JP7242277B2 - クロスフローを二次燃焼ゾーンに導入するためのシンブルアセンブリ - Google Patents

Description

本開示は、一般に、発電のためにガスタービンで使用されるガスタービン燃焼器に関し、より具体的には、クロスフローを二次燃焼ゾーンに導入するためのシンブルアセンブリに関する。

少なくともいくつかの公知のガスタービンアセンブリは、発電に使用される。そのようなガスタービンアセンブリは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。ガス（例えば、周囲空気）が圧縮機を通って流れ、そこでガスは圧縮されて１つまたは複数の燃焼器に送達される。各燃焼器において、圧縮空気は燃料と組み合わせられ、点火されて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、各燃焼器からタービンに送られてタービンを通過し、それによってタービンを駆動し、次いでタービンに結合された発電機に動力を供給する。タービンはまた、共通のシャフトまたはロータによって圧縮機を駆動することができる。

いくつかの燃焼器では、燃焼ガスの発生は、排出量を低減するために、および／または低減された負荷でガスタービンを動作させる能力（一般に「ターンダウン」と呼ばれる）を提供するために２つの軸方向に間隔を置いて配置された段で行われる。そのような燃焼器は、本明細書では「軸方向燃料ステージング」（ＡＦＳ）システムを含むものと呼ばれ、これは燃料および酸化剤を燃焼器のヘッド端部の下流の１つまたは複数の燃料インジェクタに送達する。ＡＦＳシステムを有する燃焼器では、燃焼器の上流端部の１つまたは複数の一次燃料ノズルが、燃料および空気（または燃料／空気混合物）を軸方向に一次燃焼ゾーンへと噴射し、一次燃料ノズルの下流の場所に位置する１つまたは複数のＡＦＳ燃料インジェクタが、燃料および空気（または第２の燃料／空気混合物）をライナを通してクロスフローとして一次燃焼ゾーンの下流の二次燃焼ゾーンへと噴射する。クロスフローは、一般に、一次燃焼ゾーンからの燃焼生成物の流れを横切る。

場合によっては、ＡＦＳインジェクタに供給される燃料は、燃焼器ライナに取り付けられ、燃焼器ケーシング内に位置する燃料ラインを通して搬送されている。そのような構成は、アセンブリの課題を引き起こし、漏れを検出することが困難になる場合がある。加えて、燃焼器ケーシング内の漏れの可能性のために、高反応性燃料の使用は、漏出した高反応性燃料が燃焼器ケーシングの高圧高温環境内で燃焼することがある危険性のために、ＡＦＳインジェクタを有する既存の燃焼器では制限または規制されている。

米国特許出願公開第２０１７／０２１９２１２号明細書

本明細書で提供される第１の態様によれば、発電ガスタービン用の燃焼器は、一次燃料ノズルを備えるヘッド端部と、ヘッド端部に結合され、ヘッド端部に近接した一次燃焼ゾーンおよび一次燃焼ゾーンの下流の二次燃焼ゾーンを定義するライナと、ライナの半径方向外側にあり、ライナの少なくとも一部を取り囲む前方ケーシングと、軸方向燃料ステージングシステムとを含む。軸方向燃料ステージングシステムは、第１のシンブルアセンブリと、第１のインジェクタユニットとを含む第１の燃料噴射アセンブリを含む。第１のシンブルアセンブリは、ライナに装着され、ライナの第１のシンブル開口を通って延びる第１のシンブルを含む。第１のインジェクタユニットは、前方ケーシングに取り付けられ、前方ケーシングを通って延び、それにより第１のインジェクタユニットの一部が第１のシンブル内に配置され、主燃料入口が前方ケーシングの外側に配置される。第１の燃料噴射アセンブリは、燃料の流れを第１のシンブルを通って流れる空気の流れに導入し、それにより燃料および空気が一次燃焼ゾーンからの燃焼生成物の流れを横切る方向に二次燃焼ゾーンへと噴射される。

本明細書で提供される第２の態様によれば、発電ガスタービン用の燃焼器は、一次燃料ノズルを備えるヘッド端部と、ヘッド端部に結合され、ヘッド端部に近接した一次燃焼ゾーンおよび一次燃焼ゾーンの下流の二次燃焼ゾーンを定義するライナと、ライナの半径方向外側にあり、ライナの少なくとも一部を取り囲む前方ケーシングと、軸方向燃料ステージングシステムとを含む。軸方向燃料ステージングシステムは、複数の燃料噴射アセンブリを含む。各燃料噴射アセンブリは、シンブルアセンブリと、インジェクタユニットとを含む。シンブルアセンブリは、ライナに装着され、ライナのシンブル開口を通って延びるシンブルを含む。インジェクタユニットは、前方ケーシングに取り付けられ、前方ケーシングを通って延び、それによりインジェクタユニットの一部がシンブル内に配置され、インジェクタユニットの燃料ライン取付具が前方ケーシングの外側に配置される。インジェクタユニットは、燃料の流れをシンブルを通って流れる空気の流れに導入し、それにより燃料および空気が一次燃焼ゾーンからの燃焼生成物の流れを横切る方向に二次燃焼ゾーンへと噴射される。

本開示の別の態様によれば、燃焼ゾーンおよび二次燃焼ゾーンを定義するライナと、ライナの少なくとも一部を円周方向に取り囲む前方ケーシングとを有するガスタービン燃焼器用の噴射アセンブリが提供される。噴射アセンブリは、シンブルアセンブリと、インジェクタユニットとを含む。シンブルアセンブリは、ライナに装着されたシンブルボスと、ライナのシンブルボスおよびシンブル開口部を通って延びるシンブルとを含む。前方ケーシングに装着され、前方ケーシングを通って延びるインジェクタユニットは、シンブル内に延びるインジェクタブレードを含む。噴射アセンブリは、燃料の流れをシンブルを通って流れる空気の流れに導入し、それにより燃料および空気が一次燃焼ゾーンからの燃焼生成物の流れを横切る方向に二次燃焼ゾーンへと噴射される。

本開示のさらに別の態様によれば、燃焼ゾーンおよび二次燃焼ゾーンを定義するライナと、ライナの少なくとも一部を円周方向に取り囲む前方ケーシングとを有するガスタービン燃焼器用の噴射アセンブリが提供される。噴射アセンブリは、シンブルアセンブリと、インジェクタユニットとを含む。ライナに装着されるシンブルアセンブリは、ライナのシンブル開口部を通って延びるシンブルを含む。前方ケーシングに装着され、前方ケーシングを通って延びるインジェクタユニットは、シンブル内に延びるインジェクタブレードを含む。噴射アセンブリは、燃料の流れをシンブルを通って流れる空気の流れに導入し、それにより燃料および空気が一次燃焼ゾーンからの燃焼生成物の流れを横切る方向に二次燃焼ゾーンへと噴射される。

本開示の別の態様によれば、燃焼器ライナを通して流体の流れを誘導するためのシンブルアセンブリが提供される。シンブルアセンブリは、シンブルボスと、シンブルとを含む。シンブルボスは、燃焼器ライナの外側表面に装着され、燃焼器ライナのシンブル開口を取り囲み、それによってシンブルボスを通る通路を定義する。シンブルは、燃焼器ライナの通路およびシンブル開口を通って配置される。シンブルは、シンブルの入口部分から出口開口部に延びるシンブル壁を含み、入口部分は、出口開口部よりも大きい直径を有する。シンブル壁の内側表面は、入口部分から出口開口部への円弧形状を定義し、円弧形状は、楕円の１／４を定義する。

本開示のさらなる態様によれば、燃焼器ライナを通して流体の流れを誘導するためのシンブルアセンブリが提供される。シンブルアセンブリは、シンブルボスと、シンブルとを含む。シンブルボスは、燃焼器ライナの外側表面に装着され、燃焼器ライナの開口部を取り囲み、したがってシンブルボスを通る通路を定義する。シンブルは、燃焼器ライナの通路および開口部を通って配置される。シンブルは、シンブルの入口部分から出口に延びるシンブル壁を含む。出口よりも大きい直径を有する入口部分は、入口平面および入口平面に平行な中間平面を定義する。入口部分はまた、シンブルの噴射軸と一致する中心を有する楕円形状を定義する。中間平面に平行に定義される端子平面は、中間平面を定義する点の対応するアレイから最も離れた点のアレイを含む。シンブル壁は、不均一な長さを有し、それによりシンブルの出口が端子平面に対して斜めの角度で配向される。

