JP5842311B2 - ガス・タービン・エンジンで使用するための静翼なしタービンを備えた接線方向燃焼器 - Google Patents
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Description
また、この発明は、地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、前壁および複数の起伏を有する主燃焼器シェルと、複数のノズルとを含み、前記主燃焼器シェルが、当該主燃焼器シェルの中心線まわりに配置される環状の空間を区画しており、前記主燃焼器シェルが、前記前壁から前記起伏および前記燃焼器の環状の吐出開口に向けて延びており、前記起伏および前記吐出開口が、前記前壁に対向しており、前記複数の起伏が、前記中心線まわりに円周方向に間隔を開けて配置されており、かつ前記吐出開口まで延びており、前記複数のノズルが、前記前壁と前記起伏および前記吐出開口との間で、それぞれ接線方向に向けた状態で円周方向に間隔を開けて前記主燃焼器シェルに配置されており、前記複数のノズルが、前記環状の空間内に円周方向に沿う接線方向に沿って燃料、空気または燃料空気混合気を噴射して、第1の方向に沿って所定の円周方向速度成分で前記環状の空間を通って前記吐出開口に向かって流れる燃焼ガスの流れを生成するものであり、前記複数の起伏が、円周方向に間隔を開けて配置されており、各起伏が、前記中心線まわりにねじれながら前記吐出開口に向かう経路に沿って延びており、前記環状の空間を通って流れる燃焼ガスの流れを、前記第1の方向から、当該第1の方向とは異なる第2の方向へと曲げて、前記吐出開口に向かう前記燃焼ガスの流れの前記円周方向速度成分を増加させる、環状燃焼器を提供する。
前記複数の起伏は、前記環状の空間内に突出していることが好ましい。
また、前記複数の起伏は、前記ノズルの下流において前記吐出開口の近傍に配置されていることが好ましい。
本発明の一実施形態に関しては、一般的な方法で作動することができるが、燃焼排ガスを燃焼器から接線角度で流出させることと、提案された起伏のある燃焼器形状を用いることとを組み合わせることで、静翼ノズルの必要性に取って代わる新規の改良された燃焼器設計が提供される。本発明の一実施形態は、高温ガス流全体にわたってそのガス流内へと突出しつつ、エンジン中心線に沿ってそのエンジン中心線周りにねじれる起伏を備えた、変更された燃焼器ライナを含む。起伏は、一般的なガス・タービン静翼ノズルのように、高温ガスを曲げて加速させ、タービン入口に対して理想的な速度にする。起伏の部分の長さを短くするように、燃料/空気ノズルは、燃焼器出口で接線角度を設けるようにするために、燃焼器ライナの周りに円となるような方法で配置されている。他のエンジン構成部品と同様に、起伏は、高温ガス経路における不安定な環境を避けて通ることはできない。そのため、衝突冷却、しみ出し冷却、または他の任意の冷却方法が利用され得る。冷却空気は、圧縮機吐出空気を介して供給され、その圧縮機吐出空気は、主燃焼器ライナとそれを包囲する別の燃焼器ライナとの間を流れ、起伏の内側(燃焼のあるライナの外側)を通って行く。冷却空気は、起伏の内側で燃焼器材料を冷却し、タービンのすぐ上流側で高温ガスと混合するか、あるいは、加熱された空気は、燃料/空気ノズルを通じて燃焼室へと入るように導かれる。本発明の一実施形態は、第1段タービンからノズル案内翼(NGV)を排除することになるか、あるいは少なくとも、ノズル案内翼に必要な大きさを小さくすることになり、製造するためのコストを削減し、また、構成部品の材料をそれらの作動限界内に保つように、大量の冷却空気を構成部品の内部通路を通して供給することで生じる非効率性を最小とする。
以下に、この明細書および添付図面の記載から抽出され得る特徴を記す。
1.地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、
円周方向に離間された複数の燃料ノズル、空気ノズル、および/または燃料空気ノズルであって、個々のタイプのノズルがエンジン中心線に沿う前後方向に対して垂直な平面を共有し、異なるタイプのノズルが含まれている場合には、各タイプのノズルが共有する平面が互いに分離されている、ノズルと、
