JPH0618043A - 二重アンニュラ燃焼器 - Google Patents
二重アンニュラ燃焼器Info
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Classifications
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-
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Abstract
いる二重アンニュラ燃焼器を提供する。 【構成】 同心的に配置されている内側及び外側アンニ
ュラ燃焼器23及び24を有している二重アンニュラ燃
焼器10には、内側ドーム22と外側ドーム21とが設
けられており、中央体50が内側及び外側ドームの間に
配置されていると共に、複数の閉セル形セグメントで構
成されている。各セグメントは上面と、下面と、上流面
と、下流端とを含んでおり、上面及び下面は、それらか
ら延在して空洞を形成しているフランジを有しており、
両空洞内には冷却孔が存在している。又、中央体の上面
及び下面の間に延在しているピンが設けられており、上
面及び下面の冷却と、構造的結合とを増強する。
Description
ンジンの燃焼装置に関し、特に、内側ドームと外側ドー
ムとを有しており、同心的に配置されている内側及び外
側アンニュラ燃焼器と、内側及び外側ドームの間に配置
されており、複数の閉セルセグメントで構成されている
中央体とを有している二重アンニュラ(環状)燃焼器に
関する。
努力の中から、段階燃焼技術が開発された。段階燃焼技
術は、1つ又は1組のバーナをアイドルのような低速低
温状態で用い、他の(追加の)1つ又は1組のバーナを
高温運転状態で用いる技術である。このような着想の具
体的な構成の1つに、2段が単一燃焼器ライナ内に同心
に配置されている二重アンニュラ燃焼器がある。通常、
パイロット段セクションは、同心外側に配置されてお
り、エンジンのアイドル運転中に低温且つ低い燃料/空
気比の状態で動作する。主段セクションは、同心内側に
配置されており、後から燃料が供給されパイロット段か
らクロス点火されて、高温且つ比較的高い燃料/空気比
の状態で動作する。パイロット段及び主段セクションそ
れぞれのスワーラカップは通常、同じ半径方向及び円周
方向平面内にある。これらのスワーラカップは、ウィル
クス(Wilkes)等の米国特許番号第4292801号、
並びにサザラン(Sotheran)の米国特許番号第4374
466号及び同第4249373号に具体的に示されて
いる。
(E3(Energy Efficient Engi
ne))用の燃焼装置構成部技術に関するアメリカ合衆
国航空宇宙局(NASA)の開発報告書と、ステンガ
(Stenger )の米国特許番号第4194358号とに記
載されているように、パイロット段と主段とを半径方向
においてずらす(オフセットする、即ち別々の半径方向
平面内に配置する)ことができる。米国特許番号第41
94358号及びE3構造のいずれにおいても、主段セ
クションの有効長さは比較的短く、パイロット段セクシ
ョンの有効長さは比較的長い。この構造とすれば、パイ
ロット段セクションでの滞留時間が比較的長く、主段セ
クションでの滞留時間が比較的短いので、完全な又は完
全に近い燃焼を実現し、炭化水素及び一酸化炭素の放出
量を減らすことができる。
るかさせないか、又、外側アンニュラ燃焼器がパイロッ
ト段となるか主段となるか、いずれにしても、従来技術
ではパイロット段と主段とを分離するために中心体を用
いている。このような中心体を用いる目的は、種々の動
作点でのパイロット段の燃焼安定性を保証するために、
及び一次希釈空気をパイロット段反応域に送るために、
パイロット段を主段から隔離することである。
圧延リングと板金材料とから製造された連続リングであ
った。この一体設計は、製造及び組み立てに関する寸法
及び形状の公差要件が厳しいので、製造が困難である。
更に、燃焼器構造体と中央体との温度差により、取り付
け点で大きなフープ応力と関連力とが発生する。これは
又、中央構造体の個別部材における温度差の結果として
生ずる。一体型の中央体に関する他の問題は、局所的な
