JP2599881B2 - 二重アンニュラ燃焼器 - Google Patents

二重アンニュラ燃焼器

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JP2599881B2
JP2599881B2 JP5068996A JP6899693A JP2599881B2 JP 2599881 B2 JP2599881 B2 JP 2599881B2 JP 5068996 A JP5068996 A JP 5068996A JP 6899693 A JP6899693 A JP 6899693A JP 2599881 B2 JP2599881 B2 JP 2599881B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34Feeding into different combustion zones
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般にガスタービンエ
ンジンの燃焼システムに関し、特に、それぞれが内側部
分と外側部分とを有している内側及び外側ドームプレー
トを有しており、同心に配置されている内側及び外側ア
ンニュラ(環状)燃焼器と、内側部分と外側部分と中間
部分とを有しているカウル構造とを有している二重アン
ニュラ燃焼器であって、カウルの外側部分は外側ドーム
プレートの外側部分に連結されており、カウルの内側部
分は内側ドームプレートの内側部分に連結されており、
カウルの中間部分は外側ドームプレートの内側部分と内
側ドームプレートの外側部分とに連結されている二重ア
ンニュラ(環状)燃焼器に関する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービンエンジンの放出物を減らす
努力の中から、段階燃焼技術が開発された。段階燃焼技
術は、1つ又は1組のバーナをアイドルのような低速低
温状態で用い、他の(追加の)1つ又は1組のバーナを
高温運転状態で用いる技術である。このような着想の具
体的な構成の1つに、2段が単一燃焼器ライナ内に同心
に配置されている二重アンニュラ燃焼器がある。通常、
パイロット段セクションは、同心外側に配置されてお
り、エンジンのアイドル運転中に低温且つ低い燃料/空
気比状態で動作する。主段セクションは、同心内側に配
置されており、後から燃料が供給されパイロット段から
クロス点火されて、高温且つ比較的高い燃料/空気比状
態で動作する。パイロット段及び主段セクションそれぞ
れのスワーラカップは通常、同じ半径方向及び円周方向
平面内にある。これらのスワーラカップは、ウィルクス
(Wilkes)等の米国特許番号第4292801号、並び
にサザラン(Sotheran)の米国特許番号第437446
6号及び同第4249373号に具体的に示されてい
る。
【0003】他方、アメリカ合衆国航空宇宙局(NAS
A)に提出された高エネルギ効率エンジン(E(En
ergy Efficient Engine))のた
めの燃焼システム部品技術についての開発報告書には、
パイロット段(外側アンニュラ燃焼器)と、主段(内側
アンニュラ燃焼器)とが半径方向にオフセットされてい
る(即ち、異なる半径方向平面内に配置されている)二
重アンニュラ燃焼器構造が開示されている。ステンガ
(Stenger )の米国特許番号第4194358号にも、
二重アンニュラ燃焼器構造が開示されており、この構造
では内側及び外側アンニュラ燃焼器が半径方向にオフセ
ットされているが、パイロット段は燃焼器の半径方向内
側部分に配置されており、主段セクションはをその半径
方向外側部分に配置されている。米国特許番号第419
4358号及びE構造のいずれにおいても、主段セク
ションの有効長さは比較的短く、パイロット段セクショ
ンの有効長さは比較的長い。この構造とすれば、パイロ
ット段セクションでの滞留時間が比較的長く、主段セク
ションでの滞留時間が比較的短いので、完全な又は完全
