(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンの燃焼システムにおける下流または軸方向に段階的な空気および燃料の噴射に関する新規のシステムを提供する。【解決手段】燃焼器は、内側半径方向壁２４、外側半径方向壁２５、両者間の流れ環２６、および外側流れ環８７を構成する外側半径方向壁２５の周りに形成された第３の半径方向壁８６を具備し、段階的噴射器５１は、流れ環２６と交差することにより、後方環部および前方環部を規定する噴射点を作動流体流路内３７に確保している。空気配向構造は、後方環部に対応する後方吸気部および前方環部に対応する前方吸気部を具備しており、また、スイッチバック冷媒流路８８を具備することにより、圧縮器排出空洞からの空気を段階的噴射器５１に配向する。スイッチバック冷媒流路８８は、流れ環２６を通る上流部９１および外側流れ環８７を通る下流部９２を具備している。【選択図】図１５
2017122567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体的に作動流体流路（３７）を規定するタービン（１２）に結合された燃焼器（１３）であって、前記作動流体流路（３７）が、前記燃焼器（１３）の前方噴射器（２１）により規定された前端から、前記燃焼器（１３）が前記タービン（１２）に遷移する接合部分を通った後、前記タービン（１２）を通って、内部に規定された後端まで、長手軸に沿って後方に延び、前記燃焼器（１３）が、前記作動流体流路（３７）を規定する内側半径方向壁（２４）、流れ環（２６）が間に形成されるように前記内側半径方向壁（２４）の外部かつ周りに形成された外側半径方向壁（２５）、および外側流れ環（８７）が間に形成されるように前記外側半径方向壁（２５）の外部かつ周りに形成された第３の半径方向壁（８６）を具備した、燃焼器（１３）と、
前記燃焼器（１３）の周りに形成され、圧縮器（１１）により供給された燃焼器給気を受容する圧縮器排出空洞（４４）と、
前記前方噴射器（２１）および軸方向後方に離隔した段階的噴射器（５１）を具備する段階的噴射システム（５０）であって、前記段階的噴射器（５１）が、前記流れ環（２６）と交差することによって、前記作動流体流路（３７）上に噴射点を確保する、段階的噴射システム（５０）と、
前記前方噴射器（２１）と前記段階的噴射器（５１）との間で燃焼器燃料供給を分配する燃料配向構造と、
前記前方噴射器（２１）と前記段階的噴射器（５１）との間で前記燃焼器給気を分配する空気配向構造と、
を備え、
前記空気配向構造が、前記圧縮器排出空洞（４４）から供給された空気が前記段階的噴射器（５１）に配向されるスイッチバック冷媒流路（８８）を備え、
前記スイッチバック冷媒流路（８８）が、前記流れ環（２６）を備えた上流部（９１）および前記外側流れ環（８７）を備えた下流部（９２）を含む、ガスタービン（１０）。
【請求項２】
前記スイッチバック冷媒流路（８８）が、前記外側流れ環（８７）を通る後方流に対して、前記流れ環（２６）を通る前方流を再配向する構成を備える、請求項１記載のガスタービン（１０）。
【請求項３】
前記スイッチバック冷媒流路（８８）が、前記外側半径方向壁（２５）を通して形成された前方ポート（９３）および後方ポート（９４）を備え、
前記前方ポート（９３）が、前記スイッチバック冷媒流路（８８）の前記上流部（９１）を前記下流部（９２）に流体接続し、
前記後方ポート（９４）が、前記スイッチバック冷媒流路（８８）の前記下流部（９２）を前記段階的噴射器（５１）に流体接続した、請求項２記載のガスタービン（１０）。
【請求項４】
前記第３の半径方向壁（８６）が、前端および後端を備え、
前記第３の半径方向壁（８６）の前記前端が、前記前方ポート（９３）を囲み、
前記第３の半径方向壁（８６）の前記後端が、前記後方ポート（９４）を囲んだ、請求項３記載のガスタービン（１０）。
【請求項５】
前記第３の半径方向壁（８６）の前記後端が、軸方向において前記後方ポート（９４）のすぐ後方に位置決めされ、
前記第３の半径方向壁（８６）の前記前端が、軸方向において前記前方ポート（９３）のすぐ前方に位置決めされ、
前記第３の半径方向壁（８６）が、前記外側流れ環（８７）を通る流れを前記圧縮器排出空洞（４４）中の流れから流体隔離する中実分離構造を備えた、請求項３記載のガスタービン（１０）。
【請求項６】
前記流れ環（２６）が、軸方向隔壁（８５）を具備し、前記軸方向隔壁（８５）が、前記スイッチバック冷媒流路（８８）の前記上流部（９１）の前方終端点を備える、請求項４記載のガスタービン（１０）。
【請求項７】
前記軸方向隔壁（８５）が、前記段階的噴射器（５１）から前方に離隔し、
前記作動流体流路（３７）における前記噴射点の確保において、前記段階的噴射器（５１）が、前記スイッチバック冷媒流路（８８）の前記上流部（９１）を通して、前記流れ環（２６）と交差する、請求項６記載のガスタービン（１０）。
【請求項８】
前記軸方向隔壁（８５）の軸方向位置に対して、前記流れ環（２６）が、前記軸方向隔壁（８５）の後方側に規定された後方環部および前記軸方向隔壁（８５）の前方側に規定された前方環部に分離され、
前記空気配向構造が、前記外側半径方向壁（２５）を通して形成され、前記圧縮器排出空洞（４４）を前記流れ環（２６）の対応する軸方向規定部に流体接続する軸方向に規定の吸気部（１０３）を備え、前記吸気部（１０３）が、前記後方環部に対応する後方吸気部および前記前方環部に対応する前方吸気部を具備する、請求項６記載のガスタービン（１０）。
【請求項９】
前記軸方向隔壁（８５）が、
前記前方環部に流れ込む前記燃焼器給気の前記空気のすべてが、前記前方噴射器（２１）に配向され、
前記後方環部に流れ込む前記燃焼器給気の前記空気のすべてが、前記スイッチバック冷媒流路（８８）を通して配向され、前記段階的噴射器（５１）に供給される、
ように、前記前方環部を前記後方環部に対して流体封止するように構成された、請求項８記載のガスタービン（１０）。
【請求項１０】
前記軸方向隔壁（８５）が、前記外側半径方向壁（２５）と前記内側半径方向壁（２４）との間かつ前記流れ環（２６）の周囲に延びた壁を備えることにより、前記後方環部と前記前方環部との間の流体連通に対して前記流れ環（２６）を封止する、請求項９記載のガスタービン（１０）。
【請求項１１】
前記燃焼器（１３）が、前方基準面（６７）、中間基準面（６８）、後方基準面（６９）、および軸方向隔壁基準面（５８）を含む基準面を備え、それぞれが、前記作動流体流路（３７）の長手軸と実質的に垂直に位置合わせされた基準面を備え、
前記前方基準面（６７）が、前記作動流体流路（３７）の前端と一致し、
前記後方基準面（６９）が、前記燃焼器（１３）が前記タービン（１２）に遷移する前記接合部分と一致し、
前記中間基準面（６８）が、前記前方基準面（６７）と前記後方基準面（６９）との間の前記作動流体流路（３７）の軸方向中間点と一致し、
前記隔壁基準面（５８）が、前記軸方向隔壁（８５）と一致し、
前記後方吸気部が、前記隔壁基準面（５８）と前記後方基準面（６９）との間に略規定された軸方向範囲を含み、
前記前方吸気部が、前記隔壁基準面（５８）と前記前方基準面（６７）との間に略規定された軸方向範囲を含む、請求項９記載のガスタービン（１０）。
【請求項１２】
前記後方吸気部が、離隔した複数のインピンジメントポート（４１）を備え、それぞれが、前記内側半径方向壁（２４）の外面に対して制限された空気ジェットを適合させるため、前記外側半径方向壁（２５）を通して形成され、
前記前方吸気部が、離隔した複数のインピンジメントポート（４１）を備え、それぞれが、前記内側半径方向壁（２４）の外面に対して制限された空気ジェットを適合させるため、前記外側半径方向壁（２５）を通して形成された、請求項１１記載のガスタービン（１０）。
【請求項１３】
前記後方吸気部の前記複数のインピンジメントポート（４１）が、前記後方基準面（６９）のすぐ前方に位置決めされた最後方インピンジメントポートと前記隔壁基準面（５８）のすぐ後方に位置決めされた最前方インピンジメントポートとの間で軸方向に離隔し、
前記前方吸気部の前記複数のインピンジメントポート（４１）が、前記隔壁基準面（５８）のすぐ前方に位置決めされた最後方インピンジメントポートと前記前方基準面（６７）のすぐ後方に位置決めされた最前方インピンジメントポートとの間で軸方向に離隔し、
前記後方吸気部および前記前方吸気部それぞれの前記複数のインピンジメントポート（４１）が、前記外側半径方向壁（２５）の実質的に全周で円周方向に離隔した、請求項１２記載のガスタービン（１０）。
【請求項１４】
前記段階的噴射器（５１）が、前記流れ環（２６）と交差して前記作動流体流路（３７）上に前記噴射点を確保するノズル（５３）を備え、
前記ノズル（５３）が、第１の端部における前記スイッチバック冷媒流路（８８）の前記後方ポート（９４）と第２の端部における前記作動流体流路（３７）上の前記噴射点との間に延びたチューブを具備する、請求項１１記載のガスタービン（１０）。
【請求項１５】
前記軸方向隔壁（８５）が、前記段階的噴射器（５１）の前方に位置決めされ、
前記段階的噴射器（５１）が、前記前方基準面（６７）と前記中間基準面（６８）との間に位置決めされた、請求項１４記載のガスタービン（１０）。
【請求項１６】
前記軸方向隔壁（８５）が、前記段階的噴射器（５１）の前方に位置決めされ、
前記段階的噴射器（５１）が、前記中間基準面（６８）に略位置決めされた、請求項１４記載のガスタービン（１０）。
【請求項１７】
前記軸方向隔壁（８５）が、前記段階的噴射器（５１）の前方に位置決めされ、
前記段階的噴射器（５１）が、前記中間基準面（６８）と前記後方基準面（６９）との間の略中間に位置決めされた、請求項１４記載のガスタービン（１０）。
【請求項１８】
前記燃料配向構造が、
前記燃焼器（１３）のヘッドエンド（１９）近くに位置決めされた燃料源から軸方向に延びた燃料通路（５２）と、
前記ノズル（２３）の前記チューブを通して形成され、前記燃料通路（５２）を前記チューブの内部に流体接続する燃料ポート（５６）と、
を具備した、請求項１４記載のガスタービン（１０）。
【請求項１９】
前記燃焼器給気が、前記圧縮器排出空洞（４４）に供給される総給気を含み、
前記空気配向構造が、前記前方噴射器（２１）と前記段階的噴射器（５１）との間の前記燃焼器（１３）への前記給気を測定するため、前記後方吸気部、前記前方吸気部、およびヘッドエンド吸気部間の相対的なオリフィスサイズ規定を含み、
前記燃焼器給気の前記測定が、前記燃焼器（１３）への前記給気の少なくとも２０％を前記段階的噴射器（５１）に配向することを含む、請求項１４記載のガスタービン（１０）。
【請求項２０】
前記燃焼器給気が、前記圧縮器排出空洞（４４）に供給される総給気を含み、
前記空気配向構造が、前記前方噴射器（２１）と前記段階的噴射器（５１）との間の前記燃焼器（１３）への前記給気を測定するため、前記後方吸気部、前記前方吸気部、およびヘッドエンド吸気部間の相対的なオリフィスサイズ規定を含み、
前記燃焼器給気の測定が、前記燃焼器（１３）への前記給気の少なくとも４０％を前記段階的噴射器（５１）に配向することを含む、請求項１４記載のガスタービン（１０）。
【請求項２１】
前記燃焼器（１３）が、缶状燃焼器および環状燃焼器の一方として構成された、請求項２記載のガスタービン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は一般的に、燃焼またはガスタービンエンジン内の燃焼システムに関する。より詳細に、本願は、このような燃焼システムにおける下流または軸方向に段階的な空気および燃料の噴射に関する新規のシステム、装置、および／または方法のほか、冷却システムおよびこれと関連付けられた構成要素を記載するが、これらに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
当然のことながら、燃焼またはガスタービンエンジン（「ガスタービン」）の効率は、先端技術によってエンジンサイズの大型化および動作温度の上昇が可能になっていることから、ここ数十年間にわたって大幅に向上してきている。これを実現可能とした技術の進歩には、高温ガス経路の構成要素を冷却する新たな伝熱技術のほか、より耐久性のある新たな材料が含まれる。ただし、この期間には、特定の汚染物質の排出レベルを制限する規制基準が制定されている。具体的に、エンジンの動作温度および燃焼特性の影響を受けるＮＯｘ、ＣＯ、およびＵＨＣの排出レベルは、より厳しく規制されてきている。これらのうち、特にＮＯｘの排出レベルは、より高いエンジン着火温度においてその上昇の影響を受けるため、この汚染物質は、着火温度をさらにどれだけ上昇可能であるかについての大きな制約となっている。一般的には、動作温度が高くなるとエンジンがより効率的になるため、これがさらなる効率化の妨げとなっていた。このため、従来の燃焼システムと関連付けられた性能限界が、より効率的なガスタービンの開発を制限する要因となっていた。
【０００３】
許容範囲の排出レベルおよび冷却要件を維持しつつ、燃焼システムの出口温度を上昇させる方法としては、燃料および空気噴射の軸方向での段階分けがある。この場合は通常、燃焼器を通過する空気量を増加させるとともに、燃焼器の前端に位置決めされた主噴射器に対して軸方向下流側に離隔した噴射器に配向する空気量を増やす必要がある。当然のことながら、このように空気流の量が増えると、ユニットの空力性能がより重要となる。より具体的に、内部を移動する圧縮空気の圧力低下を最小限に抑える燃焼器では、燃焼器を通る流れのレベルが高くなった場合により重要となる性能利得および効率が実現され得る。また、圧縮空気の大部分は、タービンの動翼および静翼等の高温ガス経路の構成要素、特にタービンの初期段階における構成要素の冷却で消費される。
【０００４】
結果として、先進的な燃焼システム設計の第一義的な目標の１つは、燃焼による排出および空力的な圧力損失を最小限に抑えつつ、より高い着火温度および／またはより効率的な性能を可能とする構成および冷却法の開発に関する。当然のことながら、このような技術の進歩によって、エンジンの効率レベルは向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８９１９１３７号明細書
【発明の概要】
【０００６】
このため、本願は、一体的に作動流体流路を規定するタービンに結合された燃焼器であって、作動流体流路が、燃焼器の前方噴射器により規定された前端から、燃焼器がタービンに遷移する接合部分を通った後、タービンを通って、内部に規定された後端まで、長手軸に沿って後方に延びた、燃焼器を備えたガスタービンを記載する。燃焼器は、作動流体流路を規定する内側半径方向壁、流れ環が間に形成されるように内側半径方向壁の周りに形成された外側半径方向壁、および外側流れ環が間に形成されるように外側半径方向壁の外部かつ周りに形成された第３の半径方向壁を具備していてもよい。燃焼器の周りには、圧縮器により供給された燃焼器給気を受容する圧縮器排出空洞が形成されていてもよい。段階的噴射システムは、前方噴射器および軸方向後方に離隔した段階的噴射器を具備していてもよい。段階的噴射器は、流れ環と交差することにより、作動流体流路内に噴射点を確保していてもよい。噴射点の軸方向位置に対して、噴射点の後方側に後方環部が規定されるとともに、噴射点の前方側に前方環部が規定されていてもよい。燃料配向構造は、前方噴射器と段階的噴射器との間で燃焼器燃料供給を分配するようになっていてもよい。空気配向構造は、前方噴射器と段階的噴射器との間で燃焼器給気を分配するようになっていてもよい。空気配向構造は、外側半径方向壁を通して形成され、圧縮器排出空洞を流れ環の対応する軸方向規定部に流体接続する軸方向に規定の吸気部を具備していてもよい。吸気部は、後方環部に対応する後方吸気部および前方環部に対応する前方吸気部を具備していてもよい。空気配向構造は、圧縮器排出空洞から供給された空気が段階的噴射器に配向されるスイッチバック冷媒流路を備えるように構成されていてもよい。スイッチバック冷媒流路は、流れ環を備えた上流部および外側流れ環を備えた下流部を含んでいてもよい。
【０００７】
本願の上記および他の特徴については、図面および添付の特許請求の範囲と併せて、好適な実施形態に関する以下の詳細な説明を精査することにより明らかとなるであろう。
【０００８】
本発明の上記および他の特徴については、添付の図面と併せた本発明の例示的な実施形態に関する以下のより詳細な説明を十分に考慮することによって、より完全な理解および認識が得られるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態を利用可能な種類の例示的なガスタービンの模式断面図である。
