JP6086371B2 - ガス・タービン・エンジン用環状筒型燃焼器における燃焼反応物混合方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス・タービン・エンジンにおいて、燃料空気混合気の燃焼を包含して生成するのを補助する装置に関する。このような装置には、限定はされないが、軍事用および民間用の航空機、発電、および、他のガス・タービンに関連する用途で使用される燃料空気ノズル、燃焼器ライナ、ケーシング、および流れ遷移部品が含まれる。

ガス・タービン・エンジンには、非常に高温、高圧、および高速で流れる燃焼ガスから仕事を引き出す機械装置が含まれる。引き出された仕事は、発電のために発電機を駆動したり、航空機に必要な推進を提供したりするのに使用することができる。一般的なガス・タービン・エンジンは、大気が高圧に圧縮される多段式の圧縮機を備えている。次いで、圧縮された空気は、燃焼器において規定の燃料空気比に混合され、温度が上昇させられる。そして、高温かつ高圧の燃焼ガスは、仕事を引き出すタービンを通じて膨張され、用途に応じて、必要な推進力を提供したり、発電機を駆動したりする。タービンは、一列のブレードおよび一列のベーンからそれぞれが成る１つの段を少なくとも一段備えている。ブレードは、回転するハブ軸に円周方向に配列されており、各ブレードは、高温ガス流の経路に渡る高さを有している。回転しないベーンの各段は、円周方向に配置されており、ベーンもまた高温ガス流の経路を横切って延びている。包含される発明には、燃料および空気を上記の装置に導入するガス・タービン・エンジンの燃焼器および部品が含まれる。

ガス・タービン・エンジンの燃焼器部は、筒／管型、環型、および、その２つを組み合わせて形成される環状筒型の燃焼器といった、いくつかの異なるタイプのものであり得る。この構成部品では、圧縮された燃料空気混合気は、燃料空気スワラを通過し、混合気の燃焼反応が起こって高温ガス流を作り出し、その流れは密度が下がって下流へと加速する。筒型の燃焼器は、各ノズルの火炎を分離して含む、円周方向に離間された個別の円筒を典型的には有している。各円筒からの流れは、導管を通じて方向付けられ、第１段のベーンに入る前に、環状の遷移部品で合流される。環型の燃焼器のタイプでは、燃料空気ノズルは、一般的に、円周方向に配分されており、混合気を単体の環状室に導入し、そこで燃焼が行われる。流れは、流れを合成するのに遷移部品を必要とすることなく、環の下流端から第１段タービンへと単に流出する。最後のタイプの環状筒型の燃焼器の大きな違いは、燃焼器が、各円筒に供給される空気の入った環状のケーシングによって包囲される個別の円筒を有していることである。各タイプとも用途に応じて利点および難点がある。

ガス・タービン用の燃焼器では、いくつかの理由のために、燃料空気ノズルが混合気に旋回を与えることが典型的である。理由の１つは、混合を促進させて燃焼を増進させることであり、別の理由は、旋回を加えることで火炎を安定させて火炎が噴き出すのを防止することであり、それにより、燃料空気混合気の燃料をより薄くして排出物を減らすことができる。燃料空気ノズルは、それぞれに旋回羽根を備えた１つから複数の環状の入口など、異なる構成を取ることができる。

他のガス・タービンの構成部品と同様に、燃焼器の材料が溶解するのを防止するための冷却方法の実施が必要とされる。燃焼器を冷却するための典型的な方法は、燃焼器ライナを追加的なオフセットライナで包囲することで実施されるしみ出し冷却である。圧縮機吐出空気は、それら２つのライナの間を通過し、希釈孔および冷却通路を通って高温ガス流通路に入る。この技術は、構成部品から熱を除去するとともに、ライナと燃焼ガスとの間に冷たい空気の薄い境界層膜を形成し、熱のライナへの移動を防ぐ。希釈孔は、ライナにおける軸方向の位置に依存して２つの目的を果たす。すなわち、燃料空気ノズルにより近い希釈孔は、ガスの混合を助けて燃焼を増進させるとともに、未燃焼の空気を燃焼のために供給する。そして、タービンにより近い孔は、高温ガス流を冷却することになり、燃焼器出口の温度プロフィールを操作するように設計することができる。

