(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼タービンエンジンの燃焼器（１２）の下流ノズル（４５）であって、前記燃焼器は、一次ノズル（１７）の下流に燃焼域（２３）を定める内側半径方向壁（２４）と、前記内側半径方向壁を取り囲む外側半径方向壁（２５）とを含み、前記内側半径方向壁と前記外側半径方向壁との間に流れアニュラス（２８）を形成するようになっており、前記下流ノズルは、
前記外側半径方向壁と前記内側半径方向壁との間に延びる噴射管（５４）と、
前記噴射管に隣接し、天井部（６５）と、該天井部の内方で前記内側半径方向壁と前記外側半径方向壁との間に配置された床部（６６）とを含む、第１のプレナム（６１）と、
前記第１のプレナムを、前記外側半径方向壁の外方に形成された入口に接続する供給通路（６２）と、
前記第１のプレナムの前記床部を貫通して形成され、圧縮空気が案内されるように構成されたポート（６３）と、
を備えることを特徴とする下流ノズル。
【請求項２】
前記噴射管は、前記ガスタービンエンジンの作動時に前記流れアニュラスを通る予想流に対して規定される上流側及び下流側を含み、
前記第１のプレナムの下流部分は、前記噴射管の前記下流側に隣接して配置され、少なくとも複数のインピンジメントポートを含み、
前記内側半径方向壁の外側表面は、前記流れアニュラスの全域で前記外側半径方向壁の内側表面に対向する、請求項１に記載の下流ノズル。
【請求項３】
前記供給通路は、前記外側半径方向壁の外方に配置された入口と前記外側半径方向壁の内方に配置された出口との間で前記外側半径方向壁を通って延び、前記第１のプレナムと流体連通するように構成される、請求項２に記載の下流ノズル。
【請求項４】
前記内側半径方向壁の前記外側表面は、前記噴射管の直下流で隣接して規定されたターゲット区域を含み、
前記第１のプレナムの前記下流部分内の前記複数のインピンジメントポートは、放出された加圧流体を前記ターゲット区域に案内するように構成される、請求項２または３に記載の下流ノズル。
【請求項５】
前記第１のプレナムの前記下流部分は、前記複数のインピンジメントポートの少なくとも８つを含み、
前記少なくとも８つのインピンジメントポートは、均等に離間され、前記ターゲット区域に対応するようになっている、請求項４に記載の下流ノズル。
【請求項６】
前記第１のプレナムは、該第１のプレナムの下流セクションが前記噴射管の前記下流側から突出するカンチレバー構成を含み、
前記ターゲット区域は、前記第１のプレナムの前記下流セクションが張り出す前記内側半径方向壁の前記外側表面を含み、
前記第１のプレナムの前記下流セクションは、前記ターゲット区域を対象とする複数の前記複数のインピンジメントポートを含む、請求項４に記載の下流ノズル。
【請求項７】
前記第１のプレナムは、前記内側半径方向壁の前記外側表面の上に定められ、前記噴射管の直下流に配置されたターゲット区域に張り出すように構成され、
前記複数のインピンジメントポートは、前記ターゲット区域に対して各々向けられる構成を含み、
前記第１のプレナムの前記床部は、前記内側半径方向壁の前記外側表面に実質的に平行に配置された平面構成を含み、
前記第１のプレナムの前記床部は、前記内側半径方向壁の前記外側表面と前記外側半径方向壁の前記内側表面との間のほぼ中間位置に配置される、請求項２乃至６のいずれかに記載の下流ノズル。
【請求項８】
前記第１のプレナムの前記天井部は、前記外側半径方向壁のまさに外方に配置され、
前記複数のインピンジメントポートは、前記流れアニュラスを通る流れの方向に実質的に直交する方向に向けられ、
前記下流ノズルは、該下流ノズルの実質的に両側に構成された少なくとも２つの供給通路を含む、複数の供給通路を有する、請求項７に記載の下流ノズル。
【請求項９】
圧縮機吐出ケーシングは、前記燃焼器の周りの圧縮機吐出キャビティを定め、
前記供給通路の前記入口は、前記圧縮機吐出キャビティと流体連通するように構成される、請求項２乃至８のいずれかに記載の下流ノズル。
【請求項１０】
前記第１のプレナムは、前記噴射管の周りのアニュラスを形成し、
前記複数のインピンジメントポートは、前記第１のプレナムの前記床部の周りに分散配置され、前記第１のプレナムの前記下流部分内に集中領域を成す、請求項２乃至９のいずれかに記載の下流ノズル。
【請求項１１】
前記噴射管の前記上流側は、空力的ノーズ特徴部を含む、請求項２乃至１０のいずれかに記載の下流ノズル。
【請求項１２】
前記空力的ノーズ特徴部は、前記流れアニュラスを通る前記予想流に対して上流方向に向けられた先鋭点に行くほど細くなる、請求項１１に記載の下流ノズル。
【請求項１３】
前記圧縮機吐出ケーシングは、前記燃焼器の周りの圧縮機吐出キャビティを定め、
前記外側半径方向壁の外側表面上に定められた噴射器の占有領域から外方に延びる壁を含み、前記下流ノズルの内部を前記圧縮機吐出キャビティから実質的に分離するように構成された空気シールドをさらに含み、
前記供給通路は、前記空気シールドを貫通して延び、前記圧縮機吐出キャビティと流体連通するように構成される、請求項９に記載の下流ノズル。
【請求項１４】
前記下流ノズルは、
前記噴射管の周りに形成され、前記外側半径方向壁内で長手方向の燃料供給通路に対する接続部を含む燃料プレナムと、
前記燃料プレナムにそれぞれ接続する空気供給ポート及び燃料噴射器ポートを含むように構成された混合プレナムと、
をさらに含み、
