JPH10196954A - ガスタービンエンジンの燃焼器圧力変動を減少する方法 - Google Patents

ガスタービンエンジンの燃焼器圧力変動を減少する方法

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JPH10196954A
JPH10196954A JP9365233A JP36523397A JPH10196954A JP H10196954 A JPH10196954 A JP H10196954A JP 9365233 A JP9365233 A JP 9365233A JP 36523397 A JP36523397 A JP 36523397A JP H10196954 A JPH10196954 A JP H10196954A
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air
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combustor
central
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Timothy S Snyder
ティモシー・エス・スナイダー
William A Sowa
ウィリアム・エー・ソーワ
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    • F23C9/006Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber the recirculation taking place in the combustion chamber
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    • F23DBURNERS
    • F23D2210/00Noise abatement

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンエンジンにおいて、過剰な燃焼
器圧力変動を導く音響効果を減少せしめること。 【解決手段】 燃料/空気混合体を燃料ノズル10の出
口面124の下流の燃焼器内で燃焼させ、エンジンのす
べての作動状態で、燃料ノズル10により生成される再
循環区域200、300を出口面124と間隔を置いた
関係にし、燃焼生成物を燃料ノズル10の混合区域28
の燃料と空気とから隔離するようにしたもの。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、低NOX予混合燃
料ノズル、特にガスタービンエンジンの燃焼方法に関す
る。
【0002】
【発明の背景】窒素酸化物(以下“NOX”という)の
生成は、高温での燃焼の結果として生じる。NOXはよ
く知られている汚染物質であり、このため、NOXを生
成せしめる燃焼装置はこのような汚染物質の放出に対し
ての非常に厳格な規則に服従させられる。したがって、
多くの努力が燃焼装置におけるNOXの生成を減少する
ためになされている。
【0003】そのひとつの解決として、燃料を過剰空気
と予混合し、これにより燃焼を局部的に高い過剰空気で
もって生じさせ、その結果燃焼温度を比較的低くし、こ
れによりNOXの生成を最少にすることがなされてい
る。このように作用する燃料ノズルは米国特許第5,3
07,634号明細書に示されており、この米国特許は
円錐形の中央本体を具備するスクロールスワラを開示し
ている。この型式の燃料ノズルは、タンジェンシャル入
口燃料ノズルとして知られていて、2つのオフセットし
ている円筒孤形のスクロールを包含し、これらのスクロ
ールは2つの端板に接続されている。燃焼用空気は、2
つのオフセットスクロールにより形成されている2つの
実質的に矩形状のスロットを通してスワラに入り、それ
から、一方の端板の燃焼器入口を通して出て、燃焼器内
に流れる。そして、内方後縁と対向して外方スクロール
に設けられている直線配列のオリフィスが、燃料をマニ
ホルドから各入口スリットで空気流れ中に注入し、これ
により燃焼器内へ出る前に均一な燃料/空気混合体を作
る。
【0004】このタンジェンシャル入口型式の予混合燃
料ノズルは、従来技術の燃料ノズルと比較してNOX
