JP2009057970A - タービンへの冷却空気を供給するためのセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＰタービンホイールを冷却する燃焼室の分野に関する。
【解決手段】燃焼室（１０）が、燃焼室の半径方向内側壁（１５１）と燃焼室の内側フランジ（２１）との間に配置されるセパレータ（７０）を取り付け、セパレータ（７０）は、管部分（７６）および締結具部分の両方を有し、管部分（７６）は、燃焼室の主軸を中心として置かれ、その上流端部（７９）は、燃焼室の上記の半径方向内側壁におけるオリフィス（５１）から上流に位置し、締結具部分は、燃焼室に固定されており、その結果、管部分（７６）は、上記の半径方向内側壁（１５１）に沿って進む空気の流れを上記の管部分（７６）と燃焼室の内側フランジ（２１）との間を通過する内部空気流（Ｆ_ｉ）と、半径方向内側壁（１５１）と上記の管部分（７６）との間を通過する外側空気流（Ｆ_ｅ）と、に分割されるようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、環状燃焼室の分野に関する。

以下の説明において、「上流」および「下流」なる語は、燃焼室の環状壁の外側に沿った空気の通常の流れの方向に対して定義される。「内側」および「外側」などの語は、特に指定のない限り、燃焼室の主軸に近い方または燃焼室の主軸から遠い方である位置を特徴付ける。

現在のターボ機械は、ターボ機械の主軸を軸対称に有する環状燃焼室を備えている。１つのそのような燃焼室が、図５に示されている。燃焼室は通常、燃料噴射装置１３および酸化空気入口を含む端壁１２と、ターボ機械（図示せず）の主軸Ａに実質的に平行な燃焼室１０の長手方向の選択（ｅｌｅｃｔｉｏｎ）において延在する（したがって、上流から下流の方向に対応する）環状壁１５と、によって画定される。燃焼室１０は、端壁１２によってその上流端部で閉鎖され、燃焼室１０は、その下流端部１７で長手方向において開放され、既燃ガスを排気することができるようになっている。この環状壁１５は通常、環状内側シュラウド（半径方向内側壁）１５１および環状外側シュラウド（半径方向外側壁）１５２によって構成される。内側シュラウド１５１および外側シュラウド１５２は、ターボ機械の主軸Ａを中心にして同軸であり、内側シュラウド１５１は、外側シュラウド１５２よりターボ機械の主軸に近い。すなわち、内側シュラウド１５１は、外側シュラウド１５２の半径より小さい半径を有する。

端壁１２から上流に、燃焼室１０の上流環状内側壁１１は、内側シュラウド１５１を上流に延在する。

環状壁１５は、複数の大きめまたは小さめのサイズのオリフィスによってその全体領域にわたって（またはその主要部分にわたって）穿孔され、オリフィスは、燃焼室１０内に空気を通すことができる。燃焼室１０の外側で内側シュラウド１５１に沿って流れ、続いてこれらのオリフィスを経て上記の燃焼室内に入る空気は、上記の内側シュラウド１５１と燃焼室の内側フランジ２１と呼ばれる壁との間を流れる。環状であり、かつ燃焼室の内側シュラウド１５１と同軸であるこの内側フランジ２１は、したがって、内側シュラウド１５１の半径より小さい半径を有する。内側フランジ２１は、オリフィスによって穿孔され、その一部（上流オリフィス２１５）は、燃焼室１０の内側シュラウド２１の中央部分（すなわち、燃焼室１０の端壁１２と内側フランジ２１の下流端部２１７との間の中間）に実質的に面するその上流部分に位置している。したがって、内側シュラウド１５１に沿って流れる空気は、これらの上流オリフィス２１５を部分的に通過する。一旦、空気がこれらの上流オリフィスを通過すると、この空気は、そこから下流に位置している高圧（ＨＰ）タービンホイールを冷却する。