【図２】本発明の実施形態を利用可能な種類の従来の燃焼器および周りのシステムの模式断面図である。
【図３】図２の燃焼器のヘッドエンド領域の拡大模式断面図である。
【図４】本発明の実施形態を利用可能な種類の段階的噴射システムを有する従来の燃焼器の模式断面図である。
【図５】本発明の実施形態を利用可能なタービンの従来の燃焼器および上流段階の模式断面図である。
【図６】従来設計に係る、構成およびその内部を通る誘導空気流を示した燃焼器の簡易断面図である。
【図７】本発明の例示的な一実施形態に係る、構成およびその内部を通る誘導空気流を示した燃焼器の簡易断面図である。
【図８】本発明の別の実施形態に係る、構成およびその内部を通る誘導空気流を示した燃焼器の簡易断面図である。
【図９】本発明の別の実施形態に係る、構成およびその内部を通る誘導空気流を示した燃焼器の簡易断面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態に係る、構成およびその内部を通る誘導空気流を示した燃焼器の簡易断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る、流れ環における段階的噴射器および伝熱構造の例示的な構成の改良図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る、流れ環における段階的噴射器および伝熱構造の別の構成の改良図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る、流れ環における段階的噴射器および伝熱構造の別の構成の改良図である。
【図１４】本発明の別の実施形態に係る、構成およびその内部を通る誘導空気流を示した燃焼器の簡易断面図である。
【図１５】本発明の別の実施形態に係る、構成およびその内部を通る誘導空気流を示した燃焼器の簡易断面図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る、冷却および段階的噴射構成を示した燃焼器およびタービンを通る作動流体流路の断面図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る、別の冷却および段階的噴射構成を示した燃焼器およびタービンを通る作動流体流路の断面図である。
【図１８】本発明の実施形態に係る、別の冷却および段階的噴射構成を示した燃焼器およびタービンを通る作動流体流路の断面図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る、別の冷却および段階的噴射構成を示した燃焼器およびタービンを通る作動流体流路の断面図である。
【図２０】本発明の実施形態に係る、別の冷却および段階的噴射構成を示した燃焼器およびタービンを通る作動流体流路の断面図である。
【図２１】本発明の実施形態に係る、別の冷却および段階的噴射構成を示した燃焼器およびタービンを通る作動流体流路の断面図である。
【図２２】本発明の実施形態に係る、別の冷却および段階的噴射構成を示した燃焼器およびタービンを通る作動流体流路の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の態様および利点については、以下の説明に示す。または、当該説明から明らかになり得るか、もしくは本発明の実施によって習得され得る。以下、本発明の実施形態を詳しく参照するが、そのうちの１つまたは複数の例を添付の図面に示す。詳細な説明においては、数字記号を用いて、図面中の特徴を表す。図面および説明においては、本発明の実施形態の同様または類似の部品を表すため、同様または類似の記号を使用している場合がある。当然のことながら、各例は、本発明の説明のために与えており、本発明を制限するものではない。実際、当業者には、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、改良および変形が可能であることが明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として図示または記載の特徴は、別の実施形態にも使用して、さらに別の実施形態を生成するようにしてもよい。したがって、本発明は、このような改良および変形が添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内となるように網羅するものである。本明細書に記載の範囲および境界には、別段の定めのない限り、所定境界内のすべての部分的範囲およびそれぞれの境界自体を含むことが了解されるものとする。また、本発明ならびにその構成要素のサブシステムおよび部品の説明のため、特定の用語を選択している。これらの用語は、可能な限り、当技術分野に共通の専門用語に基づいて選定している。さらに、当然のことながら、このような用語は、異なる解釈を受けることが多い。たとえば、本明細書で単一の構成要素として言及するものが、他所では、複数の構成要素から成るものとして言及される場合がある。あるいは、本明細書で複数の構成要素を具備するものとして言及するものが、他所では、単一の構成要素として言及される場合がある。このため、本発明の範囲を理解するに当たっては、使用する特定の専門用語のみならず、付随する説明および文脈のほか、複数の図面に対する用語の関連性を含めて、言及および説明している構成要素の構成、機能、および／もしくは使用、ならびに当然のことながら、添付の特許請求の範囲における専門用語の厳密な使用についても注意を払うものとする。さらに、以下の例は、特定種類のガスタービンまたはタービンエンジンに関して提示しているが、本発明の技術は、関連技術の当業者であれば理解し得る他の種類のタービンエンジンにも適用可能であってもよい。
【００１１】
本願の全体を通しては、複数の記述用語を用いることによって、タービンエンジンならびに／またはそれが具備する複数のサブシステムもしくは構成要素の機能を説明している場合があり、これらの用語を本項の始めに定義するのが有益と考えられる。したがって、これらの用語およびそれぞれの定義は、別段の定めのない限り、以下の通りである。用語「前方」および「後方（ａｆｔまたはａｆｔｗａｒｄ）」は、別途指定のない場合、ガスタービンの配向に対する方向へと向かう方向を表す。したがって、「前方」がエンジンの圧縮器端を表す一方、「後方」がエンジンのタービン端へと向かう方向を表す。このため、これらの用語はそれぞれ、機械または内部の構成要素の長手方向中心軸に沿った移動または相対位置を示すのに利用可能である。用語「下流」および「上流」は、特定の導管において、内部を移動する流れの一般的方向に対する位置を示すのに用いられる。当然のことながら、これらの用語は、通常動作時に特定の導管を通ることが予想される流れの方向に対する方向を表しており、当業者には一目瞭然であるものとする。このため、用語「下流」は、流体が特定の導管を流れる方向を表す。一方、「上流」は、その反対を表す。このため、たとえば、ガスタービンを通る作動流体の主流は、圧縮器を通って移動する空気として始まり、燃焼器以降に燃焼ガスとなるが、圧縮器の上流または前端に向かう上流位置で始まり、タービンの下流または後端に向かう下流位置で終了となるものとして記載する場合がある。
【００１２】
一般的な種類の燃焼器における流れの方向の記述に関しては、以下により詳しく論じる通り、当然のことながら、（燃焼器の長手方向中心軸および前後区別を規定する上述の圧縮器／タービン位置決めに対して）燃焼器の後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、圧縮器排出空気が通常は燃焼器に流れ込む。燃焼器においては、内部チャンバの周りに形成された流れ環により燃焼器の前端に向かって圧縮空気が案内されると、空気流が内部チャンバに流れ込み、その流れ方向の反対に、燃焼器の後端に向かって移動する。さらに別の背景においては、冷却チャネルまたは通路を通る冷媒の流れについても同様に取り扱われるようになっていてもよい。
【００１３】
また、本明細書においては、共通中心軸周りの圧縮器およびタービンの構成のほか、多くの燃焼器型に典型的な中心軸周りの円筒状構成を前提として、このような軸に対する位置を記述する用語を本明細書において使用する場合がある。この点に関しては、当然のことながら、用語「半径方向」が軸に垂直な移動または位置を表す。これに関連して、中心軸からの相対距離を記述することが必要となる可能性がある。この場合、たとえば、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存在する場合、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向内方」または「内部」であるものとして記述する。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも中心軸から遠くに存在する場合、本明細書において、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向外方」または「外部」であるものとして記述する。また、当然のことながら、用語「軸方向」は、軸に平行な移動または位置を表し、用語「円周方向」は、軸周りの移動または位置を表す。上述の通り、これらの用語は、エンジンの圧縮器およびタービン部を通って延びた共通中心軸に関して適用可能であるが、必要に応じて、エンジンの他の構成要素またはサブシステムに関しても使用可能である。最後に、用語「動翼」は、別途指定のない場合、圧縮器またはタービンの回転翼を表しており、圧縮器動翼およびタービン動翼の両方を含む。用語「静翼」は、別途指定のない場合、圧縮器またはタービンの固定翼を表しており、圧縮器静翼およびタービン静翼の両方を含む。本明細書において、用語「翼」は、いずれかの翼型を表すのに使用する。したがって、別途指定のない場合、用語「翼」は、圧縮器動翼、圧縮器静翼、タービン動翼、およびタービン静翼等、すべての種類のタービンエンジン翼を含む。
【００１４】
以下、背景として図面を参照するに、図１は、本願の実施形態を利用できる例示的なガスタービン１０を示している。当業者には、この特定種類のタービンエンジンでの使用に本発明が限定され得ず、別段の定めのない限り、提供する例がこのような限定を意図したものではないことが了解される。一般的に、ガスタービンは、圧縮空気流中の燃料の燃焼により生成された高温ガスの加圧流からエネルギーを取り出すことによって動作する。図示のように、ガスタービン１０は、燃焼器１３が間に位置決めされた状態で、共通シャフトまたはロータを介して下流のタービン部またはタービン１２に対して機械的に結合された軸方向圧縮器１１を具備していてもよい。図示のように、ガスタービン１０の共通シャフトは、圧縮器１１およびタービン１２を通って延びた中心軸１８を構成している。
【００１５】
圧縮器１１は、複数の段階を含んでいてもよく、それぞれが、圧縮器動翼列１４と、それに続く圧縮器静翼列１５とを具備していてもよい。このように、第１の段階が、中心軸１８周りに回転する圧縮器動翼列１４と、それに続いて、動作時に静止したままの圧縮器静翼列１５とを具備していてもよい。また、タービン１２は、複数の段階を含んでいてもよい。図示の例示的なタービン１２の場合は、第１の段階が、動作時に静止したままのノズルまたはタービン静翼列１７と、それに続いて、動作時に中心軸１８周りに回転するタービンバケットまたはタービン動翼１６とを具備していてもよい。当然のことながら、ある列内のタービン静翼１７は一般的に、円周方向に互いに離隔して、回転軸周りに固定されている。タービン動翼１６は、中心軸１８周りに回転するように、ロータホイールまたはディスクに搭載されていてもよい。当然のことながら、タービン静翼１７およびタービン動翼１６は、タービン１２の高温ガス経路中に存在しており、内部を移動する高温ガスと相互作用する。
【００１６】
動作の一例においては、軸方向圧縮器１１内の動翼１４の回転によって、空気流が圧縮される。燃焼器１３においては、圧縮空気流の燃料との混合および点火に際して、エネルギーが解放される。その後、燃焼器１３からの結果としての高温燃焼ガス流（作動流体と称する場合がある）は、タービン動翼１６上に配向されるが、その流れによって、動翼１６をシャフト周りに回転させる。このように、作動流体の流れのエネルギーは、回転翼の機械的エネルギーに変換され、ロータディスクを介した動翼とシャフトとの間の接続を前提として、回転シャフトの機械的エネルギーに変換される。その後、シャフトの機械的エネルギーの使用によって、圧縮空気が必要なだけ生じるように圧縮器動翼の回転を駆動し、また、たとえば発電用途の場合のように、電気を発生する発電機の回転を駆動するようにしてもよい。
【００１７】
図２は、従来の燃焼器１３および周りの構造の簡易断面図を与える。一方、図３は、燃焼器１３の前部のより詳細な断面図である。当然のことながら、燃焼器１３は、当該燃焼器１３の前端に位置決めされたヘッドエンド１９と当該燃焼器１３の後端に位置決めされ、当該燃焼器１３をタービン１２に接続するように機能する後方フレーム２０との間において軸方向に規定されていてもよい。燃焼器１３の前端に向かっては、前方噴射器２１が位置決めされていてもよい。本明細書において、前方噴射器２１は、燃焼器１３の最前方の燃料および空気噴射器を表し、通常、燃料および空気を混合して燃焼器１３の燃焼帯内で燃焼させる主構成要素として機能する。前方噴射器２１は、燃料経路２２に連なり、ノズル２３を具備していてもよい。前方噴射器２１のノズル２３としては、たとえばマイクロミキサーノズル、スワールもしくはスウォズル構成のノズル、または本明細書に記載の機能を満足する他の種類のノズル等、任意の種類の従来のノズルが挙げられる。より具体的に、以下により詳しく論じる通り、ノズル２３は、米国特許第８，０１９，５２３号に記載されているような段階的噴射システムに適合するように構成されており、そのすべての内容を本明細書に援用する。図示のように、ヘッドエンド１９は、燃料を前方噴射器２１に供給可能な種々マニホールド、装置、および／または燃料経路２２を提供していてもよい。また、図示のように、ヘッドエンド１９は、当然のことながら、燃焼器１３内に規定された大きな内部空洞の軸方向前方境界を形成するエンドカバー２７を具備していてもよい。
【００１８】
図示のように、燃焼器１３内に規定された内部空洞は、複数の小さな空間またはチャンバに細分化されていてもよい。これらのチャンバは、圧縮空気流および燃料／空気混合物を所望の流路に沿って配向するように構成された空気流または空気配向構造（壁、ポート等）を具備していてもよい。以下により詳しく論じる通り、燃焼器１３の内部空洞は、内側半径方向壁２４と、内側半径方向壁２４の周りに形成された外側半径方向壁２５とを具備していてもよい。図示のように、内側半径方向壁２４および外側半径方向壁２５は、両方の間に流れ環２６が規定されるように構成されていてもよい。さらに、図示のように、内側半径方向壁２４内に規定された領域の前端には、前方チャンバ２８が規定されていてもよく、前方チャンバ２８の後方には、後方チャンバ２９が規定されていてもよい。当然のことながら、前方チャンバ２８は、キャップアセンブリ３０と称する構成要素の一部である内側半径方向壁２４の部分によって規定されている。当然のことながら、後方チャンバ２９は、前方噴射器２１内に一体的に導入された燃料および空気混合物の点火および燃焼が行われる領域を規定していてもよく、このため、燃焼帯２９と称する場合がある。当然のことながら、この構成を前提として、前方および後方チャンバ２８、２９は、それぞれの構成において軸方向に積み重なったものとして記載する場合がある。当然のことながら、別段の具体的な制限のない限り、本発明の燃焼器１３は、環状燃焼器または管状燃焼器として構成されていてもよい。
【００１９】
図示のように、キャップアセンブリ３０は、エンドカバー２７との接続部から後方に延び、外側半径方向壁２５（本明細書においては、燃焼器ケーシング３１と称する場合がある）の軸方向部により大略囲まれていてもよい。当然のことながら、燃焼器ケーシング３１は、キャップアセンブリ３０の外面の外部に離隔して形成されていてもよい。このように、キャップアセンブリ３０および燃焼器ケーシング３１は、両方の間に流れ環２６の軸方向部を形成していてもよい。後述の通り、流れ環２６のこの部分は、キャップアセンブリ部と称する場合がある。当然のことながら、キャップアセンブリ３０は、前方噴射器２１のノズル２３をさらに収容して構造的に支持していてもよく、これは、キャップアセンブリ３０の後端またはその近傍に位置決めされていてもよい。この構成を前提として、キャップアセンブリ３０は、軸方向に積み重なった２つのより小さな領域に分割され、その第１の領域が、図３に矢印で示すように、流れ環２６からの圧縮空気流を受け入れるように構成された前方領域であるものとして記載する場合がある。キャップアセンブリ３０の第２の領域は、ノズル２３が規定された後方領域である。
