(57)【要約】【課題】排気、特にＮＯｘを削減し、より高い点火温度を可能にする新規の燃焼システム設計を提供する。【解決手段】タービンに結合された燃焼器と、内部流路の中に位置決めされた２つの噴射段、すなわち第１段および第２段を含む下流噴射システムとを含むガスタービンエンジンであって、第１段が一次空気および燃料噴射システムの後方にある軸方向位置を有し、第２段が第１段の後方にある軸方向の位置を有するガスタービンエンジン。第１段および第２段は各々、複数の円周方向に離間した噴射器を含んでおり、この噴射器の各々は、空気と燃料を内部流路を通る流れに噴射するように構成される。第１段および第２段は、第２段において噴射される燃料を第１段において噴射される燃料の５０％未満までに制限する構成を有する。【選択図】図１９
2014181896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部流路を共に画定するタービンに結合された燃焼器であって、前記内部流路が、前記燃焼器の前方端部に位置決めされた一次空気および燃料噴射システムから、前記燃焼器が前記タービンに接続する境界面を通り、前記タービンにおける少なくとも１列のステータブレードを通って長手方向軸の周りに後方に延在する燃焼器と、
前記内部流路の中に位置決めされた２つの噴射段、すなわち第１段および第２段を含む下流噴射システムであって、前記第１および前記第２段が、前記第１段が前記一次空気および燃料噴射システムの後方にある軸方向位置に形成され、前記第２段が前記第１段の後方にある軸方向位置に形成されるように前記長手方向軸に沿って軸方向に各々離間される下流噴射システムとを含み、
前記第１段および第２段の各々が、複数の円周方向に離間した噴射器を含んでおり、前記噴射器の各々が、空気と燃料を前記内部流路を通る流れに噴射するように構成され、
前記第１段および第２段が、前記第２段において噴射される燃料を、前記第１段において噴射される燃料の５０％未満までに制限する構成を備えるガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記第１段が、前記燃焼器の中の前記内部流路の長手方向の中間地点の後方に位置決めされる、請求項１記載のガスタービン。
【請求項３】
前記第１段および前記第２段の各々における前記複数の噴射器の各々が、共通の噴射面上に位置決めされ、各々の共通の噴射面が、前記内部流路の長手方向軸にほぼ直交するように整列され、
前記第１段および前記第２段の各々が、３から１０の噴射器を備え、
前記第１段の前記噴射器が、前記第２段の前記噴射器に対して円周方向に互い違いに配置される、請求項１記載のガスタービン。
【請求項４】
前記第１段および前記第２段の前記噴射器が各々、前記内部流路を通る流れの主方向に対して直交する基準ラインに対して＋３０°から−３０°の方向で作動中に空気と燃料を噴射する構成を備え、
前記第１段が３から６の噴射器を備え、前記第２段が５から１０の噴射器を備える、請求項３記載のガスタービン。
【請求項５】
前記第１段および前記第２段の前記噴射器が、前記第１段から噴射された空気と燃料が、前記第２段から噴射された空気と燃料よりも多く前記内部流路を通る燃焼流れに侵入するように構成され、
前記第２段が、前記第１段より前記内部流路の周りに位置決めされた多くの噴射器を備える、請求項３記載のガスタービン。
【請求項６】
前記第１段の前記噴射器が、前記内部流路の中央領域において前記噴射された空気と燃料を燃焼流れと混合するように構成され、
前記第２段の前記噴射器が、前記内部流路の周辺領域において前記噴射された空気と燃料を燃焼流れと混合するように構成される、請求項５記載のガスタービン。
【請求項７】
前記第１段の前記噴射器の前記円周方向の配置が、この配置により、前記一次空気および燃料噴射システムからの予測される流れに基づいて、そこからの前記噴射された前記空気と燃料が、前記内部流路の所定領域に侵入することで、前記第１段の下流の燃焼流れにおける反応物の混合作用および温度の均一性を高めるものであり、
前記第２段の前記噴射器の前記円周方向の配置が、前記第１段の下流の予測される流れの特性を考えて、前記第１段の前記噴射器の円周方向の配置を補完するものである、請求項３記載のガスタービン。
【請求項８】
前記第１段および前記第２段が、前記第２段において噴射される燃料を前記第１段において噴射される燃料の１０％から５０％までに制限する構成を備える、請求項２記載のガスタービン。
【請求項９】
前記一次空気および燃料噴射システムならびに前記下流噴射システムの前記第１段および前記第２段が、全体の燃料供給の以下の割合が作動中に各々に、すなわち５０％から８０％が前記一次空気および燃料噴射システムに、２０％から４０％が前記第１段に、２％から１０％が前記第２段に送達されるように構成されており、
前記一次空気および燃料噴射システムならびに前記下流噴射システムの前記第１段および前記第２段が、全体の燃焼器の空気供給の以下の割合が作動中に各々に、すなわち６０％から８５％が前記一次空気および燃料噴射システムに、１５％から３５％が前記第１段に、１％から５％が前記第２段に送達されるように構成される、請求項２記載のガスタービン。
【請求項１０】
前記一次空気および燃料噴射システムならびに前記下流噴射システムの前記第１段および前記第２段が、全体の燃料供給の以下の割合が作動中に各々に、すなわち約７０％が前記一次空気および燃料噴射システムに、約２５％が前記第１段に、約５％が前記第２段に送達されるような構成であり、
前記一次空気および燃料噴射システムならびに前記下流噴射システムの前記第１段および前記第２段は、全体の空気供給の以下の割合が作動中に各々に、すなわち約８０％が前記一次空気および燃料噴射システムに、約１８％が前記第１段に、約２％が前記第２段に送達されるように構成される、請求項９記載のガスタービン。
【請求項１１】
前記第１段および前記第２段が、燃料供給を制御するための共通の弁を備え、前記第１段および前記第２段が、それらの段の間の所望の燃料の分割が相対的にオリフィスのサイズを変えることによって達成されるように構成され、
前記第１段および前記第２段が、各々に対する空気供給を制御するための共通の弁を備え、前記第１段および前記第２段が、それらの段の間の所望の空気分割が相対的にオリフィスのサイズを変えることによって達成されるように構成される、請求項９記載のガスタービン。
【請求項１２】
二重マニフォルドをさらに備え、これを介して燃料供給が前記第１段および前記第２段の各々に送達される、前記二重マニフォルドが前記第１段と前記第２段の間に位置決めされ、
前記第１段および前記第２段の各々が、互いに対する燃料供給を制御する独立した弁を備え、前記独立弁の各々が、制御装置に接続する、請求項９記載のガスタービン。
【請求項１３】
前記一次空気および燃料噴射システムのすぐ後方に、前記内部流路が、周辺ライナーによって画定される一次燃焼区域を含み、前記ライナーのすぐ後方に、前記内部流路が、周辺のトランジションピースによって画定されるトランジション区域を含み、前記トランジションピースが、前記一次燃焼区域を前記タービンの入口に流体結合し、その一方で前記トランジションピースの中を流れる流れを、前記ライナーのほぼ円筒形の断面領域から前記タービンの前記入口の環状の断面領域に移行させるように構成され、
前記トランジションピースが、前記燃焼器と前記タービンの前記入口の間に前記境界面を形成する後方フレームを備え、
前記下流噴射システムの前記第１段が、前記トランジション区域内に位置決めされ、前記下流噴射システムの前記第２段が、前記後方フレーム内またはその後方に位置決めされる、請求項９記載のガスタービン。
【請求項１４】
前記下流噴射システムが、前記内部流路内に位置決めされた第３段を備え、前記第３段が、空気と燃料を共に前記内部流路に噴射するように構成され、前記第２段および前記第３段が各々、前記長手方向軸に沿って互いから軸方向に離間され、前記第３段は、前記第２段の後方の軸方向位置に形成され、
前記第３段は、複数の円周方向の離間した噴射器を含み、その各々が、作動中に前記内部流路内で空気と燃料を共に燃焼流れに噴射するように構成される、請求項１３記載のガスタービン。
【請求項１５】
前記第２段が、前記燃焼器の前記後方フレームに位置決めされ、前記第３段が、前記タービン内の前記ステータブレードの列に位置決めされ、
前記第２段が、前記後方フレーム内に一体化され、前記第３段が、前記ステータブレードの列の中に一体化される、請求項１４記載のガスタービン。
