JP2005098678A - ガスタービンエンジンのエミッションを低減するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ガスタービンエンジン用の燃焼器を提供する。
【解決手段】 低エミッションタービンは、一般的に主及び二次燃料供給システムを備えた逆流式缶型燃焼器（１０２）を含み、該主及び二次燃料供給システムは、設計設定点において及び設計設定点以外の条件において低いＣＯ、ＵＨＣ及びＮＯｘエミッションを発生するように独立して制御することができる。一般的に逆流式缶型燃焼器（１０２）は、燃焼器内にスワーラ−ミキサ組立体（１４０）を含み、各スワーラ−ミキサ組立体（１４０）は、主及び二次燃料供給システムを備えた環状に配置されたスワーラ−ミキサの配列を含み、これら主及び二次燃料供給システムは独立して制御することができる。さらに、本明細書においては、熱シールド（１３６）の背面に垂直に流体を衝突させる流体通路（１４２、２２０）を含む缶型燃焼器を開示する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジン用の燃焼器に関する。

マイクロタービンは、典型的にはオンサイト発電のために使用される小型ガスタービンである。マイクロタービンは、ジェットエンジンと同じ原理で作動するが、天然ガス、ディーゼル燃料、バイオディーゼル燃料、ガソリン、灯油、プロパン、メタン、蒸解ガス、改質燃料、ガス化生成物等のような商業的に入手可能な多様な燃料を使用できる。マイクロタービンは、送電線網接続モード、独立モード及びデュアルモードで作動させることができる。一般的に送電線網接続モードは、この装置を送電線網と並列的に作動させて、ベースローディングとピークシェービングとを行うことを可能にする。一般的に独立モードでは、この装置を送電線網から完全に切り離して作動させることが可能になる。デュアルモードでは、装置は上記の２つのモード間で自動的に切り換わることができる。

一般的にマイクロタービンは、事務所、小売店、小規模製造工場、家庭及びその他多くの商業施設のための予備又は補助電源として使用される。これらの施設は、伝統的に電気事業者によって電力配電線網を介して給電されてきた。マイクロタービンを使用することにより、これらの施設は自家発電して、従来の電力送電線網及び事業者のみに依存するのを回避することができる。さらに、マイクロタービンは、電力事業者によって送電線網を介して供給される電力よりも低コスト及び／又は高い信頼性で発電することができる。

大気汚染に対する世界的な関心によって、より厳格な汚染物質排出（エミッション）基準が導入されるようになった。これらの基準は、ガスタービンエンジンの作動の結果発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出を規制する。特にＮＯｘは、作動時における高い燃焼器火炎温度によりガスタービンエンジン内で形成される。

従来のマイクロタービンは、一般的に圧縮機、熱回収装置、燃焼器及びタービンを含む。空気は、圧縮機内で加圧され、熱回収装置内で加熱され、燃料と混合され、燃焼器内で燃焼され、次にタービン内で膨張して、タービンを駆動する高温高圧ガスを発生する。タービン排気ガスは、一般的に熱回収装置を通って流されて入口空気に対して熱を伝え、それによって燃焼室内の空気／燃料混合気のエネルギーを増大させる。一般的にガスタービンに使用される燃焼器には、例えば缶型燃焼器及びアニュラ型燃焼器のような２つのタイプがあり、各タイプの燃焼器は、エミッション及び作動性に関連して特徴的な利点と欠点とを有する。

缶型燃焼器は、典型的には遷移部品内に挿入された円筒形缶型ライナで構成され、このライナの前端部には複数の燃料／空気プレミキサが配置される。このシステムは実用的でありかつ組立てが容易であるが、先行技術の缶型燃焼器は、極めて低いエミッションと最大の作動性とを達成するためには、幾つかの固有の欠点を有する。先行技術の缶型燃焼器は、比較的長大であって、燃焼器内滞留時間が長い。低負荷及び／又は低温作動時には、長い燃焼器内滞留時間によりＣＯ及びＵＨＣのレベルは最小になる。しかしながら、高負荷及び／又は高温作動時には、２価の窒素が燃焼中間種（Ｏ原子、ＯＨなど）と反応し始め、時間の経過と共にＮＯｘエミッションが増大する。従って、高負荷及び／又は高温作動時には、缶型燃焼器の長い滞留時間により、高いＮＯｘエミッションが生じる。高負荷及び／又は高温作動と対照的に、より低圧力及び同様な火炎温度時には、滞留時間を増大させない限り、ＣＯレベルが著しく増大する。このことは、大型機械よりも遙かに低い圧力比（典型的には、ほぼ４．０）を有するマイクロタービンの作動にとっては特に重要である。その結果、熱回収式マイクロタービンに実装する場合には、それに応じて燃焼器を変更する必要がある。

