JP2003194338A - Method for controlling gas turbine engine fuel-air premixer with variable geometry exit and for controlling exit velocity - Google Patents
Method for controlling gas turbine engine fuel-air premixer with variable geometry exit and for controlling exit velocityInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に低レベルの
汚染物質(窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃焼炭化水
素)しか発生しないという優れた利点を有するガスター
ビン式ガス発生器、ガスタービンエンジンその他の熱機
関用の燃焼器システムに関する。特に本発明は、プレミ
キサの可変式出口形状が制御自在の燃料/空気プレミキ
サ組立体を使用するガスタービンエンジン及びガス発生
器用の単段式で燃料/空気比が制御可能な燃焼器に関す
る。FIELD OF THE INVENTION This invention relates to gas turbine gas generators and gas turbine engines which have the significant advantage of generally producing only low levels of pollutants (nitrogen oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbons). Other combustor systems for heat engines. In particular, the present invention relates to a single stage, fuel / air ratio controllable combustor for a gas turbine engine and gas generator using a fuel / air premixer assembly with a controllable variable outlet geometry of the premixer.
【0002】[0002]
【従来の技術】エンジン及びガス発生器のようなガスタ
ービン装置は、大気中にほとんど窒素酸化物を排出する
ことはないが、これらの窒素酸化物の排出量を減らせば
窒素酸化物の全量の低減化に寄与することになり、その
点で多くの国は窒素酸化物の排出量を制限する法律を制
定している。大気中で窒素酸化物を生成する窒素と酸素
の反応は、ほとんど全ての化学反応と同様に、温度が高
くなるに従って速く進行する。生成したNOxの量を制
限する1つの方法は、反応温度を制限することである。
ガスタービン装置で生成するNOxは通常サイクル中に
最高温度が存在する燃焼工程で発生する。従って、生成
したNOxの量を制限する1つの方法は、反応温度を制
限することである。Gas turbine equipment, such as engines and gas generators, emit little nitrogen oxides into the atmosphere, but reducing the emission of these nitrogen oxides will reduce the total amount of nitrogen oxides. This will contribute to the reduction, and in that respect many countries have enacted legislation that limits the emission of nitrogen oxides. The reaction between nitrogen and oxygen, which produces nitrogen oxides in the atmosphere, proceeds rapidly with increasing temperature, as in almost all chemical reactions. One way to limit the amount of NOx produced is to limit the reaction temperature.
The NOx produced in the gas turbine system is usually produced in the combustion process where the highest temperature exists during the cycle. Therefore, one way to limit the amount of NOx produced is to limit the reaction temperature.
【0003】燃料及び空気を導入する唯一の燃焼域を有
する「単段式」燃焼器、及び別々の燃料及び空気導入手
段を有するいくつかの燃焼域が直列に連結したパイロッ
ト・バーナーを具備する「多段式」燃焼器の両方におい
て、燃焼温度及びそれによるNOxの生成を制限するた
めに種々の試みがなされている。米国特許第4,994,149
号、米国特許第4,297,842 号及び米国特許第4,255,927
号は、環状燃焼器の燃焼域及び希釈域への圧縮空気の流
れを制御して、タービン排気ガス中のNOxの濃度を減
少させる単段ガスタービン燃焼器を開示している。上記
燃焼器において、ほとんど混合されていない燃料と空気
は別々に燃焼器に入り、次いで混合及び燃焼が同じチャ
ンバ内で起こる(例えば特許文献1参照)。米国特許第
5,069,029 号、米国特許第4,898,001 号、米国特許第4,
829,764 号、及び米国特許第4,766,721 号は二段燃焼器
を開示している(同様に特許文献2参照)。しかし燃料
及び空気は少くとも部分的に未混合の状態で各段に送給
され、完全な混合はそれぞれの燃焼域内で起こる。A "single-stage" combustor having a single combustion zone for introducing fuel and air, and a pilot burner with several combustion zones connected in series with separate fuel and air introducing means. In both multi-stage "combustors, various attempts have been made to limit the combustion temperature and thereby NOx production. U.S. Pat.No. 4,994,149
U.S. Patent No. 4,297,842 and U.S. Patent No. 4,255,927.
U.S. Pat. No. 5,968,049 discloses a single stage gas turbine combustor that controls the flow of compressed air to the combustion and dilution zones of an annular combustor to reduce the concentration of NOx in turbine exhaust gas. In the combustor, fuel and air that are poorly mixed enter the combustor separately, and then mixing and combustion take place in the same chamber (see, for example, US Pat. No. 6,037,049). US Patent No.
5,069,029, U.S. Pat.No. 4,898,001, U.S. Pat.
No. 829,764 and U.S. Pat. No. 4,766,721 disclose a two-stage combustor (also see US Pat. However, fuel and air are delivered to each stage at least partially unmixed, with complete mixing occurring within each combustion zone.
【0004】また、予備混合された燃料/空気流を燃焼
器に供給するために別々のプレミキサチャンバを利用す
る試みも行われており、例えば多段式の缶型燃焼器へ導
入する全燃料流の一部を、段階式燃焼チャンバに導入す
る前に、別の混合チャンバ中で予備混合する燃焼器シス
テムが開示されている(例えば特許文献3参照)。また
環状プレミキサチャンバに燃料を注入するために、多数
の別々の燃料ノズルが使われている(例えば特許文献4
参照)。しかし複数の燃料ノズル及び燃料分岐装置を使
う上記構造は、複雑なために制御が困難となるだけでな
く、初期コストが高いという問題がある。Attempts have also been made to utilize separate premixer chambers to provide a premixed fuel / air stream to the combustor, eg, the total fuel stream introduced into a multi-stage can combustor. Of the combustor system is disclosed in which a part of the above is premixed in another mixing chamber before being introduced into the staged combustion chamber (see, for example, Patent Document 3). Also, a number of separate fuel nozzles are used to inject fuel into the annular premixer chamber (see, eg, US Pat.
reference). However, the above structure using a plurality of fuel nozzles and a fuel branching device has a problem in that it is difficult to control because of its complexity and the initial cost is high.
【0005】[0005]
【特許文献1】特開昭55−45739号公報[Patent Document 1] JP-A-55-45739
【特許文献2】西独国実用新案第9215856号明細
書[Patent Document 2] West German Utility Model No. 9215856
【特許文献3】特開昭57−41524号公報[Patent Document 3] JP-A-57-41524
【特許文献4】米国特許第5016443号明細書[Patent Document 4] US Pat. No. 5,016,443
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】外部プレミキサを使用
する単段式燃焼器システムは、例えば米国特許第5,377,
483 号、同第5,477,671 号、同第5,481,866 号、同第5,
572,862 号、同第5,613,357 号及び同第5,638,674 号に
開示されているように、本発明者の先の提案により知ら
れている。これらのシステムは、ベンチュリ式混合管を
使用して全ての燃料をほとんど全ての燃焼用空気と予備
混合し、得られた混合物を燃焼器の燃焼域に導入するこ
とにより、燃料/空気比を厳密に制御する。上記特許文
献に開示の発明を使用して、広範な作動条件下でのガス
タービンエンジン及びモジュールにより、ガス及び微粒
子の排出が著しく低減された。A single stage combustor system using an external premixer is disclosed, for example, in US Pat. No. 5,377,
No. 483, No. 5,477,671, No. 5,481,866, No. 5,
It is known by the inventor's earlier proposals, as disclosed in 572,862, 5,613,357 and 5,638,674. These systems use a Venturi mixing tube to premix all fuels with almost all combustion air and introduce the resulting mixture into the combustion zone of the combustor to ensure a precise fuel / air ratio. To control. Using the inventions disclosed in the above referenced patents, gas and particulate emissions have been significantly reduced by gas turbine engines and modules under a wide range of operating conditions.
【0007】しかしながら、燃焼器からプレミキサへの
「フラッシュバック」(火炎の速度がプレミキサ中の燃
料/空気混合物の速度より大きい場合に起こる)を低減
することができる単段式燃焼器用プレミキサシステムが
望まれている。フラッシュバックはプレミキサシステム
及びそれに関連する構造の機械的性能に悪影響を与え
る。特にプレミキサ部品の幾何学的形状によりプレミキ
サ内で起こる流れ分離を低減することができるプレミキ
サシステムを設計するのが望まれている。流れ分離によ
りプレミキサ内でフラッシュバックが起こる恐れがあ
る。However, there is a premixer system for a single stage combustor that can reduce "flashback" from the combustor to the premixer (which occurs when the velocity of the flame is greater than the velocity of the fuel / air mixture in the premixer). Is desired. Flashback adversely affects the mechanical performance of the premixer system and associated structures. In particular, it is desirable to design a premixer system that can reduce the flow separation that occurs in the premixer due to the geometry of the premixer components. Flash separation can occur in the premixer due to flow separation.
【0008】さらに、プレミキサから燃焼チャンバへ送
給される燃料/空気混合物の流れに起こる脈流を低減す
ることができるプレミキサシステムを提供するのが望ま
しい。脈流は、プレミキサから出る混合物の流速の変動
及び速すぎのために、燃焼器内で混合物流が不安定にな
るために起こる。脈流は燃焼器ライナー及びエンジン構
造に悪影響を与える恐れがある。It is further desirable to provide a premixer system that can reduce the pulsation that occurs in the flow of the fuel / air mixture delivered from the premixer to the combustion chamber. Pulsation occurs due to instability of the mixture flow within the combustor due to fluctuations in the mixture flow rate exiting the premixer and too fast. Pulsation can adversely affect the combustor liner and engine construction.
【0009】さらに、全体構造を比較的簡単な幾何学的
形状にしながら、燃料/空気混合物の流れが燃焼器ライ
ナーに衝突するのを低減するように、燃料/空気混合物
を燃焼チャンバに送給することができるプレミキサシス
テムを提供するのが望まれている。燃料/空気混合物の
流れがライナー壁に衝突すると、カーボンの付着量が増
大し、熱伝達性能が低減するとともに、熱疲労が増大す
る。Further, the fuel / air mixture is delivered to the combustion chamber so as to reduce the impingement of the flow of the fuel / air mixture on the combustor liner while maintaining a relatively simple geometry of the overall structure. It is desired to provide a premixer system that can. When the flow of the fuel / air mixture impinges on the liner wall, the amount of carbon deposited increases, heat transfer performance decreases, and thermal fatigue increases.
【0010】さらに、他の従来の環状燃焼器装置及びシ
ステムと比較して構造が簡単で、操作が容易であり、装
置の初期コスト及びメンテナンスコストが低く、かつ多
数の別々のプレミキサとマッチさせる必要がないために
燃料/空気比の制御性が非常に改善された装置を提供す
るのが望まれている。Further, it is simple in construction and easy to operate compared to other conventional annular combustor devices and systems, has low initial and maintenance costs for the device, and needs to be matched with multiple separate premixers. It is desired to provide a device with greatly improved controllability of the fuel / air ratio due to the lack of fuel.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】例えば米国特許第5,377,
483 号に記載のタイプの低排出型ガスタービン燃焼器の
開発の経験から、プレミキサ混合管から排出される燃料
/空気混合物の速度と、燃料/空気混合物自身の組成の
両方に依存して、望ましくない脈流が起こることが分か
った。全体として燃焼器の形状は窒素酸化物の排出量に
影響を与える。混合管の出口流域が固定されている場
合、流出する燃料/空気混合物の速度は、アイドリング
と全速力の場合とで三桁も異なることがある。プレミキ
サ内への望ましくない燃焼(フラッシュバック)を防止
するとともに排ガス量を低減するために、最低排出速度
を使用する燃料の火炎速度より十分に高くしなければな
らない。Means for Solving the Problems For example, US Pat. No. 5,377,
Experience with the development of low emission gas turbine combustors of the type described in No. 483 is desirable, depending on both the velocity of the fuel / air mixture exiting the premixer mixing tube and the composition of the fuel / air mixture itself. It turns out that no pulsating flow occurs. Overall, the shape of the combustor affects the nitrogen oxide emissions. If the mixing tube outlet basin is fixed, the velocity of the exiting fuel / air mixture can differ by as much as three orders of magnitude between idling and full speed. In order to prevent undesired combustion (flashback) into the premixer and to reduce exhaust emissions, the minimum discharge rate must be well above the flame rate of the fuel used.
【0012】典型的な燃料(例えばジーゼル燃料#2)
を使用する場合の所望の最低速度は約20〜30m/秒であ
る。この速度で、運転中にノズル壁上に形成される境界
層の厚さは大きくなく、アイドリング時等の低出力レベ
ル時では、ほとんどフラッシュバックなしに燃焼器の良
好な性能を発揮させることができる。しかし、全速力時
には、タービンエンジンの種類によっては、ノズルから
排出される速度は固定出口流域の場合には100 m/秒に
もなり得る。このような高速時には、炎の安定性を保持
するのが困難であり、燃料/空気混合物流は近接する燃
焼器ライナー壁に衝突する。Typical fuel (eg diesel fuel # 2)
The desired minimum speed when using is about 20 to 30 m / sec. At this speed, the thickness of the boundary layer formed on the nozzle wall during operation is not large, and at low output levels such as idling, good performance of the combustor can be exhibited with almost no flashback. . However, at full speed, depending on the type of turbine engine, the velocity ejected from the nozzle can be as high as 100 m / sec in the case of a fixed outlet basin. At such high speeds, it is difficult to maintain flame stability and the fuel / air mixture stream impacts the adjacent combustor liner walls.
【0013】本明細書に具体的かつ広範に記載した本発
明によれば、それぞれの供給源から来る燃料及び圧縮空
気を混合して燃料/空気混合物を燃焼器に送給するプレ
ミキサ装置は、(a) 燃料及び圧縮空気を流入させる構造
の入口と、軸線と、燃料/空気混合物を前記燃焼器に送
給する構造の出口とを有する混合管と、(b) 前記燃焼器
に送給する燃料/空気混合物の速度を変化させるように
前記混合管出口と連動する混合弁とを有することを特徴
とする。In accordance with the invention as specifically and broadly described herein, a premixer device for mixing fuel and compressed air from respective sources to deliver a fuel / air mixture to a combustor is a) a mixing tube having an inlet for the structure for introducing fuel and compressed air, an axis and an outlet for the structure for delivering a fuel / air mixture to the combustor, and (b) a fuel for delivering to the combustor. / A mixing valve associated with the mixing tube outlet to change the velocity of the air mixture.
【0014】好ましくは、プレミキサは、前記圧縮空気
供給源と前記混合管入口との間の圧縮空気流路と、前記
燃料供給源と前記混合管入口との間の燃料流路と、前記
燃料/空気混合物の燃料/空気比を制御するためにそれ
ぞれの流路に配置された空気弁及び燃料弁とを有し、前
記混合弁は制御された燃料/空気比の混合物の出口速度
を変化させることを特徴とする。[0014] Preferably, the premixer comprises a compressed air flow passage between the compressed air supply source and the mixing pipe inlet, a fuel flow passage between the fuel supply source and the mixing pipe inlet, and the fuel / fuel mixture. An air valve and a fuel valve disposed in each flow path for controlling a fuel / air ratio of the air mixture, the mixing valve varying the outlet velocity of the controlled fuel / air ratio mixture. Is characterized by.
【0015】また好ましくは、前記混合弁は混合管出口
部材と、混合管出口部材に隣接して配置され、前記出口
部材とともに出口流域を形成する弁部材とを有し、前記
出口流域及び前記出口速度を変化させるために、前記弁
部材及び出口部材の一方は他方に対して前記混合管軸線
に沿って可動であることを特徴とする。Further preferably, the mixing valve has a mixing pipe outlet member and a valve member which is disposed adjacent to the mixing pipe outlet member and forms an outlet flow region together with the outlet member. One of the valve member and the outlet member is movable relative to the other along the mixing tube axis to change the speed.
【0016】さらに好ましくは、前記出口部材は前記混
合管に固定されたノズル組立体であり、前記弁部材は混
合管軸線の回りでノズル組立体を同軸的に包囲しスカー
ト端部を有するスカート部であり、前記スカート端部及
び前記ノズル組立体は円筒形環状出口流域を形成し、前
記スカート端部と前記ノズル組立体との相対運動の間、
前記流域及び前記混合物速度は前記スカート端部及び前
記ノズル組立体の相対的軸線方向位置とともに変動する
ことを特徴とする。More preferably, the outlet member is a nozzle assembly fixed to the mixing tube and the valve member coaxially surrounds the nozzle assembly about the mixing tube axis and has a skirt portion having a skirt end. Wherein the skirt end and the nozzle assembly form a cylindrical annular outlet flow area, during relative movement of the skirt end and the nozzle assembly,
The basin and the mixture velocity vary with the relative axial position of the skirt end and the nozzle assembly.
【0017】また前記出口部材は混合管の軸線方向端部
であり、前記弁部材は弁板であり、前記混合管の軸線方
向端部及び前記弁板は円筒形環状出口流域を形成し、前
記弁板と前記混合管の軸線方向端部との相対運動の間、
前記流域及び前記混合物速度は前記弁板及び前記混合管
の軸線方向端部の軸線方向相対位置とともに変動するこ
とを特徴とする。The outlet member is an axial end of the mixing tube, the valve member is a valve plate, the axial end of the mixing tube and the valve plate form a cylindrical annular outlet flow area, During relative movement between the valve plate and the axial end of the mixing tube,
The basin and the mixture velocity vary with the axial relative position of the axial ends of the valve plate and the mixing tube.
【0018】さらに好ましくは、装置は、前記混合管出
口の上流の混合物の圧力を検知するセンサと、前記混合
弁部材及び前記混合管出口部材の一方に作動的に連結し
たアクチュエータと、検出圧力に応じて前記混合管流れ
出口流域及び前記混合物出口速度を変化させるために前
記圧力センサ及び前記アクチュエータに作動的に接続さ
れたコントローラとを具備することを特徴とする。More preferably, the device comprises a sensor for detecting the pressure of the mixture upstream of the mixing pipe outlet, an actuator operatively connected to one of the mixing valve member and the mixing pipe outlet member, and a detection pressure. A controller operatively connected to the pressure sensor and the actuator for varying the mixing tube flow outlet flow region and the mixture outlet velocity accordingly.
【0019】また本発明によれば、燃料供給源及び圧縮
空気供給源に連通した入口と、軸線と、燃料/空気混合
物を排出する出口とを具備する燃料/空気混合管を有す
るプレミキサ装置から排出される燃料/空気混合物の速
度を制御する方法は、(1) 混合管出口部材を有する混合
弁と、それとともに出口流域を形成する弁部材とを設
け、(2) 前記弁部材及び前記混合管出口部材の一方を他
方に対して動かすことにより前記出口流域を増減し、も
って燃料/空気混合物の速度を下げるか上げることを特
徴とする。According to the invention, the exhaust from a premixer device having a fuel / air mixing tube with an inlet in communication with the fuel supply and the compressed air supply, an axis and an outlet for discharging the fuel / air mixture. (1) a mixing valve having a mixing pipe outlet member and a valve member forming an outlet flow region together with the mixing valve; and (2) the valve member and the mixing pipe. The outlet basin is increased or decreased by moving one of the outlet members relative to the other, thereby slowing or increasing the velocity of the fuel / air mixture.
【0020】さらに本発明によれば、燃料供給源ととも
に作動可能なガスタービン用ガス発生器は、空気コンプ
レッサと、タービンと、前記空気コンプレッサ及び前記
タービンを連結するシャフト組立体と、前記タービンに
燃焼ガスを送給するように作動的に連結された燃焼器
と、1つ以上のプレミキサとを具備するガスタービン用
ガス発生器であって、前記プレミキサの各々は、(1) 燃
料/空気混合物を生成するために燃料供給源から来る燃
料及び前記空気コンプレッサから来る圧縮空気を入れる
入口と、軸線と、前記燃焼器に前記燃料/空気混合物を
送給するように形成された出口とを有する混合管と、
(2) 前記燃焼器に送給する前記燃料/空気混合物の速度
を変えるために、前記混合管出口と連動する混合弁とを
有することを特徴とする。Further in accordance with the present invention, a gas generator for a gas turbine operable with a fuel supply source is an air compressor, a turbine, a shaft assembly connecting the air compressor and the turbine, and a combustion to the turbine. A gas generator for a gas turbine comprising a combustor operably connected to deliver gas and one or more premixers, each of the premixers comprising (1) a fuel / air mixture. A mixing tube having an inlet for receiving fuel coming from a fuel source and compressed air coming from the air compressor for generation, an axis, and an outlet configured to deliver the fuel / air mixture to the combustor. When,
(2) It is characterized by having a mixing valve interlocked with the mixing pipe outlet in order to change the speed of the fuel / air mixture fed to the combustor.
【0021】さらに本発明によれば、ガスタービン用ガ
ス発生器(流路に沿って圧縮空気を送給するコンプレッ
サと、燃料供給源に連結可能な燃料管と、燃料/空気混
合物を送給するとともに前記圧縮空気流路及び前記燃料
管と連通する入口と、燃焼器と連通する出口とを有する
混合管とを有する)の燃焼器への燃料/空気混合物の流
れを制御する方法は、(1) 前記混合管入口上流の前記圧
縮空気流路及び前記燃料管内に位置するそれぞれの弁を
使用して、所望の燃料/空気比を有する混合物を得るた
めに前記混合管入口への前記圧縮空気及び前記燃料の流
量を制御し、(2) 前記燃焼器内に配置された混合弁を使
用して前記混合管出口内を流れる所望の燃料/空気比を
有する燃料/空気混合物の速度を制御することを特徴と
する。Further in accordance with the present invention, a gas generator for a gas turbine (a compressor for delivering compressed air along a flow path, a fuel tube connectable to a fuel source, and a fuel / air mixture). And a mixture tube having an inlet in communication with the compressed air flow path and the fuel tube and an outlet in communication with the combustor) to control the flow of the fuel / air mixture to the combustor. ) Using the respective compressed air flow path upstream of the mixing tube inlet and the respective valves located in the fuel tube, the compressed air to the mixing tube inlet to obtain a mixture having a desired fuel / air ratio; Controlling the flow rate of the fuel, and (2) controlling the velocity of a fuel / air mixture having a desired fuel / air ratio flowing in the mixing tube outlet using a mixing valve located in the combustor. Is characterized by.
【0022】本発明の利点は一部本明細書に記載されて
おり、またその他の利点も本発明を理解すればかかる記
載から明らかである。本発明の利点はまた図面及び添付
の特許請求の範囲の記載から明らかである。Some of the advantages of the present invention are described herein, and other advantages will be apparent from such a description upon understanding the invention. The advantages of the invention will also be apparent from the drawings and the appended claims.
【0023】[0023]
【実施例】添付図面を参照して本発明の好ましい実施例
を説明する。具体的には、本発明の実施例は図16〜図20
に示す。図16〜図20は混合物の出口速度を制御するため
に可変形状を有するプレミキサを有するガスタービンエ
ンジンを示す。また関連する前段ガスタービンエンジン
及びプレミキサ燃焼器システムの説明を読むと、本発明
をより良く理解し応用することができる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Specifically, the embodiment of the present invention is shown in FIGS.
Shown in. 16-20 show a gas turbine engine having a premixer with a variable geometry to control the outlet velocity of the mixture. Also, a reading of the relevant pre-stage gas turbine engine and premixer combustor system readings will enable a better understanding and application of the present invention.
【0024】まず図1Aを参照すると、参照番号10により
一般的に示す本発明の特徴を有する前段燃焼器システム
が示されている。図示のシステム10は、ラジアルガスタ
ービンエンジンモジュール12とともに使用するものであ
る。ガスタービンエンジンモジュール12は、軸線18の回
りに回転できるシャフト16が内部に取り付けられた圧力
ハウジング14を有する。シャフト16の一端にラジアルタ
ービン20が取り付けられており、ラジアルタービン20
は、シャフト16の他端に取り付けられた遠心コンプレッ
サ22を駆動する。図1Aに示す構造では、ガスタービンエ
ンジンモジュール12の出力は、遠心コンプレッサ22に近
接する機械的連結装置(24で一般的に示す)から取り出
す。しかし、図1Aに示す形状と同様に、本発明の燃焼器
システムは、当業者であれば直ちに理解するように、例
えば「フリー出力タービン」(図5A参照)、「フリージ
ェット」推進ユニット(図示せず)、その他のタービン
エンジンシステムと組み合わせて、ガス発生器に使用す
ることもできる。また本発明はラジアルガスタービンエ
ンジン又はガス発生器モジュールに使用する場合に限ら
れるものではなく、少くとも最も広い意味でアキシャル
タービンエンジンモジュール、アキシャル−ラジアル混
合型タービンエンジンモジュール及びガス発生器モジュ
ールとともに使用することもできる。Referring first to FIG. 1A, there is shown a pre-stage combustor system having the features of the present invention, indicated generally by the reference numeral 10. The illustrated system 10 is for use with a radial gas turbine engine module 12. The gas turbine engine module 12 has a pressure housing 14 having a shaft 16 mounted therein that is rotatable about an axis 18. The radial turbine 20 is attached to one end of the shaft 16,
Drives a centrifugal compressor 22 attached to the other end of the shaft 16. In the structure shown in FIG. 1A, the output of the gas turbine engine module 12 is taken from a mechanical coupling device (generally indicated at 24) proximate the centrifugal compressor 22. However, similar to the configuration shown in FIG. 1A, the combustor system of the present invention, as one of ordinary skill in the art will readily appreciate, may, for example, be a “free power turbine” (see FIG. 5A), a “free jet” propulsion unit (see FIG. It may also be used in a gas generator in combination with other turbine engine systems (not shown). Further, the present invention is not limited to use in a radial gas turbine engine or a gas generator module, and is used with an axial turbine engine module, an axial-radial mixed turbine engine module and a gas generator module in at least the broadest sense. You can also do it.
【0025】さらに図1Aにおいて、ガスタービンエンジ
ンモジュール12は、一般的に以下のように作動する。矢
印26により示す方向に遠心コンプレッサ22に導入された
空気は、遠心力により加速され、ディフューザ28に入っ
て静圧を増大する。ディフューザ28から出た圧縮空気
は、プレナムチャンバ30に集められ、次いでプレナム30
から出た圧縮空気は、燃焼器システム10のプレミキサ60
により、燃料供給源32から来る燃料と混合され(詳細に
ついては後述する)、燃焼して高温の排気ガスを生成す
る。高温の排気ガスは入口案内ベーン34を経てラジアル
タービン20に流入し、そこで出力が得られる。タービン
20から出る排気ガスは大気中に排出されるか、あるいは
後段のエンジンモジュールに送給される。フリー出力タ
ービン配列の場合、タービン20から出たガスは一層大き
な出力を得るためにフリー出力タービンに送給される。Still referring to FIG. 1A, the gas turbine engine module 12 generally operates as follows. The air introduced into the centrifugal compressor 22 in the direction indicated by the arrow 26 is accelerated by the centrifugal force and enters the diffuser 28 to increase the static pressure. Compressed air exiting diffuser 28 is collected in plenum chamber 30 and then plenum 30.
The compressed air from the pre-mixer 60 of the combustor system 10
Are mixed with fuel coming from the fuel supply source 32 (details will be described later) and burned to generate high-temperature exhaust gas. The hot exhaust gas flows into the radial turbine 20 via the inlet guide vanes 34, where the output is obtained. Turbine
The exhaust gas emitted from 20 is discharged to the atmosphere or sent to the engine module in the subsequent stage. In the case of a free power turbine arrangement, the gas exiting turbine 20 is delivered to the free power turbine for even greater power output.
【0026】図1Aに示す燃焼器システムは、燃焼チャン
バを形成する円筒形ハウジングを有し、ハウジングは軸
線を有するとともに、チャンバの軸線方向一端に近接す
る少くとも1つの吸入ポートを有する。チャンバの軸線
方向一端側に単段燃焼域があることが重要である。排気
部はチャンバの軸線方向他端に位置し、チャンバの軸線
方向他端に近接する燃焼チャンバ部分は希釈域を有す
る。ハウジングはさらに希釈域と連通する希釈ポートの
形状の開口部手段を有する。The combustor system shown in FIG. 1A has a cylindrical housing that defines a combustion chamber, the housing having an axis and at least one intake port proximate one axial end of the chamber. It is important that there is a single-stage combustion zone at one end of the chamber in the axial direction. The exhaust portion is located at the other end of the chamber in the axial direction, and the combustion chamber portion adjacent to the other end of the chamber in the axial direction has a dilution zone. The housing further comprises opening means in the form of a dilution port which communicates with the dilution zone.
【0027】図1Aに示すように、燃焼器システム10は、
ほぼトロイダル状の環状燃焼器ライナーハウジング40
(単に「ハウジング」又は「ライナー」と呼ぶ)を有す
る。図1Aには環状ハウジングも図示されているが、「缶
型」の円筒形ハウジングもまた使用可能である。ハウジ
ング40は圧力容器14内にあり、その軸線42は実質的にガ
スタービンエンジンモジュールの軸線18と一致する。ハ
ウジング40は、吸入ポート43を除いて軸線方向端部44で
閉じられているが、軸線方向端部46では開放して環状排
気ポート48(燃焼器出口)を形成している。排気ポート
48はチャネル50及び入口案内ベーン34を介してラジアル
タービン20と連通している。As shown in FIG. 1A, the combustor system 10 includes
Substantially toroidal annular combustor liner housing 40
(Referred to simply as "housing" or "liner"). Although an annular housing is also shown in FIG. 1A, a “can” cylindrical housing can also be used. The housing 40 is within the pressure vessel 14 and its axis 42 substantially coincides with the axis 18 of the gas turbine engine module. The housing 40 is closed at the axial end 44 except for the intake port 43, but is open at the axial end 46 to form an annular exhaust port 48 (combustor outlet). Exhaust port
48 communicates with radial turbine 20 via channel 50 and inlet guide vanes 34.
【0028】さらに図1Aにおいて、ハウジング40により
形成されたトロイダル状のチャンバ52は、異なる作用を
有する2つのほぼ軸線方向のセクションを有する。軸線
方向一端44に近接するセクション54は単段燃焼域を形成
し、ハウジング端部46に近接するセクション56は希釈域
を形成する。希釈域56に開口するハウジング40に、複数
の開口部58a 、58b が設けられている。ハウジングの軸
線42を基準として、希釈ポート58a はハウジング40の外
周面に形成された一連の開口部であり、希釈ポート58b
はハウジング40の内周面に形成された一連の開口部であ
る。一般に希釈ポート58a 及び58b を有する開口部手段
は、圧縮空気導管手段(以下にさらに詳細に記載する)
から来る圧縮空気を燃焼チャンバ52の希釈域56に導入す
る。しかし希釈用開口部は、燃焼器ライナーの内外壁の
両方に設ける必要はなく、例えば希釈用空気の全流量に
適応した大きさの開口部58b を使用すれば、開口部58a
を省略しても良い。Further in FIG. 1A, the toroidal chamber 52 formed by the housing 40 has two generally axial sections with different effects. Section 54 adjacent axial end 44 forms a single stage combustion zone and section 56 adjacent housing end 46 forms a dilution zone. A plurality of openings 58a, 58b are provided in the housing 40 opening to the dilution area 56. With respect to the housing axis 42, the dilution port 58a is a series of openings formed in the outer peripheral surface of the housing 40, and the dilution port 58b
Is a series of openings formed in the inner peripheral surface of the housing 40. The opening means, generally having dilution ports 58a and 58b, is a compressed air conduit means (described in more detail below).
The compressed air coming from is introduced into the dilution zone 56 of the combustion chamber 52. However, it is not necessary to provide the dilution opening on both the inner and outer walls of the combustor liner, and if the opening 58b having a size adapted to the total flow rate of the dilution air is used, the opening 58a can be formed.
May be omitted.
【0029】円筒形ハウジングの外側に配置された少な
くとも1つの燃料/空気プレミキサは、圧縮空気流の一
部を燃料と混合して燃料/空気混合物を生成し、その混
合物を吸入ポートを通して燃焼域に送給する。燃料/空
気プレミキサは、圧縮空気吸入手段、燃料吸入手段、及
び吸入した圧縮空気の流れを平滑化するとともに吸入し
た圧縮空気を燃料と混合するためのチャンバ手段を有す
る。図1Aを参照して、燃焼器システム10はさらに参照番
号60により一般的に示す単一の燃料/空気プレミキサを
有する。プレミキサ60は、以下に詳細に記載する導管手
段から圧縮空気を吸入するハウジング組立体62、及び燃
料ライン66を通して燃料供給源32から燃料を吸入する単
一燃料ノズル64を有する。図1Aに示す燃料ノズル64は、
液体燃料とともに使用する場合に噴霧化及び気化の促進
に特に有利な「エアブラスト」式燃料ノズルである。し
かし気体燃料に「エアブラスト」式ノズルを使用する
と、以下に記載するベンチュリ手段に供給する前に、燃
料を空気と初期混合するという利点がある。従って、本
発明と同様に、図1Aの燃焼器システムは液体燃料又はエ
アブラスト式燃料ノズルの使用に制限されず、気体燃料
及び渦流型ノズルのような他種の燃料ノズルも使用する
ことができる。At least one fuel / air premixer located outside the cylindrical housing mixes a portion of the compressed air stream with fuel to produce a fuel / air mixture, which mixture is passed through an intake port to a combustion zone. To send. The fuel / air premixer has compressed air intake means, fuel intake means, and chamber means for smoothing the flow of the intake compressed air and mixing the intake compressed air with fuel. Referring to FIG. 1A, combustor system 10 further includes a single fuel / air premixer, generally indicated by the reference numeral 60. The premixer 60 has a housing assembly 62 that draws compressed air from conduit means, described in detail below, and a single fuel nozzle 64 that draws fuel from a fuel source 32 through a fuel line 66. The fuel nozzle 64 shown in FIG.
