KR102175869B1 - 가스 터빈 엔진용 제트 스월 에어 블라스트 연료 인젝터 - Google Patents

가스 터빈 엔진용 제트 스월 에어 블라스트 연료 인젝터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 가스 터빈 엔진(10)용 연료 인젝터(300)는 외부 슬리브(310)를 포함한다. 외부 슬리브(310)의 상류측 단부(99)에 입구 개구(309)가 획정되어 있고, 하류측 단부(98)에 출구 개구(311)가 획정되어 있으며, 이들 개구 각각은 외부 슬리브(310) 내에 획정되어 있다. 외부 슬리브(310)에는 반경방향을 따라 관통 연장되는 반경방향 개구(313)가 획정되어 있다. 외부 슬리브(310)의 적어도 일부분에는 복수 개의 홈(315)이 획정되어 있다. 외부 슬리브(310)에는, 연료 인젝터 중심선(13)으로부터 반경방향을 따라 상기 복수 개의 홈(315)의 바깥쪽에서 외부 슬리브(310)의 적어도 일부분을 통과하는 연료 도관(319)이 획정되어 있다. 연료 도관(319)에는, 외부 슬리브(310)를 관통하여 획정된 반경방향 개구(313)의 반경방향을 따라 안쪽에 연료 주입 개구(103)가 획정되어 있다. 아암(320)의 제1 부재(323)가 외부 슬리브(310)에 연결되어 있다. 아암(320)의 제2 부재(325)는, 연료 인젝터 중심선(13)에 대해 전반적으로 동심 관계인 연료 주입 포트(327)를 획정하도록 윤곽이 형성되어 있다.

Description

가스 터빈 엔진용 제트 스월 에어 블라스트 연료 인젝터{JET SWIRL AIR BLAST FUEL INJECTOR FOR GAS TURBINE ENGINE}
본 발명의 대상은 일반적으로 연소 어셈블리용 연료 인젝터에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진, 그리고 가스 터빈 엔진의 연소 어셈블리는, 배출물을 감소시키고, 출력을 증가시키며, 부분-부하 또는 부분-출력 조건 등에서 성능 및 작동성을 향상시키는 것에 대한 과제가 점점 더 커지고 있다. 그러나, 가스 터빈 엔진에서는 일반적으로, 연소 어셈블리에 할당될 수 있는 공간 및 무게가 제한된다.
배출물의 양, 출력 및/또는 성능 및 작동성을 향상시킬 수 있는 해결책으로는 포획 와류 연소기(TVC) 또는 축방향 다단 연소기 어셈블리가 있다. 그러나, 알려진 연료 인젝터는, TVC 또는 축방향 다단 연소기에 적용되는 경우에, 일반적으로 연료 또는 연료/산화제 혼합물의 비교적 축방향 운동량이 낮은 흐름 또는 강한 선회(예컨대, 0.5 이상의 선회수)를 초래한다. 더 나아가, 알려진 연료 인젝터는, 일반적으로 화염 홀더, 로브(lobe), 중앙 본체, 또는 하류측 팁 구조 등과 같은, 화염의 정착을 조장하는 하나 이상의 특징부를 포함하는 것이 일반적이다. 이러한 성능 속성은 종래의 애뉼러형, 캔형, 또는 캔-애뉼러형의 희박 연소 또는 농후 연소 연소기 어셈블리에서는 용인될 수 있거나 또는 선호될 수 있지만, 이러한 성능 속성은 와류 붕괴와, 중심선 역류, 그리고 TVC 또는 축방향 다단 연소기의 성능 및 작동에 유해한 전반적으로 비효율적인 혼합, 성능 및 작동을 야기할 수 있다.
이에 따라, 포획 와류 또는 축방향 연료-다단 희석 제트를 유도하기 위한 비교적 운동량이 높은 저선회 또는 비선회 연료/산화제 흐름을 생성하는 연료 인젝터 어셈블리가 필요하다.
본 발명의 양태들과 이점들은 아래의 설명에서 부분적으로 제시될 것이거나, 아래의 설명으로부터 분명해질 수 있거나, 또는 본 발명의 실시를 통해 알게 될 수 있다.
본원은 가스 터빈 엔진용 연료 인젝터에 관한 것이다. 상기 연료 인젝터는, 연료 인젝터 중심선에 대하여 둘레방향을 따라서 그리고 적어도 부분적으로 연료 인젝터 중심선에 대해 동일한 방향으로 연장되는 적어도 부분적으로 원통형인 외부 슬리브로서, 외부 슬리브의 상류측 단부에 입구 개구가 획정되어 있고 외부 슬리브의 하류측 단부에 출구 개구가 획정되어 있으며, 입구 개구와 출구 개구는 각각 연료 인젝터 중심선에 대한 반경방향을 따라 외부 슬리브 내에 획정되어 있고, 외부 슬리브에는 연료 인젝터 중심선에 대한 반경방향을 따라 외부 슬리브를 관통하여 연장되는 반경방향 개구가 획정되어 있으며, 외부 슬리브의 내경부의 적어도 일부분에는 대략 입구 개구로부터 연장되는 복수 개의 홈이 획정되어 있고, 외부 슬리브에는 연료 인젝터 중심선으로부터 반경방향을 따라 상기 복수 개의 홈의 바깥쪽에서 외부 슬리브의 적어도 일부분을 통과하는 연료 도관이 획정되어 있으며, 연료 도관에는 외부 슬리브를 관통하여 획정된 반경방향 개구의 반경방향을 따라 안쪽에 연료 주입 개구가 획정되어 있는 것인 외부 슬리브; 및 상기 외부 슬리브에 연결되고 연료 인젝터 중심선에 대한 반경방향을 따라 연장되는 아암으로서, 아암에는, 외부 슬리브에 연결되는 제1 부재와, 반경방향을 따라 연장되고 연료 인젝터 중심선에 대해 전반적으로 동심 관계인 연료 주입 포트를 획정하도록 윤곽이 형성된 제2 부재가 획정되어 있고, 상기 제2 부재에는 연료 주입 포트와 유체 연통 관계로 제2 부재를 통과하여 연장되는 연료 통로가 획정되어 있는 것인 아암을 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 아암의 제2 부재는 상기 연료 통로 내에 압력 분무기가 획정되어 있다.
다른 실시형태에서, 상기 외부 슬리브에는, 내경부의 적어도 일부분이, 복수 개의 홈에서, 입구 개구로부터 하류측 방향을 향해 갈수록 감소되는 것으로 획정되어 있다.
또 다른 실시형태에서, 상기 외부 슬리브를 관통하여 획정된 반경방향 개구는, 상기 복수 개의 홈의 하류측 단부의 반경방향을 따라 바깥쪽에 배치되어 있다.
또 다른 실시형태에서, 상기 외부 슬리브를 관통하여 획정된 반경방향 개구는, 적어도 부분적으로 상기 연료 인젝터 중심선에 대하여 둘레방향을 따라 연장되어 있다.
또 다른 실시형태에서, 상기 외부 슬리브의 안쪽에 연료/산화제 혼합 통로가 획정되어 있다. 상기 연료/산화제 혼합 통로는 상기 복수 개의 홈의 하류측에 그리고 상기 출구 개구의 상류측에 획정되어 있다.
일 실시형태에서, 상기 연료 도관은 추가적으로 상기 아암의 제1 부재를 통과하게 획정되어 있다.
다른 실시형태에서, 상기 외부 슬리브를 통과하는 반경방향 개구는, 적어도 부분적으로 상기 연료 인젝터 중심선에 대한 축방향을 따라 연장되어 있다. 상기 복수 개의 홈의 하류측 단부와 연료 주입 개구는 각각 반경방향을 따라 반경방향 개구의 안쪽에 획정되어 있다.
여러 실시형태에서, 상기 연료 인젝터는 상기 외부 슬리브와 상기 아암의 제2 부재 사이에서 반경방향을 따라 연장되는 전방벽을 더 포함한다. 상기 전방벽은 전반적으로 연료 인젝터 중심선에 동심 관계이고, 전방벽을 통과하는 복수 개의 벽 개구가 획정되어 있다. 일 실시형태에서, 상기 벽 개구는, 상기 전방벽을 관통하여 획정되어 있고 적어도 부분적으로 상기 연료 인젝터 중심선에 대하여 둘레방향으로 연장되어 있다.
본원의 다른 양태는 축방향 엔진 중심선이 획정되어 있는 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 가스 터빈 엔진은 엔진 중심선에 대해 전반적으로 동심 관계로 획정된 연소 섹션을 포함한다. 상기 연소 섹션은 엔진의 중심선 주위에 인접한 둘레방향 배치 구성으로 획정된 복수 개의 연료 인젝터를 포함한다.
엔진의 일 실시형태에서, 상기 연소 섹션에는 포획 와류 연소기 어셈블리가 획정되어 있다.
엔진의 다른 실시형태에서, 복수 개의 연료 인젝터는 적어도 부분적으로 엔진 중심선에 대하여 둘레방향으로 배치된다.
