(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼可能物質の混合の度合いを向上させて完璧な燃焼工程を実現する。【解決手段】燃料噴射器３０が提供され、これは、第１の流体の流３２れに近接して配置された面３１と、三角翼機能３３とを含んでいる。この面３１は、流れに対して画定された上流３４および下流部分３５を有し、下流部分３５に噴射器穴３６を画定しており、この穴３６によって、第２の流体の噴流を流れ３２に噴射することが可能である。三角翼機能３３は、上流部分３４においてこの面３１上に配置され、流れ３２の接近する部分をこの面３１から離れるように持ち上げ、流れ３２の接近する部分が、直交流方向に噴流３７と共にそれぞれ回転する一組の逆回転する渦巻きを形成するように構成されている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体の流れに近接して配置された面であって、前記流れに対して画定された上流および下流部分を有し、前記下流部分に噴射器穴を画定し、この穴によって第２の流体の噴流を前記流れに噴射することが可能な面と、
前記上流部分において前記面上に配置された三角翼機能であって、前記流れの接近する部分を前記面から離れるように持ち上げ、前記流れの前記接近する部分が、直交流方向に前記噴流と共にそれぞれ回転する一組の逆回転する渦巻きを形成するように構成された三角翼機能とを備える燃料噴射器。
【請求項２】
前記三角翼機能が湾曲した前縁を備える、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項３】
前記三角翼機能が、ほぼ平坦な傾斜した面を備える、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項４】
前記三角翼機能が集束する横方向の面を備える、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項５】
前記三角翼機能が、ほぼ直線の後縁を備える、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項６】
前記三角翼機能の前縁および後縁が、横切るように配向される、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項７】
前記噴射器穴と前記三角翼機能が、前記流れの主流の方向にほぼ平行して整列している、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項８】
前記噴射器穴と前記三角翼機能がそれぞれ数が複数であり、前記複数の三角翼機能のそれぞれが、前記複数の噴射器穴の対応するものに対応付けられる、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項９】
前記流れが、燃焼の生成物の主要な流れに向けて誘導され、燃焼器から移行区域を通ってタービンに向かって進む、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項１０】
前記面が長手方向軸を有する管状要素を形成し、前記管状要素が、前記長手方向軸が前記燃焼の生成物の前記主要な流れに対して半径方向の向きに沿って配列されるように配置可能である、請求項９記載の燃料噴射器。
【請求項１１】
前記流れが前記燃焼器のヘッド側に向かって誘導される、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項１２】
前記面が、ポロイダル軸を有するドーナツ状の要素を形成し、前記ドーナツ状の要素が、前記ポロイダル軸が前記燃焼器の軸方向の寸法に沿って配列されるように配置可能である、請求項１１記載の燃料噴射器。
【請求項１３】
前記面が長手方向軸を有する管状要素を形成し、前記管状要素が、前記長手方向軸が前記燃焼器の半径方向の寸法に沿って配列されるように配置可能である、請求項１１記載の燃料噴射器。
【請求項１４】
前記流れが、前記燃焼器の燃焼区域に向けて誘導される、請求項１記載の燃料噴射器。
【請求項１５】
前記面が、ポロイダル軸を有するドーナツ状の要素を形成し、前記ドーナツ状の要素が、前記ポロイダル軸が前記燃焼器の軸方向の寸法に沿って配列されるように配置可能である、請求項１４記載の燃料噴射器。
【請求項１６】
前記面が長手方向軸を有する管状要素を形成し、前記管状要素が、前記長手方向軸が前記燃焼器の半径方向の寸法に沿って配列されるように配置可能である、請求項１４記載の燃料噴射器。
【請求項１７】
