(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンのための燃焼チャンバー（１）であって、
該燃焼チャンバーは、それを通る燃焼ガス（Ｄ）の流れ方向に対して上流端（１０）と下流端（１２）を有し、
内側壁（４）と、該内側壁との間にキャビティ（１３）を画定するように該内側壁から離隔した外側壁（２）を有し、
該外側壁（２）は、エンジンの作動中、該燃焼チャンバー（１）を囲繞するエンジンからの圧縮空気（Ｃ）を通過させて該内側壁（４）に衝突させるための複数の衝撃穴（３）を有し、
前記内側壁（４）は、該内側壁（４）と前記外側壁（２）との間の前記キャビティ（１３）から該燃焼チャンバー（１）内へ空気を噴散させるための、前記衝撃穴（３）より多数の複数の噴散穴（５）を有しており、
前記噴散穴は、複数の群として配置されており、各噴散穴群は、１個の中心噴散穴（５ｂ）とその周りに等間隔に互いに離隔された複数の噴散穴（５ａ）から成り、前記衝撃穴（３）を通過した空気が前記内側壁（４）に衝突するように各群の噴散穴（５）に対して１個の衝撃穴（３）が前記外側壁に配置されており、かつ、噴散穴の各群によって画定される境界内において前記衝撃穴（３）が対応する前記中心噴散穴（５ｂ）に対して占める位置は、該衝撃穴を通過した空気が、他の噴散穴（５ａ）に対してよりも該中心噴散穴に対して近い位置で前記内側壁（４）に衝突するように定められていることを特徴とする燃焼チャンバー。
【請求項２】
前記噴散穴は、各々１個の中心噴散穴とその周りに等間隔に互いに離隔された６個の噴散穴との合計７個の噴散穴から成る複数の噴散穴群として配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼チャンバー。
【請求項３】
前記衝撃穴（３）が対応する前記中心噴散穴（５ｂ）に対して占める前記位置は、該衝撃穴を通過した空気が、前記燃焼チャンバー（１）内の燃焼ガス（Ｄ）の流れ方向に沿って中心噴散穴（５ｂ）と整列した位置で前記内側壁（４）に衝突するように定められていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼チャンバー。
【請求項４】
前記衝撃穴（３）が対応する前記中心噴散穴（５ｂ）に対して占める前記位置は、該衝撃穴を通過した空気が、該中心噴散穴（５ｂ）の下流において前記内側壁（４）に衝突するように定められていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼チャンバー。
【請求項５】
前記各衝撃穴の中心線と、対応する噴散穴群中の中心噴散穴（５ｂ）の中心線とは、該衝撃穴の直径に少なくとも等しい距離（ｄ）だけ離隔されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃焼チャンバー。
【請求項６】
前記複数の噴散穴群は、該燃焼チャンバーの円周方向に延長する複数の列として配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃焼チャンバー。
【請求項７】
前記各噴散穴群は、１つの噴散穴群中の隣接噴散穴間の間隔に等しい距離だけ前記列内の隣接する噴散穴群から離隔されていることを特徴とする請求項６に記載の燃焼チャンバー。
【請求項８】
前記各列は、１つの噴散穴群中の隣接噴散穴間の間隔に等しい距離だけ隣接列から離隔されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃焼チャンバー。
【請求項９】
前記各列中の各噴散穴群は、１列中の隣接する噴散穴群中の中心噴散穴間の間隔の半分の距離に等しい距離だけ隣接する中の噴散穴群から円周方向にずらされていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃焼チャンバー。
【請求項１０】
１つの列中の２つの隣接する群と、次の列中のずらせて配置された隣接する１つの群との間に画定される各６個の穴の組の中心に追加の噴散穴が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の燃焼チャンバー。
【請求項１１】
