(57)【要約】  本発明は、燃焼器の入口端部における再循環区域を減じる新規の装置および方法を開示している。再循環区域は、燃焼ライナ入口端部におけるブラフボディによる作用を減じるように、ライナ壁の厚さをテーパし、かつ遮熱コーティングをテーパすることにより、入口端部の形状を選択することにより減じられる。
2017536524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ライナであって、
所定の厚さを有したほぼ環状のボディと、入口端部と、該入口端部の反対側の出口端部とを有しており、前記ほぼ環状のボディは、内面と、該内面の反対側の外面とを有しており、該外面は、前記入口端部近くに所定の輪郭を備えた形状を有していて、すなわち、前記外面は第１の外面と第２の外面とを含んでおり、前記第１の外面は、前記第２の外面の半径方向外側に位置していて、前記第１の外面から前記入口端部へと第１の面取り部が延在するようになっており、
当該燃焼ライナはさらに、
前記内面に施工されたコーティングを有しており、該コーティングは、接合コーティングとセラミックトップコーティングとを含み、前記入口端部近くの前記コーティングの少なくとも一部は、第２の面取り部を有していて、これによりコーティング厚さは、前記入口端部に向かってテーパしている、燃焼ライナ。
【請求項２】
前記第１の外面の厚さは、前記第２の外面の厚さよりも大きい、請求項１記載の燃焼ライナ。
【請求項３】
前記第１の面取り部と前記第２の面取り部とは、前記入口端部で減じられたブラフボディ領域を形成する、請求項１記載の燃焼ライナ。
【請求項４】
前記入口端部における前記ブラフボディは、前記燃焼ライナの前記入口端部近くに再循環区域を形成するように設けられている、請求項３記載の燃焼ライナ。
【請求項５】
前記第１の面取り部は、前記入口端部に向かって動く空気流の剥離の危険を減じるように方向付けられた面取り角度を有している、請求項１記載の燃焼ライナ。
【請求項６】
前記燃焼ライナの前記内面に施工された前記コーティングは、緻密な垂直亀裂微細構造を有している、請求項１記載の燃焼ライナ。
【請求項７】
燃焼ライナの入口部分であって、ほぼ環状のボディを有しており、該ボディは第１のライナ厚さからテーパして、第２のライナ厚さを有しており、入口端部近くで第１のライナ厚さから第１の割合でテーパしており、
当該燃焼ライナの入口部分はさらに、
前記ほぼ環状のボディの内壁に施工されたコーティングを有しており、該コーティングの少なくとも一部は、前記入口端部で第１のコーティング厚さから第２のコーティング厚さへとテーパしており、前記コーティングは第２の割合でテーパする、燃焼ライナの入口部分。
【請求項８】
前記入口端部は、約０．００５〜０．１００インチの厚さを有している、請求項７記載の入口部分。
【請求項９】
燃焼ライナの前記厚さは、約５〜７５°の角度でテーパしている、請求項７記載の入口部分。
【請求項１０】
前記コーティングの前記厚さは、約５〜７５°の角度でテーパしている、請求項７記載の入口部分。
【請求項１１】
前記コーティングは、緻密な垂直亀裂微細構造を有している、請求項７記載の入口部分。
【請求項１２】
前記第１のコーティング厚さは、約０．０１０インチ〜０．２００インチである、請求項７記載の入口部分。
【請求項１３】
燃焼ライナにおける再循環区域を減じる方法であって、
燃焼ライナを設けるステップであって、前記燃焼ライナは、該燃焼ライナの外面に沿った面取り部と、前記燃焼ライナの内面に施工されたコーティングと、前記内面上の前記コーティングの少なくとも一部に設けられた面取り部と、を有している、ステップと、
前記燃焼ライナの前記外面に沿って燃料空気混合物を方向付けるステップと、
前記混合物が、前記燃焼ライナの面取りされた部分の少なくとも近くを通るように前記燃焼ライナの入口端部のまわりで前記燃料空気混合物を方向転換させるステップと、
前記混合物を前記燃焼ライナ内に方向付けるステップと、
を有している燃焼ライナにおける再循環区域を減じる方法。
【請求項１４】
前記入口端部は、前記燃焼ライナ及び前記コーティングの厚さと比較して減じられた厚さを有する、ブラフボディを形成する、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記ブラフボディは、約０．００５〜０．０５０インチの厚さを有している、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
燃焼ライナであって、
所定の厚さを有したほぼ環状のボディと、入口端部と、該入口端部の反対側の出口端部とを有しており、前記ほぼ環状のボディは、内面と、該内面の反対側の外面とを有しており、該外面は、第１の曲率半径により所定の輪郭を備えており、
