JP5330693B2 - 燃料フレキシブルな三重反転スワーラ及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、総括的には燃焼器に関し、より具体的には、低エミッション燃焼プロセスにおいて用いるための希薄予混合燃焼器の燃料フレキシブルな燃料−空気ミキサに関する。

歴史的に、燃料からのエネルギーの取り出しは、燃焼器内で拡散制御式（非予混合式とも呼ばれる）燃焼として実行されてきており、その場合には、反応物質が最初は分離されており、反応は燃料と酸化剤との間の界面でのみ起こり、界面では混合及び反応の両方が発生する。そのような装置の実施例には、それに限定されないが、幾つかの例を挙げると航空機用ガスタービンエンジン、並びに発電、舶用推進、ガス圧縮、コジェネレーション及び海上作業台船動力における用途用の航空転用ガスタービンが含まれる。そのような燃焼器を設計する際には、技術者は、燃焼器の全体寸法を維持又は減少させ、最大作動温度を上昇させかつ比エネルギー放出率を増大させる継続的要求だけでなく、規制汚染物質の形成及びこれらの環境内への排出（エミッション）を低減する絶え間なく拡大する要求にも挑戦している。関心のある主要な汚染物質の実例には、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼及び部分燃焼炭化水素、並びに二酸化炭素（ＣＯ_２）などの温室効果ガスが含まれる。燃焼が発生している間における流体力学的混合、局所化学量論的燃焼と関連するピーク温度、高温を有する領域内での滞留時間、及び酸素利用率への依存のために、流れ内の局所的組成変動を制御するのは困難であるので、拡散制御式燃焼器は、所望の高性能レベルを維持しながら現在及び将来のエミッション要件を満たす能力には限界がある。

近年では、望ましくない汚染物質の排出レベルをさらに低減するために、希薄予混合燃焼器が用いられている。これらの燃焼器では、燃焼器内でのあらゆる有意な化学反応の発生に先立って、適量の燃料及び酸化剤が燃料−空気ミキサの使用によって混合チャンバ又は領域内で十分に混合され、従って当技術分野で公知の拡散制御式燃焼器及びその他の燃焼器の上述した困難性を制御するのを可能にする。従来型の予混合バーナの燃料−空気ミキサは、混合ダクトの上流端部に略隣接して配置されて空気ストリームに旋回を与えるようになった内側及び外側反転スワーラの組を組み込んでいる。そのような装置内に燃料を噴射する様々な方法が知られており、それらの方法には、シュラウド内の燃料マニホルドと流体連通状態になった内部空洞を備えた中空ベーンを含むことができる内側及び／又は外側環状スワーラに第１の燃料を供給する段階、及び／又は第２の燃料プレナムと流体連通した中心体壁内の複数のオリフィスによって混合ダクト内に第２の燃料を噴射する段階が含まれる。そのような装置では、圧縮器からの高圧空気はスワーラを通して混合ダクト内に流入して極度に強い剪断領域を形成し、また燃料は外側スワーラベーン通路及び／又は中心体オリフィスから横ジェット流として混合ダクト内に噴射されて、高圧空気と燃料とが混合された後に、燃料−空気混合気が混合ダクトの下流端部から燃焼器内に送給されかつ点火されるようになる。それに限定されないが、希薄予混合燃焼器内で使用するために選択した燃料は、天然ガスである。

規制汚染物質の排出レベルをさらに低減できる燃焼器に加えて、燃料フレキシビリティを有する希薄予混合燃焼器技術が益々重要さを増している。エネルギー需要と天然ガス価格が世界中で上昇し続けているから、発電プラントのオペレータは、代替燃料、特に石炭のような豊富でかつ廉価な天然資源から得られた燃料を求め続けている。それに限定するわけではないが、例えば最新式燃焼システムを備えた統合型ガス化複合サイルル技術（ＩＧＣＣ）における最近の関心事について考察すると、この技術において、クリーンで効率的かつコスト効果がある石炭ベース発電システムは、一層高レベルの効率を達成しながら、同時に規制汚染物質の現在の排出レベルに一致するか或いはそれに優るレベルで排気ガスを放出することを示した。ＩＧＣＣユニットの有利な特徴の１つは、合成燃料ガス（シンガスとしても知られている）の燃焼であり、このシンガスは、石炭またその他の原料のガス化プロセスにより得られた、一酸化炭素及び水素が豊富なガスである。それにも拘わらず、現存するプラントの大きな初期資本コスト及びフレキシビリティを維持する必要性を考えると、天然ガス、シンガス又はこれら両ガスの混合物を燃焼させることができる希薄予混合燃焼器が望ましい。しかしながら、天然ガス又はその他のいずれかの高エネルギー含有量燃料を燃焼させるように設計された従来型の燃焼器は、それに限定されないが、所定の火炎温度と同時に総圧力降下を得るための燃空比及び当量比、燃料噴射速度、並びに所定の総燃料流有効面積における燃料流マッハ数のような幾何学形状及び作動パラメータにおける大きな変更を必要とするので、同一レベルの性能及び汚染物質形成を維持した状態でシンガス又はその他いずれかの低エネルギー含有量燃料を燃焼させることができない。
米国特許第５３５１４７７号明細書 米国特許第５２５１４４７号明細書 米国特許第５１６５２４１号明細書

従って、エネルギー出力、総合効率、作動性及び汚染物質形成に関して現在の性能レベルを維持するか又はそれを越えながら、高エネルギー含有量燃料及び／又は低エネルギー含有量燃料を燃焼させるフレキシビリティを有する希薄予混合燃焼器内で使用するための燃料−空気ミキサに対する必要性が存在する。そのような努力は、究極的にはエネルギー生産を水素ベースの経済性に変換することを目標としたガスタービン燃焼器の開発における前向きの前進である。

当技術分野で公知の上記に要約した必要性及びその他の１以上は、燃料−空気ミキサによって解決され、本燃料−空気ミキサは、環状シュラウドと、中心体と、中心体の外表面の周りに配置された内側スワーラと、軸方向に延びてそれらの間にギャップを形成する内側及び外側シュラウドによって形成されたアニュラス、少なくとも１つの燃料入口、並びにその下流部分において内側及び外側シュラウド間に形成されたギャップ内に配置された燃料プレナムスワーラを有し、内側シュラウドが内側スワーラの周りで円周方向に配置された燃料プレナムと、燃料プレナムの外側シュラウドの周りに配置された外側スワーラと、外側スワーラの半径方向外側でかつ環状シュラウドの周りで円周方向に配置され、外側スワーラと流体連通した燃料シュラウドとを含み、内側及び外側スワーラは、環状シュラウドに流入する第１の酸化剤ストリームのそれぞれ第１及び第２の部分の独立した回転を可能にするように構成される。

