(57)【要約】      （修正有）【課題】案内羽根を使用するガスタービンエンジンで燃焼するための気体燃料を噴射する方法を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジンのケーシングと結合された第１のフランジ２６と、ケーシングと結合された第２のフランジ２８と、第１のフランジと第２のフランジとの間に配置され且つ第１のフランジ及び第２のフランジに結合された第１のエーロフォイル２２と、第１のフランジと第２のフランジとの間に配置された第２のエーロフォイル２４とを含み、第２のエーロフォイルは、第１のエーロフォイルの第１の後部分と第２のエーロフォイルの第２の前部分との間に半径方向に延出する空隙３４を形成するように第１のフランジ及び第２のフランジに結合され、空隙を通して気体燃料３６を流通させ、案内羽根に沿って流れる流体に流入させるように構成した。【選択図】図２
2008144763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンデムエーロフォイルを有する案内羽根（１２）において、
ガスタービンエンジンのケーシング（１８）と結合されるように構成された第１のフランジ（２６）と；
前記ケーシングと結合されるように構成され、前記第１のフランジから前記ガスタービンエンジンの半径方向に離間して配置された第２のフランジ（２８）と；
前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間に配置され且つ前記第１のフランジ及び前記第２のフランジに結合され、第１の前部分及び第１の後部分を含む第１のエーロフォイル（２２）と；
第２の前部分、第２の後部分及び中空部分を有し、前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間に配置された第２のエーロフォイル（２４）と
を具備し、
前記第２のエーロフォイルは、前記第１のエーロフォイルの前記第１の後部分と前記第２のエーロフォイルの前記第２の前部分との間に半径方向に延出する空隙（３４）を形成するように前記第１のフランジ及び前記第２のフランジに結合され、
前記中空部分は、前記中空部分から前記空隙を通して気体燃料（３６）を流通させ、前記案内羽根に沿って流れる流体に流入させるように前記空隙と流体連通している案内羽根。
【請求項２】
前記第２の前部分は、コアンダ効果により燃料／空気混合物境界層を形成するために、前記空隙を通して供給された燃料を前記第２のエーロフォイルの加圧側（４４）及び吸引側（４６）に向かって偏向するように構成された少なくとも１つのプロファイル（３８）を具備する請求項１記載の案内羽根。
【請求項３】
前記案内羽根は入口案内羽根であり、前記第１のエーロフォイルは冷却されず、前記ガスタービンエンジンは燃焼器なしエンジンである請求項１記載の案内羽根。
【請求項４】
前記中空部分は第１の中空部分であり、前記第１のエーロフォイルは第２の中空部分を具備し、燃料は、前記第１の中空部分を通って流れる前に前記第２の中空部分を通って流れることにより予熱される請求項１記載の案内羽根。
【請求項５】
前記第２の前部分は、前記中空部分から前記プロファイルへ燃料を送り出すように構成された少なくとも１つの溝穴を具備し、前記第１の前部分は、燃料及び／又は空気を噴射するための複数のオリフィスを具備する請求項２記載の案内羽根。
【請求項６】
コアンダ面を有し、前記第１のフランジ、前記第２のフランジ及びそれらの組合せより成る群から選択された場所に配置される少なくとも１つの燃料噴射溝穴を更に具備する請求項２記載の案内羽根。
【請求項７】
前記少なくとも１つの燃料噴射溝穴は、前記第１のエーロフォイルと前記第２のエーロフォイルとの間に前記空隙と共に連続する燃料噴射流路を形成するように、前記第１のフランジ及び前記第２のフランジの双方に配置される請求項６記載の案内羽根。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の案内羽根を具備するガスタービンエンジン。
【請求項９】
ガスタービンエンジンで燃焼するために気体燃料（３６）を噴射する方法において、
ガスタービンエンジンのケーシング（１８）に結合された案内羽根（１２）の第１のフランジ（２６）と第２のフランジ（２８）との間に直列に配置された第１のエーロフォイル（２２）の後部分と第２のエーロフォイル（２４）の前部分との間に形成された空隙（３４）を通して気体燃料を噴射することと；
