JP4256128B2 - 選択的な多孔を備える燃焼器ライナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービン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し、より具体的には、狭い間隔で配置された冷却孔を備える領域を有するそのような燃焼器ライナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、該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。燃料は、燃焼器の周りの均等な間隔の噴射位置に設置された燃料管を通して燃焼器中に噴射される。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て、該タービンがガスからエネルギーを取り出し、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ような有用な仕事を行なう。航空機エンジンに用いられる燃焼器は、一般的に内側及び外側燃焼器ライナを含み、燃焼過程により発生する強熱から燃焼器及び周囲のエンジン構成部品を保護する。ライナがより高い燃焼温度に耐えられるように燃焼器ライナを冷却するためのさまざまな解決策が今まで提案されてきた。かかる解決策の１つは、ライナを貫通して形成された非常に小さい冷却孔の配列によって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多孔フィルム冷却である。多孔フィルム冷却は、冷却孔を通過する質量流量がライナ表面に隣接する高温の燃焼ガスを希釈し、孔を通しての流れがライナ壁に対流冷却を与えるので、ライナに掛かる全体的な熱負荷を減少させる。
【０００３】
組立てられた燃焼器においては、燃焼器ライナの或る一定の部分が、燃料管の中心の周方向位置により定まる噴射位置と整合する。これらの位置を、以下では「カップセンタ」と呼ぶ。運転中、これらの周方向位置を通って流れる燃焼ガスの流れにより、局部的に材料温度が増大した「高温ストリーク」が生じる。高温のストリークに曝される燃焼器ライナの部分は、現場での使用から戻ってきた後に、酸化、腐食、及び低サイクル疲労（ＬＣＦ）破損を示している場合がある。
【特許文献１】
特開２０００−１３０７５８号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、異常な高温に曝されて材料損傷を生じるライナの領域において冷却フィルム効果を増大させた燃焼器ライナに対する必要性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の必要性は、本発明により満たされ、本発明では、ガスタービン燃焼器ライナは冷却孔を形成されたシェルで構成され、その冷却孔のグループは希釈孔の上流に配置され、２つのサブグループに分割されている。冷却孔のこのグループの第２のサブグループは、高温ストリークと周方向に整合させて配置され、かつ第１のサブグループの冷却孔より狭い間隔で配置される。シェルはまた、ライナ中の希釈孔の間に配置された追加の冷却孔のグループを備えることができる。追加のグループは、周方向に収束する流れを形成して希釈孔から下流のライナの領域に対する冷却を強化するよう配列される。
【０００６】
本発明及び従来の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と添付の特許請求の範囲を読めば明らかになるであろう。
【０００７】
本発明と見なされる主題は、本明細書の冒頭部分に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、添付の図面の図に関連してなされる以下の説明を参照することにより最も良く理解することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図面において同一の参照符号は様々な図を通して同じ要素を示しているが、その図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジンに用いるのに適した形式の燃焼器１０を示す。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の間に配置された、外側ライナ１２と内側ライナ１４とを含む。外側ライナ１２と内側ライナ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。外側ライナ１２と外側ケーシング１６はその間に外側通路２２を形成し、また内側ライナ１４と内側ケーシング１８はその間に内側通路２４を形成する。カウル組立体２６が、外側ライナ１２と内側ライナ１４の上流端に取り付けられる。環状の開口２８が、加圧空気を燃焼器１０中に導入するためにカウル組立体２６に形成される。加圧空気は、図１の矢印Ａによりその全体を示す方向に圧縮機（図示せず）から供給される。加圧空気は、主として環状の開口２８を通過して流れ燃焼を維持し、また部分的には外側通路２２と内側通路２４中に流れ、そこでライナ１２及び１４を冷却するのに用いられる。
【０００９】
