JP2014112023A - タービン・エンジンの燃焼器冷却に関係するアセンブリ及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼タービンの燃焼器のライナ及び尾筒での交差流による冷却実効性の低下を防ぐ冷却システムを提供する。
【解決手段】燃焼タービン・エンジンの燃焼器１４を記載する。この燃焼器は、主燃料ノズルの下流に燃焼室を画定する半径方向内壁２４，２５と、半径方向内壁との間で流動円環２８を形成するように半径方向内壁を包囲する半径方向外壁２６，２７とを含むことができ、またこの燃焼器は、半径方向外壁から流動円環の内部まで延在するソケット３３を含むことができる。ソケット３３は、半径方向外壁を貫通して形成された口と、半径方向内壁の器外表面から予め決められた距離だけオフセットして設けられた床と、床を貫通して形成された衝突口と、軸方向ノズルとを含み得る。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼タービン・エンジンの燃焼器に関し、具体的には、かかるエンジンにおけるライナのような燃焼器構成要素の冷却に関する。

従来のガス・タービン燃焼システムは、信頼性が高く及び効率のよいタービン運転を達成するために多数の燃焼器アセンブリを用いている。各々の燃焼器アセンブリが、円筒形ライナ、燃料噴射システム、及び熱ガスの流れを燃焼器からタービンの入口まで導く尾筒を含んでいる。一般的には、圧縮機排出空気の一部を用いて燃焼ライナ及び尾筒を冷却し、次いで、この空気を燃焼器反応帯に導き入れて燃料と混合して燃焼させる。

衝突冷却式尾筒を組み入れたシステムでは、中空の衝突スリーブが尾筒を包囲しており、衝突スリーブ壁は、圧縮機排出空気が当該スリーブ壁の冷却開口を通って流れて尾筒に衝突する（従って冷却する）ように穿孔されている。次いで、この冷却空気は尾筒を包囲するスリーブと尾筒自体との間の円環に沿って流れる。この所謂「交差流」は最終的には、燃焼ライナと包囲する流動スリーブとの間のもう一つの円環に流入する。流動スリーブにも、スリーブの円周の周囲に何列かの冷却孔が形成されており、最初の列が、当該流動スリーブを尾筒の外側スリーブに接合させている装着フランジに隣接して位置している。交差流は、流動スリーブの孔を通って燃焼器ライナ表面へ向けて流れる衝突冷却空気に対して垂直である。

この交差流の存在は、衝突スリーブ及び流動スリーブを通って流入する衝突冷却材の冷却実効性に悪影響を及ぼす。この影響は、冷却材が燃焼器の前端へ向けて移動するにつれて円環を通る交差流が増大するため大きくなり、流動スリーブの最初の噴流列が燃焼器ライナを衝突冷却すると期待される箇所の近くの領域で、冷却実効性に格別に強い影響を有する。明確に述べると、交差流は最初の流動スリーブ噴流列に影響を及ぼし、これらの噴流列を屈曲させて、噴流列がライナに衝突する能力を低下させる。加えて、交差流自体の冷却実効性も、一旦流れが殆ど純粋に軸方向の流れ方向を取ると低下し、このことは冷却材が燃焼器の前端へ向けて移動してライナを包囲する円環に流入するのに伴って起こる傾向にある。

この低い熱伝達率のため、ライナ及び尾筒の範囲内でライナ表面温度が高くなり、最終的には材料強度の損失を招き得る。ライナの高温による幾つかの可能性のある破損モードとしては、限定しないが後部スリーブ溶接線の亀裂、隆起及び三角化（triangulation）がある。これらの機構は、ライナ及び／又は尾筒の寿命を縮め、早期の部品交換を必要とする。結果として、タービンのこの領域における改良型冷却システムが必要とされている。

このように、本発明は、燃焼タービン・エンジンの燃焼器の内部の冷却構成を記載する。燃焼器は、主燃料ノズルの下流に燃焼室を画定する半径方向内壁と、半径方向内壁との間で流動円環を形成するように半径方向内壁を包囲する半径方向外壁と、半径方向外壁から流動円環の内部まで延在するソケットとを含んでいる。ソケットは、半径方向外壁を貫通して形成された口と、半径方向内壁の器外表面から予め決められた距離だけオフセットして設けられた床と、床を貫通して形成された衝突口と、軸方向ノズルとを含み得る。

