JPH08240129A - Combustion apparatus for gas-turbine engine - Google Patents
Combustion apparatus for gas-turbine engineInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、関連する燃料バー
ナー及び点火器を含む、ガスタービンエンジン用燃焼器
(単に「ガスタービン用燃焼器」とも称する)に関し、
特に、希薄燃焼型燃焼(混合気の燃料分が少ない状態で
の燃焼)過程を維持するのに適した燃焼器に関する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates to gas turbine engine combustors (also referred to simply as "gas turbine combustors") including associated fuel burners and igniters.
In particular, the present invention relates to a combustor suitable for maintaining a lean burn type combustion (combustion in a state where the air-fuel mixture has a small fuel content).
【0002】[0002]
【従来の技術】ガスタービンは、初期始動条件からいろ
いろエンジン速度/負荷組み合わせ条件を経て最大限負
荷に至る広範囲なエンジン速度/負荷条件で作動する。
通常、ガスタービン用燃焼装置は、燃料噴射、点火及び
爾後の少くともパイロット火炎の維持の機能を有する部
材を備えていなければならない。本発明は、そのような
部材に関して燃焼装置を改良することを企図する。Gas turbines operate over a wide range of engine speed / load conditions from initial starting conditions through various engine speed / load combination conditions to maximum load.
In general, a combustion apparatus for a gas turbine must have members having functions of fuel injection, ignition, and at least maintenance of a pilot flame after the ignition. The present invention contemplates improvements in combustion devices with respect to such components.
【0003】希薄燃焼型燃焼(燃焼帯域の上流において
拡散燃焼型燃焼火炎を用いる燃焼器の場合より多量の空
気を燃料に混合する燃焼方式、即ち、燃料分の少ない希
薄混合気を燃焼させる燃焼方式)のための燃焼器の場
合、低パワー範囲では燃焼過程が空気/燃料混合気
(「空燃混合気」又は「混合気」とも称する)の可燃濃
度の下限(燃焼可能な燃料濃度の下限、即ち、その濃度
以下では火が消えてしまう下限濃度)に近いところで行
われるので、火炎の安定を確保するのが困難であること
は周知である。そのために、高パワーにおいては希薄燃
焼型燃焼のための燃料希薄空気/燃料混合気(単に「燃
料希薄混合気」又は「希薄混合気」とも称する)を生成
するために主燃料噴射器又はバーナーを作動させ、低パ
ワーにおいては、希薄燃焼型燃焼過程が不安定になりそ
うなとき、拡散燃焼型燃焼のための燃料濃厚空気/燃料
混合気(単に「燃料濃厚混合気」又は「濃厚混合気」と
も称する)を生成するためにパイロット燃料噴射器又は
バーナーを作動させるようにした燃焼装置が採用され
る。パイロットバーナーは、燃焼を開始させる(点火す
る)ためだけでなく、エンジンの始動及び部分負荷(全
負荷未満即ち100%負荷未満)条件中希薄燃焼型燃焼
を維持するためにも用いられ、燃焼の安定度が増大する
につれて燃料供給がパイロットバーナーから主バーナー
へ徐々に移行される。しかしながら、不都合なことに、
そのようなパイロットバーナーの使用は、ガスタービン
の部分負荷条件において濃厚混合気のために望ましくな
い汚染物を発生させる原因となる。Lean combustion type combustion (a combustion method in which a larger amount of air is mixed with fuel than in the case of a combustor using a diffusion combustion type combustion flame in the upstream of the combustion zone, that is, a combustion method in which a lean air-fuel mixture with less fuel is burned In the low power range, the combustion process has a lower limit of combustible concentration of the air / fuel mixture (also referred to as “air-fuel mixture” or “mixture”) (lower limit of combustible fuel concentration, That is, it is well known that it is difficult to ensure the stability of the flame, since it is performed at a temperature close to the lower limit concentration below which the fire disappears). Therefore, at high power, a main fuel injector or burner is used to produce a fuel lean air / fuel mixture (also referred to simply as "fuel lean mixture" or "lean mixture") for lean burn type combustion. When operated at low power, when the lean burn type combustion process is likely to become unstable, a fuel rich air / fuel mixture for diffusion combustion type combustion (simply “fuel rich mixture” or “rich mixture”) A combustion device adapted to operate a pilot fuel injector or burner is also employed to produce The pilot burner is used not only to initiate (ignite) combustion, but also to maintain lean burn type combustion during engine start-up and partial load (less than full load or less than 100% load) conditions. The fuel supply is gradually transferred from the pilot burner to the main burner as the stability increases. Unfortunately, however,
The use of such pilot burners causes undesired pollutants due to the rich mixture in the partial load conditions of the gas turbine.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、エンジン負荷条件の広範囲に亙って希薄燃焼型燃焼
過程の安定度を高めることができるバーナー、特に、パ
イロットバーナーを提供し、ガスタービンの部分負荷条
件における汚染物の発生を抑制することである。ガスタ
ービンのための希薄燃焼型燃焼装置の1例は、英国特許
明細書GB 2287312 A、特に図1〜4に示さ
れている。この特許は、直列段式多段燃焼器を開示して
おり、燃焼器の第1段(最初の段)は、長手中心線上に
配置されたパイロットバーナーを有する小径の燃焼チャ
ンバーで構成されている。先混合された渦流空燃混合気
を該チャンバー内へ半径方向に噴射するための先混合主
バーナーがパイロットバーナーの下流にその半径方向外
方に配置されている。燃焼器の点火時には、パイロット
バーナーの中心部分からパイロット燃料が噴射され、パ
イロットバーナーの中心に配置された点火器によって点
火される。それと併行して、パイロット燃料の一部がパ
イロットバーナー内で空気と混合され、パイロットバー
ナーの周縁部分から先混合された渦流空燃混合気として
噴出され、燃焼器の壁近くに配置された点火器によって
点火される。この燃焼装置の目的は、点火中安定した燃
料濃度の高い拡散燃焼型燃焼火炎を設定するために、先
混合された渦流空燃混合気と燃料スプレーを小さい燃焼
チャンバー内で混合させることである。次いで、燃焼器
へ供給された燃料の量が増大されてタービンのパワーを
増大させるにつれて、パイロットノズル(パイロットバ
ーナー)の中心部分への供給から始められたパイロット
ノズルへの燃料流が主バーナーへ移行され、完全な希薄
燃焼型燃焼モードが可及的速やかに開始されるようにす
る。SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a burner, especially a pilot burner, capable of increasing the stability of a lean burn combustion process over a wide range of engine load conditions. It is to suppress the generation of pollutants under the partial load condition of the turbine. An example of a lean burn combustor for a gas turbine is shown in British patent specification GB 2287312 A, in particular FIGS. This patent discloses a series stage multi-stage combustor, the first stage (first stage) of the combustor consisting of a small diameter combustion chamber with a pilot burner located on the longitudinal centerline. A premixing main burner for radially injecting the premixed vortex air-fuel mixture into the chamber is located downstream of the pilot burner and radially outward thereof. When the combustor is ignited, pilot fuel is injected from the central portion of the pilot burner and ignited by the igniter arranged at the center of the pilot burner. In parallel with this, a part of the pilot fuel is mixed with air in the pilot burner, ejected from the peripheral portion of the pilot burner as a premixed vortex air-fuel mixture, and is placed near the wall of the combustor. Is ignited by. The purpose of this combustor is to mix a premixed vortex air-fuel mixture with a fuel spray in a small combustion chamber in order to set up a diffusion-rich combustion flame that is stable and has a high fuel concentration during ignition. Then, as the amount of fuel supplied to the combustor is increased to increase the power of the turbine, the fuel flow to the pilot nozzle, starting from the supply to the central part of the pilot nozzle (pilot burner), is transferred to the main burner. Therefore, the complete lean burn combustion mode is started as soon as possible.
【0005】上記英国特許の構造は、ガスタービンの全
負荷範囲に亙って低NOx(窒素酸化物の放出量が少な
い)燃焼を可能にすると主張されているが、1つの欠点
は、安定した燃焼を維持するのに必要とされる点火源の
数の多さにあると思われる。同特許においては、その図
3及び4に示されるように、燃焼器の最初の最も径の小
さい燃焼領域のための点火源として4つのいわゆる「マ
イクロバーナー」が設けられる。この構造は、燃焼器の
設計に複雑さを増すことになり、製造コストの増大を招
く。更に、ガスタービン用燃焼器の点火器は、稼働中の
燃焼器内に発生する熱に連続して露呈されると重大な損
傷を蒙ることがあることも周知である。The structure of the above-mentioned British patent is claimed to allow low NOx (low emission of nitrogen oxides) combustion over the full load range of the gas turbine, but one drawback is stable. It appears to be due to the large number of ignition sources required to maintain combustion. In that patent, as shown in its FIGS. 3 and 4, four so-called "microburners" are provided as ignition sources for the first smallest diameter combustion zone of the combustor. This structure adds to the combustor design complexity and increases manufacturing costs. Further, it is well known that the igniter of a gas turbine combustor can suffer significant damage if continuously exposed to the heat generated in the operating combustor.
【0006】従って、本発明の他の目的は、ガスタービ
ンの低負荷条件下では燃料供給の少くとも多部分(50
%以上)を拡散燃焼型燃焼過程から希薄燃焼型燃焼過程
へ移行させることができ、しかも、単一の単純な点火源
の使用を可能にするのに十分な念書の安定度を有する、
希薄燃焼型燃焼装置及び希薄燃焼型燃焼維持方法を提供
することである。Accordingly, another object of the present invention is to provide at least a majority (50) of fuel supply under low load conditions of a gas turbine.
% Or more) can be transferred from the diffusion combustion type combustion process to the lean combustion type combustion process, and has sufficient memorandum stability to enable the use of a single simple ignition source,
A lean burn type combustion apparatus and a lean burn type combustion maintaining method.
【0007】コスト及び複雑度を低減し、製造及びメン
テナンスを有利にするためには、燃焼器内に組み入れる
別々の燃焼段の所要数を最少限にすることが望ましい。
従って、本発明の他の目的は、互いに連携して作動し、
それぞれ燃焼器内へ燃料濃厚混合気及び燃料希薄混合気
を噴射する単一のパイロットバーナーと単一の主バーナ
ーを用いてエンジンパワーの広い範囲に亙って安定した
希薄燃焼型燃焼を維持することができる希薄燃焼型燃焼
装置を提供することである。In order to reduce cost and complexity, and to facilitate manufacturing and maintenance, it is desirable to minimize the required number of separate combustion stages incorporated in the combustor.
Therefore, another object of the invention is to work in concert with each other,
Maintaining stable lean burn type combustion over a wide range of engine power using a single pilot burner and a single main burner respectively injecting a rich fuel mixture and a lean fuel mixture into the combustor. It is to provide a lean burn type combustion device capable of achieving the above.
