(57)【要約】【課題】スワラ／ノズルを再設計することによって、ノズルから排出される噴霧の分布即ち温度分布を均一にする。【解決手段】ガスタービンエンジン２０用のスワラ／ノズル１００は、従来技術のスワラ／ノズル４０から最も内周側の排出口６３を噴霧７３を無くすために取り除いた改良したスワラ／ノズルである。ノズルは、複数の排出口を備える出口端部を有する。スワラ／ノズル１００は、対称的なノズルを有する基本となる装置を再設計することによって形成されてもよく、またエンジン２０を再設計或いは再生することによって得てもよい。これによって、所望のスワラ／ノズル１００がもたらされ、燃焼器出口の噴霧の分布つまり温度分布がより均一になる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン用のスワラ／ノズル装置であって、
中心軸を有するスワラと、
複数の排出口を有するとともに、上記中心軸の周囲に非対称となった出口端部を具備するノズルと、
を備えることを特徴とするスワラ／ノズル装置。
【請求項２】
上記中心軸に対し横方向に延びている脚部をさらに備え、上記非対称は、上記脚部と反対側の燃料流量を、上記脚部に隣接する燃料流量より少なくするように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスワラ／ノズル装置。
【請求項３】
上記非対称は、残りの排出口より小さい第１の排出口を備えることを特徴とする請求項１に記載のスワラ／ノズル装置。
【請求項４】
上記非対称は、上記中心軸の周囲に均一でない円周方向の間隔を備えることを特徴とする請求項１に記載のスワラ／ノズル装置。
【請求項５】
上記中心軸の周囲の円周方向の間隔は、残りの円周方向のギャップより大きい単一の円周方向のギャップを備えることを特徴とする請求項４に記載のスワラ／ノズル装置。
【請求項６】
上記中心軸からある単一の半径で４〜１２個の上記排出口が存在することを特徴とする請求項１に記載のスワラ／ノズル装置。
【請求項７】
圧縮機部と、
上記圧縮機部から空気を受け入れる環状燃焼器と、
上記燃焼器から燃焼ガスを受け入れ、かつ上記圧縮機部を駆動するタービン部と、
を備えるガスタービンエンジンであって、
上記燃焼器は、円周方向の列をなす一連の請求項１に記載のスワラ／ノズル装置を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項８】
１２〜３０個の上記スワラ／ノズル装置が存在することを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
上記非対称は、相対的に内周側に位置するノズルの第１の半部における燃料流量を、ノズルの相補的な第２の半部からの燃料流量より少なくするように行われることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
ガスタービンエンジンを作動させる方法であって、
上記エンジンは、
圧縮機部と、
上記圧縮機部から空気を受け入れ、かつ円周方向の列をなす一連のスワラ／ノズル装置を有する環状燃焼器と、
上記燃焼器から燃焼ガスを受け入れ、かつ上記圧縮機部分を駆動するタービン部と、を備え、
この方法は、相補的な上記スワラ／ノズル装置の内周側の半部よりも相対的に多くの燃料が上記スワラ／ノズル装置の外周側の半部から排出される状態で、上記スワラ／ノズル装置から燃料を排出することを特徴とするガスタービンエンジンを作動させる方法。
【請求項１１】
上記スワラ／ノズル装置の外周側半部を通る燃料流量は、上記スワラ／ノズル装置の内周側半部を通る燃料流量の少なくとも１１０％であることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジンを作動させる方法。
【請求項１２】
ガスタービンエンジンを再生または、上記エンジンの構造を基本となる構造から改良した構造に再設計する方法であって、
上記の基本となるエンジン構造は、
円周方向の列をなす一連の基本となるスワラ／ノズル装置を有する環状燃焼器を備え、
各スワラ／ノズル装置は、中心軸を有するスワラ及びノズルを具備し、
