(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械（２）であって、当該ターボ機械が、
圧縮機セクション（４）と、
前記圧縮機セクション（４）に作動連結された燃焼器（８、３０、４７、５０）と、
前記燃焼器（８、３０、４７、５０）に取付けられた端部カバー（１０）と、
前記燃焼器（８、３０、４７、５０）に作動連結された噴射ノズル組立体（２０、２１、２２）と
を備えており、
前記噴射ノズル組立体（２０、２１、２２）が、ハウジング（８２）によって囲まれて第１の流体プレナム（８４）と第２の流体コア（９５）とを形成する複数の混合管要素（１００）を含んでいて、第２の流体コア（９５）が第１の流体プレナム（８４）の下流に第１の流体プレナム（８４）から隔てて配置されており、前記複数の混合管要素（１００）の各々が、第１の流体プレナム（８４）と流体連通した第１の流体入口（１３２）と、第１の流体入口（１３２）の下流に配置されかつ第２の流体コア（９５）と流体連通した第２の流体入口（１３４）と、第１及び第２の流体入口（１３２、１３４）の下流に配置された吐出端部（１３７）と、第１の流体入口（１３２）と第２の流体入口（１３４）の間に配置されかつ第１の流体プレナム（８４）と流体連通した渦発生装置（１４４、１７０、１８４、１９３、１９４、１９５、２２０、２２２）とを有する導管（１３０）を含んでおり、前記渦発生装置（１４４、１７０、１８４、１９３、１９４、１９５、２２０、２２２）が、前記導管（１３０）内に複数渦を形成して、前記複数の混合管要素（１００）の各々を通って流れる第１及び第２の流体を混合するように構成されかつ配置される、ターボ機械（２）。
【請求項２】
第１の流体入口（１３２）が流れ絞り部（１４０）を含む、請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項３】
前記渦発生装置（１４４、１７０、１８４、１９３、１９４、１９５、２２０、２２２）が、前記導管（１３０）内に形成された少なくとも１つの開口部（１４６）を含む、請求項１記載のターボ機械（２）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの開口部（１４６）が細長いスロット（１８６）である、請求項３記載のターボ機械（２）。
【請求項５】
前記細長いスロット（１８６）が曲線部分（１４９、１５０）を含む、請求項４記載のターボ機械（２）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの開口部（１４６）が角張った開口部（１４６）を含む、請求項３記載のターボ機械（２）。
【請求項７】
前記角張った開口部（１４６）が、三角形開口部（１４６）である、請求項６記載のターボ機械（２）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの開口部（１４６）が複数の開口部（１４６）を含む、請求項３記載のターボ機械（２）。
【請求項９】
前記複数の混合管要素（１００）のうちの１つの混合管要素上の前記少なくとも１つの開口部（１４６）が、該複数の混合管要素（１００）のうちの他の隣接する混合管要素上の少なくとも１つの開口部（１４６）からオフセットしている、請求項３記載のターボ機械（２）。
【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、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、渦発生装置を有する混合管要素を備えたターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ガスタービンエンジンは、熱エネルギーを放出する燃料／空気混合気を燃焼させて、高温ガスストリームを形成する。高温ガスストリームは、高温ガス通路によりタービンセクションに送られる。タービンセクションは、高温ガスストリームからの熱エネルギーをシャフトを回転させる機械的エネルギーに変換する。タービンセクションは、ポンプ又は発電機に動力を供給するような多様な用途で使用することができる。
【０００３】