図１は、先行技術の缶型燃焼器を示す。全体を参照符号２で示した缶型燃焼器は、ケーシング４、予混合手段６、空気入口８、缶ライナ１０、燃焼室１２、任意選択的な遷移部品１４及びノズル１６を含む。先行技術の缶型燃焼器２の作動時には、燃焼空気が矢印Ａの方向に沿って空気入口８を通って流入し、ケーシング４内に入る。燃焼空気は、次に予混合手段６に入り、そこで燃料と混合される。次に燃料／空気混合気は、予混合手段６によって燃焼室１２内に噴射され、そこで燃焼される。混合気は、燃焼された後、遷移部品１４及びノズル１６を通して排出される。上述したように、缶型燃焼器の１つの短所は、その長さである。燃焼生成物は、燃焼室の上流端から燃焼室全体を通って流れ、遷移部品内に流入し、その後ノズルを通って流出する。このことにより、燃焼器内滞留時間が長くなり、従って高温及び／又は高負荷作動時にＮＯｘエミッションレベルが高くなる。しかしながら、長い燃焼器内滞留時間は、この長い時間の間にＣＯ及びＵＨＣが燃え尽きる（すなわち、より完全に酸化する）ことを可能にして、ＣＯ及びＵＨＣエミッションレベルを低下させるので、缶型燃焼器は、低温及び／又は低負荷作動時には良好に働く。さらに、特にマイクロタービン燃焼器の場合には、燃焼器出口をスクロール入口と整列させかつシールを使用することによりあらゆる漏れを最少にできるので、通常は遷移部品を必要としない。

アニュラ型燃焼器は、典型的にはタービンノズルの直ぐ上流にあるリング内に環状の形態で配置された複数のプレミキサで構成される。アニュラ型燃焼器は、長さが短く、従って比較的短い燃焼器内滞留時間を有する。高負荷及び／又は高温作動時には、短い環状の燃焼器内での短い滞留時間により、ＮＯｘエミッションのレベルは低い。しかしながら、低負荷及び／又は低温作動時には、アニュラ型燃焼器の燃焼器内滞留時間が短く、ＣＯ及びＵＨＣの完全燃焼（すなわち、酸化）が可能でないために、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）のレベルが高くなる。

図２は、全体を参照符号５０で表した先行技術のアニュラ型の燃焼器を示す。図に示すように、典型的なアニュラ型燃焼器５０は、それぞれ連続した円形の内側及び外側燃焼器ケーシング５２、５４内に収容された完全な環状形態の単一の火炎管で構成され、いかなる別個の内部バーナ缶も含まない。この構造は、最も有効な燃料及び空気の混合をもたらし、最適バーナ表面積により、燃焼ガスは最大限に冷却される。アニュラ型燃焼器は、その環状の形状故に、遷移部品を必要としないから、缶型燃焼器よりも遙かに小形化できる。前に述べたように、低圧力比ガスタービンに実装する場合のアニュラ型燃焼器の１つの短所は、この短い長さである。燃焼器内滞留時間が短く、従って低温及び／又は低負荷作動時には、高レベルのＣＯ及びＵＨＣエミッションが生じる。さらに、アニュラ型燃焼器の動作のもう１つの重大な短所は、燃焼システムの多数の音響モード（横方向及び長手方向の）であり、これは、薄い（リーンな）予混合火炎の場合に特に起こり易く、従って一般的に高負荷において、大きな振幅の圧力変動が生じることになる。しかしながら、アニュラ型燃焼器は、短い燃焼器内滞留時間のためにＮＯｘエミッションが増加するのに十分な時間がなく、ＮＯｘエミッションのレベルが低くなるので、高温又は高負荷作動時に良好に働く。さらに、マイクロタービンの場合、半径流ターボ機械の使用は普通のことであるが、アニュラ型燃焼器の幾何学的レイアウトは、軸流ターボ機械に最も良く適している。

マイクロタービンエンジンでは、通常はリーンな予混合火炎が使用される。マイクロタービン用の缶型燃焼器では、これは予混合火炎と拡散火炎とを発生させるという二重の作動役割を果たすプレミキサを使用することによって達成される。拡散火炎は、予混合リーン火炎の安定化を達成することが一般的に難しい設計点（全速負荷）以外の条件において使用されるのが普通である。アニュラ型燃焼器では、周方向に一様なプレミキサの配列を使用する。さらに、均一性と良好なパターンファクタを達成するために、全てのプレミキサを同じように作動させる。その結果、いずれのプレミキサ構成（例えば、アニュラ型又は缶型）においても、設計設定点以外の条件において、より高いエミッション（アニュラ型燃焼器の場合におけるようなＣＯ及びＵＨＣ又は缶型燃焼器の場合におけるようなＮＯｘのいずれか）が発生し、またいずれのプレミキサ構成においても、異なる燃料比でプレミキサを独立して作動させることができる柔軟性がない。
米国特許６，５７４，９５０号公報 米国特許６，５８４，７６０号公報

従って、低温及び／又は低負荷作動時と同時に高温又は高負荷作動時におけるエミッション（すなわち、設計設定点におけるエミッションと同時に設計設定点以外の条件におけるエミッション）を最少にする静かな燃焼器に対する必要性がある。

