JP2599882B2 - 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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JP2599882B2 JP5068997A JP6899793A JP2599882B2 JP 2599882 B2 JP2599882 B2 JP 2599882B2 JP 5068997 A JP5068997 A JP 5068997A JP 6899793 A JP6899793 A JP 6899793A JP 2599882 B2 JP2599882 B2 JP 2599882B2
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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、内側ドームと外側
ドームとを有しており、同心的に配置されている内側及
び外側アンニュラ燃焼器と、内側及び外側ドームの上流
側に延在していると共に内側及び外側ドームに連結され
ており、内側環状部と外側環状部とこれら内側及び外側
環状部を連結している半径方向中間部とを有している一
体のカウルとを含んで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
気比の状態で動作する。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
の状態で動作する。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４３７４
４６６号及び同第４２４９３７３号に具体的に示されて
いる。
【０００３】しかしながら、高エネルギ効率エンジン
（Ｅ３（Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｎｇｉ
ｎｅ））用の燃焼装置構成部技術に関するアメリカ合衆
国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）の開発報告書と、ステンガ
（Stenger ）の米国特許番号第４１９４３５８号とに記
載されているように、パイロット段と主段とを半径方向
においてずらす（オフセットする、即ち別々の半径方向
平面内に配置する）ことができる。米国特許番号第４１
９４３５８号及びＥ３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
では燃焼器に入ってくる空気流を制御するために、ドー
ム領域のすぐ上流側にカウルを用いている。この空気流
は、内側流れ、外側流れ及び中心流れの３つの流れに分
割される。内側流れは、燃焼器の内側ライナと、この内
側ライナを囲んでいるシェルとによって画定されている
内側ライナ通路に流れ、外側流れは、燃焼器の外側ライ
ナと、この外側ライナを囲んでいるシェルとによって画
定されている外側ライナ通路に流れ、そして中心流れ
は、内側及び外側カウリングによって画定されている燃
焼器ドーム領域に流れる。一般的に、空気流がライナ通
路に落とし込まれる（ダンプされる）領域で圧力損失が
生じる。しかしながら、燃焼器カウリングの上流側で、
中心流れに自由な流れ拡散が起こり、これが空気流にピ
トー管効果を生じさせ、燃焼器カウリングの内側の領域
で小さな圧力損失となる。
【０００５】通常の設計のプレディフューザと共に多重
燃焼器ドームを用いる用途では、自由な流れ拡散を生じ
るように設計されたカウルが、燃料管や燃料ノズルの挿
入、取り外しの邪魔となりがちなので、カウリングに
「スカロップ（ほたて貝殻状）」として知られている切
欠きを設ける必要がある。このような構成は、ドームの
前方及びライナ通路内で起こる圧力損失が増加するので
採用できない。空気流はカウリングを意図した通りに通
過するが、その後、スカロップを通って逆流し、ライナ
通路に入るからである。更に、燃料管や燃料ノズルの邪
魔にならないように設計されていたカウル（例えば、上
流側にさほど遠くまで延在していない長さの短いカウ
ル）も、カウル開口区域の寸法が適切でないためにカウ
ル内部から空気流が過剰に漏れるせいで、圧力損失が容
認できない程になる。
【０００６】従って、本発明は、従来知られているカウ
ルの上述した問題を解決した、多数のドームを有してい
る燃焼器のカウル設計を提案する。
【０００７】
【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、内側ドームと外側ドー
ムとが設けられている。一体のカウルが、高圧領域を形
成するために内側及び外側ドームの上流側に配置されて
いる。一体カウルは、内側環状部と、外側環状部と、こ
れらの内側及び外側環状部を連結している半径方向中間
部とを有している。内側及び外側環状部は、燃料管及び
燃料ノズルの挿入及び取り外しを容易にすべく、スカロ
ップ区域を含んでいる。カウルの中間部は、スカロップ
区域及び燃料管を高圧領域から隔離すべく、シールドを
含んでおり、これにより、高圧領域からの空気流の漏れ
と、その結果としての圧力損失とを防止する。
【０００８】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を続ける。
