JP2011007479A

JP2011007479A - ガスタービンエンジン内のベーンスワール角を低減させる方法及びシステム

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Publication number: JP2011007479A
Application number: JP2010098363A
Authority: JP
Inventors: Baifang Zuo; ベイファン・ズオ; Willy Steve Ziminsky; ウィリー・スティーブ・ジミンスキー; Benjamin Paul Lacy; ベンジャミン・ポール・レーシー; David Kenton Felling; デビッド・ケントン・フェリング
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2011-01-13
Also published as: CH701293B1; CH701293A8; US20100326079A1; DE102010016373A1; CN101929677A; CH701293A2

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン（１００）内で使用する燃料ノズル（２２２）を提供する。
【解決手段】この燃料ノズルは、入口端（３１０）、出口端（３１２）、シュラウド内面（４０４）及びハブ外面（４０８）を含み、この内面が、入口端（３１０）で第１の直径（３２０）及び出口端（３１２）で第２の直径（３２４）を画成し、第１の直径と第２の直径が示差直径比を定義するスワラアセンブリ（３０２）と、スワラアセンブリに結合され、シュラウド内面とハブ外面の間に延在する複数のベーン（４００）とを含んでなり、ベーンはそれぞれ、前縁（４１０）及び軸方向に離隔した後縁（４１２）で接合した対向する一対の側壁（４１４、４１６）を含み、ベーンはそれぞれ、前縁に隣接した第１の高さ及び後縁に隣接した第２の高さを有し、第１の高さと第２の高さは、示差高さ比を定義し、示差直径比と示差高さ比のうちの少なくとも一方は、燃料ノズルを通過する収束流れを与えるように構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は一般に、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、燃焼器内のベーンスワール角（vane swirl angle）を低減させる方法及びシステムに関する。

少なくとも幾つかのガスタービンエンジンは、燃焼器内で混合気に点火して、燃焼ガス流を発生させてタービンへと送る。圧縮空気は圧縮機から燃焼器へと送られる。燃焼器アセンブリは一般に、燃焼器の燃焼域への燃料及び空気の供給を容易にする１以上の燃料ノズルを有する。少なくとも幾つかの公知の燃料ノズルは、複数のベーンを結合してなるスワラアセンブリを含む。組立中に、燃料ノズルアセンブリには、カバーすなわちシュラウドが結合され、カバーによってベーンの境界が実質的に画成される。そのため、カバーの内面とスワラアセンブリの外面は、燃料ノズルを通過する空気流を導く流路を画成する。

動作時、燃料は一般に、スワラアセンブリ内に形成された複数の通路、及び各ベーンの少なくとも片側に画成された複数の開口を通して導かれる。公知のベーンは、ベーンを通過する燃料及び／又は空気の流れに対してスワール（旋回渦）を生じさせる翼形断面形状を有するように形成されている。さらに、少なくとも幾つかの公知のスワラアセンブリでは、ガス炎を安定させ、ノズル出口付近での逆火を防ぐため、ベーンは０〜６０度のスワール角を誘起する。スワール角は通常、ベーン厚さ及び／又はベーン形状にある程度基づく。合成ガス、高水素濃度燃料などのある種の燃料に関しては、最適な火炎特性を得るために、ベーンスワール角を低減させることが有益なことがある。しかしながら、多くのスワラアセンブリでは、最低機能スワール角が存在し、このような最低機能スワール角よりも小さなスワール角を使用すると、ノズルを通過する最適とはいえない流れ（例えば発散カスケード流）が生じることがある。

さらに、公知のスワラアセンブリ設計では、反応性の高い燃料を使用するスワラアセンブリに対して、スワール角を最適化することが困難であることがある。スワール角を最適化するため、少なくとも幾つかの公知のスワラアセンブリは、スワラアセンブリを通過する流れの脱スワール化（de-swirling）を引き起こすためにスワラベーンの位置、翼形状及びサイズを変更している。しかしながら、公知のスワラアセンブリを変更すると、発散カスケード流のために、流れの分離及び／又は不利な保炎が誘発されることがある。公知のこれらの方法及びシステムは、燃料ノズル性能を有効にある程度向上させたが、燃料ノズル性能を向上させ、保炎特性を改善することが依然として求められている。