燃焼室の内側壁のこの配置のため、および内側フランジにおけるオリフィスのために、ＨＰタービンホイールを冷却するために内側フランジにおけるオリフィスを通過するための空気の流れは、燃焼室の影響を受けやすい。これらのオリフィスを通過する前に、この空気は、高温であり、かつ空気入口オリフィスによって穿孔も施される内側壁と接触し、したがって、この空気は、対流によって加熱されやすい。この空気はまた、燃焼室におけるこれらのオリフィスによる放射によって加熱されやすい。この放射は、燃焼の炎から生じる。さらに、燃焼の不安定性は、燃焼室におけるオリフィスを通る空気の流れにおける乱流を生成する。この乱流は、ＨＰホイールへ冷却空気の供給の妨げに寄与する可能性がある。

全体的に見て、したがってこの空気は、空気の機能がＨＰタービンホイールを冷却することであるために、有害な加熱に曝されやすい。

本発明は、ＨＰタービンホイールを冷却するために、空気の加熱を低減する装置を提供し、燃焼室から伝搬する燃焼の不安定性によって、この空気に引き起こされる外乱を低減しようとしている。

本目的は、燃焼室が上記の燃焼室の半径方向内側壁と上記の燃焼室の内側フランジとの間に配置されるセパレータを取り付け、上記のセパレータが管部分および締結具部分の両方を含み、管部分が上記の燃焼室の主軸を中心として置かれ、燃焼室の上記の半径方向内側壁におけるオリフィスから上流に位置している上流端部を有し、締結具部分が上記の燃焼室に固定されており、上記の管部分がその上流端部で燃焼室の上記の半径方向内側壁と上記の内側フランジとの間に位置するフローセクションを内側環状フローセクションおよび外側環状フローセクションに分割するように作用し、その結果、半径方向内側壁に沿って通過する空気の流れが、上記の管部分と上記の燃焼室の外側フランジとの間を通過する内側空気流と、上記の半径方向内側壁と上記の管部分との間を通過する外側空気流と、に分割されるようになっていることによって達成される。

これらの配置によって、ＨＰタービンホイールを冷却するためである内側空気流は、対流および燃焼室の壁からの放射または炎からの放射によって加熱されることはもはやなく、燃焼室の内側壁のオリフィスを通り抜ける燃焼室の不安定性によって妨げられることももはやない。したがって、燃焼室とＨＰタービンホイールを冷却するための空気の流れとの望ましくない相互作用は、著しく減少されるか、またはさらに排除される。

好都合なことに、締結具部分は、管部分から主軸に向かって延在する半径方向部分であり、上流から下流に空気を通過させるための主要孔によって穿孔される。

したがって、セパレータは、燃焼室の（高温の）壁に直接的に締結されず、したがって、燃焼室からの固体伝導によって加熱されない。内側空気流の加熱を回避するために、セパレータは、可能な限り冷却することが必要であるため、この配置は、好都合である。

本発明は、非限定的な実施例として与えられる実施形態の以下の詳細な説明を読めば、十分に理解されることができ、その利点がより明確になる。説明は、添付図面を参照する。

図１は、ターボ機械の燃焼室１０を燃焼室に隣接する構造と共に示している。本発明の要素を無視すれば、この燃焼室は、上述の従来技術の燃焼室（図５）と同一である。したがって、図１および図５に共通である部分は、同一の参照符号が与えられ、これらについては再び記載しない。外側シュラウド１５２の下流端部は、環状外側フランジ２２によって半径方向外向きに延在し、内側シュラウド１５１の下流端部は、環状内側フランジ２１によって半径方向内向きに延在している。したがって、これらのフランジは、燃焼室１０に固定される。外側フランジ２２および内側フランジ２１は、燃焼室１０を包囲するケーシング壁３０に接着され、したがって、燃焼室をケーシングに締結するように機能し、ケーシングは、ターボ機械に固定される。

内側フランジ２１は、内側シュラウド１５１の下流端部を内向きに、次に上流へ延在し、内側シュラウド１５１と同軸である内側フランジ２１が、内側シュラウド１５１の半径より小さい半径を有するようになっている。したがって、内側フランジ２１は、内側シュラウド１５１と協働し、下流環状フローセクション４０を画定する。

