JP2007170810A - タービンエンジン用の燃焼器アッセンブリおよび燃焼器アッセンブリ用のライナッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器から流出する冷却空気およびガス流を妨害しない燃焼器アッセンブリとタービンアッセンブリとの間の円滑なインタフェースを提供する。
【解決手段】ライナッセンブリ１５は、外側シェル２６を備え、該シェル２６に沿って内側ヒートシールド２８が配設される。燃焼室２０は、固定ベーン１８およびタービン１６にガス流３５を導く後方開放端部２４を備える。エアフォイル２１を支持するベース部１９は、燃焼器アッセンブリ１４の端部に固定され、燃焼器アッセンブリ１４とタービンアッセンブリ１６との間に移行領域を有する。ヒートシールド２８の後方リップ部３６は、燃焼器１４の軸方向長さ５０を越え、ベーン１８へと延びている。円滑なインタフェースを形成するようにリップ３６とベース１９の一部とが重なり、燃焼室２０からベーン１８およびタービン１６へと冷却空気およびガス流３５が良好に流れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンの燃焼器アッセンブリに関する。より具体的には、本発明はガスタービンエンジンの燃焼器アッセンブリと固定タービンベーン部との間におけるインタフェースに関する。

ガスタービンエンジンは、通常、燃料と圧縮空気との混合気を燃焼してガス流を発生させる燃焼器を備える。燃焼器は、通常、複数の内側ヒートシールドを支持する外側シェルを備える。内側ヒートシールドは、燃料／空気混合気の燃焼および結果生じる高温のガス流にさらされる。

燃焼器から流出するガス流は固定タービンベーンの列に流入して、下流に位置した回転タービンブレードに導かれる。固定ベーンは燃焼器と回転タービンブレードの間に設けられる。通常、燃焼器モジュールの後端部における支持外側シェルおよびヒートシールド部品は、固定ベーン上流の共通の軸方向位置または平面において終端をなす。この二重壁燃焼器ライナシステムから、下流の端部壁またはプラットフォーム（タービンベーン列の流路の内側および外側直径をなす表面）に移行することにより、燃焼器の内側表面と固定ベーン列の内側または外側直径をなす表面との間に継ぎ目、段差、または中断面が生じる。

不都合なことに、固定ベーン列と燃焼器との間のインタフェースにおいて表面が中断されると、燃焼器から流出する冷却空気およびコアガスの流れが妨害されてしまう。燃焼器の内側表面に沿って流れる冷却空気の断熱層は、固定ベーン部とのインタフェースにおいて妨害されてしまうため、冷却空気と高温コアガスが望ましく混合されない。これにより、冷却空気の冷却効果が減少し、前記領域における燃焼器およびタービンの部品に温度上昇や不都合な温度勾配が生じてしまう。加えて、固定ベーンに向かって下流に流れるガス流が妨害されることにより、望ましくない空力学特性および熱（温度）プロフィールが生じて、下流に位置するタービンの低下、したがって、エンジン全体の性能が低下してしまう可能性がある。

したがって、燃焼器出口の近傍および下流のタービンベーンへの入口の近傍において冷却空気流およびコアガス流を円滑に移行させる、燃焼器アッセンブリとタービンアッセンブリとの間におけるインタフェースを開発することが望ましい。

本発明による例示的なタービンエンジン用燃焼器アッセンブリは、後方セグメントつまりリップ部を有するヒートシールド部品を組み込んだ燃焼器ライナッセンブリを備え、ヒートシールド部品のリップ部は、燃焼器アッセンブリと固定ベーン部との間における望ましいインタフェースを付与するように、タービンアッセンブリの固定ベーン部に対応する。