開示した本発明の別の態様では、ガスタービンを開示しており、本ガスタービンは、圧縮器と、圧縮器と流体連通して燃料及び空気の予混合した混合気を燃焼させる燃焼器と、燃焼器の下流に設置されて燃焼器から流出する高温ガスストリームを膨張させるタービンとを含む。そのようなガスタービンの燃焼器は、燃料−空気ミキサを有し、燃料−空気ミキサは、環状シュラウドと、中心体と、中心体の外表面の周りに配置された内側スワーラと、軸方向に延びてそれらの間にギャップを形成する内側及び外側シュラウドによって形成されたアニュラス、少なくとも１つの燃料入口、並びにその下流部分において内側及び外側シュラウド間に形成されたギャップ内に配置された燃料プレナムスワーラを有し、内側シュラウドが内側スワーラの周りで円周方向に配置された燃料プレナムと、燃料プレナムの外側シュラウドの周りに配置された外側スワーラと、外側スワーラの半径方向外側でかつ環状シュラウドの周りで円周方向に配置され、外側スワーラと流体連通した燃料シュラウドとを含み、内側及び外側スワーラは、環状シュラウドに流入する第１の酸化剤ストリームのそれぞれ第１及び第２の部分の独立した回転を可能にするように構成される。

開示した本発明の別の態様では、気体液体化システムを開示しており、本気体液体化システムは、空気から酸素を分離するように構成された空気分離ユニットと、天然ガスを調製するようになったガス処理ユニットと、高温及び高圧で酸素を天然ガスと反応させて一酸化炭素及び水素ガスの豊富なシンガスを生成するようになった燃焼器と、燃焼器と流体連通していてシンガスから仕事を取り出しかつシンガスを急冷するようになったターボ膨張器とを含む。そのような気体液体化システムの燃焼器は、燃料−空気ミキサを含み、燃料−空気ミキサは、環状シュラウドと、中心体と、中心体の外表面の周りに配置された内側スワーラと、軸方向に延びてそれらの間にギャップを形成する内側及び外側シュラウドによって形成されたアニュラス、少なくとも１つの燃料入口、並びにその下流部分において内側及び外側シュラウド間に形成されたギャップ内に配置された燃料プレナムスワーラを有し、内側シュラウドが内側スワーラの周りで円周方向に配置された燃料プレナムと、燃料プレナムの外側シュラウドの周りに配置された外側スワーラと、外側スワーラの半径方向外側でかつ環状シュラウドの周りで円周方向に配置され、外側スワーラと流体連通した燃料シュラウドとを含み、内側及び外側スワーラは、環状シュラウドに流入する第１の酸化剤ストリームのそれぞれ第１及び第２の部分の独立した回転を可能にするように構成される。

燃焼システム内で高エネルギー含有量燃料又は低エネルギー含有量燃料と酸化剤とを予混合する方法もまた、開示した本発明の実施形態の技術的範囲内であり、そのような方法は、その酸化剤入口を通して第１の酸化剤ストリームを燃料−空気ミキサの環状シュラウド内に取り込む段階と、外側スワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第１の部分を第１の方向に旋回させる段階と、内側スワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第２の部分を第２の方向に旋回させる段階と、外側スワーラ内の燃料入口オリフィスと流体連通した燃料シュラウドから燃料−空気ミキサ内に高エネルギー含有量燃料を噴射する段階、又は軸方向に延びてそれらの間にギャップを形成する内側及び外側シュラウドによって形成されたアニュラス、その上流部分に配置された少なくとも１つの燃料入口並びにその下流部分において内側及び外側シュラウド間に形成されたギャップ内に配置された燃料プレナムスワーラを含み、その内側シュラウドが内側スワーラの外側円周方向端部部分の周りで円周方向に配置された燃料プレナムから、燃料−空気ミキサ内に低エネルギー含有量燃料を噴射する段階とを含む。

上記の簡単な記述は、以下に続く本発明の詳細な説明をより良好に理解することができるようにするために、また当技術分野に対する本発明の貢献をより良好に理解することができるようにするために本発明の特徴を記載している。勿論、以下に記載し、また提出した特許請求の範囲の主題になることになる本発明の他の特徴も存在する。

この点に関して、本発明の幾つかの好ましい実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、本発明の適用において、以下の説明に記載し又は図面に示した構造の詳細及び部品の配置に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態についても可能であり、また様々な方法で実用化しかつ実施することができる。また、本明細書で使用した専門語及び術語は、説明のためのものであって、限定と見なすべきではないことを理解されたい。

従って、開示事項が基にしている概念は、本発明の幾つかの目的を実行するような他の構造、方法及びシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることは、当業者には分かるであろう。従って、本特許請求の範囲は、そのような構成が本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱しない限りにおいて、それら均等の構成を含むと見なすことが重要である。

さらに、記載した要約書の目的は、米国特許商標局及び国民全体、特に特許又は法律用語或いは専門語に精通していない当技術分野の科学者、技術者及び専門家が本出願の技術的開示事項の性質及び本質を一瞥して速やかに判断することができるようにすることである。従って、要約書は、特許請求の範囲のみによって判定される本発明又は本出願を定めることを意図するものでもないし、またいずれにしても本発明の技術的範囲を限定することを意図するものでもない。

本発明のより完全な理解及び本発明の付随的利点の多くは、以下の詳細な説明を参照しながら添付の図面と関連して検討することにより一層良好に理解されるようになるので、容易に把握されるであろう。

図面では図全体にわたって同じ参照番号が同一又は対応する部品を示しており、次にこの図面を参照して、開示した幾つかの燃料−空気ミキサの実施形態を説明することにする。以下に続く説明では、ガスタービンで用いる開示した燃料−空気ミキサの例示的な実施形態を使用することにする。それにも拘わらず、この同一の燃料−空気ミキサは、主として燃料及び酸化剤の予混合によって燃焼が制御される他の用途においても用いることができることは、当業者には容易に分かるであろう。

