JP2019516058A - 燃焼機関において燃料を空気と混合するためのスワラ - Google Patents

Abstract

燃焼機関（１０）内で燃料を空気と混合するためのスワラ（６０）が開示される。スワラ（６０）は、中心軸線（６３）と、上面（６２）を有するスワラ基部（６１）と、中心部分（６４）と、複数のメインスワラエレメント（６５）と、複数の妨害エレメント（６６）とを有している。メインスワラエレメント（６５）と妨害エレメント（６６）とは、スワラ基部（６１）の上面（６２）に位置しており、中心部分（６４）の周囲に配置されている。メインスワラエレメント（６５）は、流体を中心部分（６４）に向けるために構成された複数のスワラスロット（６７）を形成している。各スワラスロット（６７）は、スロット流入部（６８）とスロット流出部（６９）とを有している。スロット流出部（６９）は、スロット流入部（６８）よりも、中心軸線（６３）から小さい半径方向距離に配置されている。各妨害エレメント（６６）は、スロット流入部（６８）に配置されており、スワラスロット（６７）内に複数の流れチャンネル（７０，７１）を形成するために構成されている。

Description

本発明は、燃焼機関内で燃料を空気と混合するためのスワラと、燃料を空気と混合するための方法とに関する。本発明はさらに、バーナとガスタービンとに関する。

全ての燃焼システムにとって、燃料配置および混合は重要である。正確な燃料配置および正確な混合プロフィールは、ＮＯｘ、バーナ壁温度、燃焼効率、ならびに火炎の位置および安定性などの因子を変化させる。ラジアルスワラ燃焼システムは、少なくとも２つの領域内へ燃料を配置することを要求する。すなわち、パイロット火炎のための領域と、メイン火炎のための領域である。各システムは、正確なパイロット／メイン分割を得るために、燃料内に混合される空気の正確な量を有してなければならず、かつそれぞれの火炎において均一な混合部分を得るために十分に良好に混合されていなければならない。

ラジアルスワラは、燃料を空気と混合するために、スワラスロットの側面およびスワラの基部において、ガス流のための噴射孔を使用する。内側の再循環領域に向きこの領域にパイロット燃料を向けるための二次燃料噴射もある。完全な混合は、特に全負荷範囲にわたって常に達成されているわけではない。

本発明の目的は、改善された混合特性を備える有利なスワラを提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の燃料を空気と混合するためのスワラと、請求項１３に記載のバーナと、請求項１４に記載のガスタービンと、請求項１５に記載の燃料を空気と混合する方法とによって解決される。従属請求項は本発明の別の形態を規定する。

燃焼機関内で燃料を空気と混合するための本発明に係るスワラは、中心軸線と、上面を有するスワラ基部と、中心部分と、複数のメインスワラ要素またはスワラエレメントと、複数の妨害要素または妨害エレメントとを有している。メインスワラエレメントおよび妨害エレメントは、スワラ基部の上面に配置されている。メインスワラエレメントおよび妨害エレメントは、中心部分の周囲に配置されている。メインスワラエレメントは複数のスワラスロットを形成している。スワラスロットは、流体を中心部分に向けるために、たとえば中心軸線に向けるために構成されている。各スワラスロットは、スロット流入部とスロット流出部とを有している。スロット流出部は、スロット流入部よりも、中心軸線から小さな半径方向距離に配置されている。各妨害エレメントは、スロット流入部に配置されており、スワラスロット内に複数の流れ通路、好適には２つの流れ通路を形成または提供するために構成されている。

本発明の思想は、スワラスロット内で空気流を好適には２つの流れに分割する点にある。これらの流れが衝突する箇所は、高い乱流の領域となる。この領域内に噴射された燃料は、良好に混合され、混合を持続するためにスワラスロットの全長を有していて、その後にスロットが合わさる第２の高い乱流の領域に当たる。

スワラ基部は、基部部分または基部要素または基部エレメントであってよい。スワラ基部および／またはメインスワラエレメントおよび／または妨害エレメントは、別個の構成要素であってもよく、またはワンピースとして形成されてもよい。

スロット流入部の流入縁部は、好適には圧力損失を減じるために丸みが付けられている。別の形態では、メインスワラエレメントおよび／または妨害エレメントは、丸みが付けられた形状を有する前縁を有していてよい。

スワラスロットは、流体を中心軸線に向けるために構成されていてよく、特に少なくとも１つのスロットは、中心線を有する流出部を有しており、中心線は、スロット流出部を通る主流れ方向と同一であってよい。中心線は、スワラの中心軸線に対して垂直方向に延びており、スロット流出部の中心に向かう半径方向線と、１０°〜７０°、好適には４０°〜６０°の角度を有している。

好適な形態では、少なくとも１つの妨害エレメントが、中心軸線に対して垂直な平面において、つまり半径方向の面で、丸形、楕円形または涙滴形または方形または菱形の横断面を有している。スワラスロット内の妨害エレメントは、燃料の混合を改善するために流れに乱流を誘発することが望ましい。空力学的な特性、特に誘発される乱流の特性を改善する目的で、かつ／または製造コストを減じる目的で、異なる形状を選択することができる。

妨害エレメントは、さらに乱流混合を誘発するために、区分の間で孔または仕切りを有する幾つかの部材から構成されていてよい。燃料は好適には、主な利点を得るために、妨害エレメントの直後の乱流領域内に噴射される。

