(57)【要約】【課題】効果的な冷却を提供するガスタービンエンジン燃焼器用の遮熱パネルを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン用の燃焼器に用いられる遮熱パネル（前部遮熱パネル）１８，２２は、高温側部および低温側部を有し、低温側部に少なくとも１つの独立した冷却チャンバ５６を有する。各冷却チャンバ５６は空気などの冷媒を低温側部から高温側部に流れさせるための複数の膜冷却孔３２を有している。【選択図】図４
2006292362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン用の燃焼器であって、
外側サポートシェルおよび内側サポートシェルを有してなり、
前記内側と外側サポートシェルが燃焼室を形成し、
前記内側および外側サポートシェルに取り付けられた前部遮熱パネルのアレイを有してなり、
前記内側および外側サポートシェルに取り付けられた後部遮熱パネルのアレイを有してなり、
前記各前部遮熱パネルが、前記燃焼室に空気を通過させる複数の希釈孔を有しており、
前記各後部遮熱パネルが複数のレールを有してなり、および
前記各後部遮熱パネルの前記レールが、前記希釈孔のうちの半径方向において対向する希釈孔に対して円周方向にずれており、これにより冷却効率の損失が軽減される、ことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
前記希釈孔が主希釈孔であり、各前記レールがそれと整列する一対の取付用ポストを有しており、および各前記後部遮熱パネルが前記前部遮熱パネルのうちの隣接する遮熱パネルに対してずれており、これにより各前記レールが前記希釈孔の一つと整列する、ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記各前部遮熱パネルが、隣接する前記内側および外側サポートシェルの一つと接触する後部壁および側部壁セグメントを有しており、各前記前部遮熱パネルは複数の内部レールを有し、前記内部レールが前記後部壁および前記側部壁セグメントと共に複数の独立した冷却チャンバを形成し、および各前記冷却チャンバが複数の膜冷却孔を有し、また前記後部壁が冷却空気を前記冷却孔上および前記前部遮熱パネルの前縁部上に方向付けする、ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項４】
各前記前部遮熱パネルが前記前縁部を越えて流れる冷媒空気流を調量するための手段を有し、前記調量手段が各前記冷却チャンバの前端部の近傍に設けられた円形のピンの複数の列からなり、各前記列の前記ピンが前記冷却空気を前記前縁部を越えて流れさせるように離間されており、および隣接する前記列のピンが互いにずれている、ことを特徴とする請求項３記載の燃焼器。
【請求項５】
バルクヘッドセグメントをさらに有してなり、および前記前縁部を越えて流れる前記冷却空気がバルクヘッドセグメントも冷却する、ことを特徴とする請求項３記載の燃焼器。
【請求項６】
各前記後部遮熱パネルが隣接する前記内側および外側サポートシェルの一つと接触する前部周辺部壁および側部壁をさらに有してなり、
前記前部周辺部壁および前記側部壁が前記レールと共に複数の冷却チャンバを形成し、
各前記冷却チャンバが複数の膜冷却孔を有しており、
前記後部壁が、冷却空気を、前記冷却孔上におよびこれを通って流れさせ、また前記後部遮熱パネルの後縁部を越えて流れさせる、ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項７】
前記各冷却チャンバの後部部分に隣接して複数の第一のピンアレイを有し、
各々の前記第一のピンアレイはタービンベーンと整列しており、かくして前記各第一のピンアレイから流出する冷却空気は前記タービンベーンの表面上を流れて前記燃焼器への先頭波損傷を防止し、かつ燃焼器はさらに前記各第一のピンアレイの周囲に実質的に矩形のレールを有する、ことを特徴とする請求項６記載の燃焼器。
【請求項８】
各前記第１のピンアレイが第１のピンの複数の列を有し、および各列の前記第１のピンが隣接する各列の前記第１のピンとずれている、ことを特徴とする請求項７記載の燃焼器。
【請求項９】
各前記冷却チャンバの前記後部部分に隣接した複数の第２のピンアレイをさらに有してなり、各第２のピンアレイが前記タービンベーンからずれており、および前記各第２のピンアレイが複数列の第２のピンおよび一列の犠牲ピンを有している、ことを特徴とする請求項７記載の燃焼器。
【請求項１０】
各前記列の前記第２のピンが隣接する各列の前記第２のピンに対してずれており、各前記第１のピンアレイが複数の第１のピンの列を有しており、また前記第１のピンが前記第２のピンより小さな直径を有しており、および隣接する前記第２のピンの間の間隔が隣接する前記第１のピンの間の間隔よりも狭まっている、ことを特徴とする請求項９記載の燃焼器。
【請求項１１】
各前記前部遮熱パネルおよび前記後部遮熱パネルが複数の冷却チャンバを有しており、各前記内側および外側サポートシェルが前記冷却チャンバに冷却空気を供給するための複数のインピンジメント孔を有し、各前記冷却チャンバが対応する前記前部および後部遮熱パネルの一つの高温側部表面上に冷却空気の膜を形成するための複数の膜冷却孔を有する、ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項１２】
ガスタービンエンジン用の燃焼器に用いられる遮熱パネルであって、
高温側部および低温側部を有してなり、
前記高温側部および前記低温側部から延在する複数の冷却孔を有してなり、
前記パネルの前記低温側部に設けられた複数の内部レールを有してなり、
円周方向で前記レールに近接する前記冷却孔の第１のセットが斜め方向の冷却孔を有してなり、および
残りの前記冷却孔が平均燃焼器空気流れ方向に対して０度または９０度の方向を向いている、ことを特徴とする遮熱パネル。
【請求項１３】
ガスタービンエンジン用の燃焼器に用いられる遮熱パネルであって、
高温側部および低温側部を有してなり、
