JP2007225273A

JP2007225273A - 燃焼器アセンブリ及びガスタービンエンジン

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Publication number: JP2007225273A
Application number: JP2007040731A
Authority: JP
Inventors: Keith Cletus Belsom; キース・クレタス・ベルソム
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2007-09-06
Also published as: US7631504B2; US20070193274A1; CN101029599A; EP1821037A2; CN101029599B

Abstract

【課題】希薄燃焼域の火炎安定性を向上させること。
【解決手段】燃焼器アセンブリ１０４が提供される。この燃焼器アセンブリは、燃焼室１２８と、燃焼器アセンブリからの燃焼ガスを容易に導くことができるように、燃焼室から下硫へと延びる１つ以上の移行部１３０と、を含む。このアセンブリはまた、１つ以上の移行部に結合された少なくとも１つの空気制御システム２００を含む。この空気制御システムは、燃焼器アセンブリの運転による排出物の減少を促進させるための制御部に接続された１つ以上の付勢機構を含んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジン、より詳細にはガスタービンエンジンに使用するための燃焼器に関する。

少なくともいくつかの周知のガスタービンエンジンは、混合気を着火及び燃焼させて燃料の熱エネルギーを発熱反応で解放し、高温の燃焼ガス流を形成する。燃焼反応の少なくとも１つの副産物は、規制限度の対象となる可能性がある。例えば、熱駆動反応中において、窒素酸化物（ＮＯ_X）が、ガスタービンエンジン内の高温によって引き起こされる空気中の窒素と酸素の反応によって形成される。通常、エンジンのタービン部分に入る燃焼ガス流の温度が高くなるほど、エンジン効率が高くなる。しかし、燃焼ガス温度が高くなると、ＮＯ_X形成の増加を促進させる可能性がある。

燃焼は、反応領域又は一次領域と通常呼ばれている燃焼器の上流域又はその近傍で通常発生する。燃料と空気との付加的な混合及び燃焼は、反応領域下流の、しばしば混合領域と呼ばれる領域で発生し得る。空気は、この混合領域内に直接導入されて混合気を希釈し、タービン部分に流入するガス流が所定温度に達するように促す。
米国特許第５，３５１，４７４号明細書米国特許第６，９５９，６５４号明細書米国特許第６，４５３，８３０号明細書米国特許第４，９４４，１４９号明細書米国特許第４，２５５，９２７号明細書米国特許第５，７１５，７６４号明細書米国特許第４，２９７，８４２号明細書米国特許第６，７５８，０４５号明細書

タービンエンジン運転中のＮＯ_X排出制御（削減を含む）を容易にするため、少なくともいくつかの周知のガスタービンエンジンでは、希薄な燃料対空気比で運転される環状燃焼器を使用している。すなわち、燃焼器は、燃料が燃焼器の反応領域に入る前に、予め空気と混合される方法で運転される。ある一定の燃料対空気比で予め混合された燃料及び空気を用いるエンジンの動作範囲は、限定されることがある。これは、燃焼動作のある範囲内で予め混合された特定の燃料対空気比が、別の範囲内において同様の火炎安定性をもたらさない可能性があることによる。例えば、少なくともいくつかの公知のエンジンは、エンジンの運転範囲の所定域に亘って主に予混合火炎状態で運転される。一方、この範囲以外の運転においては、空気と燃料とが関連燃焼領域内で混合される拡散燃焼が、予混合燃焼を補完し、又はこれを置換し、あるいはその両方を行うためにしばしば用いられる。拡散燃焼は、ＮＯ_X形成の可能性を高める傾向を持つ虞がある。したがって、希薄予混合燃焼反応で作動する、これら周知のエンジンの少なくとも一部では、予混合燃焼のみを用いて予め定めた火炎安定性を示す運転領域以外の運転領域内において、エンジンの着火及び運転の改善のために、燃焼供給空気の一部が反応領域下流の混合領域に、そしてガス流へと向けられる。この方法は、一部の空気が燃焼反応をバイパスすることから、時に「バイパシング」と呼ばれる。上記のエンジンにおいて、燃料対空気比は一般に、エンジンの定格燃焼運転範囲に亘って一定ではない。例えば、通常のエンジン運転時においては燃焼反応温度の低減を促進する燃料対空気比が、ガスタービンエンジンの起動又は低出力運転時には十分でない可能性がある。

ここでは、少なくとも１つの燃焼器を含むガスタービンエンジンの組み立て方法を開示される。この方法は、少なくとも１つの空気制御システムの提供を含む。該空気制御システムには、制御機構に接続された１つ以上の付勢機構が含まれる。また本方法には、エンジン運転中の燃焼を促進するために、空気制御システムを、少なくとも１つの燃焼器に連結することが含まれる。

ひとつの様態では、燃焼器アセンブリを提供する。この燃焼器アセンブリは、燃焼室と、この燃焼室から下流に向かって延びる１つ以上の移行部と、を含む。この移行部は、燃焼器アセンブリから燃焼ガスを導くように機能する。該アセンブリはまた、少なくとも１つの移行部と連結された、１つ以上の空気制御システムを含む。この空気制御システムは、運転中に燃焼器アセンブリからの排気物を減少させるように機能する制御部と接続された１つ以上の付勢機構を含む。

