(57)【要約】【課題】ガス・タービンにおいて、放出、特にＮＯｘの放出を減少させて、さらに高い発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】共に内部流路を画定するタービンに結合された燃焼器であって、内部流路は、前端を画定する主空気及び燃料噴射システムから長手軸の周りに後方に、燃焼器がタービンに接続する境界面を通り、後端を画定するタービンの静翼列を通って延在している、燃焼器と、内部流路の長手軸に沿って軸方向に隔設された二つの噴射段すなわち第一段及び第二段を含んでいる下流噴射システムとを含んでいるガス・タービンである。第一段及び第二段は各々、混合気を内部流路に噴射するように構成されている多数の噴射器を含んでいる。【選択図】図１９
2014181898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共に内部流路を画定するタービンに結合された燃焼器であって、前記内部流路は、前端を画定する主空気及び燃料噴射システムから長手軸の周りに後方に、当該燃焼器が前記タービンに接続する境界面を通り、後端を画定する前記タービンの静翼列を通って延在する、燃焼器と、
前記内部流路の前記長手軸に沿って軸方向に隔設された二つの噴射段すなわち第一段及び第二段を含んでいる下流噴射システムと
を備えたガス・タービンであって、
前記第一段及び前記第二段は各々、混合気を前記内部流路に噴射するように構成されている多数の噴射器を含んでいる、ガス・タービン。
【請求項２】
第一の滞留時間が、予め決められたエンジン動作モードにおいて、燃焼流が前記内部流路に沿って前記主空気及び燃料噴射システムに画定された第一の位置から前記下流噴射システムの前記第一段に画定された第二の位置まで走行するのに掛かる時間を含んでおり、
前記第一段は、前記主空気及び燃料噴射システムの後方に、少なくとも６ミリ秒である前記第一の滞留時間と同等になるような距離に配置される、請求項１に記載のガス・タービン。
【請求項３】
第二の滞留時間が、前記予め決められたエンジン動作モードにおいて、前記燃焼流が前記内部流路に沿って前記第二段に画定された第一の位置から燃焼器端面に画定された第二の位置まで走行するのに掛かる時間を含んでおり、
前記第二段は、前記燃焼器端面の前方に、２ミリ秒未満である前記第二の滞留時間と同等になるような距離に配置される、請求項２に記載のガス・タービン。
【請求項４】
前記第二段は、前記第一段の後方に配置されており、
前記主空気及び燃料噴射システムの直後方に、前記内部流路は周囲のライナにより画定される主燃焼帯を含んでおり、前記ライナの直後方に、前記内部流路は周囲の尾筒により画定される尾筒帯を含んでおり、
前記尾筒は、前記主燃焼帯を前記タービンに流体結合するように構成されており、前記尾筒は、前記ライナの円筒形断面形状から前記タービンの円環状断面形状へ移行する形状を有している、請求項３に記載のガス・タービン。
【請求項５】
前記下流噴射システムは三つの噴射段すなわち前記第一段と、前記第二段と、第三段とを含んでおり、該第三段は前記第二段の後方に配置されている、請求項３に記載のガス・タービン。
【請求項６】
前記第三段は、前記タービンの前記静翼列に配置されており、
前記第三段は、混合気を前記内部流路に噴射するように構成されている多数の噴射器を含んでいる、請求項５に記載のガス・タービン。
【請求項７】
前記第三段の前記噴射器は前記静翼列に一体化されている、請求項６に記載のガス・タービン。
【請求項８】
前記エンジン動作モードは基底負荷動作モードを含んでいる、請求項４に記載のガス・タービン。
【請求項９】
滞留時間の算出が、（ａ）前記燃焼器の前記内部流路の関連する部分を通じた容積、及び（ｂ）前記エンジン動作モードにおける前記内部流路の前記関連する部分を通じたバルク容積流量に基づいている、請求項１に記載のガス・タービン。
【請求項１０】
前記第一段は、前記内部流路に沿って前記主空気及び燃料噴射システムと前記境界面との間に画定された軸方向中点の後方に配置されており、
前記第二段は、前記第一段から後方に隔設されている、請求項１に記載のガス・タービン。
【請求項１１】
前記主空気及び燃料噴射システムの直後方に、前記内部流路は、周囲のライナにより画定されている主燃焼帯を含んでおり、前記ライナの直後方に、前記内部流路は、周囲の尾筒により画定されている尾筒帯を含んでおり、
前記尾筒は、前記主燃焼帯を前記タービンに流体結合するように構成されており、前記尾筒は、前記ライナの円筒形断面形状から前記タービンの円環状断面形状へ移行する形状を有しており、
前記尾筒は、前記燃焼器と前記タービンとの間の前記境界面を形成する後部フレームを含んでおり、
前記下流噴射システムの前記第一段は前記尾筒帯の内部に配置されており、前記下流噴射システムの前記第二段は前記第一段から後方に隔設されている、請求項１０に記載のガス・タービン。
【請求項１２】
前記第一段の前記噴射器は、共通の噴射面の周囲に円周方向に配列されており、前記共通の噴射面は、前記内部流路の前記長手軸に対して近似的に垂直に整列しており、
前記第二段の前記噴射器は、共通の噴射面の周囲に円周方向に配列されており、前記共通の噴射面は、前記内部流路の前記長手軸に対して近似的に垂直に整列している、請求項１１に記載のガス・タービン。
【請求項１３】
前記第二段の前記共通の噴射面は前記後部フレームに配置されており、前記第二段の前記噴射器は前記後部フレームに一体化されている、請求項１２に記載のガス・タービン。
【請求項１４】
前記第一段の前記共通の噴射面は、前記尾筒の上流端から後方に隔設されており、
前記第二段の前記共通の噴射面は、前記後部フレームから後方に隔設されている、請求項１２に記載のガス・タービン。
【請求項１５】
前記第二段の前記共通の噴射面は、前記タービンの前記静翼列に配置されており、
前記第二段の前記噴射器は、前記静翼列に一体化されている、請求項１４に記載のガス・タービン。
【請求項１６】
前記第一段の前記共通の噴射面は、前記燃焼器の前記後部フレームに配置されており、前記第二段の前記共通の噴射面は、前記タービンの前記静翼列に配置されており、
前記第一段の前記噴射器は、前記後部フレームに一体化されており、前記第二段の前記噴射器は、前記静翼列に一体化されている、請求項１２に記載のガス・タービン。
【請求項１７】
前記下流噴射システムは、前記内部流路の内部に配置された第三段であって空気及び燃料の両方を前記内部流路に噴射するように構成されている第三段を含んでおり、
前記第二段及び前記第三段は各々、前記内部流路の前記長手軸に沿って他方から軸方向に隔設されており、前記第三段は前記第二段の後方である軸方向位置を含んでいる、請求項１０に記載のガス・タービン。
【請求項１８】
前記主空気及び燃料噴射システムの直後方に、前記内部流路は、周囲のライナにより画定されている主燃焼帯を含んでおり、前記ライナの直後方に、前記内部流路は、周囲の尾筒により画定されている尾筒帯を含んでおり、
前記尾筒は、当該尾筒を流れる流れを、前記ライナの近似的な円筒形の断面積から前記タービンの入口の円環状断面積へ移行させつつ、前記主燃焼帯を前記タービンの前記入口に流体結合するように構成されており、
前記尾筒は、前記燃焼器と前記タービンの前記入口との間の前記境界面を形成する後部フレームを含んでおり、
前記下流噴射システムの前記第一段は前記尾筒帯の内部に配置されている、請求項１７に記載のガス・タービン。