に近い燃焼を実現し、炭化水素及び一酸化炭素の放出量
を減らすことができる。
【0004】内側及び外側燃焼器を半径方向に整列させ
るかさせないか、又、外側アンニュラ燃焼器がパイロッ
ト段となるか主段となるか、いずれにしても、従来技術
ではパイロット段と主段とを分離するために中心体を用
いている。このような中心体を用いる目的は、種々の動
作点でのパイロット段の燃焼安定性を保証するために、
及び一次希釈空気をパイロット段反応域に送るために、
パイロット段を主段から隔離することである。しかしな
がら、このような中心体の設計は、かなりの量の冷却空
気流を必要とし、又、エンジンパワーの設定が増加され
て、両方の段が必要になったときに、火炎がパイロット
段セクションから主段セクションにジャンプするクロス
ファイア性能を妨害する可能性がある。従って、本発明
は、燃焼器の所望の特性を維持しながら、パイロット段
と主段との間の中心体をなくした、二重アンニュラ燃焼
器の他の構成を提案するものである。
【0005】
【発明の概要】本発明によれば、同心に配置されている
内側及び外側アンニュラ(環状)燃焼器を有している二
重アンニュラ(環状)燃焼器に、内側及び外側ドームプ
レートが設けられている。各ドームプレートは内側部分
と、外側部分とを有している。内側部分と、外側部分
と、中間部分とを有しているカウル構造も設けられてい
る。カウルの外側部分は外側ドームプレートの外側部分
に連結されており、カウルの内側部分は内側ドームプレ
ートの内側部分に連結されており、カウルの中間部分は
外側ドームプレートの内側部分と、内側ドームプレート
の外側部分とに連結されている。更に、内側及び外側ア
ンニュラ燃焼器は、異なる半径方向平面に配置されてお
り、これにより、下流側のアンニュラ燃焼器のドームプ
レートは、上流方向にカウルの中間部分まで延在してい
る部分を含んでいる。
【0006】本発明の特徴は、特許請求の範囲に記載し
た通りであるが、本発明をもっとよく理解できるよう
に、以下に図面を参照しながら説明する。
【0007】
【実施例】図面中の同一の参照番号は同一の構成要素を
示す。図1はガスタービンエンジンに用いるのに適当な
形式の連続燃焼用燃焼装置10を示しており、燃焼装置
10は、内部に燃焼室12を画定している中空体11を
備えている。中空体11はほぼ環状の(アンニュラ)形
状を成しており、外側ライナ13と、内側ライナ14と
から成っている。中空体11の上流端には、後述するよ
うな好適な態様で空気及び燃料を取り込む一対の環状開
口15及び16が設けられている。
【0008】中空体11は適当なシェル17によって包
囲されており、シェル17はライナ13及び14と共
に、外側通路18と内側通路19とをそれぞれ画定して
いる。外側及び内側通路18及び19は、圧縮機(図示
せず)のような適当な供給源及びディフューザ20から
の加圧空気を、下流側への流れとして送るように構成さ
れている。ディフューザ20からの圧縮空気の大部分は
環状開口15及び16に入って燃焼を支持し、圧縮空気
の一部は通路18及び19に入って、これらの通路で、
複数の開口21を介してライナ13及び14を冷却した
り、更に下流側のターボ機関を冷却するために用いられ
る。
【0009】外側ドームプレート22及び内側ドームプ
レート23が、外側ライナ13と内側ライナ14との間
にそれぞれ配置されていると共に、両ライナをそれらの
上流端の近くで相互連結している。外側ドームプレート
22及び内側ドームプレート23の各々は、内側部分2
6及び27と、外側部分28及び29とをそれぞれ有し
ている。従って、外側ドームプレートの外側部分28は
外側ライナ13に連結されており、内側ドームプレート
の内側部分27は内側ライナ14に連結されている。
【0010】ドームプレート22及び23は、いわゆる
「二重アンニュラ(環状)」形状に配列されており、両
者は、別々の半径方向に離間したアンニュラ燃焼器の前
方境界を形成している。これらの燃焼器は、種々の段切
換運転時に別個の燃焼器として、ある程度独立に動作す
