JP2009527721A - ガスタービンエンジンのバーナにおいて使用するためのスワーラ - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンのバーナにおいて使用するためのスワーラ（３）が開示されており、スワーラは、円形に配置された複数の羽根（９）と、円における隣接する羽根の間に形成された流れスロット（１５）とを有しており、各流れスロットが入口端部（１２）と出口端部（１４）とを有しており、スワーラの使用時に、燃料及び空気の流れが各流れスロットに沿って入口端部から出口端部まで移動するようになっており、この場合、スワーラが燃料及び空気の旋回する混合を提供するようになっており、少なくとも１つの羽根が、流れスロット内に、スロットに沿って延びた１つ又は２つ以上の渦流を生ぜしめこれによりスロットに沿って移動する燃料及び空気の混合を高めるように構成された、流れスロットの入口端部に隣接したエッジを有している。

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのバーナにおいて使用するためのスワーラに関する。

より具体的には、本発明は、円形に配置された複数の羽根を含み、円における隣接する羽根の間に流れスロットが形成されており、各流れスロットが入口端部と出口端部とを有しており、スワーラの使用時に、燃料及び空気の流れが各流れスロットに沿って入口端部から出口端部へ移動し、これにより、スワーラが燃料と空気との旋回する混合を提供する、このようなスワーラに関する。

流れスロットにおいて生じる燃料と空気との混合を改良し、これにより、スワーラによって提供される旋回する混合における燃料及び空気の混合を改良することが望ましい。

本発明によれば、ガスタービンエンジンのバーナにおいて使用するためのスワーラが提供され、スワーラは、円形に配置された複数の羽根を含み、円における隣接する羽根の間に流れスロットが形成されており、各流れスロットが入口端部と出口端部とを有しており、スワーラの使用時に、燃料と空気との流れが各流れスロットに沿って入口端部から出口端部へ移動し、これにより、スワーラが燃料と空気との旋回する混合を提供し、少なくとも１つの羽根が、スロットに沿って延びた１つ又は２つ以上の渦流を流れスロット内に生ぜしめるように構成された流れスロットに入口端部に隣接したエッジを有しており、これにより、スロットに沿って移動する燃料と空気との混合を高めるようになっている。

前の段落による半径方向スワーラは、流れスロットの入口端部に隣接したエッジが複数の部分を含み、各部分がそこを通過する個々の流速を促進するように構成されていることが好適である。

前の段落によるスワーラにおいて、隣接したエッジが２つの部分、すなわち第１の比較的鋭い部分と、第２の比較的滑らかな部分とを有すると好適である。

前の段落によるスワーラにおいて、鋭い部分は滑らかな部分よりも著しく短いことが好適である。

前の２つの段落のそれぞれによるスワーラにおいて、各流れスロットが、（ｉ）スロットを形成している隣接する羽根の間、（ｉｉ）スロットに沿って入口から出口端部まで延びた、基部及び上部と有しており、スロットの入口端部に隣接したエッジの鋭い部分がスロットの基部に隣接して配置されており、スロットの入口端部に隣接したエッジの滑らかな部分がスロットの上部に隣接して配置されており、燃料が基部において少なくとも１つのスロットに供給されることが好適である。

前の３つの段落のいずれか１つによるスワーラにおいて、各羽根が、全長に沿って鋭い流れスロットの入口端部に隣接したエッジを有することが好適である。

前の段落によるスワーラにおいて、燃料が、全長に沿って鋭い流れスロットに隣接したエッジの近傍から少なくとも１つの流れスロットに供給されることが好適である。

前の４つの段落のいずれか１つ、ただし１つ、によるスワーラにおいて、燃料が、流れスロットの入口端部に隣接したエッジの滑らかな部分から少なくとも１つの流れスロットに供給されることが好適である。

前の４つの段落のいずれか１つ、ただし２つ、によるスワーラにおいて、燃料が、流れスロットの入口端部に隣接したエッジの鋭い部分及び滑らかな部分の両方から少なくとも１つの流れスロットに供給されることが好適である。

