JP2012112642A - 燃焼器予混合器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器予混合器を提供する。
【解決手段】本燃焼器予混合器（１０）は、ベルマウス形状開口部（２５）を有するバーナチューブ（２０）と、バーナチューブ（２０）内に伸縮自在に配置されて、該バーナチューブ（２０）及びその最外側チューブ体（３３）間に形成された予混合通路（３１）に可燃性材料を送給する複数のチューブ体（３０）と、開口部（２５）内に円周方向に配列された複数のスワーラ翼（４０）とを含み、複数のスワーラ翼（４０）の各スワーラ翼は、バーナチューブ（２０）から最外側チューブ体（３３）まで半径方向寸法に沿って延びる本体（４１）と開口部（２５）から上流に突出した前縁（４２）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本明細書に開示した主題は、ガスタービンエンジン燃焼器で使用する予混合器に関する。

ガスタービンでは、タービンの上流に配置された燃焼器内で予混合空気及び燃料を燃焼させ、タービン内で、燃焼によって発生させた高温流体から機械的エネルギーを引出す。次に機械的エネルギーから電気的エネルギーを発生させて、この電気的エネルギーを電気回路に送達する。燃焼器は一般的に、その中で空気及び燃料を互いに混合させる予混合通路を備えた燃料ノズルを含む。この予混合により、可燃性材料を完全燃焼させる傾向が高められ、それによりエンジンで発生されるエミッションの量が低減する。従って、エミッション量の低減は、予混合の程度の高さに対応して決まる。

そのような高い予混合は、予混合通路の上流端部に又はその近くに配置されたスワーラ翼の大型のスワール翼及び／又は多数のスワール翼の使用によって達成されてきた。スワール翼は、空気及び燃料の混合を促進するように可燃性材料の流れを導き直す。しかしながら、大型のスワール翼及び／又は多数のスワール翼は、燃料ノズルの全体重量及びコストを増加させ、またそれらの使用にも拘らず、予混合通路内への少なくとも空気流入が軸方向又は半径方向であるが、軸方向及び半径方向流れの混合にならないケースとなるおそれがある。

米国特許第５９４１０７５号明細書

本発明の１つの態様によると、燃焼器予混合器を提供し、本燃焼器予混合器は、ベルマウス形状開口部を有するバーナチューブと、バーナチューブ内に伸縮自在に配置されて、該バーナチューブ及びその最外側チューブ体間に形成された予混合通路に可燃性材料を送給する複数のチューブ体と、開口部内に円周方向に配列された複数のスワーラ翼とを含み、複数のスワーラ翼の各スワーラ翼は、バーナチューブから最外側チューブ体まで半径方向寸法に沿って延びる本体と開口部から上流に突出した前縁とを含む。

本発明の別の態様によると、燃焼器予混合器を提供し、本燃焼器予混合器は、環状シュラウドと、シュラウド内に配置されて予混合及び燃料通路を形成した環状壁とを含み、予混合通路は、シュラウド上流端部から下流にかつ該シュラウド上流端部における発散ポイントから収束ポイントまで半径方向内向きに延び、燃料通路は、発散ポイントに近接して予混合通路に燃料を送給するように構成され、また本燃焼器予混合器はさらに、内部通路を形成する最内側チューブを有しかつ壁内に装着可能であって中間通路を形成する中心体を含み、中間通路は、最内側チューブ内に形成された第１の孔を介して内部通路と、第１の孔の下流で壁内に形成された第２の孔を介して燃料通路と、また第２の孔の下流でかつ収束ポイントに近接して壁内に形成された第３の孔を介して予混合通路と流体連通している。

