JP2011099663A - ターボ機械噴射装置のためのインピンジメントインサート - Google Patents

Abstract

【課題】予混合燃料噴射装置の燃料反応度が上昇すると、逆火及び／又は保炎が生じるおそれがあり、内部噴射装置構成要素が、高い熱負荷に曝され、それにより損傷を生じるおそれがある。逆火及び／又は保炎に関連する熱が、容易に消散されて損傷を制限する／最小にすることが必要である。
【解決手段】ターボ機械の燃焼組立体は、混合ゾーンを形成したバーナ管を有する噴射装置を含む。スワーラ４０が、混合ゾーン内に配置される。スワーラ４０は、複数のベーン９３を含み、複数のベーン９３は、中空内部部分１３０を形成した外表面１２７及び内表面１２８を備えた壁セクション１２６を有するようになっている。インサート部材が、中空内部部分１３０内に配置され、インサート部材は、中空内部部分１３０に流体流れを送給して複数のベーン９３の壁セクション１２６上にわたって流すように配置されまた構成されたガイド要素を含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、ターボ機械噴射装置のためのインピンジメントインサートに関する。

ターボ機械噴射装置、特に予混合燃料噴射装置は、スワーラベーンに組入れて燃焼前に燃料／空気混合を増大させる。燃焼時に生じた熱は、スワーラベーンに対する熱損傷を引き起こすことが多い。燃料反応度が上昇すると、空気流内への燃料の導入は、逆火状況を生じさせるおそれがある。逆火は、火炎構造が所望の位置から上流に移動し、燃料噴射装置の予混合セクション内に入ると発生する。逆火が発生した場合つまり何らかの発火源が噴射装置に入った場合に、保炎が生じるおそれがある。保炎は、火炎構造が噴射装置内でアンカポイントを見出した場合に発生する。保炎が発生すると、内部噴射装置構成要素が、高い熱負荷に曝され、それにより損傷を生じるおそれがある。

米国特許第７４１２８３３号明細書

本発明の１つの態様によると、ターボ機械は、圧縮機と、圧縮機に作動結合されたタービンと、圧縮機及びタービンを流体連結した燃焼組立体とを含む。燃焼組立体は、混合ゾーンを形成した外壁部分及び内壁部分を備えたバーナ管を有する少なくとも１つの噴射装置と、混合ゾーン内に配置されたスワーラとを含む。スワーラは、複数のベーンを含み、複数のベーンの少なくとも１つは、中空内部部分を形成した外表面及び内表面を備えた壁セクションを有するようになっている。インサート部材が、中空内部部分内に配置される。インサート部材は、中空内部部分から流体流れを送給して複数のベーンの少なくとも１つの壁セクション上にわたって流すように配置されまた構成された少なくとも１つのガイド要素を含む。

本発明の別の態様によると、ターボ機械ノズル内のスワーラベーンを調整する方法は、複数のスワーラベーンに沿って流体流れをガイドするステップと、流体流れの一部分を複数のスワーラベーンの少なくとも１つ内に形成された開口部内に流すステップと、流体流れの一部分を複数のスワーラベーンの少なくとも１つ内に配置されたインサート部材のガイド要素内に導入するステップと、流体流れの一部分をインサートから複数のスワーラベーンの少なくとも１つの内表面上に導くステップとを含む。

本発明のさらに別の態様によると、ターボ機械噴射装置は、混合ゾーンを形成した外壁部分及び内壁部分を有するバーナ管と、混合ゾーン内に配置されたスワーラとを含む。スワーラは、中空内部部分を形成した外表面及び内表面を備えた壁セクションをその少なくとも１つが有するようになっている複数のベーンを含む。インサート部材が、中空内部部分内に配置される。インサート部材は、中空内部部分に流体流れを送給して複数のベーンの少なくとも１つの壁セクション上にわたって流すように配置されまた構成された少なくとも１つのガイド要素を含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。

例示的な実施形態による、インピンジメントインサートを備えたスワーラを有する噴射装置を含むターボ機械の部分断面図。 図１のターボ機械の燃焼器部分の部分断面図。 例示的な実施形態による、インピンジメントインサートを備えたスワーラを含むターボ機械噴射装置の部分断面図。 図３のスワーラの下方右斜視図。 インピンジメントインサートを通る流体流れを示す、図４のスワーラの部分断面図。 図５のスワーラベーン及びインピンジメントインサートの分解組立図。 例示的な実施形態による、インピンジメントインサートを備えたスワーラベーンの断面図。 別の例示的な実施形態によるインピンジメントインサートを備えたスワーラベーンの断面図。 さらに別の例示的な実施形態による、インピンジメントインサートを備えたスワーラベーンの断面図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

