(57)【要約】【課題】タービンシステム用の伴流低減構造体を提供する。【解決手段】伴流低減構造体は、内側および外側表面を有する燃焼器ライナであって、内側表面が、燃焼器チャンバを画定する燃焼器ライナを含む。また、燃焼器ライナの外側表面に沿って位置する空気流通路も含まれる。さらに、空気流通路内かつ燃焼器ライナの近位に配設された伴流発生構成要素であって、伴流発生構成要素の下流側に位置する伴流領域を発生させる、伴流発生構成要素と、燃焼器ライナに作動可能に結合され、燃焼器ライナ開口内に配設された伴流発生構成要素ボスが含まれる。また、伴流発生構成要素ボスを通って延びる冷却チャネルであって、伴流発生構成要素ボスの上流側領域上の空気入口と、伴流発生構成要素ボスの下流側領域上の空気出口とを有し、空気を伴流領域に供給するように構成される、冷却チャネルも含まれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンシステム用の伴流低減構造体であって、
内側表面（３６）および外側表面（３８）を有する燃焼器ライナ（３２）であって、前記内側表面（３６）が、燃焼器チャンバ（１８）を画定する、燃焼器ライナ（３２）と、
前記燃焼器ライナ（３２）の前記外側表面（３８）に沿って位置する空気流通路（４０）と、前記空気流通路（４０）内かつ前記燃焼器ライナ（３２）の近位に配設された伴流発生構成要素（４２）であって、前記伴流発生構成要素（４２）の下流側に位置する伴流領域（４４）を発生させる、伴流発生構成要素（４２）と、
前記燃焼器ライナ（３２）に作動可能に結合され、燃焼器ライナ開口（５２）内に配設された伴流発生構成要素ボス（５０）と、
前記伴流発生構成要素ボス（５０）を通って延びる冷却チャネル（６０）であって、前記伴流発生構成要素ボス（５０）の上流側領域上の空気入口（６２）と、前記伴流発生構成要素ボス（５０）の下流側領域上の空気出口（６４）とを有し、空気を前記伴流発生構成要素（４２）の前記伴流領域（４４）に供給するように構成される、冷却チャネル（６０）とを備える、伴流低減構造体。
【請求項２】
前記伴流発生構成要素（４２）が、燃料噴射器（４６）を備える、請求項１に記載の伴流低減構造体。
【請求項３】
前記伴流発生構成要素ボス（５０）が、積層式製造プロセスによって形成される、請求項１に記載の伴流低減構造体。
【請求項４】
前記積層式製造プロセスが、直接金属レーザ溶融法（ＤＭＬＭ）を含む、請求項３に記載の伴流低減構造体。
【請求項５】
前記積層式製造プロセスが、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）を含む、請求項３に記載の伴流低減構造体。
【請求項６】
前記伴流発生構成要素ボス（５０）が、前記燃焼器ライナ（３２）に溶接される、請求項１に記載の伴流低減構造体。
【請求項７】
前記伴流発生構成要素ボス（５０）を通って延びる複数の冷却チャネル（６０）さらに備える、請求項１に記載の伴流低減構造体。
【請求項８】
前記複数の冷却チャネル（６０）がそれぞれ、前記伴流発生構成要素ボス（５０）の上流側領域上の空気入口（６２）と、前記伴流発生構成要素ボス（５０）の下流側領域上の空気出口（６４）とを含み、空気を前記伴流発生構成要素（４２）の下流側に位置する前記伴流領域（４４）に供給するように構成される、請求項７に記載の伴流低減構造体。
【請求項９】
ガスタービンエンジン（１０）の燃焼器アセンブリ（１４）用の燃料噴射器アセンブリであって、
外側表面（３８）を有する燃焼器ライナ（３２）と、
径方向に外方に離間した場所において前記燃焼器ライナ（３２）を取り囲むスリーブ（３４）と、
前記燃焼器ライナ（３２）の前記外側表面（３８）および前記スリーブ（３４）によって画定された空気流通路（４０）と、
前記空気流通路（４０）内に配設され、燃焼器ライナ開口（５２）およびスリーブ開口を少なくとも部分的に通って延びる燃料噴射器（４６）と、
