JP6030128B2 - ガスタービンの燃焼チャンバの中に燃料を噴射するための方法、およびこれを実施するための噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、燃焼不安定性を除去する、または少なくとも制限するために、ガスタービンの燃焼チャンバ（ターボシャフトエンジン、ターボジェットエンジンまたは補助パワーユニット（ＡＰＵ））の中に燃料を噴射するための方法に関する。本発明はまた、その方法を実行するのに適した噴射システムに関する。

ターボシャフトエンジンなどのガスタービンの燃焼チャンバにおいては、噴射器が燃料を供給するハウジング上に取り付けられており、ここで燃料は、一般にスワーラとして知られ、燃焼チャンバの基部に分布して配置される空気／燃料混合器の内部で空気と混合される。空気は、ガスタービンのコンプレッサの最終段から来るが、その一部は、このスワーラを介して燃焼チャンバの中に導入される。燃料は、マニホールドの端部に形成されたオリフィスを介して、噴射器の中に導入される。空気と燃料はスワーラの中で混合され、その後、チャンバの中で燃焼してガスを発生する。これらのガスの熱エネルギーは、タービンによって機械的仕事に変換され、かつ／またはノズルを介して推力に変換され、したがって、航空機の推進力、または陸上設備もしくは海上設備のための機械動力の供給を保証することが可能になる。

ターボシャフトエンジン、および特にその燃焼チャンバを設計する場合、エンジンの最初の回転以前に除去され得ないかなりのリスクは、エンジンの動作範囲において燃焼チャンバ内に燃焼不安定性が存在することである。これらの不安定性が作り出されるのは、チャンバ内の燃焼の変動が、チャンバ内に存在する物理的現象（自然モードの音響振動、機械的振動、燃料供給の不安定性など）と共鳴する場合である。これらの不安定性は、その後、非同期と呼ばれる振動を発生させるが、その理由は、これらの振動がエンジンの回転速度と直接関連付けられないからである。自然音響モードと燃焼に関連した熱発生の変動との間で共鳴がある場合、これは一般に熱音響結合と呼ばれ、燃焼不安定性を引き起こす。

より広くには、燃焼不安定性は、チャンバの構造を、またはエンジンの構造をも破壊するかもしれない振動を誘起する可能性があり、これはエンジンの認証を妨げる。

燃焼不安定性の存在が明白である場合、従来の解決策は、衝撃に応じて、燃焼チャンバおよび／または噴射システムを再設計することから成る。この解決策は高価であり、かつ開発、したがって認証の実質的な遅れを生じさせる。

米国特許第４８３１７００号明細書は、噴射器の肩部の上に取り付けられた環状弁を含むタービンの燃焼不安定性を除去しようと努めるための手段を開示している。このようにして、内部空気チャンバが形作られる。燃料出口に近接する噴射器の肩部に形成されるオリフィスからの燃料のフローを制御するために、弁は突出するヘッドを有する。そのような構造は複雑であり、かつこの弁の開口部の変化に基づいているが、このことは、燃料フローの中断または脈動を除去し得る。しかしながら、仮にそのような手段が、燃料フローの不規則性に関連した燃焼不安定性を減少させるとしても、そのような手段は、燃焼不安定性のこの問題を解決することを可能にするものではない。

欧州特許第１４１３８３０号明細書もまた、燃料噴射器と空気スワーラとの間に位置する、円錐形端部を備えた空気分割器に基づいた構成を開示している。この分割器は、チャンバの中で２方向の再循環領域を形作るために、空気流を２つの同心の流れに分離する。上記と同じ理由で、この解決策は、燃焼不安定性を除去することができない。

米国特許第４８３１７００号明細書 欧州特許第１４１３８３０号明細書

本発明は、特別な軸に沿って燃料を噴射することを提案することによって（これによって、もはや完全には周期的に対称でないスワーラの中に燃料のフローを誘起する）、燃焼不安定性を減少させる、または除去することに関する。

より正確には、本発明は、周期的に対称な幾何学的軸を有する空気／燃料混合器システムによって、ガスタービンの燃焼チャンバの中に燃料を噴射するための方法に関する。この方法では、燃料噴射は、このシステムの中心軸に平行な軸に沿った、厳密な意味では、すなわち、この軸から離れた混合器システムにおいて達成される。その場合には、噴射軸は、混合器の軸に対して中心から外れていると言われる。軸方向に対称な燃料の吹き付けが存在しないこれらの状況の下では、燃焼炎はもはや共鳴せず、これによって、燃焼不安定性を除去する、または許容レベルにまで減少させる。

