(57)【要約】【課題】効率的なガスタービンを提供する。【解決手段】作動流体流路を画定するタービンに結合された燃焼器と、圧縮機排出キャビティと、前方インジェクタおよび多段インジェクタを含む多段噴射システムと、内側側壁と外側側壁との間の作動流体流路を横切って延在するように配置されたステータブレードと、を含むガスタービン。圧縮機排出キャビティに接続された上流側ポートならびに内側側壁および外側側壁の一方を貫通して形成された下流側ポートを含む取り入れ部と、多段インジェクタに接続された下流側ポートならびに内側側壁および外側側壁の他方を貫通して形成された上流側ポートを含む取り出し部と、ステータブレードの翼形部の内部を貫通して延在し、かつ取り入れ部の下流側ポートおよび取り出し部の上流側ポートに接続する冷却回路と、を含む一方向の連続した冷媒流路。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１０）であって、
タービン（１２）に結合され、共に作動流体流路（３７）を画定する燃焼器（１３）であって、前記作動流体流路（３７）は、前記燃焼器の前方インジェクタ（２１）により画定される前端部から、前記燃焼器が前記タービン（１２）に接続される界面を通り、次に前記タービン（１２）を通って前記タービン（１２）に画定された後端部まで、長手軸に沿って後方に延在する、燃焼器と、
圧縮機（１１）により供給される燃焼器の空気供給を受け取るための、前記作動流体流路（３７）の周りに形成された圧縮機排出キャビティ（４４）と、
前記前方インジェクタ（２１）、および前記作動流体流路（３７）の前記長手軸に沿って前記前方インジェクタ（２１）から後方に軸方向に離間して配置された多段インジェクタ（５１）を含む多段噴射システム（５０）と、
前記タービン（１２）内で円周方向に離間して配置されたステータブレード列内に配置されたステータブレード（１７）であって、内側側壁と外側側壁との間の前記作動流体流路（３７）を横切って延在する翼形部（１１３）を含むステータブレード（１７）と、
燃焼器の燃料供給を前記前方インジェクタ（２１）と前記多段インジェクタ（５１）とに配分するように構成された燃料誘導構造体と、
前記燃焼器の空気供給を前記前方インジェクタ（２１）と前記多段インジェクタ（５１）とに配分するための空気誘導構造体と、を含み、
前記空気誘導構造体は、一方向の連続した冷媒流路（１０１）を含み、前記冷媒流路（１０１）は、
前記圧縮機排出キャビティ（４４）に流体結合された上流側ポートと、前記内側側壁および前記外側側壁の一方を貫通して形成された下流側ポートと、を含む取り入れ部（１０３）と、
前記多段インジェクタ（５１）に流体結合された下流側ポートと、前記内側側壁および前記外側側壁のうちの、前記取り入れ部（１０３）の前記下流側ポートが貫通して形成された側壁と反対側の側壁を貫通して形成された上流側ポートと、を含む取り出し部（１０５）と、
前記ステータブレード（１７）の前記翼形部（１１３）の内部を貫通して延在する冷却回路（１０４）と、を含み、前記冷却回路（１０４）は、前記取り入れ部（１０３）の前記下流側ポートに接続された上流側端部と、前記取り出し部（１０５）の前記上流側ポートに接続された下流側端部と、を含む、ガスタービン（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン（１０）であって、前記作動流体流路（３７）を囲む流れアニュラス（２６）をさらに含み、
前記ステータブレード（１７）列は、前記タービン（１２）のステータブレードの最前列を含み、
前記冷媒流路（１０１）の前記取り入れ部（１０３）および前記取り出し部（１０５）は、前記内側側壁および前記外側側壁の各側面に存在する前記流れアニュラス（２６）の軸方向部分を含む、ガスタービン（１０）。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービン（１０）であって、
前記冷媒流路（１０１）の前記取り入れ部（１０３）および前記取り出し部（１０５）は、各々が前記ステータブレード（１７）の前縁（１１４）と後縁（１１５）との間に画定された軸方向範囲を軸方向に重ね合わせるように配置され、
前記取り入れ部（１０３）の前記下流側ポートは、前記外側側壁を貫通して形成され、前記取り出し部（１０５）の前記上流側ポートは、前記内側側壁を貫通して形成される、ガスタービン（１０）。
【請求項４】
請求項２に記載のガスタービン（１０）であって、
前記冷媒流路（１０１）の前記取り入れ部（１０３）および前記取り出し部（１０５）は、各々が前記ステータブレード（１７）の前縁（１１４）と後縁（１１５）との間に画定された軸方向範囲を軸方向に重ね合わせるように配置され、
前記取り入れ部（１０３）の前記下流側ポートは、前記内側側壁を貫通して形成され、前記取り出し部（１０５）の前記上流側ポートは、前記外側側壁を貫通して形成される、ガスタービン（１０）。
【請求項５】
請求項２に記載のガスタービン（１０）であって、前記多段インジェクタ（５１）は、前記作動流体流路（３７）内の噴射点に到達するように前記流れアニュラス（２６）と交差し、
前記噴射点の軸方向の位置に対して、前方アニュラス部分が前記噴射点の前方側に画定され、後方アニュラス部分が前記噴射点の後方側に画定される、ガスタービン（１０）。
【請求項６】
請求項５に記載のガスタービン（１０）であって、前記多段インジェクタ（５１）と軸方向に一致するように前記流れアニュラス（２６）内に配置された軸方向パーティション（８５）をさらに含み、
前記軸方向パーティション（８５）は、前記後方アニュラス部分から前記前方アニュラス部分を流体封止するように構成され、
前記前方アニュラス部分に流入する前記燃焼器の空気供給の前記空気の実質的にすべてが、前記前方インジェクタ（２１）に導かれ、
前記後方アニュラス部分に流入する前記燃焼器の空気供給の前記空気の実質的にすべてが、前記多段インジェクタ（５１）に導かれる、ガスタービン（１０）。
【請求項７】
請求項１に記載のガスタービン（１０）であって、前記作動流体流路（３７）を囲む流れアニュラス（２６）をさらに含み、
流路壁（１０８）が前記作動流体流路（３７）を画定し、前記流路壁（１０８）は、前記作動流体流路（３７）に面する高温側面と、前記高温側面の反対側に、流れアニュラス（２６）に面する低温側面と、を有し、
アニュラス壁（１０９）が前記流路壁（１０８）との間に前記流れアニュラス（２６）を形成するように前記流路壁（１０８）を囲み、かつ前記流路壁（１０８）からオフセットされ、前記アニュラス壁（１０９）は、前記流れアニュラス（２６）に面する高温側面と、前記圧縮機排出キャビティ（４４）と流体連通する低温側面と、を有する、ガスタービン（１０）。
【請求項８】
請求項７に記載のガスタービン（１０）であって、前記冷媒流路（１０１）の前記取り入れ部（１０３）の前記上流側ポートは、前記燃焼器の空気供給の一部が前記取り入れ部（１０３）に入ることを可能にするための、前記アニュラス壁（１０９）の対応する部分を貫通して形成された開口部（４２）を含み、
前記開口部は、前記前方インジェクタ（２１）に流れる前記燃焼器の空気供給の残りの部分に対して、前記多段インジェクタ（５１）に流れる前記燃焼器の空気供給の前記一部を調整するように構成される、ガスタービン（１０）。
【請求項９】
請求項８に記載のガスタービン（１０）であって、前記アニュラス壁（１０９）を貫通して形成された前記開口部は、前記流路壁（１０８）の前記低温側面を冷却するように構成されたインピンジメントポート（４１）を含む、ガスタービン（１０）。
【請求項１０】
請求項８に記載のガスタービン（１０）であって、前記燃焼器の空気供給を調整することは、前記燃焼器の空気供給の少なくとも３０％を前記多段インジェクタ（５１）に導くことを含む、ガスタービン（１０）。
【請求項１１】
請求項８に記載のガスタービン（１０）であって、前記燃焼器の空気供給を調整することは、前記燃焼器の空気供給の少なくとも５０％を前記多段インジェクタ（５１）に導くことを含む、ガスタービン（１０）。
【請求項１２】
請求項７に記載のガスタービン（１０）であって、
前記タービン（１２）内において、
前記流路壁（１０８）は、前記作動流体流路（３７）の内側境界を画定する内側流路壁（１０８ａ）と、前記作動流体流路（３７）の外側境界を画定する外側流路壁（１０８ｂ）と、を含み、
前記流れアニュラス（２６）は、内側流れアニュラス（２６ａ）および外側流れアニュラス（２６ｂ）を含み、前記アニュラス壁（１０９）は、内側アニュラス壁（１０９ａ）および外側アニュラス壁（１０９ｂ）を含み、前記内側側壁および前記外側側壁は、それぞれ前記内側流路壁および前記外側流路壁の軸方向部分を含み、
前記内側アニュラス壁は、前記内側流路壁との間に前記内側流れアニュラス（２６ａ）を形成するように前記内側流路壁からオフセットされ、
前記外側アニュラス壁は、前記外側流路壁との間に前記外側流れアニュラス（２６ｂ）を形成するように前記外側流路壁からオフセットされ、
前記燃焼器内において、
前記流路壁（１０８）は、内側半径方向壁（２４）を含み、
前記アニュラス壁（１０９）は、前記内側半径方向壁の周りに形成された外側半径方向壁（２５）を含み、前記内側半径方向壁および前記外側半径方向壁は、前記作動流体流路（３７）の前記長手軸の周りに同心円状に配置される、ガスタービン（１０）。
【請求項１３】
請求項１０に記載のガスタービン（１０）であって、前記取り入れ部（１０３）および前記取り出し部（１０５）は、互いに軸方向に重なり合うように配置され、
前記冷媒流路（１０１）の前記取り入れ部（１０３）および前記取り出し部（１０５）の両方は、前記ステータブレード（１７）の前縁（１１４）と後縁（１１５）との間に画定された軸方向範囲を完全に含む軸方向範囲を画定するように構成される、ガスタービン（１０）。
【請求項１４】
請求項１１に記載のガスタービン（１０）であって、
前記冷媒流路（１０１）の前記取り入れ部（１０３）は、前記内側流れアニュラス（２６ａ）の軸方向部分を含み、
前記冷媒流路（１０１）の前記取り出し部（１０５）は、前記外側流れアニュラス（２６ｂ）の軸方向部分を含む、ガスタービン（１０）。
【請求項１５】
請求項１１に記載のガスタービン（１０）であって、
前記冷媒流路（１０１）の前記取り入れ部（１０３）は、前記外側流れアニュラス（２６ｂ）の軸方向部分を含み、
前記冷媒流路（１０１）の前記取り出し部（１０５）は、前記内側流れアニュラス（２６ａ）の軸方向部分を含む、ガスタービン（１０）。
【請求項１６】
請求項１１に記載のガスタービン（１０）であって、前記多段インジェクタ（５１）は前記燃焼器内に配置され、前記多段インジェクタ（５１）は、前記作動流体流路（３７）内に燃料と空気との混合気を噴射することを可能にするために、前記内側半径方向壁を貫通して形成される、ガスタービン（１０）。
【請求項１７】
請求項１１に記載のガスタービン（１０）であって、前記多段インジェクタ（５１）は前記タービン（１２）内に配置される、ガスタービン（１０）。
【請求項１８】
請求項１１に記載のガスタービン（１０）であって、前記多段インジェクタ（５１）は、前記流れアニュラス壁（１０９）と前記流路壁（１０８）との間の前記流れアニュラスを通って延在するノズル（２３）を含み、前記冷媒流路（１０１）の前記取り出し部（１０５）の前記下流側ポートは、前記ノズル（２３）の開口部を含み、
前記冷媒流路（１０１）の前記取り出し部（１０５）に対応する前記外側アニュラス壁は、前記圧縮機排出キャビティ（４４）の流れからそこを通る流れを流体分離する分離構造体を含む、ガスタービン（１０）。
【請求項１９】
請求項１１に記載のガスタービン（１０）であって、前記多段インジェクタ（５１）はノズル（２３）を含み、
前記燃料誘導構造体は、前記ノズル（２３）内に形成された１つまたは複数の燃料ポート（５６）と、前記１つまたは複数の燃料ポートに接続される前記内側半径方向壁の外側に形成された燃料流路（５２）と、を含む、ガスタービン（１０）。
【請求項２０】
請求項１９に記載のガスタービン（１０）であって、前記ノズル（２３）はチューブを含み、前記１つまたは複数の燃料ポートは、前記チューブの外側端部と内側端部との間に横方向に配置され、
前記燃料流路（５２）は、前記外側半径方向壁の内部を貫通して軸方向に延在し、前記燃料流路（５２）は、前記燃焼器の前記前端部の近くに配置された燃料源と前記１つまたは複数の燃料ポートとの間の接続を含む、ガスタービン（１０）。
【請求項２１】
請求項１１に記載のガスタービン（１０）であって、
前記ステータブレード（１７）の前記翼形部（１１３）の外面を貫通して形成された表面ポート（１１８）と、
前記表面ポートを前記冷媒流路（１０１）に流体結合する前記冷却回路（１０４）から分岐するコネクタチャネル（１１９）と、を含む、ガスタービン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般的には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。より具体的には、限定はしないが、本出願は、そのような燃焼システムにおける空気および燃料の下流側または軸方向の多段噴射に関する新規なシステム、装置、および／または方法、ならびにそれに関連する冷却システムおよび部品について記載する。
【背景技術】
【０００２】
理解されるように、先進的な技術がエンジンのサイズの増大およびより高い動作温度を可能にするにつれて、燃焼またはガスタービンエンジン（「ガスタービン」）の効率は過去数十年にわたって著しく向上した。このような成果を可能にした技術的進歩として、高温ガス経路部品を冷却するための新しい熱伝達技術、ならびにより耐久性の高い新しい材料を挙げることができる。しかし、この期間に、特定の汚染物質の排出レベルを制限する規制基準が立法化された。具体的には、ＮＯｘ、ＣＯ、およびＵＨＣの排出レベルがより厳しく規制されるようになっているが、これらのすべてはエンジンの動作温度および燃焼特性に敏感である。中でも、ＮＯｘの排出レベルはより高いエンジン燃焼温度の増加に特に敏感であり、したがって、この汚染物質は、さらに燃焼温度をどの程度上昇させることができるかの重要な限界となっている。より高い動作温度は一般的にはより効率的なエンジンをもたらすので、このことは効率のさらなる進歩を妨げていた。このように、従来の燃焼システムに付随する性能制限は、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】
許容可能な排出レベルおよび冷却要件も維持しつつ、燃焼システムの出口温度を高くする１つの方法は、燃料および空気の噴射を軸方向に段階的に行うことである。これは、通常、燃焼器を通過する空気量を増加させること、ならびに燃焼器の前端部に配置された主インジェクタに対して下流側に軸方向に離間して配置されたインジェクタにより多くの空気量を導くことを必要とする。理解されるように、このように空気流の量を増加させることにより、ユニットの空気力学的性能がより重要になる。より具体的には、燃焼器を通って移動する圧縮空気の圧力降下を最小にする燃焼器によって、燃焼器を通る流量レベルが増加するにつれてより重要になる性能上の利点および効率を達成することができる。加えて、圧縮機空気の大部分は、タービンロータおよびステータブレードなどの、特にタービンの初期の段の高温ガス経路部品を冷却する際に消費される。
【０００４】
その結果、先進的な燃焼システムの設計の主目標の１つは、燃焼による排出物および空気力学的圧力損失を最小にしつつ、より高い燃焼温度および／またはより効率的な性能を可能にする構成および冷却方法を開発することに関する。理解されるように、このような技術的進歩はエンジン効率レベルの向上をもたらすであろう。
【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】
このように、本出願はガスタービンについて記載し、ガスタービンは、タービンに結合され、共に作動流体流路を画定する燃焼器であって、作動流体流路は、燃焼器の前方インジェクタにより画定される前端部から、燃焼器がタービンに接続される界面を通り、次にタービンを通ってタービンに画定された後端部まで、長手軸に沿って後方に延在する、燃焼器と、圧縮機により供給される燃焼器の空気供給を受け取るための、作動流体流路の周りに形成された圧縮機排出キャビティと、前方インジェクタ、および作動流体流路の長手軸に沿って前方インジェクタから後方に軸方向に離間して配置された多段インジェクタを含む多段噴射システムと、タービン内で円周方向に離間して配置されたステータブレード列内に配置されたステータブレードであって、内側側壁と外側側壁との間の作動流体流路を横切って延在する翼形部を含むステータブレードと、燃焼器の燃料供給を前方インジェクタと多段インジェクタとに配分するように構成された燃料誘導構造体と、燃焼器の空気供給を前方インジェクタと多段インジェクタとに配分するための空気誘導構造体と、を含む。空気誘導構造体は、一方向の連続した冷媒流路を含むことができる。冷媒流路は、圧縮機排出キャビティに流体結合された上流側ポートと、内側側壁および外側側壁の一方を貫通して形成された下流側ポートと、を含む取り入れ部と、多段インジェクタに流体結合された下流側ポートと、内側側壁および外側側壁のうちの、取り入れ部の下流側ポートが貫通して形成された側壁と反対側の側壁を貫通して形成された上流側ポートと、を含む取り出し部と、ステータブレードの翼形部の内部を貫通して延在する冷却回路と、を含み、冷却回路は、取り入れ部の下流側ポートに接続された上流側端部と、取り出し部の上流側ポートに接続された下流側端部と、を含むことができる。
【０００７】
本出願のこれらのおよびその他の特徴は、図面および添付した特許請求の範囲と併せて、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を検討することにより明らかになろう。
【０００８】