An "airblast" type fuel nozzle that is particularly advantageous for promoting atomization and vaporization when used with liquid fuels. However, the use of "air blast" type nozzles for gaseous fuels has the advantage of premixing the fuel with air prior to feeding the venturi means described below. Therefore, similar to the present invention, the combustor system of FIG. 1A is not limited to the use of liquid fuel or air blast fuel nozzles, but other types of fuel nozzles such as gaseous fuel and swirl nozzles can also be used. .
【0030】燃料/空気プレミキサ60はさらに、燃料/
空気プレミキサハウジング組立体62の内に配置されたベ
ンチュリ入口70、及び吸入ポート43に連結したベンチュ
リ出口72を有するベンチュリ68の形状の混合チャンバ手
段を有する。ベンチュリ68は流れ軸線74を有し、燃料ノ
ズル64は軸線74に実質的に沿ってベンチュリ入口70に燃
料スプレーを送給するように位置する。ベンチュリチャ
ンバ内で燃料と圧縮空気を激しく完全に混合し、かつ矢
印76で概略的に示すように燃料/空気混合物をベンチュ
リの軸線74に沿って燃焼域54に導くように、ベンチュリ
68の流路断面積及び寸法を選択する。燃料/空気混合物
の最小速度(アイドリング時の速度)が燃料/空気混合
物の炎伝播速度より大きくなるように、ベンチュリ出口
72の流域を選定しなければならない。燃焼域54内での燃
焼の安定性を向上させるために、参照番号78により概略
的に示すような炎保持手段をベンチュリ出口72付近に設
けてもよい。The fuel / air premixer 60 further includes a fuel / air premixer 60.
It has a mixing chamber means in the form of a venturi 68 having a venturi inlet 70 located within the air premixer housing assembly 62 and a venturi outlet 72 connected to the suction port 43. Venturi 68 has a flow axis 74 and fuel nozzle 64 is positioned to deliver a fuel spray to venturi inlet 70 substantially along axis 74. Venturi is used to vigorously and thoroughly mix the fuel and compressed air in the venturi chamber and to direct the fuel / air mixture along the venturi axis 74 to the combustion zone 54 as shown schematically by arrow 76.
Select 68 channel cross-sections and dimensions. Venturi outlet so that the minimum velocity of the fuel / air mixture (the velocity at idling) is greater than the flame propagation velocity of the fuel / air mixture.
72 watersheds must be selected. In order to improve the stability of combustion within the combustion zone 54, flame holding means, such as schematically indicated by reference numeral 78, may be provided near the venturi outlet 72.
【0031】図1Bに最もよく示すように、ベンチュリの
軸線74がハウジングの軸線42に対して実質的に接線方向
を向くように混合用ベンチュリ68が配置されているの
で、吸入した燃料/空気混合物は燃焼域54内で軸線42の
回りに渦巻く。以下に一層詳細に記載する好ましいプレ
ミキサ構造から分かるように、単一燃料ノズルより供給
を受ける単一の燃料/空気プレミキサのみを使用するこ
とにより、燃焼チャンバ52に適切に燃料/空気混合物を
供給することができる。図1A及び図1Bに示すように、特
に燃焼チャンバ52の半径方向「厚さ」(軸線42から測
定)がその外径に対して小さい場合に、複数の燃料/空
気プレミキサを使用してもよい。As best shown in FIG. 1B, the admixed venturi 68 is positioned so that the venturi axis 74 is substantially tangential to the housing axis 42 so that the intake fuel / air mixture is Swirls around axis 42 in combustion zone 54. As can be seen from the preferred premixer construction described in more detail below, only a single fuel / air premixer fed by a single fuel nozzle is used to properly deliver the fuel / air mixture to the combustion chamber 52. be able to. Multiple fuel / air premixers may be used, especially when the radial "thickness" of the combustion chamber 52 (measured from axis 42) is small relative to its outer diameter, as shown in FIGS. 1A and 1B. .
【0032】燃焼器システムは、ベンチュリの流れ軸線
の交点に近い位置で円筒状ライナーハウジング上に配置
された点火装置を有する。図1Bにおいて、点火装置79は
流れ軸線74とライナーハウジング40との交点付近に位置
し、燃焼域54内に僅かな距離だけ延びる。従って、理想
的には点火装置79は燃焼を開始させるためにプレミキサ
60から出る燃料/空気混合物と交差するように位置す
る。一旦燃焼が開始すると、燃焼域54内で渦巻く高温の
燃焼ガスは燃料/空気混合物を自動点火させ、点火装置
79(電気的)は通常停止する。The combustor system has an igniter located on the cylindrical liner housing near the intersection of the venturi flow axes. In FIG. 1B, the igniter 79 is located near the intersection of the flow axis 74 and the liner housing 40 and extends a short distance into the combustion zone 54. Therefore, ideally, the igniter 79 should be premixed to initiate combustion.
Located to intersect the fuel / air mixture exiting 60. Once combustion is initiated, the hot combustion gases that swirl within the combustion zone 54 autoignite the fuel / air mixture and the ignition device.
79 (electrical) normally stops.
【0033】前段燃焼器システムにおいて、コンプレッ
サ出口と燃料/空気プレミキサとを連結するために圧縮
空気導管手段が設けられており、圧縮空気流の一部をプ
レミキサの圧縮空気吸入手段に送給するとともに、圧縮
空気流の実質的な残部を開口部手段に送給し、希釈用空
気を希釈域に送給する。さらに図1Aにおいて、参照番号
80により一般的に示す圧縮空気導管手段は、圧力ハウジ
ング14とハウジング40との間に配置されたほぼ環状の流
路82を有する。流路82は圧縮空気吸入プレナム30とリン
グ状プレナム84との間に延在し、タービンの排気セクシ
ョンに近接する圧力容器14の一部として形成されてい
る。上記の通り、燃料/空気プレミキサハウジング組立
体62は、プレナム84から圧縮空気を吸入し、ベンチュリ
入口70に送給するように連結されている。図示したプレ
ナム84は環状断面を有するが、他の形状及び位置も可能
であり、本発明の範囲内である。In the pre-combustor system, compressed air conduit means is provided for connecting the compressor outlet to the fuel / air premixer and delivers a portion of the compressed air flow to the compressed air intake means of the premixer. , Delivering substantially the remainder of the compressed air stream to the opening means and delivering dilution air to the dilution zone. Further in FIG. 1A, reference numbers
The compressed air conduit means, indicated generally by 80, has a generally annular flow passage 82 disposed between the pressure housing 14 and the housing 40. The flow path 82 extends between the compressed air intake plenum 30 and the ring-shaped plenum 84 and is formed as part of the pressure vessel 14 proximate the exhaust section of the turbine. As mentioned above, the fuel / air premixer housing assembly 62 is coupled to draw compressed air from the plenum 84 and deliver it to the venturi inlet 70. Although the illustrated plenum 84 has an annular cross-section, other shapes and positions are possible and within the scope of the invention.
【0034】図1Aの概略図から明らかなように、流路82
を流れる圧縮空気がハウジング40(特に燃焼域54を直接
包囲するハウジングのうち最高の燃焼温度が予想される
部分86)を冷却するように、流路82は構成されている。
ハウジング40の部分86は対流冷却だけを行えばよく、境
膜冷却の必要がない。すなわち、ハウジング40の部分86
は、流路82内を流れる圧縮空気を燃焼域54中で燃焼する
燃料/空気混合物から隔離するように機能する。この構
造のために燃焼域54中で混合物の燃料/空気比を制御す
ることができ、かつ所望の希薄燃料/空気比を有する
「単段燃焼器」として作動することができる。このよう
な作動によりNOx、未燃焼燃料及び燃焼副生物の排出
量を低減することができる。以下に検討するように、燃
焼器システムの特有の構造により、他の従来の燃焼器シ
ステムと比較するとNOxのレベルが非常に低くなる。As is apparent from the schematic view of FIG. 1A, the flow path 82
The flow path 82 is configured so that the compressed air flowing through it cools the housing 40, particularly the portion 86 of the housing that directly surrounds the combustion zone 54 where the highest combustion temperature is expected.
Portion 86 of housing 40 need only be convectively cooled and need not be film cooled. That is, the portion 86 of the housing 40.
Serves to isolate the compressed air flowing in the flow path 82 from the fuel / air mixture burning in the combustion zone 54. Because of this structure, the fuel / air ratio of the mixture can be controlled in the combustion zone 54 and can operate as a "single-stage combustor" with the desired lean fuel / air ratio. By such an operation, the emission amounts of NOx, unburned fuel and combustion by-products can be reduced. As discussed below, the unique construction of the combustor system results in very low levels of NOx when compared to other conventional combustor systems.
【0035】流路82は実質的に燃焼チャンバ52を包囲
し、対流冷却するとともに希釈ポート58a 及び58b に圧
縮空気を供給する。図1Aに示すように、流路82はまたタ
ービン20に近接する圧力容器14の部分を冷却するために
圧縮空気流を導くチャネル82aを有してもよい。タービ
ンの入口案内ベーン34は、境膜冷却された入口案内ベー
ンでよく、また流路82又は82a から圧縮空気の供給を受
けてもよい。また圧縮空気導管手段80は、特に液体燃料
でエアブラスト式燃料ノズル64を使用する場合、圧縮空
気吸入プレナム30とエアブラスト式燃料ノズル64とを連
結する別の流路88を有することができる。The flow path 82 substantially surrounds the combustion chamber 52 and provides convection cooling and supplies compressed air to the dilution ports 58a and 58b. As shown in FIG. 1A, the flow path 82 may also have channels 82a that direct a stream of compressed air to cool the portion of the pressure vessel 14 proximate the turbine 20. The turbine inlet guide vanes 34 may be film cooled inlet guide vanes and may also be supplied with compressed air from the flow passages 82 or 82a. The compressed air conduit means 80 may also have a separate flow passage 88 connecting the compressed air intake plenum 30 and the air blast fuel nozzle 64, especially when using the air blast fuel nozzle 64 with liquid fuel.
【0036】図1Aに関連した上記説明から明らかなよう
に、圧縮空気導管手段80は、燃料/空気プレミキサ60に
圧縮空気流の一部を導くとともに、圧縮空気流の実質的
な残部を希釈ポート58a 及び58b に導く。燃料/空気プ
レミキサ及び希釈ポートのいずれにも導かれない圧縮空
気流(すなわち、入口案内ベーン34を冷却するために使
用する空気)は非常に少量で、いずれにしても燃焼域内
の燃料/空気比を乱すことはなく、タービン20に入る前
に排気ガスをさらに僅かに希釈するだけである。As will be apparent from the above description in connection with FIG. 1A, the compressed air conduit means 80 directs a portion of the compressed air stream to the fuel / air premixer 60, while leaving a substantial portion of the compressed air stream to the dilution port. Lead to 58a and 58b. The compressed air flow that is not directed to either the fuel / air premixer or the dilution port (ie, the air used to cool the inlet guide vanes 34) is very small and in any case the fuel / air ratio in the combustion zone. Does not disturb the exhaust gas and only slightly dilutes the exhaust gas before entering the turbine 20.
【0037】さらにプレミキサに供給する圧縮空気の流
量を定めるために、圧縮空気流路内に弁手段が配置され
ている。図1Aに示す用途のように、コンプレッサの速度
(従って圧縮空気の体積流量)がほとんど燃料の流量に
依存しない場合には、圧縮空気弁手段は特に重要であ
る。本明細書で具体的に説明するように(図1Aを参
照)、プレナム84からベンチュリ入口70に入る圧縮空気
の流量を定めるために、燃料/空気プレミキサハウジン
グ組立体62内に弁90が設けられている。弁90は連続的に
調整可能であり、弁90の適当な構造は本発明の燃料/空
気プレミキサの好ましい構造の記載に関連して、以下に
一層詳細に検討する。弁の開度が変化すると、プレミキ
サによる圧力低下が変化し、希釈域への空気の流量が増
加又は減少する。このように空気流の変化及び分割は燃
焼器の外側で起こる。Further, in order to determine the flow rate of compressed air supplied to the premixer, valve means is arranged in the compressed air flow path. The compressed air valve means is particularly important when the speed of the compressor (and thus the volumetric flow rate of compressed air) is largely independent of the fuel flow rate, as in the application shown in FIG. 1A. A valve 90 is provided in the fuel / air premixer housing assembly 62 to define the flow rate of compressed air from the plenum 84 into the venturi inlet 70, as described herein (see FIG. 1A). Has been. The valve 90 is continuously adjustable and suitable constructions of the valve 90 are discussed in more detail below in connection with the description of the preferred construction of the fuel / air premixer of the present invention. When the opening of the valve changes, the pressure drop by the premixer changes, and the flow rate of air to the dilution zone increases or decreases. Thus, air flow changes and splits occur outside the combustor.
【0038】図2は、別の形状の圧縮空気導管手段を有
する燃焼器システム110 を示す。図1A及び図1Bの実施例
と同じ又は類似の作用を有する構成部品には、「100 」
から始まる以外同じ参照番号を付与する。図2において
参照番号180 で一般的に示す圧縮空気導管手段におい
て、圧縮空気捕集プレナム130 とハウジング140 を囲む
環状流路182 との間に分配導管181 が設けられており、
燃料/空気プレミキサハウジング組立体162 は流路182
の上流で分配導管181 に直接連結している。燃料/空気
プレミキサハウジング組立体162 と分配導管181 との間
の連結部に弁190が設けられており、空気流は燃料/空
気プレミキサ160 に流入する第一の部分と、分岐導管部
181aを経て流路182 に流れる残部とに分割される。図1A
の構造(プレミキサに流入する圧縮空気の実質的に全て
の部分はまず燃焼チャンバ52を形成するライナーハウジ
ング部分86の少くとも一部を冷却するために使用され
る)と比べて、燃料/空気プレミキサ160 に流入する圧
縮空気のどの部分も、燃焼域152 を形成するハウジング
140 の部分186 を冷却するために使われない。しかし図
2の実施例により、希釈ポート158a及び158bに流入する
圧縮空気流部分に対して、燃料/空気プレミキサに流入
する圧縮空気部分を直接制御することができる。それで
も図1Aに示す形状の方が、種々の構成部品、主に弁を燃
料/空気プレミキサハウジングと直接一体化できる燃料
/空気プレミキサ(以下詳細に説明する)の組み立てが
容易であるという理由で、好ましいと言うことができ
る。FIG. 2 shows a combustor system 110 having an alternative form of compressed air conduit means. A component having the same or similar operation as the embodiment of FIGS. 1A and 1B has "100".
The same reference number is given except that it starts with. In the compressed air conduit means generally indicated at 180 in FIG. 2, a distribution conduit 181 is provided between the compressed air collection plenum 130 and an annular flow passage 182 surrounding the housing 140,
The fuel / air premixer housing assembly 162 has a flow path 182.
It is directly connected to the distribution conduit 181 upstream of. A valve 190 is provided at the connection between the fuel / air premixer housing assembly 162 and the distribution conduit 181 to direct the air flow to the fuel / air premixer 160 and the branch conduit portion.
It is divided into the remainder flowing through the flow path 182 via 181a. Figure 1A
Of the fuel / air premixer, where substantially all of the compressed air entering the premixer is first used to cool at least a portion of the liner housing portion 86 forming the combustion chamber 52. Any part of the compressed air entering 160 will form a combustion zone 152
Not used to cool 140 parts 186. However, the embodiment of FIG. 2 allows direct control of the portion of compressed air entering the fuel / air premixer with respect to the portion of compressed air flow entering dilution ports 158a and 158b. Nevertheless, the shape shown in FIG. 1A is easier to assemble the various components, primarily the fuel / air premixer (discussed in detail below), which allows the valve to be directly integrated with the fuel / air premixer housing. Can be said to be preferable.
【0039】さらに前段燃焼器システムにおいて、燃料
供給源をプレミキサ燃料吸入手段に連結させるために燃
料導管手段が設けられている。燃料導管手段は、プレミ
キサ燃料吸入手段とともに、プレミキサに流入する全て
の燃料用の流路を形成する。燃料導管手段中の燃料の流
量を定めるために、燃料流路内に燃料弁手段が配置され
ている。再び図1Aを参照して、燃料ライン66は燃料供給
源32を燃料ノズル64に連結する。燃料弁92は燃料ライン
66のうち燃料ノズル64の直ぐ上流の位置に配置されてい
る。燃料ノズル64は、上記の通り液体燃料とともに使用
するのに特に好適な「エアブラスト」式燃料ノズルとし
て示している。Further, in the pre-combustor system, fuel conduit means is provided for connecting the fuel supply to the premixer fuel intake means. The fuel conduit means forms with the premixer fuel intake means a flow path for all fuel entering the premixer. Fuel valve means is disposed within the fuel flow path for determining the flow rate of fuel through the fuel conduit means. Referring again to FIG. 1A, fuel line 66 connects fuel supply 32 to fuel nozzle 64. Fuel valve 92 is the fuel line
It is arranged at a position immediately upstream of the fuel nozzle 64 among 66. Fuel nozzle 64 is shown as an "air blast" type fuel nozzle that is particularly suitable for use with liquid fuels as described above.
【0040】さらに図1A及び図1Bの燃焼器システムは、
プレミキサに送給する圧縮空気部分及び燃料のそれぞれ
の流量を実質的に制御して、吸入ポートより燃焼域に所
定の希薄燃料/空気比の混合物を送給するために、圧縮
空気弁手段及び燃料弁手段の両方に作動的に連結してい
る制御手段を有する。図1Aに概略的に示すように、機械
式又は電気式(例えば、マイクロプロセッサ)のいずれ
でもよいコントローラ94は、圧縮空気弁90と連結し、直
接ベンチュリ入口70に流入する圧縮空気の流量を実質的
に制御する。「エアブラスト」式ノズルを使用する場
合、燃料/空気プレミキサ60に流入する全圧縮空気の僅
かな部分(典型的には5%以下)が導管88を通ることが
あるが、圧縮空気流の残部(95%以上)を弁90で制御す
れば全燃料/空気比を適当に制御することが期待でき
る。さらに以下の実施例に示す天然ガスのような気体燃
料を使用する場合には、導管88を省略して、燃料/空気
プレミキサに流入する圧縮空気流の全てを圧縮空気用流
量弁で制御することができる。Further, the combustor system of FIGS. 1A and 1B
Compressed air valve means and fuel for substantially controlling the respective flow rates of the compressed air portion and fuel delivered to the premixer to deliver a predetermined lean fuel / air ratio mixture from the intake port to the combustion zone. It has control means operatively connected to both of the valve means. As shown schematically in FIG. 1A, a controller 94, which may be mechanical or electrical (eg, microprocessor), is coupled to the compressed air valve 90 to substantially control the flow rate of compressed air entering the venturi inlet 70. Control. When using an "air blast" nozzle, a small portion (typically 5% or less) of the total compressed air entering fuel / air premixer 60 may pass through conduit 88, but the remainder of the compressed air flow. If (90% or more) is controlled by the valve 90, the total fuel / air ratio can be expected to be controlled appropriately. Further, when using a gaseous fuel such as natural gas as shown in the following example, the conduit 88 may be omitted and all of the compressed air flow entering the fuel / air premixer controlled by a compressed air flow valve. You can
【0041】また図1Aに示すように、コントローラ94は
燃料弁92に接続して燃料ノズル64に流入する燃料の流量
を測定する。当業者に明らかなように、コントローラ94
で燃料/空気プレミキサ60に流入する燃料流及び圧縮空
気流の両方を制御することにより、ガスタービンエンジ
ンモジュールの全作動期間中に燃料/空気比を一定に
し、もって可燃性混合物の流量を負荷の関数として変化
させることができる。あるいは一連の所定の燃料/空気
比が負荷の関数となるように、コントローラ94を構成す
ることもできる。当業者であれば本明細書の記載及び公
知の知識に基づき、特定の用途に適するコントローラを
適宜採用することができる。Further, as shown in FIG. 1A, the controller 94 is connected to the fuel valve 92 and measures the flow rate of the fuel flowing into the fuel nozzle 64. As will be appreciated by those skilled in the art, the controller 94
By controlling both the fuel flow and the compressed air flow into the fuel / air premixer 60 at a constant fuel / air ratio during the entire operating period of the gas turbine engine module, thus increasing the flow rate of the combustible mixture to the load. It can be changed as a function. Alternatively, the controller 94 can be configured such that a set of predetermined fuel / air ratios is a function of load. A person skilled in the art can appropriately adopt a controller suitable for a specific application based on the description in this specification and known knowledge.
【0042】図1A及び図1Bにおいて、運転中には圧縮空
気吸入手段30から来る圧縮空気は流路(包囲部)82を介
してハウジング40の外面上に導かれ、ハウジング40(特
に燃焼域54を囲む部分86)を冷却する。流路82内を流れ
る圧縮空気の一部はプレナム84に入り、次にコントロー
ラ94に制御された圧縮空気弁90により制御されて、燃料
/空気プレミキサハウジング組立体62とプレナム84との
間の連結部を経て燃料/空気プレミキサ60に流入する。
ベンチュリ68では、圧縮空気部分は、燃料ノズル64から
出る燃料(ノズル64が「エアブラスト」式ノズルである
ときは圧縮空気の少量の追加部分とともに)と混合さ
れ、ベンチュリの軸線74に沿って吸入ポート43を経て燃
焼チャンバ52の燃焼域54に入る。1A and 1B, during operation, the compressed air coming from the compressed air suction means 30 is guided to the outer surface of the housing 40 through the flow path (enclosure) 82, and the housing 40 (particularly the combustion area 54 Cool the part 86) surrounding the. A portion of the compressed air flowing in the flow path 82 enters the plenum 84, which is then controlled by the compressed air valve 90 controlled by the controller 94 to provide a connection between the fuel / air premixer housing assembly 62 and the plenum 84. It flows into the fuel / air premixer 60 via the connection.
In the venturi 68, a portion of the compressed air is mixed with fuel exiting the fuel nozzle 64 (along with a small additional portion of compressed air when the nozzle 64 is an "air blast" nozzle) and drawn along the venturi axis 74. It enters the combustion zone 54 of the combustion chamber 52 via the port 43.
【0043】図1Bに示すようにハウジングの軸線42に対
してベンチュリの軸線74は接線方向を向いているので、
燃焼域54内に渦巻状の燃焼が起こる。入口案内ベーンに
より空力学的アンローディングを行うために、ベンチュ
リの軸線74の方向を、タービンの回転方向に対して特定
の角度(時計回り又は反時計回り)となるように選択す
る。図1A及び図1Bに示す形状(方向AAから見て燃焼域
54内で時計回り方向に渦巻く燃焼を起こすように燃料/
空気混合物を吸入する)では、タービン20の回転方向も
時計回り方向である。燃焼域54内で燃料/空気混合物が
燃焼して生成した高温の排気ガスは希釈域56に流入し、
チャネル50を通って入口案内ベーン34を経てタービン20
に入り、そこで膨張することにより仕事をするが、その
前に希釈ポート58a 及び58b から来る希釈用空気により
平均温度が低下する。Since the venturi axis 74 is tangential to the housing axis 42 as shown in FIG. 1B,
Spiral combustion occurs in the combustion zone 54. To provide aerodynamic unloading by the inlet guide vanes, the orientation of the venturi axis 74 is selected to be at a particular angle (clockwise or counterclockwise) with respect to the direction of turbine rotation. The shape shown in Fig. 1A and Fig. 1B (combustion area when viewed from direction AA)
Fuel / fuel to cause combustion that swirls clockwise in 54
Inhaling the air mixture), the direction of rotation of turbine 20 is also clockwise. The hot exhaust gas produced by the combustion of the fuel / air mixture in the combustion zone 54 flows into the dilution zone 56,
Turbine 20 through inlet guide vanes 34 through channel 50
It does its work by entering and expanding there, but before that the dilution air coming from the dilution ports 58a and 58b lowers the average temperature.
【0044】本発明の燃焼器システム10による燃焼の制
御は、燃焼チャンバの外側の燃料/空気プレミキサ内で
燃料と空気とを完全に混合することにより行うもので、
液体燃料を使用する場合燃料を完全に気化させるととも
に、燃焼チャンバに送給する混合物の燃料/空気比を制
御し、上記の通りNOxレベル及び未燃焼燃料及び燃焼
副生物のレベルを著しく低減することができる。さら
に、タービンの上流で燃料を燃やすか、あるいは排気ガ
スを薄めるために圧縮空気流の実質的に全量を使用する
と、従来の燃焼器の構造と比較して燃焼器のピーク温度
が著しく低下し、もって燃焼器ライナーの寿命が伸び
る。Control of combustion by the combustor system 10 of the present invention is accomplished by thoroughly mixing the fuel and air in a fuel / air premixer outside the combustion chamber,
When using a liquid fuel, to completely vaporize the fuel and control the fuel / air ratio of the mixture delivered to the combustion chamber to significantly reduce NOx levels and unburned fuel and combustion by-product levels as described above. You can Moreover, the use of substantially all of the compressed air stream to burn fuel upstream of the turbine or to dilute the exhaust gas significantly reduces the peak temperature of the combustor compared to conventional combustor construction, Therefore, the life of the combustor liner is extended.
【0045】上記の通り、図1A及び図1Bに示す構造の燃
料/空気プレミキサ(及び本発明の好ましいプレミキ
サ)は、圧縮空気吸入手段と、空気流平滑化手段を有す
る圧縮空気吸入手段に作動的に連結した入口を有するベ
ンチュリと、燃料スプレーを実質的にベンチュリの軸線
に沿ってベンチュリ入口に送給するように位置する出口
を有するノズルを具備する燃料吸入手段と、圧縮空気吸
入手段と連動してベンチュリ入口に入る圧縮空気の流量
を定める弁手段とを有する。図3Aを参照して、燃料/空
気プレミキサ260 は、ハウジング組立体262 の形状の空
気吸入手段を有する。図1A及び図1Bの実施例のものと同
様の作用を有する構成部品は、200 台の同じ参照番号に
より示す。ハウジング組立体262 は、ハウジング300
と、ガスタービンエンジンモジュール212 の圧力容器21
4 にハウジング300 を取り付けるためのハウジング支持
体302 とを有する。ハウジング支持体302 は中空で、ハ
ウジング300 及びそこに含まれた構成部品を支持する他
に、プレナム284 からハウジング300 に圧縮空気を導く
作用を有する。図3Aに示す構造において、冷却シュラウ
ド部材303 は燃焼チャンバライナーハウジング240 と圧
力容器214 との間に位置し、燃焼域254 の境界を形成す
るハウジング240 の部分286 の少くとも近傍に流路282
を形成する。シュラウド部材303 はまた、圧力容器214
とともに、圧縮空気の一部を集めてハウジング支持体30
2 を経てハウジング300 に最終的に送給するためのプレ
ナム284 を形成する。As mentioned above, the fuel / air premixer of the structure shown in FIGS. 1A and 1B (and the preferred premixer of the present invention) is operative to the compressed air intake means and the compressed air intake means having the air flow smoothing means. A venturi having an inlet connected to the venturi, a fuel intake means having a nozzle positioned to deliver a fuel spray to the venturi inlet substantially along the axis of the venturi, and a fuel intake means associated with the compressed air intake means. Valve means for determining the flow rate of compressed air entering the venturi inlet. Referring to FIG. 3A, the fuel / air premixer 260 has air intake means in the form of a housing assembly 262. Components having similar functions to those of the embodiment of FIGS. 1A and 1B are designated by the same reference numeral of 200 units. Housing assembly 262 is housing 300
And the pressure vessel 21 of the gas turbine engine module 212
4 has a housing support 302 for mounting the housing 300. The housing support 302 is hollow and, in addition to supporting the housing 300 and the components contained therein, serves to direct compressed air from the plenum 284 to the housing 300. In the structure shown in FIG. 3A, the cooling shroud member 303 is located between the combustion chamber liner housing 240 and the pressure vessel 214 and has a flow passage 282 at least near the portion 286 of the housing 240 that bounds the combustion zone 254.
To form. The shroud member 303 also includes a pressure vessel 214.
Along with collecting some of the compressed air, the housing support 30
2 to form a plenum 284 for final delivery to the housing 300.
【0046】さらに図3Aにおいて、燃料/空気プレミキ
サハウジング300 は、分割板308 によりそれぞれ上流及
び下流のコンパートメント304 、306 に分割されてい
る。分割板308 に開口部310 が設けられており、開口部
310 内にバタフライ型弁板290が回転自在に取り付けら
れている。図3Aの実施例において、開口部310 内での弁
板290 の方向は、選択的な流れの妨害度及びそれによる
圧力の低下度を与えるように、制御ロッド312 (図3B参
照)により制御される。図3B及び図3Cに示す弁板290 の
方向では、分割板308 に対して垂直に向いた弁板290
(図3Cに示す角度キャリブレーション板314 のゼロ設定
に対応する)により、流れの妨害が最小となる。制御ロ
ッド312 の位置がインジケータ314 上の両方の位置9に
対応するとき、開口部310 を流れる圧縮空気部分に最大
の流れの妨害及び圧力低下が起こる。当業者に明らかな
ように、上流コンパートメント304 と下流コンパートメ
ント306 との間における圧縮空気流の妨害度及びそれに
よる制御は、ゼロ位置と位置9との間で制御ロッド312
の角度を変えることにより行うことでき、もって燃料/
空気プレミキサ260 のバランス点に圧縮空気の流量を制
御することができる(詳細は後述する)。Still referring to FIG. 3A, the fuel / air premixer housing 300 is divided by a divider plate 308 into upstream and downstream compartments 304, 306, respectively. The dividing plate 308 has an opening 310, and the opening
A butterfly type valve plate 290 is rotatably mounted in 310. In the embodiment of FIG. 3A, the orientation of the valve plate 290 within the opening 310 is controlled by the control rod 312 (see FIG. 3B) to provide selective flow obstruction and thus pressure drop. It In the orientation of the valve plate 290 shown in FIGS. 3B and 3C, the valve plate 290 is oriented perpendicular to the divider plate 308.
The flow obstruction is minimized (corresponding to the zero setting of the angle calibration plate 314 shown in FIG. 3C). When the position of the control rod 312 corresponds to both positions 9 on the indicator 314, there is maximum flow obstruction and pressure drop in the compressed air portion flowing through the opening 310. As will be appreciated by those skilled in the art, the degree of obstruction and thereby control of the compressed air flow between the upstream compartment 304 and the downstream compartment 306 is controlled by the control rod 312 between the zero position and position 9.
Can be done by changing the angle of
The flow rate of compressed air can be controlled at the balance point of the air premixer 260 (details will be described later).
【0047】分割板308 は、ベンチュリ268 の入口270
が取り付けられている追加の開口部316 を有する。分割
板308 の平坦な上面とベンチュリ入口270 の内面とが滑
らかに連結するように、ベンチュリ入口270 は構成さ
れ、分割板308 に取り付けられている。ベンチュリ268
は、上流ハウジングコンパートメント304 、ハウジング
支持体302 、圧力容器214 及び燃焼器チャンバライナー
303 を経て延在し、吸入ポート243 の位置でハウジング
240 に連結している。図1Aに示す実施例に関して上記し
たように、ベンチュリ268 内の燃料/空気混合物の流れ
方向にほぼ対応するベンチュリの軸線274 は、環状燃焼
チャンバハウジング240 の軸線(図示せず)に対して実
質的に接線方向に配向している。The dividing plate 308 is an inlet 270 of the venturi 268.
Has an additional opening 316 in which is attached. The venturi inlet 270 is configured and attached to the divider plate 308 so that the flat upper surface of the divider plate 308 and the inner surface of the venturi inlet 270 are smoothly connected. Venturi 268
Includes an upstream housing compartment 304, a housing support 302, a pressure vessel 214 and a combustor chamber liner.
Extends through 303, housing at intake port 243
It is connected to 240. As described above with respect to the embodiment shown in FIG. 1A, the venturi axis 274 substantially corresponding to the direction of flow of the fuel / air mixture within the venturi 268 is substantially relative to the axis of the annular combustion chamber housing 240 (not shown). Oriented tangentially to.