前記第２のエーロフォイルの吸引側（４４）及び加圧側（４６）に沿って燃料／空気混合物境界層（５２）を形成するために、前記第２のエーロフォイルの前記前部分の表面プロファイル（３８）により、噴射された燃料をコアンダ効果によって前記吸引側及び前記加圧側に向かって偏向することと
から成る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、特に、流れ方向転換及び燃料噴射が可能なタンデムエーロフォイルを有する案内羽根に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービンエンジンサイクルにおいては、多段圧縮機で空気が圧縮され、圧縮空気は燃焼器の中へ導入される。燃料の燃焼から生成される熱が追加されることにより、圧縮空気の温度は上昇する。その後、燃焼器から出た高温ガスが、軸により圧縮機に結合された多段タービンを通過して膨張する前に、入口案内羽根は高温ガスの方向を適正に規定する。用途に応じて、タービンを出たガス中のエネルギーの残る部分は、推力を生成するためにノズルにおいて運動エネルギーに変換されてもよいし、あるいは発電機、プロペラ、歯車箱などを駆動するための軸動力を生成するように、追加の動力タービンを通過しながら膨張してもよい。燃焼過程で到達するピーク温度が高くなるにつれて、それらのサイクルの熱力学的効率は向上するため、現在のエンジンにおいては、燃焼器内部のガス及び燃焼器を出るガスの動作温度は、燃焼器構成要素、タービン入口案内羽根及びタービンブレードを製造するために使用される金属の融点よりかなり高い。従って、それらの構成要素に対して著しく大量の冷却が実行されなければならない。
【０００３】
従来のエンジンにおいては、高温の領域で動作する構成要素に対する冷却は、完全燃焼に必要とされる最小限の量より多くの空気を燃焼器に供給する方法、すなわち、余剰空気を使用して動作する方法か、又は入口案内羽根及びタービンブレードなどの燃焼器の下流側に配置された構成要素に対して冷却を実行するために、圧縮機から相当に多くの量の空気を抽気する方法のいずれかにより実行される。しかし、それらの方法は、いずれもサイクル性能の点で不都合である。燃焼器においては、他にも種々の流路が存在するが希釈穴並びに薄膜冷却流路及び／又は蒸散冷却流路を含めて、必要とされる冷却を実行するために必要な複雑な流路を通る空気の流れによって、著しく大きな圧力損失が起こる。圧縮機から抽気される空気に関しては、燃焼過程に関与しない空気がサイクルに追加されるエネルギーの総量を制限するため、抽気の排除又は減少により、サイクル性能の向上という結果が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、少なくとも以上要約した説明に基づいて、所望の高いレベルのピーク動作温度を維持しつつ、燃焼器圧力損失を最小限に抑え且つ抽気条件が緩和されたガスタービンが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上要約した必要性及び当該技術において周知である他の必要性のうち１つ以上は、ガスタービンエンジンのケーシングと結合された第１のフランジと、ケーシングと結合された第２のフランジと、第１のフランジと第２のフランジとの間に配置され且つ第１のフランジ及び第２のフランジに結合された第１のエーロフォイルと、第１のフランジと第２のフランジとの間に配置された第２のエーロフォイルとを含み、第２のエーロフォイルは、第１のエーロフォイルの第１の後部分と第２のエーロフォイルの第２の前部分との間に半径方向に延出する空隙を形成するように第１のフランジ及び第２のフランジに結合され、中空部分は、中空部分から空隙を通して気体燃料を流通させ、案内羽根に沿って流れる流体の中へ流入させるように空隙と流体連通している案内羽根により対処される。
【０００６】
開示される発明の別の面においては、圧縮機と、軸により圧縮機に結合されたタービンと、タービンの上流側に配置された案内羽根とを含むガスタービンが開示される。それらのガスタービンにおける案内羽根は、エンジンのケーシングと結合された第１のフランジと、ケーシングと結合された第２のフランジと、第１のフランジと第２のフランジとの間に配置され且つ第１のフランジ及び第２のフランジに結合された第１のエーロフォイルと、第１のフランジと第２のフランジとの間に配置された第２のエーロフォイルとを含み、第２のエーロフォイルは、第１のエーロフォイルの第１の後部分と第２のエーロフォイルの第２の前部分との間に半径方向に延出する空隙を形成するように第１のフランジ及び第２のフランジに結合され、第２のエーロフォイルの中空部分は、中空部分から空隙を通して気体燃料を流通させ、案内羽根に沿って流れる流体の中へ流入させるように空隙と流体連通している。
