JP4406126B2 - トラップ渦空洞を有するガスタービンエンジン燃焼器における濃−急冷−希薄（ｒｑｌ）概念のための装置と方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
１．発明の分野
本発明は少なくとも一つのトラップ渦空洞を有するガスタービンエンジン燃焼器に関し、特に、濃−急冷−希薄（ＲＱＬ）方式に従って燃料をこのような空洞内に噴射しそして高速入口空気流をドーム入口モジュールの流路を通して燃焼室に供給する装置と方法に関する。
２．関連技術の説明
先進航空機ガスタービンエンジン技術の要件は、燃焼器が短い長さを持ち、比較的広い運転範囲にわたって比較的高い性能レベルを有し、そして比較的低い排気汚染物排出レベルを示すようにすることである。このような目的を達成するために設計された燃焼器の一例がバラス（Burrus）の米国特許第５６１９８５５号に開示されている。その開示からわかるように、バラスの燃焼器は、高い亜音速マッハ数を有する入口空気流で効率良く作用し得る。これは部分的に、空気が上流圧縮機から燃焼室まで自由に流れることを可能にするドーム入口モジュールによるものであり、その流路内に燃料が噴射される。燃焼器はまたドーム入口モジュールに取付けられた内側および外側ライナを有し、両ライナは、内部に燃料と空気のトラップ渦を生成する上流空洞部分と、タービンノズルまで延在する下流部分とを備えている。
【０００２】
前述のバラスの燃焼器では燃料がトラップ渦空洞の後壁を形成しているライナの一部分を通ってトラップ渦空洞内に噴射されることに注意されたい。燃料はまたドーム入口モジュールの中空羽根に沿って配置された噴霧器を経てドーム入口モジュールの流路内に噴射され、羽根は燃料マニホルドと流通している。意図した目的には役立つが、米国特許第５６１９８５５号で採用されている燃料噴射方式は簡単さに欠けることがわかっている。特に、この設計では、燃料を空洞内とドーム入口モジュール内に噴射するために別々の装置が利用されているので、燃焼器ハウジング空洞内にかなりのスペースを取る必要があるということを理解されたい。これは製造の見地から大きな費用を意味するが、それだけではなく、燃料噴射器を修理または交換のためにエンジンから取り出すことは、エンジンの大掛かりな分解により燃焼器空洞部を露出しなければ不可能である。
【０００３】
米国特許第５６１９８５５号の燃焼器と関連する問題を処理するために、改変ドーム入口モジュールの上流に配置された複数の円周方向に相隔たる燃料噴射棒を用いる新設計が、「トラップ渦空洞を有するガスタービンエンジン燃焼器用の燃料噴射棒」と題した米国特許出願の明細書に開示されており、この米国特許出願も本発明の譲受人（本件出願人）により所有され、参照によりここに包含される。なお、この米国特許出願は本発明の米国特許出願と同時の出願である。この同時米国特許出願の燃焼器は燃料噴射棒を利用して２段方式により燃料をライナにおける空洞内とドーム入口モジュールの流路内とに噴射するものであることを認識されたい。
【０００４】
燃焼器設計において低排出量を達成する他の方法は、濃−急冷−希薄（ＲＱＬ）として知られている概念である。この概念は、通例１．０より大いに高い局所当量比を有する非常に濃厚な１次燃焼域を特徴とし、これは燃料と燃焼器空気の一部分との混合の開始を可能にしそして酸素不足状態での燃焼をもたらす。従って、１次域内の窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生が減少する。濃厚１次域からの部分的に燃焼した燃焼ガスは、その後、かなりの量の新鮮な追加燃焼器空気の噴射による急速な希釈を受ける。困難なことは、新鮮な空気と濃厚１次域燃焼ガスとの急速な混合を達成して全体的な混合気を急速に希薄状態（すなわち、１．０よりかなり低い当量比）にすることである。これは、急速なＮＯｘ生成が生じる０．８５〜１．１５の局所当量比で燃焼ガスに十分な時間を与えないことによって希釈域内のＮＯｘの発生を防止する。ＲＱＬ燃焼器は燃焼動力学の分野における他の低排出概念と比べてかなり有利であるが、低排出量と、良好な燃焼効率と、良好な出口ガス温度プロフィールおよびパターンとをＲＰＱ概念で達成することは困難であることが知られている。
