JP2007534913A - ガスタービンエンジン用内部燃料マニホールドまたはガスタービン燃料ノズルアッセンブリ - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン（１０）中に内部装着される低コストでかつ容易に製造可能な燃料導管システム（２０、２００）が提供される。個別の燃料搬送用の導管を画成するチャネル（４０）を設けるように、第１および第２の部材（４４、４６）が協働する。燃料流の方向は、所望の冷却効果を実現するように適合させることができる。

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、燃料マニホールド、ノズルステムなどに関する。

ガスタービンエンジンの燃焼器に燃料を供給する燃料ノズルは、ノズルステムを介して燃料マニホールドに接続された複数のインジェクタアッセンブリを備える。

ある種の従来のノズルシステムは、外側管内に同心に配置され、隣接した二重の燃料通路を画成する。比較的簡単でより経済的に製造できる二重の通路ステム部材を提供しようとする場合、隣接するスロット付燃料導管を有する中実の材料からなるステムを用いることもまた周知である。

しかし、従来技術の多重チャネルシステムは、重く、製造および保守が厄介かつ困難である。したがって、改良が望まれる。

本発明の目的は、改良された燃料システムを提供することである。

したがって、本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジンの燃料ノズルシステムに燃料を供給する燃料マニホールドが提供され、前記マニホールドは、前記マニホールドに画成され、第１の入口から第１の端部まで延在するとともに、前記マニホールドに亘る複数の燃料ノズルと連通する第１の燃料導管と、前記第１の導管に隣接して前記マニホールドに画成され、第２の入口から第２の端部まで延在するとともに、前記複数の燃料ノズルと独立して連通する第２の燃料導管と、を備え、前記第１の導管中を流れる燃料が、前記マニホールドに対して前記第２の導管中の燃料流の方向とは異なる方向に流れるように前記第１および第２の導管が構成されていることを特徴としている。

別の態様によれば、ガスタービンエンジン用の内部燃料マニホールドがさらに提供され、前記内部燃料マニホールドは、ガスタービンエンジン内部に取り付けられるように適合されたマニホールド本体であって、前記本体内に画成されるとともに、複数の燃料ノズルに燃料を供給するように適合された少なくとも１つの燃料搬送導管を備えるマニホールド本体と、前記マニホールド本体を取り囲むように適合された熱シールドアッセンブリであって、前記熱シールドアッセンブリと前記マニホールド本体との間に空気の空間を包含するように適合され、前記空気空間が、前記マニホールド本体に対して所定の断熱を形成するように寸法が定められ、適合されている熱シールドアッセンブリと、を備える。
別の態様によれば、マニホールド端部および先端部を有するステムと、前記先端部と連通するノズル先端と、前記ステムの外側に固定された少なくとも１つのシートメタル部材であって、前記ステムとシートメタル部材との間に燃料導管を画成するように適合された形状を有し、前記燃料導管が燃料源および前記ノズル先端と連通するシートメタル部材と、を備える。

本発明の他の態様も明らかになる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１には、ガスタービンエンジン１０が図示されており、ガスタービンエンジン１０は、直列の流れ連通関係で、外気を推進するファン１２と、空気を圧縮する多段型圧縮機１４と、燃料噴射ノズルアッセンブリ２０を備えた燃料噴射システムにより燃焼器１７内に噴霧された燃料と圧縮された空気を混合する燃焼部１６と、混合気が着火されて高温燃焼ガスが生成された後、燃焼ガスからエネルギーを引き出すタービン部１８と、を備える。