【0048】さらに図3Aにおいて、燃料ノズル264 は下
流コンパートメント306 に取り付けられており、燃料ノ
ズル出口318 はベンチュリの軸線274 に沿ってベンチュ
リ入口270 に燃料スプレーを送給するように位置する。
燃料ノズル264 はポート320及び渦流ベーン322 を使用
する渦流スプレー型であり、出口318 より燃料スプレー
を出す前に圧縮空気の一部を導入し、燃料ポート324 よ
り入る燃料を渦巻かせる。また図3Aに示す流れ平滑化多
孔部材326 は、下流コンパートメント306 内に位置し、
燃料ノズル出口318 及びベンチュリ入口270 を囲み、ベ
ンチュリ内の不均等な速度及び分離を防止する(さもな
ければベンチュリ内で炎保持が起こる)。多孔部材326
を具備すると僅かな圧力低下が起こるが、それにより下
流コンパートメント306 から燃料ノズル264 を経てベン
チュリ入口270 に入る圧縮空気流は、ベンチュリ入口27
0 のリップ部において分離を起こすことなく安定化する
ことが分かった。Still referring to FIG. 3A, fuel nozzle 264 is mounted in downstream compartment 306 and fuel nozzle outlet 318 is positioned to deliver fuel spray to venturi inlet 270 along venturi axis 274.
Fuel nozzle 264 is a swirl spray type that uses port 320 and swirl vanes 322 to introduce a portion of the compressed air before swirling fuel spray through outlet 318 and swirl the fuel entering through fuel port 324. The flow smoothing porous member 326 shown in FIG. 3A is also located within the downstream compartment 306,
Surrounds fuel nozzle outlet 318 and venturi inlet 270 to prevent uneven velocity and separation within the venturi (otherwise flame retention within the venturi). Perforated member 326
With a slight pressure drop, the compressed air flow from the downstream compartment 306, through the fuel nozzle 264, and into the venturi inlet 270 causes the venturi inlet 27
It was found that the lip of 0 was stabilized without separation.
【0049】図4は、図3A〜図3Cに示す好ましい燃料/
空気プレミキサの商業的な変更例(参照番号360 で一般
的に示す)を示す。図1A及び図1Bの実施例に関して記載
したものと同じ又は類似の性能を有する構成部品は、30
0 台で始まる同じ参照番号により示す。燃料/空気プレ
ミキサ360 は、分割板408 の表面より僅かに上に延在す
る入口370 を有するベンチュリ368 を有する。また燃料
ノズル出口418 は、ベンチュリ入口370 内に延在する。
燃料ノズル364 の最適な性能は、ベンチュリ368 (また
図3A〜図3Cに示す変更例ではノズル264 及びベンチュリ
268 )と関連して用途ごとに異なることがあり、またベ
ンチュリの軸線374 に沿ってベンチュリ入口370 の近傍
に設ける燃料ノズル出口418 を最適な位置に調節するこ
とができることは、当業者であれば容易に分かる。図4
の実施例の場合も、多孔スクリーン部材426 を使用する
と流れが安定化する。図4に示す実施例は、一体的なベ
ル型のハウジング400 を使用するもので、図3Aに示す構
造に匹敵する燃料/空気プレミキサの構造の改良例であ
る。FIG. 4 illustrates the preferred fuel / fuel shown in FIGS. 3A-3C.
A commercial modification of the air premixer (generally designated by reference numeral 360) is shown. Components having the same or similar performance as described with respect to the embodiment of FIGS.1A and 1B are 30
Indicated by the same reference numbers starting with 0. The fuel / air premixer 360 has a venturi 368 with an inlet 370 extending slightly above the surface of the divider plate 408. The fuel nozzle outlet 418 also extends into the venturi inlet 370.
The optimum performance of the fuel nozzle 364 is determined by the venturi 368 (and also the nozzle 264 and the venturi in the modification shown in FIGS. 3A-3C).
268) and may vary from application to application, and one skilled in the art will be able to adjust the fuel nozzle outlet 418 near the venturi inlet 370 along the venturi axis 374 to an optimal position. Easy to understand. Figure 4
Also in this embodiment, the use of the perforated screen member 426 stabilizes the flow. The embodiment shown in FIG. 4 uses an integral bell-shaped housing 400 and is a modification of the fuel / air premixer construction comparable to the construction shown in FIG. 3A.
【0050】上記の通り、本発明の利点は、フリー出力
タービン又はフリージェット推進ユニットとともに使用
するガスタービン式ガス発生器モジュールのような用途
に利用することができる。このガス発生器は、圧縮空気
流量弁及びそれに関連する制御手段を必要としない。図
5Aは本発明により構成された前段燃焼器システム(参照
番号500 で一般的に示す)を概略的に示す。エンジン50
0 は、後述する燃焼器システム510 と、フリー出力ター
ビンモジュール513 とを具備するガスタービン式ガス発
生器モジュール512 を有する。フリータービンモジュー
ル513 はフリータービン513aを有し、このフリータービ
ン513aはアキシャルタービンとして図示されているが、
用途次第ではラジアルタービンでもアキシャル−ラジア
ル混合型タービンでも良い。図1Aの実施例のエンジンシ
ステム(出力はシャフト16に連結したギア手段24から取
る)と対照的に、図5Aの実施例では出力をフリータービ
ンシャフト513bと連動するギア手段を介してエンジンシ
ステム500 から取る。ガス発生器モジュールの軸線518
と同軸的に示されているが、フリー出力タービン513 の
回転軸線513cは、全システム500 の要求を満たすように
傾斜していても良い。As noted above, the benefits of the present invention can be utilized in applications such as gas turbine gas generator modules for use with free power turbines or free jet propulsion units. This gas generator does not require a compressed air flow valve and its associated control means. Figure
5A schematically illustrates a pre-combustor system (generally designated by reference numeral 500) constructed in accordance with the present invention. Engine 50
0 has a gas turbine gas generator module 512 comprising a combustor system 510 described below and a free power turbine module 513. The free turbine module 513 has a free turbine 513a, which is shown as an axial turbine,
Depending on the application, either a radial turbine or an axial-radial mixed type turbine may be used. In contrast to the engine system of the embodiment of FIG. 1A (where power is taken from gear means 24 coupled to shaft 16), the embodiment of FIG. 5A uses engine means 500 to output power through gear means associated with free turbine shaft 513b. Take from Gas Generator Module Axis 518
Although shown coaxially, the rotational axis 513c of the free power turbine 513 may be tilted to meet the requirements of the overall system 500.
【0051】以下の説明においては、図1Aの実施例と類
似の構成部品は、例えば500 台で始まる同じ参照番号で
表す。In the following description, components similar to the embodiment of FIG. 1A are designated by the same reference numbers, for example starting with 500 units.
【0052】具体的には、ガスタービン式ガス発生器モ
ジュール512 は、機械的に独立したスプール、すなわち
シャフト516 上で供回りするために圧力ハウジング514
内に設けられた遠心コンプレッサ522 及びラジアルター
ビン520 を有する。従って、ガス発生器512 とフリータ
ービンモジュール513 とはガス流サイクル内で連結して
いるが、シャフト516 はフリータービンシャフト513bと
独立に回転することができる。モジュール512 はまた燃
焼器ライナーハウジング540 を有する燃焼器システム51
0 を有し、燃焼器ライナーハウジング540 は圧力ハウジ
ング514 内に収容され、外部プレミキサ560 からベンチ
ュリ軸574 に沿って入口ポート543 を経て燃料/空気予
備混合物を吸入する。図1Aに関して既に説明したよう
に、ベンチュリ軸574 は環状燃焼器ライナーハウジング
540 の軸線542 に対して接線方向に配向しているので、
効率的な渦巻き燃焼を起こすとともに、入口案内ベーン
534を部分的にアンロードする(図5Bを参照)。Specifically, the gas turbine gas generator module 512 includes a pressure housing 514 for rotation on a mechanically independent spool or shaft 516.
It has a centrifugal compressor 522 and a radial turbine 520 provided therein. Therefore, although the gas generator 512 and the free turbine module 513 are connected in the gas flow cycle, the shaft 516 can rotate independently of the free turbine shaft 513b. Module 512 also includes combustor system 51 having combustor liner housing 540.
And a combustor liner housing 540 is contained within the pressure housing 514 and draws the fuel / air premix from the external premixer 560 along the venturi axis 574 through the inlet port 543. As previously described with respect to Figure 1A, the Venturi shaft 574 is an annular combustor liner housing.
Oriented tangential to axis 542 of 540,
Efficient swirl combustion occurs and the inlet guide vane
Partly unload 534 (see Figure 5B).
【0053】図5Bはまた点火装置579 の好ましい位置、
すなわちベンチュリ軸574 との交点に近いライナーハウ
ジング540 上の位置を示す。点火装置をプレミキサ内の
ような比較的低温の環境内に配置することにより、点火
装置の寿命を伸ばすとともに、ライナーハウジング540
内へ貫通する部品の点数を低減できるが、環状チャンバ
内で燃料/空気混合物が低速なために図5Bに示す配置に
より着火(light-off)を確実にする必要がある場合に有
用である。FIG. 5B also shows the preferred position of the ignition device 579,
That is, the position on the liner housing 540 near the intersection with the Venturi axis 574. Placing the igniter in a relatively cool environment, such as in a premixer, prolongs the life of the igniter and increases the liner housing 540
While reducing the number of components penetrating in, it is useful when the arrangement shown in FIG. 5B requires reliable light-off due to the slow fuel / air mixture in the annular chamber.
【0054】図5A及び図5Bに示す実施例において、ライ
ナーハウジング540 及び圧力ハウジング514 はコンプレ
ッサプレナム530 から来る圧縮空気流のための流路を形
成する。またこの実施例のエンジンには、ライナーハウ
ジング540 と圧力ハウジング514 の外周近接部分との間
に配置されて両者から半径方向に離隔している環状冷却
シュラウド583 が含まれている。図面から分かるよう
に、冷却シュラウド583とライナーハウジング540 は、
ライナー540 により形成された燃焼器チャンバを対流的
に冷却するための流路582 の一部を形成する。一方冷却
シュラウド583 と圧力ハウジング514 は、圧縮空気流の
うち燃料と混合するためにプレミキサ560に導入すべき
部分を捕集するための環状プレナム584 を形成する。図
5Aの実施例では、図1Aの実施例と同様に、圧縮空気の一
部は対流冷却の後コンプレッサ出口に連通する流路から
取り出し、次いで燃料と混合するためにプレミキサに導
入する。しかし図5Aの装置は、構造的に図1Aのリング状
プレナム84よりはるかにコンパクトにすることができ
る。さらに冷却シュラウド583 は相対的に高温のライナ
ーハウジング540 から圧力ハウジング514 の近接部分に
到る放射熱をシールドするので、圧力ハウジングに比較
的安価な材料を使用することができるとともに、その寿
命を延ばすことができる。In the embodiment shown in FIGS. 5A and 5B, liner housing 540 and pressure housing 514 form a flow path for compressed air flow coming from compressor plenum 530. The engine of this embodiment also includes an annular cooling shroud 583 disposed between the liner housing 540 and a portion of the pressure housing 514 proximate the outer periphery thereof and radially spaced therefrom. As you can see, the cooling shroud 583 and liner housing 540
It forms part of the flow path 582 for convectively cooling the combustor chamber formed by the liner 540. Cooling shroud 583 and pressure housing 514, on the other hand, form an annular plenum 584 for collecting the portion of the compressed air stream to be introduced into premixer 560 for mixing with fuel. Figure
In the 5A embodiment, similar to the embodiment of FIG. 1A, some of the compressed air is removed from the flow path communicating with the compressor outlet after convection cooling and then introduced into the premixer for mixing with fuel. However, the device of FIG. 5A can be structurally much more compact than the ring plenum 84 of FIG. 1A. In addition, the cooling shroud 583 shields radiant heat from the relatively hot liner housing 540 to the adjacent portion of the pressure housing 514, allowing the use of relatively inexpensive materials for the pressure housing and extending its life. be able to.
【0055】流路582 内の圧縮空気流の残部は希釈孔55
8bを通る。図1Aの実施例ではポート58aに相当する希釈
ポートがないが、希釈ポート558bは2つの離隔した環状
ポート558b1 、558b2 を有する。分割器559 及びポート
558b1 、558b2 の寸法の設定により、ポート558b2 を通
った希釈用空気はまずタービンシュラウド557 を経て流
路582aを流れる。当業者であれば、寸法分析を行って希
釈用空気を適当に分配し、所望のタービンシュラウド冷
却を達成することができる。前述の通り、境膜冷却がな
いために燃焼域554 内で燃料/空気比の制御をすること
ができることは、本発明の重要な利点である。The remainder of the compressed air flow in the channel 582 is the dilution hole 55.
Pass 8b. Although there is no dilution port corresponding to port 58a in the embodiment of FIG. 1A, dilution port 558b has two spaced apart annular ports 558b 1 and 558b 2 . Divider 559 and port
Due to the setting of the dimensions of 558b 1 and 558b 2 , the dilution air that has passed through the port 558b 2 first flows through the turbine shroud 557 and the flow path 582a. One of ordinary skill in the art can perform dimensional analysis to properly distribute the dilution air to achieve the desired turbine shroud cooling. As mentioned above, the ability to control the fuel / air ratio within the combustion zone 554 due to the lack of film cooling is an important advantage of the present invention.
【0056】図5Aは「エアブラスト」式液体燃料ノズル
を使用する場合を示すが、前述の理由によりコンプレッ
サ出口プレナム530 からプレミキサ560 まで延びる導管
588は点線で示されている。図5Aでは貫通するコンプレ
ッサプレナム出口530 は明瞭化のために軸線方向に傾斜
して示されているが、全ダイナミックヘッド(dynamic
head)を獲得するために導管588 への入口はコンプレッ
サ出口の接線方向かつ軸平面内にある。当業者であれば
本明細書の記載から適当な入口形状を設計することがで
きる。FIG. 5A illustrates the use of an "air blast" type liquid fuel nozzle, but for the reasons discussed above, a conduit extending from the compressor outlet plenum 530 to the premixer 560.
588 is shown with a dotted line. In FIG. 5A, the through compressor plenum outlet 530 is shown slanted axially for clarity, but the full dynamic head (dynamic
The inlet to conduit 588 to obtain the head) is tangential to the compressor outlet and in the axial plane. A person skilled in the art can design an appropriate inlet shape from the description in this specification.
【0057】エアブラスト式液体燃料ノズルを作動させ
るため(及び可能ならば入口案内ベーンの冷却のため)
に必要な少量の圧縮空気とは別に、圧縮空気の全てを、
燃料に混合するため又は希釈のために使用する前に、ラ
イナーハウジング540 の少なくとも一部を対流的に冷却
するのに使用する。この構造により圧縮空気の対流冷却
能力が最適化される。図示していないが、本発明はまた
図2の実施例(燃料と混合するのに使用する圧縮空気部
分は最初に対流冷却のためには使用されない)に相当す
るガス発生器の態様も包含する。このようなシステムの
簡単な構造は冷却能力の低下を補って余りあるので、用
途によっては望ましいものである。To operate air blast liquid fuel nozzles (and possibly to cool inlet guide vanes)
Apart from the small amount of compressed air required for
Used to convectively cool at least a portion of the liner housing 540 prior to use for mixing with fuel or for dilution. This structure optimizes the convective cooling capacity of the compressed air. Although not shown, the present invention also includes a gas generator embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 2 (where the compressed air portion used to mix with the fuel is not initially used for convective cooling). . The simple construction of such a system more than compensates for the reduced cooling capacity and is therefore desirable for some applications.
【0058】図5Aに示すように、空気はプレミキサ560
中で燃料と直接混合するために流路582 から環状プレナ
ム584 に導入される。図5Aは圧縮空気弁590 を破線で示
しているが、これは弁590 が任意的な部品であるからで
ある。圧縮空気弁590 は作動中に燃料/空気比を「微調
整」するのに使用することができるが、作動中固定した
開度にプリセットしたり、又は以下の理由により完全に
取り除いたりすることもできる。エンジンシステム510
では、コンプレッサ522 の速度、従って圧縮空気の流量
は全作動範囲にわたって燃料の流量にほぼ比例し、燃料
/空気比を所定のリーン値に自動的に制御することがで
きる。従って、燃料弁592 を通って燃料供給源532 から
燃料ノズル564 へ入る燃料の流量を制御するコントロー
ラ594 の作用は、出力要求値に応答する従来のスロット
ルのコントローラと同じである。As shown in FIG. 5A, the air is premixer 560.
Channel 582 is introduced into annular plenum 584 for direct mixing therewith with fuel. 5A shows the compressed air valve 590 in dashed lines because the valve 590 is an optional component. The compressed air valve 590 can be used to “fine tune” the fuel / air ratio during operation, but it can also be preset to a fixed opening during operation or removed altogether for the following reasons: it can. Engine system 510
Thus, the speed of the compressor 522, and thus the flow rate of compressed air, is approximately proportional to the flow rate of fuel over the entire operating range, and the fuel / air ratio can be automatically controlled to a predetermined lean value. Thus, the operation of the controller 594, which controls the flow of fuel from the fuel supply 532 to the fuel nozzle 564 through the fuel valve 592, is similar to that of a conventional throttle controller responsive to power demand.
【0059】プレミキサ560 はエンジンシステム510 の
所定の作動期間中に必要な全燃料/空気混合物を燃焼域
554 に送給するが、図5Bに示すシステム596 のような補
助の燃料補給システムを使用して、スタートアップ及び
アイドリングの条件では高い燃料比の混合物を送給して
も良い。システム596 は燃料供給源532 (図5A参照)か
ら供給を受ける従来の燃料スプレーノズル597 を有し、
補助燃料の流量は弁598 を介してコントローラ594 によ
り制御することができる。開示の構造では、スプレーノ
ズル597 はベンチュリ出口572 に近接した位置でライナ
ーハウジング540 内に半径方向に突出するように配置さ
れている。しかしベンチュリ570 より入る燃料/空気混
合物との混合を良好にするために、ノズル597 はベンチ
ュリ570(図示せず)に対して対向する接線方向に位置
させることができる。スプレーノズル597 の位置、構造
及び方向を変えることが可能であるのは当然であり、本
発明の範囲内である。Premixer 560 burns all fuel / air mixture required during a given period of operation of engine system 510.
However, an auxiliary refueling system such as system 596 shown in FIG. 5B may be used to deliver a high fuel ratio mixture at start-up and idling conditions. System 596 has a conventional fuel spray nozzle 597 powered by a fuel source 532 (see FIG. 5A),
The flow rate of auxiliary fuel can be controlled by controller 594 via valve 598. In the disclosed construction, the spray nozzle 597 is arranged to project radially into the liner housing 540 proximate the venturi outlet 572. However, the nozzle 597 may be positioned tangentially opposite the Venturi 570 (not shown) to provide better mixing with the fuel / air mixture entering through the Venturi 570. Of course, it is possible and within the scope of the invention to vary the position, structure and orientation of the spray nozzle 597.
【0060】図6はエンジンシステム510 に使用するこ
とができる「弁無し」プレミキサ構造(一般的に参照番
号660 で示す)を概略的に示す。プレミキサ660 はハウ
ジング662 と、外周渦巻きベーン665 を有する形式の燃
料ノズル663 と、燃焼器の軸線(図示せず)に対して接
線方向を向いた軸線674 を有するベンチュリ668 とを有
する。また図3Aの「弁有り」の実施例において対応する
構成部品に関連して前述した理由により、流れ平滑化多
孔部材667 はノズル664 及びベンチュリ668 の入口を包
囲する。プレミキサ660 はまた、ベンチュリ668 の喉部
を包囲してリード線671 を介して電源(図示せず)に接
続されている電気抵抗式ヒータージャケット669 のよう
な加熱手段を有する。スタートアップ及び液体燃料を使
用している間、燃料の薄膜がベンチュリの内面に集積し
ようとする。ヒータージャケット669 はこの燃料の薄膜
の気化を高め、プレミキサ中での燃料と空気との混合を
増進する。作動中、プレナム684 からベンチュリ668 の
外面を流れる圧縮空気部分の温度は、液体燃料の気化に
十分な熱を与えるか、液体燃料の薄膜の形成を完全に防
止するので、ヒータージャケット669 を連続的に作動さ
せる必要がない。FIG. 6 schematically illustrates a "valveless" premixer structure (generally designated by reference numeral 660) that can be used in engine system 510. The premixer 660 includes a housing 662, a fuel nozzle 663 of the type having a peripheral spiral vane 665, and a venturi 668 having an axis 674 tangential to the axis of the combustor (not shown). Also, the flow smoothing porous member 667 surrounds the inlets of the nozzle 664 and the venturi 668 for the reasons described above in connection with the corresponding components in the "valve" embodiment of FIG. 3A. The premixer 660 also includes heating means, such as an electrical resistance heater jacket 669, surrounding the throat of the venturi 668 and connected to a power source (not shown) via leads 671. During start-up and use of liquid fuel, a thin film of fuel tends to accumulate on the inner surface of the Venturi. The heater jacket 669 enhances the vaporization of this thin film of fuel and enhances the mixing of fuel and air in the premixer. During operation, the temperature of the compressed air portion flowing from the plenum 684 to the outer surface of the Venturi 668 provides sufficient heat to vaporize the liquid fuel or completely prevents the formation of a thin film of liquid fuel, so that the heater jacket 669 is continuous. There is no need to activate it.
【0061】図7は本発明の燃焼器を有利に利用するこ
とができるさらに別の実施例のエンジン構造(すなわち
本明細書の一部をなす米国特許第5,081,832 号に記載さ
れたようなガスタービンエンジンシステム)を概略的に
示す。図7では、エンジンシステム700 は高圧スプール
711 及び機構的に独立な低圧スプール709 を有する。低
圧スプール709 は、低圧タービン703 によりシャフト70
2 を介して駆動される低圧コンプレッサ701 を含む。低
圧コンプレッサ701 から流出する圧縮空気はディフュー
ザ704 を流れ、さらに圧縮するために高圧コンプレッサ
722 に流入する。高圧スプール711 の構成部品として、
高圧コンプレッサ722 はシャフト716 を介して高圧ター
ビン720 により駆動される。高圧タービン720 から排出
されるガスはディフューザ705 内で拡散され、低圧ター
ビン703 内で膨張する。米国特許第5,081,832 号に十分
に説明されている理由により、ネットの出力は高圧スプ
ール711 のシャフト716 に連結されたギア装置724 を介
してエンジンシステム700から得られる。低圧スプール7
09 は主として高圧スプール711 に予備圧縮した空気を
送給するのに使用されるが、エンジン支持システム(例
えば潤滑部材)の駆動にも使用することができる。FIG. 7 illustrates yet another embodiment of an engine structure (ie, a gas turbine such as that described in US Pat. No. 5,081,832, which is a part of this specification) in which the combustor of the present invention may be beneficially utilized. 1 schematically shows an engine system). In FIG. 7, the engine system 700 is a high pressure spool.
711 and a mechanically independent low pressure spool 709. The low pressure spool 709 is connected to the shaft 70 by the low pressure turbine 703.
Includes a low pressure compressor 701 driven via 2. Compressed air flowing out of the low pressure compressor 701 flows through the diffuser 704 and is further compressed for further compression.
Inflow to 722. As a component of the high pressure spool 711,
High pressure compressor 722 is driven by high pressure turbine 720 via shaft 716. The gas discharged from the high-pressure turbine 720 is diffused in the diffuser 705 and expanded in the low-pressure turbine 703. For reasons fully explained in US Pat. No. 5,081,832, the output of the net is obtained from the engine system 700 via a gearing 724 connected to the shaft 716 of the high pressure spool 711. Low pressure spool 7
09 is primarily used to deliver precompressed air to high pressure spool 711, but can also be used to drive engine support systems (eg, lubrication members).
【0062】図7から明らかなように、エンジンシステ
ム700 は燃焼器システム710 を有し、高圧コンプレッサ
722 から来る圧縮空気の一部で燃料を燃焼させることに
より高温の燃焼ガスを高圧タービン720 に送給する。燃
焼器システム710 は外部プレミキサ760 を使用し、外部
プレミキサ760 は燃料ノズル764 (点線で示す接線方向
の入口を有する導管788 を経てコンプレッサ722 から直
接圧縮空気を吸入する「エアブラスト」式でよい)と、
ライナーハウジング740 により形成された環状燃焼域75
4 に接線方向に燃料/空気予備混合物を送給するベンチ
ュリ768 とを有する。冷却シュラウド783 とライナーハ
ウジング740 は対流冷却流路782 の一部を形成し、冷却
シュラウド783 と圧力ハウジング714 の円周方向近接部
分は圧縮空気の一部をプレミキサ760 に送給するための
環状プレナム784 を形成する。圧縮空気流の残部は、図
5Aに示すものと類似の構造を用いて、追加の対流冷却及
び最終的な希釈に使用される。As is apparent from FIG. 7, the engine system 700 has a combustor system 710 and a high pressure compressor.
The high temperature combustion gas is delivered to the high pressure turbine 720 by combusting the fuel with a portion of the compressed air coming from the 722. The combustor system 710 uses an external premixer 760, which may be an “air blast” type that draws compressed air directly from a compressor 722 via a fuel nozzle 764 (a conduit 788 with a tangential inlet shown in phantom). When,
Annular combustion zone 75 formed by liner housing 740
4 has a venturi 768 for tangentially delivering the fuel / air premix. The cooling shroud 783 and liner housing 740 form part of a convection cooling flow path 782, and the circumferentially adjacent portion of the cooling shroud 783 and pressure housing 714 is an annular plenum for delivering a portion of compressed air to the premixer 760. Form 784. The rest of the compressed air flow is
A structure similar to that shown in 5A is used for additional convection cooling and final dilution.
【0063】しかし図7に示すエンジンシステムはほぼ
一定の高圧スプール軸速度で出力を得るためのものであ
り、図1Aの実施例と同様に、全圧縮空気流量は図5Aの実
施例のガス発生器モジュール512 のように異なる燃料流
量に対して自動的に調節されることはない。その結果、
燃焼器システム710 は特にプレミキサ760 と統合された
圧縮空気弁790 を有し、コントローラ794 の制御下で燃
料弁792 は制御されて所定のリーン燃料/空気比を達成
する。図示していないが、図7の実施例は他の実施例の
特徴(ライナーに取り付けられた点火装置、補助燃料ス
プレーシステム、段階的希釈ポート等)を含んでもよ
い。However, the engine system shown in FIG. 7 is for obtaining output at a substantially constant high-pressure spool shaft speed, and like the embodiment of FIG. 1A, the total compressed air flow rate is the gas generation of the embodiment of FIG. 5A. It is not automatically adjusted for different fuel flow rates like the Fuel Module 512. as a result,
The combustor system 710 specifically includes a compressed air valve 790 integrated with the premixer 760, which under control of the controller 794 controls the fuel valve 792 to achieve a predetermined lean fuel / air ratio. Although not shown, the embodiment of FIG. 7 may include features of other embodiments (igniter mounted on liner, auxiliary fuel spray system, staged dilution port, etc.).
【0064】図8は本発明の特徴を利用するのが有利な
エンジンのさらに別の例を概略的に示す。図8におい
て、燃焼器システムは一般に参照番号810 により示す。
(幾つかの他の図と同様に、燃焼器システム810 の上部
が破断されており、システムの上半分の断面を示す。)
システム810 はラジアルガスタービンエンジンモジュー
ル812 とともに使用する。ガスタービンエンジンモジュ
ール812 は圧力ハウジング814 を具備し、圧力ハウジン
グ814 の中に軸線818 の回りを回転し得るシャフト組立
体816 が取り付けられている。シャフト組立体816 の一
端には遠心コンプレッサ822 を駆動するラジアルタービ
ン820 が取り付けられており、遠心コンプレッサ822 は
シャフト組立体816 の他端に取り付けられている。図8
に示す構造では、ガスタービンエンジンモジュール812
の出力は遠心コンプレッサ822 に近接する機械的連結装
置(一般に824 で示す)より取り出される。しかし、本
発明の燃焼器システムは例えば「フリー出力タービ
ン」、「フリージェット」推進ユニット、その他当業者
等が直ちに分かるタービンエンジンシステム内のガス発
生器中で使用することができる。また本発明はラジアル
ガスタービンエンジン又はガス発生器モジュール中で使
用するのに限定されないが、少なくとも最も広い意味で
は、ガス発生器モジュールと同様にアキシャル又はアキ
シャル−ラジアル混合型タービンエンジンとともに使用
することもできる。FIG. 8 schematically illustrates yet another example of an engine in which it may be advantageous to utilize the features of the present invention. In FIG. 8, the combustor system is indicated generally by the reference numeral 810.
(As with some other figures, the top of combustor system 810 is broken away, showing a cross-section of the top half of the system.)
System 810 is used with radial gas turbine engine module 812. The gas turbine engine module 812 includes a pressure housing 814 in which is mounted a shaft assembly 816 that is rotatable about an axis 818. A radial turbine 820 that drives a centrifugal compressor 822 is attached to one end of the shaft assembly 816, and the centrifugal compressor 822 is attached to the other end of the shaft assembly 816. Figure 8
In the structure shown in, the gas turbine engine module 812
Output is taken from a mechanical coupling device (generally designated 824) adjacent to centrifugal compressor 822. However, the combustor system of the present invention may be used in, for example, "free power turbine", "free jet" propulsion units, and other gas generators within turbine engine systems readily apparent to one of ordinary skill in the art. The present invention is also not limited to use in a radial gas turbine engine or gas generator module, but may be used, at least in its broadest sense, with an axial or axial-radial mixed turbine engine as well as a gas generator module. it can.
【0065】さらに図8において、ガスタービンエンジ
ンモジュール812 は一般に以下のように作動する。矢印
826 で示す方向に空気が遠心コンプレッサ822 に入り、
遠心力により加速され、ディフューザ828 に入って静圧
を増大させる。ディフューザ828 を出た圧縮空気はプレ
ナム830 に捕集される。その後プレナム830 から来た圧
縮空気の一部は、燃焼器システム810 のプレミキサ組立
体860 により、燃料供給源832 から来る燃料と混合さ
れ、詳細に後述するように高温排気ガスを生成し、排気
ガスは入口案内ベーン834 を経てラジアルタービン820
に流入し、そこで出力が取り出される。タービン820 か
ら来る排気ガスは大気中に排出されるか、続くエンジン
モジュールに送給される。例えば、フリー出力タービン
装置の場合には、タービン820 から出たガスはさらに出
力を取り出すためにフリー出力タービンに送給される。Still referring to FIG. 8, the gas turbine engine module 812 generally operates as follows. Arrow
Air enters the centrifugal compressor 822 in the direction indicated by 826,
Accelerated by centrifugal force, it enters diffuser 828 and increases static pressure. The compressed air exiting diffuser 828 is collected in plenum 830. A portion of the compressed air coming from the plenum 830 is then mixed with fuel coming from the fuel source 832 by the premixer assembly 860 of the combustor system 810 to produce hot exhaust gas, as described in detail below, and exhaust gas. Radial turbine 820 via inlet guide vane 834
, Where the output is taken. Exhaust gas coming from turbine 820 is either exhausted to the atmosphere or delivered to subsequent engine modules. For example, in the case of a free power turbine system, the gas exiting turbine 820 is delivered to the free power turbine for additional power output.
【0066】燃焼器システムは燃焼チャンバを形成する
円筒形燃焼器ライナーを有し、ライナーは軸線及び1つ
以上の入口(チャンバの軸線方向一端に近接)を有す
る。チャンバのうち軸線方向一端に近接する部分は単段
式燃焼域を有する。さらに図8において、燃焼器システ
ム810 は一般にトロイダル形状の環状燃焼器ライナー84
0 を有する。ハウジング840 は圧力容器814 内に収容さ
れており、ガスタービンエンジンモジュールの軸線818
とほぼ一致する軸線842 を有する。ライナー840は入口8
43 を除いて軸線方向端部844 で閉じているが、軸線方
向端部846 では開放されており、環状燃焼器出口848 を
形成する。複数のプレミキサを使用する場合、追加のプ
レミキサを収容するために、ライナーに追加の入口を設
けても良い。燃焼器の出口848 は入口案内ベーン834 を
経るチャネル850 を通って、ラジアルタービン820 と連
通している。The combustor system has a cylindrical combustor liner that defines a combustion chamber, the liner having an axis and one or more inlets (proximal to one axial end of the chamber). A portion of the chamber adjacent to one axial end has a single-stage combustion zone. Further in FIG. 8, the combustor system 810 is an annular combustor liner 84, which is generally toroidal in shape.
Has 0. The housing 840 is contained within the pressure vessel 814 and is located at the gas turbine engine module axis 818.
Has an axis 842 substantially coincident with. Liner 840 has entrance 8
It is closed at axial end 844 except 43, but is open at axial end 846, forming an annular combustor outlet 848. If multiple premixers are used, the liner may be provided with additional inlets to accommodate the additional premixers. Combustor outlet 848 is in communication with radial turbine 820 through channel 850 through inlet guide vanes 834.
