JPH076629B2 - 前方抽気開口を有する燃焼器内側通路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明はターボ機関に関し、特に、燃焼器の内側通路
に複数個の前方抽気開口を円周方向に間隔をあけて形成
し、これらの抽気開口により燃焼器内側通路内の圧力損
失を少なくするとともに、エンジンのタービンのロータ
ブレードに比較的高圧の冷却空気流を供給する構成のガ
スタービンエンジンに関する。

発明の背景 ガスタービンエンジンのようなターボ機関では、その圧
縮機の高圧段から吐き出される空気流をプレデフューザ
を介してエンジンの燃焼器アセンブリに案内する。この
高圧空気流の一部はエンジンの燃焼器に入り、別の部分
はプレデフューザにより、燃焼器内側ケーシングと燃焼
器内側ライナとで画定された環状の燃焼器内側通路に導
かれる。この燃焼器内側通路を流れる高圧空気流の部分
は、燃焼器を冷却し、燃焼器にその燃料噴射器の下流で
希釈空気を供給し、かつエンジンのタービンのロータブ
レードに冷却空気を供給するのに利用される。

多くのガスタービンエンジンの設計では、抽気開口を燃
焼器内側通路の後方部分に、すなわち燃焼器内側通路へ
の入口から著しく下流に形成している。これらの後方抽
気開口は高圧空気流を冷却目的でタービンのロータブレ
ードに流すための通路を提供する。燃焼器内側通路では
その入口付近でかなりの量の乱流が生じるので、後方抽
気開口を設けた燃焼器内側通路には圧力損失が発生する
ことが確認された。圧縮機からの高圧空気流は燃焼器内
側通路にその入口から入ってから、燃焼器内側通路の外
壁を形成する燃焼器内側ライナに沿った比較的高速の流
れと、燃焼器内側通路の内壁を形成する燃焼器内側ケー
シングに沿った回転する乱流空気流とに分かれると考え
られる。この空気流の分割または分離、そしてかなりの
区域にわたっての乱流の発生が原因で、空気流が入口か
ら下流方向に燃焼器内側通路のかなり遠くの地点へ達す
るまでは、空気流が燃焼器内側通路の内壁と外壁との間
の全断面に波及するのが妨げられる。空気流が燃焼器内
側通路の内壁と外壁との間に「充満」または展開し終る
時までに、ここのような高圧空気流に圧力損失が発生す
る。その結果、燃焼器内側通路から燃焼器に流れる拡散
空気と、燃焼器内側通路の後方抽気開口からタービンの
ロータブレードに流れる冷却空気は、両方とも、望まし
いレベルより低い圧力レベルにあり、ガスタービンエン
ジンの燃料消費率に悪影響を与える。

発明の要旨 したがって、この発明の目的は、燃焼器内側通路での圧
力損失を著しく減少させて燃焼器に比較的高圧の希釈空
気を供給するとともに、ターボ機関のタービンロータブ
レードに高圧冷却空気を供給するようにした、燃焼器内
側通路を有するターボ機関を提供することにある。

このような目的を達成するために、この発明によれば、
燃焼器内側ケーシングと燃焼器内側ライナとにより画定
される燃焼器内側通路において、燃焼器内側通路の燃焼
器内側ケーシングまたは内壁に、複数個の前方抽気開口
を円周方向に間隔をあけて、かつ燃焼器内側通路への入
口のすぐ下流の位置に形成する。これらの前方抽気開口
は、圧縮機およびプレディフューザから燃焼器内側通路
に吐き出される高圧空気流を、燃焼器内側通路の内壁
に、「再付着」させる、すなわち燃焼器内側通路に沿っ
た前方位置で燃焼器内側通路の全断面または全高を実質
的に完全に横切って展開させる。これにより、燃焼器内
側通路内の乱流またはうずの区域の寸法を著しく小さく
し、したがって燃焼器内側通路内の圧力損失を小さくす
る。

