JP2016532071A - 接線方向に配向された燃焼器缶を有するカニュラ型燃焼器配列用のラジアルミッドフレームバッフル - Google Patents

Abstract

カニュラ型ガスタービンエンジン燃焼配列（１０）は、間にプレナム（２２）を画定する外側ケーシング（２４）およびロータケーシング（２６）と、プレナム（２２）に圧縮空気を排出するように構成されたディフューザと、タービンと、燃焼器入口（３８）を有する燃焼器缶（１２）と、プレナム（２２）内に配置され、プレナム（２２）を半径方向の複数のセクタに分割するように構成され、かつプレナム（２２）内での圧縮空気の周方向の移動を効果的に抑制する複数のバッフルであって、半径方向に隣り合う複数のバッフルがその間にセクタを画定する、バッフルと、複数のガストランジションダクト（４０）であって、各ガストランジションダクトは、それぞれの燃焼器缶（１２）からタービン入口（４２）へ高温ガスを案内するように構成され、かつ少なくとも２つの半径方向のセクタに広がっている、高温ダクトと、を備える。各バッフルは、広がっている高温ガストランジションダクト（４０）に適合するためのダクト開口部を有する。

Description

連邦政府基金による開発の記載
本発明の開発は、アメリカ合衆国エネルギー省により与えられた契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４により一部で支援されていた。したがって、アメリカ合衆国政府は、本発明に一定の権利を有することがある。

発明の分野
本発明は、接線方向に配向された燃焼器缶を有するカニュラ型燃焼器配列を備えるガスタービンエンジンのミッドフレームにおける圧縮空気の流れの周方向の移動の低減に関する。

発明の背景
カニュラ型燃焼器を使用する従来のタスタービンエンジンは、高温燃焼ガスを生成する複数の燃焼器缶と、高温ガスを受け取り高温ガスを第１列のガイドベーンへ搬送するトランジションダクトと、を備える。ガイドベーンは、高温ガスを変向しかつ加速し、そうして、高温ガスは、第１列のタービンブレードへ搬送するのに適切な配向および速度となる。この公知の配列では、燃焼器缶およびトランジションは、半径方向内向きに角度付けられているが、その他はエンジン軸線と整合されている。空気が、軸流圧縮機により圧縮され、ディフューザ内で減速され、次いでディフューザから、ミッドフレームにより画定されたプレナム内へ軸方向に流れる。エンジンのミッドフレームは、エンジンのセクションであって、このセクションを通って、圧縮空気が圧縮機出口から燃焼器入口へ流れる。いったんミッドフレーム内で圧縮空気が半径方向外向きに流れてから、燃焼器缶入口に向かって上流へ戻る。ディフューザ出口および燃焼器缶はエンジン軸線と同心であるので、圧縮空気流は、ほぼ半径方向でありかつ軸方向にエンジン軸線と整合している。

ガスタービンエンジン技術の発展は、燃焼器缶がエンジン軸線と軸方向に整合されていない、燃焼器配列の１つの構造を生み出している。そのような構造は、Ｃｈａｒｒｏｎらによる米国特許第８２７６３８９号に記載されており、その全体が本明細書に援用される。その代わりに、この構造では、高温ガスが燃焼器缶内で生成され、それぞれの流路に沿って移動し、第１列のタービンブレードへ直接搬送され、その際、高温ガスを変向しかつ加速するために第１列のベーンの必要がない。これは、既に第１列のタービンブレードへ直接搬送するのに適切に配向されている通路に沿って高温ガスが燃焼器缶から離れるので、可能である。燃焼器缶と第１列のタービンブレードとの間でも、各ガスダクトは、ガスダクトにおける高温ガスのそれぞれの流れを適切な速度に加速する。したがって、この燃焼器配列は、第１列のタービンブレードの必要性をなくしている。

高温ガスが燃焼器缶から離れるときに適切に整列されていることを保証するために、燃焼器缶は、所望の流路と整合されなければならない。この所望の流路の軸線は、エンジン軸線の半径に対して垂直の平面と整合されていて、エンジン軸線からオフセットされている。この配列は、以前のあらゆる配列からの大幅な逸脱であり、ゆえに、当該技術において最適化のための余地がある。

