JP2013231582A - タービンエンジン用の燃料／空気予混合システム - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン用の燃料／空気予混合システムを提供すること。
【解決手段】システムは燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、空気の第１の部分を受け取り且つ該空気を燃焼領域に送給するよう構成された中央本体を含む。燃料ノズルはまた、空気の第２の部分を受け取り且つ該空気を前記燃焼領域に送給するよう構成されたスワーラを含む。スワーラは、外側シュラウド壁と、内側ハブ壁と、スワールベーンと、を含む。スワールベーンは、該スワールベーンの下流側縁部にて半径方向スワール輪郭を含む。半径方向スワール輪郭は、外側シュラウド壁から遷移点まで延びる第１の領域と、遷移点から内側ハブ壁まで延びる第２の領域とを含む。第１の領域及び前記第２の領域の少なくとも一方が実質的に直線状で、少なくとも一方が弓形である。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、タービンエンジンに関し、より具体的には、燃料ノズルの作動性を改善するシステムに関する。

ガスタービンエンジンは、燃料及び空気の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスが１つ又はそれ以上のタービン段を駆動させる。詳細には、高温燃焼ガスは、タービンブレードを回転させ、これによりシャフトを駆動して発電機などの１つ又はそれ以上の負荷を回転させる。ガスタービンエンジンは、燃料及び空気を燃焼ゾーンに配向するための燃料ノズルを含む。燃料及び空気の可燃混合気を有する燃焼ゾーンにおいて火炎が生じる。残念ながら、この火炎は、燃焼ゾーンから燃焼ノズルに上流側に伝播する可能性があり、これにより燃焼の熱に起因して燃料ノズルの性能に影響を及ぼす可能性がある。この現象は一般に逆火と呼ばれる。同様に、火炎は、燃料ノズル表面上又はその近傍で生じることもある。この現象は一般に保炎と呼ばれる。例えば、保炎は、低速領域で燃料ノズル上又はその近傍で生じる場合がある。

米国特許第６，４３８，９６１号明細書

最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態によれば、システムは燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、空気の第１の部分を受け取り且つ該空気を燃焼領域に送給するよう構成された中央本体を含む。燃料ノズルはまた、空気の第２の部分を受け取り且つ該空気を燃焼領域に送給するよう構成されたスワーラを含む。スワーラは、外側シュラウド壁と、内側ハブ壁と、スワールベーンと、を含む。スワールベーンは、該スワールベーンの下流側縁部にて半径方向スワール輪郭を含む。半径方向スワール輪郭は、外側シュラウド壁から遷移点まで延びる第１の領域と、遷移点から内側ハブ壁まで延びる第２の領域とを含む。第１の領域及び第２の領域の少なくとも一方が実質的に直線状であり、少なくとも一方が弓形である。

第２の実施形態によれば、方法は、空気の第１の部分を燃料ノズルの中央本体を通って配向するステップを含む。空気の第１の部分は、燃料ノズルのハブ壁付近にて第１のスワール角で中央本体から流出する。本方法はまた、空気の第２の部分を燃料ノズルのスワーラを通って配向するステップを含む。空気の第２の部分は、燃料ノズルのシュラウド壁付近にて第２のスワール角でスワーラから流出する。空気の第２の部分は、燃料ノズルのハブ壁付近にて第３のスワール角でスワーラから流出する。第２のスワール角は、第３のスワール角よりも大きい。

第３の実施形態によれば、システムは、燃料ノズルスワーラを含む。燃料ノズルスワーラは、外側シュラウド壁と、内側ハブ壁と、スワールベーンと、を含む。スワールベーンは、該スワールベーンの下流側縁部にて半径方向スワール輪郭を含む。半径方向スワール輪郭は、外側シュラウド壁から遷移点まで延びる第１の領域と、遷移点から内側ハブ壁まで延びる第２の領域と、を含む。第１の領域が実質的に一定であり、第２の領域がハブ壁に向かって実質的に減少している。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

本発明の態様による、ガスタービンシステムの１つの実施形態のブロック図。 本発明の態様による、長手方向軸線に沿った図１のガスタービンシステムの１つの実施形態の断面図。 本発明の態様による、複数の燃料ノズルを備えた端部カバーを有する燃焼器ヘッド端部の１つの実施形態の斜視図。 本発明の態様による、燃料及び空気を予混合するためスワーラを利用できる図３の燃料ノズルの１つの実施形態の斜視断面図。 本発明の態様による、スワールベーンを利用できるスワーラの１つの実施形態の斜視図。 本発明の態様による、図５に示すようなスワールベーンの１つの実施形態の斜視図。 本発明の態様による、シュラウド壁にて長手方向軸線に沿った図６のスワールベーンの１つの実施形態の断面図。 本発明の態様による、ハブ壁にて長手方向軸線に沿った図６のスワールベーンの１つの実施形態の断面図。 本発明の態様による、図８のスワールベーンのハブ側面の断面図上に重畳した、図７のスワールベーンのシュラウド側面の断面図。 本発明の態様による、スワールベーンの下流側縁部の半径方向スワール輪郭の１つの実施形態のグラフ。 本発明の態様による、スワールベーンの下流側縁部の半径方向スワール輪郭の別の実施形態のグラフ。

