JP6805355B2 - 燃料／空気の混合が改良されたスワーラ、燃焼器アセンブリおよびガスタービン - Google Patents

Description

本技術は、一般に、特にガスタービンのスワーラに関し、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの空気汚染物質のさらなる減少のための改良に関する。

ガスタービンエンジン燃焼器において、燃料が燃焼されて、高温の加圧された排ガスを発生し、この排ガスは、次いで、タービン段に供給され、タービン段において、排ガスは、膨張しかつ冷却されながら、運動量をタービンブレードへ伝達し、これにより、タービンロータに回転運動をさせる。次いで、タービンロータの機械的動力を、電力を発生する発電機を駆動するためにまたは機械を駆動するために使用することができる。燃焼器の異なる位置および異なる作動段階で供給されるパイロット燃料および主燃料を使用することによって、今日のガスタービンエンジン燃焼器、例えば、ドライ・ロー・エミッション（ＤＬＥ）燃焼器内の燃焼が開始および維持される。しかしながら、燃料の燃焼は、環境にとって有害な、排ガス中の望ましくない汚染物質を生み出す。したがって、一般的に、汚染物質、例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素などをできるだけ少なく保つことが望まれる。

燃焼火炎の温度の低下を達成することができる、２つの主な手段が存在する。第１の手段は、空気中の燃料の微細な分布による希薄化学量論を用い、低い燃料割合を有する燃料／空気混合物を生じることである。燃料の比較的小さな割合は、低い温度を有する燃焼火炎につながる。第２の手段は、燃焼が生じる前に燃料および空気の十分な混合を提供することである。混合が良くなるほど、燃料は燃焼ゾーンにおいてより均一に分散し、燃料濃度が平均よりも著しく高い領域がより少なくなる。これは、燃料／空気混合比における局所的な最大値から生じる燃焼ゾーンにおけるホットスポットを防止する助けになる。燃料のリッチポケットの形式での高い局所的な燃料／空気濃度により、温度は、その局所的領域において上昇し、その結果、排気中のエミッション、例えばＮＯｘの量が増大する。

したがって、現代のガスタービンエンジンは、この燃料／空気混合物の燃焼の前に希薄化学量論において空気および燃料を予混合するという概念を使用してもよい。予混合は、燃焼ゾーンの上流に配置された燃焼器のスワーリングゾーン内の空気流に燃料、例えば主ガス燃料を噴射することによって行われてもよい。スワーリングは、燃料／空気混合物が燃焼ゾーンに進入する前に燃料および空気を混合させる。空気および燃料の予混合により、概ね良好な混合が意図されているにもかかわらず、ガスタービンの作動中、特に特定の負荷時に、燃料および空気の混合が最適に望まれるようにならないことが生じることがある。スワールする燃料／空気混合物を生じさせることを意図した、流入する空気流へ噴射される燃料は、空気流に沿って多かれ少なかれ流線形に流れることがあり、これにより、適切な混合が達成されなくなる。

欧州特許出願公開第２１６１５０２号明細書は、ダクトを通じて燃焼空気が供給される、バーナ軸線に沿って延びる予混合空気ダクトを有するバーナを開示している。スワール装置、例えばスワールベーンが、ダクトに配置されている。装置は、入口開口を有する入口段を介してダクト内に高発熱燃料、例えば天然ガスを噴射する。スワール装置は、低発熱燃料、例えば合成ガスを噴射するための入口開口、すなわち、ボアホールを有する別の入口段を有する。台形の表面領域を備えるディストリビュータ開口、すなわちディストリビュータボアホールが形成されており、この表面領域は、２つの側に丸みを有している。

独国特許第１０２００９０３８８４５号明細書は、第１のガスノズルセットおよび別の付加的な第２のガスノズルセットを含むスワールブレードに関する。ノズルは、第１のディストリビュータパイプおよび第２のディストリビュータパイプによって供給され、ディストリビュータパイプはスワールブレードに一体化されており、スワールブレードは、第１のディストリビュータパイプおよび第２のディストリビュータパイプの間で分離された２つの半ブレードとして具体化されている。この発明は、バーナおよびガスタービンにも関する。

国際公開第２００７／１３１８１８号は、ガスタービンエンジンのバーナにおいて使用するためのスワーラを開示しており、スワーラは、円で配置された複数のベーンを含み、円における隣接するベーンの間に流れスロットが画成されており、各流れスロットは、入口端部および出口端部を有し、スワーラの使用時に、空気および燃料の流れは、スワーラが空気および燃料のスワールする混合物を提供するように入口端部から出口端部まで各流れスロットに沿って移動し、少なくとも１つのベーンは、流れスロットの出口端部に隣接するベーンのエッジから、スワールする混合物内へ延びる流れ渦を生じるように構成されており、これにより、スワールする混合物中の空気および燃料の混合を改良する。

上述の最新技術に関して、本発明の目的は、特にガスタービンの全ての可能な負荷において均一な燃料／空気混合物を提供することによってスワーリング領域における燃料および空気の混合が改良されるように、スワーラ、特にガスタービン燃焼室のためのスワーラ、このようなスワーラを具備する燃焼器アセンブリ、およびそれ自体はこのようなスワーラのうちの１つまたは複数を有する少なくとも１つのこのような燃焼器アセンブリを有するガスタービンを提供することである。

上記目的は、本技術の、請求項１記載の燃料／空気混合物を生じるためのスワーラ、請求項１３記載のこのようなスワーラを具備する燃焼器アセンブリ、および請求項１４記載の少なくとも１つのこのような燃焼器アセンブリを有するガスタービンエンジンによって達成される。本技術の有利な実施形態は、従属請求項に提供されている。

