JP5475901B2 - 燃焼器ライナ及びガスタービンエンジンアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンにおいて使用するための薄膜冷却燃焼器ライナに関し、特に、互いに密接に配置された冷却穴を含む領域を有する薄膜冷却燃焼器ライナに関する。

航空機エンジンにおいて使用される燃焼器は、燃焼器及びその周囲に位置するエンジン構成要素を燃焼過程により発生される極度に高い熱から保護するために、通常、内側燃焼器ライナ及び外側燃焼器ライナを含む。燃焼器ライナを冷却して、燃焼器ライナが高い燃焼温度に耐えられるようにするために、多様な方法が提案されている。そのような方法の１つが、多穴薄膜冷却である。この方法においては、ライナを貫通するように形成された非常に小さな冷却穴のアレイにより、ライナの燃焼側の面に沿って冷却空気の薄い層が形成される。多穴薄膜冷却の場合、冷却穴を通過する質量流れがライナ面に隣接する高温の燃焼ガスを希釈するため、ライナに対する総熱負荷が減少し、穴を通る流れは、ライナ壁面を対流冷却する。

しかし、多穴薄膜冷却に関連して、穴の間隔、穴の各列における穴の数及び穴の大きさの限界や、例えば、優先冷却を実行することが困難であるなどの数多くの制限があるため、単なるナゲット冷却と比較して、多穴薄膜冷却を設計するのは難しい。特に、適切な冷却を実行するために、燃焼器への熱障壁被覆膜（ＴＢＣ）の塗布を容易にするように、穴は、互いに適切な距離をおいて離間していなければならず、その一方で、十分な薄膜冷却及び対流冷却を実現するためには、穴は、互いに十分に近接していなければならない。

例えば、適切な燃焼器冷却を実行するために、少なくとも１つの周知の燃焼器は、軸方向に等間隔で離間して配置された冷却穴を含み、周囲方向の間隔を調整するための試みはなされていない。しかし、多くのライナ輪郭は傾きが変化するため、周囲方向の間隔は無秩序に変化してしまい、その結果、過剰に冷却される領域と、冷却が不十分な領域とがライナに形成される可能性がある。更に、周囲方向の間隔を可変にする必要があることから、周囲方向の優先多穴冷却は困難である。これは、周囲方向の間隔を可変にすると、多穴列の間で妨害が起こるためである。また、周囲方向優先冷却の場合、穴の大きさを変えることも１つの可能性ではあるが、穴の間の軸方向距離及び周囲方向距離を設計限界内に維持することは相対的に困難であり、そのための費用も加算される。
米国特許第３，６２３，７１１号明細書 米国特許第４，８７２，３１２号明細書 米国特許第５，２３３，８２８号明細書 米国特許第５，２４１，８２７号明細書 米国特許第５，５９０，５３１号明細書 米国特許第５，８５０，７３２号明細書 米国特許第６，１４５，３１９号明細書 米国特許第６，２０５，７８９号明細書 米国特許第６，４０８，６２９号明細書 米国特許第６，６５５，１４９号明細書 米国特許第５，２４１，８２７号明細書 特開２００５−１２１３５１号公報

従って、異常に高い温度にさらされ、その結果、材料疲労を起こすライナの領域において冷却膜の有効性が向上された燃焼器ライナが必要とされる。

１つの面においては、燃焼器ライナが提供される。燃焼器ライナは、長手方向軸が延出する上流側端部及び下流側端部を有するライナと、ライナに形成され、長手方向軸に沿って互いに可変距離で離間して配置された複数の周囲方向に延在する複数の列として、長手方向軸に沿って配列された複数の冷却穴とを含む。

別の面においては、ガスタービンエンジンアセンブリが提供される。ガスタービンエンジンアセンブリは、圧縮機と、前記圧縮機と流れ連通する状態で結合された燃焼器とを含み、前記燃焼器は、長手方向軸が延出する上流側端部及び下流側端部を有する少なくとも１つの燃焼器ライナと、ライナに形成され、長手方向軸に沿って互いに可変距離で離間して配置された複数の周囲方向に延在する複数の列として、長手方向軸に沿って配列された複数の冷却穴とを具備する。

またここでは、ガスタービンエンジンの燃焼器ライナを製造する方法が開示される。この方法は、長手方向軸が延出する上流側端部及び下流側端部を有するライナを提供することと、複数の冷却穴が、長手方向軸に沿って互いに可変距離で離間して配置された複数の周囲方向に延在する複数の列として、長手方向軸に沿って配列されるように、複数の冷却穴をライナに形成することとを含む。