別の様態では、ガスタービンエンジンを提供する。このエンジンは、圧縮機と、該圧縮機の下流における少なくとも１つの燃焼器アセンブリと、を含む。この燃焼器アセンブリは、燃焼室と、圧縮機の下流側の少なくとも１つの移行部と、を含む。該移行部は、燃焼器アセンブリから燃焼ガスを導くように機能する。また、燃焼器アセンブリは、少なくとも１つの移行部に結合された１つ以上の空気制御システムを含む。この空気制御システムは、燃焼器アセンブリの運転中に排気物の生成を減少させるように機能する制御部と接続された１つ以上の付勢機構を含む。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略断面図である。エンジン１００には、圧縮機アセンブリ１０２、燃焼器アセンブリ１０４、タービンアセンブリ１０６、ならびに圧縮機及びタービンロータの共通軸１０８が含まれる。一実施形態では、エンジン１００が、サウスカロライナ州、グリーンビルのジェネラル・エレクトリック・カンパニイから市販されているＰＧ９３５１ＦＡ型エンジンである。エンジン１００は単に代表例であり、本発明が、エンジン１００に限定されるものではなく、ここで述べるように機能する、如何なるガスタービンエンジンにも実装しうることに留意すべきである。

運転中、空気は圧縮機アセンブリ１０２を貫流し、圧縮された空気は燃焼器アセンブリ１０４へと排出される。燃焼器アセンブリ１０４により、燃料、例えば天然ガス、又は燃料油、あるいはその両方が空気流中に噴射されて混合気が着火され、燃焼によって混合気が膨張して高温の燃焼ガス流が生成される。燃焼器アセンブリ１０４は、タービンアセンブリ１０６と流体連通状態にあり、高温の膨張したガス流はタービンアセンブリ１０６に向けて排出される。高温の膨張したガス流によって回転エネルギーがタービンアセンブリ１０６に与えられ、タービンアセンブリ１０６はロータ１０８に回転可能に連結されているため、続いてロータ１０８から圧縮機アセンブリ１０２に回転出力が与えられる。

図２は、ガスタービンエンジン１００（図１に示す）に使用可能とされる、例示的な燃焼器アセンブリ１０４の一部を示す拡大断面図である。燃焼器アセンブリ１０４は、タービンアセンブリ１０６と流体連通状態で連結される。また、燃焼器アセンブリ１０４は、圧縮機アセンブリ１０２とも流体連通状態で連結される。圧縮機アセンブリ１０２には、ディフューザ１４０及び圧縮機排気プレナム１４２が含まれ、ディフューザ１４０及び圧縮機排気プレナム１４２は互いに流体連通状態で連結され、以下においてさらに議論するように燃焼器アセンブリ１０４へと空気を送るように機能する。

例示的な実施形態において、燃焼器アセンブリ１０４は、少なくとも部分的に複数の燃料ノズル１２２を支持する略円形のドームプレート１２０を含む。ドームプレート１２０は、保持金具（図２には示していない）を用いて、略円筒形をした環状の燃焼器ケーシング１２４に連結される。略円筒形の燃焼器ライナー１２６が、燃焼器ケーシング１２４の内部に配置され、ケーシング１２４によって支持される。略円筒形の燃焼器の燃焼室１２８は、ライナー１２６によって定められる。環状燃焼室の冷却通路１５１は、燃焼器ケーシング１２４及び燃焼器ライナー１２６によって画定される。

移行部１３０（しばしばトランジションピース１３０と称する）は、燃焼器ケーシング１２４に連結され、燃焼室１２８で発生する燃焼ガスをタービンノズル１３２へ導くように機能する。例示的な実施形態において、トランジションピース１３０は外壁１４６に形成された複数の開口１４４を有する。また、ピース１３０は、内壁１５０及び外壁１４６によって画定される環状通路１４８を有する。内壁１５０によって、燃焼ガス流のガイドキャビティ１５４が画定される。また移行部１３０は、空気制御システム２００（しばしばエアステージングシステム２００と称する）を有しており、それについて以下でさらに詳しく議論する。

運転中、圧縮機アセンブリ１０２は、共通軸１０８（図１に示す）を介してタービンアセンブリ１０６によって駆動される。圧縮機アセンブリ１０２が回転するにつれて、空気が圧縮され、圧縮空気は矢印で示すようにディフューザ１４０に放出される。例示的な実施形態において、圧縮機アセンブリ１０２から排出された大半の空気は、圧縮機排気プレナム１４２を通って燃焼器アセンブリ１０４に向かって導かれ、圧縮空気のごく一部がエンジン１００の構成部品の冷却用として下流に導かれる。さらに詳しくは、プレナム１４２内の加圧された圧縮空気が、トランジションピース１３０の外壁１４６の開口１４４からトランジションピース１３０内に導かれ、そして通路１４８へと導かれる。次に空気は、移行部の環状通路１４８から上流に導かれ、燃焼室の環状冷却通路１５１に入る。空気は通路１５１から放出され、燃料ノズル１２２内へと導かれる。

