JP6012733B2 - 燃焼室壁 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の燃焼室の分野、および特にターボ機械の燃焼室の環状壁に関し、その壁は、低温側および高温側を有する。

用語「ターボ機械」は、本文脈では、タービン内で膨張する作動流体によって、作動流体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する機械を意味するために用いられる。下記の説明においては、用語「上流の（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」および「下流の（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、ターボ機械を通る作動流体の通常の流れ方向に対して定義される。

特に、本発明は、いわゆる「内燃（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）」ターボ機械に関し、そこでは、タービンの作動流体は、この熱エネルギーを作動流体に供給している燃焼生成物の少なくとも一部を含む。この種のターボ機械は、特に、ガスタービン、ターボジェット、ターボプロップ、およびターボシャフトエンジンを含む。通常、この種の内燃ターボ機械は、タービンから上流に、燃料が作動流体、通常は空気と混合され燃焼される燃焼室を含む。したがって、燃料に含まれる化学エネルギーは、燃焼室内で熱エネルギーに変換され、それによって作動流体を加熱し、その後タービン内で機械エネルギーに変換されるのは、作動流体の熱エネルギーである。通常、この種のターボ機械はまた、燃焼室から上流に、燃焼前に空気を圧縮するために少なくとも１つのタービン段に共通である回転軸によって駆動される圧縮機を含む。

この種のターボ機械においては、燃焼室は、通常、壁の低温側に流れる空気を壁の高温側に流入可能にするための孔を備える少なくとも１つの環状壁を有する。この種の壁は、燃料噴射器が通常位置している燃焼室の端壁と燃焼ガス出口との間で作動流体の流れ方向に延びる。燃焼室は、通常、ガス発生器ケーシングの内部に位置しており、そのケーシングは、その中に圧縮されている空気を受け入れるために圧縮機と連通している。

この種の燃焼室においては、孔を通る空気の流れは、いくつかの機能を果たす。室の端壁、したがって噴射器に接近した「１次」ゾーンと呼ばれる第１のゾーンにおいては、壁は、噴射器によって噴射される燃料との燃焼反応のために空気を供給するのに主として役立つ少なくとも１つの「１次」孔を含む。それにもかかわらず、「希釈」ゾーンと呼ばれる、さらに下流にある第２のゾーンに位置している孔を通して燃焼室に入る空気は、主として、燃焼室からの出口においてその温度を低減するように燃焼ガスを希釈する働きをし、それによって、燃焼室から下流のタービンの熱応力が制限される。

それにもかかわらず、ターボ機械の熱力学サイクルの効率を増大させるために、その傾向は、ますます燃焼室の温度を増加させることにある。これにより、燃焼室のシェルの壁に同時に生じるかなりの熱応力がもたらされる。これらの壁を冷却するために、これらは、小さな直径、通常１ミリメートル（ｍｍ）を超えないたくさんの冷却孔を有することができる。これらの冷却孔を通して燃焼室に入る空気は、各壁の高温側に比較的低温の薄膜を形成し、それによって壁の材料が燃焼熱から保護される。

従来技術の燃焼室の希釈ゾーンにおいては、それにもかかわらず、燃焼ガスを希釈するために大きな直径の、通常１ｍｍよりも大きな希釈孔と、また燃焼室の壁を冷却するために１ｍｍを超えない小さな直径の冷却孔との両方が見出されることになる。なぜなら、当業者には、空気の噴流が希釈空気と燃焼ガスとの間に下流でよりよい混合を得るように燃焼室において流れに深く流入できるようになるために、大きな直径の孔によってのみ生成され得る空気の噴流を有することが必要であるという選択肢があるからである。それにもかかわらず、それは、他の欠点を生じる。特に、それらの希釈空気噴流は、燃焼室の内部に大量の温度の不均一性を生じる場合がある。残念ながら、環境上の理由のためおよび燃焼効率上の理由のため、温度は、燃焼室内で、できるだけ均一に分布されること確保することが重要である。そこに任意の温度ピークが、形成されている一酸化二窒素を生じさせることがあるが、燃料は、より低い温度のゾーンで燃え残る場合がある。

