JP4930921B2 - ガスタービンエンジンの燃焼室のための燃料インジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの分野に関し、特にはそのようなエンジンの燃焼室へと燃料を注入するための手段を目的とする。

ガスタービンエンジンの燃焼室は、機能的には、圧縮セクションとタービンセクションとの間に位置しており、圧縮セクションから圧縮された後の空気を受け取り、タービンセクションへと高温ガスを供給する。燃焼室は、通常は、径方向外側のケーシングと駆動軸を保護している径方向内側の壁とによって画定される環状のエンクロージャ内側に収容されている。従来技術の一実施形態によれば、燃焼が行われる燃焼室自体が、適切なフランジまたは支持具によって、上述の２つの壁から離間している２つの同軸なシェルリング（一方が内側シェルリングであって、他方が外側シェルリングである）の間に画定されている。燃焼室の上流側の端部（圧縮機の端部に位置する）に、上流側カウリングが設けられ、ディフューザを出て入る空気の流れの一部を、主たる燃焼が行われる燃焼室の内側に向かって分配し、一部を、燃焼室をバイパスさせることによって燃焼室の下流側へと分配する。空気案内デフレクタに結合される燃料注入手段が、乱流気化空気混合物を形成し、これが燃焼室の端部（やはり気化空気の循環を制御するデフレクタを備える）に形成された開口を通って燃焼室へと入る。

このシステムは、エンジンのアイドリング速度と全開との間で条件が変化するために、すべての運転速度における最適な燃焼を可能にしてはいない。これらのさまざまな速度において燃焼室の動作を改善し、汚染の低減を目的とする要件を満足するために、一方では、過剰に燃料の濃い混合気に起因する未燃焼残留物の形成を抑制し、他方では火炎温度に関係する窒素酸化物の形成を抑制する試みがなされている。

アイドリングの運転状態および全開の運転状態にそれぞれ適した混合装置を有する、燃焼室の設計が提案されている。例えば、径方向に段階的に混合装置を有して、エンジン速度に応じた適切な供給が行われる別個の燃焼領域を形成している、二重の環状の燃焼室が知られている。アイドリング速度においては、径方向外側の混合装置にのみ燃料が供給され、主たるアイドリング燃焼領域が画定される。代わって、全開時には、最適な燃焼のために径方向内側の混合装置へと供給が行われる。

二重の環状の乱流ガス流混合装置を有する燃焼室も開発されている。そのような混合装置においては、中央のパイロットインジェクタによって供給される燃料が、第１の乱流環状空気流と混合されて、低速アイドル用の第１の燃焼領域へと供給される。混合装置は、環状であって前記第１の注入装置と同軸であるさらなる注入装置を備え、第１の乱流空気流と同軸である第２の乱流空気流へと燃料を径方向に届ける。この第２のインジェクタへは、エンジンの出力の要求に応じて供給が行われる。この装置の例が、米国特許第６４８４４８９号明細書に記載されている。

欧州特許第１５３１３０５号明細書が、ガスタービンエンジンの燃焼室のための多点式の燃料注入装置であって、複数の燃料注入ノズルを、例えば同心である少なくとも２つの列に配置して備え、それぞれの列への燃料の供給を別個に制御する手段を備える燃料注入装置を記載している。ノズルのそれぞれが、渦発生器など、乱流を内部に生成するための手段を有するダクトを備える。この装置は、ノズルの各列において、火炎を汚染ガスの排出を低減するための充分に高い温度に保つことができるようにする。
米国特許第６４８４４８９号明細書 欧州特許第１５３１３０５号明細書

本発明の目的は、複数段での燃焼を可能にし、すなわちアイドリング段階における１つの燃焼領域と、主たる燃焼領域とを生成することができるようにし、ますます厳しくなる汚染物質の排出に関する基準を満足できる燃料インジェクタを生み出すことにある。

