JP3117995B2

JP3117995B2 - ガスタービン・エンジンに対する低排出物燃焼システム

Info

Publication number: JP3117995B2
Application number: JP04509316A
Authority: JP
Inventors: コリンジョンエザーリッジ
Original assignee: Solar Turbines Inc
Current assignee: Solar Turbines Inc
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 2000-12-18
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: DE69128798D1; DE69128798T2; JPH06504362A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、ガスタービンの窒素酸化物（NOx）、一酸
化炭素（CO）及び未燃焼炭化水素（UHC）排出物を無負
荷から全負荷運転パラメータに対し全ての周囲条件に於
いて特定の容積ppmレベル以下に自動的に維持するシス
テムに関する。更に詳しくは、本発明は、空燃比を制御
するために燃料と混合する燃焼用空気を調節するシステ
ムに関する。

背景技術ガスタービン・エンジン中に燃料として化石燃料を使
用する場合は、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、煤煙
及びパーティキュレート、未燃焼炭化水素、窒素酸化物
及び硫黄酸化物の燃焼生成物が生じる。これらの生成物
のうち二酸化炭素と水蒸気は正常でかつ問題とはならな
い。殆どの分野に於いて政府の規制がありそして排出ガ
ス中の汚染物の量がより一層厳しく規制される。

従来燃焼生成物の大部分は設計の改善により制御され
てきた。例えば、煤煙は通常燃焼機の設計改善により制
御され、パーティキュレートはトラップ及びフィルタに
より、そして硫黄酸化物は通常全硫黄の低い燃料を選ぶ
ことにより制御される。これは、ガスタービンエンジン
から排出される排出ガス中に於いて第１に問題である排
出物として一酸化炭素、未燃焼炭化水素および窒素酸化
物の問題を残す。

窒素酸化物は通常の燃焼システムに於いては２つの経
路で生成される。例えば、大気中の窒素と酸素との燃焼
ゾーンで生じる高温度における直接結合および燃料中の
有機窒素の存在が窒素酸化物の生成を引き起こす。窒素
酸化物が形成する割合は炎の温度に依存し、その結果炎
の温度の僅かな低下が窒素酸化物の大幅な低下をもたら
す。

過去及び現在のシステムがガスタービン燃焼機の燃焼
ゾーン中の最高温度を下げる方法を提供し、それは第１
の燃焼ゾーンに於いてより多くの空気を導入し、冷却さ
れた排出生成物を燃焼ゾーンに再循環しそして燃焼ゾー
ンに水を噴射する計画を含んだ。このシステムの１例
は、1988年３月29日付与のHarry A.Kiddに対する米国
特許第4,733,527号に開示される。ここに開示される方
法と装置は、全ての周囲条件に於いて、無負荷から全負
荷の燃料供給に対しNOxの排出を実質的に一定の水準に
自動的に保持する。水／燃料比は与えられた運転条件に
於いてNOxの排出を実質的に一定の水準にするように計
算され、ガス・タービンへの実際の燃料流量を知り望ま
しい水／燃料比を達成するために適当な水の流れを燃焼
機に噴射するのに必要な水計測バルブの位置を示すシグ
ナルが示される。

NOx排出量を低減するための方法と装置の別の例が198
0年８月５日付与のGeorge D.Lewisに対する米国特許第
4,215,535号に開示される。この特許に於いて、装置は
燃焼機の半径方向に外側の面積に向かい排出する蛇状の
燃料混合チューブと燃焼機の中心近くの軸方向を向いた
燃料混合チューブとの組み合わせを有し、それは燃焼機
内に強い遠心力の場を作るのに適合する。中心に近いチ
ューブは収斂セクションと発散セクションとを有する。
燃料供給手段は燃料を収斂セクションに排出し、そこで
液体燃料の蒸発がチューブの全長にわたる微分軸方向速
度により助けられる。力場は燃焼室内部の急速な混合と
燃焼を促進し、燃焼機温度を下げそしてその温度に媒体
ガスを暴露する時間を少なくし、その結果NOxの形成を
減じる。

NOxの形成と排出を低下するもう１つの方法は1974年1
0月22日付与のFrederic Franklin Ehrichに対する米
国特許第3,842,597号に開示される。この特許は圧縮機
により加圧された空気の流れの１部を逃がしそして冷却
し、次いで炎の温度を下げるために燃焼機の第１燃焼ゾ
ーンに導き、それにより窒素酸化物の形成速度を低下さ
せる。

上記システムは窒素酸化物の排出を低減させる試みの
数例である。この試みの多くは追加費用を生じた。例え
ば、Kiddの考案は水源、制御弁、制御及び監視システ
ム、及び水を燃焼室に噴射する装置を含む燃焼室への追
加の水噴射手段を要する。Lewisの考案は複数の燃料混
合チューブまたは噴射器、各チューブに対する制御シス
テムとそれぞれ個々のチューブの制御のためのフィード
バックを有する監視システムを要する。Ehrichの考案は
圧縮機により加圧された空気流の１部を逃がしそして冷
却するための付加要素と、冷却空気を燃焼機に再導入す
るためのハードウエアを要する。

