JP4118051B2 - タービンエンジン燃焼器に空気を供給するための方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本出願は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジン用燃焼器に関する。
【0002】
【発明の背景】
公知のジェットエンジン内では、空気は比較的高い軸流速度で燃焼器を出る。圧力損失を減少させると同時に燃焼効率の増大を図るために、空気速度は、それが燃焼器に入るときに減少させられる。より具体的には、燃焼器は、空気流を減速させるディフューザとして知られている入口区域を含む。
【0003】
エンジン燃料消費率(SFC)に対する空気流拡散の影響を少なくするために、燃焼器内での拡散過程は、ディフューザ下流の空気流の比較的高い静圧回復をもたらし、同時に流体損失を減少させなければならない。拡散は、ディフューザの有効面積比として知られる比率である、ディフューザ入口面積に対するディフューザ出口面積の比率で決定される。比較的低い圧力損失でもって所定の圧力回復を達成するために、少なくとも一部の公知のディフューザは、ディフューザの入口面積と出口面積との間で測定した場合の比較的長い長さを有する。ディフューザの長さが増大すると、エンジン重量が増大する。しかしながら、公知のディフューザの範囲内では、ディフューザの長さが減少すると静圧回復が減少する。
【0004】
拡散過程の改善を図るため、少なくとも一部の公知のディフューザは、円周方向に延びるスプリッタによって分離された2つのディフューザ流路を含む。各流路は、元の単一流路よりも小さいので、所望有効面積比を得るためにこの2つの流路は高さを増大させていた。単一流路を出る空気流は、2流路ディフューザを出る空気流のそれに比較してより一様であるのが普通であるが、往々にして単一流路からの流れは燃焼器内で充分には広がらず、燃焼器の性能に悪影響を及ぼす。
【特許文献1】
米国特許5,335,501号公報
【特許文献2】
特開平04−251118号公報
【0005】
【発明の概要】
例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン用燃焼器は、燃焼器のダンプ圧力損失の減少を図り、燃焼器及びエンジンの性能を改善する。燃焼器は、指向された空気流を燃焼器内に拡散するディフューザを含む。ディフューザは、外側壁と、内側壁と、外側壁と内側壁の間に位置する複数の中間羽根とを含む。中間羽根は半径方向に間隔を置いて離して配置され、各中間羽根は、それぞれのディフューザ壁から半径方向に間隔を置いて配置され、ディフューザ内に少なくとも3つのディフューザ通路を形成する。より具体的には、外側通路と、内側通路と、中央通路とが、中間羽根によって形成される。ディフューザは、ガスタービンエンジンがエンジン圧力損失もしくは燃料消費率SFCを犠牲にすることなく、高面積比並びに減少されたエンジン長さと重量を備えることを可能にする。
【0006】
使用中、ディフューザの中間羽根は、並行して働く3つの分離された通路中に空気流を分割する。より具体的には、外側通路は、軸方向空気流を拡散させ半径方向外向きに導き、ダンプ損失を減少させると同時に燃焼器内の圧力回復の改善を図り、中央通路は、軸方向空気流を拡散させ空気流を軸方向に維持し、流れ損失の最小限化を図り、また内側通路は、空気流を拡散させ軸方向空気流を半径方向内向きに導き、ダンプ損失を減少させると同時に燃焼器内の圧力回復の改善を図る。結果として、ディフューザは、燃焼器のダンプ損失の減少を促進し、エンジンの特定の燃料消費率SFCを犠牲にすることなく燃焼器性能を改善する。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1は、低圧圧縮機12と、高圧圧縮機14と、燃焼器16とを含むガスタービンエンジン10の概略図である。エンジン10はまた、高圧タービン18と、低圧タービン20を含む。圧縮機12とタービン20とは、第1シャフト22によって連結され、また圧縮機14とタービン18とは、第2シャフト24によって連結される。1つの実施形態において、ガスタービンエンジン10は、オハイオ州シンシナチのGeneral Electric Aircraft Enginesから市販されているLM6000エンジンである。エンジン10はまた、それを通って延びる中心長手方向対称軸26を含む。
