(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃焼室（１４）を備える燃焼器構造（１２）と、前記燃焼室（１４）に燃料と水の両方を噴射する２重円錐噴射燃料ノズル（２４）と、前記燃焼室（１４）の上流に隣接するスワールカップパッケージ（２２）とを含み、
前記スワールカップパッケージ（２２）は、さらに、スワラ（２８）および、前記燃料ノズル（２４）と前記燃焼室（１４）との間に伸張する前記燃料および水を空気と混合するためのベンチュリ管（３４）を含み、
前記スワラ（２８）は、その面板部（５４）に前記ベンチュリ管の外面（５０）の周りに空気を供給する複数のパージ孔（５２）を持ち、
前記ベンチュリ管（３４）は、その上流端に熱遮蔽を備えておらず、前記スワラ（２８）から前記燃焼室（１４）までの距離の半分の長さまで伸張する軸方向長さを有し、上流端（４４）から下流端（４６）まで厚み（ｔ）を持つように構成され、
前記ベンチュリ管（３４）の厚みが、前記ベンチュリ管（３４）の上流部に水が衝突した際に前記ベンチュリ管（３４）に対し加えられる軸方向応力を低減する熱伝達伝導経路を与える
ガスタービンエンジン用の燃焼装置（１０）。
【請求項２】
前記ベンチュリ管（３４）に対する前記軸方向応力は前記ベンチュリ管（３４）に使用される材質の耐力の０．２％以下に維持される請求項１記載の燃焼装置（１０）。
【請求項３】
前記ベンチュリ管の厚み（ｔ）を横切る温度勾配が２．５４ｃｍ当たり３２７〜３４３℃（１インチ当たり６２０〜６５０°Ｆ）に維持される請求項１又は２に記載の燃焼装置（１０）。
【請求項４】
前記スワラ（２８）および前記ベンチュリ管（３４）は一体ものとして鋳造される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃焼装置（１０）。
【請求項５】
前記ベンチュリ管（３４）の最大厚み（ｔmax）が０．３８１〜０．４５７ｃｍ（０．１５０〜０．１８０インチ）の範囲にある請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃焼装置（１０）。
【請求項６】
前記ベンチュリ管（３４）の最小厚み（ｔmin）が０．１２７〜０．１７８ｃｍ（０．０５〜０．０７インチ）の範囲にある請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃焼装置（１０）。
【請求項７】
前記ベンチュリ管（３４）の内面（４８）が、前記燃焼装置（１０）が水噴射なしで作動できる幾何学形状をもつ請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃焼装置（１０）。
【請求項８】
さらに、前記燃焼室（１４）の上流端に隣接して配置されたイグナイタ（２５）を含む請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃焼装置（１０）。
【請求項９】
前記スワールカップパッケージ（２２）は、さらに、スワールカップ（３０）およびスプラッシュプレート（３２）を含む請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃焼装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
この発明は一般にはＮＯｘ低減のために水を噴射するガスタービンエンジン用の燃焼器に関し、さらに詳細には、このような燃焼器用のスワールカップパッケージ内のベンチュリ管に係わり、このベンチュリ菅は上流端から下流端まである厚みを持つように構成され、この厚みが、熱伝達伝導経路を与えてベンチュリ菅に軸方向に賦課される応力を低減する。
【０００２】