問題により生ずる一体物全体への影響である。例えば、
局所的な焼け抜け(バーンスルー)の場合にその結果生
ずる局所漏れにより、中央体全体が減圧される。又、中
央体の一区域が損傷した場合、全体を修理又は交換しな
ければならない。
しい特性を維持しながら、一体型の中央体と関連する諸
問題を解消する代替的な中央体の設計を提供することに
ある。
ンニュラ(環状)燃焼器を有している二重アンニュラ
(環状)燃焼器に、内側ドームと外側ドームとが設けら
れており、中央体が内側ドームと外側ドームとの間に配
置されていると共に、複数の閉セルセグメントから構成
されている。セグメントの各々は、上面と、下面と、上
流面と、下流端とを含んでいる。上面及び下面は、空洞
を形成すべくそれらから延在しているフランジを含んで
おり、空洞内に冷却孔が存在している。中央体の上面及
び下面の冷却と構造的結合とを増強すべく、中央体の上
面と下面との間に延在しているピンが設けられている。
より良く理解されよう。
示す。図1はガスタービンエンジンに用いるのに適当な
形式の連続燃焼用燃焼装置10を示しており、燃焼装置
10は、内部に燃焼室12を画定している中空体11を
備えている。中空体11はほぼ環状の(アンニュラ)形
状を成しており、外側ライナ13と、内側ライナ14と
から成っている。中空体11の上流端には、後述するよ
うな好適な態様で空気及び燃料を取り込む一連の開口1
5が設けられている。
囲されており、シェル16はライナ13及び14と共
に、外側通路17と内側通路18とをそれぞれ画定して
いる。外側及び内側通路17及び18は、圧縮機(図示
せず)のような適当な供給源及びディフューザ19から
の加圧空気を、下流側への流れとして送るように構成さ
れている。ディフューザ19からの圧縮空気の大部分は
環状開口15に入って燃焼を支持し、圧縮空気の一部は
通路17及び18に入って、これらの通路で、複数の開
口20を介してライナ13及び14を冷却したり、更に
下流側のターボ機関を冷却するために用いられる。
側ライナ13と内側ライナ14との間にそれぞれ配置さ
れていると共に、両ライナをそれらの上流端の近くで相
互連結している。両ドームは好ましくは、別々のドーム
プレートであって、ボルト、ろう付け等によって両ライ
ナに取り付けられている。外側ドームプレート21及び
内側ドームプレート22の各々は、内側部分25及び2
6と、外側部分27及び28とをそれぞれ有している。
従って、外側ドームプレートの外側部分27は外側ライ
ナ13に連結されており、内側ドームプレートの内側部
分26は内側ライナ14に連結されている。外側ドーム
の内側部分25は後述のように、内側ドームの外側部分
28に連結されている。
「二重アンニュラ(環状)」形状に配列されており、両
者は、別々の半径方向に離間したアンニュラ燃焼器の前
方境界を形成している。これらの燃焼器は、種々の段切
換(ステージング)運転時に別個の燃焼器として、ある
程度独立に動作する。記載の便宜上、これらのアンニュ
ラ燃焼器を内側アンニュラ燃焼器(主段セクション)2
3及び外側アンニュラ燃焼器(パイロット段セクショ
ン)24と呼び、以下に更に詳しく説明する。
ラ燃焼器23と外側アンニュラ燃焼器24との間に、中
央体50が配置されており、中央体50は、内側アンニ
ュラ燃焼器23と外側アンニュラ燃焼器24とを隔離す
るように作用すると共に、両アンニュラ燃焼器の間に共
通境界を部分的に画成するように作用する。中央体50
は、空気流を後方に導き、内側アンニュラ燃焼器23の
燃焼ガスが外側アンニュラ燃焼器24に流入すること
と、又、反対に外側アンニュラ燃焼器24の燃焼ガスが
内側アンニュラ燃焼器23に流入することとを抑制す
る。図2に示すように、中央体50は好ましくは、相等
しい周方向長さを有している複数のセグメント51に分
割されている。中央体50のセグメント51の各々は、
内側及び外側ドームプレート22及び21に連結されて
いる閉セルであって、上面52と、下面53と、上流面
54と、下流端55とを有しているものであることに注
意されたい。上面52及び下面53の各々は、それらか
らそれぞれ延在しているフランジ56及び57を含んで