発明の開示本発明の１つの態様に於いて、ガスタービン・エンジ
ンの運転中の排出物の形成を低下するための制御システ
ムが開示される。エンジンは圧縮空気源、燃焼機及びタ
ービンを直配列で含む。エンジンは更に燃料と圧縮空気
を燃焼機に注入するために複数個の燃料噴射ノズルを含
む。制御システムは、適当な量の燃料を加えることによ
って定格時にガスタービン・エンジンのフル燃料運転を
支えるのに十分な量の空気を、圧縮空気源から噴射ノズ
ルを通して燃焼機へ向かわせるための手段を含む。制御
システムには更に燃焼機に向かう空気の量を低く制御す
るための手段を含む。制御システムはエンジンがフル燃
料または定格未満で運転される時、空気の１部を噴射ノ
ズルから逃がす。このために、燃料噴射ノズルの各々に
連通するマニホルドと、該マニホルドに連通して、エン
ジンが最大燃料すなわち定格速度よりも低い状態で作動
するとき、空気の一部を燃料噴射ノズルからマニホルド
を通して逃がすバルブを設ける。

本発明の１つの態様に於いて、ガスタービン・エンジ
ンはガスタービン・エンジンの運転中排出物の形成を減
らす制御システムを有する。エンジンは圧縮空気源、燃
焼機およびタービンを直配列で含む。

本発明の別の態様に於いて、燃焼機は１つのエンジン
における使用に適合する。エンジンは１つの外側ハウジ
ング、エンジンの運転中圧縮機から出る圧縮空気の流れ
を有する外側ハウジングの中にある圧縮機を有する。タ
ービンは外側ハウジングの中にあり圧縮機を駆動するよ
うに結ばれる。燃焼機は外側ハウジングの中にある外側
シェル、外側シェルの内側にある内側シェル、圧縮機に
結ばれる入口末端とタービンと結ばれる出口末端をによ
って構成される。燃焼機は更に、一般的に入口末端の中
にあり外側ハウジングから支えられている少なくとも１
個の噴射ノズルを含む。噴射ノズルは燃焼機末端部分、
外部末端部分と両末端の間に延びる通路を有する。通路
は圧縮空気の１部がそこを通って流れる予め確定された
面積を有し、そして噴射ノズルは更に通路と連通する予
め確定された面積をもつオリフィスを有する。噴射ノズ
ルは更に通路と結ばれる燃料源と、圧縮空気の一部をオ
リフィスを通して逃がすことにより燃焼機に入る圧縮空
気の流量を減少させる手段を含む。

本発明のもう１つの態様に於いて、環状の燃焼機セク
ションは外側シェルを有する燃焼機、外側シェルの内側
にある内側シェル、外側シェルと内側シェルに結ばれる
入口末端、外側末端と内側末端で区画される出口末端を
含む。入口末端はそのなかに複数の開口部を有する。環
状燃焼機セクションは更に複数の開口のなかにある複数
の噴射ノズルを含む。噴射ノズルは燃焼機末端部分、外
部末端部分および両末端の間に延びる通路を有する。そ
の通路はそれを通して圧縮空気の一部が流れる予め確定
された面積を有する。環状燃焼機セクションは更に通路
に通じる予め確定された面積を有するオリフィスを含
み、そして燃料源は通路に結ばれる。

窒素酸化物、一酸化炭素および未燃焼炭化水素排出物
を減らすためのシステムの操作は、排出物を減らすため
に簡単で費用がかからずそして信頼性のあるシステムを
提供する。そのシステムは窒素酸化物が形成される速度
が炎の温度により、その結果僅かな炎の温度の低下が窒
素酸化物の大幅な低下をもたらすということ実に基ず
く。そのシステムはあらゆる周囲条件に於いて無負荷か
ら全負荷または高負荷運転パラメータに対し、ガスター
ビンの窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素の排
出を自動的に特定の排出水準に維持する。

図面の簡単な説明第１図は、本発明の実施態様を有するガスタービン・
エンジンおよび制御システムの外面図である。

第２図は、本発明の実施態様を有するガスタービン・
エンジンの部分断面図である。

第３図は、第２図の線３−３を通る端部の部分断面図
ある。

第４図は、本発明の１つの実施態様で使われる２液体
噴射器の拡大断面図である。

第５図は、本発明の１つの実施態様で使われる１液体
噴射器の別の実施態様の拡大断面図である。

第６図は、本発明の１つの実施態様で使われる別の液
体噴射器の拡大断面図である。

発明を実施するための最良の形態第１図と第２図は、それから排出される窒素酸化物、
一酸化炭素および未燃焼炭化水素を減らすための制御シ
ステム12をもつガスタービン・エンジン10を示す。ガス
タービン・エンジン10は外側ハウジング14を有し、それ
はそのなかに相互に関係を有する予め確定された位置に
複数の開口16を、そして複数の16開口と関係する位置に
ネジ孔18を有する。この出願に於いてはハウジング14は
更に中心軸20を含み、そして軸20を中心に配置される圧
縮機セクション22、軸20を中心に配置されるタービンセ
クション24、そして圧縮機セクション22とタービンセク
ション24との間に配置される燃焼器セクション26の周り
に位置する。機能的には、圧縮機セクションまたは燃焼
器セクションに入る圧縮空気源22は燃料と混合され、燃
焼してタービン・セクションに出て出力を生み出すの
で、それらは直列の関係になければならない。エンジン
10は、軸20の周りに同軸に配列され燃焼機26の半径方向
内側に配置される内側ケース28を有する。タービン・セ
クション24は、発電機のような補機を駆動するために結
ばれる図示されない出力軸をもつ出力タービン30を有す
る。タービン・セクション24の別の部分は圧縮機セクシ
ョン22を駆動するように結ばれたガス発生タービン32を
有する。この出願に於いて圧縮機セクション22は軸流多
段圧縮機36を含み、それは１個だけが示されている複数
列の回転子組立体38を有する。エンジン10の運転中は圧
縮空気の流れは矢印40で示されるように圧縮機セクショ
ンを有する。これに代えて圧縮機セクションがラジアル
圧縮機またはいずれか好適な圧縮空気製造源を有するこ
とができる。

