JPH10318541A - 燃焼火炎を動的に安定化させた低NOx燃焼器 - Google Patents

燃焼火炎を動的に安定化させた低NOx燃焼器

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JPH10318541A
JPH10318541A JP10054064A JP5406498A JPH10318541A JP H10318541 A JPH10318541 A JP H10318541A JP 10054064 A JP10054064 A JP 10054064A JP 5406498 A JP5406498 A JP 5406498A JP H10318541 A JPH10318541 A JP H10318541A
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duct
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combustion chamber
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ジェフリー・アラン・ラヴァット
Steven George Goebel
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ガスタービンエンジンにおける燃焼火炎の動的
安定性を改良した低NOxの燃焼器および方法を提供す
る。 【解決手段】燃焼器は、複数のプレミキサが連接されて
いるドームを一端に有する燃焼室を含む。各プレミキサ
は、ダクトと、ダクト内に配置され空気に旋回を与える
スワラと、燃料を旋回空気中に噴射する複数の燃料イン
ジェクタとを含み、燃料空気混合物は燃焼室に流れそこ
に燃焼火炎を発生する。燃料インジェクタを、ドームか
ら異なる軸線方向距離で軸線方向に多段化し、これによ
り燃料を燃焼から切り離し、燃焼火炎の動的圧力振幅を
低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はガスタービンエンジ
ン、特にその低NOx燃焼器に関する。
【0002】
【従来の技術】工業用発電ガスタービンエンジンは、圧
縮機と燃焼器を備え、圧縮機で圧縮した空気を燃料と混
合し、燃焼器で点火して、燃焼ガスを発生する。燃焼ガ
スはタービンに流れ、タービンで燃焼ガスからエネルギ
ーを抽出して、圧縮機に動力を供給するシャフトを駆動
するとともに、代表的には、発電機に動力を供給するた
めの出力動力を生成する。エンジンは代表的には、たと
えば送電線路網に電力を生成する発電機に動力を供給す
るために、比較的高い基本負荷にて、長期間にわたって
運転される。したがって、燃焼ガスからの排出ガス(エ
ミッション)は重大な関心事であり、法定限度規制を受
ける。
【0003】具体的には、工業用ガスタービンエンジン
は、代表的には、低排出エミッション運転、特に低NO
x運転にふさわしく設計された燃焼器を備える。低NO
x燃焼器は、代表的には、複数のバーナ缶をエンジンの
円周まわりに円周方向に互いに隣接させた形態で、各バ
ーナ缶には複数のプレミキサがその上流端に連接されて
いる。各プレミキサは代表的には、円筒形ダクトを備
え、このダクト内にダクト入口からダクト出口まで延在
する管状中心体が同軸配置され、ダクト出口で、ダクト
は、バーナ缶の上流端を規定するとともに燃焼室を画定
するより大きなドームに連接している。
【0004】複数の円周方向に離間したベーンを有する
スワラがダクト入口に配置されて、エンジン圧縮機から
受け取る圧縮空気に旋回を与える。スワラの下流に配置
された適当な燃料インジェクタは、代表的には、1列の
円周方向に離間された燃料スポークからなり、各スポー
クには複数の半径方向に離間した燃料噴射オリフィスが
設けられ、これらのオリフィスは、通常どおり中心体を
通して燃料、たとえばメタンガスを受け取り、燃焼器ド
ームの上流のプレミキサダクト中に吹出す。
【0005】燃料インジェクタは燃焼室から軸線方向上
流に配置されているので、燃料および空気が混ざり合
い、予蒸発するのに十分な時間を持つことができる。こ
のようにして、予混合、予蒸発した燃料空気混合物は、
燃焼室でのそのクリーンな燃焼を維持し、排出エミッシ
ョンを低減する。燃焼室は、代表的には、無孔であり、
このためプレミキサに到達する空気の量が最大になり、
したがって生成するNOxエミッション排出量が低くな
る。このようにして得られる燃焼器は法定の排出エミッ
ション限度を満たすことができる。
【0006】リーン(希薄)予混合低NOx燃焼器は、
燃焼火炎の動的圧力振動により表わされるように、燃焼
室における燃焼不安定性を受けやすい。動的圧力振動
は、適当に励起されると、大きな騒音を生成したり、燃
焼器に加速された高サイクル疲労損傷を与える原因とな
り、望ましくない。火炎圧力振動は種々の基本または主
共鳴周波数およびその高次高調波で起こる。火炎圧力振
動は燃焼室から上流に各プレミキサ中に伝播し、次い
で、そこで発生する燃料空気混合物を振動させる、つま
り揺らがせる。
【0007】たとえば、特定の火炎圧力振動周波数で、
燃料噴射オリフィスに隣接する圧力は高い値と低い値の
間で変化し、このような変化が、今度は、そこから吐出
される燃料の流量を高い値から低い値まで変化させ、か
くして得られる燃料空気混合物が変動する燃料空気濃度
波を規定し、これがその後下流に燃焼室中に流れ、そこ
で点火され、燃焼過程で熱を発生する。もしも燃料濃度
波からのこの熱発生の位相が対応する火炎圧力振動周波
数の位相と合致すると、その励起が起こり、圧力の大き
さが共鳴的に増大し、大きな騒音と高サイクル疲労損傷
を惹起し望ましくない。
【0008】燃焼の動的安定性を高めるために、1つ以
上の特定周波数で、燃料濃度波からの熱発生の位相を火
炎圧力振動の位相とは不一致とし(すなわち、高燃料濃
度を高圧力振動とは180°位相のずれた関係とする必
要がある)、両者間の協動を分離し、それによる火炎圧