外側ライナ１２と内側ライナ１４の上流端の近傍においてそれらの間に配置されそれらを互いに結合するのは、環状のドームプレート３０である。複数の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に取り付けられる。各スワーラ組立体３２は、環状の開口２８から加圧空気を、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により旋回され混合され、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。燃焼器は、前方端６０と後方端６２を有し、長手方向軸線（図示せず）を定め、該長手方向軸線は、環状の燃焼器の場合にはエンジンの長手方向軸線と一致する。図１は単一環状燃焼器の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用いる２段環状燃焼器を含む任意の形式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。
【００１０】
外側ライナ１２及び内側ライナ１４の各々は、ほぼ環状で軸方向に延びる形状を有する単壁の金属シェルを含む。外側ライナ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３６と外側通路２２内の比較的低温の空気と接触する低温側面３８とを有する。同様に、内側ライナ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４０と内側通路２４内の比較的低温の空気と接触する低温側面４２とを有する。両方のライナ１２及び１４には、多数の狭い間隔で配置された冷却孔４４が形成される。
【００１１】
希釈空気は、外側ライナ１２及び内側ライナ１４の各々に配置された複数の周方向に間隔を置いた希釈孔４８（図１）を通して、主として燃焼器チャンバ２０中に導入される。希釈孔４８は、一般的に冷却孔４４より数がはるかに少なく、また各希釈孔４８は１つの冷却孔４４の断面積よりかなり大きい断面積を有する。希釈孔４８及びより小さい程度であるが冷却孔４４は、希釈空気を燃焼器チャンバ２０に流入させる働きをする。希釈孔は、ライナ１２及び１４の周辺の周りの周方向に延びるバンド中に配列される。最前部のバンドの希釈孔４８は、主希釈孔と呼ばれる。
【００１２】
組立てられた燃焼器においては、主希釈孔４８のうちの或る一定のものは、燃料噴射器３４及びスワーラ３２の中心の周方向位置により定まる噴射位置と整合している。運転中は、これらの周方向位置を通って流れる燃焼ガスの流れにより、局部的に材料温度が増大した「高温ストリーク」が生じる。これらのストリークは厳密には長手方向ではなく、スワーラ３２により引き起こされる燃焼器中の流れの旋回のために、ストリークは、燃焼器の長さに沿って見た場合に周方向に湾曲している。従来技術の冷却装置は燃焼器ライナ１２及び１４の他の部分に適した冷却を施すが、燃焼器ライナ１２及び１４の高温ストリークに曝される部分は、現場での使用後に、酸化、腐食、及び低サイクル疲労（ＬＣＦ）破損を示している場合がある。
【００１３】
さてここで図２を参照すれば、外側ライナ１２の１部分を貫通して配置された冷却孔４４がより詳細に示される。図２は外側ライナ１２の冷却孔を示すが、内側ライナ１４の冷却孔の構成は外側ライナ１２の冷却孔の構成にほぼ同一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２は、Ｘ、Ｙ及びＺと標記される軸線を有する基準枠を含み、Ｘは燃焼器１０を通り抜ける流れ（矢印Ｂにより示される）の軸方向下流方向であり、Yは周方向であり、またＺは半径方向である。冷却孔４４は、低温側面３８から高温側面３６に向けて下流方向の角度Ａで軸方向に傾斜しており、その角度Ａは約１５度から２０度の範囲にあるのが好ましい。冷却孔４４は、一連の周方向に延びる列４６で配列される。各列において隣接する孔４４は、それらのそれぞれの中心線の間で周方向の孔間隔Ｓを有し、また隣接する列４６は軸方向の列間隔Ｐを有する。
【００１４】
ここで図３を参照すれば、冷却孔４４は、主希釈孔４８から後方の領域に設置されたグループ４５と、主希釈孔４８から前方の領域に設置された別のグループ７０と、主希釈孔４８と軸方向に整列した領域に設置された（つまり、主希釈孔４８の前方でも後方でもない）もう１つ別のグループ８８との３つの主グループに配列される。カップセンタに最も近い周方向の位置を、図３に線８２により表わしている。カップセンタ８２と周方向に整合する特定の主希釈孔は、参照符号４８ａで特定している。
【００１５】
冷却孔４４のグループ４５は、主希釈孔４８の後方に設置される。このグループ７０の冷却孔４４は、前述のように角度ＡでＺ方向下流方向に傾斜される。グループ４５の冷却孔４４は、製造を容易にするために全て同じ直径で同じ断面形状にすることができる。代わりに、冷却孔４４の選定された孔は、局部的に冷却を増大するためにより大きい直径を備えてもよい。グループ４５の冷却孔４４はまた、図２に示すように時計方向角度Ｂだけ、周方向に傾斜又は角度回転される。時計方向角度Ｂは、燃焼器チャンバ２０を通る流れの旋回に一致させるのが好ましく、その角度は一般に約３０度から６５度の範囲にある。例示的な実施形態においては、角度Ｂは約４５度にすることができる。
【００１６】