【０００７】
ガスタービンエンジンで燃焼するために気体燃料を噴射する方法も、開示される発明の実施形態の範囲内にある。方法は、ガスタービンエンジンのケーシングに結合された案内羽根の第１のフランジと第２のフランジとの間に直列に配置された第１のエーロフォイルの後部分と第２のエーロフォイルの前部分との間に形成される空隙を通して気体燃料を噴射する過程と、第２のエーロフォイルの吸引側及び加圧側に沿って燃料／空気混合物境界層を形成するために、第２のエーロフォイルの前部分の表面プロファイルにより、噴射された燃料をコアンダ効果（Coanda effect）によって吸引側及び加圧側に向かって偏向する過程とを含む。
【０００８】
以上の簡潔な説明は、以下に続く詳細な説明をよりよく理解し且つ当該技術に対する本発明の寄与をよりよく理解するという目的をもって、本発明の特徴を記載する。以下の説明中、本発明のその他の特徴も説明され、それらが添付の特許請求の範囲の主題となることはいうまでもない。
【０００９】
この点に関して、本発明のいくつかの好適な実施形態を詳細に説明する前に、本発明の適用用途は以下の説明中に記載されるか又は図面に示される構成の詳細及び構成要素の配列に限定されないことが理解される。本発明は他の実施形態も可能であり、種々の態様で実施されることが可能である。また、本明細書中で採用される語句及び用語は説明の便宜上使用されており、限定的な意味を持つとみなされてはならないことを理解すべきである。
【００１０】
そのため、開示内容の基礎を成す概念を、本発明のいくつかの目的を実施するための他の構造、他の方法及び他のシステムを設計する上での基礎として容易に利用できることは当業者には理解されるであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の趣旨の範囲から逸脱しない限り、そのような等価の構成を含むものとみなされることが重要である。
【００１１】
更に、先の要約の目的は、特許庁及び一般公衆、特に特許又は法律に関連する用語又は語句に精通していない当該技術分野の科学者、技術者及び専門家により本出願の技術的開示内容の性質及び本質を容易且つ迅速に判定できるようにすることである。
【００１２】
従って、要約は本発明又は本出願を定義することを意図されず、本発明又は本出願は特許請求の範囲によってのみ判定される。また、要約が本発明の範囲に関して限定的な意味を持つことも全く意図されていない。
【００１３】
以下の詳細な説明を添付の図面と関連付けて考慮しながら参照することにより、本発明及びそれに付随する本発明の利点の多くを更によく理解できるので、本発明及びその利点の更に完璧な理解が容易に得られるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に図面を参照して、開示される発明のいくつかの実施形態を説明する。図中、いくつかの図を通して同じ図中符号は同一又は対応する部分を示す。以下に更に説明されるように、開示される発明のいくつかの実施形態は、後に混合され且つ燃焼されるために気体燃料がエーロフォイルの間に導入されるような構成のタンデムエーロフォイルを有する案内羽根に関する。燃料がエーロフォイルの間に導入されるため、燃焼器なしエンジンにおいて燃焼器の必要がなくなるか、あるいはガスタービンエンジンにおいて再熱の使用が可能になる。後者の場合、追加される全ての熱のうち一部が燃焼器で得られ、同時に圧縮機から抽気される冷却空気の量が減少される。
【００１５】
図１に示されるように、段１０は、一例として示される典型的な所期の流れ方向１６に対して複数のブレード１４（又は「バケット」又は「回転翼」）の上流側に配置された複数のタンデム羽根１２（又は「タンデムノズル」又は「タンデム固定子」）を具備してもよい。タンデム羽根１２は、例えば、ガスタービンエンジンの一部のケーシング１８に装着されてもよい。ブレード１４はタービンホイール２０に装着されてもよい。１つの面においては、タンデム羽根１２は相対的に静止構成要素であると考えられてもよく、ブレード１４は相対的に回転自在の構成要素であると考えられてもよい。動作中、タンデム羽根１２の上流側に配置された燃焼器から供給されるガスは、ブレード１４を通過する間にタンデム羽根１２により所望の向きに方向転換され、適正に膨張する。特に、タンデム羽根１２は、ブレード１４によるガスからの仕事（例えば、軸動力）の抽出に際して空気力学的効率を最適化、増進又は向上するように構成されてもよい。しかし、以下に更に詳細に説明するように、タンデム羽根１２は、再熱を目的としてガス流れの中に燃料を導入するか、又は単に熱を追加するための熱供給源として、すなわち、燃焼器なしエンジンにおける熱供給源としてガス流れの中に燃料を導入するように更に構成される。図１は１つの段１０を示す。しかし、当業者には理解されるであろうが、通常、ガスタービンエンジンは、ブレード１４を支持する複数のタービンホイール２０を有する多段構成のタービンを有し、各タービンホイール２０の前方に案内羽根１２が配置される。従って、開示される実施形態は、エンジンにおける入口案内羽根又は後続する固定子として使用されてもよい。