前の４つの段落のうちのいずれか１つ、ただし３つ、によるスワーラにおいて、燃料が、流れスロットの入口端部に隣接したエッジの鋭い部分と滑らかな部分とを分離するレッジから少なくとも１つの流れスロットに供給されることが好適である。

前の段落、ただし８つ、によるスワーラにおいて、隣接したエッジが２つの部分、すなわち、比較的滑らかな部分によって分離された２つの比較的鋭い部分、を有しており、燃料が滑らかな部分から少なくとも１つの流れスロットに供給されることが好適である。

前の段落、ただし９つ、によるスワーラにおいて、隣接したエッジが３つの部分、すなわち、２つの鋭い部分と連続していない別の比較的鋭い部分によって分離された２つの比較的鋭い部分を有しており、燃料が別の鋭い部分から少なくとも１つの流れスロットに供給されることが好適である。

前の段落、ただし１０、によるスワーラにおいて、隣接したエッジが３つの部分、すなわち、比較的鋭い部分によって分離された２つの比較的滑らかな部分を有しており、燃料が鋭い部分から少なくとも１つの流れスロットに供給されることが好適である。

前の１３の段落のうちのいずれか１つによるスワーラにおいて、各羽根がくさび形であり、くさび形の羽根が、くさび形の羽根の薄い端部が概して半径方向内方に向けられるように円形に配置されており、くさび形の羽根の反対側の広い端部は概して半径方向外方へ面しており、隣接する羽根の間に形成された流れスロットが概して半径方向内方へ向けられていることが好適である。

本発明はここで、例として添付の図面を参照しながら説明される。

図１は、ガスタービンエンジンのためのバーナの概略的な断面図であり、このバーナは、本発明による半径方向スワーラを有している。

図２は、図１のスワーラの斜視図である。

図３は、図１のスワーラの１つのくさび形の羽根を示している。

図４は、図１のスワーラの隣接するくさび形の羽根の間の流れスロットにおける渦流の形成を示している。

図５は、従来技術の半径方向スワーラの隣接するくさび形の羽根の間の流れスロットにおける渦流の形成を示している。

図６ａ、６ｂ及び６ｃは、燃料の導入の異なる個所を有する、図３に示されたようなくさび形の羽根を示している。

図７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ及び７ｅは、図３のものとは異なる形状のくさび形の羽根を示している。

図１によれば、バーナは、外部ケーシング１と、半径方向スワーラ３と、前室５と、燃焼室７とを有している。

図２をも参照すると、半径方向スワーラ３は、円形に配置された複数のくさび形の羽根９を有している。くさび形の羽根の薄い端部１１は概して半径方向内方へ向けられている、くさび形の羽根の反対側の広い端部１３は概して半径方向外方に面している。概して半径方向内方に向けられた直線的な流れスロット１５は、円における隣接するくさび形の羽根９の間に形成されている。各流れスロット１５は、くさび形の羽根９が配置されている円の平面に対して垂直な方向で間隔を置いて配置された、基部４２と上部４４とを有している。各流れスロット１５は、入口端部１２と出口端部１４とを有している。

圧縮空気は、図１における矢印１７の方向に、外部ケーシング１と、燃焼室７／前室５との間を移動する。矢印１６によって示されているように、空気は次いで、入口端部１２において流れスロット１５に進入するために９０度方向転換する。空気は次いで概して半径方向に内方へ流れスロット１５に沿って出口端部１４まで移動する。液体燃料は、流れスロットの基部４２における燃料噴射孔１０によって燃料スロット１５に供給される。さらに、気体燃料は、くさび形の羽根９の平面側１９における燃料噴射孔１８によって流れスロット１５に供給される。空気／燃料混合物は、概して矢印２３によって示された方向で、くさび形の羽根９の円の中の中央空間２１に進入し、これにより、中央空間２１において旋回する空気／燃料混合物２５を形成する。矢印２７によって示されているように、旋回する空気／燃料混合物２５は前室５に沿って燃焼室７へ移動し、この燃焼室において燃焼する。

