JP6987853B2 - 燃焼室と熱交換器 - Google Patents

Description

本願は熱交換器の分野に関する。より具体的には、本願は、燃焼室と熱交換器とを組み込んだシステムに関する。

高温ガスを発生させるために燃料が燃焼される燃焼室と、排気ガスからエネルギーを回収しそれによって熱機関の効率を増加させるように使用される復熱装置などの熱交換器と、を含む熱機関（例えば、ガスタービン）などのシステムを提供することが知られている。熱機関の効率を高める手段、さらに／或いは、熱機関のサイズおよび／または重量を減らすことができる手段が有利である。

本願の少なくともいくつかの実施形態は、
燃焼室を囲む燃焼室壁と、
前記燃焼室壁の少なくとも一部分と一体の熱交換器と、
を含んでなる装置であって、
前記熱交換器と前記燃焼室壁とが、単一の材料体から一体として形成されており、
前記熱交換器は、高温ガスから低温ガスに熱を伝達し、それぞれの高温ガス経路に沿って高温ガスを導くための複数の高温ガス導管と、それぞれの低温ガス経路に沿って低温ガスを導くための複数の低温ガス導管と、を含み、
ここで、
（ｉ）少なくともいくつかの前記低温ガス導管が、前記燃焼室壁のそれぞれの入口開口部に直接接続し、
（ｉｉ）少なくともいくつかの前記低温ガス導管が、前記燃焼室壁に隣接する１つ以上の低温ガスプレナムに直接接続し、プレナム入口開口部が、１つ以上の前記低温ガスプレナムのそれぞれと前記燃焼室との間に前記低温ガスの流路を提供し、
（ｉｉｉ）前記燃焼室壁が多孔性であって、前記低温ガスが前記低温ガス導管の少なくともいくつかから前記燃焼室壁内の多孔性開口部を通って前記燃焼室に入る、
上記（ｉ）〜（ｉｉｉ）の１つ以上を満たすことを特徴とする装置である。

本願では、少なくともいくつかの実施形態において、熱交換器が燃焼室壁の少なくとも一部分と一体的に形成されているときに、熱効率の向上、およびシステムのサイズおよび質量の低減が達成され得ることを認識する。熱交換器および燃焼室壁は、積層造形法において同じ材料と共に形成されるなど、一体的に形成され、それによって燃焼室壁および熱交換器は単一の材料本体を含んでなる。そのような配置は、よりコンパクトな設計を可能にし、望まれるように、熱交換器と燃焼室との間のより良好な熱伝達を可能にする。

燃焼室は多種多様な形態を有することができるが、本願の少なくともいくつかの実施形態では、燃焼室は、主燃焼室入口と燃焼室出口とを有し、主流体流路が主燃焼室入口と燃焼室出口との間に延びる。燃焼させるべき燃料と空気の混合物はこの主流体流路に沿って流れ得る。

熱交換器が主流体流路の少なくとも一部に垂直な平面内で燃焼室を少なくとも部分的に取り囲むとき、熱交換器と燃焼室との間の熱伝達を改善することができ、複合装置をよりコンパクトにすることができる。したがって、熱交換器は少なくとも部分的に燃焼室を包み込む。

本願のいくつかの実施形態では、熱交換器は、主流体流路の少なくとも一部に垂直な平面内で燃焼室を完全に囲むことができる。例えば、燃焼室がシリンダの軸に沿って延びる流体流路を有するほぼシリンダの形態を有する場合、熱交換器は燃焼室を囲む環状断面を有し得る。熱交換器が燃焼室を部分的にまたは完全に囲む主流体流路の部分は、いくつかの実施形態では主流体流路の全体に沿って延在し、それによって、熱交換器と燃焼室壁との間で可能な熱伝達量、従って燃焼室内の燃焼ガスを増加させる。

熱交換器は、高温ガスから低温ガスへ熱を伝達するように働くことができ、したがって、それぞれの高温ガス経路に沿って高温ガスを導くための複数の高温ガス導管およびそれぞれの低温ガス経路に沿って低温ガスを導くための複数の低温ガス導管を含む。それぞれの導管に沿って流れる高温ガスと低温ガスとの間の熱交換は、効率的な熱伝達を提供することができる。

いくつかの実施形態では、高温ガス経路は燃焼室から離れて流れ、低温ガス経路は燃焼室に向かってかつ高温ガス経路と実質的に平行に流れる。このような構成は、熱が伝達される効率を高めるように、高温ガスの最も高温を燃焼室に最も近く、低温ガスの最も高温を燃焼室に最も近く配置する傾向がある。そのような配置は、高温ガスと低温ガスとの間の向流熱交換を提供する。

他の可能な例示的実施形態では、高温ガス経路は、交差フロータイプの熱交換器を形成するように、それらが熱交換器を通過するときに低温ガス経路と交差し得る。このような配置は、高温ガスおよび低温ガスを送るためのマニホールドの単純さが優先される実施形態において好ましい可能性がある。

