JP5728168B2 - ガスタービン・エンジン用無炎燃焼システム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン・エンジンに関し、より詳細には、ガスタービン・エンジンの燃焼器用バーナに関する。

当該技術分野においては、ガスタービン・エンジンに燃料を噴射するための様々な装置及び方法が公知である。かかる装置のうち、多くのものは、ガスタービン・エンジンの燃焼器に燃料を噴射し、希薄条件下で燃焼を持続させることを目的としている。希薄燃焼は、燃料効率が良く、且つ、望ましくない排出物質の生成レベルを比較的低く抑えることができるため、ガスタービン・エンジンの低出力設定に望ましい。航空機用ガスタービン・エンジンは、ＮＯｘ排出を低減するため、ますます希薄な運転がなされるよう設計が進められている。産業用ガスタービン・エンジンは、主としてＮＯｘ生成率を低下させるため、希薄な部分予混合燃焼による希薄運転に切り換わりつつある。しかしながら、希薄燃焼に向かう動きは、動作性に関する問題によって妨げられてきた。極めて希薄な燃焼は、非常に不安定であることが分かっている。希薄条件で生成される火炎は不安定な傾向があり、点検しないまま放置すれば、その不安定性から、結果として希薄火炎の吹き消えが起こり得る。そのうえ、希薄吹き消えが起こらなかったとしても、希薄燃焼の不安定性から、結果として強い音波が生じることがあり、それによってガスタービン・エンジンの構造内に望ましくない雑音及び応力が起こり得る。不安定性を軽減し、燃焼過程を制御することにより火炎の安定性を向上させるための対策が講じられ得る。しかしながら、極めて希薄な条件、例えば、液体燃料を使用するガスタービンについて約０．６０当量比未満では、従来の方法は、所望の安定性を提供するのに十分でない可能性がある。

極めて希薄な条件において安定した燃焼を提供する一つの方法は、無炎燃焼過程を用いることである。ほとんどの燃焼不安定性には、３つの部分からなる循環過程が関わり、そこでは、流体力学的現象の結果として熱発生率に変動が生じ、それが音響モードを結合して強めることで、ひいては不安定な流体力学構造が生じ、それによって熱発生率の変動につながる等する。無炎燃焼では、かかる結合は起こらない。無炎燃焼においてこの種類の結合が起こることは不可能なため、それ以外では燃焼器又はタービン・ブレードに損傷を与え得る強い音波が抑制される。

無炎燃焼は、工業用火炉において成功を収めている。この技術には、極めて希薄な混合気の使用が関わり、そこでは、高温の酸化能物質が分散した反応帯において極めて高レベルの乱流で燃料と反応する。無炎燃焼は、工業用火炉において、ＮＯｘレベルの低い極めて安定した燃焼を生じることが示されている。この燃焼方法は、反応が分散している性質の結果として明確な可視炎がないため、「無炎燃焼」と称される。工業用火炉における無炎燃焼の適用では、高酸化能物質は、空気を熱交換器に通して火炉の排ガスで予熱するか、又は空気を高温の再循環排ガスと直接混合するか、そのいずれかによって所要温度に達する。こうした火炉は、典型的には燃焼領域の外部にある導管を介して燃焼ガスを再利用する。従来のバーナにはこうした導管及び／又は熱交換器があるため、無炎燃焼の適用は地上での運転に限られていた。

かかる従来の方法及びシステムは、概してその使用目的を満足すると考えられている。しかしながら、再循環用の導管又は熱交換器なしに無炎燃焼を生じさせるための、改良された装置及び方法が、なお必要とされている。本発明は、こうした問題に対する解決策を提供する。

本発明は、ガスタービン・エンジン用の有用な新規の無炎バーナに関する。この無炎バーナは、長手方向軸と、上流部分と、下流部分とを有するバーナ本体を備える。バーナ本体の上流部分は、空気旋回器が連係する一次渦流発生チャンバを画定する。一次渦流発生チャンバは、空気旋回器を通じて圧縮機排気を受け入れ、それによって下流の燃焼生成ガスをバーナ本体に向かって引き込む再循環領域を形成するように適合及び構成される。バーナはまた、燃料を再循環燃焼生成ガスに放出するための、バーナ本体の下流部分と動作可能に接続された燃料噴射手段も備える。

