JP4256709B2 - ガスタービンエンジンの燃焼器用の環状一体形の波形ライナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンの燃焼器用のライナに関し、具体的には、波形の振幅及び／又は隣接する波形間の波長が上流端から下流端まで変化する実質的に正弦波形の断面を有する環状一体形の波形ライナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼器ライナは、一般的にエンジンの圧縮機とタービン部分との間に設置されたガスタービンエンジンの燃焼部分において用いられるが、このようなライナは、アフタバーナを用いる航空機エンジンの排気部分においても用いることができる。燃焼器は、一般的に外部ケーシングと、燃料が燃焼されて非常に高い温度（例えば、３０００°Ｆ（１６５０°Ｃ）又はそれより更に高い温度）で高温ガスを生成する内部燃焼器とを含む。この非常に高い熱がタービンに流出する前に、該高い熱により燃焼器ケース及び周囲のエンジンが損傷するのを防止するために、熱シールド又は燃焼器ライナが燃焼器の内部に設けられる。
【０００３】
ライナ設計の１つの形式は、ろう付けにより結合された多数の環状の金属薄板バンドを含み、各バンドは、形成された後にナゲット冷却孔及び指向性希釈孔を組み入れるために穿孔加工を施される。次に各バンドは、隣接するバンドに仮付け溶接されてろう付けされ、「腹バンド」として知られる補強材が金属薄板バンドに仮付け溶接されてろう付けされる。このライナの製作は、主として補強材及び金属薄板バンドに施されるろう付け工程の非能率のために、手間がかかりしかも難しいことが判っている。
【０００４】
複数の個々の金属薄板バンドを排除するために、環状一体形の金属薄板ライナ設計が開発されてきており、それらは、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５に開示されている。これらの特許の各々は、主として一体形のライナの様々な冷却態様に関するものであるが、かかるライナの別の構成が、波形の壁面を形成するように波形にされたものとして開示されていることに注目されたい。このようにして、そのようなライナに対する耐座屈性及びライナ変形の制限が、改善されている。波形は、浅い正弦波形をもつのが好ましいが、各波形（波）の振幅及び隣接する波形（波）間の波長は、ライナの軸方向長さにわたって実質的に一様であるものとして図示されまた説明されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０５−１１８５４８号公報
【特許文献２】
特開平０４−２８３３１５号公報
【特許文献３】
特開平０４−２８３３１６号公報
【特許文献４】
米国特許第５，４６５，５７２号公報
【特許文献５】
米国特許第５，４８３，７９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一体形の金属薄板ライナに対する剛度要件は、或る個所が他の個所より弱くなることになるので、その軸方向長さにわたって変化する傾向にあることが判っている。従って、ライナの要求に応じてその軸方向長さに沿う可変の剛度の大きさをもつような、ガスタービンエンジン燃焼器に用いられる環状一体形の波形ライナが、開発されるのが望ましいであろう。かかるライナが、該ライナがその上流端及び下流端で取り付けられる方法を含めて、より容易に製作されかつ組み立てられることもまた望ましいであろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の例示的な実施形態では、ガスタービンエンジンの燃焼器用の環状一体形のライナが開示されており、該ライナは、燃焼器の上流端に隣接する第１の端部と、燃焼器の下流端に隣接する第２の端部と、第１及び第２の端部の間に設置された複数の波形を含み、各波形は振幅及び隣接する波形間の波長を有しており、波形の振幅は第１の端部から第２の端部まで可変である。隣接する波形間の波長は、ライナの第1の端部から第２の端部まで実質的に等しいか又は可変とすることができる。
【０００８】
本発明の第２の例示的な実施形態では、ガスタービンエンジンの燃焼器用の環状一体形のライナが開示されており、該ライナは、燃焼器の上流端に隣接する第１の端部と、燃焼器の下流端に隣接する第２の端部と、第１及び第２の端部の間に設置された複数の波形とを含み、各波形は振幅及び隣接する波形の間の波長を有しており、隣接する波形間の波長は第１の端部から第２の端部まで可変である。各波形の振幅は、ライナの第１の端部から第２の端部まで実質的に等しいか又は可変とすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