図１は、作動中に高圧空気を低エミッション燃焼器１２に供給する圧縮器１４を有するガスタービン１０を示している。燃焼器１２内に噴射された燃料の空気（又は別の酸化剤）との燃焼の後に、高圧の高温燃焼ガスが、燃焼器１２から流出しかつタービン１６を通って膨張し、タービン１６は、シャフト１８を介して圧縮器１４を駆動する。当業者には分かるように、空気又は空気流に対する本明細書での説明はまた、それに限定されないが、純酸素又は２１体積％よりも少ない（例えば、１０体積％の）酸素含量を有する低質空気流を含むあらゆるその他の酸化剤を意味する。１つの実施形態では、燃焼器１２は、カン型燃焼器を含む。別の実施形態では、燃焼器１２は、カン−アニュラ型燃焼器又は単にアニュラ型燃焼器を含む。用途に応じて、燃焼ガスは、推力を生成するためにノズル（図示せず）内でさらに膨張させることができ、或いはガスタービン１０は、外部負荷を駆動するために燃焼ガスから付加的エネルギーを抽出する付加的タービン（図示せず）を有することができる。図１に示すように、燃焼器１２は、燃焼区域を形成する燃焼器ハウジング２０を含む。加えて、以下にさらに説明しかつ図２−５に示すように、燃焼器１２は、燃焼区域内での燃焼に先立って、加圧空気及び燃料を混合するための燃料−空気ミキサを含む。

図２は、図１のガスタービン１０内で使用する低エミッション燃焼器２２の例示的な構成を示している。この図示した実施形態では、燃焼器２２は、単一の燃料−空気ミキサを有するカン型燃焼器を含むが、用途及び所望の出力に応じて複数のミキサもまた、所定の燃焼器カン内で使用できることが当業者には分かるであろう。燃焼器２２は、燃焼器ケーシング２４と燃焼器ケーシング２４内に配置された燃焼器ライナ２６とを含む。燃焼器２２はまた、ドームプレート２８と、燃焼器壁の温度を低下させるように構成された熱シールド３０とを含む。さらに、燃焼器２２は、燃焼に先立って酸化剤及び燃料を予混合するための燃料−空気ミキサ３２を含む。１つの実施形態では、燃料−空気ミキサ３２は、水素のような燃料を使用する用途の場合には、燃焼器２２内に段階的な燃料導入を達成するように配列することができる。作動中に、燃料−空気ミキサ３２は、空気流３４を受け、空気流３４は、燃料プレナムから燃料−空気ミキサ３２内に導入された燃料と混合される。その後、空気−燃料混合気は、燃焼器２２内の火炎３６で燃焼される。図示するようにケーシング２４内にはまた、希釈又は冷却孔３８を設けることができる。

図３は、図１のガスタービン１０内で使用する低エミッション燃焼器４０の別の例示的な構成を示している。この図示した実施形態では、燃焼器４０は、単一の燃料−空気ミキサを有するアニュラ型燃焼器を含むが、しかしながら当業者には、用途及び所望の出力に応じて複数の円周方向に配置したミキサもまた、所定のアニュラ型燃焼器内で使用できることが分かるであろう。図示するように、内側ケーシング４２及び外側ケーシング４４は、燃焼器４０内に燃焼区域を形成する。加えて、燃焼器４０は一般的に、内側及び外側燃焼器ライナ４６及び４８とドーム５０とを含む。さらに燃焼器４０は、内側及び外側燃焼器ライナ４６及び４８に隣接して配置された内側及び外側熱シールド５２及び５４と空気流５８を燃焼区域内に向けるためのディフューザセクション５６とを含む。燃焼器４０はまた、燃焼区域の上流に配置された燃料−空気ミキサ６０を含む。作動中に、燃料−空気ミキサ６０は、燃料パイプ６２及び６４を介して燃料プレナムから燃料を受ける。さらに、燃料パイプ６２及び６４からの燃料は、流入空気流５８と混合され、燃焼用の燃料−空気混合気は、火炎６６に送給される。

図４は、本技術の態様による燃料−空気ミキサ７２を有する別の例示的な低エミッションアニュラ型燃焼器７０の部分断面図を示している。当業者には分かるように、アニュラ型燃焼器７０は、ガスタービンエンジン１０で用いるのに適したタイプの連続燃焼式燃焼装置であり、その中に燃焼チャンバ７６を形成した中空本体７４を含む。中空本体７４は、形状が略環状であり、外側ライナ４８と、内側ライナ４６と、ドーム端部又はドーム５０とを含む。図示するように、中空本体７４のドーム端部５０は、燃料−空気ミキサ７２に接続されて、得られた混合気の点火及び燃焼によって生じる汚染物質の形成を最少にした状態で燃料−空気ミキサ７２から燃焼チャンバ７６内への燃料−空気混合気の連続的な導入を可能にする。本明細書に記載した修正以外に、燃料−空気ミキサ７２は一般に、本発明の出願人と同一出願人の米国特許第５３５１４７７号、第５２５１４４７号及び第５１６５２４１号におけるミキサの形態を取ることになり、これら米国特許の内容は、参考文献としてその全体を本明細書に組み入れている。

図示するように、燃料−空気ミキサ７２は、内側スワーラ８０と外側スワーラ８２とを含む。内側及び外側スワーラ８０及び８２は、反転しているのが好ましい。当業者には分かるように、内側スワーラ８０又は外側スワーラ８２がそれらを通って流れる空気をどちらの方向に回転させるかは、一方のスワーラの回転の方向が他方の回転の方向と反対である限り問題ではない。内側及び外側スワーラ８０及び８２は、軸方向であるのが好ましいが、これらは、半径方向或いは軸方向及び半径方向の幾分かの組合せとすることができる。当業者には公知なように、内側及び外側スワーラ８０及び８２は、燃焼器の軸方向軸線Ａに対して約４０°〜約６０°変化する角度で配置されたベーンを有する。加えて、内側スワーラ８０を通って流れる空気の質量の外側スワーラ８２を通って流れる空気の質量に対する比率は、設計によって調節することができ、好ましくは略３分の１に等しくすることができる。

燃料−空気ミキサ７２はさらに、燃料入口８８を有しかつその上流端部においてミキサを円周方向に囲む燃料シュラウド８６と、燃料シュラウド８６の下流に配置された環状シュラウド９０とを含む。燃料シュラウド８６は、外側スワーラ８２のベーンと流体連通していてもよく、外側スワーラ８２から噴射される燃料は、従来から知られているような適切な燃料供給及び制御機構によって調量することができる。従って、外側スワーラ８２のベーンは、燃料シュラウド８６に接続された内部空洞と燃料を燃料シュラウド８６から燃料入口ポート１１２（図５に示す）を通して環状シュラウド９０内に噴射する燃料通路とを有する中空デザインのものであるのが好ましい。同様に従来から知られているように、図には示していないが、燃料通路は、内側スワーラ８０のベーンと流体連通した燃料シュラウド８６内に設けることができる。本発明の技術によると、燃料シュラウド８６は、燃料−空気ミキサ７２内に高エネルギー含有量燃料を噴射するように構成される。本明細書に開示するような高エネルギー含有量燃料は、３０〜１２０ＭＪ／ｋｇの低い発熱量を有する燃料である。そのような燃料の実施例には、それに限定されないが、天然ガス及び水素が含まれる。