少なくとも１つの、好適には各スロットは、スワラ基部の上面から測定した軸方向で高さｈ_ｓを有しており、少なくとも１つの、好適には各妨害エレメントは、スワラ基部の上面から測定した軸方向で高さｈ_ｏを有している。たとえば、妨害エレメントの高さｈ_ｏは、スロットの高さｈ_ｓと等しいか、または小さく形成されている（ｈ_ｏ≦ｈ_ｓ）。言い換えると、妨害エレメントは、スワラスロットの全高を有している必要はない。主な利点は、スロットの１００％の高さで得られると考えられるが、付加的な利点は、スワラスロット高さの一部しかない妨害エレメントによっても得られる。幾つかの異なる平面において乱流を誘発するために、妨害エレメントは、スロットの全高を有しているか、またはスロットの高さの一部の高さだけを有していてよい。

さらに別の形態では、少なくとも１つの妨害エレメントが、スロットの部分、特にスロットの流入部分を、第１の横断面積を有する第１の流れ通路部分と第２の横断面積を有する第２の流れ通路部分とに分割している。第１の横断面積および第２の横断面積は、互いに等しいか、または最大で１０％だけ異なっている。言い換えると、一方の流れ通路の横断面積は、他方の流れ通路の横断面積よりも最大で１０％だけ小さいか、または最大で１０％だけ大きく形成されている。これは、通路の比が等しい必要がないことを意味するが、最も高い乱流比を与えるように決定できることを意味している。しかし、通路が、等しい幅であるか、または互いに対して１０％以内だけ異なっていることが最適であると考えられる。

少なくとも１つのスロットは、スロット流入部からスロット流出部までのスロット長さを有している。好適には、少なくとも１つの妨害エレメント、好適には各妨害エレメントが、スロット長さの７０％よりも小さな長さだけ、たとえば１０％〜３０％の長さ、好適には２０％の長さだけスロット内に進入している。スロット流入部において中心に配置された妨害エレメントは、スロット長さの７０％を超えて進入すべきではないが、主な利点は、進入が、外側から内側に向かってスワラスロットの長さの２０％である場合に生じると考えられる。その方向において空気流が分解される十分な長さを有することと、流れの間の結合部を鋭利に形成することとの間でバランスが取られる。さらに、燃料噴射後の長さが長ければ長いほど、スワラスロット内で生じ得る混合が増す。したがって、妨害エレメントの長さは、燃料／空気混合物が、いずれかの通路に沿って逆流し、燃焼チャンバの外側で燃焼することを阻止するために十分な長さであることが望ましい。

スワラは有利には、複数の燃料インジェクタまたは燃料噴射手段を有している。燃料インジェクタは、噴射孔を有している。好適な形態では、スワラは、複数の燃料インジェクタまたは燃料噴射手段を有している。少なくとも１つの燃料インジェクタは、気体燃料インジェクタおよび／または液体燃料インジェクタであってよい。

一般に、スワラ基部および／または少なくとも１つのメインスワラエレメントおよび／または少なくとも１つの妨害エレメントは、少なくとも１つの燃料インジェクタを有している。スワラは、少なくとも１つのメイン燃料インジェクタおよび／または少なくとも１つのパイロット燃料インジェクタおよび／または少なくとも１つの二次メイン燃料インジェクタを有している。少なくとも１つのメイン燃料インジェクタおよび／または少なくとも１つのパイロット燃料インジェクタおよび／または少なくとも１つの二次メイン燃料インジェクタは、好適には、スワラ基部の上面に、または上面内に、またはメインスワラエレメントのうちの１つの後縁に、または妨害エレメントの１つの、スロット流入部からスロット流出部へのスロット内の流れ方向に関して下流側の部分に、または妨害エレメントの１つの、スロット流入部からスロット流出部へのスロット内の流れ方向に関して上流側の部分に配置されている。

有利には、燃料インジェクタは、妨害エレメントの下流側で燃料混合が生じるように配置されており、特に燃料は、下流側で乱流領域内に直接に噴射されるか、または上流側で噴射されてよく、これにより空気流が燃料を乱流領域へと運ぶようになっている。

さらに、妨害エレメントは、少なくとも１つの側面を有しており、かつ／またはメインスワラエレメントは、少なくとも１つの側面を有している。少なくとも１つの燃料インジェクタは、妨害エレメントの側面か、メインスワラエレメントの側面に配置されていてよい。

複数の燃料インジェクタは、たとえば、メインスワラエレメントの１つおよび／または妨害エレメントの１つにおいて、スワラ基部から軸方向で測定して異なる高さに配置されている。燃料インジェクタは、特定のエレメントの側面または後縁に配置されていてよい。たとえば、複数の燃料インジェクタは、スロットの高さの６０％〜９０％の高さに配置されているか、またはメインスワラエレメントの高さの６０％〜９０％の高さに配置されているか、または妨害エレメントの高さの６０％〜９０％の高さに配置されていてよい。

一般に、燃料インジェクタは、穴またはスロットであってよく、またはあらゆる噴射形状を有していてよい。

たとえば、気体燃料は、妨害エレメントの後縁から噴射することができる（図２の位置１を参照）。インジェクタの個数は、１つ以上であってよいが、３つが最適であり、大抵の場合、スロットの上部の２／３に向かって位置している。気体供給管路を避けるように内側供給管路の場所を定められる場合、この後縁から液体も噴射することができる（図２の位置６を参照）。

インジェクタまたは供給孔の別の配置は、中心の妨害エレメントの側面であってよく、この場合、インジェクタまたは供給孔はずらして配置されている。たとえば４つの供給孔が設けられている場合、各側に２つの供給孔が、スロットの基部から異なる高さに配置されており、たとえば一方の側面では７０％と９０％の高さに、他方の側面では６０％と８０％の高さに配置されている（図２の位置２を参照）。