【請求項１９】
前記第二段は前記燃焼器の前記後部フレームに配置されており、前記第三段は前記タービンの前記静翼列に配置されており、前記第二段は前記後部フレームに一体化されており、前記第三段は前記静翼列に一体化されている、請求項１８に記載のガス・タービン。
【請求項２０】
共に内部流路を画定するタービンに結合された燃焼器であって、前記内部流路は、前端を画定する主空気及び燃料噴射システムから長手軸の周りに後方に、当該燃焼器が前記タービンに接続する境界面を通り、後端を画定する前記タービンの静翼列を通って延在する、燃焼器と、
前記内部流路の前記長手軸に沿って軸方向に隔設された二つの噴射段すなわち第一段及び第二段を含んでいる下流噴射システムであって、前記第一段及び前記第二段は各々、混合気を前記内部流路に噴射するように構成されている多数の噴射器を含んでいる、下流噴射システムと
を備えたガス・タービンであって、
第一の滞留時間が、予め決められたエンジン動作モードにおいて、燃焼流が前記内部流路に沿って前記主空気及び燃料噴射システムに画定された第一の位置から前記下流噴射システムの前記第一段に画定された第二の位置まで走行するのに掛かる時間を含んでおり、第二の滞留時間が、前記予め決められたエンジン動作モードにおいて、前記燃焼流が前記内部流路に沿って前記第二段に画定された第一の位置から燃焼器端面に画定された第二の位置まで走行するのに掛かる時間を含んでおり、
前記第一段は、前記主空気及び燃料噴射システムの後方に、少なくとも６ミリ秒である前記第一の滞留時間と同等になるような距離に配置され、前記第二段は、前記燃焼器端面の前方に、２ミリ秒未満である前記第二の滞留時間と同等になるような距離に配置される、ガス・タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は一般的には、燃焼タービン・エンジン又はガス・タービン・エンジン（以降「ガス・タービン」）の燃焼システムに関する。さらに具体的には、但し限定のためではなく、本出願は、ガス・タービンの燃焼システムにおける空気及び燃料の下流噴射又は遅延噴射に関わる新規の方法、システム、及び装置を記載する。
【背景技術】
【０００２】
ガス・タービンの効率は過去数十年にわたり、新たな技術がエンジン・サイズの拡大及び動作温度の上昇を可能にするのに伴って著しく向上してきた。動作温度の上昇を可能にした一つの技術的基盤は、熱ガス経路の内部の冷却構成要素のための新たな革新的熱伝達技術の導入であった。加えて、新材料が燃焼器の内部でのさらに高温での能力を実現してきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この間に、幾つかの汚染物質がエンジン動作中に放出され得るときのレベルを制限する新たな規格が定められた。明確に述べると、ＮＯｘ、ＣＯ及びＵＨＣの放出レベル（全てがエンジンの動作温度に敏感である）がさらに厳しく規制された。中でも、ＮＯｘの放出レベルは、より高いエンジン発火温度での放出レベルの増大に特に敏感であり、従って温度がどれほど高められ得るかについての重大な制限となった。動作温度が高いほどエンジンの効率は高まるので、この制限がエンジン効率の進歩を阻んでいた。つまり、燃焼器の動作がガス・タービン動作効率に対する著しい制限となっていた。
【０００４】
結果として、先進型燃焼器設計技術の主な目標の一つは、エンジンがさらに高い温度で発火し、このようにしてさらに高い圧力比サイクル及びさらに高いエンジン効率を有するように、これらのさらに高い動作温度での燃焼器主導の放出レベルを減少させた構成を発展させることとされた。従って、認められるように、放出、特にＮＯｘの放出を減少させて、さらに高い発火温度を可能にする新規の燃焼システム設計が商業的に強く求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本出願はガス・タービンを記載し、このガス・タービンは、共に内部流路を画定するタービンに結合された燃焼器であって、内部流路は、前端を画定する主空気及び燃料噴射システムから長手軸の周りに後方に、当該燃焼器がタービンに接続する境界面を通り、後端を画定するタービンの静翼列を通って延在している、燃焼器と、内部流路の長手軸に沿って軸方向に隔設された二つの噴射段すなわち第一段及び第二段を含んでいる下流噴射システムとを含んでいる。第一段及び第二段は各々、混合気を内部流路に噴射するように構成されている多数の噴射器を含んでいる。
【０００６】
本出願はさらに、共に内部流路を画定するタービンに結合された燃焼器であって、内部流路は、前端を画定する主空気及び燃料噴射システムから長手軸の周りに後方に、当該燃焼器がタービンに接続する境界面を通り、後端を画定するタービンの静翼列を通って延在している、燃焼器と、内部流路の長手軸に沿って軸方向に隔設された二つの噴射段すなわち第一段及び第二段を含んでいる下流噴射システムであって、第一段及び第二段は各々、混合気を内部流路に噴射するように構成されている多数の噴射器を含んでいる、下流噴射システムとを記載する。第一の滞留時間が、予め決められたエンジン動作モードにおいて、燃焼流が内部流路に沿って主空気及び燃料噴射システムに画定された第一の位置から下流噴射システムの第一段に画定された第二の位置まで走行するのに掛かる時間を含んでいる。第二の滞留時間が、予め決められたエンジン動作モードにおいて、燃焼流が内部流路に沿って第二段に画定された第一の位置から燃焼器端面に画定された第二の位置まで走行するのに掛かる時間を含んでいる。第一段は、主空気及び燃料噴射システムの後方に、少なくとも６ミリ秒である第一の滞留時間と同等になるような距離に配置され得る。第二段は、燃焼器端面の前方に、２ミリ秒未満である第二の滞留時間と同等になるような距離に配置され得る。
【０００７】
本出願のこれらの特徴及び他の特徴は、以下の好適実施形態の詳細な説明を図面及び特許請求の範囲と共に検討するとさらに明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、以下の発明の実施形態の各例のさらに詳細な説明を添付図面と共に慎重に検討することによりさらに完全に理解され認められよう。
【図１】本出願の幾つかの実施形態が用いられ得るガス・タービンの一例の断面概略図である。
【図２】本発明の各実施形態が用いられ得る従来の燃焼器の断面概略図である。
【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断面概略図である。
【図４】本発明の実施形態の一例の各観点による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図５】本発明の代替的な実施形態による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図６】本発明の代替的な実施形態による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図７】本発明の代替的な実施形態による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図８】本発明の代替的な実施形態による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図９】本発明の代替的な実施形態による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図１０】本発明の代替的な実施形態による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図１１】本発明の代替的な実施形態による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図１２】本発明の代替的な実施形態による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図１３】本発明の代替的な実施形態による燃焼器及びタービンの上流段の断面概略図である。
