JP4675071B2 - 改良型デフレクタプレートを有するガスタービンエンジンの燃焼器ドーム組立体 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジン用の燃焼器ドーム組立体に関し、具体的には、それに掛かる応力を制限するように構成されたデフレクタプレートを含む燃焼器ドーム組立体に関する。さらに、そのようなデフレクタプレートの半径方向面とほぼ整列したパージ孔を備えた冷却トラフを各半径方向セクション内に有する燃焼器ドーム組立体用のドームプレートを提供する。

内側及び外側ライナと共にドーム部分が、燃焼室の境界を形成する働きをすることは、ガスタービンエンジンの燃焼器技術においては良く知られている。燃料及び空気の混合気が、このような燃焼室内で点火され燃焼されて、その生成物が、タービンのブレードと相互作用して１つ又はそれ以上のシャフトを通る仕事を生成することができるようになっている。環状の燃焼器ドームはまた、燃料／空気混合気が所望の状態で燃焼室に供給されるような円周方向に沿った方法で複数のミキサを配置する働きをする。

典型的な燃焼器構成は、めがねプレート構造を強化するための特徴形状（例えば、リブ、冷却孔などの追加）を組み入れるための適当なスペースをスワーラカップ間に有しているが、現行の燃焼器設計では、エミッションを最小にするためにリーン（希薄混合気）で作動させるような一部の形状制約条件が持ち込まれるようになってきた。特許文献１に開示されているように、１つの具体的な燃料／空気ミキサ構成は、その中にパイロットミキサを含んだ燃料ノズルを備える。次ぎに燃料ノズルは、主ミキサの内部に設置される。従って、燃料ノズルと該燃料ノズルに組み合わされた対応するスワーラ組立体との大きさが、以前に用いていたものより著しく増大し、それによって隣接するスワーラカップ間の距離が減少している。より大きな直径を有する環状のドームプレートを用いることは、エンジンの重量を増大させ、また該環状のドームプレートと接合する構成部品の変更を必要とすることになる。従って、ドームプレート内の開口を拡大し、それによって隣接する開口間の円周方向の距離を小さくするようになってきた。

一般的に複数のデフレクタプレートが燃焼器ドーム組立体内に設けられることが分かるであろう。そのようなデフレクタプレートは、円周方向に間隔を置いた状態でドームプレート内の各開口に隣接して該ドームプレートに結合され、燃焼室の過酷な作用からドームプレートを保護する。デフレクタプレートの側端縁の冷却は、ドームプレートの隣接する開口間の半径方向セクション内に配置した冷却孔によって行われる。しかしながら、隣接するデフレクタプレート及び該隣接するデフレクタプレートの比較的薄い半径方向セクションの近傍には、付加的な応力が発生し、この応力によって、その部分に沿って変形及び割れが発生することが判明した。
特開２００２−１１５８４７号公報

従って、上述のことに照らして、隣接するスワーラカップ間の最小の間隔に適応する燃焼器ドーム組立体が開発されることが望ましいと思われる。また、それに掛かる応力を制限するように構成されたデフレクタプレートが開発されることも望ましいと言える。燃焼器ドーム組立体の別の望ましい特徴は、該燃焼器ドーム組立体に隣接する燃焼室内での燃料と空気の温度及び混合気に有利な影響を与えながら、デフレクタプレートの一部の領域に付加的なパージ空気を供給することができるドームプレートである。