冷却孔４４のグループ７０は、主希釈孔４８から上流のライナ１２の周辺の周りに配列される。このグループ７０の冷却孔４４は、前述のように角度ＡでＺ方向に下流に向かって傾斜される。グループ７０の冷却孔４４は、製造を容易にするために全て同じ直径で同じ断面形状にすることができる。グループ７０の冷却孔４４は、周方向において燃焼器の長手方向軸線に平行に整合させるか、又は所望に応じて空気流をより良く導くために長手方向軸線に対してある角度をもたせて配置することができる。例えば、グループ７０の冷却孔４４は、図２に示し既に述べたように、時計方向角度Ｂで周方向に傾斜又は角度回転されることができる。グループ７０は、それぞれ符号７１と７２として示す第１のサブグループと第２のサブグループとに分けられる。第１のサブグループ７１における冷却孔の中心と中心の間隔は、以下により詳細に述べるように、軸方向にかつ周方向にほぼ等しい。冷却孔４４のグループ７０の第２のサブグループ７２は、ライナ１２における高温ストリークに対処するために設けられる。第２のサブグループ７２の冷却孔４４は、第１のサブグループ７１の冷却孔４４と同じ直径であるが、以下に述べるように単位面積当りより多くの冷却孔４４を設けるためにより狭い間隔で配置される。第２のサブグループ７２のこのより密なパターンにより、ライナ１２の高温ストリークを受けやすいセクションの温度を低下させるのに用いられる冷却空気が増大されて供給される。例示的な実施形態において、サブグループ７２は、半径方向に見た場合に矩形の形態に配列される。
【００１７】
燃焼器を通る流れが旋回するために、高温ストリークは、ライナ１２の前方端６０におけるカップセンタ８２の周方向位置と正確には整合しない。むしろ、高温ストリークはカップセンタ８２に対して幾らか偏位している。従って、サブグループ７２の位置は、必要に応じて特定の周方向の位置における冷却を増大させて与えるように選ばれる。サブグループ７２の中心は、カップセンタ８２から流れの旋回の方向に周方向に偏位させることができる。
【００１８】
通常は、典型的な燃焼器ライナ中の冷却孔は、約０．０２インチ(０．５１mm)の寸法の極めて小さい直径、及び約０．１３インチ（３．３０mm）又は約６．５孔直径の周方向の孔間隔を有する。軸方向の列間隔は、周方向の孔間隔にほぼ等しい。具体的には、図３にその一部を示すように、燃焼器ライナ１２は、従来の間隔（すなわち、周方向の孔間隔Ｓと軸方向の列間隔Ｐは両方共約６．５孔直径又は０．１３インチ（３．３０mm）である）を有する冷却孔４４のサブグループ７１と、より狭い周方向の孔間隔Ｓ’を有する冷却孔４４のサブグループ７２(図３に点線で囲まれた)とを有する。サブグループ７２の冷却孔４４は、約０．０２インチ（０．５１mm）の直径と、約４孔直径又は０．０８インチ(２．０３mm)の周方向の孔間隔Ｓ’を有するのが好ましい。より狭い軸方向の列間隔を有するサブグループ７２を設けるのは本発明の範囲内であるが、しかしながら、サブグループ７２における軸方向の列間隔Ｐはサブグループ７１の軸方向の列間隔と同じであるのが好ましい。サブグループ７１とサブグループ７２の両方に同じ孔直径を用いることにより、機械加工作業は追加の段取り作業を必要とせずに連続して実施可能である。
【００１９】
グループ８８の冷却孔４４は、主希釈孔４８と軸方向において整合させて配置される。このグループ８８の範囲内では、カップセンタ８２と整合する主希釈孔４８ａに隣接する冷却孔４４のサブグループは、カップセンタ位置の両側の孔が周方向に主希釈孔４８ａに向かって傾斜するように、交互に換わる角度で配置される。このようにして追加の冷却流れが、主希釈孔４８ａの周方向位置で供給される。図示した例示的な実施形態において、冷却孔４４の第１のサブグループ７４が、長手方向において主希釈孔４８ａと同じ距離で設置され、周方向において主希釈孔４８ａの一側に配置される。サブグループ７４の冷却孔４４は、下流方向において主希釈孔４８ａに向かって指向するように周方向に傾斜される。サブグループ７４の冷却孔４４は、長手方向軸線に対して約＋４５度で傾斜させることができる。冷却孔４４の別のサブグループ７６が、周方向において主希釈孔４８ａの他側にサブグループ７４に対向して設置される。サブグループ７６における冷却孔４４は、サブグループ７４における冷却孔４４と反対側の周方向に傾斜されるので、このサブグループ７６はまた冷却空気流を主希釈孔４８ａのすぐ下流の位置に向ける。サブグループ７６における冷却孔４４は、長手方向軸線に対して約−４５度で傾斜させることができる。
【００２０】
冷却孔４４の追加のサブグループ７８及び８０が、加えられて、カップセンタ位置での冷却を更に改善することができる。再び図３を参照すれば、冷却孔４４のこれらの追加のサブグループ７８及び８０は、グループ７４及び７６と同じ形状及び大きさであり、周方向においてサブグループ７４及び７６の外側に配置することができ、追加の主希釈孔４８と共に分散配置されることができる。１つの実施形態において、冷却孔４４のグループは、ライナ１２の周りの周方向バンド中に交互の順で主希釈孔４８と共に分散配置されることができる。冷却孔のサブグループは、サブグループ７４、７８、と７６、８０の交互の対が長手方向軸線に対して正の角度及び負の角度で配置されるように配列されるので、各カップセンタ８２は主希釈孔４８ａの下流で収束するように配列された２つの対の冷却孔サブグループ７４、７８、と７６、８０と組み合わされる。実際には、主希釈孔４８ａの周りに配列された４つの収束するサブグループの冷却孔を備えている、図３に示すような冷却孔のパターンは、燃焼器ライナ１２の周囲の周りで各カップセンタ８２において繰り返されることになる。
