JP6030919B2 - タービンエンジンで使用する燃焼器アセンブリ及びその組立方法 - Google Patents

Description

本明細書に記載した主題は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンで使用する燃焼器アセンブリに関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、燃焼器アセンブリ内で燃料−空気混合気を燃焼させて、高温ガス通路を介してタービンに送られる燃焼ガスストリームを発生させる。加圧空気は、圧縮機から燃焼器アセンブリに送給される。公知の燃焼器アセンブリは、燃焼領域を形成する燃焼器ライナと、燃焼領域に燃料並びに空気を送給可能にする複数の燃料ノズルアセンブリとを含む。タービンは、燃焼ガスストリームの熱エネルギーを機械エネルギーに転換し、これをタービンシャフトを回転させるのに使用する。タービンの出力を使用して、機械、例えば発電機又はポンプを駆動することができる。

少なくとも幾つかの公知の燃料ノズルアセンブリは、燃焼用の燃料混合気を発生させるために、希釈剤、ガス、及び／又は空気のような物質と燃料との間の混合を可能にする管アセンブリ又はマイクロミキサを含む。このような燃料混合気は、燃料と混合されて燃焼領域に送られる高水素燃料混合気を生成する水素ガス（Ｈ２）を含む場合がある。燃料混合気の燃焼時には、少なくとも幾つかの公知の燃焼器は、燃焼火焔が燃料ノズルアセンブリに向かって上流方向に移動する保炎又は逆火を生じる可能性がある。このような保炎／逆火事象は、エミッション性能の低下、過熱、及び／又は燃料ノズルアセンブリへの損傷を引き起こす可能性がある。

加えて、少なくとも幾つかの公知の燃焼器アセンブリの運転時には、高水素燃料混合気の燃焼は、燃料ノズルアセンブリの外側表面に隣接して複数の渦を発生させる可能性がある。このような渦は、燃焼アセンブリ内の温度を上昇させ、及び／又は燃焼器アセンブリ及び燃料ノズルアセンブリ全体にわたって振動を誘起するスクリーチトーン周波数数を誘起する可能性がある。長時間にわたって、内部温度が高い状態での連続運転及び／又はこのような振動は、燃焼器アセンブリの摩耗を生じ、及び／又は燃焼器アセンブリの有効寿命を短くする可能性がある。

米国特許第７９５９８８０号明細書

１つの態様では、タービンエンジンで使用する燃料ノズルアセンブリが提供される。本燃料ノズルアセンブリは、ケーシングによって形成された空気プレナム内に位置付けられる複数の燃料ノズルを含む。複数の燃料ノズルの各々は、燃焼室を形成する燃焼ライナに結合される。複数の燃料ノズルの各々は、その内部に冷却流体プレナム及び燃料プレナムを形成した内側表面を含むハウジングと、該ハウジングを貫通して延びる複数の混合管とを含む。該混合管の各々は、空気プレナムと燃焼室との間に延びる流れチャンネルを形成した内側表面を含む。複数の混合管の少なくとも１つの混合管は、冷却流体プレナムから流れチャンネルに冷却流体の流れを送るための少なくとも１つの冷却流体アパーチャを含む。少なくとも１つの冷却導管は、冷却流体プレナムと流れ連通状態で結合されて冷却流体プレナムに冷却流体の流れを送る。

別の態様では、タービンエンジンで使用する燃焼器アセンブリが提供される。燃焼器アセンブリは、空気プレナムを備えたケーシングと、該ケーシング内に位置付けられ且つその内部に燃焼室を形成する燃焼器ライナと、複数の燃料ノズルを備えた燃料ノズルアセンブリとを含む。複数の燃料ノズルの各々は、燃焼ライナに結合される。複数の燃料ノズルの各々は、その内部に冷却流体プレナム及び燃料プレナムを形成する内側表面を備えたハウジングを含む。複数の混合管は、空気プレナムと流れ連通状態で結合され且つハウジングを貫通して延びる。混合管の各々は、空気プレナム及び燃焼室間に延びる流れチャンネルを形成した内側表面を含む。複数の混合管の少なくとも１つの混合管は、冷却流体プレナムから流れチャンネルに冷却流体の流れを送るための少なくとも１つの冷却流体アパーチャを含む。冷却導管は、冷却流体プレナムと流れ連通状態で結合されて、冷却流体プレナムに冷却流体の流れを送る。

更に別の態様では、タービンエンジンで使用する燃料ノズルアセンブリの組立方法が提供される。本方法は、前方端壁と対向する後方端壁との間に側壁を結合して、その内部にキャビティを形成した内側表面を有するハウジングを形成するステップを含む。内壁は、燃料プレナムが内壁と前方端壁との間に形成され且つ冷却流体プレナムが内壁と後方端壁との間に形成されるように、ハウジング内側表面に結合される。複数の混合管は、該複数の混合管の各混合管がハウジングを貫通して延び且つ該複数の混合管の各々が流れチャンネルを形成した内側表面を含む。少なくとも１つの冷却流体アパーチャは、少なくとも１つの混合管を貫通して形成されて、混合管流れチャンネルと流れ連通状態で冷却流体プレナムに結合する。冷却導管は、該冷却導管が冷却流体プレナムと流れ連通状態で結合されるように、ハウジングに結合される。

