(57)【要約】      （修正有）【課題】ノズルの低流量領域及び流れ剥離領域を低減すること。【解決手段】ノズルは、軸方向中心線を有する中心胴体１２と、少なくとも一部の中心胴体１２を円周方向に取り囲んで中心胴体１２とシュラウド１４との間の環状通路を形成するシュラウド１４とを含む。中心胴体１２とシュラウド１４との間の複数のベーン１６は、シュラウド１４から離れた半径方向外向き部４０を備える。ノズルを通る流れを強化する方法は、中心胴体１２を通って燃料を流す段階と、中心胴体１２と、該中心胴体１２の少なくとも一部を取り囲むシュラウド１４との間に配置されたベーン１６を横切って流体流４６を流す段階とを含む。本方法は、シュラウド１４と、半径方向外向き部４０がシュラウド１４から離れているベーン１６の半径方向外向き部４０との間に流体流４６を流す段階を更に含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．軸方向中心線（１８）を有する中心胴体（１２）と、
ｂ．前記中心胴体（１２）の少なくとも一部を円周方向に取り囲み、前記中心胴体（１２）との間に環状通路（２０）を形成するシュラウド（１４）と、
ｃ．前記中心胴体（１２）と前記シュラウド（１４）との間の複数のベーン（１６）と
を備えるノズル（１０）であって、前記複数のベーン（１６）の各々が、前記シュラウド（１４）から離れた半径方向外向き部（４０）を備える、ノズル（１０）。
【請求項２】
前記複数のベーン（１６）の各々が、前記軸方向中心線（１８）に対して角度がついた真っ直ぐな面を備える、請求項１記載のノズル（１０）。
【請求項３】
前記複数のベーン（１６）の各々が湾曲面（３８）を備える、請求項１又は請求項２記載のノズル（１０）。
【請求項４】
前記各々の複数のベーン（１６）内に少なくとも１つの燃料ポート（３６）を更に備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のノズル（１０）。
【請求項５】
前記複数のベーン（１６）の各々の前記半径方向外向き部（４０）が、シュラウド（１４）から半径方向内向きに徐々に減少する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のノズル（１０）。
【請求項６】
前記複数のベーン（１６）の各々の半径方向外向き部（４０）内に開口（４２）を更に備える、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のノズル（１０）。
【請求項７】
前記複数のベーン（１６）の各々が、圧力側面（２６）及び真空側面（２８）を備える、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のノズル（１０）。
【請求項８】
前記各々の複数のベーン（１６）の前記圧力側面（２６）又は真空側面（２８）の少なくとも１つが、アパーチャ（４２）を更に備える、請求項７記載のノズル（１０）。
【請求項９】
前記シュラウド（１４）内に複数のポート（４８）を更に備え、シュラウド（１４）内の前記複数のポート（４８）の各々が、前記複数のベーン（１６）の各々の前記真空側面（２８）に近接している、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のノズル（１０）。
【請求項１０】
ノズル（１０）を通る流れを強化する方法であって、
ａ．中心胴体（１２）を通って燃料（３４）を流す段階と、
ｂ．前記中心胴体（１２）と、該中心胴体（１２）の少なくとも一部を取り囲むシュラウド（１４）との間に配置されたベーン（１６）を横切って流体流（４６）を流す段階と、
ｃ．前記シュラウド（１４）と、前記半径方向外向き部（４０）が前記シュラウド（１４）から離れているベーン（１６）の半径方向外向き部（４０）との間に流体流（４６）を流す段階と
を含む方法。
【請求項１１】
前記ベーン（１６）の前記半径方向外向き部（４０）内の開口（４２）を通って流体流（４６）を流す段階を更に含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記シュラウド（１４）を通って前記ベーン（１６）の真空側面（２８）に対して前記流体流（４６）を流す段階を更に含む、請求項１０又は請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記ベーン（１６）を通って前記燃料（３４）を流す段階を更に含む、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的にはノズル内の流れを強化するシステム及び方法に関する。詳細には、本発明の実施形態はノズルの特定位置で発生する保炎を低減又は阻止するシステム及び方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気とともに燃料点火を行って高温高圧の燃焼ガスを発生させるようになった燃焼が知られている。例えば、ガスタービンシステム、航空機エンジン、及び多数の他の燃焼式システムは１以上の燃焼器を備えており、該燃焼器は空気等の作動流体を燃料と混合し、その混合気に点火して高温高圧の燃焼ガスを生成する。各々の燃焼器は、一般に燃焼前に作動流体を燃料と混合する１以上のノズルを備えている。
【０００３】
一般に、燃焼式システムの熱力学的効率は、作動温度つまり燃焼ガス温度が高くなると増大することが広く知られている。しかしながら、空気と燃料が燃焼前に均一に混合されない場合、燃焼器内に局所的ホットスポットが生じる可能性がある。局所的ホットスポットは、燃焼器内の火炎がノズル内に逆火した及び／又はノズル内部に付着した状態になり、それによりノズルを損傷させることになる可能性を増大させる。