【００２０】
前方噴射器２１のすぐ下流に生じる後方チャンバまたは燃焼帯２９は、内側半径方向壁２４（燃焼器の種類に応じて、ライナ３２と称する場合がある）の軸方向部によって円周方向に規定されていてもよい。後方チャンバ２９は、ライナ３２から内側半径方向壁２４の下流部（遷移要素３４と称する場合がある）を通って後方に延びていてもよい。当然のことながら、この内側半径方向壁２４の軸方向部は、燃焼器１３のタービン１２との接続部に向かって、高温燃焼ガス流を配向する。他の構成も可能ではあるが、遷移要素３４において、後方チャンバ２９（すなわち、燃焼帯２９）の断面領域は、ライナ３２の一般的な円形から遷移要素３４出口のより環状の形状へと滑らかに遷移するように構成されていてもよく、これは、高温ガス流をタービン翼上に望ましく配向するのに必要である。当然のことながら、ライナ３２および遷移要素３４は、機械的連結等の何らかの従来の方法により接合された別個形成の構成要素として構成されていてもよい。ただし、他の設計によれば、ライナ３２および遷移要素３４は、一体的な構成要素またはユニボディとして形成されていてもよい。したがって、別段の定めのない限り、内側半径方向壁２４に言及する場合は、いずれかの選択肢を包含することが了解されるものとする。
【００２１】
上述の通り、外側半径方向壁２５が内側半径方向壁２４を囲むことによって、両方の間に流れ環２６が形成されていてもよい。例示的な構成によれば、内側半径方向壁２４のライナ３２部の周りには、ライナスリーブ３３と称し得る外側半径方向壁２５の部分が位置決めされている。他の構成も可能ではあるが、ライナ３２およびライナスリーブ３３は、円筒形状で、同心円状に配置されていてもよい。図示のように、キャップアセンブリ３０と燃焼器ケーシング３１との間に形成された流れ環２６の部分は、ライナ３２とライナスリーブ３３との間に規定された流れ環２６の部分に連なっていてもよく、このようにして、流れ環２６が後方（すなわち、タービン１２との接続部に向かって）に延びている。同じく図示のように、内側半径方向壁２４の遷移要素３４部の周りには、遷移スリーブ３５と称し得る外側半径方向壁２５の部分が位置決めされている。図示のように、遷移スリーブ３５は、流れ環２６がさらに後方に延びるように、遷移要素３４を囲むように構成されている。当然のことながら、ライナ３２／ライナスリーブ３３および遷移要素３４／遷移スリーブ３５アセンブリにより規定された流れ環２６の部分は、燃焼帯２９を囲んでいる。このため、流れ環のこれらの部分は、燃焼帯部と総称する場合がある。
【００２２】
提供する例によれば、当然のことながら、流れ環２６は、ヘッドエンド１９のエンドカバー２７に規定された前端から後方フレーム２０近くの後端まで軸方向に延びている。より具体的に、当然のことながら、内側半径方向壁２４および外側半径方向壁２５（キャップアセンブリ３０／燃焼器ケーシング３１、ライナ３２／ライナスリーブ３３、および遷移要素３４／遷移スリーブ３５対それぞれによって規定可能）は、流れ環２６が燃焼器１３の軸方向長さの大半にわたって延びるように構成されていてもよい。当然のことながら、ライナ３２および遷移要素３４と同様に、ライナスリーブ３３および遷移スリーブ３５は、機械的連結等の何らかの従来の方法により接続された別個形成の構成要素を具備していてもよい。ただし、他の設計によれば、ライナスリーブ３３および遷移スリーブ３５は、一体的な構成要素またはユニボディとして形成されていてもよい。したがって、別段の定めのない限り、外側半径方向壁２５に言及する場合は、いずれかの選択肢を包含することが了解されるものとする。
【００２３】
ライナスリーブ３３および／または遷移スリーブ３５は、燃焼器１３外部の圧縮空気の流れ環２６への進入を可能とする複数のインピンジメントポート４１を具備していてもよい。当然のことながら、図２に示すように、圧縮器排出ケーシング４３は、燃焼器１３の周りに圧縮器排出空洞４４を規定していてもよい。従来の設計によれば、圧縮器排出空洞４４は、圧縮器１１からの圧縮空気の供給を受容することにより、圧縮空気がインピンジメントポート４１を通って流れ環２６に流れ込むように構成されていてもよい。当然のことながら、インピンジメントポート４１は、高速移動する空気ジェットが生成されるように、燃焼器１３に流れ込む空気流と衝突するように構成されていてもよい。これらの空気ジェットは、上述のようにライナ３２および遷移要素３４または一体的なユニボディを具備し得る内側半径方向壁２４の外面に対する適合によって、動作時に内側半径方向壁２４を対流冷却するようになっていてもよい。従来の設計によれば、流れ環２６において、圧縮空気が通常、キャップアセンブリ３０に形成された１つまたは複数のキャップ入口４５を介して燃焼器１３の前端に向かって配向されると、空気流は、キャップアセンブリ３０の前方領域に流れ込む。その後、キャップアセンブリ３０において、圧縮空気は、上述の通り前方噴射器２１のノズル２３に配向されると、燃料と混合されて、燃焼帯内で燃焼する。
【００２４】
図４は、燃焼帯２９に対する燃料および／または空気の後方または下流噴射を可能とする段階的噴射システム５０を有する燃焼器１３を示した図である。当然のことながら、このような燃料および空気噴射システムは一般的に、補助噴射システム、遅延希薄噴射システム、軸方向段階的噴射システム等と称する。本明細書において、これらの種類の燃料および空気噴射器、噴射システム、ならびに／または関連する構成要素の態様は一般的に、「段階的噴射システム」と称するが、（本明細書に規定する場合を除いて）これに限定されない。さらに、当然のことながら、図４の段階的噴射システム５０は、例示的な従来の設計と一致しており、上記目的で提供しているに過ぎない。
【００２５】
当然のことながら、段階的噴射システムは、排出削減等のいくつかの理由から、ガスタービンの燃焼器用に開発されている。ガスタービンの排出レベルは多くの基準によって決まるが、重要なものとしては、燃焼帯内の反応物質の温度に関連しており、ＮＯｘ等の特定の排出レベルにとりわけ影響することが分かっている。当然のことながら、燃焼帯における反応物質の温度は、燃焼器の出口温度と比例の関係にあるが、これは、このようなブレイトンサイクル型エンジンにおける高い圧力比および改善された効率レベルに対応している。ＮＯｘの排出レベルが反応物質の温度と強くて直接的な関係にあることが分かっているため、現代のガスタービンは、先進的な燃料ノズル設計および予混合等の技術の進歩だけで着火温度を高くしつつ、許容範囲のＮＯｘ排出レベルを維持可能である。このような進歩の後、下流または段階的噴射の採用によって、着火温度をさらに高くすることが可能となっているが、これは、燃焼帯におけるより高温での反応物質の滞在時間をより短くすることにより、ＮＯｘレベルが低下することが分かったためである。
【００２６】
動作時、当然のことながら、上記のような段階的噴射システムは通常、燃焼器の前端における主噴射点の下流となる燃焼器の総給気および供給燃料の部分を導入する。当然のことながら、噴射器のこのような下流の位置決めによって、燃焼反応物質が燃焼器内で火炎帯の高温に留まる時間が短くなる。すなわち、火炎帯を出る前に反応物質が移動する距離が短くなると、反応物質が燃焼器内の最も高い温度に滞在する時間が短くなり、これによって、ＮＯｘの形成が抑えられるとともに、エンジンの全体的なＮＯｘ排出レベルが低下する。これにより、たとえば許容範囲のＮＯｘ排出レベルを維持しつつ、下流噴射の反応物質滞在時間の短縮に対して燃料／空気混合または予混合技術を合わせることにより、燃焼器の着火温度をさらに高くすることと、重要なこととして、より効率的なエンジンとを実現する先進的な燃焼器設計が可能となっている。当然のことながら、下流噴射が可能となる方法および範囲を制限する他の検討事項も存在する。たとえば、下流噴射によって、ＣＯおよびＵＨＣの排出レベルが上昇する可能性がある。すなわち、燃焼帯のはるか下流位置で燃料が大量に噴射された場合には、燃料の不完全燃焼またはＣＯの不十分な燃焼が生じる可能性がある。したがって、遅延噴射の概念およびその使用によりいかに特定の排出に影響を及ぼし得るかに関する基本原理が一般的に公知である可能性はあるものの、この方法を採用してより効率的なエンジンをいかに最善となるように実現するかについては、設計の障害が残っている。ただし、これらの障害が克服され、燃料および空気の大部分を下流または軸方向に段階的噴射器に迂回させるより大きな機会が実現された場合には、質量流全体を燃焼器に配向するより効率的な方法によって、燃焼器全体の圧力低下の抑制および冷却空気の効率および使用の向上に関する性能上の優位性が得られる可能性がある。
【００２７】
例示的な一構成において、図４に示すように、段階的噴射システム５０は、前方噴射器２１のほか、１つまたは複数の段階的噴射器５１を具備していてもよい。本明細書において、段階的噴射器５１は、前方噴射器２１から後方に向かって、軸方向に離隔した噴射器である。例示的な一構成によれば、段階的噴射器５１はそれぞれ、ノズル５３に連なる燃料通路５２を具備していてもよい。ノズル５３内では、燃料／空気混合物が生成され、燃焼帯の下流部に噴射される。図示のように、燃料通路５２は、燃焼器１３の外側半径方向壁２５に含まれていてもよいが、他の燃料供給装置および方法も可能である。燃料通路５２は、ヘッドエンド１９の近くに生じる燃料源との接続部と段階的噴射器５１のノズル５３との接続部との間で大略後方に延びていてもよい。このようなシステム５０の段階的噴射器５１に関しては、他の構成も可能であるが、提供する例においては、段階的噴射器５１のうちの複数が燃焼帯２９の外縁周りに位置決めされていてもよい。図示のように、段階的噴射器５１の軸方向の位置決めは、ライナ３２／ライナスリーブ３３アセンブリの略後端であってもよい。段階的噴射器５１はそれぞれ、ノズル５３を具備していてもよい。提供する例によれば、ノズル５３は、流れ環２６を横断または交差して延びたチューブとして構成されていてもよい。このチューブは、流れを内部へと配向して、燃焼帯２９に噴射するように構成されていてもよい。より具体的に、ノズル５３のチューブの外部端は、流れ環２６と流体連通するように形成された圧縮器排出空洞および／またはポートに対して開かれていてもよいため、ノズル５３のチューブが加圧空気流を受け入れるようにしてもよい。後述の通り、ノズル５３は、チューブ構造の側面を通して形成され、内部を移動する加圧空気に燃料を噴射可能な燃料ポートをさらに具備していてもよい。このように、段階的噴射器５１はそれぞれ、給気および供給燃料を一体的に導入して混合した後、得られた混合物を燃焼帯に噴射するように機能するようになっていてもよい。
【００２８】
さらに、図４の例に示すように、段階的噴射システム５０は、燃焼器１３の後方チャンバ２９周りで円周方向に離隔した段階的噴射器５１のうちの複数を具備していてもよい。これらの噴射器５１は、ライナ３２／ライナスリーブ３３アセンブリ（または、より一般的に、内側半径方向壁２４／外側半径方向壁２５アセンブリ）に統合されていてもよい。段階的噴射器５１は、燃焼帯周りの円周方向に離隔した複数の点で燃料／空気混合物が噴射されるように配列されていてもよい。図示のように、段階的噴射器５１は、同一または共通の軸方向位置に位置決めされていてもよい。すなわち、燃焼器１３の長手または中心軸５７に沿って、複数の段階的噴射器５１が略同じ軸方向位置周りに位置付けられていてもよい。この構成を有することにより、段階的噴射器５１は、図４に示すように、共通面または本明細書において称するところの噴射基準面５８上に位置決めされるものとして記載する場合がある。当然のことながら、段階的噴射器５１は、噴射基準面５８が中心軸５７と実質的に垂直となるように位置合わせされていてもよい。図示の例示的な構成において、噴射基準面５８は、ライナ３２／ライナスリーブ３３アセンブリの後端に位置決めされている。
【００２９】
本発明の別の態様によれば、以下により詳しく論じる通り、段階的噴射器５１の特定の配置が提案される。一般的に、段階的噴射器５１は、前方噴射器２１に対して軸方向後方に離隔することにより、作動流体流路に沿って離散的な軸方向位置を有していてもよい。この段階的噴射器５１の配置は、流路の中心軸５７に沿った軸方向範囲内に規定されていてもよい。このような配置は、所望の性能特性に応じて選択されるようになっていてもよい。さらに、本明細書に示す通り、段階的噴射器５１の軸方向の位置決めには、燃焼器１３の後方チャンバ２９に沿った位置のほか、タービン１２の前方段階において規定された位置を含んでいてもよい。
【００３０】
ここで、図５には、燃焼器１３およびタービン１２の前方段階の断面図を示しており、図に描写した領域を参照して、この図は、段階的噴射器５１および他の関連する構成要素を記述可能な位置決めの専門用語を定義するのに使用する。まず、燃焼器１３における軸方向の位置決めを定義するため、当然のことながら、燃焼器１３およびタービン１２は、燃焼器１３の前方噴射器２１により規定された上流端からタービン１２の下流端を通って長手方向中心軸５７周りに延びた作動流体流路３７を規定している。したがって、段階的噴射器５１および他の構成要素の位置決めは、この作動流体流路３７の中心軸５７に沿った位置に関して規定されていてもよい。
【００３１】
図示のように、図５においては、作動流体流路３７における軸方向の位置決めを明瞭化するため、特定の垂直基準面が規定されている。図示のように、これらのうちの第１の基準面は、燃焼器１３のヘッドエンド１９の近くに規定された前方基準面６７である。具体的に、前方基準面は、燃焼帯２９の前端すなわち内側壁２４内に規定された前方チャンバ２８と後方チャンバ２９との間の境界に配設されている。前方基準面６７の位置決めを記述する別の方法として、当該面は、前方噴射器２１のノズル２３の下流端あるいは作動流体流路３７の前端に略位置付けられている。第２の基準面は、中間基準面６８である。中間基準面６８は、燃焼器１３の後方チャンバ２９の軸方向の略中間点すなわち前方噴射器のノズル２３と燃焼器１３の下流端（後方フレーム２０であってもよい）との間の概ね半分に位置決めされている。燃焼器１３が上述のライナ３２／遷移要素３４アセンブリを具備する場合、当然のことながら、燃焼器中間面６８は、これらのアセンブリが連なる位置の近くで生じるようになっていてもよい。これらの基準面のうちの最後の基準面は、図示のように燃焼器１３の後端に規定可能な後方基準面６９である。当然のことながら、後方基準面６９は、燃焼器１３のはるか下流端を示すため、提供する例のように、後方フレーム２０にて規定されていてもよい。また、これらの基準面６７、６８、６９に従って、燃焼器１３およびタービン１２の流路内に特定帯が指定されていてもよく、これらについても図５に示す。したがって、図示のように、前方基準面６７と中間基準面６８との間には、上流燃焼帯７０が生じていることが示されている。第２に、中間基準面６８と後方基準面６９との間には、下流燃焼帯７１が生じている。最後に、タービン燃焼帯７２が、後方基準面６９からタービン１２内の第１段階の翼１６、１７を通って生じる領域として指定されている。図から分かるように、これらの燃焼帯７０、７１、７２はそれぞれ、固有のクロスハッチングパターンにより、図５において別々に描写している。
【００３２】
図５は、例示を目的として、上述の燃焼帯７０、７１、７２それぞれにおけるある段階の段階的噴射器５１の考え得る配置をさらに示している。当然のことながら、段階的噴射器５１は、明瞭化のため、図４に示す例示と比較して、簡素化して示している。これらの段階の段階的噴射器５１はそれぞれ、単独での使用またはその他の段階の一方もしくは両方との併用が可能であることが了解されるものとする。図示のように、第１段階の段階的噴射器５１は、上流燃焼帯７０内に位置決めされた噴射基準面５８の周りで円周方向に離隔している。第２段階の段階的噴射器５１は、下流燃焼帯７１内に位置付けられた第２の噴射基準面５８の周りで円周方向に離隔して示されている。また、最後に、第３段階の段階的噴射器５１は、タービン燃焼帯７２内の第３の噴射基準面５８の周りで円周方向に離隔して示されている。したがって、１つまたは複数の段階の段階的噴射器５１が前方噴射器２１の下流に設けられていてもよい。
【００３３】