燃料及び空気は混合され、燃焼室１２８内で点火される。ケーシング１２４は、燃焼室及びそれ関連する燃焼プロセスを、外部環境、例えば周囲のタービン構成部品から隔離する機能をもつ。結果として生じた燃焼ガスは、燃焼室１２８から燃焼ガス流をタービンノズル１３２に向かって導く、トランジションピースの燃焼ガス流のガイドキャビティ１５４に向かって送られ、そしてこれを通過する。領域３を拡大し、さらに以下で詳述する。

図３は、図２の領域３の移行部１３０の一部を示す拡大断面図であり、例示的なエアステージングシステム２００を含んでいる。図４は、エアステージングシステム２００の拡大断面図である。図５は、図４のＡ−Ａ線に沿ったエアステージングシステム２００の部分断面図である。上記のように、トランジションピース１３０は流体連通状態で燃焼器アセンブリ１０４に連結されており、燃焼室１２８から排出された燃焼ガスを受け入れる。トランジションピースの外壁１４６及び内壁１５０はそれぞれ略環状をなし、トランジションピース１３０を貫く中心線１５２に関してほぼ同軸に配置される。尚、以降の議論のために、半径方向については、中心線１５２に対して論じるものとする。内壁１５０は、燃焼ガスのガイドキャビティ１５４、つまり、燃焼ガス１５６を燃焼室１２８からタービンノズル１３２に向かって導くように機能するガイドキャビティを部分的に画定する。外壁１４６と内壁１５０はともに通路１４８を形成する。通路１４８は、圧縮機排気プレナム１４２から開口１４４を経て受け入れた燃焼空気１５８を、燃料ノズル１２２（図２に示す）まで導く機能をもつ。さらに、通路１４８を通る流れ１５８は、空気が燃焼室１２８に到達する前に予熱されることで、壁１５０を冷却する機能をもつ。

エアステージングシステム２００は、筐体部２０２を含む。例示的な実施形態において、筐体部２０２は略円筒形である。しかし、筐体部２０２はシステム２００の動作を容易にする如何なる形状でもよく、例えば、筐体部２０２は楕円状又は矩形状でもよいがそれらに限らない。例示的な実施形態において、筐体部２０２は、略円筒形の周壁２０４及び筐体部キャップ２０６を含む。壁２０４は、半径方向の内面２０８、半径方向の外面２１０、及びねじ部２１２を有する。キャップ２０６は、半径方向の内面２１４、ねじ部２１６、及びねじ付き突出部２１８を含む。例示的な実施形態において、壁２０４及びキャップ２０６はそれぞれのねじ接合部２１２及び２１６を用いて互いに連結されている。それゆえ、キャップ２０６によって保守作業のためにシステム２００に手がとどくようになる。これに代わって、壁２０４及びキャップ２０６については、その他の連結手段、例えば、ろう付け又は溶接によって互いに連結してもよいが、それらには限らない。

内面２０８及び半径方向の内面２１４によって筐体部２０２内のキャビティ２２０が画定される。キャップ通路２２２はキャップ２０６を貫通してキャビティ２２０と連通している。詳しくは、通路２２２は半径方向の内面２１４から突出部２１８を通り抜けてキャップ２０６を貫通している。

例示的な実施形態において、壁２０４は、半径方向における最外部の面２２４を含み、この面はキャップの半径方向における内面２１４と接触する。また、壁２０４は、半径方向における外側の座部２２６、及び半径方向における内側の座部２２８を伴って形成される。さらに、壁２２４は環状の空気開口通路２３０を画定する。通路２３０は、空気流１５８が通路１４８を通って流れるように機能し、そしてキャビティ２２０の加圧を促がす。半径方向における内側の座部２２８は、空気流１５８とガス流１５６とを流体連通させる機能をもった環状通路２３２を画定する。また、エアステージングシステム２００は、筐体部のキャビティ２２０内に配置された付勢機構２３６及びピストン２３８を含む。例示的な実施形態において、機構２３６は、スプリング２３６、すなわち、圧縮されるにつれてスプリング２３６に誘起される力が増加するように配置されたスプリングである。例示的な実施形態において、スプリング２３６はストレート（直線状）スプリングである。これに代わって、スプリング２３６については、ヘリカルスプリング（つる巻きばね）、又はストレートスプリングとヘリカルスプリングとを組み合わせたスプリングでもよいが、それらに限らない。付勢機構２３６は、半径方向における外端２４０及び半径方向における内端２４２を有する。

ピストン２３８は、略円筒形の部分２４４、半径方向の内側部２４６、及び半径方向の外側部２４８を含む。部分２４４は、部分２４６と２４８との間でそれらと一体となって延在する。部分２４６は、弁体と同様に機能し、座部２２８と接触しうる環状着座面２５０を含む。半径方向の外側部２４８は、機構の半径方向における内端２４２と接触する付勢機構の着座面２４９を含む。また、この部分２４８には、座部２２６と合致するように形成された半径方向の内面２５１が含まれる。部分２３８における半径方向の最外部の面２５３は、面２１４に接触してピストン２３８の移動を制限する。