例示的なタービンエンジンの概略図。 図１に示すタービンエンジンで使用することができる例示的な燃料ノズルアセンブリの断面図。 線３−３に沿った図２に示す簡略化した管構成を有する燃料ノズルアセンブリの一部分の断面図。 区域４に沿った図２に示す燃料ノズルアセンブリで使用することができる例示的な燃料ノズルの一部分の拡大断面図。 図２に示す燃料ノズルアセンブリの別の実施形態の断面図。 線６−６に沿った図５に示す燃料ノズルアセンブリの一部分の断面図。 区域７に沿った図５に示す燃料ノズルの代替の実施形態の一部分の拡大断面図。 図５に示す燃料ノズルアセンブリで使用することができる燃料ノズルの別の実施形態の拡大断面図。 図５に示す燃料ノズルアセンブリで使用することができる燃料ノズルの別の実施形態の拡大断面図。 図５に示す燃料ノズルアセンブリで使用することができる燃料ノズルの別の実施形態の拡大断面図。 区域１１に沿った図４に示す燃料ノズルの一部分の拡大断面図。 線１２−１２に沿った図１１に示す燃料ノズルの一部分の断面図。 図１１に示す燃料ノズルの代わりの実施形態の拡大断面図。 図１１に示す燃料ノズルの代わりの実施形態の拡大断面図。 図１１に示す燃料ノズルの代わりの実施形態の拡大断面図。

本明細書に記載した例示的な方法及びシステムは、冷却流体プレナムに結合された混合管を含み、該混合管に通して及び／又は該混合管の周りに冷却流体を送り、燃焼室に流入させて保炎／逆火事象を低減し且つＮＯｘエミッションを低減させることを可能にする燃料ノズルアセンブリを提供することにより、少なくとも幾つかの公知の燃焼器アセンブリの少なくとも一部の欠点を克服する。更に、混合管は、燃料を混合管内に送ることを可能にする燃料アパーチャと、該燃料アパーチャの下流側にあり、冷却流体を混合管内に送ることを可能にする冷却アパーチャとを含み、燃料混合気及び混合管間に境界層が形成されるようにする。燃料混合気の下流で混合管内に冷却流体を送ることによって、混合管は、燃料ノズルの保炎／逆火の可能性を低減することができる。加えて、燃料ノズルアセンブリは、混合管の周りに配向されて冷却流体を燃焼室内に送ることを可能にする複数の開口を含み、燃料ノズルアセンブリ内にスクリーチトーン周波数を誘起する可能性がある渦の形成を低減できるようにする。このような渦の形成を低減することによって、燃料ノズルアセンブリに損傷を生じさせる可能性がある望ましくない振動を低減することができ、タービンエンジンの運転効率及び有効寿命が向上するようになる。

本明細書で使用する用語「冷却流体」とは、本明細書に記載したように燃料ノズルが機能できるようにする窒素、空気、燃料、不活性ガス、又はそれらの幾つかの組み合わせ、及び／又は何らかの他の流体を表している。本明細書で使用する用語「上流側」とは、タービンエンジンの前方端部を表しており、また用語「下流側」とは、タービンエンジンの後方端部を表している。

図１は、例示的なタービンエンジン１０の概略図である。タービンエンジン１０は、吸気セクション１２、吸気セクション１２の下流側にある圧縮機セクション１４、圧縮機セクション１４の下流側にある燃焼器セクション１６、燃焼器セクション１６の下流側にあるタービンセクション１８、及びタービンセクション１８の下流側にある排気セクション２０を含む。タービンセクション１８は、中心軸線２６に沿って延びるシャフト２４を含むロータアセンブリ２２を介して圧縮機セクション１４に結合される。更に、タービンセクション１８は、圧縮機セクション１４に、及び限定ではないが、発電機及び／又は機械駆動用途のような負荷２８に回転可能に結合される。例示的な実施形態において、燃焼器セクション１６は、その各々が圧縮機セクション１４と流れ連通状態で結合された複数の燃焼器アセンブリ３０を含む。各燃焼器アセンブリ３０は、燃焼室３６に結合された燃料ノズルアセンブリ３４を含む。例示的な実施形態において、各燃料ノズルアセンブリ３４は、燃焼室３６に結合されて、該燃焼室３６に燃料−空気混合気を送給するための複数の燃料ノズル３８を含む。燃料供給システム４０は、各燃料ノズルアセンブリ３４に結合されて、燃料ノズルアセンブリ３４に燃料の流れを送る。加えて、冷却流体システム４２は、各燃料ノズルアセンブリ３４に結合されて、各燃料ノズルアセンブリ３４に冷却流体の流れを送るようにする。

