JP2021162299A

JP2021162299A - 改良されたスワーラベーン構造を有する燃料ノズル

Info

Publication number: JP2021162299A
Application number: JP2021035884A
Authority: JP
Inventors: フェルナンド・ビアジオリ; Biagioli Fernando; セバスチャーノ・ソラト; Sorato Sebastiano; テラサ・マルチョーニ; Marchione Teresa
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2021-10-11
Also published as: EP3889509B1; US11187414B2; US20210302021A1; EP3889509A1

Abstract

【課題】改良されたスワーラベーン構造を有する燃料ノズルを提供する。【解決手段】ターボ機械用の燃料ノズル６０は、燃料ノズルの中心線２００に対して軸方向に延在する中央本体１０２を含む。閉じ込め管１０４が、中央本体の半径方向外側に配置される。複数のスワーラベーン１０６が、中央本体と閉じ込め管との間に配置される。複数のスワーラベーンの各々は、半径方向内側基部および半径方向外側先端部を含む。スワーラベーンの各々は、前縁からほぼ軸方向に延在する上流部分をさらに含む。下流部分は、上流部分から後縁まで延在する。下流部分は、上流部分と後縁との間の屈曲長さを画定する。半径方向外側先端部における屈曲長さは、半径方向内側基部における屈曲長さよりも大きい。【選択図】図３

Description

本開示は、一般に、ターボ機械燃料ノズルに関する。特に、本開示は、ターボ機械燃料ノズルに使用するためのスワーラベーン構造に関する。

ターボ機械は、エネルギー伝達の目的で様々な産業および用途で利用されている。例えば、ガスタービンエンジンは、一般に、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションと、排気セクションと、を含む。圧縮機セクションは、ガスタービンエンジンに入る作動流体の圧力を徐々に上昇させ、この圧縮された作動流体を燃焼セクションに供給する。圧縮された作動流体および燃料（例えば、天然ガス）は、燃焼セクション内で混合され、燃焼チャンバ内で燃焼して高圧および高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼セクションからタービンセクションに流れ、そこで膨張して仕事を発生する。例えば、タービンセクションにおける燃焼ガスの膨張は、例えば、発電機に接続されたロータシャフトを回転させ、電気を発生することができる。次いで、燃焼ガスは、排気セクションを介してガスタービンから排出される。

ターボ機械は、通常、燃焼器セクションに燃料ノズルを含む。各燃料ノズルは、点火のために燃料と空気の混合物を燃焼チャンバに送達するための１つまたは複数の通路を有する構成要素である。燃料ノズルは、点火前に燃料と空気との混合を一貫した均一な混合物に改善するためのスワーラを含むことが多い。燃料ノズルのスワーラ部分は、ノズルの中央本体から半径方向に、かつノズルの中央本体の周りに円周方向に延在する複数の空力ベーンを含む。スワーラベーンは、スワーラベーンの表面に画定された燃料孔を通して燃料を供給する内部通路を含むことが多い。燃料が燃料孔を出ると、燃料は、スワーラベーン間を通過する流体、典型的には空気と混合する。次いで、燃料／空気混合物は、燃焼チャンバ内で点火されて、タービンセクションに動力を供給する燃焼ガスを生成する。

多くの場合、排出物を削減し、および／またはターンダウン能力を改善するために、古いターボ機械モデルは、二次燃焼段を含むように改造され、二次燃焼段は、一般に一次燃焼段、例えば燃料ノズルの下流に配置される１つまたは複数の軸方向燃料噴射器を含む。典型的には、軸方向燃料噴射器は、動作するために、燃料ノズルのみを通って以前に送られた圧縮空気の大部分を必要とする。一次燃料ノズルへの圧縮空気流の減少の結果として、従来のスワーラベーンは、スワーラまたはスワーラの下流で流れの剥離を生じさせる可能性があり、これは、燃料ノズルの性能、例えば保炎に悪影響を及ぼす可能性がある。一般に、圧縮空気流の減少は、スワーラを横切る空気流のバルク速度の減少を伴うことが多く、スワーラ表面での保炎のリスクを増加させる。

したがって、適切な保炎マージンを維持しながら、低減された空気流で動作することができる改良されたスワーラベーン構造を有する燃料ノズルが、当技術分野において望まれている。

本開示によるスワーラアセンブリ、およびターボ機械の態様および利点は、以下の説明に部分的に記載されており、または説明から明らかとなり、または本技術の実施を通して学ぶことができる。

