JP2023096287A - ガスタービンの燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの燃焼器において、ＣＭＣライナーの製作を容易にしながら冷却室をシールする。
【解決手段】ガスタービンの燃焼器は、金属製のシェルと、前記シェルの内側に配置されたセラミックマトリックス複合材料製のライナーであって、燃焼室を画定する内面と、前記燃焼室とは反対側に向いた外面と、前記燃焼室に向けて開口した少なくとも１つの冷却孔とを有するライナーと、前記シェルと前記ライナーとの間に画定された冷却室と、を備える。前記シェルは、筒状のシェル本体と、前記シェル本体の内面から前記ライナーに向けて突出したシール壁構造と、を含む。
【選択図】図３

Description

本開示は、ガスタービンの燃焼器に関する。

ガスタービンの燃焼器では、燃費向上のために高温高圧の燃焼を実現すべく、部品の耐熱温度の向上が求められている。燃焼器の燃焼室を画定するライナーは、金属の代わりにセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）により形成され得ることが知られている。ＣＭＣは、金属よりも軽量である。ＣＭＣは、耐熱温度が高いため、高温高圧の燃焼を実現しながら冷却空気量を低減できる。それゆえ、ライナーをＣＭＣ製にすることで、ガスタービンの燃費を向上させることができる。

特許文献１は、燃焼器のシェルの径方向内側に配置されたライナー（熱シールド）を冷却する構成を開示している。シェルとライナーとの間には冷却室が形成されている。シェルには、冷却室に冷却空気を導入する開口が形成されている。ライナーには、冷却室から燃焼室に冷却空気を流出させる冷却孔が形成されている。

米国特許公開第２０１８／０２９２０８９号

特許文献１の構成において、ライナーの冷却孔から冷却空気を十分に流出させてライナーの内周面を冷却するためには、冷却室と燃焼室との間に十分な差圧が必要である。そのため、冷却室の冷却空気に意図しないリークが生じないことが好ましい。しかし、ライナーをＣＭＣ製にする場合には、ライナーの形状自由度が低くなるため、冷却室の冷却空気のリークを防止することが難しい。

そこで本開示は、ガスタービンの燃焼器において、ＣＭＣライナーの製作を容易にしながら冷却室をシールすることを目的とする。

本開示の一態様に係るガスタービンの燃焼器は、金属製のシェルと、前記シェルの内側に配置されたセラミックマトリックス複合材料製のライナーであって、燃焼室を画定する内面と、前記燃焼室とは反対側に向いた外面と、前記燃焼室に向けて開口した少なくとも１つの冷却孔とを有するライナーと、前記シェルと前記ライナーとの間に画定された冷却室と、を備える。前記シェルは、筒状のシェル本体と、前記シェル本体の内面から前記ライナーに向けて突出したシール壁構造と、を含む。

本開示の一態様によれば、金属製のシェルからシール壁構造が突出し、ＣＭＣライナーが複雑にならずに済むため、ＣＭＣライナーの製作を容易にしながらも、シール壁構造によって冷却室をシールできる。

図１は、第１実施形態に係るガスタービンの燃焼器の流れ方向の下流側から見た断面図である。 図２は、図１の燃焼器のII－II線断面図である。 図３は、図２の燃焼器の周方向から見た部分断面図である。 図４は、図２の燃焼器の流れ方向下流側から見た部分断面図である。 図５は、図３の燃焼器のシール壁構造をその突出方向から見た部分展開図である。 図６は、図５のシール壁構造の第１変形例をその突出方向から見た部分展開図である。 図７は、図５のシール壁構造の第２変形例をその突出方向から見た部分展開図である。 図８は、図５のシール壁構造の第３変形例をその突出方向から見た部分展開図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。なお、ガスタービン１の軸線Ｘは、燃焼器２の軸線と同じである。燃焼器２の軸線Ｘに直交する方向を燃焼器２の径方向Ｒと称し、軸線Ｘ周りに延びる方向を燃焼器２の周方向Ｃと称する。燃焼室９の流れ方向Ｆにおいて、燃焼噴射装置１０側を上流側と称し、排出口９ａ側を下流側と称する。

