JP4441217B2

JP4441217B2 - ガスタービンエンジンを作動させるための方法及び装置

Info

Publication number: JP4441217B2
Application number: JP2003305610A
Authority: JP
Inventors: マイナ・ディモフ; ポール・アール・エンジェル; スティーブン・マラコヴィッツ; ダニエル・デール・ブラウン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2004093125A; EP1394470A3; US20040040307A1; EP1394470A2; US6758045B2

Description

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の燃焼器に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジンの作動時における窒素酸化物エミッションを減少させることを可能にする環状燃焼器を含む。作動時にこのような燃焼器の内部に発生する熱のために、少なくとも一部の公知の多重環状式燃焼器は、燃焼器ドームプレートと燃焼室との間で半径方向に整列された複数の多重ドーム組立体を含む。各ドーム組立体は、エンジン作動時に発生する過度の熱からドームプレートを保護するための熱シールドを含む。

少なくとも一部の公知のドーム組立体の熱シールドは、該熱シールドから下流方向に或る軸方向距離だけ延びて燃焼器のドーム又は段を分離する環状の端部ボデーを含み、該環状の端部ボデーは、一次希釈空気をパイロット段の反応区域に向けることを可能にし、従って、様々な作動点においてパイロット段の燃焼の燃焼安定性を促進する。しかしながら、端部ボデーは燃焼室に向かって軸方向に延びるために、該端部ボデーは、高温及び高い音響エネルギー環境に曝される。時の経過とともに、高温と高い音響エネルギーとの組み合せにより、熱シールド組立体中に熱応力、低サイクル疲労（ＬＣＦ）、及び／又は高サイクル疲労（ＨＣＦ）を生じる可能性がある。このような応力の状態で連続作動させると、熱シールドの内部に割れを生じる場合があり、それが燃焼器の有効寿命を短くする可能性がある。
米国特許５６８０７６６号明細書米国特許５５７８６７６号明細書米国特許６１４１９６７号明細書米国特許４２２２２４３号明細書米国特許４０９２８２６号明細書米国特許５６７５９７１号明細書米国特許５８９９０７５号明細書米国特許５３２３６０４号明細書米国特許３７６４０７１号明細書

高温及び高い音響エネルギー環境に曝される影響を減らすのを助けるために、少なくとも一部の公知の熱シールド組立体は、熱破損及びＬＣＦ破損に対処することによって熱シールドの耐久性の向上を可能にするような様々な設計変更を用いてきた。このような改良には、例えば、インピンジメント冷却流の増大、表面フィルム冷却、材料の変更、及び／又は構成部品の剛性を高めることを狙いとした熱シールドの輪郭変更が含まれていた。しかしながら、このような改良は、燃焼器の音響により生じるＨＣＦ破損を完全に解決するものではなかった。より具体的には、各エンジンの作動のばらつき及び製造／組立て公差のために、改良したにもかかわらず、少なくとも一部の公知の熱シールドの固有振動数は、燃焼器の音響作動範囲内にとどまり、時間の経過とともに、依然としてＨＣＦ疲労のための破損を生じさせる可能性がある。

１つの態様では、それらの間に燃焼室を形成する外側ライナ及び内側ライナを備えるガスタービンエンジンの多重ドーム式燃焼器を組立てる方法が、提供される。該方法は、熱シールドを備え、該熱シールドが該熱シールドから燃焼器外側ライナまで軸方向に第１の距離だけ延びる環状の端部ボデーを備える第１ドームを結合する段階と、熱シールドを備え、該熱シールドが該熱シールドから第１ドームまで軸方向に第１ドームの第１の距離より小さい第２の距離だけ延びる環状の端部ボデーを備える第２ドームを、該第２ドームが第１ドームに対して半径方向に整列されるように結合する段階とを含む。

