(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの環状燃焼器ライナであって、
相対する前端と後端と、
前記前端の後方で前記ライナを貫通して半径方向に延びる１次希釈孔の列と、
前記１次希釈孔と前記後端との間で前記ライナを貫通して半径方向に延びる２次希釈孔の列と
を含み、
前記２次希釈孔は、円周方向に最大サイズ、中間サイズ、最小サイズのグループが繰り返され、
前記最大サイズ及び最小サイズの２次希釈孔は、前記１次希釈孔から円周方向にオフセットしており、
前記中間サイズの２次希釈孔は、前記１次希釈孔から円周方向にオフセットすることなく、前記１次希釈孔と軸方向で位置合わせされている
ことを特徴とするガスタービンエンジンの環状燃焼器ライナ。
【請求項２】
前記中間サイズの２次希釈孔は、円周方向にオフセットすることなく、前記１次希釈孔の対応する１つと軸方向で位置合わせされていることを特徴とする請求項１に記載のライナ。
【請求項３】
前記中間サイズの２次希釈孔は、均一サイズであることを特徴とする請求項２に記載のライナ。
【請求項４】
前記１次希釈孔は、均一サイズであることを特徴とする請求項３に記載のライナ。
【請求項５】
前記１次希釈孔は、前記中間サイズの２次希釈孔よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のライナ。
【請求項６】
前記１次希釈孔は、前記最大サイズの２次希釈孔よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載のライナ。
【請求項７】
前記１次希釈孔は、前記中間サイズの２次希釈孔よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載のライナ。
【請求項８】
前記１次希釈孔は、前記最小サイズの２次希釈孔よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載のライナ。
【請求項９】
ガスタービンエンジンの燃焼器であって、
前端で環状のドームに結合され、環状の出口を画定する相対する後端を持つ、半径方向に間隔を置いて配置された外側及び内側環状ライナを含み、
前記ライナの各々が、前記ドームの後方で前記ライナを貫通して半径方向に延びる１次希釈孔の列と、前記１次希釈孔と前記出口との間で前記ライナを貫通して半径方向に延びる２次希釈孔の列とを備え、
各ライナの前記２次希釈孔は、円周方向に最大サイズ、中間サイズ、最小サイズのグループが繰り返され、
前記最大サイズ及び最小サイズの２次希釈孔は、前記１次希釈孔から円周方向にオフセットしており、
前記中間サイズの２次希釈孔は、前記１次希釈孔から円周方向にオフセットすることなく、前記１次希釈孔と軸方向で位置合わせされている
ことを特徴とするガスタービンエンジンの燃焼器。
【請求項１０】
各ライナの前記中間サイズの２次希釈孔は、円周方向にオフセットすることなく、前記１次希釈孔の対応する１つと軸方向に位置合わせされていることを特徴とする請求項９に記載の燃焼器。
【請求項１１】
前記外側ライナの前記１次希釈孔は前記外側ライナの前記中間サイズの２次希釈孔よりも大きく、前記内側ライナの前記１次希釈孔は前記内側ライナの前記中間サイズの２次希釈孔よりも小さいことを特徴とする請求項１０記載の燃焼器。
【請求項１２】
前記外側ライナの前記１次希釈孔は前記外側ライナの前記最大サイズの２次希釈孔よりも小さく、前記内側ライナの前記１次希釈孔は前記内側ライナの最小サイズの２次希釈孔よりも大きいことを特徴とする請求項１１記載の燃焼器。
【請求項１３】
前記ドーム内に配置され、前記外側及び内側ライナの前記中間サイズの２次希釈孔の対応する１つと軸方向に位置合わせされた、円周方向に間隔を置いて配置された旋回カップの列をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の燃焼器。
【請求項１４】
各ライナの前記中間サイズの２次希釈孔が均一のサイズであって、前記両ライナ間では異なり、各ライナの前記１次希釈孔が均一のサイズであって、前記両ライナ間では異なる、ことを特徴とする請求項１３記載の燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は概してガスタービンエンジンに関し、より具体的にはその中の燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボファンガスタービンエンジンは、連続する一連の流れの中に、ファン、圧縮機、燃焼器、及び圧縮機とファンそれぞれに動力を供給する高圧及び低圧タービンを含む。空気が圧縮機の中で加圧され、燃焼器の中で燃料と混合され点火されて高温の燃焼ガスを発生し、それがタービンを回転させファンと圧縮機に動力を供給する。
