JP2008534845A

JP2008534845A - 空気ブラスト式ノズルを有する内部燃料マニホールド

Info

Publication number: JP2008534845A
Application number: JP2008503337A
Authority: JP
Inventors: プロシュー，レフ，アレクサンダー; コジョビック，アレクサンダー; シャフィク，ハリス
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2008-08-28
Also published as: US20060218925A1; EP1710500B1; WO2006102765A1; US7533531B2; CA2604636C; CA2604636A1; DE602006017914D1; EP1710500A1

Abstract

ガスタービンエンジン（１０）の内部燃料マニホールド（２２）は、ノズルのコア空気がマニホールド（２２）を通過しないように空気源と連通する、複数の空気ブラスト式ノズル（２６）を有する。

Description

本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンにおける燃料供給部材に関し、さらに具体的には、改良された燃料噴射システムに関する。

ガスタービンエンジンの燃料噴射システムは、一般的に、複数の燃料噴射ノズルを相互接続する燃料マニホールドを備える。典型的には、複数の燃料ノズルは、環状燃料マニホールドの周りに円周方向に分配され、燃料を燃焼器の燃焼室内に噴射するノズル列を燃焼器内に形成する。燃料ノズルは、典型的には、加圧噴霧式ノズルまたは空気ブラスト式ノズルのいずれかを構成する噴射チップアッセンブリを備える。加圧噴霧（または空気補助）式ノズルは、燃料のみをノズルのコアを通して噴射し、中心コアの周りの空気流を用いて、燃料噴霧を導き、噴霧する。純空気ブラスト式ノズルは、コア空気流を供給し、このコア空気流の周りに燃料を送給し、これによって、流体圧力ではなく、コア空気からのエネルギーを用いて、燃料噴霧を生じさせる。一般的に、空気ブラスト式ノズルでは、汚染および炭素堆積が生じにくい。何故なら、ノズルチップ内の燃料通路が、大きく、コア空気流が、噴射された燃料の再循環領域において、炭素がノズルチップ表面に凝縮および堆積する可能性を減少させるからである。

従って、空気コアを有する空気ブラスト式ノズルは、寿命が長く、メンテナンスの必要が少なく、典型的には、これに対応する他の加圧噴霧式ノズルよりも製造コストが低い。しかし、本出願人による米国特許出願公開第２００４／００４０３０６号明細書に記載される形式のノズルのように、このような空気ブラスト式ノズルを内部燃料マニホールドと組み合わせると、コア空気流が主燃料通路を画定する燃料マニホールドの本体内を通流することによって、燃料マニホールドの内部が不当に加熱されることがある。コーキングによって燃料通路が汚染されるのを阻止するには、燃料マニホールドの内部を燃料温度に近い温度に維持することが重要である。

このような状況から、改良された燃料噴射システムが必要とされている。

従って、本発明の目的は、改良された燃料噴射システムを提供することにある。

一態様では、本発明は、少なくとも１つの燃料流路を内部に画定する環状燃料分配部材と、前記燃料分配部材に取り付けられるとともに、前記少なくとも１つの燃料流路と燃料連通する噴霧チップを有する複数の燃料ノズルと、を備えるガスタービンエンジンの内部燃料マニホールドアッセンブリであって、前記燃料ノズルの各々が、前記噴霧チップと前記燃料ノズル内に画定された空気入口との間に延びる少なくとも１つの空気流路を有し、前記少なくとも１つの空気流路が、前記燃料分配部材とは無関係に、空気源と連通することを特徴とする燃料マニホールドアッセンブリを提供する。

