JP2014077630A - 流体を分離するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器のパージ処理を提供する。
【解決手段】システムは、第１の流体９４を収容するよう構成された第１のチャンバ１０６と、第２の流体９６を収容するよう構成された第２のチャンバ１０６と、を含むターボ機械を備える。ターボ機械はまた、第１及び第２のチャンバ間に配置された障壁部９２を含む。障壁部は、第１の流体と第２の流体とを分離するよう構成される。加えて、障壁部は、第１のチャンバに面する第１の面１０２と第２のチャンバに面する第２の面１０４とを有する。ターボ機械はまた、第１のチャンバから第２のチャンバに延びるオリフィス１００を含む。オリフィスは、流体通路を定める。加えて、ターボ機械は、第１及び第２の端部１２０、１２２を有する管体９０を含む。第１の端部は、第１の面に結合されて、オリフィスの周縁の周りに配置される。管体は、第２の流体を少なくとも部分的に収容するよう構成される。
【選択図】図２

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械のパージ処理に関し、より具体的には燃焼器のパージ処理に関する。

ガスタービンエンジンは、タービン燃焼器の燃焼室内で加圧空気と燃料との混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成し、次いで、結果として得られた燃焼ガスを用いて１つ又はそれ以上のタービンを駆動する。残念ながら、高温の燃焼ガスは、燃焼器の種々の通路及び／又はキャビティ内に蓄積して燃焼器の構成要素に望ましくない損耗を引き起こし、また、望ましくない場所での燃焼につながる場合があり、これは保炎及び／又は逆火とも呼ばれる。従って、冷却空気のようなパージガスをこれらの通路に提供して高温の燃焼ガス又は可燃性の燃料−空気混合気を除去し、逆火及び／又は保炎の発生を低減することができる。しかしながら、パージ流を用いた場合でも、燃焼器の圧力変動によって、通路への燃焼ガス又は燃料−空気混合気の瞬時的又は持続的な逆流が引き起こされる可能性がある。

米国特許第６，３８５，９５８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の実施形態において、システムは、第１の流体を収容するよう構成された第１のチャンバと、第２の流体を収容するよう構成された第２のチャンバと、を含むターボ機械を備える。ターボ機械は、第１及び第２のチャンバ間に配置された障壁部を含む。障壁部は、第１の流体と第２の流体とを分離するよう構成される。加えて、障壁部は、第１のチャンバに面する第１の面と第２のチャンバに面する第２の面とを有する。ターボ機械はまた、第１のチャンバから第２のチャンバに延びるオリフィスを含む。オリフィスは、流体通路を定める。加えて、ターボ機械は、第１及び第２の端部を有する管体を含む。第１の端部は、第１の面に結合されて、オリフィスの周縁の周りに配置される。管体は、第２の流体を少なくとも部分的に収容するよう構成される。

第２の実施形態において、方法は、ターボ機械の障壁部を用いて第１の流体と第２の流体を分離する段階を含む。障壁部は、第１の流体に面する第１の面と第２の流体に面する第２の面とを含む。本方法はまた、障壁部のオリフィス及び障壁部の第１の面から延びる管体を通る流体の通過を可能にする段階を含む。本方法は更に、管体に前記第２の流体を収容する段階を含む。

第３の実施形態において、システムは、燃焼器を含む。本システムはまた、燃焼器内に配置され且つ燃料を流すよう構成された第１のチャンバを含む。加えて、本システムは、第１のチャンバに隣接して配置され且つパージ流を受けるよう構成された第２のチャンバを含む。本システムは更に、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に延びるオリフィスを含む。オリフィスは、パージ流を第２のチャンバから第１のチャンバに配向するように構成される。加えて、本システムは、オリフィスの周縁の周りに配置され、第２のチャンバに結合された管体を含む。管体は、燃料を少なくとも部分的に収容するよう構成される。

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、管体延長部を利用できるガスタービンエンジンの１つの実施形態の側断面図。 図１の管体延長部のうちの１つの管体延長部の実施形態の側断面図。 図１の管体延長部のうちの１つの管体延長部の実施形態の側断面図。 熱シールドからチャンバにパージ流を配向できる、図１の管体延長部のうちの１つの管体延長部の実施形態を示す、図１のガスタービンエンジンの燃焼器セクションの１つの実施形態の切り欠き斜視図。 図４の熱シールドとチャンバとの間の圧力差の１つの実施形態を示すグラフ。 図５の圧力差から生じる可能性がある図４のパージ流の速度の１つの実施形態を示すグラフ。 図６のパージ流速度から生じる可能性がある図４のパージ流の移動量の１つの実施形態を示すグラフ。

本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。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。

