JP4997018B2 - Pilot mixer for a gas turbine engine combustor mixer assembly having a primary fuel injector and a plurality of secondary fuel injection ports - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンの全運転領域にわたって有害燃焼生成物成分の生成が最少化される多段燃焼システムに関し、より具体的には、一次燃料噴射器及び二次燃料噴射ポートを備えたパイロットミキサを有するミキサ組立体に関する。 The present invention relates to a multi-stage combustion system in which the generation of harmful combustion product components is minimized over the entire operating region of the engine, and more specifically, has a pilot mixer with a primary fuel injector and a secondary fuel injection port. The present invention relates to a mixer assembly.
スモッグ及びその他の有害環境状態の原因となるガス、特にガスタービンエンジンから排出されるそれらのガスの生成及び放出を最少化することに関する最近の重要視は、そのような有害燃焼生成物成分の生成及び放出を減少させる努力の中で開発された種々の燃焼器設計をもたらした。燃焼器設計に影響を与えるその他の要因は、効率的かつ低コスト運転を求めるガスタービンエンジンユーザの願望であり、このことは、エンジン出力を維持するか又はさらに増大させながら同時に燃料消費量を低減する必要性に置き換えられる。その結果、航空機ガスタービンエンジン燃焼システムにおける重要な設計基準には、様々なエンジン運転条件下で高い熱効率を得るために、そしてまた粒子の排出、有害ガスの排出、及び光化学スモッグ形成の前駆物質である燃焼生成物の排出の原因となる有害燃焼状態の最少化を得るために、高い燃焼温度の実現が含まれる。 Recent emphasis on minimizing the production and release of gases that cause smog and other hazardous environmental conditions, particularly those exhausted from gas turbine engines, is the production of such harmful combustion product components. And resulted in various combustor designs developed in an effort to reduce emissions. Another factor that impacts combustor design is the desire of gas turbine engine users for efficient and low cost operation, which reduces fuel consumption while maintaining or even increasing engine power Replaced by the need to do. As a result, important design criteria in aircraft gas turbine engine combustion systems include high thermal efficiency under various engine operating conditions, and also with precursors for particulate emissions, hazardous gas emissions, and photochemical smog formation. In order to obtain a minimization of the harmful combustion conditions that cause the emission of certain combustion products, the realization of a high combustion temperature is included.
様々な政府規制機関が、有害大気状態の発生の主要因として特定された未燃焼炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び窒素酸化物(NOx)の許容レベルに対する排出限界値を設定している。従って、それらの基準を満たすために、種々の燃焼器設計が開発されてきた。例えば、ガスタービンエンジンの有害燃焼生成物の排出を最少化する問題に取り組む1つの方法は、多段燃焼を装備することである。この装置内では、低速低出力状態に対しては第1段バーナを利用して、燃焼生成物の特性をより厳密に制御する燃焼器が設けられる。より高い出力状態に対しては、燃焼生成物を排出限界値内に維持することを試みながら第1段及び第2段バーナの組合せが設けられる。第1段及び第2段バーナの作動をエンジンの効率的な熱運転を可能にすると同時に有害燃焼生成物の生成を最少化するようにバランスさせることは、達成するのが困難であることが分かるであろう。この点に関して、NOxの排出を低下させるために低い燃焼温度で運転することは、不完全又は部分的不完全燃焼を生じることにもなり、それによって過度な量のHC及びCOの生成を招き、加えて出力及び熱効率の低下を招く可能性がある。他方、高い燃焼温度は、熱効率を改善しかつHC及びCOの量を低下させるが、多くの場合にNOxの放出を一層高めることになる。 Various government regulatory agencies set emission limits for permissible levels of unburned hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NOx) that have been identified as the main factors in the generation of hazardous atmospheric conditions. ing. Accordingly, various combustor designs have been developed to meet these standards. For example, one way to address the problem of minimizing the emission of harmful combustion products in a gas turbine engine is to equip multi-stage combustion. Within this device, a combustor is provided that more precisely controls the characteristics of the combustion products using a first stage burner for low speed, low power conditions. For higher power conditions, a combination of first and second stage burners is provided, trying to keep the combustion products within emission limits. Balancing the operation of the first and second stage burners to enable efficient thermal operation of the engine while at the same time minimizing the production of harmful combustion products proves difficult to achieve. Will. In this regard, operating at low combustion temperatures to reduce NOx emissions can also result in incomplete or partially incomplete combustion, thereby producing excessive amounts of HC and CO, In addition, output and thermal efficiency may be reduced. On the other hand, high combustion temperatures improve thermal efficiency and reduce the amount of HC and CO, but in many cases will further increase NOx emissions.
