JP4204111B2 - 二重環状燃焼器 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジン用の多重環状燃焼器に関し、特にこのような多重環状燃焼器の隣接するドーム間にセンターボディを所定位置に保持する手段に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンの排出ガスを減少させる研究の結果として、1個または1組のバーナをアイドリングなどの低速低温状態に使用し、別の(追加の)バーナを高温運転状態に使用する段階的燃焼技術が用いられるようになった。このような概念を具体化した構成の1例として、2つの燃焼器段を単一の燃焼器ライナ内に同心配置した二重環状燃焼器がある。この二重環状燃焼器では、通常、パイロット燃焼器段が同心外側に配置されて、エンジンのアイドリング運転時に低温および低燃料/空気比状態で作動される。更に同心内側に配置される主燃焼器段が、後で燃料を供給されて、パイロット燃焼器段から点火され、高温および比較的高い燃料/空気比状態で作動される。パイロット燃焼器段および主燃焼器段のそれぞれの旋回器は通常、米国特許第4,292,801号、米国特許第4,374,466号および第4,249,373号に例示されているように、同じ半径方向および円周方向平面にある。
【0003】
しかし、高エネルギ効率エンジン(E3 =Energy Efficient Engine )用の燃焼システム要素技術についてのNASAへの開発レポートや米国特許第4,194,358号に記載されているように、パイロット燃焼器段および主燃焼器段は半径方向にずらす(すなわち、別々の半径方向平面内に置く)ことが出来る。米国特許第4,194,358号に記載の構成およびE3 構成のいずれにおいても、主燃焼器段の有効長さは比較的短く、パイロット燃焼器段の有効長さは比較的長い。この構成にすれば、パイロット燃焼器段での滞留時間が比較的長く且つ主燃焼器段部分での滞留時間が比較的短いので、完全燃焼またはほぼ完全な燃焼により炭化水素および一酸化炭素排出物の量を減らすことができる。
【0004】
内側および外側の燃焼器が半径方向に整列されているか否かに拘わらず、また外側環状燃焼器がパイロット燃焼器段として作用するか主燃焼器段として作用するかに拘わらず、従来技術ではパイロット燃焼器段と主燃焼器段との間にセンターボディが設けられている。このようなセンターボディの目的は、どのような運転点でもパイロット燃焼器段の燃焼安定性を保証し且つ一次希釈空気をパイロット燃焼器段反応領域に差し向けるために、パイロット燃焼器段を主燃焼器段から分離することにある。
【0005】
最近まで、このようなセンターボディは、鍛造または圧延リングおよびシート材から作製した連続リングであった。このような単一体の設計は、作製および組立についての寸法および形状公差要求がきついので、製造が困難であった。さらに、燃焼器構造とセンターボディとの温度差により、取付け点に大きなフープ応力および関連した力が発生した。単一体のセンターボディ設計から派生するこれらの問題を解決するために、複数の独立した円弧状センターボディ・セグメントを燃焼器の内側または外側ドームに連結して構成したセンターボディが開発された(米国特許第5,375,420号を参照されたい)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
センターボディ、具体的に述べるとセンターボディ・セグメントは、従来、ボルト連結またはろう付けにより、燃焼器の内側および/または外側ドームに取り付けられている。センターボディは、火炎温度が理想的な化学量論的反応(4000°F)に近い過酷な環境内に配置されているので、この要素の寿命は、(母金属を極端な温度から保護するために冷却空気や遮熱コーティングを用いているにもかかわらず)最終的な金属の酸化のために制限される。センターボディ・セグメントを燃焼器に取り付ける従来の方法では、このようなセグメントを現場で取り換えるのは困難であったので、エンジン使用者が燃焼器をもっと簡単にメインテナンスできるようなセグメント取付け手段が開発されることが望ましい。