KR20180062397A

KR20180062397A - 소용돌이 발생 디바이스

Info

Publication number: KR20180062397A
Application number: KR1020170161457A
Authority: KR
Inventors: 양 양; 안드레 테우어
Original assignee: 안살도 에네르기아 스위질랜드 아게
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2018-06-08
Also published as: US10851659B2; US20180149027A1; EP3330613A1; EP3330613B1; CN108119914A; CN108119914B

Abstract

선단 가장자리(11)와 후미 가장자리(12) 사이를 연장하는 몸체(10)를 포함하는 소용돌이 발생 디바이스(1)가 개시되어 있다. 몸체는 스팬 방향(s)에서 취한 프로필 횡단면들(14, 15)에서 에어포일형 기하형태를 나타내고 있다. 각각의 에어포일형 프로필 횡단면은 선단 가장자리에서부터 후미 가장자리로 연장하는 캠버선(13)을 가지며, 캠버선들 중 적어도 2개는 다른 캠버각을 나타내며, 따라서 몸체가 스팬 범위를 따라 적어도 2개의 다른 유동 편향각을 나타내게 된다. 또한 몸체는 각자의 캠버선의 제1 측면에서 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이를 연장하는 제1 표면(16)과, 각자의 캠버선의 반대편 제2 측면에서 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이를 연장하는 제2 표면(17)을 포함한다. 후미 가장자리는 제1 스팬 단부(121)에서부터 제2 스팬 단부(122)로 연장하고, 상기 후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때 제1 섹션(123) 및 제2 섹션(124)을 포함하며, 상기 제1 섹션(123)에서 후미 가장자리는 제1 표면(16) 측에서 볼록한 형상이 되고 제2 표면(17) 측에서 오목한 형상이 되고, 상기 제2 섹션(124)에서 후미 가장자리는 제1 표면(16) 측에서 오목한 형상이 되고 제2 표면(17) 측에서 볼록한 형상이 된다. 가상 후미 가장자리 대각선(131)은 후미 가장자리의 제1 스팬 단부(121)에서부터 후미 가장자리의 제2 스팬 단부(122)로 일직선으로 연장한다. 하류 시점에서 볼 때, 후미 가장자리(12)는 하나의 대각선 교차점(151)에서 가상 후미 가장자리 대각선(131)을 정확하게 한 번 교차한다.

Description

소용돌이 발생 디바이스{VORTEX GENERATING DEVICE}

본 발명은 청구항 제1항에 설명된 바와 같은 소용돌이 발생 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 앞에서 언급한 종류의 소용돌이 발생 디바이스를 포함하는 가스 터빈 엔진에 관한 것이다.

순차 연소(sequential combustion)의 적용은 가스 터빈 기술에서 점점 대중화되고 있다. 순차 연소에서, 공기와 같은 산화제는 연료와 혼합되고, 연료가 연소되어 제1 연소 스테이지로 배출된다. 고온의 여전히 산소가 풍부한 연도 가스는 제2 연소 스테이지로 안내된다. 제1 연소 스테이지와 제2 연소 스테이지 사이에서, 제1 연소 스테이지로부터 나오는 연도 가스는 예로서 EP 718 470에 설명된 바와 같이 부분적으로 팽창될 수 있고, 또는 예로서 US 2014/0123665에 설명된 바와 같이 팽창되지 않을 수 있다. 연료는 고온의 여전히 산소가 풍부한 연도 가스와 혼합되고, 자기 점화된다. 순차 연소는 우수한 부분 부하 작용 및 턴다운비(turndown ratio)의 이점을 가지는데, 즉 순차 연소로 작동되는 엔진은 여전히 오염물질 형성의 제어를 가능하게 하면서도 큰 부하 범위에 걸쳐 안정적으로 작동될 수 있다. 하지만, 이러한 이점을 달성하기 위한 전제조건은 제2 연소 스테이지 내에서 연도 가스와 분사된 연료의 신속하고 신뢰성 있는 혼합에 있으며, 따라서 연도 가스가 자발적으로 점화되기 전에 연료가 연도가스와 균질적으로 혼합되어 예로서 플래시백(flashback) 문제를 회피하도록 하는 것이다.

예로서 US 2012/0272659는 주요 유동 방향에 평행한 방향에서 바라볼 때 파형(undulating) 기하형태를 갖는 에어포일(airfoil) 후미 가장자리를 갖추고 있는 대체로 에어포일과 유사한 형상을 갖는 연료 인젝터 디바이스를 공개한다. 상기 파형 공기역학적 횡단면은 스트림(streamwise) 방향에서 선단 가장자리로부터 후미 가장자리로 전개된다. 후미 가장자리에서, 주요 유동 방향을 가로질러서 반대편 속도 성분들을 갖는 유동들이 서로 만나서 혼합되고, 후미 가장자리로부터 하류로 전파되는 소용돌이(vortex)들을 생성한다. 상기 소용돌이들은 본질적으로 파형 후미 가장자리의 변곡점들에서 회전중심들을 갖는다. 연료는 후미 가장자리에 배치된 배출 수단을 통해 산화제 유동 내로 배출되며, 소용돌이들 때문에 연료가 산화제와 강렬하게 혼합된다. US 2014/0123665는 연소기 내에 통합된 연료 분사 수단을 갖는 그러한 소용돌이 발생 디바이스의 적용을 교시한다.

위에 언급된 기술에 개시되어 있는 소용돌이 발생 디바이스 및 연료 인젝터 디바이스는 소용돌이 발생 디바이스의 몸체의 증식적 컨벌류트형(muliply convoluted) 후미 가장자리 섹션을 나타내는 복합 내부 기하형태들을 요구한다. 이것은 특정한 복합 제조 및 조립 방법들을 요구한다. 더구나, 소용돌이 발생으로 인한 총 압력 손실은 전체 엔진 효율에 영향을 준다.

본 발명의 목적은 초기에 언급된 종류의 소용돌이 발생 디바이스를 개시하는 데 있다. 더 특정한 양태에서, 소용돌이 발생 디바이스는 특히 순차 연소 시스템에서 연료 인젝터 디바이스로서 사용되기에 적합하여야 한다. 다른 양태에서, 소용돌이 발생 디바이스는 예를 들어 압력 손실, 연료 혼합 능력, 제조 및 조립의 복잡성, 및 비용을 모두 합하여 종래 기술에 비하여 전체적인 성능 향상을 제공하는 것이 개시되어야 한다. 하나의 특정한 양태에서 소용돌이 발생 디바이스는 종래 기술과 비교할 때 감소된 압력 손실에서 충분히 짧은 혼합 경로에 걸쳐서 충분히 신속하고 균질적인 연료/산화제 혼합을 가능하게 하는 연료 인젝터 디바이스로서 적합해야 한다. 또한 다른 양태에서, 소용돌이 발생 디바이스는 허용할 수 없는 총 압력 손실의 증가 없이 후미 가장자리에서 파형 로브(lobe)들의 높이의 증가를 가능하게 하는 연료 인젝터 디바이스로서 적합해야 한다.

이것은 청구항 제1항에 설명된 요지에 의하여 달성된다.

개시된 요지의 다른 효과들 및 이점들은 명백하게 언급하거나 언급하지 않더라도, 아래에 제공된 설명을 고려하여 명백하게 될 것이다.