管状要素として形成され、第１の流体の流れに近接して配置された面であって、前記流れに対して画定された上流および下流部分を有し、前記下流部分に噴射器穴を画定し、この穴によって第２の流体の噴流を前記流れに噴射することが可能な面と、
前記上流部分において前記面上に配置された三角翼機能であって、前記三角翼機能のそれぞれが、前記噴射器穴の対応するものと対応付けられ、前記流れの接近する部分を前記面から離れるように持ち上げ、前記流れの前記接近する部分が、直交流方向に前記噴流の対応するものと共にそれぞれ回転する一組の逆回転する渦巻きを形成するように構成された三角翼機能とを備える燃料噴射器。
【請求項１８】
前記面が内向きに面しており、前記噴射器穴、前記噴流および前記三角翼機能が環状に配置される、請求項１７記載の燃料噴射器。
【請求項１９】
前記面が外向きに面しており、前記噴射器穴、前記噴流および前記三角翼機能が横方向に配置される、請求項１７記載の燃料噴射器。
【請求項２０】
ドーナツ状の要素として形成され、第１の流体の流れに近接して配置された面であって、前記流れに対して画定された上流および下流部分を有し、前記下流部分に噴射器穴を画定し、この穴によって第２の流体の噴流を前記流れに噴射することが可能な面と、
前記上流部分において前記面上に配置された三角翼機能であって、前記三角翼機能のそれぞれが、前記噴射器穴の対応するものと対応付けられ、前記流れの接近する部分を前記面から離れるように持ち上げ、前記流れの前記接近する部分が、直交流方向に前記噴流の対応するものと共にそれぞれ回転する一組の逆回転する渦巻きを形成するように構成された三角翼機能とを備える燃料噴射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、燃料噴射器に対する拡張機能に関し、より詳細には、燃料噴射器のための三角翼拡張機能に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なガスタービンエンジンは、流入の空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された流入空気と燃料を燃焼させて燃焼の生成物の主要な流れを生成する燃焼器と、タービンと、移行部分とを含んでいる。タービンは、主要な流れを受け入れ、主要な流れを電力生成工程において拡大させるように構成されている。移行部分は、燃焼器とタービンの間に流体式に介在している。燃焼可能な物質、例えば圧縮された流入空気と燃料は、燃焼器のヘッド側に噴射可能である。軸方向に段階分けされた噴射または遅延希薄噴射（ＬＬＩ）の場合、追加の燃焼可能物質を燃焼器の下流部分および移行部分に噴射することができる。
【０００３】
燃焼可能物質が、燃焼器のヘッド側、燃焼器の下流部分または移行部分のいずれに噴射されるにしても、ガスタービンエンジンの性能は、燃焼より前に混合されるべき燃焼可能物質の能力に大きく依存している。すなわち燃焼可能物質の混合の度合いが高まるにつれて、いっそう完璧な燃焼工程を実現することができる。これは、タービンからの動力の出力がより大きくなり、ガスタービンエンジンによって生成される汚染物質の放出量が減少することにつながる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４８８７４２５号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様によって、燃料噴射器が提供され、これは第１の流体の流れに近接して配置された面と、三角翼機能とを含んでいる。この面は、流れに対して画定された上流および下流部分を有し、下流部分に噴射器穴を画定し、この穴によって第２の流体の噴流を流れに噴射することができる。三角翼機能は、上流部分においてこの面上に配置され、流れの接近する部分をこの面から離れるように持ち上げ、流れの接近する部分が、直交流方向にこの噴流と共にそれぞれ回転する一組の逆回転する渦巻きを形成するように構成されている。
【０００６】
本発明の別の態様によって、燃料噴射器が提供され、これは管状要素として形成され、第１の流体の流れに近接して配置された面を含んでおり、この面は、流れに対して画定された上流および下流部分を有し、下流部分に噴射器穴を画定し、この穴によって第２の流体の噴流を流れおよび三角翼機能に噴射することができる。三角翼機能は、上流部分においてこの面上に配置され、三角翼機能の各々は、噴射器穴の対応するものに対応付けられ、流れの接近する部分をこの面から離れるように持ち上げ、流れの接近する部分が、直交流方向にこの噴流の対応するものと共にそれぞれ回転する一組の逆回転する渦巻きを形成するように構成されている。
