JP2003114023A - 選択的な多孔を備える燃焼器ライナ - Google Patents
選択的な多孔を備える燃焼器ライナInfo
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Abstract
ク及びそれに関連する材料損傷を減少させる多孔冷却式
燃焼器ライナ(12、14)を提供する。 【解決手段】 冷却孔(44)密度が増大された領域
が、主希釈孔(48)の上流にかつ燃料カップセンタ
(82)と周方向に整合させて配置される。追加の冷却
孔(44)は、主希釈孔(48)の間に設けられ、下流
方向に収束する冷却空気流が得られるように傾斜された
孔(44)の交互の対で配列される。冷却孔(44)
は、ほぼ矩形のパターンで配置され、該パターンの中心
は、希釈孔(48a)の中心から周方向に偏位してい
る。
Description
ビンエンジンに用いられるフィルム冷却式燃焼器ライナ
に関し、より具体的には、狭い間隔で配置された冷却孔
を備える領域を有するそのような燃焼器ライナに関す
る。
焼器に供給する圧縮機を含み、該燃焼器中で空気は燃料
と混合され点火されて高温の燃焼ガスを発生する。燃料
は、燃焼器の周りの均等な間隔の噴射位置に設置された
燃料管を通して燃焼器中に噴射される。これらのガス
は、下流の1つ又はそれ以上のタービンに流れて、該タ
ービンがガスからエネルギーを取り出し、圧縮機に動力
を供給しまた飛行中の航空機に動力を供給するような有
用な仕事を行なう。航空機エンジンに用いられる燃焼器
は、一般的に内側及び外側燃焼器ライナを含み、燃焼過
程により発生する強熱から燃焼器及び周囲のエンジン構
成部品を保護する。ライナがより高い燃焼温度に耐えら
れるように燃焼器ライナを冷却するためのさまざまな解
決策が今まで提案されてきた。かかる解決策の1つは、
ライナを貫通して形成された非常に小さい冷却孔の配列
によってライナの燃焼側面に沿って、冷却空気の薄い層
が形成される多孔フィルム冷却である。多孔フィルム冷
却は、冷却孔を通過する質量流量がライナ表面に隣接す
る高温の燃焼ガスを希釈し、孔を通しての流れがライナ
壁に対流冷却を与えるので、ライナに掛かる全体的な熱
負荷を減少させる。
イナの或る一定の部分が、燃料管の中心の周方向位置に
より定まる噴射位置と整合する。これらの位置を、以下
では「カップセンタ」と呼ぶ。運転中、これらの周方向
位置を通って流れる燃焼ガスの流れにより、局部的に材
料温度が増大した「高温ストリーク」が生じる。高温の
ストリークに曝される燃焼器ライナの部分は、現場での
使用から戻ってきた後に、酸化、腐食、及び低サイクル
疲労(LCF)破損を示している場合がある。
曝されて材料損傷を生じるライナの領域において冷却フ
ィルム効果を増大させた燃焼器ライナに対する必要性が
ある。
により満たされ、本発明では、ガスタービン燃焼器ライ
ナは冷却孔を形成されたシェルで構成され、その冷却孔
のグループは希釈孔の上流に配置され、2つのサブグル
ープに分割されている。冷却孔のこのグループの第2の
サブグループは、高温ストリークと周方向に整合させて
配置され、かつ第1のサブグループの冷却孔より狭い間
隔で配置される。シェルはまた、ライナ中の希釈孔の間
に配置された追加の冷却孔のグループを備えることがで
きる。追加のグループは、周方向に収束する流れを形成
して希釈孔から下流のライナの領域に対する冷却を強化
するよう配列される。
添付の図面を参照して以下の詳細な説明と添付の特許請
求の範囲を読めば明らかになるであろう。
頭部分に具体的に指摘し明確に請求している。しかしな
がら、本発明は、添付の図面の図に関連してなされる以
下の説明を参照することにより最も良く理解することが
できる。
々な図を通して同じ要素を示しているが、その図面を参
照すると、図1は、ガスタービンエンジンに用いるのに
適した形式の燃焼器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の間に
配置された、外側ライナ12と内側ライナ14とを含
む。外側ライナ12と内側ライナ14は、互いに半径方
向に間隔を置いて配置され、燃焼チャンバ20を形成す
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、また内側ライナ14と内側ケーシ
ング18はその間に内側通路24を形成する。カウル組
立体26が、外側ライナ12と内側ライナ14の上流端
に取り付けられる。環状の開口28が、加圧空気を燃焼
