JP2006170605A - ガスタービンエンジンおよび燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン（１０）用の乾式低エミッション型（ＤＬＥ）予混合器（１６）のための燃料供給装置を提供する。
【解決手段】本装置は、円周方向に配置されかつ燃焼器入口に結合された複数の燃焼器ドーム（３６）と、複数のドームの各々のそれぞれの１つに結合された予混合器（４０）とを含む。各予混合器は、渦励振が燃焼器内における音響振動と組み合わさるのを抑制するように構成された面取り後縁部（１３６）を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジン用の燃焼器に関し、より具体的には、燃焼器音響を低減するための燃料供給装置に関する。

世界的な大気汚染の関心により、国内的にも国際的にもより厳しい排出（エミッション）基準が導入されるようになった。産業用ガスタービンからの汚染物質エミッションは、米国環境保護局（ＥＰＡ）基準の下にある。これらの基準は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃焼炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出を規制する。環境への引き続く懸念により、より厳しいミッション基準に向かう傾向になると、引き続き予想することができる。

一般に、エンジンエミッションは、２つの種類、すなわち高い火炎温度のため形成されるもの（ＮＯｘ）と燃料−空気反応が完全に進行することができない低い火炎温度のために形成されるもの（ＨＣ及びＣＯ）とに分類される。少なくとも幾つかのエンジンでは、火炎温度を低下させ、従って（ＮＯｘ）エミッションを低減するのを可能にするために、燃焼器内に水が噴射される。それに代えて、水噴射を使用しないで（ＣＯ）及び（ＮＯｘ）エミッションを低減するのを可能にするように、乾式低エミッション型（ＤＬＥ）燃焼器が設計される。しかしながら、低エミッションを可能にするためには、ＤＬＥ燃焼器は、燃焼器全体にわたって燃料の一様な分散を必要とする希薄燃料−空気比で作動される。さらに具体的には、このような燃焼器は、予混合器を通して円周方向全体に燃料流を流して燃焼器全体にわたって燃料の均一な分散を可能にする燃料供給システムを含む。

しかしながら、ＤＬＥ燃焼器とその関連する燃料供給システムとに発生する可能性がある１つの問題は、燃焼器内に高い音響を生じるおそれがあることである。燃焼器音響は、幾つかのメカニズムにより発生する可能性があり、例えば、希薄予混合火炎により放出される熱の不安定性又は非定常性によって生じる熱誘起の圧力の乱れと関連する可能性がある。このような熱的不安定性は、燃焼器内に発生した自然音響と組み合わさって高エネルギー音響振動を生成し、この高エネルギー音響振動が、時間の経過と共に燃焼器及び他の構成部品に損傷を与えることになる。その結果、高い燃焼器音響により、燃焼器の作動が制限されるおそれがある。

１つの態様では、ガスタービンエンジンにおける燃焼器音響を低減する方法を提供する。本方法は、複数の予混合器を製作する段階と、各予混合器の主スワーラシュラウドの後縁部を面取りする段階と、面取りした予混合器のそれぞれの１つを複数の燃焼器ドームの各々に結合する段階と、複数の燃焼器ドームを円周方向配列の形態で燃焼器の入口に結合して、作動中に面取り縁部が燃焼器音響を低減するのを可能に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乾式低エミッション型（ＤＬＥ）燃焼器のための燃料供給装置を提供する。本装置は、円周方向に配置されかつ燃焼器入口に結合された複数の燃焼器ドームと、複数のドームの各々のそれぞれの１つに結合された予混合器とを含む。各予混合器は、渦励振が燃焼器内における音響振動と組み合わさるのを抑制するように構成された面取り後縁部を含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供し、本ガスタービンエンジンは、燃焼器と該燃焼器に結合された燃料供給システムとを含む。燃料供給システムは、円周方向に配置されかつ燃焼器の入口に結合された複数の燃焼器ドームと、複数のドームの各々のそれぞれの１つに結合された予混合器とを含む。各予混合器は、渦励振が燃焼器内における音響振動と組み合わさるのを抑制するように構成された面取り後縁部を含む。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図であり、ガスタービンエンジン１０は、低圧圧縮機１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６とを含む。エンジン１０はまた、直列軸流関係で配置された高圧タービン１８と低圧タービン２０とを含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２４によって結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２６によって結合される。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ティ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから購入可能なＬＭＳ１００型エンジンである。