上記位置のいずれかにおける段階的噴射器５１は従来、空気、燃料、または空気および燃料の両方の噴射用として設定されている可能性があり、噴射基準面５８周りの噴射器のアレイが形成されるように、各軸方向位置に複数設けられている可能性がある。図５においては簡素化して示しているが、本発明の段階的噴射器５１は、別段の定めのない限り、関連技術の当業者であれば解釈し得る本明細書に記載の機能に適した任意の種類の従来の噴射器を含むことが了解されるものとする。たとえば、後述する本発明の実施形態で利用可能な段階的噴射器５１は、図４に示す例示的な種類を含んでいてもよい。また、段階的噴射器は、米国特許第８，０１９，５２３号および第７，６０３，８６３号に記載または言及の任意の噴射器型であってもよく、両方のすべての内容を本明細書に援用する。本発明の段階的噴射器５１としては、任意の従来手段および装置に係る、静翼列１７のうちの１つに組み込み可能なものがさらに挙げられ、たとえば上掲の米国特許のほか、米国特許出願公開第２０１４／０２６０２６９号に記載のもの等があるが、これについても、そのすべての内容を本明細書に援用する。これらとしては、たとえば後方フレーム２０に組み込まれるものとして米国特許出願公開第２０１４／０２６０２６９号に記載の燃料／空気噴射器が挙げられる。
【００３４】
上流燃焼帯７０または下流燃焼帯７１内に位置決めされた段階的噴射器５１の場合、それぞれは、内側半径方向壁２４および／または外側半径方向壁２５によって構造的に支持されていてもよく、場合によっては、燃焼帯７０、７１に突出していてもよいし、図４の例のように、内側半径方向壁２４に対して同一平面に端部が存在するノズル５３を段階的噴射器５１が具備していてもよい。当然のことながら、段階的噴射器５１は、遷移帯を通る主流方向を大略横断する方向に空気および燃料を噴射するように構成されていてもよい。噴射基準面５８の周りに位置付けられた段階的噴射器５１は、複数であり、燃焼帯７０、７１の周りで等間隔に位置決めされることによって、噴射燃料／空気をより均一に分配するようにしてもよいが、他の構成も可能である。一例としては、段階的噴射器５１のうちの３〜１０個が噴射基準面５８で採用されていてもよいが、これより多く、少なく使用されてもよい。上述の通り、段階的噴射システム５０は、複数段階の段階的噴射器５１すなわち軸方向に離隔した複数の噴射基準面５８における複数の段階的噴射器５１を具備していてもよい。このような場合、２つの分離した段階間の段階的噴射器５１は、一列に配置されていてもよいし、互いにずらして配置されていてもよく、一方の配置が他方を補助するように構成されていてもよい。
【００３５】
当然のことながら、本発明の特定の態様によれば、前方噴射器２１および段階的噴射器５１それぞれに燃料および空気が制御可能に供給されるようになっていてもよく、これは、上記援用の特許および特許出願に言及および記載の方法のほか、米国特許出願公開第２０１０／０１７０２１９号に記載の方法のいずれか等、任意の従来方法を介するが、そのすべての内容を本明細書に援用する。規定帯７０、７１、７２の各段階内の段階的噴射器５１のうちの１つおよび前方噴射器２１に関して図５に模式的に示すように、段階的噴射システム５０は、燃料および／または空気の各噴射器への供給を能動的または受動的に制御する制御装置および関連する構成要素を具備していてもよい。すなわち、本発明の態様には、段階的噴射器５１および／または前方噴射器２１の間で燃焼器１３に供給される供給燃料および給気全体を分配または測定する制御装置、方法、システム、および構成を含んでいてもよい。前方噴射器２１および段階的噴射システム５０に含まれ得るさまざまな段階的噴射器５１は、所望の動作ならびに好ましい空気および燃料分離が実現されるように、複数の方法で制御および構成されるようになっていてもよい。図５に模式的に示すように、これには、制御可能なバルブ７５を介して各噴射器に供給される給気および供給燃料の能動的な制御を含んでいてもよいが、関連する流れを測定するように機能する任意の機械的作動機器が用いられるようになっていてもよい。当然のことながら、能動制御は、制御装置が各バルブと電子的に連通することにより制御アルゴリズムに準じてバルブ設定を操作するコンピュータ化制御システムに制御可能なバルブ７５を接続することによって実現されるようになっていてもよい。他の考え得る実施形態によれば、段階的噴射器５１および前方噴射器２１それぞれへの給気および供給燃料は、燃料および空気を各噴射器に供給する燃料および空気導管の相対的なオリフィスサイズ規定によって受動的に制御されるようになっていてもよい。
【００３６】
段階的噴射システム５０に関する制御法は、さまざまな段階的噴射器５１間、さまざまな段階（存在する場合）の段階的噴射器５１間、さまざまな段階的噴射器５１と前方噴射器２１との間、またはこれらのすべてにおける供給燃料および給気の測定を含んでいてもよい。このため、たとえば、図５の例示的な構成および図示するさまざまな段階の段階的噴射器５１を参照して、考え得る一構成によれば、第１の噴射基準面５８周りに位置付けられた第１段階の段階的噴射器５１は、第２の噴射基準面５８周りに位置付けられた第２段階の噴射器より多くの燃料／空気を噴射するように構成されていてもよく、第２段階の噴射器は、第３の噴射基準面５８周りに位置付けられた第３段階の噴射器より多くの燃料／空気を噴射するように構成されていてもよい。当然のことながら、これらの構成は、相対的割合を用いてより詳細に説明可能である。このため、たとえば、第１、第２、および第３段階の段階的噴射器５１間の燃料の測定に関して考え得る別の構成によれば、制御構成は、第２段階の段階的噴射器５１で噴射される燃料を第１段階の段階的噴射器５１で噴射される燃料の５０％未満に制限するとともに、第３段階の段階的噴射器５１で噴射される燃料を第２段階の噴射器で噴射される燃料の５０％未満に制限するようにしてもよい。より具体的に、たとえば別の例示的な構成によれば、第１、第２、および第３段階の段階的噴射器５１は、第２段階の段階的噴射器５１で噴射される燃料を第１段階の段階的噴射器５１で噴射される燃料の１０％〜５０％に制限するとともに、第３段階の段階的噴射器５１で噴射される燃料を第１段階の段階的噴射器５１で噴射される燃料の１０％〜５０％に制限する制御構成を含んでいてもよい。また、このような制御法は、上述の通り、考え得るすべての噴射点間で供給燃料全体が測定されるように、前方噴射器２１を含んでいてもよい。このような場合、たとえば、例示的な制御構成では、動作中に各噴射器に供給される燃焼器の総供給燃料の割合として、４０％〜８０％が前方噴射器２１に供給され、２０％〜４０％が第１段階の段階的噴射器５１に供給され、２％〜１０％が第２段階の段階的噴射器５１に供給され、２％〜１０％が第３段階の段階的噴射器５１に供給されるように、前方噴射器２１ならびに段階的噴射システム５０の第１、第２、および第３段階の段階的噴射器５１が制御可能に構成されるように規定していてもよい。当然のことながら、給気についても同様に、各噴射器に対して操作されるようになっていてもよい。
【００３７】
図６は、上記構成を所与として生じる典型的な空気流パターンを有する燃焼器１３および段階的噴射システム５０を簡易的に表している。明瞭化のため、段階的噴射システム５０は、単一の段階的噴射器５１を有するものとして示している。当然のことながら、燃焼帯の周囲には、このような他の段階的噴射器５１が設けられていてもよい。たとえば、これら他の段階的噴射器５１は、図示の段階的噴射器５１を通して規定された噴射基準面５８の周りに配置されていてもよい。図示のように、段階的噴射器５１は、流れ環２６を横切って延びたノズル５３を具備していてもよい。ノズル５３は、当然のことながら燃焼器の外側半径方向壁２５を囲み得る圧縮器排出空洞４４に対して当該ノズルを流体接続する外部ポート５４を介して、空気流を受け入れるようにしてもよい。この代替（または、追加）として、段階的噴射器５１のノズル５３は、１つまたは複数の側方ポートまたは当該ノズルを流れ環２６に流体接続するように構成されたポート５５を介して、空気流を受け入れるようにしてもよい。ノズル５３は、内部を移動する給気に対して、燃料通路５２を介して供給された燃料を噴射する燃料ポート（図１１〜図１３に示す）をさらに具備していてもよい。
【００３８】
例示的な一構成によれば、段階的噴射器５１のノズル５３は、流れ環２６を横切ってノズル５３内に一体的に導入された燃料／空気を搬送して燃焼帯２９に噴射する円筒状のチューブを具備する。このように、ノズル５３は、流れ環２６を横切って燃料／空気混合物を配向する導管を提供しており、その後、この混合物は、内側半径方向壁２４により規定された燃焼帯２９を移動する高温ガス流に噴射されるようになっていてもよい。他の構成によれば、図１２に示すように、段階的噴射器５１は、外部ポート５４周りに位置決めされることにより、燃料および空気を一体的に導入して噴射前に適正に混合し得るより大きな囲繞量を提供しつつ、圧縮器排出空洞４４からの空気の進入を制御または制限するカバーまたは空気シールドを具備していてもよい。当然のことながら、このような空気シールドは、段階的噴射器５１をその周囲の圧縮器排出空洞４４から実質的に隔離するように機能するものであってもよい。
【００３９】
図６に含まれる流れの矢印で示すように、動作時は、外側半径方向壁２５を通して形成されたインピンジメント開口４１を介して、圧縮器排出空洞４４からの空気が流れ環２６に流れ込むようになっていてもよい。この制限された空気の流れは、内側半径方向壁２４を冷却した後、燃焼器１３のヘッドエンド１９へと前方に配向され、この点で方向が反転して前方噴射器２１の方へ導かれるようになっていてもよい。前方噴射器２１の使用に関する特定の問題としては、流れ環２６を通る空気流に対する悪影響がある。具体的に、前方噴射器２１は通常、ノズル２３等、必然的に流れ環２６と交差する構造を含むため、内部の流れを妨害または部分的に遮断する。当然のことながら、この結果として圧力損失が起こり、遮断の下流に伴流が生じる。この伴流は、キャップアセンブリ３０への空気流が不均一になるという有害な影響を及ぼす可能性があり、その結果として、前方噴射器２１のノズル２３内での空気／燃料混合が不十分となり、燃焼およびＮＯｘ排出に悪影響を及ぼす場合がある。また、段階的噴射器５１により形成された伴流は、段階的噴射器５１のすぐ下流での内側半径方向壁２４の冷却に影響を及ぼす可能性がある。具体的に、この伴流は、伝熱係数に悪影響を及ぼす空気流の「デッドゾーン」または渦流を生じる可能性がある。また、流れ環２６内の冷媒交差流は、ヘッドエンド１９の近くに位置付けられたインピンジメントポート４１を通って到着する未使用の冷媒の冷却効率に悪影響を及ぼす。具体的に、流れ環２６で生じる使用済み冷媒（すなわち、内側半径方向壁２４から吸熱済みの冷媒）の交差流は、流入する未使用の冷媒を暖めるように作用するため、その冷却の有効性が低下する。また、交差流は、流入する冷媒を偏向させるため、冷媒がより緩い角度で内側半径方向壁２４に衝突して、その有効性がさらに低下する。２つの流れ（すなわち、使用済み冷媒の交差流およびこれと垂直に到着する未使用の冷媒の流れ）の混合は、空力的混合および運動量移行に伴う別のシステム損失を招来する。
【００４０】
ここで、図７〜図１０には、本発明の例示的な実施形態に係る、例示的な段階的噴射システム５０を有する燃焼器１３の模式断面図（図６を参照して論じたものと類似）を示している。当然のことながら、これらの例は、本発明の態様に係る、燃焼器構成および当該構成に関する誘導空気流パターンを示している。提供する図面それぞれにおいては、明瞭化のため、段階的噴射器５１を１つだけ示している。当然のことながら、燃焼帯２９の周囲には、このような他の段階的噴射器５１が設けられていてもよい。たとえば、これら他の段階的噴射器５１は、各図示の段階的噴射器５１を通して規定された噴射基準面５８の周りに配置されていてもよい。当然のことながら、これら他の噴射器５１が存在する場合は、流れ環２６の対応する領域内に図示の同じ流れパターンをそれぞれが誘導するように、同様に構成されていてもよい。このように、各図に示す例示的な流れパターンは、流れ環２６の全周に誘導される可能性がある。さらに、当然のことながら、段階的噴射器５１は、それ自体が流れ環２６の周囲に延びた環状の段階的噴射器として構成されていてもよい。これら選択肢のいずれかは、以下の図１１〜図２２の例示的な実施形態にも同様に適用可能であることが了解されるものとする。
【００４１】
本明細書において、「空気流パターン」は、圧縮器排出空洞４４に供給された給気が内部に配向されて循環する様態であることに留意するものとする。当然のことながら、例示的な空気流パターンは、１）前方噴射器２１および段階的噴射器５１の両方に空気を供給して、それぞれに供給されている供給燃料を望ましく燃焼させること、２）表面上もしくは表面中に十分な空気流を配向することによって、燃焼器構成要素、特に、燃焼帯に隣接する構成要素もしくは燃焼帯を規定する構成要素を冷却すること、ならびに／または３）燃焼器全体の圧力低下を最小限に抑えて、エンジン効率を高くすること等、特定の性能基準および目標を満足するものとして示している。当然のことながら、本明細書に示す空気流パターンは、チャネル、ポート、隔壁、壁、表面形体、流れ制御装置、バルブ、オリフィス、出口、および／または他の種類の流れ配向構造の構成のほか、このような形体および位置の相対的なサイズ規定等、公知のシステム、方法、および装置によりもたらされたものであってもよい。このような流れ配向構造は、本開示のすべての特徴のほか、関連技術の当業者であれば理解し得る他の従来型を含んでいてもよい。本明細書において、用語「隔壁」は、壁および封止構造の両方のほか、流体シールを網羅することを意図している。また、別段の定めのない限り、このような隔壁は、通路を完全または部分的に封止していてもよい。
【００４２】
提供する図面に示すように、本発明に係る段階的噴射システム５０は、前方噴射器２１と、前方噴射器２１から軸方向後方に離隔した段階的噴射器５１とを具備していてもよい。図６を参照して論じた通り、段階的噴射器５１は、流れ環２６と交差することによって、前方噴射器２１の下流で内側半径方向壁２４により規定された燃焼帯２９内に噴射点を確保していてもよい。説明の目的上、段階的噴射器５１の噴射点の軸方向位置に対して、噴射点の後方側には後方環部が規定され、噴射点の前方側には前方環部が規定されていてもよい。上述の通り、段階的噴射システム５０は、燃料経路２２、燃料通路５２、および関連する構成要素等の燃料配向構造を含んでいてもよく、これらが一体となって、前方噴射器２１と段階的噴射器５１との間で燃焼器供給燃料を分配するように構成されていてもよい。本明細書において、燃焼器供給燃料は、動作時に燃焼器１３に供給される総供給燃料として規定されていてもよい。段階的噴射システム５０は、以下により詳しく論じる通り、本明細書にて説明済みの構造のいずれかのほか、その他任意の従来機器および構成要素を含み得る空気配向構造をさらに含んでいてもよい。空気配向構造は、前方噴射器２１と段階的噴射システム５０の段階的噴射器５１との間で燃焼器給気を分配するように構成されていてもよい。本明細書において、燃焼器給気は、動作時に燃焼器１３に供給される総給気として規定されていてもよい。
【００４３】
空気配向構造は、外側半径方向壁２５に沿い、これを通して形成された軸方向に規定の吸気部を具備していてもよい。図示のように、これらの吸気部は、外側半径方向壁２５を通して形成された１つまたは複数のポートまたは開口を具備していてもよい。これらのポートおよび開口は、流れ環２６の対応する部分に対して、周囲の圧縮器排出空洞４４を流体接続していてもよい。当然のことながら、後方環部に対応する外側半径方向壁２５を通して後方吸気部が規定されていてもよく、前方環部に対応する外側半径方向壁２５を通して前方吸気部が規定されていてもよい。空気流の矢印で示すように、空気配向構造は、後方環部を通して前方に、後方吸気部を通って流れ込んだ空気を配向するように構成されていてもよい。このように、図７〜図１０に示すように、段階的噴射器５１の後方に位置決めされたポートを通って流れ環２６に流れ込んだ空気は、前方に流れて、段階的噴射器５１により取り込まれるようになっていてもよい。さらに図示するように、空気配向構造は、前方環部を通して後方に、前方吸気部を通って流れ込んだ空気を配向するように構成されていてもよい。このように、段階的噴射器５１の前方に位置決めされたポートを通って流れ環２６に流れ込んだ空気は、後方に流れて、段階的噴射器５１により取り込まれるようになっていてもよい。
【００４４】
