JP2007170807A - 燃焼器ライナ組立体及び燃焼器組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 強度や耐久性を損ねることなく、セラミックマトリクス複合材の優れた遮熱特性を利用し得る燃焼器を提供する。
【解決手段】 セラミックマトリクス複合材からなる外殻１４と、外殻１４の内部に支持される内部断熱シールド１６と、を有する。内部断熱シールド１６の表面は燃焼ガスにさらされる。内部断熱シールド１６は、セラミックマトリクス複合材とは異なる材料であって、燃焼ガスに対して好ましい温度勾配の特性を有し、セラミックマトリクス複合材と共用可能な材料により形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの二重壁型の燃焼器に関し、特に、ライナ組立体を支持するセラミック系複合材からなる外殻（シェル）を有する二重壁型の燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンの燃焼器には外殻と内部ライナとが設けられる。内部ライナは燃焼ガスに直接的にさらされるもので、ガス流路を形成する。内部ライナの温度を調整及び冷却するための空気冷却通路を形成するように、内部ライナは外殻から間隔をあけて配置される。内部ライナと外殻の両者は、燃焼時に生じる非常に高い温度に耐え得る材料により製造される。

運転中、内部ライナは、発火されて燃焼ガスを生じることとなる燃料と空気の混合気の流れやスワールによって生じる温度勾配にさらされる。つまり各部の温度差が内部ライナ内での温度勾配を引き起こす。このような勾配に適応する内部ライナの材料や構造を確保することが設計上の重要課題である。理解されるように、高温下で好適に機能する材料の全てが上記のような温度差によって生じるひずみ（ｓｔｒａｉｎ）や温度勾配に適応できるわけではない。望ましくないことに、温度勾配により内部ライナに生じる上記ひずみやストレスが、燃焼中に生じる温度に適応可能な多くの材料の使用を困難にしている。

材料の一例としてセラミックマトリクス複合材（ceramic matrix composites）が挙げられる。セラミックマトリクス複合材は、シート状に織り込まれたセラミックファイバを含み、これに温度上昇に耐え得る炭化ケイ素やシリコン窒化ケイ素や他の酸化物のような材料が含浸される。理解されるように、燃焼器内での温度の上昇は燃料の燃焼効率を向上させる点で有利である。しかしながら、セラミックマトリクス複合材は温度勾配に良好に適応するものではなく、従って、従来の燃焼器にはあまり使用されていなかった。

このようなことから、燃焼器の強度や耐久性を損ねることなく、燃焼器内でセラミックマトリクス複合材の優れた熱特性（耐熱性）を利用し得る燃焼器を提供することが望まれている。

本発明に係るガスタービンエンジンの燃焼器の一例は、セラミックマトリクス複合材により形成されるとともに、セラミックマトリクス複合材とは異なる材料により形成された複数の内部断熱シールドを支持する外殻を有している。

本発明に係る燃焼器ライナ組立体は、セラミックマトリクス複合材により形成される外殻を有している。このセラミックマトリクス複合材は、熱的に好ましい材質であり、ガスタービンエンジン内の他の部材と燃焼室との間に要求される遮熱特性を提供する。外殻の内部に支持される複数の断熱シールドはセラミックマトリクス複合材とは異なる材料により形成されている。

外殻のセラミックマトリクス複合材は、実質的に安定した均一の温度の下では最適に機能する。しかしながら、このセラミックマトリクス複合材は、燃焼器の内部で受けるような、かなりの温度勾配にさらされる場合、所望の機能が得られず、あるいは要求される耐久性が得られない。そこで、燃焼室内で生じる温度勾配に対応し得る好適な熱的及び機械的な特性が得られる材料により内部断熱シールドを形成している。

この内部断熱シールドは、複数の固定具によって外殻に支持される。上記固定具によって、外殻と複数の断熱シールドとが機械的に連結される一方、外殻と断熱シールドとが熱的に遮断される。この熱的な遮断により、外殻と内部断熱シールドとの間の熱伝達が抑制される。

冷却空気通路は、内部断熱シールドに沿って冷却空気が供給されるように、外殻と複数の内部断熱シールドとの間に形成される。冷却空気は、断熱シールドの低温側面に衝突する衝突流れとして与えられるとともに、好ましくは複数の冷却孔を通して内部断熱シールドの高温側の表面へ導かれる。

このように、本発明に係る燃焼器ライナ組立体では、燃焼器ライナ組立体内に生じる熱勾配に適応する一方で、実質的に一定の温度にさらされる燃焼器の部位ではセラミックマトリクス複合材の優れた特性を利用する構造が得られる。