例示的な実施形態において、複数の筐体部２０２が、燃焼器アセンブリ１０４の周りで円周方向に沿って離間されてシステム２００を形成するが、図３及び図４には、筐体部２０２を１つだけ示している。筐体部２０２の正確な数は、少なくとも部分的にその用途及びパラメータに基づいて決められ、それらのパラメータには燃焼器アセンブリ１０４についての空間上の制限、燃焼器アセンブリの運転上必要なクリアランス、燃焼ガス流１５６の温度分布、及び関連するエンジン１００の動作範囲等が挙げられるが、これらに限定されない。

システム２００は、キャップの通路２２２を介して低圧流体源２５２と連結される。さらに詳しくは、低圧流体導管２５４が、低圧流体源２５２と、制御機構２５８（本明細書では制御アセンブリ２５８と呼ぶ）との間に延設される。制御アセンブリ２５８は、制御バルブ２６０と流体連通した、少なくとも１つの低圧流体マニホルド２５６と、バルブ操作機２６２（時にアクチュエータと呼ばれる）と、自動バルブ制御サブシステム２６４と、バルブ制御信号管路２６６と、を含む。また、制御アセンブリ２５８は、流体源２５２と流体連通して接続された低圧流体導管２６８を含む。例示的な実施形態において、低圧流体源２５２はガスタービンの排気ダクト（図３又は図４には示していない）である。これに代わって、流体源２５２が収集タンクであってもよい（図３及び図４には示していない）。例示的な実施形態において、低圧流体マニホルド２５６は、複数のねじ付き連結部材２７０を含んでおり、これらは、流体導管２５４とバルブ２６０との流体連通を実現させるように機能する。図には１つのバルブ２６０のみを示しているが、当業者には、複数のバルブ２６０、又は複数のマニホルド２５６、あるいはその両方が含まれることが分かる。例示的な実施形態において、バルブ２６０及び制御サブシステム２６４は、協働して筐体部２０２から流体源２５２に予め定められた流量を導く機能をもつように構成される。これに代わって、バルブ２６０については、流体の流量を調節でき、本明細書で議論するようにシステム２００が機能することを可能とする如何なる装置であってもよい。ある構成において、自動バルブ制御サブシステム２６４は、１つ又は複数のマイクロコントローラを含むことができ、これは、バルブの開閉動作や故障監視を含めたシステム監視及び制御運転の機能をもつが、それらに限定されない。あるいは、分散又は集中制御アーキテクチャをシステム２００の代替実施形態において用いてもよい。

システム２００は、鋳造又は他の適切なプロセスを使用して周壁２０４及びピストン２３８を形成し、その両者を要求どおりに予め定めた公差内で機械加工することによって少なくとも部分的に製造される。ピストン２３８はキャビティ２２０内に挿入されて、ピストン表面２５１が座部２２６に接触し、かつピストン着座面２５０が座部２２８と接触するか、又は製作許容誤差に基づいて殆ど接触するものとされ、そして、付勢機構２３６が表面２４９に接触するとともにピストン部２４８内に位置することになる。キャップ２０６は、キャップ表面２１４が壁２０４と接触するまで筐体部２０２に連結され、これにより、付勢機構の半径方向における外端２４０が、半径方向における内面２１４と接触し、機構２３６は、半径方向で内向きに閉じる力、つまり、ピストン２３８を「閉」位置に向かって付勢する閉鎖力を誘起するように付勢される。

図５に示すように、通路２３２は座部２２８により周囲が閉鎖されている。例示的な実施形態において、トランジションピース１３０は、鋳造、又はピース１３０を形成するのに適した任意のプロセスにより、予め定めた運転パラメータに適合するか、あるいはそれを上回る材料を使用して製造される。複数の筐体部２０２を受け入れる寸法をもった複数の開口通路がトランジションピースの壁１４６及び１５０に形成される。各筐体部２０２の付勢機構２３６及びピストン２３８は、壁１４６及び１４８の通路に挿入され、座部２２８が多少奥まった位置になり、燃焼器１５８の空気流の予め定めた部分を受け入れるように、開口通路２３０が円周方向において正しい向きで位置される。例示的な実施形態において、各筐体部２０２は、当技術分野で周知の溶接技術を用いて外壁１５０に固定される。これに代わって、他の連結手段として、ろう付け技術あるいは機械的固定具が含まれるがそれらに限定されない。

エンジン１００の運転中、定格負荷範囲の高端域において、圧縮機排気プレナム１４２から放出される燃焼空気流１５８のほぼ全てが燃焼器アセンブリ１０４に向けられる。さらに、高温の燃焼ガス流１５６が、燃焼器アセンブリ１０４からタービンアセンブリ１０６に導かれ、燃焼空気流１５８の少なくとも一部がキャビティ２２０に流入してキャビティ２２０の加圧を促進する。表面２５１と座部２２６との間の公差は、座部２２６を流れ去る燃焼空気を減ずるように決められる。さらに詳しくは、ピストン着座面２５０と座部２２８との間の公差は、ピストン部２４６を半径方向の内向きに通り抜ける燃焼空気流１５８を減ずるように決められており、その際、着座面２５１と座部２２６が互いに接触している、すなわちピストン２３８は閉鎖位置にある。付勢機構２３６は、ピストン２３８を付勢して閉鎖位置にとどめる。

