JP2006242561A - 燃焼器ライナアッセンブリおよび燃焼器アッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器ライナ内の冷却空気流の薄膜が乱れる開口部周囲の不均一な温度分布を改善する。
【解決手段】本発明の燃焼器アッセンブリは、局所的な冷却をもたらすように大きな開口部３８に対して特定の配列および密集度で配置された冷却孔３６を燃焼器のライナに備える。第１のグループ４４の冷却孔３６は、孔３６の間隔が最小で、かつ最も密集度の高い配列で設けられている。第１のグループ４４および開口部３８の上流側に、第２のグループ４６、下流側に第３のグループ４８が配置されている。各グループ４４，４６，４８の冷却孔３６は、軸方向の距離４０，４１，４５および円周方向の距離４２，４３，４７だけ間隔を隔てている。大きな開口部３８を通る空気流による冷却空気流３４の乱れに対処するように、最も密集度の高い第１のグループ４４の冷却孔３６により、開口部３８に隣接する領域内に十分な冷却空気流３４が供給される。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃焼器ライナに関し、特に、冷却孔を備えた燃焼器ライナに関する。

通常、ガスタービンエンジンの燃焼器は、外側ケーシングおよび内側ライナを備える。ライナおよびケーシングは、圧縮空気用通路を形成するように半径方向に間隔を隔てている。ライナにより、その中で圧縮空気が燃料と混合されて点火される燃焼室が形成される。ライナは、高温の燃焼ガスにさらされる高温側と、ライナとケーシングとの間に形成された通路に面している低温側と、を備える。ライナは、一重壁構造の場合もあり、二重壁構造の場合もある。また、ライナは、一体型構造のこともあり、あるいは複数の熱シールド、パネルあるいはタイルの形状をしたセグメント状構造であってもよい。

通常、複数の冷却孔により、非常に高温の燃焼温度からライナの高温側を断熱する冷却空気の薄層が供給される。さらにライナは、燃焼プロセスをもたらすように圧縮空気を導くために、冷却孔よりかなり大きい他の開口部を備える。より大きな開口部を通る流れにより冷却空気の薄層が乱されてしまい、その結果、大きな開口部に隣接するライナの温度が上昇してしまう場合がある。ライナ内における温度上昇または不均一な温度分布により、ライナの有効性、完全性および寿命を低下させるライナの材料の望ましくない酸化、コーティングの剥離または熱的に誘発された応力が促進されてしまう恐れがある。

フィルム冷却により所定の領域に十分な冷却空気流を供給するとともに、孔の表面に沿った対流によりライナの厚さに亘って効果的に熱を除去するように、大きな開口部の上流側に密集したグループで冷却孔を設けることが周知である。しかし、不都合なことに、大きな開口部を通るより多くの流れにより、該開口部周囲の冷却空気流が乱されてしまう恐れがある。その結果、大きな開口部の下流側において冷却空気が欠如し、ライナに望ましくない温度上昇が生じてしまう場合がある。さらに、設計上の理由により冷却空気流の量が限定されているため、ライナ全体に亘って均等な温度分布をもたらすように、利用可能な冷却空気流を効果的に分配することが望ましい。

したがって、不均等な温度分布あるいは望ましくない温度レベルを排除するために、大きな開口部に隣接する冷却層の特性を改善する燃焼器ライナを開発することが望ましい。

本発明は、大きな開口部の隣接部分に向上した冷却をもたらすように調整されるとともに間隔が狭い冷却孔の配列を有する燃焼器アッセンブリに関する。

燃焼器アッセンブリは、燃焼室を画定する内側ライナおよび外側ライナを備える。内側ライナおよび外側ライナは、特定の間隔を隔てた複数の冷却孔を備える。冷却孔は、燃焼プロセスを促進するように圧縮空気を供給する大きな開口部と比べて相対的に小さい開口部である。冷却孔は、第１、第２および第３のグループを有する。第１のグループの冷却孔は、間隔の密集度が最も高く、次いで第２、第３のグループの順に続く。第１のグループにより、冷却空気流の乱れにより生じる内側および外側ライナの表面に沿った潜在的な温度上昇に対応するように、より多くの冷却流が供給される。

第１のグループの冷却孔は、大きな開口部の前縁部の上流側から始まり、該前縁部の下流側の地点で終わる。密集度が増した冷却孔は、より多くの量の冷却空気流を局所的な領域に供給することにより冷却空気流の局所的な乱れに対応している。