図１は、実施形態に係るガスタービン１の燃焼器２の流れ方向の下流側から見た概略図である。図１に示すように、燃焼器２は、航空機エンジンとして用いられるガスタービン１の燃焼器である。燃焼器２は、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料とを混合して混合気を生成し、その混合気を燃焼させることで、高温高圧の燃焼ガスを発生させる。その発生した燃焼ガスは、タービンに供給されて当該タービンを駆動する。

燃焼器２は、筒形状を有し、例えば、ガスタービン１の軸線Ｘを囲む環状に形成されたアニュラ型である。なお、燃焼器２は、アニュラ型以外の形式のものでもよい。燃焼器２は、ケーシング３を備える。ケーシング３は、環状のアウターケーシング４と、アウターケーシング４の内側に同心状に配置された環状のインナーケーシング５とを有する。アウターケーシング４及びインナーケーシング５により環状の内部空間が形成されている。なお、燃焼器２の内側は、アウターケーシング４の径方向Ｒの内側で且つインナーケーシング５の径方向Ｒの外側を意味する。

ケーシング３の環状の内部空間には、ケーシング３と同心円状に燃焼筒であるシェル６が配置されている。シェル６は、金属製である。シェル６は、環状のアウターシェル７と、アウターシェル７の内側に同心円状に配置された環状のインナーシェル８とを有する。シェル６は、アウターシェル７及びインナーシェル８により環状の空間を画定している。アウターシェル７及びインナーシェル８により囲まれる環状の空間が燃焼室９として利用される。なお、シェル６の内側は、アウターシェル７の径方向Ｒの内側で且つインナーシェル８の径方向Ｒの外側を意味する。

燃焼室９の上流側には、燃焼室９に燃料を噴射する複数の燃料噴射装置１０が燃焼室９に沿って環状に配置されている。複数の燃料噴射装置１０は、シェル６と同心の仮想円上において周方向Ｃに並んでいる。シェル６には、ガスタービン１の始動時に燃焼室９の混合気に着火するための火花を発生させる点火栓１１が設けられている。筒状のアウターシェル７の径方向Ｒの内側には、アウターライナー１４が配置されている。筒状のインナーシェル８の径方向Ｒの外側には、インナーライナー１５が配置されている。アウターライナー１４は、筒状をなすように互いに周方向に隣り合って並べられた複数のパネル１８の集合体とし得る。インナーライナー１５も、筒状をなすように互いに周方向に隣り合って並べられた複数のパネル１９の集合体とし得る。なお、アウターライナー１４及びインナーライナー１５の一方又は両方は、周方向に並ぶ複数のパネルに分割されずに筒状に一体成形された筒体であってもよい。

図２は、図１の燃焼器２のII－II線断面図である。図２に示すように、ケーシング３の上流側部分には、圧縮機で生成した圧縮空気をケーシング３に取り入れるディフューザ１２が設けられている。燃料噴射装置１０は、ケーシング３に固定されたステム１３により支持されている。ケーシング３に取り入れられた圧縮空気の一部は、燃焼のために燃料噴射装置１０に供給される。ケーシング３に取り入れられた圧縮空気の残部は、シェル６の外面を冷却するとともに、その一部がシェル６に形成された開口２０ｃ（図３参照）からシェル６内に冷却空気として供給される。

筒状のアウターシェル７の径方向Ｒの内側には、ライナーとして筒状のアウターライナー１４が配置されている。筒状のインナーシェル８の径方向Ｒの外側には、ライナーとして筒状のインナーライナー１５が配置されている。アウターライナー１４及びインナーライナー１５は、シェル６から離間している。アウターライナー１４及びインナーライナー１５は、燃焼室９を画定している。燃焼室９で燃焼したガスは、アウターシェル７及びインナーシェル８の流れ方向Ｆの下流側の端１４ｅ，１５ｅによって画定された排出口９ａからタービンに向けて排出される。