米国特許第７４９０４７１号明細書

一態様では、ガスタービンエンジン内で使用する燃料ノズルを組み立てる方法が提供される。この方法は、入口端、出口端及びシュラウド内面及びハブ外面を有するスワラアセンブリを用意することを含む。シュラウド内面は、入口端近傍での第１の直径及び出口端近傍での第２の直径を有し、第１の直径と第２の直径は、示差直径比を定義する。この方法はさらに、スワラアセンブリに複数のベーンを結合することを含み、ベーンはそれぞれ、シュラウド内面とハブ外面の間に延在する。ベーンはそれぞれ、前縁及び後縁で接合した対向する一対の側壁を有し、ベーンはそれぞれ、前縁に隣接した第１の高さ及び後縁に隣接した第２の高さを有する。第１の高さと第２の高さは、示差高さ比を定義し、示差直径比又は示差高さ比、或いはその両方は、燃料ノズルを通過する収束流れを与えるように構成されている。

別の態様では、入口端、出口端、シュラウド内面及びハブ外面を有するスワラアセンブリを含む燃料ノズルアセンブリが提供される。この内面は、入口端近傍での第１の直径及び出口端近傍での第２の直径を有し、第１の直径と第２の直径は、示差直径比を定義する。燃料ノズルアセンブリはさらに、スワラアセンブリに結合され、シュラウド内面とハブ外面の間に延在する複数のベーンを有する。これらのベーンはそれぞれ、前縁及び軸方向に離隔した後縁で接合した対向する一対の側壁を有し、ベーンはそれぞれ、さらに、前縁に隣接した第１の高さ及び後縁に隣接した第２の高さを有する。第１の高さと第２の高さは、示差高さ比を定義し、示差直径比又は示差高さ比、或いはその両方は、燃料ノズルを通過する収束流れを与えるように構成されている。

さらに別の態様では、圧縮機と燃焼器とを有するガスタービンエンジンが提供される。燃焼器は、圧縮機と流体連通し、１以上の燃料ノズルアセンブリを有する。燃料ノズルアセンブリは、入口端、出口端、シュラウド内面及びハブ外面を有するスワラアセンブリを含む。この内面は、入口端近傍での第１の直径及び出口端近傍での第２の直径を有し、第１の直径と第２の直径は、示差直径比を定義する。燃料ノズルアセンブリはさらに、スワラアセンブリに結合され、シュラウド内面とハブ外面の間に延在する複数のベーンを含み、これらのベーンはそれぞれ、前縁及び軸方向に離隔した後縁で接合した対向する一対の側壁を有する。これらのベーンはそれぞれ、さらに、前縁に隣接した第１の高さ及び後縁に隣接した第２の高さを有する。第１の高さと第２の高さは、示差高さ比を定義し、示差直径比又は示差高さ比、或いはその両方は、燃料ノズルを通過する収束流れを与えるように構成されている。

例示的なガスタービンエンジンの概略図である。図１に示したガスタービンエンジンで使用される例示的な燃焼器の概略断面図である。図２に示した燃焼器で使用される例示的な燃料ノズルアセンブリの概略断面図である。図３に示した燃料ノズルアセンブリで使用されるスワラアセンブリの断面図である。図４に示したスワラアセンブリで使用される例示的なスワラベーンの一部分の平面図である。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略図である。エンジン１００は、圧縮機１０２及び複数の燃焼器１０４を含む。エンジン１００はさらに、タービン１０８及び圧縮機／タービン共通シャフト１１０（時にロータ１１０とも呼ばれる）を含む。

動作時、燃焼器アセンブリ１０４に圧縮空気が供給されるように、圧縮機１０２を通して空気が流れる。燃焼器アセンブリ１０４内の燃焼域に燃料が導かれ、燃焼域で、燃料は空気と混合され、点火される。燃焼ガスが発生し、発生した燃焼ガスはタービン１０８に導かれ、タービン１０８で、ガス流の熱エネルギーが機械的な回転エネルギーに変換される。タービン１０８は、シャフト１１０に回転可能に結合されており、シャフト１１０を駆動する。