엔진의 또 다른 실시형태에서, 복수 개의 연료 인젝터는 적어도 부분적으로 엔진 중심선에 대한 반경방향으로 배치된다.
전술한 본 발명의 특징, 양태 및 이점과 그 밖의 특징, 양태 및 이점은 이하의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위를 참조로 하면 보다 잘 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되어 있고 본 명세서의 일부분을 구성하는 첨부 도면은, 본 발명의 실시형태들을 보여주며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
당업자에 대한 최적의 모드를 포함하는 본 발명의 완전하고 실시 가능한 개시는, 첨부 도면들을 참조로 하는, 명세서에서 제시된다:
도 1은 연소기 어셈블리의 예시적인 실시형태를 포함하는 예시적인 가스 터빈 엔진의 개략적인 단면도이고;
도 2는 도 1에 전반적으로 제공된 가스 터빈 엔진의 연소 섹션의 연소기 어셈블리의 예시적인 실시형태의 축방향 단면도이며;
도 3은 도 2에 전반적으로 제공된 연소기 어셈블리의 예시적인 실시형태의 일부분의 사시도이고;
도 4는 도 2에 전반적으로 제공된 연소기 어셈블리의 다른 예시적인 실시형태의 단면도이며;
도 5는 도 2에 전반적으로 제공된 연소기 어셈블리의 예시적인 실시형태의 측면도이고;
도 6은 도 2의 연소기 어셈블리의 연료 인젝터의 예시적인 실시형태의 사시도이며;
도 7은 도 9에 도시된 평면 A-A에서 취한 도 6의 예시적인 연료 인젝터의 절취도이고;
도 8은 도 9에 도시된 평면 A-A에서 취한 도 6의 연료 인젝터의 다른 예시적인 실시형태의 절취도이며;
도 9는 도 6의 예시적인 연료 인젝터의 일부분의 단면도이고;
도 10은 도 6의 연료 인젝터의 다른 예시적인 실시형태의 일부분의 단면도이며;
도 11은 평면 11-11에서 취한 도 9의 예시적인 연료 인젝터의 일부분의 단면도이다.
본 명세서 및 도면에서 참조 부호를 반복 사용하는 것은, 본 발명에 있어서 동일하거나 유사한 특징부들 또는 요소들을 나타내려는 의도가 있다.
이제, 본 발명의 실시형태들에 관하여 상세하게 언급이 이루어질 것인데, 이들 실시형태의 하나 이상의 예가 도면에 예시되어 있다. 각 예는 본 발명을 한정하려는 것이 아니라 본 발명을 설명하려는 것으로 제공된다. 실제로, 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않고서도 다양한 수정 및 변형이 실시될 수 있다는 것이, 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시형태의 일부분으로서 예시되거나 기술된 특징부들은, 다른 실시형태들과 함께 사용되어, 또 다른 실시형태를 만들어낼 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 안에 있는 이러한 수정 및 변형과 그 균등물을 커버하는 것으로 되어 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "제1", "제2" 및 "제3"은 개개의 구성요소의 위치 또는 중요도를 나타내려는 것이 아니라, 어느 한 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 교환 가능하게 사용될 수 있다.
용어 "상류" 및 "하류"는 유체 경로에서의 유체 흐름에 대하여 상대적인 방향을 나타낸다. 예를 들어, "상류"는 유체가 흘러나오는 방향을 나타내고, "하류"는 유체가 흘러가는 방향을 나타낸다.
본원에 인용된 근사치는, 당해 기술 분야에 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 측정 장치에 기초한 마진을, 예를 들어 이에 국한되는 것은 아니지만 측정 장치 또는 센서의 풀 스케일 측정 범위의 백분율 등을, 포함할 수 있다. 대안적으로, 본원에 인용된 근사치는 상한치보다 큰 상한치의 10%의 마진 또는 하한치보다 작은 하한치의 10%의 마진을 포함할 수 있다.
포획 와류 또는 축방향 연료-다단 희석 제트를 유도하기 위한 비교적 운동량이 높은 저선회 또는 비선회 연료/산화제 흐름을 생성하는 연료 인젝터 어셈블리의 실시형태가 일반적으로 제공된다. 본원에 일반적으로 제공되는 연료 인젝터의 여러 실시형태들에서는, 연료 인젝터의 하류측 단부에서 약 0.5보다 작은 선회수가 정해질 수 있다. 연료 인젝터로부터의 저선회 또는 비선회 연료 및 산화제 흐름이 포획 와류 연소기(TVC) 어셈블리에서의 와류 붕괴를 방지한다. 더 나아가, 연료 인젝터로부터의 저선회 또는 비선회 연료 및 산화제 흐름은 또한 중심선 역류를 방지할 수 있다. 또한, 상기 연료 인젝터는, 하나 이상의 연료 주입 포트/개구로부터의 연료를 하나 이상의 산화제 개구를 통해 나온 산화제와 신속하게 혼합하는 것을 조장하는 내부 전단 구조를 제공한다. 상기 연료 인젝터의 실시형태들은 TVC 또는 연료-다단 연소기 어셈블리의 성능 및 작동성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 가스 터빈 엔진의 성능, 작동성, 배출물의 양 및 출력을 향상시킬 수 있다.
이제 도면들을 참조해 보면, 도 1은 본원의 여러 실시형태들을 포함할 수 있으므로 본원에서 "엔진(10)"이라고 하는 고(高) 바이패스 터보팬 엔진(10)을 한정하는 예시적인 가스 터빈 엔진의 개략적인 부분 단면 측면이다. 이하에서 터보팬 엔진을 참조하여 더 기술되지만, 본원은 선박용 및 산업용 터빈 엔진과 보조 동력 장치 등을 비롯한 터보제트, 터보프롭 및 터보샤프트 가스 터빈 엔진 등과 같은 터보 기계류를 일반적으로 포함하는 가스 터빈 엔진에도 또한 전반적으로 적용 가능하다. 본원은 램제트, 스크램제트 등과 같이 로켓, 미사일 등을 비롯한 장치용의 추진 시스템에도 또한 적용 가능하다. 엔진(10)에는 일반적으로, 축방향(A1)과, 기준을 목적으로 관통 연장되는 축방향 중심축(12)에 대한 반경방향(R1), 그리고 중심축(12)에 대하여 연장되는 둘레방향(C1)이 획정된다. 일반적으로, 엔진(10)은 팬 어셈블리(14)와 팬 어셈블리(14)의 하류측에 배치된 코어 엔진(16)을 포함할 수 있다.
코어 엔진(16)은 일반적으로, 환형 입구(20)를 획정하는 실질적으로 관형인 외부 케이싱(18)을 포함할 수 있다. 외부 케이싱(18)은, 부스터 또는 저압(LP) 압축기(22), 고압(HP) 압축기(24)를 구비하는 압축기 섹션과, 연소 섹션(26)과, 고압(HP) 터빈(28), 저압(LP) 터빈(30)을 구비하는 터빈 섹션(31), 그리고 제트 배기 노즐 섹션(32)을 직렬식 흐름 관계로 둘러싸거나 또는 적어도 부분적으로 형성한다. 고압(HP) 로터 샤프트(34)는 HP 터빈(28)을 HP 압축기(24)에 구동 연결한다. 저압(LP) 로터 샤프트(36)는 LP 터빈(30)을 LP 압축기(22)에 구동 연결한다. LP 로터 샤프트(36)는 또한 팬 어셈블리(14)의 팬 샤프트(38)에 연결될 수 있다. 특정 실시형태에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, LP 로터 샤프트(36)는 감속 기어(40)를 통해 팬 샤프트(38)에, 예를 들어 간접 구동 또는 기어 구동 구성 등으로 연결될 수 있다. 다른 실시형태에서, 엔진(10)은 중간 압력 샤프트로 회전 가능한 터빈 및 중간 압력(IP) 압축기를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 팬 어셈블리(14)는, 팬 샤프트(38)에 결합되어 있고 팬 샤프트(38)로부터 반경방향 바깥쪽으로 연장되어 있는 복수 개의 팬 블레이드(42)를 포함한다. 환형 팬 케이싱 또는 나셀(44)은 팬 어셈블리(14) 및/또는 코어 엔진(16)의 적어도 일부분을 둘레방향으로 둘러싼다. 일 실시형태에서, 나셀(44)은 둘레방향으로 간격을 두고 배치된 출구 가이드 베인 또는 스트럿(46)에 의해 코어 엔진(16)에 대하여 지지될 수 있다. 또한, 나셀(44)의 적어도 일부분은 코어 엔진(16)의 외측 부분 위에서 연장되어 이들 사이에 바이패스 공기 흐름 통로(48)를 획정할 수 있다.