前記混合プレナムは、前記噴射管の第１の端部に接続し、
前記噴射管の第２の端部は、前記内側半径方向壁を貫通して前記燃焼域に接続し、
前記外側半径方向壁と前記内側半径方向壁との間で、前記噴射管は、前記流れアニュラスを通って移動する流れから前記噴射管を通って移動する流れを分離するように構成された分離構造を含む、請求項２乃至１３のいずれかに記載の下流ノズル。
【請求項１５】
前記内側半径方向壁はライナーを含み、前記外側半径方向壁はフロースリーブを含む、請求項１４に記載の下流ノズル。
【請求項１６】
前記内側半径方向壁は移行ピースを含み、前記外側半径方向壁はインピンジメントスリ
ーブを含む、請求項１４または１５に記載の下流ノズル。
【請求項１７】
前記下流ノズルは、前記ライナーによって定められた前記燃焼域の後方端内に燃料及び空気の混合気を噴射するように構成された、遅延希薄噴射システム構成を含み、
前記流れアニュラスは、前記一次ノズルを収容する前記燃焼器の前方端に配置されたキャップ組立体に向かって圧縮空気を送るように構成される、請求項１４乃至１６のいずれかに記載の下流ノズル。
【請求項１８】
前記ポートは、前記第１のプレナムの前記床部を貫通して形成されたスロットを含み、前記スロットは、該スロットが下流に延びるにつれて狭くなるテーパ付きプロフィールを有する、請求項１に記載の下流ノズル。
【請求項１９】
前記スロットは、下流壁に形成されたスクリーンを含み、前記スクリーンは、前記燃焼器の前記内側半径方向壁の近くでこれに略平行に形成された複数のポート及びスリットポートを含む、請求項１８に記載の下流ノズル。
【請求項２０】
燃焼タービンエンジンの燃焼器（１２）における遅延希薄噴射器であって、前記燃焼器は、一次ノズル（１７）の下流に燃焼域（２３）を定めるライナー（２４）と、前記ライナーを取り囲み、該ライナーとの間に流れアニュラス（２８）を形成するフロースリーブ（２５）とを含み、前記遅延希薄噴射器は、
前記外側半径方向壁（２５）と前記内側半径方向壁（２４）との間に延びる噴射管（５４）と、
前記噴射管の周囲にアニュラスを形成し、天井部（６５）と、該天井部の内方で前記内側半径方向壁と前記外側半径方向壁との間に配置された床部（６６）とを含む第１のプレナム（６１）と、
前記外側半径方向壁の外方に形成された入口に対して前記第１のプレナムを接続する供給通路（６２）と、
前記第１のプレナムの前記床部を貫通して形成され、圧縮空気が案内されるように構成されたインピンジメントポート（６３）と、
を含み、
前記インピンジメントポートは、前記第１のプレナムの前記床部の周りに分散配置され、前記第１のプレナムの下流部分内に集中領域を成し、
前記内側半径方向壁の前記外側表面は、前記噴射管の直下流でこれに隣接して定められたターゲット区域（５９）を含み、前記第１のプレナムの前記下流部分内のインピンジメントポートの前記集中領域は、前記ターゲット区域を狙ったものである、遅延希薄噴射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼システムに関し、より詳細には、特定のタイプの燃焼器の一次ノズルの下流に配置されたノズル又は燃料噴射器に関する装置及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンエンジン（同様に「ガスタービン」）の多段燃焼に関して複数のデザインが存在するが、多くは、複数の管体及び接合部で構成される複雑な組立体である。理解できるように、ガスタービンで通常用いられる一種の多段燃焼システムは、「遅延希薄」噴射システムと呼ばれ、燃焼器の一次ノズルの下流に配置された噴射器を含む。このタイプのシステムにおいて、遅延燃料噴射器は、一次ノズルの下流に位置決めされる。これらの噴射器は、燃焼域の後方領域に向かって配置することができる。当業者であれば理解できるように、この下流位置での燃料／空気混合気の燃焼は、ＮＯｘエミッションを改善するために利用することができる。ＮＯｘすなわち窒素酸化物は、従来の炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンから発生する、主要な望ましくない空気汚染エミッションの１つである。また、遅延希薄噴射システムは、空気バイパスとして機能することができ、空気バイパスを使用して、「ターンダウン」又は低負荷運転時に一酸化炭素すなわちＣＯエミッシオンを改善することができる。また、遅延希薄噴射システムは、他の運転上の利点をもたらすことができる。
【０００３】
従来の遅延希薄噴射組立体は、新しいガスタービンユニットを製造するには高価であり、既存のユニットに組み込むのは困難である。この理由の１つは、従来の遅延希薄噴射システム、特に燃料及び空気送出に関連するシステムの構成要素の複雑性である。これらのシステムに関連する多くの部品は、タービン環境の過酷な熱負荷及び機械負荷に耐えるようにデザインする必要があり、このことは、製造及び設置コストを著しく増加させる。従来の遅延希薄噴射組立体は、燃料漏れのリスクが高く、このことは、自己点火、保炎、ユニット損傷、及び安全性の問題につながる可能性がある。
【０００４】