本出願はさらに、燃焼タービン・エンジンの燃焼器を記載するものであり、この燃焼器は、主燃料ノズルの下流に燃焼室を画定する半径方向内壁と、半径方向内壁との間で流動円環を形成するように半径方向内壁を包囲する半径方向外壁と、冷却アセンブリとを含んでいる。冷却アセンブリは、半径方向外壁から流動円環の内部まで延在するソケットを含み得る。ソケットは、半径方向外壁を貫通して形成された口と、半径方向内壁の器外表面から予め決められたオフセット距離に配置されたソケットの床と、床を貫通して形成された衝突口と、ソケットの上流側に形成された流入口と流出口との間に伸張する管を含む軸方向ノズルであって、器内傾斜を有する軸方向ノズルとを有し得る。本出願のこれらの特徴及び他の特徴は、好適実施形態の以下の詳細な説明を図面及び特許請求の範囲と共に参照して吟味すると明らかとなろう。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、添付図面と共に以下の本発明の実施形態の例の詳細な説明を慎重に検討することによりさらに完全に理解され認められよう。
本発明の各実施形態が用いられ得る燃焼タービン・エンジンの断面図である。 従来の燃焼器の断面図である。 従来の冷却構成による燃焼器ライナの衝突冷却を示す流動円環の単純化した断面図である。 本発明の各観点による円環冷却ソケットを有する燃焼器の部分断面図付き遠近図である。 本発明の各観点による円環冷却ソケットの遠近図である。 図５の線６−６に沿って見た断面図である。 図５の線７−７に沿って見た断面図である。 本発明の各観点による代替的な円環冷却ソケットの側面断面図である。 本発明の各観点による代替的な円環冷却ソケットの側面断面図である。 本発明の各観点による代替的な円環冷却ソケットの側面断面図である。

最初の事項として、本発明の性質を伝達する際に燃焼タービン・エンジンの内部の幾つかの部品又は機械構成要素を参照し記載する術語を選択する必要があろう。可能な場合には常に一般的な業界術語を用い、これらの術語は術語の受け入れられている意味と整合した態様で用いられる。しかしながら、あらゆるかかる術語は広い意味を与えられ、本書及び特許請求の範囲で意図される意味が不当に制限されるように狭く解釈すべきではないものとする。当業者は、しばしば幾つかの異なる用語を用いて一つの特定の構成要素を参照している場合があることを認められよう。加えて、本書で単一の部材であると記載され得るものが、他の文脈では多数の構成要素から成るものを含みこのように参照される場合もあり、又は本書で多数の構成要素を含むと記載され得るものが、他の箇所では単一の部材として参照される場合もある。このようなものとして、本発明の範囲を理解する際には、本書に掲げられている用語及び記載に注意するのみならず、特に特許請求の範囲に掲げられているような構成要素の構造、構成、作用、及び／又は利用にも注意を払うものとする。

加えて、本書では幾つかの記述的用語を度々用いており、本節の冒頭でこれらの用語を定義しておくことが有用であろう。従って、これらの用語及び各用語の定義は、他の記載のない限り次のようになる。本書で用いられる「下流」及び「上流」は、タービン・エンジンにおける流体の通常の流れ方向に対する方向を示す用語である。例えば、これらの用語は、タービン・エンジンを通して移動する作動流体の一次流に関連して用いられ得る。他の場合には、例えばこれらの用語は、燃焼器の内部での圧縮空気の典型的な流れ方向に対して用いられる場合もあるし、例えばタービン・エンジンの構成要素を通した冷却材の流れ方向に対して用いられる場合もある。この観点で、「下流」との用語は流体が典型的に特定の通路を流れている方向に対応し、「上流」との用語はこの流れと反対方向を指す。「前方」及び「後方」との用語は、さらなる特性がなければタービン・エンジンの前端及び後端に対する方向を指す。明確に述べると、「前方」はエンジンの前端又は圧縮機側端部を指し、「後方」はエンジンの後端又はタービン側端部を指す。従って、燃焼器の場合には、前端は一般的には、燃焼器のヘッド端に対応し、後端は尾筒、さらに明確に述べると燃焼生成物がエンジンのタービン部に入る尾筒の出口に対応することを認められたい。

加えて、「半径方向」との用語は、軸に垂直な移動又は位置を指す。中心軸に関して異なる半径方向位置にある部品を記述することがしばしば必要である。このような場合には、第一の構成要素が第二の構成要素よりも軸に近接して位置している場合には、本書では第一の構成要素が第二の構成要素の「半径方向内向き」又は「器内」にあると記述する。一方、第一の構成要素が第二の構成要素よりも軸から離隔して位置している場合には、本書では第一の構成要素が第二の構成要素の「半径方向外向き」又は「器外」にあると記述する。「軸方向」との用語は、軸に平行な移動又は位置を指す。最後に、「円周方向」との用語は、軸を中心とした移動又は位置を指す。かかる用語は、タービンの中心軸に関連して適用される場合もあるし、本出願で議論される形式の燃焼器の内部の構成要素を参照するときには燃焼器の中心軸に関連して適用される場合もあることを認められたい。