図１は、ガスタービンエンジンにおいて使用するのに適する種類の燃焼器１０を示した図である。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との間に配置された外側ライナ１２及び内側ライナ１４を含む。外側ライナ１２及び内側ライナ１４は、互いに半径方向に離間して配置され、燃焼室２０を規定する。外側ライナ１２及び外側ケーシング１６は、互いの間に外側流路２２を形成し、内側ライナ１４及び内側ケーシング１８は、互いの間に内側流路２４を形成する。カウルアセンブリ２６は、外側ライナ１２及び内側ライナ１４の上流側端部に装着される。圧縮空気を燃焼器１０に導入するために、カウルアセンブリ２６に環状開口部２８が形成される。圧縮空気は、圧縮機（図示せず）から、図１の矢印Ａにより概略的に示される方向に供給される。圧縮空気の大部分は、燃焼を支援するために環状開口部２８を通過する。一部の圧縮空気は、外側流路２２及び内側流路２４に流入し、そこで、ライナ１２及び１４を冷却するために使用される。

外側ライナ１２と内側ライナ１４との間の上流側端部の付近に、環状ドーム板３０が配置される。ドーム板３０は、外側ライナ１２と内側ライナ１４とを互いに結合する。ドーム板３０に、複数の周囲方向に互いに離間して配置された旋回羽根アセンブリ３２が装着される。各旋回羽根アセンブリ３２は、環状開口部２８からの圧縮空気と、対応する燃料ノズル３４からの燃料とを受取る。燃料と空気は、旋回羽根アセンブリ３２により渦を巻くように回転され、混合される。その結果、得られる燃料／空気混合物は、燃焼室２０の中へ排出される。燃焼器は、延出する長手方向軸（図１には図示せず）を規定する上流側端部６０及び下流側端部６２を有する。環状燃焼器の場合、長手方向軸はエンジンの長手方向軸と一致する。尚、図１は、単一の環状燃焼器を含む１つの好適な実施形態を示すが、本発明は、多穴薄膜冷却を使用する複式環状燃焼器又はカン環状燃焼器を含む任意の種類の燃焼器に等しく適用可能である。

外側ライナ１２及び内側ライナ１４は、それぞれ、単一の壁から成り、ほぼ環状に軸方向に延出する構成を有する金属シェルを具備する。外側ライナ１２は、燃焼室２０内部の高温の燃焼ガスに面する高温側３６と、外側流路２２の相対的に低温の空気と接触する低温側３８とを有する。同様に、内側ライナ１４は、燃焼室２０内部の高温の燃焼ガスに面する高温側４０と、内側流路２４の相対的に低温の空気と接触する低温側４２とを有する。ライナ１２及び１４の双方に、多数の互いに密接して配置された冷却穴４４が形成される。

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囲方向に互いに離間して配列された希釈穴４８を通して、希釈空気が燃焼室２０に導入される。希釈穴４８の数は、一般に、冷却穴４４の数よりはるかに少なく、各々の希釈穴４８の横断面の面積は、１つの冷却穴４４の横断面の面積より相当に広い。希釈穴４８は、燃焼室２０の中へ希釈空気を受入れる働きをする。希釈穴は、ライナ１２及び１４の周囲に沿って周囲方向に延在する帯又は列５０として配列される。最も前方の位置にある希釈穴４８の帯は、一次希釈穴と呼ばれる。

組立てられた状態の燃焼器において、一次希釈穴４８のうちいくつかの穴は、燃料ノズル３４及び旋回羽根３２の中心の周囲方向位置により規定される噴射ポイントと整列される。動作中、それらの周囲方向位置を通過した燃焼ガスの流れは、材料温度が局所的に上昇した「ホットストリーク」を形成する場合がある。それらのストリークは、厳密には長手方向ではない。旋回羽根３２により発生される燃焼器内部の流れの渦巻によって、燃焼器の長さに沿って見た場合、ストリークは周囲方向に湾曲している。従来の冷却方式は、燃焼器ライナ１２及び１４の他の部分に対しては適切な冷却を実行していたが、ホットストリークの影響を受ける燃焼器ライナ１２及び１４の部分は、現場での使用によって、酸化、腐食及び低サイクル疲労（ＬＣＦ）を示す可能性がある。

