せず）と流体連通していてもよい。図示のように、燃料ノズル１０８は、エンドカバー１０６に取り付けられてもよく、また、エンドカバー１０６から下流に向かってデュアル燃料燃焼器１００の燃焼領域１１０まで延在してもよい。また、デュアル燃料燃焼器１００は、燃料ノズル１０８の下流端から、デュアル燃料燃焼器１００の後部端１０４の近傍に配置された尾筒１１４まで延在するライナ１１２を含んでもよい。このようにして、ライナ１１２は、その中に燃焼領域１１０を形作ってもよく、また、尾筒１１４は、燃焼領域１１０とタービン４０との流体連通を実現してもよい。ライナ１１２は、流れスリーブ１１６によって取り囲まれていてもよく、これにより、流路１１８であって、該流路１１８を通る空気流（圧縮機１５からの圧縮された空気流２０など）を受け入れるための流路１１８が、ライナ１１２と流れスリーブ１１６との間に形作られる。

デュアル燃料燃焼器１００は、マイクロ混合器１２０などの主予混合器であって、図示のように燃料ノズル１０８の付近に、および燃焼領域１１０の上流にあるデュアル燃料燃焼器１００の前部端プレナム１２２内に配置された主予混合器をさらに含んでもよい。マイクロ混合器１２０は、１つ以上の燃料チューブ１２６の付近に配置された多数のマイクロ混合器チューブ１２４を含んでもよい。マイクロ混合器チューブ１２４は、一般に、略均一な直径を有してもよく、また、複数の同心の環状列として配置されてもよい。本明細書において、任意のサイズ、形状、または構造の任意の数のマイクロ混合器チューブ１２４および燃料チューブ１２６が使用されてもよい。燃料チューブ１２６は、燃料流３０を生成する燃料源と流体連通していてもよく、また、燃料流３０のほんの一部をマイクロ混合器チューブ１２４のそれぞれに供給するように構成されてもよい。

図３に示されているように、デュアル燃料燃焼器１００は、前部端プレナム１２２内に、およびマイクロ混合器１２０の上流に配置されたデュアル燃料噴射システム１３０をさらに含んでもよい。デュアル燃料噴射システム１３０は、燃料流３０を生成する燃料源と流体連通していてもよく、また、デュアル燃料燃焼器１００内に気体燃料または液体燃料を噴射するように構成されてもよい。言い換えれば、デュアル燃料噴射システム１３０は、燃焼器が気体燃料で動作する場合はデュアル燃料燃焼器１００内に気体燃料を噴射するように構成されてもよく、また、デュアル燃料噴射システム１３０は、燃焼器が液体燃料で動作する場合はデュアル燃料燃焼器１００内に液体燃料を噴射するように構成されてもよい。具体的には、デュアル燃料噴射システム１３０は、マイクロ混合器１２０の入口端の付近で燃料流３０の一部を噴射するように構成されてもよい。

デュアル燃料噴射システム１３０は、マイクロ混合器１２０の円周に沿って延在し、かつデュアル燃料燃焼器１００と同軸である少なくとも１つのドーナツ状の噴射マニホルド１３２を含んでもよい。具体的には、図示のように、デュアル燃料噴射システム１３０は、外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４であって、マイクロ混合器１２０の外周に沿って延在し、かつマイクロ混合器１２０の入口端の付近で半径方向内側に向かって燃料流３０の一部を噴射するように構成された外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４を含んでもよい。また、デュアル燃料噴射システム１３０は、内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６であって、マイクロ混合器１２０の内周に沿って延在し、かつマイクロ混合器１２０の入口端の付近で半径方向外側に向かって燃料流３０の一部を噴射するように構成された内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６を含んでもよい。特定の実施形態において、デュアル燃料噴射システム１３０は、外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４のみ、内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６のみ、または外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４および内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６の双方を含んでもよい。