【０００７】
本発明のさらに別の態様によって、燃料噴射器が提供され、これはドーナツ状の要素として形成され、第１の流体の流れに近接して配置された面を含んでおり、この面は、流れに対して画定された上流および下流部分を有し、下流部分に噴射器穴を画定し、この穴によって第２の流体の噴流を流れおよび三角翼機能に噴射することができる。三角翼機能は、上流部分においてこの面上に配置され、三角翼機能の各々は、噴射器穴の対応するものに対応付けられ、流れの接近する部分をこの面から離れるように持ち上げ、流れの接近する部分が、直交流方向にこの噴流の対応するものと共にそれぞれ回転する一組の逆回転する渦巻きを形成するように構成されている。
【０００８】
これらのおよび他の利点および特徴は、以下の記載を図面と併用することでより明らかになるであろう。
【０００９】
この主題は、本発明としてみなされており、明細書の終わりで請求項において詳細に指摘され明白に主張されている。本発明の前述のおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と併用することで明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ターボ機械の概略図である。
【図２】ターボ機械の燃焼器および移行部分の拡大概略図である。
【図３】実施形態によるターボ機械の燃焼器のヘッド側の拡大概略図である。
【図４】代替の実施形態によるターボ機械の燃焼器のヘッド側の拡大概略図である。
【図５】実施形態によるターボ機械の燃料ノズルの拡大概略図である。
【図６】代替の実施形態によるターボ機械の燃料ノズルの拡大概略図である。
【図７】三角翼機能を有する燃料噴射器の切欠き斜視図である。
【図８】１つの三角翼機能の斜視図である。
【図９】１つの三角翼機能の側面図である。
【図１０】実施形態によるドーナツ状燃料噴射器の部分斜視図である。
【図１１】実施形態による長手方向の燃焼器の部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この詳細な記載は、一例として図面を参照して、利点および特徴と共に本発明の実施形態を説明している。
【００１２】
以下に提供される記載は、直交流の噴流から上流に設けられた三角翼機能に関し、これは、燃料送達穴によって外側方式の遅延希薄噴射（ＬＬＩ）噴射器に形成される。三角翼は、燃料穴に向かって下流を指すように位置決めされ、その下流端部に向かって次第に厚さが増大する。したがって三角翼は、接近する空気流を噴射器の壁から離すようにするための傾斜路を形成する。これに加えて、翼の形状が、直交流方向に燃料の噴流と共に回転する逆回転する渦巻きの組をもたらす。これによって渦度を高め（これは一次燃料／空気混合機構である）、燃料の噴流の侵入を向上させる（これは、混合および保炎問題における主要な要因である）。最終的に、三角翼の幾何学形状は、保炎のリスクを呈する可能性のある翼の後ろに極めて小さな後流が見られるようなものである。
【００１３】
三角翼機能は、上記に指摘したようにＬＬＩ噴射器に適用可能であり、付加的な用途にも同様に適用可能である。このような付加的な用途には、四元燃料噴射および燃料ノズル燃料噴射が含まれる。各々の場合において、三角翼機能は、くぎ形または環状の燃料噴射器に組み込まれてよい。
【００１４】
図１および図２を参照すると、ガスタービンエンジン１は、流入空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮された流入空気と燃料が燃焼可能物質として提供され、燃焼させて燃焼の生成物の主要な流れを生成する燃焼器３と、タービン４と、移行部分５とを含む。タービン４は、主要な流れを受け入れ、主要な流れを電力生成工程において拡大させるように構成されている。移行部分５は、燃焼器３とタービン４の間に流体式に介在している。燃焼器３は、環状の燃焼器ライナ６を含み、移行部分５は、環状の移行部分ライナ７を含んでいる。燃焼ライナ６および移行部分ライナ７は、共同して形成されて内部８を画定し、その中を通って主要な流れが燃焼器３からタービン４へと進む。
【００１５】
燃焼可能な物質、例えば圧縮された流入空気と燃料は、燃焼器３のヘッド側９において、燃料ノズル１０を介して内部８に噴射することができる。軸方向に段階分けされた噴射または遅延希薄噴射（ＬＬＩ）の場合、追加の燃焼可能物質を第１段の燃料噴射器１２によって燃焼器３の下流部分１１において、および第２段の燃料噴射器１４によって移行部分５の上流部分１３において内部８に噴射することができる。
【００１６】
