JP2001012741A - ガスタービン用燃焼器 - Google Patents
ガスタービン用燃焼器Info
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- JP2001012741A JP2001012741A JP2000185538A JP2000185538A JP2001012741A JP 2001012741 A JP2001012741 A JP 2001012741A JP 2000185538 A JP2000185538 A JP 2000185538A JP 2000185538 A JP2000185538 A JP 2000185538A JP 2001012741 A JP2001012741 A JP 2001012741A
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- 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
- F23R3/26—Controlling the air flow
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
Abstract
領域と下流領域内へエンジンの高負荷条件下でも低負荷
条件下でも効率的な燃焼を促進するように調量分配する
こと。 【解決手段】 空気供給マニホールド(1)内に設置さ
れた燃焼チャンバーと、燃料噴射器を備えたバーナーヘ
ッド(2)と、バーナーヘッドと燃焼チャンバーの上流
端との間に画定される一次空気入口と、一次空気入口の
下流に設けられた二次空気入口と、一次空気入口及び二
次空気入口を通しての空気流を変更するための手段とか
ら成るガスタービン用燃焼器。燃焼チャンバーは、固定
下流部分(4)と、入れ子式に移動自在の可動上流部分
(3)を有する。上流部分をバーナーヘッドに向けて移
動させると、一次空気入口を制限するとともに、二次空
気入口を開放し、上流部分をバーナーヘッドから離れる
方向に移動させると、一次空気入口を開放するととも
に、二次空気入口を制限する。
Description
ジンのための燃焼器及びそのような燃焼器を備えたガス
タービンエンジンに関する。
件下ではなく、広範囲の可変負荷条件下で作動すること
が期待される。一方で、エンジンの排気ガスによる環境
汚染の点で最低限の基準を充足しなければならないとい
う要件もある。これらの往々にして互いに相反する要件
を満たすために、燃焼器技術者は、設計上の困難に直面
する。例えば、汚染源となるNOx排ガスを減少させる
ために、エンジンの高負荷条件中有効ないわゆる希薄予
混合(プレミックス)(希薄混合物即ち燃料が希薄な空
燃混合物を前混合するシステム)を用いるのが一般的で
ある。しかしながら、不都合なことに、そのようなシス
テムは、エンジンの低負荷条件下では(低火炎温度によ
る不完全燃焼により)汚染CO排ガスを増大させる傾向
があり、空気ブリードシステムのような慣用のCO排ガ
ス制御方法では、エンジン効率の損失を招く結果とな
る。
わゆる「形状寸法可変システム」(山田他のASME論
文95−GT−48参照)を用いる方法がある。この燃
焼システムでは、エンジンが低負荷で運転されていると
きは、それに対応して燃焼チャンバーの上流側燃料混合
領域へ供給される空気の量が高負荷の場合より少なくさ
れるように、空気供給(通常、エンジンコンプレッサか
ら供給される)が制御される。燃焼システムに必要とさ
れる空気の残部(上流側燃料混合領域へ供給される空気
を除いた残りの空気)は、燃焼チャンバーの下流側領域
へ分流され、該下流側領域においてガス流内で有用な仕
事をすることができる。このようにして、コンプレッサ
及びすべてのコンプレッサ空気(コンプレッサからの圧
縮空気)は、空気流を減少させるようにコンプレッサの
出力を調節することができるシステムや、圧縮空気の一
部を分流して放出させるシステム(いずれのシステム