パージガス（例えば、空気、窒素、他の不活性ガス、蒸気、二酸化炭素、又は排気ガス）は、ガスタービンエンジンの燃焼器内の種々のチャンバに提供され、該チャンバから燃料及び空気の可燃性混合気を除去して、保炎及び／又は逆火の発生を低減することができる。同様に、パージガスは、チャンバに提供され、ガスタービンエンジンの構成要素に損傷を与える可能性がある高温燃焼ガスを除去することができる。これに加えて、又は代替として、パージ流をチャンバに提供し、該チャンバに流入する何らかの望ましくない流体の量を低減することができる。例えば、ガスタービンエンジンにおける実施可能なパージ状況には、ライナ冷却孔、高温ガス経路（例えば、タービンノズルを通る）、燃料噴射ポート、及びカートリッジ（例えば、燃料ノズル）に提供されるパージを含むことができる。

しかしながら、燃焼器の圧力変動がパージ流を失速させる場合があり、燃焼器のチャンバへの高温燃焼ガスの望ましくない逆流を引き起こす可能性がある。より具体的には、燃焼器の圧力振動は、チャンバを囲む領域の圧力の瞬時的又は持続的増大をもたらす結果となり、高温燃焼ガス又は可燃性燃料−空気混合気をチャンバ内に流入させるようになる恐れがある。高温燃焼ガスは瞬時的にのみ逆流する（すなわち、チャンバへの移動が小さい）場合があるが、チャンバ全体にパージされて燃焼ガスを除去する可能性がある。従って、チャンバへの望ましくない流体（例えば、燃焼ガス又は可燃性混合気）の逆流を低減し、チャンバから望ましくない流体をパージするのに使用されるパージガスの量を低減する方法を提供することが望ましいとすることができる。

上述のことを考慮して、開示される実施形態は、オリフィスの周縁の周りに配置されて、該オリフィスを通ってチャンバに流入する流体の逆流を低減するための管体延長部を含む。より具体的には、オリフィスは、第１のチャンバに含まれる第１の流体（例えば、空気）と、第２のチャンバに含まれる第２の流体（例えば、燃焼ガス）とを分離する障壁部を通って延びることができ、該オリフィスは、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に流体通路を定めることができる。例えば、管体延長部は、第１のチャンバに面する障壁部の表面に結合することができる。従って、圧力振動が生じて燃焼ガスの第１のチャンバへの逆流が引き起こされた場合には、管体延長部が燃焼ガスを少なくとも部分的に収容することができ、燃焼ガスを第１のチャンバ内の空気から分離することができる。更に、第１のチャンバから燃焼ガスをパージするのに使用されるパージガスの量を低減することができる。すなわち、第１のチャンバ全体をパージするのではなく、第１のチャンバへの燃焼ガスの移動が管体延長部の長さよりも短く、燃焼ガスが管体延長部内に収容されている場合には、管体延長部のみをパージすることができる。本発明の実施形態は、パージ流を伴うガスタービンエンジンの関連内で考察されるが、望ましくない流体のある容積への逆流を制限する必要がある、同様のパージ流を有するあらゆるターボ機械（例えば、圧縮機、タービン、ポンプ、その他）にも適用可能である点に留意されたい。例えば、本発明の実施形態はまた、蒸気タービン、風力タービン、燃焼エンジン（例えば、火花点火内燃エンジン、ディーゼルエンジンのような圧縮点火エンジン、その他）、種々の燃焼システム及び反応器（例えば、ガス化装置、ボイラ、加熱炉、その他）などにも適用することができる。

ここで図面を参照すると、図１は、以下で詳細に説明するガスタービンエンジン１２の種々の通路及び／又はチャンバにおいて管体延長部を利用できる、ガスタービンエンジン１２を含むシステム１０の１つの実施形態を示す。特定の実施形態において、システム１０は、航空機、船舶、機関車、発電システム、又はこれらの組み合わせを含むことができる。図示のガスタービンエンジン１２は、吸気セクション１６、圧縮機１８、燃焼器セクション２０、タービン２２、及び排気セクション２４を含む。タービン２２は、シャフト２６を介して圧縮機１８に結合される。

空気は、吸気セクション１６を通ってガスタービンエンジン１２に流入し、圧縮機１８に流れることができ、該圧縮機は、空気を燃焼器セクション２０に流入させる前に該空気を加圧する。詳細には、圧縮機１８は、圧縮機ロータディスク３０に結合された圧縮機ブレード２８を含む。圧縮機ロータディスク３０が作動中に回転すると、圧縮機ブレード２８が回転して、吸気セクション１６からの空気を加圧して加圧空気にする。次いで、加圧空気は燃焼器セクション２０に送ることができ、該燃焼器セクションは、１つ又はそれ以上の燃料ノズル３２を含むことができる。燃料ノズル３２は、加圧空気を燃料と混合し、好適な燃料−空気混合気を生成することができ、該燃料−空気混合気は、燃焼セクション２０において燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、タービン２２を駆動する。例えば、燃焼ガスは、タービンロータディスク３６に結合されたタービンブレード３４に駆動力を加え、タービン２２を回転駆動することができ、これによりシャフト２６が回転軸３８の周りに回転するようになる。次に、燃焼ガスは、排気セクション２４を介してガスタービンエンジン１２から流出することができる。更に、シャフト２６は、シャフト２６の回転によって動力を供給できる負荷に結合することができる。例証として、負荷は、発電プラント又は外部機械的負荷などのガスタービンエンジン１２の回転出力によって出力をできるあらゆる好適な装置とすることができる。例えば、負荷は、発電機、航空機のプロペラ、及びその他を含むことができる。以下の考察において、軸方向又は軸線４０、半径方向又は軸線４２、及び円周方向又は軸線４４など、種々の方向について参照する場合がある。軸方向４０は、一般に回転軸３８に沿って向けられる。