低放出を実現するものである。しかしながら、あいに
く、この型式の予混合燃料ノズル(例えば、上述の米国
特許に開示されているような燃料ノズル)は、一定の作
動状態で、音響及び過剰な燃焼器圧力変動(これらはガ
スタービンエンジンの劣化を導くものである)を生じさ
せることが知られている。その結果、この型式のタンジ
ェンシャル入口燃料ノズルは商業的に有効なガスタービ
ンエンジンに組込むことができないでいる。
【0005】以上述べたことから、過剰な燃焼器圧力変
動を導く音響効果をかなり減少せしめる燃焼方法が要望
されている。
【0006】
【発明の概要】本発明は、このような要望に応じてなさ
れたものである。したがって、本発明の目的は、従来技
術と比較して燃焼の音響効果をかなり減少せしめる燃焼
方法を提供することにある。
【0007】本発明の他の目的は、NOXの生成を許容
しうる低いレベルに維持しながら、タンジェンシャル入
口燃料ノズルと一緒に用いることができると共に燃焼の
音響効果をかなり減少せしめる燃焼方法を提供すること
にある。
【0008】以上述べた目的を達成するために、本発明
によれば、ガスタービンエンジンの燃焼器での燃料と空
気との燃焼から生じる燃焼器圧力変動を減少する方法に
おいて、燃料と空気とを燃料ノズルアセンブリの混合区
域内で混合し、これにより燃料/空気混合体を生成する
段階と、前記混合体を、前記混合区域の下流の燃焼器入
口ポートの出口面を通して燃焼器に流す段階と、前記混
合体の第1の部分を中央再循環区域に流し、この中央再
循環区域で前記混合体の第1の部分の少なくとも一部を
燃焼させる段階と、前記混合体の第2の部分を、前記中
央再循環区域から半径方向外側の外側再循環区域に流
し、前記混合体の第2の部分の少なくとも一部を燃焼さ
せる段階と、前記エンジンのすべての作動状態で前記中
央及び外側再循環区域を前記燃焼器入口ポートの出口面
と間隔を置いた関係に維持し、燃焼生成物を前記混合区
域の燃料と空気とから絶縁する段階とを包含してなる方
法、が提供される。
【0009】
【好適な実施例の説明】図1を参照するに、本発明の低
NOX予混合燃料ノズル10は、スクロールスワラ14
内の中央本体12を包含する。スクロールスワラ14
は、第1の端板16と第2の端板18とを包含し、第1
の端板16は中央本体12に接続されていると共に第2
の端板18に関して間隔を置いており、また第2の端板
18はこの第2の端板を貫通して延びる燃焼器入口ポー
ト20を有する。そして、複数の、好適には2つの円筒
孤形のスクロール部材22、24が第1の端板16から
第2の端板18に延びている。
【0010】これらのスクロール部材22、24は、図
2に示されるように、ノズル10の長手方向軸線26の
まわりに均一に間隔を置き、これによりそれらの間に混
合区域28を画成している。各スクロール部材22、2
4は、長手方向軸線26に面すると共に中心線32、3
4のまわりに部分回転面を限定する半径方向内部表面を
有する。ここにおいて、用語“部分回転面”とは、中心
線32、34の各々のまわりを完全に回転する一回転よ
りも少ない範囲を回転することにより形成される面を意
味するものとして用いられている。
【0011】図2に示されるように、各スクロール部材
22、24は他方のスクロール部材24、22に間隔を
置いており、またスクロール部材22、24の各々の中
心線32、34は混合区域28内に位置されている。ま
た、図2及び図3を参照するに、中心線32、34の各
々は長手方向軸線26に平行であると共に間隔を置いた
関係であり、かつ中心線32、34のすべては長手方向
軸線26から等しい距離で位置されており、これにより
各対の隣接するスクロール部材22、24間に長手方向
軸線26と平行に延びる入口スロット36、38を画成
し、これらの入口スロット36、38は燃焼用空気40
を混合区域28に導入するためのスロットである。圧縮
機(図示せず)からの燃焼支持用空気は、オフセットし
ている中心線32、34を持つスクロール部材22、2
4の重なり端44、50;46、48により形成されて
いる入口スロット36、38を通過する。
【0012】スクロール部材22、24の各々は、更
に、燃焼用空気40が入口スロット36、38の各々を
通して導入されているときに燃料をこの燃焼用空気40
中に導入する燃料導管52、54を包含する。そして、
