(57)【要約】      （修正有）【課題】タービン燃焼器向けの空気拡散器を提供する。【解決手段】システムはタービン燃焼器１４の多重管燃料ノズルを含む。この多重管燃料ノズルは、空気フローを受け取るように構成された内部体積を画定している支持構造７４と、該内部体積の内部に配置されたその各々が対応する燃料噴射器を備えている複数の混合管１８と、タービン燃焼器１４のライナー１０６とフロースリーブ１０８の間の環体１０４から空気入口１０２を通って少なくともその一部が半径方向内方に内部体積内までかつ複数の混合管の方向に空気フローを導くように構成された外側環状壁であって、環体から内部体積まで延びる空気フロー通路８６を少なくとも部分的に画定している外側環状壁と、を含む。【選択図】図２
2014173836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン燃焼器の多重管燃料ノズルを備えたシステムであって、該多重管燃料ノズルは、
空気フローを受け取るように構成された内部体積を画定している支持構造と、
該内部体積の内部に配置されたその各々が対応する燃料噴射器を備えた複数の混合管と、
タービン燃焼器のライナーとフロースリーブの間の環体からの空気フローを少なくともその一部で半径方向内方に空気入口を通って内部体積内までかつ複数の混合管の方向に導くように構成された外側環状壁であって環体から内部体積まで延びる空気フロー通路を少なくとも部分的に画定している外側環状壁と、
を備えている、システム。
【請求項２】
前記空気フロー通路を少なくとも部分的に画定している内側環状壁を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記外側環状壁はフロースリーブから支持構造まで延びる湾曲プロフィールを備えており、かつ前記内側環状壁はライナーと実質的に平行である、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記外側環状壁は第１の曲率半径を有する第１の湾曲プロフィールを備えており、前記内側環状壁は第２の曲率半径を有する第２の湾曲プロフィールを備えている、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の曲率半径及び第２の曲率半径は実質的に等しい、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の曲率半径は第２の曲率半径より大きい、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記外側環状壁と内側環状壁の各々は実質的に一定の角度で内部体積に接近する、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記空気入口は、複数の混合管の各々の対応する燃料噴射器の下流側に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
複数の混合管の各々の側壁は、内部体積から空気フローを受け取るように構成された複数の穴を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数の混合管の各々の複数の穴は、複数の混合管を通過するフロー方向を基準として空気入口の上流側にある、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
燃焼器の多重管燃料ノズルアセンブリを備えるシステムであって、該多重管燃料ノズルアセンブリは、
空気フローを受け取るように構成された内部体積を画定している支持構造と、
支持構造の側壁上に配置された空気拡散器と、
内部体積の内部に配置された複数の混合管であって、その各々が内部体積から空気フローを受け取るように構成されている複数の混合管と、
その各々が少なくともその一部で複数の混合管のうちの対応する１つの内部に配置されていると共に複数の混合管の該対応する１つの中に燃料フローを噴射するように構成されている複数の燃料噴射器と、
を備えている、システム。
【請求項１２】
前記空気拡散器は、空気フローを少なくともその一部で軸フロー方向から半径フロー方向に導くように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記空気拡散器は内側壁及び外側壁を備えており、該内側壁及び外側壁は燃焼器のライナーとフロースリーブの間の環体から内部体積まで延びる空気通路を画定している、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記空気通路の断面は環体から内部体積に至るまでサイズが拡大する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
複数の混合管の各々は、複数の混合管を通過するフロー方向を基準として空気拡散器の上流側に配置させた複数のアパーチャを備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記多重管燃料ノズルアセンブリを有する燃焼器またはガスタービンエンジンを備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
