JP4087375B2 - ガスタービンエンジン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は燃焼器に関し、より具体的には、ガスタービンエンジン用の燃焼器に関する。

ガスタービンエンジン燃焼器には幾つかの形式がある。１つの形式の燃焼器は、燃料と空気のための前方つまり上流の入口と、エンジンのタービン室に燃焼生成物を案内する後方つまり下流の出口と、を備えたアンニュラ型燃焼室を特徴としている。燃焼器は、例えば、前方のバルクヘッドから後方に向かって延在した内側寄りの壁と外側寄りの壁とを備え、このバルクヘッドにはスワラが取り付けられ、また、燃料ノズル（噴射装置）も収容され、このバルクヘッドを通して入口の空気や燃料を導入する。これらの壁は、例えば、内側断熱シールドと外側シェルとを備えた二重構造をなす。断熱シールドは、セグメント毎に分割されており、例えば、各壁は、長手方向には２〜３個のセグメントに、周方向には８〜１２個のセグメントに、配列されることを特徴とする。断熱シールドセグメントを冷却するために、これらのセグメントに設けられた孔を通して外側から内側に空気が導入される。内側表面に沿ってフィルム冷却を行い、さらなる所望の動力学的特性が得られるように、これらの孔は長手方向や周方向に傾斜する。この冷却空気は、断熱シールドと外側シェルとの間の空間を通して導入され、また、この空間への空気の導入は上記シェル上の孔を通して行われる。特許文献１や特許文献２には、幾つかの断熱シールド構造が開示されている。特許文献３には、幾つかのフィルム冷却パネル孔が開示され、これに具体的に開示された内容が引用される。

燃焼器は、例えば、リッチ−クエンチ−リーン（ＲＱＬ）モードで運転する。あるＲＱＬ燃焼器においては、燃料と空気とが混合・燃焼する領域は、燃料と空気との混合気がリッチな状態となる（つまり、空間平均組成が理論燃空比より大きくなる）燃焼器の上流領域で発生する。燃焼器の上記領域では、ノズルから噴射された燃料が、スワラから導入された空気と、この燃焼器の前方領域にある関連した冷却空気と、混合する。中間のクエンチ領域では、追加の空気流「プロセス空気流(process air)」が、孔を介して燃焼器壁に導入され、上記の燃料空気混合気と混合し、短い軸方向の距離を経て、上記混合気を空間平均的にリーンな（つまり、理論燃空比より小さくなる）状態に遷移させる。一般的な燃空比の下で、燃料中のエネルギーの大半が反応によって変換されるため、これらは、よく、反応のクエンチングと呼ばれる。下流の領域では関連した冷却空気がさらに上記混合気を希薄にするために、上記混合気は、リーンな状態となり、全体的な燃空比の設計点にまで希薄になる。ＲＱＬ燃焼器は、例えば、上記特許文献３に開示されている。
米国特許第５，４３５，１３９号明細書 米国特許第５，７５８，５０３号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１１６９２９Ａ１号明細書（米国特許出願第１０／１４７，５７１号明細書）

本発明の一形態は、ガスタービンエンジン燃焼器を含む。前方のバルクヘッドは、内側寄りの壁と外側寄りの壁との間に延在し、これらの壁と協働して燃焼器内側容積（つまり燃焼室）を区画する。上記壁の少なくとも一方は、外側シェルと複数のパネルを含んだ内側シェルとを備える。各パネルは、内側表面と、外側表面と、前縁部と後縁部と第１側縁部と第２側縁部とを含んだ境界部と、を備える。複数の冷却通路は、上記パネル外側表面上の入口と、上記パネル内側表面上の出口と、を備える。レールが、上記外側表面から突き出しかつ上記前縁部の主要部に沿って３〜１０ｍｍだけ上記前縁部から引っ込んでいる。

