JP2001248839A - 燃焼器パネルの熱負荷を低減する方法及び装置 - Google Patents

燃焼器パネルの熱負荷を低減する方法及び装置

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JP2001248839A JP2001051646A JP2001051646A JP2001248839A JP 2001248839 A JP2001248839 A JP 2001248839A JP 2001051646 A JP2001051646 A JP 2001051646A JP 2001051646 A JP2001051646 A JP 2001051646A JP 2001248839 A JP2001248839 A JP 2001248839A
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Frank Anthony Lastrina
フランク・アンソニー・ラストリナ
Joseph Douglas Monty
ジョセフ・ダグラス・モンティー
David Edward Hrencecin
デビッド・エドワード・ヘレンセシン
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    • Y10T29/49346—Rocket or jet device making

Abstract

(57)【要約】 【構成】 燃焼器ライナ（４０）は燃焼ゾーン（３６）
を構成する階段状の燃焼室ライナ面（７０）及び空気冷
却スロット（７８）を形成する張出部（７４）を有す
る。遮熱材の層（９０）を、燃焼器ライナの少なくとも
部分（９６）に０．０１インチを超える厚さ（Ｔ１）の
遮熱材の層が形成されるように、燃焼器ライナに施工す
る。 【効果】 燃焼器ライナの熱吸収が少なくなり、燃焼器
（３０）を高温で作動することが可能になる。その結
果、燃焼器内の低サイクル疲労及び熱クリープが減少
し、燃焼器のライフサイクルが延長する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概してタービンエ
ンジンに関し、さらに具体的にはタービンエンジンのス
ロット冷却環状燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】タービンエンジンは空気を圧縮するため
の圧縮機を含んでおり、空気は燃料と混合されて燃焼器
へと導かれ、そこで混合気を点火して高温燃焼ガスを発
生する。燃焼ガスはタービンへと流れ、そこで燃焼ガス
からエネルギーを抽出して、圧縮機の駆動、並びに飛行
中の航空機の推進又は発電機などの負荷への動力の供給
など有用な仕事を行う。ガスタービンエンジンの効率の
向上は、少なくとも部分的には燃焼器の作動温度を上昇
させることによって達成される。燃焼器の作動温度限界
は燃焼器ライナ材料の温度限界である。
【０００３】燃焼器の冷却には薄膜対流冷却を用いるこ
とができる。かかる冷却では、冷却空気による保護膜境
界層がライナの内側表面に沿って流れる。燃焼器ライナ
の内側表面に沿って流れる冷却空気は、ライナと高温ガ
スの間に保護境界層を形成し、高温燃焼ガスからライナ
を遮熱する。例えば、米国特許第４２５９８４２号を参
照されたい。しかし、かかる冷却でもライナ材料は熱を
吸収する。ライナでは経時的に熱クリープ及び低サイク
ル疲労が増大する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】燃焼ガスから遮熱する
ために燃焼器ライナの内側表面に遮熱皮膜層を施工する
こともできる。遮熱皮膜層は所定の燃焼ガス温度に要す
る冷却空気量を低減し、或いはエンジン効率向上のため
燃焼ガス温度を上げることができるようになる。米国特
許第５９６０６３２号を参照されたい。一般に、遮熱皮
膜層は、燃焼器ライナに０．０１インチ以下の厚さで均
一に施工される。かかる一様な厚さは、遮熱皮膜層が冷
却空気の流れを妨げかねない不都合な堆積を防ぐ。しか
し、燃焼器ライナ材料は依然として熱を吸収し、そのた
め燃焼器アセンブリは依然としてクリープ及び低サイク
ル疲労を始めとする熱歪を受ける。
【０００５】
【課題を解決するための手段】例示的な実施形態では、
燃焼器は、熱吸収を最小限にするように選択された厚さ
の遮熱材を備えた燃焼器ライナを含む。例示的な実施形