本明細書は、当業者を対象として、本発明の製品および方法の完全かつ可能な開示を、それを使用する最良の形態を含んで記載する。本明細書は、添付の図を参照する。

本明細書に記載の本軸方向燃料ステージングシステムおよびそれに関連する燃料噴射アセンブリを用いることができる、発電ガスタービンアセンブリの概略図である。 本明細書で提供される第１の態様による、本軸方向燃料ステージングシステムを含む、燃焼缶の断面側面図である。 軸方向燃料ステージングシステムの本燃料噴射アセンブリを含む、図２の燃焼缶の一部の斜視図である。 図３の燃焼缶の断面側面図である。 本開示の第２の態様による、軸方向燃料ステージングシステムの本燃料噴射アセンブリを含む、燃焼缶の一部の断面側面図である。 燃焼器缶の後方端部から前方方向に見た、図２の燃焼缶内の第１の例示的な構成に設置された本燃料噴射アセンブリの断面図である。 燃焼器缶の後方端部から前方方向に見た、図２の燃焼缶内の第２の例示的な構成に設置された本燃料インジェクタの断面図である。 本軸方向燃料ステージングシステムの燃料噴射アセンブリの１つの断面側面図である。 本軸方向燃料ステージングシステムの燃料噴射アセンブリの別の断面側面図である。 図８および図９の燃料噴射アセンブリとの使用に適切なインジェクタブレードの概略斜視図である。 インジェクタブレードおよびシンブルアセンブリを示す、図８または図９の一部の拡大断面側面図である。 軸方向に見た、図８、図９、および図１１に示すシンブルアセンブリの１つのシンブルの内部表面の正面図の概略図である。 横方向に見た、図１２のシンブルの側面図の概略図である。 その上部表面から見た、図１１のシンブルアセンブリと使用することができる、シンブルボスの斜視図である。 その底部表面から見た、図１４のシンブルボスの斜視図である。 シンブルを軸方向に見た、図８、図９、および図１１のシンブルアセンブリの１つと使用することができる代替のシンブルの内部表面の正面図の概略図である。

以下の詳細な説明は、限定ではなく例として、様々な軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）燃料噴射アセンブリ、それらの構成要素部品、およびそれを含むＡＦＳシステムを示す。この説明は、当業者にガスタービン燃焼器用の軸方向燃料ステージングシステムの製作および使用を可能にする。この説明は、燃料噴射アセンブリのいくつかの実施形態を提供し、燃料噴射アセンブリの製作および使用の最良の形態であると現在考えられているものを含む。本軸方向燃料ステージングシステムは、本明細書ではヘビーデューティガスタービンアセンブリの燃焼器に結合されるものとして説明される。しかし、本明細書に記載の燃料噴射アセンブリおよび／または軸方向燃料ステージングシステムは、発電以外の様々な分野の広範なシステムに一般的に適用されることが企図されている。

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。「上流」および「下流」という用語は、流体経路における流体の流れに対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。構成要素の「前方」部分は、燃焼器ヘッド端部および／または圧縮機に最も近い部分であり、構成要素の「後方」部分は、燃焼器および／またはタービンセクションの出口に最も近い部分である。

本明細書で使用する場合、「半径」（またはその任意の変形）という用語は、任意の適切な形状（例えば、正方形、長方形、三角形、など）の中心から外側に延びる寸法を指し、円形形状の中心から外側に延びる寸法に限定されない。同様に、本明細書で使用する場合、「円周」（またはその任意の変形）という用語は、任意の適切な形状（例えば、正方形、長方形、三角形、など）の中心の周りに延びる寸法を指し、円形形状の中心の周りに延びる寸法に限定されない。

図１は、本開示の様々な実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン１０００の機能ブロック図である。示すように、ガスタービン１０００は、一般に、一連のフィルタ、冷却コイル、水分分離器、および／またはガスタービン１０００に入る作動流体（例えば、空気）１４を洗浄および他のやり方で調整するための他の装置を含むことができる入口セクション１２を含む。作動流体１４は、圧縮機セクションに流れ、そこで圧縮機１６が運動エネルギーを作動流体１４に徐々に与えて圧縮作動流体１８を生成する。

圧縮作動流体１８は、気体燃料供給システムからの気体燃料２０および／または液体燃料供給システムからの液体燃料（別々には図示せず）と混合され、１つまたは複数の燃焼器２４内で可燃混合物を形成する。可燃混合物は、燃焼されて高温、高圧、および高速の燃焼ガス２６を生成する。燃焼ガス２６は、タービンセクションのタービン２８を通って流れ、機械的仕事を生成する。例えば、圧縮機１６およびタービン２８は、中空のシャフト積層ロータ３０を共に定義する複数のロータディスクに接続された回転ブレードを含み、それによりタービン２８の回転が圧縮機１６を駆動して圧縮作動流体１８を生成する。代替的または追加的に、積層ロータ３０は、タービン２８を発電のための発電機のような負荷３２に接続することができる。

タービン２８からの排気ガス３４は、タービン２８をタービン２８の下流の排気スタックに接続する排気セクション（図示せず）を通って流れる。排気セクションは、例えば、環境に放出される前に排気ガス３４から追加の熱を浄化および抽出するための排熱回収ボイラ（図示せず）を含んでもよい。ガスタービン１０００は、コンバインドサイクル発電プラントを提供するために、蒸気タービンにさらに結合され、または流体接続されてもよい。

燃焼器２４は、当技術分野で公知の任意のタイプの燃焼器であってもよく、本発明は、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、任意の特定の燃焼器設計に限定されない。例えば、燃焼器２４は、缶タイプ（缶環状タイプと呼ばれることもある）の燃焼器であってもよい。

図２は、ヘビーデューティガスタービン（例えば、図１に示すガスタービン１０００）用の缶環状燃焼システムに含むことができる、燃焼器または燃焼缶２４の断面側面図である。缶環状燃焼システムでは、複数の燃焼缶２４（例えば、８、１０、１２、１４、またはそれ以上）が、圧縮機１６をタービン２８に接続する積層ロータ３０の周囲に環状アレイで配置される。タービン２８は、電力を生成するために発電機３２に（例えば、シャフト３０によって）動作可能に接続することができる。

図２において、燃焼缶２４は、燃焼ガス２６を収容してタービン２８に搬送するライナ４０およびトランジションピース５０を含む。ライナ４０は、ベンチュリ４４を含む第１の円筒形ライナセクション４２と、ベンチュリ４４の下流の第２の円筒形セクション４６と、第２の円筒形セクション４６の下流の第３の円筒形セクション４８とを含む。第１の円筒形ライナセクション４２は、第２の円筒形ライナセクション４６の第２の断面直径よりも小さい第１の断面直径を有する。分岐セクション４５は、第１の円筒形ライナセクション４２と第２の円筒形ライナセクション４６との間に配置され、異なる直径を有するそれぞれのセクション４２、４６を接合する。第３の円筒形ライナセクション４８は、第２の円筒形ライナセクション４６の第２の断面直径未満の第３の断面直径を有する。収束セクション４７は、第２の円筒形ライナセクション４６と第３の円筒形ライナセクション４８との間に配置され、異なる直径を有するそれぞれのセクション４６、４８を接合する。

一実施形態では、第１の円筒形ライナセクション４２の第１の断面直径および第３の円筒形ライナセクション４６の第３の断面直径は、等しくてもよい。別の実施形態では、第１の断面直径および第３の断面直径は、互いに異なっていてもよく、第１の断面直径と第３の断面直径の両方は、第２の断面直径未満である。

第１の円筒形ライナセクション４２のベンチュリ４４は、一次燃焼ゾーン９０へのガスの流れを加速する。第２の円筒形ライナセクション４６は、燃焼ガスを減速させ、一酸化炭素および他の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の排出量を低減するのに十分な滞留時間を提供する。第２の円筒形ライナセクション４６の燃焼ガスの滞留時間は、第１の円筒形ライナセクション４２およびベンチュリ４４の燃焼ガスの滞留時間よりも長い。

図２に示すように、第１の円筒形ライナセクション４２およびベンチュリ４４は、ライナ４０の上流セグメントを定義することができ、分岐セクション４５、第２の円筒形ライナセクション４６、収束セクション４７、および第３の円筒形ライナセクション４８は、上流セグメントから分離されたライナ４０の下流セグメントを定義することができる。（下流セグメントは、図４に別々に示す。）このような場合、シール（例えば、フラシール、図示せず）を、ライナ４０の上流セグメントとライナ４０の下流セグメントとの間に配置することができる。

あるいは、図５に示すように、ライナ４０のそれぞれのセクションは、単一のユニットとして共に接合され、したがって第１の円筒形ライナセクション４２と第２の円筒形ライナセクション４６の分岐セクション４５との間のフラシールがなくなり、それによってシールを通して生じる可能性がある空気漏れを防止する。図５の他の要素が図２を参照して説明されているので、それらの説明をここで繰り返す必要はない。