この目的は、アイドル速度での運転のための第１の燃料供給ラインと、全開までの速度での運転のための第２の主たる燃料供給ラインとを備え、これら２つの供給ラインが、アイドル用の第１のオリフィスおよび第２の主たる注入オリフィスにそれぞれ連絡しており、これらのオリフィスを通って燃料が注入される、ガスタービンエンジンの燃焼室用燃料インジェクタを使用することによって達成される。この燃料インジェクタは、注入オリフィスがリングに配置され、第１のオリフィスが、前記リングの１つのセクタを占めている燃料インジェクタである。このインジェクタは、複数（ｎ１＞２）のアイドリング注入オリフィスおよび複数（ｎ２＞２）の主注入オリフィスを、ｎ１／ｎ２＜１なる比で備える。

従来技術においては、主たる空気の流れが、アイドル速度での運転のための燃焼領域を囲んで、或る程度覆ってしまう。一方で、本発明の解決策によれば、主たる空気の流れによって覆われることがないアイドル速度での運転のための燃焼領域を生み出して、横方向の火炎の伝搬を改善することが可能になる。

選択肢として、低いアイドル速度および全開までの各速度のそれぞれの流量ゆえ、比は、ｎ１／ｎ２≦１／２であり、さらに特定的にはｎ１／ｎ２≦１／３である。例えば、０．５＜φ１＜０．８であるような直径φ１（単位はミリメートル）のアイドリングオリフィス、および０．８＜φ２＜１．２であるような直径φ２（単位はミリメートル）の主注入オリフィスにおいては、値が、ｎ１＝４およびｎ２＝８であってよい。

他の特徴によれば、インジェクタが、中央の主空気供給ダクトを備え、注入オリフィスが、一次空気ダクトを形成している前記ダクトの周囲に分布している。好都合には、インジェクタが、燃料注入オリフィスの少なくともいくつかが横断プレート上に形成されてなる環状の分配器形成部を備える。予混合オリフィスが穿孔されてなるスクリーン形成プレートが、燃料注入オリフィスの少なくともいくつかを横切って配置されている。さらに具体的には、前記予混合オリフィスが、一次空気を第１の注入オリフィスからの燃料を予混合するために、一次空気の流れによって掃引されるように配置されている。この解決策によれば、燃料および空気が、インジェクタを出るとすぐに予混合される。

効果的な予混合を保証するために、中央ダクトが、ダクトに入る空気に軸回転を与える渦発生器を有する。

他の特徴によれば、インジェクタが、燃料注入オリフィスによって形成されるリングと同軸である環状の二次空気供給ダクトを備える。さらに具体的には、スクリーン形成プレートに、二次空気を第２の注入オリフィスからの燃料に予混合するためのオリフィスが穿孔されている。

好都合には、環状の二次空気ダクトが、渦発生器を有する。

さらに本発明は、環状の燃焼室を備えるガスタービンエンジンに関し、燃焼室が、本発明によるインジェクタを燃焼室の軸を中心として分布させて有し、アイドリング燃料の注入セクタが、燃焼室の軸に関して径方向外側に向かって位置している。

このエンジンの運転方法は、アイドル時に、インジェクタのそれぞれに関する燃焼領域からなる径方向外側の環状の燃焼領域が形成されるよう、アイドル供給回路にのみ供給を行うことからなる。それらの配置ゆえ、これらの領域は、点火プラグに近接しており、効果的な点火が保証される。

