JP2009103439A - 希釈および冷却が最適化された燃焼チャンバ壁およびそれを備えた燃焼チャンバおよびターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に実施することができ、多孔オリフィスによりチャンバ壁が冷却される場合に、汚染排気を増加させず、またはチャンバ出口における温度分布にマイナス影響を与えないで、高温領域の発生を避けることを可能にする単純な解決策を提供すること。
【解決手段】本発明はターボ機械の分野に関し、希釈空気および冷却空気の供給が最適化された燃焼チャンバ（４）に関する。特に、本発明は、燃焼チャンバの壁（７ａ、７ｂ）にある希釈孔（３０ａ、３０ｂ）の位置の最適化に関する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ターボ機械の分野を対象とし、希釈空気および冷却空気の供給を最適化する燃焼チャンバに関する。

特に、本発明は、燃焼チャンバの壁にある希釈孔の位置を最適化することに関する。

以下の説明において、用語「上流側」または「下流側」は、ガスフローの方向を基準点として、構成要素の軸方向の互いに対する位置を示すのに使用される。同様にして、用語「内側の」または「径方向内側の」や「外側の」または「径方向外側の」は、ターボ機械の回転軸を基準点として、構成要素の径方向の互いに対する位置を示すのに使用される。

ターボ機械は、加圧空気を燃焼チャンバへ送る１つまたは複数の圧縮機を備える。燃焼チャンバでは、空気は燃料と混合され、着火されて高温燃焼ガスを発生させる。これらのガスは、１つまたは複数のタービンに向かうチャンバの下流側に向かって流れる。タービンは、このように受けたエネルギーを変換して、圧縮機（単数または複数）を回転させ、例えば航空機に動力を提供するのに必要なエネルギーを提供する。

典型的には、航空分野で使用される燃焼チャンバは、チャンバ端壁により上流側端部で相互接続された内壁と外壁とを備える。チャンバ端壁は、周方向に離間した複数の開口部を有し、各開口部は空気と燃料との混合物をチャンバへ導入するのを可能にする噴射装置を収容する。

燃焼チャンバは、圧縮機から流出する空気と混合された液体燃料を供給される。液体燃料は、燃料が微細液滴に気化される噴射器により、チャンバに供給される。次に、燃料は燃焼チャンバ内で燃焼され、それにより圧縮機から流出する空気の温度を上げることができる。

一般的に、燃焼チャンバは多数の要求を満たさなければならず、それに応じた寸法にしなければならない。まず第一に、燃焼チャンバは、最適な方法で燃料を使用できる、つまり、最高の燃料効率を達成できるようにしなければならない。さらに、燃焼チャンバは、タービンに高温ガスを供給しなければならず、チャンバからの出口における高温ガスの温度分布は、必要な信頼性に見合うだけでなく、できる限り均一なものでなければならない。また、燃焼チャンバは、流れのエネルギーの低下をできる限り抑えなければならず、したがって、その入口と出口との間の圧力降下を最小にしなければならない。最後に、燃焼チャンバを構成する部品は、チャンバ壁の温度の低下に必要な十分な機械的安定性を有することが必要である。

燃焼チャンバ内部では、２つのゾーンが物理的に対応する２つの主要な段階で燃焼が発生する。第１のゾーン（一次ゾーンとも呼ばれる）において、空気／燃料の混合物は、化学量論的比率である、またはその比率に近い。空気／燃料の混合物を生成するために、噴射器およびチャンバ端壁の領域で、および一次孔と呼ばれる第１の列のオリフィスを介してチャンバ壁を通って、空気が一斉に噴射される。一次ゾーンにおいて、化学量論的条件下、またはそれに近い条件下の混合物を有することで、最高の反応速度の十分な燃焼効率を得ることができる。反応速度とは、空気／燃料の混合物の成分のうちの１つが消滅する速度を意味する。さらに、確実に燃焼が完了するために、空気／燃料の混合物はこの一次ゾーンに十分な時間の長さで残留しなければならない。一次ゾーンでの燃焼で生じたガスにより到達した温度は非常に高い。例えば、タービンおよびチャンバを構成する材料の十分な機械的安定性に対応できない２０００℃に達する場合もある。したがって、これらのガスを冷却する必要があり、何らかの冷却が二次ゾーンで行われる。一般に、一次ゾーンはチャンバの長さのほぼ３分の１である。

