JP2011157963A - ガスタービンエンジン蒸気噴射マニホルド - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンは、低ＮＯｘエミッションを追求されており、燃焼器の燃焼ゾーンに蒸気を提供する蒸気噴射装置を用いて低ＮＯｘエミッションを達成する。
【解決手段】ガスタービンエンジン蒸気噴射装置７６は、後方マニホルド壁８１によって後方に境界付けられる環状蒸気噴射マニホルド８０を含み、後方マニホルド壁８１は、貫通して配置された蒸気噴射孔を有する。マニホルド８０周りの外側バッフル壁８４は、ストリームライン１２１にほぼ一致した湾曲凸状面Ｓを有する。蒸気噴射孔は、後方マニホルド壁８１の周りに円周方向に均等に分配され且つ不均一なサイズにされる。中空ストラット１２が、半径方向外側及び内側バンド５３、５４の間に延びており、蒸気供給ヘッダ２４が、ストラット１２の少なくとも１つの流体通路６８と蒸気供給連通し、蒸気キャビティ５２に開放された通路出口７４を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細にはこのようなエンジンの燃焼セクションへの蒸気噴射に関する。

大気汚染問題は、世界的により厳しいエミッション基準をもたらしている。これらの基準は、ガスタービンエンジン運転の結果として発生する、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃焼炭化水素（ＨＣ）、及び一酸化炭素のエミッションを規制するものである。詳細には、窒素酸化物は、高い燃焼火炎温度の結果としてガスタービンエンジン内で形成される。ガスタービンエンジンの設計者及び製造業者は、国際大気汚染基準、連邦政府の大気汚染基準、地方大気汚染基準に適合するよう低ＮＯｘエミッションを常に追求している。これらの燃焼システムが作動する燃空比又は等量比は、従来の燃焼器と比べて遙かに「希薄」であり、望ましくないガス状ＮＯｘエミッションの生成を許容可能レベルに制限する結果となる低い火炎温度を維持するようにする。燃焼器の燃焼ゾーンに蒸気を提供するための蒸気噴射装置もまた、低ＮＯｘエミッションを達成するために開発されている。

蒸気噴射は、質量流量、ひいては出力を増大させ、燃焼反応ゾーンより前の蒸気噴射により、燃焼プロセスで発生する窒素酸化物の量が減少する。蒸気噴射は、蒸気が容易に利用できる環境に配置されることが多い船舶及び産業用ガスタービンエンジンに特に適用することができる。

Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙにより提供されるＬＭシリーズのガスタービンエンジンのような、航空機転用アニュラ型燃焼システムは、蒸気噴射を組み込むよう開発されている。名称「Ｓｔｅａｍ ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｆｏｒ ａ ｓｔｅａｍ ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ」の米国特許第５，２３９，８１６号では、燃焼室ケーシングの前方端に位置付けられ、且つ燃焼室への圧縮機吐出圧力（ＣＤＰ）空気を吐出するディフューザから半径方向内方に位置付けられた蒸気噴射マニホルドを通じて蒸気を噴射するための蒸気噴射システムを開示している。このような設計は、上記のような蒸気噴射マニホルド用のディフューザの半径方向内方にスペースを持たないガスタービンエンジンには利用することができない。更に、ディフューザの後方及び下流側にマニホルドを位置付けて蒸気を噴射することにより、燃焼室内に吐出されるＣＤＰ空気の流体ストリームとの空力干渉を引き起こし、燃焼室性能を低減させる可能性がある。

ディフューザから燃焼室内に吐出されるＣＤＰ空気の流体ストリームとの空力干渉を最小限にしながら、ディフューザの後方及び下流側に位置付けられた蒸気噴射マニホルドを通じて蒸気を噴射する効果的な手段を有することが極めて望ましい。また、蒸気噴射マニホルドから燃焼室内への蒸気噴射の円周方向に均一又は線対称の分布を提供することが望ましい。

米国特許第５，３２３，６０４号公報

ガスタービンエンジン蒸気噴射装置は、ディフューザ出口の軸方向後方及び半径方向内方に位置付けられる後方マニホルド壁によって後方に境界付けられる環状蒸気噴射マニホルドと、後方マニホルド壁を貫通し且つ円周方向周りに配置された蒸気噴射孔とを含む。