本発明による例示的な燃焼器アッセンブリは、後方セグメントつまりリップ部を有するヒートシールド部品を組み込んだ燃焼器ライナッセンブリを含み、このリップ部は、ガス流用の円滑なインタフェースを形成するようにタービンアッセンブリの固定ベーン部に対応する。後方セグメントつまりリップ部は、下流に位置する固定ベーンの端部壁の領域に向かって、燃焼器アッセンブリ（および外側シェル）の残部よりも長い軸方向距離にわたって延びている。コアガス流にさらされるリップ部および固定ベーンの端部壁によって軸方向に移行する円滑な曲線が付与されるように、固定ベーンの端部壁は後方リップ部を受けるランディングを備える。リップ部およびランディングによって付与される円滑な軸方向の外形状により、冷却およびガス流に対して、燃焼器とタービン端部壁との間の移行部分に望ましい空気力学的特性がもたらされる。さらに、ランディングの幾何学形状は、この領域における冷却パターンを調整するとともに望ましくない冷却空気の漏れを制限する構造を備える。

したがって、本発明による燃焼器アッセンブリにより、冷却空気流およびコアガス流が燃焼器アッセンブリから固定ベーンを通り、さらに下流のタービン部へと円滑に移行する。

本発明の上記および他の特徴は以下の明細書および図面から最も良く理解されるであろう。

図１を参照すると、本発明によるエンジンアッセンブリ１０は、ファン（図示せず）と、燃焼器アッセンブリ１４に圧縮空気を供給する圧縮機１２と、を備える。燃焼器アッセンブリ１４内で生じた燃焼ガスはタービンアッセンブリ１６に流入する。図１では、環状の燃焼器を備えたガスタービンエンジンアッセンブリ１０を概略的に図示しているが、他の周知の燃焼器アッセンブリ形態への応用も本発明の意図する範囲内である。

燃焼器アッセンブリ１４は、軸３０を中心として環状に配設されており、軸方向の長さ５０を有する。燃焼器アッセンブリ１４は、内側（ディフューザ）ケース壁部５２および外側（ディフューザ）ケース壁部５４に固定されており、該壁部の各々は、軸３０を中心として環状に配設されている。燃焼器アッセンブリは、内側ケース壁５２および外側ケース壁５４に支持されたライナッセンブリ１５を特徴としている。ライナッセンブリ１５は、複数の内側ヒートシールド２８を支持する外側シェル２６を有し、内側ヒートシールド２８は燃焼室２０の内側表面４２を画定する。外側シェル２６と内側ヒートシールド２８との間に冷却空気の通路３２が配設される。

燃焼室２０は、燃焼を開始させるように燃料および空気を燃焼室に供給する燃料インジェクタ２５および開口部を備えた前方部分つまりバルクヘッドアッセンブリ２２を備える。ヒートシールド２８は、いくつかのセグメントをなして外側シェル２６に沿って配設され、燃焼室２０内で発生した高温ガスから燃焼器アッセンブリ１４の外側特徴部を保護し、熱的に絶縁する。

燃焼室２０は、軸３０を中心として環状に設けられた中心線４４を中心に配設されている。燃焼室２０は、固定ベーンのカスケード列１８および下流のタービンアッセンブリの段にガス流３５を導く後方開放端部２４を備える。第１の固定ベーン１８は、燃焼室２０の後方開放端部２４の近傍でエアフォイル２１を支持するベース部１９を有する。ベース部１９は、エンジンアッセンブリの一部として燃焼器アッセンブリ１４の端部またはケースに固定され、燃焼器アッセンブリ１４とタービンアッセンブリ１６との間に移行領域を形成する。

後方開放端部２４に配設された内側ヒートシールド２８は、後方のセグメントつまりリップ部３６を備える。後方リップ部３６は、燃焼器アッセンブリ１４の軸方向長さ５０を越え、固定ベーン部１８へと延びている。後方リップ部３６は、ベース部１９の一部と重なり、燃焼室２０からベーン通路１８およびタービンアッセンブリ１６へと流れる冷却空気およびガス流３５に望ましい円滑なインタフェースを付与する。