上記ノズルは、上記中心軸の周囲に複数の排出口を備える出口端部を有し、かつ上記中心軸に関して対称になっており、
この方法は、
少なくとも１つの改良したスワラ／ノズルの非対称のパラメータを変動させ、
改良した上記スワラ／ノズルに対応する燃焼器の温度分布を決定することを特徴とするガスタービンエンジンを再生または再設計する方法。
【請求項１３】
上記の基本となるスワラ／ノズルに対応する温度分布よりもさらに均等な対応する温度分布を有する最終的な改良形態のスワラ／ノズルを提供するために、スワラ／ノズルの再設計または再生が行われることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンを再生または再設計する方法。
【請求項１４】
ガスタービンエンジンを再生または再設計する方法は、少なくとも部分的にコンピュータシミュレーションとして行われることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンを再生または再設計する方法。
【請求項１５】
ガスタービンエンジン用のスワラ／ノズル装置であって、
中心軸を有するスワラと、
燃焼する燃料の高温点を抑制する手段を提供するように配置された複数の排出口を備える出口端部を有するノズルと、
を備えることを特徴とするスワラ／ノズル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にガスタービンエンジン用の燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン用の燃焼器は、種々の形状を有する。例示的な燃焼器の種類は、燃料及び空気を取り込む前方／上流側の入口と、燃焼生成物をエンジンのタービン部に案内する後方／下流側の出口と、を有する環状の燃焼チャンバを特徴としている。例示的な燃焼器は、入口の空気及び燃料を取り込むために前方の隔壁にスワラが取り付けられ、かつスワラを通して燃料ノズル／噴射器が収容され、この前方の隔壁から内周側の壁および外周側の壁が後方に延びていることを特徴としている。例示的な壁は、内側の遮熱材及び外側のシェルを有する２重構造になっている。燃焼器の配置例は、米国特許第６，６７５，５８７号明細書に開示されている。スワラの例は、米国特許第５，９６６，９３７号明細書に開示されている。これらの特許の開示は、発明の詳細を説明するために参考として示している。
【特許文献１】米国特許第６，６７５，５８７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９６６，９３７号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
ガスタービンエンジン用のスワラ／ノズル装置は、中心軸を有するスワラ及びノズルを具備する。ノズルは、上記中心軸の周囲に複数の排出口を有し、かつこの軸の周囲に非対称となった出口端部を具備する。
【０００４】
スワラ／ノズル装置は、対称的なノズルを有する基本となるスワラ／ノズル装置を再設計することによって形成されてもよく、またガスタービンエンジンの再設計もしくは再生によって用いられてもよい。
【０００５】
非対称は、ノズルの第２の半部に比較して内周側に位置するノズルの第１の半部からの燃料流量が、相補的な第２の半部からの燃料流量より少なくなるように行われる。基本となるスワラ／ノズルに対応する温度分布よりもさらに均等な対応する温度分布を燃焼器出口において有する最終的な改良形態のスワラ／ノズルを提供するために、スワラ／ノズルの再設計／再生が行われてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、上流側から下流側に、ファン２２と、低圧圧縮機２４と、高圧圧縮機２６と、燃焼器２８と、高圧タービン３０と、低圧タービン３２と、を有するガスタービンエンジン２０を概略的に示している。エンジン２０は、中心線即ち長手方向の中心軸５００を有する。
【０００７】