おり、これにより、上側空洞58及び下側空洞59が形
成されている。上側空洞58及び下側空洞58内には、
冷却孔60及び61がそれぞれ存在している。加えて、
冷却孔62が下流端55に設けられている。
メント51の各々は好ましくは、ボルト63又は他の締
結手段によって内側ドームの外側部分28に連結されて
いる。ボルト63は内側ドームの外側部分28内の孔6
4と、下面53内の開口65の半径方向部66とを貫通
している。内側ドームの外側部分28には、他の孔67
が設けられており、孔67によって、冷却空気は下面5
3内の開口65を通流して、中央体50の内部68に達
する。次いで、この空気流は循環して冷却孔60、61
及び62を通り、中央体50の内側及び外側の表面を冷
却する。
ト21及び22との取り付けについて述べると、外側ド
ームプレートの内側部分25は第1の部分25aを有し
ており、第1の部分25aは、一端が気化器30にろう
付けされていると共にほぼ下流方向に第2の部分25b
まで延在しており、第2の部分25bは、ほぼ半径方向
内方に延在して第3の部分25cに達しており、第3の
部分25cは、ほぼ上流方向に延在している。外側ドー
ムプレートの内側部分25の第2の部分25bは、中央
体50の上流面54に隣接している。内側ドームプレー
トの外側部分28は、第1の部分28aを含んでおり、
第1の部分28aは、一端が気化器32にろう付けされ
ていると共にほぼ上流方向に延在しており、中央体50
の下面53の一部に隣接している。それに続き、内側ド
ームプレートの外側部分28の第2の部分28bは、外
側ドームプレートの内側部分25の第3の部分25cに
ほぼ平行に延在していると共に、好ましくはボルト29
によって第3の部分25cに連結されており、これによ
り、外側ドームプレートの内側部分25と、内側ドーム
プレートの外側部分28とが取り付けられている。図2
に明示されているように、孔41が第3の部分25cと
第2の部分28bとに設けられており、ボルト29を受
け入れるように整合している。
の構造を増強するために、柱体又はピン69が上面52
の内面と下面53の内面との間を延在していることが好
ましい。これは、図1及び図2に示すように中央体50
の下流端55近くであれば特に有利である。更に、上面
52と下面53との間の空間が比較的大きい所、例えば
下側空洞59の上流に、リブ又はバンプ(***体)70
を上面52の内面から設けてもよい。ピン69と、リブ
又はバンプ70とはいずれも、上面52に生ずる高温を
同面から伝導により奪う助けとなる。これは、始動中又
はパイロット段(外側アンニュラ燃焼器24)のみの着
火時に主として発生する。もちろん、主段(内側アンニ
ュラ燃焼器23)の動作中に中央体50の下面53に生
ずる高温が上面52に同様に伝えられて、伝熱効果を均
衡させることもあり得る。
のような分割形中央体を用いることの重要な一特徴は、
このようなセグメント51を単一のインベストメント鋳
物から製造し得ることである。このことは、内部熱伝達
表面の改良を可能にし、冷却空気の必要量を減少させ
る。中央体50は連続リングではないので、熱勾配によ
るフープ応力と関連力とは発生しない。むしろ、中央体
50のセグメント51の各々は個別セルであるから、1
つのセグメントの損傷が他のセグメントの冷却に影響を
及ぼすことはなく、従って、中央体50の損傷に関する
公差を大きくし得る。オーバホール時に破損したセグメ
ントのみを交換すればよいので、整備及び修理が改善さ
れる。
することが好ましいが、遮熱被覆を施した金属製中央体
を利用してもよい。セラミックセグメントを用いると、
金属ドーム構造体が膨脹及び収縮しても、中央体の構造
破損は起こらない。なぜならば、セラミックの熱膨張
と、金属の熱膨張とはかなり異なるからである。このセ
ラミック構造は又、中央体50がかなり高温の環境にお
いて冷却空気なしに動作することを可能にする。
化器(キャブレタデバイス)30が円周方向に間隔をあ
けて配置されている。これらの気化器30の軸線は、外
側アンニュラ燃焼器24の軸線と一致していると共に、
ほぼまっすぐなアンニュラ燃焼器の輪郭を描くように外
側ライナ13とほぼ心合わせされている。尚、気化器3