アウターライナー１４及びインナーライナー１５は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）製である。アウターライナー１４の流れ方向Ｆの両端１４ｄ，１４ｅとアウターシェル７との間には隙間があり、インナーライナー１５の流れ方向Ｆの両端１５ｄ，１５ｅとインナーシェル８との間にも隙間がある。なお、図２では、後述のシール壁構造２１の図示が省略されている。

以下、アウターシェル７及びインナーシェル８の各シール壁構造は互いに同様の構成を有するため、アウターシェル７について代表して説明する。図３は、図２の燃焼器２の周方向Ｃから見た部分断面図である。図４は、図２の燃焼器２の流れ方向Ｆの下流側から見た部分断面図である。図３及び４に示すように、アウターシェル７は、シェル本体２０及びシール壁構造２１を含む。シェル本体２０は、筒形状を有する。シェル本体２０は、径方向Ｒの外方に向いた外面２０ａと、径方向Ｒの内方に向いた内面２０ｂと、を有する。

シール壁構造２１は、シェル本体２０の内面２０ｂからアウターライナー１４に向けて突出している。即ち、シール壁構造２１は、シェル本体２０の内面２０ｂから径方向Ｒの内方に突出している。なお、シェル本体２０及びシール壁構造２１は、一体物で形成されてもよいし、シェル本体２０に別体のシール壁構造２１を固定（例えば、接合、締結等）してもよい。

アウターライナー１４は、アウターシェル７と隙間Ｇをあけた状態で取付具１６によってアウターシェル７に取り付けられている。即ち、径方向Ｒの内方におけるシール壁構造２１の先端２１ａは、アウターライナー１４の外面１４ａとの間に隙間Ｇをあけている。隙間Ｇは、ナットＮとアウターシェル７とに挟まれたバネＳの弾性変形可能量よりも大きい。

アウターシェル７は金属製であり且つアウターライナー１４はＣＭＣ製であり、アウターシェル７の熱膨張率とアウターライナー１４の熱膨張率とは互いに異なる。そのため、隙間Ｇのサイズは、ガスタービン１の運転中の燃焼室９の温度に応じて変化し得る。本実施形態では、隙間Ｇは、ガスタービン１の運転中の燃焼室９の想定温度範囲の全域においてシール壁構造２１の先端２１ａがアウターライナー１４から離間した状態が保たれるサイズに設定されている。

アウターライナー１４は、径方向Ｒの外方に向いてアウターシェル７に対向する外面１４ａと、径方向Ｒの内方に向いて燃焼室９を画定する内面１４ｂと、を有する。アウターライナー１４は、燃焼室９に向けて開口した複数の冷却孔１４ｃを有する。アウターシェル７とアウターライナー１４との間の空間は、冷却室３０として利用される。即ち、アウターシェル７のシェル本体２０の内面２０ｂとアウターライナー１４の外面１４ａとが、冷却室３０を画定している。

取付具１６の構成は特に限定されないが、一例として、取付具１６は、ボルトＢ、ナットＮ及びバネＳを含む。例えば、ボルトＢは、アウターライナー１４の内面１４ｂ側から取り付けられ、ナットＮは、アウターシェル７のシェル本体２０の外面２０ａ側から取り付けられる。バネＳは、弾性変形可能な状態でシェル本体２０の外面２０ａとナットＮとの間に挟まれている。バネＳは、径方向Ｒにおけるアウターシェル７に対するアウターライナー１４の変位を許容する。バネＳは、例えば皿バネとし得る。