図２を参照すると、燃料噴射ノズルアッセンブリ２０は、環状の燃料マニホールドリング２２を備え、燃料マニホールドリング２２は、エンジンの燃焼器１７内に配置され、環状リング２２を固定するための複数の一体型取付ラグ２８を介して適切な支持構造物に取り付けられている。環状燃料マニホールドリング２２は、燃焼のため燃料を噴霧する複数の燃料インジェクタ用噴霧先端アッセンブリ２４を備える。環状リング２２の外側には、該リングを覆う外側熱シールド２６が含まれる。これにより、燃焼器の高温環境の熱から燃料マニホールドリングが保護される。一次燃料入口パイプ３０および二次燃料入口パイプ３２により、入口３１，３３をそれぞれ介して、マニホールド２２に二重かつ独立的に燃料が供給され、次いで、２系統の供給燃料が噴霧先端アッセンブリに分配される。噴霧先端アッセンブリ２４は、従来用いられてきたノズルステムを必要とせずに、環状燃料マニホールドリングに直接取り付けられているが、前記ノズルステムは、各々の燃料入口源のため、噴霧先端アッセンブリを別個の各燃料マニホールドに流体連通関係で結合するのに従来必要とされてきた。上記の特徴は、一般に当技術分野では周知である。

次に、図３を参照すると、本発明による燃料噴射ノズルアッセンブリ２０の細部がより詳細に図示されており、環状燃料マニホールドリング２２は、好ましくは単一の中実材料から形成されるとともに、外側の熱保護シールド２６に覆われたマニホールドリングの外周面３８に形成された単一の段付チャネル３６を備える。段付チャネル３６は、単一の機械加工操作で形成されることが好ましく、例えば、段付チャネル３６全体を構成する入れ子スロットの数および寸法を形成するように、所定のサイズの多重直径のビットを用いる単一のフライス削り（ミリング）またはルーティング（ｒｏｕｔｉｎｇ）のステップによって形成されることが好ましい。以下に説明するように、機械加工または他の方法で燃料マニホールドリングに形成された段付スロットによって画成される入れ子スロットは、配設されると、個別に制御可能な燃料供給を円周方向に分配して各噴霧先端アッセンブリに供給することができる環状燃料回廊（ギャラリー）を形成する。

環状の段付チャネル３６は、少なくとも２つの入れ子燃料導管、すなわち、一次入れ子燃料導管４０および二次入れ子燃料導管４２を備える。前記環状の一次燃料導管は、マニホールドリング中で噴霧先端アッセンブリの最も近くに配置されており、（製造を容易にするために）段付チャネル３６が形成された外周面３８に直接開口している環状二次入れ子燃料導管４２より断面積が大幅に小さいことが好ましい。第１の内側シール部材つまりシール板４４は、段付チャネルの二次導管部内に嵌合し、一次導管の幅より大きい（すなわち、一次導管をシールするように）寸法で形成されており、ろう付けまたは他の締結／シール方法によって、一次入れ子導管と二次の入れ子導管との間で段付チャネルに形成された第１の肩部４３に対して固定されている。環状燃料マニホールドリング２２用の第１の内側シール板４４は、実質的にマニホールドリングの全周に亘って延在する環状のリング板であることが好ましい。同様に、段付チャネル外側シール部材つまりシール板４６は、ろう付けまたは他類似の締結方法によって、当接する環状外側シール板リング４６を受けるように段付チャネル内に形成された第２の肩部４５において燃料マニホールドリング２２に固定されている。外側シールリング板４６は、段付チャネル３６の第２の肩部４５を必要とせずに、マニホールドリングの外周面３８に直接的にろう付けされ得る。２つのシール板により、単一の段付チャネル３６が、互いにシールされかつ噴霧先端アッセンブリに別々の燃料供給を供給することができる２つの別個の入れ子燃料導管、つまり一次入れ子燃料導管４０および二次入れ子燃料導管４２に分割される。したがって、これにより、簡単かつ費用対効果が高い方法でマニホールドに形成された少なくとも２つの個別の燃料回廊を有する一体構造の燃料マニホールドを使用することが可能となる。これにより、外部に配置された燃料マニホールドを燃焼器内の噴霧先端アッセンブリに単に接続するための多数の従部品を有する燃料ノズルステムおよび従来の燃料ノズルインジェクタの列を用いる必要がなくなる。