図６に関して規定した通り、燃焼器１３を通る作動流体流路３７は、複数の基準面を具備していてもよい。これらには、前方基準面６７、中間基準面６８、および後方基準面６９を含む。これらはそれぞれ、作動流体流路３７と交差し、作動流体流路３７の中心軸５７と実質的に垂直に位置合わせされた平面を表す。前方基準面６７は、燃焼帯２９の前端と一致するように位置決めされていてもよい。中間基準面６８は、燃焼帯２９の軸方向中間点と一致するように位置決めされていてもよい。また、後方基準面６９は、燃焼帯の後端と一致するように位置決めされていてもよい。さらに、噴射基準面５８は、段階的噴射器５１の位置で作動流体流路３７と交差する面である。また、噴射基準面５８は、作動流体流路３７の中心軸５７と実質的に垂直であるとともに、段階的噴射器５１の噴射点と一致するように位置決めされていてもよい。噴射基準面５８は、複数の段階的噴射器５１がその上に位置決めされていてもよく、この場合は、共通の噴射基準面５８となる。特定の好適な実施形態によれば、前方および後方吸気部は、基準面５８、６７、６８、６９に関して規定されていてもよい。図７に示すように、例示的な実施形態によれば、後方吸気部は、噴射基準面５８と後方基準面６９との間に略規定された軸方向範囲を含んでいてもよい。一方、前方吸気部は、噴射基準面５８と前方基準面６７との間に略規定された軸方向範囲を含んでいてもよい。また、図８〜図１０に示すように、他の構成も可能である。
【００４５】
図７〜図１０に示すように、後方および前方吸気部はそれぞれ、離隔した複数のインピンジメントポート４１を具備していてもよい。また、後方および前方吸気部は、特定の位置でより大量の空気を流れ環２６に導入できるより大きなポートまたは開口４２を具備していてもよい。インピンジメントポート４１の場合、それぞれは、外側半径方向壁２５を通して形成され、内側半径方向壁２４の外面に対して、制限された空気ジェットを適合させるように構成されていてもよい。このように、段階的噴射器５１に取り込まれる給気を介して、内側半径方向壁２４の大きな部分が適切に冷却されるようになっていてもよい。特定の好適な実施形態によれば、たとえば後方吸気部の複数のインピンジメントポート４１は、後方基準面６９のすぐ前方に位置決めされた最後方インピンジメントポートと噴射基準面５８のすぐ後方に位置決めされた最前方インピンジメントポートとの間で軸方向に離隔していてもよい。たとえば、前方吸気部の複数のインピンジメントポート４１は、噴射基準面５８のすぐ前方に位置決めされた最後方インピンジメントポートと前方基準面６７のすぐ後方に位置決めされた最前方インピンジメントポートとの間で軸方向に離隔していてもよい。また、他の構成も可能である。また、後方および前方吸気部それぞれの複数のインピンジメントポート４１は、１００超等の多数であってもよい。これらのインピンジメントポート４１は、円周方向および軸方向に離隔していてもよく、外側半径方向壁２５の全周に延びていてもよい。また、図示のように、外側半径方向壁２５を通して、より大きなポートまたは開口４２が規定されていてもよい。これらを使用することにより、特定の位置でより大量の空気流を流れ環２６に導入可能であってもよい。このような場合、当然のことながら、これらのより大きな流れは、段階的噴射器５１から相当な距離で流れ環２６に導入されるとともに、大きな流れは段階的噴射器５１まで移動して最終的に取り込まれる際に、内側半径方向壁２４の外面を対流冷却可能となっていてもよい。また、インピンジメントポート４１およびより大きな開口４２の両方を含む実施形態も可能である。
【００４６】
本発明のこのような段階的噴射システム５０の場合、段階的噴射器５１は、外側半径方向壁２５／内側半径方向壁２４アセンブリの長さに沿ったさまざまな軸方向位置に配設されていてもよい。すなわち、前方噴射器２１に対する段階的噴射器５１の後方の間隔は、変化するものであってもよい。広範囲に捉えると、段階的噴射器５１は、前方基準面６７と後方基準面６９との間の任意の位置に位置決めされていてもよい。図７および図８の例等の好適な実施形態によれば、段階的噴射器５１は、前方基準面６７と後方基準面６９との間の中間基準面６８にまたはその近傍に、すなわち略中間に位置決めされていてもよい。図７、図８、および図９に示すように、他の好適な実施形態によれば、段階的噴射器５１は、前方基準面６７と中間基準面６８との間に位置決めされていてもよい。これら特定の実施形態の変形によれば、段階的噴射器５１は、前方基準面６７または中間基準面６８のより近くに位置決めされていてもよい。図９に示すように、これら特定の構成のうちの１つによれば、段階的噴射器５１は、前方基準面６７のすぐ後方に位置決めされている。これらの構成のうちの別のものによれば、段階的噴射器５１は、前方基準面６７と中間基準面６８との間の略中間に位置決めされていてもよい。また、図１０に示すように、段階的噴射器５１は、中間基準面６８と後方基準面６９との間に位置決めされていてもよい。また、この位置決めには、段階的噴射器５１が中間基準面６８により近い例および後方基準面６９にまたはそのより近くにある他の例等の変形例を含んでいてもよい。図１０の特定の実施形態によれば、段階的噴射器５１は、中間基準面６８と後方基準面６９との間の略中間に位置決めされていてもよい。
【００４７】
当然のことながら、位置決めに関わらず、吸気部から段階的噴射器５１に向かう空気流の相対方向は、図７〜図１０の各例において一貫している。また、これらの実施形態それぞれに関して、段階的噴射システム５０は、このような複数の段階的噴射器５１を具備していてもよい。このような場合は、上記説明の通り、噴射基準面５８がそれぞれに共通となるように、段階的噴射器５１が円周方向に離隔していてもよい。したがって、これら付加的な段階的噴射器５１はそれぞれ、それに対応する後方および前方吸気部からの流れを受け入れるようにしてもよい。また、段階的噴射器５１は、環状の噴射器として構成されていてもよい。
【００４８】
さらに、図７〜図１０それぞれに示すように、燃焼器１３の空気配向構造は、前方噴射器２１に対応するヘッドエンド吸気部を含むものとして、より具体的に記載する場合がある。図示のように、ヘッドエンド吸気部は、前方吸気部の前方に位置決めされていてもよい。このような場合、ヘッドエンド吸気部は、外側半径方向壁２５を通して形成されたより大きなポートまたは開口４２のうちの１つを具備していてもよく、これは、圧縮器排出空洞４４からの適切な吸気によって、前方噴射器２１に給気可能なように構成されていてもよい。図示のように、この空気は、流れ環２６に流れ込んだ後、前方噴射器２１に向かって前方に配向されるようになっていてもよい。すなわち、ヘッドエンド吸気部は、内部を通って流れ込む空気を前方噴射器２１に配向して、同じく供給された燃料とともに燃焼させるように構成されていてもよい。
【００４９】
説明を目的として、上述の通り、内側半径方向壁２４は、軸方向に積み重なったチャンバを具備しており、前方チャンバ２８が前方噴射器２１を収容し、後方チャンバ２９が燃焼帯を規定するものとして記載する場合がある。さらに、段階的噴射器５１は、外側半径方向壁２５と内側半径方向壁２４との間に延びて、流れ環２６の一部を遮断する構造を含んでいてもよい。具体的に、この構造は、たとえば管状のノズル５３であってもよいが、流れ環２６の円周方向に規定された部位を遮断するものとされ得る。本発明の実施形態によれば、ノズル５３は、流れ環２６と流体連通したポート５５を具備していてもよい。これらのポート５５は、たとえばノズル５３のチューブを通って側方に形成されていてもよく、流れ環２６を通って段階的噴射器５１に配向された空気流を受け入れるように構成されていてもよい。図７および図１０の実施形態に関しては、第１のポート５５がノズル５３の後面に配設され、後方環部を介して段階的噴射器まで流れる空気を受容するように構成されていてもよい。また、第２のポート５５がノズル５３の前面に配設され、前方環部を介して段階的噴射器まで流れる空気を受容するように構成されていてもよい。また、上述するとともに図１１〜図１３に示す通り、燃料配向構造は、ノズル５３内に形成された１つまたは複数の燃料ポート５６を具備していてもよい。燃料ポート５６は、内側半径方向壁２４の外部に形成された燃料通路５２に連なっていてもよい。好適な実施形態によれば、燃料ポート５６は、ノズル５３の外部端と内部端との間で横方向に位置決めされていてもよい。燃料配向構造は、図１１〜図１３に示すように、外側半径方向壁２５の内部を通って軸方向に燃料通路５２が延びた実施形態をさらに含んでいてもよい。
【００５０】
説明を目的として、上述の通り、流れ環２６は、キャップアセンブリ部および燃焼帯部を含むものとして記載する場合がある。具体的に、流れ環２６のキャップアセンブリ部は、内側半径方向壁２４の前方チャンバ２８（すなわち、キャップアセンブリ）周りに生じる軸方向部を含む。一方、流れ環２６の燃焼帯部は、内側半径方向壁２４の後方チャンバ２９（すなわち、燃焼帯）周りに生じる軸方向部を含む。特定の好適な実施形態によれば、ヘッドエンド吸気部の開口４２は、流れ環２６のキャップアセンブリ部に対応する外側半径方向壁２５を通して形成されている。開口４２は、流れ環２６の燃焼帯部に対応する外側半径方向壁２５を通して形成されたインピンジメントポート４１よりも流路面積がはるかに大きなポートを具備していてもよい。図７〜図１０に示すように、開口４２は、圧縮器排出空洞４４を流れ環２６のキャップアセンブリ部に流体接続するように構成されていてもよい。上述の通り、キャップアセンブリ３０と関連付けられた内側半径方向壁２４は、流れ環２６のキャップアセンブリ部をキャップアセンブリ３０の内部領域に流体接続するキャップ入口４５を具備していてもよく、これは、キャップ入口４５を通って流れ込む空気を前方噴射器２１のノズル２３へと配向するように構成されていてもよい。当然のことながら、このような場合、燃料配向構造は、前方噴射器２１のノズル２３を燃料源に接続する燃料経路２２を具備していてもよい。
【００５１】
当然のことながら、図７〜図１０の実施形態の空気配向構造は、後方吸気部、前方吸気部、およびヘッドエンド吸気部に対応するポートと開口との間での相対的なオリフィスまたは流路面積サイズ規定を含んでいてもよい。好適な実施形態によれば、相対的なオリフィスサイズ規定は、前方噴射器２１と段階的噴射器５１との間の燃焼器給気を測定するように構成されていてもよい。特定の実施形態によれば、この燃焼器給気の測定では、給気の少なくとも３０％を段階的噴射器５１に配向する。他の好適な実施形態によれば、燃焼器給気の少なくとも５０％が段階的噴射器５１に配向される。
【００５２】
ここで図１１〜図１３を参照して、別の実施形態によれば、後方環部および／または前方環部は、環部を移動する空気流と内側半径方向壁２４の外面との間で生じる伝熱の速度を高くする伝熱構造を含んでいてもよい。伝熱構造としては、乱流を促進することにより、通路の移動に際して冷媒中に生じる温度層を壊すことにより伝熱を向上させる任意の種類の構造が挙げられる。このように、未使用の冷媒すなわち内側半径方向壁２４から吸熱を行っていない空気流が壁と接触することにより、より大きな温度差分によって伝熱速度が高くなるようになっていてもよい。また、伝熱構造は、内側半径方向壁２４の表面積を大きくすることによって、壁と環部２６を移動する空気流との間のエネルギー交換の速度を高くする構成を含んでいてもよい。なお、図１１〜図１３は、好適な実施形態によれば、複数種類の段階的噴射器をさらに示している。図１１に示すように、第１の種類の段階的噴射器５１は、噴射ポート６１が内側半径方向壁２４の高温面と実質的に同一平面に存在するノズル５３を具備する。図１２に示すように、第２の種類の段階的噴射器５１は、流れ環の外部すなわち外側半径方向壁２５の外部に存在する燃料および空気混合チャンバ６２を具備する。混合チャンバ６２は、外側半径方向壁２５の外面から膨出した円形のシールド壁６３によって形成されていてもよい。当然のことながら、混合チャンバ６２は、段階的噴射器５１に対して、より大きな内部を与えることにより、作動流体流路中への噴射前の燃料および空気の混合を改善するようにしてもよい。第３の種類の段階的噴射器５１は、内側半径方向壁２４の内面から延びて作動流体流路３７を貫通する突出ノズル５３を具備する。この種のノズル５３は、噴射ポートを具備しており、たとえば作動流体流路３７内で、噴射燃料／空気混合物をより一様に分散させるのに使用可能であることから、埋没噴射器と称することが多い。
【００５３】
図１１に示すように、好適な一実施形態によれば、伝熱構造は、内側半径方向壁２４の外面上に形成された複数のタービュレータ８１を具備する。当然のことながら、タービュレータ８１は、内側半径方向壁から流れ環２６中に突出した突起として構成されていてもよい。図示のように、好適な一実施形態において、このようなタービュレータ８１は、円周方向に延びたリッジの形態であってもよい。他の実施形態によれば、タービュレータ８１は、離散的な隆起、窪み等として構成されていてもよい。タービュレータ８１は、流れ環２６において、段階的噴射器５１の両側すなわち後方環部、前方環部、または両方の中で位置決めされていてもよい。別の実施形態によれば、図１２に示すように、伝熱構造は、流れ環２６を通る流れの大まかな方向と垂直に形成された一連の溝８２を具備していてもよい。溝８２は、内側半径方向壁２４の外面上に形成されていてもよく、段階的噴射器５１の両側に含まれていてもよい。また、他の構成も可能である。
【００５４】
図１３は、本発明の別の実施形態に係る、別の種類の伝熱構造を示している。図示のように、内側半径方向壁２４の外面を通して、マイクロチャネル８３が形成されていてもよい。マイクロチャネル８３は、浅い溝を具備していてもよい。一実施形態によれば、溝は、図示のように囲まれていてもよい。あるいは、溝は、流れ環２６に対して開かれたままであってもよい。図示のように、マイクロチャネル８３はそれぞれ、たとえば流れ環２６に対して開かれた入口ポートおよび出口ポートを具備し、両方の間に囲繞部が延び、軸方向に位置合わせされた浅いチャネルとして構成されていてもよい。マイクロチャネル８３としては、２０１５年１１月１８日に出願された係属中の米国特許出願第１４／９４４３４１号（整理番号第２８２９５８号）に記載または言及のものがさらに挙げられるが、そのすべての内容を本明細書に援用する。当然のことながら、動作時、インピンジメントポート４１により外側半径方向壁に対して制限された空気流は、マイクロチャネル８３の入口ポートに押し込まれて、内部に空気流が形成されるようになっていてもよい。内側半径方向壁２４の露出表面積が大きくなるとともに、マイクロチャネル８３によって冷媒が内側半径方向壁２４の外面を貫通できるようになると、この空気流によって伝熱速度が向上する。このように、冷却効果は、内側半径方向壁２４の表面のみに限定されない。当然のことながら、この方法の利点として、他の方法であれば生じるであろう急峻な温度勾配が抑えられる。特定の実施形態によれば、流れ環２６自体は、内側半径方向壁２４内に形成された一群のマイクロチャネル８３によって、内側半径方向壁２４内に形成されるとともに全体が含まれていてもよい。本明細書において、用語「流れ環」は、このような意味を含むことが了解されるものとする。
【００５５】
ここで、図１４を参照すると、流れ環２６内の封止構造または軸方向隔壁８５によって、段階的噴射器５１を通る空気の移動が防止または制限された別の実施形態が示されている。これを用いることにより、図示のように、燃焼器を通る異なる種類の循環流および新たな冷却法が導かれていてもよい。以下に説明する通り、これによって、流れ環２６の後方環部から段階的噴射器５１までの空気流が形成される一方、流れ環２６の前方環部内の流れは、前方噴射器２１へと配向される。本明細書において、軸方向隔壁には、壁および他の封止構造の両方のほか、流体シールを含む。さらに、別段の定めのない限り、このような軸方向隔壁は、通路を完全または部分的に封止していてもよい。
【００５６】
本明細書に記載のその他の例と同様に、図１４の実施形態は、前方噴射器２１と、前方噴射器２１から軸方向後方に離隔し、燃焼帯２９内に噴射点を有する段階的噴射器５１とを有する段階的噴射システム５０を含む。このため、噴射点は、前方噴射器２１の後方かつ前方噴射器２１から下流である。この噴射点に対して、噴射点の後方側には後方環部が規定され、前方側には前方環部が規定されていてもよい。また、他の実施形態に関して上述した通り、図１４の例の空気配向構造は、外側半径方向壁２５に沿って形成された軸方向に規定の吸気部を具備していてもよい。図示のように、これらの吸気部は、外側半径方向壁２５を通して形成され、流れ環２６の対応する部分に対して周囲の圧縮器排出空洞４４を流体接続する１つまたは複数のポートまたは開口を具備していてもよい。したがって、後方環部に対応する外側半径方向壁２５を通して後方吸気部が規定されていてもよく、前方環部に対応する外側半径方向壁２５を通して前方吸気部が規定されていてもよい。吸気部はそれぞれ、複数のインピンジメントポート４１および／または開口４２を具備していてもよい。