バーナ本体の上流部分の空気旋回器は、半径型空気旋回器であってもよい。第２の半径型空気旋回器が、一次渦流発生チャンバとバーナ本体の下流部分との間に画定され得る。バーナ本体の下流部分には、一次渦流発生チャンバに近接して円錐型空気旋回器が画定され得る。無炎バーナは、バーナ本体の下流部分に画定される末広のディフューザ部分を備え得る。第２の空気旋回器がディフューザ部分に画定され、圧縮機排気の旋回流をディフューザ部分に送り込み得る。第１の空気旋回器は半径型旋回器であってもよく、第２の空気旋回器は円錐型旋回器であってもよい。また、第１の空気旋回器及び第２の空気旋回器が、双方とも半径型旋回器であり得ることも企図される。

燃料噴射手段は、バーナ本体の下流部分から下流に延在する複数の燃料インジェクタ延長管を備えてもよく、このインジェクタ延長管は斜め内側に曲がっていて、再循環燃焼生成ガスに燃料を噴射する。燃料噴射手段は、一次渦流発生チャンバとバーナ本体の下流部分との間に画定されたバーナ本体のスロート部に近接して下流を向いた面に画定された出口オリフィスを有する少なくとも１つの燃料インジェクタを備え得る。別の態様において、燃料噴射手段は複数の燃料インジェクタを備えてもよく、各々は、バーナ本体の下流部分においてディフューザの内側を向いた面に画定された出口オリフィスを有する。一次渦流発生チャンバ及び空気旋回器は、圧縮機排気の旋回流を、実質的に完全な接線方向で一次渦流発生チャンバに導入するように構成され得る。一次渦流発生チャンバの上流部に、上流の燃料インジェクタが画定されてもよい。

バーナ本体の上流部と、下流部と、スロート部とは、スロート部に近接するほど先細になる先細末広の内側形状を形成し得る。バーナ本体のスロート部は、複数の二次燃料インジェクタを備え得る。これらの燃料インジェクタの各々は、燃料のジェットを放出するように構成された燃料噴霧ノズルを備えてもよく、この燃料のジェットは、圧縮機排気と同時に噴射されることで、自己点火の前に燃料と空気との十分な混合を促進する。

一次渦流発生チャンバと、空気旋回器と、燃料インジェクタとは、無炎燃焼反応を持続させるように構成及び適合されることができ、ここで燃料対空気比は約０．４未満である。一次渦流発生チャンバと、空気旋回器と、燃料インジェクタとは、無炎燃焼反応を持続させるように構成及び適合されることができ、ここでＣＯ排出量は約１０ｐｐｍ未満であり、及び／又はＮＯｘ排出量は約１０ｐｐｍ未満である。一次渦流発生チャンバと空気旋回器とは、一次渦流発生チャンバ内に旋回流を発生させて、再循環領域内での燃焼生成ガスと圧縮機排気との混合を達成するように構成されることができ、ここで圧縮機排気に対する燃焼生成物の比は、少なくとも約２．５〜約１．０である。

本発明の装置及び方法についての以上の、及びその他の特徴は、当業者には、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から、図面を併せて考慮することで、より容易に明らかとなるであろう。

本特許又は出願ファイルは、少なくとも１つのカラーで作成された図面を含む。カラー図面の本特許又は特許出願公報のコピーは、所管局に請求し、所要の料金を支払うことで提供される。

本発明の関係する技術分野の当業者が、本発明の方法及び装置をどのように作製及び使用すべきかについて、必要以上の実験なしに容易に理解できるよう、以下に本発明の好ましい実施形態が、特定の図を参照して詳細に説明される。

