(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、
外側シェル、内側シェル、前壁、複数の起伏、および複数のノズルを含み、
前記前壁が、前記燃焼器の中心線まわりに配置される環状の空間を形成するように、前記外側シェルおよび前記内側シェルを連結しており、
前記外側シェルおよび前記内側シェルが、前記前壁から前記起伏および前記燃焼器の環状の吐出開口に向けて延びており、
前記起伏および前記吐出開口が、前記前壁に対向しており、
前記複数の起伏が、前記燃焼器の中心線まわりに円周方向に間隔を開けて配置されており、かつ前記吐出開口まで延びており、
前記吐出開口が、前記燃焼器の中心線まわりに配置されており、
前記複数のノズルが、前記前壁と前記起伏および前記吐出開口との間で、それぞれ接線方向に向けた状態で円周方向に間隔を開けて前記外側シェルに配置されており、
前記複数のノズルが、前記環状の空間内に円周方向に沿う接線方向に沿って燃料、空気または燃料空気混合気を噴射して、第１の方向に沿って所定の円周方向速度成分で前記環状の空間を通って前記前壁から前記吐出開口に向かって流れる燃焼ガスの流れを生成するものであり、
前記複数の起伏が、円周方向に間隔を開けて配置されており、各起伏が、前記燃焼器の中心線まわりにねじれながら前記吐出開口に向かう経路に沿って延びており、前記環状の空間を通って流れる燃焼ガスの流れを、前記第１の方向から、当該第１の方向とは異なる第２の方向へと曲げて、前記吐出開口に向かう前記燃焼ガスの流れの前記円周方向速度成分を増加させる、
環状燃焼器。
【請求項２】
地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、
前壁および複数の起伏を有する主燃焼器シェルと、複数のノズルとを含み、
前記主燃焼器シェルが、当該主燃焼器シェルの中心線まわりに配置される環状の空間を区画しており、
前記主燃焼器シェルが、前記前壁から前記起伏および前記燃焼器の環状の吐出開口に向けて延びており、
前記起伏および前記吐出開口が、前記前壁に対向しており、
前記複数の起伏が、前記中心線まわりに円周方向に間隔を開けて配置されており、かつ前記吐出開口まで延びており、
前記複数のノズルが、前記前壁と前記起伏および前記吐出開口との間で、それぞれ接線方向に向けた状態で円周方向に間隔を開けて前記主燃焼器シェルに配置されており、
前記複数のノズルが、前記環状の空間内に円周方向に沿う接線方向に沿って燃料、空気または燃料空気混合気を噴射して、第１の方向に沿って所定の円周方向速度成分で前記環状の空間を通って前記吐出開口に向かって流れる燃焼ガスの流れを生成するものであり、
前記複数の起伏が、円周方向に間隔を開けて配置されており、各起伏が、前記中心線まわりにねじれながら前記吐出開口に向かう経路に沿って延びており、前記環状の空間を通って流れる燃焼ガスの流れを、前記第１の方向から、当該第１の方向とは異なる第２の方向へと曲げて、前記吐出開口に向かう前記燃焼ガスの流れの前記円周方向速度成分を増加させる、
環状燃焼器。
【請求項３】
前記複数の起伏が前記環状の空間内に突出している、請求項１または２に記載の環状燃焼器。
【請求項４】
前記複数の起伏が、前記ノズルの下流において前記吐出開口の近傍に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の環状燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料および空気流の燃焼を含むガス・タービン・エンジンにおける装置に関するとともに、また、理想的な経路を取ってタービン段に入るように高温ガスの軌跡を操作する装置に関する。このような装置は、限定はされないが、燃料空気ノズル、燃焼器ライナ、ケーシング、流れ遷移部品、および案内羽根を有しており、軍事用および民間用の航空機、発電、および、他のガス・タービンに関連する用途で使用される。
【背景技術】
【０００２】