る。記載の便宜上、これらのアンニュラ燃焼器を内側ア
ンニュラ燃焼器24及び外側アンニュラ燃焼器25と呼
び、以下に更に詳しく説明する。
【0011】外側ドームプレート22には、複数の気化
器(キャブレタデバイス)30が円周方向に間隔をあけ
て配置されている。これらの気化器30の軸線は、外側
アンニュラ燃焼器25の軸線と一致していると共に、ほ
ぼまっすぐなアンニュラ燃焼器の輪郭を描くように外側
ライナ13とほぼ心合わせされている。尚、気化器30
は、燃焼室12に導入するために燃料と空気とを混合す
る作用、即ち気化作用をなすものであれば、どのような
設計でもよい。設計の一例が、本出願人に譲渡されたス
テンガ(Stenger )等の米国特許番号第4070826
号「低圧燃料噴射システム」に記載され、図示されてい
る。一般に、気化器30は燃料管31から燃料ノズル3
3を通して燃料を受け取ると共に、環状開口15から空
気を受け取り、燃料を空気の流れによって噴霧し、燃焼
室12に燃料の噴霧ミストを生成する。
【0012】外側ドームプレート22と同様に、内側ド
ームプレート23は、円周方向に間隔をあけて配置され
ている複数の気化器32を含んでおり、これらの気化器
32の軸線は、気化器30の軸線とほぼ平行に配列され
ている。気化器32は内側ドームプレート23及び内側
ライナ14と共に、内側アンニュラ燃焼器24を画定し
ている。前述したように内側アンニュラ燃焼器24は、
外側アンニュラ燃焼器25とほぼ独立に動作させること
ができる。やはり、気化器32の特定の形式及び構造
は、本発明にとって重要ではないが、効率がよく、放出
ガス量の少ない最適な性能とすることが好ましい。記載
の便宜のためだけであるが、気化器32は、空気流容量
が実質的に大きいことを除いては、気化器30と同じで
ある。気化器32は、燃料を導入する燃料管31に連結
されている燃料ノズル34を含んでおり、燃料ノズル3
4によって、燃料は高圧により噴霧されるか、低圧で液
体状態で導入される。一次スワラ35が環状開口16か
ら空気を受け入れており、空気を燃料と相互作用させ、
燃料をベンチュリ36に渦巻き状に導入する。次に、二
次スワラ37が反対向きの空気の渦流を与えるように作
用し、燃料/空気混合物と相互作用させて、燃料/空気
混合物を更に霧化し、燃焼室12に流入させる。拡開し
たスプラッシュプレート38を気化器32の下流端に用
いて、燃料/空気混合物が分散し過ぎるのを防止するよ
うにしてもよい。
【0013】点火器39が外側アンニュラ燃焼器25に
点火できるようにするために、外側ライナ13に装着さ
れている。図1に示すように、点火器39は外側アンニ
ュラ燃焼器25の下流側に配置されており、気化器30
の中心線とほぼ一直線に並べられている。二重アンニュ
ラ燃焼器10は、機械的複雑さや製造費用を減少させる
と共に、有効な冷却の困難性を軽減するために、従来の
構造に見られるような中心体を含んでいない。更に、中
心体は、パイロット状態から主段を点火する能力(即
ち、クロスファイア性能)を妨害するおそれがある。
【0014】図1に示すように、燃焼器10は好ましく
は、外側部分41と、内側部分42と、中間部分43と
を有している一部材のカウル構造40を含んでいる。図
示のように、外側部分41は、気化器30の周りの外側
ドームプレート22の外側部分28及び外側ライナ13
への連結部から、外側アンニュラ燃焼器25と内側アン
ニュラ燃焼器24との間に配置されている中間部分43
まで延在している。ここで、内側ドームプレート23の
外側部分29と、外側ドームプレート22の内側部分2
6とを、ボルト締め又はその他の類似の手段によって、
中間部分43に連結することが好ましい。図示の例で
は、内側ドームプレート23の外側部分29が、外側ド
ームプレート22の内側部分26と中間部分43との間
に挟まれているが、外側部分29と内側部分26とを別
々に中間部分43に連結してもよい。又、この連結を外
側アンニュラ燃焼器25とほぼ整列させることも好まし
い。カウルの中間部分43は図1に示すように、内側及