他の態様では、本発明は、少なくとも１つの燃料流路を内部に画定する本体を有する環状燃料マニホールドと、前記少なくとも１つの燃料流路と燃料連通して配置された複数の燃料ノズルと、を備えるガスタービンエンジンの燃料噴射システムであって、前記燃料ノズルの各々の中心噴霧軸が前記燃料マニホールドの前記本体から離間するように、前記燃料ノズルが前記燃料マニホールドの前記本体から半径方向にずらされ、前記燃料ノズルが、貫通するように画定されたコア空気流路を有すると共に、前記コア空気流路と連通する少なくとも１つの空気入口を有し、前記コア空気流路が、燃料を前記燃料流路から送り出すために、空気を通流させるように適合されることを特徴とする燃料噴射システムを提供する。

他の態様では、本発明は、燃料マニホールドと、前記マニホールドに取り付けられるとともに、混合気を燃焼器内に噴射する噴霧チップを有する複数のノズルと、を備えるガスタービンエンジンの燃料噴射システムであって、前記ノズルの各々が、前記噴霧チップと連通する少なくとも１つのコア空気流路と、前記燃料マニホールドと前記噴霧チップとの間に流体連通をもたらす少なくとも１つの燃料流路と、を内部の中心に画定し、前記燃料通路が、前記噴霧チップにおいて、前記空気流路の周りに同軸状に配置され、前記システムが、空気を前記空気流路の入口に前記マニホールドとは無関係に導く手段をさらに備えることを特徴とする燃料噴射システムを提供する。

本発明の上記の態様および他の態様のさらなる詳細は、詳細な説明および添付の図面から明らかになるだろう。

図１は、好ましくは亜音速飛行に用いられる形式のガスタービンエンジン１０を示している。このガスタービンエンジン１０は、一般的に、流れの順に、周囲空気を推進させるファン１２と、空気を加圧する多段圧縮機１４と、圧縮空気を燃料と混合させ、点火し、高温燃焼ガスの環状流を生成する燃焼器１６と、燃焼ガスからエネルギーを抽出するタービンセクション１８と、を備える。

ガスタービンエンジン１０の燃焼器１６内に、燃料噴射システム２０によって、燃料が噴射される。燃料噴射システム２０は、燃料源（図示せず）および少なくとも１つの燃料供給アッセンブリ、すなわち、内部燃料マニホールド２２を備え、燃料を燃焼器１６内に噴射し、圧縮機１４からの圧縮空気と混合させ、得られた混合気を点火するように、操作可能である。ファン１２、圧縮機１４、燃焼器１６、およびタービン１８は、好ましくは、ガスタービンエンジン１０の長手方向に沿った共通の中心軸１１を中心として、全てが同軸である。

図２ａ〜図３に示される本発明の第１の実施形態を参照すると、燃料噴射システム２０は、一般的に、燃料分配部材２２すなわち環状燃料マニホールド２２と、環状燃料マニホールド２２に取り付けられた複数の燃料ノズル２６と、を備え、燃料ノズル２６は、混合気をガスタービンエンジンの燃焼器１６の燃焼室内に噴射するように適合されている。燃料ノズル２６は、特に、燃焼器１６内に突出する噴霧チップ３８を備える。環状燃料マニホールド２２は、燃焼器１６の上流端の外側に隣接し、好ましくは、ガスタービンエンジン１０内における周囲のケーシング支持構造にいくつかの半径方向に延びる位置決めピン２４を介して取り付けられる。位置決めピン２４は、燃料マニホールド２２と周囲の支持ケーシングとの間の相対的な運動が可能となるように、支持構造内に画定された突出部（図示せず）内に嵌め込まれ、これによって、低温の燃料マニホールド２２と、その燃料マニホールドが内部に取り付けられた比較的高温のエンジンケーシングとの間に生じ得る熱膨張によるどのような不整合にも順応することができる。好ましくは、環状燃料マニホールドを取り囲む熱シールド３５も、マニホールド２２と接触することなく、これらの位置決めピン２４に独立して取り付けられ、これによって、マニホールド２２と熱シールド３５との間に生じ得る温度勾配によって引き起こされるどのような歪をも回避することができる。

