JP6835518B2 - ガスタービン用の燃料−空気予混合器 - Google Patents

Description

本明細書に開示した主題は、燃料−空気予混合器に関する。具体的には、本開示は、ガスタービン燃焼器の燃料−空気予混合器用のエーロフォイル形状の中心本体に関する。

ガスタービン及びエンジンシステムは、オイル及びガス処理システム、商業及び工業用ビル、並びに車両などの様々な用途のための動力を提供する。ガスタービン及びエンジンシステムは、発電するために燃焼システム（例えば、チャンバ）内で燃料と空気の混合物を燃焼させることができる。燃料と圧縮空気が燃焼することにより、高温の燃焼ガスを生成し、それが今度はタービンのブレードを駆動して、例えば、回転動力を作り出す。それ故に、ガスタービンの燃焼システムは、燃焼システムの中に流れ込むべき燃料と空気の均一な混合物を作り出す混合器を含むことがある。場合によっては、混合器は、実質上均一な混合物を作り出さないことがあるが、それは、燃料と空気が混合器内で費やすことのできる時間が限られるせいであり、また、リサーキュレーションポケット（ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｏｃｋｅｔｓ）などの望ましくない効果のせいである。したがって、ガスタービン及びエンジンシステムは、燃料と空気が混合器に進入する前にそういった成分の混合を始めるように設計した予混合器を含めることがある。

ガスタービンエンジンから生じる排気ガスは、窒素酸化物（ＮＯとＮＯ₂を含むＮＯ_x）、硫黄酸化物（ＳＯ_x）、炭素酸化物（ＣＯ_x）、未燃炭化水素などの特定の副産物を含むことがある。放出された排気ガスの種類、並びに、放出された排気ガスの量は、燃料−空気混合物の組成に少なくとも部分的に依存することがある。多くの産業や権限（例えば、石炭燃焼プラント、連邦及び州の政府など）は、所与のシステムが放出を許される排気ガスの種類と量を明示する規制と制限を有することがある。なんらかの権限によって明示された放出レベルを実現するために、ガスタービン及びエンジンシステムの燃焼チャンバに供給される空気−燃料混合物の混合品質を向上させることは、望ましいことがある。それ故に、現在、予混合器の設計の改善が望ましいことがあると認められる。

米国特許第８，７８９，３７５号明細書

一実施態様では、ガスタービン用の燃料−空気予混合器は、第１のロータ及び第２のロータを有する二重逆回転スワーラを含み、ここで、第１のロータ及び第２のロータが、シャフトの周りをスピンするように構成され、二重逆回転スワーラが、空気の流れを下流方向に向けるように構成される。燃料−空気予混合器はまた、シャフトを介して二重逆回転スワーラに結合された中心本体を含み、ここで、中心本体が、中心本体の表面上の第１の燃料オリフィスを含み、第１の燃料オリフィスが、燃料−空気混合物を作り出すために、空気の流れの中に燃料を注入するように構成され、中心本体が、リサーキュレーションポケットの形成を阻止するように構成されたエーロフォイル形状を含む。

他の実施態様では、ガスタービン用の燃料−空気予混合器は、第１のロータ及び第２のロータを有する二重逆回転スワーラを含み、ここで、第１のロータ及び第２のロータが、シャフトの周りをスピンするように構成され、二重逆回転スワーラが、空気の乱流せん断層を形成するように構成される。燃料−空気予混合器はまた、シャフトを介して二重逆回転スワーラに結合された中心本体を含み、ここで、中心本体が、中心本体の表面上の燃料オリフィスを含み、燃料オリフィスが、燃料−空気混合物を作り出すために、空気の乱流せん断層の中に燃料を注入するように構成され、中心本体が、エーロフォイル形状を含み、中心本体と燃料−空気混合物の間には、リサーキュレーションポケットが形成されない。

他の実施態様では、ガスタービン用の燃料−空気予混合器は、スワーラに結合され、上側の表面と、下側の表面と、前縁と、後縁と、を備えた断面を有するエーロフォイル形状の中心本体を含む。前縁が、燃料−空気混合物の流れに関して後縁の上流であり、燃料−空気混合物が、上側の表面及び下側の表面に実質上適合するように構成されて、リサーキュレーションポケットを欠くことになる。

他の実施態様では、方法は、圧縮機を用いて空気の流れを圧縮することと、エーロフォイル中心本体を有する予混合器内で空気の流れを燃料と予混合することと、空気の流れ及び燃料を混合器内で混合して実質上均質な燃料−空気混合物を形成することと、実質上均質な燃料−空気混合物を燃焼チャンバ内で燃焼させて排気ガスを形成することと、排気ガスを周囲環境に放出することと、を含む。

本発明のこれらや他の特徴、態様、及び利点は、全図面を通して同じ符号が同じ部品を指している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むときに、より良く理解されよう。

本開示の態様による、発電のために使用できるガスタービンシステムのブロック図である。 本開示の態様による、エーロフォイル形状の構成を有する図１のタービンシステムの予混合器の実施形態の斜視図である。 本開示の態様による、中心本体の表面上に配設した燃料オリフィスを含む図２の予混合器の別の実施形態の斜視図である。 本開示の態様による、図２及び３の予混合器を通る燃料−空気混合物の流れを示す計算流体力学モデルの図である。 本開示の態様による、リサーキュレーションポケットのない図２及び３の予混合器を通る燃料−空気混合物の流れを示す計算流体力学モデルの図である。 本開示の態様による、異なった構成の燃料オリフィスを個々が有する図２及び３の予混合器のエーロフォイル形状の中心本体の実施形態の側面図である。 本開示の態様による、中心本体の前縁からの距離に応じた、中心本体の表面と、図２及び３の予混合器のケーシングの表面と、の間の断面積のグラフ図である。