高温ガスと低温ガスとの間の熱伝達は効率が向上し、高温ガス導管と低温ガス導管とが少なくともいくつかの導管境界壁を共有するとき、熱交換器の材料要件は減少する。

いくつかの例示的な実施形態では、低温ガス導管からの低温ガスが、燃焼室壁を通して燃焼室内に導入され得る。例えば、低温ガスは、導入される前に熱交換器内で予熱され、燃焼室内で行われる燃焼プロセスの一部を形成する空気であり得る。これに関連して、低温ガス導管は、様々な異なる方法で燃焼室と接続／連通することができる。低温ガス導管を燃焼室に接続するこれらの異なる方法は、別々にまたは所与の実施形態と組み合わせて使用することができる。

低温ガス導管のいくつかは、燃焼室壁内のそれぞれの入口開口部に直接接続され得る。他の低温ガス導管は、燃焼室壁に隣接する１つまたは複数の低温ガスプレナムに直接接続することができ、それら自体は、低温ガスプレナムと燃焼室との間の低温ガス用の流路をもたらすプレナム入口開口部を有する。

低温ガス導管からの低温ガスが燃焼室壁の多孔性開口部を通って燃焼室に入ることができるように、燃焼室壁を特定の開口部を有するよりもむしろ多孔性になるように形成することも可能である。そのような多孔性燃焼室壁は、例えば低温ガスを保持し、熱交換器内の１つまたは複数の低温ガス導管に接続されたプレナムの１つの壁を形成し得る。

燃焼室壁を通して低温ガスを供給することに加えて、低温ガス導管の少なくともいくつかは、低温ガスの一部を主燃焼室入口に供給するのに役立つことができる。低温ガスの異なる部分をそれぞれの低温ガス導管に通すことによって、低温ガスの流れの予測可能で正確な分割が達成され、その低温ガスの特定の所望の割合が主燃焼室入口によって供給され、別の特定の部分は、他の低温ガス導管を介して制御された方法で燃焼室壁を通って燃焼室に供給され得る。

高温ガスを高温ガス導管に均一に向ける能力は、高温ガスを高温ガス導管に供給するために燃焼室に近接した１つ以上の内側高温ガスプレナムと、高温ガス導管から高温ガスを集めるために燃焼室から遠位の１つ以上の外側高温ガスプレナムとを使用することによって改善され得る。そのような構成は、高温ガスが高温ガス導管を通って流れる均一性を高め、高温ガスの最も高温のものが熱伝達を増大させるように燃焼室壁に接近することを確実にする。

燃焼室には、１つ以上の燃料導管を介して燃料を供給され得る。燃料導管内の燃料は、燃焼室壁と一体的に形成された熱交換器を使用して、以下の１つ以上のような方法で予熱することができる。すなわち、燃料導管の近くの高温ガス導管を使用する、燃料導管に近接する（典型的には燃料よりも高温であろうガスを依然として収容する）低温ガス導管を使用する、熱交換器本体から直接熱を吸収する。燃料導管は、主燃焼室入口に直接燃料を供給することができる。

高温ガス導管および低温ガス導管がたどる経路の形状は様々であり得る。いくつかの実施形態では、高温ガス導管および低温ガス導管のそれぞれは、対応するインボリュート経路を含む断面内で燃焼室壁の外側断面境界がインボリュートであるインボリュート経路をたどる。このような構成により、効率的な運転に適した方法で、高温ガス導管と低温ガス導管とを密集させてそれらの長さに沿って一定または実質的に一定の断面積を有することが可能になる。

断面境界からインボリュート経路が描かれる一方、それらがどの平面内にあるか、さまざまな異なる形態をとり得る。この外側横断面境界は、円筒状の燃焼室の場合には、好都合には円形でありかつ主流路に対して垂直である。

高温ガス導管および低温ガス導管の配置においては多種多様な異なる関係が可能であるが、少なくともいくつかの実施形態では、これらが燃焼室の周りに交互配置されているときに効率的な熱伝達が促進され得る。

いくつかの実施形態では、高温ガス導管は、低温ガス経路に垂直な低温ガス導管の断面積よりも大きい、高温ガス経路に垂直な断面積を有する。低温ガス通路に対して高温ガス通路のためにより大きい断面積を設けることは、高温ガスが典型的には低温ガスよりも密度が低く、従って同じ質量流に対してより大きな導管を必要とするので熱伝達が達成される効率を高める。

（後で見直す）
低温ガスを燃焼室に供給することができる入口は、燃焼室の特定のポイントの要件に対する特定のポイントでの低温ガスの燃焼室への導入を調整するように、低温ガスを燃焼室壁に対して垂直ではない平均方向に流れるように導くように、形成され得る。例えば、主燃焼室に近接する燃焼室入口開口部は、主流路を中心に回転する平均流方向で低温ガスを燃焼室に流入させることができ、安定した徹底的な燃焼をもたらすのに役立つ燃焼ガス中の安定した渦巻き空気流の発生を支持し促進する。燃焼室出口の近くにある他の燃焼室入口開口部は、燃焼室壁の近くの比較的低温ガスの層をもたらすのに役立ち得る主流路と平行で同じ方向の成分を有する平均流方向で低温ガスが燃焼室に入るように導くことに役立ち得る。主流路に沿った中間位置にある他の燃焼室入口は、主流路と平行で反対方向の成分を有する平均流方向に、そのような低温ガスと主入口からの燃焼ガスとの混合を促進する方法で、低温ガスを燃焼室に流入させる。

