(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン用の燃焼器であって、
外側ライナを備えており、前記外側ライナは、円周方向に分散されているとともに前記外側ライナを貫通した１列の外側燃焼空気孔を備えており、前記外側燃焼空気孔は、大きな寸法の１次外側孔と、互いに隣接する一対の前記１次外側孔の、円周方向の中間に設けられた小さな寸法の２次外側孔と、を備えており、前記燃焼器は、さらに、
前記外側ライナにより取り囲まれた内側ライナを備えており、前記内側ライナは、円周方向に分散されているとともに前記内側ライナを貫通した１列の内側燃焼空気孔を備えており、前記内側燃焼空気孔は、前記１次外側孔から円周方向に離された大きな寸法の１次内側孔と、互いに隣接する一対の前記１次内側孔の、円周方向の中間に設けられた小さな寸法の２次内側孔と、を備えており、
さらに、前記燃焼器は、１列の燃料噴射装置を備え、各燃料噴射装置は、前記大きな寸法の１次外側孔と円周方向に整列していることを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
前記外側燃焼空気孔の列において、前記１次外側孔および前記２次外側孔が円周方向に交互に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記外側燃焼空気孔の列において、前記１次外側孔および前記２次外側孔が円周方向に交互に設けられており、前記内側燃焼空気孔の列においても、前記１次内側孔および前記２次内側孔が円周方向に交互に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項４】
前記外側ライナおよび前記内側ライナが、軸方向長さを有し、前記の内側燃焼空気孔の列および前記の外側燃焼空気孔の列が、前記軸方向長さのほぼ中央位置もしくはこれより前方で前記内側ライナおよび前記外側ライナをそれぞれ貫通していることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項５】
前記の内側燃焼空気孔の列および前記の外側燃焼空気孔の列が、前記軸方向長さのほぼ中央位置で、前記内側ライナおよび前記外側ライナをそれぞれ貫通していることを特徴とする請求項４に記載の燃焼器。
【請求項６】
前記内側ライナおよび前記外側ライナが、それぞれ、支持シェルと、前記支持シェルの前部に固定された前方断熱部材と、前記支持シェルの後部に固定された後方断熱部材と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項７】
複数のインピンジメント冷却孔が各支持シェルを貫通しており、複数のフィルム冷却孔が各断熱部材を貫通していることを特徴とする請求項６記載の燃焼器。
【請求項８】
タービンエンジン用の燃焼器であって、
外側ライナを備えており、前記外側ライナは、円周方向に分散されているとともに前記外側ライナを貫通した１列の外側希釈空気孔を備えており、前記外側希釈空気孔は、大きな寸法の１次外側孔と、互いに隣接する一対の前記１次外側孔の、円周方向の中間に設けられた小さな寸法の２次外側孔と、を備えており、前記燃焼器は、さらに、
前記外側ライナにより取り囲まれているとともに前記外側ライナと協働して環状燃焼室を画定している内側ライナを備えており、前記内側ライナは、円周方向に分散されているとともに前記内側ライナを貫通した１列の内側希釈空気孔を備えており、前記内側希釈空気孔は、前記１次外側孔から円周方向に離された大きな寸法の１次内側孔と、一対の前記１次内側孔の中間に設けられた小さな寸法の２次内側孔と、を備えており、前記燃焼器は、さらに、
１次燃焼空気を前記環状燃焼室に供給するための唯一の搬送装置として機能する前端部アッセンブリを備えているとともに、
１列の燃料噴射装置を備え、各燃料噴射装置は、前記大きな寸法の１次外側孔と円周方向に整列していることを特徴とする燃焼器。
【請求項９】
前記外側希釈空気孔の列において、前記大きな寸法の１次外側孔および小さな寸法の２次外側孔が円周方向に交互に設けられていることを特徴とする請求項８記載の燃焼器。
【請求項１０】
前記外側希釈空気孔の列において、前記１次外側孔および前記２次外側孔が円周方向に交互に設けられており、前記内側希釈空気孔の列においても、前記１次内側孔および前記２次内側孔が円周方向に交互に設けられていることを特徴とする請求項８記載の燃焼器。
【請求項１１】
前記外側ライナおよび前記内側ライナが、軸方向長さを有し、前記の内側希釈空気孔の列および前記の外側希釈空気孔の列が、前記軸方向長さの中央位置もしくはこれより前方で前記内側ライナおよび前記外側ライナをそれぞれ貫通していることを特徴とする請求項８記載の燃焼器。
【請求項１２】
前記の内側希釈空気孔の列および前記の外側希釈空気孔の列が、前記軸方向長さのほぼ中央位置で前記内側ライナおよび前記外側ライナをそれぞれ貫通していることを特徴とする請求項１１記載の燃焼器。
【請求項１３】
前記内側ライナおよび前記外側ライナが、それぞれ、支持シェルと、前記支持シェルの前部に固定された前方断熱部材と、前記支持シェルの後部に固定された後方断熱部材と、を備えていることを特徴とする請求項８記載の燃焼器。
【請求項１４】
複数のインピンジメント冷却孔が各支持シェルを貫通しており、複数のフィルム冷却孔が各断熱部材を貫通していることを特徴とする請求項１３記載の燃焼器。
【請求項１５】
前記前端部アッセンブリが、
前記内側ライナの前端部と前記外側ライナの前端部との間で径方向に延びているフードと、