【０００９】
【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環状開口１５
が設けられている。
【００１０】中空体１１は適当なシェル１６によって包
囲されており、シェル１６はライナ１３及び１４と共
に、外側通路１７と内側通路１８とをそれぞれ画定して
いる。外側及び内側通路１７及び１８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１９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１９からの圧縮空気の大部分は
環状開口１５に入って燃焼を支持し、圧縮空気の一部は
通路１７及び１８に入って、これらの通路で、複数の開
口２０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。
【００１１】外側ドーム２１及び内側ドーム２２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。両ドームは好ましくは、別々のドーム
プレートであって、ボルト、ろう付け等によって両ライ
ナに取り付けられている。外側ドームプレート２１及び
内側ドームプレート２２の各々は、内側部分２５及び２
６と、外側部分２７及び２８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２７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２６は内側ライナ１４に連結されている。外側ドーム
の内側部分２５はボルト２９によって、内側ドームの外
側部分２８に連結されている。
【００１２】ドームプレート２１及び２２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（ステージング）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（主段セクション）２
３及び外側アンニュラ燃焼器（パイロット段セクショ
ン）２４と呼び、以下に更に詳しく説明する。
【００１３】図１の好適な実施例における内側アンニュ
ラ燃焼器２３と外側アンニュラ燃焼器２４との間に、中
央体５０が配置されており、中央体５０は、内側アンニ
ュラ燃焼器２３と外側アンニュラ燃焼器２４との間に共
通境界を部分的に画成するように作用する。中央体５０
は、空気流を後方に導き、そして実際のところ共通な境
界を延長することになるので、高圧区域は、内側アンニ
ュラ燃焼器２３の燃焼ガスが外側アンニュラ燃焼器２４
に流入することと、又、反対に外側アンニュラ燃焼器２
４の燃焼ガスが内側アンニュラ燃焼器２３に流入するこ
ととを抑制する。中心体５０は、本発明の譲受人（本出
願人）による他の米国特許出願の主題であり、この出願
は、本願の優先権主張の基礎となる米国特許出願と同時
に米国特許庁に出願されたもので、その内容はここに参
照されるべきものである。
【００１４】外側アンニュラ燃焼器２４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２４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３
０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４０７０８２
６号「低圧燃料噴射システム（Low Pressure Fuel Inje
ction System）」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３３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。
【００１５】外側アンニュラ燃焼器２４と同様に、内側
アンニュラ燃焼器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２２、内
側ライナ１４及び中央体５０と共に、内側アンニュラ燃
焼器２３を画定している。前述したように内側アンニュ
ラ燃焼器２３は、外側アンニュラ燃焼器２４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３４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。燃料／
空気混合物が分散し過ぎるのを防止するために、好まし
くはスワラカップと一体に形成されている拡開したスプ
ラッシュプレート３８が、気化器３２の下流端に設けら
れている。この一体のスプラッシュプレート・スワラカ
ップ３８は、本発明の譲受人（本出願人）による他の米
国特許出願の主題であり、この出願は、本願の優先権主
張の基礎となる米国特許出願と同時に米国特許庁に出願
されたもので、その内容はここに参照されるべきもので
ある。点火器３９が外側アンニュラ燃焼器２４への点火
を可能にするために、外側ライナ１３に装着されてい
る。
【００１６】ドーム構造体を安定化するために、気化器
３０及び３２のすぐ上流側に高圧領域４５を維持するた
めに、並びに気化器３０及び３２を保護するために、一
体のカウル４０が設けられている。図２及び図３に示す