ガス・タービン・エンジンには、高温、高圧、および高速で流れる燃焼ガスから仕事を引き出す機械装置が含まれる。引き出された仕事は、発電のために発電機を駆動したり、航空機に必要な推進を提供したりするのに使用することができる。一般的なガス・タービン・エンジンは、大気が高圧に圧縮される多段式の圧縮機を備えている。次いで、圧縮された空気は、燃焼器において既定の燃料空気比へと混合され、温度が上昇させられる。高温かつ高圧の燃焼ガスは、仕事を引き出すタービンを通じて膨張され、必要な推進を提供したり、用途に依存して発電機または圧縮装置を駆動したりする。タービンは、一列の動翼および一列の静翼から成る各段を少なくとも一段備えている。動翼は回転する軸に円周方向に配列されており、各動翼は高さ方向において高温ガス流の経路を覆っている。回転しない静翼の各段は円周方向に配列されており、静翼もまた高温ガス流の経路にわたって延びている。本願の発明は、ガス・タービン・エンジンの燃焼器部およびタービン部を伴うものであり、それぞれさらに説明される。
【０００３】
ガス・タービン・エンジンの燃焼器部分は、サイロ型、筒／管型、環型、および、後者の２つを組み合わせて形成される環状筒型の燃焼器といった、いくつかの異なるタイプのものであり得る。圧縮された燃料空気混合気は、燃料空気ノズルを通過し、混合気の燃焼反応が起こって高温ガス流を作り出し、その流れは密度が下がって下流へと加速するのはこの構成部品内である。筒型の燃焼器は、各ノズルのフレームを独立して含む、円周方向に離間された個々の筒を一般的に有している。各筒からの流れは、導管を通じて方向付けられ、第１段の静翼に入る前に、環状の遷移部品で合流される。環型の燃焼器のタイプでは、燃料空気ノズルは、一般的に、円周方向に配分されており、混合気を単体の環状室に導入し、そこで燃焼が行われる。流れは、遷移部品を必要とすることなく、環の下流端から第１段タービンへと単に流出する。最後のタイプの環状筒型の燃焼器の重要な違いは、燃焼器が、各筒に供給される空気の入った環状のケーシングによって包囲される個々の筒を有していることである。各タイプとも用途に応じて有益性および不利益がある。
【０００４】
ガス・タービン向けの燃焼器では、燃料と空気とを、燃焼室に入る前に一組の燃料空気ノズルを通じてあらかじめ混合するのが一般的である。これらのノズルは、いくつかの理由のために混合気に旋回を与える。理由の１つは、混合を促進させて燃焼を増進させることであり、別の理由は、旋回を加えることで火炎を安定させて火炎が噴き出すのを防止することであり、それにより、燃料空気混合気の燃料をより薄くして排出物を減らすことができる。燃料空気ノズルは、それぞれに旋回羽根を備えた１つから複数の環状の入口など、異なる構成を取ることができる。
【０００５】
他のガス・タービンの構成部品と同様に、燃焼器の材料が溶解するのを防止するための冷却方法を実施することが必要である。燃焼器を冷却するための一般的な方法は、燃焼器ライナを追加的なオフセットライナで包囲することで実施されるしみ出し冷却である。圧縮機吐出空気は、それら２つのライナの間を通過し、希釈孔および冷却通路を通って高温ガス流通路に入る。この技術は、構成部品から熱を除去するとともに、ライナと燃焼ガスとの間に冷たい空気の薄い境界層膜を形成し、熱のライナへの移動を防ぐ。希釈孔は、ライナの軸方向の位置に依存して２つの目的を果たす。燃料空気ノズルにより近い希釈孔は、ライナを冷却し、ガスの混合を助けて燃焼を増進させるとともに、未燃焼の空気を燃焼に向けて供給する。第２に、タービンにより近い希釈孔は、高温ガス流を冷却し、燃焼器出口の温度プロフィールを操作するように設計することができる。
【０００６】
ガス流が通過するガス・タービン・エンジンの次の部分は、第１段静翼およびタービンである。ガス・タービン・エンジンにおける位置では、高温ガスは、さらに加速されるとともに曲げられて、一列のタービン動翼に衝突させることができる速度になる。それらタービン動翼は、それ自体に揚力を発生させて高温ガスから仕事を引き出し、駆動軸を回転させることになる。このような用途において、高温ガス経路におけるタービン動翼および静翼は、高温、高圧、および高速の条件において作動する。このような厳しい条件は、熱酸化および表面劣化を引き起こし、構成部品の寿命を短くすることになる。タービン入口ガス温度は、通常、タービン構成部品の溶解点を超える約２００〜３００℃に達する。この高温は、表面状態を著しく劣化させ、また、表面粗さを増加させる。そのため、表面を冷却することは重要である。