【0008】又、やはりコスト及び複雑度を低減するた
めに、拡散燃焼型燃焼モードと希薄燃焼型燃焼モードの
両方において燃焼を維持するのに必要とされる別々の部
品(例えば、バーナー部品及びそれに関連する燃料通路
及びパイプ等)の個数を最少限にすることが望ましい。
従って、本発明の他の目的は、パイロットバーナーと主
バーナーの構成部品を燃焼器ヘッド内にコンパクトに好
便に組合わせた、ガスタービン用燃焼器のためのバーナ
ー構造を提供することである。Also, to reduce cost and complexity, the separate components needed to maintain combustion in both diffusion and lean burn modes, such as burner components and It is desirable to minimize the number of associated fuel passages and pipes, etc.).
Accordingly, another object of the present invention is to provide a burner structure for a gas turbine combustor that conveniently and conveniently combines the components of the pilot burner and the main burner into a combustor head.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第1側面によれば、別々の燃料噴射手段と
空気噴射手段とから成るバーナーヘッドを有するガスタ
ービン用燃焼器のためのバーナーであって、燃料噴射手
段は、空気噴射手段をそれと実質的に同心関係をなして
囲繞しており、空気噴射手段は、断面環状の(中空の)
空気コラム(柱状体)を噴出するように構成され、燃料
噴射手段は、燃料を該燃焼器内で該バーナーの外部で空
気コラムと混合させるためにそれに向けて噴射するよう
に構成されていることを特徴とするバーナーを提供す
る。実用的な実施例においては、上記空気コラムは、バ
ーナーから発散する形である。In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, a combustor for a gas turbine having a burner head comprising separate fuel injection means and air injection means is provided. Of the fuel injection means enclosing the air injection means in a substantially concentric relationship therewith, the air injection means having an annular cross-section (hollow).
Is configured to eject an air column and the fuel injection means is configured to inject fuel towards it for mixing with the air column outside the burner within the combustor. A burner characterized by. In a practical embodiment, the air column is divergent from the burner.
【0010】好ましい実施形態では、上記空気噴射手段
は、バーナーヘッド内に円形スロットを画定する手段に
よって構成することができる。ただし、円形スロット
は、空気コラムの円周連続性を過度に損なうことなく、
集合して円形に近い形態を画定する複数個の狭い間隔で
配列された孔に分割してもよい。更に、特に好ましい実
施形態では、空気噴射手段は、空気コラムに渦流成分を
付与するための手段を備えたものとする。そのような渦
流は、複数の供給通路を完全な円形スロットの底壁を貫
通して斜めに、好ましくはスロットの側壁に対して接線
方向にスロットの底部に開口させ、それらの供給通路を
通して空気をスロットの底部へ供給することによって創
生することができる。In a preferred embodiment, the air injection means may comprise means defining a circular slot in the burner head. However, the circular slot does not excessively impair the circumferential continuity of the air column,
It may be divided into a plurality of closely spaced holes that assemble to define a near circular shape. Furthermore, in a particularly preferred embodiment, the air injection means comprises means for imparting a swirl component to the air column. Such vortices cause a plurality of supply passages to open obliquely through the bottom wall of the complete circular slot, preferably tangentially to the side wall of the slot, at the bottom of the slot to allow air to flow through the supply passages. It can be created by feeding to the bottom of the slot.
【0011】燃料噴射手段の好ましい実施形態では、バ
ーナーヘッドの周縁に近接して環状の孔を形成し、バー
ナーからその孔を通して燃料を噴出させる。この孔は、
バーナーヘッドの最外周縁から離隔してそれを覆う環状
リップによって画定することができ、燃料をバーナーか
らバーナーヘッドとリップの間を通して噴出させる。燃
料の噴射は、リップの下でバーナーヘッドに形成された
複数個の孔の円形配列体を通して行うこともでき、リッ
プは、それらの孔から噴射された燃料を空気コラムと混
合させるために空気コラムの方に差し向ける働きをす
る。この好ましい実施形態では、バーナーを電気点火器
又は触媒点火器のような点火器と組み合わせ、点火器を
空気噴射手段と共にバーナーヘッドの内部領域に収容す
る。In a preferred embodiment of the fuel injection means, an annular hole is formed near the periphery of the burner head, and the fuel is ejected from the burner through the hole. This hole is
It can be defined by an annular lip spaced from and covering the outermost peripheral edge of the burner head, causing fuel to be ejected from the burner through between the burner head and the lip. The injection of fuel can also be carried out through a circular array of holes formed in the burner head below the lip, the lip being provided with an air column to mix the fuel injected from the holes with the air column. Works to direct the person. In this preferred embodiment, the burner is combined with an igniter, such as an electric igniter or a catalytic igniter, and the igniter is housed with the air injection means in the interior region of the burner head.
【0012】本発明の第2側面においては、ガスタービ
ンエンジン用希薄燃焼型燃焼器のためのバーナー装置が
提供される。燃焼器は、燃焼ガスの流れ方向でみて順
に、バーナー装置を組み入れた燃焼器ヘッドと、燃焼プ
レチャンバーと、主燃焼チャンバーとから成り、燃焼プ
レチャンバーは、主燃焼チャンバーより相当に断面積が
小さい。このタイプの燃焼器に使用するための本発明の
バーナー装置は、(a)プレチャンバー内で拡散燃焼型
燃焼を維持するために燃焼器ヘッド内に配置されたパイ
ロットバーナーと、(b)燃料濃度の希薄な空燃混合気
をプレチャンバー内に噴射するためのものであって、燃
料噴射手段と、空燃混合気がプレチャンバー内に噴射さ
れたときそれに内向きの渦巻き運動を付与するためにパ
イロットバーナーの下流でその半径方向外方に配置され
た渦流器とを含む主バーナーと、から成り、主バーナー
は、燃焼器ヘッドに収容された本体部分を有し、本体部
分は、燃料噴射手段に燃料を供給するための複数の燃料
供給通路を有し、渦流器は、主バーナーの本体部分に付
設されてプレチャンバーの最上流部分の周縁を構成し、
パイロットバーナーは、主バーナーの本体部分内に嵌め
込まれる。In a second aspect of the invention, a burner system for a lean burn combustor for a gas turbine engine is provided. The combustor is composed of a combustor head incorporating a burner device, a combustion prechamber, and a main combustion chamber in order viewed in the flow direction of the combustion gas, and the combustion prechamber has a cross-sectional area considerably smaller than that of the main combustion chamber. . The burner apparatus of the present invention for use in this type of combustor comprises (a) a pilot burner located in the combustor head to maintain diffusion combustion type combustion in the prechamber, and (b) fuel concentration. For injecting a lean air-fuel mixture into the pre-chamber, and for providing a fuel injection means and an inward swirling motion to the air-fuel mixture when injected into the pre-chamber. A main burner including a swirler disposed radially outward thereof downstream of the pilot burner, the main burner having a body portion contained in a combustor head, the body portion comprising a fuel injection means. Has a plurality of fuel supply passages for supplying fuel to the main burner, and the swirler is attached to the main body of the main burner to form a peripheral edge of the most upstream portion of the prechamber.
The pilot burner fits within the body portion of the main burner.
【0013】本発明の第3側面においては、ガスタービ
ンエンジン用希薄燃焼型燃焼器が提供される。この燃焼
器は、パイロットバーナーと、パイロットバーナーの下
流でパイロットバーナーを囲繞しており、燃焼器内で燃
焼させるための空燃混合気を噴射するための主バーナー
を有する。パイロットバーナーは、パイロット燃料と空
気を別々に同時に燃焼器内へ噴射して燃焼器内で混合さ
せるように構成されており、空気をパイロットバーナー
に近接した領域を囲繞する流体流れの断面環状の(中空
の)コラム状剪断層(以下、単に「剪断層」とも称す
る)として燃焼器内へ噴射するための空気噴射手段と、
パイロット燃料をコラム状剪断層中の空気と混合させる
ために該剪断層に向けて噴射するための燃料噴射手段を
有する。主バーナーは、燃料濃度の希薄な主空燃混合気
をコラム状剪断層に向けて燃焼器内へ噴射するように構
成されており、コラム状剪断層は、防護された燃焼帯域
を設定し、燃焼器内での希薄燃焼型燃焼の安定度を高め
る働きをする。このコラム状剪断層は、パイロットバー
ナーから発散する形(ラッパの形)とするのが有利であ
る。パイロット燃料噴射手段は、空気噴射手段を囲繞
し、それと実質的に同心関係とすることが好ましい。In a third aspect of the present invention, a lean burn combustor for a gas turbine engine is provided. This combustor has a pilot burner and a main burner surrounding the pilot burner downstream of the pilot burner and for injecting an air-fuel mixture for combustion in the combustor. The pilot burner is configured to separately inject pilot fuel and air into the combustor at the same time and mix them in the combustor, where the air has a cross-sectional annular shape of a fluid flow surrounding an area proximate to the pilot burner. Air injection means for injecting into the combustor as (hollow) columnar shear layers (hereinafter also simply referred to as "shear layers");
Fuel injection means is provided for injecting the pilot fuel toward the shear layer for mixing with the air in the shear layer. The main burner is configured to inject a lean fuel-rich main air-fuel mixture into the combustor towards a columnar shear layer, which sets up a protected combustion zone, It works to improve the stability of lean burn type combustion in the combustor. This column-shaped shear layer is advantageously in the form of diverging from a pilot burner (trumpet shape). The pilot fuel injection means preferably surrounds and is substantially concentric with the air injection means.
【0014】この第3側面の発明においては、パイロッ
トバーナーの空気噴射手段が、コラム状剪断層を形成す
る空気コラムに渦流流れ成分を付与するように構成する
のが有利である。主バーナーも、主空燃混合気に渦流流
れ成分を付与するように構成すれば、非常に有利であ
る。その場合、パイロットバーナーと主バーナーによっ
て付与される渦流の方向が互いに反対になるように構成
することが望ましい。In the invention of the third aspect, it is advantageous that the air injection means of the pilot burner is configured to give a swirling flow component to the air column forming the columnar shear layer. It is very advantageous if the main burner is also configured to add a swirling flow component to the main air-fuel mixture. In that case, it is desirable that the directions of the vortexes provided by the pilot burner and the main burner are opposite to each other.