図４は、ドーナツ状の噴射マニホルド１３２の部分の詳細な断面図を示している。図示されている特徴は、外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４および内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６の双方に同様に当てはまるが、特定の特徴の向きの違いについては以下で説明される。ドーナツ状の噴射マニホルド１３２は、それぞれがドーナツ形状を有する内部スリーブ１４０および外部スリーブ１４２を含んでもよい。図示のように、外部スリーブ１４２は、内部スリーブ１４０を取り囲んでいてもよく、また、デュアル燃料燃焼器１００の前部端プレナム１２２内でドーナツ状の噴射マニホルド１３２を支持してもよい。内部スリーブ１４０および外部スリーブ１４２は、略矩形の断面形状を有するものとして示されているが、内部スリーブ１４０および外部スリーブ１４２は、代替的に略正方形の断面形状、略円形の断面形状、略楕円形の断面形状、または他の断面形状を有してもよい。

内部スリーブ１４０は、内部スリーブ１４０の円周部に沿って延在する１つ以上の入口１４４および内部スリーブ１４０の反対側の円周部に沿って延在する１つ以上の出口１４６を含んでもよい。図示のように、出口１４６は、内部スリーブ１４０の全円周部に沿って延在する連続的なスロットとして形成されてもよい。外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４の場合、噴射マニホルド１３４の軸線を基準として、入口１４４は、内部スリーブ１４０の外周部に沿って延在してもよく、また、出口１４６は、内部スリーブ１４０の内周部に沿って延在してもよい。対照的に、内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６の場合、噴射マニホルド１３６の軸線を基準として、入口１４４は、内部スリーブ１４０の内周部に沿って延在してもよく、また、出口１４６は、内部スリーブ１４０の外周部に沿って延在してもよい。図示のように、内部スリーブ１４０は、入口１４４と出口１４６との間に延在する円周シールド１４８をさらに含んでもよい。

外部スリーブ１４２は、図４に示されているように、外部スリーブ１４２を貫通する多数の孔１５０を含んでもよい。一般に孔１５０は、略均一な直径を有してもよく、また、噴射マニホルド１３２の軸線を基準として外部スリーブ１４２の内周部、外周部、および／または側面に形作られてもよい。また、外部スリーブ１４２は、外部スリーブ１４２の円周部に沿って延在する１つ以上の出口１５２を含んでもよい。図示のように、出口１５２は、外部スリーブ１４２の全円周部に沿って延在する連続的なスロットとして形成されてもよい。外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４の場合、出口１５２は、噴射マニホルド１３４の軸線を基準として外部スリーブ１４２の内周部に沿って延在してもよい。対照的に、内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６の場合、出口１５２は、噴射マニホルド１３６の軸線を基準として外部スリーブ１４２の外周部に沿って延在してもよい。図示のように、出口１５２は、ノズルに似た形状を有してもよい。

また、ドーナツ状の噴射マニホルド１３２は、噴射マニホルド１３２の円周部に沿って互いに離間して配置された多数の圧力噴霧バーナまたは燃料噴射器１５６を含んでもよい。外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４の場合、燃料噴射器１５６は、噴射マニホルド１３４の外周部に沿って配置されてもよい。対照的に、内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６の場合、燃料噴射器１５６は、噴射マニホルド１３６の内周部に沿って配置されてもよい。図示のように、燃料噴射器１５６は、外部スリーブ１４２を貫通して内部スリーブ１４０内に延在してもよい。具体的には、燃料噴射器１５６は、内部スリーブ１４０の１つ以上の入口１４４を貫通してもよく、１つ以上の入口１４４は、内部スリーブ１４０に形作られた孔またはポートとして形成されてもよい。燃料噴射器１５６は、燃料流３０を生成する燃料源と流体連通していてもよく、したがって、噴射マニホルド１３２の内部スリーブ１４０内に燃料流３０の一部を噴射するように構成されてもよい。特定の実施形態において、燃料噴射器１５６は、平面噴流噴射器（ｐｌａｎｅ ｊｅｔ ｉｎｊｅｃｔｏｒ）、圧力旋回噴射器（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｒｌ ｉｎｊｅｃｔｏｒ）、または任意の他の種類の噴射器として形成されてもよい。例えば、燃料噴射器１５６は、図示のように円錐形の回転チャンバ１５８を含む圧力旋回噴射器として形成されてもよい。ドーナツ状の噴射マニホルド１３２は、燃料噴射器１５６の周囲に周方向に延在し、かつ燃料源と流体連通しているリングマニホルド１６０をさらに含んでもよい。このようにして、リングマニホルド１６０は、燃料流３０の一部を燃料噴射器１５６に供給するように構成されてもよい。