多様な設計、材料、および構成が、構造的な頑強性を提供するとともに、高温燃焼ガスに対する耐久性を高めるために、タービン静翼および動翼を効率よく冷却するガス・タービン・エンジンに用いられている。しかしながら、第１列の静翼全体の必要性を排除するような方法による燃焼器およびタービンを変更することへの試みはなかった。現在、タービン静翼の第１列は、過酷な作動環境に対処するために、高価なニッケル合金、遮熱コーティング、内部の冷却通路を具現化するための複雑な鋳造方法、および、製膜冷却技術を含むが、それらに限定されることのない様々な技術開発を必要とする。場合により、第１列の静翼は、ガス・タービン・エンジン全体のコストの約５％を占めることもあり得る。加えて、ガス・タービンを通過する流れ損失全体の約２％は、この単一の構成部材を通過する冷却空気を供給することに起因すると考えられ得る。本発明は、今日のガス・タービンと整合する方法で機能するが、第１段の静翼ノズルなしでそのように機能するものであり、したがって、関連するコストおよび性能ロスの課題が排除される。
【０００７】
この発明は、地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、外側シェル、内側シェル、前壁、複数の起伏、および複数のノズルを含み、前記前壁が、前記燃焼器の中心線まわりに配置される環状の空間を形成するように、前記外側シェルおよび前記内側シェルを連結しており、前記外側シェルおよび前記内側シェルが、前記前壁から前記起伏および前記燃焼器の環状の吐出開口に向けて延びており、前記起伏および前記吐出開口が、前記前壁に対向しており、前記複数の起伏が、前記燃焼器の中心線まわりに円周方向に間隔を開けて配置されており、かつ前記吐出開口まで延びており、前記吐出開口が、前記燃焼器の中心線まわりに配置されており、前記複数のノズルが、前記前壁と前記起伏および前記吐出開口との間で、それぞれ接線方向に向けた状態で円周方向に間隔を開けて前記外側シェルに配置されており、前記複数のノズルが、前記環状の空間内に円周方向に沿う接線方向に沿って燃料、空気または燃料空気混合気を噴射して、第１の方向に沿って所定の円周方向速度成分で前記環状の空間を通って前記前壁から前記吐出開口に向かって流れる燃焼ガスの流れを生成するものであり、前記複数の起伏が、円周方向に間隔を開けて配置されており、各起伏が、前記燃焼器の中心線まわりにねじれながら前記吐出開口に向かう経路に沿って延びており、前記環状の空間を通って流れる燃焼ガスの流れを、前記第１の方向から、当該第１の方向とは異なる第２の方向へと曲げて、前記吐出開口に向かう前記燃焼ガスの流れの前記円周方向速度成分を増加させる、環状燃焼器を提供する。
また、この発明は、地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、前壁および複数の起伏を有する主燃焼器シェルと、複数のノズルとを含み、前記主燃焼器シェルが、当該主燃焼器シェルの中心線まわりに配置される環状の空間を区画しており、前記主燃焼器シェルが、前記前壁から前記起伏および前記燃焼器の環状の吐出開口に向けて延びており、前記起伏および前記吐出開口が、前記前壁に対向しており、前記複数の起伏が、前記中心線まわりに円周方向に間隔を開けて配置されており、かつ前記吐出開口まで延びており、前記複数のノズルが、前記前壁と前記起伏および前記吐出開口との間で、それぞれ接線方向に向けた状態で円周方向に間隔を開けて前記主燃焼器シェルに配置されており、前記複数のノズルが、前記環状の空間内に円周方向に沿う接線方向に沿って燃料、空気または燃料空気混合気を噴射して、第１の方向に沿って所定の円周方向速度成分で前記環状の空間を通って前記吐出開口に向かって流れる燃焼ガスの流れを生成するものであり、前記複数の起伏が、円周方向に間隔を開けて配置されており、各起伏が、前記中心線まわりにねじれながら前記吐出開口に向かう経路に沿って延びており、前記環状の空間を通って流れる燃焼ガスの流れを、前記第１の方向から、当該第１の方向とは異なる第２の方向へと曲げて、前記吐出開口に向かう前記燃焼ガスの流れの前記円周方向速度成分を増加させる、環状燃焼器を提供する。
前記複数の起伏は、前記環状の空間内に突出していることが好ましい。
また、前記複数の起伏は、前記ノズルの下流において前記吐出開口の近傍に配置されていることが好ましい。