次に図２を参照すると、外側ライナ１２の一部を貫通して設けられた冷却穴４４が更に詳細に示される。図２は、外側ライナ１２の冷却穴を示すが、内側ライナ１４の冷却穴の構成も、外側ライナ１２の冷却穴の構成とほぼ同一である。従って、以下の説明は、内側ライナ１４にも適用される。図２は、Ｘ、Ｙ及びＺで示された軸を有する基準のフレームを含む。Ｘは、燃焼器１０の長手方向軸１１（矢印Ｂにより示される）に沿った下流側軸方向距離であり、Ｙは周囲方向であり、Ｚは半径方向である。冷却穴４４は、低温側３８から高温側３６に向かって下流側角度Ａを成して、軸方向に傾斜している。角度Ａは、約１５(〜約２０(の範囲であるのが好ましい。冷却穴４４は、一連の周囲方向に延在する列４６として配列され、各列の隣接する穴４４は、それぞれの中心線の間で周囲方向穴間隔Ｓを有する。特に、本実施形態においては、各々の冷却穴４４は直径（ｄ）を有し、周囲方向（Ｙ）に隣接する冷却穴４４から距離（Ｓ）だけ離間している。従って、ここで説明される本実施形態の燃焼器は、周囲方向に全てほぼ等間隔で離間するように配置された冷却穴４４を含む。すなわち、ＳはＹ方向に一定であり、ほぼ同一の直径（ｄ）を有する。

本実施形態においては、冷却穴４４の列４６の軸方向（Ｘ）の間隔は可変である。特に、冷却穴４４は、一般に、例えば、第１の列７０、第２の列７２、第３の列７４、第４の列７６及び第ｎの列７８を含む複数の列４６として配列される。外側ライナ１２を通して、それらの列の軸方向の間隔は様々に異なる。図２に示されるように、第１の列７０は、第２の列７２から距離X₁の場所に形成され、第２の列７２は、第３の列７４から距離X₂の場所に形成され、第３の列７４は、第４の列７６から距離X₃の場所に形成され、第４の列７６は、第ｎの列７８から距離X_Nの場所に形成される。本実施形態においては、冷却空気の増量が望まれる燃焼器の領域へ、より多くの冷却空気の流れを誘導できるようにするために、冷却穴４４の列４６は、例えば、X₁ ( X₂ ( X₃ ( X_Nのような種々の離間距離で軸方向に配置される。

例えば、図３は、燃焼器ライナ１２の選択された部分への冷却空気の流れを増加又は減少するために、それぞれ異なる離間距離で配置された冷却穴４４の列４６を含む燃焼器ライナ１２を示す。図４は、図３に示される冷却穴の間隔を例示するために、図３に関連して説明される長手方向軸１１に沿った穴間隔を示したグラフである。

本実施形態においては、列４６の第１の群８０は、隣接する列４６の間隔X_G1が、軸方向（Ｘ）に、燃焼器ライナ１２の上流側端部６０から少なくとも部分的に燃焼器ライナ１２の下流側端部６２に向かって後方へ徐々に減少するように、異なる離間距離で配置される。例えば、図４に示されるように、第１の群８０の列間隔X/dは徐々に減少している。すなわち、列の間隔が徐々に狭まっているため、第１の群８０に含まれる冷却穴の列４６を通して供給される冷却空気の流れは、徐々に増加する。それにより、希釈穴４８の第１の列から上流側で発生する可能性があるホットスポットに供給される冷却空気の流れが増加される。

列４６の第２の群８２は、隣接する列４６の間隔X_G2が、軸方向（Ｘ）に、燃焼器ライナ１２を貫通して形成された列の第１の群８０から少なくとも部分的に燃焼器ライナ１２の下流側端部６２に向かって後方へ徐々に増加するように、異なる離間距離で配置される。例えば、図４に示されるように、第２の群８２の列間隔X/dは徐々に増加している。すなわち、列の間隔が徐々に広くなるため、第２の群８２に含まれる冷却穴の列４６を通して供給される冷却空気の流れは、徐々に減少する。それにより、ホットスポットになる可能性がある部分を含まない燃焼器ライナ１２の領域に供給される冷却空気の流れが減少される。

列４６の第３の群８４は、隣接する列４６の間隔X_G3が、軸方向（Ｘ）に、燃焼器ライナ１２を貫通して形成された冷却穴の第２の群８２から少なくとも部分的に燃焼器ライナ１２の下流側端部６２に向かって後方へ徐々に減少するように、異なる離間距離で配置される。例えば、図４に示されるように、第３の群８４の列間隔X/dは徐々に減少している。すなわち、列の間隔が、希釈穴４８の列の間で徐々に狭まっているため、第３の群８２に含まれる冷却穴の列４６を通して供給される冷却空気の流れは、徐々に増加する。それにより、希釈穴４８の列の間で発生する可能性があるホットスポットに供給される冷却空気の流れが増加される。