当該燃焼ライナはさらに、
前記内面に施工されるコーティングを有しており、該コーティングは、接合コーティングとセラミックトップコーティングとを含み、前記コーティングの少なくとも一部は、第２の曲率半径により所定の輪郭を備えており、前記入口端部で前記第１の曲率半径は前記第２の曲率半径に滑らかに移行するようになっている、燃焼ライナ。
【請求項１７】
前記第１の曲率半径による輪郭は、前記第２の曲率半径による輪郭に接線方向で接続する、請求項１６記載の燃焼ライナ。
【請求項１８】
前記第１の曲率半径は前記第２の曲率半径よりも大きい、請求項１６記載の燃焼ライナ。
【請求項１９】
前記第２の曲率半径は前記第１の曲率半径よりも大きい、請求項１６記載の燃焼ライナ。
【請求項２０】
燃焼ライナであって、
所定の厚さを有したほぼ環状のボディと、入口端部と、該入口端部の反対側の出口端部と、を有しており、前記ほぼ環状のボディは、内面と、該内面の反対側の外面とを有しており、該外面は、前記入口端部近くに所定の輪郭を備えた形状を有していて、すなわち、前記外面は第１の外面と第２の外面とを含んでおり、前記第１の外面は、前記第２の外面の半径方向外側に位置していて、前記第１の外面から前記入口端部へと第１の面取り部が延在するようになっており、
当該燃焼ライナはさらに、
前記内面に施工されたコーティングを有しており、該コーティングは、接合コーティングとセラミックトップコーティングとを含み、前記入口端部近くの前記コーティングの少なくとも一部は、前記入口端部で曲率半径を有している、燃焼ライナ。
【請求項２１】
燃焼ライナであって、
所定の厚さを有したほぼ環状のボディと、入口端部と、該入口端部の反対側の出口端部とを有しており、前記ほぼ環状のボディは、内面と、該内面の反対側の外面とを有しており、該外面は、曲率半径により所定の輪郭を備えており、
当該燃焼ライナはさらに、
前記内面に施工されるコーティングを有しており、該コーティングは、接合コーティングとセラミックトップコーティングとを含み、前記入口端部近くの前記コーティングの少なくとも一部は面取り部を有していて、これによりコーティング厚さは前記入口端部に向かってテーパしている、燃焼ライナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、概して、燃料−空気混合物を燃焼システム内へ方向付けるための装置および方法に関する。より具体的には、燃焼ライナ入口領域での不都合な空気力学的影響を最小にしながら、燃焼ライナに進入する燃料−空気混合物の速度をより良好に制御するために、燃料−空気混合物をより有効な形式で方向付けるように、半球状ドームが、燃焼ライナへの入口の近くに位置決めされている。
【０００２】
発明の背景
ガス駆動式タービンから汚染物エミッションの量を低減する努力において、政府省庁は、窒素酸化物（ＮＯｘ）および一酸化炭素（ＣＯ）の量の低減を要求する多くの規則を制定してきた。より少ない燃焼エミッションは、しばしば、特に燃料インジェクタ位置、空気流量および混合効率に関して、より効率的な燃焼プロセスに起因する可能性がある。
【０００３】
初期の燃焼システムは、拡散型ノズルを利用していた。拡散型ノズルでは、燃料は、火炎領域の近くで、拡散によって、燃料ノズルの外部の空気と混合される。拡散型ノズルは、従来、十分な燃焼器安定性および低い燃焼ダイナミクスを維持するために燃料と空気とが、混合することなく、高温において化学量論的に実質的に相互作用時に燃焼することにより、比較的大量のエミッションを発生する。
【０００４】
燃料と空気を予混合し、より低いエミッションを得る択一的な手段は、複数の燃焼段を利用することによって得ることができる。複数の燃焼段を備える燃焼器を提供するために、混合され、燃焼されて高温燃焼ガスを形成する燃料および空気も、段付けされなければならない。燃焼システム内へ通過する燃料および空気の量を制御することにより、利用可能な電力およびエミッションを制御することができる。燃料は、燃料システム内の一連の弁または特定の燃料インジェクタへの専用の燃料回路によって段付けすることができる。しかしながら、エンジン圧縮機によって大量の空気が供給されると、空気を段付けすることはより困難となり得る。実際には、図１に示したように、ガスタービン燃焼システムへの一般的設計により、燃焼器への空気流は通常、燃焼ライナ自体における開口のサイズによって制御され、したがって、容易に調節可能ではない。従来の燃焼システム１００の一例が、図１の断面図に示されている。燃焼システム１００は、燃焼ライナ１０４を含む流れスリーブ１０２を有する。燃料インジェクタ１０６はケーシング１０８に固定されており、ケーシング１０８は半径方向ミキサ１１０を収容している。ケーシング１０８の前側部分には、カバー１１２と、パイロットノズルアセンブリ１１４とが固定されている。