したがって、本発明は、センターボディ・セグメントを燃焼器の内側および外側ドームの間の所定位置に保持する手段であって、セグメントの取付けおよび取り外しを容易にする新規な保持手段を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内側および外側環状燃焼器を同心配置した二重環状燃焼器が提供される。二重環状燃焼器は、内側部分および外側部分を有する内側ドームと、内側部分および外側部分を有する外側ドームとを備え、外側ドーム内側部分が内側ドーム外側部分に連結されている。二重環状燃焼器は、さらに、前記内側ドームおよび前記外側ドーム間に配置されたほぼ環状のセンターボディを備える。センタボディは、複数個の構造的に独立な円弧状センターボディ・セグメントを含む。各センターボディ・セグメントは、前記センターボディの下流側に延在する第1フランジと内側ドーム外側部分に設けたフックとの間の締りばめ、および/またはセンターボディの上流側に延在する第2フランジと内側ドーム外側部分のフランジとの間のクランプばめ(clamping fit)により所定位置に保持されている。
【0008】
【発明の実施の形態】
ここで、図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明するが、図面中同一符号は同一要素を表す。図1に、ガスタービンエンジンに用いるのに適当なタイプの連続燃焼型燃焼装置10を示す。この燃焼装置10は、内部に燃焼室12を画成する中空本体11を備える。中空本体11はだいたい環状(環状)の形状で、外側ライナ13と内側ライナ14とを含む。中空本体11の上流端に、後述する好適な態様で空気と燃料を導入するための一連の開口15が位置する。
【0009】
中空本体11を適当なシェル16で包囲するのがよく、シェル16はライナ13および14とともに、外側通路17および内側通路18をそれぞれ画成し、これらの通路は、圧縮機(図示せず)やディフューザ19などの適当な供給源からの加圧空気を下流向きの流れとして送るようになっている。ディフューザ19からの圧縮空気の大部分は環状の開口15に流入して燃焼を支持し、一部は通路17および18に流入し、そこで多数の孔20を通してライナ13および14を冷却したり、さらに下流のターボ機械を冷却したりするのに用いられる。
【0010】
外側ドーム21および内側ドーム22が外側ライナ13と内側ライナ14との間に配置され、これらのライナをその上流端付近で相互連結する。これらのドーム21および22は、ボルト、ろう付けなどによりライナに取り付けられた別々の個別ドーム・プレートであるのが好ましい。外側ドーム・プレート21は内側部分25および外側部分27を有し、内側ドーム・プレート22は内側部分26および外側部分28を有する。したがって、外側ドーム外側部分27が外側ライナ13に連結され、内側ドーム内側部分26が内側ライナ14に連結される。外側ドーム内側部分25は内側ドーム外側部分28に以下に説明するように連結される。
【0011】
ドーム・プレート21および22はいわゆる「二重環状」構成に配列され、これらの2つのドーム・プレートは別々の半径方向に離間した環状燃焼器の前方境界を形成し、これらの環状燃焼器は、種々の段階的運転中に別々の燃焼器としてある程度独立に作用する。記述の便宜上、これらの環状燃焼器をそれぞれ内側環状燃焼器(主燃焼器段)23および外側環状燃焼器(パイロット燃焼器段)24と呼び、以下にさらに詳しく説明する。
【0012】
図1の好適な実施例では、内側環状燃焼器23および外側環状燃焼器24との間にセンターボディ50が配置されている。センタボディ50は、内側環状燃焼器23と外側環状燃焼器24とを分離し、両燃焼器間に共通の境界を部分的に画成する作用をなす。センタボディ50は空気の流れを後方へ運んで、内側環状燃焼器23の燃焼ガスが外側環状燃焼器24に入ったり、外側環状燃焼器24の燃焼ガスが内側環状燃焼器23に入ったりするのを阻止する。本出願人に譲渡された米国特許第5,375,420号の図3から明らかなように、センターボディ50は好ましくは円周方向長さの等しい複数個の円弧状センターボディ・セグメント51に分割される。なお、センターボディ50の各セグメント51は、そのトップ部分49が、上壁52、下壁53、上流壁54、下流端55並びに1対の側壁56および57(図3に示すようにフランジ付きであるのが好ましい)を有し、内部に内部室を画成していることが好ましい。また、当技術で周知のように、上壁52、下壁53、下流端55並びに側壁56および57には冷却孔が設けられる。