運転時には、空気は、圧縮機セクション１４を通って流れ、加圧空気は燃焼器セクション１６内に吐出される。燃焼器アセンブリ３０は、例えば、天然ガス及び／又は燃料オイルのような燃料を空気流内に噴射し、燃料−空気混合気を燃焼させて燃焼によって燃料−空気混合気を膨張させ、高温燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、燃焼器アセンブリ３０からタービンセクション１８に向かって吐出され、ここで燃焼ガス内の熱エネルギーが機械回転エネルギーに転換される。燃焼ガスは、回転エネルギーをタービンセクション１８及びロータアセンブリ２２に与え、その結果、回転出力を圧縮機セクション１４に提供する。

図２は、例示的な燃料ノズルアセンブリ３４の断面図である。図３は、図２の線３−３に沿った簡略化した管構成を有する燃料ノズルアセンブリ３４の一部分の断面図である。図４は、図２の区域４に沿った燃料ノズル３８の一部分の拡大断面図である。例示的な実施形態において、燃焼器アセンブリ３０は、内部にチャンバ４６を形成したケーシング４４を含む。端部カバー４８は、空気プレナム５２がチャンバ４６内に形成されるように、ケーシング４４の外側部分５０に結合される。圧縮機セクション１４（図１に示す）は、チャンバ４６と流れ連通状態で結合され、圧縮機セクション１４から空気プレナム５２に下流方向に加圧空気を送る。

例示的な実施形態において、各燃焼器アセンブリ３０は、チャンバ４６内に位置付けられ且つ移行部品（図示せず）を介してタービンセクション１８（図１に示す）及び圧縮機セクション１４と流れ連通状態で結合された燃焼器ライナ５４を含む。燃焼器ライナ５４は、中心軸線５８に沿って軸方向に延びる燃焼室３６を形成した実質的に円筒形状の内側表面５６を含む。燃焼器ライナ５４は、燃料ノズルアセンブリ３４に結合されて、燃料を燃焼室３６内に送るのを可能にする。燃焼室３６は、燃料ノズルアセンブリ３４からタービンセクション１８まで延びる燃焼流路６０を形成する。例示的な実施形態において、燃料ノズルアセンブリ３４は、空気プレナム５２から空気の流れを受け、燃料供給システム４０から燃料の流れを受け、燃料／空気の混合気を燃焼室３６内に送り、燃焼ガスを発生させる。

燃料ノズルアセンブリ３４は、空気プレナム５２内に少なくとも部分的に位置付けられ且つ燃焼器ライナ５４に結合された複数の燃料ノズル３８を含む。例示的な実施形態において、燃料ノズルアセンブリ３４は、中心ノズル６４の周りで円周方向に間隔を置いて配置された複数の外側ノズル６２を含む。中心ノズル６４は、中心軸線５８に沿って配向される。

例示的な実施形態において、エンドプレート７０は、燃焼室３６がエンドプレート７０及び燃焼器ライナ５４間に形成されるように、燃焼器ライナ５４の外側部分７２に結合される。エンドプレート７０は、該エンドプレート７０を貫通して延びる複数の開口７４を含み、該開口は各々、燃料ノズル３８を貫通して受けるようなサイズ及び形状にされる。各燃料ノズル３８は、該燃料ノズル３８が燃焼室３６と流れ連通状態で結合されるように、対応する開口７４内に位置付けられる。代替の実施形態において、燃料ノズルアセンブリ３４は、エンドプレート７０を含まず、燃料ノズル３４は、隣接する燃料ノズル３４に結合される。

例示的な実施形態において、各燃料ノズル３８は、前方端壁８８と対向する後方端壁９０との間に延びる側壁８６を備えたハウジング８４を含む。後方端壁９０は、前方端壁８８と燃焼室３６との間にあり、燃焼室３６を少なくとも部分的に形成する外側表面９２を含む。側壁８６は、半径方向外側表面９４及び半径方向内側表面９６を含む。半径方向内側表面９６は、長手方向軸線１００に沿って前方端壁８８及び後方端壁９０間に延びる実質的に円筒形のキャビティ９８を形成する。

内壁１０２は、燃料プレナム１０４が内壁１０２及び前方端壁８８間に形成され、且つ冷却流体プレナム１０６が内壁１０２及び後方端壁９０間に形成されるように、キャビティ９８内に位置付けられて内側表面９６から内向きに延びる。例示的な実施形態において、内壁１０２は、冷却流体プレナム１０６が長手方向軸線１００に沿って燃料プレナム１０４の下流側にあるように配向される。或いは、内壁１０２は、冷却流体プレナム１０６が燃料プレナム１０４の上流側にあるように配向することができる。

例示的な実施形態において、燃料導管１０８は、燃料プレナム１０４と流れ連通状態で結合されて、燃料を燃料供給システム４０から燃料プレナム１０４に流すようにする。燃料導管１０８は、端部カバー４８とハウジング８４との間に延び、燃料プレナム１０４に結合された燃料チャンネル１１２を形成する内側表面１１０を含む。更に、燃料導管１０８は、前方端壁８８に結合され、前方端壁８８を貫通して延びる開口１１４に対して配向されて、燃料チャンネル１１２を燃料プレナム１０４に結合する。

