JP4958709B2

JP4958709B2 - 燃焼器音響作用の低減を促進する装置

Info

Publication number: JP4958709B2
Application number: JP2007254133A
Authority: JP
Inventors: マーク・アンソニー・ミューラー; ティモシー・ジェイムズ・ヘルド; マーク・パトリック・ケルシー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2008089296A; US20080078181A1; CA2603567C; EP1909030A3; US7631500B2; EP1909030B1; CA2603567A1; EP1909030A2

Description

本発明は、全体的には燃焼器に関し、より詳細には、燃焼器音響作用の低減を促進する方法及び装置に関する。

天然ガスの燃焼中、限定ではないが、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＵＨＣ）、及び窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）のような汚染物質が形成されて、周辺雰囲気に放出される可能性がある。少なくとも幾つかの公知の排出（エミッション）源としては、限定ではないが、ガスタービンエンジン及び他の燃焼システムのような装置が含まれる。エミッション規制基準が厳しくされているので、このようなエミッションの形成を抑制することにより、こうした汚染物質のエミッションを規制することが望ましい。

少なくとも幾つかの公知の燃焼システムは、限定ではないが、乾式低エミッション（ＤＬＥ）燃焼器及び他の希薄予混合燃焼器のような燃焼修正制御技術を実施して、予混合燃料噴射を使用することにより燃焼システムからの汚染物質のエミッション低減を促進している。例えば、少なくとも幾つかの公知のＤＬＥ燃焼器は、希薄混合気及び／又は予混合燃焼を使用して燃焼器火炎温度を下げることにより汚染物質の形成を低減しようと試みている。しかしながら、少なくとも幾つかの公知のＤＬＥ燃焼器は、このような公知のＤＬＥ燃焼器を含む燃焼システムの作動性及び性能を制限する可能性のある燃焼音響作用を生じる。

燃焼音響作用を低減する目的で利用される公知の方法には、以下のものが含まれる。（１）四分の一波長管、共振器、音響ライナ／バッフル、及び／又は他の音響減衰装置による圧力変動の受動的減衰；（２）燃焼室からの圧力変動に対する燃料−空気混合の感度の抑制を促進するための設計特徴部を予混合器に組み込むこと；（３）マルチドーム燃焼器の個々のドーム間、又は単一環状燃焼器の個々の予混合器間で火炎温度を有意に変化させた状態で燃焼器を動作させること；（４）共振モードの減衰を促進するために、燃料及び／又は空気流内に非共振変動を導入する開ループ能動制御、及び／又は（５）圧力振動と熱発生の間のフィードバックに関与する物理的プロセスを結合解除するようにして、燃料及び／又は空気流の擾乱を促進するためにリアルタイムに応答する閉ループ能動制御法。

少なくとも幾つかの公知のＤＬＥ燃焼器は、限定ではないが、予混合燃料及び加圧空気の点火時に発生し得る燃焼の不安定性の結果として形成される可能性がある燃焼誘起の音響波及び燃焼誘起の圧力振動など、燃焼音響作用の抑制を促進する受動及び能動制御の両機能を含む。例えば、予混合器入口に隣接した圧力変動を受動的に減衰させるために四分の一波長管が使用されてきた。また、より少量の燃料を一次燃料噴射位置とは異なる位置で燃焼器に能動的に噴射するために、強化希薄失火（ＥＬＢＯ）燃料回路のような補助的な燃料回路が公知のパイロットスワーラにおいて使用されてきた。

一次燃料回路と比較して、ＥＬＢＯ燃料回路は一般に、ＥＬＢＯ混合気が噴射点から、熱発生が生じる火炎前面まで移動するためにより短い対流時間スケールを必要とする。従って、音響周波数は、一次噴射位置における一次燃料−空気混合と比較すると、ＥＬＢＯ燃料噴射位置におけるＥＬＢＯ燃料−空気混合との間で異なるように相互作用する。その結果、ＤＬＥ燃焼器内の圧力変動の大きさを小さくすることによって燃焼音響作用の低減を促進するために、互いに対して位相がずれている燃料−空気混合気の変動と、燃焼器内の圧力変動に対して位相がずれている少なくとも1つの燃料−空気混合気変動とが生成される。

しかしながら、希薄混合気の燃焼は、燃料−空気混合気の燃空比のあらゆる変化に対しても敏感な熱温度を発生する。燃空比におけるこのような変化は、燃料の流量及び／又は加圧空気の流量の変動によって引き起こされる可能性がある。公知のＤＬＥ燃焼器内を流れる燃料流及び／又は加圧空気流は乱流の可能性があるので、燃料及び／又は加圧空気の流量における変動は、このようなＤＬＥ燃焼器の燃焼室／燃焼域内で圧力擾乱を引き起こす可能性がある。このような圧力擾乱が燃料−空気混合プロセスと相互作用する場合、発生しているどのような熱も変動し、初期圧力擾乱を増強する可能性がある。経時的には、圧力擾乱の大きさが増大することによって、ＤＬＥ燃焼器の部分に損傷を与える可能性がある。その結果、燃焼器構成要素の作動性、エミッション、保守コスト、及び寿命が悪影響を受ける可能性がある。
米国特許出願公開公報第２００９／００５６３３６号

１つの態様において、パイロットスワーラとメインスワーラとを含む少なくとも１つの予混合器組立体を有する燃焼システムを動作させるための方法が提供される。本方法は、メインスワーラをパイロットスワーラに実質的に外接するように結合する段階と、メインスワーラ内に定められた第１の燃料回路に燃料を供給する段階と、メインスワーラ内に位置付けられたスワーラベーンの第１のセットを介して第１の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導する段階とを含む。スワーラベーンの第１のセットの各々は、そこに定められた少なくとも１つの第１の燃料通路を含む。本方法はまた、メインスワーラ内に定められた第２の燃料回路に燃料を供給する段階と、メインスワーラ内に位置付けられたスワーラベーンの第２のセットを介して第２の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導する段階とを含む。スワーラベーンの第２のセットの各々は、そこに定められた少なくとも１つの第２の燃料通路を含む。本方法は更に、シュラウドをスワーラベーンの第１のセット及びスワーラベーンの第２のセットの内の少なくとも一方に流れ連通して結合する段階を含む。シュラウドは、そこに定められた少なくとも１つの第３の燃料通路を含む。

