JP2011508179A

JP2011508179A - ガスタービンエンジン用燃焼器

Info

Publication number: JP2011508179A
Application number: JP2010540723A
Authority: JP
Inventors: ディーディー、マーメット; ブユキシク、オスマン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2011-03-10
Also published as: GB201010134D0; WO2009085542A2; CA2708944A1; DE112008003504T5; US20100281868A1; GB2468436A

Abstract

一連の燃焼器カップの各個々の燃焼器カップに対して、燃焼器の空気のリサーキュレーション領域および渦流を無くすようにＣＦＤ解析によって求められた最適な円錐形を有する一体化されたドームおよびディフレクタを備えるガスタービンエンジン用燃焼器が開示される。さらに、それに関連する方法も開示される。

Description

この発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジン用燃焼器に関する。

少なくともある種の周知のガスタービンエンジンは、燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機を備え、その燃焼器で、該空気が燃料と混合され、着火されて高温の燃焼ガスを生成する。そのガスが、下流に流れて、１つまたは複数のタービンへ至り、そのタービンが、圧縮機を駆動し、飛行中の航空機を駆動するなどの有効な仕事を行うエネルギーを引き出す。

ガスタービンエンジンに使用される少なくともある種の周知の燃焼器は、通常、内側燃焼ライナおよび外側燃焼ライナを備え、それらは上流端部でドームアセンブリによって結合されている。ドームアセンブリは、環状スペクタクルプレートまたはドームプレートと、円周上に離隔配置された複数のスワラアセンブリまたはカップを備える。燃料が、ドームに供給され、そこでスワラアセンブリから流出する空気と混合されて、燃料／空気混合物を生成し、その混合物が燃焼器へ導かれる。

各燃焼器カップで、燃焼器空気がスワラから出ると、空気は広がり、かなりの接線速度で旋回する。広がる空気の速度プロフィールは、自然な軸対称円錐形である。現状のドームおよびディフレクタの設計は、この自然な軸対称円錐形に従っておらず、空気を半径および接線方向に不均一に広げる。これが、厳しい高温ガスリサーキュレーション領域を発生させる。これらの領域は高温ガスを閉じ込め、それをディフレクタのごく近傍まで運び、それにより、ドームおよびディフレクタに損傷を生じさせ得る。

現状の燃焼器の設計は、自然な円錐形の流れに従うフレアコーンを有する。ただし、フレアコーンの軸方向長さは、著しく短い。フレア内では広がりは不十分である。空気がフレアから出ると、空気は自然な円錐形で広がり続ける。ディフレクタは、広がる空気流の自然な形状に従っておらず、したがってリサーキュレーション領域を生じる。燃焼する燃料がこの領域に閉じ込められ、燃焼器ハードウェアに損傷を生じる。

したがって、高温ガスをディフレクタの表面に接触させることがないように、リサーキュレーション領域を無くす燃焼器の設計が必要である。また、輻射による熱負荷を除去するために改良されたインピンジメント冷却をディフレクタの背面に行う燃焼器設計が必要である。

一態様において、高温ガスをディフレクタの表面に接触させないために、リサーキュレーション領域を無くしたガスタービンエンジン用燃焼器が提供される。

別の態様では、一連の燃焼器カップの各個々の燃焼器カップに対して、燃焼器の空気のリサーキュレーション領域および渦流を無くすようにＣＦＤ解析によって求められた最適な円錐形を有する一体化されたドームおよびディフレクタを備えるガスタービンエンジン用燃焼器が提供される。

別の態様では、隣接するドーム面とディフレクタ面との間隙が、燃焼器空気が金属ドームおよびディフレクタ面に空気冷却を行うために下流へ流れるにつれて広がることができるように、形作られている。

さらに別の態様では、一体化されたドームおよびディフレクタが、該ドームおよびディフレクタの縁部の垂直断面によって定められる第１の形状と、該ドームおよびディフレクタの縁部の水平断面によって定められる第２の形状とを有する間隙をそれらの間に形成する。

さらに別の態様では、一体化されたドームおよびディフレクタがそれぞれ、一連の燃焼器カップの各個々の燃焼器カップに対して、燃焼器の空気のリサーキュレーション領域および渦流を無くすようにＣＦＤ解析によって求められた最適な円錐形を有する。

さらに別の態様では、隣接するドーム面とディフレクタ面との間隙が、燃焼器空気が金属ドーム面およびディフレクタ面に空気冷却を行うために下流へ流れるにつれて広がることができるように、形作られている。

さらに別の態様では、一連の燃焼器カップの各個々の燃焼器カップに対して、燃焼器の空気のリサーキュレーション領域および渦流を無くすようにＣＦＤ解析によって求められた最適な円錐形を有する一体化されたドームおよびディフレクタを形成するステップを含む、ガスタービンエンジン用燃焼器のディフレクタおよびドームを通る燃焼器の空気流れを最適化する方法が提供される。

