JP2005536679A - ノズル構造等のための入れ子式チャネル管路 - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン用の多重管路装置であって、多重管路装置は複数の管路入口と出口との間に延在する。ガスタービンエンジンの構成部品の表面にチャネルが形成され、このチャネルは流体流を入口から出口まで送るように設けられる。少なくとも一つの第一のシール部材がチャネル内に配置されてチャネルを少なくとも独立の第一の管路と独立の第二の管路とに分割する。第二のシール部材がチャネルを閉鎖して独立の第二の管路を画定する。独立の第一および第二の管路はそれぞれ独立の流体流をそれぞれの入口から出口まで送るように設けられる。

Description

本発明は一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には燃料マニフォルド、ノズルステム等に用いられる入れ子式チャネル構成に関する。

ガスタービンエンジンの燃焼室に燃料を供給する燃料ノズルは当業界でよく知られている。一般に、燃焼室内に円周状に配列されてノズル列を形成する複数の燃料ノズルが、燃料の十分な分配を確保するのに用いられている。燃料ノズル列は通常、燃料を霧化して燃焼室に噴射するための複数の噴射チップアセンブリーを有し、噴射チップはノズルステムを介して外部の燃料マニフォルドに接続されている。

一部の従来のノズル装置は二重の隣接する燃料通路を画定し、これらが外側のチューブの内部に同心に配置されることがある。比較的に単純でより経済的に製造される二重通路ステム部材を提供するために、隣接するスロット状の燃料管路を有する中実材料片からなるステムを用いることも、よく知られている。隣り合って形成された独立のスロットは一次および二次燃料管路を画定し、該管路はノズルステムの入口から出口まで延在し、ロウ付けされたカバープレートでシールされる。

先行技術の多重チャネル装置は面倒であり、製造および保守が困難であり、かつ重い。したがって改良が望まれる。

本発明の目的は単純でより経済的に製造される改良された燃料噴射装置を提供することである。

本発明の他の目的は、取り分け、多重の独立した燃料マニフォルドおよび複雑な燃料ノズルステムを必要としない、燃料噴射装置を提供することである。

したがって本発明によって燃料供給源と流体的に連通する噴射チップアセンブリーを有するガスタービンエンジン用燃料ノズルが提供され、該燃料ノズルは：燃料流を噴射チップアセンブリーに供給するための、燃料供給部材の表面に形成された段付きチャネルを有する燃料搬送部材と、段付きチャネルの内部に配置されて、段付きチャネルを少なくとも一次および二次の独立の入れ子式管路に分割する少なくとも第一の内側シールプレートと、表面と係合して段付きチャネルを閉鎖する外側シールプレートとを有し、各々の独立の入れ子式管路は独立の燃料流を燃料供給源から噴射チップアセンブリーに送るように設けられている。

また本発明によって、独立の燃料流を燃料供給源から噴射チップアセンブリーに送るための多重の独立した燃料管路を有するガスタービンエンジン用燃料ノズルの製造方法が提供され、該方法は：単一の中実材料片から形成された燃料搬送部材を提供し、燃料搬送部材の表面に単一の段付きチャネルを加工し、段付きチャネルが少なくとも一次および二次の入れ子式スロットを画定し、二次スロットが一次スロットより大きな断面積を画定するとともに表面に直接開口し、一次スロットの幅よりも大きな幅を有する少なくとも第一の内側シールプレートを二次スロットの内部に固定し、第一の内側シールプレートが段付きチャネルによって形成されたショルダーに当接し、かくして段付きチャネルを独立した入れ子式一次燃料管路と入れ子式二次スロットとに分割するようにし、外側チャネルシールプレートを燃料搬送部材に固定して二次スロットを閉鎖し、かくして独立した入れ子式二次燃料管路を形成することを含む。

本発明の他の特徴および利点は以下の詳細な説明を付属の図面と併せて見れば明らかとなる。

図１はガスタービンエンジン１０を図示しており、該エンジンは一般に、連続する流れに沿って、環境空気を引き込むファン１２と、空気を加圧する多段圧縮機セクション１４と、燃焼セクション１６とを有する。燃焼セクションにおいては、圧縮空気が燃料噴射ノズルアセンブリー２０を有する燃料噴射装置によって霧化されて燃焼室１７内に噴射された燃料と混合され、次いで混合物が点火されて高温燃焼ガスを発生する。その後、燃焼ガスがタービンセクション１８を通過して、ここで燃焼ガスからエネルギーが抽出される。