別の態様において、燃焼システムが提供される。本燃焼システムは、パイロットスワーラと、該パイロットスワーラに実質的に外接するように結合されたメインスワーラとを含む。メインスワーラは、そこに定められた第１の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導するためのスワーラベーンの第１のセットを含む。スワーラベーンの第１のセットの各々は、そこに定められた少なくとも１つの第１の燃料通路を含む。メインスワーラはまた、該メインスワーラ内に定められた第２の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導するためのスワーラベーンの第２のセットを含む。スワーラベーンの第２のセットの各々は、そこに定められた少なくとも１つの第２の燃料通路を含む。更に、メインスワーラは、スワーラベーンの第１のセット及びスワーラベーンの第２のセットの内の少なくとも一方に流れ連通して結合されたシュラウドを含む。シュラウドは、そこに定められた少なくとも１つの第３の燃料通路を含む。

更に別の態様において、燃料供給装置が提供される。この燃料供給システムは、メインスワーラ内に定められた第１の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導するためのスワーラベーンの第１のセットを含む。スワーラベーンの第１のセットの各々は、そこに定められた少なくとも１つの第１の燃料通路を含む。燃料供給システムはまた、メインスワーラ内に定められた第２の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導するためのスワーラベーンの第２のセットを含む。スワーラベーンの第２のセットの各々は、そこに定められた少なくとも１つの第２の燃料通路を含む。更に、燃料供給システムは、スワーラベーンの第１のセット及びスワーラベーンの第２のセットの内の少なくとも一方に流れ連通して結合されたシュラウドを含む。シュラウドは、そこに定められた少なくとも１つの第３の燃料通路を含む。

本明細書に記載する例示的な方法及び装置は、メインスワーラシュラウドを介してＥＬＢＯ燃料を供給し燃焼音響作用の低減を促進する強化希薄失火（ＥＬＢＯ）燃料回路を形成することによって公知の燃焼器の欠点を克服する。

「前方」とは、理解を容易にするために、燃焼システムの燃料／吸気側に向かって軸方向上流側にある方向及び位置を指すように本出願全体を通じて使用される点を理解されたい。また、「後方」とは、理解を容易にするために、メインスワーラの出口平面に向かって軸方向下流側にある方向及び位置を指すように本出願全体を通じて使用される点を理解されたい。更に、用語「ＥＬＢＯ」とは、強化希薄失火燃料回路の種々の構成要素を意味し、強化希薄失火燃料回路はＥＬＢＯ燃料を噴射する補助燃料回路であり、該ＥＬＢＯ燃料は、これと共に使用される噴射器とは異なる位置で燃焼器内に位置付けられた一次主燃料噴射器に供給される主燃料の量と比べて噴射される燃料が比較的少量の部分に相当するように本出願全体を通じて使用される点を理解されたい。

図１は、吸気側１２、ファン組立体１４、コアエンジン１８、高圧タービン２２、低圧タービン２４、及び排気側３０を含む例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。ファン組立体１４は、ロータディスク１６から半径方向外向きに延びるファンブレード１５のアレイを含む。コアエンジン１８は、高圧圧縮機１９と燃焼器２０とを含む。ファン組立体１４及び低圧タービン２４が第１のロータシャフト２６によって結合され、高圧圧縮機１９と高圧タービン２２が第２のロータシャフト２８によって結合されて、ファン組立体１４、高圧圧縮機１９、高圧タービン２２、及び低圧タービン２４が、連続して流れ連通し、ガスタービンエンジン１０の中心回転軸３２に対して同軸的に整列するようになる。１つの例示的実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙ（オハイオ州シンシナチ）から商業的に入手可能なＧＥ９０エンジンとすることができる。

作動中、空気は、吸気口側１２を通って流入し、ファン組立体１４を通って高圧圧縮機１９に流れる。加圧空気は燃焼器２０に送られる。燃焼器２０からの空気流は、高圧タービン２２及び低圧タービン２４を駆動した後、排気側３０を通ってガスタービンエンジン１０から出る。

図２は、図１に示すガスタービンエンジン１０などのガスタービンエンジンと共に使用できる予混合器組立体１００を含む公知の燃焼器２０の一部の断面図である。図３は、予混合器組立体１００を含む公知の燃焼器２０の一部の斜視図である。例示的な実施形態において、燃焼器２０は、環状ライナ（図示せず）によって定められる燃焼室／燃焼域４０と、燃焼域４０の上流端を定める少なくとも１つの燃焼器ドーム５０と、各燃焼器ドーム５０の周りに円周方向に間隔を置いて配置されて燃料／空気混合気を燃焼域４０に送る複数の予混合器組立体１００とを含む。

例示的な実施形態において、各予混合器組立体１００は、パイロットスワーラ１１０、環状中央本体１２０、及びメインスワーラ１３０を含む。パイロットスワーラ１１０は、中心回転軸１１３を有するパイロット中央本体１１２、内側環状スワーラ１１４、及び同軸に配置された外側環状スワーラ１１６を含む。内側環状スワーラ１１４は、パイロット中央本体１１２の周りに円周方向に配置され、中心回転軸１１３と同軸に整列する。外側環状スワーラ１１６は、パイロット中央本体１１２及び内側環状スワーラ１１４の周りに円周方向に配置され、中心回転軸１１３と同軸的に整列されている。

環状中央本体１２０は、パイロット中央本体１１２、内側環状スワーラ１１４、及び外側環状スワーラ１１６の周りに円周方向に配置される。また、環状中央本体１２０は、中心回転軸１１３と同軸的に整列し、中央本体キャビティ１２２を定める。更に、環状中央本体１２０は、パイロットスワーラ１１０とメインスワーラ１３０との間に延びる。メインスワーラ１３０は、複数のメインスワーラベーン１４０と、環状メインスワーラキャビティ１７０を定める環状メインスワーラシュラウド１６０とを含む。メインスワーラシュラウド１６０は、メインスワーラベーン１４０の後部１４１に結合されて、これから後方に延びる。