前記内側ライナの前端部と前記外側ライナの前端部との間で径方向に延びている案内アッセンブリと、
前記フードおよび前記案内アッセンブリを通って延びている燃料噴射装置と、を備えており、前記フード、前記案内アッセンブリおよび前記燃料噴射装置が、１次燃焼空気を前記燃焼室に供給するための流路を備えていることを特徴とする請求項８記載の燃焼器。
【請求項１６】
タービンエンジン用の燃焼器であって、
外側ライナを備えており、前記外側ライナは、１列の、等角度に分散されているとともに前記外側ライナを貫通した外側希釈空気孔を備えており、前記外側希釈空気孔は、円周方向に交互に配置された大きな直径の１次外側孔および小さな直径の２次外側孔を備えており、前記燃焼器は、さらに、
前記外側ライナにより取り囲まれているとともに前記外側ライナと協働して環状燃焼室を画定している内側ライナを備えており、前記内側ライナは、円周方向に分散されているとともに前記内側ライナを貫通した１列の内側希釈空気孔を備えており、前記内側希釈空気孔の列は、前記外側希釈空気孔の列と軸方向にほぼ整列されているとともに、円周方向に交互に配置された大きな寸法の１次内側孔および小さな直径の２次内側孔を備えており、前記１次内側孔は、前記２次外側孔と円周方向に整列しており、前記燃焼器は、さらに、
前記内側ライナの前端部と前記外側ライナの前端部との間で径方向に延びているフードと、
前記内側ライナの前端部と前記外側ライナの前端部との間で径方向に延びている案内アッセンブリと、
前記フードおよび前記案内アッセンブリを通って延びている複数の燃料噴射装置と、を備えており、前記フード、前記案内アッセンブリおよび前記燃料噴射装置が、１次燃焼空気を前記燃焼室に供給するための流路を備えており、
また前記燃料噴射装置は１列に配置され、各燃料噴射装置は、前記大きな寸法の１次外側孔と円周方向に整列していることを特徴とする燃焼器。
【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用の燃焼器に関し、特に、窒素化合物（ＮＯｘ）の排出量を低減させるとともに、排気ガスが所定の空間的温度プロファイルを有する燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジン（例えば、最新型の商業用航空機に動力を供給するためのガスタービンエンジン）は、供給される空気を圧縮するための圧縮機と、この圧縮された空気とともに炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼器と、発生した燃焼ガスからエネルギーを引き出すためのタービンと、を備えている。燃焼器は、一般的に、径方向に互いに離間された内側ライナおよび外側ライナを備えている。これらのライナによって、圧縮機とタービンとの、軸方向の間に環状燃焼室が画定されている。円周方向に分散された燃焼空気孔の列が、複数の軸方向位置において各ライナを貫通しており、これによって、燃焼空気が燃焼室内部へと流入するようになっている。複数の燃料噴射装置が、円周方向に分散されているとともに、燃焼室の前端部内部へと延びており、これによって、燃料が供給されるようになっている。
【０００３】
炭化水素燃料を燃焼させることによって、必然的に、多種の汚染物質（窒素化合物（ＮＯｘ）を含む）が発生する。ＮＯｘの排出は、規制機関による規制が徐々に厳しくなっている課題である。従って、エンジンの製造業者は、ＮＯｘの排出を低減させるよう努めている。
【０００４】
ＮＯｘ排出量を低減させるための主な方策は、「高空燃比燃焼、迅速なクエンチング、低空燃比燃焼」（ＲＱＬ）と称されるものである。ＲＱＬ方策は、火炎温度が高い状態（つまり燃料−空気比率が化学量論的な値もしくはこの値付近である状態）でＮＯｘが最も生成され易いという認識に基づいている。ＲＱＬ燃焼のために構成された燃焼室は、直列に配置された３つの燃焼領域（つまり、燃焼空の前端部における高空燃比燃焼領域、高燃空比燃焼領域の軸方向後方における希釈／クエンチ領域、およびクエンチ領域の軸方向後方における低空燃比燃焼領域）を有する。
【０００５】
エンジンの運転中、圧縮機から放出される圧縮された空気の一部は、燃焼室の高空燃比燃焼領域に流入する。同時に、化学量論的に過度な量の燃料が、燃料噴射装置から高空燃比燃焼領域に供給される。これによって発生する、燃料比率が化学量論的に高い燃料−空気混合物は、点火されて燃焼され、これによって、燃料のエネルギーの一部が放出される。このように混合物の燃料比率が高いことによって、燃焼火炎の温度が低くなるため、高空燃比燃焼領域におけるＮＯｘの生成が抑制され、さらに、エンジン出力が突然低下した場合に燃焼火炎のブローアウト（blowout）が起こり難くなる。
【０００６】
高空燃比燃焼領域において発生した、燃料比率が高い燃料生成物は、続いて、クエンチ領域に流入し、ここで燃焼過程が継続される。さらに、圧縮機から放出される加圧された空気の噴射流が、燃焼空気孔から径方向に燃焼室に流入する。この空気は、クエンチ領域に流入する燃焼生成物と混合されて燃焼に寄与し、これによって、付加的なエネルギーが燃料から放出される。さらに、燃料比率が高い燃焼生成物がクエンチ領域を軸方向に流れて空気と混合されるに従って、この燃焼生成物の燃料比率が空気によって徐々に減少する。まず最初に、燃焼生成物は、燃料比率が高い状態から、空燃比が化学量論的値である状態へと変化し、これによって、燃焼火炎の温度が上昇する。所定の時間間隔に生成されるＮＯｘの量は、火炎温度とともに指数関数的に増大するため、クエンチングの初期過程で多量のＮＯｘが生成し得る。クエンチングが継続するに従って、燃焼生成物は、空燃比が化学量論的値である状態から燃料比率が低い状態へと変化し、これによって、燃焼火炎の温度が低下する。しかし、混合物の空燃比が化学量論値を下回るまで混合物が希釈される間、燃焼火炎は、多量のＮＯｘが発生し得るほど高温のままである。