本開示は、混合気が燃焼ゾーンに入る前に燃料及び空気混合気の混合を向上させるのに利用できる燃料／空気予混合システムに関する。特定の実施形態によれば、予混合システムは、一定転回及び強制渦状の半径方向輪郭を有するスワールベーンを備えたスワーラを含む。スワーラは、混合及び火炎安定性を強化するため、シュラウド壁付近に大きなスワール角を維持することができる。スワーラはまた、ハブ壁付近において低いスワールで且つ高い軸方向速度を維持して、逆火又は保炎の可能性又は影響を少なくすることができる。加えて、スワールパージ空気を導入し、中央本体の下流側の火炎を更に安定化することができる。スワーラを流れる空気と中央本体を流れる空気の比を調整し、システムが低い流量（例えば、ターンダウン）で作動できるようにすることができる。

本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について以下で説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

次に、図面に移り、最初に図１を参照すると、ガスタービンシステム１０（例えば、ガスタービンエンジン）の１つの実施形態のブロック図が示されている。この図は、燃料ノズル１２、燃料供給源１４、及び燃焼器１６を含む。図示のように、燃料供給源１４は、天然ガスのような液体燃料又はガス燃料を含み、ガスタービンシステム１０に送られて、燃料ノズル１２を通じて燃焼器１６に流入する。矢印１８で示すように、燃料が加圧空気と混合された後、燃焼器１６にて点火が生じる。燃料ノズル１２は、混合気が点火する前に燃料及び空気の混合を強化するシステムを含むことができる。より具体的には、以下でより詳細に説明するように、燃料ノズル１２は、燃料及び空気の混合を強化し、火炎を安定させ、逆火又は保炎を低減し、ガスタービンシステム１０がターンダウン速度で作動できるように設計されたスワーラを含むことができる。燃焼器１６からの点火により生じた排出ガスは、タービン２０内のブレードを回転させる。タービン２０におけるブレードとシャフト２２との間の結合によりシャフト２２の回転が引き起こされ、該シャフト２２はまた、図示のように、ガスタービンシステム１０全体にわたって複数の構成要素に結合されている。例えば、図示のシャフト２２は、圧縮機２４及び負荷２６に駆動可能に結合される。理解されるように、負荷２６は、発電機又は車両など、ガスタービンシステム１０の回転出力によって出力を生成することができるあらゆる好適な装置とすることができる。

供給空気２８が吸気口３０に入り、圧縮機２４に送られる。圧縮機２４は、シャフト２２に駆動可能に結合された複数のブレードを含み、これにより吸気口３０からの空気を加圧して、矢印１８で示すように、該空気を燃料ノズル１２及び燃焼器１６に送るようにする。次いで、燃料ノズル１２は、例えば、燃料をより完全に燃焼させて、燃料を無駄にしないよう又は過剰エミッションを生じないようにする燃焼のような、燃焼に最適な比率で加圧空気及び燃料を混合することができる。高温燃焼ガスは、タービン２０を通過した後、排気出口３４にてガスタービンシステム１０から流出する。ガスタービンシステム１０は、該ガスタービンシステム１０の作動中に固定されている他の構成要素に対して移動及び／又は回転する、シャフト２２のような様々な構成要素を含む。

図２は、図１に示すようなガスタービンエンジン１０の１つの実施形態の軸方向３６から見た側断面図である。作動時には、空気は、ガスタービンシステム１０に入り、吸気口３０を通って圧縮器２４に流入する。圧縮機２４は、シャフト２２の周りで円周方向４０に回転して空気を加圧する複数のブレード３８を含む。ブレード３８は、空気を燃焼器１６内の燃料ノズル１２に送る。燃焼器１６は、圧縮機２４から半径方向４２で外向きに配置される。燃焼器１６は、燃料ノズル１２が装着されるヘッド端部４４を含む。加圧空気は、燃料ノズル１２内で燃料と予混合され、該混合気が燃焼器１６内で点火する。燃焼は、高温排出ガスを発生し、該高温排出ガスはタービン２０に送られる。タービン２０内では、排出ガスはブレード４６を駆動し、次いで、排気出口３４に流れる。ガスタービンシステム１０は、二酸化炭素と酸素の配合物のような空気以外の好適な作動流体で機能することができる点に留意されたい。

図３は、シール継手５８を介して端部カバーベース面５６に取り付けられた複数の燃料ノズル１２を備えた端部カバー５４を有する燃焼器ヘッド端部４４の１つの実施形態の斜視図である。図示のように、燃焼器ヘッド端部４４は、６つの燃料ノズル１２を有する。特定の実施形態において、燃料ノズル１２の数は変えることができる（例えば、約１〜１００個の燃料ノズル１２）。ヘッド端部４４は、圧縮機２４からの加圧空気と燃料とを端部カバー５４を通じて燃料ノズル１２の各々に送り、該燃料ノズル１２は、燃焼器１６の燃焼ゾーンに入る前に、加圧空気と燃料を空気燃料混合気として少なくとも部分的に予混合する。以下でより詳細に考察するように、燃料ノズル１２は、空気流路においてスワール（例えば、円周方向４０の速度）を誘起することができる１つ又はそれ以上のスワールベーンを含むことができ、各スワールベーンは、空気流路に燃料を噴射する燃料噴射ポートを含む。