一実施形態によれば、燃料ノズルが提供される。燃料ノズルは、燃料ノズルの中心線に対して軸方向に延在する中央本体を含む。閉じ込め管は、中央本体の半径方向外側に配置される。複数のスワーラベーンが、中央本体と閉じ込め管との間に配置される。複数のスワーラベーンの各々は、半径方向内側基部および半径方向外側先端部を含む。スワーラベーンの各々は、前縁からほぼ軸方向に延在する上流部分をさらに含む。下流部分は、上流部分から後縁まで延在する。下流部分は、上流部分と後縁との間の屈曲長さを画定する。半径方向外側先端部における屈曲長さは、半径方向内側基部における屈曲長さよりも大きい。

別の実施形態によれば、ターボ機械が提供される。ターボ機械は、圧縮機セクションと、タービンセクションと、複数の燃料ノズルを含む燃焼セクションと、を含む。複数の燃料ノズルの各燃料ノズルは、燃料ノズルの中心線に対して軸方向に延在する中央本体を含む。閉じ込め管は、中央本体の半径方向外側に配置される。複数のスワーラベーンが、中央本体と閉じ込め管との間に配置される。複数のスワーラベーンの各々は、半径方向内側基部および半径方向外側先端部を含む。スワーラベーンの各々は、前縁からほぼ軸方向に延在する上流部分をさらに含む。下流部分は、上流部分から後縁まで延在する。下流部分は、上流部分と後縁との間の屈曲長さを画定する。半径方向外側先端部における屈曲長さは、半径方向内側基部における屈曲長さよりも大きい。

本燃料ノズルおよびターボ機械のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであるが、本技術の実施形態を例示し、明細書における説明と併せて本技術の原理を説明するのに役立つ。

当業者へと向けられた本システムおよび方法の作製および使用の最良の態様を含む、本スワーラアセンブリ、およびターボ機械の完全かつ実施可能な開示が本明細書に記載されており、それは添付の図面を参照している。

本開示の実施形態による、ターボ機械の概略図である。本開示の実施形態による、図１のターボ機械と共に使用するのに適した燃焼器を示す図である。本開示の実施形態による、図２の燃焼器内で使用するための燃料ノズルの断面側面図である。本開示の実施形態による、図３の燃料ノズルの一部の側面図である。本開示の実施形態による、図３および図４の燃料ノズルからの複数のスワーラベーンを示す図である。本開示の実施形態による、図５のスワーラベーンのうちの単一のスワーラベーンの側面図である。本開示の実施形態による、図６のようなスワーラベーンの半径方向内側基部を示す図である。本開示の実施形態による、図６のようなスワーラベーンの半径方向外側先端部を示す図である。本開示の実施形態による、図６のようなスワーラベーンの斜視図である。本開示の実施形態による、スワーラベーン上の半径方向位置とスワーラベーンの屈曲長さとの間の関係をプロットしたグラフである。

ここで、改良されたスワーラベーン構造を有する本燃料ノズルおよびそのような燃料ノズルを有するターボ機械の実施形態を詳細に参照するが、その１つまたは複数の例が図面に示されている。各例は、本技術の説明のために提供するものであって、本技術を限定するものではない。実際、特許請求される技術の範囲または趣旨を逸脱せずに、修正および変更が本技術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。例えば、ある実施形態の一部として図示または記載された特徴は、またさらなる実施形態をもたらすために、別の実施形態において使用することができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変更を包含することを意図している。

詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字および文字の符号を使用する。図面および説明における類似または同様の符号は、本発明の類似または同様の部分を指して使用されている。本明細書で使用する場合、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図するものではない。

本明細書で使用する場合、「上流」（または「前方」）、および「下流」（または「後方」）という用語は、流体経路における流体の流れに関する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は流体が流れてくる方向を指し、「下流」は流体が流れていく方向を指す。

「半径方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対的な方向を指し、「軸方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行および／または同軸に整列する相対的な方向を指し、「円周方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線の周囲に延在する相対的な方向を指す。

「ほぼ」、または「約」などの近似の用語は、記載された値のプラスマイナス１０パーセントの範囲内の値を含む。角度または方向の文脈で使用されるとき、そのような用語は、記載された角度または方向のプラスマイナス１０度の範囲を含む。例えば、「ほぼ垂直」は、任意の方向、例えば、時計回りまたは反時計回りの垂直から１０度の範囲内の方向を含む。