【図１４】本発明の幾つかの観点による後部フレームの遠近図である。
【図１５】本発明の幾つかの観点による後部フレームの断面図である。
【図１６】本発明の幾つかの観点による後部フレームの断面図である。
【図１７】本発明の幾つかの観点による後部フレームの断面図である。
【図１８】本発明の幾つかの観点による後部フレームの断面図である。
【図１９】本発明の幾つかの観点による後部フレームの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の本発明の各例は、特定の形式のタービン・エンジンに関して記載される場合があるが、当業者は、本発明がこの記載から特に限定されない限りかかる用途に限定されず他の形式のタービン・エンジンにも適用可能であり得ることを認められよう。さらに、本発明を記載する際に、ガス・タービン・エンジンの内部の幾つかの機械構成要素を参照するために幾つかの術語が用いられ得ることを認められよう。可能な場合には常に、一般的な業界術語が許容された意味と整合する態様で利用及び採用される。しかしながら、しばしば特定の機械構成要素が異なる術語を用いて参照され得ることが当業者に認められるように、かかる術語は狭義に解釈されるべきでない。加えて、本書で単一の構成要素と記載され得るものが他の文脈では多数の構成要素から成るものとして参照されたり、本書で多数の構成要素を含むと記載され得るものが他の箇所では単一の構成要素として参照されたりする場合がある。このようなものとして、本発明の範囲を理解する際には、特定の術語にのみ注意を払うのではなく、付随する記載、文脈、並びに特に特許請求の範囲に掲げられ得るような構成要素の構造、構成、作用、及び／又は用法にも注意を払うべきである。
【００１０】
本書では幾つかの記述的用語が度々用いられる場合があり、本項の開始に当たってこれらの用語を定義しておくと有用であろう。従って、これらの用語及び各用語の定義は、特に記載のない限り次の通りである。本書で用いられる「下流」及び「上流」とは、例えば、ガス・タービンの圧縮機区画、燃焼器区画及びタービン区画を流れる作動流体、又はエンジンの構成システムの一つを流れる流動冷却材のような流体の流れに対する方向を示す用語である。「下流」との用語は流体の流れの方向に対応しており、「上流」との用語は流体の流れの方向の反対又は逆らう方向を指す。「前方」及び「後方」との用語は、さらなる指定がなければ、ガス・タービンの配向に対する方向を指し、「前方」はエンジンの前方又は圧縮機側端部を指し、「後方」はエンジンの後方又はタービン側端部を指し、この並びを図１に示す。
【００１１】
加えて、中心軸の周りのガス・タービン・エンジンの構成、及び幾つかの構成システムにおいて同じ形式の構成が与えられたときに、軸に対する位置を記述する用語が同様に用いられる。この観点で、「半径方向」との用語は軸に垂直な移動又は位置を指すことが認められよう。このことに関連して、中心軸からの相対的な距離を記述することが必要とされる場合がある。この場合には、例えば、第二の構成要素よりも第一の構成要素の方が中心軸に近接しているならば、本書では第一の構成要素は第二の構成要素の「半径方向内側」又は「機内」にあると言う。一方、第二の構成要素よりも第一の構成要素の方が軸から離隔しているならば、本書では第一の構成要素は第二の構成要素の「半径方向外側」又は「機外」にあると言う。加えて、「軸方向」との用語は、軸に平行な移動又は位置を指すことが認められよう。また最後に、「円周方向」との用語は軸の周りの移動又は位置を指す。上述のように、これらの用語は、エンジンの圧縮機区画及びタービン区画を通して典型的には延在している共通の中心軸又はシャフトに関して適用され得るが、他の構成要素又は下位システムと関連して用いられる場合もある。例えば、多くの機械に一般的な円筒形に形成された「キャン形式」燃焼器の場合に、これらの用語に相対的な意味を与える軸が長手方向参照軸であってもよく、この軸は、名称の通りの円筒形の「キャン」形状の中心又は尾筒のさらに環状の下流形状の中心を通して定義される。
【００１２】
ここで図１を参照すると、背景技術として、本出願の各実施形態が用いられ得るガス・タービン１０の一例が掲げられている。一般的には、ガス・タービン・エンジンは、圧縮空気の流れにおける燃料の燃焼によって発生される加圧熱ガス流からエネルギを引き出すことにより動作する。図１に示すように、燃焼タービン・エンジン１０は軸方向圧縮機１１を含んでおり、圧縮機１１は、燃焼器１２を間に挟んで共通のシャフトを介して下流タービン区画又はタービン１３に機械的に結合されている。図示のように、圧縮機１１は複数の段を含んでおり、段の各々が圧縮機動翼列を含み、続けて圧縮機静翼列を含んでいる。タービン１３も複数の段を含んでいる。タービン段の各々が、タービン・バケット列又はタービン動翼列を含み、続けて、動作時に静止しているタービン・ノズル静翼列を含んでいる。タービン静翼は一般的には、互いから円周方向に隔設されており、回転軸の周りに固定されている。動翼は、シャフトに接続したロータ・ホイールに装着され得る。
【００１３】
動作時には、圧縮機１１の内部の圧縮機動翼の回転が空気の流れを圧縮して燃焼器１２に導く。燃焼器１２の内部では、圧縮空気は燃料と混合されて点火され、作動流体の作動性の流れを生成し、次いでこの流れはタービン１３を通して膨張し得る。明確に述べると、燃焼器１２からの作動流体は、回転を誘発するようにタービン動翼の周りに導かれ、次いでロータ・ホイールが回転をシャフトに伝える。この態様で、作動流体の流れのエネルギは回転するシャフトの機械的エネルギへ変換される。次いで、シャフトの機械的エネルギを用いて、必要な圧縮空気の供給を生成するように圧縮機動翼の回転を駆動したり、例えば電気を発生させるように発電機を駆動したりすることができる。
【００１４】
図２は、本発明の各実施形態が用いられ得る従来の燃焼器の断面図である。但し、燃焼器２０は様々な形態を取ることができ、これらの形態の各々が本発明の様々な実施形態を含むのに適している。典型的には、燃焼器２０は、ヘッド端２２に配置された多数の燃料ノズル２１を含んでいる。燃料ノズル２１の様々な従来の構成が本発明と共に用いられ得ることが認められよう。ヘッド端２２の内部で空気及び燃料が混合されて、周囲のライナ２４によって画定される燃焼帯２３の内部で燃焼される。ライナ２４は典型的には、ヘッド端２２から尾筒２５まで延在している。ライナ２４は図示のように流れスリーブ２６によって包囲されており、同様に尾筒２５は衝突（インピンジメント）スリーブ２８によって包囲されている。流れスリーブ２６とライナ２４の間、及び尾筒２５と衝突スリーブ２８との間に、円環が形成されていることがことが認められよう。本書ではこれらの円環を「流れ円環２７」と呼ぶ。流れ円環２７は図示のように、燃焼器２０の長さの殆どにわたり延在している。ライナ２４から、尾筒２５は、タービン１３へ向けて下流に延在するのに伴って流れをライナ２４の円形断面から円環状断面へ変換する。下流端では、尾筒２５は作動流体の流れをタービン１３の第一段の第一段へ向けて導く。
