JP4674960B2 - 燃焼器の後方に面する段差つき高温側形状の調整方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は概してタービンエンジンに関するものであり、具体的にはタービンエンジン用スロット冷却環状燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンエンジンは空気を加圧する圧縮機を備え、加圧された空気は燃料と適当に混合されて燃焼器に送られ、燃焼器の中で点火されて高温の燃焼ガスを発生する。ガスはタービンに送られ、タービンは燃焼ガスからエネルギーを抽出して圧縮機に動力を供給し、また飛行中の航空機を推進させたり、発電機に動力を供給するなど有用な仕事を行う。ガスタービンエンジンの効率の上昇は、少なくともその一部は燃焼器の運転温度の上昇によって達成される。運転中の燃焼器温度の主たる限界の一つは、燃焼器内のライナの材質的限界であった。
【０００３】
燃焼器ライナの冷却の一つの効果的な技術は薄膜対流冷却で、これは冷却空気の保護薄膜境界層が空気冷却スロットを通してライナの内側表面に沿って流れ、ライナを高温燃焼ガスから絶縁するというものである。ライナと高温ガスとの間に保護境界層を形成する以外に、この冷却空気はライナの対流冷却を可能ならしめる。例えば合衆国特許第４，２５９，８４２号を参照されたい。しかしながら、これら空気スロットはスロットの端部から離れる燃焼ガスの乱流を助長しがちであり、このことがスロット端部の熱伝達係数を上昇させ、これにより燃焼器ライナにかかる熱負荷を上昇させる。
【０００４】
燃焼器ライナの熱障壁を冷却するもう一つの効果的な技術は、燃焼ガスに対して熱絶縁をもたらすために燃焼器ライナの内側表面に施される断熱皮膜の使用である。断熱皮膜は所定の燃焼ガス温度に対する冷却空気の必要量を減少させ、あるいはエンジン効率を上昇させるために燃焼ガスの温度を上昇させることを可能にする。例えば合衆国特許第５，９６０，６３２号を参照されたい。しかしながら、望ましからぬ断熱皮膜の肉盛りという断熱皮膜の施工のプロセス限界が、燃焼器ライナの後方に面する端面への断熱皮膜の施工を妨げ、それにより端面は高温の燃焼ガスにさらされ、好ましくないライナ内への熱の流れを許してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、冷却スロットへの好ましくない熱の堆積をもたらすことなく断熱皮膜を施すことができ、後方に面する端面のそれぞれにおけるガスの乱流を減少させ、また、張り出し部分の燃焼器ライナ表面面積を減少させる、後方に面する端面を有する燃焼器組立体を提供することが望まれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の例示的な実施形態では、燃焼器は段差をつけた燃焼器表面と空気冷却スロットを形成している少なくとも１つの張り出し部とを含む燃焼器ライナを備えている。張り出し部の後方に面する端面は、燃焼ガス流れの乱流を減少させるようにまた張り出し部の露出した燃焼器ライナの表面が少ないように形状を整えられている。前記形状を整えられた後方に面する端面には断熱皮膜が施されて、張り出し部への熱の流れをさらに減少させ、燃焼器の運転温度を低下させている。従って、空気冷却の所要量が減少し、このことは排気エミッションの減少、エンジンの性能向上及び燃焼器組立体の耐用年数の延長を可能にする。さらに、断熱皮膜によって、燃焼ガスのより高温化が達成できて、燃焼器組立体材料に悪影響を及ぼすことなくタービンエンジンの性能が向上できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
従来型のタービンエンジンにおいて燃焼器ライナの運転温度を低下させるために、薄膜対流冷却と断熱皮膜技術を組み合わせたある公知の燃焼器組立体１０を図１に示す。従来型の燃料噴射器（図示せず）で霧化した燃料を燃焼器組立体１０の燃焼区域１２に噴射して、一般的にはスワラ（図示せず）で混合された空気と燃料の混合気を形成する。点火器またはクロスファイア・チューブ（図示せず）で燃料噴射器の下流で空気と燃料の混合気に点火し、燃焼ガスはタービンノズル（図示せず）を通って燃焼器組立体から排出され、タービンノズルは高エネルギー燃焼ガスをタービンブレードまたはバケット列（図示せず）上に導く。ガスはタービンホィール（図示せず）を回転させ、回転エネルギーを圧縮機に供給し、負荷機器に動力を与え、及び／又は推力に転換される。
【０００８】