【０００３】
飛行中の航空機の動力の供給には、ターボファンエンジンはアイドリングから最高出力まで種々のレベルで運転され、それらの間に中間の巡航出力レベルがある。燃焼器の性能はエンジンの全体の設計に影響を与える。エンジンから必要な最大出力を取り出すには、燃焼器は適切な寸法でなければならない。タービンに排出される燃焼ガスは、従来からのパターン及びプロファイル要素によって定量化される適切な円周方向及び半径方向の温度分布を持たなければならない。
【０００４】
燃焼器性能は、スモーク、未燃焼炭化水素、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）等の好ましくない排気エミッションを最小にするように制御される。これらの排気エミッションのレベルは、リーンから、理論空燃比まで、及びリッチまで燃焼器の作動の燃料空気比によって直接的に影響をうける。これら排気エミッションの相対的な量のトレードオフが、エンジンの種々の出力設定に亘って普通求められる。
【０００５】
さらに、燃焼器は必要時の高所再始動を可能にしながら、リーン燃焼の消炎も防止するように設計されなければならない。
【０００６】
したがって、最近の燃焼器の設計は、好ましからぬ排気エミッションを最低限に抑えながら、種々の出力レベルに亘って安定した燃焼器の作動を得るために、種々の競合する目的を考慮することが必要である。
【０００７】
ターボファン航空機エンジンで商業的成功を収めている一つが、ゼネラル・エレクトリック社によって米国で長年製造販売されているＣＦ３４−３Ａエンジンである。このエンジンは、膜冷却される外側及び内側ライナを持つ単一の環状の燃焼器を備えている。これらのライナは２列の１次及び２次希釈孔を備えており、これら希釈孔が排気エミッションやパターン及びプロファイル要素に影響を与える。希釈孔は単列の気化器と協働し、各気化器はライナの前端で環状のドームの中に取り付けられている旋回カップの中に中央燃料噴射器を持つ。
【０００８】
希釈孔は旋回カップ当り２つの１次希釈孔とカップ当り４つの２次希釈孔で構成されている。１次希釈孔の半数は対応する旋回カップの中心線と軸方向に位置合わせされており、１次希釈孔の半数は隣接するカップの間のカップ中間位置に円周方向にオフセットされている。
【０００９】
カップ当り４つの２次希釈孔は、対応する１次希釈孔と旋回カップに同軸に位置合わせされている１つの最大サイズの大きい希釈孔を含んでいる。残りのカップ当り３つの２次希釈孔は均一の小さいサイズで、１つが円周上カップ中間位置に位置合わせされ、残りの２つの小さい孔は１／４及び３／４の円周上位置に位置合わせされている。
【００１０】
これによって、対応する旋回カップに関連する高温の流れは、旋回カップと軸方向で位置合わせされた対応する1次及び２次希釈孔からの空気によって希釈される。追加の２次希釈孔が、希釈空気の導入をさらに制御し、燃焼器出口において全般的に均一の円周方向のパターン要素を得る。
【００１１】
外側の１次希釈孔は内側の１次希釈孔よりも大きく、外側ライナの小さい２次希釈孔は内側ライナの小さい２次希釈孔よりも小さい。両ライナの大きい２次希釈孔は同一サイズである。これによって、外側及び内側ライナの異なったサイズの1次及び２次希釈孔は、燃焼器への希釈空気の導入を制御し、燃焼器出口における半径方向のプロファイル要素をさらに制御する。
【００１２】
継続するＣＦ３４ターボファンエンジンの開発では、エンジンの出力を増加させるためにより大きい燃焼器が求められる。しかしながら、燃焼器のコンポーネント、燃焼ガス、冷却並びに希釈空気の相互依存関係を考慮すると、より大きい燃焼器は単に−３Ａ燃焼器のスケールアップした型ではあり得ない。
【００１３】
さらに、より大きい燃焼器は、−３Ａ燃焼器よりもより高い高所再始動性を可能にするために追加の燃焼容量を持っている。しかも、より大きい燃焼器にはより厳しい排気エミッション要件が要求される。
【００１４】