本発明のこれらのおよびその他の特徴は、以下の添付の図面と併せて、本発明の例示的な実施形態についての以下のより詳細な説明を慎重に検討することによって、より完全に理解され認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態を用いることができるタイプの例示的なガスタービンの断面概略図である。
【図２】本発明の実施形態を用いることができるタイプの従来の燃焼器および周囲のシステムの断面概略図である。
【図３】図２の燃焼器のヘッドエンド領域の拡大した断面概略図である。
【図４】本発明の実施形態を用いることができるタイプの多段噴射システムを有する従来の燃焼器の断面概略図である。
【図５】本発明の実施形態を用いることができる従来の燃焼器およびタービンの上流段の断面概略図である。
【図６】従来の設計による構成および誘起された空気流を示す燃焼器の簡略断面図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態による構成および誘起された空気流を示す燃焼器の簡略断面図である。
【図８】本発明の代替的な実施形態による構成および誘起された空気流を示す燃焼器の簡略断面図である。
【図９】本発明の代替的な実施形態による構成および誘起された空気流を示す燃焼器の簡略断面図である。
【図１０】本発明の代替的な実施形態による構成および誘起された空気流を示す燃焼器の簡略断面図である。
【図１１】本発明の実施形態による流れアニュラスにおける多段インジェクタおよび熱伝達構造体の例示的な構成の強調した図である。
【図１２】本発明の実施形態による流れアニュラスにおける多段インジェクタおよび熱伝達構造体の代替的な構成の強調した図である。
【図１３】本発明の実施形態による流れアニュラスにおける多段インジェクタおよび熱伝達構造体の代替的な構成の強調した図である。
【図１４】本発明の代替的な実施形態による構成および誘起された空気流を示す燃焼器の簡略断面図である。
【図１５】本発明の代替的な実施形態による構成および誘起された空気流を示す燃焼器の簡略断面図である。
【図１６】本発明の実施形態による冷却および多段噴射構成を示す、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よる代替的な冷却および多段噴射構成を示す、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よる代替的な冷却および多段噴射構成を示す、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よる代替的な冷却および多段噴射構成を示す、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よる代替的な冷却および多段噴射構成を示す、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よる代替的な冷却および多段噴射構成を示す、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よる代替的な冷却および多段噴射構成を示す、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は、以下で記述され、または、記述から明らかになり、または本発明の実施を通して学習することができる。本発明の実施形態を示すために、ここで詳細に参照を行うが、それの１つまたは複数の実施例を添付の図面に示す。詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字の符号を用いる。図面および説明の同様のまたは類似の符号は、本発明の実施形態の同様のまたは類似の部品を指すために用いることができる。理解されるように、各実施例は本発明の説明のために提供するものであって、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲または趣旨を逸脱せずに、修正および変更が本発明において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として図示または記載する特徴は、さらに別の実施形態を与えるために、別の実施形態で用いることができる。したがって、本発明は、添付の請求の範囲およびそれらの等価物の範囲に入るこのような修正および変更を包括することが意図されている。本明細書で述べる範囲および限界は、特に断らない限り、その限界自体を含み、所定の限界内にあるすべての下位範囲を含むことを理解されたい。さらに、特定の用語は、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を説明するために選択されている。可能な範囲で、これらの用語は、当該技術分野に共通する専門用語に基づいて選択されている。それにもかかわらず、そのような用語は、しばしば異なる解釈を受けることが理解されよう。たとえば、本明細書で単一の構成要素として言及され得るものが、他では複数の構成要素から成るものとして言及されることがあり、あるいは、本明細書で複数の構成要素を含むものとして言及され得るものが、他では単一の構成要素として言及されることがある。このように、本発明の範囲を理解する際には、使用される特定の専門用語だけでなく、用語がいくつかの図面に関係するようにして、添付の明細書および文脈、ならびに構成、機能、および／または参照され説明される構成要素の使用についても注意を払うべきであり、そして当然のことながら、添付の特許請求の範囲における専門用語の正確な使用についても注意を払うべきである。さらに、以下の実施例は、ガスタービンまたはタービンエンジンの特定のタイプに関連して提示されているが、本発明の技術は、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば理解するように、他のタイプのタービンエンジンにも適用可能である。
【００１１】
本明細書中に含まれるタービンエンジンおよび／またはいくつかのサブシステムもしくは部品の機能を説明するために、いくつかの記述上の用語を本出願全体にわたって使用することができ、このセクションの開始時にこれらの用語を定義することが有益であると分かる。したがって、これらの用語およびそれらの定義は、特に断らない限り、以下の通りである。「前方の」および「後方の」という用語は、さらなる特定性はなく、ガスタービンの向きに対する方向を示す。したがって、「前方の」はエンジンの圧縮機端部を示し、「後方の」はエンジンのタービン端部に向かう方向を示す。これらの用語の各々は、このように、機械またはその中の部品の長手方向の中心軸に沿った動きまたは相対位置を示すために用いることができる。「下流側」および「上流側」という用語は、特定の導管を通って移動する流れの全体的な方向に対するその導管内の位置を示すために用いられる。理解されるように、これらの用語は、通常動作時における特定の導管を通るように予想される流れの方向に対する方向を参照し、それは当業者には明らかである。すなわち、「下流側」という用語は流体が特定の導管を通って流れる方向を示し、「上流側」とはその反対側を示す。このように、たとえばガスタービンを通る作動流体の主要な流れは、圧縮機を通って移動する空気として開始され、次に燃焼器内の燃焼ガスとなり、さらに先へ進むが、圧縮機の上流側または前端部に向かって上流側位置で始まり、タービンの下流側または後端部に向かって下流側位置で終端するように説明することができる。
【００１２】
一般的なタイプの燃焼器内の流れの方向を説明するために、以下に詳述するように、圧縮機の排出空気は、通常、燃焼器の後端部に向かって集中するインピンジメントポートを通って燃焼器に入る（燃焼器の長手方向の中心軸、および前方／後方の区別を規定する上記の圧縮機／タービンの配置に対して）ことが理解されよう。燃焼器では、圧縮空気は、燃焼器の前端部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り導かれ、空気流が内部チャンバに入り、流れの方向を逆にして、燃焼器の後端部に向かって進む。さらに別の文脈では、冷却チャネルまたは流路を通る冷媒の流れを同様に扱うことができる。
【００１３】
さらに、中央共通軸の周りの圧縮機およびタービンの構成、ならびに多くの燃焼器タイプに典型的な中心軸を中心とする円筒状構成が与えられれば、そのような軸に対する位置を記述する用語を本明細書で使用することができる。これに関連して、「半径方向」という用語は、軸に垂直な動きまたは位置を示すことが理解されよう。これと関連して、中心軸からの相対的な距離を記述することが必要となる場合がある。この場合には、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に近接して存在する場合には、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内側」または「内側」のいずれかにあると記述する。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には、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側」または「外側」のいずれかにあると本明細書に記述する。さらに、理解されるように、「軸方向」という用語は軸に平行な動きまたは位置を示し、「円周方向」という用語は軸の周りの動きまたは位置を示す。述べたように、これらの用語は、エンジンの圧縮機およびタービン部を貫通して延在す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、適切であり得るエンジンの他の部品またはサブシステムに関しても用いることができる。最後に、「ロータブレード」という用語は、さらなる特定性はなく、圧縮機またはタービンのいずれかの回転するブレードを意味し、圧縮機ロータブレードおよびタービン・ロータ・ブレードの両方を含む。「ステータブレード」という用語は、さらなる特定性はなく、圧縮機またはタービンのいずれかの固定されたブレードを意味し、圧縮機ステータブレードおよびタービン・ステータ・ブレードの両方を含む。「ブレード」という用語は、本明細書では両方のタイプのブレードを指すために使用される。このように、さらなる特定性はなく、「ブレード」という用語は、すべてのタイプのタービン・エンジン・ブレードを含み、圧縮機ロータブレード、圧縮機ステータブレード、タービン・ロータ・ブレード、およびタービン・ステータ・ブレードを含む。
【００１４】
背景として、ここで図面を参照すると、図１は、本出願の実施形態を用いることができる例示的なガスタービン１０を示す。当業者であれば理解するように、本発明はこの特定のタイプのタービンエンジンでの使用に限定されるものではなく、特に断らない限り、提供された実施例はそのように限定されるものではない。一般に、ガスタービンは、圧縮空気の流れの中で燃料を燃焼させることにより生成される高温ガスの加圧された流れからエネルギーを抽出することによって動作する。図示するように、ガスタービン１０は、共通シャフトまたはロータを介して下流側のタービン部またはタービン１２と機械的に結合された軸流圧縮機１１を含むことができ、両者の間には燃焼器１３が配置されている。図示するように、ガスタービン１０の共通シャフトは、圧縮機１１およびタービン１２を貫通して延在する中心軸１８を形成する。
【００１５】
圧縮機１１は複数の段を含むことができ、各段は圧縮機ロータブレード１４の列と、その後に続く圧縮機ステータブレード１５の列と、を含むことができる。このように、第１段は、中心軸１８の周りに回転する圧縮機ロータブレード１４の列と、その後に続く動作中に静止している圧縮機ステータブレード１５の列と、を含むことができる。タービン１２もまた、複数の段を含むことができる。図示する例示的なタービン１２の場合には、第１段は、動作中に静止しているノズルまたはタービン・ステータ・ブレード１７の列と、その後に続く動作中に中心軸１８を中心として回転するタービンバケットまたはロータブレード１６の列と、を含むことができる。理解されるように、列のうちの１つのタービン・ステータ・ブレード１７は、一般に、互いに円周方向に離間して配置され、かつ回転軸の周りに固定されている。タービン・ロータ・ブレード１６は、中心軸１８の周りを回転するロータホイールまたはディスク上に取り付けることができる。タービン・ステータ・ブレード１７およびタービン・ロータ・ブレード１６は、タービン１２の高温ガス経路内に位置し、それを通って移動する高温ガスと相互作用することが理解されよう。
【００１６】
動作の一例では、軸流圧縮機１１内のロータブレード１４の回転は、空気の流れを圧縮する。燃焼器１３では、圧縮空気流が燃料と混合され点火されると、エネルギーが放出される。この結果生じる燃焼器１３からの高温燃焼ガスの流れは、作動流体と呼ぶことができ、次に、タービン・ロータ・ブレード１６上に導かれ、その流れにより、ロータブレード１６がシャフトを中心に回転する。このようにして、作動流体の流れのエネルギーが回転するブレードの機械的エネルギーに変換され、さらにロータディスクを介したロータブレードとシャフトとの間の接続により、回転するシャフトの機械的エネルギーに変換される。シャフトの機械的エネルギーは、次に圧縮機ロータブレードの回転を駆動するために用いて必要な圧縮空気を供給することができ、また、たとえば、発電用途の場合では電気を発生するための発電機を駆動するために用いることもできる。
【００１７】
図２は、従来の燃焼器１３および周囲の構造の簡略化した断面図を示し、図３は、燃焼器１３の前方部分のより詳細な断面図を示す。理解されるように、燃焼器１３は、燃焼器１３の前端部に配置されたヘッドエンド１９と、燃焼器１３の後端部に配置され、かつ燃焼器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、の間に軸方向に画定され得る。前方インジェクタ２１は、燃焼器１３の前端部に向かって配置することができる。本明細書では、前方インジェクタ２１は、燃焼器１３内で最も前方の燃料および空気インジェクタを指し、それは通常、燃焼器１３の燃焼ゾーン内での燃焼のために燃料と空気とを混合するための主部品として用いられる。前方インジェクタ２１は、燃料ライン２２に接続され、ノズル２３を含むことができる。前方インジェクタ２１のノズル２３は、任意のタイプの従来のノズル、たとえばマイクロ混合ノズル、渦巻きもしくはスウォズル型（ｓｗｏｚｚｌｅ）構成を有するノズル、または本明細書で説明した機能を満たす他のタイプのノズルなどを含むことができる。より具体的には、以下でより詳細に説明するように、ノズル２３は、米国特許第８，０１９，５２３号に記載されているように、多段噴射システムと互換性を有するように構成され、上記特許は参照により全体として本明細書に組み込まれる。図示するように、ヘッドエンド１９は、種々のマニホールド、装置、および／または燃料ライン２２を提供することができ、これらを介して前方インジェクタ２１に燃料を供給することができる。ヘッドエンド１９はまた、図示するように、理解されるように、燃焼器１３内で画定される大きな内部キャビティの前方の軸方向境界を形成する端部カバー２７を含むことができる。
【００１８】
図示するように、燃焼器１３内で画定された内部キャビティは、いくつかのより小さな空間すなわちチャンバに分割することができる。これらのチャンバは、所望の流路に沿って圧縮空気および燃料／空気混合気の流れを導くように構成される空気流または空気の誘導構造体（壁、ポートなど）を含むことができる。以下でより詳細に説明するように、燃焼器１３の内部キャビティは、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、を含むことができる。図示するように、内側半径方向壁２４および外側半径方向壁２５は、流れアニュラス２６がそれらの間に画定されるように構成することができる。さらに図示するように、内側半径方向壁２４内に画定された領域の前端部に、前方チャンバ２８を画定することができ、前方チャンバ２８の後方に、後方チャンバ２９を画定することができる。理解されるように、前方チャンバ２８は、キャップアセンブリ３０と呼ばれる部品の一部である内側半径方向壁２４の部分によって画定される。理解されるように、後方チャンバ２９は、前方インジェクタ２１内でまとめられた燃料および空気の混合気が点火され燃焼する領域を画定することができ、したがって、燃焼ゾーン２９と呼ばれることもある。この構成を考慮すると、前方チャンバ２８および後方チャンバ２９は、これらの構成では軸方向に積み重ねられたものとして説明することができることが理解されよう。理解されるように、特に限定しない限り、本発明の燃焼器１３は、アニュラ型燃焼器またはカニュラ型燃焼器として構成することができる。
【００１９】
キャップアセンブリ３０は、図示するように、端部カバー２７との接続部から後方に延在し、本明細書では燃焼器ケーシング３１と呼ぶことができる外側半径方向壁２５の軸方向部分によって全体的に囲まれ得る。理解されるように、燃焼器ケーシング３１は、キャップアセンブリ３０の外面のすぐ外側に間隔を置いて形成することができる。このようにして、キャップアセンブリ３０および燃焼器ケーシング３１は、それらの間に流れアニュラス２６の軸方向部分を形成することができる。以下でさらに説明するように、流れアニュラス２６のこの部分は、キャップアセンブリ部と呼ぶことができる。理解されるように、キャップアセンブリ３０は、前方インジェクタ２１のノズル２３をさらに収容し、構造的に支持することができ、ノズル２３はキャップアセンブリ３０の後端部にまたはその近くに配置することができる。この構成であれば、キャップアセンブリ３０は、２つのより小さな軸方向に積み重ねられた領域に区分されたものとして説明することができ、これらの第１のものは、図３に矢印で示すように、流れアニュラス２６から圧縮空気の流れを受け入れるように構成された前方領域である。キャップアセンブリ３０内の第２の領域は、ノズル２３が内部に画定されている後方領域である。
【００２０】