本発明の一実施形態に関しては、一般的な方法で作動することができるが、燃焼排ガスを燃焼器から接線角度で流出させることと、提案された起伏のある燃焼器形状を用いることとを組み合わせることで、静翼ノズルの必要性に取って代わる新規の改良された燃焼器設計が提供される。本発明の一実施形態は、高温ガス流全体にわたってそのガス流内へと突出しつつ、エンジン中心線に沿ってそのエンジン中心線周りにねじれる起伏を備えた、変更された燃焼器ライナを含む。起伏は、一般的なガス・タービン静翼ノズルのように、高温ガスを曲げて加速させ、タービン入口に対して理想的な速度にする。起伏の部分の長さを短くするように、燃料／空気ノズルは、燃焼器出口で接線角度を設けるようにするために、燃焼器ライナの周りに円となるような方法で配置されている。他のエンジン構成部品と同様に、起伏は、高温ガス経路における不安定な環境を避けて通ることはできない。そのため、衝突冷却、しみ出し冷却、または他の任意の冷却方法が利用され得る。冷却空気は、圧縮機吐出空気を介して供給され、その圧縮機吐出空気は、主燃焼器ライナとそれを包囲する別の燃焼器ライナとの間を流れ、起伏の内側（燃焼のあるライナの外側）を通って行く。冷却空気は、起伏の内側で燃焼器材料を冷却し、タービンのすぐ上流側で高温ガスと混合するか、あるいは、加熱された空気は、燃料／空気ノズルを通じて燃焼室へと入るように導かれる。本発明の一実施形態は、第１段タービンからノズル案内翼（ＮＧＶ）を排除することになるか、あるいは少なくとも、ノズル案内翼に必要な大きさを小さくすることになり、製造するためのコストを削減し、また、構成部品の材料をそれらの作動限界内に保つように、大量の冷却空気を構成部品の内部通路を通して供給することで生じる非効率性を最小とする。
【０００８】
本発明の一実施形態はまた、前後（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）方向および円周方向における様々な位置で、圧縮機吐出空気および圧縮された燃料を燃焼器へと導く、あらかじめ混合された燃料空気ノズルおよび／または希釈孔から成る。燃料入口および空気入口は、燃焼反応物および生成物の混合を促進させる環境を作り出すような方法で配置されている。上流側のノズルがより燃料をより多く含むように、下流側の別の組のノズルから、あらかじめ混合された燃料および空気のノズルを設定することは、燃焼反応物の混合を促進し、燃焼領域において、ＮＯｘの生成を著しく減らす特定の酸素濃度を生成する。また、燃焼領域の圧縮機吐出空気下流の導入は、燃焼の間に生成された任意のＣＯを、第１段タービンに入る前に燃やす／消費することができる。実際には、燃焼器は、ガス・タービンの排出レベルを改善し、それにより、排出制御装置の必要性を小さくするとともに、この装置の環境影響を最小とする。この改善に加えて、接線方向に燃える燃料ノズルおよび燃料空気ノズルは、その火炎を隣接する燃焼器へと向かわせることで、燃焼器の点火処理を非常に促進させる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】標準的な燃焼器の一般的な構造、ガス・タービン・エンジン用の第１段静翼およびタービン動翼、および、それら静翼および動翼を通る流れを描写し、それら静翼および動翼と交わる一定半径の面上で見られる２次元の概略図である。
【図２】本発明の一般的な構造、第１段タービン動翼部、および、その動翼部を通る流れを描写し、その動翼部と交わる一定半径の面上で見られる２次元の概略図である。
【図３】流れの方向が左側から右側へとなるような向きとされた、起伏を備えた環型の燃焼器の側面図である。
【図４】起伏の形状を露わにさせ、起伏が内部からどのように見えるかを分かるようにした断面を備えた実例の発明の等角の断面図である。
【図５】主燃焼器ライナを包囲する第２のライナを有する実例の発明の等角の断面図であり、断面は一般的な形状を露わにする。
【図６】実例の発明の若干下流側を見る視線方向での拡大した等角図であり、起伏の外側面（６Ａ）、および、実例の発明の若干上流側を見る視線方向での拡大した等角図であり、起伏の始まりと終わり（６Ｂ）を示す。
【図７】燃焼器の起伏部内部へと向かう下流方向で見る等角の断面図である。