【００５７】
図１４の矢印で示すように、本実施形態の空気配向構造は、後方吸気部を通って後方環部に流れ込んだ空気を段階的噴射器５１へと前方に配向するように構成されている。このように、段階的噴射器５１の後方に位置決めされたポートを通って流れ環２６に流れ込んだ空気は、段階的噴射器５１に配向されて取り込まれる。ただし、図７〜図１３の実施形態と異なり、図１４に関する空気配向構造は、前方環部を通して前方に、前方吸気部（すなわち、段階的噴射器およびその噴射点の前方）を通して流れ込んだ空気を配向するように構成されている。このように、段階的噴射器５１の前方に位置決めされたポートを通って流れ環２６に流れ込んだ空気は、図示のように、前方噴射器２１に配向されて取り込まれる。当然のことながら、不要な繰り返しを避けるため、段階的噴射器５１の位置決めには、他の実施形態に関して上述した位置のいずれかを含んでいてもよい。さらに、図１４に示す実施形態には、特に添付の特許請求の範囲で可能な場合、噴射器および伝熱構造の種類等、本明細書に記載のその他の選択肢および特徴のいずれかを同様に適用可能であることが了解される。
【００５８】
したがって、図１４の実施形態は、段階的噴射器５１に対する後方位置で流れ環２６に流れ込む空気が段階的噴射器５１に配向されて利用される一方、段階的噴射器５１の前方で流れ環２６に流れ込む空気が前方噴射器２１に配向される構成を含む。これは、図示のように、壁、シール等として構成可能な軸方向隔壁８５によって実現されていてもよい。図示の例に示すように、軸方向隔壁８５は、外部端で外側半径方向壁２５に連なり、内部端で内側半径方向壁２４に連なる壁として形成されていてもよい。隔壁８５は、流れ環２６の周囲に延びていてもよい。当然のことながら、隔壁８５は、流れ環２６内に位置決めされることにより、段階的噴射器５１の略軸方向位置を通って後方環部内の空気流が流れることを完全に阻止、制限、または防止するようにしてもよい。すなわち、軸方向隔壁８５は、流れ環２６の当該部内の空気流すべてを段階的噴射器５１に配向または案内するようにしてもよい。段階的噴射器５１のノズル５３は、流れ環２６から空気が流れるポート５５を具備していてもよい。
【００５９】
別の実施形態によれば、図１５に示すように、空気配向構造は、外側半径方向壁２５の周りかつ外部に形成されて両方の間に外側流れ環８７を形成した第３の半径方向壁８６を具備していてもよい。図示のように、圧縮器排出空洞４４に由来する空気流を最終的に段階的噴射器５１へと供給するスイッチバック冷媒流路８８が配置されていてもよい。図示のように、スイッチバック冷媒流路８８は、外側流れ環８７内に形成された下流部９２が続く流れ環２６の部分内に形成された上流部９１を含んでいてもよい。このように、スイッチバック冷媒流路８８は、外側流れ環８７を移動する後方流に対して、流れ環２６を通って前方に移動する流れを再配向するようにしてもよい。
【００６０】
スイッチバック冷媒流路８８は、外側半径方向壁２５を通して形成された前方ポート９３および後方ポート９４を具備していてもよい。図示のように、前方ポート９３は、上流部９１をスイッチバック冷媒流路８８の下流部９２に流体接続していていもよい。後方ポート９４は、スイッチバック冷媒流路８８の下流部９２を段階的噴射器５１のノズル５３に流体接続していてもよい。さらに図示するように、第３の半径方向壁８６は、前方および後方ポート９３、９４の両方を囲むとともに、外側流れ環８７を通る流れを周囲の圧縮器排出空洞４４中の流れから流体隔離する中実連続構造として形成されていてもよい。
【００６１】
当然のことながら、好適な実施形態によれば、流れ環２６には、軸方向隔壁８５が形成されて、スイッチバック冷媒流路８８への所望の流れが形成されていてもよい。軸方向隔壁８５は、スイッチバック冷媒流路８８の上流部９１の前方終端点を形成していてもよい。当然のことながら、軸方向隔壁８５は、段階的噴射器５１から前方に離隔していてもよい。段階的噴射器５１は、スイッチバック冷媒流路８８の上流部９１を通して、流れ環と交差していてもよい。軸方向隔壁８５は、部分的または完全な隔壁として構成されていてもよく、外側半径方向壁２５と内側半径方向壁２４との間かつ流れ環２６の周囲に延びた壁または流体シールを具備することにより、流れ環２６内の軸方向の流れを防止していてもよい。
【００６２】
軸方向隔壁８５の軸方向位置に対して、流れ環２６は、軸方向隔壁８５の後方側に規定された後方環部および軸方向隔壁８５の前方側に規定された前方環部に分割されたものとして説明する場合がある。空気配向構造は、外側半径方向壁２５を通して形成され、圧縮器排出空洞４４を流れ環２６の対応する軸方向規定部に流体接続する軸方向に規定の吸気部を具備していてもよい。好適な実施形態によれば、これらの吸気部は、後方環部に対応する後方吸気部および前方環部に対応する前方吸気部を具備していてもよい。他の好適な実施形態によれば、軸方向隔壁８５は、前方環部に流れ込む燃焼器給気の空気の実質的にすべてが前方噴射器２１に配向され、後方環部に流れ込む燃焼器給気の空気の実質的にすべてがスイッチバック冷媒流路を通して配向され、段階的噴射器５１に供給されるように、前方環部を後方環部に対して流体封止するように構成されていてもよい。
【００６３】
図示のように、スイッチバック冷媒流路８８の例示的な実施形態に準じて、流れ環２６を通って軸方向隔壁８５の位置の後方に流れ込む空気流は、前方に配向されるようになっていてもよい。この空気流は、段階的噴射器５１の位置を通り、前方ポート９３へと進み続けられるようになっていてもよい。言い換えると、この空気流は、段階的噴射器５１間に存在し得る円周方向の間隙を介して、後方環部から前方環部まで移動する。そして、この流れは、スイッチバック冷媒流路８８が流れを約１８０°反転させるように構成された点に到達するまで、燃焼器１３の前端に向かって流れ続けるようになっていてもよい。具体的には、図示のように、段階的噴射器５１へと配向され、後方ポート９４を介して最終的に供給されるように、スイッチバック冷媒流路８８を介して流れが「折り返す」ように構成されていてもよい。
【００６４】
例示的な実施形態によれば、スイッチバック冷媒流路８８は、流れ環２６を通る空気流が、外側半径方向壁２５周りに形成された外側流れ環８７に配向されるように構成されていてもよい。具体的に、第３の半径方向壁８６は、外側半径方向壁２５の外部に形成されて外側半径方向壁２５からオフセットすることにより、第２の流れ環すなわち外側流れ環８７がそれらの間に形成されていてもよい。外側流れ環８７内の空気流は、後方ポート９４に配向されて段階的噴射器５１により取り込まれるようになっていてもよい。本明細書に記載の通り、段階的噴射器５１内では、空気流が燃料と混合され、作動流体流路３７に噴射されるようになっていてもよい。当然のことながら、段階的噴射器５１の種類および配置は、他の実施形態に関して上述した選択肢と一致していてもよい。
【００６５】
当然のことながら、図７〜図１５の例示的な実施形態は、燃焼器ヘッドエンドの前方噴射器を介してではなく段階的噴射器を通して最終的に噴射される空気流によって、燃焼器の本体の大部分が主として冷却される新規の構成および誘導空気流パターンを提供する。軸方向に段階的な噴射器に配向される燃焼器空気のレベルが高くなることを前提として、本明細書に記載の構成は、圧力損失の抑制および冷却空気のより効率的な使用等、より高いシステム効率を提供する。軸方向に段階的な初期の噴射システムでは、段階的噴射器に配向される空気全体の割合が相対的に低かった（すなわち、約５％〜２０％）が、現下のより新たなシステムでは、はるかに多くを段階的噴射器に配向する。その結果、段階的噴射器が噴射することになる空気を用いて、燃焼帯を規定するユニボディまたは内側半径方向壁の大部分またはすべてを冷却することが可能となっており、システムの全体的な空気力学を効率化可能である。より多くの空気を燃焼器に通したいという要求が高くなるにつれ、本明細書に記載するようなシステムの利点が重要となることが分かっている。当然のことながら、従来のシステムにおいては、内側半径方向壁を規定する燃焼帯の冷却構成が連続してつながっており、それと関連付けられた空気流のほとんどが燃焼器ヘッドエンドおよびそこに位置決めされた前方噴射器に配向される。これにより、システムの総圧力損失は、順次接続された構成要素の損失から成っており、その結果として、段階的噴射器がその全体でシステムの総圧力損失を引き受けていた。燃焼器本体の冷却が（本明細書に提案するように）構成要素の一連の圧力損失から実質的に除外されると、並列に作用する構成要素の圧力損失が増えるため、システムの全体的な圧力損失は大幅に低下する可能性がある。オペレータの好みに応じて、本明細書に開示の構成は、システムの圧力損失をこのように再配分可能であってもよい。すなわち、燃料および空気の混合を改善するため、前方噴射器内での圧力損失が大きくなってもよい。
【００６６】
また、本発明の態様を用いることにより、環内のインピンジメント冷却に伴う問題を減らすようにしてもよい。従来のシステムでは、当然のことながら、最終的に前方噴射器に流れ込む空気の大半が流れ環に後端またはその近傍から進入する。そして、この空気は、流れ環の長さまたは少なくともその大部分を通って流れる必要があり、その結果、その流れが、たとえばユニボディの長さに沿って位置決めされたインピンジメントポートを通って流れ環にまさに流れ込もうとしている未使用の冷媒と衝突する。結果として、空力的混合および運動量の損失が生じ、システムの全体的な圧力損失が増える。さらに、流れ環内で生じる使用済み冷媒の交差流によって、到着したばかりの未使用の冷媒の有効性が低下する。インピンジメントポートの制限された空気流は、冷却する表面に対して直接適合された場合すなわち９０°前後の急峻な角度において最も効果的となるためである。交差流は、内側半径方向壁の外面により浅い角度でぶつかるように移動している方向での偏向により、制限された冷媒のジェットと干渉する。本願の設計に準じて、冷媒の大半が噴射点に到達する前に流れ環を移動する範囲を抑えることにより、これらの問題を最小化または実質的に除去することができる。また、特定の好適な実施形態に準じて、ノズルおよび段階的噴射器と関連する他の構成要素により部分的に遮断された流れ環の部分を通って冷媒が流れる必要性を最小化または実質的に除去することができる。これは、流れ環の後部に流れ込む冷媒がもはや、段階的噴射器の交差する構成要素により狭隘となった流れ環の部分を通って移動する必要がないことを意味する。これは、狭隘部に伴う圧力損失を排除できるのみならず、交差構造の下流に生じる伴流に起因する問題を除去できて都合が良い。これらの問題としては、伴流による表面冷却の途絶のほか、前方噴射器における流れの途絶および不均一な下流空気流に伴うものが挙げられる。当然のことながら、本発明の実施形態によれば、段階的噴射器に必要な流れ環内の障害物を通って流れる空気の所要量を制限しつつ、より多くの空気を段階的噴射器に供給可能となる。
【００６７】
ここで、図１６〜図２２には、まずタービン１２内の静翼１７を通る冷媒として、燃焼器給気の一部が循環された後、段階的噴射器５１に配向されて作動流体に噴射される本発明の付加的な実施形態を大まかに示している。当然のことながら、本実施形態のシステムおよび構成要素は、上述したものと複数の点が類似していてもよい。たとえば、ガスタービン１０の燃焼器１３およびタービン１２部を通して、作動流体流路３７が規定されていてもよい。図５に示す構成と同様に、作動流体流路３７は、燃焼器１３の前方噴射器２１により規定された前端から、燃焼器１３がタービン１２に遷移する接合部分を通った後、タービン１２を通って、内部に規定された後端まで、長手方向中心軸５７に沿って後方に延びていてもよい（なお、「接合部分」という専門用語は、エンジンの燃焼器１３とタービン１２部とがシームレスに遷移する構成すなわち燃焼器１３およびタービン１２が一体的なユニボディを横切って接合された構成を含むことを意図している）。また、作動流体流路３７の周りには、圧縮器１１により供給された燃焼器給気を受容する圧縮器排出空洞４４が形成されていてもよい。ガスタービンは、前方噴射器２１および軸方向後方に離隔した段階的噴射器５１を具備した段階的噴射システム５０を備えていてもよい。以下により詳しく論じる通り、システムは、前方噴射器２１と段階的噴射器５１との間で燃焼器供給燃料を分配する燃料配向構造と、前方噴射器２１と段階的噴射器５１との間で燃焼器給気を分配する空気配向構造とをさらに備えていてもよい。
【００６８】
さらに、図１６〜図２２を参照して、空気配向構造は、１つまたは複数の冷媒流路１０１を具備しており、それぞれが、圧縮器排出空洞４４に由来する冷媒が案内されて最終的に段階的噴射器５１に供給される単方向の連続する流体通路を提供していてもよい。具体的に、冷媒流路１０１は、冷媒を静翼１７の内部に配向する部分を具備していてもよい。そして、静翼１７の通過後、冷媒流路１０１は、冷媒を段階的噴射器５１に配向するようにしてもよく、ここで冷媒は、燃料と混合され、作動流体流路３７に噴射される。好適な実施形態によれば、冷媒流路１０１は一般的に、吸気部１０３、冷却回路１０４、および排気部１０５を具備していてもよい。以下により詳しく論じる通り、吸気部１０３は、圧縮器排出空洞４４に流体結合された上流ポートと、静翼１７のうちの１つの内部側壁または外部側壁を通して形成可能な下流ポートとを具備していてもよい。排気部１０５は、段階的噴射器５１に流体結合された下流ポートと、同じく静翼１７のうちの１つの内部側壁または外部側壁を通して形成可能な上流ポートとを具備していてもよい。冷却回路１０４は、静翼１７のうちの１つの内部を通って延びた冷却チャネルであってもよい。冷却回路１０４は、吸気部１０３の下流ポートに連なる上流端と、排気部１０５の上流ポートに連なる下流端とを具備していてもよい。
【００６９】
上述の通り、タービン１２は、複数段階の翼を具備していてもよく、各段階が、静翼列１７と、後続の動翼列とを具備していてもよい。静翼列１７は、タービンのロータディスク周りで円周方向に離隔した複数の静翼１７を含んでいてもよい。図示のように、静翼１７はそれぞれ、作動流体流路３７を横切って延びたエーロフォイル１１３を具備していてもよい。エーロフォイル１１３は、タービン１２を通る作動流体の流れと相互作用するように構成された静翼１７の部分である。静翼１７は、エーロフォイル１１３の側面に位置してタービン１３内の固定構造に固定する側壁を具備していてもよい。具体的に、エーロフォイル１１３は、設置に際して作動流体流路３７の内部境界を規定するように構成可能な内部側壁および設置に際して作動流体流路３７の外部境界を規定するように構成可能な外部側壁と連なっていてもよい。当然のことながら、エーロフォイル１１３、内部側壁、および外部側壁は、静翼１７の一体的に形成された構成要素であってもよい。説明を目的として、静翼１７の軸方向の幅は、エーロフォイル１１３の前縁１１４と後縁１１５との間の軸方向距離として規定されている。さらに、本明細書において、最前列の静翼１７とは、タービン１２の前端すなわち燃焼器１３とタービン１２との接合部分に最も近く位置決めされた静翼列１７を示す。
【００７０】
上述の通り、引き続き図１６〜図２２を参照して、作動流体流路３７の周りには、燃焼器１３およびタービン１２の両方の部分を通して、流れ環２６が形成されていてもよい。燃焼器１３内では、上述したように流れ環２６が構成されていてもよい。図示のように、タービン１２内に形成された流れ環２６の部分は、図面に示す断面図の性質上、類似構成に見える可能性がある。ただし、当然のことながら、燃焼器１３およびタービン１２における作動流体流路３７の構成が異なることから、タービン１２内の流れ環２６は、燃焼器１１内の部分に見られない特定の特性を有していてもよい。これらの特性については、以下に規定する。
【００７１】
やはり、最初の問題として、「流れ環」に対する一般的な言及は、燃焼器１３もしくはタービン１２、または両方の作動流体流路３７周りに形成された流れ環を表す場合があることが了解されるものとする。このように一般的に言及する場合、流れ環２６は、複数の図面で示すように、流路壁１０８と環壁１０９との間に規定されたものとして説明する。このため、燃焼器１３および／またはタービン１２を通る作動流体流路３７は一般的に、流路壁１０８により規定されたものとして言及する場合がある。一方、流れ環２６は一般的に、流路壁１０８と環壁１０９との間に規定されたものとして説明する場合がある。さらに、本明細書において、流路壁１０８は、対向する高温面および低温面を有し、高温面が作動流体流路３７（および、これに含まれる高温燃焼ガス）に対向する面であり、低温面が流れ環２６（および、これに含まれる比較的低温の空気流）に対向する面であるものとして説明する場合がある。したがって、一般的に、環壁１０９は、流路壁１０８の低温面を囲むとともにオフセットすることにより、両方の間に流れ環２６が形成されるようにしたものとして説明する場合がある。