図２を参照すれば、燃料噴射ノズルアセンブリー２０は環状の燃料マニフォルドリング２２を有し、これは一般にエンジンの燃焼室１７内に配置され、環状のリング２２を固定するための複数の一体化された取付ラグ２８を介して適当な支持構造に固定される。環状の燃料マニフォルドリング２２は複数の燃料噴射スプレーチップアセンブリー２４を有し、これが燃焼のために燃料を霧化する。環状のリング２２はその外側にリングを覆う外側熱シールド２６を有する。これは燃料マニフォルドリングを燃焼室の高温環境から熱的に保護する。一次燃料入口管３０と二次燃料入口管３２とはマニフォルドへの二重の独立した燃料供給を提供し、これらがスプレーチップアセンブリーへの二つの供給燃料流を分配する。スプレーチップアセンブリー２４は環状の燃料マニフォルドリングに直接取り付けられており、従来スプレーチップアセンブリーをそれぞれの燃料入口供給源に対応する独立の燃料マニフォルドと流体的に連通するように接続するために必要であったノズルステムは必要ではない。

次に図３を参照すれば本発明による燃料噴射ノズルアセンブリー２０の詳細がより明瞭に示されている。環状の燃料マニフォルドリング２２は好ましくは単一の中実材料片で形成され、マニフォルドリングの外周面３８に形成された単一の段付きチャネル３６を有し、外周面は保護用の外側熱シールド２６で覆われている。段付きチャネル３６は好ましくは単一の機械加工工程、例えば単一のミリングまたはルーティングステップで形成され、該ステップにおいて所定の寸法の多重直径ビットを用いて、段付きチャネル３６全体をなす入れ子式（ｎｅｓｔｅｄ）スロットの数と寸法が作り出される。後に述べるように、燃料マニフォルドリングに機械加工またはその他の方法で形成された段付きスロットによって画定される入れ子式スロットは環状の燃料通路を作り出し、これによって独立に調節可能の供給燃料を円周方向で分配して各スプレーチップアセンブリーに供給することが可能になる。

環状の段付きチャネル３６は少なくとも二つの入れ子式の燃料管路を有する、すなわち入れ子式一次燃料管路４０および入れ子式二次燃料管路４２である。環状の一次燃料管路はマニフォルドリング内でスプレーチップアセンブリーに最も近く位置し、好ましくは（製造を容易にするために）その断面積は段付きチャネル３６が形成される外周面３８に直接開口する環状の二次燃料管路４２よりもかなり小さい。第一の内側シール部材またはプレート４４が段付きチャネルの二次管路部分の内部にはまり、かつ（一次管路をシールするために）一次管路の幅よりは大きい寸法を有し、段付きチャネルの入れ子式の一次管路と二次管路との間で段付きチャネル内に形成された第一のショルダー４３に対して、ロウ付けまたはその他の固定／シール方法によって固定される。環状の燃料マニフォルドリング２２のための第一の内側シールプレート４４はまた好ましくは環状のリングプレートであり、実質的にマニフォルドリングの全周にわたって延在している。外側の段付きチャネルシール部材またはプレート４６が、この環状の外側シールプレートリング４６を受け入れるために段付きチャネルの内部に形成された第二のショルダー４５に当接し、同様にロウ付けまたは類似の固定方法によって燃料マニフォルドリング２２に固定される。外側シールリングプレート４６はまた、段付きチャネル３６内の第二のショルダー４５を要することなく、マニフォルドリングの外周面３８に直接ロウ付けされてもよい。このようにして二つのシールプレートは単一の段付きチャネル３６を二つの独立した入れ子式燃料管路、すなわち入れ子式一次燃料管路４０および入れ子式二次燃料管路４２に分割し、これらの管路は互いにシールされて、独立の供給燃料をスプレーチップアセンブリーに供給することができる。このようにして、その内部に少なくとも二つの独立の燃料通路が単純でコスト効率の高い方法で形成された一体構造の燃料マニフォルドを用いることが可能になる。これによって、単に外部の燃料マニフォルドを燃焼室内のスプレーチップアセンブリーに接続するための、何百という下位部品からなる燃料ノズルステムおよび従来の燃料ノズル噴射器列を用いる必要がなくなる。