이제 도 2를 참조해 보면, 연소 섹션(26)의 연소기 어셈블리(50)의 축방향 단면도가 전반적으로 제공된다. 연소기 어셈블리(50)는 연소기 중심선(11) 둘레로 환형으로 연장되는 나선형 벽(100)을 포함한다. 나선형 벽(100)은 적어도 부분적으로 둘레방향 기준선(95)으로부터 연소기 중심선(11) 둘레로 나선 곡선으로서 연장된다. 나선형 벽(100)은 나선형 벽(100)의 안쪽에 연소실(62)을 획정한다. 환형 내벽(110)이 적어도 부분적으로 나선형 벽(100)으로부터 축방향(A2)을 따라 연장된다. 환형 외벽(120)이 적어도 부분적으로 나선형 벽(100)으로부터 축방향(A2)을 따라 연장된다. 내벽(110)과 외벽(120)은 연소기 중심선(11)으로부터 반경방향(R2)을 따라 분리되어 있다. 1차 흐름 통로(70)가 연소실(62)로부터 유체 연통 관계로 내벽(110)과 외벽(112) 사이에 획정된다.
여러 실시형태들에서, 연소기 중심선(11)은 엔진(10)의 축방향 중심선(12)과 동일한 것일 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 다른 실시형태들에서, 연소기 중심선(11)은 축방향 중심선(12)에 대하여 예각으로 배치될 수 있다. 더 나아가, 연소기 중심선(11)은 축방향 중심선(12)에 대하여 접선방향으로 배치될 수 있다. 이와 같이, 여러 실시형태들에서, 축방향(A2)은 축방향(A1)과 동일한 것이거나 또는 일반적으로 동일 방향에 있거나 동일 평면 상에 있을 수 있다. 그러나, 다른 실시형태들에서, 축방향(A2)은 연소기 중심선(11)의 배치와 대하여, 예를 들어 동일 방향인 것으로, 정해지고, 엔진(10)의 축방향(A1)에 대하여는 서로 다른 방향인 것으로 정해질 수 있다.
여러 실시형태들에서, 연소기 어셈블리(50)는 1차 연료 인젝터(210)를 더 포함한다. 나선형 벽(100)에는 하나 이상의 연료 주입 개구(103)가 획정되어 있는데, 이 연료 주입 개구를 통해 1차 연료 인젝터(210)가 적어도 부분적으로 연소실(62) 안으로 연장된다. 일 실시형태에서, 기준 코드(96)가 나선형 벽(100)으로부터 획정되어 있다. 1차 연료 인젝터(210)는 적어도 부분적으로 기준 코드(96)에 대하여 예각(97)으로 연소실(62) 안으로 연장된다.
다른 실시형태에서, 1차 연료 인젝터(210)는 적어도 부분적으로 나선형 벽(100) 및 연소기 중심선(11)에 대하여 접선 각도로 연소실(62) 안으로 연장된다. 예를 들어, 액체 또는 기체 연료의 흐름이 적어도 부분적으로 연소실(62) 내에서 연소기 중심선(11)(도 3에 도시)에 대하여 둘레방향(C2)을 따라 연소실(62) 안으로 옮겨지도록, 1차 연료 인젝터(210)는 접선 각도로 배치될 수 있다.
또 여러 실시형태들에서, 1차 연료 인젝터(210)는 적어도 부분적으로 연소실(62)에 대하여 축방향, 반경방향 및 방위각 성분들의 복합 각도로 연소실(62) 안으로 연장될 수 있다.
여러 실시형태들에서, 1차 연료 인젝터(210)는 연소실(62) 안으로 액체 또는 기체 연료의 흐름을 옮겨 연소실(62) 내에 1차 연소 구역(61)을 획정한다. 또 여러 실시형태들에서, 1차 연료 인젝터(210)와 연소실(62)은 환형의 포획 와류 또는 토로이드 형태로 안정화된 1차 연소 구역(61)을 획정한다. 포획 와류 1차 연소 구역(61)은 화학량론적으로 희박하거나 농후한 것으로 획정될 수 있다. 일 실시형태에서는, 연소실(62)에 있어서 1차 연료 인젝터(210)로부터의 연료는 산화제와 예혼합될 수 있다. 다른 실시형태에서, 연료와 산화제는 따로 떨어져 있을 수 있다(즉, 확산). 또 여러 실시형태들에서, 디퓨저 및 예혼합된 연료/산화제의 조합이 연소실(62)에 획정된 1차 연소 구역(61)에 들어갈 수 있다.
이제 도 3을 참조해 보면, 도 2의 연소기 어셈블리(50)의 일부분의 사시도가 전반적으로 제공된다. 도 2~도 3을 참조해 보면, 나선형 벽(100)의 일부분(101)과 외벽(120)의 일부분(121)이 그 사이에 2차 흐름 통로(105)를 함께 획정한다. 나선형 벽(100)과 외벽(120)은 연소실(62)에 인접한 하나 이상의 제2 출구 개구(106)를 함께 획정한다. 제2 출구 개구(106)는 1차 흐름 통로(70)와 유체 연통 관계이다. 일 실시형태에서, 제2 출구 개구(106)는 보다 구체적으로 연소실(62)과 유체 연통 관계이다. 외벽(120)에는 또한, 2차 흐름 통로(105) 및 제2 출구 개구(106)와 유체 연통 관계인 하나 이상의 제2 입구 개구(107)가 획정되어 있다.
연소기 어셈블리(50)의 일 실시형태에서, 2차 흐름 통로(105)는 적어도 부분적으로 연소기 중심선(11)에 대하여 환형으로 연장된다. 다른 실시형태들에서, 전반적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 2차 흐름 통로 벽(122)이 나선형 벽(100)의 일부분(101)과 외벽(120)의 일부분(121)까지 연장된다. 2차 흐름 통로 벽(122), 나선형 벽(100)의 일부분(101), 및 외벽(120)의 일부분(121)은 함께, 2차 흐름 통로(105)를 별개의 통로로서 획정한다. 2차 흐름 통로 벽(122)은, 연소기 중심선(11) 주위에 인접한 둘레방향 배치 구성으로 2개 이상의 별개의 2차 흐름 통로(105)를 획정한다.
일 실시형태에서, 연소실(62) 내의 환형의 포획 와류 1차 연소 구역(61)이 내벽(110)과 외벽(120)의 사이에서 연장되는 1차 흐름 통로(70)에 대하여 반경방향(R2)을 따라 전반적으로 바깥쪽에 배치된다. 예를 들어, 연소실(62)은 전반적으로 적층형이고, 2차 흐름 통로(105)를 획정하도록 연장되는 외벽(120)의 일부분(121)과 나선형 벽(100)의 일부분(101)을 통하여, 1차 흐름 통로(70)로부터 적어도 부분적으로 구획되어 있다.
다시 도 2를 참조해 보면, 여러 실시형태들에서, 2차 흐름 통로(105)는 대략 2차 입구 개구(107)로부터 대략 제2 출구 개구(106)를 향해감에 따라 단면이 감소하는 영역을 획정한다. 상기 단면이 감소하는 영역은, 2차 흐름 통로(105)를 통과하여 연소실(62)로 가는 유체의 흐름을 가속하는 노즐을 전반적으로 획정할 수 있다. 여러 실시형태들에서, 상기 유체의 흐름은 액체 또는 기체 연료(이하에 더 기술됨), 산화제(예컨대, 공기)의 흐름, 또는 불활성 가스의 흐름, 또는 이들의 조합이다.
일 실시형태에서, 2차 흐름 통로(105)는 적어도 부분적으로, 산화제의 흐름을 나선형 연소실(62)에 제공하는 적어도 하나의 통로를 획정하는 것에 기여하여, 연소실(62)에서 1차 연소 구역(61)의 포획 와류 또는 토로이드형 안정화를 유도하는 데 기여하도록 산화제의 흐름을 제공할 수 있다.
다른 실시형태에서, 이하에 추가적으로 설명되는 바와 같이, 연소기 어셈블리(50)는 또한, 연소실(62)에서 1차 연소 구역(61)의 하류측에, 예를 들어 포획 와류 1차 연소 구역(61)과 연소기 어셈블리(50)의 하류측 출구의 사이 등에, 하나 이상의 연료 주입 위치를 획정한다. 1차 연료 인젝터(210) 및 1차 연소 구역(61)과 유사하게, 하나 이상의 하류측 연료 주입 위치들이 화학량론적으로 희박 또는 농후한 것으로, 또는 희박 및 농후의 조합으로 획정될 수 있다. 더 나아가, 하나 이상의 연료 주입 위치들은 확산 또는 예혼합된 연료 및 산화제, 또는 이들의 조합을 획정할 수 있다. 여러 실시형태들에서, 이하에 더 설명되는 하류측 연료 주입 위치들은, 연소기 어셈블리(50)를 나가는 연소 가스의 능동-제어되는 연료 희석부로서 획정될 수 있다. 또 여러 실시형태들에서, 1차 연료 인젝터(210), 하나 이상의 하류측 연료 인젝터[예컨대, 2차 연료 인젝터(220), 3차 연료 인젝터(230)], 또는 이들의 조합이, 연료 또는 연료/산화제 혼합물(384)을 연소실(62), 1차 흐름 통로(70), 또는 양자 모두에 선택적으로 제공하여, 연소 가스(86)를 형성할 때 연료/산화제 혼합물(384)의 바람직한 체류 시간을 제공하도록 제어될 수 있다.