ライナ４０は、複数のピース（図２～図４に示すように）を含むかまたは一体化ユニットとして形成され（図５のように）、ライナ４０は、第１の円筒形ライナセクション４２およびベンチュリ４４から、分岐セクション４５、第２の円筒形ライナセクション４６、および収束セクション４７を通り、第３の円筒形ライナセクション４８を通る連続流路を形成する。燃焼生成物２６は、ライナ４０を通ってトランジションピース５０によって定義された容積に搬送され、燃焼生成物２６はタービン２８に誘導される。シール（例えば、図４および図５に示すフラシール４９）が、ライナ４０とトランジションピース５０との間に配置される。

あるいは、ライナ４０は、円筒形部分４８がトランジションピース５０と一体化される一体型本体（または「ユニボディ」）構造を有してもよい。したがって、本明細書におけるライナ４０の任意の説明は、文脈が他に指示しない限り、（図示のように）別個のライナおよびトランジションピースを有する従来の燃焼システムとユニボディライナを有するそれらの燃焼システムの両方を包含することを意図する。さらに、本開示は、ライナおよびトランジションピースが別個の構成要素であるが、トランジションピースおよびタービンの第１段ノズルが「トランジションノズル」または「一体化出口ピース」と呼ばれることもある単一のユニットに一体化される、それらの燃焼システムにも等しく適用可能である。

図２と図５の両方を参照すると、軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）システム２００は、本明細書でさらに説明するように、ライナ４０の第２の円筒形部分４６の周りに円周方向に配置された多数の燃料噴射アセンブリ２１０を含む。ライナ４０は、ライナ４０の大部分に沿って軸方向に延びる、流れスリーブと呼ばれることもある外側スリーブ６０によって円周方向に取り囲まれる。外側スリーブ６０は、ライナ４０の半径方向外側に間隔を置いて配置され、環状部６５をライナ４０と外側スリーブ６０との間に定義する。空気１８は、環状部６５を通って外側スリーブ６０の後方端部からヘッド端部部分７０に向かって流れ、それによってライナ４０を冷却する。

いくつかの実施形態では、別個のインピンジメントスリーブ（図示せず）をトランジションピース５０の半径方向外側に配置して、トランジションピース５０を冷却することができる。インピンジメントスリーブが使用される場合、トランジションピース５０とインピンジメントスリーブとの間に定義された環状部は、環状部６５と位置合わせされて流体接続され、それによって燃焼器缶２４の軸方向全長に沿った連続冷却空気流路を形成する。

燃焼缶２４のヘッド端部部分７０は、燃焼缶２４の前方端部に１つまたは複数の燃料ノズル８０、８２と、端部カバー７４とを含む。各燃料ノズル８０、８２は、上流（または入口）端部に燃料入口を有する。燃料入口は、端部カバー７４を通して形成されてもよく、燃料ノズル８０、８２自体は、端部カバー７４に装着されてもよい。一次燃料ノズルとして説明することができる燃料ノズル８０は、燃焼器２４の長手方向軸と中心線を共有し、燃料ノズル８０の軸方向下流に延びる中心燃料ノズル８２の半径方向外側に配置され、中心燃料ノズル８２を取り囲む。中心燃料ノズル８２の後方（出口）端部は、第１の円筒形ライナセクション４２のベンチュリ４４に近接している。一次燃料ノズル８０の後方端部は、一次燃焼ゾーン９０を境界とするキャップアセンブリ（図示せず）の開口部に延びてもよいし、開口部を通って延びてもよい。

予混合モードの動作では、燃料および空気は、燃料ノズル８０によって、第１の円筒形ライナセクション４２によって定義された容積に導入される。空気は混合孔４１を通って流れ、ベンチュリ４４によって一次燃焼ゾーン９０に加速される燃料と空気との混合を促進する。同様に、燃料および空気は、燃料ノズル８２によって、ベンチュリ４４のまたはそのわずかに下流の一次燃焼ゾーン９０に導入され、そこで燃料および空気が燃焼されて燃焼生成物を形成する。

燃焼缶２４のヘッド端部部分７０は、外側スリーブ６０の半径方向外側に配置される前方ケーシング１３０によって少なくとも部分的に取り囲まれ、それにより環状部１３５が外側スリーブ６０と前方ケーシング１３０との間に定義される。前方ケーシング１３０は、圧縮機吐出ケース１４０のＣＤＣフランジ１４４に機械的に結合される、上流ケーシング部分１３２および下流ケーシング部分１３４を有することができる。いくつかの実施形態では、図２に示すように、接合フランジ１４８を、前方ケーシング１３０と圧縮機吐出ケース１４０のＣＤＣフランジ１４４との間に配置することができる。

下流ケーシング部分１３４は、図２に示すように、（例えば、接合フランジ１４８を介して）、上流ケーシング部分１３２の接合フランジ１３３および圧縮機吐出ケース１４０のＣＤＣフランジ１４４にボルト止めされる別個の構成要素であってもよい。あるいは、下流ケーシング部分１３４は、図５に示すように、一体の前方ケーシング１３０として上流ケーシング部分１３２と一体的に形成されてもよい。

既存の燃焼器２４を本軸方向燃料ステージングシステム２００に後付けすることが望ましい場合には、既存の前方ケーシング１３０を上流ケーシング部分１３２として利用し、かつ上流ケーシング部分１３２と圧縮機吐出ケース１４０との間にボルト止めされる別個の下流ケーシング部分１３４を追加することによって前方ケーシング１３０の長さを延ばすことが、費用効果が高く好都合であり得る。

圧縮機吐出ケース１４０（図２に示す）は、圧縮機１６（図１に示す）の出口に流体接続され、燃焼缶２４の少なくとも一部を取り囲む加圧空気プレナム１４２を定義する。空気１８は、図２および図５に矢印で示すように、圧縮機吐出ケース１４０から外側スリーブ６０の後方端部を通って環状部６５に流れ、それによってライナ４０を冷却する。

図２および５に示す両方の燃焼器缶２４を参照すると、環状部６５がヘッド端部部分７０に流体結合されるので、空気の流れ１８は、外側スリーブ６０の後方端部からヘッド端部部分７０へと上流に移動し、空気の流れ１８の第１の部分は、半径方向内側に誘導され、方向を変えて燃料ノズル８０、８２に入る。環状部６５を通って流れる空気１８の第２の部分は、外側スリーブ６０と前方ケーシング１３０との間に定義された環状部１３５へと半径方向外側に誘導され、以下にさらに説明するように、方向を変えて軸方向燃料ステージングシステム２００に入る。空気１８の第３の比較的小さい部分は、上述のように混合孔４１を通って誘導される。

上述のように、燃料ノズル８０、８２は、燃料および空気をライナ４０の前方端部の一次燃焼ゾーン９０に導入し、そこで燃料および空気が燃焼される。一実施形態では、燃料および空気は、燃料ノズル８０、８２内で（例えば、予混合燃料ノズル内で）混合される。他の実施形態では、燃料および空気を一次燃焼ゾーン９０に別々に導入し、一次燃焼ゾーン９０内で（例えば、拡散ノズルで発生し得るように）混合することができる。あるいは、燃料ノズル８０および／または８２は、燃焼器２４の動作条件に応じて、拡散モードおよび予混合モードで動作するように構成されてもよい。本明細書における「第１の燃料／空気混合物」への言及は、いずれも燃料ノズル８０、８２によって生成することができる予混合された燃料／空気混合物と拡散タイプの燃料／空気混合物の両方を説明するものとして解釈されるべきである。本開示は、ヘッド端部部分７０における燃料ノズル８０、８２の特定のタイプまたは配置に限定されない。さらに、中心燃料ノズル８２が一次燃料ノズル８０の軸方向下流に延びる必要はない。

一次燃焼ゾーン９０からの燃焼ガスは、ライナ４０およびトランジションピース５０を通って燃焼缶２４の後方端部５２に向かって下流に移動する。図２に示すように、燃焼缶２４の後方端部５２は、タービンセクション２８に接続するトランジションピース５０の後方フレームによって表される。トランジションピース５０は、ライナ４０からの燃焼生成物２６がタービンセクション２８に入るときに燃焼生成物の流れを加速するテーパ状セクションである。

軸方向燃料ステージング噴射システム２００は、燃料および空気を二次燃焼ゾーン１００に導入する１つまたは複数の燃料噴射アセンブリ２１０（以下で詳細に説明する）を含み、燃料および空気は、一次ゾーン燃焼ガスによって点火されて複合燃焼ガス生成物流２６を形成する。軸方向に分離された燃焼ゾーンを有するそのような燃焼システムは、「軸方向燃料ステージング」（ＡＦＳ）システム２００を有するものとして説明され、下流噴射アセンブリ２１０は、本明細書では「噴射アセンブリ」、「燃料噴射アセンブリ」、または「ＡＦＳ噴射アセンブリ」と呼ばれることがある。各燃料噴射アセンブリ２１０は、互いに機械的に独立しているが単一のユニットとして機能する、インジェクタユニット１１０（前方ケーシング１３０に装着される）およびシンブルアセンブリ１６０（ライナに装着される）を含む。インジェクタユニット１１０は、燃料をシンブルアセンブリ１６０に送達し、燃料が空気と混合される。

