JP5393938B2 - ガスタービンエンジンの排出を低減する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンとともに使用される燃焼器に関する。

既知のタービンエンジンは、空気を圧縮する圧縮機を含み、この空気を適当に燃料と混合して燃焼器に送り、燃焼器において燃焼室内でこの混合気に点火して高温の燃焼ガスを発生させる。より詳細には、少なくとも一部の既知の燃焼器は、ドームアセンブリと、カウリングと、燃焼ガスをタービンに送るためのライナとを含み、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給すると同時に、飛行中の飛行機を推進させる、または発電機などの負荷に電力を供給するための有効な仕事を発生させる。さらに、少なくとも一部の既知の燃焼器は、イグナイタ、プライマノズルおよび／またはパイロット燃料ノズルなど、予め選択したエンジン動作中に燃焼ガス内の混合気の点火を容易にするために使用される点火装置を含む。

少なくとも一部の既知の燃料噴射器は、液体燃料、気体燃料、または液体燃料と気体燃料の混合燃料を燃焼器に供給することができる２元燃料噴射器である。このような燃焼器の排出の低減を促進するために、少なくとも一部の既知の燃焼器は、亜酸化窒素の排出の低減を促進する水噴射システムを含む。このようなシステムでは、液体燃料動作中に予め燃料に水を混合しておき、これを燃料噴射器を通じて燃焼器内に噴射する。１つの燃料循環路内で水と液体燃料とを混合することにより、液体燃料と水とを別個に最適化する必要がなく、燃料と水の混合物の流れおよび霧化を最適化することになるので、中間的な設計となる。しかし、既知の燃料噴射器では、燃料流が大きくなると燃料と水の混合物の扱いが困難になる可能性があるので、水を噴射することにより得られる利点が制限されることがある。
特開２０００−１９３２４２号公報

一態様では、ガスタービンエンジンを組み立てる方法が提供される。この方法は、第２の噴射循環路が第１の噴射循環路と第３の噴射循環路の間に位置するように配列された独立した３つの噴射循環路を含む、エンジン内に燃料を噴射するための燃料ノズルを、エンジン内に取り付けるステップと、ノズル内に画定された環状吐出開口を有する第１の噴射循環路に、液体燃料源を結合するステップと、水が環状吐出開口と流体連絡するように第２の噴射循環路および第３の噴射循環路の一方に水源を結合するステップとを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用の燃料ノズルが提供される。この燃料ノズルは、３つの噴射循環路を含む。第１の噴射循環路は、環状吐出開口を含み、ノズルよりも下流側で液体燃料をガスタービンエンジン中に噴射する。第２の噴射循環路は、第１の噴射循環路とほぼ同心円状に位置合わせされる。第３の噴射循環路は、第１の噴射循環路とほぼ同心円状に位置合わせされ、第２の噴射循環路が第１の噴射循環路と第３の噴射循環路の間に位置するようになっている。第２および第３の噴射循環路の一方は、ノズルよりも下流側でガスタービンエンジン中に水を噴射するためのものである。第２の噴射循環路および第３の噴射循環路の一方は、環状吐出開口を含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンは、燃焼室と少なくとも１つの燃料ノズルとを含む燃焼器を含む。少なくとも１つの燃料ノズルは、３つの噴射循環路を含む。第１の噴射循環路は、環状吐出開口を含み、燃焼室内に液体燃料のみを噴射するためのものである。第２の噴射循環路は、第１の噴射循環路および第３の噴射循環路とほぼ同心円状に位置合わせされ、第２の噴射循環路が第１の噴射循環路と第３の噴射循環路の間に延びるようになっている。第２の噴射循環路および第３の噴射循環路の一方は、環状吐出口を含む。第２の噴射循環路および第３の噴射循環路の一方は、燃焼室内に水のみを噴射するためのものである。

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を示す概略図である。エンジン１０は、高圧タービン１８および低圧タービン２０も含む。圧縮機１２とタービン２０は第１のシャフト２２で結合され、圧縮機１４とタービン１８は第２のシャフト２１で結合される。

動作中には、低圧圧縮機１２を通って空気が流れ、圧縮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。こうして生じた高圧で圧縮された空気が、燃焼器１６に送られる。燃焼器１６から出た空気流は、タービン１８および２０を駆動し、その後ガスタービンエンジン１０から出る。

