JP2012141122A - 彫刻状後縁スワーラ燃焼予混合器及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧空気及び燃料を予混合する、ターボエンジンで使用可能である方法及び装置を提供する。
【解決手段】本予混合器は、流れ方向におけるガス流れ入力及び該流れ方向に対してほぼ垂直に噴射された燃料を受けるように構成された混合部を有する。混合部は、ほぼ円筒形状を形成するように構成されたリムを有する。混合部はまた、（ｉ）流れ方向に沿って円筒形状のほぼ中央部に設置された中心本体及び（ｉｉ）中心本体からリムに向けて延びるベーンの組を備えたスワーラを有し、ベーンは、流れが混合部を通って流れる時に、受けたガス流れ及び噴射燃料を含む流れの内部における回転運動を決定するように構成され、またベーンの少なくとも幾つかは、それらの後方の流れの内部に混合ゾーンを形成するように構成された波形輪郭を備えた後縁を有する。
【選択図】 図５

Description

本明細書に開示した主題の実施形態は、総括的には、ターボ圧縮機エンジンで使用するほぼ均一な加圧空気−燃料混合気を生成するために使用される方法及びシステムに関し、より具体的には、彫刻状後縁を備えたベーンの組を有するスワーラに関する。

大気汚染の懸案により、産業及び発電並びに推進用途におけるガスタービンエミッションの大幅な低減を要求する厳格なエミッション基準が世界的に導入されてきた。窒素酸化物（ＮＯｘ）はとりわけ、人的活動によって発生される主要な汚染物質である。ＮＯｘは一般的に、ガスタービンエンジン内の高温火炎領域において形成される。火炎温度を低下させることにより、ＮＯｘエミッションの低減が得られる。例えば、図１は、ＮＯｘエミッションの量及び火炎の温度間の相関関係を示すグラフである。グラフのｙ軸上のＮＯｘの量は、１５％の酸素（Ｏ₂）に補正した体積ｐｐｍ（ｐｐｍｖｄ）で表されている。（航空機推進システムの場合には、同様のＮＯｘエミッションは、使用する液体燃料の質量単位当たりで表される。）ｘ軸上の火炎温度は、ケルビン温度（Ｋ）になっている。ポイントは、広い範囲のテスト条件にわたり取ったデータを表しているが、ＮＯｘエミッションの量及び火炎温度間の補正を示している。

火炎温度を低下させる定着方法には、燃焼器内への高い純度の水又は蒸気の噴射及び選択的触媒還元の使用が含まれる。しかしながら、一般的に湿潤低ＮＯｘ法と呼ばれるこれらの方法は、高価な補助装置の使用を必要とし、それによりエネルギー生成のコストを上昇させることになる。加えて、これらの方法を使用するのに必要な空間は、航空転用エンジン並びに航空機エンジンにおいては問題となる。

航空転用エンジンは、海底リザーバの探査及び開発に使用するオイル及びガスプラットフォーム上で使用されることが多い。これらのエンジンは、推進に使用される代わりにオイル及びガスポンプ又は発電機を機械的に駆動するのに使用される改造航空機エンジンと見なすことができる。航空転用エンジンは、それらの高い出力及び効率並びに小型の故にオイル及びガスプラットフォーム上で使用される。航空転用エンジンは一般的に、燃料として（液体燃料の代わりに）天然ガスを使用するように改造されるが、液体燃料もまた、バックアップ燃料として使用することができる。

歴史的観点によると、エンジン内の火炎は、断熱火炎温度を有する局所ホットスポットを備えた状態の拡散火炎として使用された。拡散火炎は、ｐｐｍの数１００倍のＮＯｘ量を発生させまた非常に安定している。対照的に、一部の現在の汚染規制は、５ｐｐｍよりも大きくないＮＯｘの量を要求している。

