JP7038479B2

JP7038479B2 - ガスタービンの燃焼システム内の多段燃料及び空気噴射装置

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Publication number: JP7038479B2
Application number: JP2017037855A
Authority: JP
Inventors: キャロライン・アシュレー・クローリー; デイビッド・ウィリアム・チラール; ジュン・カイ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2017-03-01
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2037-03-01
Also published as: US10436450B2; CN107191971B; EP3220054A1; JP2017166808A; US20170268784A1; EP3220054B1; CN107191971A

Description

本出願は、全体的に、燃焼又はガスタービンエンジン内の燃焼システムに関する。より具体的には、限定ではないが、本出願は、下流又は軸方向多段噴射装置及びそのような噴射装置を使用する燃焼システムに関連する新規なシステム、装置、及び／又は方法を説明する。

理解されるように、燃焼又はガスタービンエンジン（「ガスタービン」）の効率は、最新の技術によりエンジンサイズを増大し、作動温度をより高くすることが可能になったことで、過去数十年にわたって大幅に向上した。このような成果を可能にした技術の進歩は、高温ガス経路の構成要素、並びに新しいより耐久性のある材料を冷却するための新しい熱伝達技術を含む。しかしながら、この期間の間、特定の汚染物質のエミッションレベルを制限する規制基準が制定されている。具体的には、ＮＯｘ、ＣＯ、及びＵＨＣのエミッションレベルは、その全てがエンジンの作動温度及び燃焼特性の影響を受けやすく、厳重に規制されている。このうち、ＮＯｘのエミッションレベルは、特に、エンジン燃焼温度が高くなる程増大しやすく、従って、この汚染物質は、更なる燃焼温度の上昇に関して大きく制限される。より高い作動温度はエンジン効率の向上をもたらすので、このことは、エンジン効率の更なる向上の妨げとなる。従って、従来の燃焼システムと関連する性能の制限は、より効率的なガスタービンの開発を制限する要因となっている。

燃焼システムの出口温度を上昇させる一方で、許容可能なエミッションレベル及び冷却要件も依然として維持する１つの方法は、軸方向多段式燃料及び空気噴出である。これは、一般的には、燃焼器を通過する空気の体積を増大させ、そして、その体積の多くを、燃焼器の前方端に配置された前方噴射装置に対して軸方向下流に離間配置された多段噴射装置に方向付けることを必要とする。理解されるように、この空気流の体積の増大により、ユニットの空気力学的性能がより重視されるようになる。その結果、燃焼システムを通って移動する加圧空気の圧力低下を最小にする一次及び多段噴射装置は、性能利点及び効率を達成することができ、そのことは、燃焼器を通る流量レベルが増大するにつれて、より重要になる。

多段噴射装置に関連する別の問題は、燃焼ゾーンへの送給前の燃料と空気の予混合に関して、従来の設計の実施がどれ程不十分であるかに関連する。より具体的には、厳しい空間的制約及び競合する設計基準が与えられた場合、従来の多段噴射装置は、一般的には、装置に流入する空気流を適切に調和せず、これにより不均一な流れ特性がもたらされ、これは後端の装置を出る燃料／空気混合気に悪影響を与える。理解されるように、こうした不均一な燃料／空気混合気は不均一な燃焼特性をもたらし、それにより通常、エンジン劣化の度合いが高くなり、エンジン効率が低下し、望ましくないエミッションレベルが上昇することがある。その結果、最新の燃焼システム設計の主要目的は、より高い燃焼温度及びより効率的な性能を可能にする多段噴射装置構成の開発を存続しながら、依然として、燃焼により生じるエミッション及び空気力学的圧力損失を最小にすることである。理解されるように、こうした技術の進歩により、エンジン効率レベルの改善がもたらされる。

米国特許第６８９８９３７号明細書

従って、本出願は、ガスタービンの燃焼器内の多段噴射装置について記載する。燃焼器は、前方ノズルの下流の燃焼ゾーンを定める半径方向内壁、及びその下流の多段噴射装置を含むことができる。多段噴射装置は、出口と入口との間に延在する噴射通路を取り囲む横方向壁を含む噴射管を含むことができる。噴射管の出口は、噴射通路を燃焼ゾーンに流体接続することができる。噴射管の入口は、噴射通路が急峻な噴射角度を含むように、出口の外側に配置することができる。噴射管の外側セグメントの横方向壁は、その周囲を定める外面を含むことができる。多段噴射装置は、周囲プレナム内の外側セグメントを取り囲むように、噴射管の外側セグメントの周りに形成されるカバーをさらに含むことができる。カバーは、噴射管の外側セグメントの横方向壁に半径方向に重なり合い、それからオフセットして、それらの間に周囲プレナムの第１の部分を形成する、側壁を含むことができる。カバーは、噴射管の入口の外側に形成され、周囲プレナムの第２の部分を形成する、シーリング壁をさらに含むことができる。周囲プレナムの第１の部分を側壁の外部に形成された供給キャビティと流体接続するように構成された複数のアパーチャを含むスクリーニング（ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ）プレートを、カバーの側壁内に形成することができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び添付の請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。

本発明のこれらの及びその他の特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を詳細に検討することによって完全に理解され、認識されるであろう。

本発明の実施形態を用いることができる、例示的なガスタービンの断面概略図。本発明の実施形態を用いることができる、従来の燃焼器及び周囲システムの断面概略図。本発明の実施形態を用いることができる、例示的な多段噴射システムを有する従来の燃焼器の断面概略図。従来の多段噴射装置の断面図。別の従来の多段噴射装置の断面図。本発明の実施形態による多段噴射装置の側断面図。本発明の実施形態による、横方向ベーンを有する噴射管の斜視図。本発明による、燃焼器の半径方向内壁及び半径方向外壁に対する多段噴射装置の可能な取り付け構成の側断面図。本発明による、燃焼器の半径方向内壁及び半径方向外壁に対する多段噴射装置の代替的な取り付け構成の側断面図。本発明の実施形態による、横方向ベーンを有する噴射管の外側セグメントの概略側面図。図１０の噴射管の上面図。本発明の実施形態による、互い違い配置された横方向ベーンを有する噴射管の外側セグメントの概略側面図。本発明の代替的な実施形態による、互い違い配置された横方向ベーンを有する噴射管の外側セグメントの概略側面図。本発明の代替的な実施形態による、互い違い配置された横方向ベーンを有する噴射管の外側セグメントの概略側面図。本発明の代替的な実施形態による、互い違い配置された横方向ベーンを有する噴射管の外側セグメントの概略上面図。本発明の代替的な実施形態による、カバーを有する多段噴射装置の側断面図。図１６の多段噴射装置のカバーの斜視図。図１６の多段噴射装置のカバーの側断面図。

本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。次に、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号を使用している。本発明の実施形態の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の参照符号を使用することがある。理解されるように、各実施例は、本発明の限定ではなく、本発明の説明として提供される。実際に、本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく、本発明において修正形態及び変形形態を行い得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態で使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、添付の請求項の範囲内にあるそうした修正形態及び変形形態、並びにその均等形態をカバーすることが意図される。本明細書で言及される範囲及び限度は、別途指示のない限り、当該限度自体を含めて規定の限度内にある全ての部分範囲を含むことを理解されたい。さらに、本発明並びにその構成要素サブシステム及び要素を記載するために、特定の用語が選択されている。可能な限り、これらの用語は、技術分野に共通する専門用語に基づいて選ばれている。更に、このような用語は様々な解釈を生じることが多いことが理解されるであろう。例えば、単一の構成要素として本明細書で参照されるものが、他の箇所では複数の構成要素から成るものとして参照される場合があり、又は、複数の構成要素として本明細書で参照されるものが、他の箇所では単一の構成要素として本明細書で参照され場合がある。従って、本発明の範囲を把握する際に、使用される特定の専門用語にのみ留意するのではなく、添付の説明及び関連状況に加えて、用語が複数の図に関係する様態並びに当然ながら添付の請求項における専門用語の厳密な使用を含む、参照され記載されている構成要素の構成、機能、及び／又は使用に対しても留意すべきである。さらに、以下の実施例は、特定のタイプのガスタービン又はタービンエンジンに関連して提示されるが、関連する技術分野における当業者により理解されるように、本発明の技術は、他のタイプのタービンエンジンにも適用可能である。