シェル本体２０は、ケーシング３（図１参照）に取り入れられた圧縮空気が導入される複数の開口２０ｃを有する。開口２０ｃから導入された圧縮空気は、冷却空気として冷却室３０に供給される。冷却室３０の冷却空気は、アウターライナー１４の外面１４ａを冷却する。冷却室３０の冷却空気は燃焼器２の上流の圧縮機から供給される圧縮空気であるため、冷却室３０の圧力は燃焼室９の圧力よりも高い。そのため、冷却室３０の冷却空気は、アウターライナー１４の冷却孔１４ｃから燃焼室９に流出する。冷却孔１４ｃから流出した冷却空気は、アウターライナー１４の内面１４ｂを被覆し、燃焼室９の燃焼ガスによるアウターライナー１４の内面１４ｂの昇温を低減させる。

燃焼器２の周方向Ｃから見た冷却室３０の断面において、シール壁構造２１は、冷却室３０を複数のキャビティＰに区分けする複数の壁部２２を有する（図３参照）。本実施形態のシール壁構造２１は、全体として連なった１つの壁であるが、周方向Ｃから見た断面視では互いに離れた複数の壁部２２を有する。複数の壁部２２は、シェル本体２０の内面２０ｂからアウターライナー１４に向けて突出している。壁部２２の突出端は、シール壁構造２１の先端２１ａである。複数の壁部２２は、燃焼器２の周方向Ｃから見た冷却室３０の断面において、複数のキャビティＰのうち冷却孔１４ｃが面するキャビティＰからアウターライナー１４の端に向かう方向に互いに間隔をあけて並べられている。燃焼器２の流れ方向Ｆから見た冷却室３０の断面においても、シール壁構造２１は、冷却室３０を複数のキャビティＰに区分けしている（図４参照）。

図５は、図３のシール壁構造２１をその突出方向から見た部分展開図である。図５に示すように、シール壁構造２１は、シェル本体２０からのシール壁構造２１の突出方向（本実施形態では径方向Ｒ）から見て、ハニカム形状を有する。即ち、シール壁構造２１は、周方向Ｃに延びる部分と流れ方向Ｆに延びる部分とを含む。複数の冷却孔１４ｃの各々は、前記突出方向から見て、複数のキャビティＰの何れかに包含される。シェル本体２０の開口２０ｃの各々は、前記突出方向から見て、複数のキャビティＰの何れかに包含されている。シール壁構造２１の壁部２２は、前記突出方向から見て、複数の冷却孔１４ｃの間に介在する。

複数の開口２０ｃの少なくとも１つと、複数の冷却孔１４ｃの少なくとも１つとは、同一のキャビティＰに対向している。具体的には、複数の冷却孔１４ｃの何れが面するキャビティＰにも、複数の開口２０ｃの少なくとも１つが面している。なお、冷却孔１４と開口２０ｃとが互いに異なるキャビティＰに面してもよい。

開口２０ｃから冷却室３０に導入された冷却空気は、流れ方向Ｆにおける冷却室３０の端に向かおうとするときにシール壁構造２１の存在によって抵抗を受ける。具体的には、冷却孔１４ｃが面したキャビティＰからアウターライナー１４の流れ方向Ｆの両端１４ｄ，１４ｅ（図２参照）までの領域において、シール壁構造２１の先端２１ａとアウターライナー１４の外面１４ａとの間の狭い隙間Ｇが流れ方向Ｆに複数並ぶ。

そのため、冷却孔１４ｃが面したキャビティＰ内の冷却空気は、狭い隙間Ｇの流路抵抗によって、流れ方向Ｆにおける冷却室３０の端に向かい難くなる。その結果、冷却室３０の冷却空気がアウターライナー１４の端を越えてリークすることが起き難く、冷却室３０の圧力が燃焼室９の圧力よりも十分高く保たれ、冷却孔１４ｃから適切に冷却空気が吐出される。

なお、インナーシェル８にも同様にシール壁構造が設けられるが、アウターシェル７に設けられたシール壁構造２１と同様であるので、インナーシェル８のシール壁構造については詳細な説明を省略する。