図４は、図２及び図３に示す燃焼器２０と共に使用できる例示的な予混合器組立体２００の拡大断面図である。例示的な実施形態において、予混合器組立体２００は、パイロットスワーラ２１０、環状中央本体２２０、及びメインスワーラ２３０を含む。パイロットスワーラ２１０は、中心回転軸２１３を有するパイロット中央本体２１２、内側環状スワーラ２１４、及び同軸的に配置された外側環状スワーラ２１６を含む。内側環状スワーラ２１４は、パイロット中央本体２１２の周りに円周方向に配置された複数の内側パイロットベーン２１５を含み、中心回転軸２１３と同軸的に整列されている。外側環状スワーラ２１６は、パイロット中央本体２１２及び内側環状スワーラ２１４の周りに円周方向に配置された複数の外側パイロットベーン２１７を含み、中心回転軸２１３と同軸的に整列されている。

環状中央本体２２０は、中心回転軸２１３と同軸的に整列され、中央本体キャビティ２２２を定める。環状中央本体２２０はまた、中央本体キャビティ２２２に流れ連通して結合された複数のオリフィス２２４を含む。更に、環状中央本体２２０は、環状パイロットスワーラ燃料マニホルド２２７及び環状メインスワーラ燃料マニホルド２２８を定める前方端部分２２６を含む。更に、環状中央本体２２０は、パイロットスワーラ１１０とメインスワーラ１３０との間に延びて、予混合器組立体２００を通る燃料流量を制御する。

メインスワーラ２３０は、複数のメインスワーラベーン２４０及び環状メインスワーラシュラウド２６０を含み、この両方は、環状メインスワーラキャビティ２７０を定める。メインスワーラベーン２４０は、後端２４１を含み、環状中央本体２２０の周りに環状に配置される。更に、各メインスワーラベーン２４０は、複数の燃料通路を含む。

例示的な実施形態において、メインスワーラベーン２４０の第１のサブセットは各々、第１の一次燃料通路２４２、複数の噴射オリフィス２４４、及び複数の中間一次燃料／空気通路２４６を含む。更に、メインスワーラベーン２４０の第１のサブセットは各々、後方強化希薄失火（ＥＬＢＯ）燃料マニホルド２４９を部分的に定める。第１の一次燃料通路２４２は、噴射オリフィス２４４を介してメインスワーラ２３０と流れ連通して結合される。第１の一次燃料通路２４２は、メインスワーラベーン２４０の全長にわたっては延びていないので、第１の一次燃料通路２４２は、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド２４９に流れ連通して結合されない。

メインスワーラベーン２４０の第２のサブセットの各々は、第２の一次燃料通路２４８を含む。更に、メインスワーラベーン２４０の第２のサブセットの各々は、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド２４９を部分的に定める。第２の一次燃料通路２４８は、それぞれのメインスワーラベーン２４０の全長にわたって延びるので、メインスワーラベーン２４０の第２のサブセットは、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド２４９に流れ連通して結合される。例示的な実施形態において、メインスワーラベーン２４０は、各第１のサブセットのメインスワーラベーン２４０が各第２のサブセットのメインスワーラベーン２４０と交互にされるように、中心回転軸２１３の周りに円周方向に配置される。

環状メインスワーラシュラウド２６０は、メインスワーラベーン２４０の後端２４１に結合されてこれから後方に延び、各後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド２４９を部分的に定める。更に、環状メインスワーラシュラウド２６０は、メインＥＬＢＯ燃料通路２６２と複数のＥＬＢＯ燃料開口２６４とを含む。各ＥＬＢＯ燃料開口２６４は、それぞれの後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド２４９に流れ連通して結合される。

ＤＬＥ燃焼器２０（図１−図３に示す）のような関連する燃焼器の作動中、燃料供給システムは、パイロット燃料回路と主燃料回路とを使用して、燃料を燃焼域４０（図１−図３に示す）のような燃焼域に燃料を供給する。パイロット燃料回路は、パイロットスワーラ燃料マニホルド２２７を介してパイロットスワーラ２１０にパイロット燃料（図示せず）を供給する。燃料及び空気は、内側及び外側環状スワーラ２１４、２１６内でそれぞれ混合され、燃料−空気混合気は、内側及び外側パイロットベーン２１５、２１７を介して中央本体キャビティ２２２に供給される。加えて、パイロット燃料もまた、オリフィス２２４を介してパイロットスワーラ２１０に供給することができる。

主燃料回路は、メインスワーラ燃料マニホルド２２８を介して燃料をメインスワーラ２３０に供給する主一次燃料回路及びメインＥＬＢＯ燃料回路を含む。主一次燃料回路では、メインスワーラベーン２４０の第１のサブセットは各々、噴射オリフィス２４４を介して中間一次燃料／空気通路２４６に流れ連通して結合された第１の一次燃料通路２４２を含む。その結果、主一次燃料（図示せず）は、メインスワーラ燃料マニホルド２２８から一次主燃料噴射位置に供給される。具体的には、主一次燃料は、環状メインスワーラシュラウド２６０の前方に位置付けられたメインスワーラキャビティ２７０の一部に供給される。

メインＥＬＢＯ燃料回路において、メインスワーラベーン２４０の第２のサブセットの各々は、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド２４９に流れ連通して結合された第２の一次燃料通路２４８を含む。その結果、ＥＬＢＯ燃料（図示せず）は、メインスワーラ燃料マニホルド２２８から二次主燃料噴射位置に供給される。より具体的には、例示的な実施形態において、ＥＬＢＯ燃料は、メインスワーラベーン２４０の第１及び第２のサブセットの後方で且つメインスワーラ２３０の燃料−空気混合気噴射出口平面に隣接して位置付けられたメインスワーラキャビティ２７０の一部に供給される。