燃焼室壁および熱交換器は、鋳造などの様々な方法で形成することができるが、少なくともいくつかの実施形態では、装置は、積層造形材料で形成され、例えば、エネルギービーム溶融金属粉末を固めて熱交換器と結合された燃焼室壁を形成する積層造形プロセスが使用され得る。

熱交換器はシステム内で様々な異なる熱力学的役割を果たすことができるが、少なくともいくつかの実施形態では、熱交換器は、排ガスからシステム内で燃焼されるべき低温ガスに熱を伝達する働きをする復熱装置であり得る。

そのような復熱装置は、燃焼室からの燃焼ガスによって駆動されるタービンの場面内で有利に使用され、タービンによって駆動される圧縮機から低温ガスを受け取り、高温ガスから燃焼室に供給されることになる低温ガスへ熱を伝達するのに役立つ復熱装置の高温ガスである排気ガスを生成する。

装置は積層造形によって形成することができる。積層造形において、物品は、物品全体を製造するために材料の層の後に層を連続的に積み重ねることによって製造することができる。例えば、積層造形は、選択的レーザー溶融、選択的レーザーセンタリング、電子ビーム溶融などによるものであり得る。熱交換器および燃焼室壁に使用される材料は様々であり得るが、いくつかの例では、金属、例えばアルミニウム、チタンまたは鋼鉄であり得るか、または合金であり得る。積層造形プロセスは、製造しようとするデザインの特徴を表す電子デザインファイルを供給し、そのデザインファイルを製造装置に供給される命令に翻訳するコンピュータに入力することによって制御され得る。例えば、コンピュータは三次元デザインを連続した二次元層にスライスすることができ、各層を表す命令は、例えば、粉末ベッドを横切るレーザーの走査を制御して対応する層を形成するために、積層造形機に供給され得る。したがって、いくつかの実施形態では、物理的な装置を提供するのではなく、その技術を、上述したような装置の設計を表すコンピュータ可読データ構造（例えば、コンピュータ自動設計（ＣＡＤ）ファイル）で実施することもできる。したがって、装置をその物理的形態で販売するのではなく、そのような装置を形成するために積層造形機を制御するデータの形態で販売することもできる。データ構造を記憶する記憶媒体を提供することも可能である。記憶媒体は、非一時的な記憶媒体であってもよい。

例示の実施形態は、添付の図面を参照して、単なる一例として説明される。

燃焼器と復熱器とを組み合わせた第１の例の断面図を概略的に示す。 燃焼器と復熱器とを組み合わせた第２の例を概略的に示す。 燃焼器と復熱器とを組み合わせた第３の例を概略的に示す。 燃焼器と復熱器との組み合わせを含む熱機関を概略的に示す。 燃焼器と復熱器とを組み合わせた第４の例を概略的に説明する。 図５の燃焼器と復熱器とを組み合わせた断面図を概略的に示す。 図５の燃焼器と復熱器とを組み合わせたものの端部図（燃焼室出口端部）を概略的に示す。

図１は、燃焼器と熱交換器２の組み合わせを概略的に示している。この例では、熱交換器は復熱装置の形態をしている。燃焼室は、燃焼室壁４によって境界を定められている。燃焼室壁４内の燃焼室は、主燃焼室入口６と燃焼室出口８との間に延びる燃焼ガスのための主流路を含む。この例示的実施形態では実質的に円筒状の形状であるが、他の形状も可能である。

燃料は燃料導管１０を通って主燃焼室入口６に通される。燃料はノズル１２を通して燃焼室に放出され、そこで燃焼器を通過し、そして、レキュペレータを通過した高温ガスによって加熱された低温ガス（空気）と混合される。低温ガスのいくらかは低温ガス導管１４を通って直接主燃焼室入口６に導入される。この低温ガスは主流路の周りに回転運動を与える羽根を通過することができる。ノズル１２からの燃料はこの低温ガスと混合して燃える（燃焼する）。燃焼ガスは、燃焼室の中央部分内で燃焼室出口８に向かう渦（旋回）経路をたどる。

復熱装置内の別の低温ガス導管１６は、燃焼室壁４内の入口１８を通って低温ガスを燃焼室に直接通過させる。これらの入口は、主流路を中心に回転する運動の成分を用いて燃焼室に入る低温ガスに平均流方向を与えるように向けられ得る。導管１８を通って導入される低温ガスのこの回転運動は、主燃焼室入口６を通って導入される低温ガスに与えられる旋回運動を支持し、その中で燃料が燃焼する安定した渦を維持するのに役立つ。