【０００７】
最終的に、燃料比率が低下した燃焼生成物は、クエンチ領域から軸方向に流れて低空燃比燃焼領域に流入し、ここで燃焼過程が完了する。圧縮機から放出された空気の噴射流が、付加的に、低空燃比燃焼領域に径方向に流入する。このような付加的な空気により燃焼過程が継続され、これによって、燃料からエネルギーが放出され、燃焼生成物のピーク温度および温度プロファイルが調整される。ピーク温度および温度プロファイルが調整されることによって、タービンが過度な温度および過度な温度勾配にさらされなくなる。
【０００８】
ＮＯｘの大部分は、クエンチング過程で発生するため、クエンチングを迅速に行うことによって、ＮＯｘが生成し得る時間を制限することが重要である。さらに、クエンチング領域自体においても低空燃比燃焼領域の最前部分においても、燃料および空気を完全に混合することが重要である。さもなければ、低空燃比燃焼領域を流れる混合物の燃料比率を化学量論的に低くすることができても、燃料比率が化学量論的に高いポケットが混合物中に局在し得る。このような燃料比率が高いポケットは、多くの理由によって生じ得る。これらの理由のうち、特に、ライナにおける燃焼空気孔の寸法、分布つまり密度が不適切なことや、空気噴射流を発生させる圧力が局部的に異なること、が挙げられる。このような要因によって、空気噴射流の径方向の浸透が抑制され、かつ／または、空気噴射流の円周方向の分散が制限されることにより、混合が不十分となる可能性がある。燃料−空気比率が高いことにより、このような燃料比率が高いポケットは、混合物の他の部分よりも高温で燃焼される。これによって、ＮＯｘの生成がさらに促進されるとともに、局部的な「高温スポット」もしくは「高温ストレーク」が発生し、タービンが損傷する恐れがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主な目的は、ガスタービンエンジンの燃焼器内部におけるＮＯｘを抑制することであり、さらに、このような目的を、燃焼器からタービンへと流れる燃焼ガスの温度プロファイルが最適化されるような方法で達成することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態によると、ガスタービンエンジンの環状燃焼室が、径方向内側ライナおよび径方向外側ライナを備えており、各ライナが、円周方向に分散されているとともに各ライナを貫通している燃焼空気孔の列を備えている。径方向外側ライナにおける燃焼空気孔の列は、大きな寸法の１次孔を備えている。さらに、小さい寸法の２次孔を、互いに隣接する一対の１次孔の円周方向の中間に備えることも可能である。１次孔によって、燃焼空気の「１次」噴射流が、環状燃焼室の径方向中心線に向かって（通常はこれを通過する）、大きな距離を径方向内側に浸透する。２次孔（設けられている場合）によって、燃焼空気の「２次」噴射流が、１次噴射流よりも小さい距離だけ径方向内側に浸透する。２次噴射流によって、１次噴射流が横方向（つまり円周方向）に広がらないことが補われる。内側ライナにおける１次孔は、外側ライナにおける１次孔から円周方向に離されている。内側ライナにおける孔によって、燃焼空気噴射流が、環状燃焼室の径方向中心線に向かって（通常はこれを通過する）、大きな距離を、径方向外側に浸透する。これによって、燃焼室において１次噴射流の円周方向の間の部分に燃焼空気が供給される。このように内側孔および外側孔が分散していることによって、燃料−空気混合物が完全に混合され、かつ規則的に分布したものとなる。これによって、ＮＯｘの生成が抑制されるとともに、タービンに流入する燃焼ガスの温度プロファイルが好適なものとなる。
【００１１】
本発明の第２の形態によると、外側ライナおよび内側ライナは、それぞれ、１列の燃焼空気孔を備えている。各列は、大きな寸法の１次孔および小さな寸法の２次孔を備えている。外側の列においては、１次外側孔の、円周方向の間に、２次外側孔が設けられている。内側の列の１次内側孔は、外側の列の１次外側孔から円周方向に離されている。２次内側孔によって、燃焼室において１次内側噴射流の円周方向の中間でかつ１次外側噴射流の径方向内側の部分に、燃焼空気の空気噴射流が流入する。
【００１２】
本発明の第３の形態によると、ガスタービンエンジンの燃焼室は、径方向外側ライナおよび径方向内側ライナを備えており、各ライナが、１列の希釈空気孔を備えている。外側の列は、１次外側孔と、一対の隣接する１次外側孔の、円周方向の中間における２次外側孔と、を備えている。内側ライナは、１次外側孔から円周方向に離された希釈空気孔を備えている。燃焼器の前端部アッセンブリは、１次燃焼空気を燃焼室に導入するための唯一の搬送装置として機能し、これによって、燃焼室の高空燃比燃焼領域の性能が最適になる。
【００１３】
本発明の第４の形態は、第３の形態と同様なものであるが、内側ライナの１次内側孔の対の中間に、小さい寸法の２次内側孔が設けられている。
【００１４】
