JP4575532B2 - ディンプルを設けたインピンジメントバッフルを有する熱い壁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は概してガスタービンエンジンに係わり、特にその内部のインピンジメント冷却に係わる。
ガスタービンエンジンでは、空気は圧縮機で加圧され、燃焼器で燃料と混合され、それから点火されて熱い燃焼ガスが発生され、このガスは一つ以上のタービン段を通って流れる。そのため、燃焼器およびその下流にある各種の部品は熱い燃焼ガスからの熱を受け、その適当な有効寿命を得るために典型的には冷却されている。
【０００２】
燃焼器自体を冷却するには代表的には、膜冷却穴を設け、これを通して圧縮機放出空気の一部を流して燃焼器ライナの内側表面に沿って冷却空気の境界層または膜を発生させて、これによりライナを熱い燃焼ガスから保護しライナを冷却している。
燃焼器の直ぐ下流には一列の中空のタービン静翼を有する高圧タービンノズルが配置されていて、この中空のタービン静翼を通して圧縮機空気の別の部分が流されてその内部が冷却されてる。
【０００３】
これらの例のいずれにおいても、横方向に間隔を置かれた複数のインピンジメント穴を有するインピンジメントバッフルを使用して、これらのインピンジメント穴を通して冷却空気のそれぞれの部分を燃焼器ライナの外側表面に対してあるいはタービン静翼の内側表面に対して噴流として向けることにより、更に向上された冷却を与えることができる。インピンジメント空気は燃焼ガスを受ける対応する熱い壁の局部的な冷却をそれと対向する側面に与え、典型的には例えば膜冷却のような他の形態の冷却と共に使われている。それ故に、使われたインピンジメント空気は最初はインピンジメント冷却のために使われ、それから熱い壁を通して膜冷却空気として放出されて、二重の仕事を果たしてこの冷却有効性を最大限にすることが可能である。
【０００４】
インピンジメントバッフルは熱い壁に対して密な間隔を必要とし、壁に衝突した後この熱い壁を通して使われたインピンジメント空気が放出される。この間隔はバッフルと熱い壁との間に延びるリブまたは中実のタブの形態のスペーサを使用して維持されている。このタブはこれらの２つの部品の少なくとも１つと一体に形成されなければならず、そのため熱い壁と比較的に冷たいインピンジメントバッフルとの間の熱伝達が原因で温度分布の局部的変動を受ける。局部的な温度の変動は有効寿命を得るには最小とされなければならない熱応力の局部的な相異を起こす。
【０００５】
バッフルと熱い壁の間を流される使用されたインピンジメント空気がクロスフローすると下流のインピンジメント噴流が好ましい通常のインピンジメントから偏向を受けてその有効性が低下される。スペーサタブを隣接するインピンジメント穴の間に形状付けそして間隔をとることにより有利に使用して、下流のインピンジメント噴流をその上流のインピンジメント噴流から生ずるクロスフローから保護するための局部的なシールドを提供することができる。しかしながら、中実で一体のスペーサタブは冷たいバッフルと熱い壁との間に伴う温度勾配のために比較的に大きな熱応力を持ち込み、その有効寿命を減少する可能性がある。
【０００６】
更に又、個々のスペーサタブは有効であるためにはインピンジメント穴に隣接した正確な配置を必要とし、その整列のずれは遮蔽の有効性を低下する。更に加えて、一体的なスペーサタブは例えばレーザを使用した穴あけによって典型的に形成されている熱い壁を貫通した傾斜した膜冷却穴を導入する能力を制限する。
膜冷却穴をレーザで穴あけするときにスペーサタブを損傷することは許されないので、穴はタブに損傷をくわえるのを防ぐためにタブのそれぞれから適当な距離を隔てておかなければならない。これは膜冷却穴を置くことのできる領域を制限しこれによりその冷却有効性およびかかる部品の対応する寿命に影響を与える。
【０００７】
従って、容易に製造でき、運転中の熱応力が低下されており、そして例えば膜冷却穴の形成を妨げない改善されたインピンジメントバッフルを提供することが望ましい。
【０００８】
【発明の要約】
プレートの形態のインピンジメントバッフルは熱い壁に対して冷却空気を対応する噴流で向けるための間隔を置かれたインピンジメント穴を含んでいる。プレート中には複数のインピンジメント穴の対応する穴に隣接してその遮蔽のためにディンプルが一体に形成されている。
【０００９】
【発明の詳細な記述】
好適なそして例示的な実施の態様に従って、本発明は、その更なる目的および利点とともに、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な記述に更に詳しく記載される。