図３も参照すると、各くさび形の羽根９は、薄い端部１１と、広い端部１３と、平面側１９と、非平面側２９と、上面３１と、底面３３とを有する。広い端部１３と非平面側２９との間のエッジ３５は、２つの部分、すなわち鋭い直線的な下側部分３７と、滑らかな湾曲した／成形された上側部分３９とを有している。レッジ４１は、鋭い部分３７と滑らかな部分３９とを分離している。広い端部１３と平面側１９との間のエッジ３６は鋭い直線的なエッジを有している。

図３のくさび形の羽根を説明するための別の方法は、羽根が、滑らかな湾曲した／成形されたエッジを有さない慣用の形式の第１のコンポーネントのくさび形の羽根と、滑らかな湾曲した／成形されたエッジ３９を有する成形された形式の第２のコンポーネントのくさび形の羽根とを含む複合的なくさび形の羽根を有しているということである。図３において、第１のコンポーネントのくさび形の羽根は、一点鎖線３０の下側のくさび形の羽根９の部分であり、第２のコンポーネントのくさび形の羽根は、一点鎖線３０の上側のくさび形の羽根９の部分である。２つのコンポーネントの羽根の断面（羽根９の上面３１及び底面３３に対して平行な平面で見た）の相違が、レッジ４１を形成している。

図４も参照すると、矢印４５によって示されているように、エッジ３５の鋭い部分３７の周囲を流れスロット１５に進入する空気は、矢印４３によって示されているようにエッジ３５の滑らかな部分３９の周囲をスロットに進入する空気よりも、スロットへのより低い入口速度を有する。このことの効果は、概して半径方向内方にスロットに沿って延びた渦流４７を生ぜしめるのに対し、同時に、スロットの底部４２から上部４４へ移動するということである。渦流の方向４９は、滑らかな部分３９の長さに対する鋭い部分３７の長さによって決定されている。滑らかな部分に対する鋭い部分が長いほど、渦流はより迅速にスロットの上部に向かって移動する。すなわち、渦流４７の方向は、鋭い部分／滑らかな部分の相対的な長さを変化させることによって制御されることができる。

渦流４７の形成は、従来の半径方向スワーラの隣接するくさび形の羽根の間の流れスロットにおける流れを考慮することによって理解されることができる。

図５も参照すると、隣接するくさび形の羽根５１は、図４における部分３９としての滑らかな部分を有していないことを除いて図４の隣接するくさび形の羽根と同じである。すなわち、くさび形の羽根５１において、図４における部分３７としての鋭い部分５３はスロット５５の全高に亘って延びている。換言すれば、図５のくさび形の羽根において、図３におけるエッジ３５に対応するエッジは、鋭い直線的なエッジ５３である１つの部分のみを有している。

矢印５７のように、鋭い直線的なエッジ５３の周囲から流れスロット５５に進入する空気は、鋭いエッジを超え、エッジ５３のすぐそばでスロット５５を垂直に上方へ延びた渦流５９を形成する。図４における部分３９としての、滑らかな湾曲した／成形された部分の導入によって図５のくさび形の羽根を変更する効果は、もはや正確に垂直に延びるのではなく、スロットを上方へかつ図４におけるようにスロットに沿って概して半径方向内方へも移動するように、垂直に対して所定の角度を成して延びるように、図５における渦流５９を強制的に方向転換させることである。換言すれば、図１における鋭いエッジ５３への、図４における部分３９としての、滑らかな部分の導入は、（ｉ）鋭いエッジの垂直方向範囲を制限し、これにより、関連した流れトリップも制限し、（ｉｉ）流れトリップによって生ぜしめられた渦流を垂直に押しやる比較的高速の空気の流れを提供し、これにより、渦は、流れスロット５５に沿って概して半径方向内方へかつスロット５５に沿って上方へ延びる。