タービンエンジン及び／又はそこに含まれる幾つかのサブシステム又は構成要素の機能を説明するために、本出願の全体にわって幾つかの記載上の用語を使用する場合があり、これらの用語をこのセクションの始めに定義することが有用であることは理解することができる。従って、これらの用語及びその定義は、別途規定のない限り、以下の通りとする。用語「前方」及び「後方」は、別途指定のない限り、ガスタービンの向きを基準とした方向を指す。従って、「前方」はエンジンの圧縮機端部を指し、「後方」はエンジンのタービン端部を指す。燃焼器内では、「前方」及び「後方」という用語は、燃焼器の向きを基準とした方向を指し、用語「前方」は、燃焼器のヘッド端部を指し、「後方」は、タービンに接続する端部を指す。従って、文脈上明らかであるように、これらの用語の各々は、機械又は燃焼器、或いは他の構成要素の長手方向中心軸線に沿った移動又は相対位置を示すために使用することができる。用語「上流側」及び「下流側」は、通過する流れの全体的方向を基準とした特定の導管内の位置を示すために用いられる。理解されるように、これらの用語は、当業者には明らかなはずの通常の作動中に特定の導管を通る予想される流れを基準とした方向を指す。従って、「下流側」という用語は、流体が特定の導管内を流れる方向を指すのに対し、「上流側」はその反対の方向を指す。従って、例えば、圧縮機を通って移動する空気として始まり、その後、燃焼器内で及びこれを超えて燃焼ガスになる、ガスタービン通過する作動流体の一次流は、圧縮機の上流側又は前方端に向かう上流位置から始まり、タービンの下流側又は後方端に向かう下流位置で終端する。

以下でより詳細に説明される一般的なタイプの燃焼器内の流れの方向の記載に関し、圧縮機吐出空気は通常、燃焼器の後端（燃焼器の長手方向中心軸線及び前方／後方の違いを定義する前述の圧縮機／タービンの配置を基準とした）に向かって集中したインピンジメントポートを通って燃焼器に流入することが理解されるであろう。ひとたび燃焼器に入ると、加圧空気は、燃焼器の前方端に向かって内部チャンバの周りに形成された流れアニュラスによって案内され、ここで、空気流は内部チャンバに流入し、流れ方向を反転させて、燃焼器の後方端に向かって進む。更に別の状況では、冷却チャネル又は通路を通る冷却材の流れは、同様にして処理することができる。

加えて、共通の中心軸線の周りの圧縮機及びタービンの構成、並びに多くの燃焼器タイプに一般的な中心軸線の周りの円筒形構成が与えられた場合、こうした軸を基準として位置を記載する用語を、本明細書で使用することができる。この点において、用語「半径方向」とは、軸線に対して垂直な移動又は位置を指すことが理解されるであろう。これに関連して、「半径方向」は、中心軸線からの相対距離を記載するために必要となることがある。この場合、例えば、第１の構成要素が第２の構成要素よりも中心軸線により近接している場合、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向内向き」又は「内側」にあると記載することができる。これに対して、第１の構成要素が第２の構成要素より中心軸線から遠くにある場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外向き」又は「外側」にあると記載することができる。さらに、理解されるように、用語「軸方向」とは、軸線に対して平行な移動又は位置を指し、用語「円周方向」は、軸線の周りの移動又は位置を指す。上述のように、これらの用語は、エンジンの圧縮機及びタービンセクションを通って延在する共通の中心軸線に関連して適用できるが、これらの用語はまた、必要に応じて、エンジンの他の構成要素又はサブシステムに関連して用いることもできる。

ここで背景として図を参照すると、図１は、本出願の実施形態を用いることができる例示的なガスタービン１０を示す。本発明は、この特定のタイプのタービンエンジンでの使用に限定されるものではなく、別途指示のない限り、与えられる実施例は、そのように限定すること意図しないことが、当業者により理解されるであろう。一般に、ガスタービンは、加圧空気のストリームにおける燃料の燃焼によって発生する高温ガスの加圧流からエネルギーを抽出することによって作動する。図示のように、ガスタービン１０は、共通シャフト又はロータを介して下流側のタービンセクション又はタービン１２に機械的に結合された軸流圧縮機１１を含むことができ、タービン１２と圧縮機１１との間に燃焼器１３が配置される。図示のように、ガスタービン１０の共通シャフトは、圧縮機１１及びタービン１２を通って延在する中心軸線１８を形成する。

圧縮機１１は、複数の段を含み、各段は、圧縮機ロータブレード１４の列と、これに続く、圧縮機ステータブレード１５の列とを含むことができる。従って、第１の段は、中心軸線１８の周りで回転する圧縮機ロータブレード１４の列と、これに続く、作動中に静止している圧縮機ステータブレード１５の列とを含むことができる。タービン１２はまた、複数の段を含むことができる。図示される例示的なタービン１２の場合、第１の段は、作動中に静止しているノズル又はタービンステータブレード１７の列と、これに続く、作動中に中心軸線１８の周りを回転するタービンバケット又はロータブレード１６の列とを含むことができる。理解されるように、列の１つの中のタービンステータブレード１７は、通常、互いにから円周方向に離間配置され、回転軸線の周りに固定される。タービンロータブレード１６は、中心軸線１８の周りを回転するように、ロータホイール又はディスク上に取り付けることができる。タービンステータブレード１７及びタービンロータブレード１６は、タービン１２の高温ガス経路内にあり、そこを通って移動する高温ガスと相互作用することが理解されるであろう。

作動の一例において、軸流圧縮機１１内のロータブレード１４の回転により、空気流が加圧される。燃焼器１３内では、加圧空気流が燃料と混合され点火されると、エネルギーが放出される。次に、結果として生じる燃焼器１３からの高温燃焼ガス流は、作業流体と呼ばれることもあり、タービンロータブレード１６の上に方向付けられ、その流れにより、ロータブレード１６のシャフトの周りの回転が引き起こされる。このように、作動流体流のエネルギーは、回転するブレードの機械エネルギーに変換され、ロータディスクを介してロータブレードとシャフトとの間の接続が与えられた場合には、回転するシャフトの機械エネルギーに変換される。次に、シャフトの機械エネルギーを用いて、圧縮機ロータブレードの回転を引き起こすことができ、必要な供給加圧空気がもたらされ、また、例えば、発電用途の場合には発電のための発電機が生成される。

図２は、従来の燃焼器１３及び周囲構造の簡単化された断面図を提供する。理解されるように、燃焼器１３は、燃焼器１３の前方端に配置されるヘッド端部１９と、燃焼器１３の後方端に配置され、燃焼器１３をタービン１２に接続する働きをする後方フレーム２０との間に軸方向に定めることができる。一次又は前方噴射装置２１は、燃焼器１３の前方端に向かって配置することができる。本明細書で用いられる場合、前方噴射装置２１は、燃焼器１３内の最前方の燃料及び空気噴射装置を指し、これは通常、燃焼のために燃料と空気を混合するための主構成要素の役割を果たす。前方噴射装置２１は、燃料管路２２に接続し、ノズル２３を含む。前方噴射装置２１のノズル２３は、例えば、マイクロミキサノズル、旋回若しくはスウォズル構成を有するノズル、又は本明細書に説明される機能を満たす他のタイプのノズルのような任意のタイプの従来のノズルを含むことができる。示されるように、ヘッド端部１９は、種々のマニホルド、装置、及び燃料を前方噴射装置２１に送給することができる燃料管路２２を提供することができる。示されるようなヘッド端部１９は、燃焼器１３内に定められる大きい内部キャビティの前方軸方向境界を形成する、端部カバー２７を含むこともできる。

示されるように、燃焼器１３内に定められる主内部キャビティは、幾つかのより小さい空間又はチャンバに細分される。これらのチャンバは、所望の流れ経路に沿って、加圧空気流、燃料／空気混合気、及び燃焼生成物を方向付けるように構成された、流れ方向付け構造（壁、ポート等のような）を含むことができる。以下により詳細に記載されるように、燃焼器１３の内部キャビティは、半径方向内壁２４と、半径方向内壁２４の周りに形成された、半径方向外壁２５とを含むことができる。示されるように、半径方向内壁２４及び半径方向外壁２５は、これらの間に流れアニュラス（ｆｌｏｗａｎｎｕｌｕｓ）２６が定められるように構成することができる。さらに示されるように、半径方向内壁２４内に定められる領域の前方端において、前方チャンバ２８、及び前方チャンバ２８の後方にある後方チャンバ２９が定められる。理解されるように、前方チャンバ２８は、一般的にキャップ組立体３０と呼ばれる半径方向内壁２４のセクションである。理解されるように、後方チャンバ２９は、前方噴射装置２１内で一緒になる燃料及び空気混合気が点火され燃焼される領域、従って、燃焼ゾーン２９と呼ぶことができる領域を定める。この構成が与えられた場合、前方チャンバ２８及び後方チャンバ２９は、その構成において軸方向に積み重ねられたものとして記載することができることが理解されるであろう。別途具体的な限定がない限り、本発明の燃焼器１３は、アニュラ型燃焼器又は缶アニュラ型燃焼器として構成することができる。

