JPH11264540A - ベンチュリレススワールカップ - Google Patents
ベンチュリレススワールカップInfo
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- JPH11264540A JPH11264540A JP10352688A JP35268898A JPH11264540A JP H11264540 A JPH11264540 A JP H11264540A JP 10352688 A JP10352688 A JP 10352688A JP 35268898 A JP35268898 A JP 35268898A JP H11264540 A JPH11264540 A JP H11264540A
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- air
- swirling
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
- F23R3/04—Air inlet arrangements
- F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
- F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
- F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Pre-Mixing And Non-Premixing Gas Burner (AREA)
Abstract
スワールカップの設計を改良することにより燃焼器性能
をさらに向上させる。 【解決手段】 本発明のガスタービンエンジン燃焼器用
のスワールカップ20,22は管状本体を含み、この管
状本体32は、燃料噴射ノズル24a,24bを受け入
れる入口30aを一端に有し、燃料を排出する出口32
bを反対端に有し、入口と出口の中間に環状隔壁32c
を有する。一列の第1の旋回羽根34が、前記本体入口
に隣接して前記隔壁に取り付けられ、一列の第2の旋回
羽根36が、前記第1旋回羽根に隣接して前記隔壁に取
り付けられ、前記本体出口から上流に離間されている。
第1および第2旋回羽根からの空気を噴射された燃料の
まわりに、両者間に流れ障壁またはベンチュリを介さず
に、直接旋回させる。
Description
し、特にその燃焼器に関する。
機で圧縮し、燃焼器中で燃料と混合し、点火して高熱燃
焼ガスを発生し、燃焼ガスを下流に1つ以上のタービン
段に流し、タービン段で燃焼ガスからエネルギーを抽出
する。燃焼器の性能は、エンジン効率や排ガス放出物に
影響する。一方、燃料と空気の混合が燃焼器の性能を左
右する。燃焼器の設計にはいろいろなトレードオフが一
般に必要なため、種々の熱交換率を有する燃焼器設計が
従来から多数提案されている。
炭化水素、一酸化炭素(CO)、酸化窒素(NOx)な
どが含まれる。これらの排ガス放出物は、燃料・空気混
合物の均一性や燃焼前の燃料の気化量により左右され
る。燃料と空気を混合する代表的なガスタービンエンジ
ン気化装置は、燃料噴射ノズルを燃焼器の上流ドーム端
に取り付けたスワールカップに装着した構成である。ス
ワールカップは、代表的には、2列の旋回羽根を含み、
これらの旋回羽根が同方向回転または逆方向回転して噴
射された燃料のまわりに空気を旋回させ、適当な燃料・
空気混合物を形成する。燃料・空気混合物は燃焼器中に
送りだし燃焼に供する。
のエンジン設計に応じて、またエンジンが航空機推進用
か船舶・工業(M&I=marine and industrial)用途
向けかによって、構成がいちじるしく異なる。NOx放
出物を低減させるには、代表的には、燃焼器を希薄燃料
・空気混合物で運転する。しかし、希薄混合気を用いる
と、通常、燃焼器の低速出力性能が低下し、COおよび
HC放出物が増加し、また希薄混合気は、希薄火炎吹き
消え(LBO=lean flame blowout)、自動点火そして
逆火を生じやすい。
ける、たとえば別々の段で作動する半径方向に離間した
2列の気化装置を有するダブルドームを設けることによ
っても、低減することができる。たとえば、半径方向外
側の気化装置は、その寸法と構成をパイロット運転に適
切なものとし、アイドル運転から最速出力まですべての
モードでのエンジン運転の間、連続的に作動させる。半
径方向内側の気化装置は、その寸法と構成を主運転に適
切なものとし、アイドル運転を超えたときのみ、エンジ