【０００５】
しかしながら、燃焼の前に燃料と空気を予混合することは、より低いエミッションを助けることが示されたが、噴射される燃料−空気予混合物の量は、様々な燃焼器変数により変化する傾向がある。これにより、燃焼器内へ噴射される燃料−空気予混合物の量を制御することに関して、いまだ障害が残っている。
【０００６】
発明の概要
本発明は、多段燃焼システムの燃焼ライナ内へ燃料−空気混合物を噴射する前に、燃料−空気混合の制御を改善する装置および方法を開示する。より具体的には、本発明の１つの実施形態において、概して円筒形の流れスリーブと、この流れスリーブ内に収容された概して円筒形の燃焼ライナとを有するガスタービン燃焼器が提供される。ガスタービン燃焼器は、さらに、主燃料インジェクタのセットと、燃焼ライナの入口端部を取り囲み、概して半球状の横断面を有する燃焼器ドームアセンブリとを有する。ドームアセンブリは、燃焼ライナ内で主燃料インジェクタのセットに向かって両軸方向に延びており、これにより、一連の通路を形成している。一連の通路を燃料−空気混合物が通過する。通路は、燃料−空気予混合物の流れを調整するように対応してサイズ決めされている。
【０００７】
本発明の択一的な実施形態では、ガスタービン燃焼器用のドームアセンブリが開示される。ドームアセンブリは、燃焼器の軸線を中心に延びる環状で、半球状のキャップと、半球状のキャップの半径方向外側部分に固定された外側環状壁部と、半球状のキャップの半径方向内側部分に固定された内側環状壁部とを有する。結果的に得られるドームアセンブリは、燃焼ライナの入口部分を取り囲むようにサイズ決めされた概してＵ字形の横断面を有する。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態では、ガスタービン燃焼器のための燃料−空気混合物の速度を制御する方法が開示される。この方法は、燃焼ライナの半径方向外側に配置された第１の通路を通って燃料−空気混合物を方向付け、次いで、燃料−空気混合物を、第１の通路から、第１の通路に隣接して配置された第２の通路を通って方向付けることを含む。次いで、燃料−空気混合物は、第２の通路から、半球状ドームキャップによって形成された第４の通路を通って方向付けられ、これにより、燃料−空気混合物の方向を反転させる。次いで、燃料−空気混合物は、燃焼ライナ内に配置された第３の通路を通過する。
【０００９】
本発明のさらに別の実施形態では、ほぼ環状のボディが設けられており、該ほぼ環状のボディは、所定の厚さと、入口端部と、該入口端部の反対側の出口端部と、内面と、該内面の反対側の外面とを有しており、該外面は、前記入口端部近くに所定の輪郭を備えた形状を有していて、すなわち、前記外面は第１の外面と第２の外面とを含んでおり、前記第１の外面は、前記第２の外面の半径方向外側に位置していて、前記第１の外面から前記入口端部へと第１の面取り部が延在するようになっている。遮熱コーティングが、前記内面に施工されており、前記入口端部近くの前記コーティングの一部は第２の面取り部を有していて、これによりコーティングの厚さは前記入口端部に向かってテーパしている。
【００１０】
本発明の別の実施形態では、燃焼ライナの入口部分が設けられていて、該入口部分は、ほぼ環状のボディを有しており、該ボディは第１のライナ厚さからテーパして、第２のライナ厚さを有しており、入口端部近くで第１のライナ厚さから第１の割合でテーパしている。コーティングが、前記ほぼ環状のボディの内壁に施工されており、該コーティングは、前記入口端部で第１のコーティング厚さから第２のコーティング厚さへとテーパしており、前記コーティングは第２の割合でテーパしている。
【００１１】
本発明のさらに別の実施形態では、燃焼ライナにおける再循環区域を減じる方法が提供される。燃焼ライナの外面に沿った面取り部と、燃焼ライナの内面に施工されたコーティングと、内面上のコーティングに対する面取り部とを有した燃焼ライナが提供される。燃料空気混合物は、燃焼ライナの外面に沿って方向付けられ、この混合物が、燃焼ライナの面取りされた部分の少なくとも近くでは維持されるように、燃焼ライナの入口端部のまわりで方向転換され、次いで、燃焼ライナ内へと方向付けられる。
【００１２】
本発明のさらに別の選択的な実施形態では、燃焼ライナが設けられており、該燃焼ライナは、所定の厚さを有したほぼ環状のボディと、入口端部と、該入口端部の反対側の出口端部と、内面と、該内面の反対側の外面とを有しており、該外面は、第１の曲率半径を有した所定の輪郭を備えた形状を有している。前記内面には、遮熱コーティングが施工されており、前記入口端部近くの前記コーティングの一部は面取り部を有していて、これにより前記コーティング厚さは前記燃焼ライナの入口端部に向かってテーパしている。