液体又はガス燃料、好適にはガスを供給する第1の燃料
供給ライン(図示せず)が、燃料導管52、54の各々
に接続されている。長手方向軸線26と同軸である燃焼
器入口ポート20は、燃焼器56のすぐ近くに隣接して
設けられ、燃料及び燃焼用空気を本発明のノズル10か
ら燃焼器56内に放出し、これにより燃焼器56で燃料
と空気との燃焼が生じる。
【0013】再び図1を参照するに、中央本体12は少
なくともひとつ、好適には複数の空気供給穴60、62
を有する基部58を有し、これらの空気供給穴60、6
2は基部58を貫通して延びている。基部58は、この
基部を通過して延びる長手方向軸線26に垂直である。
中央本体12は、また、長手方向軸線26と同軸である
と共に燃焼器入口ポート20内に空気を放出する内部通
路64を有する。この内部通路64を通過する空気(こ
の空気は、好適には入口スロット36、38を通して入
ってくる燃焼用空気と同一方向に回転するが、しかし、
逆方向に回転しても又は回転しなくてもよい)は、燃料
が加えられてもよいし又は加えられなくてもよい。もし
中央本体が燃料を加えることが所望される場合には、本
発明の好適な実施例によれば、内部通路64は、第1の
端68及び第2の端70を有する第1の円筒形通路66
と、この第1の円筒形通路66よりも大きな直径であっ
て、かつ同様に第1の端74及び第2の端76を有する
第2の円筒形通路72とを包含する。第2の円筒形通路
72は、テーパ通路78を通して第1の円筒形通路66
と連通する。テーパ通路78は、第1の円筒形通路66
の直径と等しい直径を有する第1の端80と、第2の円
筒形通路72の直径と等しい直径を有する第2の端82
とを有する。通路66、72、78の各々は長手方向軸
線26と同軸であり、またテーパ通路78の第1の端8
0は第1の円筒形通路66の第2の端70と一体であ
り、更にテーパ通路78の第2の端82は第2の円筒形
通路72の第1の端74と一体である。第1の円筒形通
路66は放出オリフィス68を包含し、この放出オリフ
ィス68は円形であると共に長手方向軸線26と同軸で
あり、かつ第1の円筒形通路66の第1の端68に設け
られている(便宜上、符号68はこの第1の端と放出オ
リフィスとの両方を示すものとして用いられている)。
【0014】図3を参照するに、中央本体12の半径方
向外側表面84は切頭円錐形部分86と曲り部分88と
を包含する。切頭円錐形部分86は、長手方向軸線26
と同軸である切頭円錐体の外側表面を限定すると共に、
基部58に向って広がっている。曲り部分88は、切頭
円錐形部分86と一体であり、また、好適には、切頭円
錐形部分86と接すると共に切頭円錐形部分86の半径
方向外側に位置する中心を有する円を、長手方向軸線2
6のまわりに回転することにより形成される面の一部分
を限定する。好適な実施例では、切頭円錐形部分86は
放出オリフィス68が設けられている面で終っており、
また、切頭円錐形部分86の基部(中央本体の基部58
とは区別される)の直径は、切頭円錐形部分86の頂部
の直径よりも大きくて、その2.65倍であり、更に、
切頭円錐形部分86の高さ(切頭円錐形部分86の基部
が設けられている面と、切頭円錐形部分86の頂部が設
けられている面との間の距離)90は、切頭円錐形部分
86の基部の直径のほぼ1.90倍である。後で一層詳
細に述べるように、中央本体12の基部58と切頭円錐
形部分86との間に設けられている曲り部分88は、基
部58に隣接してタンジェンシャル入口ノズル10に入
る燃焼用空気40を軸方向に曲げる滑らかな移行表面を
提供する。図3に示されるように、内部通路64は中央
本体12の半径方向外側表面84から半径方向内側に位
置され、また、切頭円錐形部分86は長手方向軸線26
と同軸であり、更に、中央本体12は切頭円錐形部分8
6が第1の円筒形通路66の放出オリフィス68に向っ
てテーパしてこの放出オリフィス68で終るように基部
58に接続されている。
【0015】図2に示されるように、切頭円錐形部分8
6の基部は円92と一致し、この円92は混合区域28
に内接すると共に長手方向軸線26上の中心94を有す
る。当業者であれば容易に認識されるように、混合区域
28は断面において円形ではないので、曲り部分88は
混合区域28に適合するように切断しなければならな
い。傾斜部分、すなわちランプ96、98が曲り部分8