図４は、空気流路にてスワールを誘起して空気流路に燃料を噴射することができる、１つ又はそれ以上のスワールベーンを含む燃料ノズル１２の１つの実施形態の斜視断面図である。燃料ノズル１２は、装着フランジ６８により燃焼器１６に結合される。燃料ノズル１２は、ハブ壁７２により密閉される燃料導管７０を含む。燃料導管７０は、燃料ノズル１２内の中心に配置される。燃料導管７０は一般に、円筒形状である。ハブ壁７２は、空気及び／又は燃料を燃料ノズル１２の種々の内部構成要素に送る一連の通路を密閉する。シュラウド壁７４は、ハブ壁７２を密閉し、燃料ノズル１２を通じて空気及び／又は燃料を送る追加の通路を含む。シュラウド壁７４及びハブ壁７２は、同様の幾何形状を有し、図示のように、両方ともほぼ円筒形とすることができる。入口流れ調整器７６は、シュラウド壁７４に結合され、ハブ壁７２の周りに配置される。入口流れ調整器７６は、軸方向３６に延びた第１の有孔シート７７と、半径方向４２に延びる第２の有孔シート７８とを含む。特定の実施形態によれば、有孔シート７７、７８は、単一構成を用いて一体的に形成することができる。有孔シート７７、７８は、燃料ノズル１２に流入する空気を調量し拡散するよう設計することができる。

空気は、入口流れ調整器７６を通じて燃料ノズル１２に流入する。空気の一部（例えば、拡散空気）は、拡散空気通路８０に沿って軸方向３６に流れることができる。拡散空気は、中央本体８２に向けて流れ、拡散ガスポート８３を通って中央本体８２に半径方向に配向することができる。中央本体８２内では、拡散空気は、燃料導管７０からの燃料と混合することができる。混合気は、中央本体８２から流出し、燃料ノズル１２の下流側の燃焼領域８４に流れる。特定の実施形態によれば、燃料及び拡散空気の混合気は、ハブ壁７４付近の逆火又は保炎の可能性又は影響を低減するため、軸方向３６に比較的高い速度を有することができる。拡散空気の一部（例えば、スワールパージ空気）は、拡散空気通路８０を通って拡散スワーラ８６に流れることができ、該スワーラは、中央本体８２の一部とすることができ、中央本体８２の下流側端部付近に配置することができる。特定の実施形態において、拡散スワーラ８６は、図４に部分的に示すように、環状パターンで配置された複数のスワーラベーンを収容することができる。拡散スワーラ８６は、円周方向４０の時計回り又は反時計回りの方向でスワールをスワールパージ空気に与えることができる。パージ空気に与えられるスワール角は、約１０〜８０度、約２０〜７０度、又は約３０〜５０度の間の角度とすることができる。特定の実施形態によれば、スワールパージ空気は、中央本体８２の下流側火炎を安定化させ、中央本体８２からの流れ剥離の可能性を低減し、ダイナミックスを改善するのを助けることができる。

入口流れ調整器７６に流入する空気の第２の部分（例えば、主燃焼空気）は、スワーラ８８に流れることができ、該スワーラは、以下でより詳細に説明するように複数のスワールベーンを含むことができる。スワーラ８８は、円周方向４０の時計回り又は反時計回りの方向で主燃焼空気にスワール運動を与えることができる。特定の実施形態において、スワーラ８８は、中央本体８２において拡散スワーラ８６により誘起されたスワールとは反対方向のスワールを誘起することができる。例えば、スワーラ８８は、時計回りのスワールを誘起し、拡散スワーラ８６は、反時計回りのスワールを誘起することができる。他の実施形態において、スワーラ８６、８８は、同じ方向のスワールを誘起してもよい。例えば、スワーラ８８は、シュラウド壁７４に近接した空気の一部分に高速のスワールを誘起し、ハブ壁７２に近接した空気の別の部分に低速のスワールを誘起することができる。拡散スワーラ８６は、ハブ壁７２に近接して高速のスワールを誘起し、スワーラ８８の低速スワールを補償するようにしてもよい。ハブ壁７２に近接した軸方向速度の増大は、保炎又は逆火の可能性を低減することができ、また、拡散スワーラ８６によって誘起されるスワール速度の増強は、火炎の安定化を助けることができる。

燃料導管７０における燃料の一部分（例えば、予混合燃料）は、軸方向３６で燃料通路９０を通ってスワーラ８８に流れることができる。予混合燃料は、以下でより詳細に説明するように、半径方向でスワーラ８８を通って燃料噴射ポートに流れる。予混合燃料及び主燃焼空気は、スワーラ８８内で混合する。混合気は、予混合アニュラス９２を通って燃焼領域８４に配向される。特定の実施形態によれば、スワーラ８８は、シュラウド壁７４付近の主燃焼空気及び燃料に高いスワール角を与えることができる。高いスワール角は、シュラウド壁７４での混合及び火炎安定性を強化することができる。