이제 도 4를 참조해 보면, 연소 섹션(26)의 축방향 단면도가 전반적으로 제공된다. 도 4에 도시된 실시형태에서, 연소기 어셈블리(50)는 제2 입구 개구(107)를 통해 적어도 부분적으로 2차 흐름 통로(105) 안으로 연장되는 2차 연료 인젝터(220)를 더 포함할 수 있다. 2차 연료 인젝터(220)는, 액체 또는 기체 연료의 흐름을 2차 흐름 통로(105) 안으로 옮겨 연소실(62) 안으로 나가게 하도록 구성되어 있다. 이와 같이, 1차 흐름 통로(70) 또는 보다 구체적으로는 연소실(62)과 유체 연통 관계인 2차 흐름 통로(105)는, 전반적으로 1차 연료 인젝터(210)의 하류측에 [1차 흐름 통로(70)를 따라] 2차 연료/산화제 주입 포트를 획정한다. 2차 흐름 통로(105)는, 원(66)으로 개략적으로 도시된 바와 같이, 1차 연소 구역(61)의 하류측에 2차 연소 구역을 형성하도록 연료를 연소실(62)에 배출하여 혼합 및 점화되게 할 수 있다.
도 4를 계속 참조해 보면, 연소기 어셈블리(50)의 여러 실시형태들에서, 나선형 벽(100)은 대략 제2 출구 개구(106)에 배치된 제1 반경부(91)로부터 대략 내벽(110)에 배치된 제2 반경부(92)까지 연장된다. 제2 반경부(92)는 전반적으로 제1 반경부(91)보다 크다. 이와 같이, 나선형 벽(100)은 전반적으로, 환형의 나선형 연소실(62)을 획정하는 스크롤 벽을 획정할 수 있다.
이제 도 2와 도 4를 참조해 보면, 연소기 어셈블리(50)에는 외벽(120)을 관통하는 제3 개구(123)가 더 획정될 수 있다. 제3 개구(123)는 1차 흐름 통로(70)에 인접하게 획정된다. 예를 들어, 제3 개구(123)는 전반적으로 연소실(62)의 하류측에 있다. 보다 구체적으로, 제3 개구(123)는 2차 출구 개구(106)의 하류측에서 외벽(120)을 관통하게 획정될 수 있다.
여러 실시형태들에서, 연소기 어셈블리(50)는, 적어도 부분적으로 외벽(120)에 있는 제3 개구(123)를 통과하여 연장되는 3차 연료 인젝터(230)를 더 포함한다. 일 실시형태에서, 액체 또는 기체 연료의 흐름을 적어도 부분적으로 연소기 중심선(11)에 대하여 둘레방향(C2)(도 3에 도시)을 따라 옮기도록, 3차 연료 인젝터(230)는 적어도 부분적으로 외벽(120) 및 연소기 중심선(11)에 대하여 접선 각도로 연장되어 있다. 3차 연료 인젝터(230)는, 원(67)으로 개략적으로 도시된 바와 같이, 1차 연소 구역(61)의 하류측에 3차 연소 구역을 형성하도록 연료의 흐름을 1차 흐름 통로(70)에 배출하여 혼합 및 점화되게 할 수 있다.
이제 도 2~도 4를 참조해 보면, 여러 실시형태들에서, 나선형 벽(100)에는 하나 이상의 나선형 벽 개구(102)가 획정되어 있고, 이 개구를 통해 연소실(62)과 유체 연통 관계로 된다. 나선형 벽 개구(102)는 산화제가 연소실(62) 안으로 유동하여 연소실 내에 포획된 와류를 유도하는 것을 허용한다. 일 실시형태에서는, 연소실(62)에 적어도 부분적으로 예혼합된 하이브리드 포획 와류 구역을 생성하도록, 와류-유도 산화제가 1차 연료 인젝터(210)에서 떨어져 있는 연료와 예혼합될 수 있다.
이제 도 4를 참조해 보면, 또 여러 실시형태들에서, 나선형 벽(100)에는 나선형 벽 개구(102)까지 연장되는 나선형 벽 통로(104)가 획정되어 있다. 나선형 벽 통로(104)는 나선형 벽(100), 내벽(110) 및 외벽(120)을 둘러싸는 디퓨저 캐비티 또는 압력 플리넘(64)(예컨대, 압축기 출구 압력 또는 P3)으로부터 연장된다. 일 실시형태에서, 제2 기준 코드(93)가 나선형 벽(100)으로부터 획정되어 있다. 나선형 벽(100)에는, 기준 코드(96)에 대하여 예각(97)으로 나선형 벽 통로(104)가 획정된다. 다른 실시형태에서는, 연소실(62) 안으로의 산화제의 흐름을 가속하도록 압력 플리넘(64)으로부터 연소실(62)을 향해감에 따라 단면이 감소하는 영역이, 나선형 벽 통로(104)에 획정될 수 있다. 산화제의 흐름이 연소실(62)에 들어갈 때 이루는 예각(94) 및/또는 산화제의 가속된 흐름은, 연소실(62) 내의 1차 연소 구역(61)에서 연소 가스의 토로이드형 안정화를 더 촉진할 수 있다.
도 4를 계속 참조해 보면, 연소기 어셈블리(50)는, 반경방향(R2)을 따라 내벽(110)의 안쪽에 배치된 제2 내벽(115)을 더 포함할 수 있다. 제2 내벽(115)은 적어도 부분적으로 축방향(A2)을 따라 연장된다. 내부 냉각 흐름 통로(117)가 제2 내벽(115)과 내벽(110) 사이에 획정된다. 내부 냉각 흐름 통로(117)는 압력 플리넘(64)으로부터 연소기 어셈블리(50)의 하류측에까지 산화제의 흐름을 제공한다. 예를 들어, 내부 냉각 흐름 통로(117)는 압력 플리넘(64)으로부터 터빈 섹션(31)의 터빈 노즐에까지 산화제의 흐름을 제공할 수 있다. 내부 냉각 흐름 통로(117)에는 또한, 하류측 단부를 향하는 산화제의 흐름을 가속하는 유도체를 획정하도록, 핀(fin) 또는 노즐, 또는 가변 단면 영역이 획정될 수 있다. 가속된 산화제의 흐름은, 내벽(110), 제2 내벽(115), 또는 엔진(10)의 하류측 구성요소(예를 들어, 터빈 노즐, 터빈 로터, 터빈 2차 유로 등) 중의 적어도 하나에 대해 추가적으로 열 감쇠 또는 열 전달을 제공할 수 있다.
다른 실시형태에서, 연소기 어셈블리(50)는, 반경방향(R2)을 따라 외벽(120)의 바깥쪽에 배치된 제2 외벽(125)을 더 포함할 수 있다. 제2 외벽(125)은 적어도 부분적으로 축방향(A2)을 따라 연장된다. 외부 냉각 흐름 통로(127)가 외벽(120)과 제2 외벽(125) 사이에 획정된다. 내부 냉각 흐름 통로(117)와 관련하여 기술된 바와 유사하게, 외부 냉각 흐름 통로(127)는 압력 플리넘(64)으로부터 연소기 어셈블리(50)의 하류측을 향해 산화제의 흐름을 제공한다. 예를 들어, 외부 냉각 흐름 통로(127)는 압력 플리넘(64)으로부터 터빈 섹션(31)의 터빈 노즐에까지 산화제의 흐름을 제공할 수 있다. 외부 냉각 흐름 통로(127)에는 또한, 하류측 단부를 향하는 산화제의 흐름을 가속하는 유도체를 획정하도록, 핀 또는 노즐, 또는 가변 단면 영역이 획정될 수 있다.
여러 실시형태들에서, 출구 온도 프로파일 또는 그 둘레방향 분포(예컨대, 패턴 인자)를 조정하거나 영향을 주기 위해, 산화제의 일부분이 2차 흐름 경로(105), 내부 냉각 흐름 통로(117), 또는 외부 냉각 흐름 통로(127) 각각으로부터 또는 압력 플리넘(64)으로부터 1차 흐름 통로(70) 안으로 유동하는 것을 가능하게 하도록, 나선형 벽(100), 내벽(110), 또는 외벽(120) 중의 하나 이상은 이를 관통하는 복수 개의 오리피스를 포함할 수 있다. 오리피스는 희석 제트, 냉각 너겟(nugget) 혹은 루버(louver), 구멍, 또는 증산부를 한정할 수 있다. 또 여러 실시형태들에서, 복수 개의 오리피스는 나선형 벽(100), 내벽(110) 또는 외벽(120) 중의 하나 이상에 열 감쇠(예를 들어, 냉각)를 제공할 수 있다.
도 4를 계속 참조해 보면, 연소기 어셈블리(50)는 나선형 벽(100), 내벽(110) 및 외벽(120)을 둘러싸는 압력 용기 또는 디퓨저 케이스(84)를 더 포함할 수 있다. 디퓨저 케이스(84)는 반경방향(R2)을 따라 내벽(110) 및 나선형 벽(100)의 안쪽에 획정된 내부 디퓨저 벽(81)을 포함한다. 외부 디퓨저 벽(83)은 반경방향(R2)을 따라 외벽(120) 및 나선형 벽(100)의 바깥쪽에 획정된다. 디퓨저 케이스(84)는 적어도 부분적으로 축방향(A2)을 따라 또는 축방향(A1)을 따라 연장된다. 디퓨저 케이스(84)에는 나선형 벽(100), 외벽(120) 및 내벽(110)을 둘러싸는 압력 플리넘(64)이 획정된다.