したがって、本発明は、ターボ機械の燃焼室の環状壁に関するものであり、壁は、低温側および高温側を有し、前記壁には、燃焼室の内部に燃料の燃焼を与えるために壁の高温側に流入するように、壁の低温側に流れる空気の第１の流れを可能にするための少なくとも１つの１次孔、および複数の冷却孔が設けられ、それぞれは、壁の高温側を冷却するために壁の高温側に流入するように、壁の低温側に流れる空気の第２の流れを可能にするために１ｍｍを超えない直径を有する。

本発明の目的は、燃焼室内の温度分布をより均一にすると同時に、ターボ機械の熱力学サイクル効率を増大させることである。

これを行うために、本発明のターボ機械の燃焼室の環状壁の少なくとも１つの実施形態においては、複数の冷却孔はまた、冷却孔を通して壁の高温側に流入する空気の流れを用いることによって、前記燃焼から生じる燃焼ガスを希釈するのに適している。当業者の先入観とは反対に、小さな直径のこの種のオリフィスに空気を供給することは、燃焼室の壁を冷却するばかりでなく、小さな直径のこれらのオリフィスを介して供給される空気との燃焼ガスの効果的な混合を実現するのにも十分であり、それによって、燃焼ガスの効果的な希釈が実現されることが分かっている。

特に、本発明の第２の態様においては、この種の燃焼室では、前記冷却孔は、壁を通して空気を通過させるために全表面積の５０％以上、より詳細には、前記少なくとも１つの１次孔から下流の壁を通して空気を通過させるために全表面積の少なくとも９７％を有することができる。したがって、燃焼ガスを希釈するための大きな直径の多数のオリフィスを省略することができ、それによって、燃焼室において流れの不均一性を回避するのに役立つばかりでなく、燃焼室の希釈ゾーンを構成することをより容易にもする。

第３の態様においては、燃焼ガスと冷却孔を介して供給される空気との間の混合を改善するために、複数の前記冷却孔の各孔は、壁への投影では壁の中心軸線の方向に対して４５°以上の角度θを有する軸線に沿って方向付けられる。特に、前記角度θは、８５°から９５°の範囲にあってもよい。したがって、冷却孔を通して燃焼室に噴射される空気は、螺旋経路に従い、それによって、燃焼室でのその通過時間が長くなり、壁の高温側に隣接する比較的低温の空気の薄膜が厚くなり、したがって、壁の冷却ばかりでなく、このより厚い薄膜における空気との燃焼ガスの混合にも益する。

第４の態様においては、また、冷却孔を介して導入される空気との燃焼ガスの混合を改善するために、複数の前記冷却孔の各孔は、壁に対して角度βを有する軸線に沿って方向付けられ、角度βは、４５°と同じくらいの大きさ、好ましくは３０°と同じくらいの大きさである。これにより、壁の高温側に隣接する比較的低温の空気の薄膜が安定であることが確実にされる。

それにもかかわらず、第５の態様においては、また、低温の空気の薄膜を安定化させる目的で、前記角度βは、１５°以上、好ましくは２０°以上である。

また、本発明は、同軸である内側壁および外側壁を含むターボ機械の燃焼室を提供する。内側壁および／または外側壁は、本発明の実施形態を構成する環状壁であってもよく、したがって複数の冷却孔を含み、それぞれは、壁の高温側を冷却するために壁の高温側に流入するように、壁の低温側に流れる空気の第２の流れを可能にするために１ｍｍを超えない直径を有し、また、冷却孔を通して壁の高温側に流入する空気の流れを用いることによって、前記燃焼から生じる燃焼ガスの希釈を確実にする。それにもかかわらず、燃焼室は、この環状形状以外の形状を有することができる。たとえば、これは、複数の別個の火炎管を形成するために、ターボ機械の中心軸線を中心に配置される異なる中心軸線を備える複数のこの種の環状壁によって形成されることができる。

また、本発明は、ガスタービン、ターボジェット、ターボプロップ、またはターボシャフトエンジンなどの、特に航空用途のためのターボ機械を提供し、エンジンは、複数の冷却孔を含む少なくとも１つの環状壁を備える燃焼室を含み、それぞれは、壁の高温側を冷却するために壁の高温側に流入するように、壁の低温側に流れる空気の第２の流れを可能にするために１ｍｍを超えない直径を有し、また、冷却孔を通して壁の高温側に流入する空気の流れを用いることによって、前記燃焼から生じる燃焼ガスの希釈を確実にする。