本発明の第１の例示的な実施形態では、それを通って延びる縦方向中心軸線を有するようなガスタービンエンジン用の燃焼器ドーム組立体を開示する。本燃焼器ドーム組立体は、内側部分と外側部分と前面とその中に形成された複数の円周方向に間隔を置いて配置された開口とを有し、開口の各々間に画成された半径方向セクションをその中に形成した冷却トラフを含む環状のドームプレートと、その下流端部においてドームプレート外側部分に結合された外側カウルと、その下流端部においてドームプレート内側部分に結合された内側カウルと、ドームプレート内の各開口に結合されかつ該各開口の後方に配置されたデフレクタプレートとを含む。各デフレクタプレートはさらに、前方端部と後方端部と内面と外面とを有するその上流端部における環状セクションと、環状セクションの後方端部に結合され、外周面と内周面と第１の半径方向面と第２の半径方向面と該環状セクションの内面に合わせた寸法にされて対向する半径方向セクションを形成するようになったその中の開口とを含むほぼ平面のフランジと、平面フランジの外周面に対して所定の角度で該外周面に結合された第１のフランジと、平面フランジの内周面に対して所定の角度で該内周面に結合された第２のフランジとを含む。デフレクタプレート平面フランジの第１及び第２の半径方向セクションは、ドームプレート冷却トラフの少なくとも一部分がドームプレートの後方の燃焼室と流れ連通するように構成される。

本発明の第２の例示的な実施形態では、それを通る縦方向中心軸線を有するようなガスタービンエンジン燃焼器用のデフレクタプレートを開示する。本デフレクタプレートは、前方端部と後方端部と内面と外面とを有するその上流端部における環状セクションと、環状セクションの後方端部に結合され、外周面と内周面と第１の半径方向面と第２の半径方向面と該環状セクションの内面に合わせた寸法にされて対向する半径方向セクションを形成するようになったその中の開口とを含むほぼ平面のフランジと、平面フランジの外周面に対して所定の角度で該外周面に結合された第１のフランジと、平面フランジの内周面に対して所定の角度で該内周面に結合された第２のフランジとを含む。第１及び第２の半径方向セクションは、平面フランジの半径方向セクションに掛かる応力を減少させるために、その中に切欠き部分を含む。

本発明の第３の実施形態では、それを通る縦方向中心軸線を有するようなガスタービンエンジン燃焼器用の環状のドームプレートを開示する。本ドームプレートは、内側部分と、外側部分と、複数の円周方向に間隔を置いて配置された開口がその中に形成された、内側及び外側部分間に位置する中間部分とを含む。中間部分はさらに、開口の各々間に画成された半径方向セクションと、その中に形成された複数の冷却孔とその中に形成された該冷却孔よりも実質的に大きい寸法の少なくとも１つのパージ孔とを有する、各半径方向セクション内に形成された冷却トラフとを含む。

図面においては図全体を通して同一の符号は同じ要素を示しているが、ここでその図面を詳細に参照すると、図１は、それを通って延びる縦方向中心軸線１２を有する例示的なガスタービンエンジン燃焼器１０を示す。燃焼器１０は、外側ライナ１６と内側ライナ１８とそれらライナの上流端部に設置されたドームプレート２０とにより画成された燃焼室１４を含む。複数の燃料／空気ミキサ２２が、燃料及び空気の混合気を燃焼室１４内に導入するようにドームプレート２０内に円周方向に間隔を置いて配置され、該燃焼室内において混合気は点火器（図示せず）によって点火されて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスを使用して燃焼室の下流の１つ又はそれ以上のタービンを駆動することが分かるであろう。より具体的には、各空気／燃料ミキサ２２は、燃料ノズル２４、スワーラ２６及びデフレクタプレート２８を含むのが好ましい。

より具体的には、ドームプレート２０は、構成が環状でありかつ内側部分３０と外側部分３２と前面３４とその中に形成された複数の円周方向に間隔を置いて配置された開口３６（図３参照）とを含むことが分かるであろう。従って、ドームプレート２０内の各隣接する開口３６間に、半径方向のセクション３７が形成される。本明細書で説明するように、各開口３６は、ドームプレート２０内の隣接する開口３６間の円周方向距離（半径方向セクション３７により定まる）が所定量よりも大きくならないような少なくとも所定の直径を、該ドームプレート２０内で有するのが好ましい。各半径方向セクション３７はその中に形成された複数の冷却孔４１を有する冷却区域又はトラフ３５を含むのが好ましいことが図３で分かるであろう。本明細書でより詳細に説明するように、冷却トラフ３５は、該冷却トラフの中央部分２５内に設置された少なくとも１つのパージ孔２３を含むのが好ましい。環状の外側カウル３８は、複数の継手４０（例えば、ボルト及びナット）によって、その下流端部３９においてドームプレート２０の外側部分３２に固定されると共に外側ライナ１６にも固定される。同様に、環状の内側カウル４４は、複数の継手４６（ボルト及びナット）によって、その下流端部４５においてドームプレート２０の内側部分３０に固定されると共に内側ライナ１８にも固定される。