態では、燃焼器は、環状の外側及び内側支持部材及びそ
れぞれの内側及び外側ライナで形成される燃焼ゾーンを
含む。内側及び外側ライナは各々複数の連なったパネル
及び複数の冷却スロットを含む。パネルは段状に配置さ
れ、階段状の燃焼器ライナ面をなす。複数の冷却スロッ
トが内側及び外側ライナパネルの張出部によって形成さ
れる。燃焼器ライナの少なくとも一部は０．０１インチ
を超える厚さの遮熱材を有する。例示的な実施形態で
は、少なくとも燃焼器の入口付近の外側及び内側パネル
は０．０１インチを超える厚さの遮熱材を有する。
【０００６】厚さを増した遮熱材を燃焼器ライナの少な
くとも一部に施工することにより、現今の作動温度では
燃焼器ライナの熱吸収が減り、燃焼器をより高温で作動
させることができる。作動温度が低下するので、燃焼器
内の低サイクル疲労も低減し、それに伴って燃焼器アセ
ンブリの作動ライフサイクルが延びる。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧
縮機１４及び燃焼器アセンブリ１６を含むガスタービン
エンジン１０の概略図である。エンジン１０は、高圧タ
ービン１８及び低圧タービン２０も含んでいる。圧縮機
１２とタービン２０は第一のシャフト２４でつながって
おり、圧縮機１４とタービン１８は第二のシャフト２６
でつながっている。一実施形態では、エンジン１０はＧ
ｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ
Ｅｎｇｉｎｅｓ社（米国オハイオ州シンシナティ）から
入手できるＣＦ３４−３Ａ／−３Ｂである。
【０００８】作動中、空気はエンジン１０の入口側２８
から低圧圧縮機１２を通って流れ、圧縮空気は低圧圧縮
機１２から高圧圧縮機１４へ供給される。次いで、圧縮
空気は燃焼器アセンブリ１６に供給され、そこで圧縮空
気は燃料と混合・点火される。燃焼ガスは燃焼器１６か
らタービン１８及び２０を駆動するために導かれる。
【０００９】図２は、燃焼器３０及び燃料噴射器３２を
含む燃焼器アセンブリ１６の部分断面図である。図３は
燃焼器アセンブリ１６の一部の拡大図である。燃料噴射
器３２は燃焼器アセンブリ１６の入口３４に取り付けら
れ、燃焼器３０の燃焼ゾーン３６内に霧化燃料を噴射
し、空気燃料混合気を形成する。点火装置又はクロスフ
ァイアチューブ（図示せず）が燃料噴射器３２の下流の
空気燃料混合気に点火し、燃焼ガスは排出口タービンノ
ズル３８を通って燃焼アセンブリ１６から排出され、排
出口タービンノズル３８は高エネルギー燃焼ガスをター
ビンブレード又はバケット（図示せず）へと導く。燃焼
ガスはタービンホイール（図示せず）を回転させ、圧縮
機（図示せず）に回転エネルギーを供給して、負荷に動
力を供給及び／又は推進力へ転換される。
【００１０】燃焼ゾーン３６は、環状の半径方向外側及
び半径方向内側支持部材（図示せず）及び燃焼器ライナ
４０によって形成される。燃焼器ライナ４０は燃焼ゾー
ン３６で発生する熱から外側及び内側支持部材を遮蔽
し、外側ライナ５０と内側ライナ５２を含んでいる。外
側ライナ５０と内側ライナ５２は環状で一つにつながっ
て燃焼ゾーン３６を画成する。燃焼ゾーン３６は燃焼器
入口３４から排出口タービンノズル３８まで延在する。
外側ライナ５０及び内側ライナ５２は各々複数のパネル
５４を含んでおり、パネルは一連の段部５６を備えてい
てその各々が燃焼器ライナ４０の個々の部分をなす。
【００１１】複数のパネル５４は順次連結される。外側
ライナ５０及び内側ライナ５２はそれぞれカウル６０及
び６２並びに第一パネル６４及び６６を含んでいる。外
側カウル６０と内側カウル６２は燃焼器入口３４付近に
位置し、それぞれ燃焼室入口３４から第一パネル６４及
び６６まで延在する。第一パネル６４及び６６はそれぞ
れカウル６０及び６２の下流に順次連結しており、それ
ぞれカウル６０及び６２と追加の外側及び内側パネル５
４とを連結している。一実施形態では、外側ライナ５０
及び内側ライナ５２は各々９枚のパネル５４を含む。
【００１２】各燃焼器パネル５４は、燃焼器ライナ面７
０、外面７２及び張出部７４を含んでいる。燃焼器ライ
ナ面７０は、燃焼器入口３４から排出口タービンノズル
３８まで延在する。燃焼器ライナ面７０と外面７２は張
出部７４で一つにつながり、後向きエッジ７６を形成す
る。複数の空気冷却スロット７８が隣り合った燃焼器パ
ネル５４同士を隔てている。
【００１３】空気冷却スロット７８は空気プレナム（図