蒸気噴射装置の例示的な実施形態は更に、蒸気噴射孔が後方マニホルド壁の周りに円周方向に均等に分配されている。軸方向後方又は下流側に面する蒸気噴射孔は、蒸気噴射孔の後方表面に垂直で且つ環状蒸気噴射マニホルドが周りを囲む中心線にほぼ平行な垂線を有することができる。蒸気噴射孔は、後方マニホルド壁の周りに不均一なサイズにことができ、不均一な出口面を有することができる。蒸気噴射孔は、不均一な直径を有する円形とすることができる。

蒸気噴射装置の例示的な実施形態は、環状蒸気噴射マニホルドを半径方向外方に境界付け且つ後方又は下流方向に縮小する環状半径方向外側バッフル壁を有する環状バッフルを含み、該環状バッフルが、ディフューザのディフューザ出口から生じるストリームラインにほぼ一致することができる湾曲凸状面を有する。

蒸気噴射装置は、ガスタービンエンジン蒸気噴射システムに組み込むことができ、該蒸気噴射システムは、半径方向外側及び内側バンド並びにこれらの間に延びる中空ストラットを含むディフューザと、ストラットの少なくとも１つの流体通路と蒸気供給連通してディフューザの半径方向外方に離間して配置された環状外側蒸気供給ヘッダと、内側バンドの半径方向内方に位置付けられた環状キャビティケーシング内で蒸気キャビティに開放された流体通路の通路出口と、を備える。蒸気キャビティと蒸気噴射装置との間の後方キャビティ壁内の開口により蒸気が通過し、後方マニホルド壁を貫通し且つその円周方向周りに配置される蒸気噴射孔を通って噴射することができるようにする。

噴射システムの１つの実施形態は、環状外側蒸気供給ヘッダが、ストラットの一部だけにおいて流体通路と蒸気供給連通しており、ストラットの一部がディフューザの周りに円周方向に不均一に分配され、蒸気噴射孔が後方マニホルド壁の周りに円周方向に均等に分配され且つ不均一なサイズにされる。噴射システムのより詳細な実施形態において、ストラットはその一部において互いに隣接している。

本発明の上記の態様及び他の特徴は、添付図面と関連して以下で説明する。

ディフューザの下流側に環状蒸気噴射マニホルドを有する船舶用及び産業用ガスタービンエンジンの断面図。 図１に示すエンジンのディフューザ、蒸気噴射マニホルド、及び燃焼器の拡大断面図。 図１に示す蒸気噴射マニホルドを含む蒸気噴射装置の一部の切り欠き斜視図。 図１に示す蒸気噴射マニホルドの蒸気噴射バッフルの斜視図。 図３に示す蒸気噴射装置に蒸気を分配するための蒸気供給マニホルドの概略図。

次に、図全体を通じて同一の参照符号が同じ要素を示す図面を詳細に参照する。図１は、下流側の直流関係でエンジン中心線１１の周りに半径方向に配置された、低圧圧縮機セクション２、高圧圧縮機セクション３、燃焼器セクション４、高圧タービンセクション５、及び低圧タービンセクション６を含む、船舶及び産業用軸流ガスタービンエンジン１を示す。燃焼器セクション４は、圧縮機出口ガイドベーン１４の最終段７の下流側にあるディフューザ４８と、図２により詳細に示されるタービンノズル５５との間に配置される。燃焼器セクション４は、ガスタービンエンジン、特に低ＮＯｘ船舶／産業用ガスタービンエンジンでの使用に好適な燃焼器１０を含む。

蒸気噴射システム２０は、ディフューザ４８の半径方向外方に離間して配置された環状型蒸気供給ヘッダ２４から、燃焼器セクション４に蒸気２２を噴射するよう作動する蒸気噴射装置７６に蒸気を供給するために設けられる。蒸気噴射システム２０は、エンジンからのＮＯｘエミッションを低減するため燃焼器１０の燃焼ゾーン２５に蒸気２２を提供する。