【０００４】
逆火及び保炎はあらゆる燃料で発生する可能性があるが、それら逆火及び保炎は、より高い燃焼速度及びより広い可燃範囲を有する、水素のような高反応性燃料の場合により容易に発生する。
【０００５】
逆火及び保炎を最小にしながらより高い作動温度を可能にする様々な技術的方法が存在する。これらの技術的方法の多くは、局所的ホットスポットを減少させ及び／又は低流量ゾーンを減少させて逆火及び保炎の発生を防止するか又は減少させる。
【０００６】
例えば、ノズル設計における継続的な改良により、燃焼前の燃料と空気のより均一な混合が得られて、燃焼器内に局所的ホットスポットが形成されるのが減少するか又は防止される。それに代えて又は加えて、ノズルは、該ノズルを通る燃料及び／又は空気の最低流量を保証して、燃焼器火炎がノズル内に逆火するのを防止するように設計されてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
低流量領域及び流れ剥離領域を低減するノズル設計における継続的な改良は有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、又はそれら説明から自明なものとして理解することができ、又は本発明の実施により学ぶことができる。
【０００９】
本発明の一実施形態は、軸方向中心線を有する中心胴体と、少なくとも一部の中心胴体を円周方向に取り囲んで中心胴体とシュラウドとの間の環状通路を形成するシュラウドとを含むノズルである。ノズルは中心胴体とシュラウドとの間に複数のベーンを更に含み、複数のベーンの各々は、シュラウドから離れた半径方向外向き部を備える。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、軸方向中心線を有する中心胴体と、少なくとも一部の中心胴体を円周方向に取り囲んで中心胴体とシュラウドとの間の環状通路を形成するシュラウドとを含むノズルである。ノズルは中心胴体とシュラウドとの間に複数のベーンを更に含み、複数のベーンの各々は、圧力側面及び真空側面を備える。シュラウドの複数のポートは、複数のベーンの各々の真空側面に近接している。
【００１１】
また、本発明はノズルを通る流れを強化する方法を含む。本方法は、中心胴体を通って燃料を流す段階と、中心胴体と該中心胴体の少なくとも一部を取り囲むシュラウドとの間に配置されたベーンを横切って流体流を流す段階とを含む。本方法は、シュラウドと、半径方向外向き部がシュラウドから離れているベーンの半径方向外向き部との間に流体流を流す段階を更に含む。
【００１２】
本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。
【００１３】
添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態によるノズルの簡略斜視図。
【図２】本発明の第２の実施形態によるノズルの拡大斜視図。
【図３】本発明の別の実施形態によるベーンの側面断面図。
【図４】本発明の第３の実施形態によるベーンの拡大斜視図。
【図５】本発明の別の実施形態によるノズルの拡大斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。
【００１６】
各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用して更に別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１７】
本発明の一実施形態によるノズル１０の斜視図を示す。図１に示すように、ノズル１０は一般的に、中心胴体１２、シュラウド１４、及び複数のベーン１６を含む。中心胴体１２は一般的に、ノズル１０の軸方向中心線１８に沿って延在する。シュラウド１４は、中心胴体１２の少なくとも一部分を円周方向に囲んで、該中心胴体１２及びシュラウド１４の間に環状通路２０を形成する。ベーン１６は一般的に、前縁２２（図１には示していない）及び後縁２４を備え、中心胴体１２とシュラウド１４の間で環状通路２０内を半径方向に延在する。特定の実施形態では、ベーン１６は、軸方向中心線１８に対して湾曲するか又は交差することができ、各ベーン１６の圧力側面２６及び負圧側面２８をもたらす。空気等の作動流体３０は、環状通路２０に流入してベーン１６上を流れることができる。中心胴体１２のプレナム３２は、中心胴体１２及び／又はベーン１６に燃料３４を供給できる。中心胴体１２及び／又はベーン１６の燃料ポート３６は、プレナム３２から環状通路２０への燃料２４の流体連通をもたらす。このように、燃料３４は、中心胴体１２及び／又はベーン１６の燃料ポート３６を通ることができ、ベーン１６は、燃料３４及び／又は作動流体３０を指向及び／又は旋回させてノズル１０へ出ていく前に環状通路２０内で燃料３４及び／又は作動流体３０の混合を強化することができる。
【００１８】
運転経験、試験、及びコンピュータによる流体力学的計算は、ベーン１６が保炎につながる環境を引き起こす可能性があることを示唆している。特に、ベーン１６の真空側面２８及び／又は後縁２４は、保炎につながる低流量領域又は流れ剥離領域を生じる可能性がある。本発明の種々の実施形態は、保炎の発生を低減するための、及び保炎が発生するとノズル面の何らかの損傷を低減及び／又は阻止するための、流量増加及び／又はノズル面の輪郭形成を提供する。このように、本発明の種々の実施形態は、ベーン１６に関連する低速領域を低減してノズル１０内の保炎の可能性及び／又は影響を低減できる。