デュアル燃料燃焼器１００の動作中、圧縮機１５からの空気流２０は、流路１１８を経由してデュアル燃料燃焼器１００の前部端プレナム１２２内に誘導されてもよい。燃料ノズル１０８のそれぞれは、燃焼領域１１０における混合および燃焼のために空気流２０の一部、燃料流３０の一部、および他の流体の随意の流れを燃焼領域１１０内に誘導してもよい。一方、ドーナツ状の噴射マニホルド１３２のそれぞれもまた、噴射マニホルド１３２内での予混合およびマイクロ混合器１２０の入口端の付近でのその後の噴射のために燃料流３０の一部および空気流２０の一部を受け入れてもよい。マイクロ混合器チューブ１２４のそれぞれは、マイクロ混合器チューブ１２４内でのさらなる混合のために、予混合された燃料−空気流のほんの一部を受け入れてもよい。一部の実施形態において、マイクロ混合器チューブ１２４のそれぞれはまた、マイクロ混合器チューブ１２４内での予混合された燃料−空気流との混合のために燃料チューブ１２６から燃料流３０のほんの一部を受け入れてもよい。他の実施形態において、マイクロ混合器チューブ１２４は、燃料チューブ１２６から燃料を全く受け入れなくてもよい。マイクロ混合器チューブ１２４において生成されたさらに混合された燃料−空気流は、燃焼領域１１０における燃焼のためにマイクロ混合器１２０から燃焼領域１１０内に通過してもよい。次に、結果として生じた燃焼ガス流３５は、タービン４０において有用な仕事を発生させるために尾筒１１４を経由してタービン４０内に誘導されてもよい。カニュラ型または他の構造の任意の数のデュアル燃料燃焼器１００が使用されてもよい。さらに、本明細書で説明され、示されているデュアル燃料燃焼器１００は、例示のためのものに過ぎない。また、本明細書において、他の部品を含む燃焼器が使用されてもよい。

上で指摘したように、デュアル燃料噴射システム１３０は、デュアル燃料燃焼器１００における燃焼のために液体燃料（ディーゼル燃料、ケロシン、エタノール、もしくは水および石油の混合物など）または気体燃料（天然ガスもしくは合成ガスなど）をデュアル燃料燃焼器１００内に噴射するように構成されてもよい。デュアル燃料燃焼器１００が液体燃料で動作する場合、ドーナツ状の噴射マニホルド１３２のそれぞれの内部スリーブ１４０は、燃料噴射器１５６を経由して燃料流３０の一部を受け入れてもよい。円周シールド１４８によって、燃料流３０が直接的に出口１４６から流出することが防止されてもよい。このようにして、円周シールド１４８は、液体燃料と内部スリーブ１４０の内面との接触を容易にするために、および液体燃料が完全に気化するのに十分な、内部スリーブ１４０内での液体燃料の滞留時間を確保するために、内部スリーブ１４０内で燃料流３０を再誘導してもよい。内部スリーブ１４０は、外部スリーブ１４２の孔１５０を通るように誘導されて、内部スリーブ１４０の外面に衝突する空気流２０の一部によって加熱されてもよい。このような加熱は、内部スリーブ１４０の内面に接触する液体燃料を気化させることができ、また、この結果として空気流２０を冷却することができる。特定の実施形態において、内部スリーブ１４０の内面は、霧化を容易にし、炭素生成を低減するために、その上に撥油性または親水性の被覆を含んでもよい。内部スリーブ１４０は、定常状態において噴射マニホルド１３２が圧縮機１５から流入する空気流２０の温度を十分に下回る温度で動作することができるように、内部スリーブ１４０内に噴射される連続的な液体燃料流によって冷却されてもよい。気化した燃料は、出口１４６を経由して内部スリーブ１４０から流出してもよい。内部スリーブ１４０の出口１４６を貫流するとき、気化した燃料流は、冷却された空気流と予混合され、これにより、予混合された燃料−空気流１６２が形成されてもよい。冷却された空気は、噴射マニホルド１３２によって生成された予混合された燃料−空気流１６２の自動点火を遅延させることに役立ち得る。予混合された燃料−空気流１６２が、外部スリーブ１４２の出口１５２を経由して噴射マニホルド１３２から出るとき、流入する空気流２０は、出口１５２のノズルに似た形状に起因して外部スリーブ１４２の孔１５０を通して吸引され得る。このように、出口１５２は、ジェットポンプまたはアダクタ（ａｄｄｕｃｔｏｒ）のように機能するよう構成されてもよい。上で指摘したように、予混合された燃料−空気流１６２は、マイクロ混合器チューブ１２４のそれぞれが、マイクロ混合器チューブ１２４におけるさらなる混合のために、予混合された燃料−空気流１６２のほんの一部を受け入れることができるように、マイクロ混合器１２０の入口端の付近で面状に噴射されてもよい。デュアル燃料燃焼器１００は、予混合された燃料−空気流１６２が、燃焼領域１１０の上流での流れ１６２の自動点火を回避するために数ミリ秒以内で出口１５２からマイクロ混合器１２０の出口端まで移動するように構成されてもよい。予混合された燃料−空気流１６２の自動点火温度は、圧縮機吐出温度を大きく下回る場合があり、したがって、予混合された燃料−空気流１６２が外部スリーブ１４２の出口１５２からマイクロ混合器１２０の出口端まで移動するのに必要とされる時間は、前部端プレナム１２２内での流れ１６２の自動点火を回避するために点火遅延時間未満であってもよい。

