JP2005308389A - ガスタービンエンジン燃焼器を製作するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ガスタービンエンジン燃焼器（１６）を提供する。
【解決手段】 本エンジン燃焼器は、ベンチュリ（３６）と、ベンチュリの周りで円周方向に延びる２次スワーラ（３４）とを含み、２次スワーラが、２次スワーラの一部分とベンチュリとの間にギャップ（１２０）が形成されるようになっている。２次スワーラ（３４）との間にベンチュリが位置するようにベンチュリ（３６）に結合された１次スワーラ（３２）が配置されている。
【選択図】 図２

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジン用の燃焼器に関する。

燃焼器は、ガスタービンエンジン内で燃料及び空気の混合気を燃焼させるために用いられる。公知の燃焼器は、燃焼帯を形成する燃焼器ライナに取付けられた少なくとも１つのドームを含む。燃料噴射装置は、ドームと流れ連通状態で燃焼器に取付けられ、燃焼帯に燃料を供給する。燃料は、メガネプレート又はドームプレートに取付けられたドーム組立体を通して燃焼器に流入する。

少なくとも一部の公知のドーム組立体は、ドームプレートに固定されかつベンチュリから半径方向外側に位置する空気スワーラを含む。ベンチュリは、発散形であり、空気と燃料とを混合するのを可能にしかつ混合気を半径方向外向きに燃焼帯内に拡散するのを可能にする。

窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を可能にするために、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジン燃焼器内には水が噴射される。しかしながら、水噴射を使用して継続的に作動させることは、燃焼器ベンチュリの材料の劣化及び／又は侵食の原因となる可能性がある。より具体的には、水及び燃料は、一般的に燃焼器ベンチュリを通して噴霧されるので、水がベンチュリに接触すると、水の高い作動温度は、「爆発沸騰」として知られている作用で水を瞬時に液体から蒸気に変化さることになる。時間の経過とともに、このような爆発沸騰は、水とベンチュリと間の衝突部位での材料の劣化及び／又は離脱を招くおそれがある。水噴射の影響を少なくするのを可能にするために、少なくとも一部の公知の燃焼器ベンチュリは、セラミック皮膜で被覆される。このような皮膜は水噴射の影響を少なくするることができるが、かかる皮膜はまた、製作時間及び費用を増大させる。
米国特許第６，５７１，５５９号公報

１つの実施形態では、ガスタービンエンジン燃焼器を製作する方法を提供する。本方法は、ベンチュリを１次スワーラに結合する段階と、ベンチュリの一部分と１次スワーラ及び２次スワーラの１つの一部分との間にギャップが形成されるようにベンチュリを２次スワーラに結合する段階とを含む。

別の実施形態では、ガスタービンエンジン用の燃焼器を提供する。本燃焼器は、ベンチュリと、ベンチュリの周りで円周方向に延びる２次スワーラとを含む。２次スワーラは、該２次スワーラの一部分とベンチュリとの間にギャップが形成されるようにベンチュリに結合される。

さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、少なくとも１つの環状の空気スワーラと環状のベンチュリとを備えた燃焼器を含む。環状の空気スワーラは、該空気スワーラの一部分とベンチュリとの間にギャップが形成されようにベンチュリに結合される。

図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。燃焼器１６は、上流側２２と、少なくとも１つのドーム（図示せず）とを含む。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから購入可能なＬＭＳ１００型エンジンである。

動作中、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気が低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０で用いることができる、燃焼器１６のような燃焼器の一部分の断面図である。燃焼器１６は、複数のスワーラ組立体３０を含み、スワーラ組立体３０の各々は、１次スワーラ３２と、２次スワーラ３４と、それぞれ１次及び２次スワーラ３２及び３４に結合されたベンチュリ３６とを含む。１次スワーラ３２、２次スワーラ３４及びベンチュリ３６は各々、スワーラ組立体３０の軸方向中心線３８と同軸に整列される。

