JPS6335897B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 本発明は一般に燃焼室、特に燃焼室のライナを
効果的に冷却する手段に関する。本発明をガスタ
ービンエンジンに使用する燃焼室に関連して説明
するが、本発明の構造は気膜対流冷却を要するあ
らゆる高温燃焼装置に適当である。

ガスタービンエンジンの効率向上を、一部では
あるが、燃焼室内の作動温度を上げることにより
達成できる。しかし、このような高い温度に耐え
しかも十分な寿命をもたせるためには、非常に高
級な合金および材料を用いるだけでなく、燃焼室
のライナを冷却する効率よい信頼できる手段を設
けることも必要である。

燃焼器ライナを冷却するもつとも効率よい技術
の一つは気膜対流冷却で、この方法では冷却空気
の保護膜をライナの内面に沿つて流してライナを
隣接高熱燃焼ガスから絶縁する。冷却空気膜はラ
イナと高熱ガスとの間に保護障壁を形成するだけ
でなく、ライナの対流冷却も行う。

冷却空気を燃焼器ライナに導入するには、通
常、周囲の冷却空気プレナムとライナ内面に設け
られた複数個の軸方向に間隔をおく環状リツプ付
ポケツトとを流通する複数個の円周方向に離間し
た穴を介している。冷却空気は穴に入つてからポ
ケツト内で混ざり一緒になる。冷却空気は次にリ
ツプにより方向付けられて後方に流れ、ライナの
内面に接触しこれに沿つて流れる。

リツプが空気流に所望の方向付け機能を果すた
めには、リツプを後方に相当距離片持ち延在させ
て、外側ライナ表面と共に冷却空気の薄膜の排出
を制御するスロツトを画成する必要がある。この
スロツトがリツプの熱膨張外向き偏向により部分
的に塞がれるのを防止するためには、リツプのま
わりに円周方向に離間した小さなくぼみまたは突
起を設けて、熱応力によつて引き起こされる湾曲
を抑制するのが普通のやり方である。このように
くぼみを設けることによりリツプの曲がりをよく
防止できるが、これらのくぼみがライナの内面に
沿つて排出される冷却空気の薄膜に伴流を生じる
ことが分かつた。伴流は冷却空気障壁の均一性を
乱し、これがため高熱燃焼ガスが燃焼器のライナ
内面に直接接触することがあり、燃焼器の有効寿
命が短くなる。

本出願人に譲渡されている米国特許第3826082
号（1974年７月30日公告）および同第4050241号
（1977年９月27日公告）に、上述したようなくぼ
みの使用に付随する問題を決定する特定のくぼみ
構造が記載されている。これら特許で提案された
解決法は相当程度まで成功しているが、くぼみま
たは突起が極めて高い温度にさらされ、その結果
生じる高い応力が原因でくぼみまたは突起自体の
寿命が短かくなる。さらに、くぼみはスロツトを
通る冷却空気の流れを乱さないように設計されて
いるが、これらくぼみには局部的伴流および高熱
ガス線条流を生じるという制約がある。

上述のような難点をある程度まで克服した燃焼
器ライナ設計が、本出願人に譲渡された米国特許
第3978662号（1976年９月７日公告）に示されて
いる。この設計の特徴の一つは改良されたリツプ
設計にあり、リツプの長さが短かくなつているの
で、熱による湾曲を受けにくい。しかし、リツプ
は高熱ガス流内に配置されており、高い熱応力お
よび熱湾曲の双方を受け、この結果ギヤツプを塞
ぎ、従つて冷却空気流に乱れを生じる傾向があ
る。

〔発明の目的〕

従つて、本発明の目的は、性能特性の改良され
た燃焼器ライナ設計を提供することにある。

本発明の他の目的は、スロツトがリツプの熱膨
張偏向により部分的に塞がれるのを防止した燃焼
器ライナ気膜冷却スロツトを提供することにあ
る。

本発明のさらに他の目的は、下流での高熱ガス
線条流をほとんどなくした燃焼器ライナ冷却スロ
ツトを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、高熱ガスへの露呈
に基因する高い応力を受けず、従つて寿命が限定
されることがないようにするために、ライナ冷却
スロツトに複数の突起を設けた構造を提供するこ
とにある。