本開示のうちの１つ又は複数の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するという目的のため、現実の実施における特徴のすべてを本明細書に記載していないことがある。任意のそういった現実の実施の展開において、工学や設計の任意の計画におけると同様に、実施によって異なり得るシステム関連やビジネス関連の制約を遵守することなどの開発者の具体的目標を達成するために、実施に特有の決断を数多く行わなければならない、ということを理解すべきである。さらに、そういった開発の試みは、複雑であり時間の掛かることがあるが、それでも本開示の恩恵を受ける当業者にとっては、日常業務的な設計、製作、及び製造の仕事になるであろう、ということを理解すべきである。

本開示の様々な実施形態の要素を紹介するときに、冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）は、１つ又は複数の要素の存在を意味することを意図している。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図しており、また、列挙した要素以外の追加の要素が存在できることを意味している。

本明細書ではガスタービンシステム内の燃焼チャンバが受け取る燃料−空気混合物の品質を向上させるための燃料−空気予混合器の実施形態が提供される。ガスタービンシステムでは、１つ又は複数のガスタービンエンジンは、燃料を燃焼させて、複数のブレードを個々が有する１つ又は複数のタービン段を駆動するための燃焼ガスを作り出すことができる。燃焼する燃料の種類にもよるが、燃焼プロセスに起因する排気排出物は、窒素酸化物（ＮＯとＮＯ₂を含むＮＯ_x）、硫黄酸化物（ＳＯ_x）、炭素酸化物（ＣＯ_x）、及び未燃炭化水素を含むことがある。多くの場合、ガスタービン電力プラントなどのガスタービンシステムの放つ排気ガスの組成は、規制上の要件の対象となる。例として、規制は、２５パーツ−パー−ミリオン（ｐｐｍ）などの、大気中に放ってもよいＮＯ_x濃度の上側閾値レベルを明示することがある。

排気ガスの流れの中のＮＯ_x（又は別の排出物化合物）の濃度を低下させるための１つの技術は、ガスタービンエンジンの燃焼器内の燃料対空気比を調節して、燃焼器内部の火炎温度を低く維持することである。加えて、ＮＯ_x排出物は、燃料と空気の混合品質を向上させることによって低減することができる。例えば、燃料−空気混合物の混合品質を改善することにより、燃焼中に自己着火及び／又は保炎を生じさせ得るリサーキュレーションポケットを防止することができる。本明細書で使用しているように、自己着火は、火炎及び／又は火花の導入を伴わない燃料−空気混合物の自発的な燃焼を指すことがある。自己着火は、望ましくないことがあるが、それは、燃焼が不意に起きることがあるからであり、さらに、効率の悪い燃焼のせいでＮＯ_x排出物がより多くもたらされることがあるからである。また、保炎は、燃焼チャンバ内に要望よりも長い間残存する火炎や火花を指すことがある。それ故に、ＮＯ_x排出物は、燃焼チャンバ内に火炎が存在する時間の増加の結果として、より多く作り出されることがある。

混合の品質を向上させるために、燃料−空気予混合器は、エーロフォイル構成（例えば、形状）を含むことがある。いくつかの実施形態では、エーロフォイル構成は、ガスタービンシステムを貫流する際に、燃料及び／又は空気のリサーキュレーションポケットを低減することができ、自己着火及び／又は保炎を防止することができる。予混合器は、混合器と燃焼チャンバの上流のガスタービンシステム内に配置することができる。いくつかの実施形態では、予混合器は、燃料噴射器と一体化されることがあり、したがって、燃料は、ガスタービンシステムの中に注入されて、同時に圧縮空気と混合される。他の実施形態では、ガスタービンシステムは、燃料噴射器と予混合器を別々の部品として含むことがある。いずれにしても、現在認められることは、エーロフォイル形状の予混合器が、燃料と空気の混合品質を向上でき、同様に、リサーキュレーションポケットを防止でき、したがって、ガスタービンシステムがより少量のＮＯ_x排出物（又は他の排出物）しか排出しない、ということである。

図面に転じると、図１は、発電のために使用することができるようなタービンシステム１０のブロック図である。理解され得るように、タービンシステム１０は、電力網を介して市や町に分配される電気を生成するための電力プラントなどの大規模な設備での、或いは、車両エンジン部分又は小規模発電システムなどのより小規模な設定での、使用に適していることがある。すなわち、タービンシステム１０は、様々な用途に適したように、及び／又は、寸法の全範囲にわたった規模に、することができる。

描いた例では、タービンシステム１０は、予混合器１２、燃料供給装置１４、混合器１６、及び燃焼器１８を含む。燃料供給装置１４は、実施形態に応じて様々であり、タービンシステム１０に向けて予混合器１２（又は別個の燃料噴射器）を介して燃焼器１８の中に燃料又は燃料混合物（例えば、天然ガス又は合成ガスなどの液体燃料及び／又はガス燃料）を送達するのに適した機構に対応することができる。下で論じたように、予混合器１２は、タービンシステム１０の中に燃料を注入するために、そして、燃料−空気混合物を燃焼器１８が受け取る前に燃料を圧縮空気と混合するために、構成することができる。いくつかの実施形態では、燃料−空気混合物は、混合器１６内でさらに混合されることがある。それ故に、燃焼器１８に入る燃料−空気混合物は、高い混合品質を有することがあり、燃料−空気混合物は、実質上均質（例えば、空気及び／又は燃料の大きなポケットがない）になることがある。

燃料と空気が十分に混合すると、燃焼器１８は、燃料−空気混合物を点火及び燃焼させて、高温の加圧排気ガスをタービン２０の中に通す。理解され得るように、タービン２０は、固定されたベーン又はブレードを有する１つ又は複数のステータと、ステータに対して回転するブレードを有する１つ又は複数のロータと、を含む。排気ガスは、タービンロータブレードを通過し、これにより、タービンロータが回転駆動される。タービンロータとシャフト２２の結合により、シャフト２２が回転され、それは、図示のように、タービンシステム１０の全体にわたって数個の部品とも結合されている。最終的に、燃焼プロセスの排気は、排気出口２４を介してタービンシステム１０から出て行くことができる。

