JP4569952B2 - ガスタービンエンジン燃焼器をフィルム冷却するための方法及び装置 - Google Patents

ガスタービンエンジン燃焼器をフィルム冷却するための方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、総括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で使用する燃焼器に関する。
公知のタービンエンジンは、空気を加圧する圧縮機を含み、加圧された空気は燃料と好適に混合されかつ燃焼器に導かれて、該燃焼器において混合気が燃焼室内で点火されて高温燃焼ガスを発生する。より具体的には、少なくとも一部の公知の燃焼器は、各燃料インジェクタの周りで下流方向及び円周方向に空気流を流すドーム組立体を含む。より具体的には、少なくとも一部の公知のドーム組立体は、ドームプレートから上流方向に延びるスワーラ組立体と、ドームプレートから下流方向に燃焼室内に延びるバッフルとを含む。
復熱式ガスタービンエンジン内では、燃焼室は、ドームプレートに結合された多孔の内側及び外側ライナによって画成される。ライナの冷却性能は、ドームプレート内に形成されかつドームプレートを貫通して延びる少なくとも1つの開口と流れ連通しているフィルム冷却始動スロットの使用によって高められる。フィルム冷却始動スロットは、ドームプレート開口から流出する冷却空気を下流方向に流して、内側及び外側ライナの内面をフィルム冷却する。フィルム冷却始動スロットは、内側及び外側ライナをフィルム冷却するのを可能にするように冷却空気の方向を変更することを可能にするが、そのようなスロットの構成では、一部の運転条件の間に、燃焼器内に噴射された燃料がスロット内に流入することが可能になるおそれがある。さらに、フィルム冷却スロットの形状により、そのようなスロットが保炎作用を引き起こす場合もあり、そのことが、時間の経過と共に燃焼器ライナの有効寿命を縮めるおそれがある。
米国特許第 4485630 号明細書 米国特許第 4950129 号明細書 米国特許第 5222360 号明細書 米国特許第 5228828 号明細書 米国特許第 5273396 号明細書 米国特許第 5281085 号明細書 米国特許第 5820024 号明細書 米国特許第 5911679 号明細書 米国特許第 6045325 号明細書 米国特許第 6543233 号明細書
1つの様態では、ガスタービンエンジン用の燃焼器を組立てる方法を提供する。本方法は、少なくとも1つの冷却スロットリップと少なくとも1つのフィラー突出部とを含むドーム組立体を、冷却スロットリップと少なくとも1つのフィラー突出部と間に画成されたスロットが該冷却スロットリップと少なくとも1つのフィラー突出部との間に形成されかつ該スロット全体を通してほぼ均一である高さを有するように構成する段階を含む。本方法はさらに、ライナ組立体を、該ライナ組立体によって燃焼室が画成されるようにドーム組立体に結合する段階と、内側及び外側支持体を、該内側及び外側支持体の間でドーム組立体が延びるように該ドーム組立体に結合する段階とを含む。
別の様態では、ガスタービンエンジン用の燃焼器を提供する。本燃焼器は、それを通って延びる中心軸線を有する燃焼室、外側支持体、内側支持体及びドーム組立体を含む。ドーム組立体は、内側及び外側支持体間で延びるドームプレートを含む。ドームプレートは、少なくとも1つの冷却スロットリップと少なくとも1つのフィラー突出部とを含む。少なくとも1つの冷却スロットリップは、少なくとも1つのフィラー突出部との間にスロットを画成するように該少なくとも1つのフィラー突出部から半径方向に間隔を置いて配置される。スロットは、少なくとも1つの冷却スロットリップと少なくとも1つのフィラー突出部との間で測定した高さを有し、そのスロット高さは、スロット全体を通してほぼ一定である。