種々の実施態様において、上記レールは上記シェルに接続する。上記第１の壁は上記外側寄りの壁であってもよい。上記内側寄りの壁は同様の構造を有してもよい。上記シェルは、上記前縁部と上記レールとの間の上記パネル外側表面に対して冷却空気を案内するように設けられた複数の孔を有していてもよい。上記孔は、優先的に上記冷却空気を燃料噴射装置と周方向に整列した領域上に案内するように設けられていてもよい。上記レールは、前縁全体から少なくとも３．５ｍｍだけ引っ込んでいてもよい。上記外側表面と上記シェルとの間には高さが１〜３ｍｍの隙間が存在していてもよい。

本発明のもう一つの形態は、上記断熱シールドパネルの少なくとも１つは、上記外側表面から上記シェルに向かって突き出した複数のピンを備え、かつ、上記シェルは、上記シェルと上記断熱シールドとの間の空間に空気を案内しかつタービン室における第１段のベーンの前縁部に向けて優先的に上記空気を案内するように設けられた、複数の孔を有するガスタービンエンジン燃焼器を含む。上記パネルは、燃焼器の後部周方向に配列したパネルであってもよい。上記の孔は、交互に並んだ第１の孔群と第２の孔群とを含み、かつ、寸法と配置の少なくとも一方について少なくとも部分的な違いがあってもよい。上記ピンが上記シェルと接続していてもよい。上記複数のピンが、上記パネル上で連続的で一体的に配列されていてもよい。上記ピンが、複数の周方向のピン列を構成し、かつ、各列はその隣の列と位相が完全にずれていてもよい。

図１は、長手方向の中心軸つまり中心線５００（スペースは縮められている）を有するガスタービンエンジン２６の圧縮機室２２とタービン室２４との間に設けられた燃焼器２０の一例を示す。この実施例の燃焼器は、内側（内側寄り）の壁３２と、外側（外側寄り）の壁３４と、これらの壁の間に広がった前方のバルクヘッド３６と、によって仕切られたアンニュラ型燃焼室３０を含む。このバルクヘッドは、周方向に並んだスワラ４０と、各スワラに関連した燃料噴射装置４２と、を収容する。上記燃料噴射装置は、エンジンケース４４を貫通し、外部源から関連したスワラ４０の位置にある関連した噴射装置出口４６に燃料を送る。スワラ出口４８が、従って、燃焼器の上流側燃料空気入口として機能する。作動端を備えた複数の点火プラグ（図示せず）が、燃焼室３０の上流領域５４に沿って設けられ、燃料空気混合気の燃焼を開始させる。燃焼中の混合気は、主流路５０４に沿って燃焼器内側の下流に向かって流れ、下流領域５６を通過して、タービン固定ベーン段６２の直ぐ前方に位置する燃焼器出口６０に向かう。

上記実施例の壁３２，３４は、例えば、二層構造をなしており、外側シェル７０，７２と内側断熱シールドとを備える。この実施例の断熱シールドは、周方向に配列された（環状に並んだ）複数のパネル（例えば、内側寄りの前方パネル７４および後方パネル７６と、外側寄りの前方パネル７８および後方パネル８０）から構成されている。パネルおよびシェルの材料は、耐高温つまり耐熱性の超合金であり、熱的もしくは環境的な性能のために選択的にコーティングされる。その他の材料として、セラミックやセラミックマトリクス複合材料(ceramic matrix composite)が挙げられる。種々の公知な材料もしくはその他の材料や製造技術を用いることが可能である。よく知られた方法あるいは別の方法で上記パネルはこれと関連したシェルに固定され、例えば、上記パネルと一体的に形成され、上記関連したシェルの内側表面に対向しかつ離間した外側表面の主要部とともに上記パネルの主要な部分を支持するネジ付き溶接スタッド８４によって固定される。例えば、上記のシェルやパネルには、上記壁３２，３４のそれぞれ内側寄りおよび外側寄りに設けられた環状の部屋９０，９２から燃焼室３０に冷却空気を通す孔が付いている。上記パネルは、孔以外の内側表面が実質的に円錐台形となるように構成される。長手方向の断面から見ると、これらの表面は軸５００に対して関連した角度で傾斜する直線となる。上記の実施例においては、内側寄りの前方パネル７４の内側表面は、軸５００に対し角度θ₁だけ傾斜して後方つまり下流に向かって広がる。同様に、内側寄りの後方パネル７６の内側表面はより大きな角度θ₂だけ傾斜して広がる。外側寄りの前方パネル７８の内側表面は、非常に小さな角度θ₃だけ傾斜して後方つまり下流に向かって広がる。外側寄りの後方パネル８０の内側表面は、長手方向にほぼ水平であり、小さな角度θ₄だけ傾斜して後方つまり下流に収束しているように示されている。上記の実施例においては、燃焼室上流領域５４の断面が、直線的な断面形状についてみればほぼ一定であるが、環状の断面積についてみれば中心流路から後方つまり下流に向かって広がっていくように、上記の角度θ₁，θ₃が決められる。燃焼室の下流領域５６は収束するものの、その収束率は極端に小さい割合である。上記実施例においては、前方パネルと後方パネルとの間の接合部は、前方燃焼室領域５４と後方燃焼室領域５６との間の分割領域５１０を実質的に定義する。例えばθ₁，θ₂，θ₃，θ₄の値は、それぞれ、１１．８９４°、２９．０７４°、１１．８９４°、０．７８５°である。