キャップ組立体３０は、図示のように、端部カバー２７との接続部から後方に延在することができ、本明細書では燃焼器ケーシング３１と呼ぶことができる半径方向外壁２５の軸方向セクションによって全体的に囲まれ得る。理解されるように、燃焼器ケーシング３１は、キャップ組立体３０の外面のすぐ外側に、これに対して隔離して形成することができる。このように、キャップ組立体３０及び燃焼器ケーシング３１は、これらの間に流れアニュラス２６の軸方向セクションを形成することができる。理解されるように、キャップ組立体３０は、キャップ組立体３０の後方端に又はその近くに配置することができる前方噴射装置２１のノズル２３をさらに収容し、構造的に支持することができる。

前方噴射装置２１のすぐ下流側に存在する後方チャンバ又は燃焼ゾーン２９は、燃焼器のタイプに応じてライナ３２と呼ぶことができる、半径方向内壁２４の軸方向セクションによって円周方向に定めることができる。このライナ３２から、後方チャンバ２９は、移行部分３４と呼ばれることが多い、半径方向内壁２４の下流側セクションを通って後方に延在することができる。理解されるように、この半径方向内壁２４の後方軸方向セクションは、高温燃焼ガス流を、燃焼器１３とタービン１２との接続部に向けて方向付ける。他の構成も可能であるが、移行部分３４内では、後方チャンバ２９（すなわち、燃焼ゾーン２９）の断面積は、通常は円形形状のライナ３２からより環状形状の移行部分３４の出口へと滑らかに移行し、このことは、高温ガス流をタービンブレードへと所望の方法で方向付けるために必要である。理解されるように、ライナ３２及び移行部分３４は、機械的連結などの何らかの従来の方法によって接合される別個に形成された構成要素として構成することができる。しかしながら、他の設計によれば、ライナ３２及び移行部分３４は、一体の構成部品又は一体構造として形成することができる。従って、別途指示されていない限り、半径方向内壁２４への言及は、いずれの代替案も包含するものと理解すべきである。

既述のような半径方向外壁２５は、半径方向内壁２４を囲むことができ、これらの間に流れアニュラス２６が形成される。例示的な構成によると、ライナスリーブ３３と呼ぶことができる半径方向外壁２５のセクションが、半径方向内壁２４のライナ３２セクションの周りに配置される。他の構成も可能であるが、ライナ３２及びライナスリーブ３３の形状は円筒形とし、同心状に配置することができる。示されるように、キャップ組立体３０と燃焼器ケーシング３１との間に形成される流れアニュラス２６のセクションは、ライナ３２とライナスリーブ３３との間に定められる流れアニュラス２６のセクションに接続することができ、このようにして、流れアニュラス２６は後方に（すなわち、タービン１２に向けて）延在する。同様に、示されるように、移行スリーブ３５と呼ぶことができる、半径方向外壁２５のセクションが、半径方向内壁２４の移行部分３４セクションの周りに配置される。図示のように、移行スリーブ３５は、移行部分３４を囲むように構成され、流れアニュラス２６はさらに後方に延長される。

提示される例によると、流れアニュラス２６は、ヘッド端部１９の端部カバー２７に定められる前方端から後方フレーム２０付近の後方端までの間に軸方向に延在することが理解されるであろう。より具体的には、半径方向内壁２４及び半径方向外壁２５（キャップ組立体３０／燃焼器ケーシング３１、ライナ３２／ライナスリーブ３３、及び移行部分３４／移行スリーブ３５の対の各々により定めることができるような）は、流れアニュラス２６が燃焼器１３の軸方向長の大部分にわたって延在するように構成できることが理解されるであろう。理解されるように、ライナ３２及び移行部分３４のように、ライナスリーブ３３及び移行スリーブ３５は、機械的連結などの何らかの従来の方法を介して接続される別個に形成された構成要素を含むことができる。しかしながら、他の設計によると、ライナスリーブ３３及び移行スリーブ３５は、一体の構成要素又は一体構造として一緒に形成することができる。従って、別途指示されていない限り、半径方向外壁２５への言及は、いずれの代案も包含するものと理解すべきである。

ライナスリーブ３３及び／又は移行スリーブ３５は、燃焼器１３の外部の加圧空気が流れアニュラス２６に流入するのを可能にする、複数のインピンジメントポート４１を含むことができる。図２に示されるように、圧縮機吐出ケーシング４３は、燃焼器１３の周りに圧縮機吐出キャビティ４４を定めることが理解されるであろう。従来の設計によると、圧縮機吐出キャビティ４４は、圧縮機１１からの供給加圧空気を受け取るように構成することができ、加圧空気は、インピンジメントポート４１を通して流れアニュラス２６に流入する。理解されるように、インピンジメントポート４１は、燃焼器１３に流入する空気流に衝突するように構成することができ、その結果、高速で移動する空気噴流が生成される。これらの噴流は、上述のようにライナ３２及び移行部分３４又は一体構成を含むことができる、半径方向内壁２４の外面に対して向けられ、作動中に半径方向内壁２４を対流冷却する。従来の設計によると、ひとたび流れアニュラス２６に入ると、加圧空気は通常、燃焼器１３の前方端に向けて方向付けられ、そこで、キャップ組立体３０内に形成された１つ又はそれ以上のキャップ入口４５を介して、空気流は、キャップ組立体３０の前方領域に流入する。ひとたびキャップ組立体３０内に入ると、次に、加圧空気は、前方噴射装置２１のノズル２３に方向付けられ、そこで、既述のように、燃焼ゾーン２９内での燃焼のために燃料と混合される。

図３は、燃焼ゾーン２９への燃料及び／又は空気の後方、下流側、又は軸方向の多段噴射を可能にする多段噴射システム５０を有する燃焼器１３の図を示す。このような燃料及び／又は空気噴射システムは、一般的に、補助噴射システム、遅延希薄（ｌａｔｅ－ｌｅａｎ）噴射システム、軸方向多段噴射システム、再熱システム等と呼ばれることが理解されるであろう。本明細書で用いられる場合、これらのタイプの燃料及び空気噴射装置、噴射システム、及び／又はそれと関連した構成要素は、全体的に、本明細書で与えられる場合を除いて限定なしに、「多段噴射システム」と呼ばれ、こうしたシステム内で用いられる噴射装置は、「多段噴射装置」と呼ばれる。さらに、図３の多段噴射システムは、例示的な従来の設計と一致しており、単に例示目的で与えられていることがさらに理解されるであろう。

理解されるように、多段噴射システムは、エミッションの低減を含む多くの理由でガスタービン燃焼器用に開発されてきた。ガスタービンのエミッションレベルは、多くの基準に依存するが、重要な要因は、燃焼ゾーン内の反応物の温度に関連し、これは、その他のものよりもＮＯｘなどの特定のエミッションレベルに影響を与えることが分かっている。燃焼ゾーン内の反応物の温度は、燃焼器の出口温度と比例関係があり、これは、高い圧力比、及びブレイトンサイクル型エンジンにおける改善された効率レベルに対応することが理解されるであろう。ＮＯｘのエミッションレベルは、反応物の温度と強い直接的な関係があることが分かっているので、今日のガスタービンは、許容可能なＮＯｘエミッションレベルを維持すると同時に、最新の燃料ノズル設計及び予混合などの技術的進歩のみによって燃焼温度を上昇させことが可能である。これらの進歩以降、燃焼ゾーン内のより高温での反応物の滞留時間が短いと、ＮＯｘレベルが減少することが分かっているので、燃焼温度の更なる上昇を可能にするために、軸方向多段噴射が利用されている。

