JP2761228B2

JP2761228B2 - ガスタービンエンジンの燃焼室

Info

Publication number: JP2761228B2
Application number: JP63501488A
Authority: JP
Inventors: テイルストン，ジヨン・ロナルド
Original assignee: IGIRISU
Current assignee: IGIRISU
Priority date: 1987-02-11
Filing date: 1988-02-09
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: EP0347414A1; DE3860756D1; JPH02502213A; EP0347414B1; WO1988006257A1; GB8703101D0

Description

【発明の詳細な説明】本発明はガスタービンエンジン用燃焼室の技術分野に
係わり、特に、しかし排他的にではなく、航空用又は船
舶用の推進のために使用されるようなエンジンのための
燃焼室に係わる。特に本発明は、そうした燃焼室の収容
壁を冷却するための手段に係わる。

燃焼消費率（単位推力当りの燃焼消費）に反映される
ようなすべてのエンジンの効率を改善し、同時に、構成
部品寿命及びサービスインターバルを改善したいという
明らかな要求が存在する。ガスタービンエンジンの分野
においては、改善された燃料消費率は、サイクル温度を
増加させることによって及び／又は構成部品冷却のため
の抽気によって負わされるエンジン上のドレンを減少す
ることによって達成され得る。しかしそうした改善は、
構成部品材料又は冷却装置がその寿命を補償するよう改
善されることが可能でなければ、構成部品寿命の低下と
いう犠牲を払って得られることになるだろう。

現代のガスタービンでは、エンジンの火炎覆いが作ら
れる材料は、例えば2000℃以上に対して1000℃といっ
た、燃料の燃焼によって生じる温度よりかなり低い最高
温度耐久性を有するだろう。このような燃焼室壁冷却は
従来のものである。強制対流、フィルム冷却、浸み出し
冷却、衝突冷却、吹出し冷却、及び（所有権のある積層
材料を使用する）擬似吹出し冷却といった技術は、本発
明の分野の文献に数多く論述されている。上記の燃焼室
壁冷却技術はすべて、高圧圧縮機段の出力から採られる
冷却材としての空気に依存している。この圧縮機の総出
力は特にその圧縮機への動力入力に従属しており、従っ
て、使用可能な高圧空気の総量は圧縮機動力ドレンの増
加という犠牲なしに増大することは不可能である。使用
可能な空気は燃焼室冷却にだけ利用されるのではない。
次の３つの働き各々のために、十分な空気が限定された
利用可能量の範囲内から供給されなければならない。こ
の３つの働きとは、燃焼室の第１区域内の燃焼の維持、
燃焼室の希釈区域内での希釈によって燃焼ガスをタービ
ンへ出て行く前に冷却すること、及び燃焼室壁及びター
ビン内構成部品の両者を冷却することである。既存の燃
焼器では、高圧空気の総体の供給を増大させる代わり
に、壁冷却用により多く空気を供給するように空気を再
配分するならば、望ましくない結果が生じるだろう。空
気が燃焼プロセスから壁冷却に転用されるならば、受け
入れ難い煙排出という不利益が生じるのが普通である。
その代りに、高度に最適化された希釈プロセスから壁冷
却用に空気が転用されるならば、希釈プロセスは非常に
非効率的になり、増大したタービン入口温度及びタービ
ン入口流の中のホットスポットが、タービン構成部品の
寿命が劇的に短縮するという形で反映されるだろう。更
に従来技術の燃焼室では、壁冷却を目的とする空気供給
の増大は、他の動きのための空気供給が不足するという
ことには全く無関係に、それ自体だけでも望ましくな
い。壁冷却空気は、冷却の必要条件に基づいた箇所にお
いて燃焼室の中に放出される。場合によっては空気放出
の増加が過剰な空気を燃焼にもたらし、増大する煙、未
燃焼燃料の放出、及び燃焼安定性の減少といった結果を
生じさせる。過剰な未燃焼燃料を含む燃焼室領域内に空
気が放出されるならば、その追加的な空気は局部燃焼を
促進し、その結果として壁がより高温になる。

これらの要因から、冷却空気の最小限度の供給しか必
要としないような燃焼室壁の冷却方法は、当業者の最大
の関心事となっている。そうした方法における改善にも
かかわらず、多くの最新型高性能エンジンの燃焼室は過
剰な壁温度の故に不十分な耐久性しか有していない。