圧縮機２６は、シャフト２２によって回転駆動されるロータに対して剛性を有して実装されたブレードを含む。空気が回転するブレードを通過する際に空気圧力が増加し、これにより、燃焼器１８には、正常な燃焼のための十分な空気が提供される。圧縮機２６は、エアインテーク２８を介してタービンシステム１０に空気を取り入れることができる。また、シャフト２２は、負荷３０に結合することができ、それにはシャフト２２の回転を介して動力供給することができる。理解され得るように、負荷３０は、発電プラントや外部の機械的な負荷などの、タービンシステム１０の回転出力の動力を使用することのできる任意の適切なデバイスにすることができる。例えば、負荷３０は、発電機、飛行機のプロペラ等々を含むことができる。エアインテーク２８は、コールドエアインテークなどの適切な機構を介してガスタービンシステム１０の中に空気３２を引き入れる。空気３２は、次に圧縮機２６のブレードを貫流し、それにより圧縮空気３４が燃焼器１８に提供される。いくつかの実施形態では、予混合器１２及び／又は混合器１６は、圧縮空気３４と燃料３６を、燃料−空気混合物３８として、燃焼器１８の中に注入することができる。他の実施形態では、圧縮空気３４と燃料３６は、混合と燃焼のために燃焼器１８の中に直接注入することができる。

上で論じたように、予混合器１２の構成により、燃料−空気混合物３８が燃焼器１８に進入するときの混合品質を改善することが可能になる。例えば、図２は、エーロフォイル形状の構成を有する予混合器１２の実施形態の斜視図である。図２に図示される実施形態に示すように、予混合器１２は、スワーラ５０と中心本体５２を含む。中心本体５２は、シャフト５３（例えば、軸）や別の適切なデバイスを介してスワーラ５０に結合することができる。いくつかの実施形態では、スワーラ５０は、外側ロータ５４（例えば、第１のロータ）と内側ロータ５６（例えば、第２のロータ）を含むことがある。外側ロータ５４は、第１の方向６０に外側ロータ５４を動かすために構成された第１のブレード５８を含むことがある。逆に、内側ロータ５６は、第２の方向６４に内側ロータ５６を動かすために構成された第２のブレード６２を含むことがあり、ここで、第２の方向６４は、第１の方向６０と実質上反対である。例えば、第１のブレード５８は、外側ロータ５４が時計方向又は反時計方向にスピン（例えば、回転）するように角度付けされることがある。同様に、第２のブレード６２は、内側ロータ５６が外側ロータ５４とは反対方向（例えば、時計方向又は反時計方向）にスピン（例えば、回転）するように角度付けされることがある。

したがって、スワーラ５０のロータ５４、５６は、逆回転することができる。スワーラ５０の逆回転する構成により、燃料３６と燃焼器１８に入る空気３４との混合を促進することができる。具体的には、逆回転する構成により、予混合器１２を通して圧縮空気３４の乱流を作り出すことができ、これにより、圧縮空気３４と、例えば、中心本体５２から注入される燃料３６と、の混合が促進可能となる。いくつかの実施形態では、逆回転する構成により、圧縮空気の乱流せん断層を作り出すことができるが、それは、圧縮空気３４がスワーラ５０の下流で２つの異なる方向６０、６４に流れること（例えば、スワール）ができるからである。いくつかの実施形態では、乱流せん断層の中に燃料３６を注入することにより、燃料３６と圧縮空気３４の混合の品質を向上させることができるが、それは、圧縮空気３４の乱流スワールがより均質な燃料−空気混合物３８を生成できるからである。

予混合器１２の中心本体５２も、燃料３６と圧縮空気３４の混合を向上させることができる。例えば、図２に示した予混合器１２の中心本体５２は、エーロフォイル形状の構成を含む。本明細書で使用しているように、中心本体５２のエーロフォイル構成は、中心本体５２の断面を取ったときの少なくとも１つの外側表面のエーロフォイルプロファイルを指すことがある。加えて、エーロフォイルプロファイルは、前縁から後縁まで変化する直径を含んでいてもよい。例えば、直径は、前縁の下流に移動すると僅かに増加するようにしてもよい。次に、直径は、後縁に至るまでに減少するようにしてもよい。いくつかの実施形態では、中心本体５２のエーロフォイル形状は、望ましいことがあるが、それは、空気−燃料混合物３８と予混合器１２の間の流れ剥離を防止できるからである（例えば、空気−燃料混合物３８が予混合器１２の表面に接触しないところのポケット）。流れ剥離は、空気−燃料混合物３８が、再循環を受けること、及び／又は、リサーキュレーションポケット（例えば、気泡）の形成、を生じさせることがある。再循環及び／又はリサーキュレーションポケット（例えば、気泡）は、望ましくないことがあるが、それは、自己着火（例えば、火花や火炎のない場合の空気−燃料混合物の着火）、保炎（例えば、要望よりも長く燃焼器１８内に存在する火炎や火花）、及び／又は、ＮＯ_x排出物の増加、を招くことがあるからである。自己着火、保炎、及び／又は、ＮＯ_x排出物を低減することに加えて、予混合器１２のエーロフォイル形状も、より効率的な燃焼プロセスを可能にすることにより、タービンシステム１０の全体的な効率を向上させることができる。

中心本体５２のエーロフォイル形状は、タービンシステム１０内の空気３４と燃料３６の混合を円滑にすることができる。いくつかの実施形態では、中心本体５２は、圧縮空気３４の流れの中に燃料３６を注入する燃料オリフィスを含むことがある。例えば、図３は、中心本体５２の表面７２上に配設した燃料オリフィス７０を含む予混合器１２の別の実施形態の斜視図である。燃料オリフィス７０は、所望の空気−燃料比を作り出すために、タービンシステム１０の中に規定量の燃料３６を提供することができる。