따라서 본 발명은 몸체를 포함하는 소용돌이 발생 디바이스로서, 상기 몸체는 선단 가장자리 및 후미 가장자리를 포함한다. 스트림 방향은 선단 가장자리에서부터 후미 가장자리로 연장한다. 상기 몸체는 스팬 방향(spanwise direction)을 따라 연장하는 스팬 범위를 더 나타낸다. 상기 몸체는 스팬 방향에서 취한 프로필 횡단면들에서 에어포일형 기하형태를 나타내고, 각각의 에어포일형 프로필 횡단면은 선단 가장자리에서부터 후미 가장자리로 연장하는 캠버선(camber line)을 가진다. 상기 캠버선들 중 적어도 2개, 즉 적어도 2개의 프로필 횡단면의 캠버선들은 다른 캠버각을 나타내며, 따라서 상기 몸체가 상기 스팬 범위를 따라 적어도 2개의 다른 유동 편향각을 나타낸다. 또한 상기 몸체는 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이를 연장하고 각자의 캠버선들의 제1 측면상에서 에어포일형 프로필 라인들을 포함하는 제1 표면과, 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이를 연장하고 각자의 캠버선들의 반대편 제2 측면상에서 에어포일형 프로필들을 포함하는 제2 표면을 포함한다. 상기 제1 표면 및 제2 표면은 선단 가장자리 및 후미 가장자리에서 서로 결합하고, 공동으로 몸체의 표면을 형성한다. 후미 가장자리는 제1 스팬 단부에서부터 제2 스팬 단부로 연장하고, 후미 가장자리는 하류 시점(downstream view)에서 볼 때 제1 섹션 및 제2 섹션을 포함하며, 상기 제1 섹션에서 상기 후미 가장자리는 제1 표면 측에서 볼록한 형상이 되고 상기 제2 표면 측에서 오목한 형상이 되고, 상기 제2 섹션에서 상기 후미 가장자리는 제1 표면 측에서 오목한 형상이 되고 제2 표면 측에서 볼록한 형상이 된다. 가상 후미 가장자리 대각선은 후미 가장자리의 제1 스팬 단부에서부터 후미 가장자리의 제2 스팬 단부로 일직선으로 그려질 수 있다. 하류 시점에서 볼 때, 가상 후미 가장자리 대각선은 하나의 대각선 교차점에서 후미 가장자리를 정확하게 한 번 교차한다. 다른 양태에서, 후미 가장자리의 범위를 따라갈 때, 후미 가장자리는 하나의 센스(sense), 즉 오른손잡이용(right-handed)이나 왼손잡이용(left-handed) 중 어느 하나로서, 굴곡진 또는 킹크된(kinked) 제1 섹션, 및 반대편 센스, 즉 오른손잡이용이나 왼손잡이용 중 다른 하나로서 굴곡진 또는 킹크된 제2 섹션을 포함한다고 말할 수 있다. 오른손잡이용은 또한 시계방향으로 언급될 수 있고, 왼손잡이용은 시계반대방향으로 언급될 수 있다. 후미 가장자리의 범위를 하나의 스팬 단부로부터 다른 스팬 단부로 따라가는 것은, 본 발명의 맥락에서는 하나의 스팬 단부로부터 다른 스팬 단부로 후미 가장자리를 따른 경로를 따라가는 것으로서 이해되어야 한다. 가상적인 느낌에서, 이러한 경로를 따라가며, 사람은 오른손잡이용 또는 시계방향 킹크에서 오른쪽으로 돌아가야 하고 왼손잡이용 또는 시계반대방향 킹크에서 왼쪽으로 돌아가야 할 필요가 있을 것이다. 유사하게, 사람은 왼손잡이용 굴곡 섹션을 따라 왼쪽으로 가야 하고 오른손잡이용 굴곡 섹션을 따라 오른쪽으로 가야 할 것이다.

특히 이러한 느낌은 다만 제1 스팬 단부로부터 제2 스팬 단부까지 후미 가장자리의 전체 범위를 따라 한번 변화한다. 이러한 점에서 후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때, 후미 가장자리의 제1 스팬 단부에서부터 연장하는 정확하게 하나의 제1 섹션을 포함하며, 상기 제1 섹션에서 상기 후미 가장자리는 제1 표면 측에서 볼록한 형상이 되고 제2 표면 측에서 오목한 형상이 되고, 또한 후미 가장자리의 제2 스팬 단부에서부터 연장하는 정확하게 하나의 제2 섹션을 포함하고, 상기 제2 섹션에서 상기 후미 가장자리는 제1 표면 측에서 오목한 형상이 되고 제2 표면 측에서 볼록한 형상이 된다.

당업자는, 볼록과 오목이 이러한 문맥에서 결코 절대적으로 굴곡진 구조를 규정할 수 없으며, 그러나 또한 각이 있는(angled) 또는 모서리가 있는(cornered) 또는 킹크된 구조를 지칭할 수도 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 2개의 직선이 모서리에서 서로 만나는 쐐기형 기하형태는 오목측 및 볼록측을 포함한다.

선단 가장자리는 상류 시점에서 보는 시야에서 대체로 굴곡진 또는 킹크될 수 있으며, 예로서 원형, 또는 부분 원형, 부분 타원형 또는 그와 유사한 종류의 섹션들이거나 또는 그 섹션들을 포함할 수 있다. 그러나 선단 가장자리는 파형이 아니다. 즉, 선단 가장자리는 일방적으로 굴곡되거나 또는 킹크되며(kinked), 즉 상기 시야 방향에서 선단 가장자리의 모든 굴곡진 또는 킹크된 섹션들은 반드시 오른손잡이용이고 또는 반드시 왼손잡이용이다. 하지만 특별한 실시예에서, 선단 가장자리는 상류 시점에서 볼 때 직선형이다. 어떤 경우에도 상류 시점에서 볼 때 하나의 스팬 단부에서부터 다른 스팬 단부까지 선단 가장자리의 코스에서는 변곡점들이 없다.

이해해야 할 것은 상류 시점 및 하류 시점은 각각 공칭 유입 방향, 즉 캠버선의 선단 가장자리 접선을 따라 그리고 중간 유출 방향을 따라 몸체로부터 오프셋된다는 점이다.

제안한 실시예는 소용돌이 발생 디바이스 둘레에서 유동의 압력 손실을 현저하게 감소시키면서 여전히 예로서 후미 가장자리에서 배출되는 연료와 소용돌이 발생 디바이스 둘레를 흐르는 유체의 우수한 혼합 효율을 달성하기에 필요한 소용돌이 강도를 제공하는 잠재력을 가지고 있음을 보여주고 있다. 또한 증식적 컨벌류트형 후미 가장자리 기하형태가 회피되며, 이는 제조 및 조립의 복잡성을 감소시키며, 따라서 비용을 감소시킨다.

본 발명의 기본 골격 내에서 단수 표현의 사용은 반드시 단수를 규정하지는 않으며 또한 다수의 명명된 부재 또는 형태의 존재를 배제하지 않는다는 점에 주의하기 바란다. 따라서 "적어도 하나" 또는 "하나 또는 다수"라는 느낌으로 읽어야 한다.

후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때 특정 실시예에서는 대각선 교차점에 대해 대칭이 될 수 있다.

특정 실시예에서, 후미 가장자리는, 하류 시점에서 볼 때 선단 가장자리에 평행하게 그리고 후미 가장자리의 제1 스팬 단부 및 후미 가장자리의 제2 스팬 단부로부터 등거리에 제공되는 적어도 하나의 가상 후미 가장자리 평균선이 존재하도록 형성된다. 대각선 교차점으로부터 시작하여 후미 가장자리의 제1 및 제2 스팬 단부들 중 특정 단부까지 스팬 범위를 따라 연장하는 후미 가장자리의 코스에서, 가상 후미 가장자리 평균선으로부터 후미 가장자리의 거리는 하류 시점에서 볼 때 수학적으로 말해서 단조적으로(monotonically) 증가하며 또는 환언하면 단조적으로 감소하지 않는다. 즉, 대각선 교차점으로부터 스팬 단부들 중 특정 단부까지 후미 가장자리의 코스를 따라갈 때 상기 거리는 증가하거나 일정하게 진행하며, 그러나 결코 감소하지 않는다.

다른 양태에서, 소용돌이 발생 디바이스는 후미 가장자리를 구비하며, 상기 후미 가장자리는, 하류 시점에서 볼 때 후미 가장자리의 제1 스팬 단부 및 후미 가장자리의 제2 스팬 단부로부터 등거리에 제공되는 가상 후미 가장자리 평균선이 존재하도록 형성되며, 상기 가상 후미 가장자리 평균선에서는 스팬 단부들에서의 후미 가장자리 또는 스팬 단부들에서의 후미 가장자리에 대한 접선들(tangents)은 각각 하류 시점에서 볼 때 가상 후미 가장자리 평균선에 대해 평행하게 연장한다. 상기 가상 후미 가장자리 평균선은 일부 실시예에서, 하류 시점에서 볼 때, 선단 가장자리에 평행하게 연장하며, 또는 더 특정한 실시예에서 선단 가장자리와 일치할 수 있다.

특정 실시예에서, 후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때 적어도 하나의 굴곡형 후미 가장자리 섹션을 포함할 수 있다.

후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때 적어도 하나의 직선형 후미 가장자리 세그먼트를 포함할 수 있다.

위에서 암시한 바와 같이, 2개의 표면들의 측면들에 있는 후미 가장자리의 볼록한 및 오목한 형상 각각은 후미 가장자리의 굴곡형 기하형태에 의하여 연속적으로 제공될 수 있으며, 또는 후미 가장자리의 킹크된 기하형태에 의하여 불연속적으로 제공될 수 있다. 상기 킹크된 기하형태에서, 후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때, 후미 가장자리의 세그먼트들이 후미 가장자리 세그먼트들의 0이 아닌(nonzero) 각도에서 서로 접하는 킹크들 또는 모서리들을 나타내며, 또는 그들 각각의 인접하는 접선들이 따라서 후미 가장자리의 킹크들 또는 모서리들을 제공한다.