もし増加分が高圧圧縮機から配送される壁冷却用空気
の割合のかさもなければ第１区域内での燃焼の維持のた
めに使用される空気部分の中から供給されるならば、そ
してまた、この冷却空気が一旦その冷却機能を果たした
後で、燃焼の維持に効率的に使用されることが可能であ
るならば、高圧圧縮機から配送される燃焼室第１区域の
冷却用の空気の割合の増加を、エンジンの耐久性又は性
能という他の側面に対し有害とならないよう配慮する必
要はないという認識に、本発明は大いに由来している。
従来の壁冷却方法に採用されている空気出口の配置が燃
焼プロセスを高めるというよりむしろ混乱させるが故
に、これらの２つの条件は、従来技術の壁冷却方法いず
れに関しても満足させられることは不可能である。

増大した冷却空気の通過を可能にし、且つ上記の望ま
しくない急冷を全く生じさせることなく燃焼プロセスの
維持のために冷却空気の通過を効率的に使用する燃焼室
壁冷却配置を使用することが可能であることを、本出願
人は見出した。また本出願人は、本発明が幾つかの従来
技術の燃焼室に見出される別の問題を回避できることを
見出した。この問題とは、局所的に脆弱な部分を有する
従来技術の積層壁構造における、熱循環によって引き起
こされる燃焼室亀裂の問題で、そこでの冷却空気の通過
がその壁断面を薄くしている。本出願人の燃焼室は一体
の単一材料から作られることが可能であり、且つ冷却空
気通過のどんな交差も回避するような形状に作られてい
る。

本出願人は、第１燃焼区域に加えて、燃焼室の希釈区
域に対しても本発明を応用できると考える。その希釈区
域に応用される場合には、壁冷却用空気は燃焼ガスの希
釈冷却用に分配された部分の中から供給され、そしてこ
の壁冷却用空気は、一旦壁冷却のために使用された後、
希釈のために利用されることになるだろう。

本発明に文脈をもたらし、且つ本発明を定義するのに
使用される用語の明確な定義を提供するために、従来の
ガスタービンエンジンにおける燃焼室の説明が以下で行
われる。

現在のガスタービンエンジンにおける燃焼室には、３
つの確立した形状がある。これらは、複式チャンバ形
状、環状チャンバ形状、及びターボ環状形状である。複
式チャンバ型のエンジンでは、高圧圧縮機段の出力にお
いてマニホルドに各々連結されるリング状の別個の燃焼
器がある。各々の燃焼区画はそれ自体に個別の火炎ケー
シング及び圧力ケーシングを有し、この火炎ケーシング
は圧力ケーシングの中に置かれている。１つ以上の燃焼
室には点火器が備えられ、燃焼室の各々は、圧力及び点
火の際の燃焼伝播の均一化のための相互連結導管によっ
て、隣接する燃焼室に連結される。環状チャンバ型のエ
ンジンでは、１つの環状の火炎ケシング及びこの火炎ケ
ーシングを取り囲む１つの圧力ケーシングがある。圧力
ケーシングは、高圧圧縮機の出口に直接接続されてい
る。ターボ環状型のエンジンは単一の環状圧力ケーシン
グを有するが、この圧力ケーシングの中には火炎ケーシ
ングによって各々境界を定められたリング状の個々の燃
焼区画がある。その燃焼区画は、複式チャンバ形状の場
合と同様に相互連結されている。

これらの３つの型の各々のエンジンにおいては、燃焼
及び希釈用の配置は多少は類似している。火炎ケーシン
グの末広形に発散する頭部壁（head wall）部分があ
り、この内部及び付近は、火炎がその中で発生させられ
安定化される再循環流れの安定化区域である。本出願人
はこれを第１区域と称する。第１区域内の再循環流れ
は、部分的には切り立ったボデー又は渦巻き形の羽根に
よって作り出されるが、燃焼を維持する空気がその第１
区域の中に導入される方法によって、この再循環流れが
全体ではないとしても大部分において作り出されるのが
普通である。その空気の幾らかは頭部壁の中心点付近の
箇所で第１区域に導入され、そしてこのことは、気化さ
れた又は霧状にされた燃料を運び又は分散させるのに役
立ち得る。その空気の大部分は、頭部壁の穴を通して、
又は頭部壁に近接したその次の下流部分（火炎管と称す
る）の部分内の火炎ケーシングの中の穴を通して導入さ
れる。第１区域の下流は、火炎管と称される部分内にな
お含まれているが、第２区域と称されるものである。こ
こでは更に空気が再循環流れ領域の下流端部に導入さ
れ、そしてこの空気は再循環によって燃焼領域に運ばれ
るが故に、この空気は燃焼プロセスに寄与する。更にそ
の下流は、本出願人が希釈区域と称する火炎ケーシング
内の領域であり、そこでは、燃焼プロセスによって発生
させられる高温ガスを、エンジンの次の下流段階である
タービンの構成部品が耐えられる十分に低い温度まで希
釈によって冷却するために、追加的な空気が供給され
る。この希釈空気は、希釈区域内の火炎ケーシング内の
穴から供給される。これらのことは、高温ガス流内への
十分なジェット浸透及びその高温ガス流内のホットポッ
トを可能な限り避けるのに十分な冷却空気の供給を確保
することを目指している。