火炎の温度、従ってＮＯｘエミッションを低減させる別の公知の方法は、燃焼の前に燃料及び加圧空気を均一に混合させることである。拡散火炎では、例えば０．１、１、２及び５の化学量論比に特徴があるような燃料及び空気の異なる割合を有する領域が存在する。対照的に、予混合器を使用することによって、０．５の一定の化学量論比を達成することができる。言い換えると、空気−燃料混合気の非均一性により、火炎が局所的により高温になる。燃料及び加圧空気の均一な混合気を使用する方法は、乾式低ＮＯｘ法として知られている。伝統的に圧縮機及びタービン間に配置さている予混合器は、加圧空気及び燃料の均一な混合気を得るように構成することができる。予混合器は、燃焼器の一部とすることができる。

図２には、従来型の航空転用予混合器１０の分解図を示している。圧縮機によって生成された加圧空気は、流れ方向１５において予混合器１０内に流れる。予混合器１０は、混合部２０とシュラウド３０とを含む。混合部２０及びシュラウド３０は、互いに係合するように構成される。

燃料は、混合部２０のリム５０上に設置された燃料オリフィス（ノズル）４０を通して該混合部２０内に半径方向に噴射される。混合部２０の内部において、二重環状二重反転式スワーラ６０は、中心本体７０と、中間リム８５によって分離された２つのベーン８０及び９０の組とを有する。ベーン８０は、そこを通って流れる流れを流れ方向１５に対して垂直な平面内において内側回転させるように導くように構成された内側スワーラを形成する。ベーン９０は、そこを通って流れる流れを流れ方向１５に対して垂直な平面内において内側回転に対向する方向である外側回転させるように導くように構成された反転スワーラを形成する。従って、二重環状二重反転式スワーラ６０を通って流れた後に、図３に示すように対向する面内回転を有する２つの流れ７５及び９５が存在する。これらの流れ間の剪断層において高乱流が発生して、加圧空気及び燃料の急激かつ均一な混合が生じる。２つの流れが流れ方向に前進するにつれて、混合は、ほぼ中間リム８５の位置から中心及び外側に向けて半径方向に拡大する。

従来型の二重環状二重反転式スワーラ６０は、複雑なジオメトリを有し、製作するのに費用が掛かり、また乱流が一般的に過激な不安定現象であるので流体ダイナミックスの観点で制御するのが困難である。

従って、性能を改善したより安価な予混合器を得ることは望ましいと言える。

１つの例示的な実施形態によると、本予混合器は、流れ方向におけるガス流れ入力及び該流れ方向に対してほぼ垂直に噴射された燃料を受けるように構成された混合部を有する。混合部は、ほぼ円筒形状を形成するように構成されたリムを含みかつ（ｉ）流れ方向に沿って円筒形状のほぼ中央部に設置された中心本体及び（ｉｉ）中心本体からリムに向けて延びるベーンの組を備えたスワーラを有し、ベーンは、流れが混合部を通って流れる時に、受けたガス流れ及び噴射燃料を含む流れの内部における回転運動を決定するように構成され、またベーンの少なくとも幾つかは、それらの後方の流れの内部に混合ゾーンを形成するように構成された波形輪郭を備えた後縁を有する。

別の例示的な実施形態によると、本ターボエンジンは、それを通って流れるガスを加圧するように構成された圧縮機と、ガス状混合気を受けるように構成されたタービンと、圧縮機及びタービン間に設置されまた圧縮機から流出した加圧ガス及び燃料を混合してガス状混合気を生成しかつタービンに向けて該ガス状混合気を出力するように構成された予混合器とを有する。予混合器は、流れ方向における加圧ガス入力及び該流れ方向に対してほぼ垂直に噴射された燃料を受けるように構成された混合部を有する。混合部は、ほぼ円筒形状を形成するように構成されたリムと、（ｉ）流れ方向に沿って円筒形状のほぼ中央部に設置された中心本体及び（ｉｉ）中心本体からリムに向けて延びるベーンの組を備えたスワーラとを含み、またベーンは、ガス状混合気が混合部を通って流れる時に該ガス状混合気の内部における回転運動を決定するように構成される。ベーンの少なくとも幾つかは、それらの後方の流れの内部に混合ゾーンを形成するように構成された波形輪郭を備えた後縁を有する。