作動においては、理解されるように、こうした多段噴射システムは通常、燃焼器の総空気及び燃料供給の一部を、一般的に燃焼器の前方端の一次噴射ポイントの下流側に導入する。噴射装置のこうした下流側への配置により、燃焼反応物が高温の火炎ゾーンに留まる時間が短縮することが理解されるであろう。換言すれば、火炎ゾーンを出る前に反応物が移動する距離を短縮することで、これらの反応物が高温の火炎ゾーン内にある時間が短くなり、それによりＮＯｘの形成が低減し、全体のＮＯｘエミッションレベルが低下する。このことにより、燃料／空気混合又は予混合技術を下流側噴射の反応物滞留時間の短縮と結合して、燃焼器の燃焼温度の更なる上昇、及び重要なことにはより効率的なエンジンを達成する一方で、許容可能なＮＯｘエミッションレベルも維持する、最新の進燃焼器設計が可能になった。理解されるように、他の考慮事項により、下流側噴射を実施できる手法及び範囲が制限される。例えば、下流側噴射は、ＣＯ及びＵＨＣのエミッションレベルの上昇を引き起こすことがある。すなわち、燃料が、燃焼ゾーンの下流側の遠すぎる位置で過剰な量を噴射された場合、燃料の不完全燃焼又はＣＯの不十分なバーンアウトを生じることがある。従って、遅延噴射の概念に関する基本原理及び特定のエミッションに影響を及ぼすための使用方法は一般的に周知であるが、この戦略を最もよく利用し、より効率的でクリーンに運転するエンジンを可能にする方法に関して、設計上の障害が残っている。

図３に示されるような１つの例示的な構成において、多段噴射システム５０は、前方噴射装置２１、並びに１つ又はそれ以上の多段噴射装置５１を含む。本明細書で使用される場合、多段噴射装置５１は、前方噴射装置２１から後方に軸方向に離間配置された噴射装置である。例示的な構成によると、多段噴射装置５１の各々は、噴射管５３に接続する燃料通路５２を含む。噴射管５３内には、燃焼ゾーンの下流側部分に噴射するために、燃料／空気混合気が生成される。示されるように、燃料通路５２は、燃焼器１３の半径方向外壁２５内に収容され得るが、燃料送給のための他の装置及び方法も可能である。燃料通路５２は、ヘッド端部１９付近に見出される燃料供給源への接続部と多段噴射装置５１との接続部との間に延在することができる。他の構成も可能であるが、多段噴射装置５１の複数のものを燃焼ゾーン２９の周囲の周りに配置することができる。図示されるように、多段噴射装置５１の軸方向の配置は、ライナ３２／ライナスリーブ３３組立体の後方端とすることができる。他の軸方向の配置も可能である。噴射管５３は、流れアニュラス２６に交差し、これにわたって延在し、かつ燃焼ゾーン２９内への噴射のために流れをその中に送給するように構成することができる。

図３の例にさらに示されるように、多段噴射システム５０は、燃焼器１３の後方チャンバ２９の周りに円周方向に離間配置された幾つかの多段噴射装置５１を含むことができる。こうした多段噴射装置５１は、ライナ３２／ライナスリーブ３２組立体、又は移行部分３４／移行スリーブ３５組立体（又は、より一般的には、半径方向内壁２４／半径方向外壁２５組立体）内に統合することができる。多段噴射装置５１は、燃焼ゾーン２９の周りの複数の円周方向に離間配置されたポイントに、燃料／空気混合気が噴射されるように配列することができる。示されるように、多段噴射装置５１は、共通の軸方向位置の周りに配置することができる。言い換えれば、複数の多段噴射装置５１は、燃焼器１３の長手方向中心軸線４７に沿って概ね同じ軸方向位置の周りに配置することができる。この構成を有する場合、多段噴射装置５１は、共通の平面上に、又は本明細書で言及されるように、図３に示されるような噴射基準面４８上に配置されるものとして記載することができる。

図４及び図５は、従来の多段噴射装置５１の例示的な構成を示す。示されるように、例示的な多段噴射装置５１の各々は、流れアニュラス２６にわたって延在する噴射管５３を含むことができる。噴射管５３は、噴射通路５７を定める円筒形管として構成することができる。噴射通路５７は、燃焼ゾーン２９への最終的な噴射のために、流れアニュラス２６にわたって多段噴射装置５１内に集められる燃料／空気を送るように構成することができる。

ここで特に、１つの構成による図４を参照すると、噴射管５３は、噴射管５３を、燃焼器１３の半径方向外壁２５を囲む圧縮機吐出キャビティ４４に流体接続する外側ポート５４を介して、供給空気を吸い込む。他の構成も可能であるが、噴射管５３は、（燃料通路５２を介してそこに送給される）燃料を、吸い込んだ供給空気に噴射するための燃料ポート５６をさらに含むことができる。図５に示されるような代替的な構成によると、多段噴射装置５１は、噴射管５３の外側端部の周りに配置されたカバー６３を含むことができる。図示のように、カバー６３を使用して、空気が圧縮機吐出キャビティ４４から直接噴射管５３内に流入するのを制御、制限、又は防止することができる。理解されるように、カバー６３はまた、付加的な体積の密閉空間を生成するように構成することもでき、その中で、噴射前に燃料と空気をより完全に混合することができる。こうしたカバー６３は、多段噴射装置５１を圧縮機吐出キャビティ４４との直接流体連通から実質的に隔てる働きをし得ることが理解されるであろう。代わりに、多段噴射装置５１は、流れアニュラス２６からの供給空気が吸い込まれる、噴射管５３を通って形成された横方向ポート５５を含むことができる。

ここで図６乃至図１８を全体的に参照すると、本発明による多段噴射装置及び関連する構成要素が説明される。理解されるように、本発明の多段噴射装置は、既述のように、燃焼ゾーンの下流側又は後方端内に燃料と空気の混合気を噴射するように構成することができる、下流側、遅延希薄、又は多段噴射システムの部分として使用することができる。最初の状況として、多段噴射装置及び種々の関連する構成要素は、それらが動作する燃焼器／ガスタービンの既述の配向特性に従って説明することができることが理解されるであろう。従って、本明細書での目的のために、多段噴射装置及び種々の関連する構成要素についての相対的な半径方向、軸方向、及び円周方向の配置は、（上述のように、半径方向内壁２４により定められる燃焼ゾーン２９を通って延在する）燃焼器１３の長手方向中心軸線４７を基準にして説明することができる。さらに、本明細書で用いられる場合、前方及び後方方向は、（ヘッド端部１９の位置により定められるような）燃焼器の前方端、及び（タービン１２との接続部より定められるような）燃焼器１３の後方端を基準にして定められる。最終的に、流れ方向（及びそれに関連する上流及び下流の名称）は、エンジンの通常運転中の指定された導管内の流体の予期される流れ方向を基準にして定められる。

ここで図６を特に参照すると、一例によれば、本出願の多段噴射装置５１は、噴射通路５７を定める噴射管５３を含む。噴射管５３は、一端に形成された入口６１と他端に形成された出口６２との間に延在する剛性横方向壁を含むことができ、これらの間で、横方向壁は噴射通路５７を取り囲むことができる。示されるように、噴射管５３の出口６２は、噴射通路５７を燃焼ゾーン２９に流体接続するが、入口６１は、出口６２の外側に配置され、噴射管５３が燃焼ゾーン２９に対して急峻な噴射角を維持するように配置される。（本明細書で用いられる場合、噴射角度とは、噴射通路５７の長手方向軸線と燃焼ゾーン２９の長手方向軸線との間に形成される角度である）。示されるように、噴射角度は、約９０°である。他の実施形態によると、噴射角度は、７０°から１１０°までの間にすることができる。噴射管５３は、外側セグメント５８を含むことができ、これは、本明細書で用いられる場合、噴射管５３の外側端部における、噴射管５３の長手方向に定められるセグメントである。示されるように、一方の側に、外側セグメント５８は、噴射管５３の入口６１に接することができる。外側セグメント５８は、理解されるように、外側セグメント５８の周囲を定める外面５９を含む。外側セグメント５８はさらに、噴射通路５７の一部を定める内面６０をさらに含むことができる。

示されるように、本実施形態によると、多段噴射装置５１は、噴射管５３の外側セグメント５８の周りに形成されるカバー６３をさらに含む。カバー６３は、周囲のプレナム６６内に外側セグメント５８を実質的に取り囲むように構成することができる。本明細書での便宜上、カバー６３は、シーリング壁６９に移行する側壁６８を含むものとして説明されることがある。示されるように、側壁６８は、噴射管５３の外側セグメント５８と半径方向に重なり、これを囲むカバー６３の部分である。周囲プレナム６６の第１の部分７２は、カバー６３の側壁６８と外側セグメント５８の外面５９との間に形成されるものとして説明されることがある。同じく図示されるように、シーリング壁６９は、噴射管５３の入口６１の外側に形成されたカバー６３の半径方向外側部分である。シーリング壁６９は、外側境界又は側壁６８の端部の間にわたって延在して、噴射管５３の入口６１の外側の周囲プレナム６６の第２の部分７３を形成することができる、具体的には、周囲プレナム６６の第２の部分７３は、入口６１とシーリング壁６９との間に形成されるものとして説明されることがある。理解されるように、周囲プレナム６６の第１の部分７２及び第２の部分７３は、物理的に分離されていないが、本明細書での便宜上、別個の空間として定められている。特定の好ましい実施形態によると、噴射管５３の外側セグメント５８は、円筒形形状を有することができ、カバー６３の側壁６８もまた、円筒形状を有することができる。噴射管５３の外側セグメント５８及びカバー６３の側壁６８は、同心状に配置することができる。