力振動を減衰させることができるであろう。この発明
は、燃料の燃焼火炎圧力振動からの動的切り離しをさら
に改良し、燃焼器不安定性を軽減することを目的とす
る。
【0009】
【発明の概要】この発明の低NOx燃焼器および方法
は、燃料空気混合物により与えられる燃焼火炎の動的安
定性を改良する。燃焼器は、複数のプレミキサが連接さ
れているドームを一端に有する燃焼室を含む。各プレミ
キサは、ダクトと、ダクト内に配置され空気に旋回を与
えるスワラと、燃料を旋回空気中に噴射する複数の燃料
インジェクタとを含み、燃料空気混合物は燃焼室に流れ
そこに燃焼火炎を発生する。燃料インジェクタは、ドー
ムから異なる軸線方向距離で軸線方向に多段階にし、こ
れにより燃料を燃焼から切り離し、燃焼火炎の動的圧力
振幅を低減する。
【0010】
【具体的な構成】図1に、この発明の1実施例による低
NOx燃焼器を、圧縮機およびタービンと流通関係で連
接した、工業用ガスタービンエンジンの一部を線図的に
示す。この工業用ガスタービンエンジンは、多段軸流圧
縮機12、低NOx燃焼器14および単段または多段タ
ービン16を直流流通関係に配置した構成である。ター
ビン16は駆動シャフト18により圧縮機12に連結さ
れ、この駆動シャフト18の一部はタービンからさらに
延在して発電機(図示せず)を駆動して発電を行うよう
になっている。運転中、圧縮機12は圧縮空気20を燃
焼器14に吐出し、そこで圧縮空気20を燃料22と混
合し、点火して燃焼ガスまたは火炎24を発生し、つい
でタービン16により燃焼ガスからエネルギーを抽出
し、シャフト18を回転させ、圧縮機12を駆動すると
ともに、発電機その他の適当な外部負荷を駆動する出力
動力を生成する。
【0011】この具体例では、燃焼器14は、円周方向
に隣接する複数個のバーナ缶または燃焼室26を含み、
各燃焼室26は管状燃焼ライナー26aで画定される。
ライナー26aは、NOxエミッション(生成物)を減
らすために、プレミキサに到達する空気の量を最大にす
るよう無孔とするのが好ましい。各燃焼室26はさら
に、上流端にほぼ平坦なドーム26bを、下流端に出口
26cを有する。通常の移行部材(図示せず)により複
数個の缶出口を連結して、タービン16への共通環状排
出部を構成する。
【0012】各燃焼器ドーム26bには複数個の、その
数は、たとえば4または5であるプレミキサ28が連結
されている。プレミキサ28は、下記の点以外は互いに
同一であるのが好ましいので、その同一構成要素には共
通の参照符号をつける。各プレミキサ28は、管状ダク
ト30を含み、このダクト30は、圧縮機12からの圧
縮空気20を受け取る入口30aを上流端に有し、また
ドーム26bに設けた対応する穴を通して燃焼室26と
流通関係に適切に配置された出口30bを反対側の下流
端に有する。ドーム26bは、代表的には、その半径方
向の広がりが、複数のプレミキサ28の半径方向の広が
りの合計より大きく、このため、プレミキサ28はその
吐出物を燃焼室26が画定する大容積空間に吐出すこと
が可能になる。さらに、ドーム26bはブラフボディを
構成し、これが、運転中、燃焼火炎24がそこから下流
に伸びる保炎板として作用する。
【0013】各プレミキサ28は、好ましくは、通常の
スワラ32を含み、このスワラ32は、ダクトを通過す
る圧縮空気20に通常通りに旋回を与えるための複数個
の円周方向に離間したベーンを、ダクト30内にダクト
入口30aに隣接して配置した構成である。燃料インジ
ェクタ34は、燃料22、たとえば天然ガスを複数個の
ダクト30中に噴射し、これをダクト30内の旋回空気
20と混合し、さらに燃焼室26に流入させてダクト出
口30bに燃焼火炎24を発生する。
【0014】図1に示した具体例では、各プレミキサ2
8がさらに、ダクト30内に同軸配置された細長い中心
体36を含む。この中心体36は、スワラ32に連結さ
れかつスワラの中心を貫通する上流端36aをダクト入
口30aに有し、またブラフ即ち、平坦な下流端36b
をダクト出口30bに有する。中心体36はダクト30
から半径方向内方に離れて、両者間に円筒形流れチャン
ネル38を画定する。
【0015】燃料インジェクタ34は、代表的には、燃
料タンク、配管、弁そして燃料22を複数個の中心体3
6中に導くのに必要なポンプなどの、通常の構成要素を
含む。燃料22が天然ガスなどの気体燃料である例で
は、燃料22だけを中心体36に導入すればよく、霧化
用の加圧空気の追加は不要である。この発明の1実施例
によれば、燃料インジェクタ34はさらに、ドーム26
bとスワラ32との間で互いに軸線方向に離間した、符
号40を前に付した符号で表される複数の燃料噴射オリ
フィスを含む。燃料噴射オリフィス40は、ドーム26
b(ここから火炎24が下流に伸びる)から上流方向に
測定して、異なる軸線方向多段化距離(たとえば、X
1 、X2 )にて、燃料22を噴射し、燃料を燃焼から切
り離し、運転中の火炎24の動的圧力振幅を低減する。
これについては、後で詳述する。
【0016】前述したように、プレミキサを有する低N
Ox燃焼器が生成する燃焼火炎24は、通常、運転中に
動的圧力変動または振動を呈する。燃焼火炎24は、代
表的には基本共鳴周波数とその高調波を含む、種々の周
波数で圧力振動を生じる流体である。運転中に燃焼器1
4の動的安定性を適切に維持するためには、圧力振動の
種々の周波数が比較的低い圧力振幅に留まり、高レベル
の音響ノイズまたは高いサイクル疲れ損傷または両方と
して表わされる燃焼器不安定性につながる、不適切な大
きな圧力振幅での共鳴を避けることが必要である。燃焼
器の安定性は、従来、音響エネルギーを吸収する穴あき
燃焼ライナーを用いて、減衰を与えることによって達成
される。しかし、穴が気膜冷却空気を通し、これが燃焼
ガスを局部的に急冷し、COレベルを増大するので、こ
の方法は、低エミッション燃焼器には適切でない。NO
x排出量(エミッション)を低減するためには、プレミ
キサに達する空気の量を最大にするのが好ましい。
【0017】別の従来の構成では、燃焼室に導入される