それらの有害燃焼生成物成分の生成を最少化するために提案された別の方法は、噴射燃料と燃焼空気とをより効果的に混合させるようにすることである。この点に関して、燃料と空気との混合を改善する数多くのミキサ設計が長年にわたって提案されてきた。このようにして、燃焼が混合気全体にわたって均一に発生し、不完全燃焼によって生じるHC及びCOのレベルを低下させる。しかしながら、たとえ混合を改善したとしても、火炎温度が高い場合には、高出力状態において高レベルの有害NOxが形成される。 Another method that has been proposed to minimize the production of these harmful combustion product components is to more effectively mix the injected fuel and combustion air. In this regard, numerous mixer designs that improve the mixing of fuel and air have been proposed over the years. In this way, combustion occurs uniformly throughout the mixture, reducing the level of HC and CO produced by incomplete combustion. However, even if mixing is improved, high levels of harmful NOx are formed at high power conditions if the flame temperature is high.
これまで利用されてきた1つのミキサ設計は、ツイン環状予混合スワーラ(TAPS)として知られており、以下の米国特許第6,354,072号、第6,363,726号、第6,367,262号、第6,381,964号、第6,389,815号、第6,418,726号、第6,453,660号、第6,484,489号及び第6,865,889号に開示されている。米国特許出願公開第2002/0178732号もまた、TAPSミキサの一部の実施形態を示している。TAPSミキサ組立体は、全エンジン運転サイクルの間に燃料が供給されるパイロットミキサと、エンジン運転サイクルの高出力状態の間にのみ燃料が供給されるメインミキサとを含むことが解るであろう。高出力状態(つまり、離陸及び上昇)の間における組立体のメインミキサにおける改良が出願番号第11/188,596号、第11/188、598号及び第11/188,470号を有する米国特許出願に開示されているが、燃焼効率を維持した状態でエンジンの運転エンベロープのその他の部分(つまり、アイドル、進入及び巡航)にわたる運転性を改善するように、パイロットミキサを改良することが望まれている。
従って、広範囲のエンジン運転状態にわたって有害燃焼生成物成分の生成が最少化されるガスタービンエンジン燃焼器を提供する必要が存在する。さらに、ネスト化燃焼器装置のパイロットミキサは、エンジンの運転領域全体にわたって運転性を向上させかつエミッションを低減するように改良されることが望ましい。 Accordingly, there is a need to provide a gas turbine engine combustor that minimizes the generation of harmful combustion product components over a wide range of engine operating conditions. Further, it is desirable that the pilot mixer of the nested combustor device be improved to improve operability and reduce emissions throughout the engine operating range.
本発明の第1の例示的な実施形態では、ガスタービンエンジンの燃焼室内で使用するミキサ組立体は、パイロットミキサと、メインミキサと、燃料マニホルドとを含むものとして開示している。より具体的には、パイロットミキサは、中空内部を有する環状パイロットハウジングと、パイロットハウジング内に取付けられかつ該パイロットハウジングの中空内部に燃料小滴を供給するようになった一次燃料噴射器と、一次燃料噴射器の上流に配置された複数の軸方向スワーラであって、該複数のスワーラの各々がそれぞれのスワーラを通って移動する空気を旋回させて該空気と一次燃料噴射器によって供給された燃料小滴とを混合するための複数のベーンを有する複数の軸方向スワーラと、パイロットハウジングの中空内部に燃料を導入するための複数の二次燃料噴射ポートとを含む。メインミキサはさらに、パイロットハウジングを囲みかつ環状空洞を形成したメインハウジングと、空洞内に燃料を導入するための複数の燃料噴射ポートと、複数の燃料噴射ポートの上流に配置された少なくとも1つのスワーラであって、該メインミキサスワーラの各々がそれぞれのスワーラを通って移動する空気を旋回させて該空気とメインミキサ燃料噴射ポートによって供給された燃料小滴とを混合するための複数のベーンを有する少なくとも1つのスワーラとを含む。燃料マニホルドは、パイロットミキサ内の複数の二次燃料噴射ポート及びメインミキサ内の複数の燃料噴射ポートと流れ連通状態になっている。 In a first exemplary embodiment of the present invention, a mixer assembly for use in a combustion chamber of a gas turbine engine is disclosed as including a pilot mixer, a main mixer, and a fuel manifold. More specifically, the pilot mixer includes an annular pilot housing having a hollow interior, a primary fuel injector mounted in the pilot housing and adapted to supply fuel droplets to the hollow interior of the pilot housing, A plurality of axial swirlers disposed upstream of the fuel injector, each of the plurality of swirlers swirling the air moving through the respective swirler and fuel supplied by the air and the primary fuel injector A plurality of axial swirlers having a plurality of vanes for mixing the droplets and a plurality of secondary fuel injection ports for introducing fuel into the hollow interior of the pilot housing. The main mixer further includes a main housing surrounding the pilot housing and forming an annular cavity, a plurality of fuel injection ports for introducing fuel into the cavity, and at least one swirler disposed upstream of the plurality of fuel injection ports. Each of the main mixer swirlers has a plurality of vanes for swirling the air moving through the respective swirler to mix the air and the fuel droplets supplied by the main mixer fuel injection port And at least one swirler. The fuel manifold is in flow communication with a plurality of secondary fuel injection ports in the pilot mixer and a plurality of fuel injection ports in the main mixer.