図２を参照すると、後方開放端部２４は、ガス流３５のタービンアッセンブリ１６への移行領域を画定するように、固定ベーン１８と境界をなしている。内側ヒートシールド２８の高温側表面４２は、燃焼室内の高温燃焼ガス流３５にさらされている。この内側ヒートシールド２８の高温側表面４２に隣接して、冷却空気流の緩衝層が導かれる。高温側表面４２が不連続であるか、中断されると、望ましくない冷却空気流およびガス流３５の乱流が生じてしまう。固定ベーン１８へと軸方向に延びる後方リップ部３６、およびベーンに付与される円滑な曲線により、燃焼室２０の後方開放端部２４と固定ベーン部１８との間の移行は実質的に中断されない。

図３を参照すると、燃焼器ヒートシールドの後方リップ部３６と固定ベーンの端部壁１８との間のインタフェース５６の拡大図が示されている。後方リップ部３６は、燃焼器アッセンブリ１４の長さ５０を超えて軸方向距離３７に亘って延びている。固定ベーン１８は、後方リップ部３６を受けるランディング４０を有する。内側ヒートシールド２８の高温側表面４２は、インタフェース５６にわたって円滑に移行するように、固定ベーン端部壁１８の内側表面４５に対応する。このような円滑な移行は、高温側表面４２と内側表面４５とが面一に配設されることによってもたらされる。さらに、高温側表面４２は、下流の端部壁に対応または一致するように、中心線４４の方向に半径方向内側に向けて配設されてもよいし、あるいは内側表面４５に対してまたは横方向に変動してもよい。高温側表面４２と内側表面４５との間における前述の面一、半径方向内側または横方向の関係により、インタフェース５６周りのガス流３５に対して直角またはガス流を横断する構造が実質的に排除される。このような構造を排除することにより、インタフェース５６にわたる冷却空気流およびガス流３５の潜在的な乱流が実質的に減少する。

例示的なヒートシールド２８は、複数の冷却開口部４６を有しており、該開口部４６を冷却空気４８が通流して、高温側表面４２に沿って冷却空気の層が形成される。冷却開口部４６は、ヒートシールド２８内において燃焼室２０の最後方端部まで配設される。このような形態により、冷却空気流４８がインタフェース５６に流入する。例示的なインタフェース５６は冷却開口部４６を備えて図示されているが、後方リップ部３６によりもたらされる連続的で円滑な移行の利点は、冷却開口部を備えていないヒートシールド形態にも適用される。

例示的なヒートシールド２８は、燃焼室２０の後方部分に実質的に隣接する外側シェル２６に当接する支持機構２９を備える。支持機構２９は、内側ヒートシールド２８の後方部分、特に後方リップ部３６を支持する。

後方リップ部３６は、軸方向距離３７に亘って固定ベーン部１８のランディング４０へと延びている。軸方向距離３７は、好ましくは０．１０インチ〜１．０インチ（２．５４ｍｍ〜２５．４ｍｍ）であり、より好ましくは０．２０インチ〜０．５０インチ（５．０８ｍｍ〜１２．７ｍｍ）である。しかし、具体的な軸方向距離は、所望のシールの要求に応じて、かつ燃焼器アッセンブリ１４および固定ベーン１８の製造公差および熱膨張に対応するために要求される所望の公差および隙間を考慮して決定される。加えて、後方リップ部３６は、通常、ライナッセンブリ１５と固定ベーン部１８との間におけるインタフェース５６の軸方向および半径方向の外形状に適合するが、固定ベーン部１８にわたって所望の流線形の移行部分を付与するように付加的な外形状を有していてもよい。

図４および図５を参照すると、本発明による他の例示的な燃焼器ライナッセンブリ６０が図示されており、燃焼器ライナッセンブリ６０は、内側ヒートシールド６２の一部である後方リップ部６８を備える。内側ヒートシールド６２により燃焼室の内側表面６６が画定されて、燃焼室２０から固定ベーン部１８にガス流３５が導かれる。後方リップ部６８は、軸方向距離７２に亘って固定ベーン部１８へと延びている。固定ベーン部１８は、後方リップ部６８を受けるように構成、配設されたランディング７０を備える。このような重なり機構は、ヒートシールドおよびタービン端部壁のアーチ型形状に沿って、ならびにライナッセンブリと第一の固定ベーン部１８との間のインタフェース５６に沿って半径方向および円周方向に延びていてもよい。