이제 도 5를 참조해 보면, 도 1~도 4의 여러 실시형태들에 전반적으로 도시되어 있고 기술되어 있는 연소기 어셈블리(50)의 예시적인 실시형태의 측면도가 전반적으로 제공된다. 도 5에 전반적으로 제공된 실시형태는, 연소기 중심선(11)에 대하여 접선 각도로 배치되는 복수 개의 1차 연료 인젝터(210)를 도시한다. 여러 실시형태들에서, 1차 연료 인젝터(210)는 또한 도 2~도 4에 관하여 기술된 바와 같이 예각(97)으로 배치될 수 있다.
일 실시형태에서는, 도 5에 전반적으로 제공되는 바와 같이, 3차 연료 인젝터(230)가 대략 연소기 중심선(11)에 대하여 반경방향(C2)을 따라 배치될 수 있다. 다른 실시형태에서, 3차 연료 인젝터(230)는 적어도 부분적으로 연소기 중심선(11)에 대하여 둘레방향(C2)을 따라 또는 접선 방향으로 배치될 수 있다.
도 5에 더 도시되어 있지는 않지만, 전반적으로 제공된 연소기 어셈블리(50)는, 연료의 흐름을 제공하여 도 4에 전반적으로 도시된 2차 연소 구역(66)을 생성하도록, 적어도 부분적으로 반경방향(R2)을 따라 적어도 부분적으로 하나 이상의 2차 입구 개구(107)를 통과하여 배치된 2차 연료 인젝터(220)를 포함할 수 있다.
또 여러 실시형태들에서, 1차 연료 인젝터(210), 2차 연료 인젝터(220), 또는 3차 연료 인젝터(230) 중의 하나 이상은, 도 6~도 11에 관하여 추가적으로 도시 및 기술되는 연료 인젝터(300)를 형성할 수 있다.
도 1~도 5에 함께 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 작동 중에, 화살표 74로 개략적으로 나타내어진 바와 같은 소정량의 공기가 나셀(44) 및/또는 팬 어셈블리(14)의 관련 입구(76)를 통해 엔진(10)에 들어간다. 공기(74)가 팬 블레이드(42)를 가로질러 지나감에 따라, 공기의 일부분이 화살표 78로 개략적으로 나타내어진 바와 같이 바이패스 공기 흐름 통로(48)를 향해 유도되거나 보내어지는 한편, 공기의 다른 부분은 화살표 80으로 개략적으로 나타내어진 바와 같이 LP 압축기(22) 안으로 유도되거나 보내어진다. 공기(80)는 LP 압축기(22) 및 HP 압축기(24)를 통과하여 연소 섹션(26)을 향해 유동함에 따라 점진적으로 압축된다.
화살표 82로 개략적으로 나타내어진 바와 같은 이제 압축된 공기는, 도 2와 도 5에 도시된 바와 같이 연소기 어셈블리(50)를 통과해 유동한다. 액체 또는 기체 연료가 1차 연료 인젝터(210)를 통해 연소실(62) 안으로 옮겨진다. 연료와 압축 공기(82)는 혼합되고 연소되어 연소 가스(86)를 생성한다(도 1에 도시). 보다 구체적으로, 연료와 공기는 연소실(62) 내의 1차 연소 구역(61)에서 혼합 및 점화되고, 2차 입구 개구(107), 나선형 벽 개구(102), 또는 양자 모두를 통과해 2차 흐름 통로(105)를 경유하여 연소실(62)에 들어가는 압축 공기(82)를 통하여 토로이드 형태로 안정화된다. 여러 실시형태들에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 2차 연료 인젝터(220)는, 1차 연소 구역(61)의 하류측에서 연소 가스와 공기를 추가적으로 혼합하기 위해, 2차 흐름 통로(105)를 통하여 추가적인 연료를 제공한다. 그 후에, 연소 가스는 1차 흐름 통로(70)를 통과하여 터빈 섹션(31)을 향해 유동한다. 여러 실시형태들에서, 3차 연료 인젝터(230)를 포함하는 연소기 어셈블리(50)는, 1차 연소 구역(61)의 하류측에서 연소 가스(86)와 혼합하기 위해, 추가적으로 연료를 1차 흐름 통로(70)로 옮긴다.
계속 도 1~도 5를 참조해 보면, 연소실(62)에서 발생된 연소 가스(86)는 나선형 벽(100)으로부터 HP 터빈(28) 안으로 유동하고, 이에 따라 HP 로터 샤프트(34)는 회전하게 되며, 그 결과 HP 압축기(24)의 작동을 지지하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연소 가스(86)는 그 후에 LP 터빈(30)을 통과하게 보내어지고, 이에 따라 LP 로터 샤프트(36)는 회전하게 되며, 그 결과 LP 압축기(22)의 작동 및/또는 팬 샤프트(38)의 회전을 지지하게 된다. 연소 가스(86)는 그 후에 추진 추력을 제공하기 위해 코어 엔진(16)의 제트 배기 노즐 섹션(320을 통해 배기된다.
여러 실시형태들에서, 나선형 벽 개구(102), 2차 출구 개구(106), 2차 입구 개구(107) 등과 같은 (이들에 국한되는 것은 아님) 본원에 전반적으로 한정된 개구들과, 나선형 벽 통로(104), 2차 흐름 통로(105), 내부 냉각 흐름 통로(117) 및 외부 냉각 흐름 통로(127) 등과 같은 (이들에 국한되는 것은 아님) 하나 이상의 통로는, 레이스 트랙형, 원형, 타원형 혹은 난형, 직사각형, 별형, 다각형, 또는 장방형, 또는 이들의 조합을 (이들에 국한되는 것은 아님) 비롯한 하나 이상의 단면 영역을 각각 획정할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 더 나아가, 전술한 통로는 예를 들어 수렴/발산 등과 같이 감소하거나, 증가하거나, 또는 이들의 조합 형태 등의, 가변적인 단면 영역을 획정할 수 있다. 가변 단면 영역에는, 흐름의 가속, 압력의 변화, 또는 흐름의 방향의 변화를 제공하는 특징부들이, 예를 들어 둘레방향, 반경방향, 또는 축방향, 또는 이들의 조합을 따라 획정될 수 있다.
이제 도 6~도 11을 참조해 보면, 1차 연료 인젝터(210), 2차 연료 인젝터(220) 및 3차 연료 인젝터(230)의 실시형태들이 전반적으로 제공된다[이하에서는 "연료 인젝터(300)"로 총칭됨]. 연료 인젝터(300)에는 연료 인젝터 중심선(13)에 대해 동일한 방향으로 연장되는 축방향(A3)이 획정된다. 둘레방향(C3)이 연료 인젝터 중심선(13) 주위에 획정되고 반경방향(R3)이 연료 인젝터 중심선(13)으로부터 연장된다. 축방향(A3)은 본원에 더 기술되는 축방향(A1 및 A2)과는 독립적으로 획정된다. 연료 인젝터(300)에는 또한, 연료 인젝터(300)를 통과하는 흐름의 방향을 전반적으로 나타내기 위해 참조로 제공되는 상류측 단부(99)와 하류측 단부(98)가 획정되어 있다.
연료 인젝터(300)는 둘레방향(C3)을 따라 연장되는 적어도 부분적으로 원통형인 외부 슬리브(310)를 포함한다. 외부 슬리브(310)는 또한, 적어도 부분적으로 연료 인젝터 중심선(13)에 대해 동일한 방향으로 축방향(A3)을 따라 연장된다. 외부 슬리브(310)의 상류측 단부(99)에는 입구 개구(309)가 획정되어 있다. 외부 슬리브(310)의 하류측 단부(98)에는 출구 개구(311)가 획정되어 있다. 입구 개구(309)와 출구 개구(311) 각각은 반경방향(R3)을 따라 외부 슬리브(310) 내에 획정되어 있다. 외부 슬리브(310)에는 연료 인젝터 중심선(13)에 대하여 반경방향(R3)을 따라 관통 연장되는 반경방향 개구(313)가 획정되어 있다. 외부 슬리브(310)의 내경부(307)의 적어도 일부분에는, 대략 입구 개구(309)로부터 연장되는 복수 개의 홈(315)이 획정되어 있다. 반경방향(R3)을 따라 외부 슬리브(310)의 안쪽에는, 연료/산화제 혼합 통로(305)가 획정되어 있다. 연료/산화제 혼합 통로(305)는 또한, 복수 개의 홈(315)의 하류측에 그리고 출구 개구(311)의 상류측에 획정되어 있다.
