JPH10196958A - ガスタービンエンジンの燃焼器内で燃料を燃焼する方法 - Google Patents
ガスタービンエンジンの燃焼器内で燃料を燃焼する方法Info
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- JPH10196958A JPH10196958A JP9365238A JP36523897A JPH10196958A JP H10196958 A JPH10196958 A JP H10196958A JP 9365238 A JP9365238 A JP 9365238A JP 36523897 A JP36523897 A JP 36523897A JP H10196958 A JPH10196958 A JP H10196958A
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- F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
- F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
- F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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- F05B2250/322—Arrangement of components according to their shape tangential
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 タンジェンシャル入口燃料ノズルを希薄の燃
料／空気比で作動する方法において、燃焼の不安定を生
じさせることなしに、低ＮＯX及び低ＣＯの目的を達成
すること。 【解決手段】 燃焼用空気の第１の部分を燃料ノズル１
０の混合区域２８に導入し、このとき燃料をこの燃焼用
空気の第１の部分中に導入して混合する。また、燃焼用
空気の第２の部分をスクロールスワラ１４の燃焼器入口
ポート２０で燃焼用空気の第１の部分中にその半径方向
内向きに導入し、燃焼用空気の第１の部分と第２の部分
との総和が総空気流量を限定すると共に、燃焼用空気の
第２の部分が総空気流量の８５〜８９％と等しくされ
る。
料／空気比で作動する方法において、燃焼の不安定を生
じさせることなしに、低ＮＯX及び低ＣＯの目的を達成
すること。 【解決手段】 燃焼用空気の第１の部分を燃料ノズル１
０の混合区域２８に導入し、このとき燃料をこの燃焼用
空気の第１の部分中に導入して混合する。また、燃焼用
空気の第２の部分をスクロールスワラ１４の燃焼器入口
ポート２０で燃焼用空気の第１の部分中にその半径方向
内向きに導入し、燃焼用空気の第１の部分と第２の部分
との総和が総空気流量を限定すると共に、燃焼用空気の
第２の部分が総空気流量の８５〜８９％と等しくされ
る。
Description
【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に用いるこの種の
ノズルに関する。
料ノズル、特にガスタービンエンジンに用いるこの種の
ノズルに関する。
【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及び
一酸化炭素（以下“ＣＯ”という）はよく知られている
汚染物質であり、このため、ＮＯX及びＣＯ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及びＣＯの生成を減少す
るためになされている。
生成は、高温での燃焼の結果として生じる。ＮＯX及び
一酸化炭素（以下“ＣＯ”という）はよく知られている
汚染物質であり、このため、ＮＯX及びＣＯ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及びＣＯ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。
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】希薄の燃料／空気比で作動するタンジェン
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の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、この希薄の燃料／空気比の作動状態の
結果として、燃料ノズルの通常の作動範囲以上に燃焼が
不安定となる問題が生じているものである。
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の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、この希薄の燃料／空気比の作動状態の
結果として、燃料ノズルの通常の作動範囲以上に燃焼が
不安定となる問題が生じているものである。
【０００５】以上述べたことから、タンジェンシャル入
口燃料ノズルを希薄の燃料／空気比で作動する方法であ
って、従来技術で観察されている燃焼の不安定を生じさ
せることなしに、低ＮＯX及び低ＣＯの目的を達成でき
る方法が要望されている。
口燃料ノズルを希薄の燃料／空気比で作動する方法であ
って、従来技術で観察されている燃焼の不安定を生じさ
せることなしに、低ＮＯX及び低ＣＯの目的を達成でき
る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、タンジ
ェンシャル入口燃料ノズルを希薄の燃料／空気比で作動
する方法であって、従来技術で観察されている燃焼の不
安定を生じさせることなしに、低ＮＯX及び低ＣＯの目