【図８】高温の燃焼ガスのための吐出開口が強調された燃焼器全体の背面図（８Ａ）、および、高温の燃焼ガスのための吐出開口を強調した燃焼器の拡大した背面図（８Ｂ）である。
【図９】外側燃焼器ライナに取り付けられ、ならびに、燃焼器内に延びる円周かつ径方向を向くノズルを示す２次元の略図である（図に示されていないノズルの前後方向であり得る）。
【図１０】起伏のない、提案された段階的な燃料および空気の噴射を備えた実例の環型の燃焼器の等角の側面図である。
【図１１】エンジン中心線および径方向によって区画された切断面での等角の断面図である。
【図１２】穿孔された前壁を示す前方から後方への遠近法とされた、起伏のない実例の燃焼器の等角の正面図（１２Ａ）、および、（１２Ａ）の像の拡大図（１２Ｂ）である。
【図１３】燃料空気ノズルの一般的なノズルの断面部分の配置を示す２次元の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、ガス・タービン・エンジンの燃焼器および第１段タービンの一般的な前提を示すものである。高温の燃焼されたガス１が、燃焼器７を通って前後方向（燃焼器７の中心線に沿う方向）に流れ、燃焼器７の閾８から流出する。そこから、ガスは第１段静翼２によって加速されて導かれ、それにより、ガスは、前後方向成分４、円周方向成分５、および径方向成分が最小とされた速度３をその結果有する。この加速されて曲げられたガス流は、次いで第１段タービン動翼６の周囲に流れ、そこで仕事が引き出され、タービン動翼およびそれに連結されたロータへと伝達される。
【００１１】
図２は、本発明の一般的な前提を示し、ガス・タービン・エンジンで作動する、変更された燃焼器７および第１段タービン動翼から成る。ここで、接線方向に向けられた燃料空気ノズルからの第１の方向に沿う速度３３の実質的な円周方向成分を有する高温の燃焼されたガスは、燃焼器７を通って流れ、そこで起伏を通ってさらに第２の方向１１に曲げられて加速される。この曲げられた高温ガス１０は、まずは円周方向に配置された燃料／空気ノズルによって、次に燃焼器７を通って延びる起伏の表面９による導きによって、この状態を実現する。高温ガス１０は、その結果得られた速度３で燃焼器７の前後方向の閾１２を後にする。その速度３は、前後方向成分４、円周方向成分５、および最小とされた径方向速度を有し、第２の方向１１に沿う。流れは第１段タービン動翼６を通過し、そこで仕事が引き出される。
【００１２】
図３および図４は、本発明の概略的な設計思想を示している。環型の燃焼器は、必須の２つの同心のシリンダ１４，１５から構成され、それらシリンダ１４，１５は、前壁と呼ばれる環状面１３でそれらの上流側の端部／開口が連結／包囲されて環状の容積（空間）を形成している。これら２つのシリンダは、一定の半径のものであってもよいし、前後方向および／または円周方向において変化する可変の半径であってもよい。燃料空気ノズルは、発生した流れが本発明においては大きな接線成分を有することになる外側ライナを囲む円周方向への配列で置かれている。例えば、燃料空気ノズルは、外側ライナ１４および／または内側ライナ１５の周囲において、単列または複数列で円周方向に並べることができ、その位置で燃料および空気を主に接線成分において噴射する（噴射された混合気は、前後方向成分および径方向成分をさらに有してもよい）。燃料空気ノズルの別の配置では、周方向において均等に配置されてもよいが、ただし、その配置は、ノズルが主に円周方向の速度成分において流れを燃焼器容積内へと向かわせる外側シェル１４上においてである（噴射された混合気はまた、前後方向成分および／または径方向成分を同様に示してもよい）。燃料空気ノズルは、図１３に概略的に見られるように、一般的な配置を取ってもよい。その図では、可能な形態を示しており、ノズルの中心にある円形領域３５が、燃料の濃い燃料空気混合気が通過する軸方向の旋回翼、および／または、同心のパイロット燃料空気ノズルを含み得る。接線の燃料空気ノズルへの鍵は、空気、または、燃料の薄いあらかじめ混合された燃料空気混合気が、ほとんどから全く旋回のない状態で入り得るノズルの円環領域３４である。環状入口が少ない旋回とされた目的は、燃焼器への実質的な接線入口速度を確保することである。これにより、流れが燃焼器から離れてタービン内へと向かうにつれて、流れの円周方向速度成分が増加することになり、第１段タービン静翼および起伏をより短くすることができる。