図２は、燃焼器アセンブリ１０４の概略断面図である。燃焼器アセンブリ１０４は、タービンアセンブリ１０８及び圧縮機アセンブリ１０２と流体連通した状態に結合されている。この例示的な実施形態では、圧縮機アセンブリ１０２が、互いに流体連通した状態に結合されたディフューザ１１２及び圧縮機排気プレナム１１４を含む。

この例示的な実施形態では、燃焼器アセンブリ１０４が、燃焼器アセンブリ１０４で使用される複数の燃料ノズルを構造的に支持するエンドカバー２２０を含む。この例示的な実施形態では、燃料ノズルアセンブリ２２２が、燃料ノズルフランジ２４４を介してエンドカバー２２０に結合されている。エンドカバー２２０は、保持ハードウェア（図２には示されていない）によって燃焼器ケーシング２２４に結合されている。燃焼器アセンブリ１０４内には、燃焼器ライナ２２６が、ケーシング２２４に結合され、燃焼室２２８を画成するように配置されている。燃焼器ケーシング２２４と燃焼器ライナ２２６の間には、環状燃焼室冷却通路２２９が画成されている。

室２２８内で発生した燃焼ガスをタービンノズル２３２に向かって導くため、燃焼室２２８にはトランジションピース２３０が結合されている。この例示的な実施形態では、トランジションピース２３０が、外壁２３６に画成された複数の開口２３４を含む。トランジションピース２３０はさらに、内壁２４０と外壁２３６の間に画成された環状通路２３８を含む。内壁２４０は、ガイドキャビティ２４２を画成する。

動作中に、タービンアセンブリ１０８は、シャフト１１０（図１に示す）を介して圧縮機アセンブリ１０２を駆動する。圧縮機アセンブリ１０２が回転すると、図２の矢印で示すように、ディフューザ１１２を通して圧縮空気が導かれる。この例示的な実施形態では、圧縮機アセンブリ１０２から排出された空気の大部分は、圧縮機排気プレナム１１４を通して、燃焼器アセンブリ１０４に向かって導かれ、残りの圧縮空気は、下流へ導かれて、エンジン部品を冷却するために使用される。より具体的には、プレナム１１４内の加圧された圧縮空気は、外壁開口２３４を介してトランジションピース２３０内、及び通路２３８内へ導かれる。空気は、次いで、トランジションピースの環状通路２３８から燃焼室冷却通路２２９内へ導かれ、その後、燃料ノズル２２２内へ導かれる。

燃焼室２２８内で、燃料と空気が混合され、点火される。ケーシング２２４は、燃焼室２２８及びその関連燃焼過程を、周囲の環境、例えば周囲のタービン部品から分離することを容易にする。発生した燃焼ガスは、室２２８から、トランジションピースのガイドキャビティ２４２を通して、タービンノズル２３２に向かって導かれる。

図３は、燃料ノズルアセンブリ２２２の断面図である。燃料ノズルアセンブリ２２２は、入口フローコンディショナ（ＩＦＣ）３００、スワラアセンブリ３０２、環状燃料流体混合通路３０４及び中央拡散炎燃料ノズルアセンブリ３０６を含む、４つの領域に分割されている。燃料ノズルアセンブリ２２２はさらに、入口端３１０及び排出端３１２を含む高圧プレナム３０８を含む。高圧プレナム３０８は、ノズルアセンブリ２２２の境界を画成し、排出端３１２は、ノズルアセンブリ２２２の境界を画成しない。反対に、排出端３１２は、燃焼器反応ゾーン３１４内へ延在する。ＩＦＣ３００は、円筒形の壁３１８及び３２２によって画成された環状流れ通路３１６を含む。壁３１８は、通路３１６の内径３２０を画成し、穴のあいた円筒形の外壁３２２は、外径３２４を画成する。燃料ノズルアセンブリ２２２の上流端３５０には、穴のあいたエンドキャップ３２６が結合されている。この例示的な実施形態では、流れ通路３１６が、１以上の環状ガイドベーン３２８を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、エンドキャップ３２６及び円筒形の外壁３２２に形成された穴を通して、圧縮流体がＩＦＣ３００に入る。さらに、この例示的な実施形態では、ノズルアセンブリ２２２が、可燃性燃料と圧縮流体とを燃焼前に混合することができる気体燃料事前混合回路を画成することを理解すべきである。