本発明の上述した特徴やその他の特徴は、後述する詳細な説明や図面及びその簡単な説明から非常に良く理解され得る。

本発明を要約すると、燃焼器ライナ組立体は、セラミック系複合材からなる外殻と、この外殻の内部に支持される内部断熱シールドと、を有している。内部断熱シールドは、その表面が燃焼ガスにさらされるように設定されている。内部断熱シールドは、セラミックマトリクス複合材とともに用いることのできる適切な材料により形成され、燃焼ガスに対して適切な温度勾配の能力を提供する。

図１を参照して、ガスタービンエンジン組立体１０は、燃焼器組立体１へ圧縮された空気を供給する圧縮機１５を有している。上記燃焼器組立体１１は、燃料と空気の混合気を燃焼させ、これにより生じる燃焼ガスによりタービン１７を駆動する。燃焼器組立体１１は、二重壁型のライナ組立体１２を有している。このライナ組立体１２は、複数の内部断熱シールド１６を支持する外殻１４を有している。上記内部断熱シールド１６は、ガス流路を画成する高温側面１８と、外殻１４に面する低温側面２０と、を有している。外殻１４は、セラミックマトリクス複合材（ceramic matrix composite）により形成され、内部断熱シールド１６は、上記セラミックマトリクス複合材とは異なる材料で、セラミックマトリクス複合材と共用可能、つまり両立可能・適応可能なものであり、かつ、ガスの燃焼により生じる高温に耐え得るものである。

外殻１４は、ガスタービンエンジン（組立体）１０の軸１９周りの環状の形状つまりアニュラ型を呈している。ライナ組立体１２は、径方向外側壁（外側部）３４と、径方向内側壁（内側部）３２と、を有している。また、外殻１４は、前端部（前端壁）３６の前方に配置されたカウリング３０を有している。このカウリング３０により、空気流れが燃焼器１１の周囲へ導かれる。上記前端部３６は、燃焼器１１の前面上に断熱シールド１６を保持するために設けられている。理解されるように、図１に示すガスタービンエンジン１０は概略的に描いており、本発明が適用されるガスタービンエンジンの構成の単なる一例を示している。また、上記の燃焼器ライナ組立体１２をカン型燃焼器に適用することもでき、カン型，アニュラ型を組み合わせた様々な燃焼器等の他の燃焼器の構造にも適用できる。

図２は燃焼器ライナ組立体１２の断面を示しており、複数の内部断熱シールド１６とともに外殻１４が設けられている。内部断熱シールド１６は高温側の表面１８を形成している。この高温側表面１８は燃焼器組立体１１の内部で生じる燃焼ガスの流路を形成している。外殻１４には、ライナ組立体１２の第１の端部上にカウリング３０つまり放射状部分が設けられている。このカウリング３０は、燃焼器組立体１１の内部構造を構成するものではない。このカウリング３０及び前端壁には、燃料ノズル３８のための開口４１がそれぞれ設けられている。燃料ノズル３８の位置は一般的な位置と方向を示すために概略的に図示されている。理解されるように、燃料ノズル３８は公知のように燃焼器を最適化するように配置される。

複数の断熱シールド１６は、固定具２６によって外殻１４へ固定されている。外殻１４には固定具２６に対応して複数の取付用の開口（孔）２５が設けられている。外殻１４は、優れた熱特性が得られるセラミックマトリクス複合材により形成されている。このセラミックマトリクス複合材としては当業者に周知の様々な複合材を用いても良い。例えば、セラミックマトリクス複合材は、酸化物系のセラミック材やシリコン窒化ケイ素や炭化ケイ素を含むシリコン系複合材等を含むものでも良い。当業者には、特定の適用における要求に対して適切なセラミックマトリクス複合材の組成を理解できるであろう。

セラミックマトリクス複合材は、望ましい熱的特性が得られる一方、燃焼器の内部にもたらされるような温度勾配に起因して熱的負荷を受ける適用や環境では望ましくない。しかしながら、本発明の外殻１４は、高温にさらされるものの、その熱は比較的均一であり、大きな熱負荷がセラミックマトリクス複合材に作用することはない。