さらに、これらのシステムは、混合物を燃焼域の後方部分の中に噴射できるように、流れアニュラスを横切って燃料及び／又は空気混合気を送るための噴射管を必要とする。具体的には、このような噴射管は、流れアニュラスを分断し、結果的に、ここを通って移動する圧縮空気流に対する有意な障害物を形成し、これは、理解できるように、いくつかの点で性能に悪影響を与える場合がある。例えば、噴射管に起因する下流の伴流又は渦は、流れアニュラスを通る流れを妨げ、流れ特性の不均一分布をもたらす場合がある。一次ノズル内の燃料に導入する目的で圧縮空気が燃焼器の前方部分に向かって移動する際に、不均一な流れは、結果として得られる燃焼に悪影響を与える場合がある。このことは、エンジンの効率を低下させると同時にエミッションレベルに影響を与える場合がある。理解できるように、望ましくないエミッションレベルは、典型的には、圧縮空気が均一な特性を有する一次ノズルに送出される場合に低下するが、不均一な燃焼を生じる不均一な特性は、高いエミッションレベルをもたらす。結果として、従来のデザインでは典型的なこのような流れ分布の形成を低減する下流噴射器装置及びシステムに対するニーズが存在する。
【０００５】
さらの、噴射管の下流側に生じる伴流は、領域内の冷却に悪影響を与える場合がある。流れアニュラスを通って移動する空気は、燃焼域を定める内側半径方向壁の冷却を行うことを理解できるであろう。この冷却によって、内側半径方向壁は高温に耐えることができ、効率の良いエンジンが可能になる。噴射管に関連する下流伴流は、特に噴射管のすぐ下流に配置された内側半径方向壁上の区域に関して、この流れを妨害する。より具体的には、噴射管は、そうでなければこの区域を対流冷却する流れアニュラスを通って移動する空気の一部を妨害する。この問題を軽減できる限りにおいて、燃焼器の部品寿命を延ばすことができる。従って、このようにしてアニュラス冷却への影響を防ぐ新規かつ革新的な下流噴射器の構成に対するニーズが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許公開番号２０１２／０２９７７８３号公報
【発明の概要】
【０００７】
従って、本出願は、一次ノズルの下流に燃焼域を定める内側半径方向壁と、該内側半径方向壁を取り囲み該内側半径方向壁との間に流れアニュラスを形成する外側半径方向壁とを含む、燃焼器で使用する下流ノズルを説明する。下流ノズルは、外側半径方向壁と内側半径方向壁との間に延びる噴射管と、該噴射管に隣接し、天井部と、該天井部の内方で内側半径方向壁と外側半径方向壁との間に配置された床部とを含む第１のプレナムを含むことができる。供給通路は、第１のプレナムを外側半径方向壁の外方に形成された入口に接続することができ、インピンジメントポートは、第１のプレナムの床部を貫通して形成することができる。
【０００８】
本出願のこれら及び他の特徴は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。
【０００９】
本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を詳細に検討することによって完全に理解され認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態を使用することができるガスタービンエンジンの断面図。
【図２】本発明の実施形態を使用することができる従来の燃焼器の断面図。
【図３】従来のデザインによる下流又は遅延燃料噴射器を有する燃焼器の拡大断面図。
【図４】本発明の態様を含む下流燃料噴射器の断面図。
【図５】本発明の実施形態による、下流燃料噴射器の断面斜視図。
【図６】本発明の特定の実施形態による、下流燃料噴射器の一部分の斜視図。
【図７】本発明の実施形態による、下流燃料噴射器の簡略断面輪郭図。
【図８】本発明の別の実施形態による、下流燃料噴射器の一部分の斜視図。
【図９】図８に示す実施形態の平面図。
【図１０】本発明の別の実施形態による、下流燃料噴射器の一部分の斜視図。
【図１１】図１０に示す実施形態の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下のテキストにおいて、本発明は、特定の用語を選択して説明される。可能な限り、これらの用語は、本技術分野に共通の専門用語に基づいて選択される。それでも、このような用語は、多くの場合、異なって解釈されることを理解できるはずである。例えば、単一構成要素として本明細書で参照できるものは、複数の構成要素から構成されるものとして他の場所で参照でき、又は複数の構成要素を含むとして本明細書で参照できるものは、単一構成要素として他の場所で参照できる。本発明の範囲を理解する上で、使用される特定の専門用語だけでなく、添付の説明及び前後関係、並びに構造、構成、機能、及び／又は、用語が複数の図面に関係する方法を含む参照及び説明される構成要素の使用方法、並びに勿論、特許請求の範囲における専門用語の正確な使用方法にも留意すべきである。
【００１２】
いくつかの記述用語は、通常、タービンエンジン内の構成要素及びシステムを説明する上で使用されるので、本セクションの初めにこれらの用語を定義することは有用である。従って、これらの用語及びこれらの定義は、別途指定しない限り以下の通りである。用語「前方」及び「後方」は、別途指定しない限り、ガスタービンの向きに関する方向を意味する。すなわち、「前方」は、エンジンの前方又は圧縮機端部を意味し、「後方」は、エンジンの後方又はタービン端部を意味する。これらの用語の各々を使用して、エンジン内の移動又は相対位置を示し得ることを理解できるはずである。用語「下流」及び「上流」は、ここを通って移動する流れの全体的な方向に対する特定の導管内の位置を示すために使用される。（これらの用語は、通常作動時に予想される流れに対する方向に言及することを理解できるはずであり、このことは、当業者には一目瞭然である）。用語「下流」は、流体が特定の導管を通って流れている方向を意味するが、「上流」は、その反対方向を意味する。