燃料は、通路の外側からスロット内に供給されてもよい（図２の位置３を参照）。メイン液体は、妨害エレメントの楔状先端部に配置することができる（図２の位置５または６）。パイロット燃料を、スワラの基部において、内径部に向かって、少ない進入で、またはスワラ半径全体の内側から噴射することができる。

パイロットまたは二次メイン燃料インジェクタまたは供給孔は、混合特性をさらに向上させるために、メインスワラエレメントまたは要素の後縁の異なる高さに配置することができる（図２の位置４）。パイロット燃料は、この縁部の基部に向かって噴射され、かつメイン燃料は上部に向かって噴射することができる。液体インジェクタは、これらの箇所のうちの１つに置くことができる（図２の位置７を参照）。良好な液体パイロット配置は、スワラ点の端部と一致するスロットの基部から、基部に対して９０°の角度で面している（図２の位置５を参照）。中心に、またはスワラノーズの端部から半径方向内側に角度付けされた噴射も有利である。

燃焼機関用の本発明に係るバーナは、上述のような少なくとも１つのスワラを有している。本発明に係るガスタービンは、上述のような少なくとも１つのスワラおよび／または上述のような少なくとも１つのバーナを有している。バーナおよびガスタービンは、上述のスワラと同様の特性および利点を有している。

燃焼機関、たとえばバーナまたはガスタービン内で使用するために燃料を空気と混合するための本発明に係る方法は、上述のスワラのスロット流入部内に空気を噴射するステップと、スワラの少なくとも１つの燃料インジェクタにより燃料を空気流内、特に乱流空気流内に噴射するステップと、を含む。この方法は、上述のスワラと同一の特性および利点を有している。

たとえば、少なくとも１つの妨害エレメントの、スロット流入部からスロット流出部へのスロット内における流れ方向に関して下流側または上流側で、燃料を噴射することができる。有利には、燃料は、妨害エレメントの下流側で燃料混合が行われるように、噴射される。燃料を、下流側で乱流領域内に直接に噴射するか、または空気流が燃料を乱流領域に運ぶように上流側に噴射することができる。言い換えると、燃料は、燃料を乱流領域内に噴射することにより妨害エレメントの下流側で燃料と空気とを混合するために噴射されるか、または妨害により形成された乱流の上流側で、空気流が燃料をこの乱流領域に運ぶように噴射される。

一般に、本発明は、付加的な妨害エレメントがスワラスロット内で、乱流を引き起こし、燃料噴射点における乱流の混合を増大させるために、混合、特に異なる形状によって混合を支援するという利点を有している。さらに、混合結果を改善する新規の燃料噴射配置が提供される。

添付の図面に関連して本発明の実施形態の以下の説明を参照することにより、本発明の上述の性質および他の特徴および利点ならびにそれらを得るための形式がより明らかとなり、発明自体もより良好に理解される。実施形態は、添付の請求項により規定されている本発明の範囲を制限するものではない。説明される全ての特徴は、別個の特徴としても、互いに対する組み合わせにおいても有利である。

タービンエンジンの一部を概略的に示す断面図である。 本発明に係るスワラの実施例を概略的に示す斜視図である。 図２に示したスワラを概略的に示す平面図である。 図２に示したスワラを概略的に示す別の斜視図である。 図２に示したスワラを概略的に示すさらに別の斜視図である。 異なって形成された妨害エレメントの例を備える本発明に係るスワラの別の実施形態を概略的に示す斜視図である。 図６に示したスワラの別の実施形態を、スロット高さよりも低い高さを有する妨害エレメントと共に概略的に示す斜視図である。 スワラスロットに対する妨害エレメントの位置を詳細に示す、スワラの区分を概略的に示す軸方向の図である。 妨害エレメントの１つを周方向および半径方向内向きに見た斜視図であり、特にスワラへの空気流にさらされている空力学的なショルダを示す図である。 妨害エレメントの後縁を半径方向外方に見た斜視図であり、特に、後縁の両側の面における燃料流出部の位置を示している。 妨害エレメントを略周方向で見た側面図であり、空力ショルダおよびスワラの上部プレートを示している。

図１は、ガスタービンエンジン１０の実施例を断面で示している。ガスタービンエンジン１０は、流れ方向で連続して、流入部１２，圧縮機区分１４、燃焼器区分１６およびタービン区分１８を有しており、これらは略流れ方向で連続して、略長手方向軸線または回転軸線２０の周囲に、これらの軸線の方向に配置されている。ガスタービンエンジン１０は、さらにシャフト２２を有している。このシャフト２２は、回転軸線２０の周りに回転可能であり、長手方向でガスタービンエンジン１０を通って延びている。このシャフト２２は、タービン区分１８を圧縮機区分１４に駆動接続している。

ガスタービンエンジン１０の運転中に、空気流入部１２を通じて取り込まれる空気２４は、圧縮機区分１４により圧縮され、燃焼区分またはバーナ区分１６へと搬送される。バーナ区分１６は、バーナプレナム２６と、１つまたは複数の燃焼チャンバ２８と、各燃焼チャンバ２８に取り付けられた少なくとも１つのバーナ３０とを有している。燃焼チャンバ２８およびバーナ３０は、バーナプレナム２６の内部に配置されている。圧縮機１４を通過する圧縮空気は、ディフューザ３２内に流入し、ディフューザ３２からバーナプレナム２６内へと排出される。このバーナプレナム２６から空気の一部は、バーナ３０内に流入して、気体燃料または液体燃料と混合される。次いで、空気／燃料混合物は燃焼され、燃焼により生じた燃焼ガス３４または作業ガスは、燃焼チャンバ２８を通って、移行ダクト１７を介してタービン区分１８へと流される。