第２のゾーン（希釈ゾーンとも呼ばれる）では、圧縮機から流出する外気（希釈空気と呼ばれる）が、希釈孔と呼ばれるオリフィスによってチャンバへその壁を通って噴射される。希釈孔により、燃焼により発生したガスをチャンバ壁と共に冷却することが可能になる。さらに、ガスを冷却する際の希釈空気は、化学的燃焼反応を妨げることを可能にする。

燃焼中のガスにより到達した高い温度のために、固有の方法でチャンバ壁を冷却することが必要になる。例えば、チャンバの周囲の圧縮機から空気を循環させることにより冷却を行う強制対流、または圧縮機から流出する外気のフィルムがチャンバ壁とガスとの間に介在する空気フィルム冷却などの種々の冷却技術がある。別の冷却方法は、多孔オリフィスによる冷却方法である。この技術には、チャンバ壁の全体または一部にわたって形成される、一般には約０．６ｍｍ程度の非常に小さい径の多数のオリフィスが必要である。チャンバの周囲を循環する外気は、これらのオリフィスを通ってチャンバに入る。次に、この空気が壁内面を流れるので、壁はオリフィス内部の対流およびフィルムの両方により冷却される。この技術は、チャンバ壁にある任意の高温領域で局所的に冷却を行える利点がある。

したがって、チャンバ壁の特定のゾーンを冷却することが必要である場合に、例えば、オリフィスの密度を増加させることにより多孔オリフィスを局所的に調節することが既知である。

一方の一次孔の全ておよび他方の希釈孔の全てはそれぞれチャンバ端壁に対して同じ軸方向の位置に配置され、希釈孔は一次孔の下流側に位置する。一次孔と希釈孔との軸方向の位置、特に、一次孔と希釈孔との間の軸方向の距離、およびチャンバ壁の周囲におけるそれらの分布は重要なパラメータとなり、そのパラメータに基づいて、設計者は、チャンバ出口の温度分布を変更し、汚染排気を低減するための設計をする。

希釈孔と多孔オリフィスとの相対的な位置決めは、希釈孔のすぐ下流側に位置するチャンバ壁のこれらのゾーンの冷却に直接影響する。

特定のチャンバの場合には、チャンバ出口の温度分布を改良するために希釈孔は全て同じ径を有するとは限らない。この際、チャンバ壁は多孔オリフィスにより冷却される場合に、これらのオリフィスと小さい径の希釈孔との間の距離は、多孔オリフィスと大きい径の希釈孔との間の距離より大きい。このことが、壁の機械的安定性と耐用年数に悪影響を及ぼすチャンバ壁の高温領域の原因となる恐れがある。これらの高温領域は、チャンバが壁の内側に沿って流れる空気のフィルムにより冷却される場合には発生しない。

本発明の目的は、容易に実施することができ、多孔オリフィスによりチャンバ壁が冷却される場合に、汚染排気を増加させず、またはチャンバ出口における温度分布にマイナス影響を与えないで、高温領域の発生を避けることを可能にする単純な解決策を提供することである。

本発明は、チャンバ壁の希釈孔の位置についての新しい定義を提案することにより、この問題を解決するのを可能にする。

より具体的には、本発明は、少なくとも１つの周方向の列の一次孔と、少なくとも１つの周方向の希釈孔と、多孔オリフィスとを備えるターボ機械の燃焼チャンバ壁に関する。一次孔は全て同じ軸方向に位置し、一次孔および希釈孔は壁の周囲にわたって均一に分布し、希釈孔は径の値に応じて少なくとも２つの異なるグループに分けられ、１つのグループの希釈孔は最大径を有し、別のグループの希釈孔は最小径を有し、多孔オリフィスは希釈孔の最小径未満の径を有する。チャンバ壁は、最大径を有する希釈孔および最小径を有する希釈孔を下流側端部に備え、多孔オリフィスを上流側端部に備えて、最小径を有する希釈孔は最大径を有する希釈孔に対して軸方向下流側にオフセットされ、小さい径の希釈孔の下流側端部は最大径を有する希釈孔の下流側端部と周方向に一直線に並ぶことを特徴とする。

