JP2010164299A - タービンエンジン用の燃焼器組立体及びキャップ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン用の燃焼器組立体を提供する。
【解決手段】本燃焼器組立体は、該燃焼器組立体に供給された加圧空気のボリュームを徐々に増加させかつ該加圧空気を燃焼器領域内に送給する前に制御状態で該加圧空気を減速させるキャップ組立体を含む。キャップ組立体は、同心状態で取付けられた内側及び外側スリーブを含む。外側及び内側スリーブ間に形成された環状空間は、後方端部から前方端部まで徐々に増大する。段付き部分が、キャップ組立体の内側スリーブ上に形成され、この段付き部分は、対応する燃焼器ライナに接合される。
【選択図】 図３

Description

本開示は、タービンエンジンに関し、具体的には、タービンエンジンの燃焼器セクション及び関連するハードウェアに関する。

発電プラントで使用される一般的なタービンエンジンでは、流入空気が加圧され、加圧空気は次に、エンジンの周辺部周りに配置された複数の燃焼器組立体に送られる。各燃焼器組立体では、燃料が加圧空気に付加され、この空気−燃料混合気が、点火燃焼される。得られた膨張ガスは次に、タービンブレードに送られて、回転力を発生させる。

そのようなタービンエンジン用の一般的な燃焼器組立体では、ほぼ円筒形の流れスリーブが、該組立体の一部の外側部分を囲む。ほぼ円筒形の燃焼器ライナが、流れスリーブの内部に同心に取付けられる。タービンエンジンの圧縮機セクションからの空気は、燃焼器ライナの外面及び流れスリーブの内面間の環状空間を通して送られる。

流れスリーブの端部に燃焼器ケーシングが取付けられる。燃焼器ケーシングの内部にキャップ組立体が装着される。キャップ組立体は、外側スリーブの内部に同心に取付けられた内側スリーブを含む。内側及び外側スリーブの両方は、その構成がほぼ円筒形である。

燃焼器ライナの端部は、キャップ組立体の内側スリーブの前端縁を囲みかつ該前端縁に結合される。燃焼器ライナ及び流れスリーブ間の環状空間内を流れる加圧空気は、キャップ組立体の内側スリーブ及び外側スリーブ間に形成された環状空間内に流れる。空気は次に、ほぼ１８０°方向転換し、次に空気は、複数の燃料噴射器のそばを通り過ぎて、そこで燃料が加圧空気に付加される。空気−燃料混合気は、キャップ組立体の内部すなわち内側スリーブの内部を通って流れ、次に燃焼器ライナ内に流出し、そこにおいて、空気−燃料混合気は点火燃焼される。燃焼ガスは次に、燃焼器ライナの内部を通って流れる。

燃焼器ライナ及びキャップ組立体に取付けられた要素を使用して、キャップ組立体及び燃焼器ケーシングに対して流れスリーブ及び燃焼器ライナを適正に位置決めする。キャップ組立体の外側スリーブの内面に対してライナストッパが溶接される。ライナストッパの端部は、燃焼器ライナの外面に取付けられたラグに当接しかつ該ラグと係合する。ラグに対するライナストッパの当接により、燃焼器ケーシング及びキャップ組立体に対して燃焼器ライナ及び流れスリーブの端部が位置決めされる。この当接はまた、これらの要素間の相対回転を防止する。

上記した燃焼器組立体は、幾つかの非能率を欠点として持つ。第１に、ライナストッパ及びラグは、燃焼器ライナ及び流れスリーブ間の環状空間からキャップ組立体の内側スリーブ及び外側スリーブ間の環状空間内に流れる加圧空気の流路内に直接設置される。これにより、空気流れが妨害され、また各ライナストッパ及びラグ位置の周りに乱流流れパターンが形成される。加えて、ライナストッパ及びラグは、摩耗を生じる傾向にあり、定期的な保守整備を必要とする。

加えて、加圧空気の流れが燃焼器ライナ及び流れスリーブ間の環状空間からキャップ組立体の内側スリーブ及び外側スリーブ間の環状空間内に流れる時に、加圧空気は、急膨張を生じる。より具体的には、燃焼器ライナの端部の外径は、キャップの内側スリーブの外径よりも大きいので、加圧空気が燃焼器ライナの端部上を流れる時に急膨張が発生する。

