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
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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
【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D1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D1は、1次スワーラ開口48の直径D2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D3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。
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
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)
- 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)。 - 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)。
- 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)。
- 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)。
- 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)。
- 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)。
- 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)。
- 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)。 - 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)。
- 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)。
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