(57)【要約】【課題】ガス・タービン・システムにおいて、燃焼器の内部の各構成要素の圧力、熱発生及び／又は速度の大振幅振動のような様々な不安定性による燃焼器の内部の熱応力の増進、保炎の増大及び／又は燃焼の効率低下を防いで、安定性を高める。【解決手段】燃焼室の内部での燃焼に先立って燃料と空気とを予混合するシステム及び方法に関する。このシステムは、複数の燃料噴射器と、複数の混合管とを含んでおり、各々の混合管が、複数の燃料噴射器の一つを収容するための第一の部分と、燃料と空気とを混合するように構成されている混合室を有する第二の部分とを有している。混合室の長さが、異なる混合時間を可能にするように複数の混合管の間で変化する。【選択図】図１
2014173840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス・タービン・エンジン用の予混合システムであって、
複数の燃料噴射器と、
複数の混合管と
を備えており、各々の混合管が、
前記複数の燃料噴射器の一つを収容するように構成されている第一の部分と、
燃料と空気とを混合するように構成されている混合室を含んでいる第二の部分と
を含んでおり、前記混合室の長さが前記複数の混合管の間で変化する、予混合システム。
【請求項２】
前記複数の混合管は実質的に類似した長さを有している、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第一の部分の第一の長さと前記第二の部分の第二の長さとの間の比が前記複数の混合管の間で変化する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記複数の混合管の１本の前記混合室は、前記複数の前記混合管のもう１本の前記混合室と異なる長さを有している、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の燃料噴射器の少なくとも二つが相異なる長さを有している、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の混合管の各々の壁に形成された複数の開口をさらに含んでおり、該開口は空気を前記それぞれの混合管の前記混合室に送出するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
第一の混合管に形成された前記複数の開口は、前記第一の混合管の第一の出口から第一の距離で離隔して配置されており、第二の混合管に形成された前記複数の開口は、前記第二の混合管の第二の出口から第二の異なる距離で離隔して配置されており、前記第一及び第二の距離は異なっている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数の混合管の各々が第一の端部と第二の端部とを含んでおり、該第二の端部は、混合気を燃焼室の内部に送り込むように構成されている開口を含んでいる、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数の混合管の各々の前記第二の端部は一つの平面において実質的に整列している、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
燃焼器を備えたガス・タービン・システムであって、前記燃焼器は、
燃焼室と、
複数の燃料噴射器と、
複数の混合管と
を含んでおり、各々の混合管が、前記複数の燃料噴射器の一つを収容するための第一の部分と、燃料と空気とを混合するように構成されている混合室を含んでいる第二の部分とを含んでおり、前記混合室の長さが前記複数の混合管の間で変化する、ガス・タービン・システム。
【請求項１１】
前記複数の混合管は実質的に類似した長さを有している、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第一の部分の第一の長さと前記第二の部分の第二の長さとの間の比が前記複数の混合管の間で変化する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記複数の混合管の１本の前記混合室は、前記複数の前記混合管のもう１本の前記混合室と異なる長さを有している、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数の燃料噴射器の少なくとも二つの燃料噴射器が相異なる長さを有している、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数の混合管の各々の壁に形成された複数の開口を含んでおり、該複数の開口は空気を前記それぞれの混合管の前記混合室に送出するように構成されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
第一の混合管に形成されている前記複数の開口と、第二の混合管に形成されている前記複数の開口とが、前記燃焼室から相異なる距離に位置している、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記複数の混合管の各々が第一の端部と第二の端部とを含んでおり、該第二の端部は、混合気を前記燃焼室に送り込むように構成されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
複数の混合室に空気を受け入れるステップであって、前記複数の混合室の各々が複数の混合管の１本の内部に位置している、受け入れるステップと、
複数の燃料噴射器から前記複数の混合室に燃料を送り込むステップであって、前記複数の燃料噴射器の各々が前記複数の混合管の１本の内部に配置されている、送り込むステップと、