【００１３】
本発明の別の選択的な実施形態では、燃焼ライナが設けられており、該燃焼ライナは、所定の厚さを有したほぼ環状のボディと、入口端部と、該入口端部の反対側の出口端部と、内面と、該内面の反対側の外面とを有しており、該外面は、燃焼ライナの入口端部に向かう面取りされた形状を有している。前記内面には、遮熱コーティングが施工されており、前記入口端部近くの前記コーティングの一部は第１の曲率半径を有した所定の輪郭を備えた形状を有しており、これにより前記コーティング厚さは前記燃焼ライナの入口端部に向かってテーパしている。
【００１４】
本発明のさらに別の選択的な実施形態では、燃焼ライナが設けられており、該燃焼ライナは、所定の厚さを有したほぼ環状のボディと、入口端部と、該入口端部の反対側の出口端部と、内面と、該内面の反対側の外面とを有しており、該外面は、第１の曲率半径を有した所定の輪郭を備えた形状を有している。前記内面には、遮熱コーティングが施工されており、前記入口端部近くの前記コーティングの一部は第２の曲率半径を有していて、これにより前記コーティング厚さは入口端部に向かってテーパしている。
【００１５】
本発明の付加的な利点および特徴は、以下に続く説明において部分的に示され、部分的に以下の説明の検討により当業者に明らかになるか、または本発明の実施によって学ばれ得る。ここで、添付の図面を特に参照して、本発明を説明する。
【００１６】
図面の簡単な説明
添付の図面を参照して、本発明を以下で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の燃焼システムの断面図である。
【図２】本発明の１つの実施形態によるガスタービン燃焼器の断面図である。
【図３】本発明の１つの実施形態による、図２のガスタービン燃焼器の一部の詳細な断面図である。
【図４Ａ】本発明の１つの実施形態によるドームアセンブリの断面図である。
【図４Ｂ】本発明の選択的な実施形態によるドームアセンブリの断面図である。
【図５】ガスタービン燃焼器に進入する燃料−空気混合物を調節するプロセスを開示するフローチャートである。
【図６】従来技術による燃焼ライナの一部の断面図である。
【図７】本発明の１つの実施形態による燃焼ライナの一部を示す断面図である。
【図８】本発明の選択的な実施形態による燃焼ライナの一部を示す断面図である。
【図９】本発明のさらに別の選択的な実施形態による燃焼ライナの一部を示す断面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による燃焼ライナの一部を示す断面図である。
【図１１】本発明の１つの実施形態による燃焼ライナ内へ燃料空気混合物を方向付けるプロセスを示すフローチャートである。
【００１８】
発明の詳細な説明
引用により、本願は、米国特許第６９３５１１６号明細書、米国特許第６９８６２５４号明細書、米国特許第７１３７２５６号明細書、米国特許第７２３７３８４号明細書、米国特許第７３０８７９３号明細書、米国特許第７５１３１１５号明細書および米国特許第７６７７０２５号明細書（U.S. Patent Nos. 6,935,116, 6,986,254, 7,137,256, 7,237,384, 7,308,793, 7,513,115, and 7,677,025.）の内容を含む。
【００１９】
本発明は、燃焼システム内へ噴射される燃料−空気混合物の速度を制御するためのシステムおよび方法を開示する。すなわち、燃料−空気混合物が通過する環状の公知の有効流れ領域を形成する２つの同軸的な構造により、所定の有効流れ領域が維持される。
【００２０】
ここで、図２から図８に関して本発明を説明する。本発明が機能するガスタービン燃焼システム２００の１つの実施形態が、図２に示されている。燃焼システム２００は、多段燃焼システムの一例であり、長手方向軸線Ａ−Ａを中心に延びており、所定の量の圧縮機空気を概して円筒状で同軸的な燃焼ライナ２０４の外面に沿って方向付けるための概して円筒状の流れスリーブ２０２を有している。燃焼ライナ２０４は、入口端部２０６と、反対側の出口端部２０８とを有する。燃焼システム２００は、燃焼ライナ２０４の半径方向外側で、流れスリーブ２０２の上流端部の近くに位置決めされた主燃料インジェクタ２１０のセットも有する。主燃料インジェクタ２１０のセットは、燃焼システム２００のための燃料−空気混合物を提供するために、制御された量の燃料を、通過する空気流内へ方向付ける。
【００２１】