も、効率が悪い)のような他のシステムに比べて、極め
て効率的に利用される。このような可変空気分配システ
ムは、火炎温度を最適設計レベルである比較的高負荷の
レベル(比較的高い温度)ではかなり一定に保持するこ
とを可能にし、従って、汚染排ガスレベルを最少限に抑
えることができる。
配を制御するための機構は、例えば米国特許第3,85
9,787号に開示されているように、通常、コンプレ
ッサ空気をエンジン本体のケーシングに対して位置を固
定された燃焼チャンバーの上流領域と下流領域へ所定の
割合で分流するように協調して動作する相互に連結され
た弁手段から成る。
は、空気ジャケットケーシング又はマニホールド内で全
体として移動自在の燃焼チャンバー又は火炎チューブか
ら成る環状燃焼器を開示している。このシステムでは、
火炎チューブを通る燃焼生成物の流れ方向でみて火炎チ
ューブの上流領域と下流領域に一次空気と二次空気のた
めの入口が設けられている。火炎チューブの移動は、燃
焼器の上流端に対して接離する(接近及び離間する)方
向であり、一次燃焼空気のための入口は、固定バーナー
ヘッドと可動火炎チューブの上流端との間に画定され
る。従って、バーナーヘッドに対して火炎チューブが移
動すると、一次空気入口のサイズが変更される。しかし
ながら、二次空気入口のサイズを変更するための手段は
設けられていない。
空気と二次空気を燃焼チャンバーの上流領域と下流領域
内へ同時に、かつ、エンジンの高負荷条件下でも、低負
荷条件下でも効率的な燃焼を促進するような分配割合で
調量分配するための比較的簡単で、制御し易く、安価な
システムを提供することである。
によって上記課題を解決する。
に設置された燃焼チャンバーを含み、該燃焼チャンバー
は、燃料噴射器を備えたバーナーヘッドと、バーナーヘ
ッドと燃焼チャンバーの上流端との間に画定される、マ
ニホールドから燃焼チャンバー内への一次空気入口と、
一次空気入口の下流に設けられた、マニホールドから燃
焼チャンバー内への二次空気入口と、一次空気入口及び
二次空気入口を通しての空気流を変更するための空気流
変更手段を有して成るガスタービン用燃焼器において、
前記燃焼チャンバーは、互いに入れ子式に移動自在の第
1部分と第2部分から成り、前記マニホールドから燃焼
チャンバー内への二次空気入口は、該燃焼チャンバーの
第1部分と第2部分の間に画定され、該燃焼チャンバー
の第1部分と第2部分とは、前記一次空気入口を通して
の空気流を増大させて二次空気入口を通しての空気流を
減少させるために第1軸方向に相対的に移動自在であ
り、該一次空気入口を通しての空気流を減少させて二次
空気入口を通しての空気流を増大させるために第1軸方
向とは反対の第2軸方向に相対的に移動自在であること
を特徴とするガスタービン用燃焼器が提供される。
とは、前記一次空気入口と二次空気入口を通しての空気
流を互いに反比例関係をなして変更させるように相対的
に軸方向に移動自在とすることが最も簡単で好便であ
る。更に、一次空気入口を通る空気流が最大限とされて
いるときは、二次空気入口は完全に閉鎖(全閉)され、
反対に、一次空気入口を通る空気流が最少限とされてい
るときは、二次空気入口は全開にされるように構成する
ことが好ましい。
分の壁を貫通して形成することができる。あるいは別法
として、二次空気入口は、燃焼チャンバーの第2部分の
壁を貫通して形成してもよい。更なる別法として、二次
空気入口は、燃焼チャンバーの第1部分と第2部分の両
方の壁を貫通して形成することもできる。その場合、第
1部分の壁に形成された二次空気入口の孔と第2部分の
壁に形成された二次空気入口の孔とは、燃焼チャンバー
の第1部分と第2部分の相対的入れ子移動により互いに
整合したり、整合状態から離脱したりする。
相対的に移動自在とし、燃焼器の固定構造体に対しては
固定されたものとすることが好ましい。例えば、燃焼チ
ャンバーの第1部分を可動部分とし、第2部分を固定部
分として、第1部分(可動部分)を第2部分(固定部
分)の内側に沿って又は外側を覆って摺動自在とし、可
動部分は、該可動部分の上流端とバーナーヘッドとの間