複数の燃料ノズル２６は、所謂、「純」空気ブラスト式ノズル、すなわち、大きな中心コア空気流を通流させるノズルである。このコア空気流のエネルギーは、ノズル構造内でコア空気流のまわりに送給される燃料を引込み、得られた混合気を燃料ノズル２６の噴霧チップ３８から噴出させるのに十分なエネルギーをもたらす。従って、燃料のみをノズルのコア通路を介して噴射する加圧噴霧式（または空気補助式）燃料ノズルと対照的に、このような空気ブラスト式燃料ノズル２６は、図３を参照して以下にさらに詳細に述べるように、燃料ノズル２６の中心を通って延びるコア空気流路４０を画定する。純空気ブラスト式燃料ノズル２６は、燃料マニホールドリング２２の周囲に取り付けられ、好ましくは、燃料マニホールドリング２２の周囲に均等に配置される。各燃料ノズル２６の噴霧チップ３８は、燃料マニホールド２２の燃料流路２８と燃料連通して配置される。しかし、各燃料ノズル２６は、概ね実質的に妨げられない（すなわち、マニホールドまたは熱シールドによって妨げられない）空気流が（燃焼器の外側に配置された）燃料ノズルの後体３９の空気入口４１から流入し、次いで、燃料マニホールドリング２２の燃料供給体を通過することなく、各空気ブラスト式ノズル２６の中心コア通路内に送給されるように、燃料マニホールドリング２２の本体から半径方向にずらされている。従って、燃料噴霧を燃焼室内に噴射するために空気ブラスト式ノズル２６によって用いられる、空気ブラスト式燃料ノズル２６の中心コア通路４０を通過する空気流は、燃料分配マニホールド２２から分離すなわち独立している（すなわち、燃料分配マニホールド２２を通過しない）。その結果、マニホールドの燃料流路内の燃料とノズルアッセンブリを通る空気ブラスト流との間の熱伝達は制限される。例えば、マニホールドは、空気がマニホールドを通って燃料ノズルに流れることによる有害な加熱を受けることがない。

複数の取付け部材３６、好ましくは、燃料マニホールド２２の本体と一体に形成される複数の取付け部材３６が、燃料マニホールド２２の本体から半径方向内方に延び、開口部４３を画定し、この開口部４３内に、各燃料ノズル２６の本体４２が嵌め込まれる。その結果、燃料ノズルの本体は、燃料マニホールド２２から半径方向にずらされ、これによって、マニホールド２２は、空気流入口４１を著しく妨げることがなく、または空気流入口４１と著しく接触することがない。熱シールド３５が燃料マニホールド２２の本体を取り囲んでいるので、好ましくは、燃料分配部材のこれらの取付け部材３６のみが露出する。取付け部材３６は、複数の噴霧チップ３８の中心線２７が、ノズル２６に隣接する環状燃料マニホールド２２の半径方向の最も内周の面６０の直径よりも小さい直径を有する円を画定するように、環状燃料マニホールド２２の環内に半径方向において十分に突出している。各燃料ノズル２６は、中心噴霧軸２７を画定し、この中心噴霧軸２７を中心として、燃料噴霧がエンジンの燃焼室内に噴射される。軸２７は、燃料マニホールドリング２２の本体と交差することなく、エンジンの前後方向に延びている。従って、中心軸２７は、燃料ノズル２６のコア空気流路４０と同軸であり、燃料マニホールド２２の本体と交差することなく、燃料ノズルの空気入口と噴霧チップの出口との間に延びている。

