JP2008510955A - 熱保護体のない燃焼器および燃焼器ライナの冷却 - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン燃焼器（１６）は熱保護体のない燃焼器構成を備えており、この構成では、ライナ自体（３４、３４Ａ、３４Ｂ）のドーム部に複数の孔（４６，４６’）が設けられ、それらの孔が、空気を、燃料ノズル開口部のうちの対応する１つの開口部の軸の回りをらせん形に、燃焼室へと導くように構成されている。

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジン燃焼器に関し、より詳細には、改良された性能を有する低コストな燃焼器の構成に関する。

ガスタービン燃焼器は、より良好な冷却、混合、燃料効率、性能などをより低いコストで実現するために、継続的な改良の対象である。また、新世代の非常に小型のガスタービンエンジン（すなわち、ファン径２０インチ以下、推力約２５００ポンド以下のもの）が登場してきているが、多くの物理的なパラメータ（液滴サイズ、抵抗係数、製造公差など）がサイズに応じて、線形に、または全く一定率には変らないため、より大型の構成を単純にスケールダウンすることはできない。

したがって、ガスタービン燃焼器の構成には、継続的な改良の必要性がある。

本発明に従って、燃焼室を囲うライナを備えたガスタービンエンジン燃焼器が提供され、前記ライナは、その上流端部にドーム部を含み、該ドーム部は、このドーム部中に、それぞれが燃料ノズルを受けるように構成された複数の開口部と、各開口部の回りに形成された複数の孔と、を形成しており、各開口部は、この開口部によって受けられる燃料ノズルの燃料噴射軸と概ね位置合わせされた軸を有し、上記孔は、空気を、前記開口部のうちの対応する１つの開口部の軸の回りをらせん形に、燃焼室へと導くように構成される。

また、別の態様に従って、燃焼室を囲うライナを備えたガスタービンエンジン燃焼器が提供され、該ライナは、その中に、各開口部の軸に概ね沿って燃料を燃焼室へと導く燃料ノズルを受けるようそれぞれが構成された複数の開口部を形成しており、該ライナはさらに、空気を、対応する開口部の軸の回りをらせん状に燃焼室へと導く、各開口部に対応する空気導入手段を有する。

また、別の態様に従って、ガスタービン燃焼器で燃料を燃焼する方法が提供され、その方法は、燃料と空気との混合物を軸に沿って燃焼器内へ噴射するステップと、該混合物がその中で燃焼される少なくとも１つの燃焼領域を生じるように該混合物に点火するステップと、空気を、前記軸の回りをらせん状にその燃焼器へと導くステップと、を有する。

これらのさらなる詳細および本発明の他の態様は、以下に含まれる詳細な説明および図から明らかになるであろう。

ここで、本発明の態様を示す添付の図を参照する。

図１は、好ましくは亜音速飛行に使用されるように設けられるタイプのガスタービンエンジン１０を示し、このガスタービンエンジン１０は、連続的に流体連通した、環境空気がそれによって推進されるファン１２と、空気を加圧する複数段圧縮機１４と、環状燃焼器１６とを概ね備え、この環状燃焼器１６で、圧縮空気が燃料と混合され、高温の燃焼ガスの環状流を生成するように点火され、この高温の燃焼ガスの環状流は、その後燃焼ガスからエネルギを抽出するように、燃焼器１６によってタービン部１８に再度導かれる。

図２によると、燃焼器１６は、ガス発生器囲い２２によって部分的に画定されたプレナム２０内に収容され、ディフューザ２４によって圧縮機１４から圧縮空気を供給される。燃焼器１６は、燃焼室３２をこの燃焼器中に画定する、外側ライナ２６Ａと内側ライナ２６Ｂとからなるライナ２６を概ね備える。燃焼器１６は、下記でさらに詳細が説明されるように、概ね平坦なドーム３４を好ましくは有する。外側ライナ２６Ａは、外側ドームパネル部分３４Ａと、比較的小さい曲率半径の移行部分３６Ａと、円筒形本体パネル部分３８Ａと、長い出口ダクト部分４０Ａと、を含み、一方、内側ライナ２６Ｂは、内側ドームパネル部分３４Ｂと、比較的小さい曲率半径の移行部分３６Ｂと、円筒形本体パネル部分３８Ｂと、短い出口ダクト部分４０Ｂと、を含む。出口ダクト４０Ａ，４０Ｂとは一緒になって、タービン部１８と連通する燃焼器出口４２を形成する。燃焼器ライナ２６は、好ましくはシートメタルである。以下にさらに説明されるように、複数の孔４４がライナ２６に設けられ、複数の孔４６，４６’（図４を参照）がドーム３４に設けられ、複数の孔４８が移行部３６に設けられている。