図４にさらに示すように、低エネルギー含有量燃料プレナム８４は、内側及び外側スワーラ８０及び８２を互いに分離して、それら内側及び外側スワーラ８０及び８２が同心環状であり、それらに流入する空気を別個に回転させることを可能にする。低エネルギー含有量燃料プレナム８４は、それらの間にギャップ９８を備えた環状領域を形成する２つの同心管状部材９４及び９６を含む。燃料プレナム８４の上流端部１００には、燃料入口１０２が設けられる。燃料プレナム８４に導入された燃料は、燃料プレナム８４の下流端部１０６に配置された第３のスワーラ１０４を介して、最終的には燃料−空気ミキサ７２内に噴射される。第３のスワーラ１０４は、図示するように、内側及び外側スワーラ８０及び８２と略同一平面内にある。燃料−空気ミキサ７２はさらに、直線的円筒形セクション又は好ましくはその上流端部からその下流端部まで略一様に収束したセクションの形態として形成された中心体１０８を含む。中心体１０８は、環状シュラウド９０の下流端部１１０の手前で終端するような寸法にされるのが好ましい。

図５〜図７はさらに、図４の燃料−空気ミキサ７２を示す図である。図５は、斜視図であり、燃料−空気ミキサ７２内に高エネルギー含有量燃料を導入するための燃料噴射オリフィス１１２を一層よく示している。図５はまた、燃料プレナム８４内に低エネルギー含有量燃料を導入するための燃料入口１０２の１つの実施形態を示している。他の実施形態では、燃料プレナム８４は、燃料−空気ミキサ７２内への一層均一な燃料噴射プロセスを促進するために、燃料プレナム８４の周りに円周方向に配置された複数の燃料入口１０２を含むことができ、或いは低エネルギー含有量燃料のための別個の円錐形燃料プレナムを設けることができる。本明細書に開示するような低エネルギー含有量燃料は、３０ＭＪ／ｋｇよりも小さい低発熱量を有する燃料である。そのような燃料の実施例には、それに限定されないが、Ｈ_２及びＮ_２の６０／４０又は５０／５０混合物、及びシンガスが含まれる。図６及び図７は、図４の燃料−空気ミキサ７２のそれぞれ平面図（下流から上流に向って見た）及び底面図（上流から下流に向って見た）であり、外側スワーラ８２、第３のスワーラ１０４（図６）、内側スワーラ８０、燃料プレナム８４の上流端部１００（図７）及び中心体１０８の相対的位置を示している。

燃料シュラウド８６から内側スワーラ８０及び／又は外側スワーラ８２のベーンを通して噴射される高エネルギー含有量燃料のための入口ポートの有効面積、と第３のスワーラ１０４とが高エネルギー並びに燃料プレナム８４から低エネルギー含有量燃料を噴射するための第３のスワーラ１０４の有効出口面積は、所定の火炎温度を得るための燃空比及び当量比の所定の設計限界値における燃料噴射プロセス、燃料噴射速度及び燃料流量マッハ数に関連した総圧力降下を最小にするような方法での燃料−空気ミキサの作動を可能にし、それによって低エネルギー含有量燃料、高エネルギー含有量燃料及び／又はこれら両燃料の組合せで燃料−空気ミキサ７２を作動させるのを可能にするように選択される。加えて、内側及び外側スワーラ８０及び８２の両方並びに第３のスワーラ１０４の高エネルギー含有及び／又は低エネルギー含有量燃料を適切に混合する能力により、燃料−空気ミキサ７２又は環状シュラウド９０内におけるフラッシュバック又は保炎が最少なる及び／又は排除されることになることは、当業者には分かるであろう。

下の表Ｉには、５つの異なるタイプの燃料についての燃料−空気ミキサのパラメータ変化の一例を示しており、この表Ｉは、５つの異なる燃料についての所定の燃料圧力降下及び２５００°Ｆ（１３７１℃）の火炎温度を得るための当量比、燃料質量流量、有効面積、有効面積における％増加、並びに燃料噴射速度及びマッハ数を表で示している。表Ｉに示した結果の中で、有効面積の％増加は、天然ガスの場合の有効面積に対するものであり、つまり例えば天然ガス及び純水素の場合の有効面積は、それぞれ０．０１５ｉｎ^２及び０．０１８ｉｎ^２であるので、天然ガスの場合の有効面積における％増加は、ゼロであり、また水素の場合の有効面積における％増加は、１７．８（つまり、１７．８＝［｛（０．０１８−０．０１５）／０．０１５｝＊１００］）である。当業者には分かるように、有効面積における％増加は、Ｎ_２のほかに、それに限定されないが、数例を挙げるとＣＯ^２、蒸気のような水分、ＣＯなどのようなその他のガスが燃料内に存在しがちであることを考えると、表Ｉに示された値から変化する可能性がある。

表Ｉに示すように、低エネルギー含有量燃料がＨ_２及びＮ_２の６０／４０又は５０／５０混合物である場合には、燃料プレナム８４の有効面積は、２５００°Ｆ（１３７１℃）の火炎温度を得るためには、高エネルギー含有量燃料を噴射するための燃料シュラウド８６の入口ポートの有効面積よりもそれぞれ約４．６７倍及び７．１３倍大きくすべきである。シンガスの場合には、燃料プレナム８４の有効面積は、燃料シュラウド８６の入口ポートの有効面積よりも約１２倍大きくすべきである。純Ｈ_２の場合には、燃料シュラウド８６の入口ポートの有効面積は、高エネルギー含有量燃料として天然ガスを使用する時のその有効面積よりも約１．７８倍大きい。純水素を含むＨ_２含有燃料の場合には、水素の質量流量は、０．０１２〜０．０１５ｌｂｍ／ｓｅｃでのみ変化し、これは考察した異なる燃料について、（１）水素質量流量は、同程度の大きさであり、（２）水素のみが噴射される場合、燃料噴射孔における圧力降下は、全ての燃料について同じ範囲内にあることになり、また（３）水素及びその他の混合物（Ｎ_２又はN_２／ＣＯ）は、許容可能な圧力損失での燃料フレキシビリティを得るために、別々に噴射しかつ後で燃料−空気ミキサ内で空気と混合することができることを示している。