上述のように、ガスタービンエンジン１２は、種々の通路及び／又はチャンバにおいて管体延長部を利用することができる。具体的には、管体延長部は、パージ流を受け取ることができるあらゆる通路及び／又はチャンバに好適とすることができる。上述のように、管体延長部は、圧力及び温度変動の結果として生じる可能性がある通路又はチャンバへの望ましくない流体（例えば、高温空気、高温燃焼ガス、及び／又は燃料混合気）の逆流を低減することにより、逆流マージンを改善することができる。特定の実施形態において、熱を放散させるために、作動中に高温になるガスタービンエンジン１２の構成要素に冷却パージを提供することができる。例えば、パージは、圧縮機１８に提供することができ、圧縮機ロータディスク３０の１つ又はそれ以上の周りに配向することができる。従って、矢印６０で示すように、パージ流路に沿って管体延長部を利用することができる。加えて、高温の燃焼ガスに起因して高温に達する可能性があるタービンの構成要素にパージを提供することができる。従って、管体延長部は、矢印６２で示すように、タービンブレード３４及びタービンロータディスク３６の周りに位置付けることができる。

管体延長部は、燃焼セクション２０が燃料ノズル３２に供給される燃料の組成又は特性の変化、燃焼ダイナミックス、又は同様のものに起因して圧力変動を生じる可能性があるので、燃焼セクション２０内のパージ状況に特に好適とすることができる。ガスタービンエンジン１２の正常作動中に燃料を噴射する燃料噴射ポートは、ガスタービンエンジン１２のシャットダウンに続いてパージされ、熱に曝された場合に燃料噴射ポートにおいて望ましくない残留物を形成する場合があるあらゆる残留燃料を燃料噴射ポートにおいて除去することができる。従って、管体延長部は、矢印６４で示されるように、燃料噴射ポートのパージ流路に沿って位置付けることができる。燃料噴射ポートと同様に、燃料ノズル３２（例えば、カートリッジ）をパージして、燃料が燃料ノズル３２を通って有効に流れていないときにあらゆる残りの燃料を除去し、矢印６６で示されるような管体延長部を利用して燃料ノズル３２への燃料の逆流を低減することが望ましいとすることができる。加えて、冷却パージ空気を熱シールド及び／又は燃焼器ライナに提供し、燃焼器セクション２０の外側側壁と高温の燃焼ガスとの間に熱的に分離する障壁部を作製することができる。従って、これらのキャビティへの高温燃焼ガスの逆流を低減するため、管体延長部は、矢印６８及び７０で示すように、熱シールド及び燃焼器ライナそれぞれに沿って配置することができる。

上述のことを考慮して、図２は、高温ガス経路、燃料噴射ポート、燃料ノズル、熱シールド、燃焼器ライナ、及び同様のものに提供されるパージの流路に沿って位置付けることができる管体延長部９０（例えば、管体）の１つの実施形態の断面図を示している。詳細には、管体延長部９０は、第１の流体９４を第２の流体９６から分離する障壁部９２に結合することができ、該障壁部９２を通って延びるオリフィス１００の周縁の周りに配置することができる。オリフィス１００は、第１及び第２の流体９４、９６間に流体通路を定める。図示のように、管体延長部９０は、第１の流体９４に面する障壁部９２の第１の表面１０２に結合される。代替として、管体延長部９０は、第２の流体９６に面する障壁部９２の第２の表面１０４に結合することができる。特定の実施形態において、第１及び第２の流体９４、９６は、第１及び第２のチャンバ１０６、１０８それぞれにより収容することができる。１つの実施形態において、第１及び第２のチャンバ１０６、１０８は、第１及び第２の流体９４、９６をそれぞれ流すことができる。更に、特定の実施形態において、第１及び第２のチャンバ１０６、１０８は、明確に定められた境界をもたない場合があり、その代わりに、隣接する構成要素間の空隙によって定めることができる。特定の実施形態において、第１及び第２のチャンバ１０６、１０８は、障壁部９２を含むことができる。

