JPH094845A - 燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子出願以前の出願であるので 要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はガスタービンエンジン及び特に環状燃 焼器に関する。

（従来の技術） 周知のように、ガスタービンエンジン用燃焼器 は、技術的観点から最近数年にわたって技術水準 における大きな進歩を遂げた。例えば燃焼効率は、 航空機用ジェットエンジンは90％台の高い運転 効率で作動する。更に、技術は燃焼過程からの汚 染物質や煙の発生を低減あるいは除去する点で大 きな改善を遂げた。

しかしながら、将来の航空機の需要に適合しよ うとする燃焼器にとっては、燃焼器技術における 更に一層の進歩が必要である。明らかに、航空機 エンジンの性能はより高いタービン入口温度がえ られるかどうかにかかっていると言える。定めら れた限度内でのより高いタービン入口温度は、推 定−重量比及び燃料消費率を改善し、ひいてはエ ンジン性能の改善につながる。

従って、将来の需要には、これらの高性能エン ジンに備える新しい燃焼器装置が最新の燃焼器よ りも大幅に高い出力における高い温度上昇におい て作動しなければならないことが要求される。し かし、燃焼器の設計者がエンジンから排出する煙 の密度の従来確立されているレベルを損なうこと なく高い温度上昇の要求を満たすことは最も重要 である。

既に言及した厳しい要求に加えて、燃焼器は定 められた高度の範囲内で再点火できなければなら ない。またこれらのエンジンが軽量航空機に使用 される場合は、エンジンの減速及び空転すなわち アイドル時には最新の燃焼器に関わる温度上昇の レベルより低いところで作動するだろうから地上 操縦性を容易にするため十分安定なことが必要だ と考えられる。

温度上昇の激しい燃焼器に起因する複雑さ及び 運転可能性の問題へのより深い洞察を行なうには、 恐らく燃焼器の要件を燃焼過程の安定性と比較し てみる価値があると思われる。このため、第１図 に燃料／空気比と安定性相関パラメータとの関係 をプロットしたものが示されている。知られてい る通りに、大部分の燃焼は燃焼器の１次領域また は圏内で起こり、燃焼器のこの区画を考察の対象 として選ぶこととする。燃焼器の技術における標 準値となった安定性相関パラメータには１次領域 に適用される以下の項が含まれる。

Ｖ＝平均貫流速度 Ｐ＝圧力レベル Ｙ＝入口空気温度 これらの項が次元パラメータ（Ｖ／ＰＴ²）内 で組合わせられて速度を増したり、圧力を減らし たり温度を下げて安定性パラメータを高いレベル へと増大させる。同様にこれらは燃焼過程に逆に 作用して燃焼の継続をより困難とすることもある。

換言すれば、安定性パラメータの値が高いことは それだけ燃焼器の作動要求が厳しく困難であるこ とを示すものである。

第１図を調べて述べたように、この曲線は吹き 消しが起るまで燃料／空気比を減少し或は増加す ることにより生起される安定性の限界を画定する。

従って放物線形状の曲線Ａの左側の範囲の燃焼条 件は安定であり曲線Ａの右側の範囲の燃焼条件は 不安定である。また曲線Ｂは燃料／空気比の上限 を定め、この限界の上での作動は過大な発煙の程 度を表わすものである。

従って、在来の、最新型燃焼器についての上述 の燃焼器の動作から明らかなように、１次領域の 燃料／空気比は、その燃料／空気比が曲線Ｂの下 の範囲に納まりかつエンジンの減速、空転及び高 高度再点火要件が曲線Ａの左側（安定作動）の範 囲に納まるように設定される。このことは曲線Ｃ によって示され、高度再点火動作は基準として高 度約9150ｍ（３万フィート）でかつ、航空機の 飛行速度マッハ数0.8を再点火点として使用する 作動点Ｅとして定められる。