【００１５】
流動スリーブ２６及び衝突スリーブ２８には典型的には、圧縮機１２からの圧縮空気の衝突流を流動スリーブ２６／ライナ２４の間及び／又は衝突スリーブ２８／尾筒２５の間に形成されている流れ円環２７に流入させる衝突開口（不図示）が貫通形成されていることが認められよう。衝突開口を通る圧縮空気の流れはライナ２４及び尾筒２５の外面を対流冷却する。流動スリーブ２６及び衝突スリーブ２８を通って燃焼器２０に入った圧縮空気は、流れ円環２７を介して燃焼器２０の前端へ向けて導かれる。次いで、圧縮空気は燃料ノズル２１に入って、ここで燃焼のために燃料と混合される。
【００１６】
タービン１３は典型的には多数の段を有し、段の各々が、図１及び図４に示すように並んだ二つの軸方向翼列すなわち静翼列１６及び続く動翼列１７を含んでいる。翼列の各々が、タービン１３の中心軸の周囲に円周方向に隔設された多くの翼を含んでいる。下流端において、尾筒２５は出口及び後部フレーム２９を含んでおり、後部フレーム２９は燃焼生成物の流れをタービン１３に導き入れて、ここで燃焼生成物の流れは動翼と相互作用してシャフトを中心とした回転を誘発する。この態様で、尾筒２５は燃焼器２０とタービン１３とを結合する役を果たす。
【００１７】
図３は、補足的又は下流燃料／空気噴射を含む燃焼器１２の図を示す。かかる補足的燃料／空気噴射はしばしば、遅延希薄噴射又は軸方向段階噴射と呼ばれることが認められよう。本書で用いられる場合には、この形式の噴射を、ヘッド端２２に配置された主燃料ノズル２１に対して燃料／空気噴射が下流位置に位置することから「下流噴射」と呼ぶ。図３の下流噴射システム３０は従来の設計と整合しており、単に例示目的で掲げられていることが認められよう。図示のように、下流噴射システム３０は、流動スリーブ２６の内部に画定された燃料通路３１を含み得るが、他の形式の燃料送達も可能である。燃料通路３１は噴射器３２まで延在していてよく、噴射器３２はこの例では、ライナ２４及び流動スリーブ２６の後端に又は後端の近傍に配置されている。噴射器３２は、流れ円環２７を横断して延在しているノズル３３と移送管３４とを含み得る。この構成が与えられると、各々の噴射器３２は、流動スリーブ２６の外部から導かれる圧縮空気の供給とノズル３３を通して送達される燃料の供給とを混合し、この混合物をライナ２４の内部の燃焼帯２３に噴射することが認められよう。図示のように、幾つかの燃料噴射器３２が流動スリーブ２６／ライナ２４のアセンブリの周りに円周方向に配置されることができ、混合気が燃焼帯２３の周囲の多数の点において導入されるようにしている。これら幾つかの燃料噴射器３２は同じ軸方向位置に配置され得る。すなわち、これら幾つかの噴射器は燃焼器１２の中心軸３７に沿った同じ位置に配置される。本書で用いられる場合に、この構成を有する燃料噴射器３２は共通の噴射面３８に配置されていると記述されることができ、この平面３８は図示のように燃焼器１２の中心軸３７に垂直な平面である。図３のこの従来の設計例では、噴射面３６はライナ２４の後端又は下流端に配置されている。
【００１８】
ここで図４から図１９を参照して本出願の発明へ移り、ガス・タービン放出のレベルは多くの動作規準に依存することが認められよう。燃焼帯における反応物質の温度はこれらの要因の一つであり、他のものよりもＮＯｘのような幾つかの放出レベルに影響を及ぼすことが判明している。燃焼帯における反応物質の温度は燃焼器の出口温度と比例関係にあって、相対的に高い圧力比に対応し、さらに相対的に高い圧力比はかかるブレイトン・サイクル形式エンジンでの効率レベルの向上を可能にすることが認められよう。ＮＯｘの放出レベルが反応物質温度に対して強く且つ直接的な関係を有することが判明したので、現在のガス・タービンは、先進型燃料ノズル設計及び予混合のような技術進化を通して発火温度を高めつつ許容可能なＮＯｘ放出レベルを保つことのみが可能であった。これらの進化に続いて、燃焼帯の内部での温度を高めて反応物質の滞留時間を短くするほどＮＯｘレベルが減少することが判明したので、遅延噴射又は下流噴射を採用して発火温度をさらに高めることが可能になった。明確に述べると、少なくともある程度までは、滞留時間の制御を利用してＮＯｘ放出レベルを制御することができる。
【００１９】
かかる下流噴射を「遅延希薄噴射」とも呼び、この噴射は、燃焼器のヘッド端又は前端の内部の主噴射点に送達される空気及び燃料の主供給の下流に空気及び燃料供給の一部を導入する。かかる噴射器の下流配置は、燃焼反応物質が燃焼器の内部の火炎帯のより高い温度の範囲内に留まる時間を短縮することが認められよう。明確に述べると、燃焼器を流れる流体の流れは実質的に一定速度であるため反応物質が火炎帯に出る前に走行しなければならない距離を下流噴射を介して短縮させることにより、これらの反応物質が火炎帯において高温に留まる時間を短縮し、上述のように、エンジンについてのＮＯｘの形成及びＮＯｘ放出レベルを減少させる。これにより、先進型燃料／空気混合又は予混合技術を下流噴射の短縮された反応物質滞留時間と結合する先進型燃焼器設計が、許容可能なＮＯｘ放出レベルを保ちつつ燃焼器発火温度のさらなる上昇、また重要なこととしてさらに効率のよいエンジンを達成することを可能にした。
【００２０】
しかしながら、他の考慮点が、下流噴射が行なわれ得る態様及び範囲を制限する。例えば、下流噴射は、ＣＯ及びＵＨＣの放出レベルを上昇させ得る。すなわち、燃料が燃焼帯の下流に行き過ぎた位置で多過ぎる量で噴射されると、燃料の不完全燃焼又はＣＯの不十分な燃えきりが生じ得る。従って、遅延噴射の概念を巡る基本原理、及び幾つかの放出に影響を与えるために遅延噴射を如何に用い得るかについては公知であるが、さらに高い燃焼器発火温度を可能にするためにこの方策を如何に最適化し得るかについての困難な設計障害が残っている。従って、効率がよく対費用効果の高い方法で滞留時間のさらなる最適化を可能にする新規の燃焼器設計及び技術は、さらなる技術的進化のために重要な領域であり、このことが、後にあらためて議論されるように本出願の主題である。
【００２１】
本発明の一つの観点では、下流噴射の一体型二段噴射アプローチを提案する。各々の段が、後に議論されるように、燃焼器１２の遠後方部分及び／又はタービン１３の上流領域の範囲内で、他に対して不連続的な軸方向位置を有するように軸方向に隔設され得る。ここで図４を参照すると、本発明の各観点に従って、二つの遅延噴射段の各々の配置のための近似的範囲（影付き部分）を示すガス・タービン・エンジン１０の断面部分が図示されている。さらに明確に述べると、本発明による下流噴射システム３０は、燃焼器１２の尾筒２５の範囲内に画定された内部流路の部分である尾筒帯３９の内部、又はタービン１３の第一段の範囲内で下流に画定された内部流路の内部に、二つの一体型軸方向噴射段を含み得る。本発明の二つの軸方向段は、本書で上流段又は「第一段４１」及び下流段又は「第二段４２」と呼ばれるものを含んでいる。幾つかの実施形態によれば、これらの軸方向段の各々が複数の噴射器３２を含んでいる。段の各々の内部での噴射器３２は、尾筒帯３９又はタービン１３の前方部分の何れかの内部で近似的に同じ軸方向位置に円周方向に隔設され得る。この態様で構成された噴射器３２（すなわち共通の軸方向平面に円周方向に隔設されている噴射器３２）は本書では共通の噴射面３８を有すると記述され、このことについては図５から図７に関して後にあらためて議論される。好適実施形態によれば、第一及び第二段４１、４２の各々における噴射器は、各々の位置において空気及び燃料の両方を噴射するように構成され得る。