ンのより高速運転用に燃料供給する。
定すべてで運転するのに必要な燃料の量を、外側気化装
置と内側気化装置の間で選択的に分割することができ、
排ガス放出物の低減した適切な燃焼器性能を得ることが
できる。燃焼器の性能は、燃焼器の出口での燃焼ガスの
半径方向および円周方向温度分布の相対的均一性の指標
である、周知のプロファイルファクタおよびパターンフ
ァクタによっても評価される。これらのファクタは、燃
焼器から燃焼ガスを最初に受け取る高圧タービンの効率
と寿命を左右する。
代表的なスワールカップは、ベンチュリの形態の管状部
材を2列の旋回羽根間に配置した構成である。ベンチュ
リには、一次列の旋回羽根からの噴射された燃料および
旋回空気を適当な高速に加速するのに適当な寸法の最少
流れ面積のスロートを与え、これにより燃料噴射ノズル
の面上での炭素生成を低減し、また燃焼器内の火炎面が
前方にスワールカップ中に燃料ノズルに向かって伝播す
るのを防止する、という2つの主要目的がある。また、
ベンチュリの内面にそってノズルからの燃料が膜を形成
し、その膜はスワールカップに流れる旋回空気により爆
風霧化される。
影響することから見て、スワールカップの設計を改良す
ることにより燃焼器性能をさらに向上させることが望ま
れている。
のスワールカップは管状本体を含み、この管状本体は、
燃料噴射ノズルを受け入れる入口を一端に有し、燃料を
排出する出口を反対端に有し、入口と出口の中間に環状
隔壁を有する。一列の第1の旋回羽根が、前記本体入口
に隣接して前記隔壁に取り付けられ、一列の第2の旋回
羽根が、前記第1の旋回羽根に隣接して前記隔壁に取り
付けられ、前記本体出口から上流に離間されている。第
1および第2の旋回羽根からの空気を噴射された燃料の
まわりに、両者間に流れ障壁またはベンチュリを介さず
に、直接旋回させる。
明瞭にするために、以下に、添付の図面を参照しなが
ら、本発明の好適なまた具体的な実施例を説明する。
燃焼器を含むガスタービンエンジンの一部を示す軸線方
向断面図である。図1に例示したガスタービンエンジン
10は、長さ方向または軸線方向中心軸線12のまわり
に軸対称である。エンジン10は圧縮機14を含み、こ
の圧縮機14は、圧縮空気16を環状燃焼器18に供給
できるものであれば、通常の形態のいずれでもよい。燃
焼器18は、通常通りに、半径方向外側のライナ18
a、半径方向内側のライナ18bおよびこれらライナの
上流端に連結された環状ドーム18cが設けられてお
り、これらが環状燃焼器室18dを画定する。
ブルドームであり、一列の半径方向外側のパイロットス
ワールカップ20と、この発明の好適な実施例にしたが
って構成された、一列の半径方向内側の主スワールカッ
プ22とが内部に通常通りに装着されている。共通の燃
料インジェクタ24は、1対の半径方向外側および内側
燃料噴射ノズル24a、24bを外側および内側スワー
ルカップ20、22にそれぞれ配置して、燃料26をス
ワールカップ中に通常の態様で噴射する構成である。
6と燃料26とを混合して、適当な燃料・空気混合物を
形成し、これを燃焼室18dに吐き出し、通常の態様で
点火して高熱燃焼ガス28を発生する。燃焼ガス28を
燃焼器18から通常の高圧タービンノズル30aおよび
これと協動する高圧タービン30bに吐き出す。高圧タ
ービン30bは、ロータディスクから半径方向外向きに
延在するタービンブレードの列を含む。ロータディスク
は圧縮機14に適切に連結されて、作動中に圧縮機に動
力を供給する。
8cおよび二列のスワールカップ20、22を有し、ア
イドル運転から最速出力までのエンジンの運転中に排気
ガス放出物を減少させるとともに、適切な燃焼器性能を
得るように構成されている。燃料インジェクタ24およ
び外側スワールカップ20は通常の構成とすることがで
き、これらと協動する内側スワールカップ22は、排気
ガス放出物をさらに減少させるとともに、燃焼器の性能
をさらに向上させるように、本発明にしたがって適当に
修正されている。
つおよび共通の燃料インジェクタ24と協動する、本発
明の好適な実施例による改良型内側スワールカップ22
を図2にさらに詳細に示す。円周方向に離間された内側
スワールカップ22はそれぞれ管状本体32を含み、こ
の管状本体32は、それ自身の長さ方向または軸線方向
中心軸線のまわりに軸対称であり、その前方または上流
端に環状入口32aを有し、この環状入口32aは内側
燃料ノズル24bを受け入れ、そこから燃料26を受け
取る。管状本体32は、その軸線方向反対側の下流また
は後方端に環状出口32bを有し、この環状出口32b