的を達成できる方法を提供することにある。
れたものである。したがって、本発明の目的は、タンジ
ェンシャル入口燃料ノズルを希薄の燃料／空気比で作動
する方法であって、従来技術で観察されている燃焼の不
安定を生じさせることなしに、低ＮＯX及び低ＣＯの目
的を達成できる方法を提供することにある。
【０００７】以上述べた目的を達成するために、本発明
は、ガスタービンエンジンの燃焼器内で燃料を予混合式
の燃焼で燃焼する方法において、第１の端板と第２の端
板とを有し、前記第１の端板が前記第２の端板と間隔を
置いてそれらの間に実質的に円筒形の混合区域を画成す
ると共に、前記第２の端板がこの第２の端板を貫通して
延びる燃焼器入口ポートを有しているスクロールスワラ
を設ける段階と、前記混合区域内に設けられていると共
に半径方向外側表面を有し、この半径方向外側表面が前
記燃焼器入口ポートに向ってテーパして前記混合区域の
全体長さに沿って延びている中央本体を設ける段階と、
燃焼用空気の第１の部分を前記混合区域の長さに沿って
実質的に連続して前記混合区域内に接線方向に導入する
段階と、前記燃焼用空気を前記混合区域内に導入すると
きに、燃料の第１の一部分を前記燃焼用空気中に導入す
る段階と、前記燃焼用空気と前記燃料とを前記混合区域
に向って流しながら、前記燃焼用空気と前記燃料とを前
記中央本体のまわりに旋回させることにより、これら燃
焼用空気と燃料とを混合する段階と、前記燃焼用空気の
第１の部分を前記燃焼器入口ポート内へ流す段階と、燃
焼用空気の第２の部分を前記燃焼器入口ポートで前記燃
焼用空気の第１の部分中にその半径方向内向きに導入
し、前記燃焼用空気の第１の部分と第２の部分との総和
が総空気流量を限定すると共に、前記燃焼用空気の第２
の部分が前記総空気流量の８５〜８９％に等しくする段
階と、前記燃料を前記混合区域の外で燃焼させる段階
と、を包含してなる方法、を提供するものである。
は、ガスタービンエンジンの燃焼器内で燃料を予混合式
の燃焼で燃焼する方法において、第１の端板と第２の端
板とを有し、前記第１の端板が前記第２の端板と間隔を
置いてそれらの間に実質的に円筒形の混合区域を画成す
ると共に、前記第２の端板がこの第２の端板を貫通して
延びる燃焼器入口ポートを有しているスクロールスワラ
を設ける段階と、前記混合区域内に設けられていると共
に半径方向外側表面を有し、この半径方向外側表面が前
記燃焼器入口ポートに向ってテーパして前記混合区域の
全体長さに沿って延びている中央本体を設ける段階と、
燃焼用空気の第１の部分を前記混合区域の長さに沿って
実質的に連続して前記混合区域内に接線方向に導入する
段階と、前記燃焼用空気を前記混合区域内に導入すると
きに、燃料の第１の一部分を前記燃焼用空気中に導入す
る段階と、前記燃焼用空気と前記燃料とを前記混合区域
に向って流しながら、前記燃焼用空気と前記燃料とを前
記中央本体のまわりに旋回させることにより、これら燃
焼用空気と燃料とを混合する段階と、前記燃焼用空気の
第１の部分を前記燃焼器入口ポート内へ流す段階と、燃
焼用空気の第２の部分を前記燃焼器入口ポートで前記燃
焼用空気の第１の部分中にその半径方向内向きに導入
し、前記燃焼用空気の第１の部分と第２の部分との総和
が総空気流量を限定すると共に、前記燃焼用空気の第２
の部分が前記総空気流量の８５〜８９％に等しくする段
階と、前記燃料を前記混合区域の外で燃焼させる段階
と、を包含してなる方法、を提供するものである。
【０００８】
【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。
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。
【０００９】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側表面を
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。
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側表面を
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。
【００１０】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。
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。
【００１１】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。
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。
【００１２】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
内部通路６４を有する。本発明の好適な実施例では、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、７
８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８０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）。
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
内部通路６４を有する。本発明の好適な実施例では、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、７
８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８０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）。