有利には、希釈孔のすぐ下流側に位置する多孔オリフィスが同じ軸方向の距離に位置する第１の周方向の列のオリフィスを形成し、最小径を有する希釈孔の下流側端部と第１の周方向の列の多孔オリフィスの上流側端部とが軸方向の距離Ｄ２にある状態において、Ｄ２は第１の列の多孔オリフィスの径の２倍以下である。

最小径を有する希釈孔は一次孔と軸方向に一直線に並ぶのが好ましい。

さらに、本発明は、燃焼チャンバと、少なくとも１つのそのような壁を備えたターボ機械に関する。

添付図面を参照した非限定的な例により示された好ましい実施形態およびその変形例の説明により、本発明はより理解され、本発明の他の利点がより明らかになるであろう。

図１は、例えば、航空機ジェットエンジンなどのターボ機械１の全体図の断面図である。回転軸はＸで示されている。ターボ機械１は、低圧圧縮機２と、高圧圧縮機３と、燃焼チャンバ４と、高圧タービン５と、低圧タービン６と、を備える。燃焼チャンバ４は環状型チャンバで、軸Ｘに対して径方向に離間した環状内壁７ａと環状外壁７ｂにより画定され、それらの上流側端部で環状チャンバ端壁８に接続される。チャンバ端壁８は、周方向に均一に離間した複数の開口部を備える。これらの開口部の各々に、噴射装置９が取り付けられる。燃焼ガスは燃焼チャンバ４の下流方向に流れ、次に、その燃焼ガスはチャンバ端壁８の上流側に配置された圧縮機３、２をそれぞれ駆動するタービン５、６に、それぞれの２本のシャフトにより供給される。高圧圧縮機３は、噴射装置９および燃焼チャンバ４の内側と外側とに径方向にそれぞれ配置された２つの環状スペース１０ａ、１０ｂに空気を供給する。燃焼チャンバ４に導入された空気は、燃料の気化とその燃焼に寄与する。燃焼チャンバ４の壁の外側を循環する空気は、一方で燃焼に寄与し、他方では壁７ａ、７ｂおよび燃焼により発生したガスの冷却に寄与する。このためには、空気は、一次孔と呼ばれる第１の列のオリフィスおよび希釈孔と呼ばれる第２の一続きのオリフィス、さらに内壁７ａ、外壁７ｂに形成された多孔オリフィスを、それぞれを介してチャンバに入る。これらの種々のオリフィスは、図２および図３に示されている。

図２は、先行技術による燃焼チャンバ４のより精密な横断面図を示す。

チャンバ４の内壁７ａ、外壁７ｂは共に一列の一次孔２０ａ、２０ｂをそれぞれ備え、これら孔の軸はそれぞれ２１ａ、２１ｂで示されている。これらの一次孔２０ａ、２０ｂの下流側に配置されているのは、一列の希釈孔３０ａ、３０ｂであり、これら希釈孔の軸はそれぞれ３１ａ、３１ｂで示されている。内壁７ａでは、全ての一次孔２０ａはチャンバ端壁８から同じ距離Ｄに位置する。同じことが希釈孔３０ａについても言え、また外壁７ｂの一次孔２０ｂ、３０ｂについても言える。

図３は、先行技術による燃焼チャンバ４の外壁７ｂの１つの角度セクタの平面図を示す。このセクタでは、２つの一次孔２０ｂおよび多数の希釈孔３０ｂが見られる。全ての一次孔は同じ径を有するが、ここで図示するように希釈孔は異なる径を有してもよい。一次孔２０ｂは外壁７ｂの周囲全体に均一に分布する。希釈孔もまた、外壁７ｂの周囲全体に均一に分布する。各一次孔２０ｂに対して、希釈孔３０ｂが同じ角度位置に、つまり、チャンバの軸Ｙに沿って配置され、各一次孔は希釈孔３０ｂと一直線に並ぶ。図３に示した例では、最小径を有する希釈孔３０ｂが一次孔２０ｂと一直線に並ぶ。その他の希釈孔３０ｂ、つまり最大径を有する希釈孔３０ｂが、小さい径の希釈孔の間に置かれ、これらの孔から等距離に配置される。大きい径の希釈孔は同様に、最も近い一次孔２０ｂから等距離に位置する。図示した例では、２つの連続する大きい径の希釈孔の間である角度をなして位置する小さい希釈孔は１つだけであるが、外壁７ｂの周囲にわたって複数個の小さい希釈孔が均一に分布することも可能である。