【００１３】
従って、例えば、圧縮機を通り、次に燃焼器内で燃焼ガスになって流出する空気から成る、タービンエンジンを通る作動流体の主流は、圧縮機の上流端の上流位置で始まり、タービンの下流端の下流位置で終了すると説明できる。以下でより詳細に検討するように、通常タイプの燃焼器内の流れの方向の説明に関して、圧縮機吐出空気は、典型的に、燃焼器の後方端に向かって集中したインピンジメントポートを通って燃焼器に流入することを理解できるはずである（燃焼器の長手方向軸及び前方／後方区別を定める前述の燃焼器／タービン配置に対して）。燃焼器に入ると、圧縮空気は、燃焼器の前方端に向かって内部チャンバの周りに形成された流れアニュラスによって案内され、空気流は、内部チャンバに流入し、その流れ方向とは逆に、燃焼器の後方端に向かって移動する。冷却通路を通る冷却媒体流は、同じ方法で扱うことができる。
【００１４】
中心共通軸の周りの圧縮機及びタービン構成、並びに多くの燃焼器タイプに共通する円筒状構成を考慮すると、軸に対する位置を説明する用語を使用することになる。これに関して、用語「半径方向」は、軸に直交する移動又は位置を意味することを理解できるはずである。これに関して、中心軸からの相対距離を説明することが必要になる場合がある。この場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも中心軸の近くにある場合、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向内向き」又は「内方」にあると説明できる。他方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも中心軸からさらに離れている場合、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向外向き」又は「外方」にあると説明できる。加えて、用語「軸線方向」は、軸に平行な移動又は位置を意味することを理解できるはずである。最後に、用語「円周方向」は、軸の周りの移動又は位置を意味する。説明したように、これらの用語は、エンジンの圧縮機及びタービン部を通って延びる共通中心軸に関して適用することができるが、これらの用語は、エンジンの他の構成要素又はサブシステムに関して使用することもできる。例えば、多くの機械で共通している円筒形状の燃焼器の場合、これらの用語の相対的な意味を与える軸は、断面形状の中心を通って延びる長手方向中心軸であり、断面形状は最初円筒状であるが、タービンに近づくにつれて環状の輪郭に移行する。
【００１５】
以下の説明は、従来技術及び本発明び実施例、並びに本発明の場合にはいくつかの例示的な実施及び例示的な実施形態の実施例を提示する。しかしながら、以下の実施例は、本発明の全ての可能性のある用途を網羅していないことを理解されたい。更に、以下の実施例は、所定のタイプのタービンエンジンに関して提示されるが、本発明の技術は、当業者であれば理解できるように、他のタイプのタービンエンジンに適用可能である。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態を使用することができる公知のガスタービンエンジン１０の断面図である。図示のように、ガスタービンエンジン１０は、全体とて圧縮機１１、１又はそれ以上の燃焼器１２、及びタービン１３を含む。流路は、ガスタービン１０を通って定められることを理解されたい。通常の作動時、空気は、吸気セクションを通ってガスタービン１０に流入し、次に、圧縮機１１に送られる。圧縮機１１内の回転ブレードの複数の軸線方向に積み重ねられた段は、空気流を圧縮して圧縮空気を供給する。次に、圧縮空気は燃焼器１２に流入し、ノズルを通って案内され、その内部で供給された燃料と混合して、空気−燃料混合気を形成する。空気−燃料混合気は、燃焼器の燃焼域部で燃焼して高温ガスの高エネルギ流が生成される。次に、高温ガスのエネルギ流は、タービン１３を通って膨張する作動流体になり、タービン１３は、エネルギ流からエネルギを抽出する。
【００１７】
図２は、本発明の実施形態を使用することができる例示的な燃焼器１２を示す。当業者であれば理解できるように、燃焼器１２は、典型的にはヘッド端部１５と呼ばれる前方端と、燃焼器１２をタービン１３に結合する後方フレーム１６によって定めることができる後方端とによって軸線方向に定められる。一次ノズル１７は、燃焼器１２の前方端に向かって配置することができる。一次ノズル１７は、燃焼器内で燃焼する燃料及び空気の大部分を一緒にして混合する構成要素である。図示のように、ヘッド端部１５は、一般的に、燃料をノズル１７に供給する種々のマニホルド、装置、及び／又は燃料経路１８を備える。また、ヘッド端部１５は、燃焼器１２内に形成された大型キャビティの前方軸方向境界を形成するエンドカバー１９を含むことができ、これによって作動流体の流路が定められる。
【００１８】