多段噴射装置５１は、本明細書では方向性カバーポート６５と呼ばれる、カバー６３を通って形成される方向性ポートをさらに含むことができる。例示的な実施形態によると、方向性カバーポート６５は、カバー６３の側壁６８の一方の側を通って形成されるので、周囲プレナムに流入する空気流は、非対称形であるか又は特定方向にバイアスがかけられる。こうした場合、方向性カバーポート６５は、周囲プレナム６６の第１の部分７２を、カバー６３の外部に形成された供給キャビティに流体接続する。以下にさらに説明されるように、供給キャビティは、半径方向内壁２４及び外壁２５に対する多段噴射装置５１の構成に応じて、圧縮機吐出キャビティ４４又は流れアニュラスとすることができる。

多段噴射装置５１は、噴射管５３の外側セグメント５８の外面５９上に配置された、流れを方向付ける横方向ベーン７０をさらに含むことができる。横方向ベーン７０は、方向性カバーポート６５を通る周囲プレナム６６の第１の部分７２に流入する空気流を半径方向に偏向するように構成することができる。理解されるように、半径方向の偏向により、空気流が、周囲プレナム６６の第２の部分７３の方向に向け直され、そこで、噴射管５３の入口６１へ入ることができる。横方向ベーン７０は、より有効で均一な燃料供給との混合のために、多段噴射装置５１を通って移動する空気流を調和するように構成することができる。この特徴により、噴射管５８への入口の流れの方向性及び速度が決定される。理解されるように、入口のすぐ下流側は、流れが燃料と混合される場所である。一様で同質の燃料／空気の混合を達成するのは重要であるので、本明細書で提示されるような横方向ベーン７０は、この結果を促進するために、空気流を調和する極めて重要な機能を果たすことができる。

外面５９と内面６０との間にさらに示されるように、噴射管５３の外側セグメント５８は、燃料プレナム６４を含むことができる。燃料プレナム６４は、噴射通路５７の周りを囲む連続する通路を含むことが好ましい。このように、燃料プレナム６４は、燃料を、噴射通路５７の周りに円周方向に離間配置された幾つかの燃料ポート５６に送給することができる。燃料ポート５６は、噴射管５３の内面６０を通って形成することができる。代替的な実施形態によると、燃料ポート５６は、噴射管５３の外面５９を通って形成される。

ここで図７を参照すると、噴射管５３の外側セグメント５８の斜視図が提示され、そこに取り付けることができる横方向ベーン７０の例示的な構成を示す。示されるように、横方向ベーン７０は、ほぼ半径方向に配向されたフィンとして構成することができる。各々は、外側セグメント５８の外面５９から突出し、これに対して急峻な角度を形成することができる。例示的な実施形態によると、横方向ベーン７０は、これを直接囲む外面５９に対してほぼ垂直に延在することができる。本明細書での便宜上、横方向ベーン７０の各々は、示されるように、反対側にある近端部（ｎｅａｒｅｄｇｅ）７６及び遠端部（ｆａｒｅｄｇｅ）７７、並びに反対側にある内側端部７８及び外側端部７９を含むことができる、その外周を定める端部を介して説明することができる。示されるように、近端部７６は、横方向ベーン７０が外側セグメント５８の外面５９に取り付けられる端部として示されるが、遠端部７７はそれの反対側の端部であり、外面５９からオフセットしている。内側端部７８は、横方向ベーン７０の最も内側の端部であるが、外側端部７９は、横方向ベーン７０の最も外側の端部である。さらに、横方向ベーン７０は、以下のように指定される寸法特性を含む：すなわち、横方向ベーン７０の高さは、内側端部７８と外側端部７９との間の半径方向距離の寸法であり、及び横方向ベーン７０の幅は、近端部７６と遠端部７７との間の距離の寸法である。

便宜上、同じく図７に示されるように、噴射管５３の外側セグメント５８をほぼ半分に二等分又は分割する基準二等分面８１が描かれている。理解されるように、こうするために、次に、外側セグメント５８の外面５９は、対向する第１及び第２の外面５９ａ、５９ｂに分割される。基準二等分面８１は、基準二等分面８１が最初に外側セグメント５８の外面５９に交差する点の上流端８３と、基準二等分面８１の延長部が次に外側セグメント５８の外面５９に交差する点の下流端８４とを含むことができる。こうした場合、理解されるように、第１の外面５９ａ及び第２の外面５９ｂの各々は、（基準二等分面８１の上流端８３に定められる）上流端８５及び（基準二等分面８１の下流端８４に定められる）下流端８６を含むものとして説明することができる。以下にさらに説明されるように、基準二等分面８１は、空気流が周囲プレナム６６を通って流入して流れる方向性に従って配向することができる。より具体的には、基準二等分面８１は、上流端８３からの基準二等分面８１の延長部が、方向性カバーポート６５に向けられる又はこれを二等分するように配向することができる。

さらに図示されるように、好ましい実施形態によると、第１の外面５９ａ及び第２の外面５９ｂの両方とも、複数の横方向ベーン７０を含む。各々の外面５９ａ、５９ｂ上で、複数の横方向ベーン７０は、上流端８５と下流端８６との間に円周方向に離間配置することができる。同じく示されるように、横方向ベーン７０自体は、外面５９の上流端８５及び下流端８６への相対的近接性に従った、上流面８７及び下流面８８として指定される対向する面を含むものとして説明することができる。最終的に、本明細書で使用されるように、横方向ベーン７０の上流面８７の表面積は、上流面８７の総表面積を記載する指標であり、これは以下の説明において参照される。

ここで特に図８及び図９を参照すると、多段噴射装置５１は、方向性カバーポート６５を介して、圧縮機吐出キャビティ４４から直接、又は代替的に流れアニュラス２６を介して圧縮機吐出キャビティ４４から間接的に、供給空気を受け取るように構成することができる。燃焼器１３は、既述のように、半径方向内壁２４、半径方向外壁２５、及びそれらの間に形成される流れアニュラス２６を含むことができ、圧縮機吐出キャビティ４４は、半径方向外壁２５の周りに形成することができる。周囲プレナム６６の内側境界は、フロア壁８９として指定することができる。従って、周囲プレナム６６の内側側は、フロア壁８９によりさらに境界付けることができ、これは側壁６８の内側境界又は端部の間にわたって延在する。従って、フロア壁８９は、周囲プレナム６６にわたってシーリング壁６９に対向する。噴射管５３の外側セグメント５８の内側境界は、フロア壁８９に対して定めることができる。具体的には、外側セグメント５８の内側境界は、フロア壁８９と同一平面上にあるものとして説明することができる。図８に示されるような１つの可能な構成によると、フロア壁８９は、燃焼器の半径方向外壁２５と概ね同一平面上にある。この場合、方向性カバーポート６５の供給キャビティは、燃焼器１３の半径方向外壁２５の周りに形成される圧縮機吐出キャビティ４４になる。従って、図示のように、カバー６３の側壁６８を通って形成される方向性カバーポート６５は、圧縮機吐出キャビティ４４から直接、空気流を受け入れる。代替的に、図９に図示されるように、フロア壁８９は、燃焼器１３の半径方向外壁２５の内側に形成することができる。この場合、示されるように、方向性カバーポート６５は、流れアニュラス２６に直接接続することができる。いずれの場合も、カバー６３のシーリング壁６９は、供給キャビティから、周囲プレナム６６の第２の部分７３を流体分離する連続壁として説明することができ、これは、多段噴射装置５１に対する供給空気全体が、側壁６８内に形成された開口部（すなわち、方向性カバーポート６５）を通ってくることを意味する。