図３および図４を参照すると、燃焼器ライナ６は、端部プレート１６に結合された環状の流れスリーブ１５によって囲繞されている。燃焼器ライナ６と流れスリーブ１５は協働して環状部１７を画定しており、ここを通って圧縮機２から出力された圧縮空気が、半径方向内向きに曲がるまでヘッド側９に向かって流れ、その後反対方向に燃料ノズル１０に向かって流れる。いくつかの実施形態において、図３および図４に示されるように、四元燃料噴射器１８が環状部１７の中に配置されることで、四元燃料を圧縮空気の流れに噴射することができる。四元燃料噴射器１８は、環状またはドーナツ状（図３を参照）、あるいは管状またはくぎ形（図４を参照）であってよい。前者の場合、四元燃料の噴射が概ね四元燃料噴射器１８から半径方向外向きに向けられるのに対して、後者の場合、四元燃料の噴射は概ね四元燃焼噴射器１８から円周方向外側に向けられる。
【００１７】
図５および図６を参照すると、燃料ノズル１０の各々は、中心本体１９と、周辺の壁２０とを含む。中心本体１９は、燃焼器３の軸方向の寸法に沿って延在するように配向された長手方向軸を有する。周辺の壁２０は、長手方向軸に沿って中心本体１９を囲繞することで、環状の事前混合経路２１を画定し、これに沿って圧縮空気が、燃焼器３の内部８に画定された燃焼区域に向かって流れる。図５および図６に示されるように、燃料ノズル噴射器２２が環状の事前混合経路２１内に配置され得ることにより、燃料を圧縮空気の流れに噴射することができる。燃料ノズル噴射器２２は、環状またはドーナツ状（図５を参照のこと）あるいは管状またはくぎ形（図６を参照のこと）であってよい。前者の場合、燃料の噴射は概ね、燃料ノズル噴射器２２から半径方向外向きに向けられるのに対して、後者の場合、燃料の噴射は概ね、燃焼ノズル噴射器２２から円周方向外側に向けられる。
【００１８】
図７から図９を参照すると、燃料噴射器３０が設けられ、１つまたは複数の第１または第２段階の燃料噴射器１２および１４（図２を参照のこと）として採用される場合がある。燃料噴射器３０は、第１の流体の流れ３２に近接して配置された面３１と、三角翼機能３３とを含む。面３１は、上流部分３４と、下流部分３５とを有し、これらの部分は、流れ３２の主流の方向に対して画定されている。面３１はさらに、下流部分３５に噴射器穴３６を画定するように形成される。この噴射器穴３６を介して、第２の流体を流れ３２に噴射することが可能であり、これにより噴射器穴３６は、第２の流体の噴流３７を生成する。
【００１９】
三角翼機能３３が、上流部分３４において面３１上に配置されることで、流れ３２の主流の方向にほぼ平行して噴射器穴３６と三角翼機能３３の整列が実現する。三角翼機能３３は、傾斜路部分３８と、翼部分３９とを含む。傾斜路部分３８は、流れ３２の接近する部分４０を面３１から離れるように持ち上げるように構成されており、湾曲した前縁４１と、ほぼ平坦な傾斜した面４２とを有する。翼部分３９は、流れ３２の一部４０が、直交流方向に噴流３７と共にそれぞれ回転する一組の逆回転する渦巻き４３を形成するように構成されている。翼部分３９は、ほぼ直線の後縁４５を形成する集束する横方向の面４４を含んでいる。湾曲した前縁４１とほぼ直線の後縁４５は、互いに対して横切るように配向されてよい。
【００２０】
実施形態によると、三角翼機能３３、噴射器穴３６および噴流３７はそれぞれ、数が複数の場合もあることが理解されるであろう。このような場合、図７に示されるように、噴流３７のそれぞれは、噴射器穴３６の対応するものによって生成され、三角翼機能３３のそれぞれは、噴射器穴３６の対応するものに対応付けられる。
【００２１】
実施形態によると、図２および図７から図９を参照すると、燃料噴射器３０は、軸方向に段階分けされた噴射またはＬＬＩの場合の、１つまたは複数の第１段の燃料噴射器１２または第２段の燃料噴射器１４として使用する目的で設けられる場合もある。このような場合、流れ３２は、低または高加熱値の燃料と、燃焼器３の下流部分１１および移行部分５の上流部分１３を囲むように配置された圧縮機排出ケーシング（ＣＤＣ）から抜き取られた圧縮空気との混合物（例えば、微小混合物）として形成されてよい。よって流れ３２は、主要な流れに向かって半径方向内向きに誘導され、燃焼器３から移行部分５の中に画定された移行区域を通ってタービン４に向かって進む。
【００２２】
流れ３２を収容するために、面３１は、長手方向軸５１を有する管状要素５０を形成する。面３１は内向きに面しており、噴射穴３６と三角翼機能３３がこれに対応して環状に配列されることで、噴流３７が共通の中央の標的に向けられる。さらに流れ３２を半径方向に主要な流れへと誘導するために、管状要素５０は、長手方向軸５１が主要な流れ（図２を参照のこと）に対して半径方向の向きに沿って配列されるように配置されてよい。