内側フランジ２１の上流端部２１１は、半径方向であり、（たとえば、上記の上流端部２１１に沿って円周方向に分散される複数のナットおよびボルトによって、）ケーシング壁３０の半径方向下流端部３０１に締結される。ケーシング壁３０は、内側フランジ２１を上流へ延在し、それによって、燃焼室１０の上流環状内側壁１１と協働して、（下流環状フローセクション４０を経て下流へ延在する）上流環状フローセクション４９を画定する。

内側フランジ２１の上流端部２１１は、（燃焼室の端壁１２と略同じ高さで、上流へ終端する）内側シュラウド１５１の上流部分と実質的に同一の高さで長手方向に位置している。図に示された実施例において、この上流端部２１１は、端壁１２と内側フランジ２１の下流端部２１７との間の長さの実質的に上流の最初の４分の１において、長手方向に位置している（この下流端部２１７は、燃焼室１０の下流端部１７に位置している）。

通常は、下流環状フローセクション４０は、上流から下流に先細りになっており、その結果、内側フランジ２１の上流端部２１１と同じ高さの下流環状フローセクション４０の半径方向のサイズは、内側フランジ２１の下流端部２１７と同じ高さの環状フローセクション４０の半径方向の寸法より大きい。

上記で説明したように、内側フランジ２１は、上流オリフィス２１５を含むオリフィスによって穿孔される。内側フランジ２１のこれらの上流オリフィス２１５を通過する上流環状フローセクション４９から生じる空気の部分は、ＨＰタービンホイール（図示せず）を冷却するように機能する。図１において、上流オリフィス２１５を通過した後、この空気は、タービンを冷却する前に、構造６０を通過する。

本発明によれば、セパレータ７０が、下流環状フローセクション４０、すなわち、内側シュラウド１５１と内側フランジ２１およびケーシング壁３０によって構成される組立体との間に配置される。図２および図３に示されているように、セパレータ７０は、燃焼室１０の主軸Ａを中心として置かれる管部分７６と、管部分７６から主軸Ａに向かって半径方向に延在し、主軸Ａに平行に向けられる主要孔７２によって穿孔される半径方向部分７１と、を備える。

たとえば、セパレータ７０の半径方向部分７１は、上記の管部分７６の上流半分におけるセパレータ７０の管部分７６に接続される。たとえば、半径方向部分７１は、管部分７６の上流の最初の４分の１または上流の最初の３分の１における管部分７６に接続される。

したがって、図２に示されているように、セパレータ７０の管部分７６は、その上流端部７９から下流環状フローセクション４０を上流から下流の方向における２つの半分、第一に燃焼室１０の内側シュラウド１５１と上記の管部分７６との間に位置する外側環状フローセクション８１に、第二に管部分７６と内側フランジ２１およびケーシング壁３０によって構成される組立体との間に位置している内側環状フローセクション８２に分割するように作用する。さらに正確に言えば、セパレータ７０の半径方向部分７１から上流に位置している管部分７６の部分７８が、ケーシング壁３０と内側シュラウド１５１との間にある。

したがって、セパレータ７０の半径方向部分７１は、ケーシング壁３０と内側フランジ２１との境界に位置している。セパレータ７０は、その半径方向部分７１の半径方向内側端部を介して内側フランジ２１に締結される。

たとえば、半径方向部分７１の半径方向内側端部は、上記の半径方向部分（７１）を上記の内側フランジ（２１）に締結するための締結装置を収容するのに適した締結具孔７１１によって穿孔される。たとえば、締結は、ボルト締めによって実行されることができる。したがって、半径方向部分７１の半径方向内側端部は、内側フランジ２１の半径方向上流端部２１１とケーシング壁３０の半径方向下流端部３０１との間に挟まれる。この上流端部２１１および下流端部３０１を共に保持するボルトは、締結具孔７１１を通過し、上流端部２１１、半径方向部分７１の内側端部および下流端部３０１によって構成される組立体が、ボルトの上に締め付けられるナットによって固定されている。したがって、セパレータ７０は、下流環状フローセクション４０において所定の位置に確実に保持される。