本発明のさらに別の態様によると、燃焼器予混合器を提供し、本燃焼器予混合器は、環状バーナチューブと、燃料通路を形成するように構成された環状内側壁と、内部通路を形成するように構成された中心体とを含み、バーナチューブ、内側壁及び中心体は、伸縮自在に配置されて、該バーナチューブ及び内側壁が収束上流端部及び下流部分を有する予混合通路を形成し、予混合通路がその上流端部で燃料通路と流体連通しており、また該内側壁及び中心体が上流端部及び発散下流端部を有する中間通路を形成し、中間通路がその上流端部で燃料通路及び内部通路と流体連通しておりかつ対応する上流端部及び下流部分のそれぞれの境界において予混合通路と流体連通し、また本燃焼器予混合器はさらに、予混合通路内に円周方向に配列された複数のスワーラ翼を含み、複数のスワーラ翼の各スワーラ翼は、バーナチューブから内側壁まで半径方向寸法に沿って延びる本体と予混合通路の開口部から上流に突出した前縁とを含む。

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。

本発明と見なされる主題は、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説明から明らかである。

ガスタービンエンジン燃焼器で使用する予混合器の側面断面図。 図１の予混合器の斜視図。 図１のガスタービンエンジン燃焼器の斜視図。

詳細な説明では、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。

図１〜図３を参照すると、燃焼器予混合器１０を示しており、燃焼器予混合器１０は、大きな重量追加なしに混合を高めながら流入空気の低い圧力降下を維持し、それによって可燃性材料は、軸方向及び半径方向流れ方向成分を有する状態で予混合器内に流れるように導かれる。燃焼器予混合器１０は、バーナチューブ２０、複数のチューブ体３０、及び複数のスワーラ翼４０を含む。

バーナチューブ２０は、上流端部２２からチューブ部分２３を通って下流方向に延びる環状シュラウド２１を含む。環状シュラウド２１は、その上流端部２２において拡大して、ドーム形設計を備えたベルマウス形状開口部２５を形成する。運転中に、例えばガスタービンエンジンの圧縮機から排出された圧縮機吐出空気は、ガスタービンエンジンのヘッド端部に向けて上流方向に流れ、該圧縮機吐出空気がベルマウス形状開口部２５に接近すると複数のチューブ３０に向けて半径方向内向きに流れ、ドーム形設計を備えたベルマウス形状開口部２５により軸方向に向けて滑らかに方向転換し、かつ次に複数のスワーラ翼４０を通って軸方向下流に流れる。複数のスワーラ翼４０は、ベルマウス形状開口部２５に流入する空気に角運動量を与えて、空気の十分な軸方向移動を可能にしかつ該空気の燃料との完全な予混合を促進するための所定の角度での空気スワールが設定されようにする。

圧縮機吐出空気はまた、環状シュラウド２１内に形成されたシュラウド側面孔２６を通って流れることができる。シュラウド側面孔２６は、複数のスワーラ翼４０の下流に形成することができ、また幾つかの実施形態では、該複数のスワーラ翼の後縁４３にほぼ近接して形成することができる。シュラウド側面孔２６は、例えば境界層ブローイングによって生じる低速ゾーンの数及び影響を減少させる。

複数のチューブ体３０は、バーナチューブ２０の環状シュラウド２１内に伸縮自在に配置されかつ可燃性材料を予混合通路３１に送給するように構成される。予混合通路３１は、環状シュラウド２１及び複数のチューブ体３０の最外側チューブ体３３の外側表面３２間に形成される。ベルマウス形状開口部２５に流入しかつスワーラ翼４０を通って流れる空気は、予混合通路３１を通って進み、予混合通路３１において、空気は複数のチューブ体３０によって送給された燃料と予混合される。予混合通路３１の上流にスワーラ翼４０を配置することにより、予混合距離を増大させることができる。加えて、予混合通路３１に沿った圧力は、ほぼ一様レベルに維持される。

複数のスワーラ翼４０は、ベルマウス形状開口部２５内に円周方向に配列される。複数のスワーラ翼４０の各スワーラ翼は、重量を減少させるためにベルマウス形状開口部の円周方向長さに比べて比較的薄い本体４１、前縁４２及び後縁４３を含む。複数のスワーラ翼４０の各スワーラ翼の本体４１は、前縁及び環状シュラウド２１の内径から最外側チューブ体３３の外側表面３２まで半径方向寸法に沿って延びる。前縁４２は、ベルマウス形状開口部から上流に突出し、また後縁４３は、空気の角度流れを促進するように傾斜している。前縁４２の突出は、上流端部における接線運動量に対して比較的僅かな軸方向／半径方向になっており、かつそれによって滑らかな空気流入を可能にする。実施形態によると、複数のスワーラ翼４０の各々は、半径方向に沿ってほぼらせん形状になっている。この構造の場合には、環状シュラウド２１及び複数のスワーラ翼４０の断面は、ドーム形状構成４４又はあるその他の同様の構成を有する。