本発明のさらに別の様態では、燃焼器を含むガスタービンエンジンを提供する。燃焼器は、ライナ組立体、燃焼室、ドーム組立体、外側支持体及び内側支持体を含む。燃焼室は、ライナ組立体によって画成される。ドーム組立体は、内側及び外側支持体間で延びるドームプレートを含む。ドームプレートは、少なくとも1つの冷却スロットリップと少なくとも1つのフィラー突出部とを含む。ライナ組立体は、ドームプレートに結合され、少なくとも1つのフィラー突出部と接触する。少なくとも1つの冷却スロットリップは、少なくとも1つのフィラー突出部との間にスロットを画成するように該少なくとも1つのフィラー突出部から半径方向に間隔を置いて配置される。スロットは、少なくとも1つの冷却スロットリップと少なくとも1つのフィラー突出部との間で測定した高さを有し、そのスロット高さは、スロット全体を通してほぼ一定である。
図1は、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及び低圧タービン20を含む。圧縮機14とタービン18とは、第1のシャフト24によって連結され、またタービン20は第2の出力シャフト26を駆動する。シャフト26は、回転原動力を提供し、それに限定するのではないが、例えばギアボックス、トランスミッション、発電機、ファン又はポンプのような被駆動機械を駆動する。エンジン10はまた、圧縮機14と燃焼器16との間で直列に連結された第1の流体通路29と、タービン20と外気35との間で直列に連結された第2の流体通路31とを有する復熱装置28を含む。1つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のGeneral Electric Companyから購入可能なLV100型エンジンである。例示的な実施形態では、エンジン10は、第1のシャフト24によってタービン18に連結された圧縮機14を含み、またパワートレインとタービン20とは、第2のシャフト26によって連結される。
作動中、空気は高圧圧縮機14を通って流れる。高度に加圧された空気は、復熱装置28に送られ、復熱装置28においてタービン20からの高温排気ガスにより加圧空気に熱が伝えられる。加熱された加圧空気は燃焼器16に送られる。燃焼器16からの空気流は、タービン18及び20を駆動し、復熱装置28を通過した後にガスタービンエンジン10から流出する。例示的な実施形態では、作動中、空気は圧縮機14を通って流れ、高度に加圧された復熱空気が燃焼器16に供給される。
図2は、燃焼器16の一部の断面図である。図3は、区域3に沿って取った燃焼器16の一部の拡大図である。燃焼器16はまた、環状の外側ライナ40、外側支持体42、環状の内側ライナ44、内側支持体46、及びそれぞれ外側及び内側ライナ40及び44間で延びるドーム48を含む。
外側ライナ40及び内側ライナ44は、ドーム48から下流方向に延びてそれらの間に燃焼室54を画成する。燃焼室54は、環状であり、ライナ40及び44間で半径方向に或る間隔になっている。外側支持体42は、外側ライナ40に結合されかつドーム48から下流方向に延びる。さらに、外側支持体42は、外側ライナ40との間に外側冷却通路58を画成するように該外側ライナ40の半径方向外側に間隔を置いて配置される。内側支持体46もまた、ドーム48に結合されかつ該ドーム48から下流方向に延びる。内側支持体46は、内側ライナ44との間に内側冷却通路60を画成するように該内側ライナ44の半径方向内側に間隔を置いて配置される。従って、組立てられた時、各ライナ40及び44は、いかなる燃焼器支持構造体によっても半径方向には拘束されない。
外側ライナ40と内側ライナ44とは、燃焼器ケーシング62内に半径方向に間隔を置いて配置される。燃焼器ケーシング62は、ほぼ環状であり、燃焼器16の周りに延びる。より具体的には、外側支持体42と燃焼器ケーシング62とは外側通路66を画成し、また内側支持体46と燃焼器ケーシング62とは内側通路68を画成する。外側及び内側ライナ40及び44は、該ライナ40及び44の下流に位置するタービンノズル69まで延びる。
燃焼器ドーム組立体48は、環状のドームプレート72、スワーラ組立体74及びバッフル76を含む。ドームプレート72は、該ドームプレート72が燃焼室54の上流端82を画成するように、それぞれ外側及び内側ライナ40及び44の上流端部78及び80に結合される。例示的な実施形態では、内側支持体46はドームプレート72と一体形に形成され、外側支持体42は少なくとも1つの継手部材84によってドームプレート72に結合される。