低温ガスを燃焼室壁４に接する（近接する／隣接する）低温ガスプレナム２２に通す低温ガス導管２０が復熱装置内にさらにある。低温ガスプレナムに接続する燃焼室壁４内の開口部は、低温ガスが低温ガスプレナム２２を介して燃焼室に入ることを可能にする。低温ガスプレナム２２に接続する燃焼室壁４内のこれらの出口は、そこを通過する低温ガスを特定の方向に平均流れ方向を有するように向けるのに役立つ形状を有し得る。より具体的には、燃焼室出口８に近接した低温ガスプレナム２２の壁の開口部は、低温ガスを、主流路と平行で同じ方向にその平均流れ方向の成分と共に流入するように案内し得る。この低温ガスは、主流路に垂直な成分を有するが、それでもなおその流れ方向の大部分は、図１に示すように燃焼室壁４と平行であってもよい。燃焼室出口８の近くに導入された低温ガスのこの平均流れ方向は、燃焼室壁４の侵食に抵抗するのを助けるように、燃焼室のこの領域において燃焼室壁の周りに保護的な比較的冷たい境界層ガスを形成するのを助ける。

燃焼室出口８と主燃焼室入口６との中間の位置に、１つ以上の低温ガスプレナム２２が、図１に示すようにある程度の逆流をもたらすように低温ガスを案内する出口を有する。この逆流は、燃焼室に入る低温ガスが、主流路に対して平行であって、主流路に対して反対方向であるその平均流方向の成分を有するようにする。そのような逆流する低温ガスは、燃料の効率的で徹底的な燃焼を助ける方法で低温ガスをノズル１２から延びる燃焼渦（炎）に混合するのを助ける。

図１に示すように、低温ガス導管１４、１６、２０は、外側低温ガスプレナム２４と燃焼室壁４内の燃焼室との間に低温ガス通路を形成する。従って、低温ガスは半径方向内側に燃焼室に向かって流れる。したがって、低温ガスが低温ガス経路を通るときに低温ガスが加熱されるので、低温ガスの高温部分は燃焼室に近接することになる。これは燃焼室内の熱エネルギーを維持するのを助け、それにより効率を改善する。

復熱装置は、内側高温ガスプレナム２８と外側高温ガスプレナム３０との間を通過する高温ガス導管２６を含む。タービンからの排気ガスであってもよい高温ガスは、内側高温ガスプレナム２８に進入し、高温ガス導管２６を通って半径方向外向きに流れ、そこから、復熱装置を出る前に外側高温ガスプレナム３０内に回収される。このようにして、最高温度を有する高温ガスは、燃焼室に最も近い内側高温ガスプレナム２８内に配置され、それによって燃焼室内に維持される熱エネルギーの量を増加させる傾向がある。

１つまたは複数の高温ガス導管３２は、燃料導管１０の近くを通過するように案内され、したがって、燃料がノズル１２に到達する前に燃料を予熱する（例えば、気体状に変える）ように機能する。他の実施形態では、ガス導管１４、１６、２０は、燃料を予熱するために燃料導管１０に近接するように経路指定することができ、あるいは他の実施形態では、燃料導管１０内の燃料を必要な温度に加熱するのに十分な熱を、組み合わせた復熱器および燃焼器の本体を通して伝導することができる。

図１に示すように、高温ガス導管２６は、低温ガス導管「ｘ」の直径よりも大きい直径「ｙ」を有する。高温ガスは典型的には低温ガスよりも密度が低く、高温ガス導管が低温ガス導管よりも断面積が大きくなるように配置することは、高温ガスと低温ガスとの間の必要な程度の熱伝達を可能にする方法で、高温ガスに対する低温ガスの質量流量を平衡にするのを助ける。

図１に示す復熱器と燃焼器とを組み合わせたものは、例えば、積層造形粉末材料から、積層造形プロセスの一部としての金属粉末のエネルギービーム溶融によって形成され得る。このような技術は、図１に示すように、導管、プレナムおよび開口部の複雑な配置を形成するのに非常に適している。

このような積層造形構造の特徴は、材料が気体流に対して多孔性であるような方法でこのような構造を形成することが可能であるということである。したがって、例えば、代わりに（または追加的に）低温ガスが流れる燃焼室壁４の開口部のいくつかは、燃焼室壁４の多孔性部分を貫通する多孔性開口部によってもたらされてもよい。一例として、燃焼室出口８の近くに導入された低温ガスの保護低温境界層は、その領域内の低温ガスプレナム２２内の特定の開口部を通過する代わりに、燃焼室出口８の近くの低温ガスプレナム２２の境界を定める多孔性燃焼室壁を通って流れる低温ガスによってもたらされ得る。

上述したように、低温ガス導管１４、１６、２０を通って流れる低温ガスは燃焼室に向かって半径方向内向きに通過し、一方、高温ガスは燃焼室から半径方向外向きに通過する。この構成は、低温ガスと高温ガスとの間の対向流をもたらす。図１に示す復熱器と燃焼器とを組み合わせた断面図は、上部に低温ガス導管１４、１６、２０を示し、下部に高温ガス導管を示す。実際には、これらの導管は、以下の図に示されるように燃焼室壁４の周りに互いに交互に配置されることが理解されよう。

低温ガス導管１４、１６、２０および高温ガス導管２６は、組み合わせた復熱装置および燃焼装置を構築するのに必要な材料の量を減らすとともに伝熱効率を改善するために、それらの長さの少なくとも一部に沿って境界壁を共有することができる。低温ガス導管１４、１６、２０と高温ガス導管２６との交互配置は、このような境界壁の共有を容易にする。