前記複数の混合室の第一の混合室の内部での空気−燃料混合が、前記複数の混合室の第二の混合室の内部での空気−燃料混合よりも持続時間が長くなるように、前記複数の混合室の各々の内部で前記空気と燃料とを混合するステップと
を備えた方法。
【請求項１９】
２種よりも多い異なる持続時間の空気−燃料混合が前記複数の混合室の内部で生ずる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の混合室の少なくとも二つが相異なる長さを有している、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本書に開示される主題は一般的には、タービン燃焼器に関し、さらに具体的には、予混合式タービン燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス・タービン・システムは一般的には、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含んでいる。圧縮機は空気吸込口からの空気を圧縮し、続いて圧縮された空気を燃焼器へ導く。燃焼器では、圧縮機から受け取った圧縮空気を燃料と混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する。燃焼ガスはタービンの内部に導かれる。タービンでは、燃焼ガスはタービンのタービン翼を横断通過して、これによりタービン翼を駆動し、またタービン翼が取り付けられているシャフトを回転させる。シャフトの回転はさらに、シャフトに結合された発電機のような負荷を駆動することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のガス・タービン・システムは、燃焼器の内部の各構成要素の圧力、熱発生及び／又は速度の大振幅振動のような様々な不安定性を蒙り得る。かかる大振幅は、燃焼器の内部の熱応力を増進させ、また例えば保炎の増大及び／又は燃焼の効率低下を招き得る。従って、安定性を高めたガス・タービン・システムに対する必要性が依然存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
以下、本来請求される発明と同範囲の幾つかの実施形態についてまとめる。これらの実施形態は請求される発明の範囲を制限するものではなく、発明の可能な形態の簡単な要約を提供するのみとする。実際に、発明は多様な形態を包含することができ、これらの形態は以下に述べる実施形態と類似していても異なっていてもよい。
【０００５】
第一の実施形態では、ガス・タービン・エンジン用の予混合システムが提供される。このシステムは、複数の燃料噴射器と、複数の混合管とを含んでいる。各々の混合管が、複数の燃料噴射器の一つを収容するように構成されている第一の部分と、燃料と空気とを混合するように構成されている混合室を有する第二の部分とを含んでいる。各々の混合室の長さが複数の混合管の間で変化する。
【０００６】
第二の実施形態では、ガス・タービン・システムが燃焼器を含んでいる。燃焼器はさらに、燃焼室と、複数の燃料噴射器と、複数の混合管とを含んでいる。各々の混合管が、複数の燃料噴射器の一つを収容するための第一の部分と、燃料と空気とを混合するように構成されている混合室を有する第二の部分とを有している。混合室の長さが複数の混合管の間で変化する。
【０００７】
第三の実施形態では、方法が、複数の混合室に空気を受け入れるステップを含んでおり、複数の混合室の各々が複数の混合管の１本の内部に位置している。この方法はさらに、複数の燃料噴射器からの燃料を複数の混合室に送り込むステップを含んでおり、複数の燃料噴射器の各々が、複数の混合管の１本の内部に配置されている。空気及び燃料は、複数の混合室の第一の混合室の内部での空気−燃料混合が複数の混合室の第二の混合室の内部での空気−燃料混合よりも持続時間が長くなるように、複数の混合室の各々の内部で混合される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明のこれらの特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとさらに十分に理解されよう。図面全体にわたり、類似の参照符号は類似の部材を表わす。
【図１】複数の混合管を備えたガス・タービン・システムの一実施形態の概略図である。
【図２】タービン燃焼器の一実施形態の側断面概略図であって、燃焼器のヘッド端の内部に配置された複数の混合管を示す図である。
【図３】図２のタービン燃焼器の一実施形態の側断面概略図であって、複数の混合管及び複数の燃料噴射器を示す図である。
【図４】燃料噴射器を含む１本の混合管の一実施形態の側断面概略図である。
【図５】図２のタービン燃焼器の一実施形態の側断面概略図であって、異なる長さの複数の混合室を示す図である。
【図６】周波数に関する相対振幅を三つの異なるタービン燃焼器について示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の１又は複数の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を掲げる試みにおいて、実際の具現化形態の全ての特徴が本明細書に記載されている訳ではない。任意のかかる実際の具現化形態の開発時には、あらゆる工学プロジェクト又は設計プロジェクトと同様に、具現化形態毎に異なり得るシステム関連の制約及び業務関連の制約の遵守のような開発者の特定の目標を達成するために多数の特定具現化形態向け決定を下さなければならないことを認められたい。また、かかる開発の試みは複雑であり時間も掛かるが、それでも本開示の利益を享受する当業者にとっては設計、製造及び製品化の通常業務的な作業であることを認められたい。
【００１０】