本技術の第１の態様では、スワールする燃料／空気混合物を生じるためのスワーラが提供される。スワーラは、中心軸線を有しており、中心軸線の周りに延びる、ベースプレートに配置されたベーンの環状の配列と、ベーンの環状の配列の上側に配置された環状閉鎖プレートとを備える。燃料および空気を混合するために、ベーンの環状の配列と、ベースプレートと、環状閉鎖プレートとによって複数の混合チャネルが形成されている。複数の混合チャネルのうちの少なくとも１つの混合チャネルは、複数のベーンのうちの２つの隣接するベーンの対向する壁部によって画成されている。対向する壁部のうちの少なくとも一方は、混合チャネル内への燃料の流れを排出するように適合された、以下では一次開口とも呼ばれる少なくとも１つの一次側面噴射開口を有する。一次側面噴射開口を有する壁部は、一次側面噴射開口に対応する、以下では二次開口とも呼ばれる少なくとも１つの二次側面噴射開口をも有する。二次側面噴射開口は、混合チャネル内へ燃料のジェットを排出するように適合されている。二次側面噴射開口から排出されたジェットが、混合チャネル内で、一次側面噴射開口から排出された流れに乱流を生じるように、二次側面噴射開口はベーンの壁部に配置されている。乱流は、空気と、燃料、特に主ガス燃料との混合を高め、結果として窒素酸化物（ＮＯｘ）などの空気汚染物質を減少させる。

複数の混合チャネルは、空気（ひいては空気および燃料混合物）を中心軸線に対して半径方向内方へ方向付けるように配置されている。複数の混合チャネルは、さらに、空気（ひいては空気および燃料混合物）を中心軸線に対して接線方向かつ内方へ方向付けるように配置されている。これにより、空気および燃料混合物は、中心軸線の周りにかつベースプレートから離れるようにスワールする。複数の混合チャネルは、さらに、混合チャネルを通過している間に空気（ひいては空気および燃料混合物）をベースプレートの表面に対して平行に方向付けるように配置されている。

スワーラ内へおよびスワーラを通って燃焼室へ流入する空気との燃料の混合が改良される。混合は、主に混合チャネル内で生じるので、燃料および空気の混合は、本技術により、燃料が燃焼室に進入する前および燃料が燃焼室に進入するときに改良される。燃焼室の主火炎領域における燃料のリッチポケットは、これにより減少し、ひいては、結果としてエミッションを減少させる。さらに、缶／火炎チューブ表面またはバーナプレナムにおけるあらゆるホットスポットの形成の可能性が減じられ、したがって、燃焼器におけるまたは燃焼器の周囲の構成部材、例えば缶／火炎チューブ表面のより良い寿命が達成される。

スワーラの１つの実施形態では、壁部に、二次側面噴射開口が一次側面噴射開口の半径方向内側に配置されている。これは、本技術の実施のための一次および二次燃料噴射開口の配置または位置決めのスキームを提供する。

スワーラの別の実施形態では、一次側面噴射開口からの二次側面噴射開口の距離は、ベーンの半径方向内側の薄い端部からベーンの半径方向外側の広い端部まで壁部に沿って測定された壁部の長さの１０％〜２０％である。これにより、二次燃料噴射開口は、混合チャネルの長さと等しいかまたは実質的に等しい壁部長さに関して、一次燃料噴射開口の近くに位置付けられており、これにより、二次開口から排出されたジェットは、一次開口から排出された流れと容易に相互作用して、燃料に乱流を生じるかまたは乱流を増大させる。

スワーラの別の実施形態では、環状ベースからの一次側面噴射開口の鉛直方向距離は、環状ベースからの二次側面噴射開口の鉛直方向距離と等しい。これにより、一次および二次開口は、環状ベースから、すなわち、中心軸線に対して垂直に一次開口と二次開口とを接続する直線に沿って、同じレベル、すなわち同じ高さにある。これにより、一次開口から排出されかつ多かれ少なかれ流線形に半径方向内方へ流れる燃料の流れは、壁部に関して、通過しまたは流れる。これにより、二次開口からのジェットは、単に、壁部に関して、燃料を二次開口から垂直に排出させることによって形成されたジェットによって、燃料の流れへ容易に方向付けられる。

スワーラの別の実施形態では、一次側面噴射開口のサイズは、二次側面噴射開口のサイズより大きい。二次開口は一次開口よりも小さいので、例えば、二次開口は、一次開口と比較して、より小さな直径を有し、燃料の同じ供給圧力によって、ジェットのより高い速度が達成される。これにより、ジェットは、より大きな運動量を有し、一次開口からの燃料の流れ中により大きな妨害、ひいてはより良い乱流を生じる。

スワーラの別の実施形態では、壁部は、少なくとも、第１の一次側面噴射開口および第２の一次側面噴射開口を有する。壁部は、また、少なくとも、第１の一次側面噴射開口に対応する第１の二次側面噴射開口と、第２の一次側面噴射開口に対応する第２の二次側面噴射開口とを有する。これにより、混合チャネル内へ、２つ以上の流れが導入されかつ２つ以上の対応するジェットが噴射され、増大した乱流を生じる。

スワーラの別の実施形態では、壁部に、第１の一次側面噴射開口および第２の一次側面噴射開口が、軸方向に離隔して位置付けられている。スワーラのベーンの半径方向内側の薄い端部からの第１の一次側面噴射開口の水平方向距離は、スワーラのベーンの半径方向内側の薄い端部からの第２の一次側面噴射開口の水平方向距離と等しい。スワーラの別の実施形態では、壁部に、第１の二次側面噴射開口および第２の二次側面噴射開口が、軸方向に離隔して位置付けられている。スワーラのベーンの半径方向内側の薄い端部からの第１の二次側面噴射開口の水平方向距離は、スワーラのベーンの半径方向内側の薄い端部からの第２の二次側面噴射開口の水平方向距離と等しい。これにより、２つの一次開口および２つの対応する二次開口は、二次開口からのジェットが一次開口からの対応する流れ中に乱流を生じるかまたは乱流を増大させることができるように位置付けられている。

スワーラの別の実施形態では、環状ベースから、第１の一次側面噴射開口の鉛直方向距離は、第１の一次側面噴射開口に対応する第１の二次側面噴射開口の鉛直方向距離と等しい。実施形態では、環状ベースから、第２の一次側面噴射開口の鉛直方向距離は、第２の一次側面噴射開口に対応する第２の二次側面噴射開口の鉛直方向距離と等しい。これにより、２つの一次開口および２つの対応する二次開口は、水平方向で整列している。一次開口から排出されかつ半径方向または水平に内方へ流れる燃料の流れは、対応する二次開口上を流れ、これにより、二次開口からのジェットは、単に、壁部に関して、燃料を垂直に排出することにより形成されるジェットによって、燃料の対応する流れへ容易に方向付けられる。