軸フロー方向から半径フロー方向にかつ混合チェンバをその各々が備えた複数の混合管を備えている内部体積の中に空気拡散器によって空気フローを導く工程と、
その各々が複数の混合管の１つの内部に位置決めされた複数の燃料噴射器から複数の混合管内に燃料を噴射する工程と、
燃料−空気混合物を生成するように複数の混合管の各混合管の混合チェンバの内部で空気フローと燃料を混合する工程と、
各混合チェンバからの燃料−空気混合物をタービン燃焼器の燃焼チェンバ内に出力する工程と、
を含む方法。
【請求項１８】
前記複数の混合管の各々は、複数の混合管の各々の側壁に沿いかつ複数の混合管を通るフロー方向を基準として空気拡散器の上流側に配置された複数のアパーチャを通して空気フローを受け取っている、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記空気拡散器は、内部体積を画定している支持構造と一体になっている、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記空気拡散器は、複数の混合管及び複数の燃料噴射器を囲繞する支持構造の半径方向側壁上に配置されている、請求項１７に記載の方法。
【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全般的にはタービン燃焼器に関し、またより具体的にはタービン燃焼器向けの空気拡散器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは燃料と空気から成る混合物を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させており、次いでこれにより１つまたは複数のタービン段を駆動させている。具体的にはこの高温の燃焼ガスによってタービンブレードに力を加えて回転させ、これによってシャフトを駆動して例えば発電機などの１つまたは複数の負荷を回転させている。ガスタービンエンジンは、燃料及び空気を燃焼器内に噴射するための燃料ノズルアセンブリ（例えば、複数の燃料ノズルを備える）を含む。燃料ノズルアセンブリに関するこの設計及び構造は、燃料と空気の混合及び燃焼に大きな影響を及ぼす可能性があり、次いでこれはガスタービンエンジンの排気物質（例えば、窒素酸化物、一酸化炭素、その他）及びパワー出力に影響を与える可能性がある。さらに燃料ノズルアセンブリの設計及び構造は、据え付け、取り外し、メンテナンス及び一般的サービスに関する時間、コスト及び複雑性に大きな影響を及ぼす可能性がある。したがって、燃料ノズルアセンブリの設計及び構造を改善することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０１２５５４９号明細書
【発明の概要】
【０００４】
先に特許請求した発明と請求範囲が同等のある種の実施形態について以下に要約することにする。これらの実施形態は、特許請求した本発明の範囲を制限するように意図したものではなく、これらの実施形態はむしろ、本発明に関する可能な形態の手短な要約を提供することのみを目的としたものである。実際に本発明は、以下に記載した実施形態と同様とすることもこれと異なることもあり得る多種多様な形態を包含することができる。
【０００５】
第１の実施形態によるシステムは、タービン燃焼器の多重管燃料ノズルを含む。この多重管燃料ノズルは、空気フローを受け取るように構成された内部体積を画定している支持構造と、該内部体積の内部に配置されたその各々が対応する燃料噴射器を含んだ複数の混合管と、を含む。この多重管燃料ノズルはさらに、タービン燃焼器のライナーとフロースリーブの間の環体からの空気フローを空気入口を通って少なくともその一部を半径方向内方に内部体積内までかつ複数の混合管の方向に導くように構成された外側環状壁を含む。この外側環状壁は、環体から内部体積まで延びる空気フロー通路を少なくとも部分的に画定する。
【０００６】
第２の実施形態によるシステムは燃焼器の多重管燃料ノズルアセンブリを含む。この多重管燃料ノズルアセンブリは内部体積を画定している支持構造を含み、かつこの内部体積は空気フローを受け取るように構成されている。この多重管燃料ノズルアセンブリはさらに、支持構造の側壁上にある空気拡散器と、内部体積内部にあってその各々が内部体積から空気フローを受け取るように構成された複数の混合管と、複数の燃料噴射器と、を含む。燃料噴射器の各々は、少なくともその一部が複数の混合管の対応する１つの内部に配置されており、かつ混合管の該対応する１つの中に燃料フローを噴射するように構成されている。
【０００７】
第３の実施形態による方法は、軸フロー方向から半径フロー方向にかつ混合チェンバをその各々が備えた複数の混合管を備えている内部体積の中に空気拡散器によって空気フローを導く工程と、その各々が複数の混合管の１つの内部に位置決めされた複数の燃料噴射器から複数の混合管内に燃料を噴射する工程と、燃料−空気混合物を生成するために複数の混合管の各混合管の混合チェンバ内部で空気フローと燃料を混合する工程と、各混合チェンバからタービン燃焼器の燃焼チェンバ内に燃料−空気混合物を出力する工程と、を含む。
【０００８】