図１に示すように、最外側チューブ体３３は、取付けフランジ３４に向けて上流方向に発散し、また環状シュラウド２１がベルマウス形状開口部２５を形成しかつ発散最外側チューブ体３３と軸方向にオーバラップしている場合には、予混合通路３１は、最外側チューブ体３３の発散と類似した形態になるように上流方向に発散している。複数のチューブ体３０は、予混合通路３１が発散したベルマウス形状開口部２５における第１の位置５０において及び予混合通路３１がハブ６０に向けて収束したベルマウス形状開口部２５の下流の第２の位置５１において可燃性材料を送給する。第１の位置５０は、上流又は下流に移動させ或いはスワーラ翼４０間に円周方向に形成して、燃料を比較的高い速度領域に送給することができるようにすることができる。流体の収束は、上記の発散構造によって引き起こされかつハブ加速及び保炎リスク低減を可能にする。

ベルマウス形状開口部２５に流入した空気は、第１及び第２の位置５０、５１において予混合通路３１に流入した燃料と混合され、またこの混合は、可燃性材料がハブ６０に向けて収束するので促進されかつ可能になる。加えて、図２に示すように、予混合通路３１は、第２の位置５１から下流方向に縮小している。従って、予混合は、可燃性材料が上流端部２２からハブ６０に向けて収束するので促進され、また可燃性材料が縮小チューブ部分２３の長さに沿って流れるので、圧力降下が回避される。

複数のチューブ体３０はさらに、中心体３５を含む。中心体３５は、複数のチューブ体３０内に形成されたブリーチ内に装着可能であって中間通路３６を形成し、また最内側チューブ３７を含む。最内側チューブ３７は、パージ空気供給を受ける内部通路３８を形成するように構成される。

最外側チューブ体３３の外側表面３２は、その一部が環状シュラウド２１内に伸縮自在に配置されて予混合通路３１の上流セクションを形成した環状内側壁６１としてハブ６０を形成する。環状内側壁６１はさらに、外側壁部分３２１及び内側壁部分３２２を含み、外側壁部分３２１及び内側壁部分３２２は、上流端部２２に近接したそれらの下流端縁部における分割ポイントにおいて互いに発散して燃料通路６２を形成する。上述するように、予混合通路３１は、上流端部２２から下流に延び、かつ該上流端部２２における第１の位置５０に近接した発散ポイントから該上流端部２２及び下流縮小チューブ部分２３の軸方向間に配置された第２の位置５１に近接した収束ポイントまで半径方向内向きに収束する。

燃料通路６２は、上流端部２２における発散ポイントに近接して燃料孔６３を介して予混合通路３１に燃料を送給するように構成される。中間通路３６は、最内側チューブ３７内に形成された第１の孔７０を介して内部通路３８と流体連通している。加えて、中間通路３６は、第１の孔７０の軸方向位置の下流である軸方向位置において環状内側壁６１内に形成された第２の孔７１を介して燃料通路６２と流体連通している。中間通路３６はまた、第２の孔７１の下流でありかつ収束ポイント及び第２の位置５１に近接した軸方向位置において環状内側壁６１内に形成された第３の孔７２を介して予混合通路３１と流体連通している。第１の孔７０、第２の孔７１及び第３の孔７２は、ダイナミックスを緩和しかつ噴流背後の再循環を減少させるために分散及び傾斜配置される。