燃焼器２８は、中心線５００を取り囲む環状燃焼器である（これは例えば、一連のカン型燃焼器とは対照的なものである）。燃焼器２８は、内周側の壁４２及び外周側の壁４４の上流側／前方の端部に結合している前方の隔壁４０によって形成された壁構造体を有する。燃焼器２８は、開放出口／出口端部４６を有する。円周方向の列をなす一連のスワラ／ノズルアセンブリ５０が、隔壁４０に取り付けられる。スワラ／ノズルアセンブリ５０は、エンジンケースに延びているノズル脚部５２を備えてもよい。燃焼器２８は、内周側の壁４２と外周側の壁４４との間に半径方向のスパンＲSを有する。このスパンＲSは、上流側と下流側との間で異なってもよい。
【０００８】
図２は、例示的なスワラ／ノズルの下流側の端面図である。エンジンの半径方向外側の方向５０２及びこれに対応する局部的な半径方向の面５０３、ならびにエンジンの円周方向５０４及びこれに対応する局部的な円周方向の面５０５も示されている。また、空気の渦流（スワール）５０６の方向も示されている。スワラ／ノズル４０は、エンジンの中心線５００から半径ＲS/Nの位置に局部的な長手方向の中心軸５１０を有する。この中心軸５１０は、一般に、エンジンの中心線５００と概ね平行（例えば、１５°以内の角度で中心線５００とともに共通の半径方向の面に位置する）である。通常、中心軸５１０は、高圧圧縮機の出口及び高圧タービンの入口の半径方向の手段に概ね交わるように方向付けられる。
【０００９】
図２の例示的なスワラ／ノズルは、複数の個々の燃料オリフィス即ち排出口６０、６１、６２、６３、６４、６５を有する。スワラ／ノズルの後方／下流側から見ると、これらの排出口は、所定の半径ＲNで中心軸５１０の周りに円周方向に均等に配置される。排出口６０〜６５の各々から、対応するそれぞれの噴霧７０、７１、７２、７３、７４、７５が排出される。噴霧７０〜７５は、下流側に流れ、これらの噴霧７０〜７５は、矢印の方向５０６に渦の成分を有するスワラの空気流によって影響される。噴霧の分布は初めは対称的であるものの、空力及び慣性力によって、非対称の噴霧の分布が生じる可能性がある。図３は、例示的な燃料の噴霧の分布パターンを示している。この分布の種々の態様によって、場合によっては最適でない煙や排気エミッションを伴う不均一な燃焼を含む、不規則かつ最適でない燃焼パラメータが生じる可能性がある。これによって、所望の排気エミッションの抑制を実現するのが困難になり得る。また、部分的に加熱が生じ、その結果、燃焼装置の堅牢性がさらに要求される。
【００１０】
図４は、図２のノズルに対応する環状のセグメントにおけるこのノズルの正規化した燃焼器出口の燃料―空気分布を示している。この特性は、同様の温度分布に置き換えることができる。希薄混合気においては、燃空比（ＦＡＲ）と温度との間に１対１の対応が存在する。ノズルの中心は、円周方向に沿って約７．５°の位置かつ、半径方向のスパンの５５％の位置の交点において示される。高温点８０（例えば、燃料は比較的リッチであるが、一般的に理論燃空比をまだ下回る）が、対応する燃料―空気分布において発生する。高温点８０は、最も内周側の排出口６３の噴霧７３に最も密接に対応する領域において生じると理論上考えられる。従って、燃料流量の分布を変えることによって、著しい高温点８０を低減させることができる可能性がある。例示的な分布の変更は、非対称、不規則、もしくは不均一にすることを伴ってもよい。
【００１１】
尚、図中の「ＦＡＦ」は、燃空比最大値と燃空比平均値との差を燃空比平均値で除した燃料空気係数（即ちＦＡＦ＝（ＦＡＲmax−ＦＡＲav）／ＦＡＲav）である。また、図の右欄の各領域の温度は正規化した値であり、摂氏ないし華氏等の温度そのものを表している値ではない。
【００１２】
一実施例においては、他の全ての条件が同じ状態で、最も内周側の排出口６３からの噴霧７３の流れを減らすことによって、このような高温点８０を低減させることができる。図５は、最も内周側の排出口６３を噴霧７３を無くすために取り除いた、改良したスワラ／ノズル１００を示している。例示的なスワラ／ノズルの改良は、基本となる装置（例えば、従来技術のスワラ／ノズルや燃焼器）を再設計することによって得てもよい。この過程は、基本となるエンジン構造の再設計の過程や基本となるエンジンの再生過程の一部となり得る。この再設計は、コンピュータシミュレーションや物理的な実験として全体もしくは部分的に行われる可能性があり、また反復過程にもなり得る。例示的な付加された非対称の特徴は、燃料の質量流量の中心（ノズル位置での中心、もしくは空気流からの擾乱がない場合に下流側で測定される中心）が、取り除かれた排出口と逆の方向にノズルの中心線から離れるように移動することである。