列４６の第４の群８６は、隣接する列４６の間隔X_G4が、軸方向（Ｘ）に、燃焼器ライナ１２を貫通して形成された冷却穴の第３の群８４から少なくとも部分的に燃焼器ライナ１２の下流側端部６２に向かって後方へ徐々に減少するように、異なる離間距離で配置される。例えば、図４に示されるように、第４の群８４の列間隔X/dは徐々に増加している。すなわち、列の間隔が、希釈穴４８から下流側へ徐々に広くなるため、第４の群８６に含まれる冷却穴の列４６を通して供給される冷却空気の流れは、希釈穴４８から下流側の気流冷却が上流側ほど要求されないのに対応して、徐々に減少する。更に、列４６の第５の群８８は、隣接する列４６の間隔X_G5が、軸方向（Ｘ）に、穴の第４の群８６から下流側へ更に増加するように、異なる離間距離で配置される。これは、燃焼器ライナ１２の下流側端部６２に向かって、冷却の必要が更に少なくなることを表している。

本明細書においては、軸方向に離間距離が様々に異なる冷却穴の複数の列を含む燃焼器ライナが説明される。特に、より多くの冷却を必要とする軸方向場所における多穴冷却を増補するために、少なくともいくつかの列４６の間の軸方向間隔が変化される。これは、図４に示されるように、例えば、正弦関数又は一次関数などの平滑化関数を利用して、燃焼器ライナに沿って滑らかに軸方向穴間隔（X/d）を軸方向（Ｘ）に分布させることにより実現される。平滑化関数は、冷却穴４４の隣接する列４６の間の急激な間隔の変化を最小限に抑えるのを助ける。例えば、利用されてもよい平滑化関数の１つは、Asin(Bx - C)である。式中、A、B及びCは、ライナのホットスポットの場所に基づいて穴間隔を適合させるために選択されるが、他の平滑化関数が利用されてもよい。

更に、多穴列４６の数及び各列４６に含まれる穴４４の数は、可変X/d関数と共に、列ごとに一定であるS/dを調整するために選択される。完全なX/d制御と限定されたS/d制御との組合せにより、設計時に、単位面積当たりの冷却空気を任意の所望の態様で軸方向に分布させることが可能である。更に、この設計プロセスは、穴間隔（S/x）の縦横比を好ましくは１の値に近づくように計算し且つ制約することにより、隣接する穴４４の間で妨害が起こらないように保証する。また、軸方向多穴間隔を滑らかに設定することにより、単一の穴の大きさのみが必要となるので、これは、製造上、好都合である。更に、本明細書中で説明されるライナを製造する方法は、限定された制御自在優先冷却を可能にし、多穴妨害の危険を回避する。また、目標ホットスポットに対して、単位面積当たり、軸方向に可変である冷却空気を供給するか又はライナプロファイルを制御し、設計プロセス及び製造プロセスの双方のコストを低減する。この方法は、計算流体力学（ＣＦＤ）を使用して実証されている。優先冷却は、ホットスポットガス温度を局所的に低下するのを助けることが実証された。上述の概念の成果は、高圧セクタ燃焼器リグ及び全環状燃焼器リグにおいて実証された。

燃焼器ライナを製造する方法は、長手方向軸が延出する上流側端部及び下流側端部を有するライナを提供することと、複数の穴が、長手方向軸に沿って互いに可変距離で離間して配置された複数の周囲方向に延在する列として、長手方向軸に沿って配列されるように、ライナに複数の冷却穴を形成することとを含む。従って、本明細書中で説明されるライナは、優先冷却のために１つの多穴サイズを使用することができ、これは、設計上及び製造上好都合である。しかし、本明細書中で説明されるライナは、例えば、他の優先冷却の手段、例えば、複数の穴サイズを使用する構成と共に利用されてもよい。

以上、燃焼器内部の温度を低下し、温度勾配及びホットストリークを減少するために、冷却穴の配列が改善された多穴薄膜冷却燃焼器ライナを説明した。種々の特定の実施形態に関して本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは、当業者により認識されるであろう。