スワーラの別の実施形態では、１つまたは複数の一次側面噴射開口および１つまたは複数の対応する二次側面噴射開口を有するベーンは、１つまたは複数の一次側面噴射開口および１つまたは複数の対応する二次側面噴射開口に燃料を供給するように適合された燃料供給通路を有する。これにより、同じ燃料供給通路を使用することによって一次および二次開口へ燃料を供給することができ、これは、ベーンの構成を単純にする。

スワーラの別の実施形態では、１つまたは複数の一次側面噴射開口および１つまたは複数の対応する二次側面噴射開口を有するベーンは、第１の燃料供給通路および第２の燃料供給通路を有する。第１の燃料供給通路は、１つまたは複数の一次側面噴射開口に燃料を供給するように適合されている。第２の燃料供給通路は、１つまたは複数の対応する二次側面噴射開口に燃料を供給するように適合されている。ベーン内で、第２の燃料供給通路は、第１の燃料供給通路とは流体的に分離されている。これにより、燃料は、異なる燃料供給通路を使用することによって一次および二次開口へ供給される。燃料供給通路は、ベーン内で流体的に接続されていないので、燃料を異なる圧力で一次および二次開口へ供給することができる。これは、一次および二次開口の選択的な使用も可能にし、すなわち、第１の燃料供給通路を使用して一次開口にのみ燃料が供給されてもよい、または一次および二次開口の両方に燃料が供給されてもよく、これにより、望みに応じてかつ望まれるときに選択的な乱流形成を可能にする。

本技術の第２の態様では、ガスタービンエンジン用の燃焼器アセンブリが提供される。燃焼器アセンブリは、燃焼室およびスワーラを有する。燃焼室は長手方向軸線を有する。スワーラは、本技術の第１の態様にしたがって説明されているようなものである。スワーラは、スワーラの中心軸線が燃焼室の長手方向軸線と一致するように配置されている。本技術の燃焼器アセンブリは、本技術の上記態様と同じ利点を有する。

本技術の第３の態様では、ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、少なくとも１つの燃焼器アセンブリを有する。燃焼器アセンブリは、本技術の第２の態様にしたがって説明されているようなものである。本技術のガスタービンエンジンは、本技術の上記の第２の態様と同じ利点を有する。

本技術の上述の属性およびその他の特徴および利点ならびにそれらを達成する形式がより明らかになるであろう。本技術それ自体は、添付の図面に関連してなされる本技術の実施形態の以下の詳細な説明を参照することによってさらに理解されるであろう。

本技術のスワーラの１つの典型的な実施形態および燃焼器アセンブリの１つの典型的な実施形態が組み込まれたガスタービンエンジンの１つの典型的な実施形態の一部を断面図で示している。 本技術のスワーラの１つの典型的な実施形態を有する燃焼器アセンブリの１つの典型的な実施形態の分解図を概略的に示している。 図２の燃焼器アセンブリのスワーラの斜視図を概略的に示している。 図３のスワーラのベーンの斜視図を概略的に示している。 スワーラの１つの典型的な実施形態の隣接するベーンの平面図を概略的に示しており、本技術のスワーラの作動を概略的に示している。 スワーラのベーンの壁部上の一次および二次側面噴射開口の配置のスキームを概略的に示している。 スワーラのベーンの壁部上の複数の一次側面噴射開口および複数の二次側面噴射開口の配置の別のスキームを概略的に示している。 スワーラのベーン内の燃料供給通路のスキームを概略的に示している。 本技術の態様による、スワーラのベーン内の燃料供給通路の別のスキームを概略的に示している。

以下に、本技術の上述の特徴およびその他の特徴が詳細に説明される。様々な実施形態が図面に関連して説明され、図面において、全体を通じて同じ要素を示すために、同じ符号が用いられる。以下の記述では、説明のために、１つまたは複数の実施形態の十分な理解を提供するために多数の特定の詳細事項が示される。例示される実施形態は、本発明を説明することを意図したものであり、本発明を限定することを意図したものではないことに留意されてもよい。このような実施形態は、これらの特定の詳細事項なしに実施可能であることが明らかであってもよい。

図１は、ガスタービンエンジン１０の一例を断面図で示している。ガスタービンエンジン１０は、流れ順で、入口１２と、圧縮機または圧縮機セクション１４と、燃焼器セクション１６と、タービンセクション１８とを有しており、これらは、ほぼ流れ順で、ほぼ回転軸線２０を中心にかつ回転軸線２０の方向に配置されている。ガスタービンエンジン１０は、さらに、回転軸線２０を中心に回転可能であり、ガスタービンエンジン１０を通って長手方向に延びているシャフト２２を有している。シャフト２２は、タービンセクション１８を圧縮機セクション１４へ駆動接続している。

ガスタービンエンジン１０の作動時、空気入口１２を通じて取り込まれた空気２４は、圧縮機セクション１４によって圧縮され、燃焼セクションまたはバーナセクション１６へ排出される。バーナセクション１６は、バーナプレナム２６と、長手方向軸線３５に沿って延びる１つまたは複数の燃焼室２８と、各燃焼室２８に固定された少なくとも１つのバーナ３０とを含む。燃焼セクション１６は、スワーラ１（図１には示されておらず、図２および図３に示されている）とともに、２つ以上のバーナ３０を有していてもよい。長手方向軸線３５はスワーラの中心を通っている。燃焼室２８およびバーナ３０は、バーナプレナム２６内に配置されている。圧縮機１４を通過する圧縮空気は、ディフューザ３２に進入し、ディフューザ３２からバーナプレナム２６内へ排出され、バーナプレナム２６から、空気の一部がバーナ３０に入り、気体燃料または液体燃料と混合される。次いで、空気／燃料混合物が燃焼し、燃焼による燃焼ガス３４または作動ガスは、トランジションダクト１７を介してタービンセクション１８へ燃焼室２８を通って送られる。