0は、燃焼室12に導入するために燃料と空気とを混合
する作用、即ち気化作用をなすものであれば、どのよう
な設計でもよい。設計の一例が、本出願人に譲渡された
ステンガ(Stenger )等の米国特許番号第407082
6号「低圧燃料噴射システム(Low Pressure Fuel Inje
ction System)」に記載され、図示されている。一般
に、気化器30は燃料管31から燃料ノズル33を通し
て燃料を受け取ると共に、環状開口15から空気を受け
取り、燃料を空気の流れによって噴霧し、燃焼室12に
燃料の噴霧ミストを生成する。
アンニュラ燃焼器23は、円周方向に間隔をあけて配置
されている複数の気化器32を含んでおり、これらの気
化器32の軸線は、気化器30の軸線とほぼ平行に配列
されている。気化器32は内側ドームプレート22、内
側ライナ14及び中央体50と共に、内側アンニュラ燃
焼器23を画定している。前述したように内側アンニュ
ラ燃焼器23は、外側アンニュラ燃焼器24とほぼ独立
に動作させることができる。やはり、気化器32の特定
の形式及び構造は、本発明にとって重要ではないが、効
率がよく、放出ガス量の少ない最適な性能とすることが
好ましい。記載の便宜のためだけであるが、気化器32
は、空気流容量が実質的に大きいことを除いては、気化
器30と同じである。気化器32は、燃料を導入する燃
料管31に連結されている燃料ノズル34を含んでお
り、燃料ノズル34によって、燃料は高圧により噴霧さ
れるか、低圧で液体状態で導入される。一次スワラ35
が空気を受け入れており、空気を燃料と相互作用させ、
燃料をベンチュリ36に渦巻き状に導入する。次に、二
次スワラ37が反対向きの空気の渦流を与えるように作
用し、燃料/空気混合物と相互作用させて、燃料/空気
混合物を更に霧化し、燃焼室12に流入させる。燃料/
空気混合物が分散し過ぎるのを防止するために、好まし
くはスワラカップと一体に形成されている拡開したスプ
ラッシュプレート38が、気化器32の下流端に設けら
れている。この一体のスプラッシュプレート・スワラカ
ップ38は、本発明の譲受人(本出願人)による他の米
国特許出願の主題であり、この出願は、本願の優先権主
張の基礎となる米国特許出願と同時に米国特許庁に出願
されたもので、その内容はここに参照されるべきもので
ある。点火器39が外側アンニュラ燃焼器24への点火
を可能にするために、外側ライナ13に装着されてい
る。
装置30及び32を保護するために、カウル40が設け
られている。カウル40は、燃料管31がカウル40に
密接に隣接し得るように設計されている。カウル40は
本発明の一部ではないが、本発明の譲受人(本出願人)
による他の米国特許出願の主題であり、この出願は、本
願の優先権主張の基礎となる米国特許出願と同時に米国
特許庁に出願されたもので、その内容はここに参照され
るべきものである。
作について説明すると、所望の燃焼状態を得るために
は、外側アンニュラ燃焼器24及び内側アンニュラ燃焼
器23を個別に又は組み合わせて用いる。始動及び低速
状態では、外側アンニュラ燃焼器24を単独で用いるこ
とが好ましく、このため、外側アンニュラ燃焼器24を
パイロット段と呼ぶ。内側アンニュラ燃焼器23は高速
高温状態で用い、このため、内側アンニュラ燃焼器23
を主段燃焼器と呼ぶ。エンジンを始動する際、及びアイ
ドル状態の運転中、気化器30に燃料管31を経て燃料
を送り、パイロット段24を点火器39によって点火す
る。ディフューザ19からの空気は、矢印で示すように
流れ、動作中の気化器30にも、動作していない気化器
32にも流れる。このようなアイドル状態の間、温度及
び空気流はいずれも比較的低いので、パイロット段24
は比較的狭い燃料/空気比の範囲で動作し、そして気化
器30の軸線延長線上にある外側ライナ13は、比較的
低温レベルでの狭い温度の上がり下がりを経験するだけ
である。このため、開口20内の冷却流れ分布を最小に
維持することができる。更に、外側アンニュラ燃焼器2
4及び内側アンニュラ燃焼器23は異なる軸線方向平面
内にあるので、パイロット段24は主段23に比べて比
較的長く、パイロット段24での滞留時間が好ましいこ
