JP2010216480A - 混合孔スタッブを有する燃焼ライナー - Google Patents

Abstract

【課題】熱疲労によって引き起こされる亀裂を減少させ、高周波数での高サイクル疲労障害に対する抵抗力を与える。
【解決手段】ガスタービン燃焼器用の燃焼器ライナーは、冷却空気を燃焼器の燃焼ゾーン内に供給する、ライナー（１２）内に形成される冷却孔（３４）を含む。スタッブ（５０）が冷却孔内に固定され、冷却孔の内側縁部に追加の剛性を与えるような構造にされる。この追加の剛性は、熱疲労によって引き起こされる亀裂を減少させ、高周波数での高サイクル疲労障害に対する抵抗力を与える。
【選択図】図３

Description

本発明は一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンの燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で圧縮され、燃焼器に送られ、燃料と混合され、１つまたは複数のタービン段を通り下流に流れる高温燃焼ガスを発生させるために点火される。ターボファンエンジンでは、高圧タービンがこの圧縮機を駆動し、その後に圧縮機の上流に配設されるファンを駆動する低圧タービンが続く。

代表的な燃焼器は、エンジンの長手方向軸方向の中央軸周りで環状および軸対称であり、燃焼器ドームにその上流端部で連結される半径方向外側燃焼ライナーと半径方向内側燃焼ライナーとを含む。このドーム内に、円周方向に間隔をあけて配置される、それぞれがエアスワラと中央燃料噴射器を含む複数の気化器が搭載される。燃料は圧縮機からの圧縮された空気と混合され、高温燃焼ガスを発生するように点火され、この高温燃焼ガスは、燃焼器を通り下流に、そして高温燃焼ガスからエネルギーを引き出す高圧および低圧タービンを通り流れる。

圧縮機空気の主要な部分は、燃焼ガスを発生させるために燃焼器内で燃料と混合される。圧縮機空気の別の部分は、燃焼ライナーを冷却するのに使用するために外に、または燃焼器のアウトボードに送られ、一方別の部分は希釈空気のジェットとして燃焼ライナーを通り半径方向に送られ、このジェットは燃焼器を出る燃焼ガスの温度を低下させること、およびタービンの最適性能のために燃焼ガスの円周方向および半径方向温度プロファイルを制御することの両方を行う。

燃焼器は通常、中に燃焼ガスを閉じ込める燃焼ライナーの内側またはインボード表面に沿って、圧縮機空気の冷却膜を実質的に連続な境界層または空気ブランケットの形で形成することによって冷却される。この膜冷却層は、ライナーをその熱に対して保護し、その適切な耐用年数を確実にするために、金属燃焼ライナーと高温燃焼ガスの間に効果的なバリアを提供する。

代表的な燃焼器では、この膜冷却層は、ライナーの高温側に沿って膜として冷却空気を排出するための連続的な円周方向の出口スロットを画成する、下流に延びる環状リップを有する複数の入口孔によって与えられる環状マニフォールドである、複数の軸方向に間隔をあけて配置される膜冷却ナゲット内に形成される。ナゲットのこの列によって、ライナーを保護するために適切な厚さの境界層を維持するように、膜が列から列に軸方向に再活性化されるのが確実になる。

燃焼器設計の最新の発展では、多孔膜冷却燃焼器ライナーによって従来型のナゲットがなくなり、代わりに膜冷却を達成するための密なパターンの多孔を有する実質的に均一な厚さの、単一のシート金属ライナーが使用される。個々の多孔がライナーを貫通して約２０°の好ましい角度で傾けられ、入口がアウトボード、すなわちライナーの低温表面上にあり、出口がインボード、すなわち入口から軸方向下流に間隔をあけて配置されるライナーの高温表面上にある。多孔の直径は、約０．５１〜０．７６ｍｍ（２０〜３０ミル）である。これによって、多孔周りのライナーの内部対流冷却を与えるための、多孔用の実質的に大きな、直径に対する長さ比が達成される。最も重要なことは、この小さな傾き角度によって、排出される冷却空気をライナーのインボード表面に沿って付着させ、最大境界層厚さを達成するための複数の列の多孔によって与えられる冷却膜層を形成することができることであり、この最大境界層厚さは、燃焼器ライナーに沿って後部または下流方向に列から列に再活性化され維持される。

主混合／冷却孔の区域内の燃焼器ライナーの耐久性は、混合孔の近くの局所的な高温スポットに起因する懸案事項であり、これがライナー亀裂に繋がる可能性がある。この高温スポットは、高温燃焼空気をライナー壁と接触したままにしておく、混合孔からの冷たいジェットによる、高温ガスに対するかく乱に主として起因する。すなわち、高温燃焼ガスが混合孔を通過してくる冷却ジェットの背後に捕捉される場合があり、それによって混合孔近くのライナー内の温度上昇が生じる。そのような高温スポットは、結果として熱疲労ならびに高周波数での高サイクル疲労（ＨＣＦ）障害に起因するライナーに対する亀裂または他の損傷になる可能性がある。

