JP2005037122A

JP2005037122A - ガスタービンエンジンの燃焼器を冷却するための方法及び装置

Info

Publication number: JP2005037122A
Application number: JP2004207992A
Authority: JP
Inventors: Thomas A Leen; トマス・エー・リーン; Steve Steffens; スティーブ・ステフェンス; Craig Douglas Young; クレイグ・ダグラス・ヤング
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: EP1498661A2; US6986253B2; JP5002121B2; CN1576544A; CN100353117C; EP1498661A3; US20050011196A1

Abstract

【課題】本発明は、ガスタービンエンジン（１０）用の燃焼器（１６）を提供する。
【解決手段】本燃焼器は、単体構造の本体（７６）を備えたドーム組立体（７０）を含み、ドーム組立体は、スプラッシュプレート（７７）と、フレアコーン（７８）と、冷却空気を吐出して該ドーム組立体の少なくとも一部を冷却するように本体内に形成された少なくとも１つの冷却通路（２００）とを含む。冷却通路（２００）は、その中に冷却空気を受けて前記フレアコーン（７８）の少なくとも一部をインピンジメント冷却するように配置されている。
【選択図】図３

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジン用の燃焼器に関する。

燃焼器は、ガスタービンエンジン内で燃料と空気の混合物を燃焼させるために使用する。公知の燃焼器は、燃焼帯を画成する燃焼器ライナに取り付けられた少なくとも１つのドームを含む。燃料噴射器は、ドームと流れ連通した状態で燃焼器に取り付けられて燃料を燃焼帯に供給する。燃料は、めがねプレートすなわちドームプレートに取り付けたドーム組立体を通して燃焼器に流入する。

ドーム組立体は、フレアコーンの半径方向内側でドームプレートに固定された空気スワーラを含む。フレアコーンは、発散形になっており、空気スワーラから半径方向外向きに延びて空気と燃料とを混合しかつ該混合物を半径方向外向きに燃焼帯内に拡散するのを可能にする。発散形スプラッシュプレートは、フレアコーンの周りで円周方向にかつフレアコーンから半径方向外向きに延びている。スプラッシュプレートは、燃焼帯内で発生した高温の燃焼ガスがドームプレートに衝突するのを防止する。

スプラッシュプレートの温度を低下させるのを可能にするために、少なくとも一部の公知の燃焼器ドーム組立体では、フレアコーンとスプラッシュプレートとの間で一部円周方向に延びるギャップを通して該ドーム組立体を対流冷却するための冷却空気を供給している。このようなドーム組立体は、製造及び組立に多くのろう付け作業を必要とする複雑な多部品の組立体となっている。加えて、使用中、冷却空気が燃焼ガスと混合して燃焼器エミッションに悪影響を及ぼすおそれがある。

多部品の燃焼器ドーム組立体はまた、整備の目的で分解するのが複雑となるので、他の少なくとも一部の公知の燃焼器ドーム組立体では、一体形の組立体が使用される。しかしながら、このような組立体もなお予備組立溶接を必要とし、またスプラッシュプレート及びフレアコーンの耐久性に悪影響を与えるおそれがある。
米国特許５，９２４，２８８号公報米国特許５，６３０，３１９号公報

１つの態様では、燃焼室を含むガスタービンエンジンを作動させるための方法を提供する。本方法は、燃焼室に燃料を供給する段階と、スプラッシュプレートと単体構造に形成したフレアコーンとを含む燃焼器ドーム組立体を通して加圧空気流を導いて、該加圧空気流の少なくとも一部がフレアコーンとスプラッシュプレートとの間に画成された少なくとも１つの冷却通路を通って流れて該スプラッシュプレートを冷却するようにする段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用の燃焼器を提供する。本燃焼器は、単体構造の本体を備えたドーム組立体を含み、該単体構造の本体は、スプラッシュプレートと、フレアコーンと、冷却空気を吐出してスプラッシュプレートを冷却するように該スプラッシュプレートとフレアコーンとの間に画成された少なくとも１つの冷却通路とを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、環状のドーム組立体を備えた燃焼器を含む。燃焼器のドーム組立体は、空気スワーラと該空気スワーラの周りで円周方向に延びる単体構造の本体とを含む。単体構造の本体は、スプラッシュプレートと、フレアコーンと、それらの間で延びる少なくとも１つの冷却通路と含む。少なくとも１つの冷却通路は、該冷却通路から冷却空気を吐出してスプラッシュプレートを冷却するようになっている。