支持部５２を有し、内部のマニホルド５４から燃料を供給されるエアガイド式の複数の燃料ノズル５０が、燃焼室３２に燃料／空気混合物５８を送るために、ノズル開口部５６を通して燃焼室３２と連通している。図２に示すように、燃料／空気混合物は、円錐形をした噴射状に送られるため、したがって本明細書では、燃料噴射錐体５８と称する。

使用時には、高速の圧縮空気がディフューザ２４からプレナム２０に入る。この空気は、以下でさらに詳細に説明されるように、燃焼器１６の周囲を循環し、ライナ２６の複数の孔４４と、ドーム部３４の孔４６，４６’と、移行部３６の孔４８と、を介して、最終的に燃焼室３２に入る。燃焼器１６の内部に入ると、空気は燃料と混合されて、燃焼のために点火される。その後、燃焼ガスが出口４２を介してタービン部１８へと排出される。

図３によると、前述のように、燃焼器１６は、ライナ２６を冷却するように設けられた孔４４、４６、４８（本図にはそれらの中心線のみを示すことによって概略的に表す）をライナ中に有する（説明を簡単にするために、孔４６’は一時的に無視する）。空気を、燃焼器のライナの傾斜した孔を介して導くことによって、噴散冷却（ｅｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｏｌｉｎｇ）がしばしば実施されることが理解されるであろう。したがって、ドームパネル３４の孔４６は、ノズル５０から離れるように外向きに傾斜しており、一方、孔４４は燃焼器の下流へ傾斜している。移行部分３６Ａ，３６Ｂの孔４８は、本体パネル部分３８Ａ，３８Ｂを冷却するように、本体パネル部分３８Ａ，３８Ｂの内側に沿ってルーバー（ｌｏｕｖｅｒ）のような方式で冷却空気を導くために、本体パネル部分３８Ａ，３８Ｂに概ね平行に設けられている。本実施形態では、移行部分３６Ａ，３６Ｂは、それらに対応するドームおよび本体パネルに対して比較的小さい曲率半径の接続部を有する切頭円錐形であることに留意されたい。

次に図４によると、ドームパネル３４Ａ、Ｂの孔４６は孔４６’を含み、孔４６’は、開口部５６の回りに環状またはらせん状に空気を送るために、ノズル開口部５６の回りに、好ましくは同心の環状構成に、対応する開口部５６に対して概ね接線方向に傾斜して設けられる。孔４６’の入口／出口角度は、図４に矢印で示されており、この面から見たとき、開口部５６に対して概ね接線方向になることに留意されたい。開口部５６の回りの孔４６’のパターンは、たとえば図４に示す領域６２のように互いに混在してもよい。さらに、孔４６は、たとえば領域６２のようなある領域において、孔４６’と混在してもよい。

図５によると、使用時に、孔４６’を介して燃焼器１６に入る空気が、ノズル開口部５６の回りに、らせん状にらせん形を描く傾向にあり、これによって、以下にさらに詳細に説明されるように、燃料噴射錐体５８の回りに渦巻きを発生する。孔４６’は、好ましくは、以下にさらに説明されるように、発生された渦巻きをより良く制御するために、ドームパネル３４の平坦な端部に設けられる。