第１区域内で、第２区域内で、及び希釈区域内で、燃
焼を維持し、火炎を安定させ、又は高温ガスを希釈する
空気は、場合によっては、燃焼室圧力ケーシング内に保
たれた圧縮機配分圧力によって、火炎ケーシングの穴を
通して火炎ケーシングの内部へ導入される。これらの穴
は有効な大きさでなければならない。放出が濃い燃料ガ
スに入り込む第１及び第２区域内では、その穴の大きさ
は、過熱を避けるために火炎ケーシングから火炎を適切
な距離に保つために、ジェットの衰弱の前にジェット浸
透を確実にするのに適したものでなければならない。希
釈区域内では、冷却用放出ジェットが高温ガス流に浸透
する能力は、放出される空気の速度に関連するばかりで
なく、放出穴の直径にも関連する。従って希釈ジェット
が効率的且つ均一的に燃焼ガスと混合しそれを冷却する
ためには、希釈空気穴が互いに適切に近接し、且つ希釈
空気を高温ガス流に適切に浸透させるのに十分な大きさ
であることが必要である。放出される空気が望ましい働
きをするように、その穴は入念に配置され、調整され、
及び適切な大きさに作られる。本出願人は火炎ケーシン
グ内のこれらの穴を空気吸込口と称する。

従来技術の燃焼室では、火炎ケーシングを冷却するた
めに使用される空気は、第１区域、第２区域又は希釈区
域内に放出されてよい。蒸散冷却又は擬蒸散冷却として
知られる壁冷却配置では、空気は無数の箇所から火炎ケ
ーシング内に入り込む。空気が濃燃料領域の中へ入る場
合には、火炎ケーシングの近くに多数の小さな火炎を生
じさせるかも知れないが、しかしその空気は、全体的な
火炎安定化又は燃焼プロセスに対しては何ら有効な寄与
をなさない。この冷却方法を用いる燃焼室の中に（溝穴
又は壁表面に沿って整列して並べられた同様のものを通
して）膜冷却空気として放出される空気もまた、火炎安
定化又は燃焼に関する目的には全く役立たない。本出願
人は、これらの従来技術の冷却機構を空気吸込口という
用語の中に含ませてはいない。

更に別の範囲を説明するのが役立つかも知れない。本
出願人の特許（英国特許第1575641号）には、本発明が
特に適する燃焼室形式が開示されている。そうした燃焼
室では、第１区域に十分に配分された空気供給を提供す
る多数の空気吸込口が火炎ケーシングの頭部壁に開口さ
れており、気化された又は霧状にされた燃料／空気混合
物が、中央インゼクタから空気ジェット混合区域の中へ
導かれる。その空気ジェットは混合エネルギーを提供
し、その混合領域を固定する。空気吸込口の適切に調整
された大きさに関連するジェットの分散形状は、容積の
安定化をもたらす。吸込口からの空気に燃料が混合され
る全体的レイアウト及び手段は、本文書で与えられる説
明の範囲内では上記の特許で開示されているものとは詳
細な点では異なっていることに注意する必要がある。本
出願人はそうした燃焼室をペパーポット型燃焼室（pepp
erpot combustor）と称する。