さらに別の例示的な実施形態によると、予混合器を製作する方法を提供する。本方法は、円筒形状を有するリムのほぼ中央部に設置された中心本体の周りにベーンを取付けて、燃料オリフィスがリム及び中心本体の少なくとも１つ上に設置されかつ半径方向に燃料を噴射するように構成されるようにするステップを含む。ベーンは、中心本体からリムに向けて延びかつ混合部を通って流れる流れの内部における回転運動を決定するように構成され、またベーンの少なくとも幾つかは、波形輪郭を備えた後縁を有する。本方法はさらに、中心本体及びベーンを備えたリムをシュラウドの第１の端部の内部に取付けて、該リム及び該シュラウドの第１の端部間にダクトを形成するステップを含む。

本明細書に組入れられかつ本明細書の一部を構成する添付図面は、１つ又はそれ以上の実施形態を示しかつ詳細な説明と共にそれらの実施形態を説明する。

ＮＯｘエミッションの量及び火炎の温度間の相関関係を示すグラフ。 従来型の予混合器の分解図。 二重環状スワーラ後方での従来型の予混合器の内部における回転速度の概略図。 例示的な実施形態によるターボエンジンの説明図。 例示的な実施形態による予混合器の分解図。 例示的な実施形態による、スワーラ後方での予混合器の内部における回転速度の概略図。 例示的な実施形態によるベーンの概略図。 例示的な実施形態による予混合器の流れ方向を含む断面図。 例示的な実施形態による、流れ方向に対するベーン位置の概略図。 例示的な実施形態による、予混合器を製作する方法のフローチャート。

例示的な実施形態の以下の説明は、添付図面を参照している。異なる図面における同じ参照符号は、同じ又は同様な要素を特定している。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。それよりむしろ、本発明の技術的範囲は、提出した特許請求の範囲によって定まる。簡単にするために、以下の実施形態は、航空転用エンジンで使用する予混合機の技術及び構造に関して説明する。しかしながら、次に説明する実施形態は、それらのシステムに限定されるものではなく、均一なガス混合気を得ることを必要とするその他のシステムに適用することができる。

本明細書全体にわたる「１つの実施形態」又は「実施形態」という表現は、実施形態に関連して説明した特定の特徴形状、構造又は特性が、開示した主題の少なくとも１つの実施形態内に含まれることを意味している。従って、明細書全体にわたる様々な箇所における「１つの実施形態では」又は「実施形態では」という語句の表現は、必ずしも同一の実施形態について説明しているとは限らない。さらに、それらの特定の特徴形状、構造又は特性は、１つ又はそれ以上の実施形態においてあらゆる好適な方法で組合せることができる。

ターボエンジン１００は一般的に、図４に概略的に示すように圧縮機１０８と、予混合器１１０と、タービン１１２とを含む。以下では、単一の予混合器１１０を示しかつ説明するが、当技術分野では、圧縮機１０８及びタービン１１２間に複数の予混合器を配置することができることも知られている。予混合器１１０は、例えば燃焼チャンバ内に火炎を発生させかつ維持するように構成された燃焼器の一部とすることができる。しかしながら、それに代えて、燃焼は、タービン１１２の内部で行わせることができる。燃焼の正確な位置は、以下で説明する実施形態に関連していないか又はそれを限定するものではない。酸素を含む空気又はその他のガス（簡単にするために、以下の説明では空気と呼ぶ）は、圧縮機１０８内で加圧され、予混合器１１０内で供給源１１４から受けた燃料と混合されかつ燃焼されて高温高圧ガスを発生し、この高温高圧ガスが次にタービン１１２内で膨張する。図４において、圧縮機１０８から予混合器１１０へのまた次にタービン１１２への移行は、それらの間にその他の構成要素が存在することができるので、破線を使用して表している。燃料は、ガス状形態（例えば、天然ガス）又は液体形態のものとすることができ、従って液体燃料であることに特徴があるものとすることができる。

図５は、実施形態による予混合器１１０の分解図である。圧縮機１０８によって生成された加圧空気は、流れ方向１１５に沿って予混合器１１０に流入する。予混合器１１０は、混合部１２０と、互いに係合するように構成されたシュラウド１３０とを含む。例えば、シュラウド１３０は、その中に混合部１２０を少なくとも部分的に受けることができる。