前記低温側部から前記高温側部に延在する複数の膜冷却孔を有してなり、
前記低温側部から延在し前記燃焼器のサポートシェルと組み合わされる端部壁および一対の側部壁を有してなり、前記端部壁および前記一対の側部壁が冷媒空気を前記複数の膜冷却孔を通して前記高温側部上に冷媒空気の膜を作るように方向付けし、および
前記パネルの縁部の近傍に設けられて、前記パネルの前記縁部を越えて流れる前記冷媒空気を調量するため、および前記冷媒空気を前記パネル縁部を越えて排出するための手段を有してなる、ことを特徴とする遮熱パネル。
【請求項１４】
前記流れ調量手段が少なくとも一列の離間したピンを有してなり、前記少なくとも一列の前記ピンの間の前記間隔が前記縁部を越える前記冷却空気の流量を決定し、および前記流れ調量手段が離間したピンの複数の列からなり且つ隣接する列の前記ピンがずれている、ことを特徴とする請求項１３記載の遮熱パネル。
【請求項１５】
前記流れ調量手段が複数の第１のピンアレイと複数の第２のピンアレイとを有してなり、前記第２のピンアレイの前記ピンが前記第１のピンアレイの前記ピンとは異なる大きさと間隔を有し、および前記第１のピンアレイが実質的に矩形のレールで囲まれている、ことを特徴とする請求項１３の遮熱パネル。
【請求項１６】
ガスタービンエンジン用の燃焼器に用いられる遮熱パネルであって、
前記遮熱パネルの低温側部に設けられた少なくとも１つのチャンバを有してなり、
前記遮熱パネルを貫通する第１のセットの冷却孔を有してなり、
前記遮熱パネルを貫通する第２のセットの冷却孔とを有してなり、前記第２のセットの冷却孔が前記第１のセットの冷却孔とは異なる角度的な方向を有する、ことを特徴とする遮熱パネル。
【請求項１７】
少なくとも１つの取付用ポストをさらに有してなり、前記少なくとも１つのチャンバがレールで仕切られており、前記第１のセットの冷却孔が冷却空気を前記レールに吹き付けるように方向付けされており、前記第１のセットの冷却孔が冷却空気を前記少なくとも１つの取付用ポストに吹き付けるように方向付けされており、ことを特徴とする請求項１６記載の遮熱パネル。
【請求項１８】
少なくとも１つの希釈孔をさらに有してなり、前記第１のセットの冷却孔が冷却空気を前記希釈孔に吹き付けるように方向付けされており、前記パネルが端部壁を有しており、前記第１のセットの冷却孔が前記端部壁に隣接して位置すると共に平均燃焼器空気流れ方向に関して９０度の方向に方向付けされている、ことを特徴とする請求項１６記載の遮熱パネル。
【請求項１９】
前記パネルの前記低温側部に設けられた複数のチャンバをさらに有してなり、各前記室が前記遮熱パネルを貫通する第１のセットの冷却孔と前記遮熱パネルを貫通する第２のセットの冷却孔とを有しており、および前記第１のセットの冷却孔が前記第２のセットの冷却孔とは異なる方向を有している、ことを特徴とする請求項１６記載の遮熱パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的にはガスタービンエンジン用の燃焼器に関し、特にガスタービンの二重壁式の燃焼器に用いられる遮熱パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの燃焼器は、一般的に、長期間にわたって高い熱負荷を受ける。これに伴う熱応力を軽減するために、燃焼器の壁を冷却することが知られている。冷却は燃焼器構成部品の使用可能時間を延ばし、これによってエンジン全体の信頼性が向上する。
【０００３】
冷却の一つの態様において、燃焼器は、複数の重なり合う壁セグメントを含んでもよく、各壁セグメントはその前端部が燃焼器の外部を通過する冷却空気を捕捉する位置になるように、順次配置される。前端部は冷却空気を壁セグメントの内側、あるいは高温側部に向けて偏向させ、これによりセグメントの内側に膜冷却（境膜冷却、フィルム冷却）が提供される。このような冷却構造の１つの欠点は、必要なハードウェアが多くの部品を含むことである。ガスタービンエンジンの部品数を減らすことは、コストの面だけでなく、安全性や信頼性の点からも大きな価値がある。特に、タービンや圧縮機のような内部部品はエンジンを通過する空気流により持ち込まれる異物によって損傷を受けやすい。
【０００４】
上記した冷却構造の他の欠点は、部品が多いことによってエンジンの全体重量が増えることである。重量はガスタービンエンジンの全ての部品において重要な設計要因であり、削れるところで重量を削って重量低減化を図ることは大きな利点がある。
【０００５】
他の冷却構造においては、特定の距離で隔てられた外側壁と内側壁を有する二重壁構造が用いられている。冷却用空気は外側壁の孔を通過した後さらに内側壁の孔を通過し、最終的に燃焼室に流入する。重なり合う壁セグメントの構造と比較して、二重壁構造の利点は、組み立てられた二重壁構造が構造的に強いということである。しかしながら、二重壁構造の欠点は、熱蓄積に対して十分に対策を取らなければならないことである。すなわち、燃焼器の熱負荷は不均一になりやすい。結果として燃焼器の異なる部分が異なる大きさの熱蓄積、応力および歪みを受けることになる。燃焼器の設計において不均一な熱蓄積、応力および歪みに対応していないと、燃焼器の使用可能時間つまり有効寿命に悪影響が生じる。
【０００６】
多くの燃焼器においては同様に、ベーンの頭部波（先頭波）によって燃焼器に損傷が生じるという問題がある。このベーン頭部波に対する対策を採らないと同様に燃焼器の寿命が短くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って本発明の目的は、有効ないし効果的な冷却を行えるガスタービンエンジン燃焼器用遮熱パネル（熱シールド用パネル）を提供することにある。
本発明の他の目的は、供用時間つまり耐用年数が長い、改良された燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の各目的は本発明によって達成される。