本発明の第2の例示的な実施形態では、パイロットミキサ及びメインミキサを有するガスタービンエンジン燃焼器を作動させる方法を開示しており、この場合に、パイロットミキサは、中空内部を有する環状パイロットハウジングと、パイロットハウジング内に取付けられかつ該パイロットハウジングの中空内部に燃料小滴を供給するようになった一次燃料噴射器と、一次燃料噴射器の上流に配置された複数の軸方向スワーラであって、該複数のスワーラの各々がそれぞれのスワーラを通って移動する空気を旋回させて該空気と一次燃料噴射器によって供給された燃料小滴とを混合するための複数のベーンを有する複数の軸方向スワーラと、パイロットハウジングの中空内部に燃料を導入するための複数の二次燃料噴射ポートとを含む。本方法は、スワーラを介して空気を指定流量で供給する段階と、一次燃料噴射器を介して燃料を供給する段階と、ガスタービンエンジンの運転サイクルにおける所定の時点の間にパイロットミキサの二次燃料噴射ポートを介して燃料を供給する段階とを含む。 In a second exemplary embodiment of the present invention, a method for operating a gas turbine engine combustor having a pilot mixer and a main mixer is disclosed, wherein the pilot mixer is an annular pilot housing having a hollow interior. A primary fuel injector mounted in the pilot housing and configured to supply fuel droplets into the hollow interior of the pilot housing, and a plurality of axial swirlers disposed upstream of the primary fuel injector. A plurality of axial directions having a plurality of vanes for swirling the air each moving through the respective swirler to mix the air and the fuel droplets supplied by the primary fuel injector A swirler and a plurality of secondary fuel injection ports for introducing fuel into the hollow interior of the pilot housing. The method includes supplying air at a specified flow rate through a swirler, supplying fuel via a primary fuel injector, and a secondary of the pilot mixer during a predetermined point in the gas turbine engine operating cycle. Supplying fuel via a fuel injection port.
本発明の第3の例示的な実施形態では、ガスタービンエンジンのための燃焼器は、外側ライナと、外側ライナから半径方向に間隔を置いて配置されて該外側ライナとの間に燃焼室を形成するようになった内側ライナと、燃焼室の上流端部に配置されたドームと、ドームの開口内に配置された複数のミキサ組立体とを含むものとして開示している。各ミキサ組立体は、パイロットミキサを有し、パイロットミキサは、中空内部を有する環状パイロットハウジングと、パイロットハウジング内に取付けられかつ該パイロットハウジングの中空内部に燃料小滴を供給するようになった一次燃料噴射器と、一次燃料噴射器の上流に配置された複数の軸方向スワーラであって、該複数のスワーラの各々がそれぞれのスワーラを通って移動する空気を旋回させて該空気と一次燃料噴射器によって供給された燃料小滴とを混合するための複数のベーンを有する複数の軸方向スワーラと、パイロットハウジングの中空内部に燃料を導入するための複数の二次燃料噴射ポートとを含む。 In a third exemplary embodiment of the present invention, a combustor for a gas turbine engine includes an outer liner and a combustion chamber spaced radially from the outer liner and between the outer liner. An inner liner adapted to form, a dome disposed at the upstream end of the combustion chamber, and a plurality of mixer assemblies disposed within the opening of the dome are disclosed. Each mixer assembly includes a pilot mixer, the pilot mixer being an annular pilot housing having a hollow interior, and a primary mounted in the pilot housing and adapted to supply fuel droplets into the pilot housing hollow interior. A fuel injector and a plurality of axial swirlers disposed upstream of the primary fuel injector, each of the swirlers swirling the air moving through the respective swirler to inject the air and the primary fuel injector A plurality of axial swirlers having a plurality of vanes for mixing the fuel droplets supplied by the vessel and a plurality of secondary fuel injection ports for introducing fuel into the hollow interior of the pilot housing.