燃料空気混合物の熱発生を軸線方向に広げて、熱発生を
燃焼室内の圧力波腹から切り離す。しかし、この解決方
法は構成が機械的に非常に困難である。この発明によれ
ば、プレミキサ28における燃料空気混合物を軸線方向
多段にして、燃焼燃料空気混合物からの熱発生を燃焼室
26内の燃焼炎圧力振動から切り離す。軸線方向燃料多
段による動的非結合は、燃焼器運転動力学の見掛け理論
を理解することにより、よく理解できる。運転中、燃料
22と空気20をプレミキサ28で予混合して、燃料空
気混合物を形成し、これを各ダクト出口30bを通して
共通燃焼室26に送り出す。最初の燃料空気混合物を通
常通りに点火して燃焼火炎24を確立すれば、あとは引
き続きこの燃焼炎24が到来する燃料空気混合物を点火
する。燃焼炎24は、基本音響周波数を含む種々の圧力
振動周波数で励起可能である。たとえば、基本音響周波
数は50ヘルツ(Hz)で、高次の高調波が100Hz
および150Hzに生じるあろう。
【0018】特定の圧力振動周波数が各プレミキサ30
中に上流に向けて、音速から流れチャンネル38を通る
空気流または燃料空気混合物流の平均流速を引いた値に
ほぼ等しい速度で伝播する。火炎圧力振動が上流時間遅
延ののちに燃料噴射オリフィス40に到達すると、圧力
振動がそれと相互作用し、吐出される燃料の量に変動ま
たはゆらぎを与える。したがって、オリフィス40から
下流に展開された燃料空気混合物は、対応する火炎圧力
振動周波数での振動として挙動し、燃料濃度波を生じ
る。この波は、オリフィス40から下流に伝わり、流れ
チャンネル38を空気流または波の平均速度で伝わるこ
とに起因する別の時間遅延ののちに、ドーム26bにて
燃焼炎24に到達する。この波は次に燃焼にさらされる
が、この時熱がそこから放出される前に、約0.1〜1
msの追加の時間遅延が加えられる。
【0019】燃焼室26に対する合計時間遅延は、成分
ごとに、簡単に計算することができ、まず、火炎圧力振
動の上流方向伝播については、X1 などの対応する軸線
方向距離を音速−流れチャンネル38を通る前進流の平
均速度の差で割る。第二に、燃料濃度波の下流方向伝播
については、同じ距離X1 を平均流れ速度で割る。そし
て、最後に、燃焼している燃料空気混合物から熱を化学
的に発生するための時間遅延を加える。
【0020】こうして時間遅延がわかったら、特定の軸
線方向距離X1 を選定して、燃焼室26における燃料濃
度波からの熱発生が、特定の周波数での火炎24の圧力
振動と位相ずれとなるようにし、こうしてその周波数で
の火炎24の圧力振幅を減衰する。たとえば、周波数5
0Hzについての振動の周期は周波数の逆数であり、こ
れは20msに等しい。また、流れチャンネル38にお
ける特定の平均流速について、火炎24からオリフィス
40へ上流方向へそしてまた逆に戻る合算の時間遅延
は、熱発生遅延を含めて、簡単に計算することができ、
約10msの半周期を有する必要な距離X1 を決定し、
燃料濃度波からの熱発生と火炎圧力振動との間に180
°の位相ずれを確保する。
【0021】しかし、燃料濃度波のプレミキサ28にお
ける滞留または対流時間は、予混合および予蒸発を行っ
て低NOx燃焼を達成するのに適切な長さとする必要が
あるが、燃料空気混合物を、プレミキサダクト30の内
側での火炎24の望ましくない逆火を促進する自動点火
温度に加熱するほど長過ぎてはいけない、ことを認識す
べきである。逆火は、プレミキサ30を損傷する恐れが
あるので、望ましくないのはもちろんで、燃焼器ドーム
26bおよび中心体下流端36bがともにブラフボディ
であり、保炎能力を保証し、運転中に火炎24を適切に
係止する。したがって、燃料噴射オリフィス40の特定
の軸線方向距離を適切に限定して、運転中に適当な逆火
余裕を確保し、またオリフィス40をスワラ32の下流
に配置して、ダクト30の全長を最小にするとともに、
スワラ32自身が保炎能力を有する障害物を形成しない
ことを保証するのが好ましい。
【0022】最適なプレミキサ形状は、所定の燃焼器に
ついての特定条件に依存する。そこで、数学的モデルを
用いて、燃焼室圧力と火炎面に到達する燃料濃度波との
間の位相関係を決定する。火炎面でのゆらぎ圧力P′が
正弦波であると仮定すると、 P′=Pc ・sin(ωt) となる。ここでPc は動的振幅を示す。
【0023】燃料噴射オリフィス40が火炎面から距離
f に配置されているとすると、オリフィス40に到達
する圧力波は、室圧力に関して、時間Xf /(c−V)
だけ遅れる(ここでcは音速であり、Vはプレミキサ2
8内の空気流速である)。同様に、スワラ32に到達す
る圧力波は、室圧力に関して、時間Xa /(c−V)だ
け遅れる(ここでXa はスワラの火炎面からの距離であ
る)。
【0024】燃料噴射オリフィス40およびスワラ32
を通る質量流量(それぞれmf およびma )はオリフィ
ス式に従って計算され、したがって、次のとおりとな
る。
【0025】
【数1】
【0026】
【数2】
【0027】ここで、Aefは燃料噴射オリフィス40の
有効面積を示し、Aeaはスワラ32の有効面積を示し、
sfは燃料噴射オリフィス40での供給圧力を示し、P
saはスワラ32での供給圧力を示し、Pave は燃焼器内
の平均圧力を示す。このようにして発生した燃料波は、
その後、プレミキサ28を通しての流れ対流によるさら
なる時間遅延Xf /Vの後、火炎面に到達する。同様
に、空気流を、スワラ32により生成され、さらなる遅
延Xa /V後に火炎面に到達する波として記述すること
ができる。したがって、燃料流は火炎面に τf =Xf/(c−V)+Xf/V の合計遅延時間後に到着し、空気流は火炎面に τa =Xa/(c−V)+Xa/V の合計遅延時間後に到着する。
【0028】すべてを室圧力と関連させると、火炎での
流量は
【数3】 で与えられる。
【0029】各時点での燃料流量を空気流量で割った商
は、燃焼器内の圧力波に関する瞬間の燃料/空気比を規
定し、これは
【数4】 で与えられる。
【0030】この燃料/空気比は燃料濃度ゆらぎを表わ