環状の一次および二次入れ子式燃料管路４０および４２は、燃料マニフォルドリングにわたる一次および二次供給燃料の円周方向での分配を可能にする。環状のマニフォルドリング２２に取り付けられた各々のスプレーチップアセンブリー２４の位置において燃料出口通路の孔が、ドリル穿孔またはその他の方法によって、外周面３８に関して実質的に垂直に形成され、これによって入れ子式燃料管路とスプレーチップアセンブリー２４とが流体的に連通する。具体的には、一次燃料管路出口通路４８によって一次燃料管路４０からの一次燃料流がスプレーチップアセンブリーの一次分配器５４に供給され、二次燃料管路出口通路５０によって二次燃料管路４２からの二次燃料流がスプレーチップアセンブリー２４の環状の二次燃料旋回キャビティ６３に供給される。

通常このようなスプレーチップアセンブリーはまた一次分配器５４の内部に配置されたバルブ部材５２を有し、このバルブ部材は、一次燃料ノズルチップ５９から燃料が噴射される前に、一次熱シールド５８で保護された一次コーン５６を通して燃料を制御する。一次分配器の周囲に実質的にこれと同心に配置された二次燃料旋回器６０が環状の二次燃料旋回キャビティを有し、二次燃料流は環状の二次燃料ノズルチップ６１から噴射される前にここで旋回される。外側の空気旋回器６２が円周方向に間隔を置いて複数の空気通路６４を有し、これによって導入された空気がスプレーチップアセンブリーの一次および二次スプレーオリフィス５９および６１から出る一次および二次燃料スプレーに混合される。

図４を参照すれば、環状の燃料マニフォルドリング１２２のこの実施例はマニフォルドリングの中実の一体型材料に機械加工された別の形状の段付きチャネル１３６を有する。段付きチャネル１３６はそのなかに追加の、または補助のチャネル１７２を有する。上記と同様に、入れ子式の一次燃料管路１４０は環状の第一の内側シール部材またはプレート１４４を第一のショルダー１４３に固定して、一次燃料管路１４０を入れ子式の二次燃料管路１４２から分割することによって形成される。入れ子式の二次燃料管路１４２は、第二の内側シール部材またはプレート１７０を段付きチャネル１３６内の第二のショルダー１４５に当接させてこれに固定することによって閉鎖される。前述と同様に、シールプレートをマニフォルドリングに固定するにはいくつかの取付およびシール方法を用いることができるが、シールプレートは好ましくはロウ付けされる。環状の補助チャネル１７２は、外側シール部材またはプレート１４６を環状の燃料マニフォルドリング１２２の外周面１３８に固定することによってさらに軸方向に閉鎖される。前述と同様に、一次管路出口通路１４８および二次管路出口通路１５０を、マニフォルドリングにおいて外周面１３８に関して垂直に、スプレーチップアセンブリーの位置に相当するマニフォルドリングの所定の円周方向位置に形成することによって、各々のスプレーチップアセンブリーへの二重の独立の燃料供給が得られる。

補助チャネル１７２は例えば再循環燃料などの冷媒を流してリングから熱を吸収するのに用いることができる。補助チャネル１７２内の冷媒の流量はエンジンに供給される燃料の量とは無関係である。このことは特に低出力運転において必要である。なぜならば低出力運転においてはマニフォルドの管路を流れる燃料の流量が少ないので、マニフォルドリング全体が燃焼室から吸収する熱量が多くなるからである。これによって、マニフォルドリングを冷却するのに十分な燃料流量が保たれないときに起こりやすい、燃料マニフォルド内の燃料のコーキングが少なくなる。一次燃料管路１４０、二次燃料管路１４２、および補助冷媒管路１７２の各管路はそれぞれ専用の入口供給経路を有するので、燃料流量および冷媒流量は独立に制御可能である。一次および二次燃料流を独立に制御すること、および円周方向で燃料を分配する環状管路から各スプレーチップへ独立に供給することによって、燃焼室の円周方向の特定の位置に特定の量の燃料を分与して点火を促進し、またはエミッションを制御するような燃料階層化（ｆｕｅｌ ｓｔａｇｉｎｇ）もまた可能になる。