器10中に導入するためにカウル組立体26に形成され
る。加圧空気は、図1の矢印Aによりその全体を示す方
向に圧縮機(図示せず)から供給される。加圧空気は、
主として環状の開口28を通過して流れ燃焼を維持し、
また部分的には外側通路22と内側通路24中に流れ、
そこでライナ12及び14を冷却するのに用いられる。
の近傍においてそれらの間に配置されそれらを互いに結
合するのは、環状のドームプレート30である。複数の
周方向に間隔を置いて配置されたスワーラ組立体32
が、ドームプレート30に取り付けられる。各スワーラ
組立体32は、環状の開口28から加圧空気を、また対
応する燃料管34から燃料を受ける。燃料及び空気は、
スワーラ組立体32により旋回され混合され、得られた
燃料/空気混合気は燃焼チャンバ20中に吐出される。
燃焼器は、前方端60と後方端62を有し、長手方向軸
線(図示せず)を定め、該長手方向軸線は、環状の燃焼
器の場合にはエンジンの長手方向軸線と一致する。図1
は単一環状燃焼器の1つの好ましい実施形態を示してい
るが、本発明は多孔フィルム冷却を用いる2段環状燃焼
器を含む任意の形式の燃焼器にも同様に適用可能である
ことに注目されたい。
は、ほぼ環状で軸方向に延びる形状を有する単壁の金属
シェルを含む。外側ライナ12は、燃焼チャンバ20内
の高温燃焼ガスに面する高温側面36と外側通路22内
の比較的低温の空気と接触する低温側面38とを有す
る。同様に、内側ライナ14は、燃焼チャンバ20内の
高温燃焼ガスに面する高温側面40と内側通路24内の
比較的低温の空気と接触する低温側面42とを有する。
両方のライナ12及び14には、多数の狭い間隔で配置
された冷却孔44が形成される。
ナ14の各々に配置された複数の周方向に間隔を置いた
希釈孔48(図1)を通して、主として燃焼器チャンバ
20中に導入される。希釈孔48は、一般的に冷却孔4
4より数がはるかに少なく、また各希釈孔48は1つの
冷却孔44の断面積よりかなり大きい断面積を有する。
希釈孔48及びより小さい程度であるが冷却孔44は、
希釈空気を燃焼器チャンバ20に流入させる働きをす
る。希釈孔は、ライナ12及び14の周辺の周りの周方
向に延びるバンド中に配列される。最前部のバンドの希
釈孔48は、主希釈孔と呼ばれる。
48のうちの或る一定のものは、燃料噴射器34及びス
ワーラ32の中心の周方向位置により定まる噴射位置と
整合している。運転中は、これらの周方向位置を通って
流れる燃焼ガスの流れにより、局部的に材料温度が増大
した「高温ストリーク」が生じる。これらのストリーク
は厳密には長手方向ではなく、スワーラ32により引き
起こされる燃焼器中の流れの旋回のために、ストリーク
は、燃焼器の長さに沿って見た場合に周方向に湾曲して
いる。従来技術の冷却装置は燃焼器ライナ12及び14
の他の部分に適した冷却を施すが、燃焼器ライナ12及
び14の高温ストリークに曝される部分は、現場での使
用後に、酸化、腐食、及び低サイクル疲労(LCF)破
損を示している場合がある。
12の1部分を貫通して配置された冷却孔44がより詳
細に示される。図2は外側ライナ12の冷却孔を示す
が、内側ライナ14の冷却孔の構成は外側ライナ12の
冷却孔の構成にほぼ同一であることを理解されたい。従
って、以下の説明は内側ライナ14にも当てはまること
になる。図2は、X、Y及びZと標記される軸線を有す
る基準枠を含み、Xは燃焼器10を通り抜ける流れ(矢
印Bにより示される)の軸方向下流方向であり、Yは周
方向であり、またZは半径方向である。冷却孔44は、
低温側面38から高温側面36に向けて下流方向の角度
Aで軸方向に傾斜しており、その角度Aは約15度から
20度の範囲にあるのが好ましい。冷却孔44は、一連
の周方向に延びる列46で配列される。各列において隣
接する孔44は、それらのそれぞれの中心線の間で周方
向の孔間隔Sを有し、また隣接する列46は軸方向の列
間隔Pを有する。
主希釈孔48から後方の領域に設置されたグループ45
と、主希釈孔48から前方の領域に設置された別のグル
ープ70と、主希釈孔48と軸方向に整列した領域に設
置された(つまり、主希釈孔48の前方でも後方でもな
い)もう1つ別のグループ88との3つの主グループに
配列される。カップセンタに最も近い周方向の位置を、
図3に線82により表わしている。カップセンタ82と
周方向に整合する特定の主希釈孔は、参照符号48aで
特定している。
8の後方に設置される。このグループ70の冷却孔44
