JP4156245B2

JP4156245B2 - スロット冷却式燃焼器ライナ

Info

Publication number: JP4156245B2
Application number: JP2002031599A
Authority: JP
Inventors: クレイグ・ダグラス・ヤング; エラ・クリスティーン・クッター
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: US20020108374A1; US6543233B2; EP1231435B1; EP1231435A2; EP1231435A3; DE60232115D1; JP2002256885A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、かかるエンジンに用いられるフィルム冷却式燃焼器ライナに関する。
【０００２】
【発明の背景】
ガスタービンエンジンは、加圧空気を燃焼器に供給する圧縮機を含み、その燃焼器中で空気は燃料と混合され点火されて高温の燃焼ガスを発生する。これらのガスは、下流の１つ又はそれ以上のタービンに流れ、タービンはガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を供給し、また飛行中の航空機に動力を供給するなどの有用な仕事を行なう。航空機エンジン内で用いられる燃焼器は、一般的に内方及び外方燃焼器ライナを含む。ライナは、燃焼過程を包み込み、所定の量の空気を様々な燃焼器帯域に分配することができる。
【０００３】
燃焼器ライナは、燃焼過程により生じる高熱に曝されるので、期待寿命の要求を満たすために冷却される。ライナの冷却は、普通、加圧空気（比較的に低温である）の一部分を分流させその空気をライナの外側表面の全面にわたって流すことによって行われる。その上に、ライナ中に形成された冷却孔を通して冷却空気流を導くことにより、ライナの燃焼側面に沿って冷却空気の薄い層が形成される。フィルム冷却と呼ばれるこの技術は、冷却孔を通しての質量流量がライナ表面近くの高温燃焼ガスを希釈し、また孔を通しての流れがライナ壁に対流冷却を施すので、ライナ上の全体的な熱負荷を減少させる。フィルム冷却を用いるライナには、多孔冷却式ライナとスロット冷却式ライナの２つの基本的な種類がある。
【０００４】
多孔冷却式ライナは、ライナを貫通して形成された多数の傾斜させた極めて小さい冷却孔を含む。圧縮機空気は、冷却孔を通って流れライナの燃焼側面上に冷却空気のフィルムを生じる。冷却孔は、ライナの全長に沿って冷却フィルムを絶えず補給するように、ライナ全体にわたって分散配置されるのが一般的である。スロット冷却式ライナは、各パネルセクションの前端にバンパまたはナゲットが形成された複数の連結されたパネルセクションを含む。軸方向に向けられたスロットが、ナゲット位置において各パネルセクションの高温ガス側表面上に形成され、また円周方向に配置された冷却孔の列が、ナゲット内に形成される。圧縮機空気は、冷却孔を通って流れ、パネルセクションの高温ガス側表面上に冷却空気のフィルムを生じる。従って、冷却フィルムは各スロットにおいて補給される。
【０００５】
空気の分配はライナ内のいわゆる希釈孔によって達成される。希釈孔は、空気の噴流を燃焼チャンバの１次及び２次帯域に導入する。希釈空気は、燃焼器の下流のタービンハードウェアが曝されるガス温度を制御するために消炎作用を行う。また、消炎することでエンジン排気中の窒素酸化物エミッションのレベルも低下させる。燃焼チャンバの特定の領域で必要とされる希釈空気の量に応じて、異なる希釈孔は異なる大きさを有するのが一般的である。スロット冷却式ライナの場合には、希釈孔は、最近では、孔の中心が円周方向の列をなして軸方向に整合された状態で、一般的にパネルのスパン中央に位置させてパネル内に設けられる。この構成で異なる大きさの希釈孔があると、より小さい直径の穴の後部端縁は冷却フィルムを補給する下流のスロットからさらに遠くに位置することになる。
【０００６】
希釈孔を通しての空気の流入により生じる後流により、冷却フィルムが乱される。高温燃焼ガスが、これらの後流中に混入し、ライナの金属温度を著しく上昇させる可能性がある。従って、燃焼器ライナのフィルム冷却が全体的に十分効果的であるのに、希釈孔が存在することで結果的に希釈孔の直近下流にヒートポイントが形成される場合がある。その結果、現在の燃焼器ライナは、低サイクル疲労寿命の短縮、断熱被覆の剥落を生じる基材の酸化速度の増大、及びスロット張出部のクリープ発生の加速を生じる可能性がある。
【０００７】