次に図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表している図面を詳細に参照すると、図1は、航空機で利用する例示的なガスタービンエンジン10(高バイパス型)を概略形式で示しており、ガスタービンエンジン10は、それを貫通した長手方向つまり軸方向中心軸線12を基準のために有する。エンジン10は、その全体を参照符号14で特定したコアガスタービンエンジンと、コアガスタービンエンジン14の上流に配置されたファンセクション16とを含むのが好ましい。コアエンジン14は一般的に、環状入口20を形成したほぼ管状の外側ケーシング18を含む。外側ケーシング18はさらに、コアエンジン14に流入する空気の圧力を第1の圧力レベルまで上昇させるためのブースタ圧縮機22を囲みかつ支持する。高圧多段軸流圧縮機24が、ブースタ22から加圧空気を受け、該空気の圧力をさらに増大させる。加圧空気は、燃焼器26に流れ、燃焼器26において、加圧空気ストリーム内に燃料が噴射されて、加圧空気の温度及びエネルギーレベルを上昇させる。高エネルギー燃焼生成物は、燃焼器26から第1の(高圧)タービン28に流れて、第1の(高圧)駆動シャフト30を介して高圧圧縮機24を駆動し、次に第2の(低圧)タービン32に流れて、第1の駆動シャフト30と同軸になった第2の(低圧)駆動シャフト34を介してブースタ圧縮機22及びファンセクション16を駆動するようになる。タービン28及び32の各々を駆動した後に、燃焼生成物は、排気ノズル36を通してコアエンジン14から流出して、推進ジェット推力をもたらす。
Referring now in detail to the drawings in which like reference numerals represent like elements throughout the drawings, FIG. 1 illustrates in schematic form an exemplary gas turbine engine 10 (high bypass type) for use in an aircraft. The
ファンセクション16は、環状ファンケーシング40によって囲まれた回転軸流ファンロータ38を含む。ファンケーシング40は、複数のほぼ半径方向に延びかつ円周方向に間隔を置いて配置された出口案内ベーン42によってコアエンジン14により支持されることが分かるであろう。このようにして、ファンケーシング40は、ファンロータ38及びファンロータブレード44を囲む。ファンケーシング40の下流セクション46は、コアエンジン14の外側部分の上方で延びて、付加的推進ジェット推力をもたらす二次的又はバイパス空気流導管48を形成する。
The
流れの観点によると、矢印50で表した初期空気流は、ファンケーシング40への入口52を介してガスタービンエンジン10に流入する。空気流50は、ファンブレード44を通って流れ、導管48を通って移動する第1の加圧空気流(矢印54で表す)と、ブースタ圧縮機22に流入する第2の加圧空気流(矢印56で表す)とに分割される。第2の加圧空気流56の圧力は、増大され、矢印58で表すように高圧圧縮機24に流入する。燃焼器26内で燃料と混合されかつ燃焼された後に、燃焼生成物60は、燃焼器26から流出し、第1のタービン28を通って流れる。燃焼生成物60は次に、第2のタービン32を通って流れ、排気ノズル36から流出して、ガスタービンエンジン10の推力をもたらす。
From the flow point of view, the initial air flow represented by the
図2で最もよく分かるように、燃焼器26は、長手方向軸線12と同軸になった環状燃焼室62、並びに入口64及び出口66を含む。上に指摘したように、燃焼器26は、高圧圧縮機吐出口69から環状の加圧空気ストリームを受ける。この圧縮機吐出空気の一部分は、混合(ミキサ)組立体67内に流入し、ミキサ組立体67内において、また燃料ノズル68から燃料が噴射されて空気と混合し、燃料−空気混合気を形成し、この混合気は、燃焼のために燃焼室62に供給される。燃料−空気混合気の点火は、適当な点火器70によって行われ、その結果生じた燃焼ガス60は、環状の第1段タービンノズル72に向けて軸方向に流れかつ第1段タービンノズル72内に流れる。ノズル72は、複数の半径方向に延びかつ円周方向に間隔を置いて配置されたノズルベーン74を含む環状流れ通路によって形成され、ノズルベーン74は、ガスが或る角度をもって流れかつ第1のタービン28の第1段タービンブレード上に衝突するように、ガスを方向転換させる。図1に示すように、第1のタービン28は、第1の駆動シャフト30を介して高圧圧縮機24を回転させるのが好ましい。低圧タービン32は、第2の駆動シャフト34を介してブースタ圧縮機22及びファンロータ38を駆動するのが好ましい。
As best seen in FIG. 2, the
燃焼室62は、エンジン外側ケーシング18内に収納され、環状燃焼器外側ライナ76及び半径方向内側に配置された環状燃焼器内側ライナ78によって形成される。図2の矢印は、圧縮機吐出空気が燃焼器26内で流れる方向を示している。図に示すように、空気の一部は、外側ライナ76の最外側表面上を流れ、一部は、燃焼室62内に流入し、また一部は、内側ライナ78の最内側表面上を流れる。
The
これ迄の設計とは違って、それぞれ外側及び内側ライナ76、78には、燃焼生成物がタービンノズル72に流入する前に燃焼プロセスを完了させるために付加的空気が燃焼室62に流入するのを可能にする複数の希釈口を設けないのが好ましい。これは、これまた本発明の出願人が所有する「エミッションを低減した高圧ガスタービンエンジン」の名称の特許出願(出願番号第11/188,483号)に従っている。しかしながら、外側ライナ76及び内側ライナ78は、それらの最外側表面に沿って流れる空気の幾らかが燃焼室62の内部内に流入するのを可能にする複数のより小さな環状に間隔を置いて配置された冷却空気開口(図示せず)を含むのが好ましいことが解るであろう。それらの内向きに向いた空気流は、燃焼室62の内部に面した外側及び内側ライナ76及び78の内表面に沿って流れて、それらに沿って冷却空気のフィルムを形成するようになる。