【請求項１６】
前記第１段、前記第２段および前記第３段の各々における前記複数の噴射器の各々が、共通の噴射面上に位置決めされ、各々の共通の噴射面が、前記内部流路の前記長手方向軸にほぼ直交するように整列され、
前記第１段、前記第２段および前記第３段の各々が、３から１０の噴射器を備える、請求項１４記載のガスタービン。
【請求項１７】
前記第１段、前記第２段および前記第３段の前記噴射器が各々、内部流路を通る流れの主方向に対して直交する基準ラインに対して＋３０°から−３０°の方向で作動中に噴射器が空気と燃料を噴射する構成を備え、
前記第１段の噴射器が３から６の噴射器を備え、前記第２段および前記第３段が各々５から１０の噴射器を備える、請求項１４記載のガスタービン。
【請求項１８】
前記第１段の前記噴射器が、前記第２段の前記噴射器に対して円周方向に互い違いに配置され、前記第３段の前記噴射器が、前記第２段の前記噴射器に対して円周方向に互い違いに配置される、請求項１４記載のガスタービン。
【請求項１９】
前記第１段、前記第２段および前記第３段が、前記第２段において噴射される燃料を、前記第１において噴射される燃料の５０％未満までに制限し、前記第３段において噴射される燃料を前記第１段において噴射される前記燃料の５０％未満までに制限する構成を備え、
前記第１段、前記第２段および前記第３段が、前記第２段において噴射される燃料を、前記第１において噴射される燃料の１０％から５０％に制限し、前記第３段において噴射される燃料を前記第１段において噴射される前記燃料の１０％から５０％に制限する構成を備える、請求項１４記載のガスタービン。
【請求項２０】
前記一次空気および燃料噴射システムならびに前記下流噴射システムの前記第１段、前記第２段および前記第３段が、全体の燃料供給の以下の割合が作動中に各々に、すなわち５０％から８０％が前記一次空気および燃料噴射システムに、２０％から４０％が前記第１段に、２％から１０％が前記第２段に、２％から１０％が前記第３段に送達されるように構成され、
前記一次空気および燃料噴射システムならびに前記下流噴射システムの前記第１段、前記第２段および前記第３段が、全体の燃焼器の空気供給の以下の割合が作動中に各々に、すなわち約６０％から８５％が前記一次空気および燃料噴射システムに、１５％から３５％が前記第１段に、１％から５％が前記第２段に、０％から５％が前記第３段に送達されるように構成される、請求項１４記載のガスタービン。
【請求項２１】
前記一次空気および燃料噴射システムならびに前記下流噴射システムの前記第１段、前記第２段および前記第３段が、全体の燃料供給の以下の割合が作動中に各々に、すなわち約６５％が前記一次空気および燃料噴射システムに、約２５％が前記第１段に、約５％が前記第２段に、約５％が前記第３段に送達されるように構成され、
前記一次空気および燃料噴射システムならびに前記下流噴射システムの前記第１段、前記第２段および前記第３段が、全体の空気供給の以下の割合が作動中に各々に、すなわち約７８％が前記一次空気および燃料噴射システムに、約１８％が前記第１段に、約２％が前記第２段に、約２％が前記第３段に送達されるように構成される、請求項１４記載のガスタービン。
【請求項２２】
前記第１段、前記第２段および前記第３段が、燃料供給を制御するための共通の弁を備え、前記第１段、前記第２段および前記第３段が、それらの段の間の所望の燃料の分割が相対的にオリフィスのサイズを変えることによって達成されるように構成され、
前記第１段、前記第２段、および前記第３段が、各々に対する空気供給を制御するための共通の弁を備え、前記第１段、前記第２段および前記第３段が、それらの段の間の所望の空気の分割が相対的にオリフィスのサイズを変えることによって達成されるように構成される、請求項１４記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は一般に、燃焼エンジンまたはガスタービンエンジン（以後「ガスタービン」）における燃焼システムに関する。より具体的には、但し限定する目的ではなく、本出願は、ガスタービンの燃焼システムにおける空気と燃料の下流または後期噴射に関する新規の方法、システムおよび装置を記載している。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの効率は、新たな技術によってエンジンのサイズを拡大させ、より高い作動温度が可能になるため、過去数十年にわたって有意に改善されている。より高い作動温度を可能にする１つの技術的原則は、高温ガス路において構成要素を冷却することを目的とした新たな革新的な熱伝達技法の導入であった。加えて、新たな材料によって、燃焼器におけるより高温の性能が可能になった。
【０００３】
このような期間において、しかしながら、特定の汚染物質が、エンジンの作動中に排気され得るレベルを制限する新たな水準が定められた。具体的にはＮＯｘ、ＣＯおよびＵＨＣの排気レベル（これらは全てエンジンの作動温度に影響を受けやすい）がより厳密に規制された。その中でも、ＮＯｘの排気レベルは特に、より高いエンジン点火温度において排気レベルが上昇することに影響を受けやすく、よってどのくらい温度が上昇させることが可能であるかについての重要な制限となった。作動温度がより高くなることは、エンジンがより効率的になることと符合するため、これは、エンジン効率における進歩を妨げることになる。手短に言うと、燃焼器の作動は、ガスタービンの作動効率に対してかなりの制限を加えることとなった。
【０００４】
結果として、進歩した燃焼器の設計技法の主たる目的の１つは、このようなより高い作動温度において駆動される燃焼器の排気レベルを低下させる構成を開発することであり、その結果、エンジンをより高温で点火させることができ、これにより、より高い圧力比サイクルおよびより高いエンジン効率を有することが可能になる。したがって、理解されるように、排気、特にＮＯｘを削減し、より高い点火温度を可能にする新規の燃焼システム設計は、大きな商業的な要望である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８１１２２１６号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本出願は、内部流路を共に画定するタービンに結合された燃焼器であって、該内部流路が、燃焼器の前方端部に位置決めされた一次空気および燃料噴射システムから、燃焼器がタービンに接続する境界面を通り、タービンにおける少なくとも１列のステータブレードを通って長手方向軸の周りに後方に延在する燃焼器と、内部流路の中に位置決めされた２つの噴射段、すなわち第１段および第２段を含む下流噴射システムであって、第１および第２段が各々、第１段が一次空気および燃料噴射システムの後方にある軸方向位置に形成され、第２段が第１段の後方にある軸方向の位置に形成されるように長手方向軸に沿って軸方向に離間される下流噴射システムとを含むガスタービンエンジンを記載する。第１段および第２段は各々、複数の円周方向に離間した噴射器を含んでおり、この噴射器の各々は、空気と燃料を内部流路を通る流れに噴射するように構成される。第１段および第２段は、第２段において噴射される燃料を第１段において噴射される燃料の５０％未満までに制限する構成を有する。
【０００７】
本出願のこれらのおよび他の特徴は、好ましい実施形態の以下の詳細な記載を、図面および添付の特許請求の範囲と併せて見直すことで明らかになるであろう。
【０００８】
本発明のこれらのおよび他の特徴は、本発明の例示の実施形態の以下のより詳細な記載を添付の図面と併せて注意深く分析することによって、より完璧に理解され認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本出願の特定の実施形態が使用され得る一例のガスタービンの概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態が使用され得る従来の燃焼器の概略断面図である。
【図３】従来の設計による単一段の下流燃料噴射器を含む従来の燃焼器の概略断面図である。
