JP2815953B2 - 接線方向の燃料噴射とベンダジェットを有するタービン用燃焼器 - Google Patents

接線方向の燃料噴射とベンダジェットを有するタービン用燃焼器

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JP2815953B2 JP1501599A JP50159989A JP2815953B2 JP 2815953 B2 JP2815953 B2 JP 2815953B2 JP 1501599 A JP1501599 A JP 1501599A JP 50159989 A JP50159989 A JP 50159989A JP 2815953 B2 JP2815953 B2 JP 2815953B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ガスタービンに関し、さらに詳しくは、
ガスタービンに使用される改良された燃焼器に関するも
のである。
従来の技術 従来から、ガスタービンにおけるタービン入口周辺の
温度分布の均一性を達成することが非常に好ましいこと
と知られている。均一な温度分布は、操作の効率を最大
にするようにホットスポットやコールドスポットを最小
とするとともに、熱ガスにさらされるタービン部品の寿
命を延長する。
環状燃焼器を有するガスタービンにおけるタービン入
口の温度分布の均一さを達成するために、一つは、燃料
が燃焼空気中に均一に分散するのが保証されるとして、
非常に沢山の燃料噴射器が設けられてきた。燃料噴射器
は全く高価であり、その結果、非常に沢山の噴射器の使
用は経済的に満足すべきものではない。さらに、不変量
の燃料消費に対して、システムにおける燃料噴射器の数
が増加するので、各噴射器における燃料の流れ断面積は
より小さくなっている。燃料の流れ通路がだんだん小さ
くなると、噴射器は、燃料中の非常に小さい混雑物によ
ってより詰まり易くなる。
これが、多数の燃料噴射器の使用に当たって取り除く
べき求められる問題点をつくっている。殊に、不良な燃
料噴射器は、環状燃焼器において、ホットスポットやコ
ールドスポットを発生させる、タービン入口の不均一な
温度分布をもたらすものである。
この困難な問題を避けるために、先行技術は、複数の
噴射器を使用する大径の噴射で、このような噴射器があ
る種の接線方向の要素で環状燃焼室に燃料を噴射すると
いうある程度の改良を提案している。もたらされる燃料
と燃焼支持ガスの渦巻は、より均一な燃焼を提供するた
めの燃料と空気のより多くの均一な混合を提供し、かく
して、タービン入口周辺温度のより均一さを達成してい
る。しかしながら、この解決方法は、１個またはそれ以
上の噴射器が詰まった時に、ホットスポットおよび／ま
たはコールドスポットの存在を最小にすることのみを扱
い、コストを減らすために燃料噴射器の数を減少したい
という願望および／または詰まり易い非常に小さい燃料
流れ通路の噴射器の使用を避けることについては扱って
いない。
この発明は、上記問題点の１つまたはそれ以上の克服
を目指している。
発明の要約 ガスタービンのための新しい、改良された環状燃焼室
を提供することがこの発明の第１の目的である。さら
に、詳しくは、燃料噴射器の数が最小とされ、かつ、燃
料噴射器の詰まりの可能性を最小にする目的でタービン
入口周辺の温度分布を均一に保持するところの燃焼器を
提供することがこの発明の目的である。
この発明の典型的な具体例は、圧縮機ブレードとター
ビンブレードを有するロータを含むガスタービンにおい
て、前記目的を達成する。入口は圧縮機ブレードの一方
側に近接して配置され、ディフューザは圧縮機ブレード
の他方側に近接して配置されている。ノズルは、ロータ
の回転を起こさせるようにタービンブレードにホットガ
スを向けるために、タービンブレードに近接して配置さ
れ、環状燃焼器は、ロータの周りに配置されて、ノズル
に連結する出口と出口から離れた主燃焼環状部とを有し
ている。主燃焼環状部に対する複数の燃料噴射器が設け
られ、それらはその主燃焼環状部の周りに実質的に等し
い角度間隔にある。それらは、僅かの接線方向で主燃焼
環状部に燃料を噴射すべく構成されている。少なくとも
等しい数の燃焼支持空気ジェットが、燃料噴射器と交互
に主燃焼環状部の周りに配置されている。ジェットは、
燃焼支持空気を主燃焼環状部に僅かの接線方向で導入す
るように構成されている。かくして、ジェットからの燃
焼支持空気は環状部の周りに燃焼燃料を均一に分配し、
それによって、より少ない燃料噴射器の使用を可能とす
るとともに、ホットスポットやコールドスポットの存在
を避けることを可能にする。さらに、所定のタービンに