また燃料ノズルステムに独立の燃料管路を与えるために、本発明を用いて多重入れ子式チャネルを設けてもよい。

図５および図６を参照すれば、燃料ノズルステム２００が中央のステム本体２０２と、ステム入口側端部２０４と、ステム出口側端部２０６とを有する。段付きチャネル２３６がステム本体２０２の第一の外表面２３８に形成されている。チャネルは段付きチャネル内のショルダー２４３に当接して好ましくはこれにロウ付けされる内側シール部材またはプレート２４４によって分割され、これによって入れ子式の一次燃料管路２４０と、好ましくはより大きな入れ子式の二次燃料管路２４２とが画定されている。前述の入れ子式燃料管路とは異なり、一次および二次燃料管路２４０および２４２は環状ではなく実質的に直線状である。入れ子式の二次燃料管路２４２は、好ましくはステム本体の外表面２３８に好ましくはロウ付けによって固定される外側シール部材またはプレート２４６によって閉鎖されている。こうして一次および二次燃料管路がステムの入口側端部２０４と出口側端部２０６との間に独立の燃料流通路を与え、これらはそれぞれ燃料マニフォルドアダプターおよびノズルスプレーチップアセンブリーと連結されるように設けられている。これによってノズルステムを通ってスプレーチップアセンブリーに至る少なくとも二つの独立の燃料流が得られる。通常は燃料ノズルステム２００全体が周囲の円筒形の外側シールド２７８内に固定され、外側シールドはステム部材にロウ付けされて熱保護要素をなしている。ステム本体２０２はまた本発明によってそのなかに形成される補助冷却チャネル２７２を有してもよい。図示された実施例では、補助冷却チャネル２７２はステム本体の両側に、すなわち段付きチャネル２３６が形成されている第一の外表面２３８に対して実質的に垂直な側部外表面２８０に設けられている。補助チャネル外側シールプレート２７６が補助冷却チャネルを閉鎖している。反対側に設けられた二つの補助冷媒チャネル２７２はステムの出口側端部２０６において流体的に連通しており、ステムを通る冷媒のための入口および出口通路を与えており、かくしてステムを冷却している。

上記において好ましい実施例を説明したが、本発明が請求の範囲の趣旨から逸脱することなく容易に改良や変更を受け得ることは理解されるであろう。例えば本発明は、任意のガスタービンエンジン用途において液圧用またはその他の流体の多重の管路が必要とされ、または所望される場合において信頼性および重量における利点を提供することができる。また、チャネルの段付き構造が好ましいが、当業者にはその他の構成も明らかであろう。ここに述べた以外の他の改良および用途もまた当業者には明らかであろう。

本発明による燃料噴射装置を有するガスタービンエンジンの断面図である。 環状の入れ子式チャネルの燃料マニフォルドリングを有する本発明による燃料噴射装置の第一の実施例の斜視図である。 図２の入れ子式チャネルの燃料マニフォルドリングの断面図である。 追加の入れ子式チャネルを有する別の燃料マニフォルドリングの断面図である。 燃料ノズルステム内に入れ子式燃料チャネルが形成されている本発明による燃料噴射装置の第二の実施例の斜視図である。 図５の入れ子式燃料チャネルの燃料ノズルステムの断面図である。

Claims (20)