ように、カウル４０は、内側環状部４１と、外側環状部
４２と、内側環状部４１と外側環状部４２とを連結して
いる半径方向中間部４３とを含んでいる。内側環状部４
１及び外側環状部４２は、「スカロップ」として知られ
ている切欠き４４を含んでいる。これらのスカロップ区
域４４は、燃料管３１が内側環状部４１及び外側環状部
４２にぴったりはまることができるように、しかも燃料
管３１と、燃料ノズル３３及び３４とを容易に挿入した
り、取り外したりできるように設計されている。
【００１７】スカロップ区域４４及び燃料管３１を高圧
領域４５から隔離するために、及び空気流が高圧領域４
５から流出することから生じる圧力損失を防止するため
に、シールド４６がカウルの中間部４３の下流側に沿っ
て設けられている。シールド４６は、一対の開口４７及
び４８を含んでおり、燃料ノズル３３及び３４が開口４
７及び４８をそれぞれ通過し、気化器３０及び３２に連
結されることが可能となっている。シールド４６は、図
４に示すように軸線方向においてほぼＵ形である。好ま
しくはシールド４６の開口端は、内側環状部４１及び外
側環状部４２のスカロップ区域４４とほぼ整列している
と共に、内側環状部４１及び外側環状部４２に隣接して
いる。又、内側アンニュラ燃焼器２３と外側アンニュラ
燃焼器２４とが軸線方向にオフセットして（ずれて）い
るので、シールド４６はその頂部から底部まで軸線方向
下流側に延在している。
【００１８】図２及び図３に示すように、隣接シールド
４６間の中間部４３には、窓状の開口４９が設けられて
おり、流入する空気流の自由な流れ拡散を可能にしてい
る。窓状の開口４９は、ほぼ長方形の形状であることが
好ましいが、必要に応じて他の形状としてもよい。高圧
領域４５を維持することに加えて、一体カウル４０は
又、その固有の剛性（スチッフネス）により耐変形性を
もたらす。従って、カウル４０を単一の部材に鋳造する
ことが好ましい。シールド４６の構造的安定性を高める
ために、段部５１がシールド４６に設けられている。段
部５１は、開口４７と開口４８との間に配置されている
ことが好ましく、シールド４６の下半部を補強するため
に役立つ。
【００１９】本発明のカウル４０によれば、高圧領域４
５を内側アンニュラ燃焼器２３及び外側アンニュラ燃焼
器２４のすぐ上流側に維持することができる。具体的に
は、カウル４０は内側環状部４１及び外側環状部４２に
スカロップ区域４４を含んでおり、これにより、燃料管
３１と、燃料ノズル３３及び３４との挿入及び取り外し
が容易となり、又、同時にカウル４０はシールド４６を
備えており、これにより、空気流がスカロップ区域４４
を通って高圧領域４５から逃げ出すのを防止している。
更に、カウル４０を適当な寸法として、高圧領域４５内
から空気流が過剰に漏れるのを防止している。シールド
４６は、スカロップ区域４４及び燃料管３１を高圧領域
４５から隔離している一方、中間部４３の窓状の開口４
９は、高圧領域４５への空気流の自由な流れ拡散を可能
にしている。
【００２０】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２４及び内側アンニュラ燃焼
器２３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２４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２４を
パイロット段と呼ぶ。内側アンニュラ燃焼器２３は高速
高温状態で用い、このため、内側アンニュラ燃焼器２３
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２４を点火器３９によって点火す
る。ディフューザ１９からの空気は、矢印で示すように
流れ、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２４
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２０内の冷却流れ分布を最小に
維持することができる。更に、外側アンニュラ燃焼器２
４及び内側アンニュラ燃焼器２３は異なる軸線方向平面
内にあるので、パイロット段２４は主段２３に比べて比
較的長く、パイロット段２４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。
【００２１】エンジン速度が上昇するにつれて、主段２
３を動作状態にするために、燃料が燃料管３１によっ
て、燃料ノズル３４を介して気化器３２に導入される。
このような比較的高速の運転の間、パイロット段２４は
動作状態に留まるが、主段２３が燃料／空気混合物の大
部分を消費する。尚、主段２３はパイロット段２４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。
【００２２】本発明を特定の実施例に関して説明した
が、本発明は、その範囲及び意図内で任意の様々な形態
を取り得ることを理解されたい。例えば、本発明は、内
側及び外側アンニュラ燃焼器が別々の半径方向平面及び
周方向平面内にあるか否かにかかわらず、任意の二重ア
ンニュラ燃焼器に適用可能である。更に、本発明のカウ
ルは、単一のドームを有している燃焼器、又は３つ以上
のドームを有している燃焼器に用いるために、容易に変