本発明を、図面を参照して以下の記載で説明する。

ガスタービンエンジンミッドフレームに配置されかつ接線方向に配向された複数の燃焼器を有するカニュラ型燃焼器配列の概略図である。 図１と同様のカニュラ型燃焼器配列の１つの燃焼器缶入口内へ流れている圧縮空気を示すモデルである。 図１と同様のカニュラ型燃焼器配列に関して使用される、本明細書で開示される半径方向に配向されたバッフルの概略図である。 ダクトのための１つの開口部と圧力均等のための複数の開口部とを示す、バッフルの一部の概略斜視図である。 それぞれ気流ガイドを有する、ミッドフレームのプレナム内に配置された複数のブラケットを示す部分断面図である。

本願発明者は、接線方向に配向された複数の燃焼器缶を使用しているカニュラ型燃焼器配列のミッドフレーム内の気流が、軸方向に整列された従来の燃焼器缶が使用されるときの気流とは異なることを認めている。発明者は、この異なる気流が最適ではない気流特性を生じさせ得ることをさらに認めている。それゆえ、発明者は、ミッドフレーム内で周方向の気流を低減するように半径方向に配向された複数のバッフルを実現することにより、巧妙であるにもかかわらず単純で割安の解決手段を発明した。半径方向のバッフルは、バッフルのそれぞれの側における圧力変動を十分な程度低減することができる一方で、圧縮空気の周方向流れも低減している複数の孔を有してよい。バッフルは、ミッドフレーム内で複数のセクタ（扇形部）を画定し、かつ圧縮空気を、ディフューザのそれぞれのアーチ形セグメントからそれぞれの燃焼器缶入口へまたは燃焼器缶入口に通じる流体通路へ案内する。こうして、ディフューザ出口から燃焼器入口までの最短の流路が維持されている。これは、圧力降下の低減を可能にし、燃焼器内への圧縮空気の流れのより良好な一様性を可能にし、経時的な不安定性の低減を可能にする。

図１は、ガスタービンエンジンミッドフレーム１４に配置されかつ接線方向に配向された複数の燃焼器缶１２を有するカニュラ型燃焼器配列１０の１つの例示的な実施の形態の概略図である。この図１では、視線は下流から上流を見ている。したがって、図示するように、ロータシャフト（図示していない）は時計回り方向に回転する。上流から見たとき、エンジンは、反時計回り方向に回転するように見える。空気は、軸流圧縮機（図示していない）により圧縮され、ディフューザ（図示していない）により減速され、圧縮空気１６としてディフューザ出口１８から排出される。燃焼器配列１０およびディフューザ出口１８は、エンジン軸線２０と同心である。ディフューザ出口１８から排出されるとすぐに、圧縮空気１６は、外側ケーシング２４とロータケーシング２６とにより画定されるプレナム２２に進入する。この例示的な実施の形態では、圧縮空気は、流路入口３２を通って流路３０に進入する。流路３０は、流れスリーブ３４により画定されてよい。流れスリーブ３４は、それぞれの燃焼器缶１２を取り囲み、トップハット開口３６を通って外側ケーシング２４を横断してよい。流路３０は、燃焼器入口３８に通じている。圧縮空気１６が、燃焼器缶１２内で燃料と混合されると、点火され、高温ガスを生成する。高温ガスは、それぞれの流れダクト４０に沿ってタービン入口４２へ移動する。