本発明に従い構成された３つの無炎バーナの代表的な実施形態を含むガスタービン・エンジンの燃焼器の一部の斜視図であり、燃焼器内におけるバーナの配置を示す。 図１の燃焼器の一部の斜視図であり、燃焼器と分離された無炎バーナの１つを示す。 図２の無炎バーナの部分分解斜視図であり、燃料ラインがどのようにバーナと接続されるかを示す。 図３の無炎バーナの断面側面立面図であり、バーナの燃料及び空気内部通路を示す。 図４のバーナの一部の断面側面立面図であり、燃料ノズルの１つからの燃料の放出を示す。 図１の燃焼器の一部の断面側面立面図であり、バーナ及び燃焼器におけるフローの概略図を示す。 本発明に従い構成された３つの無炎バーナの別の代表的な実施形態を含むガスタービン・エンジンの燃焼器の一部の斜視図であり、燃焼器内におけるバーナの配置を示す。 図７の燃焼器と無炎バーナの１つとの部分分解斜視図であり、バーナがどのように燃焼器と接続されるかを示す。 図８の無炎バーナの分解した断面側面立面図であり、一次渦流発生チャンバと、空気旋回器と、燃料インジェクタとを示す。 図９の無炎バーナの断面側面立面図であり、バーナを通じた空気及び燃料の流路を示す。 図１０の無炎バーナの一部の断面側面立面図であり、二次燃料ノズルからの燃料の放出を示す。 図１０の無炎バーナの一部の断面側面立面図であり、一次燃料ノズルからの燃料の放出を示す。 図７の燃焼器の一部の断面側面立面図であり、バーナ及び燃焼器における空気フローの概略図を示す。 本発明に従い構成された例示的無炎バーナにおける７つの異なる燃料タイプについての、ある燃焼温度範囲にわたるＣＯ排出量のプロットである。 図１４の無炎バーナにおける９つの異なる燃料タイプについての、図１４の燃焼温度範囲に対応した、ある範囲の空気／燃料当量比にわたるＮＯｘ排出量のプロットである。 図１４の無炎バーナの試験装置内における状態の一連の写真であり、ある範囲の空気／燃料比にわたる燃焼性を示す。 図１４の無炎バーナにおける燃焼についての一連の３１０ｎｍ波長の画像であり、Ｊｅｔ−Ａ燃料、１２％ ΔＰについて、６つの異なる空気／燃料比の状態を示す。 当量比が０．５５の図１４の無炎バーナについての、ある範囲の半径方向位置にわたる温度のプロットであり、５つの異なる軸方向位置における温度プロファイルを示す。 当量比が０．３５の図１４の無炎バーナについての、ある範囲の半径方向位置にわたる温度のプロットであり、５つの異なる軸方向位置における温度プロファイルを示す。 ５つの異なる流量についての、図１４の無炎バーナにおけるある範囲の軸方向位置及び半径方向位置にわたる温度を示す一群のプロット、並びに、４つの位置及び２つの異なる燃料タイプについての、ある範囲の当量比にわたる温度のプロットである。

ここで図面が参照され、図面において同様の参照符号は、本発明の同様の構造的特徴又は態様を示す。説明及び例示する目的上、及び限定する目的はなしに、本発明に係る無炎バーナの例示的実施形態の部分図が図１に示され、これは概して参照符号１００により指定される。後述されるとおり、本発明に係る無炎バーナの他の実施形態、又はその態様が、図２〜図１３に提供される。本発明のシステムは、ガスタービン・エンジン、又は任意の他の好適な適用において、安定した無炎燃焼を持続させるために使用することができる。

図１に示されるとおり、無炎バーナ１００は、ガスタービン・エンジンにおける使用に適し、典型的な燃焼器１０の周囲に配置され得る。無炎バーナ１００は、燃料を燃焼器１０に噴射する専用の手段として使用され得ることが企図される。また、無炎バーナ１００は、燃焼器１０内の従来の燃料インジェクタの間に分散して置かれることも企図される。図２に示されるとおり、バーナ１００は、カラーリング３０を燃焼器開口２０に取り付けることによって燃焼器１０に取り付けるように構成される。溶接、ろう付け、又は締結具、例えば、従来の燃料インジェクタを燃焼器に取り付けるために典型的に用いられる締結具の使用を含め、任意の好適な取付け方法が用いられ得る。図３に示されるとおり、燃料を燃焼器１０の外部の供給源からバーナ１００を通じて燃焼器１０の内部に送給するための燃料ライン４０が、バーナ１００に取り付けられる。

図４は、無炎バーナ１００の断面を示す。バーナ１００は、長手方向軸１０４と、上流部分１０６と、下流部分１０８とを有するバーナ本体１０２を備える。バーナ本体１０２の上流部分１０６は、空気旋回器１１２が連係する一次渦流発生チャンバ１１０を画定する。一次渦流発生チャンバ１１０は、空気旋回器１１２を通じて圧縮機排気を受け入れるように適合及び構成され、従って圧縮機排気の流れにより引き起こされた強渦流が、結果として渦崩壊をもたらし、下流からの燃焼生成物を一次渦流発生チャンバ１１０に再循環させる（引き込む）。

バーナ本体１０２の上流部分１０６の空気旋回器１１２は、半径型空気旋回器である。第２の半径型空気旋回器１１８が、一次渦流発生チャンバ１１０とバーナ本体１０２の下流部分１０８との間に画定される。無炎バーナ１００は、バーナ本体１０２の下流部分１０８に画定される末広のディフューザ部分１２０を有する。空気旋回器１１８はディフューザ部分１２０に画定され、圧縮機排気の旋回流をディフューザ部分１２０に送り込む。一次渦流発生チャンバ１１０及び空気旋回器１１２は、圧縮機排気の旋回流を、実質的に完全な接線方向で一次渦流発生チャンバ１１０に導入するように構成される。しかしながら、当業者は、燃焼生成ガスを引き込んで無炎燃焼を持続させるのに十分な渦流強度があるならば、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、任意の好適な旋回器構成が用いられ得ることを容易に理解するであろう。