1. 燃料供給源と流体的に連通するスプレーチップアセンブリーを有するガスタービンエンジン燃料ノズル装置であって、
   燃料流をスプレーチップアセンブリーに供給するためのチャネルが内部に形成された燃料搬送部材と、
   チャネル内に配置されてチャネルを少なくとも独立の一次管路と独立の二次管路とに分割する少なくとも第一の内側シール部材と、
   チャネルを閉鎖して独立の二次管路を画定する外側シール部材と、
   を有し、各々の独立の管路は独立の燃料流を燃料供給源からスプレーチップアセンブリーに送るように設けられていることを特徴とする、燃料ノズル装置。
2. 燃料搬送部材が環状の燃料マニフォルドリングであることを特徴とする、請求項１記載の燃料ノズル装置。
3. 環状の燃料マニフォルドリングがこれと直接連結された複数のスプレーチップアセンブリーに供給していることを特徴とする、請求項２記載の燃料ノズル装置。
4. チャネルは段付きにされており、第一の内側シール部材が、段付きチャネル内に配置されたショルダーに当接して入れ子になった独立の一次および二次管路を画定していることを特徴とする、請求項１記載の燃料ノズル装置。
5. 外側シール部材が内部にチャネルが形成された燃料搬送部材の外表面に連結されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料ノズル装置。
6. 独立の入れ子式二次管路が独立の入れ子式一次管路よりも大きな断面積を有することを特徴とする、請求項１記載の燃料ノズル装置。
7. 燃料搬送部材が第三の独立の管路を含むことを特徴とする、請求項１記載の燃料ノズル装置。
8. 第三の独立の管路が、チャネルの内部に画定された独立の一次および二次管路とともに入れ子になっており、かつチャネルの内部に配置された第二の内側シール部材によって独立の入れ子式二次管路から密閉分割されていることを特徴とする、請求項７記載の燃料ノズル装置。
9. 第三の独立の管路が、チャネルとは別に燃料搬送部材に形成されて、少なくとも一つの補助外側シール部材によって覆われた少なくとも一つの補助チャネルによって画定されていることを特徴とする、請求項７記載の燃料ノズル装置。
10. 反対側に設けられた二つの補助チャネルが燃料搬送部材に形成されていることを特徴とする、請求項７記載の燃料ノズル装置。
11. 燃料搬送部材が単一の中実材料片として提供されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料ノズル装置。
12. 第一の内側シール部材および外側シール部材が燃料搬送部材にロウ付けされていることを特徴とする、請求項１記載の燃料ノズル装置。
13. 燃料搬送部材は燃料ノズルステムであることを特徴とする、請求項１記載の燃料ノズル装置。
14. チャネルが燃料ノズルステム部材の軸方向の長さの一部に沿って直線状に延在していることを特徴とする、請求項１３記載の燃料ノズル装置。
15. ガスタービンエンジン用の多重管路装置であって、該多重管路装置は複数の管路の入口と出口との間に延在しており、
    ガスタービンエンジンの構成部品の表面に形成された、流体流を入口から出口まで送るように設けられたチャネルと、
    チャネル内に配置されてチャネルを少なくとも独立の第一の管路と独立の第二の管路とに分割する、少なくとも一つの第一のシール部材と、
    チャネルを閉鎖して独立の第二の管路を画定する第二のシール部材と、
    を有し、独立の第一および第二の管路は、それぞれ独立の流体流をそれぞれの入口から出口まで送るように設けられていることを特徴とする、多重管路装置。
16. チャネルは段付きにされており、第一の内側シール部材が、段付きチャネル内に配置されたショルダーに当接して入れ子になった独立の第一および第二の管路を画定していることを特徴とする、請求項１５記載の多重管路装置。
17. 第二のシール部材がガスタービンエンジンの構成部品の表面に連結されていることを特徴とする、請求項１５記載の多重管路装置。
18. 独立の燃料流を燃料供給源からスプレーチップアセンブリーへ送るための多重独立燃料管路を有するガスタービンエンジン燃料ノズルの製造方法であって、
    燃料搬送部材を提供し、
    燃料搬送部材の表面にチャネルを提供し、
    少なくとも一つの第一のシール部材をチャネルの内部に固定してチャネルを独立の第一の燃料管路と独立の第二の燃料管路とに分割し、
    第二のシール部材を燃料搬送部材に固定してチャネルを閉鎖し、これにより第二の独立の燃料管路を画定することを含むことを特徴とする、ガスタービンエンジン燃料ノズルの製造方法。
19. 燃料搬送部材を単一の中実材料片として提供することをさらに含むことを特徴とする、請求項１８記載のガスタービンエンジン燃料ノズルの製造方法。
20. チャネル内にショルダーを提供し、第一のシール部材をショルダーに固定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１８記載のガスタービンエンジン燃料ノズルの製造方法。

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