(57)【要約】【課題】タービンシステム向けのウェイク調整構造を提供すること。【解決手段】タービンシステム向けのウェイク調整構造は、燃焼器チェンバを画定する燃焼器ライナーを含む。さらに燃焼器ライナーの外表面に沿って配置された空気流経路が含まれている。さらに、該空気流経路内でかつ燃焼器ライナーの近傍の位置にあるウェイク生成構成要素であって、これの下流側の位置にウェイク領域を生成しているウェイク生成構成要素が含まれている。さらにまた、空気流経路内に配置されているウェイク領域を小さくさせるように構成されたベンチェリ構造または区画が含まれている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンシステム向けのウェイク調整構造であって、
燃焼器チェンバを画定する燃焼器ライナーと、
該燃焼器ライナーの外表面に沿って配置された空気流経路と、
該空気流経路内でかつ燃焼器ライナーの近傍の位置にあるウェイク生成構成要素であって、これの下流側の位置にウェイク領域を生成しているウェイク生成構成要素と、
該空気流経路内に配置されると共に少なくとも１つの入口穴と少なくとも１つの出口穴を備えたベンチェリ構造であって、該少なくとも１つの出口穴はウェイク生成構成要素の軸方向の下流側箇所においてウェイク生成構成要素と円周方向に整列させているベンチェリ構造と、
を備えるウェイク調整構造。
【請求項２】
前記空気流経路は燃焼器ライナーの外表面及びフロースリーブによって画定されている、請求項１に記載のウェイク調整構造。
【請求項３】
前記ベンチェリ構造はフロースリーブと動作可能に結合されている、請求項２に記載のウェイク調整構造。
【請求項４】
前記空気流経路は燃焼器ライナーの外表面及び外側ケーシングによって画定されている、請求項１に記載のウェイク調整構造。
【請求項５】
前記ベンチェリ構造は外側ケーシングと動作可能に結合されている、請求項４に記載のウェイク調整構造。
【請求項６】
前記ベンチェリ構造は収束形部分と発散形部分を備えており、前記少なくとも１つの入口穴は該収束形部分を通って延びておりかつ前記少なくとも１つの出口穴は発散形部分を通って延びている、請求項１に記載のウェイク調整構造。
【請求項７】
前記少なくとも１つの入口穴及び少なくとも１つの出口穴は互いに円周方向にオフセットされている、請求項１に記載のウェイク調整構造。
【請求項８】
互いに軸方向に整列させた複数の入口穴をさらに備える請求項１に記載のウェイク調整構造。
【請求項９】
前記ウェイク生成構成要素は、燃料インジェクタ、チューブ、スパークプラグ及び炎検出器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のウェイク調整構造。
【請求項１０】
前記ベンチェリ構造は板金を含む、請求項１に記載のウェイク調整構造。
【請求項１１】
タービンシステム向けのウェイク調整構造であって、
燃焼器チェンバを画定する燃焼器ライナーと、
該燃焼器ライナーの外表面に沿って配置された空気流経路と、
該空気流経路内でかつ燃焼器ライナーの近傍の位置にあるウェイク生成構成要素であって、これの下流側の位置にウェイク領域を生成しているウェイク生成構成要素と、
該空気流経路内に配置されておりかつ該ウェイク生成構成要素の軸方向の下流側箇所においてウェイク生成構成要素と円周方向に整列させた少なくとも１つのスロットを備えたベンチェリ構造と、
を備えるウェイク調整構造。
【請求項１２】
前記ベンチェリ構造は、燃焼器ライナーの外表面から半径方向で外方に離間させた外側ケーシングと動作可能に結合させている、請求項１１に記載のウェイク調整構造。
【請求項１３】
前記ベンチェリ構造は燃焼器ライナーの端部キャップと動作可能に結合させている、請求項１１に記載のウェイク調整構造。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのスロットは該少なくとも１つのスロットの入口の近傍にマウス領域を備えている、請求項１１に記載のウェイク調整構造。
【請求項１５】
前記ウェイク生成構成要素は、燃料インジェクタ、チューブ、スパークプラグ及び炎検出器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載のウェイク調整構造。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのスロットは円形断面幾何形状を成している、請求項１１に記載のウェイク調整構造。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのスロットは矩形断面幾何形状を成している、請求項１１に記載のウェイク調整構造。