いくつかの実施形態では、燃料３６と空気３４を互いに混合するのを開始するために、圧縮空気３４の流れの中に燃料３６を直接注入することは、望ましいことがある。したがって、中心本体５２の表面７２に沿って或る位置に燃料オリフィス７０を位置決めすることが望ましいことがあり、その位置では、燃料オリフィス７０から出て行く燃料３６が、直ちに又はほぼ直ちに、圧縮空気３４に接触することができる。それ故に、従来の予混合器は、中心本体５２の表面７２上の、リサーキュレーションポケット（例えば、気泡）が通常起きるところから下流の或る位置に燃料オリフィス７０を位置決めし、したがって、燃料３６は、リサーキュレーションポケットの内部に捕捉されなくなる（例えば、燃焼器１８に向かって流れるのではなく、リサーキュレーションポケット内を連続的に再循環する）。上で論じたように、中心本体５２のエーロフォイル形状は、中心本体５２の表面に沿ったリサーキュレーションポケットを低減及び／又は排除することができる。したがって、燃料オリフィス７０は、表面７２上の（例えば、圧縮空気３４及び／又は燃料３６の流れに関して）さらに上流の位置に配設することができ、したがって、燃料３６は、燃料オリフィス７０から出て行く際に、直ちに又はほぼ直ちに、圧縮空気３４に依然接触する。燃料オリフィス７０を（例えば、圧縮空気３４及び／又は燃料３６の流れに関して）さらに上流に位置決めすることにより、圧縮空気３４と燃料３６が混合する時間をより長くすることができ、これにより、混合品質が向上する。

加えて、予混合器１２のエーロフォイル形状の構成により、例えば、円錐形状の中心本体と比較して、より多くの燃料オリフィス７０を中心本体５２の表面７２上に位置決めすることが可能となるが、それは、エーロフォイル形状が円錐形状の中心本体よりも長い円周を有する少なくとも一部を含むからである。例えば、エーロフォイル形状を有する中心本体５２の断面は、従来の形状（例えば、円錐形状）を有する中心本体の断面の直径よりも大きい直径を含むことがある。いくつかの実施形態では、エーロフォイル形状の中心本体５２は、０〜２０個の燃料オリフィス７０、５〜１５個の燃料オリフィス７０、７〜１２個の燃料オリフィス７０、或いは、圧縮空気３４の流れと十分に混合することを可能にする任意の適切な数の燃料オリフィス７０、を含むことがある。燃料オリフィス７０をより多く含めることにより、燃料３６と空気３４の混合をさらに向上させることができるが、それは、予混合器１２内のより多くの場所で圧縮空気３４の流れに対して燃料３６を導入することが可能になり得るからである。換言すると、燃料オリフィス７０が中心本体５２の表面７２上により多く配置されるので、燃料３６と空気３４の混合品質は、空気３４中への燃料３６のより大量の霧化の結果として、改善することができる。

加えて、エーロフォイル形状により、予混合器１２を通って燃焼器１８に流入する圧縮空気の速度が増加することがある。例えば、図３に示すように、中心本体５２の直径は、圧縮空気３４の流れの下流方向７４に減少する。したがって、予混合器１２を貫流する燃料−空気混合物３８の速度は、増加することがあるが、それは、中心本体５２の表面が作り出す燃料−空気混合物３８の流れに対する抵抗力が、下流方向７４（例えば、圧縮空気の流れの方向）に減少することがあるからである。

エーロフォイル形状は、中心本体５２の表面７２と、二重逆回転スワーラ５０によって生じる圧縮空気３４のせん断層と、の間の距離を減少させることもできる。例えば、せん断層は、圧縮空気３４が第１と第２の方向６０、６４に流れるときに形成されることがある。いくつかの実施形態では、燃料オリフィス７０は、最大の円周（例えば、最大面積を備えた断面を有する部分）を有する中心本体５２の表面７２上に位置決めされる。それ故に、燃料オリフィス７０を介して注入される燃料３６は、圧縮空気３４のせん断層に達するための進む距離を比較的短くすることができる。燃料オリフィス７０は、こうして比較的大きい直径を含むことがあるが、それは、燃料オリフィス７０とせん断層の間の距離が短いからである。例えば、燃料オリフィス７０は、０．１センチメートル（ｃｍ）〜３ｃｍ、０．５ｃｍ〜１ｃｍ、０．７５ｃｍ〜０．９ｃｍの直径、或いは、燃料３６と空気３４の十分な混合を可能にする任意の適切な直径、を含むことがある。いくつかの実施形態では、燃料オリフィス７０の直径を増加させることにより、予混合器１２によって圧縮空気３４の流れの中に燃料をより多く注入することができ、これにより、燃料−空気混合物３８の混合品質が向上する。

上で論じたように、予混合器１２のエーロフォイル形状により、燃焼器１８に入る燃料−空気混合物３８の混合品質を向上させることができる。図４は、リサーキュレーションポケットが存在するときの予混合器１２を通る燃料−空気混合物３８の流れを示している計算流体力学モデル９０である。圧縮空気３４は、下流方向７４にスワーラ５０を貫流することができる。圧縮空気３４は、次に中心本体５２の表面上を流れることができる。いくつかの実施形態では、燃料オリフィス７０は、圧縮空気３４の流れの中に燃料３６を注入することができ、これにより、燃料−空気混合物３８が作り出される。燃料−空気混合物３８は、燃焼器１８に向かって下流方向７４に中心本体５２の表面上を流れ続けることができる。