に一次空気入口が画定されるように上流側へ延長させ
る。又、燃焼チャンバーの第1部分と第2部分とは、そ
れぞれ、燃焼チャンバーの上流部分と下流部分とし、第
1部分と第2部分とが互いにオーバーラップする部分
は、二次空気入口を閉鎖するのに十分な比較的小部分だ
けとすることが好ましい。あるいは別法として、ただし
第1部分(可動部分)が2部分(固定部分)の外側を覆
って摺動自在とした場合だけに限って、燃焼チャンバー
の第1部分と第2部分とは、第2部分の全長に亙ってオ
ーバーラップさせることができる。
記第1方向と第2方向の軸方向の移動は、それぞれ、バ
ーナーヘッドに接近する方向と、バーナーヘッドから離
隔する方向とすることが好ましい。
対入れ子式摺動移動を容易にするために第1部分と第2
部分の間にピストンリング型シールのような環状シール
を介設することが好ましい。
れ子式摺動移動は、可動部分(第1部分)をアクチュエ
ータ(作動器)に連結し、該可動部分を第1及び第2軸
方向に押したり引いたりすることによって行うのが好便
である。
スタービン用燃焼器を備えたガスタービンエンジンを提
供する。特に、本発明のガスタービンエンジンには、少
くとも1つの燃焼器を装備することができ、アクチュエ
ータは、エンジン負荷が減少するにつれて燃焼チャンバ
ーの可動部分をバーナーヘッドに接近する方向に移動さ
せ、反対にエンジン負荷が増大するにつれて燃焼チャン
バーの可動部分をバーナーヘッドから離れる方向に移動
させるように構成される。
以下の好ましい実施形態の説明及び添付図から当業者に
は明らかになろう。
駆動(エンジンによって駆動される)コンプレッサ(図
示せず)からバーナーヘッド2を支持している空気供給
マニホールド1を通して供給される。燃焼チャンバー
は、第1部分3(図1でみて左側部分、即ち、燃焼器を
通る燃焼生成物の流れ方向でみて上流側部分)と第2部
分4(図1でみて右側部分、即ち、燃焼器を通る燃焼生
成物の流れ方向でみて下流側部分)とから成り、空気供
給マニホールド1内に同軸的に取り付けられている。空
気供給マニホールド1は、点線矢印によって示されるよ
うにコンプレッサの出力(供給空気)を受け取り、空気
は、左方へ向けられ、バーナーヘッド2を横切って第1
部分(左側燃焼チャンバー部分又は上流燃焼チャンバー
部分とも称する)3の上流端へ通される。
流燃焼チャンバー部分とも称する)4は、マニホールド
1及びバーナーヘッド2に対して固定であり、燃焼ガス
をガスタービン(図示せず)へ導くための遷移ダクトに
通じる、燃焼チャンバーの下流部分を構成する。ガスタ
ービンは、燃焼ガスから炎るを抽出して作動する。上流
燃焼チャンバー部分3は、マニホールド1及びバーナー
ヘッド2に対して可動であり、その右側端は図に示され
るように固定下流燃焼チャンバー部分4内に密に摺動嵌
合している。かくして、上流燃焼チャンバー部分3は、
軸線A−Aに沿って入れ子式に移動することができる。
上流燃焼チャンバー部分3の移動は、該チャンバー部分
3のフランジ13に固定されたブラケットに取り付けら
れたアクチュエータロッド5によって行われる。即ち、
アクチュエータロッド5を矢印Bに示されるように第1
軸方向(下流方向)へ押すことによって、上流燃焼チャ
ンバー部分3は、図1の上側部分に示されるように右方
へ移動される。反対に、アクチュエータロッド5を矢印
Cに示されるように第2軸方向(上流方向)へ引けば、
上流燃焼チャンバー部分3は、図1の下側部分に示され
るように左方へ移動される。この上流燃焼チャンバー部
分3の入れ子式移動により、図3、3aを参照して後に
詳述するように、二次空気バイパス弁機構6を制御す
る。図1には可動燃焼チャンバー部分3に対して2本の
アクチュエータロッド5が示されているが、アクチュエ
ータロッド5は1本だけとすることもできる。
2aに示されるように、バーナーヘッド2の動作面8と
可動燃焼チャンバー部分3の上流端のリップ(唇部)9
との間に画定されたバーナー通路を通って上流燃焼チャ
ンバー部分3に流入する。図2及び2aにおいて、バー