各燃焼器缶１２は、燃焼器缶１２が圧縮空気のそれぞれの流れを直接、タービン入口４２で第１列のタービンブレード（図示していない）へ搬送できるように配向されており、その際、第１列のターニングベーン（図示していない）の必要性がない。そうするために、各燃焼器缶１２は、半径方向外向きに傾斜付けられており、タービン入口４２に対して接線方向に配向されている。その結果、この観点から、燃焼器軸線４４は、エンジン軸線２０の半径４８に対して垂直な平面４６上に位置する。燃焼器軸線４４は、環状のタービン入口４２と直接交差してよいので、高温ガスは、燃焼器缶１２からタービン入口４２まで真っ直ぐな流路を有する。その結果、燃焼器軸線４４が燃焼器入口３８の平面５２と交差するところの入口箇所５０が、燃焼器軸線４４が平面５６または燃焼器出口（看取されない）と交差するところの出口箇所５４の軸方向上流側に（エンジン前端へ向けて）オフセットされている。同様に、入口箇所５０は、ロータシャフトの回転方向６０に関して、出口箇所５４の周方向上流側にオフセットされている。

本発明者は、軸方向に整列されていて、半径方向内向きに向いている、燃焼器缶の従来の配列が、必然的に、軸方向に流れる間にディフューザ出口１８から排出される圧縮空気の流れを利用することに気付いた。しかし、発明者は、この通常の整列が、もはや図１に示す例示的な実施の形態などの新しい構造には存在しないことを認めた。燃焼器缶１２に沿った流路３０の配向の結果、ディフューザ出口１８から退出する圧縮空気１６は、回転方向６０とは逆向きに周方向で引っ張られる。それぞれ異なる矢印により示すように、圧縮空気１６が短い周方向の距離を移動して、最も近い流路入口３２に進入し得ること、または、圧縮空気がさらに周方向に移動し得ることが推測された。

本発明者は、周方向移動の範囲を確定するために、プレナム内の圧縮空気１６をモデル化した。図２は、エンジン軸線２０に沿って上流から下流を見ている、燃焼配列１０の代替的で例示的な実施の形態における主要な圧縮空気流れの図である。ここでは、ロータシャフトが時計回り方向に回転する。最終的に選択された燃焼器入口６２に進入することになる流線だけが示されている。この調査は、圧縮空気が成す周方向移動の、以前には知られていなかった範囲を明らかにしている。ディフューザ出口１８の全ての位置から到来する圧縮空気１６は、時折不要な流れ循環を生じながら、選択された燃焼器入口６２へ進み、その結果、ディフューザ出口１８と選択された燃焼器入口６２との間で不要な圧力降下が生じる。ある程度の圧縮空気１６がこの図面において時計回り方向に移動させられ、これは、選択された燃焼器入口６２に進入するほとんどの圧縮空気１６の反時計回り方向の移動と相反することがさらに見いだされた。このことは、流れ内で速度の一様性を低減させ、経時的な不安定性を増大させる。これは、不均一な温度をもたらし、より大量の冷却空気などの関係する必要性をもたらしてしまうことがあった。これらの全ての要因は、エンジン効率およびエミッションに不利に作用する。

この問題を軽減するために、発明者は、図２の例示的な実施の形態を詳しく示す図３に示すような半径方向のバッフル７０を提案している。半径方向のバッフル７０は、実質的にプレナム２２の１つの再分割区分であるセクタ７２を画定している。１つの例示的な実施の形態では、各燃焼器缶１２に対して１つのバッフル７０を設けてよく、バッフルは、プレナム２２を均一サイズの複数のセクタ７２に分割してよい。代替的に、バッフルは、その位置の特定の設計要求にとって最適化されてよく、したがって、均一サイズの複数のセクタ７２を形成しなくてよい。バッフル７０は、ほぼ半径方向に配向されてよいが、正確に半径方向に配向する必要はない。バッフルは、当業者に知られたようなプレナム２２における他の構成要素が取り付けられているあらゆる方法で取り付けられてよい。たとえば、図３に示すように、バッフル７０の半径方向内向きの端部は、それぞれの圧縮機出口ディフューザストラットに直接取り付けられてよい。代替的に、トランジションダクトが外側ケーシング２４に固定されているのと同様の方式でバッフル７０を外側ケーシング２４に固定するブラケットを設けてもよい。