図１を参照すると、外側ケーシング１２および内側ケーシング１４を備える燃焼器アッセンブリ１０が図示されている。内側ライナ１６および外側ライナ１８は、通路２０を形成するように内側ケーシング１４および外側ケーシング１２からそれぞれ半径方向に間隔を隔てている。内側ライナ１６および外側ライナ１８は、燃焼室２２を画定するように半径方向に間隔を隔てている。燃焼プロセスをもたらすように、圧縮空気２４が通路２０に供給され、さらに燃焼室２２に供給される。燃料開口部２６により、燃焼室２２に燃料が供給される。補足的な通路、スワラまたは他の手段を介して、これらの開口部から空気も供給される。燃焼室２２内の燃料および空気は、高温の燃焼ガス２８を生じさせるように点火される。高温の燃焼ガス２８は、周知のようにタービンを駆動させるエネルギーを供給するのに必要な速度および上昇した温度で、燃焼室２２から流出する。

内側ライナ１６および外側ライナ１８は、高温の燃焼ガス２８にさらされる高温側３０と、通路２０に面している低温側３２と、を備える。内側ライナ１６および外側ライナ１８の高温側３０は、内側および外側ライナ１６，１８の表面に沿った冷却空気流３４の層によって、高温の燃焼ガス２８による極度の熱から断熱されている。冷却空気流３４は、内側ライナ１６および外側ライナ１８の各々の全体にわたって配置された複数の冷却孔３６から供給される。さらに、冷却孔３６により、冷却孔の表面に沿った対流により付加的な冷却手段がもたらされる。

冷却孔３６に加えて、内側ライナ１６および外側ライナ１８は、冷却空気流３４を乱す大きな開口部３８を備える。大きな開口部３８は、燃焼用に空気を供給したり、燃焼器出口の均一性を調整するための希釈孔（ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｈｏｌｅｓ）、クエンチ孔（ｑｕｅｎｃｈ ｈｏｌｅｓ）またはトリム孔（ｔｒｉｍ ｈｏｌｅｓ）である。さらに、大きな開口部３８は、ボアスコープ孔（ｂｏｒｅｓｃｏｐｅ ｈｏｌｅｓ）またはイグナイタポートホール（ｉｇｎｉｔｅｒ ｐｏｒｔｈｏｌｅｓ）の場合もある。大きな開口部３８の各々は、冷却空気流３４を乱して、対応する大きな開口部３８周囲の有効的な冷却を低減させる。イグナイタポートホールやアクセスポート（ａｃｃｅｓｓ ｐｏｒｔｓ）の形状をした他の大きな開口部、および他の幾何学的な障害物や突起部が同様に冷却流に影響を与える場合がある。

図２Ａ、２Ｂおよび図２Ｃを参照すると、冷却空気流３４は、内側ライナ１６および外側ライナ１８全体にわたる冷却孔３６の角度方向によって生じる。冷却孔３６は、低温側３２から高温側３０に向かって角度をなしている。各冷却孔３６は、内側ライナ１６および外側ライナ１８の高温側３０に対して単一または複合した角度で設けられている。冷却孔３６を通る冷却空気流３４により、内側ライナ１６および外側ライナ１８の高温側３０に沿って軸方向、円周方向、または軸方向かつ円周方向の流れが生じ、それにより、高温の燃焼ガス２８から内側および外側ライナ１６，１８を断熱する半径方向の厚さを有する薄いエアフィルムが形成される。

冷却孔３６は、軸方向角度３１で低温側３２から高温側３０に軸方向に傾斜していてもよい。軸方向角度３１は、１０°〜４５°であることが好ましい。より好ましくは、軸方向角度３１は、外側ライナ１６および内側ライナ１８の各々の高温側３０に対して２０°〜３０°である。また、冷却孔３６は、外側ライナ１６および内側ライナ１８の表面全体に沿って優先的な冷却空気流３４を供給するように円周方向に方向付けられた横方向角度３３を備えるように設けられている。横方向角度３３は、燃焼室２２の軸方向の座標に対して９０°程度である。当業者であれば、所望の空気流３４をもたらす要求に応じた冷却空気孔３６の他の角度が本発明の意図する範囲内にあることを理解されたい。