前方インジェクタ２１のすぐ下流側にある後方チャンバすなわち燃焼ゾーン２９は、燃焼器のタイプに応じて、ライナ３２と呼ぶことができる内側半径方向壁２４の軸方向部分により円周方向に画定することができる。ライナ３２から、後方チャンバ２９は、トランジションピース３４と呼ぶことができる内側半径方向壁２４の下流側部分を通って後方に延在することができる。理解されるように、内側半径方向壁２４のこの軸方向部分は、燃焼器１３とタービン１２との接続部に向かって高温燃焼ガスの流れを導く。他の構成も可能ではあるが、トランジションピース３４内では、後方チャンバ２９（すなわち、燃焼ゾーン２９）の断面積は、ライナ３２の典型的に円形の形状からトランジションピース３４の出口のより環状の形状に円滑に移行するように構成することができ、環状の形状は所望の方法で高温ガスの流れをタービンブレード上に導くために必要である。理解されるように、ライナ３２およびトランジションピース３４は、機械的な取り付けなどのいくつかの従来の方法により接合された別々に形成された部品として構成することができる。しかし、他の設計によれば、ライナ３２およびトランジションピース３４は、一体化された部品またはユニボディとして形成することができる。したがって、特に断らない限り、内側半径方向壁２４への言及は代替物を包含していると理解されたい。
【００２１】
外側半径方向壁２５は、前述したように、内側半径方向壁２４を取り囲んで、それらの間に流れアニュラス２６を形成することができる。例示的な構成によれば、内側半径方向壁２４のライナ３２部分の周りには、ライナスリーブ３３と呼ぶことができる外側半径方向壁２５の部分が配置される。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は円筒形状であり、同心円状に配置することができる。図示するように、キャップアセンブリ３０と燃焼器ケーシング３１との間に形成される流れアニュラス２６の部分は、ライナ３２とライナスリーブ３３との間に形成される流れアニュラス２６の部分に接続することができ、このようにして、流れアニュラス２６は後方に（すなわち、タービン１２との接続部に向かって）延在する。同様にして、図示するように、内側半径方向壁２４のトランジションピース３４部分の周りには、トランジションスリーブ３５と呼ぶことができる外側半径方向壁２５の部分が配置される。図示するように、トランジションスリーブ３５は、流れアニュラス２６が後方に延在するように、トランジションピース３４を囲むように構成される。理解されるように、ライナ３２／ライナスリーブ３３およびトランジションピース３４／トランジションスリーブ３５アセンブリによって画定される流れアニュラス２６の各部分は、燃焼ゾーン２９を取り囲む。したがって、流れアニュラスのこれらの部分を総称して燃焼ゾーン部分と呼ぶことができる。
【００２２】
提示する実施例によれば、流れアニュラス２６は、ヘッドエンド１９の端部カバー２７において画定される前端部と、後方フレーム２０の近傍の後端部と、の間に軸方向に延在することが理解されよう。より具体的には、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、およびトランジションピース３４／トランジションスリーブ３５のペアの各々によって画定することができる）は、流れアニュラス２６が燃焼器１３の軸方向長さの大部分にわたって延在するように構成することができることが理解されよう。理解されるように、ライナ３２およびトランジションピース３４と同様に、ライナスリーブ３３およびトランジションスリーブ３５は、機械的な取り付けなどのいくつかの従来の方法により接続された別々に形成された部品を含むことができる。しかし、他の設計によれば、ライナスリーブ３３およびトランジションスリーブ３５は、一体化された部品またはユニボディとして共に形成することができる。したがって、特に断らない限り、外側半径方向壁２５への言及は代替物を包含していると理解されたい。
【００２３】
ライナスリーブ３３および／またはトランジションスリーブ３５は、燃焼器１３の外部の圧縮空気が流れアニュラス２６に入ることを可能にする複数のインピンジメントポート４１を含むことができる。図２に示すように、圧縮機排出ケーシング４３は、燃焼器１３の周りの圧縮機排出キャビティ４４を画定することができることが理解されよう。従来の設計によれば、圧縮機排出キャビティ４４は、圧縮空気がインピンジメントポート４１を通って流れアニュラス２６に入るように、圧縮機１１からの圧縮空気の供給を受け取るように構成することができる。理解されるように、インピンジメントポート４１は、空気の高速の噴流が生成されるように、燃焼器１３に入る空気流に衝突するように構成することができる。これらの空気の噴流は、内側半径方向壁２４の外面（これは、上述のように、ライナ３２およびトランジションピース３４、あるいは一体化されたユニボディを含むことができる）に向けることができ、動作時に内側半径方向壁２４を対流冷却することができる。従来の設計によれば、流れアニュラス２６内では、圧縮空気は、通常、燃焼器１３の前端部に向かって導かれ、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を経由して、空気流がキャップアセンブリ３０の前方領域に入る。キャップアセンブリ３０内では、次に、圧縮空気を前方インジェクタ２１のノズル２３に導くことができ、前述のように、燃焼ゾーン内で燃焼させるために燃料と混合される。
【００２４】
図４は、燃焼ゾーン２９内に燃料および／または空気の後方もしくは下流側噴射を可能にする多段噴射システム５０を有する燃焼器１３を示す。このような燃料および空気噴射システムは、一般に、補助噴射システム、遅延希薄噴射システム、および軸方向多段噴射システムなどと呼ばれていることが理解されよう。本明細書で使用されるように、燃料および空気インジェクタ、噴射システム、および／またはそれらに関連する部品のこれらのタイプの態様は、一般的に、限定せずに（本明細書で提供されるものを除いて）、「多段噴射システム」と呼ばれる。図４の多段噴射システム５０は、例示的な従来の設計と矛盾しないものであり、このような目的のためにのみ提供されていることがさらに理解されよう。
【００２５】
理解されるように、多段噴射システムは、排出物の低減を含むいくつかの理由により、ガスタービンの燃焼器のために開発された。ガスタービンの排出レベルは、多くの基準に依存しているが、重要なものは燃焼ゾーン内の反応物の温度に関するものであって、他のものよりもＮＯｘなどの特定の排出レベルに影響を及ぼすことが示されている。燃焼ゾーン内の反応物の温度は、燃焼器の出口温度に比例的に関係しており、それは、このようなブレイトンサイクル型エンジンでは、より大きな圧力比および改良された効率レベルに対応することが理解されるであろう。ＮＯｘの排出レベルは、反応物の温度に強く直接的に関係していることが分かっているので、最新のガスタービンは、先進的な燃料ノズル設計および予備混合などの技術的進歩のみによって、燃焼温度を高めつつ、許容可能なＮＯｘ排出レベルを維持することができる。これらの進歩に続いて、下流側または多段噴射が開発されて燃焼温度をさらに高めることを可能にし、燃焼ゾーン内におけるより高温の反応物のより短い滞留時間がＮＯｘレベルを低下することが見出された。
【００２６】
動作時には、理解されるように、通常、このような多段噴射システムは、通常、燃焼器の前端部における主要な噴射点であるところの下流側で燃焼器の空気および燃料供給全体の一部を導入する。インジェクタをこのような下流側に配置することで、燃焼反応物が燃焼器内の火炎ゾーンのより高い温度に留まる時間が短くなることが理解されよう。すなわち、反応物が火炎ゾーンから出る前に移動する距離を短縮することにより、それらの反応物が燃焼器内の最も高い温度内に存在する時間が短くなり、ＮＯｘの形成が低減され、エンジンの全体的なＮＯｘ排出レベルが減少する。これは、たとえば燃料／空気混合または予備混合技術を下流側噴射の低減された反応物滞留時間と結合する先進的な燃焼器設計を可能にし、燃焼温度をさらに高めて、重要なことには、より効率的なエンジンを実現すると共に、許容可能なＮＯｘ排出レベルを維持することができる。理解されるように、どのようにおよびどの程度に下流側噴射を行うことができるかを制限する他の考慮事項がある。たとえば、下流側噴射は、ＣＯおよびＵＨＣの排出レベルを上昇させるおそれがある。すなわち、燃料は、燃焼ゾーンの遠すぎる下流側の位置において多すぎる量の燃料が噴射される場合には、燃料の不完全燃焼またはＣＯの不十分な焼失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特定の排出物に影響を与えるためにどのように用いることができるかについての基本原理は、概ね知ることができるが、より効率的なエンジンを可能にするために、どのようにすればこの戦略を最も良く用いることができるかという設計上の障壁が残っている。しかし、これらの障壁が克服され、下流側または軸方向の多段インジェクタに燃料および空気のより多くのパーセンテージを向けるより多くの機会が実現されているので、燃焼器を通る全体の質量流量を導くためのより効率的な方法によって、燃焼器における全体的な圧力降下を低減すること、ならびに冷却空気の効率および使用を改善することに関連する性能上の利点を可能にすることができる。
【００２７】
１つの例示的な構成では、図４に示すように、多段噴射システム５０は、前方インジェクタ２１、ならびに１つまたは複数の多段インジェクタ５１を含むことができる。本明細書では、多段インジェクタ５１は、前方インジェクタ２１から後方に軸方向に離間して配置されたインジェクタである。例示的な配置によれば、多段インジェクタ５１の各々は、ノズル５３に接続される燃料流路５２を含むことができる。ノズル５３内では、燃料／空気混合気が、燃焼ゾーンの下流側部分に噴射するために生成される。図示するように、燃料流路５２は、燃焼器１３の外側半径方向壁２５内に収容することができるが、燃料供給のための他の装置および方法も可能である。燃料流路５２は、ヘッドエンド１９の近傍にある燃料源への接続部と多段インジェクタ５１のノズル５３との接続部との間でほぼ後方方向に延在することができる。このようなシステム５０の多段インジェクタ５１では他の構成も可能であるが、提示する実施例では、多段インジェクタ５１のうちの複数のものは、燃焼ゾーン２９の周辺部の周りに配置することができる。多段インジェクタ５１の軸方向の配置は、図示するように、ライナ３２／ライナスリーブ３３アセンブリのほぼ後端部であってもよい。多段インジェクタ５１の各々は、ノズル５３を含むことができる。提示する実施例では、ノズル５３は、流れアニュラス２６を横切って延在する、またはそれと交差するチューブとして構成することができる。このチューブは、燃焼ゾーン２９内に噴射するためにそれを通る流れを導くように構成することができる。より具体的には、ノズル５３のチューブの外側端部は、流れアニュラス２６と流体連通して形成された圧縮機排出キャビティおよび／またはポートに開口することができ、それによって、ノズル５３のチューブは加圧空気の流れを受け入れることができる。以下でさらに説明するように、ノズル５３は、チューブ構造の側面を貫通して形成された燃料ポートをさらに含むことができ、燃料ポートは、それを通って移動する加圧空気中に燃料を噴射することができる。このようにして、多段インジェクタ５１の各々は、空気および燃料の供給を共に運び、混合して、得られた混合気を燃焼ゾーン内に噴射するように機能することができる。
【００２８】
図４の実施例にさらに示すように、多段噴射システム５０は、燃焼器１３の後方チャンバ２９の周りに円周方向に離間して配置された多段インジェクタ５１のうちのいくつかを含むことができる。これらのインジェクタ５１は、ライナ３２／ライナスリーブ３３のアセンブリ（または、より一般的には、内側半径方向壁２４／外側半径方向壁２５のアセンブリ）に一体化することができる。多段インジェクタ５１は、燃料／空気混合気が燃焼ゾーンの周りに円周方向に離間して配置されたポイントで噴射されるように配列される。図示するように、多段インジェクタ５１は、同じまたは共通の軸方向位置に配置することができる。すなわち、複数の多段インジェクタ５１は、燃焼器１３の長手軸または中心軸５７に沿ったほぼ同じ軸方向位置の周りに配置することができる。この構成をとると、多段インジェクタ５１は、共通の平面、すなわち、本明細書で参照されるように、図４に示す噴射基準面５８上にあるとして記述することができる。理解されるように、多段インジェクタ５１は、噴射基準面５８が中心軸５７と実質的に垂直になるように整列配置することができる。図示する例示的な構成では、噴射基準面５８は、ライナ３２／ライナスリーブ３３アセンブリの後端部に配置される。
【００２９】
本発明の別の態様によれば、以下でより詳細に説明するように、多段インジェクタ５１の特定の配置が提案される。一般に、多段インジェクタ５１は、作動流体流路に沿って離散的な軸方向位置を有するように、前方インジェクタ２１に対して後方に軸方向に離間して配置することができる。多段インジェクタ５１のこの配置は、流路の中心軸５７に沿って軸方向の範囲内に画定することができる。このような配置は、所望の性能特性に応じて選択することができる。さらに、本明細書で提供するように、多段インジェクタ５１の軸方向の配置は、燃焼器１３の後方チャンバ２９に沿った位置、ならびにタービン１２の前方段内に画定された位置を含むことができる。
【００３０】
ここで図５を参照すると、燃焼器１３およびタービン１２の前方段の断面図が示されており、内部の描画領域を参照して、この図は多段インジェクタ５１および他の関連する部品について説明するための配置用語を定義するために使用する。最初に、燃焼器１３内の軸方向配置を定義するために、燃焼器１３およびタービン１２は、タービン１２の下流側端部を通って燃焼器１３内の前方インジェクタ２１により画定された上流側端部から長手中心軸５７の周りに延在する作動流体流路３７を画定することが理解されよう。したがって、多段インジェクタ５１および他の部品の配置は、作動流体流路３７のこの中心軸５７に沿った位置により定義することができる。
【００３１】
図示するように、作動流体流路３７内の軸方向配置について明確にするために、特定の垂直基準面が図５に規定されている。図示するように、これらの第１のものは、燃焼器１３のヘッドエンド１９の近傍に規定されている前方基準面６７である。具体的には、前方基準面は、燃焼ゾーン２９の前端部、すなわち、内壁２４内に画定された前方チャンバ２８と後方チャンバ２９との境界に配置される。前方基準面６７の配置を説明するための別の方法は、それが近似的には前方インジェクタ２１のノズル２３の下流側端部に、あるいは、作動流体流路３７の前端部に配置されているということである。基準面の第２のものは、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のほぼ軸方向の中点、すなわち、前方インジェクタのノズル２３と、後方フレーム２０とすることができる燃焼器１３の下流側端部と、の間のほぼ中間に位置している。燃焼器１３が前述したライナ３２／トランジションピース３４のアセンブリを含む場合には、燃焼器の中間面６８は、これらのアセンブリが接続される位置の近くにあってもよいことが理解されよう。これらの基準面の最後のものは、後方基準面６９であり、図示するように、燃焼器１３の後端部に規定することができる。理解されるように、後方基準面６９は、燃焼器１３の離れた下流側端部を示し、したがって、提示する実施例のように、後方フレーム２０で規定することができる。加えて、これらの基準面６７、６８、６９により、燃焼器１３およびタービン１２の流路内の特定の領域を指定することができ、それはまた図５に示してある。したがって、上流側燃焼ゾーン７０は、図示するように、前方基準面６７と中間基準面６８との間にあるとして示されている。第２に、下流側燃焼ゾーン７１は、中間基準面６８と後方基準面６９との間にあるとして示されている。最後に、タービン燃焼ゾーン７２は、タービン１２内のブレード１６、１７の第１段を通る端部基準面６９から生じるように指定された領域である。理解されるように、これらのゾーン７０、７１、７２の各々は、図５では固有のクロスハッチパターンによって他と区別して示してある。
【００３２】
例示目的のために、図５は、上述したゾーン７０、７１、７２の各々の多段インジェクタ５１の段の可能な配置をさらに提供する。理解されるように、明確にするために、多段インジェクタ５１は、図４に示す例示的なものに比べて図式的に単純化してある。多段インジェクタ５１のこれらの段の各々は、単独で使用されてもよいし、あるいは他の段の１つまたは両方と協働して使用されてもよいことを理解されたい。図示するように、多段インジェクタ５１の第１段は、上流側燃焼ゾーン７０内に配置された噴射基準面５８の周りに円周方向に離間して配置されて示されている。多段インジェクタ５１の第２段は、下流側燃焼ゾーン７１内に位置する第２の噴射基準面５８の周りに円周方向に離間して配置されて示されている。そして、最後に、多段インジェクタ５１の第３段は、タービン燃焼ゾーン７２内の第３の噴射基準面５８の周りに円周方向に離間して配置されて示されている。したがって、多段インジェクタ５１の１つまたは複数の段は、前方インジェクタ２１の下流側に設けることができる。
【００３３】