図２は、ガスタービンエンジン１０とともに使用することができる例示的な燃焼器１６の一部分を示す断面図である。燃焼器１６は、環状外側ライナ４０と、環状内側ライナ４２と、外側ライナ４０と内側ライナ４２の間に延びるドーム状端部４４とを含む。外側ライナ４０および内側ライナ４２は、燃焼器ケーシング４６から径方向内側に離間しており、これらの間に燃焼室４８が画定されている。燃焼器ケーシング４６は概ね環状であり、燃焼器１６を囲むように延びている。燃焼室４８の形状も概ね環状であり、ライナ４０と４２の間に画定されている。

以下でさらに詳細述べるように、燃料ノズル５０は、ドーム状端部４４を貫通して延び、燃焼室４８内に燃料を吐出する。一実施形態では、燃料ノズル５０は、燃焼器１６とほぼ同心円状になるように位置合わせされる。この例示的な実施形態では、燃料ノズル５０は、吸入口５４と、噴射口または吐出チップ５４と、それらの間に延びる本体部分５８とを含む。

図３は、燃料ノズル５０の一部を示す拡大断面図であり、図４は燃料ノズル５０の端面図である。燃料ノズル５０は、複数の噴射循環路８０と、それらの中に延びる対称中心軸８１とを含む４重環状燃料ノズルである。さらに詳細には、噴射循環路８０が燃料ノズル５０内で互いに流体連絡しないように、噴射循環路８０の経路は、燃料ノズル５０内でそれぞれ独立に決定されている。

燃料ノズル５０は、液体燃料噴射循環路８２と、気体燃料噴射循環路８４と、水噴射循環路８６とを含む。液体燃料噴射循環路８２は、液体燃料のみを下流側の燃焼室４８内に噴射する液体燃料源とそれぞれ流体連絡した１次燃料噴射循環路８８と２次燃料噴射循環路９０とを含む。１次燃料噴射循環路８８は、ノズル５０内をこれとほぼ同心円状に環状吐出開口９４まで延びる環状燃料通路９２を含む。この例示的な実施形態では、燃料通路９２および吐出開口９４はそれぞれトロイド形である。

この例示的な実施形態では、燃料通路９２はノズル５０内を対称軸８１に対してほぼ同軸に延びており、通路９２が対称軸８１から径方向距離Ｄ_ｐｆの位置となり、通路９２を流れる燃料がエルボ１００を通るまでは対称軸８１とほぼ平行に流れるようになっている。エルボ１００は、吐出開口９４より上流側に、これと近接して位置しており、液体燃料が通路９２から対称軸８１に向かって内側に吐出されるように、通路９２の先細部分１０２に液体燃料を送り込む。

２次燃料噴射循環路９０は、ノズル５０内をこれとほぼ同心円状に環状吐出開口９４まで延びる環状燃料通路１１０を含む。この例示的な実施形態では、燃料通路１１０はトロイド形であり、燃料通路９２より径方向外側に位置している。より詳細には、この例示的な実施形態では、燃料通路１１０は、燃料通路９２および対称軸８１に対してほぼ同心円状に位置合わせされている。したがって、通路１１０内を流れる液体燃料は、エルボ１１４を通るまでは対称軸８１とほぼ平行に流れる。エルボ１１４は、吐出開口９４より上流側に、これと近接して位置しており、液体燃料が通路１１０から対称軸８１に向かって内側に吐出されるように、通路１１０の先細部分１１６に液体燃料を送り込む。

ノズル吐出チップ５６は、開口９４と流体連絡した状態で開口９４から下流側に末広に延びるノズル部分１２０を含む。したがって、通路の先細部分１０２および１１６と、開口９４と、ノズル末広部分１２０とが組み合わさって、ノズル吐出チップ５６から吐出される流れの制御性をより高めるベンチュリを構成している。より詳細には、吐出チップ５６内で開口９４がノズル部分１２０に対してこのような相対位置にあることにより、ノズル吐出チップ５６内の燃料の滞留時間がより短縮され、ノズル吐出チップ５６内でコーキングが起きる可能性もさらに低下するようになっている。

