JP4118051B2

JP4118051B2 - タービンエンジン燃焼器に空気を供給するための方法及び装置

Info

Publication number: JP4118051B2
Application number: JP2002003998A
Authority: JP
Inventors: マールワン・アル−ローブ; クリフォード・スティーブン・クリービ; フーベルト・スミス・ロバーツ，ジュニア; アンソニー・ポール・グリーンウッド
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: US6651439B2; US20020092303A1; JP2002242697A; EP1223382A2; EP1223382A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、一般的に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燃焼器に関する。
【０００２】
【発明の背景】
公知のジェットエンジン内では、空気は比較的高い軸流速度で燃焼器を出る。圧力損失を減少させると同時に燃焼効率の増大を図るために、空気速度は、それが燃焼器に入るときに減少させられる。より具体的には、燃焼器は、空気流を減速させるディフューザとして知られている入口区域を含む。
【０００３】
エンジン燃料消費率（ＳＦＣ）に対する空気流拡散の影響を少なくするために、燃焼器内での拡散過程は、ディフューザ下流の空気流の比較的高い静圧回復をもたらし、同時に流体損失を減少させなければならない。拡散は、ディフューザの有効面積比として知られる比率である、ディフューザ入口面積に対するディフューザ出口面積の比率で決定される。比較的低い圧力損失でもって所定の圧力回復を達成するために、少なくとも一部の公知のディフューザは、ディフューザの入口面積と出口面積との間で測定した場合の比較的長い長さを有する。ディフューザの長さが増大すると、エンジン重量が増大する。しかしながら、公知のディフューザの範囲内では、ディフューザの長さが減少すると静圧回復が減少する。
【０００４】
拡散過程の改善を図るため、少なくとも一部の公知のディフューザは、円周方向に延びるスプリッタによって分離された２つのディフューザ流路を含む。各流路は、元の単一流路よりも小さいので、所望有効面積比を得るためにこの２つの流路は高さを増大させていた。単一流路を出る空気流は、２流路ディフューザを出る空気流のそれに比較してより一様であるのが普通であるが、往々にして単一流路からの流れは燃焼器内で充分には広がらず、燃焼器の性能に悪影響を及ぼす。
【特許文献１】
米国特許５，３３５，５０１号公報
【特許文献２】
特開平０４−２５１１１８号公報
【０００５】
【発明の概要】
例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン用燃焼器は、燃焼器のダンプ圧力損失の減少を図り、燃焼器及びエンジンの性能を改善する。燃焼器は、指向された空気流を燃焼器内に拡散するディフューザを含む。ディフューザは、外側壁と、内側壁と、外側壁と内側壁の間に位置する複数の中間羽根とを含む。中間羽根は半径方向に間隔を置いて離して配置され、各中間羽根は、それぞれのディフューザ壁から半径方向に間隔を置いて配置され、ディフューザ内に少なくとも３つのディフューザ通路を形成する。より具体的には、外側通路と、内側通路と、中央通路とが、中間羽根によって形成される。ディフューザは、ガスタービンエンジンがエンジン圧力損失もしくは燃料消費率ＳＦＣを犠牲にすることなく、高面積比並びに減少されたエンジン長さと重量を備えることを可能にする。
【０００６】
使用中、ディフューザの中間羽根は、並行して働く３つの分離された通路中に空気流を分割する。より具体的には、外側通路は、軸方向空気流を拡散させ半径方向外向きに導き、ダンプ損失を減少させると同時に燃焼器内の圧力回復の改善を図り、中央通路は、軸方向空気流を拡散させ空気流を軸方向に維持し、流れ損失の最小限化を図り、また内側通路は、空気流を拡散させ軸方向空気流を半径方向内向きに導き、ダンプ損失を減少させると同時に燃焼器内の圧力回復の改善を図る。