【請求項１８】
タービンシステム向けのウェイク調整構造であって、
燃焼器ライナーの外表面に沿って配置された空気流経路と、
該空気流経路内でかつ燃焼器ライナーの近傍の位置にあるウェイク生成構成要素であって、これの下流側の位置にウェイク領域を生成しているウェイク生成構成要素と、
該空気流経路内に配置された第１のベンチェリ区画と、
該第１のベンチェリ区画の下流側に配置された第２のベンチェリ区画と、
を備えるウェイク調整構造。
【請求項１９】
前記第１のベンチェリ区画が第１のスロートを備えかつ前記第２のベンチェリ区画が第２のスロートを備えており、該第１のスロートは該第２のスロートから少なくとも第１のベンチェリ区画の第１の収束形部分の長さの約０．３倍の距離だけ離間させている、請求項１８に記載のウェイク調整構造。
【請求項２０】
前記ウェイク生成構成要素は、燃料インジェクタ、チューブ、スパークプラグ及び炎検出器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載のウェイク調整構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題はタービンシステムに関し、またより詳細にはこうしたタービンシステム向けのウェイク調整構造（ｗａｋｅ  ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼器配列は逆フロー構成から成ることが多く、また板金から形成されたライナーを含んでいる。この板金と外側境界構成要素によって圧縮器出口から受け取った空気を燃焼器の頭側端の方向に流すための経路が形成されており、この際に空気は次いでノズル内に向かわせると共に燃焼器チェンバ内で燃料と混合されている。構造上及び機能上の恩恵をもたらす様々な構成要素がこの空気流経路に沿って配置されることがある。これらの構成要素によって、構成要素の下流側の近くの位置にウェイク領域が生じる。これらのウェイク領域は、空気が頭側端でノズルに提供される際に圧力の低下及び不均一な空気流をもたらし、これによりＮＯｘ排出量の増加や全体動作効率の低下など望ましくない影響が生じることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８２３４８７２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様では、タービンシステム向けのウェイク調整構造は燃焼器チェンバを画定する燃焼器ライナーを含む。さらに燃焼器ライナーの外表面に沿って配置された空気流経路が含まれている。さらに空気流経路内で燃焼器ライナーの近傍の位置にウェイク生成構成要素が含まれており、このウェイク生成構成要素はその下流側の位置にウェイク領域を生成している。さらにまた空気流経路内に配置されると共に少なくとも１つの入口穴と少なくとも１つの出口穴を備えるベンチェリ構造が含まれており、この少なくとも１つの出口穴はウェイク生成構成要素の軸方向の下流側箇所においてウェイク生成構成要素と円周方向に整列させている。
【０００５】
本発明の別の態様では、タービンシステム向けのウェイク調整構造は燃焼器チェンバを画定する燃焼器ライナーを含む。さらに、燃焼器ライナーの外表面に沿って配置された空気流経路が含まれる。さらに、該空気流経路内でかつ燃焼器ライナーの近傍の位置にウェイク生成構成要素が含まれており、該ウェイク生成構成要素はその下流側の位置にウェイク領域を生成している。さらにまた、該空気流経路内に配置されておりかつウェイク生成構成要素の軸方向の下流側箇所においてウェイク生成構成要素と円周方向に整列させた少なくとも１つのスロットを備えたベンチェリ構造が含まれている。
【０００６】
本発明のさらに別の態様では、タービンシステム向けのウェイク調整構造は燃焼器ライナーの外表面に沿って配置された空気流経路を含む。さらに、該空気流経路内でかつ燃焼器ライナーの近傍の位置にウェイク生成構成要素が含まれており、該ウェイク生成構成要素はその下流側の位置にウェイク領域を生成している。さらに、空気流経路内に配置された第１のベンチェリ区画が含まれている。さらにまた第１のベンチェリ区画の下流側に配置された第２のベンチェリ区画が含まれている。
【０００７】
これらの利点及び特徴並びにその他の利点及び特徴については、図面と連携して提供している以下の詳細な説明からさらに明らかとなろう。
【０００８】
本発明と見なされる内容については、本明細書の結論部にある特許請求の範囲において具体的に指摘すると共に明確に主張している。本発明に関する上述の特徴及び利点並びにの別の特徴及び利点については、添付の図面と連携して提供している以下の詳細な説明から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】タービンシステムの概要図である。