本発明の別の態様では、ガスタービンエンジン用の環状燃焼器が提供される。該燃焼器は、外側ライナと、内側ライナと、第１ドームと、第２ドームとを含む。内側ライナは、外側ライナから半径方向内側に間隔を置いて配置されて、該外側ライナとの間に燃焼室を形成する。第１ドームは、外側ライナに結合された外側端部と、環状の端部ボデーを含む熱シールドとを含み、該環状の端部ボデーは燃焼室に向かって第１の距離だけ軸方向に熱シールドから外向きに延びる。第２ドームは、第１ドームから半径方向内側に間隔を置いて配置され、かつ第１ドームに対して半径方向に整列される。第２ドームは、第１ドームの内側端部に結合された外側端部と、少なくとも１つの環状の端部ボデーを含む熱シールドとを含み、該少なくとも１つの環状の端部ボデーは第２の距離だけ第２ドーム熱シールドから外向きに延びる。第２の距離は、第１ドームの第１の距離より小さい。

更に別の態様では、固有の燃焼器音響作動範囲を有する燃焼器を含むガスタービンエンジンが、提供される。該燃焼器は、外側ライナと、内側ライナと、複数の半径方向に整列されたドームとを含む。外側ライナは、内側ライナに結合されて、該内側ライナとの間に燃焼室を形成する。複数のドームは、少なくとも第１ドームと第２ドームとを含む。第１ドームは、環状の端部ボデーを含む熱シールドを含み、該環状の端部ボデーは、第１の軸方向距離だけ第１ドーム熱シールドから延びている。第２ドームは、第１ドームから半径方向内側に配置され、かつ環状の端部ボデーを含む熱シールドを含み、該環状の端部ボデーは、第２の軸方向距離だけ第２ドーム熱シールドから延びている。第２の軸方向距離は、第１ドームの第１の距離より小さい。

図１は、低圧圧縮機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は更に、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。燃焼器１６は、希薄予混合燃焼器である。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２１により結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２２により結合される。また、負荷（図示せず）が、第１のシャフト２１によってガスタービンエンジン１０に結合されることができる。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から入手可能なＬＭ６０００型である。

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に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器３０に供給される。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動し、ノズル２４を通ってガスタービンエンジン１０から流出する。

図２は、ガスタービンエンジン１０に用いることができる燃焼器３０の断面図である。図３は、燃焼器３０の一部分の拡大断面図である。燃焼器３０に供給される燃料／空気混合気は、燃料を完全燃焼させるのに必要とされるより多い空気を含み、該空気は燃焼に先だって燃料と混合されるので、燃焼器３０は、希薄予混合燃焼器である。従って、燃焼器３０に対する燃料／空気混合気当量比は１より小さい。更に、ガス及び液体燃料が燃焼器３０に供給されるので、また燃焼器３０は水噴射を含まないので、燃焼器３０は二重燃料乾式低エミッション燃焼器である。

燃焼器３０は、環状の外側ライナ４０と、環状の内側ライナ４２と、外側ライナ４０と内側ライナ４２との間で延びるドーム状端部すなわちドームプレート４４とを含む。外側ライナ４０及び内側ライナ４２は、燃焼器ケーシング４５から半径方向内側に間隔を置いて配置され、燃焼室４６を形成する。燃焼器ケーシング４５は、ほぼ環状であり、ディフューザー４８から下流方向に延びる。燃焼室４６は、形状がほぼ環状であり、ライナ４０及び４２から半径方向内側に配置される。外側ライナ４０及び燃焼器ケーシング４５は外側通路５２を形成し、内側ライナ４２及び燃焼器ケーシング４５は内側通路５４を形成する。外側ライナ４０及び内側ライナ４２は、ディフューザー４８の下流に配置されたタービンノズル５５まで延びる。

燃焼器ドーム状端部４４は、複数のドーム５６を含む。この例示的な実施形態では、ドーム５６は、三重の環状構成で配列されている。別の実施形態では、燃焼器ドーム状端部４４は、二重の環状構成を含む。外側ドーム５８は、燃焼器外側ライナ４０に固定取付けされた外側端部６０と中央ドーム６４に固定取付けされた内側端部６２とを含む。中央ドーム６４は、外側ドーム内側端部６２に取付けられた外側端部６６と内側ドーム７０に取付けられた内側端部６８とを含む。従って、中央ドーム６４は、外側ドーム５８と内側ドーム７０との間にある。内側ドーム７０は、中央ドーム内側端部６８に取付けられた外側端部７２と燃焼器内側ライナ４２に固定取付けされた内側端部７４とを含む。