図１は、低温ガス導管１４、１６、２０および高温ガス導管２６が燃焼室壁４から半径方向に外向きに延びていることを示している。実際には、低温ガス導管１４、１６、２０および高温ガス導管２６は、対応するインボリュート経路を含む平面における燃焼室壁４を通る外側断面境界のインボリュートであるインボリュート経路に従って燃焼室壁４から延在するように配置することができる。そのようなインボリュート曲線に従う導管の使用は、導管間の緊密な配置と共に、それらの長さに沿って実質的に一定の断面積を有する導管を容易にする。これらの特徴は、熱交換が行われる導管の所与の長さについて、ガス流を単純化し、効率を向上させるとともに、復熱装置と燃焼装置との組み合わせのサイズを縮小する。

本明細書に示す例では、燃焼室は実質的に円筒状であり、したがって円形の断面を有する。従って、導管のインボリュート経路は円形のインボリュートである。しかしながら、燃焼室は円筒以外の形状を有することができ、そのような場合、導管は円形以外の、例えば、楕円形の燃焼室壁４の外側横断面境界のインボリュートであるインボリュート経路をたどり得ることが理解されるであろう。本明細書に示された例におけるインボリュート経路は、燃焼室を通る主流路に対して垂直な平面内にある。しかしながら、これらのインボリュート経路は、そのような主流路に対して垂直ではない平面にあってもなおインボリュート形状の要件を満たし、かつ密集した実質的に一定の断面積の導管を提供することが可能である。

図１の例では、燃焼器は円形の断面を有し、復熱装置は燃焼器を囲む均一な環状形状である。図２に示されているのは、共有壁と交互配置を有する導管である。図２の例では、導管は低温ガス導管と高温ガス導管との間で交互になっている。低温ガス導管は、低温ガスが燃焼ガスと混合される燃焼室に向かって略半径方向内向きに移動する低温ガスを供給する。高温ガスは、燃焼室からほぼ半径方向外向きに流れ、例えば、燃焼室内で使用される低温ガスに熱エネルギーを伝達することによって熱エネルギーを回収することが望まれるタービンからの排気ガスを含み得る。

図２はまた、燃焼室壁と燃焼室との間に配置された取り外し可能なライナ３４を示す。このライナ３４は、例えば、燃料がディーゼルであり、燃焼室の内側にコークス堆積物が堆積している場合には交換され得る。燃焼室壁は依然としてガス流を調整し続け方向付けするであろう。ライナ３４は付加的に製造され得る。

図３は、復熱器と燃焼器を組み合わせた他の実施形態を示している。この例示的な実施形態では、燃焼器はやはり断面が円形であるが、復熱器は規則的な環状の断面ではなく、代わりにそこから取り除かれたホタテ貝状の断面を有する。これにより、全体をよりコンパクトにするために、熱機関システムの別の部分の周りに復熱器と燃焼器との組み合わせを取り付けることが容易になり得る。

図１および図２に示す復熱器の例は、低温ガスと高温ガスとの間の対向流、すなわち、低温ガスと高温ガスとの流れが互いにほぼ平行であるがそれらのそれぞれの導管を通る反対方向の流れを使用する。対照的に、図３は、低温ガス導管と高温ガス導管が互いに、例えば、実質的に垂直方向に交差する、交差フロー配置を有し得る実施形態例を概略的に示す。このような交差フロー熱交換器は、特定のマニホールド要件を満たすなどのいくつかの状況では好ましい場合がある。

図４は、吸入空気を圧縮して圧縮低温ガスを発生させるための圧縮機３４と、燃焼器３８からの高温燃焼ガスによって駆動されるタービン３６と、を有するターボ機械の形態の熱機関３２を概略的に示す。燃焼器３８は、復熱器４０と一体的に形成される。圧縮機３４からの圧縮された低温ガスは、前述のように、低温ガス導管を通過して復熱器４０に供給され、復熱器４０内の高温ガス導管を通過する高温ガスによって加熱される。復熱器４０内の高温ガスは、タービン３６からの排気ガスによって供給される。図４のターボ機械３２を通るガス流路は以下の通りである。すなわち、圧縮機３４に空気を取り入れ；圧縮機３４から圧縮された低温ガスが、復熱器４０内の低温ガス導管に供給され；圧縮された低温ガスが、復熱器４０内で加熱された後、燃焼器３８の燃焼室に入り、そこで燃焼ガスを発生させるために燃焼される燃料と混合され；燃焼ガスが、燃焼器３８からタービン３６に流れ、そこでタービン３６の回転を駆動する働きをし；タービン３６からの排気ガスが高温ガスを形成し、この高温ガスが復熱器４０に供給され、そこから残留熱エネルギーが復熱器４０内の圧縮された低温ガスに伝達される。

図５は、組み合わされた熱交換器（この例示的な実施形態では復熱器の形態）と燃焼器の斜視図を概略的に示す。図５は、その全長に沿って燃焼室を完全に囲む復熱器の中心内に実質的に円筒状の燃焼室を有する燃焼器を示す。図６は、図５の復熱器と燃焼器とを組み合わせた断面図を示す。高温ガスおよび低温ガスが流れる導管は、円筒状燃焼室の周りを円周方向に通過するときに互いに交互に配置される。導管はインボリュート曲線をたどり、そのようなインボリュート曲線の使用によって促進されるそれらの長さに沿って実質的に一定の断面積を有する。