米国特許第６、９５１、１０９号公報

改良されたガスタービンエンジンの燃焼器を提供する。

一例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器用の燃焼器ライナーは、ライナー内に形成される冷却孔とこの冷却孔内に固定されるスタッブとを含む。この冷却孔は、燃焼器の燃焼ゾーン内に冷却空気を供給する。このスタッブは、冷却孔の内側縁部に追加の剛性を与えるような構造にされる。

別の例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器ライナー内の冷却孔に隣接する、熱疲労に起因する亀裂を減少させる方法は、冷却孔内にスタッブを固定するステップを含み、このスタッブは冷却孔の内側縁部に追加の剛性を与える。

さらに別の例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器用の燃焼器ライナーは、冷却空気を燃焼器の燃焼ゾーン内に供給する、ライナー内に形成される冷却孔を含む。スタッブが冷却孔内に固定され、冷却孔を実質的に取り囲んで配設される複数の冷却通路を含む。この冷却通路は、ライナーを通る高温ガス流れ方向に対応した方向に、冷却孔の軸に対して角度が付いている。

燃焼器ライナー後部の従来型燃焼器移行部片の簡略化された側面横断面図である。 移行部片に連結された従来型燃焼器ライナーおよび流れスリーブの部分斜視図である。 ライナー冷却／混合孔内に固定されたスタッブを有するライナーの斜視図である。 ライナーおよびスタッブを貫通した斜視横断面図である。

図１および２を参照すると、代表的なガスタービンは移行部片１０を含み、それによって高温燃焼ガスが燃焼器ライナー１２によって示す上流燃焼器から１４で示すタービンの第１段に届く。ガスタービン圧縮機からの流れは、軸方向デフューザー１６を出て、圧縮機排出外筒１８内に入る。圧縮機排出空気の約５０％が、移行部片１０と半径方向外側移行部片衝突スリーブ２２との間の環状区域または環状部２４（すなわち、第２の流れ環状部）内を流れるように、移行部片衝突スリーブ２２に沿って、また移行部片衝突スリーブ２２の周りに形成される開口部２０を通過する。圧縮機排出流れの残りのほぼ５０％は、上流燃焼ライナー冷却スリーブ（図示せず）の流れスリーブ孔３４内に、および冷却スリーブとライナーの間の環状部内に入り、環状部２４内の空気と最終的に混合する。この混ぜ合わされた空気は、燃焼チャンバ内のガスタービン燃料と最終的に混合する。

図２は、図１のずっと左手側に現れるであろう移行部片１０と燃焼器流れスリーブ２８との間の連結部を図示する。具体的には、移行部片１０の衝突スリーブ２２（すなわち、第２の流れスリーブ）は、燃焼器流れスリーブ２８（すなわち、第１の流れスリーブ）の後端部の搭載フランジ２６内に入れ子方式で受けられ、移行部片１０も燃焼器ライナー１２を入れ子方式で受ける。この燃焼器流れスリーブ２８は燃焼器ライナー１２を取り囲み、その間に流れ環状部３０（すなわち、第１の流れ環状部）を作り出す。図２の流れ矢印３２を見れば分かるように、環状部２４内を移動している交差流冷却空気は、（図２に３列が示されているが、この流れスリーブはそのような孔の任意の数の列を有することができる）流れスリーブ２８の円周周りに形成される冷却孔３４を通過して流れる衝突冷却空気に直角な方向に（流れ矢印３６参照）環状部３０内に流れ込み続ける。

図１および２をさらに参照すると、燃料からの燃焼ガスによって駆動される代表的な缶アニュラ型逆流燃焼器が示され、そこでは高エネルギー容量を有する流れ媒体、すなわち、燃焼ガスが、ローター上に搭載されるブレードリングによって曲げられる結果として回転動作を生じる。動作では、圧縮機からの（約１．７２〜２．７６ＭＰａ（２５０〜４００ｌｂ／ｉｎ^２）程度の圧力に圧縮された）排出空気が、（１つを１２で示す）燃焼器ライナーの外側上を通過するとき、そしてタービン（１４で示す第１段）への途中で再び燃焼器ライナー１２に入るとき、方向を逆転させる。圧縮された空気および燃料は、燃焼チャンバ内で燃焼させられ、約１５００℃と約１５３８℃（２８００°Ｆ）の間の温度を有するガスを発生させる。これらの燃焼ガスは、移行部片１０を介してタービン区画１４内に高速度で流れ込む。

燃焼ライナー１２内の燃焼区画からの高温ガスは、そこから区画１６内に流れ込む。これらの２つの区画の間に、図２に全体的に４６で示す移行区域が存在する。前に述べたように、区画１２の後端部、すなわち区域４６の入口部分のところの高温ガス温度は、約１５３８℃（２８００°Ｆ）程度である。しかし、下流すなわち区域４６の出口部分のところの金属ライナーの温度は、７６０〜８４３℃（１４００°〜１５５０°Ｆ）程度であるのが好ましい。加熱ガスが区域４６を通過中に、ライナーをこのより低い金属温度範囲まで冷却するのを助けるために、冷却空気が通り流れるライナー１２が設けられている。冷却空気はこのライナーから熱を引き抜くように働き、それによってライナー金属温度を高温ガスの温度に対して顕著に低下させる。