本発明の実施形態に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】多重管燃料ノズルを有するタービンシステムの一実施形態のブロック図である。
【図２】一体型空気拡散器を有する図１のタービン燃焼器の一部分の側面断面図である。
【図３】図２の一体型空気拡散器を有する図２のタービン燃焼器の一部分の側面断面図である。
【図４】一体型拡散器の一実施形態の図である。
【図５】一体型拡散器の一実施形態の図である。
【図６】一体型拡散器の一実施形態の図である。
【図７】一体型拡散器の一実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態について以下で説明することにする。これらの実施形態に関する精細な説明を提供しようとする試みの中で、本明細書に実際の実現形態のすべての特徴が記載されないこともあり得る。こうした実際のあらゆる実現形態の開発にあたってエンジニアリングや設計のあらゆるプロジェクトの場合と同様に、実現形態ごとに様々となり得るシステム関連や事業関連の制約との適合など開発者の具体的な目標を達成するために多くの実現形態特異的な決定を行わねばならないことを理解されたい。さらに、こうした開発努力は複雑かつ時間を要することもあり得るが、本開示の恩恵を有する当業者にとってはしかしながら設計、製作及び製造のルーチン作業となることを理解されたい。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する際に、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」及び「前記（ｓａｉｄ）」によって当該要素が１つまたは複数存在する意味であること示している。「を備えた（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」という表現により列挙した要素以外に追加の要素が包含されること並びに存在し得ることを示している。
【００１２】
ガスタービンエンジンは、燃焼チェンバの内部で燃焼させる前に燃料と空気を事前混合するための構成要素を含むことがある。開示した実施形態は、複数の混合管（例えば、空気／燃料混合管）に空気を分配するように構成した空気拡散器を有する燃料／空気事前混合システムを目的としている。ある種の実施形態ではその空気拡散器は、燃焼器の側壁上に配置させることがあり、またより均一な管対管空気分布を提供する一方で軸方向速度を維持しかつフロー分離を低減するために空気フローに半径方向内方の方向転換を付与することがある。ここで説明した実施形態によればさらに、例えば製造コストの低減、より均一な空気分布、装置寿命の延長及び／または排気物質の削減を提供できる。
【００１３】
ここで図面を見ると図１は、ガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図を表している。より詳細には以下で説明するが、開示したタービンシステム１０は一体型の空気拡散器を利用することがある。図示したように、システム１０はさらに圧縮器１２、タービン燃焼器１４及びタービン１６を含む。タービン燃焼器１４は、例えば１つまたは複数の多重管燃料ノズル内に１つまたは複数の混合管１８（例えば、１０〜１０００本の混合管）を含むことがある。混合管１８は、燃料２０と空気、酸素、酸素富化空気、酸素削減空気あるいはこれらの任意の組み合わせといった加圧オキシダント２２との両方を受け取るように構成させることがある。以下の検討ではこのオキシダントが空気２２を意味するとしているが、開示した実施形態には適当な任意のオキシダントを用いることができる。混合管１８は、直径を概ね０．５〜２、０．７５〜１．７５あるいは１〜１．５センチメートルの間とし得るマイクロ混合管として説明することがある。混合管１８は、密な間隔とした管から成る１つまたは複数の束の形に配列させること（一般には、互いに対して平行な配列とする）がある。この構成では各混合管１８は、各混合管１８の内部で比較的小規模な混合（例えば、マイクロ混合）を行い、次いで燃料−空気混合物を燃焼チェンバ内に出力するように構成されている。ある種の実施形態ではそのシステム１０が、液体燃料及び／または天然ガスや合成ガスなどの気体燃料２０を用いることがある。さらに燃焼器１４は、上で言及すると共に図２でより詳細に説明するような空気拡散器を包含することがあり、これを複数の混合管１８に空気フローを導くように構成させることがある。この空気拡散器は、混合管１８に対する分布の均一性を向上させるようにその加圧空気のフロー２２を条件付けすることがあり、さらにまた燃焼器と一体とさせることがある。さらに空気拡散器は、空気フローに対して半径方向内方への方向転換を付与することがあり、これにより混合管１８全体にわたる望ましい空気速度分布に寄与させることがある。
【００１４】
圧縮器１２の構成要素として圧縮器ブレードが含まれる。圧縮器１２内のブレードは、シャフト２４に結合させており、以下に記載するようなタービン１６によってシャフト２４が回転するように駆動されるに従ってこれが回転することになる。圧縮器１２内でのブレードの回転によって、空気取込口３０からの空気３２を加圧空気２２となるように圧縮させている。この加圧空気２２は次いで、タービン燃焼器１４の混合管１８内に供給される。混合管１８の内部で加圧空気２２と燃料２０は、燃料２０の無駄や過剰な排気物質を生じさせないように燃焼（例えば、燃料をより完全に燃やすような燃焼）に適した燃料−空気混合物比を生成するように混合されている。