この典型的なガスタービンエンジン１０は、カニュラ型燃焼器セクション配列１６を有している。カニュラ型燃焼器セクション配列１６は、燃焼器缶１９の環状の配列によって構成されている。各燃焼器缶１９は、バーナ３０および燃焼室２８を有している。トランジションダクト１７は、燃焼室２８と接続された略円形の入口と、環セグメントの形式の出口とを有している。トランジションダクト出口の環状の配列は、燃焼ガスをタービン１８へ送るための環を形成している。

タービンセクション１８は、シャフト２２に取り付けられた複数のブレード支持ディスク３６を有している。この実施例では、２つのディスク３６はそれぞれ、タービンブレード３８の環状配列を支持している。しかしながら、ブレード支持ディスクの数は異なっていてもよく、すなわち、１つのディスクのみまたは３つ以上のディスクであってもよい。加えて、ガスタービンエンジン１０のステータ４２に固定された案内ベーン４０は、タービンブレード３８の環状の配列の段の間に配置されている。燃焼室２８の出口と、最初のタービンブレード３８との間に、入口案内ベーン４４が設けられており、入口案内ベーン４４は、作動ガスの流れをタービンブレード３８へ方向転換させる。

燃焼室２８からの燃焼ガス３４はタービンセクション１８に入り、タービンブレード３８を駆動し、タービンブレード３８自体はシャフト２２を回転させる。ガイドベーン４０，４４は、タービンブレード３８への燃焼ガスまたは作動ガス３４の角度を最適化するように機能する。

タービンセクション１８は圧縮機セクション１４を駆動する。圧縮機セクション１４は、ベーン段４６とロータブレード段４８の軸方向連続を含む。ロータブレード段４８は、ブレードの環状配列を支持するロータディスクを有する。圧縮機セクション１４は、ロータ段を包囲しかつベーン段４８を支持するケーシング５０も有する。ガイドベーン段は、ケーシング５０に取り付けられた、半径方向に延びるベーンの環状配列を有する。ベーンは、任意のエンジン作動時点におけるブレードのための最適角度でガス流を提供するために設けられている。ガイドベーン段のうちの幾つかは、可変ベーンを有しており、ベーンの角度は、ベーン自体の長手方向軸線を中心に、様々なエンジン作動条件において生じる可能性がある空気流れ特性に従う角度のために調節することができる。

ケーシング５０は、圧縮機１４の通路５６の半径方向外面５２を画成している。通路５６の半径方向内面５４は、少なくとも部分的にロータのロータドラム５３によって画成されており、ロータドラム５３は、ロータブレード段４８の環状配列によって部分的に画成されている。

本技術は、単一の多段圧縮機と単一の一段または複数段タービンとを接続する単一の軸またはスプールを有する上記の典型的なタービンエンジンに関して説明される。しかしながら、本技術は、工業用途、航空機用途または船舶用途のために使用することができる２軸または３軸エンジンに等しく適用可能であることが認識されるべきである。さらに、カニュラ型燃焼器セクション配列１６は、典型的な目的のためにも使用され、本技術は、アニュラ型およびカン型燃焼室に等しく適用可能であることが認識されるべきである。以下で使用されるように軸方向、半径方向および周方向という用語は、スワーラ１（図２に示す）の中心軸線９（図２に示す）に関して用いられる。本技術のスワーラ１および／または本技術の燃焼器アセンブリ１００は、図１のガスタービンエンジン１０に組み込まれる。

図２は、本技術のスワーラ１の１つの典型的な実施形態を有する燃焼器アセンブリ１００の１つの典型的な実施形態の分解図を概略的に示している。スワーラ１および／または燃焼器アセンブリ１００は一般により多くの部材を含んでもよく、図２には、本技術の理解のために重要な部材または構成部材のみが示されていることに留意されてもよい。

以下ではアセンブリ１００と呼ばれる燃焼器アセンブリ１００は、バーナ（図示せず）と、スワーラ１、例えばラジアルスワーラ１とを有する。スワーラ１は、以下では燃料／空気混合物とも呼ばれる燃料および空気のスワールする混合物を形成するためにスワーラ１の中心軸線９の周りに環状ベース７６に配置された、略くさび形またはパイスライス形のスワーラベーン７を有する。環状ベース７６は、環状または円形のベースプレート７１の１つの側である。ベースプレート７１が環状またはリング状である場合、パイロットバーナがリングに挿入されていることが認められるべきである。パイロットバーナはリングに対してシールされているので、パイロット空気以外の空気はスワーラ領域に進入しない。さらに、アセンブリ１００は、スワーラ１のスワーラベーン７が取り付けられた環状閉鎖プレート９２と、燃焼ケーシング９８によって画成された燃焼室２８とを有しており、選択的に、スワーラ１と燃焼ケーシング９８との間に配置された、プレチャンバ９６と呼ばれるトランジションピースを有している。燃焼室２８は、プレチャンバ９６の直径よりも大きな直径を有する。燃焼室２８は、ドームプレート（図示せず）を含むドーム部分（図示せず）を介してプレチャンバ９６に接続されてもよい。一般に、トランジションピース１７またはプレチャンバ９６は、パイロットバーナに向かって燃焼ケーシングまたは内筒９８の一部分の連続体として、またはパイロットバーナと燃焼ケーシングもしくは内筒９８との間の別個の部分として実施されてもよい。スワーラ１および燃焼室２８は、実質的に、長手方向軸線３５を中心とする回転対称性を示している。一般に、長手方向軸線３５は、燃焼器アセンブリ１００、およびスワーラ１を含むその構成部材のための対称軸である。スワーラ１の中心軸線９は、燃焼器アセンブリ１００内で長手方向軸線３５と一致しており、すなわち、長手方向軸線３５はスワーラ１の中心軸線９を通過している。