上述した位置のいずれかにある多段インジェクタ５１は、従来は、空気、燃料、あるいは空気および燃料の両方を噴射するように構成することができ、噴射基準面５８の周りにインジェクタのアレイが形成されるように各軸方向位置に複数設けることができる。図５では図式的に簡略化しているが、本発明の多段インジェクタ５１は、特に断らない限り、関連技術分野の当業者によって解釈されるように、本明細書に記載された機能に適切な従来のインジェクタの任意のタイプを含むことを理解されたい。たとえば、以下に説明する本発明の実施形態で用いることができる多段インジェクタ５１は、図４に示す例示的なタイプを含むことができる。さらに、多段インジェクタは、米国特許第８，０１９，５２３号および米国特許第７，６０３，８６３号に記載されまたは参照されている任意のインジェクタタイプであってもよく、上記特許の両方は参照により全体として本明細書に組み込まれる。本発明の多段インジェクタ５１は、任意の従来の手段および装置、たとえば、上で参照した米国特許に記載されているもの、ならびに米国特許出願第２０１４／０２６０２６９号に記載されているものなどにより、ステータブレード１７の列のうちの１つに一体化され得るものをさらに含むことができ、上記特許出願もまた参照により全体として本明細書に組み込まれる。これらは、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第２０１４／０２６０２６９号に記載されている燃料／空気インジェクタを含むことができる。
【００３４】
上流側燃焼ゾーン７０または下流側燃焼ゾーン７１のいずれかに配置された多段インジェクタ５１については、各々が内側半径方向壁２４および／または外側半径方向壁２５により構造的に支持されてもよく、場合によっては、燃焼ゾーン７０、７１内に突出してもよく、あるいは図４の実施例と同様に、多段インジェクタ５１は、内側半径方向壁２４に対して同一平面上にある端部を有するノズル５３を含んでもよい。理解されるように、多段インジェクタ５１は、トランジションゾーンを通る支配的な流れの方向に対してほぼ横断する方向に空気および燃料を噴射するように構成することができる。噴射基準面５８の周りに位置する多段インジェクタ５１は、いくつかの数であってもよく、噴射された燃料／空気がより均一に分布するように燃焼ゾーン７０、７１の周りに規則的な間隔で配置することができるが、他の構成も可能である。一例として、多段インジェクタ５１のうちの３〜１０は、噴射基準面５８で用いることができるが、それより多いものまたはより少ないものも用いることができる。以上説明したように、多段噴射システム５０は、多段インジェクタ５１の複数の段、すなわち、軸方向に離間して配置された複数の噴射基準面５８における複数の多段インジェクタ５１を含むことができる。このような場合には、２つの分離した段の間の多段インジェクタ５１は、互いにインラインまたは千鳥状に配置することができ、一方の配置が他方を補足するように構成することができる。
【００３５】
理解されるように、本発明の特定の態様によれば、燃料および空気は、上で参照により組み込まれた特許および特許出願、ならびに米国特許出願第２０１０／０１７０２１９号に記載されているもののいずれかを含む任意の従来の方法により、前方インジェクタ２１および多段インジェクタ５１の各々に制御可能に供給することができ、上記特許出願は参照により全体として本明細書に組み込まれる。定義されたゾーン７０、７１、７２の各段の多段インジェクタ５１のうちの１つ、ならびに前方インジェクタ２１に関して図５に概略的に示すように、多段噴射システム５０は、各々への燃料および／または空気の供給を能動的または受動的に制御するための制御装置および関連する部品を含むことができる。すなわち、本発明の態様は、多段インジェクタ５１および／または前方インジェクタ２１の間の燃焼器１３に供給される全体的な燃料および空気供給を分配または調整するための制御装置、方法、システムおよび構成を含むことができる。多段噴射システム５０に含めることができる前方インジェクタ２１および種々の多段インジェクタ５１は、所望の動作および好ましい空気および燃料分割が実現されるように、いくつかの方法で制御し、構成することができる。図５に概略的に示すように、これは、制御可能なバルブ７５を介して各々に供給される空気および燃料供給を能動的に制御することを含むことができるが、関連する流れを調整するように機能する任意の機械的に作動する装置を使用することもできる。能動的な制御は、コントローラが各バルブと電子的に通信し、制御アルゴリズムに従ってバルブ設定を操作するコンピュータ化された制御システムに、制御可能なバルブ７５を接続することにより達成され得ることが理解されよう。他の可能な実施形態によれば、多段インジェクタ５１の各々ならびに前方インジェクタ２１への空気および燃料供給は、各々に燃料および空気を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により受動的に制御することができる。
【００３６】
多段噴射システム５０に関する制御方式は、種々の多段インジェクタ５１の間の、多段インジェクタ５１の様々な段（存在する場合）の間の、様々な多段インジェクタ５１と前方インジェクタ２１との間の、あるいは各々とすべてとの間の燃料および空気供給を調整することを含むことができる。このように、たとえば、図５の例示的な構成およびそれに示す多段インジェクタ５１の様々な段を参照して、１つの可能な構成によれば、第１の噴射基準面５８の周りに位置する多段インジェクタ５１の第１段は、第２の噴射基準面５８の周りに位置するインジェクタの第２段よりも多くの燃料／空気を噴射するように構成することができ、インジェクタの第２段は、第３の噴射基準面５８の周りに位置するインジェクタの第３段よりも多くの燃料／空気を噴射するように構成することができる。理解されるように、これらの構成は相対的なパーセンテージを用いてより具体的に説明することができる。したがって、たとえば、インジェクタ５１の第１段と第２段と第３段との間の燃料の調整に関する別の可能な構成によれば、制御構成は、多段インジェクタ５１の第２段で噴射される燃料を多段インジェクタ５１の第１段で噴射される燃料の５０％未満に制限することができ、また多段インジェクタ５１の第３段で噴射される燃料をインジェクタの第２段で噴射される燃料の５０％未満に制限することができる。より具体的には、別の例示的な構成によれば、たとえば、インジェクタ５１の第１段、第２段、および第３段は、多段インジェクタ５１の第２段で噴射される燃料を多段インジェクタ５１の第１段で噴射される燃料の１０％〜５０％に制限し、多段インジェクタ５１の第３段で噴射される燃料を多段インジェクタ５１の第１段で噴射される燃料の１０％〜５０％に制限する制御構成を含むことができる。このような制御方式は、上述したように、燃料の全体的な供給が可能性のあるすべての噴射点の間で調整されるように、前方インジェクタ２１を含むことができる。このような場合には、たとえば、例示的な制御構成は、多段噴射システム５０の前方インジェクタ２１ならびに多段インジェクタ５１の第１段、第２段、および第３段が、燃焼器への全燃料供給のうちの以下のパーセンテージが動作中に各々に供給されるように制御可能に構成されることを規定することができる。すなわち、４０％〜８０％が前方インジェクタ２１に供給され、２０％〜４０％が多段インジェクタ５１の第１段に供給され、２％〜１０％が多段インジェクタ５１の第２段に供給され、２％〜１０％が多段インジェクタ５１の第３段に供給される。理解されるように、空気の供給は、各々に対して同様に操作することができる。
【００３７】
図６は、構成によって生じる典型的な空気流パターンを有する、燃焼器１３および多段噴射システム５０の簡略化した表現を含む。明確にするために、多段噴射システム５０は、単一の多段インジェクタ５１を有するものとして示されている。理解されるように、他のそのような多段インジェクタ５１は、燃焼ゾーンの円周部の周りに設けることができる。たとえば、これら他の多段インジェクタ５１は、図示する多段インジェクタ５１を通して画定される噴射基準面５８の周りに配置することができる。図示するように、多段インジェクタ５１は、流れアニュラス２６を横切って延在するノズル５３を含むことができる。ノズル５３は、ノズルと圧縮機排出キャビティ４４とを流体接続する外側ポート５４を介して空気流を受け入れることができ、理解されるように、圧縮機排出キャビティ４４は燃焼器の外側半径方向壁２５を囲むことができる。あるいは（またはそれに加えて）、多段インジェクタ５１のノズル５３は、それを流れアニュラス２６に流体接続するように構成された１つまたは複数の横方向ポートもしくはポート５５を介して空気流を受け入れることができる。ノズル５３は、ノズル５３の内部を通って移動している空気の供給に、燃料流路５２を経由してそれに供給された燃料を噴射するための燃料ポート（図１１〜図１３に示す）をさらに含むことができる。
【００３８】
１つの例示的な構成によれば、多段インジェクタ５１のノズル５３は、燃焼ゾーン２９内に噴射するために流れアニュラス２６を横切るノズル５３内でまとめられた燃料／空気を運ぶ円筒状チューブを含む。このように、ノズル５３は、流れアニュラス２６を横切って燃料／空気混合気を導くための導管を提供し、内側半径方向壁２４により画定された燃焼ゾーン２９を通って移動する高温ガスの流れの中にそれを噴射することができる。他の構成によれば、図１２に示すように、多段インジェクタ５１は、圧縮機排出キャビティ４４からの空気の流入を制御または制限するために、外側ポート５４の周りに配置されたカバーまたはエアシールドを含むことができ、また噴射前に燃料と空気とをまとめて適切に混合することができるより密閉された容積を提供する。このようなエアシールドは、それを囲む圧縮機排出キャビティ４４から多段インジェクタ５１を実質的に分離するように働くことが理解されよう。
【００３９】
図６に含まれる流れ矢印で示すように、動作中には、圧縮機排出キャビティ４４からの空気は、外側半径方向壁２５を貫通して形成されたインピンジメント開口部４１を介して流れアニュラス２６に入ることができる。衝突した空気のこの流れは、内側半径方向壁２４を冷却し、次に燃焼器１３のヘッドエンド１９へ前方方向に導かれ、その地点で方向を反転して、前方インジェクタ２１に向かって流れることができる。多段インジェクタ２１の使用に関する１つの特別な問題は、それらが流れアニュラス２６を通る空気流に及ぼす否定的な影響である。具体的には、多段インジェクタ２１は、通常、必然的に流れアニュラス２６と交差しなければならず、したがって、それを通る流れを妨害または部分的に遮断する、ノズル２３などの構造を含む。理解されるべきであるが、これは圧力損失をもたらし、妨害物の下流側に後流を生じさせる。この後流は、キャップアセンブリ３０内への空気の流れを不均一にすることにより、その空気の流れに有害な影響を及ぼす可能性があり、それによって前方インジェクタ２１のノズル２３内の不良に混合された空気−燃料が生じて、燃焼およびＮＯｘ排出物に悪影響を及ぼすおそれがある。多段インジェクタ５１により形成される後流はまた、多段インジェクタ５１のすぐ下流側の内側半径方向壁２４の冷却に影響を及ぼすことがある。具体的には、後流は、熱伝達率に悪影響を及ぼす空気流の「デッドゾーン（死角）」または渦流を生成する場合がある。さらに、流れアニュラス２６内の冷媒のクロスフローは、ヘッドエンド１９の近くに位置するインピンジメントポート４１を通って到達する新鮮な冷媒の冷却効率に悪影響を及ぼす。具体的には、流れアニュラス２６で生じる使用済み冷媒（すなわち、内側半径方向壁２４から既に熱を吸収した冷媒）のクロスフローは、流入するより新鮮な冷媒を温めるように作用して、その冷却効果を低減させる。クロスフローはまた、それほど急峻ではない角度で内側半径方向壁２４に衝突するように、流入する冷媒を偏向させ、その有効性をさらに低減させる。２つの流れ、すなわち、排出された冷媒のクロスフローと、それに垂直な到着する新鮮な冷媒の流れと、の混合は、空気力学的な混合および運動量移動に関連するさらなるシステム損失を招く。
【００４０】
ここで図７〜図１０を参照すると、本発明の例示的な実施形態による例示的な多段噴射システム５０を有する燃焼器１３を説明するために、概略的な断面図（図６を参照して説明したものと同様）を示す。理解されるように、これらの実施例は、本発明の態様による燃焼器の構成ならびにその構成に関する誘起された空気流パターンを示す。明確にするために、提示する各図面では、多段インジェクタ５１の１つだけを示す。理解されるように、他のそのような多段インジェクタ５１は、燃焼ゾーン２９の円周部の周りに設けることができる。たとえば、これら他の多段インジェクタ５１は、各図面に示した多段インジェクタ５１を通して画定される噴射基準面５８の周りに配置することができる。理解されるべきであるが、これらの他のインジェクタ５１は、存在する場合には、流れアニュラス２６の対応する領域内で同じ図示した流れパターンを誘起するように同様に構成することができる。このようにして、各図面に示す例示的な流れパターンは、流れアニュラス２６の全円周部の周りで誘起され得る。さらに、多段インジェクタ５１は、それ自体が流れアニュラス２６の円周部の周りに延在する環状の多段インジェクタとして構成することができることを理解されたい。これらの代替例のいずれも、後に続く図１１〜図２２の例示的な実施形態についても同様に適用可能であることを理解されたい。
【００４１】
本明細書で用いる「空気流パターン」は、圧縮機排出キャビティ４４に供給される空気の供給がその中に導かれて循環するという態様であることに留意されたい。理解されるように、例示的な空気流パターンは、特定の性能基準および目的を満足するように示してあり、それは、１）各々に供給される燃料の供給を望ましく燃焼させるように、前方インジェクタ２１および多段インジェクタ５１の両方に空気を供給すること、２）表面上もしくは表面を通して十分な空気流を導くことにより燃焼器部品、特に燃焼ゾーンに隣接する、もしくは燃焼ゾーンを画定する部品を冷却すること、ならびに／または３）燃焼器における圧力降下を低減して、エンジン効率を向上させること、を含む。理解されるべきであるが、本明細書に示す空気流パターンは、チャネル、ポート、パーティション、壁、表面特徴、流量コントローラ、バルブ、オリフィス、出口、および／または他のタイプの流れ誘導構造、ならびにこのような特徴の相対的な寸法および位置の構成などの、公知のシステム、方法、および装置により達成される。このような流れ誘導構造は、ここで開示するすべての特徴、ならびに当該技術分野における通常の知識を有する者によって認識される他の従来のタイプを含むことができる。本明細書で使用する「パーティション」という用語は、壁および封止構造の両方ならびに流体シールを含むことを意味する。さらに、特に断らない限り、このようなパーティションは、流路を完全にまたは部分的に封止することができる。
【００４２】
提示する図面に示すように、本発明による多段噴射システム５０は、前方インジェクタ２１、および前方インジェクタ２１から後方に軸方向に離間して配置された多段インジェクタ５１を含むことができる。図６に関連して説明したように、多段インジェクタ５１は、前方インジェクタ２１の下流側の内側半径方向壁２４により画定された燃焼ゾーン２９内の噴射点に到達するように、流れアニュラス２６と交差することができる。説明の目的で、多段インジェクタ５１の噴射点の軸方向位置に対して、後方アニュラス部分を噴射点の後方側に画定することができ、前方アニュラス部分を噴射点の前方側に画定することができる。多段噴射システム５０は、既に説明したように、燃料ライン２２、燃料流路５２、および関連する部品などの燃料誘導構造体を含むことができ、前方インジェクタ２１と多段インジェクタ５１との間で燃焼器の燃料供給を配分するように全体として構成することができる。燃焼器の燃料供給は、本明細書で用いられるように、動作中に燃焼器１３に供給される燃料の総供給として定義することができる。多段噴射システム５０はまた、以下でより詳細に説明するように、空気誘導構造体をさらに含むことができ、それは、本明細書で既に説明した構造のいずれか、ならびに他の任意の従来の装置および部品を含むことができる。空気誘導構造体は、多段噴射システム５０の前方インジェクタ２１と多段インジェクタ５１との間で燃焼器の空気供給を配分するように構成することができる。燃焼器の空気供給は、本明細書で用いられるように、動作中に燃焼器１３に供給される空気の総供給として定義することができる。
【００４３】
空気誘導構造体は、外側半径方向壁２５に沿って、それを貫通して形成された軸方向に画定された取り入れ部を含むことができる。図示するように、これらの取り入れ部は、外側半径方向壁２５を貫通して形成された１つまたは複数のポートまたは開口部を含むことができる。これらのポートおよび開口部は、周囲の圧縮機排出キャビティ４４を流れアニュラス２６の対応する部分に流体接続することができる。理解されるように、後方取り入れ部は、後方アニュラス部分に対応する外側半径方向壁２５を貫通して画定することができ、前方取り入れ部は、前方アニュラス部分に対応する外側半径方向壁２５を貫通して画定することができる。空気流矢印で示すように、空気誘導構造体は、前方方向に後方アニュラス部分を通り、後方取り入れ部を通って流入する空気を導くように構成することができる。このようにして、図７〜図１０に示すように、多段インジェクタ５１の後方に配置されたポートを通って流れアニュラス２６に流入する空気は、多段インジェクタ５１による摂取のために前方方向に流れることができる。さらに図示するように、空気誘導構造体は、後方方向に前方アニュラス部分を通り、前方取り入れ部を通って流入する空気を導くように構成することができる。このようにして、多段インジェクタ５１の前方に配置されたポートを通って流れアニュラス２６に流入した空気は、多段インジェクタ５１による摂取のために後方方向に流れることができる。
【００４４】