図１は、典型的な燃焼タービン・システム１０を示す図である。ガス・タービン・システム１０は、流入する空気を圧縮して圧縮空気の供給を生成する圧縮機１２と、高圧高速の熱ガスを生成するように燃料を燃焼させる燃焼器１４と、熱ガスによって回転されるように燃焼器１４から当該タービン１６に流入する高圧高速熱ガスからタービン動翼を用いてエネルギを引き出すタービン１６とを含んでいる。タービン１６が回転するのに伴って、タービン１６に接続されているシャフトも回転させられ、この回転を用いて負荷を駆動することができる。最後に、排ガスがタービン１６から出る。

図２は、本発明の各実施形態が用いられ得る従来の燃焼器の断面図である。燃焼器１４は、各々が本発明の様々な実施形態を含むのに適した様々な形態を取り得るが、典型的には、燃焼器１４は典型的にはヘッド端２２を含んでおり、燃料及び空気の流れを周囲のライナ２４によって画定される主燃焼帯２３の内部で共に燃焼させる多数の燃料ノズル２１を含んでいる。ライナ２４は典型的には、ヘッド端２２から尾筒２５まで延在している。ライナ２４は、図示のように、流動スリーブ２６によって包囲されている。尾筒２５は衝突スリーブ２７によって包囲されている。流動スリーブ２６とライナ２４との間、及び同様に尾筒２５と衝突スリーブ２７との間に、円環が形成されていることを認められたい。この円環を本書では「流動円環２８」又は「円環２８」と呼ぶ。流動円環２８は、図示のように、燃焼器１４の長さの殆どにわたり延在している。ライナ２４からは、尾筒２５がライナ２４の円形断面からの流れを変化させて、尾筒２５がエンジンのタービン部１６との間に設けられた接続へ向けて下流に延在するのに伴って円環断面に移行させる。この接続において、尾筒２５は作動流体の流れをタービン１６の初段に配置された翼形へ向けて導く。

流動スリーブ２６及び衝突スリーブ２７は典型的には、これらスリーブを貫通して形成されて、圧縮機１２からの圧縮空気の衝突流を流動スリーブ２６／ライナ２４の間に及び／又は衝突スリーブ２７／尾筒２５の間に形成された流動円環２８に流入させる衝突開口（不図示）を有することを認められたい。衝突開口を通る圧縮空気の流れはライナ２４及び尾筒２５の外面を対流冷却するが、前述のように、円環２８を通る交差流がこの形式の冷却の実効性に悪影響を及ぼし得る。流動スリーブ２６及び衝突スリーブ２７を通って燃焼器１４に流入する圧縮空気は、ライナ２４の周囲に形成されている流動円環２８を介して燃焼器１４の前端へ向けて導かれる。次いで、圧縮空気は燃料ノズル２１に流入し、ここで燃料と混合されて燃焼帯２３の内部で燃焼される。上述のように、タービン・エンジン１０は、円周方向に隔設された動翼を有するタービン１６を含んでおり、この内部に燃焼器１４での燃料の燃焼の生成物が導かれる。尾筒２５はライナ２４の燃焼生成物の流れをタービン１６の内部に導き、ここで燃焼生成物は動翼と相互作用してシャフトの周りでの回転を引き起こし、既述のように、次いでこの回転を用いて発電機のような負荷を駆動することができる。このように、尾筒２５は、燃焼器１４及びタービン１６を結合するためのものである。遅延希薄燃料噴射又は軸方向燃料ステージング（axial fuel staging）を含むシステムでは、尾筒２５はまた、供給される付加的な燃料を燃焼させる副燃焼帯を画定する場合があり、これにより燃焼器１４のこの区域の内部での冷却の必要性を高める場合があることを認められたい。

図３へ移ると、燃焼帯２３を画定するライナ２４と、ライナ２４と流動スリーブ２６との間に画定される流動円環２７とを含む典型的な燃焼器１４の拡大図が掲げられている。既述のように、圧縮機１２からの圧縮空気の流れは圧縮機排出ケース（不図示）の内部に導かれ、ここから、典型的には、流動スリーブ２６、２８を貫通して形成された多くの衝突口３１を介して、燃焼器１４の長さに沿って形成された流動円環２８に流入する。図３の多くの矢印が示すように、流動円環２８の内部で、衝突口３１を通ってスリーブ２６、２８に流入する衝突冷却空気と垂直の方向に交差流が発生し得る。交差流は、衝突冷却噴流を、冷却噴流のライナ２４に衝突する能力を低下させるように偏向させ得ることを認められたい。交差流及び噴流の相対的な強度に依存して、衝突口３１からの噴流の流れが燃焼器ライナ２４の器外表面にすら達しない場合もある。さらに示すように、交差流はライナ２８に沿って層流域を生ずる場合があり、これにより円環２８を流れる冷却材とライナ２８との間での熱伝達をさらに低下させる。

