(57)【要約】【課題】燃焼器又は尾筒ノズルの冷却要件を増大させずにタービン入口温度を高め、これによりガス・タービン・エンジンの効率を強化する。【解決手段】ガス・タービン・エンジン・システムが、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含んでいる。燃焼器は、圧縮機に結合されて圧縮機の下流に配設される。燃焼器は、主燃焼器区画に結合されて主燃焼器区画の下流に配設された副燃焼器区画を含んでいる。燃焼器はまた、副燃焼器区画に結合されて副燃焼器区画の下流に配設された尾筒ノズルを含んでいる。燃焼器はさらに、副燃焼器区画に結合されて混合気を副燃焼器区画に噴射する噴射器を含んでいる。タービンは、燃焼器に結合されて尾筒ノズルの下流に配設され、尾筒ノズルは、タービンに対して実質的に接線方向に配向している。【選択図】図１
2014109433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、
該圧縮機に結合されて該圧縮機の下流に配設された燃焼器であって、
主燃焼器区画と、
該主燃焼器区画に結合されて該主燃焼器区画の下流に配設された副燃焼器区画と、
該副燃焼器区画に結合されて該副燃焼器区画の下流に配設された尾筒ノズルと、
前記副燃焼器区画に結合されて前記副燃焼器区画に混合気を噴射する噴射器と
を含んでいる燃焼器と、
該燃焼器に結合されて前記尾筒ノズルの下流に配設されたタービンであって、前記尾筒ノズルは当該タービンに対して実質的に接線方向に配向している、タービンと、
を備えたガス・タービン・エンジン・システム。
【請求項２】
前記噴射器は翼型形状である、請求項１に記載のガス・タービン・エンジン・システム。
【請求項３】
前記噴射器は、前記第二段燃焼区画の範囲内に前記混合気の分配を強化するための彎曲部を有している、請求項１に記載のガス・タービン・エンジン・システム。
【請求項４】
前記尾筒ノズルは、燃焼炎が前記副燃焼区画において生成される位置に対応する点から前記タービンへ向けて延在している、請求項１に記載のガス・タービン・エンジン・システム。
【請求項５】
前記噴射器は、前記混合気を前記副燃焼器区画に非一様に噴射するように構成されている、請求項１に記載のガス・タービン・システム。
【請求項６】
前記噴射器は、前記尾筒ノズルの複数の側壁から離隔して前記尾筒ノズルの出口の中央部において熱スポットを生成するように構成されている、請求項５に記載のガス・タービン・システム。
【請求項７】
前記尾筒ノズルが複数の尾筒区画として形成されるように、前記尾筒ノズルの内部に配設された一体型ベーンをさらに含んでいる請求項１に記載のガス・タービン・エンジン・システム。
【請求項８】
前記一体型ベーンを用いて冷却空気を前記圧縮機から前記尾筒ノズルの内部に供給する、請求項７に記載のガス・タービン・エンジン・システム。
【請求項９】
前記噴射器は、前記尾筒ノズルの複数の側壁及び前記一体型ベーンの周縁面から離隔して前記尾筒ノズルの出口の中央部において熱スポットを生成するように構成されている、請求項７に記載のガス・タービン・システム。
【請求項１０】
前記尾筒ノズルを用いて、前記タービンに対して実質的に接線方向に熱した燃焼ガスを噴射する、請求項１に記載のガス・タービン・システム。
【請求項１１】
前記燃焼器は、前記タービンに対して予め画定されている角度に配向した中心軸を有している、請求項１に記載のガス・タービン・システム。
【請求項１２】
前記尾筒ノズルは、前記タービンに対して実質的に接線方向での熱した燃焼ガスの流れの転回を提供する、請求項１に記載のガス・タービン・システム。
【請求項１３】
主燃焼器区画において第一の混合気を燃焼させて第一の燃焼ガスを生成するステップと、
前記第一の燃焼ガスを主燃焼器区画から副燃焼器区画に供給するステップと、
当該第二の混合気を燃焼させて第二の燃焼ガスを生成するように、前記副燃焼器区画に結合されている噴射器を介して第二の混合気を噴射するステップと、
尾筒ノズルを介してタービンに対して実質的に接線方向に前記第一及び第二の燃焼ガスを噴射するステップと
を備えた方法。
【請求項１４】
