JP4128393B2

JP4128393B2 - ガスタービンエンジンの点火器チューブを冷却するための方法、ガスタービンエンジン及びガスタービンエンジン用の燃焼器

Info

Publication number: JP4128393B2
Application number: JP2002140857A
Authority: JP
Inventors: ギルバート・ファーマー; エラ・クリスティーン・クッター; スティーブン・クレイトン・バイス; ジョン・ロバート・ステイカー; マールワン・アル−ローブ; タリク・ケイ・ハリス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: JP2002364848A; US20020170293A1; EP1258682B1; DE60229022D1; EP1258682A2; US6557350B2; EP1258682A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には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の燃焼器に用いられる点火器チューブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼器は、ガスタービンエンジンにおいて燃料及び空気の混合気を点火するのに用いられる。公知の燃焼器は、燃焼区域を形成する燃焼器ライナに取り付けられた少なくとも１つのドームを含む。より具体的には、燃焼器ライナは、ドームからタービンノズルまで延びる内側ライナ及び外側ライナを含む。ライナは、燃焼器ケーシングから半径方向内方に間隔を置いて配置され、内側及び外側通路がそれぞれの内側及び外側ライナと燃焼器ケーシングとの間に形成される。
【０００３】
燃料点火器は、燃焼器外側ライナに取り付けられた点火器チューブを通して延びる。より具体的には、燃料点火器チューブは、外側通路を通して延び、点火器を燃焼チャンバに対して整合した状態に維持する。
【０００４】
作動中、高圧空気流は圧縮機から燃焼器中に吐出され、該燃焼器において空気流は燃料と混合されて点火器で点火される。燃焼器に流入する空気流の一部分は、燃焼器外側通路を通して流され、外側ライナ及び点火器を冷却し、また燃焼チャンバ内の主燃焼区域を希釈する。点火器は幅広のずんぐりした物体であるため、空気流ははく離し、各点火器から下流に伴流が発生する可能性がある。伴流の結果として、点火器及び点火器チューブの下流側は、はく離していない空気流で冷却される点火器及び点火器チューブの上流側ほど効果的には冷却されない。さらに、伴流の結果として、点火器チューブ中に周方向の温度勾配が生じるおそれがある。時が経つにつれて、温度勾配状態での連続した作動により、点火器チューブを製作するのに用いられている材料の極減強度を超える、損傷を与えるおそれのある熱応力が燃焼器中に生じる可能性がある。その結果、熱により生じる一時的及び定常的状態の応力は、点火器チューブの低サイクル疲労（ＬＣＦ）破損を引き起こす可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
点火器チューブの交換は費用と時間のかかる作業であるので、少なくとも一部の公知の燃焼器では、点火器チューブの内部に生じる熱による周方向の応力を減少させるのを助けるために、点火器と点火器チューブとの間の間隙を増大させている。この間隙により、通路から燃焼チャンバにながれる漏洩を発生させて、燃焼器ライナに隣接する点火器チューブに対して冷却作用を与える。しかしながら、かかる空気は燃焼行程に用いられるために、かかる間隙は断続的な冷却しか行わないので、点火器チューブは依然として交換を必要とする可能性がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン用の燃焼器は、燃焼器内部の伴流温度及び温度勾配を費用効果が良くかつ信頼性のある方法で減少させるのを助ける複数の点火器チューブを含む。燃焼器は、点火器チューブを受ける寸法に作られた複数の開口を含む環状の外側ライナを備える。点火器チューブの各々は、その中に受けられる点火器の各々の整合を維持し、また点火器チューブから半径方向外向きに延びる空気インピンジメント装置を含む。
【０００７】