さらに、加圧空気がキャップ組立体から流出しかつ燃焼器ケーシング内部のプレナム領域内に放出された時に、加圧空気は、別のさらにより大きな膨張を生じる。

これらの急膨張により、可変速度空気ストリーム間において剪断作用が発生し、この剪断作用により、タービンエンジンの全体効率を低下させる寄生損失が生じる。これらの急膨張の結果として発生する剪断作用は、なんの意味もない摩擦及び熱を発生させ、従ってエネルギー損失を招く。また、この剪断作用によって生じる加熱は、加圧空気の密度を減少させ、このこともまたタービン効率を低下させる傾向にある。

１つの態様では、本発明は、タービンエンジン用の燃焼器組立体として具現化することができ、本燃焼器組立体は、ほぼ円筒形の流れスリーブと、流れスリーブの内部に同心に取付けられほぼ円筒形の燃焼器ライナとを含み、加圧空気が、燃焼器ライナの外面及び流れスリーブの内面間に形成された空間を通って流れる。本燃焼器組立体はまた、流れスリーブの端部に取付けられたほぼ円筒形の燃焼器ケーシングを含む。キャップが、燃焼器ケーシング内に取付けられ、キャップは、ほぼ円筒形の外側スリーブと該外側スリーブの内部に同心に取付けられたほぼ円筒形の内側スリーブとを含む。燃焼器ライナの端部は、内側スリーブの後方端部に結合されて、流れスリーブ及び燃焼器ライナ間を流れる前記加圧空気が、キャップの内側及び外側スリーブ間の空間内に流れるようになる。内側スリーブの直径は、該内側スリーブの後方端部から該内側スリーブの前方端部に向かって徐々に減少する。

別の態様では、本発明は、タービンエンジンの燃焼器組立体用のキャップとして具現化することができ、本キャップは、ほぼ円筒形の外側スリーブと該外側スリーブの内部に同心に取付けられたほぼ円筒形の内側スリーブとを含み、加圧空気は、内側スリーブ及び外側スリーブ間に設置された環状空間を通って流れることができ、また内側スリーブの直径は、該内側スリーブの第１の端部から該内側スリーブの第２の端部に向かって徐々に減少する。

別の態様では、本発明は、タービンの燃焼器組立体用のキャップとして具現化することができ、本キャップは、ほぼ円筒形の外側スリーブと該外側スリーブの内部に同心に取付けられたほぼ円筒形の内側スリーブとを含み、加圧空気は、内側及び外側スリーブ間に設置された環状空間を通って流れることができ、本キャップの内側スリーブの第１の端部は、小さい直径部分及び大きい直径部分を備えた段部を有し、また小さい直径部分は、燃焼器ライナの端部に結合されるように構成される。

背景技術のタービンエンジンの燃焼器組立体の図。 図１に示す燃焼器組立体の流れスリーブ及び燃焼器ライナ並びにキャップ組立体間の接合部を示す図。 燃焼器ライナが流れスリーブに対して回転するのを防止する要素を示す断面図。 キャップ組立体を備えた燃焼器組立体の第１の実施形態を示す図。 図３に示すキャップ組立体の斜視図。 図３に示すキャップ組立体の斜視図。 燃焼器組立体の燃焼器ライナ及びキャップ組立体間の接合部の実施形態を示す部分斜視図。

図１は、そのようなタービンエンジン用の一般的な背景技術の燃焼器組立体を示している。図１で分かるように、ほぼ円筒形の流れスリーブ１０は、燃焼器組立体の一部の外側部分を囲む。ほぼ円筒形の燃焼器ライナ１２が、流れスリーブ１０の内部に同心に取付けられる。タービンエンジンの圧縮機セクションからの空気は、燃焼器ライナ１２の外面及び流れスリーブ１０の内面間の環状空間を通して送られる。図１における矢印１４は、加圧空気が燃焼器組立体に流入する時の該加圧空気の流れ方向を表している。

燃焼器ケーシング２０は、流れスリーブ１０の端部に取付けられる。キャップ組立体３０が、燃焼器ケーシング２０の内部に取付けられる。キャップ組立体３０は、外側スリーブ３４の内部に同心に取付けられた内側スリーブ３２を含む。内側及び外側スリーブの両方は、その構成がほぼ円筒形である。

燃焼器ライナ１２の端部は、キャップ組立体３０の内側スリーブ３２の前端縁を囲みかつ該前端縁に結合される。内側スリーブ３２の外面及び燃焼器ライナ１２の内面間にシール１８が配置される。