燃焼器１６は、好ましくはシートメタルで形成され、任意の適切な方法によって製造することができる。孔４４、４６、４８は、好ましくは、レーザドリルなどによって、シートメタルに穴開けされる。しかしながら、この説明に照らせば、移行部３６の孔４８は本体パネル３８Ａ，３８Ｂに極めて近接して設けられており、またそうであることが本体パネル３８Ａ，３８Ｂの良好なフィルム冷却を実現するために必要であることが理解されるであろう。しかし、この構成は、孔４８を穴開けすることでこの孔の後ろにある本体パネルを不注意に傷つけることがあり、これによって部品を廃棄する結果になることがあるため、製造を困難にしている。穴開けは、極めて精密に制御可能であるが、そのような精密さは、その部品のコストを増大することになる。しかしながら、本発明によると、小さい曲率半径の移行部分３６Ａ，３６Ｂと、平坦なドームとを備えた燃焼器１６を設けることによって、低い精度で、隣接する本体パネルを損傷するリスクを最小限にした穴開けを仕上げることができる。これは、曲面または円錐面に設けられる、穴開けされた孔の製造公差が、平らな平坦面の穴開けの同等の公差よりも、かなり大きいからである。これによって、燃焼器のドームの平坦な領域を最大にすることにより、本発明は、冷却孔がより正確に設置可能である領域を拡大することになる。これは、熱保護体のない燃焼器の構成（すなわちライナが内側の熱保護体を有さず、ドームが燃焼室に直接さらされる）では、それゆえにドームの冷却が重要となり、冷却パターンがその中で正確に実現されなければならないので、特に重要である。燃焼器のドームの製造公差を改善することによって、孔が完全には貫通して穴開けされない可能性、または穴開けされる孔の下流でライナの表面に穴開けによる損傷が起こる（すなわちレーザまたは穴開け機構が孔を仕上げた後にライナに当たることによって起こる）可能性が減少する利点がある。したがって、ドームの端部を平坦にすることによって、孔が「隅」（すなわちドームと側壁との間の交差部分）にかなり接近して穴開けされることができ、孔の下流でライナの側壁を不注意に損傷する（すなわち過度の穴開けによる）リスクが減少する。平坦なドームは、その構成によって、大型の構成における動的な問題またはゆがみ（ｂｕｃｋｌｉｎｇ）の問題を示す可能性があるが、非常に小さいガスタービンエンジンのための非常に小型の燃焼器では、この傾向は幾分減少するであろう。したがって、本発明の本態様は、非常に小さいガスタービンエンジンでの使用に特に適する。一方、従来の環状逆流形燃焼器は、動的な力およびゆがみに対して安定性を与えるために、湾曲したドームを有する。しかし、前述のように、この通常の燃焼器の形状によって、特に、熱保護体のない燃焼器のドームを設けたときに、障害および公差の問題が生じる。

図６によると、いくつかの燃焼器装置では、たとえば、囲い２２と燃焼器１６（この場合）との間の隙間ｈが狭いことや、燃焼器の外側、燃焼器のドームの外側に、（図２を再度参照して）支持体５２、燃料マニホルド５４や点火器（図示せず）もしくはその他の障害物など、気流の障害物が存在することによって起こることのある流れの制限が、ドーム３４の上流に存在する可能性がある。典型的に、このような流れの制限の結果、囲い２２とライナ２６との間の流速が、このような形状を有さないエンジンで現れるよりも速くなり、これらの速度は外側のライナ／ドームの交差部分の周囲で特に速くなり、その結果、周囲の流れよりも空気圧が低くなる「ウェーク領域（ｗａｋｅ ａｒｅａ）」（網掛け部分６０で概略的に示す）が発生することがある。その結果、ウェーク領域６０に隣接する噴散孔４６を介して燃焼器１６に入る空気は、運動量が比較的低くくなり（図６に流れの矢印を比較的密集させて概略的に示す）、それが冷却性能に悪影響を及ぼす。この問題は、２０インチ以下のファン径、２５００ポンド以下の推力を有する、次世代の非常に小型のガスターボファンエンジンでは特に深刻である。大型の従来技術のガスタービンは、ライナの周囲に「贅沢な」比較的大きい空洞（キャビティ）を有して、このような制限を全体で回避することができる。しかしながら、非常に小型のターボファンでは、空間が絶対的に貴重であり、このような流れの制限は回避できないも同然である。

図３および図６によると、ドームの上半分３４Ａにある噴散冷却孔４６が燃焼器の中央から離れるように向けられる燃焼器の構成において、ウェーク領域によって発生する問題を悪化させるのは、これらの孔に入る空気が、ウェーク領域に隣接する燃焼器の外側の気流に対して、方向が基本的に反対にならざるを得ないからである。このことが、この領域で燃焼室に入る空気の運動量をさらに減少させる。その結果、ライナの内側のこの領域の近傍では冷却効率が非常に低くなり、したがって、好ましくないことに、燃焼器の外壁近くで炎を安定させることがある。この結果、燃焼器の下半分／内側ライナ部分のドームの冷却孔が、プレナム２２の気流と概ね同じ方向を有するため、ドームの上半分および燃焼器の外側ライナが、下半分／内側ライナに比べて非常に高温になる。