本発明の様々な実施形態の要素を提示するときに、単数不定冠詞、定冠詞、「該」、「前記」等の用語は、１又は複数の当該要素が存在することを意味するものとする。また「備えている（comprising）」、「含んでいる（including）」及び「有している（having）」等の用語は内包的であるものとし、また所載の要素以外に付加的な要素が存在し得ることを意味するものとする。
【００１１】
ガス・タービン・エンジンは、燃焼室の内部での燃焼に先立って燃料と空気とを予混合する構成要素を含み得る。これらの予混合システムの幾つかは、複数の混合管（例えば１０本から１０００本の混合管）を有し、各々の混合管が燃料噴射器と対を成している。幾つかの実施形態では、各々の混合管は、径が約１ｃｍ（センチメートル）、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、又は５ｃｍ未満であってよい。例えば、各々の混合管は、径が約０．５ｃｍから２ｃｍ、０．７５ｃｍから１．７５ｃｍ、又は１ｃｍから１．５ｃｍであってよい。幾つかの実施形態では、燃料噴射器は燃料を混合管の内部に軸方向に噴射し、一方、圧縮空気は混合管の内部に半径方向に運ばれる。有利には、かかる予混合システムは、様々な長さの予混合室を有する複数の混合管を提供し、結果として様々な混合時間を生ずるように構成されていてよい。このように、所載の実施形態は、システムが１又は複数の異なる燃料−空気混合時間（すなわちタウ）を有するように、１又は複数の異なる長さの複数の混合室を有する複数の混合管を有する予混合式燃焼器に関するものである。複数の混合室の間で混合時間を異なるものにすることにより、燃焼器の内部の安定性を高めることができ、このことについては後にあらためて説明する。
【００１２】
図面に移り、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示す。図示のように、システム１０は、圧縮機１２、タービン燃焼器１４、及びタービン１６を含んでいる。タービン燃焼器１４は、１又は複数の混合管１８（例えば１０本から１０００本の混合管）を含むことができ、これらの混合管１８は、燃料２０と、空気、酸素、酸素に富む空気、酸素を減少させた空気、又はこれらの任意の組み合わせのような圧縮オキシダント２２との両方を受け入れるように構成されている。以下の議論は空気をオキシダント２２として参照するが、任意の適当なオキシダントを開示された実施形態と共に用いることができる。繰り返すと、混合管はマイクロ混合管と記述されることができ、これらの管は、径が約０．５ｃｍから２ｃｍ、０．７５ｃｍから１．７５ｃｍ、又は１ｃｍから１．５ｃｍの間にあってよい。混合管１８は、互いに対して全体的に平行な構成にある緊密間隔の管から成る１又は複数の束として構成され得る。この構成では、各々の混合管１８は、各々の混合管１８の内部で相対的に小さい規模で混合（例えばマイクロ混合）を行なって、次いで混合気を燃焼室に出力するように構成されている。幾つかの実施形態では、システム１０は、天然ガス又は合成ガスのような液体燃料及び／又は気体燃料２０を用いることができる。
【００１３】
圧縮機１２の構成要素として圧縮機翼が含まれている。圧縮機１２の内部の翼は、シャフト２４に結合されて、後述するように、シャフト２４がタービン１６によって回転駆動されるのに伴って回転する。圧縮機１２の内部での翼の回転によって空気吸込口３０からの空気３２が圧縮されて圧縮空気２２となる。次いで、圧縮空気２２はタービン燃焼器１４の混合管１８に供給される。圧縮空気２２及び燃料２０は混合管１８の内部で混合されて、燃焼（例えば燃料２０を浪費したり過剰な放出を招いたりしないように燃料をさらに完全に燃やす燃焼）に適した混合気比を生成する。
【００１４】
タービン燃焼器１４は混合気に点火して燃焼させ、次いで圧縮された熱燃焼ガス３４（例えば排気）をタービン１６に流入させる。タービン翼がシャフト２４に結合されており、シャフト２４はまたタービン・システム１０の全体を通して幾つかの他の構成要素に結合されている。燃焼ガス３４がタービン１６においてタービン翼に衝突しながら翼の間を流れるにつれて、タービン１６は回転駆動されて、これによりシャフト２４を回転させる。最終的に、燃焼ガス３４は排気出口２６を介してタービン・システム１０を出る。さらに、シャフト２４は負荷２８に結合されていてよく、負荷２８はシャフト２４の回転を介して動力を与えられる。例えば、負荷２８は、発電機及び飛行機のプロペラ等のようにタービン・システム１０の回転出力を介して動力を発生し得る任意の適当な装置であってよい。
【００１５】
図２は、図１の燃焼器１４の一実施形態の断面概略図である。図示のように、燃焼器１４は、燃焼室３６と、ヘッド端３８とを含んでいる。複数の混合管１８が燃焼器１４のヘッド端３８の内部に配置されている。混合管１８はキャップ４０と端部カバー４２との間に全体的に延在していてよい。幾つかの実施形態では、混合管１８は、当該混合管１８が端部カバー４２にもキャップ４０にも取り付けられていないようにヘッド端３８に懸吊される。しかしながら、代替的には、後にあらためて記載するように混合管１８がキャップ４０又は端部カバー４２の少なくとも一方に結合されていてもよい。端部カバー４２はまた、燃料を混合管１８に提供するための燃料プレナム４４を含み得る。以下の議論では、燃焼器１４の軸４に沿った軸方向２と、軸４から遠ざかる又は軸４へ向かう半径方向６と、軸４の周りの円周方向８とを参照する場合がある。混合管１８は軸方向２に延在しており、互いに対して全体的に平行である。燃料プレナム４４は燃料を軸方向２に混合管１８に送り、一方、混合管１８は空気を半径方向６に受け入れる。
【００１６】