び外側アンニュラ燃焼器24及び25の間の半径方向オ
フセットに対応すべく外側アンニュラ燃焼器25から下
流側に内側アンニュラ燃焼器24まで延在するように、
湾曲していることが好ましい。外側部分29の他端は、
ろう付け又はその他の類似の手段によってスプラッシュ
プレート38に取り付けられている。
【0015】更に詳しくは、内側ドームプレート23の
外側部分29は、気化器32にほぼ平行に延在している
部分44を含んでいる。図2及び図3に示すように、部
分44には、内側ドームプレート23の外側部分29へ
の冷却を行う複数の冷却孔45が設けられている。更
に、部分44には希釈孔46も設けられている。希釈孔
46は、冷却孔45より寸法が実質的に大きく、数が実
質的に少ない。更に、カウル構造40の内側部分42
は、内側ドームプレート23の内側部分27に連結され
ている。
【0016】この構成では、内側ドームプレート23の
外側部分29は、パイロット段を保護又は遮蔽するため
に用いられている。このことは、パイロット段のみの動
作中に、低温の主段空気がパイロット段の燃焼反応を消
炎するのを防止し、これにより、一酸化炭素や未燃焼炭
化水素等の低パワーガス放出物を減少させることに役立
つ。遮蔽された領域は、パイロット段に強力な再循環区
域を確立して、パイロット段の燃焼安定性を高めると共
に、一酸化炭素や未燃焼炭化水素を更に低減させること
にも役立つ。更に、この設計とすれば、内側一次希釈空
気を十分なドーム圧力降下を伴って主段の後ろ側からパ
イロット段に供給することができ、これにより、ジェッ
ト貫通作用が達成されて、パイロット段の火炎がより適
切に安定化される。
【0017】ここで上述した二重アンニュラ燃焼器の動
作について説明すると、所望の燃焼状態を得るために
は、外側アンニュラ燃焼器25及び内側アンニュラ燃焼
器24を個別に又は組み合わせて用いる。始動及び低速
状態では、外側アンニュラ燃焼器25を単独で用いるこ
とが好ましく、このため、外側アンニュラ燃焼器25を
パイロット段と呼ぶ。内側アンニュラ燃焼器24は高速
高温状態で用い、このため、内側アンニュラ燃焼器24
を主段燃焼器と呼ぶ。エンジンを始動する際、及びアイ
ドル状態の運転中、気化器30に燃料管31を経て燃料
を送り、パイロット段を点火器39によって点火する。
ディフューザ20からの空気は、動作中の気化器30に
も、動作していない気化器32にも流れる。このような
アイドル状態の間、温度及び空気流はいずれも比較的低
いので、パイロット段は比較的狭い燃料/空気比の範囲
で動作し、そして気化器30の軸線延長線上にある外側
ライナ13は、比較的低温レベルでの狭い温度の上がり
下がりを経験するだけである。このため、開口21内の
冷却流れ分布を最小に維持することができる。更に、外
側ドームプレート22及び内側ドームプレート23は異
なる軸線方向平面内にあるので、パイロット段は主段に
比べて比較的長く、パイロット段での滞留時間が好まし
いことに比較的長くなるので、炭化水素や一酸化炭素の
放出量が最小限になる。
【0018】エンジン速度が上昇するにつれて、主段を
動作状態にするために、燃料管31によって燃料を燃料
ノズル34に、そしてその後、気化器32に導入する。
このような高速運転の間、パイロット段は動作状態に留
まるが、主段が燃料及び空気の大部分を消費する。尚、
主段はパイロット段と比べて、両段間の軸線方向のオフ
セットのせいで、軸線方向長さが短く、このため、滞留
時間が比較的短くなり、NOx放出量が少なくなる。
【0019】図1に示す実施例とは別の実施例として、
パイロット段を内側アンニュラ燃焼器とし、主段を外側
アンニュラ燃焼器としてもよい。この場合、図5に示す
ように、内側アンニュラ燃焼器51に点火器50を設け
なければならない。内側アンニュラ燃焼器51はパイロ
ット段として機能するので、内側アンニュラ燃焼器51
を外側アンニュラ燃焼器52の上流側に半径方向にオフ
セットして配置することが好ましい。
【0020】本質的には、図5の実施例は図1の実施例