２０００°Ｆ〜３０００°Ｆ（つまり、１０９３℃〜１６４９℃）の範囲にある火炎温度を得るために、Ｈ_２及びＮ_２の６０／４０又は５０／５０混合物低エネルギー含有量燃料の場合の燃料プレナム８４の有効面積の範囲は、高エネルギー含有量燃料としての天然ガスを噴射するための燃料シュラウド８６の入口ポートの有効面積よりも、それぞれ約４．２〜４．６倍及び６．４３〜８．５７倍大きい。シンガスの場合には、同一の火炎温度範囲を得るためには、燃料プレナム８４の有効面積は、燃料シュラウド８６の入口ポートの有効面積の約１０．８２〜１４．４３倍大きい範囲にすべきである。純水素の場合には、燃料シュラウド８６の入口ポートの有効面積の範囲は、指定範囲内の火炎温度を得るために、高エネルギー含有量燃料として天然ガスを使用する時のその有効面積よりも約１．６倍〜約２．１４倍大きい。

シンガスを用いて作動させる難しさは、天然ガスと同じ燃焼速度を得るために必要な高い体積流量と関係している。このような状況では、燃料流れ面積は、シンガスの組成に基づいて１０〜１５倍だけ拡大させる必要がある。加えて、シンガスのウォッベ指数は、天然ガスのウォッベ指数よりも大幅に低い。使用中に、燃料−空気ミキサ７２は、内側及び外側二重反転空気スワーラ８０及び８２の使用により、ヘリカルスワーラ１０４を介して導入されたシンガスのような低エネルギー含有量燃料を剪断して、燃料−空気混合気が旋回運動状態で燃焼チャンバプレナムに送給される前に、内側及び外側スワーラを通って流れる空気と適切に混合するのを保証する。

図示していないが、その他の実施形態では、環状シュラウド９０を形成する壁は、環状シュラウド９０の外部からの加圧空気と流体連通した１以上の空気通路を含み、空気が環状シュラウド９０の内部に流れるのを可能にして、環状シュラウド９０の内表面に沿って位置した空気及び燃料の境界層を活発化させるようにすることができることが、当業者には分かるであろう。これらの空気流通路は、燃料が燃料−空気ミキサ７２内に噴射される方式又は燃料と空気が燃料−空気ミキサ７２内でどのように混合されるかに拘わりなく設けることができる。その理由は、そのような空気通路によって供給される空気は、環状シュラウド９０の内側環状表面に沿った境界層を活発化させるのに有効であり、また環状シュラウド９０内における空気の前方向速度を増加させるからである。さらに、空気はまた、境界層内におけるあらゆる燃料の濃度を希釈し、従って火炎速度を低減する作用を有し、このこと全てが、環状シュラウド９０内におけるフラッシュバックの可能性を減らすことに寄与することになる。

本発明の技術による別の実施形態では、図８に示すように、中心体１０８はさらに、内側スワーラ８０と流れ連通した複数のオリフィス１１４と流体連通した、高エネルギー含有量燃料用の環状通路１１３を含むことができる。中心体内に付加的な燃料入口オリフィスを設けることは、燃料−空気ミキサ７２内における混合の度合いを高めることのなることは、当業者には分かるであろう。図示していないが、別の実施形態では、複数のオリフィス１１４は、内側スワーラ８０の直ぐ下流に配置して、これらのオリフィスからも燃料を燃料−空気ミキサ７２内に噴射することができるのが好ましい。燃料−空気ミキサ７２内にガス状及び液状燃料を噴射する場合には、ガス状燃料は、スワーラベーン通路及びオリフィス１１２を通して噴射させ、また液状燃料は、内側スワーラ８０の下流で中心体１０８内に配置したオリフィスを通して噴射させるようにするのが好ましいが分かるであろう。従って、燃料タイプの変更は、中心体１０８内に配置されたオリフィスを通して噴射する燃料の量を増大させると同時に、それに対応させてベーンを通して噴射する燃料の量を減少させることによって、予想以上に迅速かつ簡単に達成することができる。別の実施形態（図示せず）では、中心体１０８は、中心体の先端を貫通して、比較的高い軸方向速度の空気を中心体１０８に隣接した燃焼チャンバ７６内に導入する通路を含むことができるのが好ましく、この特定の実施形態では、局所的な燃料／空気比を低下させて、火炎を中心体先端の下流に押しやるのを助けることができる。

本発明の技術によるさらに別の実施形態では、図９に示すように、燃料−空気ミキサ７２は、燃料シュラウド８６と環状シュラウド９０との間に半径方向スワーラ１１６を含む。内側又は外側スワーラ８０及び８２のいずれか内に導入された燃料は、環状シュラウド９０の表面に向って集まる傾向があり、従って環状シュラウド９０の下流端部９６において燃料の高濃度の領域を生じさせる可能性がある。この環状シュラウド９０の出口付近の高い燃料濃度は、環状シュラウド９０内へのフラッシュバックの可能性を増大させるのみならず、燃焼チャンバ７６内で形成されるＮＯｘの量も増加させる可能性がある。半径方向スワーラ１１６の有利な特徴の１つは、半径方向スワーラ１１６を通して導入された空気により、環状シュラウド９０の表面付近における燃料空気の混合が強化され、それによって環状シュラウド９０の出口における高い燃料濃度を有する領域が減少及び／又は排除され、従って燃焼チャンバ７６内で形成されるＮＯｘの総量が低減することである。図１０は、半径方向スワーラ１１６の斜視図を示している。

図１０に示すように、半径方向スワーラ１１６は、外表面１２２上に配置された複数のベーン１２０を有する、その上流端部に配置された第１のリング１１８を含む。各ベーン１２０は、各ベーン１２０の各第１の端部部分つまり後縁１２４が、第１のリング１１８の外端縁部１２６に隣接して位置した各ベーン１２０の第２の端部部分つまり前縁１２５の半径方向内側に設置された状態で、外表面１２２上で燃料−空気ミキサ７２の軸方向軸線Ａの周りで円周方向に延びるように配置される。図示するように、第１のリング１１８はまた、第１のリング１１８の内端縁部から軸方向に延びる環状リップ１２８を含む。半径方向スワーラ１１６の別の部品は、第１のリング１１８から離れて軸方向に配置されて半径方向及び軸方向の両方向に沿って延びるギャップをそれらの間に形成した第２のリング１３０である。図示するように、第２のリング１３０の第１の表面１３２は、半径方向内向きに延びて第１のリング１１８の外表面１２２との間に半径方向に延びるギャップ１３４を形成し、このギャップ１３４に複数のベーン１２０が配置される。第２のリング１３０の第２の表面１３６は、第１のリング１１８の環状リップ１２８との間に軸方向に延びるギャップ１３８を形成するように軸方向に延びる。第２のリング１３０はまた、スリーブ１４０を含み、このスリーブ１４０の内側には、燃料−空気ミキサ７２を組立てている時に燃料−空気ミキサ７２の環状シュラウド９０が配置される。