【図４】本発明の一例の実施形態の態様による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図５】本発明の代替の一実施形態による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図６】本発明の代替の一実施形態による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図７】本発明の代替の一実施形態による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図８】本発明の代替の一実施形態による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図９】本発明の代替の一実施形態による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図１０】本発明の代替の一実施形態による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図１１】本発明の代替の一実施形態による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図１２】本発明の代替の一実施形態による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図１３】本発明の代替の一実施形態による燃焼器およびタービンの上流段の概略断面図である。
【図１４】本発明の特定の態様による後方フレームの斜視図である。
【図１５】本発明の特定の態様による後方フレームの断面図である。
【図１６】本発明の特定の態様による後方フレームの断面図である。
【図１７】本発明の特定の態様による後方フレームの断面図である。
【図１８】本発明の特定の態様による後方フレームの断面図である。
【図１９】本発明の特定の態様による後方フレームの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の以下の例は、特定のタイプのタービンエンジンに関して記載される場合があるが、当業者は、本発明が、特にそこから限定されるのでなければ、このような利用法に限定されるものではなく、他のタイプのタービンエンジンにも適用可能であることを理解するであろう。さらに、本発明を記載する際、特定の専門用語を使用して、ガスタービンエンジンにおける特定の機械の構成要素を指す場合がある。可能であればいつでも、一般的な産業の専門用語は、その許容される意味と一致するような方法で使用され採用される。しかしながら、当業者は、特定の機械の構成要素を異なる専門用語を使用して指す場合もあることを理解すると思われるため、このような専門用語は狭義に解釈すべきではない。加えて、単独の構成要素として本明細書に記載され得るものは、別の文脈において複数の構成要素で構成されるものを指す場合もあり、あるいは複数の構成要素を含むものとして本明細書に記載され得るものは、それ以外の場所では単独のものを指す場合もある。したがって、本発明の範囲を理解する際、特定の専門用語のみに注意を払うべきではなく、特に添付の特許請求の範囲において提供される場合、添付の図面、文脈ならびにその構成要素の構造、構成、機能および／または利用法にも注意を払うべきである。
【００１１】
複数の記述的な用語が本明細書に規則的に使用される場合があり、それはこの段落の始まりにおいてこれらの用語を定義するのに役立つ場合がある。したがってこのような用語およびその定義は、そうでないことが述べられていなければ、以下の通りである。本明細書で使用される際、「下流」および「上流」は、例えばガスタービンの圧縮機、燃焼器、およびタービンセクションを通る作用流体、あるいはエンジンの構成要素システムの１つを通る流れ冷却剤などの流体の流れに対する方向を示す用語である。用語「下流」は、流体流れの方向に対応し、その一方で、用語「上流」は、流体流れの方向と反対または対向する方向を指す。用語「前方」および「後方」は、何らかの別の特定がなければ、ガスタービンの配向に対する方向を指しており、「前方」は、エンジンの前方または圧縮機の端部を指しており、「後方」は、エンジンの後方またはタービンの端部を指しており、その配列は、図１に示されている。
【００１２】
付加的に、ガスタービンエンジンの中心軸の周りの構造、ならびに一部の構成要素システムにおけるこのような同じタイプの構造を考えて、特定の軸に対する位置を記述する用語も同様に使用される。この点において、用語「半径方向」は、特定の軸に直交する動作または位置を指すことが理解されよう。これに関連して、それは、中心軸からの相対的な距離を記載する必要がある場合もある。このような場合、例えば第１の構成要素が、第２の構成要素より中心軸により近づいて存在する場合、それは、第１の構成要素が、第２の構成要素の「半径方向内側」または「機内」にあることを本明細書では述べている。一方、第１の構成要素が、第２の構成要素より軸からより離れて存在する場合、それは、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側」または「機外」にあることを本明細書では述べている。加えて、用語「軸方向」は、特定の軸に平行な動作または位置を指すことが理解されよう。最後に用語「円周方向」は、特定の軸の周りの動作または位置を指す。言及したように、このような用語が、典型的にエンジンの圧縮機およびタービンセクションを通って延在する共通の中心軸またはシャフトに関して適用される場合、それらはまた、他の構成要素またはサブシステムに関して適用される場合もある。例えば、円筒形の「缶形」燃焼器の場合（これは多くの機械に共通である）、このような用語に相対的な意味を与える軸は、そのために名付けられる円筒形の「缶」形状の中心、あるいはより環状で下流のトランジションピースの形状の中心を通るように画定される長手方向の基準軸であってよい。
【００１３】
ここで図１を背景技術の目的で参照すると、本出願の実施形態が使用される可能性がある一例のガスタービン１０が設けられている。一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮空気のストリーム内での燃料の燃焼によって生成される加圧された高温ガスの流れからエネルギーを抽出することによって作動する。図１に示されるように、燃焼タービンエンジン１０は、軸方向の圧縮機１１を含み、これは共通のシャフトを介して下流のタービンセクションまたはタービン１３に機械的に結合され、燃焼器１２がその間に位置決めされる。示されるように、圧縮機１１は、複数の段を含んでおり、その各々が、一列の圧縮機ロータブレードを含み、その後に一列の圧縮機ステータブレードが続いている。タービン１３もまた複数の段を含む。タービン段の各々は、一列のタービン動翼またはロータブレードを含んでおり、その後に、一列のタービンノズルステータブレードが続いており、これは、作動中、静止した状態のままである。タービンステータブレードは一般に、互いから円周方向に離間され、回転軸の周りに固定される。ロータブレードは、シャフトに接続するロータホイール上に設置されてよい。
【００１４】
作動中、圧縮機１１における圧縮機ロータブレードの回転が、燃焼器１２に進入するように誘導される空気の流れを圧縮する。燃焼器１２において、圧縮空気が燃料と混合され点火されて、作用流体の活性化された流れを生成し、これはその後、タービン１３内で膨張されてよい。具体的には、燃焼器１２からの作用流体が、タービンロータブレードを横切るように誘導されることで回転が誘発され、ロータホイールがその後、これをシャフトに伝える。このようにして、作用流体の流れのエネルギーが、回転シャフトの機械的なエネルギーに変換される。シャフトの機械的エネルギーはその後、圧縮機ロータブレードの回転を駆動するのに使用され、圧縮空気の必要な供給を生成し、例えば発電機を駆動することで電気を生成することができる。
【００１５】
図２は、本出願の実施形態が使用される可能性がある従来の燃焼器の断面図である。しかしながら燃焼器２０は、種々の形態を採る場合があり、その各々が、本発明の種々の実施形態を含むのに適している。典型的には燃焼器２０は、ヘッドエンド２２に位置決めされた複数の燃料ノズル２１を含む。燃料ノズル２１に関する種々の従来の構成は、本発明と共に使用されてよいことを理解されよう。ヘッドエンド２２の中で、空気と燃料が一緒にされ燃焼区域２３の中で燃焼され、この燃焼区域は、周辺ライナー２４によって画定されている。ライナー２４は典型的には、ヘッドエンド２２からトランジションピース２５まで延在している。ライナー２４は示されるように、流れスリーブ２６によって囲まれており、同様にトランジションピース２５はインピンジメントスリーブ２８によって囲まれている。流れスリーブ２６、ライナー２４、トランジションピース２５およびインピンジメントスリーブ２８の間に、環状部分が（本明細書では以後「流れ環状部２７」と呼ばれる）形成されることが理解されよう。流れ環状部２７は、示されるように、燃焼器２０の長さの大半に延在している。ライナー２４からのトランジションピース２５は、それがタービン１３に向かって下流に延在するため、流れをライナー２４の円形の断面から環状の断面に変形させる。下流端部において、トランジションピース２５は、作用流体の流れをタービン１３の最初の段に向かって誘導する。