複数の冷却開口114が、ドームプレート72のそれぞれ上流側及び下流側92及び94間で該ドームプレート72を貫通して延びる。開口114は、中心軸線110に対して斜めに配向されており、バッフル76をインピンジメント冷却することができるようにドームプレート72を通して冷却空気を流すことを可能にする。
バッフル76は、環状のシールプレート120に結合され、下流方向にドームプレート72から燃焼室54内に発散形に延びる。例示的な実施形態では、バッフル76の半径方向内面又は流路面144は、断熱皮膜(TBC)層で被覆される。
バッフル上流端部142は、上記したようにシールプレート120に結合される。バッフル76の下流端部149は、以下により詳しく説明するように、噴射燃料を下流方向に燃焼器16内にかつ燃焼室54内に流すのを可能にするようにフレア形になっている。スワーラ組立体74は、該スワーラ組立体74がシールプレート120に対してほぼ同心に整列するように該シールプレート120に結合される。
燃料は、燃料噴射組立体180を通して燃焼器16に供給され、燃料噴射組立体180は、スワーラ組立体74を貫通して燃焼室54内に延びる複数の円周方向に間隔に置いて配置された燃料ノズル182を含む。
開口114に加えて、ドームプレート72はさらに、複数のフィルム冷却開口200、内側フィルム冷却リップ202、外側フィルム冷却リップ204、内側フィラー突出部206及び外側フィラー突出部208を含む。開口200は、それぞれ上流側及び下流側92及び94間でドームプレート72を貫通して延び、かつ半径方向にバッフル冷却開口114と各支持体42及び46との間に位置している。
内側フィルム冷却リップ202は、ドームプレート72と一体形に形成され、ドームプレート下流側94から燃焼室54に向かって内向きに延びる。より具体的には、内側フィルム冷却リップ202は、バッフル76と内側ライナ44との間を下流方向に延びる。同様に、外側フィルム冷却リップ204は、ドームプレート72と一体形に形成され、該外側フィルム冷却リップ204がバッフル76と外側ライナ40との間に位置するようにドームプレート下流側94から燃焼室54に向かって内向きに延びる。
各冷却リップ202及び204は、バッフル76から半径方向距離D10だけ間隔を置いて配置されて、バッフル76と各冷却リップ202及び204との間に有効環状間隙すなわちバッフル冷却空気スロット210が画成されるようになる。バッフル間隙210は、ドームプレート開口114と流れ連通しており、開口114から吐出されたインピンジメント空気がバッフル間隙210を通って流れ、バッフルフレア形端部149を通過して燃焼室54内に吐出されるようになる。さらに、バッフルフレア形端部149により、燃料ノズル182から吐出された燃料を下流方向に燃焼室54内に流して、冷却スロット226及び236並びに冷却リップ202及び204から離れるように燃料を導くようにすることが可能になる。
各フィラー突出部206及び208は、ドームプレート72と一体形に形成され、ドームプレート下流側94から燃焼室54に向かって内向きに延びる。より具体的には、内側フィラー突出部206は、内側フィルム冷却リップ202と内側支持体46との間で下流方向に延びる。さらに具体的には、内側フィラー突出部206は、内側冷却リップ202の半径方向外側壁222から或る半径方向距離だけ間隔を置いて配置された半径方向内側壁220を含み、該内側フィラー突出部206と内側フィルム冷却リップ202との間に内側フィルム冷却スロット226が画成されるようになる。壁222及び220間で測定した内側冷却スロット226の高さHは、スロット226全体を通してほぼ一定である。