さて、図面においては同一の符号は各図を通して同じ要素を示しているが、この図面を詳細に参照すると、図１は、直列に流体連通した、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を有する例示的なガスタービンエンジン１０を示す。燃焼器１６は、従来通りの方法で燃焼ガスを発生し、該燃焼ガスは高圧タービンノズル組立体１８を介して燃焼器１６から吐出され、次にこの燃焼ガスは高圧タービンノズル組立体１８から通常の高圧タービン２０に流され、次に通常の低圧タービン２２に流される。高圧タービン２０は適当なシャフト２４を介して高圧圧縮機１４を駆動し、一方、低圧タービン２２は別の適当なシャフト２６を介して低圧圧縮機１２を駆動し、これら全てが長手方向すなわち軸方向の中心軸線２８の周りに同軸に配置されている。
【００１０】
図２に見られるように、燃焼器１６は更に、外側ライナ３２、内側ライナ３４、及び該燃焼器の上流端に設置されたドーム３６により形成された燃焼室３０を含む。燃料／空気ミキサ３８が、燃料と空気の混合気を燃焼室３０内に導入するようにドーム３６の内部に設置され、該燃焼室３０において燃料と空気の混合気が点火器（図示せず）により点火されて燃焼ガスが生成され、該燃焼ガスはそれぞれ高圧タービン２０及び低圧タービン２２を駆動するために用いられることが分かるであろう。
【００１１】
本発明によると、図３及び図４から分かるように、外側ライナ３２は形状が環状であり、ある種の金属薄板から一体形の構造として形成されるのが好ましい。より具体的には、外側ライナ３２は、燃焼器１６の上流端に隣接して設置された第１の端部４２を含み、この第１の端部４２は、リベットバンド４０によってカウル４４及びドーム３６に接合される（該リベットバンドは、次にボルト４６及びナット４８のような機械的継手、溶接継手、又は類似の取り付け形態によってカウル４４及びドーム３６に接合される）。従って、外側ライナ３２は、リベット４１を介してリベットバンド４０に接合されるのが好ましく、従って外側ライナ３２が上流端４２において該外側ライナ上に形成されたフランジをもつ必要性が排除されることが分かるであろう。スタータスロット５５及び５７が、それぞれリベットバンド４０及び外側ライナの上流端４２に設けられ、外側ライナ３２の高温側面に沿って冷却フィルムの形成を促進するのが好ましい。外側ライナ３２はまた、燃焼器１６の下流端に隣接して設置された第２の端部５０を含み、第２の端部５０は、リベット５３によってシール組立体５２に接合されるのが好ましい。このようにして、外側ライナ３２は、該外側ライナが受けるあらゆる熱膨張及び／又は圧力変動に対応して軸方向に移動することができる。
【００１２】
外側ライナ３２は更に、全体を参照符号５４（図３参照）によって特定された、第１の端部４２と第２の端部５０との間でその中に形成された複数の波形を含む。断面（図４参照）で見るとき、それを通して延びる中立軸線５９（図５参照）により分かるように、波形５４は、実質的に正弦波形を有することが分かるであろう。図５から分かるように、各波形５４は、所定の振幅５６と同時に隣接する波形５４間の所定の波長５８を有する。ライナが実質的に同一の振幅及び波形間の波長を備える波形を有するものとして開示されている従来技術と対称的に、外側ライナ３２の波形５４は、可変の振幅及び／又は隣接する波形間の可変の波長を有するように構成されている。このようにして、外側ライナ３２は、その最も弱い個所に対して外側ライナ３２を過剰設計することなく、該ライナの様々な軸方向位置に沿って所望される任意の剛度を得ることができる。
【００１３】
例えば、外側ライナ３２の中間セクション６０は、一般的に最も弱く、最も座屈しやすいということが判っている。従って、中間セクション６０内に設置された波形６４の振幅６２（図６参照）は、第1の外側ライナ端部４２に隣接する外側ライナ３２の上流セクション７０内に設置された波形６８の振幅６６（図７を参照）よりも大きいことが好ましい。同様に、中間セクション６０内に設置された波形６４の振幅６２は、第２の外側ライナ端部５０に隣接する外側ライナ３２の下流セクション７６内に設置された波形７４の振幅７２（図８参照）より大きいことが好ましい。第１の外側ライナ端部４２における外側ライナ３２の固定接合は、第２の外側ライナ端部５０における固定接合よりも座屈を生じる危険が僅かに大きく、また第１の外側ライナ端部４２における温度は、一般的に第２の外側ライナ端部５０における温度よりも高いので、波形６８の振幅６６は、波形７４の振幅７２に等しいか又はそれより大きいことが好ましい。
【００１４】