ここで図面を参照すると、図１は、ターボ機械の一実施形態の概略図を示しており、これは、図示の実施形態ではガスタービン１０である。産業用または陸上用のガスタービンが本明細書に示されて説明されているが、本開示は、特許請求の範囲に特に明記されない限り、陸上用および／または産業用ガスタービンに限定されない。例えば、本明細書に記載のスワーラアセンブリは、限定はしないが、蒸気タービン、航空機用ガスタービン、または船舶用ガスタービンを含む任意のタイプのターボ機械に使用することが可能である。

示すように、ガスタービン１０は、一般に、入口セクション１２と、入口セクション１２の下流に配置された圧縮機セクション１４と、圧縮機セクション１４の下流に配置された燃焼器セクション１６内の複数の燃焼器１７（図２示す）と、燃焼器セクション１６の下流に配置されたタービンセクション１８と、タービンセクション１８の下流に配置された排気セクション２０と、を含む。加えて、ガスタービン１０は、圧縮機セクション１４とタービンセクション１８との間に結合された１つまたは複数のシャフト２２を含むことができる。

圧縮機セクション１４は、一般に、複数のロータディスク２４（そのうちの１つが示されている）と、各ロータディスク２４から半径方向外向きに延在し、各ロータディスク２４に接続されている複数のロータブレード２６とを含むことができる。次に、各ロータディスク２４は、圧縮機セクション１４を通って延在するシャフト２２の一部に結合されるか、またはその一部を形成してもよい。

タービンセクション１８は、一般に、複数のロータディスク２８（そのうちの１つが示されている）と、各ロータディスク２８から半径方向外向きに延在し、各ロータディスク２８に接続されている複数のロータブレード３０とを含むことができる。次に、各ロータディスク２８は、タービンセクション１８を通って延在するシャフト２２の一部に結合されるか、またはその一部を形成してもよい。タービンセクション１８は、シャフト２２の一部およびロータブレード３０を円周方向に囲む外側ケーシング３１をさらに含み、それによってタービンセクション１８を通る高温ガス経路３２を少なくとも部分的に画定する。

動作中、空気などの作動流体が入口セクション１２を通って圧縮機セクション１４に流入し、ここで空気が徐々に圧縮され、それにより加圧空気２７を燃焼器セクション１６の燃焼器に提供する。加圧空気２７は燃料と混合され、各燃焼器内で燃焼されて燃焼ガス３４を発生する。燃焼ガス３４は、高温ガス経路３２を通って燃焼器セクション１６からタービンセクション１８に流入し、ここでエネルギー（運動エネルギーおよび／または熱エネルギー）が燃焼ガス３４からロータブレード３０に伝達されることにより、シャフト２２が回転する。次いで、機械的回転エネルギーを圧縮機セクション１４への動力供給および／または発電に使用することができる。タービンセクション１８から排出された燃焼ガス３４は次に、排気セクション２０を介してガスタービン１０から排気され得る。

図２に示すように、燃焼器１７は、圧縮機吐出ケーシングと呼ぶことができる外側ケーシング３１によって少なくとも部分的に囲まれてもよい。外側ケーシング３１は、燃焼器１７の様々な構成要素を少なくとも部分的に囲む高圧プレナム３５を少なくとも部分的に画定することができる。高圧プレナム３５は、圧縮機１４（図１）と流体連通し、圧縮空気２７をそこから受け取ることができる。エンドカバー３６は、外側ケーシング３１に結合されてもよい。特定の実施形態では、外側ケーシング３１およびエンドカバー３６は、燃焼器１７のヘッドエンド容積部またはヘッドエンド部分３８を少なくとも部分的に画定することができる。

特定の実施形態では、ヘッドエンド部分３８は、高圧プレナム３５および／または圧縮機１４と流体連通する。１つまたは複数のライナまたはダクト４０は、燃料空気混合物を燃焼させるための燃焼チャンバまたはゾーン４２を少なくとも部分的に画定することができ、かつ／または燃焼ガス３４をタービン１８の入口に向けて導くための、矢印４３で示すように燃焼器を通る高温ガス経路を少なくとも部分的に画定することができる。

様々な実施形態において、燃焼器１７は、ヘッドエンド部分３８に少なくとも１つの燃料ノズル６０を含む。図２に示すように、燃料ノズル６０は、燃焼器１７のエンドカバー３６の下流および／またはそこから離間し、燃焼チャンバ４２の上流で外側ケーシング３１内に配置することができる。特定の実施形態では、燃料ノズルアセンブリ６０は、１つまたは複数の流体導管５０を介して燃料供給源４８と流体連通してもよい。多くの実施形態では、流体導管５０は、エンドカバー３６に流体結合され、かつ／または一端で接続されてもよい。