【0008】
作動中、空気は低圧圧縮機12を通って流れ、加圧された空気は低圧圧縮機12から高圧圧縮機14へ供給される。高度に加圧された空気が燃焼器16へ供給される。燃焼器16からの空気流は、タービン18と20を駆動し、ノズル28を通ってガスタービンエンジン10を出る。
【0009】
図2は、ガスタービンエンジン10(図1に示す)で使用される燃焼器16の断面図である。図3は、図2に示す領域3における燃焼器16の拡大図である。燃焼器16は、環状外側ライナ40と、環状内側ライナ42と、外側及び内側ライナ40及び42それぞれの間に延びるドーム状端部44とを含む。外側ライナ40は、燃焼器ケーシング45から半径方向内方に間隔を置いて配置され、内側ライナ42と共に燃焼室46を形成する。
【0010】
燃焼器ケーシング45は、ほぼ環状であり、ディフューザ48から下流に延びている。燃焼室46は、ほぼ形状が環状であり、ライナ40と42との間に位置している。外側ライナ40と燃焼器ケーシング45は外側通路52を形成し、また内側ライナ42と内側燃焼器ケーシング47は内側通路54を形成する。内側ライナ42は、内側燃焼器ケーシング47から半径方向外方に間隔を置いて配置される。外側及び内側ライナ40及び42は、ディフューザ48から下流に配置されたタービンノズル56まで延びる。例示的な実施形態において、外側及び内側ライナ40及び42の各々は、一連の段60を備える複数のパネル58を含み、各々の段60が燃焼器ライナ40及び42の区分された部分を形成している。
【0011】
外側ライナ40と内側ライナ42の各々は、それぞれカウル64と66を含む。内側カウル66と外側カウル64は、パネル58の上流に位置し、開口部68を形成する。より具体的には、外側及び内側ライナパネル58は、直列に接続され、それぞれカウル66及び64から下流に延びている。
【0012】
例示的な実施形態において、燃焼器のドーム状端部44は、単一環状構成で配列された環状ドーム70を含む。1つの実施形態において、燃焼器のドーム状端部44は、二重環状構成で配列された複数のドーム70を含む。第2の実施形態において、燃焼器のドーム状端部44は、三重環状構成で配列された複数のドーム70を含む。ドーム70は、燃焼器外側ライナ40に対して固着された外側端部72と、燃焼器内側ライナ42に対して固着された内側端部74とを含む。
【0013】
燃焼器16は、燃料供給源(図示せず)に接続され、燃焼器ケーシング45を貫通して延びる燃料ノズル80を介して燃料を供給される。より具体的には、燃料ノズル80は、カウル開口部68を通して延び、燃焼器の中心長手方向対称軸81に関してほぼ同軸である方向(図示せず)に燃料を吐出する。燃焼器16はまた、パイロット燃料噴射器(図示せず)から燃料を受け、また燃料ノズル80から下流に位置する、燃焼器ケーシング45を貫通して延びる燃料点火器82を含む。
【0014】
ディフューザのダンプ(即ち、放出)領域86は、ドーム70及び燃料ノズル80の上流に位置する。ディフューザのダンプ領域86は、燃焼器が、燃焼器圧力回復として知られている、圧縮機14を出る空気流の静圧を増大させることを可能にする。より具体的には、ディフューザのダンプ領域86は、加圧空気流をディフューザ48から受ける。ディフューザ48は、環状であり、エンジン中心長手方向対称軸26の周りに同軸的に配置される。
【0015】
ディフューザ48は、環状の半径方向外側壁90と、外側壁90から半径方向内方に間隔を置いて配置された環状の半径方向内側壁92とを含む。外側壁90は、前縁部分94と後縁部分96を含む。内側壁92は、前縁部分100と後縁部分102を含む。ディフューザ48は、外側壁後縁部分96が外側壁前縁部分94から下流にかつ半径方向外側に位置するように、また、内側壁後縁部分102が内側壁前縁部分100から下流にかつ半径方向内側に位置するように、発散している。従って、前縁部分94と100に関して測定されたディフューザ48の有効入口断面積の環状空間の高さ106は、後縁部分96と102に関して測定されたディフューザ48の有効出口断面積の合計高さ(図示せず)より小さい。より具体的には、有効出口断面積の環状空間の合計高さは、それぞれディフューザ通路140、142及び144の各々の環状空間の高さ107、108及び109を合計することによって求められる。1つの実施形態において、ディフューザ48は、高面積比を有する。1つの実施形態においては、ディフューザ48は、作動中にロータの冷却と耐久性を改善するために、低温分割抽気を行なう複数の半径方向ストラット(図示せず)を備えている。
