JP2010107186A - クロスフローの再循環域に影響を与えるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クロスフロー装置（１００）を開示する。
【解決手段】本クロスフロー装置（１００）は、表面（１３０）と、該表面（１３０）に設けられた１以上の出口（１４０）とを含む。本クロスフロー装置（１００）はさらに、表面（１３０）を横切って流れる交差流（１５０）を導きかつ１以上の出口（１４０）から該１以上の出口（１４０）の下流に吐出されるクロスフロー（１６０）の速度を増大させるように構成された該表面（１３０）における１以上のガイド（１８０）を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはクロスフロー構成に関する。具体的には、本発明は、ガスタービンエンジン用の燃料ノズルに関する。

クロスフローのジェットは、オリフィスを出る流体の流れが、該オリフィスを横切って流れる流体の交差流と相互作用するときに発生する。クロスフローのジェットは、ガスタービン燃焼器、燃料噴射装置及び煙突内での公害防止のような様々な用途にとって中心となるものである。クロスフローのジェットは一般に、クロスフローが導入される場所の下流に再循環域を形成する。再循環域は一般に、低い流れ速度を有しており、こうした低い流れ速度は、クロスフローの流れの用途の構成により決まる様々な有害な作用を引き起こしかねない。

米国特許第６４０５５３６号明細書

従って、クロスフローの流れの下流の再循環域を減少させるか、排除するか又は別な状態に変化させる装置は、本技術分野では良好に受入れられることになるであろう。

本発明の１つの態様によると、クロスフロー装置は、表面と、該表面に設けられた１以上の出口と、表面を横切って流れる交差流を導きかつ１以上の出口から該１以上の出口の下流に吐出されるクロスフローの速度を増大させるように構成された該表面における１以上のガイドとを含む。

本発明の別の態様によると、燃焼器スウォズル（swozzle）は、表面を有するスウォズルベーンと、該表面に設けられたクロスフロー出口と、表面を横切って流れる交差流を導きかつ出口から該出口の下流に吐出されるクロスフローの速度を増大させるように構成された該表面におけるガイドとを含む。

本発明のさらに別の態様によると、複数の流れを組合せる方法は、表面を横切る第１の流体の第１の流れを流すステップと、表面の開口部から第１の流れ内に第２の流体の第２の流れを吐出するステップと、第１の流れ及び第２の流れの少なくとも１つを導くステップと、第２の流れが吐出された場所の下流の領域内で該第２の流れの速度を増大させるステップとを含む。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面に関連してなした以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の一実施形態による燃焼器スウォズルの斜視図。 本発明の実施形態によるスウォズルベーンの斜視図。 図２のスウォズルベーンの矢視３−３断面図。 本発明の別の実施形態によるスウォズルベーンの斜視図。

本明細書では、開示した装置及び方法の以下に記載した実施形態の詳細な説明は、例示として示すものであって、図に関連させた限定を目的とするものではない。

図１を参照すると、複数のスウォズルベーン１１０を備えた燃焼器スウォズル１００を示しており、スウォズルベーン１１０の各々は、前縁１２０と表面１３０とを有する。表面１３０は、その上に１以上のクロスフロー出口１４０を有しており、この図では、２つを示している。ガスタービンにおける燃焼過程の間に、加圧空気流の第１の流れ１５０は、スウォズルベーン１１０の前縁１２０に接近しかつ表面１３０を横切って流れる。燃焼器燃料の第２の流れ１６０は、燃料室１７０によって供給されかつその後第１の流れ１５０に対して交差角度でクロスフロー出口１４０から吐出される。スウォズルベーン１１０は、そのプロフィールがクロスフロー出口１４０から下流方向に最大９０°まで湾曲したもの又は湾曲していないものとして、２つの流れ１５０、１６０の組合せ（混合物）を混合しかつ旋回させるようにすることができる。燃焼器（図示せず）はその後、２つの流れ１５０、１６０の組合せを受入れる。スウォズルベーン１１０の１以上の表面１３０上には、本明細書で説明する１以上のガイド部分１８０が設けられている。ガイド部分１８０は、第１の流れ１５０を導き、それによりクロスフロー出口１４０の下流で第２の流れ１６０の速度を増大させるように構成される。この速度の増大は、再循環域を減少させ、それにより再循環域内における保炎を減少させる。本明細書に開示した実施形態は、スウォズルベーン１１０の表面１３０上におけるクロスフロー構成に関する実施例として説明しているが、あらゆるその他のクロスフロー構成に適用することができる。