【００１５】
タービン燃焼器１４は、燃料−空気混合物に点火して燃焼させ、次いで高温の加圧燃焼ガス３４（例えば、排気）をタービン１６内に送っている。タービンブレードはシャフト２４に結合させており、このシャフト２４はさらにタービンシステム１０全体にある幾つかの別の構成要素に結合させている。燃焼ガス３４がタービン１６のタービンブレードに当たりかつこれらの間を流れる際に、タービン１６は回転するように駆動を受け、これがシャフト２４を回転させる。燃焼ガス３４は排気出口２６を通じてタービンシステム１０を出ることになる。さらにシャフト２４は、シャフト２４の回転を通じてパワー供給を受ける負荷２８と結合させることがある。例えば負荷２８は、発電機、航空機のプロペラその他などタービンシステム１０の回転出力を通じてパワーを生成し得る適当な任意のデバイスとすることがある。以下の検討では、タービンシステム１０のアキシャル軸すなわち軸方向３６、ラジアル軸すなわち半径方向３８、及び／あるいは円周性軸すなわち円周方向４０に言及することがある。以下に記載する方式において、燃焼器１４用の空気拡散器は、混合管１８に対するより望ましい空気フローを可能とすることができ、かつ耐久性、信頼性及び製造容易性がより高いマイクロ混合システムに寄与することができる。
【００１６】
図２は、加圧空気２２を複数の混合管１８に分配し得るような空気拡散器６０を有する図１の燃焼器１４の一実施形態の断面概要図である。図示したように燃焼器１４はさらに、端部カバー６２、燃料プレナム６４及び燃焼チェンバ１０７を含む。複数の混合管１８は、燃焼器１４の頭側端部６８の内部に位置決めされている。混合管１８は、全体としてキャップフェイス７０と端部カバー６２の間を延びることがあり、また軸方向３６に延びることがある。幾つかの実施形態ではその混合管１８は、混合管１８が端部カバー６２またはキャップフェイス７０に取り付けられることがないようにして頭側端部６８に吊着されている。しかし別法として混合管１８は、キャップフェイス７０及び／または端部カバー６２の少なくとも一方に結合させることがある。さらに混合管１８は、混合管１８に対して構造性及び制振性の支持を提供し得るような空気分配器プレート７２を通過させることがある。分配器プレート７２は、混合管１８に対応するアパーチャを有し、混合管１８が該アパーチャを通って延びるようにさせることがある。分配器プレート７２は、混合管１８、空気分配器プレート７２及び燃焼器１４の構成要素の周りに円周方向４０に延びる樽状の構造とし得る支持構造７４に対して着脱可能に結合させることがある。
【００１７】
端部カバー６２はさらに、混合管１８に燃料２０を提供するための燃料プレナム６４を含む。燃料プレナム６４は、軸方向３６で混合管１８までの燃料ルートを設定しており、一方混合管１８は半径方向３８で空気を受け取っている。キャップフェイス７０は、支持構造７４から切り離せるように（例えば、半径方向スプリングによりあるいはボルトなどの留め具によって）燃焼器１４の頭側端部６８に対して着脱可能に結合させることがある。さらに、キャップフェイス７０の上流側で支持構造７４に対してリテーナプレート７６を結合させることがある。キャップフェイス７０と同様にリテーナプレート７６も、混合管１８や頭側端部６８の別の構成要素に対する検査、メンテナンス及び／または取り外しを可能とさせるようにして取り外せるように、支持構造７４に対して着脱可能に結合（例えば、ボルト留め、ねじ切り、その他）とさせることがある。リテーナプレート７６は、混合管１８の下流側端部７８に対して追加的な支持を提供することがある。
【００１８】
一体型空気拡散器６０（例えば、フロー分配器、バッフル、コンジットあるいは旋回ベーン）によれば、燃焼器１４の頭側端部６８の内部の加圧空気２２の分布を改善させることができる。拡散器６０は、前方（例えば、上流側方向）へ、半径方向３８の内方へかつ／または複数の混合管１８と交差した外部へ加圧空気２２を分配するように構成された環状フロー調和拡散器６０とすることがある。例えば拡散器６０は、空気キャビティ８４（例えば、開口）及び混合管１８に向かって半径方向３８で内方に徐々に収束（例えば、角度付けまたは湾曲）をさせたテーパ付きの環状壁８２を含むことがある。拡散器６０はさらに、キャビティ８４及び混合管１８に接近するにつれて全般的に断面積が発散または増大するような環状内部通路８６を含むことがある。幾つかの実施形態ではその拡散器６０は、各混合管１８に対して加圧空気２２が実質的に均一に分配されるようにして加圧空気２２を拡散させている。
【００１９】