前記衝撃穴と前記噴散穴の相対的なサイズ及び個数は、エンジンの作動中、前記外側壁の内外間の圧力差が前記内側壁の内外間の圧力差の少なくとも２倍になるように規定されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃焼チャンバー。
【請求項１２】
前記外側壁及び内側壁を通しての総圧力降下の７０％が該外側壁を通して生じ、残りの３０％が該内側壁を通して生じることを特徴とする請求項１１に記載の燃焼チャンバー。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の少なくとも１つの燃焼チャンバーを備えたガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの燃焼チャンバーの壁を冷却することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンの燃焼チャンバーは、非常な高温に露呈されるが、エンジン効率を高めるためには、作動温度を高くすることが望ましい。しかしながら、燃焼チャンバーの壁がより高い作動温度に耐えることができるかどうかが、エンジン開発の制約要因となる。より高い作動温度に耐えることができる燃焼チャンバーの新しい壁材が常に開発されているが、新規な壁材には、何らかのコスト高と、機能上の不利益を伴うのが普通である。金属合金は、珍しい材料であればあるほど、材料自体が高価にるばかりでなく、製造工程も複雑になる傾向がある。他方、セラミック材は、高温に耐えることができるが、機械的強度が低いという欠点を有する。
【０００３】
新しい材料の開発への別の方法は、作動中燃焼チャンバーの壁を冷却するためのシステムを改善することである。空冷システムの１例においては、燃焼チャンバーは、互いに僅かな間隔を置いて離隔された二重壁で形成される。エンジンコンプレッサからの圧縮空気がエンジンケーシング内の燃焼チャンバーを囲繞し、空気はチャンバーの二重壁の外側壁に形成された複数の穴を通って内側壁に衝突し、一次冷却効果を創生する。そのような穴は、通常、衝撃穴と称される。次いで、二重壁の間の空間の空気が内側壁に穿設された、通常、噴散（吹出し）穴と称される一連の小さい穴を通して燃焼チャンバーへ導入される。それらの噴散穴は、内側壁の内表面を覆って冷却空気のフィルム状の層流を形成するのを助成するように配置されており、内表面を冷却して、チャンバー内の燃焼ガスから内側壁を防護する防護層を形成する。そのような冷却システムの例は、ＧＢ−Ａ−２１７３８９１号及びＧＢ−Ａ−２１７６２７４号に開示されている。このタイプのシステムは、構成によっては、燃焼チャンバーの作動寿命を延長する上で有意の効果を発揮することが可能である。
【０００４】
本発明者は、噴散穴とそれらに関連する衝撃穴の特別な配置を採用することによって冷却効果を高めることができるということを見出した。
【０００５】
発明の開示
本発明によれば、ガスタービンエンジンのための燃焼チャンバーであって、
該燃焼チャンバーは、それを通る燃焼ガスの流れ方向に対して上流端と下流端を有し、
内側壁と、該内側壁との間にキャビティを画定するように内側壁から離隔した外側壁を有し、
該外側壁は、エンジンの作動中、該燃焼チャンバーを囲繞するエンジンからの圧縮空気を通過させて該内側壁に衝突させるための複数の衝撃穴を有し、
前記内側壁は、該内側壁と前記外側壁との間の前記キャビティから該燃焼チャンバー内へ空気を噴散させるための、前記衝撃穴より多数の複数の噴散穴を有しており、
前記噴散穴は、複数の群として配置されており、各噴散穴群は、１個の中心噴散穴とその周りに実質的に等間隔に互いに離隔された複数の噴散穴とから成り、衝撃穴を通過した空気が噴散穴の各群によって画定される境界内で中心噴散穴に対して所定の位置で前記内側壁に衝突するように各群の噴散穴に対して１個の衝撃穴が該外側壁に配置されていることを特徴とする燃焼チャンバーが提供される。
【０００６】
好ましい実施形態では、噴散穴は、各々１個の中心噴散穴とその周りに実質的に等間隔に互いに離隔された６個の噴散穴との合計７個の噴散穴から成る複数の噴散穴群として配置される。中心噴散穴に対する衝撃穴の前記所定の位置は、該衝撃穴を通過した空気が、他の噴散穴に対するよりも中心噴散穴に対して近い位置で内側壁に衝突するように、かつ、該衝撃穴が燃焼チャンバー内の燃焼ガスの流れ方向に沿って中心噴散穴と整列するように配置することが好ましい。従って、各衝撃穴は、対応する噴散穴群中の中心噴散穴の上流又は下流に配置することができるが、衝撃穴の中心線が中心噴散穴の中心線から該衝撃穴の直径に少くとも等しい距離だけ離隔するように該中心噴散穴の下流に配置することが好ましい。