図２及び図３を参照すると、前縁１２０に接近した第１の流れ１５０を有し、前縁１２０が第１の流れ１５０を２つの流れに分割しているスウォズルベーン１１０を示している。第１の流れ１５０の一部分は、図に示すスウォズルベーン１１０の表面１３０を横切って流れ、一方、第１の流れ１５０の別の部分は、スウォズルベーン１１０の正反対の位置にある表面（図示せず）を横切って流れる。第１の流れ１５０は、本明細書で上述したように加圧空気からなるものとすることができるが、それに代えて、クロスフローを囲みかつ該クロスフローと交差するように構成されたあらゆるタイプの交差流の流動及び組成特性を有することができる。交差流１５０の組成特性に関係なく、交差流１５０は、スウォズルベーン１１０の表面１３０上でクロスフロー出口１４０を横切って流れるように構成される。

その一方、クロスフロー出口１４０は、第１の流れ１５０に対して交差角度で第２の流れ１６０を吐出するように構成された表面内の開口部である。一実施形態では、第２の流れ１６０は、ガソリン、天然ガス、プロパン、ディーゼル燃料、ケロシン、Ｅ８５、バイオディーゼル燃料、バイオガス、或いは燃焼に使用するあらゆるその他の燃料のような可燃性燃料のジェットである。別の実施形態では、第２の流れ１６０は、あらゆるその他の気体又は液体物質の流れ或いはその組合せである。従って、第２の流れ１６０は、該クロスフロー内に持ち込まれるあらゆるタイプのクロスフローの流動及び組成特性を有することができることが解るであろう。表面１３０上には、その各々が第２の流れ１６０を吐出するクロスフロー出口１４０の２つを図示している。本明細書では、クロスフロー出口１４０の各々は、略円形であるように示している。それに代えて、クロスフロー出口１４０は、その形状を卵形、多角形又は曲線形とすることができ、或いはそれらの組合せとすることができる。さらに、クロスフロー出口１４０の１以上はまた、表面１３０上に設置したクロスフロー出口１４０に対するのと同様な構成として、スウォズルベーン１１０の正反対の位置にある表面上に設けることができる。

スウォズルベーン１１０はさらに、１以上のガイド部分１８０を含み、クロスフロー出口１４０の各クロスフロー出口１４０の周りにその２つを示している。ガイド部分１８０は、第１の流れ１５０及び第２の流れ１６０の１以上の流れを導くように構成されたガイドである。このように導き直すことにより、クロスフロー出口１４０の下流に位置する下流領域１９０内において流れの速度が増大する。このように導き直すことはさらに、下流領域１９０内での保炎の防止及び下流領域１９０内での再循環域の形成の減少の両方を行う。さらに、ガイド部分１８０は第１の流れ１５０内への第２の流れ１６０の貫入高さを増加させて、該第２の流れ１６０を表面１３０からより遠くに保持する。このことは、第２の流れ１６０の流体を第１の流れ１５０のストリーム内に分散させるのに有用である。

一実施形態では、ガイド部分１８０はさらに、上流端部１８１と下流端部１８２とを含む。この実施形態では、上流端部１８１は、クロスフロー出口１４０の中央部と交差しかつ第１の流れ１５０の流れに平行に配向された平行流線２００から下流端部１８２よりも遠くに設置される。ガイド部分１８０はまたクロスフロー出口１４０の周りに湾曲している。別の実施形態では、ガイド部分１８０は湾曲させるのではなく代わりに、直線プロフィールを有する。さらに別の実施形態では、ガイド部分１８０は、２以上の直線セクションを有する。

本明細書に示したガイド部分１８０は突出ベーンであるが、別の実施形態におけるガイド部分１８０は、クロスフロー出口１４０の周りで表面１３０内に形成されたネガティブ陥入部又は溝とすることができる。突出ガイド部分１８０の場合には、表面１３２に垂直なガイド部分１８０の高さは、一実施形態では上流から下流に増大している。ネガティブ陥入部又は溝の場合には溝の深さは、一実施形態では上流から下流に増大している。ガイド部分の高さ及び深さは、それらの実施形態に限定されるものではなく一定値を維持することができ或いはあらゆるその他の構成を有することができることを理解されたい。さらに、実施形態によっては、クロスフロー出口１４０の各々の周りに設置された複数のガイド部分１８０を設けることができる。この図示した実施形態では、各クロスフロー出口１４０に対してガイド部分１８０の２つを、クロスフロー出口１４０の各側面上に１つずつ使用している。