複数の冷却導管１１６は、冷却流体システム４２（図１に示す）と燃料ノズルアセンブリ３４との間に延びて、冷却流体を燃料ノズルアセンブリ３４に送るようにする。例示的な実施形態において、各冷却導管１１６は、対応する燃料ノズル３８に結合されて、冷却流体１１８の流れを冷却流体プレナム１０６に送るようにする。更に、各冷却導管１１６は、冷却チャンネル１２４を形成する内側表面１２２を含み且つ内壁１０２に結合されて、冷却チャンネル１２４が冷却流体プレナム１０６と流れ連通状態になるようにする。例示的な実施形態において、冷却導管１１６は、燃料導管１０８内にあり、燃料プレナム１０４を通って内壁１０２に延びる。冷却導管１１６は、冷却導管１２４が冷却流体プレナム１０６と流れ連通状態で結合されるように、内壁１０２を貫通して延びる開口１２６に対して配向される。更に、冷却導管１１６は、冷却流体１１８を混合管１２８内に噴射し、保炎／逆火マージン及びＮＯｘ性能を向上させることができるように構成される。加えて、冷却導管１１６は、冷却流体１１８の少なくとも一部分を後方端壁９０に向けて送り、冷却流体１１８を混合管１２８の出口の周りに吐出して後方端壁９０の対流冷却を可能にする。

例示的な実施形態において、燃料ノズル３８は、各々がハウジング８４を貫通して延びる複数の混合管１２８を含む。混合管１２８は、燃料ノズルアセンブリ３４の中央部分１３０からハウジング８４の外側表面１３２に向けて外向きに延びる複数の列の形態で配向され、ノズル中央部分１３０の周りで円周方向に間隔を置いて配置される。各混合管１２８は、前方端壁８８と後方端壁９０との間で中心軸線１３８に沿って延びる流れチャンネル１３６を形成する実質的に円筒形の内側表面１３４を含む。より具体的には、内側表面１３４は、前方端壁８８を貫通して延びる入口開口１４０と後方端壁９０を貫通して延びる出口開口１４２との間に延びて、空気プレナム５２を燃焼室３６に結合する。加えて、各混合管１２８は、内壁１０２に形成された複数の開口１４４を貫通して延びる。流れチャンネル１３６は、空気を空気プレナム５２から燃焼室３６内に送ることができるようなサイズ及び形状にされる。例示的な実施形態において、各混合管１２８は、長手方向軸線１００に対して実質的に平行である。或いは、少なくとも１つの混合管１２８は、長手方向軸線１００に対して斜めに配向することができる。

例示的な実施形態において、少なくとも１つの混合管１２８は、そこに形成された少なくとも１つの燃料アパーチャ１４８及び少なくとも１つの冷却流体アパーチャ１５０を含む。燃料アパーチャ１４８は、混合管内側表面１３４を貫通して延びて、燃料プレナム１０４を流れチャンネル１３６に結合する。燃料アパーチャ１４８は、燃料１５２を燃料プレナム１０４から流れチャンネル１３６に送り、該燃料１５２を空気１４６と混合可能にして燃焼室３６に送られる燃料−空気混合気１５４を生成することができるよう構成される。例示的な実施形態において、燃料アパーチャ１４８は、流れチャンネル軸線１３８に対して実質的に垂直に配向された中心軸線１５６に沿って延びる。或いは、燃料アパーチャ１４８は、流れチャンネル軸線１３８に対して斜め方向に配向することができる。

冷却流体アパーチャ１５０は、混合管内側表面１３４を貫通して延びて、冷却流体プレナム１０６を流れチャンネル１３６に結合する。例示的な実施形態において、冷却流体アパーチャ１５０は、流れチャンネル軸線１３８に対して斜め方向に配向された中心軸線１５７に沿って延びる。冷却流体アパーチャ１５０は、冷却流体１１８を流れチャンネル１３６内に吐出して、混合管内側表面１３４と燃料−空気混合気１５４との間に境界層１５８を形成可能にすると共に、混合管１２８内の保炎／逆火事象を低減可能にするようなサイズ及び形状にされる。例示的な実施形態において、冷却流体アパーチャ１５０は、冷却流体１１８が出口開口に向けて斜め方向に吐出されるように、流れチャンネル軸線１５８に対して配向される。或いは、冷却流体アパーチャ１５０は、流れチャンネル軸線１５８に対して実質的に垂直に配向することができる。他の実施形態では、冷却流体アパーチャ１５０は、冷却流体１１８を入口開口１４０に向けて吐出するように配向することができる。