本発明の主な利点は、タービンに流入する燃焼ガスの温度プロファイルを好適なものとしながら、ＮＯｘ排出量を抑制できることである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に示されているように、一般的なガスタービンエンジンの部材には、圧縮機（図示せず）、ディフューザ１２（部分的に図示されている）、燃焼器モジュール１４およびタービンモジュール１６（部分的に図示されている）が含まれる。燃焼器モジュール１４は、径方向内側ケース１８、およびこれと同心状の径方向外側ケース２０を備えている。内側ケース１８および外側ケース２０は、軸方向に延びたエンジン中心線２２を取り囲んでおり、これによって、環状圧力容器２４が画定されている。燃焼器モジュール１４の環状圧力容器２４内部には、さらに、燃焼器２６が設けられている。燃焼器２６は、軸方向長さＬを有するライナアッセンブリを備えている。ライナアッセンブリは、径方向内側ライナ３２および径方向外側ライナ３４を備えており、径方向外側ライナ３４が径方向内側ライナ３２を取り囲んでいることによって、環状燃焼室３６が画定されている。燃焼室３６の径方向中心線３８は、エンジン中心線２２から約２７．２センチメートル（１０．７インチ）の距離Ｒだけ離間されている。内側ライナ３２および外側ライナ３４は、内側ケース１８および外側ケース２０と協働して、内側空気プレナム４０および外側空気プレナム４２をそれぞれ画定している。
【００１６】
外側ライナ３４は、単一部材からなるとともに外側ケース２０に連結された外側支持シェル４４と、固定具５４によって外側支持シェル４４の前部５０および後部５２にそれぞれ固定された前方外側断熱部材４６および後方外側断熱部材４８と、を備えている。図２に最も明確に示されているように、前方外側断熱部材４６および後方外側断熱部材４８は、それぞれ、９枚の弓形断熱パネル（例えば、それぞれが約４０°の弧を画定したパネル４６ａ，４６ｂ，４６ｃとして代表的に示す）を備えている。同様に、内側ライナ３２は、単一部材からなりかつ内側ケース１８に連結されている内側支持シェル５８と、固定具６８によって内側支持シェル５８の前部６４および後部６６にそれぞれ固定された前方内側断熱部材６０および後方内側断熱部材６２、を備えている。図２に最も明確に示されているように、前方内側断熱部材６０および後方内側断熱部材６２は、それぞれ、９枚の弓形断熱パネル（例えば、それぞれが約４０°の弧σを画定したパネル６０ａ，６０ｂ，６０ｃ）を備えている。明確に示すために、各支持シェル４４，５８と各断熱パネルとの間の径方向間隔は、図２において、やや拡大されている。
【００１７】
内側ライナ３２および外側ライナ３４には、複数の冷却空気孔が、軸方向および円周方向に分散して穿孔されている。これらの冷却空気孔（図３Ａおよび図３Ｂにのみ示されている）は、外側支持シェル４４および内側支持シェル５８を横断するように貫通した複数のインピンジメント冷却孔７０と、断熱部材４６，４８，６０，６２を斜めに貫通した複数のフィルム冷却孔７２と、を備えている。これらの冷却空気孔７０，７２は、以下で説明する燃焼空気孔とは容易に識別することができる。冷却空気孔７０，７２の数は、燃焼空気孔よりもはるかに多く、さらに、冷却空気孔７０，７２は燃焼空気孔よりも実質的に小さいためである。例えば、図示されている燃焼室は、３６枚の相補形の断熱パネルに亘って、総数約２３０００個のインピンジメント冷却孔（それぞれ約０．６４ミリメートル（０．０２５インチ）の直径を有する）と、総数約４６０００個のフィルム冷却孔（それぞれ約０．６４ミリメートル（０．０２５インチ）の直径を有する）と、を備えている。さらに、以下で説明するように、フィルム冷却孔７２から放出される冷却空気は、燃焼室３６内部に流れ込んで燃焼プロセスに寄与するのではなく、断熱パネルに沿って流れて冷却フィルムを構成する。
【００１８】
エンジンの運転中、加圧された冷却空気が、空気プレナム４０，４２からインピンジメント冷却孔７０に流入する。この冷却空気は、インピンジメント冷却孔７０から流出し、不連続な第１の噴射流の列となって断熱部材に衝突してこれらを冷却する。衝突後の冷却空気は、フィルム冷却孔７２を流れ、これらのフィルム冷却孔７２から流出して第２の冷却空気噴射流の列となり、燃焼室３６へと流入する。フィルム冷却孔７２は傾斜しているため、第２冷却空気噴射流は、各断熱部材の、火炎に露出される面に平行な方向成分を有しながら、燃焼室に流入する。このような平行な方向成分によって、この第２の冷却空気噴射流が、断熱部材の、火炎に露出される面に沿って流れる冷却フィルムに流入する。図示されているフィルム冷却孔７２は、これらから放出される冷却空気が径方向成分および軸方向成分を有するように方向付けられているが、フィルム冷却孔７２を、放出される冷却空気が円周方向成分をも有するように、方向付けることも可能である。フィルム開始孔７４ａ，７４ｂのリング（図４に最も明確に示されている）が、各支持シェル４４，５８の前端部を貫通しており、これによって、各前方断熱部材４６，６０の前端部に冷却フィルムが構成されるようになっている。同様な支持シェルおよび断熱パネルの構成については、米国特許第５，７５８，５０３号にさらに開示されている。
【００１９】
主に図１から図４に示されているように、燃焼器２６は、環状に延びたフード７８と、バルクヘッドアッセンブリ８０と、１８個の燃料噴射装置８２と、１８個の案内部材９０と、を備えた前端部アッセンブリ７６を有する。以下で詳しく説明するように、前端部アッセンブリ７６は、燃焼室の前端部に一次燃焼空気を供給するための唯一の搬送装置（vehicle）である。
【００２０】