より大きい燃焼器はより多量の燃焼ガスを発生することができるので、それに伴う排気エミッションの増加が設計の関心事である。特に、ＮＯｘエミッションの増加の恐れは重要な設計要素であり、より大きい燃焼器の全体的性能と関連させて評価しなければならない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、満足できる燃焼器性能を得ながら、改善された希釈空気でＮＯｘのような排気エミッションの増加を抑制するより大きい燃焼器を提供することが求められている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
燃焼器ライナはライナ前端の後方に配置された１次希釈孔の列と、１次希釈孔とライナ後端との間に配置された２次希釈孔の列とを備えている。２次希釈孔は、１次希釈孔から円周方向にオフセットしている最大サイズに円周方向でサイズが変化している。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明を、好ましい例示的な実施形態により、そのさらなる目的及び利点と併せて、添付の図面を参照しながら、以下の詳細な説明によって具体的に説明する。
【００１８】
図１は、軸方向即ち縦方向の中心軸線１２について軸線対称である環状の燃焼器１０の一部を示す。燃焼器はガスタービンエンジンの環状のケーシング（一部図示）内に配置され、従来型の圧縮機（図示せず）から圧縮空気１４を受ける。
【００１９】
燃焼器は、半径方向外側の環状の燃焼ライナ１６と、外側の環状の燃焼ライナ１６から半径方向に間隔を置いて配置された半径方向内側の環状の燃焼ライナ１８を備える。両ライナは前端１６ａ，１８ａと、軸方向に反対側の後端１６ｂ，１８ｂとを持つ。ライナ前端は環状ドーム２０に適切に結合されており、ライナ後端は環状の燃焼器出口２２を半径方向に両者間で画定している。
【００２０】
燃料２４は、円周方向に間隔を置いて配置された複数の気化器を通して燃焼器内へ導入され、各々の気化器はそれぞれの燃料噴射器２６と、協働する旋回翼あるいは旋回カップ２８を含む。気化器はどのような従来型の形態でもよく、旋回カップ２８は典型的にはその中に旋回羽根または旋回開口の列を備え、それぞれの燃料噴射器からの燃料の周りに圧縮空気１４の一部を旋回させ、燃料と空気の混合気を作り、それを適当に点火して高温燃焼ガス３０を発生させる。
【００２１】
燃焼器を高温燃焼ガスから保護するために、ライナ１６，１８は、好ましくは従来型の膜冷却ナゲット１６ｄ，１８ｄのところで一体に結合される軸方向のセグメント又はパネル１６ｃ，１８ｃで形成され、膜冷却ナゲット１６ｄ，１８ｄは膜冷却孔の列を備え、膜冷却孔を通して高温燃焼ガスに対する境界として露出したライナの内側表面に沿って膜状に冷却空気を供給する。
【００２２】
図１に示す燃焼器１０は、上記に述べたＣＦ３４−３Ａ燃焼器よりも実質的により大きい燃焼容量を持ち、これは部分的には以前の設計の４つのライナパネルを５つに増やし、２つのライナ間の半径方向の間隔を増加させることで得られる。
【００２３】
しかしながら、図１に示すより大きい燃焼器１０の開発中に、ライナ内の従来の希釈孔の配置では、排気エミッションも含めて満足すべき燃焼器の性能が達成できないことが解った。
【００２４】
本発明によると、ライナ１６，１８の各々は、ライナの前端の後方かつドーム２０の後方、好ましくは第２パネル内に、ライナを貫通して半径方向に延びる１次希釈孔３２の第１の列を含む。各ライナはまた、軸方向に対応する１次希釈孔３２の列と燃焼器出口２２でのライナ後端との間で、ライナを貫通して半径方向に延びる２次希釈孔３４の第２の列を含む。２次希釈孔は１次希釈孔の近くに組み合わされるのが好ましく、従って第３ライナパネルに配置されるのが好ましい。
【００２５】
１次希釈孔は、その共通した機能ゆえに、一般に外側及び内側ライナ両方に対して用いる数字３２で表され、これ以降はローマ字小文字を付けてさらに区別される。同様に、２次希釈孔はその共通した機能ゆえに、一般に外側及び内側ライナ両方に対して数字３４で表され、これ以降はローマ字小文字を付けてさらに区別される。
【００２６】
図２は、1次及び２次希釈孔３２，３４の好ましい構成をより具体的に示すための、図１に示す燃焼器の一部の半径方向断面図である。より具体的には、２次希釈孔３４は、各ライナの対応する１次希釈孔３２から円周方向にオフセットしている最大サイズに円周方向でサイズが変化している。1次及び２次希釈孔は好ましくは形状が円形で、外側ライナ１６は、最大直径Ａを有する３４ａで示される２次希釈孔を含む。これに対応して、内側ライナ１８は、最大直径Ｅを有する３４ｃで示される２次希釈孔を含む。