上述したように、セパレータ７０の管部分７６は、上流から下流への方向において下流環状フローセクション４０を燃焼室１０の内側シュラウド１５１と上記の管部分７６との間に位置している内側環状フローセクション８２および外側環状フローセクション８１に分割する。管部分７６は、その機能が、内側環状フローセクション８２中を流れる空気から（燃焼室１０によって加熱されるような）外側環状フローセクション８１中を流れる空気を分割することであるため、孔を有していない。したがって、管部分７６は、内側環状フローセクション８２中を流れる空気と燃焼室１０との間のスクリーンを構成する。

したがって、上流環状フローセクション４９から来る空気は、セパレータ７０の管部分７６の上流端部７９で下流環状フローセクション４０の中で、外側環状フローセクション８１を通過する外側空気流Ｆ_ｅと、内側環状フローセクション８２を通過する内側空気流Ｆ_ｉと、に分割される（これらの流れは、図２において矢印によって表されている）。

したがって、外側環状フローセクション８１の（半径方向）断面は、セパレータ７０がない場合には、下流環状フローセクション４０の断面より小さい。さらに、セパレータ７０の管部分７６および特にセパレータの半径方向部分７１から上流に位置しているその部分７８は、燃焼室１０の内側シュラウド１５１に実質的に平行である。したがって、外側環状フローセクション８１は、実質的に一定の断面からなり、上流から下流に進むときに、内側フランジ２１が、内側シュラウド１５１に向かって近づくのであれば、セパレータ７０がない場合には、そのようにならない。

外側環状フローセクション８１のこの特性（実質的に一定の断面）は、空気のよりよい流れをもたらし、したがって、外側環状フローセクション８１内のマッハ数における増大をもたらす。マッハ数におけるこの増大は、燃焼室１０の内側シュラウド１５１に関する対流によってよりよい冷却を提供する。本発明者らによって行われた試験は、マッハ数における増大が、１０％〜２０％程度であることを示している。

内側フローセクション８２を貫通するときに、内側空気流Ｆ_ｉは、ケーシング壁３０と内側シュラウド１５１との間を流れる。次に、この内側空気流Ｆ_ｉは、セパレータ７０の半径方向部分７１の主要孔７２を通り抜け、内側フランジ２１と内側シュラウド１５１との間で画定される内側フローセクション８２の部分を貫通する。その管部分７６の下流端部７７で、セパレータ７０は、内側フランジ２１と接触し、その結果、内側環状フローセクション８２の下流端部が閉鎖される。たとえば、図２に示されているように、下流端部７７が、環状突出部を構成する内側フランジ２１の一部２７と接触する。

上述したように、内側フランジ２１は、その上流部分において、上流オリフィス２１５を提供する。これらの上流オリフィス２１５は、内側フランジ２１の一部２７と上流端部２１１との間に位置している。その結果、空気の内側流れＦ_ｉは、内側環状フローセクション８２から出るために、内側フランジ２１の上流オリフィス２１５を通過する。その後で、この内側空気流Ｆ_ｉは、冷却されることになっているＨＰタービンホイールに向かって流れる。

セパレータ７０の下流端部７７に関して、内側フランジ２１の一部２７の上を単に滑動することが可能であり、それによって、セパレータ７０を内側フランジ２１の中心に置くことを助ける。

あるいは、セパレータ７０の下流端部７７は、たとえば、ろう付けによって内側フランジ２１の一部２７に締結されることができる。この締結は、ボルト締めによって行われないことが好ましく、それによって、内側フランジ２１上にセパレータ７０を組み立てることがさらに容易となる。したがって、セパレータ７０は、その半径方向部分７１の半径方向内側端部およびその管部分７６の下流端部７７の両方を介して内側フランジ２１に締結される。このようにセパレータ７０を二度締結することにより、セパレータ７０を内側フランジ２１によりよく固定することができる。さらに、セパレータ７０の半径方向部分７１が、上記の管部分７６の上流の半分においてセパレータ７０の管部分７６に接続されるため、セパレータ７０は、その上流端部および下流端部の両方を介して内側フランジ２１に締結され、それによって、セパレータ７０が位置決めされる安定性を改善し、構造を強化する。