図３および図４を参照すると、大きな開口部３８を通って流れる圧縮空気により、外側ライナ１６および内側ライナ１８の高温側３０の表面に沿って三次元の空気流が生じている。三次元の流れにより、外側ライナ１６および内側ライナ１８の表面に近い冷却空気流３４が乱れる。冷却空気流３４が大きな開口部３８および開口部３８を通る空気流３５に近づくと、冷却空気流３４は、大きな開口部３８の前縁部においてよどみ、かつ三次元の流れまたは循環流３９を生じさせる。圧力勾配およびフローパターンに付随する局所的なよどみ点圧力により、（不適当な場合には）大きな開口部３８に近接する表面から冷却空気流３５が追いやられるとともに、冷却孔３６からの流れが局所的に押し下げられ、あるいは局所的に吸い上げられる。これらの要素により、冷却の有効性が減少する。上流側の冷却空気流３４は、大きな開口部３８からの空気流３５や開口部３８により生じた妨害部の周囲を通って移動し、開口部３８の下流側において、複雑な勾配を引き起こすように大きなモーメントが生じ、冷却有効性を低下させる。さらに、大きな開口部３８からの空気流３５が、大きなモーメントまたは十分な力の圧力勾配を有する場合、冷却空気流３４は高温側３０から剥離し、それにより、外側ライナ１６および内側ライナ１８の局所的な領域における温度が不均等になってしまう。

本発明の燃焼器アッセンブリ１０は、局所的な冷却をもたらすように大きな開口部３８に対して特定の配列および密集度で配置された冷却孔３６を備える。本発明の冷却孔の配列により、局所的な燃焼器の空気力学および望ましくない熱移動パターンを克服するように、大きな開口部３８の上流側および開口部３８の直近の冷却空気３４が増加するとともに高密度で供給される。

図５および図６を参照すると、冷却孔３６は、約０．０１０インチ〜約０．０５０インチ（約０．２５４ｍｍ〜約１．２７ｍｍ）、より具体的には約０．０２０インチ〜約０．０３０インチ（約０．５０８ｍｍ〜約０．７６２ｍｍ）の直径を有するとともに、冷却孔の直径の約２〜１５倍、より具体的には冷却孔の直径の約４〜７倍の円周方向の間隔および軸方向の間隔で配列されている。孔の配列により、実質的に均一の幾何学的な配列が形成される。異なる密集度により、冷却に利用可能な量が限定されている圧縮空気に対応している。

冷却孔３６は、軸方向の距離４０および円周方向の距離４２だけ間隔を隔てて配列されているが、これは必ずしも対称的あるいは幾何学的な繰り返しである必要はない。第１のグループ４４の冷却孔３６は、孔の直径の約４．５倍の軸方向の距離４０および円周方向の距離４２だけ間隔を隔てている。第２のグループ４６の冷却孔３６は、孔の直径の約５．５倍の軸方向の距離４１および円周方向の距離４３だけ間隔を隔てている。第３のグループ４８の冷却孔３６は、孔の直径の約６．５倍の軸方向の距離４５および円周方向の距離４７だけ間隔を隔てている。第１のグループ４４、第２のグループ４６および第３のグループ４８の各々の冷却孔３６は、直径０．０２０インチ（約０．５０８ｍｍ）程度の共通の直径を有することが望ましい。局所的な処理や単一性を無視して、各グループ内の間隔は、孔のパッケージングの要求条件およびライナの円錐台形状など（この限りではない）の要素に対応するように、公称の１０〜１５％の範囲内にあれば良い。

所望の領域に亘って最も多くの冷却空気流３４を供給するように、第１のグループ４４内の冷却孔３６は、各冷却孔３６間における間隔が最小で、かつ最も密集度の高い配列で設けられている。大きな開口部３８に対する第１のグループ４４の位置により、大きな開口部３８を通る空気流３５によって生じる冷却空気流３４の乱れに対応するように、燃焼室２２内の他の領域に対して付加的な量の冷却空気流３４が供給される。第１のグループ４４は、大きな開口部３８の前縁部５０の上流側から始まり、開口部３８に隣接して、開口部３８の後縁部５２の下流側まで続いている。

第１のグループ４４の上流側に、第２のグループ４６が位置している。第２のグループ４６は、冷却孔３６の密集度が２番目に高いグループである。第２のグループ４６により、大きな開口部３８に向かって冷却空気流３４の量が徐々に増していく。

第３のグループ４８は、第１のグループ４４および大きな開口部３８の下流側に配置されているとともに、冷却孔３６間の間隔が最も広い。第３のグループ４８により、大きな開口部３８を通る空気流３５の悪影響を通常受けないライナの表面に沿った領域に必要な冷却流が供給される。燃焼室２２の残りの部分は、第３のグループ４８に準じた間隔で通常配置される冷却孔３６を備えていてもよい。冷却空気流の量は限定されているため、不利益な流れの影響を受けない領域では冷却孔３６間の間隔が最大になっている。