は、前述のように角度AでZ方向下流方向に傾斜され
る。グループ45の冷却孔44は、製造を容易にするた
めに全て同じ直径で同じ断面形状にすることができる。
代わりに、冷却孔44の選定された孔は、局部的に冷却
を増大するためにより大きい直径を備えてもよい。グル
ープ45の冷却孔44はまた、図2に示すように時計方
向角度Bだけ、周方向に傾斜又は角度回転される。時計
方向角度Bは、燃焼器チャンバ20を通る流れの旋回に
一致させるのが好ましく、その角度は一般に約30度か
ら65度の範囲にある。例示的な実施形態においては、
角度Bは約45度にすることができる。
8から上流のライナ12の周辺の周りに配列される。こ
のグループ70の冷却孔44は、前述のように角度Aで
Z方向に下流に向かって傾斜される。グループ70の冷
却孔44は、製造を容易にするために全て同じ直径で同
じ断面形状にすることができる。グループ70の冷却孔
44は、周方向において燃焼器の長手方向軸線に平行に
整合させるか、又は所望に応じて空気流をより良く導く
ために長手方向軸線に対してある角度をもたせて配置す
ることができる。例えば、グループ70の冷却孔44
は、図2に示し既に述べたように、時計方向角度Bで周
方向に傾斜又は角度回転されることができる。グループ
70は、それぞれ符号71と72として示す第1のサブ
グループと第2のサブグループとに分けられる。第1の
サブグループ71における冷却孔の中心と中心の間隔
は、以下により詳細に述べるように、軸方向にかつ周方
向にほぼ等しい。冷却孔44のグループ70の第2のサ
ブグループ72は、ライナ12における高温ストリーク
に対処するために設けられる。第2のサブグループ72
の冷却孔44は、第1のサブグループ71の冷却孔44
と同じ直径であるが、以下に述べるように単位面積当り
より多くの冷却孔44を設けるためにより狭い間隔で配
置される。第2のサブグループ72のこのより密なパタ
ーンにより、ライナ12の高温ストリークを受けやすい
セクションの温度を低下させるのに用いられる冷却空気
が増大されて供給される。例示的な実施形態において、
サブグループ72は、半径方向に見た場合に矩形の形態
に配列される。
ストリークは、ライナ12の前方端60におけるカップ
センタ82の周方向位置と正確には整合しない。むし
ろ、高温ストリークはカップセンタ82に対して幾らか
偏位している。従って、サブグループ72の位置は、必
要に応じて特定の周方向の位置における冷却を増大させ
て与えるように選ばれる。サブグループ72の中心は、
カップセンタ82から流れの旋回の方向に周方向に偏位
させることができる。
は、約0.02インチ(0.51mm)の寸法の極めて小さ
い直径、及び約0.13インチ(3.30mm)又は約
6.5孔直径の周方向の孔間隔を有する。軸方向の列間
隔は、周方向の孔間隔にほぼ等しい。具体的には、図3
にその一部を示すように、燃焼器ライナ12は、従来の
間隔(すなわち、周方向の孔間隔Sと軸方向の列間隔P
は両方共約6.5孔直径又は0.13インチ(3.30
mm)である)を有する冷却孔44のサブグループ71
と、より狭い周方向の孔間隔S’を有する冷却孔44の
サブグループ72(図3に点線で囲まれた)とを有する。
サブグループ72の冷却孔44は、約0.02インチ
(0.51mm)の直径と、約4孔直径又は0.08イン
チ(2.03mm)の周方向の孔間隔S’を有するのが好ま
しい。より狭い軸方向の列間隔を有するサブグループ7
2を設けるのは本発明の範囲内であるが、しかしなが
ら、サブグループ72における軸方向の列間隔Pはサブ
グループ71の軸方向の列間隔と同じであるのが好まし
い。サブグループ71とサブグループ72の両方に同じ
孔直径を用いることにより、機械加工作業は追加の段取
り作業を必要とせずに連続して実施可能である。
8と軸方向において整合させて配置される。このグルー
プ88の範囲内では、カップセンタ82と整合する主希
釈孔48aに隣接する冷却孔44のサブグループは、カ
ップセンタ位置の両側の孔が周方向に主希釈孔48aに
向かって傾斜するように、交互に換わる角度で配置され
る。このようにして追加の冷却流れが、主希釈孔48a
の周方向位置で供給される。図示した例示的な実施形態
において、冷却孔44の第1のサブグループ74が、長
手方向において主希釈孔48aと同じ距離で設置され、
周方向において主希釈孔48aの一側に配置される。サ
ブグループ74の冷却孔44は、下流方向において主希