【００２１】
以上は、温度勾配及び高温ストリークを減少させるために冷却孔の改善された配列を有する多孔フィルム冷却式燃焼器ライナを説明したものである。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、添付の特許請求の範囲内に記載した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本発明の実施形態に対する様々な変更をなし得ることは、当業者には明らかであろう。
【００２２】
なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【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破断斜視図。
【図２】 傾斜した多孔冷却孔を示す燃焼器ライナの１部分の斜視図。
【図３】 本発明の多孔冷却孔の配列を示す燃焼器ライナの１部分の平面図。
【符号の説明】
１０ 燃焼器
１２ 外側ライナ
１４ 内側ライナ
１６ 外側ケーシング
１８ 内側ケーシング
２０ 燃焼チャンバ
２２ 外側通路
２４ 内側通路
２６ カウル組立体
２８ 環状の開口
３０ 環状のドームプレート
３２ スワーラ組立体
３４ 燃料噴射管
４４ 冷却孔
４８ 主希釈孔

Claims (9)

1. 前方端と後方端を有し、長手方向軸線を定めるシェル（１２、１４）と、
   燃料管の中心の周方向位置により定まる噴射位置と整合するカップセンタ（８２）と、
   前記カップセンタと整合する希釈孔（４８ａ）を含む、前記シェルに形成された複数の希釈孔（４８）と、
   前記希釈孔（４８）から後方の前記シェル（１２、１４）に形成された冷却孔（４４）の第１の主グループ（４５）と、
   該希釈孔（４８）から前方の前記シェル（１２、１４）に形成された冷却孔（４４）の第２の主グループ（７０）と、
   前記希釈孔（４８）と軸方向に整列した領域に設置された冷却孔（４４）の第３の主グループ（８８）と
   を含み、
   前記第１の主グループ（４５）の冷却孔（４４）は、周方向に角度（Ｂ）の一方向で傾斜され、
   前記第２の主グループ（７０）は、第１のサブグループ（７１）と第２のサブグループ（７２）を含んでおり、
   前記冷却孔（４４）のうちの前記第２のサブグループ（７２）の冷却孔（４４）は、前記第１のサブグループ（７１）の冷却孔（４４）より狭い間隔で配置され、矩形のパターンに配列され、該第２のサブグループの中心は前記カップセンタから周方向に偏位しており、
   前記第３の主グループ（８８）は、前記複数の希釈孔（４８）間に形成された複数の第３のサブグループ（７４、７６、７８、８０）を備え、該複数の第３のサブグループは、下流方向において、前記カップセンタに整合する希釈孔（４８ａ）に指向するように周方向に傾斜する
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器ライナ。
2. 前記シェル（１２、１４）は環状の形状を有し、前記第１のサブグループ（７１）及び第２のサブグループ（７２）の冷却孔（４４）は、全て一連の周方向に延びる列で配列されており、各列における隣接する冷却孔（４４）は周方向の孔間隔を有し、また隣接する列は軸方向の列間隔を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器ライナ。
3. 前記第２のサブグループ（７２）の周方向の孔間隔は、前記第１のサブグループの周方向の孔間隔より小さいことを特徴とする、請求項２に記載の燃焼器ライナ（１２、１４）。
4. 前記複数の第３のサブグループ（７４、７６、７８、８０）における前記冷却孔（４４）は、前記軸線に対して約４５度の角度をなすことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃焼器ライナ。
5. 前記第１の主グループ（４５）の冷却孔（４４）は、前記軸線に対して周方向に３０〜６５度の範囲内で傾斜することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃焼器ライナ。
6. 前記第１の主グループ（４５）の冷却孔（４４）は、前記軸線に対して周方向に約４５度で傾斜することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃焼器ライナ。
7. 前記第３のサブグループ（７４、７６、７８、８０）は、前記カップセンタと整合する前記希釈孔（４８ａ）と長手方向において同じ距離を有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃焼器ライナ。
8. 前記冷却孔（４４）は、前記シェルの低温側面（３８）から高温側面（３６）に向けて１５〜２０度の角度（Ａ）で軸方向に傾斜していることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃焼器ライナ。
9. 前記第２の主グループ（７０）の冷却孔（４４）は、周方向において前記軸線に平行であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃焼器ライナ。

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