【００２２】
図４は、第一段４１及び第二段４２の各々が好適実施形態に従って配置され得るような範囲を軸方向に示している。好ましい軸方向配置を画定するために、図５から図７の断面図又は輪郭図が与えられると、燃焼器１２及びタービン１３は、燃焼器１２のヘッド端２２の近くの上流端から下流端を通ってタービン１３区画に、長手方向中心軸３７の周りに延在する内部流路を画定するものとして記述され得ることが認められよう。従って、第一及び第二段４１、４２の各々の配置は、内部流路の長手軸３７に沿って各々の位置に対して画定され得る。また図４にも示すように、長手方向中心軸３７に垂直に形成される幾つかの参照平面を画定することができ、これらの参照平面は、タービンのこの領域の範囲内で軸方向位置に対するさらなる画定を提供する。これらの第一のものは、燃焼器１２の近似的な軸方向中点すなわち燃焼器１２のヘッド端２２の燃料ノズル２１と下流端との間の略中間に配置された中心軸３７に対して垂直な平面である燃焼器中央面４８である。燃焼器中央面４８は典型的には、ライナ２４／流動スリーブ２６のアセンブリが尾筒２５／衝突スリーブ２８のアセンブリに移行する位置の近くに生ずることが認められよう。第二の参照平面は、図示のように燃焼器１２の後端に画定され、本書では燃焼器端面４９と呼ばれる。燃焼器端面４９は後部フレーム２９の遠下流端を表わす。
【００２３】
好適実施形態によれば、図４に示すように、本発明の下流噴射システム３０は、二つの軸方向噴射段すなわち第一段４１及び第二段４２を含むことができ、これらの段は燃焼器中央面の後方に配置される。さらに明確に述べると、第一段４１は尾筒帯３９の後半部に配置され、第二段４２は第一段４１とタービン１３の第一の静翼列１６との間に配置され得る。さらに好ましくは、第一段４１は、燃焼器１２の後方部分の範囲内で極く遅延して配置され、第二段４２は燃焼器１２の端面４９の近くに又は下流に配置され得る。幾つかの場合には、第一及び第二段４１、４２は、共通の空気／燃料導管が用いられ得るように互いの近くに配置され得る。
【００２４】
次に図５から図１０を参照すると、二段型システムに関わる本発明のさらに他の観点を示した幾つかの好適実施形態が掲げられている。これらの図面の各々が、燃焼器１２及びタービン１３の一例を通る内部流路の断面図を含んでいる。当業者には認められるように、ヘッド端２２及び燃料ノズル２１を本書では主空気及び燃料噴射システムとも呼び、このシステムは、幾つかの構成の任意のものを含むことができるが、本発明の動作は如何なる特定の構成にも依存しない。幾つかの実施形態によれば、ヘッド端２２及び燃料ノズル２１は、米国特許第８，０１９，５２３号（この特許を参照によりその全体として本出願に援用する）に記載され定義されているような遅延希薄又は下流噴射システムと適合するように構成され得る。ヘッド端２２の下流では、ライナ２４が燃焼帯２３を画定することができ、この燃焼帯２３の内部でヘッド端２２に送達される空気及び燃料の主供給の殆どが燃焼する。次いで、尾筒２５がライナ２４から下流に延在して尾筒帯３９を画定することができ、尾筒２５の下流端では、後部フレーム２９が燃焼生成物をタービン１３の初列静翼１６へ向けて導くことができる。
【００２５】
これら第一及び第二噴射段４１、４２の各々が、複数の円周方向に隔設された噴射器３２を含み得る。軸方向段の各々の内部の噴射器３２は、内部流路の長手軸３７に対する垂直な参照平面である共通の噴射面３８に配置され得る。噴射器３２は、図５から図７では分かり易くするために単純化された形態で表わされており、燃焼器１２の下流端若しくは後端、又はタービン１３の内部の初段への空気及び燃料の噴射のための任意の従来の設計を含み得る。何れの段４１、４２の噴射器３２も図３の噴射器３２を含むことができ、また米国特許第８，０１９，５２３号及び同第７，６０３，８６３号（両特許を参照により本明細書に援用する）に記載され又は参照されているものの任意のもの、図１４から図１９に関して後述されるものの任意のもの、並びに他の従来の燃焼器燃料／空気噴射器を含み得る。援用される参考文献に掲げられているように、本発明の燃料／空気噴射器３２も、例えば米国特許第７，６０３，８６３号に記載されているもののような任意の従来の手段及び装置に従って静翼列１６の内部に一体化されたものを含み得る。尾筒帯３９の内部の噴射器３２については、各々が尾筒２５及び／又は衝突スリーブ２８に構造的に支持されることができ、また幾つかの場合には、尾筒帯３９の内部まで延在していてもよい。噴射器３２は、尾筒帯３９を通る主な流れ方向に全体的に横向きである方向で空気及び燃料を尾筒帯３９に噴射するように構成され得る。幾つかの実施形態によれば、下流噴射システム３０の各々の軸方向段は、等間隔で又は他の場合には不等間隔で円周方向に隔設されている幾つかの噴射器３２を含むことができる。一例として、好適実施形態によれば、軸方向段の各々において３個から１０個の噴射器３２が用いられ得る。他の好適実施形態では、第一段は３個から６個の噴射器を含み、第二段（及び存在する場合には第三段）は５個から１０個の噴射器を各々含み得る。これらの円周方向配置に関して、二つの軸方向段４１、４２の間での噴射器３２は互いに関して一直線に又は互い違いに配置されることができ、また後に議論されるように他を補足するように配置されていてもよい。好適実施形態では、第二段４２の噴射器３２よりも第一段４１の噴射器３２の方が主な流れに大きく侵徹するように構成され得る。好適実施形態では、このことにより、第一段４１よりも第二段４２の方が多くの噴射器３２を流路の円周の周りに配置させて有し得る。第一段、第二段、及び存在する場合には第三段の噴射器は各々、動作時に、噴射器が内部流路を流れる流れの主方向に対して垂直な参照線に対して＋３０°と−３０°との間の方向に空気及び燃料を噴射するように構成され得る。
【００２６】
下流噴射システム３０の第一段４１及び第二段４２の軸方向配置に関して、図５及び図６の好適実施形態では、第一段４１は燃焼器中央面４８の直上流又は下流に配置され、第二段４２燃焼器１２の端面４９の近くに配置され得る。幾つかの実施形態では、第一段４１の噴射面３８は、尾筒帯３９の内部で燃焼器中央面４８と端面４９との間の近似的に二半位置に配設され得る。第二段４２は、図５に示すように、燃焼器１２の下流端又は端面４９の直上流に配置され得る。換言すると、第二段４２の噴射面３８は、後部フレーム２９の上流端の直上流に生じ得る。第一及び第二段４１、４２の下流位置は、ここから噴射された反応物質が燃焼器の内部に滞留する時間を短縮することが認められよう。すなわち、燃焼器１３を流れる流れの相対的な一定速度が与えられると、滞留時間の短縮は、反応物質が燃焼器又は火炎帯の下流終端に達する前に走行しなければならない距離に直接関係する。従って、後にあらためて議論されるように、第一段４１の距離５１によって、図６に示すように、噴射された反応物質についての滞留時間が、ヘッド端２２において放出された反応物質の時間の小部分となる。同様に、第二段４２の距離５２によって、反応物質についての滞留時間が、第一段４１において放出された反応物質の時間の小部分となる。前述のように、このように滞留時間が短くなるとＮＯｘ放出レベルが減少する。後にあらためて議論されるように、幾つかの実施形態では、主燃料及び空気噴射システムに対する各噴射段の正確な配置及び互いに対する正確な配置は、軸方向位置、及び燃焼器を流れる算出流量が与えられると、期待される滞留時間に依存し得る。