이러한 점에서, 굴곡형 후미 가장자리 세그먼트들은 그들의 인접한 접선들이 서로에 대해 평행하지 않은 상태에서 서로 인접하며, 따라서 그들의 연접부(juncture)에서 후미 가장자리의 킹크 또는 모서리를 형성하는 경우가 있을 수 있다. 또한 직선형 후미 가장자리 세그먼트 및 굴곡형 후미 가장자리 세그먼트가 서로 인접하며, 여기서 굴곡형 후미 가장자리 세그먼트의 인접하는 접선 및 직선형 후미 가장자리 세그먼트가 0이 아닌 각도에서 서로 인접하며, 따라서 그들의 연접부에서 후미 가장자리의 킹크 또는 모서리를 형성하는 경우가 있을 수 있다. 그러나 굴곡형 후미 가장자리 세그먼트의 인접하는 접선이 직선형 후미 가장자리 세그먼트에 평행한 상태에서 직선형 후미 가장자리 및 굴곡형 후미 가장자리 세그먼트가 서로 인접하므로, 직선형 후미 가장자리 세그먼트가 굴곡형 후미 가장자리 세그먼트와 원활하게 합병하며, 따라서 후미 가장자리의 킹크 또는 모서리가 형성되지 않는 경우가 있을 수 있다.

후미 가장자리는 굴곡형뿐만 아니라 킹크형 섹션들을 포함할 수 있다.

당업자는 모서리가 반드시 제로 반경(zero radius)의 뾰족한(pointed) 모서리를 암시하는 것이 아님을 이해할 것이다. 실제적인 목적으로서, 모서리들 또는 가장자리들 또는 킹크들은 실제 기술적인 적용에서는 대체로 전체 구조의 크기와 비교할 때 비교적 작은 곡률반경들을 갖는 라운드형(rounded) 세그먼트들을 포함한다. 최소의 가능한 반경은 예를 들어 구성 요소(component)를 형성하는 기본적으로 적용된 제조 방법에 의하여 제공될 수 있다. 다른 양태에서, 최소의 반경들은, 구성 요소가 과열 가스 유동에 노출되는 것으로 계획되어 있으면, 열 유입 및 지역적 표면/체적 비율을 고려함으로써 제한될 수 있다. 일반적으로, 공기역학적 성능 때문에, 후미 가장자리의 하류 단부에는 실제적으로 가능한 만큼 예리한 가장자리가 제공되며, 즉 에어포일의 제1 표면에서부터 제2 표면으로의 전이부에서 최소 곡률반경들을 구비하는 것으로 생각될 수 있다. 상기 반경들은 후미 가장자리 터미널(terminal) 반경들로서 언급될 수 있다. 그와 같이, 또한 최소 후미 가장자리 두께가 제공된다. 따라서, 하류 시점에서 볼 때, 2개의 후미 가장자리 세그먼트들 사이의 전이부는, 상기 전이부에서의 더 작은 곡률반경이 최소 후미 가장자리 터미널 반경보다 최대한 2배 크고 특히 최대한 최소 후미 가장자리 터미널 반경만큼 크다면, 모서리 또는 킹크로서 각각 간주될 수 있다. 다른 양태에서, 하류 시점에서 볼 때, 2개의 후미 가장자리 세그먼트들 사이의 전이부는, 상기 전이부에서 더 작은 곡률반경이 최대한 후미 가장자리의 두께이고 특히 최대한 후미 가장자리의 두께의 절반만큼이 되면, 모서리 또는 킹크로서 각각 간주될 수 있다. 더욱이, 하류 시점에서 볼 때, 2개의 후미 가장자리 세그먼트들 사이의 전이부는, 상기 전이부에서 더 큰 곡률반경이 최대한 최소 후미 가장자리 터미널 반경보다 4배 크고 특히 최대한 최소 후미 가장자리 반경의 3배만큼 크면, 모서리 또는 킹크로서 각각 간주될 수 있다. 다른 양태에서, 하류 시점에서 볼 때, 2개의 후미 가장자리 세그먼트들 사이의 전이부는, 상기 전이부에서 더 큰 곡률반경이 최대한 후미 가장자리의 두께보다 2배 크고 특히 최대한 후미 가장자리의 두께보다 1.5배 만큼 크면, 모서리 또는 킹크로서 각각 간주될 수 있다. 이러한 점에서 더 작은 곡률반경 및 더 큰 곡률반경은 하류 시점에서 볼 때 모서리의 외측 반경 및 내측 반경으로서 지칭된다. 당업자는 또한 내측 반경 및 외측 반경에 대한 상기 공식화된 필요조건은 누적하여 적용할 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명에 따른 소용돌이 발생 디바이스의 특정한 실시예에서, 후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때, 제1 스팬 단부로부터 제1 직선형 후미 가장자리 세그먼트의 내측 단부로 연장하는 제1 직선형 후미 가장자리 세그먼트, 제2 스팬 단부로부터 제2 직선형 후미 가장자리 세그먼트의 내측 단부로 연장하는 제2 직선형 후미 가장자리 세그먼트, 및 상기 제1 및 제2 직선형 후미 가장자리 세그먼트들의 내측 단부들에서 제1 및 제2 직선형 후미 가장자리 세그먼트들에 인접하며 가상 후미 가장자리 대각선을 교차하는 제3 직선형 후미 가장자리 세그먼트를 포함한다. 후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때, 대체로 Z 형상 또는 지그재그 형상 기하형태를 나타낸다고 말할 수 있다. 제1 및 제2 직선형 후미 가장자리 세그먼트들은 특정 실시예에서 서로 평행하게 연장하거나 및/또는 가상 후미 가장자리 평균선에 대해 등거리에 있을 수 있다. 후미 가장자리의 모서리들은 합성 소용돌이의 위치 및 강도로 인하여 우수한 혼합 품질을 유발하는 것으로 나타났다.

하지만 추가의 특정 실시예에서, 후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때 제1 스팬 단부와 제2 스팬 단부 사이에서 굴곡식으로 연장할 수 있다. 특정한 예에서, 후미 가장자리의 제1 스팬 단부로부터 후미 가장자리의 제2 스팬 단부까지 그리고 하류 시점에서 본 코스를 따라, 후미 가장자리는 하나의 단일 오른손잡이용 굴곡형 세그먼트 및 하나의 단일 왼손잡이용 굴곡형 세그먼트를 포함한다. 변곡점은 상기 굴곡형 세그먼트들 사이에 제공되어 있다. 굴곡형 세그먼트들 각각은 몸체의 하류 측면에서 볼 때, 특별한 예에서는 제한하지 않으면서, 원형 및/또는 타원형 및/또는 사인곡선형 세그먼트 중 하나가 될 수 있고, 특히 90°보다 작거나 90°와 동일한 각도를 커버할 수 있다.

다른 비제한적 예에서, 후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때, 파형 형상을 나타낼 수 있고, 파형의 반파장보다 작거나 동일하게 연장할 수 있으며, 여기서 후미 가장자리는 변곡점을 포함한다. 특히, 후미 가장자리는 변곡점에 대해 대칭이 될 수 있다.

소용돌이 발생 디바이스, 또는 이것의 후미 가장자리는 각각, 특정 실시예에서, 임의의 2개의 후미 가장자리 세그먼트들 또는 후미 가장자리 세그먼트들 각각의 임의의 접선들에 의해 둘러싸인 최소 각이 하류 시점에서 볼 때 90°보다 크게 되도록 형성될 수 있다. 이러한 각은 2개의 후미 가장자리 세그먼트들이 서로 인접하는 각과는 다르다는 것을 이해해야 한다. 예로서 2개의 세그먼트가 0인 각도에서 서로 인접하면, 다시 말하면 서로 평행하면, "둘러싸인(enclosed)" 각은 180°이다. 이 각은 예로서 93°, 또는 93°이상이 될 수 있다. 이 실시예는 소용돌이 발생 디바이스가 캐스팅(casting)에 의해 제조되도록 계획되는 경우에 특히 유리하다는 것을 보여주고 있다. 임의의 2개의 후미 가장자리 세그먼트들 또는 그들의 접선들에 의해 둘러싸인 최소 각이 항상 둔각이고 결코 예각이 아니라는 사실 때문에, 언더컷(undercut)들이 회피되고, 특정한 상황에서 항상 캐스팅 금형으로부터 구성 요소의 제거를 위한 적절한 드래프트(draft) 각이 제공된다. 그러나 다른 제조 방법들, 즉 전자빔 용해(EBM) 또는 선택적 레이저 용해(SLM)와 같이 당업자들에게 공지된 첨삭 제조 방법과 같은 제조 방법을 선택하면, 예각 및 관련 언더컷이 제조될 수 있다.