【０００５】
従って、ＲＱＬ概念の使用と両立し得る燃焼器設計を開発することが望ましい。また、一つ以上のトラップ渦空洞を備えたライナを有するガスタービンエンジン燃焼器においてＲＱＬ概念を利用できるような燃料噴射装置を開発することが望ましい。
【０００６】
【発明の概要】
本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジン燃焼器用の燃料噴射装置が開示され、この燃焼器は、複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナに形成された少なくとも一つの空洞とを含むものである。本燃料噴射装置は、燃料供給源と、ドーム入口モジュールの周りに円周方向に配置されかつそれと整合している複数の燃料噴射棒とを含む。燃料噴射棒は燃料供給源と流通しており、各燃料噴射棒はさらに、上流端と下流端と１対の側部とを有する本体部を備えている。少なくとも一つの噴射器が噴射棒本体部の下流端に形成されそして燃料供給源と流通しており、これにより、燃料が燃料噴射棒を通って空洞に送給される。
【０００７】
本発明の第２態様によれば、ガスタービン燃焼器を作動させる方法が開示され、この燃焼器は、複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナにより燃焼室内に形成された少なくとも一つの空洞とを含むものである。本方法は、燃料を空洞の上流端内に噴射してそこに濃厚１次燃焼域を生成する段階と、空気を空洞内に噴射してそこに燃料と空気とのトラップ渦を生成する段階と、空洞内の空燃混合気に点火して燃焼ガスを生成する段階と、燃焼ガスをドーム入口モジュールの流路を通る空気の流れで希釈する段階と、および燃焼室内の全体的な空燃混合気を希薄状態にする段階とを包含する。
【０００８】
【発明の詳述】
本発明は特許請求の範囲に明確に記載してあるが、添付図面と関連する以下の説明からより良く理解されよう。
【０００９】
添付図面の全図を通じて同符号は同要素を表す。図面について詳述すると、図１は、内部に燃焼室１２を規定している中空体を含む燃焼器１０を示す。燃焼器１０は軸線１４を中心として概して環状であり、そしてさらに外側ライナ１６と、内側ライナ１８と、総体的に符号２０で示したドーム入口モジュールとを備えている。ケーシング２２が好ましくは燃焼器１０の周囲に配置され、従って、外側半径方向通路２４がケーシング２２と外側ライナ１６との間に形成されそして内側通路２６がケーシング２２と内側ライナ１８との間に規定されている。
【００１０】
ドーム入口モジュール２０はバラス（Burrus）の米国特許第５６１９８５５号に開示されているものと同様でよいことを認識されたい。この特許はやはり本発明の譲受人により所有されそして参照によりここに包含されるものである。代わりに、図１は燃焼器１０を、前述の米国特許出願明細書に開示してあるものと同様なドーム入口モジュール２０を有するものとして示すが、この例では、モジュール２０は、その上流に配置されて圧縮機の排出端３０からの空気流を導くディフューザ２８から離れている。ドーム入口モジュール２０は、好ましくは、外側ライナ１６に結合されそして軸方向上流に延在する外側羽根３２と、内側ライナ１８に結合されそして軸方向上流に延在する内側羽根３４と、内外両羽根間に配置されて複数の流路３８を形成している一つ以上の羽根３６とを含む（図１には３つのこのような流路を示してあるが、設けた羽根３６の数によってそれより多いか少ない流路が存在し得る）。好ましくは、ドーム入口モジュール２０は、空気流が妨害されずに燃焼室１２に導入されるように、ディフューザ２８の出口とほぼ整合して配置される。
【００１１】
このような高速流内で燃焼を達成しかつ持続することは困難であり燃焼室１２内下流に同様に搬送されることに注意されたい。燃焼室１２内のこの問題を克服するために、空燃混合気に点火しそしてその火炎を安定化するなんらかの手段が必要である。好ましくは、これは、少なくとも外側ライナ１６に形成した、総体的に符号４０で示したトラップ渦空洞を組み入れることにより達成される。同様なトラップ渦空洞４２を内側ライナ１８にも設けることが好ましい。空洞４０、４２は、前述の米国特許第５６１９８５５号に記載されかつ図１の空洞４２内に概略的に示されているように、燃料と空気のトラップ渦を生成するように利用される。
