JP4879354B2 - 燃焼室のライナ冷却を強化する非方形共振装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関するものであり、とりわけ、ガスタービンエンジンの燃焼器に配置される非方形共振器に関するものである。

ガスタービンエンジンのような燃焼機関は、燃料に貯えられた化学エネルギを、発電、推力の発生、または、別様の働きをするのに役立つ機械的エネルギに変換する機械である。これらの機関には、一般に、何らかの形でこのエネルギ変換プロセスに役立ついくつかの協働セクションが含まれている。ガスタービンエンジンの場合、圧縮機セクションから排出される空気と燃料供給源から注入される燃料を燃焼セクションで混合して、燃焼させる。燃焼生成物は活用され、タービンセクションに通されて、そこで膨張し、セントラルロータを回転させる。

さまざまな燃焼器の設計が存在し、ある特定の機関に適合するように、また所望の性能特性を実現するためにさまざまな設計が選択されている。よく知られた燃焼器設計の１つには、中央パイロットバーナ（今後はパイロットバーナまたはただ単にパイロットと称する）と、パイロットバーナのまわりに周方向に配置された、当該技術において一般に噴射ノズルと呼ばれるいくつかの主燃料／空気混合装置が含まれている。この設計の場合、中央パイロット火炎ゾーンと混合領域が形成される。動作中、パイロットバーナはパイロット火炎ゾーンを中心とする安定した火炎を選択的に発生し、一方、燃料／空気混合装置は上述の混合領域において燃料と空気の混合流を発生する。燃料と空気の混合流は、混合領域から出て、パイロット火炎ゾーンを通過し、燃焼室の主燃焼ゾーンに流入するが、そこでさらなる燃焼が生じる。燃焼中に放出されたエネルギは下流の構成要素によって捕獲され、電気を発生するかまたは別様の働きをする。

既知のように、燃焼プロセスから放出される熱と燃焼室の音響効果との結合から高周波圧力振動が発生する可能性がある。燃焼動特性または高周波動特性と呼ばれる場合もあるこれらの圧力振動は、ある特定の振幅に達すると近くの構造物を振動させ、最終的には破壊する。特に望ましくない状況は、燃焼によって発生する音波がガスタービンエンジンの構成要素の固有振動数またはそれに近い周波数を有している場合である。こうした有害な同期性は、結果として共振及び最終的な破壊または他の破損を生じる可能性がある。

こうした望ましくない音響効果を減衰させ、上述の問題のリスクを減らすために、ガスタービンエンジンの燃焼セクション用のさまざまな共振箱が開発されている。特許文献１には、燃焼空間を形成する側壁の教示があるが、この側壁は、主ノズルの下流にあって、側壁を貫いて半径方向に延びる複数の振動減衰オリフィスを備えており、さまざまな構造の音響ライナが側壁外面にオリフィスの位置を覆うように取り付けられて、音響緩衝室を形成している。また、より上流に配置された内筒と、より下流に配置された燃焼器尾筒とからなる構成によって、燃焼器尾筒の内面近傍の燃料空気比を低下させ、燃焼による駆動振動を抑制するといわれている空気の膜が形成される。

特許文献２には、各共振器がそれぞれの上に配置されたスクープを具備するガスタービンエンジン燃焼器用の共振器の教示がある。このスクープは、通過する流体を捕らえて、共振器の共振板にぶつかる圧力をほぼ均等にするといわれている。これは、共振器前後における圧力降下の増大を可能にすることによって、設計の自由を拡大することができるといわれている。

特許文献３には、燃焼領域を形成する燃焼ライナの壁の周囲に共振空間を形成することが教示されている。この共振空間は複数の貫通孔によって燃焼領域とつながっている。さらに、上流側に沿ってが望ましいと述べられているが、下流側に沿っても示されていて、共振空間の形成を助けるハウジングの側面に沿って複数の冷却孔が設けられている。半径方向のより外側に配置された表面に沿って複数のパージ孔も設けられている。

米国特許第６，８３７，０５１号明細書 米国特許第７，０８０，５１４号明細書 米国特許第７，０８９，７４１号明細書

上記アプローチによれば、１つ以上の好ましい特徴をもたらすことが可能であるが、燃焼によって発生する望ましくない音波に対処するため、当該技術では、より有効で効率の高い共振器及びこうした共振器を含むガスタービンエンジンが依然として必要とされている。