曲線Ｆは将来の新技術エンジンについて考えら れているより大きな温度上昇レベルにおけるエン ジンの動作を示す。明らかに、発煙限界（曲線Ｂ） 以下の燃焼動作を保証するには、燃焼器の１次領 域空気流も同じく増大させて燃焼器の動作曲線Ｆ を安定限界曲線Ａにできるだけ近付けなければな らず、これは明らかに燃焼器の動作要件の厳しさ が増したことを示している。また、前述のように、 点Ｇで示される減速及び高高度再点火は安定限界 （曲線Ａ）の外側の範囲に納めることができる。

更に真に明らかなことは、この傾向は温度上昇の 値が高くなるほど燃焼器の動作曲線がますます厳 しい要求の側へ移動し、空転（曲線ＣとＦにつき それぞれＨとＪ）でさえも同じく安定限界（曲線 Ａ）の外側の範囲に入る。

技術者及び科学者達はここしばらくこの問題と 闘ってきておりいくつかの異なった方法でこれを 解決しようと試みた。すべてに相当不利な点のあ るこれらの方法には、可変燃料段階供給、可変形 状、及び２重環状燃焼器がある。従来の技術では 上記の問題を解決できることの証明された解答は 知られていない。

燃料の段階供給では、いくつかのノズルに他の ノズルより多くの燃料が流れて２種類以上の燃料 ノズルに燃料が流れる仕組みになった燃料ノズル を介して燃焼器に燃料を送ることを考えている。

従って適切に決めれば燃焼器の一部に局所的に燃 料を濃約化させることにより、曲線Ｆの減速及び 空転条件を曲線Ｆの最下部から延びる点線Ｋで示 すように安定限界内に維持することができる。こ れらの方式は基本的な安定性要件を解決するもの ではなく、第１図のグラフに点Ｇで示すように高 度再点火の問題は依然として残っている。

可変形状の燃焼器は上に掲げた諸問題を解決す るもっと現実的な対策ではあるが、形状を可変と するに必要なハードウェアに関連する追加経費、 重量及び複雑性という代償を払ってのみ可能であ る。この対策では、１次領域への空気の流れは機 械的に空気調整オリフィスを調節して変える。従 って定められた燃焼器動作点における燃料／空気 比及び安定性パラメータを変えて作動要求を曲線 Ａの左側の安定領域に止めて置くようにする。

提案されている最後の対策は２重環状燃焼器で あり、この燃焼器の配列には上記の問題を解決す るための空気流を段階的に行なうことを利用して いる。２重環状燃焼器の一例は、1976年１月27 日にH.A.Quillevereらに対して認可された米国 特許第３，９３４，４０９号に公開されている。

これらの燃焼器においては、１次領域は内部環 状体及び外部環状体から構成される。これらの環 状体の一つの（１次）は良好な安定特性を示す比 較的低い空気流を受入れるように設計される。他 の環状体（２次）は比較的高い空気流を受入れて 低出力及び高度再点火動作条件では安定性限界を 超えることが許される。１次環状体が燃焼を持続 しこれを２次環状体へ伝えると仮定すれば、燃焼 は持続され燃焼器は高高度条件で再点火可能であ る。

しかし、２重環状構造は本来別に空気取入れ装 置及び燃料ノズルを必要とし、より重くより高価 な燃焼装置となる。

上述のこの種の対策並びに従来の装置の最新型 燃焼装置はすべて周辺の均等な空気流分布を与え る。場合によっては空気の分配は燃料ノズルやデ ィフューザ支柱の回りで何らかの方法で局部的に 調節され、均等な出口温度分布を与える。燃料ノ ズル回りの空気流を局部的に調節した一例は198 7年９月29日G.Y.G.Barbierらに認可された米 国特許第4,696,157号に公開されている。この特 許の装置並びにここに掲げる他の装置は燃焼器回 りの空気流分布を反復し、この空気流分布はディ フューザ支柱を考えようとする場合の燃料ノズル の関数或はディフューザ支柱の関数である。

