JPS6120770B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般にはガスタービン機関に関し、
特に、それに関係する燃焼方式に関する。

ガスタービン機関の放出物を低減しようとする
最近の努力により段階燃焼技術が使用されて来た
が、その場合一個のバーナまたは一組のバーナが
無負荷のような低速度、低温状態に使用され、も
う一つの即ち１個又は複数の附加バーナが、それ
より高温の運転状態に使用される。かかる考え方
の特別な一形態は二重環状燃焼器のもので、その
場合二つの段階が単一の燃焼器ライナ内に同心に
置かれ。パイロツト段階で点火器をもつ必要上
と、それが外ライナに比較的容易に据付られると
いう理由で、従来から、パイロツト段階部分が外
側に同心的に置かれ、機関の無負荷運転中、低温
と低燃料／空気比状態下で作動する。内側に同心
的に配置される主段階部分は、後から燃料を供給
され、パイロツト段階からクロス点火され高温と
比較的高い燃料／空気比の状態で作動する。

当業者には認められるように、ドームの高さが
タービンノズル環の高さより、常に高くなつてい
る二重環状燃焼器の場合、外部分は一般に真直ぐ
で長さが短かく、内部分は一般に曲がつていて長
さが長くなろうとしている。認められていること
は、これらの構造上の関係は、多くの理由によ
り、不利なことである。機関が無負荷運転中の放
出物についていえば、パイロツト段階は低圧縮機
吐出温度と圧力で作動しており、従つて反動速度
は比較的低い。従つて完全もしくは完全に近い燃
焼を考慮し、それにより炭化水素と一酸化炭素放
出物の量を減らすためには長い滞留時間をもつこ
とが好ましく、この特性は比較的短く半径方向で
外側のパイロツト部分には固有のものではない。
他方亜酸化窒素が主な放出問題となる主段階部分
においては、滞留時間を最小にしてまた亜酸化窒
素の形成を最小にすることが望ましい。再言すれ
ば主段階部分を半径方向内側に配置すると、この
部分が外側に配置される場合よりも当然に長くな
るので、この目的を阻害し勝ちである。

主バーナを半径方向内側におくことのもう一つ
の欠点は、バーナから発する高温ガスは燃焼器の
曲がつた内ライナに衝突しようとすることにあ
る。従つてそのライナを高度に冷却して焼抜かれ
ないようにする必要がある。

従来の二重環状燃焼器形態を不適当にする別の
条件は、タービンノズル環において生ずる自然翼
形の条件である。タービンの寿命を最適にするた
めに、理想的にいえば、温度が外径の所よりは内
径の所の方で低くなる形状（プロフイール）をも
つことが望ましい。然し前述の如く主バーナが半
径方向内方に配置される場合に存在する形状（プ
ロフイル）は、タービン内側に向つて熱くなる温
度をもつものとなる。

要約すると、この発明の一面によれば、従来の
二重環状燃焼器のパイロツトおよび主段階部分の
相対位置は逆転される。即ちパイロツト段階部分
は燃焼器の半径方向内方部分に置かれ、主段階部
分は半径方向外方部分に置かれる。このようにし
て主段階部分の有効長は比較的に短くなり、パイ
ロツト段階部分の有効長は比較的に長くなる。更
に、主段階の形状は真直ぐにされ熱ガスは燃焼器
ライナに衝突しないようになり、むしろ燃焼器の
内ライナに衝突するのは、パイロツト段階からの
低温ガスとなる。最後に、タービンの入口におい
て生ずる温度形状（プロフイル）は半径方向外側
に向かつて温度が高くなるものとなる。

この発明のもう一つの面によれば、点火器は、
燃焼器外側ケーシングを通つて突出し且つ内方ド
ームまで半径方向内方に延びる管により、パイロ
ツト段階部分内に導入される。この管は真直ぐで
も曲がつてもよく、点火器導線と外管との間に陶
磁器製絶縁体をもつている。

以下説明する添付図面において幾くかの実施例
が図示されるが他の各種の変形と代替構造はこの
発明の真の精神と範囲から逸脱せずにつくられる
ものとする。

添付図面、特に第１図についていえば、この発
明は総体的に10で示され、ガスタービン機関に使
用されるのに適し、燃焼器１３を自体内に形づけ
る中空体１２を含む連続燃焼式燃焼装置１１に適
用される。中空体には総体的に環形をなし外ライ
ナ１４と内ライナ１６からなる。中空体１２の上
流端部には、以下述べるような好適な方法で、空
気と燃料を導入するための環口１７がある。

中空体１２は適当な外板１９により囲まれ、外
板１９はライナ１４と１６と一緒に通路２１と２
２をそれぞれ形づけるが、該通路は圧縮機（図示
なし）のような適当な根源とデイフユーザ２３か
ら加圧空気を下流に配給するようにされている。
デイフユーザ２３からの圧縮空気は、主として環
口１７に入り燃焼を支持し、部分的には通路２１
と２２に行き、そこで多数の孔２４によりライナ
１４と１６を冷却し、更に下流でタービン機械を
冷却するのに使用される。

