JP5552130B2 - 保炎器が冷却される旋回カップ - Google Patents

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Description

本発明は、一般的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはその中の燃焼器に関する。
ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機で加圧され、燃焼器で燃料と混合されて高温燃焼ガスを生成する。エネルギーは、圧縮機と、航空用ターボファンエンジン用では典型的にはファンを駆動する軸とを作動させるタービン段内で、ガスから取り出される。
高圧タービン(HPT)が燃焼器のすぐ後に続き、燃焼器から最も高温のガスを受け、このガスから最初にエネルギーが取り出される。低圧タービン(LPT)がHPTの後に続き、そのガスから追加のエネルギーが取り出される。
燃焼器では、燃料と空気が混合されて点火され、高温燃焼ガスを生成する。燃焼の効率は、ガスタービンエンジンの全効率における重要な要素である。
さらに、排気排出もやはり重要な設計要素である。というのも、一般的に、政府規制によって、未燃焼炭化水素UHC、一酸化炭素COおよび窒素酸化物NOxを含む望ましくない排気生成物の量が制限されるからである。
最新の燃焼器設計は、高温燃焼ガスを発生し閉じ込める非常に厳しい動作環境のもとで燃焼器の耐久性および寿命に対処している。様々な燃焼器補完物は、適切な寿命の間、動作中にかなりの熱負荷を受けるので適切に冷却されなければならない。
燃焼器は、リッチ動作可能であるが、そうすると燃料消費量および望ましくない炭素排出が増大する。燃焼器は、窒素酸化物排出を低減するように希薄動作可能だが、燃焼安定性が低下する。
乾式低排出(DLE)燃焼器では、燃料は希薄燃焼され、それによって燃焼器は、大きな音圧によって構造振動が生じ燃焼器ライナに入る熱流束が増大することがある、起こり得る不安定にさらされる。
縦方向モードでの火炎の逆火は、接線または径方向モードでの火炎のブローオフとともに、もう1つの問題である。
燃焼不安定性は、保炎器を燃焼器に導入し、希薄の予混合燃焼火炎を固定することによって解決され得る。しかし、固定される火炎が保炎器自体を過熱し、それによって燃焼器の耐久性および寿命が低下してしまう。
燃焼器についてのこれらの矛盾する設計考慮事項には、それに応じた設計上の妥協が必要であり、またそれによって燃焼器設計の複雑さがさらに増大する。
したがって、火炎安定性が高められた乾式低排出性能に合わせて構成された燃焼器を提供することが望まれる。
燃焼器の旋回カップは、管状中央体で隔てられる同軸の内側および外側のスワラを含む。中央体は、内側スワラを囲繞するバイパス入口を含み、孔つき内側ノズルに沿って後方に発散し、環状保炎器で終端する。内側インピンジメントリングは、保炎器から前方に間隔を置いて配置され、保炎器をインピンジメント冷却する冷却空気をバイパス入口から受けるようにバイパス入口と流れ連通する。
本発明は、そのさらなる目的および利点と合わせて、好ましい例示的な実施形態に従って添付の図面と併せて以下の詳細な説明でより具体的に説明される。
二重環状燃焼器を有する航空用ターボファンエンジンの軸方向概略図である。 径方向内側および外側の旋回カップを有する、図1に示される燃焼器の軸方向断面等角図である。 線3−3に沿った、図2からの例示的な旋回カップの拡大等角図である。 図3に示される旋回カップの拡大軸方向断面図である。
図1では、長手方向すなわち軸方向の中心線軸12を中心に線対称であるターボファンガスタービンエンジン10が概略的に示されている。
エンジンは、直流連通をなす、ファン14、圧縮機16、燃焼器18、高圧タービン(HPT)20および低圧タービン(LPT)22を含む。HPT20のロータは1本の駆動軸によって圧縮機16のロータに接合され、LPT22のロータはもう1本の駆動軸によってファン14に接合される。