本発明については、図面に鑑みて下記の説明において明らかにされる。

先行技術によるガスタービンエンジンの略断面図である。 ライナの開孔を示すためその２つの共振箱が除去された共振器アレイの概観を提示する、図１Ａに用いられているような先行技術による燃焼器の部分切取側面図である。 燃焼器ライナの中間ストリップを備えた２つの隣接共振器を示す図１Ｂにおける燃焼器の一部の拡大図である。 ３つの隣接する開孔アレイを描いており、共振箱によって２つのこうしたアレイのそれぞれが覆われている、平面上に投影された図１Ｂの燃焼器の一部の拡大図である。 その下にあるライナのそれぞれの開孔アレイを露出するため２つの共振箱を取り除いた、複数の共振箱が取り付けられて、共振器を形成することになる燃焼室の燃焼器ライナを含む本発明の実施形態の１つの透視図である。 ３つの隣接する開孔アレイを描いており、共振箱によって２つのこうしたアレイのそれぞれが覆われている、平面上に投影された図２Ａの燃焼器ライナの一部の拡大図である。 本発明の共振器の実施形態の特徴を示す図２ＡのラインＣ−Ｃに沿って描かれた断面図である。 本発明の共振器の実施形態の特徴を示す図２ＢのラインＤ−Ｄに沿って描かれた断面図である。 共振器の上流領域に沿ってさらなる特徴を備える隣接共振器を図解した図である。 その下にあるライナの開孔アレイを露出するため２つの共振箱を取り除いた、本発明の代替実施形態の複数の共振箱が取り付けられた燃焼器の燃焼ライナの透視図である。 ３つの隣接する開孔アレイを描いており、共振箱によって２つのこうしたアレイのそれぞれが覆われている、平面上に投影された図４Ａの燃焼器ライナの一部の拡大図である。

燃焼器ライナ共振器は、燃焼ライナ上におけるそれぞれの設置面の全体形状が通常は方形であり、上流壁及び下流壁と、上流壁及び下流壁に対して直角に配置される横（すなわち側）壁を備えている。これらの共振器の中には、設置面が直角（すなわち溶接部が直角）のものもあるが、壁は燃焼器ライナからの距離が増すにつれて内側に傾斜して、角錐台を形成する。燃焼器ライナ共振器は、やはり一般に燃焼ゾーンの比較的近くに配置されており、従って、それらの構成要素及び溶接継目に熱応力及び劣化を及ぼす可能性のある比較的高温にさらされることになる。こうした隣接した共振器の間には、ライナの流れを基準にした（または縦）軸に対して平行に向けられたライナの中間ストリップが設けられている。先行技術による共振器構成の場合、これらの中間ストリップ及びそれらに沿った溶接継目には、隣接共振器の一部である隣接ライナ部分のような冷却手段は設けられてはいない。例えば、共振器の下にある面の内側におけるライナは、共振器の開孔からの冷却流体流を受けるが、これによって膜冷却効果が生じる可能性がある。しかしながら、中間ストリップはこうした膜冷却の恩恵をあまり受けることがない。このため、いくつかの事例では、不均一な冷却及び／またはこうした中間ストリップに十分な冷却を施すための消費エネルギの増大が生じる可能性がある。

本発明の実施形態によれば、中間ストリップのかなりの部分の膜冷却が、中間ストリップに隣接し、その上流にある共振箱の開孔から施されるように、ライナの縦（及び流れを基準とした）軸に対して非直角の角度に配置された側壁を備える共振器が提供される。この膜冷却によって、共振箱の側壁に沿った溶接継目も冷却される。さまざまな実施形態において、側壁の角度は、膜冷却が中間ストリップの下流部分のほとんどを含めて施すことができるように付けられている。これらの下流部分は燃焼熱源により近く、従って冷却の必要性がより増す。

さらに、図に関する論考において後述の他の特徴と非方形の共振器が相俟って、さまざまな実施形態における性能のさらなる向上が実現する。

従って、本書で請求される本発明の範囲に関して限定することを意図したものではない本発明の典型的な実施形態は、本発明の実施形態のさまざまな態様及び組合せが理解されるように提示されている。しかしながら、まずは、本発明の実施形態を取り入れることが可能な先行技術によるガスタービンエンジンの要素の一般的な構成について論じることにする。

図１Ａには、本発明のさまざまな実施形態を含むことが可能な先行技術によるガスタービンエンジン１００の略断面図が提示されている。ガスタービンエンジン１００には、圧縮機１０２と、燃焼器１０７と、タービン１１０が含まれている。動作中、軸流系列において、圧縮機１０２が空気を取り入れて、ディフューザ１０４に圧縮空気を供給し、ディフューザはプレナム１０６に圧縮空気を送り、圧縮空気はプレナムを通って燃焼器１０７に達し、燃焼器はパイロットバーナ及びそのまわりの主スワラアセンブリ（不図示）で圧縮空気と燃料を混合し、その後、ライナによって形成された燃焼器１０７の燃焼室のより下流において燃焼が生じることになる（図１Ｂ参照）。さらに下流において、燃焼ガスは移行部１１４を介してタービン１１０に送られるが、タービンを発電機に結合して、電気を発生させることが可能である。タービンと結合して、圧縮機１０２を駆動するシャフト１１２が示されている。

図１Ｂには、先行技術による燃焼器１０７の側面図が提示されている。限定されないが、燃焼器１０７は、パイロットスワラアセンブリ１１１（またはより一般的にはパイロットバーナ）から構成されており、パイロットスワラアセンブリ１１１のまわりには周方向に複数の主スワラアセンブリ１１３が配置されている。これらは燃焼器ハウジング１１５に収容されている。燃料は、燃料供給管（不図示）によってパイロットスワラアセンブリ１１１に供給され、複数の主スワラアセンブリ１１３に個別に供給される。燃焼器１０７の横断するように配置されたベースプレート１１７が、主スワラアセンブリ１１３の下流端を支えている。