【0013】
図2に明示するように、各センターボディ・セグメント51は、内側ドーム外側部分28との締りばめにより所定位置に保持される。具体的には、内側ドーム外側部分28のフック58に、センターボディ・セグメント51のボトム部分60から延在する第1すなわち下流側フランジ部材59が挿入される。なお、第1フランジ部材59を、第1フランジ部材59の半径方向外面61とフック58の内面62との間の接触点を制御するように構成する(すなわちテーパを付ける)のが好ましい。半径方向外面61とフック58の中央部分のフック内面62との間の接触点を1点のみ維持するために、第1フランジ部材59の半径方向外面61に、フック内面62の円周方向半径R2 より小さい円周方向半径R1 を与える(図4参照)。これにより、締りばめを与える干渉作用(インターフェレンス)が第1フランジ部材59の全円周方向長さを通して減衰し、干渉作用が第1フランジ部材の全円周方向長さにわたって均一な場合より「柔らかい」はめあいが得られる。さらに、第1フランジ部材59には、その半径方向内面64に沿って段部63を設けて、荷重を第1フランジ部材59とフック58との間に適切に広げるのが好ましい。また、内側環状燃焼器23がオフで外側環状燃焼器24がオンであるとき(すなわち、パイロット運転時)、第1フランジ部材59とフック58との間の接合が一層密になる。その理由は、それぞれ軸線方向および円周方向斜視図で見て、センターボディ・セグメント51の側壁56および57が円周方向に下向きに曲がり、下流端55が半径方向に下向きに曲がりがちであるからである。
【0014】
好ましくは、第2フランジ部材65がセンターボディ・セグメントのボトム部分60から上流方向に延在し、外側ドーム内側部分25の上流側区域29に隣接して終端するようになっている。図2および図3からわかるように、内側ドーム外側部分28がフック58の上流に配置されたフランジ66を含み、センターボディ・セグメント51の第2フランジ部材65がこのフランジ66の表面67と当接関係にあるのが好ましい。当然ながら、内側ドーム外側部分28に少なくとも1個の通路68が貫通し、これがセンターボディ・セグメントのボトム部分60に設けた対応する通路69と合致し、したがって、冷却の目的で空気をセンターボディ・セグメントのトップ部分49の内部の蛇行通路に導入することができる。内側ドーム外側部分28および各センターボディ・セグメント51のボトム部分に第2の1対の通路を貫通させるのが、単一の入口の場合と較べて、センターボディ・セグメントを冷却するのに必要な所定量の空気の圧力損失を小さくするのに役立ち、好ましい。
【0015】
各センターボディ・セグメント51をクリップなしで所定位置に保持することが可能であるが、C形クリップ70を設けて、センターボディ・セグメント51の第2フランジ部材65を内側ドーム外側部分28のフランジ66にクランプ(緊締)するのが好ましい。ここで、C形クリップ70は、各センターボディ・セグメント用の個別のC形クリップ・セグメント複数個からなる。図5に明示するように、C形クリップ70は、その第1表面71に沿って第2フランジ部材65の円周方向上面72との第1接触点を持ち、その第2表面76に沿ってフランジ66の円周方向下面77との第2接触点を持つ。C形クリップ70は、その第3表面73に沿って第2フランジ部材65の半径方向表面74およびフランジ66の半径方向表面75との第3接触点を持つのが好ましい(図3参照)。このように、センターボディ・セグメント51を半径方向に所定の位置に保持し、軸線方向前方に移動するのを防止する。なお、C形クリップ70の上流面78が外側ドーム内側部分25の下流側区域29に隣接しており、これによりC形クリップ70が後退して第2フランジ部材65およびフランジ66からはずれるのを防止する。内側ドーム外側部分28のフック58とセンターボディ・セグメント51の第1フランジ部材59とにより形成される締りばめと、C形クリップ70がセンターボディ・セグメント51の第2フランジ部材65と内側ドーム外側部分28のフランジ66との間に形成するクランプばめとを組み合わせるのが好ましいが、C形クリップ70を用いればこのような締りばめが不要になることがわかる。