動作中、空気24は、ファン14を通って流れ、その内側部分が軸流圧縮機16の圧縮機ブレードによってさらに加圧される。圧縮機吐出圧力(CDP)より低く加圧された空気24は、燃焼器18に運ばれ、そこで燃料26と混合されて高温燃焼ガス28を生成する。
HPT20のタービンブレードの燃焼ガスからは、圧縮機ブレードを駆動するエネルギーが取り出される。LPT22のタービンブレードのガスからは、ファンブレードを駆動する追加のエネルギーが取り出される。
図1、2に示される燃焼器18は、二重環状燃焼器(DAC)であり、前方端部で環状ドーム34に接合される径方向内側燃焼ライナ30および径方向外側燃焼ライナ32を含む。ライナは、第1段のタービンノズルに接合される環状出口を画成する後方端部で終端する。
径方向内側旋回カップ36の列および外側旋回カップ38の径方向外側の列は、ドーム34の対応する開口に取り付けられる。旋回カップは、動作中、燃料と加圧空気を混合し、次いでそれが適切に点火されて高温燃焼ガス28を生成するように構成される。
内側および外側旋回カップ36、38は、具体的には、以下で説明されるように、主燃料と空気を、燃焼器内のパイロット燃料/空気混合気まわりに吐出する前に希薄混合気に予混合するように構成され、したがってプレミキサとも呼ばれる。プレミキサ36、38は、共通の径方向支持ステム40に対になって取り付けられる。径方向支持ステム40は、燃料26を別々に運ぶのに適した導管を含む。多数のステム40が中心線軸12を囲むように円周方向に間隔を置いて配置され、それぞれが燃焼プロセスに集合的に供給を行うように2つのプレミキサである旋回カップ36、38を有する。
旋回カップ36、38のそれぞれは、同様の構造を有するが、燃焼器内での使用に合うように寸法は適切に変えられる。外側旋回カップ38のそれぞれの詳細は以下で開示され、内側旋回カップ36のそれぞれは同一の同類物を有する。
図3では、例示的な外側旋回カップ38がより詳細に示されている。内側旋回カップ36の構造は同一である。
各旋回カップ36、38は、パイロット旋回翼の内側列の形の環状内側スワラ42、および主旋回翼の外側列の形の環状外側スワラ44を含む。
内側および外側スワラ42、44は、同軸すなわち同心にあり、管状中央体46で径方向に隔てられる。中央体46は、図4により詳細に示されている。
中央体46は、前方端部に、加圧された圧縮機吐出空気24を受ける収束(converging)吸気路48を含む。中央体の後方部分では、内側すなわちパイロットベンチュリ50が最小流量範囲の局所のど部を画成し、中央体がそこから直径が増大して孔つきの内側すなわちパイロット出口ノズル52に沿って軸方向に発散する。円錐形のパイロットノズル52は、中央体の後方端部にある平らな環状保炎器54内で後方に終端する。
図3に示される外側スワラ44は、径方向外側すなわち主ベンチュリ56を通って圧縮機吐出空気を運び、円錐形に発散する外側すなわち主出口ノズルを画成する環状シュラウド58内で終端する。主ノズル58は、中央体46の後方端部および保炎器54を囲繞し、保炎器54は、同心円環のパイロットノズル52を囲繞する。
パイロット旋回翼42は、旋回カップ38の中心線軸に沿って軸方向に延在するパイロット燃料噴射器60を囲繞する。動作中、旋回翼42からの空気がパイロット噴射器60からの燃料と混合され、パイロット燃料/空気混合気がパイロットノズル52を通って集合的に吐出されて燃焼される。
複数の主燃料噴射器62は、主旋回翼44と一体にされ、動作中、燃料を主旋回空気内に吐出し、主燃料/空気混合気が主ノズル58を通って集合的に吐出されて燃焼される。
燃料は、乾式低排出(DLE)動作モードで燃焼器を動作するように、パイロットおよび主燃料噴射器60、62を通って適切に実施すなわち計量して供給される。具体的には、主噴射器62からの燃料が、主旋回空気と混合され、希薄燃料/空気混合気を生成する。
上記の背景技術の部分で述べたように、燃焼不安定性は、燃料が希薄予混合火炎で燃焼されるDLE燃焼器では大きな問題である。
しかし、以下でより詳細に説明されるように、保炎器54を優先的に冷却することによって、この不安定問題は取り除かれるまたは実質的に低減される。