図示のように、燃焼器の内部は、所望の経路に沿って作動流体を案内するように構成された、複数の小型チャンバに分割することができる。これらは、典型的には、キャップ組立体２１と呼ばれる構成要素内に定められた第１のチャンバを含むことができる。キャップ組立体２１は、図示のように、後方端に配置することができる一次ノズル１７を収容して構造的に支持する。一般的に、キャップ組立体２１は、エンドカバー１９を形成する結合部から前方に延び、周りに形成された燃焼器ケーシング２９によって取り囲まれる。キャップ組立体２１と燃焼器ケーシング２９の間には環状流路が形成され、これは、以下に詳細に検討するように、前方向に延びることを理解されたい。この流路は、本明細書ではアニュラス流路２８と呼ぶ。図示のように、第２のチャンバは、一次ノズル１７のすぐ前方に配置することができる。第２のチャンバ内には、燃焼域２３が定められ、ノズル１７で一緒にされた燃料及び空気混合気が燃焼する。燃焼域２３は、ライナー２４によって円周方向に定めることができる。第２のチャンバは、ライナー２４から移行セクションを通って結合部に向かって延びることができ、燃焼器１２はタービン１３に通じる。他の構成も可能であるが、この移行セクションの内部において、第２のチャンバの断面領域は、燃焼域２３の円形形状からタービン１３への燃焼ガスの噴射に必要なより環状形状に移行する。
【００１９】
ライナー２４の周りには、フロースリーブ２５が配置される。ライナー２４及びフロースリーブ２５は、円筒形状であり、同心円筒構成に配列することができる。このように、キャップ組立体２１と燃焼器ケーシング２９との間に形成された流れアニュラス２８は、前方向に延びる。同様に、図示のように、インピンジメントスリーブ２７は、流れアニュラス２８が更に前方に延びるように移行ピース２６を取り囲むことができる。提示される実施例によれば、流れアニュラス２８は、概してエンドカバー１９から後方フレーム２９まで延びることができる。フロースリーブ２５及び／又はインピンジメントスリーブ２７は、燃焼器１２の外部の圧縮空気流が流れアニュラス２８に流入するのを可能にする複数のインピンジメントポート３２を含むことができる。図示のように、圧縮機吐出ケーシング３４は、燃焼器１２の少なくとも一部の周りに燃焼器吐出キャビティ３５を定めることができることを理解されたい。圧縮機吐出キャビティ３５は、圧縮機１１からの圧縮空気を受け入れるように構成することができ、供給された圧縮空気は、インピンジメントポート３２を通って燃焼器１２の流れアニュラス２８に流入する。インピンジメントポート３２の少なくとも一部は、ライナー２４及び／又は移行ピース２６に対して空気流が衝突するように構成されており、この領域での有効な対流冷却を可能にする。具体的には、衝突流は、ライナー２４及び／又は移行ピース２６の外部表面を対流冷却するように機能する。流れアニュラス２８に入ると、圧縮空気は、燃焼器１２の前方端に向かって案内される。次に、圧縮空気は、キャップ組立体２１の入口３１を通って、キャップ組立体２１の内部に案内され、一次ノズル１７に送り込まれて燃料と混合する。
【００２０】
キャップ組立体２１／燃焼器ケーシング２９、ライナー２４／フロースリーブ２５、及び移行ピース２６／インピンジメントスリーブ２７の組み合わせにより、流れアニュラス２８は燃焼器１２のほぼ軸方向長さ全体に広がることを理解されたい。本明細書で用いる場合、用語「流れアニュラス２８」は、一般にアニュラス全体又はその一部を呼ぶために使用される。流れアニュラス２８の特定のセクションは、より具体的には本明細書では以下の専門用語で呼ばれる場合がある。すなわち、前方アニュラスセクション３６は、キャップ組立体２１と燃焼器ケーシング２９との間に形成されたセクション、中央アニュラスセクション３７は、ライナー２４とフロースリーブ２５との間に形成されたセクション、及び後方アニュラスセクション２８は、移行ピース２６とインピンジメントスリーブ２７との間に形成されたセクションと定義される。
【００２１】
キャップ組立体２１と、ライナー２４及び／又は移行ピース２６によって定められた燃焼域２３は、それぞれ本明細書では第１及び第２のチャンバと呼ばれる場合がある、軸線方向に積み重ねられたチャンバを形成すると説明できることを理解されたい。図示のように、第１及び第２のチャンバは、一次ノズル１７で分離される。加えて、流れアニュラス２８を形成する同心配列の円筒壁は、本明細書では内側及び外側半径方向壁と呼ばれる場合がある。
【００２２】
一次ノズル１７は、燃焼器１２内の一次燃料送出構成要素を表し、図示のように、キャップ組立体２１の後方端に配置することができる。一次ノズル１７が燃料及び空気供給を一緒にして混合する方法は、多くの異なる構成を含むことを理解されたい。例えば、一次ノズル１７は、混合管、スウォズルデザイン、ミクロ混合技術などを含むことができる。一次ノズル１７は、複数の燃料経路１８から供給される燃料噴射器のアレイを更に含むことができる。例えば、燃料は天然ガスとすることができるが、他のタイプの燃料も可能である。
【００２３】
また図２に示すように、複数のベーン４１は、流れアニュラス２８内に設けることができる。ベーン４１は、様々な形状とすることができる。典型的には、ベーン４１は、翼形形状又は狭いプロフィールを有し、内側半径方向壁で形成された結合部と外側半径方向壁で形成された結合部との間に延びる。ベーン４１は、キャップ組立体２１の円周方向の周りで円周方向に離間することができる。このように、ベーン４１は、キャップ組立体２１及びその内部に収容された一次ノズル１７に対する構造支持体を提供する。
【００２４】