さらに一般的には、半径方向部分７１の代わりに、セパレータ７０は、燃焼室１０に固定される締結具部分を有することが可能である。

たとえば、セパレータ７０は、その管部分７６の下流端部７７を介して、内側フランジ２１（たとえば、内側フランジ２１の部分２７）に（たとえば、溶接によって）強固に締結されることが可能である。そのような状態の下で、セパレータ７０は、管部分７６のみを有し、半径方向部分７１を含まず、下流端部７７は、締結具部分となる。そのような解決策は、（もはや通過すべき半径方向部分がないため）内側空気流Ｆ_ｉが、妨げられることなく内側環状フローセクション８２内を流れるという利点を提供する。

あるいは、締結具部分は、上記の管部分７６の上流半分において、管部分７６に接続可能である。

セパレータの管部分７６の上流端部７９は、燃焼室１０の内側シュラウド１５１のオリフィスから上流へ位置している。この状況が、図２に示されており、上流端部７９は、最も遠い上流に位置している内側シュラウド１５１のオリフィス５１から上流に距離ｄの位置にある。例として、この距離ｄは、１５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にある。

したがって、内側空気流Ｆ_ｉは、セパレータ７０の管部分７６によって燃焼室１０の内側シュラウド１５１から完全に分離されることが理解される。結果として、内側空気流Ｆ_ｉは、内側シュラウド１５１と接触しないため、対流によって加熱されることがなく、内側シュラウド１５１におけるオリフィスを通過する炎からの放射によって加熱されることもなく、これらのオリフィスを通過する燃焼の不安定性によって妨げられることもない。したがって、内側空気流Ｆ_ｉは、ＨＰタービンを冷却する際に、さらに効果的である可能性がある。

さらに、セパレータ７０の管部分７６の上流端部７９の前縁は、丸みを帯びることができ、それにより、燃焼室１０に沿って進むことになっている外側空気流Ｆ_ｅおよびＨＰタービンホイールを冷却することになっている内側空気流Ｆ_ｉの両方の流れを改善することができる。

上述したように、セパレータの半径方向部分７１は、内側空気流Ｆ_ｉを通過させるための主要孔７２を提供する。これらの主要孔７２は、この管部分７６と、半径方向７１が内側フランジ２１と遭遇する位置との間で、管部分７６の近くに位置している。

例として、これらの主要孔７２は、半径方向部分７１の全周にわたって分配される。たとえば、主要孔７２は、図４Ａに示されているように、円形であってもよく、または図４Ｂに示されているように、互い違いにした構成に配置されている三角形（すなわち、任意の２つの隣接する三角形が菱形を形成する）であってもよい。

これらの主要孔７２は、半径方向部分７１の有効断面における最大可能面積を占め、これらの主要孔７２を通る空気の流れにおけるヘッドロスを低減すると同時に、依然として、セパレータ７０が、十分な機械的強度の特性を保持可能であるようにする。半径方向部分７１の有効断面は、内側空気流Ｆ_ｉに曝されやすいこの半径方向部分の領域であるものとして画定される。したがって、この有効断面は、半径方向部分７１が管部分７６と接合する位置（この位置は、図に示されている実施例では実質的に円形である）と半径方向部分７１が内側フランジ２１と接触している位置（この位置は、図に示されている実施例では実質的に円形である）との間で延在している環状領域である。たとえば、主要孔７２の面積は、半径方向部分７１の有効断面の６０％〜８０％を占める。

セパレータの材料は、５５０℃までの温度に耐えるのに適している。例として、この材料は、ニッケル／クロムに基づく鋼であってもよい。

上述の燃焼室は、ターボ機械用の燃焼室である。燃焼室はまた、任意の燃焼室を構成することも可能である。

本発明のセパレータを示すターボ機械燃焼室の長手方向の図である。 ターボ機械にどのように締結されるかを示す本発明のセパレータの長手方向断面図である。 本発明のセパレータを部分的に示す断面における斜視図である。 本発明のセパレータを示す図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って切り取った断面図である。 本発明のセパレータの別の実施形態の断面図である。 従来技術のターボ機械燃焼室の長手方向の図である。