この問題に取り組むために、孔４６に加えて孔４６’を設けることによって、ウェーク領域の全体的な抵抗係数（Ｃ_d）を減少させることで、本発明の冷却孔のパターンがウェーク領域の流れを改善し、したがって、空気がより直接的に燃焼器に入ることができるようになる（プレナム２０内の主な流れと比較して、孔４６’は角度が急ではないので、したがって空気は、孔４６を介するよりも孔４６’を介する方が、より大きい運動量で燃焼器１６に入ることができるからである）。孔４６’から出るこのより大きい運動量を有する空気が、ライナ壁近くで炎が安定化するのを妨げるように、孔４６がライナの壁から燃料を押しのけるのを、促進する。

しかし、さらに重要なことには、スパイラルまたはらせん状の流れはまた、燃料噴射錐体５８が横方向に広がるのを押さえる助けをする。再び図５によると、上記のように、孔４６’のパターンによって、ライナ内側の空気が燃料ノズルの回りでドーム部３４から離れるようにらせん状に動くまたは渦巻き状に回転し、燃焼室３２へと入るようにする。こうして、燃料噴射錐体の幅を狭くすることによって、燃料噴射体をドームパネル３４から、ならびにドームに隣接した外側および内側のライナパネルの上流部分から、離れた状態に保つことを促進する。当業者は、燃料噴射錐体５８の寸法は、ノズルの特性によっても制御可能である（たとえば噴射錐体は、より多くの空気をノズルスワラに使用すること、またはより狭いノズル錐体を有するノズルを設けることによって、狭められることができる）ことを理解するであろうが、そのようなノズルに基づいた制御方法は、本発明の解決策ほど好ましくはなく、なぜなら本発明は、燃焼器の壁を冷却するために、すでに使用している冷却空気を利用しており（これにより多くの誘導空気を使用することに比べて効率を改善できる）、また、ノズルスワラから発生されるより狭い噴射体は、長い燃焼器ライナを必要とする（そうでなければ燃料がＬＥＤ ４０Ａに衝突してＬＥＤ ４０Ａを燃やしてしまう）ため、本発明は、燃焼器の長さを短くできるからである。したがって、本発明は、効率およびサイズ縮小の双方の改善を容易にする。

また、ライナの内側のらせん形の流れは、このらせん形の流れが密度の低い燃料粒子からなる燃料噴射錐体の外殻を「攻撃」し、これにより燃焼室の燃料／空気の混合を改善するので、燃料／空気の混合をより良好にし、したがってエンジンの再点火特性をも改善する。

本発明の孔の配置によって、新規な燃焼器の気流パターンが生じる。従来は、燃焼器の内部の空気力学によって、ライナの内側に単一の環状または二重の環状流のどちらかが起こっていたが、本発明は、ライナの内側に導入されたらせん形の流れによって新規な空気力学的パターンを生じさせる。

本発明は、平坦なドームパネルを有する燃焼器において最良の実施形態であると考えられる。本発明は円錐形、湾曲したまたはその他の形状のドームパネルにも適用可能であるが、ライナの内側に導入されるらせん形の流れは、平坦なドームパネルにおける本発明の孔の配置によって与えられる流れより劣るであろうと考えられる。

上記の説明は、例示のみを意図し、開示された本発明の範囲を逸脱することなく、説明された実施形態に対してさらなる変更を行えることを、当業者は理解するであろう。たとえば、本発明は、いかなる適切な環状燃焼器の構成においても実現することができ、ターボファンエンジンでの適用に限らない。また、孔４６’は同心の環状構成で設ける必要はなく、いかなる適切なパターンでもよいことが理解されるであろう。孔４６，４６’は、ドーム部３４の別々の領域に設けられる必要はなく、その代わり重なり合う領域において混在していてもよい。隣接するノズル開口部５６の回りの孔４６’は、同様に互いに混在していてもよい。各ノズルの回りの渦巻き状の流れの方向は、同じ方向であることが好ましいが、かならずしもそうである必要はない。それぞれのノズルに渦巻きを必要とはしないが、それぞれのノズルに渦巻きがあることが好ましい。空気を導く孔の使用が好ましいが、その代わりに、または孔に加えて、スリット、ルーバーなどのような他の手段を用いてもよい。当業者には、本開示の吟味に照らして、さらに他の変更例も明白になるであろうし、そのような変更例は添付の特許請求の範囲に含まれることが意図される。