水噴射循環路８６は、燃焼室４８に水のみを供給するために使用され、ノズル５０内をこれとほぼ同心円状に環状吐出開口１３２まで延びる環状水噴射通路１３０を含む。この例示的な実施形態では、燃料通路１３０はトロイド形であり、燃料通路１１０より径方向外側に位置している。より詳細には、この例示的な実施形態では、水噴射通路１３０は、水源に結合され、燃料通路９２および１１０ならびに対称軸８１に対してほぼ同心円状に位置合わせされている。したがって、通路１３０を流れる水は、環状吐出開口１３２から吐出されるまで対称軸８１とほぼ平行に流れる。この例示的な実施形態では、開口１３２は、開口９４よりも一定距離だけ下流側に位置している。したがって、吐出開口１３２が吐出開口９４に対してこのように配置されることにより、開口９４から吐出される液体燃料よりも広い噴霧角で開口１３２から水が吐出されることが保障されるので、亜酸化窒素がさらに低減される。さらに、液体燃料の噴霧角の方が小さいので、ベンチュリの後端部に向けて液体燃料を送ることが容易になるので、滞留時間が短縮され、コーキングの可能性が低下する。

気体燃料噴射循環路８４は、所定のエンジン動作状態の間に循環路８４が気体燃料のみを燃焼室４８に供給するように、気体燃料循環路に結合される。気体燃料噴射循環路８４は、円周方向に離間した複数の吐出開口１４２まで、ノズル５０内をこれとほぼ同心円状に延びる環状燃料通路１４０を含む。この例示的な実施形態では、燃料通路１４０はトロイド形であり、水噴射通路１３０より径方向外側に位置している。代替実施形態では、径方向に見て、水噴射通路１３０が１次燃料噴射循環路の燃料通路９２と気体燃料噴射循環路の燃料通路１４０の間に位置する。この実施形態では、２次燃料噴射循環路の燃料通路１１０は、気体燃料噴射通路１４０よりも径方向外側に位置する。より詳細には、この例示的な実施形態では、気体燃料噴射通路１４０は、燃料通路９２および１１０ならびに対称軸８１に対してほぼ同心円状に位置合わせされる。したがって、通路１４０内を流れる気体燃料は、吐出開口１４２から吐出されるまで、対称軸８１とほぼ平行に流れる。

この例示的な実施形態では、気体燃料噴射開口１４２は、対称軸８１に対して斜めに配向される。したがって、開口１４２から吐出される気体燃料は、対称軸８１から離れるように外側に向かって放出される。

初期エンジン動作中、およびエンジンアイドリング動作中には、１次燃料噴射循環路８８のみを使用して、燃焼室４８に燃料を供給する。より詳細には、１次燃料噴射循環路８８は、エンジンの始動およびエンジンアイドリング動作への移行に必要な低燃料流の霧化を行う。

より高出力での動作の間は、２次燃料噴射循環路９０を介して動作に必要な残りの液体燃料を噴射し、また気体燃料噴射循環路８４を介して気体燃料を噴射することができる。一実施形態では、２次燃料噴射循環路９０は、高出力エンジン動作に必要な全液体燃料流の約９５％までを供給する。この動作中には、水噴射循環路８６を介して水を燃焼室４８に導入する。水の噴射を行うことで、燃焼室４８内での亜酸化窒素の生成がさらに低減される。

さらに、この例示的な実施形態では、水噴射循環路８６内で水流を渦巻かせることによって液体の水の薄い膜を形成することにより、霧化を促進する。代替実施形態では、圧縮機から吐出されるブリード空気を使用して、水流の霧化を促進する。さらに別の代替実施形態では、天然ガス流を使用して、水流の霧化を促進する。

独立した噴射循環路を介して燃料を噴射するので、これら複数の独立した噴射循環路８０により、燃焼室４８内に水を噴射しない液体燃料乾燥モード、液体燃料／ＮＯ_ｘ低減水動作モード、気体燃料／ＮＯ_ｘ低減水動作モードなどの各動作モードに対して、各循環路を独立して最適化することが容易になる。したがって、全てのエンジン動作出力設定で循環路８０の最適化が容易になる。