本明細書においては、ガスタービンにおけるエミッションを低減するための方法及び装置を開示する。１つの実施形態では、ガスタービン用の逆流式燃焼器は、細長い円筒形の燃焼器ライナを備えた燃焼器ケーシングを含み、燃焼器ライナは、内部に燃焼室を画成しかつ該ライナとケーシングとの間に逆流流体通路を形成する。本逆流式燃焼器はさらに、燃焼室の上流に配置されたスワーラ−ミキサ組立体を含み、この組立体は、環状に配置されたスワーラ−ミキサを含み、スワーラ−ミキサの各々は、中心体と、中心体に取付けられた内側スワーラと、内側スワーラに取付けられた外側スワーラと、スワーラ−ミキサの各々から燃焼室までの間で延びる環状テーパ壁を備えたシュラウドとを含む。本逆流式燃焼器はさらに、燃焼室とスワーラ−ミキサ組立体との間に介在させたドームプレートを含み、ドームプレートは、環状のエンドボデーを有する熱シールドを含む。本逆流式燃焼器はさらに、４つのスワーラ−ミキサの各々と流体連通した燃料源を備えた主燃料供給システムを含み、主燃料供給システムは、燃料を半径方向に内側及び外側スワーラ内に噴射するようになっている。本逆流式燃焼器はさらに、シュラウドの環状テーパ壁と外側壁とによって形成された流体通路を備えた二次燃料供給システムを含み、この流体通路は、燃料源と流体連通している。主及び二次燃料供給システムは、スワーラ−ミキサの各々に対して独立して制御することができる。

別の実施形態によると、ガスタービン用の逆流式燃焼器は、細長い円筒形の燃焼器ライナを備えた燃焼器ケーシングを含み、燃焼器ライナは、内部に燃焼室を画成しかつ該ライナとケーシングとの間に逆流流体通路を形成し、また燃焼室の主燃焼区域の周りの複数の孔と希釈区域の周りで該ライナ内に半径方向に配置された複数の孔とを含む。本逆流式燃焼器はさらに、燃焼室の上流に配置されたスワーラ−ミキサ組立体と、環状のエンドボデーを有する熱シールドを備えた、燃焼室とスワーラ−ミキサ組立体との間に介在させたドームプレートとを含む。ドームプレートはさらに、複数の流体孔を含み、この複数の流体孔がガスタービンの作動中に熱シールドの背面に衝突する空気流を供給し、また主燃焼区域の周りでライナ内に半径方向に配置された複数の流体孔がガスタービンの作動中に熱シールドの背面に衝突する空気流を供給する。

複数のスワーラ−ミキサ組立体を含む缶型燃焼器を使用したガスタービンにおけるＮＯｘエミッションを低減する方法は、複数のスワーラ−ミキサ組立体のうちの少なくとも１つに対して主燃料供給システムを独立して作動させて、該主燃料供給システムが他のスワーラ−ミキサ組立体とは異なる燃料対空気当量比で作動するように少なくとも１つのスワーラ−ミキサ組立体のスワーラ内に燃料を噴射するようにする段階を含む。本方法はさらに、複数のスワーラ−ミキサ組立体の各々に対して二次燃料供給システムを作動させて、該二次燃料供給システムが複数のスワーラ−ミキサ組立体の各々を囲むシュラウド内に配置された孔を介して燃焼室に燃料を噴射するようにする段階を含む。

上記及びその他の特徴を、以下の詳細な記載及び添付図面によって例示的に説明する。

ここで、同じ要素には同様な符号を付けた図面を参照する。

本明細書において開示するのは、エンジンの負荷及び周囲条件の全作動範囲にわたってＣＯ、ＮＯｘ及びＵＨＣエミッションのような排気エミッションを許容可能なレベルまで低減するためのガスタービン装置及び方法である。一般的にガスタービン装置は、互いに独立して作動させることができるプレミキサの配列を有する逆流式缶型燃焼器を含む。所定の配列パターンのプレミキサ配列を独立して作動させることにより、リーン予混合火炎を設計点において有利に利用できると共に、設計点以外の条件で有害な排気エミッションを低減するように、燃料当量比、つまりエルゴ火炎温度を制御するために使用することができる。さらに、後述するようにプレミキサ配列を独立して使用することは、プレミキサ配列の独立した作動に関連した特別な自由度により、ガスタービンの動的挙動（ダイナミックス）を向上させる。

次に図３を参照すると、ここに示すのは熱回収式マイクロタービン１００の斜視図である。一般的にマイクロタービン１００は、逆流式缶型燃焼器組立体１０２、タービンスクロール１０４、圧縮機ボリュート１０６、発電機１０８及び熱回収装置１１０を含む。

作動中、高度に加圧された空気が燃焼器組立体１０２に供給され、燃料と混合されて点火される。燃料は、例えば液体、気体、低ＢＴＵなどの任意の種類の燃料とすることができる。燃焼ガスは、次にタービンスクロール１０４内で膨張して該スクロール内のタービンを駆動し、その後導管を通して熱回収装置１１０に排出される。膨張した高圧ガスによるタービンの回転は、当業者には広く知られている方法で、発電機１０８によって電気エネルギーに変換できる。