他の特徴および利点は、添付の図面を参照する本発明の非限定的な一実施形態についての説明を読むことによって、明らかになるであろう。

本発明のインジェクタを適用することができるガスタービンエンジンの燃焼室１は、環状であって、知られているとおり、エンジンの軸に沿って円筒形である外側ケース２と内側ケース３との間に取り付けられる。すなわち、ケース２および３によって環状の空間が形成され、この環状の空間の上流側（ガスの流れを基準にする）が、圧縮機（図示せず）の最終段に通じるディフューザ４へと開いている。燃焼室の下流側は、燃焼室において加熱されたガスを受け取る第１のタービン段（図示せず）へと開いている。燃焼室は、一体に形成されてケースの部材の適切なフランジによって支持されるシェルリングの形態で、外壁５および内壁６で作られている。上流側において、燃焼室は、燃焼室内のガスの流れに対して横方向である燃焼室端壁７によって画定されている。この壁７には、燃料および一次燃焼空気が現れる、円形の軸方向の開口が設けられている。この空気および燃料の一部が、円形の開口のうちの１つへとそれぞれ開いている混合装置８において混合される。これらの混合装置は、ディフューザ４からの空気流を案内するカウリング９に収容されている。混合装置は、通常は、空気を導入し、回転させて乱流にする軸方向または径方向の渦発生器を備える。燃料は、この時点で、それぞれの混合装置において、燃料を微細な液滴へと霧化する燃料インジェクタ１０によって乱流へと注入される。これらの液滴が、渦発生器を通って届けられる空気によって混合および気化させられ、生成された混合物が、燃焼室へと導入される。図示の例では、燃焼室の端部が、デフレクタ１１を有するさらなるオリフィスを備える。径方向の点火プラグ１３が、開口を通じてケース２に固定されており、その端部が燃焼室の外壁５と同一面にあることを、見て取ることができる。点火プラグは、その境界が燃料噴射コーンによって描かれる空気／燃料混合物に点火するように、燃焼室の端部から所定の軸方向の距離にある。

本発明は、アイドリング燃焼ゾーンの生成および点火の条件の生成によって、アイドリング速度における汚染物質の排出を少なくすることを目的とする。

図２が、本発明によるインジェクタの例を示している。

インジェクタ１００は、取り付け板１０４へと取り付けられた筒状部１０２を備え、取り付け板１０４を介して、燃焼室の適切な支持部へと固定される。筒状部は、環状の形状であって横断壁１０６’によって閉じられている燃料分配器形成部１０６によって延長されている。この分配器１０６の軸ＸＸに一致する線に沿って、燃料が燃焼室へと注入される。第１の燃料供給ライン１０８および第２の燃料供給ライン１１０がそれぞれ、インジェクタ内に収容され、取り付けプレート１０４を通じて適切な供給回路に連絡している。ライン１０８および１１０は、分配器１０６を通過している。ラインはそれぞれ、マニホールド１０９および１１０へと供給を行っている。マニホールドは、分配器１０６の横断壁１０６’にそれぞれ形成されたオリフィス１１２および１１３によって、下流側方向に開いている。オリフィスは、それぞれのラインのそれぞれの流量に応じて寸法付けられている。

環状の分配器は、上流側および下流側に開いている軸ＸＸの円筒形の中央ダクト１０１を形成している。この一次空気ダクト１０１が、軸方向の流れ渦発生器１１６を備え、流れ渦発生器１１６は、径方向のフィンからなり、上流側の開口を介してこのダクトに進入した一次空気を、軸を中心として回転させる。

予混合構成部品１１５が、分配器１０６に取り付けられている。この構成部品１１５は、軸ＸＸの分配器１０６の円筒部分とともに、環状の二次空気ダクト１０３を画定しているスリーブ状の部品１１５Ａを備える。このダクトは、上流側に開いており、径方向のフィンからなる渦発生器１１７を備える。この渦発生器の目的は、そこを通過する空気の流れに、軸ＸＸを中心とする回転運動を持たせることにある。スリーブ１１５Ａの下流側の端部は、軸ＸＸに直交するプレート１１５Ｂによって閉じられている。このプレートは、分配器の横断壁１０６’から離間している。このプレートは、リムを有する中央開口１１５Ｂ１を備え、リムは、その軸がＸＸである円錐台形状の案内面１１５Ｃを形成する。プレート１１５Ｂは、壁１０６’から所定の距離だけ離れており、予混合オリフィス１１５Ｂ２、１１５Ｂ３、１１５Ｂ４、および１１５Ｂ５を備える。