【００１３】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と円筒形部分８８
とを包含する。切頭円錐形部分８６は、長手方向軸線２
６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。円筒形部分８８
は、切頭円錐形部分８６と一体であり、また円筒体の表
面を限定し、更に長手方向軸線２６と同軸である。好適
な実施例では、円筒形部分８８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、基部５８での切
頭円錐形部分８６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（基部５８が切頭円錐形部分
８６に出会う面と、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、基部５８での切頭円
錐形部分８６の直径のほぼ１．３倍である。円筒形部分
８８は、切頭円錐形部分８６と放出オリフィス６８との
間に設けられている。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８６が円筒形部分８８に向ってテーパしてこの
円筒形部分８８で終るように基部５８に接続されてい
る。図２に示されるように、切頭円錐形部分８６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。なお、図２及び図３におい
て、符号８９は曲り部材を示す。
向外側表面８４は切頭円錐形部分８６と円筒形部分８８
とを包含する。切頭円錐形部分８６は、長手方向軸線２
６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。円筒形部分８８
は、切頭円錐形部分８６と一体であり、また円筒体の表
面を限定し、更に長手方向軸線２６と同軸である。好適
な実施例では、円筒形部分８８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、基部５８での切
頭円錐形部分８６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（基部５８が切頭円錐形部分
８６に出会う面と、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、基部５８での切頭円
錐形部分８６の直径のほぼ１．３倍である。円筒形部分
８８は、切頭円錐形部分８６と放出オリフィス６８との
間に設けられている。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８６が円筒形部分８８に向ってテーパしてこの
円筒形部分８８で終るように基部５８に接続されてい
る。図２に示されるように、切頭円錐形部分８６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。なお、図２及び図３におい
て、符号８９は曲り部材を示す。
【００１４】図１を参照するに、内部室１００が基部５
８と第２の円筒形通路７２の第２の端７６との間で中央
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１０
０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１０
４、１０６を有し、これらの開口１０４、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６
０、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。
８と第２の円筒形通路７２の第２の端７６との間で中央
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１０
０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１０
４、１０６を有し、これらの開口１０４、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６
０、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。
【００１５】更に、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５
８、内部室１００及びスワラ１０８を通して内部通路６
４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。
２６と同軸であり、この燃料ランス１１０は、基部５
８、内部室１００及びスワラ１０８を通して内部通路６
４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。
【００１６】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、末広面１１７と、円筒形面１１８とを包含し、円筒
形面１１８は入口ポート２０のスロート面１２０を限定
する。先細面１１６、末広面１１７及び円筒形面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と円筒形面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、円筒
形面１１８に向ってテーパしている。一方、末広面１１
７は、好適には、楕円の一部分を長手方向軸線２６のま
わりに回転させることにより限定される。
は長手方向軸線２６と同軸であり、また、先細面１１６
と、末広面１１７と、円筒形面１１８とを包含し、円筒
形面１１８は入口ポート２０のスロート面１２０を限定