図４は、図３に示した燃焼器組立体１０２の断面図を示す。燃焼器組立体１０２は、圧縮機手段（図示せず）と協働して、該燃焼器組立体１０２（図示せず）に流体的に結合された（例えば図３のタービンスクロール１０４内に収納された）ガスタービンを駆動する。燃焼器組立体１０２は、該燃焼器組立体１０２に流体を供給するための１つ又はそれ以上の入口を有する円筒形の外側燃焼器ケーシング１１２を含む。ケーシング１１２は、互いにボルト止めされるか又はその他の方法で固定されることができる複数のセクション１１４、１１６、１１８で構成されるのが好ましい。後述するように、複数のセクションを用いることは、燃焼器ケーシング１１２内に配置された構成部品の様々なフランジを当接させて固定するのに使用ことを可能にする。エンドキャップ１２０（本明細書では、ディフューザキャップとも呼ぶ）は、タービンスクロール１０４から遠い方に位置する端部において燃焼器ケーシング１１２の一端部にボルト止めされるのが好ましい。このようにして、以下において一層詳しく述べるように、タービン１００の作動中に燃焼器組立体１０２の逆流（すなわち、カウンタフロー）を発生させることができる。

外側燃焼器ケーシング１１２内には、円筒形状の燃焼ライナ１２２が配置され、この燃焼ライナ１２２は、その中に円筒形状の燃焼室１２４を画成し、すなわち缶型燃焼器を形成する。図５は、燃焼器ライナ１２２の側面図を示す。燃焼器ライナ１２２は、一般的に燃焼火炎が発生する主内部区域と、この主内部区域から下流の希釈区域とを含む。主内部区域を全体的に画成しているライナ１２２内には、複数の孔１４２が半径方向に配置され、また希釈孔１４４が、希釈区域を全体的に画成する燃焼器ライナ１２２の半径方向周辺に位置している。以下において一層詳しく述べるように、孔１４２は、作動中に熱シールド１３６に対する衝突空気を供給する利点がある。その下流においては、希釈孔１４４により複数の希釈ジェットを供給して平均温度を低下させかつライナ１２２の壁付近のホットスポットを最少にし、燃焼器ライナ１２２の出口平面上で許容可能な燃焼パターンファクタを得ることができるようにする。ライナ１２２を取り巻く複数のリブ１４６は、熱伝達のためのタービュレータを形成しかつライナに剛性を与える。燃焼器ライナ１２２はさらに、該ライナ１２２をケーシング１１２の環状凹部１５０（図４参照）内に当接固定するためのフランジ１４８を含む。燃焼器ライナ１２２はさらに、点火器、点火器クロスファイア管などのための、例えば符号１５２で示したような付加的な孔を含むことができる。

図４に示すように、燃焼室１２４は、上流端１２６と下流端１２８とを有する。燃焼室１２４の下流端１２８から出る燃焼生成物の流れは、燃焼器ライナ１２２の一端部に固定されたフラシールとも呼ばれるシール１３１を介して該燃焼器ライナ１２２の一端部に重ねられた遷移部品１３０又はスクロールに入る。遷移部品１３０は、燃焼器ライナ１２２の円形断面をノズル（図示せず）を通ってタービン入口（図示せず）の扇形部分へと移行させるために使用され、燃焼生成物の流れがタービンに入ることを可能にして、タービンが該タービンを駆動するために燃焼生成物のエネルギーを利用できるようにする。好ましい実施形態では、燃焼器ライナ１２２の長さは、低負荷又は低温作動時に燃焼生成物が遷移部品１３０内に流出する前にＣＯを十分に燃焼し尽くすことができるほど十分な長さであるべきである。矢印１３２で表した流体通路が、燃焼器ライナ１２２とケーシング１１２との間の空間によって形成される。流体通路１３２は、タービン１００の作動中に空気のような流体の逆流を可能にする。

燃焼器組立体１０２はさらに、燃焼器ライナ１２２の上流端１２６において該燃焼器ライナ１２２に隣接して配置されたドームプレート１３４を含む。図６は、ドームプレート１３４の一層詳細な斜視図を示す。図に示すように、ドームプレート１３４自体は、全体的に平坦であり、また形状が円形である。ドームプレート１３４は、燃焼器組立体１０２の組立て時に燃焼器ライナ１２２のフランジ１４８に固定するための貫通孔１３７を外側フランジ１４３内に含む。好ましい実施形態では、ドームプレート１３４は、図に示しかつ本明細書において述べるように、４つの環状に配置された孔１３５を含み、これら孔の各々は、燃焼器組立体１０２内で使用されるスワーラ−ミキサ組立体とその数が対応する。しかしながら、本発明は、燃焼器組立体１０２内で使用されるスワーラ−ミキサ組立体の数に対応した４つの環状に配置された孔に限定することを意図するものではない。２つ以上のスワーラ−ミキサ組立体を使用するのが好ましく、その最大数は空間的制約及びコストによって制限される。さらに、ドームプレート１３４は、以下において一層詳しく述べるように、燃料及び／又は空気がそれを通って流れることができるような複数の流体通路２２０を含む。流体通路２２０は、環状に配置された孔１３５と比べて比較的小さい。熱シールド１３６は、ドームプレート１３４の主要平坦面の１つと一体形であるか又は該主要平坦面の１つに固定取付けされる。熱シールド１３６は、ドームプレート１３４内の環状に配置された孔１３５の各々に固定取付けされたステム部分を有するカップ状であるのが好ましい。次ぎに図４を再び参照すると、熱シールド１３６は、燃焼室１２４に面した状態で下流方向に配向され、また全体を符号１４０で示したスワーラ−ミキサ組立体の環状配列が、その上流に配置される。熱シールド１３６は、内部主燃焼区域内で燃えている火炎から燃焼器ライナ１２２を隔離するための環状のエンドボデーを含む。