図１は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はさらに、高圧タービン１８、低圧タービン２０及びブースタ２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側及び排気側を含む。１つの実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙから市販されているＣＦ６−８０型エンジンである。

作動中、空気はファン組立体１２を通って流入し、加圧空気は高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送り込まれる。燃焼器１６からの空気流はタービン１８及び２０を駆動し、タービン２０はファン組立体１２を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で用いる燃焼器１６の断面図である。図３は、区域３（図２に示す）に沿って取った燃焼器１６の一部の拡大図である。燃焼器１６は、環状の外側ライナ４０と、環状の内側ライナ４２と、それぞれ外側及び内側ライナ間で延びるドーム状端部４４とを含む。外側ライナ４０及び内側ライナ４２は、燃焼室４６を画成する。

燃焼室４６は、形状がほぼ環状であり、ライナ４０及び４２間に配置される。外側及び内側ライナ４０及び４２は、燃焼器のドーム状端部４４の下流に配置されたタービンノズル５６まで延びる。この例示的な実施形態では、外側及び内側ライナ４０及び４２は各々、一連の段部６０を備えた複数のパネル５８を含み、これらパネルの各々は、燃焼器ライナ４０及び４２の個別の部分を形成する。

この例示的な実施形態では、燃焼器のドーム状端部４４は、単式環状構成で配置された環状のドーム組立体７０を含む。別の実施形態では、燃焼器のドーム状端部４４は、複式環状構成で配置されたドーム組立体７０を含む。さらに別の実施形態では、燃焼器のドーム状端部４４は、三重式環状構成で配置されたドーム組立体７０を含む。燃焼器のドーム組立体７０は、燃焼器１６の上流側端部７２に構造的支持を与え、また該ドーム組立体７０は、ドームプレートすなわちめがねプレート７４とスプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６とを含む。スプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６は、単体構造であり、スプラッシュプレート部分７７とフレアコーン部分７８とを含む。この例示的な実施形態では、スプラッシュプレート・フレアコーン組立体は、鋳造法を用いて製作される。

燃焼器１６は、燃料供給源（図示せず）に連結されかつ燃焼器のドーム状端部４４を貫通する燃料噴射器８０を介して燃料が供給される。より具体的には、燃料噴射器８０は、ドーム組立体７０を貫通して延び、燃焼器の中心長手方向対称軸線８２に対してほぼ同心である方向（図示せず）に燃料を吐出する。燃焼器１６はさらに、燃料噴射器８０の下流で該燃焼器内に延びる燃料点火器８４を含む。

燃焼器１６はさらに、その中心長手方向対称軸線８２の周りでほぼ対称に延びる環状の出口９２を有する環状の空気スワーラ９０を含む。出口９２は、半径方向外側面９４と半径方向内向きに面した流れ面９６とを含む。環状の空気スワーラ９０は、半径方向外側面１００と半径方向内向きに面した流れ面１０２とを含む。出口流れ面９６及び空気スワーラ流れ面１０２は、それを通して空気の一部を下流側に流すのに使用する後部ベンチュリ通路つまり環状空間１０４を画成する。

出口９２は、一体形成の外向きに延びる半径方向フランジ部分１１０を含む。出口フランジ部分１１０は、出口流れ面９６から延びる上流面１１２と出口流れ面９６に対しほぼ垂直になっているほぼ平行な下流面１１４とを含む。一体形成の半径方向フランジ部分１１６が、空気スワーラ９０から延びる。フランジ部分１１６は、上流面１１８と、該上流面１１８にほぼ平行で空気スワーラの流れ面１０２から延びる下流面１２０とを含む。空気スワーラフランジ面１１８及び１２０は、出口フランジ面１１２及び１１４にほぼ平行であり、かつ空気スワーラ流れ面１０２に対してほぼ垂直である。