図６に関連して定義したように、燃焼器１３を通る作動流体流路３７は、いくつかの基準面を含むことができる。これらは、前方基準面６７、中間基準面６８、および後方基準面６９を含む。これらの各々は、作動流体流路３７と交差し、かつ作動流体流路３７の中心軸５７に対して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、燃焼ゾーン２９の前端部と整列するように配置することができる。中間基準面６８は、燃焼ゾーン２９の軸方向中点と整列するように配置することができる。そして、後方基準面６９は、燃焼ゾーンの後端部と整列するように配置することができる。さらに、噴射基準面５８は、多段インジェクタ５１の位置において作動流体流路３７と交差するものである。噴射基準面５８はまた、作動流体流路３７の中心軸５７に対して実質的に垂直であって、かつ多段インジェクタ５１の噴射点と整列するように配置することができる。噴射基準面５８は、その上に位置する多段インジェクタ５１のうちのいくつかを含むことができ、この場合には、それは共通のインジェクタ基準面５８である。特定の好適な実施形態によれば、前方取り入れ部および後方取り入れ部は、基準面５８、６７、６８、６９に関連して規定することができる。図７に示すように、例示的な実施形態によれば、後方取り入れ部は、ほぼ噴射基準面５８と後方基準面６９との間で規定される軸方向範囲を含むことができ、一方、前方取り入れ部は、ほぼ噴射基準面５８と前方基準面６７との間で規定される軸方向範囲を含むことができる。図８〜図１０に示すように、他の構成もまた可能である。
【００４５】
図７〜図１０に示すように、後方取り入れ部および前方取り入れ部の各々は、離間して配置された複数のインピンジメントポート４１を含むことができる。後方取り入れ部および前方取り入れ部はまた、特定の位置においてより多くの量の空気が流れアニュラス２６に入ることができるように、より大きいポートまたは開口部４２を含むことができる。インピンジメントポート４１の場合では、各々が外側半径方向壁２５を貫通して形成され、内側半径方向壁２４の外面に空気の衝突噴流を導くように構成することができる。このようにして、内側半径方向壁２４の大部分は、多段インジェクタ５１によって取り込まれる空気供給により十分に冷却することができる。特定の好適な実施形態によれば、後方取り入れ部の複数のインピンジメントポート４１は、たとえば、後方基準面６９のすぐ前方に位置する最も後方のインピンジメントポートと、噴射基準面５８のすぐ後方に位置する最も前方のインピンジメントポートと、の間に軸方向に離間して配置することができる。前方取り入れ部の複数のインピンジメントポート４１は、たとえば、噴射基準面５８のすぐ前方に位置する最も後方のインピンジメントポートと、前方基準面６７のすぐ後方に位置する最も前方のインピンジメントポートと、の間に軸方向に離間して配置することができる。他の構成もまた可能である。さらに、後方取り入れ部および前方取り入れ部の各々の複数のインピンジメントポート４１は、１００より大きい数などの多くの数を含んでもよい。これらのインピンジメントポート４１は、円周方向ならびに軸方向に離間して配置することができ、外側半径方向壁２５の円周部全体の周りに延在することができる。また図示するように、より大きなポートまたは開口部４２は、外側半径方向壁２５を貫通して画定することができる。これらは、識別された位置において流れアニュラス２６に入るより大きな空気流を可能にするために使用することができる。このような場合には、理解されるように、これらのより大きな流れは、多段インジェクタ５１からかなり離れて流れアニュラス２６内に運ばれ、最終的な摂取のために大きな流れが多段インジェクタ５１に移動する際に内側半径方向壁２４の外面を対流冷却することを可能にする。インピンジメントポート４１およびより大きな開口部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多段噴射システム５０では、多段インジェクタ５１は、外側半径方向壁２５／内側半径方向壁２４のアセンブリの長さに沿って様々な軸方向位置に配置することができる。すなわち、前方インジェクタ２１に対する多段インジェクタ５１の後方間隔は変化することができる。広い範囲によれば、多段インジェクタ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配置することができる。図７および図８の実施例などの好適な実施形態によれば、多段インジェクタ５１は、中間基準面６８にまたはその近くに、すなわち、前方基準面６７と後方基準面６９との間のほぼ中間に配置することができる。他の好適な実施形態によれば、図７、図８、および図９に示すように、多段インジェクタ５１は前方基準面６７と中間基準面６８との間に配置することができる。これらの特定の実施形態の変形例によれば、多段インジェクタ５１は、前方基準面６７または中間基準面６８のより近くに配置することができる。図９に示すように、それらの特定の構成のうちの１つによれば、多段インジェクタ５１は前方基準面６７のすぐ後方に配置される。それらの構成の別のものによれば、多段インジェクタ５１は、前方基準面６７と中間基準面６８との間のほぼ中間に配置することができる。図１０に示すように、多段インジェクタ５１はまた、中間基準面６８と後方基準面６９との間に配置することができる。この配置はまた、多段インジェクタ５１が中間基準面６８のより近くにある実施例、および多段インジェクタ５１が後方基準面６９のより近くにもしくはそこにある他の実施例などの変形例を含むことができる。図１０の特定の実施形態によれば、多段インジェクタ５１は、中間基準面６８と後方基準面６９との間のほぼ中間に配置することができる。
【００４７】
配置に関わらず、理解されるように、取り入れ部から多段インジェクタ５１への空気流の相対的な方向は、図７〜図１０の実施例の各々において一貫している。加えて、これらの実施形態の各々に関して、多段噴射システム５０は、このような複数の多段インジェクタ５１を含むことができる。このような場合には、既に説明したように、多段インジェクタ５１は、噴射基準面５８が各々に共通するように円周方向に離間して配置することができる。このように、これらの追加の多段インジェクタ５１は、それに対応する後方取り入れ部および前方取り入れ部からの流れをそれぞれ受け入れることができる。多段インジェクタ５１はまた、環状のインジェクタとして構成することができる。
【００４８】
図７〜図１０の各々にさらに示すように、燃焼器１３の空気誘導構造体は、前方インジェクタ２１に対応するヘッドエンド取り入れ部を含むものとしてより具体的に記述することができる。ヘッドエンド取り入れ部は、図示するように、前方取り入れ部の前方に配置することができる。このような場合には、ヘッドエンド取り入れ部は、外側半径方向壁２５を貫通して形成されたより大きいポートまたは開口部４２のうちの１つを含むことができ、それは前方インジェクタ２１に供給するために圧縮機排出キャビティ４４からの空気の十分な吸気を可能にするように構成される。図示するように、この空気は、流れアニュラス２６に入り、それから前方インジェクタ２１向かって前方方向に導くことができる。すなわち、ヘッドエンド取り入れ部は、供給される燃料と共に燃焼させるために、それを通って前方インジェクタ２１に入る空気を導くように構成することができる。
【００４９】
説明目的のために、既に述べたように、内側半径方向壁２４は、前方チャンバ２８が前方インジェクタ２１を収容し、かつ後方チャンバ２９が燃焼ゾーンを画定する、軸方向に積み重ねられたチャンバを含むものとして記述することができる。さらに、多段インジェクタ５１は、外側半径方向壁２５と内側半径方向壁２４との間に延在する構造を含むことができ、これにより、流れアニュラス２６の一部を遮断する。具体的には、この構造は、たとえば、管状ノズル５３とすることができ、流れアニュラス２６の円周方向に画定されたセグメントを遮断するということができる。本発明の実施形態によれば、ノズル５３は、流れアニュラス２６と流体連通するポート５５を含むことができる。これらのポート５５は、たとえば、ノズル５３のチューブを貫通して横方向に形成することができ、流れアニュラス２６を通って多段インジェクタ５１に導かれる空気流を受け入れるように構成することができる。図７および図１０の実施形態に関連して、第１のポート５５が、ノズル５３の後面に配置され、後方アニュラス部分を経由して多段インジェクタに流れる空気を受け取るように構成され得る。さらに、第２のポート５５が、ノズル５３の前面に配置され、前方アニュラス部分を経由して多段インジェクタに流れる空気を受け取るように構成され得る。また上述したように、そして図１１〜図１３に示すように、燃料誘導構造体は、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を含むことができる。燃料ポート５６は、内側半径方向壁２４の外側に形成された燃料流路５２に接続することができる。好適な実施形態によれば、燃料ポート５６は、ノズル５３の外側端部と内側端部との間に横方向に配置することができる。燃料誘導構造体は、図１１〜図１３に示すように、燃料流路５２が外側半径方向壁２５の内部を貫通して軸方向に延在する実施形態をさらに含むことができる。
【００５０】
説明の目的で、上述したように、流れアニュラス２６は、キャップアセンブリ部分および燃焼ゾーン部分を含むものとして記述することができる。具体的には、流れアニュラス２６のキャップアセンブリ部分は、内側半径方向壁２４の前方チャンバ２８の周りにある軸方向部分（すなわち、キャップアセンブリ）を含み、流れアニュラス２６の燃焼ゾーン部分は、内側半径方向壁２４の後方チャンバ２９の周りにある軸方向部分（すなわち、燃焼ゾーン）を含む。特定の好適な実施形態によれば、ヘッドエンド取り入れ部の開口部４２は、流れアニュラス２６のキャップアセンブリ部分に対応する外側半径方向壁２５を貫通して形成される。開口部４２は、流れアニュラス２６の燃焼ゾーン部分に対応する外側半径方向壁２５を貫通して形成されるインピンジメントポート４１と比較して、流路面積がかなり大きいポートを含むことができる。図７〜図１０に示すように、開口部４２は、圧縮機排出キャビティ４４を流れアニュラス２６のキャップアセンブリ部分に流体接続するように構成することができる。既に説明したように、キャップアセンブリ３０に関連する内側半径方向壁２４は、流れアニュラス２６のキャップアセンブリ部分をキャップアセンブリ３０の内部領域に流体接続するためのキャップ入口４５を含むことができ、それはキャップ入口４５を通って入る空気を前方インジェクタ２１のノズル２３に向かって導くように構成することができる。理解されるように、このような場合では、燃料誘導構造体は、前方インジェクタ２１のノズル２３を燃料源に接続する燃料ライン２２を含むことができる。
【００５１】
理解されるように、図７〜図１０の実施形態の空気誘導構造体は、後方取り入れ部と、前方取り入れ部と、ヘッドエンド取り入れ部とに対応するポートおよび開口部の間の相対的なオリフィスまたは流路面積サイジングを含むことができる。好適な実施形態によれば、相対的なオリフィスサイジングは、前方インジェクタ２１と多段インジェクタ５１との間で燃焼器の空気供給を調整するように構成される。特定の実施形態によれば、燃焼器の空気供給のこの調整は、供給の少なくとも３０％を多段インジェクタ５１に導くことを含む。他の好適な実施形態によれば、燃焼器の空気供給の少なくとも５０％が多段インジェクタ５１に導かれる。
【００５２】
ここで図１１〜図１３を参照すると、代替的な実施形態によれば、後方アニュラス部分および／または前方アニュラス部分は、アニュラスを通って移動する空気流と内側半径方向壁２４の外面との間の熱伝達率を増大させるための熱伝達構造体を含むことができる。熱伝達構造体は、乱流を促進する任意のタイプの構造を含むことができ、これによって、流路を通って移動する際に冷媒中に生じる熱層を分解することによって熱伝達を増大させる。このようにして、新鮮な冷媒、すなわち、内側半径方向壁２４からの熱を吸収していない空気流を壁に接触させて、より大きな温度差が熱伝達率を増大させることができる。熱伝達構造体はまた、内側半径方向壁２４の表面積を増大させる構成を含むことができ、これにより、壁とアニュラス２６を通って移動する空気流との間でエネルギーが交換される速度を増大させる。図１１〜図１３は、好適な実施形態による多段インジェクタのいくつかのタイプをさらに示していることに留意されたい。多段インジェクタ５１の第１のタイプは、図１１に示すように、噴射ポート６１が内側半径方向壁２４の高温側と実質的に同一平面上にあるノズル５３を含む。多段インジェクタ５１の第２のタイプは、図１２に示すように、流れアニュラスの外部、すなわち外側半径方向壁２５の外側にある燃料および空気混合チャンバ６２を含む。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丸みのあるシールド壁６３により形成することができる。理解されるように、混合チャンバ６２は、作動流体流路内に噴射する前に燃料と空気との混合を改善するために、多段インジェクタ５１により大きな内部を提供することができる。多段インジェクタ５１の第３のタイプは、作動流体流路３７に入り込むように内側半径方向壁２４の内面から延在する突出ノズル５３を含む。このタイプのノズル５３は、噴射ポートを含み、たとえば、噴射された燃料／空気混合気を作動流体流路３７内でより均一に分散させるために使用することができるので、多くの場合、浸漬インジェクタと呼ばれる。
【００５３】
図１１に示すように、１つの好適な実施形態によれば、熱伝達構造体は、内側半径方向壁２４の外面に形成された複数のタービュレータ８１を含む。理解されるように、タービュレータ８１は、内側半径方向壁から流れアニュラス２６内に突出する突起として構成することができる。図示するように、１つの好適な実施形態では、このようなタービュレータ８１は、円周方向に延びる稜線の形態をとることができる。他の実施形態によれば、タービュレータ８１は、離散的なバンプまたはディンプルなどとして構成することができる。タービュレータ８１は、流れアニュラス２６内の多段インジェクタ５１のいずれの側にも、すなわち、後方アニュラス部分または前方アニュラス部分またはその両方に配置することができる。別の実施形態によれば、図１２に示すように、熱伝達構造体は、流れアニュラス２６を通る流れの全体的な方向に対して垂直に形成された一連の溝８２を含むことができる。溝８２は、内側半径方向壁２４の外面に形成することができ、多段インジェクタ５１のいずれの側にも含まれ得る。他の構成もまた可能である。
【００５４】
図１３は、本発明の代替的な実施形態による別のタイプの熱伝達構造体を示す。図示するように、マイクロチャネル８３が内側半径方向壁２４の外面を貫通して形成され得る。マイクロチャネル８３は、浅い溝を含んでもよい。一実施形態によれば、図示するように、溝が閉じ込められていてもよい。あるいは、溝が流れアニュラス２６に対して開口したままであってもよい。図示するように、マイクロチャネル８３の各々は、たとえば、流れアニュラス２６に対して開口した入口ポートおよび出口ポートを含み、それらの間に延在する閉じ込められた部分を有する軸方向に整列した浅いチャネルとして構成することができる。マイクロチャネル８３は、２０１５年１１月１８日に出願された、係属中の米国特許出願番号第１４／９４４３４１号、整理番号２８２９５８に記載または参照されているものをさらに含むことができ、上記特許出願は参照により全体として本明細書に組み込まれる。理解されるように、運転中に、インピンジメントポート４１によって外側半径方向壁に衝突する空気流は、マイクロチャネル８３を通る空気流が生成されるように、マイクロチャネル８３の入口ポートに圧入され得る。この空気流により、内側半径方向壁２４のより大きい表面積が露出され、かつ、マイクロチャネル８３によって、冷媒が内側半径方向壁２４の外面に侵入するので、熱伝達率が向上する。このようにして、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。理解されるように、この方式の利点は、そうでなければ形成されるであろう急峻な温度勾配を低減させることを含む。特定の実施形態によれば、流れアニュラス２６それ自体が、内側半径方向壁２４内に形成されたマイクロチャネル８３の集まりによって内側半径方向壁２４内に形成され、かつその中に全体が収容されてもよい。本明細書中で使用される「流れアニュラス」という用語は、このような意味を含むものと理解されたい。
【００５５】
ここで図１４を参照すると、流れアニュラス２６内の封止構造体または軸方向パーティション８５が多段インジェクタ５１を通過する空気の動きを阻止または制限する代替的な実施形態が提供される。これは、図示するように、燃焼器を通る異なるタイプの流れ循環および新たな冷却方式を誘起するために使用することができる。説明するように、これは、流れアニュラス２６の後方アニュラス部分から多段インジェクタ５１への空気流を生成し、一方、流れアニュラス２６の前方アニュラス部分内の流れは、前方インジェクタ２１に向かって導かれる。本明細書で使用するように、軸方向パーティションは、壁および他の封止構造の両方ならびに流体シールを含む。さらに、特に断らない限り、このような軸方向パーティションは、流路を完全にまたは部分的に封止することができる。
【００５６】
本明細書で説明した他の実施例と同様に、図１４の実施形態は、前方インジェクタ２１と、前方インジェクタ２１の後方に軸方向に離間して配置された、燃焼ゾーン２９内の噴射点を有する多段インジェクタ５１と、を有する多段噴射システム５０を含む。したがって、噴射点は、前方インジェクタ２１の後方および下流側にある。この噴射点に対して、後方アニュラス部分を噴射点の後方側に画定することができ、前方アニュラス部分をその前方側に画定することができる。また、他の実施形態に関連して前に説明したように、図１４の実施例の空気誘導構造体は、外側半径方向壁２５に沿って形成された軸方向に画定された取り入れ部を含むことができる。図示するように、これらの取り入れ部は、周囲の圧縮機排出キャビティ４４を流れアニュラス２６の対応する部分に流体接続する、外側半径方向壁２５を貫通して形成された１つまたは複数のポートまたは開口部を含むことができる。したがって、後方取り入れ部は、後方アニュラス部分に対応する外側半径方向壁２５を貫通して画定することができ、前方取り入れ部は、前方アニュラス部分に対応する外側半径方向壁２５を貫通して画定することができる。取り入れ部は、それぞれ複数のインピンジメントポート４１および／または開口部４２を含むことができる。
【００５７】