対して燃料噴射器の数が最小とされるために、各噴射器
の燃料流路は寸法が大きくなり、それによって詰まりの
可能性が減らされる。
好ましい具体例によれば、ジェットはディフューザと
流体的に連通し、そこから圧縮された空気を受け取って
いる。
非常に好適な具体例において、燃料噴射器は、主燃焼
環状部内に端部を有する燃料ノズルと、燃焼噴射器の燃
料ノズルの端部をそれぞれ取り巻く、燃焼支持空気のた
めの空気霧状化ノズルとからなっている。
この発明では、間隔を置いた関係で燃焼器を取り巻
き、ディフューザと流体連通状態にある圧縮空気ハウジ
ングの使用が考えられている。ジェットは、ハウジング
と燃焼器の境界面に、そこから圧縮された空気を受け取
るために開口している。
非常に好ましい具体例において、燃焼器は内壁と外壁
とを有し、噴射器が、外壁上に配置され、内壁に対して
接線方向で大体噴射するように向けられている。
他の目的と利益は、添付図面に伴って行われる次の詳
細な説明から明らかにされるであろう。
図面の簡単な説明 第１図は、この発明によって作られたタービンのいく
から略図的な断面図、第２図は、第１図の線２−２にほ
ぼ沿った断面図、第３図は、この発明で利用できる燃料
噴射ノズルの従来の型の断片的断面図、第４図は、燃料
噴射ノズルの変形された型の第３図と同様な断面図、お
よび第５図は、さらに変形された燃料噴射ノズルの第３
図と同様な断面図である。
実施例 この発明によって作られたガスタービンの典型的な具
体例が、径方向の流れのガスタービンの形で図面に例示
されている。しかしながら、この発明は、このように限
定されるものでなく、いかなる形のタービンあるいは環
状燃焼器を必要とする他の燃料燃焼装置に対しても適用
可能性を有するものである。
タービンは図示されていないベアリングによって軸受
けされた回転シャフト10を含んでいる。シャフト10の一
端の近傍に入口区域12がある。シャフト10はロータを装
架し、このロータは一般的に14で示され、従来の構造を
有することができるものである。したがって、同様に、
入口12の近くで複数の圧縮機ブレードを含んでいる。圧
縮機ブレードのカバー18がそれに隣接して設けられ、圧
縮機ブレード18の径方向外端の丁度径方向外側に従来の
ディフューザ20がある。
圧縮機ブレード16の反対側に、ロータ14は複数のター
ビンブレード22を有している。タービンブレード122の
丁度径方向外側に、一般的に26で示される燃焼器から燃
焼による熱ガスを受けるべく採用された環状ノズル24が
ある。ブレード16、カバー18およびディフューザ20を含
む圧縮機システムは燃焼室26へ熱い空気を送り、すなわ
ち稀薄用空気通路27を経て、燃焼ガスに沿ってノズル24
に送られる。
すなわち、燃焼室26からの燃焼による熱ガスは、ロー
タ14の回転を起こし、かくしてシャフト10を回転するよ
うに、ノズル24を経てブレード22に向かう。シャフト10
は、勿論、有益な仕事を行うことを要するある主の装置
につながっている。
タービンブレードカバー28は、ノズル24からの流路を
閉じ、拡がるガスをタービンブレード22の区域内に制限
するために、燃焼器26に対して嵌着されている。
燃焼器26はほぼ円筒状の内壁32とほぼ円筒状の外壁34
とを有している。両者は同心であり、燃焼器の内部環状
室38からノズル24への出口として役立つ狭搾区域36へと
変わっている。第３の壁39は、内壁32と外壁234とほぼ
同心であり、環状室38をさらに区画するために、同様に
相互に接続されている。
出口36の反対側で、壁39の近くに、燃焼器26の内部環
状室38は、主燃焼圏40を含んでいる。主燃焼圏40によれ
ば、それは、ここが燃焼の燃焼が第１番目に起こる区域
であることを意味している。他の燃焼は、ある場合に、
主燃焼圏40から下流の出口36の方向で起こるかも知れな
い。前に述べたように、ノズル24を経てタービンブレー
ド22に適用するのに適当な温度にまで、燃焼によるガス
を冷却するために、主燃焼圏40の下流で通路27を通っ
て、燃焼室26稀薄用空気を噴射するために準備がなされ
ている。
とに角、主燃焼圏40は、ほぼ径方向内側の内壁32と、
ほぼ径方向外側の外壁34および壁39とによって区画され
た環状室または環状空間である。
さらに、壁44は壁32および34に対してほぼ同心であ
り、壁34の径方向外側に配置されてい。
壁44は、ディフューザ20の出口に拡がり、かくして、
圧縮機システムから燃焼器26へ圧縮空気を包囲し導くの
に役立っている。
第２図に最もよく見られるように、燃焼器26は多数の
従来の燃焼噴射ノズル50を備え、その１つは第３図に例
示されている。燃料噴射ノズル50は、主燃焼圏40内に配