図４は、本発明の各観点による円環冷却ソケット３３を有する燃焼器の部分断面付き遠近図である。図示のように、本発明の一実施形態は、円周方向に隔設された３個のかかる円形冷却ソケット３３を燃焼器１４の片側に含んでいる。図５は、本発明の各観点による単一の円環冷却ソケット３３の遠近図であって、図６及び図７は、それぞれ図５の線６−６及び線７−７に沿って見た断面図を掲げる。図４に示すように、本発明の実施形態の例は、ライナ２４／流動スリーブ２６のアセンブリの範囲内、又は尾筒２５／衝突スリーブ２７のアセンブリの範囲内、又はこれら二つのアセンブリの間の接合部に用いられ得る。従って、本書の記述は「半径方向外壁」及び「半径方向内壁」に関するものとなる。但し、他に記載のない限り、「半径方向外壁」への参照は流動スリーブ２６、衝突スリーブ２７、又は他の同様の配置にある構成要素を含んでおり、「半径方向内壁」への参照はライナ２４、尾筒２５、又は他の同様に配置された構成要素を含んでいることを認められたい。

本発明は、主燃料ノズル２１の下流に燃焼室２３を画定する半径方向内壁と、半径方向内壁との間で流動円環２８を形成するように半径方向内壁を包囲する半径方向外壁とを含む燃焼器１４の内部に冷却構成を含んでいる。冷却アセンブリは、流動円環２８の内部に突出するように半径方向外壁から延在している円環冷却ソケット（「ソケット３３」）を含んでいる。図４から図１０に示すように、ソケット３３は、半径方向外壁を貫通して形成された口３４と、半径方向内壁の器外表面から予め決められた距離だけオフセットして設けられた床４０とを含み得る。衝突口３１を、床４０を貫通して形成することができる。

ソケット３３はさらに、軸方向ノズル３５を含み得る。軸方向ノズル３５は、ソケット３３の中空の内部を通して延在する管様構造を含み得る。軸方向ノズル３５は、当該ノズル３５を流れる流れが実質的な軸方向成分（燃焼器１４の中心軸に対して）を有するように整列させられ得る。幾つかの好適実施形態では、軸方向ノズル３５の管は、当該管を流れる流体が半径方向内壁の器外表面に向けられるように器内方向で傾斜させられ得る。

図示のように、ソケット３３を横断する軸方向ノズル３５以外では、ソケット３３は、半径方向外壁とソケット３３の床４０との間に延在する側壁によって画定される実質的な中空の内部を有し得る。これらの側壁は、燃焼器１４の後端へ向けて配置される上流断面３７と、燃焼器１４の前端へ向けて配置される下流断面３８とを含み得る。上流断面３７及び下流断面３８は、図示のように、流動円環２８を流れる流体の流れ方向に近似的に垂直に配向されていてよく、各々の断面がソケット３３の軸方向幅だけ他方の断面からオフセットされている。

側壁の上流断面３７及び下流断面３８、並びに床４０に関連して述べると、本発明による軸方向ノズル３５は少なくとも二つの異なる構成を有し得る。第一の実施形態では、図６に示すように、軸方向ノズル３５は、側壁の上流断面３７に形成された流入口４４と側壁の下流断面３８に形成された流出口４５との間に伸張する管構造又は管として記述され得る。第二の実施形態では、図８に示すように、軸方向ノズル３５は、上流断面３７に形成された流入口４４とソケット３３の床４０を貫通して形成された流出口４５との間に伸張する管構造又は管を有するものとして記述され得る。

図６及び図８に示すように、軸方向ノズル３５の管は実質的に線形である中心軸４８を有するように構成され得る。軸方向ノズル３５は、中心軸４８が器内方向に傾斜するように構成され得る。図６及び図８に示すように、これらのような場合には、（ａ）管の中心軸の前方延長を含む参照線と、（ｂ）半径方向外壁の器外表面との間に角度４９が形成され得る。角度４９は、図８と同様の構成を有する実施形態では図６のものよりも急勾配になり得ることを認められたい。図６の構成の幾つかの好適実施形態では、軸方向ノズル３５は、角度４９が０°と４５°との間になるように構成され得る。図８の構成の幾つかの好適実施形態では、軸方向ノズル３５は、角度４９が２０°と６０°との間になるように構成され得る。図９の実施形態のような代替的な実施形態では、軸方向ノズル３５は、より軸方向に配向され得る。さらに明確に述べると、図９に示すように、軸方向ノズルの器内傾斜は含まれない場合もある。