これらのすべての場合に、設計者は周辺に均等 に又は周辺で反復する空気流分布を作ろうと試み る。また、高出力運転時はノズルごとの燃料流分 布は均等である。

ここに述べておく価値のあるもう一つの対策は、 1988年１月26日にD.A.Hudsonらに認可された 米国特許第4,720,970号に公開されており、上述 の可変形状の対策と類似である。上記の米国特許 第4,720,970号では、環状燃焼器のドームは周辺 に沿って一つ又は複数の区画に仕切られる。空気 流制御弁は定められた区画（単数または複数）に 入る空気流を変えて１次領域におけるある領域を 画定し、その区画（単数または複数）内の燃料／ 空気比を変え燃焼を制御する。しかし、上述の可 変形状の対策と同様に、この対策も同じ不利な点 を招く。

我々は、我々が上に詳述した不利な点を除きつ つ燃焼器の不十分な消火限界及び安定限度を拡大 できることを発見した。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、高い温度上昇レベルでの動作 可能としつつ高高度再点火が可能な改善されたガ スタービンエンジン用の環状燃焼器を提供するこ とにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の一つの特徴は、異なった空気流分布を 有する一つの区画を有していてエンジンのすべて を運転条件において安定な動作範囲を維持する周 辺を区分けした燃焼器を提供することにある。

本発明の更に一つの特徴は、既存の燃焼器技術 及びハードウエアを利用できるようにすること並 びに燃焼器装置の複雑さ、寸法、重量及び経費を 最小に止めることができるようにすることである。

本発明の上述その他の特徴及び利点は以下の説 明及び添付の図面から更に明らかとなろう。

（実施例） その実施例において、本発明は通常の単一環状 燃焼器について説明されているが、この道に熟達 した人々にとってはいかなる多ノズル燃焼装置に も同様に使用することができる。ここでは環状燃 焼器はシートメタルから造った通常の環状バーナ ーライナーについて述べるが、燃焼器の特定の構 造及びそのライナーの細部は同様に他のいかなる 知られた構造とすることもできる。

第２図において、全体が10で示され、外部燃 焼器ケース12及び外部燃焼器ケース14を有し かつ適切に他のエンジンケース部材（図示されて いない）と連結される通常の燃焼器が示されてい る。説明の簡素化と便宜のためガスタービンエン ジンの細部はここでは省略するが、詳細について はそのすべてがここに引用されている本発明の譲 受人であるユーナイテッソテクノロジー社のプラ ットアンドホィットニー部の製造にかかる、例え ばJT9D及びF100系列のエンジンで環状燃焼器 を使ったエンジン機種を参照すべきである。

環状燃焼領域16は外部ルーバーライナー18 及び内部ルーバーライナー20により画定され、 そのいずれもがそれぞれ隣接する燃焼器ケース部 材12及び14から隔離され、それと共に環状通路 22及び24を画定する。エンジンのコンプレッ サ（図示されていない）からの冷却された空気は、 空気の一部がルーバーライナーにより形成された 開口30を通って流れてライナーをフィルム冷却 し、かつ空気の他の一部が燃焼目的のため燃焼空 気孔32を介して燃焼器に取入れられ、さらに他 の一部が燃焼ガスを冷却するため（希釈空気孔34 を通って）取入れられるように、プレディフュー ザー26、ダンプディフューザー28を経由して 通路22及び24に通される空気の一部はドーム 40内に形成された開口38を介して通され、そ の開口は燃料ノズル内に造られた渦流ノズルの形 を取ることのできる。これらの開口すべての寸法 が燃焼器に入る軸方向及び円周方向の空気流の分 布を決定するとともにドーム40に隣接して形成 される１次領域の燃料／空気比を定める。

燃料は、全体が42で示されている任意の適切 な燃料ノズルを通って燃焼器に通される。複数の 燃料ノズル（１個のみ図示）42は円周方向に等間 隔に配置されドーム40内に支持される。

