JP2017502237A - タービンエンジン用の燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

主段（１４）と二次段（１６）とを結合することができ、許容可能なエンジン動力学とＮＯｘエミッションを維持しながら比較的一定の燃料比に保持することができる、燃料システム（１０）における効率を改善するためのタービンエンジン（１２）用の燃料システム（１０）が開示される。燃料システム（１０）は、燃焼器内筒（２０）の上流に位置する第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）から形成されていてよく、第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）は二次噴射器システムである。燃料システム（１０）は、第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）から形成されていてよく、第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）は、第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）の下流に位置するメイン噴射器システムである。第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）と第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）とは、燃料システム（１０）が、第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）と一次噴射器アセンブリ段（２２）とを介して同時にタービンエンジン（１２）の燃焼器（２４）内に燃料を放出できるように、互いに連結されていてよい。

Description

本発明は、一般にタービンエンジンに関し、より詳細にはタービンエンジン用の燃料システムに関する。

典型的に、ガスタービンエンジンは、火炎ゾーンの上流の空気と混合させるように燃焼器内に燃料を噴射するために複数の噴射器を有している。従来のタービンエンジンの燃料噴射器は、少なくとも３つの異なる構成のうちの１つに配置することができる。燃料噴射器が希薄予混合火炎システムに設けられていてよく、この希薄予混合火炎システムでは、火炎ゾーンでの燃焼時に空気と燃料が完全に混合されるように、空気・燃料混合物が点火される場所の十分上流の空気流に燃料が噴射される。また、燃料噴射器は、燃料と空気が混合されると同時に燃焼されるような拡散火炎システム内に構成されてもよい。しばしば部分予混合システムと呼ばれるさらに別の構成では、燃料噴射器は、空気の一部が燃料と混合されるのに十分な距離をおいて、火炎ゾーンの上流に燃料を噴射することができる。部分予混合システムは、希薄予混合火炎システムと拡散火炎システムとの組み合わせである。

運転中、燃料は燃焼室内に、（トップハット噴射又はパイロット予混合特徴を有する構造のための）パイロットノズル、Ａ段、Ｂ段、Ｃ段のような３つ又は４つのステージ内へと噴射器により噴射される。パイロットノズルは、予混合及び拡散ステージから形成されていてもよい。パイロットノズルは、小拡散火炎噴射器を形成するように燃焼する燃料を提供し、かつ、予混合されたＡ段、Ｂ段、Ｃ段における安定性を提供する。多くの場合、タービンエンジンは、高レベルの空気流を使用して運転されるので、これにより、大量のＮＯｘ形成を阻止するのに十分低い火炎温度を有する希薄燃料混合物が生じる。しかしながら、希薄火炎は火炎温度が低いので、希薄火炎はＣＯの生成量が高くなりやすい。過剰なＣＯの生成量は有害であるので、ＣＯエミッションを制限する必要性がある。

タービンエンジンはしばしば、全負荷時よりも部分負荷時においてより高い空燃比で運転される。しかしながらタービンエンジンは全負荷に合わせて設計されている。従って、全負荷で運転されるように設計されたノズルは、部分負荷の際には極めて希薄に運転される。部分負荷時にエンジンを通過する空気流を減じるために入口ガイドベーン（ＩＧＶ）を使用することができ、これにより空燃比をあげ、より広い範囲の負荷にわたってより効率良くエンジンを運転することができる。しかしながら、ＩＧＶは、限られた量の空気流を制限するために使用されるに過ぎない。

ＩＧＶを効果的に使用することができる負荷よりも高い負荷の際に、燃料噴射を制御するために燃料ステージングが利用される。燃料ステージングは、燃料システム内の全ての噴射器よりも少ない噴射器から燃料を放出する方法である。燃料を放出する噴射器の数を減らすことにより、部分負荷でのタービンエンジンの運転中に噴射器を通過する燃料の量は増加し、従って、焼損は改善される。しかしながら、燃料ステージングを使用することにより、重複する補助配管、オリフィス燃料流メータ、圧力センサ、温度センサ、差圧を検出するセンサが必要となる。従って、許容可能なエンジン動力学とＮＯｘエミッションを維持しながら燃料システムにおける効率を上げる必要性が存在する。