本発明は、圧力ケーシング内に空気間隙を有して収容
された少なくとも一つの火炎ケーシングと、燃焼の維
持、火炎の安定化あるいは高温ガスの希釈のために火炎
ケーシングの内部に空気を供給する火炎ケーシングの複
数の空気吸込口と、空気吸込口が分布する火炎ケーシン
グの少なくとも限定された区域内を伸長する壁冷却手段
とを有するガスタービンエンジンの燃焼室であって、壁
冷却手段は、互いに独立する複数の壁冷却通路が配列さ
れた領域を備えており、壁冷却通路の個々の配列が空気
吸込口を中心としてそのまわりに設けられており、領域
の全体は個々の配列が隣の配列と境を接するか又はこれ
を挟み込むように配置されており、壁冷却通路の夫々は
火炎ケーシングの壁を貫通して火炎ケーシングの外側に
開口する入口と各空気吸込口内に開口する出口との間を
斜めに走っており、壁冷却通路の各配列からの吐出空気
がその対応空気吸込口から放出される空気の一部又は全
部を形成していることを特徴とするガスタービンエンジ
ンの燃焼室である。

本発明は、その本来の目的のためにその後で使用する
上で損害をもたらすことなく、壁冷却のために燃焼用空
気又は希釈用空気を使用することによって、以前には未
利用であった空気供給源を壁冷却に使用することを可能
にする。従って、壁冷却形状は空気流を必要最少限度に
するという要請にもはや拘束される必要がない。このこ
とは従来技術の疑似吹出し配置よりも数少なく且つ幅広
い冷却通路を有する配置をもたらし、成形された予め積
層した材料で作り出される構造の必要を避ける。少なく
とも頭部壁のような面倒な部分では、燃焼室の火炎ケー
シングは単一層材料によって作り出されてもよく、及び
成形ストレスの発生を避ける方法で作り出されてもよ
い。頭部壁部分は鋳造冷却チャネルと共に鋳物として作
られることも可能であろう。あるいは円錐形に作られた
固体又は半球体の固体の中へ冷却通路を機械加工するこ
とによって、頭部壁が作り出されることが可能である。
更に別の方法では、（予め空気吸込口を穿孔した又は後
で空気吸込口を穿孔する）一体の頭部壁を作り、その後
で、冷却通路の望ましいレイアウトに合わせて形作られ
た取り外し可能なマスキングの上面に金属を用いて外部
表面をプラズマ溶射することができるだろう。これらの
方法すべては、本来的に脆弱な領域を備える予め積層さ
れた材料を圧延し又はプレスすることを避け、従って結
果として得られる頭部壁が改善された構造的完全性を有
するであろうと期待できる。

冷却通路は空気流の全体を空気吸込口へ送る必要はな
い。本発明の具体例の１つでは、少なくとも幾つかの空
気吸込口は、斜めに延びる冷却通路によって空気流を送
り込まれると共に、火炎ケーシングを通る直接通路とに
よっても空気流を送り込まれる。

本発明の好ましい具体例の１つでは、空気吸込口各々
が、急激に拡大された区域に到る火炎ケーシングを通る
直接通路を出口において含み、各々の斜めに延びる冷却
通路がこの区域の中へ放出する。この断面の急激な変化
は、逆圧の結果として生じるかもしれない冷却通路を通
る流れの阻害をすべて避けることを促進する冷却通路出
口の低圧領域を作り出す。

少なくとも幾つかの１次の空気放出口からの放出流
を、その流れに渦流をもたらすことによって制御するこ
とは有利であるかもしれない。これを達成するために設
計された形状では、斜めに延びる冷却通路は掃き集め放
射状パターンに配置される。

前述のように本発明は特にペパーポット型の燃焼室に
関連する。そうした燃焼室では、熱疲労によって引き起
こされる頭部壁亀裂が、積層の疑似吹出し冷却材料で頭
部壁が作られるような従来技術の燃焼室において問題と
なり得る。更に、ペパーポット火炎ケーシングの頭部壁
部分表面の上への空気吸込口の分布は、改善された構造
的完全性という別の達成に加えて本発明を用いて冷却の
改善を求めるためには、これが実りある領域であること
を意味している。添付の図面に図示された本発明の特定
の具体例を参照することによってペパーポット燃焼室用
の改善された頭部壁の関連において本発明が説明され
る。