する。先細面１１６、末広面１１７及び円筒形面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と円筒形面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、円筒
形面１１８に向ってテーパしている。一方、末広面１１
７は、好適には、楕円の一部分を長手方向軸線２６のま
わりに回転させることにより限定される。
【００１７】円筒形面１１８は、スロート面１２０と末
広面１１７との間の有限距離１２１を延びている。ま
た、末広面１１７は円筒形面１１８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１２
２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。そして、燃焼
器入口ポート２０を通しての燃料／空気混合体の軸方向
速度を所望の速度に達成するためには、燃焼器入口ポー
ト２０を通して流れる燃焼用空気が、燃焼器入口ポート
２０で、最小流れ区域、すなわちスロート区域に出会な
ければならない。この効果を達成するために、円筒形面
１１８が長手方向軸線２６から基部５８での切頭円錐形
部分８６の半径よりも少なくとも１０％小さい所定の半
径で設けられている。
広面１１７との間の有限距離１２１を延びている。ま
た、末広面１１７は円筒形面１１８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１２
２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。そして、燃焼
器入口ポート２０を通しての燃料／空気混合体の軸方向
速度を所望の速度に達成するためには、燃焼器入口ポー
ト２０を通して流れる燃焼用空気が、燃焼器入口ポート
２０で、最小流れ区域、すなわちスロート区域に出会な
ければならない。この効果を達成するために、円筒形面
１１８が長手方向軸線２６から基部５８での切頭円錐形
部分８６の半径よりも少なくとも１０％小さい所定の半
径で設けられている。
【００１８】また、先細面１１６はスロート面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、スロート面１
２０は出口面１２４と内部通路６４の放出オリフィス６
８との間に設けられ、また、先細面１１６は円筒形面１
１８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、円筒形面１１８が長手方向軸線２６に沿って第
１の距離１２６の少なくとも５％の第２の距離１２１を
延びている。なお、符号１２８は円筒形面１１８及び末
広面１１７が長手方向軸線２６に沿って連続して延びる
第３の距離を示し、この第３の距離１２８は第１の距離
１２６の少なくとも３０％とされている。
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、スロート面１
２０は出口面１２４と内部通路６４の放出オリフィス６
８との間に設けられ、また、先細面１１６は円筒形面１
１８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、円筒形面１１８が長手方向軸線２６に沿って第
１の距離１２６の少なくとも５％の第２の距離１２１を
延びている。なお、符号１２８は円筒形面１１８及び末
広面１１７が長手方向軸線２６に沿って連続して延びる
第３の距離を示し、この第３の距離１２８は第１の距離
１２６の少なくとも３０％とされている。
【００１９】作用において、燃料ノズル１０を通しての
総空気流量の１１〜１５％に等しい燃焼用空気１０２
が、開口１０４、１０６及び基部５８の空気供給穴６
０、６２を通して中央本体１２の内部室１００内に導入
される。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７
２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のスロート面１２０のすぐ手前のと
ころで又はこのスロート面１０２で第１の円筒形通路６
６を出て、燃料／空気混合体の中央流れを生成する。
総空気流量の１１〜１５％に等しい燃焼用空気１０２
が、開口１０４、１０６及び基部５８の空気供給穴６
０、６２を通して中央本体１２の内部室１００内に導入
される。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７
２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のスロート面１２０のすぐ手前のと
ころで又はこのスロート面１０２で第１の円筒形通路６
６を出て、燃料／空気混合体の中央流れを生成する。
【００２０】また、燃料ノズル１０を通しての総空気流
量の８５〜８９％に等しい燃焼用空気が、入口スロット
３６、３８を通して混合区域２８内に導入される。上述
の説明から明らかなように、用語“総空気流量”とは、
入口スロット３６、３８を通して入ってくる燃焼用空気
と空気供給穴６０、６２を通して入ってくる燃焼用空気
との総和を意味する。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、３
８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。燃料／空気濃度は次のような方法で特定され
ている。すなわち、もし所望する総燃料／空気比が化学
量論燃焼のために要求される燃料／空気比の０．５倍で
ある場合には、中心ガス流れは化学量論の０．５４倍の
燃料／空気比を有すると共に、残りの流れは化学量論の
０．４９３倍の燃料／空気比を有するようにされる。
量の８５〜８９％に等しい燃焼用空気が、入口スロット