燃焼機セクション26はハウジング14から半径方向に予
め確定された間隔で配置され、ハウジング14から支えら
れた環状燃焼機42を有する。燃焼機42は中心軸20の周り
に配置された環状外側シェル44、外側シェル44の半径方
向内側に位置し、中心軸の周りに同軸に配列された環状
内側シェル46、通常均等な間隔を有する複数の開口50を
その中にもつ入口端部分48と出口端部分52を有する。外
側シェル44は外側表面54を、そして内側シェルは外側表
面56を有し、それらは一般的に入口端48と出口端52の間
に延びる。開口50のそれぞれは中心軸62を有する注入ノ
ズル60を有し、それは一般的に燃焼機42の入口端48と連
通するように配置される。外側ハウジング14と内側ケー
ス28との間の環状燃焼機42より小さい面積が予め確定さ
れた冷却面積64を形成し、そこを通って圧縮空気の一部
が流れる。この出願に於いてはほぼ20−50％の圧縮空気
が冷却に使われる。環状燃焼機42に代えて、複数の缶式
燃焼機または側面缶式（Side canular）燃焼機を本発
明の要旨を変えることなく取り込むことができる。

この出願に於いて第４図に最も良く示されているよう
に、噴射ノズル60は２燃料型でハウジングから通常の方
法で支えられている。例えば各ノズル60はその中に管通
路72を有する外側管メンバ70を有する。管メンバ70はハ
ウジング14中の複数の開口16の１つを通って半径方向に
延び、それから延びる取り付けフランジ74を有する。フ
ランジ74は１対の孔76をその中に有しその孔はハウジン
グ14のネジ孔16にねじ込み取り付けられる１対のボルト
を受ける。このようにノズル60はハウジング14に着脱自
在である。管メンバ70はさらに燃焼機末端部分80と外側
末端部分82とを有する。ノズル60は更に、内側表面90、
外側表面92、内面96を有する噴射器末端壁94と、少なく
とも１部が管メンバ70の燃焼機末端部分の中にある入口
端98とを有する、円筒メイン・ボディー88を一般的に有
する。予め確定された長さを有する複数のスポーク100
は一般的にメイン・ボディー88の周りに均等に配置さ
れ、そしてメイン・ボディー88と管メンバ70に固く取り
付けられる。このように圧縮空気の１部が流れる予め確
定された面積を有するオリフィス102はメイン・ボディ
ー88と管メンバ70との間に形成される。オリフィス102
中の圧縮空気は管メンバ中の管通路72と連通する。メイ
ン・ボディー88の入口末端98は一般的にその中の中心に
作られる比較的大きな孔104を有し、噴射器末端壁94
は、液体パイロット燃料のための中央通路106を中心軸6
2と同軸に、そしてガス状パイロット燃料のための複数
の角度付き通路108を中央通路106の周りに半径方向に間
隔を於いて有する。メイン・ボディー88の末端94と98と
の間に、低排出物ガス燃料噴射モードのための孔110の
第１のセットが内面90と外面92との間に半径方向に開け
られ、そして低排出物液体燃料噴射モードのための孔11
2の第２のセットもまた第一セットの孔110から軸方向に
離れて内面90と外面92との間に半径方向に開けられる。
孔110の第１のセットの中にメイン・ボディー88の外面
から半径方向に延ばして複数の中空スポーク・メンバ11
4をおく。各スポーク・メンバ114は予め確定された長さ
と、閉じられた第一の末端116と開かれ第二の末端118と
を有する。複数の通路120は各スポーク・メンバに沿っ
て軸方向に間隔をおいてあり、各スポーク・メンバ114
の中空部分と連通している。複数の通路120はメイン・
ボディー88の噴射器末端壁94に対するように向けられ、
第１の閉じられた末端116はメイン・ボディー88の外面9
2から半径方向に離れて置かれる。メイン・ボディー88
の周りに半径方向に間隔を置いて、そしてスポーク・メ
ンバ114の第１の閉鎖端116から間隔をおいて、外開きの
空気入口端124と燃焼器末端126を有する外側円筒メンバ
122がある。空気入口端124は一般的に管メンバ70の燃焼
器末端部分80の周りに同軸に位置し、メイン・ボディー
88から複数のスワラ128により支えられる。主空気通路1
30は外側円筒メンバ122とメイン・ボディー88の外面92
との間に形成される。主空気通路130は入口端124から燃
焼機末端126まで延びそれを通して圧縮空気の１部が流
れることができる予め確定された面積を有する。この出
願に於いては、圧縮空気のほぼ50〜80％が外側円筒メン
バ122とメインボディー88の外側表面92との間の予め確
定された面積に入る。主空気通路130を通り燃焼機40へ
入る圧縮空気の流れはガスタービン・エンジン10の全負
荷運転を支える適当量の燃料を加え十分な量である。更
に、この出願に於いて主空気通路130と連通するオリフ
ィス102の予め確定された断面積は外側円筒メンバ122と
メイン・ボディー88との間の予め確定された区域の断面
積のほぼ15〜35％に等しい。