【0016】
さらに、C形クリップ70は、複合半径を有する大きな面取り79および80ならびに両者間に位置する陸部81を組み込むことにより、比較的短いアーム長さで大きな変形(たわみ)に耐えるように設計されている。陸部81は、第3接触面73で第2フランジ部材の半径方向面74およびフランジの半径方向面75両方との接触を維持して、エンジン運転中のずれやすべりを吸収することができる。当業者には明らかなように、C形クリップ70はクランプ(緊締)荷重を広い表面に広げ、傷つきやすい区域に過大な荷重をかけない。このことは、従来の装着ボルトやろう付けの使用よりも明白な改良点である。センターボディを装着するのに用いるボルトやろう付け接合では、過酷な点が現れたり、荷重路の集中が生じたりする。
【0017】
図3に示すように、内側ドーム外側部分28がフランジ66に複数個の円周方向に離間したスロット82(1つのみ図示)を含み、第2フランジ部材65が円周方向に離間したタブ83を含み、タブ83が半径方向内向きに延在してセンターボディ・セグメント51をそのまわりに適切に位置決めする。これにより、センターボディ・セグメント51の空気入口通路69が内側ドーム外側部分28の空気通路68と確実に整列する。その上、第2フランジ部材65のタブ83を利用して、組立時に、センターボディ・セグメント51が軸線方向後方へ遠くまで押されるのを防止する。セグメント51があまりに後方へ押しやられると、フック58に過剰なひずみがかかる。C形クリップ70は各側面に1対の端部分84をもつのが好ましく、これらの端部分84は、対応するタブ83および対応するスロット82の一部と合致し(図6および図7参照)、したがって、緊締機能を果たさない。こうして、タブ83がフランジ66の半径方向内方へ延在して、C形クリップ70の緊締部分がスロット82にオーバーラップするのを防止するので、各C形クリップ・セグメントが円周方向の所定位置に維持される。
【0018】
以前の設計とは対照的に、本発明のセンターボディ・セグメント51の円周方向に延在する寸法は、このようなセグメントの一つが各燃料カップまたは気化器ごとに設けられるような寸法とするのが好ましい。隣接するセンターボディ・セグメント51間の分割線が、各燃料カップの中心線にくるのが好ましく、これによりセンターボディ・セグメント51の加熱されたコーナが、燃料カップ間に配置された部品の低温の中心区域から離れて自由に動くのを許し、またそれに加わる熱応力を軽減する。
【0019】
上述したセンターボディ50の説明および内側ドーム外側部分28と外側ドーム内側部分25との間の締りばめについての説明から明らかなように、個別のセンターボディ・セグメント51を所定位置に挿入するにあたっては、まず最初に、第2フランジ部材65のタブ83をフランジ66のスロット82と位置合わせする。次に、第1フランジ部材59をフック58内に配置し、センターボディ・セグメント51を下向きに回転し、第2フランジ部材65をフランジ66の円周方向上面67と当接関係に置く。このようにすれば、第1フランジ部材59の半径方向外面61とフック58の内面62との間に接触点が得られるので、センターボディ・セグメント51と内側ドーム外側部分28との間に締りばめが確立される。この後、C形クリップ70を第2フランジ部材65およびフランジ66にはめて、両者間にクランプばめを確立する。最終工程として、外側ドーム内側部分25を内側ドーム外側部分28に、それらの上流端で、ボルト−ナットその他の類似手段で取付ける。これらの内外側部分はほぼ当接関係にある(図1参照)。したがって、外側ドーム内側部分25の下流側区域29は、C形クリップ70が後退して第2フランジ部材65およびフランジ66からはずれるのを防止する。この結果、各センターボディ・セグメント51は、締りばめおよびクランプばめによって、半径方向および軸線方向の影響を受けることなく、内側ドーム21と外側ドーム22との間の所定位置に保持される。
【0020】