【００２３】
さらに代替の実施形態によると、および図３、図５、図７および図１０を参照すると、燃料噴射器３０は、四元燃料噴射器１８（図３を参照のこと）または燃料ノズル噴射器２２（図５を参照のこと）として設けられる場合もある。前者の場合、流れ３２は、燃焼器３のヘッド側９に向かって環状部１７を通って進む圧縮空気の流れとして形成される。後者の場合、流れ３２は、燃焼器３の内部８に画定された燃焼区域に向かって環状経路２１を通って進む圧縮空気の流れとして形成される。いずれの場合でも、面３１は、ポロイダル軸６１を有するドーナツ状の要素６０を形成し、燃焼器３の軸方向の寸法に対して半径方向内向きおよび半径方向外向きにそれぞれ面する内側面と、外側面とを有する。ドーナツ状の要素６０は、環状部１７または環状の事前混合経路２１内に配置することが可能であり、ポロイダル軸６１は、燃焼器３の軸方向の寸法にほぼ平行して配置される。したがって噴射穴３６および三角翼機能３３が、これに対応して面３１の輪の長さに沿って配置されて半径方向内向きまたは外向きに向くことができることにより、噴流３７も同様に、半径方向内向きまたは外向きに向けることができる。
【００２４】
さらに代替の実施形態によると、および図４、図６、図７および図１０を参照すると、燃料噴射器３０は、四元燃料噴射器１８（図４を参照のこと）または燃料ノズル噴射器２２（図６を参照のこと）として設けられる場合もある。前者の場合、流れ３２は、燃焼器３のヘッド側９に向かって環状部１７を通って進む圧縮空気の流れとして形成される。後者の場合、流れ３２は、燃焼器３の内部８に画定された燃焼区域に向かって環状経路２１を通って進む圧縮空気の流れとして形成される。いずれの場合でも、面３１は、長手方向軸７１を有する管状要素７０を形成し、燃焼器３の軸方向の寸法に対して円周方向に向く横方向の面を有する。管状要素７０は、環状部１７または環状の事前混合経路２１内に配置することが可能であり、長手方向軸７１は、燃焼器３の軸方向の寸法に対してほぼ直交するように配置される。噴射穴３６および三角翼機能３３が、これに対応して面３１の長手方向の長さに沿って配置されて円周方向に向くことができることにより、噴流３７も同様に円周方向に向けることができる。
【００２５】
本発明を、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に記載してきたが、本発明はこのような開示される実施形態に限定されるものではないことを容易に理解すべきである。むしろ本発明は、これまで記載されていないが、本発明の精神および範囲に見合った任意の数の変形形態、代替形態、代用形態または等価な構成を組み込むように修正することができる。これに加えて、本発明の種々の実施形態を記載してきたが、本発明の態様は、記載される実施形態の一部のみを含むことができるものと理解すべきである。したがって本発明は、前述の記載によって制限されるものと理解すべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。
【符号の説明】
【００２６】
１  ガスタービンエンジン
２  圧縮機
３  燃焼器
４  タービン
５  移行部分
６  燃焼器ライナ
７  移行部分ライナ
８  内部
９  ヘッド側
１０  燃料ノズル
１１  下流部分
１２  第１段の燃料噴射器
１３  上流部分
１４  第２段の燃料噴射器
１５  流れスリーブ
１６  端部プレート
１７  環状部
１８  四元燃料噴射器
１９  中心本体
２０  周辺の壁
２１  事前混合経路
２２  燃料ノズル噴射器
３０  燃料噴射器
３１  面
３２  流れ
３３  三角翼機能
３４  上流部分
３５  下流部分
３６  噴射器穴
３７  噴流
３８  傾斜路部分
３９  翼部分
４０  接近する部分
４１  湾曲した前縁
４２  平坦な傾斜した面
４３  逆回転する渦巻き
４４  横方向の面
４５  後縁
５０  管状要素
５１  長手方向軸
６０  ドーナツ状の要素
６１  ポロイダル軸
７０  管状要素
７１  長手方向軸
【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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【図１０】
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【図１１】
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