燃焼区域１２は環状の、半径方向外側及び内側の支持部材、即ちシェル（図示せず）及び、それぞれに対応する外側ライナ２０と内側ライナ２２で形成される。外側及び内側ライナ２０，２２のそれぞれは、燃焼器ライナ表面２８の張り出し部２６によって形成される複数の空気冷却スロット２４を含む。ここで図２を参照すると、燃焼器ライナ表面２８は一連の段差３０を含み、それらは各々燃焼器ライナ表面２８の他の部分と空気冷却スロット２４によって確然と分離された燃焼器ライナ表面２８の部分を形成する。空気冷却スロット２４は、空気プレナム（図示せず）から空気を受入れ、高温の燃焼ガスと燃焼器ライナ表面２８との間に空気の薄い保護境界層を形成し、さらに燃焼器ライナ２２の対流冷却を行なうための開口部３２を含む。空気は、開口部３２から燃焼器ライナの表面２８と燃焼器ライナの張り出し部２６の底面３６との間のスロット２４を通って流れる。
【０００９】
既知の断熱皮膜の層３８が燃焼器ライナ表面２８に施され、各段差３０の張り出し部２６から張り出し部２６へと延び、燃焼器ライナ表面２８を高温燃焼ガスからさらに断熱している。しかしながら、プロセスの限界によって、結果として生じる各張り出し部２６の下方の好ましくない断熱皮膜３８の堆積の故に、各張り出し部２６の後方に面する端面４０は断熱皮膜３８で被覆されていない。従って、この種の燃焼器組立体１０は、各張り出し部２６の後方に面する端面４０が高温の燃焼ガスに曝され、結果として好ましくない熱の流れを各張り出し部２６に生じるという点で不利である。
【００１０】
加えて、後方に面する端面４０はそれぞれ、方形のコーナ形状を含み、即ち、後方に面する端面４０は燃焼器ライナ表面２８及び各張り出し部２６の底面３６に対して実質的に垂直である。方形のコーナ形状は、燃焼ガスの流れがそれぞれの後方に面する端面４０を離れるとき、燃焼ガスの流れに乱流を助長する。乱流は、後方に面する端面４０それぞれの熱伝達係数を上昇させ、それが張り出し部２６に好ましくない熱負荷の増加をもたらす。さらに加えて、方形のコーナ形状は、燃焼器ライナ表面の好ましくない大きな面積を燃焼ガスに曝すことから、張り出し部２６の熱負荷を増加させ、その部分の金属の温度を上昇させる。
【００１１】
図３に示すのはこれらの不利な点を克服した燃焼器ライナの第１の実施形態で、空気冷却スロット６４で分離された一連の燃焼器ライナ表面６２を含んでいる。燃焼器ライナ表面６２は互いに結合され、それぞれ互いに段差がつけられている。各燃焼器ライナ表面６２は、空気冷却スロット６４に隣接して延び、空気冷却スロット６４を形成する張り出し部６６を含んでいる。各張り出し部６６は、断熱皮膜を可能にし、排気ガスの乱流を減少させ、また高温燃焼ガスに曝される燃焼器ライナ表面の面積を減らすように形状を整えられた後方に面する端面７０を含んでいる。
【００１２】
具体的には、各後方に面する端面７０は湾曲した第１の半径部分７２と実質的に直線で張り出し部６６の底縁７６に対して垂直な第２の部分７４とを含んでいる。従って、既知の燃焼器ライナの方形のコーナ形状は避けられ、高温燃焼ガスに曝される燃焼器ライナ表面面積、即ち燃焼器ライナの「高温側」の表面面積は減少する。さらに、燃焼ガスが後方に面する端面７０に近接した張り出し部６６から離れるときの燃焼ガスの乱流が減少し、これによって張り出し部６６への熱入力も軽減され、張り出し部６６の運転温度も低下する。さらにまた、後方に面する端面７０の形状が、溶射角度（図示せず）を後方に面する端面の表面を被覆するように調節すると同時に各冷却スロット６４の開口部をゴムのコード（図示せず）でマスキングすることによって、断熱皮膜の層７８を後方に面する端面７０に施すことを可能にしている。したがって、後方に面する端面７０の運転温度は、断熱皮膜層７８によってさらに低下し、これにより燃焼器ライナ６０の耐用年数が延長され、同時に排気エミッションが減少し、エンジンの性能が向上する。
【００１３】
図４は、空気冷却スロット９４で分離された一連の燃焼器ライナ表面９２を含む燃焼器ライナ９０の第２の実施形態を示す。燃焼器ライナ表面９２は互いに結合され、それぞれ互いに段差がつけられている。各燃焼器ライナ表面９２は、空気冷却スロット９４に隣接して延び、空気冷却スロット９４を形成する張り出し部９６を含んでいる。各張り出し部９６は、断熱皮膜を可能にし、排出ガスの乱流を減少させ、また高温燃焼ガスに曝される燃焼器ライナ表面の面積を減らすように形状を整えられた後方に面する端面１００を含んでいる。
【００１４】
具体的には、各張り出し部９６はテーパ状に先細にされ、各後方に面する端面１００近くでより薄くなっており、それによって高温燃焼ガスに曝される燃焼器ライナ表面の面積を減少させている。各後方に面する端面１００は湾曲した第１の半径部分１０２と実質的に直線で張り出し部９６の底縁１０６に対して垂直な第２の部分１０４とを含んでいる。従って、既知の燃焼器ライナの方形のコーナ形状は避けられ、高温燃焼ガスに曝される燃焼器ライナ表面面積、即ち燃焼器ライナの「高温側」の表面面積は減少する。さらに、燃焼ガスが後方に面する端面１００に近接した張り出し部９６から離れるときの燃焼ガスの乱流が減少し、これによって張り出し部９６への熱入力も軽減され、張り出し部９６の運転温度も低下する。さらにまた、後方に面する端面１００の形状が、溶射角度（図示せず）を後方に面する端面の表面を被覆するように調節すると同時に各冷却スロット９４の開口部をゴムのコード（図示せず）でマスキングすることによって、断熱皮膜の層１０８を後方に面する端面１００に施すことを可能にしている。したがって、後方に面する端面１００の運転温度は、断熱皮膜層１０８によってさらに低下し、これにより燃焼器ライナ９０の耐用年数が延長され、同時に排気エミッションが減少し、エンジンの性能が向上する。