本発明によれば、１次領域内の少なくとも一つ の区画は燃焼器の全動作範囲（envelope）中に安定 な条件で動作する。従って、より高い温度上昇に 耐えるには、円周上の残りの領域は他の領域より も空気分布が高くなり全円周回りの空気の流れは 不均等になる。

同様に、燃焼器への燃料の流れも空気流の分布 と均衡を取りかつ燃焼器出口の均等なパターンを えるため円周上で不均等になる。これを実現する にはドーム内の空気オリフィスの寸法を加減して 所望の空気流要件を満たすようにする。同様に燃 料ノズルのオリフィスの寸法も必要な燃料分布が えられるように選ばれる。上述から、通常の環状 燃焼器に本発明を利用するよう容易に改造するこ とができる。

流れの分布は、燃焼器の外周の空気開口を模式 的に示す第３図を参照すれば最も良く理解できる。

空気開口38は第２図の空気開口38に相当する。

上記のように、本発明では参照文字ｓで確認され る燃焼器内の低空気流区画を考慮している。第３ 図に描かれているグラフは環状燃焼器の外周の回 りの空気の分布を示している。曲線Ｔは空気流分 布を示し、曲線Ｔの垂下する部分は、低空気流区 画内の空気の流れを示し、この区画は細くなって いない空気孔に比べて空気の流れを減らすような 寸法になっている空気開口38の部分及び燃焼室 気孔32の部分を通って空気を受ける。上述から 明らかなようにｓ区画内の流量分布は燃焼器の周 辺部における流れから減らされている。これらの 空気開口に心を整合して配列された燃料流ノズル もまた、所望の燃料／空気比をえるため絶対に必 要な燃料の流れを供給するように寸法が選ばれる。

本発明は、例えば、低空気流区画を燃焼器の各点 火器に隣接して配置し点火の起こる場所での安定 な動作を確保することが望ましいように、一つ以 上の区画を考慮している。。

本発明により示されるように区画を備えること の意味は第１図と同じグラフである第４図を参照 すれば最も良く理解できる。上述のように曲線Ｘ は低空気流区画における燃焼器の動作を示し、曲 線Ｙはその他の区画における燃焼器の動作を示す。

図から明らかなように、低空気流区画における点 火点Ｘ′は安定動作圏内に入るが高空気流区画に おける点火点Ｙ′は安定動作圏外に出てしまう。

低空気流区画における点火点は安定動作圏内にあ るので燃焼を持続して燃焼を高空気流区画に広げ ることができる。

上述の均等性を得るため、燃料の流れは均等な 出口燃料／空気比又は温度上昇を与えるために各 区画における空気流に見合い或は均り合うように 配分される。これによりエンジンの作動を強化す る以外にタービンの寿命を延長する。明らかに、 低燃料流は、例えば低空気流の領域内の流量スケ ジュール（schedules）を減らすことによって、或 は燃料制御器を使って二つの領域への燃料の流れ を別々に調整することによってなどのいくつかの 方法で得ることができる。しかしこの実施例では 異なった寸法の燃料ノズルを使う方法を考慮して いる。

燃料の流量スケジュールは第５図に示され、こ こで曲線ＡＡは高空気流領域における燃料の流量 のスケジュールを示し、曲線ＢＢは低空気流領域 における燃料の流れを示す。本発明の範囲内では 燃料の流れのスケジュール化（scheduling）は、特 に低空気流領域での燃料の流量が少ないときに上 述の段階的燃料の供給（fuel staging）と組合わせ ることも考えている。この作動の領域では燃料の 流量を増やすことが望ましい。