この例示的なガスタービンエンジン１０は、キャニュラー形燃焼器区分配列１６を有している。このキャニュラー形燃焼器区分配列１６は、それぞれバーナ３０および燃焼チャンバ２８を有する複数の燃焼筒１９の環状の配列により構成されており、移行ダクト１７は、燃焼チャンバ２８に接続する略円形の流入部と、環状セグメントの形態の流出部とを有している。移行ダクト流出部の環状の配列は、タービン１８へと燃焼ガスを通流させるための環状部を形成する。

タービン区分１８は、シャフト２２に取り付けられた、動翼を支持する複数のディスク３６を有している。この実施例では、２つのディスク３６がそれぞれ、タービン動翼３８の環状の配列を支持している。しかし、動翼を支持するディスクの個数は異なっていてもよく、たとえば、唯１つのディスクまたは２つ以上のディスクが設けられていてもよい。さらに、ガスタービンエンジン１０のステータ４２に取り付けられている案内翼４０が、タービン動翼３８の環状の配列の複数の段の間に配置されている。燃焼チャンバ２８の出口と、先行するタービン動翼３８との間に、入口案内翼４４が設けられており、作業ガスの流れをタービン動翼３８へと変向させる。

燃焼チャンバ２８からの燃焼ガスは、タービン区分１８へと流入し、タービン動翼３８を駆動し、このタービン動翼３８自体がシャフト２２を回転させる。案内翼４０，４４は、タービン動翼３８への燃焼ガスまたは作業ガスの角度を最適化するように作用する。

タービン区分１８は、圧縮機区分１４を駆動する。圧縮機区分１４は、軸方向で連続する静翼段４６と、動翼段４８とを有している。動翼段４８は、動翼の環状の配列を支持するロータディスクを有している。圧縮機区分１４もケーシング５０を有している。このケーシング５０は、ロータ段を取り囲み、静翼段４８を支持している。案内翼段は、半径方向に延びる静翼の環状の配列を含んでいる。静翼は、ケーシング５０に組み付けられている。静翼は、所定のエンジン運転点において動翼のための最適な角度でガス流を存在させるために設けられている。幾つかの案内翼段は、可変の静翼を有しており、この場合、静翼の、その長手方向軸線を中心とする角度は、異なるエンジン運転状況により生じ得る空気流特性にしたがった角度に調節することができる。

ケーシング５０は、圧縮機１４の通路５６の半径方向の外側面５２を規定する。通路５６の半径方向の内側面５４は、動翼４８の環状の配列により部分的に規定されているロータのロータドラム５３により、少なくとも部分的に規定されている。

本発明は、１つの多段圧縮機と、１つの単段または多段タービンとを接続する単一のシャフトまたはスプールを有する上記の例示的なタービンエンジンに関して説明される。しかし、本発明は、２つまたは３つのシャフトを有するエンジンにも同様に適用可能であり、また本発明を産業用途、航空機用途または船舶用途のために使用できることは明らかである。

上流および下流という用語は、別に明記しない限り、エンジンを通る空気流および／または作業ガス流の流れ方向に関する。前方および後方という用語は、エンジンを通るガスの一般的な流れに関する。軸方向、半径方向および周方向という用語は、エンジンの回転軸線２０に関して使用される。

図２は、本発明によるスワラ６０の実施例を概略的に示す斜視図である。図３は、図２に示したスワラを概略的に示す平面図である。図４は、図２に示したスワラを概略的に示す別の斜視図である。図５は、図２に示したスワラを概略的に示すさらに別の斜視図である。

燃料を空気と混合するためのスワラ６０は、中心軸線６３と、上面６２を有するスワラ基部６１と、中心部分６４と、複数のメインスワラ要素またはスワラエレメント６５と、複数の妨害要素または妨害エレメント６６とを有している。メインスワラエレメント６５と妨害エレメント６６とは、スワラ基部６１の上面６２に配置されている。メインスワラエレメント６５と妨害エレメント６６とは、中心部分６４の周りに配置されている。メインスワラエレメント６５は、複数のスワラスロット６７を形成している。スワラスロット６７は、流体を中心部分６４、たとえば中心軸線６３に向けるために構成されている。各スワラスロット６７は、スロット流入部６８と、スロット流出部６９とを有している。スロット流出部６９は、スロット流入部６８よりも、中心軸線６３から小さな半径方向距離に配置されている。各妨害エレメント６６は、スロット流入部６８に配置されており、スワラスロット６７内への複数の流れ通路、好適には２つの流れ通路７０，７１を形成または提供するために構成されている。

各メインスワラエレメント６５は、前縁７２と後縁７３とを有している。スワラスロット６７におけるメインスワラエレメント６５の流入エッジ７４は、好適には圧力損失を減じるために丸みが付けられている。

図２に示した妨害エレメント６６は、半径方向の平面において涙滴形状を有している。各妨害エレメント６６は、前縁７５と後縁７６とを有している。

スワラスロット６７は、流体を中心軸線６３に向けるために構成されていてよい。特に、少なくとも１つのスロット６７は、中心線７７を有する流出部６９を有している。中心線７７は、スロット流出部６９を通る主流れ方向７９と同一であってよい。中心線７７は、スワラ６０の中心軸線６３に対して垂直方向に延びており、スロット流出部６９の中心に向かう半径方向線７８と１０°〜７０°、たとえば４０°〜６０°の角度αを有している。

妨害エレメント６６は、スロット６７の部分、特にスロット６７の流入部分６８を、第１の横断面積を有する第１の流れ通路部分７０と、第２の横断面積を有する第２の流れ通路部分７１とに分割する。第１の横断面積および第２の横断面積は、等しいか、または互いに最大で１０％異なっている。