作動中、空気は、エンジン１０の上流側２８から低圧圧縮機１２を通って流れる。加圧された空気は、低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は次に、燃焼器組立体１６に送給され、燃焼器組立体１６において空気は燃料と混合されかつ点火される。燃焼ガスは、燃焼器１６から流れてタービン１８及び２０を駆動する。

図２は、エンジン１０（図１に示す）のようなガスタービンエンジンで使用することができる例示的な燃焼器１６の断面図である。この例示的な実施形態では、燃焼器１６は、低い（ＮＯｘ）のレベルで作動するように設計された乾式低エミッション型（ＤＬＥ）燃焼器である。燃焼器１６は、希薄な燃料／空気混合気で作動する。具体的には、燃焼器１６は、混合気内の全ての燃料を完全燃焼するのに必要な空気よりも多くの空気を含んだ燃料／空気混合気で作動可能である。

燃焼器１６は、ドーム状端部３０、内側ライナ３２及び外側ライナ３３を含む。内側ライナ３２及び外側ライナ３３は、ドーム状端部３０から下流方向に延びて燃焼ゾーン３４を形成する。複数の燃焼器ドーム３６が、ライナ３２及び３３の上流端部に取付けられ、燃焼器１６を横切って半径方向に間隔を置いて配置される。各ドーム３６は、燃料と空気とを混合して所望の燃料／空気混合気を燃焼ゾーン３４に供給することを可能にする複数の予混合器４０を含む。

図３は、燃焼器予混合器４０の断面図である。この例示的な実施形態では、予混合器４０は、同軸のパイロット付きの予混合器であり、パイロットセクション４２及び主セクション４３を含む。パイロットセクション４２は、パイロット入口４４、センタボデー４６、内側スワーラ４８及び外側スワーラ５０を含む。予混合器４０の対称軸線５２は、予混合器４０を通って予混合器４０の前端部５４から予混合器４０の後端部５６まで延びる。パイロット内側スワーラ４８は、内側スワーラベーン５８を含み、またパイロット外側スワーラ５０は、外側スワーラベーン６０を含む。１つの実施形態では、内側スワーラ４８及び外側スワーラ５０は、互いに一体形に形成される。別の実施形態では、内側スワーラ４８及び外側スワーラ５０は、別個に製作することができる。

予混合器４０はまた、燃料をパイロット燃料マニホールド６４内に導くパイロット燃料入口６２を含む。燃料と空気とは、それぞれ内側及び外側スワーラ４８及び５０内で混合され、得られた混合気は、それぞれパイロット内側及び外側スワーラベーン５８及び６０を通って、センタボデー４６を囲む内側チャンバ６８に流れた後に燃焼ゾーン３４に流入する。センタボデー４６は、該センタボデー４６の出口先端部７２を通して冷却空気を送る冷却空気通路７０を含む。予混合器４０には、パイロット燃料マニホールド６４と流体連通状態で結合された補助燃料通路７６を含む補助燃料回路を設けることができる。冷却空気マニホールド８０は、燃料通路７６を囲み、デフレクタプレート８２は、冷却空気マニホールド８０の下流端部８４の周りで円周方向に延びる。冷却空気は、オリフィス板８６を通して冷却空気マニホールド８０から吐出されて、デフレクタプレート８２を冷却するのを可能にする。冷却空気通路９０は、冷却空気を冷却空気チャンバ９２に供給し、冷却空気チャンバ９２は、冷却空気を冷却空気マニホールド８０に供給する。