方向性カバーポート６５は、カバー６３の側壁６８の一方の側のみに配置される及び／又は集中される１つ又はそれ以上の開口部を含むことができる。理解されるように、方向性カバーポート６５がこの方式で配置された場合、周囲プレナム６６を通る結果として生じる空気流は、強い方向バイアスを有する。横方向ベーン７０がない場合、流入時の初期方向と噴射管５３の入口６１に流入するのに必要な方向との間の方向差に起因して、噴射管５３の周囲の周りの流れの量は変化する。本明細書で提供される場合、横方向ベーン７０は、空気を、流入時の支配的な軸方向の流れから、入口６１に向けて配向される半径方向の流れへ向け直すように配置し、配向することができる。従って、作動時、方向性カバーポート６５を介して周囲プレナム６６に流入する空気流の部分は、横方向ベーン７０によって、噴射管５３の入口６１の方に向け直すことができる。このことは、流れ全体の方向が入口６１に向けて徐々に転向されるように、より空気力学的に有効な方式で行うことができる。以下にさらに説明されるように、横方向ベーン７０は、噴射管５３の入口６１の周りの流れを調和し、バランス調整するように互い違い配置にすることができ、そのことは、多段噴射装置５１の空気力学的性能をさらに向上させることができる。この互い違い配置は、高さ、幅及び表面積を含む横方向ベーン７０の様々なサイズ、横方向ベーン７０の配置、並びに横方向ベーン７０が噴射管５３の軸線に対して傾斜される又は角度付けされる度合いを含むことができる。

ここで図１０及び図１１を参照すると、噴射管５３の外面５９の周り横方向フィン７０の例示的な円周方向配置を示す初期の非互い違い配置の実施形態が提示される。図１０は、噴射管５３の外側セグメント５８の側面図を提示し、基準二等分面８１の両側に生成することができる外面５９ａ、５９ｂの一方の上への横方向ベーン７０の配置を示し、一方、図１１は同じ構成の外側の図を提示する。示されるように、横方向フィン７０は、外面５９の周囲の周りに均等に離間配置することができる。図１１に最も明確に示されるように、基準二等分面８１は、その方向が矢印で示される、周囲プレナム６６を通る支配的な流れ方向に従って位置合わせすることができる。説明されるような支配的な流れ方向は、カバー６３の一方の側のみに限定された配置を含むことができる１つ又はそれ以上の方向性カバーポート６５の非対称配置に由来するものである。流れ方向は、カバー６３の側壁６８を横切る圧力差に応じてさらに成長することができ、この圧力差は、例えば、供給キャビティがアニュラス２６であり、そこを通って移動する供給空気全体が燃焼器１３のヘッド端部１９に向けて方向付けられる場合に存在し得る。

図１０及び図１１の例によると、横方向ベーン７０は、半径方向に配向することができ、直線構成を有する。従って、横方向ベーン７０は、横方向ベーン７０の内側端部７８と外側端部７９との間に半径方向に延在する略直線通路を定めることができる。代替的に、図１２に関連してより明確に示されるように、横方向ベーン７０は、湾曲した又は部分的に湾曲した経路を定めることができる。横方向ベーン７０は、上流面８７上に凹状面セクションを有する横方向ベーン７０の各々を含むことができる。好まし実施形態によると、この凹状面セクションは、横方向ベーン７０の内側端部７８付近に配置することができ、つまり、これは横方向ベーン７０の内側端部７８を境界付ける。さらに示されるように、図１０及び図１１の非互い違い配置構成によると、横方向ベーン７０の高さ及び幅は、外面５９ａ、５９ｂの各々にわたって実質的に一定のままとすることができる。図１２乃至図１５に関連して以下に説明されるような、例示的な互い違い配置の実施形態によると、空気力学的性能の向上を促進するように、円周方向位置に従って、横方向ベーン７０の高さ及び幅を変化させることができる。

ここで図１２乃至図１５を参照すると、互い違い配置構成に従って、横方向ベーン７０を外面５９上に形成し配置することができる。理解されるように、図１２乃至図１４は、基準二等分面８１の両側に定められる噴射管５３の外側セグメント５８の外面５９ａ、５９ｂの半分を示し、一方、図１５は外側セグメント５８の外側の図を提示する。本発明によると、互い違い配置構成は、周囲プレナム６６内の空気流の方向性を説明するように意図される、横方向ベーン内の方向非対称性又は寸法の変動を含むことができる。示されるように、本発明の互い違い配置構成は、周囲プレナム６６の第１の部分７２に流入する流れを有利に調和するものとすることができ、段における流れをより半径方向に配向されたトラックに沿って入口６１に向けて半径方向に偏向させ、かつ流れ全体の部分が、噴射管５３の入口６１の異なる側により均一に送給されるように前進する。理解されるように、このように、互い違い配置構成は、流れを調和及び調量することができるので、噴射管５３についての空気力学的性能が向上し、そのことは噴射管５３内の燃料混合特性を改善することができる。

図１２は、本発明の例示的な実施形態による、横方向ベーン７０が互い違い配置される、噴射管５３の外側セグメント５８の概略側面図である。この場合、互い違い配置構成は、横方向ベーン７０の円周方向位置に対する、横方向ベーン７０の様々な高さ、並びに上流面８７の表面積を含む。好ましい実施形態によると、様々な高さは、外面５９の下流端８６付近の横方向ベーン７０の各々の円周方向位置のような漸進的な増加を含む。理解されるように、この結果、表面積も同様に漸進的に増加する。

図１３は、本発明の代替的な実施形態による、互い違い配置される横方向ベーン７０を有する噴射管５１の外側セグメント５８の概略側面図である。この例において、横方向ベーン７０の高さは一定のままである。横方向ベーン７０の高さはまた、外側セグメント５８の外面５９の全高よりもずっと低く、これにより横方向ベーン７０の間の半径方向配置が著しく変化することが可能になる。従って、横方向ベーン７０は、外面５９上の横方向ベーン７０の相対的な半径方向配置に従って互い違い配置にすることができる。具体的には、図１３の代案によると、互い違い配置構成、横方向ベーン７０の円周方向位置に対する、横方向ベーン７０の様々な半径方向位置を含む。好ましい実施形態によると、横方向ベーン７０の内側端部７８の半径方向位置は、ベーン７０の円周方向位置が下流端８６に近づくにつれて、フロア壁８９のより近くに配置され得る。

図１４は、本発明の代替的な実施形態による、互い違い配置された横方向ベーン７０を有する噴射管５３の外側セグメント５８の概略側面図である。上の図においてより少ない程度に既に示したように、横方向ベーン７０は、噴射管５３に対して傾斜させることができる。具体的には、横方向ベーン７０は、噴射管５３の長手方向軸線に対して角度を付けることができる。横方向ベーン７０は内側端部７８から外側端部７９へ延在するので、この傾斜又は角度は、横方向ベーン７０が下流方向（すなわち、外面５９の下流端８６）に傾斜する下流傾斜構成とすることができる。特定の実施形態によると、横方向ベーン７０の各々は、この下流傾斜構成を含むことができる。横方向ベーン７０の各々は、同じ角度に従って、又は図１４に示される例示的な構成に従って傾斜させることができ、横方向ベーン７０は、様々の角度によって下流に傾くことができる。このように、図示のように、代替的な互い違い配置構成は、横方向ベーン７０の円周方向位置に対して、下流傾斜構成の角度を変化させることにより形成することができる。示されるように、これは、ベーン７０の円周方向位置が下流端８６に近づくにつれて、横方向ベーン７０がより少ない傾斜となる（すなわち、より半径方向に配向される）ことを含むことができる。

図１５は、別の代案による、互い違い配置された横方向ベーン７０を有する噴射管５１の外側セグメント５８の概略上面図である。図示のように、この場合の互い違い配置構成は、各々の円周方向位置に対する、横方向ベーン７０の様々な幅を含む。既述のように、横方向ベーン７０の幅は、近端部７６と遠端部７７との間の距離である。好ましい実施形態によると、幅は、横方向ベーン７０の各々の円周方向位置によって漸進的に変化することがある。具体的には、横方向ベーン７０の幅は、横方向ベーン７０の位置が外面５９の下流端８６に近づくにつれて、増大し得る。