オリフィス１００が流体通路を定めると、第１及び第２の流体９４、９６は、オリフィス１００を通って対向するチャンバに流れることができる。特定の実施形態において、第１のチャンバ１０６において第２の流体９６の量を低減することが望ましいとすることができる。例えば、第２の流体９６は、高温の燃焼ガス、燃料、又は燃料−空気混合気とすることができる。これに加えて、又は代替として、第１のチャンバ１０６は、燃料又は高温ガスに曝される場合に損傷を生じる可能性があるキャビティとすることができ、及び／又は第１のチャンバ１０６は、１つ又はそれ以上の隣接する構成要素を熱的に分離することができ、従って、十分な熱的分離を提供するよう好適な温度に維持することができる。従って、第１のチャンバ１０６内の高温のガス又は燃料の量を低減することが望ましいとすることができる。従って、矢印１１０で示されるパージ流又はパージ通路流（例えば、空気、窒素、他の不活性ガス、蒸気、二酸化炭素、排気ガス、又はこれらの組み合わせ）は、第１のチャンバ１０６に提供され、第２の流体９６を第１のチャンバ１０６から除去することができる。オリフィス１００は、パージ流１１０を第１のチャンバ１０６から第２のチャンバ１０８に配向することができる。従って、パージ通過流１１０にわたる圧力低下は、所望の逆流マージンを達成するよう選択することができる。すなわち、パージ流１１０の圧力波、第１の流体９４の圧力（すなわち、第１のチャンバ１０６の圧力）と、第２の流体９６の圧力（すなわち、第２のチャンバ１０８の圧力）との間の差違が正であるように選択することができる。より高い逆流マージンは、第１のチャンバ１０６への第２の流体９６の逆流量の低減を意味する。特定の実施形態において、第１のチャンバ１０６は、第１の流体９４及びパージガスの両方を収容することができる。

上述のように、第１及び第２のチャンバ１０６、１０８内では、両矢印１１２で示される圧力変動が生じる場合があり、これによりパージ流１００を失速させ、流れ方向を反転させる可能性があり、第２の流体９６が第１のチャンバ１０６に流入するようになる。すなわち、第２の流体９６の圧力及び／又は第２のチャンバ１０８の圧力は、第１の流体９４の圧力及び／又は第１のチャンバ１０６の圧力よりも高い圧力まで周期的に増大する可能性がある。特定の実施形態において、第２の流体９６の圧力及び／又は第２のチャンバ１０８の圧力は、周期的に振動することができる。典型的には、第２の流体９６が第１のチャンバ１０６に流入する場合、第１のチャンバ１０６全体をパージして、第２の流体９６を除去することができる。しかしながら、管体延長部９０は、圧力変動１１２により第２の流体９６が逆流するようになった場合には、第２の流体９６を少なくとも部分的に収容できるので、第１のチャンバ１０６全体ではなく、管体延長部９０のみをパージ流１１０でパージすることが必要となる場合がある。これにより、第１のチャンバ１０６全体をパージするのに使用されるであろうパージ流１１０の量と比べて、使用されるパージ流１００の量を約３０〜１００パーセント、５０〜９５パーセント、又は７０〜９０パーセント低減することができる。加えて、これにより、逆流マージンを約１０〜１００パーセント、３０〜７０パーセント、又は４０〜６０パーセント改善することができる（すなわち、第１のチャンバ１０６への第２の流体９６の逆流マージンを増大する又は逆流を低減する）。加えて、特定の実施形態において、パージ流１１２の供給源１１４は、管体延長部９０の近傍に配置され、パージ流１１２が管体延長部９０に直接提供されるようにすることができる。このようにして、パージされる容量を低減することができ、従って、利用されるパージ流の量も低減することができる。特定の実施形態において、供給源１１４は、圧縮機ブリード空気とすることができる。

管体延長部９０内に収容される第２の流体９６の量を最大にするために、予想される圧力変動１１２に基づいて管体延長部９０の長さ１１６を選択することができる。圧力変動１１２の周波数及びピーク間ダイナミックスは、第１のチャンバ１０６への第２の流体９６の移動（例えば、逆流）に影響を及ぼす。従って、管体延長部９０の長さ１１６は、可能性のある最大移動に合わせて選択することができる。更に、特定の実施形態において、管体延長部９０は、第１のチャンバ１０６への第２の流体９６の速度を低減するためのディフューザとして機能することができる。第２の流体９６の速度を低減することにより、管体延長部９０の長さ１１６を短縮することができる。