デュアル燃料燃焼器１００が気体燃料で動作する場合、ドーナツ状の噴射マニホルド１３２のそれぞれの内部スリーブ１４０は同様に、燃料噴射器１５６を経由して燃料流３０の一部を受け入れてもよい。気体燃料は、燃料の噴射および燃焼の最適化を可能にしながらも、燃料噴射器１５６のためのパージ・冷却媒体として機能することができる。燃料噴射器１５６は、デュアル燃料燃焼器１００が気体燃料で動作する場合、連続的な方法で燃料流３０を内部スリーブ１４０内に誘導してもよい。連続的な気体燃料流は、ドーナツ状の噴射マニホルド１３２（特に、内部スリーブ１４０）の燃料で湿った内面を冷却し、パージし、および洗い流すことができ、したがって、空気（具体的には、酸素）が燃料で湿った内面に浸透することを防止することができる。このようにして、連続的な気体燃料流は、コーキングまたは炭素生成の可能性を低減することができ、また、窒素、蒸気、または不活性ガスを使用するシステムと比較してパージの費用および複雑性を軽減することができる。内部スリーブ１４０が、燃料流３０を受け入れるとき、円周シールド１４８は、燃料流３０が直接的に出口１４６から流出することを防止することができる。このようにして、円周シールド１４８は、気体燃料と内面スリーブ１４０の内面との接触を容易にするために内部スリーブ１４０内で燃料流３０を再誘導してもよい。内部スリーブ１４０は、外部スリーブ１４２の孔１５０を通るように誘導されて、内部スリーブ１４０の外面に衝突する空気流２０の一部によって加熱されてもよい。一方、内部スリーブ１４０は、定常状態において噴射マニホルド１３２が圧縮機１５から流入する空気流２０の温度を十分に下回る温度で動作することができるように、内部スリーブ１４０内に噴射される連続的な気体燃料流によって冷却されてもよい。気体燃料は、出口１４６を経由して内部スリーブ１４０から流出してもよい。内部スリーブ１４０の出口１４６を貫流するとき、気体燃料流は、冷却された空気流と予混合され、これにより、予混合された燃料−空気流１６２が形成されてもよい。冷却された空気は、噴射マニホルド１３２によって生成された予混合された燃料−空気流１６２の自動点火を遅延させることに役立ち得る。予混合された燃料−空気流１６２が、外部スリーブ１４２の出口１５２を経由して噴射マニホルド１３２から出るとき、流入する空気流２０は、出口１５２のノズルに似た形状に起因して外部スリーブ１４２の孔１５０を通して吸引され得る。このように、出口１５２は、ジェットポンプまたはアダクタのように機能するよう構成されてもよい。デュアル燃料燃焼器１００が気体燃料で動作する場合、孔１５０を通して吸引される流入する空気流２０の量は、より低い気体燃料温度、より少ない質量流量、および内部スリーブ１４０の内面へのより少ない熱伝達に起因して、デュアル燃料燃焼器１００が液体燃料で動作する場合と比較してはるかに少ないことは注目に値する。最終的に、上で指摘したように、予混合された燃料−空気流１６２は、マイクロ混合器チューブ１２４のそれぞれが、マイクロ混合器チューブ１２４におけるさらなる混合のために、予混合された燃料−空気流１６２のほんの一部を受け入れることができるように、マイクロ混合器１２０の入口端の付近で面状に噴射されてもよい。