本発明の第１の態様によれば、ガスタービンエンジン用燃焼器に用いられる遮熱パネルまたはライナーが提供される。遮熱パネルは、概略的には、高温側部と低温側部とを有し、低温側部に複数の冷却チャンバを有している。各冷却チャンバは、冷媒を低温側部から高温側部へ流出させるための複数の膜冷却孔を有している。遮熱パネルの低温側部はまた、前部境界壁、後部境界壁、および前部境界壁と後部境界壁との間に延在する複数の内部レールを有している。複数の冷却用のチャンバつまり冷却チャンバ（冷却室）が、前部境界壁および後部境界壁と、側壁と、内部レールとにより形成される。低温側部はまた、複数の側部壁を有している。複数の冷却チャンバが前部および後部境界壁と、側部壁と、内部レールとで形成されている。
【０００９】
本明細書において説明される遮熱パネルは、前部遮熱パネルと後部遮熱パネルである。前部遮熱パネルの第１の実施形態において、前部壁は、前部壁セグメントで形成される。前部遮熱パネルの第２の実施形態において、前部壁は、パネルの縁部を越えて流れる冷却空気流を調量つまり計量するための手段で形成される。調量手段は、好ましくは、間隔を置いた（離間した）複数のピンによって形成される。後部遮熱パネルの第１の実施形態において、後部境界は後部壁で形成される。後部遮熱パネルの第２の実施形態において、後部境界はパネルの縁部を越えて流れる冷却空気流を調量つまり計量するための手段で形成される。調量手段は、好ましくは、複数のピンのアレイ（行列ないし配列）を有してなる。
【００１０】
本発明はまた、ガスタービンエンジン用燃焼器に関する。この燃焼器は、概略的には、外側サポートシェル（外側支持シェル）および内側サポートシェル（内側支持シェル）を有し、これらシェルは一緒に燃焼室を形成する。燃焼器はさらに、内側サポートシェルおよび外側サポートシェルに取り付けられた前部遮熱パネルの列（アレイ）と、内側サポートシェルおよび外側サポートシェルに取り付けられた後部遮熱パネルの列（アレイ）とを有している。前部遮熱パネルはそれぞれ、空気を燃焼室に通過させるための複数の希釈孔を有している。後部遮熱パネルはそれぞれ複数のレールを有している。各後部遮熱パネルは隣接する前部遮熱パネルに関してオフセットつまりずれており、これにより、各レールは希釈孔の１つと整列されている。
【００１１】
本発明のさらに他の実施例によれば、遮熱パネルは少なくとも１つの室と、遮熱パネルを通過する冷却孔の第１のセットと、遮熱パネルを通過する冷却孔の第２のセットとを有している。冷却孔の第１のセットは、冷却孔の第２のセットとは異なる方向を有している。
【００１２】
本発明のガスタービン用燃焼器のその他の詳細、及びその他の目的並びにそれに伴う利点は、以下の詳細な説明および添付図面に示されている。添付図面において、類似の参照符号は類似の要素を表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１を参照して、ガスタービンエンジン用の燃焼器１０は、半径方向外側のサポートシェル１２と、半径方向内側のサポートシェル１４とを有している。サポートシェル１２および１４は環状の燃焼室１６を画定ないし規定している。燃焼室は、燃焼室において空気が平均的に流れる方向である、平均燃焼室空気流れ方向Ｍを有している。
【００１４】
遮熱パネルないしライナーは、内側および外側サポートシェル１４および１２の高温側部を覆っている。前部遮熱パネル１８のアレイおよび後部遮熱パネル２０のアレイが外側サポートシェル１２の高温側部を覆っており、また前部遮熱パネル２２のアレイおよび後部遮熱パネル２４のアレイが内側サポートシェル１４の高温側部を覆っている。ナット２６およびボルト２８が、各遮熱パネル１８、２０、２２、および２４を、対応する内側および外側のサポートシェル１４および１２に結合するために使用される。
【００１５】
図２に示した通り、インピンジメント冷却孔３０は、各内側および外側サポートシェル１４および１２を貫通しており、空気などの冷媒を内側および外側サポートシェル１４および１２、および対応する遮熱パネル１８、２０、２２、および２４の間の空間に導入する。膜冷却孔３２は、各遮熱パネル１８、２０、２２、および２４を貫通しており、冷却空気をパネルの低温側部３１からパネルの高温側部３３に通過させ、これにより、各パネルの高温側部３３の上面に冷却空気膜の生成が促進される。図３において、前部外側遮熱パネル１８の冷却孔３２を通過する冷却空気流の大部分が第１の流れ方向Ａを有するのに対し、前部内側遮熱パネル２２の冷却孔３２を通過する冷却空気流の大部分は第２の流れ方向Ｂを有しており、この流れ方向は第１の流れ方向Ａとは異なることが示されている。
【００１６】
次に図４を参照して、各前部パネル１８および２２の低温側部には、パネルの後縁部３８の近傍に円周方向に配置された主希釈孔３４および副希釈孔３６がある。隆起したリム４０が各主希釈孔３４を囲繞ないし取り囲んでおり、隆起したリム４２が各副希釈孔３６を囲繞ないし取り囲んでいる。完全に組み立てられた燃焼器において、対向ないし向かい合うパネルの主希釈孔３４および副希釈孔３６は、半径方向で互いに対向ないし向かい合っている。
【００１７】
各前部遮熱パネル１８および２２はさらに、前部壁セグメント４４、側部壁セグメント４６、および後部壁セグメント４８により形成される周辺部境界壁４３を有している。これらのセグメントで形成される周辺部境界壁４３は、半径方向に延在ないし伸びてサポートシェル１２または１４と接触する。各前部遮熱パネル１８および２２は、好ましくは約４０度の円弧をなす。
【００１８】
図４から明らかなように、各遮熱パネル１８および２２は複数の内部レールないしリブ５０を含んでおり、これは軸方向に前部周辺部壁セグメント４４から後部周辺部壁セグメント４８に延在ないし伸びている。通常は、各レール５０と整列される２つの取付用ポスト５２と、各側部周辺部壁セグメント４６に隣接して位置する２つの追加の取付用ポスト５４が備えられる。レール５０は周辺部壁セグメント４４、４６、４８と同じ半径方向の高さを有している。レール５０は周辺部壁セグメント４４、４６、４８と共に、複数の円周方向に並ぶ独立の冷却チャンバ５６を画定ないし規定している。またレール５０は前部遮熱パネル１８および２２に構造的支持を提供する。