図示のように、管体延長部９０は、例えば円錐形のようなテーパを付けることができる。例えば、管体延長部９０は、管体延長部９０の第１の端部１２０から第２の端部１２２まで管体延長部の長さ１１６に沿って線形的又は曲線のある状態で増大する内径１１８を有することができる。従って、管体延長部９０は、第１の端部１２０にて第１の内径１２４を有し、第２の端部にて第２の内径１２６を有することができ、第１の内径１２４は、第２の内径１２６よりも小さくすることができる。特定の実施形態において、特定の実施形態において、第２の内径１２６と第１の内径１２４の比は、約４：１〜１．１：１、３：１〜１．２５：１、又は２：１〜１．５：１の間とすることができる。別の実施形態において、管体延長部９０の直径の変化は、非漸次的（例えば、段階的又は非テーパ）とすることができる。更に、図２は、長さ１１６に沿って一定である外径１２８を有する管体延長部９０を示しているが、他の実施形態では、外径１２８は変わることができる。例えば、外径１２８は、第１の端部１２０から第２の端部１２２まで長さ１１６に沿って減少し、管体延長部９０を支持し、該管体延長部９０を障壁部９２に良好に固定するようにすることができる。

管体延長部９０は、あらゆる好適な断面を有する形状にすることができる。例えば、管体延長部９０の断面は、円形、長円形、三角形、方形、矩形、多角形、及び同様のものとすることができる。加えて、管体延長部９０は、長さ１１６に沿って変化する断面を有して形成することができ、流れ剥離が移動した流れ境界部に延びないようにする。更に、管体延長部９０は、障壁部９２に垂直な直線状の管体延長部９０として図示されているが、管体延長部９０は、障壁部９２にあらゆる好適な角度１３０（例えば、１０〜９０、１５〜８０、２０〜７０、３０〜６０、又は４０〜５０度）で固定することができ、長さ１１６に沿って破線１１７で示すように部分的又は全体的に湾曲し、ガスタービンエンジン１２の外形形状に一致するようにすることができる。

他の実施形態において、管体延長部９０は、図３に示すように、一定の内径１３２を有することができる。しかしながら、一定の内径１３２を有する管体延長部９０は、第２の流体９６の逆流を減速しない可能性があるので、長さ１３４をより長くした管体延長部９０を設けることが望ましいとすることができる。特定の実施形態において、長さ１３４と内径１３２の比は、約５：１〜１．１：１、４：１〜１．２５：１、３：１〜１．５：１、又は２：１〜１．７５：１とすることができる。図２に示す要素と共通する図３の他の要素は、同じ参照符号で表記されている。

第２の流体９６は、高温燃焼ガス、燃料、又は燃料−空気混合気とすることができるので、管体延長部９０は、高温に耐えることができ及び／又は燃料に曝すことのできるあらゆる好適な材料から形成することができる。例えば、管体延長部９０は、耐火材料、高融点金属、非金属材料、セラミックス、セラミックスマトリックス複合材料、及びこれらの組み合わせから形成することができる。加えて、障壁部９２及び／又は第２のチャンバ１０８は、耐火材料、高融点金属、非金属材料、セラミックス、セラミックスマトリックス複合材料、及びこれらの組み合わせから形成することができる。特定の実施形態において、管体延長部９０は、障壁部９２及び／又は第２のチャンバ１０８と同じ材料から構成することができる。例えば、管体延長部９０は、障壁部９２から形成されるか、又は障壁部９２の外部に形成することができる（すなわち、障壁部９２の一体部品）。

上述のように、燃焼器セクション２０の熱シールドに冷却空気を提供するパージ流１１０に沿って１つ又はそれ以上の管体延長部９０を設けることが望ましいとすることができる。例えば、図４は、端部キャップ１４０内に配列することができる１つ又はそれ以上の燃料ノズル３２を含む燃焼器セクション２０の切り欠き斜視図を示す。上述のように、燃料ノズル３２は、燃料と加圧空気を組み合わせて燃料−空気混合気を形成する。図示の実施形態において、燃料ノズル３２は、１つ又はそれ以上の４要素からなる燃料噴射装置１４２から燃料を受け取り、該燃料噴射装置は、圧縮機１８からの空気流１４９に燃料を噴射する。例えば、空気流１４９は、燃焼器ライナ１５０と有孔流れスリーブ１５１との間の環状チャンバ１４４に流入することができる。燃料及び加圧空気は、矢印１４６で示すように、環状チャンバ１４４を通って端部キャップ１４０に向けて流れ、燃料ノズル３２を通過することができる。次いで、燃料−空気混合気は、燃焼室１４８に流れることができ、該燃焼器は、端部キャップ１４０の下流側の燃焼器ライナ１５０により囲まれる。燃料−空気混合気は、点火されて燃焼し、高温の燃焼ガス（例えば、排気ガス）を形成する。