前記第一の混合気はリーンな混合気を含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第二の混合気はリッチな希釈混合気を含んでいる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
冷却空気を圧縮機から前記尾筒ノズルに配設された一体型ベーンを介して供給するステップをさらに含んでいる請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記第二の混合気を噴射するステップは、前記第二の混合気を前記噴射器を介して前記副燃焼器区画に非一様に噴射することを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記尾筒ノズルの複数の側壁から離隔して前記尾筒ノズルの出口の中央部において熱スポットを生成するステップをさらに含んでいる請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第一及び第二の燃焼ガスを噴射するステップは、前記尾筒ノズルを介して前記タービンに対して実質的に接線方向での第一及び第二の燃焼ガスの流れの転回を提供することを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記第一及び第二の燃焼ガスを噴射するステップは、前記尾筒ノズルに配設された一体型ベーンを介して前記タービンに対して実質的に接線方向での第一及び第二の燃焼ガスの流れの転回を提供することをさらに含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記尾筒ノズルの複数の側壁及び前記一体型ベーンの周縁面から離隔して前記尾筒ノズルの出口の中央部において熱スポットを生成するステップをさらに含んでいる請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
圧縮機の下流に燃焼器を形成するステップであって、当該燃焼器は、主燃焼器区画と、該主燃焼器区画に結合されて該主燃焼器区画の下流に配設された副燃焼器区画と、当該尾筒ノズルがタービンに対して実質的に接線方向に配向するように前記副燃焼器区画に結合されて前記副燃焼器区画の下流に配設された尾筒ノズルとを含んでいる、形成するステップと、
噴射器を前記副燃焼器区画に結合するステップと
を備えた方法。
【請求項２３】
前記噴射器は翼型形状である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記噴射器は、前記副燃焼器区画の内部に配設されて混合気の分配を強化するための彎曲部を有している、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記尾筒ノズルが複数の尾筒区画として形成されるように、前記尾筒ノズルの内部に一体型ベーンを形成するステップをさらに含んでいる請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記燃焼器の中心軸を、前記タービンに対して予め画定されている角度に配向させるステップをさらに含んでいる請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
従来の炭化水素燃料を燃焼させるタービンによって通常発生される主な空気汚染放出は、窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素である。空気を吸排気するエンジンにおける分子状窒素の酸化は、燃焼系の反応帯における最高温度、及び燃焼器の内部で到達された最高温度での反応物の滞留時間に大きく依存することが当技術分野では周知である。サーマルＮＯx形成量を最小にするためにはは、反応帯温度をサーマルＮＯxが形成される水準を下回るように保つか、又はＮＯx形成反応が進行するのには不十分な時間となるように高温での極く短い滞留時間を保つ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】米国特許第８，１７６，７３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱した燃焼ガスは、燃焼器からタービンの初段の静翼及び動翼に排出される。従来のシステムでは、初段静翼を利用してガス流を加速して転回させると、幾つかの問題を呈する。