ナー通路即ち一次空気入口7の相対的サイズは、斜交陰
影によって強調されている。一次空気は、通路7を通る
際に噴射器10から噴射される燃料と混合し、得られた
空燃混合物は、斯界において周知のように適当な部位に
配置された点火器ユニット(図示せず)からのスパーク
によって燃焼チャンバー3,4内で点火される。燃焼
は、主として上流燃焼チャンバー部分3内で行われ、高
温の燃焼生成ガスが(動作流体として)点線矢印で示さ
れるように左から右へ下流燃焼チャンバー部分4を通っ
てエンジンタービン(図示せず)へ流れる。
ッド5が上流燃焼チャンバー部分(燃焼器の壁部分)3
を矢印Bの方向に移動可能限度にまで移動させると、す
べてのコンプレッサ空気が一次燃焼のためにバーナー通
路7を通して送られる。この位置では、バーナー通路7
は、最大限の断面積(図2の斜交陰影部分参照)を有
し、空気流の制限を最少限にし、二次空気バイパス弁機
構6は空気を通さないように完全に閉鎖されている。こ
の状態は、エンジンの最大負荷条件に対応する。反対
に、アクチュエータロッド5が上流燃焼チャンバー部分
(燃焼器の壁部分)3を矢印Cの方向に移動可能限度に
まで移動させると、バーナー通路7の断面積が最小限に
まで減小され(図2aの斜交陰影部分参照)、バーナー
通路7を通る一次空気流が制限され、残りの空気は、空
気バイパス弁機構6の全開ポート即ち二次空気入口を通
って燃焼チャンバー内へ流入する。この状態は、エンジ
ンの低負荷条件に対応する。
ータロッド5を制御することによって、燃焼チャンバー
3,4は、いろいろな異なる負荷条件に対応して排気ガ
ス汚染規制並びにエンジン効率基準の両方を満足させる
ために適正な一次空気対二次空気の比率を維持すること
ができるように、図2と図2aに示されるようにされる
両極端位置の間の任意の位置に設定することができる。
この簡単な便利な構成によって、一次空気流と二次空気
流を互いに反比例関係に変更することができる。
4の1つの壁を貫通して穿設された二次空気バイパス弁
機構6のポート即ち二次空気入口を、一次空気入口7が
全開されたときは可動燃焼チャンバー部分3の下流端の
いわゆる「スカート」によって閉鎖することができる
が、可動燃焼チャンバー部分3をバーナーヘッド2に接
近する方向に移動させることによって、開放することが
できる態様を示す。図3及び3aでは1つのポートだけ
が示されているが、図1には2つのポートが示されてお
り、ポートの個数及び断面積は、低負荷条件の場合に適
する二次空気流を供給することができるように適宜に変
更することができる。
は、可動燃焼チャンバー部分3に設けて、固定燃焼チャ
ンバー部分4によって閉鎖されるようにしてもよい。更
なる別法として、二次空気入口を燃焼チャンバーの可動
部分3と固定部分4の両方に穿設した孔によって形成す
ることもできる。そのような構成は、後述するように図
5に示される示されている。これらの孔は、燃焼チャン
バーの上流可動部分3と下流部分4との相対的入れ子移
動中互いに整合する位置とずれる位置との間で移動する
ことによって流れを調量することができる。
端が固定壁部分4の上流端の内側に嵌合するものとして
示されているが、固定壁部分4の上流端を可動壁部分3
の下流端の内側に嵌合する構成としてもよいことは明ら
かであろう。
ンバー部分3と4の間に効果的な滑りシールを設定し、
それによって摺動摩擦を減少させるとともに、長手中心
軸線A−Aに対して同心心合を維持するように、上流燃
焼チャンバー部分3に形成した溝にピストンリング型シ
ール11が装着されている。
態においては、燃焼チャンバーの上流側、半径方向内側
部分3が、燃焼チャンバーの固定された下流側、半径方
向外側部分4の上流端の内側で摺動するが、燃焼チャン
バーの下流側、半径方向外側部分4を可動部分とし、燃
焼チャンバーの上流側、半径方向内側部分3を固定部分
としてもよい。例えば、図5に示される示されるよう
に、燃焼チャンバーの下流側、半径方向外側部分24を
左方へ延長させて燃焼チャンバーの上流側、半径方向内