各ドーム５６は、その中で燃料と空気を一様に混合し、燃料／空気混合気を燃焼室４６内に流すことを可能にする複数のプレミキサカップ８０を含む。１つの実施形態では、プレミキサカップ８０は、オハイオ州クリーブランドのＰａｒｋｌａｎｄＢｌｖｄ．６０３５のＰａｒｋｅｒＨａｎｎｉｆｉｎから入手可能である。燃焼器ドーム状端部４４は更に、外側ドーム熱シールド１００と、中央ドーム熱シールド１０２と、内側ドーム熱シールド１０４とを含み、これら熱シールドは、各それぞれのドーム５８、６４及び７０を燃焼室４６の内部で発生する熱から隔離する。熱シールド１００、１０２及び１０４は、エンジン１０内部で半径方向に整列される。

外側ドーム熱シールド１００は、環状の端部ボデー１０６を含み、該環状の端部ボデー１０６は、燃焼器外側ライナ４０を外側一次燃焼区域１０８内で燃焼する火炎から隔離する。端部ボデー１０６は、燃焼室４６に向かって軸方向距離１１０だけ熱シールド１００の下流側面１１２から外向きに延びる。距離１１０は、普通、熱シールド・ウィング長さとして知られている。１つの実施形態では、距離１１０は、１．９５インチにほぼ等しい。この実施形態では、端部ボデー１０６は、熱シールド１００からほぼ垂直に延びる。

中央ドーム熱シールド１０２は、環状の熱シールド中央ボデー１２０及び１２２を含み、該環状の中央ボデー１２０及び１２２は、中央ドーム６４を外側ドーム５８及び内側ドーム７０から分離する。中央ドーム熱シールドの中央ボデー１２０及び１２２は、中央一次燃焼区域１１４から半径方向外側に配置され、各々は燃焼室４６に向かってそれぞれ軸方向距離１２６及び１２８だけ熱シールド１０２の下流側面１３０から外向きに延びる。この例示的な実施形態では、端部ボデー１２０及び１２２は、それぞれが熱シールド１０２からほぼ垂直に延びており、ほぼ平行な外側ドーム熱シールドの端部ボデー１０６となっている。

中央ドーム熱シールドの距離１２６は、距離１２８にほぼ等しい。端部ボデー距離１２６及び１２８は、外側ドーム熱シールドの端部ボデー長さ１１０より短い。より具体的には、中央ドームの端部ボデー距離１２６及び１２８は、外側ドーム熱シールドの端部ボデー長さ１１０より少なくとも０．５インチだけ短い。この例示的な実施形態では、中央ドームの端部ボデー距離は、それぞれが約１．２５インチに等しい。

内側ドーム熱シールド１０４は、環状の端部ボデー１４０を含み、該環状の端部ボデー１４０が、燃焼器内側ライナ４２を内側一次燃焼区域１４２内で燃焼する火炎から隔離する。端部ボデー１４０は、燃焼室４６に向かって軸方向距離１４４だけ熱シールド１０４の下流側面１４６から外向きに延びる。端部ボデー距離１４４は、外側ドームの熱シールドの距離１１０にほぼ等しい。１つの実施形態では、端部ボデー距離１４４は、１．９５インチにほぼ等しい。この例示的な実施形態では、端部ボデー１４０は、熱シールド１０４からほぼ垂直に延びる。

ガスタービンエンジン１０の作動中、燃焼器３０は半径方向の燃料流ステージングを用いてエンジン作動範囲全体にわたってＮＯｘ及びＣＯエミッションを減少させることを可能にするので、燃焼器３０は、固有の音響作動範囲を有する。中央ドーム熱シールドの端部ボデー１２０及び１２２は、中央ドーム５６に付加的な構造的支持を与えるのを助ける。具体的には、熱シールドの端部ボデー１２０及び１２２は、それぞれ外側ドームの端部ボデー１０６及び内側ドームの端部ボデー１４０より短くされたウィング長さ１２６及び１２８を有するので、中央ドームの端部ボデー１２０及び１２２は、エンジン運転性に悪影響を与えることなく中央ドーム熱シールド１０２の固有振動数が燃焼器の固有音響作動範囲の固有振動数以上に高くなるように、中央ドーム熱シールド１０２の剛性を増大させることを可能にする。より具体的には、ウィング長さ１２６及び１２８を短くすることは、ＮＯｘ及び／又はＣＯエミッションに悪影響を与えないが、中央ドーム５６に誘発される可能性がある振動応力を減少させることを可能にする。このようにして、中央ドームの端部ボデー１２０は、燃焼器３０の有効寿命を延ばすのを助ける。