図７を参照すると、大きな開口部３８に対する各グループの冷却孔３６の配置が、概略的に図示されている。第１のグループ４４の冷却孔３６は、大きな開口部３８の前縁部５０の上流側から始まり、大きな開口部３８の後縁部５２に近接して終わる。第２のグループ４６は、第１のグループ４４の上流側に位置する。第３のグループ４８は、第１のグループ４４の下流側から始まり下流側方向に続いている。開口部３８の上流側および隣接部分に位置する最も密集度の高い第１のグループ４４の冷却孔３６により、開口部３８に隣接する領域内に十分な冷却空気流３４がもたらされる。この形態により、利用可能な冷却空気を効果的に利用しながら、大きな開口部３８の直近部分に所望の冷却空気流が供給される。
図８を参照すると、他の実施例の冷却孔グループの配置が概略的に図示されている。冷却孔３６の第１のグループ４４は、大きな開口部３８の前縁部５０の上流側から始まり、大きな開口部３８の前縁部５０と後縁部５２との間で終了する。大きな開口部３８の直径内において、第１のグループ４４が終わり、第３のグループ４８が始まる。第２のグループ４６は、第１のグループ４４の上流側に配置され、第３のグループ４８は、第１のグループ４４の下流側に配置される。

図９を参照すると、他の実施例の冷却孔グループの配置が概略的に図示されている。第１のグループ４４の冷却孔３６は、大きな開口部３８の上流側から始まり、大きな開口部３８を過ぎた下流側まで続いている。第２のグループ４６は、第１のグループ４４の上流側から始まり、間隔がより密集している第１のグループ４４の冷却孔３６に移行していく。第３のグループ４８の冷却孔３６は、第１のグループ４４の下流側に配置されている。潜在的に冷却空気流３４が乱れる可能性のある領域により多くの冷却空気流３４が供給されるように、第１のグループ４４は大きな開口部３８を囲んでいる。

実施例によりいくつかの孔の配列および密集度のパターンを説明してきたが、当業者であれば異なった孔の配置および密集度が本発明の意図する範囲内にあることを理解されるであろう。さらに、３つの異なった間隔の冷却孔３６を実施例において図示しているが、孔の間隔およびグループの数、ならびに異なった孔の間隔や異なるグループ間の相対的な違いを、本発明の意図する範囲内で調節することができる。さらに、第１のグループの拡張に応じて、第２および第３のグループを入れ替えることが望ましい場合もある。

本発明の燃焼器アッセンブリ１０は、局所的な冷却をもたらすように大きな開口部３８に対して特定の配列および密集度で配置された冷却孔３６を備える。より密集度の高い冷却孔３６の配列は、冷却空気流３４の有効性が低下している領域により多くの冷却流を供給するとともに、使用量が限定された冷却空気の効果的な使用方法である。

燃焼器の断面図。 冷却孔を備えた燃焼器ライナの一部分の斜視図。 燃焼器ライナに対して方向づけられた冷却孔の斜視図。 燃焼器ライナに対して方向づけられた冷却孔の別の斜視図。 大きい開口部周囲の冷却空気流の概略的な側面図。 大きい開口部周囲の冷却空気流の概略的な上面図。 大きい開口部に隣接する燃焼器ライナの一部分の平面図。 前記燃焼器ライナの一部分の拡大平面図。 大きい開口部に隣接する冷却孔のグループ分けを示した概略図。 本発明の別の実施例による冷却孔のグループ分けを示した概略図。 本発明のさらに別の実施例による冷却孔のグループ分けを示した概略図。

符号の説明

１０…燃焼器アッセンブリ
１２…外側ケーシング
１４…内側ケーシング
１６…内側ライナ
１８…外側ライナ
２０…通路
２２…燃焼室
２４…圧縮空気
２６…燃料開口部
２８…燃焼ガス
３０…高温側
３１…軸方向角度
３２…低温側
３３…横方向角度
３４…冷却空気流
３５…空気流
３６…冷却孔
３８…大きな開口部
４０，４１，４５…軸方向の距離
４２，４３，４７…円周方向の距離
４４…第１のグループ
４６…第２のグループ
４８…第３のグループ
５０…前縁部
５２…後縁部

Claims (33)