従って、フィルム冷却効果に対する希釈孔の影響を最小限にするスロット冷却式燃焼器ライナに対する必要性がある。
【０００８】
【発明の概要】
上述の必要性は、前端、後端及びその前端における第１冷却ナゲットを有する第１環状パネルセクションと、前端、後端及びその前端における第２冷却ナゲットを有する第２環状パネルセクションとを含むガスタービン燃焼器ライナを提供する本発明により満たされる。第２パネルセクションは、その前端において第１パネルセクションの後端に接合される。１つ又はそれ以上の列の冷却孔が、第１冷却ナゲット内に設けられ、また１つ又はそれ以上の列の冷却孔が第２冷却ナゲット内に設けられる。希釈孔のグループが第１パネルセクションに設けられる。希釈孔は、第２冷却ナゲットの直近上流において第１パネルセクションの後端に位置する。さらに、希釈孔の各孔は最後部端縁を形成し、たとえ希釈孔が異なる孔の直径を有していても最後部端縁の全ては軸方向に整合される。
【０００９】
本発明及び従来技術に優るその利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読めば明らかになるであろう。
【００１０】
発明と見なされる内容は、本明細書の冒頭部分において具体的に指摘し明確に請求している。しかしながら、本発明は、添付の図面の図とともになされる以下の説明を参照すれば最も良く理解できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
様々な図を通して同一の参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１はガスタービンエンジン内で用いるのに適した種類の燃焼器１０を示す。燃焼器１０は、外方燃焼器ケーシング１６と内方燃焼器ケーシング１８の間に配置された環状外方ライナ１２及び環状内方ライナ１４を含む。外方ライナ１２及び内方ライナ１４は、互いに半径方向に間隔を置いて配置され、燃焼チャンバ２０を形成する。外方ライナ１２及び外方ケーシング１６は、その間に外方通路２２を形成し、また内方ライナ１４及び内方ケーシング１８は、その間に内方通路２４を形成する。当技術では公知であるように、加圧空気が、燃焼器１０の上流に設けられた圧縮機（図示せず）から供給される。加圧空気は主として燃焼器１０中に流れ込んで燃焼を支援し、また一部は外方通路２２及び内方通路２４に流れ込み、そこでライナ１２及び１４並びにさらに下流のターボ機械を冷却するのに用いられる。
【００１２】
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２８(図１に１つのみ示す)が、外方及び内方ライナ１２及び１４の上流端に取り付けられる。各スワーラ組立体２８は、圧縮機から加圧空気を、また対応する燃料管３０から燃料を受ける。燃料及び空気は、スワーラ組立体２８により旋回させられ混合され、得られた燃料／空気混合気は燃焼チャンバ２０中に吐出される。燃料／空気混合気は、外方ライナ１２の円周の周りに配置された１つ又はそれ以上の点火器（図示せず）により点火される。図１は単式環状燃焼器の１つの好ましい実施形態を示すが、本発明は、スロット冷却式ライナを用いる二重環状燃焼器を含むいかなる種類の燃焼器にも同様に適用可能であることに注目されたい。
【００１３】
外方及び内方ライナ１２及び１４は、各々がほぼ環状で軸方向に延びる形状を有する金属シェルを含む。各シェルは、その前端に冷却ナゲットが形成された複数のパネルセクションを含む。外方ライナ１２は、燃焼チャンバ２０内の高温燃焼ガスに面する高温側面３４と外方通路２２内の比較的低温の空気と接触する低温側面３６を有する。同様に、内方ライナ１４は、燃焼チャンバ２０内の高温燃焼ガスに面する高温側面３８と内方通路２４内の比較的低温の空気と接触する低温側面４０を有する。
【００１４】
ここで図２に移ると、外方ライナ１２の冷却方式がより詳細に示される。内方ライナ１４の冷却方式については、外方ライナの冷却方式とほぼ同じであり、従って、以下の説明は本質的に両方のライナに当てはまるので、ここでは詳細には説明しない。外方ライナ１２は、第１パネルセクション４２、第２パネルセクション４３、第３パネルセクション４４、及び第４パネルセクション４５（第４パネルセクション４５は図２に部分的にのみ示す）を含む。パネルセクション４２〜４５は、一体に形成され機械加工された鍛造品あるいは蝋付け又は溶接などの接合方法により互いに接合された別個の金属薄板にすることができる。各セクション４２〜４５は、ほぼ環状の形状を有する。本発明はそのような４枚パネル構成に限定されるものではなく、４枚パネル構成はここでは実例として挙げただけであることに留意されたい。実際に、本発明は異なる数のパネルを有するライナに適用可能である。