前方ケーシング１３０（具体的には、前方ケーシング１３０の下流部分１３６）は、ＡＦＳ噴射アセンブリ２１０のそれぞれのインジェクタユニット１１０が設置される少なくとも１つのインジェクタポート２９０（図１１に示す）を含む。外側スリーブ６０は、インジェクタポート２９０と軸方向および円周方向に位置合わせされ、ＡＦＳ噴射アセンブリ２１０のそれぞれのインジェクタユニット１１０が通って配置される少なくとも１つのインジェクタ開口部６２（図８および９に最も明確に示す）を含む。同様に、ライナ４０は、少なくとも１つの対応するシンブル開口１４６を含み、これを通ってＡＦＳ噴射アセンブリ２１０のそれぞれのシンブルアセンブリ１６０が配置される（図８、図９、および図１１に最も明確に示す）。１つまたは複数の噴射アセンブリ２１０は、前方ケーシング１３０の下流部分１３４、外側スリーブ６０、およびライナ４０（具体的には、第２の円筒形ライナセクション４６）を通って配置される。

噴射アセンブリ２１０は、第２の燃料／空気混合物を燃焼ライナ４０へと中心線および／または一次燃焼ゾーン９０からの燃焼生成物の流れを横切る方向に噴射し、それによって二次燃焼ゾーン１００を形成する。一次および二次燃焼ゾーン９０、１００からの複合高温ガス２６は、燃焼器缶２４の後方端部５２を通ってタービンセクション２８（図１）へと下流に移動し、そこで燃焼ガス２６が膨張してタービン２８を駆動する。

図２～図４に示す実施形態では、下流ケーシング部分１３４は、上流ケーシング部分１３２と圧縮機吐出ケース１４０との間に設置するように構成される別個の構成要素である。下流ケーシング部分１３４は、中央に配置され、上流フランジ１３７と下流フランジ１３８との間に軸方向に延びる円筒形部分１３６を含む。上流フランジ１３７および下流フランジ１３８は、それぞれ上流ケーシング部分１３２（すなわち、フランジ１３３）および圧縮機吐出ケース１４０（すなわち、フランジ１４８またはフランジ１４４）の相補フランジに接合するために通過する装着孔を定義する。別個の下流ケーシング部分１３４を有するそのような構成は、既存の燃焼器缶２４が本軸方向燃料ステージングシステム２００を含むようにアップグレードされている後付け設置において有用であり得るが、この構成は、新たに構築される燃焼器缶２４と共に使用することもできる。

図５に示すように、前方ケーシング１３０は、ヘッド端部部分７０に隣接する上流ケーシング部分１３２と、圧縮機吐出ケース１４０に隣接する下流ケーシング部分１３４とを有する一体型ピースである。この実施形態では、上流フランジ１３７および接合フランジ１３３を省略することができる。そのような構成は、例えば、部品点数および設置時間を減少させるために、新たに構築される燃焼器缶２４に有用であり得る。

ＡＦＳ噴射アセンブリ２１０は、下流ケーシング部分１３４の円筒形部分１３６を通して、インジェクタユニット１１０の装着フランジ２４２を介して装着されるように設置される（図８に示す）。各ＡＦＳ噴射アセンブリ２１０の燃料は、ＡＦＳ噴射アセンブリ２１０の１つに組み込まれる主燃料入口２１２を介して、燃焼缶２４および前方ケーシング１３０の外部の燃料供給ライン（図示せず）から供給される。説明を容易にするために、主燃料入口２１２を有するＡＦＳ噴射アセンブリ２１０は、本明細書ではＡＦＳ噴射アセンブリ２１０Ａと呼ばれる。

図３および図６により明確に示すように、主燃料入口２１２は、第１のＡＦＳ噴射アセンブリ２１０Ａから第１の方向に円周方向に配置された第２のＡＦＳ噴射アセンブリ２１０Ｂに結合される、第１の燃料供給ライン２１４に流体結合され、第１のＡＦＳ噴射アセンブリ２１０Ａは、主燃料入口２１２と、主燃料入口２１２を有する第１のＡＦＳ噴射アセンブリ２１０Ａとは反対の第２の方向に円周方向に配置された第３のＡＦＳ噴射アセンブリ２１０Ｃに結合される、第２の燃料供給ライン２１６とを含む。燃料供給ライン２１４、２１６は、上流フランジ１３７および／または前方ケーシング１３０の半径方向外側に配置される（図示のように）剛性パイプであってもよい。

噴射アセンブリ２１０Ａ、２１０Ｂ、および２１０Ｃの間の主燃料入口２１２および燃料供給ライン２１４、２１６に供給を行う燃料供給ライン（図示せず）が燃焼缶２４の外部にある（すなわち、前方ケーシング１３０の半径方向外側にある）ので、漏れ検出または他の損傷の検査が容易になる。加えて、圧縮機吐出ケース１４０の高圧プレナム１４２内の燃料漏れの可能性が、大幅に低減される。その結果、発生し得る燃料漏れが大気中に消散され、それによって高圧プレナム１４２内での点火の可能性が除去される。

さらに、意図しない燃料漏れに関連する点火の危険性が外部燃料ラインによって最小にされるので、本ＡＦＳシステム２００は、高反応性燃料を含む広範囲の燃料によく適している。前方ケーシング１３０の外側の燃料供給ライン２１４、２１６を熱的に隔離することによって、燃料加熱の変動（すなわち、圧力比および修正ウォッベ指数）が低減される。また、燃料供給ライン２１４、２１６に伝達される熱が低減されるので、燃料供給ライン２１４、２１６内のコークス化の傾向は、液体燃料で動作する場合に減少される。

前方ケーシング１３０および／または圧縮機吐出ケース１４０の外部の供給源から延びるリングマニホルドまたは個々の燃料供給ラインから燃料を供給することを含む、燃料をＡＦＳ噴射アセンブリ２１０に送達する他の方法を代わりに用いることができる。また、図７に示すような４つの噴射アセンブリ２１０を有する例示的な実施形態を含む、４つ以上の噴射アセンブリ２１０を使用してもよいことを理解されたい。燃焼缶２４の半径方向外側の燃料接続部を有することによって、燃焼器エンクロージャ内の燃料シールの必要がなくなり、したがって信頼性が向上し、検査およびメンテナンスが容易になる。

燃料噴射アセンブリ２１０Ａは、図４～図６および図８に示すように、インジェクタユニット１１０Ａと、シンブルアセンブリ１６０とを含む。インジェクタユニット１１０Ａは、燃料をスロート領域２１３に誘導する主燃料入口２１２を含む。スロート領域２１３は、スロート領域２１３を横切って配向される中間導管２１９（図６に示す）に流体接続される。中間導管２１９は、Ｌ字形（９０度）の燃料ライン取付具２２０、２２２に流体接続される一対の対向して配置された燃料通路２１５、２１７を定義する。スロート領域２１３はまた、燃料を燃料噴射アセンブリ２１０の本体２４０内に配置された燃料プレナム２３０に送達する。燃料プレナム２３０から、燃料は、燃料が空気と混合されるシンブル２６０に燃料を送達する多数の燃料噴射ポート２５２（および、任意選択で２５４）を含むインジェクタブレード２５０内に移動する。

図３に最もよく示すように、Ｌ字形燃料ライン取付具２２０、２２２の各々の一方の脚部は、燃料通路２１５、２１７に垂直に配置され、燃焼器２２の前方端部７０に向かって配向される。燃料供給ライン２１４の第１の端部２２４は、燃料ライン取付具２２０に接続する。同様に、燃料供給ライン２１６の第１の端部２２６は、燃料ライン取付具２２２に接続する。

また図３に示すように、燃料供給ライン２１４、２１６は、正方形のブラケットまたはＣ字形のブロックの形状を有する。燃料供給ライン２１４、２１６の第１の端部２２４、２２６は、燃料供給ライン２１４、２１６の中央部分に略直交し、それにより中央部分が噴射アセンブリ２１０から軸方向にオフセットされる。燃料供給ライン２１４は、中央部分に直交し、第１の端部２２４と同じ方向に配向される（すなわち、燃焼器の後方端部に向かって開口する）第２の端部２３４を有し、第２の端部２３４は、燃料噴射アセンブリ２１０Ｂの単一のＬ字形取付具３２０に接続される。同様に、図には示されていないが、燃料供給ライン２１６は、中央部分に直交し、第１の端部２２６と同じ方向に配向される（すなわち、燃焼器の後方端部に向かって開口する）第２の端部を有し、第２の端部は、燃料噴射アセンブリ２１０Ｃ（図６に示す）のＬ字形取付具３２２に接続される。