【００１３】
燃料空気ノズルの下流には、起伏が配置されている。起伏は、内側シェル１５および／または外側シェル１４の一方または両方によって形成され、燃焼器の容積内に、また燃焼器の容積をわたって突出し、その容積では、シェル同士が接触、あるいは、小さな隙間を維持し得る。２つのシェル１４，１５が接触している場合には、それは線状または幅の狭い面接触を形成するだろう。この理論的な線は、面が燃焼器内へと入る経路を表している。この経路は、エンジン中心線の周りを回転している間、前後方向に移動する。回転量は、燃焼器の起伏部の長さ、起伏の数、および、上記の線状の始点と終点における角度に依存する。２つの角度が本実施形態において重要であり、第１の角度は、経路の始点に対する接線とエンジン中心線とが、その終点とエンジン中心線との間の半径に対して垂直な平面において成す角度である。第２の角度は、経路の終点（下流側の点）に対する接線とエンジン中心線とが、その終点とエンジン中心線との間の半径に対して垂直な平面において成す角度である。第２の角度は、燃焼器を出る高温ガス流が第１段タービン動翼６に向かって導入されるのに適した流れ状態を実現するために、６０度と８０度との間でなければならない。各起伏の長さは、高温ガスが燃焼器をそれの出口形状の角度に近い角度になって出ていくことができる十分な長さの経路２０となるようになっていなければならない。本発明の実施は、燃焼器容積内に突出する面１６，１７が、燃焼器シェル内にある高温ガス流において障害物となるために可能となっている。そのため、高温ガスは、一列の固定された静翼とされる起伏の経路を進むことになる。
【００１４】
他の環型の燃焼器で一般的なように、第２のシェル／ライナ１８，１９は、燃焼過程を包む主燃焼器シェルを包囲する。このライナは、一定の半径を有していてもよいし、前後方向および／または円周方向において変化する可変の半径であってもよい。このライナは、環型の燃焼領域の内側および外側に環状の容積を作り出す。圧縮機吐出空気は、これらの領域を燃焼器シェル１４，１５から熱を除去する目的で通過させられる。また、外側の冷却領域は、下流側の端において第１段タービンに通じているため、流れが圧力によって付勢されてこの燃焼器の端から出ていく。この外側の環状の領域では、吐出空気が、下流から起伏２１の外側を通って進み、第１段タービンに入る前に、同様に材料から熱を除去する。この外側ライナ１８は、燃焼器の端において外側燃焼器シェル１４と面接触させることで、外側燃焼器シェル１４に取り付けられなければならない。面接触は、燃焼器出口から若干上流側までで行われるものである。２つのライナ１４，１８のこのタイプの取付／接合をすることで、冷却する流れ側に閉じた起伏流路２１を作り出す。これにより、冷却する流れは、タービン入口に入る前により発達することになる。この実例では、内側の冷却領域は第１段タービンには入らない。代わりに、起伏およびその周りの領域に配置された希釈孔によって、この領域を通る圧縮機吐出空気は外側冷却領域へと移動することができる。これら希釈孔を通過する流れは、燃焼器シェル材料からの熱の移動を促進し、冷却を助けることになる。
【００１５】
前後方向に直角な燃焼システムの外面で見ると、断続的な領域、つまり、高温ガス流のための大きな領域２３と、冷却する流れが燃焼器から出てタービン動翼のすぐ上流側の高温ガス流に導入される、円周方向の幅がより小さな領域２２とがある。
【００１６】
別の実施形態では、起伏部を冷却する空気は、この空気が燃焼室に入り火炎の安定性を改善するのを助ける燃料／空気ノズルの方へと向けられる。
【００１７】