【００１５】
第１パネルセクション４２には、その前端に第１冷却ナゲット４８が形成されている。第1冷却ナゲット４８は、その上に形成されかつ冷却スロット５２を形成するように半径方向内方に間隔を置いて配置された環状のリップ部５０を含む。冷却孔５４の列が第１冷却ナゲット４８内に形成されて、冷却空気を第１冷却スロット５２に供給する。第１冷却スロット５２は、ほぼ軸方向に向けられているので、冷却空気は下流方向に導かれて第１パネルセクション４２の燃焼側面上に薄い冷却フィルムを形成する。第１冷却孔５４は、冷却ナゲット４８の全円周の周りに分散配置されるが、等しい間隔を置いて配置されるのが好ましい。
【００１６】
第２パネルセクション４３は、その前端において第１パネルセクション４２の後端に接合される。第２冷却ナゲット５６が、第２パネルセクション４３の前端に形成される。第2冷却ナゲット５６は、その上に形成されかつ冷却スロット６０を形成するように半径方向内方に間隔を置いて配置された環状のリップ部５８を含む。冷却孔６２の列が第２冷却ナゲット５６内に形成されて、冷却空気を第２冷却スロット６０に供給する。第２冷却スロット６０は、ほぼ軸方向に向けられているので、冷却空気は下流方向に導かれて第2パネルセクション４３の燃焼側面上に薄い冷却フィルムを形成し、それによって第1パネルセクション４２からの冷却フィルムを補給する。軸方向の冷却孔６２は、第2冷却ナゲット５６の全円周の周りに分散配置されるが、等しい間隔を置いて配置されるのが好ましい。
【００１７】
同様に、第３パネルセクション４４は、その前端において第２パネルセクション４３の後端に接合される。第３冷却ナゲット６４が、第３パネルセクション４４の前端に形成される。第３冷却ナゲット６４は、その上に形成されかつ冷却スロット６８を形成するように半径方向内方に間隔を置いて配置された環状のリップ部６６を含む。冷却孔７０の列は、第３冷却ナゲット６４内に形成されて、冷却空気を第３冷却スロット６８に供給する。第３冷却スロット６８は、ほぼ軸方向に向けられているので、冷却空気は下流方向に導かれて第３パネルセクション４４の燃焼側面上に薄い冷却フィルムを形成し、それによって第２パネルセクション４３からの冷却フィルムを補給する。第３冷却孔７０は、第３冷却ナゲット６４の全円周の周りに分散配置されるが、等しい間隔を置いて配置されるのが好ましい。
【００１８】
第４パネルセクション４５は、その前端において第３パネルセクション４４の後端に接合される。第４冷却ナゲット７２が、第4パネルセクション４５の前端に形成される。第４冷却ナゲット７２は、その上に形成されかつ冷却スロット７６を形成するように半径方向内方に間隔を置いて配置された環状のリップ部７４を含む。冷却孔７８の列は、第４冷却ナゲット７２内に形成されて、冷却空気を第４冷却スロット７６に供給する。他のパネルセクションと同様に、第４冷却スロット７６は、ほぼ軸方向に向けられているので、冷却空気は下流方向に導かれて第4パネルセクション４５の燃焼側面上に薄い冷却フィルムを形成し、それによって第３パネルセクション４４からの冷却フィルムを補給する。第4冷却孔７８は、第４冷却ナゲット７２の全円周の周りに分散配置されるが、等しい間隔を置いて配置されるのが好ましい。図1に最も良く示すように、第４パネルセクション４５は、その後端に第1段タービンノズル構造体８２に連結されるフランジ８０を含む。
【００１９】
図２に加えて図３を参照すると、円周方向に間隔を置いて配置された第１のグループの希釈孔８４が、第１パネルセクション４２に形成される。希釈孔８４は、燃焼過程を強化するために希釈空気を燃焼器チャンバ２０中に流入させる働きをする。各希釈孔８４は、各冷却孔５４の直径よりもかなり大きい直径を有するが、希釈孔８４の全てが必ずしも同じ直径を有するわけではない。すなわち、一部の希釈孔８４は、図３に示すように、他の希釈孔が有するよりも大きい直径を有する。
【００２０】
希釈孔８４の各希釈孔は、第2冷却ナゲット５６の直近上流において第１パネルセクション４２の後端に位置する。具体的には、希釈孔８４は、その中の応力を考慮して、第２冷却ナゲット５６にできるだけ近接して設けられる。この位置は、第２冷却スロット６０からの冷却空気により冷却フィルムが補給される前の、各希釈孔８４の背後の後流領域の軸方向の長さｄを最小限にする。従って、ライナ１２の高温側面の極めて短い長さが、希釈孔空気噴流により生じる冷却フィルムの破壊を受けるが、この長さの大部分は第２リップ部５８を含み、該第２リップ部５８は第２冷却孔６２からの冷却空気により他側面が冷却されている。その結果、希釈孔８４の下流にはヒートポイントが発生する可能性は少なく、ライナ１２の耐久性が向上するであろう。さらに、図３に示すように、孔の直径に関係なく、各希釈孔８４の最後部端縁は、第1パネルセクション４２の後端に位置する。すなわち、希釈孔８４は、孔の中心ではなくてその最後部端縁が、円周方向の列をなして軸方向に整合されている。このことは、小さい直径の希釈孔８４が冷却フィル補給位置から大きい直径の希釈孔８４と同じ距離にあり、大きい直径の孔と同様にもはやヒートポイントになることはないということを意味する。