４つの燃料噴射アセンブリ２１０の構成は、図７に示すように、燃料噴射アセンブリ２１０Ｃの第１のＬ字形取付具３２２に対向する第２のＬ字形取付具３２４を用いる。第１の取付具３２２および第２の取付具３２４は、燃料噴射アセンブリ２１０Ａに使用されるのと同様の方法で、中間導管３１９を使用して互いに間隔を置いて配置されてもよい。第３の燃料供給ライン２１８は、第１の端部で第２の導管３２４に接続され、第２の端部で第４の燃料噴射アセンブリ２１０Ｄの燃料ライン取付具３２６に接続される。噴射アセンブリ２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ、および２１０Ｄは、円周方向に均等に間隔を置いて配置されるものとして示されているが、そのような間隔は必要ではない。

さらに、３つの燃料噴射アセンブリ２１０を有する図６に示す構成または４つの燃料噴射アセンブリを有する図７に示す構成のいずれにおいても、燃料噴射アセンブリ２１０は、（図示のように）同じ軸方向平面に、または（必要に応じて、燃料噴射アセンブリ２１０間の流体接続を達成するために燃料供給ライン２１４、２１６、および／または２１８の形状および／または寸法に合わせて調整して）異なる軸方向平面に配向してもよい。任意の数の燃料噴射アセンブリ２１０を本軸方向燃料ステージングシステム２００に用いることができ、本開示は、本明細書に示す特定の構成に限定されないことを理解されたい。

図６および図７に見られるように、各シンブル２６０は、図１２および図１３を参照してより詳細に説明するように、シンブル２６０の入口に対して傾斜した出口２６４を有する。傾斜した出口２６４は、燃料噴射アセンブリ２１０によって生成される流れの方向におけるより多くの予測可能性を提供し、各シンブル２６０の出口２６４の角度は、同じ方向に配向される。図に見られるように、シンブル２６０は、ライナ４６の半径方向内側に突出し、したがって、追加の燃焼生成物を二次燃焼ゾーン１００に生成するために一次燃焼ゾーン９０に由来する燃焼生成物の流れ場内に延びる。

図８および図９は、それぞれ燃料噴射アセンブリ２１０Ａおよび２１０Ｂを示す。図６および図８に示すように、インジェクタユニット１１０Ａは、燃料をインジェクタユニット１１０Ａのスロート領域２１３に誘導する主燃料入口２１２を含む。スロート領域２１３は、Ｌ字形燃料ライン取付具２２０、２２２に接続される対向して配置された燃料通路２１５、２１７を含む中間導管２１９に流体接続される。スロート領域２１３はまた、燃料を燃料噴射アセンブリ２１０Ａの本体２４０内に配置された燃料プレナム２３０に送達する。燃料プレナム２３０は、燃料が空気と混合されるシンブル２６０に燃料を送達する燃料噴射ポート２５２を含むインジェクタブレード２５０内に延びる。

図６に示すように、第１の燃料供給ライン２１４は、燃料ライン取付具２２０に結合され、燃料通路２１５からの燃料を第２の燃料噴射アセンブリ２１０Ｂに送達する。図９に示すように、燃料噴射アセンブリ２１０Ｂは、第１の燃料供給ライン２１４（図示せず）を受け入れる燃料ライン取付具３２０を含む。燃料ライン取付具３２０から、燃料は、インジェクタユニット１１０Ｂのスロート領域３１３および本体３４０を通ってインジェクタブレード２５０に流れる。本体３４０は、前方ケーシング１３０の下流端部１３６への組立を容易にするための装着フランジ３４２を含む。

図８～図１０に示すように、インジェクタブレード２５０は、その１つまたは複数の表面２５１、２５３に配置された多数（例えば、４つ）の燃料噴射ポート２５２を含む。同等数（例えば、４つ）の燃料噴射ポートを、インジェクタブレード２５０の対向する表面２５１、２５３に配置することができる。他の数の燃料噴射ポート２５２を片面または両面に使用してもよく、燃料噴射ポート２５２は、（図示のように）単一の平面または２つ以上の平面に配置されてもよい。第１の表面２５１の燃料ポート２５２は、第２の表面２５３の燃料ポート２５２と位置合わせされてもよく、またはずらされてもよい（オフセットされてもよい）。

加えて、１つまたは複数の燃料噴射ポート２５４は、インジェクタブレード２５０の第１の縁部２５６および／または第２の縁部２５８を通して定義されてもよい。第１の縁部２５６は、環状部１３５の空気の流れ１８に対して前縁部とみなすことができ、第２の縁部２５８は、環状部１３５の空気の流れ１８に対して後縁部とみなすことができる。燃料噴射ポート２５２、２５４は、インジェクタブレード２５０の端子縁部２５９の、シンブル２６０を通る空気の流れ１８に対して上流に配置される。

燃料噴射ポート２５２、２５４は、燃料を単一の供給源または複数の供給源から供給することができる。燃料噴射ポート２５２、２５４は、気体燃料または液体燃料（水と乳化された液体燃料を含む）を供給することができる。例えば、燃料噴射ポート２５２と燃料噴射ポート２５４の両方は、単一の燃料源に結合することができる。あるいは、燃料噴射ポート２５２は、気体燃料源に結合することができ、燃料噴射ポート２５４は、液体燃料源（水と乳化または混合された液体燃料源を含む）に結合することができる。別個の燃料源が使用される場合、主燃料入口２１２に供給を行う導管（図示せず）は、同心のチューブインチューブ導管であってもよく、燃料供給ライン２１４、２１６は、チューブインチューブ導管であってもよい。別個の燃料プレナムは、各燃料源および／またはタイプごとに設けられてもよい。あるいは、液体燃料および気体燃料の別個の燃料ラインを用いてもよく、その一部またはすべては、前方ケーシング１３０の外部にある。

さらに別の変形（別々には図示せず）では、液体燃料は、「Ｄｕａｌ Ｆｕｅｌ Ｉｎｊｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ ｉｎ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ」と題する、同一譲受人の米国特許出願第１５／５９３，５４３号明細書に記載されているように、前方ケーシング１３０のインジェクタポート２９０を通して半径方向に導入された内部燃料導管もしくは液体燃料導管、または内部燃料導管を介して、シンブル２６０の本体を通して導入されてもよい。

図１１～図１３は、インジェクタブレード２５０によって送達される空気および燃料の混合チャンバを示す、シンブル２６０を含むシンブルアセンブリ１６０を示す。シンブル２６０は、その入口から出口へと概してテーパ状の形状を有する（以下でより詳細に説明する）。シンブル２６０は、三次元印刷（「付加製造」と呼ばれることもある）によって機械加工、鋳造、または製造されてもよい。

シンブル２６０の入口２６１は、外側スリーブ６０のインジェクタ開口部６２から半径方向内側に配置され、シンブル２６０の出口開口部２６４は、ライナ４６から半径方向内側に配置される。円弧形状を有する空気シールド６４は、外側スリーブ６０の半径方向内側表面に装着されて空気の流れ１８をシンブル２６０の周りに誘導し、それによって環状部６５のシンブル２６０によって生成されることがある流れの外乱を最小にする。

シンブル２６０は、シンブルボス２７０（図１４および図１５に別々に示す）によってライナ４６のシンブル開口１４６を通って延びる場所で支持される。図１４に示すように、例えば、シンブルボス２７０は、外側周囲２７１、上部表面２８２（外側スリーブ６０に近接する）、および底部表面２８４（ライナ４６の外側表面と接触する）によって定義された楕円（卵形）形状を有する。通路、または開口２７５は、内側周囲２７３によってシンブルボス２７０を通して定義される。内側周囲２７３は、シンブル２６０の対応する断面直径よりもわずかに大きい。

図１１を再び参照すると、シンブル２６０の外側表面は、シンブル２６０の周囲の少なくとも一部の周りに延び、シンブルボス２７０の内側周囲２７３に沿って対応するシェルフ２７２と係合する外側に突出するリブ２６９を含む。シンブルボス２７０は、底部表面２８４がライナ４６の外側表面に近接して接触するようにライナ４６に装着される。

上述したように、シンブル２６０は、ライナ４６の半径方向内側に突出し、したがって、一次燃焼ゾーン９０に由来する燃焼生成物の流れ場内に延びる。そのような構成は、二次燃料／空気混合物と一次燃焼ゾーン９０からの燃焼生成物との混合を容易にし、ライナ４６から離れる二次燃焼ゾーン１００の燃焼生成物の流れを促進する。

シンブル２６０は、シンブルボス２７０のライナに隣接する底部表面２７４に形成された空気流通路２７４を通って浸出する、ライナ４６と外側スリーブ６０との間の環状部６５を通って流れる空気１８によって冷却される。空気流通路２７４から、空気１８は、ライナ４６のシンブル開口１４６を通り、シンブル２６０の外側表面に沿って流れる。シンブルボス２７０の装着は、（例えば、スポット溶接によって）空気流通路２７４を遮断することなく達成される。