上記の起伏は、以下の特徴を備えた環型の燃焼器で実施される。図９は、接線方向に向けられた燃料空気ノズルを備えた環型の燃焼器の一般的な前提を示すものである。燃焼器は、前後方向において一定または変化する半径を有し得る外側シェル（またはライナ）１４および内側シェル（またはライナ）１５、ならびに、外側シェル１４および内側シェル１５を連結する前壁３２から構成されている。図に見られるように、本発明の実例の構成では、主に円周方向を向くあらかじめ混合された燃料ノズルおよび空気ノズル２４，２５が示されており、角度３１は、外側ライナの接線２９と、ノズル２４，２５の中心線３０との間で形成されるが、その方向への径方向成分または前後方向成分を有していてもよい。これらの様々なノズル２４，２５は、前後方向によって規定される共通の平面、および、エンジン中心線に沿う点を共有してもよく、また、円周方向に等間隔とされてもよく、あるいは、円周方向の間隔にパターンを有していてもよい。ノズルは、あらかじめ混合された燃料空気混合気２６を、外側シェル１４、内側シェル１５、および前壁３２によって作り出される燃焼器容量内に導入する。燃料ノズル２４および空気ノズル２５によって噴射される反応物は、この領域内で燃焼し、エンジン中心線の周りに回転する、燃焼器を通過する流れ場２７を作り出す。
【００１８】
図１０は、燃料／空気ノズル２４，２５が、共通の平面を共有して円周方向に離間された第２の燃料空気ノズルの組合せの上流側（左側）に配置された、本発明の実例の構成を示す。燃料ノズル２４，２５の数は、少なくとも１つであればよく、限度なく増やすことができる。圧縮機吐出空気はまた、図１１、図１２Ａ、および図１２Ｂに見られるように、穿孔された前壁３２を通って燃焼器容積に導入されてもよい。前壁近くでは、燃料ノズル２４，２５の下流側で噴射される混合気を伴う第２の組合せのノズルよりも燃料の濃い燃料空気比を有し得る混合気が噴射され、その噴射は、燃焼器からのＮＯｘおよびＣＯの排出を減少させる最適な燃焼環境を作り出すことになる、所望の混合および燃料空気の段階的効果を作り出せる。次いで、高温燃焼生成物は、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、ガス・タービンの第１段タービンへと入る環状の開口２３を通って燃焼器から出ていく。
【００１９】
本発明は、好ましい実施形態を参照しつつ上記で説明された。しかしながら、当業者は、本発明の本質および範囲から逸脱することなく、説明された実施形態において変更および修正が行われ得ることは理解するだろう。例示の目的のために本明細書で選択された実施形態への様々な変更および修正は、当業者には容易に思いつくであろう。このような修正および変更が本発明の精神から逸脱しない範囲において、それら修正および変更は本発明の範囲内に含まれるように意図されている。
【００２０】
以上、当業者が本発明を理解して実施できるように明確かつ簡潔な言葉で、本発明の十分な説明がなされた。
以下に、この明細書および添付図面の記載から抽出され得る特徴を記す。
１．地上にある発電用途、地上または海上にある車両または航空機エンジン用途で用いられるガス・タービン用の環状の燃焼器において、
円周方向に離間された複数の燃料ノズル、空気ノズル、および／または燃料空気ノズルであって、個々のタイプのノズルがエンジン中心線に沿う前後方向に対して垂直な平面を共有し、異なるタイプのノズルが含まれている場合には、各タイプのノズルが共有する平面が互いに分離されている、ノズルと、
高温合金またはセラミック材料製のシェルであって、互いに対向する内側シェルおよび外側シェルと、内側シェルまたは外側シェルに設けられた複数の起伏とを備え、前記複数の起伏が、前記シェル内を通る高温ガス流内に延在し、前後方向に向かうにつれて前記エンジン中心線周りにねじれ、円周方向に等間隔に配置され、対向する外側シェルまたは内側シェルに接合、または、小さな隙間を維持し、かつ、前記燃焼器内の空間の全体の長さの一部のみにわたって延びている、シェルと、
を有する、燃焼器。
２．燃料空気ノズルは、前記外側シェルを通じて前記前後方向に対して垂直な単一または複数の共通の平面に流れを導入し、円周方向において等間隔または非等間隔で配置され、前記燃料空気ノズルの向きが、主に円周方向成分および径方向成分を有し、前記燃料空気ノズルの向きの前後方向成分は、前記円周方向成分および前記径方向成分よりも小さい、項１記載の燃焼器。
３．前記燃料空気ノズルは、軸流旋回翼および／またはパイロット燃料空気ノズルが配置され得る同軸の円形領域と、前記流れに旋回がほとんどまたは全く付与されない同心の円環流れ入口とから構成されている、項１記載の燃焼器。