燃焼ライナ１２及び流れスリーブ１０間の環状空間内を流れる加圧空気は、キャップ組立体３０の内側スリーブ３２及び外側スリーブ３４間に形成された環状空間内に流れる。空気は次に、図１に矢印４５で示すようにほぼ１８０°方向転換する。空気は次に、複数の燃料噴射器４０内に流れ、燃料噴射器４０において、加圧空気に燃料が付加される。燃料噴射器は、キャップ組立体の内側部分の内部、すなわち内側スリーブ３２の内部に設置される。燃料−空気混合気は次に、燃焼器ライナ内に流れ、そこで点火燃焼される。

図２Ａは、燃焼器ライナ１２に対してキャップ組立体がどのように接合されるかの拡大図を示している。この図に示すように、燃焼器ライナ１２の端部は、キャップ組立体３０の内側スリーブ３２の外面を囲む。燃焼器ライナ１２の内面及び内側スリーブ３２の外面間にシール１８が設置される。

図２Ａはまた、キャップ組立体３０及び燃焼器ケーシング２０に対して流れスリーブ１０及び燃焼器ライナ１２を適正に位置決めするために使用する要素を示している。キャップ組立体３０の外側スリーブ３４の内面に対して、ライナストッパ３６が強固に取付けられる。ライナストッパ３６の端部は、燃焼器ライナ１２の外面に取付けられたラグ３８に当接しかつ該ラグ３８と係合する。ラグ３８に対するライナストッパ３６の当接により、燃焼器ケーシング２０及びキャップ組立体３０に対して燃焼器ライナ１２及び流れスリーブ１０の端部が位置決めされる。

図２Ｂに示すように、燃焼器ライナ１２上のラグ３８はまた、流れスリーブ１０の内面上のポケット９０と摺動係合する。ラグ３８及びポケット９０間の係合により、燃焼器ライナ１２が流れスリーブ１０に対して回転するのが防止される。

上記した燃焼器組立体は、幾つかの非能率を欠点として持つ。第１に、ライナストッパ３６、ラグ３８及びポケット９０は全て、燃焼器ライナ１２及び流れスリーブ１０間の環状空間からキャップ組立体３０の内側スリーブ３２及び外側スリーブ３４間の環状空間内に流れる加圧空気の流路内に直接設置される。これにより、空気流れが妨害され、また各ライナストッパ、ラグ及びポケット位置の周りに乱流流れパターンが形成される。加えて、ライナストッパ３６及びラグ３８は、摩耗を生じる傾向にあり、定期的な保守整備を必要とする。

加えて、加圧空気の流れが燃焼器ライナ１２及び流れスリーブ１０間の環状空間からキャップ組立体の内側スリーブ３２及び外側スリーブ３４間の環状空間内に流れる時に、加圧空気は、急膨張を生じる。より具体的には、燃焼器ライナ１２の端部１６の外径は、キャップの内側スリーブ３２の外径よりも大きいので、加圧空気が燃焼器ライナ１２の端部１６上を流れる時に急膨張が発生する。

さらに、加圧空気がキャップ組立体から流出しかつ燃焼器ケーシング２０内部のプレナム領域内に放出された時に、加圧空気は、別のさらにより大きな膨張を生じる。

図３は、図１及び図２に示す燃焼器組立体と比較して空気流れを改善した燃焼器組立体の第１の実施形態を示している。この燃焼器組立体もやはり、流れスリーブ１０及び燃焼器ライナ１２を含む。従来のものと同様に、矢印１４で示すように、流入加圧空気は、燃焼器ライナ１２及び流れスリーブ１０間の環状空間を通って移動する。この実施形態では、キャップ組立体６０は、外側スリーブ６２及び内側スリーブ６４を含む。このキャップ組立体は、図４Ａ、図４Ｂ及び図５においてより詳細に示している。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、キャップ組立体は、複数のアパーチャ８２を備えたエフュージョンプレート８０を含む。燃料噴射器４０は、アパーチャ８２の各々のほぼ中心部に対応する位置に設置されることになる。

ほぼ円筒形の内側スリーブ６４が、外側スリーブ６２の内部に同心に取付けられる。複数の支持ストラット７０が、内側及び外側スリーブ間で延びる。図３で最もよく分かるように、内側スリーブ６４の外径は、エフュージョンプレート端部つまり後方端部から前方端部６６まで徐々により小さくなっている。