【００１６】
一例においては、タービンホイール２０は回転自在の軸（図示せず）に結合されてもよい。また、当業者には理解されるであろうが、ケーシング１８は、軸受（図示せず）により軸から回転自在に隔離されてもよい。１つの面においては、段１０は、燃焼器（図示せず）から高温高圧の（例えば、ガス）混合物を受取るタービン第１段であってもよい。更に、当業者には理解されるであろうが、軸は、電気を発生するために発電機構成（例えば、回転翼／固定子システム）と結合されてもよい。別の面においては、図１を参照すると、段１０に続いて、タンデム羽根１２及びブレード１４から成る追加の（例えば、第２、第３又は第４の）段（図示せず）が配置されてもよい。異なる段は同様の機能を実行してもよいが、１つの段の中の個々の構成要素は別の段の構成要素とは異なる構造（例えば、異なる大きさ、材料及び／又は製造手順の複雑度）を有してもよい。例えば、タービンにおいて、圧力降下又は仕事抽出を伴うガスの膨張に対応するために、各段の大きさが徐々に大きくなってもよい。
【００１７】
図２に示されるように、開示される発明のいくつかの実施形態の１つの面においては、シングレットタンデム羽根１２は、例示される流れ方向１６に対して第２のエーロフォイル２４の前方に配置された第１のエーロフォイル２２を具備してもよい。第１のエーロフォイル２２及び第２のエーロフォイル２４は、通常、第１のフランジ２６と第２のフランジ２８との間に配置され且つ第１のフランジ２６及び第２のフランジ２８に結合される。第１のフランジ２６は「第１の端壁」と呼ばれてもよく、第２のフランジ２８は「第２の端壁」と呼ばれてもよい。１つの面においては、第１のエーロフォイル２２は前方エーロフォイルを構成すると考えられてもよく、第２のエーロフォイル２４は後方エーロフォイルを構成すると考えられてもよい。第１のエーロフォイル２２は第１の前部分３０を含み、第２のエーロフォイル２４は第２の前部分３２を含む。図２に示されるように、第１のエーロフォイル２２の後部分と第２のエーロフォイル２４の前部分３２との間に空隙３４が形成される。シングレットタンデム羽根１２（図２）を参照すると、単一羽根ユニットは同一のフランジの間に配置され、それらのフランジに結合される。加えて、羽根ユニットは、例えば、１つの段の羽根構成要素の１つの機能ユニット又は構造ユニットを表すと考えられてもよい。更に、同一のフランジの間に配置され且つそれらのフランジに結合された１対の羽根ユニットを表すダブレットタンデム羽根、更には他の数のタンデムエーロフォイル配列（例えば、千鳥状の配列又は食違い配列）を含むタンデム羽根ユニットも開示される実施形態の範囲内に含まれることは当業者には理解されるであろう。
【００１８】
図３は、図２の線３‐３に沿ったタンデム羽根１２の横断面斜視図である。図３に示されるように、第１のエーロフォイル２２と第２のエーロフォイル２４との間に空隙３４が形成される。燃焼のため、燃料３６はこの空隙３４を通過し、方向１６（図２に示される）に沿って流れる空気と燃料３６との混合効率を向上するように構成されたコアンダ面３８に沿って供給される。本明細書中で使用される用語「コアンダ効果」は、流体の流れが隣接する面に付着し、面が元来の流体運動方向から離れるように湾曲しても付着した状態を保とうとする傾向を表す。
【００１９】
第１のエーロフォイル２２の中空部分３５（図３）からの燃料３６の導入は、オリフィス４０（図３に示される）又は溝穴（図示せず）を使用することにより実行されてもよい。導入後、燃料３６はコアンダ面３８に沿って偏向される。コアンダ面３８の形状及び寸法は、所望の予混合効率、並びに燃料圧力、燃料温度、流入する空気の温度及び燃料噴射速度などの係数を含むがそれらの係数に限定されない動作条件に基づいて選択／最適化されてもよい。燃料の例には天然ガス、高水素ガス、水素、バイオガス、一酸化炭素及び合成ガスなどがある。しかし、多様な他の燃料が採用されてもよい。図示される実施形態においては、コアンダ面３８は、第２のエーロフォイル２４の２つの外面４４及び４６に沿ってコアンダ効果に基づいて燃料／空気混合物境界層５２（図４に示される）を形成するように、第２のエーロフォイル２４の吸引側及び加圧側で外面４４及び４６に沿って導入された燃料３６の付着を助ける働きをする。更に、コアンダ面３８に隣接して成長するそれらの燃料／空気混合物境界層５２の各々は、自由流れからの空気巻込みを誘起することにより、図４に定性的に示されるように、第２のエーロフォイル２４の下流側の領域に配置された燃焼ゾーンの前で燃料と酸化剤との混合効率を向上する。