【００２７】
実施形態のもう一つの例では、図７に示すように、第一段４１の噴射面３８は、尾筒２５の後方四半部に配置されることができ、この配置は図示のように燃焼器１２において図５の第一段４１よりも僅かに下流である。この場合には、第二段４２の噴射面３８は、燃焼器１２の後部フレーム２９に又は端面４９の極く近くに配置され得る。このような場合には、好適実施形態によれば、第二段４２の噴射器３２は後部フレーム２９の構造に一体化され得る。
【００２８】
実施形態のもう一つの例では、図８に示すように、第一段４１の噴射面３８は後部フレーム２９又は燃焼器１２の端面４９の極く僅かに上流に配置され得る。第二段４２は、タービン１３の内部で第一の静翼列１６の軸方向位置に又は極く近くに配置され得る。好適実施形態では、第二段４２の噴射器３２は、上述のようにこの静翼列１６に一体化され得る。
【００２９】
本発明はまた、ヘッド端２２の主空気及び燃料噴射システムと下流噴射システムの第一段４１と第二段４２との間で空気及び燃料を分配するための制御構成を含んでいる。互いに対して、好適実施形態によれば、第一段４１は第二段４２よりも多くの燃料を噴射するように構成され得る。幾つかの実施形態では、第二段４２において噴射される燃料は第一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、第二段４２において噴射される燃料は第一段４１において噴射される燃料の約１０％から５０％である。第一及び第二段４１、４２の各々が、噴射される燃料が与えられた場合に近似的な最小量の空気を噴射するように構成されることができ、このことは、十分なＣＯ燃えきりを可能にしつつＮＯｘ対燃焼器出口温度を近似的に最小にするように解析及び試験によって決定され得る。他の好適実施形態は、ヘッド端２２の主空気及び燃料噴射システムと下流噴射システムの第一段４１と第二段４２との間でのさらに特定的なレベルの空気及び燃料分配を含んでいる。例えば、一好適実施形態では、燃料の分配は、主空気及び燃料噴射システムへは燃料の５０％から８０％、第一段４１へは２０％から４０％、及び第二段へは２％から１０％を含んでいる。これらのような場合には、空気の分配は、主空気及び燃料噴射システムへは空気の６０％から８５％、第一段４１へは１５％から３５％、及び第二段４２へは１％から５％を含み得る。もう一つの好適実施形態では、かかる空気及び燃料分割はさらに一層正確に画定され得る。この場合には、主空気及び燃料噴射システムと第一段４１と第二段４２との間での空気及び燃料分割は、それぞれ燃料については７０／２５／５％、及び空気については８０／１８／２％となる。
【００３０】
二つの噴射段の様々な噴射器は、望まれる動作、並びに好ましい空気及び燃料分割が果たされるような幾つかの方法で制御され構成され得る。これらの方法の幾つかは、米国特許出願第２０１０／０１７０２１９号（この特許出願を参照によりその全体として本出願に援用する）の各観点を含むことが認められよう。図９に概略的に表現されているように、段４１、４２の各々への空気及び燃料供給は共通の制御弁５５を介して制御され得る。すなわち、幾つかの実施形態では、空気及び燃料供給は、共通の弁５５を備えた単一のシステムとして構成されることができ、二段の間で望まれる空気及び燃料分割は、二段の別個の供給通路又は噴射器３２の内部でのオリフィスのサイズ調整を介して受動的に決定され得る。また図１０に示すように、各々の段４１、４２についての空気及び燃料供給は、各々の段４１、４２毎に給送を制御する別個の弁５５によって独立に制御されてもよい。本書で言及される任意の制御式弁は、制御器に電子的に接続されることができ、従来のシステムに従って制御器を介して操作される自身の設定を有し得ることが認められよう。
【００３１】
第一段４１における噴射器３２の数及び各々の噴射器の円周方向位置は、噴射された空気及び燃料が、混合及び燃焼を改善するように主燃焼器流を侵徹するように選択され得る。噴射器３２は、下流噴射位置が与えられた場合に空気及び燃料が短い滞留時間で十分に混合して反応するように主流への侵徹が十分となるように調節され得る。第二段４２についての噴射器３２の数は、第一段４１の噴射から帰結する流れ及び温度のプロファイルを補完するように選択され得る。さらに、第二段は、第一段噴射に要求されるものよりも作動流体の流れにおける噴流侵徹が少なくなるように構成され得る。結果として、第一段よりも多くの噴射点が第二段の流れ経路の周辺の周りに位置し得る。加えて、第一段噴射器３２の数及び形式、並びに各々において噴射される空気及び燃料の量は、燃焼及びＣＯ燃えきりを改善するために、温度が低く且つ／又はＣＯ濃度が高い位置に可燃反応物質を配置するように選択され得る。好ましくは、第一段４１の軸方向位置は、第一段４１を出るＣＯ／ＵＨＣの反応を促進する第二段４２の能力と整合して可能な限り後方に位置すべきである。第二段４２の噴射の滞留時間は極く短いので、ここでは上述のように燃料の相対的に小さい部分が噴射される。第二段４２の空気の量もまた、計算及び試験データに基づいて最小にされ得る。
【００３２】
幾つかの好適実施形態では、第一段４１及び第二段４２は、第二段４２から噴射される空気及び燃料よりも第一段４１から噴射される空気及び燃料の方が内部流路に燃焼流を侵徹させるように構成され得る。これらのような場合には、既述のように、第二段４２は、相対的に強力でない噴射流を生成するように構成されている噴射器３２をより多く（第一段４１に対して）用いることができる。この方策によれば、第一段４１の噴射器３２は、当該噴射器が噴射した空気及び燃料を内部流路の中間領域の燃焼流と混合することを主目的として構成されることができ、第二段４２の噴射器３２は、噴射された空気及び燃料を内部流路の周辺領域の燃焼流と主に混合するように構成されることが認められよう。
【００３３】
本発明の各観点によれば、これらの二つの下流噴射段は、動作時に燃焼器１３に送達される圧縮空気供給の利用に関する効率を高めつつ、内部流路を通じて作用、反応物質混合、及び燃焼特性を改善するように一体化され得る。すなわち、下流噴射に関連する性能利点を達成するためには比較的少ない噴射空気しか必要とされず、これにより、燃焼器１３の後方部分に供給される空気の量、及びこの空気が提供する冷却効果を増大させる。このことと整合して、好適実施形態では、第一段４１の噴射器３２の円周方向配置は、第一段４１の下流の燃焼流における反応物質混合及び温度の一様性を増大させるように、噴射される空気及び燃料が、主空気及び燃料噴射システムからの期待される燃焼流に基づいて内部流路の予め決められた面積を侵徹するような構成を含んでいる。加えて、第二段４２の噴射器３２の円周方向配置は、第一段４１の下流の期待される燃焼流特性が与えられると、第一段４１の噴射器３２の円周方向配置を補完するようなものであってよい。幾つかの異なる燃焼流特性が、燃焼器を通じて燃焼を改善することにとって重要であり、この改善が放出レベルに利益を与え得ることが認められよう。