【００７２】
燃焼器１３およびタービン１２における作動流体流路３７と流れ環２６との差異に戻って、共通のタービンエンジン構成に係る、それぞれに特有の特徴を区別するには、以下の専門用語を使用する。当然のことながら、この共通構成には、タービン１２を通して形成された環状の作動流体流路３７の環状部位にそれぞれ連なる複数の円筒状燃焼器１３を含む。燃焼器１３において、これは、一般化された「流路壁」および「環壁」という専門用語が、本明細書においてそれぞれ「内側半径方向壁」および「外側半径方向壁」と称してきたものを表すものとして了解され得ることを意味する。ただし、タービン１２においては、特に環状流路に固有の領域が識別可能となるように、これらの一般化用語すなわち「流路壁」および「環壁」がさらに洗練される場合がある。したがって、説明の目的上、タービン１２内の「流路壁１０８」は、複数の図面に示すように、内部流路壁１０８ａおよび外部流路壁１０８ｂを有するものとして説明する場合がある。このため、当然のことながら、内部流路壁１０８ａが作動流体流路３７の内部境界を規定する一方、外部流路壁１０８ｂが作動流体流路３７の外部境界を規定する。同様に、タービン１２を通る流れ環２６は、内部流路壁１０８ａおよび外部流路壁１０８ｂの両方の低温面周りに形成された流れ環を含んでいてもよい。したがって、図１６〜図２２に示すように、タービン１２内の流れ環２６は、内部流れ環２６ａおよび外部流れ環２６ｂを含むものとして、より詳細に説明する場合がある。内部および外部流れ環２６ａ、２６ｂを形成するため、タービン１２内の環壁１０９は、内部環壁１０９ａおよび外部環壁１０９ｂを有するものとして、より詳細に説明する場合がある。これらの指定を前提として、当然のことながら、内部環壁１０９ａは、内部流路壁１０８ａの低温面からオフセットすることにより、両方の間に内部流れ環２６ａが規定されるようになっていてもよい。また、作動流体流路３７の他方の面では、外部環壁１０９ｂが外部流路壁１０８ｂの低温面からオフセットすることにより、両方の間に外部流れ環２６ｂが規定されるようになっていてもよい。
【００７３】
さらに、タービン１２内に流れ環２６を形成して本明細書に記載の機能を実現可能な多くの考え得る構成が存在することが了解されるものとする。別段の制限のない限り、このような代替構成は、添付の特許請求の範囲に含まれるものと考えるべきである。すなわち、本明細書において使用する非限定的な表現は、圧縮空気が圧縮器排出空洞４４から導出された後、タービン１２の作動流体流路３７の外部に沿った特定の位置に供給され、本明細書に記載の機能を満足するこのような任意の構成を網羅することが了解されるものとする。さらに、当然のことながら、静翼１７は、エーロフォイル１１３に取り付けられ、これらを作動流体流路３７内に固定する内部および外部側壁を具備していてもよい。内部および外部側壁は、作動流体流路３７の内部および外部境界の軸方向部をそれぞれ規定するように構成されていてもよい。このため、内部および外部側壁はそれぞれ、内部流路壁１０８ａおよび外部流路壁１０８ｂの構成要素と考えられる。
【００７４】
さらに、別の実施形態によれば、燃焼器１３は、環状の燃焼器として構成されていてもよい。このような場合、燃焼器１３は、タービン１２の環状流路に連なる連続した環状流路を具備していてもよい。そこで、当然のことながら、燃焼器１３は、タービン１２に関して図６および図７に示したのと同様に、内部流路壁１０８ａおよび外部流路壁１０８ｂを具備することになる。本明細書に示す特定の例では、管状の構成を論じているが、提供する図面および添付の特許請求の範囲には、別段の具体的な定めのない限り、考え得る燃焼器構成の両方（すなわち、環状または缶状）を包含することが了解されるものとする。
【００７５】
この議論の実施形態は一般的に、上述のいずれかと一致する段階的噴射システム５０を含んでいてもよい。すなわち、図１６〜図２２の段階的噴射システム５０には、先行する図面に関して上述した実施形態のいずれかを含んでいてもよい。したがって、たとえば、段階的噴射システム５０は、前方噴射器２１および軸方向後方に離隔した１つまたは複数の段階的噴射器５１を具備していてもよい。また、段階的噴射器５１は、流れ環２６と交差することにより、作動流体流路３７内に噴射点を確保するように構成されていてもよい。説明の目的上、噴射点の軸方向位置に対して、噴射点の前方側には前方環部が規定される一方、噴射点の後方側には後方環部が規定されていてもよい。段階的噴射器５１は、流れ環２６を軸方向に分割するように構成可能な軸方向隔壁１１１を具備していてもよい。特定の実施形態によれば、上述の通り、軸方向隔壁１１１は、流れ環２６に位置決めされることにより、段階的噴射器５１と軸方向に一致または近接していてもよい。軸方向隔壁１１１は、前方環部を後方環部に対して流体封止するように構成されていてもよい。この封止構成は、前方環部に流れ込む燃焼器給気のすべてまたは実質的にすべてが前方噴射器２１に配向され、後方環部に流れ込む燃焼器給気のすべてまたは実質的にすべてが段階的噴射器５１に配向されるようになされていてもよい。以下により詳しく論じる通り、段階的噴射器５１は、燃焼器１３またはタービン１２内に位置決めされていてもよい。
【００７６】
ここで図１６および図１８に対して特に注意すべきこととして、静翼１７のエーロフォイル１１３内にループ状構成を有する冷却回路１０４を含む本発明の実施形態を示している。図示のように、これらの例示的な実施形態における空気配向構造は、図１６および図１７に示す代替構成ごとに構成可能な吸気部１０３、冷却回路１０４、および排気部１０５を有する冷媒流路１０１を具備する。
【００７７】
一選択肢によれば、図１６に示すように、冷却回路１０４は、内部流れ環２６ａとの接続部から延びてループ状に戻っている。当然のことながら、これらの接続部間において、冷却回路１０４は、静翼１７のエーロフォイル１１３内に冷却チャネルを形成していてもよい。より具体的には、図示のように、圧縮器排出空洞４４に流体結合された上流ポートと、エーロフォイル１１３の内部側壁か、またはより一般的には内部流路壁１０８ａを通して形成された下流ポートとを吸気部１０３が具備していてもよい。さらに図示するように、排気部１０５は、段階的噴射器５１に流体結合された下流ポートと、エーロフォイル１１３の内部側壁、より一般的には内部流路壁１０８ａを通して形成された上流ポートとを具備していてもよい。冷却回路１０４は、吸気部１０３を排気部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に準じて選定された所望の経路に沿って、エーロフォイル１１３の内部を通って延びるように構成されていてもよい。したがって、冷却回路１０４は、吸気部１０３の下流ポートに連なる上流端と、排気部１０５の上流ポートに連なる下流端とを具備していてもよい。好適な実施形態によれば、冷却回路１０４は、蛇行構成を有することにより、エーロフォイル１１３内の冷却効率を増強している。
【００７８】
別の選択肢によれば、図１７に示すように、冷却回路１０４は、外部流れ環２６ｂとの接続部から延びてループ状に戻っている。当然のことながら、これらの接続部間において、冷却回路１０４は、静翼１７のエーロフォイル１１３内に冷却チャネルを形成していてもよい。より具体的には、図示のように、圧縮器排出空洞４４に流体結合された上流ポートと、エーロフォイル１１３の外部側壁、より一般的には外部流路壁１０８ｂを通して形成された下流ポートとを吸気部１０３が具備していてもよい。さらに図示するように、排気部１０５は、段階的噴射器５１に流体結合された下流ポートと、エーロフォイル１１３の外部側壁、より一般的には外部流路壁１０８ｂを通して形成された上流ポートとを具備していてもよい。冷却回路１０４は、吸気部１０３を排気部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に準じて選定された所望の経路に沿って、エーロフォイル１１３の内部を通って延びるように構成されていてもよい。したがって、冷却回路１０４は、吸気部１０３の下流ポートに連なる上流端と、排気部１０５の上流ポートに連なる下流端とを具備していてもよい。冷却回路１０４は、蛇行構成を含むことにより、エーロフォイル１１３内の冷却効率を増強していてもよい。
【００７９】
図示のように、図１６および図１７の実施形態は、流れ環２６内に位置決めされた軸方向隔壁１１１を具備していてもよい。当然のことながら、冷媒流路１０１の吸気部１０３および排気部１０５は、軸方向隔壁１１１の両側に存在する流れ環２６の隣接する軸方向部を具備していてもよい。好適な実施形態によれば、軸方向隔壁１１１は、隣接する軸方向部それぞれを他方に対して流体封止するように構成されていてもよい。この構成を前提として、冷媒流路１０１の吸気部１０３は、軸方向隔壁１１１の後方側に存在するものとして説明する場合がある。一方、冷媒流路１０１の排気部１０５は、軸方向隔壁１１１の前方側に存在するものとして説明する場合がある。他の構成も可能であるが、軸方向隔壁１１１は、静翼１７の前縁１１４と後縁１１５との間に規定された軸方向範囲内に位置決めされていてもよい。
【００８０】
さらに、図１６および図１７に示すように、冷媒流路１０１の吸気部１０３の上流ポートは、環壁１０９の対応する部分を通して形成されることにより、燃焼器給気の一部の吸気部１０３への進入を可能とする開口を具備していてもよい。これらの開口は、環壁１０９を通して形成されたインピンジメントポート４１として構成されていてもよい。このため、好適な実施形態によれば、冷媒流路１０１の吸気部１０３の上流ポートは、環壁１０９を通して形成された複数のインピンジメントポート４１を具備していてもよい。以下に詳しく論じる通り、開口またはインピンジメントポート４１の使用によって、段階的噴射器５１への空気流を測定するとともに、システムの構成要素を冷却するようにしてもよい。また、以下に示すように、表面ポートおよび接続チャネルが備えられていてもよい。また、図示のように、このようなインピンジメントポート４１は、冷媒流路１０１の排気部１０５から除外されている。最後に、当然のことながら、図１６および図１７の例の段階的噴射システムは、段階的噴射器５１の数、種類、構成、位置等のほか、燃料および空気配向構造の種類に関するもの等、本明細書に記載の別の実施形態および構成要素のいずれかを含んでいてもよい。
【００８１】
図１８においては、静翼１７の側壁１１７を図中でより詳細に強調することによって、冷却回路１０４が主に静翼１７の側壁１１７を通して形成された別の実施形態を説明する。この選択肢によれば、図示のように、冷却回路１０４は、外部流れ環２６ｂとの接続部から延びてループ状に戻っているが、この両方の間においては、静翼１７の側壁１１７内に冷却回路１０４が形成されている。当然のことながら、冷却回路１０４は、外部側壁１１７の中に示しているが、内部側壁１１７中にも同様に形成可能である。図１６および図１７の実施形態と同様に、吸気部１０３は、圧縮器排出空洞４４に流体結合された上流ポートと、エーロフォイル１１３の側壁１１７に形成された下流ポートとを具備していてもよい。排気部１０５は、段階的噴射器５１に流体結合された下流ポートと、エーロフォイル１１３の側壁１１７に形成された上流ポートとを具備していてもよい。冷却回路１０４は、吸気部１０３を排気部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に準じて選定された所望の経路に沿って、側壁１１７の内部を通って延びるように構成されていてもよい。したがって、冷却回路１０４は、吸気部１０３の下流ポートに連なる上流端と、排気部１０５の上流ポートに連なる下流端とを具備していてもよい。図示していないが、冷却回路１０４は、蛇行構成を含むことにより、エーロフォイル１１３内の冷却効率を増強していてもよい。図示のように、図１８の実施形態は、流れ環２６内に位置決めされた軸方向隔壁１１１を具備することにより、冷却回路１０４を通して、所望の冷媒流を配向するようにしてもよい。
【００８２】
ここで図１９および図２０に対して特に注意すべきこととして、静翼１７のエーロフォイル１１３を横切って半径方向に延びた冷却回路１０４を含む本発明の実施形態を示している。また、図示のように、これらの実施形態における空気配向構造は、図１８および図１９に示す代替構成ごとに構成可能な吸気部１０３、冷却回路１０４、および排気部１０５を有する冷媒流路１０１を具備していてもよい。
【００８３】
一選択肢によれば、図１９に示すように、冷却回路１０４は、内部流れ環２６ａとの上流接続部から外部流れ環２６ｂとの下流接続部まで延びている。当然のことながら、これらの接続部間において、冷却回路１０４は、静翼１７のエーロフォイル１１３内に冷却チャネルを形成していてもよい。より具体的には、図示のように、圧縮器排出空洞４４に流体結合された上流ポートと、エーロフォイル１１３の内部側壁、より一般的には内部流路壁１０８ａを通して形成された下流ポートとを吸気部１０３が具備していてもよい。さらに図示するように、排気部１０５は、段階的噴射器５１に流体結合された下流ポートと、エーロフォイル１１３の外部側壁、より一般的には外部流路壁１０８ｂを通して形成された上流ポートとを具備していてもよい。冷却回路１０４は、吸気部１０３を排気部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に準じて選定された所望の経路に沿って、エーロフォイル１１３の内部を通って延びるように構成されていてもよい。したがって、冷却回路１０４は、吸気部１０３の下流ポートに連なる上流端と、排気部１０５の上流ポートに連なる下流端とを具備していてもよい。冷却回路１０４は、蛇行構成を含むことにより、エーロフォイル１１３内の冷却効率を増強していてもよい。
【００８４】
別の選択肢によれば、図２０に示すように、冷却回路１０４は、外部流れ環２６ｂとの上流接続部から内部流れ環２６ａとの下流接続部まで延びている。当然のことながら、これらの接続部間において、冷却回路１０４は、静翼１７のエーロフォイル１１３内に冷却チャネルを形成していてもよい。より具体的には、図示のように、圧縮器排出空洞４４に流体結合された上流ポートと、エーロフォイル１１３の外部側壁、より一般的には外部流路壁１０８ｂを通して形成された下流ポートとを吸気部１０３が具備していてもよい。さらに図示するように、排気部１０５は、段階的噴射器５１に流体結合された下流ポートと、エーロフォイル１１３の内部側壁、より一般的には内部流路壁１０８ａを通して形成された上流ポートとを具備していてもよい。冷却回路１０４は、吸気部１０３を排気部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に準じて選定された所望の経路に沿って、エーロフォイル１１３の内部を通って延びるように構成されていてもよい。したがって、冷却回路１０４は、吸気部１０３の下流ポートに連なる上流端と、排気部１０５の上流ポートに連なる下流端とを具備していてもよい。冷却回路１０４は、蛇行構成を含むことにより、エーロフォイル１１３内の冷却効率を増強していてもよい。
【００８５】
好適な実施形態によれば、図１９および図２０に示すように、冷媒流路１０１の吸気部１０３および排気部１０５は、静翼１７のエーロフォイル１１３の前縁１１４と後縁１１５との間に規定された軸方向範囲とそれぞれが軸方向に重なるように位置決めされていてもよい。他の好適な選択肢によれば、吸気部１０３および排気部１０５は、互いに軸方向に重なるように位置決めされていてもよい。冷媒流路１０１の吸気部１０３および排気部１０５はともに、エーロフォイル１１３の前縁１１４と後縁１１５との間に規定された軸方向範囲を完全に含む軸方向範囲を規定するように構成されていてもよい。
【００８６】