ガスタービンエンジンの概略図である。燃焼器カップから出て広がる空気に関する従来技術の速度プロフィールの、燃焼器カップに関する線図である。図３−３は、高温ガスを閉じ込め、それをディフレクタのごく近傍に運び、燃焼器の金属部に損傷を生じさせる、従来技術の速度領域を示す流れ線図であり、図３−２は、図３−１に示された速度プロフィールの水平断面図であり、図３−３は、図３−１に示された速度プロフィールの垂直断面図である。燃焼器カップに対して円錐形を形成するように一体化されたディフレクタおよびドームの側面図である。ドームの内縁部面の形状、およびディフレクタの外縁部面の形状の上流部分を示すために、ドームの一部分が切り欠かれた側面図である。ドームの外縁部面の形状、およびディフレクタの外縁部面の形状の上流部分の部分垂直断面図である。ドームの外縁部面の形状、およびディフレクタの外縁部面の形状の上流部分の部分水平断面図である。ディフレクタ縁部がドームに対して短縮された、ドームの外縁部面の形状、およびディフレクタの外縁部面の形状の上流部分の部分垂直断面図である。ディフレクタ縁部がドームに対して短縮された、ドームの外縁部面の形状、およびディフレクタの外縁部面の形状の上流部分の部分水平断面図である。

次いで、図面を具体的に参照すると、図１は、低圧圧縮機１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６とを備えるガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０は、また、連続する軸方向流れの関係に配置された高圧タービン１８と、低圧タービン２０とを備える。圧縮機１２とタービン２０とは第１のシャフト２４によって結合され、圧縮機１４とタービン１８とは第２のシャフト２６によって結合されている。一実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州、シンシナティ市のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙから市販されているＧＥ９０−９４Ｂエンジンである。

作動に際し、空気は、エンジン１０の上流側２８から低圧圧縮機１２を通って流れる。圧縮された空気が、低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４へ供給される。高圧に圧縮された空気が、次いで、燃焼器アセンブリ１６へ送られ、そこで燃料と混合され着火される。燃焼ガスが、燃焼器１６から駆動タービン１８および２０へ導かれる。燃焼器アセンブリ１６は、複数の燃焼器カップ、通常１８〜３０個が装着された環状リングを備える。

次いで図２を参照すると、各燃焼器カップで、燃焼器空気がスワラから出ると、空気は広がり、かなりの接線速度で旋回する。広がる空気の速度プロフィールは、したがって、自然な軸対称円錐形である。現状のドームおよびディフレクタの設計は、この自然な軸対称円錐形に従っておらず、空気を半径および接線方向に不均一に広げる。これが、著しく高温のガスリサーキュレーション領域を発生させる。図３−１に示すように、この領域が高温ガスを閉じ込め、それをディフレクタのごく近傍に運び、したがって、燃焼器の金属部に損傷を生じさせる。高温のリサーキュレーションガスと燃焼器とのこの接触が、水平断面で図３−２に、垂直断面で図３−２に拡大されて詳細に示されている。

本発明によれば、数値流体力学技法および解析が実施され、次いで、ディフレクタ／フレア面がＣＦＤ解析結果の流線に適合するように形作られる。このようにディフレクタ／フレアを形作ることによって、高温ガスを閉じ込めエンジンを損傷するリサーキュレーション領域およびその結果生じる渦の存在を無くし、または実質的に減少させる。

図４を参照すると、ディフレクタ３０およびドーム４０は、各燃焼器カップに対して個々に円錐形を形成するように一体化されている。上記で指摘したように、これにより、リサーキュレーション領域および渦流が無くなる。さらに、空気流れは、下流に行くに従って広がるように形作られており、高温金属面の冷却を行う。円錐形ドーム４０への輻射熱負荷は、ディフレクタ３０の背面に空気を衝突させることによって冷却される。ディフレクタの冷却インピンジメントを有効にするために、ドームは、各燃焼器カップに対して円錐形に従うように製作される。円錐形ディフレクタ３０と円錐形ドーム４０との間隙は、１〜５のｚ／ｄ比を満足するように選択され、Ａｚ＠はインピンジメント面に垂直である。

ディフレクタ３０およびドーム４０は、好ましくは、一定壁厚の板金から打ち抜かれる。

図５を参照すると、ドーム４０の一部分が切り欠かれて、ドーム４０の内縁部面の形状、およびディフレクタ３０の外縁部面の形状の上流部分が示されている。より具体的には、図６に、ドームの外縁部面の形状、およびディフレクタ３０の外縁部面の形状の上流部分の垂直断面が示されている。垂直とは、後から前方を見て、すなわちガス流れ中を上流へ見て、１２時と６時の位置である。図７は、ディフレクタ３０およびドーム４０の外縁部分を水平断面で示す。水平とは、後から前方を見て、すなわちガス流れ中を上流へ見て、９時と３時の位置である。

明らかなように、一体の円錐形ディフレクタ３０およびドーム４０は、対称ではなく、ＣＦＤによって示された、所与の燃焼器に最適なフローパターンに対応する形状になっている。