静翼及び関連する静翼支持構造は、相対的に短い距離で一定の角度にわたり熱ガス流の方向を変化させるときに生成される力に耐えるように高強度特性を必要とする。ガス流の温度及びガス流転回過程によって発生される熱は、冷却システムを必要とする。発生される力及び熱によって静翼及び関連する支持構造に亀裂が生じ得る。かかるシステムでは、燃焼器の内部でのタービン入口温度に影響がある場合があり、又はこのようなものとして複雑な冷却要件を必要とし得る。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
実施形態の一例によれば、ガス・タービン・エンジン・システムが開示される。このガス・タービン・エンジン・システムは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含んでいる。燃焼器は、圧縮機に結合されて圧縮機の下流に配設される。燃焼器は、主燃焼器区画に結合されて主燃焼器区画の下流に配設された副燃焼器区画を含んでいる。燃焼器はまた、副燃焼器区画に結合されて副燃焼器区画の下流に配設された尾筒ノズル（transition nozzle）を含んでいる。燃焼器はさらに、副燃焼器区画に結合されて副燃焼器区画に混合気（空気−燃料混合物）を噴射する噴射器を含んでいる。タービンは、燃焼器に結合されて尾筒ノズルの下流に配設され、尾筒ノズルは、タービンに対して実質的に接線方向に配向している。
【０００５】
実施形態のもう一つの例によれば、方法が、主燃焼器区画において第一の混合気を燃焼させて第一の燃焼ガスを生成するステップとを含んでいる。この方法はさらに、第一の燃焼ガスを主燃焼器区画から副燃焼器区画に供給するステップを含んでいる。この方法はまた、当該第二の混合気を燃焼させて第二の燃焼ガスを生成するように、副燃焼器区画に結合されている噴射器を介して第二の混合気を噴射するステップを含んでいる。この方法はさらに、第一及び第二の燃焼ガスを尾筒ノズルを介してタービンに対して実質的に接線方向に噴射するステップを含んでいる。
【０００６】
実施形態のもう一つの例によれば、方法が、圧縮機の下流に燃焼器の一例を形成するステップを含んでいる。燃焼器は、主燃焼器区画と、主燃焼器区画に結合されて主燃焼器区画の下流に配設された副燃焼器区画とを含んでいる。燃焼器はさらに、当該尾筒ノズルがタービンに対して実質的に接線方向に配向するように副燃焼器区画に結合されて副燃焼器区画の下流に配設された尾筒ノズルを含んでいる。この方法はさらに、噴射器を副燃焼器区画に結合するステップを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明の各実施形態のこれらの特徴及び観点、並びに他の特徴及び観点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとさらに十分に理解されよう。図面全体にわたり、類似の参照符号は類似の部材を表わす。
【図１】本発明の実施形態の一例によるガス・タービン・エンジン・システムの線図である。
【図２】本発明の実施形態のもう一つの例による燃焼器の線図である。
【図３】本発明の実施形態の一例による多段型燃料噴射を設けた燃焼器及び尾筒ノズルの線図である。
【図４】本発明の実施形態のもう一つの例による多段型燃料噴射を設けた燃焼器及び尾筒ノズルの線図である。
【図５】本発明の実施形態のもう一つの例による多段型燃料噴射を設けた燃焼器及び尾筒ノズルの線図である。
【図６】本発明の実施形態のもう一つの例による多段型燃料噴射を設けた燃焼器及び尾筒ノズルの線図である。
【図７】本発明の実施形態のもう一つの例による多段型燃料噴射を設けた燃焼器及び尾筒ノズルの線図である。