噴射ノズル60は更にメイン・ボディー88内部に形成さ
れる液体パイロット受器140を有する。一般的にカップ
形のメンバ142は噴射機末端壁94の内面96に漏れないよ
うに取り付けられそして開口144をその中に有する。液
体パイロット燃料チューブ146は開口144に漏れないよう
に取り付けられた一端を有し図示されない液体燃料源と
連通する。液体パイロット燃料チューブ146の１部は管
メンバ70中の管通路72を通して延び、液体燃料源と連通
するためにハウジング（14）の外側で管メンバ70を漏れ
ないように出る。パイロット燃料チューブ146中の液体
燃料は液体燃料受け器140および中心通路106と連通す
る。さらに、メイン・ボディー88の内部にあるのは内側
表面90に漏れないように取り付けられ噴射器末端壁94の
内面96から軸方向に離れていて、内面96と孔110の第１
セットの間に挿入されてガス体ピロット燃料受け器150
を形成する第１プレート148である。１対の開口152は第
１プレート148の中に作られる。開口152の１つはそこを
通して漏れないように延びる液体パイロット燃料チュー
ブ146を有する。別の開口152はそれに漏れないように取
り付けられるガス体パイロット燃料チューブ154の一端
を有する。メイン・ボディー88内のガス体パイロット受
け器150は一般的にメイン・ボディー88の内部表面90、
噴射機末端壁94の内面96、カップ形メンバ142の周辺お
よび第１プレート148で区画される。ガス体パイロット
燃料チューブ154の１部は管メンバ70の管通路72を通し
て延びハウジング14の外側で管メンバ70を出、ガス燃料
源と連通する。ガス体パイロット燃料チューブ154内の
ガス燃料は図示されないガス燃料源と連通し、ガス体パ
イロット燃料受け器150およびメイン・ボディー88の噴
射器末端壁94内の角度の付いた複数の通路108と連通す
る。更にメイン・ボディー88の中にあるのは、メイン・
ボディー88の内部表面に漏れないように取り付けられ第
１セットの孔110と第２セットの孔112の間に軸方向に挿
入された第２プレート156で、主ガス燃料受け器158を形
成する。第２プレート156は複数の開口160をその中に作
る。複数の開口160の１つはそれを通して漏れないよう
に延びる液体パイロット燃料チューブ146を有し、複数
の開口160の他の１つはそれを通して漏れないように延
びるガス体パイロット燃料チューブ154を有する。複数
の開口160のもう１つはそれに漏れないように取り付け
られる主ガス燃料チューブ162の１端を有する。主ガス
燃料受け器158は一般的にメイン・ボディー88の内側表
面90、第１プレート148及び第２プレート156で区画され
る。主ガス燃料チューブ162の１部は管メンバ70の内部
の管通路72の中にあり、そしてハウジング14の外で管通
路72を漏れないように出てガス燃料源と連通する。主ガ
ス燃焼チューブ162の中のガス燃料はガス燃料源、主ガ
ス燃料受け器158および複数の中空スポーク・メンバ114
の中の複数の通路120と連通する。更にメイン・ボディ
ー88の内部にあるのは第２プレート156から軸方向に離
れそして第２セットの孔112とメイン・ボディー88の入
口端98との間に挿入されて液体燃料受け器166を形成す
る第３プレート164である。第３プレート164は複数の開
口168をその中に作る。複数の開口168の１つは漏れない
ようにそれを通して延びる液体パイロット燃料チューブ
146を有し複数の開口168の他の一つはそれを通して漏れ
ないように延びるガス体パイロット燃料チューブ154を
有する。複数の開口168のもう一つは漏れないようにそ
れを通して延びる主ガス燃料チューブ162を有し、複数
の開口168の他のもう一つはそれに取り付けられる主液
体燃料チューブ170の１端を有する。液体燃料受け器166
は一般的にメイン・ボディー88の内側表面90、第２プレ
ート156及び第３レート164で区画される。主液体燃料チ
ューブ170の１部は管メンバ70の内部の管通路72を通し
て延びそしてハウジング14の外で管メンバ70を漏れない
ように出て液体燃料源と連通する。主液体燃料チューブ
170中の液体燃料は液体燃料源、液体燃料受け器166及び
メイン・ボディー88の内部の孔112の第２セットと連通
する。別のも良い態様として第５図に示されるように、
１燃料型ガス噴射ノズル180は２燃料噴射ノズル60の代
わりに使うことができる。適切であれば１燃料型噴射ノ
ズルを示すのに使われている名称を２燃料型噴射ノズル
60に使われているものと同じにするが、番号は別にす
る。各ノズル180はハウジング14から通常の方法で支持
される。例えば、各ノズル180は管通路184をその中に有
する外側管メンバ182を有する。管メンバ182はハウジン
グ14の中の複数の開口16の１つを通して半径方向に延
び、そしてそれから延びる図示されない取り付けフラン
ジを有する。そのフランジはその中に１対の孔を有しハ
ウジング14中のねじ穴16にねじ込んで取り付けられるよ
うに１対のボルト78を受け、それは２燃料噴射ノズル60
用の取り付けフランジと同じである。このようにノズル
180はハウジング14に取り外し自在に取り付けられる。
管メンバ182は更に燃焼器末端部190と外部末端部191を
有する。ノズル180は更に一般的に内側表面194、外側表
面196、内面200を有する燃焼器末端壁198及び少なくと
も部分的に管メンバ182の燃焼器末端部190の中にある入
口末端202をもつ円筒メイン・ボディー192を有する。予
め確定された長さを有する複数のスポーク204は一般的
にメイン・ボディー192の周りに均等に間隔を有し、メ
イン・ボディー192および管メンバ182に固定的に取り付
けられる。このように、予め確定された面積を有しそれ
を通して圧縮空気の１部が流れえるオリフィス206はメ
イン・ボディー192と管メンバ182との間に形成される。
オリフィス206の内部の圧縮空気は管メンバ182中の管通
路184と連通する。メイン・ボディー192の入口末端202
は一般的に比較的大きい孔208をその中心に有しそして
燃焼器末端壁198は複数の角度を有する通路212を円形配
列でその中に有する。メイン・ボディー192の末端198と
202との中間にあるのは内側表面194から外側表面196に
延びる孔214のセットである。孔214のセットの中にあり
メイン・ボディー192の外側表面196から半径方向に延び
るのは複数の中空スポーク・メンバ218である。各複数
の中空スポーク・メンバ218は予め確定された長さ、閉
じられた第１末端220および開かれた第２末端222を有す
る。複数の通路224は各スポーク・メンバ218に沿って軸
方向に間隔をおいてあり、各スポーク・メンバ218の中
空部分と連通する。複数の通路224はメイン・ボディー1
92の燃焼器末端壁198に対面するように向けられメイン
・ボディー192の外側表面196から離れた位置に第１閉鎖
端220を有する。メイン・ボディー192の周りに半径方向
に間隔をおき、且つスポーク・メンバ218の第１閉鎖末
端220から間隔を置いてあるのは、開いた空気入口入末
端228と燃焼器末端230とを有する外側円筒メンバ226で
ある。空気入口末端228は一般的に管メンバ182の燃焼器
端部190の周りに同軸に位置しメイン・ボディー192から
複数のスワラ232により支持される。主空気通路240は外
側円筒メンバ226とメイン・ボディー192の外側表面196
との間に形成される。主空気通路240は燃焼器末端230か
ら開いた空気入口末端228まで軸方向に延びそしてそれ
を通して圧縮空気の一部が流れることができるように予
め確定された面積を有する。この出願に於いては、圧縮
空気のほぼ50〜80％が外側円筒メンバー226とメイン・
ボディー192の外側表面196との間の予め確定された面積
へ入る。主空気通路240を通って燃焼器40へ入る圧縮空
気の流れはガスタービン・エンジン10の全負荷運転を支
えるために適当量の燃料を加えて十分な量である。更
に、この出願に於いては予め確定された面積を有する主
空気通路240と連通するオリフィス206の予め確定された
断面積が、外側円筒メンバ226とメイン・ボディー192と
の間の予め確定された区域の断面積のほぼ15〜35％に等
しい。