【図２】タービンシステムの燃焼器アセンブリの一部分の部分断面図である。
【図３】燃焼器アセンブリの空気流経路の部分断面図である。
【図４】第１の実施形態によるベンチェリ構造の斜視図である。
【図５】第２の実施形態によるベンチェリ構造を有する燃焼器アセンブリの斜視図である。
【図６】図５の区画ＶＩのベンチェリ構造の拡大斜視図である。
【図７】本発明の別の態様による図５のベンチェリ構造の拡大斜視図である。
【図８】第３の実施形態によるベンチェリ構造の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この詳細な説明では本発明の実施形態について、一例として図面を参照しながらその利点及び特徴と共に説明している。
【００１１】
図１を見ると、本発明の例示的な一実施形態に従って製作されたガスタービンエンジン１０などのタービンシステムの概要を表している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮器１２と、環状筒型アレイの形に配列された複数の燃焼器アセンブリ（そのうちの１つを参照番号１４で示す）と、を含む。図示したように燃焼器アセンブリ１４は、燃焼器チェンバ１８を封止し、かつこれを少なくとも部分的に画定する端部カバーアセンブリ１６を含む。複数のノズル２０〜２２が、端部カバーアセンブリ１６により支持されると共に燃焼器チェンバ１８内まで延びている。ノズル２０〜２２は、共通燃料入口（図示せず）を通して燃料と圧縮器１２からの圧縮済み空気とを受け取っている。この燃料と圧縮空気は燃焼器チェンバ１８内まで通されて点火され、高温高圧の燃焼産生物または空気ストリームを形成し、これがタービン２４の駆動に用いられる。タービン２４は、圧縮器／タービンシャフト３０を通じて圧縮器１２に動作可能に接続された複数の段２６〜２８（回転子とも呼ぶ）を含む。
【００１２】
動作時において空気が圧縮器１２内に流れ込むと共に高圧ガスになるように圧縮を受ける。この高圧ガスは、燃焼器アセンブリ１４に供給されると共に、燃焼器チェンバ１８内において例えば天然ガス、燃料油、処理ガス及び／または合成ガス（ｓｙｎｇａｓ）などの燃料と混合される。燃料／空気混合物すなわち燃焼性混合物に点火して高圧で高温の燃焼ガス流が形成される。いずれにしても、燃焼器１４は燃焼ガス流をタービン区画２４まで引き込んでおり、これにより熱エネルギーが力学的な回転エネルギーに変換される。
【００１３】
ここで図２を見ると、燃焼器アセンブリ１４の一部分を表している。上で指摘したように、燃焼器アセンブリ１４は典型的には、ガスタービンエンジン１０内部で動作する多くの場合に円周方向に配置されている幾つかの燃焼器のうちの１つである。燃焼器アセンブリ１４は、幾何学形状が多くの場合に管状であると共に、高温の加圧ガスをガスタービンエンジン１０のタービン区画２４内に導いている。
【００１４】
燃焼器アセンブリ１４は、半径方向で外方の箇所において例えばフロースリーブなどの外側境界構成要素３４によって少なくとも部分的に囲繞された燃焼器ライナー３２によって画定されている。具体的には燃焼器ライナー３２は、内表面３６及び外表面３８を含んでおり、該内表面３６は燃焼器チェンバ１８を画定している。燃焼器ライナー３２の外表面３８と外側境界構成要素３４の間に形成される空気流経路４０は、空気ストリームが燃焼器アセンブリ１４のノズルに向かってその中を流れるための領域を提供している。燃焼器ライナー３２を囲繞するフロースリーブを有するように図示し上で説明しているが、外側境界構成要素３４が外側ケーシングその他を備えるようにして燃焼器ライナー３２のみが存在することも企図される。空気流経路４０の内部に、あるいは空気流経路４０の中に部分的に突き出るように少なくとも１つのウェイク生成構成要素４２が配置されている。ウェイク生成構成要素４２とは一般に、任意の構造部材を意味しており、また構造上及び／または機能上の様々な恩恵をガスタービンエンジン１０に与えることがある。例えばウェイク生成構成要素４２は、隣接する燃焼器チェンバ、カメラ、スパークプラグまたは炎検出器その他を流体結合させる火炎伝播管などのチューブである燃焼器ライナー３２を通って半径方向で内方に延びる燃料インジェクタを備える。上に示した一覧は単に例示であり、またウェイク生成構成要素４２は該空気流経路４０内に配置された任意の構造部材を意味し得ることを理解すべきである。
【００１５】