動作中、圧縮機（不図示、図１Ａ参照）からの主空気流（太い矢印で図示）が、燃焼器ハウジング１１５の外側に沿って進み、燃焼器１０７の吸気口１０８に流入する。パイロットスワラアセンブリ１１１は、比較的濃厚な燃料／空気比で動作して、安定した内炎源を維持し、燃焼は、下流において、具体的には、上流がベースプレート１１７によって、側方が燃焼器ライナ１２０によってほぼ形成された燃焼ゾーン１１８において生じる。燃焼器１０７の下流端の排気口１１９は、その一部がバネクリップアセンブリ１２３を含む燃焼器／移行部境界シールによって接合された移行部（不図示、図１参照）に燃焼中のガス及び燃焼済みのガスを送る。

さらに先行技術による共振器の態様に関して、燃焼器ライナ１２０の円筒形領域１１６に沿って隣接する共振器の開孔１２２のそれぞれのアレイ１２１が設けられている。共振箱１４２を所定位置に備えた２つの共振器１４０が完全な形で示されており、また、共振箱１４２を取り除いた形で開孔１２２の２つのアレイ１２１が示されている。これによって、共振器１４０のそれぞれについて偶数行列をなすように配置された四角い開孔パターンを明らかにする開孔１２２の２つのアレイ１２１の概観が提示されている。

図１Ｃには、それぞれが、その共振箱１４２の間にそれぞれの中間ストリップ１２４を備える隣接共振器１４０を示す、図１Ｂの円筒形領域の拡大図が提示されている。共振箱１４２は透視式に描かれているので、この図には円筒形の燃焼器ライナ１２０（点線の円）及び共振箱１４２における開孔が示されている。通常の動作中、これら共振器１４０のライナ１２０の開孔１２２を通る空気流は、中間ストリップ１２４に対する冷却効果も生じないし、中間ストリップに隣接した溶接継手（不図示）に対する冷却効果も生じないという点に留意されたい。

図１Ｄには、開孔１２２の３つの隣接アレイ１２１を備え、共振箱１４２が２つのこうしたアレイ１２１のそれぞれを覆っているライナ１２０の一部が描かれている。図１Ｂの円筒形ライナ１２０に配置された３つの隣接アレイ１２１が、例証及び本発明の実施形態を描いた（すなわち、ライナ１２０及び共振箱１４２の鉛直正投影平面図を提示した）同様の投影図との比較のため、図面の用紙に相当する平面に投影されている。露出したアレイ１２１に関して示されているように、各アレイは、上流エッジ１５０、下流エッジ１５１、及び、２つの側方エッジ１５２及び１５３によってほぼ形成することが可能である。先行技術による構成に示すように、側方エッジ１５２及び１５３は両方とも上流エッジ１５０及び下流エッジ１５１と直角に接している。

図１Ｃ及び図１Ｄから分かるように、先行技術による共振器１４０には、共振箱１４２と、開孔１２２（共振箱１４２で覆われている場合は点線で示された）が含まれており、それらの間には中間スペース１２４が設けられている。各共振箱１４２は、天板１４７に比較的小さい衝突孔１４４のアレイ１４３を含んでいる。各共振箱１４２は比較的大きい開孔１２２のそれぞれのアレイ１２１のまわりでライナ１２０に溶接されている。ライナの内部を流れる燃焼ガスの典型的な方向を示すベクトル線５０も描かれている。このベクトル線５０が縦軸５２から数度斜めになっている点に留意されたい。これは、燃焼器の主スワラによる回転渦流効果の結果である（不図示）。明らかに、流れ方向のこのかすかな斜向を考慮しても、例えば上流及び隣接開孔１２２Ａからの流れには、中間ストリップ１２４に対するごくわずかな膜冷却効果もないであろう。すなわち、中間ストリップ１２４の大部分は、いずれかの隣接共振器１４０内にある開孔１２２のどれからも冷却作用を受けることはないであろう。

図１Ｄには、上流断熱コーティング（ＴＢＣ）エッジ１３２及び下流断熱コーティング（ＴＢＣ）エッジ１３３も描かれている。共振器１４０を含むが、円筒形領域１１６全体を含むわけではない、とりわけ高周波数における共振器の音響性能を向上させるためコーティングを施さないままになっているライナ１２０の円筒形領域１１６のそれぞれ上流及び下流におけるライナ１２０の内部（燃焼ガスにさらされる）表面に対する断熱コーティングが施されている。非コーティング領域は、主として衝突空気孔１４４による冷却と開孔１２２を通って出る空気流による膜冷却が相俟って冷却される。図１Ｄに描かれたエッジ１３２及び１３３は、共振箱１４２に対して位置が近接しており、実際には、描かれたエッジ１３２及び１３３と、描かれたエッジ１３２及び１３３に対して平行なそれぞれの隣接した破線１３０及び１３６によって形成される領域内にほぼ含まれるといって差し支えない。