ガスタービンエンジンでは、そのエンジン効率は、燃焼ガスストリーム温度が上昇するにつれて増大する。より高いガスストリーム温度は、より高いレベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）、つまり連邦及び州の両方の規制を受けるエミッションを発生させる不具合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７０９７３４７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、ガスタービンセクションを効率的な温度範囲で運転することと同時にＮＯｘの発生量を法律規制レベル以下に維持するのを保証することとの間には、慎重なバランス取り作業が存在する。低ＮＯｘレベルを達成する１つの方法は、燃焼に先立って燃料及び空気の良好な混合を保証することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によると、ターボ機械は、圧縮機セクションと、圧縮機セクションに作動連結された燃焼器と、燃焼器に取付けられた端部カバーと、燃焼器に作動連結された噴射ノズル組立体とを含む。噴射ノズル組立体は、複数の混合管要素を含む。複数の混合管要素の各々は、第１の流体入口と、第１の流体入口の下流に配置された第２の流体入口と、第１及び第２の流体入口の下流に配置された吐出端部と、第１及び第２の流体入口間に配置された渦発生装置とを有する導管を含む。渦発生装置は、導管内に複数渦を形成して、複数の混合管要素の各々を通って流れる第１及び第２の流体を混合するように構成されかつ配置される。
【０００７】
本発明の別の態様によると、混合管要素は、第１の流体入口と、第１の流体入口の下流に配置された第２の流体入口と、第１及び第２の流体入口の下流に配置された吐出端部と、第１及び第２の流体入口間に配置された渦発生装置とを有する導管を含む。渦発生装置は、導管内に複数渦を形成して、混合管要素を通って流れる第１及び第２の流体を混合するように構成されかつ配置される。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によると、ターボ機械噴射ノズル組立体内で第１及び第２の流体を混合する方法は、噴射ノズル組立体内に配置された混合管要素の第１の流体入口内に第１の流体を流すステップと、混合管要素の第２の流体入口内に第２の流体を導くステップとを含む。第２の流体入口は、第１の流体入口の下流に配置される。第１の流体の一部分は、第１及び第２の流体入口間に配置された渦発生装置内に導入され、複数渦が混合管要素内で発生されて、第１及び第２の流体を混合する。
【０００９】
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的な実施形態による、渦発生装置が設けられた混合管要素を備えたターボ機械の概略部分断面図。
【図２】例示的な実施形態による、複数の噴射ノズル組立体を備えた燃焼器の部分断面図。
【図３】例示的な実施形態による、複数の混合管要素を備えた図２の噴射ノズル組立体の部分断面図。
【図４】図３の複数の混合管要素の１つにおける第１の流体入口、第２の流体入口及び渦発生装置の詳細図。
【図５】例示的な実施形態の１つの態様による、第１の流体入口及び渦発生装置を示す図４の混合管要素の部分斜視図。
【図６】図５に示す渦発生装置によって形成された二重渦の図式的図。
【図７】例示的な実施形態の別の態様による、渦発生装置を示す混合管要素の部分斜視図。
【図８】例示的な実施形態のさらに別の態様による、渦発生装置を示す混合管要素の部分斜視図。
【図９】例示的な実施形態のさらに別の態様による、渦発生装置を有する混合管要素の正面図。
【図１０】図９の混合管要素の平面図。
【図１１】例示的な実施形態のさらに別の態様による、渦発生装置を有する混合管要素の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に詳細に説明する。
【００１３】
最初に図１を参照すると、例示的な実施形態により構成したターボ機械をその全体を参照符号２で示している。ターボ機械２は、共通の圧縮機／タービンシャフト（図示せず）によりタービンセクション６に作動連結された圧縮機セクション４を含む。圧縮機セクション４はまた、燃焼器組立体８を通してタービンセクション６に連結される。単一の燃焼器組立体のみを有するものとして図示しているが、ターボ機械２は、例えば缶環状アレイとして配置された複数の燃焼器組立体を含むことができることを理解されたい。燃焼器組立体８は端部カバー１０を含み、端部カバー１０は、以下でより十分に説明するように、複数の噴射ノズル組立体２０〜２２を支持する。以下でより十分に説明するように、噴射ノズル組立体２０〜２２は、燃焼チャンバ３０内に燃料／空気混合気を送給する。燃料空気混合気は、燃焼されて燃焼ガスを形成し、この燃焼ガスが、タービンセクション６の第一段３３に送給される。