す。上記モデルはさらに、比較的小さなゆらぎについて
は、発熱量Q′が燃料/空気比に
【数5】 の比で比例すると仮定している。
【0031】燃料濃度波が火炎面に到達する時間と熱発
生が起こる時間との間の燃焼遅延も包含することができ
る。この時間遅延は通常0.1〜1.0ms程度であ
る。燃料濃度波の燃焼器動力学性能に対する最終的な効
果を決定するには、レイリー(Rayleigh)基準
を考慮する。したがって、ゲイン(GAIN)因子をゆ
らぎ圧力P′にゆらぎ熱発生Q′を掛けた積分値として
計算する。
【0032】
【数6】
【0033】ここで、Tは1つの完全な周期(周波数の
逆数)を示す。このゲインが正であれば、熱エネルギー
の機械的エネルギーまたは圧力への正味の転換があり、
圧力振動が増強される。ゲインが負であれば、濃度ゆら
ぎの結果として振動が減少する。ゲインの実際値は任意
である。したがって、ゲインを最小にすることにより、
圧力ゆらぎを最小にすることができる。
【0034】上記モデルを、所定の燃焼器について予測
される条件に適用して、燃焼室26内の圧力と位相のず
れた燃料濃度波を与えるプレミキサ28の形状を決定
し、こうして燃焼不安定を軽減する。所定の燃焼用途に
ついて、燃料噴射オリフィス40およびスワラ32の有
効面積を特定し、そして上記モデルを用いて、これらの
要素が火炎24を確立する位置から離れている距離Xf
およびXa についての最適値を求める。
【0035】たとえば、ある燃焼器についての距離Xf
に対する正味のゲイン因子が所定の距離Xa を有し、周
波数50Hzおよび100Hzで燃焼不安定性を示すモ
デル予測を考えてみる。燃料噴射オリフィス40は、両
方の周波数について比較的低いゲインを与え、したがっ
て両方の周波数についてプレミキサを最適化するよう
な、火炎面からの距離に位置させる必要がある。上記モ
デルを反復使用して、X f およびXa 両方が変数である
場合の最適値を決定することもできる。
【0036】この発明によれば、燃料の燃焼からの切り
離しをさらに強化するために、複数オリフィス40から
の複数の燃料空気混合物を互いに位相がずれるように軸
線方向に多段化し、これによりプレミキサ28から吐出
される対応する燃料濃度波の振幅を小さくし、火炎24
の動的安定性をさらに向上させる。運転中に、噴射され
た燃料をプレミキサ28内で軸線方向に広げることによ
り、発生する燃料濃度波の対応する強さを大幅に低減
し、そして、おそらくその結果として、最適な形状で
は、種々の燃料源が互いに打ち消し合い、かくして実質
的に一定な燃料濃度がプレミキサ28から出てくること
になり、このような一定な燃料濃度は燃焼火炎24の圧
力振動を助長したり、励起したりすることができない。
【0037】この発明は種々の形態で実施することがで
きる。図1に示す1実施例では、燃料インジェクタ34
は、好ましくは、複数個の第1燃料噴射オリフィス40
aが、プレミキサのうちの第1プレミキサ28aのダク
ト30内に、ドーム26bおよびダクト出口30bから
上流の共通な第1軸線方向距離X1 に配置された構成で
ある。この際、ダクト流れチャンネル38をオリフィス
−ダクト出口間で無障害とし、この領域での望ましくな
い火炎保持能力を回避するのが好ましい。燃料インジェ
クタ34にはまた、複数個の第2燃料噴射オリフィス4
0bが、第2プレミキサ28bのダクト30内に、ドー
ム26bおよび対応するダクト出口30bから上流の共
通な第2軸線方向距離X2 に配置されている。第1オリ
フィス40aと第2オリフィス40bは互いに所定の軸
線方向距離Sだけ軸線方向に離間している。第2プレミ
キサ28bの流れチャンネル38も同様に、第2オリフ
ィス40bから下流にダクト出口30bまで無障害と
し、この領域でいかなる火炎保持能力も回避するのが好
ましい。
【0038】このようにして、燃料22の軸線方向多段
化を対応する対のプレミキサ28に実現する。第1プレ
ミキサ28aおよび第2プレミキサ28b両方の流れチ
ャンネル38それぞれを、第1オリフィス40aおよび
第2オリフィス40bから下流にドーム26bまで無障
害とし、逆火の心配をなくす。したがって、燃料22を
第1オリフィス40aおよび第2オリフィス40bそれ
ぞれから、合計燃料流に対する割合(%)に制限なし
に、吹出すことができる。ただし、第1オリフィス40
aおよび第2オリフィス40b両方について、燃料の流
量を等しくするのが望ましい。
【0039】前述したように、運転理論から、特定の周
波数での火炎24の圧力振動がプレミキサ28のそれぞ
れにおいて上流に伝播し、軸線方向距離X1 およびX2
の差による対応した遅延を受けることがわかる。上流に
伝播する火炎圧力振動は第1オリフィス40aおよび第
2オリフィス40bそれぞれに到達し、一方そこで、そ
こから吹出される燃料22の量を変動させ、それぞれ対
応する第1および第2燃料濃度波を発生する。これらの
2つの波は、対応する周波数での火炎圧力振動と関連し
て振動する。第1オリフィス40aおよび第2オリフィ
ス40b間の軸線方向間隔Sを適当に選定することによ
り、そこからの第1および第2燃料濃度波を互いに位相
ずれ状態とし、これらが同時に燃焼室26中に吹出され
る際の、その合算振幅を低減し、こうして、今度は、火
炎圧力振動の大きさを低減し、燃焼室26内の動的圧力
不安定性を減らす。このようにして、プレミキサ28a
および28bから吹出される燃料を、少なくとも部分的
に、燃焼火炎24から切り離し、燃焼室26内での火炎
24の動的安定性を高める。
【0040】好適な実施例では、対象の特定周波数、た
とえば基本励起周波数での火炎圧力振動は対応する周期
(簡単には周波数の逆数である)を持ち、そして、第1
および第2燃料濃度波が下流にそれぞれのプレミキサ2
8aおよび28bを、そこを通る空気20の平均流速に
ほぼ等しい速度で、通過する。軸線方向間隔Sを、周期
の1/2と流速との積にだいたい等しくなるように選択
して、第1および第2燃料濃度波間の180°位相ずれ
を実現するのが好ましい。
【0041】たとえば、火炎圧力振動周波数150Hz