【図８】本発明の実施形態の一例によるタービンの上流に配設された尾筒ノズルのアレイの線図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の各実施形態によれば、ガス・タービン・エンジン用の二段燃焼器に尾筒ノズルが設けられる。幾つかの実施形態では、このガス・タービン・エンジンは、円環パターンに配設された複数のキャン燃焼器を含んでいる。キャン燃焼器には、燃焼器からタービンに供給される燃焼ガスの流れに渦を導入するように、タービンの入口に対して実質的に接線方向に配向した尾筒ノズルが設けられる。幾つかの実施形態では、タービンへのガス流の幾分かの付加的な転回を付与するように、静翼が尾筒ノズルの出口側に一体化されていてよい。加えて、燃焼器の第二段は、燃焼器の第一段から供給される熱した生成物に混合気を導入する。燃焼器の第二段に燃料噴射器を設けると、尾筒ノズルの壁面温度を上昇させずに尾筒ノズルの出口に中央熱ゾーンを生成することが容易になる。燃焼器の第二段用の燃料噴射器と共に、実質的に接線方向に配向した尾筒ノズルを設けると、燃焼器又は尾筒ノズルの冷却要件を増大させずにタービン入口温度を高めることが容易になり、これによりガス・タービン・エンジンの効率を強化する。
【０００９】
ここで全体的には各図面、具体的には図１を参照すると、各図は本発明の好適実施形態を記述する目的のものであって発明を図の記述に限定するものではないことが理解されよう。図１に示すように、参照番号１０によって全体的に示すガス・タービン・エンジン・システムが、本発明の実施形態の一例に従って図示されている。ガス・タービン・エンジン・システム１０は、吸込部１２と、吸込部１２に結合されて吸込部１２から下流に配設された圧縮機１４とを含んでいる。システム１０はさらに燃焼器１６を含んでおり、燃焼器１６は、圧縮機１４に結合されて圧縮機１４から下流に配設された主燃焼器区画１８と、主燃焼器区画１８から下流に配設された副燃焼器区画２０とを有している。システム１０はさらに、燃焼器１６に結合されて副燃焼器区画２０の下流に配設されたタービン２２と、タービン２２に結合されてタービン２２の下流に配設された排気部２４とを含んでいる。タービン２２は、例えば高圧タービンと低圧タービン、又は高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンのように複数のタービンを含み得ることが当業者には認められよう。同様に、圧縮機１４も、例えば低圧圧縮機と高圧圧縮機、又は低圧圧縮機と中圧圧縮機と高圧圧縮機のように複数の圧縮機を含み得る。幾つかの実施形態では、タービン２２は複数のタービン段を含んでいてよく、圧縮機１４は複数の圧縮機段を含んでいてよい。かかる実施形態では、第一のタービン段は単一のロータを有していてよく、他の段は複数のステータ及びロータを含んでいてよい。
【００１０】
タービン２２は、１又は複数の共通のシャフトを介して圧縮機１４及び負荷２６を駆動する。負荷２６は、発電機応用又は機械的駆動応用の任意の一つであってよい。かかる機械的駆動応用の例としては、油田に用いられる圧縮機又は冷蔵に用いられる圧縮機の任意の一つが挙げられる。負荷２６はまた、ターボジェット・エンジン、ターボファン・エンジン、及びターボプロップ・エンジンに用いられるようなプロペラであってもよい。
【００１１】
ここで図２を参照すると、主燃焼器区画１８と、副燃焼器区画２０と、熱した燃焼ガスをタービン・ノズル及びタービン動翼（不図示）に流入させる尾筒ノズル２８とを有する燃焼器１６が開示されている。主燃焼器区画１８は、ケーシング３０、端部カバー３２、複数の始動用燃料ノズル３４、複数の予備混合燃料ノズル３６、キャップ・アセンブリ３８、流れスリーブ４０、及びスリーブ４０の内部の燃焼ライナ４２を含んでいる。
【００１２】
燃焼器１６はまた、好ましくは電気エネルギ式の点火プラグを含む着火装置（不図示）を含んでいる。主燃焼器区画１８における燃焼は燃焼ライナ４２の内部で生ずる。燃焼空気は、流れスリーブ４０を介して燃焼ライナ４２の内部に導かれる。空気は燃焼ライナ４２に入り、燃焼ライナ４２の内部で始動用燃料ノズル３４及び／又は予備混合燃料ノズル３６からの燃料と混合する。結果的に、燃焼ライナ４２の内部で燃焼反応が生じてタービンを駆動する目的のための熱を放出する。主燃焼器区画１８のための高圧空気は、円環プレナム４６から流れスリーブ４０及び尾筒ノズル衝突スリーブ４４に入る。高圧空気は圧縮機によって供給され、圧縮機は一連の静翼及び動翼４８、並びにディフューザ５０によって表わされている。各々の燃料ノズル３６がスワーラ（渦生成器）５２を含んでおり、スワーラ５２は、流入する空気に回転を付与する複数の渦ベーンと、回転する空気流に燃料を分配する複数の燃料スポーク５４とを有する。次いで、燃料及び空気は予備混合燃料ノズル３６の内部の円環通路において混合した後に、一次反応帯５６の内部で反応する。幾つかの実施形態では、一次反応帯５６の内部の混合気（「第一の混合気」とも呼ぶ）はリーンな（lean）混合気である。