このように、本明細書で説明されているデュアル燃料燃焼器は、ある動作モード中はデュアル燃料燃焼器１００内に気体燃料を噴射し、別の動作モード中はデュアル燃料燃焼器１００内で液体燃料を噴射して気化するように構成された改善されたデュアル燃料燃焼器を実現する。デュアル燃料燃焼器１００は、ガスタービンエンジン１０が完全な負荷条件で動作するときは液体燃料で動作されてもよく、デュアル燃料燃焼器１００が部分的な負荷条件で動作するときは気体燃料で動作されてもよい。その際に、デュアル燃料噴射システム１３０は、酸化窒素および他の種類の規制排出物の排出量全体を規定レベル未満に維持するために使用されてもよい。デュアル燃料燃焼器１００は、一般に、その動作時間の大部分を気体燃料で動作されてもよい。例えば、デュアル燃料燃焼器１００は、その動作時間の約９９．９％を気体燃料で動作されてもよい。デュアル燃料燃焼器１００が液体燃料で動作する場合、ドーナツ状の噴射マニホルド１３２内での液体燃料の気化は、より低い火炎温度およびより少ない酸化窒素生成を伴うより希薄な燃焼をもたらし得る。デュアル燃料燃焼器１００が気体燃料で動作する場合、連続的な気体燃料流は、コーキングまたは炭素生成の可能性を低減することができ、また、窒素、蒸気、または不活性ガスを使用するシステムと比較してパージの費用および複雑性を軽減することができる。さらに、ドーナツ状の噴射マニホルド１３２を用いて気体燃料を噴射することによって、デュアル燃料燃焼器１００内の燃料噴射点と火炎面との間の対流時間を変更することができる。このことは、デュアル燃料燃焼器１００が気体燃料で動作する場合に動的な圧力振動を緩和すること、またはそうでなければこれを管理することに役立ち得る。また、デュアル燃料燃焼器１００は、規制排出物を規定レベル未満に維持しながら、上で指摘したように自動点火、炭素生成、逆火、および保炎のリスクに対処することができる。さらに、デュアル燃料燃焼器１００は、上で詳細に説明したような特定のデュアル燃料燃焼器に付随する高い費用、複雑性、および動作性の制限を回避しながら、主予混合器に適合することができる。

また、デュアル燃料燃焼器１００は、デュアル燃料燃焼器１００内への燃料噴射およびデュアル燃料燃焼器１００におけるその後の燃焼の最適化を可能にする。具体的には、デュアル燃料噴射システム１３０内に誘導される燃料流３０の一部は、噴射、予混合、および燃焼を最適化するために調整されてもよい。特定の実施形態において、燃料流３０の全体の２％〜３０％が、デュアル燃料噴射システム１３０内に誘導されてもよい。他のパーセンテージが使用されてもよい。さらに、デュアル燃料噴射システム１３０内に誘導される空気流２０の一部は、噴射、予混合、および燃焼を最適化するために調整されてもよい。特定の実施形態において、前部端プレナム１２２内に誘導される空気流２０の全体の約１５％が、デュアル燃料噴射システム１３０内に誘導されてもよい。他のパーセンテージが使用されてもよい。さらに、外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４および内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６の両方を含む実施形態によれば、噴射マニホルド１３４と噴射マニホルド１３６との燃料分割比は、噴射、予混合、および燃焼を最適化するために調整されてもよい。特定の実施形態において、外側のドーナツ状の噴射マニホルド１３４と内側のドーナツ状の噴射マニホルド１３６との燃料分割比は、約４対１であってもよい。このようにして、デュアル燃料噴射システム１３０は、噴射、予混合、および燃焼に最適化された４つの要素から構成された噴射システム（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）として動作してもよい。他の燃料分割比が使用されてもよい。