示せず）から空気を受入れる開口８０を含んでいて、高
温燃焼ガスと燃焼器ライナ７０との間に空気の薄い保護
境界層を形成し、燃焼器ライナ４０に対流冷却をもたら
す。空気は開口８０から、燃焼器ライナ７０と燃焼器ラ
イナ張出部７４の底面８２の間に形成されるスロット７
８を通って流れる。
【００１４】遮熱材の層９０は燃焼器ライナ面７０に施
工され、各段の張出部７４から張出部７４まで延在す
る。遮熱材は燃焼器ライナ表面７０を高温燃焼ガスから
遮熱する。例示的な実施形態では、遮熱材はＥｎｇｌｅ
ｈａｒｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社（米国マサチューセ
ッツ州ウィルミントン）から市販されている。遮熱材
は、燃焼器入口３４と燃焼器排出口タービンノズル３８
との間に配置される各燃焼器パネル５４の燃焼器ライナ
面７０に施工される。遮熱材の施工は、層９０が燃焼器
ライナ面７０の少なくとも部分９６で０．０１インチを
超える厚さＴ１となるように行われる。一実施形態で
は、部分９６は外側ライナ第一パネル６４と内側ライナ
第一パネル６６だけを含み、その他の残りのパネル５４
は０．０１インチ以下の厚さＴ２の遮熱材の層９０を有
する。別の実施形態では、部分９６は外側ライナ第一パ
ネル６４と内側ライナ第一パネル６６及び他の１以上の
外側ライナパネル５４及び内側ライナパネル５４を含
み、その他の残りのパネル５４は０．０１インチ以下の
厚さＴ２の遮熱材を有する。さらに別の実施形態では、
燃焼器ライナ面７０の遮熱材の施工は、層９０が燃焼器
入口３４から燃焼器排出口タービンノズル３８までの全
ての燃焼器パネル５４で０．０１インチを超える厚さＴ
１となるように行われる。
【００１５】厚さＴ１は、燃焼器ライナ面７０から層９
０の最外表面９８までの厚さとして測定される。一実施
形態では、層９０は部分９６に延在していて、部分９６
以外のパネル５４に延在する遮熱材の厚さＴ２の略２倍
の厚さＴ１を有する。別の実施形態では、遮熱材の厚さ
Ｔ１は０．２０〜０．３５インチであり、厚さＴ２は
０．０１インチ以下である。さらに別の実施形態では、
遮熱材の厚さＴ１は略０．２０インチである。
【００１６】作動中、霧化燃料が燃焼ゾーン３６に噴射
されて点火されると、ゾーン３６内で熱が発生する。空
気が冷却スロット７８を通ってゾーン３６に入り、燃焼
器ライナ面７０に沿って空気の薄い保護境界層を形成す
る。燃焼器内側ライナ５２及び外側ライナ５０は、燃焼
ゾーン３６で発生する熱からタービンエンジン１０を遮
蔽する。部分９６は厚さＴ１の遮熱材を有するため、燃
焼器の部分９６でのパネル５４への熱の吸収は少なく、
燃焼器３０の作動温度が低下し、その結果、燃焼器アセ
ンブリ１６内の熱歪量が低減する。
【００１７】上述の燃焼器アセンブリは費用対効果に優
れ、信頼性が高い。燃焼器アセンブリは燃焼器ライナの
少なくとも一部を覆う０．０１インチを超える厚さの遮
熱材を含む。その結果、燃焼器ライナは熱の吸収が少な
く、そのため燃焼器をより高温で作動し得る。作動温度
が低下するので、燃焼器内の低サイクル疲労が減少し、
それに伴って燃焼器アセンブリの作動ライフサイクルが
延びる。
【００１８】本発明を様々な具体的な実施形態について
説明してきたが、本発明が請求項に記載された技術的思
想及び技術的範囲内で変更を加えて実施できることは当
業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】 図１に示すガスタービンエンジンに用いられ
る燃焼器アセンブリの部分断面図。
【図３】 図２に示す領域２の部分の燃焼器アセンブリ
の部分拡大図。
【符号の説明】
３０ 燃焼器 ３２ 燃料噴射器 ３４ 入口 ３６ 燃焼ゾーン ３８ 排出口タービンノズル ４０ 燃焼器ライナ ５０ 外側ライナ ５２ 内側ライナ ５４ パネル ５６ 段部 ６０ 外側カウル ６２ 内側カウル ６４ 外側第一パネル ６６ 内側第一パネル ７０ 燃焼器ライナ面 ７４ 張出部 ７８ 冷却スロット ９０ 層 ９６ 部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランク・アンソニー・ラストリナ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ア ンドーバー、ペノブスコット・ウェイ、２ 番 (72)発明者 ジョセフ・ダグラス・モンティー アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ボ ックスフォード、キング・リチャード・ド ライブ、21番 (72)発明者 デビッド・エドワード・ヘレンセシン アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ピ ーボディー、バーチ・ストリート、８番