【0015】本発明の第4側面においては、ガスタービ
ンエンジンの燃焼器内に該エンジンの広い負荷条件範囲
に亙って希薄燃焼型燃焼過程を維持する方法が提供され
る。この方法は、連続的に互いに協同する下記の操作か
ら成る。 (a)空気を燃焼器内へ噴射して燃焼器内に流体流れの
断面環状のコラム状剪断層を創生する操作、(b)前記
コラム状剪断層を囲繞する領域から該剪断層の円状(円
錐又は円筒状の)基部部分へパイロット燃料を実質的に
均一に噴射し、該パイロット燃料を該剪断層によって燃
焼器内へ連行させて剪断層中の空気と混合させ、パイロ
ット空燃混合気を生成する操作、(c)前記エンジンの
広い負荷条件範囲に亙って(少くとも始動時と全負荷条
件において)前記燃焼器内に希薄燃焼型燃焼過程を維持
するための燃料希薄主空燃混合気を前記パイロット燃料
の噴射領域の下流で前記コラム状剪断層を囲繞する領域
から該剪断層に向けて実質的に均一に噴射して、該主空
燃混合気を該剪断層中で該パイロット空燃混合気と混合
させる操作、(d)前記剪断層の前記円状基部部分の近
くで該剪断層によって囲われて防護されており、該剪断
層中の近傍領域及び剪断層より先の近傍領域より相当に
遅い流れ速度を有する防護領域内へ該剪断層から前記空
燃混合気の一部を再循還させる操作、及び(e)前記再
循還された空燃混合気を前記防護領域内で燃焼させて防
護された燃焼領域を設定し、該再循還された空燃混合気
を該防護された燃焼領域内で安定した態様で燃焼させ、
それによって、前記希薄燃焼型燃焼過程の全体を安定さ
せる操作。In a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of maintaining a lean burn type combustion process within a gas turbine engine combustor over a wide range of load conditions of the engine. This method consists of the following operations cooperating in sequence with one another: (A) an operation of injecting air into the combustor to create a columnar shear layer having an annular cross section of the fluid flow in the combustor, (b) a region surrounding the columnar shear layer from the region surrounding the column A pilot fuel substantially uniformly into a cylindrical (conical or cylindrical) base portion and entrained by the shear layer into the combustor for mixing with air in the shear layer for pilot air-fuel mixing. An operation of producing air, (c) a lean fuel main air space for maintaining a lean burn type combustion process in the combustor over a wide load condition range of the engine (at least at start-up and at full load conditions). Injecting the fuel-air mixture substantially uniformly from the region surrounding the columnar shear layer downstream of the pilot fuel injection region toward the shear layer, the main air-fuel mixture in the shear layer Operation of mixing with the pilot air-fuel mixture, (d Within a protected area that is surrounded and protected by the shear layer near the circular base portion of the shear layer and that has a flow velocity that is significantly slower than the proximal region in the shear layer and the proximal region beyond the shear layer. An operation of recirculating a part of the air-fuel mixture from the shear layer, and (e) burning the recirculated air-fuel mixture in the protection area to set a protected combustion area. Burning the recycled air-fuel mixture in a stable manner within the protected combustion zone,
Thereby, the operation of stabilizing the entire lean burning combustion process.
【0016】第3側面の発明におけるのと同様に、第4
側面の発明においても、上記コラム状剪断層は、空気の
噴射方向に発散する形とすべきであり、剪断層の環状断
面の中心の周りに流体流れの回転渦流流れ成分を有する
ことが好ましい。主空燃混合気も、該剪断層の中心の周
りに流体流れの回転渦流流れ成分を有することが好まし
い。その場合、コラム状剪断層の渦流の方向と主空燃混
合気の渦流の方向とを互いに反対向きにすることが好ま
しい。As in the third aspect of the invention, the fourth aspect
Also in the aspect of the invention, the column-shaped shear layer should diverge in the jet direction of air, and preferably has a rotating vortex flow component of the fluid flow around the center of the annular cross section of the shear layer. The main air-fuel mixture also preferably has a rotating vortex flow component of the fluid flow around the center of the shear layer. In that case, it is preferable that the direction of the vortex flow of the column-shaped shear layer and the direction of the vortex flow of the main air-fuel mixture are opposite to each other.
【0017】燃焼チャンバー内へ噴射される空気とパイ
ロット燃料と主燃料の相対量は、エンジンの始動時及び
部分負荷条件下では上記防護燃焼領域内の空燃混合気
が、燃焼器内での全体としての燃焼過程、即ち燃焼器内
全体の燃焼過程において安定した燃焼を維持するのに十
分な燃料濃度を有するように変更させるべきである。始
動から部分負荷を経て全負荷(最大限負荷)に至るまで
変化するエンジンの作動条件の広い範囲に亙って汚染物
の発生を最少限にするためには、全体としての燃焼過程
(以下、単に「全体燃焼過程」とも称する)を燃料豊富
状態の燃焼から燃料希薄状態の燃焼へ変化させるべきで
あり、その目的のために、総噴射燃料の一部分として噴
射されるパイロット燃料の量を、始動時における少割合
(50%より相当に低い割合)から全速力/最小限負荷
時(速度が最大限で負荷が最小限であるとき)における
多割合(総噴射燃料の50%より高い割合)にまで、更
に全速力/全負荷時(速度及び負荷ともに最大限である
とき)における0%割合に至るまで変化させる。防護さ
れた燃焼領域を設けることにより、全体燃焼過程の燃料
豊富状態の燃焼から燃料希薄状態の燃焼への移行を早め
ることができる。The relative amounts of air, pilot fuel, and main fuel injected into the combustion chamber are such that the air-fuel mixture in the above-mentioned protective combustion region is the entire amount in the combustor during engine startup and partial load conditions. In the combustion process as described above, that is, in the entire combustion process in the combustor, the fuel concentration should be changed so as to maintain stable combustion. In order to minimize the generation of pollutants over a wide range of engine operating conditions that vary from start-up to partial load to full load (maximum load), the overall combustion process (hereinafter (Also referred to simply as "overall combustion process") should be changed from fuel rich combustion to lean fuel combustion and for that purpose the amount of pilot fuel injected as part of the total injected fuel is From a small percentage of time (ratio significantly lower than 50%) to a large percentage at full speed / minimum load (when speed is maximum and minimum load) (higher than 50% of total injected fuel) Further, it is changed up to a 0% ratio at full speed / full load (when both speed and load are maximum). By providing a protected combustion zone, the transition from fuel rich combustion to lean fuel combustion in the overall combustion process can be accelerated.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】以下に、添付図を参照して本発明
の実施形態を説明する。図1を参照して説明すると、ガ
スタービンエンジンの燃焼器100は、本出願のパリ条
約優先権書類である本出願人の英国特許願GB9500
627.6(平成7年12月19日付で出願された特願
平7− 号)に開示されたものと総体的に類似した構成
である。燃焼器100は、ガスタービンエンジンの円周
の周りに配置された数個の燃焼器缶102(図には1つ
だけが示されている)を有する。各燃焼器缶(以下、単
に「缶」とも称する)102は、缶の長手軸線即ち中心
線CLに沿ってみてその軸方向の長手の大部分に亙って
比較的大きい内径Dを有する主燃焼チャンバー103を
画定する。主燃焼チャンバー103は、燃焼器の上流端
即ちヘッド端に近いところで小内径dにまで急激に細く
なって缶102のいわゆるプレチャンバー141を画定
している。本発明は、ここでは総体的に円筒形の燃焼器
缶を有するものとして説明するが、必ずしもそれに限定
されるものではなく、例えば環状タイプの燃焼器にも適
用することができる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Referring to FIG. 1, a combustor 100 of a gas turbine engine is the applicant's UK patent application GB9500, which is the Paris Convention priority document of the present application.
627.6 (Japanese Patent Application No. 7- filed on Dec. 19, 1995), which is generally similar in construction. The combustor 100 has several combustor cans 102 (only one shown in the figure) arranged around the circumference of the gas turbine engine. Each combustor can (hereinafter also simply referred to as “can”) 102 has a main combustion having a relatively large inner diameter D over most of its axial length when viewed along the longitudinal axis or centerline CL of the can. A chamber 103 is defined. The main combustion chamber 103 sharply narrows to a small inner diameter d near the upstream end of the combustor, that is, the head end, and defines a so-called pre-chamber 141 of the can 102. Although the present invention is described herein as having a generally cylindrical combustor can, it is not necessarily so limited and may be applied to, for example, an annular type combustor.
【0019】各燃焼器缶102は、燃焼器100のヘッ
ドとプレチャンバー141の一部分を含むガス燃料噴射
器組立体又はバーナー装置104を備えている。燃料噴
射器組立体104内は、主バーナー118と、主バーナ
ー118の中心内孔116内に嵌め込まれたパイロット
バーナー114を有する。缶102の中心線CL上でパ
イロットバーナー114の中心内孔112内に円筒形中
央点火器110が配置されている。主バーナー118
は、燃料導入本体(以下、単に「本体」とも称する)1
20と、本体120の後面(下流側の面)124に固定
された渦流器123とから成る。渦流器123内には、
複数の渦流通路122が機械加工によって形成されてい
る。渦流通路122は、それから噴出した流れがプレチ
ャンバー141に対して半径方向と接線方向の両方の速
度成分を有するようにプレチャンバー141の円周にま
で延長している。渦流器123は、パイロットバーナー
114の半径方向外方にそれと同心関係をなしてその直
ぐ下流(後方)に配置されており、プレチャンバー14
1の最上流部分の外周を画定する。渦流器123に類似
した渦流器の詳細は、上記英国特許願GB950062
7.6に記載されている。Each combustor can 102 includes a gas fuel injector assembly or burner device 104 that includes the head of the combustor 100 and a portion of the prechamber 141. Within the fuel injector assembly 104, there is a main burner 118 and a pilot burner 114 fitted within a central bore 116 of the main burner 118. A cylindrical central igniter 110 is arranged in the central inner hole 112 of the pilot burner 114 on the center line CL of the can 102. Primary burner 118
Is a fuel introduction main body (hereinafter, also simply referred to as “main body”) 1
20 and a swirler 123 fixed to the rear surface (downstream surface) 124 of the main body 120. In the swirler 123,
A plurality of swirl passages 122 are formed by machining. The vortex flow passage 122 extends to the circumference of the pre-chamber 141 so that the flow ejected therefrom has both radial and tangential velocity components with respect to the pre-chamber 141. The swirler 123 is arranged radially outward of the pilot burner 114, in a concentric relationship therewith, and immediately downstream (rearward) thereof, and the prechamber 14
1 defines the outermost perimeter of the most upstream portion. For details of the swirler similar to the swirler 123, see the above-mentioned British Patent Application GB950062.
7.6.
【0020】作動において、バーナーから噴出された空
燃混合気は、直線状の破線で示される燃焼帯域106内
で燃焼される。燃焼帯域106の長手軸線はほぼ缶10
2の中心線CLに一致している。実際、破線106は、
缶102内の火炎前線の部位に近似している。火炎前線
の真の形状は、おそらく破線106' で示されているよ
うにベル形であり、そのベル形の最も拡開した部分はプ
レチャンバー141の出口から下流に延長している。燃
焼帯域106の基部領域又は副帯域107は、交差斜線
で示されるように燃料噴射器組立体104内のパイロッ
トバーナー114に近いところでプレチャンバー141
内に位置している。燃焼器缶102内での全体としての
燃焼過程は、後述するように、始動時及び低エンジン負
荷時においては基部領域107内での燃料濃厚空燃混合
気の燃焼によって開始され維持される。領域107内で
燃焼される混合気は、このようなエンジン負荷時におい
ては安定した燃焼を保証するために濃厚混合気である。
しかしながら、少くともエンジンの比較的高い部分負荷
及び全負荷(最大限負荷)条件下においては、全体燃焼
過程は、希薄燃焼型燃焼であり、大部分は主燃焼チャン
バー103内の燃焼帯域の大領域(燃焼帯域全体の50
%より大きい部分を占める領域)108内で行われる。In operation, the air-fuel mixture ejected from the burner is combusted in the combustion zone 106 indicated by the straight broken line. The longitudinal axis of the combustion zone 106 is approximately can 10.