キャップ組立体６０の内側スリーブ６４の外径は、燃焼器ライナ１２に接合された後方端部から前方端部６６まで徐々に減少しているので、内側スリーブ６４及び外側スリーブ６２間に形成された環状空間は、キャップ組立体の後方端部から該キャップ組立体の前方端部まで徐々により大きくなっている。言い換えれば、上記した背景技術の燃焼器組立体において生じるような、この環状空間の急な、激しい又は瞬間的な膨張が全く発生しない。従って、この空間を通って図３の流れ矢印の方向に移動する加圧空気のボリュームは、緩やかかつ制御状態で増加することになる。

空気のボリュームにおけるこうした緩やかな増加は、加圧空気が図１及び図２に示す背景技術の燃焼器キャップ内の対応する空間を通って移動する時に生じる急膨張とは全く対照的である。この制御状態の膨張はまた、空気が燃焼器ケーシング２０の内部のプレナム領域内に放出される前に、加圧空気を徐々に減速させ、これらの全ては、背景技術の燃焼器組立体において生じる寄生流れ損失を防止するのに役立つ。

上記した実施形態では、内側スリーブは、徐々に減少する外径を有しており、それにより、そのボリュームがキャップの後方端部から該キャップの前方端部まで徐々に増加する該キャップの内側及び外側スリーブ間の環状空間が形成される。しかしながら、別の実施形態では、異なる方法でそれと同じ効果を達成することができる。例えば、外側スリーブの直径は、増大させることができ、また内側スリーブの直径は、ほぼ同一の状態を維持することができる。さらに別の実施形態では、内側スリーブの直径は、徐々に減少させることができ、一方、外側スリーブの直径は、徐々に増大させることができる。これらの別の構成の両方もまた、加圧空気がキャップの後方端部から前方端部まで流れる時に、内側及び外側スリーブ間の環状空間を通って流れる加圧空気に緩やかかつ制御状態の膨張を生じさせることになる。

さらに、燃焼器ライナ１２は、キャップ組立体の内側スリーブ６４の後方端部の段付き部分に対して係合する。図５は、燃焼器ライナ１２及びキャップ組立体６０の内側スリーブ６４間の接合部を詳細に示している。そこに示すように、キャップ組立体６０の内側スリーブ６４の後方端縁は、段付き部分を含む。段付き部分は、段部６６によって接合されたより大きい直径部分６７及びより小さい直径部分６８を含む。燃焼器ライナ１２の端部は、内側スリーブ６４のより小さい直径部分６８を囲む。内側スリーブ６４のより小さい直径部分６８の外面及び燃焼器ライナ１２の内面間にシール１８が設置される。

燃焼器ライナの外径は、内側スリーブ６４のより大きい直径部分６７の外径とほぼ等しい。従って、燃焼器ライナ２０の端部１６及びキャップの内側スリーブ６４間の接合部を通過して流れる空気は、図１及び図２に示すような背景技術の燃焼器組立体の場合のようにそのボリュームが急増加することはない。この特徴形状部もまた、寄生損失を防止するのに役立つ。

キャップ組立体の内側スリーブ６４上に形成された段部６６はまた、キャップ組立体６０及び燃焼器ケーシング２０に対して燃焼器ライナ１２を適正に位置決めするように機能させることができる。具体的には、段部６６は、燃焼器ライナ１２の端部１６が当接する支持面６９を形成する。燃焼器ライナ１２の円周部の周りで該燃焼器ライナ１２の端部１６が段部６６の支持面６９と当接することにより、互いに対してそれら要素が適正に位置決めされる。

さらに、キャップ組立体６０の内側スリーブ６４上には、突出部７２を形成することができ、また燃焼器ライナ１２の端部１６には、対応する陥凹部７４を形成することができる。突出部７２は陥凹部７４内に受けられる。その結果として、燃焼器ライナ１２は、キャップ組立体６０に対して回転することができない。こうした回転防止機能は、突出部及び陥凹部の別の構成により行わせることができる。例えば、燃焼器ライナ１２の端部上に突出部を形成することができ、またキャップ組立体の内側スリーブ６４上に陥凹部を形成することができる。さらに、図５に示す実施形態は、長手方向軸方向に延びる突出部及び陥凹部を有するが、これらの突出部及び陥凹部はまた、半径方向に形成することもできる。