空気１８は、ライナ４６と外側スリーブ６０との間の環状部６５を通って（燃焼生成物の流れに対して）上流方向に流れる。図２に示すように、ヘッド端部７０では、空気の流れ１８が分割され、空気１８の第１の部分がヘッド端部７０の燃料ノズル８０、８２に誘導され、空気１８の第２の部分が外側スリーブ６０と前方ケーシング１３０との間の環状部１３５に誘導される。環状部１３５を通って流れる空気は、外側スリーブ６０の開口部６２を通ってシンブル２６０に流れ、そこで空気１８はインジェクタブレード２５０からの燃料と混合され、シンブル出口２６４から二次燃焼ゾーン１００に排出される第２の燃料／空気混合物を形成する。

インジェクタブレード２５０は、軸方向長さＬ１（燃焼器２４の長手方向軸に対して「軸方向」）を定義し、シンブル２６０は、軸方向長さＬ１よりも大きい軸方向長さＬ２を定義する。これらの寸法は、インジェクタブレード２５０の周りの空気の流れおよびシンブル２６０内のインジェクタブレード２５０からの空気と燃料との混合を容易にする。図示されているように、インジェクタブレード２５０およびシンブル２６０は、噴射アセンブリ２１０が動作しているとき、共通の噴射軸２６８に沿って中心に置かれる（図８および図９に示すように）。噴射アセンブリ２１０が高温の場合、構成要素の熱膨張によってインジェクタブレード２５０およびシンブル２６０が噴射軸２６８に沿って位置合わせされる。しかし、設置中、ハードウェアが低温の場合、インジェクタユニット１１０（ブレード２５０を含む）およびシンブル２６０は、互いおよび／または噴射軸２６８からオフセットされた長手方向軸を有する。

図１２は、上述のように、シンブル２６０の内部表面プロファイルを示す。シンブル２６０の内部表面プロファイルは、燃料および空気の流れが燃焼ゾーン１００に十分に浸透するのに望ましい速度を達成するための特定の形状を有する。具体的には、シンブル２６０の内部表面近くの燃料および空気の流れは、乱流火炎速度よりも速い速度に加速される。楕円形状はまた、流れをシンブル２６０の内部表面に付着したままにして、したがって火炎の保持およびフラッシュバックを最小にする。

シンブル２６０の入口部分２６１は、軸２６８に垂直に配向され、軸２６８に沿って入口平面２６７から中間平面２６２に軸方向に延びる噴射軸２６８の周囲の楕円（卵形）形状を定義する。シンブル２６０の形状およびサイズは、入口平面２６７および中間平面２６２において同じであり、それにより均一な断面が入口平面２６７と中間平面２６２との間のシンブル壁によって定義される。入口平面２６７および中間平面２６２におけるシンブル２６０の楕円形状は各々、楕円形状を定義する点のアレイを含む。

シンブル２６０は、入口部分２６１に対向する出口開口部２６４を含み、出口開口部２６４は、出口平面２６５（図１３）に位置する。楕円形状を定義する端子平面２６６は、中間平面２６２に平行であり、中間平面２６２の楕円形状を定義する対応する点から最も離れた点を含む、点のアレイを含む。この最も離れた点はまた、出口開口部２６４を定義する点のアレイにも見られる。出口開口部２６４は、図１３に示すように、端子平面２６６に対して斜めの角度「シータ」（θ）で出口平面２６５に配置され、二次燃焼ゾーン１００に噴射される燃料および空気のより予測可能な流れ方向を形成する。

噴射軸２６８に垂直なそれぞれの平面（すなわち、シンブル２６０を通る流れの方向）に見たシンブル２６０の各断面はまた、楕円である。個々の楕円は各々、噴射軸２６８と一致する中心を有する。個々の平面楕円は、長さ「Ａ」の軌道長半径と、長さ「Ｂ」の軌道短半径とを有する仮想楕円の１つの象限を定義する連続円弧４００に適合され、長さＡは、シンブル２６０の高さを定義し、長さＢは、シンブル２６０の中間平面２６２と出口平面２６６との間のテーパ部の幾何学的形状を定義する。「軌道長」という用語は、長軸の１／２を指し、「軌道短」という用語は、短軸の１／２を指し、両方の場合において、中心から焦点を通り、仮想楕円の周囲へと延びる。

１．５：１～３０：１（１．５：１および３０：１を含む）の範囲のＡ対Ｂの比は、所望の性能を達成するのによく適していることが判明した。別の態様では、Ａ対Ｂの比は、１．５：１～５：１の範囲、またはさらに別の態様では、３：１～５：１の範囲であってもよい。また別の態様では、Ａ対Ｂの比は、３：１より大きく３０：１未満であってもよい。円弧４００は、中間平面２６２に配置された仮想楕円を定義する点のアレイの任意の点の第１の端点と、端子平面２６６の仮想楕円を定義する点のアレイの任意の対応する点の第２の端点とを有する。一実施形態では、中間平面２６２に配置された仮想楕円の各点は、端子平面２６６の対応する第２の端点に接続される、円弧４００の第１の端点である。

数学的には、その長軸Ａが噴射軸２６８に平行である仮想楕円の１つの象限として円弧４００を定義する式は、次のように表すことができる：

式中、ｘは、ゼロ以外の数（すなわち、ｘ≠０）であり、ｙは、ゼロより大きく（すなわち、ｙ＞０）、Ｍは、１．５～３０の数であり、１．５および３０を含む（すなわち、１．５≦Ｍ≦３０）。

円弧４００に沿って定義され、噴射軸２６８に垂直に配向された断面楕円は、中間平面２６２から端子平面２６６までの有効面積が減少する。

図１３は、シンブル２６０の側面図を示す。上述したように、出口開口部２６４は、端子平面２６６に斜め（非平行）である出口平面２６５に沿って配置され、それにより角度「シータ」（θ）が出口平面２６５と端子平面２６６との間に定義される。端子平面２６６および中間平面２６２、ならびに入口２６１を定義する平面は、互いに平行である。

図１６は、代替のシンブル１２６０の内部表面プロファイルを示す。シンブル１２６０の入口部分１２６１は、軸１２６８に垂直に配向され、軸１２６８に沿って入口平面１２６７から中間平面１２６２に軸方向に延びる噴射軸１２６８の周囲の楕円（卵形）形状を定義する。シンブル１２６０の形状およびサイズは、入口平面１２６７および中間平面１２６２において同じであり、それにより均一な断面が入口平面１２６７と中間平面１２６２との間のシンブル壁によって定義される。入口平面１２６７および中間平面１２６２におけるシンブル１２６０の楕円形状は各々、それぞれの楕円形状を定義する点のアレイを含む。

シンブル１２６０は、入口１２６１に対向する出口開口部１２６４を含み、出口開口部１２６４は、出口平面に位置する（図１３に示すように）。楕円形状を定義する端子平面１２６６は、中間平面１２６２に平行であり、中間平面１２６２の楕円形状を定義する対応する点から最も離れた点を含む、点のアレイを含む。この最も離れた点はまた、出口開口部１２６４を定義する点のアレイにも見られる。出口開口部１２６４は、図１３に示すように、端子平面１２６６に対して斜めの角度「シータ」（θ）で出口平面１２６５に配置される。

噴射軸１２６８に垂直なそれぞれの平面（すなわち、シンブル１２６０を通る流れの方向）に見たシンブル１２６０の各断面はまた、楕円である。個々の楕円は各々、噴射軸１２６８と一致する中心を有する。長さ「ｙ」は、シンブル１２６０の高さを定義し、長さ「ｘ」は、シンブル１２６０の中間平面１２６２と出口平面１２６６との間のテーパ部の幾何学的形状を定義する。

個々の平面楕円は、中間平面１２６２の任意の点と端子平面１２６６の任意の対応する点との間に延びる線セグメント１４００に適合され、線セグメントは、以下の式によって定義される線の一部である：
ｙ＝Ｍｘ、
式中、Ｍは、端点を含む１．５～３０の数である（すなわち、１．５≦Ｍ≦３０）。一態様では、Ｍは、１．５～５、または３～５、または３より大きく３０未満の数である。

再び図２および図５を参照すると、軸方向燃料ステージングシステム２００を有する燃焼缶２４の組立は、外側から内側に向かって行われる。前方ケーシング１３０（または下流ケーシング部分１３４）は、下流フランジ１３８を介して、圧縮機吐出ケース１４０のフランジ１４４（または図２に示すように、ＣＤＣフランジ１４４に接続された中間フランジ１４８）に取り付けられる。ライナ４０は、燃焼缶２４の前方端部から圧縮機吐出ケース１４０に向かって設置される。シンブルボス２７０は、ライナ４０を通るシンブル開口部１４６の周囲を定義するライナ４０の外側表面に予め装着される。ライナ４０が配置されると、シンブル２６０は、シンブル開口部１４６に挿入され、シンブルボス２７０と係合する。外側スリーブ６０は、燃焼缶２４の後方端部からヘッド端部７０に向かって、ライナ４０と前方ケーシング１３０との間の空間に設置される。空気シールド６４は、外側スリーブ６０を通るように定義されたインジェクタ開口部６２に近接した外側スリーブ６０の内側表面に予め設置される。インジェクタ開口部６２およびシンブル開口部１４６は、軸方向および円周方向に位置合わせされる。トランジションピース５０は、ライナ４０の第３の円筒形部分４８およびそのフラシール４９上に設置される。