【００１９】
図１に示すように、各ベーン１６は、該ベーン１６上を流れる燃料３４及び／又は作動流体３０に対して接線速度又は旋回を付与する湾曲面３８を備えることができる。図１に示すように、ベーン１６はこの場合も、シュラウド１４から離れる半径方向外向き部４０を備えることができる。半径方向外向き部４０は、ベーン１６の後縁２４がシュラウド１４から半径方向内向きに徐々に減少するようにシュラウド１４から離れて湾曲すること又は輪郭形成することができる。本構成により、燃料３４及び／又は作動流体３０は、半径方向外向き部４０とシュラウド１４との間を流れることができ、ベーン１６の真空側面２８及び／又は後縁２４近傍の流れ剥離領域上の流体流れが増える。
【００２０】
図２は本発明の別の実施形態による中心胴体１２、シュラウド１４、及びベーン１６の拡大斜視図である。この特定の実施形態では、ベーン１６は一般的に、軸方向中心線１８に対して角度がついた真っ直ぐな面を備えることができ、ベーン１６上を流れる燃料３４及び／又は作動流体３０に対して接線速度又は旋回を付与する。図１に示す実施形態に関連して説明したように、ベーン１６は同様に、シュラウド１４から離れる半径方向外向き部４０を有している。更に、ベーン１６は、ベーン１６も半径方向外向き部４０及び／又は圧力側面２６又は真空側面２８の一方又は両方に開口４２、アパーチャ、ポート、通路、又は孔を含む。本明細書で使用する場合に、「開口」、「アパーチャ」、「ポート」、「通路」、「孔」と言う用語は、その意味がほぼ同一であることを意図しておりかつ互いに同義語として使用することができる。図３は湾曲ベーン１６の側面断面図であり、半径方向外向き部４０及び圧力側面２６及び真空側面２８に開口４２が示されている。図２に示すように、シュラウド１４とベーン１６との間、又は中心胴体１２とベーン１６との間の通路４４は、ベーン１６を通って半径方向外向き部４０の開口４２から流出する流体流４６のための流体連通をもたらすことができる。例えば、流体流４６は、作動流体３０、水蒸気、不活性ガス、希釈剤、又は当業者には公知の他の適切な流体を含むことができる。このように、流体流４６は、ベーン１６の後縁２４及び／又は圧力側面２６又は真空側面２８上の追加的な流れをもたらす。更に、コンピュータによる流体力学的計算は、半径方向外向き部４０の開口４２、及び／又は圧力側面２６及び真空側面２８を通る流体流４６の追加的な流れがベーン１６の後縁２４のいずれかの面上の低循環領域を低減できることを示している。
【００２１】
図４は、本発明の別の実施形態による中心胴体１２、シュラウド１４、及びベーン１６の拡大斜視図である。この特定の実施形態では、ベーン１６は一般的に、軸方向中心線１８に位置合わせされた真っ直ぐな面を備え、ベーン１６上を流れる燃料３４及び／又は作動流体３０を指向する。図１及び２に示すように、ベーン１６はこの場合も、シュラウド１４から離れる半径方向外向き部４０を備えることができる。更に、ベーン１６はこの場合も半径方向外向き部４０に開口４２を含み、流体流４６がベーン１６を通って流れることを可能にして、ベーン１６の半径方向外向き部４０及び／又は後縁２４に追加的な流れをもたらす。
【００２２】
図５は、本発明の他の実施形態による中心胴体１２、シュラウド１４、及びベーン１６の拡大斜視図である。図１に示す実施形態では説明したように、各ベーン１６は一般的に、ベーン１６上を流れる燃料３４及び／又は作動流体３０に接線速度又は旋回を与える湾曲面３８を備えている。しかしながら、前述の実施形態の半径方向外向き部４０の代わりに、ベーン１６が中心胴体１２とシュラウド１４との間で環状通路２０の全域にわたって半径方向に延在している。
【００２３】
この特定の実施形態では、シュラウド１４は、湾曲面３８の真空側面２８に近接して複数のポート４８を含んでいる。複数のポート４８は、湾曲面３８の真空側面２８に向かって角度がついており、湾曲面３８に対して流れるように流体流４６のための流体連通をもたらすことができる。このように、流体流４６は、低速領域にエネルギを与えて流速を高めることができ、湾曲面３８の真空側面２８での保炎発生を低減又は防止することができる。
【００２４】
更に、前述の図１−５で示す実施形態は、ノズル１０を通る流れを強化する方法を提供する。本方法は、燃料３４を中心胴体１２及び／又はベーン１６を通って流す段階と、例えば図３及び５で示すように、ベーン１６を横切って流体流４６を流す段階とを含むことができる。本方法は、更に図２及び４に示すように、各ベーン１６の半径方向外向き部４０の間で流体流４６を流す段階を含むことができる。特定の実施形態では、本方法は、半径方向外向き部４０の開口４２を通って流体流４６を流す段階、及び／又はベーン１６の真空側面２８に対してシュラウド１４を通って流体流４６を流す段階を含むことができる。
【００２５】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００２６】
１２  中心胴体
１４  シュラウド
１６  ベーン
２４  後縁
２６  圧力側面
２８  空側面
４２  開口
４４  通路
４６  流体流
【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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【外国語明細書】
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