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 タービンエンジン（１０）用の燃焼器
    （３０）の製造方法であって、燃焼器は環状の半径方向
    外側及び半径方向内側の支持部材及びそれぞれの内側及
    び外側ライナ（５２及び５０）によって形成される燃焼
    ゾーン（３６）を有しており、内側及び外側ライナは各
    々複数の連なったパネル（５４）及び複数の冷却スロッ
    ト（７８）を含んでいて、冷却スロットが内側及び外側
    パネルの張出部（７４）によって形成され、上記複数の
    連なったパネルが冷却スロットで隔てられて段状に配置
    されており、当該方法が、 少なくとも１枚の内側ライナパネルが０．０１インチを
    超える厚さ（Ｔ１）の遮熱材を有するように内側ライナ
    パネルに遮熱材を施工する段階、及び少なくとも１枚の
    外側ライナパネルが０．０１インチを超える厚さ（Ｔ
    １）の遮熱材を有するように外側ライナパネルに遮熱材
    を施工する段階を含んでなる方法。
  2. 【請求項２】 内側ライナ（５２）が燃焼器（３０）の
    入口側（３４）付近にカウル（６０）及び該カウルの下
    流に順次連結した第一パネル（６４）を含んでおり、外
    側ライナ（５０）が燃焼器の入口側付近に第一パネル
    （６６）及び第一パネルの下流に順次連結した第一パネ
    ルを含んでおり、前記内側ライナパネルに遮熱材を施工
    する段階が、前記第一内側ライナパネルに０．０１イン
    チを超える厚さ（Ｔ１）の遮熱材が形成されるように内
    側ライナパネルに遮熱材を施工する段階をさらに含む、
    請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記外側ライナパネルに遮熱材を施工す
    る段階が、第一外側ライナパネルに０．０１インチを超
    える厚さ（Ｔ１）の遮熱材が形成されるように、外側ラ
    イナパネルに遮熱材を施工する段階をさらに含む、請求
    項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記内側ライナパネル（５４）に遮熱材
    を施工する段階が、少なくとも１枚の内側ライナパネル
    に他の１以上の内側ライナパネルを被覆する遮熱材の厚
    さの２倍以上の厚さ（Ｔ１）の遮熱材が形成されるよう
    に、内側ライナパネルに遮熱材を施工する段階をさらに
    含む、請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 外側ライナパネル（５４）に遮熱材を施
    工する段階が、少なくとも１枚の外側ライナパネルに他
    の１以上の外側ライナパネルを被覆する遮熱材の厚さの
    ２倍以上の厚さ（Ｔ１）の遮熱材が形成されるように、
    外側ライナパネルに遮熱材を施工する段階をさらに含
    む、請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 内側ライナ（５２）が燃焼器（３０）の
    入口側（３４）付近にカウル（６０）及び第一パネルの
    下流に順次連結した第一パネル（６４）を含んでおり、
    前記内側パネルに遮熱材を施工する段階が、第一パネル
    に残りの内側ライナパネルを被覆する遮熱材の厚さの２
    倍以上の厚さ（Ｔ１）の遮熱材が形成されるように、内
    側パネルに遮熱材を施工する段階をさらに含む、請求項
    ５記載の方法。
  7. 【請求項７】 外側ライナ（５０）が燃焼器（３０）の
    入口側（３４）付近にカウル（６２）及び第一パネルの
    下流に順次連結した第一パネル（６６）を含んでおり、
    外側ライナパネルに遮熱材を施工する段階が、第一外側
    ライナパネルに残りの外側ライナパネルを被覆する遮熱
    材の厚さの２倍以上の厚さ（Ｔ１）の遮熱材が形成され
    るように、外側ライナパネルに遮熱材を施工する段階を