ガスタービンエンジンの燃焼器が、作動中に極度に高い温度、ことによると３５００°Ｆのような高温にさらされることは良く知られている。したがって、熱衝撃および厳しい熱応力から燃焼器部品を保護するために、当業界でいくつかの方法が用いられてきた。これらの方法には、Ｃｒａｉｇらに付与された米国特許第５，５５３，４５５号、Ｊｏｎｅｓらに付与された米国特許第５，５２８，９０４号、Ｃａｍｐｂｅｌｌに付与された米国特許第５，２２０，７８６号、Ｄｉｅｒｂｅｒｇｅｒらに付与された米国特許第４，６５５，０４４号、およびＳｃｏｔｔに付与された米国特許第４，５６７，７３０号によって示されるように、新規かつ新種の金属合金類、種々の熱遮蔽構造、冷却方式、およびある種の断熱皮膜類の利用などが含まれる。
【０００３】
ガスタービン燃焼器の設計と関係するもう一つの考慮すべき事項は、それから排出される排気物質を最小にする能力である。船舶用および工業用に使用する場合、これは、通常，燃焼器内へ水を噴射して（例えば、燃料供給に使用されるノズル回路を通して）内部の温度を下げることにより達成されてきた。しかしながら、このような水噴射には  キャビテーションおよび衝突のため燃焼器のある部品に対し金属疲労および侵食を引き起こすという望ましくない影響があることが見出された。これら特定の関連した燃焼器部品は、燃焼器の設計および正確には水の衝突が起きる場所に応じて変わりうる。しかしながら、水は、燃焼器を通過する、液体燃料および蒸気のような他の流体よりも対流による熱伝達係数が高く、他の条件が全て同等だとより高い熱応力を引き起こすので、水の方が他の流体より厳しいことが理解されるであろう。
【０００４】
前述の熱と侵食の両方の問題を解決するために、Ｃａｍｐｂｅｌｌの特許のように、いくつかの試みがなされているが、そこでのベンチュリ管は「長さが延長された」設計になっており、そのことはベンチュリ管が、スワラに隣接する上流端から、ベンチュリ管のまわりで半径方向に距離を置いて配置されるスワールカップの下流端に隣接する下流端まで、軸方向長さを持つことを意味するという点で注目される。この延長されたベンチュリ管の設計は、水をより遠くの下流へ放出することにより、水によるドーム部品の侵食を最小にするのに役立っているが、水と一緒にベンチュリ管を出て行く燃料がイグナイタと非常に近い位置にあるため、液体燃料の点火を非常に難しくしていることが見出された。さらに、米国特許第５，２２０，７８６号のスワラ、ベンチュリ管および熱遮蔽の３つの部品を溶接した組立体は、費用が掛かり望ましいものではないことが認識されるであろう。
【０００５】
また、この発明の被譲渡人による、以前の「ガスタービン燃焼器部品を水による侵食および高温腐食から保護する方法」という名称の米国特許出願第０９／０７０，０５３号において、水の衝突をうける部分を選んでそこに垂直に割れ目を入れた高密度の断熱皮膜を施したスワールカップパッケージが開示されていることも認識されるであろう。その明細書には、長さが短く、肉厚の厚いベンチュリ管が示されており、このベンチュリ管は、その特定の用途では燃料ノズルから発する円錐噴射がベンチュリ管の下流区域に当たるため、そのような断熱皮膜をこの下流部分に配置してある。
【０００６】
したがって、前記のことを考えると、燃焼器内への水噴射によって生ずる温度勾配に由来する、ベンチュリ管に対して賦課される軸方向応力から保護するような改良されたベンチュリ管の設計が開発されることが望ましい。また、スワールカップパッケージを形成する部品の数を最小にすることも、スワールカップパッケージの製作費用を低減することとならんで望ましいことである。
【０００７】
【発明の簡単な要約】
この発明の典型的な実施態様においては、ガスタービンエンジン用の燃焼装置は、少なくとも１つの燃焼室を有する燃焼器構造、この燃焼室に燃料と水の両方を噴射する２重円錐噴射燃料ノズル、およびこの燃焼室の上流に隣接するスワールカップパッケージを含むものとして開示されている。このスワールカップパッケージは、さらに、スワラおよび、燃料ノズルと燃焼室との間を軸方向に伸張する燃料および水を空気と混合するためのベンチュリ管を含む。このベンチュリ管は、上流端から下流端まである厚みを持つように構成され、この厚みが、温度勾配によりベンチュリ管に対して賦課される軸方向応力を低減する熱伝達伝導経路を与える。
【０００８】
【発明の詳細な記述】