空気拡散器６０は、混合管１８、リテーナプレート７６、空気分配器プレート７２及び燃焼器１４の別の構成要素の周りに円周方向に延ばし得る支持構造７４の側壁８８上に配置させることがある。例えば空気拡散器６０は、端部カバー６２とキャップフェイス７０の間のある点において側壁８８上に配置させることがある。テーパ付き環状壁８２は、半径方向３８で内方に方向転換させたときに軸方向運動量（例えば、軸方向３６に沿ったもの）を維持しながら混合管１８に向けて加圧空気２２を流すような軸方向３６の接近を可能とさせるような角度（例えば、５、１０、１５、２０、３０、４５、６０、７５または９０度、あるいはこれらの間の任意の範囲）で側壁８８を接合することがある。半径方向３８で内方への空気の方向転換によって空気拡散器６０は、フロー分離（例えば、拡散器６０壁からの分離）を低減しかつ圧力損失を低減しながら管１８対管１８に関するより均一な加圧空気フロー２２の分布を提供することができる。ある種の実施形態ではその燃焼器１４は１つまたは複数の空気拡散器６０を有することがある。例えば、各燃料プレナム６４ごとに１つ、２つ、３つあるいはこれ以上の空気拡散器６０を存在させることがある。したがって複数の空気拡散器６０は、燃焼器１４の周りで円周方向４０に延びることがある。
【００２０】
上で記載したように圧縮器１２は、空気取込口３０から空気３２を受け取り、この空気３２を圧縮し、かつ燃焼過程で用いる加圧空気２２のフローを生成している。矢印１００で示したように加圧空気２２は、複数の混合管１８の各々の対応する燃料噴射器６６の下流側とし得る空気入口１０２（例えば、環状空気入口や円周方向に離間させた複数の空気入口）を通して燃焼器１４の頭側端部６８に提供される。空気入口１０２は、混合管１８の側壁に向けて空気２２を横断方向または半径方向３８で内方に導いている。より具体的には加圧空気２２は、圧縮器１２から燃焼器１４のライナー１０６とフロースリーブ１０８の間の環体１０４を通って方向矢印１００に示すように流れて頭側端部６８に至っている。ライナー１０６は、燃焼チェンバ１０７の周りに円周方向４０に位置決めされており、環体１０４はライナー１０６の周りに円周方向４０に位置決めされており、かつフロースリーブ１０８は環体１０４の周りに円周方向４０に位置決めされている。頭側端部６８に到達すると空気２２は、矢印１０１で示すように少なくともその一部が軸方向３６から半径方向３８に曲げられて入口１０２を通り混合管１８に至る。
【００２１】
加圧空気２２は、分配器プレート７２内の複数のアパーチャ（例えば、管１８を支持する及び／または管１８の間にあるアパーチャ）を通過し、１つまたは複数の側面開口を通って混合管１８の各々に入り、さらに複数の混合管１８内で燃料２０と混合される。空気分配器プレート７２は（例えば、アパーチャを介して）混合管１８の各々の中まで通る空気２２の均一性を増大し得ることが理解されよう。各混合管１８は混合管１８の軸方向端部部分を通して軸方向３６で燃料２０を受け取る一方で、さらに混合管１８内の複数の側面開口を通して空気２２も受け取っている。したがって、個々の各混合管１８の内部で燃料２０と空気２２が混合される。矢印１１０で示したように、燃料−空気混合物は混合管１８の内部を下流方向に燃焼チェンバ１０７内に流れ入り、ここで燃料−空気混合物が点火及び燃焼されて燃焼ガス３４（例えば、排気）が形成されている。燃焼ガス３４は、タービン燃焼器１４の遷移片１１４に向かう方向１１２に流される。燃焼ガス３４は、矢印１１６に示すように遷移片１１４を通過してタービン１６に向かわせ、ここで燃焼ガス３４によるタービン１６内部でのブレードの回転を駆動している。
【００２２】
空気拡散器６０は、加圧空気２２を複数の混合管１８まで導くように構成されることがある。より具体的には空気拡散器６０は軸方向３６からの加圧空気２２を半径方向３８で内方向に導くことがあり、これにより複数の混合管１８に対して空気２２を均等に分配しながら、空気フローの半径方向３８の移動に対する円周方向４０の妨害を最小限とし、フロー分離を低減させかつ圧力損失を低減させることができる。
【００２３】
図３は、燃焼器１４の内部にある複数の混合管１８及び空気拡散器６０の一部分の側面断面図である。空気拡散器６０は、外側面９２（例えば、外側環状壁）と内側面９４（例えば、内側環状壁）を有する環状の内部通路８６を含んでおり、これが軸方向３６で支持構造７４の側壁８８に近づいている。外側面９２は、フロースリーブ１０８から支持構造７２まで延びる湾曲したプロフィールを含むことがある。内側面９４はライナー１０６と平行とすることがあり、またさらには環状内部通路８６（例えば、空気フロー通路）を少なくとも部分的に画定することがある。さらに、外側面９２が第１の曲率半径を有することがありかつ内側面９４が第２の曲率を有することがある。第１の曲率半径と第２の曲率半径は実質的に等しいことがあり、あるいは第１の曲率半径が第２の曲率半径より大きいことがある。
【００２４】
燃焼器１４はさらに、混合管１８、端部カバー６２、燃料プレナム６４及び複数の燃料噴射器６６を含むことがある。図示したように各混合管１８は、混合管１８の第１の端部１３６（例えば、軸方向端部開口）と下流側端部７８（例えば、軸方向端部開口）の間を延びる通路またはチェンバ１３４を有する。幾つかの実施形態ではその混合管１８の下流側端部７８はキャップフェイス７０を通過して延びることがあり、これにより混合管１８の下流側端部７８に概して配置させた軸方向端部開口を通して燃料−空気混合物を混合管１８から燃焼チェンバ１０７内に出力させることができる。
【００２５】