少なくとも１つのスロットは、スロット流入部６８からスロット流出部６９までのスロット長さを有している。有利には、各妨害エレメント６６は、スロット長さの７０％よりも小さな長さで、たとえば１０％〜３０％、好適には２０％の長さでスロット６７内に進入する。

スワラは有利には、複数の燃料インジェクタまたは燃料噴射手段を有している。燃料インジェクタは、噴射孔または噴射スロットを有していてよく、または別の噴射形状を有していてよい。好適な形態では、スワラは、複数の燃料インジェクタまたは燃料噴射手段を有している。少なくとも１つの燃料インジェクタは、気体燃料インジェクタおよび／または液体燃料インジェクタであってよい。

図２は、燃料インジェクタの異なる位置の例を示している。位置１〜７に図示された燃料インジェクタは、個別に存在していてもよいし、各組み合わせで存在していてもよいし、または図２に示されているように全て存在していてもよい。

一般に、スワラ基部および／または少なくとも１つのメインスワラエレメント６５および／または少なくとも１つの妨害エレメント６６は、少なくとも１つの燃料インジェクタ１〜７を有していてよい。スワラ６０は、少なくとも１つのメイン燃料インジェクタおよび／または少なくとも１つのパイロット燃料インジェクタおよび／または少なくとも１つの二次メイン燃料インジェクタを有していてよい。少なくとも１つのメイン燃料インジェクタおよび／または少なくとも１つのパイロット燃料インジェクタおよび／または少なくとも１つの二次メイン燃料インジェクタは、好適には、スワラ基部６１の上面６２に、または上面６２内に、または複数のメインスワラエレメント６５のうちの１つの後縁７３に、または複数の妨害エレメント６６のうちの１つの、スロット６７内への流れ方向７９に関して下流側の部分に、または複数の妨害エレメント６６のうちの１つの、スロット６７内への流れ方向７９に関して上流側の部分に配置されている。

さらに、妨害エレメント６６は、少なくとも１つの側面８０を有していてよく、かつ／またはメインスワラエレメント６５は、少なくとも１つの側面８１を有していてよい。少なくとも１つの燃料インジェクタは、妨害エレメント６６の側面８０に配置されているか（位置２を参照）、またはメインスワラエレメント６５の側面８１に配置されていてよい。

妨害エレメント６６の側面８０の位置２に設けられたインジェクタまたは供給孔は、たとえば、ずらして配置されたインジェクタ位置または供給孔を有していてよい。たとえば、４つの供給孔の場合、両側に２つの供給孔が設けられているが、スワラ基部６１の上面６２からは異なる高さに、たとえば一方の側面８０では７０％と９０％の高さに、他方の側面８０では６０％と８０％の高さに配置されている。

燃料は、たとえば位置３において通路の外部からスロット６７内に供給されてもよい。

好適には、気体燃料は、妨害エレメント６６の後縁７６から、位置１に設けられた１つまたは複数のインジェクタによって噴射することができる。噴射孔の数は、１つ以上であってよいが、３つが最適であると考えられ、大抵の場合、スロットの上部の２／３に向かって位置しており、言い換えると、スロット高さｈ_ｓの２／３の高さに位置している。この後縁７６において、特に、気体供給管路を避けるように内側の供給管路の場所を定められる場合、たとえば位置６に設けられたインジェクタにより、液体燃料も噴射することができる。

メインの液体燃料は、位置５または６において、妨害エレメント６６の楔状先端部に配置することができる。パイロット燃料は、スワラ６０の基部６１で、内径部に向かって、少ない進入で、またはスワラ半径全体の内側から噴射することができる。

パイロット供給孔または二次メイン供給孔は、たとえば位置４において、メインスワラエレメント６５の後縁７３に、上面６２から測定した異なる軸方向の高さに配置することができる。これは、さらに混合特性を向上させる。パイロット燃料インジェクタは、好適には、この後縁の（基部に向かって）低い高さに位置しており、かつメイン燃料インジェクタは、好適には（上部に向かって）高い高さに位置している。液体インジェクタは、たとえば位置７において、これらの配置のうちの１つに配置することができる。良好な液体パイロット配置は、スワラ点の端部と一致するスロットの基部から、基部に対して９０°の角度で面している（下図の位置８）。中心に、またはスワラノーズの端部から半径方向内側に角度付けされた噴射も有利である。

スワラ流入部６８において中心に配置された妨害エレメント６６は、スロット６７の長さの７０％を超えて進入すべきではないが、主な利点は、進入が、外側から内側に向かってスワラスロット６７の長さの２０％である場合に生じると考えられる。空気流がこの方向で分解される十分な長さを有することと、流れ間の結合部を鋭利に形成することとの間でバランスが取られる。つまり、燃料噴射後の長さが長ければ長いほど、スワラスロット内で生じ得る混合が増す。スロット６７内に配置されている、中心に配置された妨害エレメント６６の長さも、燃料／空気混合物がいずれかの通路に沿って逆流し、燃焼チャンバの外側で燃焼することを回避するために十分な長さを有することが望ましい。

図６は、異なって形成された妨害エレメントの例を備える本発明に係るスワラの変化形を概略的に示す斜視図である。一般に、妨害エレメントは、特に放射面における断面で互いに異なる形状を有していてよい。図６は、１つのスワラ６０における異なる形状の妨害エレメントの実施例を示している。スワラ６０は、一般にこれらの形状のうちの唯１つの形状の複数の妨害エレメントを有しているか、または互いに異なって形成された複数の妨害エレメントの組み合わせを有していてよい。図６では、妨害エレメント８２は、正方形形状を有しており、妨害エレメント８５は、菱形形状を有しており、妨害エレメント８３は、円形状を有しており、妨害エレメント８４は、楕円形状を有しており、妨害エレメント６６は、涙滴形状を有している。