入口流れ調整器７６に流入する全空気量に対するスワーラ８８に流れる主燃焼空気の割合は、変わることができる。特定の実施形態において、この割合は、約５０％〜約９９％、又はより具体的には約７０％〜約９５％、或いは、更により具体的には約８０％〜約９５％の範囲とすることができる。残りの空気（拡散空気）は、中央本体８２を通って流れる。従って、主燃焼空気流量は、拡散空気流量よりも大きくすることができ、拡散空気に対する主燃焼空気の比は変えることができる。上述の割合に対応して、この比は、約０．０１〜約１、又はより具体的には約０．０５〜約０．４３、或いは、更により具体的には約０．０５〜約０．２５の範囲とすることができる。加えて、予混合アニュラス９２における燃空比は、中央本体８２における燃空比とは異なることができる。例えば、予混合アニュラス９２における混合気は、より高い燃空比を有し、中央本体８２における混合気は、より低い燃空比を有することができる。更に、これらの比は、作動モードに応じて異なることができる。例えば、ターンダウン作動中は、通常の作動中に比べて中央本体８２においてより高い燃空比が望ましいとすることができる。

図５は、燃料／空気混合を増強し且つ火炎安定性を改善するよう設計された複数のスワールベーン１０４を含むスワーラ８８の１つの実施形態の斜視図である。空気は、シュラウド壁７４とハブ壁７２との間の環状スペース１０５を通って流れ、ここで空気はスワールベーン１０４に衝突する。スワールベーン１０４は、円周方向４０で時計回り又は反時計回りの方向のスワール運動を誘起することができる。スワールベーン１０４は、シュラウド壁７４とハブ壁７２との間で半径方向に配置される。図示のように、スワーラ８８は、１２個のスワールベーン１０４を含む。特定の実施形態において、スワールベーン１０４の数は変えることができる。スワーラ８８は、ハブ壁７２において複数の燃料噴射ポート１０６を含む。燃料噴射ポート１０６は、燃料をスワーラ８８の燃料プレナムに半径方向に（例えば、上述の予混合燃料通路９０から）配向することができる。燃料は、スワールベーン１０４上に配置された燃料孔を通って環状スペース１０５に配向することができ、ここで燃料が空気と接触して混合される。スワールベーン１０４は、燃料／空気混合気にスワール運動を誘起することができる。

スワールベーン１０４は、シュラウド壁７４とハブ壁７２との間に延びる半径１０８を有する。スワールベーン１０４はまた、該スワールベーン１０４の上流側流れ端部１１２から下流側流れ端部１１４に延びる長さ１１０を有する。空気は一般に、上流側流れ端部１１２から下流側流れ端部１１４に流れる。燃料噴射ポート１０６は、スワールベーン１０４上の孔を通って上流側流れ端部１１２と下流側流れ端部１１４との間の空気流に燃料を配向することができる。スワールベーン１０４は、正圧側面１１６及び負圧側面１１８を含む。正圧側面１１６は、上流側流れ端部１１２から下流側流れ端部１１４に延びて、ほぼ弓形の表面１２０を形成する。空気は一般に、正圧側面１１６に接して流れ、表面１２０に対応する経路をとることができる。負圧側面１１８はまた、上流側流れ端部１１２から下流側流れ端部１１４に延びて、同様にほぼ弓形の表面１２２を形成する。正圧側面１１６表面１２０は、負圧側面１１８の表面１２２と異なることができる。従って、表面１２０、１２２は、スワールベーン１０４の半径１０８に沿って変化し、スワーラ８８の下流側で変化する空気スワール角を形成することができる。

正圧側面１１６及び負圧側面１１８は、上流側流れ端部１１２にて合流し、上流側縁部１２４を形成する。上流側縁部１２４は、流入空気流に対してほぼゼロの迎え角を有して、正圧側面１１６及び負圧側面１１８の両方での流れ剥離を最小限にするよう設計することができる半径方向輪郭１２６を有する。正圧側面１１６及び負圧側面１１８はまた、下流側流れ端部１１４にて合流し、下流側縁部１２８を形成する。下流側縁部１２８は、実質的に直線状の領域と弓形の領域との組み合わせを含むことができる半径方向スワール輪郭１３０を有する。これらの領域は、下流側縁部１２８に沿った燃料／空気混合気のスワール角を制御することができる。上流側縁部１２４の半径方向輪郭１２６は、下流側縁部１２８の半径方向輪郭１３０と異なることができる。正圧側面１１６及び負圧側面１１８のスワーラ表面形状は、何れかの半径方向位置にて上流側縁部輪郭１２６から下流側縁部輪郭１３０への円滑な移行を確保するよう、スワールベーン１０４の長さ１１０に沿って変化することができる。下流側縁部１２８の半径方向輪郭１３０は、シュラウド壁７４に近接して高いスワール角を誘起し、燃料と空気の混合を増強するよう設計することができる。半径方向輪郭１３０はまた、ハブ壁７２に近接して低いスワール角を誘起し、逆火又は保炎の可能性又は影響を低減するよう設計することができる。