高温合金またはセラミック材料製のシェルであって、互いに対向する内側シェルおよび外側シェルと、内側シェルまたは外側シェルに設けられた複数の起伏とを備え、前記複数の起伏が、前記シェル内を通る高温ガス流内に延在し、前後方向に向かうにつれて前記エンジン中心線周りにねじれ、円周方向に等間隔に配置され、対向する外側シェルまたは内側シェルに接合、または、小さな隙間を維持し、かつ、前記燃焼器内の空間の全体の長さの一部のみにわたって延びている、シェルと、
を有する、燃焼器。
2.燃料空気ノズルは、前記外側シェルを通じて前記前後方向に対して垂直な単一または複数の共通の平面に流れを導入し、円周方向において等間隔または非等間隔で配置され、前記燃料空気ノズルの向きが、主に円周方向成分および径方向成分を有し、前記燃料空気ノズルの向きの前後方向成分は、前記円周方向成分および前記径方向成分よりも小さい、項1記載の燃焼器。
3.前記燃料空気ノズルは、軸流旋回翼および/またはパイロット燃料空気ノズルが配置され得る同軸の円形領域と、前記流れに旋回がほとんどまたは全く付与されない同心の円環流れ入口とから構成されている、項1記載の燃焼器。
4.前記燃料空気ノズルは、相当の接線速度で前記流れを導入するために、前記流れにほとんどまたは全く旋回を付与しない(たとえば、0回転より大きく0.5回転より小さい)前記円環流れ入口を有し、それにより前記起伏に接近する流れの角度を実際に増加させ、前記流れを曲げるのに前記起伏に必要な長さを短くする、項3記載の燃焼器。
5.単列の燃料/空気ノズルは、前記外側燃焼器シェルの周りに円となるようにして配置される、項1記載の燃焼器。
6.2列またはそれ以上の燃料/空気ノズルは、前記外側燃焼器シェルの周りに円となるようにして配置される、項1記載の燃焼器。
7.前記起伏は、前後方向において、前記燃焼器の出口から上流へ任意の距離で等しく延びる、項1記載の燃焼器。
8.前記起伏は、前後方向に対して垂直な前記平面において、エンジン中心線から始まって前記起伏の円周方向の幅に関する中心を通る直線と、エンジン中心線から始まって隣接する起伏の円周方向の幅に関する中心を通る直線との間に形成される方位角が、10度と120度との間であるように、エンジン中心線周りにねじれている、項1記載の燃焼器。
9.前記高温ガス流を横切って延びる前記起伏の円周方向の幅は、隣の前記起伏への円周方向の間隔を超えず、異なる前後位置においてその幅寸法が変化し得る、項1記載の燃焼器。
10.前記起伏の円周方向の幅に関する中心を通る起伏中心線の最も上流側の位置での半径に直角な平面において、その最も上流側の位置での前記起伏中心線への接線は、前後方向軸線と−90度から90度の範囲の反時計回りの角度を成す、項1記載の燃焼器。
11.前記起伏の円周方向の幅に関する中心を通る起伏中心線の最も下流側の位置での半径に直角な平面において、その最も下流側の位置での前記起伏中心線への接線は、前後方向軸線と−90度から90度の範囲の反時計回りの角度を成す、項1記載の燃焼器。
12.内側シェルおよび外側シェルの両方の半径は、前記ガス・タービン・エンジンの大きさおよび形状に依存して、前後方向において変化し得る、項1記載の燃焼器。
13.ガス・タービン構成部品を冷却するのに利用可能な任意の冷却方法が使用され得る、項1記載の燃焼器。この場合の冷却方法は、例えば、衝突冷却、しみ出し冷却、蒸気冷却などである。
14.前記燃焼器の前記起伏は、前記高温燃焼生成物を、第1段回転タービン動翼へと導入するために、0.6と0.9との間のマッハ数で0度と90度との間の絶対基準角度に加速して導く、項1記載の燃焼器。
15.前記外側シェルの周りに円となるように配設されている前記燃料ノズル、前記空気ノズル、および/または前記燃料空気ノズルは、前記起伏の部分へと進む前記流れの入口角度の平均を10度から70度の範囲とさせる、項1記載の燃焼器。
16.前記ノズルは、前記燃焼器の前後方向長さに沿う1つまたはそれ以上の平面に配置されている、項15記載の燃焼器。
17.前記ノズルは、前記燃焼器の前後方向に直角な異なる平面に整列されている、項15記載の燃焼器。
18.前記ノズルは、異なる平面において空間的に互いからオフセットされている、項15記載の燃焼器。
19.前記ノズルは、前記ノズルの接線角度が同じ平面内において互いに対してオフセットされるように配置されている、項15記載の燃焼器。
20.前記ノズルは異なる平面に配置される一方で、前記接線角度は異なる平面内でオフセットされている、項15記載の燃焼器。