【0067】続けて図8において、ライナー840 により
形成されたトロイダル状チャンバ852 は異なる作用を有
する2つのほぼ軸線方向のセクションを有する。軸線方
向一端844 に近接する領域854 は単段燃焼域(例えば燃
焼体積)を形成し、ライナー端部846 に近接する領域85
6 は希釈域を形成する。複数のポート858 はライナー84
0 の外周に形成され希釈域856 に開口する。希釈ポート
858 は圧縮空気導管(以下にさらに詳細に記載する)か
ら来る圧縮空気を燃焼チャンバ852 の希釈域856 に導入
する。またプレミキサから来る圧縮空気を希釈域に再び
向けることにより、一連の開口部としてライナー840 の
内周に形成された希釈ポートの第二の組(図示せず)を
通して、圧縮空気を希釈域に送給しても良い。Continuing with FIG. 8, the toroidal chamber 852 formed by the liner 840 has two generally axial sections with different effects. Region 85 adjacent axial end 844 forms a single stage combustion zone (eg, combustion volume) and region 85 adjacent liner end 846.
6 forms a dilution zone. Liner 84 with multiple ports 858
It is formed on the outer periphery of 0 and opens to the dilution area 856. Dilution port
858 introduces compressed air coming from a compressed air conduit (described in more detail below) into the dilution zone 856 of the combustion chamber 852. It also directs the compressed air coming from the premixer to the dilution zone through a second set of dilution ports (not shown) formed in the inner circumference of the liner 840 as a series of openings. You may pay.
【0068】さらに、円筒形ライナーに対して配置され
た1つ以上の燃料/空気プレミキサ組立体の各々によ
り、圧縮空気流の一部を燃料と混合して燃料/空気混合
物を生成し、混合物を各ライナー入口を経て燃焼域に送
給する。燃料/空気プレミキサ組立体は圧縮空気を吸入
する空気入口、燃料を吸入する燃料入口、及び吸入した
圧縮空気の流れを平滑化するとともに吸入した圧縮空気
及び燃料を混合するための混合管とを有する。燃焼中使
用したほとんど全ての空気は1つ以上の燃料/空気プレ
ミキサ組立体を経て燃焼域に送給される。燃焼域はプレ
ミキサ組立体を経る以外圧縮空気を吸入しないように封
止されている。Further, each of the one or more fuel / air premixer assemblies disposed against the cylindrical liner mixes a portion of the compressed air stream with the fuel to produce a fuel / air mixture, It is delivered to the combustion zone through each liner inlet. The fuel / air premixer assembly has an air inlet for sucking compressed air, a fuel inlet for sucking fuel, and a mixing tube for smoothing the flow of sucked compressed air and mixing the sucked compressed air and fuel. . Almost all air used during combustion is delivered to the combustion zone via one or more fuel / air premixer assemblies. The combustion zone is sealed so that it does not draw compressed air except through the premixer assembly.
【0069】図8及び図8Aにおいて、燃焼器システム81
0 はさらに参照番号860 により一般的に示す単一の燃料
/空気プレミキサ組立体を有する。プレミキサ組立体86
0 は、導管(後述する)から空気入口861 を経て圧縮空
気を吸入するハウジング組立体862 、及び燃料ライン86
6 を介した燃料供給源832 から燃料入口865 を経て燃料
を吸入する燃料ノズル864 を有する。図8に示す燃料ノ
ズル864 は、燃料を圧縮空気の渦流と混合する「エアブ
ラスト」式燃料ノズルであり、液体燃料とともに使用す
る場合に噴霧化及び気化の促進に特に有利である。しか
し気体燃料に「エアブラスト」式ノズルを使用すると、
ベンチュリ部材に供給する前に燃料を空気と初期混合す
るという利点がある。従って、本発明の燃焼器システム
は液体燃料又はエアブラスト燃料ノズルの使用に制限さ
れず、気体燃料及び渦流型ノズルのような他種の燃料ノ
ズルも使用することができる。図8Aに示すように、燃焼
器システム810 の始動作動中に使用するために、補助燃
料ノズル867 を設けても良い。8 and 8A, the combustor system 81
The 0 also has a single fuel / air premixer assembly, indicated generally by the reference numeral 860. Premixer assembly 86
0 indicates a housing assembly 862 that sucks compressed air from a conduit (described later) through an air inlet 861 and a fuel line 86.
It has a fuel nozzle 864 which sucks fuel from a fuel supply source 832 via a fuel inlet 865. The fuel nozzle 864 shown in Figure 8 is an "air blast" type fuel nozzle that mixes fuel with a swirl of compressed air and is particularly advantageous in promoting atomization and vaporization when used with liquid fuels. However, when using an "air blast" type nozzle for gaseous fuel,
There is the advantage of premixing the fuel with air prior to feeding the venturi member. Therefore, the combustor system of the present invention is not limited to the use of liquid fuel or air blast fuel nozzles, but other types of fuel nozzles such as gas fuel and swirl type nozzles can also be used. An auxiliary fuel nozzle 867 may be provided for use during start-up operation of the combustor system 810, as shown in FIG. 8A.
【0070】ベンチュリのような混合管は燃焼器ライナ
ーの軸線に関して実質的に半径方向に配向した流れ軸線
と、混合管の軸線方向一端に近接した入口と、混合管の
軸線方向他端に位置するノズル組立体とを有する。混合
管入口はプレミキサの空気入口及び燃料入口と連通して
いる。混合管はライナー入口に接続しており、ノズル組
立体は流れ軸線に沿って燃焼チャンバ内に延びており、
燃料/空気混合物を燃焼域内に送給する。A mixing tube, such as a Venturi, is located at a flow axis oriented substantially radially with respect to the axis of the combustor liner, an inlet adjacent one axial end of the mixing tube, and the other axial end of the mixing tube. And a nozzle assembly. The mixing tube inlet is in communication with the air and fuel inlets of the premixer. The mixing tube is connected to the liner inlet and the nozzle assembly extends along the flow axis into the combustion chamber,
Deliver the fuel / air mixture into the combustion zone.
【0071】さらに図8において、プレミキサ組立体86
0 はさらに、燃料/空気プレミキサハウジング組立体86
2 内に配置され、入口843 でライナー840 に接続した混
合管入口870 を有するベンチュリ型混合管868 の形状の
混合用チャンバを有する。さらに混合管868 は燃料/空
気混合物を燃焼チャンバ(燃焼域854 内に延びる混合管
部分に接続している)に送給するためのノズル組立体87
2 を有する。混合管868 は流れ軸線874 を有し、燃料ノ
ズル864 は燃料を実質的に軸線874 に沿って混合管入口
870 内に噴霧するように位置する。混合管内で燃料を気
化して圧縮空気と混合し、得られた混合物の流れを混合
管軸線874 に沿ってノズル組立体872 に送給するのに十
分な滞留時間を得るように、混合管868 の流れ断面積及
び寸法を選択する。好ましくは、混合管内の粒状物の最
短滞留時間は、高出力作動における高流速条件の場合、
5〜10ミリ秒程度であるべきである。燃焼用空気が高温
になるようなエンジン形状のために、このような短滞留
時間により混合管内で燃料/空気混合物の予備着火を防
止することができる。図8に示す好ましい混合管はベン
チュリ型混合管868 であるが、当業者であれば例えば円
錐状又は円筒形状の混合管のような他の幾何学的構造で
も可能であることが分かる。Further referring to FIG. 8, the premixer assembly 86
0 is also the fuel / air premixer housing assembly 86
2 has a mixing chamber in the form of a Venturi type mixing tube 868 having a mixing tube inlet 870 connected to the liner 840 at an inlet 843. In addition, mixing tube 868 provides a nozzle assembly 87 for delivering the fuel / air mixture to the combustion chamber (which is connected to the mixing tube portion extending into combustion zone 854).
Has two. Mixing tube 868 has a flow axis 874 and fuel nozzle 864 directs fuel substantially along axis 874 to the mixing tube inlet.
Located to spray within 870. Mixing tube 868 to obtain sufficient residence time to vaporize the fuel in the mixing tube and mix with the compressed air and deliver the resulting mixture flow to nozzle assembly 872 along mixing tube axis 874. Select the flow cross-sectional area and dimensions of. Preferably, the shortest residence time of the particulate matter in the mixing tube is, under high flow rate conditions in high power operation,
It should be on the order of 5-10 milliseconds. Due to the engine geometry such that the combustion air becomes hot, such a short residence time can prevent pre-ignition of the fuel / air mixture in the mixing tube. The preferred mixing tube shown in FIG. 8 is a Venturi type mixing tube 868, but those skilled in the art will appreciate that other geometric configurations are possible, such as conical or cylindrical mixing tubes.
【0072】さらに図8に示すように、圧縮空気導管
は、ライナー840 と第二の外周環状ライナー841 との間
に配置されたほぼ環状の冷却流路882 を有する。流路88
2 は圧縮空気プレナム830 と希釈ポート858 との間に延
びる。燃料/空気プレミキサハウジング組立体862 は、
ライナー841 中のオリフィス885 から圧縮空気を受けて
プレナム884 及び弁890 (後述する)を通して空気を送
給するように、混合管入口870 に連通している。Further, as shown in FIG. 8, the compressed air conduit has a generally annular cooling passage 882 disposed between the liner 840 and the second outer annular liner 841. Channel 88
2 extends between the compressed air plenum 830 and the dilution port 858. The fuel / air premixer housing assembly 862
It communicates with a mixing tube inlet 870 to receive compressed air from an orifice 885 in liner 841 and deliver the air through a plenum 884 and a valve 890 (discussed below).
【0073】図8に概略的に示すところから明らかなよ
うに、流路882 中を流れる圧縮空気によりライナー840
、特に燃焼域854 を直に包囲するライナー部分886 を
冷却するように、流路882 は構成されている。ライナー
840 の部分886 は境膜冷却のない対流冷却のみを行うよ
うに構成されている。すなわち、ライナー840 の部分88
6 において、ライナーにより流路882 内を流れる圧縮空
気は燃焼域854 内で燃焼される燃料/空気混合物から遮
断される。流路882 は燃焼チャンバ852 を包囲し、対流
冷却を行うとともに、圧縮空気を希釈ポート858 に送給
する。この構成により、燃焼域854 内で混合物の燃料/
空気比を制御し、所望の希薄燃料/空気比で「単段式燃
焼器」としての作動が可能となる。このような作動によ
り、NOx、未燃焼燃料及び燃料副生物の排出量を低下
させることができる。As is clear from the schematic view of FIG. 8, the liner 840 is compressed by the compressed air flowing in the flow path 882.
The flow passage 882 is configured to cool the liner portion 886, which directly surrounds the combustion zone 854, in particular. liner
Portion 886 of 840 is configured to provide only convective cooling without film cooling. That is, part 88 of the liner 840
At 6, the liner isolates the compressed air flowing in flow path 882 from the fuel / air mixture that is burned in combustion zone 854. The flow path 882 surrounds the combustion chamber 852, provides convection cooling and delivers compressed air to the dilution port 858. This configuration allows the mixture fuel /
The air ratio is controlled to allow operation as a "single-stage combustor" at the desired lean fuel / air ratio. By such an operation, the emission amounts of NOx, unburned fuel and fuel by-products can be reduced.
【0074】さらに図8Aに示すように、プレナム884 か
ら混合管入口870 への圧縮空気の流速を決定するため
に、燃料/空気プレミキサのハウジング組立体862 内に
弁890が位置する。弁890 は連続的に調節自在であり、
バタフライ型として図示されているが、弁890 の構造は
適宜変更し得る。弁の開度が変化すると、プレミキサに
よる圧力低下も変化し、空気の流量が減少又は増大す
る。概略的に示すコントローラ894 (例えばマイクロプ
ロセッサー等)は弁890 と接続しており、混合管入口87
0 に直接流入する圧縮空気の流速を実質的に制御する。
コントローラ894 はまた燃料弁に接続されており、燃料
ノズル864 への燃料の流量を計測する。当業者に明らか
なように、コントローラ894 はプレミキサ組立体860 へ
の燃料流及び圧縮空気流の両方を制御するように作動
し、もってガスタービンエンジンモジュールの全作動範
囲にわたって、所定の燃料/空気比(例えば大気条件、
作動条件及び燃料の種類により予め選定される)を達成
することができる。コントローラ894 は無段階に又は段
階的に燃料/空気比を変化させることができる。当業者
であれば、本明細書の開示及び当業界の一般的知識に基
づいて特定の用途に適するコントローラを適宜採用する
ことができるであろう。As further shown in FIG. 8A, a valve 890 is located within the fuel / air premixer housing assembly 862 to determine the flow rate of compressed air from the plenum 884 to the mixing tube inlet 870. Valve 890 is continuously adjustable,
Although shown as a butterfly type, the structure of valve 890 may be modified as appropriate. When the opening degree of the valve changes, the pressure drop by the premixer also changes, and the air flow rate decreases or increases. A schematically shown controller 894 (eg, microprocessor) is connected to valve 890, and mixing tube inlet 87
It substantially controls the flow rate of the compressed air flowing directly into 0.
The controller 894 is also connected to the fuel valve and measures the fuel flow rate to the fuel nozzle 864. As will be appreciated by those skilled in the art, the controller 894 operates to control both the fuel flow and compressed air flow to the premixer assembly 860, thus providing a predetermined fuel / air ratio over the entire operating range of the gas turbine engine module. (Eg atmospheric conditions,
(Preselected depending on the operating conditions and the type of fuel) can be achieved. The controller 894 can change the fuel / air ratio steplessly or stepwise. One of ordinary skill in the art will be able to appropriately adapt the controller for a particular application based on the disclosure herein and the general knowledge in the art.
【0075】図9〜図11を参照して、ノズル組立体872
は混合管の流れ軸線に沿って燃焼チャンバ内に延びてお
り、燃料/空気混合物を燃焼域内に送給する1つ以上の
ポートを有する。ノズル組立体はさらに各ノズル組立体
ポート用の少なくとも1つのチャネルを有し、各ノズル
組立体ポート内で各チャネルは混合管の流れ軸線に対し
て傾斜しており、燃焼域内に燃料/空気混合物を送給す
るためのノズル組立体ポートで終わっている。Referring to FIGS. 9-11, the nozzle assembly 872
Extend into the combustion chamber along the flow axis of the mixing tube and have one or more ports for delivering the fuel / air mixture into the combustion zone. The nozzle assembly further has at least one channel for each nozzle assembly port, wherein within each nozzle assembly port each channel is angled with respect to the flow axis of the mixing tube and the fuel / air mixture is within the combustion zone. End with a nozzle assembly port for delivering.
【0076】具体的には、ノズル組立体872 は燃焼チャ
ンバ852 内に位置し、端部キャップ903 の幾何学的形状
及びノズル組立体872 の内側壁905 により形成されたチ
ャネル901 を有する。側壁905 は混合管868 用の延長部
として形成することができ、異なる幾何学的形状として
も良い。ノズル組立体872 はまた端部キャップ903 及び
側壁905 により形成されたポート907 を有する。ポート
907 はチャネル901 と連通されており、燃焼域854 内に
燃料/空気混合物を送給する。端部キャップ903 を側壁
905 に接合するために、フィン又はリブ909 が追加的に
設けられている。Specifically, the nozzle assembly 872 is located within the combustion chamber 852 and has a channel 901 formed by the geometry of the end cap 903 and the inner wall 905 of the nozzle assembly 872. The sidewall 905 can be formed as an extension for the mixing tube 868 and can have different geometric shapes. Nozzle assembly 872 also has an end cap 903 and a port 907 formed by sidewall 905. port
907 is in communication with channel 901 and delivers the fuel / air mixture within combustion zone 854. Side cap with end cap 903
Fins or ribs 909 are additionally provided to join the 905.
【0077】ノズル組立体(及び特にチャネル901 )の
ベーベル面又は傾斜表面のために、図11で矢印により示
されるように、燃料/空気混合物の流れは流れ軸線874
から離れる。すなわち、燃料/空気混合物の流れは、種
々の幾何学的配向の面を利用することにより所望の方向
に送給することができる。幾つかのチャネル及びノズル
組立体ポートを図示したが、単一のチャネル及びそれに
関連するポートのみを利用することにより本発明の目的
を達成することができることが分かる。しかし、ライナ
ー軸線に関して対向する角度方向に燃料/空気混合物を
送給するための少なくとも2つのポートは、全燃焼域を
利用する点で特に有利である。Because of the beveled or beveled surface of the nozzle assembly (and especially the channel 901), the flow of the fuel / air mixture, as indicated by the arrow in FIG.
Get away from. That is, the flow of the fuel / air mixture can be delivered in the desired direction by utilizing surfaces of various geometric orientations. Although several channels and nozzle assembly ports are shown, it will be appreciated that the objects of the invention can be achieved by utilizing only a single channel and its associated ports. However, at least two ports for delivering the fuel / air mixture in opposite angular directions with respect to the liner axis are particularly advantageous in utilizing the full combustion zone.
【0078】さらに、ノズル組立体(及び特にチャネル
901 )の構成部材は、燃焼器ライナー壁に衝突させずに
燃料/空気混合物を燃焼域内の種々の方向に送給するよ
うに、構成することができる。例えばノズル組立体872
のチャネル901 は、燃料/空気混合物が燃焼域の実質的
に半径方向又は半径/軸線方向(混合管の流れ軸線から
離れる方向)に流入するように、構成することができ
る。さらに、流れはライナー軸線に対して複数の方向
(例えば図9に矢印で示すように燃焼チャンバライナー
の軸線に対して実質的に接線方向で、少なくとも2つの
ほぼ対向する方向)に送給することができる。さらに、
図10及び図11に示すように流れを混合管軸線に関して2
つ以上の方向に送給するように、チャネル901 を構成す
ることもできる。Furthermore, the nozzle assembly (and especially the channel)
The components of 901) can be configured to deliver the fuel / air mixture in various directions within the combustion zone without impacting the combustor liner wall. For example, nozzle assembly 872
Channel 901 can be configured such that the fuel / air mixture enters substantially radially or radially / axially (away from the flow axis of the mixing tube) of the combustion zone. Further, the flow may be delivered in a plurality of directions relative to the liner axis (eg, at least two substantially opposite directions substantially tangential to the axis of the combustion chamber liner as indicated by the arrows in FIG. 9). You can further,
As shown in FIGS. 10 and 11, the flow is changed with respect to the axis of the mixing tube 2
The channel 901 can also be configured to deliver in more than one direction.
【0079】さらに上記幾何学的形状のノズル組立体87
2 により、端部キャップ903 の付近で燃料/空気混合物
を急激に膨張・再循環させることにより、炎保持効果が
有利に得られることが分かる。すなわち、例えば端部キ
ャップ903 の形状により、燃料/空気混合物を循環させ
てポート907 に近接するノズル組立体872 の外側で燃焼
させるための領域911 が得られる。ポート907 の付近の
炎を安定化し、もって炎先端を安定に維持して種々の作
動条件中に燃焼を安定させるために、炎保持は有利であ
る。Further, the nozzle assembly 87 having the above-described geometric shape is formed.
It can be seen from 2 that the flame holding effect is advantageously obtained by rapidly expanding and recirculating the fuel / air mixture in the vicinity of the end cap 903. That is, for example, the shape of the end cap 903 provides a region 911 for circulating the fuel / air mixture for combustion outside the nozzle assembly 872 proximate the port 907. Flame retention is advantageous in order to stabilize the flame near port 907 and thus maintain a stable flame tip to stabilize combustion during various operating conditions.
【0080】燃料/空気混合物を加速し、燃焼チャンバ
852 に送給される混合物の速度を混合管868 中の速度に
対して高くするために、ポート907 の全断面積を混合管
868(一般に参照番号913 で示す)の断面積の約70〜90
%とするのが好ましい。この特徴の重要性は、燃料/空
気混合物の流速が燃焼域854 内の炎の速度に対して低い
と、チャンバ852 から来る炎により混合管868 内で燃料
が着火する恐れがあることから分かる。燃料/空気混合
物の流速を増大させるような大きさのポート907 を利用
することにより、燃焼チャンバ852 から来る炎が混合管
内に「フラッシュバック」する恐れが小さくなる。さら
に流速を増大することにより、チャンバ901 に沿ってポ
ート907 にある境界層が減少し、もって燃焼チャンバ85
2 から来るの炎がノズル組立体872 の表面に沿って這
い、混合管868 内にフラッシュバックする低速領域が除
去されると考えられる。また圧縮空気の変化が混合管86
8 内で起こる場合に特に上記幾何学的形状が有用であ
り、そうでなければ燃焼チャンバ852 内に炎先端の変動
又は脈動が起こると考えられる。ポート907 における圧
力が増大すると、プレミキサ中の圧縮空気の速度の変化
が低減し、脈動も減少する。これらの利点は、燃焼器シ
ステム及び個々の構成部材の構造健全性を維持するのに
有用であり、全ガスタービンエンジン自身の健全性及び
性能に有利である。Accelerate the fuel / air mixture and burn the combustion chamber
To increase the velocity of the mixture delivered to the 852 relative to the velocity in the mixing tube 868, the total cross-sectional area of port 907 should be
About 70 to 90 of the cross-sectional area of 868 (generally indicated by reference numeral 913)
% Is preferable. The importance of this feature can be seen from the fact that if the fuel / air mixture flow rate is low relative to the flame velocity in the combustion zone 854, the flame coming from the chamber 852 may ignite the fuel in the mixing tube 868. By utilizing a port 907 sized to increase the flow rate of the fuel / air mixture, the flame coming from the combustion chamber 852 is less likely to "flash back" into the mixing tube. By increasing the flow velocity further, the boundary layer at port 907 along chamber 901 is reduced, thus allowing combustion chamber 85
It is believed that the flame coming from 2 crawls along the surface of the nozzle assembly 872, removing the low velocity region that flashes back into the mixing tube 868. In addition, the change in compressed air is
It is believed that the above geometries are particularly useful when they occur within 8 otherwise flame tip fluctuations or pulsations occur within the combustion chamber 852. Increasing the pressure at port 907 reduces the change in velocity of the compressed air in the premixer and reduces pulsation. These advantages are useful in maintaining the structural integrity of the combustor system and individual components, which is beneficial to the integrity and performance of the entire gas turbine engine itself.
【0081】図9Aは図8及び図9に示す構造の変形例を
示し、主な相違は、プレミキサ860'がバタフライ型空気
弁890 及び非対称ノズル組立体872'の代わりに円筒形空
気弁890'を有する点である。空気弁890'は回転自在の円
筒形内側セクション890a' を有し、円筒形内側セクショ
ン890a' は弁出口の開口部890c' の閉塞度を徐々に増大
又は減少させ、もってシリンダー/スリーブ890a' が軸
線890b' の回りを回転する時に弁890'を通過する空気流
を増減する。当業者であれば、他の円筒形弁構造も使用
可能であるとこが分かる。FIG. 9A shows a modification of the structure shown in FIGS. 8 and 9, with the main difference that the premixer 860 'is a cylindrical air valve 890' instead of the butterfly air valve 890 and the asymmetric nozzle assembly 872 '. Is a point having. The air valve 890 'has a rotatable cylindrical inner section 890a' which gradually increases or decreases the degree of obstruction of the valve outlet opening 890c 'so that the cylinder / sleeve 890a' is Increases or decreases the air flow through valve 890 'as it rotates about axis 890b'. Those skilled in the art will recognize that other cylindrical valve structures can be used.
【0082】図9Aはまたライナー840 の軸線方向後壁に
衝突する燃料/空気混合物の量を最小化するような構造
とした非対称ノズルポート907a' 及び970b' を有するノ
ズル組立体872'を示す。すなわち、ノズルの端部キャッ
プ872a' の流れ方向ずけ面901a' 及び901b' の形状によ
り、燃料/空気混合物は主として燃焼チャンバの軸線84
2 に対する接線方向で燃焼域854 に入り、燃料/空気混
合物のいくらかは他の領域(図9Aにおけるベンチュリ軸
線874 の左右)に入る。このようなノズルポートの非対
称な配置により、燃料/空気混合物のライナー壁への衝
突(炭素の堆積、不均一な熱伝達及び熱応力による歪み
の増大を引き起こす恐れがある)を最少にしながら、燃
焼体積をより効果的に利用することが可能になる。FIG. 9A also shows a nozzle assembly 872 ′ having asymmetric nozzle ports 907a ′ and 970b ′ configured to minimize the amount of fuel / air mixture impinging on the axial rear wall of liner 840. That is, due to the shape of the flow facing surfaces 901a 'and 901b' of the nozzle end cap 872a ', the fuel / air mixture is primarily dominated by the combustion chamber axis 84.
Enters combustion zone 854 tangential to 2 and some of the fuel / air mixture enters other areas (left and right of venturi axis 874 in Figure 9A). Such an asymmetrical arrangement of nozzle ports minimizes fuel / air mixture impingement on the liner wall, which can lead to carbon deposition, non-uniform heat transfer and increased strain due to thermal stress, while maintaining combustion. The volume can be used more effectively.
【0083】図9Bは図9Aに示す構造の変形例であり、円
筒形空気弁890"はプレミキサハウジング862 のうちベン
チュリ混合管868 を支持する部分から大きく離隔してい
る。空気弁890"をプレミキサハウジングから大きく離隔
させることにより、空気弁890"から出る圧縮空気の流れ
の不可避的な非対称性を低減するのに役立つのみなら
ず、圧縮空気流をベンチュリ混合管868 の入口に続くプ
レミキサハウジング内により均一に分配するのが可能に
なる。これにより、空気弁からベンチュリ入口までの空
気流路に沿った圧力低下が最低になり、低排ガス量レベ
ルを維持したままエンジンの最大出力レベルを一層高く
することができる。FIG. 9B is a modification of the structure shown in FIG. 9A, in which the cylindrical air valve 890 "is largely separated from the portion of the premixer housing 862 supporting the Venturi mixing tube 868. The air valve 890" is The large separation from the premixer housing not only helps reduce the inevitable asymmetry of the compressed air flow exiting the air valve 890 ", but it also allows the compressed air flow to follow the venturi mixing tube 868 inlet to the premixer. It allows for a more even distribution in the housing, which minimizes the pressure drop along the air flow path from the air valve to the venturi inlet, thus maintaining maximum engine power levels while maintaining low emissions levels. It can be higher.
【0084】当業者に公知の設置方法により、出口ノズ
ル組立体を混合管に接続することができる。例えば図10
及び図11に示すように、ノズル組立体872 にフランジ部
915及びアタッチメント部917 を設け、係合するフラン
ジ構造を有する混合管にそのノズル組立体を接続しても
良い。また混合管によりノズル組立体を構造物全体に組
込むこともできる。The outlet nozzle assembly can be connected to the mixing tube by any installation method known to those skilled in the art. For example, Figure 10
And the flange section on the nozzle assembly 872 as shown in FIG.
915 and the attachment part 917 may be provided and the nozzle assembly may be connected to a mixing pipe having an engaging flange structure. It is also possible to incorporate the nozzle assembly into the entire structure by means of a mixing tube.
【0085】さらに図8及び図9を参照すると、混合管
はライナーに接続しており、混合管の流れ軸線はほぼラ
イナー軸線と交わるように配向している。しかし、出口
ノズルのチャネルの少なくとも幾つかは、燃料/空気混
合物をライナー軸線に対して実質的に接線方向で燃焼域
内に送給するように形成されている。燃焼器の入口開口
部は長くないので、混合管のこの半径方向配向により、
混合管と燃焼器ライナーとの摺接が正確になる。このた
め漏れが少なくなり、作動中横方向の動き及び熱歪みが
少なくなる。With further reference to FIGS. 8 and 9, the mixing tube is connected to a liner and the flow axis of the mixing tube is oriented generally intersecting the liner axis. However, at least some of the channels of the outlet nozzle are configured to deliver the fuel / air mixture into the combustion zone substantially tangential to the liner axis. Since the combustor inlet opening is not long, this radial orientation of the mixing tube
Accurate sliding contact between the mixing tube and the combustor liner. This results in less leakage and less lateral movement and thermal strain during operation.
【0086】具体的には、燃料/空気混合物がライナー
壁840aとライナー壁840bとのほぼ間の方向に流れるよう
に、ノズル組立体872 を配向させることにより、燃焼域
854内に制御された渦流及び燃焼を生じさせる。混合管8
68 はライナー840 に半径方向に取り付けられているの
で、混合管の流れ軸線874 はライナー軸線842 とほぼ交
差する。燃料/空気混合物の分流がライナー壁840a、84
0bにほとんど衝突せずにノズル組立体872 により燃焼チ
ャンバ内に送給される限り、配置は正確である必要はな
い。ライナー壁へのある程度の衝突は予想されるが、所
定の表面に衝突する燃料/空気混合物の量を最少にして
燃焼過程の間そのような表面に堆積する炭素量を低減す
るのが好ましい。炭素の堆積があるライナー領域は断熱
され、燃焼チャンバの熱疲労及び局所的加熱の問題を引
き起こす。Specifically, by orienting the nozzle assembly 872 such that the fuel / air mixture flows in a direction substantially between liner wall 840a and liner wall 840b, a combustion zone is provided.
Produces a controlled vortex and combustion within 854. Mixing tube 8
The 68 is mounted radially on the liner 840 so that the mixing tube flow axis 874 substantially intersects the liner axis 842. Split flow of fuel / air mixture causes liner walls 840a, 84
The placement need not be accurate as long as it is delivered by the nozzle assembly 872 into the combustion chamber with little impact on 0b. Although some impact on the liner wall is expected, it is preferred to minimize the amount of fuel / air mixture impinging on a given surface to reduce the amount of carbon deposited on such surface during the combustion process. Areas of the liner with carbon deposits are thermally insulated, causing thermal fatigue and localized heating problems in the combustion chamber.
【0087】図8〜11において、作動中プレナム830 か
ら来る圧縮空気はライナー840 (特に燃焼域854 を包囲
する部分)を冷却するためにライナー840 の外面上の流
路882 に沿って流れる。流路882 内を流れる圧縮空気の
一部は、オリフィス885 を経てプレナム884 に入り、次
いで燃料/空気プレミキサハウジング組立体862 及びプ
レナム884 (コントローラ894 を介して圧縮空気弁890
より制御されている)の間の接点を経て燃料/空気プレ
ミキサ組立体860 に流入する。圧縮空気のこの部分は、
漏れ及びエアブラスト型燃料ノズルの駆動用以外ほぼ全
て、燃焼に使用される。混合管868 において、圧縮空気
部分は燃料ノズル864 から来る燃料と混合され、またノ
ズル864 が「エアブラスト型ノズル」の場合には少量の
追加的な圧縮空気部分と混合され、次いで混合管軸線87
4 に沿ってノズル組立体872 に送給されて、そこで燃料
/空気混合物はチャネル901 に沿った流路に分割され、
加速されてポート907 を流出し、燃焼チャンバ852 の燃
焼域854 に流入する。ノズル組立体ポート907 の配向及
び大きさにより、燃焼体積内への燃料/空気混合物の流
入及び方向を制御することができる。8-11, during operation, compressed air coming from the plenum 830 flows along the flow path 882 on the outer surface of the liner 840 to cool the liner 840 (particularly the portion surrounding the combustion zone 854). A portion of the compressed air flowing in the flow path 882 enters the plenum 884 via the orifice 885 and then the fuel / air premixer housing assembly 862 and the plenum 884 (compressed air valve 890 via the controller 894).
(More controlled) between the fuel / air premixer assembly 860 and the fuel / air premixer assembly 860. This part of the compressed air
Almost all are used for combustion except for leaks and driving air blast type fuel nozzles. In the mixing tube 868, the compressed air portion is mixed with fuel coming from the fuel nozzle 864, and in the case where the nozzle 864 is an "air blast type nozzle", with a small amount of additional compressed air portion and then the mixing tube axis 87.
4 to a nozzle assembly 872, where the fuel / air mixture is split into flow paths along channel 901,
It is accelerated out of port 907 and into combustion zone 854 of combustion chamber 852. The orientation and size of the nozzle assembly port 907 can control the flow and direction of the fuel / air mixture into the combustion volume.
【0088】燃焼域854 内での燃料/空気混合物の燃焼
後、高温排気ガスは希釈域856 に入り、希釈ポート858
から来る希釈用空気により排気ガスの平均温度が低下す
る。次いで排気ガスはベーン834 を通ってチャネル850
よりタービン820 に排気され、膨張して仕事する。After combustion of the fuel / air mixture in the combustion zone 854, the hot exhaust gas enters the dilution zone 856 and the dilution port 858.
The dilution air coming from it lowers the average temperature of the exhaust gas. The exhaust gas then passes through vane 834 to channel 850.
It is exhausted to the turbine 820 and expands to work.