予混合オリフィスは、注入オリフィス１１２および１１３に関連付けて配置されている。

図３の図に相当する例では、インジェクタが、ｎ１＝４個のアイドル燃料注入オリフィス１１２、およびｎ２＝８個の主燃料注入オリフィス１１３を備える。オリフィスは、必要とされる流量に応じて寸法付けられている。さらに、オリフィスの数は、インジェクタの直径Ｄに応じて選択されている。総数は、いかなる機械的完全性の問題も呈することなく、最大１８個とすることができる。

例えば、アイドリングオリフィス１１２は、０．５ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲の直径φ_ｉ１を有し、主燃料注入オリフィス１１３は、０．８ｍｍ〜１．３ｍｍの範囲の直径φ_ｉ２を有する。インジェクタの直径Ｄは、これらのオリフィスの満足できる環状の分布を可能にするように選択されている。例えば、Ｄは、５０ｍｍ〜７０ｍｍ程度である。

プレート１１５Ｂの予混合オリフィス１１５Ｂ２、１１５Ｂ３、１１５Ｂ４、および１１５Ｂ５は、オリフィス１１２および１１３によって形成されるリングの径方向各側に位置する２つのリングを形成している。これらの備混合オリフィス１１５Ｂ２、１１５Ｂ３、１１５Ｂ４、および１１５Ｂ５の直径φ_ｐは、オリフィス１１２および１１３の直径に応じて決定される。

ここで検討している例では、アイドリング予混合オリフィスの直径φ_ｐ１が、１ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にある一方で、主燃料混合オリフィスの直径φ_ｐ２が、２ｍｍ〜３ｍｍの範囲にある。

この多点式の予混合インジェクタの動作原理を、図４を参照して以下で説明する。

オリフィス１１２または１１３を通って注入される燃料が、２つの予混合オリフィス（１１５Ｂ２および１１５Ｂ４）または（１１５Ｂ３および１１５Ｂ５）の間のプレート１１５Ｂに衝突する。この例では２ｍｍ〜４ｍｍ程度である、壁１０６’とプレート１１５Ｂとの間の空間が、一方の側ではダクト１０１からの一次空気によって掃引され、他方の側ではダクト１０３からの二次空気によって掃引される。予混合オリフィスに向かって膜の形態で径方向に広がる燃料が、これらのオリフィスを通過して逃げ出す空気によって運ばれる。その結果、気化が生じて空気／燃料混合物が形成される。プレートの下流側において、混合物が方向ＸＸに運ばれ、燃焼が行われる。直径および流量は、混合物が、予混合オリフィス内での点火を防止する速度および局所的濃度を有するように決定される。

燃料の気化を改善するために、流れを乱す要素を、壁１０６’および１１５Ｂに組み込むことができる。さらに、燃料が、インジェクタの寿命に有利である冷却機能を果たす。

図２に見て取ることができるように、一次ダクト１０１からの空気の一部が、予混合の空間へと案内され、残りは、中央オリフィス１１５Ｂ１を通って逃げ出し、プレート１１５Ｂの外側部分にアンチコーキング空気の膜を形成する。

さらに、一次空気および二次空気を、軸ＸＸを中心として同じ方向に回転させても、あるいは反対方向に回転させてもよいことを、見て取ることができる。また、それらが接線方向の成分を有さなくてもよい。

この構成の１つの重要な利点は、気化させた混合物に外壁に位置する点火プラグによって容易に点火を行うことができる燃焼室の外側に向かって位置する、アイドル燃焼領域を生成できる点にある。気化混合物の点火がインジェクタにおいて生じるとき、気化領域が環状であるために、火炎が他のインジェクタへと容易に広がる。

主回路の点火も、インジェクタに属する対応する回路に燃料が供給されるとすぐに、火炎の伝搬によって生じる。

２つの回路の間で、動作は以下のとおりである。

軽い負荷においては、アイドリング回路のみが点火される。

全開までの中間の速度においては、両方の回路に燃料が供給され、燃焼が燃焼室の全体にわたって径方向に広がる。主回路およびアイドリング回路の燃料送出の割合は、現実には、０．７から１．２の範囲である。このように、この段階的な燃焼は、アイドリング燃焼領域からの排出物の低減を促進する。