バッフル７０の意図された効果は、セクタ７２を形成することである。セクタ７２は、ディフューザ出口１８のクロッキング配置箇所（またはアーチ形セグメントの場合にはクロッキング位置の範囲）から排出された圧縮空気が、半径方向外向きにそのクロッキング位置／範囲に沿って移動することを許容する。クロッキング範囲は、ディフューザ出口１８のアーチ形セグメント７４であってよいので、バッフル７０は、選択されたアーチ形セグメント７６から退出する圧縮空気１６の大部分が、選択されたアーチ形セグメント７６の周方向境界７８内に実質的に残るように、配列されてよい。（圧力を低減する、圧縮空気１６の漏れが許容されており、漏れた圧縮空気は、選択されたアーチ形セグメント７６内に残らない）。

バッフル７０は、アーチ形セグメント７６の周方向の境界７８の半径方向の延在長さに正確に適合させる必要はないが、バッフル７０は、実質的に適合してよいことが理解される。このようにして、圧縮空気１６は、ほぼ半径方向に、選択されたアーチ形セグメント７６から、選択された燃焼器入口６２に通じる、関連する流路３０への入口３２へ移動することができる。入口３２は、セクタ７２の半径方向外側に、かつセクタ７２の同一のクロッキング範囲内に配置されており、圧縮空気１６は、通常、半径方向に配向されたセクタの広がりに沿って移動する。この例示的な実施の形態で示されているように、バッフル７０は、流路３０に通じる入口３２を取り囲むので、入口３２は、完全にそれぞれのセクタ７２内に配置されている。図示の燃焼配列１０では、選択された燃焼器入口６２が流路３０への入口３２とは異なる周方向配置箇所（クロッキング位置）にあることが理解される。セクタ７２内に位置決めされるのはこの入口３２である。バッフル７０は、圧縮空気１６がバッフル７０に隣り合って流れるときにある程度のせん断損失を生じ得ることが理解されるが、これは、得られる利点をふまえると容認できると考えられる。

図４は、バッフル７０の一部の概略斜視図を示している。詳しく前述しているように、燃焼器缶１２の配向および結果として生じる流れダクト４０の配向に基づいて、流れダクト４０は、１つのセクタ７２から隣り合うセクタ７２にまで及んでいてよい。これに適合させるために、バッフル７０は、広がっている流れダクト４０に適合するように寸法付けされたダクト開口部８０を有してよい。バッフル縁８２と広がっているダクト４０との間に隙間があってよい。この隙間は、ブラシシール８４、リーフシール、フィンガシールまたはこれに類するものなどのシーリング要素によりシールされてよい。

圧縮空気１６の周方向の流れを最小化する要求と、隣り合うセクタ７２における圧力差の低減または解消を可能にする機構を有する必要性とのバランスを取る必要がある。バッフル７０が極めて良好なセクタ間シールを形成する場合、エンジンにおける他の公差が隣り合うセクタにおいて異なる圧力をもたらすことになる。これは望ましくないので、ある程度の圧縮空気１６が１つのセクタ７２から別のセクタへ移動することを意図的に許容することが好ましい。このように、圧力差が生じようとする場合には、バッフルは、バッフルを境とする圧力差を低減または解消しようとする程度に十分な透過性を有する。これは、ダクト開口部８０または隙間が生じ得る他のあらゆるところ、たとえばバッフル７０が外側ケーシング２４またはロータケーシング２６などの近傍にある位置において、シーリング要素を省くことにより達成することができる。代替的にまたは付加的に、幾つかまたは全てのバッフル７０は、バッフル７０の選択された１つまたは複数の位置に、もしくは全体にわたって配置された複数の孔８６を有してよい。代替的に、バッフルは、プレナム２２が許容するほど大きくなくてもよい。ディフューザ出口１８の近傍から外側ケーシング２４の近傍にまで広がる代わりに、タービン（図示していない）の近傍までなど、１つまたは複数のバッフル７０の広がりはより小さくてよい。本明細書で使用するとき、「近傍」は、最大のシーリング効果を提供するのに十分に近くである一方で、動作中に生じる寸法変化に適合するのに十分な隙間が残っていることを意味している。１つの例示的な実施の形態では、これは、ほぼ２０ｍｍであってよいが、最終的なサイズは、エンジン内での予想される移動に依存する。