これに応じて、高温燃焼ガスは、燃焼器セクション２０の温度を増大させ、従って、ケーシング１５４の１つ又はそれ以上の外壁１５２のような燃焼器セクション２０の種々の構成要素に冷却空気を提供することができる。更に、特定の実施形態において、１つ又はそれ以上の熱シールド１５６（例えば、熱シールド領域）を外壁１５２と高温燃焼ガス及び／又は燃料を収容するチャンバとの間に設けることができる。例えば、熱シールド１５６は、外壁１５２に隣接することができ、及び／又は外壁１５２と、燃料又は燃料−空気混合気を収容及び／又は流動させることができる環状チャンバ１４４との間に配置することができる。これに加えて、又は代替として、熱シールド１５６は、外壁１５２と、高温燃焼ガスを収容できる燃焼室１４８との間に配置することができる。特定の実施形態において、熱シールド１５６は、環状チャンバとすることができる。一般に、熱シールド１５６は、冷却流体（例えば、空気）を収容及び／又は流動させるチャンバであり、外壁１５２と高温燃焼ガス及び／又は燃料を収容するチャンバとを熱的に分離する障壁部を提供する。加えて、熱シールド１５６を連続的又は周期的にパージ（例えば、パージ流１１０により）して、熱シールド１５６内部を所望の温度に維持することが望ましいとすることができる。特定の実施形態において、パージ流１１０は、熱シールド１５６を通って流れ、熱シールド１５６に流入する可能性があるあらゆる高温燃焼ガス及び／又は燃料を除去することができる。

しかしながら、上述のように、燃焼器セクション２０の圧力変動が生じる場合があり（例えば、燃焼ダイナミックスに起因して）、これにより熱シールド１５６を通るパージ流１１０が周期的に失速する可能性がある。従って、パージ流１１０の経路のオリフィス１００の周りに管体延長部９０を設けることができる。この例示的な実施形態において、管体延長部９０は、外壁１５２と燃料−空気混合気を収容する環状チャンバ１４４との間に少なくとも部分的に延びた熱シールド１５６に提供される。このようにして、パージ流１１０は、管体延長部９０を通じて第１の流体（例えば、冷却空気）を提供することができる。燃焼器セクション２０の圧力振動により、環状チャンバ１４４の圧力と熱シールド１５６の圧力との間に負の圧力差が生じる場合には、管体延長部９０は、熱シールド１５６に逆流する可能性がある燃料−空気混合気を少なくとも部分的に収容することができる。

更に、上述のように、管体延長部９０の長さは、予想される圧力変動１１２に基づいて選択することができる。例えば、図５は、燃焼器セクション２０において、又はより具体的には環状チャンバ１４４において生じる可能性がある圧力変動をモデル化したグラフ１６０である。グラフ１６０は、時間（横座標１６４）に対する圧力差（縦座標１６２）を示す。より具体的には、圧力差は、熱シールド１５６（例えば、第１のチャンバ１０６）と環状チャンバ１４４（例えば、第２のチャンバ１０８）との間の圧力差とすることができる。線１６６は、圧力変動１１２のない状態での熱シールド１５６と環状チャンバ１４４との間のベースライン圧力差を表すことができ、他方、線１６８は、圧力変動１１２によって少なくとも部分的に引き起こされる、熱シールド１５６と環状チャンバ１４４との間で生じる可能性がある１つの圧力差を表すことができる。圧力差１６８は、熱シールド１５６と環状チャンバ１４４との間の圧力が、正圧と負圧の間を周期的に振動することができることを示している。実際に、圧力差１６８は、機関１６９において負圧とすることができる。

熱シールド１５６と環状チャンバ１４４との間の圧力差は、パージ流１１０の速度に影響を及ぼす可能性がある。例えば、線１６８で示される圧力差は、図６のグラフ１７０で示されるようなパージ流１１０の速度の変化を引き起こす可能性がある。グラフ１７０は、時間（横座標１７４）に対する速度（縦座標１７２）を示す。線１７６は、圧力変動１１２のない状態での熱シールド１５６及び環状チャンバ１４４からのパージ流１１０のベースライン速度を表すことができ、他方、線１７８は、圧力差１６８に起因した熱シールド１５６から環状チャンバ１４４へのパージ流１１０の速度を表すことができる。速度１７８は、正から負の速度の範囲にわたることができる。図示のように、速度１７８は、圧力差１６８に連動して増減する。更に、図示の実施形態において、速度１７８は、圧力差１６８が負である期間１６９に相当する期間１８０の間は負の速度とすることができる。１つの実施形態において、速度１７８は、減少しているが、依然として正のままとすることができる。更に、圧力差１６８が周期的に振動し続ける可能性があるので、速度１７８も同様に周期的振動する可能性がある点は留意されたい。

