JP2010210229A - ターボ機械用噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼効率と、燃焼のプロファイル／パターン因子を高める。
【解決手段】ターボ機械（２）が、圧縮機（４）と、燃焼器（６）であって、圧縮機（４）に動作可能に接続された第１の端部と、第２の端部とを備える燃焼器（６）と、燃焼器（６）の第２の端部に取り付けられた移行部片（５５）と、燃焼器（６）および移行部片（５５）の一方に取り付けられた噴射装置（９０）と、を備える。噴射装置（９０）は、第１の端部（１１２）と、第１の端部（１１２）が中間部分（１１６）を通って達する第２の端部（１１４）とを備える。中間部分（１１６）は流れ調整メカニズム（１２４）を備える。圧縮機（４）から出た燃焼空気が、第１の端部（１１２）に入り、流れ調整メカニズム（１２４）を通って、燃焼ライナ（６）および移行部片（５５）の一方に入る。流れ調整メカニズム（１２４）は、燃焼空気内に空気流外乱を形成して、燃焼ガスの混合を促進する。
【選択図】図３

Description

本明細書で開示する主題は、ターボ機械の技術に関し、より詳細には、ターボ機械用噴射装置に関する。

一般的に、ガス・タービン・エンジンは、燃料／空気混合気を燃焼して熱エネルギーを放出させ、高温ガス流を形成する。高温ガス流は、高温ガス経路を介してタービンに送られる。タービンによって、高温ガス流からの熱エネルギーが機械的エネルギーに変換され、タービン・シャフトを回転させる。タービンを、種々の応用例において（たとえば、ポンプまたは発電機にパワーを供給するために）用いる場合がある。

米国特許第４，９４４，１４９号明細書

ガス・タービンでは、空気／燃料混合気が適切に燃焼することでエンジン効率が増加する。燃焼の混合および希釈を高めると、エンジン効率が高まることになる。あるターボ機械では、燃焼ライナ内に配置された一連の混合および希釈通路を用いている。燃焼空気流の一部が、噴流として、燃焼ライナ（または移行部片）内に進む。噴流を用いて、燃焼ガスの混合を高めて燃焼効率を高めるとともに、希釈に対しては、燃焼のプロファイル／パターン因子を高める。

本発明の一態様によれば、ターボ機械が、圧縮機と、燃焼器であって、圧縮機に動作可能に接続された第１の端部と、第２の端部とを備える燃焼器と、燃焼器の第２の端部に取り付けられた移行部片と、燃焼器および移行部片の一方に取り付けられた少なくとも１つの噴射装置と、を備える。少なくとも１つの噴射装置は、第１の端部と、第１の端部が中間部分を通って達する第２の端部とを備える。中間部分は流れ調整メカニズムを備える。圧縮機から出た燃焼空気が、第１の端部に入り、流れ調整メカニズムを通って、燃焼ライナおよび移行部片の一方に入る。流れ調整メカニズムは、燃焼空気内に空気流外乱を形成して、燃焼ガスの混合を促進する。

本発明の別の態様によれば、ターボ機械内に燃焼空気を噴射する方法であって、ターボ機械の圧縮機部分において燃焼空気を発生させることと、燃焼空気を、ターボ機械の燃焼器および移行部片部分の一方に取り付けられた少なくとも１つの噴射装置に案内することと、燃焼空気を、少なくとも１つの噴射装置の第１の端部内に送ることと、燃焼空気を、少なくとも１つの噴射装置内に配置された流れ調整メカニズムを通して案内して、調整された燃焼空気流を作ることと、調整された燃焼空気流を燃焼器および移行部片の一方内に送ることと、を含む方法。

これらおよび他の優位性および特徴が、図面とともに以下の説明からより明らかとなる。

本発明とみなされる主題は特に、本明細書の結びにおける請求項において示され、明確に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、添付図面とともに以下の詳細な説明から明らかである。

代表的な実施形態による噴射装置を備えるターボ機械の部分的な断面図である。 図１のターボ機械の燃焼器部分の部分的な断面図である。 代表的な実施形態による噴射装置の右下の斜視図である。 図３の噴射装置の右上の斜視図である。 図３の噴射装置の断面側面図である。

詳細な説明において、本発明の実施形態を、優位性および特徴とともに、図面を参照して一例として説明する。

図１を参照して、本発明の代表的な実施形態により構成されたターボ機械を大まかに２に示す。ターボ機械２は、圧縮機４と燃焼器アセンブリ５とを備える。燃焼器アセンブリ５は、少なくとも１つの燃焼器６を有する。燃焼器６には、噴射ノズル・アセンブリ・ハウジング８が設けられている。ターボ機械２はまた、タービン１０と共通の圧縮機／タービン・シャフト１２とを備える。特に、本発明は、どれか一つの特定のエンジンには限定されず、他のターボ機械に関連して用いても良い。