It coincides with the center line CL of 2. In fact, the dashed line 106 is
It is close to the flame front portion in the can 102. The true shape of the flame front is probably bell-shaped, as indicated by dashed line 106 ', with the most widened portion of the bell extending downstream from the outlet of prechamber 141. The base region or sub-zone 107 of the combustion zone 106 is near the pilot burner 114 within the fuel injector assembly 104 as shown by the cross hatched prechamber 141.
It is located inside. The overall combustion process in the combustor can 102 is initiated and maintained by combustion of the fuel rich air-fuel mixture in the base region 107 at startup and at low engine load, as described below. The air-fuel mixture burned in the region 107 is a rich air-fuel mixture in order to ensure stable combustion under such an engine load.
However, at least under relatively high partial load and full load (maximum load) conditions of the engine, the entire combustion process is a lean burn type combustion, and most of it is a large region of the combustion zone in the main combustion chamber 103. (50 of the entire combustion zone
% Area larger than 100%).
【0021】パイロットバーナー114及び主バーナー
118内に、それぞれパイロット燃料供給通路126及
び主燃料供給通路128が設けられており、パイロット
バーナー114のためのパイロット空気供給通路も設け
られている。図を簡略にするために、パイロットバーナ
ー114のための燃料及び空気供給通路の細部は、図1
には示されていないが、図2及び3を参照して後述す
る。A pilot fuel supply passage 126 and a main fuel supply passage 128 are provided in the pilot burner 114 and the main burner 118, respectively, and a pilot air supply passage for the pilot burner 114 is also provided. For simplicity of illustration, details of the fuel and air supply passages for the pilot burner 114 are shown in FIG.
Although not shown in FIG. 2, it will be described later with reference to FIGS.
【0022】主バーナー118の作動について説明する
と、燃料導入本体120内の主ガス燃料供給通路128
は、第1マニホールド又は連絡路130に燃料を供給す
る。第1マニホールド130は、複数の穿孔131を介
して第2マニホールド132に接続されており、そこか
ら燃料は複数の穿孔134を通して本体120の後面1
24から直接渦流器123の渦流通路122の入口へ、
あるいは、噴射器バー136から渦流通路122の入口
へ噴射される。かくして、ガス燃料は、渦流通路122
から缶102の中心線CLに向かって内方へ流れる圧縮
空気138と容易に混合する。燃料に対する空気の相対
量は、希薄混合気を生成するような量とされる。渦流通
路122は、それを通る空燃混合気139に回転又は渦
巻き運動を付与し、混合気が渦流通路を出たときは渦流
となって缶の中心線CLの周りに軸方向かつ半径方向に
燃焼帯域106に向かって流れる。主バーナー118の
ための空気138は、燃焼器缶102を取り巻く区域1
40から取り入れられ、ガスタービン圧縮機(図示せ
ず)から通常の態様で供給される。The operation of the main burner 118 will be described. The main gas fuel supply passage 128 in the fuel introduction body 120.
Supplies fuel to the first manifold or communication passage 130. The first manifold 130 is connected to the second manifold 132 via a plurality of perforations 131, from which fuel passes through the plurality of perforations 134 to the rear surface 1 of the body 120.
24 directly to the inlet of the swirl passage 122 of the swirler 123,
Alternatively, it is injected from the injector bar 136 to the inlet of the swirl passage 122. Thus, the gas fuel is vortex passage 122.
Easily mixes with the compressed air 138 flowing inwardly toward the centerline CL of the can 102. The relative amount of air to fuel is such that it produces a lean mixture. The swirl passage 122 imparts a rotating or swirling motion to the air-fuel mixture 139 passing therethrough, and when the air-fuel mixture exits the swirl passage, it becomes a swirl in the axial and radial directions around the centerline CL of the can. It flows toward the combustion zone 106. The air 138 for the main burner 118 is located in the area 1 surrounding the combustor can 102.
40 and is fed in a conventional manner from a gas turbine compressor (not shown).
【0023】燃料と空気が渦流器123を出たときは、
(特に、高いエンジンパワーが要求され、混合すべき燃
料と空気の量が比較的多い場合は)まだ完全には混合さ
れておらず、希薄燃焼型燃焼過程で燃焼する準備状態と
なるまでになお平衡化のための時間を必要とする。先に
述べたように、燃焼器缶は、直径dの小径プレチャンバ
ー141を有しており、その下流の大領域108内で行
われる希薄燃焼型燃焼のために、小径部分141の長さ
Lが、完全混合のために必要な追加の時間を与える。When fuel and air exit swirler 123,
Not fully mixed (especially if high engine power is required and the amount of fuel and air to be mixed is relatively large) and still not ready to burn in a lean burn process. Requires time for equilibration. As mentioned above, the combustor can has a small diameter pre-chamber 141 of diameter d, and the length L of the small diameter portion 141 is reduced due to the lean burn type combustion performed in the large region 108 downstream thereof. But gives the additional time needed for thorough mixing.
【0024】燃焼過程が主バーナー118からの空燃混
合気の流れにまで伝播又は「逆火」となって逆流して渦
流器123に衝突することがないようにすることが慣用
である。なぜなら、逆火が起ると、その燃焼熱により渦
流器123及びバーナーの他の部分が損傷されるからで
ある。缶の小径プレチャンバー部分141は、渦流通路
から出た後の混合気の下流への流れ速度が燃焼過程の上
流への伝播速度より速くなるようにベンチューリのよう
な機能を果たすことによって「逆火」現象を防止するこ
とができる。更に、プレチャンバー141内の燃料希薄
混合気の高速渦流が、燃焼帯域の基部領域107内の燃
焼過程をプレチャンバー141の壁から離れたところに
保持する働きをする。It is customary to prevent the combustion process from propagating to the flow of air-fuel mixture from the main burner 118 or causing a "flashback" and backflow to impinge on the swirler 123. This is because when the flashback occurs, the heat of combustion damages the swirler 123 and other parts of the burner. The small diameter prechamber portion 141 of the can acts as a “ventilator” by performing a Venturi-like function so that the downstream velocity of the mixture after exiting the swirl passage is faster than the upstream velocity of the combustion process. The phenomenon can be prevented. Furthermore, the high velocity swirl of the lean fuel mixture in the prechamber 141 serves to keep the combustion process in the base region 107 of the combustion zone away from the walls of the prechamber 141.
【0025】燃焼器缶102のエンジン内での支持は、
その後端即ち下流端(図示せず)を周知の態様で燃焼器
の噴出ノズルを通してエンジンの適当な静止構造体(例
えば、高圧タービンへの入口に設けられたノズル案内羽
根)に固定し、缶のヘッド端側では燃料噴射器組立体1
04を燃焼器ケーシング142の一部分に固定すること
によって好便に行うことができる。ケーシング142
は、主バーナーの本体120を受容して固定する開口を
有している。ケーシング142への缶102の結合は、
缶の上流側フランジ144を渦流器123に付設された
リング145の後面に固定することによって行われる。
燃料噴射器組立体104の各構成部品の相互の、及びケ
ーシング142への固定は、止めねじ、ボルト等によっ
て慣用の態様で行うことができる。The support of the combustor can 102 in the engine is
The rear or downstream end (not shown) is fixed in a known manner through the jet nozzle of the combustor to a suitable stationary structure of the engine (eg, nozzle guide vanes at the inlet to the high pressure turbine). Fuel injector assembly 1 at the head end side
This can be conveniently done by fixing 04 to a portion of the combustor casing 142. Casing 142
Has an opening for receiving and securing the main burner body 120. The connection of the can 102 to the casing 142 is
This is done by fixing the upstream flange 144 of the can to the rear surface of the ring 145 attached to the swirler 123.
The components of the fuel injector assembly 104 can be fixed to each other and to the casing 142 in a conventional manner with setscrews, bolts, and the like.
【0026】図2は、点火器110、パイロットバーナ
ー114及び主バーナー118の一部の断面図であり、
パイロットバーナー114を通る燃料200の辿る経路
を矢印で示している。図を簡略にするために、パイロッ
トバーナー114のための空気の流れ経路は図2では省
略されており、図3に別途に示されている。図3は、パ
イロットバーナー114から噴射された燃料及び空気の
流れパターンを示している。図2に示されるように、電
力は、点火器110の前端に設けられたねじ付き同軸ケ
ーブルソケット146を介して点火器110に供給され
る。ソケット146は、パイロットバーナー114の中
央内孔112のねじ付き部分148に完全にねじ込まれ
るると、圧縮カラー150を点火器110の端部にかし
める働きをもし、点火器110とパイロットバーナー1
14との相対移動を防止する。FIG. 2 is a sectional view of a part of the igniter 110, the pilot burner 114 and the main burner 118.
The path followed by fuel 200 through pilot burner 114 is indicated by an arrow. For simplicity of illustration, the air flow path for the pilot burner 114 has been omitted in FIG. 2 and is shown separately in FIG. FIG. 3 shows a flow pattern of fuel and air injected from the pilot burner 114. As shown in FIG. 2, power is supplied to the igniter 110 via a threaded coaxial cable socket 146 provided at the front end of the igniter 110. The socket 146, when fully screwed into the threaded portion 148 of the central bore 112 of the pilot burner 114, serves to squeeze the compression collar 150 onto the end of the igniter 110, igniter 110 and pilot burner 1.
14 to prevent relative movement.
【0027】図2にみられるように、点火器110は、
剛性の中心ワイヤ電極202と、中心電極202を囲繞
する内側絶縁セラミック層204と、内側絶縁層204
を囲繞する剛性の金属鞘206と、金属鞘206を囲繞
し、パイロットバーナー114の中央内孔112の壁に
接触する外側絶縁セラミック層208から成る。金属鞘
206は、その後端に小電極210を備えており、小電
極210は、それに隣接する中心電極202の端部との
間にスパークギャップを画定する。空燃混合物は、後述
するように、このスパークギャップを被って循環され、
スパークギャップにスパークが生じたとき点火される。As seen in FIG. 2, the igniter 110 is
A rigid center wire electrode 202, an inner insulating ceramic layer 204 surrounding the center electrode 202, and an inner insulating layer 204
A rigid metal sheath 206 surrounding the metal sheath 206 and an outer insulating ceramic layer 208 surrounding the metal sheath 206 and in contact with the wall of the central bore 112 of the pilot burner 114. The metal sheath 206 comprises a small electrode 210 at its rear end, which defines a spark gap with the end of the center electrode 202 adjacent to it. The air-fuel mixture is circulated across this spark gap, as described below,
It is ignited when a spark occurs in the spark gap.