釈孔48aに向かって指向するように周方向に傾斜され
る。サブグループ74の冷却孔44は、長手方向軸線に
対して約+45度で傾斜させることができる。冷却孔4
4の別のサブグループ76が、周方向において主希釈孔
48aの他側にサブグループ74に対向して設置され
る。サブグループ76における冷却孔44は、サブグル
ープ74における冷却孔44と反対側の周方向に傾斜さ
れるので、このサブグループ76はまた冷却空気流を主
希釈孔48aのすぐ下流の位置に向ける。サブグループ
76における冷却孔44は、長手方向軸線に対して約−
45度で傾斜させることができる。
80が、加えられて、カップセンタ位置での冷却を更に
改善することができる。再び図3を参照すれば、冷却孔
44のこれらの追加のサブグループ78及び80は、グ
ループ74及び76と同じ形状及び大きさであり、周方
向においてサブグループ74及び76の外側に配置する
ことができ、追加の主希釈孔48と共に分散配置される
ことができる。1つの実施形態において、冷却孔44の
グループは、ライナ12の周りの周方向バンド中に交互
の順で主希釈孔48と共に分散配置されることができ
る。冷却孔のサブグループは、サブグループ74、7
8、と76、80の交互の対が長手方向軸線に対して正
の角度及び負の角度で配置されるように配列されるの
で、各カップセンタ82は主希釈孔48aの下流で収束
するように配列された2つの対の冷却孔サブグループ7
4、78、と76、80と組み合わされる。実際には、
主希釈孔48aの周りに配列された4つの収束するサブ
グループの冷却孔を備えている、図3に示すような冷却
孔のパターンは、燃焼器ライナ12の周囲の周りで各カ
ップセンタ82において繰り返されることになる。
少させるために冷却孔の改善された配列を有する多孔フ
ィルム冷却式燃焼器ライナを説明したものである。本発
明の特定の実施形態を説明してきたが、添付の特許請求
の範囲内に記載した本発明の技術思想及び技術的範囲か
ら逸脱することなく本発明の実施形態に対する様々な変
更をなし得ることは、当業者には明らかであろう。
は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を
実施例に限縮するものではない。
燃焼器の破断斜視図。
部分の斜視図。
ナの1部分の平面図。
Claims (18)
- 【請求項1】 前方端と後方端を有し、長手方向軸線を
定めるシェル(12、14)と、 該シェルに形成された少なくとも1つの希釈孔(48)
と、 該希釈孔(48a)から前方の前記シェル(12、1
4)に形成された冷却孔(44)のグループ(70)
と、を含み、 前記グループ(70)は、第1のサブグループ(71)
と第2のサブグループ(72)を含んでおり、前記冷却
孔(44)のうちの前記第2のサブグループ(72)の
冷却孔(44)は、前記第1のサブグループ(71)の
冷却孔(44)より狭い間隔で配置されている、ことを
特徴とするガスタービン燃焼器ライナ。 - 【請求項2】 前記第2のサブグループ(72)の冷却
孔(44)は、ほぼ矩形のパターンで配置され、該パタ
ーンの中心は、前記希釈孔(48a)の中心から周方向
に偏位していることを特徴とする、請求項1に記載の燃
焼器ライナ(12、14)。 - 【請求項3】 前記シェル(12、14)は環状の形状
を有し、前記第1のサブグループ(71)及び第2のサ
ブグループ(72)の冷却孔(44)は、全て一連の周
方向に延びる列で配列されており、各列における隣接す
る冷却孔(44)は周方向の孔間隔を有し、また隣接す
る列は軸方向の列間隔を有することを特徴とする、請求
項2に記載の燃焼器ライナ。 - 【請求項4】 前記第2のサブグループ(72)の周方
向の孔間隔は、前記第1のサブグループの周方向の孔間
隔より小さいことを特徴とする、請求項3に記載の燃焼
器ライナ(12、14)。 - 【請求項5】 前記グループ(70)の冷却孔(44)
は、周方向において前記軸線と平行であることを特徴と
する、請求項4に記載の燃焼器ライナ(12、14)。 - 【請求項6】 前記第1のサブグループ(71)の周方
向の孔間隔は、約6.5孔直径に等しいことを特徴とす
る、請求項4に記載の燃焼器ライナ(12、14)。 - 【請求項7】 前記第2のサブグループ(72)の周方
向の孔間隔は、約5孔直径に等しいことを特徴とする、
請求項6に記載の燃焼器ライナ(12、14)。 - 【請求項8】 前方端と後方端を有し、長手方向軸線を
定めるシェル(12、14)と、 該シェルに形成された少なくとも1つの希釈孔(48)
