JP4087372B2 - ガスタービンエンジン燃焼器とその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は燃焼器に関し、より具体的には、ガスタービンエンジン用の燃焼器に関する。

ガスタービンエンジン燃焼器には幾つかの形式がある。１つの形式の燃焼器は、燃料と空気のための前方つまり上流のインレットと、エンジンのタービン室に燃焼生成物を案内する後方つまり下流のアウトレットと、を備えたアンニュラ型燃焼室を特徴としている。燃焼器は、例えば、前方のバルクヘッドから後方に向かって延在した内側寄りの壁と外側寄りの壁とを備え、このバルクヘッドにはスワラが取り付けられ、また、燃料ノズル（噴射装置）も収容され、このバルクヘッドを通してインレットの空気や燃料を導入する。これらの壁は、例えば、内側断熱シールドと外側シェルとを備えた二重構造をなす。断熱シールドは、セグメント毎に分割されており、例えば、各壁は、長手方向には２〜３個のセグメントに、周方向には８〜１２個のセグメントに、配列されることを特徴とする。断熱シールドセグメントを冷却するために、これらのセグメントに設けられた孔を通して外側から内側に空気が導入される。内側表面に沿ってフィルム冷却を行い、さらなる所望の動力学的特性が得られるように、これらの孔は長手方向や周方向に傾斜する。この冷却空気は、断熱シールドと外側シェルとの間の空間を通して導入され、また、この空間への空気の導入は上記シェル上の孔を通して行われる。特許文献１や特許文献２には、幾つかの断熱シールド構造が開示されている。特許文献３には、幾つかのフィルム冷却パネル孔が開示され、これに具体的に開示された内容が引用される。

燃焼器は、例えば、リッチ−クエンチ−リーン（ＲＱＬ）モードで運転する。あるＲＱＬ燃焼器においては、燃料と空気とが混合・燃焼する領域は、燃料と空気との混合気がリッチな状態となる（つまり、空間平均組成が理論燃空比より大きくなる）燃焼器の上流領域で発生する。燃焼器の上記領域では、ノズルから噴射された燃料が、スワラから導入された空気と、この燃焼器の前方領域にある関連した冷却空気と、混合する。中間のクエンチ領域では、追加の空気流「プロセス空気流(process air)」が、孔を介して燃焼器壁に導入され、上記の燃料空気混合気と混合し、短い軸方向の距離を経て、上記混合気を空間平均的にリーンな（つまり、理論燃空比より小さくなる）状態に遷移させる。一般的な燃空比の下で、燃料中のエネルギーの大半が反応によって変換されるため、これらは、よく、反応のクエンチングと呼ばれる。下流の領域では関連した冷却空気がさらに上記混合気を希薄にするために、上記混合気は、リーンな状態となり、全体的な燃空比の設計点にまで希薄になる。ＲＱＬ燃焼器は、例えば、上記特許文献３に開示されている。
米国特許第５，４３５，１３９号明細書 米国特許第５，７５８，５０３号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１１６９２９Ａ１号明細書（米国特許出願第１０／１４７，５７１号明細書）

本発明の１つの態様は、内側寄りの壁と外側寄りの壁とを備えたガスタービンエンジン燃焼器を含む。前方のバルクヘッドは、これらの壁の間に延在し、上記壁と協働して燃焼器内側容積を定義する。長手方向の断面においては、燃焼器内側容積の第１の領域が前方から後方に向かって収束し、上記第１の領域の後方にある第２の領域は、第１の領域よりも緩やかに前方から後方に向かって収束する。

種々の実施例においては、第１の領域は上記内側容積の少なくとも２５％に相当し、第２の領域は、上記内側容積の少なくとも３５％に相当する。第１の領域を上記内側容積の少なくとも３５％に相当させ、第２の領域を上記内側容積の少なくとも５０％に相当させてもよい。第１と第２の領域は、合わせて上記内側容積の少なくとも８０％もしくは９０％に相当する。内側寄りの壁は、第１の部分と、第１の部分の後方に位置しかつ第１の部分に対し長手方向内側に１８０°〜２１０°の角度をなす第２の部分を備えてもよい。外側寄りの壁は、第１の部分と、第１の部分の後方に位置しかつ第１の部分に対し長手方向内側に１８０°〜２１０°の角度をなす第２の部分を備えてもよい。上記の角度は１８５°〜２０５°であってもよい。これらの壁は、外側シェルと内側多層パネル断熱シールドとをそれぞれ備える。長手方向の断面において、内側寄りの壁と外側寄りの壁とは幾つかの直線部から基本的に構成される。