エンジン１００の負荷が減少するにつれて、予混合燃焼火炎が不安定になるレベルまで燃料供給の割合が減少する可能性がある。拡散火炎等の代替燃焼が用いられると、ＮＯ_X形成の可能性が増大する虞がある。制御サブシステム２６４は、所定のアルゴリズムを含み、これは、エンジン１００の負荷、燃焼ガス流温度、燃料流量又は燃焼空気流量あるいはその両方といった、それらに限定されない項目に基づいてバルブ２６０の位置を決定する。制御サブシステム２６４は、バルブ制御信号管路２６６を介してバルブ操作機２６２と通信接続されており、少なくとも部分的にバルブ２６０を開くために操作機２６２に対して信号を送信する。マニホルド２５６内の空気圧が流体源２５２の作動圧力よりも大きいため、空気はマニホルド２５６から源２５２に向かって流れる。

その結果として生じるキャビティ２２０内の作動圧力の降下は、以前の静的状態に不均衡をもたらす。開口通路２３０からキャビティ２２０に入る空気１５８がピストン内部の面２５１に作用し、表面２４９と２５１との間に付勢機構２３６に抗してピストン２３８を半径方向の外向きに押しやる差圧が生じる。ピストン部２４８は、半径方向の内面２０８に摺動的に係合し、この面２０８は、ピストン部２４８を案内して筐体部２０２に対する位置調整のための機能をもつ。この動きによって、ピストン面２５１が座部２２６から離れ、またピストン着座面２５０が座部２２８から離れ、より低温の燃焼空気１５８が通路２３２に入り、燃焼ガス流１５６と混合する。この燃焼供給空気１５８の導入は、ガス流１５６の温度低下を促進し、燃料ノズル１２２（図２に示す）に入る燃焼空気１５８の量を減少させる。ピストン２３８が半径方向の外向きに移動し、燃焼空気が通路２３２を貫流するにつれて、キャビティ２２０内の空気圧の変化率が減少し、それによって、燃焼空気の少なくとも一部がキャビティ２２０から低圧流体源２５２へと流れるようになる、ほぼ静的状態に再びシステム２００が到達するか、あるいは、ピストンの半径方向の外端２５３が表面２１４と接触してピストン２３８の移動に規制されるまで、ピストン２３８の移動量が低減される。

ピストン２３８が開放位置にある状態でエンジン１００の負荷が増大した場合、バルブ２６０が閉鎖位置へと移動し、表面２４９と２５１との間の差圧は減少する。これと同じ期間中に、付勢機構２３６の付勢力によってピストン２３８が半径方向の内側に移動し、その結果、通路２３２を介してガイドキャビティ１５４に流入する空気流の割合が減少する。さらにエンジン１００の負荷が変動すると、バルブ２６０が調節されてピストン２３８が開放位置又は閉鎖位置に向けて移動することになる。

図６は、燃焼器アセンブリ１０４（図２に示す）に使用可能とされる、エアステージングシステム３００の別の実施形態の断面図である。上記のように、トランジションピース１３０は燃焼器アセンブリ１０４と流体連通しており、燃焼室１２８から放出された燃焼ガスを受け入れる。トランジションピースの外壁１４６及び内壁１５０はそれぞれ略環状をなし、トランジションピース１３０を貫く中心線１５２に関してほぼ同軸に配置される。尚、以降の議論のために、半径方向については、中心線１５２に対して論じるものとする。内壁１５０は、燃焼ガスのガイドキャビティ１５４、つまり、燃焼ガス１５６を燃焼室１２８からタービンノズル１３２に向かって導くように機能するガイドキャビティを部分的に画定する。外壁１４６と内壁１５０はともに通路１４８を形成する。通路１４８は、圧縮機排気プレナム１４２から開口１４４を経て受け入れた燃焼空気１５８を、燃料ノズル１２２（図２に示す）まで導く機能をもつ。さらに、通路１４８を通る流れ１５８は、空気が燃焼室１２８に到達する前に予熱されることで、壁面１５０を冷却する機能をもつ。

エアステージングシステム３００は、筐体部３１８を含む。例示的な実施形態において、筐体部３１８は略円筒形である。しかし、筐体部３１８はシステム３００の動作を容易にする如何なる形状でもよく、例えば、筐体部３１８は楕円状又は矩形状でもよいがそれらに限らない。例示的な実施形態において、筐体部３１８は、略円筒形の周壁３２０及び半径方向における最外部の壁３２２を含む。壁３２０は、半径方向の内面３２４及び半径方向の外面３２６を含む。壁３２２には、半径方向の内面３２８が含まれる。代替的な実施形態において、壁３２０及び３２２はねじ接合機構によって結合されている（図６には示していない）。それゆえ、壁３２２によって保守作業のためのシステム３００に手がとどくようになる。これに代わって、壁３２０及び３２２については、その他の連結手段、例えば、ろう付け又は溶接によって互いに連結してもよいが、それらに限らない。内面３２４は、半径方向の内面３２８とともに、筐体部のキャビティ３３０を画定する。壁３２０は、略円形をした、半径方向の内側の燃焼供給空気通路３３２、及び略円形をした、半径方向の外側の低圧流体接続通路３３４を画定する。