本出願で用いる場合の「軸方向の」及び「軸方向に」という用語は、バーナ管組立体の中心本体の中心長手方向軸線とほぼ平行に延びる方向及び配向を意味する。本出願で用いる場合の「半径方向の」及び「半径方向に」という用語は、中心本体の中心長手方向軸線に対してほぼ直角に延びる方向及び配向を意味する。本出願で用いる場合の「上流」及び「下流」という用語は、中心本体の中心長手方向軸線に対して軸流方向に関する方向及び配向を意味する。

最初に図１及び図２を参照すると、本発明の例示的な実施形態により構成したターボ機械を参照符号２でその全体を示している。ターボ機械２は、圧縮機４、及び少なくとも１つの燃焼器６を有する燃焼器組立体５を含み、燃焼器６には、燃料ノズル又は噴射装置組立体ハウジング８が設けられる。ターボ機械２はまた、タービン１０、及び共通の圧縮機／タービンシャフト又はロータ１２を含む。燃焼器６は、圧縮機４及びタービン１０と流れ連通状態で結合される。圧縮機４は、互いに流れ連通状態で結合されたディフューザ２２及び圧縮機吐出プレナム２４を含む。燃焼器６はまた、その第１の端部に配置された端部カバー３０、及びキャップ部材３４を含む。キャップ部材３４は、第１の表面３５及び対向する第２の表面３６を含む。第１の表面３５は、その２つを参照符号３８及び３９で示す複数の燃料噴射装置に対して構造的支持を与える。以下でより十分に説明するように、各噴射装置は、対応するスワーラ４０及び４１を含む。スワーラ４０及び４１は、噴射装置３８及び３９を通って流れる燃料及び空気の混合に寄与する。

燃焼器６はさらに、燃焼器ケーシング４４及び燃焼器ライナ４６を含むように示している。図示するように、燃焼器ライナ４６は、燃焼器ケーシング４４の半径方向内側に配置されて燃焼室４８を形成するようになる。燃焼器ケーシング４４及び燃焼器ライナ４６間に、環状燃焼室冷却通路４９が形成される。移行部品５５が、燃焼器６をタービン１０に結合する。移行部品５５は、燃焼室４８内で発生した燃焼ガスを第１段タービンノズル６２に向けて下流方向に送る。その目的のために、移行部品５５は、内壁６４及び外壁６５を含む。外壁６５は、内壁６４及び該外壁６５間に形成された環状通路６８に通じる複数の開口部６６を含む。内壁６４は、燃焼室４８及びタービン１０間で延びるガイド空洞７２を形成する。

運転時に、空気は圧縮機４を通って流れ、また加圧空気は、燃焼器６に、より具体的には噴射装置３８及び３９に供給される。同時に、燃料が噴射装置３８及び３９に流されて空気と混合しかつ可燃混合気を形成する。可燃混合気は、燃焼室４８に送られかつ点火されて燃焼ガスを形成する。燃焼ガスは次に、タービン１０に送られる。燃焼ガスからの熱エネルギーが、機械的回転エネルギーに変換され、この機械的回転エネルギーを使用してシャフト１２を駆動する。

より具体的には、タービン１０は、シャフト１２（図１に図示）を介して圧縮機４を駆動する。圧縮機４が回転すると、加圧空気は、関連する矢印で示すようにディフューザ２２内に吐出される。この例示的な実施形態では、圧縮機４から吐出された空気の大部分は、圧縮機吐出プレナム２４を通って燃焼器６に向けて送られ、また残りの加圧空気は、エンジン構成要素を冷却するのに使用するために送られる。吐出プレナム２４内の加圧空気は、外壁開口部６６を介して移行部品５５内にかつ環状通路６８内に送られる。空気は次に、環状通路６８から環状燃焼室冷却通路４９を通してかつ噴射装置３８及び３９に送られる。燃料及び空気は、混合されて可燃混合気を形成し、この可燃混合気は燃焼室４８内で点火されて燃焼ガスを形成する。燃焼器ケーシング４４は、燃焼室４８及び関連する燃焼プロセスを例えば周囲のタービン構成要素のような外部環境から遮蔽するのを可能にする。燃焼ガスは、燃焼室４８からガイド空洞７２を通してかつタービンノズル６２に向けて送られる。第１段タービンノズル６２に衝突した高温ガスは、回転力を形成し、この回転力が、最終的にタービン２から仕事を産生する。