【００２７】
また、各ライナの２次希釈孔３４は、対応する１次希釈孔３２から円周方向にオフセットしている最小サイズに円周方向でサイズが変化している。図２に示す外側ライナ１６については、最小サイズの２次希釈孔が３４ｂで示され、直径Ｂを有し、内側ライナ１８については、最小サイズの２次希釈孔は３４ｆで示され、最小直径Ｆを有する。
【００２８】
さらに、各ライナの２次希釈孔３４はまた、円周方向で最大と最小サイズとは異なる中間サイズにサイズが変化している。図２に示す外側ライナ１６については、中間サイズの２次希釈孔は３４ｃで示され、対応する直径Ｃを有し、また内側ライナ１８の中間サイズの２次希釈孔は３４ｇで示され、対応する直径Ｇを有する。両方のライナとも中間サイズの２次希釈孔３４ｃ，３４ｇは円周方向にオフセットすることなく、１次希釈孔３２の対応する１つと軸方向で位置合わせされている。
【００２９】
図１及び図２に最初に示した通り、１次希釈孔３２の第１の列は好ましくは、各旋回カップ２８に対し２つの希釈孔を含んでいる。図示の例示的な実施形態では、１８個の旋回カップが燃焼器の外周の周りに均等な間隔を置いて配置され、２つのライナの各々には３６個の１次希釈孔が有る。
【００３０】
これに対応して、旋回カップ２８の各々に対して４つの２次希釈孔３４があり、２つのライナの各々には合計７２個の２次希釈孔が有るのが好ましい。
【００３１】
燃料と空気の混合気は、円周方向の別々の位置で対応する旋回カップの各々から射出されるので、対応する高温の流れも当初その位置に生じる。従って、対応する中間サイズの２次希釈孔３４ｃ，３４ｇは、１次希釈孔３２の対応する１つ及び旋回カップ２８の各々の対応する軸方向の中心線３６と軸方向が位置あわせされる。このことが図３により詳しく示されており、半径方向及び軸方向に延びる平面に仮想線で示される旋回カップの中心線３６が、対応する1次及び２次希釈孔の中心に心合わせされている。
【００３２】
図２に示す通り、ライナ１６，１８の各々の１次希釈孔３２は、各旋回カップ２８当り２つの１次希釈孔からなるグループとして配置され、そのうちの１つの１次希釈孔は旋回カップの中心線と軸方向で位置合わせされ、もう１つの１次希釈孔は隣接する２つの旋回カップ間の円周方向のカップ中間位置に、等距離に配置される。
【００３３】
これに対応して、２つのライナ１６，１８の中間サイズの２次希釈孔３４ｃ，３４ｇは、円周方向にオフセットすることなく、１次希釈孔３２と旋回カップの中心線に軸方向で位置合わせされている。２次希釈孔は各旋回カップ当り４つの２次希釈孔からなるグループとして配置されているので、中間サイズの２次希釈孔３４ｂ，３４ｇのうちの２つ目は、隣接する旋回カップ間のカップ中間位置に位置し、各ライナのカップ中間位置の１次希釈孔３２と軸方向に位置合わせされている。
【００３４】
最小サイズの２次希釈孔３４ｂ，３４ｆは、２つのライナの各々の隣接する旋回カップ間の１／４カップ位置に配置されている。また、最大サイズの２次希釈孔３４ａ，３４ｅは、ライナの各々の隣接する旋回カップ間の３／４カップ位置に配置されている。これら２次希釈孔の相対的位置は、燃焼器において後方から前方を見た図２に示される時計方向になっており、その周りに反復される。
【００３５】
外側ライナ１６の中間サイズの２次希釈孔３４ｃは均一サイズＣを持ち、同様に、内側ライナ１８の中間サイズの２次希釈孔３４ｇは均一サイズＧを持つことが好ましい。
【００３６】
外側ライナ１６の１次希釈孔３２ｄは均一サイズＤを持ち、同様に、内側ライナ１８の１次希釈孔３２ｈは均一サイズＨを持つことが好ましい。
【００３７】
図２に示す外側ライナ１６については、１次希釈孔３２ｄは、中間サイズの２次希釈孔３４ｃよりも大きく、また最大サイズの２次希釈孔３４ａよりも小さいことが好ましい。
【００３８】
図２に示す内側ライナ１８については、１次希釈孔３２ｈは、中間サイズの２次希釈孔３４ｇよりも小さく、また最小サイズの２次希釈孔３４ｆよりも大きいことが好ましい。
【００３９】
２つのライナ１６，１８の各々の中間サイズの２次希釈孔３４ｃ，３４ｇは、それらライナの各々においては均一なサイズであるが、それらの希釈孔のサイズＣ，Ｇは２つのライナの間では異なっており、内側ライナのほうが外側ライナよりも大きい。各々のライナの１次希釈孔３２ｄ，３２ｈはライナの各々においては均一サイズであるが、それらのサイズＤ，Ｈはライナの間では異なっており、外側ライナのほうが内側ライナよりも大きい。