【0028】パイロットバーナー114は、図2及び3
に示されるように、主バーナー118と共に協力的に相
互作用するバーナーを構成し、両者は協同して、燃焼帯
域の基部領域107内に均一な燃料供給と良好な火炎安
定性を達成し、燃焼過程によって熱せられる点火器11
0を適度に冷却する働きをもする。パイロットバーナー
114においては、パイロット燃料200は、パイロッ
ト燃料供給通路126を通って環状のマニホールド21
1へ流れ、そこから複数の燃料通路212を通って別の
マニホールド213へ流入する。燃料200は、パイロ
ットバーナー114のバーナーヘッド又は後面214か
らその外周近くにおいてマニホールド213に連通する
ように穿設された多数の孔215の円形配列体を通して
噴出される。燃料200は、パイロットバーナー114
のヘッドから孔215を通して噴出されると直ぐに、パ
イロットバーナー114の端部にろう付けされたスリー
ブ218に設けられた偏向リップ216によってバーナ
ー面214に沿って偏向される。図3に示されるよう
に、偏向リップ216によって偏向された後、パイロッ
ト燃料200は、バーナー面214に形成された円形溝
又はスロット302から後方へ発散する形に噴出された
高圧空気300のカーテン即ち環状(中空)コラムに合
流する。この時点で、空気300に対してパイロット燃
料200の流れが交差することによって生じる乱流によ
りパイロット燃料200と空気300との混合が始ま
る。空気300は、まず、燃料200をパイロットバー
ナー114から離れる方向に連行し、燃焼器缶102の
中心線CLの周りに中空の(即ち、断面環状の)発散形
(ラッパ形)コラム状剪断層303(図3)を設定す
る。良好なパイロット燃料と空気との混合物を創生する
ために、パイロット燃料200は、剪断層303の基部
部分を形成する空気300のコラムの円周内へ実質的に
均一に噴射されるように構成されている。The pilot burner 114 is shown in FIGS.
As shown in FIG. 2, a burner that interacts cooperatively with the main burner 118 is constructed, and both cooperate to achieve a uniform fuel supply and good flame stability within the base region 107 of the combustion zone, Igniter 11 heated by the process
It also has the function of appropriately cooling 0. In the pilot burner 114, the pilot fuel 200 passes through the pilot fuel supply passage 126 and the annular manifold 21.
1 and from there through a plurality of fuel passages 212 into another manifold 213. Fuel 200 is jetted from the burner head or rear surface 214 of pilot burner 114 through a circular array of holes 215 drilled to communicate with manifold 213 near its perimeter. Fuel 200 is pilot burner 114
As soon as it is ejected from the head through the hole 215, it is deflected along the burner surface 214 by a deflection lip 216 provided on a sleeve 218 brazed to the end of the pilot burner 114. As shown in FIG. 3, after being deflected by the deflecting lip 216, the pilot fuel 200 is curtained of high pressure air 300 that is expelled rearward from a circular groove or slot 302 formed in the burner surface 214. Merge into an annular (hollow) column. At this point, the turbulent flow caused by the flow of the pilot fuel 200 crossing the air 300 starts the mixing of the pilot fuel 200 and the air 300. The air 300 first entrains the fuel 200 in a direction away from the pilot burner 114, and is a divergent (trumpet) columnar shear layer 303 that is hollow (that is, annular in cross section) around the centerline CL of the combustor can 102. (Fig. 3) is set. In order to create a good pilot fuel and air mixture, the pilot fuel 200 is configured to be injected substantially uniformly into the circumference of the column of air 300 that forms the base portion of the shear layer 303. Has been done.
【0029】剪断層303は、燃焼チャンバー内におい
て燃焼帯域106(図1)と火炎前線106' の境を画
定するものとして識別することができるが、燃焼機内で
エンジン負荷条件の広い範囲に亙って希薄燃焼型燃焼を
維持するちょいう目的を達成する上で重要である。燃料
希薄主空燃混合気は、この剪断層303を囲繞する渦流
通路122から剪断層303に向けて実質的均一に噴射
され、剪断層303内で主空燃混合気とパイロット空燃
混合気との若干の混合が行われることに留意すべきであ
る。その過程の次の部分は、剪断層303のすべての部
分からの空燃混合気の一部が矢印304で示されるよう
に点火器110の方に向かって再循還することである。
このような再循還が起るのは、スロット302からの空
気の噴出により点火器110の近傍に若干低圧の区域が
創生されるからである。エンジンの始動時には、この再
循環された空燃混合気は燃料濃度が高く、点火後は基部
領域107内で安定した火炎をもって燃焼し、火炎がス
ロット302に一見して「繋留」されたような状態とな
り、空気コラム300/剪断層303によって囲繞され
るように構成されている。エンジンの速度及び負荷が増
大するにつれて主バーナー118から缶102内へ噴射
される燃料希薄混合気の量が増大したときでも、スロッ
ト302又は少くともその半径方向内方の縁は、再循環
された空燃混合気中の燃焼過程を安定化させる働きをす
ると考えられる。空気コラム300/剪断層303は、
剪断層303の基部部分の近くで、該剪断層中の近傍領
域及び剪断層より先の近傍領域より相当に遅い流れ速度
を有する再循還基部領域107を該剪断層によって囲っ
て防護することは明らかである。この防護された燃焼領
域107内に安定した燃焼を設定することによって、大
領域108内の希薄燃焼型燃焼を含む、燃焼器缶102
内の燃焼過程の全体が、ガスタービンエンジンの部分負
荷条件及び全負荷(最大限負荷)条件下において安定化
される。The shear layer 303 can be identified as defining the boundary between the combustion zone 106 (FIG. 1) and the flame front 106 'within the combustion chamber, but over a wide range of engine load conditions within the combustor. It is important to achieve the purpose of maintaining lean burn type combustion. The fuel-lean main air-fuel mixture is injected substantially uniformly from the vortex passage 122 surrounding the shear layer 303 toward the shear layer 303, and within the shear layer 303, the main air-fuel mixture and the pilot air-fuel mixture are injected. It should be noted that some mixing of The next part of the process is to recirculate some of the air-fuel mixture from all parts of the shear layer 303 towards the igniter 110, as indicated by arrow 304.
Such recirculation occurs because the ejection of air from slot 302 creates a region of slightly lower pressure near igniter 110. When the engine is started, the recirculated air-fuel mixture has a high fuel concentration, and after ignition, it burns with a stable flame in the base region 107, and the flame seems to be "anchored" in the slot 302 at first sight. And is surrounded by the air column 300 / shear layer 303. Even as the amount of fuel-lean mixture injected from the main burner 118 into the can 102 increased as engine speed and load increased, the slot 302 or at least its radially inner edge was recirculated. It is considered to act to stabilize the combustion process in the air-fuel mixture. Air column 300 / shear layer 303
Proximal to the proximal portion of the shear layer 303 and surrounding it by the shear layer is a recirculating root region 107 having a significantly slower flow velocity than the proximal region in and above the shear layer. it is obvious. By setting a stable combustion in this protected combustion area 107, the combustor can 102 including lean combustion type combustion in the large area 108.
The entire combustion process therein is stabilized under partial and full load (maximum load) conditions of the gas turbine engine.
【0030】燃焼チャンバー及びバーナーの本発明によ
るあらゆる設計において必須であるとは考えられない
が、パイロットバーナーヘッドのスロット302から噴
出される空気300は、主バーナー118の渦流通路1
22によって創生される空燃混合物の渦巻運動成分と渦
巻方向が反対の渦巻(回転)運動成分を有するものとす
ることが非常に好ましい。空気300に渦巻運動を付与
するために、空気300は、スロット302の円周に対
してほぼ接線方向をなすようにスロット302の側壁に
対して斜めに形成された複数の穿孔306の配列体を通
してスロット302の底部へ供給する。(穿孔306が
斜めに向けられていることは、図を簡略化するために図
3には示されていない。)穿孔306は、スリーブ21
8を貫通してマニホールド308に接続されている。マ
ニホールド308は、多数の空気通路又は穿孔310か
ら空気の供給を受け、空気通路310は、図示のように
渦流通路122から空気を取り入れるようにしてもよ
く、あるいは、渦流器123の外周に設けた開口から導
管で導入される空気を取り入れるようにしてもよい。後
者の場合、渦流器123の外周に存在するより高い「よ
どみ」圧力を利用することができ、渦流通路122から
の燃料の混入を回避することもできる。Although not considered essential in any design of the combustion chamber and burner according to the present invention, the air 300 ejected from the slots 302 of the pilot burner head causes the swirl passage 1 of the main burner 118 to
It is highly preferable to have a vortex (rotation) motion component having a vortex direction opposite to that of the vortex motion component of the air-fuel mixture created by 22. To impart a swirling motion to the air 300, the air 300 passes through an array of perforations 306 formed obliquely to the sidewalls of the slot 302 so as to be generally tangential to the circumference of the slot 302. Feed to the bottom of slot 302. (The diagonal orientation of the perforations 306 is not shown in FIG. 3 for simplicity of illustration.) The perforations 306 are shown in the sleeve 21.
8 and is connected to the manifold 308. Manifold 308 may be supplied with air from a number of air passages or perforations 310, which may take air from swirl passage 122 as shown, or may be provided on the outer circumference of swirler 123. The air introduced through the conduit through the opening may be taken in. In the latter case, the higher "stagnation" pressure present on the outer circumference of the swirler 123 can be utilized and also the inclusion of fuel from the swirl passage 122 can be avoided.
【0031】円形スロット302へ空気を供給するマニ
ホールド308は、又、図3に示されるように、点火器
110を直接冷却し、防護するための追加の空気をも供
給する。マニホールド308からの空気は、穿孔310
を通して、パイロットバーナーの内孔112内へ切り込
まれた環状の空気供給スロット312へ送られる。この
空気は、パイロットバーナーの内孔112の周りに等間
隔をおいて内孔112内へ切り込まれた又はその他の方
法で形成された一連の短い軸方向の空気チャンネル又は
溝314の出口端から噴出される。空気チャンネル31
4は、空気供給スロット312からの空気を図示のよう
に点火器110の高温端の側壁に沿って導き、点火器1
10の高温端から熱を除去する。チャンネル314は、
点火器110の電極202の後端を僅かに越えて突出し
ており、従って、冷却空気は、チャンネル314の出口
端から点火器110の端部を被って排出され、それによ
って点火器を冷却し、パイロット火炎の基部の加熱作用
から点火器を防護する。点火器冷却空気は、領域107
内の空燃混合気に対して稀釈作用を有することがあるの
で、いろいろなエンジン速度及び負荷のための最適な空
燃比を算出するに当ってはそのことを計算に入れるべき
である。The manifold 308, which supplies air to the circular slot 302, also supplies additional air to directly cool and protect the igniter 110, as shown in FIG. The air from the manifold 308 is perforated 310.
Through an annular air feed slot 312 cut into the pilot burner bore 112. This air is delivered from the outlet end of a series of short axial air channels or grooves 314 that are evenly spaced or otherwise formed into the bore 112 of the pilot burner. Erupted. Air channel 31
4 directs air from the air supply slot 312 along the sidewall of the hot end of the igniter 110 as shown,
Heat is removed from the hot end of 10. Channel 314
Projecting slightly beyond the rear end of the electrode 202 of the igniter 110, cooling air is thus expelled from the outlet end of the channel 314 over the end of the igniter 110, thereby cooling the igniter, Protects the igniter from the heating effects of the pilot flame base. The igniter cooling air has a region 107
It may have a diluting effect on the air-fuel mixture within it and should be taken into account in calculating the optimum air-fuel ratio for various engine speeds and loads.