作動中に、空気インピンジメント装置に接触する空気流は、点火器チューブの後端に向かってかつ燃焼器外側ライナに向かって半径方向内向きに流される。より具体的には、空気流は、点火器チューブ及びそれを取り囲む燃焼器外側ライナをインピンジメント冷却するために点火器チューブの周りに周方向に向けられる。インピンジメント冷却は、点火器チューブ及び燃焼器外側ライナの伴流温度及び周方向の温度勾配全体を減少させるのを助ける。その結果、点火器チューブの熱応力を低下させ、従って低サイクル疲労寿命の改善が費用効果が良くかつ信頼性のある方法で促進される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６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、低圧タービン２０、及びブースタ２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。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にあるＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙから市販されているＧＥ９０型エンジンである。
【０００９】
作動中、空気はファン組立体１２を通して流れ、加圧された空気が高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送り込まれる。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０はファン組立体１２を駆動する。
【００１０】
図２はガスタービンエンジン１０に用いられる燃焼器１６の断面図である。燃焼器１６は、環状の外側ライナ４０、環状の内側ライナ４２、及びそれぞれ外側ライナ４０と内側ライナ４２の間を延びるドーム状端部（図示せず）を含む。外側ライナ４０及び内側ライナ４２は、燃焼器ケーシング４６から内方に間隔を置いて配置され、燃焼チャンバ４８を形成する。外側ライナ４０及び燃焼器ケーシング４６は、外側通路５２を形成し、また内側ライナ４２及び前部内側ノズル支持体５３は、内側通路５４を形成する。
【００１１】
燃焼チャンバ４８は、一般的に形状が環状であり、ライナ４０と４２の間に配置される。外側ライナ４０及び内側ライナ４２は、ドーム状端部からドーム状端部の下流に配置されるタービンノズル５６まで延びる。この例示的な実施形態においては、外側ライナ４０及び内側ライナ４２の各々は、１連の段部６０を備える複数のパネル５８を含み、各パネルは燃焼器ライナ４０及び４２の異なる部分を構成する。
【００１２】
複数の燃料点火器６２は、燃焼器ケーシング４６及び外側通路５２を貫通して延び、燃焼器外側ライナ４０と結合される。１つの実施形態において、２つの燃料点火器６２が燃焼器ケーシング４６を貫通して延びる。点火器６２は、燃焼器１６の周りに周方向に配置され、かつ燃焼器のドーム状端部から下流側に位置する幅広のずんぐりした物体である。各点火器６２は、燃焼チャンバ４８内の燃料／空気混合気を点火するために設置され、その各々は燃焼器外側ライナ４０に結合された点火器チューブ６４を含む。より具体的には、各点火器チューブ６４は、各点火器チューブ６４が燃焼器外側ライナ４０を貫いて延びている各開口６６に対して同心に整合されるように、開口６６内に結合される。点火器チューブ６４は、燃焼器１６に対して各点火器を整合させた状態に維持する。１つの実施形態において、燃焼器外側ライナの開口６６は、ほぼ円形の断面輪郭を有する。
【００１３】
エンジン作動中、空気流（図示せず）は、比較的高い速度で高圧圧縮機１４（図１に示す）を出て、燃焼器１６中に向けられ、燃焼器において空気流は燃料と混合され、燃料／空気混合気は点火器６２で点火されて燃焼する。空気流が燃焼器１６に流入するとき、空気流の一部分（図２には示さず）が、燃焼器外側通路５２を通して流される。各点火器６２は、幅広のずんぐりした物体であるので、空気流が点火器６２に接触すると、各点火器６２の下流側の空気流中に伴流が生じる。
【００１４】
図３は燃焼器外側ライナ４０に結合された点火器チューブ６４の拡大断面図である。図４は、燃焼器外側ライナ４０に結合された点火器チューブ６４の平面図である。点火器チューブ６４は、上流側７０及び下流側７２を有する。点火器チューブ６４はまた、半径方向内側フランジ部７４、半径方向外側部７６、及びその間を延びる支持リング７８を有する。
【００１５】
半径方向内側フランジ部７４は、環状であり、フランジ部７４から支持リング７８に向かって半径方向外向きに延びる突起８０を含む。より具体的には、フランジ部７４は、点火器チューブの内側表面８１と支持リング７８の間を延びており、外径８２を有する。フランジ部７４はまた、それを貫通して延びて直径８６を有する開口８４を含む。１つの実施形態において、開口８４はほぼ円形である。フランジ部の開口８４は、点火器６２を受ける寸法に作られている。フランジ部の外径８２は、燃焼器外側ライナの開口６６の内径８８にほぼ等しく、従って点火器チューブのフランジ部７４は、燃焼器外側ライナの開口６６内に厳密な公差で受けられる。この例示的な実施形態において、点火器チューブの半径方向内側フランジ部７４は、ほぼ円形の外周を有する。
【００１６】