    さらに含む、請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 複数の連なったパネル（５４）を段状に
    配置してなるライナ（４０）であって、上記複数のパネ
    ルが当該複数の連なったパネルの張出部（７４）によっ
    て形成される一連の冷却スロット（７８）で隔てられて
    おり、パネルの少なくとも１枚が０．０１インチを超え
    る厚さ（Ｔ１）の遮熱材の層（９０）を有するように遮
    熱材層を有する、ライナ（４０）。
  9. 【請求項９】 少なくとも１枚のパネル（５４）が残り
    のパネルの遮熱材の層の厚さの２倍以上の厚さ（Ｔ１）
    の遮熱材の層を有する、請求項８記載のライナ（４
    ０）。
  10. 【請求項１０】 前記複数の連なったパネル（５４）が
    第一パネル（６４）と第二パネルを含んでいて、第一パ
    ネルが第二パネルの上流に位置し、第二パネルが第一パ
    ネルの下流に順次連結される、請求項８記載のライナ
    （４０）
  11. 【請求項１１】 第一パネル（６４）が０．０１インチ
    を超える厚さ（Ｔ１）の遮熱材の層（９０）を有する、
    請求項１０記載のライナ（４０）。
  12. 【請求項１２】 第一パネル（６４）が、第二パネルを
    被覆する遮熱材の層の厚さの２倍以上の厚さ（Ｔ１）の
    遮熱材の層を有する、請求項１１記載のライナ（４
    ０）。
  13. 【請求項１３】 入口（３４）と、 排出口と、 入口から排出口まで延在する内側ライナ（５２）であっ
    て、該内側ライナは複数の連なった内側ライナパネル
    （５４）を段状に配置してなり、内側ライナパネルが内
    側ライナパネルの張出部（７４）で形成される一連の冷
    却スロット（７８）で隔てられていて遮熱材の層（９
    ０）を有する、内側ライナ（５２）と、 入口から排出口まで延在する外側ライナ（５０）であっ
    て、該外側ライナは上記内側ライナと連結して燃焼ゾー
    ン（３６）を形成し、該外側ライナは複数の連なった外
    側ライナパネルを段状に配置してなり、外側ライナパネ
    ルが外側ライナパネルの張出部で形成される一連の冷却
    スロットで隔てられていて遮熱材の層を有する、外側ラ
    イナ（５０）とを含んでなる燃焼器（３０）であって、 内側ライナパネル及び外側ライナパネルの少なくとも１
    枚が０．０１インチを超える厚さ（Ｔ１）の遮熱材の層
    を有する、燃焼器（３０）。
  14. 【請求項１４】 内側ライナの一連のパネル（５４）が
    第一パネル（６４）と第二パネルを含んでいて、内側ラ
    イナ第二パネルが内側ライナ第一パネルの下流に順次連
    結され、外側ライナの一連のパネル（５４）が第一パネ
    ル（６６）と第二パネルを含んでいて、外側ライナ第一
    パネルが燃焼器入口（３４）に隣接していて、外側ライ
    ナ第二パネルが外側ライナ第一パネルの下流に順次連結
    される、請求項１３記載の燃焼器（３０）。
  15. 【請求項１５】 内側ライナ第一パネル（６４）及び外
    側ライナ第一パネル（６６）の少なくとも１枚が、０．
    ０１インチを超える厚さ（Ｔ１）の遮熱材の層を有す
    る、請求項１４記載の燃焼器（３０）。
  16. 【請求項１６】 内側ライナパネル（５４）及び外側ラ
    イナパネルの少なくとも１枚が、略０．０２インチの厚
    さ（Ｔ１）の遮熱材の層を有する、請求項１４記載の燃
    焼器（３０）。
  17. 【請求項１７】 内側ライナ第一パネル（６４）及び外
    側ライナ第一パネル（６６）の少なくとも１枚が略０．
    ０２インチの厚さ（Ｔ１）の遮熱材の層を有する、請求
    項１６記載の燃焼器（３０）。
  18. 【請求項１８】 内側及び外側ライナ第一パネル（６
    ６，６４）が０．０１インチを超える厚さ（Ｔ１）の遮
    熱材の層（９０）を有する、請求項１５記載の燃焼器
    （３０）。
  19. 【請求項１９】 内側及び外側ライナ第一パネル（６
    ６，６４）が略０．０２インチの厚さ（Ｔ１）の遮熱材
    の層（９０）を有する、請求項１８記載の燃焼器（３
    ０）。
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