は、本体入口32aと同軸に配置され、燃料26を燃焼
室18dに吐き出す。管状本体32は、中央に穴が貫通
する平坦なディスクの形態の環状隔壁(セプタム)32
cも含み、この隔壁32cが前記本体入口32aと出口
32bとの軸線方向中間に配置されている。
プ22それぞれは、円周方向に離間された第1の旋回羽
根34の第1(または一次)列の形態の手段を含み、こ
れらの第1旋回羽根34は、本体入口32aに隣接して
隔壁32cの前面に固着され、第1の旋回空気を管状本
体32中に第1の旋回方向に、かつ噴射燃料26の周り
に円周方向に流す。ここで第1の旋回方向とは、たとえ
ば図3で見て反時計方向である。内側スワールカップ2
2は、円周方向に離間された第2の旋回羽根36の第2
(または二次)列の形態の手段も含み、これらの第2旋
回羽根36は、第1旋回羽根34より下流に同羽根に隣
接して隔壁32cの後面に固着され、かつ本体出口32
bから上流に離間され、追加の(第2の)旋回空気を管
状本体32中に第2の旋回方向に、かつ噴射燃料26お
よび第1旋回空気のまわりに直接流す。ここで第2の旋
回方向とは、たとえば図3で見てやはり反時計方向であ
る。
によれば、第1旋回羽根34および第2旋回羽根36の
軸線方向中間で終端し、両者間に半径方向流れ障壁また
はベンチュリを形成せず、第1および第2旋回羽根34
および36から吐き出された空気同士を直接直ちに接触
させる。しかし、以下に詳述する通り本発明では、旋回
羽根34および36間に通常の流れ障壁またはベンチュ
リを設けない点を除けば、内側スワールカップ22は通
常通り構成される。
ールカップ20と比較することで、明らかになる。外側
スワールカップ20は、従来の態様で同様に構成されて
いるが、管状ベンチュリ32dが隔壁32cの半径方向
内端と一体に形成され、そこから軸線方向後方に延在し
ている。ベンチュリ32dを画定する内側表面は、流れ
を加速する最小流れ面積のスロートまで収束し、ついで
出口まで拡大する。ベンチュリの外側表面は代表的に
は、直円筒形である。ベンチュリは燃料および第1旋回
空気を加速し、また一方、その出口まで第2旋回空気を
燃料および第1旋回空気から半径方向に分離する。
22いずれについても、第1および第2旋回羽根34お
よび36を隔壁32cを含めて主本体32との共通鋳造
品として形成することができる。この実施例では、本体
32は、一体の前方プレート32eを第1旋回羽根34
の前端と共通に鋳造して、通常のマウントを構成し、マ
ウントにはめ込んだ通常のフローティングフェルール3
8に燃料ノズル24a、24bを摺動自在に装着する。
本体32自体は、燃焼器ドーム18cの相補形の穴に適
切に固定され、そこに溶接またはろう付けすることがで
きる。
から最速出力までのあらゆる運転モードの間、燃焼器の
パイロット性能を付与するために設けられているので、
これらの外側スワールカップ20は、その第1および第
2旋回羽根34および36を通して燃料26のパイロッ
ト部分を空気16のパイロット部分と混合するのに適当
な寸法とする。これに対応して、内側スワールカップ2
2は、アイドル運転より大きな出力設定から最速出力ま
での燃焼器の主性能にふさわしい寸法とする。寸法およ
び内側スワールカップ22にベンチュリ32dが存在し
ないこと以外には、外側および内側スワールカップ20
および22は通常の態様で同様に構成すればよい。
根34および36間に適当な形態のベンチュリ32dま
たは他の半径方向流れ障壁を用いるが、本発明者等は、
そこからベンチュリ32dを取り除くことにより、内側
スワールカップ22における燃料と空気との混合が改良
され、また対応して長いプレミキサ滞留時間が得られる
ことを見いだした。このように、第2旋回羽根36から
の空気が第1旋回羽根34からの空気およびそこに噴射
された燃料26と直接かつ直ちに接触し、このとき外側
スワールカップ20の場合のような障壁または遅延はな
い。内側スワールカップ22では燃料噴霧化と蒸発が促
進され、またそこから燃焼室18dに排出される燃料・
空気混合物の均一性が向上する。
ンチュリのない)内側スワールカップ22は、燃焼器1
8の運転方法の改良を可能にし、この運転方法では、ま
ず、燃料26を内側スワールカップ22の上流端に噴射
する。つぎに、第一に、内側スワールカップ22中で空
気16の一部を第1の旋回方向に、かつ噴射された燃料
26のまわりに同軸的に旋回させ、第二に、内側スワー
ルカップ22中で空気16の別の部分を第2の旋回方向
に、かつ噴射された燃料26および第一に旋回された空