３６、３８を通して混合区域２８内に導入される。上述
の説明から明らかなように、用語“総空気流量”とは、
入口スロット３６、３８を通して入ってくる燃焼用空気
と空気供給穴６０、６２を通して入ってくる燃焼用空気
との総和を意味する。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、３
８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。燃料／空気濃度は次のような方法で特定され
ている。すなわち、もし所望する総燃料／空気比が化学
量論燃焼のために要求される燃料／空気比の０．５倍で
ある場合には、中心ガス流れは化学量論の０．５４倍の
燃料／空気比を有すると共に、残りの流れは化学量論の
０．４９３倍の燃料／空気比を有するようにされる。
【００２１】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つの流れが円筒形面１１８の半径方向
内向きに流れ、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、末広面
１１７に流れる。
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つの流れが円筒形面１１８の半径方向
内向きに流れ、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、末広面
１１７に流れる。
【００２２】本発明の燃料ノズル１０をテストしたとこ
ろによれば、従来技術で観察されている燃焼の不安定を
生じさせることなしに、低ＮＯX及び低ＣＯの目的を達
成する希薄な燃料／空気比とすることが実証された。ノ
ズルの作動に対して重要なことは、空気及び燃料を２つ
の流れに分割したことにある。十分な燃料は、火炎の全
体がその存在によって安定される中心流れを通過しなけ
ればならないが、しかし、燃料／空気比はかなりのＮＯ
Xの生成を生じさせたり、燃料の火炎の静止を奪うよう
なほどに高くしてはならない。更に、２つの空気流れに
供給される燃料は、最適な放出を得るために中心流れ中
の燃料の割合を作動中変えることをできるように、分岐
して、それぞれ独立に制御しなければならない。
ろによれば、従来技術で観察されている燃焼の不安定を
生じさせることなしに、低ＮＯX及び低ＣＯの目的を達
成する希薄な燃料／空気比とすることが実証された。ノ
ズルの作動に対して重要なことは、空気及び燃料を２つ
の流れに分割したことにある。十分な燃料は、火炎の全
体がその存在によって安定される中心流れを通過しなけ
ればならないが、しかし、燃料／空気比はかなりのＮＯ
Xの生成を生じさせたり、燃料の火炎の静止を奪うよう
なほどに高くしてはならない。更に、２つの空気流れに
供給される燃料は、最適な放出を得るために中心流れ中
の燃料の割合を作動中変えることをできるように、分岐
して、それぞれ独立に制御しなければならない。
【００２３】本発明は、幾つかの点において他の点火及
び安定化方法とは異なるものである。すなわち、第１
に、本発明は希薄の予混合システムに適用される。２つ
の流れは、一方の流れが他方の流れよりも燃料を少しだ
け多く含むようにして、予混合される。これは、拡散火
炎でもって点火する伝統的な方法よりもかなり低い放出
を生じせしめる。実際に、本発明は“点火する”もので
はない。なぜなら、その機能は火炎が存在しないために
火炎源を提供するものではなく、むしろ広い安定特性及
び低い放出を持つ火炎を提供するものであるからであ
る。
び安定化方法とは異なるものである。すなわち、第１
に、本発明は希薄の予混合システムに適用される。２つ
の流れは、一方の流れが他方の流れよりも燃料を少しだ
け多く含むようにして、予混合される。これは、拡散火
炎でもって点火する伝統的な方法よりもかなり低い放出
を生じせしめる。実際に、本発明は“点火する”もので
はない。なぜなら、その機能は火炎が存在しないために
火炎源を提供するものではなく、むしろ広い安定特性及
び低い放出を持つ火炎を提供するものであるからであ
る。
【００２４】第２に、２つ（又はそれ以上）の流れは、
単一の一体化した統合火炎前面を形成する。接触火炎は
常に単一の火炎前面を形成すると説明されているけれど
も、本発明の本質は、単一の火炎構造の精細な操作及び
燃料種類の制御にある。テストをしておおむね好結果を
得た具体例では、２つの流れは、多少の差（すなわち、
燃料／空気比の差が１０％）でもって、燃料／空気比、
軸方向速度、回転及び温度において互いにほとんど一致
した。したがって、燃料が希薄の火炎の利益が、それら
の制限の幾つかを少なくしながら、得られる。
単一の一体化した統合火炎前面を形成する。接触火炎は
常に単一の火炎前面を形成すると説明されているけれど
も、本発明の本質は、単一の火炎構造の精細な操作及び
燃料種類の制御にある。テストをしておおむね好結果を
得た具体例では、２つの流れは、多少の差（すなわち、
燃料／空気比の差が１０％）でもって、燃料／空気比、
軸方向速度、回転及び温度において互いにほとんど一致
した。したがって、燃料が希薄の火炎の利益が、それら
の制限の幾つかを少なくしながら、得られる。
【００２５】第３に、流れは物理的に分離され、それぞ
れ独立して制御することができる。液体燃料インジェク
タは、しばしば、火炎安定を広げると共に放出を減少す
るために、火炎の富燃料部分及び希薄燃料部分を生成す
るように、小滴径又は速度の差を用いる。同様に、希薄
予混合の気体燃料インジェクタの燃料穴は、火炎の富燃
料及び希薄燃料部分を生成するために異なる径とされて
設けられる。又は、空気力学が富燃料及び希薄燃料環境
を促進せしめるような方法で分離を生じさせるように制
御されうる。本発明は、これらとは、流れが燃焼区域に