バッフル７０が斜面（ランプ）、凹部または他の湾曲部などの局所的な幾何学形状部８８を有してよいことが考えられ、圧縮空気１６が幾何学形状部を通過するときに圧縮空気１６の流れを変向するためにバッフル７０が使用されてよい。そのような特徴は、バッフルと、そのような局所的な制御から得られる圧縮空気流の局所的な領域との間の入射角を滑らかにするために使用することができる。代替的に、そのような斜面は、船舶の球状船首と同様に作用して２つの衝突を滑らかにし、これにより空気力学損失を低減するために、圧縮空気１６の流れにおける局所的な領域に関してプレナム２２の他の構成要素の正面に配置することもできる。

プレナム２２内での他の役割を果たす様々な構成要素は、構造的支持などの本来の機能と圧縮空気１６の案内などの付加的な機能との２つの役割を果たすように設計されてよい。たとえば、図５は、外側ケーシング２４と、ロータケーシング２６と、ディフューザ出口１８と、流れダクト４０の低い部分と、流れダクト４０を支持するために使用される支持ブラケット９０の例示的な実施の形態とを含む燃焼配列１０の部分斜視図を示している。この例示的な実施の形態では、ロータシャフトは、反時計回り方向に回転する。これらの支持ブラケット９０があらゆる数の方向で機能することができる状況では、図示のように、半径方向で整列された配向が選択されてよい。なぜならば、これが圧縮空気１６の半径方向での案内を補助し得るからである。代替的に、支持ブラケット９０が、気流ガイド９２として機能するように半径方向で整列させることができない場合には、余分な考慮が成されてもよく、ブラケットは、圧縮空気１６がより妨げられずに通流できるようにするために、空隙９４を含んでよいし、または、支持ブラケット９０は、翼と同様に、必要に応じて圧縮空気を方向付けるように構成された気流制御平面を有する局所的な領域を含んでよい。代替的に、翼は、プレナム２２内で別個の構成要素として組み付けられていてよい。さらに別の例示的な実施の形態では、図示の支持ブラケット９０は、その支持機構を提供するのに必要であるよりも大きなサイズに拡張することができるので、支持ブラケット９０自体が、バッフルにもなる。

上述の記載が示すように、本願発明者は、新しい燃焼配列が、従来の燃焼配列のように、軸方向に配向された圧縮空気の流れに有利を利用しなかったことを認めており、さらに新しい燃焼配列とともに従来のエンジン構造を使用することにより重大な欠点が生じることを確認した。結果として生じる解決手段は、単純かつ割安で、直ちに実行可能であるにもかかわらず、新しい燃焼配列を使用することにより生じる重大な欠点を軽減する。したがって、この解決手段は、当該技術における発展を意味している。

本発明の様々な実施の形態を本明細書に図示し説明したが、そのような実施の形態は単なる例として提供されていることは明らかである。発明の範囲から逸脱することなく、多数の変更、変化および代替を行ってよい。よって、本発明は、添付の請求項の思想および範囲によってのみ制限されることが意図されている。

Claims (20)