いくつかの方法および技術がガス・タービン・エンジン用の燃焼器の設計に取り入れられて、燃焼および低排出を改善できることは理解できる。ガス・タービンは、他の電力発電方法よりも汚染物質の生成が少なくなる傾向がある一方で、この分野における改善の余地はまだある。いくつかの国には排出物を規制する政府規則があり、技術はこれらの要件に対応するように向上していく必要がある。

本発明に関連して、典型的な方法で運転することができる一方で、燃料空気混合気の燃焼で生じる汚染排出物を最小限に抑えることができ、また、直面する他の問題に対処する、新しい改良された燃焼器の設計が提供される。本発明は、前後方向および円周方向における様々な位置で、圧縮機吐出空気および圧縮された燃料を燃焼器へと導く、予め混合された燃料空気ノズルおよび／または希釈孔を備える典型的な環状筒型の燃焼器から成る。本発明の独自の特徴は、燃料および空気のノズルが、燃焼反応物および生成物の混合を促進させる環境を作り出すような方法で配置されていることである。燃料をより多く含むように予め混合された燃料および空気のノズルを、ノズルの別の組合せより上流側に段階分けすることは、燃焼反応物の混合を促進し、ＮＯｘの生成を著しく減らす、燃焼領域における特定の酸素濃度を作り出す。また、燃焼領域の下流への圧縮機吐出空気の導入は、燃焼の間に生成されたいずれのＣＯも、第１段タービンに入る前に燃やす／消費することができる。実質的に、燃焼器は、ガス・タービンの排出レベルを改善し、それにより、排出制御装置に対する必要性を小さくするとともに、この装置の環境影響を最小とする。この改善に加えて、接線方向に燃える燃料ノズルおよび燃料空気ノズルは、その火炎を各円筒の隣接するバーナ・ノズルへと向かわせることで、燃焼器の点火処理を非常に促進させる。
この発明は、ガス・タービン・エンジン用の環状筒型燃焼器において燃焼反応物を混合する方法を提供する。前記環状筒型燃焼器は、２つの円筒形ライナと、前記２つの円筒形ライナの間に収容され前記円筒形ライナの円周方向に離間して配置され個別の燃焼領域を区画する複数の筒状ライナとを含む。各筒状ライナは、前壁を有する上流端と下流端とを有し、前記燃焼領域が前記筒状ライナの筒状容積であり、前記筒状容積は前記筒状ライナの前記上流端から前記下流端までに渡って前後方向に沿って延びており、複数の希釈孔は前記前壁に形成されている。また、複数の第１ノズルが前記上流端および前記下流端の間において前記筒状容積の前記前後方向周りの円周方向に離間して配列されており、複数の第２ノズルが前記上流端と前記第１ノズルとの間において前記筒状容積の円周方向に離間して配列されている。前記複数の第１ノズルは前記第２ノズルよりも前記下流端寄りの下流側において前記筒状容積の前後方向に垂直な第１平面内にあり、前記複数の第２ノズルは前記第１ノズルよりも前記上流端寄りの上流側において前記筒状容積の前後方向に垂直な第２平面内にある。そして、前記方法は、ａ）各前記第１ノズルが前記筒状ライナの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記筒状容積内に予め混合された第１燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第１ノズルから前記筒状容積内に前記第１燃料空気混合気を噴射するステップと、ｂ）各前記第２ノズルが前記筒状ライナの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記筒状容積内に予め混合された第２燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第２ノズルから前記筒状容積内に前記第２燃料空気混合気を噴射するステップと、ｃ）圧縮機吐出空気を前記前壁に形成された前記複数の希釈孔を通して前記前後方向に沿って前記筒状容積に導入するステップと、を各筒状ライナに対して実行し、ＮＯｘおよびＣＯの排出を減少させる燃料空気の段階的効果を生じさせる。
この発明の一実施形態では、前記筒状ライナには、前記下流端と前記第１ノズルとの間において前記筒状容積の円周方向に離間して配列された複数の冷却空気孔が貫通して形成されており、前記方法は、各前記筒状ライナにおいて、前記筒状容積の下流端と前記第１ノズルとの間で、前記複数の冷却空気孔を通して、前記筒状容積内に冷却空気を供給するステップをさらに含む。
この発明の一実施形態では、前記予め混合された第１燃料空気混合気が第１燃料空気比を有し、前記予め混合された第２燃料空気混合気が第２燃料空気比を有し、前記第２燃料空気比が前記第１燃料空気比よりも大きい。
この発明の一実施形態では、各前記第１ノズルが隣の第１ノズルに火炎を向けて互いに点火を促進し、各第２ノズルが隣の第２ノズルに火炎を向けて互いに点火を促進する。
この発明の一実施形態では、前記複数の第１ノズルが前記複数の第２ノズルに対して前記筒状容積の円周方向にずらして配置されている。