結果として、ディフューザは、燃焼器のダンプ損失の減少を促進し、エンジンの特定の燃料消費率ＳＦＣを犠牲にすることなく燃焼器性能を改善する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、低圧圧縮機１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６と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と、低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１シャフト２２によって連結され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２シャフト２４によって連結される。１つの実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチのＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＡｉｒｃｒａｆｔＥｎｇｉｎｅｓから市販されているＬＭ６０００エンジンである。エンジン１０はまた、それを通って延びる中心長手方向対称軸２６を含む。
【０００８】
作動中、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４へ供給される。高度に加圧された空気が燃焼器１６へ供給される。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８と２０を駆動し、ノズル２８を通ってガスタービンエンジン１０を出る。
【０００９】
図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で使用される燃焼器１６の断面図である。図３は、図２に示す領域３における燃焼器１６の拡大図である。燃焼器１６は、環状外側ライナ４０と、環状内側ライナ４２と、外側及び内側ライナ４０及び４２それぞれの間に延びるドーム状端部４４とを含む。外側ライナ４０は、燃焼器ケーシング４５から半径方向内方に間隔を置いて配置され、内側ライナ４２と共に燃焼室４６を形成する。
【００１０】
燃焼器ケーシング４５は、ほぼ環状であり、ディフューザ４８から下流に延びている。燃焼室４６は、ほぼ形状が環状であり、ライナ４０と４２との間に位置している。外側ライナ４０と燃焼器ケーシング４５は外側通路５２を形成し、また内側ライナ４２と内側燃焼器ケーシング４７は内側通路５４を形成する。内側ライナ４２は、内側燃焼器ケーシング４７から半径方向外方に間隔を置いて配置される。外側及び内側ライナ４０及び４２は、ディフューザ４８から下流に配置されたタービンノズル５６まで延びる。例示的な実施形態において、外側及び内側ライナ４０及び４２の各々は、一連の段６０を備える複数のパネル５８を含み、各々の段６０が燃焼器ライナ４０及び４２の区分された部分を形成している。
【００１１】
外側ライナ４０と内側ライナ４２の各々は、それぞれカウル６４と６６を含む。内側カウル６６と外側カウル６４は、パネル５８の上流に位置し、開口部６８を形成する。より具体的には、外側及び内側ライナパネル５８は、直列に接続され、それぞれカウル６６及び６４から下流に延びている。
【００１２】
例示的な実施形態において、燃焼器のドーム状端部４４は、単一環状構成で配列された環状ドーム７０を含む。１つの実施形態において、燃焼器のドーム状端部４４は、二重環状構成で配列された複数のドーム７０を含む。第２の実施形態において、燃焼器のドーム状端部４４は、三重環状構成で配列された複数のドーム７０を含む。ドーム７０は、燃焼器外側ライナ４０に対して固着された外側端部７２と、燃焼器内側ライナ４２に対して固着された内側端部７４とを含む。
【００１３】
燃焼器１６は、燃料供給源（図示せず）に接続され、燃焼器ケーシング４５を貫通して延びる燃料ノズル８０を介して燃料を供給される。より具体的には、燃料ノズル８０は、カウル開口部６８を通して延び、燃焼器の中心長手方向対称軸８１に関してほぼ同軸である方向（図示せず）に燃料を吐出する。燃焼器１６はまた、パイロット燃料噴射器（図示せず）から燃料を受け、また燃料ノズル８０から下流に位置する、燃焼器ケーシング４５を貫通して延びる燃料点火器８２を含む。
【００１４】
ディフューザのダンプ（即ち、放出）領域８６は、ドーム７０及び燃料ノズル８０の上流に位置する。ディフューザのダンプ領域８６は、燃焼器が、燃焼器圧力回復として知られている、圧縮機１４を出る空気流の静圧を増大させることを可能にする。より具体的には、ディフューザのダンプ領域８６は、加圧空気流をディフューザ４８から受ける。ディフューザ４８は、環状であり、エンジン中心長手方向対称軸２６の周りに同軸的に配置される。
【００１５】