図２と組み合わせて図３に示されているように、スワーラ１において、複数、例えば１２個のスワーラベーン７が、隣接するスワーラベーン７の間に混合チャネルまたはスロット７５を形成するように環状ベースプレート７１の周囲に沿って、特に環状ベース７６上に周方向に間隔を置いて配置されている。環状ベースプレート７１は、各スロット７５の半径方向外側端部にベース噴射孔７７を有しており、これらのベース噴射孔７７によって主燃料がスワーラ１へ供給される。各スワーラベーン７は、加えて、その側面７３または壁部７３の半径方向外側端部に、１つまたは複数の側面噴射孔を有しており、これらの側面噴射孔によっても主燃料がスワーラ１へ供給される。以下では一次側面噴射開口６０または孔６０とも呼ばれる、壁部７３ごとに１つの側面噴射孔が、図２に示したスワーラ１の実施形態に示されているのに対し、両方とも一次側面噴射開口６０であるが、以下では第１の一次側面噴射開口６１または孔６１および第２の一次側面噴射開口６２または孔６２とも呼ばれる、壁部７３ごとに２つの側面噴射孔が、図３に示したスワーラ１の実施形態に示されている。３つ以上の一次側面噴射開口６０を備えるスワーラ１の別の実施形態が可能であり、十分に本技術の範囲内にある。

さらに、スワーラ１のベーン７の壁部７３は、１つまたは複数の追加の側面噴射孔を有しており、追加の側面噴射孔によっても主燃料がスワーラ１へ供給される。以下では二次側面噴射開口８０または孔８０とも呼ばれる、壁部７３ごとに１つのこのような側面噴射孔が、図２に示すスワーラ１の実施形態に示されているのに対し、両方とも二次側面噴射開口８０であるが、以下では第１の二次側面噴射開口８１または孔８１および第２の二次側面噴射開口８２または孔８２とも呼ばれる、壁部７３ごとに２つの側面噴射孔が、図３に示すスワーラ１の実施形態に示されている。３つ以上の二次側面噴射開口８０を備えるスワーラ１の別の実施形態が可能であり、十分に本技術の範囲内にある。スワーラ１の典型的な実施形態では、孔８０の数は、孔６０の数に対応している。すなわち、２つの孔６０、例えば図３の孔６１および孔６２が設けられているならば、スワーラ１のベーン７の壁部７３は、２つの孔８０、例えば孔８１および孔８２も有する。

複数の固定孔７８が、スワーラベーン７およびベースプレート７１を貫通して延びており、これらの固定孔７８を介して、図２に示すようにスワーラベーン７がベースプレート７１に固定される。これに代えて、スワーラベーン７は、ベースプレート７１と一体に、すなわち、一部分の延長体として形成されてもよい。一般に、ベースプレート７１は、（図１の）バーナ３０の周囲に沿って環状に配置されたアダプタプレート（図示せず）に固定されているが、スワーラベーン７を含むスワーラ１は、スワーラ１を他の構成部材（図示せず）に支持することによってアセンブリ１００に配置されてもよい。図３に示すように、各スワーラベーン７は、半径方向内側の位置を有する薄い端部７４と、反対側に配置された広い端部７２とを有する。

図２に示すように、プレチャンバ９６は、円筒状であり、環状閉鎖プレート９２と一体的に形成されていてもよいし、または中間構成部材（図示せず）を介して環状閉鎖プレート９２に取り付けられていてもよい。すなわち、環状閉鎖プレート９２の一方の面に、スワーラベーン７が、ナットおよびボルト（図示せず）を使用することによって、スワーラベーン７の固定孔７８と整列した、環状閉鎖プレート９２に設けられた複数の固定孔９４を介して取り付けられており、環状閉鎖プレート９２の他方の面に、プレチャンバ９６が、一体的に形成されているかまたは中間部品（図示せず）を介して取り付けられている。本開示の図２に示した、スワーラ１、スワーラベーン７、環状閉鎖プレート９２およびプレチャンバ９６のアセンブリは、例示のみを目的としており、１つの構成部材を別の構成部材に接続するその他の環状プレート（図示せず）などのその他の部品または構成部材が存在してもよい。例えば、スワーラベーン７は、トッププレート（図示せず）に接続されていてもよいし、またはトッププレート（図示せず）と一体に形成されていてもよく、トッププレート自体は、環状閉鎖プレート９２に接続されていてもよいことに留意されたい。

図３に示すように、空気は、スワーラ７０のスロット７５の半径方向外側入口端部２に供給され、スロット７５に沿って略半径方向内方へ移動する。スロット７５は、側面上の２つの隣接するスワーラベーン７と、底側の環状ベース７６と、スワーラベーン７に面した環状閉鎖プレート９２の面によって形成可能である上部領域７０と、の間に画定されている。主燃料は、スロット７５に進入し、かつスロット７５に沿って半径方向内方へ移動する空気と混合されるように、ベース噴射孔７７と、一次側面噴射開口６０，６１，６２と、二次側面噴射開口８０，８１，８２とに供給され、これらは全てスロット７５内で開口している。孔７７、孔６０，６１，６２および孔８０，８１，８２から排出される空気および燃料は、スロット７５の半径方向内側出口端部３を通ってスロット７５から出る。すなわち、スワーラ１は、スロット７５の出口端部３の半径方向ですぐ内側の環状領域においておよびスロット７５内においても、燃料／空気のスワールする混合物を形成する。このスワールする混合物は、環状閉鎖プレート９２とプレチャンバ９６とを通過して、燃焼室２８までアセンブリ１００に沿って軸方向に移動する。

以下では、１つまたは複数の一次側面噴射開口６０，６１，６２およびそれらの対応する１つまたは複数の二次側面噴射開口８０，８１，８２の、ベーン７の壁部７３上での位置付けおよび機能が、図３と組み合わせて図４、図５、図６および図７に関してさらに詳細に説明される。