図１Ａおよび図２は、上記実施例の外側寄りの前方パネル７８（内側寄りの前方パネル７４も通常同様に構成される）をさらに具体的に示す。上記パネルは、内側（燃焼室の高温側）の表面１０２と外側（燃焼室から離れた低温側）の表面１０４（図１Ａ参照）とを有した本体部１００を備える。この本体部は、前縁部１０６と後縁部１０８とを有しかつ側部１１０，１１２（図２参照）に接続する境界によって取り囲まれる。レールシステム（rail system）が上記外側表面１０４から延びており、前縁部から距離Ｄ（図１Ａ参照）だけ引っ込んだ第１部分１１４を備える。上記レールシステムの先端リム部は、上記シェル内側表面に接し、これにより、上記レールシステムの上記リム部は、上記パネル外側表面の本体部とシェル内側表面とを隔てる高さＨを有することになる。ＤとＨは、例えば、３．８ｍｍと１．７ｍｍである。上記レールシステムは、さらに、上記後縁部に沿った第２部分１１６と、上記側縁部１１０，１１２に沿った側方境界部１１８，１２０と、中間に位置する長手方向レール１２２，１２４，１２６と、を有する。また、上記レールシステムは、燃焼プロセス空気（燃焼もしくは希薄化のための）孔つまりオリフィス１３２，１３３を取り囲む部分１３０，１３１を備え、これらのオリフィスは、直接的な連通を実現し、関連したシェルにおける位置の合った対応する孔を介して、関連した室９２，９０から燃焼室に空気を導入し、燃焼ガスを希薄にする。図示の態様においては、第１オリフィス１３２は第２オリフィス１３３よりも大きい。これらのオリフィスは、パネル上にあって周方向に交互に並ぶ。内側寄りのパネルのそれぞれ大小のオリフィスは、外側寄りのパネルのそれぞれのオリフィスと完全に位相がずれている。従って、一方のパネルの大きなオリフィスは、他方のパネルの小さなオリフィスと周方向に整列する。これにより、相互に作用する空気流が発生し、燃焼器内の混合がさらに促進する。上記パネルは、さらに、表面１０４，１０２（図１Ａ参照）の間に延びたフィルム冷却孔１４０の列を有する。図示の態様においては、空気は、上記シェル７２の孔１４２を通過して、該シェル内側表面１４６とパネル本体部外側表面１０４との間にあるインピンジメント冷却空間１４４に入る。これらの孔１４２は、表面１０４の完全な部分に空気流が案内されるように位置決め及び方向付けされており、これにより、表面１０４にインピジメント冷却が行われる。上記のように案内された後、上記ガスは孔１４０を通過するが、これらの孔は傾斜しているために、上記ガスは、これらの孔から排出されると表面１０２に所望のフィルム冷却を行う。上記シェル７２は、さらに、前縁部１０６とレール部１１４との間に設けられた一群の孔１５０を含む。排出流がレール部１１４の前方に位置する表面１０４に衝突し、前方に流れ、前縁部１０６の周囲を包み込み、次いで、表面１０２とバルクヘッド上の断熱パネル１６２の隣接部１６０との間を抜け後方に向かって行くように、上記孔１５０は位置決めされる。上記孔１５０は、以下に具体的に説明するように、上記パネル内側表面上にフィルム冷却を起こす。

