JPH03500439A - 確実な始動を保証するタービンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 確実な始動を保証するタービンエンジン発明の利用分野 この発明は、空気を消費するタービンエンジン、殊に、このようなエンジンの確 実な始動を保証するための改善された手段に間するものである。

発明と背景 空気を消費するタービンエンジンは、主要な構成要素として、ロークリコンプレ ッサと組合わされたタービンホイールを代表的に有している。燃焼器は燃料源か らの燃料のほかにコンプレッサからの圧縮された空気を受け入れ、タービンホイ ールを駆動するための燃焼のホ・ノドガスを提供するために燃料を燃焼させる。

多くのこの種の機構は、タービンホイールの回転軸を中心とするいくつかのドー ナツ型の燃焼室を典型的に有する。“環状型”と呼ばれる燃焼器を用い、この環 状燃焼室空間に燃料を噴射する、円周上で角度的に間隔を置いた複数の燃料噴射 器が設けられている０通常の場合、噴射器には２つの異なった型がある。一つの 型は通常の操作時に利用されている“主”噴射器と呼ばれるものである。他の型 はタービンの始動開始時のみに利用される“始動”噴射器と呼ばれるものである 。

一般的に言えば、始動噴射器は、始動時には、コンプレッサから受け入れられる 圧縮空気の流速が比較的低く、霧状化の促進を頼りにすることができないので、 加圧霧状化の手段によって燃料力良好な霧状化を提供するために配置されている 。

しばしば、エンジンの低回転速度において必要とされる燃料の霧状化の促進を達 成するために、比較的大量の燃料が始動用噴射器によってポンプで送り込まれる 。しかしながら、これは、非効率的な燃焼と、燃焼器を損なうホットストリーク またはホットスポットを次に起こす局部的過剰供給をもたらすものである。

このことの難しさは、高い高度においてタービンを始動させる必要がある時に一 層問題となる。このような場合には、“高度圧力”と呼ばれる圧力の影響が、噴 射器へ供給する分岐管の下部における燃料流れを分岐管の上部における燃料流れ より非常に多くすることを引き起こす、このことは、環状燃焼器の頂部における 貧弱な火焔の広がりのほかに、始動用燃焼器がしばしば配置される環状燃焼器の 底部近傍にホットスポットの発生をもたらすものである。したがって、ホットス ポットの障害に直面させられなければならないばかりでなく、貧弱な火焔の広が りのために始動に望まれるような確実さがない。

この発明は、上述の問題点の１つまたはそれ１以上を克服することを月相してい るものである。

発明の要約 新しく改善されたタービンエンジンを提供することがこの発明の主な目的である 。さらに詳しくは、高い高度においてホットスポットかまたは貧弱な火焔の広が りのいずれかの形成、または両方の形成することなしで確実に始動できるタービ ンエンジンを提供することがこの発明の目的である。

この発明の典型的な具体例は、ロータリーコンプレッサと、このコンプレッサと 組合わされ、軸線の周りに回転するように装着されたタービンホイールと、そし てこのタービンホイールにガスを向けるためにタービンホイールを取り巻いてい る環状ノズルとを有するタービンエンジンにおいて、前記目的を達成する。環状 燃焼器は、軸線に対してほぼ同心状であり、ノズルに接続された出口を有してい る。燃焼器は頂部と底部を有している。圧縮空気は、実質的に燃焼器を取り巻き 、コンプレッサに接続されており、それぞれほぼ円周方向で燃焼器に燃料を噴射 するために、燃焼器内に出口を有する複数の主燃料噴射器が角度的に間隔を置い て設けられている。はぼ円周方向で燃焼器内に圧縮空気を向けるための気圧室と 流体的に連通ずる手段が設けられ、底部上方の燃焼器の穴内に出口を有する少な 、くとも１個の加圧霧状化始動用噴射器が設けられ、その底部には燃焼器内にお けるホットスポットの形成を防止するために始動用噴射器は置かれない。