いくつかの実施形態では、燃料−空気混合物の速度は、燃料−空気混合物が下流方向７４に移動する際に、中心本体５２のエーロフォイル形状の結果として増加することがある。例えば、燃料−空気混合物の速度は、中心本体５２の前縁９２（例えば、より大きい断面積及び／又は円周を有する上流端）から中心本体５２の後縁９４（例えば、より小さい断面積及び／又は円周を有する下流端）に向かって移動する際に、増加することがある。前縁９２における燃料−空気混合物３８の流れの断面９６は、第１の直径９８を有する中心本体５２を示している。同様に、後縁９４における燃料−空気混合物３８の流れの断面１００は、第２の直径１０２を有する中心本体５２を示している。いくつかの実施形態では、第１の直径９８は、第２の直径１０２よりも大きいことがあり、したがって、第１の傾斜表面１０４（例えば、上側の表面）と第２の傾斜表面１０６（例えば、下側の表面）が、前縁９２と後縁９４の間に形成される。傾斜表面１０４及び１０６は、中心本体５２上の空気−燃料混合物の流れを円滑にすることができ、これにより、空気−燃料混合物の速度が、下流方向７４に（例えば、前縁９２から後縁９４まで）移動する際に増加する。

図４の図示実施形態では、予混合器１２は、リサーキュレーションポケット１０８を形成する。リサーキュレーションポケット１０８は、中心本体５２上の燃料−空気混合物３８の効率の悪い流れの結果として形成されることがある。いくつかの実施形態では、リサーキュレーションポケット１０８内の燃料−空気混合物３８の速度は、実質上ゼロになることがある。それ故に、燃料３６と燃焼器１８に進入する圧縮空気３４の量（例えば、容量）は、要望する量よりも多くなることも少なくなることもあるが、それは、リサーキュレーションポケット１０８が、予混合器１２を通る燃料−空気混合物３８の流れに影響を及ぼすことがあるからである。しかしながら、中心本体５２のエーロフォイル形状のために、リサーキュレーションポケット１０８は、従来の予混合器の設計で形成され得るリサーキュレーションポケットの寸法よりも小さい寸法を含むことがある、ということに留意すべきである。したがって、エーロフォイル形状の中心本体５２は、リサーキュレーションポケット１０８の寸法を減少させることができ、これにより、タービンシステム１０の性能が向上する。また、リサーキュレーションポケット１０８が予混合器１２から実質上又は概ね排除されるように、リサーキュレーションポケット１０８の寸法をさらに減少させることが望ましいことがある。それ故に、リサーキュレーションポケット１０８をさらに低減及び／又は排除して、タービンシステム１０の効率を向上させるために、中心本体上のオリフィス７０の位置及び／又は量、予混合器１２を通る燃料−空気混合物３８の流量、並びに／或いは、中心本体５２のエーロフォイル形状の直径、を調整することが望ましいことがある。

例えば、図５は、リサーキュレーションポケット１０８のない予混合器１２を通る燃料−空気混合物の流れを示す計算流体力学モデル１２０である。図５に図示される実施形態に示すように、リサーキュレーションポケット１０８は、中心本体５２の向上した幾何学（例えば、形状）の結果として、実質上排除された。それ故に、予混合器１２を通る燃料−空気混合物３８の流れは、向上することができ、これにより、タービンシステム１０全体の効率が増進する。いくつかの実施形態では、リサーキュレーションポケット１０８の低減及び／又は排除により、自己着火及び／又は保炎などの望ましくない効果を防止することができる。そういった望ましくない効果は、燃焼器１８の性能低下、及び／又は、ＮＯ_x排出物（又は他の排出物）の増加、を招くことがある。それ故に、現在認められることは、エーロフォイル形状の中心本体５２を利用することにより、リサーキュレーションポケット１０８を実質上排除及び／又は低減することができ、したがって、タービンシステム１０及び／又はＮＯ_x排出物についての効率の増進を招く、ということである。

エーロフォイル形状の中心本体５２を既存のタービンシステムに組み込むことは、効率の向上及び／又はＮＯｘ排出物の低減のために望ましいことがある。したがって、エーロフォイル形状の中心本体５２は、既存の中心本体の構成と実質上同様であり得る寸法を含むことがある。加えて、エーロフォイル形状の中心本体５２は、既存の中心本体と実質上同様の条件下で動作するように構成することができる。例えば、表１は、二重環状逆回転スワーラ（ＤＡＣＲＳ）予混合器の典型的な中心本体と比較したエーロフォイル形状の中心本体５２の動作条件を示しているデータ表である。ＤＡＣＲＳ中心本体は、本開示のエーロフォイル形状以外の別の形状を含むことがある。例えば、ＤＡＣＲＳは典型的に、中心本体と燃料−空気混合物３８の流れの間のリサーキュレーションポケット１０８の形成を容易にすることがある円錐形状の中心本体を含む。二重逆回転スワーラ５０は、空気３４及び／又は燃料３６の乱流せん断層を生成して、スワール効果を作り出すことがある。中心本体の円錐形状は、中心本体上の燃料−空気混合物３８の流れを円滑にするのではなく、むしろ、スワールを増加させることがあり、これにより、リサーキュレーションポケットを作り出す。上で論じたように、中心本体５２のエーロフォイル形状は、中心本体５２の表面７２上の燃料−空気混合物の流れを円滑にすることができ、これにより、リサーキュレーションポケット１０８が低減及び／又は実質上排除される。

表１に示すように、エーロフォイル形状の中心本体５２は、ＤＡＣＲＳ予混合器の円錐形状の中心本体と実質上同様の条件下で動作して、実質上同様の結果（例えば、圧力の変化、スワール数）を生じさせる。しかし、エーロフォイル形状の中心本体５２は、リサーキュレーションポケット１０８を低減及び／又は排除して、自己着火及び／又は保炎を防止することができ、これにより、タービンシステム１０全体の効率が向上する、及び／又は、ＮＯ_x排出物が減少する。それ故に、エーロフォイル形状の中心本体５２は、ＤＡＣＲＳ中心本体と同じか又は実質上同じ条件下で動作するように、しかし、ガスタービンシステム１０全体の効率が増進するように、構成することができる。