【００２１】
追加のグループの希釈孔８６及び８８を、それぞれ第２及び第３パネルセクション４３及び４４（図２）内に設けることができる。第１のグループの希釈孔８４と同様に、希釈孔８６、８８は、極めて短い後流領域となるように、第２及び第３パネルセクション４３、４４の後端にそれぞれ位置する。各々の場合に、希釈孔８６、８８の最後部端縁は、孔の直径に関係なく軸方向に整合されている。
【００２２】
以上は、希釈孔の下流の冷却フィルム効果を向上させた燃焼器ライナについて述べたものである。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、それらに対する様々な変形形態を、添付の特許請求の範囲に記載する本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、なし得るということは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼器ライナを有するガスタービン燃焼器の長手方向断面図。
【図２】図１における燃焼器ライナの一部の断面図。
【図３】図２に示す燃焼器ライナの一部の破断斜視図。
【符号の説明】
１２外方ライナ
４２第１パネルセクション
４３第２パネルセクション
４８第１冷却ナゲット
５０第１リップ部
５４第１冷却孔
５６第２冷却ナゲット
５８第２リップ部
６２第２冷却孔
８４希釈孔

Claims

前端及び後端を有する第１環状パネルセクション（４２）と、
前端及び後端を有し、その前端において前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に接合された第２環状パネルセクション（４３）と、
前記第１パネルセクション（４２）に設けられ、前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に位置する希釈孔（８４）のグループと、
を含み、
前記希釈孔（８４）の少なくとも１つは前記希釈孔（８４）の他の希釈孔よりも大きい直径を有し、また前記希釈孔（８４）の各希釈孔は最後部端縁を形成しており、該最後部端縁の全てが軸方向に整合されていることを特徴とするガスタービン燃焼器ライナ（１２、１４）。
前記第２パネルセクション（４３）の前記前端に設けられた冷却ナゲット（５６）と該冷却ナゲット（５６）内に設けられた冷却孔（６２）の列をさらに含み、前記希釈孔（８４）は前記冷却ナゲット（５６）の直近上流に位置していることを特徴とする、請求項１に記載のライナ（１２、１４）。
前記希釈孔（８４）の各希釈孔は、前記冷却孔（６２）のいずれの冷却孔よりも大きい直径を有することを特徴とする、請求項２に記載のライナ（１２、１４）。
前端及び後端を有する第１環状パネルセクション（４２）と、
前端及び後端を有し、その前端において前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に接合された第２環状パネルセクション（４３）と、
前記第１パネルセクション（４２）に設けられ、前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に位置する希釈孔（８４）のグループと、
前端及び後端を有し、その前端において前記第２パネルセクション（４３）の前記後端に接合された第３環状パネルセクション（４４）と、
前記第２パネルセクション（４３）に設けられ、前記第２パネルセクション（４３）の前記後端に位置する第２のグループの希釈孔（８６）と、
を含み、
前記第２希釈孔（８６）の少なくとも１つは前記第２希釈孔（８６）の他の希釈孔よりも大きい直径を有し、また前記第２希釈孔（８６）の各希釈孔は最後部端縁を形成しており、該最後部端縁の全てが軸方向に整合されていることを特徴とするガスタービン燃焼器ライナ（１２、１４）。
前端及び後端を有する第１環状パネルセクション（４２）と、
前端及び後端を有し、その前端において前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に接合された第２環状パネルセクション（４３）と、