従って、典型的な先行技術によるＨＦＤ（高周波動特性）共振器設計は、上記図に示すように形状が方形である。ライナ１２０のようなライナには、一般には方形パターンである特定パターンをなすように開孔１２２が開けられており、ライナのまわりに周方向に配置された共振器１４０には、開孔１２２のそれぞれのアレイ１２１と、開孔１２２のそれぞれのアレイ１２１の上に溶接された箱１４２のような共振箱が含まれている。各共振箱１４２は、高温ガスの吸込みを阻止するため貫流を生じさせる開孔１４４のアレイ１４３も備えている。全体としては、開孔１４４から共振器１４０に流入する空気はライナ１２０の外部に衝突冷却（及びある程度の対流冷却）を施すことになる。この空気がライナ開孔１２２を貫流する際、ライナの内部高温表面に対する膜冷却効果も生じる。しかしながら、上述のように、隣接した共振器間には、衝突冷却による恩恵も後続の膜冷却による恩恵も受けない本書では中間ストリップとして識別されるライナの一部が存在する。

本発明の実施形態によれば、燃焼器ライナのこうした方形共振箱が改善される。図２Ａには、本発明の実施形態の１つが例示されている。図２Ａには、図１Ｂに関して述べたような構成要素を備えることが可能な、図１Ａに描かれているようなガスタービンエンジン用の燃焼器の燃焼器ライナ２２０に関する透視図が提示されている。燃焼器ライナ２２０には、上流端２２０Ｕと下流端２２０Ｄが含まれていて、矢印２１９で示す流れを基準にした縦軸を持つ内部燃焼室２２１を部分的に形成している。燃焼器ライナ２２０には、ライナ２２０を貫く開孔２２６の周方向に配置された複数のアレイ２２５が含まれており、それらのそれぞれは、本発明の共振器２６０の構成要素である。これらの開孔２２６のいくつかは、ライナ２２０の内面２２２に沿って認められる（その大部分は、各種実施形態において図２Ａには描かれていない断熱コーティング（ＴＢＣ）で覆うことが可能である、図２Ｂ参照）。各前記アレイ２２５は、上流エッジ２２７と、図２Ａの実施形態の場合、上流エッジ２２７とほぼ平行な（ただし、これには限定の意図はない）下流エッジ２２８と、２つの側方エッジ２２９及び３３０を備えた非方形の四辺形状によって幾何学的に形成することが可能である。アレイ２２５が円筒状に湾曲したライナ２２０の一部上にあり、さらに、アレイ２２５を平面上に投射した場合、各側方エッジ２２９及び２３０が、上流エッジ２２７及び下流エッジ２２８と直角以外の角度で交差するように設けられているのは明らかである。この設計の有利な結果については後述する。

図２Ａに描かれているように、ライナには複数の共振箱２６２が固定されているが、各前記共振箱２６２はそれぞれのアレイを覆っており、側方エッジ２２９及び２３０のそれぞれの角度と一致するように配置された側壁（図２Ｂ参照）を備えている。上述のそれぞれのアレイ２２５の概観を提示するため、２つの共振箱２６２が固定しない状態で示されている。

図２Ｂには、開孔２２６の３つの隣接したアレイ２２５を備えた図２Ａのライナ２２０の一部が描かれているが、共振箱２６２によって２つのこうしたアレイ２２５のそれぞれが覆われている（こうして共振器２６０が形成される）。図２Ａの円筒形状のライナ２２０に配置された３つの隣接したアレイ２２５が、例証、角度の明確化、及び、図１Ｄ（すなわち、ライナ２２０及び共振箱２６２の鉛直正投影平面図を提示した）のような同様の投影図との比較のため図面の用紙に相当する平面に投影されている。露出アレイ２２５に関して示されているように、各アレイ２２５は、上流エッジ２５０と、下流エッジ２５１と、２つの側方エッジ２５２及び２５３によって幾何学的に形成することが可能である。図解のように、側方エッジ２５２及び２５３が、上流エッジ２５０及び下流エッジ２５１（これらはライナ２２０の流れを基準にした縦軸２１９に対してほぼ垂直である）と非直角に接している場合には、恩恵がある、すなわち、中間ストリップ２４４の大部分または全てを膜冷却する冷却流を生じるようにうまく配置された、中間ストリップ２４４に近接及び／または隣接した開孔２２６からの流れの恩恵を受ける。すなわち、隣接した共振箱２６２の間に配置されたライナ２２０の中間ストリップ２４４に関して、開孔２２６内からそれぞれの中間ストリップの上流の側方エッジ２５２（またはそれと形状一致する共振箱の壁、下記参照）に隣接して流れる流体は、中間ストリップ２４４の大部分または全てに膜冷却を施す傾向があり、かつ有効にそれを行うということである。つまり、中間ストリップ２４４の流れの軸を基準にして隣接し、上流にある開孔２２６Ａは、中間ストリップ２４４並びに隣接する溶接継目（不図示、下記の図２Ｃで参照）の冷却に有効である。これは、流れの方向が流れのベクトル線５０によって描かれた角度をなすものと仮定すると、とりわけ有効である。２２６Ｂとして識別される近接した隣の列のいくつかの開孔でさえ、中間ストリップ２４４のいくつかの部分に膜冷却を施すことになる。

図２Ｂに描かれたオプションの特徴は、開孔２２６の隣接行が、食い違い配列をなすように互いにオフセットしているという点である。これによって、ライナ２２０に沿ってより均一な冷却が可能になる。共振箱２６２の開孔２６５も食い違い状である。