図１は、長手方向の中心軸つまり中心線５００を有するガスタービンエンジン２６の圧縮機室２２とタービン室２４との間に設けられた燃焼器２０の一例を示す。この実施例の燃焼器は、内側（内側寄り）の壁３２と、外側（外側寄り）の壁３４と、これらの壁の間に広がった前方のバルクヘッド３６と、によって仕切られたアンニュラ型燃焼室３０を含む。このバルクヘッドは、周方向に並んだスワラ４０と、各スワラに関連した燃料噴射装置４２と、を収容する。上記燃料噴射装置４２は、エンジンディフューザケース４４を貫通し、外部源から関連したスワラ４０の位置にある関連した噴射装置アウトレット４６に燃料を送る。スワラアウトレット４８は、従って、燃焼器の主な燃料ないし空気のインレットとして機能する。作動端５２を備えた１つもしくは複数の点火プラグ５０は、燃焼室３０の上流領域５４に沿って設けられ、燃料空気混合気の燃焼を開始させる。燃焼中の混合気は、主な流路５０４に沿って燃焼器内側の下流に向かって流れ、下流領域５６を通過して、タービン固定ベーンステージ６２の直ぐ前方に位置する燃焼器アウトレット６０に向かう。

上記実施例の壁３２，３４は、例えば、二層構造をなしており、外側シェル７０，７２と内側断熱シールドとを備える。この実施例の断熱シールドは、周方向に配列された（環状に並んだ）複数のパネル（例えば、内側寄りの前方パネル７４および後方パネル７６と、外側寄りの前方パネル７８および後方パネル８０）から構成されている。パネルおよびシェルの材料は、耐高温つまり耐熱性の超合金であり、熱的もしくは環境的な性能のために選択的にコーティングされる。その他の材料として、セラミックやセラミックマトリクス複合材料(ceramic matrix composite)が挙げられる。種々の公知な材料もしくはその他の材料や製造技術を用いることが可能である。よく知られた方法あるいは別の方法で上記パネルはこれと関連したシェルに固定され、例えば、上記パネルと一体的に形成され、上記関連したシェルの内側表面に対向しかつ離間した外側表面とともに上記パネルの主要な部分を支持するネジ付き溶接スタッドによって固定される。例えば、上記シェルやパネルには、上記壁３２，３４のそれぞれ内側寄りおよび外側寄りに設けられた環状の部屋９０，９２から燃焼室３０に冷却空気を通す孔（図示せず）（例えば、特許文献３の開示内容を参照）が付いている。上記パネルは、内側寄りの表面において孔を除いた部分が実質的に円錐台となるように構成される。長手方向の断面から見ると、これらの表面は軸５００に対して関連した角度で傾斜する直線となる。上記の実施例においては、内側寄り前方パネル７４の内側表面は、軸５００に対し角度θ₁だけ傾斜して後方つまり下流に向かって広がる。同様に、内側寄りの後方パネル７６の内側表面はより小さな角度θ₂だけ傾斜して広がる。外側寄りの前方パネル７８の内側表面は、非常に小さな角度θ₃だけ傾斜して後方つまり下流に向かって収束する。外側寄りの後方パネル８０の内側表面は、角度θ₄だけ傾斜して後方つまり下流に向かって広がる。上記実施例において、線形的な断面形状や環状の断面積の双方の点から上記燃焼室上流領域５４の断面が中心の流路上を後方つまり下流に向かって収束するように上記角度θ₁およびθ₂が決められる。燃焼室下流領域５６も同様に収束に向かうが、その収束率は非常に小さい。収束する上流領域は、バルク速度を増大させつつ、リッチ状態での滞留時間を減少させるように機能する。また、この収束化は燃焼器の中心領域において内側壁と外側壁との間に小さな剥離の発生を促す。上記の小さな剥離によりプロセス空気の効率的な導入が容易となる。上記の第１の領域からの燃料空気混合気と混合するプロセス空気は、上流領域５４と下流領域５６との間の遷移領域付近に、もしくは下流のリーン領域に導入可能である。さらに、燃焼器外側壁を上記エンジン中心線に比較的接近させることにより、他の燃焼器の構造に比べ、断熱シールドの表面積と質量を減少させることができる。上記の減少により、要求される冷却量、従って、要求される冷却空気量が制限される。あるいは、冷却に要求されるべき上記空気を、上流に（例えばスワラ位置に）導入してもよく、これにより、上記空気は燃焼プロセスに加わり、所望の燃焼プロファイルおよび排気性能が達成される。また、フィルム冷却に用いられるべき空気を、所望の燃焼プロファイルを達成するためにスワラの下流に（例えば上記プロセス空気孔を介して）導入してもよい。上記実施例においては、内側寄りの壁パネル内側表面の間の長手方向の内側（燃焼室３０内部の）角度は、θ_Iとして示され、外側寄りの壁パネル内側表面の間の長手方向の内側角度はθ_Oとして示される。上記実施例においては、上記角度は双方とも１８０°よりも若干大きい。上記実施例においては、前方パネルと後方パネルとの間の接合部は、前方燃焼室領域５４と後方燃焼室領域５６との間の分割領域５１０を実質的に定義する。θ₁およびθ₀の範囲は、例えば、１８０°〜２１０°である。より厳しい下限は１８５°となり、より厳しい上限は２００°もしくは２０５°となる。