外ドーム２６と内ドーム２７が、それぞれ外ラ
イナ１４と内ライナ１６の上流端部附近で、それ
らの間に配置されそれらを相互に連結しており、
ろう付け等によりライナに取付けられている。ド
ーム２６と２７は所謂“二重環状”形態に配列さ
れるが、その場合、二つのドームは別々の半径方
向に隔置された環状燃焼器の前方境界を形成し、
該燃焼器は各種の段階作動中別々の燃焼器として
幾分独立して作用する。説明のためこれらの環状
燃焼器はそれぞれ、内側環状燃焼器２５、外側環
状燃焼器３０と呼び、更によく以下説明する。

中心体３５は外ドーム２６と内ドーム２７を相
互に連結し、内外側環状燃焼器２５と３０間にそ
れぞれ共通の境界を部分的に限定するように作用
する。第１および第２図に見る如く、この中心体
３５は周辺に交互に隔置された多数のみぞ穴４０
とリブ４５を含み、これらが矢印で示す如く空気
流を後方に導き、実際に共通境界を延長する。即
ち空気流のその線に沿つて高圧区域があり、内側
環状燃焼器２５から出る燃焼ガスが外側環状燃焼
器に入つたり、またその逆になるのを抑制するよ
うになる。この中心体はまた多数の冷却孔５０と
唇部５５を含み、中心体の表面に沿う冷却空気流
をもたらす。

外ドーム２６内に周辺に隔置された多数の気化
器装置２８が配置され、その軸線は外側環状燃焼
器の軸線と一致し、外ライナ１４と実質的に整合
し、実質的に真直ぐで長さが短い環燃焼器形状を
提供する。理解すべきことはこの気化器装置２８
は、燃料と空気を混合もしくは気化して燃焼室１
３に導入する作用をなす各種の設計の任意のもの
でよいことである。一設計は、1975年12月24日付
米国特許出願第664040号（この発明の権利者に譲
渡されている。）に図示説明されたものでよい。
一般に気化器装置２８は燃料管２９から燃料を受
け且つ環口１７から空気を受け、燃料は矢印が示
す如く空気流により霧化され、霧状燃料が燃焼室
１３に送られる。

外ドーム２６と同様な方法で内ドーム２７は周
辺に隔置された多数の気化器装置３１を含み、装
置３１の軸線は気化器装置２８の軸線に実質的に
平行に整合されている。これらの気化器装置３１
は、内ドーム２７と内ライナ１６と中心体と一緒
に内側環状燃焼器２５を形づけ、燃焼器２５は前
述の如く外側環状燃焼器とは実質的に関係なく操
作される。再言すれば、気化器装置３１の特定型
と構造は、この発明には重要なものでなく、効率
と低放出物性能を達成するために最適なものにす
るのが好ましい。説明だけのためにいえば、かな
り低い空気流能力の場合を除き、気化器装置３１
は気化器装置２８と同一であり、燃料管３２と燃
料ノズル３３とを含み、高圧で霧化されいるかま
たは低圧の液状で導入される燃料を導入する。一
次うず巻器３４は矢印で示す如く、空気を受入れ
燃料と相互作用せさ、それにうずを巻かせベンチ
ユリ３６に送る。次に二次うず巻器３７が、反対
方向に空気のうず巻きを与えるように作用し、燃
料／空気混合物と相互作用させ、更にその混合物
を霧化し、それが燃焼室１３内に流込むようにす
る。押し拡げられたはねかけ板３８が、気化器装
置の下流端部で採用され、燃料／空気混合物の過
大分散を防止するようにすることもできる。

内側環状燃焼器２５に点火能力を与えるため
に、点火器管３９が燃焼器外板１９を通過し、内
ドーム２７から半径方向内方に貫通し、その中心
電極４１の端部をその両側の燃焼器装置３１に接
近させる。点火器管３９は従来の点火器とは幾分
異なり燃焼器内に更に延びているが、中心電極４
１は従来の型のもので公知の通り作動する。

今、上記二重環状燃焼器の作動を考えると、内
側環状燃焼器２５と外側環状燃焼器３０とは個個
にか、または組合せて使用し所望の燃焼状態を提
供することができる。好ましくは内側環状燃焼器
２５自体が始動と低速状態に使用され、パイロツ
ト段階と呼ばれよう。外側環状燃焼器３０はそれ
より高速、高温状態で使用され、主段階燃焼器と
呼ばれよう。機関を始動すると無負荷運転状態
で、気化器装置３１は燃料管３２を通して燃料を
送られ、パイロツト段階は中心電極４１を介して
点火される。デイフユーザ２３からの空気は矢印
に示す如く、活動している気化器装置３１と不活
動の気化器装置２８の両方を通つて流れる。これ
らの無負荷状態で、温度と空気流が両方共比較的
に低い場合、パイロツト段階は比較的狭い燃料／
空気比帯にわたつて作動し、気化器装置３１の直
軸線内にある内ライナ１６は、比較的低い温度レ
ベルで、狭い偏倚運動に会うだけである。これに
より孔２４に配給される冷却流は最小に維持され
る。更に、パイロツト段階は主段階と比較すると
比較的に長いので、滞留時間は比較的長くそれに
より炭化水素と一酸化炭素の放出物の量を最小に
する。

