JP3953957B2 - タービン用の予混合燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、燃焼器の空気／燃料混合器に関する。この種類のガスタービンエンジンは、発電用途で使用可能である。

発電および航空機用のタービンエンジンの選択において、タービンエンジンのＮＯｘエミッションが１０ｐｐｍｖよりも低いことが重要な基準になってきている。ＮＯｘエミッションを低くする最新技術は、燃焼器と燃料／空気の予混合器とを組み合わせることを含む。この技術は、ドライローエミッション（ＤＬＥ）として知られており、きれいな排気とともに高いエンジン効率を得る最も有望な技術である。この技術は、混合気の空気含有量が比較的高いことに依存する。

空気／燃料の混合器は、２０００年１２月２２日に出願され、本出願人が有する継続中の米国特許出願第０９／７４２，００９号に開示されている。この特許出願に説明されているように、燃焼室の燃焼領域に均一な混合気を供給することが重要である。課題は、異なる負荷条件において、エミッションを低く保ちながら低い運転コストを達成することである。

上述の出願は、ＤＬＥ装置用の特定の燃料マニホルドアセンブリを開示しているが、このアセンブリが使用される燃焼器内の環境を教示していない。一例を挙げると、燃焼領域は、燃焼室を構成する燃焼カンの壁と火炎とが接触しないように、火炎を安定化させることができる燃焼室内の位置に設ける必要がある。また、燃焼室内に形成された燃焼領域に冷却空気が流入しないようにすることも重要である。

本発明の目的は、燃焼室内に形成された燃焼領域に改善された混合気を提供することである。

本発明の他の目的は、ノズルの代わりに燃料マニホルドを使用する空気／燃料混合器を提供することである。

本発明のまた他の目的は、低出力の点火段階と全負荷燃焼の第２の段階とを有する燃焼室を提供することである。

本発明の燃焼装置は、燃焼室を画成する内側壁と径方向に離間された外側壁とを備える環状でかつ円筒形の燃焼ケースと、燃焼ケースの端部に内側壁および外側壁と同心状に設けられた環状の空気／燃料入口と、燃焼室の下流に設けられた燃焼室出口と、を有するガスタービンエンジンを含む。空気／燃料入口は、内側壁および外側壁の拡散部分の間に形成された拡散通路を含み、各々の内側および外側の拡散壁部分は、空気流に対して上流および下流の部分を有しており、隣接する内側および外側の拡散壁部分によって構成される拡散通路は、内側および外側の拡散壁部分の上流部分において断面が縮小していく部分と、内側および外側の拡散壁部分の下流部分において断面が拡大していく部分と、を含み、内側および外側の拡散壁部分によって構成される通路の最も細い部分にスロート部が画成される。同心状の燃料マニホルドリングが、拡散通路の上流で軸方向に一致するように設けられており、これにより、空気がマニホルドリングの周囲に流れて、拡散通路を通ってマニホルドリングからの燃料と混合されるとともに、燃焼室の燃焼領域に導かれる。

本発明の詳細な実施例では、内側および外側の拡散壁部分の下流部分の角度が、燃焼室の燃焼領域の位置を定めるように選択される。

本発明の他の詳細な実施例では、燃焼領域を燃焼室内でより好適に位置づけるために、燃焼ケースの内側および外側の壁に対して入口を中心からずらすことができる。

本発明の他の実施例では、一対の環状の空気／燃料入口が、燃焼ケースの端部において、互いに、かつケースの内側および外側の壁に対して同心状に設けられている。一対の環状の空気／燃料入口は、内側壁に隣接する内側の入口と、外側壁に隣接する外側の入口と、内側および外側の燃焼室が形成されるように、内側および外側の壁と同心状で、かつ内側および外側の入口の間に設けられた環状の中間壁と、を含む。各々の内側および外側の空気／燃料入口は、内側および外側の拡散通路をそれぞれ含んでおり、外側通路は、外側および中間の壁の内側および中間の拡散部分の間に形成され、各々の外側および中間の拡散壁部分は、空気流に対して上流および下流の部分を有しており、内側通路は、内側および中間の壁の内側および中間の拡散部分の間に形成され、各々の内側および中間の拡散壁部分は、空気流に対して上流および下流の部分を有しており、内側および外側の拡散通路は、拡散壁部分の上流部分に断面が縮小していく部分と、拡散壁部分の下流部分に断面が拡大していく部分と、をそれぞれ含み、通路の最も細い部分にスロート部が画成される。内側および外側の同心状の燃料マニホルドリングが、各々の内側および外側の拡散通路の上流にそれぞれ設けられており、各々の内側および外側の燃料マニホルドリングは、対応する内側および外側の拡散通路と軸方向で一致するように設けられており、これにより、空気流が各々のマニホルドリングの周囲に流れるとともに、対応する内側および外側のマニホルドからの燃料と混合され、対応する内側および外側の拡散通路を通って内側および外側の燃焼室へとそれぞれ流れる。