함축적으로 위에서 제시한 바와 같이, 여기에 개시된 소용돌이 발생 디바이스는 연료 배출 디바이스로서 제공될 수 있으며, 상기 연료 배출 디바이스에서는 적어도 하나의 연료 공급 플리넘(plenum)이 몸체 내측에 제공되며, 적어도 하나의 연료 배출 개구가 후미 가장자리에 제공되며, 따라서 추가로 연료 배출 개구는 연료 공급 플리넘과 유체적으로 소통한다. 즉, 연료는 후미 가장자리에서 발생하여 소용돌이 발생 디바이스로부터 하류로 전파되는 소용돌이 유동, 또는 다수의 소용돌이 내로 배출된다. 배출된 연료는 따라서 소용돌이 유동의 유체와 강렬하게 혼합되고, 균질적 혼합물이 연료 배출 디바이스 하류에서 비교적 짧은 거리에서 달성될 수 있다. 적어도 하나의 연료 배출 개구는, 후미 가장자리가 가상 후미 가장자리 평균선 또는 가상 후미 가장자리 대각선을 교차하는 위치, 및/또는 후미 가장자리의 변곡점에 배치될 수 있다.

소용돌이 발생 디바이스를 포함하는 연료 배출 디바이스는 예로서, 다수 개 적어도 2개의 연료 공급 플리넘을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제1 연료 배출 개구, 또는 제1 연료 배출 개구들의 제1 그룹은 상기 연료 공급 플리넘들 중 제1 연료 공급 플리넘에 유체적으로 연결될 수 있고, 적어도 하나의 제2 연료 배출 개구 또는 연료 배출 개구들의 제2 그룹은 상기 연료 공급 플리넘들 중 제2 연료 공급 플리넘에 유체적으로 연결될 수 있다. 2개보다 많은 연료 공급 플리넘들이 제공되면, 추가의 연료 배출 개구 또는 연료 배출 개구들의 그룹들이 상기 추가의 연료 공급 플리넘들에 유체적으로 연결될 수 있음을 이해할 수 있다. 연료 배출 디바이스에 하나 이상의 연료 공급 플리넘들을 제공하며, 각각의 연료 배출 개구가 상기 연료 공급 플리넘들 중 하나에 선택적으로 연결되는 경우, 연료 배출 디바이스는 예로서 다수 타입의 연료를 배출하거나 또는 선택적으로 선택적 혼합 및 연소 모드를 위한 연료를 배출하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 제1 연료 공급 플리넘에 연결된 연료 배출 개구들은 액체 연료 노즐들로서 제공될 수 있으며, 한편 제2 연료 공급 플리넘에 연결된 제2 연료 배출 개구들은 기체 연료 배출 개구들로서 제공될 수 있다. 액체 연료 배출 노즐은 보통 당업자에 의해 용이하게 인식되는 방식으로 기체 연료 배출 개구와 차별화된다. 예로서, 액체 연료 배출 노즐의 지름이 더 클 수 있고, 및/또는 상기 노즐은 액체 연료를 분무시키기 위해 특별하게 구성되거나 또는 다른 수단을 구비할 수 있다. 상기 예에서, 특별한 실시예에서, 액체 연료 배출 노즐은, 가상 후미 가장자리 평균선 또는 가상 후미 가장자리 대각선이 후미 가장자리를 교차하는 후미 가장자리의 위치, 또는 후미 가장자리의 변곡점에 제공될 수 있다. 기체 연료 배출 개구들은 후미 가장자리의 다른 위치들에 제공되어 분포될 수 있다. 연료 배출 디바이스로서 제공되는 소용돌이 발생 디바이스는 추가로, 예로서 차폐용 유체 및/또는 분무용 유체를 위한 플리넘들을 포함할 수 있다. 분무용 유체는 액체 연료 배출 노즐들에서 액체 연료의 분무화를 지원하도록 사용될 수 있다. 차폐용 유체는, 연료와 과열 가스와의 적절한 혼합이 달성되기 전까지 연료의 자발적 자체-점화를 지연시키기 위한 것과 같이 배출된 연료 둘레에 더 차가운 유체의 싸개(sheath)를 제공하는 데 일반적으로 사용될 수 있다. 아주 흔하게, 공기는 양쪽 목적에 사용되며, 따라서 차폐용 유체 및/또는 분무용 유체는 공기가 될 수 있고; 또한 스팀 또는 공기 및 스팀의 혼합물이 적용될 수 있다. 이 정도에서 당업자는 순차 연소를 위해 연료를 과열 유체 유동 내로 분사하는 일반적 개념 및 액체 연료 분무화에 익숙한 것으로 간주된다.

위에서 암시한 바와 같이, 본 발명에 따른 소용돌이 발생 디바이스는, 연료 배출 디바이스로서 사용되든지 그렇지 않든지, 예로서 가스 터빈 엔진의 제1 연소 스테이지 또는 다른 연소 시스템 하류에서 과열 유체 유동으로서 사용하도록 계획될 수 있다. 따라서 소용돌이 발생 디바이스를 그에 맞춰 높은 열 부하에 적응시키기 위해, 소용돌이 발생 디바이스는 냉각액 공급 플리넘 및 상기 냉각액 공급 플리넘과 유체적으로 소통 관계로 제공되는 적어도 하나의 냉각 덕트를 구비할 수 있다. 적어도 하나의 냉각 덕트는 후미 가장자리에서 또는 이에 인접하여 냉각액을 배출하도록 제공될 수 있다. 냉각액은 예로서 공기 또는 스팀, 또는 이들의 혼합물이 될 수 있다.

다른 양태에서, 순차 연소 시스템이 개시되어 있으며, 이 순차 연소 시스템은 상류 연소 스테이지 및 하류 연소 스테이지를 포함한다. 하류 연소 스테이지는 상류 연소 스테이지와 유체적으로 소통 관계로서 제공되며, 상류 연소 스테이지로부터 연소 가스를 수용하도록 구성되어 있다. 특정 예에서, 순차 연소 시스템은 예로서 EP 718 470에 공개된 바와 같이, 연소 가스가 하류 연소 스테이지에 수용되기 전에 상류 연소 스테이지로부터 나오는 연소 가스를 부분적으로 팽창시키도록 적응될 수 있다. 다른 예에서, 상류 연소 시스템으로부터 나오는 연소 가스는 예로서 US 2014/0123665에 공개된 바와 같이, 사전 팽창이 없이 하류 연소 시스템으로 직접 들어갈 수 있다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 소용돌이 발생 디바이스는 하류 연소 스테이지의 바로 상류에 또는 내측에 제공되며, 특히 연료 배출 디바이스로서 제공된다. 그려진 경계들에 의존하여, 소용돌이 발생 디바이스는 하류 연소 시스템의 일부로서 또는 하류 연소 시스템의 상류에 배치되는 것으로서 생각될 수 있다. 하지만, 어떤 경우에는 본 발명의 의미에서, 하류 연소 스테이지와 기능적으로 결합되는 것을 의미한다.

상술한 종류의 다수의 소용돌이 발생 디바이스가 병렬로 배치되면, 소용돌이 발생 디바이스들은 파형 후미 가장자리들이 "동일 위상에 있는" 상태로 배치될 수 있고, 또는 스팬 방향에서 서로 교대로, 즉 EP 3 023 696에 공개된 방식과 유사한 방식으로 "다른 위상에 있는" 상태로 배치될 수 있다.

여전히 다른 양태에서, 상술한 순차 연소 시스템을 포함하는 가스 터빈 엔진이 개시되어 있다.

여전히 다른 양태에서, 소용돌이 발생 디바이스 또는 연료 배출 디바이스의 몸체에 대한 평면도에서, 후미 가장자리의 적어도 일부분은 일반적 스트림 방향에 대해 수직이 아니거나 및/또는 컨투어되는(contoured) 것 중 적어도 하나이다. 평면도에서 후미 가장자리는, 몇가지 실례를 제공하기 위해 (상기 실례들은 제한할 의도는 없다.), 예로서 스트림 방향에 대하여 경사질 수 있고, 또는 팁(tip)되거나, 굴곡지거나, 오목화될 수 있다. 다시 말하면, 소용돌이 발생 디바이스의 몸체의 코드(chord) 길이는 스팬 범위를 따라 변할 수 있다. 이것은 후미 가장자리에서 외부 유동의 압력을 연료 압력에 맞추는 데 유용할 것이다. 이해할 수 있듯이, 연료는 소용돌이 발생 디바이스의 몸체 내부에서 스팬 방향으로 비교적 좁은 라인들로서 흐르며, 따라서 연료 압력은 스팬 방향을 따라 현저하게 강하할 수 있다. 스팬 방향에 걸쳐 소용돌이 발생 디바이스의 코드 길이를 변화시킴에 있어서, 외부 가스 유동의 압력은 특정한 스팬 위치에서 배출되는 연료 압력에 적응될 수 있다.

