JP2007113910A - 燃焼器アッセンブリおよび排気エミッション低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】好ましくない排気エミッションを減少するために、燃焼器内の滞留時間を減少させる燃焼器アッセンブリを提供する。
【解決手段】本発明の例示的な燃焼器アッセンブリは、第1のセグメント３４と、トランジションセグメント３８と、第2のセグメント３６と、を備える。第1のセグメント３４は、燃焼器アッセンブリ１４の前側の端部からトランジションセグメント３８に向かって軸方向の長さに沿って収束する。第2のセグメント３６は、トランジションセグメント３８から軸方向の長さに沿って拡散していく。トランジションセグメント３８は、限定された軸方向の長さを有するか、あるいは第１のセグメント３８と第2のセグメント３６との間の接合部を形成する実質的な平面である場合もある。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室の幾何学的構造に関する。より詳しくは、収束（コンバージョン）セグメントおよび拡散（ダイバージョン）セグメントを備えるアニュラ型燃焼室に関する。

従来のガスタービンエンジンは、コンプレッサと、燃焼器と、タービンと、を備える。燃焼器は、エンジンの軸に対して対称なアニュラ型の燃焼室を含むいくつかの形式をとる。アニュラ型燃焼器は、燃料が高圧空気と混合されて着火されるセグメントを有する。燃焼室の形状は、燃料・空気混合気の完全燃焼を促進し、タービンへの好ましい燃焼ガス流を供給するように形成されている。

ガスタービンにより生じる排気エミッションは、燃焼器の設計と動作において、重大な関心事である。好ましくない排気エミッションは、燃焼器を通過する空間的および時間的の両方において非効率的な理論空燃比で燃料および空気を混合することによって生じる。このため、燃焼器は、燃料と空気を高効率で混合し、かつ燃料・空気混合気の理論空燃比を制御するように設計されている。さらに、十分に混合された均一な状態で燃焼器から燃焼ガスを排出することが望ましい。

不都合なことには、燃焼室内の空気と燃料の混合には時間を要し、高温で燃料・空気混合気が燃焼するので、窒素酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、他の炭化水素などの好ましくない排気エミッションが、不完全燃焼、あるいは局所的な理論空燃比によって生じる。

したがって、燃料と空気の好ましい混合を提供し、好ましくない燃焼副産物の生成と排気エミッションを低減するために、燃焼器内の滞留時間を減少させる燃焼器アッセンブリを発達させる必要がある。

本発明による例示的な燃焼器アッセンブリは、燃焼を有利に改善するように拡散セグメントが後ろに続く収束セグメントを備える。

本発明の例示的な燃焼器アッセンブリは、第1のセグメントと、トランジションセグメントと、第2のセグメントと、を備える。第1のセグメントは、一般的にバルクヘッドと言われている燃焼器アッセンブリの前側の端部からトランジションセグメントに向かって軸方向の長さに沿って収束する。第2のセグメントは、トランジションセグメントから軸方向の長さに沿って拡散していく。トランジションセグメントは、限定された軸方向の長さを有するか、あるいは第１のセグメントと第2のセグメントとの間の接合部を形成する実質的な平面である場合もある。全てのセグメントは、燃焼室の内側表面に亘って冷却手段を備え得る。さらに、燃焼プロセスを補助するように、トランジションセグメントに近接して複数の付加的な開口を備えることができる。

第1のセグメントにおける軸を横切る方向の幅が減少することで、燃料および空気の混合に好ましい作用をもたらす。拡散構造の第2のセグメントと組み合わせた第1のセグメントの収束構造は、燃焼室内の燃料・空気混合気の滞留時間を減少させる。燃焼室内の燃料・空気混合気の滞留時間が減少することで、燃焼器アッセンブリからの好ましくない排気エミッションが減少する。

本発明による他の例示的な燃焼器は、軸方向に長さを有するトランジションセグメントを含む。このトランジションセグメントは、燃料の混合および燃焼を補助するように、トランジションセグメントに空気を導入する一連の開口を有する。他の例示的な燃焼器アッセンブリにおいては、トランジションセグメントの外壁および内壁の方向が、プロセスエアの導入および燃料・空気混合気の混合空間をより良く制御するように、半径方向に一定の距離離間しており、下流のタービンベーンに向かうガスの好ましい温度、流れの特性、および分配がなされる。一連の開口は、燃料と空気の処理や混合を補助するように、実質的に平坦なトランジションセグメントに近接して設けられる。

本発明の燃焼器アッセンブリの収束・拡散構造は、燃焼器アッセンブリの設計上の好ましい他の要素を犠牲にすることなく、排気エミッションを減少するように、設計の自由度および燃料・空気混合気の制御を提供する。