幾つかの実施形態ではその端部カバー６２を、混合管１８の第１の端部１３６の上流側でかつその近傍に位置決めすることがある。端部カバー６２は、端部カバー６２の内部の１つまたは複数の燃料プレナム６４（例えば、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個あるいはこれ以上の燃料プレナム）まで燃料２０がそれを通して提供される１つまたは複数の燃料入口１４０を含むことがある。さらに各燃料プレナム６４は、１つまたは複数の燃料噴射器６６（例えば、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個あるいはこれ以上の燃料噴射器）に対して流体接続させることがある。図示したように各混合管１８は、矢印１４２で示したような軸方向３６で燃料２０を受け取っている対応する燃料噴射器６６を含む。幾つかの実施形態ではその端部カバー６２は、混合管１８及び関連する燃料噴射器６６のすべてに関して単一の共通燃料プレナム６４（例えば、燃料供給チェンバ）を含むことがある。別の実施形態ではそのシステム１０は、その各々が燃料２０を下位群の燃料噴射器６６にまた最終的には各燃料噴射器６６に関連付けされた混合管１８に提供しているような１個、２個、３個あるいはこれ以上の燃料プレナム６４を含むことがある。例えば、１つの燃料プレナム６４によって、約５個、１０個、５０個、１００個、５００個、１０００個あるいはこれ以上の燃料噴射器６６に燃料を提供することがある。幾つかの実施形態では、異なる燃料プレナム６４により供給を受ける燃料噴射器６６の下位群を有する燃焼器１４によって、燃料噴射器６６と対応する混合管１８の１つまたは複数の下位群に対する動作を他のものと比べてよりリッチ化またはリーン化することが可能となり、これによりさらに例えば燃焼過程に対する制御をより高めることを可能にし得る。さらに複数の燃料プレナム６４によれば、燃焼器１４に複数のタイプの燃料２０を（例えば、同時に）用いることを可能にし得る。
【００２６】
支持構造７４は燃焼器１４の頭側端部６８を囲繞することがあり、また支持構造７４は混合管１８並びにリテーナプレート７６や分配器プレート７２など頭側端部６８内部にある別の構造を全般的に保護及び／または支持することがある。上で記載したように幾つかの実施形態では、加圧空気２２が空気入口１０２を通って頭側端部６８に入ることがある。より具体的には加圧空気２２は、（例えば、概ね矢印１０１に示すような半径方向３８で）空気入口１０２を通り横方向に頭側端部６８の内部の空気キャビティ８４の中に流れ込むことがある。空気キャビティ８４は、複数の混合管１８同士の間にありかつ支持構造７４（例えば、外側壁）によって囲繞された空間体積を含む。加圧空気２２が複数の混合管１８の各々まで流れるに連れて加圧空気２２は空気キャビティ８４の全体に広がる。
【００２７】
図２において説明しさらに図３にも示したように、空気拡散器６０によって頭側端部６８内部における加圧空気２２の分布を改善することができる。ある種の実施形態ではその拡散器６０は、燃焼器１４の支持構造７４と一体とさせる（例えば、これとで単一片とする）ことがあり、また端部カバー６２とキャップフェイス７０の間に配置させることがある。例えば空気拡散器６０は、複数のアパーチャ９０の下流側（例えば、燃料フロー２０を基準とした下流側）で加圧空気２２を受け取るように構成し得る混合管１８の各々の側面壁に配置させることがある。空気拡散器６０は加圧空気２２を、前方に、半径方向３８で内方に及び／または複数の混合管１８と交差した外部に分配するように構成されることがある。例えば拡散器６０は、キャビティ８４及び混合管１８に向かって半径方向３８で内方に徐々に収束（例えば、角度付けまたは湾曲）をさせたテーパ付きの環状壁８２を含むことがある。テーパ付き環状壁８２は、半径方向３８で内方に方向転換させる際に軸方向運動量（例えば、軸方向３６に沿った運動量）を維持しながら軸方向に接近する加圧空気２２の混合管１８内のアパーチャ９０に向かう流れを可能にし得るような角度で支持構造７４を接合することがある。拡散器６０はさらに、キャビティ８４及び混合管１８に向かって断面積が全体として発散または増大するような環状内部通路８６を含むことがある。幾つかの実施形態ではその拡散器６０は、各混合管１８に対して加圧空気２２が実質的に均一に分配されるようにして加圧空気２２を拡散させることがある。
【００２８】
ある種の実施形態ではその環状内部通路８６は外側面９２と内側面９４を有することがある。環状内部通路８６は側壁８８に向かって角度を付けることや、側壁８８に向かって徐々に曲げられることがある。幾つかの実施形態ではその外側面９２と内側面９４は、互いに概して平行に延びる（例えば、外側面９２と内側面９４は実質的に一定角度及び／または等しい角度で側壁８８に接近する）ことがあり、あるいはこれらは環状通路８６のマウス９６の寸法が通路８６の寸法より大きくなるように側壁８８に近づくに連れて発散させる（例えば、すそ広がり（ｆｌａｒｅ）とさせる）ことがある。換言すると、通路８６の断面積はマウス９６に近づくに連れて大きくすることがある。例えば内側面９４は軸方向３８を基準としてある角度で側壁８８に近づくことがある一方、外側面９２は軸方向３８を基準としてこれより大きな角度（例えば、５度、１０度、１５度、２０度、３０度または４５度だけ大きい角度）で側壁８８に近づくことがある。通路８６のマウス９６の位置を広げることによって空気拡散器６０は、混合管１８内のアパーチャ９０まで半径方向３８に方向転換させる際に加圧空気２２に軸方向３６の速度を維持させることを可能にすることがある。