上で論じたように、エーロフォイル形状の中心本体５２は、圧縮空気３４の流れの中に燃料を注入するために、燃料オリフィス７０を１つ又は複数含むことがある。加えて、エーロフォイル形状により、より多くの燃料オリフィス７０を中心本体５２の表面７２上に位置決めすることができる。図６Ａ、６Ｂ、及び６Ｃは、燃料オリフィス７０の異なった構成を有するエーロフォイル形状の中心本体５２の実施形態の側面図である。

例えば、図６Ａは、中心本体５２の表面７２上の、前縁９２と後縁９４のほぼ中間に位置決めされた燃料オリフィス７０を示している。いくつかの実施形態では、燃料オリフィス７０は、中心本体５２の表面７２内の涙形状の開口１４２によって囲まれることがある。そういった開口１４２は、燃料オリフィス７０から出て圧縮空気３４の流れに入る燃料３６の流れを円滑にすることができる。例えば、開口１４２の涙形状により、燃料３６を所望の方向に向けることができ、燃料３６と空気３４の混合品質が向上し、そのうえ、リサーキュレーションポケット１０８の形成も防止される。

図６Ａに図示される実施形態に示すように、中心本体５２は、シャフト５３に結合される。シャフト５３は、スワーラ５０に結合されて、スワーラ５０の内側ロータ５６と外側ロータ５４がシャフト５３周りに回転できるように構成されることもある。

図６Ｂは、中心本体５２の表面７２上の、前縁９２と後縁９４の中間点から（例えば、空気３４及び／又は燃料３６の流れに関して）さらに上流に位置決めされた燃料オリフィス７０を示している。上で論じたように、リサーキュレーションポケット１０８の低減及び／又は排除により、リサーキュレーションポケット１０８の典型的な形成位置のさらに上流に燃料オリフィス７０を位置決めすることができる。それ故に、燃料３６と空気３４の混合の品質は、向上することができるが、それは、燃料３６が、燃焼器１８のさらに上流の点で圧縮空気３４の流れの中に導入されるからであり、これにより、燃焼前の燃料３６と空気３４の混合のために、より長い時間及び／距離が与えられる。いくつかの実施形態では、燃料オリフィス７０は、中心本体５２の表面７２内の涙形状の開口１４２によって囲まれることがある。そういった開口１４２は、燃料オリフィス７０から出て圧縮空気３４の流れに入る燃料３６の流れを円滑にすることができる。例えば、開口１４２の涙形状により、燃料３６を所望の方向に向けることができ、燃料３６と空気３４の混合の品質が向上し、そのうえ、リサーキュレーションポケット１０８の形成も防止される。図６Ｂに図示される実施形態では、涙形状の開口１４２は、図６Ａの開口１４２とは異なる角度を有する。それ故に、図６Ｂの中心本体５２の注入する燃料３６は、図６Ａの中心本体５２の注入する燃料３６とは異なる方向に向けることができる。

図６Ｃは、中心本体５２の表面７２上の、前縁９２と後縁９４の中間点よりもさらに上流に位置決めされた燃料オリフィス７０を示している。上で論じたように、リサーキュレーションポケット１０８の低減及び／又は排除により、リサーキュレーションポケット１０８の典型的な形成位置の（例えば、燃料３６及び／又は空気３４の流れに関して）さらに上流に燃料オリフィス７０を位置決めすることができる。それ故に、燃料３６と空気３４の混合の品質は、向上することができるが、それは、燃料３６が、燃焼器１８のさらに上流の点で圧縮空気３４の流れの中に導入されるからであり、これにより、燃焼前の燃料３６と空気３４の混合のために、より長い時間及び／距離が与えられる。

図６Ｃに図示される実施形態に示すように、燃料オリフィス７０は、開口１４２によって囲まれていない。加えて、図６Ｃの燃料オリフィス７０は、図６Ａ及び６Ｂの燃料オリフィス７０の直径よりも小さい直径を含む。それ故に、図６Ｃの中心本体５２によって燃料をより少なく注入できるが、しかしながら、より小さい直径の結果として、燃料が（例えば、中心本体５２の表面７２から外方に）さらに遠くに移動するように構成することができる。それ故に、小径の燃料オリフィス７０を利用することは、二重逆回転スワーラ５０が作り出す圧縮空気３４のせん断層から比較的遠くに燃料オリフィス７０が位置決めされるときに、望ましいことがある。

中心本体５２の表面７２上の燃料オリフィス７０は、圧縮空気３４の流れの中に燃料３６を注入するための任意の適切な直径を含むことができ、したがって、燃料３６は、乱流せん断層に達して、圧縮空気３４と十分に混合することができる、と認められるべきである。加えて、いくつかの実施形態では、燃料オリフィス７０は、燃料３６の流れを円滑にするために任意の適切な形状及び／又は構成を有する開口１４２によって囲まれることがある。他の実施形態では、燃料オリフィス７０は、開口１４２によって囲まれないこともある。