ソケット３３の側壁は、円環２８を通って移動する交差流から冷却材を遮蔽しつつ、半径方向外壁を貫通して形成された口３４から円環２８の内部に配置された床４０まで冷却材を運ぶことを認められたい。この態様で、ソケット３３の側壁は、（ａ）ソケット３３の口３４と床４０を貫通して形成された衝突口３１との間を移動する第一の流体と、（ｂ）円環２８を通って移動するソケット３３の外部の第二の流体とを隔離する中実構造又は分離構造を含むものとして記述され得る。同様に、軸方向ノズル３５の管は、（ａ）軸方向ノズル３５の管の内部を流れる第三の流体と、（ｂ）ソケット３３の口３４と床４０の衝突口３１との間を移動する第一の流体とを隔離するものとして記述され得る中実構造又は分離構造を含んでいる。異なる流れのこの態様での分離は、冷却材の冷却効率が高まるように冷却材を半径方向外壁に衝突させることを可能にすることを認められたい。明確に述べると、衝突口３１は、半径方向内壁（すなわちライナ２４又は尾筒２５）の方にさらに近接して配置され、軸方向ノズル３５は、衝突冷却材の放出と他の場合であれば干渉していたかも知れない交差流に代替的な隔離された走行経路を提供し、衝突口３１及びノズル３５は両方とも、この位置において円環２８に流入する冷却材の実効性を高めるように作用する。加えて、上述の軸方向ノズル３５の器内傾斜は、さらなる冷却性能の利点が達成され得るように半径方向内壁の器外表面へ向けて交差流を再び導く。

幾つかの実施形態では、ソケット３３は、半径方向内壁の既知の熱スポットに好都合に対応するように配置される。さらに明確に述べると、ソケット３３の配置によって、衝突口３１の照準を半径方向内壁の熱スポットに合わせることができる。他の実施形態では、ソケット３３の配置によって、軸方向ノズル３５の照準を熱スポットに合わせることができる。床４０と半径方向内壁との間のオフセットは、半径方向内壁の器外表面での望ましい衝突冷却特性に対応するように構成され得ることを認められたい。

幾つかの実施形態では、半径方向内壁はライナ２４であり、半径方向外壁は流動スリーブ２６である。他の実施形態では、半径方向内壁は尾筒２５であり、半径方向外壁は衝突スリーブ２７である。

半径方向外壁は、既述のように流動スリーブ２６又は衝突スリーブ２７の何れかであってよく、近似的な円形断面形状を有し得る。幾つかの実施形態では、図５に示すように、ソケット３３は半径方向外壁の円周方向切片として構成され得る。幾つかの実施形態では、円周方向切片は９０°よりも小さい円周方向幅を有する。幾つかの実施形態では、円周方向切片は近似的な矩形外形を有する。矩形外形は、広い次元及び狭い次元を含み得る。ソケット３３は、図４に示すように、矩形外形の広い次元が円周方向に延在し、狭い次元が軸方向に延在するように構成され得る。

幾つかの実施形態では、本発明の燃焼器冷却構成は複数の非一体型ソケット３３を含んでおり、この場合には、ソケット３３の各々が、他のソケット３３の一つに隣接して配設される円周方向切片となる。隣り合ったソケット３３が円周方向に延在し得る。この形式の構成では、図４に示すように、円周方向切片の各々が９０°よりも小さい円周方向幅を有していてよく、ソケット３３の各々が２個の軸方向ノズル３５を含み得る。互いに関して、各々のソケット３３の２個の軸方向ノズル３５は図示のように円周方向に隔設され得る。複数のソケット３３は、流動円環２８の少なくとも大半に外接する帯を形成するように構成され得る。帯の軸方向位置は、ライナ２４と尾筒２５との間の接合部の近くの位置であってよい。

図１０は、本発明の各観点による代替的な円環冷却ソケットの側面断面図である。図示のように、この例では、空気燃焼器の外部からの空気の流れを受け入れて、流れを殆ど純粋に半径方向から相対的に軸方向へ転回させる半径方向から軸方向への誘導器が設けられている。

