JP4433529B2 - 多穴膜冷却燃焼器ライナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、一般にガスタービンエンジンで使用する膜冷却燃焼器ライナに係り、特に間隔が密な冷却穴の領域を有する前記燃焼器に係る。
【０００２】
ガスタービンエンジンは燃焼器に加圧された空気を供給する圧縮器を含んでおり、この燃焼器では加圧空気が燃料と混合され、点火されて高温の燃焼ガスを生成する。これらのガスは下流の１つ以上のタービンに流れ、これらタービンはガスからエネルギーを引出して、圧縮器に動力を供給し、また飛行中の航空機に動力を供給するなど、有用な仕事を提供する。航空機エンジンで使用する燃焼器は通常、燃焼器とこれを取り囲むエンジン部品を燃焼プロセスによって生成する高熱から保護するために内側と外側の燃焼器ライナを含んでいる。燃焼器ライナを冷却してライナがより高い燃焼器温度に耐えられるようにするさまざまなアプローチが提案されている。そのようなアプローチのひとつは、ライナの燃焼側面に沿ってそのライナを貫通して形成された整列された非常に小さい冷却穴によって薄い冷却空気層を提供する多穴膜冷却である。多穴膜冷却はライナに対する全体熱負荷を低減する。というのは、冷却穴を通る質量流がライナ表面に近い高温の燃焼ガスを希釈し、それら穴を通る流れがライナ壁の対流冷却を提供するからである。
【０００３】
ガスタービン燃焼器で共通して見られるさまざまな現象により、冷却膜の効力が低下し、高温のガスがライナ表面付近に運ばれる可能性がある。そのような状態のひとつは、より良好な燃焼を促進するために燃料ノズル内に位置するスワラによって起こされる旋回衝突である。スワラによって引き起こされる燃焼流の旋回により、高温のガスがライナに衝突する。旋回衝突は一般に、燃焼器のデザインによって決まるライナ表面における特異な領域に限定されている。これらの領域では冷却膜の効力の損失が起こり、したがってこれらの領域は熱劣化をより受け易くなる。冷却膜効力の低下の別の原因は、燃焼器ライナに希釈穴、ボアスコープ穴、点火器口穴などが存在することである。そのような穴は冷却穴よりかなり大きいので、これら大きめの穴を通る空気の流入により生成した流跡がそれらの背後にある冷却膜を乱す。したがって、希釈その他のライナ穴の直ぐ下流のライナ領域もまた冷却膜効力の損失を起こし易い。
【０００４】
したがって、ライナの、さもなくば冷却膜効力の損失を起こし易い領域で冷却膜効力が増大した燃焼器ライナに対するニーズが存在する。
【０００５】
【発明の要約】
上記のニーズは、第一群と第二群の冷却用の穴が形成されているシェルから作成されたガスタービン燃焼器ライナを提供する本発明によって満たされる。ここで、第二群の冷却穴は第一の群の冷却穴より間隔が狭い。第二群の冷却穴はシェルの冷却膜効力が低下する領域に位置している。好ましい位置としては、シェルの旋回衝突を受ける領域と、シェル内の希釈穴、ボアスコープ穴または点火器口穴のような大きい開口のすぐ下流のスポットとがある。
【０００６】
【発明の詳細な記述】
本発明のその他の目的と利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明と特許請求の範囲を読めば明らかとなろう。
【０００７】
本発明と考えられる主題は特許請求の範囲に記載されている通りである。しかし、本発明は、添付の図面と組み合わせて以下の説明を参照することによって最も良く理解できる。
【０００８】
ここで図面を参照する。図面中、同一の参照番号は全図面を通して同じ要素を表わしている。図１に、ガスタービンエンジンに使用するのに適したタイプの燃焼器１０を示す。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と内側ライナ１４とを含んでいる。外側ライナ１２と内側ライナ１４は半径方向に互いに間隔をもって離れていて燃焼チャンバ２０を定めている。外側ライナ１２と外側ケーシング１６はその間に外側通路２２を形成しており、内側ライナ１４と内側ケーシング１８はその間に内側通路２４を形成している。外側ライナ１２と内側ライナ１４の上流端にはカウルアセンブリ２６が設けられている。カウルアセンブリ２６内には圧縮空気を燃焼器１０に送り込むための環状の開口２８が形成されている。圧縮空気は圧縮器（図示してない）から図１の矢印で一般的に示される方向に供給される。圧縮空気は主として環状開口２８を通って流れて燃焼を支え、一部は外側通路２２と内側通路２４に入ってライナ１２と１４を冷却するのに使われる。