ほとんど入るまで、これらの流れが上述した単一の一体
化した統合火炎前面の形成を許容することを可能とした
十分な混合時間のみでもって、物理的な分離が維持され
る点で、異なるものである。
れ独立して制御することができる。液体燃料インジェク
タは、しばしば、火炎安定を広げると共に放出を減少す
るために、火炎の富燃料部分及び希薄燃料部分を生成す
るように、小滴径又は速度の差を用いる。同様に、希薄
予混合の気体燃料インジェクタの燃料穴は、火炎の富燃
料及び希薄燃料部分を生成するために異なる径とされて
設けられる。又は、空気力学が富燃料及び希薄燃料環境
を促進せしめるような方法で分離を生じさせるように制
御されうる。本発明は、これらとは、流れが燃焼区域に
ほとんど入るまで、これらの流れが上述した単一の一体
化した統合火炎前面の形成を許容することを可能とした
十分な混合時間のみでもって、物理的な分離が維持され
る点で、異なるものである。
【００２６】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。
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。
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。
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。
ルの断面図である。
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 円筒形部分 ８９ 曲り部材 ９０ 切頭円錐形部分の高さ ９２ 円 ９４ 中心 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 １１７ 末広面 １１８ 円筒形面 １２０ スロート面 １２１ 第２の距離 １２２ 燃焼器面 １２４ 出口面 １２６ 第１の距離 １２８ 第３の距離
───────────────────────────────────────────────────── 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 ステフェン・エー・モーフォード アメリカ合衆国フロリダ州 33458 ジュ ピター市キーストーン・ドライブ 1112 ナンバー・イー (72)発明者 チャールス・ビー・グレーブス アメリカ合衆国フロリダ州 33458 ジュ ピター市ジョーンズ・クリーク・ドライブ 194
Claims (4)
- 【請求項１】ガスタービンエンジンの燃焼器内で燃料を
予混合式の燃焼で燃焼する方法において、 第１の端板と第２の端板とを有し、前記第１の端板が前
記第２の端板と間隔を置いてそれらの間に実質的に円筒
形の混合区域を画成すると共に、前記第２の端板がこの
第２の端板を貫通して延びる燃焼器入口ポートを有して
いるスクロールスワラを設ける段階と、 前記混合区域内に設けられていると共に半径方向外側表
面を有し、この半径方向外側表面が前記燃焼器入口ポー
トに向ってテーパして前記混合区域の全体長さに沿って
延びている中央本体を設ける段階と、 燃焼用空気の第１の部分を前記混合区域の長さに沿って
実質的に連続して前記混合区域内に接線方向に導入する
段階と、 前記燃焼用空気を前記混合区域内に導入するときに、燃
料の第１の部分を前記燃焼用空気中に導入する段階と、 前記燃焼用空気と前記燃料とを前記混合区域に向って流
しながら、前記燃焼用空気と前記燃料とを前記中央本体
のまわりに旋回させることにより、これら燃焼用空気と
燃料とを混合する段階と、 前記燃焼用空気の第１の部分を前記燃焼器入口ポート内
へ流す段階と、 燃焼用空気の第２の部分を前記燃焼器入口ポートで前記
燃焼用空気の第１の部分中にその半径方向内向きに導入
し、前記燃焼用空気の第１の部分と第２の部分との総和
が総空気流量を限定すると共に、前記燃焼用空気の第２
の部分が前記総空気流量の８５〜８９％に等しくする段
階と、 前記燃料を前記混合区域の外で燃焼する段階と、 を包含してなる方法。 - 【請求項２】請求項１記載の方法において、前記燃焼用
空気の第２の部分を前記燃焼用空気の第１の部分中にそ
の半径方向内向きに導入する段階が、 前記燃焼用空気の第２の部分を前記中央本体内に導入す
る段階と、 燃料の第２の部分を前記燃焼用空気の第２の部分中に導
入する段階と、 前記燃料の第２の部分を前記燃焼用空気の第２の部分に
混合する段階と、 を包含してなる方法。 - 【請求項３】請求項２記載の方法において、前記燃焼用
空気の第１の部分に分配される前記燃料の第１の部分が
第１の燃料／空気濃度を限定すると共に、前記燃焼用空
気の第２の部分に分配される前記燃料の第２の部分が第
２の燃料／空気濃度を限定し、所望する総燃料／空気比
が化学量論燃焼のために要求される燃料／空気比の０．
５倍であり、かつ前記第１の燃料／空気濃度が化学量論
の０．４９３倍であると共に、前記第２の燃料／空気濃
度が化学量論の０．５４倍である方法。 - 【請求項４】請求項３記載の方法において、前記燃焼用
空気の第２の部分を前記燃焼器入口ポートで前記燃焼用
空気の一部分中にその半径方向内向きに導入する段階の
前に、前記燃焼用空気の第２の部分を、前記燃焼用空気
の一部分の角速度と実質的に等しい角速度で前記中央本
体内で旋回させる段階を包含してなる方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/770,278 US5761897A (en) | 1996-12-20 | 1996-12-20 | Method of combustion with a two stream tangential entry nozzle |
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