特別な実施形態によれば、
−ハウジングに配置された燃焼チャンバは、ハウジングに対して角度的にずれており、燃料の噴射はハウジングと一体化した噴射器によって達成され、かつ混合器システムは燃焼室と連結され、および／または
−噴射は、混合器システムの中で中心から外れており、この方式が特に実施されるのは、混合器システムが、燃焼チャンバに関して１つ以上の自由度を有する場合である。

本発明は、そのうえ、チャンバを保護するためのハウジングを装備したタービン燃焼チャンバの空気／燃料混合器システムに関し、このシステムは、上記の方法を実施するのに適している。このシステムは、対称中心軸を有する、少なくとも１つの圧縮空気取り入れスワーラと、それ自体の対称軸を有する噴射ヘッドを装備した燃料噴射器とを有する。噴射ヘッドの対称軸が、スワーラの対称中心軸に関して中心から外れているように、各噴射器は、ガイド手段の助けにより対応するスワーラの中に取り付けられ、特にフランジ付きのフェルールが、スワーラと一体化した保持リングに取り付けられる。

特別な実施形態によれば、
−噴射器が対応するスワーラに対して軸方向にずれているように、スワーラをチャンバと一体化させ、かつ噴射器をハウジングと一体化させる手段、およびハウジング上にチャンバを中心から外れて固定するための手段は、ハウジングに関してチャンバを角度的にずらすことができ、
−各噴射器は、対称主軸と、スワーラの主軸に関して中心から外れた軸を有する中央燃料循環経路を有する噴射ヘッドとを有し、
−有利なことに円錐台形状の噴射ヘッドは、噴射器の主要本体に関して中心から外れて取り付けられることが可能であり、ヘッドの経路の軸が、噴射ヘッドの対称軸である。

本発明の他の特徴および利点は、添付された図面をそれぞれ参照しながら、以下の詳細な実施形態を読むことによって、より明らかになるであろう。

図１は、本発明による混合器システムの第１の例の断面図であり、この混合器システムは、関連するスワーラの軸に関してずれており、しかも平行である軸を備える噴射器を有する。 図２は、ハウジングによって保護された燃焼チャンバの概略図であり、この燃焼チャンバは、図１に従った軸ずれを得るために、チャンバをハウジングから角度的にずらすことが可能なハウジングの上に偏心させて固定するための手段を有する。 図３ａは、スワーラにおける、およびこのシステムの外部における偏心した燃料噴射器の別の例の断面図である。 図３ｂは、スワーラにおける、およびこのシステムの外部における偏心した燃料噴射器の別の例の斜視図である。

「上流の」および「下流の」という用語、またはこれらと等価な用語は、軸Ｃ’Ｃに従う、噴射器における燃料のフローに関して、要素の部分を指定する。

図１の断面図を参照すると、本発明による混合器２の例は、一般にスワーラと称され、空気入口セル２１と保持リング２２とを備える。このリングは、燃料噴射器３のためのフランジ２３ａを備えたガイドフェルール２３を収容することを可能にする。スワーラ２は、炎筒５によって燃焼チャンバ４と一体化している。噴射器３は、燃焼チャンバ４を取り囲むハウジング６の上に固定される。

空気入口セル２１は、第２の環状部分２ｂ上で、スワーラ２および混合システム１の軸Ｘ’Ｘに従って、同軸状に取り付けられる環状部分２ａの中に形成される。第１の環状部分２ａは、スワーラ２の内部で、ベンチュリ壁２０ａを形成し、かつ第２の環状部分２ｂは、別のベンチュリ壁２０ｂを形成する。第１のベンチュリ壁２０ａは、ベンチュリ間スペースＥ１を形作るように第２のベンチュリ壁２０ｂを貫通し、ベンチュリ間スペースＥ１の中を、セル２１から生じた空気流Ｆ１が循環する。このフローは、出口で空気コーンＣ１を形成するが、空気コーンＣ１は、第１のベンチュリ壁２０ａによって制限される内部ベンチュリスペースＥ２によって形成される空気／燃料混合コーンＣ２を包む。

このスペースＥ２では、セル２１から来る内部空気流Ｆ２が、噴射器３によって供給される燃料と混合される。より正確には、空気スワーラは、内部ベンチュリスペースＥ２の中で空気の層を形成し、この空気の層は、燃焼チャンバ４の入口で重なる。各層においては、空気の粒子は、噴射器３によって吹き付けられる燃料の粒子と流体的かつ均一な方法で混合され、これによって、うまく実施される空気／燃料混合物を生成する。