図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０は、ファン（図示せず）と、コンプレッサ１２（後部を概略的に示す）と、アニュラ型燃焼器アッセンブリ１４と、タービンアッセンブリ１６と、を備える。タービンアッセンブリ１６は、複数の固定されたタービンベーン１８Ａ（理解しやすいように１つのみ示す）と、回転可能なタービンブレード１８Ｂと、を備え、燃焼器アッセンブリ１４からの燃焼ガスの軸方向の流れを、コンプレッサ１２やファンを駆動する回転運動に変換する。燃焼器アッセンブリ１４は、軸２０を中心とした環状であり、外径側の壁２８および内径側の壁３０を備える。燃焼器アッセンブリ１４は、燃料と空気が混合されて着火される前側の端部２４と、燃焼ガスが燃焼器アッセンブリ１４を出る後側の端部２６と、を備える。この後側の端部２６は、タービンベーン１８Ａに対する出口幅４６に対応している開口部を備える。燃焼器アッセンブリ１４は、上流のコンプレッサ１２から圧縮された空気を受けるディフューザ１５によって囲まれている。

燃焼器アッセンブリ１４は、燃焼器の出口２６に向かう燃焼器の軸２２に沿った方向において、前側の端部２４ではじまる第１のセグメント３４と、トランジションセグメント３８を介して移行する第２のセグメント３６と、に分けることができる。第１のセグメント３４は、燃料ノズル４８を含む。

第１のセグメント３４は、燃焼器の前側の端部２４からトランジションセグメント３８に向かって燃焼器の軸２２に沿って後方に収束（先細り）している。好ましい収束構造は、燃焼器の軸２２に対し内径側の壁３０および外径側の壁２８の各々が数度から４５度までの開き角３５（ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ）をなすように傾斜させることによって提供される。この内径側の壁３０および外径側の壁２８は、燃焼器の軸２２に対し、異なる角度および態様で角度を付けることができる。この第１のセグメントの収束構造は、外径側の壁２８と内径側の壁３０との間に、燃焼器の軸２２を横切る方向の距離４０を含み、この距離４０は、前側の端部２４からトランジションセグメント３８に向かって軸方向に減少していく。

第２のセグメント３６は、トランジションセグメント３８から後側の端部２６に向かって燃焼器の軸２２に沿って後方に拡散していく。この拡散構造の第２のセグメント３６は、燃焼器の軸２２に対し内径側の壁３０および外径側の壁２８が１３５度から１８０度未満まで開き角３７をなすように傾斜させることによって提供される。この拡散構造の第２のセグメント３６は、燃焼器の軸２２を横切る方向の距離４２を含み、この距離４２は、トランジションセグメント３８から後側の端部２６に向かって増大していく。

第１のセグメント３４における距離４０が減少していくことで、前側の端部２４から離れるに従って、一般的に、燃焼室２５における断面積は減少していく。第２のセグメント３６においては、内径側の壁３０と外径側の壁２８との間の距離４２が増大する。この距離４２が増大していくことで、一般的に、後方の端部２６に向かうにしたがって、断面積が増大していく。

第１のセグメント３４内の半径方向の幅が減少していくことで、燃料と空気が混合するための好ましい機構が提供される。さらに、第２のセグメント３６の拡散構造と組み合わせた第１のセグメント３４の収束構造は、燃焼室２５内の燃料・空気混合気の滞留時間を減少させる。燃焼室２５内の混合気の滞留時間が減少することで、通常、燃焼器アッセンブリ１４による燃焼プロセスからの好ましくない排気エミッションの発生が低減される。

トランジションセグメント３８は、一定の距離４４を有する。この距離４４は、具体的に、第１のセグメント３４内の距離４０よりも短く、混合の寸法（ｍｉｘｉｎｇ ｓｃａｌｅｓ）つまり、混合効率を改善するようにトランジションセグメント３８に近接した開口から追加される空気が横切る横方向の距離、を最小限にする。トランジションセグメント３８は、第１のセグメント３４と第２のセグメント３６との間の平面として図１に示されている。トランジションセグメント３８は、後側の開口端部２６から距離４５の位置に配置される。距離４５は、燃焼器アッセンブリ１４の前側および後側セグメント３４，３６内での燃料と空気の好ましい混合を促進するように好適な位置を提供する。

図２では、本発明による他の例示的な燃焼器５２を示し、この燃焼器５２は、長さ６０を有するトランジションセグメント５８を含む。このトランジションセグメント５８は、内径側の壁３０と外径側の壁２８との間の距離５５を含む。この距離５５は、トランジションセグメント５８全体に亘り実質的に一定である。

