JP2000274686A - 多穴膜冷却燃焼器ライナ - Google Patents

多穴膜冷却燃焼器ライナ

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JP2000274686A JP11321865A JP32186599A JP2000274686A JP 2000274686 A JP2000274686 A JP 2000274686A JP 11321865 A JP11321865 A JP 11321865A JP 32186599 A JP32186599 A JP 32186599A JP 2000274686 A JP2000274686 A JP 2000274686A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 燃焼器ライナの、さもなくば冷却膜効力の損
失を伴なう領域に冷却穴の密集した群を設けることによ
って、燃焼器ライナの多穴膜冷却を高める。 【解決手段】 燃焼器ライナは、第一４８と第二の群４
４の冷却穴が形成されているシェル１２，１４からでき
ている。第二の群の冷却穴は第一の群の冷却穴より密な
間隔で配置されている。第二の群の冷却穴はシェルの冷
却膜効力が低下する領域に位置している。好ましい位置
としては、シェルの旋回衝突を受ける領域、およびシェ
ルの希釈穴、ボアスコープ穴または点火器口穴のような
大きい開口のすぐ下流の箇所がある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は、一般にガスタービンエンジン
で使用する膜冷却燃焼器ライナに係り、特に間隔が密な
冷却穴の領域を有する前記燃焼器に係る。
【０００２】ガスタービンエンジンは燃焼器に加圧され
た空気を供給する圧縮器を含んでおり、この燃焼器では
加圧空気が燃料と混合され、点火されて高温の燃焼ガス
を生成する。これらのガスは下流の１つ以上のタービン
に流れ、これらタービンはガスからエネルギーを引出し
て、圧縮器に動力を供給し、また飛行中の航空機に動力
を供給するなど、有用な仕事を提供する。航空機エンジ
ンで使用する燃焼器は通常、燃焼器とこれを取り囲むエ
ンジン部品を燃焼プロセスによって生成する高熱から保
護するために内側と外側の燃焼器ライナを含んでいる。
燃焼器ライナを冷却してライナがより高い燃焼器温度に
耐えられるようにするさまざまなアプローチが提案され
ている。そのようなアプローチのひとつは、ライナの燃
焼側面に沿ってそのライナを貫通して形成された整列さ
れた非常に小さい冷却穴によって薄い冷却空気層を提供
する多穴膜冷却である。多穴膜冷却はライナに対する全
体熱負荷を低減する。というのは、冷却穴を通る質量流
がライナ表面に近い高温の燃焼ガスを希釈し、それら穴
を通る流れがライナ壁の対流冷却を提供するからであ
る。
【０００３】ガスタービン燃焼器で共通して見られるさ
まざまな現象により、冷却膜の効力が低下し、高温のガ
スがライナ表面付近に運ばれる可能性がある。そのよう
な状態のひとつは、より良好な燃焼を促進するために燃
料ノズル内に位置するスワラによって起こされる旋回衝
突である。スワラによって引き起こされる燃焼流の旋回
により、高温のガスがライナに衝突する。旋回衝突は一
般に、燃焼器のデザインによって決まるライナ表面にお
ける特異な領域に限定されている。これらの領域では冷
却膜の効力の損失が起こり、したがってこれらの領域は
熱劣化をより受け易くなる。冷却膜効力の低下の別の原
因は、燃焼器ライナに希釈穴、ボアスコープ穴、点火器
口穴などが存在することである。そのような穴は冷却穴
よりかなり大きいので、これら大きめの穴を通る空気の
流入により生成した流跡がそれらの背後にある冷却膜を
乱す。したがって、希釈その他のライナ穴の直ぐ下流の
ライナ領域もまた冷却膜効力の損失を起こし易い。
【０００４】したがって、ライナの、さもなくば冷却膜
効力の損失を起こし易い領域で冷却膜効力が増大した燃
焼器ライナに対するニーズが存在する。
【０００５】
【発明の要約】上記のニーズは、第一群と第二群の冷却
用の穴が形成されているシェルから作成されたガスター