デフレクタプレート２８は、ドームプレート２０内の各開口３６と組み合わされ、従って開口３６の周りで円周方向の形態で間隔を置いて配置される。各デフレクタプレート２８は、ろう付けなどによってドームプレート２０に取付けられるのが好ましい。より具体的には、デフレクタプレート２８は各々、その上流端部におけるほぼ環状のセクション２７を含み、該環状セクション２７は、前方端部７７と後方端部７８と内面７９と外面８０と（図４及び図５参照）を有する。環状セクション２７は、外面８０がドームプレート開口３６の内面４２内に配置されるような寸法にされることが分かるであろう。ほぼ平面のフランジ２９が、環状セクション２７の後方端部７８から延びており、外周面８２と内周面８４と第１の半径方向面８６と第２の半径方向面８８とその中に形成された開口９０とを有する。開口９０は、環状セクション２７の内面７９に合わせた寸法にされて、対向する半径方向セクション９２及び９４を形成するようになっていることが分かるであろう。

さらに、第１のフランジ３１が、所定の角度で平面フランジ２９の外周面８２に結合され、また第２のフランジ３３が、所定の角度で平面フランジ２９の内周面８４に同様に結合される。第１及び第２の傾斜フランジ３１及び３３は、それぞれ外側及び内側ドーム部分３２及び３０に隣接して延びるように構成される。断熱皮膜が、参照符号４３及び５１で示すように、傾斜フランジ３１及び３３の少なくとも一部分に施工されることが好ましい。

デフレクタプレート２８に掛かる応力を制限するために、部分９３（半径方向セクション９４に対して仮線で示す）を半径方向セクション９２及び９４から除去して、それぞれ切欠き部分９６及び９８を形成するようにした。切欠き部分９６及び９８は、半径方向セクション９２及び９４が、参照符号１００で示す最小の円周方向長さを有する部位に設置されるのが好ましいことが分かるであろう。切欠き部分９６及び９８はまた、第１及び第２の半径方向面８６及び８８がそれぞれ円弧状部分１０２及び１０４を含むように、形状がほぼ半円形であるのが好ましい。各部分９６及び９８は、所定の半径方向長さ１０６（半径方向面８６及び８８のおよそ５％〜２５％）と所定の円周方向長さ１０８（半径方向セクション３７の円周方向長さのおよそ７０％〜９０％）とを有するのが好ましいことに注目されたい。従って、半径方向セクション９２及び９４は、最小円周方向長さ１１０（円周方向長さ１００のおよそ１０％〜３０％）を保持することになる。

また、円弧状部分１０２及び１０４は非平面になるように構成されることが好ましい。図５及び図６で最も良く分かるように、そのような円弧状部分１０２及び１０４は、平面フランジ２９の半径方向面８６／８８及び後面１１２によって形成された面取り部（半径方向面部分１０２に対して参照符号１０７で示す）を含むのが好ましい。後面１１２は、半径方向面８６及び８８に対しておよそ３５°〜５５°の角度で配向された面取り部１０７を形成するのが好ましい。このようにして、デフレクタプレート２８に対して耐久性の向上と同時に断熱皮膜の付着性の向上をもたらす。