フード７８は、内側ライナ３２の前端部と外側ライナ３４の前端部との間で径方向に延びているとともに、これらに固定されている。フード７８は、円周方向に分散された１８個のフードポート８４を備えており、これらは、燃料噴射装置８２を収容するとともに空気を燃焼室の前端部に導入するよう機能する。
【００２１】
各バルクヘッドアッセンブリ８０は、バルクヘッドを備えており、バルクヘッドは、環状に延びかつ内側ライナ３２および外側ライナ３４に固定されたバルクヘッド支持シェル８６と、バルクヘッド支持シェル８６に固定されているとともに円周方向に分散された１８個のバルクヘッド断熱部材セグメント８８と、を備えている。１８個の案内部材９０は、フードポート８４の１つと円周方向に整列した中心開口部９２をそれぞれ備えており、バルクヘッドを通って延びている。パージ用空気流路９４および旋回空気流路９６が、案内部材９０を通って延びている。案内部材空気旋回器９８が、各旋回空気流路９６の上流側端部に配置されている。冷却空気流路８７，８９が、バルクヘッド支持シェル８６およびバルクヘッド断熱部材セグメント８８に穿孔されている。
【００２２】
各燃料噴射装置８２は、外側ケース２０に固定されているとともに、フードポート８４の一つおよびこれと対応する案内部材９０の中心孔９２を通って延びている。各燃料噴射装置８２は、内側空気流路１００および環状の外側空気流路１０２を備えており、それぞれの内部に内側旋回器１０４および外側旋回器１０６が配置されている。冷却空気孔１０５が、燃料噴射装置８２のリップ１０７を貫通している。冷却空気孔１０５によって、外側空気流路１０２の空気の一部が、燃焼室３６においてリップ１０７のすぐ後方の領域へと分流するようになっており、これによって、リップ１０７が燃焼火炎の高熱から遮断される。冷却空気孔１０５は、これらから流出する空気が径方向成分および円周方向成分を有するように、方向付けられている。各燃料噴射装置８２は、さらに、水素燃料を燃焼室３６に導入するための環状燃料噴射流路１０８を備えている。傾斜した不連続の旋回流路１１０のリングが、燃料噴射流路１０８内部に設けられており、これによって、燃料に旋回成分が加わるようになっている。空気流路９４，９６，１００，１０２および燃料噴射流路１０８は、旋回成分を有しかつ完全に混合された燃料−空気混合物が得られるように、配置および方向付けが慎重に行われている。燃料−空気混合物が、旋回成分を有しかつ完全に混合されている場合、燃焼室３６の前端部における燃焼が促進されるためである。
【００２３】
主に図１，２，５，６を参照すると、円周方向に分散された燃焼空気孔の列１１２，１１４が、内側ライナ３２および外側ライナ３４をそれぞれ貫通している。外側ライナ３４における燃焼空気孔の列１１４は、少なくとも、等角度で分散された大きな寸法の１次外側孔つまり流路１１６の組を備えている。隣接していない１次孔が、それぞれ、燃料噴射装置８２の一つと円周方向に整列しており、これらは、図２に投影８２’として示されている。各１次外側孔１１６は、円形の孔であり、外側支持シェル４４における孔１１６ｓと、前方外側断熱部材４６における対応する孔１１６ｈと、を備えている。前方外側断熱部材４６と一体に設けられた突出型リム１１７が、各孔１１６ｈを取り囲んでいるとともに、前方外側断熱部材４６と外側支持シェル４４との間の径方向スペースを塞いでおり、これによって、各孔１１６が、燃焼空気を空気プレナム４２から燃焼室３６へと移送するための短くかつシールされた流路を構成している。各孔１１６ｓは、円形の孔であり、直径が約１９．３ミリメートル（０．７６インチ）である。各孔１１６ｈもまた、円形の孔であり、直径が約１７．３ミリメートル（０．６８インチ）である。孔１１６ｓは、孔１１６ｈよりも僅かに大きく、これによって、製造および組み立ての精度が悪い場合に対処することが可能となっている。このようにしなければ、製造および組み立ての精度が悪い場合に、孔１１６ｓ，１１６ｈの位置決めが不完全になるとともに、これに伴って、孔１１６を通る流体の流れが制限されて、望ましくない結果となるためである。孔１１６ｈの方が寸法が小さいため、孔１１６ｓではなく、孔１１６ｈによって、燃焼室３６に流入する燃焼空気の量が制限される。
【００２４】
理想的には、外側ライナ３４は、さらに、小さい寸法の２次外側孔１１８の組を備えており、これらの２次外側孔１１８は、一対の互いに隣接する１次外側孔１１６の、円周方向の中間に配置されている。各２次外側孔１１８は、円形の孔であり、外側支持シェル４４における孔１１８ｓと、前方外側断熱部材４６における対応する孔１１８ｈと、を備えている。前方外側断熱部材４６と一体に設けられた突出型リム１１９が、各孔１１８ｈを取り囲んでいるとともに、前方外側断熱部材４６と外側支持シェル４４との間の径方向スペースを塞いでおり、これによって、各孔１１８が、燃焼空気を空気プレナム４２から燃焼室３６へと移送するための短くかつシールされた流路となっている。各孔１１８ｓは、円形の孔であり、直径が約７．１ミリメートル（０．２８インチ）である。各孔１１８ｈもまた、円形の孔であり、直径が約５．１ミリメートル（０．２０インチ）である。２次外側孔１１８の数を、１次外側孔１１６と等しくする必要はない。しかし、図示された実施例においては、１次外側孔１１６の数と２次外側孔１１８の数は等しく（各３６個）、これによって、１次外側孔１１６および２次外側孔１１８は、外側の列１１４において円周方向に交互に配置されているとともに、等角度で分散されている。
【００２５】