本発明の燃焼器ライナを有するガスタービン燃焼器を示した切取り斜視図である。 傾斜した多穴冷却穴を示した燃焼器ライナの一部の斜視図である。 本発明の多穴冷却穴の配列を示した燃焼器ライナの一部の平面図である。 図３に示される冷却穴の互いに可変距離で離間して配列された列を示したグラフである。

１０…燃焼器、１１…長手方向軸、１２…燃焼器外側ライナ、１４…燃焼器内側ライナ、４４…冷却穴、４６…冷却穴の列、４８…希釈穴、５０…希釈穴の帯又は列、６０…燃焼器上流側端部、６２…燃焼器下流側端部、７０…冷却穴の第１の列、７２…冷却穴の第２の列、７４…冷却穴の第３の列、７６…冷却穴の第４の列、７８…冷却穴の第ｎの列、８０…冷却穴の列の第１の群、８２…冷却穴の列の第２の群、８４…冷却穴の列の第３の群、８６…冷却穴の列の第４の群、８８…冷却穴の列の第５の群

Claims (8)

1. 長手方向軸（１１）が延出する上流側端部（６０）及び下流側端部（６２）を具備するライナと；
   前記ライナに形成され、前記長手方向軸に沿って互いに可変距離で離間して配置された複数の周囲方向に延在する列（４６）として、前記長手方向軸に沿って配列された複数の冷却穴（４４）と；
   希釈穴（４８）の第１の列（５０）と；
   前記希釈穴の第１の列から下流側に形成された希釈穴の第２の列と
   を具備し、
   前記複数の冷却穴（４４）は、前記希釈穴の第１の列と前記希釈穴の第２の列との間で複数の周囲方向に延在する列（４６）として、前記長手方向軸（１１）に沿って配列され、且つ前記希釈穴の第１の列から下流側の前記希釈穴の第２の列に向かって少なくとも間隔が徐々に増加する又は狭くなるように、前記長手方向軸に沿って互いに可変距離で離間して配置される
   ことを特徴とする、燃焼器ライナ（１２、１４）。
2. 前記複数の冷却穴（４４）は、１５°〜２０°の範囲の角度で軸方向に傾斜している請求項１記載の燃焼器ライナ（１２、１４）。
3. 前記複数の冷却穴（４４）は、１つの列（４６）の中では周囲方向に等間隔で離間して配置される請求項１記載の燃焼器ライナ（１２、１４）。
4. 前記冷却穴（４４）の列（４６）は、少なくとも１つの群（８０、８２、８４、８６、８８）として配置され、隣接する列の間の軸方向間隔は、前記長手方向軸（１１）に沿って下流方向へ徐々に増加する請求項１記載の燃焼器ライナ（１２、１４）。
5. 前記複数の冷却穴（４４）は、前記ライナ上流側端部（６０）から少なくとも部分的に前記ライナ下流側端部（６２）に向かって間隔が徐々に狭くなるように、前記長手方向軸に沿って互いに可変距離で離間して配置された複数の周囲方向に延在する列（４６）として、前記長手方向軸（１１）に沿って配列される請求項１記載の燃焼器ライナ（１２、１４）。
6. 前記複数の冷却穴（４４）は、それぞれ、同一の直径を有する請求項１記載の燃焼器ライナ（１２、１４）。
7. 圧縮機と；
   前記圧縮機と流れ連通する状態で結合された燃焼器（１０）とを具備し、前記燃焼器は、 長手方向軸（１１）が延出している上流側端部（６０）及び下流側端部（６２）を有する少なくとも１つの燃焼器ライナ（１２、１４）と、前記ライナに形成され、前記長手方向軸に沿って互いに可変距離で離間して配置された複数の周囲方向に延在する列（４６）として、前記長手方向軸に沿って配列された複数の冷却穴（４４）と
   希釈穴（４８）の第１の列（５０）と；
   前記希釈穴の第１の列から下流側に形成された希釈穴の第２の列と
   を具備し、
   前記複数の冷却穴（４４）は、前記希釈穴の第１の列と前記希釈穴の第２の列との間で複数の周囲方向に延在する列（４６）として、前記長手方向軸（１１）に沿って配列され、且つ前記希釈穴の第１の列から下流側の前記希釈穴の第２の列に向かって少なくとも間隔が徐々に増加する又は狭くなるように、前記長手方向軸に沿って互いに可変距離で離間して配置される
   ことを特徴とする、ガスタービンエンジンアセンブリ。
8. 前記複数の冷却穴（４４）は、それぞれ、同一の直径を有する請求項７記載のガスタービンエンジンアセンブリ。