상술한 형태들 및 실시예들은 서로 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 또한 추가의 실시예들이 당업자에게 분명하고 명백한 본 발명의 범위 및 청구한 주체 내에서 인식할 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명의 요지는 이제 첨부 도면에서 보여주는 선택된 예시적 실시예들에 의하여 더욱 상세히 설명되어 있다.
도 1은 위에 개요를 서술한 종류의 소용돌이 발생 디바이스의 제1 예시적 실시예를 도시한 도면;
도 2는 위에 개요를 서술한 종류의 소용돌이 발생 디바이스의 제2 예시적 실시예를 도시한 도면;
도 3은 소용돌이 발생 디바이스 하류에서부터 도 1의 실시예의 후미 가장자리의 도면;
도 4는 소용돌이 발생 디바이스 하류에서부터 도 2의 실시예의 후미 가장자리의 도면;
도 5는 본 발명에 따른 다수의 소용돌이 발생 디바이스를 포함하는 가스 터빈 엔진의 예시적 실시예의 횡단면도;
도 6은 팁형 후미 가장자리를 갖는 소용돌이 발생 디바이스의 평면도;
도 7은 오목형 후미 가장자리를 갖는 소용돌이 발생 디바이스의 평면도;
도 8은 소용돌이 발생 디바이스의 평면도를 도시하는 가스 터빈 엔진의 유동 덕트의 길이방향 단면도로서, 후미 가장자리가 제1 방향으로 기울어져 있는 도면;
도 9는 소용돌이 발생 디바이스의 평면도를 도시하는 가스 터빈 엔진의 유동 덕트의 길이방향 단면도로서, 후미 가장자리가 제2 방향으로 기울어져 있는 도면.
도면들은 매우 개략적이며, 설명의 목적에 필요하지 않은 세부사항들은 이해 및 도시의 용이함을 위해 생략되어 있다는 것을 이해해야 한다. 또한 도면들은 단지 선택적인 예시적 실시예를 도시하며, 도시되지 않은 실시예들은 여기에 개시된 및/또는 청구된 주체의 범위 내에서 여전히 있어야 할 것이다.

도 1은 여기에 개시된 바와 같은 소용돌이 발생 디바이스의 제1 실시예를 도시한다. 소용돌이 발생 디바이스(1)는 몸체(10)를 포함한다. 몸체(10)는 대체로 공기역학적으로 형성된다. 몸체(10)는 선단 가장자리(11) 및 후미 가장자리(12)를 포함한다. 몸체(10)는 선단 가장자리로부터 후미 가장자리로 스트림 방향(ℓ) 및 스팬 방향(s)을 따라 연장한다. 이러한 예시적 실시예에서, 선단 가장자리(11) 및 후미 가장자리(12)는 스팬 방향을 따라 또는 스팬 방향에 평행하게 연장한다. 그러나 후미 가장자리 및 선단 가장자리 각각은 스트림 방향 및 스팬 방향에 의해 제한되는 평면에서 스팬 방향과 일정 각도로 제공될 수 있어서, 예를 들어 코드 길이가 스팬 방향에 걸쳐 변화하게 된다. 스팬 방향을 따라 취한 횡단면들은 에어포일형 기하형태를 나타낸다. 2개의 예시적 에어포일형 횡단면들은 도면 부호 14 및 15로 지시되어 있다. 몸체(10)는 스팬 방향을 따라 다수의 프로필 횡단면을 지그재그로 만들어낸다고 말할 수 있다. 에어포일형 프로필 횡단면들 각각은 캠버선(camber line) 및 유동 편향각을 포함한다. 프로필 횡단면(14)의 캠버선은 도면 부호 13으로 지칭된 실례와 같다. 또한, 각각의 프로필 횡단면은 프로필 선으로 한정된다. 이러한 요소들이 분명하게 도시되어 있지 않지만, 요소들은 당업자에게는 완전히 이해된다. 도시된 바와 같이, 프로필 횡단면들(14, 15)은 다른 유동 편향각들을 나타낸다. 도시된 특별한 실시예에서, 프로필 횡단면들(14, 15) 각각의 캠버각들 및 유동 편향각들은 동일한 절대값을 가지는 반면 연산 기호(arithmetic sign)가 다르며, 따라서 유동 편향이 반대 방향으로 실행된다. 따라서 몸체는 스팬 방향(s)을 따라 다른 유동 편향각들을 나타낸다고 말할 수 있다. 도시된 예시적 실시예에서, 적어도 본질적으로 총 질량 유동의 동일한 할당이 본 도면에서 아래로 편향되는 것과 같이 본 도면에서 위로 편향된다. 결과적으로, 몸체(10)에 의해 실시되는 전체 유동 편향은 적어도 본질적으로 0(zero)이다. 이것은 의무는 아니지만 소용돌이 발생 디바이스의 몸체가, 예로서 EP 2 522 911(특히 상기 문헌에서 도 4를 참고하기 바란다)에 공개된 바와 같이 0이 아닌(nonzero) 중간 유동 편향을 실행하도록 제공될 수 있다는 점에 주의하기 바란다. 하지만, 중간 유동 편향이 0인가 아닌가는 본 발명의 교시에는 중요하지 않으며, 따라서 예시의 용이함을 위해 0의 중간 편향이 선택되어 있다. 프로필 횡단면들의 캠버선들의 제1 측면에서 몸체는 제1 표면(16)을 포함한다. 제1 표면(16)은 각각의 캠버선의 제1 측면에 위치되는 모든 프로필 횡단면들의 모든 프로필 선들을 포함한다. 제1 표면(16) 반대편에서 본 도면에서는 도시되지 않았지만 제2 표면(17)이 배치된다. 제2 표면(17)은 각각의 캠버선의 제2 측면에 위치되는 모든 프로필 횡단면들의 모든 프로필 선들을 포함한다. 공기역학적 형상의 몸체(10)는 대체로 선단 가장자리(11)에서부터 후미 가장자리(12)로 연장한다. 선단 가장자리(11)는 스팬 방향(s)을 따라 연장한다. 화살표(20)는 소용돌이 발생 디바이스(1) 또는 몸체(10)에 대해 공칭 유입 유동 방향을 지칭한다. 위에서 나타낸 바와 같이, 몸체(10)는 각각의 스팬 위치에서 캠버선을 가지며, 여기서 몸체(10)의 하류 단부를 향하여 캠버선은 다른 스팬 위치들에서 다르다. 후미 가장자리(12)는 제1 후미 가장자리 스팬 단부(121)로부터 제2 후미 가장자리 스팬 단부(122)로 연장한다. 후미 가장자리(12)의 하류에 위치되는 시점에서부터 후미 가장자리(12)의 도면을 보여주는 도 3의 추가 도면에서 가장 잘 이해할 수 있듯이, 가상 후미 가장자리 대각선은 제1 스팬 단부(121)로부터 제2 스팬 단부(122)로 연장하는 가상 직선으로서 규정될 수 있다. 후미 가장자리 대각선(131)은 도 1에 도시되어 있지 않고 도 3에 도시되어 있다. 후미 가장자리 대각선(131) 및 후미 가장자리(12)는 하류 시점에서 바라보는 시야(view)에서, 교차점(151)에서 정확하게 한번 서로 교차한다. 또한, 가상 후미 가장자리 평균선(141)은 하류 시점에서부터의 상기 시야에서 규정될 수 있다. 후미 가장자리 평균선은 후미 가장자리의 양 스팬 단부들(121, 122)로부터 등거리에 있는 것으로서 규정될 수 있다. 또한 후미 가장자리 평균선은 교차점(151)에서 후미 가장자리를 추가적으로 교차하는 것으로서 규정될 수 있다. 특정한 가상 후미 가장자리 평균선(141)이 도시된 실시예에 제공되어 있으며, 양 스팬 단부들에서 후미 가장자리에 대한 접선들(이 접선들 중 하나가 도면 부호 129로 예시적으로 지칭되어 있다.)이 상기 특정한 가상 후미 가장자리 평균선(141)에 평행하게 연장되어 있다. 더구나 도시된 예시적 실시예에서, 가상 후미 가장자리 평균선(141)은 하류 시점에서 볼 때 선단 가장자리(11)에 평행하게 연장하며, 상기 시야에서 특히 선단 가장자리(11)와 일치한다. 후미 가장자리의 제1 섹션(123)은 후미 가장자리의 제1 스팬 단부(121)와 교차점(151) 사이에서 연장한다. 후미 가장자리(12)의 제2 섹션(124)은 후미 가장자리의 제2 스팬 단부(122)와 교차점(151) 사이에서 연장한다. 제1 섹션(123)은 제1 표면(16) 측에서 볼록한 형상이 되고, 제2 표면(17) 측에서 오목한 형상이 되며, 반면에 제2 섹션(124)은 제1 표면(16) 측에서 오목한 형상이 되고 제2 표면(17) 측에서 볼록한 형상이 된다. 따라서 몸체(10)는 후미 가장자리 또는 하류 영역에서 가상 후미 가장자리 평균선(141)의 다른 측면들상에서 연장하는 2개의 로브(lobe)를 포함하며, 여기서 하나의 로브는 제1 표면(16) 측을 향해 불룩해지고 다른 로브는 제2 표면(17) 측을 향해 불룩해진다. 하류 시점에서 볼 때, 후미 가장자리는 대체로 파형 형상을 나타낸다. 따라서 몸체(10)에 걸쳐 유입 유동 방향(20)을 따라 흐르는 유동은 몸체(10)의 하류 영역에서, 제1 후미 가장자리 섹션(123)에 인접하여, 표면(17) 측의 압력과 비교할 때 표면(16) 측에서 비교적 더 높은 압력을 초래할 것이다. 다른 한편, 제2 후미 가장자리 섹션(123)에 인접하여 유동은 표면(16) 측의 압력과 비교할 때 표면(17) 측에서 비교적 더 높은 압력을 초래할 것이다. 따라서 스트림 방향에서 압력차가 유도된다. 다음에 대체로 파형 후미 가장자리에 걸쳐 흐르는 보상(compensation) 유동이 당업자에게 그 자체로 공지된 방법대로 공기역학적 몸체(10)의 후미 가장자리에서 소용돌이들을 발생할 것이다. 이러한 소용돌이들은 예로서 몸체(10)의 후미 가장자리에서 배출된 연료를 유입 유동 방향(20)을 따라 유입하여 몸체(10) 둘레로 흐르는 가스 유동 내로 혼합시키는 데 사용될 수 있다. 후미 가장자리에 위치하는 연료 배출 노즐들 또는 배출 개구들은 간략한 예시적 실시예에는 도시되어 있지 않지만, 예로서 상술한 기술에 의해 당업자에게 공지되어 있다.

