(57)【要約】【課題】燃焼スワラを提供すること。【解決手段】燃焼スワラは、燃焼スワラの第１の環状体部分から軸方向に延在する複数の静翼を含む。燃焼スワラはまた、燃焼流体の流れを方向付ける複数の静翼を取り囲む第２の環状体部分を含む。静翼はそれぞれ、複数の第１の突起を有する前縁および複数の第２の突起を有する後縁を備える空力ブレード本体を備える。複数の第１の突起は、静翼それぞれの前縁に沿って波状の曲線を有する突出部であることができる。第２の突起は、歯状の突出部もしくはシェブロンを有する複数の鋸歯または切欠きを備えることができる。【選択図】図１
2013213659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼スワラであって、
第１の環状体部分から軸方向に延在する複数の静翼と、
燃焼流体の流れを方向付ける前記複数の静翼を取り囲む第２の環状体部分とを備え、
前記静翼がそれぞれ、複数の第１の突起を有する前縁および複数の第２の突起を有する後縁を備える空力ブレード本体を備える、
燃焼スワラ。
【請求項２】
前記複数の第１の突起が、前記静翼それぞれの前記前縁に沿って波状の曲線を有する突出部である、請求項１記載の燃焼スワラ。
【請求項３】
前記第２の突起が、歯状の突出部もしくはシェブロンを有する複数の鋸歯または切欠きを備える、請求項１記載の燃焼スワラ。
【請求項４】
前記複数の第１の突起が、前記静翼それぞれの前記前縁で均等に離間されている、請求項１記載の燃焼スワラ。
【請求項５】
前記複数の第２の突起が、前記静翼それぞれの前記後縁で均等に離間されている、請求項１記載の燃焼スワラ。
【請求項６】
前記複数の静翼が、前記第１の環状体部分の中心に沿った中心軸方向軸に対して約２５°から約７５°の範囲の角度で前記第１の環状体部分から延在する、請求項１記載の燃焼スワラ。
【請求項７】
前記第２の環状体部分の内表面が前記複数の静翼に付着される、請求項１記載の燃焼スワラ。
【請求項８】
前記燃焼流体が、空気もしくは燃料、またはそれらの組合せを含む、請求項１記載の燃焼スワラ。
【請求項９】
前記第１の環状体部分が、複数の中心本体穴を備えて、前記燃焼流体の一部分を前記複数の中心本体穴および前記複数の静翼を介して方向付ける、請求項１記載の燃焼スワラ。
【請求項１０】
ガスタービンであって、
燃焼領域の上流側に位置する燃焼スワラを備え、前記燃焼スワラが、
前記燃焼スワラの第１の環状体部分から軸方向に延在する複数の静翼と、
燃焼流体の流れを方向付ける前記複数の静翼を取り囲む前記燃焼スワラの第２の環状体部分とを備え、
前記静翼がそれぞれ、複数の第１の突起を有する前縁および複数の第２の突起を有する後縁を有する空力ブレード本体を備える、
ガスタービン。
【請求項１１】
前記複数の第１または第２の突起が、前記静翼それぞれの前記前縁または前記後縁に沿って波状の曲線を有する突出部である、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１２】
前記第２の突起が、歯状の突出部もしくはシェブロンを有する複数の鋸歯または切欠きを備える、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１３】
前記複数の第１の突起が前記前縁で均等に離間されている、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１４】
前記複数の第２の突起が前記後縁で均等に離間されている、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１５】
前記複数の第１の突起および前記複数の第２の突起がそれぞれ、前記前縁および前記後縁で均等に離間されている、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１６】
前記第２の環状体部分の内表面が前記複数の静翼に付着される、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１７】
前記第１の環状体部分が、複数の中心本体穴を備えて、前記燃焼流体の一部分を前記複数の中心本体穴および前記複数の静翼を介して方向付ける、請求項１０記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、燃焼器に関し、より詳細には、燃料室用のスワラに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、ガスタービンは、燃料ノズルとともにスワラ（またはスウォズル）を内部に有する燃焼室を含む。ノズル内のスワラはそれぞれ、燃料と空気の混合物（または空気のみ）を燃焼室に送るための１つまたは複数の通路を含む。スウォズルは、火炎を安定させ、点火前に燃料と空気の混合を改善するのに使用される。スワラは、ノズルから延在し、かつ空気力学的プロファイルを有する複数の静翼を含む。スワラ静翼は、スワラ静翼の表面にある燃料穴に燃料を供給する通路を含む場合が多い。燃料が燃料穴を出ると、通常は空気である流体と混ざり、スワラ静翼を通過する。通常、スワラ静翼は、スワラ静翼の後縁付近に転換点を有し、それによってスワラ内で、またはスワラの下流側で流れの分離が生じて、逆火および保炎が起こる可能性が増加することがある。かかる流れの問題を解決するための１つの一般的方策は、静翼プロファイルを修正するというものである。この修正は、繰り返すごとに新たな鋳造プロセスおよび鋳造器具を要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１４８１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、スワラの性能を向上させることが引き続き求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態により、燃焼スワラが提供される。この燃焼スワラは、燃焼スワラの第１の環状体部分から軸方向に延在する複数の静翼を含む。燃焼スワラはまた、燃焼流体の流れを方向付ける複数の静翼を取り囲む第２の環状体部分を含む。静翼はそれぞれ、複数の第１の突起（tubercles）を有する前縁および複数の第２の突起を有する後縁を備える空力ブレード本体（aerodynamic blade body）を備える。