上述のように、圧縮機１２は空気吸込口３０から空気３２を受け入れ、空気３２を圧縮して、燃焼過程に用いられる圧縮空気２２の流れを生成する。矢印４６によって示すように、圧縮空気２２は空気入口４８を通って燃焼器１４のヘッド端３８まで提供され、空気入口４８は空気を混合管１８の側壁へ向けて横方向又は半径方向６に導く。さらに明確に述べると、圧縮空気２２は矢印４６によって示すような軸方向２に、圧縮機１２から円環５０を通って燃焼器１４のライナ５２と流れスリーブ５４との間を流れて、ヘッド端３８に達する。ライナ５２は燃焼室３６の周りに円周方向に配置され、円環５０はライナ５２の周りに円周方向に配置され、流れスリーブ５４は円環５０の周りに円周方向に配置されている。ヘッド端３８に達すると、空気２２は軸方向２から半径方向６へ方向転換して、矢印４６によって示すように入口４８を通って混合管１８へ向かう。
【００１７】
圧縮空気２２は複数の混合管１８の内部で燃料２０と混合される。後に議論されるように、各々の混合管１８は、当該混合管１８の複数の側面開口を通して空気２２も受け取りつつ燃料２０を軸方向２に混合管１８の軸方向端部部分を通して受け取る。このようにして、燃料２０及び空気２２は各々の個々の混合管１８の内部で混合する。矢印５６によって示すように、混合気は混合管１８の内部を下流に流れて燃焼室３６に入り、ここで点火され燃焼させられて、燃焼ガス３４（例えば排気）を形成する。燃焼ガス３４はタービン燃焼器１４の尾筒６０へ向けて方向５８に流れる。燃焼ガス３４は、矢印６２によって示すように尾筒６０を通ってタービン１６へ向けて通過し、ここでタービン１６の内部の翼の回転を駆動する。
【００１８】
図３は、燃焼器１４の内部の複数の混合管１８の概略図である。図示のように、各々の混合管１８が、内部に形成された通路又は混合室６４を有している。混合室６４は、燃料２０及び圧縮空気２２を受け取って混合するように構成されている。図示のように、混合管１８は、混合管１８の第一の端部６６（例えば軸方向端部開口）と第二の端部６８（例えば軸方向端部開口）との間に全体的に延在しており、混合室６４は、当該混合室６４がそれぞれの混合管１８よりも長さが短くなるように混合管１８の一部の範囲内に形成されている。混合室６４及びそれぞれの混合管１８は、混合気が、混合管１８の第二の端部６８に近接して全体的に位置する軸方向端部開口を通して混合室６４から燃焼室３６の内部に出力され得るように、キャップ４０（例えば穿孔キャップ）を通して延在していてよい。キャップ４０は、複数の混合管１８を収容して支持する複数の開口又はレセプタクルを含み得る。幾つかの実施形態では、混合管１８は、鑞付け、溶接、ねじ、ブラケット、クランプ、又は締まり嵌めを介してキャップ４０及び／又は端部カバー４２に取り付けられていてよい。しかしながら、幾つかの実施形態では、混合管は、端部カバー４２にもキャップ４０にも固定的に取り付けられない。さらに、混合管１８は、燃焼器１４の内部の如何なる構成要素にも恒久的には取り付けられなくてよい。寧ろ、混合管１８は、例えば燃焼器の内部１４の１又は複数の構造（例えばキャップ４０、保持器、衝突（インピンジメント）板、及びばね等）によって支持されてヘッド端３８の内部に浮動し又は懸吊され得る。かかる支持構造は一般的には、移動、振動、熱膨脹若しくは収縮、又はこれらの任意の組み合わせに応答した軸方向移動も可能にしつつ混合管１８に対する軸方向制約を提供することができる。
【００１９】
幾つかの実施形態では、各々の混合管１８及びそれぞれの混合室６４は、全体的に円形の断面形状を有し得る。加えて、各々の混合管１８及びそれぞれの混合室６４は、径が約１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、又は５ｃｍ未満であってよい。幾つかの実施形態では、各々の混合管１８及びそれぞれの混合室６４は、径が約０．５ｃｍから２ｃｍ、０．７５ｃｍから１．７５ｃｍ、又は１ｃｍから１．５ｃｍの間にあってよい。燃焼器１４の内部の全ての混合管１８及び／又は混合室６４が実質的に類似した径を有し得るが、幾つかの実施形態では混合管１８及び／又は混合室６４が多様な径を有すると有利な場合があることを理解されたい。さらに、幾つかの典型的な実施形態では、各々の混合管１８及び混合室６４は、長さが約１ｃｍから約７５ｃｍであってよい。幾つかの実施形態では、各々の混合管１８及び混合室６４は、長さが約１０ｃｍから６０ｃｍ、１５ｃｍから５０ｃｍ、２０ｃｍから４０ｃｍ、又は３０ｃｍから３５ｃｍであってよい。幾つかの実施形態では、燃焼器１４の内部の混合管１８の全てが実質的に類似した長さ（例えば約５％の範囲内）を有し得るが、幾つかの実施形態では混合管１８は２種以上の異なる長さを有していてもよい。本開示の各実施形態では、燃焼器１４の内部の混合室６４は、後にあらためて議論されるように、複数の異なる混合時間を提供するために２種以上の異なる長さを有する。
【００２０】
幾つかの実施形態では、端部カバー４２は、混合管１８の第一の端部６６の上流に且つ第一の端部６６に近接して配置され得る。端部カバー４２は、当該端部カバー４２の内部の１又は複数の燃料プレナム４４（例えば１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、又はさらに多い）に燃料２０を提供するための１又は複数の燃料入口７０を含み得る。さらに、各々の燃料プレナム４４は、１又は複数の燃料噴射器７２（例えば１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、又はさらに多い）に流体接続され得る。図示のように、各々の混合管１８がそれぞれの燃料噴射器７２を含んでおり、燃料噴射器７２は、矢印４５によって示すように燃料２０を軸方向２に受け入れる。幾つかの実施形態では、端部カバー４２は、混合管１８及び関連する燃料噴射器７２の全てについて単一の共通の燃料プレナム４４（例えば燃料供給室）を含み得る。他の実施形態では、システム１０は、各々が燃料噴射器７２の部分群に燃料２０を提供し、最終的には各々の燃料噴射器７２に付設された混合管１８に提供する１個、２個、３個、又はさらに多い燃料プレナム４４を含んでいてよい。例えば、一つの燃料プレナム４４が、約５個、１０個、５０個、７０個、１００個、５００個、１０００個、又はさらに多い燃料噴射器７２に燃料を提供することができる。幾つかの実施形態では、異なる燃料プレナム４４によって供給される燃料噴射器７２の部分群を有する燃焼器１４は、燃料噴射器７２及び対応する混合管１８の１又は複数の部分群が、他のものよりも濃厚な又は希薄な状態で稼働されることを可能にすることができ、従って例えば燃焼過程のさらに十分な制御を可能にすることができる。加えて、多数の燃料プレナム４４は、燃焼器１４と共に多数の形式の燃料２０の利用（例えば同時に）を可能にし得る。