妨害エレメントは、さらに乱流混合を誘発するために、複数の孔または区分間の仕切りを有する複数の部分から構成されていてよい。燃料は、主な利点を得るために、妨害エレメントの直後で乱流領域内へと噴射されることが望ましい。

少なくとも１つのスロット、好適には各スロットは、スワラ基部の上面から計測した軸方向の高さｈ_ｓを有しており、少なくとも１つの妨害エレメント、好適には各妨害エレメントは、スワラ基部の上面から計測した軸方向の高さｈ_ｏを有している。たとえば妨害エレメントの高さｈ_ｏは、スロットの高さｈ_ｓと等しいか、またはスロットの高さｈ_ｓよりも小さく形成されている（ｈ_ｏ≦ｈ_ｓ）。言い換えると、妨害エレメントは、スワラスロットの全高を有している必要はない。主な利点は、スロットの１００％の高さで得られると考えられるが、付加的な利点が、スワラスロット高さの一部の高さしかない妨害エレメントでも得られる。幾つかの異なる平面において乱流を誘発するために、妨害エレメントは、スロットの全高を有しているか、またはスロットの高さの一部の高さだけを有していてよい。

図７は、スロット高さｈ_ｓよりも低い高さｈ_ｏを有する妨害エレメント６６，８２，８３，８４，８５を有する、図６に示したスワラ６０の別の形態を概略的に示す斜視図である。幾つかの異なる平面において乱流を誘発するために、妨害エレメントは、スロットの全高ｈ_ｓを有しているか、またはスロットの高さの一部の高さだけを有していてよい。

本スワラの好適な実施形態が、図８〜図１１に関して参照される。

図８は、スワラ６０の一部を軸方向の視点で示しており、本スワラの特別な実施形態を示している。上部プレート（図９，図１０および図１１における１０８）は、見やすくするために取り除かれている。上述のように、スワラ６０は、中心軸線６３と、上面６２を有するスワラ基部（プレート）６１とを有している。メインスワラエレメント６５の環状の配列は、軸方向で基部プレート６１から上部プレート１０８へと延びている。メインスワラエレメント６５と、基部プレート６１と、上部プレート１０８とは、スワラスロット６７を規定する。複数の妨害エレメント６６，８４が、周方向でメインスワラエレメント６５の間に配置されている。

各妨害エレメント６６，８４は、前縁７５と後縁７６とを有している。後縁７６は、前縁７５の半径方向内側に配置されている。メインスワラエレメント６５および妨害エレメント６６は、スワラ基部６１の上面６２に位置し、中心部分６４の周囲に配置されている。

スワラスロット６７は、中心線１００を有しており、流体７９を中心部分６４に向けるために構成されている。流体は、ガスタービンの圧縮機区分からの圧縮空気である。各スワラスロット６７は、スロット流入部６８、より正確には（軸線６３からの）半径Ｒｉに形成されたスロット流入面と、スロット流出部６９、より正確にはスロット流出面とを有している。スロット流出部６９は、スワラ流入部６８よりも、中心軸線６３から小さな半径方向距離に、または半径方向内側に配置されている。

重要であるのは、各妨害エレメント６６が、スロット流入部６８の１つと交差するように配置されていることであり、いわばスロット流入面６８Ｐが妨害エレメント６６を通るまたは横切ることである。妨害エレメント６６と、妨害エレメント６６のすぐ隣の、またはこの妨害エレメント６６に面しているメインスワラエレメントは、複数の流れ通路を形成し、特に２つの流れ通路７０，７１を形成している。これらの流れ通路７０，７１が、流体をスワラスロット６７内に供給する。

重要であるのは、妨害エレメント６６，８４の後縁７６が、スワラスロット６４内に位置している、または半径方向外側から０．２Ｒｉまでの距離でスワラスロット６４内に挿入されていることである。少なくとも１つの燃料インジェクタ１、つまり燃料インジェクタ１の流出部１１６，１１６Ａ，１１６Ｂは、妨害エレメント６６，８４内に、後縁７６から０．２Ｒｉまでの距離に形成されている。言い換えると、燃料流出部１１６，１１６Ａ，１１６Ｂは、流入面６８Ｐの半径方向内側に配置されている。燃料流出部１１６，１１６Ａ，１１６Ｂは、流入面６８Ｐの半径方向内側にある、妨害エレメントの表面の任意の部分に位置していてよい。

妨害エレメント６６，８４と燃料流出部１１６，１１６Ａ，１１６Ｂの特定の配列は、燃料および空気の予混合が、スワラスロットの手前または半径方向外側で生じず、燃焼ガスのフラッシュバックを回避することを保証する。さらに、スワラスロット内への妨害エレメントの挿入は、スワラスロットの減少した流れ面積を形成し、この結果、流体または空気は、後縁７６の半径方向内側よりも通路７１，７０内で高い速度を有している。これはさらに、燃焼ガスのフラッシュバックを減じるかまたは排除する。

スワラスロット６７は、対峙するメインスワラ６５の正圧面８１Ｐと負圧面８１Ｓとの間に規定されていて、幅Ｗを有している。妨害エレメント６６，８４の後縁７６は、中心線１００から０．０５Ｗだけずらされている、つまりオフセットされている。好適には、このオフセットは、負圧面８１Ｓに向けられている。これは、スワラスロットに流入する流体の圧力分布または圧力勾配が等しくないので有利である。後縁７６のオフセットは、圧力をより良好に分散させるように支援するので、フラッシュバックは、通路７１，７０のいずれを介しても生じ得ない。