また、エアステージングシステム３００は、筐体部のキャビティ３３０内に配置された付勢機構３３６及びピストン３３８を含む。代替的な実施形態において、機構３３６は、スプリング３３６、すなわち、圧縮されるにつれてスプリング３３６内に誘起される力が増加するように配置されたスプリングである。この代替的な実施形態において、スプリング３３６はストレートスプリングである。これに代わって、スプリング３３６については、ヘリカルスプリング、又はストレートスプリングとヘリカルスプリングとを組み合わせたスプリングでもよいが、それらに限らない。付勢機構３３６は、半径方向における外端３４０及び半径方向における内端３４２を有する。

ピストン３３８は、複数の略円筒部３４４を含んでおり、該部分３４４は、少なくとも１つの、半径方向の中間における円周方向の突出部３４６と、半径方向の最内部における円周方向の突出部３４８と、半径方向の最外部における円周方向の突出部３５０、そして、突出部３５０における半径方向の最外部面３５４から付勢機構３３６の中心へと半径方向の外側に延びている半径方向の細長い突出部３５２と、一体をなすものであり、またそれらによって区分される。また、面３５４は付勢機構の着座面であって、これは半径方向における内側の付勢機構の端部３４２を支える。半径方向における外側の付勢機構の端部３４０については、面３２８によって支えられる。突出部３４８は、弁体と同様に機能し、半径方向における内側の座部３５８と合致する形状とされた環状着座面３５６を含む。面３５６によって通路３５９が画定される。突出部３５２における半径方向の最外面３６０は、面３２８と接触してピストン３３８の移動を制限する。

代替的な実施形態において、複数の筐体部３１８が、燃焼器アセンブリ１０４の周りで円周方向に沿って離間されてシステム３００を形成するが、図６には、筐体部３１８を１つだけ示している。筐体部３１８の正確な数及び容量は、少なくとも部分的にその用途及びパラメータに基づいて決められ、それらのパラメータには燃焼器アセンブリ１０４についての空間上の制限、燃焼器アセンブリの運転上必要なクリアランス、燃焼ガス流１５６の温度分布、及び関連するエンジン１００の動作範囲等が挙げられるが、これらに限定されない。

システム３００は、キャップ通路３３４を介して低圧流体源３６２と連結される。さらに詳しくは、低圧流体導管３６４が、源３６２と制御アセンブリ３６６との間に延設される。制御アセンブリ３６６は、制御バルブ３６８と流体連通した、少なくとも１つの低圧流体マニホルド３６５と、バルブ操作機３７０（時にアクチュエータと呼ばれる）と、自動バルブ制御サブシステム３７２と、バルブ制御信号管路３７４と、を含む。また、制御アセンブリ３６６は、流体源３６２と流体連通した低圧流体導管３６４を含む。例示的な実施形態において、低圧流体源３６２はガスタービンの排気ダクト（図６には示していない）である。これに代わって、流体源３６２が収集タンク（図６には示していない）であってもよい。代替的な実施形態において、低圧流体マニホルド３６５は、複数のねじ付き接続部材３７６を含んでおり、これらは、流体導管３６４とバルブ３６８との流体連通を実現させるように機能する。図には１つのバルブ３６８のみを示しているが、当業者には、複数のバルブ３６８、又は複数のマニホルド３６５、あるいはその両方が含まれることが分かる。代替的な実施形態において、バルブ３６８及び制御サブシステム３７２は、協働して筐体部３１８から源３６２に予め定められた流量を導く機能をもつように構成される。これに代わって、バルブ３６８については、流体の流量を調節でき、本明細書で議論するようにシステム３００が機能することを可能とする如何なる装置であってもよい。ある構成において、自動バルブ制御サブシステム３７２は、１つ又は複数のマイクロコントローラを含むことができ、バルブの開閉動作や故障監視を含めたシステム監視及び制御運転の機能をもつが、それらに限定されない。あるいは、分散又は集中制御アーキテクチャをシステム３００の代替実施形態において用いてもよい。

システム３００は、鋳造又は他の適切なプロセスを使用して周壁３２０及びピストン３３８を形成し、その両者を要求どおり予め定めた公差内で機械加工して、着座面３５６が座部３５８と接触し、そして付勢機構３３６が表面３５４と接触し、かつ突出部３５２が付勢機構３３６の中心を貫通するようにピストン３３８をキャビティ３３０に挿入することにより、少なくとも部分的に製造される。壁３２２は、ねじ接合構造（図６には示していない）で壁３２０に連結されて、付勢機構における半径方向の外端３４０が半径方向の内面３２８と接触し、機構３３６は、半径方向で内向きに閉じる力、つまりピストン３３８を「閉」位置に向かって付勢する閉鎖力を誘起するよう付勢される。