この時点で、上記の構成は、噴射装置３８及び３９、具体的にはスワーラ４０及び４１の特定の構造を対象とする本発明の例示的な実施形態のより完全な理解のために提示していることを理解されたい。しかしながら、各噴射装置３８、３９は同様に形成されているので、噴射装置３９は同様に形成されているとの理解の下で噴射装置３８に関して以下に詳細な説明を行なう。

図３及び図４に最も良く示しているように、噴射装置３８は、混合ゾーン８７を形成した外壁部分８４及び内壁部分８５を有するバーナ管８２を含む。この構成では、スワーラ４０は、混合ゾーン８７の上流に配置されかつ噴射装置３８を通って流れる流体流れ内に乱流を発生させるように構成される。より具体的には、スワーラ４０は、第１の壁部分９０及び第２の壁部分９１を含み、これらの間で複数のベーン９３〜９８が延びる。各ベーン９３〜９８は、スワーラ４０を通って流れる流体流れに乱流を与える翼形形状を備える。ベーン９３〜９８を支持するのに加えて、第１及び第２の壁部分９０及び９１は、対応する外側及び内側流れ部分１０４及び１０５を形成する。外側流れ部分１０４は、混合ゾーン８７に通じる一方、内側流れ部分１０５は、燃料を混合ゾーン８７内に吐出する中心本体１０７に流体連結する。

例示的な実施形態によると、各ベーン９３〜９８は、対応するインサート部材１１０〜１１５を含む。以下でより十分に説明するように、各インサート部材１１０〜１１５は、調整流体流れをベーン９３〜９８の対応するベーンの内部部分に送る。この時点で、残りのベーン９４〜９８及びインサート部材１１１〜１１５は同様に形成されているとの理解の下で、図５〜図７を参照して、以下にベーン９３及び対応するインサート部材１１０について説明を行なう。

図３〜図６に示すように、ベーン９３は、中空内部部分１３０を形成した外表面１２７及び内表面１２８を有する壁セクション１２６を含む。ベーン９３はさらに、第２の壁部分９１上に配置された第１の開口部１３２、及び第１の壁部分９０上に配置された第２の開口部１３３を含むように示している。この構成では、中空内部部分１３０は、第１及び第２の開口部１３２及び１３３間で延びる。加えて、壁セクション１２６は、中空内部部分１３０及び混合ゾーン８７間で延びる複数の吐出開口部（その１つを参照符号１３５で示す）を含むように示している。この構成では、インサート１１０は、以下でより十分に説明するように、開口部１３３を通して外壁部分９０にかつ中空内部部分１３０内に取付けられる。

インサート部材１１０は、第１のつまり外表面１４０及び第２のつまり内表面１４２を有するシールパッド又はキャップ部材１３８を含む。内表面１４２は、スワーラ４０の第１の壁部分９０の輪郭に対応するような輪郭を有する。インサート部材１１０はさらに、キャップ部材１３８の内表面１４２から延びるガイド要素１４４を含むように示している。より具体的には、ガイド要素１４４は、内表面１４２からフランジ１４８で終端する第２の端部１４７まで延びる第１の端部１４６を含む。ガイド要素１４４はまた、第１の端部と第２の端部１４６及び１４７との間で延びる流路１５５を形成した外壁要素１５２及び内壁要素１５３を含むように示している。ガイド要素１４４はまた、第２の端部１４７に配置された入口１５８を含ように示している。

この図示する例示的な実施形態では、入口１５８は、第２の壁部分９１内に形成された開口部１３２に対応する。より具体的には、フランジ１４８は、入口１５８が開口部１３２と整合した状態で第２の壁部分９１において中空内部部分１３０内をシールするように構成される。ガイド要素１４４は、外壁並びに内壁要素１５２及び１５３間で延び、それによって流路１５５及び中空内部部分１３０を流体連結した複数の開口部１６２を含む。より具体的には、外壁要素１５２は、壁セクション１２６の内表面１２８から間隔を置いて配置されて調整流れチャネル１６５を形成する。この構成では、内側流れ部分１０５を通って流れる流体は、入口１５８に流入しかつ流路１５５内に流れる。流体は次に、複数の開口部１６２を通って流れかつ内表面１２８に衝突して、壁セクション１２６上にわたって流れる。このようにして、火炎が混合ゾーン８７内に移動した場合に、関連する熱損傷への曝露は、調整流れの結果としてベーン９３〜９８に損傷を与えないことになる。いずれにしても、調整流れチャネル１６５内への流入後に、調整流れは、吐出開口部１３５を通って流出して混合ゾーン８７内に戻り、燃焼に先立って別の流体と混合する。