後方リップ部６８は、第一の固定ベーン部１８へと延び、ランディング７０によって少なくとも部分的に支持されている。ヒートシールド６２の後方部分は、外側シェル６４の最後方端部に支持されない。冷却空気４８が後方リップ部６８の最後方部分に自由に流れるように、ヒートシールド６２の最後方の支持構造は後方開放端部２４の上流またはその近傍に配設される。燃焼器アッセンブリ１４の軸方向長さ５０を越え軸方向の距離７２内に配設された冷却開口部４６によって、冷却空気４８の流れが促進される。このような最後方部分への冷却空気の流れにより、設計上の融通性がもたらされるとともに、固定ベーン部１８内に導かれる冷却流の均一性と有効軸方向距離が向上する。このような冷却能力は、冷却空気流の効果を向上させ、移行領域からタービンアッセンブリ１６への温度の均一性および熱伝達を向上させることによってインタフェース５６の耐久性を改善し、かつ冷却の供給や望ましくない漏れを効果的に処理する設計上の融通性が付与される。

さらに、冷却空気流４８は、ガス流３５に対する効果的な内側表面つまり境界層として作用する。境界層をなす冷却空気流４８の有効な軸方向長さを増加させることにより、ガス流の移行的な空気力学的性質が向上する。これは、ガス流３５に対する境界空気流の急激な変化を排除することによって実現される。

図６を参照すると、後方リップ部６８は、内側表面６６に対して角度をなる冷却開口部４６を有する。ランディング７１は、ヒートシールド６２を支持するとともに、冷却空気流４８の調整を補助するようにヒートシールド６２の幾何学的形状と協働する適応された幾何学形状を有する。ランディング７１は、角度を有する表面を備えており、この表面は、ヒートシールド６２の最後方端部に隣接する冷却開口部を通して冷却空気流を導くように作用する。

図７を参照すると、単一壁ライナ７６の後方リップ部９２と固定ベーンとの間における他のインタフェース７５は、後方リップ部９２を支持するブレース７８を有する。さらに、固定エアフォイル２１とライナ７６との間におけるインタフェース７５に冷却空気流４８が導かれるように、ブレース７８は冷却空気流用の開口部８０を備える。ライナ７６は、複数の冷却空気開口部８４を有する内側表面８８を備える。後方リップ部９２は、ベース部１９のランディング９０に当接しかつ支持される。さらに、ブレース７８により、後方リップ部９２が支持されるとともに、冷却空気４８が内側表面８８に導かれるようにキャビティ８２が付与される。

このように、本発明による例示的な燃焼器アッセンブリは、燃焼器とタービンアッセンブリとの間の空気力学的移行を円滑にするように、固定ベーン部に対応する特徴部を備える。さらに、本発明を実施することによって、燃焼器／タービン設計が一体的となり、かつ燃焼器アッセンブリと固定ベーン部１８との移行領域における不連続性が減少するため、冷却空気流が改善され、漏れに対する管理が向上する。

本発明の好ましい実施例を開示したが、当業者であれば、一定の改良形態および修正形態が本発明の範囲内にあることを認識されるであろう。したがって、本発明の真の範囲および内容を判断するために添付の特許請求の範囲を検討されたい。

本発明による例示的なタービンエンジンの燃焼器およびタービンアッセンブリの概略断面図。 本発明による燃焼器アッセンブリと固定ベーン部の端部壁との間における例示的なインタフェースの概略断面図。 本発明による燃焼器アッセンブリと固定ベーン部の端部壁との間における例示的なインタフェースの概略的な拡大断面図。 本発明による燃焼器アッセンブリと固定ベーン部の端部壁との間における他の例示的なインタフェースの概略断面図。 本発明による燃焼器アッセンブリと固定ベーン部の端部壁との間における例示的なインタフェースの拡大概略図。 本発明による燃焼器アッセンブリと固定ベーン部の端部壁との間における例示的なインタフェースの他の拡大概略図。 本発明による燃焼器アッセンブリと固定ベーン部の端部壁との間における例示的なインタフェースのさらに別の拡大概略図。