【００１３】
図示の実施形態では、副燃焼器区画２０は、主燃焼器区画１８から供給される第一の燃焼生成物（ガス）の流れに第二の混合気を横方向に噴射する噴射器５８を含んでいる。噴射器５８は翼型形状であってよい。第二の混合気はリッチな（rich）混合気であってよい。幾つかの実施形態では、第二の混合気は希釈剤（diluent）を含んでいる。燃焼ライナ４２を貫通して配設されている噴射器５８を用いて、追加の混合気及び希釈剤を副燃焼器区画２０の内部の二次反応帯６０に導入する。空気は、噴射器５８を冷却するためにライナ４２を通して受動的に導入される。空気は、出る直前に燃料又は燃料−希釈剤混合物と混合してから主燃焼生成物と混合する。一次反応帯５６を出る熱した燃焼生成物は二次的な燃料混合物に着火して、尾筒ノズルを介してタービンに供給される第二の燃焼ガスを生成する。尾筒ノズルは、タービンに対して実質的に接線方向での第一及び第二の燃焼ガスの流れの転回を提供する。ここで、本書で議論される「実質的に接線方向」との用語は、タービンに対して６０°から８０°の範囲の角度での第一及び第二の燃焼ガスの流れの転回を指し得る。結果として生ずる二次的な炭化水素燃料酸化反応は、尾筒ノズル２８において実質的な完了に到る。燃料−希釈剤混合物は噴射されるのに先立って十分に混合されること、及び燃料−希釈剤は二次反応帯６０への導入に先立って空気と十分に混合されることが好ましい。熱した燃焼生成物は、タービンを出たら排気部を介して排気される。
【００１４】
一つの燃焼器を図示しているが、ガス・タービン・エンジン・システムは、複数の円周方向に隔設された燃焼器の円形アレイを含んでいる。混合気は各々の燃焼器１６において燃焼されて熱した燃焼ガス流を生成し、このガス流は尾筒ノズル２８を通してタービンに供給される。幾つかの実施形態では、噴射器５８は、実質的に燃料混合物のみであってよい燃料混合物を噴射する。幾つかの代替的な実施形態では、燃料混合物は空気及び／又は希釈剤と組み合わされていてもよい。噴射器５８及び尾筒ノズル２８については、以降の図面に関して後にあらためて説明する。燃焼温度及び燃焼時間の制御は、副燃焼器区画２０でのＮＯx形成を防ぐとまでは言えなくとも少なくとも最小にするものとする。また、ここで本発明の各実施形態は円環燃焼システム以外の燃焼システムにも同等に適用可能であることを特記しておく。
【００１５】
図３を参照すると、本発明の実施形態の一例による噴射器５８及び尾筒ノズル２８を設けた燃焼器１６が開示されている。本書で議論されるように、燃焼器１６は、主燃焼器区画１８と、副燃焼器区画２０と、熱した燃焼ガスをタービンに流入させる尾筒ノズル２８とを含んでいる。燃焼器１６はさらに、主燃焼器区画１８、副燃焼器区画２０及び尾筒ノズル２８の範囲内に配設された燃焼ライナ４２を含んでいる。冷却空気が、燃焼ライナ４２と主燃焼器区画１８、副燃焼器区画２０、及び尾筒ノズル２８との間に形成される間隙６１を介して供給され得る。
【００１６】
図示の実施形態では、リーンな混合気が主燃焼器区画１８の内部で燃焼されて、第一の燃焼ガス１９を生成する。複数の噴射器５８が、副燃焼器区画２０の周縁６２、ライナ４２、及び封止部を貫通して配設されている。噴射器５８を用いて、追加の燃料混合物を副燃焼器区画２０に導入する。換言すると、噴射器５８を用いて、主燃焼器区画１８から供給される第一の燃焼生成物の流れにリッチな混合気を横方向に噴射する。主燃焼器区画１８を出た熱した燃焼生成物は二次燃料混合物に着火して、第二の燃焼ガス６３を生成する。第一及び第二の燃焼ガス１９、６３は尾筒ノズル２８を介してタービンに供給される。図示の実施形態では、タービンの初段の動翼６４のみが開示されている。
【００１７】