図１４の矢印で示すように、この実施形態の空気誘導構造体は、後方取り入れ部を通って後方アニュラス部分に入る空気を前方方向および多段インジェクタ５１に向かって導くように構成される。このようにして、多段インジェクタ５１の後方に配置されたポートを通って流れアニュラス２６に入る空気は、内部に取り込むために多段インジェクタ５１に導かれる。しかし、図７〜図１３の実施形態と異なり、図１４に関する空気誘導構造体は、前方取り入れ部（すなわち、多段インジェクタおよびその噴射点の前方）を通って入る空気を前方アニュラス部分を通って前方方向へ導くように構成される。このようにして、図示するように、多段インジェクタ５１の前方に配置されたポートを通って流れアニュラス２６に入る空気は、内部に取り込むために前方インジェクタ２１に導かれる。理解されるように、そして不必要な繰り返しを避けるために、多段インジェクタ５１の配置は、他の実施形態に関連して上で既に説明したそれらの位置のいずれかを含むことができる。インジェクタまたは熱伝達構造体のタイプなどの、本明細書で説明される他の代替例および特徴は、図１４に示す実施形態と同様に、特に添付の特許請求の範囲で適用可能であることがさらに理解されよう。
【００５８】
このように、図１４の実施形態は、多段インジェクタ５１に対して後方位置で流れアニュラス２６に入る空気が使用のために多段インジェクタ５１へ導かれ、一方、多段インジェクタ５１に対して前方位置で流れアニュラス２６に入る空気が前方インジェクタ２１に導かれる構成を含む。これは、図示するように、壁またはシールなどとして構成することができる軸方向パーティション８５によって達成され得る。図示する実施例に示すように、軸方向パーティション８５は、外側端部において外側半径方向壁２５に接続され、かつ内側端部において内側半径方向壁２４に接続される壁として形成することができる。パーティション８５は、流れアニュラス２６の円周部の周りに延在することができる。理解されるように、パーティション８５は、後方アニュラス部分内の空気流が多段インジェクタ５１のほぼ軸方向位置を通過して流れることを完全に妨げ、制限し、または阻止するように、流れアニュラス２６内に配置することができる。すなわち、軸方向パーティション８５は、流れアニュラス２６のその部分内の空気流のすべてを多段インジェクタ５１内に導くまたは誘導することができる。多段インジェクタ５１のノズル２３は、流れアニュラス２６からのこの空気流のポート５５を含むことができる
別の実施形態によれば、図１５に示すように、空気誘導構造体は、外側半径方向壁２５の周りおよびその外側に形成された第３の半径方向壁８６を含むことができ、それらの間に外側流れアニュラス８７を形成する。図示するように、圧縮機排出キャビティ４４から導出された空気流を最終的に多段インジェクタ５１に供給するスイッチバック冷媒流路８８を配置することができる。図示するように、スイッチバック冷媒流路８８は、流れアニュラス２６の一部分内に形成された上流側部分９１と、それに続く外側流れアニュラス８７内に形成された下流側部分９２と、を含むことができる。このようにして、スイッチバック冷媒流路８８は、流れアニュラス２６を通って前方に移動する流れを、外側流れアニュラス８７を通って移動する後方の流れに方向転換することができる。
【００５９】
スイッチバック冷媒流路８８は、外側半径方向壁２５を貫通して形成された前方ポート９３および後方ポート９４を含むことができる。図示するように、前方ポート９３は、スイッチバック冷媒流路８８の上流側部分９１を下流側部分９２に流体接続することができる。後方ポート９４は、スイッチバック冷媒流路８８の下流側部分９２を多段インジェクタ５１のノズル５３に流体接続することができる。さらに図示するように、第３の半径方向壁８６は、前方ポート９３および後方ポート９４の両方を取り囲み、かつ外側流れアニュラス８７通る流れを周囲の圧縮機排出キャビティ４４の流れから流体分離する、一体の連続した構造として形成することができる。
【００６０】
理解されるように、好適な実施形態によれば、軸方向パーティション８５は、スイッチバック冷媒流路８８内に所望の流れを生成するように、流れアニュラス２６内に形成することができる。軸方向パーティション８５は、スイッチバック冷媒流路８８の上流側部分９１の前方終端点を形成することができる。理解されるように、軸方向パーティション８５は、多段インジェクタ５１から前方に離間して配置することができる。多段インジェクタ５１は、スイッチバック冷媒流路８８の上流側部分９１を通る流れアニュラスと交差することができる。軸方向パーティション８５は、部分的または完全なパーティションとして構成することができ、流れアニュラス２６内の軸方向流れを阻止するために、外側半径方向壁２５と内側半径方向壁２４との間、および流れアニュラス２６の円周部の周りに延在する壁または他の流体シールを含むことができる。
【００６１】
軸方向パーティション８５の軸方向位置に対して、流れアニュラス２６は、軸方向パーティション８５の後方側に画定される後方アニュラス部分と、軸方向パーティション８５の前方側に画定される前方アニュラス部分と、に分割されるように説明することができる。空気誘導構造体は、圧縮機排出キャビティ４４を流れアニュラス２６の対応する軸方向に画定された部分に流体接続する、外側半径方向壁２５を貫通して形成された軸方向に画定された取り入れ部を含むことができる。好適な実施形態によれば、これらの取り入れ部は、後方アニュラス部分に対応する後方取り入れ部と、前方アニュラス部分に対応する前方取り入れ部と、を含むことができる。他の好適な実施形態によれば、軸方向パーティション８５は、前方アニュラス部分を後方アニュラス部分から流体封止するように構成することができ、そのようにして、前方アニュラス部分に流入する燃焼器の空気供給の実質的にすべての空気が前方インジェクタ２１に導かれ、後方アニュラス部分に流入する燃焼器の空気供給の実質的にすべての空気が多段インジェクタ５１への供給のためにスイッチバック冷媒流路を通って導かれる。
【００６２】
図示するように、スイッチバック冷媒流路８８の例示的な実施形態によれば、軸方向パーティション８５の位置に対して後方に入る流れアニュラス２６を通る空気流を前方方向に導くことができる。この空気流は、多段インジェクタ５１の位置を通過して、前方ポート９３に進むことができる。換言すれば、空気流は、多段インジェクタ５１の間に存在することができる円周方向隙間を介して後方アニュラス部分から前方アニュラス部分へ移動する。この流れは、スイッチバック冷媒流路８８が流れをほぼ１８０°逆転させるように構成される点に到達するまで、圧縮機１１の前端部に向かって流れ続けることができる。具体的には、図示するように、後方ポート９４を介して最終的な供給のために多段インジェクタ５１に向かって空気流が導かれるように、空気流をスイッチバック冷媒流路８８を介して「ダブルバック」させることができる。
【００６３】
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、流れアニュラス２６を通る空気流が外側半径方向壁２５の周りに形成された外側流れアニュラス８７内に導かれるように構成することができる。具体的には、第３の半径方向壁８６は、外側半径方向壁２５の外側に、それからオフセットして形成することができ、そのようにして第２の流れアニュラス、すなわち外側流れアニュラス８７がそれらの間に形成される。外側流れアニュラス８７内の空気流は、後方ポート９４に導かれ、そこで多段インジェクタ５１によって取り込むことができる。本明細書で説明するように、多段インジェクタ５１内では、空気流は、燃料と混合され、作動流体流路３７内に噴射することができる。理解されるように、多段インジェクタ５１のタイプおよび配置は、他の実施形態に関連して本明細書で既に説明した代替例と一致してもよい。
【００６４】
理解されるように、図７〜図１５の例示的な実施形態は、燃焼器の本体のかなりの部分が、燃焼器ヘッドエンドにある前方インジェクタを介してではなく、多段インジェクタを通して最終的に噴射される空気によって主として冷却される、新規な構成および誘起される空気流パターンを提供する。軸方向多段インジェクタへ導かれる燃焼器空気のレベルが増加すると、本明細書で説明した構成は、圧力損失の低減および冷却空気のより効率的な使用などの、より高いシステム効率を提供する。軸方向多段方式を用いた初期の噴射システムは、全空気の相対的に小さな部分、すなわち約５％〜２０％を多段インジェクタへ導いていたが、より新しいシステムはずっと多くの空気を多段インジェクタへ導く。その結果、燃焼ゾーンを画定するユニボディまたは内側半径方向壁のかなりの部分またはすべてを冷却するために、多段インジェクタによって噴射される空気を用いることが可能となり、システムの全体的な空気力学を効率化することができる。燃焼器を通る空気のより大きい質量に対する需要が上昇し続けるにつれて、本明細書に記載したようなシステムの利点が有意であることが見出された。理解されるように、従来のシステムでは、内側半径方向壁を画定する燃焼ゾーンのための冷却構成は、直列に結合されており、それに関連する空気流の大部分は燃焼器ヘッドエンドおよびその中に配置された前方インジェクタへ導かれる。これは、直列に接続されている部品損失で構成されるシステム全体の圧力損失をもたらし、その結果、多段インジェクタがシステム全体の圧力損失を受けることになる。燃焼器本体の冷却が一連の部品圧力損失から取り除かれると（本明細書では提案されているように）、部品圧力損失のより多くがここでは並列に働くので、システムの全体的な圧力損失を大幅に低減することができる。オペレータの選択に応じて、本明細書で開示される構成は、システム圧力損失の再配置を可能にすることができる。すなわち、内部の燃料および空気の混合を向上させるために、より多くの圧力損失を前方インジェクタ内で費やすことができる。
【００６５】
本発明の態様は、アニュアル内のインピンジメント冷却に関連する問題を軽減するためにさらに使用することができる。従来のシステムでは、理解されるように、最終的に前方インジェクタに供給される空気の多くは、その後方端部またはその近くの流れアニュラスに入る。この空気は、流れアニュラスの長さ、または少なくともそのかなりの部分を通って流れることを要求され、その結果、たとえば、ユニボディの長さに沿って配置されたインピンジメントポートを通って流れアニュラスに入る新鮮な冷媒と衝突する流れが生じる。これは、システム全体の圧力損失を増加させる空気力学的混合および運動量損失をもたらす。さらに、流れアニュラス内に生じる使用済み冷媒のクロスフローは、到着するより新鮮な冷媒の有効性を低下させる。これは、インピンジメントポートの衝突した空気流は、冷却する表面に直接向けられた場合、すなわち９０°を中心とする急峻な角度で向けられた場合に、最も有効であるからである。クロスフローは、クロスフローが浅い角度で内側半径方向壁の外面に衝突するように移動している方向に、衝突した冷媒の噴流を偏向させることにより、衝突した冷媒の噴流と干渉する。本出願の設計によれば、これらの問題は、冷媒の多くが噴射点に到達する前に流れアニュラスに移動する量を低減させることによって、最小にされるか、または実質的に取り除かれる。さらに、特定の好適な実施形態によれば、冷媒がノズルおよび多段インジェクタに関連する他の部品によって部分的に遮断される流れアニュラスの部分を通って流れる必要性は、最小化されるか、または実質的に取り除かれ得る。これは、流れアニュラスの後方部分に入る冷媒が、多段インジェクタの交差する部品により狭くなった流れアニュラスのその部分をもはや通過しなくてもよいということを意味する。これは、これらの狭くなった部分に関連する圧力損失を取り除くという利点を有するだけでなく、交差する構造の下流側で形成される後流から生じる問題も向上させる。これらの問題は、後流によって引き起こされる表面冷却の崩壊、ならびに前方インジェクタにおける流れの崩壊および不均一な下流側の空気流に関連するものを含む。理解されるように、本発明の実施形態は、多段インジェクタが必要とする流れアニュラス内の障害物を通過して流れなければならない空気量を制限しつつ、多段インジェクタへの増加した空気量の供給を可能にする。
【００６６】
ここで全体的に図１６〜図２２を参照すると、本発明のさらなる実施形態が示されており、燃焼器の空気供給の一部が、作動流体中に噴射するために多段インジェクタ５１に導かれる前に、最初にタービン１２内のステータブレード１７を通る冷媒として循環される。明らかなように、本実施形態のシステムおよび構成要素は、上述したものと類似する点をいくつか含むことができる。たとえば、作動流体流路３７がガスタービン１０の燃焼器１３およびタービン１２の部分を通って画定され得る。図５に示す構成と同様に、作動流体流路３７は、燃焼器１３内の前方インジェクタ２１により画定された前端部から、燃焼器１３がタービン１２に遷移する界面を通り、それからタービン１２を通ってその中に画定された後端部まで、長手中心軸５７に沿って後方に延在することができる。（「界面」という用語は、エンジンの燃焼器１３とタービン１２との間でシームレスな移行が成される構成、すなわち、燃焼器１３とタービン１２とが一体のユニボディに接合されている構成を含むように意図されていることに留意されたい）。さらに、圧縮機排出キャビティ４４が、圧縮機１１により供給される燃焼器の空気供給を受け取るために作動流体流路３７の周りに形成され得る。ガスタービンは、前方インジェクタ２１と、そこから後方に軸方向に離間して配置された多段インジェクタ５１と、を含む多段噴射システム５０を含むことができる。以下でより詳細に説明するように、システムは、前方インジェクタ２１と多段インジェクタ５１との間で燃焼器の燃料供給を配分するための燃料誘導構造体と、前方インジェクタ２１と多段インジェクタ５１との間で燃焼器の空気供給を配分するための空気誘導構造体と、をさらに含むことができる。
【００６７】
図１６〜図２２をさらに参照して、空気誘導構造体は、１つまたは複数の冷媒流路１０１を含むことができ、その各々は、圧縮機排出キャビティ４４から導出された冷却媒体が最終的に多段インジェクタ５１へ供給するために導かれる、一方向の連続した流体経路を提供する。具体的には、冷媒流路１０１は、ステータブレード１７の内部を通る冷媒を導く部分を含むことができる。次に、ステータブレード１７を通過した後に、冷媒流路１０１は、冷媒を多段インジェクタ５１に導くことができ、ここで冷媒が燃料と混合され、作動流体流路３７内に噴射される。好適な実施形態によれば、冷媒流路１０１は一般的に、取り入れ部１０３、冷却回路１０４、および取り出し部１０５を含むことができる。以下でより詳細に説明するように、取り入れ部１０３は、圧縮機排出キャビティ４４に流体結合された上流側ポートと、ステータブレード１７のうちの１つの内側側壁または外側側壁を貫通して形成され得る下流側ポートと、を含むことができる。取り出し部１０５は、多段インジェクタ５１に流体結合された下流側ポートと、ステータブレード１７のうちの１つの内側側壁または外側側壁を貫通して形成され得る上流側ポートと、を含むことができる。冷却回路１０４は、ステータブレード１７のうちの１つの内部を貫通して延在する冷却チャネルであってもよい。冷却回路１０４は、取り入れ部１０３の下流側ポートに接続された上流側端部と、取り出し部１０５の上流側ポートに接続された下流側端部と、を含むことができる。
【００６８】
説明したように、タービン１２は、ブレードのいくつかの段を含むことができ、その各段は、ステータブレード１７の列およびそれに続くロータブレードの列を含むことができる。ステータブレード１７の列は、タービン・ロータ・ディスクの周りに円周方向に離間して配置された複数のステータブレード１７を含むことができる。図示するように、ステータブレード１７の各々は、作動流体流路３７を横切って延在する翼形部１１３を含むことができる。翼形部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ステータブレード１７の一部である。ステータブレード１７は、翼形部１１３の側面に位置して、タービン１２内の固定構造体にそれを固定する側壁を含むことができる。具体的には、翼形部１１３は、取り付け時に、作動流体流路３７の内側境界を画定するように作製され得る内側側壁と、取り付け時に、作動流体流路３７の外側境界を画定するように作製され得る外側側壁と、に接続することができる。理解されるように、翼形部１１３、内側側壁、および外側側壁は、ステータブレード１７の一体に形成された部品であってもよい。説明目的のために、ステータブレード１７の軸方向幅は、翼形部１１３の前縁１１４と後縁１１５との間の軸方向距離として定義される。さらに、本明細書で用いられるように、ステータブレード１７の最前列は、タービン１２の前端部に最も近い、すなわち燃焼器１３とタービン１２との間の界面に最も近いところにあるステータブレード１７の列を示す。
【００６９】
ここで示すように、引き続き図１６〜図２２を参照すると、流れアニュラス２６は、燃焼器１３およびタービン１２の両方の部分を通る作動流体流路３７の周りに形成され得る。燃焼器１３内では、流れアニュラス２６は、既に上で述べたように構成することができる。図示するように、タービン１２内に形成された流れアニュラス２６の一部は、図面に示す断面図の性質に起因して同様に構成されるように見える。しかし、理解されるように、燃焼器１３およびタービン１２内の作動流体流路３７の異なる構成に起因して、タービン１２内の流れアニュラス２６は、燃焼器１３内の部分にはない特定の特性を有することができる。これらの特性は、以下に定義する。
【００７０】