ディフューザ４８は、環状の半径方向外側壁９０と、外側壁９０から半径方向内方に間隔を置いて配置された環状の半径方向内側壁９２とを含む。外側壁９０は、前縁部分９４と後縁部分９６を含む。内側壁９２は、前縁部分１００と後縁部分１０２を含む。ディフューザ４８は、外側壁後縁部分９６が外側壁前縁部分９４から下流にかつ半径方向外側に位置するように、また、内側壁後縁部分１０２が内側壁前縁部分１００から下流にかつ半径方向内側に位置するように、発散している。従って、前縁部分９４と１００に関して測定されたディフューザ４８の有効入口断面積の環状空間の高さ１０６は、後縁部分９６と１０２に関して測定されたディフューザ４８の有効出口断面積の合計高さ（図示せず）より小さい。より具体的には、有効出口断面積の環状空間の合計高さは、それぞれディフューザ通路１４０、１４２及び１４４の各々の環状空間の高さ１０７、１０８及び１０９を合計することによって求められる。１つの実施形態において、ディフューザ４８は、高面積比を有する。１つの実施形態においては、ディフューザ４８は、作動中にロータの冷却と耐久性を改善するために、低温分割抽気を行なう複数の半径方向ストラット（図示せず）を備えている。
【００１６】
複数の中間羽根１１０は、ディフューザの内側壁９２と外側壁９０それぞれの間に配置される。１つの実施形態において、中間羽根１１０は、薄い軽量材料で製作される。より具体的には、ディフューザ４８は、それぞれディフューザ４８の前縁１１６から後縁１１８まで延びる、第１中間羽根１１２と第２中間羽根１１４とを含む。第１中間羽根１１２は、第２中間羽根１１４と外側壁９０との間に位置する。より具体的には、第１中間羽根１１２は、第２中間羽根１１４から半径方向外方に、かつ外側壁９０から半径方向内方に間隔を置いて配置される。
【００１７】
第１中間羽根１１２は、空気力学的形状になっている。例示的な実施形態において、第１中間羽根１１２の前縁部分１２０は、第１中間羽根１１２の後縁部分１２２よりも薄い。更に、例示的な実施形態において、第１中間羽根１１２の半径方向外側面１２４及び半径方向内側面１２６の両方とも、燃焼器の中心長手方向対称軸８１に対して半径方向外向きに湾曲している。
【００１８】
第２中間羽根１１４は、空気力学的形状になっており、第１中間羽根１１２とディフューザ内側壁９２との間に位置している。より具体的には、第２中間羽根１１４は、第１中間羽根１１２から半径方向内方に、かつディフューザ内側壁９２から半径方向外方に、間隔を置いて配置される。例示的な実施形態において、第２中間羽根１１４の前縁部分１３０は、第２中間羽根１１４の後縁部分１３２よりも薄い。
【００１９】
中間羽根１１０は、ディフューザ前縁１１６からディフューザ後縁１１８まで延びている複数の流れ通路１３８を形成する。より具体的には、中間羽根１１０は、外側通路１４０と、中央通路１４２と、内側通路１４４を形成する。外側通路１４０は、外側壁９０と第１中間羽根１１２の間に位置し、ディフューザ４８に入る空気流の一部を、燃焼器の中心長手方向対称軸８１に対して僅かに半径方向外向きに導く。
【００２０】
中央通路１４２は、外側及び内側通路１４０及び１４４それぞれの間に位置し、より具体的には、第１及び第２中間羽根１１２及び１１４それぞれの間に形成される。中央通路１４２は、ディフューザ４８に入る空気流の一部を燃焼器の中心長手方向対称軸８１に対してほぼ平行する方向（図示せず）に軸方向外側に指向させる。
【００２１】
内側通路１４４は、第２中間羽根１１４とディフューザ内側壁９２の間に形成される。内側通路１４４は、ディフューザ４８に入る空気流の一部を燃焼器の中心長手方向対称軸８１に対して僅かに半径方向内向きに指向させる。
【００２２】
作動中、空気は低圧圧縮機１２（図１に示す）を通って流れ、加圧された空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４へ供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に供給され、ディフューザ４８に入る。ディフューザの中間羽根１１０は、並行して働く３つの分離されたディフューザ通路１３８中に空気流を分割する。具体的には、外側通路１４０に入る空気流は、燃焼器ディフューザのダンプ領域８６中へ放出されるのに先立って、拡散され半径方向外向きに導かれ、中央通路１４２に入る空気流は、燃焼器ディフューザのダンプ領域８６中へ拡散され軸方向に導かれ、また、内側通路１４４に入る空気流は、燃焼器ディフューザのダンプ領域８６中へ放出されるのに先立って、拡散され半径方向内向きに導かれる。
【００２３】
空気流は、ディフューザ４８を出るときに、半径方向外向きに、軸方向に、そして半径方向内向きに放出されるので、空気流は、軸流ディフューザの場合よりもドーム７０及び燃焼室４６全体にわたってより一様に拡散される。結果として、燃焼器ディフューザのダンプ領域８６内のダンプ損失は減少され、また燃焼器圧力回復は改善される。