点火器１３８は、孔１３９及び孔１４１を通して燃焼器ケーシング１１２及びライナ１２２を貫通し、熱シールド１３６の下流に配置される。ドームプレート孔２２０と燃焼器ライナ孔１４２とは協働して、作動中にドームプレート孔２２０と燃焼器ライナ孔１４２とを通る空気流が、熱シールド１３６に対してほぼ垂直な角度で該熱シールド１３６の背面に直接衝突し、シールドの背面に衝突した空気流が、次に燃焼室１２４内の火炎の下流側の流体流と混合し、それによって当量比を低下させるための第２の手段を構成するようになる。

図７に一層明瞭に示すように、スワーラ−ミキサ組立体１４０は、プレート１６２の中心軸線の周りで半径方向に等距離で配置された、全体を符号１５４、１５６、１５８、１６０で表した４つの環状に配置されたスワーラ−ミキサ組立体を含む。図示したような４つの環状に配置されたスワーラ−ミキサ組立体が好ましいが、所望の燃焼パターンを得るために、その他の環状のスワーラ−ミキサ組立体構成も使用できる。各環状のスワーラ−ミキサ組立体は、それぞれ燃料ノズル１６４、１６６、１６８、１７０を含み、これらの燃料ノズルを燃料／空気混合気中の主燃料量を調節するように独立して作動させ、それによって例えば全速、全負荷、低負荷、低速、ターンダウンなどの異なる作動状態時における全ＮＯｘエミッションを低減させる手段を構成することができる。ノズル１６４、１６６、１６８、１７０を通しての燃料の供給により、主燃料供給システムが形成される。さらに、燃焼器組立体１０２は缶型燃焼器ライナを使用しているので、ＣＯ及びＵＨＣのエミッションは、アニュラ型燃焼器と比べて燃焼室１２４内での滞留時間が長いことにより、最少にすることができる。プレート１６２はさらに、スワーラ−ミキサ組立体１４０をケーシング１１２に固定するための貫通孔１７２を含む。

図８及び図９は、１つのスワーラ及びプレミキサ組立体（例えば、１５４、１５６、１５８、又は１６０）の平面図及び断面図を示す。各組立体は、その中で燃料と空気の均一な混合を可能にしかつ燃料／空気混合気を燃焼室１２４内に流すプレミキサカップ１７４を含む。各プレミキサカップ１７４は、中心体１７６と、内側スワーラ１７８と、外側スワーラ１８０と、上流側１８６から下流側１８８まで延びる対称軸線１８４とを含む。スワーラ−ミキサ組立体の下流には、シュラウド１８２、すなわち収束混合ダクトが配置される。例えば符号１６４で示したような燃料ノズルは、外側スワーラ１８０を収容した壁内の孔２２４と流体連通している。このようにして、以下において一層詳しく述べるように、半径方向にまた外側スワーラ１８０に対してほぼ垂直に、燃料を同時に噴射することができる。

各内側スワーラ１７８は、中心体１７６の半径方向外側で該中心体１７６に固定されており、内側スワーラ１７８は、前縁１９０と後縁１９２とを含む。この固定は、滑り嵌め、スポット溶接、エポキシ結合などを含む任意の手段によって行うことができる。各外側スワーラ１８０は、内側スワーラ１７８の半径方向外側で該内側スワーラ１７８に固定される。外側スワーラ１８０は、内側スワーラの前縁１９０が外側スワーラ１８０の前縁１９８から上流方向の距離１９４に位置するように取付けられる。さらに、外側スワーラ１８０を取付ける時、中心体１７６は、該中心体の前縁１９６が内側スワーラの前縁１９０とほぼ同一平面になりかつ外側スワーラの前縁１９８から上流方向の距離１９４に位置するように配置される。中心体１７６の最前部は、図に示すように円錐形状にするのが好ましい。