について、対応する周期は6.6msである。この周期
の1/2は3.3msである。たとえば、流れチャンネ
ル38を通る空気流速約150ft/secの場合、軸
線方向間隔Sについて得られる値は約6インチである。
もちろん、この軸線方向間隔(差)Sは、個別の第1軸
線方向距離X1 および第2軸線方向距離X2 の種々の組
み合わせを用いて、実現すればよい。1例では、第1軸
線方向距離X1 を約4インチとし、一方第2軸線方向距
離X2 を約10インチとして、両者間に上例の6インチ
の差を与える。
【0042】第1軸線方向距離X1 および第2軸線方向
距離X2 のいずれか一方を、さらに第1および第2燃料
濃度波の少なくとも一方自身が対応する周波数での火炎
圧力振動とも位相はずれとなるように、決定することが
でき、こうしてX1 とX2 の組み合わせから一層向上し
た安定性を達成する。第1軸線方向距離X1 および第2
軸線方向距離X2 はまた、通常の技法に従って、逆火を
心配する必要なしに、第1プレミキサ28aおよび第2
プレミキサ28bに有効量の予混合および予蒸発を保証
するように、決定することも必要である。好適な実施例
では、燃料噴射をそれぞれのスワラ32の下流で行い、
スワラ32が(個々のプレミキサ28への逆火を促進す
るおそれのある)保炎要素を構成しないようにする。
【0043】図1に示した具体例では、燃料インジェク
タ34がさらに、複数組の円周方向に離間した、かつそ
れぞれの中心体36から半径方向外方へ延在する、第1
燃料スポーク42aおよび第2燃料スポーク42bも含
むのが好ましい。第1オリフィス40aは複数の第1ス
ポーク42aに配置され、各スポークにおいて互いに半
径方向に離間しており、一方、第2オリフィス40bも
同様に複数の第2スポーク42bに配置され、各スポー
クにおいて互いに半径方向に離間している。このよう
に、燃料を、通常の態様で、対応する流れダクト38に
おいて半径方向および円周方向両方でかなり均一に分布
させる。第1軸線方向距離X1 および第2軸線方向距離
2 での燃料の軸線方向多段化がなければ、プレミキサ
28はその他の点では従来通りとすることができる。従
来の燃焼器では、プレミキサがすべて同一であり、対応
する燃料スポークがドーム26bから同じ軸線方向距離
に配置されているのが代表的で、プレミキサに発生する
対応する燃料濃度波間の位相関係をなんら顧慮しておら
ず、また特定の周波数での燃焼火炎振動の位相に対する
熱発生の位相についてもなんら顧慮していない。従来の
燃料スポークは、代表的には、同一形状に形成され、予
混合および予蒸発を最大にし、燃焼火炎からの排出エミ
ッション量を最小にするように配列されている。
【0044】したがって、第1燃料オリフィス40aお
よび第2燃料オリフィス40bを経ての燃料の比較的簡
単な軸線方向多段化を行うことによって、個別のプレミ
キサ28における望ましくない逆火について心配するこ
となく、低NOxエミッションを維持しながら、燃焼器
の動的安定性を改良することができる。前述したよう
に、プレミキサ28それぞれから送り出される燃料濃度
波は、その成分として燃料と空気の両方を含む。図1に
示した具体例では、燃料自体を軸線方向に多段化して、
所望の対応する燃料濃度波を実現している。別の例で
は、燃料を共通な軸線方向平面で噴射し、その代わり
に、空気を多段化することにより、軸線方向多段化を行
う。空気の多段化は、スワラ32を互いに並べ換えるこ
とによって実現することができる。したがって、この発
明の効果を得るためには、プレミキサ28において空気
および燃料の少なくとも一方を多段化して、軸線方向多
段化を実現すればよい。
【0045】図2に、この発明の別の実施例を略図で示
す。この例では、燃料の軸線方向多段化を、複数のプレ
ミキサのそれぞれ、つまり共通な第3プレミキサ28c
において行う。この例では、第3プレミキサ28cそれ
ぞれが互いに同一であり、燃料空気混合物を共通な燃焼
室26に吹出す。この実施例は下記の点以外は図1の実
施例と実質的に同一である。第1燃料スポーク42a、
第2燃料スポーク42bおよび対応する第1燃料噴射オ
リフィス40a、第2燃料噴射オリフィス40bが、同
じ流れチャンネル38内に一緒に配置され、燃料を軸線
方向に離れた2平面で吹出す。これら2平面は対応する
第1軸線方向距離X1 および第2軸線方向距離X2 で特
定され、両者間には軸線方向間隔(差)Sがある。
【0046】この実施例では、第2スポーク42bおよ
びそこに設けられた第2オリフィス40bが、軸線方向
にて、スワラ32と第1オリフィス40aが設けられた
第1スポーク42aとの間に配置されている。第3プレ
ミキサ28cは、上述した第1および第2プレミキサ2
8aおよび28bと同じ作動条件を有するので、同じ軸
線方向距離を用いることができる。すなわち、たとえば
周波数150Hzでの燃焼火炎振動を減衰するには、第
1軸線方向距離X1 を約4インチとし、第2軸線方向距
離X2 を約10インチとし、両者間の軸線方向間隔Sを
約6インチとする。第1オリフィス40aはそこから下
流に伝播する第1燃料濃度波を生成し、第2オリフィス
40bはそこから下流に伝播する第2燃料濃度波を生成
する。第2濃度波は第1濃度波と混合し、2つの波が合
一燃料濃度波を生成し、これが燃焼室26に送り出さ
れ、そこで燃焼にさらされる。前述したように、第1オ
リフィス40aおよび第2オリフィス40bを互いに軸
線方向間隔Sにて多段化し、かくして対応する第1およ
び第2波が互いに位相はずれ関係にあり、その結果それ
らから得られる合一燃料濃度波は圧力変動がいちじるし
く軽減され、大きさがより一層ほとんど一定になる。合
一燃料濃度波が依然として周期変動を生成する限りで、
第1軸線方向距離X1 または第2軸線方向距離X2 いず
れかも、合一燃料濃度波からの熱発生も火炎圧力振動と
位相はずれ関係になることを保証する値とするのがよ
く、こうして、対応する単一周波数での火炎24の動的
圧力をさらに低減する。
【0047】しかし、この実施例では、第1燃料スポー
