JP2010526274A - それを貫通した一様でない直径を有するガスタービン燃焼器ライナのための冷却孔 - Google Patents

それを貫通した一様でない直径を有するガスタービン燃焼器ライナのための冷却孔 Download PDF

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Abstract

ガスタービン燃焼器のライナ(12)は、該燃焼器の上流端部に隣接した第1の端部(13)及び該燃焼器の下流端部に隣接した第2の端部(15)を有しかつ高温側面(36)、低温側面(38)及びそれを貫通する中心軸線をさらに有するシェルを含む。複数の小径かつ密に間隔を置いて配置されたフィルム冷却孔(44)が、シェル内に形成されかつそれらフィルム冷却孔を通して空気が流れてシェルの高温側面に沿って冷却フィルムを形成するようになる。各冷却孔は、シェルを貫通して延びる時に一様でない直径を有する。具体的には、各冷却孔は、シェルの低温側面(38)に設置されかつ第1の直径を有する第1の開口と、該シェルの高温側面(36)に設置されかつ第2の直径を有する第2の開口とを含み、第2の開口の第2の直径は、第1の開口の第1の直径よりも大きい。各冷却孔の形状は、ほぼ切頭円錐形であることが好ましい。
【選択図】 図2

Description

本発明は、総括的にはガスタービン燃焼器のためのライナに関し、より具体的には、そのようなライナのための多孔冷却方式において利用する冷却孔の構成に関する。
燃焼器ライナは一般的に、ガスタービンエンジンの圧縮機及びタービンセクション間に設置された該ガスタービンエンジンの燃焼セクション内で使用されるが、そのようなライナはまた、オーグメンタを用いる航空機エンジンの排気セクション内でも使用することができる。燃焼器は一般的に、外部ケーシングと内部燃焼器とを含み、この内部燃焼器において、燃料が燃焼して極度に高い温度(例えば、3000°F又はさらに高い)の高温ガスを発生する。この極度の熱が、タービンに流出する前に燃焼器ケース及び周囲のエンジンを損傷させるのを防止するために、燃焼器の内部には、熱シールドつまり燃焼器ライナが設けられる。
当技術分野では、異なるタイプの冷却方式を有する様々なライナ設計が開示されてきた。ライナ設計の一例には、環状一体形ライナ内に複数の冷却孔を形成して該ライナの高温側面に沿ってフィルム冷却を行なうことが含まれる(例えば、Wakeman他に対する米国特許第5,181,379号、Napoliに対する米国特許第5,233,828号、及びNicoll他に対する米国特許第5,465,572号)。ライナのそのような多孔冷却においては、冷却孔の様々なパターン、寸法及び密度が用いられてきたこともまた、分かるであろう。そのことは、Patterson他に対する米国特許第6,205,789号、Farmer他に対する米国特許第6,655,149号、及びMoertle他に対する米国特許第7,086,232号に開示されている。各特許において、個々の冷却孔は、ライナを貫通して一定のつまり一様な直径で直線状に形成されることが分かるであろう。
上記の特許の各々は、当技術の水準を発展させてきたが、それでもなお現行の多孔冷却パターンにおける隣り合う孔列間には高温ストリークが発生することが判明している。これらの高温ストリークは、最終的にはライナに割れを生じさせ、従って修理のためにそのライナの取外しが必要となる。
米国特許第5,181,379号公報 米国特許第5,233,828号公報 米国特許第5,465,572号公報 米国特許第6,205,789号公報 米国特許第6,655,149号公報 米国特許第7,086,232号公報 米国特許出願公開第2003/213250 A1号公報 米国特許第6,183,199 B1号公報 欧州特許出願第1712739 A号公報 欧州特許出願第1043480 A号公報
従って、高温ストリークを最少にし、ライナの高温側面に沿って露出した金属表面の量を減少させ、かつライナの耐久性を増大させる多孔冷却方式を備えたガスタービンエンジン燃焼器で使用するための燃焼器ライナを開発することが望ましいと言える。また、個々の冷却孔の構成がライナの高温側面に沿った温度を低下させると共に、該ライナ自体のボア冷却を増強することも望ましいと言える。さらに、冷却孔がライナの高温側面に沿った冷却空気のジェット速度を減少させ、それによって一層効果的なフィルム冷却を促進させることが望ましいと言える。