前記空気流通路（４０）内に配設され、燃焼器ライナ開口壁（５４）に作動可能に結合されたボス（５０）であって、積層式製造プロセスによって形成される、ボス（５０）と、
前記ボス（５０）を通って延びる冷却チャネル（６０）であって、前記ボス（５０）の上流側領域上の空気入口（６２）と、前記ボス（５０）の下流側領域上の空気出口（６４）とを有し、空気を前記燃料噴射器（４６）の下流側に位置する伴流領域（４４）に供給するように構成される、冷却チャネル（６０）とを備える、燃料噴射器アセンブリ。
【請求項１０】
前記積層式製造プロセスが、直接金属レーザ溶融法（ＤＭＬＭ）を含む、請求項９に記載の燃料噴射器アセンブリ。
【請求項１１】
前記積層式製造プロセスが、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）を含む、請求項９に記載の燃料噴射器アセンブリ。
【請求項１２】
前記ボス（５０）が、前記燃焼器ライナ開口壁（５４）に溶接される、請求項９に記載の燃料噴射器アセンブリ。
【請求項１３】
前記ボス（５０）を通って延びる複数の冷却チャネル（６０）をさらに備える、請求項９に記載の燃料噴射器アセンブリ。
【請求項１４】
前記複数の冷却チャネル（６０）がそれぞれ、前記ボス（５０）の上流側領域上の空気入口（６２）と、前記ボス（５０）の下流側領域上の空気出口（６４）とを有し、前記複数の冷却チャネル（６０）は、空気を前記燃料噴射器（４６）の下流側に位置する前記伴流領域（４４）に供給するように構成される、請求項１３に記載の燃料噴射器アセンブリ。
【請求項１５】
前記冷却チャネル（６０）が、約１００マイクロメートル（μｍ）から約３ミリメートル（ｍｍ）の範囲の断面寸法を含む、請求項９に記載の燃料噴射器アセンブリ。
【請求項１６】
ガスタービンエンジン（１０）であって、
圧縮機セクション（１２）と、
タービンセクション（２４）と、
燃焼器アセンブリ（１４）であって、
燃焼器ライナ（３２）の外側表面（３８）および前記燃焼器ライナ（３２）を取り囲むスリーブ（３４）によって画定される空気流通路（４０）と、
前記空気流通路（４０）内に配設され、燃焼器ライナ開口（５２）およびスリーブ開口を少なくとも部分的に通って延びる燃料噴射器（４６）と、
前記空気流通路（４０）内に配設され、燃焼器ライナ開口壁（５４）に作動可能に結合されたボス（５０）であって、積層式製造プロセスによって形成される、ボス（５０）と、
前記ボス（５０）の上流側領域上の空気入口（６２）と、前記ボス（５０）の下流側領域上の空気出口（６４）とを各々が有する、前記ボス（５０）を通って延びる複数の冷却チャネル（６０）であって、空気を前記燃料噴射器（４６）の下流側に位置する伴流領域（４４）に供給するように構成される、複数の冷却チャネル（６０）とを備える、燃焼器アセンブリ（１４）とを備えるガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１７】
前記積層式製造プロセスが、直接金属レーザ溶融法（ＤＭＬＭ）を含む、請求項１６に記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１８】
前記積層式製造プロセスが、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）を含む、請求項１６に記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１９】
前記ボス（５０）が、前記燃焼器ライナ開口壁（５４）に溶接される、請求項１６に記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項２０】