ク42aを第2燃料スポーク42bとダクト出口30b
との間に配置し、したがって火炎を保持できる構造を構
成する。このため、第2軸線方向距離X2 を適切に選定
して、第2燃料スポーク42bから下流の燃料の予蒸発
が、第1燃料スポーク42aで保炎してダクト30内上
流への火炎24の逆火の原因となる望ましくない自動点
火温度に近づかないことを保証する必要がある。このよ
うな逆火はプレミキサを損傷するおそれがあり、したが
って第2軸線方向距離X2 を限定するか、上流の第2燃
料オリフィス40bへの燃料流れ割合を限定して、そこ
から下流にリーンな燃料濃度波を形成することにより、
適当な逆火余裕を維持するべきである。
【0048】上例では、燃料噴射を軸線方向に多段化す
るための2つの異なる軸線方向平面を示したが、この発
明によれば、追加の軸線方向燃料多段化平面を用いて、
多数の燃焼動的周波数を減衰または抑制することができ
る。しかし、燃料噴射面を導入するのに用いられる燃料
スポーク42aおよび42bそれぞれは、望ましくない
圧力降下を生じ、それぞれの流れチャンネル38におい
て流れ妨害の原因となり、このことは前述した理由で望
ましくない。
【0049】このよう観点から、図3にこの発明の第3
の実施例を示す。この実施例で用いる、例示の第4のプ
レミキサ28dは、下記の点以外は前述のプレミキサと
同一である。燃料スポークを使用せず、その代わりに、
第1燃料噴射オリフィス40aおよび第2燃料噴射オリ
フィス40bを共通流れチャンネル38内の各プレミキ
サ内の中心体36の外面にそれと同一平面に配置し、こ
うして燃焼室26への障害のない流れを形成する。この
ようにして、軸線方向燃料多段化を多数の軸線方向位置
で行うことができ、そこから多数の燃料濃度波を発生し
て、複数の異なる周波数での燃焼火炎24の動的圧力を
低減する。
【0050】この実施例における中心体36では、第1
オリフィス40aおよび第2オリフィス40b間の種々
の軸線方向平面に追加の、すなわち第3の燃料噴射オリ
フィス40cを配置して、流れチャンネル38への燃料
22を軸線方向および円周方向に分配して、多数の火炎
圧力振動周波数での動的圧力振幅を同時に低減すること
ができる。燃料22を中心体36から半径方向にかつ外
向きにダクト30の内面に向かって分配することがで
き、そのためには、種々のオリフィス40a、40b、
40cから吹出される燃料ジェットが燃料チャンネル3
8に、そこに流れる流体流れの種々の半径方向位置にて
貫入するように、燃料ジェット速度および運動量を適当
に変化させる。図3に示すように、オリフィス40a−
40cの中心体36における直径を下流方向に大きくす
ることができ、こうして上流のオリフィス40bが燃料
22を半径方向最小範囲に噴射するようにし、半径方向
貫入距離が下流に向けてオリフィス寸法が増加するにつ
れて、最大直径の第1オリフィス40aまで増加する。
オリフィスのパターンおよび直径は所望通りに変えるこ
とができる。
【0051】燃料噴射を多数の軸線方向位置に振り分け
るこの方法は、前述した燃料インジェクタを複数の特定
位置に配置して位相のずれた燃料濃度波を生成する方法
よりも有利である。前述したように、単一の燃料噴射平
面を特定位置に位置させて、燃焼火炎24の特定の振動
周波数を減衰することができる。多数の周波数が互いに
近く、燃料濃度波が少なくとも部分的に周波数それぞれ
と位相ずれ関係にあるならば、単一の燃料噴射平面は多
数の周波数を減衰することもできる。2つの軸線方向燃
料噴射平面を使用すれば、1つ以上の振動周波数をより
効果的に減衰することができる。別々の軸線方向噴射平
面を用いることは、前述したように実用上の理由から制
限され、したがって、対象となるすべての高調波周波数
を減衰するのに有効でない。
【0052】しかし、図3に示す実施例は、流れチャン
ネル38を妨害することなく、多数の軸線方向平面で燃
料を噴射する実際的な解決策を与え、したがって、運転
中に火炎24の振動の高調波周波数をより広い範囲にわ
たって減衰することができる。このように燃料噴射を軸
線方向に分布することは、効果的なバンド幅を増加する
ことにより、火炎の動的圧力との位相がずれた燃料濃度
波を生成するのに有用である。
【0053】以上説明した種々の実施例は、軸線方向燃
料噴射をプレミキサ28内の複数の特定の軸線方向位置
にて導入し、これによりプレミキサから吹出される複数
の燃料濃度波の振幅変化を減衰して、燃焼器の安定性を
向上させる、比較的簡単かつ実用的な手段を構成する。
そして、複数の燃料濃度波を燃焼室26中に吐出し、そ
こからの熱発生を燃焼火炎と位相のずれた関係とし、そ
の動的応答をさらに減衰することができる。
【0054】以上、この発明の好適と考えられる例示の
実施例について説明したが、当業者であれば、上述した
説明からこの発明の種々の変更を想起できるであろう。
このような変更もすべてこの発明の要旨の範囲内に包含
されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例による低NOx燃焼器を
圧縮機およびタービンと流通関係で配置した工業用ガス
タービンエンジンの一部を示す線図的断面図である。
【図2】この発明の第2実施例による、プレミキサを含
む燃焼器の一部を示す略図の断面図である。
【図3】この発明の第3実施例による、プレミキサを含
む燃焼器の一部を示す略図の断面図である。
【符号の説明】
14 燃焼器 22 燃料 24 火炎 26 燃焼室 26b ドーム 26c 出口 28 プレミキサ 30 ダクト 30a 入口 30b 出口 32 スワラ 36 中心体 38 流れチャンネル 40 オリフィス 42 スポーク

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】上流端にドームを下流端に出口を有する燃
    焼室と、 前記燃焼器ドームに連結された複数個のプレミキサであ
    って、各プレミキサが、圧縮空気を受け取るダクト入口
    を一端に有し、前記燃焼室と流通関係に配置されたダク