図２Ｂに描かれているように、各共振箱２６２には、上流壁２６４と、下流壁２６６と、２つの側壁２６８及び２７０が含まれている − それらの全てが、開孔２６５が設けられた天板２６７に取り付けられるか、またはそれと一体化されている。側壁２６８及び２７０は、側方エッジ２５２及び２５３のそれぞれの斜角とほぼ一致し、上流壁２６４及び下流壁２６６と非直角に交差しており、その結果、非方形の平行四辺形共振器２６０が形成されている。上述のように、本実施形態の態様の１つは、中間ストリップ２４４に対するこの傾斜した平行四辺形の効果を考慮すれば明らかである。すなわち、中間ストリップ２４４、及び、共振箱２６２とライナ２２０の交差部分における溶接継目（不図示、図２Ｃ参照）も、隣接ライナ開孔２２６による膜冷却を受けることになる。

さらに図２Ｂを参照すると、これに限定されないが、ライナ２２０の内部表面の上流端（不図示）から延びてエッジ２３２に終端がくるオプションの上流断熱コーティング（ＴＢＣ）２３１と、ライナ２２０の内部表面の下流端（不図示）から延びてエッジ２３４に終端がくる下流断熱コーティング（ＴＢＣ）２３３が描かれている。下流のＴＢＣエッジ２３４については、下流ＴＢＣエッジ２３４の上流エッジと共振箱２６２のエッジに沿った溶接継目（図２Ｃ参照）の位置が同じにならないように、このエッジ２３４は先行技術に対してより上流の位置にシフトされている。エッジ２３４の正確な位置は、共振箱２６２に位置的に近接しており、実際のところ描かれたエッジ２３４及び隣接する点線２３６によって形成される領域内にほぼ含まれるといって差し支えないのは明らかである。図示のように、このＴＢＣエッジ２３４は、ライナ２２０の開孔によって途切れることもない。この領域の所定の冷却レベルを維持するため、天板２６７の２行の開孔２６５が設けられている。これらによって、この領域は所望の衝突冷却レベルになる。

図２Ｃには、この実施形態のいくつかの特徴を示す図２Ａの断面２Ｃ−２Ｃに沿って描かれた断面図が提示されている。図２Ｃには、共振箱２６２によって閉鎖されたライナ２２０の一部２２３が見える。この部分には開孔２２６が含まれている。共振箱２６２は、上述の側壁と一体化され、連続している天板２６７から構成されており、この断面図ではその側壁２６８及び２７０が認められる。断面外に上流壁２６４が認められ、天板２６７には開孔２６５の列が示されている。

図２Ｃには、共振箱２６２の側壁２６８及び２７０上にある複数の側方噴出孔２７５も認められる。これらによって、隣接する共振器間のゾーン２５９すなわち中間ストリップ２４４の上方の空間のパージが生じる。これらの側方噴出孔２７５によって、ライナ２２０の溶接継目２８０の近くで少量の衝突冷却も生じる。噴出孔は、上流及び下流壁にも設けることが可能である（図２Ｃの２６４に示す）。また、側壁に配置される側方孔は任意の角度で設けることが可能であり、噴出タイプである必要はなく、任意のタイプの開孔とすることが可能であるが、それでもなお隣接共振器間におけるゾーン２５９のパージに有効であると考えられるという点にも留意されたい。

壁２６４、２６６、２６８、及び、２７０は（図示のように）燃焼器ライナ２２０から正確に垂直に延びている必要はないという点に留意されたい。例えば、これらの壁のどれかまたは全てが内側に傾斜していてもかまわない。こうした内側に傾斜した壁の１つを例示するため、図２Ｃには１対の点線２６９が示されている。また、本発明の実施形態は、図に描かれているように湾曲したコーナで（一部は半径が小さめに、一部は半径が大きめに示されている）、または、鋭角をなすコーナで接する壁２６４、２６６、２６８、及び、２７０を備えることができるのも明らかである。こうした変形態様は、請求される実施形態の範囲内に含まれることを意図している。

図２Ｄには、図２ＢのラインＤ−Ｄに沿って描かれた断面図が提示されている。これには、オプションのＴＢＣエッジ２３４のオプションのテーパ状態様に関する詳細が示されており、それがより下流の溶接継目２８０に対して上流に（ただし隣接して）配置されていることも示されている。図２Ｄに示すように、ＴＢＣエッジ２３４は流れを基準にした縦軸に沿って厚さが漸減する。任意の所定のテーパ形状を与えることが可能であり、図２Ｄにおけるテーパ形状は典型的なものであって、限定するものではない。開孔２６５の１つが認められる。

図２Ａ〜Ｄの実施形態の側方エッジ及び側壁の角度は、燃焼器の流れを基準にした縦軸に対して約３０度（３０°）であるが、本発明のさまざまな実施形態において任意の非直角の角度を利用することができるのは明らかである。例えば、開孔または壁の上流及び下流の側方エッジが流れを基準にした縦軸に対してほぼ垂直である場合、上流または下流の側方エッジに対するアレイの側方エッジの交差角あるいは上流または下流の壁に対する側壁の交差角は、約１５〜約７５度とすることが可能であり、その範囲内の全ての値及び部分範囲とすることが可能である。とりわけ、さまざまな実施形態において、こうした角度は約３０〜約６０度とすることが可能であり、その範囲内の全ての値及び部分範囲とすることが可能である。明確にするるために云えば、これらの角度は、図２Ｃの論考において上述のようなこれらの壁のオプションの内側傾斜ではなく、燃焼器の流れを基準にした縦軸に対して、側壁とそれらのエッジが燃焼器ライナと接触する角度に関するものである。