フィラー突出部208は、ドームプレート下流側94から燃焼室54に向かって内向きに延び、外側フィルム冷却リップ204と外側支持体42との間に位置する。より具体的には、外側フィラー突出部208もまた、外側冷却リップ204の半径方向内側壁232から或る半径方向距離だけ間隔を置いて配置された半径方向外側壁230を含み、該外側フィラー突出部208と外側フィルム冷却リップ204との間に外側フィルム冷却スロット236が画成されるようになる。壁232及び230間で測定した外側冷却スロット236の高さHGOは、スロット236全体を通してほぼ一定である。バッフルフレア形端部149により、燃料ノズル182から吐出された燃料を下流方向に燃焼室54内に流して、冷却スロット226及び236から離れるように燃料を導くようにすることが可能になる。
内側及び外側ライナ44及び40は各々、各それぞれのライナ44及び40の前端縁240及び242が各それぞれのフィルム冷却スロット226及び236と流れ連通しかつ各それぞれのフィルム冷却スロット226及び236の軸方向下流に位置するように、それぞれドームプレート72に結合される。さらに、例示的な実施形態では、外側ライナ40は、外側フィラー突出部208に当接して結合される。その上、各ライナの前端縁240及び242には、曲率半径R及びRが形成されており、各前端縁240及び242がスロット226及び236から吐出されたフィルム冷却空気250に対して混成前向き段部を形成するようになる。従って、組立てられた時、各ライナ40及び44は、いかなる燃焼器支持構造体によっても半径方向には拘束されない。より具体的には、各曲率半径R及びRは、ライナ40及び44が該ライナ40及び44とそれぞれのスロット226及び236との間の機械的及び熱的不整合を吸収するのを可能にする。
シール部材260は、各ライナ40及び44と各それぞれの支持体42及び46との間で延びて、ライナ40及び44の周りでの漏れを最小にするのを可能にする。例示的な実施形態では、シール部材260はL字形シールである。
燃焼器16の組立時、最初にドームプレート72をニアネットシェイプ鍛造品から機械加工する。フィラー材料をドームプレート72に加えて、フィラー突出部206及び208を形成することができる。突出部206及び208は、外側冷却スロット236の所望の冷却スロット高さHGOと内側冷却スロット226の所望の冷却スロット高さHを形成し、これら高さは、各それぞれのスロット236及び226全体を通してほぼ一定である。例示的な実施形態では、各冷却スロット226及び236の高さは同一である。さらに、フィラー材料はまた、それぞれの内側及び外側ライナ44及び40の流れ表面270及び272上への滑らかな冷却流の移行を作り出す。さらに、フィラー材料はまた、燃焼室54内で発生する火炎放射からシール部材260を遮蔽するのを可能にする。
作動中、冷却空気が、ドームプレート開口200からフィルム冷却スロット226及び236に供給される。冷却空気250は、次にスロット226及び236を通って流れ、ライナ前端縁240及び242に向けて吐出される。丸みのある前端縁240及び242によって形成された前向き段部により、全てのエンジン運転条件下でスロット226及び236からライナ流れ表面270及び272への滑らかな移行をもたらすことが可能になる。より具体的には、各スロット226及び236は、各丸みのあるライナ前端縁240及び242が常にフィルム冷却空気250に対して前向き段部を構成するような大きさ及び配置にされる。
各冷却スロット高さHGO及びHとスワーラ組立体74に対する各スロット236及び226の配向との組合せによって、燃料が冷却フィルム250内に混入する状態になった場合に他の公知のドーム組立体内で発生していた保炎作用を防止することが可能になる。さらに、各スロット高さHGO及びHがほぼ一定であるので、スロット226及び236から吐出される冷却空気250が燃焼室54内で発生する乱流火焔速度よりも大きい圧力及び速度で常に吐出されるように、フィルム冷却スロット226及び236に流入する冷却空気の速度及び圧力が維持される。従って、ほぼ一定の高さHGO及びHにより、スロット226及び236内での保炎作用を防止することがさらに可能になる。