以上に説明した構成によれば、金属製のシェル６からシール壁構造２１が突出し、ＣＭＣ製のアウターライナー１４及びインナーライナー１５が複雑にならずに済むため、ＣＭＣライナー１４，１５の製作を容易にしながらも、シール壁構造２１によって冷却室３０をシールできる。

取付具１６は、径方向Ｒにおけるシェル６に対するライナー１４の変位を許容するバネＳを含み、径方向Ｒにおけるシール壁構造２１の先端２１ａは、ライナー１４の外面１４ａとの間に隙間Ｇをあけているので、ライナー１４の変位を許容しながらも、シール壁構造２１によって冷却室３０をシールできる。

隙間Ｇは、ガスタービン１の運転中の燃焼室９の温度範囲の全域においてシール壁構造２１の先端２１ａがライナー１４の外面１４ａから離れた状態が保たれるサイズに設定されているので、シール壁構造２１がライナー１４に干渉せず、ライナー１４への局所応力の発生を防止できる。

燃焼器２の周方向Ｃから見た冷却室３０の断面において、シール壁構造２１は、冷却室３０を複数のキャビティＰに区分けしているので、冷却室３０の冷却空気のリークを生じ難くすることができる。

複数の壁部２２は、周方向Ｃから見た冷却室３０の断面において、複数のキャビティＰのうち冷却孔１４ｃが面するキャビティＰからライナー１４の端に向かう方向に互いに間隔をあけて並べられるため、流路抵抗の高い部分が複数並び、冷却室３０の冷却空気のリークを生じ難くすることができる。

シェル７の開口２０ｃ及びライナー１４の冷却孔１４ｃは、同一のキャビティＰに面しているため、冷却孔１４ｃから燃焼室９に十分な圧力で冷却空気を吐出できる。

燃焼器２の上流から下流に向かう流れ方向Ｆから見た冷却室３０の断面において、シール壁構造２１は、冷却室３０を複数のキャビティＰに区分けしているので、冷却室３０の冷却空気のリークを生じ難くすることができる。

シール壁構造２１は、径方向Ｒから見て、複数の冷却孔１４ｃの間に介在する壁部２２を含むので、冷却孔１４ｃごとに燃焼室９との差圧を確保することができる。

シール壁構造２１は、径方向Ｒから見てハニカム形状を有するので、シェル６の強度を高めながら冷却室３０のシール性を高めることができる。

なお、シール壁構造２１は、前述した形態に限られず、種々の変形例を採用し得る。図６は、図５のシール壁構造２１の第１変形例をその突出方向から見た部分展開図である。図６に示すように、第１変形例として、シェル１０７のシール構造１２１は、それがシェル本体２０から突出する方向から見て、格子形状を有してもよい。図７は、図５のシール壁構造２１の第２変形例をその突出方向から見た部分展開図である。図７に示すように、第２変形例として、シェル２０７のシール壁構造２２１は、周方向Ｃに延び且つ流れ方向Ｆに互いに間隔をあけた複数の壁部２２２を有し、流れ方向Ｆに延びる壁部を有さない構成としてもよい。即ち、シール壁構造２２１は、それがシェル本体２０から突出する方向から見て、ストライプ形状を有し得る。壁部２２２により区切られるキャビティＰ１は、周方向Ｃの全体に連続して延びていてもよい。

図８は、図５のシール壁構造２１の第３変形例をその突出方向から見た部分展開図である。図８に示すように、第３変形例として、シェル３０７のシール壁構造３２１は、周方向Ｃに延び且つ流れ方向Ｆに不等間隔をあけて配置された複数の壁部３２２を有してもよい。即ち、シール壁構造３２１は、それがシェル本体２０から突出する方向から見て、不等間隔のストライプ形状を有し得る。例えば、複数の壁部３２２の流れ方向Ｆの配列ピッチは、冷却孔１４ｃに対応する第１領域Ｄ１において、前記第１領域Ｄ１から流れ方向Ｆに離れた第２領域Ｄ２よりも大きく設定されてもよい。即ち、冷却孔１４ｃに対応する部分のキャビティＰ２の流れ方向Ｆの幅が、冷却孔１４ｃから流れ方向Ｆに離れた領域のキャビティＰ３の流れ方向Ｆの幅よりも大きくてもよい。また、図５乃至８の構成とは別にシール壁構造がラビリンス状であってもよい。