【０００７】
複数の噴散穴群は、燃焼チャンバーの円周方向に延長する複数の列として適当に配置される。製造上の便宜と、空気流を均一するために、各噴散穴群は、噴散穴群内の隣接噴散穴間の間隔に実質的に等しい距離だけ列内の次の群から離隔させることができ、各列中の各群は、１列中の隣接する群中の中心噴散穴間の間隔の半分の距離に実質的に等しい距離だけ隣接する列中の噴散穴群から円周方向にずらせることができる。更に、各列間の長手方向の間隔は、隣接する列中の異なる群に属する２個の隣接する噴散穴間の間隔が同１群中の２個の隣接する噴散穴間の間隔と同じになるように規定することができる。
【０００８】
好ましい実施形態では、１つの列中の２つの隣接する群と、次の列中のずらせて配置された隣接する１つの群との間に画定される各６個の穴の組の中心に追加の噴散穴を設ける。
【０００９】
衝撃穴と噴散穴の相対的なサイズ及び個数は、エンジンの作動中、外側壁の内外間の圧力差が内側壁の内外間の圧力差の少くとも２倍になるように規定することが好ましい。例えば、外側壁及び内側壁を通しての総圧力降下のほぼ７０％が外側壁を通して生じ、残りのほぼ３０％が内側壁を通して生じるように規定することが好ましい。
【００１０】
本発明の構成を用いた場合、エンジンの作動中の燃焼チャンバーの壁の温度は、従来周知の冷却システムに比べて著しく低いことが認められた。本発明の構成によって高められたフィルム（薄膜）冷却から得られる利点は、燃焼チャンバー缶内のみならず、燃焼チャンバー缶から延長した遷移ダクト内にまで及ぶ。この高められた冷却作用は、特に、燃焼効率を改善するために燃焼温度が高められた場合、燃焼チャンバー缶及びその遷移ダクトの寿命を長くすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明の実施形態の説明
図１を参照して説明すると、燃焼チャンバー缶（以下、単に「缶」又は「燃焼チャンバー」とも称する）１は、燃料及び燃焼空気のためのための慣用の入口端即ち上流端１０と、排出端即ち下流端１２を有する。燃焼チャンバーを通る燃焼空気及び燃焼ガスは、それぞれ、符ＢとＤによって示されている。缶１は、入口端１０より下流では、長手軸線Ｌ−Ｌを中心とする総体的に円筒形であり、間に冷却空気空間キャビティ１３を形成するように慣用の態様で僅かな間隔だけ互いに離隔された二重壁２，４を有する。
【００１２】
この二重壁の構造は、図２に明示されており、外側壁は、貫通衝撃穴３を有し、内側壁４は、貫通噴散穴５を有する。衝撃穴３は、図２では缶１の長手軸線Ｌ−Ｌに対して直角をなすものとして示されているが、内側壁４の内面を覆う境界層の層流即ち冷却膜の形成を助成するために下流方向に向かって傾斜させる、例えば長手軸線Ｌ−Ｌに対して３０°の角度で傾斜させることができる。噴散穴５は、レーザードリルによって形成することが便利である。図から分かるように、燃焼チャンバー１を囲繞するエンジンケーシング内の空間からの圧縮空気Ｃは、壁２と４の間のキャビティ１３内に流入し、噴散穴５の位置からずれた位置で高温の内側壁４に直接衝突する。従って、空気の衝撃によって内側壁４に対する初期冷却が得られる。
【００１３】
図３に明確に示されるように、噴散穴５は、各々中心噴散穴５ｂの周りに互いに実質的に等間隔に離隔された複数の噴散穴５ａから成る多角形の群として配置されている。噴散穴５の各群は、それぞれ１個の衝撃穴３に関連づけられており、各衝撃穴３は、それを通過した空気が対応する噴散穴郡の中心噴散穴５ｂに対して所定の位置１４で内側壁４に衝突するように外側壁２に位置づけされている。この所定の位置即ち衝撃中心１４は、噴散穴５ａによって画定される多角形の境界内に位置する。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態では、各衝撃穴３を通過した空気が、他の噴散穴５ａに対するよりも中心の噴散穴５ｂに対して近い位置で内側壁４に衝突するように構成され、衝撃中心１４が燃焼チャンバー内の燃焼ガスＤの流れ方向に沿って中心噴散穴５ｂと、好ましくはその下流において整列するように配置される。
【００１５】