ビン燃焼器ライナを提供する本発明によって満たされ
る。ここで、第二群の冷却穴は第一の群の冷却穴より間
隔が狭い。第二群の冷却穴はシェルの冷却膜効力が低下
する領域に位置している。好ましい位置としては、シェ
ルの旋回衝突を受ける領域と、シェル内の希釈穴、ボア
スコープ穴または点火器口穴のような大きい開口のすぐ
下流のスポットとがある。
【０００６】
【発明の詳細な記述】本発明のその他の目的と利点は、
添付の図面を参照して以下の詳細な説明と特許請求の範
囲を読めば明らかとなろう。
【０００７】本発明と考えられる主題は特許請求の範囲
に記載されている通りである。しかし、本発明は、添付
の図面と組み合わせて以下の説明を参照することによっ
て最も良く理解できる。
【０００８】ここで図面を参照する。図面中、同一の参
照番号は全図面を通して同じ要素を表わしている。図１
に、ガスタービンエンジンに使用するのに適したタイプ
の燃焼器１０を示す。燃焼器１０は、外側燃焼器ケーシ
ング１６と内側燃焼器ケーシング１８との間に配置され
た外側ライナ１２と内側ライナ１４とを含んでいる。外
側ライナ１２と内側ライナ１４は半径方向に互いに間隔
をもって離れていて燃焼チャンバ２０を定めている。外
側ライナ１２と外側ケーシング１６はその間に外側通路
２２を形成しており、内側ライナ１４と内側ケーシング
１８はその間に内側通路２４を形成している。外側ライ
ナ１２と内側ライナ１４の上流端にはカウルアセンブリ
２６が設けられている。カウルアセンブリ２６内には圧
縮空気を燃焼器１０に送り込むための環状の開口２８が
形成されている。圧縮空気は圧縮器（図示してない）か
ら図１の矢印で一般的に示される方向に供給される。圧
縮空気は主として環状開口２８を通って流れて燃焼を支
え、一部は外側通路２２と内側通路２４に入ってライナ
１２と１４を冷却するのに使われる。
【０００９】外側ライナ１２と内側ライナ１４の上流端
付近にはこれらの間にあってこれらを連結する環状のド
ームプレート３０が配置されている。ドームプレート３
０内には、円周方向に間隔をもって離れた複数のスワラ
アセンブリ３２が設けられている。各スワラアセンブリ
３２は環状開口２８からの圧縮空気と対応する燃料チュ
ーブ３４からの燃料とを受容する。これら燃料と空気は
スワラアセンブリ３２によって旋回・混合され、その結
果得られた燃料／空気混合物が燃焼チャンバ２０に排出
される。図１には単一の環状燃焼器のひとつの好ましい
具体例を示したが、本発明は二重環状燃焼器を始めとし
て多穴膜冷却を使用するいかなるタイプの燃焼器にも等
しく適用可能であることに注意されたい。
【００１０】外側ライナ１２と内側ライナ１４は各々
が、ほぼ環状で軸方向に伸びる形状を有する単一壁の金
属シェルからなっている。外側ライナ１２は、燃焼チャ
ンバ２０内の高温の燃焼ガスに面する高温側３６と、外
側通路２２内の比較的冷たい空気と接触する低温側３８
とをもっている。同様に、内側ライナ１４は、燃焼チャ
ンバ２０内の高温の燃焼ガスに面する高温側４０と、外
側通路２４内の比較的冷たい空気と接触する低温側４２
とをもっている。ライナ１２、１４どちらも間隔の狭い
冷却穴４４が多数形成されている。
【００１１】ここで図２と３を参照すると、外側ライナ
１２の一部分に貫通して配置された冷却穴４４が詳細に
示されている。図２と３は外側ライナ１２の冷却穴を示
しているが、内側ライナ１４の冷却穴の形状も外側ライ
ナ１２の形状と実質的に同じであるものと理解された
い。したがって、以下の説明は内側ライナ１４にもあて
はまる。図２には、Ｘ、Ｙ、Ｚと表示された軸を有する
参照軸枠が示されており、Ｘは燃焼器１０を通る（矢印
Ｂで示された）流れの下流に向かう軸方向であり、Ｙは
円周方向であり、Ｚは半径方向である。冷却穴４４は、
低温側３８から高温側３６へ下流角Ａ（好ましくは約１
５〜２０°の範囲）で軸方向に傾いており、また時計角
Ｂで円周方向に傾いているかまたは時計回りにされてい
る。時計角Ｂは燃焼器チャンバ２０内の流れの旋回に相
当するのが好ましく、一般に約３０〜６５°の範囲であ
る。冷却穴４４は円周方向に伸びる一連の列４６として
配列されている。各列で隣接する穴４４はそれらの中心