混合部１２０は、従来型のスワーラ６０よりも簡単なジオメトリを有する、それによって製作するのがより容易かつ安価であるスワーラ１６０を含む。予混合器１１０はまた、従来型の予混合器１０に比較して流れダイナミックスのより良好な制御及び混合効率の向上を達成する。

混合部１２０はほぼ円筒形状を有していて、流れ方向１１５は、該円筒形状の中心軸線とほぼ平行である。燃料は、混合部１２０のリム１５０上に設置された燃料オリフィス（ノズル）１４０を通して該混合部１２０の内部に半径方向に噴射される。混合部１２０の内部において、スワーラ１６０は、円筒形状の長手方向軸線に沿って該円筒形状のほぼ中央部に設置された中心本体１７０を有する。ベーン１７５の組が中心本体１７０に取付けられかつ該中心本体１７０からリム１５０に向けて延びる。１つの用途では、燃料を予混合するための付加的なベーンの組は存在せず、つまりベーンの組は単一のベーンの組である。

燃料オリフィス１４０は、ベーンの半径方向位置間においてリム１５０の周りにほぼ等距離で設置することができる。図６において、燃料オリフィス１４０の対が、流れ方向における異なる位置においてそれらの間の所定の距離で設置される。別の実施形態では、燃料は、中心本体１７０から或いは中心本体１７０及びリム１５０から噴射させることができる。従って、燃料は、加圧空気が長手方向に流れている状態で半径方向に噴射される。

ベーン１７５は、混合部１２０を通って流れる流れの内側における回転運動を決定するように構成され、ベーン１７５の各々は、その回転速度が図６に示すように流れ内で変化する混合ゾーン１７８を形成するように構成された彫刻状後縁１７７を有するようになっている。従って、混合ゾーン１７８が、流れ方向１１５内においてベーン１７５の各々の後方に発生し、これらの混合ゾーンの存在により加圧空気及び燃料の急激かつ均一な混合が生じる。対照的に、従来型の二重環状スワーラの後方において二重反転流れ間の剪断表面に、乱流が発生し、この混合ゾーン内において混合に有利であるが過激でない状態で回転速度の変動が生じる。スワーラ１６０の後方において、混合ゾーン内で生じた混合は、流れにおける継続する回転運動によりボリューム全体にわたり拡大する。

図８は、例示的な実施形態によるベーン１７５の１つの実施形態を示している。ベーンは、一側部１７９で中心本体１７０に取付けられ、またその他側部１７４はリム１５０に面している。空気流れが最初に遭遇する前側部１７６は滑らかであるが、後側部１７７は、流れ方向１１５内に延びる歯を形成した蛇行形状（つまり、波形輪郭）を有する。別の実施形態によると、隣接歯間において、１つの歯（例えば、歯１８１）はベーンの平面に対して上向きに屈曲させることができ、一方、隣接する１つはベーンの平面に対して下向きに屈曲させることができる。ベーン１７５の側部１７９（ベーンが中心本体に取付けられている場合）は、反対側部１７４よりも大きくすることができる。ベーン１７５は、直接レーザ製造焼結（ＤＬＭＳ）法を使用して製作することができる。環状面積当たりのベーンのソリディティ又は数は、当技術分野で公知の最新の実施法によるものである。

図９は、流れ方向１１５を含む予混合器１１０の断面図である。ベーン１７５は、中心本体１７０の回りにほぼ等しい半径方向距離で取付けることができる。取付けたベーン１７５の平面は、図７に詳細に示すように流れ方向１１５との間で角度α（４５°よりも小さい）を形成する。しかしながら、ベーンは、流れ方向１１５に対する変動角度を有するより複雑な三次元形状を有することができる。

同じベーン間の流れ方向に沿った異なる位置に配置された燃料オリフィス１４０は、ベーン角度と同様になるように配置することができる。例えば、２つのみのノズルを考える場合には、その２つのノズルを連結した線は、流れ方向との間でベーンの平面と同じ角度を形成する。