次に、図４及び５を参照すると、図４は、スワラアセンブリ３０２の断面図であり、図５は、スワラアセンブリ３０２で使用される例示的なスワラベーン４００の一部分の平面図である。この例示的な実施形態では、スワラアセンブリ３０２が、内面４０４を有する半径方向外側のシュラウド４０２と外面４０８を有する半径方向内側のハブ４０６との間にそれぞれ延在する複数のスワラベーン４００を含む。ベーン４００はそれぞれ、前縁４１０、軸方向に離隔した後縁４１２、並びに前縁４１０及び後縁４１２で接合した対向する一対の側壁４１４及び４１６を含む。側壁４１４及び４１６は、内側ハブ４０６と外側シュラウド４０２の間に延在している。内側ハブ４０６に隣接してベーン根４１８が画成され、外側シュラウド４０２の内面４０４に隣接して、ベーン先端４２０が画成される。

この例示的な実施形態では、外側シュラウド４０２が、スワラアセンブリ３０２の入口４２２及び出口４２４で測定される２つの直径Ｄ₁及びＤ₂を含む内面４０４を有するように形成されている。これに対応して、ベーン４００は、直径Ｄ₁及びＤ₂で測定される、ベーン先端４２０が外側シュラウドの内面４０４の輪郭に実質的に従うような２つの高さＨ₁及びＨ₂を有する。直径Ｄ₁とＤ₂の間の内面４０４に沿って、シュラウド遷移域４２６が延在する。シュラウド遷移域４２６は、ベーン先端４２０に配置されている。ベーン先端４２０にはベーン遷移域４２８が画成され、ベーン高さＨ₁とＨ₂の間の遷移を形成する。この例示的な実施形態では、遷移点４２６及び４２８が、ベーン４００の最大翼弦寸法４２９に隣接する。別の実施形態では、遷移点４２６及び４２８が、前縁４１０から後縁４１２まで測定されるベーン４００の上流側半分の中に位置する。遷移点４２６及び４２８の位置は、スワラアセンブリ３０２の要件に基づいて変更可能に選択することができることを理解すべきである。さらに、遷移点４２６及び４２８のさまざまな位置を選択することによって、流動特性を最適化することができること、並びにさまざまな直径Ｄ₁、Ｄ₂及びベーン高さＨ₁、Ｈ₂を選択することによって、流動特性を最適化することができることを当業者は理解するであろう。

代替実施形態では、直径Ｄ₁とＤ₂の間に曲線状又は流線形の遷移が画成されるように、外側シュラウドの内面４０４が、直径Ｄ₁とＤ₂の間の異なる複数の直径を含むことができる。これに対応して、代替実施形態は、高さＨ₁とＨ₂の間に曲線状又は流線形の遷移が画成されるように、高さＨ₁とＨ₂の間に画成された複数の高さを含むベーン先端４２０を含むことができる。代替実施形態では、外側シュラウドの内面４０４を画成するために使用される複数の遷移域／遷移点４２６及び４２８が存在することができる。さらに、入口直径Ｄ₁と出口直径Ｄ₂の間に流線形の遷移をもたらすことにより、スワラアセンブリ３０２を通るさまざまな流動特性の最適化を容易にすることができることを当業者は理解するであろう。

この例示的な実施形態では、ベーン４００が、単一の翼断面形状５０４からの２つのスワール角５００及び５０２を含むように形成される。翼断面形状５０４は、スワラアセンブリ３０２で使用することができる。第１のスワール角５００は約３０°、第２のスワール角５０２は約４５°である。ベーン４００は、ベーン４００の翼断面形状を変更することなくベーンスワール角を５０２から５００へ低減させることができるように、スワラアセンブリ３０２（図４に示す）に結合される。