相対的に低い同期速度で運転される重工業用ガス・タービンでは、圧縮機及びタービンの流体力学的性質によって、圧縮機排出部の器外の燃焼システム及び初段ノズルの位置が決まることは周知である。ロータ軸受け同士の間の幅を最小化するために、圧縮機排出部も燃焼システムのヘッド端の後方の平面に配置される。これらの要因のため、ライナ／流動スリーブ円環の半径方向内側部分と燃焼システムの半径方向外側での円環の部分との間で静圧及び流れ分布が偏向する。幾つかの実施形態では、本出願の発明は、円周方向に一様な円環冷却ソケット３３の分布を有し得る。しかしながら、他の実施形態では、ライナの改善された冷却のためのさらに一様な静圧及び空気流れ分布、並びに燃料予備混合器へのより一様な空気供給を生成するために、円環冷却ソケット３３は、かかるエンジン構築様式に一般的な流れ分布のこの円周方向非一様性を減少させるために燃焼器の円周の半径方向内側部分及び半径方向外側部分において非一様に分布していてもよい。この態様では、円環冷却ソケット３３の帯は、燃焼器のヘッド端のガス予備混合器のさらに一様な供給のためにキャン・レベル（can-level）の流入流れ調整器として作用し得る。

図４及び図５に示すように、幾つかの好適実施形態では、軸方向ノズル３５は拡散体幾何学的構成を有し得る。図４及び図５に示すように、このことは、軸方向ノズル３５の側壁が下流方向への軸方向ノズル３５として滑らかに発散することを意味し得る。且つ／又は、図６及び図７に示すように、このことは、軸方向ノズル３５の器内／器外壁が下流方向への軸方向ノズル３５として滑らかに発散することを意味し得る。この態様で、軸方向ノズル３５は、軸方向ノズル３５が下流方向に延在するにつれて軸方向ノズル３５の流断面積が大きくなるように構成され得る。この構成を有すると、軸方向ノズル３５を流れる流れが、冷却の利益がないのに付加的な圧力損失を生成しかねない流れ剥離を起こさずに、相対的に高い上流合計圧力から相対的に高い下流の静圧まで滑らかに拡散することを認められたい。さらに、当業者には認められるように、ライナ／流動スリーブ円環における円環冷却ソケット３３の存在は、各々の切片の下流に後流を生成する。これらの後流は、流体の付加的な円周方向攪拌を生じ、またソケット３３配列の下流の円環の当該部分での対流及び冷却実効性を強化する。

幾つかの実施形態では、図４及び図５に最も分かり易く示すように、円環冷却ソケット３３が形成されている隣り合った切片同士の間に間隙が形成され得る。これらの間隙は、流れ方向又は流れ方向に垂直な方向の何れにおいても、断面積に変化を設けず単純に一様であってよい。切片同士の間の間隙は円環の一部であるので、切片同士の間の間隔が一定である場合には、器外に移動すると流面積が増大することを認められたい。圧力損失の低減、冷却実効性の向上、及び／又は円周方向での流れ分布及び冷却分布の向上に関する付加的な性能の利点が、これらの間隙の形状を特別に構成することにより達成される。例えば、さらに一様な速度を得るために、切片同士の間の間隙を、間隙の流面積が間隙の内側から外側まで一定になるように半径方向内側で広くし、器外側へ向けて狭くすることができる。これらの間隙は、軸方向ノズル３５に関して上で記載した構成と同様に、間隙が軸方向に下流に延在するのに伴って、滑らかに外側に拡大する（すなわち断面流面積が増大する）ように構成されてもよく、このことは、拡散体として作用することと同じ理由で行なわれ得る。流れの再分配、後流及び円周方向攪拌も、切片同士の間の間隙の形状及び分布によって影響を受けまた最適化され得ることを認められたい。

さらに、流路を周期的に遮断することを介して速度分布に関して流れが十分に発達しないようにすることにより、助走距離効果によって内部の流れの熱伝達を高め得ることを認められたい。従って、本発明の幾つかの実施形態では、円環冷却ソケット３３の配置は、同じ軸方向位置を保つ連続的な円周方向に延在する帯ではなく、軸方向及び円周方向に互い違いに配置され得る。

円環冷却ソケット３３の半径方向高さは、図６、図７、及び図８に示すように一様であってよい。他の実施形態では、半径方向高さが非一様であってもよい。すなわち、冷却ソケット３３の床とライナの外面との間の半径方向距離が変化していてもよい。幾つかの実施形態では、半径方向高さは、冷却ソケット３３が軸方向に下流に延在するのに伴ってライナへ向けて収束（すなわち減少）していてよい。他の実施形態では、半径方向高さは、冷却ソケット３３が軸方向に下流に延在するのに伴ってライナから遠ざかって発散（すなわち増大）していてもよい。半径方向高さはまた、ライナの周囲で円周方向に変化していてよく、ライナ冷却を向上させ、熱勾配及び熱応力を小さくするために、圧縮機排出空気の流れをさらに均等に分配することができる。衝突孔３１も互い違いに配置されていてよい。衝突孔の分布及び間隙は、所与の水準の冷却実効性のために圧力損失を最小化するように操作され得る。

