(57)【要約】【課題】  本発明は、燃焼セクション（１２）とタービンの空気吐出セクション（１４）との間の移行領域（１６）内に取付けられたライナ（１８）を提供する。【解決手段】  本ライナは、該ライナ内に空気を導入するための空気入口（２６）とそれによって空気が該ライナから排出される空気出口（２８）とを有する。ライナを通る空気の流れは、タービンの燃焼及び空気吐出セクション間の移行領域を通って流れる空気を冷却するように作用して、燃焼反応により発生した高温ガス温度によるライナメタル温度を有効部品寿命に合わせたメタル温度まで低下させるようにする。本ライナは、その中に形成されて該ライナを通して空気を流すようになった複数の軸方向チャネル（Ｃ）を有する。チャネルの断面積は、各チャネルの長さに沿ってチャネルの空気入口からその空気出口まで一様に減少する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼セクション（１２）と空気吐出セクション（１４）との間の移行領域（１６）内に取付けられるようになったライナ（１８）であって、
該ライナの後方端部の一部分にわたって互いに平行に延び、その各々の断面積がその長さに沿って変化する複数の軸方向チャネル（Ｃ）と、
各チャネル内に空気を導入するための空気入口（２６）とそれによって空気が該ライナから排出される空気出口（２８）と、
を含み、
前記チャネルを通る空気の流れが、エンジンの燃焼及び空気吐出セクション間の移行領域を冷却する働きをする、
ライナ。
【請求項２】
各チャネルの断面積が、該ライナの長さに沿って該ライナの空気入口端部から空気出口端部まで一様に減少している、請求項１記載のライナ。
【請求項３】
前記チャネルの高さが、該ライナの長さに沿って該ライナの空気入口端部から空気出口端部まで一様に減少し、それによって該ライナの後方端部に発生する熱歪みを低下させて該ライナの有効寿命を延ばすようにしかつ前記移行領域における所望のレベルの冷却を行うために該ライナを通して流す必要がある空気の量を低減する、請求項２記載のライナ。
【請求項４】
前記チャネルの高さが、該ライナの空気入口端部から空気出口端部まで実質的に減少している、請求項３記載のライナ。
【請求項５】
前記チャネルの高さが、該ライナの空気入口端部から空気出口端部まで少なくとも４０％ほど減少している、請求項４記載のライナ。
【請求項６】
前記移行領域内の温度を所定の温度範囲まで低下させるのに必要な該ライナを通る空気流量を低減し、それにより、エンジンの燃焼セクションへの空気の流量を増大さて燃焼を向上させかつエミッションを低減するのを可能にする、請求項１記載のライナ。
【請求項７】
燃焼セクション（１２）と、
前記燃焼セクションの下流の空気吐出セクション（１４）と、
前記セクション間の移行領域（１６）と、
ライナ（１８）と、を含み、
前記ライナが、該ライナ内に空気を導入するための空気入口（２６）とそれによって空気が該ライナから排出される空気出口（２８）とを有し、前記ライナを通る空気の流れが、エンジンの前記燃焼及び空気吐出セクション間の移行領域を通って流れる空気を冷却する働きをし、
前記ライナが、該ライナの長さと互いに平行に延びて該ライナを通して空気を流すようになった複数のチャネル（Ｃ）を有し、
前記チャネルの断面積が、前記ライナの長さに沿って該ライナの空気入口端部から空気出口端部まで減少し、それによって前記ライナの後方端部に発生する熱歪みを軽減して該ライナの有効寿命を延ばすようにしかつ前記移行領域における所望のレベルの冷却を行うために該ライナを通して流す必要がある空気の量を低減する、
タービンエンジン（１０）。
【請求項８】
前記チャネルの高さが、該ライナチャネルの長さに沿って一様に漸減している、請求項７記載のエンジン。
【請求項９】
前記チャネルの高さが、前記ライナの空気入口端部から空気出口端部まで少なくとも４０％ほど減少している、請求項８記載のエンジン。
【請求項１０】