ＥＬＢＯ燃料は、一次主燃料噴射位置に供給される主燃料の量と比べて、補助燃料として燃焼器に供給される主燃料の比較的少量の部分である。しかしながら、ＥＬＢＯ燃料は、一次主燃料噴射位置と異なる位置で燃焼器内に供給される。より具体的には、例示的な実施形態において、ＥＬＢＯ燃料は、一次主燃料噴射位置の下流側で供給される。ＥＬＢＯ燃料は、主燃料の比較的少量の部分であるので、第２の一次燃料通路２４８の量及び／又はサイズを制御することにより、供給されるＥＬＢＯ燃料の量を制御することが望ましい。

例示的な予混合器組立体２００において、主燃料回路と比べて、ＥＬＢＯ燃料回路は、ＥＬＢＯ燃料−空気混合気が二次主燃料噴射位置から熱発生が起こる燃焼域４０のような燃焼域まで移動する短い対流時間スケールを必要とする。従って、音響周波数は、一次主燃料噴射位置における一次燃料／空気混合と比べて、二次主燃料噴射位置におけるＥＬＢＯ燃料−空気混合との間で異なるように相互作用する。更に、互いに対して位相がずれている燃料−空気混合気の変動と、燃焼器内の圧力変動に対して位相がずれている少なくとも1つの燃料−空気混合気変動とが生成される。

ＥＬＢＯ燃料回路は、燃料の流量及び／又は加圧空気の流量の変動によって引き起こされる可能性のある、燃料−空気混合気におけるあらゆる燃空比変化の低減を促進するので、ＥＬＢＯ燃料回路は、ＤＬＥ燃焼器における圧力変動の大きさを小さくすることにより、燃焼音響作用の低減を促進する。更に、圧力擾乱が燃料−空気混合プロセスと相互作用して初期圧力擾乱を増強しないように、ＥＬＢＯ燃料回路は、ＤＬＥ燃焼器の燃焼域４０のような燃焼室／燃焼域内の圧力擾乱の低減を促進する。従って、ＥＬＢＯ燃料回路は、ＤＬＥ燃焼器の部分を損傷する可能性のある圧力擾乱の大きさの低減を促進する。その結果、例示的な実施形態において、ＥＬＢＯ燃料回路は、燃焼器構成要素の作動性の向上、エミッションの減少、保守コストの低減、及び寿命の延長を促進する。

例示的な実施形態において、メインスワーラベーン２４０の第１及び第２のサブセットは、それぞれ一次及び二次主燃料噴射位置に流れ連通して結合される。その結果、メインスワーラキャビティ２７０の一次主燃料噴射位置に主燃料及びＥＬＢＯ燃料を噴射するために、あらゆるメインスワーラベーン２４０が使用できる訳ではない。従って、予混合器組立体２００は、汚染物質の形成及び燃焼音響作用を規制するために、一次主燃料噴射位置における燃料−空気混合のレベルの最適化を促進するものではない。しかしながら燃料回路及びメインＥＬＢＯ燃料回路の各々に燃料を供給するのに必要とされるのは、メインスワーラ燃料マニホルド２２８のような１つの燃料マニホルドだけである。従って、このような構成は、二次主燃料噴射位置へのＥＬＢＯ燃料の固定パーセンテージの分配を促進する。

図５は、図２及び図３に示す燃焼器２０と共に使用できる予混合器組立体３００の代替の実施形態の拡大断面図である。例示的な実施形態において、予混合器組立体３００は、パイロットスワーラ３１０、環状中央本体３２０、及びメインスワーラ３３０を含む。パイロットスワーラ３１０は、中心回転軸を有するパイロット中央本体３１２、内側環状スワーラ３１４、及び同軸的に配置された外側環状スワーラ３１６を含む。内側環状スワーラ３１４は、パイロット中央本体３１２の周りに円周方向に配置された複数の内側パイロットベーン３１５を含み、中心回転軸と同軸的に整列する。外側環状スワーラ３１６は、パイロット中央本体３１２及び内側環状スワーラ３１４の周りに円周方向に配置された複数の外側パイロットベーン３１７を含み、中心回転軸と同軸的に整列する。

環状中央本体３２０は、中心回転軸と同軸的に整列され、中央本体キャビティ３２２を定める。環状中央本体３２０はまた、中央本体キャビティ３２２に流れ連通して結合された複数のオリフィス３２４を含む。更に、環状中央本体３２０は、環状パイロットスワーラ燃料マニホルド３２７及び環状メインスワーラ燃料マニホルド３２８を定める前端部分３２６を含む。更に、環状中央本体３２０は、パイロットスワーラ３１０とメインスワーラ３３０との間に延びて、予混合器組立体３００を通る燃料流量を制御する。

メインスワーラ３３０は、複数のメインスワーラベーン３４０と環状メインスワーラシュラウド３６０とを含み、これら両方は、環状メインスワーラキャビティ３７０を定める。メインスワーラベーン３４０は、後端３４１を含み、中央本体３２０の周りに環状に配置される。更に、各メインスワーラベーン３４０は、複数の燃料通路を含む。

例示的な実施形態において、メインスワーラベーン３４０は各々、第１の一次燃料通路３４２、複数の噴射オリフィス３４４、複数の中間一次燃料／空気通路３４６、及び中間ＥＬＢＯ燃料通路３４７を含む。更に、メインスワーラベーン３４０は各々、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド３４９を部分的に定める。第１の一次燃料通路３４２は、噴射オリフィス３４４を介してメインスワーラ３３０に流れ連通して結合される。第１の一次燃料通路３４２は、それぞれのメインスワーラベーン３４０の全長にわたって延びるので、各メインスワーラベーン３４０はまた、中間ＥＬＢＯ燃料通路３４７を介して後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド３４９に流れ連通して結合される。

環状メインスワーラシュラウド３６０は、メインスワーラベーン３４０の後端３４１に結合されてこれから後方に延び、各後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド３４９を部分的に定める。加えて、環状メインスワーラシュラウド３６０は、メインＥＬＢＯ燃料通路３６２と複数のＥＬＢＯ燃料開口３６４とを含む。各ＥＬＢＯ燃料開口３６４は、それぞれの後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド３４９に流れ連通して結合される。