インジェクタユニット１１０は、インジェクタブレード２５０がシンブル２６０内に延びるように前方ケーシング１３０に装着される。設置中、インジェクタユニット１１０は、対応するシンブル２６０の長手方向軸からオフセットされた長手方向軸を有する。しかし、エンジン動作中、構成要素が高温になると、インジェクタユニット１１０およびシンブル２６０の長手方向軸は、各噴射アセンブリ２１０のそれぞれの噴射軸２６８に沿って互いに位置合わせされる。インジェクタユニット１１０が前方ケーシング１３０に固定された後、燃料供給ライン２１４、２１６が接続され、主燃料供給ライン（図示せず）が燃料噴射アセンブリ２１０Ａの主燃料入口２１２に接続される。

本明細書に記載の本燃料噴射アセンブリは、軸方向で段階的に燃焼を行う燃焼器の燃料と圧縮ガスとの良好な混合を促進し、排出量を低減する。したがって、本燃料噴射システムおよびＡＦＳシステムは、例えば、ガスタービンアセンブリの燃焼器などの燃焼器の全体的な動作効率の向上を容易にする。これは、出力を増加させ、ヘビーデューティ陸上用発電ガスタービンアセンブリに使用される燃焼器などの燃焼器の動作に関連するコストを低減する。

さらに、燃焼器がターンダウンされ、インジェクタユニットが燃料を供給されないとき、シンブルアセンブリは、空気の流れを燃焼器ライナの下流部分に誘導し、したがって一次燃焼ゾーンからの燃焼生成物の完全な燃焼を促進する。シンブルアセンブリとその傾斜した出口との間隔は、場合によっては冷却空気を高温燃焼生成物に導入することによって引き起こされることがある低温ストリークの形成を防止することが判明した。したがって、シンブルアセンブリによって導入されたより低温の空気が燃焼缶の出口温度プロファイルに及ぼす影響は、最小にされる。インジェクタユニットに燃料が供給されているか否かにかかわらず、出口温度プロファイルは一貫しており、それによってタービンおよびその構成要素の耐久性を向上させることが判明した。

燃料インジェクタの例示的な実施形態およびその使用の方法について、詳細に上述した。本明細書に記載の方法およびシステムは、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、方法およびシステムの構成要素は、本明細書に記載の他の構成要素から独立してかつ別々に利用することが可能である。例えば、本明細書に記載の方法およびシステムは、本明細書に記載のタービンアセンブリにおける実施に限定されない他の用途を有することができる。むしろ、本明細書に記載の方法およびシステムは、様々な他の産業に関連して実施および利用することが可能である。

技術的進歩を様々な具体的な実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、技術的進歩を特許請求の範囲の精神および範囲内において修正を加えて実施することができることを理解するであろう。
［実施態様１］
燃焼器ライナ（４０）を通して流体の流れを誘導するためのシンブルアセンブリ（１６０）であって、前記シンブルアセンブリ（１６０）は、
前記燃焼器ライナ（４０）の外側表面に装着されるシンブルボス（２７０）であって、前記燃焼器ライナ（４０）のシンブル開口（１４６）を取り囲み、前記シンブルボス（２７０）を通る通路（２７５）を定義するシンブルボス（２７０）と、
前記燃焼器ライナ（４０）の前記通路（２７５）および前記シンブル開口（１４６）を通って配置されるシンブル（２６０）であって、前記シンブル（２６０）の入口部分（２６１）から出口開口部（２６４）に延びるシンブル壁を備え、前記入口部分（２６１）は、前記出口開口部（２６４）よりも大きい直径を有するシンブル（２６０）と
を備え、
前記シンブル壁の内側表面は、前記入口部分（２６１）から前記出口開口部（２６４）への円弧形状（４００）を定義し、前記円弧形状（４００）は、楕円の１／４を定義する、シンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様２］
前記シンブル壁の前記入口部分（２６１）が、前記シンブル（２６０）の噴射軸（２６８）と一致する中心を有する楕円形状を定義する、実施態様１に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様３］
前記シンブル（２６０）の前記入口部分（２６１）が、入口平面（２６７）と、前記入口平面（２６７）に平行な中間平面（２６２）とを備え、前記入口平面（２６７）および前記中間平面（２６２）が、前記噴射軸（２６８）に垂直である、実施態様２に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様４］
前記シンブル（２６０）の前記入口部分（２６１）が、入口平面（２６７）と、前記入口平面（２６７）に平行な中間平面（２６２）とを備え、前記円弧形状（４００）が、前記中間平面（２６２）に沿った任意の点から始まる、実施態様１に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様５］
楕円の１／４を定義する前記円弧形状（４００）が、式

によって定義され、式中、ｘは、ゼロ以外の数であり、ｙは、ゼロより大きく、Ｍは、１．５～３０の数である、実施態様４に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様６］
前記シンブル（２６０）の前記中間平面（２６２）に沿って位置する各点が、前記式によって定義される前記円弧形状（４００）の第１の端点を定義する、実施態様５に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様７］
複数の平行な平面（２６２）が、前記中間平面（２６２）と、前記中間平面（２６２）を定義する点の対応するアレイから最も離れた点のアレイを含む端子平面（２６６）との間に配置され、前記複数の平面の各々が、前記シンブル（２６０）の噴射軸（２６８）に沿って位置する中心を有する楕円形状を定義し、前記端子平面（２６６）の複数の点の各点が、前記円弧形状（４００）の第２の端点を定義する、実施態様５に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様８］
前記シンブル壁が、不均一な長さを有し、それにより前記シンブル（２６０）の前記出口（２６４）が前記端子平面（２６６）に対して斜めの角度で配向される、実施態様７に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様９］
前記通路（２７５）が、周囲シェルフ（２７２）によって境界付けられ、前記シンブル壁の外側表面が、前記シンブルの周囲に少なくとも部分的に延び、前記外側表面から外側に突出するリブ（２６９）を備え、前記リブ（２６９）が、前記シェルフ（２７２）と係合して前記シンブル（２６０）を前記燃焼器ライナ（４０）を通して定義された前記シンブル開口（１４６）内の定位置に固定する、実施態様１に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様１０］
前記シンブルボス（２７０）が、上部表面（２８２）と、底部表面（２８４）とを備え、前記底部表面（２８４）の一部が、前記燃焼器ライナ（４０）と接触して配置され、前記底部表面（２８４）が、複数の空気流通路（２７４）を定義し、前記複数の空気流通路（２７４）が、前記シンブル開口（１４６）と流体連通する、実施態様１に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様１１］
燃焼器ライナ（４０）を通して流体の流れを誘導するためのシンブルアセンブリ（１６０）であって、前記シンブルアセンブリ（１６０）は、
前記燃焼器ライナ（４０）の外側表面に装着されるシンブルボス（２７０）であって、前記燃焼器ライナ（４０）のシンブル開口（１４６）を取り囲み、前記シンブルボス（２７０）を通る通路（２７５）を定義するシンブルボス（２７０）と、
前記燃焼器ライナ（４０）の前記通路（２７５）および前記シンブル開口（１４６）を通って配置されるシンブル（２６０）であって、前記シンブル（２６０）の入口部分（２６１）から出口（２６４）に延びるシンブル壁を備え、前記入口部分（２６１）は、前記出口（２６４）よりも大きい直径を有し、入口平面（２６７）および前記入口平面（２６７）に平行な中間平面（２６２）を定義し、前記入口部分（２６１）は、前記シンブル（２６０）の噴射軸（２６８）と一致する中心を有する楕円形状を定義するシンブル（２６０）と
を備え、
端子平面（２６５）は、前記中間平面（２６２）に平行に定義され、前記中間平面（２６２）を定義する点の対応するアレイから最も離れた点の配列を含み、前記シンブル壁は、不均一な長さを有し、それにより前記シンブル（２６０）の前記出口（２６４）が前記端子平面（２６５）に対して斜めの角度で配向される、シンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様１２］
前記中間平面（２６２）および前記端子平面（２６６）の各々が、前記シンブル（２６０）の前記噴射軸（２６８）と一致する中心を有する楕円形状を定義する、実施態様１１に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様１３］
前記入口平面（２６７）および前記中間平面（２６２）が、前記噴射軸（２６８）に垂直である、実施態様１２に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様１４］
前記中間平面（２６２）から前記端子平面（２６６）までの前記シンブル壁の内部表面が、円弧形状（４００）を定義し、前記円弧形状（４００）が、楕円の１／４を定義する、実施態様１１に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様１５］
前記シンブル（２６０）の前記中間平面（２６２）に沿って位置する前記点のアレイの任意の点が、前記円弧形状（４００）の第１の端点を定義し、
前記楕円の１／４を定義する前記円弧形状（４００）が、式