一次および二次環状入れ子燃料導管４０，４２により、一次および二次供給燃料を燃料マニホールドリングに亘って円周方向に分配することが可能となる。環状マニホールドリング２２に取り付けられた各噴霧先端アッセンブリ２４において、入れ子燃料導管と噴霧先端アッセンブリ２４との間における燃料流連通を許容するように、ドリル加工または他の方法によって、燃料出口通路孔が、外周面３８に対して実質的に垂直をなすようにマニホールドリング本体に形成される。具体的には、一次燃料導管出口通路４８により、一次燃料導管４０からの一次燃料流が噴霧先端アッセンブリの一次ディストリビュータ５４に供給され、二次燃料導管出口通路５０により、二次燃料導管４２からの二次燃料流が噴霧先端アッセンブリ２４の環状二次燃料旋回キャビティ６３に供給される。

また、そのような噴霧先端アッセンブリは、通常、一次コーン５６を通る一次燃料流を調節するために一次ディストリビュータ５４内に配設されたバルブ部材５２を備えており、一次コーン５６を通る一次燃料流は、一次燃料ノズル先端５９によって噴出される以前に、一次熱シールド５８によって保護されている。一次ディストリビュータの周囲で実質的に同心状に配置された二次燃料スワラ６０は、環状二次燃料旋回キャビティを備えており、この二次燃料旋回キャビティにより、環状二次燃料ノズル先端６１を通って噴出される前に二次燃料流が旋回する。外側空気スワラ６２は、円周上に間隔を隔てて設けられた複数の空気通路６４を備え、噴霧先端アッセンブリの一次および二次噴霧オリフィス５９，６１からそれぞれ噴出される一次および二次燃料噴霧と混合させるために、空気通路６４により空気流が導かれる。

図４を参照すると、環状燃料マニホールドリング１２２の本実施形態では、マニホールドリングの中実の一体素材に機械加工された別形状の段付チャネル１３６を備える。段付チャネル１３６は、付加的な補助チャネル１７２を備える。前述のように、一次入れ子燃料導管１４０は、第１の内側環状シール部材つまりシール板１４４が第１の肩部１４３に固定されることにより、二次入れ子燃料導管１４２から分割される。二次入れ子燃料導管１４２は、段付チャネル１３６の第２の肩部１４５に当接し固定される第２の内側シール部材つまりシール板１７０により塞がれている。前述のように、シール板をマニホールドリングに固定するために幾つかの取付方法およびシール方法を用いることができるが、シール板はマニホールドリングにろう付けされることが好ましい。環状補助チャネル１７２は、環状燃料マニホールドリング１２２の外周面１３８に対して固定された外側シール部材つまりシール板１４６によりさらに軸方向で塞がれている。前述のように、一次導管出口通路１４８および二次導管出口通路１５０は、噴霧先端アッセンブリの位置に対応するマニホールドリングにおける所定の円周上の位置において、外周面１３８に対して垂直をなすようにマニホールドリングに形成されており、前記出口通路１４８，１５０により、各噴霧先端アッセンブリに対する独立した二重の燃料供給がもたらされる。

補助チャネル１７２は、例えば、再循環燃料などリングから熱を取り除く冷媒を導くように用いられる。補助チャネル１７２内の冷媒流は、エンジンに供給される燃料から独立している。これは、マニホールドの導管を通って流れる燃料が少なく、したがって、より多くの熱が燃焼器からマニホールドリング全体に吸収される低出力作動中に特に必要とされる。これにより、マニホールドリングを冷却するのに十分な燃料流が維持されていない場合に生じる燃料マニホールド内の燃料コーキングが減少する。各導管、すなわち一次燃料導管１４０、二次燃料導管１４２および補助冷却導管１７２は、入口供給ラインをそれぞれ有しており、これにより、燃料の流量および冷媒の流量が独立して制御される。一次および二次燃料流の独立した制御、ならびに円周上の燃料分布を実現する環状導管からの各噴霧先端への独立した供給により、着火性が向上させ、排気物質を制御するように、特定の量の燃料を燃焼器における特定の円周上位置に分配する燃料の段階付けが可能となる。