上で論じたように、エーロフォイル形状の中心本体５２は、中心本体５２の表面７２（例えば、延いては燃料オリフィス７０）と、スワーラ５０によって形成される圧縮空気３４のせん断層と、の間の距離を減少させることができる。例えば、図７は、中心本体５２の前縁９２からの距離１６４に応じた、中心本体５２の表面７２と予混合器１２のケーシングの表面との間の断面積１６２のグラフ図１６０である。グラフ１６０は、第１の曲線１６６と第２の曲線１６８を示している。第１の曲線１６６は、円錐形状の中心本体を有する従来のＤＡＣＲＳ予混合器を表している。第２の曲線１６８は、エーロフォイル形状の中心本体５２を有する予混合器１２を表している。図示される実施形態に示すように、中心本体の表面７２と予混合器のケーシングの表面との間の面積１６２は、第１と第２の曲線１６６、１６８の双方について、前縁９２と後縁９４で実質上同じである。したがって、エーロフォイル形状の中心本体５２は、ＤＡＣＲＳ予混合器を利用するタービンシステム１０内に組み込まれて、そういったシステム１０の効率を向上させるために、構成することができる。

さらに、グラフ１６０は、中心本体５２の表面７２と予混合器ケーシングの表面との間の面積１６２が、円錐形状の中心本体と比較して、エーロフォイル形状の中心本体５２の前縁９２から後縁までにおいて減少する、ということを示す。それ故に、中心本体５２の表面７４と、スワーラ５０によって形成される圧縮空気のせん断層と、の間の距離も減少し、これにより、向上した混合が起き得るせん断層に達する前に注入燃料３６が進むことのできる距離が減少する。こうして、燃料オリフィス７０の直径は、圧縮空気３４中への燃料３６の霧化を向上させるために、増加させることがある。

本発明の技術的な効果は、タービンシステムの効率を増進させ、ＮＯ_x排出物を低減することができるタービンシステム用の燃料−空気予混合器を含む。燃料−空気予混合器は、スワーラと中心本体を含む。スワーラは、予混合器を通して空気の流れを方向付けるために構成され、中心本体は、空気の流れの中に燃料を注入するために構成される。加えて、中心本体は、燃焼チャンバ内での自己着火及び／又は保炎を防止するために、リサーキュレーションポケットを低減及び／又は実質上排除する、エーロフォイル形状を含む。したがって、タービンシステムは、ＮＯ_x排出物の発生をより少なくすることができる。

ここに記載した説明は、例を用いて、ベストモードを含めて本発明を開示していると共に、任意のデバイスやシステムを製作及び使用することと任意の組み入れた方法を実行することとを含めて任意の当業者が本発明を実施できるようにもしている。特許性を有する本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者の想到する他の例を含むことができる。そういった他の例は、特許請求の範囲の文字通りの用語と異ならない構造要素がある場合に、或いは、特許請求の範囲の文字通りの用語に対する差異の実体がないような等価な構造要素が含まれる場合に、特許請求の範囲の範囲内にあるべきことを意図している。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
第１のロータ（５４）及び第２のロータ（５６）を含む二重逆回転スワーラ（５０）であって、前記第１のロータ（５４）及び前記第２のロータ（５６）が、シャフト（５３）の周りをスピンするように構成され、前記二重逆回転スワーラ（５０）が、空気（３４）の流れを下流方向（７４）に向けるように構成される、二重逆回転スワーラ（５０）と、
前記シャフト（５３）を介して前記二重逆回転スワーラ（５０）に結合された中心本体（５２）であって、前記中心本体（５２）が、前記中心本体（５２）の表面（７２）上の第１の燃料オリフィス（７０）を含み、前記第１の燃料オリフィス（７０）が、燃料−空気混合物（３８）を作り出すために、前記空気（３４）の流れの中に燃料（３６）を注入するように構成され、前記中心本体（５２）が、使用中にリサーキュレーションポケット（１０８）の形成を低減又は排除するように構成されたエーロフォイル形状を含む、中心本体（５２）と、
を含む、ガスタービン（１０）用の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様２］
前記燃料−空気混合物（３８）は、燃焼器（１８）が受け取るように構成される、実施態様１に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様３］
前記中心本体（５２）の前記エーロフォイル形状は、前記燃焼器（１８）内の自己着火及び保炎の一方又は双方を防止するように構成される、実施態様２に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様４］
前記燃焼器（１８）は、２５パーツパーミリオン（ｐｐｍ）よりも低いＮＯｘ濃度を含む排気ガス（２４）を放出するように構成される、実施態様２に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様５］
前記第１の燃料オリフィス（７０）は、涙形状を含む、実施態様１に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様６］
前記中心本体（５２）と前記燃料−空気混合物（３８）の間には、使用中にリサーキュレーションポケット（１０８）が形成されない、実施態様１に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様７］
前記エーロフォイル形状は、前縁（９２）及び後縁（９４）を含み、前記前縁（９２）は、前記後縁（９４）の上流である、実施態様１に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様８］
前記中心本体（５２）の直径（９８、１０２）は、前記前縁（９２）から前記後縁（９４）にかけて移るときに、増加し次いで減少する、実施態様７に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様９］
前記第１の燃料オリフィス（７０）は、前記後縁（９４）よりも前記前縁（９２）の近くに位置決めされる、実施態様７に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様１０］
スワーラ（５０）に結合され、上側の表面（１０４）と、下側の表面（１０６）と、前縁（９２）と、後縁（９４）と、を有する断面（１００）を含むエーロフォイル形状の中心本体（５２）であって、前記前縁（９２）が、燃料−空気混合物（３８）の流れに関して前記後縁（９４）の上流であり、前記燃料−空気混合物（３８）が、前記上側の表面（１０４）及び前記下側の表面（１０６）に実質上適合するように構成されて、使用中にリサーキュレーションポケット（１０８）を欠くことになる、エーロフォイル形状の中心本体（５２）、
を含む、ガスタービン（１０）用の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様１１］
前記燃料−空気混合物（３８）は、燃焼器（１８）が受け取るように構成される、実施態様１０に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様１２］
前記中心本体（５２）の前記エーロフォイル形状は、前記燃焼器（１８）内の自己着火及び保炎の一方又は双方を防止するように構成される、実施態様１１に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様１３］
前記燃焼器（１８）は、２５パーツパーミリオン（ｐｐｍ）よりも低いＮＯｘ濃度を含む排気ガス（２４）を放出するように構成される、実施態様１１に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様１４］
前記エーロフォイル形状の中心本体（５２）の厚さは、前記断面（１２０）に沿って前記前縁（９２）から前記後縁（９４）にかけて変化する、実施態様１０に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様１５］
前記エーロフォイル形状の中心本体（５２）は、燃料（３６）を空気（３４）と混合して前記燃料−空気混合物（３８）を形成するように構成された燃料オリフィス（７０）を含む、実施態様１０に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
［実施態様１６］
圧縮機（２６）を用いて空気（３４）の流れを圧縮することと、
エーロフォイル中心本体（５２）を有する予混合器（１２）内で前記空気（３４）の流れを燃料（３６）と予混合することと、
前記空気（３４）の流れ及び前記燃料（３６）を混合器（１６）内で混合して実質上均質な燃料−空気混合物（３８）を形成することと、
前記実質上均質な燃料−空気混合物（３８）を燃焼チャンバ（１８）内で燃焼させて排気ガス（２４）を形成することと、
前記排気ガス（２４）を周囲環境に放出することと、
を含む方法。
［実施態様１７］
前記排気ガス（２４）は、２５パーツパーミリオン（ｐｐｍ）よりも低いＮＯ_x濃度を含む、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１８］
前記エーロフォイル中心本体（５２）は、前記予混合器（１２）内のリサーキュレーションポケット（１０８）の形成を実質上阻止する、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１９］
前記リサーキュレーションポケット（１０８）の形成を阻止することは、前記燃焼チャンバ（１８）内の自己着火及び保炎を防止する、実施態様１８に記載の方法。
［実施態様２０］
前記実質上均質な燃料−空気混合物（３８）を燃焼させることは、タービン（２０）の１つ又は複数のブレードを回転させる、実施態様１６に記載の方法。