噴射ノズル180は更に、内側表面194に漏れないように
取り付けられ燃焼機末端壁198の内面200から軸方向に離
れ内面200と孔214のセットとの間に挿入され、その結果
ガス体パイロット燃料受け器244を形成する第１プレー
ト242を有する。開口246は第１プレート242の中に作ら
れ、そしてそれに漏れないように取り付けられるガス体
パイロット燃料チューブ246の一端を有する。メイン・
ボディー192の内部のガス体パイロット燃料受け器244は
一般的にメイン・ボディー192の内側表面194、燃料機末
端壁198の内側表面200及び第１プレート242により区画
される。ガス体パイロット燃料チューブ246の１部は管
メンバ182中の管通路184を通って延び、ハウジング14の
外側で管メンバ182を漏れないように出、ガス燃料源と
連通する。ガス体パイロット燃料チューブ246中のガス
燃料はガス燃料源と連通しそしてガス体パイロット燃料
受け器244及びメイン・ボディー192の燃料機末端壁198
の中の複数の角度を有する通路212に通じる。更にメイ
ン・ボディー192の中にあるのは、メイン・ボディー192
の内部表面194に漏れないように取り付けられ、孔214の
セットと第１プレート242との間に軸方向に挿入された
第２プレート248である。第２プレート248はそれを通し
てガス体パイロット燃料チューブ246が漏れないように
延びる開口250を作る。更にメイン・ボディー192の中に
あるのは、第２プレート248から軸方向に離れてあり、
孔214のセットとメイン・ボディー192の入口端202との
間に挿入され、ガス燃料受け器254を形成する第３プレ
ート252である。第３プレート252は１対の開口256をそ
の中に作る。１対の開口256の１つはそれを通し漏れな
いように延びるガス体パイロット燃料チューブを有し、
そして開口256の他の１つははそれに取り付けられる主
ガス燃料チューブ258の１端を有する。主ガス燃料受け
器254は一般的にメイン・ボディー192の内側表面194、
第２プレート248及び第３プレート252により区画され
る。主ガス燃料チューブ258の１部は管メンバ182の管通
路184とシーリングを通って延びそして管メンバ182を漏
れないように出る。主ガス燃料チューブ258内部のガス
燃料はガス燃料源、主ガス燃料受け器254およびメイン
・ボディー192の内部の孔214のセットと連通する。

ガスタービン・エンジン10からの窒素酸化物、一酸化
炭素および未燃焼炭化水素排出を減らす制御システム12
は噴射ノズル60,180を通して圧縮機セクション22を出る
圧縮空気の流れの１部を燃焼機42の入口末端48へ向ける
手段260を有する。圧縮空気の流れの１部を向ける手段2
60は燃焼器セクション26の外側ハウジング14、外側シェ
ル44、入口末端48および内側シェル46を有する。燃焼機
42の外側及び内側シェル44,46と外側ハウジング14との
間の予め確定された空間的関係、及び燃焼機42と外側ハ
ウジング14及び内側ケース26との間に予め確定された流
れ面積を形成する内側ケース28もまた、この手段260の
一部であ。