【００４０】
この外側及び内側ライナの1次及び２次希釈孔の好ましい構成は、燃焼器の性能で種々の有益な影響をもたらす。希釈空気が、好ましい円周方向、軸方向及び半径方向分布で燃焼器に選択的に噴射され、旋回カップと協働して、高い高所始動性、リーンでの消炎の余裕代、及びプロファイル及びパターン要素を含めて満足すべき燃焼性能を提供しながら、燃焼器の大きな燃焼容量にも拘らず、排気エミッションを抑制する。
【００４１】
特に、円周方向にオフセットした最大サイズの２次希釈孔３４ａ，３４ｃが旋回カップからの高温の流れに整合して、ピークの円周方向温度を低減し改善されたパターン要素をもたらす。また、外側及び内側ライナの1次及び２次希釈孔の相対的なサイズ分布が、半径方向の温度の変化を減少させて改善されたプロファイル要素をもたらす。
【００４２】
加えられた第５枚目のパネルによるより効率的なライナの冷却と燃焼器の表面対容積比の減少の組み合わせが、全体の冷却空気の要求量を減らし、その結果より多くの空気が希釈に使用できるようになる。
【００４３】
燃焼器の増大した燃焼容量と対応するサイクル圧力比が当初はＮＯｘエミッションの増加のおそれをもたらすが、これは上記の好ましい希釈孔パターンによって抑制される。この希釈孔パターンは、ＮＯｘエミッションの増加を最小に抑えつつ、同時にＮＯｘ及びＣＯエミッション間のいかなる不都合なトレードオフをも最小に抑えるように構成されている。
【００４４】
１次希釈孔を旋回カップから２枚目のライナパネルに配置することにより、旋回カップの直ぐ後方の１次燃焼区域への１次希釈空気の引込みが最小に抑えられる。これが高所始動性及びリーンでの消炎に対する不利な影響を減少させる。
【００４５】
旋回カップと１次希釈孔の列の間の１次燃焼区域は、許容できるスモークのレベルを保ちながら、気化器からの比較的リッチな燃料と空気の混合気で作動することができる。これはまた、１次燃焼をアイドリング時に理論空燃比に近い状態にすることを可能にし、低いＣＯ及び未燃炭化水素エミッションをもたらす。
【００４６】
より高い出力設定では、１次燃焼は燃料リッチな状態で行なわれ、これが１次燃焼区域でのＮＯｘの生成を抑制する。１次希釈孔は、燃焼する燃焼ガス混合物をＣＯが燃尽きることができるような理論空燃比より僅かにリーンな状態に希釈するのに十分な空気を供給し、一方、２次希釈孔は、その次の後方で隣接する第３のライナパネルに配置することで、１次希釈孔に近接して組み合わされ、ＮＯｘの生成を抑制する。
【００４７】
1次及び２次希釈孔の相対的なサイズと好ましい分布によって、旋回カップからの高温の流れの円周方向の調整を可能にし、対応する均一な円周方向の温度分布をもつ比較的低いパターン要素をもたらす。２つのライナの1次及び２次希釈孔の相対的なサイズが、利用可能な圧縮空気の内側と外側への分離をもたらし、燃焼ガスの半径方向出口温度を制御し、対応するプロファイル要素をもたらす。
【００４８】
1次及び２次希釈孔によりもたらされる希釈調整の最適化を、その効果を最大にするように分析的かつ実験的に実行した。希釈孔のザイズの変更が、特定の燃焼器設計について別の複数の実施形態で行われた。ＮＯｘ及びＣＯエミッションの両方とも現在の厳しい要求条件に抑えることができ、同時に燃焼器は、高い高所始動性を持ちながら、下流のタービン段への燃焼ガス排出の許容できるプロファイルおよパターン要素を含む改善された燃焼器性能を示した。
【００４９】
本明細書では本発明の好ましい例示的な実施形態と思料するものについて説明してきたが、本発明のその他の変更形態は本明細書の教示内容から当業者には明白であり、本発明の技術思想及び技術的範囲に属するかかる変更形態すべてが特許請求の範囲で保護されることを望むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の例示的な実施形態による外側及び内側ライナを備える環状燃焼器の一部の軸方向断面図。
【図２】  図１に示す燃焼器部分を、その中の1次及び２次希釈孔が見えるように線２−２に沿って切断し、後方から前方を見た半径方向正面図。
【図３】  本発明の例示的な実施形態により構成された1次及び２次希釈孔を持つ図１及び図２に示す協働する外側及び内側ライナの切断部分の等角図。
【図１】
0004741723.tif 000002
【図２】
0004741723.tif 000003
【図３】
0004741723.tif 000004