内側及び外側スワーラ８０及び８２の位置に対する燃料−空気ミキサ７２に沿った半径方向スワーラ１１６の軸方向位置並びに／或いは半径方向スワーラ９２から出る空気流の半径方向回転の程度は、特に環状シュラウド９２の壁に隣接した領域内の燃料−空気ミキサ７２の下流端部１１０における燃料−空気混合気の所望の混合レベルに基づいて決定することができる。加えて、半径方向スワーラ１１６の幾何学形状及び寸法は、それに限定されないが、燃料圧力、燃料温度、流入空気温度及び燃料噴射速度などの因子を含む所望の予混合効率及び作動条件に基づいて選択／最適化することができる。燃料の実施例には、天然ガス、高水素ガス、水素、バイオガス、一酸化炭素及び合成ガスが含まれる。しかしながら、様々な他の燃料もまた使用することができる。

図４〜図１０において本明細書に開示した燃料−空気ミキサの有利な特徴は、本明細書に例示した実施形態に加えて、別の組合せにおいても使用できることは、当業者には分かるであろう。例えば、開示した発明の技術的範囲内にある開示した燃料−空気ミキサの別の実施形態は、中心体を通しての燃料の導入がない状態で半径方向スワーラと組合せた第３のスワーラを含むことができる。加えて、開示した設計及びそれらの均等物は、上に説明したように、異なるタイプの燃料での作動において使用されることになることが、分かるであろう。例えば、高エネルギー含有量燃料は、開示した高エネルギー含有量燃料噴射ポートを通して噴射された天然ガス及び／又は純水素のいずれかとすることができる。別の実施形態では、燃料−空気ミキサは、開示した低エネルギー含有量燃料噴射ポートを介して供給されたＨ_２／Ｎ_２の混合物又はシンガス（Ｈ_２／ＣＯ／Ｎ_２）で作動させることができる。これらの燃料−空気ミキサはまた、最高１００％まで予混合した部分的予混合モードとしてシンガス燃焼のために使用し、それによって現行のＩＧＣＣ燃焼システムと比べて低ＮＯｘ燃焼を保証することができる。そのようなミキサは、１００％水素からＣＯ／Ｈ_２／Ｎ_２と水蒸気又はＣＯ_２のような別の不活性ガスとの混合物までを燃焼させるように設計されたノズルを組み込んで、ＮＯｘの制御のために何らの水蒸気噴射も必要としない状態で、部分又は完全予混合モードとしてシンガスで作動することになる。

上記の燃料−空気ミキサ７２の実施形態は、統合型ガス化複合サイルルすなわちＩＧＣＣで使用するのに特に適しており、このＩＧＣＣは、石炭などの固体燃料のガス化によって得た燃料の燃焼によって駆動されるガスタービンを有すると同時に、ガスタービンからの排出ガスを水／蒸気と熱交換して蒸気タービンを駆動する過熱蒸気を生成するサイクルである。ＩＧＣＣプラントのガス化部分は、ガス化装置内で石炭を酸素と組合せて気体燃料、すなわち主に水素及び一酸化炭素、又は合成ガスを生成することによって精炭ガスを生産する。次にガス清浄化プロセスにより合成ガスを清浄化し、この合成ガスは、続いて電気を生成するためにガスタービンの燃焼器で用いられる。ＩＧＣＣプラントは一般的に、より高い出力と共により高い効率及びより低いエミッションを有する。より高い出力は、空気分離ユニットすなわちＡＳＵから得た窒素をガスタービンの燃焼器内に導入し、それによってガスタービンを通る質量流量を増加させ、かつ燃焼に用いる空気の減少によって全体的な燃焼温度及び酸素濃度を低下させた時に、達成される。開示した本発明の実施形態による燃料−空気ミキサ７２は、ＩＧＣＣプラントで使用するのに適している。具体的には、燃料−空気ミキサ７２は、ガスタービン燃焼器内で使用することができ、窒素は、合成ガスを燃焼させる時に半径方向スワーラ１１６内に導入し、従って壁近くでの高い燃料濃度を減少させかつ燃料空気混合特性を強化するのを助けることができる。この半径方向スワーラはまた、高水素の燃焼時に窒素がシュラウドを通って流れかつシュラウド内で水素及び空気と混合することができるように使用して、この場合にも燃料−空気ミキサの出口における局所的高当量比領域を回避することができる。

典型的なＩＧＣＣガスタービン燃焼器では、水素及び窒素は、同時に内側スワーラ８０及び外側スワーラ８２内の燃料噴射ポートを通して導入される。開示した実施形態の幾つかでは、水素を窒素と混合しかつ燃料ポートを通してその混合気を導入することに代えて、水素を燃料ポートに供給しかつ窒素を半径方向スワーラによって噴射するか又は流入空気と共に供給するかのかのいずれかし、従って酸素の全体的な利用を減少させるように空気を減少させ、それによって従来のレベルと比較して７０％ほどもＮＯｘレベルを低下させる。本発明の実施形態の１つでは、燃焼器の出口におけるＮＯｘレベルは、３〜５ｐｐｍ又はそれより低い。そのような性能の向上は、空気を減少させることにより、燃料−空気ミキサ７２の環状シュラウド９０内での耐フラッシュバック性及び耐火炎保持性を強化した状態で達成される。いずれにせよ、上記に要約した利点はＩＧＣＣプラントにおいては明らかであるが、開示した燃料−空気ミキサが、発電ガスタービンの現在の燃焼器を改造するために使用することができることは、当業者には分かるであろう。