前記複数の冷却チャネル（６０）の各々が、約１００マイクロメートル（μｍ）から約３ミリメートル（ｍｍ）の範囲の断面寸法を含む、請求項１６に記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示される主題は、タービンシステムに関し、より詳細には、そのようなタービンシステム用の伴流低減構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼器構成部は、しばしば逆流型構成のものであり、金属薄板から形成されたライナを含む。金属薄板、およびしばしばスリーブと称される外側境界構成要素は、圧縮機出口から受け入れられた空気のための通路を形成し、それによって空気は、燃焼器のヘッド端部に向かう方向に流れ、ここで空気は、その後、ノズル内に入れられ、燃焼器チャンバ内で燃料と混合される。構造上および機能上の利益の役割を果たすさまざまな構成要素は、空気流の通路に沿って位置することができる。これらの構成要素の結果、伴流領域が構成要素の下流側の近位に位置する。これらの伴流領域は、空気がヘッド端部にあるノズルに供給されるときに圧力降下および非均一の空気流を招き、それによってＮＯｘ排出の増大および効率性の良くない全体的作動などの望ましくない効果を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８，５２２，５５７号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明の１つの態様によれば、タービンシステム用の伴流低減構造体は、内側表面および外側表面を有する燃焼器ライナであって、内側表面が燃焼器チャンバを画定する、燃焼器ライナを含む。また、燃焼器ライナの外側表面に沿って位置する空気流通路も含まれる。さらに、空気流通路内かつ燃焼器ライナの近位に配設された伴流発生構成要素であって、伴流発生構成要素の下流側に位置する伴流領域を発生させる、伴流発生構成要素が含まれる。さらに、燃焼器ライナに作動可能に結合され、燃焼器ライナ開口内に配設された伴流発生構成要素ボスが含まれる。また、伴流発生構成要素ボスを通って延びる冷却チャネルであって、伴流発生構成要素ボスの上流側領域上の空気入口と、伴流発生構成要素ボスの下流側領域上の空気出口とを有し、空気を伴流発生構成要素の伴流領域に供給するように構成される、冷却チャネルも含まれる。
【０００５】
本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンの燃焼器アセンブリ用の燃料噴射器アセンブリは、外側表面を有する燃焼器ライナを含む。また、径方向に外方に離間した場所において燃焼器ライナを取り囲むスリーブも含まれる。さらに、燃焼器ライナの外側表面およびスリーブによって画定された空気流通路が含まれる。さらには、空気流通路内に配設され、燃焼器ライナ開口およびスリーブ開口を少なくとも部分的に通って延びる燃料噴射器が含まれる。また、空気流通路内に配設され、燃焼器ライナ開口壁に作動可能に結合されたボスであって、積層式製造プロセスによって形成される、ボスも含まれる。さらに、ボスを通って延びる冷却チャネルであって、ボスの上流側領域上の空気入口と、ボスの下流側領域上の空気出口とを有し、空気を燃料噴射器の下流側に位置する伴流領域に供給するように構成される、冷却チャネルが含まれる。
【０００６】
本発明のさらに別の態様によれば、ガスタービンエンジンは、圧縮機セクションと、タービンセクションと、燃焼器アセンブリとを含む。燃焼器アセンブリは、燃焼器ライナの外側表面および燃焼器ライナを取り囲むスリーブによって画定された空気流通路を含む。燃焼器アセンブリはまた、空気流通路内に配設され、燃焼器ライナ開口およびスリーブ開口を少なくとも部分的に通って延びる燃料噴射器も含む。燃焼器アセンブリは、さらに、空気流通路内に配設され、燃焼器ライナ開口壁に作動可能に連結されたボスであって、積層式製造プロセスによって形成される、ボスを含む。燃焼器アセンブリは、さらに、ボスの上流側領域上の空気入口と、ボスの下流側領域上の空気出口とを各々が有する、ボスを通って延びる複数の冷却チャネルであって、空気を燃料噴射器の下流側に位置する伴流領域に供給するように構成される、複数の冷却チャネルを含む。
【０００７】