本発明の第1の例示的な実施形態によると、ガスタービン燃焼器のライナを開示しており、本ガスタービン燃焼器のライナは、該燃焼器の上流端部に隣接した第1の端部及び該燃焼器の下流端部に隣接した第2の端部を有しかつ高温側面、低温側面及びそれを貫通する中心軸線をさらに有するシェルを含む。複数の小径かつ密に間隔を置いて配置されたフィルム冷却孔が、シェル内に形成されかつそれらフィルム冷却孔を通して空気が流れてシェルの高温側面に沿って冷却フィルムを形成するようになる。各冷却孔は、シェルを貫通して延びる時に一様でない直径を有する。具体的には、各冷却孔は、シェルの低温側面に設置されかつ第1の直径を有する第1の開口と、該シェルの高温側面に設置されかつ第2の直径を有する第2の開口とを含み、第2の開口の第2の直径は、第1の開口の第1の直径よりも大きい。各冷却孔の形状は、ほぼ切頭円錐形であることが好ましい。
本発明の第2の例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器のライナを開示しており、本ガスタービン燃焼器のライナは、該燃焼器の上流端部に隣接した第1の端部及び該燃焼器の下流端部に隣接した第2の端部を有しかつ高温側面、低温側面及びそれを貫通する中心軸線をさらに有するシェルを含む。複数の小径かつ密に間隔を置いて配置されたフィルム冷却孔が、シェル内に形成されかつそれらフィルム冷却孔を通して空気が流れてシェルの高温側面に沿って冷却フィルムを形成するようになる。具体的には、各冷却孔は、ライナを貫通したほぼ一様な直径を有する第1の部分と該ライナを貫通した一様でない直径を有する第2の部分とを含む。
本発明の第3の例示的な実施形態では、それを貫通した一様でない直径を有する冷却孔をガスタービンエンジン燃焼器のライナ内に形成する方法を開示する。本方法は、その形状がほぼ円錐形でありかつライナをほぼ貫通して延びる冷却孔の第1の部分を該ライナの高温側面から形成するステップと、その直径がほぼ一様である冷却孔の第2の部分を該冷却孔の第1の部分からライナの低温側面まで形成するステップとを含む。この方法によると、冷却孔の第1の部分は、ライナの高温側面から次第に減少する直径を有する。
本発明による冷却孔を有するライナを示している、ガスタービンエンジンのための燃焼器の斜視図。 本発明による冷却孔を示している、図1に示す燃焼器のための外側ライナの部分断面図。 図2に示す燃焼器外側ライナの一部分の部分上面斜視図。 図2及び図3に示す燃焼器外側ライナの一部分の部分下面斜視図。 軸方向−半径方向平面で取った、図1〜図4に示す燃焼器外側ライナの拡大部分断面図。 円周方向−半径方向平面で取った、図1〜図4に示す燃焼器外側ライナの拡大部分断面図。 軸方向−半径方向平面で取った、冷却孔が別の形状を有する図2に示す燃焼器外側ライナの拡大部分断面図。 図1〜図4に示す燃焼器外側ライナの拡大部分上面図。 図1〜図4に示す燃焼器外側ライナの拡大部分下面図。
次に図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表している図面を詳細に参照すると、図1は、ガスタービンエンジン内で使用するに適したタイプの燃焼器10を示している。燃焼器10は、外側燃焼器ケーシング16と内側燃焼器ケーシング18との間に配置された外側ライナ12及び内側ライナ14を含む。外側及び内側ライナ12及び14は、互いに半径方向に間隔を置いて配置されて燃焼室20を形成する。外側ライナ12及び外側ケーシング16は、それらの間に外側通路22を形成し、また内側ライナ14及び内側ケーシング18は、それらの間に内側通路24を形成する。カウル組立体26が、外側及び内側ライナ12及び14の上流端部に取付けられる。加圧空気を燃焼器10内に導入するための環状開口28が、カウル組立体26内に形成される。加圧空気は、圧縮機(図示せず)からほぼ図1の矢印25で表した方向に供給される。加圧空気は、主として環状開口28を通って流れて燃焼を支援し、またその一部分は、外側及び内側通路22及び24内に流入してライナ12及び14を冷却するために使用される。