ＤＬＥ燃焼器２０（図１−図３に示す）のような関連する燃焼器の作動中、燃料供給システムは、パイロット燃料回路及び主燃料回路を使用して、燃焼域４０（図１−図３に示す）のような燃焼域に燃料を供給する。パイロット燃料回路は、パイロットスワーラ燃料マニホルド３２７を介してパイロットスワーラ３１０にパイロット燃料を供給する。燃料及び空気は、それぞれ内側及び外側環状スワーラ３１４、３１６内で混合され、燃料−空気混合気は、それぞれのパイロットベーン３１５、３１７を介して中央本体キャビティ３２２に供給される。加えて、パイロット燃料はまた、オリフィス３２４を介してパイロットスワーラ３１０に供給することもできる。

主燃料回路は、メインスワーラ燃料マニホルド３２８を介して燃料をメインスワーラ３３０に供給する主一次燃料回路とメインＥＬＢＯ燃料回路とを含む。主一次燃料回路において、メインスワーラベーン３４０は各々、噴射オリフィス３４４を介して中間一次燃料／空気通路３４６に流れ連通して結合された一次燃料通路３４２を含む。その結果、主一次燃料（図示せず）は、メインスワーラ燃料マニホルド３２８から一次主燃料噴射位置に供給される。具体的には、主一次燃料は、環状メインスワーラシュラウド３６０の前方に位置付けられたメインスワーラキャビティ３７０の一部に供給される。

メインＥＬＢＯ燃料回路において、メインスワーラベーン３４０はまた、第１の一次燃料通路３４２に加えて中間ＥＬＢＯ燃料通路３４７を含む。従って、各メインスワーラベーン３４０はまた、中間ＥＬＢＯ燃料通路３４７を介して中間一次燃料／空気通路３４６に流れ連通して結合される。その結果、ＥＬＢＯ燃料（図示せず）は、メインスワーラ燃料マニホルド３２８から二次主燃料噴射位置に供給される。より具体的には、例示的な実施形態において、ＥＬＢＯ燃料は、メインスワーラベーン３４０の後方でメインスワーラ３３０の燃料−空気混合気噴射出口平面に隣接して位置付けられたメインスワーラキャビティ３７０の一部に供給される。

ＥＬＢＯ燃料は、一次主燃料噴射位置に供給される主燃料の量と比べて、燃焼器内に補助燃料として供給される主燃料の比較的少量の部分である。しかしながら、ＥＬＢＯ燃料は、一次主燃料噴射位置とは異なる位置において燃焼器内に供給される。より具体的には、例示的な実施形態において、ＥＬＢＯ燃料は、一次主燃料噴射位置の下流側で供給される。ＥＬＢＯ燃料は、主燃料の比較的少量の部分であるので、中間ＥＬＢＯ燃料通路３４７の量及び／又はサイズを制御することにより供給されるＥＬＢＯ燃料の量を制御することが望ましい。

例示的な予混合器組立体３００において、一次燃料回路と比べて、ＥＬＢＯ燃料回路は、ＥＬＢＯ混合気が二次主燃料噴射位置から、熱発生が起こる燃焼域４０のような燃焼域まで移動する短い対流時間スケールを必要とする。従って、音響周波数は、一次主燃料噴射位置における一次燃料／空気混合と比べて、二次主燃料噴射位置におけるＥＬＢＯ燃料−空気混合との間で異なるように相互作用する。更に、互いに対して位相がずれた燃料−空気混合気変動と、ＤＬＥ燃焼器内の圧力変動に対して位相がずれた少なくとも1つの燃料−空気混合気変動とが生成される。

ＥＬＢＯ燃料回路は、燃料の流量及び／又は加圧空気の流量の変動によって引き起こされる可能性のある、燃料−空気混合気におけるあらゆる燃空比変化の低減を促進するので、ＥＬＢＯ燃料回路は、ＤＬＥ燃焼器における圧力変動の大きさを小さくすることにより、燃焼音響作用の低減を促進する。更に、圧力擾乱が燃料−空気混合プロセスと相互作用して初期圧力擾乱を増強しないように、ＥＬＢＯ燃料回路は、ＤＬＥ燃焼器の燃焼域４０のような燃焼室／燃焼域内の圧力擾乱の低減を促進する。従って、ＥＬＢＯ燃料回路は、ＤＬＥ燃焼器の構成要素を損傷する可能性のある圧力擾乱の大きさの低減を促進する。その結果、例示的な実施形態において、ＥＬＢＯ燃料回路は、燃焼器構成要素の作動性の向上、エミッションの減少、保守コストの低減、及び寿命の延長を促進する。

例示的な実施形態において、メインスワーラベーン３４０は、一次及び二次主燃料噴射位置に流れ連通して各々結合される。従って、メインスワーラ燃料マニホルド３２８のような１つの燃料マニホルドだけが主一次燃料回路及びメインＥＬＢＯ燃料回路の各々に燃料を供給する。その結果、主一次燃料及びＥＬＢＯ燃料は独立して変えることができない。その代わりに、一次燃料回路とＥＬＢＯ燃料回路との間の燃料流分割は、それぞれの中間一次燃料／空気通路３４６及び中間ＥＬＢＯ燃料通路３４７の直径の有効面積によって制御される。しかしながら、すべてのメインスワーラベーン３４０は、メインスワーラキャビティ３７０のそれぞれの一次及び二次主燃料噴射位置内への主一次燃料及びＥＬＢＯ燃料の両方の供給を促進する。その結果、すべてのメインスワーラベーン３４０は、一次主燃料噴射位置における燃料−空気混合のレベルの最適化を促進する。従って、このような構成は、二次主燃料噴射位置へのＥＬＢＯ燃料の固定パーセンテージの分配を促進する。