センターボディ50およびその構造体の冷却を強化するために、カラムおよび/またはピンが周知の態様で上壁52および下壁53の内面間に延在して、内部に蛇行冷却通路を形成するのが好ましい。また、センターボディ・セグメント51を金属製として、第1フランジ部材59とフック58との間に望ましいばね作用を得るのが好ましいが、この所望の機能を与える材料であればどのようなものでもよい。
【0021】
外側環状燃焼器24内には、複数個の円周方向に離間した気化器30が配置され、それらの軸線が外側環状燃焼器24の軸線と一致し且つ外側ライナ13とほぼ整列して、ほぼまっすぐな環状燃焼器プロフィールを形成する。なお、気化器30は、燃料と空気とを混合しまたは気化して燃焼室12に導入する作用をなすものであれば、どのような設計のものでもよい。このような設計の1例が、本出願人に譲渡された米国特許第4,070,826号、発明の名称「低圧燃料噴射システム」に記載されている。一般に、気化器30は燃料を燃料管31から燃料ノズル33を介して受け取り、空気を環状開口15から受け取り、燃料を空気流により霧化し、燃焼室12に燃料の微粒子ミストを送り込む。
【0022】
外側環状燃焼器24と同様に、内側環状燃焼器23も複数個の円周方向に離間した気化器32を含み、それらの軸線が気化器30の軸線とほぼ平行に整列されている。気化器32は、内側ドームプレート22、内側ライナ14およびセンターボディ50とともに内側環状燃焼器23を画成する。内側環状燃焼器23は、上述したように、外側環状燃焼器24とはほぼ独立に運転することができる。この場合にも、気化器32の特定の形式および構造は本発明にとって重要ではないが、効率および低エミッション性能について最適化するのが好ましい。説明の便宜上に過ぎないが、空気流容量がいちじるしく大きい点を除いては、気化器32は気化器30と同一であり、燃料を導入する燃料管31に連結された燃料ノズル34を有し、燃料は高圧により霧化されるか又は低圧で液体状態で導入される。一次旋回器35が空気を受け取って、燃料と相互作用させて旋回を与え、ベンチュリ部36に送り込む。二次旋回器37が反対方向の空気旋回流を生じさせて、燃料/空気混合物と相互作用させ、混合気をさらに微粒子化し、燃焼室12に流入させる。好ましくは旋回器カップと一体である散開スプラッシュ板38を気化器32の下流端に使用して、燃料/空気混合物の過剰な分散を防止する。この一体のスプラッシュ板/旋回器カップ38は、本出願人に譲渡された米国特許第5,321,951号に開示されている。
【0023】
ここで、上述した二重環状燃焼器の作動について説明する。外側環状燃焼器24および内側環状燃焼器23を個別にあるいは組み合わせて使用して、所望の燃焼状態を得ることができる。好ましくは、外側環状燃焼器24は始動用にまた低速状態で単独で使用され、これはパイロット燃焼器段と呼ばれる。内側環状燃焼器23は高速および高温状態で使用され、これは主燃焼器段と呼ばれる。エンジンを始動する際、またアイドル状態の運転には、気化器30に燃料管31を介して燃料を供給し、点火器39を介してパイロット燃焼器段24を点火する。ディフューザ19からの空気は矢印で示すように、作動中の気化器30および作動していない気化器32両方を通って流れる。このアイドル状態の間、温度および空気流ともに比較的低く、パイロット燃焼器段24は比較的狭い燃料/空気比幅にわたって作動し、そして気化器30の直接的軸線内に入る外側ライナ13は比較的低い温度レベルでの狭い温度変動しか受けない。このため、孔20内の冷却流分布を最小に維持することができる。さらに、外側環状燃焼器24および内側環状燃焼器23は別個の軸線方向平面内にあるので、パイロット燃焼器段24は主燃焼器段23と較べて比較的長く、そして滞留時間が好ましくは比較的長くなり、これにより炭化水素および一酸化炭素排出物の量が減少する。
【0024】
エンジン速度が上昇するにつれて、燃料を燃料管31から燃料ノズル34を経て気化器32に導入して、主燃焼器段23を付勢する。このような高速運転中に、パイロット燃焼器段24は運転状態に留まるが、燃料および空気の大部分は主燃焼器段23で消費される。主燃焼器段23は、パイロット燃焼器段24と較べて、両者間の軸線方向オフセットのため、軸線方向長さが短く、このため、滞留時間が比較的短くなるのでNOx排出物が減少する。
【0025】