燃焼器ライナに係合するキャップの段付き内側スリーブ並びに相対的回転を防止する突出部及び陥凹部の使用により、背景技術の燃焼器組立体におけるライナストッパ、ラグ及びポケットの必要性が排除される。ライナストッパ、ラグ及びポケットを排除することはまた、寄生損失及びそれらの品目についての定期的な保守整備の必要性を排除する。

寄生損失の減少は、幾つかの点でエンジン効率を助ける。第１に、寄生損失の減少は、燃焼器を通して所定のボリュームの加圧空気を流すのに必要な仕事量をより少ないものにする筈である。さらに、背景技術の燃焼器組立体において生じる剪断作用は熱を発生させるのでまたそのような剪断作用が減少するので、加圧空気はより低い温度で燃焼器チャンバに送給され、このこともまた、エンジン効率を高めることになる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ 円筒形流れスリーブ
１２ 燃焼器ライナ
１４ 矢印
１６ 端部
１８ シール
２０ 燃焼器ケーシング
３０ キャップ組立体
３２ 内側スリーブ
３４ 外側スリーブ
３６ ライナストッパ
３８ ラグ
４０ 燃料噴射器
４５ 矢印
５０ 空気流れ方向
６０ 燃焼器キャップ
６２ 外側スリーブ
６４ 内側スリーブ
６６ 前方端部（又は段部）
６７ より大きな直径部分
６８ より小さな直径部分
６９ 支持面
７０ 支持ストラット
７２ 突出部
７４ 陥凹部
８０ インピンジメントプレート
８２ アパーチャ
９０ ポケット

Claims (7)

1. タービン用の燃焼器組立体であって、
   ほぼ円筒形の流れスリーブと、
   前記流れスリーブの内部に同心に取付けられ、かつその外面及び該流れスリーブの内面間に形成された空間を通って加圧空気が流れるほぼ円筒形の燃焼器ライナと、
   前記流れスリーブの端部に取付けられたほぼ円筒形の燃焼器ケーシングと、
   前記燃焼器ケーシング内に取付けられかつほぼ円筒形の外側スリーブ及び該外側スリーブの内部に同心に取付けられたほぼ円筒形の内側スリーブを備えたキャップと、を含み、
   前記燃焼器ライナの端部が前記内側スリーブの後方端部に結合されて、前記流れスリーブ及び燃焼器ライナ間を流れる前記加圧空気が、前記キャップの内側及び外側スリーブ間の空間内に流れるようになり、また
   前記キャップの内側及び外側スリーブが、該内側及び外側スリーブ間の前記空間を通って流れる前記加圧空気のボリュームが該空気が該キャップの後方端部から該キャップの前方端部に流れるにつれて徐々に増加するように構成される、
   燃焼器組立体。
2. 前記内側スリーブの直径が、該内側スリーブの後方端部から該内側スリーブの前方端部に向かって徐々に減少する、請求項１記載の燃焼器組立体。
3. 前記キャップの内側スリーブの後方端部が、小さい直径部分及び大きい直径部分を備えた段部を有し、また
   前記内側スリーブに結合された前記燃焼器ライナの端部が、前記小さい直径部分を囲む、
   請求項１記載の燃焼器組立体。
4. 前記内側スリーブに結合された前記燃焼器ライナの端部の外径が、前記段部の大きい直径部分の外径とほぼ同じである、請求項３記載の燃焼器組立体。
5. 前記段部が、前記大きい直径部分及び小さい直径部分間で延びる支持面を含み、
   前記燃焼器ライナの端部が、前記支持面に当接して前記キャップ及び燃焼器ケーングに対して該燃焼器ライナを適正に位置決めする、
   請求項４記載の燃焼器組立体。
6. 突出部が、前記キャップの内側スリーブ及び前記燃焼器ライナの一方上に形成され、
   陥凹部が、前記キャップの内側スリーブ及び前記燃焼器ライナの他方上に形成され、
   前記突出部が、前記陥凹部内に受けられて、前記燃焼器ライナが前記キャップに対して回転するのを防止する、
   請求項５記載の燃焼器組立体。
7. 突出部が、前記キャップの内側スリーブ及び前記燃焼器ライナの一方上に形成され、
   陥凹部が、前記キャップの内側スリーブ及び前記燃焼器ライナの他方上に形成され、
   前記突出部が、前記陥凹部内に受けられて、前記燃焼器ライナが前記キャップに対して回転するのを防止する、
   請求項１記載の燃焼器組立体。

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