【0032】上述した点火器冷却構造は、点火器冷却を
実施するための考え得る幾つかの代替構造の1つにすぎ
ない。例えば、パイロットバーナーの内孔112の壁に
空気供給スロット312及び空気チャンネル314を形
成する代わりに、点火器110の端部を、両端に外部フ
ランジを有し、内孔112の拡幅部分内にろう付けされ
た小さいスリーブ内に保持することができる。この構成
では、内孔112とスリーブのフランジとの間に画定さ
れる環状空間が空気供給スロット312の代わりをし、
スリーブのパイロット火炎に近い側の端部のフランジに
穿設した複数の穴が空気チャンネル314の代わりをす
る。空気を点火器の噴出端を横切るように変更させるた
めの適当なリップをフランジの上記穴の直ぐ上のところ
でパイロットバーナーの面に設けることが好ましい。The igniter cooling structure described above is only one of several possible alternative structures for implementing igniter cooling. For example, instead of forming an air supply slot 312 and an air channel 314 in the wall of the pilot burner bore 112, the end of the igniter 110 may have an outer flange at each end and be within the widened portion of the bore 112. It can be held in a small attached sleeve. In this configuration, the annular space defined between the bore 112 and the flange of the sleeve replaces the air supply slot 312,
A plurality of holes drilled in the flange at the end of the sleeve near the pilot flame replaces the air channel 314. A suitable lip is preferably provided on the face of the pilot burner just above the hole in the flange to modify the air across the jet end of the igniter.
【0033】上述した燃焼器/バーナー構造を要約する
と、燃焼器は、下流側の主燃焼チャンバーと上流側のプ
レチャンバーに分割されており、主バーナーの先混合用
渦流器を利用してプレチャンバーの外周の最も上流側の
部分が画定されている。渦流器は、それが取り付けられ
ている燃焼器ヘッドの一部を構成する燃料導入本体から
燃料の供給を受ける。パイロットバーナー114は、燃
焼器ヘッド内の主バーナーの燃料導入本体内に嵌め込ま
れている。点火器110は、燃焼システム内のどこかの
部位ではなく、パイロットバーナー114内に配置され
ている。この構造によれば、装置が大幅に簡略化され、
装置の製造の簡略化、効率の向上及び小型化という目的
が達成される。In summary of the above-mentioned combustor / burner structure, the combustor is divided into a downstream main combustion chamber and an upstream prechamber, and a prechamber using a premixing swirler of the main burner. The outermost portion of the outer circumference of the is defined. The swirler receives fuel from a fuel introduction body that forms part of the combustor head to which it is attached. The pilot burner 114 is fitted within the fuel introduction body of the main burner in the combustor head. The igniter 110 is located within the pilot burner 114 rather than elsewhere in the combustion system. This structure greatly simplifies the device,
The objectives of simplifying the manufacture of the device, improving efficiency and miniaturization are achieved.
【0034】上述した主バーナー118/パイロットバ
ーナー114/点火器110の組み合わせは燃焼領域1
07における燃焼を安定化させるので、パイロットバー
ナーと主バーナーとは、この種の燃焼器において従来可
能であったより広い範囲のエンジン作動パワー及び速度
に亙って希薄燃焼型燃焼を維持するために互いに補完す
る態様で作動させることができる。下記の表は、パワー
発生のために用いられるエンジンの全作動範囲に亙って
総燃料供給量をパイロットバーナーと主バーナーとの間
に割り振ることができる態様を例として示す。The above-described main burner 118 / pilot burner 114 / igniter 110 combination is used in the combustion region 1
As it stabilizes the combustion at 07, the pilot burner and the main burner mutually cooperate to maintain a lean burn type combustion over a wider range of engine operating powers and velocities conventionally possible in this type of combustor. It can be operated in a complementary manner. The table below shows by way of example the manner in which the total fuel supply can be distributed between the pilot burner and the main burner over the entire operating range of the engine used for power generation.
【0035】[0035]
【表1】 [Table 1]
【0036】このことから分かるように、缶102内へ
噴射される空気とパイロット燃料と主燃料の相対量は、
エンジンの始動時及び部分負荷条件下では防護された燃
焼領域107内の空燃混合気が、燃焼過程の全体に亙っ
て安定した燃焼を維持するのに十分な燃料濃度を有する
ように変更される。燃焼過程の大部分は、部分負荷条件
下にいおいても、燃焼帯域の大領域108内で希薄燃焼
型燃焼モードで行われる。エンジンの作動条件が始動か
ら部分負荷を経て全負荷(最大限負荷)に至るまで変化
するにつれて、燃焼器内の燃焼過程は、全体として、燃
料豊富状態の燃焼と燃料希薄状態の燃焼へ変化する。エ
ンジンが全速度になると、総噴射燃料の一部分として噴
射されるパイロット燃料の量は、全速力/最小限負荷時
(全速力で最小限の負荷のとき)における多割合(総噴
射燃料の70%の割合)から全速力/最大限負荷時(全
速力で最大限の負荷のとき)におけるほぼ0%にまで変
化する。全体燃焼過程は低負荷時には多少燃料豊富状態
での燃焼であるが、それは、大部分の時間高負荷又は全
負荷(最大限負荷)で作動する大抵の産業用エンジンに
とって過渡的な状態にすぎない。従って、環境保護規制
に容易に対応することができる。テストにおいて、上述
した本発明のバーナー/燃焼器構成は、燃料供給のパイ
ロットバーナーから主バーナーへの移行をはやめること
ができ、それに対応して全体燃焼過程の燃料濃厚燃焼型
低負荷燃焼から燃料希薄燃焼型高部分負荷及び全負荷燃
焼への遷移を早めることができることが判明した。As can be seen from this, the relative amounts of air, pilot fuel and main fuel injected into the can 102 are
At engine start-up and under partial load conditions, the air-fuel mixture in the protected combustion zone 107 is modified to have sufficient fuel concentration to maintain stable combustion throughout the combustion process. It Most of the combustion process is performed in the lean burn type combustion mode within the large region 108 of the combustion zone even under a partial load condition. As the engine operating conditions change from start-up to partial load to full load (maximum load), the combustion process in the combustor generally changes to fuel rich combustion and lean fuel combustion. . When the engine is at full speed, the amount of pilot fuel injected as part of the total injected fuel is large at full speed / minimum load (at full speed and minimum load) (70% of total injected fuel). ) To almost 0% at full speed / maximum load (at maximum load at full speed). The overall combustion process is a somewhat fuel rich combustion at low load, but it is only a transient condition for most industrial engines operating at high load or full load (maximum load) for most of the time. . Therefore, it is possible to easily comply with the environmental protection regulations. In a test, the burner / combustor configuration of the present invention described above was able to stop the transition of the fuel supply from the pilot burner to the main burner, and correspondingly from the fuel rich combustion type low load combustion of the overall combustion process to the fuel. It has been found that the transition to lean burn high partial load and full load combustion can be accelerated.
【0037】図に示された例では、パイロット空気供給
スロット302は、パイロットバーナー114の面21
4に形成された断面ほぼ長方形の連続した円形スロット
であるが、これは単なる1例にすぎない。例えば、断面
は、パイロットバーナー114の面214に向かって漸
次拡大又は縮小する形状とすることもできる。又、単一
の連続スロットに代えて、2つ以上の同心の連続スロッ
トを用いてもよく、連続スロットではなく、パイロット
バーナー114の面214に形成された複数の円形に等
間隔に配列された個別の孔を用いてもよい。更に別の変
型例として、スロット又はそれと均等の孔は、パイロッ
トバーナー114の面214から突出していて、燃焼過
程を「繋留」し、安定化させる働きをする突起又はフラ
ンジに、又はそれに近接しところに形成することもでき
る。In the example shown, the pilot air supply slot 302 is located on the face 21 of the pilot burner 114.
4 is a continuous circular slot having a substantially rectangular cross section, but this is only one example. For example, the cross-section can be shaped to progressively expand or contract toward the surface 214 of the pilot burner 114. Further, instead of a single continuous slot, two or more concentric continuous slots may be used. Instead of a continuous slot, a plurality of circles formed on the surface 214 of the pilot burner 114 are arranged at equal intervals. Individual holes may be used. As yet another variation, the slots or equivalent holes project from the surface 214 of the pilot burner 114 to or near a protrusion or flange that serves to "anchor" and stabilize the combustion process. It can also be formed.
【0038】点火器110はパイロットバーナー114
の中心に配置されるものとして示されているが、これも
単に例として示されたものであり、点火器110をパイ
ロットバーナー114の中心線CLから偏心させて、例
えば、スロット302又はそれと均等の孔の円形配列体
と同じ直径のところに配置するのが有利な場合もある。
この配置は、領域107内の火炎から点火器110へ伝
えられる熱を少なくすることができる。The igniter 110 is a pilot burner 114.
Although shown as being located at the center of the pilot burner 114, this is also provided only as an example, and the igniter 110 may be eccentric from the centerline CL of the pilot burner 114 to, for example, the slot 302 or its equivalent. It may be advantageous to place it at the same diameter as the circular array of holes.
This arrangement may reduce the heat transferred from the flame in region 107 to igniter 110.
【0039】パイロット燃料及び空気を噴射するための
上述した本発明の構成は、更に下記の利点を有する。 (a) 偏向リップ216の下の環状の燃料噴出ギャップ
は、コークス付着防止作用を提供する。燃料を半径方向
内方へ噴出することは、燃料の流れを直接的に妨害する
炭素の堆積を回避する作用を有するからである。 (b) 点火器110に近接したところでパイロットバーナ
ー114を通して燃料及び空気を通流させる構成は、パ
イロットバーナーから熱を除去することにより点火器を
低温に保つ働きをする。 (c) パイロットバーナーのヘッドのスロット302から
噴出された空気300に渦流運動を付与することは、特
に空気300の渦巻方向が主バーナーの渦流通路122
から噴出する空燃混合気の渦巻方向とは反対の向きにさ
れている場合、領域107内の火炎が実際にパイロット
バーナーのヘッド214に付着するのを防止する働きを
する。従って、火炎の基部は、パイロットバーナーのヘ
ッド214から離脱しているので、点火器110の過熱
を防止する。本発明に従ってなされた設計の1例をテス
トしたところ、パイロット空気300に主バーナーのか
ら噴出する空燃混合気の渦巻方向と同じ方向の渦巻運動
成分を与えた場合、反対向き渦巻運動成分を与えた場合
よりは点火器に近いところで火炎が燃焼することが判明
した。The above-described arrangement of the invention for injecting pilot fuel and air has the following further advantages. (a) The annular fuel ejection gap below the deflection lip 216 provides coke anti-sticking action. This is because jetting the fuel inward in the radial direction has the effect of avoiding carbon deposition that directly impedes the flow of the fuel. (b) The arrangement of allowing fuel and air to flow through the pilot burner 114 close to the igniter 110 serves to keep the igniter cool by removing heat from the pilot burner. (c) Giving a swirling motion to the air 300 ejected from the slot 302 of the head of the pilot burner is particularly because the swirling direction of the air 300 is the swirl passage 122 of the main burner.