【００１９】
独立の冷却チャンバ５６を形成することは、冷却チャンバ５６がパネル１８および２２の全面にわたって均一な冷却空気の分布を与える点において有利である。即ち、軸方向の内部レール５０、および周辺部壁セグメント４４、４６、および４８で形成される各パネルセクションに別れていることで、最適な圧力降下が保たれる。この圧力降下によって冷却空気がそれぞれの遮熱パネル１８および２２の各セクションの膜冷却孔３２に押し込まれ、このため、それぞれの遮熱パネル１８および２２が、膜冷却孔３２による熱伝達および均一な膜流によって最適に冷却される。
【００２０】
仮に遮熱パネルがパネルの他の部分に較べて広い開放された部分のある領域を有する場合、この部分は流れに対する抵抗が小さいので、突破口すなわち吹き抜けが生じて冷媒が優先的にこの広い部分を通って流れる。この場合はこの部分から遠い膜冷却孔は冷媒が不足し、また空洞中で広い開放された部分に向かって流れる空気の交差流が、その軌跡において衝突噴流とぶつかってその冷却効果を低減させてしまう。この２つの現象の組み合わせによってパネルの金属温度の上昇が起こる。この問題は本発明の前部遮熱パネル１８および２２、および独立の冷却チャンバ５６の形成によって回避される。もし遮熱パネル１８および２２の一つで大きな吹き抜けが起こっても、金属温度の上昇は吹き抜けが生じている当該の冷却チャンバ５６に限定され、他の冷却チャンバ５６は設計温度で作動するので、遮熱パネル全体は安全にその位置に留まる。上記の説明からわかるように、前部遮熱パネルに本発明のような独立ないし別々の冷却チャンバ５６が備わっていない場合、遮熱パネルの広い部分のどこかで温度上昇が起こり、それが遮熱パネル全体に拡大する。このような状況では、取付用ポストが失われたときにパネルまたはその一部が外れることは避けられない。タービンモジュールが破裂または焼損によって損傷した場合、エンジン発火の危険性が高い。独立の冷却チャンバ５６を有する前部遮熱パネル１８および２２ではこの問題は避けられる。
【００２１】
次に図６を参照して、各々の前部遮熱パネル１８および２２には特に重要な２つの領域がある。すなわち希釈孔３４の前側の領域８２、および希釈孔３４の近傍の領域８４である。前側の領域８２の冷却孔３２は、図３に示したように、燃焼ガスの局所的旋回方向と一致する方向を有している。前部外側遮熱パネル１８の近傍における一般的な旋回方向は、前部内側遮熱パネル２２の近傍における旋回方向と反対である。各燃料噴射器（フューエルインジェクター）８６および各燃料噴射器ガイド（フューエルインジェクターガイド）８８から流出する気流が、旋回方向を決定する。従って、次の段落において注記する場所以外は、外側前部遮熱パネル１８の膜冷却孔３２は全て円周方向に対して正の方向に傾いた方向（つまり円周方向に対して正の傾きを有する方向）を有し、内側前部遮熱パネル２２の膜冷却孔３２はすべて円周方向に対して負の方向に傾いた方向（つまり円周方向に対して負の傾きを有する方向、）を有する。これは図３から明らかである。任意のパネル１８または２２の膜冷却孔３２は、後部遮熱パネル２０および２４の場合と異なり、冷却チャンバ中心線のどちら側においても正の方向と負の方向の混合を有していない。
【００２２】
遮熱パネル１８および２２について上述した冷却孔の方向の一つの例外は、軸方向に伸びるレール５０および取付用ポスト５２の近傍で生じる。図６および図７に示されるように、各レール５０の両側の冷却孔３２の方向は対応するレール５０の方に向かっている。また、各取付用ポスト５２の近傍の冷却孔３２は冷却空気が取付用ポスト５２に向かって流れるような方向が付けられている。冷却孔３２は局所的に逆向きになっており、これにより膜冷却空気はレール５０およびポスト５２のフットプリント（これら部材が占める面積や形状）に向かうように、またそれを越えるように方向付け（指向）される。これはレールおよびポストのフットプリントの冷却を良くするためである。
【００２３】
図６および図７に示した通り、希釈孔３４の近傍では、膜冷却孔３２の密度、および図２に示される衝突冷却孔３０の密度が、領域８２と比較して増加されている。また、各希釈孔３４の近傍では、冷却孔３２は、対応する希釈孔３４の方に向けられている。これは、インジェクター８６からのスプレー円錐およびそれが同伴する高温ガスがその直径を増して遮熱パネル１８および２２に吹き付ける領域において、パネルからの熱除去を増加させるためである。加えて、燃料噴射器からの気流と希釈噴流との相互作用によって希釈孔のまわりで高速、高乱流度の流れと渦が生じ、これが膜冷却の効果を低減させる。この２つの要因がどちらもパネル上の局所的な熱負荷を増加させる。従って、パネルを適切に冷却するために、インピンジメント冷却孔および膜冷却孔３０および３２からのより多くの冷却空気が必要になる。図７から明らかなように、希釈孔３４の近傍では膜冷却孔３２はファンのような形に配置されている。このように遮熱パネル１８または２２のその他の部分の膜冷却孔３２の方向から偏向させることで、希釈孔３４または３６の隆起したリム４０および４２のフットプリント上に膜冷却空気を直接に噴射することが可能になる。もし遮熱パネルの前部領域の膜冷却孔の方向を一方向に揃えるならば、希釈孔３４または３６の隆起したリムのフットプリント４０または４２の半分は冷却膜が得られない。上述のようにパネルのこの領域は熱負荷が高いので、冷却されないパネルの部分があることは極めて望ましくない。
【００２４】
次に図５を参照して、各後部遮熱パネル２０および２４はその低温側部に、前部壁セグメント５８と側部壁セグメント６０とで形成される周辺部境界壁を有している。各々の遮熱パネル２０および２４はまた、一方の側部壁セグメント６０から反対側の側部壁セグメント６０に延在する後部レール６２と、前部壁セグメント５８と後部レール６２の間に延在する複数の内部レール６４を有している。２つの取付用ポスト６６は通常、各々の内部レール６４と整列しており、２つの取付用ポスト６８が各々の側部壁セグメント６０に隣接して位置している。前部遮熱パネルの場合と同様に、周辺部壁セグメント５８および６０、後部レール６２、および内部レール６４は複数の円周方向に並ぶ独立の冷却チャンバ７０を画定ないし規定する。