側部分23を囲繞するようにし、それによってこの軸方
向の長さ部分を二重壁燃焼チャンバーとすることができ
る。アクチュエータ5は、燃焼チャンバーの下流側半径
方向外側部分24を左方延長部分の外側面に固定された
ブラケット12に取り付ける。固定燃焼チャンバー部分
とされる半径方向内側部分23の上流端には、外向きに
曲げられたフランジ33を形成し、フランジ33を、一
次空気入口7の通路を画定する複数の羽根を介して空気
供給マニホールド1に連結する。
径方向内側部分23を固定壁とした場合、一次空気入口
7を通る空気流の調量は、左方に延長させた半径方向外
側部分24の上流リップを一次空気入口7を覆って前後
に移動させることによって行うことができる。この実施
形態の場合の二次空気入口26の構成は、図1に示され
たものとは多少異なり、二次空気入口26は、燃焼チャ
ンバーの固定部分23と可動部分24の両方に形成され
た孔によって構成される。この場合、燃焼チャンバーの
固定部分23と可動部分24の間をシールするために2
つのピストンリング型シール35と36を必要とする。
シール35は、可動壁部分24の内側面に形成された溝
に装着し、シール36は、固定壁部分23の外側面に形
成された溝に装着する。
ように全開されているときは、空気は可動壁部分24の
入口26を通って燃焼チャンバー内に流入することはで
きない。なぜなら、シール35が固定壁部分23に形成
された対応する入口27を通って空気が流入するのを阻
止し、シール36が固定壁部分23の下流端と可動壁部
分24の間の間隙を通って空気が流れるのを阻止するか
らである。一次空気入口7が図5の下半分に示されるよ
うに最大限に制限されているときは、シール36は、や
はり固定壁部分23の下流端と可動壁部分24の間の間
隙を通って空気が流れるのを阻止しているが、シール3
5は、可動壁部分24と共に固定壁部分23の入口27
の直ぐ上流の位置にまで移動しているので、二次空気が
入口26,27を通って燃焼チャンバー内へ流入するこ
とができる。
が、燃焼チャンバーの左方延長部分24が重量と製造コ
ストの増大をもたらすこと、2つのシール35,36を
設ける必要があること、可動壁部分24とタービンとの
間の相対移動を支持するために可動壁部分24の高い応
力を受ける下流部分に追加の滑り継手(図示せず)を設
ける必要があることなどの点から、図1〜4の実施形態
ほどは好ましくない。
あり、図1の燃焼器の長手中心線即ち軸線A−Aより上
方の部分は、ガスタービンエンジンを高負荷条件で作動
させる場合の燃焼器の態様を示し、軸線A−Aより下方
の部分は、ガスタービンエンジンを低負荷条件で作動さ
せる場合の燃焼器の態様を示す。
り、一次空気入口がガスタービンエンジンを高負荷条件
で作動させるために全開状態にあるところを示す。図2
aは、図2と同様の図であるが、一次空気入口がガスタ
ービンエンジンを低負荷条件で作動させるために部分閉
鎖状態にあるところを示し、全開状態は点線で示されて
いる。
面図であり、二次空気入口のためのバイパスポート機構
がガスタービンエンジンを高負荷条件で作動させるため
に閉鎖状態にあるところを示す。図3aは、図3と同様
の拡大部分図であるが、二次空気入口のためのバイパス
ポート機構がガスタービンエンジンを低負荷条件下で作
動させるために全開状態にあるところを示す。
図である。
の実施形態を示す。図5Aは、図5の拡大部分図であ
り、上側二次空気入口が閉鎖位置にあるところを示す。
図5Bは、図5の拡大部分図であり、下側二次空気入口
が開放位置にあるところを示す。
上流燃焼チャンバー部分 4 固定燃焼チャンバー部分、固定壁部分、固定部分、
下流燃焼チャンバー部分 5 アクチュエータ、アクチュエータロッド 6 空気バイパス弁機構、二次空気バイパス弁機構 7 バーナー通路、一次空気入口 10 噴射器 11 ピストンリング型シール 12 ブラケット 13 フランジ 23 固定部分、固定壁部分、半径方向内側部分、 24 可動部分、可動壁部分、半径方向外側部分、 26 二次空気入口 27 入口 33 フランジ 35、36 ピストンリング型シール、シール