１次スワーラ３２は、外周部４２、内側面４４及び外側面４６によって形成されたほぼ円筒形の本体４０を含む。半径方向開口４８がそれぞれ内側及び外側面４４及び４６間で延びる。１次スワーラ３２が燃焼器１６内に結合されると、外側面４６は上流方向に面し、内側面４４は下流方向に面する。複数のスワール羽根５０は、開口４８の周りで円周方向に延びかつ内側面４４とベンチュリ３６との間で延びる。別の実施形態では、スワール羽根５０は、半径方向外側又は上流壁５２と半径方向内側又は下流壁（図示せず）との間で延びる。この例示的な実施形態では、１次スワール羽根５０は、等距離に間隙を置いて配置されかつスワーラ組立体３０を通る燃料／空気混合気に旋回動作を生じさせるように配向される。

２次スワーラ３４は、内側壁６０と、外側壁６２と、それらの間で延びる流路６４とを含む。この例示的な実施形態では、２次スワーラ３４は、内側壁６０と外側壁６２とを含む二部品組立体である。これに代えて、２次スワーラ３４は、一体形成の単一部品組立体とすることができる。流路６４は、上流側端部６６と下流側端部６８とを有する。内側及び外側壁６０及び６２は、それぞれスワーラ組立体３０の軸方向中心線３８の周りで円周方向に延びる。２次スワーラ３４のフランジ部分７０は、流路上流側端部６６から半径方向外向きに距離７２だけ延びて、フランジ部分７０の外周部７４が１次スワーラ外周部４２とほぼ整列するようになる。フランジ部分７０は、フランジ部分７０を通して空気が流路６４に供給されるように流路６４と流れ連通状態になっている。

複数のスワール羽根８０は、外側壁６２の内側面８２から内側壁６０の内側面８４まで延びる。この例示的な実施形態では、内側及び外側壁６０及び６２はそれぞれ、２次スワール羽根８０を内側壁６０にロウ付け又は溶接することによって互いに結合される。別の実施形態では、外側壁６２及び内側壁６０は、互いに一体に形成され、２次スワール羽根８０がそれらの間で延びる。この例示的な実施形態では、２次スワール羽根８０は、等距離に間隙を置いて配置されかつ流路６４を通って流れる空気に旋回動作を生じさせるように配向される。この例示的な実施形態では、１次及び２次スワール羽根５０及び８０は、反対方向に配向されて、２次空気流及び１次空気流が合流したときに、燃料／空気混合気の混合を促進するように対向する旋回流の形成を生じるようになる。別の実施形態では、１次及び２次スワール羽根５０及び８０は、ほぼ同一方向に配向されて燃料／空気混合気内に同様の旋回流が形成されるようになる。

ベンチュリ３６は、ほぼ環状の本体９０を含み、本体は、ベンチュリ３６の上流側端部９６からベンチュリ３６の下流側端部９８まで延びる内側面９２及び外側面９４を有する。ベンチュリ３６は、上流側端部９６に隣接して配置されたフランジ部分１００と、フランジ部分１００から下流側端部９８まで延びるスロート部分１０２とを含む。スロート部分１０２は、スワーラ組立体の軸方向中心線３８に沿ってほぼ軸方向に延び、フランジ部分１００は、スロート部分１０２から距離１０６だけ半径方向外向きに延びて、ベンチュリフランジ部分１００の外周部１０８が、それぞれ１次スワーラ及び２次スワーラ外周部４２及び７４にほぼ整列するようになる。

この例示的な実施形態では、ベンチュリフランジ部分１００は、１次スワーラ３２及び２次スワーラ３４間で延びて、ベンチュリ内側面９２が１次スワール羽根５０に当接して結合されかつベンチュリ外側面９４が２次スワーラ内側壁６０の外側面１１０に当接して結合されるようになる。別の実施形態では、内側面９２は、１次スワーラ内側壁（図示せず）に当接して結合される。より具体的には、この例示的な実施形態では、フランジ部分１００は、ロウ付け工程又は溶接工程によってそれぞれ１次及び２次スワーラ３２及び３４に結合される。