バーナ１００は、また、バーナ本体１０２の下流部分１０８と動作可能に接続された燃料インジェクタ先端１２３と、上流に向かって流れる再循環領域１１６（図４には図示されないが、図６を参照されたい）の中に燃料を放出するためのインジェクタ延長管１２２とを備え、再循環領域１１６は引き込まれる燃焼生成ガスを含む。インジェクタ延長管１２２は、燃料と圧縮機排気との双方を噴射する。燃料は、インジェクタ延長管１２２内で部分的又は完全に気化される。燃料インジェクタ先端１２３は、燃料噴射か、又はインジェクタ延長管１２２を通じて送られる燃料の霧化を行う。図４及び図５に示されるとおり、インジェクタ延長管１２２は下流部分１０８から下流に延在し、斜め内側に曲がっていて、再循環領域１１６に含まれる引き込まれる燃焼生成ガスに燃料を噴射する。

一次渦流発生チャンバ１１０とディフューザ部分１２０との間にあるノズル本体１０２の内部の狭まった領域に、スロート部１２４が画定される。バーナ本体１０２の上流部１０６と、下流部１０８と、スロート部１２４とは、スロート部１２４に近接するほど先細になる先細末広の内側形状を形成する。先細末広の部分は、渦のよどみ点を安定化させてより安定した再循環領域を作り出し、さらに、再循環チャンバ内の渦流も安定化させる。この先細末広の構造により、再循環される燃焼生成物がスロート部１２４より上流の一次渦流発生チャンバ１１０に入ることが防止される。

図６は、運転中にバーナ１００及び燃焼器１０の内部で生じる空気及び燃焼生成物のフローパターンの概略図を示す。圧縮機排気１３０は、旋回器１１２及び１１８を通り抜け、バーナ本体１０２の中心軸１０４に対して完全に又はほぼ完全に接線方向でバーナ１００の内部に入る。これにより、燃焼器１０の内部にまで及ぶ渦１３２が作り出される。空気はまた、インジェクタ延長管１２２を通じても入る。渦１３２の内側部分は、その周囲より圧力が低く、渦１３２は燃焼器１０の中まで十分に及ぶため、再循環領域１１６の燃焼排出ガスが渦１３２の中に引き込まれ、スロート１２４のすぐ下流のよどみ点まで上流に送り戻される。インジェクタ延長管１２２は、再循環領域１１６の再循環される燃焼排出ガスの内部又はそのごく近傍に出口を有するため、再循環領域１１６の再循環される、又は引き込まれる燃焼排出ガスの中に燃料を噴射することができる。燃焼排出ガスは典型的には、当量比に応じて、例えば約９００℃〜約１８００℃の範囲の温度、又は極めて希薄な燃焼については約１２００℃未満の温度を有するため、インジェクタ延長管１２２から噴射される燃料の燃焼を持続させるための熱は十分にある。

引き続き図６を参照すると、バーナ１００から出る燃焼空気流は、旋回器１１２及び１１８によって引き起こされる強い渦流を有し、チャンバ１０で燃焼生成物の渦１３２の強い渦流を引き起こすため、渦崩壊が生じ、チャンバ１０の中心に再循環領域１１６が発生する。この再循環領域１１６により、高温の、酸素が欠乏した燃焼生成物が、上流のよどみ点（図４に示されるとおりスロート１２４に位置する）まで上流に運ばれ、次に矢印１３４によって示されるとおり下流に運ばれる。この上流及び下流に動く間に、インジェクタ延長管１２２を通じて噴射される燃料ジェットが流れに混じり、点火する。燃焼の一部は、外側の再循環領域１３６でも起こる。

チャンバ１０では、入ってきたばかりの燃焼空気と、高温の燃焼生成物と、燃料との間で強力な混合が起こるため、下流に向かって流れる混合流１３４は、流入する空気又は既に再循環しているガスを含み得る。この強力な混合は無炎燃焼の特徴である。再循環領域１１６において上流に向かって流れる再循環する圧縮機排出ガスと、バーナから燃焼器１０を通じて流れ、下流タービン（図示せず）に至る、下流に向かって流れる混合流１３４との間に、せん断帯が存在する。渦１３２はこのせん断帯の内側にある。加えて、バーナ１００の出口に隣接した燃焼器１０の角部に外側再循環領域１３６が発生する。別のせん断帯が、下流に向かって流れる混合流１３４と再循環ガス１３６との間に存在する。矢印１３８は、上流及び下流に向かって流れるガスを含む、チャンバ全体を通じて存在する接線流の成分を概略的に示す。円周方向の流れ１３８は、チャンバ１０の壁に近いほど大きい。フロー１３８は無炎燃焼に必須ではないが、バーナ１００によって引き起こされる強い渦流によって生じるものの一つである。