出口９２は、取付けスロット１３４を画成する一体形成の結合継手１３０を含む。スプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６は、結合継手１３０を用いて出口９２に結合されかつ取付けスロット１３４から下流方向に延びる。より具体的には、フレアコーン部分７８は、半径方向内側流れ面１４０と半径方向外側面１４２とを含む。スプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６が出口９２に結合されると、フレアコーン半径方向内側流れ面１４０は、出口流れ面９６とほぼ同一面になる。より具体的には、フレアコーン内側流れ面１４０は、発散形になっており、結合継手１３０からエルボ１４６まで下流方向に延びた後にフレアコーン部分７８のエルボ１４６から後端縁１４８まで発散形に外向きに延びる。

フレアコーン外側面１４２は、フレアコーン部分７８の後端縁１５０とエルボ１４６との間でフレアコーン内側面１４０とほぼ平行になっている。フレアコーン外側面１４２は、発散形になっており、エルボ１４０から半径方向外向きに延びて、この例示的な実施形態では、外側面１４２もまたエルボ１４６とフレアコーン後端縁１４８との間でフレアコーン内側面１４０とほぼ平行になっている。

スプラッシュプレート部分７７は、燃焼器１６内で発生した高温燃焼ガスが燃焼器ドームプレート７４に衝突するのを防止することを可能にし、フランジ部分１６０と発散形部分１６２とを含む。フランジ部分１６０は、発散形部分１６２から前端縁１６６まで軸方向上流方向に延び、かつ燃焼器の中心長手方向対称軸線８２とほぼ平行になっており、フランジ部分前端縁１６６がフレアコーン前端縁１５０の上流に位置するようになる。

スプラッシュプレートの発散形部分１６２は、フランジ部分１６０から後端縁１６８まで半径方向外向きかつ下流方向に延びる。より具体的には、発散形部分１６２は、フランジ部分１６０とスプラッシュプレートのエルボ１８０との間では、フレアコーン後端縁１４８とフレアコーンのエルボ１４６との間のフレアコーン部分７８とほぼ平行に配向されている。発散形部分１６２は、エルボ１８０から後端縁１６８まで発散形に外向きに延びる。

スプラッシュプレートの発散形部分１６２は、フレアコーン部分７８からそれらの間に環状ギャップ１９０が画成されるように半径方向外側に間隔を置いて配置される。具体的には、ギャップ１９０は、発散形部分１６２の半径方向内側面１９２とフレアコーンの外側面１４２との間に画成される。ギャップ１９０は、直径Ｄ_１を有しており、この直径Ｄ_１が、スプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６の製造容易性を向上させるのを可能にする。

複数の円周方向に間隔を置いた開口２００が、スプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６を貫通して形成される。具体的には、開口２００は、中心軸線８２にほぼ平行な方向に組立体７６をほぼ軸方向に貫通して延びて、スプラッシュプレートのフランジ部分１６０が該開口２００によって組立体７６内に画成されるようになる。開口２００は、それを通して低い圧力で冷却空気を吐出して、スプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６を冷却する。１つの実施形態では、冷却空気は圧縮機空気である。この例示的な実施形態では、開口２００は、放電加工（ＥＤＭ）法を用いて形成される。

作動中、冷却空気は、開口２００を通してスプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６に供給される。開口２００は、低い空気圧力で吐出される冷却空気を連続して供給してフレアコーン部分７８をインピンジメント冷却するのを可能にする。低い空気圧力は、フレアコーン部分７８のインピンジメント冷却における冷却及び逆流マージンを改善するのを可能にする。さらに、冷却空気は、対流伝熱を高め、フレアコーン部分７８の作動温度を低下させるのを可能にし、このことにより、フレアコーン部分７８の酸化物形成の速度を低下させながらフレアコーン部分７８の有効寿命を延ばすことを可能にする。

さらに、冷却空気が開口２００を通して吐出されると、スプラッシュプレートの発散形部分１６２が、フィルム冷却される。より具体的には、開口２００は、スプラッシュプレートの発散形部分の内側面１９２にフィルム冷却を与える。開口２００は、スプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６を貫通して円周方向に間隔を置いて配置されているので、フィルム冷却は、フレアコーン部分７８の周りでほぼ円周方向に延びるスプラッシュプレートの内側面１９２に沿って向けられる。その上、開口２００は、ほぼ均一な冷却流れを可能にするので、スプラッシュプレート・フレアコーン組立体７６は、冷却空気の燃焼空気との混合を減少させながらフィルム冷却を最適化するのを可能にし、このことによって、フレーア冷却の燃焼器エミッションに対する悪影響を減少させるのを可能にする。