気のまわりに同軸的に旋回させる。このとき両者間に半
径方向流れ障壁またはベンチュリが存在しない。このこ
とは、内側スワールカップ22内での燃料と空気との予
混合を向上する。つぎに燃料・空気混合物を燃焼室18
dに排出し、点火し、燃焼させて燃焼ガス28を生成す
る。
第2旋回羽根34および36を半径方向内向きに傾斜さ
せ、空気16を半径方向内向きにかつ噴射燃料26のま
わりに円周方向に旋回させるのが好ましい。このこと
は、従来の軸線方向旋回羽根が、円周方向に傾斜され、
半径方向旋回羽根34、36により行われる半径方向旋
回と類似しているが、それとは異なる態様で、空気流を
軸線方向に旋回させるのとは対照的である。しかし、所
望に応じて、本発明は軸線方向旋回羽根にも拡張でき
る。
び第2旋回羽根34および36を同様に傾斜させ(同方
向傾斜)、第1および第2旋回方向を等しくしている。
この旋回方向は、図3では反時計方向である。このよう
にして、第1および第2旋回羽根34および36は、そ
れぞれの空気部分を噴射燃料26のまわりに同方向回転
で半径方向に旋回させる。
ワールカップ30の第1および第2旋回羽根34および
36の配向とは対照的である。外側スワールカップ20
では、第1および第2旋回羽根34および36が半径方
向内方に互いに反対向きに傾斜され、両ベーンからのそ
れぞれの空気部分を、互いに反対の第1および第2旋回
方向に逆方向回転させる。この図示例では、第1旋回羽
根34について時計方向回転を、第2旋回羽根36につ
いて反時計方向回転を示している。
羽根はともに当業界で周知であるが、試験では、好適な
実施例における内側スワールカップ22の第1および第
2旋回羽根34および36による同方向回転の方が有利
なことが確認された。たとえば、内側スワールカップ2
2を、外側スワールカップ20について図示したものと
同様の従来のベンチュリを用いた基準設計または同様の
設計と比較した場合、広い範囲のスワラ等価比(すなわ
ち燃料/空気比)にわたって一酸化炭素(CO)放出の
いちじるしい低下が確認された。
がないことにより流れ加速効果が失われる点を補うため
に、本体出口32bの流れ面積を適切に減少させて、そ
こを通る流れを加速するのがよい。本体出口32bは、
それ以外には通常の構成であり、通常の態様で一体のス
プラッシュ板を含む。この発明によるベンチュリレスス
ワールカップ22の別の予期せざる利点は、図示したダ
ブルドーム設計によるものである。前述したように、燃
焼器性能は、燃焼器18の出口から吐き出される燃焼ガ
ス28の温度の半径方向均一性の指標である、周知のプ
ロファイルファクタによっても評価される。エンジンア
イドル運転中、内側ノズル24bから内側スワールカッ
プ22への燃料26の噴射を停止し、一方、内側スワー
ルカップ22内の第1および第2旋回羽根34および3
6それぞれを通る空気部分は流れ続け、内側スワールカ
ップ22内に燃料がなく、かつ両者間に流れ障壁または
ベンチュリレスで、単純に互いに混合する。アイドル運
転中、燃料26を外側ノズル24aのみから対応する外
側スワールカップ20中に噴射し、燃料・空気混合物を
点火し、燃焼プロセスを維持する。しかし、燃焼器18
内を通過する間、内側スワールカップ22からの旋回空
気が燃焼ガス28と混合し続け、試験により確認された
通りにプロファイルファクタを向上させる。
2dを維持して、火炎安定および希薄火炎吹き消え余裕
などのその通常の効果を得る。内側スワールカップ22
がベンチュリレスであるので、このことはアイドル運転
にとって特に重要である。前述したように、燃焼器性能
は、種々の評価基準を用いて評価する。そして、通常、
特定の燃焼および燃料噴射設計から見て、性能のトレー
ドオフが必要とされる。この発明は、内側スワールカッ
プ22からベンチュリ32dを除外することにより、燃
焼器設計に別の変数を導入し、これにより、一酸化炭素
などの排ガス放出物の低減や、開示したダブルドーム形
状におけるプロファイルファクタの改良を含む、燃焼器
の性能向上をはかる。
る構成について説明したが、当業者には上述した説明か
らこの発明の他の変更が明らかであり、このような変更
例や変形例も特許請求の範囲に包含される。
タービンエンジンの一部を示す軸線方向断面図である。
拡大立面図で、この発明の実施例による1対のスワール
カップおよび協働する燃料インジェクタを示す。
ろに面した面の図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 ガスタービン燃焼器用のスワールカップ
において、 燃料を管状本体中に噴射する燃料噴射ノズルを受け入れ