線間で円周方向の穴間隔Ｓを有しており、隣接する列４
６は軸方向の列間隔Ｐをもっている。
【００１２】希釈用の空気は、主として、外側ライナ１
２と内側ライナ１４の各々の中に配置された円周方向に
間隔をおかれた複数の希釈用の穴４８（図１）を介して
燃焼器チャンバ２０内に導入される。希釈穴４８は一般
にその数が冷却穴４４よりずっと少なく、各希釈穴４８
は冷却穴４４のひとつの断面積より実質的に大きい断面
積をもっている。希釈穴４８は、そして程度はそれより
小さいが冷却穴も、ある程度付加的に燃焼を促進するこ
とになる希釈用の空気を燃焼器チャンバ２０中に導入す
る役に立つ。
【００１３】従来、典型的な燃焼器ライナの冷却穴は約
０．０２インチ（０．５１ｍｍ）程度の非常に小さい直
径で、円周方向の穴間隔は約０．１３インチ（３．３０
ｍｍ）すなわち穴の直径の約６．５倍であった。軸方向
の列間隔は一般に円周方向の穴間隔に等しい。すでに述
べたように、このような従来の穴間隔はほとんどのライ
ナ領域では良好に機能するが、旋回衝突を受け易いライ
ナ領域および／または希釈穴、ボアスコープ穴および点
火器口穴のような大きいライナ開口のすぐ下流に位置す
るライナ領域は冷却膜効力の損失が起こり得る。ここで
図３を参照すると、本発明の冷却穴の間隔配置が図示さ
れている。図では、冷却膜効力が低下しないすべてのラ
イナ領域では従来の冷却穴の間隔を用い、冷却膜効力が
低下する領域にはより密な冷却穴の間隔を採用してい
る。より密な冷却穴の間隔によって、その領域の単位面
積当たりの冷却穴の数が多くなるため、冷却膜効力を増
大する追加の冷却空気が供給される。本発明のより密な
冷却穴の間隔によって、冷却膜効力が低下する特定の領
域に追加の冷却空気が送られることに加えて、その領域
で付加的な対流冷却が生じ、そのためバルクの金属温度
が低下する。冷却膜効力が低下する特定の領域にのみ密
な冷却穴の間隔を採用することによって、この多穴膜冷
却は問題のない領域を余分に空気で過冷することなく必
要なところで支援を受ける。
【００１４】特に、図３に示した燃焼器ライナ１２の一
部分は、従来の間隔（すなわち、円周方向の穴の間隔Ｓ
と軸方向の列の間隔Ｐとがいずれも穴の直径の約６．５
倍すなわち０．１３インチ（３．３０ｍｍ）である）を
有する冷却穴４４の第一の群５０と、より密な円周方向
の穴の間隔Ｓ′をもつ冷却穴４４の第二の群５２ （図
３で破線で囲んである）とを有している。第二群５２の
冷却穴４４は直径が約０．０２インチ（０．５１ｍｍ）
で円周方向の穴の間隔Ｓ′が穴の直径の約４倍すなわち
０．０８インチ（２．０３ｍｍ）であるのが好ましい。
第二群５２の軸方向の列の間隔をより密にすることも本
発明の範囲内であるが、第二群５２の軸方向の列間隔Ｐ
は第一群５０と同じであるのが好ましい。第一群５０と
第二群５２との両方に同じ穴の直径と同じ軸方向列間隔
Ｐを採用すると、余分なセットアップ作業を必要とする
ことなく連続して機械加工作業を実施することができ
る。
【００１５】すでに述べたように、より密な冷却穴の間
隔は冷却膜効力が低下するところにはどこでも使用する
ことができる。図３の第二群５２は外側ライナ１２の大
きい開口すなわち穴５４のすぐ下流に位置していて、穴
５４からの流跡がそこの冷却膜に及ぼす分裂的な影響に
対抗する。本発明の目的からみて、穴５４は希釈穴、ボ
アスコープ穴または点火器口穴のような燃焼器ライナに
形成されるいかなるタイプの穴であってもよい。また第
二群５２はライナ１２上で旋回衝突を受けるいかなる部
分にも設置することができよう。本発明はより密な円周
方向の穴の間隔を有する冷却穴の単一の群に限定される
ことはないものと理解されたい。必要に応じて、より密
な円周方向の穴の間隔を有する冷却穴の多数の群を、単
一の燃焼器ライナのいろいろな位置に形成することがで
きる。
【００１６】以上、冷却効力を増大させる必要がある領
域に冷却穴をより密な間隔で有する多穴膜冷却燃焼器ラ
イナについて説明した。本発明の特定の具体例に関して
説明して来たが、特許請求の範囲に定義した本発明の思
想と範囲を逸脱することなく各種修正を施すことができ