図２に示された本発明の実施形態の場合、主燃料インジェクタ２１０は、燃焼ライナ２０４の半径方向外側に配置されており、燃焼ライナ２０４の周囲に環状の配列で広がっている。主燃料インジェクタ２１０は、２つの段に分割されており、第１の段は、燃焼ライナ２０４の周囲に約１２０°にわたって延びており、第２の段は、燃焼ライナ２０４の周囲に、残りの環状部分、もしくは約２４０°にわたって延びている。主燃料インジェクタ２１０の第１の段は、メイン１火炎を発生するために使用され、主燃料インジェクタ２１０の第２の段は、メイン２火炎を発生するために使用される。
【００２２】
燃焼システム２００は、図２および図３に示したように燃焼ライナ２０４の入口端部２０６を包囲する燃焼器ドームアセンブリ２１２も有する。より具体的には、ドームアセンブリ２１２は、外側環状壁部２１４を有する。外側環状壁部２１４は、主燃料インジェクタ２１０のセットの近くから、概して半球状のキャップ２１６まで延びている。キャップ２１６は、燃焼ライナ２０４の入口端部２０６の前方へ所定の距離に位置決めされている。ドームアセンブリ２１２は、半球状キャップ２１６において方向転換し、ドームアセンブリ内壁２１８を通って燃焼ライナ２０４内へ所定の距離だけ延びる。
【００２３】
燃焼ライナ２０４に関連した燃焼器ドームアセンブリ２１２の形状により、燃焼器ドームアセンブリ２１２の複数の部分と、燃焼ライナ２０４との間に、一連の通路が形成されている。外側環状壁部２１４と、燃焼ライナ２０４との間に、第１の通路２２０が形成されている。図３を参照すると、第１の通路２２０のサイズは、主燃料インジェクタ２１０のセットの近くにおける第１の半径方向高さＨ１から、第２の通路２２２におけるより小さな高さＨ２まで減少している。第１の通路２２０は、十分な逆火余白を提供するために、位置Ｈ２において流れを目標しきい値速度まで加速するために、所定の角度でテーパしている。すなわち、燃料−空気混合物の速度が十分に高い場合、燃焼システムにおいて逆火が生じるならば、第２の通路２２２を通る燃料−空気混合物の速度は、火炎がこの領域に維持されるのを防止する。
【００２４】
第２の通路２２２は、外側環状壁部２１４の円筒状部分と、燃焼ライナの入口端部２０６の近くの燃焼ライナ２０４との間に形成されており、第１の通路２２０と流体通流可能に接続されている。第２の通路２２２は、２つの円筒状部分の間に形成されており、燃焼ライナ２０４の外面と、外側環状壁部２１４の内面との間で測定される第２の半径方向高さＨ２を有する。燃焼器ドームアセンブリ２１２は、第３の通路２２４をも有し、第３の通路２２４は、やはり円筒状であり、燃焼ライナ２０４と内壁２１８との間に位置決めされている。第３の通路は、第３の半径方向高さＨ３を有しており、第２の通路のように、２つの円筒状壁部、すなわち燃焼ライナ２０４と、ドームアセンブリ内壁２１８とによって形成されている。
【００２５】
上述のように、第１の通路２２０は、実際には概して円筒状である第２の通路２２２へテーパしている。第２の半径方向高さＨ２は、燃料−空気混合物が通過しなければならない制限領域として機能する。半径方向高さＨ２は、調節され、その形状によって部分ごとに一貫して保たれており、図３に示したように２つの円筒状の（すなわちテーパしていない）面によって制限されている。すなわち、制限流れ領域として円筒状の面を利用することによって、より優れた寸法設定が提供される。なぜならば、テーパした面の場合と比較して、より正確な機械加工技術および円筒面の機械加工公差の調節が達成可能であるからである。例えば、円筒面の公差を±０．００１インチ以内に保つことは、標準的な機械加工能力の十分な範囲内である。
【００２６】
第２の通路２２２および第３の通路２２４に円筒形状を利用することは、有効流れ領域を制御および調整するためのより有効な方法を提供し、有効流れ領域を調節することにより、燃料−空気混合物を所定の既知の速度に維持することができる。混合物の速度を調節することができることにより、速度を、ドームアセンブリ２１２において火炎の逆火が生じないことを保証するのに十分な高い速度に維持することができる。
【００２７】
図２〜図４Ｂに示されたこれらの決定的な通路形状を表すための１つのこのような方法は、第３の通路高さＨ３に対する第２の通路高さＨ２の方向転換半径比によるものである。これは、燃焼入口領域の高さに対する最小高さである。例えば、本明細書に示された本発明の実施形態では、Ｈ２／Ｈ３の比は約０．３２である。このアスペクト比は、ライナに隣接して存在する、再循環および安定化捕捉渦のサイズを制御し、これは、全体的な燃焼器安定性を提供する。例えば、図２および図３に示された実施形態の場合、このジオメトリを利用することにより、第２の通路における燃料−空気混合物の速度は、毎秒約４０〜８０メートルの範囲に留まらせることができる。しかしながら、この比は、所望の通路高さ、燃料−空気混合物の質量流量、および燃焼器速度に応じて変化する。開示された燃焼システムの場合、Ｈ２／Ｈ３の比は、約０．１〜約０．５の範囲であることができる。より具体的には、本発明の１つの実施形態の場合、第１の半径方向高さＨ１は、約１５ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲であることができ、第２の半径方向高さＨ２は、約１０ｍｍ〜約４５ｍｍの範囲であることができ、第３の半径方向高さＨ３は、約３０ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲であることができる。
【００２８】
上述のように、燃焼システムは、第４の高さＨ４を有する第４の通路２２６も有しており、この第４の通路２２６は、燃焼ライナの入口端部２０６と、半球状のキャップ２１６との間に配置されている。図３から分かるように、第４の通路２２６は、半球状キャップ２１６内に位置決めされており、ライナの入口端部２０６から半球状キャップ２１６における交差位置までの距離に沿って測定された第４の高さを有している。したがって、第４の高さＨ４は、第２の半径方向高さＨ２よりも大きいが、第４の高さＨ４は、第３の半径方向高さＨ３よりも小さい。第２、第３および第４の通路のこの相対的な高さの構成により、燃料−空気混合物は、（Ｈ２において）制御され、（Ｈ４において）半球状キャップ２１６を通って回転し、（Ｈ３において）燃焼ライナ２０４に進入し、これは全て、燃料−空気混合物の速度が、燃料−空気混合物がドームアセンブリ２１２の表面に付着したままであるように十分に速いことを保証するような形式でなされる。なぜならば、付着されていない、もしくは分離された燃料−空気混合物は、逆火の際に火炎を助長する可能性のある条件を提供するからである。
【００２９】
図３に示したように、少なくとも部分的に外側環状壁部２１４の形状の結果、第１の通路２２０の高さはテーパしている。より具体的には、第１の通路２２０は、主燃料インジェクタ２１０のセットに隣接する領域において最大の高さを、第２の通路に隣接する領域において最小の高さを有している。上述の通路形状を有するドームキャップアセンブリ２１２の択一的な実施形態が、図４Ａおよび図４Ｂにさらに詳しく示されている。
【００３０】
図５を参照すると、ガスタービン燃焼器のための燃料−空気混合物の速度を調節する方法５００が開示されている。この方法５００は、燃焼ライナの半径方向外側に配置された第１の通路を通して燃料−空気混合物を方向付けるステップ５０２を含む。次いで、ステップ５０４において、燃料−空気混合物は、第１の通路から、やはり燃焼ライナの半径方向外側に配置された第２の通路内へ方向付けられる。ステップ５０６において、燃料−空気混合物は、第２の通路から、半球状ドームキャップ２１６によって形成された第４の通路内へ方向付けられる。その結果、燃料−空気混合物は、流れ方向を反転させ、今や燃焼ライナ内へ方向付けられる。次いで、ステップ５０８で、燃料−空気混合物は、燃焼ライナ内に配置された第３の通路を通って方向付けられ、燃料−空気混合物は、燃焼ライナ内へ下流に向けて通流する。
【００３１】
当業者が理解するように、ガスタービンエンジンは通常、複数の燃焼器を有する。概して、議論のために、ガスタービンエンジンは、ここに開示されるような低エミッション燃焼器を有してよく、ガスタービンエンジンの周囲に缶型環状構成で配置されていてよい。ガスタービンエンジンの１つのタイプ（例えばヘビーデューティガスタービンエンジン）には、通常、６〜１８個の個々の燃焼器が設けられていてよいが、このような数に限定されない。各燃焼器は、上に概説した構成部材によって取り付けられている。したがって、ガスタービンエンジンのタイプに基づいて、ガスタービンエンジンを作動させるために利用される複数の異なる燃料回路があり得る。図２および図３に開示された燃焼システム２００は、エンジンの負荷に基づいて４つの燃料噴射段を有する多段予混合燃焼システムである。しかしながら、特定の燃料回路および関連する制御機構を、より少ないまたは付加的な燃料回路を有するように変更することができると考えられる。
【００３２】
図６〜図１１を参照して、燃焼ライナ入口領域の態様に関する付加的な詳細を説明し、議論する。まず、最初に図６を参照すると、従来技術の燃焼ライナの入口端部の詳細図が示されている。特に、燃焼ライナ６００は、所定の厚さ６０４を有したほぼ環状のボディ６０２と、ほぼ環状のボディ６０２の内面６０８に沿って施工された遮熱コーティング６０６とを有している。燃焼ライナ６００は入口端部６１０を有している。この従来技術の実施形態では、遮熱コーティング６０６は、入口端部６１０へと延在しており、一緒にブラフ端面６１２を形成している。すなわち、従来技術の実施形態では、入口端部６１０は、燃焼ライナ６００に使用される金属薄板の厚さに応じて、０．