図３は、本発明の特定の態様による下流噴射システム４４（遅延希薄噴射システムと呼ばれる場合もある）を含むライナー２５／フロースリーブ２６組立体の断面図を提示する。本明細書で用いる場合、「下流噴射システム」は、燃料及び空気の混合気を一次ノズル１７の下流及びタービン１３の上流の所定の場所で作動流体流中に噴射するためのシステムである。一般的に、下流噴射システムの目的の１つは、一次燃焼器／一次燃焼域の下流で発生する燃料燃焼を可能にすることを含む。このタイプの動作は、ＮＯｘエミッション性能を改善するために用いることができる。図示のように、遅延燃料噴射システム４４は、下流ノズル４５を含み、その内部で、供給された燃料及び空気の供給が一緒になって燃焼域２３の下流部分の中に噴射される。また、システム４４は、フロースリーブ２６内に定められた燃料通路４７を含むことができる。燃料通路４７は、上流端において燃料マニホルド４８と接続することができ、図示にように、燃料マニホルド４８は、フロースリーブフランジに含むことができるが、他の構成も可能である。燃料通路４７は、燃料マニホルド４８から下流ノズル４５内に形成された燃料プレナム４９まで延びることができる。
【００２５】
図４に示すように、下流ノズル４５は、該下流ノズル４５内に配置された複数の燃料ポート５３に供給する燃料プレナム５２を有する燃料噴射器５１を含み、流れアニュラス２０又は何らかの他の場所から抽出された空気と燃料とを混合するようになっている。次に、移行又は噴射管５４は、燃焼域２３に噴射するために、流れアニュラス２８を横切って燃料／空気混合気を供給することができる。より具体的には、噴射管５４は、流れアニュラス２７を横切って燃料／空気混合気を案内するための導管を提供し、次に、混合気は、燃焼するためにライナー２４内の高温ガス流内に噴射することができる。図示のように、カバー又は空気シールド５５を備えることができ、内部で燃料／空気混合気を一緒にして混合するためのチャンバ５６を提供することができる。また、空気シールド５５は、これを取り囲む圧縮機エミッションキャビティ３５から下流ノズル４５を実質的に隔離するよう機能することを理解されたい。
【００２６】
また、下流ノズル４５は、種々の図面に示すものよりも燃焼器１２の更に前方又は後方位置で類似の様式で、又は、これについては、ライナー２４／フロースリーブ２５組立体に関して前述と同じ基本構成を有する流れ組立体が存在する任意の場所に設置できることを理解されたい。例えば、同じ基本構成要素を用いて、下流ノズル４５は、移行ピース２６／インピンジメントスリーブ２７組立体の内部に配置することもできる。当業者であれば理解できるように、本構成は、所定の基準及びオペレータ基本設定を考慮すると好都合であろう。提示された複数の図面は、ライナー２４／フロースリーブ２５組立体の内部の例示的な実施形態を目的としているが、これに限定されないことを理解されたい。従って、以下の説明で「外側半径方向壁」に言及する場合、特に指定しない限り、フロースリーブ２５、インピンジメントスリーブ２７、又は類似の構成要素に言及し得ることを理解されたい。さらに、以下の説明で「内側半径方向壁」に言及する場合、特に指定しない限り、ライナー２４、移行ピース２５、又は類似の構成要素に言及し得ることを理解されたい。
【００２７】
このような下流ノズル４５の使用に関する１つの特定の問題は、流れアニュラス２８内の噴射管５４に起因する伴流の悪影響である。前述のように、伴流は、ヘッド端部での不完全な混合流につながる場合があり燃焼及びＮＯｘエミッションに悪影響を与える。また、伴流は、噴射管５４の直下流で内側半径方向壁の冷却に悪影響を与える場合があり、図４に示すように、本明細書では「ターゲット区域５９」と呼ぶ。具体的には、噴射管５４の直下流に発生する「デッドゾーン」は、流れを遮ってターゲット区域への冷却に影響を与え、結果的に熱伝達率に悪影響を与える。
【００２８】
図５から図７は、本発明による、流れアニュラス２８を遮る噴射管５４に関連する悪影響を低減するために使用できる下流燃料ノズル４０の実施形態を提示する。一般的に、以下に詳細に検討するように、プレナム５２は、圧縮機吐出キャビティ３５からの圧縮空気が供給される流れアニュラス２８の内部に設けられ、プレナム５２からの流れは、複数のインピンジメントポート６３によって伴流が発生する区域に案内され、伴流を改善しながらターゲット区域への追加の冷却を行う。プレナム６１及びインピンジメントポート６３は、十分な空気を供給しながら適切に冷却を行い、噴射管５４の後側の伴流位置を「補って」、ヘッド端部における何らかの分布の問題を排除するような大きさとすることができる。加えて、上流ノーズ特徴部６８は、噴射管５４の上流側に設けられ、噴射管の空力的プロフィールを強化し、結果として得られる伴流を低減することができる。均一な空気分布をヘッド端部に提供することによって、一次ノズル１７は、均一な空気分布を受けることになり、均一な燃料／空気混合気がもたらされて、ヘッド端部は、エミッションを最小にしながら最高性能で最大の出力で作動する。ターゲット区域６９を冷却することによって、ライナーの部品寿命は延びることになり、これにより燃焼間隔の時間が増大して、ハードウェア損傷に関連する修復コストが低減する。
【００２９】