도 1 및 도 3에 의해, 예를 들어 제1 스팬 단부로부터 제2 스팬 단부로 후미 가장자리를 따라갈 때, 하류 시점에서 볼 때, 제1 후미 가장자리 섹션(123)에서 오른손잡이용으로 굴곡되고 제2 후미 가장자리 섹션(124)에서 왼손잡이용으로 굴곡된다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 정확하게 하나의 오른손잡이용 굴곡 섹션 및 정확하게 하나의 왼손잡이용 굴곡 섹션이 있으며, 그 굴곡 섹션들 사이에 하나의 변곡점이 제공되어 있다. 다른 양태에서, 후미 가장자리(12)는 스팬 방향을 따라 파형으로 연장하며 가상 평균선(141)의 양 측면에서 스팬 범위를 따라 파형을 이루며 교차점(151)에서 가상 평균선(141)을 교차한다. 도시된 실시예에서, 교차점(151)은 파형 후미 가장자리(12)의 변곡점과 일치한다. 용이하게 인식할 수 있듯이, 파형 후미 가장자리(12)는 웨이브(wave)의 반파장 이하로 연장하며, 따라서 반파장 후미 가장자리로서 언급될 수 있다. 가상 평균선(141)으로부터 후미 가장자리의 최대 거리(h)는 따라서 스팬 단부들(121, 122)에서 발견된다. 후미 가장자리가 반파장보다 큰 파형을 형성하는 다른 실시예와 비교할 때 최대 반파장 파형에 걸쳐 파형을 형성하는 후미 가장자리를 제공함으로써, 몸체 하류의 일정 거리에서 혼합 균질성의 과다한 저하를 일으키지 않고 몸체 둘레를 흐르는 유동의 총 압력 손실이 상당하게 감소될 수 있다. 더욱이 후미 가장자리가 한 파장보다 큰 파형을 형성하는 다른 실시예와 비교할 때 최대 반파장에 걸쳐 파형을 형성하는 후미 가장자리를 제공함으로써, 후미 가장자리의 파형 진폭, 또는 로브 높이(h)는 총 압력 손실을 증가시키지 않고 증가될 수 있으며, 다음에 이것은 몸체 하류에서 혼합 균질성에 유리한 영향을 미친다.

도 1의 실시예가 굴곡형 후미 가장자리(12)를 포함하는 한편, 도 2는 모서리형 또는 킹크형 후미 가장자리를 갖는 실시예를 보여주고 있다. 후미 가장자리의 세그먼트(125)는 후미 가장자리(12)의 제1 스팬 단부(121)로부터 가상 평균선(141)에 대해 직선적으로 평행하게 연장한다. 후미 가장자리(12)의 제2 세그먼트(126)는 후미 가장자리(12)의 제2 스팬 단부로부터 가상 평균선(141)에 대해 직선적으로 평행하게 연장한다. 후미 가장자리(12)의 중심 직선형 세그먼트(127)는 외부 세그먼트들(125, 126)에 인접하며 연결된다. 도 4는 하류 시점에서 볼 때 도 2의 실시예의 후미 가장자리(12)를 도시한다. 도 2 및 도 4의 조합된 도면으로 인하여 충분히 이해할 수 있듯이, 인접하는 후미 가장자리 세그먼트들은 후미 가장자리의 킹크들 또는 모서리들을 형성한다. 가상 후미 가장자리 대각선(131)은 후미 가장자리의 제1 스팬 단부와 제2 스팬 단부 사이에서 직선적으로 연장하며 교차점(151)에서 후미 가장자리(12)를 교차한다. 가상 후미 가장자리 평균선(141)이 존재하며, 이 경우 양쪽 외부 직선형 섹션들(125, 126)이 거리(h)를 두고 상기 가상 후미 가장자리 평균선에 평행하게 연장한다. 다른 양태에서, 후미 가장자리 평균선의 정의는 도 1 및 도 3의 실시예와 연관되어 주어진 것과 일치한다. 다시, 특정한 가상 후미 가장자리 평균선(141)은 하류 시점에서부터의 시야에서, 선단 가장자리(11)에 평행하게 연장하고, 특정 실시예에서는 선단 가장자리(11)와 일치한다. 제1 스팬 단부(121)로부터 제2 스팬 단부(122)로 후미 가장자리 평균선을 따라갈 때, 후미 가장자리(12)는 오른손잡이용으로 킹크되어 있는 제1 섹션(123)과, 왼손잡이용으로 킹크되어 있는 제2 섹션(124)을 나타낸다고 말할 수 있다. 하나의 양태에서, 후미 가장자리(12)는 하류 시점에서 볼 때, 모서리형 또는 다각형 파형으로 연장하고 그 파형의 최대 반파장으로 연장한다고 말할 수 있다. 후미 가장자리(12)는 제1 섹션(123)에서는 제1 표면(16) 측에서 볼록한 형상으로 되고 제2 표면(17) 측에서 오목한 형상으로 되며, 반면에 제2 섹션(124)에서는 후미 가장자리(12)는 제1 표면(16) 측에서 오목한 형상으로 되고 제2 표면(17) 측에서 볼록한 형상으로 된다. 따라서 몸체(10)는 후미 가장자리 또는 하류 영역에서 가상 후미 가장자리 평균선(141)의 다른 측면들상에서 연장하는 2개의 로브를 포함하며, 여기서 하나의 로브는 제1 표면(16) 측을 향해 불룩해지고 다른 로브는 제2 표면(17) 측을 향해 불룩해진다.

도 1 및 도 3과 도 2 및 도 4에 도시된 양쪽 실시예들에서, 후미 가장자리는 대각선 교차점(151)에 대해 대칭적으로 도시되어 있다. 이것은 양호하게 인식할 수 있는 실시예인 한편, 대칭이 아닌 다른 실시예들도 당업자에게 용이하게 인식될 수 있다. 다른 양태에서, 양쪽 실시예에서, 후미 가장자리는 하류에서 볼 때, 단지 직선형 세그먼트들만 또는 단지 굴곡형 세그먼트들만을 포함한다. 굴곡형 및 직선형 세그먼트들이 서로 조합되어 있는 실시예들은 특히 EP 2 725 301의 공보의 관점에서 당업자에게 공지되어 있다. 그러나, 본 발명의 교시에 따른 소용돌이 발생 디바이스의 몸체는 어떤 경우에도 후미 가장자리 각각의 스팬 단부에서 교차점(151)의 양측면에서 최대 로브 높이, 또는 가상 평균선으로부터 후미 가장자리의 최대 거리를 나타낸다. 다시 말하면, 교차 위치의 각 측면에서 가상 평균선으로부터 후미 가장자리의 거리는 각각의 스팬 단부에서 거리(h)를 초과하지 않는다.