図３をさらに詳細に参照すると、各空気ブラスト式燃料ノズル２６は、空気のコア流をノズルの本体４２内に画定された中心空気流路４０内に供給する。この空気は、ノズル本体の（燃料ノズルの噴霧方向に対する）後端すなわち上流端３９に空気入口開口部４１を介して流入し、燃焼器壁１７の対応する開口部と一列に並ぶ燃料ノズルの下流端のノズル噴霧チップ３８から流出する。図３において、入口４１は、軸２７に対して半径方向かつ接線方向の要素を備え、これによって、中心通路４０に流入する空気に旋回を与える。入口４１の大きさは、コア空気を計量送給するように、選択される。中心噴霧軸２７は、空気流路４０内に延び、かつ空気流路４０と同軸である。各燃料ノズル２６の中心軸２７は、環状燃料マニホールド２２の本体２１の外周面２３に対応する線３１に対して角度θを画定し、軸２７および線３１は、燃料ノズルおよびマニホールドの後方に位置する点で互いに交差する。従って、軸２７と同軸の燃料ノズル２６の噴霧チップ３８は、ガスタービンエンジン１０の燃焼器１６の中心の方へ、半径方向内方に向けられる。この角度は、例えば、マニホールド２２が円錐燃焼器と共に用いられるときにもたらされる。しかし、図４，５の代替的実施形態を参照すると、θ＝０となる構成のノズル２６が設けられてもよい。また、入口４１は、通路４０に対して単一の軸方向入口をなす。図５を特に参照すると、取付け部材３６は、複数の噴霧チップ３８の中心線２７が環状燃料マニホールド２２の半径方向の最も外周の面の直径よりも大きい半径を有する円を画定するように、環状燃料マニホールド２２の環から十分に半径方向に突出している。図示されない他の実施形態では、取付け部材３６は、半径方向内方および半径外方に交互に突出し、これによって、燃料ノズルの２つの同心円の列が得られる。図示されないさらに他の実施形態では、取付け部材３６は、マニホールド２２から種々の距離で突出して（すなわち、内側、外側、または両方に突出して）設けられてもよく、これによって、燃料ノズルの２つ以上の同心円の列が得られる。

従って、燃料噴射システム２０の空気ブラスト式ノズル２６は、内部燃料マニホールド２２内に組み込まれるが、燃料ノズル内に送給されるコア空気がマニホールドの本体内を通過しないように、マニホールドから十分に隔離される、すなわち、半径方向に十分にずらされる。燃料ノズルの少なくとも１つまたは複数の開口部４１を燃料マニホールドの本体からずらして配置することによって、好ましくは、ノズルの中心線を燃料マニホールドの本体からずらして配置することによって、空気ブラスト式ノズル用の空気は、ノズルの後部から流入してノズルの中心軸に沿って通流し、燃料流および外側の空気流と同軸状に、噴霧チップから流出する。従って、アッセンブリを通過する高温空気流によるマニホールドの加熱が制限され、好ましくは、阻止される。このようにして、燃料マニホールドまたは燃料ノズル内に生じる燃料のコーキングの傾向が、低減される。

燃料ノズル２６は、噴霧チップ３８を下流端に画定する周囲の外側ノズル本体部４６内に配置された内側本体４２を備える。内側ノズル本体部４２と外側ノズル本体部４６との間に画定された半径方向間隙は、少なくとも１つの燃料接続流路３２を介して、燃料マニホールド２２の少なくとも１つの燃料流路２８と燃料連通して配置される。従って、マニホールドの燃料流路２８からの燃料は、燃料ノズル本体部間に画定されたこの半径方向間隙に送給され、中心コア空気流路４０の周囲に配置された燃料噴霧ノズル開口部４４において、半径方向間隙から環状噴霧状に流出する。付加的な旋回空気が、ノズルの噴霧チップ３８の出口に供給され、噴霧チップ３８の外側空気旋回部４８内に画定された複数の周方向空気旋回通路５０を通流するようにしてもよい。燃料ノズル本体の内側ノズル本体部４２および外側ノズル本体部４６は、環状燃料マニホールド２２の本体２１から半径方向内方に突出する取付け部材３６内に画定された段付き円筒開口部４３内に設けられる。燃料ノズル本体部４２，４６の各々と周囲の取付け部材３６との間に、燃料の漏れを防ぐために、シール要素５４、好ましくは、ロウ付けリングシールが設けられる。このようなノズルの他の設計態様については、本願の参照となる、本出願人による米国特許第６，０８２，１１３号明細書を参照されたい。