ここで図１６乃至図１８を参照すると、カバー６３が、供給キャビティから周囲プレナム６６に流入する空気流を調和するように構成される、複数の小さなスクリーニング又は調和アパーチャ（「アパーチャ９１」）を含むスクリーニングセクション又はプレート（「スクリーニングプレート９０」）を含む、多段噴射装置５１の代替的な実施形態が示される。図１６乃至図１８に関連して説明される本発明の態様は、図６乃至図１５に関連して上記に与えられる態様と独立して又はこれと併用して用い得ることが意図される。本明細書で提供される場合、現在説明されるスクリーニングプレート９０は、多段噴射装置５１への所望の入口の流れのレベルを可能にし、性能利点のためにその流れを調和し、燃料供給と有利に混合するために噴射管５３の入口６１に供給される空気流の変動性を定めて制御することを可能にするように構成することができる。付加的な利点として、改善されたエミッション及びより頑丈な火炎保持マージンが挙げられる。本実施形態はまた、その製造容易性及び組み立ての効率が与えられる場合、コスト削減を可能にすることもできる。例えば、本設計は、損傷部品を好都合に交換すること、並びに、これをコスト効果の高いものにし、構成要素を交換して多段噴射装置５１内に新しい目標の空気流を達成することを可能にする。考察されるように、カバー６３の本設計はまた、構成要素の中心線の周りに多段噴射装置５１を配置し、これに直接ボルト留めすることによって、流路の変動性を定めて制御する。理解されるように、空気流のレベル及び流路の変動性は、厳密に制御することができる。

図１６は、例示的な実施形態による、スクリーニングプレート９０を有するカバー６３を含む多段噴射装置５１の断面図であり、一方、図１７及び図１８は、それぞれ、カバー６３自体の斜視図及び側面図である。示されるように、例示的な構成によると、スクリーニングプレート９０は、カバー６３の側壁６８のセクションとして形成される。従って、スクリーニングプレート９０は、噴射管５３を囲む又はその周りを囲む円筒形構成を有することができる。スクリーニングプレート９０は、噴射管５３に対して同心状に配置することができる、すなわち、スクリーニングプレート９０は、一定の距離だけ噴射管５３からオフセットすることができる。理解されるように、スクリーニングプレート９０が噴射管５３からオフセットしている距離は、周囲プレナム６６の第１の部分７２のサイズを定める。

他の構成も可能であるが、スクリーニングプレート９０のアパーチャ９１は、多段噴射装置５１の周囲の周りに延在する幾つかの横列（ｒｏｗ）及び／又は縦列（ｃｏｌｕｍｎ）に組織化することができる。つまり、好ましい実施形態によると、スクリーニングプレート９０及びこれと関連したアパーチャ９１は、側壁６８の周囲全体の周りに延在することができる。他の実施形態によると、スクリーニングプレート９０及びこれと関連したアパーチャ９１は、側壁６８の周囲の少なくとも大部分の周りに延在することができる。例えば、スクリーニングプレート９０及びアパーチャ９１の例示的な実施形態は、側壁６８の周囲の約４分の３（０．７５）の周りに延在する。こうした実施形態は、依然として、既述の性能利点の多くを達成することができる。

本実施形態は、多数のアパーチャ９１を有するスクリーニングプレート９０を含む。理解されるように、可能な実施形態は、示される例示的な量よりも多い又は少ないアパーチャ９１を含むことができる。特定の好ましい実施形態によると、アパーチャ９１の数は、５０から３００までの間にすることができる。さらに図示されるように、アパーチャ９１は、緊密にパックされていてもよい。好ましい実施形態によると、カバー６３の周りに円周方向に延在する複数の線形の横列を設けることができる。これらの線形横列のアパーチャ９１は、半径方向に積み重ねることができる。示されるように、５つこうした横列を設けることができるが、より多い又はより少ない横列を有する他の構成が可能である。示されるように、アパーチャ９１が円形断面形状を有する場合、アパーチャ９１の配置は、六角形のパッキングスキームに従って、隣接する横列間に部分的な重なりのある状態で高密度に配置することができる。この場合、開口部を定めるスクリーニングプレート９０内の残りの構造は、ウェブ様又は格子の外観をとることがある。他の構成も可能である。

アパーチャ９１の断面形状は、円形又は長円形であることが好ましいが、他の形状も可能である。アパーチャ９１は、カバー６３の外面と概ね垂直な通路に沿って、スクリーニングプレート９０の厚さを通って延在するように構成することができる。このように、アパーチャ９１は、各々が概ね噴射管５３に、より好ましくは噴射管５３の中心軸線に向けて配向されるか又は向けられるように、軸線に沿って製造される。例示的な実施形態によると、アパーチャ９１の各々がスクリーニングプレート９０を通って延在する配向の軸線は、周囲プレナム６６の第１の部分７２にわたって特定のアパーチャ９１に直接対向する、噴射管５３の外面５９の区域に又はその方向に向けることができる。図１７及び図１８にさらに図示されるように、側壁６８は、スクリーニングプレート９０を部分的に遮断する燃料通路開口部９３を含むことができる。燃料通路５２を多段噴射装置５１に接続するための他の構成も可能である。

アパーチャ９１の断面流れ面積は、多段噴射装置５１による所望の空気流吸い込みレベルを可能にするように変化し得るが、流入する流れに対する特定の方向性及び速度を促進するようにも成形され配向される。このように、スクリーニングプレート９０は、方向性、速度及び噴射管５３の周りの流れレベルを望ましく制御するように構成することができる。理解されるように、スクリーニングプレート９０は、広い範囲の流れレベル、速度及び方向に従って空気流を調和することができる。具体的には、スクリーニングプレート９０の円筒形状は、周囲プレナム６６内の空気流の初期方向を、噴射管５３内の最終的な流れ方向に対してあまり著しく変化させないことを可能にする。アパーチャ９１の断面流れ面積は、スクリーニングプレート９０の周囲の周りで一定にすることができる。代替的な実施形態によると、アパーチャ９１の断面流れ面積のサイズは、周囲プレナム６６内の所定の又は所望の流れ特性に従って変化し得る。例えば、１つの好ましい実施形態によると、スクリーニングプレート９０の１つの領域におけるアパーチャ９１の断面流れ面積は、スクリーニングプレート９０の別個の領域におけるアパーチャの断面流れ面積に関して変化する。理解されるように、これは、例えば、噴射管５３の周りの一様な流量を達成するためになされ得る。例えば、作動中、カバー６３の外部にわたって圧力差が予想されるとき、アパーチャ９１の断面積は、より高い圧力レベルが予想される場合には低減され、及び／又は、より低い圧力レベルが予想される場合には増大され得る。このように、多段噴射装置５１への流れレベルは、空気力学的損失が最小となるようにバランス調整することができる。このタイプの実施形態は、空気流が高指向性である、流れアニュラス２６などの供給キャビティ内で使用することができる。

好ましい実施形態によると、カバー６３はまた、該カバー６３を噴射管５３に固定するための、シーリング壁６９の中心を通って形成される開口部９３を含むこともできる。この場合、例えば、２つの構成要素が意図されたように位置合わせされることも確実にしながら、カバー６３を噴射管５３の周りに効率的に固定するために、ねじ付ボルト９４を用いることができる。

当業者であれば理解されるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述された多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するよう更に選択的に適用することができる。簡潔にするため、及び当業者の能力を考慮して、実施可能な繰り返しの全ては本明細書で詳細には提供され又は説明していないが、以下の複数の請求項又はその他によって包含される全ての組合せ及び可能な実施形態は、本出願の一部をなすものとする。加えて、本発明の幾つかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者には、その改善、変更、及び修正が明らかであろう。当該技術分野の範囲内にあるこのような改善、変更、及び修正はまた、添付の請求項によって保護されるものとする。さらに、上記のことは、本出願の説明される実施形態にのみに関連しているが、以下の請求項及びその均等物によって定められる本出願の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。

１０ガスタービン
１１圧縮機
１２タービン
１３燃焼器
１４圧縮機ロータブレード
１５圧縮機ステータブレード
１６タービンロータブレード
１７タービンステータブレード
１８中心軸線
１９燃焼器のヘッド端部
２０燃焼器の後方フレーム
２１前方噴射装置
２２燃料管路
２３前方噴射装置のノズル
２４半径方向内壁
２５半径方向外壁
２６流れアニュラス
２７ヘッド端部の端部カバー
２８前方チャンバ、燃焼ゾーン
２９後方チャンバ
３０キャップ組立体
３１燃焼器ケーシング
３２ライナ
３３ライナスリーブ
３４移行部分
３５移行スリーブ
４１インピンジメントポート
４３圧縮機吐出ケーシング
４４圧縮機吐出キャビティ
４８噴射基準面
５０多段噴射システム
５１多段噴射装置
５２燃料通路
５３噴射管
５４外側ポート
５５横方向ポート
５６燃料ポート
５７噴射通路
５８外側セグメント
５９外面
５９ａ外面
５９ｂ外面
６０内面
６１入口
６２出口
６３カバー
６４燃料プレナム
６５方向性カバーポート
６６周囲プレナム
６８側壁
６９シーリング壁
７０横方向ベーン
７２周囲プレナムの第１の部分
７３周囲プレナムの第２の部分
７６近端部
７７遠端部
７８内側端部
７９外側端部
８１基準二等分面
８３上流端
８４下流端
８５上流端
８６下流端
８７上流面
８８下流面
８９フロア壁
９０スクリーニングプレート
９１スクリーニングプレートのアパーチャ
９３開口部
９４ねじ付ボルト