４．前記燃料空気ノズルは、相当の接線速度で前記流れを導入するために、前記流れにほとんどまたは全く旋回を付与しない（たとえば、０回転より大きく０．５回転より小さい）前記円環流れ入口を有し、それにより前記起伏に接近する流れの角度を実際に増加させ、前記流れを曲げるのに前記起伏に必要な長さを短くする、項３記載の燃焼器。
５．単列の燃料／空気ノズルは、前記外側燃焼器シェルの周りに円となるようにして配置される、項１記載の燃焼器。
６．２列またはそれ以上の燃料／空気ノズルは、前記外側燃焼器シェルの周りに円となるようにして配置される、項１記載の燃焼器。
７．前記起伏は、前後方向において、前記燃焼器の出口から上流へ任意の距離で等しく延びる、項１記載の燃焼器。
８．前記起伏は、前後方向に対して垂直な前記平面において、エンジン中心線から始まって前記起伏の円周方向の幅に関する中心を通る直線と、エンジン中心線から始まって隣接する起伏の円周方向の幅に関する中心を通る直線との間に形成される方位角が、１０度と１２０度との間であるように、エンジン中心線周りにねじれている、項１記載の燃焼器。
９．前記高温ガス流を横切って延びる前記起伏の円周方向の幅は、隣の前記起伏への円周方向の間隔を超えず、異なる前後位置においてその幅寸法が変化し得る、項１記載の燃焼器。
１０．前記起伏の円周方向の幅に関する中心を通る起伏中心線の最も上流側の位置での半径に直角な平面において、その最も上流側の位置での前記起伏中心線への接線は、前後方向軸線と−９０度から９０度の範囲の反時計回りの角度を成す、項１記載の燃焼器。
１１．前記起伏の円周方向の幅に関する中心を通る起伏中心線の最も下流側の位置での半径に直角な平面において、その最も下流側の位置での前記起伏中心線への接線は、前後方向軸線と−９０度から９０度の範囲の反時計回りの角度を成す、項１記載の燃焼器。
１２．内側シェルおよび外側シェルの両方の半径は、前記ガス・タービン・エンジンの大きさおよび形状に依存して、前後方向において変化し得る、項１記載の燃焼器。
１３．ガス・タービン構成部品を冷却するのに利用可能な任意の冷却方法が使用され得る、項１記載の燃焼器。この場合の冷却方法は、例えば、衝突冷却、しみ出し冷却、蒸気冷却などである。
１４．前記燃焼器の前記起伏は、前記高温燃焼生成物を、第１段回転タービン動翼へと導入するために、０．６と０．９との間のマッハ数で０度と９０度との間の絶対基準角度に加速して導く、項１記載の燃焼器。
１５．前記外側シェルの周りに円となるように配設されている前記燃料ノズル、前記空気ノズル、および／または前記燃料空気ノズルは、前記起伏の部分へと進む前記流れの入口角度の平均を１０度から７０度の範囲とさせる、項１記載の燃焼器。
１６．前記ノズルは、前記燃焼器の前後方向長さに沿う１つまたはそれ以上の平面に配置されている、項１５記載の燃焼器。
１７．前記ノズルは、前記燃焼器の前後方向に直角な異なる平面に整列されている、項１５記載の燃焼器。
１８．前記ノズルは、異なる平面において空間的に互いからオフセットされている、項１５記載の燃焼器。
１９．前記ノズルは、前記ノズルの接線角度が同じ平面内において互いに対してオフセットされるように配置されている、項１５記載の燃焼器。
２０．前記ノズルは異なる平面に配置される一方で、前記接線角度は異なる平面内でオフセットされている、項１５記載の燃焼器。
２１．前記燃料空気ノズルは、前記燃焼室に入る前にあらかじめ混合された燃料空気混合気を導入するように配置されている、項１記載の燃焼器。
２２．前記燃料ノズルおよび前記空気ノズルは、それぞれ、拡散に基づいた燃焼を生成するように互いから離間されている、項１記載の燃焼器。
２３．前記燃料空気ノズルは、平面ごとに、０度から９０度の範囲で、一定の値または変化する値の角度を有し得るものであり得る、項１５記載の燃焼器。
２４．異なる平面にある前記ノズルは、同じ燃料空気比または異なる燃料空気比を有し得る、項１５記載の燃焼器。
２５．実質的な円周方向の速度成分を有する、燃焼器を通った後の前記流れは、前記起伏の必要な長さを減少させ、項１０に記載されるような前記起伏の角度を、０度より大きくさせる（前記燃焼器の前端に近づく前記流れの角度に合わせる）ことができる、項１記載の燃焼器。
【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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