前記移行領域内の温度を所定の温度範囲まで低下させるのに必要な前記ライナを通る空気流量を少なくとも３０％ほど低減し、それにより、タービンの燃焼セクションへの空気の流量を増大さて燃焼を向上させかつエミッションを低減するのを可能にする、請求項７記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジン内の内部冷却に関し、より具体的には、タービンの燃焼セクションと吐出セクションとの間の移行領域内のより良好かつより一様な冷却を行う装置に関する。改良型の設計のライナを含むこの装置は、移行領域内の冷却効果を高めながら該領域内の熱応力を最小にし、かつタービンのこの部分において必要な冷却空気量を低減する。これにより、より多くの空気をタービンの燃焼セクションに配向して、それによって燃料の燃焼を向上させかつエミッション（ＮＯｘ）を低減することが可能になる。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、空気入口セクション、燃料燃焼セクション及び後方吐出セクションを有する。タービンの燃焼セクションと吐出セクションとの間には移行領域が設けられる。ほぼ円筒形のライナが、この移行領域内に取付けられかつその中に形成された開口を有し、該開口を通して冷却空気がライナ内に導入されかつ該ライナを通って流れて移行領域内の温度を制御している。ライナの上流側入口部分（タービンの燃焼セクションからの出口）における高温ガス空気温度は、１５３８°Ｃ（２８００°Ｆ）〜１６５０°Ｃ（３０００°Ｆ）のオーダである。ライナの下流側出口部分では、目標とするメタル温度は、７６０°Ｃ（１４００°Ｆ）〜８１６°Ｃ（１５５０°Ｆ）のオーダである。
【０００３】
現在、ライナの後方端部は、該ライナの後方端部にわたってタービンの圧縮機吐出温度の空気を流す複数の一様な幾何学形状の低温側軸方向チャネルによって冷却される。これは、対流冷却をもたらす。この幾何学形状の場合の限界は、得られた冷却がライナの１つの区域と他の区域との間に大きなメタル温度勾配を持つ非一様なものであると判ったことである。この限界に対処するには、これまで冷却の適切なレベルを得るために、ライナの通路内に流す冷却空気の量を増大させることを必要としてきた。結果として生じるライナへのかつライナを通しての空気流量を増大させることは、そうでなければタービンの燃焼セクションに配向されて燃焼を支援しかつエミッション、特にＮＯｘエミッションを低減することができた筈の空気が、代わりにライナ温度を許容範囲内に維持するのに役立てるためにタービンの後方端部にそらされなければならないことを意味する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
簡潔に言えば、本発明は、タービンエンジンの燃焼セクションと吐出セクションとの間の移行領域における冷却を強化するための改良型のライナ構造に関する。本発明の改良は、その断面がライナの軸方向長さに沿って変化する複数の空気流すなわち冷却チャネルを有するライナを含む。つまり、チャネルの高さは、ライナの軸方向長さに沿ってライナの冷却チャネルの空気入口から空気出口まで減少する。本発明の１つの実施形態では、チャネルの高さは、各軸方向チャネルの入口から出口までほぼ６０％ほども減少する。このように空気流チャネルの高さを減少させることにより、チャネルを通って流れる空気の冷却効果がさらに一様なメタル温度を生じるように変化する。とりわけ、これにより、特にライナの後方空気出口端部における熱応力が低下する。
【０００５】
ライナの後方端部の冷却を最適化することは、現在のライナ構造に優る大きな利点を有する。具体的な利点は、新規ライナによる冷却の向上により、ライナを通して流して所望のライナメタル温度を達成するのにより少ない空気を必要とし、またライナ通路内の空気の局所的な速度と空気の局所的な温度とがバランスしていることである。このことにより、ライナチャネルの長さに沿って一定の冷却熱流束がもたらされる。その結果として、ライナ内部の温度勾配及び熱応力が低下する。さらに、冷却空気必要量の低減は、燃焼反応温度の低下によりライナの耐用年数を延ばすのに役立つ。つまり、空気流必要量の低減により、より多くの空気をタービンの燃焼セクションに配向して燃焼を向上させかつタービンエミッションを低減することが可能になる。
【０００６】
本発明の上記の及び他の目的、特徴及び利点は、下記においてその一部が自ずと明らかになり、またその一部を指摘する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
対応する参照符号は、図面の幾つかの図全体にわたって対応する部分を示す。
【０００８】
以下の詳細な記載は、限定としてではなく実施例として本発明を説明する。この記載は、明らかに当業者が本発明を製作しかつ利用すること可能にし、また現在本発明を実施する上で最良の形態であると考えられるものを含む、本発明の幾つかの実施形態、改良、変更、変形及び用途について説明する。
【０００９】