図３には、共振器２６０の上流領域に沿ってオプションの特徴を備える隣接した共振器２６２が図示されている。限定されないが、オプションの上流断熱コーティング（ＴＢＣ）エッジ２３５及び下流断熱コーティング（ＴＢＣ）エッジ２３４が、ライナ２２０の内部表面の表示された相対位置に設けられている。これらのエッジ２３５及び２３４は、図１Ｄに描かれた先行技術のそれぞれのＴＢＣエッジ１３２及び１３３に比べて円筒形領域２１６のより内部に位置している。図２Ｂに関して既述のように、下流ＴＢＣエッジ２３４は、先行技術のこれに対してより上流位置にシフトしているので、下流ＴＢＣエッジ２３４が共振箱２６２のエッジに沿った溶接継目（図２Ｄ参照）と同じ位置になることはない。このＴＢＣエッジ２３４は、ライナ２２０の開孔２２６によって途切れることもなく、この領域の所定の冷却レベルを維持するため、天板２６７の２行の開孔２６５が設けられている。これらによって、この領域は所望の衝突冷却レベルになる。図２ＢのＴＢＣエッジと対照的に、この図３の場合には、上流ＴＢＣエッジ２３５は上流壁２６４に対して同様に配置されている。すなわち、上流ＴＢＣ２３５の下流エッジは、共振箱２６２の上流壁２６４に沿った溶接継目（不図示、例えば図２Ｃ参照）のより下流に配置されており、天板２６７の２行の開孔２６５は、やはりライナ２２０の開孔２２６を含まない上流ＴＢＣエッジ２３５の上方に設けられている。これによって、オプションの代替実施形態が実現する。エッジ２３５及び２３４の正確な位置が共振器２６０の位置に対して近接しており、実際には描かれたエッジ２３５及び２３４とそれぞれの隣接する点線２３０及び２３６によって形成される領域内にほぼ含まれるといって差し支えないのは明らかである。このことは、図２Ｂに描かれた実施形態にも適用される。

もう１つの代替実施形態は、共振器の代替形状及び隣接共振器の結果として生じる配向を対象としている。図４Ａ及び４Ｂには、限定されないが、この代替実施形態の一例が提示されている。図４Ａには、図１Ｂに関して既述のような構成要素を備えることが可能な、図１Ａに描かれているようなガスタービンエンジン用燃焼器の燃焼器ライナ４２０の透視図が提示されている。燃焼器ライナ４２０は、矢印４１９で表示の流れを基準とした縦軸を備える内部燃焼室４２１を部分的に形成している。ライナ４２０の内部表面４２２に沿ってこれらの開孔４２６の一部が認められる。燃焼器ライナ４２０には、ライナ４２０を貫く開孔４２６の周方向に配置された複数のアレイ４２５が含まれており、そのそれぞれが本発明の共振器４６０の構成要素である。各前記アレイ４２５は、上流エッジ４２７と、図４Ａの実施形態の場合、上流エッジ４２７とほぼ平行な（ただし、これには限定の意図はない）下流エッジ４２８と、２つの側方エッジ４２９及び４３０を備えた非方形の四辺からなる台形形状によって幾何学的に形成することが可能である。アレイ４２５が円筒状に湾曲したライナ４２０の一部上にあり、さらに、特定のアレイ４２５を平面上に投射した場合、そのアレイ４２５の側方エッジ４２９及び４３０が、非平行な、従って、上流エッジ４２７または下流エッジ４２８を越えて収束するラインに沿うように設けられているのは明らかである。すなわち、アレイ４２５、及び、共振箱４６２をそれぞれのアレイ４２５にかぶさるように固定すると形成される共振器４６０は台形の形状を有している。本書で用いられる限りにおいて、台形は、平行な辺が２つだけの四辺多角形を意味する。

限定されないが、アレイ４２５及び共振器４６０の形状は、合同な底角を有しているので二等辺四辺形に似ていることが望ましい。他の実施形態では、例えば燃焼室４２１内における流れの縦方向からの偏差を部分的に補正するなどのために底角が異なる場合もある。

複数のアレイが交互に並ぶパターンで周方向に配置されていて、隣接アレイ４２５と共振器４６０が近接して配置され、比較的細く均一な中間ストリップ４４４が残されるようになっている。

中間ストリップ４４４の冷却は、明らかに、ほぼ前に開示した実施形態に関して上述のように生じるものと考えられる。しかし、平面に投影された図４Ａの３つの隣接アレイ４２５を描いた（すなわち、鉛直正投影平面図を提示した）図４Ｂに見られるように、燃焼ガスの顕著で典型的な非直交方向（矢印４５０で示す）によって、中間ストリップ４４４の半分が、隣接開孔４２６からの膜冷却を施されることに関して他の半分より多くの恩恵に浴するようになっている（図４Ｂの場合、矢印４５０に隣接する中間ストリップ４４４は図示の他の中間ストリップ４４４ほどには恩恵に浴さない）。それにもかかわらず、台形に似た形状の実施形態は、流れの顕著な角偏差が小さいかもしくは存在しない、及び／または、非二等辺の台形に似た形状が用いられる場合のように、さまざまなガスタービンエンジン燃焼器に用途を見出すことが可能であり、そうした場合、それぞれの角度は流れの角偏差の影響を少なくとも部分的に補正するように修正される。