それぞれ中間セクション６０、上流セクション７０及び下流セクション７６の波形６４、６８及び７４の振幅６２、６６及び７２を変化させることと組み合わせて又はそれとは独立してのいずれかで、その中の隣接する波形間の波長を変化させることもまた、様々な軸方向位置における外側ライナ３２の剛度を調節するために用いることができることが判った。従って、外側ライナ３２の中間セクション６０が、最も座屈しやすいと考えられる場合には、隣接する波形６４間の波長７８は、上流セクション７０の隣接する波形６８間の波長８０及び下流セクション７６の隣接する波形７４間の波長８２より小さいことが好ましい。同様に、上流セクション７０の隣接する波形６８間の波長８０は、それらのそれぞれの振幅に関する上述の理由から、下流セクション７６の隣接する波形７４間の波長８２に等しいか又はそれより小さいことが好ましい。
【００１５】
最新の外側ライナにおけると、少なくとも同じ程度の剛度を得るためには、外側ライナ３２の全体的な座屈マージンが、ほぼ３５〜２５０psi (1psi=6.9kPa)の範囲内にあるのが好ましいと判断された。外側ライナ３２のより好ましい全体的な座屈マージンの範囲は、ほぼ８５〜２００psiであるが、このような全体的な座屈マージンの最適な範囲は、ほぼ１２０〜１８０psiとなる。
【００１６】
外側ライナ３２内に形成された波形５４の数、該外側ライナの厚さ８４（図５参照）、及びこのような外側ライナ３２を形成するのに用いられる材料を含む、外側ライナ３２の様々な構成が、試験され分析された。上述の全体的な座屈マージンは、最も重要な関心事であるが、重量、コスト、及び材料を成形する能力などを含む要因を考慮に入れなければならないので、関連する他のパラメータの最適化が重要であることが分かるであろう。従って、外側ライナ３２内に形成される波形５４の総数（波の総数により定められるような）は、ほぼ６〜１２個であることが好ましいことが判った。図１から図４までに示す波形の総数は、６と１／２個であり、これは例示の目的のみのために図示されているものである。外側ライナ３２の好ましい厚さ８４は、金属薄板材料（例えば、ニッケル基合金 Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ、ＨＳ１８８、ＨＡ２３０等）が用いられる場合には、ほぼ０．０３０〜０．０８０インチであるのが好ましい。このようにして、波形５４を備える材料は容易に形成され、必要な剛度を備え、かつ従来のライナと比べてコストを節減することができる。
【００１７】
外側ライナ３２の高温（半径方向内側）側面に沿って冷却流を形成することに関して、特許文献１、特許文献２及び特許文献４に記載されているような多孔冷却パターンが該外側ライナ３２内に形成され、用いられる（即ち、関連する寸法及び形状など）ことが好ましい。冷却孔のパターンは、波形５４に対する該冷却孔の配置、即ち外側ライナ３２に沿う軸方向位置、外側ライナ３２に沿う半径方向位置、かかる波形の振幅５６及びかかる波形の波長５８に応じて、変化させることができることが理解されるであろう。より具体的には、より密な多孔冷却パターン（ほぼ２０ミルの直径を有する冷却孔の間の間隔が、直径のほぼ５倍になっている）は、波形５４の振幅が大きくされ及び／又は隣接する波形間の波長が小さくされている場合のそれらの軸方向位置で用いられるのが好ましい。このことは、より急勾配であり従って上流の外側ライナ端部４２からの冷却流をより受け難いポケット８８の内部により多くの冷却空気が供給されるようにする必要性によるものである。また、より密な多孔冷却パターンは、波形５４の上流辺９２上にかつ燃料／空気ミキサ３８の半径方向位置近くに設けられるのが好ましい。これと対照的に、それほど密でない多孔冷却パターン（ほぼ２０ミルの直径を有する冷却孔の間の間隔が直径ほぼ７倍半になっている）は、波形５４の振幅が小さくされ及び／又は隣接する波形間の波長が大きくされている外側ライナ３２の軸方向位置に設けられるのが好ましい。更に、それほど密でない多孔冷却パターンは、波形５４の下流辺９４上にかつ隣接する燃料／空気ミキサ３８間の半径方向位置に置くのが好ましい。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態を図示しかつ説明してきたが、当業者には、燃焼器１６用の外側ライナ３２の別の適用例を、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、適当な変更形態によって達成することが可能である。特に、本明細書中に説明されまた請求された技術思想は、内側ライナ３４にも用いることができ、それも依然として本発明に含まれることが理解されるであろう。内側ライナ３４は、一般的に剛度要件を満たすためにその中に波形が形成されることを必要としないが、製造を簡単にしてコストを節減するために外側ライナ３２について説明したのと同様に、その上流端及び下流端においてリベット留めすることができるフランジの無い構成を内側ライナ３４が有することは、特に有用であろう。