点火器チューブの支持リング７８は、半径方向内側フランジ部の突起８０の１部をその中に受ける寸法に作られた凹み９０を含む。より具体的には、支持リング７８は、フランジ部の突起８０の半径方向外側表面９２に取り付けられるので、支持リング７８はフランジ部７４から半径方向外向きにかつほぼ垂直に延びる。点火器チューブの支持リング７８はまた、支持リング７８から点火器チューブの半径方向外側部７６に向かってほぼ垂直に延びる突起９４を含む。
【００１７】
点火器チューブの半径方向外側部７６は、支持リング７８に取り付けられ、受けリング１００及び取付リング１０２を含む。取付リング１０２は、環状であり、取付リング１０２が支持リング７８にほぼ平行になるように、支持リング７８から延びる。受けリング１００は、取付リング１０２から半径方向外向きに延びる。より具体的には、受けリング１００は、点火器チューブの半径方向外側部７６を貫いて延びる開口１０６が、半径方向外側部７６の出口１１６での直径１１４より大きい半径方向外側部７６の入口１１２での直径１１０を有するように、取付リング１０２から拡開して延びる。従って、半径方向外側部の入口１１２は点火器６２を点火器チューブ６４中に案内し、半径方向外側部の出口１１４は点火器６２を燃焼器１６に対して整合した状態に維持する（図１及び図２に示す）。
【００１８】
点火器チューブ６４はまた、点火器チューブ６４から半径方向外向きに延びる空気インピンジメント装置１２０を含む。空気インピンジメント装置１２０は、スクープまたはデフレクタ部１２２とリングフランジ部１２４とを含む。リングフランジ部１２４は、それを貫いて延び、フランジ部の開口８４に対して同心に整合された開口１２６を有する。より具体的には、リングフランジ部１２４は、点火器チューブの半径方向外側部の受けリング１００の最大外径１３０より大きい内径１２８を有する。リングフランジ部１２４はまた、外径１３２を有する。
【００１９】
空気インピンジメント装置のリングフランジ部１２４は、点火器チューブの支持リング７８及び点火器チューブの半径方向外側部７６に取り付けられる。リングフランジ部１２４は、リングフランジ部１２４のそれぞれ内端縁１４２と外端縁１４４との間で測定された幅１３４を有する。
【００２０】
空気インピンジメントスクープ部１２２は、リングフランジ部の外端縁１４４から延びる。具体的には、スクープ部１２２は、リングフランジ部の外端縁１４４から半径方向外向きにリングフランジ部１２４の全周のほぼ半分だけ延びる。スクープ部１２２は、点火器チューブの下流側７２の周りのリングフランジの外端縁１４４から半径方向外向きに距離１５０だけ延びる。
【００２１】
スクープ部１２２は、点火器チューブ６４の中心対称軸１５６に向かって湾曲している。より具体的には、スクープ部１２２は、スクープ部１２２に突き当たる空気流を燃焼器外側ライナ４０に向かって半径方向内向きに流すような空気力学的形状にされている。スクープ部１２２はまた、スクープ部１２２の半径方向外側表面１６２からスクープ部１２２の半径方向内側表面１６４まで延びる開口部１６０を含む。従って、スクープ部１２２に突き当たる空気流は、スクープ部の開口部１６０を通して半径方向内向きに向けられる。開口部１６０は、ガイド空気孔として知られている。１つの実施形態において、開口部１６０はスクープ部１２２の内側で延びる。
【００２２】
空気ガイド板１７０が、スクープ部の半径方向内側表面１６４に取り付けられ、燃焼器外側ライナ４０に向かって延びている。より具体的には、空気ガイド板１７０は、スクープ部１２２の下流側７２に取り付けられており、空気ガイド板１７０の半径方向内側面１７４が点火器チューブの中心対称軸１５６に向かう方向に半径方向内向きに延びるが、点火器チューブ６４にも燃焼器外側ライナ４０にも接触しないような、形状にされている。従って、空気ガイド板１７０は、スクープ部の開口部１６０と流体連通している。
【００２３】
燃焼器外側ライナ４０は、燃焼器外側ライナ４０を貫通して延びる複数の冷却開口１８０を含む。より具体的には、冷却開口１８０は、燃焼器外側ライナの点火器用開口６６の半径方向外方に位置しており、かつ燃焼器外側ライナの開口６６の下流側７２の周りに延びている。この実施形態においては、冷却開口１８０は複数の円弧状の列１８４で配列される。冷却開口１８０は、燃焼チャンバ４８と流体連通している。スクープ部１２２は、冷却開口１８０から半径方向外方にあるので、スクープ部の開口部１６０は冷却開口１８０と流体連通している。
【００２４】
エンジン作動中、空気流は比較的高い速度で高圧圧縮機１４（図１に示す）を出て、燃焼器１６中に向けられ、燃焼器において空気流は燃料と混合され、混合気は点火器６２（図２に示す）で点火されて燃焼する。空気流が燃焼器１６に流入するとき、空気流の一部分１９０は燃焼器外側通路５２（図２に示す）を通して流される。燃焼器外側通路の空気流１９０の一部分１９２は、空気インピンジメント装置１２０に接触した後に半径方向内向きに向けられる。より具体的には、空気流部分１９０が空気インピンジメント装置のスクープ１２２に突き当たると、空気流部分１９２は、スクープ部１２２に沿ってスクープのガイド空気孔１６０を通して半径方向内向きに流される。