の鏡像であり、このため、外側ドームプレート53は、
図1の内側ドームプレート23の外側部分29の部分4
4と同様の延在部分55を有している内側部分54を含
んでいる。その他の構成要素は同じである。以上、本発
明を特定の実施例について説明したが、本発明はその要
旨の範囲内で種々の形態をとることができる。例えば、
本発明は、内側及び外側アンニュラ燃焼器が半径方向に
直線状に並んでいるか、又は半径方向にオフセットされ
ている二重アンニュラ燃焼器に適用することができる。
更に、図1及び図5からわかるように、内側又は外側ア
ンニュラ燃焼器のいずれを半径方向下流側にオフセット
するかは問題ではない(前述した理由で、半径方向上流
側に配置されている燃焼器がパイロット段となり、下流
側に配置されている燃焼器が主段となることに依存する
だけである)。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な実施例による二重アンニュラ燃
焼器の軸線方向断面図である。
【図2】図1の内側ドームプレートの外側部分の延在部
分を図1の2−2線方向に見た部分的平面図である。
【図3】図2の内側ドームプレートの外側部分の延在部
分を図2の3−3線方向に見た部分的断面図である。
【図4】図1の二重アンニュラ燃焼器を図1の4−4線
方向に見た後面図である。
【図5】内側アンニュラ燃焼器がパイロット段として、
外側アンニュラ燃焼器が主段として動作する場合の本発
明の他の実施例による二重アンニュラ燃焼器の軸線方向
断面図である。
【符号の説明】
10 燃焼装置 12 燃焼室 13 外側ライナ 14 内側ライナ 15、16 環状開口 17 シェル 22、53 外側ドームプレート 23、 内側ドームプレート 24、51 内側アンニュラ燃焼器 25、52 外側アンニュラ燃焼器 26、54 外側ドームプレート内側部分 27 内側ドームプレート内側部分 28 外側ドームプレート外側部分 29 内側ドームプレート外側部分 30、32 気化器 34 燃料ノズル 39、50 点火器 40 カウル構造 41 外側部分 42 内側部分 43 中間部分 44 内側ドームプレート外側部分の延在部分 45 冷却孔 46 希釈孔 55 外側ドームプレート内側部分の延在部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特公 昭61−20770(JP,B2) 特公 昭59−14693(JP,B2)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 同心に配置されている内側及び外側アン
    ニュラ燃焼器(24,25)を有し、該内側アンニュラ
    燃焼器と外側アンニュラ燃焼器との間に中心体がなく、
    該内側アンニュラ燃焼器(24)は該外側アンニュラ燃
    焼器(25)の下流側に位置している二重アンニュラ燃
    焼器(10)であって、(a) 内側部分(27)と、外側部分(29)とを有し
    ている第1のドームプレート(23)と、(b) 内側部分(26)と、外側部分(28)とを有し
    ている第2のドームプレート(22)と、(c) 内側部分(42)と、外側部分(41)と、中間
    部分(43)とを有しているカウル構造(40)とを備
    えており、 前記カウルの外側部分は、前記第2のドームプレートの
    外側部分(28)に連結されており、前記カウルの内側
    部分は、前記第1のドームプレートの内側部分(27)
    に連結されており、前記カウルの中間部分(43)は、
    前記第1のドームプレートの外側部分(29)と、前記
    第2のドームプレートの内側部分(26)に連結されて
    て、更に、 (d)前記第1のドームプレートの外側部分(29)
    は、上流側に前記カウルの中間部分(43)まで延在し
    ている部分(44)を含んでいて前記外側アンニュラ燃
    焼器(25)に対する遮蔽領域を形成している二重アン