壁７ｂを冷却するために、多孔オリフィス４０ｂがその周囲全体にわたって形成されている。多孔オリフィス４０ｂは、ほぼ全てが同じ径を有するが、例えば、冷却されるゾーンに応じて異なる径を有することも可能である。ここで示した例では、多孔オリフィスは均一に分布し、同じ軸方向の位置に配置された連続する列のオリフィスを形成する。オリフィスの数を増加させるなど、局所的な調節を考慮することも可能である。希釈孔３０ｂのすぐ下流側に位置する多孔オリフィス４０ｂの第１の列４１ｂの位置決めは、このゾーンにおける壁７ｂにより到達する温度に直接影響を与えるので、重要である。

図４は、図３の角度セクタの詳細図であり、希釈孔３０ｂおよび多孔オリフィス４０ｂを示している。希釈孔３０ｂの径に差がある場合、大きい径の希釈孔と多孔オリフィス４１ｂの第１の列４１ｂとの間のチャンバの軸Ｙに沿った距離Ｄ１は、小さい径の希釈孔と多孔オリフィスの同じ列との間の軸方向の距離Ｄ２未満である。この配置は、小さい径の希釈孔の下流側の高温領域を招く可能性があり、この領域は壁７ｂの機械的安定性に悪影響を及ぼし、したがって壁７ｂの耐用年数に悪影響を及ぼす。

図５は、本発明による燃焼チャンバ４の外壁７ｂの１つの角度セクタの平面図を示し、図６はこのセクタの拡大図を示す。このセクタでは、２つの一次孔２０ｂが、多数の希釈孔３０ｂと共に示されている。一次孔２０ｂの位置は先行技術とは変らない位置のままとし、希釈孔３０ｂの位置決めのみが変更されている。希釈孔３０ｂは、外壁７ｂの周囲にわたって均一に分布し、異なる径を有する。本発明の例では、小さい径と大きい径の希釈孔３０ｂが見られる。小さい径の希釈孔は、一次孔２０ｂと一直線に並ぶように配置される、つまりこれら孔が同じ角度位置にある。大きい径の希釈孔は、一次孔２０ｂの間に、最も近い小さい径の希釈孔から等距離に配置される。多孔オリフィス４０ｂは、壁７ｂの周囲全体にわたって形成されている。多孔オリフィス４０ｂは、ほぼ全てが同じ径を有するが、異なる径を有することも可能である。多孔オリフィスの径は、希釈孔の径よりはるかに小さく、約０．６ｍｍである。これらの孔は均一に分布し、軸方向のオリフィスの一続きの列を形成する。先行技術とは異なり、この希釈孔は、一次孔２０ｂからの同じ軸方向の距離に位置しない。小さい径の希釈孔は壁７ｂの下流側方向にオフセットされ、したがって、希釈孔３０ｂのすぐ下流側に位置する多孔オリフィスの第１の列４１ｂに最も近くなる。したがって、小さい径の希釈孔とこの多孔オリフィスの第１の列４１ｂとの間の壁７ｂのこのゾーンはより冷却されるので、どんな高温領域も避けることができる。

燃焼工程を妨げるのを避けるために、小さい径の希釈孔は過度に下流側方向の軸方向にオフセットしてはならない。より正確には、小さい径の希釈孔の下流側端部３２ｂと多孔オリフィスの第１の列４１ｂの上流側端部４２ｂとの間の軸方向の距離Ｄ２が、大きい径の希釈孔の下流側端部３３ｂと多孔オリフィスの第１の列４１ｂの上流側端部との間の軸方向の距離Ｄ１未満であってはならない。さらに、希釈孔のすぐ下流側の壁７ｂの十分な冷却を確実にするために、Ｄ２は第１の列４１ｂの多孔オリフィスの径の２倍以下でなければならない。