図３は、本明細書で説明される燃料ノズル６０の一例を示す。燃料ノズル６０は、燃焼器１７などと共に使用することができる。図示するように、燃料ノズル６０は、スワーラ部分１００を含むことができる。燃料ノズル６０は、閉じ込め管１０４から半径方向に離間したハブまたは中央本体１０２を含むことができる。図示するように、中央本体１０２は、１つまたは複数のスワーラベーン１０６によって閉じ込め管に接続することができる。スワーラベーン１０６は、ほぼ空気力学的な輪郭を有することができ、燃料ノズル６０を通過する空気に旋回を与えるように構成することができる。各スワーラベーン１０６は、それを通る１つまたは複数の燃料供給通路５８を含むことができる。これらの燃料供給通路５８は、気体燃料を気体燃料噴射孔（図示せず）に分配することができる。気体燃料は、燃料供給通路５８に供給する１つまたは複数の環状通路６１を通ってスワーラアセンブリ１００に入ることができる。気体燃料は、燃料および空気がスワーラ部分１００を通って移動するときに圧縮空気２７と混合することができ、燃料ノズル６０の閉じ込め管１０４内で混合した後に、燃料／空気混合物は、燃焼が行われる燃焼ゾーン４２（図２）に入ることができる。

図４は、本開示の実施形態による、燃料ノズル６０の閉じ込め管１０４の一部が切り取られたスワーラ部分１００を示し、スワーラベーン１０６を示している。スワーラベーン１０６は、中央本体１０２と閉じ込め管１０４との間に半径方向に配置されてもよい。図示するように、スワーラ部分１００は、燃料／空気の混合を促進し、火炎安定化を改善するように機能する複数のスワーラベーン１０６を含むことができる。図４および図５に示す実施形態では、スワーラ部分１００は、円周方向に離間した１０個のスワーラベーン１０６を含む。他の実施形態では、スワーラベーン１０６の数は変化してもよい。

圧縮機セクション１４からの圧縮空気２７は、中央本体１０２と閉じ込め管１０４との間の環状空間１０５を通って流れることができ、空気２７はスワーラベーン１０６に遭遇する。スワーラベーン１０６は、円周方向Ｃに時計回りまたは反時計回りの方向に空気中で旋回運動を誘発することができる。スワーラ部分１００はまた、スワーラベーン１０６を通して画定された複数の燃料噴射ポート（図示せず）を含むことができる。燃料噴射ポートは、燃料が空気と接触して混合するスワーラ部分１００（すなわち、隣り合うスワーラベーン１０６の間）の環状空間１０５に燃料を導くことができる。スワーラベーン１０６は、燃料／空気混合物が閉じ込め管１０４を通って燃焼ゾーン４２に移動するときに、燃料／空気混合物に旋回運動を誘発することができる。

図４に示すように、スワーラ部分１００は、軸方向Ａ、および軸方向Ａの周りに延在する円周方向Ｃを画定することができる。スワーラ部分１００はまた、軸方向Ａに垂直な半径方向Ｒを画定することができる。

図４に示すように、スワーラ部分１００は、最大半径方向距離またはＲ_ｍａｘ値をさらに含むことができる。図示するように、Ｒ_ｍａｘ値は、スワーラ部分１００の軸方向中心線２００から閉じ込め管１０４まで半径方向Ｒに測定することができる。具体的には、Ｒ_ｍａｘ値は、軸方向中心線２００から閉じ込め管１０４の内面１０７まで測定することができる。さらに、本明細書で使用される場合、Ｒ／Ｒ_ｍａｘ値は、半径方向の位置を示すために使用され得るＲ_ｍａｘ値のパーセントおよび／または部分であり得る。例えば、図４に示すように、Ｒ／Ｒ_ｍａｘが０．５（またはＲ_ｍａｘ値の５０％）に等しい場合、半径方向Ｒに沿った位置は、中央本体１０２の外面１０３および／またはスワーラベーン１０６の半径方向内側基部１１４（図６に示す）である。

図５は、本開示の実施形態による、中央本体１０２および閉じ込め管１０４から分離されたスワーラベーン１０６を示す。図４および図５に示すように、スワーラベーン１０６はそれぞれ、中央本体１０２と閉じ込め管１０４との間に延在する半径１０８を含むことができる。スワーラベーン１０６の各々は、上流端１１０に画定された前縁１２２と、下流端１１２に画定された後縁１２４と、を含む。空気および／または燃料は、一般に、上流端１１０から下流端１１２に流れる。