本発明を、燃料ノズルステムに個別の燃料導管を形成するために複数の入れ子チャネルを設けるように用いてもよい。

図５および図６を参照すると、燃料ノズルステム２００は、中央ステム本体２０２、ステム入口端部２０４およびステム出口端部２０６を備える。段付チャネル２３６が、ステム本体２０２の第１の外面２３８に形成される。段付チャネルは、段付チャネル内の肩部２４３に当接し、かつ好ましくは、ろう付けされる内側シール部材つまりシール板２４４によって分割され、それにより、一次入れ子燃料導管２４０と、好ましくはより大きい二次入れ子燃料導管２４２と、が画成される。前述の入れ子燃料導管とは異なり、一次および二次導管２４０，２４２は、環状ではなく実質的に直線状である。好ましくは、二次入れ子燃料導管２４２は、ろう付けによってステム本体の外面２３８に固定されることが望ましい外側シール部材つまりシール板２４６によって塞がれている。

一次および二次燃料導管により、ステムの入口端部２０４と出口端部２０６との間に別々の燃料流路が形成されており、該端部２０４，２０６は、燃料マニホールドアダプタおよびノズル噴霧先端アッセンブリとそれぞれ係合するように適合されている。これにより、少なくとも２つの別々の燃料流が噴霧先端アッセンブリまでノズルステム内を通流する。通常、燃料ノズルステム２００の全体が、エレメントに熱保護をもたらすようにステム部材にろう付けされた囲繞円筒形外側シールド２７８内に嵌め込まれている。また、ステム本体２０２は、本発明により形成された補助冷却チャネル２７２を備える。図示された実施例では、補助冷却チャネル２７２は、ステム本体の外側側面２８０においてステム本体の両側に配設されるとともに、内側に段付チャネル２３６が形成された第１の外面２３８に対して実質的に垂直である。補助チャネル外側シール板２７３により、補助冷却チャネルは塞がれている。冷却をもたらすようにステムを通流する冷媒用の流入通路および流出通路を形成するように、両側に設けられた２つの補助冷却チャネル２７２はステムの出口端部２０６で流体連通している。

上記のタイプの内部燃料マニホールドは、エンジン内の位置が要因となり、湿った壁部が極めて高い温度に曝され、それによって、燃料が分解されるとともに、燃料ノズル先端部に汚染（すなわち、コーキング）が生じてしまう。しかし、図７を参照すると、マニホールド２２の本体を効果的に冷却するように、マニホールド２２を通過する燃料が用いられている。本実施形態では、燃料が反対方向（すなわち、一方が時計方向、他方が反時計方向）に流れるように、通路４０，４２を通る流れを導くことによって、冷却を最適化する。燃料は、入口３１，３３を介して、チャネル４０，４２にそれぞれ流入する。燃料がチャネル４０，４２の内を反対方向（すなわち、矢印の方向）に流れるように、チャネルをブロックするダム部材９０，９２が、入口３０’，３２’の対向する側の一方にそれぞれ設けられている。これにより、マニホールドに亘るあらゆる点における全燃料流がほぼ一定に保たれ、マニホールド２２の円周上のあらゆる点における最適な熱伝達率が保証される。図１１に示されるように、一方のチャネルで燃料流量が小さい領域では、他方のチャネルの燃料流量が大きく、その逆も成立する。図１２から分かるように、マニホールドの全周に亘る湿った壁部の温度は低く、かつほぼ等しくなる。これにより、マニホールド２２の各チャネル（４０、４２）に流入する燃料がマニホールドに亘って両方向に分割されて流れるマニホールド２２に比べて、熱管理の著しい改良がもたらされる。各チャネルの燃料が分割されて両方向に流れると、マニホールドの入口から離れた側では燃料流量が少なくなり、その結果、冷却効果が低下し、湿った壁部の温度が上昇し、燃料通路が汚染される可能性が生じる。