内側及び外側スワーラ１７８、１８０は、それぞれ各スワーラ内の流れが互いに逆方向に回転するように構成されるのが好ましい。ハブ２０４が、各内側スワーラ１７８を各外側スワーラ１８０から分離する。図８に一層明瞭に示すように、スワーラ１７８、１８０は、典型的にはそれぞれ外側旋回ベーン２００及び内側旋回ベーン２０２を有し、これら各旋回ベーンは、スワーラ−ミキサ組立体の中心を通る長手方向軸線１８４に対して約４０°〜約６０°の範囲内の角度を成している。内側スワーラ１７８及び外側スワーラ１８０内を流れる空気質量の比は、典型的には約１：３である。この空気質量比は、スワーラ１７８、１８０の下流のシュラウド１８２内での燃料と空気の効果的な混合（上述した二重反転旋回により）をもたらし、さらに燃焼器内における適切な火炎安定性にとって十分な残留旋回（外側スワーラのより高い空気質量分に対応する）をも有するようにする。

中心体１７６は、直線的な円筒形セクションとすることができ、或いはそれに代えて上流端から下流端まで表面がほぼ一様に収束する形状のセクションとすることもできる。中心体１７６は、組立体の対称軸線１８４と同軸に配置されるのが好ましい。前述したように、中心体の前縁は、空気流のために円錐形状であるのが好ましい。１つの実施形態では、中心体１７６は、プレミキサカップ１７４内に鋳造され、シュラウド１８２の下流端の直前で終端するような寸法にされる。任意選択的に、中心体１７６は、二重燃料能力を与えるための液体燃料供給システム（図示せず）を収容することができる。

シュラウド１８２は、図に示すように該シュラウド１８２の前端からドームプレート１３４まで一様に先細になっており、該シュラウド１８２の内部における流速を増大させる環状テーパ壁２０８を含むのが好ましい。シュラウド１８２は収束しているので、該シュラウド１８２の内部を流れる燃料／空気混合気は加速され、このことが、シュラウド１８２内に境界層が蓄積するのを最少にし、従ってこれに起因するフラッシュバックを最少にするのを助ける。シュラウド１８２はさらに、該シュラウドの周りで半径方向に配置された燃料プレナム２１０を含む。シュラウド１８２内には、プレナム２１０から燃焼室１２４まで延びる複数の燃料通路２０６が形成される。この特定の構成では、各スワーラ−ミキサ組立体は、８つのそのような燃料通路を含む。燃料プレナム２１０と該燃料プレナム２１０から延びる燃料通路２０６とは、例えば符号２１６で示したような二次燃料ノズルと流体連通して、二次燃料システムを形成する。

図１０は、燃焼器組立体１０２の一部分の拡大断面図であって、二次燃料供給システムと、熱シールド１３６の背面に空気を衝突させるためのそれぞれドームプレート１３４及びライナ１２２内の孔１４２及び２２０とを一層明瞭に示している。さらに、図１０は、ドームプレート１３４に形成した凹部内に捕捉されたＬ字形フェルール２１６を示す。フェルール保持部材２１８は、フェルール２１６の移動を可能にするように該フェルールを保持するのが好ましい。ドームプレート１３４とシュラウド１８２を形成する外壁との間でフェルール２１６が移動することにより、流体通路１３２と流体連通した調節可能な流体通路２１４を形成しながら、これらの構成部品間の相対的な運動を可能にする。このようにして、流体通路１３２を通って流れる例えば空気のような流体は、フェルール２１６の移動により制御される通路によって、燃焼領域内に流入することができる。

燃料マニホールドシステム（図示せず）は、燃料ノズル（すなわち、本明細書に記載した主システムの燃料ノズル１６４、１６６、１６８、１７０と、二次システムの燃料ノズル２１２、２１４、２１６、２１８）を介して主及び二次燃料供給システムと流体的に連通している。前述したように、主燃料供給システムは、外側スワーラ１８０に対してほぼ垂直に燃料を供給する。二次燃料供給システムは、シュラウド１８２内に形成された流体通路２０６とプレナム２１０とを介して燃料を供給する。逆流空気は、主に流体通路１３２を通って燃焼器組立体１０２内を流れる。二次空気は、流体通路２１４を通って流れる。主及び二次燃料供給システムの各々は、独立して制御されるのが好ましい。任意選択的に、様々なスワーラ−ミキサ組立体のための主及び二次燃料供給システムの一部分は、独立して制御される。このようにして、スワーラ−ミキサ組立体の全て又は一部分は、異なる火炎温度を個別的に達成できるように、異なる当量比で作動させることができる。その結果、全速及び全負荷状態を含む異なる負荷におけるエミッションを制御することが可能になる。