内部空気流Ｆ１およびＦ２は、有利なことに、独立してフローを有することができ、このフローは、同方向または反対方向に旋回しながら、または旋回しない場合もあるが、結果として、燃焼チャンバの性能要求に一致した、燃料および／または可能である最も有効な空気／燃料混合物の吹き付けが得られる。

図示された例においては、燃料噴射器３は、円錐台形状の噴射ヘッド３１を備えた円筒状の主要本体３０を有する。噴射器の対称軸と統合された軸Ｃ’Ｃを有する燃料供給導管３２は、円筒状本体３０および噴射ヘッド３１を通過する。この実施形態においては、噴射ヘッド３１は、噴射器本体３０の導管３２の延長部に噴射成形経路３６を形作る。

スワーラ２の中への噴射器２の取り付けは、ガイドフェルール２３によって達成され、ガイドフェルール２３のフランジ２３ａが、保持リング２２と第１の環状部分２ａの下流壁Ｐ２との間に形成された半径方向グルーブ２４の中に挿入される。リング２２は、グルーブ２４の基部４ａを形成するために、例えばろう付けされて、壁Ｐ２に連結される。

噴射器３自体がスワーラ２に関して軸方向に対称的に位置決めされないように、フランジ２３ａは、高温で使用される際、グルーブ２４ａおよび２４ｂの非占有部分が同じ深さでないような方法で、グルーブ２４の中で軸方向に対称でないように位置決めされる。燃料フローは、もはや完全には軸方向に対称的ではなく、その理由は、仮に噴射器の、ならびにスワーラ２の軸Ｃ’ＣおよびＸ’Ｘがそれぞれ平行に留まるとしても、それらは統合されないからである。それゆえに、図示された例において、それらはおよそ１ｍｍの間隔ΔＣを有する。この間隔は、エンジンの寸法に依存する。

燃料の軸方向に対称的な吹き付けがないこれらの状況の下では、燃焼炎はもはや共鳴せず、燃焼不安定性は除去されるか、または許容レベルまで減少される。

スワーラがチャンバ基部と一体化されている場合、軸方向に対称的ではないこの取り付けは、名目上位置合わせされた基準位置に関して、ハウジング６上にチャンバ４を偏心的にずらして固定することによって達成されてもよい。図２の斜視図によって概略的に図示された取り付けの例においては、ハウジング６上にチャンバ４を固定するのに偏心クリップ１０が使用される。これらの偏心クリップ１０は、角度的におよそ１０分の数度のずらし量ΔＡだけチャンバをずらすことを可能にし、その正確な値は、名目上の基準位置に対するエンジンの寸法に依存する。

そのような変位は、チャンバ４と一体化しているスワーラ２の等価的ずらし量、およびハウジング６と一体化している噴射器３の等価的ずらし量を誘起する。噴射器３の燃料フロー軸Ｃ’Ｃは、図１によるスワーラ２の軸Ｘ’Ｘに対して間隔ΔＣを示すことになる。

図３ａおよび図３ｂに図示された別の例において、スワーラ２（図１）における噴射器３の軸方向に非対称な取り付けは、噴射器３の主要本体３０に関して噴射ヘッド３１の位置を中心から外すことによって、再び達成されてもよい。

この解決策が特によく適合されるのは、スワーラが燃焼チャンバと直接一体化されない場合である。特に、スワーラと噴射器との間の自由度を保証するガイドフェルール２３が、スワーラ２とチャンバ４との間の境界上でずれている場合には、燃料噴射器３の軸Ｃ’Ｃとスワーラ２の軸Ｘ’Ｘとの相対的位置は、スワーラ２と一体化しているガイドフェルール２３の軸の位置によって決定される。

図３ａを参照すると、これは、本体３０および取り付けナット３５に対して、噴射ヘッド３１の位置を中心から外れた状態で図示した別の実施形態を示す。その場合には、ヘッド３１を通過する燃料フロー経路３６の軸Ｃ’Ｃは、スワーラ２の軸Ｘ’Ｘと統合される噴射器本体３０の導管３２の軸に対して平行であり、しかもずれているように見える。

したがって、軸変位は、噴射器本体３０に関して噴射器ヘッド３１の位置によって得られるが、その一方で、ガイドフランジ２３ａは、半径方向グルーブ２４の中で中心に置かれる。

図３ｂの斜視図は、本体３０上のヘッドの取り付けナット３５上に噴射器ヘッド３１を連結する際、非対称に実施した場合を示す。本体３０は円形フランジ３７で終端し、その上にナット３５が内側のねじりによって取り付けられる。図３は、そのうえ、噴射ヘッド３１の経路３６の軸Ｔ’Ｔと導管３２の軸Ｃ’Ｃとの変位ΔＣを示す。