When the direction is opposite to the spiral direction of the air-fuel mixture ejected from, it serves to prevent the flame in the area 107 from actually adhering to the head 214 of the pilot burner. Therefore, the base of the flame is separated from the head 214 of the pilot burner, thus preventing overheating of the igniter 110. An example of a design made in accordance with the present invention was tested and found that when pilot air 300 was given a swirl component in the same direction as the swirl direction of the air-fuel mixture ejected from the main burner, it gave an opposite swirl component. It was found that the flame burns closer to the igniter than when.
【0040】添付図には、便宜上、1種類の燃料(ガス
燃料)だけを噴射する例が示されているが、2種類燃料
燃焼バーナー構成を用いることもできる。例えば、パイ
ロットバーナー114より大きい直径のパイロットバー
ナーの本体に、ガス燃料供給通路に平行に液体燃料供給
通路を延設し、それに関連してガス燃料噴射器を囲繞す
るようにマニホールド及び液体燃料霧化器を配置するこ
とができる。For convenience, the attached drawing shows an example of injecting only one kind of fuel (gas fuel), but a two kinds of fuel combustion burner configuration can also be used. For example, in the body of a pilot burner having a larger diameter than the pilot burner 114, extending a liquid fuel supply passage parallel to the gas fuel supply passage and associated therewith a manifold and liquid fuel atomizer to surround the gas fuel injector. Can be placed.
【図1】図1は、本発明による点火、燃料バーナ及び燃
焼安定化装置を組み入れたいわゆる「ドライ、低NO
x」希薄燃焼型燃焼器缶の蒸留端の一部断面による概略
側面図である。FIG. 1 is a so-called “dry, low NO” incorporating the ignition, fuel burner and combustion stabilization device according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic side view with a partial cross-section of the distillation end of an “x” lean burn combustor can.
【図2】図2は、図1の一部分の拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion of FIG.
【図3】図3は、図2と同様の図であるが、図2には示
されていない細部を示すために異なる断面でみた断面図
である。3 is a cross-sectional view similar to FIG. 2 but taken in a different cross-section to show details not shown in FIG. 2;
100:燃焼器 102:燃焼器缶 103:主燃焼チャンバー 104:ガス燃料噴射器組立体(バーナー装置) 106:燃焼帯域 107:燃焼帯域の基部領域又は副帯域 108:燃焼帯域の大領域 110:点火器(点火源) 114:パイロットバーナー 118:主バーナー 120:燃料導入本体部分 122:渦流通路 123:渦流器 126:パイロット燃料供給通路 128:主燃料供給通路 130:マニホールド 136:燃料噴射手段 139:空燃混合気 200:燃料 141:プレチャンバー 214:バーナーヘッド又は後面 215:孔 216:偏向リップ 300:空気コラム又はカーテン 302:円形溝又はスロット 303:中空の(断面環状の)発散形コラム状剪断層 306:穿孔(空気供給通路) 314:空気チャンネル又は溝 100: Combustor 102: Combustor can 103: Main combustion chamber 104: Gas fuel injector assembly (burner device) 106: Combustion zone 107: Base area or sub-zone of combustion zone 108: Large area of combustion zone 110: Ignition Device (ignition source) 114: Pilot burner 118: Main burner 120: Fuel introduction main body part 122: Vortex passage 123: Vortexer 126: Pilot fuel supply passage 128: Main fuel supply passage 130: Manifold 136: Fuel injection means 139: Empty Fuel mixture 200: Fuel 141: Prechamber 214: Burner head or rear surface 215: Hole 216: Deflection lip 300: Air column or curtain 302: Circular groove or slot 303: Hollow (annular) divergent column shear layer 306: Perforation (air supply passage) 314: Air channel Le or grooves
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリック ロイ ノースター イギリス エヌジー23 7イービー,ノッ ティンガムシアー,ニューアーク,ハービ ー,ハイ ストリート,ピアツリー コテ ージ(番地なし) (72)発明者 シモン マリオ デ ピエトロ イギリス エルエヌ1 3ディーエック ス,リンカーン,ニューポート 183 (72)発明者 マームード コウカビー イギリス エルエヌ2 2ジェイユー,リ ンカーン,ロングデイルズ ロード 38 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Eric Roy Noster UK 237 EB, Nottingham Sheer, Newark, Harvey, High Street, Peer Tree Cottage (No Address) (72) Inventor Simon Mario De Pietro United Kingdom Elnu 1 3 Dx, Lincoln, Newport 183 (72) Inventor Mahmud Koukaby United Kingdom Elnu 2 2 Jayeu, Linkern, Longdale's Road 38
Claims (27)
噴射手段(302)とから成るバーナーヘッド(21
4)を有するガスタービン用燃焼器のためのバーナー
(114)であって、 前記燃料噴射手段は、前記空気噴射手段をそれと実質的
に同心関係をなして囲繞しており、該空気噴射手段は、
断面環状の空気(300)コラムを噴出するように構成
され、該燃料噴射手段は、燃料を該空気コラムと混合さ
せるためにそれに向けて噴射するように構成されている
ことを特徴とするバーナー。1. A burner head (21) comprising fuel injection means (215, 216) and air injection means (302).
A burner (114) for a gas turbine combustor having 4), wherein the fuel injection means surrounds the air injection means in a substantially concentric relationship therewith, the air injection means comprising: ,
Burner, characterized in that it is configured to eject a column of air (300) having an annular cross section, the fuel injection means being configured to inject fuel toward it for mixing with the air column.
する形であることを特徴とする請求項1に記載のバーナ
ー。2. The burner according to claim 1, wherein the air column is shaped to diverge from the burner.
ドに円形スロットを画定する手段を含むことを特徴とす
る請求項1又は2に記載のバーナー。3. A burner as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the air injection means comprises means for defining a circular slot in the burner head.
渦流成分を付与するための手段を備えていることを特徴
とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のバーナー。4. The burner according to claim 1, wherein the air injection unit includes a unit for applying a vortex flow component to the air column.
ド(214)に形成された円形スロット(302)と、
空気を該スロットの底壁へ供給するための複数の供給通
路(306)から成り、該供給通路は、前記空気(30
0)コラムに渦流運動成分を付与するように、該スロッ
トの側壁に対して斜めに該スロットの底部に開口してい
ることを特徴とする請求項1又は2に記載のバーナー。5. The air injection means comprises a circular slot (302) formed in the burner head (214),
It comprises a plurality of supply passages (306) for supplying air to the bottom wall of the slot, which supply passages (30).
0) The burner according to claim 1 or 2, wherein the burner is opened obliquely to the side wall of the slot at the bottom of the slot so as to impart a vortex motion component to the column.
接線方向に開口していることを特徴とする請求項5に記
載のバーナー。6. The burner according to claim 5, wherein the supply passage opens tangentially to the bottom of the slot.
ド(214)の周縁に近接して環状の孔を画定する手段
(216)から成り、前記燃料は、該バーナーから該孔
を通して噴出するようになされていることを特徴とする
請求項1〜6のいずれか1つに記載のバーナー。7. The fuel injection means comprises means (216) defining an annular hole proximate the periphery of the burner head (214) such that the fuel is ejected from the burner through the hole. The burner according to any one of claims 1 to 6, which is made.
ド(214)の最外周縁から離隔してそれを覆う環状リ
ップ(216)を含み、前記燃料は、該バーナーから該
バーナーヘッドとリップの間を通して噴出するようにな
されていることを特徴とする請求項7に記載のバーナ
ー。8. The fuel injection means includes an annular lip (216) spaced from and covering an outermost peripheral edge of the burner head (214), the fuel being between the burner and the burner head and lip. The burner according to claim 7, wherein the burner is designed to eject through the burner.
(216)の下で前記バーナーヘッドに形成された複数
個の孔(215)の円形配列体を含み、該リップは、そ
れらの孔から噴射された燃料を前記空気コラムと混合さ
せるために該空気コラムの方に差し向ける働きをするこ
とを特徴とする請求項8に記載のバーナー。9. The fuel injection means further includes a circular array of holes (215) formed in the burner head below the lip (216), the lip extending from the holes. Burner according to claim 8, characterized in that it serves to direct the injected fuel towards the air column in order to mix it.
ーナーヘッド領域と、(b)前記空気噴射手段と、該バ
ーナーによって前記燃焼チャンバー内へ噴射された空気
及び燃料に点火するための点火源(110)を含む内側
バーナーヘッド領域を有することを特徴とする請求項1
〜9のいずれか1つに記載のバーナー。10. (a) an outer burner head region including said fuel injection means, (b) said air injection means, and an ignition source for igniting air and fuel injected by said burner into said combustion chamber. 2. Having an inner burner head region containing (110).
The burner according to any one of ~ 9.
ナー装置を組み入れた燃焼器ヘッドと、燃焼プレチャン
バー(141)と、主燃焼チャンバー(103)とから
成り、燃焼プレチャンバーの断面積が主燃焼チャンバー
より相当に小さい断面とされているタイプのガスタービ
ンエンジン用希薄燃焼型燃焼器に使用するためのバーナ
ー装置(104)であって、 (a)前記プレチャンバー内で拡散燃焼型燃焼を維持す
るために前記燃焼器ヘッド内に配置されたパイロットバ
ーナー(114)と、 (b)燃料濃度の希薄な空燃混合気(139)を前記プ
レチャンバー内に噴射するためのものであって、燃料噴
射手段(136)と、該空燃混合気が該プレチャンバー
内に噴射されたときそれに内向きの渦巻き運動を付与す
るために前記パイロットバーナーの下流でその半径方向
外方に配置された渦流器とを含む主バーナー(118)
と、から成り、前記主バーナーは、前記燃焼器ヘッドに
収容された燃料導入本体部分(120)を有し、該本体
部分は、前記燃料噴射手段に燃料を供給するための複数
の燃料供給通路(128,130等)を有し、前記渦流
器は、前記主バーナーの本体部分に付設されて前記プレ
チャンバーの最上流部分の周縁を構成し、前記パイロッ
トバーナーは、主バーナーの本体部分内に嵌め込まれて
いることを特徴とするバーナー装置。11. A combustion pre-chamber (141), a main combustion chamber (103), and a combustion pre-chamber having a main cross-sectional area in the order of the combustion gas flow direction. A burner device (104) for use in a lean burn combustor for a gas turbine engine of a type having a cross section that is considerably smaller than that of a combustion chamber, the burner device (104) maintaining diffusion combustion type combustion in the prechamber A pilot burner (114) disposed in the combustor head for the purpose of: (b) injecting a lean fuel-air mixture (139) into the prechamber. Injecting means (136) and the pilot for imparting an inward swirling motion to the air-fuel mixture as it is injected into the prechamber. The main burner comprising a swirler that is disposed radially outwardly in the downstream of the burner (118)
And the main burner has a fuel introduction body portion (120) housed in the combustor head, the body portion comprising a plurality of fuel supply passages for supplying fuel to the fuel injection means. (128, 130, etc.), the swirler is attached to a body portion of the main burner to form a peripheral edge of an uppermost stream portion of the pre-chamber, and the pilot burner is provided in the body portion of the main burner. Burner device characterized by being fitted.