【００１２】
外側ライナ１６と内側ライナ１８とに対して、トラップ渦空洞４０、４２はドーム入口モジュール２０のすぐ下流に設けられそして実質的に矩形のものとして示されている（ただし空洞４０、４２は断面が弧状のものとして形成されてもよい）。空洞４０は燃焼室１２に開いており、後壁４４と、前壁４６と、前後両壁間に形成されそして好ましくは外側ライナ１６にほぼ平行な外壁４８とにより形成されている。同様に、空洞４２は燃焼室１２に開いており、後壁４５と、前壁４７と、前後両壁間に形成されそして好ましくは内側ライナ１８にほぼ平行な内壁４９とにより形成されている。米国特許第５６１９８５５号に示されているように後壁４４、４５それぞれの通路内の中央に設けた燃料噴射器から燃料をトラップ渦空洞４０、４２内に噴射する代わりに、ドーム入口モジュール２０の周りに円周方向に配置されかつそれと整合している複数の燃料噴射棒５０により前壁４６、４７を通して燃料を噴射することが好ましい。
【００１３】
さらに詳述すると、燃料噴射棒５０は、燃焼器１０の周囲のエンジンケーシング２２を貫通してドーム入口モジュール２０に挿入されるように形成されている。ドーム入口モジュール２０の設計に基づいて、各燃料噴射棒５０は、羽根３２、３４、３６に設けたスロット（図４参照）に挿入されるかあるいはこれらの羽根に設けた開口に羽根と一体的に挿通される。この時、燃料噴射棒５０は燃料管路５４を介して燃料供給源５２と流通しており、燃料を空洞４０、４２内に噴射し得る。
【００１４】
図２に見られるように、各燃料噴射棒５０は、上流端６０と下流端６２と１対の側部６４、６６（図３参照）とを有する本体部５８を有する。上流端６０は好ましくは空気力学的に形成されるのに対して下流端６２はブラッフ表面を有するがこれに限定されないことに注意されたい。燃料を空洞４０、４２内に噴射するために、第１噴射器６８が下流端６２の上側箇所に設けた開口７０内に配置されそして第２噴射器７２が下流端６２の下側箇所に設けた開口７４内に配置されている。前述の同時米国特許出願では、燃料をドーム入口モジュール２０の各流路３８内に噴射する噴射器８０、８２のために１対の対向配置された開口７６、７８がそれぞれ側部６４、６６に設けられているが、これに対し、本発明はこのような側部噴射器を含まない。なぜなら燃料を流路３８内に噴射しないからである。
【００１５】
図３からわかるように、本体部５８は、通路８４を通って噴射器６８、７２に流れる燃料に対する熱遮蔽体として作用し、通路８４は燃料管路５４と流通している。燃料管路５４は好ましくは通路８４にろう付けされて噴射器６８、７２に流通して燃料を送る。噴射器６８、７２は当該技術において周知のものでありそして噴霧器かあるいは燃料噴射に用いる他の類似手段でよいということを理解されたい。
【００１６】
簡単な管を利用して燃料を燃料管路５４から噴射器６８、７２へ送給することもできるが、通路８４が内部に形成された中央部８８を燃料噴射棒５０の本体部５８内に収納することが好ましい。中央部８８は、セラミックまたは類似の絶縁材料製のものが、燃料に伝達される熱を最少にするのに最適である。また、追加的な空気間隙９０を中央部８８の周囲の利用できるところに設けて中央部８８を通流する燃料をさらに絶縁することができる。中央部８８は、少なくとも燃料管路５４をその上端で取付けることにより、本体部５８内の適所に保持されることを認識されたい。
【００１７】