この代替的な実施形態において、トランジションピース１３０は、鋳造、又はピース１３０を形成するのに適した任意のプロセスにより、予め定めた運転パラメータに適合するか、あるいはそれを上回る材料を使用して製造される。複数の筐体部３１８を受け入れる寸法をもった複数の開口通路がトランジションピースの壁面１４６及び１５０に形成される。各筐体部３１８の付勢機構３３６及びピストン３３８は、壁１４６及び１５０の開口通路に挿入され、筐体部３１８の半径方向における最内部と、壁１５０の半径方向における最内部とが同一平面上にあり、燃焼器の空気流３７８の予め定めた部分を受け入れるように、通路３３２が燃焼器の空気開口通路３１４内で、円周方向における正しい向きをもって位置される。この代替的な実施形態において、各筐体部３１８は、当技術分野で周知の溶接技術を用いて外壁３０４に固定される。これに代わって、他の連結手段として、ろう付け技術あるいは機械的固定具が含まれるがそれらに限定されない。

エンジン１００の運転中、定格負荷範囲の高端域において、圧縮機排気プレナム１４２から放出される燃焼空気流１５８のほぼ全てが燃焼器アセンブリ１０４に向けられる。さらに、高温の燃焼ガス流１５６が、燃焼器アセンブリ１０４からタービンアセンブリ１０６に導かれ、燃焼空気流１５８の少なくとも一部がキャビティ３３０に流入してキャビティ３３０の加圧を促進する。突出部３４６と円周方向の内面３２４との間の公差は、突出部３４６を流れ去る燃焼空気を減ずるように決められる。さらに詳しくは、ピストン着座面３５６と３５８との間の公差は、突出部３４８を通り抜ける燃焼空気流１５８を減ずるように決められており、その際、着座面３５６と３５８とが互いに接触している、すなわちピストン３３８は閉鎖位置にある。付勢機構３３６は、ピストン３３８を付勢して閉鎖位置にとどめる。

エンジン１００の負荷が減少するにつれて、予混合燃焼火炎が不安定になるレベルまで燃料供給の割合が減少する可能性がある。拡散火炎等の代替燃焼が用いられると、ＮＯ_X形成の可能性が増大する虞がある。制御サブシステム３７２は、所定のアルゴリズムを含み、これは、エンジン１００の負荷、燃焼ガス流温度、燃料流量、及び燃焼空気流量といった、それらに限定されない項目に基づいてバルブ３６８の位置を決定する。制御サブシステム３７２は、バルブ制御信号管路３７４を介してバルブ操作機３７０と通信接続されており、少なくとも部分的にバルブ３６８を開くための操作機３７０に対して信号を送信する。マニホルド３６５内の空気圧が流体源３６２の作動圧力よりも大きいため、空気はマニホルド３６５から源３６２に向かって流れる。

その結果として生じるキャビティ３３０内の作動圧力の降下は、以前の静的状態に不平衡をもたらす。開口通路３３２からキャビティ３３０に入る空気３７８が突出部３４６の半径方向の内側部に作用し、付勢機構３３６の付勢力に抗してピストン３３８を半径方向の外向きに押しやる差圧が、突出部３４６の両端に生じる。ピストン突出部３４６及び３５０は、半径方向の内面３２４に摺動的に係合し、この面３２４は、ピストン突出部３４６及び３５０を案内して筐体部３１８に対する位置調整のための機能をもつ。この動きによって、着座面３５６が３５８から離れ、燃焼供給空気１５８が開口通路３５９に入り、燃焼ガス流１５６と混合する。この燃焼供給空気１５８の導入は、ガス流１５６の温度低下を促進し、燃料ノズル１２２（図２に示す）に入る燃焼空気の量を減少させる。ピストン３３８が半径方向の外向きに移動し、燃焼空気が通路３５９を貫流するにつれて、キャビティ３３０内の空気圧の変化率が減少し、それによって、システム３００が再びほぼ静的な状態に到達するまで、ピストン３３８の移動量が低減される。

ピストン３３８が開放位置にある状態でエンジン１００の負荷が増大した場合、バルブ３６８が閉鎖位置へと移動し、突出部３４６の両端における差圧は減少する。これと同じ期間中に、機構３３６の付勢力によってピストン３３８が半径方向の内側に移動し、その結果、通路３５９を介してガイドキャビティ１５４に流入する空気流の割合が減少する。さらにエンジン１００の負荷が変動すると、バルブ３６８が調節されてピストン３３８が開放位置又は閉鎖位置に向けて移動することになる。

ここで説明した燃焼器アセンブリを製造するための方法及び装置によって、タービンシステムの運転が容易になる。さらに詳しくは、上述したように上記燃焼器アセンブリによって、ＮＯ_Xの排出が少ない予混合火炎モードにおいて、より広い動作範囲が可能になる。

タービンシステムに関連する燃焼器アセンブリの例示的な実施形態については上記で詳説してある。前記方法、装置、及びシステムは、ここに記載した特定の実施形態や図示した特定の燃焼器アセンブリに限定されるものではない。