前記第１パネルセクション（４２）に設けられた希釈孔（８４）のグループと、
を含み、
前記希釈孔（８４）の少なくとも１つは前記希釈孔（８４）の他の希釈孔よりも大きい直径を有し、また前記希釈孔（８４）の各希釈孔は最後部端縁を形成しており、該最後部端縁の全てが軸方向に整合されている、ことを特徴とするライナ（１２、１４）。
前記希釈孔（８４）は、前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に位置していることを特徴とする、請求項５に記載のライナ（１２、１４）。
前記第２パネルセクション（４３）の前記前端に設けられた冷却ナゲット（５６）と該冷却ナゲット（５６）内に設けられた冷却孔（６２）の列をさらに含み、前記希釈孔（８４）は前記冷却ナゲット（５６）の直近上流に位置していることを特徴とする、請求項５に記載のライナ（１２、１４）。
前記希釈孔（８４）の各希釈孔は、前記冷却孔（６２）のいずれの冷却孔よりも大きい直径を有することを特徴とする、請求項７に記載のライナ（１２、１４）。
前端及び後端を有し、その前端において前記第２パネルセクション（４３）の前記後端に接合された第３環状パネルセクション（４４）と、前記第２パネルセクション（４３）に設けられた第２のグループの希釈孔（８６）と、を含み、前記第２希釈孔（８６）の少なくとも１つは前記第２希釈孔（８６）の他の希釈孔よりも大きい直径を有し、また前記第２希釈孔（８６）の各希釈孔は最後部端縁を形成しており、前記第２希釈孔（８６）の前記最後部端縁の全てが軸方向に整合されている、ことを特徴とする、請求項５に記載のライナ（１２、１４）。
前記第２希釈孔（８６）は、前記第２パネルセクション（４３）の前記後端に位置していることを特徴とする、請求項９に記載のライナ（１２、１４）。
前端及び後端とその該前端に設けられた第１冷却ナゲット（４８）とを有する第１環状パネルセクション（４２）と、
前記第１冷却ナゲット（４８）内に設けられた第１列の冷却孔（５４）と、
前端及び後端とその該前端に設けられた第２冷却ナゲット（５６）とを有し、その前端において前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に接合された第２環状パネルセクション（４３）と、
前記第２冷却ナゲット（５６）内に設けられた第２列の冷却孔（６２）と、
前記第１パネルセクション（４２）に設けられ、前記第２冷却ナゲット（５６）の直近上流で前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に位置する１グループの希釈孔（８４）と、
を含み、
前記希釈孔（８４）の少なくとも１つは前記希釈孔（８４）の他の希釈孔よりも大きい直径を有し、また前記希釈孔（８４）の各希釈孔は最後部端縁を形成しており、該最後部端縁の全てが軸方向に整合されていることを特徴とする、ガスタービン燃焼器ライナ（１２、１４）。
前記希釈孔（８４）の各希釈孔は、前記冷却孔（５４）のいずれの冷却孔よりも大きい直径を有することを特徴とする、請求項１１に記載のライナ（１２、１４）。
前端及び後端とその該前端に設けられた第１冷却ナゲット（４８）とを有する第１環状パネルセクション（４２）と、
前記第１冷却ナゲット（４８）内に設けられた第１列の冷却孔（５４）と、
前端及び後端とその該前端に設けられた第２冷却ナゲット（５６）とを有し、その前端において前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に接合された第２環状パネルセクション（４３）と、
前記第２冷却ナゲット（５６）内に設けられた第２列の冷却孔（６２）と、
前記第１パネルセクション（４２）に設けられ、前記第２冷却ナゲット（５６）の直近上流で前記第１パネルセクション（４２）の前記後端に位置する１グループの希釈孔（８４）と、
前端及び後端とその該前端に設けられた第３冷却ナゲット（６４）とを有し、その前端において前記第２パネルセクション（４３）の前記後端に接合された第３環状パネルセクション（４４）と、
前記第２パネルセクション（４３）に設けられ、前記第３冷却ナゲット（６４）の直近上流で前記第２パネルセクション（４３）の前記後端に位置する第２のグループの希釈孔（８６）と、
を含み、
前記第２希釈孔（８６）の少なくとも１つは前記第２希釈孔（８６）の他の希釈孔よりも大きい直径を有し、また前記第２希釈孔（８６）の各希釈孔は最後部端縁を形成しており、該最後部端縁の全てが軸方向に整合されていることを特徴とする、ガスタービン燃焼器ライナ（１２、１４）。