第１図は、ターボ環状燃焼室の縦断面の部分図であ
り、第２図は、それと同一のものの部分的な軸方向図であ
り、第３図〜第７図は、本発明の他の具体例を示す図であ
る。

第１図に示された図は、その断面が圧力ケーシング３
及び１つの火炎ケーシング２の両方を取り囲む位置にお
ける、ターボ環状形の燃焼室１を通る局所的断面図であ
る。圧力ケーシング３の中には、一定の間隔を置いた場
所にそうした火炎ケーシング２が幾つかある。圧力ケー
シング３は軸方向圧縮機段（図示されていない）の出口
環４に取り付けられ、圧縮機からの分配空気全体を取り
込み、これをエンジンの近接した部分から分離させる。
圧力ケーシング３内で燃焼器１の頭部には、圧縮機から
の分配空気流を２つの部分に分け、その捕らえられた部
分を火炎ケーシング２に向けて導く働きをする中空の筒
口５がある。火炎ケーシング２の頭部には、主要区域へ
の末広がり形の導入部の境界をその中で限定する円錐形
の頭部壁11がある。この円錐形の頭部壁11の中心には、
燃焼噴霧ノズル７、インゼクタ空気通路８及びインゼク
タ出口９から成る燃料インゼクタ６が取り付けられてい
る。円錐形末端壁11は１次空気吸込口12の広がりによっ
て貫通されている。吸込口12の広がりは包帯状に周方向
に沿って配列されたパターン（swathed pattern）に配
置された吸込口の列の10個から成る。この広がりの１つ
の包帯は第２図により詳細に図解されている。その包帯
の各々は、ペパーポット型火炎ケーシングの頭部壁部分
表面の全面に及ぶ空気吸込口の燃焼室点火器によって中
断される包帯状の配列を除いて、４つの吸込口12を含
み、このことはこれが最も外側の最大のものに対する最
も内側のもののために効果的な範囲であることを意味す
る。吸込口12の各々は末端壁11を通る直接通路16、及
び、各々が入口17から吸込口12内の出口18へ頭部壁11を
通って斜めに延びる通路13の別々の配列をも含む。通路
13は以下で説明される形で頭部壁11用の冷却通路として
働き、そして各々の吸込口12は末端壁11の周囲領域を冷
却するよう働くそれ自体の冷却通路13の列を有してい
る。包帯状の配列内の各々の吸込口12用の冷却通路13の
配列及びその包帯の配置は、吸込口12の広がりによって
境界が定められた末端壁11の領域を越えて、かなり均一
な形で熱が末端壁11から取り出されるような配置であ
る。

第１及び第２図に示されたターボ環状燃焼器の作動に
おいては、筒口５によって捕らえられた圧縮機分配空気
の大半は火炎ケーシング２の頭部壁に向かって導かれ
る。この空気の一部はインゼクタ空気通路８を通って流
れ、噴霧ノズル７から噴出する燃料流と混合される。そ
の結果得られた混合物はインゼクタ出口９から頭部壁11
の内側表面に向けて半径方向に放出される。更に、圧縮
機分配空気が１次空気吸込口出口12から火炎ケーシング
２の内部へと、火炎ケーシング内での燃焼を維持するた
めに提供される。各々の出口12から噴出する１次の空気
は、各々の直接通路16を通過する空気流と冷却通路13の
各々の配列を通過する空気流との合計である。もちろん
この平行的な流れは末端壁11を挟んだ圧力差によって作
り出され、流れる空気の温度は、燃焼区域で生じさせら
れる温度より著しく低い圧縮機分配温度であるか又はそ
れに近い温度である。こうして１次空気の一部は、冷却
通路13を通過する際に、その通過に伴う熱交換によって
頭部壁11を冷却するように働く。火炎ケーシング２の近
接部分には、その通部壁の下流で更に１次空気吸込口が
ある。これらは第１図では19と称されている。これらは
筒口５及び火炎ケーシング２の外側の空気流部分から追
加的な燃焼用空気を提供するよう働く。またこれらの吸
込口19にも斜めの冷却通路（図示されていない）が備え
られるが、しかしその代わりに、従来の膜冷却がこの区
域の火炎ケーシング２の冷却に適切であるかもしれな
い。燃焼器１内の更に下流には、希釈によって燃焼生成
物を冷却するために火炎ケーシング２の内部に更に圧縮
機分配空気が導入される、従来の希釈区域（図示されて
いない）がある。