内側ライナ３２における燃焼空気孔の列１１２は、少なくとも、等角度に分散された１次内側孔１２０の組を備えており、各１次内側孔１２０が、１次外側孔１１６から円周方向に離されている。図示された実施例においては、内側の列１１２が、１次外側孔１１６から円周方向に離されているとともに大きな寸法を有する１次内側孔１２０と、１次内側孔１２０の、円周方向の中間に配置されているとともに小さな寸法を有する２次内側孔１２２と、を備えている。各１次内側孔１２０は、円形の孔であり、内側支持シェル５８における孔１２０ｓと、前方内側断熱部材６０における対応する孔１２０ｈと、を備えている。前方内側断熱部材６０と一体に設けられた突出型リム１２１が、各孔１２０ｈを取り囲んでいるとともに、前方内側断熱部材６０と内側支持シェル５８との間の径方向スペースを塞いでおり、これによって、各孔１２０が、燃焼空気を内側プレナム４０から燃焼室３６へと移送するための短くかつシールされた流路を構成している。各孔１２０ｓは、円形の孔であり、直径が約１８．８ミリメートル（０．７４インチ）である。各孔１２０ｈもまた、円形の孔であり、直径が約１６．８ミリメートル（０．６６インチ）である。
【００２６】
各２次内側孔１２２は、円形の孔であり、内側支持シェル５８における孔１２２ｓと、前方内側断熱部材６０における対応する孔１２２ｈと、を備えている。前方内側断熱部材６０と一体に設けられた突出型リム１２３が、各孔１２２ｈを取り囲んでいるとともに、前方内側断熱部材６０と内側支持シェル５８との間の径方向スペースを塞いでおり、これによって、各孔１２２が、燃焼空気を内側プレナム４０から燃焼室３６へと移送するための短くかつシールされた流路を構成している。各孔１２２ｓは、円形の孔であり、直径が約５．８ミリメートル（０．２３インチ）である。各孔１２２ｈもまた、円形の孔であり、直径が約３．８ミリメートル（０．１５インチ）である。２次内側孔１２２の数を、１次内側孔１２０と等しくする必要はない。しかし、図示されている実施例においては、１次内側孔１２０の数と２次内側孔１２２の数とが等しく（各３６個）、これによって、内側の列１１２の１次内側孔１２０および２次内側孔１２２は、円周方向に交互に配置されている。各１次内側孔１２０は、２次外側孔１１８と径方向に対向しており、各２次内側孔１２２は、１次外側孔１１６と径方向に対向している。
【００２７】
燃焼空気孔の内側の列１１２および外側の列１１４は、軸方向に互いにほぼ整列されており、ライナアッセンブリの軸方向長さＬの中央もしくはこれよりも前方の位置において、各ライナ３２，３４を貫通している。図示されている実施例では、各列１１２，１１４が、ライナアッセンブリの軸方向長さＬのほぼ中央の位置において、各ライナ３２，３４を貫通している。この貫通位置は、各前方断熱部材４６，６０の後端部近傍の位置に対応する。燃焼空気孔の列１１２，１１４によって、燃焼室が３つの燃焼領域（つまり、燃焼空気孔の軸方向前方における高空燃比燃焼領域ＲＢ、燃焼空気孔と軸方向に同位置にある希釈／クエンチ領域Ｑ、および燃焼空気孔の軸方向後方における低空燃比燃焼領域ＬＢ）に分割される。
【００２８】
運転中、ディフューザ１２によって、圧縮機（図示せず）から流れる加圧された空気が減速される。この加圧された空気の第１の部分が、上述したように、断熱部材４６，４８，６０，６２を冷却するためのインピンジメント冷却孔７０，７２、フィルム冷却孔７４ａ，７４ｂ、およびバルクヘッドアッセンブリ８０を冷却するための冷却空気流路８７，８９を介して燃焼室３６に流入する。加圧された空気の第２の部分は、前端部アッセンブリ７６の流路９４，９６，１００，１０２を介して燃焼室３６の高空燃比燃焼領域ＲＢに流入する。このような空気は、燃料噴射装置８２から供給される化学量論的に過度な量の燃料と混合されて高空燃比燃焼領域ＲＢにおける初期の燃焼に寄与することから、一次燃焼空気と称される。高空燃比燃焼領域ＲＢにおいては、燃料−空気混合物の燃料比率が化学量論的に高いことによって、火炎が比較的低温となり、これによって、ＮＯｘの過度な生成が防止されるとともに、エンジン出力が突然低下した状態での燃焼火炎の吹き消え（blowout）が防止される。本発明の燃焼室においては、前端部アッセンブリ７６が、一次燃焼空気を燃焼室３６に導入するための唯一の搬送装置（vehicle）であり、このことによって、有利な効果が得られる。一次燃焼空気を他の部分（例えば、内側ライナ３２および外側ライナ３４の前端部における燃焼空気開口部）に導入した場合には、化学量論的な比率もしくはほぼ化学量論的な比率の燃料および空気のポケットが燃焼室の前端部に発生し、これによって、ＮＯｘが過度に生成されるためである。
【００２９】
高空燃比燃焼領域ＲＢからの燃焼生成物（未燃焼の燃料を含む）は、続いて、クエンチ領域Ｑに流入する。圧縮機から放出される加圧された空気の第３の部分は、燃焼空気孔の列１１２，１１４を介して空気プレナム４０，４２からクエンチ領域Ｑに流入する。このような加圧された空気の第３の部分は、クエンチ領域Ｑの前端部における化学量論的にリッチな状態からクエンチ領域Ｑの後端部もしくはその下流側における化学量論的にリーンな状態へと燃焼生成物を希釈するのに利用されるため、希釈空気と称される。さらに、希釈空気と燃焼室を流れる燃焼生成物とを完全に混合することによって、燃料−空気混合物を、迅速に、完全に混合されかつ規則的に分布した状態にすることが、重要である。本願では、「規則的」という用語は、燃焼−空気比率が、円周方向にほぼ均一である（任意の半径において）とともに、径方向に均一かもしくは所望の予め規定されたとおりに変化している状態を意味する。
【００３０】