【００２５】
空気流がスクープ部１２２から吐出されるとき、空気流は空気ガイド板１７０に接触して向け直される。空気ガイド板１７０は、空気流の部分１９０を点火器チューブの中心対称軸１５６に向かう方向に燃焼器外側ライナの冷却開口１８０中に流す。さらに、スクープ部１２２は、点火器チューブ６４及び燃焼器外側ライナ４０をインピンジメント冷却するために、空気流を点火器チューブの半径方向内側フランジ部７４の周りの周方向に向ける。その結果、局部的な対流による熱伝達が強められ、それによって点火器チューブ６４の周り及び点火器チューブ６４と燃焼器外側ライナ４０の間の周方向の温度勾配を減少させるのを助ける。伴流温度及び周方向の温度勾配の減少により、点火器チューブ６４内に生じる熱応力の低下、従って点火器チューブ６４の低サイクル疲労（ＬＣＦ）寿命の改善が促進される。
【００２６】
上述の点火器チューブは、費用効果が良くかつ高い信頼性がある。点火器チューブは、点火器チューブ及び燃焼器外側ライナをインピンジメント冷却するために、空気流を半径方向内向きにかつ周方向に流す空気インピンジメント装置を含む。より具体的には、空気インピンジメント装置は、点火器チューブと燃焼器外側ライナの間の伴流温度及び周方向の温度勾配を減少するのを助ける。その結果、費用効果が良くかつ信頼性のある方法で熱応力の低下と点火器チューブの寿命の改善とを促進する。
【００２７】
本発明を種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、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更で実施可能であることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼器を含む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に用いることができる燃焼器の断面図。
【図３】図２に示す燃焼器の１部の拡大断面図。
【図４】図３に示す燃焼器の１部の平面図。
【符号の説明】
４０燃焼器外側ライナ
６４点火器チューブ
６６外側ライナの第１の開口
７０上流側
７２下流側
７４点火器チューブの半径方向内側フランジ部
７６点火器チューブの半径方向外側部
７８点火器チューブの支持リング
８４フランジ部の開口
１０６点火器チューブの開口
１２０点火器チューブのインピンジメント装置
１２２スクープ部
１２４リングフランジ部
１５６点火器チューブの中心対称軸
１６０スクープ部の開口部
１７０空気ガイド板
１８０外側ライナの第２の開口
１９０外側通路の空気流
１９２外側通路の空気流の一部分

Claims

燃焼器（１６）及び圧縮機（１４）を含むガスタービンエンジン（１０）を作動させる方法であって、前記燃焼器は、複数の点火器チューブ（６４）と、燃焼チャンバ（４８）を形成する外側ライナ（４０）及び内側ライナ（４２）とを含み、前記外側ライナはその中に点火器チューブを受ける寸法に作られた複数の第１の開口（６６）を含んでおり、該方法は、
空気流を前記圧縮機から前記燃焼器に向けるように、前記エンジンを作動させる段階と、
前記点火器チューブの各々から半径方向外向きに延びるデフレクタ（１２２）を用いて、前記燃焼器の外側ライナをインピンジメント冷却するために前記空気流（１９０）の一部分を流す段階と、を含み、
前記燃焼器外側ライナ（４０）は複数の第２の開口（１８０）をさらに含み、前記空気流（１９０）の一部分を流す前記段階は、前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）を用いて空気流を前記複数の第２の開口に向ける段階をさらに含むことを特徴とする方法。
前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々は、ガイド板（１７０）、開口部（１６０）、及びその間を延びるスクープを含み、前記空気流（１９０）の一部分を流す前記段階は、前記デフレクタのスクープを用いて前記デフレクタ開口部を通して半径方向内向きに空気流（１９２）を向ける段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々は、ガイド板（１７０）、開口部（１６０）、及びその間を延びるスクープを含み、前記点火器チューブのデフレクタを用いる前記段階は、前記デフレクタ開口部を通して前記空気流（１９０）を前記複数の燃焼器外側ライナの第２の開口（１８０）に向ける段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々は、それぞれの前記燃焼器外側ライナの第１の開口（６６）から下流側（７２）に延びており、前記空気流（１９０）の一部分を流す前記段階は、前記燃焼器外側ライナの第１の開口より下流側にある空気流（１９２）を前記燃焼器外側ライナ（４０）に向ける段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