図１Ｂおよび図３は、外側寄りの後方断熱シールドパネル８０（内側寄りの後方パネルも同様な構造となってもよい。）をさらに具体的に示す。数多くの細部については上記前方パネルと同様であるため、上述のような詳しい説明は省略する。説明の都合上、上記パネル８０は、本体部１８０と、内側表面１８２と、外側表面１８４と、前縁部１８６と、後縁部１８８と、２つの側縁部１９０，１９２と、とを含んでいるものとする。この実施例のパネルは、前縁部と後縁部に沿った部分と、中間に位置する長手方向に延びた部分と、上記後縁部１８８から距離Ｄ₂だけ前方に引っ込んだ部分２００と、を備えたレールシステムを有する。このレールシステムは、上記前方パネルと同様の高さを有してもよい。実施例の構造において、Ｄ₂は、例えば、外側寄りのパネル用としては１２．４ｍｍであり、内側寄りのパネル用としては８．７ｍｍである。最終列の冷却孔が燃焼器出口に如何に接近しているかによって、Ｄ₂の値が選択される。つまり、燃焼器出口のシーリング形状や使用されるドリルの種類によって定まる。上記実施例においては、このような考慮の下に、外側寄りの壁上の後方パネル後縁部では、内側寄りの壁上の後方パネル後縁部よりもさらに前方に、つまり直径の違いだけ前方に、孔が設けられる。上記部分２００と後縁部１８８との間には、一連の列をなしたピン２０２が、上記外側表面１８４から上記内側シェル表面に向かって延び、該表面と接触する。上記実施例においては、上記ピン列は、上記領域のほぼ中心点から後方に向かって延びる。上記実施例においては、上記ピン列は、基本的に途切れることなく、複数の列（例えば、４列）を含み、各列のピンは、隣の列のピンからオフセットされている（例えば、完全に位相がずれている）。空間２０４は、上記ピン列と上記レールシステム１９０との間に形成される。この空間には、局所的なシェル表面に対して角度θ₅だけ傾斜して延びた孔２０６を介して、上記部屋９２から空気が供給される。θ₅は、例えば４６．９５５°である。

図１Ａと図１Ｂとに示された孔１５０，２０６の寸法および配置は、所望の冷却特性が得られるようにそれぞれ選択される。図４は、外側寄りのシェル７２の外側表面２１０を示す。この図４は、図２の関連した孔１３２，１３３とそれぞれ同じ広がりを有した、プロセス空気孔２１２，２１３と、パネル取付スタッド８４（説明のためナットを除去して示す）を収容する円形の取付孔２１４および細長の取付孔２１５と、を示す。円形の孔２１４は、関連する各パネルにおける中央の対のスタッドを収容するのに対し、細長の孔２１５は、側部の対のスタッドを収容し、要素の熱膨張や熱収縮による周方向の局所的な相対移動を許容する。図４は、一列に並んだ例示的な孔１５０，２０６を示す。上記孔１５０の列は、２つの交互に並ぶ群２２０，２２２に分けられる。これらの群における孔の断面は、実質的に等しい。しかしながら、第１群の中心間の間隔はより小さく（例えば、３０％〜７０％）、関連した領域により一層の流れを供給できる。流れがより一層供給される各領域は、関連した対の燃料噴射装置ないしスワラの間に配置され、上記噴射装置ないしスワラの重なり合う噴射領域の直ぐ下流で発生する熱集中を打ち消すよう冷却が促進される。上記実施例においては、第１群の孔の数は、第２群の孔の数よりも少なく、第１群の周方向の間隔は、第２群の周方向の間隔よりもはるかに狭い（例えば、３０％未満であって、より厳密には２０％未満となる）。これらの孔の直径は、例えば、０．６ｍｍである。第１群の中心間の間隔と第２群の中心間の間隔は、例えば、１．８ｍｍと３．５ｍｍである。群の中で間隔、寸法、形状等のパラメータが変更されたときには、間隔、寸法、形状等において他の置換がなされよう。