好適な実施態様では、後向きの環状段部またはＬ字形壁
部分を燃焼器内側通路の内壁に形成する。このＬ字形段
部は円周方向に間隔をあけて配置された前方抽気開口そ
れぞれの前方部分を形成する。Ｌ字形段部は、隣り合う
抽気開口間に位置する燃焼器内側通路の内壁の区域でで
高圧空気流を平らにのすのを助ける目的で設けられてい
る。さらに、各抽気開口のＬ字形部分の鉛直部分は、燃
焼器内側通路の高さまたは横断面をその前方で小さくす
る。すなわち、燃焼器内側通路の前方抽気開口より上流
の部分は、燃焼器内側通路の前方抽気開口より下流（ま
たは後方方）の部分より、高さまたは横断面が小さい。
前方抽気開口より上流の燃焼器内側通路の高さまたは横
断面が小さいということは、高圧空気流を燃焼器内側通
路の内壁により迅速に付着または展開させやすくし、こ
うして燃焼器内側通路内の乱流および圧力損失を減少さ
せる。

具体的な構成 この発明の構造、作動および効果をさらに明確にするた
めに、以下にこの発明の好適な実施例を図面を参照しな
がら説明する。

この発明を適用する環境を具体的に例示するために、第
１図にガスタービンエンジン10の一部の概略を断面図と
して示す。エンジン10の構造の細部自体はこの発明を構
成するわけではないので、それについては本出願人に譲
渡されたジョンソン（Johnson）らの米国特許第3,777,4
89号を参照されたい。

ここでの説明の目的に合わせて述べると、ガスタービン
エンジン10は圧縮機12、燃焼装置14および圧縮機12を駆
動するタービン16を含む。エンジン10に入ってくる外部
空気は、まず最初、ファンロータ（図示せず）と関連し
たファンブレードの回転により圧縮されて低圧空気流を
形成し、その低圧空気流はバイパス流とコアエンジン流
の２つの流れに分割される。コアエンジン流は圧縮機12
で圧縮された後、燃焼系14で高エネルギー燃料とともに
点火される。この後高エネルギーを与えられたガス流は
タービン16を通過して圧縮機12を駆動する。

圧縮機12は、多数の個別ロータブレード22を担持する複
数のロータ段20を有するロータ18を含む。圧縮機12は、
圧縮機空気流路の外側環境を画定するケーシング構造24
を有し、またロータブレード22の各段間に配置されたス
テータ段それぞれの多数のステータベーン26を装着する
構造を含む。

圧縮機ケーシング構造24はロータブレード22の中間段の
１つのすぐ上流に環状オリフィス28を画定し、圧縮機12
の内部から中間段空気を抽出する。この中間段抽気は圧
縮機ケーシング構造24を囲む環状プレナム30に送られ
る。環状プレナム30および圧縮機ケーシング構造24につ
いては、本出願人に譲渡されたアンダーソン（Anderso
n）の米国特許第3,597,106号に詳しく説明されている。

圧縮機ロータブレード22の最終段のすぐ下流にデフュー
ザ出口案内ベーン鋳造体32が配置されており、このデフ
ューザ出口案内ベーン鋳造体32は圧縮機出口案内ペーン
34の翼列を含み、圧縮機吐出流を内側デフューザ壁38お
よび外側デフューザ壁40を有するプレデフューザ36に導
く。内側デフューザ壁38および外側デフューザ壁40はデ
フューザ鋳造体32の下流流れ部分を形成する。デフュー
ザ鋳造体32はさらに大体円錐形状の延長アーム42および
44を含む。アーム42は圧縮機ケーシング構造24の下流端
にボルト46で連結され、一方アーム44は燃焼器外側ケー
シング50にボルト48で連結されている。燃焼器外側ケー
シング50は燃焼器外側ライナ53から離間して相互間に燃
焼器外側通路52を画定する。燃焼器外側ケーシング50に
は、燃焼装置14の点火装置56を装着するためのパッド54
が支持され、また燃焼装置14の燃料噴射器62に燃料管60
を通して連結された燃料噴射器パッド58も装着されてい
る。

第１図の下方部分に示すように、デフューザ鋳造体32は
大体円錐形状のアーム64も含み、このアーム64はシール
70の静止シュラウド部分68にボルト66で固定されてい
る。アーム64は、燃焼器内側ケーシング、すなわち内壁
74と燃焼器内側ライナ、すなわち外壁76とにより画定さ
れた燃焼器内側通路72の一部を形成する。内壁74の前端
は静止シュラウド68およびアーム64にボルト66で連結さ
れている。内壁74の後端は、エンジン内側ケーシング80
に装着されたシール78の静止シュラウド部分77により支
持されている。燃焼器内側通路72の外壁76は、前端が燃
焼器カウリング82に連結され、また後端が燃焼器内側通
路72の内壁74で支持された支持アーム86にボルト84で固
着されている。