8に残されており、この部分で曲り部分88は各入口ス
ロット36、38内へ延びており、この部分は空気力学
的形状のランプ96、98を形成するように機械加工さ
れ、この空気力学的形状のランプ96、98は入口スロ
ット36、38に入る空気を基部58から離れるように
して混合区域28内の曲り部分88上へ指向する。
【0016】図1を参照するに、好適な実施例では、内
部室100が基部58と第2の円筒形通路72の第2の
端76との間に中央本体12内に設けられ、第2の円筒
形通路72はこの内部室100で終っている。そして、
空気102が、内部室100に連通する基部58の空気
供給穴60、62を通して内部室100に供給され、そ
れから、内部室100が第2の円筒形通路72の第2の
端76を通して空気を内部通路64に供給する。第1の
端板16は開口104、106を有し、これらの開口1
04、106はガスタービンエンジンの圧縮機からの燃
焼用空気102の流れを妨げないようにするために基部
58の空気供給穴60、62と整列されている。スワ
ラ、好適には当分野で知られている半径流型式のスワラ
108は、長手方向軸線26と同軸であると共に、第2
の円筒形通路72の第2の端76のすぐ近くに隣接して
内部室100内に設けられ、その結果内部室100から
内部通路64に入る空気のすべてがスワラ108を通過
しなければならない。
【0017】好適には、燃料ランス110も、長手方向
軸線26と同軸であり、この燃料ランス110は、基部
58、内部室100及びスワラ108を通して内部通路
64の第2の円筒形通路72内に延びている。大径の第
2の円筒形通路72は燃料ランス110の断面を収容
し、その結果第2の円筒形通路72の流れ面積は第1の
円筒形通路66の流れ面積と本質的に等しい。そして、
液体又はガス燃料を供給する第2の燃料供給ライン(図
示せず)が、燃料ランス110に接続されて、燃料を燃
料ランス110の内部通路112に供給する。また、複
数の燃料噴射口114が燃料ランス110に設けられ、
燃料を燃料ランス110から内部通路64内へ退出せし
める複数の通路を提供する。
【0018】図3を参照するに、燃焼器入口ポート20
は長手方向軸線26と同軸であり、また、先細面116
と放出面118とを包含し、放出面118は燃料ノズル
10の出口面124にまで延びている。この放出面11
8は、円筒形、先細又は末広状とすることができる。先
細面116及び放出面118も長手方向軸線26と同軸
であり、先細面116は第1の端板16と放出面118
との間に設けられている。先細面116は、実質的に円
錐形の形状であって、放出面118に向ってテーパして
いる。放出面118は、中間面120と燃焼器入口ポー
ト20の燃焼器面122との間に延び、この燃焼器面1
22は長手方向軸線26に垂直であると共に、本発明の
燃料ノズル10の出口面124を限定する。
【0019】また、先細面116は中間面120で終
り、この部分で先細面116の直径は円筒形面118の
直径と等しい。図3に示されるように、中間面120は
出口面124と内部通路64の放出オリフィス68との
間に設けられ、また、先細面116は放出面118と第
1の端板16との間に設けられている。そして、燃焼器
入口ポート20内に燃料/空気混合体の所望する速度特
性を確立せしめるために、先細面116が長手方向軸線
26に沿って第1の距離126を延びていると共に、放
出面118が長手方向軸線26に沿って第1の距離12
6の少なくとも30%の第2の距離128を延びてい
る。
【0020】作用において、ガスタービンエンジンの圧
縮機からの燃焼用空気102は、開口104、106及
び基部58の空気供給穴60、62を通して中央本体1
2の内部室100内に流れる。それから、燃焼用空気は
半径流スワラ108を通して内部室100を出て、長手
方向軸線26に関してかなりの接線速度でもって、すな
わち旋回して内部通路64に入る。この燃焼用旋回空気
が燃料ランス110上を通過するときに、燃料、好適に
はガス状の燃料が燃料ランス110から内部通路64内
に噴霧されて、燃焼用旋回空気と混合する。燃料と燃焼
用空気との混合体は、それから、テーパ通路78を通し
て第2の円筒形通路72から第1の円筒形通路66内に
流れる。混合体は、それから、第1の円筒形通路66の
長さに沿って進み、燃焼器入口ポート20の中間面12
0のすぐ手前のところで又はこの中間面102で第1の