多くの実施形態では、スワーラベーン１０６は、中央本体１０２に結合された半径方向内側基部１１４を含む。スワーラベーン１０６は、半径方向内側基部１１４と半径方向外側先端部１１６との間に半径方向に延在することができる。スワーラベーン１０６はそれぞれ、正圧側１１８および負圧側１２０を含むことができる。正圧側１１８は、前縁１２２から後縁１２４まで延在し、正圧側表面１２６を形成することができる。正圧側表面１２６は、ほぼ空気力学的な輪郭を有してもよく、多くの実施形態では、実質的に弓形であってもよい。空気および／または燃料は、一般に、正圧側１１８に対して流れることができ、正圧側表面１２６に対応する経路をとることができる。同様に、負圧側１２０もまた、前縁１２２から後縁１２４まで延在し、負圧側表面１２８を形成する。正圧側表面１２６は、負圧側表面１２８とは異なっていてもよく、すなわち、異なる空気力学的輪郭を有してもよい。したがって、表面１２６、１２８は、スワーラベーン１０６の半径１０８に沿って変化して、スワーラベーン１０６の下流および／またはスワーラ部分１００の下流に変化した空気旋回角度を形成することができる。

図４および図５に示すように、正圧側１１８および負圧側１２０は、上流端１１０で互いに向かって収束して、前縁１２２を少なくとも部分的に形成することができる。同様に、正圧側１１８および負圧側１２０も下流端１１２で互いに向かって収束し、後縁１２４を少なくとも部分的に形成する。正圧側１１８および負圧側１２０の表面形状は、スワーラベーン１０６に沿って変化して、任意の半径方向位置で前縁１２２から後縁１２４への滑らかな移行を確実にすることができる。

本開示の実施形態により、図６は、単一のスワーラベーン１０６の側面図を示し、図７は、スワーラベーン１０６の半径方向内側基部１１４の側面輪郭図を示し、図８は、スワーラベーン１０６の半径方向外側先端部１１６の側面輪郭図を示す。図６〜図８に示すように、スワーラベーン１０６は、キャンバライン１３１を含むことができる。キャンバライン１３１は、正圧側表面１２６と負圧側表面１２８との間の中間に画定されてもよい。

図示するように、正圧側表面１２６、負圧側表面１２８、およびキャンバライン１３１はそれぞれ、上流部分１３０および下流部分１３２をさらに含むことができる。多くの実施形態では、表面１２６、１２８の上流部分１３０は、前縁１２２から下流部分１３２まで延在してもよい。同様に、下流部分１３２は、上流部分１３０から後縁１２４まで延在してもよい。図示するように、表面１２６、１２８の上流部分１３０およびキャンバライン１３１は、実質的に平坦であり、ほぼ軸方向に整列していてもよい。下流部分１３２は、スワーラ部分１００内を移動する空気および／または燃料に旋回を誘発するように機能する、円周方向Ｃの空気力学的輪郭および／または曲率を含むことができる。

図示するように、上流部分１３０は、前縁１２２から軸方向に延在し、表面１２６、１２８が曲率および／または輪郭を有し始めると、すなわち下流部分１３２が始まるところで終端することができる。表面１２６、１２８の曲率は、半径方向の位置に応じて、スワーラベーン１０６に沿った異なる位置で始まることができる。したがって、正圧側表面１２６、負圧側表面１２８、およびキャンバライン１３１の上流部分１３０および下流部分１３２の長さは、スワーラベーン１０６の半径１０８に沿って変化してもよい。

図５に最もよく示されているように、いくつかの実施形態では、複数のスワーラベーン１０６におけるスワーラベーン１０６’の下流部分１３２は、複数のスワーラベーン１０６における隣接するスワーラベーン１０６’’の前縁１２２を超えて円周方向に延在することができる。例えば、スワーラベーン１０６’の後縁１２４および下流部分１３２の少なくとも一部分は、複数のスワーラベーン１０６の隣接するスワーラベーン１０６’’の前縁１２２および上流部分１３０と軸方向に重なっていてもよい。さらに、多くの実施形態では、後縁１２４は、前縁１２２から円周方向にオフセットされてもよい。

図６〜図８にまとめて示すように、スワーラベーン１０６は、屈曲長さ１３４またはＬ（図９および図１０）をさらに含むことができる。屈曲長さ１３４は、下流部分１３２の長さ、すなわち、実質的に弓形で、湾曲した、および／または空気力学的に輪郭付けられたスワーラベーン１０６の長さであってもよい。具体的には、屈曲長さ１３４は、正圧側表面１２６の下流部分１３２の長さ、負圧側表面１２８の下流部分１３２の長さ、またはキャンバライン１３１の下流部分１３２の長さであってもよい。本明細書で使用する場合、「屈曲長さ１３４」は、特に明記しない限り、一般にキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４を指す。様々な実施形態では、正圧側表面１２６の屈曲長さ１３４、負圧側表面１２８の屈曲長さ１３４、およびキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４は、同じであっても異なっていてもよい。