燃焼空気の１次外側空気噴射流１２６は、１次外側孔１１６を介して燃焼室３８に流入し、径方向内側に浸透しながら、燃焼室３６を流れる燃焼生成物によって軸方向下流側に押し流されて高空燃比燃焼領域ＲＢに流入する。１次外側空気噴射流１２６は、１つもしくは２つの孔の直径分の距離だけ下流方向に流れるまでに、燃焼室３６の径方向中心線３８よりも深く浸透する。好適な実施例では、２次外側空気噴射流１２８が、２次外側孔１１８から燃焼室３６に流入する。このような２次外側空気噴射流１２８によって、燃焼室３６の、１次外側空気噴射流１２６の円周方向の中間の領域（特に、燃焼室中心線３８の径方向外側の領域）における燃料−空気混合物の希釈つまりクエンチングが促進される。１次外側孔１１６の間、ひいては１次外側空気噴射流１２６の間の直線距離ＳOは、相対的に大きいため、好適な実施例においては、２次外側孔１１８が設けられている。さらに、クエンチ領域Ｑにおいては、１次外側空気噴射流１２６が、燃焼室３６を軸方向に流れる燃焼生成物により分散されてこれと混合されるほど深く径方向に浸透していないため、１次外側空気噴射流１２６がライナ近傍に密集する。これらの２つの要因、つまり円周方向の間隔が大きいことおよび噴射流が密集することによって、１次外側空気噴射流１２６が横方向（つまり円周方向）に迅速に広がらず、これによって、これらが１次外側孔１１６の中間の領域へと流れ込まない。２次外側空気噴射流１２８によって、このような領域に希釈空気を流入させることができる。１次外側空気噴射流１２６が内側ライナ３２に近づくに従って互いの方向に発散して横方向に広がるため、設計によって、２次外側空気噴射流１２８は、制限された径方向距離だけ浸透するようになっている。さらに、以下で詳細に説明するように、２次内側噴射流によって１次外側空気噴射流１２６が補われる。
【００３１】
さらに、内側ライナ３２の１次内側孔１２０によって、１次内側空気噴射流１３０が流入し、これによって、燃焼室３６の、１次外側空気噴射流１２６の円周方向の中間の領域における燃料−空気混合物が希釈つまりクエンチングされる。１次内側空気噴射流１３０は、１つもしくは２つの孔の直径分の距離を下流側に流れるまでに、燃焼室３８の径方向中心線３８よりも深く浸透する。１次内側孔１２０間の直線距離ＳIは１次外側孔１１６間の距離Ｓoよりもはるかに小さいため、１次内側空気噴射流１３０は、１次外側空気噴射流１２８よりも、横方向に広がって燃焼室３６において１次内側孔１２０の円周方向の中間の部分に流入し易い。それでもなお、図示された実施例では、内側ライナ３２が、１次内側孔１２０のみならず２次内側孔１２２を備えている。２次内側孔１２２から２次内側空気噴射流１３２を発生させることによって、希釈空気を１次内側空気噴射流１３０間でかつ１次外側空気噴射流１２６の径方向内側の部分に流入させることができる。
【００３２】
さらに、各２次空気噴射流１２８，１３２は、これらと対向する１次空気噴射流１３０，１２６と協働して、希釈空気を環状燃焼室３６全体に亘って径方向に分散させる。各２次空気噴射流１２８，１３２は、制限された距離だけ径方向に浸透するため、各２次空気噴射流１２８，１３２によっても、各断熱部材４８，６２が冷却される。
【００３３】
１次空気噴射流１２６，１３０および２次空気噴射流１２８，１３２が浸透する深さ、およびこれに対応する、１次孔１１６，１２０および２次孔１１８，１２２を流れ得る空気量は、孔１１６，１１８，１２０，１２２の相対的寸法を規定することにより調整することができる。噴射流の浸透深さおよび孔に流入し得る流体の量は、両方とも、孔の寸法が増大するほど大きくなるためである。従って、燃焼室の設計者は、好ましくは大きな寸法の１次外側孔１１６，１２０を調整することによって、燃料−空気の混合を犠牲にすることなく、燃焼ガスの温度プロファイルを調整することができる。燃料−空気の混合を犠牲にすると、ＮＯｘのレベルが上昇する恐れがある。最も好適な実施例においては、内側ライナ３２および外側ライナ３４に、１次孔１１６，１２０および２次孔１１８，１２２が円周方向に交互に設けられているが、これらの孔の寸法は、全希釈空気の少なくとも約９０％、好ましくは約９４％が１次孔１１６，１２０から流入するような大きさとされている。２次孔１１８，１２２からは、全希釈空気の約１０％以下、好ましくは約６％が流入するようになっている。
【００３４】
最終的に、クエンチ領域Ｑからの燃焼生成物は、低空燃比燃焼領域ＬＢに流入し、ここで、燃焼過程が完了する。燃焼生成物が低空燃比燃焼領域ＬＢに流入する際、空気噴射流１２６，１２８，１３０，１３２は、下流方向に流れるのみならず、径方向に浸透するとともに横方向に浸透し続け、燃焼ガスと完全に混合する。
【００３５】
このように、内側の孔の列１１２および外側の孔の列１１４が円周方向に分散しているとともに軸方向に整列していることによって、上述したようなＮＯｘの生成が抑制されるのみならず、タービンモジュール１６に流入する排気ガスのピーク温度および空間的温度プロファイルが調整される。希釈およびプロファイル制御に利用可能な空気の量が限られているため、排気ガスの温度プロファイルを調整するのにクエンチ領域の空気を利用することは、燃焼室の後端部近傍における専用のプロファイル制御用孔の組を利用する従来技術の方法よりも優れている。燃焼室の後端部近傍における希釈およびプロファイル制御に利用される空気は、クエンチ領域における希釈空気としては利用できない。これによって、クエンチ領域に流入する燃料−空気混合物の燃料比率が、多量のＮＯｘが発生し続けるほど高くなる可能性がある。
【００３６】