図５は、燃料ノズルアセンブリ３４の代替の実施形態の断面図である。図６は、線６−６に沿った燃料ノズルアセンブリ３４の一部分の断面図である。図７は、図５に示す区域７に沿った燃料ノズル３８の一部分の拡大断面図である。図５〜図７に示す同じ構成部品は、図２〜図４で使用した同じ参照符号で表記されている。代替の実施形態では、インピンジメントプレート１５９は、エンドプレート７０に結合され、該エンドプレート７０から外向きにある距離を置いて配置されて、チャンバ１６０がエンドプレート７０及びインピンジメントプレート間に形成されるようにする。側壁外側表面９４は、エンドプレート７０及びインピンジメントプレート１５９に結合され、チャンバ１６０が外側表面９４、インピンジメントプレート１５９、及びエンドプレート７０間に形成されるようにする。側壁８６は、側壁外側表面９４を貫通して延びて冷却流体プレナム１０６をチャンバ１６０と結合する少なくとも１つの開口１６１を含む。冷却導管１１６は、側壁外側表面９４に結合され、開口１６１に対して配向されて、冷却チャンネル１２４を冷却流体プレナム１０６と流れ連通状態で結合する。より具体的には、冷却導管１１６は、冷却チャンネル１２４がチャンバ１６０と流れ連通状態になるようにインピンジメントプレート１５９に結合される。開口１６１は、冷却流体を冷却チャンネル１２４から冷却流体プレナム１０６に送ることができるようなサイズ及び形状にされる。加えて、冷却導管１１６は、冷却流体１１８をエンドプレート７０に向けて送り、エンドプレート７０の対流冷却を可能にするように配向される。

更に、各冷却導管１１６は、該各冷却導管１１６に対応する複数の弁（図示せず）を含む冷却マニホルド１６２に結合されて、冷却流体を各冷却導管１１６に選択的に送ることを可能にする。

図８〜図１０は、燃料ノズル３８の代替の実施形態の拡大断面図である。図８〜図１０に示す同じ構成部品は、図７において使用した同じ参照符号で表記されている。別の実施形態において図８を参照すると、インピンジメントプレート１５９は、空気プレナム５２からの空気をチャンバ１６０内に送り、エンドプレート７０のインピンジメント冷却を可能にするようなサイズ及び形状に各々がされた複数のインピンジメント開口１６３を含む。加えて、エンドプレート７０は、該エンドプレート７０を貫通して延び、且つ空気をチャンバ１６０から燃焼室３６内に送り、エンドプレート７０の冷却を可能にするようなサイズ及び形状にされた複数の流出開口を含む。分離壁１６５は、冷却導管１１６とエンドプレート７０との間に延びて、冷却チャンネル１２４をチャンバ１６０から隔離する。分離壁１６５は、開口１６１を介して冷却流体１１８を冷却チャンネル１２４から冷却流体プレナム１０６に送るようなサイズ及び形状にされる。

代替の実施形態において図９及び図１０を参照すると、仕切壁１６６は、該仕切壁１６６が冷却チャンネル１２４を少なくとも部分的に形成するように、冷却導管１１６に結合される。仕切壁１６６は、チャンバ１６７が仕切壁と側壁外側表面９４との間に形成されるように、冷却導管１１６とハウジング８４との間に位置付けられる。仕切壁１６６は、仕切壁１６６を貫通して延びて冷却チャンネル１２４をチャンバ１６７と流れ連通状態で結合する少なくとも１つの開口１６８を含み、冷却流体１１８が冷却チャンネル１２４からチャンバ１６７を通って冷却流体プレナム１０６に送られるようにする。加えて、１つの実施形態では、分離壁１６５は、冷却チャンネル１２４をチャンバ１６０と流れ連通状態で結合するための少なくとも１つの開口１６９を含む。このような実施形態では、インピンジメントプレート１５９及びエンドプレート７０は、それぞれ開口１６３及び１６４を含まなくてもよい。

図１１は、図４に示す区域１１に沿った燃料ノズル３８の一部分の拡大断面図である。図１２は、図１１に示す線１２−１２に沿った燃料ノズル３８の一部分の断面図である。図１１及び図１２に示す同じ構成部品は、図２〜図４で使用した同じ参照符号で表記されている。例示的な実施形態において、後方端壁９０は、該後方端壁９０を貫通して延びて、冷却流体１１８を冷却流体プレナム１０６から燃焼室３６内に送ることを可能にする複数の冷却開口１７０を含む。冷却開口１７０は、混合管１２８の周りで円周方向に間隔を置いて配置される。より具体的には、燃料ノズルアセンブリ３４は、少なくとも１つの混合管１２８の外側表面１７４の周りで円周方向に間隔を置いて配置された冷却開口１７０の少なくとも１つのセット１７２を含む。１つの実施形態では、燃料ノズルアセンブリ３４は、対応する混合管１２８に対して各々が配向された冷却開口１７０の複数のセット１７２を含む。各冷却開口１７０は、冷却流体１１８を燃焼室３６に向けて吐出して、開口１７０及び出口開口１４２を通過する燃料及び空気の二次混合が生じて燃料及び空気混合を改善できると共に、燃焼器アセンブリ３０の運転中に発生するスクリーチトーン周波数ノイズの振幅を低減できるよう端壁外側表面９２の下流側の燃焼流ダイナミクスを調節可能にするようなサイズ及び形状にされる。