第１図、第２図、及び第３図に示される最も良い態様
のように、ガスタービン・エンジン10からの窒素酸化
物、一酸化炭素および未燃焼炭化水素排出物を減らす制
御システム12は更にその中に通路264を有するマニホー
ルド262を有する。マニホールド262は外側ハウジング14
の外部に位置し外側ハウジング14を取り囲む。マニホー
ルド中の複数の開口266の位置は管メンバ70,182のそれ
ぞれの位置に対応する。管メンバ70,182は導管するため
の手段268の１部を形成し、マニホールド262中の複数の
開口266と連通するように取り付けられる。このように
マニホールド262中の通路264は管メンバ70,182の管通路
72,184の内部の圧縮空気と連通する。導管するための手
段268は複数のエルボ、フランジおよび継ぎ手270を有す
る。マニホールド262は更にそれに取り付けられるダク
ト274を有する出口開口272を有する。ダクト274はマニ
ホールド262の通路264と連通する通路276をその中に有
する。バルブ278がダクト274に取り付けられる。この出
願に於いてはバルブ278は通常のバタフライ形であるが
通常の設計のいずれも採用できる。バルブ278はその中
に通路282をもつハウジング280を有する。更にハウジン
グ280に含まれるのは貫通孔284で図示されない１対のベ
アリングが孔284の中に確保される。軸286がベアリング
の中に回転自在に置かれ、その中に取り付けられ通路28
2の内部に位置する絞り機構288を有する。軸286はハウ
ジング280の外側に延びる第１末端290を有する。レバー
292が軸286の第１末端290に取り付けられレバー292の動
きが絞り機構288を閉鎖位置294から開位置296まで動か
す。

窒素酸化物、一酸化炭素および未燃焼炭化水素排出物
を減らす制御システム12に更に含まれるものは、燃焼機
40に向かう空気の量を制御的に減らすための手段298で
ある。エンジン10が低負荷レベルで運転されている時噴
射ノズル60,180から空気が逃がされる。減らすための手
段298は：外側円筒メンバ122,226と各噴射器60,180のメイン・
ボディー88,192との間に形成される予め確定された面積
を有し主空気通路130,240;予め確定された面積をもち、
メイン・ボディー88,180と噴射器60,180の管メンバ70,1
82との間に形成される管メンバ70,182;管メンバ70,182
の内部の貫通路72,184;及びマニホールド262中の通路26
4の部品を含みこれらもまた制御システム12の１部であ
る。

ダクト274中の通路276及びハウジング280中の通路28
2、更に通路282中の絞り機構288が逃がすための手段298
の中に含まれる。この出願に於いては、通路282はエン
ジン10からの排気出口に継ぎ手300により結ばれ排気に
導かれる。

窒素酸化物、一酸化炭素および未燃焼炭化水素の排出
を減らす制御システム12に更に含まれるものは、噴射ノ
ズル60,180から逃げる圧縮空気の流れの１部を監視し制
御するための手段310である。その監視し制御するため
の手段310は出力タービン30の入口温度を監視するエン
ジン10の中にあるセンサ312を有する。あるいは、負荷
または速度のような多くのエンジンのパラメータを監視
パラメータとして使うことができる。センサ312は複数
の線により制御ボックスまたはコンピュータ314に結ば
れ、そこでセンサ312からの信号は通訳されそして第２
信号が複数の線318を通してパワー・シリンダ320におく
られる。この出願に於いては、パワー・シリンダ320は
水力電気シリンダであるが、代わりとして電気ソレノイ
ドとすることができる。パワー・シリンダ320はレバー2
92とそれに対応して絞り機構288を開位置296から閉鎖位
置294まで動かす。出力タービン30の入口温度が約2700
〜3140゜F（1482〜1726℃）の範囲の燃焼温度に相当す
る予め確定された温度に達した時はバルブ278は噴射器6
0,180から逃がす圧縮空気の量を増加する。この出願に
於いては、絞り機構288の動きは開位置296から閉鎖位置
294まで無段階に変えられる。しかし、任意にその絞り
機構288の動きは閉鎖位置294から開位置296まで複数の
予め確定された段階的位置を通して動かすことができ
る。