図６は、燃料／空気混合を増強し且つ火炎安定性を改善するよう設計することができるスワールベーン１０４の１つの実施形態の斜視図である。スワールベーン１０４は、ハブ壁７２に配置されたハブ側面１４２を含む。ハブ側面１４２は、正圧側面１１６と正圧縁部１５０、及び負圧側面１１８と負圧縁部１５２を形成する。スワールベーン１０４はまた、シュラウド壁７４に配置されたシュラウド側面１４８を含む。シュラウド側面１４８は、正圧側面１１６と正圧縁部１４４、及び負圧側面１１８と負圧縁部１４６を形成する。ハブ側面１４２の形状は、シュラウド側面１４８の形状と異なることができ、該形状は、スワールベーン１０４の半径１０８に沿って変わることができる。

特定の実施形態において、スワールベーン１０４は、ハブ側面１４２を通ってスワールベーン１０４の本体に延びる１つ又はそれ以上の中空燃料プレナム１５４を含む。特定の実施形態によれば、燃料プレナム１５４は、円筒、多面体、又は別の好適な形状を有することができる。燃料プレナム１５４は、ハブ壁７２を通じて燃料噴射ポート１０６から燃料を受けることができる。スワールベーン１０４は、燃料プレナム１５４から環状スペース１０５に燃料を配向する複数の燃料出口ポート１５６（例えば、燃料噴射孔）を含むことができる。更に、特定の実施形態において、燃料出口ポート１５６のサブセットは、燃料を正圧側面１１６に向けて配向することができ、燃料出口ポート１５６の第２のサブセットは、燃料を負圧側面１１８に向けて配向することができる。特定の実施形態において、スワールベーン１０４は、ハブ壁７２付近で高い軸方向速度を誘起し、保炎又は逆火の可能性又は影響を低減するよう設計することができる。従って、特定の実施形態において、燃料出口ポート１５６は、ハブ壁７２に燃料のより多くの部分を配向するため、ハブ壁７２に近接して配置することができる。例えば、ハブ壁７２と燃料出口ポート１５６との間の距離は、半径１０８の約５〜９５％、約１５〜８５％、又は約３０〜７０％の間とすることができる。

特定の実施形態において、スワールベーン１０４は、複数の燃料噴射ポート１０６及び対応する燃料プレナム１５４を含む。各燃料プレナム１５４は、該燃料プレナム１５４から環状スペース１０５に燃料を配向する複数の燃料出口ポート１５６（例えば、燃料噴射孔）を有することができる。図示のように、燃料出口ポートは、燃料プレナムの周囲の周りに間隔を置いて配置され、燃料の一部が正圧側面１１６に向かって噴射され、燃料の第２の部分が負圧側面１１８に向かって噴射されるようにすることができる。特定の実施形態において、燃料出口ポート１５６は、半径方向４２に沿ったベーン表面上及び／又は軸方向３６の流れ方向に沿ったベーン表面上に配置することができる。

図７は、スワールベーン１０４のシュラウド側面１４８の１つの実施形態の断面図である。図示のように、燃料プレナム１５４及び燃料出口孔１５６は、燃料を正圧側面１１６及び負圧側面１１８に配向することができる。シュラウド側面１４８は、上流側流れ端部１１２から下流側流れ端部１１４に延びる、ほぼ弓形の形状１６０を有する。形状１６０は、負圧縁部１４６、正圧縁部１４４、上流側縁部１２４、及び下流側縁部１２８によって定めることができる。図８は、スワールベーン１０４のハブ側面１４２の１つの実施形態の断面図である。ハブ側面１４２は、上流側流れ端部１１２から下流側流れ端部１１４に延びる、ほぼ弓形の形状１６２を有する。形状１６２は、負圧縁部１５２、正圧縁部１５０、上流側縁部１２４、及び下流側縁部１２８によって定めることができる。図９に示すように、図７のスワールベーン１０４のシュラウド側面１４８の形状１６０は、図８のスワールベーン１０４のハブ側面１４２の形状１６２とは実質的に異なる。形状１６０、１６２は、上流側端部１２４の半径方向輪郭１２６及び下流側端部１２８の半径方向輪郭１３０のシュラウド端部及びハブ端部に相当することができる。更に、あらゆる半径方向断面におけるスワールベーン１０４の形状は、燃料／空気混合気がスワーラ８８から流出するときにスワール角の特定の範囲を与えるように設計することができる。