より具体的には、図4に示される中央体46は、中空であり、保炎器54の内部背面から軸方向前方に間隔を置いて配置される内部インピンジメントリング64を含む。中央体は、加圧空気の一部をそこからバイパスする、内側スワラ42を囲繞する環状の空気バイパス入口66をさらに含む。インピンジメントリング64は、パイロットノズル52を径方向に囲むように間隔を置いて配置され、消費冷却空気をそれを通って吐出する。
中央体46の後方端部には、環状外側マニホルド68がバイパス入口66とインピンジメントリング64の間に軸方向に延在する。環状内側プレナム70は、外側マニホルド68の内側に同軸で配置され、パイロットノズル52を囲繞し、インピンジメントリング64と保炎器54の間において軸方向にその後方端部で終端する。
インピンジメントリング64は、それを通って軸方向に延在するインピンジメント孔72の列を含む。パイロットノズル52は、それを通って延在し保炎器54から前方に間隔を置いて配置される出口孔74の1つまたは複数の列を含む。
パイロットノズル52は、直径が増大する円錐形に後方に発散し、保炎器54で終端する。出口孔74は、内側プレナム70と流れ連通するようにパイロットノズル52の発散する壁部を通って軸方向に延在し、消費冷却空気をそこから吐出する。
したがって、中央体入口48に入るパイロット空気の一部は、バイパス入口66を通ってパイロット旋回翼42をバイパスし、外側マニホルド68を通って軸方向に後方に流れ、インピンジメント孔72を通って高速インピンジメント噴流で流れて保炎器54の裏側にぶつかる。消費インピンジメント空気は、向きが逆になり、次いで、内側プレナム70を通って軸方向に前方に運ばれ、また向きを変えた後、出口孔74の列を通って吐出する。
中央体46自体は、外側マニホルド68および内側プレナム70を通って運ばれるバイパス冷却空気によって効果的に内部冷却される。特に重要なことは、保炎器54自体のインピンジメント冷却である。さらに重要なことは、保炎器54のかなり上流側のパイロットノズル52内部で消費インピンジメント空気が吐出することである。
このように、主スワラ44、主噴射器62および主ノズル58の性能、ならびにその希薄予混合燃焼プロセスは、保炎器54の内部冷却による影響は受けない。また、保炎器54は、(図3で破線で示される)燃焼炎をしっかり固定し、保炎器54自体がよく内部冷却されるかたちで燃焼安定性を促進する。
消費インピンジメント空気は出口孔74から吐出する前に保炎器の後ろで向きが2回逆になるので、かなりの圧力損失がその中で生じ、さらに消費空気は出口孔74の1つまたは複数の列を通って吐出されるので、その速度はかなり低下される。
吐出冷却空気は、パイロットノズル52自体の効果的な内部膜冷却を実現し、(やはりまた図3で破線で示される)パイロットノズル52内部での燃焼がなされるように、パイロット燃料/空気混合気を囲む。パイロットノズル52から吐出される集合的な燃焼流は、主ノズル58から吐出される主燃料/空気混合気の効率または安定性を損なうことなく、周囲の保炎器54のところで主火炎と合流する。
吐出冷却空気は中央体を通り抜けることによって予熱されてきており出口孔74からの吐出後はかなりの速度を失っているので、この消費冷却空気は、特にCDP空気の温度が低い用途では、燃料蒸発を向上させ、火炎安定性を促進し、それによってUHCおよびCO排気排出が低減する。
パイロットスワラ42およびパイロットノズル52は、空気流比率(airflow ratio)が約5%より低い場合、主スワラ44および主ノズル58よりも実質的に少ない空気流を運ぶように寸法設定される。この設計の部品試験では、DLE動作状態のもと、保炎器ベース上に希薄予混合火炎を固定することによって燃焼不安定性の効果的な抑制が証明されている。
主な安定モードでの動圧は、冷却保炎器54の場合、劇的に減少し、それに対応して希薄燃焼プロセスの燃焼安定性が増大する。さらに、燃焼効率は、冷却保炎器54の場合、かなり高くなる。この結果、未燃焼炭化水素UHC、一酸化炭素COおよび窒素酸化物NOxのレベルが改善されることになる。
図4に示されるように、パイロット旋回翼42は、軸方向に延在し、軸方向後方に空気流を吐出するために、軸方向に対向する入口および出口端部を有する。パイロット旋回翼は、旋回を空気流に与えるように、円周方向に若干角度が付けられる。