復熱器と燃焼器を組み合わせた断面図である図６は、内部に多数の小さな開口部を有する燃焼室壁４を示す。これらの開口部は、復熱器からの低温ガスが燃焼室に入って燃焼プロセスに加わることを可能にするか、或いは、過剰な熱から燃焼室壁を保護することを可能にする。開口部は、特定の平均流れ方向を有するようにそれらの開口部を通って燃焼室に入る低温ガスを方向付けるように形作られ得る。したがって、主燃焼室入口の近くに入る低温ガスは、主燃焼室入口から燃焼室に延びる火炎の渦流を支える方向に燃焼室の周りを旋回するように方向付けることができる。燃焼室内の主流路に沿った途中の開口部は、主燃焼室入口に確立された火炎と低温ガスとの混合を促進するように、燃焼効率を改善するため、主燃焼室入口に向かってある程度の逆流を確立するように向けられる。燃焼室の燃焼室出口端に向かう開口部は、燃焼室壁の損傷／劣化を防ぐのに役立つ手段で、低温ガスが燃焼室の壁に近接して低温ガスの保護層を形成することを防止するように、低温ガス流を燃焼室出口に向けることができる。

図７は、燃焼室の中心に沿って燃焼室出口を通って燃焼室入口に向かって見た、復熱器と燃焼器とを組み合わせたものの端部を概略的に示す。図７は、交互配置された低温ガス導管と高温ガス導管のインボリュート曲線を示す。高温ガス導管は、低温ガス導管よりも断面積が大きい。

本願における技法の例示的な構成は、以下の項に記載されている。

（１）装置は、
燃焼室を囲む燃焼室壁と、
前記燃焼室壁の少なくとも一部分と一体の熱交換器と、
を含んでなる。

（２）前記燃焼室が主燃焼室入口と燃焼室出口とを有し、主流体流路が前記主燃焼室入口と前記燃焼室出口との間に延在する、（１）に記載の装置。

（３）前記熱交換器が、前記主流体流路の少なくとも一部分に垂直な平面内で前記燃焼室を少なくとも部分的に取り囲む、（２）に記載の装置。

（４）前記熱交換器が前記平面内で前記燃焼室を完全に取り囲む、（３）に記載の装置。

（５）前記一部分が前記主流体流路の全てを含む、（３）または（４）に記載の装置。

（６）前記燃焼室壁が前記主流体流路に垂直な平面内に円形断面を有し、前記熱交換器が前記主流体流路に垂直な前記平面内に環状断面を有する、（４）または（５）に記載の装置。

（７）前記熱交換器は、高温ガスから低温ガスに熱を伝達し、
それぞれの高温ガス経路に沿って高温ガスを導くための複数の高温ガス導管と、
それぞれの低温ガス経路に沿って低温ガスを導くための複数の低温ガス導管と、
を含む、（１）〜（６）のいずれか一項に記載の装置。

（８）前記高温ガス経路が前記燃焼室から流出し、前記低温ガス経路が前記燃焼室に向かって流れ、前記高温ガス経路と略平行である、（７）に記載の装置。

（９）前記高温ガス経路が前記低温ガス経路に対して略垂直である、（７）に記載の装置。

（１０）複数の前記高温ガス導管と複数の前記低温ガス導管とが少なくともいくつかの導管境界壁を共有している、（７）〜（９）のいずれか一項に記載の装置。

（１１）複数の前記高温ガス導管と複数の前記低温ガス導管とが前記熱交換器内に配置されて前記高温ガスと前記低温ガスとの間に対向流を生じさせる、（８）に記載の装置。

（１２）少なくともいくつかの前記低温ガス導管が、前記燃焼室壁のそれぞれの入口開口部に直接接続し、
少なくともいくつかの前記低温ガス導管が、前記燃焼室壁に隣接する１つ以上の低温ガスプレナムに直接接続し、プレナム入口開口部が、１つ以上の前記低温ガスプレナムのそれぞれと前記燃焼室との間に前記低温ガスの流路を提供し、
前記燃焼室壁が多孔性であって、前記低温ガスが前記低温ガス導管の少なくともいくつかから前記燃焼室壁内の多孔性開口部を通って前記燃焼室に入る、
上記の１つ以上を満たす、（７）〜（１１）のいずれか一項に記載の装置。

（１３）前記低温ガス導管の少なくともいくつかが前記低温ガスを前記主燃焼室入口に供給する、（７）〜（１２）のいずれか一項に記載の装置。

（１４）前記高温ガスを少なくともいくつかの前記高温ガス導管に供給するための、前記燃焼室壁の近位にある１つ以上の内側高温ガスプレナムと、少なくともいくつかの前記高温ガス導管から前記高温ガスを収集するための、前記燃焼室壁から遠位にある１つ以上の外側高温ガスプレナムと、を含んでなる、（７）〜（１３）のいずれか一項に記載の装置。