【００１５】
図５は、空気冷却スロット１２４で分離された一連の燃焼器ライナ表面１１２を含む燃焼器ライナ１２０の第３の実施形態を示す。燃焼器ライナ表面１２２は互いに結合され、それぞれ互いに段差がつけられている。各燃焼器ライナ表面１２２は、空気冷却スロット１２４に隣接して延び、空気冷却スロット１２４を形成する張り出し部１２６を含んでいる。各張り出し部１２６は、断熱皮膜を可能にし、排出ガスの乱流を減少させ、また高温燃焼ガスに曝される燃焼器ライナ表面の面積を減らすように形状を整えられた後方に面する端面１３０を含んでいる。
【００１６】
具体的には、各後方に面する端面１３０は面取りされた第１の部分１３２と実質的に直線で張り出し部１２６の底縁１３６に対して垂直な第２の部分１３４を含んでいる。従って、既知の燃焼器ライナの方形のコーナ形状は避けられ、高温燃焼ガスに曝される燃焼器ライナ表面面積、即ち燃焼器ライナの「高温側」の表面面積は減少する。さらに、燃焼ガスが後方に面する端面１３０に近接した張り出し部１２６から離れるときの燃焼ガスの乱流が減少し、これによって張り出し部１２６への熱入力も軽減され、張り出し部１２６の運転温度も低下する。さらにまた、後方に面する端面１３０の形状が、溶射角度（図示せず）を後方に面する端面の表面を被覆するように調節すると同時に各冷却スロット１２４の開口部をゴムのコード（図示せず）でマスキングすることによって、断熱皮膜の層１３８を後方に面する端面１３０に施すことを可能にしている。したがって、後方に面する端面１３０の運転温度は、断熱皮膜層１３８によってさらに低下し、これにより燃焼器ライナ１２０の耐用年数が延長され、同時に排気エミッションが減少し、エンジンの性能が向上する。
【００１７】
本発明の種々の具体的実施形態について説明してきたが、当業者には本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変形形態で実施可能であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知の燃焼器組立体の部分断面図。
【図２】 図１に示す燃焼器組立体の一部の拡大図。
【図３】 燃焼器ライナの第１実施形態である図２に類似の拡大図。
【図４】 燃焼器ライナの第２実施形態である図３に類似の拡大図。
【図５】 燃焼器ライナの第３実施形態である図３に類似の拡大図。
【符号の説明】
６０，９０，１２０；燃焼器ライナ
６４，９４，１２４；空気冷却スロット
６６，９６，１２６；張り出し部
７０，１００，１３０；形状を整えられた後方に面する端面

Claims (5)

1. 燃焼器ライナ表面の、後方に面する端面をそれぞれ備えている張り出し部によって形成される複数の空気冷却スロットを含むタービンエンジン用燃焼器ライナにかかる熱負荷を減少させる方法であって、
   流れが前記後方に面する端面を離れるときに燃焼ガスの流れの乱流を減少させるように前記後方に面する端面の各々の形状を整える段階と、
   前記後方に面する端面を断熱皮膜で被覆する段階と、を含み、
   各後方に面する端面の各々の形状を整える段階が、湾曲した後方に面する端面を形成する段階、又は、前記張り出し部分をテーパ状にする段階、又は、前記後方に面する端面の形状を整える段階が、高温側表面面積を減少させる段階を含む
   ことを特徴とする方法。
2. 第１のライナ表面と、
   前記第１のライナ表面と連結し、部分的に前記第１の表面上に張り出した第２ライナ表面で、前記第２表面が上縁と断熱皮膜で被覆された後方に面する端面とを含む第２のライナ表面と、を含む燃焼器ライナであって、
   前記後方に面する端面が少なくとも部分的に湾曲しており若しくは面取りしてある端面を含み、又は、前記第２のライナ表面がテーパ形状であることを特徴とする燃焼器ライナ。
3. 前記部分的に張り出している第２の表面が前記第１の表面と共に冷却スロットを形成することを特徴とする請求項２に記載の燃焼器ライナ。
4. 請求項２に記載の燃焼器ライナであって、
   冷却スロットによって互いに分離された、少なくとも第１の段差及び前記第１の段差上に張り出し後方に面する表面を含む第２の段差を含む段差を付けた表面を含むことを特徴とする燃焼器ライナ。
5. 前記第２の段差が上面をさらに含み、前記冷却スロットが上面を含み、前記後方に面する端面が前記第２の段差の上面と冷却スロット上面とを連結することを特徴とする請求項４に記載の燃焼器ライナ。

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