上記燃焼器はＲＱＬモードで運転する。所定のパラメータの最適化により、キャパシティ、効率、出力パラメータ（例えば、温度分布）において結果の調和点が見いだされ、特に、上記寸法、上記特定された角度、スワラや上記パネルを介して導入された空気の量や分布、等を含むファクタに基づいた排気制御において結果の調和点が見いだされる。上記実施例においては、燃焼器を通過する空気流の最も多くの部分は、通常、大部分（例えば、４０％〜７０％）が上記パネルを介して導入されるプロセス空気である。次に多くの量（例えば、１５％〜３５％）を占めるのは、冷却空気（例えば、断熱シールドパネルを通過したフィルム冷却空気）であり、その他の残りはスワラにおいて燃料とともに導入される。上記の状態つまり割合は、燃焼プロファイルないし燃焼性能とともに、エンジンの運転状態に基づいて変化する。例えば、比較的低出力条件の下では、第１のリッチ領域およびクエンチ領域で非常に高い割合の（例えば９５％程度の）燃焼が生じ、その多くの燃焼が分割領域５１０の上流において生ずる。より高出力条件の下では、上記燃焼量はより減少し、リッチ領域とリーン領域とに概ね等しく配分される。一例として、分割領域５１０のやや上流側に位置する環状の境界５２０は、リッチ領域と遷移領域との間の境界にほぼ相当し、プロセス希薄空気は、下流側の断熱シールドパネルの上流側（先導）エッジ近傍の、上記断熱シールドパネル上やシェル上の周方向に並んだ比較的大きな孔を通して導入される。同様に、下流側の境界５２２は遷移領域とリーン領域とを区分する。上記境界５２０，５２２の位置は、上記孔の位置や寸法だけでなく運転状態にも依存する。

図２は、もう１つの燃焼器１２０を示し、上流燃焼室領域１５４と下流燃焼室領域１５６との間の遷移領域がさらに上流に配置されるように壁や関連したパネルの寸法が定められている点で、上記燃焼器２０とは基本的に異なる。上記の別の構成は、ディフューザ形状、コンプレッサのアウトレットつまり出口部とタービンインレットとの相対位置、点火装置の位置ないし姿勢、等の１つもしくは複数のファクタを含んだ、関連したエンジンより提供される別の外側の覆い(envelope)により定まる。従って、どの具体的な態様も、第１領域、クエンチ領域、リーン領域の容積や性能においてそれぞれ多少違った構成を備えている。図３は、内側寄りの壁１３２における前方パネル１７４と後方パネル１７６とを示す。各後方パネル１７６には、パネル上の比較的前方に位置し、かつ、周方向に交互に配列された大きな孔１９０と小さな孔１９２とが設けられている。これらの孔は、燃焼室へのプロセス空気の導入を可能とする。内側寄りパネルのそれぞれ大小の孔は、外側寄りのパネルのそれぞれの孔と完全に位相がずれている。従って、一方のパネルの大きな孔は、他方のパネルの小さな孔と周方向に整列する。これにより、相互に作用する空気流が発生し、燃焼器内の混合がさらに促進する。