妨害エレメント６６，８４は、翼型の形状の横断面を有しており、前縁７５から後縁７６に延びる翼弦線１０４を有している。翼弦線１０４は、中心線１００から５°〜２５°、好適には１０°〜２０°、好適には約１５°の角度βを有している。この構成では、特に角度βがメインスワラエレメント６５の負圧面８１Ｓに向かっている場合に、妨害エレメントがスワラスロット６７内へ流体の流れ７９を変向することを支援し、これにより空力的損失を減少させる。

スワラ６０は、さらに上部プレート１０８を有している。この上部プレート１０８は、略リングの形状であり、メインスワラエレメント６５の、スワラ基部６１とは軸方向で反対の端部と、妨害エレメント６６，８４の、基部プレート端部とは軸方向で反対の端面１１４の少なくとも一部１１０とに隣接して配置されている。したがって、上部プレート１０８は、スワラスロット６７をさらに規定する。妨害エレメント６６，８４の、軸方向で反対の端面１１４の部分１１０は、妨害エレメントの、スワラスロット内への侵入部の延在長さと同一の半径方向の延在長さ（０．２Ｒｉ）を有していてよい。したがって、上部プレートの半径方向外側の周部は、メインスワラエレメントの前縁７２と同一の半径を有しているが、このことは、全ての実施例において必ずしも必要ではない。

したがって、妨害エレメント６６，８４の端面１１４の残りの部分１１２は、上部プレート１０８の半径方向外側に延びており、これは図９に示されている。流体の流れ７９は、この面に衝突し、有利にはこの表面は、流体７９に流体力学的な面を提供するために、滑らかに輪郭形成されている。この流体力学的な成形は、空気流７９を滑らかにすることを支援し、損失を減少させる一方で、流出部１１６，１１６Ａ，１１６Ｂからの燃料の良好な噴射のために安定した空気流を提供する。

図１１を参照すると、前縁７５は高さＨ_ＬＥを有しており、後縁７６は高さＨ_ＴＥを有している。前縁の高さＨ_ＬＥは、後縁の高さＨ_ＴＥよりも小さく、上部プレート１０８により覆われている部分１１０から面１１４の残りの部分１１２への滑らかな移行部が設けられている。このショルダは、空気流７９にぶつかるように角度付けされており、これにより、空気流は、軸方向から略半径方向へと変向して、空気流がスワラスロットを通過するようになっている。

中心軸線６３に対して垂直な平面で見て妨害エレメント６６，８４の翼型形状を強調するために、この形状は対称的な涙滴形８４（図８）または湾曲した涙滴形６６である（図２〜図５）。横断面形状は、後縁７６よりも前縁７５の近くで最大の厚さＴ_ｍａｘを有しており、この形状は、最大の厚さＴ_ｍａｘから前縁７５に向かって全体に先細りする。

ここで、燃料噴射構造について述べる。各妨害エレメント６６，８４は、第１の面８０Ａと、第２の面８０Ｂとを有している。これらの面はそれぞれ、メインスワラエレメント６５の負圧面（８１Ｓ）と、正圧面８１Ｐとに面している。この場合、第１の面８０Ａと第２の面８０Ｂにそれぞれ流出部１１６Ａ，１１６Ｂを有している少なくとも１つの燃料インジェクタ１が設けられている。

特に図８〜図１１に示した好適な実施形態では、第１の面８０Ａと第２の面８０Ｂにそれぞれ少なくとも１つの流出部１１６Ａ，１１６Ｂを有する複数の燃料インジェクタ１が設けられている。第１の面８０Ａの燃料インジェクタ１の流出部１１６Ａは、第２の面８０Ｂの燃料インジェクタ１の流出部１１６Ｂから軸方向にオフセットされている。第２の面８０Ｂの燃料インジェクタ１の流出部１１６Ｂは、後縁７６のほぼ中間の高さに対称的に配置されている。この場合、第１の面８０Ａの燃料インジェクタ１の流出部１１６Ａは、第２の面８０Ｂの燃料インジェクタ１の流出部１１６Ｂのほぼ中間のピッチに配置されている。図示されたこの例示的な実施例のために、第１の面８０Ａと第２の面８０Ｂにそれぞれ、燃料インジェクタ１の３つの流出部１１６Ａ，１１６Ｂが設けられている。この構成では、燃料は、スワラスロット６７の軸方向の高さにわたってかつ／または好適には流体流内でより均一に分散され、これにより、燃料は、燃焼チャンバ内の正確な位置で燃焼する。

Claims (16)