【００２１】
図３に示すように、支持構造７４（例えば側壁）が燃焼器１４のヘッド端３８を円周方向に包囲することができ、支持構造７４は、ヘッド端３８の内部の混合管１８及び他の構造を全体的に保護し且つ／又は支持することができる。例えば、支持構造７４は、円環状外壁であってよい。上述のように、幾つかの実施形態では、圧縮空気２２は、空気入口４８を通ってヘッド端３８に入ることができる。さらに明確に述べると、圧縮空気２２は、空気入口４８を通って横方向に流れて、例えば矢印４６によって示すように全体的に半径方向６に、ヘッド端３８の内部の空気空洞部７８に流入することができる。空気空洞部７８は、ヘッド端３８の内部に、複数の混合管１８の間で支持構造７４（例えば外壁）に包囲された空間容積を含んでいる。圧縮空気２２は、複数の混合管１８の各々を流れるのに伴って空気空洞部７８の全体に拡散する。幾つかの実施形態では、流れ分配器又は拡散器７６（例えばバフル、コンジット、又は転向翼）が燃焼器１４に設けられていてよい。拡散器７６は、複数の混合管１８を横断して圧縮空気２２を前方に、半径方向６内向きに、且つ／又は外部に分配するように構成されている円環流調整拡散器であってよい。例えば、拡散器７６は、テーパ付き円環壁７５を含んでいてよく、この円環壁７５は半径方向６に空洞部７８及び混合管１８に向かうにつれて次第に内向きに傾斜し又は彎曲する。拡散器７６はまた、円環内部通路７７を含んでいてよく、この通路７７は空洞部７８及び混合管１８へ向けて断面積が全体的に発散し又は拡大する。拡散器７６は、ヘッド端３８の内部の圧縮空気２２の分配を改善するように構成され得る。幾つかの実施形態では、拡散器７６は、圧縮空気２２が各々の混合管１８に実質的に等分配されるように圧縮空気２２を拡散させることができる。加えて又は代替的には、図３では破線によって示されている穿孔空気分配板８０がヘッド端３８の空洞部７８に設けられていてよく、空気分配板８０は、端部カバー４２とキャップ４０との間に全体的に配置され得る。空気分配板８０の穿孔は、多様な形状及び寸法の任意のものを有していてよく、一般的には、混合管１８への圧縮空気２２の分配を向上させるように圧縮空気２２の付加的な拡散及び分配を提供し得る。
【００２２】
空気入口４８を通ってヘッド端３８に流入した後に、圧縮空気２２は混合管１８に形成された１又は複数の開口８２を通って各々の混合管１８及びそれぞれの混合室６４に流入することができる。開口８２は、多様な形状、寸法、及び構成の任意のものを有するように構成されていてよい。例えば、開口８２は、断面形状が全体的に円形、楕円形、又は矩形であってよい。開口８２はさらに、径又は寸法が約０．００１ｃｍから約１．５ｃｍの範囲にあり又はさらに大きくてもよい。開口８２はまた、径又は寸法が例えば約０．０１ｃｍから１ｃｍ、０．０５ｃｍから０．５ｃｍ、又は０．１ｃｍから０．２５ｃｍの範囲にあってよい。幾つかの実施形態では、開口８２の１又は複数の列が混合管１８の円周の周りに隔設されていてよい（例えば等分に）。さらに、開口８２は、混合管１８に関して角度をなして配置されていてもよい。換言すると、開口８２は、圧縮空気２２が当該開口８２を通過して混合管１８の壁に関して角度α１をなして混合管１８の混合室６４に流入するように構成され得る。幾つかの実施形態では、圧縮空気２２が混合室６４に流入するときの角度α１は、９０度に等しくても９０度よりも大きくても小さくてもよい。例えば、角度α１は、約１０度、２０度、３０度、４０度、５０度、６０度、７０度、又は８０度であってよい。混合管１８に形成された開口８２は実質的に類似した形状、寸法、及び／又は角度を有していてもよいし、他の実施形態では、異なる形状、寸法、及び／又は角度を有していてもよい。一般的には、開口８２は、混合管１８に沿った任意の位置に配置され得る。しかしながら、幾つかの実施形態では、開口８２は、燃料２０が燃料噴射器７２を通って混合管１８に流入する位置から全体的に上流に配置され得る。さらに、開口８２は、燃料噴射器７２の周りに円周方向に隔設されて、これにより空気２２を燃料噴射器７２へ向けて半径方向内向きに導くことができる。
【００２３】
代替的には、開口８２ではなく、混合管１８の１又は複数が当該混合管１８の第一の端部６６に圧縮空気２２を受け入れる拡張された径を有していてもよい。換言すると、第一の端部６６は、鐘様形状９１を有するように拡張され得る。かかる構成においては、圧縮空気２２は、混合管１８の第一の端部６６を通って混合管１８に流入し得る。例えば、圧縮空気２２は、入口４８を通って軸方向に且つ／又は半径方向内向きに混合管１８を横断して端部板４２へ向けて分配され得る。圧縮空気２２は、混合管１８の第一の端部６６を通って混合管１８に流入し得る。幾つかの実施形態では、燃焼器１４の内部の１又は複数の混合管１８は、当該混合管１８の第一の端部６６を通して圧縮空気２２を受け入れるように構成されてもよいが、当該混合管１８の壁に形成される開口８２を通して圧縮空気２２を受け入れるように構成されてもよい。
【００２４】