1. カニュラ型ガスタービンエンジン燃焼配列であって、
   燃焼器入口と、該燃焼器入口から周方向および軸方向でオフセットされた燃焼器出口とを有する燃焼器缶と、
   プレナムを画定する外側ケーシングであって、該プレナム内に前記燃焼器缶が配置されている、外側ケーシングと、
   前記プレナムを半径方向の複数のセクタに分割するように構成されかつ前記プレナム内の圧縮空気の周方向の移動を抑制するように構成された複数のバッフルと、
   を備えることを特徴とする、カニュラ型ガスタービンエンジン燃焼配列。
2. バッフルが半径方向に配向されている、請求項１記載の燃焼配列。
3. ディフューザ出口をさらに備え、前記バッフルは、前記ディフューザ出口の近傍から前記外側ケーシングの近傍にまで広がっている、請求項１記載の燃焼配列。
4. 前記バッフルは、前記外側ケーシングの近傍からロータケーシングの近傍にまで広がっている、請求項１記載の燃焼配列。
5. 隣り合う２つの前記バッフルが、その間にセクタを画定しており、前記バッフルは、隣り合う複数のセクタの間の圧力差を低減するように構成された複数の孔をさらに有する、請求項１記載の燃焼配列。
6. バッフル縁にシール要素をさらに備える、請求項１記載の燃焼配列。
7. 各前記バッフルは、前記プレナム内に存在する他の構成要素の周りに圧縮空気の局所的な領域を案内するように構成された局所的な幾何学特徴をさらに有する、請求項１記載の燃焼配列。
8. 前記バッフルは、前記燃焼器入口に通じる流路への入口を取り囲んでいる、請求項１記載の燃焼配列。
9. 流れスリーブが、前記流路と該流路への前記入口とを画定している、請求項８記載の燃焼配列。
10. 圧縮空気を半径方向に案内するように構成された気流ガイドをさらに備える、請求項１記載の燃焼配列。
11. 前記気流ガイドを有する支持ブラケットをさらに備える、請求項１０記載の燃焼配列。
12. カニュラ型ガスタービンエンジン燃焼配列であって、
    間にプレナムを画定する外側ケーシングおよびロータケーシングと、
    前記プレナム内へ圧縮空気を排出するように構成されたディフューザと、
    タービンと、
    燃焼器入口を有する燃焼器缶と、
    を備え、
    改良は、前記プレナムを半径方向の複数のセクタに分割するように構成された複数のバッフルを備え、各前記バッフルは、前記外側ケーシングと前記ロータケーシングと前記ディフューザとの間に延在していて、かつ前記プレナムを複数のセクタに区切り、前記セクタの間の圧縮空気の移行を抑制するように構成されていることを含むことを特徴とする、カニュラ型ガスタービンエンジン燃焼配列。
13. 前記バッフルは、隣り合う複数のセクタの間の圧力差を低減するように構成された複数の孔をさらに有する、請求項１２記載の燃焼配列。
14. 当該燃焼配列は、高温の燃焼ガスを案内するように構成された複数のダクトをさらに備え、各前記ダクトは、隣り合う２つのセクタに広がっており、各前記バッフルは、それぞれのダクトに適合するためのダクト開口部をさらに有する、請求項１２記載の燃焼配列。
15. 各前記バッフルは、圧縮空気を案内するように構成された幾何学形状部をさらに有する、請求項１２記載の燃焼配列。
16. 各前記セクタは、前記燃焼器入口に通じる流路への入口を有する、請求項１２記載の燃焼配列。
17. 前記改良は、圧縮空気を半径方向に案内するように構成された気流ガイドをさらに含む、請求項１２記載の燃焼配列。
18. カニュラ型ガスタービンエンジン燃焼配列であって、
    間にプレナムを画成する外側ケーシングおよびロータケーシングと、
    前記プレナム内へ圧縮空気を排出するように構成されたディフューザと、
    タービンと、
    燃焼器入口を有する燃焼器缶と、
    前記プレナム内に配置され、前記プレナムを半径方向の複数のセクタに分割するように構成され、かつ前記プレナム内での圧縮空気の周方向の移動を抑制するのに有効な、複数のバッフルであって、半径方向に隣り合う複数の前記バッフルがその間に１つのセクタを画定する、バッフルと、
    複数の高温ガスダクトであって、各高温ガスダクトは、それぞれの前記燃焼器缶からタービン入口へ高温ガスを案内するように構成され、かつ少なくとも２つのセクタに広がっている、高温ダクトと、
    を備えることを特徴とする、カニュラ型ガスタービンエンジン燃焼配列。
19. 各前記バッフルは、広がっている高温ガスダクトに適合するためのダクト開口部を有する、請求項１８記載の燃焼配列。
20. 各前記バッフルは、複数の孔を有する、請求項１８記載の燃焼配列。

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