運転中、燃焼器１０は空洞４０、４２内の区域を１次燃焼域として利用し、燃料は燃料噴射棒５０の噴射器６８、７２だけから送給される。空気は、（空洞４０に関して図１に示すように）通路９２と通路９６とを経て空洞４０、４２に噴射され、通路９２は後壁４４と外壁４８との交差部に設けられそして通路９６は前壁４６と外側羽根３２との交差部近辺に設けられている。このようにして、燃料と空気のトラップ渦が空洞４０、４２内に生成される。燃料と空気の単一渦が通例空洞４０、４２内に生成されるが、図１の空洞４２を見ればわかるように、空気通路１０２を（後壁４４／４５と外壁４８／内壁４９との交差部の代わりに）後壁４５の中間部に、そして空気通路１０４を（前壁４６／４７とドーム入口モジュール２０の外側羽根３２／内側羽根３４との交差部近辺の代わりに）前壁４７と内壁４９との交差部に配設することにより二重渦を生成することもできる。その後、空洞４０、４２内の空燃混合気が例えば点火器１００により点火され、両空洞内に燃焼ガスが発生する。燃焼ガスはその後空洞４０、４２からドーム入口モジュール２０の下流端を横切って排出される。
【００１８】
空洞４０、４２内の１次燃焼域は非常に濃厚である（当量比が１．０より高く好ましくは約１．０〜２．０の範囲内にある）ことを認識されたい。ＲＱＬ方式に従って、希釈用の新鮮な空気がドーム入口モジュール２０の流路３８を通って燃焼室１２内に直接送給される。この方式は、特に従来の設計のようにライナにおける下流の配列孔を通して希釈空気を送りこむことに比べて、良好な混合と性能をもたらすのに利用し得る距離を最大にする。従って、燃焼器内のトラップ渦空洞をＲＱＬ概念と組み合わせて用いると、前述の同時米国特許出願と比べて、励みになる試験結果が得られる。この同時出願設計の側部噴射器を除くことにより、装置の費用を減らしそして信頼性を高めることができる。
【００１９】
本発明の好適実施例を説示したが、本発明の範囲内で燃料噴射装置と個別燃料噴射棒をさらに改変することができる。特に、燃料と空気のトラップ渦が少なくとも一つの空洞内で生成されそして送給される空気と燃料が適当な関係にある限り、本発明のＲＱＬ方式の諸段階を他の空気および燃料噴射方式を有する燃焼器で実施することができるということに注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料噴射装置を有するガスタービンエンジン燃焼器の縦断面図である。
【図２】単一燃料噴射棒を後ろから見た斜視図である。
【図３】図２に示した燃料噴射棒の断面上面図であり、後部噴射器との流通を示す。
【図４】図１に示したドーム入口モジュールを前から見た斜視図であり、燃料噴射棒がそれと整合している状態を示す。
【符号の説明】
１０ 燃焼器（全体）
１２ 燃焼室
１４ 縦軸線
１６ 外側ライナ
１８ 内側ライナ
２０ ドーム入口モジュール（全体）
２２ ケーシング
２４ 外側通路
２６ 内側通路
２８ ディフューザ
３０ 上流圧縮機の排出端
３２ ドーム入口モジュールの外側羽根
３４ ドーム入口モジュールの内側羽根
３６ ドーム入口モジュールの中間羽根
３８ ドーム入口モジュール内の流路
４０ トラップ渦空洞（外側ライナ）
４２ トラップ渦空洞（内側ライナ）
４４ 外側ライナトラップ渦空洞の後壁
４５ 内側ライナトラップ渦空洞の後壁
４６ 外側ライナトラップ渦空洞の前壁
４７ 内側ライナトラップ渦空洞の前壁
４８ 外側ライナトラップ渦空洞の外壁
４９ 内側ライナトラップ渦空洞の内壁
５０ 燃料噴射棒
５２ 燃料供給源
５４ 燃料管路
５８ 燃料噴射棒の本体部
６０ 燃料噴射棒本体部の上流端
６２ 燃料噴射棒本体部の下流端
６４ 燃料噴射棒本体部の側部
６６ 燃料噴射棒本体部の側部
６８ 燃料噴射棒本体部の下流端における上側噴射器
７０ 燃料噴射棒本体部の下流端における上側開口
７２ 燃料噴射棒本体部の下流端における下側噴射器
７４ 燃料噴射棒本体部の下流端における下側開口
８４ 燃料噴射棒本体部内の通路
８８ 燃料噴射棒本体部の中央部
９０ 燃料噴射棒本体部内の空気間隙
９２ 後壁と外壁との交差部における通路（外側空洞）
９６ 前壁と外側羽根との交差部近辺の通路
１００ 点火器
１０２ 後壁の中間部における通路
１０４ 前壁と内壁との交差部における通路

Claims (11)

1. 複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナに形成された少なくとも一つの空洞とを含むガスタービンエンジン燃焼器用の燃料噴射装置であって、
   （ａ）燃料供給源と、
   （ｂ）前記ドーム入口モジュールの周りに円周方向に配置されかつそれと整合している複数の燃料噴射棒とからなり、前記燃料噴射棒は前記燃料供給源と流通しており、