図６は、図２及び図３に示す燃焼器２０と共に使用できる予混合器組立体４００の別の代替の実施形態の拡大断面図である。例示的な実施形態において、予混合器組立体４００は、パイロットスワーラ４１０、環状中央本体４２０、及びメインスワーラ４３０を含む。パイロットスワーラ４１０は、中心回転軸を有するパイロット中央本体４１２、内側環状スワーラ４１４、及び同軸的に配置された外側環状スワーラ４１６を含む。内側環状スワーラ４１４は、パイロット中央本体４１２の周りに円周方向に配置された複数の内側パイロットベーン４１５を含み、中心回転軸と同軸的に整列する。外側環状スワーラ４１６は、パイロット中央本体４１２及び内側環状スワーラ４１４の周りに円周方向に配置された複数の外側パイロットベーン４１７を含み、中心回転軸と同軸的に整列する。

環状中央本体４２０は、中心回転軸と同軸的に整列して、中央本体キャビティ４２２を定める。環状中央本体４２０はまた、中央本体キャビティ４２２に流れ連通して結合された複数のオリフィス４２４を含む。更に、環状中央本体４２０は、環状パイロットスワーラ燃料マニホルド４２７、環状メインスワーラ燃料マニホルド４２８、及び環状前方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４２９を定める前端部分４２６を含む。更に、環状中央本体４２０は、パイロットスワーラ４１０とメインスワーラ４３０との間に延びて、予混合器組立体４００を通る燃料流量を制御する。

メインスワーラ４３０は、複数のメインスワーラベーン４４０と環状メインスワーラシュラウド４６０とを含み、これら両方は、環状メインスワーラキャビティ４７０を定める。メインスワーラベーン４４０は、その後端４４１を含み、環状中央本体４２０の周りに環状に配置される。更に、各メインスワーラベーン４４０は、複数の燃料通路を含む。

例示的な実施形態において、メインスワーラベーン４４０の第１のサブセットは各々、第１の一次燃料通路４４２、複数の噴射オリフィス４４４、及び複数の中間一次燃料／空気通路４４６を含む。更に、メインスワーラベーン４４０の第１のサブセットは各々、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４４９を部分的に定める。第１の一次燃料通路４４２は、噴射オリフィス４４４を介してメインスワーラ４３０に流れ連通して結合される。第１の一次燃料通路４４２は、メインスワーラベーン４４０の全長にわたって延びていないので、主燃料通路は、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４４９に流れ連通して結合されない。

メインスワーラベーン４４０の第２のサブセットは各々、第２の一次燃料通路４４８を含む。更に、メインスワーラベーン４４０の第２のサブセットは各々、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４４９を部分的に定める。第２の一次燃料通路４４８は、それぞれのメインスワーラベーン４４０の全長にわたって延びるので、メインスワーラベーン４４０の第２のサブセットは、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４４９に流れ連通して結合される。例示的な実施形態において、メインスワーラベーン４４０は、各第１のサブセットメインスワーラベーン４４０が各第２のサブセットメインスワーラベーン４４０と交互にされるように中心回転軸の周りに配置される。

環状メインスワーラシュラウド４６０は、メインスワーラベーン４４０の後端４４１に結合されてこれから後方に延び、各後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４４９を部分的に定める。加えて、環状メインスワーラシュラウド４６０は、メインＥＬＢＯ燃料通路４６２と複数のＥＬＢＯ燃料開口４６４とを含む。各ＥＬＢＯ燃料開口４６４は、それぞれのＥＬＢＯ燃料マニホルド４４９に流れ連通して結合される。

ＤＬＥ燃焼器２０（図１−図３に示す）のような関連する燃焼器の作動中、燃料供給システムは、パイロット燃料回路及び主燃料回路を使用して、燃焼域４０（図１−図３に示す）のような燃焼域に燃料を供給する。パイロット燃料回路は、パイロットスワーラ燃料マニホルド４２７を介してパイロットスワーラ４１０にパイロット燃料（図示せず）を供給する。燃料及び空気は、それぞれ内側及び外側環状スワーラ４１４、４１６内で混合され、燃料−空気混合気は、それぞれのパイロットベーン４１５、４１７を介して中央本体キャビティ４２２に供給される。加えて、パイロット燃料はまた、オリフィス４２４を介してパイロットスワーラ４１０に供給することができる。

主燃料回路は、それぞれメインスワーラ燃料マニホルド４２８及び前方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４２９を介して燃料をメインスワーラ４３０に供給する主一次燃料回路とメインＥＬＢＯ燃料回路とを含む。主一次燃料回路において、メインスワーラベーン４４０の第１のサブセットは各々、噴射オリフィス４４４を介して中間一次燃料／空気通路４４６に流れ連通して結合された第１の一次燃料通路４４２を含む。その結果、主一次燃料（図示せず）は、メインスワーラ燃料マニホルド４２８から一次主燃料噴射位置に供給される。具体的には、主一次燃料は、環状メインスワーラシュラウド４６０の前方に位置付けられたメインスワーラキャビティ４７０の一部に供給される。

メインＥＬＢＯ燃料回路において、メインスワーラベーン４４０の第２のサブセットは各々、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４４９に流れ連通して結合された第２の一次燃料通路４４８を含む。その結果、ＥＬＢＯ燃料（図示せず）は、前方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４２９から二次主燃料噴射位置に供給される。より具体的には、ＥＬＢＯ燃料は、メインスワーラベーン４４０の第１及び第２のサブセットの後方でメインスワーラ４３０の燃料−空気混合気噴射出口平面に隣接して位置付けられたメインスワーラキャビティ４７０の一部に供給される。

ＥＬＢＯ燃料は、一次主燃料噴射位置に供給される主燃料の量と比べて、燃焼器内に補助燃料として供給される主燃料の比較的少量の部分である。しかしながら、ＥＬＢＯ燃料は、一次主燃料噴射位置とは異なる位置において燃焼器内に供給される。より具体的には、例示的な実施形態において、ＥＬＢＯ燃料は、一次主燃料噴射位置の下流側で供給される。ＥＬＢＯ燃料は、主燃料の比較的少量の部分であるので、第２の一次燃料通路４４８の量及び／又はサイズを制御することにより供給されるＥＬＢＯ燃料の量を制御することが望ましい。