燃料および空気を共通の平面へと噴射する外側円筒ライナに取り付けられたノズルを備えた環状筒型構成を示す２次元の略図である。 環状筒型燃焼器の円筒に適用される接線方向のノズルの大まかな考えを示す２次元の略図である。 本発明の実例の構成の上流部分の等角の側面図である。 本発明の等角の断面図である。 図４Ａの写像の拡大図である。 図３において画定される断面Ａ−Ａを示す断面図である。 図３において画定される断面Ｂ−Ｂを示す断面図である。

図１は、共通の半径で円周方向に離間された円筒１を備えた環状筒型燃焼器の一般的な構成の実例を示し、そのすべての円筒は、円筒形の外側ライナ２と円筒形の内側ライナ３との環状空間で包囲されている。図では、円筒の接線方向のノズル構成も示されている。図２は、円筒をより詳細に示している。円筒ライナ４（筒状ライナ）は、予め混合された燃料および空気の混合気を噴射する燃料／空気ノズル５を備えた円筒容積（筒状容積）を形成している。ノズルは、ノズル中心線６と、ノズル中心線６と交差する円筒ライナ４の接線との間で、角度８を形成している。この角度は、ノズルの円周方向を定めている。

図２は、予め混合された燃料空気混合気９が角度８で円筒１内に噴射される実例の環状筒型燃焼器の構成における、円筒の一般的な作用も示している。火炎１０は、円筒を通って円筒ライナに従う経路１１で生じて伝播していく。これらの接線方向に向けられたノズルによって、各ノズルからの火炎が下流の隣接するノズルと相互作用することになる。この重要な特徴は、ノズルからの火炎が隣接する下流側のノズルで燃料を点火できることで、点火を高め、バーナ・ノズルを点火するという必要性を緩和する。

図３は、下流部分が除かれた実例の円筒の先頭または上流部分を示す。本発明は、円筒の前後方向に沿って離間された複数のノズルの列を備えることになる。ノズルの各列は、少なくとも１つのノズルを備えてもよく、隣接するノズルの列から円周方向の角度だけずらすことができる。また、円筒は、冷却空気が任意の場所で円筒に入るための、円周方向に離間された孔１２または通路のいくつかの列を備えてもよい。

図４Ａおよび図４Ｂは円筒の最上流面１３を示し、その最上流面は、圧縮機吐出空気が円筒内に入ることができる希釈孔１４を備え得る。図５および図６は、列の各組合せのノズルが、どのようにして円周方向の角度だけずらされ得るかを示している。異なる列のノズルは、前壁近くにおいて、燃料ノズル５の下流側で噴射される混合気を伴う第２の組合せのノズルよりも燃料の濃い燃料空気比を有し得る燃料空気混合気の噴射を可能にし、その噴射は、燃焼器からのＮＯｘおよびＣＯの排出を減少させる最適な燃焼環境を作り出すことになる、所望の混合および燃料空気の段階的効果を作り出せる。