これらおよび他の利点および特徴は、図と併用した以下の説明からより明らかになろう。
【０００８】
本発明としてみなされる主題が、具体的に指摘され、本明細書の結論部の特許請求の範囲内で別個に特許請求される。本発明の前述および他の特徴、および利点は、添付の図を併用した以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】ガスタービンエンジンの燃焼器アセンブリの一部分の斜視図である。
【図３】伴流発生構成要素を示す燃焼器アセンブリの一部分の側面図である。
【図４】伴流発生構成要素の拡大側面図である。
【図５】伴流発生構成要素をより詳細に示す、図４のセクションＶの拡大側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な説明は、本発明の実施形態を利点および特徴と共に図を参照して例として説明する。
【００１１】
図１を参照すれば、ガスタービンエンジン１０などの、本発明の例示的な実施形態によって構築されたタービンシステムが、概略的に示される。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１２と、１４でその１つが示された環状多筒形配列で配置された複数の燃焼器アセンブリとを含む。図示されるように、燃焼器アセンブリ１４は、燃焼器チャンバ１８をシールし、少なくとも部分的に画定する端カバーアセンブリ１６を含む。複数のノズル２０〜２２が、端カバーアセンブリ１６によって支持され、燃焼器チャンバ１８内に延びる。ノズル２０〜２２は、共通の燃料入口（図示せず）を通して燃料を、そして圧縮機１２から圧縮された空気を受け入れる。燃料および圧縮された空気は、燃焼器チャンバ１８内に進められ、点火されて、タービン２４を駆動させるために使用される高温、高圧の燃焼生成物または空気ストリームを生じさせる。タービン２４は、複数の段２６〜２８を含み、これらの段は、圧縮機／（ロータとも称される）タービンシャフト３０を通して圧縮機１２に作動可能に連結される。
【００１２】
作動においては、空気は圧縮機１２内に流れ、高圧ガスになるように圧縮される。高圧ガスは燃焼器アセンブリ１４に供給され、燃料、たとえば天然ガス、燃料油、プロセスガスおよび／または合成ガス（シンガス）と燃焼器チャンバ１８内で混合される。燃料／空気または可燃性の混合物は発火して高圧、高温の燃焼ガスストリームを生じさせる。いずれにせよ、燃焼器アセンブリ１４は、燃焼ガスストリームをタービン２４まで導き、タービン２４は、熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換する。
【００１３】
次に図２および図３を参照すれば、燃焼器アセンブリ１４の一部分が示される。上記で指摘されたように、燃焼器アセンブリ１４は、通常、しばしば円周方向に配置される、ガスタービンエンジン１０内で作動する複数の燃焼器の１つである。燃焼器アセンブリ１４は、外形上は管状のものであることが多く、高温加圧されたガス９０をガスタービンエンジン１０のタービンセクション２４内に向ける。
【００１４】
以下の説明から理解されるように、燃焼器アセンブリは、燃焼ゾーンまたは遷移ゾーンになり得る内部領域を画定するライナを含む。例示の目的で以下で説明される特定の実施形態は、スリーブによって取り囲まれた燃焼器ライナに関する。しかし、本明細書において説明される本発明の実施形態は、燃焼器アセンブリ１４のさまざまな他の実施形態と併用して使用されてよいことを理解されたい。詳細には、遷移部分ライナが使用され、遷移部分ライナおよび燃焼器ライナを取り囲む衝突スリーブまたは単一のライナによって取り囲まれてよい。さらに、燃焼ゾーンおよび遷移ゾーンを画定する単一のライナが使用されてよい。単一のライナは、１つまたは複数のスリーブによって取り囲まれても取り囲まれなくてもよい。
【００１５】