例示的な予混合器組立体４００において、一次燃料回路と比べて、ＥＬＢＯ燃料回路は、ＥＬＢＯ燃料−空気混合気が二次主燃料噴射位置から熱発生が起こる燃焼域４０のような燃焼域まで移動する短い対流時間スケールを必要とする。従って、音響周波数は、一次主燃料噴射位置における一次燃料／空気混合と比べて、二次主燃料噴射位置におけるＥＬＢＯ燃料−空気混合との間で異なるように相互作用する。更に、互いに対して位相がずれた燃料−空気混合気変動と、ＤＬＥ燃焼器内の圧力変動に対して位相がずれた少なくとも1つの燃料−空気混合気変動とが生成される。

例示的な実施形態において、メインスワーラベーン４４０の第１及び第２のサブセットは、それぞれ一次及び二次主燃料噴射位置に流れ連通して結合される。その結果、主燃料及びＥＬＢＯ燃料をメインスワーラキャビティ４７０の一次主燃料噴射位置に噴射するために、あらゆるメインスワーラベーン４４０が使用できる訳ではない。従って、予混合器組立体４００は、汚染物質の形成及び燃焼音響作用を規制するために一次主燃料噴射位置における燃料−空気混合のレベルの最適化を促進するものではない。しかしながら、メインスワーラ燃料マニホルド４２８は、主一次燃料を主一次燃料回路に供給し、前方ＥＬＢＯ燃料マニホルド４２９は、ＥＬＢＯ燃料をメインＥＬＢＯ燃料回路に別個に供給する。その結果、主一次燃料及びＥＬＢＯ燃料は、独立して変えることができる。従って、このような構成は、二次主燃料噴射位置に対するＥＬＢＯ燃料の可変パーセンテージの分配を促進する。

各例示的な実施形態において、上述のメインスワーラは、それぞれのメインスワーラベーンの全長にわたって延びる燃料通路を有するＥＬＢＯ燃料回路を含む。このような燃料通路は、後方ＥＬＢＯ燃料マニホルドに流れ連通して結合される。各後方ＥＬＢＯ燃料マニホルドは、メインＥＬＢＯ燃料通路及び環状メインスワーラシュラウドの複数のＥＬＢＯ燃料開口に流れ連通して結合される。

その結果、ＥＬＢＯ燃料は、メインスワーラベーンの後方でメインスワーラの混合気噴射出口平面に隣接して位置付けられたメインスワーラキャビティの一部である二次主燃料噴射位置に供給される。従って、互いに対して位相がずれた燃料−空気混合気変動と、燃焼器内の圧力変動に対して位相がずれた少なくとも1つの燃料−空気混合気変動とが生成されて、ＤＬＥ燃焼器内における圧力変動の大きさを小さくすることによって燃焼音響作用の低減を促進する。更に、燃料及び／又は加圧空気の流量の変動は、圧力擾乱の大きさの低減を促進するように制御することができる。更に、構成要素の作動性の向上、エミッションの減少、保守コストの低減、及び寿命の延長を促進することができる。

燃焼器燃料回路の例示的な実施形態について上記で詳細に説明された。燃料回路は、本明細書に記載した燃焼器と共に使用することに限定されず、本明細書に記載された他の燃焼器構成要素とは独立して別個に利用することができる。更に、本発明は、上記で詳細に説明された燃焼器燃料回路の実施形態に限定されない。燃焼器燃料回路の他の変形形態を請求項の精神及び範囲内で利用することができる。

本発明を種々の具体的な実施形態に関して説明してきたが、本発明は、請求項の精神及び範囲内にある修正形態で実施することができる点は当業者であれば理解するであろう。

燃焼器を含む例示的な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と共に使用できる予混合器組立体を含む例示的な公知の燃焼器の一部の断面図。図２に示す公知の燃焼器の部分の斜視図。図２及び図３に示す燃焼器と共に使用できる例示的な予混合器組立体の拡大断面図。図２及び図３に示す燃焼器と共に使用できる予混合器組立体の代替の実施形態の拡大断面図。図２及び図３に示す燃焼器と共に使用できる予混合器組立体の別の代替の実施形態の拡大断面図。

符号の説明

１０ガスタービンエンジン
１２吸気口側
１４ファン組立体
１５ファンブレード
１６ロータディスク
１８コアエンジン
１９高圧圧縮機
２０乾式低エミッション（ＤＬＥ）燃焼器
２２高圧タービン
２４低圧タービン
２６第１のロータシャフト
２８第２のロータシャフト
３０排気側
３２中心回転軸
４０燃焼室／燃焼域
５０燃焼器ドーム
１００予混合器組立体
１１０パイロットスワーラ
１１２パイロット中央本体
１１３中心回転軸
１１４内側環状スワーラ
１１６外側環状スワーラ
１２０環状中央本体
１２２中央本体キャビティ
１３０メインスワーラ
１４０メインスワーラベーン
１４１後端
１６０環状メインスワーラシュラウド
１７０環状メインスワーラキャビティ
２００予混合器組立体
２１０パイロットスワーラ
２１２パイロット中央本体
２１３中心回転軸
２１４内側環状スワーラ
２１５内側パイロットベーン
２１６外側環状スワーラ
２１７外側パイロットベーン
２２０環状中央本体
２２２中央本体キャビティ
２２４オリフィス
２２６前端部分
２２７パイロットスワーラ燃料マニホルド
２２８メインスワーラ燃料マニホルド
２３０メインスワーラ
２４０メインスワーラベーン
２４１後端
２４２第１の一次燃料通路
２４４噴射オリフィス
２４６燃料／空気通路
２４８第２の一次燃料通路
２４９後方強化希薄失火（ＥＬＢＯ）燃料マニホルド
２６０環状メインスワーラシュラウド
２６２メインＥＬＢＯ燃料通路
２６４ＥＬＢＯ燃料開口
２７０環状メインスワーラキャビティ
３００予混合器組立体
３１０パイロットスワーラ
３１２パイロット中央本体
３１４内側環状スワーラ
３１５内側パイロットベーン
３１６外側環状スワーラ
３１７外側パイロットベーン
３２０環状中央本体
３２２中央本体キャビティ
３２４オリフィス
３２６前端部分
３２７パイロットスワーラ燃料マニホルド
３２８メインスワーラ燃料マニホルド
３３０メインスワーラ
３４０メインスワーラベーン
３４１後端
３４２第１の一次燃料通路
３４４噴射オリフィス
３４６燃料／空気通路
３４７中間ＥＬＢＯ燃料通路
３４９後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド
３６０環状メインスワーラシュラウド
３６２メインＥＬＢＯ燃料通路
３６４ＥＬＢＯ燃料開口
３７０環状メインスワーラキャビティ
４００予混合器組立体
４１０パイロットスワーラ
４１２パイロット中央本体
４１４内側環状スワーラ
４１５内側パイロットベーン
４１６外側環状スワーラ
４１７外側パイロットベーン
４２０環状中央本体
４２２中央本体キャビティ
４２４オリフィス
４２６前端部分
４２７パイロットスワーラ燃料マニホルド
４２８メインスワーラ燃料マニホルド
４２９前方ＥＬＢＯ燃料マニホルド
４３０メインスワーラ
４４０メインスワーラベーン
４４１後端
４４２第１の一次燃料通路
４４４噴射オリフィス
４４６燃料／空気通路
４４８第２の一次燃料通路
４４９後方ＥＬＢＯ燃料マニホルド
４６０環状メインスワーラシュラウド
４６２メインＥＬＢＯ燃料通路
４６４ＥＬＢＯ燃料開口
４７０環状メインスワーラキャビティ