前述０結果として・旋回する円周方向の空気流れ力（、秀れた火焔の広がりと底 部の充分上方の始動用噴射器の位置を提供するように燃焼器内に発生し、底部に おいて始動用噴射器を配置しないということがホットスポットを防止している。

非常に好適な具体例において、噴射器は、燃焼器の頂部や底部の近くよりも頂部 と底部の中間により近く配置されている。

この発明のある具体例によれば、２個の始動用噴射器が一方が他方より低くなっ た正反対の直径上の位置に置ら間隔を置かれ、そこでは圧縮空気が室内を指向し ている。

好ましくは、２つの正反対の直径上の始動用噴射器のある所は、垂直というより 水平に近い平面である。

他の目的と利益は添付の図面と一緒になされる次の説明から明瞭になるだろう。

図面の説明 第１図は、この発明によりつくられたタービンエンジンのいくらか略図的な断面 図である。

第２図は、第１図の２−２線にほぼ沿った断面図である。

第３図は、この発明によりつくられた燃料噴射器と燃焼器の部分断面図である。

第４図は、この発明によりつくられた燃焼器のある形における火焔の広がりを例 示する略図的説明図である。

第５０は、先行技術の燃焼器の第４図と同様な図面である。

好適な具体例の説明 この発明によりつくられたガスタービンの代表的な具体例が、径方向へ流れる空 気を消費するガスタービンの形で図面に示されている。しかしながら、この発明 は、径方向流れのタービンに限定されるわけではなく、環状燃焼器を有するいか なる形の空気を消費するタービンに対しても適用することができる。

タービンは図示されないベアリングによって支承される回転軸１０を有している 。この回転軸１０の一端に近接して入口部分１２がある９回転軸１０は、一般的 符号１４をつけられた、従来の構造のロータを装着している。

ロータ１４は、一般的符号１５をつけられた、入口１２に近接して複数のコンプ レッサブレード１６を有するコンプレッサ部分を含んでいる。コンプレッサカバ ー１８はコンプレッサに接近して設けられ、コンプレッサブレード１６の径方向 外側の先端の径方向外側には通常のディフユーザ２０がある。

コンプレッサブレード１６の反対側に、ロータ１４は。

一般的符号２１をつけられた、複数のタービンブレード２２を有するタービンホ イールを有している。タービンブレード２２の径方向外側には、−Ｒ的符号２６ をっけを受け入れるために採用された環状ノズル２４がある。

ブレード１６、カバー１８、そしてディフューザ２０を含むコンプレッサ１５は 、環状燃焼器２６に圧縮された空気を供給し、希釈空気通路２７を経て燃焼ガス と一緒にノズル２４にまで供給する。すなわち、燃焼器２６からの燃焼の熱ガス は、ロータ１４の回転、すなわち軸１０の回転を生じさせるために、ブレード２ ２に対してノズル２４から向けられる。軸１０には、勿論、有益な仕事の遂行を められているある種の装置が連結されている。

タービンブレードカバー２８は、ノズル２４からの流路を閉鎖し、タービンブレ ード２２の部分に膨張するガスを制限するために、燃焼器２６の内側に固着され ている。燃焼器２６は、はぼ円筒状の内壁３２とほぼ円筒状の外壁３４とを有し ている。２つの壁は、互いに同心でかつ回転軸１０の軸に対して同心であり、燃 焼器２６の壁３２と３４の間の空間によって画定される内側環３８からの出口と して役立っているしぼり部分に変化している。この出口３６は、ノズル２４に延 びている。壁３２および３４にほぼ同心の第３の壁３９は、内壁３２および３４ と連絡し、内側環３８をさらに画定するようにはぼ径方向に延びている。

出口３６の反対側で壁３９に近接して、燃焼器の内側環３８は燃料の燃焼が主と して起こる主燃焼圏４０を含んでいる。主燃焼圏４０は、はぼ径方向の内壁３２ 、はぼ径方向の外壁３４、そして径方向の壁３９によって画定された環あるいは 環状空間である。他の燃焼は、ある場合には、主燃焼圏４０から下流の出口３６ の方向で起こるかも知れない、前述したように、ノズル２４を経てタービンブレ ードに対して適用するための適当な温度に燃焼ガスを冷却するように、通路２７ から燃焼器２６内へ希釈空気を噴出するための準備がなされている。