【００１３】
図６は、排出口６３及び噴霧７３を無くした状態の温度分布を示している。実験の目的のため、他の排出口の燃料―空気の流量は同一に維持した。しかしながら、現実の再設計においては、他の燃料―空気の流量は比例的に増加する。いずれにせよ、図６の改良した温度分布の均一性は、他の噴霧の流量を増加させた場合でも、同様の温度分布の均一性が得られることを示している。
【００１４】
図５の構造の代替として、図７は、排出口６０〜６５と同様の場所に個々の排出口２１０、２１１、２１２、２１３、２１４、２１５を有するスワラ／ノズル２００を示している。しかし、最も内周側の排出口２１３は、他の排出口より少ない流量をもたらすために、比較的小型になっている。図５のスワラ／ノズルと同様に、局部的な円周方向の面５０５より内周側の半部におけるのノズルからの燃料流量は、外周側の半部におけるノズルからの流量より少なくなる。
【００１５】
図８は、図２のスワラ／ノズルを再設計した第３のスワラ／ノズルとして形成されるスワラ／ノズル２５０を示している。スワラ／ノズル２５０は、個々の排出口２６０、２６１、２６２、２６３、２６４、２６５を有する。この例示的な再設計においては、内周側の半部におけるスワラ／ノズル２５０から排出される流量を減らすように、ノズル部分の分布が変更される。
【００１６】
これらの例示的な再設計されたスワラ／ノズルは、局部的な半径方向の面５０３をはさんで左右対称に維持されているが、所望の均一な温度分布をもたらすために燃焼パラメータを調整するように、さらに左右非対称のスワラ／ノズルとしてもよい。
【００１７】
純粋な非対称のノズルの代案として、もしくはこのノズルに加えて、スワラを非対称としてもよい。図９は、図２のスワラ／ノズルを再設計した第４のスワラ／ノズルとして形成されるスワラ／ノズル３００を示している。スワラ／ノズル３００は、スワラ部分３０２及びノズル部分３０４を有する。説明のために図示しているように、例示的なノズル部分３０４は、図２のスワラ／ノズルの排出口と同様の大きさであり、かつ同様の場所に配置された排出口３１０、３１１、３１２、３１３、３１４、３１５を有する。スワラ３０２は、前述した中心軸５１０と同様の位置及び方向となる軸５１０’を有する。しかしながら、ノズル３０４は、そのノズル軸５１０”がスワラの軸５１０’と一致しないようにスワラ３０２に偏心的に取り付けられる。図示された実施例では、ノズル軸５１０”が、軸５１０’と平行になっているとともに、この軸５１０’から半径方向５０２に若干オフセットしている。このオフセットによって、燃料の噴霧の分布が、半径方向外周側に偏る。
【００１８】
本発明における１つ或いは複数の実施例を示してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく種々の改良が可能であることを理解できよう。例えば、スワラ／ノズルの再設計や再生の場合に、基本となる構造の細部が、特定の実施例の細部に影響を与える可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】例示的なエンジンの長手方向の概略図。
【図２】従来技術のスワラ／ノズルの下流側の端面図。
【図３】図２のノズルにおける噴霧の分布図。
【図４】図２のノズルに対応する燃焼器出口の燃料―空気分布図。
【図５】第１の再設計したスワラ／ノズルの下流側の端面図。
【図６】図５のノズルに対応する燃焼器出口の燃料―空気分布図。
【図７】第２の再設計したスワラ／ノズルの下流側の端面図。
【図８】第３の再設計したスワラ／ノズルの下流側の端面図。
【図９】第４の再設計したスワラ／ノズルの下流側の端面図。
【符号の説明】
【００２０】
１００…スワラ／ノズル
５０３…局部的な半径方向の面
５０５…局部的な円周方向の面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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