上述の燃料−空気ミキサはまた、システムの燃焼器内での反応に先だって酸素及び天然ガスを予混合するのを強化するために、気体液体化システムで使用することができる。一般的に、気体液体化システムは、空気分離ユニット、ガス処理ユニット及び燃焼器を含む。作動中に、空気分離ユニットは、空気から酸素を分離し、またガス処理ユニットは、燃焼器内での変換のための天然ガスを調製する。空気分離ユニットからの酸素及びガス処理ユニットからの天然ガスは、燃焼器に導かれ、燃焼器において、天然ガス及び酸素が、高温及び高圧で反応して合成ガスを生成する。この実施形態では、燃料−空気ミキサは、燃焼器に連結されて、燃焼器内での反応に先立って酸素及び天然ガスを予混合するのを可能にする。さらに、燃料−空気ミキサの半径方向スワーラ９２は、流入天然ガスを同伴するのを可能にして、滞留時間を最小にしながら合成ガス生産収率を最大化するように高い燃料対酸素当量比（例えば約３．５から最大約４及びそれ以上）での天然ガス及び酸素の混合を可能にする。一部の実施形態では、酸素又は燃料に蒸気を加えて、プロセス効率を高めることができる。

次にシンガス（合成ガス）は、急冷しかつフィッシャー・トロプシュ処理ユニットに導入し、このフィッシャー・トロプシュ処理ユニットにおいて触媒作用によって水素ガス及び一酸化炭素を長鎖液体炭化水素に再結合させる。最後に、液体炭化水素は、クラッキングユニット内において製品に分留変換される。半径方向スワーラを有する燃料−空気ミキサは、天然ガス及び酸素の速やかな予混合並びに実質的に気体液体化システム内の短い滞留時間を生じさせる利点がある。

以上に説明した本方法の様々な態様は、ガスタービン及び炉などの加熱装置で使用する燃焼器のような様々な用途において実用性を有する。さらに、本明細書に記載した方法は、燃焼に先立って燃料及び空気の予混合を強化し、それによって実質的にガスタービンシステムのエミッションを低減しかつ効率を高める。予混合法は、それに限定されないが、天然ガス、炭化水素、一酸化炭素、水素、バイオガス及び合成ガスを含む高い及び低い容積発熱量のガス状化石燃料のような様々な燃料に使用することができる。従って、既に説明したように、燃料−空気ミキサは、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）の燃料フレキシブル燃焼器において、汚染物質の排出を低減するために使用することができる。一部の実施形態では、燃料−空気ミキサは、航空転用及び重作業機械用の航空機エンジン水素燃焼器及び他のガスタービン燃焼器で使用される。さらに、燃料−空気ミキサは、特に二酸化炭素フリーサイクル及び排出ガス再循環に有用なものとなる、酸素−燃料などのストリームの部分的混合を可能にするために利用することができる。

従って、上述の付加的半径方向スワーラに基づいた予混合法は、燃焼器内の予混合及び火炎安定性を高めるのを可能にする。さらに、本方法は、エミッション、特にそのような燃焼器からのＮＯｘエミッションの低減を可能にし、それによって環境に優しい状態でガスタービンの運転を行う。一部の実施形態では、本方法は、燃焼器、より具体的には水素燃焼器における圧力降下を最小にするのを可能にする。加えて、付加的半径方向スワーラによって達成された予混合の強化により、燃焼器のターンダウンの強化、耐フラッシュバック性の強化及びフレームアウト・マージンの増大を可能にする。

この例示した実施形態では、燃料及び空気の良好な混合により、良好なターンダウンを可能にし、また約０．２もの低い当量比を有する天然ガス及び空気混合気での運転を可能にする。加えて、フレームアウト・マージンは、既存のシステムと比較して著しく改善される。さらに、前に記載したように、このシステムは、様々な燃料で使用することができ、従って高い燃料フレキシビリティをもたらす。例えば、上記したような有効面積の範囲は、本システムが例えば高エネルギー含有量燃料として天然ガスもしくはＨ_２を_、及び／又は低エネルギー含有量燃料としてシンガスのいずれかを使用することを可能にする。そのようなシステムの燃料フレキシビリティは、異なる燃料を必要とする異なる燃料ポートを備えたハードウェアの変更又は複雑なアーキテクチャの必要性を排除する。上述のように、記載した燃料−空気ミキサは、様々な燃料で使用することができ、従ってシステムの燃料フレキシビリティをもたらす。その上、上述の方法は、既存のカン型又はカン−アニュラ型燃焼器で使用して、エミッション並びに燃焼器内のあらゆるダイナミック振動及び変調を低減することができる。さらに、この例示した装置は、既存の燃焼器内のパイロットとして使用することができる。

燃焼システム内で高エネルギー含有量燃料又は低エネルギー含有量燃料と酸化剤とを予混合する方法もまた、開示した本発明の実施形態の技術的範囲内であり、そのような方法は、その酸化剤入口を通して第１の酸化剤ストリームを燃料−空気ミキサの環状シュラウド内に取り込む段階と、外側スワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第１の部分を第１の方向に旋回させる段階と、内側スワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第２の部分を第１の方向とは反対である第２の方向に旋回させる段階と、外側スワーラ内の燃料入口オリフィスと流体連通した燃料シュラウドから燃料−空気ミキサ内に高エネルギー含有量燃料を噴射する段階、又は軸方向に延びてそれらの間にギャップを形成する内側及び外側シュラウドによって形成されたアニュラス、その上流部分に配置された少なくとも１つの燃料入口並びにその下流部分において内側及び外側シュラウド間に形成されたギャップ内に配置された燃料プレナムスワーラを含み、その内側シュラウドが内側スワーラの外側円周方向端部部分の周りで円周方向に配置された燃料プレナムから、燃料−空気ミキサ内に低エネルギー含有量燃料を噴射する段階とを含む。

上記の説明に関して、寸法、形態機能並びに作動、組立及び用途の状態における変更を含む本発明の部品についての最適な寸法関係は、当業者には容易に明らかかつ自明であると考えられ、従って、図面に示しかつ明細書に説明したものと均等な全ての関係は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ包含されることになるように意図していることを理解されたい。加えて、本発明は、現在実用的でありかつ本発明の幾つかの例示的な実施形態であると考えられるものに関して具体的にかつ詳細に図面に示しかつ上記に十分に説明してきたが、本明細書に記載した原理及び概念から逸脱せずにそれら実施形態の多くの変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の適切な技術的範囲は、全てのそのような変更及び均等物を包含するように特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ決定されるべきである。

本技術の態様による燃料−空気ミキサを備えた燃焼器を有するガスタービンの概略図。 本技術の態様による図１のガスタービン内で使用するカン型燃焼器の例示的な構成を示す図。 本技術の態様による図１のガスタービン内で使用するアニュラ型燃焼器の別の例示的な構成を示す図。 本技術の態様による燃料−空気ミキサを有する別の例示的な低エミッションアニュラ型燃焼器の部分斜視図。 図４の燃料−空気ミキサの斜視図。 下流から上流に向って見た、図４の燃料−空気ミキサの平面図。 上流から下流に向って見た、図４の燃料−空気ミキサの底面図。 本技術の態様による別の燃料−空気ミキサの部分斜視図。 本技術の態様によるさらに別の燃料−空気ミキサの部分斜視図。 図９の燃料−空気ミキサの半径方向スワーラの斜視図。