中心本体１７０は、シュラウド１３０の内部におけるダクト１３５内で延びる。流れ方向１１５におけるダクト１３５の狭くなる断面により、混合部１２０から流出した空気−燃料混合気は、加速される。流れ方向１１５における空気−燃料混合気の速度の得られた増加により、所望の目的、つまりダクト１３５の外部に火炎を保持することが達成される。

燃料は、パイプ１４２を通して混合部１２０に供給することができかつ混合部１２０及びシュラウド１３０間に形成されたダクト１４４を満たすことができる。

予混合器１２０は、そのフローチャートを図１０に示している方法２００を使用して製作することができる。Ｓ２１０において、本方法２００は、円筒形状を有するリム（例えば、参照符号１５０）のほぼ中央部に設置された中心本体（例えば、参照符号１７０）の周りにベーン（例えば、参照符号１７５）を取付けて、ベーン（例えば、参照符号１７５）が中心本体（例えば、参照符号１７０）からリム（例えば、参照符号１５０）に向けて延びかつ混合部（例えば、参照符号１２０）を通って流れる流れの内部における回転運動を決定するように構成され、またベーン（例えば、参照符号１７５）の少なくとも幾つかが波形輪郭を備えた後縁（例えば、参照符号１７７）を有するようにするステップを含む。本方法２００はさらに、Ｓ２２０において、中心本体（例えば、参照符号１７０）及びベーン（例えば、参照符号１７５）を備えたリム（例えば、参照符号１５０）をシュラウド（例えば、参照符号１３０）の内部に取付けて該リム（例えば、参照符号１５０）及びシュラウド（例えば、参照符号１３０）間にダクト（例えば、参照符号１４４）を形成して、リム（例えば、参照符号１５０）が該リム（例えば、参照符号１５０）を通してダクト（例えば、参照符号１４４）から中心本体（例えば、参照符号１７０）に向けて燃料を供給するのを可能にするように構成された燃料オリフィス（例えば、参照符号１４０）を有するようにするステップを含む。

本方法２００はまた、ベーンを取付ける前に中心本体から事前存在ベーンを取外すステップを含む。言い換えると、従来型の予混合器（例えば、参照符号１０）のスワーラは、スワーラ１６０と同様のスワーラに改造することができる。

開示した例示的な実施形態は、ガス及びオイルプラットフォーム上で航空転用エンジン内において使用可能でありかつ従来型の二重環状スワーラと比較して簡略なジオメトリを有するスワーラを提供する。本明細書の説明は本発明を限定することを意図するものではないことを理解されたい。逆に、例示的な実施形態は、提出した特許請求の範囲で定まる本発明の技術思想及び技術的範囲内に含まれる変更形態、修正形態及び均等物を保護しようとするものである。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明では、特許請求発明の包括的理解を得るために、多くの特定の細部を説明している。しかしながら、様々な変更形態は、そのような特定の細部なしに実施することができることを理解されたい。

本発明の例示的な実施形態の特徴形状及び要素は、それらの実施形態内で特定の組合せとして説明しているが、各特徴形状及び要素は、それらの実施形態の他の特徴形状及び要素がない状態で単独で、或いは本明細書に開示した他の特徴形状及び要素がある状態又はない状態での様々な組合せとして使用することができる。

本明細書は、開示した本主題の実施例を使用して、当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にする。本主題の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１０ 予混合器
１５ 流れ方向
２０ 混合部
３０ シュラウド
４０ 燃料オリフィス
５０ リム
６０ 二重環状二重反転式スワーラ
７０ 中心本体
７５ 流れ
８０ ベーン
８５ 中間リム
９０ ベーン
９５ 流れ
１００ ターボエンジン
１０８ 圧縮機
１１０ 予混合器
１１２ タービン
１１４ 供給源
１１５ 流れ方向
１２０ 混合部
１３０ シュラウド
１３５ ダクト
１４０ 燃料オリフィス
１４２ パイプ
１４４ ダクト
１５０ リム
１６０ スワーラ
１７０ 中心本体
１７４ 側部（ベーンの）
１７５ ベーン
１７６ 前側部（ベーンの）
１７７ 後側部、彫刻状後縁（ベーンの）
１７８ 混合ゾーン
１７９ 側部（ベーンの）
１８１ 歯（ベーンの）
２００ 方法