図３に示すように、幾つかの実施形態では、燃焼器１４はまた、保持器８４及び／又は衝突板８６を有する。保持器８４及び／又は衝突板８６は、燃料噴射器７２の下流でキャップ４０に全体的に近接して配置され得る。幾つかの実施形態では、キャップ４０、保持器８４、及び／又は衝突板８６は、例えば支持構造７４から着脱自在又は分離自在であってもよい。保持器８４は、混合管１８のための支持を提供することができる。衝突板８６は、キャップ４０に実質的に隣接して配置されることができ、幾つかの実施形態では、保持器８４とキャップ４０との間に配置され得る。衝突板８６は、混合管１８を支持することができ、加えて又は代替的には、燃焼器１４の内部でのキャップ４０の冷却を提供することができる。
【００２５】
前述のように、図３に示すように、燃焼器１４の各々の混合管１８毎に一つの燃料噴射器７２が設けられる。換言すると、燃料２０を各々の混合管１８の混合室６４に届けるために、各々の混合管１８の一部の範囲内に一つの燃料噴射器７２が配置される。幾つかの実施形態では、燃料噴射器７２は、当該燃料噴射器７２を各々の混合管１８の第一の端部６６に軸方向２に挿入することにより各々の混合管１８の内部に全体的に同軸に配置され得る。幾つかの実施形態では、混合管１８は、各々の当該混合管１８が対応する燃料噴射器７２を受け入れることを可能にするような寸法、形状、及び構成を有し得る。
【００２６】
図４を参照すると、各々の燃料噴射器７２は、端部カバー４２に着脱自在に結合され得る。端部カバー４２及び燃料噴射器７２は併せて、燃料噴射器アセンブリ又はモジュールと記述され得る。燃料噴射器７２は端部カバー４２に燃料噴射器アセンブリ又はモジュールとして結合され、一方混合管１８は支持構造７４の内部に混合管アセンブリ又はモジュールとして支持され得る。このように、燃料噴射器モジュール及び混合管モジュールは、これら二つのモジュールを互いと共に組み立てることにより、全ての混合管１８及び関連する燃料噴射器７２の迅速で及び単純な組み立てを可能にする。
【００２７】
幾つかの実施形態では、燃料噴射器７２は、ショルダ１００（例えば第一の管状部分）から端部部分１０２（例えば第二の管状部分）まで全体的に延在し得る。幾つかの実施形態では、ショルダ１００は端部部分１０２よりも大きい径を有することができ、端部部分１０２は、ショルダ１００から当該端部部分１０２の末梢端１０４まで径が次第に減少するように、テーパ付きであってよい（例えば円錐形のようなテーパ付き円環形）。幾つかの実施形態では、端部部分１０２はスパイクを形成していてよく、すなわち図４に示すように末梢端１０４の一点に全体的に収束していてよい。例えば円筒形、矩形、又は六角形を有する端部部分１０２のように、燃料噴射器７２の端部部分１０２の他の形状及び他の構成が思量される。加えて、燃料噴射器７２は、多様な適当な長さの任意のものを有するように構成されていてよく、様々なショルダ１００長さ及び端部部分１０２長さをさらに有し得る。例えば、幾つかの実施形態では、各々の燃料噴射器７２は、長さが約０．１ｃｍから約２５ｃｍ以上であってよい。幾つかの実施形態では、燃料噴射器７２は、長さが約２ｃｍから１５ｃｍ、４ｃｍから１０ｃｍ、又は５ｃｍから８ｃｍであってよい。さらに、幾つかの実施形態では、燃焼器１４の内部の燃料噴射器７２は実質的に類似した長さを有していてもよいが、他の実施形態では、燃料噴射器７２は２種以上の異なる長さ（例えば２種、３種、４種、５種、６種、７種、８種、９種、１０種、又はさらに多い異なる長さ）を有していてもよい。加えて、ショルダ１００の長さと端部部分１０２の長さとの比は約１：１であってよい。他の実施形態では、この比は、例えば約２：１又は１：２、３：１又は１：３、４：１若しくは１：４、又は他の任意の適当な比であってよい。幾つかの実施形態では、燃料噴射器７２を支持するように、燃料噴射器７２のショルダ１００の一部の周囲に半径方向ばねのようなばね９０が追加で設けられていてもよい。
【００２８】
燃料２０は、端部カバー４２に又は端部カバー４２の内部に位置する燃料プレナム４４から燃料入口１０５を通って燃料噴射器７２の内部の燃料通路１０６に通過することができる。燃料２０は、燃料噴射器７２に配置された１又は複数の孔１０８（例えば燃料出口）において燃料通路１０６を出ることができる。孔１０８は、燃料噴射器７２の任意の適当な位置に配置され得る。例えば、幾つかの実施形態では、孔１０８は、燃料噴射器７２のショルダ１００に配置され得る。他の実施形態では、孔１０８は、燃料噴射器７２の端部部分１０２に配置され得る。さらに、孔は、燃料噴射器７２の任意の実質的に円筒形の部分に配置されてもよいし、燃料噴射器７２の任意の実質的にテーパ付き又は円錐形の部分に配置されてもよい。
【００２９】
加えて、孔１０８は、多様な方法の任意のもので構成されてよく、さらに具体的には、孔１０８は、多様な形状、角度、及び寸法の任意のものを有し得る。例えば、幾つかの実施形態では、孔１０８は、実質的に円形の断面形状を有し得る。幾つかの実施形態では、孔１０８の１又は複数は、燃料２０が燃料噴射器７２の壁に対して角度α２をなして混合管１８の混合室６４に噴射されるように構成され得る。例えば、孔１０８は、燃料２０が燃料噴射器７２の壁に関して９０度に等しい、９０度よりも大きい、又は９０度よりも小さい角度α２をなして混合室６４に噴射されるように構成され得る。他の実施形態では、孔１０８は、燃料２０が燃料噴射器７２の壁に関して約１０度、２０度、３０度、４０度、５０度、６０度、７０度、又は８０度の角度α２をなして混合室６４に噴射されるように構成され得る。孔１０８は一般的には、燃焼器の保炎特性が向上するように構成され得る。加えて、幾つかの実施形態では、１又は複数の孔１０８は、燃料噴射器７２の周りに円周方向に配置され得る。例えば、孔１０８は、燃料噴射器７２の円周の周りに等分に隔設され得る。幾つかの実施形態では、孔１０８は、燃料２０が、矢印１１０によって示すように混合管１８の混合室６４に半径方向に排出されて半径方向外向きに拡散し得るように構成され得る。孔１０８は実質的に同じ寸法であってよいが、他の実施形態では相異なる寸法を有していてもよい。各々の燃料噴射器７２に複数の孔１０８を有する幾つかの実施形態では、複数の孔１０８は、実質的に類似した寸法、形状、及び／又は角度を有するように構成されていてよい。代替的には、複数の孔１０８は、１又は複数の異なる寸法、形状、及び／又は角度を有するように構成されていてもよい。