Unlike previous designs, the outer and
複数の軸方向に延びるミキサ組立体67は、燃焼器26の上流端部において円形配列の形態で配置され、環状燃焼室62の入口64内に延びることが解るであろう。環状ドームプレート80が、内向きかつ前向きに延びて燃焼室62の上流端部を形成し、かつミキサ組立体67を受けるようにその中に形成された複数の円周方向に間隔を置いて配置された開口を有することが分かるであろう。それらの部分について、それぞれ内側及び外側ライナ76及び78の各々の上流部分は、
互いに半径方向に間隔を置いて配置され、外側カウル82と内側カウル84とを形成する。外側及び内側カウル82及び84の最前方端部間の間隔は、燃焼室入口64を形成して、圧縮機吐出空気が燃焼室62に流入するのを可能にする開口を構成する。
It will be appreciated that a plurality of axially extending
Spaced radially apart from one another, an
図3には、本発明の1つの実施形態による混合(ミキサ)組立体100を示している。ミキサ組立体100は、パイロットミキサ102と、メインミキサ104と、それら両ミキサ間に配置された燃料マニホルド106とを含むのが好ましい。より具体的には、パイロットミキサ102は、中空内部を有する環状パイロットハウジング108と、ハウジング108内に取付けられかつ該パイロットハウジング108の中空内部に燃料小滴を供給するようになった一次燃料噴射器110とを含むのが好ましいことが分かるであろう。さらに、パイロットミキサ102は、一次燃料噴射器110に隣接して半径方向内側位置に設置された第1のスワーラ112と、第1のスワーラ112の半径方向外側位置に設置された第2のスワーラ114と、両スワーラ間に配置されたスプリッタ116とを含むのが好ましい。図に示すように、スプリッタ116は、一次燃料噴射器110の下流に延びて、下流部分においてベンチュリ118を形成する。第1及び第2のパイロットスワーラ112及び114は、ミキサ組立体100の中心軸線120とほぼ平行に配向され、それらスワーラ112及び114を通って移動する空気を旋回させるための複数のベーンを含むことが解るであろう。パイロットミキサ102には、エンジン運転サイクルの間の全ての時間において燃料及び空気が供給されて、燃焼室62の中央部分(図2参照)内に一次燃焼ゾーン122が生成されるようになる。
FIG. 3 illustrates a mixing (mixer)
メインミキサ104はさらに、半径方向にパイロットハウジング108を囲みかつ環状空洞126を形成した環状メインハウジング124と、環状空洞126内に燃料を導入する複数の燃料噴射ポート128と、その全体を参照符号130で特定したスワーラ装置とを含む。スワーラ装置130は、共に本発明の所有者が出願人である、「複数の二重反転スワーラを有するガスタービンエンジンの燃焼器のためのミキサ組立体」の名称の特許出願(出願番号第11/188,596号)及び「成形通路を有するガスタービンエンジン燃焼器のミキサ組立体のためのスワーラ装置」の名称の特許出願(出願番号第11/188,595号)に見られるような幾つかの形態のいずれかとして構成することができる。しかしながら、図3では、スワーラ装置130は、燃料噴射ポート128の上流に配置された少なくとも第1のスワーラ144を含むのが好ましいことが分かるであろう。図に示すように、第1のスワーラ144は、ミキサ組立体100の中心軸線120に対してほぼ半径方向に配向されるのが好ましい。第1のスワーラ144は、それらの間を流れる空気を旋回させるための複数のベーン150を含むということに注目されたい。ベーン150は円周方向にほぼ均一に間隔を置いて配置されているので、隣接するベーン150間には、複数のほぼ一様な通路が形成される。さらに、スワーラ144は、上記に特定した‘595特許出願に開示されているように、通路を望ましい状態の形状にするような種々の構成を有するベーンを含むことができることが、解るであろう。
The
スワーラ装置130はまた、燃料噴射ポート128の上流に配置されかつ好ましくは中心軸線120とほぼ平行に配向された第2のスワーラ146を含むものとして図示している。第2のスワーラ146はさらに、それらの間を流れる空気を旋回させるための複数のベーン152を含む。ベーン152は円周方向にほぼ均一に間隔を置いて配置され、それによってそれらの間に複数のほぼ一様な通路を形成したものとして示しているが、そのようなベーン152はまた、通路を望ましい状態の形状にするような種々の構成を有することができる。
The
上に述べたように、燃料マニホルド106は、パイロットミキサ102とメインミキサ104との間に設置され、かつ燃料供給源と流れ連通状態になっている。燃料噴射ポート128は、燃料マニホルド106と流れ連通状態になっており、また中心本体外側シェル140の周りで円周方向に間隔を置いて配置される。図3で分かるように、燃料噴射ポート128は、燃料が環状空洞126の上流端部内に供給されるように配置されるのが好ましい。
As described above, the
燃料がメインミキサ104に供給されると、燃焼室62内に環状の二次燃焼ゾーン198が形成され、この燃焼ゾーンは、一次燃焼ゾーン122から半径方向外側に間隔を置きかつ該一次燃焼ゾーン122を同心に囲む。ガスタービンエンジン10の寸法に応じて、燃焼室62の入口64には、20個位もの多くのミキサ組立体100を円形配列として配置することができる。
When fuel is supplied to the
図3、図4及び図6で最もよく分かるように、パイロットミキサ102はさらに、複数の間隔を置いて配置された二次燃料噴射ポート134を含み、それらの燃料噴射ポートによって、燃料がパイロットハウジング108の中空内部にも導入される。二次燃料噴射ポート134は、ミキサ組立体100の中心軸線120と交差する指定平面136内において、パイロットハウジング108の周りで円周方向に間隔を置いて配置されるのが好ましいことが分かるであろう。二次燃料噴射ポート134が置かれる平面136は、スプリッタ116の下流にあるパイロットハウジング108のフレア部分138内に位置するものとして図示しているが、そのような二次燃料噴射ポート134を含む平面は、スプリッタ116のほぼ下流端部或いはその上流にさえも位置させることができることが解るであろう。実際には、スプリッタ116の軸方向長さは、二次燃料噴射ポート134の位置に対するその関係を変えることができるように、変更することができる。