以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。例えば、１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよく、実施形態中の一部の構成は、その実施形態中の他の構成から分離して任意に抽出可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれる。

１ ガスタービン
２ 燃焼器
６ シェル
７ アウターシェル
８ インナーシェル
９ 燃焼室
１４ アウターライナー
１４ａ 外面
１４ｂ 内面
１４ｃ 冷却孔
１５ インナーライナー
１６ 取付具
１８，１９ パネル
２０ シェル本体
２０ａ 外面
２０ｂ 内面
２０ｃ 開口
２１，１２１，２２１，３２１ シール壁構造
２１ａ 先端
２２，２２２，３２２ 壁部
３０ 冷却室
Ｂ ボルト
Ｃ 周方向
Ｇ 隙間
Ｎ ナット
Ｐ キャビティ
Ｒ 径方向
Ｓ バネ
Ｘ 軸線

Claims (10)

1. 金属製のシェルと、
   前記シェルの内側に配置されたセラミックマトリックス複合材料製のライナーであって、燃焼室を画定する内面と、前記燃焼室とは反対側に向いた外面と、前記燃焼室に向けて開口した少なくとも１つの冷却孔とを有するライナーと、
   前記シェルと前記ライナーとの間に画定された冷却室と、を備え、
   前記シェルは、筒状のシェル本体と、前記シェル本体の内面から前記ライナーに向けて突出したシール壁構造と、を含む、ガスタービンの燃焼器。
2. 前記ライナーは、前記燃焼器の周方向に隣り合って並べられた複数のパネルを含む、請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記シェルに前記ライナーを取り付ける取付具を更に備え、
   前記取付具は、前記燃焼器の径方向における前記シェルに対する前記ライナーの変位を許容するバネを含み、
   前記シール壁構造の先端は、前記ライナーの前記外面との間に隙間をあけている、請求項１又は２に記載のガスタービンの燃焼器。
4. 前記隙間は、前記ガスタービンの運転中の前記燃焼室の温度範囲の全域において前記シール壁構造の前記先端が前記ライナーの前記外面から離れた状態が保たれるように設定されている、請求項３に記載のガスタービンの燃焼器。
5. 前記燃焼器の周方向から見た前記冷却室の断面において、前記シール壁構造は、前記冷却室を複数のキャビティに区分けしている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスタービンの燃焼器。
6. 前記シール壁構造は、前記シェル本体から前記ライナーに向けて突出した複数の壁部を有し、
   前記複数の壁部は、前記燃焼器の周方向から見た前記冷却室の断面において、前記複数のキャビティのうち前記冷却孔が面するキャビティから前記ライナーの端に向かう方向に互いに間隔をあけて並べられている、請求項５に記載のガスタービンの燃焼器。
7. 前記シェルは、圧縮空気が導入される開口を含み、
   前記開口及び前記冷却孔は、前記複数のキャビティの１つに面している、請求項５又は６に記載のガスタービンの燃焼器。
8. 前記燃焼器の上流から下流に向かう流れ方向から見た前記冷却室の断面において、前記シール壁構造は、前記冷却室を複数のキャビティに区分けしている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のガスタービンの燃焼器。
9. 前記少なくとも１つの冷却孔は、複数の冷却孔を含み、
   前記シール壁構造は、前記シール壁構造が突出する方向から見て、前記複数の冷却孔の間を区切っている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガスタービンの燃焼器。
10. 前記シール壁構造は、前記シェル本体から前記シール壁構造が突出する方向から見て、ハニカム形状、格子形状又はストライプ形状を有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のガスタービンの燃焼器。

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