環状燃焼器を有するターボファンエンジンの略断面図。 図１の燃焼器の拡大図。 内部に形成されてよい孔の一部を概略的に示す、本発明の燃焼器の代替実施形態の拡大図。 図２の燃焼器のドーム部の内側端面図。 使用時の装置を概略的に示す、図２と同様の図。 使用時の装置の一態様を概略的に示す、図３と同様の図。 本発明の上記一態様の一効果を示す、図６と同様の図。

Claims (20)

1. 燃焼室を囲むライナを備えたガスタービンエンジン燃焼器であって、前記ライナが、このライナの上流端部にドーム部を含み、前記ドーム部が、この中に、各々が燃料ノズルを受けるように構成された複数の開口部と、各々の開口部の回りに形成された複数の孔と、を形成しており、前記開口部が、この開口部によって受けられる燃料ノズルの燃料噴射軸と概ね位置合わせされた軸を有しており、前記孔が、前記開口部のうちの対応する１つの前記開口部の前記軸の回りをらせん形に前記燃焼室へと空気を導くように構成されたガスタービンエンジン燃焼器。
2. 前記孔が、前記開口部の回りに実質的に周方向に形成された請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
3. 前記孔が、その対応する開口部の前記軸の回りに同心状に形成された請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
4. 前記孔が、少なくとも１つの開口部の回りに複数列に形成された請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
5. 前記複数列が互いに同心である請求項４に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
6. 前記燃焼器が、１つの開口部に対応する少なくともいくつかの孔が、他の開口部に対応する少なくともいくつかの孔と混在する領域を含む請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
7. 前記燃焼器が、１つの開口部に対応する少なくともいくつかの孔が、孔の第２の組と混在する領域を含み、前記第２の組がらせん形でない空気の流れを前記燃焼器へと導くように構成された請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
8. 前記孔が、前記開口部に対して概ね接線方向に燃焼器へと空気を入れるように傾斜された請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
9. 前記孔が、使用時に、前記燃料ノズルを介して前記燃焼器に入る燃料の横方向の広がりを制限するために、十分な強さの渦巻き状に空気を導くように構成された請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
10. 前記開口部および前記孔が、前記軸に対して実質的に直角をなす前記ドーム部の一部に設けられた請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
11. 前記開口部および前記孔が、前記ドーム部の概ね平坦な部分に設けられた請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
12. 燃焼室を囲むライナを備えたガスタービンエンジン燃焼器であって、前記ライナが、このライナ中に、各開口部の軸に概ね沿って燃料を前記燃焼室へと導く燃料ノズルを受けるように各々が構成された複数の開口部を形成しており、前記ライナがさらに、空気を対応する開口部の軸の回りにらせん状に前記燃焼室へと導く、各開口部に対応する空気導入手段を有するように構成されたガスタービンエンジン燃焼器。
13. 前記空気導入手段が、前記空気を、前記対応する開口部に対して概ね接線方向に前記燃焼室へと導く手段を備えた請求項１２に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
14. 前記空気導入手段が、実質的に前記開口部の各々の回りに配置された請求項１２に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
15. 前記空気導入手段が、前記開口部の各々と同心状に配置された請求項１２に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
16. 前記空気導入手段が、前記軸に対して実質的に直角をなすように配置された請求項１２に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
17. 前記空気導入手段が、前記ライナの概ね平坦な部分に設けられた請求項１２に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
18. ガスタービン燃焼器内で燃料を燃焼させる方法であって、
    燃料と空気との混合物を、軸に沿って前記燃焼器に噴射するステップと、
    前記混合物がその中で燃焼される少なくとも１つの燃焼領域を作るように、前記混合物に点火するステップと、
    空気を、前記軸の回りにらせん状に前記燃焼器へと導くステップと、
    を有するガスタービン燃焼器での燃料の燃焼方法。
19. 前記空気が、前記燃焼領域の回りにらせん状に導かれる請求項１８に記載のガスタービン燃焼器での燃料の燃焼方法。
20. 前記燃焼領域の前記軸に対する横方向の幅を制御するために、前記らせん状に導かれる空気を用いるステップをさらに有する請求項１８に記載のガスタービン燃焼器での燃料の燃焼方法。

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