【００２０】
指摘した通り、上述の燃料／空気混合物境界層５２はコアンダ効果により形成される。図示される実施形態においては、燃料流れ３６はコアンダ面３８に付着し、コアンダ面３８が当初の燃料流れ方向から離れるように湾曲しても、付着した状態のままである。特に、燃料流れ３６がコアンダ面３８に沿って流れ出る際には、流れの両側に圧力差が存在する。その結果、燃料流れ３６はコアンダ面３８により近接するように偏向される。当業者には理解されるであろうが、燃料流れ３６がコアンダ面３８に沿って移動するにつれて、空気が巻込まれている間に、燃料流れ３６とコアンダ面３８との間にある量の表面摩擦が起こる。流れに対するこの抵抗は燃料流れ３６をコアンダ面３８に向かって偏向し、それにより、燃料流れ３６をコアンダ面３８に近接した状態に維持する。更に、このメカニズムにより形成された燃料／空気混合物境界層５２は流入する空気の流れを巻込んで、噴射された燃料と共にせん断層を形成し、空気流れと燃料との混合を促進する。
【００２１】
図４は、第２のエーロフォイル２４の下流側に成立すると考えられる反応ゾーンの一例を概略的に示した図である。図示されるように、タンデム羽根１２に沿って流れる圧縮機排気５０は、第２のエーロフォイル２４の外面４４及び４６に沿って形成された燃料／空気混合物境界層５２において、コアンダ面３８により発生されるコアンダ効果によって燃料３６と混合される。第２のエーロフォイル２４の後縁部の下流側において、燃料及び空気の濃度が局所的に変化するために、三重炎５４が形成されてもよい。第１に、燃料含有量が多い領域では、小さな拡散炎面ポケット５６が安定化される。次に、各拡散炎は、最小燃焼性限界で第１の希薄部分予混合炎５８を安定化し、他の２つの炎５６及び５８と余剰酸化剤との希釈生成物から形成される第２の希薄部分予混合炎面６０を安定化するように作用してもよい。エネルギー放出過程の大部分が完了したならば、高圧の加熱ガスはタンデム羽根１２（図１）の下流側でブレード１４を通過しながら膨張する。このような炎構造であるため、相当に低い炎温度を使用でき、炎温度は点火温度と同一であってもよい。一実施形態においては、タンデム羽根１２は圧縮機出口のすぐ下流側に配置され、冷却を必要としない。更に、局所燃料濃度及び局所酸化剤濃度がより適切に制御され、総ピーク温度が低下されるのであれば、ＮＯｘ放出を大きく減少できる。当業者には理解されるであろうが、先に説明した領域のうち１つが消滅した場合（すなわち、拡散状態が消滅した場合）には、それらの三重炎又は三又炎は二又（又は二重）炎と共に存在してもよい。
【００２２】
再び図２を参照すると、一実施形態においては、第１のエーロフォイル２２は、「無冷却」エーロフォイルと呼ばれる中実エーロフォイルであってもよい。別の例においては、図５に示されるように、タンデム羽根１２は、冷却される第１のエーロフォイル２２及び第２のエーロフォイル２４を含んでもよい。第２のエーロフォイル２４は、噴射前に内部燃料流れ６８により対流冷却されてもよい。更に、タービンにおける適用用途又は軸方向位置に応じて、燃料流れ回路を適正に選択することにより、図５に矢印６８により示されるように、燃料３６は、噴射前に、まず、第１のエーロフォイル２２を通過し、次に第２のエーロフォイル２４を通って流れるように規定されてもよい。これにより、燃料流れは２つのエーロフォイルを冷却し、噴射前に燃料を予熱する。図５に示されるように、一実施形態においては、第１のエーロフォイル２２は中空部分６２を含んでもよい。例えば、第１のエーロフォイル２２は、第１のエーロフォイル２２の内部で中空部分６２を支える支持構造を形成するための複数のリブ６４を含んでもよい。一例においては、第１のフランジ２６は中空部分６２と流体連通する開口部６６を含んでもよい。更に、図２に示されるような単一の流路ではなく、個別の場所又は溝穴からジェットウォール方式で（すなわち、コアンダ面に対して接線方向に）燃料の導入が実現されてもよい。すなわち、小さいが円形ではなく、コアンダ面の始まりが１つの長辺である矩形が好ましい複数の燃料ポートが使用されてもよい。また、既に説明した通り、燃料噴射の開始位置の下流側に結果的に形成される境界層は、それらの溝穴の場所の間に燃料と巻込まれた空気との混合物を含む。複数の溝穴から燃料を噴射することにより、境界層において空気及び燃料の十分な巻込み／加速及び混合が保証され、境界層はコアンダ面に付着した状態を保つ。図５に示されるように、それらの溝穴は、前方羽根と後方羽根との間に挟まれたシム又はスペーサを配置することにより形成されてもよい。シム又はスペーサは、場所ごとに空隙を形成するプロファイルを有する。