さらに、図１９および図２０に示すように、冷媒流路１０１の吸気部１０３の上流ポートは、環壁１０９の対応する部分を通して形成されることにより、燃焼器給気の一部の吸気部１０３への進入を可能とする開口を具備していてもよい。これらの開口は、環壁１０９を通して形成されたインピンジメントポート４１として構成されていてもよい。このため、好適な実施形態によれば、冷媒流路１０１の吸気部１０３の上流ポートは、環壁１０９を通して形成された複数のインピンジメントポート４１を具備していてもよい。以下に詳しく論じる通り、開口またはインピンジメントポート４１の使用によって、段階的噴射器５１への空気流を測定するとともに、システムの構成要素を冷却するようにしてもよい。また、以下に示すように、表面ポートおよび接続チャネルが備えられていてもよい。また、図示のように、このようなインピンジメントポート４１は、冷媒流路１０１の排気部１０５から除外されている。最後に、当然のことながら、図１８および図１９の例の段階的噴射システムは、段階的噴射器５１の数、種類、構成、位置等のほか、燃料および空気配向構造の種類に関するもの等、本明細書に記載の別の実施形態および構成要素のいずれかを含んでいてもよい。
【００８７】
ここで図２１および図２２に対して特に注意すべきこととして、静翼１７のエーロフォイル１１３内に十字形構成を生成するように複数の冷媒流路１０１が形成された本発明の実施形態を示している。これらの例においては、当然のことながら、空気配向構造が冷媒流路１０１のうちの少なくとも２つを含んでいてもよく、それぞれが、吸気部１０３、冷却回路１０４、および排気部１０５を有する。説明を目的として、以下に詳しく論じる通り、冷媒流路１０１は、内部環と外部環との間で半径方向かつ反対方向に延びることによりエーロフォイル１１３内で十字に交差するように構成された冷却回路１０４を具備していてもよい。
【００８８】
好適な一実施形態によれば、空気配向構造は、第１の冷媒流路１０１ａおよび第２の冷媒流路１０１ｂを含んでいてもよい。第１の冷媒流路１０１ａは、圧縮器排出空洞４４に流体結合された上流ポートと、エーロフォイル１１３の内部側壁、より一般的には内部流路壁１０８ａを通して形成された下流ポートとを有する吸気部１０３と、段階的噴射器５１に流体結合された下流ポートと、外部側壁、より一般的には外部流路壁１０８ｂを通して形成された上流ポートとを備えた排気部１０５と、静翼１７のエーロフォイル１１３の内部を通って延び、吸気部１０３を排気部１０５に接続する冷却回路１０４とを具備していてもよい。冷却回路１０４は、吸気部１０３を排気部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に準じて選定された所望の経路に沿って、エーロフォイル１１３の内部を通って延びるように構成されていてもよい。したがって、冷却回路１０４は、吸気部１０３の下流ポートに連なる上流端と、排気部１０５の上流ポートに連なる下流端とを具備していてもよい。
【００８９】
図示のように、第２の冷媒流路１０１ｂは、エーロフォイル１１３を反対方向に横切って冷媒を搬送するように構成されていてもよい。このため、第２の冷媒流路１０１ｂは、圧縮器排出空洞４４に流体結合された上流ポートと、エーロフォイル１１３の外部側壁、より一般的には外部流路壁１０８ｂを通して形成された下流ポートとを有する吸気部１０３と、段階的噴射器５１に流体結合された下流ポートと、内部側壁、より一般的には内部流路壁１０８ａを通して形成された上流ポートとを備えた排気部１０５と、静翼１７のエーロフォイル１１３の内部を通って延び、吸気部１０３を排気部１０５に接続する冷却回路１０４とを具備していてもよい。冷却回路１０４は、吸気部１０３を排気部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に準じて選定された所望の経路に沿って、エーロフォイル１１３の内部を通って延びるように構成されていてもよい。したがって、冷却回路１０４は、吸気部１０３の下流ポートに連なる上流端と、排気部１０５の上流ポートに連なる下流端とを具備していてもよい。
【００９０】
図示のように、第１および第２の流れ環２６ａ、２６ｂにはそれぞれ、軸方向隔壁１１１が備えられていてもよい。当然のことながら、第１の冷媒流路１０１ａの吸気部１０３および第２の冷媒流路１０１ｂの排気部１０５は、内部に位置決めされた軸方向隔壁１１１の両側に存在する流れ環２６の隣接する軸方向部として構成されていてもよい。好適な実施形態によれば、軸方向隔壁１１１は、隣接する軸方向部それぞれを他方に対して流体封止するように構成されている。同様に、第２の冷媒流路１０１ｂの吸気部１０３および第１の冷媒流路１０１ａの排気部１０５は、内部に位置決めされた軸方向隔壁１１１の両側に存在する流れ環２６の隣接する軸方向部として形成されていてもよい。また、軸方向隔壁１１１は、隣接する軸方向部それぞれを他方に対して流体封止するように構成されていてもよい。この構成を前提として、第１および第２の冷媒流路１０１ａ、１０１ｂの吸気部１０３は、軸方向隔壁１１１の後方側に存在するものとして説明する場合がある。一方、第１および第２の冷媒流路１０１ａ、１０１ｂの排気部１０５は、軸方向隔壁１１１の前方側に存在するものとして説明する場合がある。他の構成も可能であるが、軸方向隔壁１１１は、静翼１７の前縁１１４と後縁１１５との間に規定された軸方向範囲内に位置決めされていてもよい。当然のことながら、上記構成の結果として、第１の冷媒流路１０１ａの吸気部１０３の下流ポートおよび第２の冷媒流路１０１ｂの排気部１０５の上流ポートはそれぞれ、内部側壁（より一般的には、内部流路壁１０８ａ）を通して形成される。一方、第２の冷媒流路１０１ｂの吸気部１０３の下流ポートおよび第１の冷媒流路１０１ａの排気部１０５の上流ポートはそれぞれ、外部側壁（より一般的には、外部流路壁１０８ｂ）を通して形成される。
【００９１】
第１の冷媒流路１０１ａおよび第２の冷媒流路１０１ｂの吸気部１０３の上流ポートは、環壁１０９の対応する部分を通して形成されることにより、燃焼器給気の一部の吸気部１０３への進入を可能とする開口を具備していてもよい。図示のように、これらの開口は、環壁１０９を通して形成されたインピンジメントポート４１として構成されていてもよい。このため、好適な実施形態によれば、第１および第２の冷媒流路１０１ａ、１０１ｂの吸気部１０３の上流ポートは、それぞれ内部および外部環壁１０９ａ、１０９ｂを通して形成された複数のインピンジメントポート４１を具備していてもよい。当然のことながら、このようなインピンジメントポート４１は、圧縮器排出空洞４４からの空気流を制限するとともに、得られる空気ジェットを内部および外部流路壁１０８ａ、１０８ｂの低温面に対して適合させることにより、動作時に能動的に冷却するように構成されていてもよい。当然のことながら、上流ポートの開口は、１つまたは複数の段階的噴射器５１へと配向された燃焼器給気の部分を測定するように構成されていてもよい。この分配は、前方噴射器２１へと別途配向された燃焼器給気の残りの部分に対してなされるようになっていてもよい。特定の実施形態によれば、この燃焼器給気の測定では、給気の少なくとも２０％を段階的噴射器５１に配向する。他の好適な実施形態によれば、燃焼器給気の少なくとも４０％が段階的噴射器５１に配向される。
【００９２】
別の実施形態によれば、図２１に示すように、静翼１７のエーロフォイル１１３の外面を通して、１つまたは複数の表面ポート１１８が形成されていてもよい。このような場合は、冷却回路１０４から分岐し、表面ポートをそれらの１つに流体結合する接続チャネル１１９が設けられていてもよい。当然のことながら、これにより、エーロフォイル１１３を表面冷却（すなわち、フィルム冷却）するとともに、接続チャネル１１９を介して対流冷却するようにしてもよく、これは、冷却回路１０４が網羅していないエーロフォイル１１３の内部領域を通って延びるように構成されていてもよい。
【００９３】
好適な実施形態によれば、インピンジメントポート４１は、冷媒流路１０１の排気部１０５に含まれていない。具体的に、環壁１０９は、冷媒流路１０１の排気部１０５をその外部の任意の流れ（たとえば、圧縮器排出空洞４４内の圧縮空気の流れ）から流体的に遮断または隔離するように構成されていてもよい。当然のことながら、これにより、排気部１０５への給気はまず、冷媒流路１０１ａ、１０１ｂの吸気部１０３および冷却回路１０４を通るように強制されてもよい。したがって、第１の冷媒流路１０１ａの排気部１０５に対応する外部環壁１０９ｂは、内部を移動する流れを圧縮器排出空洞４４の流れから流体隔離する分離構造（すなわち、中実壁として構成）を具備していてもよい。同様に、第２の冷媒流路１０１ｂの排気部１０５に対応する内部環壁１０９ａは、内部を移動する流れを圧縮器排出空洞４４の流れから流体隔離する分離構造を具備していてもよい。
【００９４】
図２２に示すように、段階的噴射システム５０は、２つ以上の段階的噴射器５１を具備していてもよい。これら複数の段階的噴射器５１は、燃焼器１３中に位置付けられていてもよいし、図示のように、タービン１２中に存在する第１および第２の段階的噴射器５１を含んでいてもよい。後者の場合、第１の段階的噴射器５１は、外部流路壁１０８ｂを通して形成され、第１の冷媒流路１０１ａを介して給気される。一方、第２の段階的噴射器５１は、内部流路壁１０８ａを通して形成され、第２の冷媒流路１０１ｂを介して給気される。例示的な実施形態によれば、段階的噴射器５１は、流れ環２６を通過または横断する延伸すなわち流れ環壁１０９と流路壁１０８との間での延伸によるノズル５３を具備していてもよい。このような場合、第１の冷媒流路１０１ａの排気部１０５の下流ポートは、第１の段階的噴射器５１のノズル５３に開口を具備していてもよい。一方、第２の冷媒流路１０１ｂの排気部１０５の下流ポートは、第２の段階的噴射器５１のノズル５３に開口を具備していてもよい。
【００９５】
再度、図１６〜図２２を大まかに参照して、段階的噴射器５１は、本明細書に記載の機能に適した任意の種類の従来の燃料／空気噴射器を含んでいてもよい。特定の好適な実施形態によれば、段階的噴射器５１は、流れ環２６の外部に存在する混合チャンバ６２を具備したものであってもよい。この種の噴射器の一例を図１２に示している。あるいは、段階的噴射器５１は、図１３に示すように、埋没型の噴射器であってもよい。この場合、ノズル５３は、流路壁１０８から作動流体流路３７中に突出している。他の実施形態によれば、段階的噴射器５１は、流路壁１０８の高温面と同一平面に存在する噴射ポート６１を有するノズル５３を具備していてもよい。この種の噴射器の一例を図１１に示している。より一般的に、段階的噴射器５１は、複数の燃料ポート５６を含むノズル５３を具備していてもよい。また、燃焼器１３の前端近くに位置決めされた燃料源に対して燃料ポート５６を接続する燃料通路５２が備えられていてもよい。上述の通り、燃料通路５２は、流路壁１０８の内部を通って軸方向に延びていてもよい。また、図２０に示すように、燃料通路５２は、流路壁１０８の外側に形成されていてもよい。
【００９６】
本実施形態の段階的噴射器５１は、作動流体流路３７内のある範囲の位置に沿って位置決めされていてもよい。これらの位置には、図２〜図１５に関するもの等、本明細書に記載の位置のいずれかを含んでいてもよい。特定の好適な実施形態によれば、段階的噴射器５１は、静翼１７に対して所定の距離だけ軸方向前方に離隔していてもよい。段階的噴射器５１が静翼１７に対して前方に離隔した所定の距離は、段階的噴射器５１により噴射された燃料が予想動作条件において静翼１７に到達するまでに作動流体流路３７に存在するのが好ましい最小時間に関する存在基準に基づいていてもよい。段階的噴射器５１は、タービン１２内に存在する場合、静翼１７の内部側壁および外部側壁の一方または両方を通して形成されていてもよい。当然のことながら、このような場合、内部側壁および外部側壁は、エーロフォイル１１３と一体的に形成された構成要素であってもよい。静翼１７に対して段階的噴射器５１の必要な前方間隔を確保するため、噴射器が形成される側壁は、前方に伸長していてもよい。特定の実施形態によれば、静翼１７の伸長側壁は、燃焼器１３とタービン１２との接合部分まで延びていてもよい。また、図２０に示すように、段階的噴射器５１は、後方フレーム２０に組み込まれていてもよい。段階的噴射器５１が燃焼器１３内に位置決めされている場合、特定の好適な実施形態では、中間基準面と後方基準面との略中間にこれを位置付ける。
【００９７】
当然のことながら、本実施形態の有利な一態様において、最前列の静翼１７を冷却するのに必要な空気流の大部分はもはや、燃焼を迂回しない。この空気流は、通常は相当な量であるが、通例、静翼１７を通って循環した後、作動流体流路３７を通る高温ガス流中に放出されることによって、これを希釈する。これは、エンジンの性能に悪影響を及ぼす。当然のことながら、段階的噴射器５１への入力として使用することにより、この空気流を削減または置換できれば、ガスタービン１０は、ＮＯｘの生成がより少ない低温で燃焼器１３を動作可能としつつ、出力および効率を維持することができる。さらに、同じ負荷レベルで、エンジンをより低温で大略動作させることができるため、安価な材料を用いてエンジンを構成可能である。また、当然のことながら、図１６〜図２２と関連付けられたシステムでは、システムの全体的な圧力損失の低減について、図７〜図１５の実施形態に関して上述したのと同じ利点が得られる。
【００９８】
当業者には当然のことながら、複数の例示的な実施形態に関して上述した多くのさまざまな特徴および構成をさらに選択的に適用することによって、本発明のその他の考え得る実施形態を構成可能である。簡素化とともに当業者の能力を考慮して、考え得る繰り返しについては、一切提供も詳述もしないが、以下の複数の請求項に、またはその他の様式で含まれるすべての組み合わせおよび考え得る実施形態は、本願の一部をなすものである。また、本発明の複数の例示的な実施形態に関する上記説明から、当業者であれば、改善、変更、および改良が認識されよう。また、このような当業範囲内での改善、変更、および改良は、添付の特許請求の範囲に含まれるものである。さらに、以上は、本願の上記実施形態のみに関しており、本明細書においては、以下の特許請求の範囲およびその均等物により規定された本願の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更および改良が可能であることが明らかなものとする。
【符号の説明】
【００９９】
１０  ガスタービン
１１  圧縮器
１２  タービン
１３  燃焼器
１４  圧縮器動翼列（動翼）
１５  圧縮器静翼列（静翼）
１６  タービン動翼
１７  タービン静翼
１８  中心軸
１９  ヘッドエンド
２０  後方フレーム
２１  前方噴射器
２２  燃料経路
２３  ノズル
２４  内側半径方向壁
２５  外側半径方向壁
２６  流れ環
２６ａ  内部流れ環
２６ｂ  外部流れ環
２７  エンドカバー
２８  前方チャンバ
２９  後方チャンバ
３０  キャップアセンブリ
３１  燃焼器ケーシング
３２  ライナ
３３  ライナスリーブ
３４  遷移要素
３５  遷移スリーブ
３７  作動流体流路
４１  インピンジメントポート
４２  開口
４３  圧縮器排出ケーシング
４４  圧縮器排出空洞
４５  キャップ入口
５０  段階的噴射システム
５１  段階的噴射器
５２  燃料通路
５３  ノズル
５４  外部ポート
５５  ポート
５６  燃料ポート
５７  中心軸
５８  噴射基準面
６１  噴射ポート
６２  混合チャンバ
６３  シールド壁
６７  前方基準面
６８  中間基準面
６９  後方基準面
７０  上流燃焼帯
７１  下流燃焼帯
７２  タービン燃焼帯
７５  バルブ
８１  タービュレータ
８２  溝
８３  マイクロチャネル
８５  軸方向隔壁
８６  第３の半径方向壁
８７  外側流れ環
８８  スイッチバック冷媒流路
９１  上流部
９２  下流部
９３  前方ポート
９４  後方ポート
１０１  冷媒流路
１０１ａ  第１の冷媒流路
１０１ｂ  第２の冷媒流路
１０３  吸気部
１０４  冷却回路
１０５  排気部
１０８  流路壁
１０８ａ  内部流路壁
１０８ｂ  外部流路壁
１０９  環壁
１０９ａ  内部環壁
１０９ｂ  外部環壁
１１１  軸方向隔壁
１１３  エーロフォイル
１１４  前縁
１１５  後縁
１１７  側壁
１１８  表面ポート
１１９  接続チャネル
【図１】
2017122567.tif 000003
【図２】
2017122567.tif 000004
【図３】
2017122567.tif 000005
【図４】
2017122567.tif 000006
【図５】
2017122567.tif 000007
【図６】
2017122567.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【外国語明細書】
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