１つの実施形態では、燃焼器アセンブリ１４は、燃焼器ライナ３２によって画定され、燃焼器ライナ３２は、径方向の外方の場所においてたとえばスリーブ３４などの外側境界構成要素によって少なくとも部分的に取り囲まれる。詳細には、燃焼器ライナ３２は、内側表面３６および外側表面３８を含み、ここでは内側表面３６は、燃焼器チャンバ１８を画定する。燃焼器ライナ３２の外側表面３８とスリーブ３４の間に形成された空気流通路４０は、空気ストリームが燃焼器アセンブリ１４のノズルに向かって中を流れるための領域をもたらす。燃焼器ライナ３２は、燃焼器ライナ３２を取り囲むスリーブ３４を有するものとして図示され、先に説明されているが、燃焼器ライナ３２だけが存在し、このとき外側境界構成要素は外側ケーシングなどを備えることが企図される。空気流通路４０内に配設され、または部分的にその中に突起するのは、少なくとも１つの伴流発生構成要素４２である。伴流発生構成要素４２は、全般的には任意の構造部材を指し、ガスタービンエンジン１０に構造上および／または機能上の利益をもたらすことができる。１つの実施形態では、伴流発生構成要素４２は、遅延希薄噴射器（ＬＬＩ）などの、燃焼器ライナ３２を通って径方向に内方に延びる燃料噴射器を備える。あるいは、伴流発生構成要素４２は、隣接する燃焼器チャンバ、カメラなどを流体式に結合する連絡管などの管でよい。先行するリストは単に例示的なものであり、伴流発生構成要素４２は、空気流通路４０内に配設された任意の構造部材を指してよいことを理解されたい。
【００１６】
空気流通路４０内に流れる空気が伴流発生構成要素４２に遭遇するとき、伴流領域４４が、伴流発生構成要素４２の下流側に発生する。詳細には、伴流領域４４は、伴流発生構成要素４２の下流側端部のすぐ近傍から伴流発生構成要素４２の下流側端部の近位の場所まで延びることができる。
【００１７】
図４および図５を参照すれば、伴流発生構成要素４２が、より詳細に示される。詳細には、ＬＬＩ燃料噴射器アセンブリが、伴流発生構成要素４２の実施形態として示される。ＬＬＩ燃料噴射器アセンブリは、燃料を燃焼器チャンバ１８内に噴射するように構成される。ＬＬＩ燃料噴射器アセンブリは、噴射器４６と、噴射器４６に作動可能に結合され、または噴射器４６と共に一体的に形成され得る構造支持構成部４８とを含む。ボス５０が、空気流通路４０内で噴射器４６を位置付け、支持するために含まれる。ボス５０は、燃焼器ライナ３２に動作可能に結合される。１つの実施形態では、ボス５０は、燃焼器ライナ開口５２内に配置され、燃焼器ライナ開口５２を画定する燃焼器ライナ開口壁５４に溶接される。
【００１８】
ＬＬＩ燃料噴射器アセンブリのボス５０は、ボス５０内に形成された、少なくとも１つの、しかし通常は複数の冷却マイクロチャネル６０を含む。ボス５０、より詳細には複数の冷却マイクロチャネル６０は、以下の説明から理解されるように、伴流低減構造体を形成する。複数の冷却マイクロチャネル６０は、互いに同じでよく、またはサイズまたは形状において互いに異なっていてよい。１つの実施形態によれば、複数の冷却マイクロチャネル６０は、約１００ミクロン（μｍ）から約３ミリメートル（ｍｍ）の間の断面寸法（たとえば、幅、直径など）を有することができる。複数の冷却マイクロチャネル６０は、円形の、半円形の、楕円の、湾曲した、矩形の、三角形のまたはひし形の断面を有することができる。先行するリストは、単に例示的なものであり、包括的であるよう意図されない。特定の実施形態では、複数の冷却マイクロチャネル６０は、可変の断面積を有することができる。撹拌器またはディンプルなどの熱伝達増進体も同様に、複数の冷却マイクロチャネル６０内に取り付けられてよい。
【００１９】