一般的にマニホールドシステムは、燃料源（図示せず）と上述した様々な燃料ノズルとの間で延びる複数の燃料導管を含む。例えば、燃料ノズル１６４等は、外側スワーラ１８０と連通して主燃料供給システムの一部分を形成する。主燃料供給システムは、それぞれ側壁孔２２４を介して、燃料を半径方向に外側スワーラ１８０内に噴射する。シュラウド１８２は、複数の孔１４２を介して（かつフェルール２１６によって調節されて）拡散火炎状態で燃料を供給する二次燃料供給システムを有する。燃料ノズル２１６は、マニホールドと連通して、シュラウド１８２によって形成された流体通路２０６内に燃料を注入する。主及び二次燃料供給システムは、総合燃料流が一定の火炎温度に必要な当量比に合致するように、変化させることができる。有利なことには、スワーラ−ミキサ組立体（１５４、１５６、１５８、１６０）の各々を異なる当量比で作動させて、燃焼器当たりの規制値に適合するエミッションを発生しかつ作動安定性及び低燃焼ダイナミックスを達成するようにすることができる。点火は、燃焼器内で点火器１３８によって達成される。特定のガスタービンエンジンにおいて複数の燃焼室を必要とする場合には、当業者には公知の通常の方式でクロスファイア管を使用することができる。

作動中、加圧空気は、エンドキャップ１２０に向かう逆方向流又は順方向流で導かれ、加圧空気は、プレミキサ１５４、１５６、１５８、１６０を通る燃焼空気と、孔２２０及び１４２を通るドームプレート１３４及び熱シールド１３６衝突空気と、孔１４４を通る希釈空気とに分割される。ドームプレート及び熱シールド衝突空気は、空気流に対してほぼ垂直な角度で熱シールド１３６の背面に衝突し、さらに下流で燃焼ガスと混合する。燃焼空気は、例えばそれぞれ符号１７８及び１８０で示したような内側及び外側スワーラによって予混合燃料と予混合されて、火炎前面に供給される。シュラウド１８２は、シュラウド先端の多数の孔を介して拡散火炎状態でパイロット燃料を供給する二次燃料回路を有する。２つの燃料供給システムは、独立して作動しかつ独立して制御されるのが好ましい。一定の火炎温度に対して、総合燃料流が所要の当量比に合致するように、各スワーラ−ミキサ組立体は独立して作動させることができる。従って、各スワーラ−ミキサ組立体（図には４つ示す）は、燃焼器当たりの規制値に適合するエミッションを発生しかつ作動の安定性と低ダイナミックスを達成するように、異なる当量比で作動させることができる。残りの空気（希釈空気）は、通常高温度で起こるＮＯｘエミッションを最少にするような熱移動のために孔１４４に向けて導かれる。

燃焼器組立体１０２に供給される燃料／空気混合気は燃料を完全燃焼させるために必要なよりも多くの空気を含んでおり、また空気は燃焼に先立って燃料と混合されるから、この燃焼器はリーン予混合燃焼器である。従って、燃焼器のための燃料／空気混合気の当量比は、１以下であるのが好ましい。

以下の実施例は、本発明の幾つかの実施形態を説明するために示すものである。この実施例は、如何なる観点においても本発明を限定することを意図するものではない。

実施例１
この実施例では、本発明による缶型燃焼器を使用した図３に示すタービンにおいて、エミッションをモニタした。マイクロタービンの全速及び全負荷（ＦＳＦＬ）作動時に、燃焼器ライナ全体にわたる様々な点においてエミッションをモニタした。図１１にグラフで示すように、ＮＯｘエミッションは、燃焼器ライナ全域にわたって約３ｐｐｍよりも低かった。缶型燃焼器内での滞留時間は、アニュラ型燃焼器と比べて比較的長いが、缶型燃焼器内で使用した独立して作動するプレミキサは、最小ＮＯｘエミッション及び最小動圧変動になるような安定かつ強力な処理を行った。ＦＳＦＬにおける一酸化炭素のレベルは、燃焼器ライナ全体にわたって平均約１０ｐｐｍ以下であった。低負荷及び／又は低温作動時には、小形の火炎構造と長い燃焼器内滞留時間とにより、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃焼炭化水素のレベルは最小になると予測される。

典型的な実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を加え、また実施形態の要素を均等物で置換え得ることは、当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に合わせるように、多くの変更を加えることも可能である。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

従来技術の缶型燃焼器の側面断面図。 従来技術のアニュラ型燃焼器の側面破断斜視図。 熱回収式マイクロタービンの斜視図。 本発明による逆流式缶型燃焼器の断面図。 燃焼器ライナの側面図。 ドームプレート−熱シールド組立体の斜視図。 缶型燃焼器に使用するスワーラ−プレミキサ組立体の平面図。 １つのスワーラ−ミキサの平面図。 １つのスワーラ−ミキサの断面図。 二次燃料供給ステムと熱シールドを冷却するための空気衝突通路とを示す拡大断面図。 図３のマイクロタービンの全速全負荷時における燃焼器ライナ全体にわたるＣＯ及びＮＯｘエミッションを示すグラフ。

符号の説明

１０２ 逆流式缶型燃焼器組立体
１１２ 燃焼器ケーシング
１２０ エンドキャップ
１２２ 燃焼器ライナ
１２４ 燃焼室
１３０ 遷移部品
１３２ 流体通路
１３４ ドームプレート
１３５ ドームプレートの孔
１３６ 熱シールド
１３８ 点火器
１４０ スワーラ−ミキサ組立体
１４２ 燃焼器ライナの孔
１４４ 燃焼器ライナの希釈孔

Claims (10)