図６に示され、上述されたように、正圧側表面１２６、負圧側表面１２８、およびキャンバライン１３１の各々の屈曲長さ１３４は、スワーラベーン１０６の半径１０８に沿って変化してもよい。例えば、多くの実施形態では、正圧側表面１２６、負圧側表面１２８、およびキャンバライン１３１のそれぞれの屈曲長さ１３４は、半径方向内側基部１１４（図７）の屈曲長さ１３４と比較して、半径方向外側先端部１１６（図８）で実質的に長くてもよい。しかしながら、他の実施形態では、正圧側表面１２６、負圧側表面１２８、およびキャンバライン１３１のそれぞれの屈曲長さ１３４は、半径方向外側先端部１１６および半径方向内側基部１１４で同じであってもよい。

多くの実施形態では、半径方向内側基部１１４におけるキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４は、半径方向外側先端部１１６におけるキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４の約４０％〜約９０％であってもよい。他の実施形態では、半径方向内側基部１１４におけるキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４は、半径方向外側先端部１１６におけるキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４の約４５％〜約８５％であってもよい。いくつかの実施形態では、半径方向内側基部１１４におけるキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４は、半径方向外側先端部１１６におけるキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４の約５０％〜約８０％であってもよい。様々な実施形態では、半径方向内側基部１１４におけるキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４は、半径方向外側先端部１１６におけるキャンバライン１３１の屈曲長さ１３４の約５５％〜約７５％であってもよい。

多くの実施形態では、屈曲長さ１３４は、半径方向内側基部１１４から半径方向外側先端部１１６までほぼ直線的に増加してもよい。したがって、屈曲長さ１３４は、半径方向内側基部１１４から半径方向外側先端部１１６まで一定の変化率で増加してもよい。

図７および図８に示すように、スワーラベーン１０６は、出口流れ角１３６をさらに含むことができる。出口流れ角１３６は、燃料ノズル６０の軸方向中心線２００と、後縁１２４でキャンバライン１３１に接する線２０２と、の間で画定され得る。空気および／または燃料は、表面１２６、１２８の上流部分１３０によって画定されたほぼ軸方向の流路から、表面１２６、１２８の下流部分１３２によって出口流れ角１３６に向かって偏向されてもよい。さらに、出口流れ角１３６は半径１０８に沿って一定であってもよい、すなわち、出口流れ角１３６は半径方向Ｒに変化しない。したがって、空気および／または燃料をほぼ軸方向の流路から線２０２に沿った流れ方向にずらす、すなわち、出口流れ角１３６の量だけ軸方向をオフセットするのに必要な距離は、スワーラベーン１０６上の空気／燃料の半径方向位置に応じて変化し得る。例えば、燃料および／または空気が中央本体１０２に近いほど、すなわち半径方向内側にあるほど、空気／燃料を出口流れ角１３６に向かってずらすために利用される屈曲長さ１３４が短くなる。

多くの実施形態では、出口流れ角は、約３０°〜約６０°であってもよい。他の実施形態では、出口流れ角は、約３５°〜約５５°であってもよい。いくつかの実施形態では、出口流れ角１３６は、約４０°〜約５０°であってもよい。特定の実施形態では、出口流れ角１３６は約４５°であってもよい。

図９は、本開示の実施形態によるスワーラベーン１０６の斜視図である。図９では、Ｒ／Ｒ_ｍａｘ値、すなわち、スワーラベーン１０６に沿った半径方向位置は、０．１の増分で示されており、半径方向外側先端部１１６は、斜視図を示すために図９では透明である。図示するように、屈曲長さＬ（図６〜図８の１３４）は、半径方向Ｒに沿ってほぼ直線的に増加する。

図１０は、スワーラベーン１０６の半径方向位置と屈曲長さＬとの間の関係をプロットしたグラフ３００である。図１０に示すように、屈曲長さＬは、キャンバライン１３１の下流部分１３２の長さを指す。具体的には、図１０は、Ｌ／Ｒ_ｍａｘ値、すなわち最大半径方向距離Ｒ_ｍａｘに関して正規化された屈曲長さＬとＲ／Ｒ_ｍａｘ値との間の関係を示す線３０２のグラフを示す。プロットによって示されるように、屈曲長さＬは、半径Ｒが増加するにつれて直線的に増加する。同様に、プロットによって示されるように、屈曲長さＬは、線３０２のほぼ均一な勾配に起因して一定の（正の）変化率で増加することができる。