これまでの記述が、本出願および結果としての特許の特定の実施形態のみに関することは明らかなはずである。以下の特許請求の範囲によって規定された本発明の一般的な精神および範囲ならびにその均等物から逸脱することなく、本明細書において多くの変更および修正が当業者によってなされてもよい。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気流
２５ 燃焼器
３０ 燃料流
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部の負荷
５２、１０２ 前部端
５４、１０４ 後部端
５６、１０６ エンドカバー
５８、１０８ 燃料ノズル
６０、１１０ 燃焼領域
６２、１１２ ライナ
６４、１１４ 尾筒
６６、１１６ 流れスリーブ
６８、１１８ 流路
７０、１２０ マイクロ混合器
７２、１２２ 前部端プレナム
７４、１２４ マイクロ混合器チューブ
７６、１２６ 燃料チューブ
１００ デュアル燃料燃焼器
１３０ デュアル燃料噴射システム
１３２ ドーナツ状の噴射マニホルド
１３４ 外側のドーナツ状の噴射マニホルド
１３６ 内側のドーナツ状の噴射マニホルド
１４０ 内部スリーブ
１４２ 外部スリーブ
１４４ 内部スリーブの入口
１４６ 内部スリーブの出口
１４８ 円周シールド
１５０ 孔
１５２ 外部スリーブの出口
１５６ 燃料噴射器
１５８ 円錐形の回転チャンバ
１６０ リングマニホルド
１６２ 燃料−空気流