直径がＤ₁からＤ₂へ低減するように外側シュラウド４０２を成形することにより、非常に小さいスワール角で、連続的に加速するカスケード流が促進される。一実施形態では、外側シュラウド４０２の直径Ｄ₂を低減させることにより、スワール角が約０度のベーン４００を使用することができる。非常に小さいスワール角の使用は、合成ガス、高水素濃度燃料などの代替燃料の使用を容易にし、最適化する。外側シュラウドの直径をＤ₁からＤ₂へ低減させることにより、収束カスケード流の生成が容易になる。

本明細書に記載する発明は、公知のスワラアセンブリ構成には見られないいくつかの利点をもたらす。例えば、本明細書に記載のスワラアセンブリの１つの利点は、保炎が最適化され、したがって保炎特性が向上することである。別の利点は、燃料ノズル内の収束カスケード流を維持しながら、同時に、スワール角を大幅に低減させることができることである。さらに別の利点は、同じベーン翼断面形状を使用しながら、同時に、スワール角を大幅に低減させることができることである。本発明は、小さなスワール角を使用することにより、高反応性燃料の保炎限界を拡張し、そのため、合成ガス、高水素濃度燃料などの他の燃料源を使用することができるため、最終的に、ガスタービンの柔軟性が向上する。

以上に、ガスタービンエンジン内のベーンスワール角を低減させる方法及びシステムの例示的な実施形態を詳細に説明した。この方法及びシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態には限定されず、反対に、このシステムの部品及び／又はこの方法の段階は、本明細書に記載された他の部品及び／又は段階から独立して、それらとは別個に利用することができる。例えば、この方法を、他の燃料システム及び方法と組み合わせて使用することもでき、この方法は、本明細書に記載された燃料システム及び方法だけを使用して実施することに限定されない。反対に、他の多くのガスタービンエンジン用途に関して、この例示的な実施形態を実現し、利用することができる。

本発明のさまざまな実施形態の特定の特徴が、一部の図面には示されており、別の図面には示されていないことがあるが、これは便宜上そうしたにすぎない。本発明の原理に従って、ある図面の任意の特徴を、別の図面の任意の特徴と組み合わせて参照し、且つ／又は請求することができる。

本発明をその最良の形態を含めて開示するため、並びに任意の装置又はシステムを製作し、使用すること、及び組み込まれた任意の方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することを可能にするために、本明細書はいくつかの例を使用する。特許を受けられる本発明の範囲は、下記の特許請求の範囲によって定義され、この範囲が、当業者が思いつくその他の例を含むことがある。このようなその他の例は、それらが特許請求の範囲の文字表現と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文字表現との差異が実質的にない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲に含まれることが意図されている。

さまざまな特定の実施形態に関して本発明を説明したが、特許請求項の趣旨及び範囲に含まれる変更を加えて、本発明を実施することができることを、当業者は認識するであろう。

１００エンジン
１０２圧縮機アセンブリ
１０４燃焼器アセンブリ
１０８タービンアセンブリ
１１０圧縮機／タービンシャフト
１１２ディフューザ
１１４プレナム
２２０エンドカバー
２２２燃料ノズルアセンブリ
２２４ケーシング
２２６燃焼器ライナ
２２８燃焼室
２２９燃焼室冷却通路
２３０トランジションピース
２３２タービンノズル
２３４複数の開口
２３６外壁
２３８環状通路
２４０内壁
２４２トランジションピースのガイドキャビティ
２４４燃料ノズルフランジ
３００入口フローコンディショナ（ＩＦＣ）
３０２スワラアセンブリ
３０４燃料流体混合通路
３０６火炎燃料ノズルアセンブリ
３０８高圧プレナム
３１０入口端
３１２排出端
３１４燃焼器反応ゾーン
３１６流れ通路
３１８円筒形の壁
３２０内径
３２２円筒形の壁
３２４外径
３２６エンドキャップ
３２８環状ガイドベーン
３５０上流端
４００複数のスワラベーン
４０２外側シュラウド
４０４内面
４０６内側ハブ
４０８外面
４１０前縁
４１２後縁
４１４側壁
４１６側壁
４１８ベーン根
４２０ベーン先端
４２２入口
４２４出口
４２６遷移域／遷移点
４２８遷移点
４２９最大翼弦寸法
５００第１のスワール角
５０２第２のスワール角
５０４翼断面形状