環状壁４４は壁３２および３４に対してほぼ同心であり、壁３２および３４の径 方向外側に配置されている。

同様に、壁３２の内側の内部環状壁４５が設けられ、壁４４と一緒に燃焼器２６ を取り巻く空気室を提供している。壁４４は、ディフューザ２０の出口に延び、 コンプレッサ機構から燃焼器２６まで圧縮空気を漏らさずに導くために役立って いる。

！！４４に装着され、Ｒ３４を通って延びる主燃料噴射器は一般的符号４６をつ けられている。この発明の具体例によれば、第２区に示されるように、点４８に よって示される軸１０の回転軸線の周りに、角度的に等間隔で４個の噴射器４６ がある。各噴射器４６は、燃焼器２６の周りに時計廻りの方向で、噴射器Ａが燃 焼器の頂点で噴射器Ｃが燃焼器の底点であるようにＡ、Ｂ、ＣおよびＤと指定さ れている。第２図および第３図に見られるように、噴射器４６は、壁３４および ４４にそれぞれ形成された整列孔５０および５２によって主燃焼圏４０内に延び ている。各噴射器４６は径方向内側のひじ部５６で終わるほぼ円筒状のハウジン グ５４を有している。ひじ外側の壁４４の外側の装着面にガスゲット６０によっ て封着できる周辺保持フランジ５８（第３図のみに示される。）を有している。

壁３４と４４の間に配置されたハウジング５４の部分には、壁３４および４４に よって画定される気圧室内に連通されている１制またはそれ以上の開口６４．６ ６が設けられている。このようにして、コンプレッサ１５からの圧縮空気は開口 ６４．６６を通じて各燃料噴射器のハウジング５４の内側６８に流れ込む。

各ハウジング５４の内側６８内には、いくらが瓢Ｊ字形のチューブ７０が配置さ れている。チューブ７０の径方向外端７２は分岐管７４と流体的に連通しており 、一方、径方向内端７６は、燃料噴射器ハウジング５４のひじ部５６と対応して 角度づけられ、その減縮された直径の開ロア８がそのひじ部５４の中心に置かれ ている。好ましくは、燃料用旋回器８０が、噴射器ノズルとして役立つ端部７６ に接近してチューブ７０内に配置される。

ひじ部５６すなわちチューブ７０の端部７８の角度は、燃料と空気が、第２図に 示されるように、円周方向に延びる噴霧模様８２のようにほぼ接線方向で主燃焼 圏に入るだろう、第３図に示されるように、連続する軸方向の穴８４の列と軸方 向に延びる冷却用部片８６を設けることによって、円周の接線方向で主燃焼圏４ ０の周辺に希釈空気を導入するための設備がまた設けられる。接線方向および／ または円周方向への冷却用空気噴射のための、同様の穴および冷却用部片は、内 壁３２および径方向の壁３９にも配設される。

今、説明したように、燃焼器４６による燃料と燃焼用空気の接線方向への噴射に 加えて希釈および／または冷却用空気の接線方向からの導入は主燃焼圏４０内に おいて高度の旋回流を提供する。この旋回流は秀れた火焔伝播力を提供するので 非常に好ましいものである。

噴射器りの僅かに上方で、噴射器Ａよりはその噴射器りに接近する位置において 、壁３４と４４との整列孔９０と９２を通って、一般的符号９６がつけられた始 動用噴射器の円筒部９４が延びている。始動用噴射器９６は加圧噴霧器からなり 、噴霧器ｔａ１００を提供するように配置された霧状化ノズル９８を有している 。噴霧模様１００に近接して径方向の壁３９に装着されているのは通常の構造の 高エネルギー点火栓）０２である。

この技術分野の専門家は、ノズル４６に対する主な霧状化手段が、高速の空気流 中への燃料の噴射の結果としての霧状化よりも、ノズルを介して燃料の霧状化を 達成するためにノズル９８の内部に適用される燃料の圧力に依存する始動噴射器 ９６のような加圧霧状化噴射器であることを認めているだろう。