図面について詳細に説明する。各図面を通じて図面中の同一の参照数字は同一の部材を示す。図１はガスタービンエンジンに使用するのに適したタイプの連続燃焼燃焼装置１０の断面図を示し、該装置は中に燃焼室１４を形成する中空本体１２を含む。中空本体１２の形状は概して環状であり、外側ライナー１６、内側ライナー１８および半球形の端部すなわちドーム２０を含む。しかしながら、この発明はこのような環状の構造に限定されるものではなく、良く知られている円筒状の缶または環状多筒形の燃焼装置で使用しても同様に有効なものであることが理解されねばならない。この環状の構造の、中空本体１２の半球形端２０はスワールカップパッケージ２２を含み、そこでは、熱応力および水による侵食を引き起こすことなく燃焼室１４内へ水噴射ができるように、燃焼器１０のある部品が、「ガスタービン燃焼器部品を水による侵食および高温腐食から保護する方法」の名称を持つ米国特許出願第０９／０７０，０５３号（１９９８年４月３０日出願）にしたがって作られる。
【０００９】
図１はまたスワールカップパッケージ２２に挿入されている燃料ノズル２４を示す。燃料ノズル２４は、燃料と水の両方が燃焼室１４に供給できる２重円錐噴射燃料ノズルであるのが好ましい。この方法では、燃料は、燃焼室１４の上流端に隣接して設置されるイグナイタ２５によって点火することができ、一方、水は温度を低減し、その結果、室内の排出物質を低減する。図１で、ノズルが燃焼室１４に近接している結果としてノズル２４の先端表面上にカーボンクラスターが形成されるのを防ぐために、燃料ノズル２４を燃焼室１４から距離ｄの間隔を置いて配置することができることに気付くであろう。
【００１０】
図２で最も良くわかるように、燃焼器ドーム２０は単一のメガネ形プレート２６から成り、これは一般に金型成型の金属板部品である。外側および内側リベットバンド２７および２９は、それぞれ、メガネ形プレート２６を外側ライナー１６および内側ライナー１８に接続するために設けられる。個々のスワールカップパッケージ２２はメガネ形プレート２６の中に蝋付けされ、その内部にスワラ２８、スワールカップ３０、スプラッシュプレート（またはトランペット）３２およびベンチュリ管３４を具備する。スワールカップ組立体２２は、好ましくはスワラ２８の前面上の所定位置に溶接される保持板３６と一緒に蝋付けされる。
【００１１】
図２はまた、ベンチュリ管３４内への水および燃料の噴射を示し、そこではスワラ２８の内側部分を通る空気の流れによって円錐台形４０をした旋回流が発生する。米国特許出願第０９／０７０，０５３号の水噴射に反して、燃料ノズル２４から発生している円錐噴射は、米国特許第５，２２０，７８６号のベンチュリ管に示されるのと同様の位置のベンチュリ管上流部で、この発明の設計によるベンチュリ管３４に衝突している。したがって、この特許出願に対してはベンチュリ管３４の下流部の熱遮蔽または他のコーティングの必要性はない。
【００１２】
米国特許第５，２２０，７８６号は、ベンチュリ内面での比較的に低温（例えば、２００°Ｆ未満）の水の衝突およびベンチュリ外面での比較的に高温（例えば、約８００〜１０００°Ｆ）の空気の衝突によって生ずる温度勾配から保護するために、ベンチュリ管の上流端に熱遮蔽を使用することを開示しているが、そのような設計は、単にこの温度勾配が熱遮蔽の下流で経験される事態を引き起こすだけということが見出された。この方法では、熱伝達の伝導経路は短くなり、ベンチュリ管に対する軸方向応力を低減する代りに、実際は、軸方向応力を下流に移動させている。米国特許第５，２２０，７８６号は、長さが延長されたベンチュリ管の設計を用いており、これは熱伝達の伝導経路を長くするのに役立っているが、イグナイタがこのような延長されたベンチュリ管の下流端に近接しているため液体燃料の点火に問題があることを経験している。
【００１３】