本発明は、説明され、かつ表現された実施形態に限定されない。例えば、様々なタイプのスワーラ、例えば、逆回転にあるセルのいくつかのリングを備えたスワーラ、またはピラミッド形状のヘッドを備えた噴射器もしくは凹面輪郭を備えた噴射器を用いることが可能である。本発明は、もちろん、単一ベンチュリスワーラ、すなわち空気流Ｆ１に関連する第２のベンチュリ２０ｂを装備しないスワーラに適用される。

そのうえ、例えば図２と図３ａ／図３ｂの実施形態を組み合わせることによって、ガイドフェルールの軸方向に対称でない位置決めと中心から外れた噴射ヘッドとを組み合わせることが可能である。さらに、別の実施形態によれば、リング２２を偏心させてろう付けすることによって固定することが可能であり、その結果、使用時にフェルール２３は、リングの中で中心に置かれ、かつ、したがって、スワーラの軸に関して軸方向に対称的ではない。さらに、スワーラが燃焼チャンバの壁上ではなく、例えばハウジング上に固定されてもよい。加えて、スワーラの中の噴射器のガイド手段が、任意の既知手段、例えば調整軸受、ソケット、スペーサなどによって形成されてもよい。

Claims (7)

1. ガスタービンの燃焼チャンバ（４）の中で、幾何学的中心対称軸（Ｘ’Ｘ）を有する空気／燃料混合器システム（１）によって燃料を噴射するための方法にして、燃料の噴射が、このシステム（１）の対称軸（Ｘ’Ｘ）に平行であり、かつこの軸（Ｘ’Ｘ）から分離された軸（Ｃ’Ｃ）に従って混合器システム（１）の中で達成される方法であって、
   ハウジング（６）の中に配置された燃焼チャンバ（４）が、ハウジング（６）に関して角度的にずれており（ΔＡ）、燃料噴射がハウジング（６）と一体化された噴射器（３）によって実施され、かつ混合器システム（１）が燃焼チャンバ（４）と一体化していることを特徴とする、方法。
2. 特に混合器システムが燃焼チャンバに関して少なくとも１つの自由度を有する場合、噴射が混合器システム（１）の中で中心から外れている（ΔＣ）、請求項１に記載の噴射のための方法。
3. チャンバの保護のためのハウジングを装備するガスタービンの燃焼チャンバの空気／燃料混合器システムにして、対称中心軸（Ｘ’Ｘ）を有する少なくとも１つの圧縮空気取り入れスワーラ（２）と、異なる対称軸（Ｔ’Ｔ）を有する噴射ヘッド（３１）を装備した燃料噴射器（３）とを備え、噴射ヘッド（３１）の対称軸（Ｔ’Ｔ）が、スワーラ（２）の対称中心軸（Ｘ’Ｘ）に関して中心から外れているように、各噴射器（３）がガイド手段（２３、２２）の助けにより対応するスワーラ（２）の中に取り付けられる、空気／燃料混合器システムであって、
   噴射器（３）の噴射ヘッド（３１）の対称軸（Ｔ’Ｔ）が、対応するスワーラ（２）の対称中心軸（Ｘ’Ｘ）から半径方向にずれている（ΔＣ）ように、ハウジング（６）上のチャンバ（４）の中心外れ固定手段（１０）が、ハウジング（６）に関してチャンバ（４）を角度的にずらす（ΔＡ）ことができることを特徴とする、空気／燃料混合器システム。
4. ガイド手段が、スワーラ（２）と一体化された保持リング（２２）の中に取り付けられたフランジ（２３ａ）を備えたフェルール（２３）を含む、請求項３に記載の混合器システム。
5. 手段（５、３９）が、スワーラ（２）をチャンバ（４）と一体化させ、かつ噴射器（３）をハウジング（６）と一体化させる、請求項３に記載の混合器システム。
6. 各噴射器（３）が、対称主軸と、噴射システム（１）の主軸（Ｘ’Ｘ）に関して中心から外れた軸（Ｔ’Ｔ）を有する中央燃料循環経路（３６）を有する噴射ヘッド（３１）とを有する、請求項３に記載の混合器システム。
7. 噴射ヘッド（３１）が、噴射器（３０）の主要本体に対して中心から外れて取り付けられ、ヘッドの経路（３６）の軸（Ｔ’Ｔ）が、噴射ヘッド（３１）の対称軸である、請求項６に記載の混合器システム。

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