次にそれぞれの図において同様の参照符号が対応する部品を表している図７を参照して、別の例示的な実施形態によるベーン１８４を説明する。図示するように、ベーン１８４は、中空内部部分１９４を形成した外表面１８９及び内表面１９０を有する壁セクション１８７を含む。この図示した例示的な実施形態では、中空内部部分１９４は、バッフル１９９によって分離された第１のセクション１９６及び第２のセクション１９７を含む。バッフル１９９は、中空内部部分１９４内に流れインピーダンスをもたらす。この構成では、調整流れは、吐出開口部２００を介してベーン１８４から流出する。バッフル１９９は、調整流れがある時間にわたって中空内部部分１９４内に滞留することを保証する流れインピーダンスをもたらす。

ベーン１８４はまた、中空内部部分１９４の第２のセクション１９７内に延びるガイド要素２０４を有するインサート部材２０２を含むように示している。ガイド要素２０４は、流路２０８を形成した外壁要素２０６及び内壁要素２０７を含む。上記と同様に、ガイド要素２０４は、外壁及び内壁要素２０６、２０７間で延びて、流路２０８を中空内部部分１９４に流体連結した複数の開口部２１０を含む。また上記と同様に、外壁要素２０６は、壁セクション１８７の内表面１９０から間隔を置いて配置され、それによって調整流れチャネル２１２を形成する。この構成では、インサート部材２０２内に流入した調整流れは、ガイド要素２０４を通り、開口部２１０を通りかつ調整流れチャネル２１２内に移動する。流れは次に、第２のセクション１９７から第１のセクション１９６に移動した後に、吐出開口部２００を介して混合ゾーン８７内に流出する。図８は、バッフルを組入れていない状態での同様の構成を示している。つまり、図８に示す構成では、調整流れは、上記と同様に、直接ガイド要素２０４から中空内部部分１９４を通って流れた後に、吐出開口部２００から流出して混合ゾーン８７に戻る。

次にそれぞれの図において同様の参照符号が対応する部品を表している図９を参照して、さらに別の例示的な実施形態により構成したベーン２２７を説明する。ベーン２２７は、中空内部部分２３３を形成した外表面２３１及び内表面２３２を有する壁セクション２２９を含む。ベーン２２７はまた、壁セクション２２９の内表面並びに外表面２３１及び２３２間で延びる複数の吐出開口部（その１つを参照符号２３５で示す）を含む。この例示的な実施形態では、ベーン２２７は、中空内部部分２３３内に延びる第１のインサート２３７及び第２のインサート２３８を含む。第１のインサート２３７は、第１のガイド要素２３９を含む一方、第２のインサート２３８は、第２のガイド要素２４０を含む。各ガイド要素２３９、２４０は、対応する流路２４２及び２４３を含み、これら流路２４２及び２４３は、流体流れを内側流れ部分１０５から中空内部部分２３３内に導く。それぞれのガイド要素を含む複数インサートとして図示しているが、ガイド要素２３９及び２４０は、単一インサート内に組入れることができることを理解されたい。いずれにしても、この例示的な実施形態の様々な態様は、スワーラベーンの内部部分への空気流れの調整を行なって、ターボ機械噴射装置内での逆火及び／又は保炎に関連する熱が、容易に消散されて噴射装置構成要素への損傷を制限する／最小にすることを保証にすることが、容易に解る筈である。加えて、この例示的な実施形態による空気流の調整は、燃焼ダイナミックスの低減及び燃焼性能の増大をもたらす。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