また、本発明は、ターボ機械の燃焼室における燃焼ガスを希釈する方法を提供し、前記燃焼室は、低温側および高温側を備える少なくとも１つの環状壁を有し、燃焼室の内部に燃料の燃焼を与えるために壁の高温側に流入するように、壁の低温側に流れる空気の第１の流れを可能にするための少なくとも１つの１次孔、および複数の冷却孔が設けられ、それぞれは、壁の高温側を冷却するために壁の高温側に流入するように、壁の低温側に流れる空気の第２の流れを可能にするために１ｍｍを超えない直径を有し、本方法は、壁の高温側に流入する空気の流れがまた、燃焼ガスを希釈する働きをすることを特徴とする。

本発明は、非限定的な例示として与えられる実施形態の次の詳細な説明を読むと、よく理解されることができ、その利点がより明らかになる。説明は添付の図面を参照している。

ターボ機械の概略長手方向断面図である。 従来技術の燃焼室の概略長手方向断面図である。 本発明の第１の実施形態の燃焼室の概略長手方向断面図である。 円筒投影法での図３の燃焼室の壁の詳細図である。 線ＩＶＢ−ＩＶＢによる断面での同じ壁の詳細図である。

ターボ機械、およびより詳細にはターボシャフトエンジン１が、図１に説明のために概略的に示されている。作動流体の流れ方向に、このエンジン１は、遠心圧縮機３、環状燃焼室４、第１の軸流タービン５、および第２の軸流タービン６を備える。さらに、エンジン１はまた、第１の回転軸７、および第１の回転軸７と同軸の第２の回転軸８を有する。

第２の回転軸８は、燃焼室４から下流の第１の軸流タービン５における作動流体の膨張が燃焼室４から上流の圧縮機３を駆動する働きをするように、遠心圧縮機３を第１の軸流タービン５に接続する。第１の回転軸７は、第１の軸流タービン５から下流の第２の軸流タービン６における作動流体の続いて起こる作動流体の膨張が動力取出し装置９を駆動する働きをするように、第２の軸流タービン６をエンジンから下流および／または上流に配置される動力取出し装置９に接続する。

したがって、遠心圧縮機３における作動流体の圧縮とこれに続く燃焼室４における作動流体の加熱、および第２の軸流タービン６におけるその膨張により、燃焼室４における燃焼によって得られる熱エネルギーの一部が動力取出し装置９から取り出される機械的仕事に変換されることができるようになる。示されたエンジンにおいては、駆動流体は空気であり、燃料がそれに加えられ、燃焼室４で燃焼され、その燃料は、たとえば炭化水素であってもよい。

従来技術の燃焼室２０４が図２に示されている。この燃焼室２０４は、内側壁２１１および外側壁２１２を備え、その壁は、環状で同軸であり、２つの壁２１１および２１２が一緒に接合する端壁２１３から燃焼ガス出口まで延びる。燃焼室２０４は、燃料噴射器２１５が位置している１次ゾーン２０４ａ、および１次ゾーン２０４ａから下流にある希釈ゾーン２０４ｂにさらに分割され得る。示された例では、燃焼室２０４は、その軸線方向範囲を限定するために、ベンド２１６を有するタイプのものである。このタイプの燃焼室は、図１に示されるように、特にターボ機械がターボシャフトエンジンである場合、遠心圧縮機を有するターボ機械に特に広く行きわたっている。