円筒形通路66を出て、燃料/空気混合体の中央流れを
生成する。
【0021】また、ガスタービンエンジンの圧縮機から
の追加の燃焼用空気が、入口スロット36、38の各々
を通して混合区域28に入る。基部58のすぐ近くに隣
接して入口スロット36、38に入る空気は、スクロー
ルスワラ14の混合区域28内の曲り部分88上にラン
プ96、98によって向けられる。燃料導管52、54
に供給された燃料、好適にはガス状の燃料は、入口スロ
ット36、38を通過する燃焼用空気中に噴霧され、燃
焼用空気との混合を始める。スクロール部材22、24
の形状のために、この燃料/空気混合体は中央本体12
のまわりを旋回する環状流れを確立し、燃料/空気混合
体は中央本体12のまわりを旋回するにしたがって混合
を続けると共に燃焼器入口ポート20に向って長手方向
軸線26に沿って進む。
【0022】スクロールスワラ14によって、生じさせ
られる環状流れの旋回は、好適には第1の円筒形通路6
6内の燃料/空気混合体の旋回と同一方向に回転し、ま
た、好適には第1の円筒形通路66内の燃料/空気混合
体の角速度よりも少なくとも大きい角速度を有する。中
央本体12の形状のために、環状流れの軸方向速度は、
燃焼器火炎がスクロールスワラ14内に移動して中央本
体12の外側表面84に付着するのを防止する速度に維
持される。中央流れの旋回燃料/空気混合体(又は燃料
を混合しない空気流れ)は、第1の円筒形通路66を出
ることにより、スクロールスワラ14の環状流れにより
囲まれ、これら2つの流れが燃焼器入口ポート20の中
間面120に入り、それから、混合区域28の下流の燃
焼器入口ポート20の出口面124に到達するまで、放
出面118の半径方向内側を流れる。
【0023】これら2つの流れが燃焼器入口ポート20
を出ると、中央流れと環状流れとの相互作用により中央
再循環区域200が生成される。この中央再循環区域2
00は、出口面124(すなわち、中央再循環区域20
0と内部通路64の放出オリフィス68との間に位置し
ている出口面)から下流であって、この出口面124と
間隔を置いている。また、放出面118が燃焼器入口ポ
ート20と出会うところに鋭いリップ130が形成さ
れ、このリップ130は中央再循環区域200の半径方
向外側に燃料/空気混合体の急激な膨張及び燃料/空気
混合体の再循環を生じせしめる。この外側再循環区域3
00において生じる燃焼及び火炎はリップ130に隣接
する“外側”火炎を定着せしめる。しかし、この“外
側”火炎は、出口面124と間隔を置いて出口面124
の完全に下流である。本発明の設計の結果として、両方
の再循環区域200、300はエンジンのすべての作動
状態で出口面124と間隔を置いた関係が維持される。
【0024】本発明の燃料ノズル10は、流れ振動及び
この流れ振動により生じる付随的な発熱速度(これらは
過剰な燃焼器圧力変動及び音響を生じせしめるものであ
る)を相当減少せしめる。また、本発明は、燃焼プロセ
スと出口面124との間の前述した相互作用を除去せし
め、これによりかなり低い音響変動を生じさせる。した
がって、本発明は、タンジェンシャル入口燃料ノズル1
0の低NOX放出性能を達成しながら、その過剰な圧力
変動の問題を解決するものである。
【0025】以上本発明をその実施例に関して図示し詳
述してきたけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱する
ことなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更が
できることは当業者にとって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】図2の線1−1に沿う本発明で用いる燃料ノズ
ルの断面図である。
【図2】図1の線2−2に沿う本発明で用いる燃料ノズ
ルの断面図である。
【図3】図2の線3−3に沿う本発明で用いる燃料ノズ
ルの断面図である。
【符号の説明】