【００１４】
図２で最も良く分かるように、燃焼器組立体８は、圧縮機セクション４及びタービンセクション６と流れ連通状態で結合される。圧縮機セクション４は、圧縮機セクション吐出プレナム４３に流体結合されたディフューザ４０を含む。燃焼器組立体８はさらに、燃焼器ケーシング４７及び燃焼器ライナ５０を含む。図示するように、燃焼器ライナ５０は、燃焼器ケーシング４７の半径方向内側に配置されて、燃焼チャンバ３０を形成するようになる。環状燃焼チャンバ冷却通路５４が、燃焼器ケーシング４７及び燃焼器ライナ５０間に形成される。トランジションピース５９が、燃焼器組立体８をタービンセクション６に結合する。トランジションピース５９は、燃焼チャンバ３０内で発生させた燃焼ガスを下流方向にタービンセクション６の第一段３３に向けて送る。その目的のために、トランジションピース５９は、内側壁６４及び外側壁６５を含む。外側壁６５は、内側壁６４及び該外側壁６５間に形成された環状通路６８に通じた複数の開口部６６を含む。内側壁６４は、燃焼チャンバ３０とタービンセクション６の間に延在するガイド空洞７２を形成する。
【００１５】
ここにおいて、上記の構成は例示的な実施形態のより完全な理解のために示したものであり、これら例示的な実施形態は、噴射ノズル組立体２０〜２２の特定の構造に関連していることを理解されたい。その中に例示的な実施形態の噴射ノズル組立体２０〜２２を組入れることができるターボ機械の具体的な形態は、変更することができる。各噴射ノズル組立体２０〜２２は同様に形成されるので、噴射ノズル組立体２１及び２２が同様の構造を備えているとの理解の下で、噴射ノズル組立体２０に関して以下に詳細な説明を行なう。
【００１６】
図３に示すように、噴射ノズル組立体２０は、第１の流体プレナム８４を形成した外側ハウジング８２を含む。第２の流体送給管８６が、第１の流体プレナム８４を貫通する。第２の流体送給管８６は、端部カバー１０に設けられた入口８８を含みかつ第２の流体プレナム９２を通って出口９０まで延在する。出口９０は、複数の混合管要素１００の一部分の周りに延在する第２の流体コア又はプレナム９５で終端する。混合管要素１００は、出口９０及びレゾネータ１０４の周りに環状アレイとして配置される。レゾネータ（空洞）１０４は、混合管要素１００の中心領域を通して抽出空気のような冷却流体を導く複数の冷却流体入口（その１つを参照符号１０６で示す）を含む。付加的な冷却流体が、複数の冷却開口部（その１つを参照符号１１０で示す）を通って、噴射ノズル組立体２０の第２の流体コア９５及び端部面１１４間で混合管要素１００の周りに延在する冷却流体プレナム１０８内に流れる。
【００１７】
ここにおいて、次に、残りの混合管要素１００が同様の構造を備えているとの理解の下で、複数の混合管要素１００の１つ（その全体を参照符号１２０で示す）を示している図４を参照する。混合管要素１２０は、第１の流体入口１３２、第２の流体入口１３４及び吐出端部１３７（図３）を有する導管１３０を含む。第２の流体入口１３４は、第１の流体入口１３２の下流に配置される。吐出端部１３７は、第１の流体入口１３２及び第２の流体入口１３４の下流に配置される。図示したこの例示的な実施形態では、第１の流体入口１３２には、流れ絞り部１４０が設けられる。流れ絞り部１４０は、混合管要素１２０を通る所望の流量を設定する。
【００１８】
図５で最も良く分かるように、混合管要素１２０は、渦発生装置１４４を含む。図示したこの例示的な実施形態によると、渦発生装置１４４は、第１の流体入口１３２及び第２の流体入口１３４間に形成された細長いスロットの形態の開口部１４６を含む。より具体的には、渦発生装置１４４は、同様の第１及び第２の曲線端部壁１４９及び１５０によって接合された第１及び第２の対向する細長い側部壁１４７及び１４８を含む。この構成では、第１の流体例えば空気が、第１の流体プレナム８４内に流れかつ混合管要素１２０に向けて導かれる。第１の流体の第１の部分は、図６に参照符号１５２で示すような軸方向流れとして第１の流体入口１３２内に流入する。第１の流体の第２の部分は、その全体を参照符号１５４で示すほぼ垂直流れとして渦発生装置１４４を通って混合管要素１２０に流入する。垂直流れ１５４は、軸方向流れ１５２に作用して、第２の流体入口１３４の直ぐ下流に第１及び第２の流れ渦１５６及び１５７を形成する。第１及び第２の渦は、ほぼ混合管要素１２０の容積を満たす。