冷却トラフ３５の中央部分２５に形成したパージ孔２３に関しては、このようなパージ孔２３は形状がほぼ円形であることが図３、図７及び図８から分かるであろう。図７におけるデフレクタプレート２８及びドームプレート２０の描写は、燃焼器ドーム組立体１０の比較的低温状態の間の隣接するデフレクタプレート２８の相対的な位置関係を示している。従って、それらデフレクタプレート２８間には僅かな隙間１１４が存在して、熱膨張を可能にする。冷却トラフ中央部分２５内のパージ孔２３は、切欠き部分９６及び９８と整列するように設置されて、空気がドームプレート２０の後方の燃焼室１４と流れ連通した状態で該パージ孔を通して最小の圧力損失で流れることができるようになる。デフレクタプレート２８の熱膨張により僅かに妨害されるが、図８には、燃焼器ドーム組立体１０の比較的高温状態の間におけるパージ孔２３を通り燃焼室１４内に至る流れ連通状態を示している。

このように、パージ孔２３からの冷却空気流は隣接するスワーラカップ間に位置する一部のホットスポットと整合することが分かるであろう。このことは、燃料／空気比を著しく希釈し、このような位置における局部的温度を低下させかつＮＯｘの形成を低減するのに役立つ。さらに、パージ孔２３を通って流れる空気は、デフレクタプレート半径方向面８６及び８８（断熱皮膜が施工されていない）の円弧状部分１０２及び１０４を対流冷却すると同時に、切欠き部分９６及び９８によって形成された空洞をパージして高温燃焼生成物の吸い込みを防止する。

さらに、パージ孔２３は楕円形スロット又は他の任意の所望形状とすることができることが図９から分かるであろう。それにもかかわらず、パージ孔２３は、その所望の機能を果たすことと燃焼過程へのあらゆる望ましくない影響との間のバランスに当てはまるように、該パージ孔の所定の全体面積（好ましくは切欠き部分９６及び９８の面積以下である）しか持たないことが好ましいと思われる。パージ孔２３は、該パージ孔の直径の約２倍に等しい該パージ孔間の最小間隔を有する状態で、冷却孔４１の少なくとも２倍の直径を有することが好ましいと思われる。従って、パージ孔２３の実際の寸法及び間隔は、切欠き部分９６及び９８の寸法に応じて調整される。

燃料ノズル２４は、特開２００２−１１５８４７号公報に開示されている種類のものであることが好ましく、この米国特許の開示内容は参考文献として本明細書に組み入れられる。燃料ノズル２４は、標準的な燃料ノズルよりも大きく、従ってドームプレート２０内にはより大きい開口３６を必要とすることが分かるであろう。従って、ドームプレート２０内の各開口３６は、少なくとも所定の直径（およそ従来のドームプレート開口よりも少なくとも３倍大きい）を有し、開口３６間の円周方向距離６４（半径方向セクション３７の円周方向距離）は所定の大きさ（従来のドームプレートの円周方向距離のおよそ１／３又はそれ以下）よりも大きくない。

各スワーラ２６は、ドームプレート２０内の開口３６とほぼ整列した状態になるように、ドームプレート２０の前面３４とそれぞれ外側及び内側カウル３８及び４４の上流端部４７及び４９との間に設置される。さらに、各スワーラ２６は、前方部分５０及び後方部分５２を含む。スワーラ２６は、空気／燃料ミキサ２２のいかなる他の構成部品に対しても固定又は取付けられておらず、各開口３６を通る中心軸線５３に対して半径方向及び軸方向の両方向に自由に浮動することが可能になっていることを理解されたい。各スワーラ２６は、中心軸線５３に対してほぼ半径方向に旋回流を生じるように配向された羽根４８をその中に含むのが好ましい。