図４に示されたように延びるような図５の渦流の方向転換は、空気／燃料混合の徹底に関して有利である。図５の従来の設計において、スロットの上側半分６１に達するように十分にスロットに流れを浸透させるために（燃料噴射孔１０によって）流れスロット内に噴射される液体燃料を補助することが望ましい。これは特に、ガスタービンエンジンが部分負荷において運転している場合にそうである。図４に示されたように延びるような渦流のための配置により、燃料はスロットの上側半分に配置される。なぜならば、渦に捕えられた燃料は、渦によってこの上側半分に搬送されるからである。すなわち、図４における鋭い部分／滑らかな部分の相対的な長さの適切な選択により、渦流の範囲の方向は制御されることができ、これにより、スロットの選択された領域に到達するように燃料に補助が与えられることができるメカニズムを提供する。

気体燃料が各スロット内に噴射される個所は、図２に示されたようでなくてもよく、すなわち、エッジ３６に沿った途中の各くさび形の羽根９の平面側１９に位置している必要はない。実際には、気体燃料の空気／燃料混合を補助するために、気体燃料の噴射個所を、図４に示されたように、噴射個所が極めて容易に渦流４７に捕捉されるように配置することが望ましい。図６ａ、６ｂ及び６ｃは、これを達成するための気体燃料の適切な噴射個所を示している。図６ａにおいて、２つの燃料噴射孔７１がエッジ３５の滑らかな部分３９に配置されている。図６ｂにおいて、１つの燃料噴射孔７３は、エッジ３５の鋭い部分３７と滑らかな部分３９とを分離するレッジ４１に配置されている。図６ｃにおいて、１つの燃料噴射孔７５が鋭い部分３７に配置されており、別の燃料噴射孔７７が滑らかな部分３９に配置されている。

上の説明において、本発明によれば、流れスロットの入口端部に隣接したエッジは、燃料をスロットの選択された領域に搬送するために、所望の方向に延びた渦を生ぜしめるように構成されている。上の説明において（ｉ）隣接したエッジは、鋭い下側部分と滑らかな上側部分とを有するように構成されており、（ｉｉ）所望の方向は鋭い下側部分からスロットの出口におけるスロットの上部までであり、（ｉｉｉ）選択された領域はスロットの出口におけるスロットの上部に位置する。隣接したエッジは、燃料をスロットの異なる選択された領域へ搬送するために、渦流を生ぜしめるために上の説明とは異なって構成されていることができることが認められるであろう。図７ａ〜図７ｅは、隣接したエッジの種々異なる構成の例を示している。

図７ａにおいて、隣接したエッジ８１は、下側及び上側の鋭い直線的な部分８３，８５と、中央の滑らかな湾曲した／成形された部分８７とを有している。２つの気体燃料噴射孔８９は滑らかな部分８７に配置されている。この構成は、（図４における矢印４９と比較して）矢印８４，８６の方向に延びた渦流を生ぜしめる。

図７ｂのくさび形の羽根は、滑らかな部分９３を形成したチャネル９１の端部が、図７ａに示されたようにくさび形の羽根の側部９５と同一平面において終わっているのではなく、側部とエッジ／段部９７を形成しており、このエッジ／段部が、空気／燃料混合を補助するための付加的な渦９６を生ぜしめるということを除き、図７ａのくさび形の羽根と同じである。

図７ｃのくさび形の羽根は、滑らかな部分１０１を形成したチャネル９９の幅が、スロットの入口から出口まで、図７ｂのように減少するのではなく、増大しているということを除き、図７ｂのくさび形の羽根と同じである。

図７ｄにおいて、隣接したエッジ１０３は、下側及び上側の鋭い直線的な部分１０５，１０７と、部分１０５，１０７の間の別の鋭い直線的な部分１０９とを有しており、この別の部分１０９は、くさび形の羽根の側部１１３における突出部１１１によって形成されている。突出部１１１は、２つの気体燃料噴射孔１１５を有している。部分１０９の周囲から流れスロットに進入する空気は、部分１０５，１０９の周囲から進入する空気よりも、スロットへのより低い入口速度を有している。なぜならば、１０９の周囲から進入する空気は、スロットに進入する前に、くさび形の羽根の広い端部１１７上をさらに移動しなければならないからである。図７ｄの構成において生ぜしめられた渦は、矢印１１９，１２１によって示されている。