以下に、前述のまたはさらに追加の特徴的な事項を列挙する。
１．地上にある発電用途、地上もしく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・タービン用の環状筒型燃焼器において、
円筒形状の、円周方向に離間された複数の筒状ライナであって、それぞれが複数の接線方向の突出部を備える複数の筒状ライナと、
前記円筒の中心線の方向に垂直な共通の平面に共存し、すべてが高温合金またはセラミック材料製であるライナを備えた、円周方向に離間された燃料空気ノズルと、
を備える、環状筒型燃焼器。
２．前後方向に垂直で前記円筒の前記前壁の近くの平面において円周方向に離間されたノズルが、存在し得る任意の下流の組合せのノズルよりも燃料の濃い燃料空気比の燃料空気混合気を噴射し、前記燃料空気混合気は、主に円周方向成分を有しつつ径方向および／または前後方向成分を有する、項１記載の環状筒型燃焼器。
３．前後方向に垂直で項２に記載のノズルよりも下流の少なくとも１つの平面において円周方向に離間されたノズルを含み、前記ノズルは、項２に記載のノズルの燃料空気比よりも燃料の薄い燃料空気比の燃料空気混合気を噴射し、前記燃料空気混合気は、主に円周方向成分を有しつつ径方向および／または前後方向成分を有する、項２記載の環状筒型燃焼器。
４．前記ノズルは、平面から平面への角度が、図２の参照符号８で示されるような０度から９０度の範囲にある一定の値または変化する値を有する、項１〜３のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
５．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の燃料空気混合気を噴射する、項１〜４のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
６．同じ平面にある前記燃料空気ノズルは、同じ燃料空気比または異なる値の燃料空気比の燃料空気混合気を噴射する、項１〜５のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
７．接線方向に向けられた前記ノズルは、隣接するノズルの火炎がその平面において隣接するノズルに向かうように配置され、それが複数のバーナを点火させる必要性を小さくすることにより、前記燃焼器の点火過程を促進する、項１〜６のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
８．促進された前記点火過程は、部分負荷運転および全負荷運転における火炎の不安定さから発生させられる火炎に誘発される振動および音を減らすことになる本質的に安定するバーナを作り出す、項７記載の環状筒型燃焼器。
９．接線方向の前記燃料空気ノズルの構成は、非常に低い負荷レベルにおいて、効率的な燃焼に向けて反応物の混合を高める、項１〜８のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１０．低ＢＴＵガスなどの反応物燃料を、増進された火炎安定性のため、前記燃焼器において容易に利用および燃焼させることができる、項１〜９のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１１．バーナ出口で安定した火炎を促進する渦が、前記円筒の中心線の周りに作られる（接線方向の燃料空気ノズルの主な結果である）、項１〜１０のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１２．前記燃料空気混合気を燃焼するために必要な滞留時間を短くし、その結果、燃焼空間が小さくされ、それが（記述したすべての用途において重要である）エンジンの大きさを縮小し、それによって（航空機のガス・タービン用途において重要である）重量の推力に対する比を小さくする、項１〜１１のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１３．より一様な温度分布を前記燃焼器の出口で達成することで、前記燃焼器を、前記燃焼器およびタービン部品の耐用期間を損なうことなく、より高い燃焼（点火）温度で作動させることができる、項１〜１２のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１４．項１３に記載されるようにより高い燃焼温度で作動する能力は、エンジン効率および出力の向上をもたらし、そのためＣＯ排出レベルを低下させる、項１〜１３のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１５．前記円筒前壁ライナは、圧縮機吐出空気を、項２および３に記載されるノズルより小さい速度の大きさで、前記前壁を通過させることができる少なくとも１つの孔またはノズルを備える、項１〜１４のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１６．前記円筒の半径および長さは、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１〜１５のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１７．例えば、衝突冷却、しみ出し冷却、蒸気冷却などの、ガス・タービン構成部品を冷却するために利用可能な任意の冷却方法が用いられる、項１〜１６のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１８．共通の平面に共存する前記ノズルが、異なる平面にある別の組合せのノズルから、前記円筒中心線の周りの円周方向の角度だけずらされている、項１〜１７のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
１９．参照符号１２および１４より示された空気通路が、直線状の孔であり得る、または、スパーク放電加工（ＥＤＭ）を用いて作られた鐘形状の入口を備え得る、項１〜１８のいずれか一項に記載の環状筒型燃焼器。
本発明は、好ましい実施形態を参照しつつ上記で説明された。しかしながら、当業者は、本発明の本質および範囲から逸脱することなく、説明された実施形態において変更および修正が行われ得ることを理解するであろう。例示の目的のために本明細書で選択された実施形態への様々な変更および改良は、当業者には容易に思いつくであろう。このような改良および変更が本発明の精神から逸脱しない範囲において、それら改良および変更は、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。