여러 실시형태들에서는, 도 8과 관련하여 전반적으로 제공되는 바와 같이, 복수 개의 홈(315)의 일부분이 복수 개의 홈(315)의 나머지 부분들보다 반경방향(R3)을 따라 안쪽으로 연장될 수 있다. 다른 예로서, 홈(315)을 획정하는 릿지 또는 잇날이 대안적으로 다른 부분들보다 반경방향(R3)을 따라 안쪽으로 연장될 수 있다. 도 8에 전반적으로 제공된 실시형태에서, 하나 걸러 하나씩의 홈(315)이 나머지 홈보다 더 연장되어 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 홈들(315)은 반경방향(R3)을 따라 보다 더 또는 보다 덜 연장될 수 있거나, 또는 연료 인젝터 중심선(13)에 대해 비대칭 배치 구성으로 연장될 수 있다. 더 나아가, 입구 개구(309)로부터 하류측 단부(314)까지에 있어서 복수 개의 홈(315)의 내경부(307)에 따른 각도가, 복수 개의 홈(315)마다 다를 수 있다. 상기 각도는 전반적으로 예각일 수 있고, 복수 개의 홈(315)마다 달라질 수 있다.
외부 슬리브(310)에는, 반경방향으로 복수 개의 홈(315)의 바깥쪽에서 외부 슬리브(310)의 적어도 일부분을 통과하는 연료 도관(319)이 획정되어 있다. 연료 도관(319)에는, 외부 슬리브(310)를 관통하여 획정된 반경방향 개구(313)의 반경방향(R3)을 따라 안쪽에 연료 주입 개구(317)가 획정되어 있다.
연료 인젝터(300)는 외부 슬리브(310)에 연결된 아암(320)을 더 포함한다. 아암(320)은 연료 인젝터 중심선(13)에 대하여 반경방향(R3)을 따라 연장된다. 아암(320)에는, 외부 슬리브(310)에 연결된 제1 부재(323)가 획정되어 있다. 아암(320)에는 또한, 반경방향(R3)을 따라 연장되고 연료 인젝터 중심선(13)에 대해 전반적으로 동심 관계인 연료 주입 포트(327)를 획정하도록 윤곽이 형성된 제2 부재(325)가 획정되어 있다. 상기 제2 부재(325)에는, 연료 주입 포트(327)와 유체 연통 관계로 제2 부재를 통과하여 연장되는 연료 통로(329)가 획정되어 있다.
본원에 전반적으로 제공된 연료 인젝터(300)의 실시형태는, 연소실(62), 1차 흐름 통로(70)에, 또는 보다 구체적으로는 1차 연소 구역(61), 2차 연소 구역(66), 또는 3차 연소 구역(67) 중의 하나 이상에, 연료 및 산화제의 저선회 또는 비선회 혼합물을 전반적으로 제공할 수 있다. 본원에 기술된 연료 인젝터(300)의 여러 실시형태들은, TVC 또는 다단 연소 어셈블리에 보다 적합한 선회수의 연료/산화제 혼합물(384)을 제공한다. 선회수는, 각도 방향 운동량의 축방향 플럭스 대 축방향 운동량의 축방향 플럭스의 비로서 정해지는 유체[예를 들어, 연료 인젝터 중심선(13)에 대한 연료/산화제 혼합물(384]의 각도 방향 운동량의 크기의 측정값이다. 본원에 일반적으로 제공되는 연료 인젝터(300)의 여러 실시형태들에서는, 연료 인젝터(300)의 하류측 단부[예컨대, 출구 개구(311)]에서 약 0.5보다 작은 선회수가 정해질 수 있다. 일 실시형태에서, 연료 인젝터(300)는 출구 개구(311)에서 약 0.2 내지 약 0.3의 선회수가 정해진다. 도 2~도 5에 관하여 전반적으로 도시되고 기술된 실시형태들과 같이, 연료 인젝터로부터의 저선회 또는 비선회 연료 및 산화제 흐름이 포획 와류 연소기(TVC) 어셈블리에서의 와류 붕괴를 방지한다. 더 나아가, 연료 인젝터(300)로부터의 저선회 또는 비선회 연료 및 산화제 흐름은 또한 [예컨대, 연료 인젝터 중심선(13)을 따라서] 중심선 역류를 방지할 수 있다. 또한, 복수 개의 홈(315)이 획정되어 있는 것과 같은 외부 슬리브(310)는, 연료 주입 포트(327), 연료 주입 포트(317), 또는 양자 모두로부터의 연료를 입구 개구(309), 반경방향 개구(313), 또는 양자 모두를 통해 나온 산화제와 신속하게 혼합하는 것을 조장하는 내부 전단 구조를 제공한다.
본원에 전반적으로 제공되는 연료 인젝터(300)의 실시형태들은 또한, 연료 및 산화제의 고운동량 흐름을 연소실(62), 1차 흐름 통로(70), 또는 양자 모두에 제공하여, 예를 들어 출력을 향상시키고, 배출물의 양을 향상시키며, 그리고 성능 및 작동성을 향상시키도록, 축방향 다단(예컨대, 후방 또는 하류측 다단) 연료 주입을 제공할 수 있다. [예를 들어, 2차 연료 인젝터(220), 3차 연료 인젝터(230), 또는 양자 모두에 관하여 도시되고 기술된 바와 같이] 연소실(62), 1차 흐름 통로(70), 또는 양자 모두에 대한 연료 및 산화제 혼합물의 비교적 운동량이 높은 흐름은, 재순환 구역을 줄이거나 또는 제거하면서, 연료-다단 희석 제트 연소기 어셈블리를 위한 연료/산화제 혼합물(384)을 제공할 수 있다.
더 나아가, 본원에 전반적으로 제공되는 연료 인젝터(300)의 실시형태들은, 예를 들어 중앙 본체가 없는 (즉, 실질적으로 또는 완전히 연료/산화제 혼합 유로 아래로 연장되는 전반적으로 원통형인 구조체가 없는) 구조, 로브, 화염 홀더, 또는 전반적으로 연료/산화제 혼합 통로 안에 또는 하류측에 있는 팁 구조 등을 통하여, 화염 홀딩 또는 정착을 경감한다. 예를 들어, 연료/산화제 혼합 통로(305)는, 연료/산화제 혼합 통로(305) 내에 배치된 구조가 없는 상태로 중공형 외부 슬리브(310) 내에 획정되는데, 그렇지 않으면 화염 홀딩 또는 정착이 조장될 수 있다.
본원에 전반적으로 제공되는 연료 인젝터(300)의 실시형태들은, 1차 연료 인젝터(210)에 관하여 전반적으로 도시되고 기술된 바와 같이(예컨대, 도 2, 도 5), 연소기 어셈블리(50) 내에 둘레방향 배치 구성으로 배치될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 1차 연료 인젝터(210)를 획정하는 연료 인젝터(300)는 TVC의 포획 와류 흐름을 유도하도록 연료 및 산화제의 예혼합된 제트 스월 에어 블라스트 혼합물을 연소실(62)에 제공한다. 여러 실시형태들에서, 1차 연료 인젝터(210)를 획정하는 연료 인젝터(300)는 도 2~도 5에 관하여 기술된 바와 같이 예각(97)으로 배치될 수 있다. 또 여러 실시형태들에서, 1차 연료 인젝터(210)를 획정하는 연료 인젝터(300)는, 적어도 부분적으로 외벽(120)을 통과하여 접선 방향으로 또는 둘레방향을 따라 배치될 수 있다(예컨대, 도 5 참조). 예를 들어, 둘레방향 또는 접선 방향은 일반적으로 연소실(62)을 통과하여 연장되는 둘레방향 기준선(95)에 대한 것이다.
또한, 본원에 전반적으로 제공되는 연료 인젝터(300)의 실시형태들은, 2차 연료 인젝터(220) 및 3차 연로 인젝터(230)에 관하여 전반적으로 도시되고 기술된 바와 같이, 연소기 어셈블리(50) 내에 둘레방향 배치 구성으로 배치될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 연료 인젝터(300)는, 1차 흐름 통로(70) 내에 재순환 구역이 형성되는 것을 전반적으로 줄이거나 또는 제거하기 위해, 연료/산화제 희석 제트 혼합물을 제공할 수 있다.
더 나아가, 연료 인젝터(300)의 여러 실시형태들에서, 외부 슬리브(310)는 적어도, 연료/산화제 혼합물(384)이 출구 개구(311)를 통해 나가기 이전의 연료/산화제 혼합 통로(305) 내에서의 소기의 연료/산화제 혼합(예컨대, 예혼합) 기간에 기초하여, 축방향(A3)을 따라 연장되어 있다. 상기 소기의 기간은 적어도, 연료/산화제 혼합물(384)이 출구 개구(311)를 통해 나가기 이전의, 연료/산화제 혼합 통로(305)에서의 연료/산화제 혼합물(384)의 소기의 증발, 혼합, 또는 양자 모두의 양에 기초할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 소기의 기간은 적어도, 연료 인젝터(300) 내에서의 연료/산화제 혼합물(384)의 자동 점화를 줄이는 것에 기초할 수 있다. 이와 같이, 여러 실시형태들에서, 외부 슬리브(310)는 적어도, 연료/산화제 혼합 통로(305)를 획정하는 일부분 등과 같이, 연료/산화제 혼합물(384)의 자동 점화를 줄이는 것이나, 또는 소기의 증발 및/또는 혼합의 양을 증진하는 것이나, 또는 이들의 조합에 기초하여, 길어지거나 또는 짧아질 수 있다.