しかし、初めの問題として、「流れアニュラス」への一般的な言及は、燃焼器１３、タービン１２、または両方の作動流体流路３７の周りに形成された流れアニュラスのいずれかを指すことを理解されたい。このような一般的な言及を行う場合には、流れアニュラス２６は、いくつかの図で示すように、流路壁１０８とアニュラス壁１０９との間に画定されるものとして説明する。これにより、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によって画定されるものを指すことができるが、流れアニュラス２６は、一般的に、流路壁１０８とアニュラス壁１０９との間に画定されるものとして説明することができる。さらに、本明細書で使用されるように、流路壁１０８は、対向する高温側面と低温側面とを有するものとして説明することができ、高温側面は、作動流体流路３７（およびそれに含まれる高温燃焼ガス）に面した側面であり、低温側面は、流れアニュラス２６（およびそれに含まれる比較的低温の空気流）に面した側面である。したがって、一般に、アニュラス壁１０９は、流路壁１０８の低温側面を囲み、かつそれからオフセットされて、それらの間に流れアニュラス２６が形成されるようなものとして説明することができる。
【００７１】
燃焼器１３およびタービン１２内の作動流体流路３７と流れアニュラス２６との違いに戻って説明すると、以下の用語は、共通のタービンエンジン構成に応じてそれぞれに特有の特徴を識別するために使用される。理解されるように、この共通の構成は、タービン１２を通って形成された環状の作動流体流路３７の環状セグメントにそれぞれ接続される複数の円筒形の燃焼器１３を含む。燃焼器１３内では、これは、一般化された「流路壁」および「アニュラス壁」という用語は、それぞれ本明細書で「内側半径方向壁」および「外側半径方向壁」と前に呼んでいたものを示すとして理解することができることを意味する。しかし、タービン１２内では、これらの一般化された用語、すなわち、「流路壁」および「アニュラス壁」は、特に環状の流路に固有の領域を識別することができるように、さらに精密にすることができる。したがって、説明の目的のために、タービン１２内の「流路壁１０８」は、いくつかの図に示すように、内側流路壁１０８ａと外側流路壁１０８ｂとを有するものとして記述することができる。このように、内側流路壁１０８ａは、理解されるように、作動流体流路３７の内側境界を画定し、外側流路壁１０８ｂは、作動流体流路３７の外側境界を画定する。同様に、タービン１２を通る流れアニュラス２６は、内側流路壁１０８ａおよび外側流路壁１０８ｂの両方の低温側面の周りに形成された流れアニュラスを含むことができる。したがって、図１６〜図２２に示すように、タービン１２内の流れアニュラス２６は、内側流れアニュラス２６ａおよび外側流れアニュラス２６ｂを含むものとしてより具体的に説明することができる。内側流れアニュラス２６ａおよび外側流れアニュラス２６ｂを形成するために、タービン１２内のアニュラス壁１０９は、内側アニュラス壁１０９ａおよび外側アニュラス壁１０９ｂを有するものとしてより具体的に説明することができる。これらの呼称によれば、理解されるように、内側アニュラス壁１０９ａが内側流路壁１０８ａの低温側面からオフセットされて、それらの間に内側流れアニュラス２６ａが画定され得る。そして、作動流体流路３７の他方の側には、外側アニュラス壁１０９ｂが外側流路壁１０８ｂの低温側面からオフセットされて、それらの間に外側流れアニュラス２６ｂが画定される。
【００７２】
さらに、本明細書で説明する機能を達成するように、流れアニュラス２６をタービン１２内に形成することができる多くの可能な構成があることを理解されたい。特に限定されない限り、このような代替的な構成は、添付した特許請求の範囲に含まれると考えるべきである。すなわち、本明細書で使用される非限定的な文言は、本明細書に記載の機能を満たすために、圧縮空気が圧縮機排出キャビティ４４から導出され、次にタービン１２の作動流体流路３７の外側に沿った特定の位置に供給され得るこのような任意の構成を含むものと理解するべきである。さらに理解されるように、ステータブレード１７は、作動流体流路３７内の翼形部１１３に取り付けられて、それを固定する内側側壁および外側側壁を含むことができる。内側側壁および外側側壁は、それぞれ作動流体流路３７の内側境界および外側境界の軸方向部分を画定するように構成することができる。このために、内側側壁および外側側壁は、それぞれ内側流路壁１０８ａおよび外側流路壁１０８ｂの構成要素と考えることができる。
【００７３】
さらに、代替的な実施形態によれば、燃焼器１３はまた、アニュラ型燃焼器として構成することもできる。そのような場合には、燃焼器１３は、タービン１２の環状の流路に接続された連続した環状の流路を含むことができる。燃焼器１３は、図６および図７のタービン１２について示したのと同様に、内側流路壁１０８ａおよび外側流路壁１０８ｂを含むことが理解されよう。本明細書で提示する特定の実施例は、カニュラ型構成を説明しているが、特に断らない限り、提示する説明および添付の特許請求の範囲は可能な燃焼器の構造、すなわちアニュラ型またはカニュラ型のいずれも包含することを理解されたい。
【００７４】
本説明の実施形態は、一般に、上述したもののいずれかと一致する多段噴射システム５０を含むことができる。すなわち、図１６〜図２２の多段噴射システム５０は、先行する図面に関連して既に説明したそれらの実施形態のいずれかを含むことができる。したがって、たとえば、多段噴射システム５０は、前方インジェクタ２１と、そこから後方に軸方向に離間して配置された１つまたは複数の多段インジェクタ５１と、を含むことができる。さらに、多段インジェクタ５１は、作動流体流路３７内の噴射点に到達するように、流れアニュラス２６と交差するように構成することができる。説明目的のために、噴射点の軸方向の位置に対して、前方アニュラス部分は噴射点の前方側に画定されてもよく、後方アニュラス部分は噴射点の後方側に画定される。多段インジェクタ５１は、流れアニュラス２６を軸方向に分割するように構成され得る軸方向パーティション８５を含むことができる。特定の実施形態によれば、前述したように、軸方向パーティション８５は、多段インジェクタ５１と軸方向に一致するように、またはその近くにあるように、流れアニュラス２６内に配置することができる。軸方向パーティション１１１は、後方アニュラス部分から前方アニュラス部分を流体封止するように構成することができる。この封止構成は、前方アニュラス部分に入る燃焼器の空気供給のすべてまたは実質的にすべてが前方インジェクタ２１に導かれ、後方アニュラス部分に入る燃焼器の空気供給のすべてまたは実質的にすべてが多段インジェクタ５１に導かれるように、行うことができる。以下でより詳細に説明するように、多段インジェクタ５１は、燃焼器１３またはタービン１２内に配置することができる。
【００７５】
ここで特に図１６および図１８に注意を向けると、ステータブレード１７の翼形部１１３内にループ構成を有する冷却回路１０４を含む本発明の実施形態が提供される。図示するように、これらの例示的な実施形態における空気誘導構造体は、取り入れ部１０３、冷却回路１０４、および取り出し部１０５を有する冷媒流路１０１を含み、図１６および図１７で示す代替的な配置ごとに構成することができる。
【００７６】
１つの代替例によれば、図１６に示すように、冷却回路１０４は、内側流れアニュラス２６ａとの接続部から延在し、それにループバックする。理解されるように、これらの接続の間に、冷却回路１０４は、ステータブレード１７の翼形部１１３内に冷却チャネルを形成することができる。より具体的には、図示するように、取り入れ部１０３は、圧縮機排出キャビティ４４に流体結合された上流側ポートと、翼形部１１３の内側側壁、またはより一般的には、内側流路壁１０８ａを貫通して形成された下流側ポートと、を含むことができる。さらに図示するように、取り出し部１０５は、多段インジェクタ５１に流体結合された下流側ポートと、翼形部１１３の内側側壁、またはより一般的には、内側流路壁１０８ａを貫通して形成された上流側ポートと、を含むことができる。冷却回路１０４は、取り入れ部１０３を取り出し部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に基づいて選択された所望の経路に沿って翼形部１１３の内部を貫通して延在するように構成することができる。したがって、冷却回路１０４は、取り入れ部１０３の下流側ポートに接続された上流側端部と、取り出し部１０５の上流側ポートに接続された下流側端部と、を含むことができる。好適な実施形態によれば、冷却回路１０４は、翼形部１１３内の冷却効率を高めるように、蛇行した構成を有する。
【００７７】
別の代替例によれば、図１７に示すように、冷却回路１０４は、外側流れアニュラス２６ｂとの接続部から延在し、それにループバックする。理解されるように、これらの接続の間に、冷却回路１０４は、ステータブレード１７の翼形部１１３内に冷却チャネルを形成することができる。より具体的には、図示するように、取り入れ部１０３は、圧縮機排出キャビティ４４に流体結合された上流側ポートと、翼形部１１３の外側側壁、またはより一般的には、外側流路壁１０８ｂを貫通して形成された下流側ポートと、を含むことができる。さらに図示するように、取り出し部１０５は、多段インジェクタ５１に流体結合された下流側ポートと、翼形部１１３の外側側壁、またはより一般的には、外側流路壁１０８ｂを貫通して形成された上流側ポートと、を含むことができる。冷却回路１０４は、取り入れ部１０３を取り出し部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に基づいて選択された所望の経路に沿って翼形部１１３の内部を貫通して延在するように構成することができる。したがって、冷却回路１０４は、取り入れ部１０３の下流側ポートに接続された上流側端部と、取り出し部１０５の上流側ポートに接続された下流側端部と、を含むことができる。冷却回路１０４は、翼形部１１３内の冷却効率を高めるように、蛇行した構成を含むことができる。
【００７８】
図示するように、図１６および図１７の実施形態は、流れアニュラス２６内に配置された軸方向パーティション１１１を含むことができる。理解されるように、冷媒流路１０１の取り入れ部１０３および取り出し部１０５は、軸方向パーティション１１１の各側面に存在する流れアニュラス２６の隣接する軸方向部分を含むことができる。好適な実施形態によれば、軸方向パーティション１１１は、隣接する軸方向部分の各々を他のものから流体封止するように構成することができる。この構成であれば、冷媒流路１０１の取り入れ部１０３は、軸方向パーティション１１１の後方側面に存在するものとして記述することができ、一方、冷媒流路１０１の取り出し部１０５は、軸方向パーティション１１１の前方側面に存在するものとして記述することができる。その他の構成も可能であるが、軸方向パーティション１１１は、ステータブレード１７の前縁１１４と後縁１１５との間に画定された軸方向範囲内に配置することができる。
【００７９】
さらに図１６および図１７に示すように、冷媒流路１０１の取り入れ部１０３の上流側ポートは、燃焼器の空気供給の一部が取り入れ部１０３に入ることを可能にするための、アニュラス壁１０９の対応する部分を貫通して形成された開口部を含むことができる。これらの開口部は、アニュラス壁１０９を貫通して形成されたインピンジメントポート４１として構成することができる。このように、好適な実施形態によれば、冷媒流路１０１の取り入れ部１０３の上流側ポートは、アニュラス壁１０９を貫通して形成された複数のインピンジメントポート４１を含むことができる。以下でさらに説明するように、開口部またはインピンジメントポート４１は、多段インジェクタ５１への、ならびにシステムの部品を冷却するための空気流を調整するために使用することができる。以下に提示されるように、表面ポートおよびコネクタチャネルを含むこともできる。加えて、図示するように、このようなインピンジメントポート４１は、冷媒流路１０１の取り出し部１０５では除外される。最後に、理解されるように、図１６および図１７の実施例の多段噴射システムは、本明細書で説明した代替的な実施形態および構成要素のうちのいずれかを含むことができ、それは多段インジェクタ５１の数、タイプ、構成、位置など、ならびに燃料および空気の誘導構造体のタイプに関するものを含むことができる。
【００８０】
図１８では、冷却回路１０４が主としてステータブレード１７の側壁１１７に沿って形成される代替的な実施形態を説明するために、図ではステータブレード１７の側壁１１７がより具体的に強調されている。この代替例によれば、図示するように、冷却回路１０４は外側流れアニュラス２６ｂとの接続部から延在し、かつそれにループバックし、それらの間に、ステータブレード１７の側壁１１７内の冷却回路１０４を形成する。理解されるように、冷却回路１０４は、外側側壁１１７内に示されているが、同様に内側側壁１１７内に形成されてもよい。図１６および図１７の実施形態と同様に、取り入れ部１０３は、圧縮機排出キャビティ４４に流体結合された上流側ポートと、翼形部１１３の側壁１１７に形成された下流側ポートと、を含むことができる。取り出し部１０５は、多段インジェクタ５１に流体結合された下流側ポートと、翼形部１１３の側壁１１７に形成された上流側ポートと、を含むことができる。冷却回路１０４は、取り入れ部１０３を取り出し部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に基づいて選択された所望の経路に沿って側壁１１７の内部を貫通して延在するように構成することができる。したがって、冷却回路１０４は、取り入れ部１０３の下流側ポートに接続された上流側端部と、取り出し部１０５の上流側ポートに接続された下流側端部と、を含むことができる。図示していないが、冷却回路１０４は、翼形部１１３内の冷却効率を高めるように、蛇行した構成を含むことができる。図示するように、図１８の実施形態は、冷却回路１０４を通る冷媒の所望の流れを導くように、流れアニュラス２６内に配置された軸方向パーティション１１１を含むことができる。
【００８１】
ここで特に図１９および図２０に注意を向けると、ステータブレード１７の翼形部１１３を横切って半径方向に延在する冷却回路１０４を含む本発明の実施形態が提供される。図示するように、これらの実施形態における空気誘導構造体はまた、取り入れ部１０３、冷却回路１０４、および取り出し部１０５を有する冷媒流路１０１を含むことができ、図１８および図１９で示す代替的な配置ごとに構成することができる。
【００８２】
１つの代替例によれば、図１９に示すように、冷却回路１０４は、内側流れアニュラス２６ａとの上流側接続部から、外側流れアニュラス２６ｂとの下流側接続部まで延在する。理解されるように、これらの接続の間に、冷却回路１０４は、ステータブレード１７の翼形部１１３内に冷却チャネルを形成することができる。より具体的には、図示するように、取り入れ部１０３は、圧縮機排出キャビティ４４に流体結合された上流側ポートと、翼形部１１３の内側側壁、またはより一般的には、内側流路壁１０８ａを貫通して形成された下流側ポートと、を含むことができる。さらに図示するように、取り出し部１０５は、多段インジェクタ５１に流体結合された下流側ポートと、翼形部１１３の外側側壁、またはより一般的には、外側流路壁１０８ｂを貫通して形成された上流側ポートと、を含むことができる。冷却回路１０４は、取り入れ部１０３を取り出し部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に基づいて選択された所望の経路に沿って翼形部１１３の内部を貫通して延在するように構成することができる。したがって、冷却回路１０４は、取り入れ部１０３の下流側ポートに接続された上流側端部と、取り出し部１０５の上流側ポートに接続された下流側端部と、を含むことができる。冷却回路１０４は、翼形部１１３内の冷却効率を高めるように、蛇行した構成を含むことができる。
【００８３】
別の代替例によれば、図２０に示すように、冷却回路１０４は、外側流れアニュラス２６ｂとの上流側接続部から、内側流れアニュラス２６ａとの下流側接続部まで延在する。理解されるように、これらの接続の間に、冷却回路１０４は、ステータブレード１７の翼形部１１３内に冷却チャネルを形成することができる。より具体的には、図示するように、取り入れ部１０３は、圧縮機排出キャビティ４４に流体結合された上流側ポートと、翼形部１１３の外側側壁、またはより一般的には、外側流路壁１０８ｂを貫通して形成された下流側ポートと、を含むことができる。さらに図示するように、取り出し部１０５は、多段インジェクタ５１に流体結合された下流側ポートと、翼形部１１３の内側側壁、またはより一般的には、内側流路壁１０８ａを貫通して形成された上流側ポートと、を含むことができる。冷却回路１０４は、取り入れ部１０３を取り出し部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に基づいて選択された所望の経路に沿って翼形部１１３の内部を貫通して延在するように構成することができる。したがって、冷却回路１０４は、取り入れ部１０３の下流側ポートに接続された上流側端部と、取り出し部１０５の上流側ポートに接続された下流側端部と、を含むことができる。冷却回路１０４は、翼形部１１３内の冷却効率を高めるように、蛇行した構成を含むことができる。
【００８４】
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の取り入れ部１０３および取り出し部１０５は、各々がステータブレード１７の翼形部１１３の前縁１１４と後縁１１５との間に画定された軸方向範囲と軸方向に重なるように配置することができる。他の好適な代替例によれば、取り入れ部１０３および取り出し部１０５は、互いに軸方向に重なるように配置することができる。冷媒流路１０１の取り入れ部１０３および取り出し部１０５は両方とも、翼形部１１３の前縁１１４と後縁１１５との間に画定される軸方向範囲を完全に含む軸方向範囲を画定するように構成することができる。
【００８５】