様々な流れ成分が組み合わさることにより、燃料と、圧縮機排気と、燃焼生成ガスとの混合を促進する全体的なフローパターンが生じる。結果として、明らかな火炎前面のない実質的に一様な燃焼反応となる。燃料はインジェクタ延長管１２２から供給され、酸素は圧縮機排気１３０並びに燃焼生成物のなかの使われていない酸素から供給され、及び燃焼を持続させるための熱は再循環燃焼生成ガスによってもたらされる。従来の燃焼器のように、持続的な燃焼が、フローの不安定性及び音響効果を伴う明確な火炎前面によってもたらされる必要はない。むしろ、燃焼反応は、十分に混合された理想状態に極めて近いほぼ一様な形で分散する。結果として得られる燃焼反応は、公知の無炎燃焼システムに典型的なとおりの極めて希薄な混合気であっても、優れた火炎安定性を有する。しかしながら、燃焼反応を持続させるための燃焼生成ガスは、圧縮機排気によって引き起こされる渦流を用いて引き込まれるため、公知の無炎燃焼器に典型的な重量の再循環用導管又は熱交換器は、いずれも無炎燃焼の達成に必要ない。無炎の運転モードを達成するために必要な条件は、強力に混合するための高乱流と、高温と、燃料と混合される場合の燃焼空気と燃焼生成物との混合気中における低酸素濃度とである。バーナ１００はこれらの条件を満たすことができ、また一方で、約４％の許容可能な圧力降下も有し、これはガスタービン・エンジンの高い効率性にとって重要である。

一次渦流発生チャンバ１１０、空気旋回器１１２／１１８、及びインジェクタ延長管１２２は、無炎燃焼反応を持続させるように構成及び適合され、ここで燃料対空気比は約０．４未満である。非無炎モードから無炎モードへの移行は漸進的である。空気／燃料比が約０．６未満に下がると、徐々に無炎モードに移行する。０．４より高い燃料対空気比でも低排出特性を持続することはできるが、著しく高い値、例えば、約０．６を上回ると、燃焼は分散せず、無炎と言うことはできなくなる。しかしながら、こうしたより高い燃料／空気比であっても、バーナ１００はなお安定した燃焼を提供し、且つ排出量が少ない。従って当業者は、本明細書に提供される移行当量比が例示的であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、任意の好適な移行当量比を有するバーナが利用され得ることを理解するであろう。

一次渦流発生チャンバ１１０、空気旋回器１１２／１１８、及びインジェクタ延長管１２２は、無炎燃焼反応を持続させることができ、このときＮＯｘ排出量は約１０ｐｐｍ未満、及びＣＯ排出量は約１０ｐｐｍ未満である。先行のガスタービン技術は、希薄な当量比でかかる低いＮＯｘ排出か、又はかかる低いＣＯ排出のいずれかを提供することができるが、しかし同じ当量比で双方を提供することはできない。先行のガスタービン技術では、当量比が希薄吹き消えに近付くに従いＮＯｘ排出量は低減される傾向を有するが、ＣＯ排出量は、当量比が希薄吹き消えに近付くに従い増加する傾向を有する。一次渦流発生チャンバ１１０及び空気旋回器１１２は、一次渦流発生チャンバ１１０内に旋回流を発生させることにより燃焼生成ガスと圧縮機排気との混合を達成し、ここで圧縮機排気に対する燃焼生成物の比は、少なくとも約２．５〜約１．０である。

図７は、無炎バーナ２００の別の例示的実施形態に係る３つのバーナを有する燃焼器１０の一部を示す。図７の燃料フローの矢印によって示されるとおり、バーナ２００は、燃料を燃焼器１０に一次段階と二次段階とで供給するよう多段階式である。図８に示されるとおり、バーナ２００はカラー４５及び締結具４７を用いて燃焼器１０に取り付けられるが、しかしながら、任意の他の好適な連結方法が用いられてもよい。