【0089】燃料/空気プレミキサ中の燃焼チャンバの
外側で燃料と空気とを完全に混合することにより(液体
燃料を使用する場合には燃料の完全に気化させることを
含む)、本発明の特徴を有する燃焼システム810 により
燃焼を制御するとともに、燃焼チャンバに送給された混
合物中の燃料/空気比の制御することにより、上記の通
り、エンジンモジュール812 から出るNOx、未燃焼燃
料及び燃料副生物のレベルを著しく低下させることがで
きる。さらに燃料を燃焼させたりタービンの上流で排気
ガスを希釈するために圧縮空気流のほとんど全量を有効
に利用すると、効率が向上するだけでなく、燃焼器のピ
ーク温度が相当に低下し、もって従来の構造と比較して
燃焼器ライナーの寿命が延びる。By thoroughly mixing the fuel and air outside the combustion chamber in the fuel / air premixer (including the complete vaporization of the fuel if liquid fuel is used), the features of the present invention can be realized. The combustion system 810 has a combustion system and by controlling the fuel / air ratio in the mixture delivered to the combustion chamber, the NOx, unburned fuel and fuel by-products from the engine module 812 are controlled as described above. The level can be significantly reduced. Furthermore, effectively using almost all of the compressed air stream to burn fuel or dilute the exhaust gas upstream of the turbine not only improves efficiency, but also significantly lowers the peak temperature of the combustor, Extends the life of the combustor liner as compared to the construction of.
【0090】記載したシステムにより、種々の幾何学的
流れ装置が燃焼器の高温領域から離隔されるとともに、
入口温度が高いガスタービンの用途に対して全ての出力
レベルにおいて汚染物の排出量が低下することが期待さ
れる。The system described separates various geometric flow devices from the hot region of the combustor and
It is expected that pollutant emissions will be reduced at all power levels for gas turbine applications with high inlet temperatures.
【0091】また図12は本発明のもう一つの前段構造を
示す。特にノズル組立体972 は単一チャネル1001を有
し、前記チャネル1001はその下方傾斜面により燃料/空
気混合物の流れを燃焼チャンバのほぼ接線方向に送給す
る。ノズル組立体972 はさらに、燃焼チャンバ952 内で
燃料/空気混合物を分配するためにチャネル1001に連通
する単一ポート1007を有する。燃焼チャンバ952 に送給
される燃料/空気混合物を加速するために、ポート1007
の全断面積を混合管968 (一般に参照番号913 で示す)
の断面積の約70〜90%とするのが好ましい。FIG. 12 shows another pre-stage structure of the present invention. In particular, the nozzle assembly 972 has a single channel 1001 which, due to its downwardly sloping surface, delivers the flow of the fuel / air mixture substantially tangentially to the combustion chamber. The nozzle assembly 972 further includes a single port 1007 that communicates with the channel 1001 for distributing the fuel / air mixture within the combustion chamber 952. Port 1007 to accelerate the fuel / air mixture delivered to the combustion chamber 952.
Total cross-sectional area of mixing tube 968 (generally indicated by reference numeral 913)
It is preferably about 70 to 90% of the cross-sectional area of
【0092】上記記載は燃焼チャンバ内に延びるノズル
組立体を有する半径方向に取り付けられた混合管に関す
るが、本発明及びその利点は他の混合管の位置及び構造
に対しても適用可能である。例えば、混合管の流れ軸線
がライナー軸線に対して僅かに接線方向に配向するよう
に、混合管をライナーに接続しても良い。そのようなも
のとして、例えば図1Bに示すような構造(ベンチュリ軸
線74がライナー軸線42に対して実質的に接線方向であ
る)と比較して、ライナー入口における幾何学的形状を
簡単にしたまま、燃料/空気混合物流が燃焼域内に接線
方向に流入するとともに、流れがライナーに衝突するの
が最少になるように、混合管の出口ノズルその他の構造
物を配向することができる。Although the above description relates to a radially mounted mixing tube having a nozzle assembly extending into the combustion chamber, the present invention and its advantages are applicable to other mixing tube positions and configurations. For example, the mixing tube may be connected to the liner such that the flow axis of the mixing tube is oriented slightly tangential to the liner axis. As such, the geometry at the liner inlet remains simplified as compared to, for example, the structure shown in FIG. 1B (where the Venturi axis 74 is substantially tangential to the liner axis 42). The exit nozzle of the mixing tube or other structure can be oriented so that the fuel / air mixture stream enters the combustion zone tangentially and the flow impinges on the liner at a minimum.
【0093】さらに本発明は、図13に示すような缶型燃
焼器構造により利用することができる。図13において、
燃焼器システム1100は燃焼チャンバライナー1114により
形成された燃焼域1113を有する燃焼チャンバ1112を具備
する。ライナー1114の周囲に離隔して配置されているの
は、部分的に冷却シュラウドとして作用する圧力容器11
16である。プレミキサ組立体1126は空気弁1128、ベンチ
ュリ型混合管1130(その一部はライナー1114の外部に配
置されている)、及びチャンバ1112の燃焼域1113内に燃
料/空気混合物を送給するために配置されたノズル組立
体部分1132を有する。プレミキサハウジング1139に取り
付けられた燃料ノズル組立体1138は燃料噴霧を混合管の
入口領域1131に送給し、混合管1130内で燃料噴霧は弁11
28により部分的に制御された量の圧縮空気(コンプレッ
サ1102から供給される)と混合される。図13に示すよう
に、弁1128は回転自在のスリーブ1128a を具備する円筒
型三方弁であるが、他の弁でも良い。弁1128は空気をベ
ンチュリ混合管1130に送給するか、バイパス管1142及び
上記のマニホルド1144を経てライナー1114内の第二の希
釈ポート1140に送給することができる。Further, the present invention can be utilized with a can-type combustor structure as shown in FIG. In FIG.
Combustor system 1100 comprises a combustion chamber 1112 having a combustion zone 1113 formed by a combustion chamber liner 1114. Spaced around the liner 1114 is a pressure vessel 11 that partially acts as a cooling shroud.
16 The premixer assembly 1126 is arranged to deliver the fuel / air mixture into the combustion zone 1113 of the chamber 1112, the air valve 1128, the Venturi type mixing tube 1130 (some of which are located outside the liner 1114). A nozzle assembly portion 1132. A fuel nozzle assembly 1138 attached to the premixer housing 1139 delivers fuel spray to the inlet region 1131 of the mixing tube, and within the mixing tube 1130 the fuel spray is valve 11
It is mixed by 28 with a controlled amount of compressed air (supplied from compressor 1102). As shown in FIG. 13, the valve 1128 is a cylindrical three-way valve having a rotatable sleeve 1128a, but other valves may be used. The valve 1128 can deliver air to the Venturi mixing tube 1130 or to the second dilution port 1140 in the liner 1114 via the bypass tube 1142 and the manifold 1144 described above.
【0094】図13A は図13の一部を拡大した図であり、
回転自在のスリーブ1128a を有する空気弁1128を示す。
スリーブ1128a は弁の内周の約1/3だけシールとして
作用することができる環状セグメントである。スリーブ
1128a は、バイパス管1142への入口1142a を完全に閉塞
する位置(図13A に実線で示す)からプレミキサハウジ
ング1139を経てベンチュリ混合管1130への空気流を阻止
する位置(図13A に点線で示す)まで、アクチュエータ
(図示せず)により軸線の回りを回転することができ、
第二希釈ポート(図示せず)へのバイパス流を可能とす
る。FIG. 13A is an enlarged view of a part of FIG.
Shown is a pneumatic valve 1128 having a rotatable sleeve 1128a.
The sleeve 1128a is an annular segment that can act as a seal for about 1/3 of the inner circumference of the valve. sleeve
1128a is a position that blocks airflow from the position that completely blocks the inlet 1142a to the bypass pipe 1142 (shown by the solid line in FIG. 13A) to the venturi mixing pipe 1130 through the premixer housing 1139 (shown in dotted line in FIG. 13A). ) Can be rotated about an axis by an actuator (not shown),
Allows bypass flow to a second dilution port (not shown).
【0095】複数のプレミキサを必要とするエンジンの
場合、例えば図14A 〜図14D (後述する)に示す実施例
のように、各缶型燃焼器(図13A に示す)又は各対の燃
焼器に空気弁を設け、次いで共通のアクチュエータ(可
変ステータブレードがアキシャルコンプレッサ上を動く
のと同様に、全ての弁を同時に作動する)に接続するこ
とができる。従って、後述するように、当業者であれば
本発明をこのようなエンジンに容易に適用できる。In the case of an engine requiring multiple premixers, each can combustor (shown in FIG. 13A) or each pair of combustors, such as the embodiment shown in FIGS. 14A-14D (discussed below). An air valve can be provided and then connected to a common actuator (all valves actuated at the same time as the variable stator blades move on the axial compressor). Therefore, as will be described later, those skilled in the art can easily apply the present invention to such an engine.
【0096】さらに図13A において、第一希釈ポート11
60は弁1128のマニホルド1128b の上流の位置で圧縮空気
の一部をコンプレッサ1102から吸入する。当業者に明ら
かなように、希釈部分は各流路の圧力低下及び希釈ポー
ト1160の数及び大きさに依存する。燃焼域1113を形成す
るライナー1114の部分は、燃料/空気比の制御を維持し
低排気ガス量を維持するためにチャンバ入口1113a に配
置された混合管1130、及びギャップ1130a 以外で、空気
を吸入するのを阻止するように意図的に封止されてい
る。混合管1130と圧力容器1116との間にギャップ1130a
が設けられており、アイドリング中に十分な燃焼用空気
を流通させる。この配置により、もはやアイドリング時
に必要な低流量の混合物を流す必要がないため、空気弁
の構造が簡単になる。Further in FIG. 13A, the first dilution port 11
A part of the compressed air is sucked from the compressor 1102 at a position 60 upstream of the manifold 1128b of the valve 1128. Those skilled in the art will appreciate that the dilution portion depends on the pressure drop in each flow path and the number and size of dilution ports 1160. The portion of the liner 1114 forming the combustion zone 1113 sucks air in except for the mixing tube 1130 and the gap 1130a located at the chamber inlet 1113a to maintain control of the fuel / air ratio and maintain low exhaust gas volume. Intentionally sealed to prevent Gap 1130a between mixing tube 1130 and pressure vessel 1116
Is provided to allow sufficient combustion air to flow during idling. This arrangement simplifies the construction of the air valve, since it is no longer necessary to flow the low flow rate mixture required when idling.
【0097】ノズル組立体1132は混合管1130の一部であ
り、缶型燃焼器ライナー1114の中心において燃焼チャン
バ1112内に延びている。さらに図13B に示すように、ノ
ズル組立体1132は4つのチャネル(チャンバ1112内の燃
料/空気混合物をポート1133に向け、もって利用可能な
燃焼体積を最適化する)を形成する表面渦部材1135aを
有する端板1135を有する。4つのポート1133の全ては混
合管軸線1130a の回りに対称に配置されているが、それ
より少ないか多いポートを非対称に配置するのも可能で
ある。ポート1133よりチャネル1112に入る燃料/空気混
合物の速度を増大するために、ノズル組立体1132のポー
ト1133における全面積は混合管1130の最大断面積の約70
〜90%とすべきである。上記構造でも、図8の実施例の
ノズル組立体872 の利点が得られる。Nozzle assembly 1132 is part of mixing tube 1130 and extends into combustion chamber 1112 at the center of can combustor liner 1114. Further, as shown in FIG. 13B, the nozzle assembly 1132 includes a surface vortex member 1135a forming four channels (directing the fuel / air mixture in chamber 1112 to port 1133, thus optimizing available combustion volume). End plate 1135 having. All four ports 1133 are symmetrically arranged around the mixing tube axis 1130a, but fewer or more ports can be arranged asymmetrically. To increase the velocity of the fuel / air mixture entering the channel 1112 from the port 1133, the total area at the port 1133 of the nozzle assembly 1132 is approximately 70 of the maximum cross sectional area of the mixing tube 1130.
Should be ~ 90%. Even with the above structure, the advantages of the nozzle assembly 872 of the embodiment of FIG. 8 can be obtained.
【0098】低出力作動中に高速のバイパス空気流(ラ
イナー1114及び圧力容器1116により形成された冷却チャ
ネルを通る)が必要な用途に非常に有用な三方弁1128に
ついて示したが、本明細書の他の箇所に記載した二方空
気弁とともに缶型燃焼器システム1100を使用することも
できる。また燃焼器システム1100は、アキシャルコンプ
レッサセクション1102及びアキシャルタービンセクショ
ン1104を有するアキシャル型エンジン(エンジン軸は図
13に1106で概略的に示す)に使用することもできる。缶
型燃焼チャンバを使用する燃焼器システム1100は、ラジ
アル型及びアキシャル−ラジアル混合型コンプレッサ及
びタービンを使用するエンジン構造体に使用することが
できる。A three-way valve 1128 has been shown to be very useful in applications where high speed bypass airflow (through the cooling channel formed by liner 1114 and pressure vessel 1116) is required during low power operation. The can combustor system 1100 can also be used with the two-way air valves described elsewhere. The combustor system 1100 also includes an axial engine having an axial compressor section 1102 and an axial turbine section 1104.
13 schematically indicated at 1106). The combustor system 1100 using a can combustion chamber can be used in engine constructions using radial and axial-radial mixed compressors and turbines.
【0099】また1つ以上の燃焼器システムを軸線1106
の回りに円周状に配置し、タービン入口プレナム1108内
に捕集・分配された各高温ガスによりエンジンの低排気
ガス作動を行うことができる。Also, one or more combustor systems may be attached to the axis 1106.
Along the circumference of the turbine, each hot gas collected and distributed in the turbine inlet plenum 1108 can provide low exhaust gas operation of the engine.
【0100】図14A 〜図14D は本発明を利用するのが有
利な燃焼装置を有するガスタービンエンジンの構造を示
す。具体的には、図14A はエンジン軸線1218の回りを回
転するように作動的に接続されているコンプレッサセク
ション1214及びタービンセクション1216を有するガスタ
ービンエンジン1210の断面を示す。エンジン1210は、ラ
イナー1222により形成され、燃焼域1224及び希釈域1226
を有する環状燃焼チャンバ1220を具備する。冷却シュラ
ウド1228はライナー1222を包囲し、特に燃焼域1224の付
近においてライナー1222の対流冷却を行うための流路を
提供する。既述の他の実施例と同様に、燃焼域1224はシ
ュラウド1228とライナー1220との間の流路1262及び1268
(図14D 参照)を流れる冷却空気から封止されている。
従って、燃焼域1224はプレミキサ組立体1230より燃焼域
1224に送給された燃料/空気混合物のほとんど一部とし
てのみ燃焼用空気を吸入する(以下詳述する)。従っ
て、燃焼域1224は「単段式」燃焼域を構成すると言うこ
とができる。14A-14D show the construction of a gas turbine engine having a combustion system in which it is advantageous to utilize the present invention. Specifically, FIG. 14A shows a cross section of a gas turbine engine 1210 having a compressor section 1214 and a turbine section 1216 operatively connected to rotate about an engine axis 1218. The engine 1210 is formed by the liner 1222 and includes a combustion zone 1224 and a dilution zone 1226.
An annular combustion chamber 1220 having Cooling shroud 1228 surrounds liner 1222 and provides a flow path for convective cooling of liner 1222, particularly near combustion zone 1224. As with the other embodiments described above, the combustion zone 1224 includes channels 1262 and 1268 between shroud 1228 and liner 1220.
It is sealed from the cooling air flowing through it (see Figure 14D).
Therefore, the combustion zone 1224 is more than the combustion zone from the premixer assembly 1230.
Intake combustion air only as a substantial portion of the fuel / air mixture delivered to the 1224 (detailed below). Therefore, it can be said that the combustion zone 1224 constitutes a "single-stage" combustion zone.
【0101】さらに図14A において、プレミキサ組立体
1230は一対のプレミキサ1232(図14A に1つのみ示す)
を有し、各プレミキサ1232は燃料ノズル1236から燃料を
吸入するとともにベンチュリ入口1240を経てプレミキサ
ハウジング1238から空気を吸入するように配置されたベ
ンチュリ型混合管1234を有する。各ベンチュリ型混合管
1234は、ベンチュリ軸線1242に沿ってノズル組立体1244
を経て燃焼域1224に燃料/空気混合物を送給するように
構成されている。ノズル組立体1244は延長部材1244a 及
び端部キャップ1244b からなり、端部キャップ1244b は
ベンチュリ軸線1242に対して斜めに燃焼域1244内に燃料
/空気混合物を流入させるために、チャネル及びポート
1246a 、1246b を形成する表面形状を有する。例えば図
10及び図11を参照。図14A に示されていないが、ポート
1246はまた燃料/空気混合物流を軸線1242に関して反対
方向に向ける。図14A から明らかなように、ベンチュリ
混合管1234を包囲し燃料ノズル1236を取り付けるプレミ
キサハウジング1238自身は、エンジンの圧力容器1250の
分離自在な端部1250a に取り付けられている。Further referring to FIG. 14A, the premixer assembly
1230 is a pair of premixers 1232 (only one shown in Figure 14A)
Each premixer 1232 has a Venturi type mixing tube 1234 arranged to suck fuel from the fuel nozzle 1236 and suck air from the premixer housing 1238 via the venturi inlet 1240. Venturi type mixing tube
1234 aligns the nozzle assembly 1244 along the Venturi axis 1242.
Is configured to deliver the fuel / air mixture to the combustion zone 1224 via. The nozzle assembly 1244 consists of an extension member 1244a and an end cap 1244b, which has channels and ports to allow the fuel / air mixture to enter the combustion zone 1244 at an angle to the venturi axis 1242.
It has a surface shape that forms 1246a and 1246b. For example
See 10 and FIG. Port not shown in Figure 14A
1246 also directs the fuel / air mixture stream in the opposite direction with respect to axis 1242. As can be seen in FIG. 14A, the premixer housing 1238 itself, which surrounds the Venturi mixing tube 1234 and mounts the fuel nozzle 1236, is mounted on the separable end 1250a of the engine pressure vessel 1250.
【0102】図14B はエンジン1210の端部の概略斜視図
であり、エンジン1210の有利な構造を理解するのに役立
つ。図14B に示すように、プレミキサ1230の対は軸線12
18に関してほぼ正反対に対向する位置において、分離自
在な圧力容器の端部1250a に取り付けられている。プレ
ミキサ組立体1230はまた圧力容器の端部1250a に取り付
けられた単段式円筒形空気弁1252を有する。マニホルド
1254及び一対の分配導管1256を通る空気流路に沿って両
プレミキサ1232に供給される燃焼用圧縮空気の流量を制
御するために、空気弁1252はアクチュエータ1253により
駆動される。分配導管1256は燃焼装置及びエンジンの構
成部材のバランスによる空間的制限に応じて種々の形状
とすることができる。しかし、圧力低下が最小になると
ともに流れの制限特性がほぼ等しくなるように、分配導
管の構造を決めるべきである。分配導管1256は、各プレ
ミキサ1232における圧縮空気入口1260に導く蛇腹式コネ
クター1258とともに示してある。また空気弁1252は軸線
1218に対して傾斜しており、かつ各プレミキサ1232から
ほぼ等距離となるように配置されており、もってプレミ
キサ組立体1230の配置をコンパクトにするともに、空気
弁1252と個々のプレミキサ1232との間の等しい圧力低下
を確実にするのに役立つ。図14B に示していないが、製
造時に流れのバランスをとることを可能とするために、
分配導管1256の一方又は両方の流れ抵抗を、意図的に他
方より僅かに高く又は低くすることができる。またプレ
ミキサ間に適当な流れのバランスを確実にするために、
分配導管1256内に所定の流れ制限装置を使用することが
できるが、そのような構造は圧縮空気の流路を全体的に
制限するので好ましくない。FIG. 14B is a schematic perspective view of the end of engine 1210, which helps to understand the advantageous construction of engine 1210. As shown in Figure 14B, the pair of premixers 1230 has axes 12
Attached to the separable pressure vessel end 1250a at approximately diametrically opposed positions with respect to 18. The premixer assembly 1230 also has a single stage cylindrical air valve 1252 attached to the end 1250a of the pressure vessel. Manifold
The air valve 1252 is driven by an actuator 1253 to control the flow rate of compressed combustion air supplied to both premixers 1232 along an air flow path through 1254 and a pair of distribution conduits 1256. The distribution conduit 1256 can be of various shapes depending on the spatial constraints imposed by the balance of the combustor and engine components. However, the distribution conduits should be structured so that the pressure drop is minimized and the flow restriction characteristics are approximately equal. Distribution conduit 1256 is shown with a bellows-type connector 1258 leading to a compressed air inlet 1260 in each premixer 1232. Also, the air valve 1252 is the axis
The pre-mixer assembly 1230 is tilted with respect to the 1218 and arranged so as to be substantially equidistant from each pre-mixer 1232. Helps ensure equal pressure drop of. Although not shown in Figure 14B, to allow for flow balancing during manufacturing,
The flow resistance of one or both of the distribution conduits 1256 can be purposely slightly higher or lower than the other. Also, to ensure proper flow balance between the premixers,
Certain flow restriction devices can be used in the distribution conduit 1256, but such a construction is not preferred because it totally restricts the compressed air flow path.
【0103】プレミキサ1232のみならず空気弁1252を分
離自在な圧力容器の端部1250a に取り付けるようにプレ
ミキサ組立体1230を構成する結果として、プレミキサ組
立体全体1230は圧力容器の端部1250a とともに取り外し
自在である。図14A に最も良く示されているように、タ
ービンの排気ガス管1262を取り外すと、プレミキサ組立
体1230は圧力容器の端部1250a とともに取り外すことが
できる。組立及び分解がこのように容易であることは、
図14A 〜図14D に示す燃焼装置の構造にとって非常に重
要である。As a result of configuring the premixer assembly 1230 to attach the premixer 1232 as well as the air valve 1252 to the end 1250a of the separable pressure vessel, the entire premixer assembly 1230 is removable along with the end 1250a of the pressure vessel. Is. As best shown in FIG. 14A, removal of the turbine exhaust gas pipe 1262 allows the premixer assembly 1230 to be removed along with the pressure vessel end 1250a. This ease of assembly and disassembly
It is of great importance to the construction of the combustion device shown in Figures 14A-14D.
【0104】個々のプレミキサ1232は、ベンチュリ混合
管1240の流れ軸線1242が軸線1218に対して半径方向に位
置するとともに軸線方向に傾斜するように、配向し構成
するのが重要である。すなわち、ベンチュリ軸線1242の
延長線はエンジン/燃焼チャンバの軸線1218と交差する
か近くを通過すると同時に、図14B に概略的に示すよう
に軸線1218に対して90°より著しく小さい角度を示す。
この配向は、通常は利用していない環状空間(タービン
の排気管を包囲する)を有効に利用し、エンジン1210の
全「包絡面」の直径をより小さいものとするという利点
を与える。これはある種の航空機の用途におけるように
軸線方向の外形を最小にする(エンジン外形全体を最少
にする)ことが必要な用途に重要である。さらに燃焼域
1224中の燃焼空間をより有効に利用することにより、C
O及びNOxを許容値に低減するのに十分な燃焼器内滞
留時間を確保しながら、燃焼チャンバ1220の軸線方向長
さを低減することができる。燃焼チャンバ1220の軸線を
短くすることによる利点は、流路1262及び1268により冷
却しなければならない全熱伝達面積を低減することであ
る(図14D 参照)。冷却空気流の必要量の減少により、
特に回収空気が高温の場合に復熱エンジン用途におい
て、圧縮空気をより有効に利用することができる。It is important that the individual premixers 1232 be oriented and configured such that the flow axis 1242 of the Venturi mixing tube 1240 lies radially with respect to the axis 1218 and is inclined axially. That is, the extension of the Venturi axis 1242 intersects or passes through the engine / combustion chamber axis 1218 while at the same time making an angle significantly less than 90 ° with respect to the axis 1218, as shown schematically in FIG. 14B.
This orientation provides the advantage of making efficient use of the normally unused annular space (which surrounds the turbine exhaust) and having a smaller overall "envelope" diameter for engine 1210. This is important for applications where it is necessary to minimize the axial profile (minimize the overall engine profile) as in certain aircraft applications. Further combustion area
By making more effective use of the combustion space in 1224, C
The axial length of the combustion chamber 1220 can be reduced while securing sufficient residence time in the combustor to reduce O and NOx to acceptable values. The advantage of shortening the axis of the combustion chamber 1220 is that it reduces the total heat transfer area that must be cooled by the channels 1262 and 1268 (see Figure 14D). By reducing the required cooling air flow,
Compressed air can be used more effectively in recuperative engine applications, especially when the recovered air is hot.
【0105】空気弁1252及び分配マニホルド1254の断面
図である図14A 〜図14C において、プレミキサ組立体へ
の燃焼用空気の主たる流路が示されている。特に空気
は、まず燃焼チャンバライナー1222と冷却シュラウド12
28との間に形成された冷却流路1262に沿ってラジアルコ
ンプレッサユニット1214から流れる。単段式燃焼域1224
付近の燃焼チャンバ1220の端部付近において、圧縮空気
の一部は冷却シュラウド1228内の開口部1264より外部に
流れ、冷却シュラウド1228及び圧力容器部分1250a によ
り形成されたプレナム1266内に捕集される。残留する冷
却空気が案内されかつ適当な速度を維持する限り、開口
部1264の形状及び数は限定されない。In FIGS. 14A-14C, which are cross-sectional views of air valve 1252 and distribution manifold 1254, the main flow path for combustion air to the premixer assembly is shown. In particular, the air must first be removed from the combustion chamber liner 1222 and
It flows from the radial compressor unit 1214 along a cooling flow path 1262 formed between the compressor and the air conditioner 28. Single-stage combustion zone 1224
Near the end of the nearby combustion chamber 1220, some of the compressed air flows out through the opening 1264 in the cooling shroud 1228 and is collected in the plenum 1266 formed by the cooling shroud 1228 and pressure vessel portion 1250a. . The shape and number of the openings 1264 are not limited as long as the remaining cooling air is guided and maintains an appropriate speed.
【0106】プレナム1266から圧縮空気は空気弁1252を
通過して分配マニホルド1254に流入し、そこでほぼ半分
に分かれてそれぞれプレミキサに入る(図14C に示さ
ず) 。圧縮空気の残部(開口部1264を通過しない部分)
は環状燃焼チャンバ1220の内部に沿う流路1268に沿って
希釈ポート1269(図14A )に流入する。希釈用空気を導
入する希釈域1226の付近で燃焼は実質的に完了するの
で、流路1268に沿って流れる空気は燃焼せずに、ノズル
案内ベーン1215及びタービンユニット1216に流入する前
に高温燃焼生成物と混合するだけであり、もって空気の
流れ及び熱量を効率的に管理をすることができる。From the plenum 1266, compressed air passes through the air valve 1252 and into the distribution manifold 1254, where it splits into approximately two halves into each premixer (not shown in Figure 14C). Remaining compressed air (portion that does not pass through opening 1264)
Enters the dilution port 1269 (FIG. 14A) along the flow path 1268 along the interior of the annular combustion chamber 1220. Since the combustion is substantially completed in the vicinity of the dilution zone 1226 where the dilution air is introduced, the air flowing along the flow path 1268 does not burn, and the high temperature combustion is performed before flowing into the nozzle guide vanes 1215 and the turbine unit 1216. Only by mixing with the product, the air flow and the amount of heat can be efficiently controlled.
【0107】図14C に示すように、空気弁1252は回転自
在な内部シリンダーセクション1252a を有する円筒形弁
であり、上記実施例と同様にアクチュエータ1253を介し
た燃料/空気コントローラ(図示せず)の制御により、
空気弁を通る空気流を連続的な開度で開閉することがで
きる。バタフライ弁等のような他種の空気弁を使用する
こともできるが、円筒形弁はより予測可能な流れ特性を
示し、低流速時に空力学的変動を余り受けないので好ま
しいことが分かった。図14C に示す円筒形空気弁1252は
「二方空気弁」であるが、第二の組の希釈ポートととも
に使用される三方弁を含むように構造を変更しても良
い。このような構造は、第二の希釈ポート1272(図14A
)と接続したバイパス導管1270を示す図14A 、図14B
及び図14C に点線で示してあり、図13で1144により示す
システムに類似している。このようなバイパス構造の利
点は同出願人の米国特許出願第08/892,397号(1997年7
月15日出願)及び米国予備出願第60/038,943号(1997年
3月7日出願)に記載してあり、いずれの内容も本明細
書に参照として含む。As shown in FIG. 14C, the air valve 1252 is a cylindrical valve having a rotatable inner cylinder section 1252a, and a fuel / air controller (not shown) via an actuator 1253 as in the above embodiment. By control
The airflow through the air valve can be opened and closed with continuous opening. Other types of air valves, such as butterfly valves, may be used, but cylindrical valves have been found to be preferred as they exhibit more predictable flow characteristics and are less susceptible to aerodynamic variations at low flow rates. The cylindrical air valve 1252 shown in Figure 14C is a "two-way air valve", but may be modified to include a three-way valve for use with a second set of dilution ports. Such a structure is used for the second dilution port 1272 (Fig. 14A).
14A, 14B showing bypass conduit 1270 connected to
And shown in dotted lines in FIG. 14C and similar to the system shown by 1144 in FIG. The advantage of such a bypass structure is that the applicant's US patent application Ser. No. 08 / 892,397 (July 1997).
Filed March 15, 1997) and US Preliminary Application No. 60 / 038,943 (filed March 7, 1997), both of which are incorporated herein by reference.
【0108】図14D は図14A に示すプレミキサの断面の
拡大図であり、好ましい構造の追加的な特徴をより詳細
に示す。具体的には、図14D はプレミキサハウジング12
38とともに環状開口部を形成する円筒形フランジ1280を
有するベンチュリ混合管1234を示す。この環状開口部
は、アイドリング状態でエンジン1210を駆動するのに十
分な量の圧縮空気が通過するような形状及び大きさを有
する。すなわち、開口部1282を通る空気流は、空気を空
気弁1252を経てプレミキサに供給するのと同じプレナム
1266から取り入れるが、空気弁1252をバイパスするので
直接制御されない。この配置により、アイドリング状態
で燃焼を維持するために最少量の空気も通すことが要求
されないので、空気弁1252の構造を簡単化することがで
きる。開口部1282は予測可能で容易に制御できる空気の
流速を得るような構造とすることができる。FIG. 14D is an enlarged cross-sectional view of the premixer shown in FIG. 14A, showing additional features of the preferred construction in more detail. Specifically, FIG. 14D shows the premixer housing 12
A venturi mixing tube 1234 having a cylindrical flange 1280 forming an annular opening with 38 is shown. The annular opening is shaped and sized to allow a sufficient amount of compressed air to drive the engine 1210 in an idle condition. That is, the air flow through opening 1282 is the same plenum that supplies air to the premixer via air valve 1252.
Taken from 1266 but not directly controlled as it bypasses air valve 1252. This arrangement simplifies the structure of the air valve 1252 as it does not require even the smallest amount of air to pass in order to maintain combustion in the idle state. The openings 1282 can be constructed to provide a predictable and easily controllable air velocity.
【0109】図14D に示すように、流れ平準化グリッド
1284はプレミキサハウジング1238内に取り付けられてお
り、入口1240の付近でベンチュリ混合管1234を包囲す
る。グリッド1284の作用は、入口1260を経てプレミキサ
ハウジング1238に流入する流れを再分配させるととも
に、プレミキサハウジング1238の構造上の特徴に起因す
る流れの非対称性を平準化し、もってベンチュリ入口12
40への円周方向流入をより均一にすることである。グリ
ッド1284は等間隔に離隔した同一寸法のオリフィスを有
することができるが、ベンチュリ入口1240付近で流れの
所望の再分配を達成するためにオリフィスの位置又は寸
法が非対称でも良い。As shown in FIG. 14D, the flow leveling grid
1284 is mounted within a premixer housing 1238 and surrounds the Venturi mixing tube 1234 near the inlet 1240. The action of the grid 1284 redistributes the flow entering the premixer housing 1238 via the inlet 1260 and evens out the flow asymmetry due to the structural features of the premixer housing 1238, thus providing a venturi inlet 12
More uniform circumferential flow into 40. The grid 1284 can have equally spaced orifices of the same size, but the locations or sizes of the orifices can be asymmetric to achieve the desired redistribution of flow near the venturi inlet 1240.
【0110】図14D に示すように、滞留時間を長くする
ことによりCOレベルを低下するために燃焼器1220内の
燃焼生成物の軸線方向流れを遅らせるとともに、構造体
を撓み等に対して強化するために、燃焼器ライナー1222
に円周方向凹み1222a が設けてある。ノズル組立体1244
は、ノズルの端部キャップ1244b と延長部1244a との協
力により形成された出口ポート1246a 及び1246b につい
て、明らかに非対称である。上記の通り、ノズルの出口
ポートの非対称により、燃焼器ライナーの付近部分に燃
料/空気混合物が過剰に直接衝突するのを防止しなが
ら、燃焼域内に燃料/空気混合物を良好に流入させるこ
とができる。すなわち、出口ポート1246a及び1246b は
燃料/空気混合物をベンチュリ軸線1242に対して異なる
角度で流入させ、燃焼チャンバ内のノズルの配向に関係
する。図8、図9、図9A及び図9Bに示された実施例と同
様に、ノズルの出口ポート1246a 及び1246b の全出口面
積は、ベンチュリ型混合管1234内の最大流れ断面積より
小さく、もって「フラッシュバック」及びベンチュリ混
合管内での燃焼の可能性を低減するためにノズルポート
を通過する流れを加速する。一般に流れ断面積は、ベン
チュリ式混合管用のベンチュリ領域の分岐部分の端部で
最大になる。As shown in FIG. 14D, increasing the residence time slows the axial flow of combustion products in the combustor 1220 to lower the CO level and strengthens the structure against bending and the like. For the combustor liner 1222
A circumferential recess 1222a is provided in the. Nozzle assembly 1244
Is clearly asymmetrical about the outlet ports 1246a and 1246b formed in cooperation with the nozzle end cap 1244b and the extension 1244a. As mentioned above, the asymmetry of the nozzle outlet port allows good entry of the fuel / air mixture into the combustion zone while preventing excessive direct impact of the fuel / air mixture near the combustor liner. . That is, the outlet ports 1246a and 1246b allow the fuel / air mixture to enter at different angles with respect to the venturi axis 1242 and are related to the nozzle orientation within the combustion chamber. Similar to the embodiments shown in FIGS. 8, 9, 9A and 9B, the total outlet area of the nozzle outlet ports 1246a and 1246b is less than the maximum flow cross-sectional area within the venturi type mixing tube 1234, thus Flashback "and accelerates the flow through the nozzle port to reduce the possibility of combustion in the Venturi mixing tube. In general, the flow cross section is greatest at the end of the bifurcation of the venturi region for a venturi mixing tube.