図９および図１０にまとめて示すように、屈曲長さＬと最大半径方向距離Ｒ_ｍａｘとの間の比は、図１０の点３０４によって表される半径方向内側基部１１４ではほぼ０．６５に等しい。同様に、屈曲長さＬと最大半径方向距離Ｒ_ｍａｘとの間の比は、図１０の点３０６によって表される半径方向外側先端部１１６ではほぼ１．４５に等しい。他の実施形態では、Ｌ／Ｒ_ｍａｘ値は、半径方向内側基部１１４で０．４程度に低くなり得る。半径方向内側基部１１４におけるＬ／Ｒ_ｍａｘ値は、０．４未満であるべきではない。そうでなければ、スワーラベーン１０６上の流れ剥離が発生する可能性がある。

動作中、スワーラベーン１０６の屈曲長さＬを直線的に増加させることは、全体的な保炎マージンを増加させるように機能し、それによってより大量のより反応性の燃料（水素およびダイカーボンが豊富な燃料）を利用することを可能にする。本明細書に記載のスワーラベーン１０６の改善された構造は、有利には、燃料ノズル（または一次燃焼システム）の保炎マージンに悪影響を与えることなく、軸方向燃料ステージングシステム（または二次燃焼システム）の使用を可能にすることができる。具体的には、スワーラベーン１０６の構造は、そうでなければ燃焼器１７のヘッドエンド部分３８への総空気流容積の大部分が二次燃焼のために下流の軸方向燃料ステージング噴射器（図示せず）に迂回される場合に発生する可能性がある一次燃料ノズル６０における流れの剥離を防止する。

本明細書は、最良の態様を含む本発明を開示するため、およびどのような当業者も、任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実施を含む本発明の実践を可能にするために、実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、あるいは特許請求の範囲の文言との実質的な相違がない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。

１０ガスタービン
１２入口セクション
１４圧縮機セクション
１６燃焼器セクション
１７燃焼器
１８タービンセクション
２０排気セクション
２２シャフト
２４ロータディスク
２６ロータブレード
２７圧縮空気、加圧空気
２８ロータディスク
３０ロータブレード
３１外側ケーシング
３２高温ガス経路
３４燃焼ガス
３５高圧プレナム
３６エンドカバー
３８ヘッドエンド部分
４０ライナ、ダクト
４２燃焼ゾーン、燃焼チャンバ
４３矢印
４８燃料供給源
５０流体導管
５８燃料供給通路
６０燃料ノズル、燃料ノズルアセンブリ
６１環状通路
１００スワーラ部分、スワーラアセンブリ
１０２中央本体
１０３外面
１０４閉じ込め管
１０５環状空間
１０６スワーラベーン
１０６’ スワーラベーン
１０６’’ スワーラベーン
１０７内面
１０８半径
１１０上流端
１１２下流端
１１４半径方向内側基部
１１６半径方向外側先端部
１１８正圧側
１２０負圧側
１２２前縁
１２４後縁
１２６正圧側表面
１２８負圧側表面
１３０上流部分
１３１キャンバライン
１３２下流部分
１３４屈曲長さ
１３６出口流れ角
２００軸方向中心線
２０２線
３００グラフ
３０２線
３０４点
３０６点