本発明の各実施形態によれば、尾筒ノズル２８はタービンに対して実質的に接線方向に配向している。図示の実施形態では、尾筒ノズル２８は、副燃焼区画２０において燃焼炎６８が生成される領域に対応する点６６から延在するように図示されており、タービンに対して実質的に接線方向に配向している。燃焼炎６８は、主燃焼器区画１８から供給される第一の燃焼生成物の流れにリッチな混合気が噴射されるときに生成される。明確に述べると、図示の実施形態では、尾筒ノズル２８は点６６から延在し、流れをオフセット方向７０へ向けてさらに転回させる。図示の実施形態では、オフセット方向７０は、タービンの初段動翼６４に対して実質的に接線方向に配向している。さらに明確に述べると、燃焼器１６の中心軸７２が、タービンに対して予め画定されている角度に配向している。一実施形態では、中心軸７２は、タービンに対して４５°の角度で配向している。他の実施形態では、この予め画定されている角度は応用に依存して変化してよい。かかる配向は、熱した燃焼ガスが、接線方向の速度成分を有して初段動翼６４に供給されることを可能にする。本書で用いられる「オフセット」との用語は、尾筒ノズル２８の出口が、所定の方向（１又は複数）に沿って測定された場合に入口から隔設されていることを意味する。例えば、出口が入口から（又は入口に対して）オフセットされていると記載される場合には、出口は、軸方向７２に測定されるときに入口から隔設されている。尾筒ノズル２８の断面積プロファイルは、応用に依存して変化してよい。噴射器５８の副燃焼器区画２０を、タービンに関する尾筒ノズル２８の実質的に接線方向の配向と組み合わせて設けると、熱スポット７４の生成を尾筒ノズル２８の出口７６の中央領域に局限することを容易にする。ここで、熱スポット７４は、尾筒ノズル２８の側壁７５から離隔して発生されて、これにより冷却要件を最小にすることを特記しておく。
【００１８】
図４を参照すると、本発明の実施形態のもう一つの例による噴射器５８及び尾筒ノズル２８を設けた燃焼器１６が開示されている。図示の実施形態は図３の実施形態と類似しているが、噴射器５８が、燃焼器１６の中心軸７２に関して予め画定されている角度で配向していることが異なる。上流での噴射器５８のかかる傾斜は、燃焼器１６での限られた滞留時間内での空気の燃料又は燃料−希釈剤混合物との混合を強化する。
【００１９】
図５を参照すると、本発明の実施形態のもう一つの例による噴射器５８及び尾筒ノズル２８を設けた燃焼器１６が開示されている。この尾筒ノズル２８もまた、接線方向の速度成分をタービンに導入するように燃焼ガス流を転回させる。ここで、ガス流の接線方向速度成分は、軸方向速度成分及び半径方向速度成分に加えられることを特記しておく。図示の実施形態では、噴射器５８は、図２の実施形態に示されているものと同じであるが、周縁６２及びライナ４２を貫通して副燃焼器区画２０の内部まで突出して配設されている。噴射器５８のかかる配設は、着火の前に噴射器５８が混合気又は希釈混合気（空気−燃料−希釈剤混合物）を主燃焼生成物の内部に選択的に分配する能力のため、混合気又は希釈混合気と主燃焼生成物とのさらに十分な混合を促進する。
【００２０】
図６を参照すると、本発明の実施形態のもう一つの例による噴射器５８及び尾筒ノズル２８を設けた燃焼器１６が開示されている。図示の実施形態は、図３の実施形態と類似しており、加えて尾筒ノズル２８が複数の尾筒区画８０として形成されるように、尾筒ノズル２８の内部に配設された一体型ベーン７８を含んでいる。図示の実施形態では、一体型ベーン７８は、冷却空気を尾筒ノズル２８に供給する１又は複数の通路を含んでいる。熱スポット７４の生成は、尾筒ノズル２８の複数の尾筒区画８０の出口７６の中央領域に局限される。ここで、熱スポット７４は尾筒ノズル２８の側壁７５及びベーン７８の周縁面７７から離隔して生成され、これにより冷却要件を最小にすることを特記しておく。
【００２１】
図７を参照すると、本発明の実施形態のもう一つの例による噴射器８４及び尾筒ノズル８６を設けた燃焼器８２が開示されている。燃焼器８２は、主燃焼器区画９６と、噴射器８４が設けられた副燃焼器区画９８とを有する。第一及び第二の燃焼ガスが矢印９１、９３によって表わされている。燃焼器８２は、尾筒ノズル８６が複数の尾筒区画９０として形成されるように、尾筒ノズル８６の内部に配設された１又は複数の一体型ベーン８８を含んでいる。図示の実施形態では、一体型ベーン８８は、冷却空気を尾筒ノズル８６に供給する１又は複数の通路を含んでいる。幾つかの実施形態では、かかる冷却空気は圧縮機１４（図１に示す）から供給される。一体型ベーン８８は、タービンに対して実質的に接線方向での第二の燃焼ガスの流れのさらなる転回を提供する。