例示的な実施形態において、各冷却開口１７０は、混合管軸線１３８に対して実質的に平行に配向された中心軸線１７８に沿って延びる内側表面１７６を含む。或いは、各冷却開口１７０は、混合管軸線１３８に対して斜め方向に配向することができる。１つの実施形態では、各冷却開口１７０は、冷却流体１１８が混合管流れチャンネル１３６に向けて吐出されるように配向される。別の実施形態では、各冷却開口１７０は、冷却流体１１８が混合管１２８から離れる方向に吐出されるように配向される。

図１３〜図１５は、代替の燃料ノズル１８０の拡大断面図である。図１３〜図１５に示す同じ構成部品は、図１１において使用した同じ参照符号で表記されている。代替の実施形態において図１３を参照すると、混合管１２８は、後方端壁外側表面９２から外向きに燃焼室３６に向けて距離１８１を延びる内側表面１３４を含む。混合管１２８はまた、内側表面１３４と外側表面１７４との間に延びる先端表面１８４を備えた先端端部１８２を含む。例示的な実施形態において、先端表面１８４は、後方端壁外側表面９２に対して第１の斜角α１で配向される。各冷却開口１７０は、各冷却チャンネルが冷却流体を先端表面１８４に沿って流れチャンネル１３６に向けて吐出するように、第１の斜角α１とほぼ等しい第２の斜角α２で配向される。

別の実施形態において図１４を参照すると、混合管１２８は、混合管外側表面１７４に沿って形成されて、冷却流体プレナム１０６を燃焼室３６と流れ連通状態で結合する少なくとも１つのスロット１８６を含む。スロット１８６は、冷却流体１１８を冷却流体プレナム１０６から燃焼室３６に吐出して混合管外側表面１７４の周りに且つ後方端壁９０わたってジェット層１８８を形成して、スロット１８６及び出口開口１４２を通過する燃料及び空気の二次混合が発生して燃料及び空気の混合を改善できると共に、燃焼器アセンブリ３０の運転中に発生するスクリーチトーン周波数ノイズの振幅を低減できるよう端壁外側表面９２の下流側の燃焼流ダイナミクスを調節するようなサイズ及び形状にされる。１つの実施形態では、スロット１８６は、流れチャンネル１３６と実質的に平行に配向される。或いは、スロット１８６は、該スロット１８６が外側表面１７４から内側表面１３４に向けて延びるように、流れチャンネルに対して斜め方向に配向することができる。加えて、１つの実施形態では、混合管１２８は、外側表面１７４の周りで円周方向に配向された複数のスロット１８６を含む。別の実施形態では、混合管１２８は、図１３に示すように端壁外側表面９２から外向きに延びる。

１つの実施形態において図１５を参照すると、混合管１２８は、外側表面１７４から混合管内側表面１２２に向かって延びる少なくとも１つのチャンネル１９０を含む。チャンネル１９０は、先端表面１８４を貫通して延びて、冷却流体プレナム１０６を燃焼室３６と流れ連通状態で結合する。チャンネル１９０は、冷却流体１１８を冷却流体プレナム１０６から燃焼室３６に送ることを可能にし、チャンネル１９０及び出口開口１４２を通過する燃料及び空気の二次混合を可能にするようなサイズ及び形状にされる。

冷却流体アパーチャ１５０のサイズ、形状、及び配向は、冷却流体を混合管１２８内に送るのを可能にし、保炎／逆火事象を低減することができ、且つ燃料／空気混合気を冷却流体と混合できるように選択される。加えて、冷却開口１７０、スロット１８６、及びチャンネル１９０のサイズ、形状、及び配向は、後方端壁９０にわたって及び燃焼室３６内でジェット層を形成可能にして、燃焼流れダイナミクスを調節すると共に、燃料ノズルアセンブリ３４内に望ましくない振動を発生させるスクリーチトーン周波数の振幅を低減させることができるように選択される。

上述の装置及び方法は、冷却流体プレナムに結合された混合管を含む燃料ノズルアセンブリを設け、該冷却流体が混合管内に送られ、燃料／空気混合気と混合管との間に境界層を形成して、望ましくない保炎／逆火事象を低減できるようにすることによって、公知の燃焼器アセンブリの少なくとも一部の欠点に対処する。更に、混合管は、燃料を混合管内に送ることを可能にする燃料アパーチャと、燃料アパーチャの下流側にあって、境界層が燃料混合気及び混合管間に形成されるように冷却流体を混合管内に送ることを可能にする冷却アパーチャとを含む。燃料混合気から下流側の混合管内に冷却流体を送ることによって、混合管は、燃料ノズルの作動温度を低下させることができる。加えて、燃料ノズルアセンブリは、混合管の周りに配向される複数の開口を含み、これにより、冷却流体を燃焼室内に送ることを可能にして、冷却流体と燃料／空気混合気との二次混合を発生させてＮＯｘの生成を低減し、燃料ノズルアセンブリ内にスクリーチトーン周波数を誘起する可能性がある渦の形成を低減できるようになる。このような渦の形成を低減することによって、燃料ノズルアセンブリに損傷を生じる可能性がある望ましくない振動を低減でき、その結果、タービンエンジンの運転効率及び使用寿命が向上するようになる。