前記のベンチュリ管の設計に関連するこれらの問題を解決するために、この発明では、米国特許出願第０９／０７０，０５３号に示されるような、長さが短く，厚さの厚い、好ましくは、スワラ２８と燃焼室１４の間のほぼ中間の軸方向長さを持つベンチュリ管３４を使用している。米国特許第５，２２０，７８６号のようにベンチュリ管の上流部に熱遮蔽を備えるというより、ベンチュリ管３４は、上流端（４４）から下流端（４６）まで規定の厚みｔを持つように構成され、この厚みが、ベンチュリ管３４の上流部の内面４８上へ衝突する燃料／水とベンチュリ管外面５０に沿って流れる空気の間の温度差によりベンチュリ管（３４）に対して賦課される軸方向応力を低減する熱伝達伝導経路を与える。しかしながら、ベンチュリ管３４の厚みｔは、その軸長さの端から端まで均一または一様ではないことが好ましいことが認識されるであろう。さらに詳細に述べると、ベンチュリ管３４のほぼ中間点に位置する最大厚みｔmaxは、約０．１５０〜０．１８０インチの範囲にある。最小厚みｔminは上流端４４および下流端４６の位置にあり、それぞれが約０．０５〜０．０７インチの範囲にある。
【００１４】
このようにベンチュリ管３４を構成することにより、それによって受ける軸方向応力をベンチュリ管に用いる材質の耐力の０．２％以下に維持することができる。通常、スワラ２８およびベンチュリ管３４は、当該工業分野でＬ６０５の名称で知られる材質のような摩耗特性の良いコバルト基合金材質で作られる。さらに、ベンチュリ管３４の厚みｔを横切る温度勾配は、１インチ当たり約６２０〜６５０°Ｆに、軸応力にして１平方インチ当たり約４０〜６０千ポンド（ｋｐｓｉ）に維持されるのが好ましい。
【００１５】
Ｃａｍｐｂｅｌｌの特許のベンチュリ管に設けられた熱遮蔽を取り除くことにより、この発明の、複数のパージ孔５２がスワラの面板部分５４に配列されている（図３参照）スワラ２８およびベンチュリ管３４が一体ものとして鋳造されるのが好ましい。パージ孔５２はベンチュリ管３４の外面５０の周りに空気を供給することが認識されるであろう。
【００１６】
さらに、このベンチュリ管の内面４８の幾何学形状は曲率半径を持ち、ベンチュリ管の軸方向長さは、「ドライ」と呼ばれる条件（即ち、燃焼装置１０内へ水を噴射しない）で使用されるベンチュリ管の長さと一致しているので、スワールカップ２２はウェットおよびドライの両方の条件で使用できることが認識されるであろう。これにより設計の柔軟性が増し、付随する総合的なコストが低減される。
【００１７】
作動中は、圧縮機（図示していない）からの圧縮空気は、スワールカップパッケージ２２の上流端内へ噴射され、そこでスワラ２８を通過してベンチュリ管３４に入る。燃料および水は燃料ノズル２４を経由してベンチュリ管３４内へ噴射される。スワールカップパッケージ２２の上流端で、燃料／水の混合物４０はベンチュリ管３４の混合領域内へ供給され、次に内側ライナー１８および外側ライナー１６で境界を定められる燃焼室１４へ供給される。燃料／水の混合物４０は、その後燃焼室１４で、循環している高温の燃焼ガスと混合される。燃焼器１０のベンチュリ管３４に対し行われる、ここで述べた諸改良からすると、温度勾配により引き起こされるベンチュリ管に対する軸方向応力および安定した液体燃料の点火の各重要課題は満足されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による単一環状燃焼器構造の部分断面図である。
【図２】図１に示されるスワールカップパッケージおよび燃焼器ドーム部の拡大部分断面図である。
【図３】図１および図２に示されるスワラの正面図である。
符号の説明
１０  燃焼装置（全体）
１２  中空本体
１４  燃焼室
１６  外側ライナー
１８  内側ライナー
２０  ドーム
２２  スワールカップパッケージ（全体）
２４  燃料ノズル
２５  イグナイタ
２６  メガネ形プレート
２７  外側リベットバンド
２８  スワラ
２９  内側リベットバンド
３０  スワールカップ
３２  スプラッシュプレート／トランペット
３４  ベンチュリ管
３６  保持板
４０  燃料／水の円錐噴射
４２  長手方向軸
４４  ベンチュリ管上流端
４６  ベンチュリ管下流端
４８  ベンチュリ管内面
５０  ベンチュリ管外面
５２  スワラパージ孔
５４  スワラ面板部
【図１】
0004540792.tif 000002
【図２】
0004540792.tif 000003
【図３】
0004540792.tif 000004