これらの特性としては、例えば燃焼流の内部での反応物質分布、温度プロファイル、ＣＯ分布、及びＵＨＣ分布が挙げられる。かかる特性は、内部流路の内部の軸方向位置又は範囲における燃焼流の内部での何らかの流れ特性の断面分布として画定され得ること、また幾つかのコンピュータ動作モデルを用いてかかる特性を予測することもできるし、実験若しくは実際のエンジン動作試験又はこれらの組み合わせを用いて決定することもできることが認められよう。典型的には、燃焼流が完全に混合されて一様であるときに性能が改善されるので、本発明の一体型二段アプローチはこのことを達成するために用いられ得る。従って、第一段４１及び第二段４２の噴射器３２の円周方向配置は、第一段４１及び第二段４２の噴射器３２の円周方向配置からの空気及び燃料噴射の予測される効果が与えられると、（ａ）動作時の第一段４１の直上流の予測される燃焼流の特性、及び（ｂ）第二段４２の直下流の予測される燃焼流の特性に基づき得る。前述のように、ここでの特性は、反応物質分布、温度プロファイル、ＮＯｘ分布、ＣＯ分布、ＵＨＣ分布、又はこれらの任意のものをモデル化するのに用いられ得る他の関連する特性であってよい。別個に考えると、本発明のもう一つの観点によれば、第一段４１の噴射器３２の円周方向配置は、動作時の第一段４１の直上流の予測される燃焼流の特性に基づくことができ、この特性は、主空気及び燃料噴射システム３０の構成に基づき得る。また第二段４２の噴射器３２の円周方向配置は、第二段４２の直上流の予測される燃焼流の特性に基づくことができ、この特性は、第一段４１の噴射器３２の円周方向配置に基づき得る。
【００３４】
本発明の一体型二段下流噴射システム３０は幾つかの利点を有することが認められよう。先ず、この一体型システムは、第一及び第二段を物理的に結合し、これにより第一段４１をさらに下流に移動させることを可能にすることにより滞留時間を短縮する。第二に、この一体型システムは、第二段が第一段の下流の得られる流れの望ましくない属性に対処するように特別に構成され得るので、第一段においてより多くのより小さい噴射点の利用を可能にする。第三に、第二段を含めることにより、各々の段が単一段システムよりも主流に浅く侵徹するように構成され得ることを可能にし、これにより必要な侵徹を得るのに要求される「担体」空気の利用が少なくて済む。このことは、より少ない空気が流れ円環の内部の冷却流から吸い出されることを意味し、主燃焼器の構造が低下した温度で動作することを可能にする。第四に、短縮された滞留時間は、ＮＯｘ放出を増大させずにより高い燃焼器温度を可能にする。第五に、単一の「二重マニホルド」構成を用いて一体型二段噴射システムの構築を単純化することができるので、これらの様々な利点の達成を対費用効果の高いものにする。
【００３５】
ここで本発明の付加的な実施形態に移ると、噴射段の配置は滞留時間に基づき得ることが認められよう。所載のように、下流噴射段の配置は、限定しないが一酸化炭素放出（ＣＯ）を含む多数の燃焼性能パラメータに影響を与え得る。下流段を主噴射段に過度に近接して配置すると、下流段が燃料補給されないと過剰な一酸化炭素放出を生じ得る。故に、主噴射帯からの流れは、第一の下流噴射段の前に、反応して一酸化炭素を消費する時間を有しなければならない。この所要時間は流れの「滞留時間」であり、又は換言すると、燃焼材料の流れが軸方向に隔設された噴射段の間の距離を走行するのに掛かる時間であることが認められよう。二つの段の間の滞留時間は、二つの位置の間での合計容積、及びガス・タービン・エンジンの動作モードが与えられると算出され得る容積流量に基づいて任意の二つの位置の間でバルクで算出され得る。従って、任意の二つの位置の間での滞留時間は、容積を容積流量で除したものとして算出されることができ、容積流量は質量流量を密度で除したものである。換言すると、容積流量は、質量流量にガス温度を乗じ、当てはまる気体定数を乗じて、ガス圧力で除したものである。
【００３６】
従って、一酸化炭素の放出を含めた放出レベルへの懸念が与えられた場合に、第一の下流噴射段は、燃焼器のヘッド端における主燃料及び空気噴射システムから６ミリ秒（ｍｓ）よりも近接しているべきではない。すなわち、この滞留時間は、何らかのエンジン動作モードにおいて、燃焼流が内部流路に沿って主空気及び燃料噴射システムに画定される第一の位置から下流噴射システムの第一段に画定される第二の位置まで走行するのに掛かる時間である。この場合には、第一段は、主空気及び燃料噴射システムの後方に、少なくとも６ｍｓである第一の滞留時間と同等になるような距離に配置されるべきである。加えて、ＮＯｘ放出の観点からは、下流噴射を遅延させると有益な影響があること、また第二の下流噴射段は燃焼器出口又は燃焼器端面から２ｍｓ未満に配置されるべきであることが決定されている。すなわち、この滞留時間は、何らかのエンジン動作モードにおいて、燃焼流が内部流路に沿って第二段に画定される第一の位置から燃焼器端面に画定される第二の位置まで走行するのに掛かる時間である。この場合には、第二段は、燃焼器端面の前方に、２ｍｓ未満であるこの第二の滞留時間と同等になるような距離に配置されるべきである。
【００３７】
図１１から図１４は、三つの噴射段を備えたシステムを示す。図１１は、三つの段の各々が配置され得る範囲を軸方向に示している。好適実施形態によれば、図１１に示すように、本発明の下流噴射システム３０は、燃焼器中央面の後方に配置された三つの軸方向噴射段すなわち第一段４１、第二段４２、及び第三段４３を含み得る。さらに明確に述べると、第一段４１は、尾筒帯３９に配置され、第二段４２は燃焼器端面４９の近くに配置され、第三段は燃焼器端面４９に又は後方に配置され得る。図１２及び図１４は、三つの噴射段の各々がこれらの範囲内に位置し得るような幾つかの好適実施形態を掲げる。図１２に示すように、第一及び第二段は尾筒帯の内部に位置し、第三段は燃焼器端面の近くに位置し得る。また図１３に示すように、第一段は尾筒帯の内部に位置し、第二及び第三段はそれぞれ、後部フレーム及び第一の静翼列に位置する。幾つかの実施形態では、前述のように、第二段は後部フレームに一体化されることができ、第三段は静翼に一体化される。
【００３８】
本発明はさらに、三つの噴射段を含む下流噴射システムの内部での燃料及び空気の噴射量及び速度を記載する。一実施形態では、第一段、第二段、及び第三段は、第二段において噴射される燃料を第一段において噴射される燃料の５０％に制限し、第三段において噴射される燃料を第一段において噴射される燃料の５０％に制限する構成を含んでいる。もう一つの好適実施形態では、第一段、第二段、及び第三段は、第二段において噴射される燃料を第一段において噴射される燃料の１０％から５０％に制限し、第三段において噴射される燃料を第一段において噴射される燃料の１０％から５０％に制限する構成を含んでいる。他の好適実施形態では、主空気及び燃料噴射システム、並びに下流噴射システムの第一段、第二段、及び第三段は、動作時に各々に対し合計燃料供給の次の百分率が送達されるように構成され得る。すなわち５０％から８０％が主空気及び燃料噴射システムに送達され、２０％から４０％が第一段に送達され、２％から１０％が第二段に送達され、２％から１０％が第三段に送達される。さらに他の好適実施形態では、主空気及び燃料噴射システム、並びに下流噴射システムの第一段、第二段、及び第三段は、動作時に各々に対し合計燃焼器空気供給の次の百分率が送達され得るように構成される。すなわち６０％から８５％が主空気及び燃料噴射システムに送達され、１５％から３５％が第一段に送達され、１％から５％が第二段に送達され、０％から５％が第三段に送達される。もう一つの好適実施形態では、主空気及び燃料噴射システム、並びに下流噴射システムの第一段、第二段、及び第三段は、動作時に各々に対し合計燃料供給の次の百分率が送達されるように構成され得る。すなわち約６５％が主空気及び燃料噴射システムに送達され、約２５％が第一段に送達され、約５％が第二段に送達され、約５％が第三段に送達される。この場合には、主空気及び燃料噴射システム、並びに下流噴射システムの第一段、第二段、及び第三段は、動作時に各々に対し合計空気供給の次の百分率が送達されるように構成され得る。すなわち約７８％が主空気及び燃料噴射システムに送達され、約１８％が第一段に送達され、約２％が第二段に送達され、約２％が第三段に送達される。