図７ｅのくさび形の羽根は、以下のことを除いて、図７ｄのくさび形の羽根と同じである：（ｉ）図７ｅの羽根において、図７ｄの羽根の下側及び上側の鋭い直線的な部分１０５，１０７は下側及び上側の滑らかな湾曲した／成形された部分１２３，１２５に置き換えられており、部分１２３の曲率半径は部分１２５のものよりも大きい；（ｉｉ）図７ｅの羽根の気体燃料噴射孔１２４，１２６はずらされている。すなわち、図７ｅの羽根において、スロットへの３つの入口速度が存在し、鋭い直線的な部分１２７の周囲が最も低い速度、滑らかな湾曲した／成形された部分１２３の周囲が中間の速度、滑らかな湾曲した／成形された部分１２５の周囲が最も高い速度である。

上の説明は半径方向スワーラに関する。本発明は軸方向スワーラにも拡大されることが認められるべきである。軸方向スワーラも、円形に配置された複数の羽根と、円における隣接する羽根の間に形成された流れスロットとを有しており、各流れスロットが入口端部と出口端部とを有しており、スワーラの使用時に、燃料及び空気の流れが各流れスロットに沿って入口端部から出口端部まで移動し、これにより、スワーラが燃料及び空気の旋回混合を提供するようになっている。軸方向スワーラにおける本発明の使用は、スワーラの少なくとも１つの羽根が、スロットに沿って延びた１つ又は２つ以上の渦流を流れスロット内に生ぜしめるように構成された流れスロットの入口端部に隣接したエッジを有することを要求し、これにより、スロットに沿って移動する燃料及び空気の混合を高める。

本発明は、空気力学的な力のみを使用することによって燃料の正確な配置を達成することが認められるべきである。これは、変化する噴射率を有する複数の燃料噴射個所の使用によって、燃料配置の制御が達成される構成と対照的である。明らかに、本発明は、より複雑でなく、したがってより信頼性が高いので、優れている。

ガスタービンエンジンのためのバーナの概略的な断面図であり、このバーナは、本発明による半径方向スワーラを有している。 図１のスワーラの斜視図である。 図１のスワーラの１つのくさび形の羽根を示している。 図１のスワーラの隣接するくさび形の羽根の間の流れスロットにおける渦流の形成を示している。 従来技術の半径方向スワーラの隣接するくさび形の羽根の間の流れスロットにおける渦流の形成を示している。 燃料の導入の異なる個所を有する、図３に示されたようなくさび形の羽根を示している。 図３のものとは異なる形状のくさび形の羽根を示している。

符号の説明

１ 外部ケーシング１、 ３ 半径方向スワーラ、 ５ 前室、 ７ 燃焼室、 ９ 羽根、 １１ 薄い端部、 １２ 入口端部、 １３ 広い端部、 １４ 出口端部、 １５ 流れスロット、 １８ 燃料噴射孔、 １９ 平面側、 ２１ 中央空間、 ２５ 空気／燃料混合物、 ２９ 非平面側、 ３５，３６ エッジ、 ３７ 下側部分、 ３９ 滑らかな部分、 ４１ レッジ、 ４２ 底部、 ４４ 上部、 ４７ 渦流、 ４２ 基部、 ５１ 羽根、 ５３ エッジ、 ５５ スロット、 ５９ 渦流、 ７１，７３，７５，７７ 燃料噴射孔、 ８１ エッジ、 ８３，８５ 直線的な部分、 ８７ 湾曲した／成形された部分、 ８９ 気体燃料噴射孔、 ９１ チャネル、 ９３ 滑らかな部分、 ９５ 側部、 ９６ 渦、 ９７ エッジ／段部、 ９９ チャネル、 １０１ 滑らかな部分、 １０３ エッジ、 １０５，１０７，１０９ 直線的な部分、 １１１ 突出部、 １１３ 側部、 １１５ 気体燃料噴射孔、 １１７ 広い端部、 １２３，１２５ 湾曲した／成形された部分、 １２４，１２６ 気体燃料噴射孔、 １２７ 直線的な部分