【００２４】
更に、エンジン燃料消費率ＳＦＣを犠牲にすることなく、燃焼室４６内の一層効果的な圧力回復が図られる。
【００２５】
上記のガスタービンエンジン用燃焼器システムは、対費用効果がよく、かつ信頼性がある。燃焼器システムは、３つのディフューザ通路を形成する１対の中間羽根を備えるディフューザを含む。外側通路は空気流を半径方向外向きに導き、中央通路は空気流を軸方向に放出し、また内側通路は空気流を半径方向内向きに導く。結果として、ディフューザは、燃焼室内のダンプ損失の減少と燃焼器性能の改善とを促進する。
【００２６】
本発明を、様々な特定の実施形態により説明してきたが、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形によって実施できることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンで使用される燃焼器の断面図。
【図３】図２に示す領域３における燃焼器の拡大図。
【符号の説明】
１０ガスタービンエンジン
１６燃焼器
４８ディフューザ
６８カウル開口部
８０燃料ノズル
８１燃焼器の中心長手方向対称軸
８６ディフューザのダンプ領域
９０外側壁
９２内側壁
１１０中間羽根
１１２外側中間羽根
１１４内側中間羽根
１１６ディフューザ前縁
１１８ディフューザ後縁
１４０外側通路
１４２中央通路
１４４内側通路

Claims

外側壁（９０）と、内側壁（９２）と、前記外側壁と前記内側壁の間に半径方向に間隔を置いて配置された内側中間羽根（１１４）及び外側中間羽根（１１２）からなる中間羽根（１１０）とを含むディフューザ（４８）を通してガスタービンエンジンの燃焼器（１６）に空気流を供給するための方法であって、
加圧空気流を軸方向に前記燃焼器ディフューザへ指向させる段階と、
前記内側中間羽根（１１４）の前縁部分（１３０）は該内側中間羽根の後縁部分（１２２）より薄く、外側中間羽根（１１２）の前縁部分（１２０）は該外側中間羽根の後縁部分（１２２）より薄く構成されており、該外側中間羽根と前記外側壁との間の外側通路（１４０）によって前記加圧空気流を前記燃焼器の長手方向対称軸（８１）に対し半径方向外向きに導くと共に、前記外側及び内側羽根の間の中央通路（１４２）によって前記加圧空気流を前記長手方向対称軸（８１）に平行に且つ前記ガスタービンエンジンの軸（２６）方向外側に導き、且つ、前記内側中間羽根と前記内側壁との間の内側通路（１４４）によって前記加圧空気流を前記長手方向対称軸（８１）に対し半径方向内向きに導く段階と、
を含むことを特徴とする方法。
加圧空気流を軸方向に指向させる前記段階は、前記燃焼器（１６）に流入する前記空気流を、前記ディフューザの前縁部分（９４）の有効入口断面積より該ディフューザの後縁部分（９６）の有効出口断面積の方が大きい高面積比で拡散する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
燃焼器（１６）に流入する空気流を拡散するように構成されたガスタービンエンジン燃焼器用ディフューザ（４８）であって、
外側壁（９０）と、
内側壁（９２）と、
前記外側と内側壁の間に半径方向に間隔を置いて配置された内側中間羽根（１１４）及び外側中間羽根（１１２）からなる中間羽根（１１０）と、
を含み、
前記内側中間羽根（１１４）の前縁部分（１３０）は該内側中間羽根の後縁部分（１３２）より薄く、外側中間羽根（１１２）の前縁部分（１２０）は該外側中間羽根の後縁部分（１２２）より薄く構成されており、
前記外側壁と外側中間羽根との間の外側通路（１４０）は、前記加圧空気流を前記燃焼器の長手方向対称軸（８１）に対し半径方向外向きに導き、前記外側及び内側羽根の間の中央通路（１４２）は、前記加圧空気流を前記長手方向対称軸（８１）に平行に且つ前記ガスタービンエンジンの軸（２６）方向外側に導き、前記内側中間羽根と前記内側壁との間の内側通路（１４４）は、前記加圧空気流を前記長手方向対称軸（８１）に対し半径方向内向きに導くよう配置されていることを特徴とするディフューザ（４８）。
前記ディフューザの前縁部分（９４）の有効入口断面積より該ディフューザの後縁部分（９６）の有効出口断面積の方が大きい高面積比を有することを特徴とする、請求項３に記載のディフューザ（４８）。
請求項３又は４に記載のディフューザ（４８）を備えるガスタービンエンジン（１０）用の燃焼器（１６）。
請求項５に記載の燃焼器（１６）を備えるガスタービンエンジン（１０）。