【００３９】
図１４から図１９は、本発明のもう一つの観点の各実施形態を掲げており、この観点は、燃料噴射器が後部フレーム２９に組み入れられ得る態様を含んでいる。後部フレーム２９は、前述のように、燃焼器１２の下流端とタービン１３の上流端との間の境界面を提供する枠部材を含んでいる。
【００４０】
図１４に示すように、後部フレーム２９は、内部流路に外接する又は内部通路を包囲する剛性構造部材を形成している。後部フレーム２９は、内部流路の機外境界を画定する内面又は内壁６５を含んでいる。後部フレーム２９は、当該後部フレームが燃焼器及びタービンに接続するための構造要素を含む外面６６を含んでいる。多数の出口孔７４が後部フレーム２９の内壁を通して形成され得る。これらの出口孔７４は、燃料プレナム７１を内部流路６７に接続するように構成され得る。後部フレーム２９は６個から２０個の出口孔を含み得るが、さらに多数又は少数を設けてもよい。出口孔７４は、後部フレームの内壁６５の周囲に円周方向に隔設され得る。図示のように、後部フレーム２９は、円環状断面形状を含み得る。
【００４１】
図１５から図１９に示すように、本発明による後部フレーム２９は、円周方向に延在する燃料プレナム７１を内部に形成して含み得る。図１５に示すように、燃料プレナム７１は燃料入口孔７２を有することができ、燃料入口孔７２は後部フレーム２９の外壁６６を通して形成され、この燃料入口孔７２を通して燃料が燃料プレナム７１に供給される。このように、燃料入口孔７２は、燃料プレナム７１を燃料供給７７に接続し得る。燃料プレナム７７は、内部流路６７に外接する又は内部流路６７を完全に包囲するように構成され得る。図示のように、一旦、燃料が燃料プレナム７１に達したら、燃料は出口孔７４を通って内部流路６７に噴射され得る。図１６に示すように、幾つかの場合には、空気が予混合器８４の内部で燃料と予混合された後に燃料プレナム７１に送達される。代替的には、空気及び燃料を併せて燃料プレナム７１の内部で混合することができ、この一例を図１７に示す。この場合には、後部フレーム２９の外壁６６に空気入口孔７３が形成されることができ、燃料プレナム７１と流体連通することができる。空気入口孔７３は、後部フレーム２９の周りに円周方向に隔設されて、この領域において燃焼器を包囲する圧縮機排出部によって給送され得る。
【００４２】
やはり図１７に示すように、出口孔７４を斜行させてもよい。この角度は内部流路６７を流れる燃焼流に垂直である参照方向に相対的であってよい。幾つかの好適実施形態では、図示のように、出口孔の斜行は燃焼流の下流方向へ向けて０°から４５°であってよい。加えて、出口孔７４は、図１７に示すように後部フレーム２９の内壁６５の表面に対して同一平面に構成されていてよい。代替的には、出口孔７４は、図１９に示すように、各々が内壁６５から離隔して内部流路６７の内部まで突出するように構成されていてもよい。
【００４３】
図１８及び図１９は代替的な実施形態を掲げており、ここでは多数の管８１が燃料プレナム７１を横断するように構成されている。管８１の各々が、第一の端部が空気入口孔７３の一つに接続して、第二の端部が出口孔７４の一つに接続するように構成され得る。幾つかの実施形態では、図１８に示すように、後部フレームの内面６５に形成される出口孔７４は、（ａ）管８１の一つに接続するように構成されている空気出口孔７６と、（ｂ）燃料プレナム７１に接続するように構成されている燃料出口孔７２とを含んでいる。これらの出口孔の各々が、一旦内部流路６７に噴射されたら空気及び燃料の混合を容易にするように互いに対して近接して内壁６５に配置され得る。好適実施形態では、図１８に示すように、空気出口孔７６は円形状を有するように構成され、燃料出口孔７５は空気出口孔７６の円形状の周りに形成される環形状を有するように構成されている。この構成はさらに、一旦内部流路６７に送達されたら燃料及び空気の混合を容易にする。幾つかの実施形態では、管８１は、当該管８１を移動する流体が、燃料プレナム７１を通して移動する流体と、これら二つの流体が内部流路６７に噴射されるまで混合しないようにする中実構造を有することが認められよう。代替的には、図１９に示すように、管７１は、空気及び燃料が内部流路６７に噴射される前に混合することを可能にする開口８２を含み得る。このような場合には、予混合を強化するように、乱流及び混合を促進する構造、例えば乱流発生器８３を開口８２の下流に含めることができる。
【００４４】
当業者には認められるように、幾つかの実施形態の例に関連して上述した多くの変化する特徴及び構成は、本発明の他の可能な実施形態を形成するようにさらに選択的に適用され得る。簡潔にするために、当業者の能力を考慮に入れて、可能な繰り返しの全てが掲げられたり詳細に議論されたりしている訳ではないが、下記の幾つかの請求項に包含される全ての組み合わせ及び可能な実施形態、並びに他の全ての組み合わせ及び可能な実施形態は本出願の一部であるものとする。加えて、発明の実施形態の幾つかの例の以上の記載から、当業者は改良、変形及び改変に想到されよう。技術分野の技倆の範囲内にあるかかる改良、変形及び改変も、特許請求の範囲によって網羅されるものとする。さらに、以上の記載が所載の本出願の各実施形態にのみ関連しており、本書では下記の請求項及びその均等構成によって画定される本出願の要旨及び範囲から逸脱することなく多くの変形及び改変が施され得ることは明らかであろう。
【符号の説明】
【００４５】
１０：ガス・タービン
１１：圧縮機
１２：燃焼器
１３：タービン
１６：静翼列
１７：動翼列
２０：燃焼器
２１：燃料ノズル
２２：ヘッド端
２３：燃焼帯
２４：ライナ
２５：尾筒
２６：流れスリーブ
２７：流れ円環
２８：衝突スリーブ
２９：後部フレーム
３０：下流噴射システム
３１：燃料通路
３２：噴射器
３３：ノズル
３４：移送管
３７：中心軸
３８：噴射面
３９：尾筒帯
４１：第一段
４２：第二段
４３：第三段
４８：燃焼器中央面
４９：燃焼器端面
５１：第一段の距離
５２：第二段の距離
５５：制御弁
６５：内壁
６６：外面
６７：内部流路
７１：燃料プレナム
７２：燃料入口孔
７３：空気入口孔
７４：出口孔
７５：燃料出口孔
７６：空気出口孔
７７：燃料供給
８１：管
８２：開口
８３：乱流発生器
８４：予混合器
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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