Claims (10)

1. 軸方向に沿って延びる軸方向軸線、半径方向に沿って延びる半径方向軸線、並びに上流及び下流端部部分を有する環状シュラウドと、
   環状シュラウドの軸方向軸線に沿って延びる中心体と、
   中心体の外表面の周りに配置された内側円周方向端部部分を有し、環状シュラウドの上流端部部分に配置された内側スワーラと、
   軸方向に延びてそれらの間にギャップを形成する内側及び外側シュラウドによって形成されたアニュラス、燃料入口、並びにその下流部分において内側及び外側シュラウド間に形成されたギャップ内に配置された燃料プレナムスワーラを有し、内側シュラウドが内側スワーラの外側円周方向端部部分の周りで円周方向に配置された燃料プレナムと、
   燃料プレナムの外側シュラウドの周りに配置された内側円周方向端部部分を有する外側スワーラと、
   環状シュラウドの上流端部部分において外側スワーラの半径方向外側でかつ環状シュラウドの周りで円周方向に配置され、外側スワーラ内の複数の燃料噴射ポートと流体連通した燃料シュラウドと、
   を含み、
   内側及び外側スワーラが、環状シュラウドの上流端部部分において環状シュラウドに流入する第１の酸化剤ストリームの第１及び第２の部分の独立した回転を可能にするように構成され、
   内側及び外側スワーラは内側及び外側シュラウドの下流側端部に配置され、内側及び外側スワーラに流入する第１の酸化剤ストリームの第１及び第２の部分が内側及び外側シュラウドの上流側端部で互いに分離されている、
   燃料−空気ミキサ。
2. 燃料−空気ミキサが、空気を、高エネルギー含有量燃料、低エネルギー含有量燃料及びそれらの組合せから成る群から選ばれた燃料と混合するように構成される、請求項１記載の燃料−空気ミキサ。
3. 燃料プレナムが、燃料プレナムスワーラを通して燃料−空気ミキサ内に噴射するために低エネルギー含有量燃料を輸送するように構成される、請求項２記載の燃料−空気ミキサ。
4. 燃料シュラウドが、外側スワーラ内の複数の燃料噴射ポートを通して燃料−空気ミキサ内に噴射するために高エネルギー含有量燃料を輸送するように構成される、請求項３記載の燃料−空気ミキサ。
5. 低エネルギー含有量燃料が水素及び窒素の５０／５０混合物であるか、又は高エネルギー含有量燃料が天然ガスであり、
   燃料プレナムスワーラの有効面積が、２０００°Ｆ〜３０００°Ｆ（又は、１０９３℃〜１６４９℃）の範囲にある火炎温度を得るために、天然ガスを噴射するための外側スワーラ内の複数の燃料噴射ポートの有効面積よりも６．４３〜８．５７倍大きい範囲にある、
   請求項４記載の燃料−空気ミキサ。
6. 低エネルギー含有量燃料が水素及び窒素の６０／４０混合物であるか、又は高エネルギー含有量燃料が天然ガスであり、
   燃料プレナムスワーラの有効面積が、２０００°Ｆ〜３０００°Ｆ（又は、１０９３℃〜１６４９℃）の範囲にある火炎温度を得るために、天然ガスを噴射するための外側スワーラ内の複数の燃料噴射ポートの有効面積よりも４．２〜５．６倍大きい範囲にある、
   請求項４記載の燃料−空気ミキサ。
7. 低エネルギー含有量燃料がシンガスであるか、又は高エネルギー含有量燃料が天然ガスであり、
   燃料プレナムスワーラの有効面積が、２０００°Ｆ〜３０００°Ｆ（又は、１０９３℃〜１６４９℃）の範囲にある火炎温度を得るために、天然ガスを噴射するための外側スワーラ内の複数の燃料噴射ポートの有効面積よりも１０．８２〜１４．４３倍大きい範囲にある、
   請求項４記載の燃料−空気ミキサ。
8. 高エネルギー含有量燃料が純水素であり、
   純水素を噴射するための外側スワーラ内の複数の燃料噴射ポートの有効面積が、高エネルギー含有量燃料が天然ガスである場合における同じ有効面積よりも１．６〜２．１４倍大きい範囲にある、
   請求項４記載の燃料−空気ミキサ。
9. 燃焼システム内で高エネルギー含有量燃料又は低エネルギー含有量燃料を酸化剤と予混合する方法であって、
   その酸化剤入口を通して第１の酸化剤ストリームを燃料−空気ミキサの環状シュラウド内に取り込む段階と、
   外側スワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第１の部分を第１の方向に旋回させる段階と、
   内側スワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第２の部分を第１の方向とは反対である第２の方向に旋回させる段階と、
   外側スワーラ内の燃料入口オリフィスと流体連通しておりかつ外側及び内側スワーラが設置されているのと略同一の軸方向位置に配置された燃料シュラウドから、燃料−空気ミキサ内に高エネルギー含有量燃料を噴射する段階、又は、軸方向に延びてそれらの間にギャップを形成する内側及び外側シュラウドによって形成されたアニュラス、その上流部分に配置された燃料入口並びにその下流部分において内側及び外側シュラウド間に形成されたギャップ内に配置された燃料プレナムスワーラを有し、その内側シュラウドが内側スワーラの外側円周方向端部部分の周りで円周方向に配置された燃料プレナムから、燃料−空気ミキサ内に低エネルギー含有量燃料を噴射する段階と、
   を含み、
   内側及び外側スワーラは内側及び外側シュラウドの下流側端部に配置され、内側及び外側スワーラに流入する第１の酸化剤ストリームの第１及び第２の部分が内側及び外側シュラウドの上流側端部で互いに分離されている、
   方法。
10. 第２のガス状ストリームを環状シュラウド内に取り込む段階と、
    燃料シュラウド並びに内側及び外側スワーラの軸方向位置の下流に配置された半径方向スワーラ内で、環状シュラウドの外側の領域から取り込んだ第２のガス状ストリームを旋回させ、それによって環状シュラウドの出口における環状シュラウドの壁付近の燃料濃度を制御するようにする段階と、
    をさらに含む、請求項９記載の方法。
    
    

Images