更することができる。
【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
焼器の横断面図である。
【図２】図１に示す一体カウルを前方から見た部分的斜
視図であって、明示のために燃料ノズル及びドームが省
略されている図である。
【図３】図１に示す一体カウルを後方から見た部分的斜
視図であって、明示のために燃料ノズル及びドームが省
略されている図である。
【図４】図２の４−４線方向に見たシールドの部分断面
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 環状開口 １６ シェル ２１ 外側ドーム ２２ 内側ドーム ２３ 内側アンニュラ燃焼器 ２４ 外側アンニュラ燃焼器 ２５ 外側ドーム内側部分 ２６ 内側ドーム内側部分 ２７ 外側ドーム外側部分 ２８ 内側ドーム外側部分 ３０、３２ 気化器 ３１ 燃料管 ３３、３４ 燃料ノズル ３９ 点火器 ４０ カウル ４１ 環状外側部 ４２ 環状内側部 ４３ 環状中間部 ４４ スカロップ区域 ４５ 高圧領域 ４６ シールド ４７、４８ 開口 ４９ 窓状の開口 ５０ 中心体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デヴィット・ウォルター・パリー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナ ティ、モエアレイン・アベニュー、2318 番 (72)発明者 ジョン・マイケル・コショファー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナ ティ、カリニ・レーン、790番 (56)参考文献 特公 昭61−20770（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭59−14693（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 同心に設けられている内側及び外側アン
    ニュラ燃焼器（２３，２４）を有している二重アンニュ
    ラ燃焼器（１０）であって、（ａ）内側部分（２６）および外側部分（２８）を有す
    る 内側ドーム（２２）と、（ｂ）内側部分（２５）および外側部分（２７）を有
    し、該内側部分が前記内側ドームの外側部分に連結され
    ている 外側ドーム（２１）と、（ｃ） 前記内側及び外側ドームの各々に収容されている
    気化器（３２，３０）と、（ｄ） 前記内側及び外側ドームの上流側に該内側及び外
    側ドームとの間に高圧領域（４５）を形成しており、内
    側環状部（４１）と、外側環状部（４２）と、該内側環
    状部と該外側環状部とを連結していて、前記外側ドーム
    内側部分（２５）および前記内側ドーム外側部分（２
    ８）の上流部で、かつ、それらと構造上独立な半径方向
    中間部（４３）とを有している一体のカウル（４０）
    と、 （ｅ）前記内側ドーム内側部分および前記カウルの内側
    環状部に連結された内側ライナ（１４）と、 （ｆ）前記外側ドーム外側部分および前記カウルの外側
    環状部に連結された外側ライナ（１３）とを備えた二重
    アンニュラ燃焼器。
  2. 【請求項２】 前記カウルの内側及び外側環状部は、燃
    料管を挿通できるようにスカロップ区域を含んでいる請
    求項１に記載の二重アンニュラ燃焼器。
  3. 【請求項３】 前記カウルの中間部は、該中間部の下流
    側において前記カウルの内側及び外側環状部の間に複数
    のシールドを含んでおり、前記スカロップ区域は、前記
    高圧領域から隔離されている請求項２に記載の二重アン
    ニュラ燃焼器。
  4. 【請求項４】 一対の開口が燃料ノズルを挿通可能にす
    べく、前記シールドに設けられており、前記開口は、前
    記気化器とほぼ心合わせされている請求項３に記載の二
    重アンニュラ燃焼器。
  5. 【請求項５】 窓状開口が流入する空気流の自由な流れ
    拡散を起こすべく、隣接する前記シールド間の前記カウ
    ルの中間部に設けられている請求項３に記載の二重アン
    ニュラ燃焼器。
  6. 【請求項６】 前記窓状開口は、ほぼ長方形である請求
    項５に記載の二重アンニュラ燃焼器。
  7. 【請求項７】 前記シールドは、軸線方向においてほぼ
    Ｕ形であり、前記シールドの開口端は、前記スカロップ
    区域とほぼ整列していると共に該スカロップ区域に隣接
    している請求項３に記載の二重アンニュラ燃焼器。
  8. 【請求項８】 前記内側ドームは、前記外側ドームの下
    流側に半径方向にずれている請求項４に記載の二重アン
    ニュラ燃焼器。
  9. 【請求項９】 前記シールドは、その頂部から底部まで
    半径方向下流側に延在している請求項８に記載の二重ア
    ンニュラ燃焼器。
  10. 【請求項１０】 前記シールドは、前記開口の間に配置
    されている段部を含んでいる請求項９に記載の二重アン
    ニュラ燃焼器。
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