本発明のさらに他の目的は、使用して有効であ
り経済的に製造できる燃焼器冷却ライナを提供す
ることにある。

〔発明の要約〕

本発明によれば、リツプによるスロツトの塞ぎ
を防止するための突起を設け、これらを燃焼器ラ
イナの外側セグメントに重なりあう部分に設け
る。この位置で突起は内側リツプに隣接する高温
ガスにさらされない。このようなわけで、突起は
内側リツプが熱により半径方向外向きに膨張して
ギヤツプを塞ぐのを防止するのに有効であり、し
かもスロツトを通過する際の冷却空気の流れによ
り高温ガスから遮蔽されている。

外部プレナムから冷却空気を受取る環状拡張部
にはその下流側に複数個の穴を形成する。環状拡
張部はその後端で環形状をなし、拡張部の後側の
穴から環状拡張部内に入る空気の逆向きの流れは
遠心作用で拡張部の半径方向内面に向けられて冷
却スロツトを通過する。従つて、冷却スロツトの
半径方向外側部分には淀み点が形成され、冷却空
気はこの淀み点を通過してから下流ライナ壁に接
触する。本発明は、前記複数の突起をこの淀み位
置に配置し、冷却空気がスロツトを通過する際に
冷却空気の流れが突起で乱されないようにするこ
とによつてこの淀みをうまく利用している。

本発明の好適例においては、突起の下流端にテ
ーパを付け、その半径方向厚さを下流方向に減少
させ、かくして冷却空気が半径方向に流れてライ
ナ壁に接触し始める際に冷却空気が突起上を乱れ
なしになめらかに流れるようにする。

図面に本発明の好適例を示す。本発明の要旨を
逸脱せぬ範囲内で他の変更を加えたり別の構造と
することができる。

〔実施例〕

第１図で燃焼室１１は外壁１２およびこれとほ
ぼ平行に延在する外側ライナ１３を具え、これら
は相互間に上流の圧縮機抽気源（図示せず）から
の冷却空気の流れを受取る冷却空気プレナム１４
を画成する。同様に、内壁１６および内側ライナ
１７は冷却流体プレナム１８を画成する。ライナ
１３および１７はドーム１９と相まつて燃焼領域
２０を画成する。燃料ノズル２１および空気進入
路２２によつて噴霧化燃料を燃焼領域２０に噴射
する。混合気を点火し、その結果得られる高熱ガ
スを燃焼器の後流端で排出してタービンに熱エネ
ルギーを与えるが、この過程は当業界で周知の通
りである。

燃焼領域２０内に極めて高熱のガスを含む状態
で構造的一体性を維持するために、外側および内
側ライナ１３および１７に複数個の軸線方向に離
間した環状拡張部２３を設けて、冷却空気を冷却
空気プレナム１４および１８からライナ内部に射
出する。冷却空気をライナの内面に沿つて流して
表面および対流冷却による冷却機能を達成する。

第２図及び第３図で、拡張部２３は、入れ子形
のライナの外側セグメント２４およびライナの内
側セグメント２６の外面を剛固に連結するものと
して図示されている。環状拡張部２３は下流湾曲
部２７および上流湾曲部２８を具え、これらは外
側セグメント２４の上流端２９および内側セグメ
ント２６の下流端３１と共に環状室３２を画成す
る。

外側セグメント２４の上流端２９と内側セグメ
ント２６の下流端３１とはその先端同志がオーバ
ーラツプして環状ギヤツプ３３を画成する。環状
室３２から供給される冷却空気は環状ギヤツプ３
３を通過して外側セグメント２４の内側表面に沿
つて流れる。