空気流経路４０内部を流れる空気がウェイク生成構成要素４２に当たるときに、ウェイク生成構成要素４２の下流側にウェイク領域４４が生成される。具体的にはウェイク領域４４は、ウェイク生成構成要素４２の下流側端部の直ぐ隣りからウェイク生成構成要素４２の下流側端部の近傍の箇所まで延びることがある。本明細書に記載した様々な実施形態によれば、ウェイク生成構成要素４２の周りの空気のかたまりにウェイク領域４４を満たさせるような活力付与効果が与えられることによってウェイク領域４４が縮小する。具体的には、以下に記載する実施形態の結果として空気流経路４０で流れる空気４６に対するベンチェリ効果が生じる。
【００１６】
図３及び４を見ると、第１の実施形態によるウェイク調整構造５０を示し、またウェイク生成構成要素４２をより詳細に示している。ウェイク生成構成要素４２の周りを空気が流れると、上で詳細に説明したように空気の分離及びウェイクが生じる。ウェイク調整構造５０は、空気流経路４０内に配置させて空気４６をこれに沿って流れるように導くためのベンチェリ構造５２を含む。ベンチェリ構造５２は、燃焼器ライナー３２と連携して空気流経路を画定する外側境界構成要素３４と動作可能に結合させている。上で詳細に説明したように外側境界構成要素３４とは、フロースリーブ、外側ケーシングその他を指す。外側境界構成要素３４に対するベンチェリ構造５２の動作可能な結合は、溶接及び／または機械的締結（ただし、これらに限らない）を含む適当な任意の装着処理法によって実現させることがある。
【００１７】
ベンチェリ構造５２は、板金を含む適当な多くの材料から形成させることがあり、また収束形部分５４またさらには発散形部分５６を含む。より具体的には空気流経路４０は、収束形部分５４と発散形部分５６のそれぞれを包含することによって形成された収束性空気流の領域と発散性空気流の領域とを含む。空気４６が収束形部分５４に沿って移動する際には、その速度が上昇すると共に、収束形部分５４の近傍の断面積の縮小によってこの領域内に対応する圧力低下をもたらす。収束形部分５４を通過して、空気４６を中に入れるための少なくとも１つの入口穴（ただし、典型的には複数の入口穴５８）が延びている。複数の入口穴５８は、ウェイク生成構成要素４２から円周方向にオフセットさせた（ただし典型的には軸方向面内に比較的整列させた）位置（複数のこともある）に配置させている。これらの円周方向の箇所における軸方向の流れは、比較的強くかつ均一であり、これによりこれらの箇所における空気の引き入れは受け容れ可能である。発散形部分５６を通過して少なくとも１つの出口穴、ただし典型的には複数の出口穴６０が延びている。複数の出口穴６０はウェイク生成構成要素４２と円周方向に整列させると共にウェイク生成構成要素４２から軸方向で下流側に配置させている。複数の出口穴６０は、複数の入口穴５８内に吸い込まれる空気を引き入れるための吸引側を提供するように、ウェイク領域４４内のウェイク生成構成要素４２と一列を成しまたこの下流側に来るように配置させている。
【００１８】
動作時において空気４６はウェイク生成構成要素４２と円周方向に整列していない領域にある複数の入口穴５８に流れ込むと共に、ウェイク生成構成要素４２の軸方向下流側に位置するウェイク領域４４を活性化させかつこれを「充満させる」ように複数の出口穴６０に対して軸方向下流側で円周方向にルートがとられる。
【００１９】
ここで図５及び６を見ると、第２の実施形態によるウェイク調整構造７０を図示している。ウェイク調整構造７０は燃焼器アセンブリ１４と動作可能に結合させている。例えばウェイク調整構造７０は、外側境界構成要素３４または端部カバーアセンブリ１６と結合させることがある。第１の実施形態に関して上で説明したのと同様に、溶接、機械的締結及び／または同様の方式で動作可能な結合を実現させることがある。
【００２０】
ウェイク調整構造７０は、第１の実施形態に関連して上で詳細に説明したような空気流経路４０に沿って収束性区画と発散性区画を成させるように円周方向に燃焼器ライナー３２の周りを延びる収束形部分７４及び発散形部分７６を含んだベンチェリ構造７２を含む。しかしウェイク調整構造７０の第２の実施形態のベンチェリ構造７２は燃焼器ライナー３２の周りを連続して延びていない。むしろ少なくとも１つのスロット７８が、ウェイク生成構成要素４２と円周方向に整列されかつウェイク生成構成要素４２の軸方向下流側の箇所に含まれている。少なくとも１つのスロット７８は、例えば円形や矩形を含む多くの幾何学形状で形成させていると共に、少なくとも１つのスロット７８により得られる低い抵抗を介した空気の低速の再循環を可能にしている。空気４６の流れが空気４６の比較的円周方向から少なくとも１つのスロット７８に入るに連れて、少なくとも１つのスロット７８の近傍のウェイク領域４４が活性化される。具体的には圧力低下が比較的小さいと、空気は円周方式で側面から少なくとも１つのスロット７８の方に引き入れられ、ウェイク領域４４の活性化が支援される。