    ト出口を反対端に有するダクトと、前記ダクト内に前記
    ダクト入口に隣接して配置された、ダクトを通過する空
    気に旋回を与えるスワラとを含む、プレミキサと、 前記プレミキサダクトのそれぞれに燃料を噴射して、前
    記ダクト内で空気と混合し、さらに前記燃焼室中に流入
    させて前記ダクト出口それぞれに燃焼火炎を発生させる
    ための、燃料噴射手段とを備え、 前記燃料噴射手段は、前記ドームと前記スワラとの間で
    互いに軸線方向に離間した複数個の燃料噴射オリフィス
    が、燃料を前記ドームからの異なる軸線方向多段化距離
    にて噴射して、燃料を燃焼から切り離して、前記燃焼火
    炎の動的圧力振幅を低減するように構成された、燃焼
    器。
  2. 【請求項2】前記プレミキサそれぞれがさらに、前記ダ
    クト内に同軸配置され、前記スワラに連結された上流端
    をダクト入口に、ブラフ下流端を前記ダクト出口に有す
    る中心体を含み、この中心体が前記ダクトから半径方向
    内方に離間してダクトとの間に流れチャンネルを画定
    し、 前記燃料噴射手段はさらに、第1プレミキサダクト内に
    かつ前記ドームから上流に共通な第1軸線方向距離に配
    置された複数個の第1燃料噴射オリフィスを含み、前記
    ダクト流れチャンネルがドームと第1オリフィス間で無
    障害であり、さらに第2プレミキサダクト内にかつ前記
    ドームから上流に共通な第2軸線方向距離に配置された
    複数個の第2燃料噴射オリフィスを含み、前記第1オリ
    フィスおよび第2オリフィスが互いに軸線方向に離間し
    ている、請求項1に記載の燃焼器。
  3. 【請求項3】前記火炎が前記プレミキサ中に上流方向に
    伝播する圧力振動にて励起可能で、前記第1および第2
    オリフィスからの燃料空気混合物を第1および第2燃料
    濃度波として振動させ、 前記第1および第2オリフィス間の軸線方向間隔のた
    め、前記第1および第2燃料濃度波が互いに位相のずれ
    た関係となり、これにより前記火炎圧力振動の大きさを
    低減して、前記燃焼室内での動的圧力不安定性を低減す
    る、請求項2に記載の燃焼器。
  4. 【請求項4】前記軸線方向多段化を1対の前記プレミキ
    サで行い、前記第1オリフィスを第1プレミキサに配置
    し、第2オリフィスを第2プレミキサに配置した、請求
    項3に記載の燃焼器。
  5. 【請求項5】前記第1および第2プレミキサ両方の流れ
    チャンネルが前記第1および第2オリフィスから前記ド
    ームまで無障害である、請求項4に記載の燃焼器。
  6. 【請求項6】前記火炎圧力振動が周期を有し、前記第1
    および第2波が前記流れチャンネルをある速度で移行
    し、前記軸線方向間隔が前記周期の1/2と前記速度と
    の積にほぼ等しい、請求項4に記載の燃焼器。
  7. 【請求項7】前記燃料噴射手段がさらに、それぞれ前記
    中心体から半径方向外方に延在し、かつ円周方向に離間
    した第1および第2燃料スポークを含み、前記第1オリ
    フィスが前記第1スポークに配置され、前記第2オリフ
    ィスが前記第2スポークに配置され、これにより前記燃
    料を前記流れダクトに半径方向および円周方向に分布さ
    せる、請求項4に記載の燃焼器。
  8. 【請求項8】前記軸線方向多段化を前記複数のプレミキ
    サのうち共通な1つのプレミキサで行い、前記第1およ
    び第2オリフィス両方が前記ダクト流れチャンネルと流
    通関係に配置され、これにより燃料を流れチャンネル内
    に2つの軸線方向に離間した平面で吐出す、請求項3に
    記載の燃焼器。
  9. 【請求項9】前記火炎圧力振動が周期を有し、前記第1
    および第2波が前記流れチャンネルをある速度で移行
    し、前記軸線方向間隔が前記周期の1/2と前記速度と
    の積にほぼ等しい、請求項8に記載の燃焼器。
  10. 【請求項10】前記第1および第2燃料濃度波が前記燃
    焼室に吐出される合一燃料濃度波を形成し、前記第1お
    よび第2軸線方向距離が、前記合一波が燃焼にさらされ
    て前記火炎圧力振動との位相のずれた関係で熱を発生す
    るのに有効である、請求項8に記載の燃焼器。
  11. 【請求項11】前記第2オリフィスが前記スワラと前記
    第1オリフィスとの間に軸線方向に配置された、請求項
    8に記載の燃焼器。
  12. 【請求項12】前記第2軸線方向距離が、前記第2波を
    前記第1オリフィスでの逆火温度未満に維持して、第1
    オリフィスでの逆火を防止する、請求項11に記載の燃
    焼器。
  13. 【請求項13】前記燃料噴射手段がさらに、前記共通中
    心体から半径方向外方に延在し、かつ円周方向に離間し
    たそれぞれ数組の第1および第2燃料スポークを含み、
    前記第1オリフィスが前記第1スポークに配置され、前
    記第2オリフィスが前記第2スポークに配置され、これ
    により前記燃料を前記共通流れダクトに半径方向および
    円周方向に分布させる、請求項12に記載の燃焼器。
  14. 【請求項14】前記第1および第2オリフィスが前記中
    心体に同一平面内に配置され、前記燃焼室に障害のない
    流れを与える、請求項8に記載の燃焼器。
  15. 【請求項15】さらに、前記第1および第2オリフィス
    間に軸線方向に配置された追加の燃料噴射オリフィスを
    含み、これらの追加のオリフィスにより燃料を前記流れ
    チャンネル内に軸線方向および円周方向に分布させ、多
    数の火炎圧力振動周波数での動的圧力振幅を同時に低減
    する、請求項14に記載の燃焼器。
  16. 【請求項16】複数の空気および燃料プレミキサが流通
    関係に配置された燃焼室においての燃焼を動的に安定化
    させるにあたり、 前記プレミキサで燃料と空気を混合して燃料空気混合物