Claims

ガスタービンエンジン（１００）内で使用する燃料ノズル（２２２）であって、当該燃料ノズルが、
入口端（３１０）、出口端（３１２）、シュラウド内面（４０４）及びハブ外面（４０８）を備え、上記内面が、入口端（３１０）で第１の直径（３２０）及び出口端（３１２）で第２の直径（３２４）を画成し、第１の直径と第２の直径が示差直径比を定義するスワラアセンブリ（３０２）と、
スワラアセンブリに結合され、シュラウド内面とハブ外面の間に延在する複数のベーン（４００）と
を備えており、上記ベーンがそれぞれ、前縁（４１０）及び軸方向に離隔した後縁（４１２）で接合した対向する一対の側壁（４１４、４１６）を備え、上記ベーンがそれぞれ、前縁に隣接した第１の高さ及び後縁に隣接した第２の高さを有し、第１の高さと第２の高さが示差高さ比を定義し、示差直径比と示差高さ比のうちの少なくとも一方が、燃料ノズルを通過する収束流れを与えるように構成されている、燃料ノズル（２２２）。
第１の直径が第２の直径よりも大きい、請求項１記載の燃料ノズル（２２２）。
前記内面（４０４）がさらに、第１の直径（３２０）と第２の直径（３２４）の間に画成された１以上のシュラウド遷移域（４２６）を備える、請求項１又は請求項２記載の燃料ノズル（２２２）。
複数のベーンがさらに、第１の高さと第２の高さの間に画成された１以上のベーン遷移域を備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料ノズル（２２２）。
複数のベーン（４００）がさらに、第１の高さと第２の高さの間に画成された１以上のベーン遷移域（４２８）を備え、１以上のベーン遷移域が、１以上のシュラウド遷移域と実質的に整列している、請求項３記載の燃料ノズル（２２２）。
１以上のシュラウド遷移域（４２６）が、前縁（４１０）から後縁（４１２）まで測定される各ベーン（４００）の長さの第１の半分の中に配置されている、請求項３記載の燃料ノズル（２２２）。
１以上のシュラウド遷移域（４２６）が、各ベーン（４００）の最大翼弦寸法に隣接して配置されている、請求項３記載の燃料ノズル（２２２）。
各ベーン（４００）がさらに、０〜６０度のスワール角（５００）を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の燃料ノズル（２２２）。
示差直径比及び差動高さ比が、燃料ノズル内の収束カスケード流の加速を促進するように構成された、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の燃料ノズル（２２２）。
圧縮機（１０２）と、
圧縮機と流体連通し、１以上の燃料ノズルアセンブリ（２２２）を備える燃焼器（１０４）と
を備えるガスタービンエンジンアセンブリ（１００）であって、上記燃料ノズルアセンブリが、
入口端（３１０）、出口端（３１２）、シュラウド内面（４０４）及びハブ外面（４０８）を備え、上記内面が、入口端近傍での第１の直径（３２０）及び出口端近傍での第２の直径（３２４）を有し、第１の直径と第２の直径が示差直径比を定義するスワラアセンブリ（３０２）と、
スワラアセンブリに結合され、シュラウド内面とハブ外面の間に延在する複数のベーン（４００）と
を備えており、上記ベーンがそれぞれ、前縁（４１０）及び軸方向に離隔した後縁（４１２）で接合した対向する一対の側壁（４１４、４１６）を備え、上記ベーンがそれぞれ、前縁に隣接した第１の高さ及び後縁に隣接した第２の高さを有し、第１の高さと第２の高さが示差高さ比を定義し、差動直径比と差動高さ比のうちの少なくとも一方が、燃料ノズルを通過する収束流れを与えるように構成されている、ガスタービンエンジンアセンブリ（１００）。