０９０インチ以上の合計厚さ（金属＋遮熱コーティング）を有している。このような燃焼ライナ６００を、図２〜図５の燃焼システムと共に使用すると、燃焼ライナ６００と入口端部６１０とは、燃料空気流が入口端部６１０に沿って、かつ入口端部６１０のまわりを通過するときに望ましくない結果を生じさせる可能性があるブラフボディ（鈍頭物体）を形成する。特に、燃料空気流が、入口端部６１０のまわりを通過するとき、燃料空気混合物は、このブラフボディの形状により、燃焼ライナ６００へと入るときに剥離する傾向がある。当業者が理解するように、このような流れの剥離は、入口端部６１０に、または入口端部６１０近くに火炎を留まらせることを助長する恐れがある。この望ましくない結果は、燃焼ライナ６００の入口端部６１０を、この再循環領域に形成された火炎によって侵食して、燃焼ライナの早期修理または交換という結果となる。
【００３３】
この従来技術の燃焼ライナの入口端部６１０の改良が、図７に示されている。本発明の実施形態では、ほぼ環状のボディ７０２を有する燃焼ライナ７００が設けられている。この環状のボディ７０２は、前方領域７０４に向かって変化する厚さＴを有している。燃焼ライナ７００はさらに、入口端部７０６と、反対側の出口端部（図示せず）とを有する。ほぼ環状のボディ７０２はさらに、内面７０８と、この内面とは反対側の外面とを有している。この外面は、入口端部７０６の近くに所定の輪郭を備えた形状を有していて、第１の外面７１０と第２の外面７１２とを含んでいる。この場合、第１の外面７１０は、第２の外面７１２の半径方向外側に位置している。
【００３４】
燃焼ライナ７００の前方領域７０４も、第１の外面７１０から入口端部７０６に向かって延在する第１の面取り部７１４を有しており、これにより、前方領域７０４における燃焼ライナ７００の厚さは減じられている。図７に示した実施形態では、第１の面取り部７１４は、約５〜７５°の角度で方向付けられていて、燃焼ライナ７００の厚さを約０．１〜０．２５インチから入口端部７０６では約０．００５〜０．１インチへと減じている。面取り角度、その結果生じる厚さ、および燃焼ライナの厚さの変化率は、単なる代表例であり、本発明の範囲を限定することを意味するものではない。当業者は理解するように、燃焼ライナの厚さ、面取り角度および、入口端部７０６に向かって変化する厚さの変化率は、変更可能である。しかしながら、第１の割合での第１の面取り部７１４による厚さの減少により、ほぼ環状のボディ７０２の外面に沿って通過する燃料空気流のより多くは、従来技術の設計とは対照的に、環状のボディ７０２に付着したままである。
【００３５】
燃焼ライナ７００はさらに、ほぼ環状のボディ７０２の内面７０８に施工されたコーティング７１６を有している。燃焼ライナ７００のために使用されるこのようなコーティングの１つは遮熱コーティングである。内面７０８に施工された遮熱コーティング７１６は、接合コーティング７１８とセラミックトップコーティング７２０とを有している。例えば、接合コーティング７１８は、約０．００１〜０．０１０インチの厚さに施工されてよく、セラミックトップコーティング７２０は、接合コーティング７１８の上に約０．０１０〜０．２００インチの厚さに施工されてよい。当業者が理解するように、遮熱コーティングは、上述したように標準的な市販のコーティングであってよく、または、より有利には、緻密な垂直亀裂コーティング（ＤＶＣコーティング）のような遮熱コーティングであってもよい。図７に示したように、入口端部７０６近くのコーティング部分は、５〜７５°の角度で方向付けられた第２の面取り部７２２によりテーパされていて、この面取り部は、コーティング厚さを入口端部７０６に向かって第２の割合でテーパする。第２の面取り部７２２は、予め施工されたコーティングを研削するといった機械加工プロセスにより形成することができ、または施工される接合コーティングおよび遮熱コーティングの層をテーパした結果として形成することができる。
【００３６】
したがって、図７によりわかるように、第１の面取り部７１４と第２の面取り部７２２とは、入口端部７０６に減じられたブラフボディ領域７２４を形成する。本発明の実施形態では、減じられたブラフボディ領域７２４は、約０．０２０インチの厚さを有している。しかしながら、別の減じられたブラフボディ領域７２４を、燃焼ライナ７００の所望の構造に応じて、利用することができる。上述したように、ブラフボディ領域は、再循環区域を形成する。しかしながら本発明による面取り角度７１４および７２２は、このような領域のサイズを減じるので、燃料空気流が、入口端部７０６に向かって流れるときに剥離する傾向を減じることができる。
【００３７】
しかしながら、本発明により形成された減じられたブラフボディ領域７２４により、ほぼ環状のボディ７０２の外側領域に沿って通過する燃料空気流は、テーパ面７１４および７２２に沿って維持され、これにより、従来技術のブラフボディによる悪影響を減じることができる。