Claims

パイロットスワーラ（２１０）と、
前記パイロットスワーラに外接するように結合されたメインスワーラ（２３０）と、
を備える燃焼システム（２０）であって、
前記メインスワーラが、
前記メインスワーラ内に定められた第１の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導するためのスワーラベーン（２４０）の第１のセットであって、その各々がそこに定められた少なくとも１つの第１の燃料通路（２４２）を含むスワーラベーン（２４０）の第１のセットと、
前記メインスワーラ内に定められた第２の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導するためのスワーラベーンの第２のセットであって、その各々がそこに定められた少なくとも１つの第２の燃料通路（２４８）を含むスワーラベーンの第２のセットと、
前記スワーラベーンの第１のセットと前記スワーラベーンの第２のセットとの内の少なくとも一方に流れ連通して結合されたシュラウド（２６０）であって、そこに定められた少なくとも１つの第３の燃料通路（２６２）を含むシュラウド（２６０）と、
を備え、
前記第１の燃料回路が更に、前記少なくとも１つの第１の燃料通路（２４２）に燃料を供給するための第１の環状マニホルド（２２８）を備え、
前記第２の燃料回路が更に、前記少なくとも１つの第２の燃料通路（２４８）に燃料を供給するための前記第１の環状マニホルド（２２８）を備える
ことを特徴とする燃焼システム（２０）。
前記シュラウド（２６０）が、前記燃焼システム内で発生される燃焼音響作用の低減を促進する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム（２０）。
前記第１の燃料通路（２４２）及び前記第２の燃料通路（２４８）が少なくとも１つの共通燃料通路（３４７）を含み、前記メインスワーラベーン（２４０、３４０）の第１及び第２のセットが各々前記共通の燃料通路に供給される燃料に渦流を誘導するようにする、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム（２０）。
前記スワーラベーン（２４０）の第１及び第２のセットと前記メインスワーラシュラウド（２６０）との間に位置付けられた第２の環状マニホルド（２４９）を更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム（２０）。
前記第２の燃料回路が更に、前記少なくとも１つの第２の燃料通路（２４８、４４８）に燃料を供給するための第３の環状マニホルド（４２９）を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム（２０）。
パイロットスワーラ（２１０）と、
前記パイロットスワーラに外接するように結合されたメインスワーラ（２３０）と、
を備える燃料供給装置であって、
前記メインスワーラが、
前記メインスワーラ内に定められた第１の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導するためのスワーラベーン（２４０）の第１のセットであって、その各々がそこに定められた少なくとも１つの第１の燃料通路（２４２）を含むスワーラベーン（２４０）の第１のセットと、
前記メインスワーラ内に定められた第２の燃料回路に供給される燃料に渦流を誘導するためのスワーラベーンの第２のセットであって、その各々がそこに定められた少なくとも１つの第２の燃料通路（２４８）を含むスワーラベーンの第２のセットと、
前記スワーラベーンの第１のセットと前記スワーラベーンの第２のセットとの内の少なくとも一方に流れ連通して結合されたシュラウド（２６０）であって、そこに定められた少なくとも１つの第３の燃料通路（２６２）を含むシュラウド（２６０）と、
を備え、
前記第１の燃料回路が更に、前記少なくとも１つの第１の燃料通路（２４２）に燃料を供給するための第１の環状マニホルド（２２８）を備え、
前記第２の燃料回路が更に、前記少なくとも１つの第２の燃料通路（２４８）に燃料を供給するための前記第１の環状マニホルド（２２８）を備える
ことを特徴とする燃料供給装置。
前記シュラウド（２６０）が、前記燃焼システム内で発生される燃焼音響作用の低減を促進する、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料供給装置。
前記第１の燃料通路（２４２）及び前記第２の燃料通路（２４８）が少なくとも１つの共通燃料通路（３４７）を含み、前記メインスワーラベーン（２４０、３４０）の第１及び第２のセットが各々前記共通の燃料通路に供給される燃料に渦流を誘導するようにする、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料供給装置。
前記スワーラベーン（２４０）の第１及び第２のセットと前記メインスワーラシュラウド（２６０）との間に位置付けられた第２の環状マニホルド（２４９）を更に備える、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料供給装置。
前記第２の燃料回路が更に、前記少なくとも１つの第２の燃料通路（２４８、４４８）に燃料を供給するための第３の環状マニホルド（４２９）を備える、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料供給装置。