予混合器主セクション４３は、パイロットセクション４２に対してほぼ同心に位置合わせされ、パイロットセクション４２の周りで円周方向に延びる。環状の主燃料マニホールド９６は、燃料を燃料溜め９８から主スワーラ９９に流し、主スワーラ９９は、燃料と空気とを混合して、燃焼ゾーン３４に流入させる前に、所望の燃料／空気混合気を形成して予混合器４０内の外側チャンバ１００に供給する。複数の主スワーラベーン１０２は、予混合器４０の周りで円周方向に延びており、主燃料マニホールド９６の後端部１０４及び冷却空気マニホールド８０の端縁部１０６に結合されかつそれらの周りで延びる。各主スワーラベーン１０２は、中空であり、それらの間に空洞１１４を形成する外側壁１１０及び内側壁１１２を含む。空洞１１４は、主スワーラベーン１０２の長手方向長さに沿って延びる。主燃料マニホールドの燃料溜め９８は、主スワーラベーン１０２内に形成された空洞１１４内に延びる。１つの実施形態では、主スワーラベーン１０２は、燃料と空気との混合の調整を可能にして低（ＮＯｘ）エミッションと燃焼器１６内での燃焼安定性とを達成するのを可能にする複数の噴射ポート１１６を含む。

主スワーラシュラウド１２０は、主スワーラベーン１０２の後端部１２２に結合されかつ該後端部１２２から後方に延びる。主スワーラシュラウド１２０は、環状であり、予混合器４０の後端部５６の周りで円周方向に延びる。シュラウド１２０の内面１２４は、後端部５６に向かって長手方向に延びかつ対称軸線５２にほぼ平行である。

図４は、主スワーラシュラウド１２０の断面図である。主スワーラシュラウド１２０は、内面１２４と対向するＵ字形外面１２６と、前端部１２８と、後端部すなわち終端部１３０を含む。前端部１２８は、主スワーラベーン端部１２２を受けるＬ字形ノッチ１３２を含む。内面１２４は、弓形でありかつ曲率半径が形成された前縁部１３４を含む。シュラウド１２０は、内面１２４に対して角度αで形成された面取り後縁部１３６を含む。丸移行コーナ部１３８は、内面１２４と後縁部１３６との間で延びる。主スワーラシュラウド終端部１３０に向けて冷却空気を導くために、冷却空気通路１４０が設けられる。

エンジン１０の作動時、予混合器４０は、希薄かつ良好に分散した燃料／空気混合気を燃焼器１６に供給して、エンジン１０からの（ＮＯｘ）エミッションを低減するのを可能にする。燃焼器１６は、エンジン１０の作動時に生じることになる自然発生する音響周波数を有する。このような希薄な条件下で作動するとき、燃焼器１６内には高い熱音響が生成される可能性がある。燃焼器１６のようなＤＬＥ燃焼器における高い音響の１つの潜在的な源は、燃焼器１６内の火炎音響と主スワーラシュラウド１２０の終端部１３０における渦励振（ｖｏｒｔｅｘ ｓｈｅｄｄｉｎｇ）との相互作用に関連している。この相互作用は、後縁部１３６が内面１２４に対して垂直であって直角のコーナ部を形成している場合に顕著である。渦励振により、燃料／空気混合気内にまた希薄予混合火炎により放出された熱内に振動が引き起こされ、この振動が燃焼器１６内の熱音響と組み合わさる可能性があることが、実験的に確認されている。この結合（組み合わさること）が起こると、危険なレベルの音響振動を発生する可能性がある高い音響が生じるおそれがある。

渦励振を変更するように後縁部１３６及び移行コーナ部１３８を配向して、予混合器４０を通る燃料及び空気の流れから、後縁部１３６及び移行コーナ部１３８における渦励振による励振を抑制するのを可能にする。渦励振を変更することにより、渦周波数の変化と主スワーラシュラウド１２０内及び該主スワーラシュラウド１２０の出口での局所圧力分布の変化とが生じ、これらの変化により、燃焼器１６内に発生するおそれがあった音響振動を抑制することが可能になる。この例示的な実施形態では、角度αは、主スワーラシュラウド１２０の内面１２４に対して測定して約４５度である。