【００２９】
空気分配器プレート７２は、頭側端部６８のキャビティ８４の内部に配置されることがあり、かつ全体として端部カバー６２とキャップフェイス７０の間に位置決めされることがある。空気分配器プレート７２にある穿孔は一般に加圧空気２２の追加的な拡散及び分布を提供し、混合管１８に対する加圧空気２２の分配を改善させることができる。一例として加圧空気２２は、空気入口１０２を通って頭側端部６８に入った後で、空気キャビティ８４を通って分配される際に混合管１８を横断して流れることがある。空気２２が混合管１８を横断するように通過する際に、混合管１８自体が交差フローの妨害となって、これによりさらに混合管１８への空気２２の分配に寄与することがある。次いで空気分配器プレート７２は（例えば、穿孔を介して）各混合管１８内のアパーチャ９０に空気を分配することがある。加圧空気２２は次いで、混合管１８内のアパーチャ９０を通って各混合管１８内に入ることがある。
【００３０】
アパーチャ９０は、各混合管１８の混合チェンバ１３４内での空気２２と燃料２０との分配及び混合を支援することがある。アパーチャ９０は、多種多様な形状、サイズ及び配列を有するように構成されることがある。例えばアパーチャ９０は、全体として円形、楕円形または矩形の断面形状とすることがある。アパーチャ９０はさらに、概ね０．００１センチメートルから概ね１．５センチメートル以上までの範囲の直径または寸法を有することがある。アパーチャ９０はさらに、概ね０．０１〜１．０、０．０５〜０．５あるいは０．１〜０．２５センチメートルの範囲の直径または寸法を有することがある。幾つかの実施形態では、アパーチャ９０のうちの１つまたは複数の横列を混合管１８の各々の円周の周りで離間させる（例えば、均等に離間させる）ことがある。混合管１８内に形成したアパーチャ９０は実質的に同様の形状、サイズ及び／または角度を有することがあり、また別の実施形態ではそのアパーチャ９０が異なる形状、サイズ及び／または角度を有することがある。一般にアパーチャ９０は、混合管１８に沿った任意の箇所に位置決めすることができる。しかしある種の実施形態ではそのアパーチャ９０は、燃料２０が燃料噴射器６６を通って混合管１８に入る位置から上流側に位置決めすることがある。アパーチャ９０は、複数の混合管１８と通るフロー方向を基準として空気入口１０２の上流側とすることがある。さらにアパーチャ９０は、燃料噴射器６６の周りで円周方向４０に離間させ、これにより燃料噴射器６６に向って空気を半径方向３８で内方に導くことがある。したがってアパーチャ９０は、例えば交差性のフローを介した燃料２０との空気２２の混合の促進を支援することがある。
【００３１】
図３に示したように幾つかの実施形態では、燃焼器１４はさらにリテーナプレート７６及び衝突プレート１４６を有する。リテーナプレート７６及び衝突プレート１４６は、燃料噴射器６６の下流側でかつキャップフェイス７０の概して近傍に位置決めされることがある。キャップフェイス７０、リテーナプレート６４及び／または衝突プレート１４６は、例えば支持構造７４から取外し可能とすることや分離可能とすることがある。リテーナプレート７６は、各混合管１８の下流側端部（例えば、下流側端部７８）に結合させるように構成されると混合管１８に対する支持を提供することがある。衝突プレート１４６は、キャップフェイス７０と実質的に隣接して位置決めされることがあり、また幾つかの実施形態ではその衝突プレート１４６をリテーナプレート７６とキャップフェイス７０の間に位置決めすることがある。衝突プレート１４６は混合管１８を支持することがあり、また追加としてまたは別法として燃焼器１４内部におけるキャップフェイス７０の冷却を提供することがある。例えば衝突プレート１４６は、衝突冷却のために空気のジェットがキャップフェイス７０の背面に当たるように構成した複数の衝突冷却用穴を含むことがある。
【００３２】
上で検討したようにまた図３に示したように、燃焼器１４の各混合管１８ごとに１つの燃料噴射器６６を設けている。換言すると、燃料２０をそれぞれの混合管１８内に伝達するために各混合管１８の一部分の内部に１つの燃料噴射器６６が位置決めされている。幾つかの実施形態ではその燃料噴射器６６は、燃料噴射器６６を軸方向３６で各混合管１８の第１の端部１３６を通って挿入することによって各混合管１８の内部に全体として共軸性に位置決めされることがある。ある種の実施形態ではその混合管１８は、各混合管１８による対応する燃料噴射器６６の受け容れを可能とするようなサイズ、形状及び構成を有することがある。
【００３３】
一体型空気拡散器６０は、燃焼器１４の頭側端部６８の内部における複数の混合管１８を横断する空気２２の分布均一性を増大させることによって、耐久性、信頼性及び製造容易性がより高いマイクロ混合システムに寄与することができる。したがって空気拡散器６０は、ガスタービンシステム１０の堅牢性を増大させると共にシステム１０のライフサイクルコストを低減することができる。
【００３４】