【００２１】
図７に示したように一実施形態では、ベンチェリ構造７２の少なくとも１つのスロット７８は少なくとも１つのスロット７８の入口領域８２の近傍の空気４６の流れを増加させるマウス領域８０を含むことがある。マウス領域８０は空気４６の流れを引き込むような漏斗形状とすることがある。
【００２２】
ここで図８を見ると、第３の実施形態によるウェイク調整構造９０を図示している。第３の実施形態は、上で記載した実施形態の幾つかの態様を含んでおり、このため重複する説明は不要でありまた同じ参照番号を利用（該当する場合）している。ウェイク調整構造９０は第１のベンチェリ区画９２と第２のベンチェリ区画９４を含む。第１のベンチェリ区画９２は、第１の収束形部分９５と第１の発散形部分９６を第１のスロート９８により分離させて含む。同様に第２のベンチェリ区画１００は、第２の収束形部分１０２と第２の発散形部分１０４を第２のスロート１０６により分離させて含む。第１のベンチェリ区画９２と第２のベンチェリ区画９４は、この区画のうちの一方をウェイク生成構成要素４２と円周方向に整列させかつウェイク生成構成要素４２の軸方向下流側に来るようにして互いに円周方向にオフセットさせていることが企図される。第１のスロート９８と第２のスロート１０６は、第１の収束形部分９５の長さによって（少なくともその一部が）決定される距離１０８だけ互いから軸方向にオフセットさせている。一実施形態ではこのオフセット１０８は第１の収束形部分９５の長さの約０．３〜１．３倍の範囲にある。こうした配列によって空気４６の発散性を比較的緩慢にさせる「ジグザグの」フロープロフィールが可能となり、これによりフロー分離を低減または回避することができる。
【００２３】
空気流が頭端部ノズルまでのルートをとる際に空気流の均一性が高くなり、これによりフローを均一にしかつ空気を下流側燃料ノズルに等しく分割することによるガスタービンエンジン１０の全体効率の上昇並びにＮＯｘ排出量の減少が促進されるので有利である。ウェイク生成構成要素４２の近傍での熱伝達係数の上昇によって、これがその他のシステムで必要となるのと比べてより少ない圧力低下で達成されており、また燃焼器ライナー３２の冷却が改善される。
【００２４】
本発明について限られた数の実施形態だけと関連して詳細に記載してきたが、本発明は開示したこうした実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。本発明はむしろ、上には記載していないが本発明の精神及び趣旨を相応するような任意の数の変形形態、代替形態、置換形態または等価的配置を組み込むように修正することが可能である。さらに、本発明の様々な実施形態について記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態のうちの一部のみを含むことがあることを理解すべきである。したがって本発明は上の記載によって限定されると見なすべきではなく、添付の特許請求の範囲の趣旨によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮器
１４  燃焼器アセンブリ
１６  端部カバーアセンブリ
１８  燃焼器チェンバ
２０  ノズル
２１  ノズル
２２  ノズル
２４  タービン
２６  段
２７  段
２８  段
３２  燃焼器ライナー
３４  外側境界構成要素
３６  内表面
３８  外表面
４０  空気流経路
４２  少なくとも１つのウェイク生成構成要素
４４  ウェイク領域
５０  ウェイク調整構造
５２  ベンチェリ構造
５４  収束形部分
５６  発散形部分
５８  複数の入口穴
６０  複数の出口穴
７０  ウェイク調整構造
７２  ベンチェリ構造
７４  収束形部分
７６  発散形部分
７８  少なくとも１つのスロット
８０  マウス領域
８２  入口領域
９０  ウェイク調整構造
９２  第１のベンチェリ区画
９４  第２のベンチェリ区画
９５  第１の収束形部分
９６  第１の発散形部分
９８  第１のスロート
１００  第２のベンチェリ区画
１０２  第２の収束形部分
１０４  第２の発散形部分
１０６  第２のスロート
１０８  距離
【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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