ベンチュリ３６は１次スワーラ３２から下流方向に延びて、スワーラ３２から吐出された空気流がベンチュリ３６を通って流れ、それによりベンチュリ３６を通って流れる空気流に旋回動作を生じさせる。具体的には、ベンチュリ３６内に吐出された空気流は、フランジ部分１００によってスロート部分１０２内に導かれる。スロート部分１０２は、最小スロート直径Ｄ_１が下流側端部９８から距離１１２だけ上流に位置するようにフランジ部分１００から下流側端部９８に延びる収束・発散断面輪郭を有する。従って、スロート直径Ｄ_１は、１次スワーラ開口４８の直径Ｄ_２よりも小さく、下流側端部９８におけるベンチュリ３６の直径Ｄ_３よりも小さい。

２次スワーラ３４はベンチュリスロート部分１０２を囲み、スロート部分１０２の一部分は２次スワーラ３４に結合される。具体的には、ベンチュリ外側面９４の一部分１１４は、摺動嵌合で２次スワーラ内側壁外側面１１０の一部分１１６に結合される。ベンチュリ３６と２次スワーラ３４との間に形成された摺動嵌合継手は、ベンチュリ３６が２次スワーラ３４の熱膨張を吸収するのを可能にし、また下流側端部９８におけるベンチュリ３６と２次スワーラ３４との間での燃料、水及び空気の吸込みを防止するのを可能にする。別の実施形態では、ベンチュリ下流側端部９８は、ロウ付け又は溶接工程によって２次スワーラ３４に結合される。

一般的に、ベンチュリ外側面９４と２次スワーラ内側壁６０との間には、部分的にギャップ１２０が形成される。この例示的な実施形態では、ギャップ１２０は、それぞれベンチュリ及び２次スワーラフランジ部分３６及び３４から、ベンチュリ３６及び２次スワーラ３４が互いに固定結合されるベンチュリ下流側端部９８に向かって延びる。ギャップ１２０は、ベンチュリ３６と２次スワーラ流路６４との間に停滞空気空洞を形成し、この停滞空気空洞が、流路６４周りの高温からベンチュリ３６を断熱することを可能にする。従って、ギャップ１２０はまた、ベンチュリ外側面９４上での「爆発沸騰」の発生率を低下させることを可能にし、それによりベンチュリ外側面上のセラミック皮膜の必要性を最小限にする。しかしながら、別の実施形態では、ベンチュリ外側面９４は、セラミック皮膜で被覆される。さらに別の実施形態では、ベンチュリ内側及び／又は外側面９２及び／又は９４は断熱皮膜で被覆されて、ベンチュリ３６を高温から断熱するのを可能にする。

この例示的な実施形態では、複数の開口部１２２が、２次スワーラ内側壁６０を貫通して延びて流路６４とギャップ１２０とを流れ連通状態で結合する。開口部１２２により、流路６４を通って流れるブリード空気がギャップ１２０に流入して、ギャップ１２０を通るパージ流を形成することを可能にする。パージ流は、燃料、水及び空気のギャップ１２０内への吸込みを防止するのを可能にする。別の実施形態では、流路６４とギャップ１２０との間に開口部を設けない。

この例示的な実施形態では、１次スワーラ３２、２次スワーラ３４及びベンチュリ３６のようなスワーラ組立体３０の個々の構成部品は、異なる材料で製造されかつ組立てられて、摩耗特性及び性能特性を最適化するのを可能にする。例えば、１次スワーラ３２は、摩耗を最適化するのを可能にするように選択した材料で製作され、２次スワーラ３４は、熱特性を最適化しかつベンチュリ３６と接合するのを可能にするように選択した異なる材料で製作される。さらに、ベンチュリ３６は、噴霧した燃料及び水の存在下で摩耗特性を最適化するのを可能にしかつそれぞれ１次及び２次スワーラ３２及び３４と接合するのを可能にするように選択した材料で製作される。

動作中、空気／燃料混合気は、スワーラ組立体３０を通って下流方向に流れる。混合気が１次スワーラ開口４８を通って流れるので、混合気は、１次スワーラ３２からの旋回空気と混合される。旋回動作は、スワーラ組立体３０から燃焼帯内に混合気を半径方向外向きに拡散するのを促進する。混合気がスワーラ組立体３０から流れるとき、混合気は、２次スワーラ流路６４によって供給された空気とさらに混合される。