【0111】図14A 〜図14D の実施例では一対のプレミ
キサ1232が示されているが、二対以上使用しても良く、
各対は燃焼チャンバの傾斜部分に供給し、関連するプレ
ミキサの間に位置する単一空気弁及びそれぞれの分配マ
ニホルド及び分配導管を有する。一般に比較的大型のエ
ンジンに対して、燃焼域の全ての部分に実質的に均一な
ガス流速の分布を達成し、ライナーへの熱伝達の変動を
最小化するために、複数のプレミキサを有するのが非常
に好ましい。図14A 〜図14D の実施例におけるポート12
46a 、1246b のようなノズルポートの形状、位置及び数
もまたガス流速の分布に影響を与えるので、考慮しなけ
ればならない。Although a pair of premixers 1232 are shown in the embodiments of FIGS. 14A-14D, more than two pairs may be used,
Each pair feeds an inclined portion of the combustion chamber and has a single air valve and a respective distribution manifold and distribution conduit located between the associated premixers. Generally, for relatively large engines, multiple premixers are included to achieve a substantially uniform distribution of gas flow rates in all parts of the combustion zone and to minimize variations in heat transfer to the liner. Is highly preferred. Port 12 in the embodiment of FIGS. 14A-14D
The shape, position and number of nozzle ports such as 46a and 1246b also affect the distribution of gas flow rates and must be considered.
【0112】またそれぞれ関連する空気弁及びアクチュ
エータとともに複数のプレミキサを使用することができ
るが、アクチュエータは均一な制御を達成するために例
えば回転リングにより相互に接続している。さらに別の
実施例では、ドーナツ状のプレナムを介して複数のプレ
ミキサと接続した単一の空気弁を使用する。このような
構造は図15A 及び図15B (それぞれ個別の燃料ノズル13
14を有する複数のプレミキサ1312を有するエンジン1310
の長手方向断面図及び端面図である)に概略的に示す。
単一空気弁1316は、各プレミキサ1312に連通する分配プ
レナム1318への燃焼用空気の流れを制御する。プレナム
1318の流れ断面積は十分に大きいので、弁1316から個々
のプレミキサへの流路に沿った圧力低下は実質的に同一
であり、バランスある流れを確保する。空気弁1316は、
圧力容器1320の周囲に適宜取り付けることができ、好ま
しくは上記実施例で説明した「円筒形」型である。図15
Aから明らかなように、圧縮空気は、圧力容器1320と冷
却シュラウド1324との間の流路1322を通り、またシュラ
ウド1324とライナー1328との間の冷却流路1326から開口
部1334を通って、いずれもコンプレッサ(図示せず)か
ら直接空気弁1316に流入する。円周状シール1330は、圧
縮空気が流路1322及び1326からプレナム1318へ直接流入
するのを阻止する。空気弁1316は、過剰な圧縮空気が導
管1332を経て第二の希釈ポート(図示せず)に直接流入
するのを阻止する「三方弁」である。It is also possible to use multiple premixers with each associated air valve and actuator, but the actuators are interconnected to achieve uniform control, for example by rotating rings. Yet another embodiment uses a single air valve connected to multiple premixers via a donut-shaped plenum. Such a structure is shown in FIGS. 15A and 15B (individual fuel nozzles 13
Engine 1310 with multiple premixers 1312 having 14
Is a longitudinal sectional view and an end view of FIG.
A single air valve 1316 controls the flow of combustion air to a distribution plenum 1318 in communication with each premixer 1312. Plenum
The flow cross section of 1318 is large enough so that the pressure drop along the flow path from valve 1316 to the individual premixers is substantially the same, ensuring balanced flow. The air valve 1316 is
It can be fitted around the pressure vessel 1320 as appropriate and is preferably of the "cylindrical" type as described in the above examples. Figure 15
As can be seen from A, compressed air passes through the flow path 1322 between the pressure vessel 1320 and the cooling shroud 1324, and through the opening 1334 from the cooling flow path 1326 between the shroud 1324 and the liner 1328. Both flow directly into the air valve 1316 from a compressor (not shown). Circumferential seal 1330 prevents compressed air from flowing directly from channels 1322 and 1326 to plenum 1318. The air valve 1316 is a "three-way valve" that prevents excess compressed air from flowing directly through conduit 1332 to a second dilution port (not shown).
【0113】本明細書に広範に記載され特許を請求され
ているように、本発明は、燃焼器に流入する燃料/空気
混合物の速度を制御するために可変形状の混合管出口を
提供するという点で、上記単段式燃焼装置及び方法の重
要な改良を提供する。As broadly described and claimed herein, the present invention purports to provide a variable geometry mixing tube outlet for controlling the velocity of the fuel / air mixture entering the combustor. In that respect, it provides an important improvement over the single-stage combustion apparatus and method.
【0114】上記の通り、単段式(燃料/空気比が一定
のタイプ)の従来のプレミキサシステムは、主要構成部
品として空気弁、燃料弁、ベンチュリ式混合管及び一定
面積のベンチュリ出口ノズル有する。種々の負荷下で、
空気弁は種々の添加量の燃料にマッチするために種々の
空気流量を吸入する。上記構造に使用する定段面積のベ
ンチュリ出口弁を用いて、予備混合物の出口速度は、典
型的な単軸タービンエンジンでは、例えば20m/秒未満
から60m/秒超まで変化することがある。出口速度の下
限では安定した燃焼を達成しようとすると問題が生じる
ことがあり、また上限では圧力損失及び燃焼器壁への衝
突が有害となる恐れがある。本発明の可変形状のベンチ
ュリ管出口を用いると、例えば30m/秒の一定で安定し
た出口速度(出力に依存せず、あるいはそれぞれ所定の
最小出口速度及び最大出口速度の上下の範囲内)で、プ
レミキサを作動させることができる。これにより、以下
の利点が得られる。
1. 全負荷範囲にわたって予測可能な燃焼性能を向上さ
せる。
2. 低負荷時にフラッシュバックを避け、かつ高負荷時
に衝突を避ける。
3. ベンチュリ管中に空気の「欠乏」を引き起こす恐れ
がある高負荷時の圧力損失を低減する。
4. 高い燃料/空気流速において、燃焼器をより良く利
用する。As described above, the conventional single-stage (constant fuel / air ratio type) premixer system has an air valve, a fuel valve, a Venturi type mixing pipe and a Venturi outlet nozzle having a constant area as main components. . Under various loads,
The air valve draws different air flow rates to match different fuel additions. With the constant area Venturi outlet valve used in the above construction, the premix exit velocity can vary from less than 20 m / sec to greater than 60 m / sec in a typical single-shaft turbine engine. At the lower end of the outlet velocity problems can be encountered in attempting to achieve stable combustion, and at the upper limit pressure loss and impingement on the combustor wall can be detrimental. With the variable geometry Venturi outlet of the present invention, for example, at a constant and stable outlet velocity of 30 m / sec (independent of power or within a range above and below a given minimum and maximum outlet velocity, respectively), The premixer can be activated. As a result, the following advantages are obtained. 1. Improve predictable combustion performance over the entire load range. 2. Avoid flashbacks at low loads and avoid collisions at high loads. 3. Reduce pressure loss at high loads that can cause "starvation" of air in the Venturi tube. 4. Better utilization of combustors at high fuel / air velocities.
【0115】図16は、本発明の第一の実施例による燃焼
装置を有するガスタービンエンジンであって、混合管出
口速度が制御されていないために生じ得るフラッシュバ
ック、炎の不安定性及び/又は衝突という副作用を最小
化するかなくする可変出口形状を有するプレミキサ組立
体を使用するガスタービンエンジンを示す。本発明の方
法及び装置は、ガスタービンエンジン及びガス発生器用
の単段式燃焼のために制御された燃料/空気比を有する
混合物が得られる上記構造とともに使用するのが有利で
あり好ましい。しかしながら本発明はこのような用途に
限られない。FIG. 16 illustrates a gas turbine engine having a combustion system according to a first embodiment of the present invention, which may result from uncontrolled mixing tube exit velocity flashback, flame instability and / or flame instability. 1 illustrates a gas turbine engine using a premixer assembly having a variable outlet geometry that minimizes or eliminates the side effect of collision. The method and apparatus of the present invention are advantageously and preferably used with the above-described structure resulting in a mixture having a controlled fuel / air ratio for single stage combustion for gas turbine engines and gas generators. However, the present invention is not limited to such applications.
【0116】具体的には、図16は、エンジンの軸線1418
の回りに回転するように作動的に連結したコンプレッサ
セクション(図示せず)及びタービンセクション1416を
有するガスタービンエンジン1410の断面を示す。エンジ
ン1410は燃焼域1424及び希釈域(図示せず)を有するラ
イナー1422により形成された環状燃焼器チャンバ1420を
有する。冷却シュラウド1428はライナー1422を包囲し、
特に燃焼域1424の近くでライナー1422を対流冷却するた
めの流路を形成する。上記他の構造とともに、燃焼域14
24は、シュラウド1428とライナー1420との間の流路1462
及び1468中を流れる冷却空気から封止されているのが好
ましい(例えば図14D を参照)。このように燃焼域1424
は、プレミキサ組立体1430(以下さらに詳細に説明す
る)を経て燃焼域1424に送給される燃料/空気混合物の
ほとんど一部としてのみ燃焼用空気を受けるので、「単
段式」燃焼域を構成する。Specifically, FIG. 16 shows the engine axis 1418.
FIG. 14A illustrates a cross section of a gas turbine engine 1410 having a compressor section (not shown) and a turbine section 1416 operatively connected for rotation about a rotor. Engine 1410 has an annular combustor chamber 1420 formed by a liner 1422 having a combustion zone 1424 and a dilution zone (not shown). The cooling shroud 1428 surrounds the liner 1422,
Particularly, a flow path for convectively cooling the liner 1422 is formed near the combustion zone 1424. Combustion zone 14
24 is the flow path 1462 between shroud 1428 and liner 1420.
And are preferably sealed from cooling air flowing through 1468 (see, eg, Figure 14D). In this way the combustion area 1424
Constitutes a "single-stage" combustion zone because it receives combustion air only as a substantial portion of the fuel / air mixture that is delivered to combustion zone 1424 via premixer assembly 1430 (described in more detail below). To do.
【0117】広く記載された本発明によれば、燃料/空
気混合物を得るために各供給源から来た燃料及び圧縮空
気を混合するプレミキサ装置は、(a) 圧縮空気供給源及
び燃料供給源に作動的に連結したプレミキサハウジング
と、(b) 前記ハウジング内に配置されていて、燃料及び
圧縮空気の吸入口、軸線、及び燃料/空気混合物を送給
する出口(流域面積を有する)を有する混合管と、(c)
前記出口を通過する燃料/空気混合物の速度を変化させ
る混合弁とを有する。According to the broadly described invention, a premixer device for mixing fuel and compressed air from each source to obtain a fuel / air mixture is provided in (a) a compressed air source and a fuel source. An operably connected premixer housing, and (b) having a fuel and compressed air inlet, an axis, and an outlet (having a catchment area) for delivering a fuel / air mixture, disposed within the housing. Mixing tube, (c)
A mixing valve for varying the velocity of the fuel / air mixture passing through the outlet.
【0118】続いて図16に具体的に示されているよう
に、プレミキサ組立体1430はベンチュリ式混合管1434を
有するプレミキサ1432を有し、前記ベンチュリ式混合管
1434は燃料弁1435及び燃料ノズル1436を経て供給源(図
示せず)から燃料を吸入し、ベンチュリ管入口1440を経
てプレミキサハウジング1438から空気を吸入するように
配置されている。ベンチュリ混合管1434は、ベンチュリ
管軸線1442に沿って混合弁組立体1444を経て燃焼域1424
に燃料/空気混合物を送給する構造を有する。Subsequently, as specifically shown in FIG. 16, the premixer assembly 1430 includes a premixer 1432 having a Venturi type mixing tube 1434, and the Venturi type mixing tube is provided.
1434 is arranged to inhale fuel from a supply source (not shown) via fuel valve 1435 and fuel nozzle 1436 and inhale air from premixer housing 1438 via venturi inlet 1440. Venturi mixing tube 1434 passes through mixing valve assembly 1444 along venturi tube axis 1442 to combustion zone 1424.
Has a structure for delivering a fuel / air mixture to the.
【0119】さらに図16において、後述するように、混
合弁1444は弁部材1452及び混合管1434の出口部1454によ
り形成されている。弁部材1444は、混合管軸線1442に沿
って実質的に配置された細長いステム1446、及び混合管
出口1454付近に配置された円錐形状板部材1448を有す
る。弁アクチュエータ1456は、混合管軸線1442に沿って
選択的にステム部1446及び板部材1452を移動するような
構造を有する駆動手段1458を経てステム端部1450と係合
する。当業者に明らかなように、弁アクチュエータ1456
は、カム駆動手段、ネジ駆動手段、ラック及びピニオン
の駆動手段、又は油圧式/空圧式駆動手段を有し、燃焼
域1424と離隔した位置にある。図示のように、駆動手段
1458は、ステム1446に連結したバネ付き従動子1447と相
互に作用するカム1449を有し、無限に可変の位置に移動
自在であるとともに速度を制御を提供することができ
る。機械的ストッパ(図示せず)を使用する比較的簡単
な弁運動の二位置制御もまたある程度の犠牲で速度制御
に使用することができる。ステム1446は、プレミキサハ
ウジング1438の開口部1460を通って延びる。板部材1448
の影響により弁ステム1446が一方又は他方の軸線方向に
作動されるにつれて、混合管出口1454における効果的な
出口流域は増加又は減少する。Further, in FIG. 16, the mixing valve 1444 is formed by the valve member 1452 and the outlet portion 1454 of the mixing pipe 1434, as will be described later. The valve member 1444 has an elongated stem 1446 disposed substantially along the mixing tube axis 1442 and a conical plate member 1448 disposed near the mixing tube outlet 1454. The valve actuator 1456 engages the stem end 1450 via drive means 1458 configured to selectively move the stem portion 1446 and plate member 1452 along the mixing tube axis 1442. Valve actuator 1456, as will be apparent to those skilled in the art.
Has cam driving means, screw driving means, rack and pinion driving means, or hydraulic / pneumatic driving means, and is located at a position separated from the combustion zone 1424. As shown, drive means
The 1458 has a cam 1449 that interacts with a spring follower 1447 coupled to the stem 1446 and is movable to infinitely variable positions and can provide speed control. The relatively simple two-position control of valve movement using a mechanical stop (not shown) can also be used for speed control at some cost. The stem 1446 extends through an opening 1460 in the premixer housing 1438. Plate member 1448
As the valve stem 1446 is actuated axially in one or the other direction due to the effect of, the effective outlet flow area at the mixing tube outlet 1454 increases or decreases.
【0120】ステム1446が混合管1434の開口部1462を通
って延び、混合管1434のうち前記入口付近の部分1434a
は軸線1442から離れるように湾曲しているのが好まし
い。弁アクチュエータ1456は、ハウジング1438及び混合
管1434の外部でステム1446と係合できる。The stem 1446 extends through the opening 1462 of the mixing tube 1434, and the portion 1434a of the mixing tube 1434 near the inlet is described.
Is preferably curved away from the axis 1442. The valve actuator 1456 can engage the stem 1446 outside the housing 1438 and the mixing tube 1434.
【0121】さらに図16に示すように、弁部材1452は、
板部材1448に形成された連結した冷却チャネル1466(ス
テム1446の導管1468と連通する)を有するのが好まし
い。導管1468は、ハウジング1438から圧縮空気を吸入す
る導管1468に作動的に連結した入口1470と連通してい
る。板部材1448は、ベースエッジ部1472及びその回りに
分布する多数のチャネル出口1474を有する中空逆円錐状
に形成されているのが好ましい。冷却チャネル1466は板
部材1448を冷却する作用を有する。冷却チャネル1466を
経て燃焼室1424に直接入る圧縮空気は少量であり、平均
又は局所的な燃料/空気比に大きく影響する量ではな
い。中空円錐形状により、プレミキサ出口の下流に燃料
/空気混合物が再循環するための空間が形成され、もっ
て保炎及び燃焼安定性が向上する(例えば図11に関する
説明を参照)。Further, as shown in FIG. 16, the valve member 1452 is
It preferably has an associated cooling channel 1466 (in communication with conduit 1468 of stem 1446) formed in plate member 1448. The conduit 1468 communicates with an inlet 1470 that is operatively connected to the conduit 1468 that draws compressed air from the housing 1438. The plate member 1448 is preferably formed in the shape of a hollow inverted cone having a base edge portion 1472 and a number of channel outlets 1474 distributed around the base edge portion 1472. The cooling channel 1466 has a function of cooling the plate member 1448. Compressed air entering the combustion chamber 1424 directly through the cooling channel 1466 is small, not significantly affecting the average or local fuel / air ratio. The hollow conical shape creates a space for recirculation of the fuel / air mixture downstream of the premixer outlet, thus improving flame holding and combustion stability (see, eg, discussion with respect to FIG. 11).
【0122】作動中、弁部材1452はステム1446により軸
線1442に沿って移動する。ステム1446は、例えばコント
ローラ1457の方向にアクチュエータ1456により回転させ
られるカム1449に当接するバネ付き従動子1447に固定さ
れている。図16に示すように、コントローラ1457(マイ
クロプロセッサで良い)は、エンジン出力(実際値又は
要求値)又はそれに関連する変数に基づき、弁ステム14
46の位置、従って混合管出口の流域を制御する。一般
に、高出力条件と関連する混合管出口の高い流量によ
り、一定の出口面積に要求される以上の速度となり、も
って炎の不安定性及び/又は衝突を防ぐ目的で出口速度
を減少させるために流域を増大させる必要が生じる。こ
れは、図16に概略的に示す弁ステム1446の左方向への移
動により達成される。逆にアイドリング流れ(混合物の
最小限の流量)の場合には、ステム1446を右方向へ動か
すことにより流域を減少させることが必要であり、もっ
てフラッシュバックに対するガードのために出口速度を
最低限より高くする。In operation, valve member 1452 is moved by stem 1446 along axis 1442. The stem 1446 is fixed to a spring follower 1447 that abuts a cam 1449 rotated by an actuator 1456 in the direction of the controller 1457, for example. As shown in FIG. 16, the controller 1457 (which may be a microprocessor) controls the valve stem 14 based on engine power (actual or demand) or related variables.
It controls the position of 46 and thus the basin of the mixing tube outlet. In general, the high flow rates at the mixing tube outlets associated with high power conditions result in velocities higher than required for a given outlet area, thus reducing the outlet velocities to reduce flame instability and / or collisions. The need to increase. This is accomplished by moving the valve stem 1446 to the left, which is shown schematically in FIG. On the other hand, in the case of idling flow (minimum flow rate of the mixture), it is necessary to reduce the water basin by moving the stem 1446 to the right, so that the exit speed should be set to a minimum level to guard against flashback. Make it higher
【0123】また本発明によれば、混合管の出口上流の
圧力を検出するためにセンサを設けるのが好ましい。混
合管の出口において、混合弁と作動的に連結した混合弁
アクチュエータ、及び圧力センサ及び混合弁アクチュエ
ータに作動的に接続したコントローラは、検出された圧
力に応じて混合管出口の流域を変化させることができ
る。混合管出口流域が所定の最小値より大きくて所定の
最大値より小さくなるように、コントローラは混合管出
口の流域を制御する。Further, according to the present invention, it is preferable to provide a sensor for detecting the pressure upstream of the outlet of the mixing tube. A mixing valve actuator operatively connected to the mixing valve at the outlet of the mixing tube, and a pressure sensor and a controller operatively connected to the mixing valve actuator are arranged to change the basin of the mixing tube outlet in response to the detected pressure. You can The controller controls the mixing tube outlet basin such that the mixing tube outlet basin is greater than a predetermined minimum value and less than a predetermined maximum value.
【0124】さらに図16に示すように、センサ1480はプ
レート1464と混合管出口1454との間の混合管出口流域の
上流の圧力を検出する素子1480a を有する。センサ1480
は作動的にコントローラ1457に接続しており、コントロ
ーラ1457は作動的に弁ステム1446と係合するアクチュエ
ータ1456に連結している。従って、検出された圧力条件
のみ、又は圧力条件及び上記ように変動し得る出力レベ
ルの両方に応答して、コントローラ1457は混合弁1452を
制御して、所望の燃料/空気混合物の出口速度が得られ
るように混合管出口の流域を変化させることができる。
一般に、出口速度は、フラッシュバックを避ける所定の
最小値より大きく、かつ炎の不安定性及び/又は衝突の
問題が生じる所定の最大値より小さい値に制御すれば良
い。この制御は、板部材1448のための二位置制御方式に
より行うことができる。しかし図16に示すカム駆動手段
を使用して達成することができる無限可変の位置制御を
用いると、コントローラ1457用に適当にプログラムされ
たマイクロプロセッサを使用して、単一の目標値(例え
ば30m/秒)に速度を制御することができる。Further, as shown in FIG. 16, the sensor 1480 has an element 1480a for detecting the pressure upstream of the mixing tube outlet basin between the plate 1464 and the mixing tube outlet 1454. Sensor 1480
Are operatively connected to controller 1457, which is operatively coupled to an actuator 1456 that engages valve stem 1446. Thus, in response to either the sensed pressure condition alone, or both the pressure condition and the output level, which may vary as described above, the controller 1457 controls the mixing valve 1452 to obtain the desired fuel / air mixture exit velocity. The basin at the outlet of the mixing tube can be changed as described above.
Generally, the exit speed may be controlled to a value above a predetermined minimum value that avoids flashback and below a predetermined maximum value that causes flame instability and / or collision problems. This control can be done by a two position control scheme for the plate member 1448. However, with the infinitely variable position control that can be achieved using the cam drive means shown in FIG. 16, using a suitably programmed microprocessor for controller 1457, a single target value (eg, 30 m / Sec) can control the speed.
【0125】図16はさらに、燃料弁1435(従ってエンジ
ン出力)を制御するのに使用するコントローラ1457と、
プレミキサハウジング1438から希釈ポート(図示せず)
の第二の組まで圧縮空気バイパス1488を制御する活性化
/弁1486を示す。バイパス1488の目的は、図13に示す構
造に関連して上述した理由により、第一の希釈ポート
(図示せず)に至るクーラント流路1468内の過度の圧力
低下を防ぐことである。FIG. 16 further illustrates a controller 1457 used to control the fuel valve 1435 (and hence engine power),
Premixer housing 1438 to dilution port (not shown)
The activation / valve 1486 controlling the compressed air bypass 1488 up to the second set of is shown. The purpose of the bypass 1488 is to prevent excessive pressure drop in the coolant passage 1468 leading to the first dilution port (not shown) for the reasons discussed above in connection with the structure shown in FIG.
【0126】図16の実施例の変更例を詳細に示す図17A
に示すように、板部材1448' はベースエッジ部1472' を
有する中空円錐状に形成できる。ベースエッジ部1472'
は、燃料/空気混合物の流れにより板部材1448' の上に
形成される境界層を剥離するために位置するフェンス14
76' を有する。またプレミキサ出口1454' は、攪拌混合
を増大するように鋭いエッジ部を有する。FIG. 17A detailing a modification of the embodiment of FIG.
As shown in, the plate member 1448 'can be formed into a hollow conical shape having a base edge portion 1472'. Base edge part 1472 '
Is a fence 14 located to separate the boundary layer formed on the plate member 1448 'by the flow of the fuel / air mixture.
Has a 76 '. The premixer outlet 1454 'also has sharp edges to enhance agitation mixing.
【0127】また図16の実施例の他の変更例を詳細に示
す図17B に示されているように、ベンチュリ管1434" は
スリーブ部材1478" によりライナー1422" 及び冷却シュ
ラウド1428" から隔離することができる。スリーブ部材
1478" は、ベンチュリ管出口1454" で過度の温度を防ぐ
ためにクーラント冷却チャネル1478a"を構成する。圧縮
気流はベンチュリ混合管1434" を通過することによりク
ーラント冷却チャネル1478a"を経て燃焼域1424" に直接
流入するので、燃料/空気比は図16及び図17Aの変更例
により可能な程度(混合管出口における過度の温度を防
ぐために断熱皮膜に依存する)まで制御しなくても良
い。しかし、図17B に示す変更例(現在のところ好適で
ない)も最広義の意味で本発明の一部であり、上記の通
り衝突によるフラッシュバック及び燃料滞留を最小にす
ることが期待される。A venturi tube 1434 "should be separated from the liner 1422" and cooling shroud 1428 "by a sleeve member 1478", as shown in FIG. 17B which also details another variation of the embodiment of FIG. You can Sleeve member
The 1478 "constitutes a coolant cooling channel 1478a" to prevent excessive temperature at the venturi outlet 1454 ". The compressed airflow passes through the venturi mixing tube 1434" to the combustion zone 1424 "via the coolant cooling channel 1478a". Since it flows in directly, the fuel / air ratio does not have to be controlled to the extent possible (depending on the thermal barrier coating to prevent excessive temperature at the mixing tube outlet) with the variations of FIGS. 16 and 17A. However, the modification (not currently preferred) shown in FIG. 17B is also part of the invention in its broadest sense and is expected to minimize collision flashback and fuel retention as described above.
【0128】図18A 〜図18C はそれぞれ図16に示す実施
例の他の変更例を示す。図18A に示すように、混合弁15
52は混合管1534の出口1554に設けられている。混合弁15
52は、混合管出口1554と協同する好ましくは中空円錐状
の弁部材1552の弁板1564を有する。弁板1564と混合管出
口1554との間に出口流域が形成され、燃料/空気混合物
は燃焼域1524に入ることができる。板部材1564はステム
1546に連結し、冷却チャネル1566を有する。弁ステム15
46は、コントローラ1557の制御下でアクチュエータ1556
により軸線1542に沿って移動する。図16に関して説明し
たように、出口流域は、混合管出口1554に関連して板部
材1564の軸線位置に応じて変化する。18A to 18C show another modification of the embodiment shown in FIG. 16, respectively. As shown in Figure 18A, mix valve 15
52 is provided at the outlet 1554 of the mixing tube 1534. Mixing valve 15
52 has a valve plate 1564 of a preferably hollow conical valve member 1552 cooperating with a mixing tube outlet 1554. An outlet basin is formed between the valve plate 1564 and the mixing tube outlet 1554 to allow the fuel / air mixture to enter the combustion zone 1524. The plate member 1564 is a stem
It is connected to 1546 and has a cooling channel 1566. Valve stem 15
46 is an actuator 1556 under the control of controller 1557.
Moves along axis 1542. As described with respect to FIG. 16, the outlet basin varies with the axial position of the plate member 1564 relative to the mixing tube outlet 1554.
【0129】図16に示す実施例と比較して重要なこと
は、図18A 〜図18C に示す実施例は、各燃料弁と連動し
て、混合管中の混合物の燃料/空気比を決定する空気弁
/アクチュエータ組立体を有することである。まず単一
プレミキサのエンジン構造を示す図18A を参照して、空
気弁/アクチュエータ組立体1590は、コントローラ1557
の制御によりプレミキサ1530に入る圧縮空気流れを直接
調節する。燃料弁1535を経てノズル1536から供給される
燃料と空気弁組立体1590を経て供給される圧縮空気をと
もに制御すると、図16に示すようにほとんど全ての燃焼
用空気がプレミキサに入るので、制御された燃料/空気
比を有する混合物は燃焼域1524に入る。混合管出口の面
積を制御する本発明の利点は、混合物の燃料/空気比を
制御する装置に限定されないが、フラッシュバック、炎
の不安定性及び/又は衝突現象を最小にするとともに、
上記制御された燃料/空気比を有する混合物を燃焼する
ことにより重要な利点が得られる。Importantly compared to the embodiment shown in FIG. 16, the embodiment shown in FIGS. 18A-18C works in conjunction with each fuel valve to determine the fuel / air ratio of the mixture in the mixing tube. Having an air valve / actuator assembly. Referring first to FIG. 18A showing a single premixer engine structure, the air valve / actuator assembly 1590 is connected to the controller 1557.
Control the compressed air flow entering the premixer 1530 directly. When controlling both the fuel supplied from the nozzle 1536 via the fuel valve 1535 and the compressed air supplied via the air valve assembly 1590, almost all the combustion air enters the premixer as shown in FIG. A mixture having a different fuel / air ratio enters combustion zone 1524. The advantages of the present invention of controlling the area of the mixing tube outlet are not limited to devices that control the fuel / air ratio of the mixture, but minimize flashback, flame instability and / or collision phenomena, and
Combusting a mixture having a controlled fuel / air ratio as described above provides significant advantages.
【0130】しかし、図16に示す「空気弁のない」実施
例は、図5A及び図5Bに示す構造に関して説明したよう
に、圧縮気流が出力レベルの関数であるような用途で燃
料/空気比の制御を行うのに用いることができる。However, the "pneumatic valveless" embodiment shown in FIG. 16 has a fuel / air ratio in applications where the compressed air flow is a function of power level, as described with respect to the structure shown in FIGS. 5A and 5B. Can be used to control
【0131】さらに図13A 、図14C 、図15A 及び図15B
に示すのと同様に、空気弁組立体1590は、プレミキサハ
ウジング1538、従ってベンチュリ管入口1540、さらにバ
イパス1588を経た第二の希釈ポート(図示せず)に流入
する空気流を調節する三方弁1592を有する。しかし、上
記バイパスの特徴を使用しない場合、本発明のプレミキ
サ装置は二方空気弁を用いて構成することができる。Furthermore, FIG. 13A, FIG. 14C, FIG. 15A and FIG. 15B
Similar to that shown in Figure 3, the air valve assembly 1590 is a three-way valve that regulates the air flow into the premixer housing 1538, and thus the venturi inlet 1540, and the second dilution port (not shown) via bypass 1588. Having 1592. However, if the bypass feature described above is not used, the premixer device of the present invention can be configured with a two-way air valve.
【0132】さらにプレミキサ装置は、図18A に示す単
段プレミキサと同様に、多段プレミキサを有しても良
い。図18B は4つのプレミキサ、1つの空気弁及び1つ
の燃料弁を有するエンジン構造の軸線方向端面図であ
り、かかるエンジン構造により、本出願人の米国特許出
願第60/081,465号(本明細書に引用し、その記載の一部
を構成する)で詳細に説明した理由により、スペースを
節減できる。具体的には、図18B に概略的に示すエンジ
ンは、燃料弁1535' を経てプレミキサ1532' に流入する
燃料を制御するとともに、プレミキサ組立体1530' の4
つのプレミキサ1532' の各々に流入する燃焼用空気を制
御するために、空気弁/アクチュエータ組立体1590' を
使用する。プレミキサ1532' の混合管の軸線は、一般に
軸線1518' (図14B 示す構成と同様にタービン軸線151
8' に対して90°未満しか傾していない)と交差する。
図18B の線分A-A に沿った概略断面図である図18C は、
空気弁/アクチュエータ組立体1590' から軸線1518' の
回りに円周状に離隔した位置にあるプレミキサ組立体15
30' のプレミキサ1532' を示す。図18C において、図15
Aに示す構造に関して説明したのと同様に、コンプレッ
サから来る圧縮空気は環状シール1594' により空気弁15
92' に送給される。また弁1592' を出る空気は、マニホ
ルド1598' を経て個々のプレミキサ1532' に分配され
る。米国特許出願第 60/081,465 号に記載されているよ
うに、マニホルド1598' は円錐状排気部1600'を包囲す
る環状空間内に位置する。Further, the premixer device may have a multistage premixer, like the single stage premixer shown in FIG. 18A. FIG. 18B is an axial end view of an engine structure having four premixers, one air valve and one fuel valve, which engine configuration results in U.S. patent application Ser. No. 60 / 081,465 (herein incorporated by reference). Quoting and forming part of the description) save space. Specifically, the engine shown schematically in FIG. 18B controls the fuel flowing into the premixer 1532 'through the fuel valve 1535', and also controls the fuel flow in the premixer assembly 1530 '.