（１５）前記燃焼室に燃料を供給するための１つ以上の燃料導管を含み、
ここで、さらに、
前記高温ガスからの熱が前記燃料を加熱するように、１つ以上の高温ガス導管に近接する、
前記低温ガスからの熱が前記燃料を加熱するように、１つ以上の低温ガス導管に近接する、
前記熱交換器から熱を吸収する、
上記のうちの１つを満たすように配置される、（７）〜（１４）のいずれか一項に記載の装置。

（１６）１つ以上の前記燃料導管が前記燃料を前記主燃焼室入口へ供給する、（２）および（１５）に記載の装置。

（１７）前記高温ガス導管および前記低温ガス導管のそれぞれ一つは、対応するインボリュート経路を含む断面において、前記燃焼室壁を通る外側断面境界のインボリュートであるインボリュート経路をたどる、（７）〜（１６）のいずれか一項に記載の装置。

（１８）前記外側断面境界が円形である、（１７）に記載の装置。

（１９）前記高温ガス導管と前記低温ガス導管とが、前記燃焼室の周りに交互に配置されている、（７）〜（１８）のいずれか一項に記載の装置。

（２０）前記高温ガス導管が、前記低温ガス経路に垂直な前記低温ガス導管の断面積よりも大きい前記高温ガス経路に垂直な断面積を有する、（７）〜（１９）のいずれか一項に記載の装置。

（２１）１つ以上の前記低温ガス導管が、それぞれの燃焼室入口開口部を介して前記低温ガスを前記燃焼室に供給し、１つ以上の前記燃焼室入口開口部が、１つ以上の前記燃焼室入口開口部のそれぞれ１つにおいて、前記燃焼室壁に垂直ではない平均流れ方向で、前記燃焼室に入るように前記低温ガスを導く、（７）〜（２１）のいずれか一項に記載の装置。

（２２）前記主燃焼室入口の近位にある１つ以上の前記燃焼室入口開口部が、前記主流体流路の周りを回転する平均流方向で前記燃焼室に入るように前記低温ガスを導き、
前記燃焼室出口の近位にある１つ以上の前記燃焼室入口開口部が、前記主流体流路と平行で同じ方向の成分を有する平均流方向で前記燃焼室に入るように前記低温ガスを導き、
前記主流体流路に沿った中間位置に近接する１つ以上の前記燃焼室入口開口部が、前記主流体流路とは反対方向の成分を有する平均流方向で前記燃焼室に入るように前記低温ガスを導き、
上記３つのうちの少なくとも１つを満たす、（２）および（２１）に記載の装置。

（２３）前記装置が固められた粉末材料で形成されている、（１）〜（２２）のいずれか一項に記載の装置。

（２４）前記熱交換器が復熱器である、（１）〜（２３）のいずれか一項に記載の装置。

（２５）前記燃焼室からの燃焼ガスからエネルギーを抽出し、前記高温ガスを排出するタービンと、
前記燃焼室への供給のために前記低温ガスを圧縮する圧縮機であって、該タービンを離れる前記高温ガスから、前記燃焼室へ供給される前記低温ガスへ熱を伝達するように、前記復熱装置が構成されている圧縮機と、
を含む、（２４）に記載の装置。

（２６）前記燃焼室壁と前記燃焼室との間に配置された取外し可能な燃焼室ライナを含む、（１）〜（２５）のいずれか一項に記載の装置。

２ 熱交換器
４ 燃焼室壁
６ 燃焼室入口
８ 燃焼室出口
１０ 燃料導管
１２ ノズル
１４、１６、２０ 低温ガス導管
１８ 入口
２２ 低温ガスプレナム
２４ 外側低温ガスプレナム
２６ 高温ガス導管
３２ 熱機関
２８ 内側高温ガスプレナム
３０ 外側高温ガスプレナム
３４ ライナ、圧縮機
３６ タービン
３８ 燃焼器
４０ 復熱器

Claims (26)