置された端部52を有し、それらは内壁32に対し僅かばか
り接線方向であるように形付けられている。燃料噴射ノ
ズル50は、燃料の霧状化を達成するために、渦巻き発生
オリフィス53を横切る燃料の圧力降下を慣例的に利用し
ている。圧縮機からの高速の空気が、燃料の霧状化を増
進するためにチューブ54を通って流れる。かくして、チ
ューブ54は空気噴射チューブとして役立っている。
燃焼噴射ノズル50は主燃焼圏40の周りに等しい角度間
隔をあけられており、各１対の近接ノズル50の間には燃
焼支持空気ジェット56が配置されている。ジェット56は
外壁34に置かれ、壁34と壁44によって画成される空気供
給環状室と主燃焼環状室40の間の流体連絡を確立してい
る。これらのジェット56はいくらかくだけた言葉で、こ
れから現れるように、“ベンダ（bender）”ジェットと
名付けられる、これらは、また、方向づけされ、燃焼支
持空気は主燃焼環状室40に、内壁32に僅かの接線方向で
入る。
好ましくは、噴射ノズル50とジェット56は出口36から
遠い、共通の平面あるいは比較的近接した間隔の平面に
ある。このような平面、あるいは２つの平面はシャフト
10の軸を横切っている。
第３図に示される従来のノズル50の代えて、同様に、
第４図に見られるような簡単なチューブ60に取り替える
ことができる。このような場合には、空気噴射チューブ
54を流れる高速の空気が、必要とされる燃料の霧状化
と、同様に好ましくかつ必要な接線方向の燃料と空気の
混合を提供する。
燃料ノズル50あるいはチューブ60の配置は臨界的なも
のではなく、説明されたものと異なる配置も利用するこ
とができることに注目されなければならない。例えば、
各空気噴射チューブ５は、ノズル50またはチューブ60の
受け入れのために側面にポート62が設けられることもで
きる。この発明のこの形は第５図に例示されている。
操作は大体次の通りである。それぞれのノズル50から
発散する燃料は、第２図に最下端のノズル50と一緒に
“下”で示されるような線に沿って中に入る。この線
は、勿論、真っ直ぐであり、その線から燃料がいくらか
発散することが期待されている。時計回り方向で、燃料
は隣接のベンダジェット56と接近するので、ディフュー
ザ20と圧縮機ブレード16から入って来る空気は、燃料ス
トリームの位置を曲線“S"で示されるように、主燃焼環
状部のより中心寄りにそらしたりあるいは曲げたりする
傾向がある。そこには、勿論、この時に乱流の実質的な
発生があり、このような乱流は主燃焼環状部40内の燃焼
の均一性を促進し、これが順に、タービン入口周辺の均
一な温度分布、ノズル24における、およびタービンブレ
ード22の径方向外端における均一な温度分布をもたらす
ことになる。このように均一なタービン入口の温度分布
は、先行技術において必要とされる数のほぼ半分の数の
燃料噴射ノズル50を利用するこの発明によってつくられ
た燃焼器において達成される。換言すれば、各ベンダジ
ェット56は、比較的安価な構造のものであり、より多方
面にわたる燃料噴射ノズル50に取って代わる能力を有し
ている。かくして、実質的なコストの節約がもたらされ
る。
さらに、この発明の原理を用いて燃料噴射ノズル50の
数が半分になった場合には、残りの燃料噴射ノズルの燃
料流れ通路は、これらが円筒状であると仮定すれば、直
径において40％を僅か超える分増加されることができ
る。直径におけるこの増加は、よりトラブルのない装置
を提供するために、燃料噴射ノズル50の詰まりの可能性
を減少するものである。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−113911（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−60124（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−143816（ＪＰ，Ａ) 米国特許4045956（ＵＳ，Ａ) 米国特許3613360（ＵＳ，Ａ) 米国特許4018043（ＵＳ，Ａ)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧縮機ブレードとタービンブレードとを含
    むロータ、 前記圧縮機ブレードの一方側に隣接する入口、 前記圧縮機ブレードの他方側に隣接するディフューザ、 前記タービンブレードに隣接し該タービンブレードに熱
    ガスを指向して前記ロータの回転を起こすノズル、及び 前記ノズルに連結される出口とこの出口から離れている
    主燃焼環状部とを有する、前記ロータの周りの環状燃焼