再び図７および図２を参照すると、燃料流は、場合によって時計方向または反時計方向にマニホールド２２に亘って流れ、続く燃料ノズル２４中に少しずつ放出される。燃料が放出される際に、結果生じるチャネル中の燃料流量は、各ノズル２４の下流において次第に減少する。流量が減少することにより、燃料全体の流速が低下し、したがって、熱伝達率が低下するため望ましくない。しかし、速度、したがって熱伝達率を維持するために、流れの体積が減少するにつれてチャネル４０，４２のサイズを次第に減少させることができる。これは、図８のチャネル４０，４２のチャネルの幅および／または深さを変化させることによって行うことができる。しかし、別の実施例として、または好ましくは、覆い板４４，４６の形状を図９および図１０に示すように変化させてもよい。流量を制御するために、所望通りに通路面積を減少（または増加）させるようにシートメタル成形工程を用いて、覆い板の形状を変化させてもよい。

さらに図８〜図１０を参照すると、本発明の他の態様として、マニホールド２２と熱シールド２６の間に囲われた空気の空間を設けるように形成された熱シールド２６を設置してもよい。この空気のギャップの寸法は、エンジンからマニホールドおよび燃料への熱伝達量を最低限に抑える適切な断熱を実現するように選択されることが好ましい。

本開示を通して、説明および図面において用いられた同じ参照番号は、同様または類似のものを指している。付加的な実施例の参照番号は、便宜上１００ずつ増加させてあるが、参照番号１０４，２０４，３０４を有する特徴部は、同様または類似の機能を有することを理解されるであろう。

上記の説明は好ましい実施形態を構成するが、本発明は、添付の特許請求の範囲の正しい意味から逸脱することなく、修正および変更がなされることが理解されよう。例えば、本発明は、複数の油圧または他の流体導管が必要または望まれるガスタービンエンジンへの適用において、常に、信頼性および重量における利点をもたらす。さらに、図７のように、通常は連続するチャネルの一部分を塞ぐ代わりに、一方向のチャネルを設けてもよい。反対方向への流れが好ましいが、所望の熱伝達率を実現するために他の燃料流を用いてもよい。また、チャネルの段付構造の代わりに、当業者であれば他の構成が明らかであろう。例えば、図１３および図１４を参照すると、チャネル３４２，４４０は、覆い板３４６，４４４と対応する面３４４，４０２との間にそれぞれ形成される。これにより、図１４のノズルステム４００の場合においては、燃料はノズルステム４０２から通路４４０Ａを通って外側に移動してチャネル４００を通流し、その後、通路４４０Ｂを通ってノズルステム４０２に送られるため、重量軽減孔４０２’を有利に設けることができる。さらに、本明細書に記載された以外の修正形態および応用形態が当業者であれば明らかであろう。

本発明による燃料噴射システムを備えるガスタービンエンジンの断面図。 環状の入れ子チャネル燃料マニホールドリングを備える本発明による燃料噴射システムの第１の実施形態の透視図。 図２の入れ子チャネル燃料マニホールドの断面図。 他の実施例の入れ子チャネルを有する別の燃料マニホールドの断面図。 本発明による燃料ノズルステムの分解組立等角図。 図５の入れ子チャネル燃料ノズルステムの断面図。 図２のマニホールドの別の実施形態の一部分の断面図。 図７のマニホールドの２箇所の図示位置での断面図。 図７のマニホールドの２つの異なった位置（図示せず）での断面図。 図７のマニホールドの２つの異なった位置（図示せず）での断面図。 図７のマニホールドの周囲の距離に対する燃料分布を示すグラフ。 図７のマニホールドの周囲の距離に対する湿った壁部の温度を示すグラフ。 図２のマニホールドの別の実施形態の断面図である。 本発明による他の燃料ノズルステムの分解組立等角図である。