従って、混合を強化しまた中間通路３６及び内部通路３８に供給されるパージ空気は、第１の孔７０を通って流れかつ燃料通路６２から中間通路３６内の第２の孔７１を通って流れる燃料と混合される。この燃料及び空気混合気は次に、第３の孔７２を介して予混合通路３１内に流れ、予混合通路３１において、空気混合気は、該予混合通路３１内に既に存在する可燃性材料と混合される。最終的な燃料及び空気混合気は、下流の縮小チューブ部分２３を通って流れ続けかつ下流方向に予混合通路３１を半径方向に縮小することにより圧力を維持する。この半径方向に縮小することは、第２の位置５１から下流方向に環状内側壁６１を収束させることにより形成することができる。

燃料孔６３、第１の孔７０、第２の孔７１及び第３の孔７３は、それらのそれぞれの壁／チューブの周りに円周方向に配列することができかつほぼ均一な又は不均一な距離で互いに間隔を置いて配置することができる。

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。

１０ 燃焼器予混合器
２０ バーナチューブ
２１ 環状シュラウド
２２ 上流端部
２３ チューブ部分
２５ ベルマウス形状開口部
２６ シュラウド側面孔
３０ 複数のチューブ体
３１ 予混合通路
３２ 外側表面
３３ 最外側チューブ体
３４ 取付けフランジ
３５ 中心体
３６ 中間通路
３７ 最内側チューブ
３８ 内部通路
４０ 複数のスワーラ翼
４１ 本体
４２ 前縁
４３ 後縁
４４ ドーム形状構成
５０ 第１の位置
５１ 第２の位置
６０ ハブ
６１ 環状内側壁
６２ 燃料通路
６３ 燃料孔
７０ 第１の孔
７１ 第２の孔
７２ 第３の孔
３２１ 外側壁部分
３２２ 内側壁部分

Claims (10)

1. 燃焼器予混合器（１０）であって、
   ベルマウス形状開口部（２５）を有するバーナチューブ（２０）と、
   前記バーナチューブ（２０）内に伸縮自在に配置されて、該バーナチューブ（２０）及びその最外側チューブ体（３３）間に形成された予混合通路（３１）に可燃性材料を送給する複数のチューブ体（３０）と、
   前記開口部（２５）内に円周方向に配列された複数のスワーラ翼（４０）であって、その各々のスワーラ翼が、前記バーナチューブ（２０）から前記最外側チューブ体（３３）まで半径方向寸法に沿って延びる本体（４１）と、前記開口部（２５）から上流に突出した前縁（４２）とを含む複数のスワーラ翼（４０）と
   を備える、燃焼器予混合器（１０）。
2. 前記バーナチューブ（２０）が、前記複数のスワーラ翼（４０）の下流にシュラウド側面孔（２６）を形成するように構成される、請求項１記載の燃焼器予混合器（１０）。
3. 前記シュラウド側面孔（２６）が、前記複数のスワーラ翼（４０）の後縁（４３）に近接して設置される、請求項２記載の燃焼器予混合器（１０）。
4. 前記複数のチューブ体（３０）の最外側チューブ体（３３）が、上流方向に発散している、請求項１記載の燃焼器予混合器（１０）。
5. 前記複数のチューブ体（３０）が、前記ベルマウス形状開口部（２５）において及び該ベルマウス形状開口部（２５）の下流の第２の位置（５１）において可燃性材料を送給し、また
   前記予混合通路（３１）が、前記第２の位置（５１）から下流方向に縮小している、
   請求項１記載の燃焼器予混合器（１０）。
6. 前記複数のチューブ体（３０）の１以上が燃料通路を形成するように構成される、請求項１記載の燃焼器予混合器（１０）。
7. 前記複数のチューブ体（３０）が、パージ空気を受ける内部通路（３８）を有する中心体（３５）を含む、請求項１記載の燃焼器予混合器（１０）。
8. 前記複数のスワーラ翼（４０）の各スワーラ翼が、前記半径方向寸法に沿ってほぼらせん形状パターンで延びる、請求項１記載の燃焼器予混合器（１０）。
9. 前記複数のスワーラ翼（４０）の各スワーラ翼の１以上がその後縁（４３）で傾斜している、請求項１記載の燃焼器予混合器（１０）。
10. 前記予混合通路（３１）に沿った圧力がほぼ一様である、請求項１記載の燃焼器予混合器（１０）。