外側及び内側ライナ12及び14の上流端部付近にはそれらライナ12及び14間にかつ該ライナ12及び14を相互連結した状態で環状のドームプレート30が配置される。複数の円周方向に間隔を置いて配置されたスワーラ組立体32が、ドームプレート30内に取付けられる。各スワーラ組立体32は、環状開口28から加圧空気を受けまた対応する燃料管34から燃料を受ける。燃料及び空気は、スワーラ組立体32によって旋回されかつ混合され、生じた燃料/空気混合気が、燃焼室20内に吐出される。図1は、単一アニュラ型燃焼器の1つの好ましい実施形態を示しているが、本発明は、多孔フィルム冷却を利用する複合アニュラ型燃焼器を含むあらゆるタイプの燃焼器に対して同様に適用可能であることに注目されたい。
外側及び内側ライナ12及び14は各々、ほぼ環状にかつ軸方向に延びる構成を有する単一壁の金属シェルを含む。外側ライナ12は、燃焼器10の上流端部に隣接した第1の端部13と、燃焼器10の下流端部に隣接した第2の端部15とを含む。同様に、内側ライナ14は、燃焼器10の上流端部に隣接した第1の端部17と、燃焼器10の下流端部に隣接した第2の端部19とを含む。外側ライナ12は、燃焼室20内の高温燃焼ガスに面した高温側面36と、外側通路22内の比較的低温の空気と接触状態になった低温側面38とを有する。同様に、内側ライナ14は、燃焼室20内の高温燃焼ガスに面した高温側面40と、内側通路24内の比較的低温の空気と接触状態になった低温側面42とを有する。両方のライナ12及び14は、それらの中に形成された複数の小径かつ密に間隔を置いて配置されたフィルム冷却孔44を含み、それらフィルム冷却孔44を通して空気が流れてそれぞれ外側及び内側ライナ12及び14に沿って冷却フィルムを形成するようになる。
図2〜図6及び図8〜図9で分かるように、これらの図には、外側ライナ12の少なくとも一部分を貫通して配置された冷却孔44を一層詳細に示している。冷却孔44は、外側ライナ12内に示しているが、内側ライナ14の冷却孔の構成も、外側ライナ12の冷却孔の構成とほぼ同じであることを理解されたい。従って、以下の説明は、内側ライナ14にも当てはまることになる。図3及び図4は、軸35、37及び39を有する基準系を含んでおり、この基準系において、軸35は、燃焼器10を貫通する軸方向に位置し、軸37は、円周方向に位置し、また軸39は、半径方向に位置している。図5で最もよく分かるように、冷却孔44は、低温側面38から高温側面36まで好ましくは約15°〜約35°の範囲にある下流方向角度45で軸方向に傾斜しているのが好ましい。冷却孔44はまた、図6に示すようにクロック(時計方向)角度55で円周方向に傾斜させるつまり時計方向に回転させることができる。クロック角度55は、燃焼室20を通る流れの旋回に対応しているのが好ましく、一般的には約30°〜約65°の範囲にある。さらに、冷却孔44は、一連の円周方向に延びる列46の形態で配置されるのが好ましいことが、図3及び図4から分かるであろう。そのような列46はまた、それらが軸方向下流方向に延びるにつれて、互い違いに配置されるのが好ましい。
先行技術の冷却孔とは異なり、冷却孔44は、外側ライナ12を貫通した一様でない直径50を有するように構成される。より具体的には、各冷却孔44は、低温側面38(外側ライナ12の場合)に設置されかつ第1の直径54を有する第1の開口52と、外側ライナ12の高温側面36に設置されかつ第2の直径58を有する第2の開口56とを含むのが好ましいことが分かるであろう。第2の開口56の直径58は、第1の開口52の直径54よりも大きいのが好ましいことが分かるであろう。具体的に、第1の直径54に対する第2の直径58の比は、約3.0〜5.0であるのが好ましい。