Claims (10)

1. 予混合器であって、
   流れ方向におけるガス流れ入力及び前記流れ方向に対してほぼ垂直に噴射された燃料を受けるように構成された混合部を含み、前記混合部が、
   ほぼ円筒形状を形成するように構成されたリムと、
   （ｉ）前記流れ方向に沿って前記円筒形状のほぼ中央部に設置された中心本体及び（ｉｉ）前記中心本体から前記リムに向けて延びるベーンの組を備えたスワーラと、を含み、
   前記ベーンが、前記流れが前記混合部を通って流れる時に前記受けたガス流れ及び噴射燃料を含む流れの内部における回転運動を決定するように構成され、また
   前記ベーンの少なくとも幾つかが、それらの後方の前記流れの内部に混合ゾーンを形成するように構成された波形輪郭を備えた後縁を有する、
   予混合器。
2. 前記波形輪郭によって形成された隣接歯が、前記ベーンの平面に対して対向する方向に屈曲される、請求項１記載の予混合器。
3. 各ベーンが、前記中心本体から前記リムに向けて狭くなった形状を有する、請求項１記載の予混合器。
4. 前記ベーンが、前記流れ方向との間で所定の角度を形成するように前記中心本体に取付けられる、請求項１記載の予混合器。
5. 前記混合部を受けるように構成されたシュラウドを含み、
   前記シュラウドが、前記流れ方向に沿って前記混合部の後方に設置されかつ該混合部から流出した流れを加速するように構成される、
   請求項１記載の予混合器。
6. 前記シュラウドが、前記流れ方向に沿って狭くなった断面を備えた内側ダクトを有する、請求項５記載の予混合器。
7. 前記スワーラが、１つのみのベーンの組を含む、請求項１記載の予混合器。
8. ターボエンジンであって、
   それを通って流れるガスを加圧するように構成された圧縮機と、
   ガス状混合気を受けるように構成されたタービンと、
   前記圧縮機及びタービン間に設置されまた前記圧縮機から流出した前記加圧ガス及び燃料を混合して前記ガス状混合気を生成しかつ前記タービンに向けて該ガス状混合気を出力するように構成された予混合器と、を含み、
   前記予混合器が、流れ方向における前記加圧ガス入力及び該流れ方向に対してほぼ垂直に噴射された燃料を受けるように構成された混合部を含み、
   前記混合部が、ほぼ円筒形状を形成するように構成されたリムと、（ｉ）前記流れ方向に沿って前記円筒形状のほぼ中央部に設置された中心本体及び（ｉｉ）前記中心本体から前記リムに向けて延びるベーンの組を備えたスワーラとを含み、
   前記ベーンが、前記ガス状混合気が前記混合部を通って流れる時に該ガス状混合気の内部における回転運動を決定するように構成され、
   前記ベーンの少なくとも幾つかが、それらの後方の前記ガス状混合気流れの内部に混合ゾーンを形成するように構成された波形輪郭を備えた後縁を有する、
   ターボエンジン。
9. 予混合器を製作する方法であって、
   円筒形状を有するリムのほぼ中央部に設置された中心本体の周りにベーンを取付けて、燃料オリフィスが前記リム及び中心本体の少なくとも１つ上に設置されかつ半径方向に燃料を噴射するように構成され、前記ベーンが前記中心本体から前記リムに向けて延びかつ混合部を通って流れる流れの内部における回転運動を決定するように構成され、また前記ベーンの少なくとも幾つかが波形輪郭を備えた後縁を有するようにするステップと、
   前記中心本体及びベーンを備えた前記リムをシュラウドの第１の端部の内部に取付けて、該リム及び前記シュラウドの第１の端部間にダクトを形成するステップと、を含む、
   方法。
10. 前記ベーンを取付ける前に前記中心本体から事前存在ベーンを取外すステップをさらに含む、請求項９記載の方法。

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