図４は、スワーラ１の１つのベーン７を概略的に示している。図４に示したベーン７は、理解を容易にするために、図３に「Ａ」でマークされたベーン７である。図４に示すように、２つの一次孔６０、すなわち孔６１および孔６２が、ベーン７の壁部７３に位置付けられている。各孔６１，６２は、対応する二次孔８０、すなわち孔６１に対応する孔８１および孔６２に対応する孔８２を有している。孔６１，６２は、概して、ベーン７の上部７０に向かって配置されている。例えば、環状ベース７６からの各孔６１および６２、すなわち孔６０の距離は、壁部７３に沿って測定された、環状ベース７６からのベーン７の上部７０の距離の６５％〜９１％である。対応する孔８１および８２も、ベーン７の上部７０に向かって位置付けられている。さらに、孔６１，６２は、ベーン７の対応する孔８１および８２と比較して、略半径方向外側に、すなわちベーンの広い外側端部７２に向かって配置されている。空気の流れの方向は、図４に矢印６によって示されている。以後の図面、特に図５、図６および図７において、孔６１，６２および対応する孔８１，８２の位置付けは、水平方向距離および鉛直方向距離に関して表される。軸線４は、水平方向距離が測定される方向、すなわち壁部７３に沿ってかつベーン７の薄い端部７４から水平方向距離が測定される方向を表す。軸線５は、鉛直方向距離が測定される方向、すなわち壁部７３に沿ってかつスロット７５の環状ベース７６から鉛直方向距離が測定される方向を表す。軸線４および軸線５は、互いに略垂直であり、軸線５は環状ベース７６に対して略垂直である。

図５は、図４の孔６１，６２および孔８１，８２の位置付けおよび機能にも適用可能な、孔６０および孔８０の位置付けおよび機能をさらに説明するために以下で参照される。図５は、スロット７５を形成する、スワーラ１の２つの隣接するベーン７の対向する壁部７３を示している。図５に示された隣接するベーン７は、図２および図３に示された複数のベーン７のものであり、環状ベース７６に配置されており、図２に示すように、スワーラ１の中心軸線９の周りに半径方向に延びている。対向する壁部７３のうちの一方は、一次側面噴射開口６０、すなわち孔６０を有している。スワーラ１の作動中、すなわちガスタービンエンジン１０の作動中、孔６０から、燃料の流れ６６が混合チャネル７５またはスロット７５内へ排出される。流れ６６は、孔６０から排出された後、方向転換し、外側入口端部２から来る空気６と共に流れ、内側出口端部３に向かって流れる。同じ壁部７３は、孔６０に対応する二次側面噴射開口８０、すなわち孔８０を有している。孔８０から、燃料のジェット８８がスロット７５内へ排出される。ジェット８８も、孔８０から排出された後、方向転換し、外側入口端部２から来る空気６と共に、内側出口端部３に向かって流れる。

しかしながら、孔８０は、ジェット８８が流れ６６に衝突し、突っ込み、または押し込まれ、これにより、流れ６６に乱流８を形成するようにベーン７の壁部７３に位置付けられている。乱流８は、ジェット８８が流れ６６に押し込まれるまたは流れ６６と混合されるところに形成される。乱流８は、下流へ、すなわちスロット７５の出口端部３に向かって伝播し続ける。乱流８は、空気６との孔６０および孔８０から来る燃料の混合を促進する。乱流８、すなわち破壊または混乱は、スロット７５内で拡散し、空気６との（図３に示した）孔７７から来る燃料の混合をも促進する。

流れ６６へのジェット８８の押し込みを促進するために、孔８０は、一次側面噴射開口６０の半径方向内側に配置されている。しかしながら、スワーラ１の別の実施形態（図示せず）では、孔８０は、孔６０と比較して半径方向内側になくてもよく、孔６０と同じ半径方向距離に存在してもよいが、ジェット８８は、流れ６６へのジェット８８の押し込みを生じるために流れ６６に向かって角度を付けて排出されてもよい。さらに、流れ６６とのジェット８８の混合を促進または容易にするために、ジェット８８がまだ実質的な運動量を有する間、孔８０は孔６０の近くに配置されている、例えば、孔６０および孔８０は、孔６０と孔８０との間の距離１０１が壁部７３の長さ１０７の１０％〜２０％であるように壁部７３に配置または位置決めされている。長さ１０７は、ベーン７の広い外側端部７２とベーン７の薄い内側端部７４との間の距離であり、壁部７３に沿って測定される。別の実施形態では、距離１０７は、より小さい、例えば、壁部７３の長さ１０７の５％〜１０％であってもよい。さらに、壁部７３の内側の薄い端部７４からの孔６０の距離は、壁部７３の長さの８５％〜９５％である。

スワーラ１の一実施形態では、孔８０は孔６０よりも小さい。すなわち、孔６０のサイズ１０４、例えば直径は、孔８０のサイズ１０５、例えば直径よりも大きい。孔８０のより小さな直径により、排出されたジェット８８は、燃料が孔８０へ供給される圧力が、燃料が孔６０へ供給される圧力と同じである場合でも、より大きな運動量を有している。例えば、孔８０のサイズ１０５は、孔６０のサイズ１０４の５０％〜７０％である。

図６は、例えば図２に示したスワーラ１のように、それぞれ１つのみが壁部７３に存在するときの、孔６０および孔８０の配置を示している。スワーラ１のこの実施形態では、環状ベース７６からの孔６０の鉛直方向距離１０２は、環状ベース７６からの孔８０の鉛直方向距離１０３と等しいかまたは同じである。鉛直方向距離１０２，１０３は、それぞれ孔６０および孔８０の中心（図示せず）または幾何学的中心（図示せず）から測定されてもよいし、または、孔６０，８０が、測定された距離１０２，１０３と隣接しているが測定された距離１０２，１０３内に制限されるように、孔６０，８０のエッジまたは境界から測定されてもよい。