【００１９】
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】 本発明による燃焼器ライナを含むガスタービンエンジンの断面図。
【図２】 図１に示す燃焼器の拡大断面図。
【図３】 本発明による図１及び図２に示す燃焼器用の外側ライナの一部の斜視図。
【図４】 図１から図３に示す外側ライナの拡大断面図。
【図５】 波形の振幅及び隣接する波形間の波長が特定されている図４に示す外側ライナの部分拡大断面図。
【図６】 図４に示す外側ライナの中間セクションの部分拡大断面図。
【図７】 図４に示す外側ライナの上流セクションの部分拡大断面図。
【図８】 図４に示す外側ライナの下流セクションの部分拡大断面図。
【符号の説明】
１６ 燃焼器
３０ 燃焼室
３２ 外側ライナ
３４ 内側ライナ
３６ ドーム
３８ 燃料／空気ミキサ
４０ リベットバンド
４４ カウル
５２ シール組立体

Claims (9)

1. ガスタービンエンジン（１０）の燃焼器（１６）用の環状一体形のライナ（３２、３４）であって、
   （ａ）前記燃焼器（１６）の上流端に隣接する第１の端部（４２）と、
   （ｂ）前記燃焼器（１６）の下流端に隣接する第2の端部（５０）と、
   （ｃ）前記第１及び第２の端部（４２、５０）の間に設置された複数の波形（５４）と、
   を含み、
   前記波形（５４）の各々は、振幅（５６）及び隣接する波形（５４）間の波長（５８）を有しており、
   前記振幅（５６）は、前記第1の端部（４２）から前記第2の端部（５０）の間で変化し、前記ライナ（３２、３４）の中間セクション（６０）内に設置された波形（６４）の振幅（６２）は、前記第 1 の端部（４２）に隣接する前記ライナ（３２、３４）のセクション（７０）内に設置された波形（６８）の振幅（６６）より大きい
   ことを特徴とするライナ（３２、３４）。
2. 各波形（５４）の前記振幅（５６）は、前記ライナ（３２、３４）の軸方向位置における該ライナに対する剛度要件に従って形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のライナ（３２、３４）。
3. 前記ライナ（３２、３４）の中間セクション（６０）内に設置された波形（６４）の振幅（６２）は、前記第2の端部（５０）に隣接する前記ライナ（３２、３４）のセクション（７０）内に設置された波形（７４）の振幅（７２）より大きいことを特徴とする、請求項１に記載のライナ（３２、３４）。
4. 前記第1の端部（４２）に隣接する前記ライナ（３２、３４）のセクション（７０）内に設置された波形（６８）の振幅（６６）は、前記第2の端部（５０）に隣接する前記ライナ（３２、３４）のセクション（７０）内に設置された波形（７４）の振幅（７２）より少なくとも小さくないことを特徴とする、請求項１に記載のライナ（３２、３４）。
5. 各隣接する対の波形（５４）間の前記波長（５８）は、前記ライナ（３２、３４）の軸方向位置における該ライナに対する剛度要件に従って形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のライナ（３２、３４）。
6. 前記ライナ（３２、３４）の中間セクション（６０）内に設置された波形（６４）間の波長（７８）は、前記第1の端部（４２）に隣接する前記ライナ（３２、３４）のセクション（７０）内に設置された波形（６８）間の波長（８０）より小さいことを特徴とする、請求項１に記載のライナ（３２、３４）。
7. 前記ライナ（３２、３４）の中間セクション（６０）内に設置された波形（６４）間の波長（７８）は、前記第2の端部（５０）に隣接する前記ライナ（３２、３４）のセクション（７６）内に設置された波形（７４）間の波長（８２）より小さいことを特徴とする、請求項１に記載のライナ（３２、３４）。
8. 前記第1の端部（４２）に隣接する前記ライナ（３２、３４）のセクション（７０）内に設置された波形（６８）間の波長（８０）は、前記第2の端部（５０）に隣接する前記ライナ（３２、３４）のセクション（７６）内に設置された波形（７４）間の波長（８２）より大きくないことを特徴とする、請求項１に記載のライナ（３２、３４）。
9. 前記ライナ（３２、３４）内の波形（５４）の総数は、ほぼ６〜１２個の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のライナ（３２、３４）。

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