    ニュラ燃焼器。
  2. 【請求項2】 前記第2のドームプレートの内側部分
    (26)と、前記第1のドームプレートの外側部分(2
    9)と、前記カウルの中間部分(43)とはすべて共に
    連結されている請求項1に記載の二重アンニュラ燃焼
    器。
  3. 【請求項3】 前記第1のドームプレートの外側部分
    (29)は、前記カウルの中間部分(43)と前記第2
    のドームプレートの内側部分(26)との間に挟まれて
    いる請求項に記載の二重アンニュラ燃焼器。
  4. 【請求項4】 前記第1のドームプレートの外側部分
    (29)の前記延在部分(44)は、前記内側アンニュ
    ラ燃焼器を通る軸にほぼ平行である請求項に記載の二
    重アンニュラ燃焼器。
  5. 【請求項5】 前記第1のドームプレートの外側部分
    (29)の前記延在部分(44)は、該延在部分を冷却
    するために貫通している複数の冷却孔(45)を含んで
    いる請求項に記載の二重アンニュラ燃焼器。
  6. 【請求項6】 前記第1のドームプレートの外側部分
    (29)の前記延在部分(44)は、前記外側アンニュ
    ラ燃焼器(25)に希釈空気を送るために貫通している
    複数の希釈孔(46)を含んでいる請求項に記載の二
    重アンニュラ燃焼器。
  7. 【請求項7】 前記第1のドームプレートの外側部分
    (29)の前記延在部分は、前記外側アンニュラ燃焼器
    (25)に希釈空気を送るために貫通している複数の希
    釈孔(46)を含んでおり、該希釈孔は、前記冷却孔
    (45)より実質的に大きい請求項に記載の二重アン
    ニュラ燃焼器。
  8. 【請求項8】 前記冷却孔(45)の数は、前記希釈孔
    (46)の数より実質的に多い請求項に記載の二重ア
    ンニュラ燃焼器。
  9. 【請求項9】 前記カウル構造(40)は、一部材であ
    る請求項1に記載の二重アンニュラ燃焼器。
  10. 【請求項10】 前記第2のドームプレートの内側部分
    (26)と、前記第1のドームプレートの外側部分(2
    9)と、前記カウル構造の中間部分(43)との前記連
    結部は、前記外側アンニュラ燃焼器(25)を通る軸に
    略平行している請求項に記載の二重アンニュラ燃焼
    器。
  11. 【請求項11】 前記カウルの中間部分(43)は、前
    記内側及び外側アンニュラ燃焼器の間の半径方向オフセ
    ットに対応すべく下流側に延在するように湾曲している
    請求項4に記載の二重アンニュラ燃焼器。
  12. 【請求項12】 同心に配置されている内側及び外側ア
    ンニュラ燃焼器(51,52)を有し、該内側アンニュ
    ラ燃焼器と外側アンニュラ燃焼器との間に中心体がな
    く、該外側アンニュラ燃焼器は該内側アンニュラ燃焼器
    の下流側に位置している二重アンニュラ燃焼器であっ
    て、 (a)内側部分と、外側部分とを有している第1のドー
    ムプレートと、 (b)内側部分(54)と、外側部分とを有している第
    2のドームプレート(53)と、 (c)内側部分と、外側部分と、中間部分とを有してい
    るカウル構造とを備え ており、 前記カウルの外側部分は、前記第2のドームプレートの
    外側部分に連結されており、前記カウルの内側部分は、
    前記第1のドームプレートの内側部分に連結されてお
    り、前記カウルの中間部分は、前記第1のドームプレー
    トの外側部分と、前記第2のドームプレートの内側部分
    に連結されていて、更に、 (d)前記第2のドームプレートの内側部分は、上流側
    に前記カウルの中間部分まで延在している部分(55)
    を含んでいて前記内側アンニュラ燃焼器に対する遮蔽領
    域を形成している二重アンニュラ燃焼器。
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