    を形成し、 前記燃料空気混合物を前記燃焼室に吐出し、 前記燃料空気混合物を前記燃焼室で燃焼させて、上流方
    向にプレミキサ中に伝播する圧力振動にて励起可能な火
    炎を形成し、これにより前記燃料空気混合物を燃料濃度
    波として振動させ、 前記燃料空気混合物を前記プレミキサ内で軸線方向に多
    段化して、対応する燃料濃度波が互いに位相のずれた関
    係となるようにし、燃料を燃焼から切り離し、これによ
    り火炎圧力振動の大きさを低減し、燃焼室内での動的圧
    力不安定性を低減する、工程を含む、燃焼の動的安定化
    方法。
  17. 【請求項17】前記軸線方向多段化を、前記プレミキサ
    において空気および燃料の少なくとも一方を多段化する
    ことによって行う、請求項16に記載の方法。
  18. 【請求項18】前記軸線方向多段化を数対のプレミキサ
    間で行い、第1燃料濃度波を第1プレミキサで形成し、
    第2燃料濃度波を第2プレミキサで形成し、前記第1お
    よび第2燃料濃度波を前記燃焼室中に同時に吐出して、
    前記燃焼室内での動的圧力不安定性を低減する、請求項
    16に記載の方法。
  19. 【請求項19】前記軸線方向多段化を各プレミキサで行
    い、2つ以上の前記燃料濃度波をプレミキサに形成し
    て、単一周波数での動的圧力を低減する、請求項16に
    記載の方法。
  20. 【請求項20】軸線方向多段化を多数の軸線方向位置で
    行って、多数の燃料濃度波を形成し、これにより複数の
    異なる周波数での動的圧力を低減する、請求項19に記
    載の方法。
  21. 【請求項21】前記2つの燃料濃度波が合一燃料濃度波
    を形成し、この合一波が前記燃焼室に吐出され、燃焼に
    さらされ、前記火炎圧力振動との位相のずれた関係で熱
    を発生する、請求項19に記載の方法。
  22. 【請求項22】ガスタービン燃焼室用のプレミキサにお
    いて、 前記燃焼室と流通関係に連結可能なダクトであって、圧
    縮空気を受け取るダクト入口を一端に有し、前記燃焼室
    と流通関係に配置されたダクト出口を反対端に有するダ
    クトと、 前記ダクト内に前記ダクト入口に隣接して配置された、
    ダクトを通過する空気に旋回を与えるスワラと、 前記ダクト内に配置され、前記プレミキサダクトに燃料
    を噴射して、前記ダクト内で空気と混合し、さらに前記
    燃焼室中に流入させて前記ダクト出口に燃焼火炎を発生
    させるための、燃料インジェクタとを備え、 前記スワラおよび前記燃料インジェクタを前記ダクト出
    口からそれぞれ適当な距離に位置させて、燃料空気混合
    物の燃焼から前記燃焼室内に生成する燃料濃度波からの
    熱発生が時間的に前記燃焼室内での火炎の圧力振動とは
    位相がずれた関係となるようにした、プレミキサ。
  23. 【請求項23】前記燃料インジェクタが1個以上の燃料
    スポークを含む、請求項22に記載のプレミキサ。
  24. 【請求項24】上流端を有する燃焼室と、 前記燃焼室の上流端に連結され、圧縮空気を受け取るダ
    クト入口を一端に有し、前記燃焼室と流通関係に配置さ
    れたダクト出口を反対端に有するダクトを含む、プレミ
    キサと、 前記ダクト出口から上流に第1距離にて燃料を前記プレ
    ミキサダクト内に噴射し、前記ダクト内で空気と混合
    し、さらに前記燃焼室中に流入させて前記ダクト出口に
    燃焼火炎を発生させるための、燃料噴射手段とを備え、
    前記燃焼火炎が前記ダクト内で上流に前記燃料噴射手段
    に向けて伝播する圧力振動を有し、これにより前記燃料
    および空気がダクト内で燃料濃度波として振動し、 前記第1距離を適切に選択して、前記燃料濃度波が前記
    ダクト出口に到達し、燃焼にさらされて、前記火炎圧力
    振動とは位相のずれた関係で熱を発生するようにした、
    燃焼器。
  25. 【請求項25】前記熱発生が前記火炎圧力振動とは18
    0°位相のずれた関係となるように前記第1距離を選択
    した、請求項24に記載の燃焼器。
  26. 【請求項26】前記火炎圧力振動が2つの異なる周波数
    で起こり、前記第1距離は、前記熱発生がこれら2つの
    周波数両方での前記火炎圧力振動とは位相のずれた関係
    となるように選択した、請求項24に記載の燃焼器。
  27. 【請求項27】前記ダクトの空気入口が前記ダクト出口
    から軸線方向上流に、前記第1距離より長い第2距離に
    配置され、この第2距離は、第1距離と関連して、位相
    のずれた熱発生と火炎圧力振動とが生じるように選択す
    る、請求項24に記載の燃焼器。
  28. 【請求項28】1つの空気および燃料プレミキサが流通
    関係に配置された燃焼室においての燃焼を動的に安定化
    させるにあたり、 前記プレミキサで燃料と空気を混合して燃料空気混合物
    を形成し、 前記燃料空気混合物を前記燃焼室に吐出し、 前記燃料空気混合物を前記燃焼室で燃焼させて、上流方
    向にプレミキサ中に伝播する圧力振動を有する火炎を形
    成し、これにより前記燃料空気混合物を燃料濃度波とし
    て振動させ、 前記プレミキサにおける前記燃料濃度波の燃焼熱発生を
    時間的に遅延させて、前記燃焼室内の火炎圧力振動と位
    相のずれた関係とし、これにより燃焼室内での動的圧力
    不安定性を低減する、工程を含む、燃焼の動的安定化方
    法。
  29. 【請求項29】前記時間遅延工程は、燃料を前記プレミ
    キサ中の空気中に、前記火炎から上流に適当な軸線方向
    距離にて噴射して、前記火炎圧力振動の位相に対する燃
    料濃度波の位相を調節することによって行う、請求項2
    8に記載の方法。
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