噴散穴５を図に示されるように各々７個から成る群として内側壁４に穿設し、各群中の６個の噴散穴５ａの各々が隣接する噴散穴５ａと６角形の等長の一辺を画定し、７個目の噴散穴５ｂがその六角形の中心に位置する配列とした場合に最善の結果が得られることが認められた。本発明のこの好ましい実施モードでは、各噴散穴群に組み合わされた外側壁２の衝撃穴３は、中心噴散穴５ｂの中心線と衝撃穴３の中心線との間の水平距離ｄが衝撃穴３の直径に少くとも等しくなるように中心噴散穴５ｂの下流に配置される。図から分かるように、噴散穴５の個数は衝撃穴３の個数より相当に多いが、衝撃穴３は、噴散穴５の直径より相当に大きい直径を有する。衝撃穴と噴散穴の相対的なサイズ及び個数は、エンジンの作動中、外側壁２の内外間の圧力差が内側壁４の内外間の圧力差の少くとも２倍になるように設計される。外側壁及び内側壁を通しての総圧力降下のほぼ７０％が外側壁を通して生じ、残りのほぼ３０％が内側壁を通して生じるように規定することが好ましい。
【００１６】
噴散穴群の配列の１例が図４に示される示されている。各々７個の噴散穴５ａ，５ｂから成る噴散穴群Ｇ１，Ｇ２・・・と、各噴散穴群に対応する衝撃穴３は、缶１の円周方向に延長する平行な列Ｒ１，Ｒ２・・・として配置されている。
衝撃穴３の各列Ｒ１，Ｒ２・・・内の各噴散穴群の配列に関して説明すると、各群Ｇ１は、同じ列内の隣接する群Ｇ２から距離Ｓだけ離隔されている。距離Ｓは、図に示されるように、各群の噴散穴５ａが配列されている６角形の各１辺の両端に位置する隣接噴散穴５ａ間の間隔でもある。噴散穴群と衝撃穴の各列Ｒ１，Ｒ２・・・間の相互の関係に関して説明すると、１つの列中の噴散穴群は、隣接する列Ｒ２中の噴散穴群から隣接する中心噴散穴５ｂ１，５ｂ２間の距離Ｘの２分の１だけ円周方向にずらされている。更に、各列間の長手方向（円周方向に直角な燃焼ガスの流れ方向）の間隔は、隣接する列中の異なる噴散穴群に属する２個の隣接する噴散穴間の間隔が同１群中の２個の隣接する噴散穴間の間隔と同じになるように規定されている。例えば、列Ｒ１の群Ｇ！中の１個の噴散穴５ａ１と別の列Ｒ２の他の群中の隣接する噴散穴５ａ２とについてみると、両者間の間隔は、Ｓである。
【００１７】
図５に示される噴散穴群の変型配列においては、図４に示された配列の噴散穴群間の空間を埋めるために追加の噴散穴５ｃが追加されている。この配列は、内側壁４を通しての冷却ガスの分配の均一性を一層高め、内側壁４の内表面を覆う冷却膜の形成をより完全にする。
【００１８】
以上の説明においては図３〜５に示されるように各々７個から成る噴散穴群が最適であるとして例示したが、本発明は、状況に応じて各噴散穴群の噴散穴の個数を増減することが望ましい場合もあるという可能性を排除するものではない。
噴散穴の正確な個数は、燃焼器の規格の相異や燃焼条件の相異を勘案した模型テスト（バーチャルテスト又はハードウエアテスト）を参照することによって決定される。又、以上の説明においては噴散穴５ａは中心噴散穴５ｂの周りに等間隔に配置されるものとして例示したが、本発明の範囲から逸脱することなく各穴の間隔及び位置を僅かに変更することがは、もちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、燃焼チャンバーの概略断面図である。
【図２】図２は、図１のボックスＡ内の燃焼チャンバーの壁の拡大部分図である。
【図３】図３は、１つの群の冷却穴の配置を示す拡大平面図である。
【図４】図４は、図３と同様の図であるが、本発明の一実施形態による隣接する冷却穴群間の関係を示す縮尺図である。
【図５】図５は、図４と同様の図であるが、本発明の他の実施形態を示す。
【符号の説明】
１  燃焼チャンバー、燃焼チャンバー缶
２，４  二重壁
２  外側壁
３  衝撃穴
４  内側壁
５  噴散穴
５ａ  噴散穴
５ｂ  中心噴散穴
１０  上流端、入口端
１２  下流端、排出端
１３  冷却空気空間キャビティ、キャビティ
１４  衝撃中心
Ｃ  圧縮空気
ｄ  水平距離
Ｄ  燃焼ガス
Ｇ  噴散穴群
Ｌ  長手軸線
Ｒ１，Ｒ２  列
Ｓ  距離
Ｘ  距離
【図１】
0004554802.tif 000002
【図２】
0004554802.tif 000003
【図３】
0004554802.tif 000004
【図４】
0004554802.tif 000005
【図５】
0004554802.tif 000006