ガスタービンエンジン（１０）用の燃焼器（１６）であって、
それから半径方向外向きに延びているデフレクタ（１２２）を含む少なくとも１つの点火器チューブ（６４）と、
環状の内側燃焼器ライナ（４２）と、
環状の外側燃焼器ライナ（４０）と、を含み、
該外側及び内側燃焼器ライナは燃焼チャンバ（４８）を形成し、前記外側燃焼器ライナは、複数の第１の開口（６６）、複数の第２の開口（１８０）、及び複数のデフレクタを含み、前記第１の開口の各々はその中に前記点火器チューブの各々を受ける寸法に作られており、前記第２の開口の各々は前記第１の開口の各々から下流側（７２）に位置しており、前記点火器チューブのデフレクタの各々は空気流（１９２）を前記複数の第２の開口を通るように反らせる形状にされている、
ことを特徴とする燃焼器（１６）。
前記複数の第２の開口（１８０）は、前記複数の外側燃焼器ライナ（４０）の第１の開口（６６）の各々の半径方向外方に位置していることを特徴とする、請求項５に記載の燃焼器（１６）。
前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々は、前記外側燃焼器ライナの第１の開口（６６）の各々から下流側（７２）に延びていることを特徴とする、請求項５に記載の燃焼器（１６）。
前記複数の第２の開口（１８０）は、前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々と前記外側燃焼器ライナの第１の開口（６６）の各々との間に位置することを特徴とする、請求項７に記載の燃焼器（１６）。
前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々は、ガイド板（１７０）、開口部（１６０）、及びその間を延びるスクープを含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃焼器（１６）。
前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々は、前記複数の第2の開口（１８０）と流体連通していることを特徴とする、請求項５に記載の燃焼器（１６）。
前記複数のデフレクタ（１２２）は、前記外側燃焼器ライナ（４０）をインピンジメント冷却するために空気（１９０）を向けるように構成にされていることを特徴とする、請求項５に記載の燃焼器（１６）。
複数の点火器チューブ（６４）、環状の外側ライナ（４０）、及び環状の内側ライナ（４２）を含む燃焼器（１６）を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、前記外側及び内側ライナは燃焼チャンバ（４８）を形成し、前記外側ライナはその中に前記点火器チューブの各々を受ける寸法に作られた複数の開口（６６）を含み、前記点火器チューブの各々は、該点火器チューブから半径方向外向きに延び、前記外側ライナをインピンジメント冷却するために空気流（１９０）を反らせるように構成されたデフレクタ（１２２）を含み、
前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々は、形状付けされており、ガイド板（１７０）、開口（１６０）、及びその間を延びるスクープを含み、
前記燃焼器外側ライナ（４０）は、複数の第 2 の開口（１８０）をさらに含み、前記第 2 の開口の各々は、前記第１の開口（６６）の各々から下流側（７２）に位置し、
前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々は、前記燃焼器外側ライナの複数の第２の開口（１８０）を通るように空気流（１９０）を向けるように構成されている
ことを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
前記点火器チューブのデフレクタ（１２２）の各々は、前記燃焼器外側ライナの複数の第２の開口（１８０）を越えて前記燃焼器外側ライナの第１の開口（６６）の各々から下流側に延びていることを特徴とする、請求項１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記デフレクタ（１２２）の各々は、前記燃焼器外側ライナの複数の第２の開口（１８０）と流体連通していることを特徴とする、請求項１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記デフレクタ（１２２）の各々は、円弧状であり、前記燃焼器外側ライナの第１の開口（６６）の各々の半径方向外方に位置していることを特徴とする、請求項１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。