孔２０６の列は、集中的な冷却が大小可能となるように、群２３０，２３２にそれぞれ分けられる。流れが一層供給される群２３０は、段６２の対応するベーン２３４と関連する。上記シェル内側表面に対して関連した角度θ₅（図１Ｂ参照）をなすように上記群を配置することにより、ベーン２３４における船首波(bow wave)が実質的に打ち消される。上記船首波つまり「馬蹄うず(horseshoe vortex)」は、燃焼器の排出流がベーン２３４と相互作用することで発生する。燃焼器からの流れが上記ベーンの前縁部２３８（前方の先端部２３６と一致するかもしくはその近傍に位置する）に近づくと、該前縁部において上記流れはよどみ、高い静圧となる局所的な領域を形成する。このよどみにより、大きな空間圧力勾配と複雑な３次元流れが発生し、特に、ベーンエーロフォイルが（外側寄りの）端壁２４０（図１参照）と（内側寄りの）プラットホーム（図１参照）とに接続する領域においてはその発生が顕著である。ベーン前縁部での上記３次元流れは、Ｕ字状に該前縁部を包みこみ、Ｕ字の一片を正圧側に他片を負圧側にするので、「馬蹄うず」と呼ばれる。冷却流はより低い静圧領域に案内される傾向があるので、この圧力勾配により、上記の端壁やプラットホームと上記ベーンエーロフォイルの隣接部分とを冷却することは困難になる。さらに、３次元的な流れや圧力勾配は、高温の燃焼器ガスを燃焼器壁に戻すように案内する可能性もある。

上記実施例においては、孔や通路２０６の数、形状、角度によって、（十分な数と寸法を有したピンの存在の影響を受けた）上記流れは、所望の冷却性能を得るように案内されかつ調節される。つまり、上記流れは、船首波を打ち消すのに十分な速度と質量流量を有し、かつ、過度な非効率を引き起こすまでの大きな質量流量を有すことはない。実施例の群２３０は、上記エーロフォイルの一番前の先端部２３６の前方にかつ該先端部の正圧側に若干移動した位置に、設けられる。実施例においては、ベーン２３４の周方向の間隔は、燃料噴射装置の周方向の間隔よりもはるかに小さく、従って、対となる孔群の周方向の距離も、これに応じて小さくなる。従って、上記群２３０，２３２の周方向の間隔はほぼ等しい。実施例においては、群２３０の孔の断面をより大きくしつつ群の中心間の間隔を短くすることで、集中した流れが実現する。上記群２３０の孔における直径と中心間の間隔は、例えば、外側寄りのパネルでは１．０ｍｍと５．９ｍｍであり、内側寄りのパネルでは１．０ｍｍと５．１ｍｍである。上記群２３２の孔における直径と中心間の間隔は、例えば、外側寄りのパネルでは１．４ｍｍと３．１ｍｍであり、内側寄りのパネルでは１．３ｍｍと３．３ｍｍである。上記第１群の周方向の間隔は、上記第２群の周方向の間隔の６０％〜１５０％に相当し、より厳密には、８０％〜１２０％に相当する。

本発明の１つもしくは複数の態様について説明した。しかしながら、本発明の趣旨や範囲から逸脱することの無い様々な改良がなされよう。例えば、既存の燃焼器を再設計するために本発明が適用される場合には、既存の燃焼器の細部が具体的な実施態様の細部に影響を及ぼすだろう。従って、他の態様も添付の特許請求の範囲に属する。

ガスタービン燃焼器の長手方向の断面図。 図１の燃焼器の外側寄りの壁の前縁部を拡大した図。 図１の燃焼器の外側寄りの壁の後縁部を拡大した図。 図１の燃焼器の前方断熱シールドパネルの外部を示した図。 図１の燃焼器の後方断熱シールドパネルの外部を示した図。 図１の燃焼器のシェルの一部の外部を示した図。