源が前記パイロットバーナー内に収容されていることを
特徴とする請求項11に記載のバーナー装置。12. The burner device according to claim 11, wherein an ignition source for igniting the air-fuel mixture is contained in the pilot burner.
手段と空気噴射手段を含み、該燃料噴射手段は、前記空
気噴射手段をそれと実質的に同心関係をなして囲繞して
おり、該燃料噴射手段は、該パイロットバーナーの外部
で前記プレチャンバー内に燃料濃厚空燃混合気を生成す
るために燃料を該空気噴射手段に向けて噴射するように
構成されていることを特徴とする請求項11又は12に
記載のバーナー装置。13. The pilot burner includes fuel injection means and air injection means, the fuel injection means surrounding the air injection means in a substantially concentric relationship therewith, the fuel injection means comprising: 13. The fuel injection device is configured to inject fuel toward the air injection means to generate a fuel-rich air-fuel mixture in the pre-chamber outside the pilot burner. Burner device according to.
バーナーから前記プレチャンバー内へ発散する形の断面
環状の空気コラムを噴出するように構成されていること
を特徴とする請求項11〜13のいずれか1つに記載の
バーナー装置。14. The air injecting means is configured to inject an air column having an annular cross-section that diverges from the pilot burner into the pre-chamber. The burner device according to one.
パイロットバーナーの下流で該パイロットバーナーを囲
繞しており、燃焼器内で燃焼させるための空燃混合気を
噴射するための主バーナー(118)を有するガスター
ビンエンジン用希薄燃焼型燃焼器であって、 前記パイロットバーナーは、パイロット燃料(200)
と空気(300)を別々に同時に前記燃焼器内へ噴射し
て該燃焼器内で混合させるように構成されており、空気
を該パイロットバーナーに近接した領域(107)を囲
繞する断面環状のコラム状剪断層(303)として前記
燃焼器内へ噴射するための空気噴射手段(302)と、
前記パイロット燃料を前記コラム状剪断層中の空気と混
合させるために該剪断層に向けて噴射するための燃料噴
射手段(215,216)とを有し、前記主バーナー
は、燃料濃度の希薄な主空燃混合気(139)を前記コ
ラム状剪断層に向けて前記燃焼器内へ噴射するように構
成されており、該コラム状剪断層は、該燃焼器内での希
薄燃焼型燃焼の安定度を高めるために防護された燃焼帯
域を設定することを特徴とする希薄燃焼型燃焼器。15. A pilot burner (114) and a main burner (118) surrounding the pilot burner downstream of the pilot burner and for injecting an air-fuel mixture for combustion in a combustor. A lean burn combustor for a gas turbine engine, comprising: a pilot fuel (200)
And air (300) are separately and simultaneously injected into the combustor to mix in the combustor, the column having an annular cross section surrounding the area (107) adjacent to the pilot burner. Injecting means (302) for injecting into the combustor as a shear layer (303);
Fuel injection means (215, 216) for injecting the pilot fuel toward the shear layer for mixing with air in the column-shaped shear layer, the main burner having a lean fuel concentration. The main air-fuel mixture (139) is configured to be injected into the combustor toward the column-shaped shear layer, and the column-shaped shear layer stabilizes lean-burn combustion in the combustor. A lean-burn combustor characterized by setting a protected combustion zone to increase the degree of combustion.
トバーナーから発散する形であることを特徴とすると請
求項15に記載の希薄燃焼型燃焼器。16. The lean burn type combustor according to claim 15, wherein the columnar shear layer diverges from the pilot burner.
空気噴射手段を囲繞し、それと実質的に同心関係である
ことを特徴とする請求項16に記載の希薄燃焼型燃焼
器。17. The lean burn combustor according to claim 16, wherein the pilot fuel injection means surrounds the air injection means and is substantially concentric with the air injection means.
段は、空気のコラムに渦流流れ成分を付与するように構
成されていることを特徴とする請求項17に記載の希薄
燃焼型燃焼器。18. The lean burn combustor according to claim 17, wherein the air injection means of the pilot burner is configured to impart a swirl flow component to the column of air.
に渦流流れ成分を付与するように構成されていることを
特徴とする請求項15〜18のいずれか1つに記載の希
薄燃焼型燃焼器。19. The lean burn type according to claim 15, wherein the main burner is configured to impart a swirl flow component to the main air-fuel mixture. Combustor.
とは、それぞれ、前記前記コラム状剪断層と、前記主空
燃混合気に互いに反対向きの渦流流れ成分を付与するよ
うに構成されていることを特徴とする請求項15〜17
のいずれか1つに記載の希薄燃焼型燃焼器。20. The pilot burner and the main burner are configured so as to respectively impart mutually opposite eddy flow components to the columnar shear layer and the main air-fuel mixture. Claims 15 to 17
The lean burn combustor according to any one of 1.
0)内に該エンジンの広い負荷条件範囲に亙って希薄燃
焼型燃焼過程を維持する方法であって、 (a)空気(300)を前記燃焼器内へ噴射して該燃焼
器内に流体流れの断面環状のコラム状剪断層(303)
を創生する操作と、 (b)前記コラム状剪断層を囲繞する領域から該剪断層
の円状基部部分へパイロット燃料を実質的に均一に噴射
し、該パイロット燃料を該剪断層によって前記燃焼器内
へ連行させて該剪断層中の空気と混合させ、パイロット
空燃混合気を生成する操作と、 (c)前記エンジンの少くとも始動時と全負荷条件にお
いて前記燃焼器内に希薄燃焼型燃焼過程を維持するため
の燃料希薄主空燃混合気(139)を前記パイロット燃
料の噴射領域の下流で前記コラム状剪断層を囲繞する領
域から該剪断層に向けて実質的に均一に噴射して、該主
空燃混合気を該剪断層中で該パイロット空燃混合気と混
合させる操作と、 (d)前記剪断層の前記円状基部部分の近くで該剪断層
によって囲われて防護されており、該剪断層中の近傍領
域及び剪断層より先の近傍領域より相当に遅い流れ速度
を有する防護領域(107)内へ該剪断層から前記空燃
混合気(139)の一部(304)を再循還させる操作
と、 (e)前記再循還された空燃混合気を前記防護領域内で
燃焼させて防護された燃焼領域を設定し、該再循還され
た空燃混合気を該防護された燃焼領域内で安定した態様
で燃焼させ、それによって、前記希薄燃焼型燃焼過程の
全体を安定させる操作とを含む連続的に互いに協同する
操作から成る方法。21. A gas turbine engine combustor (10)
0) is a method for maintaining a lean burn type combustion process over a wide load condition range of the engine, comprising: (a) injecting air (300) into the combustor to produce a fluid in the combustor. Column-shaped shear layer with flow cross section (303)
And (b) injecting pilot fuel substantially uniformly from a region surrounding the column-shaped shear layer to a circular base portion of the shear layer, and burning the pilot fuel by the shear layer. (C) a lean burn type in the combustor at least at start-up of the engine and at full load conditions, in which the pilot air-fuel mixture is mixed with the air in the shear layer and mixed with the air in the shear layer. A fuel-lean main air-fuel mixture (139) for maintaining a combustion process is injected substantially uniformly from a region surrounding the columnar shear layer downstream of the pilot fuel injection region toward the shear layer. And mixing the main air-fuel mixture with the pilot air-fuel mixture in the shear layer, and (d) being protected by being surrounded by the shear layer near the circular base portion of the shear layer. And the neighboring area in the shear layer And recirculating a portion (304) of the air-fuel mixture (139) from the shear layer into a protected area (107) having a significantly slower flow velocity than the neighboring area ahead of the shear layer; e) Combusting the recycled air-fuel mixture in the protection area to set a protected combustion area, and stabilizing the recycled air-fuel mixture in the protected combustion area. Burning in a controlled manner, thereby stabilizing the overall lean burn type combustion process.
向に発散する形とすることを特徴とする請求項21に記
載の方法。22. The method of claim 21, wherein the columnar shear layer is divergent in the direction of air injection.
の中心の周りに流体流れの回転渦流流れ成分を有するこ
とを特徴とする請求項21又は22に記載の方法。23. The method of claim 21 or 22, wherein the columnar shear layer has a rotating vortex flow component of fluid flow about the center of its annular cross section.
ラム状剪断層の環状断面の中心の周りに流体流れの回転
渦流流れ成分を有することを特徴とする請求項21〜2
3のいずれか1つに記載の方法。24. The fuel-lean main air-fuel mixture has a rotary vortex flow component of a fluid flow around a center of an annular cross section of the column-shaped shear layer.
The method according to any one of 3 above.
主空燃混合気とは、該コラム状剪断層の環状断面の中心
(CL)の周りに互いに反対向きの流体流れの回転渦流
流れ成分を有することことを特徴とする請求項21又は
22に記載の方法。25. The column-shaped shear layer and the fuel-lean main air-fuel mixture are rotational vortex flow components of fluid flows in mutually opposite directions around a center (CL) of an annular cross section of the column-shaped shear layer. 23. The method according to claim 21 or 22, characterized by comprising:
パイロット燃料と主燃料の相対量を、前記エンジンの始
動時及び部分負荷条件下では前記防護された燃焼領域内
の空燃混合気が、燃焼過程の全体において安定した燃焼
を維持するのに十分な燃料濃度を有するように互いに変
更させることを特徴とする請求項21〜25のいずれか
1つに記載の方法。26. The relative amounts of air, pilot fuel and main fuel injected into the combustion chamber are burned by the air-fuel mixture in the protected combustion zone at engine start-up and under partial load conditions. 26. A method according to any one of claims 21 to 25, characterized in that the two are modified such that they have sufficient fuel concentrations to maintain stable combustion throughout the process.
分負荷を経て全負荷に至るまで変化するにつれて、総噴
射燃料の一部分として噴射されるパイロット燃料の量
を、始動時における少割合から全速力/最小限負荷時に
おける多割合を経て全速力/全負荷時における0%割合
にまで変化させるることにより、前記燃焼器内での全体
としての燃焼過程を燃料豊富状態の燃焼から燃料希薄状
態の燃焼へ変化させることを特徴とする請求項26に記
載の方法。27. As the operating conditions of the engine change from start to partial load to full load, the amount of pilot fuel injected as part of the total injected fuel is reduced from a small percentage at start to full speed / minimum. The overall combustion process in the combustor is changed from combustion in a fuel-rich state to combustion in a fuel-lean state by changing from a high rate at a limited load to a 0% rate at full speed / full load. 27. The method of claim 26, wherein the method comprises:
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