複数の冷却マイクロチャネル６０の各々は、空気入口６２および空気出口６４を含む。空気入口６２は、ボス５０の上流側領域上のボス５０内の開口部である。詳細には、空気入口６２は、ＬＬＩ燃料噴射器アセンブリの上流側に位置する。空気出口６４は、ボス５０の下流側領域上のボス５０内の開口部である。各々の冷却マイクロチャネルは、空気入口６２から空気出口６４まで連続的に延びてボス５０を通り抜ける。空気流６８は、空気入口６２内に入り、空気出口６４まで中を通って経路付けするための冷却マイクロチャネルに供給され、空気出口６４は、上記で説明された伴流領域４４内に位置する。空気流６８は、空気流通路４０を通り抜ける空気ストリームから直接的に調達され得る。追加的に、空気流６８は、冷却マイクロチャネルと流体連通する二次空気供給部から調達され得る。空気流６８の正確な供給源に関係なく、伴流領域４４の圧力が、ボス５０のすぐ上流側（すなわち空気入口６２）に位置する空気流通路４０の領域と比べて低いことにより、冷却マイクロチャネルを通って伴流領域４４に入る空気流６８の吸引が、達成される。空気流６８が、冷却マクロチャネルを通って引き出されるとき、引っ張られた空気は伴流領域４４を「満たし」、それによって大きい伴流領域に関連付けられた望ましくない効果を低減する。
【００２０】
任意の従来の製造プロセスが、複数の冷却マイクロチャネル６０、および場合によってはボス５０全体を形成するために使用され得ることが企図されるが、１つの種類の製造プロセスが、複数の冷却マイクロチャネル６０を形成するために特に有用である。特に、積層式製造が、ボス５０および複数の冷却マイクロチャネル６０を形成するために使用されてよい。「積層式に製造される」という用語は、互いに上下にある連続した材料層を形成し、固化させることによって構築された構成要素を説明するよう理解されなければならない。より詳細には、粉末材料の層が、基板上に堆積され、熱への露出、レーザ、電子ビーム、または何らかの他のプロセスによって溶融され、その後固化される。固化された後、構成要素が形成されるまで、新しい層が堆積され、固化され、先の層に融合される。例示的な積層式製造プロセスは、直接金属レーザ溶融法（ＤＭＬＭ）および直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）を含む。
【００２１】
有利には、空気流の均一性は、空気ストリームがヘッド端部ノズルに経路付けされるときに増大され、それによって、ガスタービンエンジン１０の全体的な効率性の増大ならびにＮＯｘ排出の低減を促進する。追加的に、複数のマイクロチャネル６０を通り抜ける空気流６８は、燃焼器ライナ３２に固定されたボス５０を冷却する。
【００２２】
本発明は、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明されてきたが、本発明は、そのような開示された実施形態に限定されないことを容易に理解されたい。そうではなく、本発明は、いかなる数の変形形態、代替形態、代用形態、または本明細書において説明されなかった等価の構成も組み込むように改変することができるが、これらは、本発明の趣旨および範囲に見合うものである。追加的に、本発明のさまざまな実施形態が説明されてきたが、本発明の態様は、説明された実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると理解されるものではなく、付属の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮機
１４  燃焼器アセンブリ
１６  端カバーアセンブリ
１８  燃焼器チャンバ
２０、２１、２２  複数のノズル
２４  タービン
２６、２７、２８  複数の段
３０  圧縮機／タービンシャフト
３２  燃焼器ライナ
３４  スリーブ
３６  内側表面
３８  外側表面
４０  空気流通路
４２  少なくとも１つの伴流発生構成要素
４４  伴流領域
４６  噴射器
４８  構造支持構成部
５０  ボス
５２  燃焼器ライナ開口
５４  燃焼器ライナ開口壁
６０  複数の冷却マイクロチャネル
６２  空気入口
６４  空気出口
６８  空気流
９０  高温加圧されたガス
【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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