さらに、冷却孔44の直径50は、外側ライナ12の低温側面38から該外側ライナ12の高温側面36まで次第に大きくなるのが好ましいことが図5及び図6から分かるであろう。従って、拡散角度(つまり開先角度)60が各冷却孔44を貫通して延びる軸線65に対して存在することが理解されるであろう。拡散角度60は、軸線65上の焦点から全方向に延びる角度として定義され、約1°〜約15°の範囲であるのが好ましい。拡散角度60における一層好ましい範囲は、約3°〜約10°であるが、拡散角度60における最適範囲は、約5°〜約9°である。いずれにしても、各冷却孔44は、ほぼ切頭円錐形状を有することになることが分かるであろう。
隣り合う冷却孔68及び70の隣り合う第1の開口64及び66間の間隔(図8に参照符号62で表示した)は、それらの第1の直径54の約3.0〜6.0倍であることが分かるであろう。これは、現行の多孔冷却設計において利用されている間隔にほぼ対応しており、従ってそれぞれ外側及び内側ライナ12及び14に対して供給される冷却空気の流量に対する変更を必要としない。隣り合う第2の開口72及び74間の間隔は、図9に参照符号76で表しており、それらの第2の直径58の約0.2〜0.7倍であるのが好ましい。外側及び内側ライナ12及び14の低温側面38及び42上の第1の開口52と比べて言うと、隣り合う第2の開口72及び74間の間隔76は、第1の開口64及び66の直径54の約2.0〜5.0倍であるのが好ましいことが理解されるであろう。
冷却孔44の隣り合う第2の開口56間のより狭い間隔の故に、燃焼室20の過酷な環境に露出されるのは、外側及び内側ライナ12及び14の高温側面36及び40上に設けられた一層少量の金属であることが分かるであろう。また、冷却孔44の第2の開口56間の間隔を最小化することによって、冷却孔44内を流れる空気は、協働して一層良好に作用して高温側面36及び40上の高温ストリークを排除又は最少にすることができる。
外側及び内側ライナ12及び14内には何らの希釈孔も示されていないことが分かるであろう。そうは言うものの、必要な場合には、外側及び内側ライナ12及び14の各々内に配置した複数の円周方向に間隔を置いた希釈孔を介して燃焼室20内に希釈空気を導入して、付加的な燃焼を促進することができる。そのような希釈孔は一般的に、冷却孔44の1つの断面積よりも大幅に大きい断面積を有する状態で、冷却孔44よりもその数が遙かに少なくされることになる。冷却孔44は、幾らかの希釈空気を燃焼室20内に流入させる働きをすることになることが理解されるであろう。加えて、冷却孔44の開示した構成は、それらの全ボリュームが増大しているので、外側及び内側ライナ12及び14のボア冷却を増強することができる。
矢印75で表している(図3参照)ように、冷却空気は、好ましくは約200〜300フィート/秒のオーダの所定のジェット速度で各冷却孔44の第1の開口52に流入することが好ましい。冷却孔44の拡散角度60により、つまり第2の開口56が第1の開口52の直径54よりも大きい直径58を有することにより、外側ライナ12の高温側面36における冷却空気(矢印85で表している)は、約75〜100フィート/秒であるジェット速度を有する。従って、冷却空気85のジェット速度は、従来型の直線状(つまり、一様な直径の)冷却孔のジェット速度よりも小さい。ちなみに、第2の開口56における冷却空気85のジェット速度は、第1の開口52における冷却空気75のジェット速度よりも約30%〜50%だけ小さい。外側ライナ12の高温側面36に沿った冷却空気85のジェット速度におけるこの低下は、より効果的なフィルム冷却を促進するのを助け、またフィルム冷却を突き抜ける傾向がより小さい。
図7に示すように、外側ライナ12について、冷却孔44の別の構成を示している。この実施形態では、各冷却孔144は、外側ライナ12の低温側面38に隣接して設置された第1の部分146と、該外側ライナ12の高温側面36に隣接して設置された第2の部分148とを含む。第1の開口152を含む第1の部分146は、ほぼ一様な直径154を有しかつ低温側面38から外側ライナ12の厚さ82内に位置した第2の端部80まで所定の長さ78だけ延びることが分かるであろう。その一部としての第2の部分148は、第1の部分146の第2の端部80から外側ライナ12の高温側面36上の第2の開口156まで延びて、所望の長さ84と好ましくは一様でない直径158とを有するようになる。図示していないが、一様でない直径158を有する第2の部分148は、外側ライナ12の低温側面38に隣接して設置することができ、またほぼ一様な直径154を有する第1の部分146は、外側ライナ12の高温側面36に隣接して設置することができる。