上記した燃焼器ドーム組立体は、燃焼器を作動させるためのコスト効果がありかつ信頼度がある手段を提供する。より具体的には、各組立体は、燃焼器ライナ、特にドームプレートと一体形になっていない燃焼器ライナをフィルム冷却するための冷却空気を吐出する一体形のフィルム冷却スロットが形成されたドームプレートを含む。スロットはほぼ一定の高さに形成されており、このことは、ドーム組立体に対するスロットの配向と相俟って、燃料が冷却フィルム内に混入した状態になった場合におけるフィルム冷却スロット内の保炎作用を防止するのを可能にし、さらにライナシールが火炎放射に曝されるのを保護することも可能にする。その結果、所定の運転要件を維持しながら所定の燃焼器寿命要件を満たす燃焼器組立体が得られる。
以上、燃焼器ドーム組立体の例示的な実施形態を詳細に説明した。図示した燃焼器ドーム組立体の構成要素は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各ドーム組立体の構成要素は、本明細書で説明した他の構成要素から独立してかつ個別に使用することができる。例えば、上記のドーム組立体の構成要素はまた、他のエンジン燃焼システムと組み合わせて使用することもできる。
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できることは当業者には明らかであろう。
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で使用する燃焼器の一部の断面図。 図2に示す燃焼器の一部の、区域3に沿って取った拡大図。
符号の説明
10 ガスタービンエンジン
16 燃焼器
40 外側ライナ
42 外側支持体
44 内側ライナ
46 内側支持体
48 ドーム組立体
54 燃焼室
72 ドームプレート
74 スワーラ組立体
76 バッフル
202、204 冷却スロットリップ
206、208 フィラー突出部
210 間隙
226、236 フィルム冷却スロット
260 シール部材
、HGO スロット高さ

Claims (12)

  1. それを通って延びる中心軸線(110)を有する燃焼室(54)と、
    外側支持体(42)と、
    内側支持体(46)と、
    前記内側及び外側支持体間で延びるドームプレート(72)を備えたドーム組立体(48)と、
    を含み、
    前記ドームプレートが、少なくとも1つの冷却スロットリップ(202)と少なくとも1つのフィラー突出部(206)とを含み、前記少なくとも1つの冷却スロットリップが、前記少なくとも1つのフィラー突出部との間に第1スロット(226)を画成するように該少なくとも1つのフィラー突出部から半径方向に間隔を置いて配置され、
    前記第1スロットが、前記少なくとも1つの冷却スロットリップと前記少なくとも1つのフィラー突出部との間で測定した高さ(HG)を有し、前記第1スロット高さが、前記第1スロット全体を通してほぼ一定であ
    内側ライナ(44)と外側ライナ(40)とをさらに含み、前記外側ライナが前記外側支持体(42)の半径方向内側で前記ドームプレート(72)に結合され、また前記内側ライナが前記内側支持体(46)の半径方向外側で前記ドームプレートに結合され、前記燃焼室(54)が前記内側及び外側ライナ間に画成されており、
    前記内側ライナ(44)及び外側ライナ(40)の少なくとも1つが、前記第1スロット(226)の下流で結合された前端縁(240)を含み、前記前端縁が半径(R1)を備えていることを特徴とする、ガスタービンエンジン(10)用の燃焼器(16)。
  2. 上流端部(142)と、下流端部(149)と、それらの間で延びる発散形本体(144)とを備えたバッフル(76)をさらに含み、前記上流端部が前記ドームプレート(72)に結合され、前記下流端部がフレア形になっていて噴射された燃料を前記第1スロット(226)から離れるように前記燃焼室(54)に導くのを可能にする、請求項1記載の燃焼器(16)。
  3. 前記バッフル(76)が、前記冷却スロットリップ(202)との間に第2スロット(210)を画成するように該冷却スロットリップから半径方向に間隔を置いて配置され、前記第2スロットがそれを通して冷却空気を前記燃焼室(54)内に流すようになっている、請求項2記載の燃焼器(16)。