    器、その周りに実質的に等しい間隔で置かれ、僅かの接
    線方向で前記主燃焼環状部に燃料を噴射するように構成
    された、前記主燃焼環状部に対する複数の燃料噴射器、
    そして、前記燃料噴射器と交互の関係で前記主燃焼環状
    部の周りに配置され、燃焼支持ガスのジェット流を生成
    する複数の狭開口、該狭開口は僅かに接線方向で前記燃
    焼支持ガスを前記主燃焼環状部に導入するように構成さ
    れており、該狭開口からの燃焼支持ガスが前記環状部の
    周りに均一に燃焼燃料を分配するガスタービン。
  2. 【請求項２】前記狭開口が前記ディフューザから圧縮ガ
    スを受け取るために該ディフューザと流体的連絡状態に
    あるところの請求項１記載のガスタービン。
  3. 【請求項３】前記燃料噴射器が、前記主燃焼環状部材に
    端部を有するノズルと、この端部を取り巻く前記燃焼支
    持ガスのための霧状化ノズルとからなるところの請求項
    １記載のガスタービン。
  4. 【請求項４】圧縮ガスハウジングが、それとは離れた関
    係で前記燃焼器を取り巻き、前記ディフューザと流体的
    連絡状態にあって、前記狭開口が前記ハウジングと燃焼
    器との境界に開口し圧縮ガスを前記境界から受け取れる
    ようにしているところの請求項１記載のガスタービン。
  5. 【請求項５】圧縮機ブレードとタービンブレードとを含
    むロータ、 前記圧縮機ブレードの一方側に隣接する入口、 前記圧縮機ブレードの他方側に隣接するディフューザ、 前記タービンブレードに隣接し該タービンブレードに熱
    ガスを指向して前記ロータの回転を起こすノズル、及び 前記ノズルの出口と、それから間隔を置いた内壁と外壁
    とを有する環状燃焼器、前記外壁の周りに実質的に等し
    い角度間隔の位置で、前記内壁にほぼ接線方向に向けら
    れた複数の燃料噴射器、及び、前記外壁に前記燃料噴射
    器に対し交互型で配置された燃焼支持ガスのジェット流
    を生成する複数の狭開口とからなるガスタービン。
  6. 【請求項６】前記狭開口が、又、前記内壁に対してほぼ
    接線方向に向けられているところの請求項５記載のガス
    タービン。
  7. 【請求項７】前記ノズルと前記狭開口が、共通の平面内
    又は比較的に密接な間隔の平面内にあって、前記出口か
    ら離れているところの請求項５記載のガスタービン。
  8. 【請求項８】圧縮機ブレードとタービンブレードとを含
    むロータ、 前記圧縮機ブレードの一方側に隣接する入口、 前記圧縮機ブレードの他方側に隣接するディフューザ、 前記タービンブレードに隣接し該タービンブレードに熱
    ガスを指向して前記ロータの回転を起こすノズル、及び 前記ロータに中心を置き、第１、第２及び第３とほぼ同
    心で間隔を置いた壁を有する、前記ロータの周りの環状
    燃焼器、第２及び第３の壁の径方向内側にある第１の壁
    と第３の壁の径方向内側にある第２の壁、前記ノズルに
    対する出口を有する環状の燃焼器又は燃焼空間を画成す
    る前記第１及び第２の壁と、燃焼のため又は燃焼と希薄
    化のため及び前記第２の壁の冷却のために前記ディフュ
    ーザから圧縮ガスを受け取るための環状マニホールドを
    画成する前記第２及び第３の壁、前記空間内に間隔を置
    いた位置から僅かに接線方向で燃料を噴射するための複
    数の燃料噴射ノズルと、前記噴射器間でそれと交互型に
    置かれ、前記空間と前記マニホールドとを連絡し燃焼支
    持ガスのジェット流を生成する複数の狭開口であって、
    該狭開口が前記燃焼支持ガスを僅かに接線方向で導入す
    ることからなるガスタービン。
  9. 【請求項９】前記狭開口が前記第２の壁に装着されてい
    るところの請求項８記載のガスタービン。
JP1501599A 1987-12-28 1988-12-21 接線方向の燃料噴射とベンダジェットを有するタービン用燃焼器 Expired - Lifetime JP2815953B2 (ja)

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PCT/US1988/004585 WO1989006309A1 (en) 1987-12-28 1988-12-21 Turbine combustor with tangential fuel injection and bender jets

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