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン（１０）用のデュアル燃料燃焼器（１００）であって、
   前記デュアル燃料燃焼器（１００）の前部端プレナム（７２、１２２）内に配置された主予混合器と、
   前記前部端プレナム（７２、１２２）内に、および前記予混合器の上流に配置され、前記予混合器の円周に沿って延在する少なくとも１つのドーナツ状の噴射マニホルド（１３２）を備えたデュアル燃料噴射システム（１３０）と、
   を備え、
   前記ドーナツ状の噴射マニホルド（１３２）が、
   ドーナツ状の外部スリーブ（１４２）であって、前記外部スリーブ（１４２）の内壁と外壁の間に内部スペースが規定される、外部スリーブ（１４２）と、
   前記内部スペース内に配置されるドーナツ状の内部スリーブ（１４０）と、
   を備え、
   前記噴射システム（１３０）が、前記デュアル燃料燃焼器（１００）が気体燃料で動作する場合は前記予混合器の入口端の付近で前記気体燃料を噴射するように構成されており、
   前記噴射システム（１３０）が、前記デュアル燃料燃焼器（１００）が液体燃料で動作する場合は前記予混合器の前記入口端の付近で前記液体燃料を気化して噴射するように構成され、
   前記噴射システム（１３０）が、前記外部スリーブ（１４２）を通り、前記内部スリーブ（１４０）内に延びる少なくとも１つの燃料噴射器を備える、
   デュアル燃料燃焼器（１００）。
2. 前記予混合器が、少なくとも１つの燃料チューブ（７６、１２６）の付近に配置された複数のマイクロ混合器チューブ（７４、１２４）を備えるマイクロ混合器（１２０）を備える、請求項１に記載のデュアル燃料燃焼器（１００）。
3. 前記内部スリーブ（１４０）が、前記内部スリーブ（１４０）内に前記液体燃料の流れを受け入れるように構成されており、
   前記外部スリーブ（１４２）が、前記液体燃料が前記内部スリーブ（１４０）内で気化するように空気流（２０）を前記内部スリーブ（１４０）へ誘導するように構成され、
   前記外部スリーブ（１４２）が、前記外部スリーブ（１４２）を貫通しており、かつ前記空気流（２０）を前記内部スリーブ（１４０）へ誘導するように構成された複数の孔（１５０）を備える、
   請求項１または２に記載のデュアル燃料燃焼器（１００）。
4. 前記外部スリーブ（１４２）が、前記前部端プレナム（７２、１２２）内で前記ドーナツ状の噴射マニホルド（１３２）を支持し、
   前記内部スリーブ（１４０）が、
   前記内部スリーブ（１４０）の円周部に沿って延在する入口（１４４）と、
   前記内部スリーブ（１４０）の反対側の円周部に沿って延在する出口（１４６）と、
   前記入口（１４４）と前記出口（１４６）との間に延在する円周シールド（１４８）と、
   を備える、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のデュアル燃料燃焼器（１００）。
5. 前記少なくとも１つのドーナツ状の噴射マニホルド（１３２）が、外側のドーナツ状の噴射マニホルド（１３４）を備え、
   前記外側のドーナツ状の噴射マニホルド（１３４）が、前記予混合器の外周に沿って延在しており、
   前記予混合器の前記入口端の付近で半径方向内側に向かって前記気体燃料または前記液体燃料を噴射するように構成されている、
   請求項１乃至４のいずれかに記載のデュアル燃料燃焼器（１００）。
6. 前記少なくとも１つのドーナツ状の噴射マニホルド（１３２）が、内側のドーナツ状の噴射マニホルド（１３６）を備え、
   前記内側のドーナツ状の噴射マニホルド（１３６）が、前記予混合器の内周に沿って延在しており、
   前記予混合器の前記入口端の付近で半径方向外側に向かって前記気体燃料または前記液体燃料を噴射するように構成されている、
   請求項１乃至５のいずれかに記載のデュアル燃料燃焼器（１００）。
7. デュアル燃料燃焼器（１００）を動作させる方法であって、
   前記デュアル燃料燃焼器（１００）の前部端プレナム（７２、１２２）内に配置されたデュアル燃料噴射システム（１３０）内に空気流（２０）を誘導するステップと、
   前記噴射システム（１３０）内に液体燃料の流れを誘導するステップと、
   前記噴射システム（１３０）内で前記液体燃料の流れを気化させるステップと、
   主予混合器の入口端の付近で気化した燃料の流れを噴射するステップと、
   を含み、
   前記燃料噴射システム（１３０）が、前記予混合器の円周に沿って延在する少なくとも１つのドーナツ状の噴射マニホルド（１３２）を備え、
   前記ドーナツ状の噴射マニホルド（１３２）が、
   ドーナツ状の外部スリーブ（１４２）であって、前記外部スリーブ（１４２）の内壁と外壁の間に内部スペースが規定される、外部スリーブ（１４２）と、
   前記内部スペース内に配置されるドーナツ状の内部スリーブ（１４０）と、
   を備え、
   前記噴射システム（１３０）が、前記外部スリーブ（１４２）を通り、前記内部スリーブ（１４０）内に延びる少なくとも１つの燃料噴射器を備える、
   方法。
8. ガスタービンエンジンシステム（１０）であって、
   圧縮機（１５）と、前記圧縮機（１５）と連通しているデュアル燃料燃焼器（１００）
   と、
   前記デュアル燃料燃焼器（１００）と連通しているタービン（４０）と、
   を備え、
   前記デュアル燃料燃焼器（１００）が、前記デュアル燃料燃焼器（１００）の前部端プレナム（７２、１２２）内に配置された主予混合器ならびに前記前部端プレナム（７２、１２２）内に、および前記予混合器の上流に配置され、前記予混合器の円周に沿って延在する少なくとも１つのドーナツ状の噴射マニホルド（１３２）を備えたデュアル燃料噴射システム（１３０）を備え、
   前記ドーナツ状の噴射マニホルド（１３２）が、
   ドーナツ状の外部スリーブ（１４２）であって、前記外部スリーブ（１４２）の内壁と外壁の間に内部スペースが規定される、外部スリーブ（１４２）と、
   前記内部スペース内に配置されるドーナツ状の内部スリーブ（１４０）と、
   を備え、
   前記噴射システム（１３０）が、前記デュアル燃料燃焼器（１００）が気体燃料で動作する場合は前記予混合器の入口端の付近で前記気体燃料を噴射するように構成されており、
   前記噴射システム（１３０）が、前記デュアル燃料燃焼器（１００）が液体燃料で動作する場合は前記予混合器の前記入口端の付近で液体燃料を気化して噴射するように構成され、
   前記噴射システム（１３０）が、前記外部スリーブ（１４２）を通り、前記内部スリーブ（１４０）内に延びる少なくとも１つの燃料噴射器を備える、
   ガスタービンエンジンシステム（１０）。