図２に最良に示すように、燃焼器６は、圧縮機４とタービン１０とに流れ連絡する状態で結合されている。圧縮機４は、ディフューザ２２と圧縮機吐出プレナム２４とを備えており、これらは互いに流れ連絡する状態で結合している。燃焼器６はまた、その第１の端部に位置する端部カバー３０と、キャップ部材３４とを備える。燃焼器６はさらに、複数の予混合器または噴射ノズル・アセンブリを備える。それらの２つを３８および３９に示す。加えて、燃焼器６は燃焼器ケーシング４６と燃焼器ライナ４７とを備える。図示したように、燃焼器ライナ４７は、燃焼器ケーシング４６から半径方向の内側に位置して燃焼室４８を画定している。環状の燃焼室冷却通路４９が、燃焼器ケーシング４６と燃焼器ライナ４７との間に画定されている。燃焼器６はターボ機械２に、移行部片５５を通して結合されている。移行部片５５は、燃焼室４８内で発生した燃焼ガスを下流に、第１段のタービン・ノズル６２の方へ送る。そうするために、移行部片５５は内壁６４と外壁６５とを備える。外壁６５は、内壁６４と外壁６５との間に画定される環状通路６８に通じる複数の開口部６６を備える。内壁６４によって、燃焼室４８とタービン１０との間を延びる案内キャビティ７２が画定される。

動作時に、空気流が圧縮機４を通って圧縮されて、燃焼器６に、より具体的には、噴射器アセンブリ３８および３９に送られる。同時に、燃料が噴射器アセンブリ３８および３９に送られて圧縮空気と混合され、可燃性の混合物を形成する。可燃性の混合物は、燃焼室４８に送られて点火され、燃焼ガスを形成する。燃焼ガスは次に、タービン１０に送られる。燃焼ガスからの熱エネルギーが機械的な回転エネルギーに変換されて、圧縮機／タービン・シャフト１２を駆動するために用いられる。

より具体的には、タービン１０によって、圧縮機４が、圧縮機／タービン・シャフト１２（図１に示す）を介して駆動される。圧縮機４が回転すると、圧縮空気がディフューザ２２内に排出される。これを、関連する矢印によって示す。代表的な実施形態においては、圧縮機４から排出される圧縮空気の大部分が、圧縮機吐出プレナム２４を通して燃焼器６の方へ送られる。残りの圧縮空気はすべて、エンジン構成部品の冷却で用いるために送られる。吐出プレナム２４内の圧縮空気が、外壁開口部６６を介して移行部片５５内に送られ、環状通路６８内に送られる。圧縮空気は次に、環状通路６８から環状の燃焼室冷却通路４９を通して、噴射ノズル・アセンブリ３８および３９内に送られる。燃料および空気が混合されて、可燃性の混合物が形成される。可燃性の混合物は点火されて、燃焼室４８内で燃焼ガスが形成される。燃焼器ケーシング４７によって、燃焼室４８およびその関連する燃焼プロセスを、外部環境（たとえば周囲のタービン構成部品）からシールドすることが容易になる。燃焼ガスは、燃焼室４８から、案内キャビティ７２を通してタービン・ノズル６２の方へ送られる。高温ガスが第１段のタービン・ノズル６２に衝突することで回転力が形成され、これによって最終的にターボ機械２から動作が生成される。ここで、前述した構造は、本発明の代表的な実施形態をより完全に理解するために示したものであることを理解されたい。

燃焼効率を高めるために、ターボ機械２は、複数の噴射装置９０、９１および９３、９４を備えている。噴射装置９０および９１は、燃焼ライナ４７に取り付けられ、燃焼室４８内の燃焼ガスの混合を高めるために配置されている。一方で、噴射装置９３および９４は、移行部片５５の内壁６４上に配置され、第１のタービン段６２内に進む燃焼ガスの希釈を促進するために配置されている。各噴射装置９０、９１および９３、９４は同様に構成されているので、次に図３〜５を参照する際、噴射装置９０について説明し、残りの噴射装置９１、９３、および９４は同様に形成されているものと理解する。

図示した代表的な実施形態によれば、噴射装置９０は主ボディ１１０を備える。主ボディ１１０は、第１の端部１１２と、第１の端部１１２が中間部分１１６を通って達する第２の端部１１４とを有する。円形のフランジ１２０が第２の端部１１４に取り付けられている。フランジ１２０は、噴射装置９０をターボ機械２に固定する構造を与える。より具体的には、フランジ１２０は、たとえば燃焼ライナ４７に、溶接されるかまたは他の方法で取り付けられて、主ボディ１１０が燃焼室４８内に突き出るようになっている。あるいは、フランジ１２０は、移行部片５５に溶接されるかまたは他の方法で取り付けられて、主ボディ１１０が案内キャビティ７２内に突き出るようになっている。前述したように、噴射装置９０の特定の場所は、設計パラメータのほかに所望の混合特性に依存する。