図９は、図８のスワールベーン１０４のハブ側面１４２の断面図の上に重畳した、図７のスワールベーン１０４のシュラウド側面１４８の断面図である。図示のように、シュラウド側面１４８及びハブ側面１４２の形状１６０、１６２は、スワールベーン１０４の長さ１１０に沿って変化している。形状１６０、１６２の変動は、上記で考察したように、半径方向輪郭１２６に対応することができる。詳細には、形状１６０、１６２及び対応する半径方向輪郭１２６、１３０の変動は、スワールベーン１０４の下流側の火炎を安定化し、ダイナミックスを改善するよう設計することができる。

図１０は、シュラウド壁７４からハブ壁７２へのスワールベーン１０４のスワール角を示す、下流側縁部１２８の半径方向スワール輪郭１３１（例えば、スワール角輪郭）の１つの実施形態のグラフである。半径方向スワール輪郭１３１は、ほぼ弓形の形状である。特定の実施形態において、半径方向スワール輪郭１３１は、直線状（例えば、一定）、弓形、或いは直線と弓形の形状の組み合わせを含むことができる。スワールベーン１０４は、シュラウド壁７４に近接した高いスワール角と、ハブ壁７２に近接した低いスワール角とを与えるよう設計される。シュラウド壁７４に近接した高いスワール角は、シュラウド壁７４において燃料／空気混合を増強し、火炎安定性マージンを向上させることができる。ハブ壁７２に近接した低いスワール角は、ハブ壁７２からの逆火の可能性又は影響を少なくすることができる。このような実施形態において、スワール輪郭１３１は、実質的に直線状の定転回領域１８０と、弓形の強制渦領域１８２とを含むことができる。他の実施形態において、半径方向スワール輪郭１３１は、実質的に直線状又は弓形とすることができる複数の領域を含むことができる。例えば、半径方向スワール輪郭１３１は、０、１、２、３、４、５、又はそれ以上の実質的に直線状の領域（例えば、定転回領域）と、０、１、２、３、４、５、又はそれ以上の弓形領域とを含むことができる。

半径方向スワール輪郭１３１は、シュラウド壁７４から遷移点１８６までの距離１８４を延びる定転回領域１８０を含む。半径方向スワール輪郭１３１はまた、遷移点１８６からハブ壁７２まで距離１８８を延びる強制渦領域１８２を含む。特定の実施形態において、スワールベーン１０４は、１つよりも多い定転回領域１８０及び／又は１つよりも多い強制渦領域１８２を含むことができる。このような実施形態において、別個の遷移点が各領域間に配置されることになる。例えば、スワールベーン１０４は、第１の定転回領域、強制渦領域、及び第２の定転回領域を含むことができる。第１の遷移点は、第１の定転回領域と強制渦領域との間に配置されることになる。第２の遷移点は、第２の定転回領域と強制渦領域との間に配置されることになる。

図１０に示すように、遷移点１８６は、シュラウド壁７４とハブ壁７２との間に配置される。遷移点１８６は、下流側縁部１２８の中心１８９に近接して配置される。従って、定転回領域１８０の距離１８４は、強制渦領域１８２の距離１８８にほぼ等しい。他の実施形態において、遷移点１８６は、下流側縁部１２８に沿って他の場所に配置されてもよい。例えば、遷移点１８６は、シュラウド壁７４に近接して、又はハブ壁７２に近接して、或いは、これらの中間位置に配置することができる。定転回領域１８０の距離１８４は、遷移点１８６の位置に応じて、強制渦領域１８２の距離１８８よりも長いか又は短いとすることができる。距離１８４、１８８の各々は、半径１０８の約５〜９５％、約１５〜８５％、又は３０〜７０％とすることができる。

定転回領域１８０は、実質的に直線状の形状１９０を有する。しかしながら、他の実施形態では、形状１９０は、僅かな曲率を有することができる。定転回領域１８０は、シュラウド壁７４にスワール角１９２を有する。スワール角１９２はほぼ鋭角である。特定の実施形態において、シュラウド壁付近のスワール角１９２（例えば、半径１０８の約１０、２０、又は３０％内）は、約０度〜約８０度の範囲、及び約２０度〜約７０度、約３０度〜約６５度、約４０度〜約６０度など、これらの間の全ての部分範囲にわたることができる。円周方向軸線１９４は、円周方向４０で遷移点１８６を通って延びる。円周方向軸線１９４は、シュラウド壁７４及びハブ壁７２にほぼ平行である。定転回領域１８０は、遷移点１８６にて円周方向軸線１９４とのスワール角１９６（例えば、遷移角）を有する。スワール角１９２及び遷移角１９６はほぼ等しいとすることができる。しかしながら、角度１９２、１９６は、１度、２度、３度、４度、又は５度未満など、小範囲で変化することができる。従って、定転回領域１８０は、僅かな曲率を有することができるが、実質的に直線状である。他の実施形態において、定転回領域１８０は、弓形とすることができ、角度１９２、１９６は、約０度〜約８０度、及び約２０度〜約６０度、約３０度〜約５５度、約４０度〜約５０度など、これらの間の全ての部分範囲にわたることができる。