最も実用的で好適な実施形態であると現状で考えられるものに関して発明を記載したが、本発明は開示された実施形態に限定されず、反対に、特許請求の要旨及び範囲ないに含まれる様々な改変及び均等構成を網羅するものとすることを理解されたい。

１０：燃焼タービン・システム
１２：圧縮機
１４：燃焼器
１６：タービン
２１：燃料ノズル
２２：ヘッド端
２３：主燃焼帯
２４：ライナ
２５：尾筒
２６：流動スリーブ
２７：衝突スリーブ
２８：流動円環
３１：衝突口
３３：円環冷却ソケット
３４：口
３５：軸方向ノズル
３７：上流断面
３８：下流断面
４０：床
４４：流入口
４５：流出口
４８：中心軸
４９：角度

Claims (23)

1. 燃焼タービン・エンジンの燃焼器の内部の冷却構成であって、前記燃焼器は、主燃料ノズルの下流に燃焼室を画定する半径方向内壁と、該半径方向内壁との間で流動円環を形成するように該半径方向内壁を包囲する半径方向外壁とを含んでおり、当該冷却アセンブリは、
   前記半径方向外壁から前記流動円環の内部まで延在するソケットを含んでおり、該ソケットは、
   前記半径方向外壁を貫通して形成された口と、
   前記半径方向内壁の器外表面から予め決められた距離だけオフセットして設けられた床と、
   該床を貫通して形成された衝突口と、
   軸方向ノズルと
   を含んでいる、燃焼器冷却構成。
2. 前記軸方向ノズルは、前記ソケットの中空の内部を通して延在する管を含んでおり、前記軸方向ノズルは、前記燃焼器の中心軸に関して近似的な軸方向配向を含んでおり、
   前記軸方向ノズルの前記管は器内方向に傾斜している、請求項１に記載の燃焼器冷却構成。
3. 前記ソケットは、前記半径方向外壁と前記床との間に延在する側壁により画定される中空の内部を含んでおり、
   前記側壁は上流断面を含んでおり、
   前記軸方向ノズルは、前記上流断面に形成された流入口と前記床を貫通して形成された流出口との間に伸張する管を含んでいる、請求項１に記載の燃焼器冷却構成。
4. 前記軸方向ノズルの前記管は、実質的に線形である中心軸を含んでおり、
   角度が、（ａ）前記管の前記中心軸の前方延長を含む参照線と、（ｂ）前記半径方向外壁の前記器外表面との間に形成され、
   前記角度は２０°と６０°との間を含んでいる、請求項３に記載の燃焼器冷却構成。
5. 前記ソケットは、前記半径方向外壁と前記床との間に延在する側壁により画定される中空の内部を含んでおり、
   前記側壁は上流断面及び下流断面を含んでおり、
   前記軸方向ノズルは、前記上流断面に形成された流入口と、前記下流断面に形成された流出口との間に伸張する管を含んでいる、請求項１に記載の燃焼器冷却構成。
6. 前記軸方向ノズルの前記管は、実質的に線形である中心軸を含んでおり、
   前記管は、前記中心軸が器内方向に傾斜するように構成されている、請求項５に記載の燃焼器冷却構成。
7. 角度が、（ａ）前記管の前記中心軸の前方延長を含む参照線と、（ｂ）前記半径方向外壁の前記器外表面との間に形成され、
   前記角度は０°と４５°との間を含んでいる、請求項６に記載の燃焼器冷却構成。
8. 前記ソケットの前記側壁は、（ａ）前記ソケットの前記口と前記床を貫通して形成された前記衝突口との間を移動する第一の流体と、（ｂ）前記ソケットの外部の周囲を移動する第二の流体とを分離する分離構造を含んでおり、
   前記軸方向ノズルの前記管は、（ａ）前記軸方向ノズルの前記管の内部を流れる第三の流体と、（ｂ）前記ソケットの前記口と前記床を貫通して形成された前記衝突口との間を移動する前記第一の流体とを隔離する分離構造を含んでおり、
   前記上流断面及び前記下流断面は、前記流動円環を流れる流体の流れ方向に近似的に垂直に配向され、各々の断面が前記ソケットの軸方向幅だけ他方の断面からオフセットしている、請求項２に記載の燃焼器冷却構成。
9. 前記半径方向外壁は、近似的な円形断面形状を含んでおり、
   前記ソケットは、前記半径方向外壁の円周方向切片を含んでいる、請求項２に記載の燃焼器冷却構成。
10. 前記円周方向切片は、円周方向幅が９０°よりも小さく、
    前記円周方向切片は、広い次元及び狭い次元を含む近似的な矩形外形を含んでおり、