上述の燃料ノズルは、燃焼器内で生じる亜酸化窒素の放出を低減するための費用効果および信頼性の高い手段を提供する。この燃料ノズルは、複数の独立した燃焼室内に噴射される流体のさらなる最適化をもたらす噴射循環路を含む。より詳細には、燃料ノズル内または燃料ノズルより上流側で、水と燃料が混合されることがないので、それぞれの流れを独立して最適化することができる。その結果として、実質的に全てのエンジン動作状態で亜酸化窒素の放出の低減を促進する噴射方法が実現する。

上記では、燃料ノズルの例示的な実施形態について詳細に説明した。説明した燃料ノズルの各構成要素は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されず、各燃料ノズルの構成要素は、本明細書に記載のその他の構成要素とは独立して別個に利用することができる。例えば、複数の噴射循環路は、その他の燃料ノズルとともに、またはその他のエンジンの燃焼システムと組み合わせて使用することもできる。

様々な具体的な実施形態に関連して本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲内で様々な修正を加えて本発明を実施することができることは、当業者なら理解されるであろう。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。

例示的なガスタービンエンジンを示す概略図である。 図１に示すガスタービンエンジンとともに使用することができる例示的な燃焼器を示す断面図である。 図２に示す燃料ノズルの一部分を示す拡大断面図である。 図３に示す燃料ノズルを示す端面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
４８ 燃焼室
５０ 燃料ノズル
５６ ノズル吐出チップ
８１ 対称中心軸
８２ 液体燃料噴射循環路
８４ 気体燃料噴射循環路
８６ 水噴射循環路
８８ １次燃料噴射循環路
９０ ２次燃料噴射循環路
９２ 環状燃料通路
９４ 環状吐出開口
１００ エルボ
１１０ 環状燃料通路
１１４ エルボ
１２０ ノズル末広部分
１３２ 環状吐出開口

Claims (5)

1. 対称中心軸（８１）を含む、ガスタービンエンジン（１０）用の燃料ノズル（５０）であって、
   環状吐出開口（９４）を含む、前記ノズルの下流側に向け液体燃料をガスタービンエンジン中に噴射する第１の噴射循環路（８２）と、
   前記第１の噴射循環路と同心円状に位置合わせされた第２の噴射循環路（８６）と、
   前記第１の噴射循環路と同心円状に位置合わせされた第３の噴射循環路（８４）とを含み、前記第２の噴射循環路（８６）が前記第１の噴射循環路と前記第３の噴射循環路の間にあり、前記第２の噴射循環路（８６）が前記ノズルの下流側に向けてガスタービンエンジン中に水を噴射し、前記第２の噴射循環路（８６）が環状吐出開口（１３２）を含み、
   前記第３の噴射循環路（８４）が、前記対称中心軸に対して斜め外側に前記ノズルから気体燃料のみを吐出するように構成された、円周方向に離間した複数の吐出開口（１４２）を含み、
   前記第１、第２及び第３の噴射循環路は互いに独立しており、これにより噴射される流体の流れを独立して最適化することができ、
   前記燃料ノズルは、吐出チップ（５６）を含み、該ノズル吐出チップ（５６）は、前記環状吐出開口（９４）のみに通じ該環状吐出開口から下流側に末広に延びるノズル部分（１２０）と、前記環状吐出開口（１３２）と、前記円周方向に離間した複数の吐出開口（１４２）とを含む
   ことを特徴とする、燃料ノズル（５０）。
2. 前記第１の噴射循環路（８２）が、１次燃料循環路（８８）および２次燃料循環路（９０）を含み、前記１次燃料循環路が前記２次燃料循環路よりも径方向内側に位置する、請求項１記載の燃料ノズル（５０）。
3. 前記第１の噴射循環路（８２）が前記対称中心軸から第１の径方向距離にある、請求項１記載の燃料ノズル（５０）。
4. 燃焼室（４８）と請求項１乃至３のいずれか１項に記載の少なくとも１つの燃料ノズル（５０）とを含む燃焼器（１６）を含む、ガスタービンエンジン（１０）。
5. 前記１次燃料循環路（８８）のみが、エンジンの始動状態およびアイドリング動作状態の間にのみ前記燃焼室（４８）中に燃料を噴射するように構成された、請求項４記載のガスタービンエンジン（１０）。
   

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