   各燃料噴射棒はさらに、
   （１）上流端と下流端と１対の側部とを有する本体部と、
   （２）前記本体部の前記下流端に形成されそして前記燃料供給源と流通している少なくとも一つの噴射器と
   を備えており、
   前記燃料噴射棒の前記本体部は前記下流端にブラッフ表面を有し、燃料が前記燃料噴射棒を通って前記空洞に送給される、燃料噴射装置。
2. 前記燃料噴射棒を前記ドーム入口モジュールと一体に配設した請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 前記燃料噴射棒を前記ドーム入口モジュールの羽根の間に配設した請求項１又は２記載の燃料噴射装置。
4. 複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナに形成された少なくとも一つの空洞とを含むガスタービンエンジン燃焼器用の燃料噴射装置であって、
   （ａ）燃料供給源と、
   （ｂ）前記ドーム入口モジュールの周りに円周方向に配置されかつそれと整合している複数の燃料噴射棒とからなり、前記燃料噴射棒は前記燃料供給源と流通しており、
   各燃料噴射棒はさらに、
   （１）上流端と下流端と１対の側部とを有する本体部と、
   （２）前記本体部の前記下流端に形成されそして前記燃料供給源と流通している少なくとも一つの噴射器と
   を備えており、
   燃料が前記燃料噴射棒を通って前記空洞に送給され、
   前記燃料噴射棒は、前記燃焼器を囲んでいるエンジンケーシングを貫通して前記ドーム入口モジュールに挿入されかつ前記エンジンケーシングに結合されていることを特徴とする燃料噴射装置。
5. 前記燃料噴射棒の前記本体部は、それを通って前記噴射器に流れる燃料に対する熱遮蔽体として作用する、請求項１乃至４のいずれか1項記載の燃料噴射装置。
6. 複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナに形成された少なくとも一つの空洞とを含むガスタービンエンジン燃焼器用の燃料噴射装置であって、
   （ａ）燃料供給源と、
   （ｂ）前記ドーム入口モジュールの周りに円周方向に配置されかつそれと整合している複数の燃料噴射棒とからなり、前記燃料噴射棒は前記燃料供給源と流通しており、
   各燃料噴射棒はさらに、
   （１）上流端と下流端と１対の側部とを有する本体部と、
   （２）前記本体部の前記下流端に形成されそして前記燃料供給源と流通している少なくとも一つの噴射器と
   を備えており、
   前記燃料噴射棒は、前記本体部内に収納された中央部をさらに含み、この中央部内に通路が形成されて前記燃料供給源と流通しており、燃料が前記燃料噴射棒を通って前記空洞に送給されることを特徴とする、
   燃料噴射装置。
7. 前記燃料噴射棒の前記本体部は、それを通って前記噴射器に流れる燃料に対する熱遮蔽体として作用する、請求項６記載の燃料噴射装置。
8. 複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナにより燃焼室内に形成された少なくとも一つの空洞とを含むガスタービン燃焼器を作動する方法であって、
   （ａ）燃料を前記空洞内に噴射してそこに濃厚１次燃焼域を生成する段階と、
   （ｂ）空気を前記空洞内に噴射してそこに燃料と空気とからなる空燃混合気のトラップ渦を生成する段階と、
   （ｃ）前記空洞内の前記空燃混合気に点火して燃焼ガスを生成する段階と、
   （ｄ）前記燃焼ガスを前記ドーム入口モジュールの前記流路を通る空気の流れで希釈する段階と、および
   （ｅ）前記燃焼室内の全体的な空燃混合気を希薄状態にする段階と
   からなる方法。
9. 前記空洞内の前記空燃混合気の当量比が１．０より高い請求項８記載の方法。
10. 前記燃焼室内の全体的な空燃混合気が０．８５より低い当量比を有する請求項８記載の方法。
11. 前記燃焼ガスは、ＮＯｘの生成に不十分な時間中、当量比が０．８５〜１．１５になる請求項８記載の方法。

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