도 6~도 10에 전반적으로 제공된 연료 인젝터(300)의 예시적인 실시형태를 계속 참조해 보면, 여러 실시형태들에서, 연료 도관(319)은 또한, 아암(320)의 제1 부재(323)를 통과하게 획정되어 있다. 예를 들어, 도 9~도 10을 참조하여 보면, 연료 도관(319)은, 연료 도관(319)의 반경방향 안쪽에 있는 복수 개의 홈(315)을 전반적으로 둘러싸는 것 등과 같이, 전반적으로 둘레방향으로[예컨대, 둘레방향(C3)을 따라] 외부 슬리브(310)를 통과하여 획정될 수 있다. 연료 도관(319)은 또한, 외부 슬리브(310)를 통과하여 인접한 둘레방향 배치 구성으로 배치된 복수 개의 연료 주입 개구(317)와 유체 연통 관계이다. 아암(320)은, 연료 도관(319)을 통과하고, 연료 주입 개구(317)를 통해 연료/산화제 혼합 통로(305)에 배출되는, 화살표 373으로 개략적으로 도시된 연료의 흐름을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 연료 주입 개구(317)는, 이하에 더 기술되는 바와 같이, 전단 혼합 영역(380)에 연료의 흐름(373)을 배출할 수 있다.
일 실시형태에서, 아암(320)의 제2 부재(325)는 연료 통로(329) 내에 압력 분무기(330)가 획정되어 있다. 여러 실시형태들에서, 압력 분무기는 압력 선회 분무기, 듀얼 오리피스 분무기, 플레인 또는 공기-보조 제트, 또는 그 밖의 적절한 연료 주입 방법(들)으로 한정될 수 있다.
연료 인젝터(300)의 다른 실시형태에서, 외부 슬리브(310)에는, 내경부(307)의 적어도 일부분이, 복수 개의 홈(315)에서, 입구 개구(309)로부터 하류측 방향을 향해 갈수록 감소되는 것으로 획정되어 있다. 일 실시형태에서, 복수 개의 홈(315)에서 외부 슬리브(310)의 내경부(307)는, 복수 개의 홈(315)의 상류측 단부[예컨대, 입구 개구(309)에 가장 가까운 곳]에 비해 복수 개의 홈(315)의 하류측 단부(314)에서 약 35% 이하로 감소될 수 있다. 다른 실시형태에서, 복수 개의 홈(315)에서 외부 슬리브(310)의 내경부(307)는, 복수 개의 홈(315)의 상류측 단부에 비해 복수 개의 홈(315)의 하류측 단부(314)에서 약 25% 이하로 감소될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 복수 개의 홈(315)에서 외부 슬리브(310)의 내경부(307)는, 복수 개의 홈(315)의 상류측 단부에 비해 복수 개의 홈(315)의 하류측 단부(314)에서 약 15% 이하로 감소될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 복수 개의 홈(315)에서 외부 슬리브(310)의 내경부(307)는, 복수 개의 홈(315)의 상류측 단부에 비해 복수 개의 홈(315)의 하류측 단부(314)에서 약 7% 이하로 감소될 수 있다.
연료 인젝터(300)의 또 다른 실시형태에서, 반경방향 개구(313)는 외부 슬리브(310)를 통과하여 획정되고, 또한 복수 개의 홈(315)의 하류측 단부(314)의 반경방향(R3)을 따라 바깥쪽에 배치되어 있다. 이와 같이, 반경방향 개구(310)는, 이를 통과하여 반경방향(R3)을 따라 안쪽을 향하는, 화살표 382로 개략적으로 도시된 산화제의 흐름을 제공한다. 산화제의 흐름(382)은, 선들과 반경방향으로 그 안에 있는 영역으로 개략적으로 도시된 연료의 흐름(372)과 만난다. 산화제의 흐름(382)과 연료의 흐름(372)은, 복수 개의 홈(315)의 하류측에서 연료/산화제 혼합 통로(305) 내에 있는, 영역(380) 내에 개략적으로 도시된 영역에서 혼합된다. 예를 들어, 연료/산화제 혼합 통로(305) 안으로 산화제의 흐름(382)이 반경방향으로 흘러 들어가는 것과, 연료/산화제 혼합 통로(305)를 향해 연료(372)가 전반적으로 축방향으로 유동하는 것을 통해, 복수 개의 홈(315)의 하류측에 있는 영역(380)에 전단 혼합 구역이 형성된다.
화살표 383으로 개략적으로 도시된 산화제의 전반적으로 축방향의 흐름이, 입구 개구(309)를 통하여 외부 슬리브(310)에 들어갈 수 있다. 산화제의 흐름(383)은 외부 슬리브(310)의 내경부(307)에 획정된 복수 개의 홈(315)을 따라 조절된다. 산화제의 흐름(383)은 또한, 복수 개의 홈(315)의 하류측에 있는 전단 혼합 구역(380)에서의 연료/산화제의 혼합을 도울 수 있다. 연료의 흐름(372, 373)과 혼합된 산화제의 흐름(382, 383)은 함께, 연료/산화제 혼합 통로(305)를 통과하고 출구 개구(311)를 통과하여 연소기 어셈블리(50)(도 1~도 5)의 연소실(62), 1차 흐름 통로(70), 또는 양자 모두 안으로 배출되는 비교적 운동량이 높은 저선회 흐름을 형성하는 연료/산화제 혼합물(384)을 생성한다.
여러 실시형태들에서, 반경방향 개구(313)는 외부 슬리브(310)를 통과하여 획정되어 있고, 또한 적어도 부분적으로 연료 인젝터 중심선(13)에 대하여 둘레방향(C3)을 따라 또는 접선 방향으로 연장되어 있다. 이와 같이, 외부 슬리브(310)를 통과하여 연료/산화제 혼합 통로(305)까지 산화제의 흐름(382)이 반경방향으로 흘러 들어가는 것을 통해, 적어도 부분적으로 [축방향(A3)을 따르는] 축방향 성분, [반경방향(R3)을 따르는] 반경방향 성분, 및 [둘레방향(C3)을 따르는] 둘레방향 성분이 외부 슬리브(310)의 안쪽에 그리고 연료/산화제 혼합 통로(305) 내에 형성된다. 일 실시형태에서, 외부 슬리브(310)를 통과하는 반경방향 개구(313)는 적어도 부분적으로 축방향(A3)을 따라 연장된다. 복수 개의 홈(315)의 하류측 단부(314)와 연료 주입 개구(317)는 각각 반경방향을 따라 반경방향 개구(313)의 안쪽에 획정되어 있다.
이제 도 10~도 11을 참조해 보면, 연료 인젝터(300)는 외부 슬리브(310)와 아암(320)의 제2 부재(325) 사이에서 반경방향(R3)을 따라 연장되는 전방벽(340)을 더 포함할 수 있다.다. 전방벽(340)은 연료 인젝터 중심선(13)에 대해 전반적으로 동심 관계이다. 전방벽(340)에는, 전방벽을 통과하는 복수 개의 벽 개구(342)가 획정되어 있다. 산화제의 흐름(383)은 복수 개의 벽 개구(342)를 통과하여, 연료 주입 포트(327)에서 나오는 연료의 흐름(372)과 혼합된다.
전방벽(340)은 전반적으로, 외부 슬리브(310) 안으로의 산화제의 흐름(380)에 대해 흐름 측정, 제어, 또는 제한을 제공할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 연료 인젝터(300)에는, 하나 이상의 벽 개구(342)가 획정된 하나 또는 수 개의 전방벽(340)이 획정될 수 있다. 각 전방벽(340)에는, 전방벽을 통과하는 산화제의 흐름(383)을 조절하거나 계량하기 위해 여러 유동 특성(예컨대, 단면적, 형상, 체적, 표면 상태 등)의 벽 개구들(342)이 획정될 수 있다. 이와 같이, 각 연료 인젝터(300)는 적어도 부분적으로 전방벽(340)에 기초하여 서로 다른 유동 특성을 규정할 수 있다. 다른 예로서, 1차 연료 인젝터(210)는 제1 전방벽(340)을 한정하거나 아무것도 한정하지 않을 수 있고; 2차 연료 인젝터(220)는 제2 전방벽(340)을 한정할 수 있으며; 3차 연료 인젝터(230)는 제3 전방벽(340)을 한정할 수 있는데, 각 전방벽(340)에는, 전방벽을 통과하는 산화제의 흐름(383)을 조절하기 위해 서로 다른 유동 특성의 복수 개의 벽 개구(342)가 획정되어 있다. 또 다른 예로서, 벽 개구(342)는, 전방벽(340)을 관통하여 획정될 수 있고, 예를 들어 적어도 부분적으로 연료 인젝터 중심선(13)에 대하여 둘레방향(C3)으로 연장될 수 있다.