とに比較的長くなるので、炭化水素や一酸化炭素の放出
量が最小限になる。
3を動作状態にするために、燃料が燃料管31によっ
て、燃料ノズル34を介して気化器32に導入される。
このような比較的高速の運転の間、パイロット段24は
動作状態に留まるが、主段23が燃料及び空気の大部分
を消費する。尚、主段23はパイロット段24と比べ
て、両段間の軸線方向のオフセットのせいで、軸線方向
長さが短く、このため、滞留時間が比較的短くなり、N
Ox放出量が少なくなる。
が、本発明は、その範囲及び意図内で任意の様々な形態
を取り得ることを理解されたい。例えば、本発明は、内
側及び外側アンニュラ燃焼器が別々の半径方向平面及び
周方向平面内にあるか否かにかかわらず、任意の二重ア
ンニュラ燃焼器に適用可能である。又、図1には内側ド
ームプレート22に連結されている中央体50を示して
あるが、中央体50は、外側ドームプレート21にも同
様に連結され得るものである。
す。これらの図において、図1〜図3の構成要素と同じ
ものは、同じ参照番号で表されている。詳述すると、代
替中央体100が示されており、やはり複数のセグメン
ト101で構成されている。中央体100は、貫通孔1
02を除けば、実質的に中実であることに注意された
い。孔102は、中央体100の頂部において座ぐりを
施されているボルト103を受け入れている。
他のフランジ104に固定されており、フランジ104
は、一端が内側ドームプレートの外側部分28の上流側
で気化器32に取り付けられていると共に、中央体10
0の下面とほぼ平行に且つ隣接して上流方向に延在して
いる。更に、上側フランジ105が設けられており、フ
ランジ105は、一端が外側ドームプレートの内側部分
25の上流側で気化装置30に取り付けられている。フ
ランジ104及び105は、中央体100の上流表面に
隣接して合着していると共に、そこから上流方向に延在
しており、そこでドーム構造体全体を支持するように連
結されている。この設計では、外側ドームプレート21
は、中央体セグメント101全体から狭い空間によって
隔てられており、この空間は、冷却のためと、外側ドー
ムプレート21とセグメント101との間で接触応力が
増大することを防止するためとに用いられている。
7がフランジ104及び105にそれぞれ設けられてい
るので、冷却空気は、中央体100の上面と下面とに沿
って流れ得る。他の空気は通路108及び109によっ
て、中央体100の上面及び下面に導かれ、通路108
及び109は、前もって主段23のスプラッシュプレー
ト38の冷却に用いられた空気を導く。
面に沿って形成されており、図6には下面に沿っている
スロット111が示されている。スロット111は、中
央体とドームプレートとの境界の冷却に利用されてお
り、中央体100がセラミック製の場合に特に有用であ
る。スロット111は又、中央体100と内側ドーム2
2との間の接触面積の減少に役立ち、こうして、中央体
100と内側ドーム22との間の熱の流れを制限する。
焼器の横断面図である。
視図であって、中央体の下面を示すために中央体を内側
ドームから取り外してある図である。
方向に見た部分的な軸方向図である。
燃焼器の横断面図である。
的な軸方向図である。
Claims (20)
- 【請求項1】 同心的に設けられている内側及び外側ア
ンニュラ燃焼器を有している二重アンニュラ燃焼器であ
って、 内側ドームと、 外側ドームと、 前記内側ドームと前記外側ドームとの間に設けられてお
り、複数のセグメントを含んでいる中央体とを備えた二
重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項2】 前記中央体は、上面と、下面と、上流面
と、下流端とを含んでいる請求項1に記載の二重アンニ
ュラ燃焼器。 - 【請求項3】 前記セグメントは、閉セル構造である請
求項2に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項4】 前記中央体は、前記内側ドームに連結さ
れている請求項1に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項5】 前記中央体は、前記外側ドームに連結さ