Claims (14)

1. タービンエンジン用の燃焼器アッセンブリであって、
   ガス流をタービンアッセンブリに導く後方開放端部を備える燃焼室と、
   前記燃焼室の前記後方開放端部を越えた軸方向の距離に亘って少なくとも部分的に前記タービンアッセンブリへと延びる後方リップ部を備えるライナと、
   を備えるタービンエンジン用燃焼器アッセンブリ。
2. 前記タービンアッセンブリは、複数の固定ベーンを備えた移行領域を備え、
   前記後方リップ部は、前記移行領域の一部と重なることを特徴とする請求項１記載の燃焼器アッセンブリ。
3. 前記ライナは、前記後方リップ部内に配設された少なくとも一つの冷却空気用開口部を備えることを特徴とする請求項１記載の燃焼器アッセンブリ。
4. 前記燃焼室は、前記タービンエンジンの中心軸を中心として環状に配設されることを特徴とする請求項１記載の燃焼器アッセンブリ。
5. 前記ライナは、複数の長手方向のセグメントからなり、該複数の長手方向のセグメントの各々は、前記後方リップ部を有することを特徴とする請求項１記載の燃焼器アッセンブリ。
6. 前記移行領域は、前記後方リップ部の一部を受けるランディングを有することを特徴とする請求項２記載の燃焼器アッセンブリ。
7. 燃焼器アッセンブリ用のライナッセンブリであって、
   前方端部と、該前方端部から第１の軸方向距離に亘って離間された後方開放端部と、を有する外側ライナと、
   前記外側ライナに取り囲まれるとともに、前記第１の軸方向距離より後方に延びる後方リップ部を有する内側ライナと、
   を備え、
   前記後方リップ部が固定ベーン部と係合可能であることを特徴とする燃焼器アッセンブリ用ライナアッセンブリ。
8. 前記内側ライナにより、燃焼室の第１の半径方向内側表面が画定され、
   前記固定ベーン部は、前記燃焼器の中心線に対して前記燃焼器の前記第１の半径方向内側表面の半径方向外側に配設された内側表面を備えることを特徴とする請求項７記載のライナアッセンブリ。
9. 前記固定ベーン部は、前記内側ライナの前記後方リップ部を受けるランディングを備えることを特徴とする請求項８記載のライナアッセンブリ。
10. ガスタービンエンジンアッセンブリ用の燃焼器アッセンブリであって、
    内側ヒートシールドを支持する外側シェルを備えるとともに、前方端部および後方開放端部を有する環状の燃焼室を画定するライナッセンブリと、
    ガス流を燃焼室からタービンアッセンブリに導く固定ベーン部と、
    を備え、
    前記内側ヒートシールドは、前記固定ベーン部の一部と重なる後方リップ部を有することを特徴とするガスタービンエンジンアッセンブリ用燃焼器アッセンブリ。
11. 前記固定ベーン部は、前記後方リップ部を受けるランディングを備えることを特徴とする請求項１０記載の燃焼器アッセンブリ。
12. 前記内側ヒートシールドは、複数のヒートシールドからなることを特徴とする請求項１０記載の燃焼器アッセンブリ。
13. 前記固定ベーン部は、燃焼器アッセンブリの中心線から半径方向の距離を備えて配設された内側表面を備え、前記半径方向の距離が、前記中心線からの前記後方リップ部の内側表面の半径方向の距離に等しいか、またはこれより大きいことを特徴とする請求項１２記載の燃焼器アッセンブリ。
14. 前記後方リップ部は、少なくとも１つの冷却開口部を備えることを特徴とする請求項１０記載の燃焼器アッセンブリ。

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