図４Ａ及び４Ｂによって本書で例証されたさまざまな実施形態には、上述のＴＢＣ及びＴＢＣエッジのオプション代替物、並びに、図２Ａ〜Ｄの実施形態に関して既述の他のオプション特徴を設けることが可能である。

また、実施形態のさまざまな開孔は、円形、楕円形、方形、または、多角形といったいくつかの構成のうち任意の構成をとることが可能である。開孔は、各種方法の任意の１つ、例えばドリル加工、によって設けることが可能である。

本書で用いられる限りにおいて、「ほぼ平行」は、正確に平行か、正確に平行な実施形態と同じ機能的結果を達成することになる妥当な角度範囲内において平行であることを意味すると解釈される。例えば、限定されないが、上流及び下流のアレイエッジと共振器の壁は、５度の範囲内において、あるいは代わりに１０ないし１５度の範囲内において、請求項を含む本開示の目的からして正確に平行であり、なおかつ「ほぼ平行」の意味の範囲内に含まれるといって差し支えない。同じことが、「ほぼ平行」が本書で用いられる場合の他のエッジ、壁等にも当てはまる。同様に、とりわけ請求項の目的からして、「台形に似た形状」には、正確な台形にあっては正確に平行である線が、ある特定の実施形態の場合には、この段落で定義されている用語である「ほぼ平行」になる形状を含むことも可能である。

本発明の実施形態は、５０ヘルツと６０ヘルツの両方のタービンエンジンに利用することが可能であり、缶／環状タイプのガスタービンエンジンに用いるのにうまく適合する。缶／環状ガスタービンエンジンの設計は、当該技術において周知のところである。例えば、缶／環状タイプの燃焼システムには、一般に、エンジンの対称軸に対して垂直な円上に分布したいくつかの独立した缶形状の燃焼器／燃焼室アセンブリが含まれている。

本書で引用した全ての特許、特許出願、特許公報、及び、他の刊行物は、本発明が関連する技術の現状についてより完全な説明を加えて、当該技術者に一般に知られているような教示を与えるため、参考までに本願において援用されている。

本書では本発明のさまざまな実施形態について示し、解説してきたが、こうした実施形態が例証のためだけに提示されたものであることは明らかであろう。本書に記載の本発明から逸脱することなく、さまざまな変更、改変、及び、置換を施すことが可能である。さらに、本書でいかなる範囲の記載があろうと、別段の明確な指定がない限り、その範囲には、その範囲内の全ての値及びその範囲内の全ての部分範囲が含まれる。従って、本発明は請求項の趣旨及び範囲によってのみ限定されることが意図される。

２１９ 流れを基準とした縦軸
２２０ 燃焼器ライナ
２２５ ライナの開孔アレイ
２２６ ライナの開孔
２２７ アレイの上流エッジ
２２８ アレイの下流エッジ
２２９ アレイの側方エッジ
２３０ アレイの側方エッジ
２３１ 上流断熱コーティング（ＴＢＣ）
２３２ 上流ＴＢＣエッジ
２３３ 下流断熱コーティング（ＴＢＣ）
２３４ 下流ＴＢＣエッジ
２３５ 上流ＴＢＣエッジ
２４４ 中間ストリップ
２５０ 上流エッジ
２５１ 下流エッジ
２５２ 側方エッジ
２５３ 側方エッジ
２６０ 共振器
２６２ 共振箱
２６４ 共振箱上流壁
２６５ 共振器天板の開孔
２６６ 共振箱下流壁
２６７ 共振器天板
２６８ 共振器側壁
２７０ 共振器側壁
２８０ 溶接継目
４１９ 流れを基準とした縦軸
４２０ 燃焼器ライナ
４２１ 内部燃焼室
４２５ ライナ開孔アレイ
４２６ ライナ開孔
４２７ アレイの上流エッジ
４２８ アレイの下流エッジ
４２９ アレイの側方エッジ
４３０ アレイの側方エッジ
４４４ 中間ストリップ
４６０ 共振器
４６２ 共振箱

Claims (20)