図を参照すると、図１には、発電用途で使用されるガスタービンエンジンの実施例が示されている。エンジンケース１０が図示されている。このケースは、円筒形で、かつ環状の燃焼カン１２を囲んでいる。燃焼カン１２は、入口１４を有し、カン１２によって画成される燃焼室１５は、典型的なタービンホイール１８を含むタービン部１６を通って反対方向に排気する。

燃焼カン１２は、外側円筒壁２０と同心状の内側円筒壁２２とを含む。環状の燃焼カン１２は、冷却空気用の空間２４によって囲まれている。

入口１４は、燃焼カン１２の一方の端部に軸方向で設けられている。この入口は、一対の離間された内側および外側の入口壁部分３２，３０によって構成されている。これらの内側および外側の壁部分３２，３０は、内側円筒壁２２と外側円筒壁２０の延長部である。環状の燃料マニホルドリング５０が、外側入口壁３０と内側入口壁３２との間に画成された環状の空間内に設けられている。以下で説明するように、燃料マニホルドリング５０の周りには、空気が流れる空間が提供されている。

燃料マニホルド５０は、継続中の米国特許出願第０９／７４２，００９号により詳しく説明されており、マニホルド５０内の環状のチャンバと連通する燃料管路４８を含む。スロット付きの軸方向開口部が、リングの下流に設けられており、燃料は、典型的に、上記スロットの開口部を通ってマニホルドリングの下流端部に向かって移動し、ここでマニホルド５０の周りを通過するとともに外側入口壁３０と内側入口壁３２との間に形成された通路３４に向かって下流に進む空気流の剪断作用によって取り込まれる。通路３４は、スロート部４４を含み、このスロート部４４は、先細の上流壁部分３６，３８と末広の内側および外側の下流拡散壁部分４０，４２とによって画成される。スロート領域は、以下の式によって定義される。

（数１）
Ｍ＝ＡＣｄ√（２ρ・ΔＰ）
ここで、Ｍは質量流量、ＡＣｄは有効流路面積、
ρは空気密度、ΔＰは圧力降下である。

入口１４とマニホルド５０との間に空気孔を設けることによって、スロート部４４の公差を緩和することができる。

これにより、通路３４を通過する流体の９７％を占める空気と、この空気と混合される燃料と、によって、均一に混合された混合気が燃焼室１５の中心に定められる燃焼領域４６に供給される。燃焼領域４６は、内側および外側の燃焼器壁２０，２２から離間された領域に位置する。これは、拡散壁４０，４２の角度を厳密に選択するとともに、燃焼室１５の中心線からずれた位置に入口１４を設けることによって達成される。よって、入口を位置決めするとともに、所定のエンジンにおいて燃焼領域４６の最適な位置が得られるように壁４０，４２の角度を定めることによって入口が選択される。

燃焼室の燃焼領域４６は、燃焼カン１２の外側および内側の壁２２，２０の外部にインピンジメントライナ２６を設けることによって冷却される。これにより、燃焼プロセスを制御するとともに壁の急冷を防止することができる。

続いて、図２に記載の実施例を参照すると、エンジンケース１１０内に二重の燃焼室１１２が示されている。この実施例では、中間壁１２３，２２３によって形成されるとともに分離されている外側燃焼領域１４６と内側燃焼領域２４６とが存在する。燃焼室の外側壁は、符号１２０によって示され、燃焼室の内側壁は、符号２２２によって示されている。

同様に、２つの入口１１４，２１４が設けられており、これらの入口１１４，２１４は、互いに、かつ燃焼室壁１２０，２２２に対して同心状となっている。また、インピンジメントライナ１２６，２２６も、内側壁１２０および外側壁２２２と中間壁１２３，２２３とを囲むように計画的に配置されている。空気用の空間１２４，２２４が、２つの燃焼室部分を囲んでいる。

外側の入口１１４は、通路１３４を画成する外側入口壁部分１３０と中間入口壁部分１３２とを含み、この通路１３４は、先細の入口壁部分１３６，１３８を有する。同様に、末広の拡散入口壁部分１３６，１３８が設けられている。最後に、燃料マニホルドリング１５０が、通路１３４の上流に設置されているとともに、燃料管路１４８の供給を受ける。

主要な入口２１４は、通路２３４を画成する内側入口壁部分２３２と中間入口壁部分２３０を含む同様の構成を有する。燃料マニホルドリング２５０が、入口２３４の上流に設けられている。

図２の実施例は、２つの環状の燃焼室を備えることにより、以下のように動作する。外側燃焼室１１５は、燃料マニホルド１５０を含み、エンジンを約６０％の負荷容量で点火および動作させるために使用される。エンジンを全負荷まで加速させる場合には、内側の燃焼室２１５の燃料マニホルド２５０に燃料が供給され、このように形成された混合気が外側燃焼室１１５内での燃焼プロセスによって点火される。これにより、燃焼器は、急冷が実質的にない状態で動作可能となり、低出力でもＣＯエミッションが低くなる。点火段階および主要な段階は、燃焼器動作の必要条件に従って逆転可能である。