図７は、図３および図４に示したスワーラ１のように、それぞれ２つ以上、例えば２つの孔６０、すなわち孔６１，６２および２つの孔８０、すなわち孔８１，８２が壁部７３に存在するときの、孔６０および孔８０の配置を示している。スワーラ１の一実施形態では、孔６１および孔６２は、軸方向に離隔し位置付けられている。すなわち、孔６１は、軸方向で、すなわち図４の軸線５に沿ってまたは軸線５に対して平行に見て、孔６２の上側または上方にある。例えば、孔６１と孔６２との間の距離は、環状ベース７６からのベーン７の上部７０の距離の１０％〜３０％である。さらに、スワーラ１のこの実施形態では、ベーン７の内側の薄い端部７４からの孔６１の水平方向距離１０６は、ベーン７の内側の薄い端部７４からの孔６２の水平方向距離１０７と等しいかまたは同じである。すなわち、孔６１は、環状ベース７６に関して、すなわち図４に軸線５によって示した方向で、壁部７３上で孔６２の真上にある。

スワーラ１の、図７に示した関連する実施形態では、孔８１および孔８２も、軸方向に離隔している。すなわち、孔８１は、軸方向で、すなわち図４の軸線５に沿ってまたは軸線５に対して平行に見て、孔８２の上側または上方にある。さらに、スワーラ１のこの実施形態では、ベーン７の内側の薄い端部７４からの孔８１の水平方向距離１０８は、ベーン７の内側の薄い端部７４からの孔８２の水平方向距離１０９と等しいかまたは同じである。すなわち、孔８１は、環状ベース７６に関して、すなわち図４に軸線５によって示した方向で、壁部７３上で孔８２の真上にある。

スワーラ１の別の実施形態では、図７に示すように、環状ベース７６からの孔６１の鉛直方向距離１１０は、環状ベース７６からの孔８１の鉛直方向距離１１１と等しいかまたは同じである。すなわち、孔８１は、水平方向で、すなわち図４の軸線４に沿ってまたは図４の軸線４に対して平行に見て、孔６１の側方にありかつ孔６１と同じレベルにある。さらに、スワーラ１のこの実施形態では、環状ベース７６からの孔６２の鉛直方向距離１１２は、環状ベース７６からの孔８２の鉛直方向距離１１３と等しいかまたは同じである。すなわち、孔８２は、水平方向で、すなわち図４の軸線４に沿ってまたは図４の軸線４に対して平行に見て、孔６２の側方にありかつ孔６２と同じレベルにある。

鉛直方向距離１１０，１１１，１１２および１１３は、それぞれ孔６１、孔８１、孔６２および孔８２の中心（図示せず）または幾何学的中心（図示せず）から測定されてもよいし、または、孔６１，８１，６２，８２が、測定された鉛直方向距離１１０，１１１，１１２および１１３と隣接しているが測定された鉛直方向距離１１０，１１１，１１２および１１３内に制限されるように、孔６１，８１，６２，８２のエッジまたは境界から測定されてもよいことに留意されたい。同様に、水平方向距離１０６，１０７，１０８および１０９は、それぞれ孔６１、孔６２、孔８１および孔８２の中心（図示せず）または幾何学的中心（図示せず）から測定されてもよいし、または、孔６１，６２，８１，８２が、測定された水平方向距離１０６，１０７，１０８および１０９と隣接しているが測定された水平方向距離１０６，１０７，１０８および１０９内に制限されるように、孔６１，６２，８１，８２のエッジまたは境界から測定されてもよいことに留意されたい。

図８および図９は、以下では、スワーラ１の２つの実施形態を示しており、ベーン７の孔６０および孔８０に燃料を供給する異なる方法を示している。図８に示すように、スワーラ１において、ベーン７は燃料供給通路８９を有している。燃料供給通路８９は、通常、燃料、例えば気体燃料を両孔６０および８０へ供給する。代替的に、図９に示すように、スワーラ１において、ベーン７は、２つの別個の燃料供給通路、すなわち、気体燃料を孔６０へ通常は供給する第１の燃料供給通路９０と、気体燃料を孔８０へ通常は供給する第２の燃料供給通路９１とを有する。通路９０および９１は、ベーン７内で流体的に接続されておらず、すなわち、通路９０および９１は、互いに流体的に分離されている。これは、通路９０を通って孔６０へ流れる燃料は常時、ベーン７内で、通路９１を通って孔８０へ流れる燃料から分離されていることを意味する。通路９０および９１は、それらに関連した流れ制御機構または技術、例えば、流れ弁、流量計などを有することができ、これにより、流れ６６の形式で孔６０を通じて排出される燃料およびジェット８８の形式で孔８０を通じて排出される燃料の量を、独立して変更可能である。スワーラ１のベーン７内の燃料供給通路の構成および機能、ならびに燃料通路を通る流れの類似の構造および機能は、一般に、ガスタービン１０の技術およびその他の関連する技術において公知であり、したがって、簡略のためにここではさらに詳細に説明しない。

本技術について幾つかの実施形態に関して詳細に説明してきたが、本技術はこれらの実施形態そのものに限定されないことが認識されるべきである。「第１」、「第２」などの用語の使用は、いかなる重要性の順序も示さず、むしろ、「第１」、「第２」などの用語は、１つの要素を別の要素から区別するために使用されていることが留意されてもよい。むしろ、発明を実施するための典型的な態様を説明した本開示を考慮して、多くの変更および変化態様が、本発明の範囲から逸脱することなく当業者に提示される。したがって、本発明の範囲は、上記説明によってではなく、以下の請求項によって示される。請求項の均等物の意味および範囲に含まれる全ての変更、改良および変化態様は、それらの範囲にあると考えられるべきである。

Claims (13)