Claims

燃料ノズル（６０）であって、
前記燃料ノズル（６０）のスワーラ部分（１００）の中心線（２００）に対して軸方向に延在する中央本体（１０２）と、
前記中央本体（１０２）の半径方向外側の閉じ込め管（１０４）と、
前記中央本体（１０２）と前記閉じ込め管（１０４）との間に配置された複数のスワーラベーン（１０６）と、
を含み、前記複数のスワーラベーン（１０６）の各々は、
半径方向内側基部（１１４）および半径方向外側先端部（１１６）と、
前縁（１２２）から延在する上流部分（１３０）と、
前記上流部分（１３０）から後縁（１２４）まで延在する下流部分（１３２）であって、前記下流部分（１３２）は、前記上流部分（１３０）と前記後縁（１２４）との間の屈曲長さ（１３４）を画定し、前記半径方向外側先端部（１１６）での前記屈曲長さ（１３４）は、前記半径方向内側基部（１１４）での前記屈曲長さ（１３４）よりも大きい、下流部分（１３２）と、
を含む、燃料ノズル（６０）。
各スワーラベーン（１０６）の前記上流部分（１３０）は、ほぼ平坦であり、前記スワーラ部分（１００）の前記中心線（２００）に対して軸方向に配向されている、請求項１に記載の燃料ノズル（６０）。
前記スワーラ部分（１００）の前記中心線（２００）と前記閉じ込め管（１０４）との間に最大半径方向距離が画定され、前記半径方向内側基部（１１４）での前記屈曲長さ（１３４）と前記最大半径方向距離との間の比は０．４より大きい、請求項１に記載の燃料ノズル（６０）。
前記半径方向内側基部（１１４）における前記屈曲長さ（１３４）は、前記半径方向外側先端部（１１６）における前記屈曲長さ（１３４）の約４０％〜約９０％である、請求項１に記載の燃料ノズル（６０）。
前記複数のスワーラベーン（１０６）の各スワーラベーン（１０６）の前記屈曲長さ（１３４）は、前記半径方向内側基部（１１４）から前記半径方向外側先端部（１１６）までほぼ直線的に増加する、請求項１に記載の燃料ノズル（６０）。
前記複数のスワーラベーン（１０６）におけるスワーラベーン（１０６）の前記下流部分（１３２）は、前記複数のスワーラベーン（１０６）における隣接するスワーラベーン（１０６）の前記前縁（１２２）を越えて円周方向に延在する、請求項１に記載の燃料ノズル（６０）。
前記複数のスワーラベーン（１０６）の各スワーラベーン（１０６）は、正圧側（１１８）および負圧側（１２０）を含む、請求項１に記載の燃料ノズル（６０）。
前記複数のスワーラベーン（１０６）の各スワーラベーン（１０６）の前記後縁（１２４）は、前記燃料ノズル（６０）の前記中心線（２００）と前記後縁（１２４）の前記正圧側に接する線との間に画定された出口流れ角（１３６）をさらに含む、請求項７に記載の燃料ノズル（６０）。
前記出口流れ角（１３６）は、約３０°〜約６０°である、請求項８に記載の燃料ノズル（６０）。
前記出口流れ角（１３６）は、前記複数のスワーラベーン（１０６）の各スワーラベーン（１０６）の前記後縁（１２４）に沿って一定である、請求項９に記載の燃料ノズル（６０）。
ターボ機械（１０）であって、
圧縮機セクション（１４）と、
タービンセクション（１８）と、
複数の燃料ノズル（６０）を含む燃焼セクションと、
を含み、前記複数の燃料ノズル（６０）の各燃料ノズル（６０）は、
スワーラ部分（１００）の中心線（２００）に対して軸方向に延在する中央本体（１０２）と、
前記中央本体（１０２）の半径方向外側の閉じ込め管（１０４）と、
前記中央本体（１０２）と前記閉じ込め管（１０４）との間に配置された複数のスワーラベーン（１０６）と、
を含み、前記複数のスワーラベーン（１０６）の各々は、
半径方向内側基部（１１４）および半径方向外側先端部（１１６）と、
前縁（１２２）から延在する上流部分（１３０）と、
前記上流部分（１３０）から後縁（１２４）まで延在する下流部分（１３２）であって、前記下流部分（１３２）は、前記上流部分（１３０）と前記後縁（１２４）との間の屈曲長さ（１３４）を画定し、前記半径方向外側先端部（１１６）での前記屈曲長さ（１３４）は、前記半径方向内側基部（１１４）での前記屈曲長さ（１３４）よりも大きい、下流部分（１３２）と、
を含む、ターボ機械（１０）。
各スワーラベーン（１０６）の前記上流部分（１３０）は、ほぼ平坦であり、前記スワーラ部分（１００）の前記中心線（２００）に対して軸方向に配向されている、請求項１１に記載のターボ機械（１０）。
各スワーラベーン（１０６）の前記下流部分（１３２）は、ほぼ円弧状である、請求項１１に記載のターボ機械（１０）。
前記半径方向内側基部（１１４）における前記屈曲長さ（１３４）は、前記半径方向外側先端部（１１６）における前記屈曲長さ（１３４）の約４０％〜約９０％である、請求項１１に記載のターボ機械（１０）。
前記複数のスワーラベーン（１０６）の各スワーラベーン（１０６）の前記屈曲長さ（１３４）は、前記半径方向内側基部（１１４）から前記半径方向外側先端部（１１６）までほぼ直線的に増加する、請求項１１に記載のターボ機械（１０）。