An air valve / actuator assembly 1590 'is used to control the combustion air entering each of the two premixers 1532'. The axis of the mixing tube of the premixer 1532 'is typically the axis 1518' (similar to the configuration shown in Figure 14B).
Less than 90 ° to 8 ').
FIG. 18C is a schematic cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 18B.
Premixer assembly 15 located circumferentially spaced from air valve / actuator assembly 1590 'about axis 1518'
A 30 'premixer 1532' is shown. In Figure 18C, Figure 15
In the same way as described for the structure shown in A, the compressed air coming from the compressor is forced by the annular seal 1594 'into the air valve 15
Delivered to 92 '. Air exiting valve 1592 'is also distributed to individual premixers 1532' via manifold 1598 '. A manifold 1598 'is located within an annular space surrounding a conical exhaust 1600', as described in U.S. Patent Application No. 60 / 081,465.
【0133】また本発明のプレミキサ装置は、図18B 及
び図18C に示す実施例に使用する単一空気弁1592' 及び
燃料弁1535' の代わりに、各プレミキサ用の個別の空気
弁及び燃料弁を有していても良い。さらに図18A 及び図
18C に示す個々のアクチュエータ1556, 1556' の代わり
に、相互に連結した混合弁を作動させるシステムを使用
してもよい。また図18A 及び図18C に点線で示すが、ア
クチュエータ1556及び1556' を経て各混合弁の位置を制
御するのに使用するコントローラ1557及び1557' に入力
するために、図16に1480,1480aで示すのと同じ圧力セン
サを用いても良い。The premixer system of the present invention also includes a separate air valve and fuel valve for each premixer instead of the single air valve 1592 'and fuel valve 1535' used in the embodiment shown in Figures 18B and 18C. You may have. See Figure 18A and Figure
Instead of the individual actuators 1556, 1556 'shown in 18C, a system for actuating interconnected mixing valves may be used. Also shown in dotted lines in Figures 18A and 18C are shown in Figure 16 at 1480 and 1480a for input into the controllers 1557 and 1557 'used to control the position of each mixing valve via actuators 1556 and 1556'. The same pressure sensor as the above may be used.
【0134】さらに図18C から分かるように、ステム15
46' 及び板部材1564' を有する混合弁1552' は、プレミ
キサハウジング1538' に取り付けられた固定部材1596'
に摺動自在に取り付けられている。当業者に明らかなよ
うに、固定部材1596' は弁ステム1546' のための細長い
ベアリング支持体となるのが有利である。As can be seen further from FIG. 18C, the stem 15
Mixer valve 1552 'with 46' and plate member 1564 'is a fixed member 1596' mounted on premixer housing 1538 '.
It is slidably attached to. As will be apparent to those of ordinary skill in the art, the securing member 1596 'advantageously provides an elongated bearing support for the valve stem 1546'.
【0135】図19A 〜図19C は本発明の第二の実施例に
よる装置、燃焼器システム、及びプレミキサから燃焼器
に流入する燃料/空気混合物の速度を制御するために可
変の混合管出口形状を利用するガスタービンエンジンを
示す。具体的には、図19A は、図8に示すエンジン構造
と同様に配置されたコンプレッサセクション1912、環状
燃焼器1920及びラジアルタービン1916を有するガスター
ビンエンジン1910を示す。エンジン1910は、一対のマニ
ホルド1925,1927 (図19A では1925だけ見える)を経て
単一空気弁1990から制御された流量の燃焼用圧縮空気が
供給される単一のプレミキサ1932を有する。図19A に示
すように、後述する理由により、空気弁1990は意図的に
プレミキサ1932に対して直径方向に対向する角位置に配
置されている。図19〜図19C では単一のプレミキサが示
されているが、本発明では単一又は多数の空気弁を有す
る多段プレミキサを使用しても良い。また前段プレミキ
サ燃焼器システムを使用する以外図14〜図15に示されて
いるように、プレミキサはエンジン軸線1918に関して傾
斜していても良い。FIGS. 19A-19C show an apparatus according to a second embodiment of the invention, a combustor system, and a variable mixing tube outlet geometry for controlling the velocity of the fuel / air mixture entering the combustor from the premixer. The gas turbine engine used is shown. Specifically, FIG. 19A shows a gas turbine engine 1910 having a compressor section 1912, an annular combustor 1920 and a radial turbine 1916 arranged similarly to the engine structure shown in FIG. The engine 1910 has a single premixer 1932 which is supplied with a controlled flow of compressed compressed air from a single air valve 1990 via a pair of manifolds 1925, 1927 (only 1925 visible in Figure 19A). As shown in FIG. 19A, the air valve 1990 is intentionally placed at an angular position that is diametrically opposed to the premixer 1932 for reasons to be described later. Although a single premixer is shown in FIGS. 19-19C, a multistage premixer with single or multiple air valves may be used with the present invention. The premixer may also be tilted with respect to the engine axis 1918, as shown in FIGS. 14-15 except that a pre-stage premixer combustor system is used.
【0136】図19B 及び図19C に最も良く示されている
ように、プレミキサ1932は、摺動ジョイント1947により
連結された入口部1946a 及び出口部1946b を有するベン
チュリ式混合管1946を有する。ジョイント1947は、ベン
チュリ部1946a (プレミキサに対して固定されている)
と、一対のラック及びピニオンの駆動手段1951,1953に
より混合管の軸線1974に沿って移動自在な部分1946b と
の間で、相対的に摺動自在な構造を有する。駆動手段19
51,1953 はプレミキサ1938内に取り付けられているが、
図19B に概略的に示すコントローラ1994の制御下で、プ
レミキサハウジング1938の外部に取り付けた電気的、油
圧式又は空圧式アクチュエータ(図示せず)により同期
的に駆動することができる。説明の目的だけのために、
図19B 及び図19C では、ベンチュリ部1946b のうちベン
チュリ管軸線1974の左側にある部分は燃焼域1924への挿
入深さに対して充分に(上方へ)後退した位置に示され
ており、またベンチュリ部1946b のうち軸線1974の右側
にある部分は充分に(下方へ)拡張した位置に示されて
いる。As best shown in FIGS. 19B and 19C, the premixer 1932 has a venturi mixing tube 1946 having an inlet section 1946a and an outlet section 1946b connected by a sliding joint 1947. Joint 1947 is Venturi 1946a (fixed to premixer)
And a portion 1946b which is movable along the axis 1974 of the mixing tube by a pair of rack and pinion driving means 1951, 1953, and has a relatively slidable structure. Drive means 19
51,1953 are installed in the premixer 1938,
It can be driven synchronously by an electrical, hydraulic or pneumatic actuator (not shown) mounted outside the premixer housing 1938 under the control of a controller 1994, shown schematically in FIG. 19B. For explanation purposes only,
19B and 19C, the part of the venturi portion 1946b on the left side of the venturi tube axis 1974 is shown in a position sufficiently (upwardly) retracted with respect to the insertion depth into the combustion zone 1924, and The portion of portion 1946b to the right of axis 1974 is shown in the fully (downward) expanded position.
【0137】図19C に最も良く示されているように、移
動自在なベンチュリ部1946b はノズル組立体1972を有す
る。ノズル組立体1972は、中空状円錐状のエンドキャッ
プ1903、ベンチュリ部1946b に連結したスリーブ延長部
1907、及びスリーブ1907及びエンドキャップ1903ととも
にノズル出口ポート1909を形成する壁部又はリブ部1905
を有する。出口ポート1909は、分離したほぼ円筒形状の
環状出口の流域を有する。ノズル組立体1972は、前段シ
ステムとともに使用するノズル組立体構造、特に環状燃
焼器ととにも使用するようになっている非対称ノズル組
立体構造(図10及び図11に詳細に示す)に類似してい
る。ベンチュリ部1946b とともにノズル組立体1972は、
同軸状スカート部1949内に摺動自在に配置されている。
スカート部1949はエンジン圧力容器1914に連結してお
り、ベンチュリ部1946a と同様に、可動ベンチュリ部19
46b に対して「固定」されており、ノズル組立体1972に
取り付けられている。図19C はまたスカート部1949に形
成された冷却穴1967を示す。冷却穴1967は、スカート部
1949と可動ベンチュリ部1946b との間に少量の冷却空気
を軸線方向に流し、もってスカート部のうち燃焼域1924
まで延在する部分1949aの作動温度を低下させる。As best shown in FIG. 19C, the moveable venturi portion 1946b has a nozzle assembly 1972. Nozzle assembly 1972 is a sleeve extension connected to a hollow conical end cap 1903 and a venturi section 1946b.
1907 and the wall or rib 1905 that forms the nozzle outlet port 1909 with the sleeve 1907 and the end cap 1903.
Have. The outlet port 1909 has a separate, generally cylindrical, annular outlet basin. Nozzle assembly 1972 is similar to the nozzle assembly structure for use with the pre-stage system, especially the asymmetric nozzle assembly structure (shown in detail in FIGS. 10 and 11) for use with annular combustors. ing. The nozzle assembly 1972 along with the venturi section 1946b
Slidingly disposed within the coaxial skirt 1949.
The skirt portion 1949 is connected to the engine pressure vessel 1914 and, like the venturi portion 1946a, the movable venturi portion 1914.
It is "fixed" to 46b and attached to the nozzle assembly 1972. FIG. 19C also shows cooling holes 1967 formed in the skirt 1949. Cooling hole 1967 is the skirt
A small amount of cooling air is made to flow axially between 1949 and the movable venturi portion 1946b, so that the combustion area 1924 of the skirt portion is
Reduce the operating temperature of the portion 1949a extending to.
【0138】重要なことは、図19C から明らかなよう
に、スカート部の端部1949a とノズル組立体出口ポート
1909との重複程度により、燃料/空気混合物に利用可能
な流域が制限されることである。この意味で、可動ノズ
ル組立体1972及び固定スカート部材1949は協同して、ベ
ンチュリ部1946b の移動方向に応じて、出口ポート1909
を通過する燃料/空気混合物の有効流域を増減する弁と
して機能する。すなわち、図16〜図18に示す本発明の実
施例に関して上述したように、プレミキサ1932を通過す
る燃料/空気混合物の所定の流量に対して、ベンチュリ
部1946b 及びノズル組立体1972を図19C に示す上方に引
き込むことにより利用可能な出口流域が減少すると、燃
料/空気混合物の速度が増大するが、図19C に示す構造
のベンチュリ部1946b が下方に移動すると利用可能な流
域が増大し、もって混合物出口速度が遅くなる。It is important to note that the skirt end 1949a and the nozzle assembly outlet port can be seen in FIG. 19C.
The extent of overlap with 1909 limits the basin available to the fuel / air mixture. In this sense, the movable nozzle assembly 1972 and the fixed skirt member 1949 cooperate to produce the outlet port 1909 depending on the moving direction of the venturi portion 1946b.
Acts as a valve to increase or decrease the effective basin of the fuel / air mixture passing through. That is, a venturi section 1946b and nozzle assembly 1972 are shown in FIG. 19C for a given flow rate of the fuel / air mixture through the premixer 1932, as described above with respect to the embodiment of the invention shown in FIGS. 16-18. Decreasing the available outlet basin by pulling upwards will increase the velocity of the fuel / air mixture, while moving the venturi section 1946b of the structure shown in Figure 19C downwards will increase the available basin and thus the mixture outlet. Slow down.
【0139】ノズル組立体1972により得られる利点は、
図8〜図11に示す前段構造に関して説明したように、過
度の壁衝突のない環状燃焼器内に燃料/空気混合物を分
配することである。図8の実施例と同様に、ノズル組立
体1972も、混合管の流域に対して出口ポートの流域面積
が減少した構造とすることにより、ポート1909を通過す
る流れを速め、フラッシュバックに対する余裕を大きく
することができる。図示されていないが、混合管及びス
カート部の構成部品、例えば軸線方向に可動なスカート
部を構成する部品とともに単体可動混合管又は固定され
た単体ベンチュリ混合管(及びノズル組立体)の構造の
変更例も、明らかに本発明の範囲内である。当業者に容
易に分かるように、所望の混合弁効果をもたらすもの
は、構成部品間の相対運動である。従って、この意味で
本発明は特許請求の範囲及びその均等物に限定されるだ
けで、記載の具体的実施例に限定されるものではない。The advantages provided by nozzle assembly 1972 are:
Distributing the fuel / air mixture into the annular combustor without excessive wall impingement, as described with respect to the pre-stage construction shown in FIGS. 8-11. Similar to the embodiment of FIG. 8, the nozzle assembly 1972 also has a structure in which the basin area of the outlet port is reduced with respect to the basin of the mixing tube, thereby accelerating the flow through the port 1909 and providing a margin for flashback. Can be large. Although not shown in the drawing, the structure of the mixing tube and the skirt part, for example, the structure of the unitary movable mixing tube or the fixed unitary Venturi mixing tube (and the nozzle assembly) together with the part forming the axially movable skirt section is changed. Examples are also clearly within the scope of the invention. As will be readily appreciated by those skilled in the art, it is the relative movement between the components that provides the desired mixing valve effect. Therefore, in this sense, the present invention is limited only to the claims and their equivalents, and not to the specific embodiments described.
【0140】また図19B を参照して、運転中、燃料/空
気プレミキサ1932は円筒形空気弁1990及びマニホルド19
25,1927 を経てガスタービンエンジンコンプレッサ1912
(図19B に示されていない)から圧縮空気を吸入する。
マニホルド1925,1927 は別々の導管でも良いが、図19B
に示すように圧力容器1914の外面と協同する部材により
形成しても良い。図19B に示すように、コンプレッサ19
12から来る空気は、圧力容器1914及び冷却シュラウド19
28の間でほぼ軸線方向にの流れる。その後、圧縮空気の
一部は衝突冷却用の穴部1981,1983 中を流れるが、残部
は円周状に流れて空気弁1990に流入する。図19B では
「二方向」空気弁として示されているが、空気弁1990
は、燃焼又は衝突冷却に直接必要でない圧縮空気の一部
が第二の組の希釈ポート(図示せず)にそれ、もって燃
焼器ライナー1922と冷却ライナー1928との間で(すなわ
ち軸線方向に)冷却空気用の正規の流路を迂回し、第一
の希釈ポート(図示せず)に流入するような構造の三方
弁としても良い。このような構成の利点及びその説明
は、図13A 〜図13C に示すシステムのような前段システ
ムの説明に十分に記載されている。Referring also to FIG. 19B, in operation, the fuel / air premixer 1932 has a cylindrical air valve 1990 and a manifold 19
Gas turbine engine compressor 1912 through 25,1927
Inhale compressed air (not shown in Figure 19B).
The manifolds 1925 and 1927 can be separate conduits, but Figure 19B
It may be formed by a member cooperating with the outer surface of the pressure vessel 1914 as shown in FIG. As shown in Figure 19B, compressor 19
Air coming from 12 is pressure vessel 1914 and cooling shroud 19
Between 28 the flow is almost axial. After that, a part of the compressed air flows through the collision cooling holes 1981 and 1983, but the rest flows circumferentially and flows into the air valve 1990. Although shown as a "two-way" air valve in Figure 19B, the air valve 1990
A portion of the compressed air that is not directly required for combustion or impingement cooling is directed into the second set of dilution ports (not shown), thus between the combustor liner 1922 and the cooling liner 1928 (ie axially). A three-way valve having a structure that bypasses the regular flow path for the cooling air and flows into the first dilution port (not shown) may be used. The advantages of such an arrangement and its description are fully described in the description of a pre-stage system such as the system shown in FIGS. 13A-13C.
【0141】マニホルド1925,1927 を経て空気弁1990か
らプレミキサハウジング1938まで送給される圧縮空気
は、ベンチュリ混合管の固定部であるベンチュリ入口部
1946aを経てベンチュリ管1946に入る。この空気は、ノ
ズル組立体1972のエンドキャップ1903に到達するまでプ
レミキサ軸線1974に沿って流れながら、燃料弁1985から
来る燃料と混合される。ノズル組立体1972において、混
合物はプレミキサ軸線1974から離隔するようにそらさ
れ、図19C において矢印F1 ,F2 で示す反対の接線方
向とエンジン軸線1918(図示せず)の方向とに分配され
る。図19C において、流れを示す矢印F1 は流れ矢印F
2 より大きくかつ長く表されているが、これにより、ノ
ズル出口ポートが充分に伸長し開いた場合(図19C でプ
レミキサ軸線1974の右側)より、ノズル出口ポートの開
口がスカート部1949により部分的に制限された場合(図
19C でプレミキサ軸線1974の左側)の方が、ノズル出口
ポート1909を通過する速度が大きいことを表す。The compressed air sent from the air valve 1990 to the premixer housing 1938 through the manifolds 1925 and 1927 is the venturi inlet part which is the fixed part of the venturi mixing tube.
Enter Venturi tube 1946 via 1946a. This air mixes with fuel coming from fuel valve 1985 as it flows along premixer axis 1974 until it reaches end cap 1903 of nozzle assembly 1972. In the nozzle assembly 1972, the mixture is deflected away from the premixer axis 1974 and distributed in opposite tangential directions indicated by arrows F 1 and F 2 in FIG. 19C and in the direction of the engine axis 1918 (not shown). . In FIG. 19C, the flow arrow F 1 is a flow arrow F 1.
It is shown to be larger and longer than 2 so that when the nozzle outlet port is fully extended and opened (to the right of the premixer axis 1974 in Figure 19C), the nozzle outlet port opening is partially covered by the skirt 1949. When restricted (Fig.
The left side of the premixer axis 1974 at 19C) indicates that the velocity through the nozzle outlet port 1909 is higher.
【0142】中間の開口面積が得られるようにベンチュ
リ混合管1946の動きを変えることができるが、図19B に
示すように燃料/空気比は空気弁1990により制御される
ので、二位置システム(充分に後退又は伸長している)
で十分である。しかし本発明は、可動ベンチュリ部1946
b の位置を例えばコントローラ1994により中間位置にを
制御する構成もカバーする。The movement of the Venturi mixing tube 1946 can be varied to obtain an intermediate open area, but the fuel / air ratio is controlled by the air valve 1990 as shown in FIG. Has retreated or extended)
Is enough. However, the present invention is not limited to the movable venturi section 1946.
It also covers a configuration in which the position of b is controlled to an intermediate position by, for example, controller 1994.
【0143】図20B 及び図20A は、缶型燃焼器に好適な
図19A 〜図19C に示すプレミキサの可変形状の変更例を
示す概略図である。図13は、前段が固定された形状を有
するプレミキサ出口システムを有する缶型燃焼器のよう
な用途を示す。しかし、図13に示す具体的な用途は、図
20A 及び図20B に示す実施例の用途を制限するものでは
なく、まして本発明の範囲を制限するものでもない。20B and 20A are schematic views showing modifications of the variable shape of the premixer shown in FIGS. 19A to 19C suitable for a can-type combustor. FIG. 13 shows an application such as a can combustor having a premixer outlet system having a fixed front stage geometry. However, the specific use shown in Figure 13 is
It does not limit the application of the embodiments shown in FIGS. 20A and 20B, let alone the scope of the invention.
【0144】具体的には、図20A は、ノズル組立体2072
が連結したベンチュリ式混合管の下部2046b を示す。ノ
ズル組立体2072は開口端を有する円錐状エンドキャップ
2035と、スリーブ延長部2037と、開口端を有するくさび
形のリブ2039(エンドキャップ2035及びスリーブ2037を
連結する)とを有する。くさび形リブ2039及びスリーブ
2037とともに、エンドキャップ2035の円錐状表面は、燃
料/空気混合物を缶型燃焼器に流入させるための複数の
ノズル出口ポート2033を形成する。ノズルポート2033は
一般にノズル組立体2072用の分割された円筒形環状出口
流域を形成する。エンドキャップ2035の両開口端及びく
さび形リブ2039の両開口端により、燃料/空気混合物
(図20A 及び図20B で湾曲矢印により示す)が再循環さ
れるとともに、出口ポート2033の下流で火炎が保持さ
れ、もって燃焼安定性が向上する。Specifically, FIG. 20A shows a nozzle assembly 2072.
Shows the lower portion 2046b of the Venturi type mixing tube connected by the. Nozzle assembly 2072 is a conical end cap with an open end
2035, a sleeve extension 2037, and a wedge-shaped rib 2039 having an open end (connecting the end cap 2035 and the sleeve 2037). Wedge rib 2039 and sleeve
Together with 2037, the conical surface of the end cap 2035 forms a plurality of nozzle outlet ports 2033 for admitting the fuel / air mixture into the can combustor. Nozzle port 2033 generally forms a split cylindrical annular outlet basin for nozzle assembly 2072. Open ends of the end cap 2035 and wedge ribs 2039 recirculate the fuel / air mixture (indicated by the curved arrows in FIGS. 20A and 20B) and retain the flame downstream of the outlet port 2033. Therefore, combustion stability is improved.
【0145】ノズル組立体2072は、ノズル組立体2072が
混合管部2046b とともに混合管/プレミキサ軸線2074に
沿って上下動することができるという重要な違いがある
が、図13に示す構造の非対称なノズル組立体1132と同様
である。図19A 〜図19C に示す実施例のように、この動
きは、固定された混合管部(全体は図示せず)に対して
部材2046b を動かすラック/ピニオン駆動手段を使用す
ることにより、達成することができる。あるいは、ノズ
ル組立体2072を担持するプレミキサハウジング(図示せ
ず)内で滑動するように適宜取り付けられた一体型混合
管を使うこともできる。The nozzle assembly 2072 has the important difference that the nozzle assembly 2072 can move up and down along the mixing tube / premixer axis 2074 with the mixing tube section 2046b, but with the asymmetric structure of the structure shown in FIG. It is similar to the nozzle assembly 1132. As in the embodiment shown in FIGS. 19A-19C, this movement is accomplished by using rack / pinion drive means to move member 2046b relative to a fixed mixing tube section (not shown overall). be able to. Alternatively, an integral mixing tube suitably mounted for sliding within a premixer housing (not shown) carrying the nozzle assembly 2072 may be used.
【0146】重要なことは、図20B に最も良く示されて
いるように、同軸的に配置された静止スカート部2049の
下部2049a が、出口ポート2033を通る効果的なノズル流
域を形成する弁として可動ノズル組立体2072と協働し、
もって混合物出口の速度を制御するように構成されてい
ることである。図20B に示す位置は完全に開口した位置
であり、ノズル組立体2072が燃焼器内に最も深く進入し
た場合を表す。当業者に明らかなように、例えば低出力
又はアイドリング状態の間、軸線2074に沿って混合管の
部分2046b 及びノズル組立体2072(上方)は引っ込み、
軸線方向端部2049a は出口ポート2033の一部をブロック
し、一定の混合物流量に対して有効流域を減少させると
ともに速度を増大させる。Importantly, as best shown in FIG. 20B, the lower portion 2049a of the coaxially located stationary skirt 2049 is a valve that forms an effective nozzle flow area through the outlet port 2033. In cooperation with the movable nozzle assembly 2072,
Therefore, it is configured to control the speed of the mixture outlet. The position shown in FIG. 20B is a fully open position and represents the case where the nozzle assembly 2072 has penetrated deepest into the combustor. Those skilled in the art will appreciate that during periods of low power or idling, for example, along the axis 2074 the portion 2046b of the mixing tube and the nozzle assembly 2072 (above) retract,
Axial end 2049a blocks a portion of outlet port 2033, reducing the effective basin and increasing velocity for a given mixture flow rate.
【0147】再び図19A 〜図19C を参照して、図示の特
定の空気弁及びプレミキサの配向により更なる効果が得
られる。図19A 〜図19C に示す実施例では、プレミキサ
ノズル組立体に近いことと混合物出口速度の制御のため
に、環状燃焼器1920中の燃焼域1924の上半分1924a は、
燃料の燃焼が起こる反応域の大部分を構成し、下半分19
24b は移送ダクトのように機能する。燃焼器1920の冷却
方式はこの要件に従うように設計されている。全速力の
場合、エンジン内の空気量の30%超は燃焼器の上半分を
冷却するのに用いられ、僅か約20%だけが下半分の冷却
に要求される。プレミキサの流量は空気量の約45%を占
め、また約5%はこれらの条件で高温部を冷却するため
に必要である。空気をプレミキサに供給するために燃焼
器の下半分1924b から空気を取り出すと、下記の理由
で、より好適なスプリットが得られる。Referring again to FIGS. 19A-19C, additional benefits are achieved by the particular air valve and premixer orientation shown. In the embodiment shown in FIGS.19A-19C, the upper half 1924a of the combustion zone 1924 in the annular combustor 1920, due to its proximity to the premixer nozzle assembly and control of the mixture exit velocity,
It constitutes the majority of the reaction zone where the combustion of fuel takes place, the lower half 19
24b acts like a transfer duct. The cooling scheme of combustor 1920 is designed to comply with this requirement. At full speed, more than 30% of the air volume in the engine is used to cool the upper half of the combustor, and only about 20% is required to cool the lower half. The flow rate of the premixer accounts for about 45% of the air volume and about 5% is needed to cool the hot section under these conditions. Taking air out of the lower half 1924b of the combustor to supply air to the premixer provides a better split for the following reasons.
【0148】第一に、弁がトップにある場合よりも少な
い量の空気をそらさなければならなない。コンプレッサ
は冷却ライナー1928を包囲する圧力容器1914に空気を均
一に送給するので、上部がプレミキサで下部が空気弁の
配置の場合、空気の約15%(20%+45%−50%)が燃焼
器の周囲のエンジンの上半分から下半分まで流れれば良
い。一方、上部が空気弁で上部がプレミキサの配置の場
合、空気の約25%(30%+45%−50%)がエンジンの下
半分から上半分まで動けば良い。このように空気弁を下
部に配置することにより平均速度(従って圧力損失)が
低減するので、流域はより効率的に利用され、圧力低下
は低減される。First, it must divert less air than if the valve were at the top. The compressor delivers air evenly to the pressure vessel 1914 that surrounds the cooling liner 1928, so about 15% (20% + 45% -50%) of the air burns when the premixer is on top and the air valve is on the bottom. Flow from the upper half to the lower half of the engine around the vessel. On the other hand, if the upper part is an air valve and the upper part is a premixer arrangement, approximately 25% (30% + 45% -50%) of the air should move from the lower half to the upper half of the engine. By arranging the air valve in the lower part in this way, the average velocity (and thus the pressure loss) is reduced, so that the water basin is used more efficiently and the pressure drop is reduced.
【0149】図19A 〜図19C の実施例において底部に弁
を配置する第二の理由は、空気弁に流入する空気がρ+
1/2ρv 2 =一定により表される式に従って、静圧低下
を受けることである。圧力容器と冷却ライナーとの間の
静圧が減少するにつれて、冷却ライナーの両側の圧力差
は減少し、その結果一定サイズの穴を通過する冷却空気
の流量も減少する。弁を閉鎖すると、弁方向に流れる空
気の量及び速度は最高となり、最低の静圧及び最低の衝
突冷却の流れになる。しかし、反応域が頂部にある場合
に余り冷却が必要でないときには、衝突冷却流は減少す
る。従って、図19A 〜図19C に示す構成において、冷却
の要求レベルが低い領域、すなわちエンジンの底部から
プレミキサの空気を取り出すのが有利である。The second reason for arranging the valve at the bottom in the embodiment shown in FIGS. 19A to 19C is that the air flowing into the air valve is ρ +
1/2 ρ v 2 = subject to a static pressure drop according to the equation represented by constant. As the static pressure between the pressure vessel and the cooling liner decreases, the pressure differential across the cooling liner decreases, resulting in a decrease in the flow rate of cooling air through the constant size holes. Closing the valve maximizes the amount and velocity of air flowing in the direction of the valve resulting in the lowest static pressure and lowest impingement cooling flow. However, the impingement cooling flow is reduced when less cooling is required when the reaction zone is at the top. Therefore, in the configuration shown in FIGS. 19A-19C, it is advantageous to remove the air in the premixer from a region where the required level of cooling is low, that is, the bottom of the engine.
【0150】要するに、(1) エンジン内で排気しなけれ
ばならない空気量が少なく、(2) 冷却の要求レベルが最
も低い場合、最大の静圧低下が起こるという理由で、プ
レミキサ出口から離隔した圧力容器の領域からプレミキ
サ用の空気を取るのが有利である。In summary, if (1) the amount of air that must be exhausted in the engine is small, and (2) the required level of cooling is the lowest, the pressure that is separated from the premixer outlet is the reason why the maximum static pressure drop occurs. It is advantageous to take the air for the premixer from the area of the container.
【0151】要するに、一定形状の出口を有するプレミ
キサにおいて、予備混合物の出口速度は空気弁の位置と
ともに変化する。図19B 及び図19C に示すのと同様であ
るが可変形状の出口を有さない構成(空気弁はアイドリ
ング又は低出力運転の間ほとんど閉じたままである。)
において、少量の空気だけ約20m/秒の速度及び範囲で
ベンチュリ混合管を通過すると、上記炎速度(ほぼ10m
/秒未満)より速い領域に充分な余裕が得られるので、
フラッシュバックを避けることができる。このような構
造において、全速力時に出口速度は70m/秒を超え、不
安定な燃焼が生じる恐れがある。また高速時において、
空気をベンチュリ管に通過させて定格出力を減少させる
か、充分な冷却空気を冷却シュラウドに通過させてライ
ナーを冷却し、最後に希釈ポートから流れを出させるの
に十分な圧力低下が得られないかも知れない。圧力低下
を低減するとともに部分的出力下でフラッシュバックを
避けるために、図16〜図20に示すような可変出口形状を
有するプレミキサ構造を使用するのが有利である。コン
プレッサの流れにより、例えば二軸エンジン又は任意の
複数スプールエンジン中の流れが変化すると、アイドリ
ング時の流量は低出力で非常に小さくなり、フラッシュ
バックを避け、もってプレミキサ内部での燃焼を避ける
ために、可変出口のプレミキサの使用がより有利にな
る。システム内の圧力損失を低減する他に重要な利点
は、一定出口形状のシステムが全出力時のときの出口速
度を低下させることである。これにより、燃焼器ライナ
ー上への衝突及び熱負荷を実質的に低減する。さらに安
定した燃焼に必要な低炎速度を得るために、プレミキサ
出口からの距離を短くすると、燃焼器の体積をより良く
利用することができる。In summary, in a premixer with a uniform shaped outlet, the outlet velocity of the premix changes with the position of the air valve. A configuration similar to that shown in Figures 19B and 19C but without a variable geometry outlet (pneumatic valve remains almost closed during idle or low power operation).
In the above, when only a small amount of air passes through the Venturi mixing tube at a velocity and range of about 20 m / sec, the above flame velocity (approximately 10 m
(Less than / sec), you can get a sufficient margin in the faster area.
You can avoid flashbacks. In such a structure, the outlet speed exceeds 70 m / sec at full speed, and unstable combustion may occur. Also at high speed,
There is not enough pressure drop to pass air through the venturi to reduce rated power, or enough cooling air through the cooling shroud to cool the liner and finally outflow from the dilution port. May. In order to reduce the pressure drop and avoid flashback under partial power, it is advantageous to use a premixer structure with a variable outlet geometry as shown in Figures 16-20. If the flow of the compressor changes, for example in a twin-screw engine or any multi-spool engine, the flow rate at idling will be very small at low power, to avoid flashback and thus to avoid combustion inside the premixer. The use of a variable exit premixer becomes more advantageous. Another important advantage of reducing pressure drop in the system is that the constant exit geometry system reduces the exit velocity at full power. This substantially reduces impact and heat load on the combustor liner. A shorter distance from the premixer outlet to obtain the lower flame velocity needed for more stable combustion allows better utilization of the combustor volume.
【0152】本発明の燃焼器システム、燃料/空気プレ
ミキサ装置及びそれらの操作方法に基づいて、当業者で
あれば本発明の要旨から逸脱することなく種々の変更を
行うことができる。具体的には、ラジアルガスタービン
エンジンに関して本発明の実施方法を記載したが、本発
明はこの特定の種類のガスタービンエンジンに限定され
るものではなく、アクシャルガスタービンエンジン及び
でアクシャル/ラジアル混合型ガスタービンエンジンに
も適用することができる。同様に、図18A に示すアクチ
ュエータ1556のような混合弁アクチュエータを、コント
ローラ(例えば1557)、又は図19B に示すコントローラ
1994(精度のために現在ではマイクロプロセッサが好ま
しい。)の制御下にある駆動手段1951,1953用のアクチ
ュエータ(図示せず)により制御するのが、現在では精
度のために好ましいが、より簡単で安価な構造のものを
使用しても良い。Various modifications can be made by those skilled in the art based on the combustor system, the fuel / air premixer apparatus and the operating method thereof according to the present invention without departing from the scope of the present invention. Specifically, although the method of practicing the present invention has been described with respect to a radial gas turbine engine, the present invention is not limited to this particular type of gas turbine engine and is intended to be an axial gas turbine engine and an axial / radial mixed engine. Type gas turbine engine. Similarly, a mixing valve actuator, such as actuator 1556 shown in FIG.