しかし、高温燃焼ガスが冷却孔３４を通り抜ける冷却ジェットの後ろに捕捉される場合がある、問題点が起きる可能性がある。これらの高温スポットは、熱疲労または場合によっては高周波数でのＨＣＦ障害に起因する亀裂を生じさせる可能性がある。図３および４を参照すると、スタッブまたは補強部材５０がライナー１２内の１つまたは複数の冷却孔３４内に、そのライナー１２の低温側に固定されている。このスタッブは、ライナーと同じ材料などの任意の適切な材料で形成することができる。図示のように、スタッブ５０の厚さは、ライナー１２の厚さより厚いことが好ましい。このスタッブ５０は、冷却孔３４内で内側縁部上に（ロウ付け、接着、機械的連結具、等も使用できるが）溶接などによって固定され、熱疲労に起因する亀裂を防止するための追加の剛性を縁部のところに与える。この追加の剛性は、局所的なモードのうちのいくらかをなくすことによって、高周波数のところでのＨＣＦ障害に対する抵抗力も与える。

各スタッブ５０は、冷却孔３４を実質的に取り囲んで配設される１つまたは複数の冷却通路５２を含むことができる。この冷却通路５２は、（矢印５６によって指示される）ライナー１２を通る高温ガス流れ方向に対応する方向で（矢印５４によって指示される）冷却孔の軸に対してある角度αに向けられるのが好ましい。すなわち図４に示すように、冷却通路５２を通る冷却空気が、ライナーを通る高温ガス流れ方向５６と少なくとも同じ方向の方向成分を有するように、冷却通路５２が冷却孔軸５４に対して角度が付けられている。角度の付けられた冷却通路５２については、高温ガスをライナー壁から離して押すためにスタッブを貫通する２つの列の角度の付けられた通路５２を含むのが好ましい。角度αは約３０°までの任意の角度であることができ、その角度を超えると、冷却通路５２を通り流れる空気は、高温ガスをライナー壁から離して押すのに困難を有する可能性がある。

スタッブまたは補強部材を燃焼ライナー内の冷却孔に加えることによって、熱疲労に起因する亀裂を減少させるように冷却孔縁部のところに剛性が加えられる。この追加の剛性は、高周波数のところでのＨＣＦ障害に対する抵抗力も与える。この角度の付けられた冷却通路は、高温ガスをライナー壁から離して押し、それによってライナー壁およびスタッブを冷却するように働く。結果として、ライナーの耐久性を改善することができる。

本発明を現在最も実際的であり、好ましい実施形態であると考えられるものを参照して説明してきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるべきではなく、逆に添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な改変および均等物を包含することを意図していることを理解されたい。

１０ 移行部片
１２ 燃焼器ライナー
１４ タービン第１段
１６ 軸方向デフューザー
１８ 圧縮機排出外筒
２０ 開口部
２２ 衝突スリーブ
２４ 環状部
２６ 搭載フランジ
２８ 燃焼器流れスリーブ
３０ 流れ環状部
３２ 流れ矢印
３４ 冷却孔
３６ 流れ矢印
４６ 移行区域
５０ スタッブまたは補強部材
５２ 冷却通路
５４ 冷却孔軸
５６ 高温ガス流れ方向

Claims (10)

1. 冷却空気を燃焼器の燃焼ゾーン内に供給する、ライナー（１２）内に形成される冷却孔（３４）と、
   前記冷却孔の内側縁部に追加の剛性を与えるような構造にされる、前記冷却孔内に固定されるスタッブ（５０）とを備える、ガスタービン燃焼器用の燃焼器ライナー。
2. 前記スタッブ（５０）が前記冷却孔（３４）内に溶接される、請求項１記載の燃焼器ライナー。
3. 前記スタッブ（５０）の厚さが前記ライナー（１２）の厚さより厚い、請求項１記載の燃焼器ライナー。
4. 前記スタッブ（５０）が少なくとも１つの冷却通路（５２）を備える、請求項１記載の燃焼器ライナー。
5. 前記少なくとも１つの冷却通路（５２）が、前記冷却孔の軸に対して角度が付けられている、請求項４記載の燃焼器ライナー。
6. 前記少なくとも１つの冷却通路（５２）が、前記ライナーを通る高温ガス流れ方向（５６）に対応する方向に角度が付けられている、請求項５記載の燃焼器ライナー。
7. 前記スタッブ（５０）が、前記冷却孔を実質的に取り囲んで配設される複数の冷却通路（５２）を備える、請求項１記載の燃焼器ライナー。
8. 前記冷却通路（５２）が、前記冷却孔（５４）の軸に対して角度が付けられている、請求項７記載の燃焼器ライナー。
9. 前記冷却通路（５２）が、前記ライナーを通る高温ガス流れ方向に対応する方向に角度が付けられている、請求項８記載の燃焼器ライナー。
10. 前記冷却通路（５２）が、前記冷却孔軸に対して３０°までの角度が付けられている、請求項８記載の燃焼器ライナー。