【００２３】
別の実施形態においては、第２のエーロフォイル２４の外面は、通常、燃料／空気混合物境界層５２の中へ空気を噴射するための複数の貫通穴４８（図５）を含んでもよい。貫通穴４８からの空気噴射によって、炎面の前方における燃料と空気との混合過程は改善される。更に、当該技術では周知であるように、第１のエーロフォイル２２及び／又は第２のエーロフォイル２４に、中空部分と流体連通する他のオリフィスが薄膜冷却構成などの構成で設けられてもよい。例えば、当業者には理解されるであろうが、シングレットタンデム羽根１２は、開回路冷却構成、閉回路冷却構成又は薄膜冷却構成などの任意の冷却方式に合わせて構成されてもよい。第１のエーロフォイル２２及び第２のエーロフォイル２４の必要な冷却を実行するために、燃料はそれらのエーロフォイルを通って流れるので、圧縮機からの抽気の必要性は大幅に低減される。
【００２４】
図５を参照すると、燃料はケーシング１８の中の導管（図示せず）を通して供給され、開口部６６を通過して、第１のエーロフォイル２２の中空部分６２に流入してもよい。前述のように、この燃料は、案内羽根１２の上流側で既に燃焼が起こっているような用途に適用されるブレード１４の１つ以上の事例に対して案内羽根１２により搬送される高温ガスを考慮して、案内羽根１２の構成材料の温度をある許容限界内に保持する働きをしてもよい。第２のエーロフォイル２４に対して、第１のエーロフォイル２２に関して本明細書中で説明される同様の特徴のうち任意の数の特徴が実現されてもよいし、実現されなくてもよい。更に、第２のフランジ２８に対して、第１のフランジ２６に関して本明細書中で説明される特徴のうち任意の数の特徴が第１のフランジ２６の代わりに実現されてもよいし、あるいは第１のフランジ２６に加えて実現されてもよい。
【００２５】
尚、図５に示されるように、第１のフランジ２６及び第２のフランジ２８の一方又は双方が燃料噴射に使用されてもよい。すなわち、第１のフランジ２６及び第２のフランジ２８のいずれか一方又は双方は、燃料噴射のための１つ以上のコアンダ形溝穴７０を含むか又はそれに合わせて構成されてもよい。それらのコアンダ形溝穴７０は、第１のエーロフォイル２２と第２のエーロフォイル２４との間に形成された空隙からエーロフォイルの吸引側及び加圧側の双方でフランジの縁部まで延出するように、空隙の両側で第１のフランジ２６及び第２のフランジ２８に配置されてもよい。コアンダ溝穴７０は複数の縦横比で形成されてもよく、溝穴の間にウェブが形成されてもよいし、形成されなくてもよい。一実施形態においては、それらの噴射場所は、流路に燃料噴射場所として機能する箱を実質的に形成することにより、加圧側領域と吸引側領域とを結合してもよい。別の実施形態においては、それらのコアンダ形溝穴７０のうち１つは、第１のエーロフォイル２２と第２のエーロフォイル２４との間に形成された空隙と共に連続する燃料噴射流路を形成するように、第１のフランジ２６及び第２のフランジ２８の双方に配置される。この構成により、隣接する案内羽根により形成される主流路は、加圧側、吸引側、第１のフランジ及び第２のフランジの結合面の周囲に単一の連続する溝穴を必要とするだけになる。第１のフランジ２６及び第２のフランジ２８の溝穴は、直交流のジェット、又は直交流のジェットとコアンダ面を有する溝穴との組合わせによる燃料導入を含んでもよい。それらの燃料噴射溝穴は、燃料を第１のフランジ領域及び第２のフランジ領域へ送り出すことを要求するが、これはエーロフォイルで見られるような製造中空部又は鋳造中空部により実現されてもよい。例えば、現在のいくつかの羽根構造においては、羽根セグメントの完全体は３つの要素、すなわち、１つのエーロフォイルと、２つのフランジとから製造される。それらの構成要素は別個に鋳造された後、一体にろう付けされる。
【００２６】