본원에 전반적으로 제공되는 연소기 어셈블리(50) 및 연료 인젝터(300)의 여러 실시형태들은, 액체 연료, 기체 연료, 또는 이들의 조합을 유동시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 연료 인젝터(300)는 연료 주입 포트(327)를 통해 액체 연료의 흐름(372)을 제공하고 연료 주입 포트(317)를 통해 기체 연료의 흐름(373)을 제공할 수 있다. 다른 실시형태에서, 연료 인젝터(300)는 연료 주입 포트(327)와 연료 주입 포트(317) 각각을 통해 액체 연료를 제공할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 연료 인젝터(300)는 연료 주입 포트(327)와 연료 주입 포트(317) 각각을 통해 기체 연료를 제공할 수 있다.
또, 연료 인젝터(300)의 여러 실시형태에서, 복수 개의 홈(315)은, 전단 혼합 영역(380)으로의 산화제의 흐름(383)을 조장하는 표면 상태 또는 특징부를 한정할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 홈(315)은, 산화제의 흐름(383)의 고운동량을 조장하기 위해, 나선형의 홈이 있는 표면을 형성할 수 있고, 예를 들어 나선형 홈을 형성할 수 있다. 내경부(307) 및/또는 연료/산화제 혼합 통로(305)를 따르는 부분 등과 같이, 외부 슬리브(310)에는 전반적으로, 연료/산화제 혼합물의 흐름(384)을 조장하도록, 나선형의 홈이 있는, 연마되어 있는, 또는 고도로 연마되어 있는 표면이 형성될 수 있다.
본원에 전반적으로 제공되는 연소기 어셈블리(50) 및 연료 인젝터(300)의 실시형태들의 전부 또는 일부는, 단일의, 통합된 구성요소의 일부일 수 있고, 당업자에게 통상적으로 알려져 있는 다수의 프로세스로부터 제조될 수 있다. 상기한 제조 프로세스로는, "적층 가공" 또는 "3D 인쇄"라고도 지칭되는 것이 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 추가적으로, 임의의 수의 주조, 기계 가공, 용접, 경납땜, 또는 소결 프로세스, 또는 이들의 조합이, 연소 섹션(26)의 하나 이상의 다른 부분들과 일체로 또는 별개로 연소기 어셈블리(50) 또는 연료 인젝터(300)를 구성하는 데 이용될 수 있다. 또한, 연소기 어셈블리(50)는, 하나 이상의 구성요소로서 제조 또는 조립되는 경우와 실질적으로 유사한 기하학적, 공기역학적, 또는 열역학적 결과를 달성하도록, (예를 들어, 볼트, 너트, 리벳, 또는 나사를 이용하여, 또는 용접 혹은 경납땜 프로세스를 이용하여, 또는 이들의 조합을 이용하여) 기계적으로 연결되거나 또는 공간에 배치되는 하나 이상의 개별 구성요소들로 구성될 수 있다. 적절한 재료의 비제한적 예로는, 고강도 강, 니켈 및 코발트계 합금, 및/또는 금속 또는 세라믹 기질 복합 재료, 또는 이들의 조합 등이 있다.
본 명세서는, 본 발명을 가장 바람직한 유형을 포함해 개시하고, 임의의 당업자가 개시된 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해, 실시예를 사용하고 있는데, 상기 실시예에는 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작하고 사용하는 것과, 임의의 수반되는 방법을 행하는 것 등이 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정해지며, 당업자에게 떠오르는 다른 실시예들도 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예들은, 청구범위의 문자 그대로의 표현과 다르지 않은 구조 요소를 포함한다면, 또는 청구범위의 문자 그대로의 표현과 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조 요소를 갖는다면, 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 되어 있다.

Claims (15)

  1. 축방향 엔진 중심선(12)이 획정되어 있는 가스 터빈 엔진(10)으로서:
    연료 인젝터(300)로서:
    연료 인젝터 중심선(13)에 대하여 둘레방향을 따라서 그리고 적어도 부분적으로 연료 인젝터 중심선(13)에 대해 동일한 방향으로 연장되는 적어도 부분적으로 원통형인 외부 슬리브(310)로서, 외부 슬리브(310)의 상류측 단부(99)에 입구 개구(309)가 획정되어 있고 외부 슬리브(310)의 하류측 단부(98)에 출구 개구(311)가 획정되어 있으며, 입구 개구(309)와 출구 개구(311)는 각각 연료 인젝터 중심선(13)에 대한 반경방향을 따라 외부 슬리브(310) 내에 획정되어 있고, 외부 슬리브(310)에는 연료 인젝터 중심선(13)에 대한 반경방향을 따라 외부 슬리브를 관통하여 연장되는 반경방향 개구(313)가 획정되어 있으며, 외부 슬리브(310)의 내경부(307)의 적어도 일부분에는 입구 개구(309)로부터 연장되는 복수 개의 홈(315)이 획정되어 있고, 외부 슬리브(310)에는 연료 인젝터 중심선(13)으로부터 반경방향을 따라 상기 복수 개의 홈(315)의 바깥쪽에서 외부 슬리브(310)의 적어도 일부분을 통과하는 연료 도관(319)이 획정되어 있으며, 연료 도관(319)에는 외부 슬리브(310)를 관통하여 획정된 반경방향 개구(313)의 반경방향을 따라 안쪽에 연료 주입 개구(317)가 획정되어 있는 것인 외부 슬리브(310); 및
    상기 외부 슬리브(310)에 연결되고 연료 인젝터 중심선(13)에 대한 반경방향을 따라 연장되는 아암(320)으로서, 아암(320)에는, 외부 슬리브(310)에 연결되는 제1 부재(323)와, 반경방향을 따라 연장되고 연료 인젝터 중심선(13)에 대해 동심 관계인 연료 주입 포트(327)를 획정하도록 윤곽이 형성된 제2 부재(325)가 획정되어 있고, 상기 제2 부재(325)에는 연료 주입 포트(327)와 유체 연통 관계로 제2 부재를 통과하여 연장되는 연료 통로(329)가 획정되어 있는 것인 아암(320)
    을 구비하는 연료 인젝터(300)를 포함하는 가스 터빈 엔진(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 인젝터(300)의 아암(320)의 제2 부재(325)는 연료 통로(329) 내에 압력 분무기(330)가 획정되어 있는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 인젝터(300)의 외부 슬리브(310)에는, 내경부(307)의 적어도 일부분이, 복수 개의 홈(315)에서, 입구 개구(309)로부터 하류측 방향을 향해 갈수록 감소되는 것으로 획정되어 있는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외부 슬리브(310)의 안쪽에 연료/산화제 혼합 통로(305)가 획정되어 있는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료/산화제 혼합 통로(305)는 상기 복수 개의 홈(315)의 하류측에 그리고 상기 출구 개구(311)의 상류측에 획정되어 있는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 인젝터(300)의 외부 슬리브(310)를 관통하는 반경방향 개구(313)는, 적어도 부분적으로 연료 인젝터 중심선(13)에 대한 축방향을 따라 연장되는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수 개의 홈(315)의 하류측 단부(314)와 연료 주입 개구(317)는 각각 반경방향을 따라 반경방향 개구(313)의 안쪽에 획정되어 있는 것인 가스 터빈 엔진.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 인젝터(300)는:
    상기 외부 슬리브(310)와 상기 아암(320)의 제2 부재(325) 사이에서 반경방향을 따라 연장되는 전방벽(340)을 더 포함하고, 상기 전방벽(340)은 연료 인젝터 중심선(13)에 동심 관계인 것인 가스 터빈 엔진(10).
  9. 제8항에 있어서, 상기 전방벽(340)에는, 전방벽을 통과하는 복수 개의 벽 개구(342)가 획정되어 있는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  10. 제9항에 있어서, 상기 연료 인젝터(300)의 전방벽(340)을 통과하여 획정된 벽 개구(342)는, 적어도 부분적으로 연료 인젝터 중심선(13)에 대하여 둘레방향으로 연장되는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 엔진 중심선(12)에 대해 동심 관계로 획정된 연소 섹션(26)을 더 포함하고, 상기 연소 섹션(26)은 엔진(10)의 중심선 주위에 인접한 둘레방향 배치 구성으로 배치된 복수 개의 연료 인젝터(300)를 포함하는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  12. 제11항에 있어서, 상기 연소 섹션(26)에는 포획 와류 연소기 어셈블리(50)가 획정되어 있는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  13. 제11항에 있어서, 복수 개의 연료 인젝터(300)는 적어도 부분적으로 엔진 중심선(12)에 대하여 둘레방향으로 배치되는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  14. 제11항에 있어서, 복수 개의 연료 인젝터(300)는 적어도 부분적으로 엔진 중심선(12)에 대한 반경방향으로 배치되는 것인 가스 터빈 엔진(10).
  15. 제1항에 있어서, 상기 연료 도관(319)은 추가적으로 아암(320)의 제1 부재(323)를 통과하게 획정되는 것인 가스 터빈 엔진(10).
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