    前記ソケットは、前記矩形外形の前記広い次元が円周方向に延在し、前記狭い次元が軸方向に延在するように構成されている、請求項９に記載の燃焼器冷却構成。
11. 各々のソケットが、円周方向に互いに隣り合って配設された円周方向切片を含んでいる、複数のソケットをさらに含んでいる請求項９に記載の燃焼器冷却構成。
12. 前記円周方向切片の各々が９０°未満の類似の円周方向幅を含んでおり、
    前記ソケットの各々が二つの軸方向ノズルを含んでおり、
    互いに関連して、各々のソケットの前記二つの軸方向ノズルは円周方向に隔設されている、請求項１１に記載の燃焼器冷却構成。
13. 前記複数のソケットは、前記流動円環の少なくとも大半に外接する帯を形成するように構成されており、
    前記帯の軸方向位置は、前記燃焼器のライナと尾筒との間の接合部の近くの位置を含んでいる、請求項９に記載の燃焼器冷却構成。
14. 前記ソケットの配置が前記半径方向内壁の熱スポットに対応しており、前記ソケットの前記配置により、前記衝突口が前記半径方向内壁の前記熱スポットに照準を合わせる、請求項２に記載の燃焼器冷却構成。
15. 前記オフセットは、前記半径方向内壁の前記器外表面での望ましい衝突冷却特性に対応する距離を含んでおり、前記半径方向内壁はライナを含み、前記半径方向外壁は流動スリーブを含んでいる、請求項２に記載の燃焼器冷却構成。
16. 前記ソケットの配置が前記半径方向内壁の熱スポットに対応しており、前記ソケットの前記配置により、前記軸方向ノズルが前記半径方向内壁の前記熱スポットに照準を合わせる、請求項２に記載の燃焼器冷却構成。
17. 前記オフセットは、前記半径方向内壁の前記器外表面での望ましい衝突冷却特性に対応する距離を含んでおり、前記半径方向内壁は尾筒を含み、前記半径方向外壁は衝突スリーブを含んでいる、請求項２に記載の燃焼器冷却構成。
18. 前記ソケットの半径方向高さは、前記流動円環を通る空気のさらに均等な流れを生成するように円周方向に変化するように構成されている、請求項２に記載の燃焼器冷却構成。
19. 前記ソケットの半径方向高さは、当該ソケットが軸方向に下流に延在するのに伴って前記床と前記半径方向内壁との間の距離が増大するように軸方向に変化するように構成されている、請求項２に記載の燃焼器冷却構成。
20. 前記軸方向ノズルは拡散体幾何学的構成を含んでおり、
    前記軸方向ノズルの前記拡散体幾何学的構成は、（ａ）前記軸方向ノズルが下流方向に延在するのに伴って発散する側壁、及び（ｂ）前記軸方向ノズルが下流方向に延在するのに伴って発散する器内壁及び器外壁の少なくとも一方を含んでいる、請求項２に記載の燃焼器冷却構成。
21. 前記複数のソケットは、前記流動円環の円周の周囲で非一様分布を含んでおり、該非一様分布は、運転時に前記半径方向外壁の周囲の空気の期待される円周方向非一様性が与えられると、前記流動円環の内部にさらに一様な流れ分布を発生する構成を含んでいる、請求項１１に記載の燃焼器冷却構成。
22. 主燃料ノズルの下流に燃焼室を画定する半径方向内壁と、
    該半径方向内壁との間で流動円環を形成するように前記半径方向内壁を包囲する半径方向外壁と、
    冷却アセンブリと
    を備えた燃焼タービン・エンジンの燃焼器であって、前記冷却アセンブリは、
    前記半径方向外壁から前記流動円環の内部まで延在し、前記半径方向外壁を貫通して形成された口を有するソケットと、
    前記半径方向内壁の器外表面から予め決められたオフセット距離に配置された前記ソケットの床と、
    該床を貫通して形成された衝突口と、
    前記ソケットの上流側に形成された流入口と流出口との間に伸張する管を含む軸方向ノズルであって、器内傾斜を有する軸方向ノズルと
    を含んでいる、燃焼器。
23. 当該燃焼器は、近似的な円形断面形状を含んでおり、
    各々の冷却アセンブリが、互いに隣り合って配設されて円周方向に延在する円周方向切片を含んでいる、複数の前記冷却アセンブリをさらに含んでおり、
    該複数の冷却アセンブリは、前記流動円環の少なくとも大半に外接する帯を形成するように構成されており、
    前記帯の軸方向位置は前記ライナの後端の近くの位置を含んでいる、請求項２２に記載の燃焼器。