燃焼器のドームおよびディフレクタの例示的実施形態が上記に詳細に説明されている。それらのアセンブリは、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されることはなく、むしろ、各アセンブリの構成要素は、本明細書に記載された他の構成要素とは独立して別々に使用することができる。各ドームアセンブリ構成要素は、また、他のドームアセンブリ構成要素と組み合わせて使用することができる。

新規な円錐形ドームおよび円錐形ディフレクタの設計によれば、ガス流れは、付着し、リサーキュレーション領域は現れない。高温ガスが、ディフレクタ３０の表面に接触することはなく、したがって、より耐久性のある部品になる。また、ディフレクタ３０の背面へのインピンジメント冷却によって、輻射による熱負荷が除去される。

設計の選択肢として、ＣＦＤ解析に基づく最適な形状を維持しながら、図８および９のディフレクタ５０に示されるように、ディフレクタ縁部を切り縮めることができる。図８は、ディフレクタ５０およびドーム４０の外縁部分を垂直断面で示す。図９は、ディフレクタ５０およびドーム４０の外縁部分を水平断面で示す。

本発明が、特定の様々な実施形態に関して記載されてきたが、当業者は、本発明が、特許請求の範囲の主旨および範囲内で変更して実施することができることを理解するであろう。

１０ガスタービンエンジン
１２低圧圧縮機
１４高圧圧縮機
１６燃焼器
１８高圧タービン
２０低圧タービン
２４第１のシャフト
２６第２のシャフト
２８エンジンの上流側
３０ディフレクタ
４０ドーム
５０ディフレクタ

Claims

一連の燃焼器カップの各個々の燃焼器カップに対して、燃焼器の空気のリサーキュレーション領域および渦流を無くすようにＣＦＤ解析によって求められた最適な円錐形を有する一体化されたドームおよびディフレクタを備えるガスタービンエンジン用燃焼器。
隣接するドーム面とディフレクタ面との間隙が、燃焼器空気が金属ドーム面およびディフレクタ面に空気冷却を行うために下流へ流れるにつれて広がることができるように、形作られている、請求項１記載のガスタービンエンジン用燃焼器。
前記一体化されたドームおよびディフレクタが、前記ドームおよびディフレクタの縁部の垂直断面によって定められる第１の形状と、前記ドームおよびディフレクタの縁部の水平断面によって定められる第２の形状とを有する間隙をそれらの間に形成する、請求項１記載のガスタービンエンジン用燃焼器。
一連の燃焼器カップの各個々の燃焼器カップに対して、燃焼器の空気のリサーキュレーション領域および渦流を無くすようにＣＦＤ解析によって求められた最適な円錐形をそれぞれが有する、ガスタービンエンジン燃焼器の一体化されたドームおよびディフレクタ。
隣接するドーム面とディフレクタ面との間隙が、燃焼器空気が金属ドーム面およびディフレクタ面に空気冷却を行うために下流へ流れるにつれて広がることができるように、形作られている、請求項４記載のガスタービンエンジン用一体化ドームおよびディフレクタ。
前記一体化されたドームおよびディフレクタが、前記ドームおよびディフレクタの縁部の垂直断面によって定められる第１の形状と、前記ドームおよびディフレクタの縁部の水平断面によって定められる第２の形状とを有する間隙をそれらの間に形成する、請求項４記載のガスタービンエンジン用一体化ドームおよびディフレクタ。
ガスタービンエンジン燃焼器のディフレクタおよびドームを通る燃焼器空気流れを最適化する方法であって、一連の燃焼器カップの各個々の燃焼器カップに対して、燃焼器の空気のリサーキュレーション領域および渦流を無くすようにＣＦＤ解析によって求められた最適な円錐形を有する一体化されたドームおよびディフレクタを形成するステップを含む方法。
隣接するドーム面とディフレクタ面との間に、燃焼器空気が、金属ドーム面およびディフレクタ面に空気冷却を行うために下流へ流れるにつれて広がることができるように、形作られた間隙を形成するステップを含む、請求項７記載の方法。
隣接するドームとディフレクタとの間に、前記ドームおよびディフレクタの縁部の垂直断面によって定められる第１の形状と、前記ドームおよびディフレクタの縁部の水平断面によって定められる第２の形状とを有する間隙を形成するステップを含む、請求項７記載の方法。
ガスタービンエンジン燃焼器のディフレクタおよびドームを通る燃焼器空気流れを最適化する方法であって、前記燃焼器の燃焼器カップについて数値流体力学解析を実施するステップと、垂直断面を介して前記ディフレクタおよびドームの両方の形状を最適化するステップと、水平断面を介して前記ディフレクタおよびドームの両方の形状を最適化するステップと、前記垂直および水平断面による前記ディフレクタおよびドームの最適化形状に基づいて前記ディフレクタとドームとの間隙を定めるステップと、ガス流れに燃焼空気リサーキュレーション領域および渦流が無くなるように最適化された、それぞれの形状を有し、ディフレクタとドームとの間に間隙を定める一体化されたディフレクタおよびドームを形成するステップとを含む方法。