る入口を一端に有し、燃料を燃焼器中に排出する出口を
軸線方向反対端に有し、そして入口と出口の軸線方向中
間に環状隔壁を有する管状本体と、 前記本体入口に隣接して前記隔壁に取り付けられ、空気
を前記管状本体中に第1の旋回方向にて前記噴射燃料の
まわりに流す、一列の第1の旋回羽根と、 前記第1旋回羽根に隣接して前記隔壁に取り付けられ、
前記本体出口から上流に離間された、追加の空気を前記
管状本体中に第2の旋回方向にて前記噴射燃料および前
記第1旋回空気両方のまわりに直接流す、一列の第2の
旋回羽根とを備え、前記第1および第2旋回羽根間に流
れ障壁が存在しない、スワールカップ。 - 【請求項2】 前記隔壁は、前記第1および第2旋回羽
根の軸線方向中間で終端し、両旋回羽根から吐き出され
る空気同士の直接接触を可能にする、請求項1記載のス
ワールカップ。 - 【請求項3】 前記第1および第2旋回羽根は半径方向
内向きに傾斜され、前記空気を半径方向内向きにかつ前
記噴射燃料のまわりに円周方向に旋回させる、請求項2
記載のスワールカップ。 - 【請求項4】 前記第1および第2旋回羽根は同方向に
傾斜され、第1および第2旋回方向が等しい前記空気の
同方向回転を行う、請求項3記載のスワールカップ。 - 【請求項5】 請求項3記載のスワールカップが前記燃
焼器に内側スワールカップとして組み込まれ、 さらに、1対のノズルを有する共通燃料インジェクタか
ら燃料を受け取る同様の構成の外側スワールカップを備
え、前記外側スワールカップは、同様の構成要素のほか
に、前記隔壁から軸線方向後方に延在し、前記第2の旋
回空気を前記第1の旋回空気および噴射燃料から半径方
向に分離するベンチュリを含む、スワールカップ。 - 【請求項6】 前記内側スワールカップの第1および第
2旋回羽根は同方向に傾斜され、第1および第2旋回方
向が等しい前記空気の同方向回転を行い、 前記外側スワールカップの第1および第2旋回羽根は反
対方向に傾斜され、第1および第2旋回方向が反対向き
の前記空気の逆方向回転を行う、請求項5記載の装置。 - 【請求項7】 燃料および空気を管状スワールカップを
通してガスタービンエンジン燃焼器中に噴射するにあた
り、 前記燃料を前記スワールカップの上流端に噴射し、 第一に前記空気の一部を第1の旋回方向にて前記スワー
ルカップ中に前記噴射燃料のまわりに同軸的に旋回さ
せ、 第二に前記空気の別の部分を第2の旋回方向にて前記ス
ワールカップ中に前記噴射燃料および前記第一旋回空気
両方のまわりに同軸的に旋回させ、このとき両者間に流
れ障壁を介在させず、 前記噴射燃料および前記第一および第二旋回空気の混合
物を前記燃焼器中に送りだす工程を含む噴射方法。 - 【請求項8】 前記第一および第二の旋回工程を両者間
にベンチュリを介在させずに行う、請求項7記載の方
法。 - 【請求項9】 前記第一および第二の旋回工程で、前記
空気を半径方向内向きに前記噴射燃料のまわりに、前記
第2の旋回方向が第1の旋回方向と等しい同方向回転関
係で、旋回させる、請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 前記燃焼器が半径方向外側および内側
スワールカップを含み、前記方法はさらに、 前記燃料を前記外側スワールカップ中に噴射し、同カッ
プ内での前記空気部分の噴射燃料のまわりへの第一およ
び第二の旋回を、前記第一および第二の旋回空気部分間
に流れ障壁ベンチュリを介在させて行い、 前記空気部分の第一および第二の旋回を両者間に流れ障
壁を介在させずに行いながら、燃料の前記内側スワール
カップ中への噴射を、低速出力アイドルモードでの運転
時に停止する工程を含む請求項9記載の方法。 - 【請求項11】 燃料および空気をガスタービンエンジ
ン燃焼器中に噴射する気化装置において、 管状スワールカップと、 前記燃料を前記スワールカップの上流端に噴射する手段
と、 第一に前記空気の一部を第1の旋回方向にて前記スワー
ルカップ中に前記噴射燃料のまわりに同軸的に旋回させ
る手段と、 第二に前記空気の別の部分を第2の旋回方向にて前記ス
ワールカップ中に前記噴射燃料および前記第一旋回空気
両方のまわりに、両者間に流れ障壁を介在させずに、同
軸的に旋回させる手段と、 前記噴射燃料および前記第一および第二の旋回空気の混
合物を前記燃焼器中に送りだす手段とを備える気化装
置。
Applications Claiming Priority (2)
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