圧縮機12の高圧段からは比較的高圧の空気流がプレデフ
ューザ36に送り出され、ここで空気流は３つの別々の流
路に分割される。空気流の一部は燃焼器88に入り、残り
の空気流は２つの空気流に分割される。一方の空気流92
は燃焼器内側通路72に入り、他方の空気流は燃焼器外側
通路52を流れる。

第２図に概略的に示すように、燃焼器内側通路72に差し
向けられた高圧空気流92は、燃焼器カウリング82とプレ
デフューザ36の内壁38とで画定されたマウスまたは入口
94に流れこむ。この発明の燃焼器内側通路72は、高圧空
気流92のために滑らかな比較的乱流のない流路を生成し
て、このような空気流92の剥離を少なくし、こうして燃
焼器内側通路72内での圧力損失を最小にするような、特
別な設計となっている。この発明ではこの設計を実現す
るために、燃焼器内側通路72の内壁74に複数個の前方抽
気開口96（第２図には１つだけ示す）を円周方向に間隔
をあけて形成する。燃焼器内側通路72の内壁74に、鉛直
壁100とこれと交差する水平壁102とからなる環状Ｌ字形
段部98を形成する。このＬ字形段部98は各抽気開口96の
前側端縁を形成し、後向きになっている。

燃焼器内側通路72を通る高圧空気流92の流れを第２図
に、燃焼器内側通路72内の順次下流となる位置に一連の
圧力／速度プロフィール92a、92bおよび92cとして線図
的に示す。圧縮機12からの高圧空気流は最初入口94を通
って燃焼器内側通路72に入り、分割流線104と燃焼器内
側通路72の外壁76との間の区域に集中した空気流92aを
形成する。この分割流線104は燃焼器内側通路72の入口9
4から前方抽気開口96の後端縁105まで延在する。分割流
線104から間隔をあけて、混合境界線106が燃焼器内側通
路72の入口94から、燃焼器内側通路72の内壁74上の、前
方抽気開口96と入口94との中間に位置する付着点108ま
で延在する。分割流線104と混合境界線106との間の斜線
区域110は、空気流92のうち、抽気開口96中に引き込ま
れ、その後冷却目的でタービン16のロータブレード112
に案内される部分を表わす（第１図の矢印参照）。燃焼
器内側通路72に入ってくる空気流92の別の部分は、混合
境界線106と燃焼器内側通路72の内壁74の前方端部分と
の間に延在する乱流空気流の区域114を形成する。

この発明は、高圧空気をタービン16のロータブレード11
2に供給する抽気開口96を燃焼器内側通路72の入94に関
して前方位置に置くという思想に基づく。抽気開口96を
この位置に置くことの効果は、高圧空気流92を燃焼器内
側通路72の内壁74に、燃焼器内側通路72の入口94になる
べく近い付着点108で「再付着」または係合させること
により、低圧乱流区域114の寸法を限定し、したがって
燃焼器内側通路72内の圧力損失を小さくすることであ
る。第２図に示すように、燃焼器内側通路72への入口94
にもっとも近い位置の高圧空気流92aは矢印122の長さで
表わされる比較的高い速度と、乱流区域114との接触に
基づく低い圧力とを有する。圧力損失を小さくするため
には、高圧空気流92が燃焼器内側通路72の内壁74および
外壁76間に、入口94からできるだけ短い下流方向距離で
完全に展開することが重要である。

高圧流92aの内側部分は乱流区域114と接触関係にある
が、その後付着点108で内壁74に再付着し、速度が減少
し、圧力が増加した流れ92bを形成する。この高圧流92b
の再付着が付着点108で起こる理由は、抽気開口96が燃
焼器内側通路72の前方端にあるからである。もしも抽気
開口96が、他のターボ機関設計の場合のように燃焼器内
側通路72の後方端に位置すると、付着点108が第２図に
示す位置より著しく下流になり、もっと大きな乱流区域
114を生成し、したがって高圧流92に著しく大きな圧力
損失をもたらす原因となる。空気流は下流に流れ続け、
流れ92aまたは92bより高圧かつ低速の流れ92cを形成す
る。第２図に示すように、空気流を燃焼器内側通路72の
内壁74に点108で付着させるので、空気流の速度は減少
し、圧力は増加する。