下流ノズル４５は、外側半径方向壁と内側半径方向壁との間に延びる噴射管５４を含むことができる。外側半径方向壁と内側半径方向壁との間で、噴射管５４は、噴射管５４を通って移動する流れを、流れアニュラスを通る流れから分離するように構成されたソリッド構造を含むことができる。前述のように、下流ノズル４５の軸方向位置に応じて、外側半径方向壁は、燃焼器ケーシング２９、フロースリーブ２５、又はインピンジメントスリーブ２７を含むことができる。それぞれ内側半径方向壁は、キャップ組立体２１、ライナー２４、又は移行ピース２６を含むことができる。好ましい実施形態において、図３に示すように、外側半径方向壁はフロースリーブ２５であり、内側半径方向壁はライナー２４である。図示のように、プレナム６１（本明細書では「第１のプレナム６１」と呼ばれる場合がある）は、噴射管５４に隣接して形成することができる。第１のプレナム６１は、天井部６５及び床部６６を含むことができる。本明細書で用いる場合、天井部６５は、第１のプレナム６１の外側半径方向境界であるが、床部６６は、内側半径方向境界である。好ましい実施形態によれば、床部６６は、内側半径方向壁と外側半径方向壁との間に配置される。図示のように、第１のプレナム６１を外側半径方向壁の外方に形成された入口に接続する、１又はそれ以上の供給通路６２が設けられる。また、下流ノズル４５は、第１のプレナム６１内の加圧流体を放出することができるこのように、床部６６を通って流れアニュラス２８まで形成されたインピンジメントポート６３を含む。
【００３０】
本発明によれば、第１のアニュラス６１の構成は、様々とすることができる。図示のように、好ましい実施形態は、噴射管５４の下流側に隣接して配置された第１のプレナム６１の少なくとも一部分を含む。作動時に流れアニュラス２８を通る予想流に対して規定される場合、噴射管５４は、上流側及び下流側を有すると説明できることを理解されたい。前述のように、作動時、圧縮機１１からの圧縮空気は、燃焼器の周りに形成された燃焼器吐出キャビティ３５に送出される。次に、圧縮空気は、インピンジメントスリーブ２７及びフロースリーブ２５内に形成されたポート３２を通って流れアニュラス２８に入り、燃焼器１２の前方端に向かって案内される、アニュラス２８を通る高速移動流に成長する。従って、アニュラス２８を通る流れの方向を考慮すると、噴射管５４の下流側は、前方を向いた側（すなわち、燃焼器１２のヘッド端部１５に向いた側）である。代替の実施形態において、第１のプレナム６１は、噴射管５４のこの下流側のみに隣接して形成される。好ましい実施形態によれば、図示のように、第１のプレナム６１は、噴射管５４の周りにアニュラスとして形成される。この場合、インピンジメントポート６３は、第１のプレナム６１の下流部分にのみ集中又は形成されるように、第１のプレナム６１の床部６６の周りに分散配置することができる。
【００３１】
ターゲット区域５９は、噴射管５４の直下流及びそれに隣接して存在する内側半径方向壁の外側表面上の領域である。ターゲット区域５９は、前述のように、噴射管５４の下流に形成された伴流の影響を最も受ける区域である。すなわち、噴射管５４は、アニュラス２８を通る流れを遮り、ターゲット区域５９に対する流れの対流冷却に悪影響を与える。好ましい実施形態によれば、第１のプレナム６１の下流部分のインピンジメントポート６３は、第１のプレナム６１から放出された加圧流体をターゲット区域５９に案内するように構成することができる。この冷却媒体の追加の流れは、噴射管５４の伴流に起因するターゲット区域５９内の冷却不足に対処するために利用できることを理解されたい。また、インピンジメントポート６３を通る空気の流出流は、噴射管５４によって離れた空気を「補う」ように機能して、空気が一次ノズル１７に送給される際に流れの遮りを最小にして均一性を最大にする。好ましい実施形態によれば、第１のプレナム６１の下流部分は、少なくとも８つのインピンジメントポート６３を含む。８つのインピンジメントポート６３は、ターゲット区域５９に対応するように均等に離間することができる。図７に最も明確に示すように、第１のプレナム６１は、第１のプレナム６１の下流セクションが噴射管５４の下流側から突出するカンチレバー構成を有することができる。この場合、ターゲット区域５９は、第１のプレナム６１の下流セクションが張り出す内側半径方向壁の外側表面と定義することができる。インピンジメントポート６３は、流れアニュラスを通る流れの方向に実質的に直交する方向に配置することができる。
【００３２】
第１のプレナム６１の床部６６は、内側半径方向壁の外側表面の近くに配置されるので、インピンジメントポート６３を通る流れがもたらす冷却効果を高めることができる。第１のプレナム６１の天井部６５は、外側半径方向壁の近くに配置することができる。第１のプレナム６１の床部６６は、内側半径方向壁の外側表面に実質的に平行に配置された平面構成を含むことができる。好ましい実施形態によれば、第１のプレナム６１の床部６６は、内側半径方向壁の外側表面と外側半径方向壁の内側表面との間のほぼ中間位置に配置することができる。第１のプレナム６１の天井部６５は、外側半径方向壁の外方近くに配置することができる。代替の実施形態によれば、第１のプレナム６１の天井部６５は、外側半径方向壁の内方近くに配置することができる。
【００３３】
図示のように、供給通路６２は、外側半径方向壁の外方に配置された入口と外側半径方向壁の内方に配置された出口との間の外側半径方向壁を通って延びるように構成され、第１のプレナム６１に流体連通するように構成することができる。前述のように、圧縮機吐出ケーシング３４は、燃焼器の周りの圧縮機吐出キャビティを定める。図示のように、供給通路６２の入口は、圧縮機吐出キャビティ３５と流体連通するように構成することができる。代替の実施形態によれば、複数の供給通路６２を設けることができる。図５及び７に示すように、２つの供給通路６２を設けることができ、下流ノズル４５の実質的に両側に構成することができる。