このようにして、第２の流体例えば燃料が、混合管要素１２０内に流れると、第１及び第２の流れ渦１５６及び１５７は、吐出端部１３７から燃焼チャンバ３０内に流れる混合気を形成する。第１及び第２の流れ渦１５６及び１５７は、第１及び第２の流体の混合を強化して、より完全燃焼を可能にするようになる。ここにおいて、第１及び第２の流体例えば燃料及び空気は、複数の混合管要素１００の各々内において同様な状態で混合される。混合を強化するために、隣接する混合管要素内で発生させる渦は、互いにオフセットさせて、垂直流れの混合管要素１００の１以上を混合不足の状態にする可能性がある流れパターンが形成されるのを回避する。また、混合管要素内で発生させる渦の数は変更することができることを理解されたい。
【００１９】
また、渦発生装置の形状、数及び位置は、例示的な実施形態に従って変更することができることを理解されたい。例えば、それぞれの図において同じ参照符号が同様の部分を表している図７では、渦発生装置１７０は、全体的に角張った輪郭を備えたものとして図示している。全体的に角張った輪郭は、三角形又は「デルタ翼」輪郭の形態を取る。図８は、渦発生装置１８４を備えた第１の端部１８３を有する混合管要素１８０を示している。渦発生装置１８４は、第１の端部１８３から延在する開口端部（別個には符号付けせず）を有するスロット１８６の形態を取る。第１の端部１８３内にオリフィスキャップ１８９を挿入して、渦発生装置１８４の開口端部を閉鎖しかつ混合管要素１８０のための所望の流れ絞り部を形成する。図９及び図１０は、複数の渦発生装置１９３〜１９５を有する混合管要素１９１を示しており、また図１１は、複数のオフセット又はスタッガ配置の渦発生装置２２０及び２２２を有する混合管要素１９８を示している。
【００２０】
ここにおいて、これらの例示的な実施形態は、混合管要素内に二重渦流れを発生させて第１及び第２の流体の混合を強化する追加のシステムを説明していることを理解されたい。混合の強化により、一層均一な燃料−空気比が生じ、このことは次に、ターボ機械のエミッションの減少をもたらす。さらに、上述したように、１つ又は複数の渦発生装置の形式、数及び位置並びに構成は、変更することができることを理解されたい。また、ターボ機械での使用に加えて混合管要素は、複数流体の混合の強化が望ましいような多種多様な用途で使用することができることを理解されたい。
【００２１】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２２】
２  ターボ機械
４  圧縮機セクション
６  タービンセクション
８  燃焼器組立体
１０  端部カバー
２０、２１、２２  噴射ノズル組立体
３０  燃焼チャンバ
３３  第一段（タービンセクションの）
４０  ディフューザ
４３  圧縮機セクション吐出プレナム
４７  燃焼器ケーシング
５０  燃焼器ライナ
５４  環状燃焼チャンバ冷却通路
５９  トランジションピース
６４  内側壁(トランジションピースの)
６５  外側壁(トランジションピースの)
６６  開口部（外側壁の）
６８  環状通路
７２  ガイド空洞
８２  外側ハウジング
８４  第１の流体プレナム
８６  第２の流体送給管
８８  入口（第２の流体送給管の）
９０  出口
９２  第２の流体プレナム
９５  第２の流体コア
１００  環状アレイとして配置された複数の混合管要素
１０４  レゾネータ
１０６  冷却空気入口
１０８  冷却空気プレナム
１１４  端部面
１２０、１８０、１９１、１９８  混合管要素
１３０  導管
１３２  第１の流体入口
１３４  第２の流体入口
１３７  吐出端部
１４０  流れ絞り部
１４４、１７０、１８４、１９３、１９４、１９４、１９５、２２０、２２２  渦発生装置
１４６  開口部
１４７、１４８  細長い側部壁
１４９、１５０  曲線端部壁
１５２  軸方向流れ
１５４  垂直流れ
１５６  第１の流れ渦
１５７  第２の流れ渦
１８２  第１の端部
１８６  スロット
１８９  オリフィスキャップ
【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】
0005947515.tif 000009
【図９】
0005947515.tif 000010
【図１０】
0005947515.tif 000011
【図１１】
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