トランジションセグメント５８は、開口５６を介してプロセスエアを導入するための開口部５４を備える。この開口５６は、燃料の燃焼を補助するようにトランジションセグメント５８に空気を導入する。トランジションセグメント５８の内径側の壁３０と外径側の壁２８との間の距離５５を一定とし、外径側および内径側の壁２８，３０が実質的に平行であることは、開口５６のジオメトリと空気流の大きさと組み合わせることで、燃焼室２５へのプロセスエアの導入を制御する。さらに、外径側の壁２８に対して内径側の壁３０の方向が平行であることは、下流のタービンベーン１８Ａに供給されるガスの温度や流れの特性、形状、および分配を制御するために、燃料と空気の混合量を好ましく制御できる。

図３では、他の例示的な燃焼器アッセンブリ６２が示され、断面において平面であるトランジションセグメント６８を含む。さらに、燃焼器アッセンブリ６２は、増大する断面積を提供する距離４２を含む後側のセグメント３６を備える。例示的な燃焼器アッセンブリ６２は、長さ６４に亘って一定の断面積を有する前側の端部２４に隣接した第１のセグメント３４を備える。この一定の断面積の部分は、一定の距離６６を備える。この一定の距離６６の部分は、第１のセグメント３４の収束部分へと移行する。この収束部分では、後側の端部２６に向かって、燃焼器の軸２２を横切る方向の距離４０は減少していく。前側の端部２４に近接した部分的に平行な壁を有するセグメントは、混合と燃焼を制御するように好ましい混合チャンバの構造を提供し、ハードウェアの組立てやパッケージングを簡易化させるのに適している。

第２のセグメント３６は、燃焼器の軸２２を横切る方向の距離４２が、後側の端部２６に向かって増加し、燃焼器の軸２２に沿って後方へ向かって断面積が増大するように、拡散構造をとる。第２のセグメント３６は、燃焼器の軸２２に関して対称ではない。つまり、距離４２は、軸２２と外径側の壁２８との間の第１の部分６５と、軸２２と内径側の壁３０との間の第２の部分６７と、を備え、両者は等しくない。したがって、外径側の壁２８に対する内径側の壁３０の角度の大きさは異なる。軸２２からの異なった距離は、タービンベーン１８Ａの好ましい出口の幅４６に対して適合するように拡散構造の第２のセグメント３６を提供する。

図４では、本発明による他の燃焼器アッセンブリ７２は、トランジションプレーン（平面）７８に向かって収束構造をとる第１のセグメント７４を備え、それから、開口端部２６および出口幅４６に向かう第２のセグメント７６において拡散構造をとる。第１のセグメント７４は、前側の端部２４からトランジションプレーン７８に向かう方向に沿って、軸２２を横切る方向の距離８０は減少する。第２のセグメント７６は、トランジションプレーン７８からはじまり、後側の端部２６に向かって拡散構造をとる。第１のセグメント７４の距離８０は、トランジションプレーン７８に向かって減少し、距離８４となる。トランジションプレーン７８から、内径側の壁３０と外径側の壁２８との間の距離は、後側の開口端部２６に向かって増大する。

燃焼器の収束・拡散構造は、設計上の他の要素を犠牲にすることなく排気を減少させる設計の自由度を提供する。本発明により設計された例示的な燃焼器に提供される、この収束・拡散構造は、燃焼器における滞留時間を減少させ、燃焼室２５の前面の端部で生成された燃焼生成物と希釈用空気を混合する１つの領域において、内径側の燃焼器壁と外径側の燃焼器壁との間の好ましい近接させた位置関係を維持する。この２つのことにより、燃焼プロセスが好ましく制御され、好ましい低排気エミッションを生成する設計が得られる。トランジションセグメントによって提供される希釈領域（ｄｉｌｌｕｔｉｏｎ ａｒｅａ）の下流のライナでの燃焼は、冷却、耐久性および下流のタービンへの温度プロファイルの制御に有利である。

本発明による例示的な燃焼器アッセンブリを含むガスタービンエンジンの断面図。 本発明による他の燃焼器アッセンブリの概略図。 本発明によるさらに他の燃焼器アッセンブリの概略図。 本発明による例示的な燃焼器アッセンブリを含む他のガスタービンエンジンの断面図。

符号の説明

１４…燃焼器アッセンブリ
２２…燃焼器の軸
３４…第1のセグメント
３６…第2のセグメント
３８…トランジションセグメント

Claims (24)