【０００９】
外側ライナ１２と内側ライナ１４の上流端付近にはこれらの間にあってこれらを連結する環状のドームプレート３０が配置されている。ドームプレート３０内には、円周方向に間隔をもって離れた複数のスワラアセンブリ３２が設けられている。各スワラアセンブリ３２は環状開口２８からの圧縮空気と対応する燃料チューブ３４からの燃料とを受容する。これら燃料と空気はスワラアセンブリ３２によって旋回・混合され、その結果得られた燃料／空気混合物が燃焼チャンバ２０に排出される。図１には単一の環状燃焼器のひとつの好ましい具体例を示したが、本発明は二重環状燃焼器を始めとして多穴膜冷却を使用するいかなるタイプの燃焼器にも等しく適用可能であることに注意されたい。
【００１０】
外側ライナ１２と内側ライナ１４は各々が、ほぼ環状で軸方向に伸びる形状を有する単一壁の金属シェルからなっている。外側ライナ１２は、燃焼チャンバ２０内の高温の燃焼ガスに面する高温側３６と、外側通路２２内の比較的冷たい空気と接触する低温側３８とをもっている。同様に、内側ライナ１４は、燃焼チャンバ２０内の高温の燃焼ガスに面する高温側４０と、外側通路２４内の比較的冷たい空気と接触する低温側４２とをもっている。ライナ１２、１４どちらも間隔の狭い冷却穴４４が多数形成されている。
【００１１】
ここで図２と３を参照すると、外側ライナ１２の一部分に貫通して配置された冷却穴４４が詳細に示されている。図２と３は外側ライナ１２の冷却穴を示しているが、内側ライナ１４の冷却穴の形状も外側ライナ１２の形状と実質的に同じであるものと理解されたい。したがって、以下の説明は内側ライナ１４にもあてはまる。図２には、Ｘ、Ｙ、Ｚと表示された軸を有する参照軸枠が示されており、Ｘは燃焼器１０を通る（矢印Ｂで示された）流れの下流に向かう軸方向であり、Ｙは円周方向であり、Ｚは半径方向である。冷却穴４４は、低温側３８から高温側３６へ下流角Ａ（好ましくは約１５〜２０°の範囲）で軸方向に傾いており、また時計角Ｂで円周方向に傾いているかまたは時計回りにされている。時計角Ｂは燃焼器チャンバ２０内の流れの旋回に相当するのが好ましく、一般に約３０〜６５°の範囲である。冷却穴４４は円周方向に伸びる一連の列４６として配列されている。各列で隣接する穴４４はそれらの中心線間で円周方向の穴間隔Ｓを有しており、隣接する列４６は軸方向の列間隔Ｐをもっている。
【００１２】
希釈用の空気は、主として、外側ライナ１２と内側ライナ１４の各々の中に配置された円周方向に間隔をおかれた複数の希釈用の穴４８（図１）を介して燃焼器チャンバ２０内に導入される。希釈穴４８は一般にその数が冷却穴４４よりずっと少なく、各希釈穴４８は冷却穴４４のひとつの断面積より実質的に大きい断面積をもっている。希釈穴４８は、そして程度はそれより小さいが冷却穴も、ある程度付加的に燃焼を促進することになる希釈用の空気を燃焼器チャンバ２０中に導入する役に立つ。
【００１３】
従来、典型的な燃焼器ライナの冷却穴は約０．０２インチ（０．５１ｍｍ）程度の非常に小さい直径で、円周方向の穴間隔は約０．１３インチ（３．３０ｍｍ）すなわち穴の直径の約６．５倍であった。軸方向の列間隔は一般に円周方向の穴間隔に等しい。すでに述べたように、このような従来の穴間隔はほとんどのライナ領域では良好に機能するが、旋回衝突を受け易いライナ領域および／または希釈穴、ボアスコープ穴および点火器口穴のような大きいライナ開口のすぐ下流に位置するライナ領域は冷却膜効力の損失が起こり得る。ここで図３を参照すると、本発明の冷却穴の間隔配置が図示されている。図では、冷却膜効力が低下しないすべてのライナ領域では従来の冷却穴の間隔を用い、冷却膜効力が低下する領域にはより密な冷却穴の間隔を採用している。より密な冷却穴の間隔によって、その領域の単位面積当たりの冷却穴の数が多くなるため、冷却膜効力を増大する追加の冷却空気が供給される。本発明のより密な冷却穴の間隔によって、冷却膜効力が低下する特定の領域に追加の冷却空気が送られることに加えて、その領域で付加的な対流冷却が生じ、そのためバルクの金属温度が低下する。冷却膜効力が低下する特定の領域にのみ密な冷却穴の間隔を採用することによって、この多穴膜冷却は問題のない領域を余分に空気で過冷することなく必要なところで支援を受ける。
【００１４】