第3A図及び第3B図は各々、平面図及び断面図におい
て、冷却通路／放出口形状の変更された型を示してい
る。その断面図は頭部壁11を通しての横断面であり、平
面図は火炎ケーシングの軸に対して直角ではない円錐表
面に対して、直角をなす角度から見た円錐表面の１つで
ある。この別の形状においては、冷却通路13の出口18は
吸込口12の急激に拡大された区域20の中に設置されてい
る。この急激に拡大された区域20は出口18の近くに低圧
領域を生み出し、冷却通路13を通る適切な空気流を確保
するのを助ける。その区域20は上記の形状においては放
出口12の全周縁の周囲に延びないが、しかしこの制限は
階段状吸込口の設計の本質的な特徴ではない。

第4A図及び第4B図の各々は、周囲的に近接した吸込口
12の冷却通路13がより均等に広がる冷却能力を提供する
ために交互に重ねられる直線状の広がりの冷却形状の展
開された平面図及び断面図である。

第５図は、交互に重ねられた放射状配列の冷却通路配
置の展開された平面図を示している。

第６図は、冷却通路が螺旋状パターンを描く冷却通路
配置の展開された平面図を示している。このに配置は吸
込口12から出る１次空気流の中に渦流成分を作り出すた
めに使用できる。

第７図は、空気吸込口12が前記の図で16と表示される
型の直接通過通路を含まない配置の断面図である。この
配置では、吸込口12を通して放出される空気の全ては冷
却通路13によって供給される。冷却通路13の配列は上記
のいずれのパターンと同じであってもよい。

上記の図及びそれに伴う説明は、特定のターボ環状燃
焼室に適用されるような様々な冷却通路配列を示す。同
様の配列は、個々のチャンバ及び環状チャンバエンジン
の両方において、その頭部壁区域及びその更に下流部分
に採用され得る。示された様々な配列は、そうした配列
が貢献する燃焼室表面に対し良好な冷却通路の覆いを与
えるために様々に組み合わされて使用され得る。

その新しい燃焼室の有効性は、壁冷却及び燃焼の両方
に関して比較テストで立証されている。環状圧力ケーシ
ングのセクタ部分内の単一火炎ケーシングを使用するRo
lls Royce Speyエンジンに使用される型のターボ環状燃
焼室を模擬実験するセクタ燃焼リグでこのテストが行わ
れた。テストのために使用された火炎ケーシング設計は
営業用エンジンには使用されるものではなく、ペパーポ
ット（pepperpot variety）型の研究設計だった。この
燃焼リグで３つの異なった火炎ケーシングがテストされ
た。頭部壁に関してを除けば、全て共通の設計だった。
頭部壁は共通の基本形状を−即ち、全体的寸法及び空気
吸込口の設置に関しては−有していたが、頭部壁冷却に
関しては異なった設備を有していた。その頭部壁は、冷
却形状を除いた第１図に示されたものと同一だった。部
分環状圧力ケーシング内の火炎ケーシングの配置及び燃
焼噴射配置も第１図と同じだった。頭部壁の基本設計
は、Transply（登録商標）積層シートを円錐形に巻き、
その後でその巻いた形を側面溶接することによって形作
された。この設計はTransplyシート内に備えられた疑似
吹出し冷却通路ネツトワークに依存した。第２の設計は
固体から機械加工で成形された材料の非冷却頭部壁だっ
た。第３の設計は本発明を利用した。この頭部壁も固体
から機械加工で成形されたものだった。冷却通路はこの
円錐体を穿孔又は火花腐食することによって与えられ、
冷却通路は吸込口と共に第3A及び3B図で示された形を成
していた。冷却通路の相互に重ねられた覆いを与える試
みはなく、従って各々の包帯の吸込口は頭部壁の個々の
帯を覆う冷却通路を排気した。その円錐体に関する冷却
通路のレイアウトは第２図に示されている。この構造に
おける頭部壁は、ニッケルをベースとする市販の超合金
であるNimonic75で作られた。壁の厚さは3mmで、冷却通
路の直径は1mmであった。吸込口は最も内側の5.25mmか
ら最も外側の7.5mmまでの間で各々の包帯を越える毎に
大きさが変化した。幾つかの要素がこの頭部壁に採用さ
れた設計に影響を及ぼしたが、これらの要素は比較テス
トの結果を考察する際に考慮に入れられなければならな
い。新しい設計の出発点は、Transply材料における技術
の設計を用いて達成されるのと同じ冷却流量を達成する
ことであり、従って新しい設計の有効性が比較し得る流
れの条件の下で確かめられることが可能だった。勿論こ
れは、この設計で可能となる冷却流量の増大からこの新
しい設計が利益を得ないということを意味する。Transp
ly設計と同じ冷却流量を保つ第２の理由は、テスト結果
からもたらされる燃焼性能比較の有効性に信頼性を与え
るため、燃焼室圧力損失及び燃焼条件に関して２つの設
計の間に共通性を保つということである。また研究目的
のために製造されたただ一回限りの品物であるその新し
い頭部壁は、大量生産に適した高度技術生産方法から利
益を得ないということにも留意すべきである。冷却通路
は本明細書においては前記の技術を使用して作り出され
ず、その円錐形頭部壁の穿孔又は火花腐食によって様々
に作り出された。この製造方法の結果では、冷却通路の
接近した配列の間に近接し又は相互に重なる冷却通路覆
いを与えるために、十分に斜めの角度で冷却通路に穿孔
することは不可能であった。実際には近接した配列の間
に、冷却の全体的な有効性を損なう相対的に冷却されな
い区域が存在した。