1. 燃料／空気混合物を形成するためのスワーラ（１）であって、該スワーラ（１）は中心軸線（９）を有しており、
   ベースプレート（７１）に配置されかつ前記中心軸線（９）の周りに延びるベーン（７）の環状の配列と、
   前記ベーン（７）の環状の配列の上側に配置された環状閉鎖プレート（９２）と、
   前記ベーン（７）の環状の配列と、前記ベースプレート（７１）と、前記環状閉鎖プレート（９２）とによって形成された、燃料と空気（６）とを混合するための複数の混合チャネル（７５）と、
   を備え、
   前記複数の混合チャネル（７５）のうちの少なくとも１つの混合チャネル（７５）は、複数の前記ベーン（７）のうちの２つの隣接するベーン（７）の対向する壁部（７３）によって画成されており、該対向する壁部（７）のうちの少なくとも一方は、前記混合チャネル（７５）内へ主燃料の流れ（６６）を排出するように適合された少なくとも１つの一次側面噴射開口（６０）と、前記混合チャネル（７５）内へ前記主燃料のジェット（８８）を排出するように適合された、前記一次側面噴射開口（６０）に対応する少なくとも１つの二次側面噴射開口（８０）と、を有し、該二次側面噴射開口（８０）は、該二次側面噴射開口（８０）から排出されたジェット（８８）が、前記一次側面噴射開口（６０）から排出された流れ（６６）において、前記混合チャネル（７５）内で、乱流（８）を形成するように、前記ベーン（７）の前記壁部（７３）に位置付けられ、
   前記一次側面噴射開口（６０）からの前記二次側面噴射開口（８０）の距離（１０１）は、前記壁部（７３）に沿って前記ベーン（７）の半径方向内側の薄い端部（７４）から前記ベーン（７）の半径方向外側の広い端部（７２）まで測定された前記壁部（７３）の長さ（１０７）の５％〜１０％または１０％〜２０％である、
   燃料／空気混合物を形成するためのスワーラ（１）。
2. 前記壁部（７３）において、前記二次側面噴射開口（８０）は、前記一次側面噴射開口（６０）よりも半径方向内側に配置されている、請求項１記載のスワーラ（１）。
3. 環状ベース（７６）からの前記一次側面噴射開口（６０）の鉛直方向距離（１０２）は、前記環状ベース（７６）からの前記二次側面噴射開口（８０）の鉛直方向距離（１０３）と等しい、請求項１または２記載のスワーラ（１）。
4. 前記一次側面噴射開口（６０）のサイズ（１０４）は、前記二次側面噴射開口（８０）のサイズ（１０５）よりも大きい、請求項１から３までのいずれか１項記載のスワーラ（１）。
5. 前記壁部（７３）は、少なくとも、
   第１の一次側面噴射開口（６１）および第２の一次側面噴射開口（６２）と、
   前記第１の一次側面噴射開口（６１）に対応する第１の二次側面噴射開口（８１）と、
   前記第２の一次側面噴射開口（６２）に対応する第２の二次側面噴射開口（８２）と、を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のスワーラ（１）。
6. 前記壁部（７３）において、前記第１の一次側面噴射開口（６１）および前記第２の一次側面噴射開口（６２）は、軸方向で離隔して位置付けられており、前記スワーラ（１）の前記ベーン（７）の半径方向内側の薄い端部（７４）からの前記第１の一次側面噴射開口（６１）の水平方向距離（１０６）は、前記スワーラ（１）の前記ベーン（７）の前記半径方向内側の薄い端部（７４）からの前記第２の一次側面噴射開口（６２）の水平方向距離（１０７）と等しい、請求項５記載のスワーラ（１）。
7. 前記壁部（７３）において、前記第１の二次側面噴射開口（８１）および前記第２の二次側面噴射開口（８２）は、軸方向で離隔して位置付けられており、前記スワーラ（１）の前記ベーン（７）の前記半径方向内側の薄い端部（７４）からの前記第１の二次側面噴射開口（８１）の水平方向距離（１０８）は、前記スワーラ（１）の前記ベーン（７）の前記半径方向内側の薄い端部（７４）からの前記第２の二次側面噴射開口（８２）の水平方向距離（１０９）と等しい、請求項６記載のスワーラ（１）。
8. 前記環状ベース（７６）からの、前記第１の一次側面噴射開口（６１）の鉛直方向距離（１１０）は、前記第１の一次側面噴射開口（６１）に対応する前記第１の二次側面噴射開口（８１）の鉛直方向距離（１１１）と等しく、
   前記環状ベース（７６）からの、前記第２の一次側面噴射開口（６２）の鉛直方向距離（１１２）は、前記第２の一次側面噴射開口（６２）に対応する前記第２の二次側面噴射開口（８２）の鉛直方向距離（１１３）と等しい、請求項７記載のスワーラ（１）。
9. １つまたは複数の前記一次側面噴射開口（６０，６１，６２）と、１つまたは複数の対応する前記二次側面噴射開口（８０，８１，８２）とを有する前記ベーン（７）は、前記１つまたは複数の一次側面噴射開口（６０，６１，６２）および前記１つまたは複数の対応する二次側面噴射開口（８０，８１，８２）へ燃料を供給するように適合された燃料供給通路（８９）を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載のスワーラ（１）。
10. １つまたは複数の前記一次側面噴射開口（６０，６１，６２）と、１つまたは複数の対応する前記二次側面噴射開口（８０，８１，８２）とを有する前記ベーン（７）は、
    前記１つまたは複数の一次側面噴射開口（６０，６１，６２）へ燃料を供給するように適合された第１の燃料供給通路（９０）と、
    前記１つまたは複数の対応する二次側面噴射開口（８０，８１，８２）へ燃料を供給するように適合された第２の燃料供給通路（９１）と、を有し、前記ベーン（７）内において、前記第２の燃料供給通路（９１）は前記第１の燃料供給通路（９０）から流体的に分離されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のスワーラ（１）。
11. 流れ（６６）の形式で前記一次側面噴射開口（６０，６１，６２）を介して排出される燃料およびジェット（８８）の形式で前記二次側面噴射開口（８０，８１，８２）を介して排出される燃料の量を、独立して変更可能である、請求項１から１０までのいずれか１項記載のスワーラ（１）。
12. ガスタービンエンジン用の燃焼器アセンブリ（１００）であって、該燃焼器アセンブリ（１００）は、
    長手方向軸線（３５）を有する燃焼室（２８）と、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載のスワーラ（１）と、を備え、該スワーラ（１）は、該スワーラ（１）の中心軸線（９）が前記燃焼室（２８）の長手方向軸線（３５）と一致するように配置されている、
    ガスタービンエンジン用の燃焼器アセンブリ（１００）。
13. 請求項１２記載の少なくとも１つの燃焼器アセンブリ（１００）を有するガスタービンエンジン（１０）。

Images