本発明の１つもしくは複数の態様について説明した。しかしながら、本発明の趣旨や範囲から逸脱することの無い様々な改良がなされよう。例えば、既存の燃焼器を再設計するために本発明が適用される場合には、既存の燃焼器の細部が具体的な実施態様の細部に影響を及ぼすだろう。従って、他の態様も添付の特許請求の範囲に属する。

ガスタービンエンジン燃焼器の長手方向断面図。 第２のガスタービンエンジン燃焼器の長手方向断面図。 外側壁とバルクヘッドを除き、図２の第２の燃焼器の内側壁を明確に示した図。

符号の説明

２０…ガスタービンエンジン燃焼器
２６…ガスタービンエンジン
３０…燃焼室
３２…内側寄りの壁
３４…外側寄りの壁
３６…バルクヘッド
４０…スワラ
４２…燃料噴射装置
５０…点火プラグ
５４…上流領域
５６…下流領域
５００…長手方向の中心軸

Claims (9)

1. 内側寄りの壁と、
   外側寄りの壁と、
   上記内側寄りの壁と上記外側寄りの壁との間に延在し、かつ、これらの壁と協働して燃焼器内側容積を定義する前方バルクヘッドと、
   を備え、かつ、
   長手方向の断面においては、上記燃焼器内側容積の第１の領域が前方から後方へ向かって収束し、かつ、上記第１の領域の後方に位置する第２の領域が、上記第１の領域より緩やかに前方から後方へ向かって収束するガスタービンエンジン燃焼器であって、
   上記第１の領域は、上記内側容積の少なくとも２５％に相当し、かつ、
   上記第２の領域は、上記内側容積の少なくとも３５％に相当することを特徴とするガスタービンエンジン燃焼器。
2. 上記第１の領域は、上記内側容積の少なくとも３５％に相当し、かつ、
   上記第２の領域は、上記内側容積の少なくとも５０％に相当することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
3. 上記第１の領域と第２の領域とは、合わせて、上記内側容積の少なくとも８０％に相当することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
4. 上記第１の領域と第２の領域とは、合わせて、上記内側容積の少なくとも９０％に相当することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
5. 上記内側寄りの壁は、第１の部分と、該第１の部分の後方に位置しかつ該第１の部分に対し長手方向内側に１８０°〜２１０°の角度をなす第２の部分と、を備え、かつ、
   上記外側寄りの壁は、第１の部分と、該第１の部分の後方に位置しかつ該第１の部分に対し長手方向内側に１８０°〜２１０°の角度をなす第２の部分と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
6. 上記内側寄りの壁と上記外側寄りの壁との各々は、外側シェルと内側多層パネル断熱シールドとを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
7. 内側寄りの壁と、外側寄りの壁と、上記内側寄りの壁と上記外側寄りの壁との間に延在し、かつ、これらの壁と協働して燃焼器内側容積を定義する前方バルクヘッドと、を備え、かつ、長手方向の断面においては、上記燃焼器内側容積の第１の領域が前方から後方へ向かって収束し、かつ、上記第１の領域の後方に位置する第２の領域が、上記第１の領域より緩やかに前方から後方へ向かって収束し、上記第１の領域は、上記内側容積の少なくとも２５％に相当し、かつ、上記第２の領域は、上記内側容積の少なくとも３５％に相当する、ガスタービンエンジン燃焼器を設計する方法であって、
   第１の領域における所望の短い滞留時間を得るように上記第１の領域の収束角度を選択する段階と、
   所望の少ないＮＯ_xの発生を得るようにプロセス空気の導入パラメータの選択と一緒に上記第２の領域の収束角度を選択する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
8. クエンチ領域を要望通り短くできるように上記収束角度およびプロセス空気の導入パラメータの選択が変化することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 上記設計された燃焼器が、再設計もしくは交換される基本の燃焼器に比べＮＯ_xの発生を抑えるように機能する請求項７に記載の方法。

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