パージ流１１０の速度が変化すると、環状チャンバ１４４内へのパージ流１１０の移動もまた変化することができる。例えば、図７は、圧力差１６８及び速度１７８の結果として生じる可能性があるパージ流１１０の移動をモデル化したグラフ１９０を示す。グラフ１９０は、時間（横座標１９４）に対する移動量（縦座標１９２）を示す。より具体的には、移動量１９２は、熱シールド１５６から環状チャンバ１４４内へのパージ流１１０の移動量とすることができる。線１９６は、圧力変動１１２のない状態での熱シールド１５６から環状チャンバ１４４内へのパージ流１１０のベースライン移動量とすることができ、線１９８は、圧力差１６８及び速度１７８に起因したパージ流１１０の移動量を表すことができる。図示のように、ベースライン移動量１９６は正であり、一定の割合で増大している。しかしながら、期間２００では、負の速度１７８によって、移動量１９８は負となることができる。負の移動量の期間２００により、パージ流１１０及び環状チャンバ１４４からの燃料−空気混合気が熱シールド１５６に流入するようになることができる。例示の実施形態において、パージ流１１０は、負の移動量２０２を生じる。特定の実施形態において、負の移動量２０２は、約１ｃｍ〜１０ｃｍ、２ｃｍ〜８ｃｍ、又は３ｃｍ〜６ｃｍの間とすることができるが、他の範囲も可能である。よって、熱シールド１５６と環状チャンバ１４４との間の流体通路を定めるオリフィス１００の周りに配置された管体延長部９０では、長さ１１６又は１３４は、約１ｃｍ〜１０ｃｍ、２ｃｍ〜８ｃｍ、又は３ｃｍ〜６ｃｍの間とすることができる。このため、長さ１１６又は１３４を予想される圧力差１６８に基づいて予想される負の移動量２０２に対して選択することができるので、管体延長部９０は、環状チャンバ１４４によって収容される燃料又は燃料−空気混合気などの何らかの望ましくない流体を収容することができる。更に、何らかの予想外の変動に対処するよう長さ１１６又は１３４を増大させることが望ましいとすることができる。例えば、長さ１１６又は１３４は、約３ｃｍ〜１２ｃｍ、４ｃｍ〜１０ｃｍ、又は５ｃｍ〜８ｃｍの間とすることができる。上記で考察した圧力及び速度の変動の大きさに加えて、これらの変動の周波数もまた、逆流マージンに影響を及ぼす可能性がある。周波数が異なると、望ましくない流体が管体延長部９０を通って移動するのに必要な時間が異なる。これにより、特定の用途において管体延長部９０の異なる長さが必要となる場合がある。

上述のように、特定の実施形態は、圧力変動の結果として生じる可能性がある、チャンバ（例えば、第１のチャンバ１０６及び／又は熱シールド１５６）への流体（例えば、第２の流体９６、燃料−空気混合気、及び／又は高温ガス）の逆流を低減することができる管体延長部９０を含む。管体延長部９０は、流体を少なくとも部分的に収容することができ、該流体をチャンバ内に含まれるあらゆる流体（例えば、空気）から分離することができる。更に、流体が管体延長部９０に流入する場合には、チャンバ全体をパージするのではなく、管体延長部９０のみをパージすればよい。従って、使用されるパージ流１１０の量を低減することができる。例えば、パージ流１１０の量は、約１０〜１００パーセント、３０〜９５パーセント、又は５０〜９０パーセントだけ低減することができる。加えて、上述のように、管体延長部９０は、パージ流１１０を受けることができるあらゆる通路及び／又はチャンバに好適とすることができる。例えば、管体延長部９０は、高温ガス経路、燃料噴射ポート、燃料ノズル、熱シールド、燃焼器ライナ、及び同様のものに提供されるパージ流１１０に沿って位置付けることができる。

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 システム
１２ ガスタービンエンジン
１６ 吸気セクション
１８ 圧縮機
２０ 燃焼器セクション
２２ タービン
２４ 排気セクション
２６ シャフト
２８ 圧縮機ブレード
３０ 圧縮機ロータディスク
３２ 燃料ノズル
３４ タービンブレード
３６ タービンロータディスク
３８ 回転軸線
４０ 軸方向又は軸線
４２ 半径方向又は軸線
４４ 円周方向又は軸線
６０ 矢印
６２ 矢印
６４ 矢印
６６ 矢印
６８ 矢印
７０ 矢印
９０ 管体延長部
９２ 障壁部
９４ 第１の流体
９６ 第２の流体
９８ 周縁
１００ オリフィス
１０２ 第１の面
１０４ 第２の面
１０６ 第１のチャンバ
１０８ 第２のチャンバ
１１０ パージ流
１１２ 圧力変動
１１４ パージ源
１１６ 長さ
１１７ 破線（湾曲管体延長部）
１１８ 内径
１２０ 第１の端部
１２２ 第２の端部
１２４ 第１の内径
１２６ 第２の内径
１２８ 外径
１３０ 角度
１３２ 内径
１３４ 長さ
１４０ 端部キャップ
１４２ ４要素からなる燃料噴射装置
１４４ 環状チャンバ
１４６ 矢印
１４８燃焼室
１４９ 空気流
１５０ ライナ
１５２ 外壁
１５４ ケーシング
１５６ 熱シールド
１６０ グラフ
１６２ 圧力差（縦座標）
１６４ 時間（横座標）
１６６ 線（ベースライン圧力差）
１６８ 線（圧力差）
１７０ グラフ
１７２ 速度（縦座標）
１７４ 時間（横座標）
１７６ 線（ベースライン速度）
１７８ 線（速度）
１８０ 期間
１９０ グラフ
１９２ 移動量（縦座標）
１９４ 時間（横座標）
１９６ 線（ベースライン移動量）
１９８ 線（移動量）
２００ 期間
２０２ 負の移動量