熱スポット９２の生成は、尾筒ノズル８６の複数の尾筒区画９０の出口９４の中央領域に局限される。図示の実施形態では、熱スポット９２は、尾筒ノズル８６の側壁９５及びベーン８８の周縁面９９から離隔して生成され、これにより冷却要件を最小にする。図示の実施形態は図２の実施形態と同様である。噴射器８４は翼型形状である。噴射器８４の翼型形状は炎の離昇距離を増大させることを容易にして、噴射器８４の寿命を強化する。加えて、図示の実施形態では、噴射器８４は、燃焼器８２での燃料の分配を強化するための屈曲部８５を有する。ここで、本書で議論される噴射器８４は、燃料を副燃焼器区画２０に非一様に分配するように構成されていることを特記しておく。噴射器８４は、燃料を非一様に分配するための複数の噴射孔を有する。換言すると、幾つかの噴射孔が、副燃焼器区画９８の一つの区域にもう一つの区域に比較して少ない又は多い何れかの燃料を分配する。噴射器８４は、燃焼器８２の中心軸９７に対して垂直に配向し得る。本書に開示されるように、空気はライナを通して受動的に導入されて、噴射器８４を冷却する。空気は、出る直前に燃料又は燃料−希釈剤混合物と混合してから主燃焼生成物と混合する。
【００２２】
図８を参照すると、本発明の各観点によるタービンに対して実質的に接線方向に配向した尾筒ノズル２８の円環アレイが示されている。尾筒ノズル２８の接線方向の配向はまた、タービンに噴射される燃焼ガスに接線方向速度成分を導入することを容易にする。尾筒ノズル２８の数及び尾筒ノズル２８の円環構成は、応用に依存して変化してよい。
【００２３】
本発明の各実施形態によれば、燃焼器は、二段階で燃焼の温度を高める。燃焼器の第一段は空気と燃料とのリーンな予備混合を用いて、ＮＯx生成が少ない状態での一酸化炭素の実質的な燃焼終了のための穏当な温度まで燃焼温度を高める。燃焼器の第二段は、よりリッチな混合気を導入して、第一段からの燃焼生成物の温度をさらに高める。さらに、燃焼器は、タービンに対して実質的に接線方向に配向した尾筒ノズルを含んでいる。尾筒ノズル及び一体型ベーンは、流れの付加的な転回を提供して、さらにタービンに向けたガス流の接線方向速度を増大させることができる。燃焼器の第二段での混合気の追加噴射によって、高温領域が、尾筒ノズルの側壁及び一体型ベーンの周縁面から離隔して各々の尾筒ノズルの出口の中央において生成される。故に、尾筒ノズル及びタービンのための冷却を必要とする表面積が著しく縮小する。尾筒ノズルが一体型ベーンを用いているような実施形態では、少なくとも二つの熱ゾーンが、尾筒ノズルの出口において円周方向に隔設されて形成される。
【００２４】
本書では発明の幾つかの特徴のみを図示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。従って、特許請求の範囲は、発明の要旨に含まれるような全ての改変及び変形を網羅するものと理解されたい。
【符号の説明】
【００２５】
１０：ガス・タービン・エンジン・システム
１２：吸込部
１４：圧縮機
１６：燃焼器
１８：主燃焼器区画
１９：第一の燃焼ガス
２０：副燃焼器区画
２２：タービン
２４：排気部
２６：負荷
２８：尾筒ノズル
３０：ケーシング
３２：端部カバー
３４：始動用燃料ノズル
３６：予備混合燃料ノズル
３８：キャップ・アセンブリ
４０：流れスリーブ
４２：燃焼ライナ
４４：衝突スリーブ
４６：円環プレナム
４８：動翼
５０：ディフューザ
５２：スワーラ
５４：スポーク
５６：一次反応帯
５８：噴射器
６０：二次反応帯
６１：間隙
６２：副燃焼器区画の周縁
６３：第二の燃焼ガス
６４：動翼
６６：燃焼炎が生成される領域に対応する点
６８：燃焼炎
７０：オフセット方向
７２：中心軸
７４：熱スポット
７５：側壁
７６：出口
７７：周縁面
７８：一体型ベーン
８０：尾筒区画
８２：燃焼器
８４：噴射器
８６：尾筒ノズル
８８：一体型ベーン
９０：尾筒区画
９１：第一の燃焼ガス
９２：熱スポット
９３：第二の燃焼ガス
９４：出口
９５：側壁
９６：主燃焼器区画
９７：中心軸
９８：副燃焼器区画
９９：周縁面
【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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