1. 燃焼機関（１０）内で燃料を空気と混合するためのスワラ（６０）であって、該スワラ（６０）は、中心軸線（６３）と、上面（６２）を有するスワラ基部（６１）と、中心部分（６４）と、複数のメインスワラエレメント（６５）と、複数の妨害エレメント（６６，８４）とを有しており、
   各妨害エレメント（６６，８４）が、前縁（７５）と後縁（７６）とを有しており、前記後縁（７６）は、前記前縁（７５）の半径方向内側に配置されており、
   前記メインスワラエレメント（６５）と前記妨害エレメント（６６）とが、前記スワラ基部（６１）の前記上面（６２）に位置し、前記中心部分（６４）の周囲に配置されており、
   前記メインスワラエレメント（６５）は、複数のスワラスロット（６７）を形成し、該スワラスロット（６７）は、中心線（１００）を有し、かつ前記中心部分（６４）に流体（７９）を向けるために構成されており、各スワラスロット（６７）は、半径Ｒｉに形成されたスロット流入部（６８）と、スロット流出部（６９）とを有しており、該スロット流出部（６９）は、前記スロット流入部（６８）よりも、前記中心軸線（６３）から小さな半径方向距離に配置されており、
   各妨害エレメント（６６）は、１つのスロット流入部（６８）を横切るように配置され、かつ前記スワラスロット（６７）内に複数の流れ通路（７０，７１）を形成するために構成されており、
   前記妨害エレメント（６６，８４）の前記後縁（７６）は、前記スワラスロット（６４）内に０．２Ｒｉまでの距離で配置されており、
   少なくとも１つの燃料インジェクタ（１）が、前記妨害エレメント（６６，８４）内に、前記後縁（７６）から０．２Ｒｉまでの距離で形成されている、
   燃焼機関（１０）内で燃料を空気と混合するためのスワラ（６０）。
2. 前記スワラスロット（６７）は、対峙するメインスワラ（６５）の圧力面（８１Ｐ）と負圧面（８１Ｓ）との間に規定されており、前記スワラスロット（６７）は、幅Ｗを有しており、
   前記妨害エレメント（６６，８４）の前記後縁（７６）は、前記中心線（１００）から０．０５Ｗだけオフセットされており、好適には、該オフセットが前記負圧面（８１Ｓ）に向けられている、請求項１記載のスワラ（６０）。
3. 前記妨害エレメント（６６，８４）は、前記前縁（７５）から前記後縁（７６）へ延びる翼弦線（１０４）を有しており、
   前記翼弦線（１０４）は、前記中心線（１００）から５°〜２５°、好適には１０°〜２０°、好適には約１５°の角度βを有している、請求項１または２記載のスワラ（６０）。
4. 前記スワラ（６０）は、上部プレート（１０８）をさらに有しており、該上部プレート（１０８）は、略リング形状であり、前記上部プレート（１０８）が、前記メインスワラエレメント（６５）の、前記スワラ基部（６１）とは軸方向で反対側の端部と、前記妨害エレメント（６６，８４）の、前記スワラ基部（６１）とは軸方向で反対側の端面（１１４）の少なくとも１つの部分（１１０）とに隣接して配置されており、前記上部プレート（１０８）は、前記スワラスロット（６７）をさらに規定する、請求項１から３までのいずれか１項記載のスワラ（６０）。
5. 前記妨害エレメント（６６，８４）の前記端面（１１４）の残りの部分（１１２）が、前記上部プレート（１０８）の半径方向外側に延びており、前記端面（１１４）の前記残りの部分（１１２）は、前記流体（７９）の空力的表面を提供するように滑らかに輪郭形成されている、請求項４記載のスワラ（６０）。
6. 前記前縁（７５）は高さＨ_ＬＥを有しており、前記後縁（７６）は高さＨ_ＴＥを有しており、前記高さＨ_ＬＥは前記高さＨ_ＴＥよりも小さく形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のスワラ（６０）。
7. 少なくとも１つの妨害エレメント（６６，８４）は、前記中心軸線（６３）に対して垂直方向の平面における横断面で、対称的な涙滴形（８４）または湾曲した涙滴形（６６）である形状を有しており、該形状は、前記後縁（７６）よりも前記前縁（７５）の近傍で最大の厚さＴ_ｍａｘを有しており、前記形状は、前記最大の厚さＴ_ｍａｘから前記前縁（７５）に向かって全体に先細りしている、請求項１から６までのいずれか１項記載のスワラ（６０）。
8. 各妨害エレメント（６６，８４）は、それぞれ前記メインスワラエレメント（６５）の負圧面（８１Ｓ）と圧力面（８１Ｐ）とに面した第１の面（８０Ａ）と第２の面（８０Ｂ）を有しており、
   前記第１の面（８０Ａ）と前記第２の面（８０Ｂ）のそれぞれに流出部を有する少なくとも１つの燃料インジェクタ（１）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のスワラ（６０）。
9. 前記第１の面（８０Ａ）と前記第２の面（８０Ｂ）のそれぞれに少なくとも１つの流出部を有する複数の燃料インジェクタ（１）が設けられている、請求項８記載のスワラ（６０）。
10. 前記第１の面（８０Ａ）における燃料インジェクタ（１）の前記流出部が、前記第２の面（８０Ｂ）における燃料インジェクタ（１）の前記流出部から軸方向でオフセットされている、請求項７から９までのいずれか１項記載のスワラ（６０）。
11. 前記第２の面（８０Ｂ）における燃料インジェクタ（１）の前記流出部が、前記後縁（７６）のほぼ中間の高さに対称的に配置されている、請求項７から１０までのいずれか１項記載のスワラ（６０）。
12. 前記第１の面（８０Ａ）における燃料インジェクタ（１）の前記流出部が、前記第２の面（８０Ｂ）の燃料インジェクタ（１）の前記流出部の中間のピッチに配置されている、請求項１１記載のスワラ（６０）。
13. 前記第１の面（８０Ａ）と前記第２の面（８０Ｂ）のそれぞれに、燃料インジェクタ（１）の３つの流出部が設けられている、請求項７から１２までのいずれか１項記載のスワラ（６０）。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の少なくとも１つのスワラ（６０）を有する燃焼機関（１０）用のバーナ（３０）。
15. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の少なくとも１つのスワラ（６０）および／または請求項１４記載の少なくとも１つのバーナ（３０）を有するガスタービン（１０）。
16. 請求項１から３までのいずれか１項記載のスワラ（６０）のスロット流入部（６８）内に空気を噴射するステップと、
    前記スワラ（６０）の少なくとも１つの燃料インジェクタ（１〜７）を通して空気流内に燃焼を噴射するステップと、
    を含む、燃焼機関（１０）において使用するために燃料を空気と混合するための方法。

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