図４〜７は、空気拡散器６０の様々な実施形態を表している。各実施形態は、テーパ付き環状壁８２、空気キャビティ８４、環状内部通路８６、外側面９２及び内側面９４を含む。図２及び３の場合と同様にこの空気拡散器６０は、支持構造７４の側壁８８上で（例えば、混合管１８内の燃料フロー２０を基準として）混合管１８内のアパーチャ９０の下流側に配置させている。図４の実施形態では、外側面９２はある角度で支持構造７４に近づく一方、内側面９４は外側壁８８と概して平行である（例えば、これと整列している）。さらに外側面９２は、徐々に変化する角度（例えば、徐々に増加する角度）で支持構造７４に近づく。換言すると外側面９２は支持構造７４に近づくに連れて曲がっている。内側面９４は外側壁８８と概して平行であるため、空気拡散器６０を通って流れる空気２２は、空気キャビティ８４に入る際に軸方向３６でより大きな速度をかつ半径方向３８でより小さい速度を有することがあり、これによって（例えば、混合管１８の燃料フロー２０を基準として）混合管１８内のアパーチャ９０のさらに下流側への拡散器６０の配置が可能となる。さらに、複数の半径方向支柱１４８によって環状内部通路８６に対する構造的支持を提供することがあり、あるいはこれによって支持構造７４への拡散器６０の確保を支援することがある。一例として、図４では空気拡散器６０の内部に１つの半径方向支柱１４８を図示しているが、環状通路８６の内部または外部に複数の支柱１４８を延ばすことがある。支柱１４８を内側環状通路８６の内部に延ばしている場合、これらはさらに拡散器６０を通過する際に空気２２のフローを条件付けし、その半径方向３８の方向転換に寄与することができる。
【００３５】
これと異なり図５は、全体として互いに平行であると共に側壁８８に近づくにつれて下流側に曲がっているような外側面９２と内側面９４を有する拡散器６０の一実施形態を表している。換言すると、外側面９２の角度と内側面９４の角度は、支持構造７４に近づくに連れて徐々に変化する（例えば、上流側角度から下流側角度まで徐々に移行する）。この拡散器６０を通って流れる空気２２は、その有する半径方向３８の速度が軸方向３６の速度より大きいことがある。図６は、すそ広がりとなっており拡散器６０から離れるに連れて空気２２の広がりまたは拡散が増大し得るようなマウス９６を有する拡散器６０の一実施形態である。この実施形態ではその外側面９２と内側面９４は支持構造７４に近づくに連れて湾曲しており、また外側面９２と内側面９４は全体として互いに平行でない（例えば、整列していない）。環状内部通路８６のマウス９６がすそ広がりとなっているため、図６の拡散器６０を出る空気２２は空気キャビティ８４に入る際に軸方向３６でより広い面積にわたって拡散することがある。さらに外側面９２と内側面９４は空気２２が（例えば、混合管１８内の燃料フロー２０を基準として）下流側に導かれるように湾曲させ、これにより混合管１８内のアパーチャ９０により近づけた拡散器６０の配置を可能とさせることがある。図７は全体として直線状でありかつ互いに平行な外側面９２と内側面９４を有する拡散器６０の一実施形態である。換言すると外側面９２と内側面９４は、全体として一定かつ同様の角度で支持構造７４に接近している。この拡散器６０によれば、湾曲した環状内部通路８４を有する拡散器６０と比べて空気２２のフローに全体としてより直線的な経路を有させることができる。
【００３６】
上で記載したように開示した実施形態は、タービン燃焼器１４の側壁８８上に配置させ得る空気拡散器６０を含む。この一体型空気拡散器６０は、複数の混合管１８内での事前混合の品質を改善させるために入口空気２２のフローに対して半径方向３８で内方の方向転換を付与すること、さもなければこのように条件付けすることができるので有利である。ここで説明したシステムは例えば、製造コストの低減、より容易な修復手続き、装置寿命の延長及び／または排気物質の削減を提供することができる。
【００３７】
この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を含む場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０  ガスタービンシステム
１２  圧縮器
１４  タービン燃焼器
１６  タービン
１８  混合管
２０  燃料
２２  加圧空気フロー
２４  シャフト
２６  排気出口
２８  負荷
３０  空気取込口
３２  空気
３４  燃焼ガス
３６  軸方向
３８  半径方向
４０  円周方向
６０  空気拡散器
６２  端部カバー
６４  燃料プレナム
６６  燃料噴射器
６８  燃焼器の頭側端部
７０  キャップフェイス
７２  空気分配器プレート
７４  支持構造
７６  リテーナプレート
７８  下流側端部
８２  テーパ付き環状壁
８４  環状内部通路
８６  環状の内部通路
８８  支持構造の側壁
９０  アパーチャ
９２  外側面
９４  内側面
９６  マウス
１０２  空気入口
１０４  環体
１０６  ライナー
１０７  燃焼チェンバ
１０８  フロースリーブ
１１４  遷移片
１３４  混合チェンバ、通路チェンバ
１３６  第１の端部
１４０  燃料入口
１４６  衝突プレート
１４８  半径方向支柱
【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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