断熱シールド１６は、セラミックマトリクス複合材の外殻１４に支持され、燃焼器組立体１１の内部に生じる高い温度勾配に適応した好ましい熱的かつ機械的な特性を持つ材料により形成されている。内部断熱シールド１６は、外殻１４のセラミックマトリクス複合材に共用可能な（適応した）耐熱性の合金や他の優れた合金により形成されている。どのような材料が特定のセラミックマトリクス複合材との併用に対して化学的及び熱的に適応しており、また、望ましい熱的かつ機械的な特性が得られるかは、当業者なら認識・理解するであろう。

複数の固定具２６は、外殻１４内に断熱シールド１６を固定するために用いられている。固定具２６は、別個に構成され、あるいは内部断熱シールド１６と一体的に形成されていても良い。燃焼器ライナ組立体１２の形状は、前端部３６から後部開口端３５へ向けて延びる収束部を備えて示されている。このような燃焼器ライナ組立体１２の特有の形状は特有の適用例であって、燃焼器ライナ組立体１２の他の形状や配置も本発明の意図する範囲内である。

図３を参照して、内部断熱シールド１６は固定具２６によって外殻１４へ取り付けられている。内部断熱シールド１６は、高温側面１８及び燃焼ガスに対する流れの表面を形成するように、外殻１４へ取り付けられる複数のパネルを有している。複数の内部断熱シールド１６にはタブ部２４が設けられ、このタブ部２４によって、内部断熱シールド１６、特に高温側面１８が外殻１４から望ましい距離だけ離れている。これにより、内部断熱シールド１６と外殻１４との間に冷却ガス通路２２が形成されている。この冷却ガス通路２２により、内部断熱シールド１６の低温側面２０に対する冷却用の空気流れが与えられる。更に、外殻１４に衝突冷却孔２７を設けて、冷却用の空気流れ２３を望ましい位置で内部断熱シールド１６へ直接的に衝突させるようにしても良い。

各固定具２６はそれぞれ対応するねじ部材２８を有している。固定具２６は取付用の開口２５を貫通して外殻１４の外側へ延び、ねじ部材２８により固定されている。図３に示された固定具２６は内部断熱シールド１６と一体化されている。しかしながら、固定具２６を内部断熱シールド１６と外殻１６の双方と別個の部品として構成しても良い。

内部断熱シールド１６は、外殻１４の内側面へ適合して取り付けられる複数のパネルから構成されている。内部断熱シールド１６は、外殻１４内に支持されており、タブ２４によって上記外殻１４から間隔をあけて配置されている。理解されるように、一例としてタブ２４が図示されているが、当業者に周知の他のスペーサを内部断熱シールド１６と外殻１４との間にスペースを形成するために用いても良い。

図４を参照して、燃焼器ライナ組立体１２が外殻１４内に取り付けられた複数の内部断熱シールド１６とともに概略的に示されている。図示のように外殻１４は単一の部品として形成されている。外殻１４は、径方向内側壁３２と、径方向外側壁３４と、前端部３６と、カウリング３０と、を形成する一つの部品を有している。

図５を参照して、本発明に係る他のライナ組立体４０は２部品の外殻４５を有している。この外殻４５は、カウリング３０を有する第１の部分４２と、径方向内側壁３２とともに第１の端部３６を有する第２の部分４４と、により構成される。第１の部分４２が固定具又は他の固定手段により第２の部分４４へ固定されて、完形成の外殻４５が形成される。第２の部分４４は、望ましい燃焼器ライナ形状を形成するように部分的に重なるようにして第１の部分４２の内側に嵌合している。第１の部分４２は固定具６０によって第２の部分４４に取り付けられている。固定具６０は当業者に周知の様々な固定具により構成され得る。

図６を参照して、本発明に係る他の燃焼器ライナ組立体は、符号５０で概略示されているように、カウリング５２と、径方向外側壁３４を形成する第２の部分５４と、前端部３６と、径方向内側壁３２を形成する第３の部分５６と、から構成される外殻５１を有している。外殻５１の各構成部品は固定具６０によって機械的に固定されている。カウリング５２は必ずしもセラミックマトリクス複合材により形成されている必要はなく、金属の合金や当業者に周知の他の好適な材料により形成されていても良い。外殻５１が形成されると、高温な燃焼ガスと接する内部の高温側の表面１８を形成する必要性から、内部断熱シールド１６が取り付けられる。

本発明に係る燃焼器ライナ組立体１２によれば、セラミックマトリクス複合材が温度勾配にさらされることなく、その優れた熱的特性を利用することができる。セラミックマトリクス複合材の開口を通して断熱シールド１６を外殻１４へ取り付けることによって、（この断熱シールド１６として）熱的及び機械的に望ましい材料を用い、耐久性に優れた望ましい組合せを得ることができる。