図３は、燃焼器１６（図１に示す）のような燃焼器と組合せて用いることができるスワーラ組立体１３０の別の実施形態の断面図である。スワーラ組立体１３０は、図２に示すスワーラ組立体３０とほぼ同様であり、スワーラ組立体３０の構成要素と同一であるスワーラ組立体１３０の構成要素は、図３において、図２で用いたのと同じ参照符号を用いて特定する。従って、スワーラ組立体１３０は、１次スワーラ３２、２次スワーラ３４及びベンチュリ３６を含む。

１次スワーラ３２は、半径方向外側壁５２と、半径方向内側壁１４０と、それぞれ内側及び外側壁１４０及び５２間で延びる半径方向開口１４２とを含む。各壁５２及び１４０は、それぞれ内側面１４４及び１４６と、それぞれ外側面１４８及び１５０と、それぞれそれらの間で延びる外周部１５２及び１５４とを有する。１次スワーラ３２が燃焼器１６内に適正に配置されると、外側面１４８及び１５０は上流方向に面し、内側面１４４及び１４６は下流方向に面する。スワール羽根５０は、開口１４２の周りで円周方向に延びかつ外側壁１４０と内側壁５２との間で延びる。

２次スワーラ３４は、内側壁６０と、外側壁６２と、それらの間で延びる流路６４とを含む。この例示的な実施形態では、２次スワーラ内側壁６０は、１次スワーラ３２に向かって外向きに延びるリッジ１６０を有し、１次スワーラ内側壁５２は、リッジ１６０に係合する上部ショルダ１６２を有する。スワール羽根８０は、フランジ部分７０内で内側壁内側面８４から外側壁内側面８２まで延びる。フランジ部分７０は、フランジ部分７０を通して流路６４に空気を供給するように流路６４と流れ連通状態になっている。

ベンチュリ３６は、上流側端部９６から下流側端部９８まで延びる内側面９２及び外側面９４を有する本体９０を含む。ベンチュリ３６は、上流側端部９６に、スロート部分１０２から延びるフランジ部分１７０を含む。フランジ部分１７０は、スロート部分１０２から半径方向外向きに距離１７２だけ延びて、ベンチュリフランジ部分１７０の外周部１７４が１次スワーラ３２と２次スワーラ３４との間に配置されるようになる。この例示的な実施形態では、ベンチュリ外周部１７４は、２次スワーラ内側壁６０から延びるリッジ１６０の下端縁１７６に当接しかつ１次スワーラ内側壁５２の下部ショルダ１７８に当接する。具体的には、ベンチュリフランジ部分１７０は、１次スワーラ３２及び２次スワーラ３４に当接して摺動嵌合で結合される。ベンチュリ３６とそれぞれ１次及び２次スワーラ３２及び３４との間に形成された摺動嵌合継手は、ベンチュリ３６がスワーラ３２及び３４の熱膨張を吸収するのを可能にし、またベンチュリ３６とスワーラ３２及び／又は３４と間での燃料、水及び／又は空気の吸込みを防止するのを可能にする。別の実施形態では、ベンチュリフランジ部分１７０は、ロウ付け又は溶接工程によってそれぞれ１次及び／又は２次スワーラ３２及び／又は３４に結合される。

２次スワーラ３４はベンチュリスロート部分１０２を囲み、スロート部分１０２の一部分１８０は２次スワーラ３４に結合される。具体的には、ベンチュリ外側面部分１１４は、下流側端部９８においてロウ付け工程又は溶接工程によって２次スワーラ内側壁６０に結合されて、ベンチュリ３６と２次スワーラ３４との間での燃料、水及び空気の吸込みを防止するのを可能にする。別の実施形態では、外側面９４は、摺動嵌合継手を介して内側壁６０に結合される。

ギャップ１２０が、ベンチュリ外側面９４と２次スワーラ内側壁６０との間に部分的に形成される。この例示的な実施形態では、ギャップ１２０は、それぞれベンチュリフランジ部分１７０及び２次スワーラフランジ部分７０から、ベンチュリ３６及び２次スワーラ３４が互いに固定結合されるベンチュリ下流側端部９８に向かって延びる。この例示的な実施形態では、開口部１２２が、流路６４及びギャップ１２０を流れ連通状態にするように流路６４とギャップ１２０との間で延びる。別の実施形態では、流路６４とギャップ１２０との間には、開口部は全く設けられない。