【０００６】
本発明の別の実施形態により、ガスタービンが提供される。このガスタービンは、ガスタービンの燃焼領域の上流側に位置する燃焼スワラを含む。さらに、燃焼スワラは、燃焼空気スワラの第１の環状体部分から軸方向に延在する複数の静翼を含む。ガスタービンはまた、燃焼流体の流れを方向付ける複数の静翼を取り囲むスワラの第２の環状体部分を含む。静翼はそれぞれ、複数の第１の突起を有する前縁および複数の第２の突起を有する後縁を有する空力ブレード本体を含む。
【０００７】
本発明のこれらならびに他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより良好に理解されるであろう。図面全体を通して、類似の符号は類似の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態によるガスタービン用の燃料ノズルの一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃焼スワラを示す斜視図である。
【図３】本発明の別の実施形態による燃焼スワラを示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃焼スワラのスワラ静翼を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の様々な実施形態の要素について説明する際、数詞がないこと或いは冠詞「前記」などは、その要素が１つまたは複数存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、および「有する」は、包括的なものであって、列挙した要素以外に追加要素が存在してもよいことを意味するものとする。動作パラメータのあらゆる例は、開示される実施形態の他のパラメータを除外するものではない。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態による燃焼スワラ１１を含む燃料ノズル１０の一部分を示す。燃焼スワラ１１は、通常は空気である燃焼流体の流れをガスタービンのノズル入口１３から受け入れ、その空気を燃料と混合して混合気とするように構成されている。次に、混合気は燃焼域１９での点火のために下流へと進む。
【００１１】
本発明の一実施形態による燃焼スワラ１１の斜視図が図２に示される。図示されるように、燃焼スワラ１１は、燃焼流体の流れを方向付けるため、中心本体１４の周りに円周方向で配置されるとともに、シュラウド１６まで延在する複数のスワラ静翼１２を含む。中心本体１４は、燃焼流体を通すことができる断面を有する。燃焼流体の非限定例としては、空気、燃料、またはそれらの組合せが挙げられる。中心本体１４は、１つまたは複数の中心本体穴１５を備えて、燃焼流体の一部分を複数の中心本体穴１５および複数のスワラ静翼１２を介して方向付ける、燃焼スワラ１１の第１の環状体部分である。複数のスワラ静翼１２は、第１の環状体部分の中心に沿った中心軸方向軸に対して約２５°〜約７５°の範囲の角度で第１の環状体部分から延在する。複数のスワラ静翼１２は、捻れる動きを燃焼流体の流れに与え、それによってボルテックス状の動きが生じて、燃焼流体と燃料の混合が改善される。さらに、シュラウド１６は、スワラ静翼１２を取り囲む第２の環状体部分を備える。一実施形態では、シュラウド１６の第２の環状体部分の内表面は、複数のスワラ静翼１２に付着される。図１の実施形態の燃焼スワラ１１は、一実施形態では鋳物として作製されてもよいが、例えば溶接または機械加工を含む他の製造方法が、本発明の範囲内にあるものと考えられる。
【００１２】
複数のスワラ静翼１２はそれぞれ、複数の第１の突起２４を有する前縁２２を備える空力ブレード本体を含む。第１の突起２４は、前縁２２における波状の曲線を有する突出部である。これは、前縁２２の周りで一対の逆回転するボルテックスを発生させるのを助け、その結果、後縁２８付近での流れ分離が排除されるので、空気または燃料と空気の混合物の旋回量を同じまま維持しながら、より小さな旋回角を使用することができる。これは、燃焼スワラ１１の全域で発生する圧力低下を低減するという観点で解釈される。かかる圧力低下の低減は、燃焼スワラ１１を有するガスタービンの熱効率向上に結び付く。さらに、複数の第１の突起２４を有する前縁２２によって後縁の後流領域（ウエイク領域（wake region））が排除され、その結果、火炎の静安定が改善される。一実施形態では、複数の第１の突起２４を有する前縁２２は、後流領域をまったく形成することなく燃焼流体の高速流れをもたらす。
【００１３】