As best seen in FIGS. 3, 4 and 6, the
同様に、平面136は、中心軸線120に対してほぼ垂直に配向されたものとして示しているが、二次燃料噴射ポート134は、所望に応じて平面136が上流又は下流方向のいずれかに傾斜するように斜めになるように配置することができる。さらに、二次燃料噴射ポート134を含む平面136の軸方向位置又は配向に関係なく、各そのような二次燃料噴射ポート134は個々に、中心軸線120に対してほぼ垂直に配向するか、或いは上流方向に鋭角に配向するか、或いは下流方向に鈍角に配向することができる。
Similarly, although the
さらに、パイロットミキサ102の二次燃料噴射ポート134は燃料マニホルド106と流れ連通状態になっているのが好ましいが、二次燃料噴射ポート134は、別個の供給源から燃料を受けることができることが分かるであろう。図5で分かるように、二次燃料噴射ポート134は、メインミキサ104の燃料噴射ポート128を備えた一体形燃料噴射組立体135内に組み込むことができる。いずれにしても、燃料は一般的に、特定の事象(例えば、ガスタービンエンジン10の指定運転サイクル時点、圧縮機吐出空気58が指定温度である時、その他)の発生時に、二次燃料噴射ポート134によってパイロットハウジング108の中空部分内に噴射される。特定状態の要件に応じて、燃料は、一次燃料噴射器110を介して噴射される燃料よりも大きい流量で、該燃料よりも小さい流量で、或いは該燃料と実質的に同じ流量で二次燃料噴射ポート134を介して噴射される。言うまでもなく、このことは、燃料が一次燃料噴射器110によって常時供給されるとになるが、二次燃料噴射ポート134を介してのみ燃料をパイロットミキサ102に供給するのが好ましい場合もあり得るということを前提としている。
Further, while the secondary
このようにして、パイロットミキサ102は、低出力状態(つまり、アイドル、進入及び巡航)にわたる運転の間に、より大きな柔軟性を有する。具体的には、パイロットミキサ102は、一次燃料噴射器110に対してのみ燃料が供給されている時に、最大推力の最高約30%までガスタービンエンジン10に動力発生させることができることが分かるであろう。これに比べて、パイロットミキサ102は、二次燃料噴射ポート134にも同様に燃料が供給されている時に、最大推力の最高約70%までガスタービンエンジン10に動力発生させることができる。
In this way, the
パイロットハウジング108の中空内部内への所望の燃料噴霧を促進するために、通路142は、パイロットミキサ102の各二次燃料噴射ポート134を囲むのが好ましい。各通路142は、燃料マニホルド106に隣接した供給源154を介して加圧空気と流れ連通状態になっている。この空気は、パイロットハウジング108の内表面156に沿って強制的に送られる代わりに、パイロットハウジング108内への燃料噴霧の噴射を可能にするように供給される。これは、燃料噴霧の周りに噴射される空気に対して旋回を与えるスワーラ158を各通路142内に設けることによってさらに高められる。
In order to facilitate the desired fuel spray into the hollow interior of the
また、外側パイロットスワーラ114のベーン115(図6参照)は、それを通って流れる空気が少なくとも幾分かパイロットハウジング108の内表面156に向けて導かれるように構成されることも好ましい。このようにして、そのような空気は、二次燃料噴射ポート134によって供給された燃料とより良好に相互作用することができる。従って、ベーン115は、中心軸線120に対して約30°〜約60°傾斜しているのが好ましい。このようにして、パイロットハウジング108のフレア角160に近くなる。
The vane 115 (see FIG. 6) of the
パイロットミキサ102内への二次燃料噴射ポート134の付加を検討する場合に、それを通る空気の流量は、約10%〜約30%の比率に維持されるのが好ましいことが分かるであろう。さらに、そのような二次燃料噴射ポート134は、ガスタービンエンジン10の運転の間にミキサ組立体100によって生成されるエミッションを低減するのを助ける。特に、燃焼器26は、パイロットミキサ102に供給される燃料のみによって、より大きな時間にわたって作動することができる。また、パイロットミキサ102の半径方向外側位置により多くの燃料を供給するのが望ましいことも判明した。
When considering the addition of the secondary
ミキサ組立体100の物理的実施形態と関連して、本明細書に記載したようなパイロットミキサ102を有する燃焼器26を作動させる方法も提供していることが解るであろう。より具体的には、そのような方法は、以下の段階、つまり、パイロットスワーラ112及び114を介して空気を指定流量で供給する段階と、一次燃料噴射器110を介して燃料を供給する段階と、燃焼器26内の所定の状態及び/又はガスタービンエンジン10の所定の運転サイクルの間に二次燃料噴射ポート134を介して燃料を供給する段階とを含む。さらに、そのような方法は、メインミキサ104の作動に関する付加的な段階、つまり、メインスワーラ144及び146を介して空気を供給する段階と、燃焼器26内の所定の状態及び/又はガスタービンエンジン10の所定の運転サイクルの間に燃料噴射ポート128を介して燃料を供給する段階とを含むことができる。燃料は一般に二次燃料噴射ポート134を介してパイロットミキサ102に供給されることになり、その時同時に燃料が一次燃料噴射器110を介しても供給されているが、燃料が二次燃料噴射ポート134によってのみ供給されるが、一次燃料噴射器110によって同時には供給されないような特定の状態も可能である。