拡張部２３の下流部分２７は、外側セグメント
の上流端２９とつながつてほゞＵ字形の断面を形
成し、ここに第２図に矢印で示すように、複数個
の円周方向に間隔をおいた穴３４を通して冷却空
気が進入する。同様に拡張部上流部分２８は内側
セグメントの下流端３１とつながつてほゞＵ字形
の断面を形成し、湾曲内面３６はほゞ軸線方向に
配列された平面３７とつながつていき、平面３７
が環状スロツト３３に面している。従つて、冷却
空気は複数個の穴３４から入り、室３２を通過す
るにつれて一緒になり、湾曲内面３６に沿つて方
向転換し、遠心作用でスロツト３３の半径方向内
側に送られ、平面３７近くを通過し、しかる後半
径方向外方に移動して外側セグメント２４の内側
表面に再接触する。冷却空気の流線からわかるよ
うに、環状スロツト３３の半径方向外方部分に相
対的淀み区域が生成するが、かゝる淀みは冷却機
能にとつて有害ではない。その理由は、外側セグ
メント上流端２９のまわりの流れが前記スロツト
外方部分を絶縁しており、冷却空気流は下流に流
れるにつれて淀みのまわりを流れて外側セグメン
ト２４に再接触する傾向があるからである。

内側セグメント２６の下流端３１（通常リツプ
と称される）は、その内面に沿つて流れる高熱ガ
スに直接さらされている。従つて、リツプ３１
は、破線で示すように熱膨張により外方に偏向す
る傾向があり、外側セグメントの上流端２９が実
質的に低い温度に保たれているので、リツプ３１
は破線図示の通りにギヤツプ３３を部分的に塞ぐ
傾向がある。極端な場合には、これが原因で冷却
空気流の乱れが起り、その結果高熱ガス線条流や
高い応力を生じ、ついには破損に到る。

第３図及び第４図で、外側セグメント２４の上
流端２９の内面に、複数個の突起３８を円周方向
に間隔をおいて設ける。突起３８の前端は、外側
セグメントの上流端２９の前端とほゞ軸線方向で
一致しており、突起３８の一部が環状スロツト３
３内に位置する。従つて、突起３８はリツプ３１
の半径方向外方への熱膨張を制限する作用をな
し、極限運転状態でも、リツプ３１が突起３８に
当たるようになるので、環状スロツト３３は、隣
接突起間の区域で開いたまゝに保たれる。

突起３８は、淀みの軸線方向位置と合致するよ
うに軸線方向に配置する必要がある。即ち、冷却
空気流を乱しがちであつた従来のくぼみを配置し
た例と違つて、本発明に係わる突起は、冷却空気
流を乱さないように淀み区域に隠されている。突
起の後縁は、テーパがついていて、半径方向厚さ
が下流方向に減少し、外側セグメントに対して冷
却空気流が徐々に外方に移行し最終的に接触する
のを容易にしている。第３図から明らかなよう
に、リツプ３１がギヤツプを塞いで冷却空気流を
乱すのが防止されている点を除いては、冷却空気
の流れは突起のないライナの場合と実質的に同じ
である。

ここで再び突起のない第２図の例に戻り、第５
図の流れ特性図を参照して、冷却スロツトの半径
方向断面内の流速を詳細に検討することにより、
突起を配置する淀み区域をわかりやすく説明す
る。第５図は、冷却空気の速度が外側セグメント
上流端２９と内側セグメント下流端（リツプ）３
１との間の冷却空気スロツト３３の半径方向領域
内でどのように変化するかを示す。図から明らか
なように、スロツト内半径方向位置に関して平均
速度に大きな変化があり、内側セグメント付近で
最高速度が、外側セグメント付近で最低速度が生
じる。突起３８の半径方向厚さは突起が環状スロ
ツト３３のほゞ半分まで延在するものとすると、
第５図の場合、突起により変位を受ける冷却空気
流の速度はほゞ15.2m／ｓ（50フイート／秒）以
下であり、他方、突起３８とリツプ３１との間の
区域内の空気流の速度はほゞ15.2m／ｓ（50フイ
ート／秒）以上である。正確な実際の速度は運転
条件によつて変化するが、そのパターンは図示の
ようなものとなる。冷却スロツト内の空気の平均
速度は約12.2m／ｓ（40フイート／秒）であり、
スロツトの半径方向内方部分での速度はそれより
著しく高い。従つて、冷却空気スロツトを図示の
ように遠心作用型の環状室３２と組合せて用いる
場合、図示のように外側セグメント上流端２９に
突起を配置することを受容れ、両立する空気流速
度分布が得られる。