【００１６】
流れスリーブ２６およびインピンジメントスリーブ２８は典型的には、そこを通る圧縮機１２からの衝突した圧縮空気の流れが、流れスリーブ２６／ライナー２４および／またはインピンジメントスリーブ２８／トランジションピース２５の間に形成された流れ環状部２７に進入することが可能になるように形成されたインピンジメントアパーチャ（図示せず）を有することが理解されよう。インピンジメントアパーチャを通る圧縮空気の流れは、ライナー２４およびトランジションピース２５の外側面を対流冷却する。流れスリーブ２６およびインピンジメントスリーブ２８を通って燃焼器２０に進入する圧縮空気は、流れ環状部２７を介して燃焼器２０の前方端部に向かって誘導される。圧縮空気はその後、燃料ノズル２１に進入し、そこで燃焼させるために燃料と混合される。
【００１７】
タービン１３は典型的には複数の段を有し、その各々が、図１および図４に示されるように、２つの軸方向に重なったブレードの列、すなわちステータブレードの列１６と、その後に続くロータブレードの列１７を含む。ブレードの列の各々は、タービン１３の中心軸の周りに円周方向に離間した多くのブレードを含む。下流端部において、トランジションピース２５は、燃焼生成物の流れをタービン１３へと誘導する出口と、後方フレーム２９を含んでおり、この場合、それはロータブレードと相互作用することで、シャフトを中心とする回転を誘発する。このようにして、トランジションピース２５は、燃焼器２０とタービン１３を結合するように働く。
【００１８】
図３は、補助的なまたは下流燃料／空気噴射を含む燃焼器１２の図を示している。このような補助的な燃料／空気の噴射は、後期のリーン噴射または軸方向に段階的な噴射を指す場合が多いことが理解されよう。本明細書で使用されるように、このようなタイプの噴射は、「下流噴射」と呼ばれ、その理由はヘッドエンド２２に位置決めされた一次燃料ノズル２１に対してこの燃料／空気の噴射が下流であるためである。図３の下流噴射システム３０は、従来の設計と一致しており、単なる例示の目的で提供されていることが理解されよう。示されるように下流噴射システム３０は、流れスリーブ２６の中に画定された燃料経路３１を含む場合があるが、他のタイプの燃料送達も可能である。燃料経路３１は、噴射器３２まで延在することができ、この例では、それは、ライナー２４および流れスリーブ２６の後方端部に、あるいはその付近に位置決めされる。噴射器３２は、ノズル３３と、流れ環状部２７を横切るように延在する移送管３４とを含むことができる。このような配置を考えると、各々の噴射器３２は協働して、流れスリーブ２６の外部から得られた圧縮空気の供給、ならびにノズル３３を介して送達された燃料の供給を行い、この混合気をライナー２４の中で燃焼区域２３へと噴射することが理解されよう。示されるように、複数の燃料噴射器３２が、流れスリーブ２６および／またはライナー２４の周りに円周方向に位置決めされてよく、その結果、燃料／空気の混合気が、燃焼区域２３を囲む複数の地点に導入される。複数の燃料噴射器３２は、同一の軸方向の位置に位置決めされてよい。すなわち複数の噴射器は、燃焼器１２の中心軸３７に沿って同じ位置に位置決めされる。本明細書で使用されるように、このような構成を有する燃料噴射器３２は、共通の噴射面３８上に位置決めされるように記載されてよく、この面は、示されるように燃焼器１２の中心軸３７に直交する面である。図３の例示の従来の設計では、噴射面３６は、ライナー２４の後方または下流端部に位置決めされる。
【００１９】
図４から図１９および本出願の発明に注目すると、ガスタービン排気のレベルは、多くの作動基準に左右されることが理解されよう。燃焼区域における反応物の温度は、このような要因の１つであり、他のもの以上に特定の排気、例えばＮＯｘに影響を及ぼすことが示されてきた。燃焼区域における反応物の温度は、燃焼器の出口温度に比例するように関係しており、これはより高い圧力比に対応しており、さらによりこのより高い圧力比によって、このようなブレイトンサイクルタイプのエンジンにおいて効率レベルを改善することが可能になることが理解されよう。ＮＯｘの排気レベルは、反応物の温度に対して強度のかつ直接的な関係を有することがわかってきたため、現代のガスタービンは、燃料ノズルの設計および事前混合作用を進歩させるなどの技術的な進歩によって点火温度を上昇させつつ、単に許容可能なＮＯｘ排気レベルを維持することのみが可能であった。このような進歩に続いて、燃焼区域におけるより高温での反応物の滞留時間が短いことにより、ＮＯｘレベルを低下させることがわかったため、後期または下流噴射を利用することで点火温度をさらに上昇させることが可能になった。具体的には、少なくともある程度までの滞留時間の制御作用を利用することで、ＮＯｘ排気レベルを制御することができることが示されてきた。
【００２０】
このような下流噴射は、「後期リーン噴射」とも呼ばれ、燃焼器のヘッドエンドまたは前方端部において一次噴射地点に送達された空気と燃料の主要な供給の下流の空気と燃料の供給の一部を採り入れる。このように噴射器を下流に位置決めすることによって、燃焼の反応物が、燃焼器内のより高温の火炎区域に留まる時間を短縮させることが理解されよう。具体的には、燃焼器を通るほぼ一定の速度の流体の流れによって、反応物が、火炎区域を出る前に移動する下流噴射を介する距離を短縮することで、このような反応物が、火炎区域のより高温のところにある時間を短縮させることになり、これにより、上記に述べたように、エンジンに関するＮＯｘの形成およびＮＯｘ排気レベルを低下させることになる。これにより、進歩した燃料／空気混合作用または事前混合技法を下流噴射の反応物の滞留時間の短縮と結び付けることで、燃焼器の点火温度のさらなる上昇を達成し、重要なことには、より効率的なエンジンを実現し、その一方で許容可能なＮＯｘ排気レベルを維持する進歩した燃焼器の設計が可能になった。
【００２１】
しかしながら他の考慮すべき問題が、下流噴射を行うことができる方法およびその程度を制限する。例えば下流噴射は、ＣＯおよびＵＨＣの排気レベルを上昇させる可能性がある。すなわち、余りに多くの量の燃料が燃焼区域内の余りに遠くの下流の位置で噴射された場合、これにより燃料燃焼が不完全になるまたはＣＯの燃え切りが不十分になる可能性がある。したがって、後期噴射の概念に基づく基本的な原理、およびどのようにそれを利用して特定の排気に影響を及ぼすことができるかは、一般的に知られている可能性があるが、いかにしてこのような戦略を最適化することでより高い燃焼器の点火温度を可能にすることができるかについての設計の障害への挑戦も依然として残されている。したがって、有効かつコスト効果の高い方法でさらに滞留時間を最適化することが可能な新たな燃焼器の設計および技術は、さらなる技術的な進歩のための重要な分野であり、以下に考察するように、これは本出願の主題である。
【００２２】
本発明の一態様は、下流噴射に対して一体化された２段の噴射手法を提案している。各々の段は、以下で考察するように、燃焼器１２の離れた後方部分および／またはタービン１３の上流領域において他方に対して別個の軸方向の場所を有するように、そのように軸方向に離間されてよい。次に図４を参照すると、ガスタービンエンジン１０の断面部分が図示されており、本発明の態様に従って、２段の後期噴射の各々の配置に関するおおよその範囲（斜線部分）を示している。より具体的には、本発明による下流噴射システム３０は、トランジション区域３９において噴射の２つの一体式の軸方向の段を含むことができ、このトランジション区域は、燃焼器１２のトランジションピース２５の中に画定された内部流路の一部、またはタービン１３の最初の段において下流に画定された内部流路の一部である。本発明の２つの軸方向の段は、上流の、すなわち「第１段４１」と、下流の、すなわち「第２の段４２」と呼ばれるものを含む。特定の実施形態によると、このような軸方向の段は各々、複数の噴射器３２を含む。各々の段における噴射器３２は、トランジション区域３９またはタービン１３の前方部分のいずれかにおけるほぼ同一の軸方向の位置に円周方向に離間されてよい。このように構成された噴射器３２（すなわち、共通の軸方向の面上に円周方向に離間された噴射器３２）は、図５から図７に関連してより詳細に考察されるように、共通の噴射面３８を有するものとして本明細書に記載される。好ましい実施形態に準拠して、第１および第２段４１、４２の各々における噴射器は、各々の場所において空気と燃料の両方を噴射するように構成されてよい。