スワーラ前方部分５０は、「自由浮動スワーラを有するガスタービンエンジンの燃焼器ドーム組立体」の名称の米国特許出願に開示されているような、それぞれ外側及び内側カウル３８及び４４に組み合わされた第１及び第２のタブ部材５４及び５６間で移動する半径方向フランジ７０を含むのが好ましいことが分かるであろう。この特許出願は、米国出願番号第１０／６３８５９７号であり、本特許出願と同時に出願されたもので、これもまた本発明の出願人によるものであり、参考文献として本明細書に組み入れられる。スワーラ前方部分はまた、燃料ノズル２４を受けるための軸方向セクション７２を含む。軸方向セクション７２の前面上に回転防止部材（図示せず）を設けて隣接するスワーラの回転防止部材と係合させ、それによってスワーラ２６が回転するのを防止する。

スワーラ後方部分５２は、ドームプレート前面３４のボス部分７５に沿って半径方向に摺動可能なフランジ７４を含むのが好ましい。リップ７６が、フランジ７４に結合され、好ましくは該リップが中心軸線５３にほぼ平行になるようにフランジ７４に対してほぼ垂直に配向される。リップ７６はドームプレート前面３４の後方に延びて、該リップがデフレクタプレート２８の環状セクション２７と相互接触し、それによってスワーラ２６の半径方向の移動を制限するようになることに注目されたい。ワーラ後方部分５２のフランジ７４は、本特許出願と同時に出願された、「輪郭付きスワーラを有する燃焼器ドーム組立体」の名称の米国特許出願に記載されているように、輪郭付けされるのが好ましい。この特許出願は、米国出願番号第１０／６３８５０６号であり、これもまた本発明の出願人によるものであり、参考文献として本明細書に組み入れられる。

本発明の好ましい実施形態を示しかつ説明してきたが、燃焼器ドーム組立体と同時にそのデフレクタプレート及びドームプレートのさらなる改造は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく当業者による適当な変更によって達成することができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の燃焼器ドーム組立体を含むガスタービンエンジン燃焼器の断面図。 図１に示す燃焼器ドーム組立体の部分拡大断面図。 図１及び図２に示す燃焼器ドーム組立体のドームプレートの部分拡大前面図。 図１及び図２に示す燃焼器ドーム組立体用のデフレクタプレートの拡大前面図。 図４に示すデフレクタプレートの側面斜視図。 図４及び図５に示すデフレクタプレートの部分拡大斜視図。 燃焼器ドーム組立体が比較的低温作動状態にある場合における、図４及び図５に示すデフレクタプレートがドームプレート内の開口に隣接しかつ該開口に整列して配置された状態の図３に示すドームプレートの部分後面図。 燃焼器ドーム組立体が比較的高温作動状態にある場合における、図４及び図５に示すデフレクタプレートがドームプレート内の開口に隣接しかつ該開口に整列して配置された状態の図３に示すドームプレートの部分後面図。 図４及び図５に示すデフレクタプレートがそのようなドームプレート内の開口に隣接しかつ該開口に整列して配置された状態の別の構成を有するドームプレートの部分後面図。

符号の説明

２０ ドームプレート
２３ パージ孔
２５ 冷却トラフ中央部分
２７ デフレクタプレート環状セクション
２８ デフレクタプレート
２９ デフレクタプレート平面フランジ
３０ ドームプレート内側部分
３１ デフレクタプレートの第１のフランジ
３２ ドームプレート外側部分
３３ デフレクタプレートの第２のフランジ
３４ ドームプレート前面
３５ 冷却トラフ
３６ ドームプレート開口
３７ ドームプレートの半径方向セクション
４１ 冷却孔
８０ デフレクタプレート外面
８２ 平面フランジ外周面
８４ 平面フランジ内周面
８６ 平面フランジの第１の半径方向面
８８ 平面フランジの第２の半径方向面
９０ 平面フランジの開口
９２、９４ デフレクタプレートの半径方向セクション
９６、９８ 切欠き部分
１０２、１０４ 円弧状部分
１１２ 平面フランジ後面

Claims (6)