主段と二次段とを結合することができ、許容可能なエンジン動力学とＮＯｘエミッションを維持しながら比較的一定の燃料比に保持することができる、燃料システムにおける効率を改善するためのタービンエンジン用の燃料システムが開示される。燃料システムは、燃焼器内筒の上流に位置する第１の予混合噴射器アセンブリ段から形成されていてよく、第１の予混合噴射器アセンブリ段は二次噴射器システムである。燃料システムは、第１の一次噴射器アセンブリ段から形成されていてよく、第１の一次噴射器アセンブリ段は、第１の予混合噴射器アセンブリの下流に位置するメイン噴射器システムである。第１の予混合噴射器アセンブリ段と第１の一次噴射器アセンブリ段とは、燃料システムが、第１の予混合噴射器アセンブリ段と一次噴射器アセンブリ段とを介して同時にタービンエンジンの燃焼器内に燃料を放出できるように、互いに連結されていてよい。

タービンエンジン用のこの燃料システムは、燃焼器内筒の上流に位置する少なくとも１つの噴射器を有する第１の予混合噴射器アセンブリ段を有していてよく、該第１の予混合噴射器アセンブリ段は二次噴射器システムである。この燃料システムは、第１の予混合噴射器アセンブリの下流に位置する少なくとも１つの噴射器を有する第１の一次噴射器アセンブリ段をさらに有していてよく、この第１の一次噴射器アセンブリはメイン噴射器システムである。第１の予混合噴射器アセンブリ段と第１の一次噴射器アセンブリ段とは、第１の予混合噴射器アセンブリ段と燃焼器内の火炎との間の距離が、第１の一次噴射器アセンブリ段と燃焼器内の火炎との間の距離よりも大きくなるように配置されていてよい。第１の予混合噴射器アセンブリ段と第１の一次噴射器アセンブリ段とは、燃料システムが、第１の予混合噴射器アセンブリ段と一次噴射器アセンブリ段とを介して同時にタービンエンジンの燃焼器内に燃料を放出できるように、互いに連結されていてよい。

第１の予混合噴射器アセンブリ段と第１の一次噴射器アセンブリ段とは、燃料マニホルドを介して互いに連結されていてよく、これにより、この燃料マニホルドへと供給される燃料は、第１の予混合噴射器アセンブリ段と第１の一次噴射器アセンブリ段とに分配されるようになっている。結合された第１の予混合噴射器アセンブリ段と第１の一次噴射器アセンブリ段の燃料比を調節するために、同調オリフィスプレートが第１の予混合噴射器アセンブリ段と一列に位置していてよい。少なくとも１つの実施の形態では、第１の予混合噴射器アセンブリ段は、燃料システム内に位置するプレスワーラ（preswirler）の上流に位置していてよい。第１の一次噴射器アセンブリ段は、プレスワーラのところに位置しているか、又はプレスワーラの下流に位置していてよい。

燃料システムは、第１の予混合噴射器アセンブリ段が、燃焼器内に噴射される総燃料の約１０パーセント〜約２０パーセントを噴射できるように構成されていてよい。第１の一次噴射器アセンブリ段は、燃焼器内に噴射される総燃料の約２５パーセント〜約４５パーセントを噴射するように構成されていてよい。燃料システムは、第１の予混合噴射器アセンブリ段の下流に位置する少なくとも１つの噴射器から形成されるパイロット段をさらに有していてよい。少なくとも１つの実施の形態では、パイロット段は、燃焼器内に噴射される総燃料の１０パーセント未満を噴射するように構成されていてよい。

別の実施の形態では、燃料システムは、第１の予混合噴射器アセンブリの下流に位置する少なくとも１つの噴射器を有する第２の一次噴射器アセンブリ段をさらに有していてよく、この第２の一次噴射器アセンブリはメイン噴射器システムである。第１の一次噴射器アセンブリ段は、燃料システムのメイン噴射器によって噴射される総燃料の少なくとも４０％を放出してよい。別の実施の形態では、第１の一次噴射器アセンブリ段は、燃料システムのメイン噴射器によって噴射される総燃料の少なくとも５０％を放出してよい。

この燃料システムの利点は、この燃料システムが、許容可能なエンジン動力学とＮＯｘエミッションを維持しつつ、一次燃料噴射器アセンブリ段と二次燃料噴射器アセンブリ段とを結合することができ、これにより重複する補助配管、オリフィス燃料流メータ、圧力センサ、温度センサ、差圧を検出するセンサを省くことができることにある。