図２を更に詳細に参照すると、燃焼器１０は、半径方向に離間した環状型外側及び内側燃焼器ケーシング１３６、１３８を含む、環状型燃焼器として本明細書で示される。燃焼ゾーン２５を間に囲む半径方向に離間した環状型外側及び内側燃焼器ライナ４０、４２は、外側及び内側燃焼器ケーシング１３６、１３８間に半径方向に配置される。ドーム形端部４４は、外側及び内側燃焼器ライナ４０、４２間でそれぞれ半径方向に延びる。環状型燃焼室４６は、外側及び内側燃焼器ケーシング１３６、１３８間に半径方向に延びる。外側及び内側燃焼器ケーシング１３６、１３８は、ディフューザ４８から後方及び下流側に延びる。外側及び内側燃焼器ライナ４０、４２は、軸方向下流側のタービンノズル５５に延びる。

燃焼器ドーム形端部４４は、本明細書では単一燃焼器ドーム５６を有するように示されているが、米国特許第５，２３９，８１６号に示すような三重環状型構成、又は二重環状型構成で配列される複数の燃焼器ドームのように、他のタイプを用いることもできる。燃焼器ドーム５６は、外側燃焼器ライナ４０に固定して取り付けられる半径方向外側端部６０と、内側燃焼器ライナ４２に取り付けられる半径方向内側端部７３とを含む。点火装置９５は、外側燃焼器ケーシング１３６を通って延び、外側燃焼器ライナ４０内に配置される。燃焼器ドーム５６は、キャブレター９８を有するバーナー１２０の環状アレイ又は環状ス１１８を支持し、該キャブレターには、予混合器カップを備えた予混合器１０２を介して燃料供給システム（図示せず）から送給される燃料及び空気が供給される。複数の燃料管体１０３が、燃料供給源（図示せず）と燃焼器ドーム５６のキャブレター９８との間に延びる。

図２及び３を参照すると、外側及び内側燃焼器ケーシング１３６、１３８は、複数の半径方向に延びるストラット１２によって共に接合され、該ストラットは、半径方向に離間して配置された外側及び内側バンド５３、５４間に半径方向に延びる。ディフューザ４８のディフューザ通路５７は、外側及び内側バンド５３、５４によって半径方向に且つストラット１２によって円周方向に境界付けられる。ディフューザ通路５７及びディフューザ４８は、ディフューザ入口６１からディフューザ出口６４に下流側及び軸方向後方に延びる。

内側バンド５４の半径方向内方に位置付けられた環状蒸気キャビティ５２は、アニュラキャビティケーシング５０により境界付けられる。キャビティケーシング５０は、内側バンド５４及び湾曲した内側キャビティ壁５１、並びに軸方向に離間し且つ半径方向に延びる前方及び後方壁６２、６３を含む。前方及び後方壁６２、６３は、内側バンド５４に沿ったそれぞれ前方及び後方位置６５、６７にて内側バンド５４に取り付けられる。キャビティケーシング５０に取り付けられ又はこれと一体化された円錐ケーシング５８は、半径方向内方及び軸方向後方に延びる。円錐ケーシング５８、キャビティケーシング５０、及びディフューザ４８は、少なくとも部分的にエンジン１の圧縮機後方フレーム６６を提供する。

図２及び３を参照すると、ストラット１２の１つ又はそれ以上は、該ストラット１２内で半径方向に延びる流体通路６８を有する中空体である。蒸気供給システム７０は、ヘッダパイプ６９によりストラット１２の少なくとも１つの流路６８に接続された外側蒸気供給ヘッダ２４を含む。これらの中空ストラット１２の各々は、該ストラット１２の半径方向外側端部７２において流体通路６８への通路入口７１と、キャビティケーシング５０内の蒸気キャビティ５２につながる通路出口７４とを含む。蒸気キャビティ５２と蒸気噴射装置７６との間の後方キャビティ壁６３内の開口７５により、中空ストラット１２を通って蒸気キャビティ５２に供給される蒸気を蒸気噴射装置７６に通すことが可能となる。蒸気噴射装置７６は、ディフューザ出口６４の軸方向後方及び下流側で且つ半径方向内方に位置付けられた蒸気噴射孔７８を通って燃焼室４６に蒸気を噴射する。