異なった火炎チャンバの各々は、空気流量、空気圧
力、及び燃料供給を調整することによって、無負荷運転
時及び18MWの間のエンジン性能を模擬実験するよう意図
された一定の幅の条件に関して、セクタ燃焼器リグ内で
別々にテストされた。18MWという数値は環状圧力チャン
バ内に10の燃焼区画を有するエンジンの総体的な出力レ
ベルを表す。実際にはエンジンがこの動力出力を達成す
るためには、ガスタービンエンジンの絶対条件における
低効率性を考慮すれば、各々の燃焼区画は1.8MWよりも
著しく大きな出力を供給しなければならない。本出願人
によるテストは、約5MWまでの個々の燃焼区画動力出力
に及んだ。

２つの別々の性能の側面が評価された。温度感知塗料
を使用した第１の性能評価は粗い温度等高線図を提供
し、従って壁冷却の有効性の指標をもたらした。第２の
評価は燃焼性能に及ぶものだった。これらの別々の評価
は以下に示され検討される。

冷却性能に関する比較の基準は、最新技術の疑似吹出
し頭部壁である。この構成部品については、温度感知塗
料は、（燃焼器の幾何学的配列から決まる）700〜840℃
の領域内の頭部壁の最高温度領域における総体的な温度
を示した。しかしこの領域内には、Transply材料の穴及
び通路パターンの結果であり、及び頭部壁のような構成
部品の熱−機械疲労という前述の問題の一因となる、小
さな強度のホットスポットの低温点とのパターンが存在
する。局所レベルでのこの温度変化及びその結果として
生じる問題を除き、Transply頭部壁の冷却性能は容認で
きるものである。一体形の非冷却頭部壁は、構造的問題
を避けることを目的とするTransply頭部壁の代替物と見
なされてきた。しかしそうした構成部品にとってはピー
クホットスポット温度が1050℃を越えることが見出さ
れ、この温度は従来の火炎ケーシング材料で作り上げら
れた構成部品には受け入れ難いであろう。その冷却通路
配列によって覆われた領域の中の新しい設計の頭部壁の
性能は、700〜840℃の範囲内のホットスポット温度をも
たらすTransply頭部壁によって示される性能に匹敵した
が、従来技術の頭部壁の特徴であった局所レベルの強度
な温度変化パターンを免れていた。近接する冷却配列の
間の区域部分では−その通部壁の最高温領域内になお含
まれているが−ピーク温度は870〜1020℃の間であるこ
とが見出された。このように冷却通路配列の有効性の境
界に一致した、全体的規模における（最高温度領域内
の）温度変化パターンが存在する。本発明が必要とする
ような近接する又は相互に重なる冷却通路覆いを与える
ために冷却通路が形作られるならば、この変化パターン
は回避可能である。近接する冷却された区域と冷却され
ていない区域との間の直接的な対比は、その基本システ
ムの有効性の尺度を与える。

３つの火炎ケーシングの燃焼性能評価は、とりわけ無
負荷運転効率、煙発生、及び出口温度パターンを取り扱
った。無負荷運転効率とは無負荷運転条件の下での燃焼
効率であるが、燃料の発熱量及び燃料流量から得られた
計算上の可能熱量数から（排気組成物の分析に基づく）
計算上の廃棄熱量数を差し引くことによって計算され
る。煙発生は濾過技術によって測定され、Bacharach数
によって量を表される。火炎ケーシング内の希釈プロセ
スの有効性は、そのケーシングの出口を越えた温度輪郭
（temperature profile）として反映される。この温度
輪郭は、タービン段への入口で受ける熱的条件を量的に
表すが故に重要である。２の数値が３つの設計ケーシン
グ各々に与えられる。これらの中の第１のものは全動力
出力において測定され、パーセントで表される総合温度
分布係数（overall temperature distribution factor:
OTDF）である。OTDFは次のように定義される。