また、燃料噴射前又は燃料噴射後に、第１のフランジ２６及び第２のフランジ２８並びに第１のエーロフォイル２２及び第２のエーロフォイル２４において、追加の空気薄膜冷却を使用してもよい。更に、第１のエーロフォイル２２及び第２のエーロフォイル２４は、（図２に示されるように）第１のフランジ２６及び第２のフランジ２８への結合によって所定の場所に保持されるのに加えて、図５に示されるように、所望の噴射溝穴構造を形成するためにシム又はスペーサ７２を更に具備してもよい。そのような構造の形状は、それらの部品の鋳造の一部として提供されてもよいし、あるいは更に適切な方法として、寸法制御においてより高い精度を得るために、鋳造後に機械加工される形状として提供されてもよい。最後に、第１のエーロフォイル２２及び第２のエーロフォイル２４は、前述のように、それぞれ対応する中空領域の内部に燃料を供給されてもよいが、第１のフランジ２６及び第２のフランジ２８が燃料供給のための中空領域を含むように形成／製造されてもよい。
【００２７】
当業者には理解されるであろうが、本発明により、いくつかの技術的問題が解決される。タンデム羽根１２において流れの方向転換の機能と熱放出の機能とを組合わせた結果、従来の燃焼器系統及びタービン羽根リングと比較して、低コストで小型のパッケージが得られる。更に、冷却を必要としない実施形態においては、タンデム羽根は低価格の材料で製造されてもよい。前述のように、内部燃料流れは燃焼前に燃料を予熱する一方で、必要な冷却を実行するため、タンデム羽根１２は冷却空気を必要としない。その結果、著しく大量の装荷不可能燃料及び少量の装荷可能燃料を節約できる。また、燃焼で空気を使用することにより、ＮＯｘ放出を大幅に減少できる。タンデム羽根１２は、Ｈ２又は合成ガス（石炭又は他の材料のガス化過程から得られる一酸化炭素及び水素を豊富に含有するガスである）などの他の製造ガスの燃焼に使用されてもよく、それにより、システム圧力降下ははるかに少なくなる。高レベルの動作温度を維持する一方で、圧力降下が大幅に減少されるため、サイクル効率は向上し、多段タービンのいくつかの段に配置されたタンデム羽根において更に反応が起こることによって、再熱が可能である。
【００２８】
当業者には理解されるであろうが、コアンダ形面に沿ってＨ２又は合成ガス燃料を良好に噴射し、その結果として燃料と大量の空気とを適切に混合させ、その後、後縁部の後方及びタービンブレード列の前方に炎ゾーンを形成するために、タンデム羽根の後部分の空気力学的構造が利用されてもよい。排出を減少するために冷却空気の節約分が燃焼時に直接に使用されてもよく、その一方で、炎動作温度は相当に低いレベルに維持される。コアンダ面構造により生成される混合過程は基礎的な流体メカニズムを使用し、そのため、種々のタービン構造に適合できる。従って、コンパクトなタンデム羽根部分によって再熱の適用も可能である。
【００２９】
開示されたタンデム羽根に基づいて、燃料噴出場所、ノズルセクションの数又は特定の後縁部空気力学的構造を変更可能であることは当業者により理解されるであろう。また、燃料と大量の空気との混合を改善しようとする試みとして、図５に概略的に示されるオリフィス４８を通して羽根面に沿っていくつかの空気噴射場所を追加することも、開示される発明の範囲内に含まれる。更に、第１のエーロフォイル及び第２のエーロフォイル（２２、２４）の特定の部分は、同一の平均カンバ線（又は「平均翼弦線」）に沿って整列されてもよいし、第１の平均カンバ線及び第２の平均カンバ線などの異なる平均カンバ線によってずらされていてもよい。一般に、エーロフォイルは加圧側（例えば、凹形側）及び吸引側（例えば、凸形側）を具備すると考えられてもよい。平均カンバ線は、エーロフォイルの加圧側と吸引側との中間に配置されてもよい。そのような平均カンバ線は、直列形構造においてはエーロフォイル形状の中央に沿って走っていると考えられてもよく、その場合、第１のエーロフォイル２２と第２のエーロフォイル２４は１つの平均カンバ線を共有してもよい。特に、第１のエーロフォイル２２及び第２のエーロフォイル２４は、平均カンバ線に関して直列に並んでいてもよいし、あるいは位置がずれていてもよい。更に、位置ずれ配列においては、第１のエーロフォイル２２及び第２のエーロフォイル２４は異なる平均カンバ線を有してもよい。更に、タンデム羽根の第１のエーロフォイル２２及び第２のエーロフォイル２４の３次元の面が考慮されてもよい。例えば、平均カンバ線の形状はいくつかの又は全ての横断面で変化することがある。すなわち、タンデム羽根１２の構成は、第１のエーロフォイル２２又は第２のエーロフォイル２４の複数の横断面における個別の平均カンバ線の軌跡を考慮してもよい。
【００３０】