ある場合には、ただ１個の噴射器９６が使用される。

しかしながら、他の場合には、第４図に略図的に示され。

第２図に１０４の符号がつけられた位置に、直径上の反対位置に他の点では全く 同一の噴射器が設けられる。この位置は、当然に、第２の始動用噴射器９６は主 燃料噴射器Ｃに対してよりも主燃料噴射器Ｂにより近付いていることを意味して いる。それは、また、両方の始動用噴射器９６が燃焼器２６の頂部や底部よりも 頂部と底部の間のほとんど中間に配置されていることを意味し、そして、同様に 、２個の直径上に向き合う始動用噴射器９６が使用される場合には、それらは垂 直な面であるよりは殆ど水平に近い面にあることを意味している。一般的に言え ば、このような平面はできるだけ水平に近い方が望ましい１例示の具体例におい ては、完全な水平配置は、このような位置が主燃料噴射器ＢおよびＤによって占 められているので不可能である。

何れの始動用噴射器９６も燃焼器の底部に置かれることはなく、底部には始動用 噴射器がないことに、また注目されるであろう、さらに、下方の始動用噴射器は 空気噴出方向に底部から離れていることが観察される。このことは、下方の始動 用噴射器９６から噴射される燃料が、ｇ３４と４４間の環状空間内を上方に吹き 上げる傾向があることを意味している。

第４図は、始動用噴射器９６によって噴射されている燃料の結果としてもたらさ れる火焔の模様である。左側の始動用噴射器９６においての噴射からもたらされ る火焔の模様は符号１１０で示され、一方、右側の噴射器９６から発せらと焔の 模様は符号１１２で示されている０円周方向の旋回がホットスポットの形成を防 止するために環状空間の周りに火焔の良好な分布を提供し、噴射器９６の特別の 位置が高高度圧力の有害な影響を最小にすることが理解されるであろう。

第５図に示されるように多くの典型的燃焼器に対してこれらのことは対称的であ る。種燃料噴射器は１１４で示され、大まかに環３８に相当する環１１６の径方 向に噴射する。始動用噴射器１２０は軸方向に噴射し、はぼ例示されているよう な火焔模様１２２を発生し、２個所の火焔模様を含む部分が燃焼器内の残りの部 分より熱いことが理解されるであろう、かくして、エンジンの寿命を短くするホ ットスポットは明瞭に存在している。

しかしながら、第５図に例示されるものは、高度圧力の影響の結果として高高度 始動の際に起こる付加的な障害を考慮する必要がないことを理解されるべきであ る。

このような場合には、上方の火焔模様は、上部噴射器を経由するものより下部噴 射器を経由する燃料の流れが多いために、実質的に大きさが減少されるものであ る。言葉を変えて説明すると、火焔模様が、確実な始動を妨げルコとができるの は、基本的には、燃焼器の底部において極端に貧弱な火焔伝播力を有することで ある。

それゆえ、この発明によりつくられたタービンエンジンは、ホットスポットの発 生することなくタービンエン排除することによって高い高度においてさえ確実な 始動を保証すべき秀れた火焔の広がりを提供することが理解されるであろう。