本発明に係るガスタービンエンジンの燃焼部を示す軸方向の部分断面図である。 本発明に係る他の実施例を示す図１と同様の部分断面図である。

Claims (7)

1. ガスタービンエンジン用の燃焼装置であって、この燃焼装置は、燃焼室を画成する内側壁と径方向に離間された外側壁とを備える環状でかつ円筒状の燃焼カンと、前記燃焼カンの端部に前記内側壁および前記外側壁と同心状に設けられた環状の空気／燃料入口と、前記燃焼室の下流に設けられた燃焼室出口と、を有し、
   前記空気／燃料入口は、前記内側壁および前記外側壁の拡散壁部分の間に形成された拡散通路を含み、各々の内側および外側の拡散壁部分は、空気流に対して上流および下流の部分を有しており、前記拡散通路は、前記内側および外側の拡散壁部分の上流部分において断面積が縮小していく部分と、前記内側および外側の拡散壁部分の下流部分において断面が拡大していく部分と、を含み、前記内側および外側の拡散壁部分によって構成される通路の最も細い部分にスロート部が画成されており、
   燃料マニホルドリングが、前記拡散通路の上流で、かつ前記拡散通路と軸方向に整列するとともに該拡散通路と同心状に設けられ、これにより、空気がマニホルドリングの周囲に流れて、前記拡散通路を通ってマニホルドリングからの燃料と混合されるとともに、燃焼室の燃焼領域に導かれることを特徴とするガスタービンエンジン用の燃焼装置。
2. 前記内側および外側の拡散壁部分の下流部分は、前記燃焼領域の位置の関数として選択された末広の角度をなしていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン用の燃焼装置。
3. 前記環状の空気／燃料入口は、前記燃焼領域の位置の関数として、前記内側壁および前記外側壁に対して中心からずれて設けられていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン用の燃焼装置。
4. 前記燃料マニホルドリングは、その下流側に前方面を含み、この前方面に環状のチャネルが画成されているとともに、このチャネル内に燃料出口が設けられており、燃料は、前記チャネルに沿って移動して剪断されるとともに空気流と混合されることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン用の燃焼装置。
5. ガスタービンエンジン用の燃焼装置であって、この燃焼装置は、外側壁および内側壁を備える環状でかつ円筒形の燃焼カンを有し、この燃焼カンは、該燃焼カンの端部において、互いに、かつ該燃焼カンの内側壁および外側壁に対して同心状に設けられた一対の環状の空気／燃料入口を含み、これらの一対の環状の空気／燃料入口は、前記内側壁に隣接する内側の入口と、前記外側壁に隣接する外側の入口と、内側および外側の燃焼室を形成するように、前記内側壁および前記外側壁と同心状でかつ前記内側の入口と前記外側の入口との間に設けられた環状の中間壁と、を含み、
   各々の内側および外側の空気／燃料入口は、内側拡散通路と外側拡散通路とをそれぞれ含み、前記外側通路は、前記外側壁および前記中間壁の外側および中間の拡散部分の間に形成され、前記外側および中間の拡散壁部分は、空気流に対して上流および下流の部分をそれぞれ有し、前記内側通路は、前記内側壁および前記中間壁の内側および中間の拡散部分の間に形成され、前記内側および中間の拡散壁部分は、空気流に対して上流および下流の部分をそれぞれ有し、
   前記内側拡散通路および前記外側拡散通路は、前記拡散壁部分の上流部分において断面が縮小していく部分と、前記拡散壁部分の下流部分において断面が拡大していく部分と、をそれぞれ含み、前記通路の最も細い部分にスロート部が画成されており、
   同心状の内側および外側の燃料マニホルドリングが、前記内側拡散通路および前記外側拡散通路の上流に、対応する内側拡散通路および外側拡散通路と軸方向に整列するようにそれぞれ設けられており、これにより、空気流は、各々のマニホルドリングの周囲を通過して対応する内側および外側のマニホルドからの燃料と混合されるとともに、対応する内側拡散通路および外側拡散通路を通って前記内側および外側の燃焼室内にそれぞれ流れることを特徴とするガスタービンエンジン用の燃焼装置。
6. 前記燃焼室は、前記内側および外側の燃焼室を画成する前記中間壁を越えた位置で一体化されていることを特徴とする請求項５記載のガスタービンエンジン用の燃焼装置。
7. 低出力が要求されるときには、前記内側および外側の燃焼室の一方が点火され、相対的に高い出力が要求されるときには、前記内側および外側の燃焼室の他方がさらに点火されることを特徴とする請求項５記載のガスタービンエンジン用の燃焼装置。

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