１０ （ガス）タービンシステム
１２ 予混合器
１４ 燃料供給装置
１６ 混合器
１８ 燃焼器
２０ タービン
２２ シャフト
２４ 排気出口、排気ガス
２６ 圧縮機
２８ エアインテーク
３０ 負荷
３２ 空気
３４ 圧縮空気
３６ 燃料
３８ 空気混合物
５０ スワーラ
５２ 中心本体
５３ シャフト
５４ 外側ロータ、第１のロータ
５６ 内側ロータ、第２のロータ
５８ 第１のブレード
６０ 第１の方向
６２ 第２のブレード
６４ 第２の方向
７０ 燃料オリフィス
７２ 表面
７４ 下流方向
９０ 計算流体力学
９２ 前縁
９４ 後縁
９６ 断面
９８ 第１の直径
１００ 断面
１０２ 第２の直径
１０４ 第１の傾斜表面、上側の表面
１０６ 第２の傾斜表面、下側の表面
１０８ リサーキュレーションポケット
１２０ 計算流体力学
１４２ 開口
１６０ グラフ図
１６２ 断面積
１６４ 距離
１６６ 第１の曲線
１６８ 第２の曲線

Claims (4)

1. 上流側と、該上流側と反対側にある下流側を含む二重逆回転スワーラ（５０）であって、前記二重逆回転スワーラ（５０）が、前記上流側で圧縮空気の流れを受け、圧縮空気の流れを前記下流側へ向かう下流方向（７４）に向けるように構成され、第１のロータ（５４）及び第２のロータ（５６）を含み、前記第１のロータ（５４）が、前記第２のロータ（５６）の周りに環状に配置され、前記第１のロータ（５４）は、圧縮空気の流れにより、第１の方向（６０）に前記第１のロータ（５４）を回すように構成された第１のブレード（５８）を含み、前記第２のロータ（５６）が、シャフト（５３）の周りに配置され、前記第２のロータ（５６）が、圧縮空気の流れにより、前記第１の方向（６０）とは反対の第２の方向（６４）に前記第２のロータ（５６）を回すように構成された第２のブレード（６２）を含み、前記二重逆回転スワーラ（５０）が、空気（３４）の乱流を作り出し、前記下流方向（７４）に向けるように構成される、前記二重逆回転スワーラ（５０）と、
   前記シャフト（５３）を介して前記二重逆回転スワーラ（５０）の前記下流側で前記二重逆回転スワーラ（５０）に結合された中心本体（５２）であって、前記中心本体（５２）が、前記二重逆回転スワーラ（５０）から前記下流方向に延び、前記中心本体（５２）が、前記中心本体（５２）の上流側において、前記二重逆回転スワーラ（５０）から空気（３４）の前記乱流を受けるように構成された前縁（９２）と、前記中心本体（５２）の前記上流側と反対の下流側に配置された後縁（９４）とを備え、前記中心本体（５２）の直径が、前記前縁（９２）から前記後縁（９４）に移動するに応じて増加した後に減少し、前記中心本体（５２）が、さらに前記中心本体（５２）の表面（７２）上に第１の燃料オリフィス（７０）を含み、前記第１の燃料オリフィス（７０）が、燃料−空気混合物（３８）を作り出すために、前記空気（３４）の乱流の中に燃料（３６）を注入するように構成され、前記中心本体（５２）が、エーロフォイル形状を含む、中心本体（５２）と、
   を含む、ガスタービン（１０）用の燃料−空気予混合器（１２）。
2. 前記第１の燃料オリフィス（７０）は、涙形状（１４２）を含む、請求項１記載の燃料−空気予混合器（１２）。
3. 前記第１の燃料オリフィス（７０）は、前記後縁（９４）よりも前記前縁（９２）の近くに位置決めされる、請求項１または２に記載の燃料−空気予混合器（１２）。
4. 前記第１の燃料オリフィス（７０）は、前記エーロフォイル形状の最も直径が大きい位置に配置される、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料−空気予混合器（１２）。