上述のガスタービンエンジン用の燃焼器システムは、費用効果が良くかつ信頼性がある。燃焼器システムは、他の熱シールドの端部ボデーと比較して短縮されたウィング長さを有する少なくとも１つの端部ボデーを備える熱シールドを有する燃焼器を含む。短縮されたウィング長さは、端部ボデーの固有振動数を燃焼器の音響作動範囲の固有振動数以上に高めることによってドーム組立体に誘発される可能性がある振動応力を減少させることを可能にするが、エンジン運転性に悪影響を及ぼすことはない。その結果、端部ボデーは、費用効果が良くかつ信頼性のある方法で燃焼器の有効寿命を延ばすことを可能にする。

燃焼器組立体の例示的な実施形態を上に詳細に説明した。このシステムは、ここに述べた特定の実施形態に限定されるのではなく、むしろ、各組立体の構成部品は、ここに述べた他の構成部品から独立してかつ別々に利用することができる。各燃焼器組立体の構成部品はまた、他の燃焼器組立体の構成部品と組合せて用いることもできる。

本発明を様々な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できることは、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。

ガスタービンエンジンの概略図。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２に示す燃焼器の一部分の拡大断面図。

符号の説明

３０燃焼器
４０外側ライナ
４２内側ライナ
４４ドームプレート
４５燃焼器ケーシング
４６燃焼室
５２外側通路
５４内側通路
５５タービンノズル
５６ドーム
５８第１ドーム
６４第２ドーム
７０第３ドーム
８０プレミキサカップ
１００、１０２、１０４熱シールド
１０６、１２０、１２２、１４０端部ボデー