上述から明らかなように、本発明では高温での 使用を可能としつつ二重環状形態に関連して述べ た経費、重量及び安定性の制約を避けることがで きる。

本発明はその細部にわたる具体例について示し 説明したが、この分野の熟達した人々にとっては その形状や細部には請求されている発明の精神や 範囲を逸脱することなく各種の変更を加えること ができると理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃焼器の作動、安定限界及び燃焼器の １次領域内の発煙限界を示し、燃料／空気比を安 定性パラメーターに対してプロットしたグラフ図、 第２図は本発明を取り入れるような形態を取るこ とのできる従来の燃焼器の一部断面を示す部分図 及び一部模式的に示す図、第３図は燃料ノズルの 配列及び燃焼器のドーム回りの空気の流れを示す 模式図、第４図は第１図のグラフと同じであるが 本発明の燃焼器作動ライナーを示す図、第５図は 燃焼器の区画されたドーム内の燃料ノズルの燃料 の流れをグラフで示したものであり、燃料の流れ （Ｗｆ）をノズル内の圧力降下（ΔＰ）に対して プロットした図である。 10：環状燃焼器 12,14：燃焼器ケース 16：環状燃焼領域 18,20：ルーバーライナー 22,24：環状通路 30,38：開口 40：ドーム 42：燃料ノズル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン用環状燃焼器において、 長い外部環状ライナー及び長い内部環状ライ ナーと、すべてが燃焼領域を画定する前記外部ラ イナー及び前記内部ライナーに支持されている環 状燃焼器の前端を囲んでいるドームと、前記燃焼 領域内に空気を通すための、前記ドームの円周方 向に間隔をおいて設けられた複数の開口と、前記 燃焼領域内に空気を半径方向に通すための、横断 面内で円周方向に隔てて前記内部ライナーと前記 外部ライナーに設けられた少なくとも１列の固定 開口とを備え、前記ドームの前記の複数の開口の 一部及び固定開口の前記の列の一部は前記燃焼領 域の定められた区画内の減少した空気レベルを前 記区画の外側のレベルよりも少なくするように寸 法を決め、すべての動作条件下で並びに前記区画 の外側にある部分が安定でない条件で動作すると きも前記区画が安定に動作することを特徴とする 環状燃焼器。
2. 【請求項２】 前記ドームに取付けられかつ周辺に間隔
   を おいて配置された複数の燃料ノズルを有し且つ前 記ドーム内の前記開口が前記燃料ノズル内に空気 渦流器を有する請求項１記載の環状燃焼器。
3. 【請求項３】 ガスタービン用環状燃焼器において、 相互に同心関係位置に配置されて環状燃焼領 域を画定する外部環状ライナー及び内部環状ライ ナーと、燃料領域の一端を閉じるドームを含む前 記内部及び外部ライナーに取付けられた手段と、 前記燃焼領域内に空気を通すための前記ドームの 複数の円周方向に隔てられた開口と、前記燃焼領 域内へ空気を通すために前記内部環状ライナー及 び前記外部環状ライナーに設けられかつ前記ドー ムに対し軸方向に配置された少なくとも１列の円 周方向に隔てた固定開口と、前記燃焼領域内に燃 料を供給して前記ガスタービンエンジン内で使わ れる燃焼生成物を発生するための、前記ドーム内 に配置された複数の燃料ノズルと、面積を小さく した部分において前記ドームに前記開口の一部を 設けかつ面積を小さくした部分において前記内部 環状ライナー及び前記外部環状ライナーに前記固 定開口の一部を設けることによって前記燃焼領域 に形成された定められた区画と、燃料の流量を前 記燃焼領域内の前記区画内及び前記区画外の部分 内への空気流分布に適合させて前記燃焼領域全体 にわたり均等な燃料／空気比を得るように燃料の 流量を予め設定する装置とを備えた環状燃焼器。
4. 【請求項４】 最少量の燃料が供給されている燃焼器の
   動 作中に前記区画へ供給される燃料の量が高い値に 増加されるように燃料の流量をスケジュール化す る装置を備えている請求項３記載の環状燃焼器。