1. ガスタービン用の逆流式燃焼器（１０２）であって、
   一端部に配置されたエンドキャップ（１２０）とガスタービンに流体連通した開放端部とを含む円筒形状の燃焼器ケーシング（１１２）と、
   内部に燃焼室（１２４）を画成しかつ外部に前記ケーシング（１１２）との間で逆流流体通路（１３２）を形成するように該ケーシング（１１２）内に配置された円筒形燃焼器ライナ（１２２）と、
   前記燃焼室（１２４）の上流に配置されておりかつ環状に配置されたスワーラ−ミキサを含み、前記環状に配置されたスワーラ−ミキサの各々が、中心体（１７６）と、前記中心体（１７６）に取付けられた内側スワーラ（１７８）と、前記内側スワーラ（１７８）に取付けられた外側スワーラ（１８０）と、該スワーラ−ミキサの各々と前記燃焼室（１２４）との間で延びる環状テーパ壁（２０８）を備えたシュラウド（１８２）とを含む、スワーラ−ミキサ組立体（１４０）と、
   前記燃焼室（１２４）と前記スワーラ−ミキサ組立体（１４０）との間に介在させたドームプレート（１３４）と、
   ４つのスワーラ−ミキサの各々と流体連通した燃料源を含み、燃料を半径方向に前記外側スワーラ（１８０）内に噴射するようになった主燃料供給システムと、
   前記シュラウド（１８２）の環状テーパ壁（２０８）内に流体通路（２０６）を含み、前記流体通路（２０６）が燃料源と流体連通している二次燃料供給システムと、を含み、
   前記主及び二次燃料供給システムは、前記スワーラ−ミキサの各々に対して独立して制御することができる、
   逆流式燃焼器（１０２）。
2. 前記ドームプレート（１３４）が、該ドームプレートに取付けられた熱シールド（１３６）をさらに含み、前記熱シールド（１３６）が環状のエンドボデーを含む、請求項１記載の逆流式燃焼器（１０２）。
3. 前記ドームプレート（１３４）が、ガスタービンの作動中に前記熱シールド（１３６）の背面に衝突する空気流を供給するための複数の流体孔（２２０）をさらに含む、請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の逆流式燃焼器（１０２）。
4. 前記円筒形燃焼器ライナ（１２２）が、主燃焼区域の周りにガスタービンの作動中に前記熱シールド（１３６）の背面に衝突する空気流を供給するための複数の孔（１４２）を含む、請求項１から請求項３のいずれか一項記載の逆流式燃焼器（１０２）。
5. 前記内側スワーラ（１７８）及び外側スワーラ（１８０）の各々が、互いに逆方向回転している、請求項１から請求項４のいずれか一項記載の逆流式燃焼器（１０２）。
6. 前記シュラウド（１８２）が、燃料源から燃料を導入するための燃料ノズル（２１２）に流体連通したプレナム（２１０）を含み、前記プレナム（２１０）が、前記シュラウド（１８２）の環状テーパ壁（２０８）内の流体通路（２０６）と流体連通していいる、請求項１から請求項５のいずれか一項記載の逆流式燃焼器（１０２）。
7. 複数のスワーラ−ミキサ組立体（１４０）を含む缶型燃焼器を使用したガスタービンにおけるＮＯｘエミッションを低減する方法であって、
   主燃料供給システムが他のスワーラ−ミキサ組立体（１４０）とは異なる燃料対空気当量比で作動するように少なくとも１つのスワーラ−ミキサ組立体（１４０）のスワーラ（１８０）内に燃料を噴射するように、前記複数のスワーラ−ミキサ組立体（１４０）のうちの少なくとも１つに対して該主燃料供給システムを独立して作動させる段階と、
   二次燃料供給システムが前記複数のスワーラ−ミキサ組立体（１４０）の各々を囲むシュラウド（１８２）内に配置された孔（２０６）を介して燃焼室（１２４）に燃料を噴射するように、前記複数のスワーラ−ミキサ組立体（１４０）の各々に対して該二次燃料供給システムを作動させる段階と、
   を含む方法。
8. 主燃料供給システムを作動させる段階が、前記複数のスワーラ−ミキサ組立体（１４０）のスワーラ（１８０）の各々を通る流体の流れに対してほぼ垂直な角度で該複数のスワーラ−ミキサ組立体（１４０）内に燃料を噴射する段階を含む、請求項７記載の方法。
9. 前記複数のスワーラ−ミキサ組立体（１４０）に取付けられたドームプレート（１３４）内に形成された孔（２２０）及び燃焼器ライナ（１２２）内に形成された孔（１４２）を通して、前記ドームプレート（１３４）に取付けられた環状のエンドボデーを備えた熱シールド（１３６）に対してほぼ垂直な角度で空気を流す段階をさらに含む、請求項７及び請求項８のいずれか一項記載の方法。
10. 前記少なくとも１つスワーラ−ミキサ組立体（１４０）の各々が、異なる火炎温度で作動する、請求項７から請求項９のいずれか一項記載の方法。

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