図９及び図１０に示されるとおり、バーナ２００は、バーナ１００に関連して詳細に上述されたとおり、一次渦流発生チャンバ２１０を画定する上流部２０６と、空気旋回器２１２と、下流部２０８とを備える。図９に示されるとおり、スロート２２４と、円錐型旋回器２１８と、ディフューザ部分２２０とは別個の構成要素であり、バーナ２００に組み付けられる。図１０は二次燃料インジェクタ２２３を示し、各々が、スロート部２２４の下流を向いた面に画定された出口オリフィスを有する。図１０には、二次燃料を、中央管路２２５を通じて二次燃料インジェクタ２２３まで導くための燃料回路が示される。図１１は、燃料が燃料回路を通じてインジェクタ２２３から放出されるときの拡大図を示す。下流部２０８は複数の一次燃料インジェクタ２２２を備え、各々は、ディフューザ２２０の内側を向いた面に画定された出口オリフィスを有する。図１２は、燃料が燃料回路を通じてインジェクタ２２２から放出されるときの拡大図を示し、この燃料は、入口２２７（図８を参照）を通じてバーナ２００に入る。燃料インジェクタ２２２／２２３の各々は、燃料のジェットを放出するように構成された燃料噴霧ノズルを備えてもよく、この燃料のジェットは、圧縮機排気と同時に噴射されることで、自己点火の前に燃料及び空気の混合を促進する。場合により、一次渦流発生チャンバ２１０の最上流面に１つ又は複数のさらなる燃料インジェクタが配置されてもよい。当業者は、本明細書に記載されるとおりのインジェクタと併せて任意の好適なタイプのノズルが用いられてもよく、本明細書における呼称「一次」及び「二次」は、明確にするために使用されているに過ぎず、必要に応じて、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、一次及び二次燃料インジェクタの従来どおりの役割を変更したり、又は入れ替えたりし得ることを容易に理解するであろう。

図１３は、バーナ２００によって燃焼器１０に作り出されるフローパターンの概略図を示す。圧縮機排気２３０は、旋回器２１２及び２１８を通り抜け、完全に又はほぼ完全に接線方向でバーナ２００の内部に入る。空気はまた、インジェクタ２２２の周辺にも入るが（図１０及び図１２に示されるとおり）、上流のインジェクタ２２３を通ることはない。当業者は、インジェクタ２２３が、インジェクタ２２２と同じく空気フローを取り込むように改変され得ることを理解するであろう。インジェクタ２２２及び／又は２２３が空気及び燃料を噴射するように構成されるとき、それらはエア・アシスト回路として使用され得る。これにより、図６を参照して上述されたものと同じく、渦２３２が作り出され、燃焼排出ガスが再循環領域２１６に引き込まれ、下流に向かって流れる混合流２３４と、外側再循環領域２３６と、接線流成分２３８とが提供される。燃料インジェクタ２２２／２２３は、再循環領域２１６の再循環される燃焼排出ガスにごく近接して出口を有するため、燃料を燃焼排出ガス２１６の中に噴射することができる。インジェクタ２２２／２２３は、上記のインジェクタ延長管１２２を備えるインジェクタ１２３と比較して、より大きい圧力降下を示す。インジェクタ２２２／２２３は、燃料が渦に侵入して再循環領域２１６に引き込まれるように、燃料を流れ場に侵入させるのに十分な燃料運動量を提供する。従って、延長管を渦に突き入れて、燃料を再循環領域２１６に直接噴射する必要はない。インジェクタ２２２／２２３は、噴霧器先端、別個のジェット式インジェクタ、又は十分な燃料運動量を提供することのできる任意の他の好適な噴射手段であってもよい。

実質的にバーナ１００に関連して上述され、図３〜図５に示されるとおりに、バーナを構成した。このバーナを試験室で試験した。図１４及び図１５のプロットは、ある範囲の当量比にわたるＣＯ及びＮＯｘの双方の濃度を示し、当量比に直接関係する火炎温度がプロットの横軸にとられる。様々な燃料を試験したが、ガスタービン・エンジンについて最も重要なものはＪｅｔ−Ａである。Ｊｅｔ−Ａに関する結果から、約０．３６を上回る当量比について１０ｐｐｍ未満のＣＯ、及び約０．４３未満の当量比について１０ｐｐｍ未満のＮＯｘの排出量が示された。従って、ＣＯ及びＮＯｘの双方の排出量が同時に１０ｐｐｍ未満となる約０．３６〜０．４３の範囲が存在する。試験の設計には燃料の多段階式を組み込み、超低排出の範囲を広げた。しかしながら、無炎形態及び超低排出へは漸進的にしか移行せず、排出濃度は希薄吹き消えの寸前まで緩慢に増加する。