さらに代表的な実施形態により、噴射装置９０は流れ調整メカニズム１２４を備える。流れ調整メカニズム１２４は、噴射装置９０を通る燃焼空気内に外乱を形成するように構成されている。図示する代表的な実施形態においては、流れ調整メカニズム１２４は中央の軸方向ポスト１３０を備え、その周囲に攪拌器部材１３２が延びている。攪拌器部材１３２は、第１の端部１３４を備え、第１の端部１３４は、第２の端部１３５まで螺旋状流路１４０に沿って延びている。螺旋状流路１４０は、主ボディ１１０の第１の端部と第２の端部との間を延びている。この配置において、空気は噴射装置９０に入った後、螺旋状流路１４０に沿って進む。螺旋状流路１４０によって外乱が開始され、旋回された空気流が作られる。旋回された空気流は次に、燃焼室４８内に送られて、燃焼室４８に含まれる燃焼ガスのさらなる混合が促進される。あるいは、旋回された空気流は案内キャビティ７２内に送られて、燃焼ガスの希釈を増加させ、さらに効率を高める。

ここで、代表的な実施形態において流れ調整メカニズムを螺旋状流路を有するものとして示したが、種々の他の幾何学的形状を用いても良いことを理解されたい。すなわち、流れ調整メカニズムは、同心リング、隆起部（ｒａｉｓｅｄ ｒｉｄｇｅ）もしくは他の形状の突起部（ｐｒｏｔｕｂｅｒａｎｃｅ）、およびまたは空気流に外乱を与える凹部を備えていても良い。加えて、噴射装置の特定の場所および取り付けは、設計パラメータおよび所望の流れ特性に応じて変更できることを理解されたい。

本発明を、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明してきたが、本発明は、このような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ本発明を変更して、これまで説明していないが本発明の趣旨および範囲に対応する任意の数の変形、変更、代用、または等価な配置を取り入れることができる。さらに、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲のみによって限定される。

Claims (9)

1. 圧縮機（４）と、
   燃焼器（６）であって、圧縮機に動作可能に接続された第１の端部と、第２の端部とを備える燃焼器（６）と、
   燃焼器（６）の第２の端部に取り付けられた移行部片（５５）と、
   燃焼器（６）および移行部片（５５）の一方に取り付けられた少なくとも１つの噴射装置（９０）であって、少なくとも１つの噴射装置（９０）は、第１の端部（１１２）と、第１の端部（１１２）が中間部分（１１６）を通って達する第２の端部（１１４）とを備え、中間部分（１１６）は流れ調整メカニズム（１２４）を備える噴射装置（９０）と、を備え、
   圧縮機（４）から出た燃焼空気が、第１の端部（１１２）に入り、流れ調整メカニズム（１２４）を通って、燃焼ライナ（６）および移行部片（５５）の一方に入り、流れ調整メカニズム（１２４）は燃焼空気内に空気流外乱を形成して燃焼ガスの混合を促進する、ターボ機械（２）。
2. 流れ調整メカニズム（１２４）は、少なくとも１つの噴射装置（９０）内に取り付けられた攪拌器（１３２）である請求項１に記載のターボ機械（２）。
3. 攪拌器（１３２）は螺旋状流路（１４０）を備える請求項２に記載のターボ機械（２）。
4. 少なくとも１つの噴射装置（９０）は燃焼器（６）に取り付けられている請求項１に記載のターボ機械（２）。
5. 少なくとも１つの噴射装置（９０）は移行部片（５５）に取り付けられている請求項１に記載のターボ機械（２）。
6. 少なくとも１つの噴射装置（９０）は、燃焼器（６）および移行部片（５５）の一方に沿って配置される複数の噴射装置（９０〜９１および９３〜９４）を含む請求項１に記載のターボ機械（２）。
7. 少なくとも１つの噴射装置（９０）の第１の端部（１１２）はフランジ（１２０）を備える請求項１に記載のターボ機械（２）。
8. 少なくとも１つの噴射装置（９０）は燃焼器（６）および移行部片（５５）の一方に溶接されている請求項１に記載のターボ機械（２）。
9. 燃焼器（６）内に取り付けられた燃焼ライナ（４７）をさらに備え、少なくとも１つの噴射装置（９０）は燃焼ライナ（４７）に取り付けられている請求項１に記載のターボ機械（２）。

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