It will be appreciated that in connection with the physical embodiment of the
本発明の特定の実施形態を図示しかつ説明してきたが、本発明の技術思想から逸脱せずに様々な変更及び改良を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の技術的範囲内に属する全てのそのような変更及び改良が特許請求の範囲内に包含されることを意図している。 While particular embodiments of the present invention have been illustrated and described, it would be obvious to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Accordingly, it is intended to embrace all such changes and modifications that fall within the scope of the invention.
10 航空機ターボファンエンジン(その全体)
12 長手方向軸線
14 コアガスタービンエンジン(その全体)
16 ファンセクション
18 コアエンジンの外側ケーシング
20 環状コアエンジン入口
22 ブースタ圧縮機
24 高圧圧縮機
26 燃焼器
28 第1の(高圧)タービン
30 第1の(高圧)駆動シャフト
32 第2の(低圧)タービン
34 第2の(低圧)駆動シャフト
36 排気ノズル
38 ファンロータ
40 環状ファンケーシング
42 出口案内ベーン
44 ファンロータブレード
46 ファンケーシングの下流セクション
48 バイパス空気流導管
50 初期空気流を表す矢印
52 ファンケーシングへの入口
54 第1の(外側)加圧空気流を表す矢印
56 第2の(内側)加圧空気流を表す矢印
58 高圧圧縮機への加圧空気流を表す矢印
60 燃焼生成物
62 燃焼室
64 燃焼室の入口
66 燃焼室の出口
67 ミキサ組立体(その全体)
68 燃料ノズル
69 高圧圧縮機吐出口
70 点火器
72 第1段タービンノズル
74 ノズルベーン
76 燃焼器の外側ライナ
78 燃焼器の内側ライナ
80 ドームプレート
82 外側カウル
84 内側カウル
100 ミキサ組立体(その全体)
102 パイロットミキサ(その全体)
104 メインミキサ(その全体)
106 燃料マニホルド
108 パイロットハウジング
110 パイロットミキサの一次燃料噴射器
112 第1の(内側)パイロットスワーラ
114 第2の(外側)パイロットスワーラ
115 外側パイロットスワーラのベーン
116 スプリッタ
118 ベンチュリ
120 ミキサ組立体の中心軸線
122 一次燃焼ゾーン
124 メインハウジング
126 環状空洞
128 燃料噴射ポート
130 スワーラ装置(半径方向/軸方向)
134 パイロットミキサの二次燃料噴射ポート
135 一体形燃料噴射組立体
136 二次燃料噴射ポートを含む平面
138 パイロットハウジングのフレア部分
140 中心本体外側シェル
142 二次燃料噴射ポートを囲む通路
144 第1の(半径方向)スワーラ
146 第2の(軸方向)スワーラ
148 環状通路
150 半径方向スワーラのベーン
152 軸方向スワーラのベーン
154 空気供給源
156 パイロットハウジングの内表面
158 通路142内のスワーラ
160 パイロットハウジングのフレア角
198 二次燃焼ゾーン
10 Aircraft turbofan engine (the whole)
12
16
68
102 Pilot mixer (the whole)
104 Main mixer (the whole)
106
134 Pilot Fuel Secondary
Claims (10)
パイロットミキサ(102)と、メインミキサ(104)と、燃料マニホルド(106)と、を含み、
前記パイロットミキサ(102)が、
中空内部を有する環状パイロットハウジング(108)と、
前記パイロットハウジング(108)内に取付けられかつ該パイロットハウジング(108)の中空内部に燃料小滴を供給するようになった一次燃料噴射器(110)と、
前記一次燃料噴射器(110)の上流に配置された複数の軸方向スワーラ(112、114)であって、該複数のスワーラ(112、114)の各々がそれぞれのスワーラ(112、114)を通って移動する空気を旋回させて該空気と前記一次燃料噴射器(110)によって供給された燃料小滴とを混合するための複数のベーンを有する複数の軸方向スワーラ(112、114)と、
前記パイロットハウジング(108)の中空内部に燃料を導入するための複数の二次燃料噴射ポート(134)と、を含み、
前記メインミキサ(104)が、
(1)前記パイロットハウジング(108)を囲みかつ環状空洞(126)を形成したメインハウジング(124)と、
(2)前記空洞(126)内に燃料を導入するための複数の燃料噴射ポート(128)と、
(3)前記複数の燃料噴射ポート(128)の上流に配置された少なくとも1つのスワーラ(130)であって、該メインミキサスワーラ(130)の各々がそれぞれのスワーラを通って移動する空気を旋回させて該空気と前記メインミキサ燃料噴射ポート(128)によって供給された燃料小滴とを混合するための複数のベーンを有する少なくとも1つのスワーラ(130)と、を含み、
前記燃料マニホルド(106)が、前記パイロットミキサ(102)内の複数の二次燃料噴射ポート(134)及び前記メインミキサ(104)内の複数の燃料噴射ポート(128)と流れ連通状態になっており、
前記パイロットミキサ(102)内の複数の二次燃料噴射ポート(134)の燃料噴射方向が、前記メインミキサ(104)内の複数の燃料噴射ポート(128)の燃料噴射方向と逆方向である、
ミキサ組立体(100)。 A mixer assembly (100) for use in a combustion chamber (62) of a gas turbine engine (10) comprising:
A pilot mixer (102), a main mixer (104), and a fuel manifold (106);