【００２３】
図４は、第１段４１および第２段４２を好ましい実施形態によって配置することができる軸方向の範囲を示している。好ましい軸方向の位置決めを規定するために、図５から図７の断面図または輪郭図を考えてみると、燃焼器１２およびタービン１３は、燃焼器１２のヘッドエンド２２付近の上流端部からタービン１３セクション内の下流端部までを通して、長手方向の中心軸３７の周りに延在する内部流路を画定するように記載することができることが理解されよう。したがって、第１および第２段４１、４２各々の位置決めは、内部流路の長手方向軸３７に沿った各々の場所に対して規定されてよい。また図４に指摘されるように、長手方向の中心軸３７に直交するように形成される特定の基準面を画定することができ、この面は、タービンのこの領域における軸方向の位置にさらなる規定を与える。これらの面の中で最初のものは、燃焼器の中央面４８であり、これは、燃焼器１２のおおよその軸方向の中間点に位置決めされる中心軸３７に対して直交する面であり、すなわちヘッドエンド２２の燃料ノズル２１と、燃焼器１２の下流端部の間の約半分のところにある。燃焼器の中央面４８は典型的には、ライナー２４／流れスリーブ２６組立体が、トランジションピース２５／インピンジメントスリーブ２８組立体までの進路を与える場所の近くに出現することが理解されよう。第２の基準面は、示されるように、燃焼器１２の後方端部に画定され、燃焼器の端部面４９と本明細書では呼ばれる。燃焼器の端部面４９は、後方フレーム２９の離れた下流端部をはっきりと表す。
【００２４】
好ましい実施形態によると、図４に示されるように、本発明の下流噴射システム３０は、噴射の２つの軸方向の段、すなわち第１段４１と、第２段４２とを含み、これらは燃焼器の中央面の後方に位置決めされる。より具体的には、第１段４１は、トランジション区域３９の後方半分に位置決めされてよく、第２段４２は、第１段４１とタービン１３内のステータブレードの第１の列１６の間に位置決めされてよい。より好ましくは、第１段４１は、燃焼器１２の後方部分におけるかなり後期に位置決めされてよく、第２段４２は、燃焼器１２の端部面４９の付近またはその下流に位置決めされてよい。特定のケースでは、第１および第２段４１、４２は、互いの近くに位置決めされる場合もあり、その結果共通の空気／燃料導管を利用することができる場合もある。
【００２５】
次に図５から図１０に注目すると、２段システムに関する本発明のさらなる態様を示すいくつかの好ましい実施形態が提供されている。このような図面の各々は、一例の燃焼器１２およびタービン１３を通る内部流路の断面図を含む。当業者が理解するように、ヘッドエンド２２および燃料ノズル２１は、一次空気および燃料噴射システムと本明細書で呼ばれる場合もあり、本発明の作動は、任意の特有のものに左右されないため、いくつかの構成のいずれかを含む場合がある。特定の実施形態によると、ヘッドエンド２２および燃料ノズル２１は、米国特許第８，０１９，５２３号に記載され定義されるように、後期リーンまたは下流噴射システムに適合するように構成されてよく、この米国特許のその全体が参照により本明細書に組み込まれる。ヘッドエンド２２の下流で、ライナー２４は、燃焼区域２３を画定することができ、この区域において、ヘッドエンド２２に送達される空気と燃料の一次供給の多くが燃焼される。トランジションピース２５はこのとき、ライナー２４から下流に延在し、トランジション区域３９を画定し、トランジションピース２５の下流端部において、後方フレーム２９が、タービン１３内のステータブレードの最初の列１６に向かって燃焼生成物を誘導することができる。
【００２６】
噴射のこれらの第１および第２段４１、４２の各々は、複数の円周方向に離間した噴射器３２を含むことができる。各々軸方向の段における噴射器３２は、共通の噴射面３８上に位置決めされてよく、この面は、内部流路の長手方向の軸３８に対して直交する基準面である。噴射器３２は、明確にする目的で図５から図７に簡素化された形態で表されており、燃焼器１２の下流または後方端部への、あるいはタービン１３における第１の段への空気と燃料の噴射に関する任意の従来の設計を含むことができる。段４１、４２のいずれかの噴射器３２は、図３の噴射器３２、ならびに米国特許第８，０１９，５２３号および米国特許第７，６０３，８６３号に記載され言及されるもののいずれか（これらの米国特許は共に参照により本明細書に組み込まれる）、図１４から図１９に関連して以下に記載されるもののいずれか、ならびに他の従来の燃焼器の燃料／空気噴射器を含むことができる。組み込まれる参考文献に提供されるように、本発明の燃料／空気噴射器３２はまた、任意の従来の手段および装置、例えば７，６０３，８６３号に記載されるものなどによってステータブレードの列１６の中に一体化されたものも含むことができる。トランジション区域３９内の噴射器３２に関して、各々が、トランジションピース２５および／またはインピンジメントスリーブ２８によって構造的に支持されてよく、一部のケースでは、トランジション区域３９の中に延在する場合もある。噴射器３２は、トランジション区域３９を通る主流の方向を概ね横切る方向でトランジション区域３９へと空気と燃料を噴射するように構成されてよい。特定の実施形態によると、下流噴射システム３０の各々の軸方向の段は、規則的な間隔で、あるいは他のケースでは不規則な間隔で円周方向に離間した複数の噴射器３２を含む場合がある。一例として、好ましい一実施形態によると、３から１０個の噴射器３２が軸方向の段の各々に利用される場合がある。他の好ましい実施形態では、第１段は、３から６個の噴射器を含む場合があり、第２段（およびもしあれば、第３段）は各々、５から１０個の噴射器を含む場合がある。それぞれの円周方向の配置に関して、２つの軸方向の段４１、４２の間の噴射器３２は、互いに対して一列で、または互い違いに配置されてよく、以下で考察するように、他方を補うように配置されてよい。好ましい実施形態において、第１段４１の噴射器３２は、第２段４２の噴射器３２以上に主要な流れに侵入するように構成されてよい。好ましい実施形態では、これにより第２段４２が、第１段４１と比べて、流路の円周の周りに位置決めされるより多くの噴射器３２を有することになる可能性がある。第１段、第２段、およびもしあれば第３段の噴射器の各々は、作動中、内部流路を通る流れの主流に対して直交する基準ラインに対して＋３０°から−３０°の方向で噴射器が空気と燃料を噴射するように構成されてよい。
【００２７】
下流噴射システム３０の第１段４１および第２段４２の軸方向の位置決めに関して、図５および図６の好ましい実施形態では、第１段４１は、燃焼器の中央面４８のすぐ上流または下流に位置決めされてよく、第２段４２は、燃焼器１２の端部面４９の付近に位置決めされてよい。特定の実施形態において、第１段４１の噴射面３８は、燃焼器の中央面４８と端部面４９の間のおおよそ半分のところで、トランジション区域３９内に配設されてよい。第２段４２は、図５に示されるように、燃焼器１２の下流端部または端部面４９のすぐ上流に位置決めされてよい。言い換えれば、第２段４２の噴射面３８は、後方フレーム２９の上流端部のすぐ上流に出現する場合もある。第１および第２段４１、４２の下流の位置によって、そこから噴射された反応物の燃焼器の中での滞留が短縮されることが理解されよう。すなわち、燃焼器１２を通る流れの相対的な一定の速度を考えると、滞留時間の短縮は、反応物が、燃焼器または火炎区域の下流終端部に到達する前に移動しなければならない距離に直接関係する。したがって以下により詳細に考察されるように、第１段４１に関する距離５１は（図６に示されるように）、噴射された反応物に関する滞留時間となり、これは、ヘッドエンド２２において放出された反応物に関するもののほんの一部である。同様に第２段４２に関する距離５２は、噴射された反応物に関する滞留時間となり、これは、第１段４１において放出された反応物に関するもののほんの一部である。上述したように、このように滞留時間を短縮することによって、ＮＯｘの排気レベルを低下させる。以下でより詳細に考察するように、特定の実施形態において、噴射段の一次燃料および空気噴射システムおよび互いに対する正確な配置は、軸方向の位置および燃焼器を通る計算された流量を考えて予測された滞留時間に左右される可能性がある。