【００３０】
上述の各実施形態は、燃焼室３６での燃焼の前に燃料２０と圧縮空気２２との混合を提供する。前述のように、予混合式燃焼器１４は、複数の異なる混合時間を有するように構成され得る。複数の混合管１８の間での様々な混合時間は、燃焼器にしばしば存在する大振幅振動を減少させることができ、例えば燃焼システムの内部の不安定性を全体的に減少させることができる。従って、以下では、２以上の異なる混合時間を提供し得る混合管１８、混合室６４、燃料噴射器７２、開口８２、孔１０８、及び／又は燃焼器１４の内部の他の構成要素の様々な構成及び配置について説明する。
【００３１】
図５は、複数の異なる混合時間を提供するように構成されている燃焼器１４の一実施形態を示す。図示の実施形態に示すように、燃焼器１４の内部の各々の混合管１８が、第一の端部６４と第二の端部６６との間に延在することができ、各々の混合管１８が、実質的に類似した長さ１１４を有し得る。幾つかの実施形態では、各々の混合管１８は、それぞれの燃料噴射器７２を収容するための第一の部分１１６と、燃料２０と空気２２とを混合するそれぞれの混合室６４を有する第二の部分１１８とを含み得る。上述のように、燃料２０は、燃料噴射器７２の孔１０８を通って混合室６４に噴射されることができ、圧縮空気２２は、開口８２を通って混合室６４に流入することができる。
【００３２】
さらに、図５に示すように、複数の混合室６４は、燃焼器１４の内部で複数の異なる混合時間を提供する複数の異なる長さ６３を有し得る。複数の混合室６４は、例えば２種、３種、４種、５種、６種、７種、８種、９種、１０種、又はさらに多い異なる長さ６３を有し得る。かかる構成は一般的には、異なる混合時間を提供することができ、混合室６４が短いほど、燃焼室３６の内部に送り込まれる前に燃料２０と圧縮空気２２とが混合するために提供される時間が短くなり、混合室６４が長いほど、燃焼室３６の内部に送り込まれる前に燃料２０と圧縮空気２２とが混合するために提供される時間が長くなる。加えて、幾つかの実施形態では、複数の燃料噴射器７２は、複数の異なる長さ６３を有し得る。複数の燃料噴射器７２は、例えば２種、３種、４種、５種、６種、７種、８種、９種、１０種、又はさらに多い異なる長さ６３を有し得る。
【００３３】
さらに明確に述べると、図５に示す実施形態では、複数の混合室６４及び複数の燃料噴射器７２の両者とも長さが異なっている。幾つかのかかる実施形態では、混合室６４の長さ６３及び対応する燃料噴射器７２の長さは、それぞれの混合管１８の合計長さ１１４に略等しくなり得る。このように、混合室６４と対応する燃料噴射器７２との相対的な長さすなわち長さの比は、燃焼器１４の内部の複数の混合管１８の間で区々であってよい。換言すると、各々の燃料噴射器７２は、対応する混合室６４の長さを略補償する又はこの長さと適合する長さを有し得る。
【００３４】
図５に示すように、混合室６４及び燃料噴射器７２の合計長さが第一の混合管２００の長さ１１４と略等しくなるように、一つの第一の混合管１８（例えば第一の混合管２００）の混合室６４は相対的に長い長さ１２０を有することができ、対応する燃料噴射器７２は相対的に短い長さ１２２を有することができる。また、混合管６４及び燃料噴射器７２の合計長さが第二の混合管２０２の長さ１１４と略等しくなるように、もう一つの混合管１８（例えば第二の混合管２０２）の混合室６４は、平均的な長さ１２４を有し、対応する燃料噴射器７２は平均的な長さ１２６を有し得る。最後に、図示のように、混合管６４及び燃料噴射器７２の合計長さが第三の混合管２０４の長さ１１４と略等しくなるように、さらにもう一つの混合管１８（例えば第三の混合管２０４）の混合室６４は相対的に短い長さ１２８を有し、対応する燃料噴射器７２は相対的に長い長さ１３０を有し得る。このように、上で説明されているように、各々の混合管１８の混合室の長さ６４及び対応する燃料噴射器７２の長さは区々であってよい。図５に示す実施形態は、三つの異なる混合室６４長さを提供しており、従って、混合管１８の内部で予混合するために燃料２０及び空気２２の三つの異なる混合時間を提供する。混合室６４と対応する燃料噴射器７２との長さの間の比は任意の適当な比であってよい。例えば、長さ１２０対長さ１２２の比は、例えば約５０：１、４０：１、３０：１、２０：１、１０：１、５：１、４：１、３：１、若しくは２：１、又は反対であってよい。代替的には、混合室６４は、長さ１２０対長さ１２２の比が、例えば約１：５０、１：４０、１：３０、１：２０、１：１０、１：５、１：４、１：２、又は反対になるように、対応する燃料噴射器７２よりも短くてもよい。
【００３５】
特に、図５では、各々の混合管１８に付設されている燃料入口（例えば孔１０８等）及び／又は空気入口（例えば開口８２等）は複数の異なる平面に位置する。このように、幾つかの実施形態では、複数の異なる混合時間を提供するシステムは、複数の混合管１８の間で孔１０８及び／又は開口８２の位置を変化させることにより作成され得る。幾つかの実施形態では、孔１０８の位置は、図４でのように燃料噴射器７２長さを変化させる結果として変化させられ得る。しかしながら、幾つかの実施形態では、孔１０８の位置は、複数の燃料噴射器７２の孔１０８の位置を変化させる結果として変化させられ得る。例えば、上述のように、孔１０８は、燃料噴射器７２のショルダ部分１００に位置していても端部部分１０２に位置していてもよい。加えて、幾つかの実施形態では、開口８２が異なる平面に位置していてもよく、結果として、燃料２０及び圧縮空気２２を混合するために提供される時間が燃焼器１４の範囲内で変化し得る。