上述したガスタービンエンジン用の燃焼器システムは、コスト効果がありかつ信頼性がある。本燃焼器システムは、それを貫通して形成した複数の冷却開口を備えた単体構造のスプラッシュプレート・フレアコーン組立体を含む。開口を通して供給された冷却空気は、ほぼ円周方向にスプラッシュプレート・フレアコーン組立体のフレアコーン部分をインピンジメント冷却しかつスプラッシュプレート・フレアコーン組立体のスプラッシュプレート部分をフィルム冷却するのを可能にする。その結果、スプラッシュプレート・フレアコーン組立体は、信頼性がありかつコスト効果がある方法で燃焼器の有効寿命を延ばすのを可能にする。

以上、燃焼器組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。本燃焼器組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に使用することができる。例えば、各スプラッシュプレート・フレアコーン組立体の構成要素は、他の燃焼器と組み合わせて使用することもできる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概略図。図１に示したガスタービンエンジンで用いる燃焼器の断面図。図２に示しかつ区域３に沿って取った燃焼器の一部の拡大図。

符号の説明

１０ガスタービンエンジン
１６燃焼器
７０ドーム組立体
７６単体構造の本体
７７スプラッシュプレート
７８フレアコーン
８２燃焼器の中心軸線
９０空気スワーラ
１９０スプラッシュプレート及びフレアコーン間のギャップ
２００冷却通路

Claims

ガスタービンエンジン用の燃焼器（１６）であって、
単体構造の本体（７６）を備えたドーム組立体（７０）を含み、
前記単体構造の本体が、スプラッシュプレート（７７）と、フレアコーン（７８）と、冷却空気を吐出して前記ドーム組立体の少なくとも一部を冷却するように前記本体内に形成された少なくとも１つの冷却通路（２００）とを含む、
燃焼器。
前記少なくとも１つの冷却通路（２００）が、その中に冷却空気を受けて前記フレアコーン（７８）の少なくとも一部をインピンジメント冷却するように配置されている、請求項１記載の燃焼器（１６）。
前記少なくとも１つの冷却通路（２００）が、複数の円周方向に間隔を置いて配置された冷却通路を含む、請求項１記載の燃焼器（１６）。
前記少なくとも１つの冷却通路（２００）が、前記燃焼器の有効寿命を延ばすのを可能にする、請求項１記載の燃焼器（１６）。
前記スプラッシュプレート（７７）と前記フレアコーン（７８）との間にギャップ（１９０）が画成され、前記ギャップが、前記少なくとも１つの冷却通路（２００）の直径よりも大きい直径（Ｄ1）を有する、請求項１記載の燃焼器（１６）。
前記燃焼器が中心軸線（８２）を有し、前記ギャップ（１９０）が、該ギャップから半径方向外向きに冷却空気を吐出するように画成されている、請求項１記載の燃焼器（１６）。
前記少なくとも１つの冷却通路（２００）が、前記ドーム組立体のフレアコーン（７８）内での酸化物の形成を減少させるのを可能にする、請求項１記載の燃焼器（１６）。
ガスタービンエンジン（１０）であって、
環状のドーム組立体（７０）を備えた燃焼器（１６）を含み、
前記燃焼器ドーム組立体が、空気スワーラ（９０）と前記空気スワーラの周りで円周方向に延びる単体構造の本体（７６）とを含み、
前記単体構造の本体が、スプラッシュプレート（７７）と、フレアコーン（７８）と、それらの間に形成された少なくとも１つの冷却通路（２００）と含み、
前記少なくとも１つの冷却通路が、前記ドーム組立体の中心線（８２）とほぼ平行な方向に該冷却通路から冷却空気を吐出して、前記燃焼器ドーム組立体の少なくとも一部を冷却するようになっている、
ガスタービンエンジン（１０）。
前記少なくとも１つの冷却通路（２００）が、該冷却通路から冷却空気を吐出して前記フレアコーン（７８）をインピンジメント冷却するよう配置されている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記少なくとも１つの冷却通路（２００）が、前記フレアコーン（７８）の周りで円周方向に間隔を置いて配置された複数の冷却通路を含む、請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。