図面を参照すると、図１において、タービンエンジンは全体を符号１０で示す。エンジン１０は、該エンジン内に吸い込まれた空気が燃料と共に燃焼する燃焼セクション１２を有する。エンジンはさらに、吐出セクション１４を含む。燃焼セクション１２における燃焼による高温ガスは、セクション１２からセクション１４内に流れる。これらの２つのセクション間に全体を符号１６で示した移行領域が設けられる。前述のように、セクション１２の後方端部、すなわち領域１６の入口部分における高温ガス温度は、１５３８°Ｃ（２８００°Ｆ）〜１６５０°Ｃ（３０００°Ｆ）のオーダである。しかしながら、領域１６の下流側出口部分におけるライナメタル温度は、７６０°Ｃ（１４００°Ｆ）〜８１６°Ｃ（１５５０°Ｆ）のオーダであるのが好ましい。ライナをこのようなより低いメタル温度範囲まで冷却するのに役立てるために、高温ガスが領域１６を通って流れる間に、ライナ１８には、それを通して冷却空気を流すようにする。冷却空気はライナから熱を取り去る働きをし、それによって高温ガスの温度に比較してライナメタル温度を大きく低下させる。
【００１０】
ライナ１８は、該ライナのカバープレート２２（図３参照）と移行領域１６の一部分との間に取付けられた、フラシールと通常呼ばれる関連の圧縮型シール２０を有する。カバープレートは、ライナ上に取付けられて圧縮シール用の取付け面を形成しかつ軸方向空気流チャネルＣの一部分を形成する。図３に示すように、ライナ１８は、その全てがライナの後方端部の一部分にわたって延びる複数の軸方向隆起部分すなわちリブ２４で形成された複数の軸方向チャネルを有する。カバープレート２２及びリブ２４は共に、それぞれの空気流チャネルＣを形成する。これらのチャネルは、ライナ１８の後方端部の一部分にわたって延びる平行なチャネルである。冷却空気は、チャネルの前方端部に設けた空気入口スロットすなわち開口２６を通って該チャネル内に導入される。次に、空気は、チャネルＣ内にかつ該チャネルを通って流れ、ライナの後方端部３０における開口２８を通ってライナから流出する。
【００１１】
本発明によると、ライナ１８の設計は、冷却空気流必要量を最小にしながら、依然としてライナの後方端部３０に充分な熱伝達を与えてライナに沿って一様なメタル温度が生じるようにする。タービンの燃焼セクション１２内で発生する燃焼は、ライナ１８の内面上に高温側の熱伝達率及びガス温度を生じることは当業者には分かるであろう。最新設計ライナの外側面（後方端部）の冷却では、現在のところ、ライナの後方端部が受けるメタル温度及び熱応力が許容限界内に維持されるようになることを必要する。そうでなければ、過剰な応力、温度又はその両方により生じるライナの損傷により、ライナの有効寿命が著しく短縮する。
【００１２】
本発明のライナ１８は、ライナの外側冷却媒体側と内側高温ガス側との間で発生する既存の静圧勾配を利用して、ライナの後方端部における冷却を行う。これは、ライナチャネルＣ内の空気流速度を空気の温度とバランスさせて、チャネル及びライナの長さに沿って一定の冷却作用を生じさせることによって達成される。
【００１３】
図２に示すように、全体を符号１００で示した先行技術のライナは、カバープレートの前方端部を横切って延びる流量調量孔１０２を有する。ライナ１００の全長にわたって延びた点線で示すように、その高さによって形成されたチャネルの断面は、チャネルの全長に沿って一定である。その高さは、例えば０．０４５インチ（０．１１ｃｍ）である。
【００１４】
これと対照的に、本発明のライナ１８は、チャネルへの入口２６においてライナ１００のチャネル高さよりも実質的に（ほぼ４５％）大きいチャネル高さを有する。しかしながら、この高さは、チャネルＣの長さに沿って徐々にかつ一様に減少して、チャネルの後方端部では、チャネル高さは、先行技術のライナ１００の出口高さよりも実質的に（ほぼ５５％）低くなっている。ライナ１８は、例えば０．０６５インチ（０．１６ｃｍ）の入口チャネル高さと例えば０．０２５インチ（０．０６ｃｍ）の出口高さとを有し、チャネルの高さは、チャネルの入口端部から出口端部まで６０％又は僅かにそれ以上ほど減少している。
【００１５】