全開においては、２つの回路の流量間の比が１．８から２．２である。これは、煙および汚染のもとであるＮＯｘの形成を少なくする。

そのコンパクトな構造ゆえ、大きな変更を行う必要なく、燃焼室に燃料を供給する既存の装置へと、このインジェクタを容易に組み込むことができる。

現行のガスタービンエンジンに設置された燃焼室の一例の軸方向の断面を示す。 側方から見た注入のインジェクタを軸方向の断面にて概略的に示す。 インジェクタの正面を方向ＩＩＩ−ＩＩＩについて示す。 燃料の流入空気との予混合の動作図を示す。

符号の説明

３ ケース
４ ディフューザ
５ 外壁
６ 内壁
７ 燃焼室の端壁
９ カウリング
１０ 燃料インジェクタ
１１ デフレクタ
１３ 点火プラグ
１００ インジェクタ
１０１ 一次空気ダクト
１０２ 筒状部
１０３ 二次空気ダクト
１０４ 取り付け板
１０６ 分配器
１０６’ 横断壁
１０８、１１０ 燃料供給ライン
１０９ マニホールド
１１２、１１３ オリフィス
１１５ 予混合部
１１５Ａ スリーブ
１１５Ｂ プレート
１１５Ｂ１ 中央開口
１１５Ｂ２、１１５Ｂ３、１１５Ｂ４、１１５Ｂ５ 予混合オリフィス
１１６、１１７ 渦発生器

Claims (11)

1. 環状の燃焼室を備え、該燃焼室の軸を中心として分布する複数の燃料インジェクタを有するガスタービンエンジンであって、
   前記燃料インジェクタの各々が、アイドル速度での運転のための第１の燃料供給ラインと、全開までの速度での運転のための第２の主たる燃料供給ラインとを備え、２つの燃料供給ラインが、アイドル用の第１の注入オリフィスおよび第２の主たる注入オリフィスにそれぞれ連絡しており、
   各燃料インジェクタは、ｎ１個の第１の注入オリフィスおよびｎ２個の第２の注入オリフィスを、ｎ１／ｎ２＜１なる比にて備え、第１および第２の注入オリフィスが、リング状に配置され、第１の注入オリフィスが、該リングの１つのセクタを占め、燃料インジェクタの該セクタが、径方向外側に位置している、前記ガスタービンエンジン。
2. ｎ１／ｎ２≦１／２の燃料インジェクタを備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. ｎ１／ｎ２≦１／３の燃料インジェクタを備える、請求項２に記載のガスタービンエンジン。
4. 中央の主空気供給ダクトを備え、注入オリフィスが前記中央ダクトの周囲に環状に分布している、燃料インジェクタを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
5. 軸ＸＸを有する環状の分配器形成部を備え、燃料注入オリフィスの少なくともいくつかが、軸ＸＸを横切るプレート上に形成されており、予混合オリフィスが穿孔されてなるスクリーン形成プレートが、燃料注入オリフィスに対して横断方向に配置されている、燃料インジェクタを有する、請求項４に記載のガスタービンエンジン。
6. 前記予混合オリフィスが、一次空気を第１の注入オリフィスからの燃料に予混合するように、一次空気の流れによって掃引される方法で配置されている、燃料インジェクタを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
7. 中央ダクトが渦発生器を有する、燃料インジェクタを有している、請求項４から６のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
8. 注入オリフィスによって形成されるリングと同軸である環状の二次空気供給ダクトを備える、燃料インジェクタを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
9. スクリーン形成プレートに、二次空気を第２の注入オリフィスからの燃料に予混合するためのオリフィスが穿孔されている、燃料インジェクタを有する、請求項５および６の組み合わせまたは５および７の組み合わせにおける請求項８に記載のガスタービンエンジン。
10. 環状のダクトが、渦発生器を有する、燃料インジェクタを有している、請求項８または９に記載のガスタービンエンジン。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンの運転方法であって、アイドル時に、径方向外側の環状の燃焼領域が形成されるよう、アイドル供給回路にのみ燃料を供給することを含む、前記方法。

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