蒸気噴射装置７６は、後方キャビティ壁６３により前方に境界付けられ、環状後方マニホルド壁８１により後方に境界付けられ、更に半径方向内側環状壁８２により半径方向内方に境界付けられた環状蒸気噴射マニホルド８０を含む。蒸気噴射装置７６は、本明細書では、燃焼器ドーム５６の上流側又は前方端部５９を過ぎて後方又は下流側に延びて、燃焼器ドーム５６の半径方向内方に位置付けられるように示されている。

蒸気噴射装置７６は更に、蒸気噴射マニホルド８０を境界付ける環状バッフル８３を含む。環状バッフル８３は、前方バッフルフランジ８６から後方バッフルフランジ８８まで後方に延びる環状半径方向外側バッフル壁８４を含む。前方及び後方バッフルフランジ８６、８８は、外側バッフル壁８４から半径方向内方に延びる。前方バッフル壁８５は、外側バッフル壁８４から半径方向内方に延びる。環状蒸気噴射マニホルド８０は、後方キャビティ壁６３により前方に境界付けられ、半径方向内側環状壁９０により径方向内方に境界付けられる。

内側環状壁９０は、本明細書では、後方キャビティ壁６３から後方に延びて且つ一体化された環状レッジ９４を含むように示されている。環状レッジ９４は中間リング９６に接続され、該リングは、内側燃焼器ケーシング１３８に接続される。環状レッジ９４及び内側燃焼器ケーシング１３８は、中間リング９６に溶接することができる。中間リング９６は、半径方向外方に延びるリングフランジ９９を含む。リングフランジ９９の第１のボルト孔１００の第１のセットは、後方バッフルフランジ８８の第２のボルト孔１０１の第２のセットと整列し、第１及び第２のボルト孔１００、１０１の整列したセット間に配置されるボルト１０４は、バッフルを内側環状壁９０に半径方向及び軸方向に固定する。このボルト締め組立体は、外側バッフル壁８４の前方バッフルフランジ８６を後方キャビティ壁６３に押し付け、従って、後方キャビティ壁６３の周りで蒸気噴射マニホルド８０をシールする。共にボルト締めされたリングフランジ９９及び後方バッフルフランジ８８は、後方マニホルド壁８１を形成する。

図３及び４を参照すると、蒸気噴射孔７８は、後方マニホルド壁８１を通じてその周りに、より詳細には、後方バッフルフランジ８８の周りに円周方向に分配される。蒸気噴射孔７８は、軸方向後方又は下流側に面し、本明細書では、蒸気噴射孔７８の後方表面８７に垂直な中心線又は垂線７９を有するように示されている。垂線７９は、エンジン中心線１１にほぼ平行である。蒸気噴射孔７８は、本明細書では、第１及び第２のボルト孔１００、１０１の整列したセットの１つおきのペア１１４間にボルト１０４が円周方向に配置された状態で、後方バッフルフランジ８８の周りに均等に分配されるように示されている。蒸気噴射孔及び第１及び第２のボルト孔１００、１０１のセットの他の円周方向配列を用いてもよい。

環状外側バッフル壁８４は、後方又は下流方向８９で狭くなっており、縮小する外側バッフル壁８４の半径Ｒは、前方バッフルフランジ８６において最大半径Ｒ１を有し、後方バッフルフランジ８８において最少半径Ｒ２を有する。環状外側バッフル壁８４はまた、ディフューザ出口６４から内側バンド５４に沿って生じる内側バンドストリームライン１２１にほぼ一致する湾曲した凸状面Ｓを有する。環状外側バッフル壁８４の曲線輪郭及びその面Ｓは、蒸気噴射装置７６が存在することなく、ディフューザ／燃焼システムの数値流体力学（ＣＦＤ）モデルによって予測し決定付けることができる、流体ストリームラインと一致するよう設計される。流動場の経験的又は半経験的モデル形成を含む他の方法を用いて、ストリームラインを決定してもよい。この曲線輪郭形状は、燃焼器空気流又は圧力分布の寸断を最小限又は排除しながら、ディフューザ４８の前方又は下流側の蒸気マニホルド及び噴射を可能にする。