10 燃料ノズル 12 中央本体 14 スクロールスワラ 16 第1の端板 18 第2の端板 20 燃焼器入口ポート 22,24 スクロール部材 26 長手方向軸線 28 混合区域 32,34 中心線 36,38 入口スロット 40 燃焼用空気 44,46,48,50 重なり端 52,54 燃料導管 56 燃焼器 58 基部 60,62 空気供給穴 64 内部通路 66 第1の円筒形通路 68 第1の端又は放出オリフィス 70 第2の端 72 第2の円筒形通路 74 第1の端 76 第2の端 78 テーパ通路 80 第1の端 82 第2の端 84 半径方向外側表面 86 切頭円錐形部分 88 曲り部分 90 切頭円錐形部分の高さ 92 円 94 中心 96,98 ランプ 100 内部室 102 空気 104,106 開口 108 スワラ 110 燃料ランス 112 内部通路 114 燃料噴射口 116 先細面 118 放出面 120 中間面 122 燃焼器面 124 出口面 126 第1の距離 128 第2の距離 200 中央再循環区域 300 外側再循環区域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F23R 3/30 F23R 3/30 3/34 3/34 (72)発明者 ウィリアム・エー・ソーワ アメリカ合衆国コネチカット州 06070 シムスバリー市ウインドハム・ドライブ 34

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガスタービンエンジンの燃焼器での燃料と
    空気との燃焼から生じる燃焼器圧力変動を減少する方法
    において、 燃料と空気とを燃料ノズルアセンブリの混合区域内で混
    合し、これにより燃料/空気混合体を生成する段階と、 前記混合体を、前記混合区域の下流の燃焼器入口ポート
    の出口面を通して燃焼器に流す段階と、 前記混合体の第1の部分を中央再循環区域に流し、この
    中央再循環区域で前記混合体の第1の部分の少なくとも
    一部を燃焼させる段階と、 前記混合体の第2の部分を、前記中央再循環区域から半
    径方向外側の外側再循環区域に流し、前記混合体の第2
    の部分の少なくとも一部を燃焼させる段階と、 前記エンジンのすべての作動状態で前記中央及び外側再
    循環区域を前記燃焼器入口ポートの出口面と間隔を置い
    た関係に維持し、燃焼生成物を前記混合区域の燃料と空
    気とから隔離する段階と、 を包含してなる方法。
  2. 【請求項2】ガスタービンエンジンの燃焼器での燃料と
    空気との燃焼から生じる燃焼器圧力変動を減少する方法
    において、 中央本体を包含し、この中央本体が、長手方向軸線と、
    半径方向外側表面と、中央本体基部と、内部通路とを有
    し、前記半径方向外側表面が、前記長手方向軸線と同軸
    であると共に切頭円錐体の基部に向って広がる前記切頭
    円錐体の外側表面を限定する切頭円錐形部分と、この切
    頭円錐形部分と一体の曲り部分とを包含し、この曲り部
    分が、好適には、前記切頭円錐形部分と接していると共
    に前記切頭円錐形部分の半径方向外側に位置する中心を
    有する円を、前記長手方向軸線のまわりに回転させるこ
    とにより形成される面の一部分を限定し、前記中央本体
    基部がこの基部を貫通して延びる少なくともひとつの空
    気供給穴を有し、前記内部通路が前記長手方向軸線と同
    軸である燃料ノズルアセンブリを設ける段階と、 燃料と空気とを前記燃料ノズルアセンブリ内で混合し、
    これにより燃料/空気混合体を生成する段階と、 前記混合体を、燃焼器入口ポートの出口面を通して燃焼
    器に流す段階と、 前記混合体の第1の部分を中央再循環区域に流し、この
    中央再循環区域で前記混合体の第1の部分の少なくとも
    一部を燃焼させる段階と、 前記混合体の第2の部分を、前記中央再循環区域から半
    径方向外側の外側再循環区域に流し、前記混合体の第2
    の部分の少なくとも一部を燃焼させる段階と、 前記エンジンのすべての作動状態で前記中央及び外側再
    循環区域を前記燃焼器入口ポートの出口面と間隔を置い
    た関係に維持し、燃焼生成物を前記混合区域の燃料と空
    気とから隔離する段階と、 を包含してなる方法。
JP9365233A 1996-12-20 1997-12-19 ガスタービンエンジンの燃焼器圧力変動を減少する方法 Pending JPH10196954A (ja)

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