燃焼室２０４の壁２１１および２１２は、３つの異なるタイプの孔を有し、その３つはすべて、燃焼室２０４の外側の壁２１１、２１２の低温側から燃焼室２０４の内側の壁２１１、２１２の高温側に空気の流れを通過させるのに使用される。第１のタイプの孔は、「１次」孔２１７と言われ、１次ゾーン２０４ａに位置しており、噴射器２１５によって噴射される燃料の燃焼を与えるのに使用される空気を通過させる働きをする。これらの１次孔２１７から下流に、壁２１１、２１２はまた、「希釈」孔２１８と呼ばれる第２のタイプの孔を有し、燃焼ガス２２０を希釈するのに使用される空気を通過させる働きをし、この燃焼ガス２２０は、１次孔２１７を介して入る空気と反応する、噴射器２１５によって噴射される燃料の燃焼から生じる。また、壁２１１、２１２は、「冷却」孔２１９と呼ばれる第３のタイプの孔を有し、壁２１１、２１２のそれぞれの高温側を冷却するのに使用される空気が通過できるようになっている。孔の３つのタイプは、特に、それらの異なるサイズが異なる。したがって、１次孔２１７、および特に希釈孔２１８は、冷却孔２１９の直径よりも著しく大きい直径を有する。冷却孔は、壁２１１、２１２の表面にわたって数多く配置され、それらのそれぞれは１ｍｍを超えない直径を有するが、希釈孔２１８は、約５ｍｍ以上の直径を有する。したがって、エンジンが運転中の場合、冷却孔２１９を通して壁２１１、２１２の高温側に流入する空気は、燃焼ガス２２０の熱からそれらを保護するために、壁２１１、２１２に隣接したままである比較的低温の空気の薄膜２２１を形成し、希釈孔２１８を通して流入する空気は、希釈ゾーン２０４ｂにおいて燃焼ガス２２０と混じり合うために、燃焼室２０４に深く流入する噴流２２２を形成する。

本発明の実施形態の燃焼室４が図３に示されている。また、この燃焼室４は、環状で同軸であり、壁１１および１２が一緒に接合する端壁１３から燃焼ガス出口まで延びる内側壁１１および外側壁１２を有する。同様に、燃焼室４は、燃料噴射器１５が位置している１次ゾーン４ａ、および１次ゾーン４ａから下流の希釈ゾーン４ｂにさらに分割され得る。示された実施形態においては、内側壁および外側壁は、最大半径方向距離ｈによって間隔を置いて設けられ、燃焼室の中心軸線Ｘの方向に沿った１次ゾーンの深さは、前記距離ｈに等しい。示された例においては、燃焼室４は、同様に、その軸線方向範囲を限定するために、ベンド１６を有するタイプのものである。

それにもかかわらず、従来技術の燃焼室２０４とは違って、この燃焼室４は、燃焼室４の外側の壁１１、１２の低温側から燃焼室４の内側の壁１１、１２の高温側に空気の流れを通過させるための２つのタイプの孔だけを有し、これは、１次孔１７および冷却孔１９である。したがって、前記１次孔１７から下流に向かって、および特に希釈ゾーン４ｂにおいて、壁１１、１２は、１ｍｍよりも大きな直径の空気を通過させるための孔を実際に１つも有しない。壁１１、１２は、たとえば燃焼室４の内視鏡検査用の孔などの、ある一定の他のオリフィスを有してもよいが、冷却孔１９は、壁１１、１２を通して空気を通過させるために全表面積の少なくとも５０％、および希釈ゾーン４ｂでは少なくとも９７％を有する。

この燃焼室４においては、より大きな直径の特定の希釈孔は存在せず、したがって、燃焼ガス２０は、冷却孔１９を通して燃焼室４に流入する空気によって実際に専ら希釈され、壁１１、１２に隣接する空気の薄膜２１は、燃焼ガス２０と効果的に混合する。この混合を容易にするために、示された実施形態においては、冷却孔１９は、これらの冷却孔１９を通して燃焼室４に流入する空気を螺旋形の軌道に押しやるように方向付けられる。したがって、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、この実施形態においては、各冷却孔１９は、壁１１、１２に対して角度βを有する軸線に沿って方向付けられ、角度βは２０°から３０°の範囲にあり、中心軸線Ｘの方向に対しておよそ９０°の角度βを有する、壁への投影部を有する。このように示されている燃焼室４は、均一にかつ効果的な方法で燃焼ガス２０をうまく希釈すると同時に、大きな直径の特定の希釈孔を省略し、それによって、それに関連する欠点が回避される。