環状外側バッフル壁８４は、ディフューザ出口６４においてディフューザ４８の内側バンド５４と実質的に同一平面にある。内側バンドストリームライン１２１を含み、ディフューザ出口６４から生じる流体ストリームライン１２２は、経験的に、半経験的に、或いは数学的流動場解析により決定することができる。上述の方法で外側バッフル壁８４を構成及び位置付けることにより、燃焼室４６の作動中に流動場に対する蒸気噴射装置７６及び外側バッフル壁８４の好ましくない空力効果が最小限になる。本明細書で開示される蒸気噴射装置７６及び外側バッフル壁８４は、燃焼室４６における圧力及び流動場への顕著な作用をもたらさないよう設計される。

また、蒸気噴射マニホルドから燃焼室内への蒸気噴射の円周方向に均一又は線対称の分布を提供することが望ましい。しかしながら、多くの場合、外側蒸気供給ヘッダ２４からストラット１２の全てを通って蒸気を均等又は均一に分配することが実現可能又は実施可能ではない。図５には、外側蒸気供給ヘッダ２４が半環状形である蒸気供給システム７０の例示的な実施形態が示される。蒸気供給システム７０は、ストラットの一部分１３のみを通って蒸気を供給し、この一部分１３は、図５において示す１０個の中空のストラット１２の内の３個が示されている。一部分１３におけるストラット１２は、図示の１０個の中空のストラット１２の内の３個により互いに隣接しているように示されており、他の構成を用いてもよい。３個の隣接ストラット１２は、環状蒸気キャビティ５２に蒸気を供給するストラット１２の円周方向に不均一な分布を示している。すなわち、環状蒸気キャビティ５２は、非線対称の又は円周方向に不均一な蒸気分布を受け取る。蒸気噴射装置７６から燃焼室への蒸気噴射の円周方向に均一な又は線対称の分布を提供するためには、後方バッフルフランジ８８の蒸気噴射孔７８は、蒸気噴射装置７６の後方バッフルフランジ８８の周りに不均一なサイズにされ、蒸気噴射装置７６のバッフルフランジ８８の周りに均一な又はほぼ均一な速度で蒸気２２を噴射するようにする。後方バッフルフランジ８８の不均一なサイズの蒸気噴射孔７８は、図３及び４における円形蒸気噴射孔７８の不均一な出口面Ａ及び直径Ｄで示される。１つの実施例において、不均一な直径Ｄは、０．３２インチから０．４０インチにわたる。この不均一な孔直径及びサイズパターンは、蒸気マニホルド４９につながる流体通路６８への通路入口７１の不均一な数に起因した、キャビティケーシング５０中の蒸気キャビティ５２内の不均一な圧力／流れ変動を補償する。

本明細書では本発明の好ましく例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、当業者であれば、本明細書の教示から本発明の他の修正が明らかになる筈であり、従って、全てのこのような修正は、本発明の技術思想及び技術的内に属するものとして特許請求の範囲において保護されることが望まれる。従って、本特許により保護されることを望むものは,特許請求の範囲に記載しかつ特定した発明である。

１１ 中心線
１２ 中空ストラット
２０ ガスタービンエンジン蒸気噴射システム
２４ 環状外側蒸気供給ヘッダ
４８ ディフューザ
５０ 環状キャビティケーシング
５２ 蒸気キャビティ
５３ 半径方向外側バンド
５４ 半径方向内側バンド
６３ 後方キャビティ壁
６４ ディフューザ出口
６８ 流体通路
７５ 開口
７６ ガスタービンエンジン蒸気噴射装置
７８ 蒸気噴射孔
７９ 垂線
８０ 環状蒸気噴射マニホルド
８１ 後方マニホルド壁
８４ 環状半径方向外側バッフル壁
８７ 後方表面
１２１ ストリームライン