れている請求項1に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項6】 前記内側ドームは、内側部分と外側部分
とを含んでおり、前記外側ドームは、内側部分と外側部
分とを含んでおり、前記外側ドームの内側部分は、前記
内側ドームの外側部分に連結されている請求項1に記載
の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項7】 前記下面は、前記中央体の内部に冷却流
を入れるための複数の開口を含んでいる請求項3に記載
の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項8】 前記下流端は、少なくとも1つの冷却孔
を含んでいる請求項3に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項9】 前記外側ドームの内側部分は、実質的に
下流方向に延在している第1の部分と、実質的に半径方
向内方に延在している第2の部分と、実質的に上流方向
に延在している第3の部分とを含んでおり、前記第2の
部分は、前記中央体の上流面に隣接しており、前記第3
の部分は、前記内側ドームの外側部分に取り付けられて
いる請求項6に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項10】 前記内側ドームの外側部分は、前記中
央体の下面に隣接していると共に該中央体の下面に連結
されている第1の部分と、前記外側ドームの内側部分の
前記第3の部分と実質的に平行になっていると共に該第
3の部分に連結されている第2の部分とを含んでいる請
求項9に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項11】 前記中央体の上面及び下面は、上側及
び下側の空洞を形成すべく該上面及び下面から延在して
いるフランジを含んでおり、該フランジの各々は、少な
くとも1つの冷却孔を含んでいる請求項2に記載の二重
アンニュラ燃焼器。 - 【請求項12】 少なくとも1つのピンが前記中央体の
上面から前記下面まで延在している請求項3に記載の二
重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項13】 前記内側アンニュラ燃焼器は、前記外
側アンニュラ燃焼器の下流側に半径方向にずれている請
求項1に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項14】 前記中央体の上面は、該上面の内面か
ら延在しているリブを含んでいる請求項3に記載の二重
アンニュラ燃焼器。 - 【請求項15】 前記中央体は、前記中央体の上面及び
下面の冷却と、構造的結合とを増強する手段を含んでい
る請求項3に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項16】 前記中央体は、セラミックで形成され
ている請求項1に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項17】 前記内側アンニュラ燃焼器から延在し
ている第1のフランジと、前記外側アンニュラ燃焼器か
ら延在している第2のフランジとを更に含んでおり、前
記中央体は、前記第1のフランジに連結されている請求
項2に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項18】 前記第1及び第2のフランジは、前記
中央体の上流面の上流側で連結されている請求項17に
記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項19】 V形スロットが前記中央体と前記内側
及び外側ドームとの間の境界を冷却すべく、前記中央体
の前記上面及び下面に隣接して設けられている請求項1
8に記載の二重アンニュラ燃焼器。 - 【請求項20】 前記セグメントは、周方向長さが相等
しい請求項2に記載の二重アンニュラ燃焼器。
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