Controlled by an actuator (not shown) for the drive means 1951, 1953 under the control of 1994 (currently preferred microprocessor for accuracy) is now preferred for accuracy but simpler An inexpensive structure may be used.
【0153】例えば、可動混合弁構成部品は、主空気弁
の設定を変更するに応じて変動するベンチュリ管上部箱
内の空気圧力により、機械的又は油圧式/空圧式に動か
しても良い。また主空気弁を作動するアクチュエータの
動きに応じてに作動するアクチュエータの動きに応じ
て、構成部品を機械的又は油圧式に駆動しても良い。い
ずれの場合も、高負荷時に環状エアギャップは最大であ
るがアイドル時に最小であり、もって連続的位置制御の
ためにアイドリングから全出力まで速度を一定に保つ。
上記の通り、安価な態様として高定の2つの設定とし
も、前段構造においては固定形状よりも改良されてい
る。冷却及び保炎に関する上記説明は全て、この態様に
対しても当てはまる。For example, the moveable mixing valve components may be mechanically or hydraulically / pneumatically actuated by the air pressure in the Venturi tube upper box which varies as the setting of the main air valve is changed. Further, the components may be mechanically or hydraulically driven according to the movement of the actuator that operates in response to the movement of the actuator that operates the main air valve. In both cases, the annular air gap is maximum at high load but minimal at idle, thus maintaining a constant speed from idle to full power for continuous position control.
As described above, even if two settings of high-constant are set as an inexpensive aspect, the pre-stage structure is more improved than the fixed shape. All the above explanations regarding cooling and flame holding also apply to this aspect.
【0154】図21A 〜図21D に本発明の装置のさらに別
の態様を示す。具体的には、図21A〜図21D に示す簡単
な構造を有する新規な態様では、プレミキサの出口流域
を変化させるとともに(全態様に適用可能)、特に図19
A 〜図19C に示すように、流出した燃料/空気混合物が
付近の燃焼器ライナーの表面に衝突するのを回避又は最
小限にするために、燃料/空気混合物の流出方向が制御
されている。図21A 〜図21D に示す態様において使用す
る混合弁は、調節可能なノズル構造を有するとともに、
環状燃焼器等の燃焼器内で燃料/空気混合物の流出ポー
トを形成する固定スカートを備え、前記ノズル構造は実
質的に図16に示す弁板と同様に中空円錐形で中央設置型
の軸駆動式可動弁板を有する。21A-21D show yet another embodiment of the device of the present invention. Specifically, in the novel embodiment having a simple structure shown in FIGS. 21A to 21D, the outlet basin of the premixer is changed (applicable to all embodiments), and particularly in FIG.
As shown in FIGS. 19A-19C, the exit direction of the fuel / air mixture is controlled in order to avoid or minimize impingement of the exiting fuel / air mixture on the surface of a nearby combustor liner. The mixing valve used in the embodiment shown in FIGS.21A-21D has an adjustable nozzle structure and
With a fixed skirt forming an outlet port for the fuel / air mixture in a combustor such as an annular combustor, the nozzle structure is hollow conical and centrally mounted axial drive substantially similar to the valve plate shown in FIG. Type movable valve plate.
【0155】図21A は燃料/空気プレミキサ2132のベン
チュリ型混合管部分2134の出口ポートを示す。ベンチュ
リ型以外の形状の混合管を使用してもよいが、現在のと
ころベンチュリ型が好ましい。図21A に示すように、混
合弁2144はプレート2148及びステム(シャフト)2146を
具備する内側弁部材と、内側弁部材と同軸の外側弁部材
(スカート)2149とを有する。上述のとおりプレート21
48は保炎性を高めるためにほぼ円錐形の中空体である。
プレート2148はタイボルト2156によりシャフト2146に連
結されており、またシャフト2146はベンチュリ軸2142に
沿って摺動自在となるように、スリーブベアリング2158
及び支柱2160を介してベンチュリ2134の出口に設けられ
ている。本発明では3本の支柱2160が設けられている
が、図21Aにはそのうちの2本を示す。しかしながら、
支柱の数はそれより多くても少なくてもよい。FIG. 21A shows the outlet port of the Venturi type mixing tube section 2134 of the fuel / air premixer 2132. Mixing tubes of shapes other than Venturi may be used, but Venturi is currently preferred. As shown in FIG. 21A, the mixing valve 2144 has an inner valve member having a plate 2148 and a stem (shaft) 2146, and an outer valve member (skirt) 2149 coaxial with the inner valve member. Plate 21 as described above
Reference numeral 48 is a hollow body having a substantially conical shape in order to enhance the flame holding property.
The plate 2148 is connected to the shaft 2146 by tie bolts 2156, and the shaft bearing 2146 is slidable along the venturi axis 2142 so that the shaft 2146 is slidable.
And at the exit of the Venturi 2134 via the stanchions 2160. In the present invention, three columns 2160 are provided, two of which are shown in FIG. 21A. However,
The number of columns may be more or less.
【0156】シャフト2146は、例えば図16に示すカム及
びバネからなる機構により、機械式、油圧式又は空圧式
アクチュエータで駆動することができる。図21A に示す
構造に図19B 及び図19C に示す駆動機構を利用すること
ができる。このような構造において、ベアリング2158を
取り外し、図21A に示すように先端に球形端部2146a
(点線)を有するシャフト2146を用いて、プレート2148
を支柱2160に固定することができる。図19B 及び図19C
に示す構造と同様にギア及びラックにより制御した動き
をするアクチュエータを用いて、支柱2160が設置された
ベンチュリ2134の出口部分をベンチュリ入口部分(図示
せず)に対して可動自在としてもよい。この場合、スカ
ート部材2146をベンチュリ2134にではなく、プレミキサ
ハウジング(図示せず)、燃焼器ライナー又は包囲冷却
シュラウド2128のようなプレミキサ部材又は燃焼器部材
に固定するが、少なくとも可動であるように連結しても
よい。シム2150(図21A において点線で示した部分)は
組立体における弁板の初期位置を調整するのに用いるこ
とができる。The shaft 2146 can be driven by a mechanical, hydraulic or pneumatic actuator by a mechanism including a cam and a spring shown in FIG. 16, for example. The drive mechanism shown in FIGS. 19B and 19C can be used for the structure shown in FIG. 21A. In such a construction, remove the bearing 2158 and attach the spherical end 2146a to the tip as shown in Figure 21A.
Plate 2148 with shaft 2146 having (dotted line)
Can be fixed to the column 2160. 19B and 19C
Similar to the structure shown in FIG. 5, an outlet part of the venturi 2134 on which the column 2160 is installed may be movable with respect to a venturi inlet part (not shown) by using an actuator that performs a movement controlled by a gear and a rack. In this case, the skirt member 2146 is fixed to the premixer member or combustor member, such as the premixer housing (not shown), combustor liner or surrounding cooling shroud 2128, but not to the venturi 2134, but at least to be movable. You may connect. Shims 2150 (shown in phantom in Figure 21A) can be used to adjust the initial position of the valve plate in the assembly.
【0157】図21A 〜図21D に示す態様において、通常
スカート部材2149は円筒状であり、対向方向(例えば図
19B に示す構造のように環状燃焼器の接線方向)に少な
くとも大部分の混合流を導くポート2109を形成する切欠
き2149a を有する。図19A 〜図19C の態様における混合
弁と同様に、混合弁2144を例えば非対称とすると、燃焼
チャンバの軸線2118に沿って縦に混合流を導くことがで
き、燃焼域2124の体積を有効活用することができる。こ
れは、図21A 〜図21D に示す変更例では、切欠き2149a
からなる対向ポート2109に適当なポート又は切欠きを角
度が付くように追加することにより容易に達成可能であ
る。In the embodiment shown in FIGS. 21A-21D, the normal skirt member 2149 is cylindrical and may be in the opposite direction (eg
As in the structure shown in FIG. 19B, it has a notch 2149a forming a port 2109 that guides at least most of the mixed flow in the tangential direction of the annular combustor. Similar to the mixing valve in the embodiment of FIGS. 19A-19C, if the mixing valve 2144 is, for example, asymmetrical, then the mixed flow can be guided vertically along the axis 2118 of the combustion chamber, effectively utilizing the volume of the combustion zone 2124. be able to. This is the cutout 2149a in the modification shown in FIGS. 21A-21D.
Can be easily achieved by adding suitable ports or notches to the opposing port 2109 consisting of 9 at an angle.
【0158】図21A 〜図21D に示す態様においては、図
16、図18A 及び図19B に示すような適切な制御システム
(図示せず)の要件を満たす出口流域となるように、ス
カート2149を固定して、シャフト2146によりプレート21
48を駆動している。複雑かつ高コストになるが、前述の
とおり本発明の別の態様により、プレート2148を固定し
てスカート2149を可動とする構造にしたり、あるいは両
方とも可動とする構造にすることもできる。上述のとお
り、制御システムによって連続的又は段階的(例えば2
段階)に作動させることもできる。In the embodiment shown in FIGS. 21A-21D,
16, the skirt 2149 is fixed and the shaft 2146 holds the plate 21 in place so that the outlet basin meets the requirements of a suitable control system (not shown) as shown in FIGS. 18A and 19B.
Driving 48. Although complicated and costly, the plate 2148 can be fixed to make the skirt 2149 movable, or both can be made movable, according to another aspect of the invention as described above. As mentioned above, the control system can be continuous or stepwise (eg 2
It can also be activated in stages.
【0159】プレミキサにおいて、混合弁2144はライナ
ー2122の開口部に気密に取り付けられ、そこから燃焼域
2124内に突出している。開口部のシールとしてはラビリ
ンスシールが図示されているが、ピストンリング、ブラ
シその他のシールでもよい。特にアイドリング又は低出
力作動などの作動条件下では、密封していない開口部を
介して過剰な漏流があると、混合弁の周辺に空気のカー
テンができて燃焼が不安定になることが試験により明ら
かになった。In the premixer, the mixing valve 2144 is hermetically attached to the opening of the liner 2122 from which the combustion zone
It projects into 2124. Although a labyrinth seal is shown as the seal of the opening, a piston ring, a brush or other seal may be used. Tested for excessive spillage through unsealed openings, resulting in air curtains around the mixing valve and unstable combustion, especially under operating conditions such as idling or low power operation. Revealed by.
【0160】図21B は混合弁2144の2つの構成部品、即
ちプレート2148及びスカート2149を示す。劣った液体燃
料を使用する等の好ましくない作動条件下では、ベンチ
ュリ2134の出口部分に向かって「フラッシュバック」が
起こる可能性がある。スカート2149及び/又はプレート
2148が金属材料からなる場合、図16に概略的に示すプレ
ート1448と同様に、スカート2149及び/又はプレート21
48に適当な冷却チャネルを設けてもよい。冷却チャネル
を設けることにより、部材の一部の酸化又はメルトダウ
ンによる熱障害からスカート2149及び/又はプレート21
48を保護することができる。なお同出願人の米国出願
(出願番号09/721,964、出願日2000年11月27日)の開示
内容を参照し、関連事項を本明細書に適宜記載する。冷
却チャネルの代わりに又は冷却チャネルと併せて、ガス
タービンエンジン構成部品として当業者に公知の断熱皮
膜(TBC )をスカート2149及び/又はプレート2148に形
成してもよい。FIG. 21B shows two components of the mixing valve 2144, a plate 2148 and a skirt 2149. Under unfavorable operating conditions, such as using poor liquid fuel, "flashback" can occur toward the exit portion of Venturi 2134. Skirt 2149 and / or plate
If 2148 is made of a metallic material, then skirt 2149 and / or plate 21 may be similar to plate 1448 shown schematically in FIG.
48 may be provided with suitable cooling channels. By providing cooling channels, the skirt 2149 and / or the plate 21 can be protected from thermal damage due to oxidation or meltdown of parts of the member.
48 can be protected. Incidentally, with reference to the disclosure content of the applicant's US application (application number 09 / 721,964, filing date November 27, 2000), relevant matters are described in the present specification as appropriate. Instead of or in combination with cooling channels, a thermal barrier coating (TBC) known to those of ordinary skill in the art as a gas turbine engine component may be formed on the skirt 2149 and / or the plate 2148.
【0161】プレート2148及び/又はスカート2149はセ
ラミック材料からなるのが好ましい。長期のエンジン作
動による亀裂を確実に防止するために、セラミック材料
にセラミックファイバーを分散させるのが好ましい。セ
ラミック混合弁板2148及びスカート2149は成形後焼結す
ることにより容易に製造することができる。シャフト21
46の下部2146b もセラミック製にすることができる。セ
ラミックは焼結中に収縮するが、セラミック品の製造業
者であれば過度の実験をしなくてもほぼ最終焼結体形状
となるように成形体の寸法を設定することができる。所
望の最終形状及び寸法を得るために適当な仕上げ加工を
してもよい。Plate 2148 and / or skirt 2149 are preferably made of a ceramic material. It is preferred to disperse the ceramic fibers in the ceramic material to ensure that cracking due to prolonged engine operation is prevented. The ceramic mixing valve plate 2148 and the skirt 2149 can be easily manufactured by sintering after molding. Shaft 21
The lower portion 2146b of 46 can also be made of ceramic. Although the ceramic shrinks during sintering, the manufacturer of the ceramic article can size the compact so that it will be approximately the final sintered compact shape without undue experimentation. Appropriate finishing may be done to obtain the desired final shape and dimensions.
【0162】セラミックと金属との膨張係数差により、
適当な取り付け機構によりセラミック部品と金属部品と
を柔軟にクランプすることができる。熱膨張に対する接
合部分の適応性を高くすることによりセラミック部品に
かかる応力を低減して亀裂が発生するおそれを低減する
ために、ベルビルワッシャ又は“揺れ帯(wiggle stri
p)" のような部材を使用することができる。例えばベ
ルビルワッシャ (図示せず) は図21A のシャフト/プレ
ート接合部2152に使用でき、またシャフト2146の下部21
46b がセラミック材料からなる場合にはシム2150の位置
に使用できる。Due to the difference in expansion coefficient between ceramic and metal,
The ceramic and metal parts can be flexibly clamped by a suitable attachment mechanism. Belleville washers or “wiggle strides” are used to reduce stress on ceramic parts and reduce the risk of cracking by increasing the adaptability of the joint to thermal expansion.
p) "can be used. For example, a Belleville washer (not shown) can be used for shaft / plate joint 2152 in Figure 21A, and lower portion of shaft 2146.
It can be used in place of shim 2150 if 46b is made of ceramic material.
【0163】多くの金属はセラミックより約300 ℃低い
温度で強度が低下するため、セラミックを使用すること
によりフラッシュバックを起こりにくくすることができ
る。プレート2148及びスカート2149にセラミック材料を
用いる場合でも、必要に応じて適当な冷却チャネルを支
柱2160内(図21A の一方の支柱にのみ冷却チャネルを点
線で表示)、タイボルト2156内(図21A にチャネル出口
を点線で表示)、及び/又はシャフト2146内 (冷却チャ
ネルを図示せず) に設置してもよい。Since the strength of many metals decreases at a temperature about 300 ° C. lower than that of ceramics, flashback can be made less likely to occur by using ceramics. Even if a ceramic material is used for the plate 2148 and skirt 2149, appropriate cooling channels may be placed within the stanchions 2160 (only one of the struts in Figure 21A shows the cooling channels in dotted lines) and tie bolts 2156 (channels in Figure 21A) as needed. The outlet may be located in dotted lines) and / or within the shaft 2146 (cooling channels not shown).
【0164】図21C 及び図21D は図21A 及び図21B が示
す態様の詳細を示す。この態様では、セラミック製のス
カート2149’と金属製のベンチュリ2134’の出口部分と
の間に差し込みピン型のクランプ機構を有する。スカー
ト部材端部2149b’に型取られたフィンガー2168’を受
けるベンチュリ2134’の出口部分に軸線方向のスロット
2164’及び環状溝2166’が設けられている。金属製の揺
れ帯2170’により、金属製の構成部品とセラミック製の
構成部品の膨張係数の差を埋めることができる。さらに
揺れ帯2170’に逆らってスカート2149’を挿入して、フ
ィンガー2168’及び凹部2172’を整列させることによ
り、環状溝2166’内の凹部2172’にフィンガー2168’を
固定する軸線方向の保持力を与えることができる。本態
様は三組のスロット2164’、フィンガー2168’及び凹部
2172’を有するが、組数はそれより多くても少なくても
良い。さらに環状揺れ帯2174’を追加してスカート214
9’に半径方向の求心力を与えてもよい。またクランプ
機構としては、差し込みピン型又はネジ型が挙げられる
が、その他の機構でもよい。21C and 21D show details of the embodiment shown in FIGS. 21A and 21B. In this embodiment, there is a bayonet pin type clamping mechanism between the ceramic skirt 2149 'and the outlet portion of the metal venturi 2134'. An axial slot at the exit portion of the venturi 2134 'that receives the stamped finger 2168' on the skirt member end 2149b '.
2164 'and an annular groove 2166' are provided. The metal swing band 2170 ′ can bridge the difference in expansion coefficient between the metal component and the ceramic component. Further, by inserting the skirt 2149 'against the swing band 2170' and aligning the finger 2168 'and the recess 2172', the axial holding force for fixing the finger 2168 'in the recess 2172' in the annular groove 2166 '. Can be given. This embodiment has three sets of slots 2164 ', fingers 2168' and recesses.
2172 ′, but the number of sets may be larger or smaller. Further add a circular swing band 2174 'to the skirt 214
A radial centripetal force may be applied to 9 '. The clamp mechanism may be an insertion pin type or a screw type, but may be another type.
【0165】図面を参照して上に詳述したプレミキサ及
び燃焼器は、ガスタービン用ガス発生器及びエンジンの
様々な構成に使用でき、例えば前段のガス発生器及びエ
ンジンからなる上記構成のみならず、図16〜図21D に示
す可変式出口形状の例にも使用できる。また本発明は、
図19B に示す単段プレミキサのエンジンと同様に、多段
プレミキサを有する環状及び缶型の燃焼器のエンジンに
も使用できる。The premixer and combustor detailed above with reference to the drawings can be used in various configurations of gas generators and engines for gas turbines, for example not only the above configuration consisting of a gas generator and engine in the preceding stage. It can also be used with the variable outlet geometry examples shown in Figures 16-21D. Further, the present invention is
Similar to the single stage premixer engine shown in FIG. 19B, it can be used in annular and can-type combustor engines having multiple stage premixers.
【0166】従って、本発明の範囲は上記実施例に限定
されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びその均
等物により決定される。Therefore, the scope of the present invention is not limited to the above embodiments, but is determined by the description of the claims and their equivalents.
本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の好まし
い実施例を示すとともに、本発明の原理を説明する。The accompanying drawings, which form a part of this specification, illustrate preferred embodiments of the invention and explain the principles of the invention.
【図1A】 燃料/空気比が制御された単段式燃焼器シス
テムを使用する前段ガスタービンエンジンモジュールの
概略断面図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a pre-stage gas turbine engine module using a fuel / air ratio controlled single-stage combustor system.
【図1B】 図1Aに示す装置をAA方向から見た概略端面図
である。FIG. 1B is a schematic end view of the device shown in FIG. 1A viewed from the AA direction.
【図2】 図1Aに示す燃焼器システムの他の態様を具備
する前段ガスタービンエンジンモジュールの概略端面図
である。2 is a schematic end view of a pre-stage gas turbine engine module comprising another aspect of the combustor system shown in FIG. 1A.
【図3A】 図1Aに示す装置の燃料/空気プレミキサの好
ましい構成部品のテスト版を示す詳細断面図である。3A is a detailed cross-sectional view showing a test version of a preferred component of the fuel / air premixer of the apparatus shown in FIG. 1A.
【図3B】 図1Aに示す装置の燃料/空気プレミキサの好
ましい構成部品のテスト版を示す詳細断面図である。3B is a detailed cross-sectional view showing a test version of a preferred component of the fuel / air premixer of the apparatus shown in FIG. 1A.
【図3C】 図1Aに示す装置の燃料/空気プレミキサの好
ましい構成部品のテスト版を示す詳細断面図である。3C is a detailed cross-sectional view showing a test version of a preferred component of the fuel / air premixer of the apparatus shown in FIG. 1A.
【図4】 図3A〜3Cに示す燃料/空気プレミキサのエン
ジン版を示す詳細断面図である。FIG. 4 is a detailed cross-sectional view showing an engine version of the fuel / air premixer shown in FIGS.
【図5A】 燃料/空気比が制御された単段式燃焼器シス
テムを使用するもう1つの前段ガスタービンエンジンモ
ジュールを示す概略断面図である。FIG. 5A is a schematic cross-sectional view of another pre-stage gas turbine engine module using a fuel / air ratio controlled single stage combustor system.
【図5B】 図5Aの線分5B-5B に沿って得られた概略断面
図である。5B is a schematic cross-sectional view taken along the line 5B-5B in FIG. 5A.
【図6】 図5Aに示すガスタービンエンジンモジュール
に使用するプレミキサの別の構造(一体的圧縮空気流量
弁を有さない)を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another structure of a premixer (without an integrated compressed air flow valve) used in the gas turbine engine module shown in FIG. 5A.
【図7】 燃料/空気比が制御された単段式燃焼器を有
する前段ガスタービンエンジンモジュールのさらにもう
一つの例を示す概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating yet another example of a pre-stage gas turbine engine module having a single stage combustor with a controlled fuel / air ratio.
【図8】 燃料/空気比が制御された単段式燃焼器を有
する前段ガスタービンエンジンモジュールのさらにもう
一つの例を示す概略断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing yet another example of a pre-stage gas turbine engine module having a single stage combustor with controlled fuel / air ratio.
【図8A】 図8の線分8A−8Aに沿って得られたプレミキ
サ組立体の概略断面図である。8A is a schematic cross-sectional view of the premixer assembly taken along line 8A-8A of FIG.
【図9】 図8の線分9−9に沿って得られたプレミキ
サ組立体を示す概略断面図である。9 is a schematic cross-sectional view showing the premixer assembly taken along line 9-9 of FIG.
【図9A】 図9に示すプレミキサ組立体の変更例(円筒
状空気弁を使用する)を示す概略断面図である。9A is a schematic cross-sectional view showing a modified example (using a cylindrical air valve) of the premixer assembly shown in FIG. 9. FIG.
【図9B】 図9Aに示すプレミキサ組立体の別の変更例を
示す概略断面図である。9B is a schematic cross-sectional view showing another modification of the premixer assembly shown in FIG. 9A.
【図10】 図8及び9に示すエンジンモジュールに使用
する好ましいノズル組立体の斜視図である。10 is a perspective view of a preferred nozzle assembly for use with the engine module shown in FIGS. 8 and 9. FIG.
【図11】 図10のノズル組立体の斜視断面図である。11 is a perspective cross-sectional view of the nozzle assembly of FIG.
【図12】 プレミキサ組立体の出口ノズルの別の構造の
概略断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of another structure of the outlet nozzle of the premixer assembly.
【図13】 前段ガスタービンエンジンモジュール( 缶型
燃焼器を有する) のさらに別の例を示す概略断面図であ
る。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing still another example of the pre-stage gas turbine engine module (having a can combustor).
【図13A 】 図13に示す空気弁の構成部品の拡大図であ
る。FIG. 13A is an enlarged view of components of the air valve shown in FIG. 13.
【図13B 】 線分13B-13B に沿って得られた図13のノズ
ルの概略断面図である。13B is a schematic cross-sectional view of the nozzle of FIG. 13 taken along line 13B-13B.
【図14A 】 単段式燃焼器を有し燃料/空気比が制御さ
れた前段ガスタービンエンジンモジュールのさらに別の
例を示す概略断面図である。FIG. 14A is a schematic cross-sectional view of yet another example of a fuel / air ratio controlled front stage gas turbine engine module having a single stage combustor.
【図14B 】 図14A のエンジンモジュールの一部を示す
概略斜視端面図である。FIG. 14B is a schematic perspective end view showing a portion of the engine module of FIG. 14A.
【図14C 】 線分14C -14Cに沿って得られた図14B のエ
ンジンモジュール部品の概略断面図である。14C is a schematic cross-sectional view of the engine module component of FIG. 14B taken along line 14C -14C.
【図14D 】 プレミキサ組立体を示す図14A の部分拡大
図である。14D is a partially enlarged view of FIG. 14A showing the premixer assembly.
【図15A 】 燃料/空気比が制御された単段式燃焼器を
有する前段エンジンのさらに別の例を示す長手方向概略
断面図である。FIG. 15A is a schematic longitudinal cross-sectional view showing yet another example of a front stage engine having a single-stage combustor with a controlled fuel / air ratio.
【図15B 】 図15A の実施例を示す部分端面図である。FIG. 15B is a partial end view showing the embodiment of FIG. 15A.
【図16】 プレミキサ出口の速度を制御する混合弁を有
する本発明のガスタービンモジュールを示す概略断面図
である。FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of a gas turbine module of the present invention having a mixing valve that controls the speed of the premixer outlet.
【図17A 】 混合弁の出口部材の別の形状を示す詳細断
面図である。FIG. 17A is a detailed cross-sectional view showing another shape of the outlet member of the mixing valve.
【図17B 】 図16の実施例のための別の取り付け形状を
示す詳細断面図である。FIG. 17B is a detailed cross-sectional view showing another mounting configuration for the embodiment of FIG.
【図18A 】 本発明のガスタービンエンジンモジュール
のさらに別の例を示す概略断面図である。FIG. 18A is a schematic sectional view showing still another example of the gas turbine engine module of the present invention.
【図18B 】 図18A の実施例の変更例(複数のプレミキ
サを有する)を示す概略断面図である。FIG. 18B is a schematic cross-sectional view showing a modification (having a plurality of premixers) of the embodiment of FIG. 18A.
【図18C 】 線分A-A に沿って得られた図18B の形状の
概略断面図である。18C is a schematic cross-sectional view of the shape of FIG. 18B taken along the line segment AA.
【図19A 】 特に環状燃焼器とともに使用することを目
的として混合物の出口速度を制御するためにプレミキサ
の可変出口形状を使用する本発明のガスタービンエンジ
ンの別の例を概略的に示す平面図である。FIG. 19A is a plan view schematically illustrating another example of the gas turbine engine of the present invention that uses a variable outlet geometry of the premixer to control the outlet velocity of the mixture, particularly for use with an annular combustor. is there.
【図19B 】 線分19B-19B に沿って得られた断面図であ
る。FIG. 19B is a sectional view taken along the line segment 19B-19B.
【図19C 】 線分19B-19B に沿って得られた詳細図であ
る。FIG. 19C is a detailed view taken along the line 19B-19B.
【図20A 】 図19A 〜図19C の可変出口形状を有するが
缶型燃焼器に適合したプレミキサの変更例を示す概略図
である。FIG. 20A is a schematic diagram showing a modification of the premixer having the variable outlet geometry of FIGS. 19A-19C but adapted to a can combustor.
【図20B 】 図19A 〜図19C の可変出口形状を有するが
缶型燃焼器に適合したプレミキサの変更例を示す概略図
である。FIG. 20B is a schematic diagram illustrating a modification of the premixer having the variable outlet geometry of FIGS. 19A-19C but adapted to a can combustor.
【図21A 】 流出する燃料/空気混合物の出口速度及び
分散角を制御する可変出口形状を有するさらに別の態様
のプレミキサを備えたガスタービンエンジン燃焼器を示
す概略部分断面図である。FIG. 21A is a schematic partial cross-sectional view of a gas turbine engine combustor with yet another embodiment of a premixer having a variable outlet geometry that controls the exit velocity and dispersion angle of the exiting fuel / air mixture.
【図21B 】 図21A に示すプレミキサの出口ノズル部分
の詳細図である。FIG. 21B is a detailed view of the outlet nozzle portion of the premixer shown in FIG. 21A.
【図21C 】 図21A 及び図21B に示す燃焼器及びプレミ
キサの変更例の概略部分断面図である。FIG. 21C is a schematic partial cross-sectional view of a modification of the combustor and premixer shown in FIGS. 21A and 21B.
【図21D 】 図21C の線分21D-21D に沿って得られた概
略部分断面図である。21D is a schematic partial cross-sectional view taken along line 21D-21D of FIG. 21C.
Claims (7)
物を供給するプレミキサ装置であって、燃料及び空気を
吸入して混合する形状を有し、入口、軸線及び燃料/空
気混合物を流出する出口を備えた混合管と、前記混合管
出口に連結された混合弁とを有し、前記混合弁は同軸の
内側及び外側弁部材を備え、前記内側及び外側弁部材の
端部は出口流域を形成し、前記出口流域は少なくとも外
側弁部材の切欠きによって形成され、前記出口流域は混
合弁の軸に対して角度をなすように対向方向に形成さ
れ、前記内側弁部材及び前記外側弁部材の少なくとも1
つは出口流域を選択的に変化させるために相対的に可動
であることを特徴とするプレミキサ装置。1. A premixer device for mixing fuel and air to supply a fuel / air mixture, the premixer device having a shape for sucking and mixing the fuel and air, and discharging the inlet, the axis and the fuel / air mixture. A mixing pipe having an outlet and a mixing valve connected to the mixing pipe outlet, the mixing valve having coaxial inner and outer valve members, the ends of the inner and outer valve members having an outlet flow region. And the outlet flow region is formed by at least a notch in the outer valve member, the outlet flow region is formed in an opposite direction so as to form an angle with respect to the axis of the mixing valve, and the inner flow valve member and the outer valve member are formed. At least 1
One is a premixer device characterized in that it is relatively movable to selectively change the outlet basin.
て、前記内側弁部材の少なくとも一部はセラミック材料
からなることを特徴とするプレミキサ装置。2. The premixer device according to claim 1, wherein at least a part of the inner valve member is made of a ceramic material.
において、前記外側弁部材は固定されており、前記内側
弁部材は可動であることを特徴とするプレミキサ装置。3. The premixer device according to claim 1, wherein the outer valve member is fixed and the inner valve member is movable.
軸線を有する環状燃焼チャンバと、燃料及び空気が流入
する形状の少なくとも1つのプレミキサとを有し、前記
プレミキサは吸入した燃料及び空気を混合して燃料/空
気混合物を供給するベンチュリを有し、前記ベンチュリ
には軸線があり、前記プレミキサは前記燃焼チャンバと
の間に燃料/空気混合物を流出する流体連通出口を有
し、前記プレミキサの出口には出口流域を形成する内側
弁部材及び外側弁部材があり、少なくとも前記外側弁部
材は前記出口流域において燃料/空気混合物を実質的に
対向する前記燃焼チャンバの接線方向に導くように位置
決めされた切欠きを有し、前記出口流域を選択的に変化
させるように少なくとも前記内側弁部材は外側弁部材に
対して可動であり、もって前記混合物の流出速度を変化
させることを特徴とする燃焼装置。4. A device for burning fuel and air, comprising:
An annular combustion chamber having an axis, and at least one premixer configured to receive fuel and air, the premixer having a venturi for mixing intake fuel and air to provide a fuel / air mixture, The venturi has an axis and the premixer has a fluid communication outlet to and from the combustion chamber for exiting a fuel / air mixture, the premixer outlet having an inner valve member and an outer valve member forming an outlet flow region. And at least said outer valve member has a notch positioned to direct a fuel / air mixture substantially tangentially to said opposing combustion chamber in said outlet basin for selectively varying said outlet basin At least the inner valve member is movable with respect to the outer valve member, thereby changing the outflow rate of the mixture. That the combustion device.
記内側弁部材及び/又は前記外側弁部材はセラミック材
料からなることを特徴とする燃焼装置。5. The combustion device according to claim 4, wherein the inner valve member and / or the outer valve member is made of a ceramic material.
ることを特徴とするガスタービンエンジン。6. A gas turbine engine comprising the combustion device according to claim 4.
する燃料/空気混合管と、軸線と、燃料/空気混合物を
流出する出口とを有するプレミキサ装置から流出する燃
料/空気混合物の流出速度及び流出方向を制御する方法
であって、前記出口に設けられた混合弁は出口流域を形
成する内側弁部材及び外側弁部材を具備し、前記外側弁
部材の軸線に対して角度をなすように燃料/空気混合物
を対向する少なくとも2つの方向に流出させるととも
に、前記内側弁部材を前記外側弁部材に対して可動とす
ることにより、前記出口流域を変化させて燃料/空気混
合物の送給速度を増減させることを特徴とする方法。7. Outflow rate and outflow of a fuel / air mixture out of a premixer device having a fuel / air mixing tube in communication with a fuel and compressed air supply, respectively, an axis and an outlet for outflowing the fuel / air mixture. A method for controlling direction, wherein a mixing valve provided at the outlet comprises an inner valve member and an outer valve member defining an outlet flow region, the fuel / angle forming an angle with respect to an axis of the outer valve member. The air mixture is allowed to flow in at least two opposite directions and the inner valve member is movable with respect to the outer valve member to change the outlet basin to increase or decrease the fuel / air mixture delivery rate. A method characterized by the following.
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