と、 前記シェルに形成された冷却孔(44)の第1のグルー
プ(88)と、を含み、 前記グループ(88)は、第1のサブグループ(74)
及び第2のサブグループ(78)を含んでおり、前記冷
却孔(44)の第1のサブグループ(74)は、長手方
向において該希釈孔(48)と整列して、前記希釈孔
(48)の第1の周方向側方に配置され、前記第1のサ
ブグループ(74)の冷却孔(44)は、前記長手方向
軸線に対して該希釈孔(48)に向かう第1の周方向に
傾斜し、また、前記冷却孔(44)の第2のサブグルー
プ(76)は、長手方向において該希釈孔(48)と整
列して、前記希釈孔(48)の第2の周方向側方に配置
され、前記第2のサブグループ(76)の冷却孔(4
4)は、前記長手方向軸線に対して前記第1の周方向と
反対の第2の周方向に傾斜している、ことを特徴とする
ガスタービン燃焼器ライナ。 - 【請求項9】 前記冷却孔(44)の第1のサブグルー
プ(74)における前記冷却孔(44)は、前記軸線に
対して約45度の角度をなし、また前記冷却孔(44)
の第2のサブグループ(76)における前記冷却孔(4
4)は、前記軸線に対して約−45度の角度をなすこと
を特徴とする、請求項8に記載の燃焼器ライナ。 - 【請求項10】 長手方向において該希釈孔(48)と
整列して、前記希釈孔(48)の前記第1の周方向側方
に配置された冷却孔(44)の第3のサブグループ(7
8)と、 長手方向において該希釈孔(48)と整列して、前記希
釈孔(48)の前記第2の周方向側方に配置された冷却
孔(44)の第4のサブグループ(80)と、を更に含
むことを特徴とする、請求項9に記載の燃焼器ライナ。 - 【請求項11】 追加の希釈孔(48)が、前記冷却孔
(44)の前記第1のサブグループ(74)と第3のサ
ブグループ(78)との間に配置され、また、第2の追
加の希釈孔(48)が、前記冷却孔(44)の前記第2
のサブグループ(76)と第4のサブグループ(80)
との間に配置されていることを特徴とする、請求項10
に記載の燃焼器ライナ。 - 【請求項12】 前記希釈孔(48)から前方の前記シ
ェルに形成された冷却孔(44)の少なくとも1つの第
2のグループ(70)を更に含んでおり、前記第2のグ
ループ(70)は、第1のサブグループ(71)と第2
のサブグループ(72)とを含み、該第2のサブグルー
プ(72)の冷却孔(44)は、前記第1のサブグルー
プ(71)の冷却孔(44)より狭い間隔で配置されて
いることを特徴とする、請求項8に記載の燃焼器ライ
ナ。 - 【請求項13】 前記第2のグループ(70)の冷却孔
(44)は、周方向において前記軸線に平行であること
を特徴とする、請求項12に記載の燃焼器ライナ。 - 【請求項14】 前記第2のグループ(70)の前記第
2のサブグループ(72)の冷却孔(44)は、ほぼ矩
形のパターンで配置され、該パターンの中心は前記希釈
孔(48)の中心から周方向に偏位していることを特徴
とする、請求項12に記載の燃焼器ライナ。 - 【請求項15】 前記シェルは環状の形状を有し、前記
冷却孔(44)の第2のグループのうちの前記第1のサ
ブグループ(71)及び第2のサブグループ(72)の
冷却孔(44)は、全て一連の周方向に延びる列で配列
されており、各列における隣接する冷却孔(44)は周
方向の孔間隔を有し、また隣接する列は軸方向の列間隔
を有することを特徴とする、請求項14に記載の燃焼器
ライナ。 - 【請求項16】 前記冷却孔(44)の第2のグループ
(70)の前記第2のサブグループ(72)の周方向の
孔間隔は、前記第1のサブグループ(71)の周方向の
孔間隔より小さいことを特徴とする、請求項15に記載
の燃焼器ライナ。 - 【請求項17】 前記冷却孔(44)の第2のグループ
(70)の前記第1のサブグループ(71)の周方向の
孔間隔は、約6.5孔直径に等しいことを特徴とする、
請求項16に記載の燃焼器ライナ。 - 【請求項18】 前記冷却孔(44)の第2のグループ
(70)の前記第2のサブグループ(72)の周方向の
孔間隔は、約5孔直径に等しいことを特徴とする、請求
項17に記載の燃焼器ライナ。
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US09/934182 | 2001-08-21 | ||
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