【００２８】
別の例示の実施形態において、図７に示されるように、第１段４１の噴射面３８は、トランジションピース２５の後方４分の１に位置決めされてよく、これは図示されるように、図５の第１段４１よりも燃焼器１２内でわずかにさらに下流である。この場合、第２段４２の噴射面３８は、後方フレーム２９に、または燃焼器１２の端部面４９の極めて近くに位置決めされてよい。このようなケースでは、好ましい一実施形態によると、第２段４２の噴射器３２は、後方フレーム２９の構造内に一体化されてよい。
【００２９】
別の例示の実施形態では、図８に示されるように、第１段４１の噴射面３８は、後方フレーム２９または燃焼器１２の端部面４９のちょうどわずかに上流に位置決めされてよい。第２段４２は、タービン１３におけるステータブレードの最初の列１６の軸方向の位置に、またはその近くに位置決めされてよい。好ましい実施形態において、第２段４２の噴射器３２は、上記に述べたようにこのステータブレードの列１６に一体化される場合もある。
【００３０】
本発明はまた、ヘッドエンド２２の一次空気燃料噴射システムと、下流噴射システムの第１段４１と、第２段４２の間に空気と燃料を分配するための制御構成を含む。互いに対して、好ましい実施形態によると、第１段４１は、第２段４２より多くの燃料を噴射するように構成されてよい。特定の実施形態において、第２段４２において噴射される燃料は、第１段において噴射される燃料の５０％未満である。他の実施形態では、第２段４２において噴射される燃料は、第１段４１において噴射される燃料のおよそ１０％から５０％の間である。第１および第２段４１、４２の各々は、噴射される燃料を考えて、分析およびテストによって決定され得るおおよそ最小限の量の空気を噴射するように構成されることで、燃焼器出口温度に対するＮＯｘをおおよそ最小限にすることができ、その一方で、適切なＣＯの燃え切りを可能にすることも可能である。他の好ましい実施形態は、ヘッドエンド２２の一次空気および燃料噴射システムと、下流噴射システムの第１段４１および第２段４２の間のより特有の空気と燃料の分配レベルを含む。例えばある好ましい実施形態では、燃料の分配は、一次空気および燃料噴射システムへの５０％から８０％の燃料と、第１段４１への２０％から４０％と、第２段への２％から１０％を含む。このようなケースでは、空気の分配は、一次空気および燃料噴射システムへの６０％から８５％の空気と、第１段４１への１５％から３５％と、第２段４２への１％から５％を含むことができる。別の好ましい実施形態において、このような空気と燃料の分割は、さらにより精密に定義される場合がある。この場合、一次空気および燃料噴射システムと、第１段４１と、第２段４２の間での空気と燃料の分割は、以下の通りそれぞれ、燃料に関して７０／２５／５％、および空気に関して８０／１８／２％である。
【００３１】
２つの噴射段の種々の噴射器が、複数の方法で制御され構成されることで、所望の作動および好ましい空気と燃料の分割が実現される。特定のこれらの方法は、米国特許出願第２０１０／０１７０２１９号の態様を含んでおり、この特許出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれることが理解されよう。図９に概略的に表されるように、段４１、４２の各々への空気と燃料の供給は、共通の制御弁５５を介して制御されてよい。すなわち特定の実施形態において、空気と燃料の供給は、共通の弁５５による単独のシステムとして構成されてよく、２つの段における所望の空気と燃料の分割は、２つの段の別個の供給経路または噴射器３２におけるオリフィスのサイズを変えることによって受動的に決定されてよい。図１０に示されるように、各々の段４１、４２に関する空気と燃料の供給は、各々段４１、４２に対する供給量を制御する別々の弁５５によって独立して制御される場合もある。本明細書で言及される任意の制御可能弁は、制御装置に電気的に接続され、従来のシステムに準拠した制御装置を介して操作されるその設定を有することができることが理解されよう。
【００３２】
第１段４１における噴射器３２の数および各々の噴射器の円周方向の位置は、噴射される空気と燃料が、主要な燃焼器の流れの中に侵入することで混合作用および燃焼を改善させるように選択されてよい。噴射器３２は、主要な流れの中への侵入が十分であり、その結果、噴射の下流位置を考えて短い滞留時間の中で空気と燃料が混ざり合い、適切に反応するように調節されてよい。第２段４２に関する噴射器３２の数は、第１段４１の噴射から生じる流れと温度のプロファイルを補完するように選択されてよい。さらに、第２段は、第１段の噴射に必要とされるものより、作用流体の流れの中に侵入する噴射が少なくなるように構成されてよい。結果として、第１段と比べてより多くの噴射地点が、第２段の流路の周辺の周りに配置される可能性がある。加えて、第１段の噴射器３２の数およびタイプと、各々のところで噴射される空気と燃料の量は、温度が低いおよび／またはＣＯ濃度が高い場所に燃焼可能な反応物を配置することで、燃焼およびＣＯの燃え切りを改善させるように選択されてよい。好ましくは、第１段４１の軸方向の位置は、できるだけ離れた後方側であり、第１段４１を出るＣＯ／ＵＨＣの反応を促進させる第２段４２の能力と一致するべきである。第２段４２の滞留時間は極めて短いため、上記に挙げたように、相対的にわずかな燃料の一部がそこに噴射されることになる。第２段４２の空気の量もまた、計算およびテストデータに基づいて最小限にすることができる。
【００３３】
特定の好ましい実施形態において、第１段４１および第２段４２は、第１段４１から噴射される空気と燃料が、第２段４２から噴射される空気と燃料よりも内部流路を通る燃焼流れに侵入するように構成されてよい。このような場合、既に言及したように、第２段４２は、より多くの噴射器３２を利用することができ（第１段４１に対して）、これらは、より強制力の低い噴射ストリームを生成するように構成されている。このような戦略によって、第１段４１の噴射器３２は主に、噴射した空気と燃料を内部流路の中央領域において燃焼流れと混合するように構成されてよく、その一方で第２段４２の噴射器３２は主に、内部流路の周辺領域において噴射された空気と燃料を燃焼流れと混合させるように構成されることが理解されよう。
【００３４】
本発明の態様に準拠して、２段の下流噴射は、内部経路を通しての機能、反応物の混合および燃焼特性を改善させることを目的としてそのように一体化されてよく、その一方で、作動中、燃焼器１２に送達される圧縮空気の供給の利用に関する効率を改善することができる。すなわち、下流噴射に関連する性能の利点を達成するのに必要な噴射空気がより少なくなる可能性があり、これにより燃焼器１２の後方部分に供給される空気の量を増加させ、この空気が提供する冷却効果を増大させることができる。これと一致して、好ましい実施形態では、第１段４１の噴射器３２の円周方向の配置は、特定の構成を含んでおり、この構成により、一次空気および燃料噴射システムからの予測される燃焼流れに基づいて、噴射される空気と燃料が、内部流路の所定領域に侵入することで、第１段４１の下流の燃焼流れにおける反応物の混合作用および温度の均一性を高めることができる。加えて、第２段４２の噴射器３２の円周方向の配置は、第１段４１の下流の予測される燃焼流れの特性を考えて、第１段４１の噴射器３２の円周方向の配置を補完するものであってよい。燃焼器全体にわたる燃焼を改善させるには複数の異なる燃焼流れの特性が重要であり、これは排気レベルに利益を与えることができることが理解されよう。これらは例えば、燃焼流れにおける反応物の分布、温度プロファイル、ＣＯ分布およびＵＨＣ分布を含める。このような特性は、特定の軸方向の位置または内部流路内の特定の範囲での燃焼流れのどちらの流れの性質であっても、その横断面分布として定義されてよく、特定のコンピュータ作動モデルを利用して、このような特性を予測することができる、あるいはそれらは実際のエンジンの作動の実験またはテスト、あるいはこれらの組み合わせによって決定され得ることが理解されよう。典型的には、燃焼流れが完全に混合され、均一であるとき、性能が改善され、本発明の一体式の２段手法を利用してこれを達成することができる。したがって第１段４１および第２段４２の噴射器３２の円周方向の配置は、第１段４１および第２段４２の噴射器３２の円周方向の配置から予期される空気と燃料の噴射の効果を考えて、ａ）作動中の第１段４１のすぐ上流の予期される燃焼流れの特性と、ｂ）第２段４２のすぐ上流の予期される燃焼流れの特性に基づく可能性がある。上記に述べたように、ここでの特性は、反応物の分布、温度プロファイル、ＣＯ分布およびＵＨＣ分布、またはこれらのいずれかをモデル化するのに利用され得る他の関連する特性であってよい。本発明の別の態様に従って別々に引用すると、第１段４１の噴射器３２の円周方向の配置は、作動中の第１段４１のすぐ上流の予期される燃焼流れの特性に基づく場合があり、これは一次空気および燃料噴射システム３０構成に基づいている可能性がある。第２段４２の噴射器３２の円周方向の配置は、第２段４２のすぐ上流の予期される燃焼流れの特性に基づく場合があり、これは第１段４１の噴射器３２の円周方向の配置に基づく可能性がある。