るということが当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の燃焼器ライナを有するガスタ
ービン燃焼器の一部を切り欠いた透視図である。
【図２】図２は、角度をもった多穴冷却穴を示す燃焼器
ライナの一部分の透視図である。
【図３】図３は、本発明の多穴冷却穴の間隔を示す燃焼
器ライナの一部分の平面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビヴァリー・スティーブンソン・ダンカン アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスト・ チェスター、グレゴリー・クリーク・レー ン、7113番 (72)発明者 マーク・ジェラード・レッティグ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、コロナド・アヴェニュー、1159番 (72)発明者 ジェイムズ・エドワード・トムソン アメリカ合衆国、オハイオ州、ミドルタウ ン、エルドラド・ドライブ、6727番 (72)発明者 グレン・エドワード・ウィーヒー アメリカ合衆国、オハイオ州、エムティ・ ヘルシー、ハリソン・アヴェニュー、7854 番

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シェルと、 前記シェルに形成された冷却用の穴の第一の群と、 前記シェルに形成された冷却用の穴の第二の群とを含ん
    でおり、前記第二の群の前記冷却用の穴が前記第一の群
    の前記冷却用の穴より密に間隔をおかれている、ガスタ
    ービン燃焼器ライナ。
  2. 【請求項２】 前記第二の群の冷却用の穴がシェルの旋
    回衝突を受ける領域に位置している、請求項１記載の燃
    焼器ライナ。
  3. 【請求項３】 さらに、前記シェルに形成された希釈用
    の穴を含んでおり、前記第二の群の冷却用の穴が前記希
    釈用の穴のすぐ下流に位置している、請求項１記載の燃
    焼器ライナ。
  4. 【請求項４】 さらに、前記シェルに形成されたボアス
    コープ用の穴を含んでおり、前記第二の群の冷却用の穴
    が前記ボアスコープ用の穴のすぐ下流に位置している、
    請求項１記載の燃焼器ライナ。
  5. 【請求項５】 さらに、前記シェルに形成された点火器
    口用の穴を含んでおり、前記第二の群の冷却用の穴が前
    記点火器口用の穴のすぐ下流に位置している、請求項１
    記載の燃焼器ライナ。
  6. 【請求項６】 前記シェルが環状の形状を有しており、
    前記第一の群と第二の群の前記冷却用の穴がすべて円周
    方向に伸びる一連の列として配列されており、各列内の
    隣接する冷却用の穴が円周方向の穴間の間隔を有してお
    り、隣接する列が軸方向の列間の間隔を有している、請
    求項１記載の燃焼器ライナ。
  7. 【請求項７】 前記第二の群の冷却用の穴の円周方向の
    穴間の間隔が前記第一の群の冷却用の穴の円周方向の穴
    間の間隔より小さい、請求項６記載の燃焼器ライナ。
  8. 【請求項８】 前記第二の群の冷却用の穴の軸方向の列
    間の間隔が前記第一の群の冷却用の穴の軸方向の列間の
    間隔と等しい、請求項７記載の燃焼器ライナ。
  9. 【請求項９】 前記第一の群の冷却用の穴の円周方向の
    穴間の間隔が前記第一および第二の群の冷却用の穴の軸
    方向の列間の間隔と等しい、請求項８記載の燃焼器ライ
    ナ。
  10. 【請求項１０】 前記第一および第二の群の前記冷却用
    の穴がすべて一定の直径を有している、請求項６記載の
    燃焼器ライナ。
  11. 【請求項１１】 前記第一の群の冷却用の穴の円周方向
    の穴間の間隔が穴の直径の約６．５倍に等しい、請求項
    １０記載の燃焼器ライナ。
  12. 【請求項１２】 前記第二の群の冷却用の穴の円周方向
    の穴間の間隔が穴の直径の約４倍に等しい、請求項１１
    記載の燃焼器ライナ。
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