第６図の最良の態様のように、別の噴射ノズル330が
示される。この噴射ノズル330はその中に管通路334を有
する外側管メンバ332を有する。管メンバ332はハウジン
グ14中の複数の開口16の１つを通し半径方向に延びそし
て図示されないそれから延びる取り付けフランジを有す
る。そのフランジは１対のボルトを受ける１対の孔をそ
の中に有し、ハウジング14のネジ孔16にねじ込み取り付
けられる。このように、ノズル330はハウジング14に取
り外し自在に取り付けられる。管メンバ332は一般的に
更に燃焼機末端部分336と外部末端部分338を有する。ノ
ズル330は更に一般的に、内側表面344と外側表面346と
を有する内側壁342、内側表面350と外側表面352とを有
する外側壁348、燃焼機末端部分354および圧縮機末端部
分358を有する円筒形中空メイン・ボディー340を有す
る。チャンネル形メンバ360はベース364から延びる入口
部分362を有する。入口部分362はメイン・ボディー340
の外側壁348の外側表面352に圧縮機末端部分358の近く
で取り付けられ、そこに作られる開口366を有する。入
口部分362はメイン・ボディー340の内側壁342の内側表
面344に空間的の関係を置いて位置し、そこを通って圧
縮空気の１部が流れことができる予め確定された面積を
有するオリフィス370をその間に形成する。オリフィス3
70はメイン・ボディー340と入口部分362との間に形成さ
れる。外側管メンバ332の燃焼機末端部分336は開口336
と同軸に配列されチャンネル・メンバ360に固く取り付
けられる。管通路334はオリフィス370と連通する。予め
確定された長さと形態を有する複数のスワラ羽根372は
一般的に内側壁342の内側表面344の周りに均等に間隔を
置いてあり、それに固く取り付けられた１端を有する。
反射器メンバ374は半径方向で内側、同軸にメイン・ボ
ディー340の内部に位置し、複数のスワラ羽根372のそれ
ぞれの他端に固く取り付けられる。主燃料ギャラリ380
はメイン・ボディー340の内部に形成される。例えば、
主燃料ギャラリ380は内側壁342の外側表面346、燃焼機
末端部分358、外側壁348の内側表面350及び圧縮機末端
部分358により区画される。メイン・ボディー340の内側
壁342の末端354,358の中間部にあるのは、内側表面334
から外側表面346の間に半径方向に延びる１セットの孔3
82である。孔382のセットの中に位置し内側壁342の内側
表面344から半径方向に延びるのは複数の中空スポーク
・メンバ384である。各スポーク・メンバ384は予め確定
された長さ、閉じられた第１末端386及び開かれた第２
末端388を有する。複数の通路390は各スポーク・メンバ
384に沿って軸方向に間隔を置いてあり、各スポーク・
メンバ384の中空部分と連通する。複数の通路390は予め
確定された方法で空気の流れの中に燃料を噴射するよう
に置かれ、そして第１閉鎖末端386は内側壁342の内側表
面344から半径方向内側に向けて置かれる。噴射ノズル3
30は更に燃料源と主燃料ギャラリ380との間を連通させ
るための手段392を有する。連通するための手段392は主
燃料ギャラリ380と燃料源との間を連通するチューブ394
を有する。チューブ394の１端は主燃料ギャラリ380に取
り付けられ、チューブ394の別の１端はハウジング14を
漏れないように出て燃料源と連通する。

予め確定された面積を有する主空気通路400はメイン
・ボディー340の内側の壁342の内側の表面344の内側に
形成され、燃焼機末端部分354から圧縮機末端部分358に
わたり軸方向に延びる。反射器メンバ374は主空気通路4
00の内部にありそれを通って流れる圧縮空気の量を制限
し、予め確定された面積を有する２次空気通路402を形
成する。２次空気通路402は内側表面344と反射器メンバ
374との間に位置する。この出願に於いては、圧縮空気
のほぼ50〜80％が主空気通路400の予め確定された面積
に入る。２次空気通路402を通り燃焼機40に入る圧縮空
気の流れは、ガスタービン・エンジン10の全負荷運転を
支えるための適当な量の燃料を加えて十分な量である。
更に、この出願に於いては主空気通路400と連通するオ
リフィス370の予め確定された断面積は、メイン・ボデ
ィー340と反射器メンバ374との間の予め確定された断面
積のほぼ５〜35％に等しい。

実用に於いてガスタービンエンジン10は起動し暖機
し、そして電力の生産、ガスの汲み上げ、機械の駆動ユ
ニットの運転またはその他の応用に使われる。発電機に
よりつくられる負荷または電力に対する要求が増すにつ
れて、エンジン10の負荷が増加し、窒素酸化物、一酸化
炭素および未燃焼炭化水素排出物低減のための制御シス
テム12が活動する。起動及び暖機条件に於いては、バル
ブ278の絞り機構288は一部開または閉296位置のいずれ
かをとりそして最小量の圧縮空気が噴射ノズル60,180か
ら逃れ最大量の圧縮空気が燃焼機40に入る。起動及び暖
機条件の間エンジンは高排出物モードにありパイロット
だけの燃料を使う。例えば、圧縮機セクション26からの
圧縮空気は外側ハウジング14と内側ケース28との間を燃
焼機40の入口末端48に向かって流れそこで圧縮空気の１
部は燃焼機40の面積より小さい、ハウジング14と内側ケ
ース28との間に形成される予め確定された冷却面積64を
通して流れる。空気の残りは、外側円筒メンバ122,226
とメイン・ボディー88,192、または反射器メンバ374と
メイン・ボディー340との間に形成される予め確定され
た面積を有する主空気通路130,240または２次空気通路4
02を通って流れる。全開位置294にある絞り機構288で最
大許容流量の圧縮空気が最小抵抗の経路を通ってオリフ
ィス102,206,370の通路により排気に向かう。これは主
空気通路130,240または２次空気通路402の予め確定され
た面積を通って燃焼機40に向かう空気の量を最小にす
る。このように、燃焼機40の中の燃料／空気比及び温度
は制御され窒素酸化物、一酸化炭素および未燃焼炭化水
素の形成が最低になる。エンジン10の負荷が増加するに
つれて燃焼機40への燃料の注入量が増加し、燃料／空気
比が変化しそして燃焼機セクション26内の燃焼温度が上
昇する。燃焼温度上昇の結果出力タービン30の入口のガ
スの温度が上がる。センサ312は複数の線316を通して信
号をコンピュータ314に送り、それが出力タービン30の
入口の温度の上昇を示すために翻訳され、そして複数の
線316を通して第２信号がパワー・シリンダ320に送られ
レバー292および絞り機構288を閉鎖位置294の方へ動か
す。これはノズルから逃げまたは抜かれる空気の量を減
らし燃焼機40へ向かう空気の量を増やす。センサ312に
よる連続監視とコンピュータによる変換が空気／燃料比
を比較的一定に保つ。加速のためには空気／燃料比は変
えなければならない。空気／燃料比の中で、燃料の量が
増加するのに対し空気は一定に保たれる。しかし、燃焼
温度を制御することは、一般的に約2700〜3140゜F（148
2〜1726℃）の燃焼温度の間は窒素酸化物、一酸化炭素
および無燃焼炭化水素の排出の増加を来す。タービン・
セクション24に入るガスの温度は頻繁に監視され、もし
温度が約2700〜3140゜F（1482〜1726℃）の範囲に達す
ると短時間のみこの温度に保たれる。このように、排出
は高温度燃焼をもたらす空気／燃料比を変量または変化
させることにより制御される。エンジン10が加速する時
は、高燃料位置296に達しそこではバルブ278は完全に閉
じたレバー292と制御機構288とを有し、通路276を通る
空気の流れを止める。このように、オリフィス102,206,
370を通る圧縮空気の流れは防がれる。