Claims (20)

1. ターボ機械を備えたシステムであって、前記ターボ機械が、
   第１の流体を収容するよう構成された第１のチャンバと、
   第２の流体を収容するよう構成された第２のチャンバと、
   前記第１及び第２のチャンバ間に配置され、前記第１の流体と前記第２の流体とを分離するよう構成され、且つ前記第１のチャンバに面する第１の面と前記第２のチャンバに面する第２の面とを有する障壁部と、
   前記第１のチャンバから前記第２のチャンバに延びて流体通路を定めるオリフィスと、
   第１及び第２の端部を有し、該第１の端部が前記第１の面に結合されて前記オリフィスの周縁の周りに配置された管体と、
   を含み、前記管体が、前記第２の流体を少なくとも部分的に収容するよう構成されている、システム。
2. 前記管体が、前記第１の端部にて第１の内径と、前記第２の端部にて第２の内径とを有し、前記第２の内径が前記第１の内径よりも大きい、請求項１に記載のシステム。
3. 前記管体の内径が、前記第１の端部から前記第２の端部まで前記管体の長さに沿って漸次的に増大する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記管体の長さが、約２〜６ｃｍの間である、請求項３に記載のシステム。
5. 前記管体の内径が、前記第１の端部から前記第２の端部まで前記管体の長さに沿って一定であり、前記内径と前記長さとの比が約２よりも大きい、請求項１に記載のシステム。
6. 燃焼器を更に備え、前記第１のチャンバが、前記燃焼器の外壁に隣接して配置された熱シールド領域を含み、前記パージ通路が、前記パージ流を前記熱シールド領域に提供するよう構成されている、請求項５に記載のシステム。
7. 前記パージ流を第１の領域に供給するよう構成されたパージ供給源を更に備え、前記オリフィスが、前記パージ流を前記第１の領域から第２の領域に提供するよう構成されたパージ通路を定める、請求項１に記載のシステム。
8. 前記オリフィスが、ライナ冷却孔、高温ガス経路に沿ったオリフィス、燃料噴射ポート孔、又は燃料ノズル孔を含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記管体が、内径及び外径を有し、前記内径が、前記第１の端部から前記第２の端部まで前記管体の長さに沿って増大し、前記外形が、前記第１の端部から前記第２の端部まで前記管体の長さに沿って減少する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記管体の軸線に交差する断面が、円形、長円形、又は多角形を有する、請求項１に記載のシステム。
11. ターボ機械の障壁部を用いて第１の流体と第２の流体を分離する段階を含む方法であって、前記障壁部が、前記第１の流体に面する第１の面と前記第２の流体に面する第２の面とを含み、前記方法が更に、
    前記障壁部のオリフィス及び前記障壁部の第１の面から延びる管体を通る流体の通過を可能にする段階と、
    前記管体に前記第２の流体を収容し、該管体内に前記第２の流体を収容することによって逆流マージンを増大させる段階と、
    を含む、方法。
12. 前記第１の流体を第１の圧力で供給する段階と、
    前記第２の流体を前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力で供給する段階と、
    を更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の圧力又は前記第２の圧力を周期的に振動させる、段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の流体がパージ流を含み、前記第２の流体が高温ガス又は燃料を含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記オリフィスが、ライナ冷却孔、高温ガス経路に沿ったオリフィス、燃料噴射ポート孔、又は燃料ノズル孔を含む、請求項１１に記載の方法。
16. システムであって、
    燃焼器と、
    前記燃焼器内に配置され且つ燃料を流すよう構成された第１のチャンバと、
    前記第１のチャンバに隣接して配置され且つパージ流を受けるよう構成された第２のチャンバと、
    前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間に延びて、前記パージ流を前記第２のチャンバから前記第１のチャンバに配向するよう構成されたオリフィスと、
    前記オリフィスの周縁の周りに配置され、前記第２のチャンバに結合されて前記燃料を少なくとも部分的に収容するよう構成された管体と、
    を備える、システム。
17. 前記第２のチャンバが、熱シールドを有し、該熱シールドが、前記第１のチャンバと前記燃焼器の外壁との間に配置される、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記管体が、第１及び第２の端部を有し、前記第１の端部が前記第２のチャンバに結合され、前記管体の直径が、前記第１の端部から前記第２の端部まで前記管体の長さに沿って増大する、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記管体の長さが、約２〜６ｃｍの間である、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記管体が少なくとも部分的に湾曲している、請求項１６に記載のシステム。