上記のガスタービンエンジン用の燃料供給システムは、コスト効果がありかつ信頼性がある。本燃料供給システムは、損傷を引き起こす可能性がある音響振動の発生を低減しながら、（ＮＯｘ）エミッションを最小にするのを可能にする乾式低エミッション型（ＤＬＥ）予混合器を含む。予混合器は、面取り後縁部を有する主スワーラシュラウドを含み、この面取り後縁部が、シュラウド終端部における渦励振により生じる圧力の乱れが他の燃焼器音響と組み合わさるのを抑制する。このような圧力の乱れを回避することにより、燃焼器及び周辺ハードウエアにおける有害な振動を回避することが可能になる。

以上、ガスタービンエンジン用の燃料供給システムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本システム及び組立構成部品は、本明細書に説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各システムの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品とは独立してかつ別個に利用することができる。各システム及び組立構成部品はまた、他のシステム及び組立体と組み合わせて使用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、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することができることは、当業者には明らかであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的な燃焼器の断面図。 図２に示す燃焼器で使用することができる例示的な燃焼器予混合器の断面図。 図３に示す予混合器で使用することができる例示的な主スワーラシュラウドの断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１６ 燃焼器
３２ 内側ライナ
３３ 外側ライナ
３４ 燃焼ゾーン
３６ 燃焼器ドーム
４０ 予混合器
４２ パイロットセクション
４３ 主セクション
４６ センタボデー
１２０ 主スワーラシュラウド
１２４ 主スワーラシュラウドの内面
１３６ 主スワーラシュラウドの面取り後縁部
１３８ 主スワーラシュラウドの丸移行コーナ部

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１０）用の乾式低エミッション型（ＤＬＥ）燃焼器（１６）のための燃料供給装置であって、
   円周方向に配置されかつ燃焼器入口に結合された複数の燃焼器ドーム（３６）と、
   前記複数のドームの各々のそれぞれの１つに結合された予混合器（４０）と、を含み、
   各前記予混合器が、渦励振が前記燃焼器内における音響振動と組み合わさるのを抑制するように構成された面取り後縁部（１３６）を含むことを特徴とする燃料供給装置。
2. 各前記予混合器（４０）が主スワーラシュラウド（１２０）をさらに含み、前記面取り後縁部（１３６）が、前記主スワーラシュラウド上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
3. 前記主スワーラシュラウド（１２０）が内面（１２４）を含み、前記面取り後縁部（１３６）が、前記内面の後端部に設置されていることを特徴とする請求項２記載の燃料供給装置。
4. 前記面取り後縁部（１３６）が、前記主スワーラシュラウド（１２０）の内面（１２４）に対して約４５度の角度で形成されていることを特徴とする請求項３記載の燃料供給装置。
5. 前記主スワーラシュラウド（１２０）が、前記面取り後縁部（１３６）を前記内面（１２４）と接合する丸移行コーナ部（１３８）をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料供給装置。
6. 前記面取り後縁部（１３６）が、前記主スワーラシュラウド（１２０）内の局所圧力分布を変更するように構成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料供給装置。
7. 各前記予混合器（４０）が、乾式エミッション型（ＤＬＥ）予混合器を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
8. 燃焼器（１６）と、
   前記燃焼器に結合された燃料供給システムと、
   を含み、前記燃料供給システムが、
   円周方向に配置されかつ前記燃焼器の入口に結合された複数の燃焼器ドーム（３６）と、
   前記複数のドームの各々のそれぞれの１つに結合されかつその各々が渦励振が前記燃焼器内における音響振動と組み合わさるのを抑制するように構成された面取り後縁部（１３６）を含む予混合器（４０）と、
   を含むことを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
9. 各前記予混合器（４０）が主スワーラシュラウド（１２０）をさらに含み、前記面取り後縁部（１３６）が、前記主スワーラシュラウド上に配置されていることを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記面取り後縁部（１３６）が、前記主スワーラシュラウド（１２０）内の局所圧力分布を変更するように構成されていることを特徴とする請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。

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