これらの実施の形態及びその他の実施の形態を以下でより詳細に説明する。

明細書の一部に組み込まれ、明細書の一部を形成する添付の図面は、ここに開示される発明の実施の形態を例示し、詳細な説明と共に発明の原理を開示する。

本発明に係る燃料システムを備えたタービンエンジンの一部を示す断面図である。 本発明の態様を含む燃料システムを備えた燃焼器の詳細な側方断面図である。 燃料システムの選択的な実施の形態の詳細な側方断面図である。 燃料システムを備えた燃焼器の側面図である。 一次燃料段と二次燃料段についての典型的なエンジン燃料流を示すグラフである。 結合された一次燃料段と二次燃料段とを備えた燃料システムの模式図である。

図１〜図６に示すように、主段１４と二次段１６とを結合することができ、許容可能なエンジン動力学とＮＯｘエミッションを維持しながら比較的一定の燃料比に保持することができる、燃料システム１０における効率を改善するためのタービンエンジン１２用の燃料システム１０が開示される。燃料システム１０は、燃焼器内筒２０の上流に位置する第１の予混合噴射器アセンブリ段１８から形成されていてよく、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８は二次噴射器システムである。燃料システム１０は、第１の一次噴射器アセンブリ段２２から形成されていてよく、第１の一次噴射器アセンブリ段２２は、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８の下流に位置する一次噴射器システムである。第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２とは、燃料システム１０が、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と一次噴射器アセンブリ段２２とを介して同時にタービンエンジン１２の燃焼器２４内に燃料を放出できるように互いに連結されていてよい。

図１〜図３に示すように、タービンエンジン用の燃料システム１０は、燃焼器内筒２０の上流に位置する１つ以上の噴射器２６から形成される第１の予混合噴射器アセンブリ段１８を有していてよい。第１の予混合噴射器アセンブリ段１８は二次噴射器システム１６であってよい。少なくとも１つの実施の形態では、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８は、全負荷時に燃焼器２４内に噴射される総燃料の約１０パーセント〜約２０パーセントを噴射することができるように構成されていてよい。

図１〜図３に示すように、燃料システム１０は、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８の下流に位置する１つ以上の噴射器２８から形成される第１の一次噴射器アセンブリ段２２をさらに有していてよく、この第１の一次噴射器アセンブリはメイン噴射器システムである。第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２とは、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と燃焼器２４内の火炎３０との間の距離が、第１の一次噴射器アセンブリ段２２と燃焼器２４内の火炎３０との間の距離よりも大きくなるように配置されていてよい。図６に示すように、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２とは、燃料システム１０が、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２とを介して同時にタービンエンジン１２の燃焼器２４内に燃料を放出できるように、互いに連結されていてよい。少なくとも１つの実施の形態では、第１の一次噴射器アセンブリ段２２は、全負荷時に燃焼器２４内に噴射される総燃料の約２５パーセント〜約４５パーセントを噴射するように構成されていてよい。

図６に示すように、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２とは、燃料マニホルド３２を介して互いに連結されていてよく、この結果、この燃料マニホルド３２へと供給される燃料が、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２とに分配されるようになっている。結合された第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２の燃料比を調節するために、同調オリフィスプレート３４が第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と一列に位置していてよい。図５に示すように、燃料比を、エンジン負荷範囲にわたってほぼ一定に制御し維持することができる。少なくとも１つの実施の形態では、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８は、燃料システム１０内に位置するプレスワーラ３６の上流に位置していてよい。図３に示すように、第１の一次噴射器アセンブリ段２２はプレスワーラ３６のところに位置していてよく、このため燃料を排出する下流端部はプレスワーラ３６のところにある。図４に示す別の実施の形態では、第１の一次噴射器アセンブリ段２２、特に燃料を排出する下流端部が、プレスワーラ３６の下流に位置していてもよい。

燃料システム１０は、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８の下流に位置する１つ以上の噴射器４０から形成されるパイロット段３８をさらに有していてよい。少なくとも１つの実施の形態では、パイロット段３８は、燃焼器２４内に噴射される総燃料の１０パーセント未満を噴射するように構成されていてよい。

別の実施の形態では、燃料システム１０は、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８の下流に位置する１つ以上の噴射器４４から形成される第２の一次噴射器アセンブリ段４２をさらに有していてよく、この第２の一次噴射器アセンブリはメイン噴射器システムである。第１の一次噴射器アセンブリ段２２は、燃料システム１０のメイン噴射器によって噴射される総燃料の少なくとも４０％を放出してよい。別の実施の形態では、第１の一次噴射器アセンブリ段２２は、燃料システム１０のメイン噴射器によって噴射される総燃料の少なくとも５０％を放出してよい。