図１には概略的に航空機ターボファンガスタービンエンジン１０が例示されており、これには長手方向あるいは軸方向中心線軸１２の周りに連続した流れ流通にてファン１４、圧縮機１６、燃焼器１８、高圧タービンノズル２０、高圧タービン動翼２２および低圧タービン２４が含まれている。
【００１０】
空気２６は圧縮機１６で加圧されて燃焼器１８に流れここで燃料と混合されてから点火されて熱い燃焼ガス２８が発生され、このガスはノズル２０を通って下流に流れて動翼２２を回転して圧縮機に動力を供給し、またタービン２４の動翼も回転してファン１４に動力を供給している。
燃焼ガス２８は熱いので、これに接触する各種のエンジン部品は圧縮機空気２６の一部を冷却流体として使用して適当に冷却しなければならない。例えば、燃焼器１８およびタービンノズル２０は圧縮機から得られる冷却空気２６を利用して本発明により冷却することができる。
【００１１】
より詳しくは、図２を参照すれば、本発明の例示的な実施の態様に従って形状付けられた燃焼器１８の一部が例示されている。薄いプレートの形態のインピンジメントバッフル３０が熱い燃焼ガスが通って流れる燃焼器の所要の外形に適合するように適当に形状付けられている。バッフル３０は横方向に間隔を置かれた複数のインピンジメント孔または穴３２を含んでおり、この穴を通して冷却空気２６のそれぞれの部分が流される。バッフル３０にはまた同じプレートにインピンジメント穴３２の対応する穴に隣接して一体的に形成された複数のディンプル３４も含まれている。
【００１２】
図２に例示された例示的な実施の態様では、インピンジメントバッフル３０は環状の半径方向外側の燃焼器ライナ３６をインピンジメント冷却するためにこれと協働している。図１に示されているように、バッフル３０は外側ライナ３６を例えば所望されるならその全域にわたるようなその任意適当な部分にわたって半径方向に包囲している。別の実施の態様では、同様なインピンジメントバッフル３０を外側ライナ３６と同じ方法で環状の半径方向内側の燃焼器ライナ３８のインピンジメント冷却を行うためにその半径方向内方に配置することができる。
【００１３】
図２に示されているように、インピンジメント穴３２は外側ライナ３６によって区画されている熱い壁の外側表面に対して冷却空気２６を実質的に垂直な対応する噴流で向けるために任意の慣用な方法によって大きさおよびパターンがとられる。
インピンジメントバッフル３０およびこれと協働する外側ライナ３６の拡大された軸方向断面が図３に更に詳細に示されている。ディンプル３４の各々は冷却空気２６が最初に上を流れるバッフルの半径方向外方または外側表面または側面上に凹型のくぼみまたはへこみ４０を含んでいる。各ディンプル３４はまたライナ３６の半径方向外側表面に面しているバッフルの半径方向内方または内側表面または側面上に対向する凸型の突起または***４２も含んでいる。
【００１４】
ディンプル３４の各々は好ましくは例えば半球のような球状の外形をしており、自体は実質的に一定の厚さＴを有するバッフルプレートと一体に形成されている。各ディンプルのへこみ４０および***４２は三次元で凹型および凸型に対応していて、ディンプルの球状の外形を規定している。各ディンプル３４はバッフルプレートの内側側面での最大直径Ｄの円形基部からこれより対応する高さＨ離れて隔てられた頂点まで延びている。
【００１５】
図２および３に示されているように、インピンジメント穴３２とディンプル３４は、複数のディンプルがインピンジメント穴の対応する穴を横方向に包囲する対称的なパターンで整列されているのが好ましい。ディンプル３４の各々はインピンジメント穴３２の隣接する穴の間に直線的に整列されていて、下流のインピンジメント穴およびその冷却空気噴流を上流のインピンジメント穴およびその使用された冷却噴流から形成されるクロスフローから遮蔽している。こうして、ディンプル３４の各々は下流のインピンジメント穴３２の一つ以上と関連してその空気噴流をクロスフローによる冷却低下から保護している。
【００１６】
本発明の特に有意な点は燃焼器ライナ３６と協働させてインピンジメント冷却するためにバッフルプレート自体にディンプル３４を一体に形成することである。バッフルプレート自体は好ましくはインピンジメント穴３２とディンプル３４の両方を一体的に含んだ一体のシート金属のスタンピングである。シート金属バッフルは製造中にインピンジメント穴３２を適当なパンチを使って打ち抜きでき、同時に対応する球形ダイおよびこれに協働するモールドを使用して個々のディンプルを可塑的に形成するのに十分延性である。あるいは、バッフルは鋳造することができる。
【００１７】