によって定義され、式中、ｘは、ゼロ以外の数であり、ｙは、ゼロより大きく、Ｍは、１．５～３０の数である、実施態様１４に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
［実施態様１６］
前記シンブル（２６０）の前記中間平面（２６２）に沿って位置する前記点のアレイの各点が、それぞれの円弧形状（４００）のそれぞれの端点を定義する、実施態様１５に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。

１２ 入口セクション
１４ 作動流体
１６ 圧縮機
１８ 圧縮作動流体、空気
２０ 気体燃料
２４ 燃焼器、燃焼缶
２６ 燃焼ガス、複合高温ガス、燃焼生成物、複合燃焼ガス生成物流、
２８ タービン、タービンセクション
３０ シャフト、シャフト積層ロータ
３２ 負荷、発電機
３４ 排気ガス
４０ 燃焼ライナ
４１ 混合孔
４２ 第１の円筒形ライナセクション
４４ ベンチュリ
４５ 分岐セクション
４６ 第２の円筒形ライナセクション、第２の円筒形部分
４７ 収束セクション
４８ 第３の円筒形ライナセクション、円筒形部分
４９ フラシール
５０ トランジションピース
５２ 燃焼器の後方端部
６０ 外側スリーブ
６２ インジェクタ開口部
６４ 空気シールド
６５ 環状部
７０ ヘッド端部部分、前方端部
７４ 端部カバー
８０ 一次燃料ノズル
８２ 中心燃料ノズル
９０ 一次燃焼ゾーン
１００ 二次燃焼ゾーン
１１０ インジェクタユニット
１１０Ａ インジェクタユニット
１１０Ｂ インジェクタユニット
１３０ 前方ケーシング
１３２ 上流ケーシング部分
１３３ 接合フランジ
１３４ 下流ケーシング部分
１３５ 環状部
１３６ 円筒形部分、下流部分、下流端部
１３７ 上流フランジ
１３８ 下流フランジ
１４０ 圧縮機吐出ケース
１４２ 加圧空気プレナム、高圧プレナム
１４４ ＣＤＣフランジ
１４６ シンブル開口部、シンブル開口
１４８ 中間フランジ、接合フランジ
１６０ シンブルアセンブリ
２００ 軸方向燃料ステージング（ＡＦＳ）システム
２１０ ＡＦＳ噴射アセンブリ、下流噴射アセンブリ
２１０Ａ 第１のＡＦＳ噴射アセンブリ
２１０Ｂ 第２のＡＦＳ噴射アセンブリ
２１０Ｃ 第３のＡＦＳ噴射アセンブリ
２１０Ｄ 第４のＡＦＳ噴射アセンブリ
２１２ 主燃料入口
２１３ スロート領域
２１４ 第１の燃料供給ライン
２１５ 燃料通路
２１６ 第２の燃料供給ライン
２１７ 燃料通路
２１８ 第３の燃料供給ライン
２１９ 中間導管
２２０ Ｌ字形燃料ライン取付具
２２２ Ｌ字形燃料ライン取付具
２２４ 第１の端部
２２６ 第１の端部
２３０ 燃料プレナム
２３４ 第２の端部
２４０ 本体
２４２ 装着フランジ
２５０ インジェクタブレード
２５１ 第１の表面
２５２ 燃料噴射ポート
２５３ 第２の表面
２５４ 燃料噴射ポート
２５６ 第１の縁部
２５８ 第２の縁部
２５９ 端子縁部
２６０ シンブル
２６１ 入口、入口部分
２６２ 中間平面
２６４ シンブル出口、出口開口部
２６５ 出口平面
２６６ 端子平面、出口平面
２６７ 入口平面
２６８ 噴射軸
２６９ リブ
２７０ シンブルボス
２７１ 外側周囲
２７２ シェルフ
２７３ 内側周囲
２７４ 空気流通路、底部表面
２７５ 開口
２８２ 上部表面
２８４ 底部表面
２９０ インジェクタポート
３１３ スロート領域
３１９ 中間導管
３２０ 燃料ライン取付具、Ｌ字形取付具
３２２ 第１のＬ字形取付具
３２４ 第２のＬ字形取付具、第２の導管
３２６ 燃料ライン取付具
３４０ 本体
３４２ 装着フランジ
４００ 連続円弧
１０００ ガスタービン
１２６０ シンブル
１２６１ 入口、入口部分
１２６２ 中間平面
１２６４ 出口開口部
１２６５ 出口平面
１２６６ 端子平面、出口平面
１２６７ 入口平面
１２６８ 噴射軸
１４００ 線セグメント

Claims (9)

1. 燃焼器ライナ（４０）を通して流体の流れを誘導するためのシンブルアセンブリ（１６０）であって、当該シンブルアセンブリ（１６０）が、
   前記燃焼器ライナ（４０）の外側表面に装着されるシンブルボス（２７０）であって、前記燃焼器ライナ（４０）のシンブル開口（１４６）を取り囲み、前記シンブルボス（２７０）を通る通路（２７５）を定義するシンブルボス（２７０）と、
   前記燃焼器ライナ（４０）の前記通路（２７５）及び前記シンブル開口（１４６）を通って配置されるシンブル（２６０）であって、前記シンブル（２６０）の入口部分（２６１）から出口開口部（２６４）に延びるシンブル壁を備え、前記入口部分（２６１）が、前記出口開口部（２６４）よりも大きい直径を有するシンブル（２６０）と
   を備え、
   前記シンブル壁の内側表面が、前記入口部分（２６１）から前記出口開口部（２６４）への円弧形状（４００）を定義し、前記円弧形状（４００）が楕円の１／４を定義し、
   前記シンブルボス（２７０）が、上部表面（２８２）と底部表面（２８４）とを備えており、前記底部表面（２８４）の一部が、前記燃焼器ライナ（４０）と接触して配置され、前記底部表面（２８４）が複数の空気流通路（２７４）を定義し、前記複数の空気流通路（２７４）が前記シンブル開口（１４６）と流体連通する、シンブルアセンブリ（１６０）。
2. 前記シンブル壁の前記入口部分（２６１）が、前記シンブル（２６０）の噴射軸（２６８）と一致する中心を有する楕円形状を定義する、請求項１に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
3. 前記シンブル（２６０）の前記入口部分（２６１）が、入口平面（２６７）と、前記入口平面（２６７）に平行な中間平面（２６２）とを備えており、前記入口平面（２６７）及び前記中間平面（２６２）が、前記噴射軸（２６８）に垂直である、請求項２に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
4. 前記シンブル（２６０）の前記入口部分（２６１）が、入口平面（２６７）と、前記入口平面（２６７）に平行な中間平面（２６２）とを備えており、前記円弧形状（４００）が、前記中間平面（２６２）に沿った任意の点から始まる、請求項１に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
5. 楕円の１／４を定義する前記円弧形状（４００）が、次の式
   

   

   （式中、ｘはゼロ以外の数であり、ｙはゼロより大きく、Ｍは１．５～３０の数である。）によって定義される、請求項４に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
6. 前記シンブル（２６０）の前記中間平面（２６２）に沿って位置する各点が、前記式によって定義される前記円弧形状（４００）の第１の端点を定義する、請求項５に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
7. 複数の平行な平面（２６２）が、前記中間平面（２６２）と、前記中間平面（２６２）を定義する点の対応するアレイから最も離れた点のアレイを含む端子平面（２６６）との間に配置され、前記複数の平面の各々が、前記シンブル（２６０）の噴射軸（２６８）に沿って位置する中心を有する楕円形状を定義し、前記端子平面（２６６）の複数の点の各点が、前記円弧形状（４００）の第２の端点を定義する、請求項５に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
8. 前記シンブル壁が、不均一な長さを有し、それにより前記シンブル（２６０）の前記出口開口部（２６４）が前記端子平面（２６６）に対して斜めの角度で配向される、請求項７に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。
9. 前記通路（２７５）が、周囲シェルフ（２７２）によって境界付けられ、前記シンブル壁の外側表面が、前記シンブルの周囲に少なくとも部分的に延び、前記外側表面から外側に突出するリブ（２６９）を備え、前記リブ（２６９）が、前記周囲シェルフ（２７２）と係合して前記シンブル（２６０）を前記燃焼器ライナ（４０）を通して定義された前記シンブル開口（１４６）内の定位置に固定する、請求項１に記載のシンブルアセンブリ（１６０）。

Images