Claims (14)

1. ガスタービンエンジンの燃料ノズルシステムに燃料を供給する燃料マニホールドであって、
   前記マニホールドに画成され、第１の入口から第１の端部まで延在するとともに、前記マニホールドに亘る複数の燃料ノズルと連通する第１の燃料導管と、
   前記第１の導管に隣接して前記マニホールドに画成され、第２の入口から第２の端部まで延在するとともに、独立して前記複数の燃料ノズルと連通する第２の燃料導管と、
   を備え、
   前記第１の導管中を流れる燃料が、前記マニホールドに対して前記第２の導管中の燃料流の方向とは異なる方向に流れるように前記第１および第２の導管が構成されていることを特徴とする燃料マニホールド。
2. 前記導管の少なくとも１つが、前記導管の長さに沿って燃料の体積が減少する際に、前記導管内における所望の燃料流量を維持するように適合された少なくとも１つの流量維持部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料マニホールド。
3. 前記流量維持部材が、前記導管を画成する前記マニホールドの一部を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料マニホールド。
4. 前記導管の少なくとも１つの寸法が、長さに沿って変化することを特徴とする請求項１に記載の燃料マニホールド。
5. 前記寸法が、長さに沿って減少することを特徴とする請求項４に記載の燃料マニホールド。
6. 前記寸法が、長さに沿って連続的に減少することを特徴とする請求項５に記載の燃料マニホールド。
7. 前記マニホールドが、環状を有しており、前記第１および第２の導管の一方の導管内の燃料が、前記マニホールドに亘って時計方向に流れ、前記導管の他方の導管内の燃料が、前記マニホールドに亘って反時計方向に流れることを特徴とする請求項１に記載の燃料マニホールド。
8. 各導管中の燃料流量を実質的に一定に維持するように、各導管の断面寸法を各々の長さに沿って減少させることを特徴とする請求項７に記載の燃料マニホールド。
9. ガスタービンエンジン内部に取り付けられるように適合されたマニホールド本体であって、前記本体内に画成されるとともに、複数の燃料ノズルに燃料を供給するように適合された少なくとも１つの燃料搬送導管を備えるマニホールド本体と、
   前記マニホールド本体を取り囲むように適合された熱シールドアッセンブリであって、前記熱シールドアッセンブリと前記マニホールド本体との間に空気の空間を包含するように適合され、前記空気空間が、前記マニホールド本体に対して所定の断熱を形成するように寸法が定められ、適合されている熱シールドアッセンブリと、
   を備えるガスタービンエンジン用内部燃料マニホールド。
10. マニホールド端部および先端部を有するステムと、
    前記先端部と連通するノズル先端と、
    前記ステムの外側に固定された少なくとも１つのシートメタル部材であって、前記ステムと前記シートメタル部材との間に燃料導管を画成するように適合された形状を有し、前記燃料導管が燃料源および前記ノズル先端と連通するシートメタル部材と
    を備えるガスタービン燃料ノズルアッセンブリ。
11. 前記導管が、前記ステムの外側にあることを特徴とする請求項１０に記載の燃料ノズルアッセンブリ。
12. 前記燃料導管が、前記ステムを介して燃料源と連通することを特徴とする請求項１０に記載の燃料ノズルアッセンブリ。
13. 前記燃料導管が、前記ステムを介して前記ノズル先端と連通することを特徴とする請求項１０に記載の燃料ノズルアッセンブリ。
14. 前記少なくとも１つのシートメタル部材が、前記導管をそれぞれ画成する２つのシートメタル部材を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料ノズルアッセンブリ。

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