タービンエンジンで使用する燃焼器アセンブリの例示的な実施形態及びその組立方法が本明細書で詳細に説明した。本方法及び装置は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、本システムの構成部品及び／又は本方法のステップは、本明細書に記載した他の構成部品及び／又はステップから独立して且つ別個に利用することができる。例えば、本方法及び装置はまた、他の燃焼システム及び方法と組み合わせて使用することができ、本明細書に記載したようにタービンエンジンアセンブリのみで実行することに限定されない。むしろ、この例示的な実施形態は、多くの他の燃焼システム用途と関連させて実行し利用することができる。

本発明の種々の実施形態の特定の特徴は一部の図面で示され、他の図面では示されない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。更に、上記の説明における「１つの実施形態」への言及は、記載の特徴を同様に組み込んでいる追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものではない。本発明の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ タービンエンジン
１１ 区域
１２ 吸気セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 燃焼器セクション
１８ タービンセクション
２０ 排気セクション
２２ ロータアセンブリ
２４ シャフト
２６ 中心軸線
２８ 負荷
３０ 燃焼器アセンブリ
３４ 燃料ノズルアセンブリ
３６ 燃焼室
３８ 燃料ノズル
４０ 燃料供給システム
４２ 冷却流体システム
４４ ケーシング
４６ チャンバ
４８ 端部カバー
５０ 外側部分
５２ 空気プレナム
５４ 燃焼器ライナ
５６ 内側表面
５８ 中心軸線
６０ 燃焼ガス流路
６２ 外側ノズル
６４ 中心ノズル
７０ エンドプレート
７２ 外側部分
７４ 開口
７６ インピンジメントプレート
８４ ハウジング
８６ 側壁
８８ 前方端壁
９０ 後方端壁
９２ 後方端壁外側表面
９４ 側壁外側表面
９６ 半径方向内側表面
９８ キャビティ
１００ 長手方向軸線
１０２ 内壁
１０４ 燃料プレナム
１０６ 冷却流体プレナム
１０８ 燃料導管
１１０ 内側表面
１１２ 燃料チャンネル
１１４ 開口
１１６ 冷却導管
１１８ 冷却流体
１２２ 内側表面
１２４ 冷却チャンネル
１２６ 開口
１２８ 混合管
１３０ 中央部分
１３２ 外側表面
１３４ 内側表面
１３６ 流れチャンネル
１３８ 軸線
１４０ 入口開口
１４２ 出口開口
１４４ 開口
１４６ 空気
１４８ 燃料アパーチャ
１５０ 冷却流体アパーチャ
１５２ 燃料
１５４ 燃料空気混合気
１５６ 中心軸線
１５７ 中心軸線
１５８ 境界層
１５９ インピンジメントプレート
１６０ 開口
１６１ 開口
１６２ 仕切壁
１６３ 開口
１６４ 開口
１６５ 分離壁
１６６ チャンバ
１６７ チャンバ
１６８ 開口
１６９ 開口
１７０ 冷却開口
１７２ セット
１７４ 外側表面
１７６ 内側表面
１７８ 中心軸線
１８０ 外側表面
１８２ 先端端部
１８４ 先端表面
１８６ スロット
１８８ 境界層
１９０ チャンネル

Claims (8)