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン蒸気噴射装置（７６）において、
   ディフューザ出口（６４）の軸方向後方及び半径方向内方に位置付けられる後方マニホルド壁（８１）によって後方に境界付けられる環状蒸気噴射マニホルド（８０）と、
   前記後方マニホルド壁（８１）を貫通し且つ円周方向周りに配置された蒸気噴射孔（７８）と、
   を備える、
   蒸気噴射装置（７６）。
2. 前記蒸気噴射孔（７８）が前記後方マニホルド壁（８１）の周りに円周方向に均等に分配される、
   請求項１に記載の蒸気噴射装置（７６）。
3. 前記環状蒸気噴射マニホルド（８０）が中心線（１１）の周りを囲み、前記蒸気噴射孔（７８）が、軸方向後方又は下流側に面し、前記蒸気噴射孔（７８）の後方表面（８７）に垂直で且つ前記中心線（１１）にほぼ平行な垂線（７９）を含む、
   請求項２に記載の蒸気噴射装置（７６）。
4. 前記蒸気噴射孔（７８）が、前記後方マニホルド壁（８１）の周りに不均一なサイズにされる、
   請求項２に記載の蒸気噴射装置（７６）。
5. 前記蒸気噴射孔（７８）が不均一な出口面（Ａ）を有する、
   請求項４に記載の蒸気噴射装置（７６）。
6. 前記環状蒸気噴射マニホルド（８０）が中心線（１１）の周りを囲み、前記蒸気噴射孔（７８）が、円形であり且つ軸方向後方又は下流側に面した不均一な直径（Ｄ）を有し、前記蒸気噴射孔（７８）の出口面（Ａ）に垂直で且つ前記中心線（１１）にほぼ平行な垂線（７９）を含む、
   請求項５に記載の蒸気噴射装置（７６）。
7. 前記環状蒸気噴射マニホルド（８０）を半径方向外方に境界付け、且つ後方又は下流方向（８９）に縮小する環状半径方向外側バッフル壁（８４）を有する環状バッフル（８３）を更に備え、前記外側バッフル壁（８４）が、湾曲凸状面（Ｓ）を有する、
   請求項１に記載の蒸気噴射装置（７６）。
8. 前記湾曲凸状面（Ｓ）が、ディフューザ（４８）のディフューザ出口（６４）から生じるストリームライン（１２１）にほぼ一致する、
   請求項７に記載の蒸気噴射装置（７６）。
9. ガスタービンエンジン蒸気噴射システム（２０）であって、
   半径方向外側及び内側バンド（５３、５４）並びにこれらの間に延びる中空ストラット（１２）を含むディフューザ（４８）と、
   前記ストラット（１２）の少なくとも１つの流体通路（６８）と蒸気供給連通して前記ディフューザ（４８）の半径方向外方に離間して配置された環状外側蒸気供給ヘッダ（２４）と、
   前記内側バンド（５４）の半径方向内方に位置付けられた環状キャビティケーシング（５０）内で蒸気キャビティ（５２）に開放された、前記流体通路（６８）の通路出口（７４）と、
   前記ディフューザ（４８）のディフューザ出口（６４）の軸方向後方及び半径方向内方に位置付けられた後方マニホルド壁（８１）によって後方に境界付けられる環状蒸気噴射マニホルド（８０）を含む蒸気噴射装置（７６）と、
   前記蒸気キャビティ（５２）と前記蒸気噴射装置（７６）との間の後方キャビティ壁（６３）内の開口（７５）と、
   前記後方マニホルド壁（８１）を貫通し且つその円周方向周りに配置される蒸気噴射孔（７８）と、
   を備える、
   蒸気噴射システム（２０）。
10. 前記環状外側蒸気供給ヘッダ（２４）が前記ストラット（１２）の一部だけにおいて流体通路（６８）と蒸気供給連通しており、前記ストラット（１２）の一部が、前記ディフューザ（４８）の周りに円周方向に不均一に分配され、前記蒸気噴射孔（７８）が前記後方マニホルド壁（８１）の周りに円周方向に均等に分配され且つ不均一なサイズにされる、
    請求項９に記載の蒸気噴射システム（２０）。

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