さらに図１９および図２０に示すように、冷媒流路１０１の取り入れ部１０３の上流側ポートは、燃焼器の空気供給の一部が取り入れ部１０３に入ることを可能にするための、アニュラス壁１０９の対応する部分を貫通して形成された開口部を含むことができる。これらの開口部は、アニュラス壁１０９を貫通して形成されたインピンジメントポート４１として構成することができる。このように、好適な実施形態によれば、冷媒流路１０１の取り入れ部１０３の上流側ポートは、アニュラス壁１０９を貫通して形成された複数のインピンジメントポート４１を含むことができる。以下でさらに説明するように、開口部またはインピンジメントポート４１は、多段インジェクタ５１への、ならびにシステムの部品を冷却するための空気流を調整するために使用することができる。以下に提示されるように、表面ポートおよびコネクタチャネルを含むこともできる。加えて、図示するように、このようなインピンジメントポート４１は、冷媒流路１０１の取り出し部１０５では除外される。最後に、理解されるように、図１８および図１９の実施例の多段噴射システムは、本明細書で説明した代替的な実施形態および構成要素のうちのいずれかを含むことができ、それは多段インジェクタ５１の数、タイプ、構成、位置など、ならびに燃料および空気の誘導構造体のタイプに関するものを含むことができる。
【００８６】
ここで特に図２１および図２２に注意を向けると、複数の冷媒流路１０１がステータブレード１７の翼形部１１３内で交差する構成を成すように形成される本発明の実施形態が示されている。これらの実施例では、理解されるように、空気誘導構造体は、冷媒流路１０１のうちの少なくとも２つを含むことができ、それらの各々は取り入れ部１０３、冷却回路１０４、および取り出し部１０５を有する。説明目的のために、以下でさらに説明するように、冷媒流路１０１は、各々が内側アニュラスと外側アニュラスとの間で反対方向に半径方向に延在するように翼形部１１３内で交差するように構成される冷却回路１０４を含むことができる。
【００８７】
好適な実施形態によれば、空気誘導構造体は、第１の冷媒流路１０１ａおよび第２の冷媒流路１０１ｂを含むことができる。第１の冷媒流路１０１ａは、圧縮機排出キャビティ４４に流体結合された上流側ポート、および翼形部１１３の内側側壁、もしくは、より一般的には内側流路壁１０８ａを貫通して形成された下流側ポートを有する取り入れ部１０３と、多段インジェクタ５１に流体結合された下流側ポート、および外側側壁、もしくは、より一般的には外側流路壁１０８ｂを貫通して形成された上流側ポートを含む取り出し部１０５と、ステータブレード１７の翼形部１１３の内部を貫通して延在し、かつ取り入れ部１０３を取り出し部１０５に接続する冷却回路１０４と、を含むことができる。冷却回路１０４は、取り入れ部１０３を取り出し部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に基づいて選択された所望の経路に沿って翼形部１１３の内部を貫通して延在するように構成することができる。したがって、冷却回路１０４は、取り入れ部１０３の下流側ポートに接続された上流側端部と、取り出し部１０５の上流側ポートに接続された下流側端部と、を含むことができる。
【００８８】
第２の冷媒流路１０１ｂは、図示するように、反対方向に翼形部１１３を横切って冷媒を運ぶように構成することができる。このように、第２の冷媒流路１０１ｂは、圧縮機排出キャビティ４４に流体結合された上流側ポート、および翼形部１１３の外側側壁、もしくは、より一般的には外側流路壁１０８ｂを貫通して形成された下流側ポートを有する取り入れ部１０３と、多段インジェクタ５１に流体結合された下流側ポート、および内側側壁、もしくは、より一般的には内側流路壁１０８ａを貫通して形成された上流側ポートを含む取り出し部１０５と、ステータブレード１７の翼形部１１３の内部を貫通して延在し、かつ取り入れ部１０３を取り出し部１０５に接続する冷却回路１０４と、を含むことができる。冷却回路１０４は、取り入れ部１０３を取り出し部１０５に流体接続しつつ、冷却要件に基づいて選択された所望の経路に沿って翼形部１１３の内部を貫通して延在するように構成することができる。したがって、冷却回路１０４は、取り入れ部１０３の下流側ポートに接続された上流側端部と、取り出し部１０５の上流側ポートに接続された下流側端部と、を含むことができる。
【００８９】
図示するように、軸方向パーティション１１１は、第１および第２の流れアニュラス２６ａ、２６ｂのそれぞれに含めることができる。理解されるように、第１の冷媒流路１０１ａの取り入れ部１０３および第２の冷媒流路１０１ｂの取り出し部１０５は、その中に配置された軸方向パーティション１１１の各側面に存在する流れアニュラス２６の隣接する軸方向部分として構成することができる。好適な実施形態によれば、軸方向パーティション１１１は、隣接する軸方向部分の各々を他のものから流体封止するように構成される。同様に、第２の冷媒流路１０１ｂの取り入れ部１０３および第１の冷媒流路１０１ａの取り出し部１０５は、その中に配置された軸方向パーティション１１１の各側面に存在する流れアニュラス２６の隣接する軸方向部分として形成することができる。軸方向パーティション１１１はまた、隣接する軸方向部分の各々を他のものから流体封止するように構成することができる。この構成であれば、第１および第２の冷媒流路１０１ａ、１０１ｂの取り入れ部１０３は、軸方向パーティション１１１の後方側面に存在するものとして記述することができ、一方、第１および第２の冷媒流路１０１ａ、１０１ｂの取り出し部１０５は、軸方向パーティション１１１の前方側面に存在するものとして記述することができる。その他の構成も可能であるが、軸方向パーティション１１１は、ステータブレード１７の前縁１１４と後縁１１５との間に画定された軸方向範囲内に配置することができる。理解されるように、上述した構成により、第１の冷媒流路１０１ａの取り入れ部１０３の下流側ポート、および第２の冷媒流路１０１ｂの取り出し部１０５の上流側ポートがそれぞれ内側側壁（または、より一般的には、内側流路壁１０８ａ）を貫通して形成され、一方、第２の冷媒流路１０１ｂの取り入れ部１０３の下流側ポート、および第１の冷媒流路１０１ａの取り出し部１０５の上流側ポートがそれぞれ外側側壁（または、より一般的には、外側流路壁１０８ｂ）を貫通して形成される。
【００９０】
第１の冷媒流路１０１ａおよび第２の冷媒流路１０１ｂの取り入れ部１０３の上流側ポートは、燃焼器の空気供給の一部が取り入れ部１０３内に入ることを可能にするための、アニュラス壁１０９の対応する部分を貫通して形成された開口部を含むことができる。図示するように、これらの開口部は、アニュラス壁１０９を貫通して形成されたインピンジメントポート４１として構成することができる。このように、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の取り入れ部１０３の上流側ポートは、それぞれ内側アニュラス壁１０９ａおよび外側アニュラス壁１０９ｂを貫通して形成された複数のインピンジメントポート４１を含むことができる。理解されるように、このようなインピンジメントポート４１は、圧縮機排出キャビティ４４からの空気流と衝突して、内側流路壁１０８ａおよび外側流路壁１０８ｂの低温側面に空気噴流を導くように構成することができ、それによって動作中にそれを能動的に冷却することができる。理解されるように、上流側ポートの開口部は、１つまたは複数の多段インジェクタ５１に向かって導かれる燃焼器の空気供給の一部を調整するように構成することができる。この配分は、そうでなければ前方インジェクタ２１に向かって導かれる燃焼器の空気供給の残りの部分に対して行うことができる。特定の実施形態によれば、燃焼器の空気供給の調整は、その少なくとも２０％を多段インジェクタ５１に導くことを含む。他の好適な実施形態によれば、燃焼器の空気供給の少なくとも４０％が多段インジェクタ５１に導かれる。
【００９１】
代替的な実施形態によれば、図２１に示すように、１つまたは複数の表面ポート１１８を、ステータブレード１７の翼形部１１３の外面を貫通して形成することができる。このような場合には、冷却回路１０４から分岐し、表面ポートをそれらのうちの１つに流体結合するコネクタチャネル１１９を設けることができる。理解されるように、これは、翼形部１１３に対して表面冷却（すなわち、フィルム冷却）、ならびにコネクタチャネル１１９を介した対流冷却を提供するために行うことができ、コネクタチャネル１１９は、冷却回路１０４で覆われていない翼形部１１３の内部領域を通って延在するように構成され得る。
【００９２】
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の取り出し部１０５には含まれない。具体的には、アニュラス壁１０９は、冷媒流路１０１の取り出し部１０５を、それの外部にある任意の流れ（たとえば、圧縮機排出キャビティ４４内の圧縮空気の流れ）から流体的にシールドまたは分離するように構成することができる。理解されるように、これは、取り出し部１０５への空気の供給が最初に冷媒流路１０１ａ、１０１ｂの取り入れ部１０３および冷却回路１０４を通るようにして行うことができる。したがって、第１の冷媒流路１０１ａの取り出し部１０５に対応する外側アニュラス壁１０９ｂは、圧縮機排出キャビティ４４内の流れからそれを通って移動する流れを流体的に分離する分離構造体（すなわち、強固な壁のように構成された）を含むことができる。同様に、第２の冷媒流路１０１ｂの取り出し部１０５に対応する内側アニュラス壁１０９ａは、圧縮機排出キャビティ４４内の流れからそれを通って移動する流れを流体的に分離する分離構造体を含むことができる。
【００９３】
図２２に示すように、多段噴射システム５０は、複数の多段インジェクタ５１を含むことができる。これらは、燃焼器１３内に位置することができ、あるいは、図示するように、複数の多段インジェクタ５１は、タービン１２内に存在する第１および第２の多段インジェクタ５１を含んでもよい。後者の場合には、第１の多段インジェクタ５１は、外側流路壁１０８ｂを貫通して形成され、かつ第１の冷媒流路１０１ａを介して空気が供給され、第２の多段インジェクタ５１は、内側流路壁１０８ａを貫通して形成され、かつ第２の冷媒流路１０１ｂを介して空気が供給される。例示的な実施形態によれば、多段インジェクタ５１は、流れアニュラス２６を通ってまたは横切って、すなわち、流れアニュラス壁１０９と流路壁１０８との間に延在するノズル５３を含むことができる。このような場合には、第１の冷媒流路１０１ａの取り出し部１０５の下流側ポートは、第１の多段インジェクタ５１のノズル５３の開口部を含むことができ、第２の冷媒流路１０１ｂの取り出し部１０５の下流側ポートは、第２の多段インジェクタ５１のノズル５３の開口部を含むことができる。
【００９４】
再び図１６〜図２２を全体的に参照して、多段インジェクタ５１は、本明細書で説明する機能に適した従来の燃料／空気インジェクタのタイプのいずれかを含むことができる。特定の好適な実施形態によれば、多段インジェクタ５１は、流れアニュラス２６の外部にある混合チャンバ６２を含むものであってもよい。このタイプのインジェクタの一例を図１２に示す。あるいは、多段インジェクタ５１は、図１３に示すように、浸漬型のインジェクタであってもよい。この場合には、ノズル５３は、流路壁１０８から作動流体流路３７内に突出している。他の実施態様によれば、多段インジェクタ５１は、流路壁１０８の高温側面と同一平面上にある噴射ポート６１を有するノズル５３を含むことができる。このタイプのインジェクタの一例を図１１に示す。より一般的には、多段インジェクタ５１は、複数の燃料ポート５６を含むノズル５３を含むことができる。燃料ポート５６を燃焼器１３の前端部の近くに配置された燃料源に接続する燃料流路５２を含むことができる。既に述べたように、燃料流路５２は、流路壁１０８の内部を通って軸方向に延在することができる。図２０に示すように、燃料流路５２はまた、流路壁１０８の外側に形成されてもよい。
【００９５】
本実施形態の多段インジェクタ５１は、作動流体流路３７内の位置の範囲に沿って配置することができる。これらの位置は、図２〜図１５に関するものを含む、本明細書で既に説明した位置のいずれかを含むことができる。特定の好適な実施形態によれば、多段インジェクタ５１は、ステータブレード１７に対して所定の距離だけ前方に軸方向に離間して配置することができる。多段インジェクタ５１がステータブレード１７に対して前方に離間して配置される所定の距離は、多段インジェクタ５１によって噴射された燃料が、予測された動作条件中にステータブレード１７に到達する前に、作動流体流路３７に好ましく存在する最小時間に関する滞留基準に基づくことができる。多段インジェクタ５１がタービン１２内に存在する場合には、ステータブレード１７の内側側壁および外側側壁の一方または両方を貫通して形成されてもよい。理解されるように、このような場合には、内側側壁および外側側壁は、翼形部１１３と一体に形成された部品であってもよい。ステータブレード１７に対する多段インジェクタ５１の必要な前方の間隔を達成するために、インジェクタが貫通して形成される側壁を前方方向に細長くすることができる。特定の実施形態によれば、ステータブレード１７の細長い側壁は、燃焼器１３とタービン１２との間の界面まで延在することができる。図２０に示すように、多段インジェクタ５１はまた、後方フレーム２０に一体化することができる。多段インジェクタ５１が燃焼器１３内に配置される場合には、特定の好適な実施形態は、中間基準面と後方基準面とのほぼ中間にそれを設けることを含む。
【００９６】
理解されるように、ここで説明した実施形態の有利な一態様は、ステータブレード１７の最前列の冷却に必要な空気流の大部分がもはや燃焼を迂回しないことである。この空気流は、通常は考慮すべきものであり、通常はステータブレード１７を通って循環し、それから作動流体流路３７を通って高温ガスの流れの中に排出され、それにより希釈される。これは、エンジンの性能に悪影響を及ぼす。理解されるように、この空気流を多段インジェクタ５１への入力として使用することにより低減または交換することができれば、発生するＮＯｘが少なくなる低温で燃焼器１３が動作することを可能にしつつ、ガスタービン１０の出力および効率を維持することができる。さらに、これはまた、エンジンが一般的に同じ負荷レベルでより低温で動作することを可能にすることができるので、より安価な材料をその構築に使用することができる。さらに、理解されるように、図１６〜図２２に関連するシステムはまた、図７〜図１５の実施形態に関して上述したように、システム全体の圧力損失を低減することに関して同じ利点を可能にする。
【００９７】
当業者には理解されるように、いくつかの例示的な実施形態に関して上述した多くの様々な特徴および構成は、本発明の他の可能な実施形態を形成するためにさらに選択的に適用することができる。簡潔にするため、および当業者の能力を考慮に入れるために、可能な繰り返しのすべてについては詳細に提示または説明しないが、以下のまたはそれ以外のいくつかの請求項に包含されるすべての組み合わせおよび可能な実施形態は本出願の一部であることが意図されている。さらに、本発明のいくつかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は、改良、変更、および変形を認識するであろう。また当業者の範囲内のこのような改良、変更、および変形は、添付した特許請求の範囲に含まれることを意図している。さらに、前述の記載は本発明の記載された実施形態のみに関係しており、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更および変形が可能であることは明らかである。
【符号の説明】
【００９８】
１０  ガスタービン
１１  圧縮機
１２  タービン
１３  燃焼器
１４  圧縮機ロータブレード
１５  圧縮機ステータブレード
１６  タービン・ロータ・ブレード
１７  タービン・ステータ・ブレード
１８  中心軸
１９  ヘッドエンド
２０  後方フレーム
２１  前方インジェクタ、多段インジェクタ
２２  燃料ライン
２３  ノズル
２４  内側半径方向壁
２５  外側半径方向壁
２６  流れアニュラス
２６ａ  内側流れアニュラス
２６ｂ  外側流れアニュラス
２７  端部カバー
２８  前方チャンバ
２９  燃焼ゾーン、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  トランジションピース
３５  トランジションスリーブ
３７  作動流体流路
４１  インピンジメントポート、インピンジメント開口部
４２  開口部
４３  圧縮機排出ケーシング
４４  圧縮機排出キャビティ
４５  キャップ入口
５０  多段噴射システム
５１  多段インジェクタ
５２  燃料流路
５３  ノズル
５４  外側ポート
５５  ポート
５６  燃料ポート
５７  長手中心軸
５８  噴射基準面、インジェクタ基準面
６１  噴射ポート
６２  燃料および空気混合チャンバ
６３  シールド壁
６７  前方基準面
６８  中間基準面
６９  後方基準面、端部基準面
７０  上流側燃焼ゾーン
７１  下流側燃焼ゾーン
７２  タービン燃焼ゾーン
７５  制御可能なバルブ
８１  タービュレータ
８２  溝
８３  マイクロチャネル
８５  軸方向パーティション
８６  第３の半径方向壁
８７  外側流れアニュラス
８８  スイッチバック冷媒流路
９１  上流側部分
９２  下流側部分
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  取り入れ部
１０４  冷却回路
１０５  取り出し部
１０８  流路壁
１０８ａ  内側流路壁
１０８ｂ  外側流路壁
１０９  アニュラス壁
１０９ａ  内側アニュラス壁
１０９ｂ  外側アニュラス壁
１１１  軸方向パーティション
１１３  翼形部
１１４  前縁
１１５  後縁
１１７  内側側壁、外側側壁
１１８  表面ポート
１１９  コネクタチャネル
【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】
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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】
2017116249000001.pdf