マニホールドの燃料流路２８から、燃料が各燃料ノズル２６に送給される。具体的には、燃料流路２８は、燃料マニホールド２２の本体２１内に画定され、好ましくは、機械加工（好ましくは、旋盤加工）によって、通路を本体２１の外面、例えば、後面３４に形成することによって、本体２１内に形成される。通路２８は、環状フランジ２５に固定されるシール板２９によって密封される。好ましくは、熱シールド３５も設けられ、この熱シールド３５は、燃料マニホールド２２の本体２１との間に小さい空隙を画定しながら、本体２１の周囲に延び、これによって、マニホールド内を流れる燃料の必要以上の加熱が回避される。従って、熱シールド３５によって、マニホールドの外部は、構造の大半を燃料温度に近い温度に維持するように、保護される。

上記の説明は、単なる例示にすぎず、当業者であれば、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、ここに記載した実施形態に対して変更がなされてもよいことが理解できるだろう。例えば、燃料マニホールド２２内の１つの燃料通路を例示して説明したが、本出願人による米国特許出願公開第２００４／００４０３０６号明細書に記載されている構成または他の適切な構成におけるように、２つ以上の燃料通路が設けられてもよい。内部マニホールドの内部構成は、本発明のいかなる部分をも構成しない。空気入口４１を完全に半径方向にずらす、すなわち完全に半径方向において妨げられないようにすることが好ましいので、そのような例を挙げて説明したが、当業者であれば、空気入口４１を部分的に半径方向にずらす（すなわち、部分的に半径方向において妨げられる）ようにしても、ここに示唆した本発明の有益な結果を依然として達成し得ることを理解するだろう。従って、「実質的に妨げられない」という用語は、空気が入口４１に流入するとき、空気流とマニホールド／熱シールドとの間に生じる偶発的な接触によるマニホールド／熱シールドの著しい加熱をもたらすことがない空気流を表現するのに、用いられる。さらに、純空気ブラスト式燃料ノズルに関して説明したが、他の形式の燃料ノズルが用いられてもよく、例えば、マニホールド構成および構築方法が変更されてもよい。この開示を検討すれば、さらに他の変更が当業者にとって明らかであろう。しかし、そのような変更は、特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。

ガスタービンエンジンの略断面図である。環状燃料マニホールドと、その周囲に互いに離間して配置された複数の空気ブラスト式燃料ノズルと、を備える本発明の一実施形態による燃料噴射システムの概略的な部分正面図である。図２ａの燃料噴射システムの概略的な部分後面図である。図２ａの線３−３に沿った断面図である。図３と同様の代替的実施形態の断面図である。図３と同様の代替的実施形態の断面図である。