無炎燃焼を通じて生じた火炎構造は、十分に撹拌される反応器のものと同等である。Ｊｅｔ−Ａについて約０.４０を上回る当量比に関し、バーナによって作り出される火炎構造は、従来のガスタービン・インジェクタのものと似ていて、ＯＨ及びＣＨラジカルの濃度から明らかな火炎形状を確認することができる。しかしながら、それより低い当量比では、ＯＨ及びＣＨラジカルの幅が広がり、さらには拡散して表されるため、火炎形状はもはや識別できない。燃焼ラジカルが燃焼室の大部分を包囲し、火炎形状がもはや識別できないとき、その燃焼過程は無炎形態にあると言うことができる。

図１６及び図１７の画像に示されるとおり、約０．４０を上回る当量比において、火炎は再循環領域によって固定される：当業者は、これが、古典的にガスタービン・エンジンに使用される渦流が安定化した火炎であると認識するであろう。このタイプの火炎は、渦の前方のよどみ点における摂動が火炎と結び付き得るため、不安定になり易い。燃焼が無炎形態にあるとき、火炎はもはや単一の点には、又は中心渦によっては固定されず、すなわち安定化せず、従って、流体構造における摂動は燃焼過程にほとんど影響を有しない。図１６では、示される希薄吹き消えは、試験装置における希薄吹き消えを指す。

試験設計では、無炎形態での燃焼を行うことに成功したが、燃料分布の非対称性を有し、それが能力を制限していた。これは、改良した内部燃料マニホルドを使用し、且つ燃料延長管の長さ及び位置に大きな差がないようにすることで、修正することができる。

無炎燃焼の分散した性質のため、温度分布もまた、従来のガスタービン・インジェクタのものを上回って改善される。さらに、高い当量比のバーナを見ると、温度分布は、図１８に示されるとおり、従来のインジェクタと類似して、高温ほど燃焼器の中心に近く、且つ低温ほど壁に近い。ここでｒ／Ｄ_c＝０．０は燃焼器の中心に相当し、ｒ／Ｄ_c＝０．５は壁に相当する。この挙動は、バーナの１５．２４ｃｍ（６インチ）、２０．３２ｃｍ（８インチ）、及び２５．４０ｃｍ（１０インチ）下流でとられた曲線についてのみ示され、これは、５．０８ｃｍ（２インチ）及び１０．１６ｃｍ（４インチ）離れてとられた曲線が、バーナに近過ぎて流れが発生するほどではなかったためである。より高い中心温度は、サーマルＮＯｘの強力な発生源であり、さらにタービン部分下流により大きい熱応力をかける。無炎形態の結果、燃焼器にわたって同じバルク温度又は平均温度になるが、図１９に示されるとおり、いかなる直径方向の位置においても温度ははるかに平均に近い。図１８及び図１９では、図１９の凡例に示されるとおり、燃焼器の長さに沿った種々の位置における様々な曲線がプロットされる。図１９に示されるものの場合、０．７５の長さ対直径比では温度は較的一様である。それ以上になると、温度は一様なままであるものの低下し、これは、０．７５Ｌ／Ｄの軸方向位置、すなわち１５．２４ｃｍ（６インチ）までが完全燃焼であることを示している。０．７５Ｌ／Ｄ比を超えると、ほぼＳＴＤ条件にさらされる燃焼器の壁を通じて熱が失われる。

図２０は、試験装置からとられた温度データの５つのプロットを示す。試験装置において熱電対のアレイを流れに横断するように置き、５枚の面積プロットに示されるとおり、様々な軸方向及び半径方向位置において温度データを得た。各プロットは、示されるとおりの、バーナにおける異なる流量に対応する。図２０はまた、排気中の３つの熱電対と、図２０では「再循環ＴＣ」との系列名が付けられた、燃料噴射の上流の再循環チャンバのスロートに置かれた熱電対とについての当量比に対する温度のプロットも示す。再循環熱電対は、燃焼の温度に近い再循環領域の温度を示したが、これは、バーナのスロート領域への高温の燃焼ガスの再循環が起こることを示している。

上述され、且つ図面に示される本発明の方法及びシステムは、先行する公知の無炎バーナのように重量の再循環用導管又は熱交換器を必要としないことを含め、優れた特性を有する無炎燃焼を提供する。この改良により、航空機環境におけるガスタービン・エンジンについて、並びに地上のガスタービン・エンジン、又は任意の他のガスタービン・エンジン環境において、無炎燃焼の利益が実現される。本発明の装置及び方法は、好ましい実施形態を参照して図示及び説明されているが、当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、それに対して変更及び／又は修正を加え得ることを容易に理解するであろう。