冷却孔144について説明したように外側及び内側ライナ12及び14内に冷却孔を構成することによって、そのような冷却孔の作製が複雑でないものになる。そのことに従って、それらを貫通した一様でない直径を有する冷却孔を燃焼器の外側及び内側ライナ12及び14内に形成する方法をここに開示する。第1のステップにおいて、冷却孔144の第2の部分148が、外側ライナ12の高温側面36から形成される。第2の部分148は、外側ライナ12の高温側面36から次第に減少する直径150を有しかつ外側ライナ12の厚さ82を貫通して所望の長さ84だけ延びることが理解されるであろう。従って、第2の部分148は、その形状がほぼ円錐形である。第2のステップにおいて、冷却孔144の第1の部分146が、該第1の部分146がほぼ一様な直径を有するように、第2の部分148を通して形成される。
冷却孔44及び/又は冷却孔144は主として、外側及び内側ライナ12及び14の軸方向長さ及び周囲のほとんど全体にわたって設けることを意図しているが、そのような構成を有する冷却孔は、外側及び内側ライナ12及び14の特定の指定部位にのみ設けることも可能である。例えば、この指定部位には、高温ストリークが発生することが知られている外側及び内側ライナ12及び14の区域が含まれる。そのような冷却孔のための例示的な部位には、希釈孔48に隣接する部位、ライナ内にある冷却ナゲットに隣接する部位、スワーラ組立体32の直ぐ下流の部位、ライナの上流端部13及び17、又はライナの下流端部15及び19を含むことができる。
本発明の好ましい実施形態について図示しかつ説明してきたが、更なる冷却孔の改造並びにそのような冷却孔を形成する方法は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく適切な変更を加えて当業者が達成することができる。さらに、本明細書に記載した冷却孔は、本明細書に示していない例えばアフタバーナライナのようなガスタービンエンジンのその他の構成要素にも利用することができることを理解されたい。
10 燃焼器
12 外側ライナ
13 外側ライナの第1の端部
14 内側ライナ
15 外側ライナの第2の端部
16 外側燃焼器ケーシング
17 内側ライナの第1の端部
18 内側燃焼器ケーシング
19 内側ライナの第2の端部
20 燃焼室
22 外側通路
24 内側通路
25 圧縮機からの加圧空気の流れ方向の矢印
26 カウル組立体
28 環状開口
30 ドームプレート
32 スワーラ組立体
34 燃料管
35 軸方向軸
36 外側ライナの高温側面
37 円周方向軸
38 外側ライナの低温側面
39 半径方向軸
40 内側ライナの高温側面
42 内側ライナの低温側面
44 フィルム冷却孔
45 冷却孔の下流方向角度
46 冷却孔の円周方向に延びる列
50 冷却孔の直径
52 第1の開口
54 第1の直径
55 冷却孔のクロック角度
56 第2の開口
58 第2の直径
60 拡散角度
62 第1の開口間の間隔
64、66 第1の開口
65 冷却孔の軸線
72、74 第2の開口
75 底温側面における冷却空気
76 第1の開口間の間隔
78 第1の部分の長さ
80 第1の部分の第2の端部
82 外側ライナの厚さ
84 第2の部分の長さ
85 高温側面における冷却空気
144 冷却孔
146 冷却孔の第1の部分
148 冷却孔の第2の部分
152 第1の部分の第1の開口
154 一様な直径
156 第2の部分の第2の開口
158 一様でない直径

Claims (23)

  1. ガスタービン燃焼器のライナであって、
    (a)前記燃焼器の上流端部に隣接した第1の端部及び該燃焼器の下流端部に隣接した第2の端部を有しかつ高温側面、低温側面及びそれを貫通する中心軸線をさらに有するシェルと、
    (b)前記シェル内に形成されかつそれらを通して空気が流れて該シェルの高温側面に沿って冷却フィルムを形成するようになった複数の小径かつ密に間隔を置いて配置されたフィルム冷却孔と、を含み、
    前記冷却孔が、前記シェルを貫通する一様でない直径を有する、