対応するパイロット噴射器60は、パイロット旋回翼列の中央を通って軸方向に延在する細い導管すなわち管であり、動作中、パイロット旋回翼42の後方にパイロット燃料を吐出する5つの後方出口孔76を含む。
図3に示されるように、主旋回翼44は、径方向に延在し、径方向に対向する入口および出口端部を有する。主旋回翼は、径方向内方に傾けられ、それを通って運ばれ中央体46の外面まわりに吐出される主空気流に旋回を導入する。
協働する主噴射器62は、好ましくは、それら自体は中空である主旋回翼44と一体にされ、主燃料を旋回する空気流内に吐出する1つの旋回翼あたり3つの例示的な燃料出口を有する。このように、中央体46と保炎器54が2つの気化ノズルを隔てる状態で、希薄予混合主燃料/空気混合気が主ノズル58から吐出され、パイロットノズル60から吐出されているパイロット燃料/空気混合気を囲む。
図2に示される内側および外側旋回カップ36、38のそれぞれは、同様に、図3、4の例示的な実施形態で示されるように、対応する中央体46およびその後方端部の平らな保炎器54とともに構成されてもよい。保炎器54は、燃焼器内において軸方向の傾斜なしに径方向に延在し、ブラッフボディをもたらし、その後に燃焼火炎前面をしっかり固定する。
内部冷却される保炎器54自体は、火炎前面の熱負荷からのさらなる熱保護のためにセラミック遮熱コーティング(TBC)78で適切に覆われ得る。内部冷却される保炎器は、本明細書で説明されるようなDLEプレミキサすなわち旋回カップに特に有利である。
内側および外側ノズル52、58は、好ましくは、主およびパイロット燃料/空気混合気を同心的に吐出するように、平らな保炎器54と共通の軸平面で終端する。好ましくは、主シュラウド58の後方端部は、TBC78と実質的に同一平面上にあり、プレミキサを対応するドーム開口を介して設置している間、脆いTBCをダメージから保護するように、約20ミル(0.5mm)だけわずかに突出する、すなわちその後方で終端する。
内側および外側旋回カップ36、38の2つの列は、環状燃焼器ドーム内に適切に取り付けられる。ドームには適切な熱シールド80が取り付けられ、旋回カップ36、38の全補完物の間にある径方向および円周方向の空間に断熱をもたらす。
平らな保炎器54は、全体的に平らな熱シールド80と協働して燃焼ガスを燃焼器のドーム端部において火炎前面に沿ってしっかり固定する。
上記で述べた具体的に構成される中央体46は、燃焼器における性能および効率の点でかなり有利であり、動作中の排気排出の低減に寄与する。
中央体は、単一環状燃焼器(SAC)、二重環状燃焼器(DAC)またはその中に多数の旋回カップがある任意の形の燃焼器において、内側および外側スワラを有する様々な形の旋回カップに組み込まれてもよい。
本明細書では本発明の好ましい例示的な実施形態であると考えられるものを説明してきたが、当業者には、本発明の他の変更形態が本明細書の教示から明らかであり、したがって、全てのそうした変更形態は、本発明の真の精神および範囲内に入るとして添付の特許請求の範囲内で保護されることが望ましい。
したがって、特許によって保護されることが望ましいものは、出願人らが請求する以下の特許請求の範囲で規定かつ特定されるような発明である。
10 ターボファンガスタービン
12 中心線軸
14 ファン
16 圧縮機
18 燃焼器
20 高圧タービン
22 低圧タービン
24 空気
26 燃料
28 高温燃焼ガス
30 内側燃焼ライナ
32 外側燃焼ライナ
34 ドーム
36 内側旋回カップ、プレミキサ
38 外側旋回カップ、プレミキサ
40 支持システム
42 パイロット旋回翼、内側スワラ
44 主旋回翼、外側スワラ
46 中央体
48 吸気路
50 パイロットベンチュリ
52 出口ノズル
54 保炎器
56 主ベンチュリ
58 シュラウド、主ノズル
60 パイロット燃料噴射器
62 主燃料噴射器
64 インピンジメントリング
66 バイパス入口
68 マニホルド
70 プレナム
72 インピンジメント孔
74 出口孔
76 後方出口
78 遮熱コーティング
80 熱シールド

Claims (18)