後縁２８を有する複数のスワラ静翼１２それぞれの空力ブレード本体は、複数の第２の突起を含む。一実施形態では、第２の突起は、個々の歯もしくはシェブロンを規定する鋸歯または切欠き２６を備える。中心本体１４が動作中にスワラ静翼１２とともに回転する際、複数の鋸歯または切欠き２６は、スワラ静翼１２同士の間および後縁２８の領域の周囲における燃焼流体の境界層流れにおいて、分離または後流領域を低減するのを助ける。また、鋸歯または切欠き２６は、乱流レベルを増加させることが想定され、これはＮＯｘ排出がより低くなるという観点で解釈される、別の実施形態では、後縁２８は、波状の曲線を有する突出部を備える複数の第２の突起を含む。複数の第２の突起もまた、燃焼流体と燃料の混合を向上させる複数のボルテックスを発生させる助けとなりうる。
【００１４】
図３は、本発明の別の実施形態による燃焼スワラ１１の斜視図を示す。複数のスワラ静翼１２はさらに、転換区画（turning sections）２５を含んでもよい。転換区画２５は、スワラ静翼１２を越えて流れる燃焼流体中の渦流を転換または誘導することができる。転換区画の曲率によって、スワラ静翼１２の圧力側１８（すなわち、燃焼スワラ１１の、燃焼領域に近い側）と吸込み側２０（すなわち、燃焼スワラ１１の、圧力側とは反対の側）との間に圧力差が作り出される。この実施形態では、燃焼スワラ１１の第１の環状体部分を有する中心本体１４は、１つまたは複数の中心本体穴１７を含んで、燃焼流体の一部分をこの複数の中心本体穴および複数のスワラ静翼１２を介して方向付ける。
【００１５】
図４は、本発明の一実施形態による燃焼スワラ１１のスワラ静翼１２の空力ブレード本体を示す。スワラ静翼１２は、前縁２２に配置される複数の第１の突起２４を含む。一実施形態では、スワラ静翼１２は、後縁２８に配置される複数の第２の突起を含む。前縁２２および後縁２８にある突起を使用することで、一対の逆回転するボルテックスが発生することが想定され、それによって空気または空気と燃料の混合物の流れが維持され、その結果、火炎安定性が改善されるとともに、（図１に示されるような）燃焼スワラ１１の全域での圧力低下が低減される。前縁２２に第１の突起２４が存在することによって、より小さな旋回角で同じ量の旋回を実現することができるので、旋回角がより小さいスワラ静翼１２を使用することで、燃焼スワラ１１の全域での圧力低下が低減される。
【００１６】
複数の第１の突起２４は、前縁２２に沿って均等に離間されてもよく、かかる突起がスワラ静翼の前縁に存在しない燃焼室の他の実施形態に比べて、燃焼器内での空気と燃料の混合を改善しうる。突起２６は、後縁２８に沿って均等に離間されてもよく、燃焼器内での空気と燃料の混合を向上させるボルテックスを発生させうる。複数の第１の突起２４は失速抑制（ストール・ディレイ（stall delays））をもたらし、気流分離を低減する。さらに、複数の第２の突起２６によって、スワラ静翼の後縁の周囲における後流領域が低減される。その結果、後流領域の低減は、逆火および保炎の深刻度を軽減するのを助ける。この実施形態はまた、流れの分離が原因と考えられるノイズの発生を緩和するのを助ける。さらに、流れの分解（フロー・ブレイクダウン）によって発生する燃焼力学が軽減されるので、後流領域を排除することによって燃焼器区画の力学安定性が改善する。
【００１７】
有利には、燃焼スワラは、空気と燃料の混合、ならびに燃焼室の火炎の静安定を改善する。これは、一実施形態によるガスタービンの燃焼領域を備えた燃焼スワラの全域での大きな圧力低下（例えば、約３％など）という観点で解釈される。圧力低下は主に、燃焼スワラによって生じる阻害に起因する。典型的には、燃焼スワラの後縁で起こる流れの分離のために大きな旋回角が選択される。本発明では、スワラ静翼がより小さな角度で同程度の旋回をもたらし、結果として圧力低下が低減される。したがって、本発明は、火炎の静安定および圧力低下の低減により、燃焼スワラの性能向上をもたらす。
【００１８】
さらに、当業者であれば、異なる実施形態による様々な特徴が互換可能であることを認識するであろう。同様に、記載した様々な方法ステップおよび特徴、ならびにかかる方法および特徴それぞれの他の既知の等価物を当業者が混合し適合させて、本開示の原理にしたがった追加のシステムおよび技術を構築することができる。当然ながら、上述したかかる目的または利点は、必ずしもすべてが任意の特定の実施形態にしたがって実現されるものではないことを理解されたい。したがって、例えば、当業者であれば、本明細書に記載するシステムおよび技術は、本明細書で教示または提案されることがあるような他の目的もしくは利点を必ずしも実現することなく、本明細書で教示される１つの利点もしくは一連の利点を実現または最適化するようなやり方で、具体化あるいは実施してもよいことを認識するであろう。
【００１９】
本発明の特定の特徴のみを本明細書に図示し記載してきたが、当業者には多数の修正形態および変更形態が想起されるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、かかる修正形態および変更形態はすべて本発明の真の趣旨の範囲内にあるものとすることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２０】
１０  燃料ノズル
１１  燃焼スワラ
１２  スワラ静翼
１３  ノズル入口
１４  中心本体
１５  中心本体穴
１６  シュラウド
１７  中心本体穴
１８  圧力側
１９  燃焼域
２０  吸込み側
２２  前縁
２４  第１の突起
２５  転換区画
２６  鋸歯または切欠き、突起、または第２の突起
２８  後縁
【図１】
2013213659.tif 000003
【図２】
2013213659.tif 000004
【図３】
2013213659.tif 000005
【図４】
2013213659.tif 000006