上述のガスタービンエンジン用の燃焼器システムは、費用効果がありかつ信頼性がある。燃焼器システムは、１次スワーラ、２次スワーラ及びベンチュリを備えた多部品スワーラ組立体を含む。ベンチュリとスワーラの少なくとも１つとの間に、ベンチュリを低温にするのを可能にする停滞空気ギャップを設け、またベンチュリと空気流路との間に、空気ギャップ及び流路を流れ連通状態にする開口部を設ける。さらに、構成部品は互いに摺動嵌合されているので、構成部品は、それらの間に熱膨張が発生するの許すことを可能にする。その結果、スワーラ組立体は、信頼性がありかつ費用効果がある方法で燃焼器の耐用年数を延ばすことを可能にする。

以上、スワーラ組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。本組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。各スワーラ組立体の構成要素はまた、他のスワーラ組立体の構成要素と組合せて用いることができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであロウ。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンで用いることができる燃焼器の一部分の断面図。 図１に示すガスタービンエンジンで用いることができる燃焼器の別の実施形態の一部分の断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１６ 燃焼器
３０ スワーラ組立体
３２ １次スワーラ
３４ ２次スワーラ
３６ ベンチュリ
１２０ ギャップ
１２２ 開口部

Claims (10)

1. ベンチュリ（３６）と、
   前記ベンチュリの周りで円周方向に延びる２次スワーラ（３４）と、
   を含み、
   前記２次スワーラが、該２次スワーラの一部分と前記ベンチュリとの間にギャップ（１２０）が形成されるように該ベンチュリに結合されている、
   ガスタービンエンジン（１０）用の燃焼器（１６）。
2. 前記２次スワーラ（３４）との間に前記ベンチュリが位置するように該ベンチュリ（３６）に結合された１次スワーラ（３２）をさらに含む、請求項１記載の燃焼器（１６）。
3. 前記ベンチュリ（３６）の少なくとも一部分が、前記１次及び２次スワーラ（３２）及び（３４）の１つの一部分に摺動可能に結合されている、請求項２記載の燃焼器（１６）。
4. 前記ベンチュリ（３６）の少なくとも一部分が、前記１次及び２次スワーラ（３２）及び（３４）の１つの一部分に摺動嵌合で結合され、前記摺動嵌合が、前記ベンチュリに対する前記１次及び２次スワーラの少なくとも１つの熱膨張を吸収するのを可能にする、請求項２記載の燃焼器（１６）。
5. 前記２次スワーラ（３４）が、その中を通って延びる２次空気通路（６４）と複数の開口部（１２２）とを含み、前記開口部が、前記２次空気通路と前記ギャップ（１２０）とを流れ連通状態で結合している、請求項１記載の燃焼器（１６）。
6. 前記ギャップ（１２０）が、前記ベンチュリ（３６）の半径方向外側面（９４）と前記２次スワーラ（３４）の半径方向内側面（１１０）との間に形成され、前記ベンチュリ半径方向外側面が断熱皮膜の層を含む、請求項１記載の燃焼器（１６）。
7. 前記ギャップ（１２０）が、前記ベンチュリ（３６）の作動温度を低下させるのを可能にする、請求項１記載の燃焼器（１６）。
8. 少なくとも１つの環状の空気スワーラ（３４）と環状のベンチュリ（３６）とを備えた燃焼器（１６）を含み、
   前記環状の空気スワーラが、該空気スワーラの一部分と前記ベンチュリとの間にギャップ（１２０）が形成されように該ベンチュリに結合されている、
   ガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記ギャップ（１２０）が、前記ベンチュリ（３６）の作動温度を低下させるのを可能にし、前記少なくとも１つの環状の空気スワーラ（３４）の少なくとも一部分が、前記ベンチュリに当接して摺動嵌合で結合されている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記空気スワーラ（３４）が、その中を通って延びる流路（６４）を形成し、前記少なくとも１つの空気スワーラが、前記流路と前記ギャップ（１２０）との間を流れ連通状態で延びる複数の開口部（１２２）を含む、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。

Images