インピンジメントバッフル３０は例えば外側ライナ３６によって区画される熱い壁と組み合わせて使用され、個々の***４２を熱い壁の外側表面と隣接させ、好ましくは当接させて、バッフルの内側側面と熱い壁の外側側面との間にフローチャネル４４を維持し、これを通してインピンジメント空気２６を流す。ディンプル３４は同じ高さＨを有する実質的に一定の高さのフローチャネル４４を形成するように同じ高さＨをして同じであることが好ましい。バッフル３０は例えばディンプル３４の選択されたものにおいて仮付け溶接するなどして任意適当な方法で外側ライナ３６に装着できる。
【００１８】
従って、ディンプル３４の全てではないにしてもその大半はライナ３６に単に当接されており、これに固定して付着されてはいない。これはインピンジメントバッフル３０自体を燃焼器ライナ３６とは別に製造することおよび運転中において熱勾配およびこれに応じた応力を減少する両面で幾つかの利点を有する。ディンプル３４は球状で中空であるから、そうでない中実の突起より重量が減少されており、これによりエンジンの総重量が減少される。そして、中空の形状は熱質量も低下する。薄いディンプル３４はそれ故に温度が変化したときにより早い熱応答時間を有しており、これにより熱勾配およびこれに関連して生ずる熱応力を減少する。ディンプル３４は断面が円形なのでそれにおける関連した応力集中をも低下する。
【００１９】
更に、ディンプル３４の球状の形状は協働するインピンジメント穴３２の平面においてクロスフローを遮蔽するその能力を最大にし、ディンプルが概して点の箇所でライナ３６に当接しているその頂点に向けて流れの妨害を減少していく。
各ディンプルのライナ３６との接触面積はその頂点で最小であるから、両者間の熱伝導も又最小となる。球状の形はまたディンプルの基部からその頂点にむけて断面を減少していくのでディンプルの重量を削減し、しかもなお下流のインピンジメント穴およびそれから発生する噴流を保護する流れのシールドを提供している。
【００２０】
ディンプル３４は好ましくはインピンジメント穴３２と共にバッフルに一体的に形成されるので、両者間の位置の正確さはバッフル３０を燃焼器ライナ３６の上に組み立てるのと独立して維持できる。
ディンプルを設けたインピンジメントバッフル３０の追加の利点が図３に例示されている。燃焼器ライナ３６は密に間隔を置かれた多穴のパターンで配置された複数の膜冷却穴４６を含むことができ、個々の穴４６は約２０°−３０°の例示的範囲で下流方向に傾斜されている。多穴４６はインピンジメントバッフルとは独立したその組立前の製造工程でレーザ穴あけを使用して慣用的に形成できる。
【００２１】
このようにして、インピンジメントバッフル３０がその後にライナ３６に結合されるので個々の多穴４６はディンプル３４への損傷を顧慮することなく穴あけできる。多穴４６のパターンはそのときにディンプル３４の位置に係わりなく最適にすることができ、所望によってディンプルに近接させて間隔を置くことができる。インピンジメントバッフル３０が外側ライナ３６に装着されるとき、個々の***４２がライナに当接し、多穴を形成しているときにディンプル３４が存在していないため、穴あけによるディンプルの損傷に配慮することなく多穴４６をディンプル３４の対応するものと整列させることができる。
【００２２】
上記に示したとおり、インピンジメントバッフル３０はインピンジメント冷却を使用することにより利益を受けることのできるエンジン１０の種々の部品に使用するために所望されるように形状付けることができる。別の例が図４に例示されており、これには圧縮機からの冷却空気２６の別の部分を受容するために中空であるタービンノズル２０の静翼が含まれている。各静翼２０は静翼の内側外形に整合するインサートの形態の１つ以上のインピンジメントバッフル３０を含んでいる。
【００２３】
インピンジメント穴３２およびディンプル３４は同様に形成されており、冷却空気２６は最初にインピンジメントバッフル３０の内部を流れ、個々のインピンジメント穴３２を通って流れ出て、静翼２０の内側表面をインピンジメント冷却する。ディンプル４２は個々の静翼２０の内部においてバッフル３０の周りに一定の高さのエアフローチャネルを維持するためのスペーサを提供する。
【００２４】
ノズルの静翼２０は典型的には後縁放出穴４８を含んでおり、運転中この穴を通して使用されたインピンジメント空気が放出される。静翼２０は典型的には同じく４６で示される１列以上の膜冷却穴も含んでおり、この穴を通して使用されたインピンジメント空気の一部が放出されて運転中静翼の外側表面上に冷却膜層を提供することができる。
【００２５】
図２および４に例示されているいずれの実施の態様でも、インピンジメント穴３２およびディンプル３４を含むインピンジメントバッフル３０は実質的に同じように動作し、外側燃焼器ライナ３６および個々のノズル静翼２０を冷却するために要求される特定の構成において相異するだけである。燃焼器内側ライナ３８をインピンジメント冷却するため、および熱い燃焼ガス２８の加熱効果に対して冷却を必要とする流路（図示されていない）のようなエンジン中の他の部品をインピンジメント冷却するためにはインピンジメントバッフルの更なる変更が必要となる。