第１図に示すように、燃焼器内側通路72内を流れる高圧
流92は抽気開口96から外に出て、シール78の開口124を
通ってタービン16のロータブレード112に流れる。高圧
流92の一部は、外壁76にあけた希釈開口（図示せず）を
通って燃焼器内側通路72から出て、燃料噴射器62から供
給される燃料に対する希釈空気を燃焼器88に供給する。

以上、この発明を好適な実施例について説明したが、こ
の発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えた
り、構成要素を他の均等物に置き換えたりすることが可
能なことが、当業者に明らかである。また、特定の状況
や材料にあわせて種々の改変が可能である。したがっ
て、この発明は、この発明を実施するのに最良の態様と
して説明した特定の実施例に限定されず、その特許請求
の範囲に含まれるあらゆる実施態様を包含する。

【図面の簡単な説明】

第１図は前方抽気開口を燃焼器内側通路に配置したター
ボ機関の概略断面図、そして 第２図は抽気開口を燃焼器内側通路の前方端に配置する
ことによる、同通路を流れる空気流に対する効果を説明
する燃焼器内側通路の一部の略図である。 主な符号の説明 10:ガスタービンエンジン、 12:圧縮機、 14:燃焼装置、 16:タービン、 32:デフューザ鋳造体、 36:プレデフューザ、 72:燃焼器内側通路、 74:内壁、76:外壁、 78:シール、 82:燃焼器カウリング、 92:空気流、 94:入口、 96:抽気開口、 98:L字形段部、 104:分割流線、 106:混合境界線、 112:タービン16のロータブレード、 114:乱流空気流区域。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】後部に吐出し端を有する圧縮機、タービン
   圧縮機の間に位置する燃焼器を有するターボ機関におけ
   る、タービンのロータブレードに高圧冷却空気を供給す
   る装置に於て、 環状内壁および環状外壁が互に離間して相互間に燃焼器
   内側通路を画定し、この燃焼器内側通路はその前端に圧
   縮機の後部吐出し端と連通してそこから高圧空気流を受
   け取る入口が形成され、上記高圧空気流は最初上記燃焼
   器内側通路の環状外壁と接触するが、上記燃焼器内側通
   路への入口のすぐ下流で上記内壁から剥離し、 上記燃焼器内側通路の環状内壁にはその入口より下流の
   前方端部分に複数個の前方抽気開口が円周方向に間隔を
   あけて形成され、これらの前方抽気開口は上記空気流の
   少なくとも一部を上記燃焼器内側通路から引き込み、そ
   してその空気流を上記環状外壁から、上記前方抽気開口
   と上記燃焼器内側通路の入口との間に位置する上記環状
   内壁上の付着点で上記燃焼器内側通路の環状内壁に接触
   するよう引き延ばす作用をなし、これにより上記燃焼器
   内側通路内での乱流および圧力損失を小さくし、 上記燃焼器内側通路の環状内壁の前方抽気開口と連通す
   る案内手段が、前方抽気開口を通る空気流部分を冷却目
   的でタービンのロータブレードに案内する冷却空気供給
   装置。
2. 【請求項２】上記燃焼器内側通路の環状内壁に後向きの
   環状段部が形成され、この環状段部が円周方向に間隔を
   あけて配置された前方抽気開口それぞれの前方部分を形
   成し、上記燃焼器内側通路の横断面寸法が上記後向き段
   部の下流より上流で小さい請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】上記後向き環状段部がＬ字形で、ほぼ鉛直
   に延在する壁とこの鉛直壁に連結されたほぼ水平に延在
   する壁とを含む請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】ターボ機関の燃焼器の内側通路内での圧力
   損失を減少させるにあたり、 比較的高圧の空気流を圧縮機の吐出し端から互いに間隔
   をあけて配置された内壁と外壁とにより画定された上記
   燃焼器内側通路の入口に差し向け、 上記空気流の少なくとも一部を上記燃焼器内側通路の内
   壁の前方端に形成した複数個の抽気開口を通して抽出
   し、その空気流を上記外壁から、上記記抽気開口と上記
   入口との間の上記燃焼器内側通路の前方部分に位置する
   上記内壁に沿った付着点で上記燃焼器内側通路の内壁に
   接触するよう引き延ばし、これにより上記燃焼器内側通
   路内での乱流および圧力損失を小さくする諸工程を含む
   燃焼器内側通路内の圧力損失減少方法。