【0016】
複数の中間羽根110は、ディフューザの内側壁92と外側壁90それぞれの間に配置される。1つの実施形態において、中間羽根110は、薄い軽量材料で製作される。より具体的には、ディフューザ48は、それぞれディフューザ48の前縁116から後縁118まで延びる、第1中間羽根112と第2中間羽根114とを含む。第1中間羽根112は、第2中間羽根114と外側壁90との間に位置する。より具体的には、第1中間羽根112は、第2中間羽根114から半径方向外方に、かつ外側壁90から半径方向内方に間隔を置いて配置される。
【0017】
第1中間羽根112は、空気力学的形状になっている。例示的な実施形態において、第1中間羽根112の前縁部分120は、第1中間羽根112の後縁部分122よりも薄い。更に、例示的な実施形態において、第1中間羽根112の半径方向外側面124及び半径方向内側面126の両方とも、燃焼器の中心長手方向対称軸81に対して半径方向外向きに湾曲している。
【0018】
第2中間羽根114は、空気力学的形状になっており、第1中間羽根112とディフューザ内側壁92との間に位置している。より具体的には、第2中間羽根114は、第1中間羽根112から半径方向内方に、かつディフューザ内側壁92から半径方向外方に、間隔を置いて配置される。例示的な実施形態において、第2中間羽根114の前縁部分130は、第2中間羽根114の後縁部分132よりも薄い。
【0019】
中間羽根110は、ディフューザ前縁116からディフューザ後縁118まで延びている複数の流れ通路138を形成する。より具体的には、中間羽根110は、外側通路140と、中央通路142と、内側通路144を形成する。外側通路140は、外側壁90と第1中間羽根112の間に位置し、ディフューザ48に入る空気流の一部を、燃焼器の中心長手方向対称軸81に対して僅かに半径方向外向きに導く。
【0020】
中央通路142は、外側及び内側通路140及び144それぞれの間に位置し、より具体的には、第1及び第2中間羽根112及び114それぞれの間に形成される。中央通路142は、ディフューザ48に入る空気流の一部を燃焼器の中心長手方向対称軸81に対してほぼ平行する方向(図示せず)に軸方向外側に指向させる。
【0021】
内側通路144は、第2中間羽根114とディフューザ内側壁92の間に形成される。内側通路144は、ディフューザ48に入る空気流の一部を燃焼器の中心長手方向対称軸81に対して僅かに半径方向内向きに指向させる。
【0022】
作動中、空気は低圧圧縮機12(図1に示す)を通って流れ、加圧された空気は低圧圧縮機12から高圧圧縮機14へ供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器16に供給され、ディフューザ48に入る。ディフューザの中間羽根110は、並行して働く3つの分離されたディフューザ通路138中に空気流を分割する。具体的には、外側通路140に入る空気流は、燃焼器ディフューザのダンプ領域86中へ放出されるのに先立って、拡散され半径方向外向きに導かれ、中央通路142に入る空気流は、燃焼器ディフューザのダンプ領域86中へ拡散され軸方向に導かれ、また、内側通路144に入る空気流は、燃焼器ディフューザのダンプ領域86中へ放出されるのに先立って、拡散され半径方向内向きに導かれる。
【0023】
空気流は、ディフューザ48を出るときに、半径方向外向きに、軸方向に、そして半径方向内向きに放出されるので、空気流は、軸流ディフューザの場合よりもドーム70及び燃焼室46全体にわたってより一様に拡散される。結果として、燃焼器ディフューザのダンプ領域86内のダンプ損失は減少され、また燃焼器圧力回復は改善される。
【0024】
更に、エンジン燃料消費率SFCを犠牲にすることなく、燃焼室46内の一層効果的な圧力回復が図られる。
【0025】
上記のガスタービンエンジン用燃焼器システムは、対費用効果がよく、かつ信頼性がある。燃焼器システムは、3つのディフューザ通路を形成する1対の中間羽根を備えるディフューザを含む。外側通路は空気流を半径方向外向きに導き、中央通路は空気流を軸方向に放出し、また内側通路は空気流を半径方向内向きに導く。結果として、ディフューザは、燃焼室内のダンプ損失の減少と燃焼器性能の改善とを促進する。