このような配置により、燃焼の特性を変更せずに、特に、燃焼効率を低減させずに、または汚染排気を増加させずに、また燃焼チャンバの出口における温度分布を変更せずに、希釈孔の下流側に発生する可能性がある高温領域を避けることが可能になる。

上述の内容は外壁７ｂを適用例として説明してきたが、本発明は同様にして内壁７ａにも適用できる。

ターボ機械、より正確には航空機ジェットエンジンの断面の部分概略図である。 先行技術による燃焼チャンバの断面の概略図である。 先行技術による燃焼チャンバの外壁の角度セクタの平面図である。 図３に示した角度セクタの詳細図である。 本発明による燃焼チャンバの外壁の角度セクタの平面図である。 図５示した角度セクタの詳細図である。

符号の説明

１ ターボ機械
２ 低圧圧縮機
３ 高圧圧縮機
４ 燃焼チャンバ
５ 高圧タービン
６ 低圧タービン
７ａ 内壁
７ｂ 外壁
８ チャンバ端壁
９ 噴射装置
１０ａ、１０ｂ 環状スペース
２０ａ、２０ｂ 一次孔
２１ａ、２１ｂ 一次孔の軸
３０ａ、３０ｂ 希釈孔
３１ａ、３１ｂ 希釈孔の軸
３２ｂ 小さい径の希釈孔の下流側端部
３３ｂ 大きい径の下流側端部
４０ｂ 多孔オリフィス
４１ｂ 多孔オリフィスの第１の列
４２ｂ 多孔オリフィスの上流側端部
Ｄ１、Ｄ２ 距離
Ｘ 回転軸
Ｙ チャンバの軸

Claims (5)

1. ターボ機械の燃焼チャンバ壁であって、
   少なくとも１つの周方向の列の一次孔（２０ｂ）と少なくとも１つの周方向の列の希釈孔（３０ｂ）と多孔オリフィス（４０ｂ）とを備え、一次孔（２０ｂ）が全て同じ軸方向に位置し、一次孔（２０ｂ）および希釈孔（３０ｂ）が壁（７ｂ）の周囲にわたって均一に分布し、希釈孔（３０ｂ）がそれらの径の値に応じて少なくとも２つの異なるグループに分けられ、１つのグループの希釈孔が最大径を有し、別のグループの希釈孔が最小径を有し、多孔オリフィスが希釈孔の最小径未満の径を有し、
   最大径を有する希釈孔および最小径を有する希釈孔を下流側端部（３３ｂ、３２ｂ）に備え、多孔オリフィス（４０ｂ）を上流側端部（４２ｂ）に備えて、最小径を有する希釈孔が最大径を有する希釈孔に対して、下流側に軸方向にオフセットされ、小さい径の希釈孔の下流側端部（３２ｂ）が最大径を有する希釈孔の下流側端部（３３ｂ）と周方向に一直線に並ぶ、燃焼チャンバ壁。
2. 希釈孔（３０ｂ）のすぐ下流側に位置する多孔オリフィスが同じ軸方向の距離に位置するオリフィスの第１の周方向の列（４１ｂ）を形成し、最小径を有する希釈孔の下流側端部（３２ｂ）と第１の周方向の列（４１ｂ）の多孔オリフィスの上流側端部（４２ｂ）とが軸方向の距離Ｄ２にある状態において、Ｄ２が第１の列（４１ｂ）の多孔オリフィスの径の２倍以下である、請求項１に記載の燃焼チャンバ壁。
3. 最小径を有する希釈孔（３０ｂ）が、一次孔（２０ｂ）と軸方向に一直線に並ぶ、請求項１または２に記載の燃焼チャンバ壁。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の少なくとも１つの壁を備える、ターボ機械の燃焼チャンバ。
5. 請求項４に記載の燃焼チャンバを備える、ターボ機械。

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