所望により、上述した温度プロファイルを空間的に均一にすることができる。しかし、図示された好適な実施例では、プロファイルが径方向に不均一であり、ライナ３２，３４の近傍では最も低温で、燃焼室３６の径方向中心線３８の近傍では最も高温となっている。第１段タービンベーン１３８の径方向内側端部および径方向外側端部において円周方向に延びたプラットフォーム１３６は、本質的に、プラットフォーム１３６間で径方向に延びたエアロフォイル１４０よりも、冷却するのが困難であるため、このようにプロファイルが径方向に不均一であることによって有利な効果が得られる。従って、プラットフォーム１３６をエアロフォイル１４０よりも低温にすることは、好都合である。
【００３７】
本発明および本発明の実施のための最良の形態によって、本発明の特定の特徴および利点が容易に得られる。
【００３８】
図示された実施例においては、１列の燃焼空気孔のみが、各ライナ３２，３４を貫通している。この結果、極めて制限された軸方向距離にのみ希釈空気が流入し、これによって、空燃比が化学量論的な値もしくはこれに近い値となる距離が制限されるとともに、多量のＮＯｘを発生させるのに十分なほどに火炎温度が高温になる時間間隔が制限される。原則的には、希釈空気孔の列を複数設けることができる。しかし、図示された実施例の単一列の孔と同一の制限された軸方向距離に複数列の孔を設けるためには、これらの複数列の孔の寸法を、図示された孔よりも小さくしなければならない。この結果、これらの孔を流れる燃焼空気噴射流は、空間的に規則的でかつ完全に混合された燃料−空気混合物を生成することができるほど深く径方向内側もしくは径方向外側に浸透しなくなる。結果として、混合物が空間的に不規則になることによって、燃焼器のＮＯｘが低減する可能性が低くなり、さらに、これに対応して温度プロファイルが不規則になることによって、タービンモジュールが、排気ガスの過度な温度および／または過度な温度勾配にさらされる。
【００３９】
図示された実施例では、１次孔および２次孔が、内側ライナおよび外側ライナの両方に設けられている。孔の寸法を均一にする（図示された１次孔よりも小さくかつ図示された２次孔よりも大きくする）ことも考えられるが、このような孔から発生する空気噴射流の、径方向への浸透距離は、図示された１次孔から発生する空気噴射流よりも、小さくなる。このように浸透が制限されることによって、燃料−空気混合物が空間的に不規則になり、これに付随して、ＮＯｘが過度に生成されるとともに、径方向に対向するライナの近傍に高温部分が生じる。
【００４０】
燃焼空気孔の列１１２，１１４の軸方向位置は、燃焼生成物の空間的温度プロファイルを最適化する目的と、燃焼空気孔の上流側の高空燃比燃焼領域ＲＢにおける過度なＮＯｘ生成を抑制する目的と、を調和させるように選択される。燃焼空気孔の列１１２，１１４は、空気噴射流１２６，１２８，１３０，１３２の軸方向距離および時間がタービンモジュール１６に燃焼ガスが流入する前にその温度プロファイルを調整するのに十分な大きさとなるように、十分に前方に配置される。同時に、燃焼空気孔の列１１２，１１４は、希釈空気が燃料噴射装置８２のすぐ後方では燃料−空気混合物に混合されることがない程度に、後方に配置される。希釈空気が燃料噴射装置８２のすぐ後方で混合された場合、高空燃比燃焼領域ＲＢにおける燃料−空気混合物の燃料比率が低下することによって、ＮＯｘの排出量が増大するとともに、燃焼器の吹き消え（blowout）が発生し易くなる。
【００４１】
高度な計算流体力学（ＣＦＤ）を用いて、本発明の燃焼室（特に、１次外側孔１１６を備えた実施形態）の効果が評価された。例えば、０．０１５、０．０２５および０．０３２の全体的な燃空比で運転されている状態で、外側ライナが１次外側孔１１６および２次外側孔１１８を備えかつ内側ライナが少なくとも１次孔１２０を備えた燃焼室構成を評価した結果、内側ライナにも外側ライナにも２次孔が設けられていない燃焼室よりも、ＮＯｘ生成量が約２５％低減されることがわかった。このような分析から、さらに、本発明の燃焼室のＮＯｘの低減の可能性が空気プレナム４０，４２における空気圧差に大きく影響されることが予測された。例えば、燃料−空気比率が約０．０２５の状態で、内側プレナム４０および外側プレナム４２における空気圧差が１５％の場合、予測されるＮＯｘ排出量は約５％上昇するのみであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の燃焼器の側断面図。
【図２】図１の線３−３の方向から示した断面図。
【図３】図１の燃焼器の一部を示す拡大斜視図。
【図４】図１の燃焼器の一部を示す拡大側面図。
【図５】図１の燃焼器の前端部を示す拡大図。
【図６】本発明の径方向外側断熱パネルを図１の方向５から示した平面図。
【図７】本発明の径方向内側断熱パネルを図１の方向６から示した平面図。
【符号の説明】
２６…燃焼器
３６…燃焼室
３２…内側ライナ
３４…外側ライナ
８２…燃料噴射装置
１１６…１次外側孔
１１８…２次外側孔
１２０…１次内側孔
１２２…２次内側孔
７６…前端部アッセンブリ
８４…フード
【図１】
0004129362.tif 000002
【図２】
0004129362.tif 000003
【図３】
0004129362.tif 000004
【図４】
0004129362.tif 000005
【図５】
0004129362.tif 000006
【図６】
0004129362.tif 000007
【図７】
0004129362.tif 000008