1. 開口部を有するライナと、
   前記開口部の上流側から始まり前記開口部の前縁部の下流側まで続くとともに、前記ライナに形成された第１のグループの冷却孔と、
   前記第１のグループの冷却孔の外側に配置されるとともに、前記第１のグループの冷却孔と比べてより広い間隔を有する第２のグループの冷却孔と、
   を備える燃焼器ライナアッセンブリ。
2. 前記第２のグループの冷却孔が、前記第１のグループの冷却孔の上流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
3. 前記第１のグループの冷却孔および前記第２のグループの冷却孔と比べて、より広い間隔を有する第３のグループの冷却孔を備える請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
4. 前記第３のグループの冷却孔が、第１のグループの冷却孔の下流側から始まることを特徴とする請求項３に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
5. 前記第１のグループの冷却孔が、前記開口部の後縁部で終わることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
6. 前記第１のグループの冷却孔が、前記開口部の下流側で終わることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
7. 前記第１のグループの冷却孔が、前記開口部の前記前縁部と前記後縁部との間で終わる ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
8. 前記ライナが環状であり、前記第１の冷却孔および前記第２の冷却孔が、軸方向に間隔を隔てた環状の列として配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
9. 前記第１のグループの冷却孔および前記第２のグループの冷却孔の直径が、０．０１０インチ〜０．０５０インチであることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
10. 前記第１のグループの冷却孔および前記第２のグループの冷却孔の直径が、０．０２インチ〜０．０３インチであることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
11. 前記第１のグループの冷却孔が、前記冷却孔の直径の約２〜１５倍の間隔で互いに軸方向かつ円周方向に間隔を隔てていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
12. 前記第１のグループの冷却孔が、前記冷却孔の直径の約４〜５倍の間隔で互いに軸方向かつ円周方向に間隔を隔てていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
13. 前記第２のグループの冷却孔が、前記冷却孔の１つの直径の約５〜６倍の間隔で軸方向かつ円周方向に間隔を隔てていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
14. 前記第３のグループの冷却孔が、前記冷却孔の１つの直径の約６〜７倍の間隔で軸方向かつ円周方向に間隔を隔てていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
15. 前記冷却孔が、前記ライナの表面に対して所定の傾斜角で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
16. 前記傾斜角が、軸方向に対して１０°〜４５°であることを特徴とする請求項１５に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
17. 前記傾斜角が、軸方向に対して２０°〜３０°であることを特徴とする請求項１５に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
18. 前記傾斜角が、軸方向の要素および横方向の要素を含む複合的な角であることを特徴とする請求項１７に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
19. 前記開口部が、前記冷却孔より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
20. 前記開口部が、希釈孔からなることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
21. 前記開口部が、冷却空気流よりも多くの空気流を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
22. 前記開口部を通る前記空気流が、前記ライナ表面に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器ライナアッセンブリ。
23. 開口部を有するライナと、
    前記ライナに配置されるとともに冷却空気流を供給する第１のグループの冷却孔と、
    前記ライナに配置されるとともに冷却空気流を供給する第２のグループの冷却孔と、
    を備え、
    前記第１のグループの冷却孔が、前記ライナにおいて前記開口部の前縁部の上流側から配置され、
    前記第２のグループの冷却孔が、前記第１のグループの冷却孔の外側に配置されるとともに、前記第１のグループの冷却孔と比べてより広い間隔を有することを特徴とする燃焼器アッセンブリ。
24. 前記第１のグループの冷却孔が、前記開口部の後縁部で終わることを特徴とする請求項２３に記載の燃焼器アッセンブリ。
25. 前記第１のグループの冷却孔が、前記開口部の後縁部の下流側で終わることを特徴とする請求項２３に記載の燃焼器アッセンブリ。
26. 前記第１のグループの冷却孔が、前記開口部の後縁部の上流側で終わることを特徴とする請求項２３に記載の燃焼器アッセンブリ。
27. 前記第２のグループの冷却孔が、前記第１のグループの冷却孔の上流側に配置されることを特徴とする請求項２３に記載の燃焼器アッセンブリ。
28. 前記第１のグループの冷却孔が、前記冷却孔の直径の約２〜１５倍の軸方向および円周方向の間隔を有することを特徴とする請求項２３に記載の燃焼器アッセンブリ。
29. 前記第１のグループの冷却孔が、前記冷却孔の直径の約４〜５倍の軸方向および円周方向の間隔を有することを特徴とする請求項２３に記載の燃焼器アッセンブリ。
30. 前記第２のグループの冷却孔が、前記冷却孔の直径の約５〜６倍の軸方向および円周方向の間隔を有することを特徴とする請求項２３に記載の燃焼器アッセンブリ。
31. 前記第１のグループの冷却孔および前記第２のグループの冷却孔と比べて、より広い間隔を有する第３のグループの冷却孔を備える請求項２３に記載の燃焼器アッセンブリ。
32. 前記第３のグループの冷却孔が、前記冷却孔の直径の約６〜７倍の軸方向および円周方向の間隔を有することを特徴とする請求項３１に記載の燃焼器アッセンブリ。
33. 前記第３のグループの冷却孔が、前記第１のグループの冷却孔の下流側に配置されることを特徴とする請求項３１に記載の燃焼器アッセンブリ。
    

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