OTDF（％）＝（T₁−T₂）／（T₂−T₃）×100 この式で、T₁はピークポイント出口温度、T₂は平均ポ
イント出口温度、及びT₃は入口温度である。

第２の温度輪郭値は、回転中のタービン構成部品が出
口流を横切る際のそのタービン構成部品上の任意箇所に
おける最も厳しい露出を、上昇した温度に対する蓄積さ
れた露出に関して表すよう意図された、円周方向に基づ
く数値である。その適切な係数は全動力において測定さ
れ、パーセントで表される半径方向温度分布係数（radi
al temperature distribution factor:RTDF）である。R
TDFは次のように定義される。

RTDF（％）＝（T₄−T₂）／（T₂−T₃）×100 ここでT₂及びT₃は前式の場合と同じであり、T₄は出口
平面を越える任意半径方向路に沿っての最高平均出口温
度である。

３つの火炎ケーシングの燃焼性能は次の表で与えられ
る。

新しい設計によって作られた頭部壁はあらゆる点でそ
の他の頭部壁の燃焼性能に匹敵し、そして全出力時の煙
発生に関してはその他のそれを凌いでいるということが
分かるだろう。後者の特性に関しては、すべての型の火
炎ケーシングの数値が非常に低い値であり、従って勿論
この点に関する改善はどんなものでも歓迎されるであろ
うが、本発明によって得られた改善の度合いは、期待さ
れたほど著しいものではないかもしれないこととに留意
すべきである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力ケーシング内に空気間隙を有して収容
された少なくとも一つの火炎ケーシングと、燃焼の維
持、火炎の安定化あるいは高温ガスの希釈のために前記
火炎ケーシングの内部に空気を供給する該火炎ケーシン
グの複数の空気吸込口と、前記空気吸込口が分布する前
記火炎ケーシングの少なくとも限定された区域内を伸長
する壁冷却手段とを有するガスタービンエンジンの燃焼
室であって、前記壁冷却手段は、互いに独立する複数の壁冷却通路が
配列された領域を備えており、該壁冷却通路の個々の配
列が前記空気吸込口を中心としてそのまわりに設けられ
ており、前記領域の全体は前記個々の配列が隣の配列と
境を接するか又はこれを挟み込むように配置されてお
り、前記壁冷却通路の夫々は前記火炎ケーシングの壁を
貫通して該火炎ケーシングの外側に開口する入口と各空
気吸込口内に開口する出口との間を斜めに走っており、
前記壁冷却通路の各配列からの吐出空気がその対応空気
吸込口から放出される空気の一部又は全部を形成してい
ることを特徴とするガスタービンエンジンの燃焼室。
【請求項２】前記壁冷却通路の配列の中心にある各空気
吸込口は、該空気吸込口の出口に隣接する急拡大断面部
分を有しており、前記壁冷却通路が前記空気吸込口内の
この急拡大断面部分に空気を吐出することを特徴とする
請求項１に記載の燃焼室。
【請求項３】前記壁冷却通路の配列の中心にある各空気
吸込口には前記火炎ケーシングを貫通する直通路がな
く、前記壁冷却通路の各配列からの吐出が前記空気吸込
口からの全放出を構成していることを特徴とする請求項
１に記載の燃焼室。
【請求項４】前記互いに独立する複数の壁冷却通路の領
域が前記火炎ケーシングの頭部壁部分内にあることを特
徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼
室。
【請求項５】前記燃焼室がペパーポット型であることを
特徴とする請求項４に記載の燃焼室。
【請求項６】前記壁冷却通路の各配列が、前記空気吸込
口の夫々の両側部に一つずつ設けられた互いに対向する
二つの平行直線通路列であることを特徴とする請求項１
から５のいずれか一項に記載の燃焼室。
【請求項７】前記壁冷却通路の各配列が、前記空気吸込
口の夫々を中心とするスポーク状の配列であることを特
徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼
室。
【請求項８】前記スポーク状の配列が螺旋状パターンを
描いていることを特徴とする請求項７に記載の燃焼室。