補正書の翻訳文提出書く特許法第１８４条の７第１項）平成　２年　３月１５日

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．ロータリーコンプレッサと、 このコンプレッサに組合わされ、軸線の周りに回転するために装着されたタービ ンホイールと、このタービンホイールを取り巻き、そこヘガスを指向させるため の環状ノズルと、 前記軸線とほぼ同心で、前記ノズルに接続する出口を有する環状燃焼器であって 、頂部と底部を有する燃焼器と、 この燃焼器を実質的に取り巻き、前記コンプレッサに接続された圧縮空気の気圧 室と、 ほぼ円周方向でその中へ燃料を噴射するために、それぞれ前記燃焼器内に出口を 有する、角度的に間隔を置いた複数の主燃料噴射器と、 ほぼ円周方向で前記燃焼器に圧縮空気を指向させるための前記気圧室に対する流 体的連絡手段と、そして前記燃焼器内でのホットスポットの形成を防止するため に、始動用噴射器のない前記底部の充分上方で、前記燃焼器内に対する出口を有 する、少なくとも１個の加圧霧状化始動用燃料噴射器とからなる、タービンエン ジン。
2. ２．一方が他方より下方で直径上の反対位置にある２個の前記始動用噴射器であ って、前記下方の噴射器が、圧縮空気が前記燃焼器へ指向するほぼ円周方向で前 記底部から間隔が置かれているところの請求項（１）記載のタービンエンジン。
3. ３．ロータリーコンプレッサと、 このコンプレッサに組合わされ、軸線の周りに回転するために装着されたタービ ンホイールと、このタービンホイールを取り巻き、そこヘガスを指向させるため の環状ノズルと、 前記軸線とほぼ同心でそれらの間に間隔を有する径方向の内壁と外壁を有し、か つ前記ノズルに接続された出口を有する環状燃焼器であって、頂部と底部を有す る燃焼器と、 この燃焼器を実質的に取り巻き、前記コンプレッサに接続された圧縮空気の気圧 室と、 前記空間にほぼ円周方向かつ接線方向でその中に燃料と空気を噴射するために、 それぞれ前記燃焼器内に出口を有する、角皮的に間隔を置いた複数の主燃料噴射 器と、 ほぼ円周方向で前記燃焼器に圧縮空気を指向させるための前記気圧室に対する流 体的連絡手段と、そして前記燃焼器内でのホットスポットの形成を防止するため に、始動用噴射器のない前記底部の充分上方で、前記燃焼器内にそれぞれ出口を 有する、直径上反対位置にある加圧霧状化始動用燃料噴射器とからなる、タービ ンエンジン。
4. ４．ロータリーコンプレッサと、 このコンプレッサに組合わされ、軸線の周りに回転するために装着されたタービ ンホイールと、このタービンホイールを取り巻き、そこヘガスを指向させるため の環状ノズルと、 前記軸線とほぼ同心で、前記ノズルに接続する出口を有する環状燃焼器であって 、頂部と底部を有する燃焼器と、 この燃焼器を実質的に取り巻き、前記コンプレッサに接続された圧縮空気の気圧 室と、 ほぼ円周方向でその中へ燃料を噴射するために、それぞれ前記燃焼器内に出口を 有する、角度的に間隔を置いた複数の主燃料噴射器と、 ほぼ円周方向で前記燃焼器に圧縮空気を指向させるための前記気圧室に対する流 体的連絡手段と、そして前記燃焼器内でのホットスポットの形成を防止するため に、前記底部には始動用噴射器を置かず、垂直平面よりも水平平面により近くか つ前記燃焼器内にそれぞれ出口を有する、直径上反対位置にある加圧霧状化始動 用燃料噴射器とからなるタービンエンジン。
5. ５．ロータリーコンプレッサと、 このコンプレッサに組合わされ、軸線の周りに回転するために装着されたタービ ンホイールと、このタービンホイールを取り巻き、そこヘガスを指向させるため の環状ノズルと、 前記軸線とほぼ同心で、前記ノズルに接続する出口を有する環状燃焼器であって 、頂部と底部を有する燃焼器と、 この燃焼器を実質的に取り巻き、前記コンプレッサに接続された圧縮空気の気圧 室と、 ほぼ円周方向でその中へ燃料を噴射するために、それぞれ前記燃焼器内に出口を 有する、角度的に間隔を置いた複数の主燃料噴射器と、 ほぼ円周方向で前記燃焼器に圧縮空気を指向させるための前記気圧室に対する流 体的連絡手段と、そして前記燃焼器内でのホットスポットの形成を防止するため に前記底部には始動用噴射器を置かず、前記項部または底部の近くよりは前記項 部と底部の殆ど中間に置かれ、前記燃焼器内に出口を有する、少なくとも１個の 加圧霧状化始動用燃料噴射器とからなるタービンエンジン。