【００３５】
本発明の一体式の２段下流噴射システム３０にはいくつかの利点があることが理解されよう。先ず、この一体式のシステムによって、第１の段と第２の段を物理的に結合することによって滞留を短縮させ、これにより第１段４１をさらに下流に移動させることが可能になる。２番目に、一体式のシステムによって、第１段においてより多くの、かつより小さな噴射地点を利用することが可能になり、これは、結果として生じる第１段の下流の流れの望ましくない属性に対処するように第２段を適応させることができるためである。３番目に、第２段を含むことによって、単一段のシステムと比べて、各々の段が、主要な流れに余り侵入しないように構成することが可能になり、これは、必要な侵入を得るために「キャリア」空気の使用を余り必要としない。これは、流れ環状部における冷却流から吸い上げられる空気がより少ないことを意味しており、低下した温度で作動する主要な燃焼器の構造を可能にする。４番目に滞留時間が短縮されることによって、ＮＯｘの排気を増大させずに、より高い燃焼器温度が可能になる。５番目に、単一の「二重マニフォルド」構成を利用することで、一体式の２段噴射システムの構造を簡素化することができ、これによりこのような種々の利点をコスト効率の高いものにすることができる。
【００３６】
次に本発明の付加的な実施形態に注目すると、噴射の段の位置決めが、滞留時間に基づく可能性があることが理解されよう。記載したように、下流噴射段の位置決めは、多様な燃焼性能パラメータに影響を与える可能性があり、これに限定するものではないが、一酸化炭素排気（ＣＯ）が含まれる。下流段の位置決めが、一次段に近すぎると、下流段に燃料が供給されない場合、一酸化炭素の排気が過剰になる可能性がある。これにより一次区域からの流れは、噴射の第１の下流段より前に、一酸化炭素と反応し、これを消費する時間を有する必要がある。このような必要な時間は、流れの「滞留時間」である、あるいは別の言い方をすると、この時間は、燃焼物質の流れが軸方向の離間された噴射段の間の距離を移動するのに費やす時間であることが理解されよう。２つの段の間の滞留時間は、任意の２つの位置の間の全体の容積および容積流量に基づいて、これらの場所の間のバルク基準に対して計算されてよく、これは、ガスタービンエンジンの作動モードを考えて計算することができる。したがって任意の２つの位置の間の滞留時間は、容積を容積流量で割ることによって計算することができ、この場合容積流量は、密度に対する質量流量である。別の方法で表すと、容積流量は、ガスの圧力で割った適用可能なガス定数を掛けたガスの温度を掛けた質量流量として計算することができる。
【００３７】
したがって、一酸化炭素を含めた排気レベルに関する問題を考えると、第１の下流噴射段は、燃焼器のヘッドエンドにおいて一次空気および燃料噴射システムから６ミリセカンド（ｍｓ）を超えて近づくべきではないことが突き止められた。すなわち、この滞留時間は、燃焼流れが、一次空気および燃料噴射システムにおいて規定される第１の位置から、下流噴射システムの第１段において規定される第２の位置まで内部流路に沿って移動することを選択する特定のモードのエンジン作動における一定の時間である。この場合、第１段は、一次空気および燃料噴射システムの後方の方の一定の距離のところに位置決めされるべきであり、これは、第１の滞留時間が少なくとも６ｍｓであることに一致する。付加的に、ＮＯｘ排気の観点から、遅延下流噴射は、有利な影響力を有し、第２の下流噴射段は、燃焼器の出口または燃焼器の端部面から２ｍｓ未満のところに位置決めされるべきであることが突き止められた。すなわち、この滞留時間は、燃焼流れが、第２の段において規定される第１の位置から、燃焼器の端部面において規定される第２の位置まで内部流路に沿って移動することを選択する特定のモードのエンジン作動における一定の時間である。この場合、第２段は、燃焼器の端部面の前方の一定の距離のところに位置決めされるべきであり、これは、この滞留時間が少なくとも２ｍｓ未満であることに一致する。
【００３８】
図１１から図１４は、３つの噴射段を備えたシステムを示している。図１１は、３つ段の各々が、その中に位置決めされ得る軸方向の範囲を示している。好ましい実施形態によると、図１１に示されるように、本発明の下流噴射システム３０は、３つの軸方向の噴射の段、すなわち燃焼器の中央面の後方に位置決めされる第１段４１、第２段４２および第３段４３を含むことができる。より具体的には、第１段４１は、トランジション区域３９の中に位置決めされてよく、第２段４２は、燃焼器の端部面４９付近に位置決めされてよく、第３段は、燃焼器の端部面４９に、またはその後方に位置決めされてよい。図１２および図１４は、その３つ噴射段の各々が、それらの範囲内に位置することができる特定の好ましい実施形態を提供している。図１２に示されるように、第１および第２段は、トランジション区域内に位置してよく、第３段は、燃焼器の端部面付近に位置してよい。図１３に示されるように、第１段は、トランジション区域内に位置してよく、その一方で第２および第３段はそれぞれ、後方フレーム、およびステータブレードの最初の列のところに位置する。特定の実施形態において、上記で考察したように、第２段は、後方フレーム内に一体化され、その一方で第３段は、ステータブレード内に一体化される。
【００３９】
本発明はさらに、３つの噴射段を含む下流噴射システムにおける燃料と空気の噴射の量および噴射速度を記載する。一実施形態において、第１段、第２段および第３段は、第２段において噴射される燃料を第１段において噴射される燃料の５０％未満に制限し、第３段において噴射される燃料を第１段において噴射される燃料の５０％未満に制限する構成を含む。別の好ましい実施形態において、第１段、第２段および第３段は、第２段において噴射される燃料を第１段において噴射される燃料の１０％から５０％に制限し、第３段において噴射される燃料を第１段において噴射される燃料の１０％から５０％に制限する構成を備える。他の好ましい実施形態において、一次空気および燃料噴射システムおよび下流噴射システムの第１段、第２段および第３段は、全体の燃料供給の以下の割合が作動中各々に送達されるように構成される場合もあり、５０％から８０％が一次空気および燃料噴射システムに送達され、２０％から４０％が第１段に送達され、２％から１０％が第２段に送達され、２％から１０％が第３段に送達される。さらに他の好ましい例示の実施形態において、一次空気および燃料噴射システムおよび下流噴射システムの第１段、第２段および第３段は、全体の燃焼器の空気供給の以下の割合が作動中各々に送達されるように構成され、６０％から８５％が一次空気および燃料噴射システムに送達され、１５％から３５％が第１段に送達され、１％から５％が第２段に送達され、０％から５％が第３段に送達される。別の好ましい実施形態において、一次空気および燃料噴射システムおよび下流噴射システムの第１段、第２段および第３段は、全体の燃料供給の以下の割合が作動中各々に送達されるように構成される場合もあり、約６５％が一次空気および燃料噴射システムに送達され、約２５％が第１段に送達され、約５％が第２段に送達され、約５％が第３段に送達される。この場合、一次空気および燃料噴射システムおよび下流噴射システムの第１段、第２段および第３段は、全体の空気供給の以下の割合が作動中各々に送達されるように構成されてよく、約７８％が一次空気および燃料噴射システムに送達され、約１８％が第１段に送達され、約２％が第２段に送達され、約２％が第３段に送達される。