The pilot mixer (102)
An annular pilot housing (108) having a hollow interior;
A primary fuel injector (110) mounted within the pilot housing (108) and adapted to supply fuel droplets into a hollow interior of the pilot housing (108);
A plurality of axial swirlers (112, 114) disposed upstream of the primary fuel injector (110), each of the plurality of swirlers (112, 114) passing through a respective swirler (112, 114). A plurality of axial swirlers (112, 114) having a plurality of vanes for swirling the moving air to mix the air and the fuel droplets supplied by the primary fuel injector (110);
A plurality of secondary fuel injection ports (134) for introducing fuel into the hollow interior of the pilot housing (108);
The main mixer (104)
(1) a main housing (124) surrounding the pilot housing (108) and forming an annular cavity (126);
(2) a plurality of fuel injection ports (128) for introducing fuel into the cavity (126);
(3) At least one swirler (130) disposed upstream of the plurality of fuel injection ports (128), wherein each of the main mixer swirlers (130) swirls the air moving through the respective swirler And at least one swirler (130) having a plurality of vanes for mixing the air and fuel droplets supplied by the main mixer fuel injection port (128),
The fuel manifold (106) is in flow communication with a plurality of secondary fuel injection ports (134) in the pilot mixer (102) and a plurality of fuel injection ports (128) in the main mixer (104). And
The fuel injection direction of the plurality of secondary fuel injection ports (134) in the pilot mixer (102) is opposite to the fuel injection direction of the plurality of fuel injection ports (128) in the main mixer (104).
Mixer assembly (100).
前記一次燃料噴射器(110)の上流に配置され、それを通って移動する空気を旋回させるための複数のベーンを有する第1の軸方向スワーラ(112)と、
前記一次燃料噴射器(110)の上流でありかつ前記第1の軸方向スワーラ(112)の半径方向外側に配置され、それを通って移動する空気を旋回させるための複数のベーンを有する第2の軸方向スワーラ(114)と、
前記第1及び第2の軸方向スワーラ(112、114)間に配置され、ベンチュリ部分(118)まで下流方向に延びるスプリッタ(116)と、をさらに含む、
請求項1記載のミキサ組立体(100)。 The pilot mixer (102)
A first axial swirler (112) disposed upstream of the primary fuel injector (110) and having a plurality of vanes for swirling air traveling therethrough;
A second having a plurality of vanes disposed upstream of the primary fuel injector (110) and radially outward of the first axial swirler (112) for swirling air moving therethrough; An axial swirler (114) of
A splitter (116) disposed between the first and second axial swirlers (112, 114) and extending downstream to the venturi portion (118);
The mixer assembly (100) of claim 1.
The mixer assembly (100) of claim 1, wherein an air flow rate through the pilot mixer (102) is between 10% and 30%.
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