또한, 도 3 및 도 4를 참고하면, 2개의 후미 가장자리 세그먼트들에 의해 둘러싸이는 각도(a)가 도시되어 있다. 이러한 점에서, 굴곡형 후미 가장자리 섹션은 하나의 양태에서 또한 유사성(paralleism)으로부터 극미한 편차로 서로 인접하는 극미하게 작은 직선형 세그먼트들로 구성되는 것으로 생각될 수 있다. 도 3에서 임의의 2개의 후미 가장자리 세그먼트들의 2개의 접선들(128, 129) 사이, 또는 2개의 후미 가장자리 세그먼트들 예로서 도 4에 있는 후미 가장자리 세그먼트(125, 127) 사이에 둘러싸인 각도(a)는 90°보다 클 수 있으며, 예로서 93°이상이 될 수 있다. 이 실시예는, 소용돌이 발생 디바이스가 캐스팅(casting)에 의해 제조되도록 계획되는 경우에 특별히 유리하다는 것을 보여주고 있다. 임의의 2개의 후미 가장자리 세그먼트들 또는 그들의 접선들 사이의 최대 각이 항상 둔각이고 결코 예각이 아니라는 사실로 인하여, 언더컷들이 회피되고, 특정한 경우 항상 캐스팅 금형으로부터 구성 요소의 제거를 위한 적절한 드래프트 각도가 제공된다. 그러나 다른 제조 방법, 즉 예로서 전자빔 용해(EBM) 또는 선택적 레이저 용해(SLM)로서 당업자에게 공지된 첨삭 제조 방법을 선택하면, 또한 예각들 및 관련 언더컷들이 만들어질 수 있다.

도 5는 여기에 개시된 종류의 다수의 소용돌이 발생 디바이스가 순차 연소 가스 터빈 엔진의 순차 연소 스테이지를 위한 연료 분사 장치들로서 적용되어 있는 실시예를 도시한다. 도면은 가스 터빈 엔진의 횡단면의 일부를 도시하고 있다. 환형 고온 가스 덕트(103)가 가스 터빈 엔진의 내부 케이싱(101)과 외부 케이싱(102) 사이에 제공된다. 도면 방향은 상류이다. 고온 가스 덕트(103)는 이전 연소 스테이지로부터 나오는 여전히 산소가 풍부한 연도 가스를 수용하도록, 그 유동을 다음의 연소기로 배출하도록 배열 및 구성되어 있다. 다수의 소용돌이 발생 디바이스(1)는 환형 고온 가스 덕트(103) 내에서 원주방향으로 분포되어 있다. 각각의 소용돌이 발생 디바이스의 후미 가장자리에 연료 배출 수단이 제공되어 있다. 각각의 소용돌이 발생 디바이스의 후미 가장자리에서 액체 연료 배출 노즐(51)이 변곡점에 제공되며, 한편 다수의 가스 연료 배출 개구(52)는 변곡점과 스팬 단부들 사이에 제공된다. 당업자는 예로서 차폐용 공기 구멍들이 후미 가장자리에 어떻게 배치될 수 있는지 그리고 소용돌이 발생 디바이스들이 적절한 냉각 장치를 구비할 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 연료 배출 노즐(51)은 종래 기술에 공지된 방법으로, 조합된 액체 연료/가스 연료 배출 노즐이 될 수 있으며, 액체 연료 배출 노즐이 외부 반경상에 제공되는 기체 연료 배출 개구를 동심적으로 구비하는 것에 주목하기 바란다. 차폐용 유체 배출 개구는 동심적으로 배열된 액체 연료 배출 노즐과 기체 연료 배출 개구 외측에 반경 방향으로 제공될 수 있다. 상기 경우에, 노즐(51)의 동심 가스 연료 배출 개구에 추가하여 전용 가스 연료 배출 개구(52)들이 제공되거나 제공되지 않을 수 있다.

연료 분사 장치들의 후미 가장자리들은 파형의 "동일 위상에 있는" 것으로 도시되어 있는데, 즉 모두 환형 덕트의 반경방향 내측 부분에 그리고 환형 덕트의 반경방향 외측 부분에서 동일하게 굴곡형 세그먼트들을 가지는 반면, 후미 가장자리들은 또한 EP 3 023 696에 공개된 바와 같이 다양한 "다른 위상에 있는" 배열로서 제공될 수 있다는 점에 주목하기 바란다. EP 3 023 696의 각각의 공보는 본원에 참고로 설명되어 있다.

몸체(10)의 표면 및 특히 후미 가장자리(12)에서 배출될 연료 또는 어떠한 다른 연료는 대체로 스팬 방향(s)에 평행하게 연장되는 덕트들을 통해 몸체(10)의 내부에 공급되거나, 또는 도 5의 도면을 참고하면 내부 케이싱(101)으로부터 반경방향 외측으로 또는 외부 케이싱(102)으로부터 반경방향 내측으로 공급될 것이다. 특정 예에서, 그러한 내부 덕트들은 비교적 작은 유동 횡단면을 가질 수 있어서, 몸체(10)의 내부를 통해 흐르는 유체가 소용돌이 발생 디바이스의 스팬 범위에 걸쳐 중대한 압력 강하를 경험할 수 있다. 예로서 연료의 균질성 분배를 달성하기 위해, 또한 소용돌이 발생 디바이스(1) 하류에서 특별한 유동장을 달성하기 위해, 후미 가장자리는 몸체를 평면도로 바라볼 때 스트림 방향(ℓ)에 대해 컨투어(contour)되거나 비수직(non-perpendicular)이 될 수 있다. 이것은 도 6 내지 도 9에 예시되어 있다.

도 6을 참고하면, 소용돌이 발생 디바이스(1)가 도시되어 있으며, 여기서 후미 가장자리(12)가 팁형으로 되어 있어서 몸체의 코드 길이가 스팬 단부들 사이의 위치에서보다 스팬 단부들에서 더 작다.

도 7을 참고하면, 소용돌이 발생 디바이스(1)가 도시되어 있으며, 여기서 후미 가장자리가 오목형으로 되어 있어서 몸체의 코드 길이가 스팬 단부들 사이의 위치에서보다 스팬 단부들에서 더 크다.

도 8은 도 5에 도시된 실시예와 유사한 실시예의 단면도를 도시하며, 여기서 소용돌이 발생 디바이스(1)의 후미 가장자리가 기울어져 있어서 코드 길이가 내부 케이싱(101)에 인접한 곳보다 외부 케이싱(102)에 인접한 곳에서 더 작다.

도 9는 도 5에 도시된 실시예와 유사한 실시예의 횡단면도를 도시하며, 여기서 소용돌이 발생 디바이스(1)의 후미 가장자리가 기울어져 있어서 코드 길이가 외부 케이싱(102)에 인접한 곳보다 내부 케이싱(101)에 인접한 곳에서 더 작다.

도 6 내지 도 9의 실시예에서는 선단 가장자리(11)로부터 후미 가장자리(12)로 소용돌이 발생 디바이스 둘레에서 흐르는 외부 유동의 압력 강하를 스팬 위치에 의존하여 조정할 수 있다는 것은 명백하다.

본 발명의 주체가 예시적 실시예들에 의해 설명되어 있는데, 이들은 결코 청구한 발명의 범위를 제한하도록 의도되어서는 안 된다. 청구항들은 여기에 명백히 보이지 않은 또는 설명되지 않은 실시예들을 커버하며, 본 발명의 교시를 실시하기 위한 예시적 모드로 개시된 실시예를 벗어나는 실시예들은 청구범위에 의해 여전히 커버될 것이다.