21.前記燃料空気ノズルは、前記燃焼室に入る前にあらかじめ混合された燃料空気混合気を導入するように配置されている、項1記載の燃焼器。
22.前記燃料ノズルおよび前記空気ノズルは、それぞれ、拡散に基づいた燃焼を生成するように互いから離間されている、項1記載の燃焼器。
23.前記燃料空気ノズルは、平面ごとに、0度から90度の範囲で、一定の値または変化する値の角度を有し得るものであり得る、項15記載の燃焼器。
24.異なる平面にある前記ノズルは、同じ燃料空気比または異なる燃料空気比を有し得る、項15記載の燃焼器。
25.実質的な円周方向の速度成分を有する、燃焼器を通った後の前記流れは、前記起伏の必要な長さを減少させ、項10に記載されるような前記起伏の角度を、0度より大きくさせる(前記燃焼器の前端に近づく前記流れの角度に合わせる)ことができる、項1記載の燃焼器。
Claims (4)
- 地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、
外側シェル、内側シェル、前壁、複数の起伏、および複数のノズルを含み、
前記前壁が、前記燃焼器の中心線まわりに配置される環状の空間を形成するように、前記外側シェルおよび前記内側シェルを連結しており、
前記外側シェルおよび前記内側シェルが、前記前壁から前記起伏および前記燃焼器の環状の吐出開口に向けて延びており、
前記起伏および前記吐出開口が、前記前壁に対向しており、
前記複数の起伏が、前記燃焼器の中心線まわりに円周方向に間隔を開けて配置されており、かつ前記吐出開口まで延びており、
前記吐出開口が、前記燃焼器の中心線まわりに配置されており、
前記複数のノズルが、前記前壁と前記起伏および前記吐出開口との間で、それぞれ接線方向に向けた状態で円周方向に間隔を開けて前記外側シェルに配置されており、
前記複数のノズルが、前記環状の空間内に円周方向に沿う接線方向に沿って燃料、空気または燃料空気混合気を噴射して、第1の方向に沿って所定の円周方向速度成分で前記環状の空間を通って前記前壁から前記吐出開口に向かって流れる燃焼ガスの流れを生成するものであり、
前記複数の起伏が、円周方向に間隔を開けて配置されており、各起伏が、前記燃焼器の中心線まわりにねじれながら前記吐出開口に向かう経路に沿って延びており、前記環状の空間を通って流れる燃焼ガスの流れを、前記第1の方向から、当該第1の方向とは異なる第2の方向へと曲げて、前記吐出開口に向かう前記燃焼ガスの流れの前記円周方向速度成分を増加させる、
環状燃焼器。 - 地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、
前壁および複数の起伏を有する主燃焼器シェルと、複数のノズルとを含み、
前記主燃焼器シェルが、当該主燃焼器シェルの中心線まわりに配置される環状の空間を区画しており、
前記主燃焼器シェルが、前記前壁から前記起伏および前記燃焼器の環状の吐出開口に向けて延びており、
前記起伏および前記吐出開口が、前記前壁に対向しており、
前記複数の起伏が、前記中心線まわりに円周方向に間隔を開けて配置されており、かつ前記吐出開口まで延びており、
前記複数のノズルが、前記前壁と前記起伏および前記吐出開口との間で、それぞれ接線方向に向けた状態で円周方向に間隔を開けて前記主燃焼器シェルに配置されており、
前記複数のノズルが、前記環状の空間内に円周方向に沿う接線方向に沿って燃料、空気または燃料空気混合気を噴射して、第1の方向に沿って所定の円周方向速度成分で前記環状の空間を通って前記吐出開口に向かって流れる燃焼ガスの流れを生成するものであり、
前記複数の起伏が、円周方向に間隔を開けて配置されており、各起伏が、前記中心線まわりにねじれながら前記吐出開口に向かう経路に沿って延びており、前記環状の空間を通って流れる燃焼ガスの流れを、前記第1の方向から、当該第1の方向とは異なる第2の方向へと曲げて、前記吐出開口に向かう前記燃焼ガスの流れの前記円周方向速度成分を増加させる、
環状燃焼器。 - 前記複数の起伏が前記環状の空間内に突出している、請求項1または2に記載の環状燃焼器。
- 前記複数の起伏が、前記ノズルの下流において前記吐出開口の近傍に配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の環状燃焼器。
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