当業者が本発明を理解して実施できるように明確かつ簡潔な言葉で本発明を十分に説明したが、本発明は以下のように請求される。

Claims (5)

1. ガス・タービン・エンジン用の環状筒型燃焼器において燃焼反応物を混合する方法であって、
   前記環状筒型燃焼器が、２つの円筒形ライナと、前記２つの円筒形ライナの間に収容され前記円筒形ライナの円周方向に離間して配置され個別の燃焼領域を区画する複数の筒状ライナとを含み、
   各筒状ライナが、前壁を有する上流端と下流端とを有し、前記燃焼領域が前記筒状ライナの筒状容積であり、前記筒状容積が前記筒状ライナの前記上流端から前記下流端までに渡って前後方向に沿って延びており、複数の希釈孔が前記前壁に形成されており、
   複数の第１ノズルが前記上流端および前記下流端の間において前記筒状容積の前記前後方向周りの円周方向に離間して配列されており、
   複数の第２ノズルが前記上流端と前記第１ノズルとの間において前記筒状容積の円周方向に離間して配列されており、
   前記複数の第１ノズルが前記第２ノズルよりも前記下流端寄りの下流側において前記筒状容積の前後方向に垂直な第１平面内にあり、前記複数の第２ノズルが前記第１ノズルよりも前記上流端寄りの上流側において前記筒状容積の前後方向に垂直な第２平面内にあり、
   前記方法が、
   ａ）各前記第１ノズルが前記筒状ライナの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記筒状容積内に予め混合された第１燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第１ノズルから前記筒状容積内に前記第１燃料空気混合気を噴射するステップと、
   ｂ）各前記第２ノズルが前記筒状ライナの接線に対して角度をつけた方向に沿って前記筒状容積内に予め混合された第２燃料空気混合気を噴射するようにして、全ての前記第２ノズルから前記筒状容積内に前記第２燃料空気混合気を噴射するステップと、
   ｃ）圧縮機吐出空気を前記前壁に形成された前記複数の希釈孔を通して前記前後方向に沿って前記筒状容積に導入するステップと、
   を各筒状ライナに対して実行し、ＮＯｘおよびＣＯの排出を減少させる燃料空気の段階的効果を生じさせる、方法。
2. 前記筒状ライナには、前記下流端と前記第１ノズルとの間において前記筒状容積の円周方向に離間して配列された複数の冷却空気孔が貫通して形成されており、
   各前記筒状ライナにおいて、前記筒状容積の下流端と前記第１ノズルとの間で、前記複数の冷却空気孔を通して、前記筒状容積内に冷却空気を供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記予め混合された第１燃料空気混合気が第１燃料空気比を有し、前記予め混合された第２燃料空気混合気が第２燃料空気比を有し、前記第２燃料空気比が前記第１燃料空気比よりも大きい、請求項１または２に記載の方法。
4. 各前記第１ノズルが隣の第１ノズルに火炎を向けて互いに点火を促進し、各第２ノズルが隣の第２ノズルに火炎を向けて互いに点火を促進する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記複数の第１ノズルが前記複数の第２ノズルに対して前記筒状容積の円周方向にずらして配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。