1 소용돌이 발생 디바이스
10 몸체
11 선단 가장자리
12 후미 가장자리
13 캠버선
14 프로필 횡단면
15 프로필 횡단면
16 몸체의 표면
17 몸체의 표면
20 공칭 유입 유동 방향
51 액체 연료 배출 노즐
52 가스 연료 배출 개구
101 내부 케이싱
102 외부 케이싱
103 고온 가스 덕트
121 후미 가장자리의 스팬 단부
122 후미 가장자리의 스팬 단부
123 후미 가장자리의 섹션
124 후미 가장자리의 섹션
125 후미 가장자리의 세그먼트; 직선형 외부 세그먼트
126 후미 가장자리의 세그먼트; 직선형 외부 세그먼트
127 후미 가장자리의 세그먼트; 직선형 중심 세그먼트
128 후미 가장자리 세그먼트의 접선
129 후미 가장자리 세그먼트의 접선
131 가상 후미 가장자리 대각선
141 가상 후미 가장자리 평균선
151 후미 가장자리와 가상 후미 가장자리 대각선의 교차점; 대각선 교차점
a 2개의 후미 가장자리 세그먼트, 또는 그들의 접선들에 의해 둘러싸인 각도
h 후미 가장자리 평균선으로부터 후미 가장자리의 거리
ℓ 스트림 방향
s 스팬 방향

Claims

몸체(10)를 포함하는 소용돌이 발생 디바이스(1)로서, 상기 몸체는 선단 가장자리(11) 및 후미 가장자리(12)와, 상기 선단 가장자리에서부터 후미 가장자리로 연장하는 스트림 방향(ℓ)을 포함하고, 상기 몸체는 스팬 방향(s)을 따라 연장하는 스팬 범위를 더 나타내고,
상기 몸체는 상기 스팬 방향에서 취한 프로필 횡단면(14, 15)들에서 에어포일형 기하형태를 나타내고, 각각의 에어포일형 프로필 횡단면은 상기 선단 가장자리에서부터 후미 가장자리로 연장하는 캠버선(13)을 가지며, 상기 캠버선들 중 적어도 2개는 다른 캠버각을 나타내며, 따라서 상기 몸체가 상기 스팬 범위를 따라 적어도 2개의 다른 유동 편향각을 나타내고,
상기 몸체는 상기 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이를 연장하고 각자의 캠버선들의 제1 측면에서 상기 에어포일형 프로필 라인들을 포함하는 제1 표면(16)과, 상기 선단 가장자리와 후미 가장자리 사이를 연장하고 각자의 캠버선들의 반대편 제2 측면에서 상기 에어포일형 프로필들을 포함하는 제2 표면(17)을 추가로 포함하며, 상기 제1 표면(16) 및 제2 표면(17)은 상기 선단 가장자리(11) 및 후미 가장자리(12)에서 서로 결합하고,
상기 후미 가장자리는 제1 스팬 단부(121)에서부터 제2 스팬 단부(122)로 연장하고, 상기 후미 가장자리는 하류 시점에서 볼 때 제1 섹션(123) 및 제2 섹션(124)을 포함하며, 상기 제1 섹션(123)에서 상기 후미 가장자리는 상기 제1 표면(16) 측에서 볼록한 형상이 되고 상기 제2 표면(17) 측에서 오목한 형상이 되고, 상기 제2 섹션(124)에서 상기 후미 가장자리는 상기 제1 표면(16) 측에서 오목한 형상이 되고 상기 제2 표면(17) 측에서 볼록한 형상이 되며, 후미 가장자리 가상 대각선(131)은 상기 후미 가장자리의 제1 스팬 단부(121)에서부터 상기 후미 가장자리의 제2 스팬 단부(122)로 일직선으로 연장하는, 상기 소용돌이 발생 디바이스에 있어서,
하류 시점에서 볼 때, 상기 후미 가장자리(12)는 하나의 대각선 교차점(151)에서 상기 후미 가장자리 가상 대각선(131)을 정확하게 한 번 교차하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 후미 가장자리(12)는 하류 시점에서 볼 때, 상기 제1 스팬 단부(121)에서부터 연장하는 정확하게 하나의 제1 섹션(123)을 포함하며, 상기 제1 섹션(123)에서 상기 후미 가장자리는 상기 제1 표면 측에서 볼록한 형상이 되고 상기 제2 표면 측에서 오목한 형상이 되고, 또한 제2 스팬 단부(122)에서부터 연장하는 정확하게 하나의 제2 섹션(124)을 포함하고, 상기 제2 섹션(124)에서 상기 후미 가장자리는 상기 제1 표면 측에서 오목한 형상이 되고 상기 제2 표면 측에서 볼록한 형상이 되는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 후미 가장자리(12)는 하류 시점에서 볼 때 상기 대각선 교차점(151)에 대해 대칭인 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후미 가장자리는, 상기 하류 시점에서 볼 때 상기 선단 가장자리(11)에 대해 평행하게 그리고 상기 후미 가장자리의 제1 스팬 단부(121) 및 상기 후미 가장자리의 제2 스팬 단부(122)로부터 등거리에 제공되는 적어도 하나의 가상 후미 가장자리 평균선(141)이 존재하도록 형성되며, 상기 가상 후미 가장자리 평균선에 대해 상기 대각선 교차점(151)으로부터 시작하여 상기 후미 가장자리(12)의 제1 및 제2 스팬 단부들(121, 122) 중 어떤 단부까지 스팬 범위를 따라 연장하는 후미 가장자리의 코스에서 상기 가상 후미 가장자리 평균선(141)으로부터 상기 후미 가장자리(12)의 거리(h)는 하류 시점에서 볼 때 단조적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후미 가장자리는, 하류 시점에서 볼 때 상기 후미 가장자리의 제1 스팬 단부(121) 및 상기 후미 가장자리의 제2 스팬 단부(122)로부터 등거리에 제공되는 가상 후미 가장자리 평균선(141)이 존재하도록 형성되며, 상기 가상 후미 가장자리 평균선에 대해 상기 스팬 단부들(121, 122)에서의 상기 후미 가장자리(12) 또는 상기 스팬 단부들 각각에서 상기 후미 가장자리에 대한 어떤 접선(128)은 상기 가상 후미 가장자리 평균선(141)에 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제5항에 있어서, 상기 가상 후미 가장자리 평균선(141)은 하류 시점에서 볼 때 상기 선단 가장자리(11)에 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후미 가장자리(12)는 하류 시점에서 볼 때 적어도 하나의 굴곡형 후미 가장자리 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후미 가장자리(12)는 하류 시점에서 볼 때 적어도 하나의 직선형 후미 가장자리 세그먼트(125, 126, 127)를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후미 가장자리(12)는 하류 시점에서 볼 때 0이 아닌(nonzero) 각도에서 서로 인접하는 적어도 2개의 후미 가장자리 세그먼트들(125, 126, 127)을 포함하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 후미 가장자리(12)는 하류 시점에서 볼 때, 상기 후미 가장자리의 제1 스팬 단부(121)로부터 제1 직선형 후미 가장자리 세그먼트의 내측 단부로 연장하는 상기 제1 직선형 후미 가장자리 세그먼트(125), 상기 후미 가장자리의 제2 스팬 단부(122)로부터 제2 직선형 후미 가장자리 세그먼트의 내측 단부로 연장하는 상기 제2 직선형 후미 가장자리 세그먼트(126), 및 상기 제1 및 제2 직선형 후미 가장자리 세그먼트들의 내측 단부들에서 상기 제1 및 제2 직선형 후미 가장자리 세그먼트에 인접하며 상기 가상 후미 가장자리 대각선(131)을 교차하는 제3 직선형 후미 가장자리 세그먼트(127)를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후미 가장자리(12)는 하류 시점에서 볼 때 상기 후미 가장자리의 제1 스팬 단부(121)와 제2 스팬 단부(122) 사이에서 굴곡식으로 연장하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 임의의 2개의 후미 가장자리 세그먼트들(125, 127) 또는 후미 가장자리 세그먼트들 각각의 어떤 접선들(128, 129)에 의해 둘러싸인 최소 각도(a)는 하류 시점에서 볼 때 90°보다 큰 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소용돌이 발생 디바이스는 연료 배출 디바이스로서 제공되며, 상기 연료 배출 디바이스에서는 적어도 하나의 연료 공급 플리넘이 상기 몸체 내측에 제공되며, 적어도 하나의 연료 배출 개구(20)가 상기 후미 가장자리(12)에 제공되며, 따라서 상기 연료 배출 개구는 연료 공급 플리넘과 유체적으로 소통하는 것을 특징으로 하는 소용돌이 발생 디바이스.
상류 연소 스테이지 및 하류 연소 스테이지를 포함하는 순차 연소 시스템으로서, 상기 하류 연소 스테이지는 상기 상류 연소 스테이지와 유체적으로 소통하게 제공되며, 상기 상류 연소 스테이지로부터 연소 가스를 수용하도록 적응 및 구성되는, 상기 순차 연소 시스템에 있어서,
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 소용돌이 발생 디바이스는 상기 하류 연소 스테이지의 상류에 제공되며, 특히 연료 배출 디바이스로서 제공되는 것을 특징으로 하는 순차 연소 시스템.
제14항에 따른 순차 연소 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 엔진.