1. ガスタービンエンジン用の燃焼器であって、
   流れを基準にした縦軸を有する内部燃焼室を形成し、周方向に配置された複数の開孔アレイを具備し、前記アレイが、上流エッジ、下流エッジ、及び、２つの側方エッジを有する非方形四辺形状で形成されており、各側方エッジが、ある平面上に前記アレイを投影した場合に、前記上流エッジ及び下流エッジと直角以外の角度で交差することになる、燃焼器ライナと、
   前記ライナに固定されて、それぞれが、それぞれのアレイを覆い、前記側方エッジのそれぞれの角度と一致する側壁を備えている複数の共振箱とを備え、
   隣接する共振箱間にライナの中間ストリップが残るようにしてなり、
   それぞれの中間ストリップの上流の前記側壁内にある及びそれに隣接した前記開孔から流れる流体が、前記中間ストリップに膜冷却を施すように配置されてなることを特徴とする、燃焼器。
2. 前記２つの側方エッジが互いにほぼ平行に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記２つの側方エッジが前記上流エッジまたは前記下流エッジを越えて収束する線によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器。
4. 各前記アレイは、前記平面上にアレイを投影した場合に、台形状に形成されることを特徴とする、請求項３に記載の燃焼器。
5. 各アレイの前記開孔が、前記流れを基準にした縦軸に対して垂直な行をなすように配列され、第１行の前記開孔が隣接行の開孔に対して側方にオフセットして、前記ライナの冷却に有効な食い違いパターンをなしていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器。
6. 各前記共振箱は、それぞれ溶接によって前記ライナに固定され、その結果溶接継目が形成された上流壁、下流壁、及び、側壁を備え、前記燃焼器は、さらに、前記下流壁の溶接継目の上流のエッジに終端がくる前記ライナの内部表面に沿った断熱コーティング（ＴＢＣ）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の燃焼器。
7. 前記ＴＢＣのエッジが、前記下流壁の溶接継目から上流側に或る距離にわたって前記ライナの内部表面に沿って延びており、その距離部分に沿って前記ライナには開孔が設けられず、前記共振箱の天板を貫く衝突開孔がその距離にわたって設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の燃焼器。
8. 前記燃焼器は、さらに、上流壁の溶接継目の下流のエッジに終端がくるライナの内部表面に沿った第２の断熱コーティング（ＴＢＣ）を備え、前記第２のＴＢＣのエッジは、前記上流壁の溶接継目から下流側に或る距離にわたって前記ライナの内部表面に沿って延びており、その距離部分に沿って前記ライナには開孔が設けられず、前記共振箱の天板を貫く衝突開孔がその距離にわたって設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の燃焼器。
9. 前記上流のＴＢＣエッジは、前記流れを基準とした縦軸に沿って厚さが漸減することを特徴とする、請求項７に記載の燃焼器。
10. 前記下流のＴＢＣエッジは、前記流れを基準とした縦軸に沿って厚さが漸減することを特徴とする、請求項８に記載の燃焼器。
11. 前記アレイの側方エッジの各前記交差角が１５〜７５度であることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器。
12. 前記側壁は、さらに、隣接共振器間におけるゾーンのパージに有効な複数の側方開孔を備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器。
13. 請求項１１に記載の燃焼器を含むガスタービンエンジン。
14. そのライナまわりに周方向に配置された複数の共振器を具備するガスタービンエンジン用燃焼器であって、各前記共振器は、
    あるパターンの複数の開孔を具備する前記ライナの一部と、
    前記ライナの一部を覆い、上流壁、下流壁、２つの側壁、及び、前記壁に取り付けられた天板を具備する共振箱とを備えており、
    前記２つの側壁が、流れを基準とした縦軸に対して平行にならないように配置されていることを特徴とする、
    燃焼器。
15. 各前記側壁が、前記流れを基準とした縦軸に対して１５〜７５度の角度で配置されていることを特徴とする、請求項１４に記載の燃焼器。
16. 各前記側壁が、前記流れを基準とした縦軸に対して３０〜６０度の角度で配置されていることを特徴とする、請求項１４に記載の燃焼器。
17. 前記請求項１５に記載の燃焼器を含むガスタービンエンジン。
18. そのライナまわりに周方向に配置された複数の共振器を具備するガスタービンエンジン用燃焼器であって、各前記共振器は、
    あるパターンの複数の開孔を具備しており、第１行の前記開孔が隣接行の開孔に対して側方にオフセットし、前記ライナの冷却に有効な食い違いパターンをなしている前記ライナの一部と、
    前記ライナの一部を覆い、上流壁、下流壁、２つの側壁、及び、前記壁に取り付けられるかまたはそれらと一体化した天板を具備し、前記天板が複数の開孔を有しており、前記２つの側壁が流れを基準とした縦軸に対して平行にならないように配置され、前記側壁に複数の側方噴出孔が設けられている共振箱と、
    ライナ下流端から前記下流壁を前記ライナに取り付ける溶接継目の上流のテーパ状エッジまで前記ライナの内部表面に沿って配置された断熱コーティング（ＴＢＣ）とを備えており、前記ライナに前記ＴＢＣエッジを通る開孔がなく、前記ＴＢＣエッジから半径方向の外側に複数の天板開孔が設けられていることを特徴とする、燃焼器。
19. さらに、ライナ上流端から前記上流壁を前記ライナに取り付ける溶接継目の下流のテーパ状エッジまで前記ライナの内部表面に沿って配置された第２の断熱コーティング（ＴＢＣ）を備え、前記ライナに前記第２のＴＢＣエッジを通る開孔がなく、前記第２のＴＢＣエッジから半径方向の外側に複数の天板開孔が設けられていることを特徴とする、請求項１８に記載の燃焼器。
20. 各前記側壁が、前記流れを基準とした縦軸に対して１５〜７５度の角度で配置されていることを特徴とする、請求項１８に記載の燃焼器。

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