Claims (14)

1. ガスタービンエンジンのバーナにおいて使用するためのスワーラにおいて、
   該スワーラが、円形に配置された複数の羽根を有しており、円形に配置された隣接する羽根の間に流れスロットが形成されており、各流れスロットが入口端部と出口端部とを有しており、スワーラの使用時に、燃料及び空気の流れが各流れスロットに沿って入口端部から出口端部まで移動し、スワーラが燃料及び空気の旋回する混合物を提供するようになっており、少なくとも１つの羽根が、スロットに沿って延びる１つ又は２つ以上の渦流を流れスロット内に生ぜしめるように構成された、流れスロットの入口端部に隣接したエッジを有しており、これにより、スロットに沿って移動する燃料及び空気の混合を高めるようになっていることを特徴とする、ガスタービンエンジンのバーナにおいて使用するためのスワーラ。
2. 流れスロットの入口端部に隣接したエッジが複数の部分を有しており、各部分が、該部分を通過する個々の流れ速度を促進するように構成されている、請求項１記載のスワーラ。
3. 隣接したエッジが、２つの部分、すなわち第１の比較的鋭い部分と、第２の比較的滑らかな部分とを有している、請求項２記載のスワーラ。
4. 鋭い部分が、滑らかな部分よりも著しく短い、請求項３記載のスワーラ。
5. 各流れスロットが、（ｉ）スロットを形成した隣接する羽根の間、及び（ｉｉ）スロットに沿ってスロットの入口端部から出口端部まで、延びた基部及び上部を有しており、スロットの入口端部に隣接したエッジの鋭い部分がスロットの基部に隣接して配置されており、スロットの入口端部に隣接したエッジの滑らかな部分が、スロットの上部に隣接して配置されており、燃料がスロットの基部において少なくとも１つのスロットに供給されるようになっている、請求項３又は４記載のスワーラ。
6. 各羽根が、流れスロットの入口端部に隣接したエッジを有しており、該エッジが、該エッジの全長に沿って鋭い、請求項３から５までのいずれか１項記載のスワーラ。
7. 燃料が、全長に沿って鋭い、流れスロットに隣接したエッジの近傍から、少なくとも１つの流れスロットに供給される、請求項６記載のスワーラ。
8. 燃料が、流れスロットの入口端部に隣接したエッジの滑らかな部分から少なくとも１つの流れスロットに供給される、請求項３から６までのいずれか１項記載のスワーラ。
9. 燃料が、流れスロットの入口端部に隣接したエッジの鋭い部分及び滑らかな部分の両方から少なくとも１つの流れスロットに供給される、請求項３から６までのいずれか１項記載のスワーラ。
10. 燃料が、流れスロットの入口端部に隣接したエッジの鋭い部分と滑らかな部分とを分離したレッジから少なくとも１つの流れスロットに供給される、請求項３から６までのいずれか１項記載のスワーラ。
11. 隣接したエッジが、３つの部分、すなわち比較的滑らかな部分によって分離された２つの比較的鋭い部分を有しており、燃料が、滑らかな部分から少なくとも１つの流れスロットに供給される、請求項２記載のスワーラ。
12. 隣接したエッジが、３つの部分を有している、すなわち２つの鋭い部分が、該２つの部分と隣接していない別の比較的鋭い部分によって分離されており、燃料が、該別の鋭い部分から少なくとも１つの流れスロットに供給される、請求項２記載のスワーラ。
13. 隣接したエッジが、３つの部分、すなわち、比較的鋭い部分によって分離された２つの比較的滑らかな部分を有しており、燃料が、鋭い部分から少なくとも１つの燃料スロットに供給される、請求項２記載のスワーラ。
14. 各羽根がくさび形であり、くさび形の羽根が円形に配置されており、この場合、くさび形の羽根の薄い端部が概して半径方向内方に向けられ、くさび形の羽根の反対側の広い端部が概して半径方向外方に面しており、隣接する羽根の間に形成された流れスロットが概して半径方向内方へ向けられている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のスワーラ。

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