機関の速度が増大するにつれ、燃料は燃料管２
９により気化器装置２８に導入され主段階を起動
するようになる。かような高速運転時にパイロツ
ト段階は運転され続けるが、主段階は燃料と空気
の大部分を消費する。認められるように、主段階
が直線形をなしているので、比較的熱いガスはラ
イナ１４に衝突しないで直接後方に流れ、ライナ
１４における冷却空気の必要性を最小にする。更
に主段階は軸線方向の長さが短いので、滞留時間
は比較的短くそれによりNOx放出物を軽減す
る。

パイロツト主段階についてかように関係を逆転
すると、タービンの形状を好ましいものにするこ
とが判明する。即ち、無負荷状態ではタービンの
半径方向内側は熱くなるがそれらの排気ガスはま
だ比較的冷たい。高速運転状態において、タービ
ンの形状は、半径方向内側で比較的低い温度をも
つものとなり、主段階からの一層高いガス温度は
半径方向外側にある。勿論、これはタービンの寿
命特性を長く保持するのに望ましい形状となる。

従来の二重環状燃焼器と比較して、主パイロツ
ト段階の位置を逆転するためには、点火器が外側
環体から近距離だけ延びるのではなくて、はるば
る内側環体内にまで延びる必要がある。ケーシン
グ１１を貫通して内ドーム２７まで下りそれを貫
通するライナー管３９を使用することは上記の要
件を果す一方法となる。代替実施例は第３図に示
すが、これは曲がつた点火器管４２を含み、該管
４２はケーシング１１を突き抜け、下方に曲が
り、最後に実質的に垂直関係で内ドーム２７を通
過する。曲管４２はライナ管３９と同様な方法で
ケーシング１１内に固定される。即ちねじ廻し板
４４を取付けたねじ付き挿入体４３によつて固定
される。直線の点火器管３９と彎曲燃料管４２の
いずれかを選ぶ場合に主として考えることはねじ
付き挿入体４３の位置である。直線点火器管３９
を使用する場合、ねじ付き挿入体の位置の選択は
比較的限られるが、彎曲燃料管４２を使用する場
合、多数の位置が利用できる。どちらの管の場合
にせよ陶磁器材料等の絶縁体４６が中心電極４１
から外電極または管４２を隔離することが望まし
いが、それは湾曲燃料管４２の場合に更に重要と
なる。事実、ドーナツ形の陶磁器円板が、更に多
く、湾曲管に必要となる。かような場合、その円
板は先づ管内に置かれ、次にその管はスエージ加
工され、その組合せ絶縁特性を向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の好適実施例による二重環状
燃焼器の軸線方向断面図。第２図は第１図の線２
−２に沿う二重環状燃焼器の横断面図。第３図は
自体にこの発明の変形実施例を結合した燃焼器の
部分断面図。第４図は第３図の線４−４に沿うて
とつた断面図である。 １３…燃焼室、１４…外ライナ、１６…内ライ
ナ、１９…外板、２３…デイフユーザ、２６…外
ドーム、２７…内ドーム、２５…内環燃焼器、３
０…外環燃焼器、２８…気化器装置。３１…気化
器装置、３９…点火器管、４１…中心電極、４２
…彎曲点火器管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同心に配置されたパイロツト段階部分および
   主段階部分を有し、パイロツト段階部分は個々に
   円周方向に間隔を置いて配置された複数の内側燃
   焼器並びに低出力運転時に内側燃焼器に燃料を供
   給する装置を有しており、主段階部分は個々に円
   周方向に間隔を置いて配置された複数の外側燃焼
   器並びに高出力運転時に外側燃焼器に燃料を供給
   する装置を有しており、パイロツト段階部分が主
   段階部分より半径方向内方に配置され、主段階部
   分の燃焼時においてもパイロツト段階部分の燃焼
   は継続している型の二重環状燃焼器。 ２ パイロツト段階部分の長さが主段階部分の長
   さより長くなつている特許請求の範囲第１項記載
   の二重環状燃焼器。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の二重環状燃焼器
   において、パイロツト段階部分へ半径方向内方に
   延びる点火器を含む二重環状燃焼器。 ４ パイロツト段階部分が環状ドームを含み、前
   記点火器が前記環状ドームを貫通するようになつ
   ている特許請求の範囲第３項記載の二重環状燃焼
   器。 ５ 主段階部分が燃焼器ドームを含み、その延長
   軸線が主段階燃焼器部分の壁と交差しないように
   なつている特許請求の範囲第１項記載の二重環状
   燃焼器。 ６ パイロツト段階部分か燃焼器ドームを含みそ
   の延長軸線がパイロツト段階燃焼器部分の壁と交
   差するようになつている特許請求の範囲第１項記
   載の二重環状燃焼器。