【００２６】
従って、インピンジメント穴３２およびこれと協働する遮蔽作用のあるディンプル３４を一体的に形成するため、ここに比較的低コストのインピンジメントバッフル３０が比較的単純な単一のスタンピング工程あるいは鋳造で製作できる。
中空ディンプルの減少された重量および熱質量により熱応力の低下されたバッフルの改善された熱的性能を享受する。
【００２７】
ここに本発明の好適な例示の実施の態様と考えられるものを記載したが、ここに教示したことからすれば当業者には本発明の他の変更も明らかなはずであり、それ故に、特許請求の範囲には本発明の真なる精神および範囲に入るような変更がすべからく確保されていると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例示的な実施の態様に従って冷却される燃焼器およびタービンノズルを含んだ航空機ターボファンガスタービンエンジンの概略の軸方向断面図である。
【図２】本発明の例示的な実施の態様に従って図１に示される燃焼器の外側ライナの一部と協働するインピンジメントバッフルの一部を例示している等角図である。
【図３】線３−３に沿ってみた図２に例示される外側ライナおよびこれと協働するインピンジメントバッフルの一部についての拡大された軸方向断面図である。
【図４】本発明の別の実施の態様に従って内部にインピンジメントバッフルを配置して含む図１に例示されている高圧タービンノズル静翼の一つの一部の部分的断面の立面図である。

Claims (8)

1. 熱い壁（２０、３６）であって、
   冷却空気を前記熱い壁（２０、３６）に対して衝突させるように向けるためのバッフル（３０）を有し、
   前記バッフル（３０）が、
   前記熱い壁に対して前記空気を対応する噴流で向けるための間隔を置かれた複数のインピンジメント穴（３２）を有するプレート、および前記プレート中に一体に形成され前記複数の穴（３２）の対応する穴の上流に設けられて該穴（３２）を前記空気のクロスフローから遮蔽する複数のディンプル（３４）を含み、
   前記ディンプル（３４）の各々が前記プレートの外側側面に凹型のくぼみ（４０）を含み、前記プレートの内側側面にこれに対向する凸型の***（４２）を含み、
   前記ディンプル（３４）の各々が球形であり、
   前記ディンプル（３４）の各々が、前記内側側面における最大直径の基部からの高さ（Ｈ）にある頂点まで延びており、該複数のディンプル（３４）の高さ（Ｈ）が同じであり、
   前記ディンプル（３４）の一部のみが前記熱い壁（３６）に固定され、残部は該熱い壁（３６）に当接されている
   ことを特徴とする熱い壁（２０、３６）。
2. 前記ディンプル（３４）の各々が前記インピンジメント穴（３２）の隣接する穴の間に整列されている請求項１に記載の熱い壁。
3. 前記プレートが前記入口穴（３２）およびディンプル（３４）の両方を一体的に含んだシート金属のスタンピングである請求項１又は２に記載の熱い壁。
4. 前記熱い壁（２０、３６）と組み合わされており、前記***（４２）が前記熱い壁に隣接していて、前記プレートの内側側面と前記熱い壁との間に前記インピンジメント空気のためのフローチャネル（４４）が維持されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱い壁。
5. 前記インピンジメント穴（３２）とディンプル（３４）が、複数の前記ディンプルが前記穴の対応する穴を横方向に包囲するパターンで整列されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱い壁。
6. 前記熱い壁がガスタービンエンジンの燃焼器ライナ（３６、３８）である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱い壁。
7. 前記燃焼器ライナ（３６）が複数の膜冷却穴（４６）を含んでおり、前記バッフルの***（４２）が前記ライナに当接している請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱い壁。
8. 前記熱い壁がガスタービンエンジンのノズルの静翼（２０）である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱い壁。

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