符号の説明

２６…ガスタービンエンジン燃焼器
３０…燃焼室
３２…内側寄りの壁
３４…外側寄りの壁
７２…外側シェル
７８…内側断熱シールド
１０２…内側表面
１０４…外側表面
１０６…前縁部
１０８…後縁部
１１４…レール
１４０，１４６…冷却通路

Claims (14)

1. 内側寄りの壁と、
   外側寄りの壁と、
   上記内側寄りの壁と上記外側寄りの壁との間に延在し、かつ、これらの壁と協働して燃焼器内側容積を区画する前方バルクヘッドと、
   を備え、かつ、
   上記内側寄りの壁と上記外側寄りの壁の少なくとも一方である第１の壁は、
   外側シェルと、
   上記バルクヘッドに隣接した複数の前方パネルを有した内側断熱シールドと、
   を備え、かつ、
   上記複数の前方パネルの各々は、
   内側表面と、
   外側表面と、
   前縁部と後縁部と第１側縁部と第２側縁部とを含み、かつ上記前縁部が上記バルクヘッドに隣接しかつ該バルクヘッドに接触していない境界部と、
   上記パネル外側表面上の入口と上記パネル内側表面上の出口とを備えた複数の冷却ガス通路と、
   上記外側表面から突き出しかつ上記前縁部の主要部に沿って３〜１０ｍｍだけ上記前縁部から引っ込んだ、レールと、
   を備えることを特徴とするガスタービンエンジン燃焼器。
2. 上記レールが上記シェルと接続することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
3. 上記第１の壁が上記外側寄りの壁であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
4. 上記第１の壁が上記外側寄りの壁であり、かつ、
   上記内側寄りの壁が、
   外側シェルと、
   複数のパネルを有した内側断熱シールドと、
   を備え、かつ、
   上記複数のパネルは、
   内側表面と、
   外側表面と、
   前縁部と後縁部と第１側縁部と第２側縁部とを含んだ境界部と、
   上記パネル外側表面上の入口と上記パネル内側表面上の出口とを備えた複数の冷却ガス通路と、
   上記外側表面から突き出しかつ上記前縁部の主要部に沿って３〜１０ｍｍだけ上記前縁部から引っ込んだ、レールと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
5. 上記シェルは、上記前縁部と上記レールとの間の上記パネル外側表面に対して冷却空気を案内するように設けられた複数の孔を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
6. 上記孔が、優先的に上記冷却空気を燃料噴射装置と周方向に整列した領域上に案内するように設けられていることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
7. 上記レールが、前縁全体から少なくとも３．５ｍｍだけ引っ込んでいることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
8. 上記外側表面と上記シェルとの間には高さが１〜３ｍｍの隙間が存在することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
9. 内側寄りの壁と、
   外側寄りの壁と、
   上記内側寄りの壁と上記外側寄りの壁との間に延在し、かつ、これらの壁と協働して燃焼器内側容積を区画する前方バルクヘッドと、
   を備え、かつ、
   上記内側寄りの壁と上記外側寄りの壁の少なくとも一方である第１の壁は、
   外側シェルと、
   複数のパネルを有した内側断熱シールドと、
   を備え、かつ、
   上記複数のパネルは、
   内側表面と、
   外側表面と、
   前縁部と後縁部と第１側縁部と第２側縁部とを含んだ境界部と、
   上記外側表面から上記シェルに向かって突き出した複数のピンと、
   を備え、かつ、
   上記シェルは、上記シェルと上記断熱シールドとの間の空間に空気を案内し、かつ、タービン室における第１段のベーンの前縁部に向けて優先的に上記空気を案内するように設けられた、複数の孔を有することを特徴とするガスタービンエンジン燃焼器。
10. 上記複数の孔は、交互に並んだ第１の孔群と第２の孔群とを含み、かつ、寸法と配置の少なくとも一方について少なくとも部分的な違いがあることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
11. 上記複数のピンが上記シェルと接続することを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
12. 上記複数のピンが、連続的で一体的な配列であることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
13. 上記複数のピンが、複数の周方向のピン列を含み、かつ、各列はその隣の列と位相がずれていることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
14. 上記第１の壁が上記外側寄りの壁であることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン燃焼器。

Images