特に、図３に示した燃焼器ライナ１２の一部分は、従来の間隔（すなわち、円周方向の穴の間隔Ｓと軸方向の列の間隔Ｐとがいずれも穴の直径の約６．５倍すなわち０．１３インチ（３．３０ｍｍ）である）を有する冷却穴４４の第一の群５０と、より密な円周方向の穴の間隔Ｓ′をもつ冷却穴４４の第二の群５２ （図３で破線で囲んである）とを有している。第二群５２の冷却穴４４は直径が約０．０２インチ（０．５１ｍｍ）で円周方向の穴の間隔Ｓ′が穴の直径の約４倍すなわち０．０８インチ（２．０３ｍｍ）であるのが好ましい。第二群５２の軸方向の列の間隔をより密にすることも本発明の範囲内であるが、第二群５２の軸方向の列間隔Ｐは第一群５０と同じであるのが好ましい。第一群５０と第二群５２との両方に同じ穴の直径と同じ軸方向列間隔Ｐを採用すると、余分なセットアップ作業を必要とすることなく連続して機械加工作業を実施することができる。
【００１５】
すでに述べたように、より密な冷却穴の間隔は冷却膜効力が低下するところにはどこでも使用することができる。図３の第二群５２は外側ライナ１２の大きい開口すなわち穴５４のすぐ下流に位置していて、穴５４からの流跡がそこの冷却膜に及ぼす分裂的な影響に対抗する。本発明の目的からみて、穴５４は希釈穴、ボアスコープ穴または点火器口穴のような燃焼器ライナに形成されるいかなるタイプの穴であってもよい。また第二群５２はライナ１２上で旋回衝突を受けるいかなる部分にも設置することができよう。本発明はより密な円周方向の穴の間隔を有する冷却穴の単一の群に限定されることはないものと理解されたい。必要に応じて、より密な円周方向の穴の間隔を有する冷却穴の多数の群を、単一の燃焼器ライナのいろいろな位置に形成することができる。
【００１６】
以上、冷却効力を増大させる必要がある領域に冷却穴をより密な間隔で有する多穴膜冷却燃焼器ライナについて説明した。本発明の特定の具体例に関して説明して来たが、特許請求の範囲に定義した本発明の思想と範囲を逸脱することなく各種修正を施すことができるということが当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の燃焼器ライナを有するガスタービン燃焼器の一部を切り欠いた透視図である。
【図２】図２は、角度をもった多穴冷却穴を示す燃焼器ライナの一部分の透視図である。
【図３】図３は、本発明の多穴冷却穴の間隔を示す燃焼器ライナの一部分の平面図である。

Claims (8)

1. ガスタービン燃焼器ライナであって、
   希釈穴、ボアスコープ穴または点火器口穴のいずれかである開口（５４）が設けられた環状のシェル（１２／１４）と、
   前記シェルに形成された冷却用の穴（４４）の第一の群（５０）と、
   前記シェルに形成され、前記開口のすぐ下流に位置している冷却用の穴（４４）の第二の群（５２）と
   を含んでおり、
   前記開口（５４）は前記冷却用の穴（４４）より大きく、
   前記第二の群の前記冷却用の穴が前記第一の群の前記冷却用の穴より密に間隔をおかれており、
   前記第一の群と第二の群の前記冷却用の穴がすべて円周方向に伸びる一連の列（４６）として配列されており、
   前記第二の群の冷却用の穴の円周方向の穴間の間隔（Ｓ’）が前記第一の群の冷却用の穴の円周方向の穴間の間隔（Ｓ）より小さく、
   隣接する前記列（４６）は軸方向で該列間の間隔（Ｐ）が等しい
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器ライナ。
2. 前記開口（５４）が希釈穴である、請求項１記載の燃焼器ライナ。
3. 前記開口（５４）がボアスコープ穴である、請求項１記載の燃焼器ライナ。
4. 前記開口（５４）が点火器口穴である、請求項１記載の燃焼器ライナ。
5. 前記第一の群の冷却用の穴の円周方向の穴間の間隔が前記第一および第二の群の冷却用の穴の軸方向の列間の間隔と等しい、請求項１記載の燃焼器ライナ。
6. 前記第一および第二の群の前記冷却用の穴がすべて一定の直径を有している、請求項１記載の燃焼器ライナ。
7. 前記第一の群の冷却用の穴の円周方向の穴間の間隔が穴の直径の６．５倍に等しい、請求項６記載の燃焼器ライナ。
8. 前記第二の群の冷却用の穴の円周方向の穴間の間隔が穴の直径の４倍に等しい、請求項７記載の燃焼器ライナ。

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