1. タービンエンジン（１０）用の燃料ノズルアセンブリ（３４）であって、当該燃料ノズルアセンブリ（３４）が、
   ケーシング（４４）によって画成される空気プレナム（５２）内に配置された複数の燃料ノズル（３８）であって、燃焼室（３６）を画成する燃焼器ライナ（５４）に各々結合した複数の燃料ノズル（３８）
   を備えており、前記複数の燃料ノズル（３８）の各々が、
   前方端壁（８８）と対向する後方端壁（９０）との間に延在する内側表面（９６）を有する側壁（８６）を備えるハウジング（８４）であって、前記側壁（８６）が、冷却流体プレナム（１０６）及び燃料プレナム（１０４）を内部に画成する内側表面（９６）を含んでいるとともに、前記側壁の内側表面（９６）を貫通して延びる少なくとも１つの開口（１６１）を含んでいる、ハウジング（８４）と、
   前記ハウジングを貫通して延びる複数の混合管（１２８）であって、その各々が、前記空気プレナム（５２）と前記燃焼室（３６）との間に延びる流れチャンネル（１３６）を画成する内側表面（１３４）を含んでいて、前記複数の混合管（１２８）の少なくとも１つが、前記冷却流体プレナム（１０６）から前記流れチャンネル（１３６）に冷却流体の流れを送るための少なくとも１つの冷却流体アパーチャ（１５０）を含んでいる、複数の混合管（１２８）と、
   前記側壁（８６）と結合した少なくとも１つの冷却導管（１１６）であって、前記側壁の少なくとも１つの開口（１６１）を介して前記冷却導管（１１６）が前記冷却流体プレナム（１０６）と流れ連通して前記冷却流体の流れを前記冷却流体プレナム（１０６）に送る、少なくとも１つの冷却導管（１１６）と
   を備えている、燃料ノズルアセンブリ（３４）。
2. 前記少なくとも１つの混合管（１２８）が、前記燃料プレナム（１０４）から前記流れチャンネル（１３６）に燃料の流れを送るための少なくとも１つの燃料アパーチャ（１４８）を含む、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（３４）。
3. 前記ハウジング（８４）が更に、
   前記側壁の内側表面（９６）から内向きに延びる内壁（１０２）であって、前記前方端壁（８８）との間に前記燃料プレナム（１０４）を画成するとともに前記後方端壁（９０）との間に前記冷却流体プレナム（１０６）を画成する内壁（１０２）を含んでいる、請求項１又は請求項２記載の燃料ノズルアセンブリ（３４）。
4. 前記内壁（１０２）が該内壁（１０２）を貫通して延びる開口（１２６）を含んでいて、前記内壁の開口（１２６）を介して前記冷却導管（１１６）が前記冷却流体プレナム（１０６）と流れ連通するように前記冷却導管（１１６）が前記内壁（１０２）と結合している、請求項３記載の燃料ノズルアセンブリ（３４）。
5. 前記側壁（８６）の外側表面（９４）に結合したエンドプレート（７０）と、
   前記側壁の外側表面（９４）に結合し且つ前記エンドプレート（７０）から外側に離隔して前記エンドプレート（７０）との間に第１のチャンバ（１６０）を画成するインピンジメントプレート（１５９）と、
   を更に備えていて、前記冷却導管（１１６）が前記インピンジメントプレート（１５９）に結合して、前記第１のチャンバ（１６０）及び前記冷却流体プレナム（１０６）に冷却流体の流れを送る、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃料ノズルアセンブリ（３４）。
6. 前記冷却導管（１１６）と前記エンドプレート（７０）との間に結合して前記冷却導管（１１６）を前記第１のチャンバ（１６０）から隔離する分離壁（１６５）を更に備える、請求項５記載の燃料ノズルアセンブリ（３４）。
7. 前記分離壁（１６５）が、該分離壁（１６５）を貫通して延びて前記冷却導管（１１６）を前記複数の燃料ノズル（３８）と流れ連通させる少なくとも１つの開口（１６９）を含む、請求項６記載の燃料ノズルアセンブリ（３４）。
8. タービンエンジン（３０）用の燃焼器アセンブリ（３０）であって、当該燃焼器アセンブリ（３０）が、
   空気プレナム（５２）を含むケーシング（４４）と、
   前記ケーシング（４４）内に配置された燃焼器ライナ（５４）であってその内部に燃焼室（３６）を画成する燃焼器ライナ（５４）と、
   複数の燃料ノズル（３８）を含む燃料ノズルアセンブリ（３４）であって、前記複数の燃料ノズル（３８）の各々が前記燃焼器ライナ（５４）に結合している燃料ノズルアセンブリ（３４）と
   を備えており、前記複数の燃料ノズル（３８）の各々が、
   前方端壁（８８）、後方端壁（９０）、及び前記前方端壁（８８）と前記後方端壁（９０）との間に延在する内側表面（９６）を有する側壁（８６）を備えるハウジング（８４）であって、前記側壁（８６）が、冷却流体プレナム（１０６）及び燃料プレナム（１０４）を内部に画成する内側表面（９６）を含んでいるとともに、前記側壁の内側表面（９６）を貫通して延びる少なくとも１つの開口（１６１）を含んでいる、ハウジング（８４）と、
   前記空気プレナム（５２）と流れ連通し且つ前記ハウジングを貫通して延びる複数の混合管（１２８）であって、その各々が、前記空気プレナム（５２）と前記燃焼室（３６）との間に延びる流れチャンネル（１３６）を画成する内側表面（１３４）を含んでいて、前記複数の混合管（１２８）の少なくとも１つが、前記冷却流体プレナム（１０６）から前記流れチャンネル（１３６）に冷却流体の流れを送るための少なくとも１つの冷却流体アパーチャ（１５０）を含んでいる、複数の混合管（１２８）と、
   
   前記側壁（８６）と結合した冷却導管（１１６）であって、前記側壁の少なくとも１つの開口（１６１）を介して前記冷却導管（１１６）が前記冷却流体プレナム（１０６）と流れ連通して前記冷却流体の流れを前記冷却流体プレナム（１０６）に送る、少なくとも１つの冷却導管（１１６）と
   を含む、燃焼器アセンブリ（３０）。