  1. 旋回カップ(36、38)であって、
    パイロット旋回翼(42)の列および対応するパイロット燃料噴射器(60)を有する環状内側スワラと、
    主旋回翼(44)の列および対応する主燃料噴射器(62)を有する環状外側スワラと、
    前記内側スワラ(42)と前記外側スワラ(44)の間に径方向にそれらと同軸で配置される管状中央体(46)と
    を備え、
    前記中央体(46)が、前記内側スワラ(42)を囲繞する環状バイパス入口(66)を含み、孔つきパイロットノズル(52)に沿って後方に発散して環状保炎器(54)で終端し、
    前記中央体(46)が、インピンジメントリング(64)をさらに含み、
    前記インピンジメントリング(64)が、冷却空気を受けるように前記バイパス入口(66)と流れ連通するように前記保炎器(54)から前方に間隔を置いて配置され、前記パイロットノズル(52)まわりに径方向に間隔を置いて配置され、前記保炎器(54)において後方に向け前記冷却空気を方向付ける複数のインピンジメント孔(72)を備え、
    前記旋回カップ(36、38)は、
    前記バイパス入口(66)と前記インピンジメントリング(64)の間で流れ連通するように軸方向に延在する環状外側マニホルド(68)と、
    前記外側マニホルド(68)の内側に前記パイロットノズル(52)まわりに同軸で配置され、前記インピンジメントリング(64)と前記保炎器(54)の間において軸方向に前方に延びて終端する環状内側プレナム(70)と
    をさらに備えることを特徴とする、旋回カップ(36、38)。
  2. 前記外側スワラ(44)が、前記パイロットノズル(52)および前記保炎器(54)を囲繞する主ノズルを画成する環状シュラウド(58)内で終端する、請求項1記載の旋回カップ。
  3. 前記インピンジメントリング(64)には、前記インピンジメント孔(72)の列が軸方向に貫通して延在しており、
    前記パイロットノズル(52)が、前記保炎器(54)から前方に間隔を置いて配置される出口孔(74)の列を含む、
    請求項2記載の旋回カップ。
  4. 前記パイロットノズル(52)が前記保炎器(54)まで後方に発散し、前記出口孔(74)が、前記消費冷却空気をそこから吐出するように前記内側プレナム(70)と流れ連通するように前記内側プレナム(70)を通って軸方向に延在する、請求項3記載の旋回カップ。
  5. 前記パイロット旋回翼(42)が、前記パイロットノズル(52)を通ってパイロット燃料/空気混合気を集合的に吐出するように、前記バイパス入口(66)の径方向内方に前記パイロットノズル(52)の前方に配置され、前記パイロット噴射器(60)を囲繞し、
    前記主旋回翼(44)が、前記主ノズル(58)を通って主燃料/空気混合気を集合的に吐出するように前記主噴射器(62)の列を含む、
    請求項4記載の旋回カップ。
  6. 前記パイロット旋回翼(42)が、後方に空気流を旋回するように軸方向に延在し、前記パイロット噴射器(60)が、前記パイロット旋回翼(42)の後方にパイロット燃料を吐出するように後方出口(76)を含み、
    前記主旋回翼(44)が、前記中央体(46)まわりに径方向内方に空気流を旋回するように径方向に延在し、前記主噴射器(62)が、前記旋回空気流内に主燃料を吐出するように前記主旋回翼(44)と一体にされる、
    請求項5記載の旋回カップ。
  7. 環状ドーム(34)から後方に延在する径方向内側および外側の燃焼ライナ(30、32)を有する燃焼器(18)の環状ドーム(34)に列をなして配置される、請求項5記載の旋回カップ。
  8. 前記ドーム(34)に取り付けられる前記旋回カップ(36、38)の径方向内側および外側の列をさらに備える、請求項7記載の燃焼器。
  9. 前記パイロットノズル(52)のそれぞれが、軸方向に、前記保炎器(54)の前方に、間隔を置いて順に配置される前記出口孔(74)の3つの列を備え、
    前記保炎器(54)が、前記内側スワラ(42)と前記外側スワラ(44)の間において軸方向の傾斜なしに径方向に延在し、遮熱コーティング(78)で覆われる、