本発明のその他の態様、目的および利益は図面、開示
および前述の特許請求の範囲を検討することにより得る
ことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−175524（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−66019（ＪＰ，Ａ) 米国特許3720058（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23R 3/26 F02C 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮空気源（22）と、燃焼機（40）と、タ
ービン（30）とが順に直列に配列され、可燃性燃料と圧
縮空気を前記燃焼機（40）に向ける複数の燃料噴射ノズ
ル（60、180）が設けられたガスタービンエンジン（1
0）の作動システム（12）であって、適切な量の燃料を加えて、定格速度で前記ガスタービン
エンジン（10）の最大燃料作動を維持するのに十分な量
の空気を前記圧縮空気源（22）から前記燃料噴射ノズル
（60、180）を通して前記燃焼機（40）に向けるための
手段（260）と、前記燃料噴射ノズル（60、180）の各々に連通するマニ
ホルド（262）と、前記マニホルド（262）に連通して、
前記エンジン（10）が最大燃料すなわち定格速度よりも
低い状態で作動するとき、空気の一部を前記燃料噴射ノ
ズル（60、180）から前記マニホルド（262）を通して逃
がすバルブ（278）を設けることにより、前記燃焼機（4
0）に送られる空気の量を制御しながら減少させるため
の手段（298）と、が設けられた制御システム（12）。
【請求項２】前記燃焼機（40）に送られる空気の量を減
少させるための前記手段（298）は、所定の面積を有す
る、前記噴射ノズル（60、180、330）の中に配置された
オリフィス（102、206、370）を含むことを特徴とする
請求項１に記載のガスタービンエンジン（10）からの排
気エミッションを減少させるための制御システム（1
2）。
【請求項３】前記オリフィス（102、206、370）の前記
所定の面積は、前記噴射ノズル（60、180、330）に入る
圧縮空気の約25パーセントが該噴射ノズルから出ること
ができるような寸法であることを特徴とする請求項２に
記載のガスタービンエンジン（10）からの排気エミッシ
ョンを減少させるための制御システム（12）。
【請求項４】前記噴射ノズル（60、180、330）から逃さ
れた前記圧縮空気が排気ガスの中に捨てられることを特
徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン（10）
からの排気エミッションを減少させるための制御システ
ム（12）。
【請求項５】前記バルブ（278）が前記マニホルドから
分岐した複数の通路（72、264、276、334、184、264、2
76）により前記噴射ノズル（60、180、330）に接続され
ていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン
エンジン（10）からの排気エミッションを減少させるた
めの制御システム（12）。
【請求項６】前記バルブ（278）がハウジング（280）
と、該ハウジング（280）の外側に配置された制御レバ
ー（292）とを含むことを特徴とする請求項１に記載の
ガスタービンエンジン（10）からの排気エミッションを
減少させるための制御システム（12）。
【請求項７】前記バルブ（278）は、複数の所定の段階
的位置を通し、開位置（294）と閉位置（296）との間を
可動である絞り機構（288）を有することを特徴とする
請求項６に記載のガスタービンエンジン（10）からの排
気エミッションを減少させるための制御システム（1
2）。
【請求項８】前記バルブ（278）が、閉位置（296）と開
位置（294）との間を可動な絞り機構（288）を有してお
り、該絞り機構（288）は前記開位置（294）と前記閉位
置（296）との間を無段階に可動であることを特徴とす
る請求項５に記載のガスタービンエンジン（10）からの
排気エミッションを減少させるための制御システム（1
2）。
【請求項９】空気を前記圧縮空気源（22）から前記噴射
ノズル（60、180、330）を介し前記燃焼機（40）に送る
ための前記手段（260）は、前記外側ハウジング（14）
内に配置された燃焼機（40）と、前記外側ハウジング
（14）と前記内側ケース（28）との間に、前記燃焼機
（40）の面積よりも小さく形成された所定の冷却面積
（64）を含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタ
ービンエンジン（10）からの排気エミッションを減少さ
せるための制御システム（12）。
【請求項１０】前記ハウジング（14）内の前記所定の冷
却面積（64）は、前記圧縮空気の20パーセントから50パ
ーセントを流すことができることを特徴とする請求項９
に記載のガスタービンエンジン（10）からの排気エミッ
ションを減少させるための制御システム（12）。
【請求項１１】前記燃焼機（40）は、外側シェル（44）
と内側シェル（46）とを含んでおり、該外側および内側
シェル（44、46）の各々が外側表面（54、56）をそれぞ
れ有し、前記所定の冷却面積（64）を通って流れる空気
が前記外側表面上を通って前記燃焼機（40）を冷却する
ようになっていることを特徴とする請求項10に記載のガ
スタービンエンジン（10）からの排気エミッションを減
少させるための制御システム（12）。