Claims

その間に燃焼室（４６）を形成する外側ライナ（４０）及び内側ライナ（４２）を備えるガスタービンエンジンの多重ドーム式燃焼器（３０）を組立てる方法であって、
第１の熱シールド（１００）を備え、該第１の熱シールド（１００）が該第１の熱シールドから前記燃焼器外側ライナまで軸方向に第１の距離（１１０）だけ延びる環状の端部ボデー（１０６）を備える第１ドーム（５８）を結合する段階と、
第２の熱シールド（１０２）を備え、該熱第２のシールド（１０２）が該第２の熱シールドから前記第１ドームまで軸方向に前記第１ドームの第１の距離より小さい第２の距離（１２６）だけ延びる環状の端部ボデー（１２０）を備える第２ドーム（６４）を、該第２ドームが前記第１ドームに対して半径方向に整列されるように結合する段階と、
第３の熱シールド（１０４）と、前記第２ドームの内側端部（６８）に結合された外側端部（７２）と、前記第２の距離（１２６）より長い第３の距離（１４４）だけ前記第３の熱シールドから延びる端部ボデー（１４０）とを含む第３ドーム（７０）を、前記第２ドーム（６４）から半径方向内側に間隔を置いて配置され、かつ前記第１ドーム（６０）及び前記第２ドームに対して半径方向に整列されるように結合する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
前記第２の熱シールド（１０２）を備える第２ドーム（６４）を結合する前記段階が、前記第１ドームの第１の距離（１１０）より少なくとも約０．５インチ短い第２の距離（１２６）だけ該第２の熱シールドから外向きに延びる環状の端部ボデー（１２０）を備える第２ドームを結合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。
前記第３の距離が前記第１ドームの第１の距離（１１０）にほぼ等しいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
ガスタービンエンジン（１０）用の環状燃焼器（３０）であって、
外側ライナ（４０）と、
前記外側ライナから半径方向に間隔を置いて配置され、該外側ライナとの間に燃焼室（４６）を形成する内側ライナ（４２）と、
前記外側ライナに結合された外側端部（６０）と環状の端部ボデー（１０６）を含む第１の熱シールド（１００）とを含み、前記環状の端部ボデー（１０６）が前記燃焼室に向かって第１の距離（１１０）だけ軸方向に前記第１の熱シールドから外向きに延びる、第１ドーム（５８）と、
前記第１ドームから半径方向内側に間隔を置いて配置され、かつ該第１ドームに対して半径方向に整列された第２ドーム（６４）と、
前記第２ドーム（６４）から半径方向内側に間隔を置いて配置され、かつ前記第１ドーム（６０）及び前記第２ドームに対して半径方向に整列された第３ドーム（７０）と
を含み、
前記第２ドームが、前記第１ドームの内側端部（６２）に結合された外側端部（６６）と、少なくとも１つの環状の端部ボデー（１２０）を含む第２の熱シールド（１０４）とを含み、前記少なくとも１つの環状の端部ボデー（１２０）が前記第１ドームの第１の距離より小さい第２の距離（１２６）だけ前記第２のシールドから外向きに延びており、
前記第３ドームが、前記第２ドームの内側端部（６８）に結合された外側端部（７２）と、端部ボデー（１４０）を含む第３の熱シールド（１０４）とを含み、前記端部ボデー（１４０）が第３の距離（１４４）だけ前記第３の熱シールドから外向きに延びており、前記第２ドームの第２の距離（１２６）が、前記第３ドームの第３の距離より小さい
ことを特徴とする燃焼器（３０）。
前記第３の距離が前記第１ドームの第１の距離（１１０）にほぼ等しいことを特徴とする、請求項４に記載の燃焼器（３０）。
該燃焼器が固有音響作動範囲を有しており、前記第２ドームの少なくとも１つの環状の端部ボデー（１２０）が、該少なくとも１つの環状の端部ボデーの固有振動数を該燃焼器の固有音響作動範囲以上に高めることを可能にすることを特徴とする、請求項４又は５に記載の燃焼器（３０）。
固有の燃焼器音響作動範囲を有する燃焼器（３０）を含むガスタービンエンジン（１０）であって、前記燃焼器が、外側ライナ（４０）と、内側ライナ（４２）と、複数の半径方向に整列されたドーム（５８、６４、７０）とを含み、前記外側ライナが、前記内側ライナに結合されて該内側ライナとの間に燃焼室（４６）を形成し、前記複数のドームが、第１ドームと第２ドームと第３ドームとを含み、前記第１ドームが環状の端部ボデー（１０６）を含む第１の熱シールド（１００）を含み、前記環状の端部ボデー（１０６）が第１の軸方向距離（１１０）だけ前記第１のシールドから延びており、前記第２ドームが、前記第１ドームから半径方向内側に配置され、かつ環状の端部ボデー（１２０）を含む第２の熱シールド（１０２）を含み、前記環状の端部ボデー（１２０）が前記第１ドームの第１の距離より小さい第２の軸方向距離（１２６）だけ前記第２の熱シールドから延びており、
前記第３ドームが、前記第２ドームの内側端部（６８）に結合された外側端部（７２）と、端部ボデー（１４０）を含む第３の熱シールド（１０４）とを含み、前記端部ボデー（１４０）が第３の距離（１４４）だけ前記第３の熱シールドから外向きに延びており、前記第２ドームの第２の距離（１２６）が、前記第３ドームの第３の距離より小さい
ことを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
前記燃焼器の第２ドームの第２の距離（１２６）が、前記第２ドームの端部ボデー（１２０）の固有振動数を前記燃焼器の固有音響作動範囲以上に高めることを可能にするように構成されていることを特徴とする、請求項７に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記燃焼器の第２ドーム（６４）が、前記第２の熱シールドから第２の距離（１２６）だけ外向きに延びる複数の環状の端部ボデー（１２０、１２２）を更に含むことを特徴とする、請求項７又は８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記第３の距離が前記第１ドームの第１の距離（１１０）にほぼ等しいことを特徴とする、請求項７乃至９のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン（１０）。