【００４０】
図１４から図１９には、本発明の別の態様の実施形態が提供されており、これは、燃料噴射器を後方フレーム２９内に組み込むことができる方法を含む。後方フレーム２９は、上述したように、燃焼器１２の下流端部と、タービン１３の上流端部の間に境界面を提供するフレーム部材を含む。
【００４１】
図１４に示されるように、後方フレーム２９は、内部流路を包囲する、または取り囲む剛性の構造部材を形成する。後方フレーム２９は、内部流路の機外境界を画定する内側面または壁６５を含む。後方フレーム２９は、構造要素を含む外側面６６を含み、この要素によって後方フレームは、燃焼器およびタービンに接続する。いくつかの出口ポート７４が、後方フレーム２９の内壁を貫通するように形成されてよい。出口ポート７４は、燃料プリナム７１を内部流路６７に接続するように構成されてよい。後方フレーム２９は、６から２０の出口ポートを含む場合があるが、それ以上、またはそれ以下の出口ポートが設けられる場合もある。出口ポート７４は、後方フレームの内壁６５の周りに円周方向に離間されてよい。示されるように後方フレーム２９は、環状の断面形状を含むことができる。
【００４２】
図１５から図１９に示されるように、本発明による後方フレーム２９は、その中に形成される円周方向に延在する燃料プリナム７１を含むことができる。図１５に示されるように燃料プリナム７１は、後方フレーム２９の外壁６６を貫通するように形成された燃料入口ポート７２を有することができ、そこを通って燃料が燃料プリナム７１に供給される。燃料入口７２はしたがって、燃料プリナム７１を燃料供給源７７に接続することができる。燃料プリナム７７は、内部流路６７を包囲する、または完全に取り囲むように構成されてよい。示されるように燃料がひとたび燃料プリナム７１に到達すると、それはその後、出口ポート７４を介して内部流路６７へと噴射させることができる。図１６に示されるように特定のケースでは、空気が、燃料プリナム７１に送達される前に、事前混合機８４において燃料と事前混合される場合もある。あるいは空気と燃料は、一緒にされ、燃料プリナム７１の中で混合される場合もあり、その例が図１７に示されている。この場合、空気入口ポート７３は、後方フレーム２９の外壁６６内に形成されてよく、燃料プリナム７１と流体連通することができる。空気入口ポート７３は、後方フレーム２９の周りに円周方向に離間され、この領域において燃焼器の周りを囲む圧縮器の吐出によって空気が供給される場合もある。
【００４３】
また図１７に示されるように、出口ポート７４が傾斜される場合もある。この角度は、内部流路６７を通る燃焼流れに直交する基準方向に対するものであってよい。特定の好ましい実施形態において、示されるように、出口ポートの傾斜は、燃焼流れの下流方向に向かって０°から４５°であってよい。加えて、出口ポート７４は、図１７に示されるように後方フレーム２９の内壁６５の面に対して同一面になるように構成されてよい。あるいは、出口ポート７４は、図１９に示されるように各々が内壁６５から離れて内部流路６７へと張り出すように構成される場合もある。
【００４４】
図１８および図１９は、いくつかの管８１が燃料プリナム７１を横切るように構成される代替の一実施形態を提供している。各々の管８１は、第１端部が空気入口ポート７３の１つに接続し、第２端部が、出口ポート７４の１つに接続するように構成されてよい。特定の実施形態において、図１８に示されるように、後方フレームの内側面６５に形成された出口ポート７４は、ａ）管８１の１つに接続するように構成された空気出口ポート７６と、ｂ）燃料プリナム７１に接続するように構成された燃料出口ポート７２とを含む。これらの出口ポートの各々は、内部流路６７に噴射された空気と燃料の混合作用を促進させるために、互いに近接して内壁６５上にそのように位置決めされてよい。好ましい一実施形態では、図１８に示されるように、空気出口ポート７６は、円形形状を有するように構成され、燃料出口ポート７５は、空気出口ポート７６の円形形状の周りに形成されるリング形状を有するように構成される。このような構成はさらに、それがひとたび内部流路６７に送達されると、燃料と空気の混合作用を促進させることになる。特定の実施形態では、管８１は、２つの流体が、内部流路６７に噴射されるまで、管８１を通って移動する流体が、燃料プリナム７１を通って移動する流体と混ざるのを阻止する堅固な構造を有することが理解されよう。あるいは図１９に示されるように、管８１は、内部流路６７に噴射される前に空気と燃料を事前混合することを可能にする開口８２を含むことができる。このような場合、例えば攪拌機８３など、乱流および混合作用を促進する構造体が、開口８２の下流に含まれることで、事前混合作用が強化される。
【００４５】
当業者が理解するように、複数の例示の実施形態に関連して上記に記載した多くの多様な特徴および構成はさらに、本発明の他の可能性のある実施形態を形成するために選択的に適用することができる。簡潔にするために、および当業者の能力を考慮に入れて、全ての可能な反復は、提供されない、または詳細に考察されないが、以下の複数の特許請求の範囲によって、あるいはその他の方法で包含される全ての組み合わせおよび可能性のある実施形態は、当出願の一部であることが意図されている。加えて、本発明の複数の例示の実施形態の上記の記載から、当業者は、改良、変更および修正を認識するであろう。当分野の技術の範囲内にあるこのような改良、変更および修正もまた、添付の特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。さらに、前述したものは、本出願の記載される実施形態のみに関連するものであり、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本出願の精神および範囲から逸脱せずに、多くの変更および修正を本明細書に行うことができることは明らかである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  ガスタービン
１１  圧縮機
１２  燃焼器
１３  タービン
１６  ステータブレードの最初の列
１７  ロータブレードの列
２０  燃焼器
２１  燃料ノズル
２２  ヘッドエンド
２３  燃焼区域
２４  ライナー
２５  トランジションピース
２６  流れスリーブ
２７  環状部
２８  インピンジメントスリーブ
２９  後方フレーム
３０  下流噴射システム
３１  燃料経路
３２  噴射器
３３  ノズル
３４  移送管
３７  長手方向軸
３８  噴射面
３９  トランジション区域
４１  第１段
４２  第２段
４８  燃焼器の中央面
４９  燃焼器の端部面
５１  第１段に関する反応物の移動距離
５２  第２段に関する反応物の移動距離
５５  制御弁
６５  内壁
６６  外壁
６７  内部流路
７１  燃料プリナム
７２  燃料出口ポート
７３  空気入口ポート
７４  出口ポート
７５  燃料出口ポート
７６  空気出口ポート
７７  燃料供給源
８１  管
８４  事前混合機
【図１】
2014181896.tif 000003
【図２】
2014181896.tif 000004
【図３】
2014181896.tif 000005
【図４】
2014181896.tif 000006
【図５】
2014181896.tif 000007
【図６】
2014181896.tif 000008
【図７】
2014181896.tif 000009
【図８】
2014181896.tif 000010
【図９】
2014181896.tif 000011
【図１０】
2014181896.tif 000012
【図１１】
2014181896.tif 000013
【図１２】
2014181896.tif 000014
【図１３】
2014181896.tif 000015
【図１４】
2014181896.tif 000016
【図１５】
2014181896.tif 000017
【図１６】
2014181896.tif 000018
【図１７】
2014181896.tif 000019
【図１８】
2014181896.tif 000020
【図１９】
2014181896.tif 000021