上述の説明は一例であって、具体的な一仕様にすぎない。本発明の好ましい実施形態について説明したが、当業者であれば、本発明の範囲内に所定の変形物が含まれることを理解するであろう。

本発明に係る燃焼器ライナ組立体の一実施例を含むガスタービンエンジンを示す断面図。 本発明に係る燃焼器ライナ組立体の一実施例を示す断面図。 本発明に係る燃焼器ライナ組立体の一実施例を示す拡大断面図。 本発明に係る燃焼器ライナ組立体の他の実施例を示す概略図。 本発明に係る燃焼器ライナ組立体の他の実施例を示す概略図。 本発明に係る燃焼器ライナ組立体の他の実施例を示す概略図。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジン（組立体）
１１…燃焼器（組立体）
１２…（燃焼器）ライナ（組立体）
１４…外殻
１５…圧縮機
１６…（内部）断熱シールド
１７…タービン
１８…高温側（表）面
２０…低温側面
２２…冷却ガス通路
２４…タブ（部）
２５…開口
２６…固定具
２７…衝突孔
２８…ねじ部材
３０…カウリング
３２…径方向内側壁
３４…径方向外側壁
３５…後部開口端
３６…前端部
３８…燃料ノズル
４０…ライナ組立体
４１…開口
４２…第１の部分
４４…第２の部分
４５…外殻
５０…燃焼器ライナ組立体
５１…外殻
５２…カウリング
５４…第２の部分
５６…第３の部分
６０…固定具

Claims (19)

1. セラミック系複合材により形成される外殻と、
   この外殻の内部に支持されて、空間的に不均一な温度にさらされる表面を形成する内部断熱シールドと、を有し、この内部断熱シールドが、上記外殻を形成するセラミック系複合材とは異なる材料により形成されていることを特徴とするライナ組立体。
2. 上記外殻は、この外殻の内部に内部断熱シールドを取り付けるために、複数の取付用の開口と、これら複数の取付用の開口の内部に対応して設けられる複数の固定具と、を有することを特徴とする請求項１に記載の組立体。
3. 上記複数の固定具が外殻を内部断熱シールドから熱的に遮断していることを特徴とする請求項２に記載の組立体。
4. 上記複数の固定具が外殻及び内部断熱シールドとは別個に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の組立体。
5. 上記内部断熱シールドが複数の固定具の少なくとも一部を構成していることを特徴とする請求項２に記載の組立体。
6. 上記ライナ組立体の外表面上に配置されるカウリングを有することを特徴とする請求項１に記載の組立体。
7. 上記外殻が、上記カウリングの一部を形成する第１の部分と、上記第１の部分に取り付けられる第２の部分と、を有することを特徴とする請求項６に記載の組立体。
8. 上記外殻が、上記カウリングを形成する第１の部分と、上記外殻の外側部を形成する第２の部分と、上記外殻の内側部を形成する第３の部分と、を有することを特徴とする請求項６に記載の組立体。
9. 上記カウリングがセラミック系複合材とは異なる材料により形成されていることを特徴とする請求項６に記載の組立体。
10. 上記内部断熱シールドが外殻に支持される複数のパネルを有することを特徴とする請求項１に記載の組立体。
11. 上記外殻と内部断熱シールドとの間に冷却空気用の通路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
12. 上記内部断熱シールドの外表面へ衝突する空気を案内するように、上記外殻に衝突冷却孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
13. 上記燃焼器ライナ組立体がアニュラ型であることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
14. 上記燃焼器ライナ組立体がカン型燃焼器に組み立てられるていることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
15. 上記外殻がセラミックマトリクス複合材により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
16. セラミックマトリクス複合材により形成される外殻と、
    上記外殻に取り付けられる複数の内部断熱シールドと、を有し、上記複数の内部断熱シールドは、上記セラミックマトリクス複合材とは異なるもので、かつ上記セラミックマトリクス複合材と共用可能な材料により形成されていることを特徴とする燃焼器組立体。
17. 上記外殻へ内部断熱シールドを固定するために、複数の固定具に対応する複数の孔が上記外殻に設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の組立体。
18. 上記外殻は、前端壁と、上記前端壁から延在する径方向内側壁及び径方向外側壁と、を有することを特徴とする請求項１６に記載の組立体。
19. 上記外殻から前方へ延在するカウリングを有することを特徴とする請求項１６に記載の組立体。

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