本発明の好適な実施例を図示し説明したが、当業者であれば、本発明の要旨から逸脱することなく、二重環状燃焼器、特にその内側および外側ドームを改変することが可能である。以上説明したセンターボディを保持する方法は、半径方向に隣接するドームを有する多重環状燃焼器すべてに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な実施例による二重環状燃焼器の断面図である。
【図2】図1の燃焼器の一部分の拡大図である。
【図3】図1および図2の燃焼器の一部を(図示の便宜上外側ドームを除去して)前から後ろへ向かって見た斜視図である。
【図4】図2の4−4線方向に見た一部分の断面図である。
【図5】C形クリップ70と第2フランジ部材65とフランジ66の間の関係を示す、図2の一部分の拡大図である。
【図6】図1−3および図5に示したC形クリップを後ろから前へ向かって見た一部分の平面図である。
【図7】図6のC形クリップの一部分の平面図である。
【符号の説明】
10 燃焼装置
13 外側ライナ
14 内側ライナ
21 外側ドーム
22 内側ドーム
23 内側環状燃焼器
24 外側環状燃焼器
25 外側ドーム内側部分
26 内側ドーム内側部分
27 外側ドーム外側部分
28 内側ドーム外側部分
30、32 気化器
33、34 燃料ノズル
50 センターボディ
51 円弧状センターボディ・セグメント
58 フック
59 第1フランジ部材
65 第2フランジ部材
66 フランジ
70 C形クリップ

Claims (9)

  1. 内側および外側環状燃焼器を同心配置した二重環状燃焼器において、
    (a)内側部分および外側部分を含む内側ドームと、
    (b)内側部分および外側部分を含む外側ドームであって、該外側ドーム内側部分が前記内側ドーム外側部分に連結されている外側ドームと、
    (c)前記内側ドームと前記外側ドームとの間に配置されたほぼ環状のセンターボディであって、複数個の構造的に独立な円弧状センターボディ・セグメントを含み、各センターボディ・セグメントが前記内側ドーム外側部分との締りばめにより所定位置に保持されているセンターボディと、
    を含み、
    各々の前記センターボディ・セグメントがさらに、(a)前記内側燃焼器と前記外側燃焼器とを分離するようにほぼ下流側に延在するトップ部分と、(b)上流側に延在する第2フランジ部材を有するボトム部分とを備え、前記第2フランジ部材が、ほぼ上流に且つ前記第2フランジ部材に平行に延在する前記内側ドーム外側部分のフランジとのクランプばめにより保持されている
    ことを特徴とする二重環状燃焼器。
  2. 前記内側ドームが前記外側ドームより軸線方向下流に位置する請求項1記載の二重環状燃焼器。
  3. 前記内側ドーム外側部分がフック部を有し、各々の前記センターボディ・セグメントに形成された第1フランジ部材がこのフック部内に配置されている請求項2記載の二重環状燃焼器。
  4. 前記第1フランジ部材が、該第1フランジ部材と前記フック部の内面との接触点を制御するようにテーパが付けられている請求項3記載の二重環状燃焼器。
  5. 前記第1フランジ部材の半径方向内面に沿って段部が形成されている請求項3記載の二重環状燃焼器。
  6. 前記第2フランジ部材が少なくとも1個のタブを含み、このタブが半径方向内方に延在して、前記内側ドーム外側部分のフランジに形成された複数個のスロットの一つに係合し、これにより各々の前記センターボディ・セグメントが円周方向および軸線方向に適切に位置決めされている請求項3記載の二重環状燃焼器。
  7. さらに、前記第2フランジ部材を前記内側ドーム外側部分のフランジに保持するためのクランプを備え、このクランプが、その内面に形成した複合半径を有する1対の面取り部と両者の中間の陸部とを有する請求項6記載の二重環状燃焼器。
  8. 前記陸部が、前記第2フランジ部材の半径方向表面の少なくとも一部および前記内側ドーム外側部分のフランジの半径方向表面との第3接触点を与える寸法を有する請求項7記載の二重環状燃焼器。
  9. さらに、前記第2フランジ部材を前記内側ドーム外側部分のフランジに保持するためのクランプを備える請求項1記載の二重環状燃焼器。
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