【００２５】
図６および図９から明らかなように、各々の後部遮熱パネル２０、２４は対応する隣接の前部遮熱パネル１８、２２に関して、各々の内部レール６４が円周方向で主希釈孔３４と整列するように配置される。より基本的には、レール６４は半径方向で対向するライナーパネルの主希釈孔３４、従って主希釈孔３４から導入される主希釈空気の噴流とは円周方向にずらされている。
【００２６】
図６に示された、このような配列の利点は、各レール６４および各取付用ポスト６６のフットプリントが本質的に冷却困難であることから生じる。これらのフットプリントの冷却が困難であることは２つの理由による。第１にレール６４およびポスト６６は上記のように独立の冷却チャンバ７０を規定するためにサポートシェル１２、１４と接触しているので、これらに対して冷却空気を効果的に衝突させることができない。第２に、レール６４とポスト６６は円周方向にかなりの距離を占めるので、これらにまったく近接して位置し、フットプリントに向かって冷却膜を放出するように方向付けないし指向された膜冷却孔を用いても、フットプリント上に効果的な冷却膜を形成することは困難である。もしフットプリントが半径方向で対向する遮熱パネルの主希釈孔３４と整列するならば、このようなフットプリントの効果的な冷却の困難性がますます増加する。これは、主希釈噴流は円環を横切って侵入して半径方向で対向する遮熱パネルを掃気するからである。この掃気効果によって半径方向で対向する遮熱パネル上の冷却膜の冷却効果が低下したり、あるいはさらに半径方向で対向する遮熱パネル上の冷却膜がまったく吹き払われて、遮熱パネルが希釈噴流の高温の化学量論的剪断層に対して露出されてしまう可能性がある。これに対して副希釈孔３６から流出する副希釈噴流は円環を完全に横切っては侵入しない。よって、レールのフットプリントを、従って取付用ポスト６６を半径方向で対向する副希釈孔３６に整列させ、あるいは少なくともフットプリントを主希釈孔３４と整列させないことは、有利である。
【００２７】
図６および図８に示したように、各後部遮熱パネル２０および２４は、各冷却チャンバ７０の近傍に、軸方向に延在ないし伸びるジグザグ状（千鳥形）の線つまりジグザグ線７２を有しており、これは円周方向で内部レール６４および／または各冷却チャンバ７０の側部境界を形成する側部壁セグメント６０の中間に位置する。各ジグザグ線７２の両側の膜冷却孔３２は斜めの方向を向いており、かくして膜冷却孔３２から流出する冷却膜はジグザグ線７２の同じ側のレールまたは壁セグメントのフットプリントに向かうような円周方向の方向成分を有する。すなわち各ジグザグ線７２の側７４の孔３２は正の方向を有し、ジグザグ線７２の他の側７６の孔３２は負の方向を有する。結果として生じる円周方向の方向成分によって冷却膜がレールおよび取付用ポストのフットプリント上を流れ、レールおよびポストの冷却を助ける。ジグザグ線７２は膜冷却孔の方向変化が冷却孔３２の列ごとに円周方向に数度ずつ異なることによって定義される。こうすることで、冷却膜の被覆を持たない部分の面積が最小限度に抑えられる。もし膜冷却孔３２の各列中の円周方向同位置、例えば各冷却チャンバ７０の中心線の位置における膜冷却孔方向の変化を一定にするならば、パネル上に冷却膜の被覆を持たない明瞭な軸方向の帯が生じるであろう。これがこの部分の金属温度をフルライフ用燃焼器に要求されるレベル以上に上昇させることが実証されている。遮熱パネル２０、２４において膜冷却孔３２に正および負の方向を与えることのもう１つの利点は、それが後部遮熱パネル２０および２４の直前で燃焼室１６に入る主希釈噴流の下流側の膜を保存するのに寄与することである。伴流渦または旋風に似た渦が横から流れに入る噴流の下流に生じる。このような渦は壁から出ていく噴流が壁から離れた後に、交差流との境界層に発生する。希釈空気噴流の周囲および後部に注入された冷却膜は、これらの伴流渦の一部となってパネル表面から剥ぎ取られる。冷却膜が剥ぎ取られた部分は、冷却膜が提供するべき高温燃焼ガスに対する保護が欠如するために、金属温度の上昇が起こる。後部遮熱パネル２０および２４の希釈噴流以降の膜冷却孔３２の円周方向に対する方向によってこれらの伴流渦が強化され、あるいは除去される。膜冷却孔が円周方向に対してエンジン中心線に関して傾いている場合は、希釈噴流のすぐ下流でパネル温度が高くなり、さらにその下流で金属温度の高い部分が斑状に生じる。この斑状が円周方向に対する膜冷却孔の方向に従うという事実は、噴流の両側の伴流渦が表面から冷却膜を剥ぎ取ると同時に膜冷却孔の方向と同じ回転方向を有することを示している。これに対して、本発明の膜冷却孔のように、膜冷却孔３２が希釈噴流以降で円周方向に対して希釈の対称平面７８に向かって傾いている場合は、金属温度の上昇は起こらず、希釈噴流の下流での膜冷却効果に対する影響もない。横方向の噴流以降で冷却膜を反対向きの斜め方向に注入することは、伴流渦の形成を防止する。
【００２８】
各後部遮熱パネル２０、２４には、膜冷却孔３２が上述のように円周方向に対して傾いていない唯一の局所的領域がある。上流側の周辺部壁セグメント５８の近傍の孔３２は９０度の方向を向いており、従ってこれらの孔からは冷却膜が円周方向に流出する。これには２つの理由がある。第１に膜冷却孔はパネルの低温側部からではなく高温側部から衝撃穿孔される。このような穿孔方向は、図１０に示されるようにラッパ型の孔３２’を与えるので好ましい。ラッパ型の孔３２’はパネル２０、２４の低温側部３１に比較的小さな直径を有しており、パネル２０、２４の高温側部３３に比較的大きな直径を有している。このように高温側部３３が比較的大きな直径を有することは、これによって冷却膜が高温側部の表面に吸着して拡散し、燃焼室１６の内部に侵入しないので望ましい。９０度の方向はまた、孔３２’を形成する過程でのパネルへの構造的損傷を避けるのにも役立つ。第２に９０度の角度とすることで、連続する孔列の間の軸方向の距離を比較的小さくし、かつ最初の列を周辺部壁セグメント５８に極めて近接して位置させることができる。このことがまた、冷却膜がまだ形成されておらず、レール上の衝突冷却も不可能な、パネル２０および２４のこの重要な領域において、熱伝導による熱除去を増加させる。