1. 前側の端部および後側の端部を備える燃焼器を形成する第１のライナ壁および第２のライナ壁と、
   上記前側の端部から離れるにしたがって断面積が減少するように形成される、第１のライナ壁と第２のライナ壁とが互いに収束する第１のセグメントと、
   上記後側の端部に向かって断面積が増大していくように形成される、第１のライナ壁と第２のライナ壁とが互いに拡散する第２のセグメントと、
   を備えることを特徴とする燃焼器アッセンブリ。
2. 第１のセグメントと第２のセグメントとの間にトランジションセグメントを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器アッセンブリ。
3. トランジションセグメントの断面積が一定であることを特徴とする請求項２に記載の燃焼器アッセンブリ。
4. 後側の端部に向かって増加するトランジションセグメントの断面積の増加が、第２のセグメント内で増大していく断面積の増加より小さいことを特徴とする請求項２に記載の燃焼器アッセンブリ。
5. トランジションセグメントが、第１のセグメントと第２のセグメントとの間の平面からなることを特徴とする請求項２に記載の燃焼器アッセンブリ。
6. トランジションセグメントが、第１のセグメントと第２のセグメントとの間の軸方向の長さを有することを特徴とする請求項２に記載の燃焼器アッセンブリ。
7. トランジションセグメント内に配置され、かつ燃焼室内に空気を導入する開口部を含むことを特徴とする請求項６に記載の燃焼器アッセンブリ。
8. 第１のセグメント内に配置された燃料ノズルを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃焼器アッセンブリ。
9. 燃焼器アッセンブリがアニュラ型であり、第１のライナ壁が燃焼器アッセンブリの最も外径側を形成し、第２のライナ壁が燃焼器アッセンブリの最も内径側を形成することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器アッセンブリ。
10. 第１のライナ壁と第２のライナ壁とが燃焼器の軸に対して対称であり、上記断面積が燃焼器の軸を横切るように形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器アッセンブリ。
11. 第１のライナ壁と第２のライナ壁とが燃焼器の軸に対して非対称であり、上記断面積が燃焼器の軸を横切ることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器アッセンブリ。
12. コンプレッサと、
    複数のタービンベーンを有するタービンアッセンブリと、
    燃焼器アッセンブリと、を備え、この燃焼器アッセンブリが、前側の端部から離れるにしたがって断面積が減少するように第１のライナ壁と第２のライナ壁とが互いに収束する第１のセグメントと、後側の端部に向かって断面積が増大するように第１のライナ壁と第２のライナ壁とが互いに拡散する第２のセグメントと、から構成され、後側の端部断面積が複数のタービンベーンの出口の幅に対応するガスタービンエンジンアッセンブリ。
13. 燃焼器アッセンブリが、第１のセグメントと第２のセグメントとの間にトランジションセグメントを有することを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンアッセンブリ。
14. トランジションセグメントの断面積が一定であることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジンアッセンブリ。
15. トランジション領域が、軸方向の長さを有し、その幅内に空気を導入する開口部を備えることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジンアッセンブリ。
16. 上記燃焼器アッセンブリがアニュラ型であり、燃焼器の軸を有することを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンアッセンブリ。
17. 第１のセグメントおよび第２のセグメントの断面積が、上記燃焼器の軸方向を横切ることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジンアッセンブリ。
18. ａ）燃焼室の第１のセグメントに燃料および空気を導入するステップと、
    ｂ）燃焼器の後側の端部へ向かう軸方向に沿って、第１のセグメントの容積を減少させることによって、第１のセグメント内の燃料および空気の滞留時間を減少させるステップと、
    ｃ）燃焼器の後側の端部への軸方向に沿って、第２のセグメントの容積を増大させることによって、第２のセグメント内のガス流の温度特性を制御するステップと、
    を備えることを特徴とするガスタービンエンジンの排気エミッション低減方法。
19. 第１のセグメントと第２のセグメントとの間に、燃焼室内の断面積が最小となるトランジション領域を設けるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンエンジンの排気エミッション低減方法。
20. トランジション領域内において燃焼室へプロセスエアを導入することにより、トランジション領域内で燃料および空気を混合するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジンの排気エミッション低減方法。
21. 第１のライナ壁が最も外径側の燃焼器アッセンブリの部分を形成し、第２のライナ壁が最も内径側の燃焼器アッセンブリの部分を形成し、前側の端部と後側の端部とを含む燃焼室を形成する第１のライナ壁および第２のライナ壁と、
    上記前側の端部から離れるにしたがって半径方向の距離が減少するように第１のライナ壁と第２のライナ壁とが互いに収束する第１のセグメントと、
    後側の端部に向かって半径方向の距離が増加していくように第１のライナ壁と第２のライナ壁とが互いに拡散する第２のセグメントと、
    を備えることを特徴とする燃焼器アッセンブリ。
22. 第１のセグメントと第２のセグメントとの間にトランジションセグメントを備え、トランジションセグメント内の第１のライナ壁と第２のライナ壁との間の半径方向の距離が一定であることを特徴とする請求項２１に記載の燃焼器アッセンブリ。
23. 第１のセグメントと第２のセグメントとの間にトランジションセグメントとを備え、上記トランジションセグメントが、第１のセグメントと第２のセグメントとの間で軸方向の長さを有することを特徴とする請求項２１に記載の燃焼器アッセンブリ。
24. トランジションセグメント内に配置され、かつ燃焼室へ空気を導入する開口部を備えることを特徴とする請求項２３に記載の燃焼器アッセンブリ。

Images