さらに、図４に示すように、１以上のガイド部分１８０の単一のものにより、第２の流れ１６０の２以上の速度を増加させるように構成することができ、この図には第２の流れの２つを図示している。この実施形態では、クロスフロー出口１４０の２以上の間に単一のガイド部分１８０を設置することができる。単一のガイド部分１８０は、２つのガイド壁１８３を有する薄板金属の一部分とすることができる。ガイド壁１８３の各々は、本明細書で上述した先の実施形態における突出ベーンの１つと同様なプロフィール及び配向を有することができる。しかしながら、２つのガイド壁１８３の各々は、第１のジェット１５０を１以上のクロスフロージェット出口１４０の個別の１つの背後の位置に導くように構成される。これらの実施形態は、ガイド部分１８０を例示しているが、ガイド部分１８０をそれらの実施形態に限定するものではないことを理解されたい。

実施形態の要素は、数詞のない形で表現してきた。この表現は、その要素の１以上が存在することを意味することを意図している。「含む」及び「有する」という用語並びにそれらの派生的表現は、列記した要素以外の付加的要素が存在することができるように包括的であることを意図している。２以上の用語の列記と共に用いる場合の「又は」という接続詞は、それら用語のいずれか或いは組合せを意味することを意図している。「第１の」及び「第２の」という用語は、要素を識別するために使用しており、特定の順序を示すために使用するものではない。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１００ 燃焼器スウォズル
１１０ スウォズルベーン
１２０ 前縁
１３０ 表面
１４０ クロスフロージェット出口
１５０ 第１のジェット
１６０ 第２のジェット
１７０ 燃料室
１８０ ガイド部分
１８１ 上流端部
１８２ 下流端部
１９０ 下流領域
２００ 平行流線

Claims (10)

1. 表面（１３０）と、
   前記表面（１３０）に設けられた１以上の出口（１４０）と、
   前記表面（１３０）を横切って流れる交差流（１５０）を導きかつ前記１以上の出口（１４０）から該１以上の出口（１４０）の下流に吐出されるクロスフロー（１６０）の速度を増大させるように構成された該表面（１３０）における１以上のガイド（１８０）と
   を備えるクロスフロー装置（１００）。
2. 前記１以上のガイド（１８０）が突出ベーンである、請求項１記載のクロスフロー装置（１００）。
3. 前記１以上のガイド（１８０）が前記表面（１３０）内の溝である、請求項１記載のクロスフロー装置（１００）。
4. 前記１以上のガイド（１８０）が上流端部（１８１）と下流端部（１８２）とを有し、前記上流端部（１８１）が、前記下流端部（１８２）よりも平行流線（２００）から遠方に設置されており、前記平行流線（２００）が、前記交差流（１５０）の方向に平行に配向されかつ前記１以上の出口（１４０）の中央部と交差する、請求項１記載のクロスフロー装置（１００）。
5. 前記１以上のガイド（１８０）が前記１以上の出口（１４０）の周りで湾曲している、請求項１記載のクロスフロー装置（１００）。
6. 表面（１３０）を有するスウォズルベーン（１１０）と、
   前記表面（１３０）に設けられた出口（１４０）と、
   前記表面（１３０）を横切って流れる交差流（１５０）を導きかつ前記出口（１４０）から該出口（１４０）の下流に吐出されるクロスフロー（１６０）の速度を増大させるように構成された該表面（１３０）におけるガイド（１８０）と
   を備える燃焼器スウォズル（１００）。
7. 前記スウォズルベーン（１１０）が２つの正反対の位置にある表面（１３０）を有し、前記表面（１３０）の各々が１以上の出口（１４０）を有する、請求項６記載の燃焼器スウォズル（１００）。
8. 前記スウォズルベーン（１１０）が湾曲プロフィールを有する、請求項６記載の燃焼器スウォズル（１００）。
9. 表面（１３０）を横切る第１の流体の第１の流れ（１５０）を流すステップと、
   前記表面（１３０）の開口部から前記第１の流れ（１５０）内に第２の流体の第２の流れ（１６０）を吐出するステップと、
   前記第１の流れ（１５０）及び第２の流れ（１６０）の少なくとも１つを導くステップと、
   前記第２の流れ（１６０）が吐出された場所の下流の領域内で該第２の流れ（１６０）の速度を増大させるステップと
   を含む、複数の流れを組合せる方法。
10. 前記開口部の下流の領域内における再循環域の形成を減少させるステップをさらに含む、請求項９記載の複数の流れを組合せる方法。

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