強制渦領域１８２は、弓形形状１９７を有する。強制渦領域１８２は、遷移点１８６にてスワール角１９８（例えば、遷移角）を有する。遷移角１９６、１９８は、スワールベーン１０４の半径方向輪郭１３０が比較的円滑であるようにほぼ等しいとすることができる。他の実施形態において、遷移角１９６、１９８は、互いに異なる場合があり、スワールベーン１０４が円滑でないようになる。強制渦領域１８２は、ハブ壁７２にてスワール角２００を有する。特定の実施形態によれば、ハブ壁７２近傍のスワール角２００（例えば、半径１０８の約１０、２０、又は３０％内）は鋭角とすることができ、約４０度、又はより具体的には約３０度未満、或いは、更により具体的には約２０度未満とすることができる。従って、強制渦領域１８２のスワール角は、遷移点１８６からハブ壁７２まで減少する。図示のように、スワール角２００は、遷移角１９８よりも小さい。図示のように、スワールベーン１０４のスワール角は、全体的にシュラウド壁７４からハブ壁７２まで減少する。特定の実施形態において、スワール角は、シュラウド壁７４からハブ壁７２まで単調減少することができる。他の実施形態では、スワール角は、半径方向スワール輪郭１３１の領域に沿って減少し、スワール輪郭１３１の異なる領域に沿って増大することができる。

上流側縁部１２４の半径方向スワール輪郭１２７（図示せず）は、流入空気流に対してほぼゼロの迎え角を有して、正圧側面１１６及び負圧側面１１８の両方での流れ剥離を最小限にするよう設計することができる。スワール輪郭１２７、１３１は同様とすることができ、或いは異なることができる。２つの半径方向スワール輪郭１２７、１３１の間の差違は、スワーラ８８の半径方向スワール角輪郭を形成することができる。このような実施形態において、ベーン正圧側面湾曲及び負圧側面湾曲の形状は、全体的に長さ１１０に沿って変化することができる。

図１１は、下流側縁部１２８の半径方向スワール輪郭１３１の別の実施形態のグラフである。半径方向スワール輪郭１３１は、自由渦弓形領域２１０、定転回領域２１２、線形減少領域２１４、及び強制渦弓形領域２１６を含む。自由渦弓形領域２１０は、シュラウド壁７４から第１の遷移点２２０まで距離２１８を延びる。定転回領域２１２は、第１の遷移点２２０から第２の遷移点２２４まで距離２２２を延びる。線形減少転回領域２１４は、第２の遷移点２２４から第３の遷移点２２８まで距離２２６を延びる。最後に、強制渦領域２１６は、第３の遷移点２２８からハブ壁７２まで距離２３０を延びる。図示のように、線形減少領域２１４のスワール角は、遷移点２２８に向けて減少する。図示のように、距離２１８、２２２、２２６、及び２３０は、長さが変わることができる。詳細には、距離２１８、２２２、２２６、及び２３０の各々は、半径１０８の約５〜９５％、約１５〜８５％、又は約３０〜７０％とすることができる。自由渦領域２１０は、シュラウド壁７４にてスワール角２３２を形成する。同様に、強制渦領域２１６は、ハブ壁７２にてスワール角２３４を形成する。図示の実施形態において、スワール角は、自由渦領域２１０の長さに沿って増大し、定転回領域２１２に沿って一定であり、線形減少転回領域２１４に沿って線形的に減少し、強制渦領域２１６の長さに沿って減少する。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービンシステム
１２ 燃料ノズル
１４ 燃料供給源
１６ 燃焼器
１８ 矢印
２０ タービン
２２ シャフト
２４ 圧縮機
２６ 負荷
２８ 供給空気
３０ 吸気口
３４ 排気出口
３６ 軸方向
３８ ブレード
４０ 円周方向
４２ 半径方向
４４ ヘッド端部
４６ ブレード
５４ 端部カバー
５６ ベース面
５８ シール継手
６８ 装着フランジ
７０ 燃料導管
７２ ハブ壁
７４ シュラウド壁
７６ 内側流れ調整器
７７ 有孔シート
７８ 有孔シート
８０ 拡散空気通路
８２ 中央本体
８３ 拡散ガスポート
８４ 燃焼領域
８６ 拡散スワーラ
８８ スワーラ
９０ 予混合燃料通路
９２ 予混合アニュラス
１０４ スワールベーン
１０５ 環状スペース
１０６ 燃料噴射ポート
１０８ 半径
１１０ 長さ
１１２ 上流側流れ端部
１１４ 下流側流れ端部
１１６ 正圧側面
１１８ 負圧側面
１２０ 弓形の表面
１２２ 表面
１２４ 上流側縁部
１２６ 半径方向輪郭
１２７ 半径方向スワール輪郭
１２８ 下流側縁部
１３０ 半径方向スワール輪郭
１３１ 半径方向スワール輪郭
１４２ ハブ側面
１４４ 正圧縁部
１４６ 負圧縁部
１４８ シュラウド側面
１５０ 正圧縁部
１５２ 負圧縁部
１５４ 燃料プレナム
１５６ 燃料出口ポート
１６０ 弓形形状
１６２ 形状
１８０ 定転回領域
１８２ 強制渦領域
１８４ 距離
１８６ 遷移点
１８８ 距離
１９０ 形状
１９２ スワール角
１９４ 円周方向軸線
１９６ スワール角
１９７ 弓形形状
１９８ スワール角
２００ スワール角
２１０ 自由渦弓形領域
２１２ 定転回領域
２１４ 線形減少領域
２１６ 強制渦弓形領域
２１８ 距離
２２０ 第１の遷移点
２２２ 距離
２２４ 第２の遷移点
２２６ 距離
２２８ 第３の遷移点
２３０ 距離
２３２ スワール角
２３４ スワール角