【0026】
本発明を、様々な特定の実施形態により説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変形によって実施できることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ガスタービンエンジンの概略図。
【図2】 図1に示すガスタービンエンジンで使用される燃焼器の断面図。
【図3】 図2に示す領域3における燃焼器の拡大図。
【符号の説明】
10 ガスタービンエンジン
16 燃焼器
48 ディフューザ
68 カウル開口部
80 燃料ノズル
81 燃焼器の中心長手方向対称軸
86 ディフューザのダンプ領域
90 外側壁
92 内側壁
110 中間羽根
112 外側中間羽根
114 内側中間羽根
116 ディフューザ前縁
118 ディフューザ後縁
140 外側通路
142 中央通路
144 内側通路
Claims (6)
- 外側壁(90)と、内側壁(92)と、前記外側壁と前記内側壁の間に半径方向に間隔を置いて配置された内側中間羽根(114)及び外側中間羽根(112)からなる中間羽根(110)とを含むディフューザ(48)を通してガスタービンエンジンの燃焼器(16)に空気流を供給するための方法であって、
加圧空気流を軸方向に前記燃焼器ディフューザへ指向させる段階と、
前記内側中間羽根(114)の前縁部分(130)は該内側中間羽根の後縁部分(122)より薄く、外側中間羽根(112)の前縁部分(120)は該外側中間羽根の後縁部分(122)より薄く構成されており、該外側中間羽根と前記外側壁との間の外側通路(140)によって前記加圧空気流を前記燃焼器の長手方向対称軸(81)に対し半径方向外向きに導くと共に、前記外側及び内側羽根の間の中央通路(142)によって前記加圧空気流を前記長手方向対称軸(81)に平行に且つ前記ガスタービンエンジンの軸(26)方向外側に導き、且つ、前記内側中間羽根と前記内側壁との間の内側通路(144)によって前記加圧空気流を前記長手方向対称軸(81)に対し半径方向内向きに導く段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 加圧空気流を軸方向に指向させる前記段階は、前記燃焼器(16)に流入する前記空気流を、前記ディフューザの前縁部分(94)の有効入口断面積より該ディフューザの後縁部分(96)の有効出口断面積の方が大きい高面積比で拡散する段階を更に含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 燃焼器(16)に流入する空気流を拡散するように構成されたガスタービンエンジン燃焼器用ディフューザ(48)であって、
外側壁(90)と、
内側壁(92)と、
前記外側と内側壁の間に半径方向に間隔を置いて配置された内側中間羽根(114)及び外側中間羽根(112)からなる中間羽根(110)と、
を含み、
前記内側中間羽根(114)の前縁部分(130)は該内側中間羽根の後縁部分(132)より薄く、外側中間羽根(112)の前縁部分(120)は該外側中間羽根の後縁部分(122)より薄く構成されており、
前記外側壁と外側中間羽根との間の外側通路(140)は、前記加圧空気流を前記燃焼器の長手方向対称軸(81)に対し半径方向外向きに導き、前記外側及び内側羽根の間の中央通路(142)は、前記加圧空気流を前記長手方向対称軸(81)に平行に且つ前記ガスタービンエンジンの軸(26)方向外側に導き、前記内側中間羽根と前記内側壁との間の内側通路(144)は、前記加圧空気流を前記長手方向対称軸(81)に対し半径方向内向きに導くよう配置されていることを特徴とするディフューザ(48)。 - 前記ディフューザの前縁部分(94)の有効入口断面積より該ディフューザの後縁部分(96)の有効出口断面積の方が大きい高面積比を有することを特徴とする、請求項3に記載のディフューザ(48)。
- 請求項3又は4に記載のディフューザ(48)を備えるガスタービンエンジン(10)用の燃焼器(16)。
- 請求項5に記載の燃焼器(16)を備えるガスタービンエンジン(10)。
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