先行技術のライナ１００を本発明のライナ１８と比較した場合、ライナ１８の冷却流量と整合するようにライナ１００におけるチャネル（図示せず）の高さを減少させることでは、ライナ１００におけるメタル温度を許容できるものにするのに充分な冷却が行われず、またライナを通る冷却空気の流量必要量が効果的に変更すなわち最少化されないことになる。むしろ、ライナ１８内に可変冷却通路高さを設けることにより、ライナの後方端部２８における冷却が最適化されることが判った。可変チャネル高さの場合、チャネル内の局所的空気速度が今やチャネルを通って流れる冷却空気の局所的温度とバランスするので、最適な冷却が達成される。つまり、チャネルの高さが各チャネルの長さに沿って徐々に減少しているので、チャネルの断面積も同様に減少している。このことは、チャネルＣを通って流れる冷却空気の速度の増加をもたらし、各チャネルの全長に沿ってさらに一定の冷却熱流束を生じさせることができる。従って、ライナ１８は、該ライナ内部により一様な軸方向熱勾配を生じさせかつ熱応力を低下させる利点を有する。このことは次に、ライナの有効耐用年数を延ばすことになる。とりわけ、ライナを通って流れる冷却空気の必要量が、この場合には大きく減少し、この空気をタービンの燃焼段１２に送って、燃焼を向上させかつ排出エミッション、特にＮＯｘエミッションを低減することができる。
【００１６】
一連のＣＦＤの研究は、ベース負荷状態の下での６ＦＡ＋ｅ燃焼システムの境界条件であると思われる境界条件をライナ１８の設計モデル上で使用して行った。研究の結果は、正常運転状態の下では、ライナ１８の設計は、燃焼ライナの背面側に充分な冷却をもたらすことを示している。空気入口スロット２６直ぐ下方での予測メタル温度は、メタル温度変動において大きな低下を示している。この結果はさらに、等価の後縁寿命予測値を維持するための冷却空気流必要量においてほぼ５０％の減少を示している。
【００１７】
図４は、研究の結果に基づいた、先行技術のライナ１００と本発明のライナ１８との後方端部におけるそれぞれの背面側熱伝達率の比較である。図４に示すように、ライナ１８内のチャネルＣの高さをライナの長さに沿って一様に減少させることによって、熱伝達特性は、ライナ１００と比較的同じ大きさであるが、本発明の場合にはより一様になっている。さらに、ライナ１８が必要とするプレナム供給量を減少させることにより、低温側の到達範囲を最大にし、冷却不足の領域が全くない状態にする。その結果、ライナ１８の後方端部は、ライナ１００の後方端部と比較した場合、熱歪みの大きな軽減を示している。
【００１８】
最後に、図５は、先行技術のライナ１００と本発明のライナ１８との内部のメタル温度を表す。タービンのベース負荷における境界条件を使用して、各ライナの高温側を２７５０°Ｆのガス温度に曝す。しかしながら、図５に示すように、ライナ１８は、ライナ１００よりもより一様なメタル温度を示している。ライナ１８の後方端部におけるメタル温度の上昇（ライナ１００の後方端部におけるメタル温度の上昇と比較して）は、ライナのこの端部で受ける一般的な熱歪みに対して許容性能の状態である。上述のように、ライナ１００のチャネル高さを単に減少させてライナを通る空気流量を低減することでは、これらの上昇したメタル温度での熱歪みを許容できるものにすることにはならないことが判った。ライナの高さが、該ライナの長さに沿って一様に漸減している本発明のライナ１８の場合には、ライナの後方端部における熱歪みのレベルは、許容できるものとなる。今一度言うが、このことは、ライナの耐用年数を延ばすのに役立つだけでなく、これまではライナを通して配向しなければならなかった空気流量の一部を、今やタービンの燃焼セクション１２に送って燃焼を向上させかつエミッションを低減することを可能にする。
【００１９】
上記の点から見て、本発明の幾つかの目的が達成されかつ有利な結果が得られることが分かるであろう。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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】タービンの燃焼セクションと圧縮機空気吐出セクションとの間の移行領域を示すタービンエンジンの断面図。
【図２】タービンの移行領域における複数のチャネルを通して冷却空気を流すための、先行技術の後方ライナ領域と本発明の後方ライナ領域との側面図。
【図３】本発明のライナ後方端部の分解図。
【図４】２つの構造間の熱伝達効率の相対差を示す、先行技術のライナと本発明のライナとの後方端部の平面図。
【図５】２つの構造間の予測メタル温度の相対差を示す、先行技術のライナと本発明のライナとの後方端部の平面図。
【符号の説明】
【００２１】
１０  タービンエンジン
１２  燃焼セクション
１４  吐出セクション
１６  移行領域
１８  ライナ
２０  圧縮型シール
２２  カバープレート
２４  リブ
２６  空気入口
２８  空気出口
３０  後方端部
Ｃ    空気流チャネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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