燃料システム１０は、許容可能なエンジン動力学とＮＯｘエミッションを維持しつつ、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２のような、一次燃料噴射器アセンブリ段１４と二次燃料噴射器アセンブリ段１６とを結合することができ、これにより、重複する補助配管、オリフィス燃料流メータ、圧力センサ、温度センサ、差圧を検出するセンサを省くことができる。

図５に示すように、運転中、第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２のような、結合された一次燃料噴射器アセンブリ段１４と二次燃料噴射器アセンブリ段１６とは、同時に作動させることができ、４０パーセント〜１００パーセントの負荷のようなエンジン負荷にわたって同じ燃料比で運転させることができる。パイロット段３８と第２の一次噴射器アセンブリ段４２とを含む実施の形態では、パイロット段３８と第２の一次噴射器アセンブリ段４２とが結合された第１の予混合噴射器アセンブリ段１８と第１の一次噴射器アセンブリ段２２と共に運転されてよく、これにより所望のエンジン負荷、エンジン動力学、閾値を超過しないＮＯｘエミッションを達成することができる。

上記説明は、本発明の実施の形態を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (13)

1. タービンエンジン（１２）用の燃料システム（１０）であって、
   燃焼器内筒（２０）の上流に位置する少なくとも１つの噴射器（２６）を有する第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）を備え、該第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）は二次噴射器システムであり、
   前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）の下流に位置する少なくとも１つの噴射器（２８）を有する第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）を備え、該第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）はメイン噴射器システムであり、
   前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）と前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）とは、前記燃料システム（１０）が、前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）と前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）とを介して同時に前記タービンエンジン（１２）の燃焼器（２４）内に燃料を放出できるように互いに連結されており、
   前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）と前記燃焼器（２４）内の火炎との間の距離が、前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）と前記燃焼器（２４）内の火炎との間の距離よりも大きい
   ことを特徴とする、タービンエンジン（１２）用の燃料システム（１０）。
2. 前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）と前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）とは、燃料マニホルド（３２）を介して互いに連結されていて、該燃料マニホルド（３２）へと供給される燃料は、前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）と前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）とに分配されるようになっている、請求項１記載の燃料システム（１０）。
3. 結合された前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）と前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）の燃料比を調節するために、前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）と一列に位置する同調オリフィスプレート（３４）を有している、請求項２記載の燃料システム（１０）。
4. 前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）は、前記燃料システム（１０）内に位置するプレスワーラ（３６）の上流に位置している、請求項１記載の燃料システム（１０）。
5. 前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）は、前記プレスワーラ（３６）のところに位置している、請求項４記載の燃料システム（１０）。
6. 前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）は、前記プレスワーラ（３６）の下流に位置している、請求項４記載の燃料システム（１０）。
7. 前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）は、前記燃焼器（２４）内に噴射される総燃料の約１０パーセント〜約２０パーセントを噴射するように構成されている、請求項１記載の燃料システム（１０）。
8. 前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）は、前記燃焼器（２４）内に噴射される総燃料の約２５パーセント〜約４５パーセントを噴射するように構成されている、請求項１記載の燃料システム（１０）。
9. 前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）の下流に位置する少なくとも１つの噴射器（４０）から形成されるパイロット段（３８）を有している、請求項１記載の燃料システム（１０）。
10. 前記パイロット段（３８）は、前記燃焼器（２４）内に噴射される総燃料の１０パーセント未満を噴射するように構成されている、請求項９記載の燃料システム（１０）。
11. 前記第１の予混合噴射器アセンブリ段（１８）の下流に位置する少なくとも１つの噴射器（４４）を有する第２の一次噴射器アセンブリ段（４２）をさらに備え、該第２の一次噴射器アセンブリ段（４２）はメイン噴射器システムである、請求項１記載の燃料システム（１０）。
12. 前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）は、前記燃料システム（１０）のメイン噴射器によって噴射される総燃料の少なくとも４０％を放出する、請求項１１記載の燃料システム（１０）。
13. 前記第１の一次噴射器アセンブリ段（２２）は、前記燃料システム（１０）のメイン噴射器によって噴射される総燃料の少なくとも５０％を放出する、請求項１２記載の燃料システム（１０）。

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