【００２９】
パネル２０および２４の別の実施形態において、斜め方向の膜冷却孔３２は円周方向でレール６４に近接する孔に限定されてもよい。この混合型の実施形態においては、残りの膜冷却孔３２、即ち冷却チャンバ７０の中心線に近い膜冷却孔の方向は０度、即ち平均燃焼器空気流れ方向Ｍに平行とされるか、または９０度、すなわち平均燃焼器空気流れ方向Ｍに直角とされる。上述の全面的な斜め方向を含めて、これらの実施形態のどれを選択するかは、外部の燃焼器気流の局所的および平均的な速度および乱流度、衝突冷却孔および膜冷却孔の密度すなわち連続する孔の間の円周方向および軸方向間隔、およびパネル形状に大きく依存している。後部遮熱パネル２０、２４においては、孔密度は他の実施形態と同じとして、０度方向が他の方向すなわち９０度および全面的な斜め方向と比較して最も低い金属温度をもたらす場合がある。しかしながら後部遮熱パネル２０、２４において全面的な斜め方向が０度および９０度方向より有利な場合もある。
【００３０】
次に図１１および図１２を参照して、前部遮熱パネル１８’および２２’の別の実施形態が図示されている。図１１から明らかなように、パネル１８’は境界壁を有し、これは側部周辺部壁セグメント４６’および後部または後側周辺部壁セグメント４８’を含んでいる。周辺部壁セグメント４８’は半径方向に延在し、正しく置かれたときはサポートシェル１２と接触する。これはパネル１８’の低温側部に衝突する冷却空気をパネルの膜冷却孔３２’の方へ流れさせ、且つそれを通って流出させるのに役立つ。壁セグメント４６’および４８’がサポートシェル１２と接触することは、空気が膜冷却孔３２’をバイパスしてパネル１８’から流出するような漏洩通路をなくするのに役立つ。もし冷却空気が孔３２’をバイパスすれば、パネルの金属温度は疑いなく上昇する。この上昇はパネル孔による熱除去の欠如と、パネル孔３２’から流出する空気によって形成されてパネル１８’の高温側部を覆う空気膜による保護の欠如による。これに加えて、パネルの膜冷却孔３２’を通過した冷却空気はパネル表面の近傍に留まらず燃焼室１６の中央部に向かって自由流出し易くなる。この空気はリッチ燃焼ゾーンの燃料分に富む混合気中で燃焼し、従ってパネル１８’に吹き付ける局所的なガス温度を上昇させると共に、汚染物質の生成を増加させる。
【００３１】
図１１から明らかなように、パネル１８’はまた複数の内部レール５０’を有しており、これはパネル１８’の低温側部を複数の冷却チャンバ５６’に分割している。複数の取付用ポスト５２’は、通常、内部レール５０’と整列している。また複数の取付用ポスト５４’が側部周辺部壁セグメント４６’の近傍に位置する。上述と同様に、パネル１８’はそれぞれ隆起したリム４０’に囲まれた複数の主希釈孔３４’と、それぞれ隆起したリム４２’に囲まれた複数の副希釈孔３６’を有している。
【００３２】
パネル１８’は、前部周辺部壁セグメント４４の代わりにパネル縁部を越えて流れる空気流を調量する手段を有する点において、パネル１８と異なる。この調量手段は、好ましくは、円形のピン９０のアレイとして形成される。図１１から明らかなように、円形のピン９０は複数の列をなしており、１つの列のピン９０は隣接する列のピン９０とはずれている。ピン９０はパネル１８’を離れる冷却空気を調量する。この空気はパネル１８’の前縁部９２の冷却に利用されると同時に、バルクヘッドセグメント９４の外側および内側の縁部およびリップの冷却に利用される。ピン９０の間隔は所望の冷却効果、および縁部９２を越えて流れる冷却空気の所望の流量が得られるような任意の間隔でよい。ピン９０の前列は前縁部９２の近傍に位置するように示されているが、ピン９０の前列は必要に応じて前縁部９２から引っ込んで、あるいは離間つまり距離を置いていてもよい。ピン９０の高さは、パネル１８’が正しく置かれたときにピンの頭がサポートシェル１２と接触するような高さである。
【００３３】
サポートシェル１２に取り付けられるパネル１８’のうち１枚は、イグナイタ（点火装置：図示せず）を受け入れる１つまたは２つ以上の開口部９６を有してもよい。
【００３４】
次に図１２を参照して、内側サポートシェル１４に装着される前部遮熱パネル２２’の別の実施形態が図示されている。上述と同様に、パネル２２’は側部壁レールセグメント４６’および後部周辺部壁４８’からなる境界、それぞれ隆起したリム４０’に囲まれた複数の主希釈孔３４’、それぞれ隆起したリム４２’に囲まれた複数の副希釈孔３６’、内部レール５０’、および複数の独立の冷却チャンバ５６’を有している。取付用ポスト５２’は、通常は、内部レール５０’と整列しており、取付用ポスト５４’は側部壁セグメント４６’に近接または隣接して位置している。後部壁４８’は冷却空気が膜冷却孔３２’を通って流れ、かつパネル２２’の前縁部９８に向かうように案内するのに役立つ。
【００３５】
パネル２２’もまた、前部周辺部壁４４の代わりにパネルの前縁部９８を越えて流れる冷却空気流を調量する手段を有する。この調量手段は好ましくは円形のピン１００の複数の列からなり、好ましくは２列のピンからなる。図１２から分かるように、一つの列のピン１００は隣接する列のピン１００とずれている。上述と同様に、ピン１００の間隔は前縁部９８を越えてバルクヘッドセグメント９４へ流れる所望の冷却空気流量が得られるような任意の間隔でよい。ピン１００の前列は前縁部９８の近傍に位置するように示されているが、ピン１００の前列は必要に応じて前縁部９８から引っ込んで、あるいは距離を置いていてもよい。ピン１００の高さはパネル２２’が装着されたときにピン１００がサポートシェル１４に接触するのに十分な高さである。
【００３６】