【００３６】
図６は、本書に記載されている実施形態の幾つかに従って複数の混合管１８の間で多数の異なる混合時間を提供するシステムによって可能になり得る動力学的性質を表わすグラフ２２０を示す。さらに明確に述べると、グラフ２２０は相対振幅２２２対周波数２２４を三つの異なる混合システムについて示している。図示の第一のシステム２２６は、複数の混合管１８の間で１種の混合時間を提供するように構成されており、第二のシステム２２８は、複数の混合管１８の間で４種の異なる混合時間を提供するように構成されており、第三のシステム２３０は、複数の混合管１８の間で６種の異なる混合時間を提供するように構成されている。図示のように、１種のみの混合時間を有する第一のシステム２２６は、離散的な周波数における大振幅スパイクによって示されるように最大の不安定性を有する。４種の異なる混合時間を有する第二のシステム２２８は、第一のシステム２２６よりも比較的少ない不安定性を生じ、６種の異なる混合時間を有する第三のシステム２３０は、図示のモデルの中で最も少ない不安定性を生ずる。一つ又は二つの周波数における高振幅の代わりに、多数の異なる混合時間を有するように構成されているシステムは、多くの異なる周波数（例えば２から１００の異なる周波数）における減少したピーク圧力振動振幅を提供する。換言すると、複数の混合管について複数の異なる混合時間を有するシステムは、不安定性を多くの周波数にわたって拡散させることにより振幅を減弱させる。従って、図示のように、複数の異なる混合時間を提供するように構成されているシステムは、燃焼システムの内部の不安定性を有利に減少させることができる。
【００３７】
図示の実施形態は、長さが変化する複数の混合室６４及び長さが変化する対応する燃料噴射器７２を有するシステムの文脈で異なる混合時間を全体的に示しているが、異なる混合室６４長さ及び異なる燃料−空気混合時間を提供する任意の構成が思量される。また、本開示に従って燃焼器１４の内部で任意の数の異なる混合時間が提供され得ることを理解されたい。幾つかの実施形態では、２種、３種、４種、５種、６種、７種、８種、又は９種の異なる予混合時間が提供され得る。幾つかの実施形態では、約１０種、１５種、２０種、又はさらに多い予混合時間が提供され得る。幾つかの実施形態では、異なる混合時間は約０．５ｍｓｅｃ（ミリ秒）と５０ｍｓｅｃとの間にあってよい。幾つかの実施形態では、システムにおける異なる混合時間は、約１ｍｓｅｃ、１．５ｍｓｅｃ、２ｍｓｅｃ、２．５ｍｓｅｃ、３ｍｓｅｃ、３．５ｍｓｅｃ、４ｍｓｅｃ、４．５ｍｓｅｃ、又は５ｍｓｅｃの混合時間の任意の組み合わせであってよい。加えて、様々な混合時間、及び様々な混合時間を提供するように構成されている本書に所載の構造はまた、他の形式の燃焼システムにおいても具現化されることができ、寸法は、特定の燃焼システムについて適宜拡大されても縮小されてもよいことが思量される。
【００３８】
上述のように、ガス・タービン・エンジンのためのこれらの予混合システムの幾つかは複数の混合管を有し、各々の混合管が燃料噴射器と対を形成している。有利には、かかる予混合システムは、様々な長さの予混合室を有する複数の混合管を提供し、結果として様々な混合時間を生ずるように構成され得る。すると、複数の混合管の間での異なる混合時間は、燃焼器の内部で高められた安定性を提供することができる。
【００３９】
この書面の記載は、最適な態様を含めて発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が発明を実施することを可能にするように実例を用いている。特許付与可能な発明の範囲は特許請求の範囲によって画定されており、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４０】
２：軸方向
４：軸
６：半径方向
８：円周方向
１０：ガス・タービン・システム
１２：圧縮機
１４：タービン燃焼器
１６：タービン
１８：混合管
２０：燃料
２２：圧縮オキシダント
２４：シャフト
２６：排気出口
２８：負荷
３０：空気吸込口
３２：空気
３６：燃焼室
３８：ヘッド端
４０：キャップ
４２：端部カバー
４４：燃料プレナム
４５：燃料の方向
４６：圧縮空気の方向
４８：空気入口
５０：円環
５２：ライナ
５４：スリーブ
５６：混合気の方向
５８、６２：燃焼ガスの方向
６０：尾筒
６３：複数の異なる長さ
６４：混合室
６６：第一の端部
６８：第二の端部
７０：燃料入口
７２：燃料噴射器
７４：支持構造
７５：円環壁
７６：流れ分配器又は拡散器
７８：空気空洞部
８０：穿孔空気分配板
８２：開口
８４：保持器
８６：衝突板
９０：ばね
９１：鐘様形状
１００：ショルダ
１０２：端部部分
１０４：末梢端
１０５：燃料入口
１０６：燃料通路
１０８：孔
１１０：燃料の方向
１１２：空気の方向
１１４：混合室長さ
１１６：第一の部分
１１８：第二の部分
１２０、１２４、１２８：混合室の長さ
１２２、１２６、１３０：燃料噴射器の長さ
２００、２０２、２０４：混合管
２２０：系の動力学的性質を表わすグラフ
２２２：相対振幅
２２４：周波数
２２６：第一のシステム
２２８：第二のシステム
２３０：第三のシステム
【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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