本発明を各種特定の実施形態に関して述べてきたが、当業者には理解されるように、本発明は、特許請求の範囲の精神及び範囲内で修正を加えて実施することができる。

例示的なガスタービンエンジンの概略断面図である。図１に示すガスタービンエンジンで使用可能とされる、例示的な燃焼器アセンブリの一部を示す拡大断面図である。図２に示す燃焼器アセンブリで使用可能とされる、例示的な移行部分の拡大断面図である。図２及び図３に示す燃焼器アセンブリで使用可能とされる、例示的なエアステージングシステムを示す拡大断面図である。図４に示すＡ−Ａ線に沿って、エアステージングシステムを切断して示す断面図である。図２に示す燃焼器アセンブリで使用可能とされる、エアステージングシステムについて別の実施形態を示す断面図である。

Claims

燃焼器アセンブリ（１０４）において、
燃焼室（１２８）と、
前記燃焼室から下流へと延びる１つ以上の移行部（１３０）であって、前記燃焼室から燃焼ガスを導くように促す移行部と、
前記１つ以上の移行部に結合された１つ以上の空気制御システム（２００）であって、動作中に前記燃焼器アセンブリからの排出物の減少を促進させる制御部に接続された１つ以上の付勢機構（２３６）を含む空気制御システムと、を備えた燃焼器アセンブリ（１０４）。
前記移行部（１３０）が、当該移行部を画定する複数の壁を備え、該複数の壁のうちの少なくとも１つが、該少なくとも一つの壁を貫いて延在する開口を備えており、該開口によって前記燃焼器アセンブリからの排出物の減少が促進される、請求項１に記載の燃焼器アセンブリ（１０４）。
前記少なくとも１つの空気制御システム（２００）が１つ以上のピストン筐体部を備え、該筐体部は、前記移行部の通路（２３０）及び１つ以上の低圧流体源（２５２）と流体連通するように結合されており、前記筐体部が、前記付勢機構（２３６）の少なくとも１部及びピストンの少なくとも１部を収容し、前記付勢機構が、前記移行部において形成された前記開口（１４４）に関してほぼ同軸に位置合わせされた、請求項２に記載の燃焼器アセンブリ（１０４）。
前記少なくとも１つの空気制御システムの筐体部が、その内部に形成された複数の通路（２３０，２３２）を有する外壁（２１０）を備えており、前記複数の通路のうちの第１通路は、高圧流体源と流体連通するように結合され、前記複数の通路のうちの第２通路は、燃焼ガス流通路の筐体内部と流体連通するように結合され、そして、前記複数の通路のうちの第３通路は、低圧流体源（２５２）と流体連通するように結合されている、請求項３に記載の燃焼器アセンブリ（１０４）。
前記ピストン（２３８）が、半径方向の内側部（２４６）と、半径方向の外側部（２４８）と、それらの間に延在する中央部（２４４）と、を備え、該中央部が、前記半径方向の内側部及び前記半径方向の外側部の直径よりも小さい直径を有する、請求項３に記載の燃焼器アセンブリ（１０４）。
前記付勢機構（２３６）が前記ピストン（２３８）を備え、前記付勢機構が、前記空気制御システム（２００）の筐体部の内壁と前記ピストンとの間に位置された、請求項３に記載の燃焼器アセンブリ（１０４）。
前記少なくとも１つの空気制御システムは、エンジン動作中における燃焼器内への空気流を制御するために、低圧流体源（２５２）と前記１つ以上の付勢機構（２３６）との間に接続された１つ以上のバルブ（２６０）を備える、前記請求項１に記載の燃焼器アセンブリ（１０４）。
ガスタービンエンジン（１０）において、
圧縮機（１０２）と、
前記圧縮機の下流にある１つ以上の燃焼器アセンブリ（１０４）と、を備え、
前記燃焼器アセンブリは、燃焼室（１２８）と、該燃焼室から下流へと延び、かつ前記燃焼室から燃焼ガスを導くように促す１つ以上の移行部（１３０）と、前記１つ以上の移行部に結合され、かつエンジン動作中に前記燃焼器アセンブリからの排出物の減少を促進させる制御部に接続された１つ以上の付勢機構（２３６）を含む、１つ以上の空気制御システム（２００）と、を備える、ガスタービンエンジン（１０）。
前記燃焼器アセンブリの移行部（１３０）が、該移行部の流れ境界を画定する少なくとも１つの壁（１４６，１５０）を備えており、該移行部の少なくとも１つの壁が、該壁内に形成された１つ以上の開口（１４４）を備え、該開口によってエンジン動作中に前記燃焼器（１０４）からの排出物の減少が促進される、請求項８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記燃焼器アセンブリ（１０４）における少なくとも１つの空気制御システム（２００）は、１つ以上のピストン（２３８）及び１つ以上の筐体部を備え、該筐体部が、１つ以上の移行部の開口（２３０）及び１つ以上の低圧流体源（２５２）と流体連通するように結合されるとともに、前記筐体部が前記付勢機構（２３６）の少なくとも一部及び前記ピストンの少なくとも一部を収容し、前記付勢機構が、前記１つ以上の移行部の開口及び前記１つ以上のピストンに対してほぼ同軸に位置合わせされた、請求項９に記載のガスタービンエンジン（１０）。