    燃焼器ライナ。
  2. 前記冷却孔の各々が、
    (a)前記シェルの低温側面に設置されかつ第1の直径を有する第1の開口と、
    (b)前記シェルの高温側面に設置されかつ第2の直径を有する第2の開口と、をさらに含み、
    前記第2の開口の第2の直径が、前記第1の開口の第1の直径よりも大きい、
    請求項1記載の燃焼器ライナ。
  3. 前記第1の開口の第1の直径に対する前記第2の開口の第2の直径の比が、約3.0〜5.0である、請求項2記載の燃焼器ライナ。
  4. 前記冷却孔の隣り合う第1の開口間の間隔が、該冷却孔の隣り合う第2の開口間の間隔よりも大きい、請求項2または3記載の燃焼器ライナ。
  5. 前記冷却孔の隣り合う第1の開口間の間隔が、前記第1の直径の約3.0〜6.0倍である、請求項2乃至4のいずれか1項記載の燃焼器ライナ。
  6. 前記冷却孔の隣り合う第2の開口間の間隔が、前記第2の直径の約0.2〜0.7倍である、請求項2乃至5のいずれか1項記載の燃焼器ライナ。
  7. 各前記冷却孔の直径が、前記シェルの低温側面から該シェルの高温側面まで次第により大きくなる、請求項1乃至6のいずれか1項記載の燃焼器ライナ。
  8. 各前記冷却孔が、ほぼ切頭円錐形状を有する、請求項7記載の燃焼器ライナ。
  9. 各前記冷却孔が、それを貫通する軸線に対して約1°〜約15°の拡散角度を有する、請求項7または8記載の燃焼器ライナ。
  10. 各前記冷却孔が、それを貫通する軸線に対して約3°〜約10°の拡散角度を有する、請求項7または8記載の燃焼器ライナ。
  11. 各前記冷却孔が、それを貫通する軸線に対して約5°〜約9°の拡散角度を有する、請求項7または8記載の燃焼器ライナ。
  12. 各前記冷却孔を貫通する軸線が、前記中心軸線に対して約15°〜約35°の範囲の軸方向角度で配向される、請求項1乃至8のいずれか1項記載の燃焼器ライナ。
  13. 各前記冷却孔を貫通する軸線が、前記中心軸線に対して約30°〜約60°の範囲の円周方向角度で配向される、請求項1乃至8のいずれか1項記載の燃焼器ライナ。
  14. 前記シェルの低温側面における空気のジェット速度に対する該シェルの高温側面における空気のジェット速度の比が、約0.25〜0.50である、請求項1乃至13のいずれか1乃至13のいずれか1項項記載の燃焼器ライナ。
  15. 各前記冷却孔が、
    (a)該ライナを貫通したほぼ一様な直径を有する第1の部分と、
    (b)該ライナを貫通した一様でない直径を有する第2の部分と、をさらに含む、
    請求項1記載の燃焼器ライナ。
  16. 前記冷却孔の第1の部分が、前記シェルの低温側面に隣接して設置される、請求項15記載の燃焼器ライナ。
  17. 前記冷却孔の第1の部分が、前記シェルの高温側面に隣接して設置される、請求項15記載の燃焼器ライナ。
  18. 前記冷却孔が、ほとんど前記シェルの全長にわたり設けられる、請求項1乃至17のいずれか1項記載の燃焼器ライナ。
  19. 前記冷却孔が、前記シェルの特定の指定部位に設けられる、請求項1乃至17のいずれか1項記載の燃焼器ライナ。
  20. 前記冷却孔が、前記シェルの上流部分に設けられる、請求項1乃至17のいずれか1項記載の燃焼器ライナ。
  21. 前記冷却孔が、前記燃焼器のための空気―燃料ミキサの直ぐ下流で前記シェル内に設けられる、請求項1乃至17のいずれか1項記載の燃焼器ライナ。
  22. それを貫通した一様でない直径を有する冷却孔をガスタービンエンジン燃焼器のライナ内に形成する方法であって、
    (a)その形状がほぼ円錐形でありかつ前記ライナをほぼ貫通して延びる前記冷却孔の第1の部分を該ライナの高温側面から形成するステップと、
    (b)その直径がほぼ一様である前記冷却孔の第2の部分を該冷却孔の第1の部分から前記ライナの低温側面まで形成するステップと、を含む、
    方法。
  23. 前記冷却孔の第1の部分が、前記ライナの高温側面から次第に減少する直径を有する、請求項22記載の方法。
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