パネル１８’とパネル２２’のいずれにおいても、パネルの前縁部からの熱除去を与える２つの機構は低温側部におけるピンからの熱伝達、および冷却空気が絞られてパネルの高温側部表面に方向付けされるときに生じる膜層による高温ガスからの保護である。図１１および図１２には図示されないが、パネル１８’およびパネル２２’はいずれも図６に関連して図示および説明したような冷却孔３２の形状を備えている。
【００３７】
図１に示されるように、外側及び内側サポートシェル１２および１４はエンジンタービン段階のステーターベーン１０２の第一列に結合されている。ステーターベーン１０２は先頭波を発生し、これは燃焼器に損傷を与えてその供用時間を縮める恐れがある。パネル２０’および２４’は先頭波による損傷の問題を回避するのに役立つ。
【００３８】
次に図１３および図１４を参照して、各々のパネル２０’および２４’は少なくとも部分的に前部レール５８’および側部レール６０’で規定ないし画定される境界を有している。レール５８’および６０’は、パネル２０’および２４’が装着されたときに対応するサポートシェル１２または１４と接触し、これにより冷却空気を膜冷却孔３２を通して押し出し、またパネル２０’または２４’のそれぞれの後縁部１０６に向かって押しやる働きをする。パネル２０’および２４’はまた複数の内部レール６４’を有し、これは低温側部に複数の冷却チャンバ７０’を形成する。複数の取付用ポスト６６’が通常、各内部レール６４’と整列しており、また複数の取付用ポスト６８’が側部レール６０’に近接あるいは隣接して位置している。
【００３９】
各パネル２０’および２４’はもはや後部レール６２を有していない。その代わりに、各パネル２０’および２４’は、対応するパネル２０’および２４’の後縁部１０６を越えて流れる冷却空気流を調量する手段を有している。この調量手段は、対応するパネル２０’および２４’の後縁部１０６の近傍の円形のピンのアレイ１０４を含んでいる。各々のアレイ１０４の円形のピンは、パネル２０’および２４’が装着されたときに、対応するサポートシェル１２または１４まで延在する。
【００４０】
ピンアレイ１０４は複数の第１のアレイセクション１０８を含んでいる。図１３および図１４から明らかなように、各セクション１０８はピン１１２の複数の列を含み、隣接する列のピン１１２は互い違いになっている。また各セクション１０８は実質的に矩形のレール１１４で囲まれている。各セクション１０８は、第１列のタービンステーターベーン１０２の前縁部１１６と整列している。
【００４１】
レール１１４とピン１１２の緩いアレイとで作り出される別個の空所が、ベーンプラットフォーム（図示せず）およびパネル後縁部１０６への冷却空気の供給を確保する。各タービンベーン１０２上の空気流の結果として前縁部１１６上に渦流構造が発生する。この渦が各ベーン１０２の全翼長にわたってベーンの吸引側および圧力側を包み込む。ベーンプラットフォームでは、この渦が後部遮熱パネル２０’および２４’からの低温側冷却空気および冷却膜と相互作用して強い２次気流系を発生する。発生した高圧の渦が、低温側部からの冷却空気の安定した流れを妨げ、燃焼室出口の翼長中間領域からの高温ガスをもたらす。上述のような流れ挙動の故に、ベーンの前縁部１１６に向かう冷却空気の流量を増加して渦流構造を洗い流し、高温ガスの領域をなくすることが必要になる。この流量増加はパネル後縁部１０６上の流れをレール１１４で分離することによって局所的に達成される。
【００４２】
円周方向でベーン１０２とずれている領域では、調量手段は比較的密なピンアレイ１１８からなり、これは冷却空気の低い流量を意味する。ピンアレイ１１８はこの領域を設計金属温度以下に保ち、かつ膜冷却孔３２からの適量の冷却空気流を保証するために設けられる。図１３および図１４からわかるように、各ピンアレイ１１８はピン１１２よりも直径の大きなピン１２０の互い違いになった複数の列からなる。さらに、隣接するピン１２０の間の間隔は隣接するピン１１２の間の間隔より小さい。必要に応じて、ピン１２０よりも小さな直径を有するピン１２２の１列が、焼損が起こった場合に犠牲になる部分、つまり犠牲ピンとして含まれてもよい。なぜなら焼損によってピン１２０の１列を失うのは望ましくないからである。このような損失はこの領域の流れ抵抗を大幅に低下させ、したがってパネルの膜冷却孔３２に、必要な冷却空気の供給不足を起こさせる。ピン１２２は好ましくは隣接する列のピン１２０と互い違いになっている。
【００４３】
また、ピンアレイ１０８および１１８はそれぞれその終わりの列１２４および１２６がそれぞれパネル２０’、２４’の後縁部１０６の近傍にあるものとして示されているが、終わりの列１２４および１２６は後縁部１０６から距離を置いて、あるいは引っ込んでいてもよい。
【００４４】
パネル１８’および２２’上のピンアレイはパネル冷却空気の一部を３回にわたってパネルからの熱伝達に利用する事を可能にする。すなわち冷媒は９０度の角度でパネルに衝突し、ピンを通過するときにパネルから熱伝達し、パネルの高温側部で膜を形成して熱がパネル内部に達するのを防ぐ。パネル２０’および２４’の後端部のピンアレイも同様の働きをするが、それに加えてタービンステーターベーンのプラットフォーム上に膜を形成してこれを保護する。さらにパネル２０’および２４’の、ベーン先頭波による燃焼器の損傷を防ぐための部分はベーンに向かって角度をつけられた緩い冷却ピンアレイを有する。これによって空気は先頭波に対抗してより高い全圧を維持できる。
【００４５】