Claims (20)

1. 空気の第１の部分を受け取り且つ該空気を燃焼領域に送給するよう構成された中央本体と、
   空気の第２の部分を受け取り且つ該空気を前記燃焼領域に送給するよう構成されたスワーラと、
   を備え、前記スワーラが、
   外側シュラウド壁と、
   内側ハブ壁と、
   下流側縁部にて半径方向スワール輪郭を有するスワールベーンと、
   を含み、前記半径方向スワール輪郭が、前記外側シュラウド壁から遷移点まで延びる第１の領域と、前記遷移点から前記内側ハブ壁まで延びる第２の領域とを含み、前記第１の領域及び前記第２の領域の少なくとも一方が実質的に直線状で、少なくとも一方が弓形である、システム。
2. 前記中央本体が、空気の前記第１の部分の小部分にスワールを誘起させるよう構成された拡散スワールを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記半径方向スワール輪郭が、前記外側シュラウド壁にて第１のスワール角を形成し、前記半径方向スワール輪郭が、前記内側ハブ壁にて第２のスワール角を形成し、前記第１のスワール角が前記第２のスワール角よりも大きい、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１のスワール角が、約４０度と約６０度の間である、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第２のスワール角が、約２０度未満である、請求項３に記載のシステム。
6. 空気の前記第２の部分に対する空気の前記第１の部分の比が、約０．０５〜約０．２５である、請求項１に記載のシステム。
7. 前記遷移点が、前記半径方向スワール輪郭の中心に近接して配置される、請求項１に記載のシステム。
8. 燃焼器及び燃料ノズルを含むガスタービンを備える、請求項１に記載のシステム。
9. 空気の第１の部分を燃料ノズルの中央本体を通って配向させ、前記空気の第１の部分が前記燃料ノズルのハブ壁付近にて第１のスワール角で前記中央本体から流出するようにするステップと、
   空気の第２の部分を前記燃料ノズルのスワーラを通って配向させ、前記空気の第２の部分が前記燃料ノズルのシュラウド壁付近にて第２のスワール角で前記スワーラから流出し、前記空気の第２の部分が前記燃料ノズルのハブ壁付近にて前記第２のスワール角よりも小さい第３のスワール角で前記スワーラから流出するようにするステップと、
   を含む、方法。
10. 前記空気の第２の部分に対する前記空気の第１の部分の比が、約０．０５〜約０．２５である、請求項９に記載の方法。
11. 前記中央本体から流出する前記空気の第１の部分の第１のスワール角が約３０度〜約５０度の角度であるよう誘起するステップを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記シュラウド壁付近にて前記スワーラから流出する前記空気の第２の部分の第２のスワール角が約４０度〜約６０度の角度であるように誘起するステップを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記ハブ壁付近にて前記スワーラから流出する前記空気の第２の部分の第３のスワール角が約２０度未満の角度であるように誘起するステップを含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記空気の第２の部分を前記スワーラを通って配向するステップを含み、前記スワーラは、下流側端部にて半径方向スワール輪郭を有するスワールベーンを有し、前記半径方向スワール輪郭は、外側シュラウド壁から遷移点まで延びる第１の領域と、前記遷移点から内側ハブ壁まで延びる第２の領域とを含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記半径方向スワール輪郭の第１の領域が実質的に一定であるか又は前記遷移点に向かって減少しており、前記半径方向スワール輪郭の第２の領域が前記ハブ壁に向かって実質的に減少している、請求項１４に記載の方法。
16. 外側シュラウド壁と、
    内側ハブ壁と、
    下流側縁部にて半径方向スワール輪郭を有するスワールベーンと、
    を含む燃料ノズルスワーラを備えるシステムであって、
    前記半径方向スワール輪郭が、
    前記外側シュラウド壁から遷移点まで延びる第１の領域と、前記遷移点から前記内側ハブ壁まで延びる第２の領域と、を含み、該第１の領域が実質的に一定であり、前記第２の領域が前記ハブ壁に向かって実質的に減少している、システム。
17. 前記半径方向スワール輪郭が、前記外側シュラウド壁にて前記第１の領域の第１のスワール角を形成し、前記半径方向スワール輪郭が、前記内側ハブ壁にて前記第１のスワール角よりも小さい前記第２の領域の第２のスワール角を形成する、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１のスワール角が、約４０度と約６０度の間である、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記第２のスワール角が、約２０度未満である、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記遷移点が、前記半径方向スワール輪郭の中心に近接して配置される、請求項１６に記載のシステム。