先に説明した通り、タンデム羽根１２の第１のエーロフォイル２２の前部分３０は、主流れ方向転換の機能の大部分を実行し、それにより、第１のエーロフォイル２２の前部分３０をかさばる構造にする必要性を最小限に抑えると共に、より積極的な方向転換を処理できるようにする。同時に、タンデム羽根１２の第２のエーロフォイル２４の前部分は、ノズルの加圧側及び吸引側の双方において、残る流れ方向転換が最小限になり且つ／又は燃料噴射流れの不安定化を引起こさない場所でコアンダ面によって燃料噴射を追加する。更に、ノズルスロート部（羽根のソリディティ及び前部分と後部分との分割領域）の大きさ及び配置場所は、羽根スロート部が吸引側に沿って燃料噴射場所の後方に現れるように選択されてもよい。また、他の実施形態においては、大量流れの方向転換を伴わない単方向エーロフォイルにより得られる形状と同様の、着実で著しく大きな総流れ膨張（拡散）を可能にするより対称の後縁部を形成するように、燃料噴射を含む後縁部分の形状が従来の空気力学的エーロフォイルから変更されてもよい。更に、設計に応じて精密なタンデム羽根部分が変形されてもよく、場合によっては、後部分が前部分の軸から傾いていてもよい。
【００３１】
ガスタービンエンジンにおいて燃焼するために気体燃料を噴射する方法も、開示される発明の範囲内に含まれる。方法は、ガスタービンエンジンのケーシングに結合された案内羽根の第１のフランジと第２のフランジとの間に直列に配置された第１のエーロフォイルの後部分と第２のエーロフォイルの前部分との間に形成された空隙を通して気体燃料を噴射する過程と、第２のエーロフォイルの吸引側及び加圧側に沿って燃料／空気混合物境界層を形成するために、第２のエーロフォイルの前部分の表面プロファイルにより、噴射された燃料をコアンダ効果によって吸引側及び加圧側に向かって偏向する過程とを含む。先に説明したように、そのような案内羽根は入口案内羽根であってもよく、第１のエーロフォイルは冷却されなくてもよく、ガスタービンエンジンは燃焼器なしエンジンであってもよい。更に、第２のエーロフォイルの中空部分は第１の中空部分であってもよく、第１のエーロフォイルは第２の中空部分を含んでもよい。この構成の場合、第１の中空部分に燃料を流す前に第２の中空部分に燃料を流すことにより、燃料を噴射する前に燃料を予熱できる。
【００３２】
以上の説明に関して、大きさ、形態機能、動作態様、構体及び使用法の変形を含めて、本発明の部品の最適な寸法関係は当業者には容易に明らかであると考えられ、従って、図面に示され且つ明細書中で説明される関係と等価である全ての関係は添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ包含されることを意図すると理解すべきである。
【００３３】
更に、本発明を図面に示し、現時点で実用的であると考えられるもの及び本発明の好適な実施形態のうちいくつかの実施形態に関連して特定して本発明を詳細に説明したが、本明細書中に記載される原理及び概念から逸脱せずに多くの変形を実施できることは当業者には明らかであろう。従って、本発明の適正な範囲は、そのような変形及び等価の構成の全てを包含するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ確定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】１つの段の場合のようにケーシングに装着され、タービンホイールに装着されたタービンブレードの前に配置されたタンデム羽根の一例を示した切取り図である。
【図２】開示される技術の面に従ったタンデムエーロフォイルを有する案内羽根の一実施形態を示した斜視図である。
【図３】図２の線３‐３に沿った横断面斜視図である。
【図４】開示される技術の面に従った炎構造を概略的に示した図である。
【図５】開示される技術の面に従ったタンデムエーロフォイルを有する案内羽根の別の実施形態を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…段、１２…タンデム羽根、１４…ブレード、２２…第１のエーロフォイル、２４…第２のエーロフォイル、２６…第１のフランジ、２８…第２のフランジ、３０…第１のエーロフォイルの前部分、３２…第２のエーロフォイルの前部分、３４…空隙、３６…燃料、３８…コアンダ面、４０…溝穴、４２…オリフィス、４８…貫通穴、４４…吸引側外面、４６…加圧側外面、５２…燃料／空気混合物境界層
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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