１０ 燃焼器
２０ 燃焼器開口
３０ カラーリング
４０ 燃料ライン
４５ カラー
４７ 締結具
１００、２００ 無炎バーナ
１０２ バーナ本体
１０４ 長手方向軸
１０６、２０６ 上流部分
１０８、２０８ 下流部分
１１０、２１０ 一次渦流発生チャンバ
１１２、２１２ 空気旋回器
１１６、２１６ 再循環領域
１１８、２１８ 空気旋回器
１２０、２２０ ディフューザ部分
１２２ インジェクタ延長管
１２３ 燃料インジェクタ先端
１２４、２２４ スロート部
１３０、２３０ 圧縮機排気
１３２、２３２ 渦
１３４、２３４ 下流に向かって流れる混合流
１３６、２３６ 外側再循環領域
１３８、２３８ 接線流成分
２２２ 一次燃料インジェクタ
２２３ 二次燃料インジェクタ
２２５ 中央管路
２２７ 入口

Claims (11)

1. ガスタービン・エンジン用の無炎バーナであって、
   ａ）長手方向軸と、上流部分と、下流部分とを有するバーナ本体であって、前記バーナ本体の前記上流部分は、一次渦流発生チャンバおよびその下流スロートを画定し、空気旋回器が連係する前記一次渦流発生チャンバが、前記空気旋回器を通じて圧縮機排気を受け入れ、それによって下流の燃焼生成ガスを前記バーナ本体に向かって引き込む再循環領域を形成するように適合及び構成される、バーナ本体と、
   ｂ）複数の一次燃料インジェクタであって、各々が、前記スロートの下流の前記バーナ本体のディフューザに画定された内側に面した出口オリフィスを有する、複数の一次燃料インジェクタと、
   ｃ）前記スロートの下流を向いた面に画定された出口オリフィスを有する、少なくとも１つの二次燃料インジェクタと
   を含み、
   ここで、前記一次および二次燃料インジェクタが燃料を燃焼生成ガスの再循環領域に放出するように適合および構成される、無炎バーナ。
2. 前記バーナ本体の前記上流部分の前記空気旋回器が、半径型空気旋回器である、請求項１に記載の無炎バーナ。
3. 前記一次渦流発生チャンバと前記バーナ本体の前記下流部分との間に画定される第２の半径型空気旋回器をさらに含む、請求項２に記載の無炎バーナ。
4. 前記バーナ本体の前記下流部分において、前記一次渦流発生チャンバに近接して画定される円錐型空気旋回器をさらに含む、請求項２に記載の無炎バーナ。
5. 前記少なくとも１つの二次燃料インジェクタの前記下流に面した出口オリフィスが前記一次渦流発生チャンバと前記ディフューザとの間に画定される、請求項１に記載の無炎バーナ。
6. a）前記バーナ本体の前記下流部分に画定された末広のディフューザ部分であって、前記ディフューザ部分に、圧縮機排気の旋回流を前記ディフューザ部分に送り込むための第２の空気旋回器が画定される、ディフューザ部分を、含む請求項１に記載の無炎バーナ。
7. 前記第１の空気旋回器が半径型旋回器であり、かつ前記第２の空気旋回器が円錐型旋回器である、請求項６に記載の無炎バーナ。
8. 前記バーナ本体の前記上流部と、前記下流部と、前記スロート部とが、前記スロート部に近接するほど先細になる先細末広の内側形状を形成する、請求項１に記載の無炎バーナ。
9. 前記第１の空気旋回器及び前記第２の空気旋回器が、双方とも半径型旋回器である、請求項６に記載の無炎バーナ。
10. 前記一次燃料インジェクタの各々が、燃料のジェットを放出するように構成された燃料噴霧ノズルを備え、前記燃料のジェットが、圧縮機排気と同時に噴射されることで、自己点火の前に、燃料と空気との十分な混合を促進する、請求項１に記載の無炎バーナ。
11. ａ）前記バーナ本体の前記下流部分に画定された末広のディフューザ部分であって、前記ディフューザ部分に、圧縮機排気の旋回流を前記ディフューザ部分に送り込むための第２の空気旋回器が画定される、ディフューザ部分と
    ｂ）前記一次渦流発生チャンバと前記ディフューザとの間の前記スロートの下流に画定された下流に面する出口オリフィスであって、燃料を再循環燃焼生成ガスの中に放出するための下流に面する出口オリフィスを有する少なくとも１つの前記二次燃料インジェクタと、を含む、請求項６に記載の無炎バーナ。