Claims

ガスタービン（１０）の燃焼器（１３）内の多段噴射装置（５１）であって、前記燃焼器（１３）が、前方ノズル（２３）の下流の燃焼ゾーン（２９）を定める半径方向内壁（２４）を含み、当該多段噴射装置（５１）が、
出口（６２）と入口（６１）との間に延在する噴射通路（５７）を取り囲む横方向壁を含む噴射管（５３）であって、前記出口（６２）が、前記噴射通路（５７）を前記燃焼ゾーン（２９）に流体接続し、前記入口（６１）は、前記噴射通路（５７）が急峻な噴射角度を含むように前記出口（６２）の外側に配置される、噴射管（５３）と、
第１の部分（７２）及び第２の部分（７３）を有する周囲プレナム内に前記噴射管（５３）の外側セグメント（５８）を取り囲むように、前記噴射管（５３）の外側セグメント（５８）の周りに形成されるカバー（６３）であって、該カバー（６３）が、前記外側セグメント（５８）と半径方向に重なり合ってその周りを囲む側壁（６８）であって、該側壁（６８）と前記外側セグメント（５８）との間に前記周囲プレナムの第１の部分（７２）を形成する側壁（６８）と、前記側壁（６８）の外側端部の間にわたって延在して、前記噴射管（５３）の入口（６１）の外側にある前記周囲プレナムの第２の部分（７３）を形成するシーリング壁（６９）とをさらに含む、カバー（６３）と、
前記周囲プレナムの第１の部分（７２）を前記カバー（６３）の側壁（６８）の外部に形成された供給キャビティと流体接続するように構成された複数のアパーチャ（９１）を含む、前記カバー（６３）の側壁（６８）内に形成されたスクリーニングプレート（９０）であって、前記カバー（６３）の側壁（６８）の半径方向に定められたセクションを含み、前記側壁（６８）の半径方向に定められたセクションが、前記側壁（６８）の周囲の少なくとも大部分の周りに円周方向に延在する、スクリーニングプレート（９０）と
を備えており、
前記外側セグメント（５８）の横方向壁が、前記噴射通路（５７）の一部分を定める内面（６０）と、前記外側セグメント（５８）の周囲を定める外面（５９）とを含み、
前記内面（６０）と前記外面（５９）との間で、前記噴射管（５３）の外側セグメント（５８）が、前記噴射通路（５７）の周りを囲む燃料プレナム（６４）を含み、
前記噴射管（５３）の内面（６０）が、前記燃料プレナム（６４）に流体接続された流体ポート（５６）を含む、多段噴射装置（５１）。
当該多段噴射装置（５１）が、前記前方ノズル（２３）の下流の軸方向に多段にされた燃料及び空気噴射装置を含み、当該多段噴射装置（５１）が、燃焼器（１３）の配向特性に従って記載することができ、前記半径方向内壁（２４）内に定められる、燃焼ゾーンを長手方向に通って延在する燃焼器（１３）の中心軸線に従って定められる相対的な半径方向、軸方向及び円周方向の配置と、タービンとの接続部により定められる燃焼器（１３）のヘッド端部及び後方端により定められる燃焼器（１３）の前方端に対して定められる前方方向及び後方方向と、ガスタービンの作動中、指定された導管内の予期される流れの方向に対して定められる流れ方向とを含む、請求項１に記載の多段噴射装置（５１）。
前記外側セグメント（５８）が、一方の側に、前記噴射管（５３）の入口（６１）に隣接する、長手方向に定められる前記噴射管（５３）のセグメントを含み、前記カバー（６３）のシーリング壁（６９）が、前記周囲プレナムの第２の部分（７３）を前記周囲プレナムの外部の領域から流体分離する連続する壁を含み、前記周囲プレナムが内側側面に沿ってフロア壁（８９）により境界付けられ、該フロア壁（８９）が、前記周囲プレナムにわたってシーリング壁（６９）に対向する、請求項２に記載の多段噴射装置（５１）。
前記側壁（６８）の半径方向に定められたセクションが、該側壁（６８）の周囲の少なくとも４分の３（０．７５）の周りに円周方向に延在する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の多段噴射装置（５１）。
前記側壁（６８）の半径方向に定められたセクションが、該側壁（６８）の周囲全体の周りに円周方向に延在する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の多段噴射装置（５１）。
燃焼器（１３）が半径方向外壁（２５）を含み、該半径方向外壁（２５）が前記半径方向内壁（２４）の周りに形成され、これらの間に流れアニュラス（２６）が形成され、圧縮機吐出キャビティ（４４）が、前記半径方向外壁（２５）の周りに形成され、前記スクリーニングプレート（９０）が、５０～３００個のアパーチャ（９１）を含む、請求項３に記載の多段噴射装置（５１）。
前記側壁（６８）の内側境界が、前記フロア壁（８９）と同一平面上にあるように定められ、前記側壁（６８）の外側境界が、前記噴射管（５３）の入口（６１）と同一平面上にあるように定められ、前記側壁（６８）の半径方向に定められたセクションが、前記側壁（６８）の内側境界及び外側境界の両方からの実質的に一定の半径方向オフセットを含み、前記噴射管（５３）が、円筒形構成を含み、前記スクリーニングプレート（９０）が、前記噴射管（５３）の周りに同心状に配置された円筒形構成を含み、前記複数のアパーチャ（９１）の各々が、アパーチャ（９１）を囲むスクリーニングプレート（９０）の外面とほぼ垂直な通路に沿ってスクリーニングプレート（９０）の厚さを通って延在するように構成される、請求項６に記載の多段噴射装置（５１）。
前記噴射管（５３）の外側セグメント（５８）が、その周囲を定める外面を含み、前記複数のアパーチャ（９１）の各々がスクリーニングプレート（９０）を通って延在する軸線が、アパーチャ（９１）が、前記周囲プレナムの第１の部分（７２）にわたってアパーチャ（９１）に直接対向する外側セグメント（５８）の外面の領域に向けられる配向を含む、請求項６に記載の多段噴射装置（５１）。
前記スクリーニングプレート（９０）のアパーチャ（９１）がそれぞれ、実質的に同じ断面流れ面積を含む、請求項６に記載の多段噴射装置（５１）。
前記スクリーニングプレート（９０）のアパーチャ（９１）が、スクリーニングプレート（９０）の少なくとも第１の領域と第２の領域との間で変化する断面流れ面積を有するように構成される、請求項６に記載の多段噴射装置（５１）。
前記カバー（６３）が、該カバー（６３）を多段噴射装置（５１）に取り付けるために、そこを通って延在するボルトによって係合するように構成された、シーリング壁（６９）の中心を通って形成される開口部を含む、請求項６に記載の多段噴射装置（５１）。
前記フロア壁（８９）が、燃焼器（１３）の半径方向外壁（２５）とほぼ同一平面上にあり、供給キャビティが、燃焼器（１３）の半径方向外壁（２５）の周りに形成された圧縮機吐出キャビティ（４４）を含む、請求項６に記載の噴射装置。
前記フロア壁（８９）及び前記スクリーニングプレート（９０）が、燃焼器（１３）の半径方向外壁（２５）の内側にあり、前記供給キャビティが、燃焼器（１３）の半径方向内壁（２４）と半径方向外壁（２５）との間に形成される流れアニュラス（２６）を含み、多段噴射装置及び前方ノズルが、遅延希薄噴射システムを含み、前記流れアニュラス（２６）が、供給加圧空気を、前記前方ノズル（２３）が収容される燃焼器（１３）の前方端に配置されたキャップ組立体に向けて送るように構成され、噴射角度が、前記噴射管（５３）の長手方向軸線と燃焼ゾーンの長手方向軸線との間に形成される角度を含み、噴射角度が７０°～１１０°である、請求項６に記載の多段噴射装置（５１）。
燃焼ゾーン（２９）を定める半径方向内壁（２４）と、該半径方向内壁（２４）の周りに形成される半径方向外壁（２５）とを含み、それらの間に流れアニュラス（２６）が形成される、ガスタービン（１０）内の燃焼器（１３）であって、当該燃焼器（１３）が、前方ノズル（２３）と、該前方ノズル（２３）から下流に軸方向に多段にされた請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の多段噴射装置（５１）とをさらに含む、燃焼器（１３）。