【００３８】
本発明の選択的な実施形態では、ライナの入口端部７０６における面取り部は、代わりに、図８〜図１０に示したような、丸み付けされたブラフボディ領域またはライナの入口端部の丸み付けされた部分を有していてもよい。特に、図８〜図１０に示したように、燃焼ライナ８００は入口端部８０６を有していて、図７に示した面取り角度７１４および７２２の代わりに、燃焼ライナ８００は、入口端部８０６に１つ以上の曲率半径を有している。すなわち、燃焼ライナ８００は、入口端部８０６と出口端部（図示せず）を有したほぼ環状のボディ８０２を有している。環状のボディ８０２は、内面８０８と外面８１０とを有している。この実施形態では、内面８０８は、この内面８０８に施工される遮熱コーティング８２０を有している。しかしながら、図７の実施形態とは異なり、この実施形態は、ライナ入口で燃焼ライナ８００内に形成される１つ以上の半径を含む。特に、図８では、１つ以上の半径は、入口端部８０６近くで外面８１０のまわりにほぼ環状のボディ８０２に対する曲率半径Ｒを含む。曲率半径Ｒは、様々な要素に応じて変更してよい。しかしながら、半径Ｒは、図７の実施形態のテーパ面７１４の長さとほぼ等しく延在するように、所定の距離を延びているのが好ましい。したがって、半径Ｒは、テーパ面７１４の同じ一般領域をカバーしている。しかしながら、半径は、テーパ面７１４により得られる効果と同様の効果を提供するが、テーパ面７１４ほど有利ではない。半径Ｒは、湾曲面の結果として空気流の剥離の危険を増加させている。また、このような半径は、この領域に保持されている全ての火炎に不都合に作用する。
【００３９】
選択的に、図９に示したように、燃焼ライナ８００に対する１つ以上の半径Ｒが、入口端部８０６で内面８０８に施工された遮熱コーティング８２０に沿って形成されてもよい。遮熱コーティング８２０の半径Ｒは、コーティング厚さに応じて変更可能である。図８の実施形態と同様に、遮熱コーティングに対する半径Ｒも、入口端部８０６に保持される火炎に対して不都合に作用する。
【００４０】
次いで、図１０を参照すると、１つ以上の半径Ｒは、第１の半径Ｒ１と第２の半径Ｒ２とを有することができる。特に、ほぼ環状のボディ８０２は、遮熱コーティング８２０の半径Ｒ２よりも著しく大きな第１の半径Ｒ１を有している。したがって、入口端部８０６におけるＲ１とＲ２の組合わせは、燃焼ライナへの入口における丸みのある先端に匹敵する形状を形成する。
【００４１】
図８〜図１０に開示された構造は、ライナの構造的統一性にとって必要な燃焼ライナのブラフ前縁を提供する。しかしながら、前縁の厚さを減じることにより、火炎を保持する傾向を減じさせることによって、燃焼ライナの入口端部８０６の早期の熱摩耗を防止している。半径Ｒ、Ｒ１および／またはＲ２は、好適には、ライナおよび／または遮熱コーティングに対する研削工程により形成される。
【００４２】
図１１を参照すると、ガスタービン燃焼器における再循環区域を減じる方法１１００が開示されている。特に、ステップ１１０２では、燃焼ライナの外面に沿った面取り部と、燃焼ライナの内面に施工されたコーティングと、内面上のコーティングに対する面取り部とを有した燃焼ライナが提供される。次いで、ステップ１１０４では、燃料空気混合物が、燃焼ライナの外面に沿って方向付けられる。燃料空気混合物は、次いで、ステップ１１０６で燃焼ライナの入口端部のまわりで方向転換され、これにより混合物は少なくとも、燃焼ライナの面取り部の近くに留まる。次いで、ステップ１１０８で、燃料空気混合物は燃焼ライナ内へと方向付けられ、ここで噴射されて、ガスタービンエンジンに出力を供給する。
【００４３】
現時点で好適な実施形態として知られるものについて、本発明は説明されているが、本発明は、開示された実施形態に限定されるのではなく、反対に、以下の請求項の範囲の様々な変更および同等の配列を包含することが意図されている。本発明は、全ての観点から制限的ではなく例示的である特定の実施形態に関して説明されている。
【００４４】
前記説明から、本発明が、システムおよび方法にとって明白でかつ固有である他の利点とともに、全ての目的および課題を達成するために十分に適応されたものであることが分かる。ある特徴および準組合せは利用でき、他の特徴および準組合せを参照することなく使用されてよいことが理解されるであろう。これは、請求項の範囲によっておよび請求項範囲において考慮される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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