【００３４】
下流ノズル４５は、図示のように、空気シールド５５をさらに含むことができる。空気シールド５５は、外側半径方向壁の外側表面上に定められた噴射器の占有領域から外方に延びる壁を含むことができる。空気シールド５５は、下流ノズル４５の内部を圧縮機吐出キャビティ３５から実質的に分離するように構成することができる。好ましい実施形態によれば、供給通路６２は、空気シールド５５を貫通して延びて、圧縮機吐出キャビティ３５と流体連通するように構成される。このように、第１のプレナム６１に供給すると、ターゲット区域５９を有効に冷却するのに十分な圧力の流れを提供でき、同時にアニュラス２８からの何らかの可能性のある逆流を防止できることを理解されたい。
【００３５】
噴射管５４の上流側は、図６に示すように、空力的ノーズ特徴部６８を含むことができる。空力的ノーズ特徴６８は、噴射管５４の下流での伴流の形成を低減する空力的プロフィールを有することができる。好ましい実施形態において、図示のように、空力的ノーズ特徴部６８は、上流端において先鋭点を含む狭いプロフィールを含むことができる。空力的ノーズ特徴部は、第１のプレナム６１に対する内方位置を有することができる。
【００３６】
図４に示す下流ノズル４５と同様に、図５から図７の下流ノズル４５は燃料噴射器５１を含むことができ、噴射管５４の周りに形成された燃料プレナム５２は、噴射管５４の中に案内された圧縮空気に燃料を噴射するようにデザインされた複数の燃料ポート５３を備える。好ましい実施形態において、燃料プレナム５２は、外側半径方向壁に形成された燃料供給通路への結合部を備える。燃料供給のための他の構成も可能である。図示のように、下流ノズル４５は、混合流を噴射管５４に案内する前に、燃料及び空気を一緒にするための混合プレナム又はチャンバ５６を含むこともできる。チャンバ５６は、噴射管５４の第１の端部に接続するが、噴射管５４の第２の端部は、燃焼器１２の内側半径方向壁を通って燃焼域に接続することを理解されたい。下流ノズル４５は、遅延希薄噴射システム構成の内部に含まれており、ライナーによって定められた燃焼域の後方端に燃料及び空気の混合気を噴射することができる。このようなシステムは、燃焼域２３の周りで円周方向に配列された複数の下流ノズル４５を含むことができる。
【００３７】
図８から図１１は、代替の実施形態を示し、インピンジメントポート６３は、第１のプレナム６１の床部６６の下流部分を貫通して形成されたスロット７１に置き換えられる。このようにして構成すると、スロット７１は、必要に応じて大量の空気を噴射管５４の直下流に生じた伴流領域に案内するために利用できる。第１のプレナム６１を通って移動し、伴流領域に噴射されたこの大量の空気は、噴射管５４の直下流のアニュラス流の乱流が最小になるように、スロット７１のサイズを変更することで調節可能である。図９を参照すると、スロット７１は、スロットが下流方向に延びると開口が狭まる側壁７２を有するプロフィールとすることができる。このプロフィールによって、第１のプレナムからの空気流は、噴射管５４による流れの妨害の影響を最も受ける区域に集中することを理解されたい。同様に、テーパ付けされたプロフィールの狭い流れ区域によって、流速が高くなり冷却特性が向上する。
【００３８】
図１０及び１１を参照すると、代替の実施形態は、スクリーン７３と組み合わせた前述のスロット７１を含むことができる。図示のように、スクリーン７３は、アニュラスを通る流れとほぼ平行に配置された複数のスクリーンポート７５を有することができる。スクリーンポート７５は、アニュラス流路内に噴射される空気流を整えるように機能することができ、空力的損失を制限するようになっている。また、スクリーンポート７５は、この区域における流れを流量調整するために利用することができる。図示のように、スクリーン７３は、スクリーン７３の内側半径方向縁部に沿って配置されるスリットポート７７を含むこともできる。スリットポート７７は、図示のように、内側半径方向壁又はライナー２４にほぼ平行に整列することができる。また、スリットポート７５は、ライナー２４の外側表面に沿って冷却媒体流を集中させるために利用することができる。スリットポート７７は、第１のプレナム６１からの流れを流量調整して性能を改善する別の方法を提示することができる。スクリーンポート７５は、噴射された流れを整えて噴射管５４の下流で空力的乱流を低減するが、スリット７７は、特に一般的な冷却問題に対処するために利用できることを理解されたい。
【００３９】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４０】
２０  流れアニュラス
２３  燃焼域
２４  ライナー
２５  フロースリーブ
２８  流れアニュラス
４４  下流噴射システム
４５  下流ノズル
４７  燃料通路
４８  燃料マニホルド
５１  燃料噴射器
５３  燃料ポート
５４  噴射管
【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】
0006708380.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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