２ ターボ機械
４ 圧縮機
５ 燃焼組立体
６ 燃焼器
８ 燃料ノズル又は噴射装置組立体ハウジング
１０ タービン
１２ 圧縮機／タービンシャフト又はロータ
２２ ディフューザ
２４ 圧縮機吐出プレナム
３０ 端部カバー
３４ キャップ部材
３５ 第１の表面（キャップ部材３４の）
３６ 第２の表面（キャップ部材３４の）
３８ 燃料／噴射ノズル組立体
４０ スワーラ
４１ スワーラ
４４ 燃焼器ケーシング
４６ 燃焼器ライナ
４８ 燃焼室
４９ 燃焼室冷却通路
５５ 移行部品
６２ 第１段タービンノズル
６４ 内壁（移行部品５５の）
６５ 外壁（移行部品５５の）
６８ 環状通路
７２ ガイド空洞
８２ バーナ管
８４ 外壁部分（バーナ管８２の）
８５ 内壁部分（バーナ管８２の）
８７ 混合ゾーン
９０ 第１の壁部分（スワーラ４０の）
９１ 第２の壁部分（スワーラ４０の）
９３〜９８ 複数のベーン
１０４ 外側流れ部分
１０５ 内側流れ部分
１０７ 中心本体
１１０〜１１５ インサート部材
１２６ 壁セクション（ベーン９３の）
１２７ 外表面（壁セクション１２６の）
１２８ 内表面（壁セクション１２６の）
１３０ 中空内部部分
１３２ 開口部
１３３ 開口部
１３５ 吐出開口部
１３８ シールパッド／キャップ部材
１４０ 第１の／外表面（シールパッド／キャップ部材１３８の）
１４２ 第２の／内表面（シールパッド／キャップ部材１３８の）
１４４ ガイド要素
１４６ 第１の端部（ガイド要素１４４の）
１４７ 第２の端部（ガイド要素１４４の）
１４８ フランジ
１５２ 外壁要素（ガイド要素１４４の）
１５３ 内壁要素（ガイド要素１４４の）
１５５ 流路
１５８ 入口
１６２ 開口部
１６５ 冷却流れチャネル
１８４ ベーン
１８７ 壁セクション
１８９ 外表面（壁セクション１８７の）
１９０ 内表面（壁セクション１８７の）
１９４ 中空内部部分
１９６ 第１のセクション（中空内部部分１９４の）
１９７ 第２のセクション（中空内部部分１９４の）
１９９ バッフル
２００ 吐出開口部
２０２ インサート部材
２０４ ガイド要素
２０６ 外壁要素（ガイド要素２０４の）
２０７ 内壁要素（ガイド要素２０４の）
２０８ 流路
２１０ 開口部
２１２ 冷却流れチャネル
２２７ ベーン
２２９ 壁セクション
２３１ 外表面（壁セクション２２９の）
２３２ 内表面（壁セクション２２９の）
２３３ 中空内部
２３５ 吐出開口部
２３７ インサート
２３８ インサート
２３９ ガイド要素
２４０ ガイド要素
２４２ 流路
２４３ 流路

Claims (10)

1. ターボ機械（２）であって、当該ターボ機械が、
   圧縮機（４）と、
   前記圧縮機（４）に作動結合されたタービンと、
   前記圧縮機（４）及びタービンを流体連結しかつ少なくとも１つの噴射装置を備えた燃焼組立体（５）と
   を含んでおり、前記噴射装置が、
   混合ゾーンを形成した外壁部分（８４）及び内壁部分（８５）を備えたバーナ管（８２）と、
   中空内部部分（１３０）を形成した外表面（１２７）及び内表面（１２８）を備えた壁セクションを少なくともその１つが有する複数のベーン（９３、９８）を備えかつ前記混合ゾーン内に配置されたスワーラ（４０、４１）と、
   前記中空内部部分（１３０）に流体流れを送給して前記複数のベーン（９３、９８）の少なくとも１つの壁セクション上にわたって流すように配置されまた構成された少なくとも１つのガイド要素（１４４）を備えかつ該中空内部部分（１３０）内に配置されたインサート部材（２０２）と
   を有する、ターボ機械（２）。
2. 前記スワーラ（４０、４１）が、外側流れ部分（１０４）及び内側流れ部分（１０５）を含み、
   前記複数のベーン（９３、９８）が、前記外側及び内側流れ部分（１０４、１０５）間で延びる、
   請求項１記載のターボ機械（２）。
3. 前記中空内部部分（１３０）が前記外側及び内側流れ部分（１０４、１０５）間で延びる、請求項２記載のターボ機械（２）。
4. 前記内側流れ部分（１０４）が、前記中空内部部分（１３０）に通じる開口部を含む、請求項３記載のターボ機械（２）。
5. 前記インサート部材（１１０、１１５）が、前記内側流れ部分（１０５）内の開口部と整合した入口を含む、請求項４記載のターボ機械（２）。
6. 前記インサート部材（１１０、１１５）が前記外側及び内側流れ部分（１０４、１０５）間で延びる、請求項２記載のターボ機械（２）。
7. 前記少なくとも１つのガイド要素（１４４）が、流路（１５５）を形成した外壁要素（１５２）及び内壁要素（１５３）を含む、請求項１記載のターボ機械（２）。
8. 前記少なくとも１つのガイド要素（１４４）が、前記流路（１５５）及び外壁要素（１５２）間で延びる複数の開口部を含む、請求項７記載のターボ機械（２）。
9. 前記外壁要素（１５２）と前記壁部材の内表面（１２６）との間に延びる調整流れチャネルをさらに含む、請求項７記載のターボ機械（２）。
10. 前記少なくとも１つのガイド要素（１４４）が２つのガイド要素（１４４）を含む、請求項１記載のターボ機械（２）。

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