    請求項8記載の燃焼器。
  10. 燃焼器旋回カップ(36、38)であって、
    径方向で間にある管状中央体(46)で隔てられる同軸の内側および外側のスワラ(42、44)を備え、
    前記中央体(46)が、前記内側スワラ(42)を囲繞する環状バイパス入口(66)を含み、孔つき内側ノズル(52)に沿って後方に発散して環状保炎器(54)で終端し、
    前記中央体(46)が、インピンジメントリング(64)をさらに含み、
    前記インピンジメントリング(64)が、冷却空気を受けるように前記バイパス入口(66)と流れ連通するように前記保炎器(54)から前方に間隔を置いて配置され、前記パイロットノズル(52)まわりに径方向に間隔を置いて配置され、前記保炎器(54)において後方に向け前記冷却空気を方向付ける複数のインピンジメント孔(72)を備え、
    前記燃焼器旋回カップ(36、38)は、
    前記バイパス入口(66)と前記インピンジメントリング(64)の間で流れ連通するように軸方向に延在する環状外側マニホルド(68)と、
    前記外側マニホルド(68)の内側に前記パイロットノズル(52)まわりに同軸で配置され、前記インピンジメントリング(64)と前記保炎器(54)の間において軸方向に前方に延びて終端する環状内側プレナム(70)と
    をさらに備えることを特徴とする、燃焼器旋回カップ(36、38)。
  11. 前記インピンジメントリング(64)には、インピンジメント孔(72)の列が軸方向に貫通して延在しており、
    前記内側ノズル(52)が、前記保炎器(54)から前方に間隔を置いて配置される出口孔(74)の列を含む、
    請求項10記載の燃焼器旋回カップ。
  12. 前記内側ノズル(52)が前記保炎器(54)まで後方に発散し、前記出口孔(74)が、前記消費冷却空気を吐出するように前記内側プレナム(70)と流れ連通するように前記内側プレナム(70)から軸方向に延在する、請求項11記載の燃焼器旋回カップ。
  13. 前記内側スワラが、前記内側ノズル(52)を通ってパイロット燃料/空気混合気を集合的に吐出するように、前記バイパス入口(66)の径方向内方に、前記内側ノズル(52)の前方に配置され、パイロット燃料噴射器(60)を囲繞する、パイロット旋回翼(42)を備え、
    前記外側スワラが、主燃料/空気混合気を前記外側ノズル(58)を通って集合的に吐出するように、前記保炎器(54)を囲繞する外側ノズルを画成する環状シュラウド(58)内で終端し、主燃料噴射器(62)の列を有する、主旋回翼(44)の列を備える、
    請求項12記載の燃焼器旋回カップ。
  14. 前記パイロット旋回翼(42)が、後方に空気流を旋回するように軸方向に延在し、前記パイロット噴射器(60)が、前記パイロット旋回翼(42)の後方にパイロット燃料を吐出するように後方出口(76)を含み、
    前記主旋回翼(44)が、前記中央体(46)まわりに径方向内方に空気流を旋回するように径方向に延在し、前記主噴射器(62)が、前記旋回空気流内に主燃料を吐出するように前記主旋回翼(44)と一体にされる、
    請求項13記載の燃焼器旋回カップ。
  15. 環状ドーム(34)から後方に延在する径方向内側および外側の燃焼ライナ(30、32)を有する燃焼器(18)の環状ドーム(34)と、該環状ドームに列をなして配置される請求項10乃至14のいずれか1項に記載の旋回カップとを備える燃焼器。
  16. 前記ドーム(34)に取り付けられる前記燃焼器旋回カップ(36、38)の径方向内側および外側の列をさらに備える、請求項15記載の燃焼器。
  17. 前記内側ノズル(52)のそれぞれが、軸方向に、前記保炎器(54)の前方に、間隔を置いて順に配置される前記出口孔(74)の3つの列を備える、請求項16記載の燃焼器。
  18. 前記保炎器(54)が、前記内側スワラ(42)と前記外側スワラ(44)の間において軸方向の傾斜なしに径方向に延在し、遮熱コーティング(78)で覆われる、請求項17記載の燃焼器。
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