次に図１５を参照して、後部遮熱パネル２０”、２４”のもう１つの実施形態が示されている。この実施形態では、パネル２０”、２４”は側部壁１６０”、前部壁１５８”、および複数の室１７０”を画定する複数の内部レール１６４”を有している。パネル２０”、２４”は、複数の流れ調量セグメント１７４”を有する後部壁１７２”を有している。流れ調量セグメント１７４”は互い違いのピン１７６”のアレイで形成される。各パネル２０”、２４”はパネルの後縁部１８２”に近接して、あるいはそれから引っ込んで、互い違いのピン１８０”のアレイを有する。ピン１８０”はまたパネル後縁部１８２”を越えて流れる冷却空気流を調量する手段としても機能する。ピン１８０”は互い違いのピンの列として配置されてもよい。ピン１７６”およびピン１８０”の間の間隔が後縁部１８２”を越えて流れる冷却空気の流量を決定する。パネル２０”、２４”はまた、通常は各レール１６４”と整列する一対の取付用ポスト１６６”と、側部壁１６０”の近傍に位置する一対の取付用ポスト１６８”を有する。図１５に示されていないが、各パネル２０”、２４”は第１の所望の方向、例えば平均燃焼器空気流れ方向Ｍ、を有する第一のセットの冷却孔と、ポスト１６８”および１６６”、レール１６４”、および壁１６０”、１５８”および１６４”の近傍の追加のセットの冷却孔を有する。ポスト１６６”および１６８”の近傍の追加のセットの冷却孔はファン状に配置され、且つポスト１６６”および１６８”の方に向けられている。壁１６０”および１５８”、およびレール１５８”の近傍の冷却孔は好ましくは壁１６０”および１５８”、およびレール１５８”の方に向けられており、これらの部分に冷却空気を提供する。
【００４６】
図１６はガスタービンエンジンの燃焼器に用いられる後部遮熱パネル３２０の別の実施形態を示しており、これは外側後部遮熱パネルとしても、内側後部遮熱パネルとしても用いられる。パネル３２０は前部レール３２２、側部レール３２４、内部レール３２５、および後部レール３２６を有し、これらが複数の室３２７を形成している。領域３２８の冷却孔３２は真後ろ向きの孔であり、側部レール３２４がレール３２２および３２６とぶつかる場所の近傍の冷却孔はレールに向かって角度がつけられている。また、内部レール３２５および取付用ポスト３３０および３３２の近傍の冷却孔はそれぞれ内部レール３２５および取付用ポスト３３０および３３２に向かって角度がつけられている。パネル３２０はまたパネル縁部３３６を越えて流れる冷却空気流を調量するための複数列のピン３３４を有する。前述と同様にピン３３４の列は互い違いになっている。ピン３３４の直径と間隔が冷却空気の流量を決定する。必要に応じてレール３３８がピン３３４を囲んで設けられてもよい。
【００４７】
図１７には、内側および外側後部遮熱パネルとして使用される遮熱パネル３２０’のもう１つの実施形態が示されている。パネル３２０’は領域３２８の冷却孔３２が平均燃焼器空気流れ方向Ｍに対して９０度の方向に向けられている以外はパネル３２０と同様である。
【００４８】
以上の説明から、上述した目的、手段、および利点を完全に満足する、ガスタービンエンジン燃焼器用遮熱パネルが提供されることは明らかである。なお、以上の説明においては本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、上記説明から当業者には他の代替、変更、および変形が明らである。従って、添付の特許請求の範囲はこれらの代替、変更、および変形を包含するように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ガスタービンエンジン用燃焼器の断面図である。
【図２】図１の燃焼器におけるシェルおよび遮熱パネルライナーの部分図である。
【図３】図１の２Ａ−２Ａ線で切断した燃焼器の断面図である。
【図４】図１の燃焼器に用いられる各前部遮熱パネルの低温側部の上面図である。
【図５】後部遮熱パネルの低温側部を示した説明図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、燃焼器における隣接する前部遮熱パネル、後部遮熱パネルの配置を示した説明図である。
【図７】前部遮熱パネルの一部の拡大図である。
【図８】後部遮熱パネルの一部の拡大図である。
【図９】前部遮熱パネルと後部遮熱パネルの配列の概略を示した説明図である。
【図１０】本発明の遮熱パネルに用いられる膜冷却孔を示した断面図である。
【図１１】外側前部遮熱パネルの別の実施例を示した説明図である。
【図１２】内側前部遮熱パネルの別の実施例を示した説明図である。
【図１３】外側後部遮熱パネルの別の実施例を示した説明図である。
【図１４】内側後部遮熱パネルの別の実施例を示した説明図である。
【図１５】前部遮熱パネルのさらに別の実施例を示した説明図である。
【図１６】後部遮熱パネルの他の別の実施例を示した説明図である。
【図１７】後部遮熱パネルの他の別の実施例を示した説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１２    サポートシェル
１４    サポートシェル
１８    前部遮熱パネル
２０    後部遮熱パネル
２２    前部遮熱パネル
２４    後部遮熱パネル
３４    主希釈孔
３６    副希釈孔
３８    後縁部
４３    周辺部境界壁
４４    前部壁セグメント
４６    側部壁セグメント
４８    後部壁セグメント
５０    内部レール
５２    取付用ポスト
５４    取付用ポスト
５６    冷却チャンバ
５８    前部壁セグメント
６０    側部壁セグメント
６２    後部レール
６４    内部レール
６６    取付用ポスト
６８    取付用ポスト
７０    冷却チャンバ
【図１】
2006292362.tif 000003
【図２】
2006292362.tif 000004
【図３】
2006292362.tif 000005
【図４】
2006292362.tif 000006
【図５】
2006292362.tif 000007
【図６】
2006292362.tif 000008
【図７】
2006292362.tif 000009
【図８】
2006292362.tif 000010
【図９】
2006292362.tif 000011
【図１０】
2006292362.tif 000012
【図１１】
2006292362.tif 000013
【図１２】
2006292362.tif 000014
【図１３】
2006292362.tif 000015
【図１４】
2006292362.tif 000016
【図１５】
2006292362.tif 000017
【図１６】
2006292362.tif 000018
【図１７】
2006292362.tif 000019