Claims

少なくとも１つの燃料流路を内部に画定する環状燃料分配部材と、
前記燃料分配部材に取り付けられるとともに、前記少なくとも１つの燃料流路と燃料連通する噴霧チップを有する複数の燃料ノズルと、
を備えるガスタービンエンジンの内部燃料マニホールドアッセンブリであって、
前記燃料ノズルの各々が、前記噴霧チップと前記燃料ノズル内に画定された空気入口との間に延びる少なくとも１つの空気流路を有し、前記少なくとも１つの空気流路が、前記燃料分配部材とは無関係に、空気源と連通することを特徴とする燃料マニホールドアッセンブリ。
前記空気源が、前記燃料ノズルを取り囲む加圧空気を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料マニホールドアッセンブリ。
前記燃料ノズルの前記空気入口が、前記環状燃料マニホールドから半径方向にずらさ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アッセンブリ。
前記燃料ノズルの前記空気入口が、前記ノズルの各々において複数の入口を含み、前記複数の入口が、前記ノズルを通る単一の前記空気流路と連通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アッセンブリ。
前記複数の入口が、前記空気流路内の空気流に旋回をもたらすように配置され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アッセンブリ。
前記燃料ノズルの前記入口が、前記空気流路に流入する空気流を計量送給するように適合さ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アッセンブリ。
前記燃料ノズルが、前記環状燃料マニホールドから半径方向にずらされた中心軸を有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アッセンブリ。
前記噴霧チップが、前記環状燃料マニホールドの隣接する周面の直径と異なる直径を有する円を画定する軸を有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アッセンブリ。
前記直径が、前記環状燃料マニホールドの内周面よりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の燃料マニホールドアッセンブリ。
前記直径が、前記環状燃料マニホールドの外周面よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の燃料マニホールドアッセンブリ。
前記燃料ノズルが、各々、前記少なくとも１つの空気流路と同軸の中心噴霧軸を画定し、前記噴霧軸が、前記燃料分配部材と交差することなく、前記噴霧チップと前記空気入口との間で前記燃料ノズル内に延びることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射システム。
前記燃料ノズルが、空気ブラスト式燃料ノズルであり、前記少なくとも１つの空気流路が、前記燃料ノズルの各々の中心を通るように画定されたコア空気流路であることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射システム。
少なくとも１つの燃料流路を内部に画定する本体を有する環状燃料マニホールドと、
前記少なくとも１つの燃料流路と燃料連通して配置された複数の燃料ノズルと、
を備えるガスタービンエンジンの燃料噴射システムであって、
前記燃料ノズルの各々の中心噴霧軸が前記燃料マニホールドの前記本体から離間するように、前記燃料ノズルが前記燃料マニホールドの前記本体から半径方向にずらされ、前記燃料ノズルが、貫通するように画定されたコア空気流路を有すると共に、前記コア空気流路と連通する少なくとも１つの空気入口を有し、前記コア空気流路が、燃料を前記燃料流路から送り出すために、空気を通流させるように適合されることを特徴とする燃料噴射システム。
少なくともいくつかの燃料ノズルが、前記マニホールドから半径方向内方にずらされることを特徴とする請求項１３に記載の燃料噴射システム。
少なくともいくつかの燃料ノズルが、前記マニホールドから半径方向外方にずらされることを特徴とする請求項１３に記載の燃料噴射システム。
少なくともいくつかの燃料ノズルが、前記マニホールドの隣接する周面を超えて半径方向にずらされることを特徴とする請求項１３に記載の燃料噴射システム。
前記燃料ノズルの前記空気入口が、前記ノズルの各々において複数の入口を含み、前記複数の入口が、前記ノズルを通る単一の前記空気流路と連通することを特徴とする請求項１３に記載の燃料噴射システム。
前記複数の入口が、前記空気流路内の空気流に旋回をもたらすように配置されることを特徴とする請求項１７に記載の燃料噴射システム。
前記燃料ノズルの前記空気入口が、前記空気流路に流入する空気流を計量送給するように適合されることを特徴とする請求項１３に記載の燃料噴射システム。
燃料マニホールドと、
前記マニホールドに取り付けられるとともに、混合気を燃焼器内に噴射する噴霧チップを有する複数のノズルと、
を備えるガスタービンエンジンの燃料噴射システムであって、
前記ノズルの各々が、前記噴霧チップと連通する少なくとも１つのコア空気流路と、前記燃料マニホールドと前記噴霧チップとの間に流体連通をもたらす少なくとも１つの燃料流路と、を内部の中心に画定し、前記燃料通路が、前記噴霧チップにおいて、前記空気流路の周りに同軸状に配置され、前記システムが、空気を前記空気流路の入口に前記マニホールドとは無関係に導く手段をさらに備えることを特徴とする燃料噴射システム。