1. 燃焼室を囲む燃焼室壁と、
   前記燃焼室壁の少なくとも一部分と一体の熱交換器と、
   を含んでなる装置であって、
   前記熱交換器と前記燃焼室壁とが、単一の材料体から一体として形成されており、
   前記熱交換器は、高温ガスから低温ガスに熱を伝達し、それぞれの高温ガス経路に沿って高温ガスを導くための複数の高温ガス導管と、それぞれの低温ガス経路に沿って低温ガスを導くための複数の低温ガス導管と、を含み、
   ここで、
   （ｉ）少なくともいくつかの前記低温ガス導管が、前記燃焼室壁のそれぞれの入口開口部に直接接続し、
   （ｉｉ）少なくともいくつかの前記低温ガス導管が、前記燃焼室壁に隣接する１つ以上の低温ガスプレナムに直接接続し、プレナム入口開口部が、１つ以上の前記低温ガスプレナムのそれぞれと前記燃焼室との間に前記低温ガスの流路を提供し、
   （ｉｉｉ）前記燃焼室壁が多孔性であって、前記低温ガスが前記低温ガス導管の少なくともいくつかから前記燃焼室壁内の多孔性開口部を通って前記燃焼室に入る、
   上記（ｉ）〜（ｉｉｉ）の１つ以上を満たしており、
   前記低温ガス導管を通る前記低温ガス経路は、前記燃焼室に向かって半径方向内向きに進むことを特徴とする装置。
2. 前記燃焼室が主燃焼室入口と燃焼室出口とを有し、主流体流路が前記主燃焼室入口と前記燃焼室出口との間に延在することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記熱交換器が、前記主流体流路の少なくとも一部分に垂直な平面内で前記燃焼室を少なくとも部分的に取り囲むことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記熱交換器が前記平面内で前記燃焼室を完全に取り囲むことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記一部分が前記主流体流路の全てを含むことを特徴とする、請求項３または４に記載の装置。
6. 前記燃焼室壁が前記主流体流路に垂直な平面内に円形断面を有し、前記熱交換器が前記主流体流路に垂直な前記平面内に環状断面を有することを特徴とする、請求項４または５に記載の装置。
7. 前記高温ガス導管を通る前記高温ガス経路は、前記燃焼室から離れるよう半径方向外向きに進み、前記低温ガス経路は前記高温ガス経路と略平行であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記高温ガス経路が前記低温ガス経路に対して略垂直であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
9. 複数の前記高温ガス導管と複数の前記低温ガス導管とが少なくともいくつかの導管境界壁を共有していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 複数の前記高温ガス導管と複数の前記低温ガス導管とが前記熱交換器内に配置されて前記高温ガスと前記低温ガスとの間に対向流を生じさせることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
11. 前記低温ガス導管の少なくともいくつかが前記低温ガスを前記主燃焼室入口に供給することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
12. 前記高温ガスを少なくともいくつかの前記高温ガス導管に供給するための、前記燃焼室壁の近位にある１つ以上の内側高温ガスプレナムと、少なくともいくつかの前記高温ガス導管から前記高温ガスを収集するための、前記燃焼室壁から遠位にある１つ以上の外側高温ガスプレナムと、を含んでなることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記燃焼室に燃料を供給するための１つ以上の燃料導管を含み、
    ここで、さらに、
    前記高温ガスからの熱が前記燃料を加熱するように、１つ以上の高温ガス導管に近接する、
    前記低温ガスからの熱が前記燃料を加熱するように、１つ以上の低温ガス導管に近接する、
    前記熱交換器から熱を吸収する、
    上記のうちの１つを満たすように配置されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記燃焼室が主燃焼室入口と燃焼室出口とを有し、主流体流路が前記主燃焼室入口と前記燃焼室出口との間に延び、１つ以上の前記燃料導管が前記燃料を前記主燃焼室入口へ供給することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. 前記高温ガス導管および前記低温ガス導管のそれぞれ一つは、対応するインボリュート経路を含む断面において、前記燃焼室壁を通る外側断面境界のインボリュートであるインボリュート経路をたどることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記外側断面境界が円形であることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
17. 前記高温ガス導管と前記低温ガス導管とが、前記燃焼室の周りに交互に配置されていることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 前記高温ガス導管が、前記低温ガス経路に垂直な前記低温ガス導管の断面積よりも大きい前記高温ガス経路に垂直な断面積を有することを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
19. １つ以上の前記低温ガス導管が、それぞれの燃焼室入口開口部を介して前記低温ガスを前記燃焼室に供給し、１つ以上の前記燃焼室入口開口部が、１つ以上の前記燃焼室入口開口部のそれぞれ１つにおいて、前記燃焼室壁に垂直ではない平均流れ方向で、前記燃焼室に入るように前記低温ガスを導くことを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置。
20. 前記燃焼室が主燃焼室入口と燃焼室出口とを有し、主流体流路が前記主燃焼室入口と前記燃焼室出口との間に延在し、
    ここで、さらに、
    前記主燃焼室入口の近位にある１つ以上の前記燃焼室入口開口部が、前記主流体流路の周りを回転する平均流方向で前記燃焼室に入るように前記低温ガスを導き、
    前記燃焼室出口の近位にある１つ以上の前記燃焼室入口開口部が、前記主流体流路と平行で同じ方向の成分を有する平均流方向で前記燃焼室に入るように前記低温ガスを導き、
    前記主流体流路に沿った中間位置に近接する１つ以上の前記燃焼室入口開口部が、前記主流体流路とは反対方向の成分を有する平均流方向で前記燃焼室に入るように前記低温ガスを導き、
    上記３つのうちの少なくとも１つを満たすことを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
21. 前記装置が固められた粉末材料で形成されていることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の装置。
22. 前記熱交換器が復熱器であることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の装置。
23. 前記燃焼室からの燃焼ガスからエネルギーを抽出し、前記高温ガスを排出するタービンと、
    前記燃焼室への供給のために前記低温ガスを圧縮する圧縮機であって、該タービンを離れる前記高温ガスから、前記燃焼室へ供給される前記低温ガスへ熱を伝達するように、前記復熱器が構成されている圧縮機と、
    を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
24. 前記燃焼室壁と前記燃焼室との間に配置された取外し可能な燃焼室ライナを含むことを特徴とする、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の装置。
25. 請求項１〜２４のいずれか一項に記載の装置の設計を表すことを特徴とするコンピュータ可読データ構造。
26. 請求項２５に記載のデータ構造を記憶することを特徴とする記憶媒体。

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