Claims (10)
- 【請求項1】 空気供給マニホールド(1)内に設置さ
れた燃焼チャンバー(3,4)を含み、該燃焼チャンバ
ーは、燃料噴射器(10)を備えたバーナーヘッド
(2)と、バーナーヘッドと燃焼チャンバーの上流端
(9)との間に画定される、マニホールドから燃焼チャ
ンバー内への一次空気入口(7)と、一次空気入口の下
流に設けられた、マニホールドから燃焼チャンバー内へ
の二次空気入口(6)と、一次空気入口及び二次空気入
口を通しての空気流を変更するための空気流変更手段を
有して成るガスタービン用燃焼器において、 前記燃焼チャンバーは、互いに入れ子式に移動自在の第
1及び第2部分(3,4)から成り、前記マニホールド
から燃焼チャンバー内への前記二次空気入口(6)は、
該燃焼チャンバーの第1部分と第2部分の間に画定さ
れ、該燃焼チャンバーの第1部分と第2部分とは、前記
一次空気入口を通しての空気流を増大させて二次空気入
口を通しての空気流を減少させるために第1軸方向
(B)に相対的に移動自在であり、該一次空気入口を通
しての空気流を減少させて前記二次空気入口を通しての
空気流を増大させるために第1軸方向とは反対の第2軸
方向(C)に相対的に移動自在であることを特徴とする
ガスタービン用燃焼器。 - 【請求項2】 前記一次空気入口を通る空気流が最大限
とされているときは、前記二次空気入口は完全に閉鎖さ
れ、前記一次空気入口を通る空気流が最少限とされてい
るときは、該二次空気入口が全開にされるように構成さ
れていることを特徴とする請求項1に記載のガスタービ
ン用燃焼器。 - 【請求項3】 前記二次空気入口は、前記燃焼チャンバ
ーの第1部分又は第2部分の壁を貫通して形成されてい
ることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスタービ
ン用燃焼器。 - 【請求項4】 前記二次空気入口は、前記燃焼チャンバ
ーの第1部分と第2部分の両方の壁に形成された孔によ
って構成されており、該第1部分の壁に形成された孔と
第2部分の壁に形成された孔とが、該燃焼チャンバーの
該第1部分と第2部分の相対的入れ子移動により互いに
整合したり、整合状態から離脱されたりすることを特徴
とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスタービ
ン用燃焼器。 - 【請求項5】 前記燃焼チャンバーの第1部分と第2部
分とは、相対的に移動自在であり、該燃焼器の固定構造
体に対して固定されていることを特徴とする請求項1〜
4のいずれか1項に記載のガスタービン用燃焼器。 - 【請求項6】 前記一次空気入口が前記燃焼チャンバー
の前記第1部分の上流端と前記バーナーヘッドとの間に
画定されるように該第1部分が上流側へ延長しているこ
とを特徴とする請求項8に記載のガスタービン用燃焼
器。 - 【請求項7】 前記燃焼チャンバーの前記第1部分は、
前記第2部分の内側に沿って摺動自在とされていること
を特徴とする請求項5又は6に記載のガスタービン用燃
焼器。 - 【請求項8】 前記燃焼チャンバーの前記第1部分は、
前記第2部分の外側を覆って摺動自在とされていること
を特徴とする請求項5又は6に記載のガスタービン用燃
焼器。 - 【請求項9】 請求項1〜8のいずれか1項に記載の少
くとも1基のガスタービン用燃焼器を備えたガスタービ
ンエンジン。 - 【請求項10】 請求項15に記載の少くとも1基のガ
スタービン用燃焼器を備えたガスタービンエンジンであ
って、エンジン負荷が減少するにつれて前記燃焼チャン
バーの前記可動部分を前記バーナーヘッドに接近する方
向に移動させ、エンジン負荷が増大するにつれて該燃焼
チャンバーの該可動部分を該バーナーヘッドから離れる
方向に移動させるためのアクチュエータが設けられてい
ることを特徴とするガスタービンエンジン。
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