本発明は特定の実施形態を参照して説明されているが、さまざまな改造および変更が、特許請求の範囲によって規定されているような本発明の一般的範囲を超えることなくこの例に対して行われ得ることは明らかである。たとえば、他の角度θおよびβ、特にθ≧４５°および１５°≦β≦４５°の範囲の角度θおよびβを考えることができる。さらに、言及されたさまざまな実施形態の個々の特徴は、追加の実施形態を構成するように結合され得る。したがって、説明および図面は、限定的な意味ではなく例示の意味で考慮されるべきである。

Claims (10)

1. ターボ機械の燃焼室（４）の環状壁（１１、１２）にして、低温側および高温側を有し、燃焼室（４）の内部に燃料の燃焼を与えるために壁（１１、１２）の高温側に流入するように、壁（１１、１２）の低温側に流れる空気の第１の流れを可能にするための少なくとも１つの１次孔（１７）、および複数の冷却孔（１９）が設けられ、それぞれが、壁（１１、１２）の高温側を冷却するために壁（１１、１２）の高温側に流入するように、壁（１１、１２）の低温側に流れる空気の第２の流れを可能にするために１ｍｍを超えない直径を有する、環状壁（１１、１２）であって、前記複数の冷却孔（１９）がまた、冷却孔（１９）を通して壁（１１、１２）の高温側に流入する空気の流れを用いることによって、前記燃焼から生じる燃焼ガス（２０）を希釈するのに適していることを特徴とする、環状壁（１１、１２）。
2. 前記冷却孔（１９）が、壁（１１、１２）通して空気を通過させるために全表面積の５０％以上を有する、請求項１に記載のターボ機械の燃焼室（４）の環状壁（１１、１２）。
3. 前記冷却孔（１９）が、前記少なくとも１つの１次孔（１７）から下流側の壁（１１、１２）を通して空気を通過させるために全表面積の少なくとも９７％を有する、請求項１または請求項２に記載のターボ機械の燃焼室（４）の環状壁（１１、１２）。
4. 複数の前記冷却孔（１９）の各孔が、壁（１１、１２）への投影では壁（１１、１２）の中心軸線（Ｘ）の方向に対して４５°以上の角度θを有する軸線に沿って方向付けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載のターボ機械の燃焼室（４）の環状壁（１１、１２）。
5. 角度θが８５°から９５°の範囲にある、請求項４に記載のターボ機械の燃焼室（４）の環状壁（１１、１２）。
6. 複数の前記冷却孔（１９）の各孔が、壁（１１、１２）に対して角度βを有する軸線に沿って方向付けられ、角度βが、４５°と同じくらいの大きさ、好ましくは３０°と同じくらいの大きさである、請求項の１から５のいずれか一項に記載のターボ機械の燃焼室（４）の環状壁（１１、１２）。
7. 前記角度βが、１５°以上、好ましくは２０°以上である、請求項６に記載のターボ機械の燃焼室（４）の環状壁（１１、１２）。
8. 同軸である内側壁（１１）および外側壁（１２）を備えるターボ機械の燃焼室（４）であって、前記内側壁（１１）および／または前記外側壁（１２）が、請求項１から７のいずれか一項に記載の環状壁である、燃焼室（４）。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の少なくとも１つの環状壁（１１、１２）を有する燃焼室（４）を含む、ターボ機械（１）。
10. ターボ機械の燃焼室（４）の燃焼ガス（２０）を希釈する方法にして、前記燃焼室（４）が、低温側および高温側を備える少なくとも１つの環状壁（１１、１２）を有し、燃焼室（４）の内部に燃料の燃焼を与えるために壁（１１、１２）の高温側に流入するように、壁（１１、１２）の低温側に流れる空気の第１の流れを可能にするための少なくとも１つの１次孔（１７）、および複数の冷却孔（１９）が設けられ、それぞれが、壁（１１、１２）の高温側を冷却するために壁（１１、１２）の高温側に流入するように、壁（１１、１２）の低温側に流れる空気の第２の流れを可能にするために１ｍｍを超えない直径を有する方法であって、壁（１１、１２）の高温側に流入する空気の流れがまた、燃焼ガス（２０）を希釈する働きをすることを特徴とする、方法。

Images