  4. 前記第1スロット(226)が、前記内側ライナ(44)及び外側ライナ(40)の少なくとも1つをフィルム冷却するための冷却空気を該第1スロットから吐出し、前記第1スロット高さ(HG)が、前記第1スロットからの冷却空気を前記燃焼室(54)内で発生する乱流火炎速度よりも大きい速度で吐出するのを可能にするように選択されている、請求項記載の燃焼器(16)。
  5. 前記ドーム組立体(48)が、前記内側及び外側ライナ(44、40)の少なくとも1つと前記内側及び外側支持体(46、42)の少なくとも1つとの間で延びる少なくとも1つのシール(260)をさらに含み、前記少なくとも1つのフィラー突出部(206)が、前記燃焼室(54)内で発生する火炎放射から前記少なくとも1つのシールを遮蔽するのを可能にする、請求項記載の燃焼器(16)。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃焼器(16)を含むガスタービンエンジン(10)
  7. それを通って延びる中心軸線(110)を有する燃焼室(54)と、
    外側支持体(42)と、
    内側支持体(46)と、
    前記内側及び外側支持体間で延びるドームプレート(72)を備えたドーム組立体(48)と、
    を含み、
    前記ドームプレートが、少なくとも1つの冷却スロットリップ(202)と少なくとも1つのフィラー突出部(206)とを含み、前記少なくとも1つの冷却スロットリップが、前記少なくとも1つのフィラー突出部との間に第1スロット(226)を画成するように該少なくとも1つのフィラー突出部から半径方向に間隔を置いて配置され、
    前記第1スロットが、前記少なくとも1つの冷却スロットリップと前記少なくとも1つのフィラー突出部との間で測定した高さ(HG)を有し、前記第1スロット高さが、前記第1スロット全体を通してほぼ一定であ
    内側ライナ(44)と外側ライナ(40)とをさらに含み、前記外側ライナが前記外側支持体(42)の半径方向内側で前記ドームプレート(72)に結合され、また前記内側ライナが前記内側支持体(46)の半径方向外側で前記ドームプレートに結合され、前記燃焼室(54)が前記内側及び外側ライナ間に画成されており、
    前記内側ライナ(44)及び外側ライナ(40)の少なくとも1つが、前記第1スロット(226)から吐出される流れに対して前向き段部を形成する前端縁(240)を含むことを特徴とする、ガスタービンエンジン(10)用の燃焼器(16)。
  8. 上流端部(142)と、下流端部(149)と、それらの間で延びる発散形本体(144)とを備えたバッフル(76)をさらに含み、前記上流端部が前記ドームプレート(72)に結合され、前記下流端部がフレア形になっていて噴射された燃料を前記第1スロット(226)から離れるように前記燃焼室(54)に導くのを可能にする、請求項記載の燃焼器(16)。
  9. 前記バッフル(76)が、前記冷却スロットリップ(202)との間に第2スロット(210)を画成するように該冷却スロットリップから半径方向に間隔を置いて配置され、前記第2スロットがそれを通して冷却空気を前記燃焼室(54)内に流すようになっている、請求項記載の燃焼器(16)。
  10. 前記第1スロット(226)が、前記内側ライナ(44)及び外側ライナ(40)の少なくとも1つをフィルム冷却するための冷却空気を該第1スロットから吐出し、前記第1スロット高さ(HG)が、前記第1スロットからの冷却空気を前記燃焼室(54)内で発生する乱流火炎速度よりも大きい速度で吐出するのを可能にするように選択されている、請求項記載の燃焼器(16)。
  11. 前記ドーム組立体(48)が、前記内側及び外側ライナ(44、40)の少なくとも1つと前記内側及び外側支持体(46、42)の少なくとも1つとの間で延びる少なくとも1つのシール(260)をさらに含み、前記少なくとも1つのフィラー突出部(206)が、前記燃焼室(54)内で発生する火炎放射から前記少なくとも1つのシールを遮蔽するのを可能にする、請求項記載の燃焼器(16)。
  12. 請求項7乃至11のいずれか1項に記載の燃焼器(16)を含むガスタービンエンジン(10)
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