第３図に戻ると、１対の軸線方向に離間した拡
張部２３が図示されており、外側セグメント２４
は下流隣りの拡張部２３の内側セグメント２６と
一体であり、後者の延長部となつている。この好
適例では、点ＡからＢまでのセグメント複数個を
各端部で実質的に同じセグメントと次々に溶接な
どにより固着して燃焼器ライナを構成する。突起
３８の特定構成及び製造方法は本発明の範囲内で
種々に選択できる。例えば、簡単なダボ構造すな
わち、棒状としてそれにフイレツトを付けて外側
セグメント上流端２９の壁面へ流線型状に変化す
るようにすることができる。また、切削または圧
延などにより前記上流端の外壁２９と一体に突起
を形成することもできる。さらに、寸法および形
状を変えて特定の冷却流れ特性に適合させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用し得る燃焼室の一部を示
す断面図、第２図は燃焼器ライナに設けた冷却ス
ロツトの軸線方向断面図、第３図は本発明に従つ
てライナセグメントを隣接ライナセグメントと組
合せて冷却スロツトを形成したライナ構造の長さ
方向断面図、第４図は第３図の４−４線方向に見
た環状拡張部の断面図、および第５図はスロツト
内の半径方向位置と冷却空気流の速度との関係を
示すグラフである。 １１…燃焼室、１３，１７…ライナ、１４，１
８…冷却空気プレナム、２３…拡張部、２４…ラ
イナ外側セグメント、２６…ライナ内側セグメン
ト、２７…下流湾曲部、２８…上流湾曲部、２９
…２４の上流端、３１…２６の下流端（リツプ）、
３２…環状室、３３…ギヤツプ（スロツト）、３
４…空気進入穴、３６…湾曲内面、３７…平面、
３８…突起。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入れ子形ライナ外側および内側セグメントの
   一部が重なりあつて相互間に環状ギヤツプを画成
   し、外側プレナムからの冷却流体を移送し環状ギ
   ヤツプに通して前記環状ギヤツプの下流にある前
   記ライナ外側セグメントの内側表面に保護膜障壁
   として接触させる手段を有する型の燃焼器ライナ
   構造において、 (a) 前記ライナ外側および内側セグメントの外面
   を連結し、前記ライナ外側セグメントの上流端
   および前記ライナ内側セグメントの下流端と共
   に室を画成する環状拡張部を有し、前記室が前
   記環状拡張部の上流端に隣接する湾曲表面を介
   して前記環状ギヤツプと流体連通し、 (b) 前記環状拡張部の下流側に設けられ、冷却空
   気の流れを前記室に導入する開口手段を具え、
   前記冷却空気は、室に導入された後、前記湾曲
   表面により半径方向内方に遠心作用で移送され
   て前記環状ギヤツプの半径方向内側を通過し、
   しかる後前記ライナ外側セグメントに接触し、
   さらに (c) 前記ライナ外側セグメントの上流端の内側表
   面に固着され、前記環状ギヤツプの半径方向外
   側に配置され、円周方向に間隔をおいた複数個
   の突起を有し、これにより前記ライナ内側セグ
   メントの下流端の外向き熱膨張を制限し、前記
   突起は下流方向に延び、下流端でテーパをつけ
   られていて、これにより前記冷却空気流が前記
   ライナ外側セグメントの前記内側表面に接触し
   易くした、燃焼器ライナ構造。