1. 中心軸線（１２）を有するガスタービンエンジン用の燃焼器ドーム組立体（１０）であって、
   （ａ）内側部分（３０）と外側部分（３２）と前面（３４）とその中に形成された複数の円周方向に間隔を置いて配置された開口（３６）とを有し、前記開口（３６）の各々間に画成された半径方向セクション（３７）をその中に形成した冷却トラフ（３５）を含む環状のドームプレート（２０）と、
   （ｂ）下流端部（３９）において前記ドームプレート外側部分（３２）に結合された外側カウル（３８）と、
   （ｃ）下流端部（４５）において前記ドームプレート内側部分（３０）に結合された内側カウル（４４）と、
   （ｄ）前記ドームプレート（２０）内の各開口（３６）に結合されかつ該各開口の後方に配置されたデフレクタプレート（２８）と、
   を含み、各デフレクタプレート（２８）が、
   （１）前方端部（７７）と後方端部（７８）と内面（７９）と外面（８０）とを有する上流端部における環状セクション（２７）と、
   （２）前記環状セクション（２７）の後方端部（７８）に結合され、外周面（８２）と内周面（８４）と第１の半径方向面（８６）と第２の半径方向面（８８）と前記環状セクション（２７）の内面（７９）に合わせた寸法にされて対向する半径方向セクション（９２、９４）を形成する開口（９０）とを含む平面のフランジ（２９）と、
   （３）前記平面フランジ（２９）の外周面（８２）に対して所定の角度で該外周面に結合された第１のフランジ（３１）と、
   （４）前記平面フランジ（２９）の内周面（８４）に対して所定の角度で該内周面に結合された第２のフランジ（３３）と、をさらに含み、
   前記各冷却トラフ（３５）が、複数の冷却孔（４１）と、該冷却トラフの中央部分（２５）に形成され、前記冷却孔（４１）より直径が実質的に大きい少なくとも１つのパージ孔（２３）とを備え、
   前記デフレクタプレート平面フランジ（２９）の第１及び第２の半径方向セクション（９２、９４）が、各ドームプレート冷却トラフ（３５）の少なくとも一部分が前記ドームプレート（２０）の後方の燃焼室（１４）と流れ連通するように、前記パージ孔（２３）と整列するよう設置された切欠き部分（９６、９８）を備え、
   前記平面フランジ（２９）は、後面（１１２）を備え、
   前記切欠き部分は、該後面（１１２）と前記第１及び第２の半径方向面（８６、８８）とによって形成され、前記第１及び第２の半径方向面（８６、８８）に対して３５°〜５５°の角度で配向された面取り部（１１７）を備える
   ことを特徴とする、燃焼器ドーム組立体（１０）。
2. 前記切欠き部分が、前記第１及び第２の半径方向セクション（９２、９４）に掛かる応力を減少させる、請求項１記載の燃焼器ドーム組立体（１０）。
3. 前記第１及び第２の半径方向セクション（９２、９４）内の切欠き部分（９６、９８）がそれぞれ、前記第１及び第２の半径方向面（８６、８８）と前記環状セクション（２７）の内面（７９）との間の長さが円周方向で最小（１００）となる部位に設置されている、請求項１又は２に記載の燃焼器ドーム組立体（１０）。
4. 前記第１及び第２の半径方向セクション（９２、９４）内の切欠き部分（９６、９８）が、円弧状である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃焼器ドーム組立体（１０）。
5. 前記第１及び第２の半径方向セクション（９２、９４）内の切欠き部分（９６、９８）が、所定の半径方向長さ（１０６）と所定の円周方向長さ（１０８）とを有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃焼器ドーム組立体（１０）。
6. 前記第１及び第２の半径方向セクション（９２、９４）がそれぞれ、前記切欠き部分（９６、９８）において、前記第１及び第２の半径方向面（８６、８８）と前記環状セクション（２７）の内面（７９）との間の長さが円周方向で最小（１１０）となっている、請求項１記載の燃焼器ドーム組立体（１０）。

Images