符号の説明

１０ 燃焼室
１１ 上流環状内側壁
１２ 端壁
１３ 燃料噴射装置
１５ 環状壁
１７ 燃焼室の下流端部
２１ 内側フランジ
２２ 外側フランジ
２７ 内側フランジの一部
３０ ケーシング壁
４０ 下流環状フローセクション
４９ 上流環状フローセクション
５１ 内側シュラウドのオリフィス
６０ 構造
７０ セパレータ
７１ 半径方向部分
７２ 主要孔
７６ 管部分
７７ 管部分の下流端部
７８ 管部分の上流部分
７９ 管部分の上流端部
８１ 外側環状フローセクション
８２ 内側環状フローセクション
１５１ 環状内側シュラウド
１５２ 環状外側シュラウド
２１１ 内側シュラウドの半径方向上流端部
２１５ 上流オリフィス
２１７ 内側フランジの下流端部
３０１ ケーシング壁の半径方向下流端部
７１１ 締結具孔
Ａ ターボ機械の主軸
ｄ 距離
Ｆ_ｉ 内側空気流
Ｆ_ｅ 外側空気流

Claims (12)

1. 燃焼室の半径方向内側壁（１５１）と前記燃焼室の内側フランジ（２１）との間に配置されるセパレータ（７０）が取り付けられ、前記セパレータ（７０）が、管部分（７６）および締結具部分の両方を含み、管部分（７６）が、前記燃焼室の主軸を中心として置かれ、燃焼室の前記半径方向内側壁（１５１）におけるオリフィス（５１）から上流に位置している上流端部（７９）を有し、締結具部分が、前記燃焼室（１０）に固定されており、前記管部分（７６）が、その上流端部（２９）で燃焼室の前記半径方向内側壁（１５１）と前記内側フランジ（２１）との間に位置するフローセクション（４０）を内側環状フローセクション（８２）および外側環状フローセクション（８１）に分割するように作用し、その結果、半径方向内側壁（１５１）に沿って通過する空気の流れが、前記管部分（７６）と前記燃焼室の外側フランジ（２１）との間を通過する内側空気流（Ｆ_ｉ）と、前記半径方向内側壁（１５１）と前記管部分（７６）との間を通過する外側空気流（Ｆ_ｅ）と、に分割されることを特徴とする、環状燃焼室（１０）。
2. 前記締結具部分が、管部分（２６）の下流端部（２７）であり、前記下流端部（２７）が、前記内側フランジ（２１）に確実に締結されることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室（１０）。
3. 前記締結具部分が、前記管部分（７６）から前記主軸に向かって延在する半径方向部分（７１）であることと、前記締結具部分が、上流から下流へ内側空気流（Ｆ_ｉ）の空気を通過させるための主要孔（７２）によって穿孔されることと、を特徴とする、請求項１に記載の燃焼室（１０）。
4. 前記セパレータ（７０）が、その半径方向部分（７１）の半径方向内側端部によって前記内側フランジ（２１）に締結されることを特徴とする、請求項３に記載の燃焼室（１０）。
5. 前記半径方向部分（７１）の半径方向内側端部が、前記内側フランジ（２１）上に前記半径方向部分（７１）を締結するための締結装置を収容するために適した孔（７１１）によって穿孔されることを特徴とする、請求項４に記載の燃焼室（１０）。
6. 前記セパレータ（７０）が、その管部分（７６）の下流端部（７７）を介して、前記内側フランジ（２１）と接触していることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載の燃焼室（１０）。
7. 前記主要孔（７２）の面積が、前記半径方向部分（７１）の有効断面の面積の６０％〜８０％を占めることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一項に記載の燃焼室（１０）。
8. 前記主要孔（２２）が、前記半径方向部分（７１）の全周にわたって分配されることを特徴とする、請求項３〜７のいずれか一項に記載の燃焼室（１０）。
9. セパレータ（７０）の前記締結具部分が、前記管部分（７６）の上流半分で、前記管部分（２６）に接続されることを特徴とする、請求項１、３〜８のいずれか一項に記載の燃焼室（１０）。
10. 管部分（７６）の前記上流端部（２９）の前縁が、丸みを帯びていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃焼室（１０）。
11. セパレータ（７０）の前記管部分（７６）が、前記燃焼室（１０）の前記半径方向内側壁（１５１）に実質的に平行であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃焼室（１０）。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃焼室（１０）を備えたターボ機械。

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