JP4733852B2 - 燃焼器からの熱伝達を増す方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は一般的にはガスタービンエンジン燃焼器に関し、特に燃焼器デフレクタに関する。
【０００２】
燃焼器はガスタービンエンジン内の空燃混合気の点火に使用される。公知の燃焼器には少なくとも一つのドームが含まれ、ライナに取付けられて燃焼域を画成する。燃料点火器が燃焼器に取付けられドームと連通して燃料を燃焼域に供給する。燃料は眼鏡板に取付けたデフレクタを経て燃焼器に入る。デフレクタは、燃焼域内に発生した高温燃焼ガスが眼鏡板に衝突することを防止する。
【０００３】
様々な種類のデフレクタが知られており、そして燃焼器は通例複数のデフレクタを備えている。公知のデフレクタは長方形でありそして実質的に正方形の半径方向縁によって境されている。デフレクタには複数の半球形突起が含まれ、デフレクタからの熱伝達を容易にする。突起はデフレクタから外方に突出しておりそして半球形である。公知のデフレクタは通例、Ｍａｒ−Ｍ−５０９、ＨＳ−１８８またはＨａｓｔ−Ｘ材料で製造され、ドームを火炎放射から保護する。このようなデフレクタはまた空気プラズマ溶射断熱皮膜で覆われている。
【０００４】
運転中、デフレクタには、燃焼域内に発生する火炎放射と高温燃焼ガスにさらされる結果として、極端な酸化と低サイクル疲労（ＬＣＦ）応力が発生する。時の経過とともに、正方形の半径方向縁を覆っている断熱皮膜が分解し、そしてデフレクタを、破損を起こすおそれのある高温と火炎放射にさらす。このような露出は酸化とＬＣＦ亀裂をひき起こすおそれがあり、その結果デフレクタの破損と眼鏡板の損傷が発生して燃焼器の有効寿命を減らすおそれがある。
【０００５】
【発明の概要】
一実施態様において、ガスタービンエンジン用の燃焼器にデフレクタアセンブリが含まれ、燃焼器からの熱伝達を増加し、そして燃焼器内に誘発される低サイクル疲労応力を極めて少なくする。燃焼器のデフレクタアセンブリには複数のデフレクタが含まれ、眼鏡板に固定される。各デフレクタはテ−パ付き辺縁を有しそして複数の円筒形突起を含み、これらの突起は外方に突出しており、ガスタービンエンジン運転中燃焼器デフレクタからの熱伝達を容易にする。突起は丸み付き端縁を含みそして高密度パターンに配置される。デフレクタは断熱皮膜とボンディングコートとで覆われるので、燃焼器内の燃料燃焼の結果発生する高温燃焼ガスと火炎放射に対するデフレクタの露出が極めて少ない。
【０００６】
ガスタービンエンジンの運転中、断熱皮膜と突起の組合せはデフレクタすなわち反らせ板からの熱伝達を増加する。このような熱伝達の増加は、デフレクタの温度の低下と、酸化の減少と、低サイクル疲労の減少を容易にする。加えて、デフレクタは、酸化をさらに減らす基材合金で製造される。
【０００７】
【発明の詳述】
図１はガスタービンエンジン１０の概略図であり、エンジン１０は低圧圧縮機１２と高圧圧縮機１４と燃焼器１６を含み、さらに高圧タービン１８と低圧タービン２０を含んでいる。燃焼器１６は上流側２２と、少なくとも一つのドーム（図示せず）を有する。一実施例において、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティのゼネラル・エレクトリック・カンパニイから市販されているＧＥ−９０エンジンである。
【０００８】
運転中、空気が低圧圧縮機１２を通流しそして圧縮空気が低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給され、高度に圧縮された空気が燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの気流（図１に図示せず）がタービン１８、２０を駆動する。
【０００９】
図２はガスタービンエンジン、例えば、図１に示したエンジン１０用の燃焼器１６（図１に示してある）とともに使用されるデフレクタアセンブリ４０の部分斜視図である。デフレクタアセンブリ４０は環状であり、そして複数のデフレクタ４２と、眼鏡板４４とを含んでいる。一実施例において、眼鏡板４４は型で形成した板金部品である。取付け装置４６がデフレクタアセンブリ４０をドーム（図示せず）の上流の燃焼器上流側２２（図１に示してある）に固定している。取付け装置４６には複数の取付けブラケット４７が含まれ、半径方向外側フランジ４８と中央フランジ５０と半径方向内側フランジ５２とを含んでいる。フランジ４８、５０、５２は環状でありそして眼鏡板４４から周方向に延在する。半径方向外側フランジ４８は眼鏡板４４の外側リベットバンド５６に固定されそして複数の開口６０を有し、これらの開口は眼鏡板４４を外側燃焼器ライナ（図示せず）に固定するために複数の締結具（図示せず）を受入れるような寸法を有する。半径方向内側フランジ５２は眼鏡板４４の内側リベットバンド６２に固定されそして複数の開口６４を有し、これらの開口は眼鏡板４４を内側燃焼器ライナ（図示せず）に固定するために複数の締結具（図示せず）を受入れるような寸法を有する。外側および内側燃焼器ライナは燃焼器１６内に燃焼域（図示せず）を画成する。中央フランジ５０は眼鏡板４４の中央チャネル６６から延在し、そして複数の開口６８を有して、空気流が眼鏡板４４を通流することを可能にする。
【００１０】
眼鏡板４４には本体７０が含まれ、半径方向外側部分７２と半径方向内側部分７４とを有する。眼鏡板本体７０は一体物であり、また下流側７６と上流側（図示せず）とを有する。半径方向外側部分７２は支持フレーム外側リベットバンド５６と中央チャネル６６との間に延在しそして複数の開口７８を有し、これらの開口は燃料噴射ノズル（図示せず）を受入れる寸法を有する。半径方向内側部分７４は中央チャネル６６と内側リベットバンド６２との間に延在し、そしてやはり複数の開口７８を有する。開口７８は燃料噴射ノズル（図示せず）を受入れるように定められた直径７９を有する。開口７９は半径方向内側部分開口７８に等しい寸法を有する。
【００１１】
１対の環状の面取りコーナ部８０、８２は同等であって本体半径方向外側部分７２から周方向に延在する。詳述すると、面取りコーナ部８０は半径方向外側部分７２から下流方向に延在し、そして外側リベットバンド５６を本体半径方向外側部分７２に連結し、従って外側リベットバンド５６は本体半径方向外側部分７２から上流方向にほぼ垂直に延在する。さらに、面取りコーナ部８２は半径方向外側部分７２から下流方向に延在し、そして中央チャネル６６を本体半径方向外側部分７２に連結し、従って中央チャネル６６は半径方向外側部分７２から上流方向にほぼ垂直に延在する。
【００１２】
他の１対の環状の面取りコーナ部８６、８８は互いに同等でありまたコーナ部８０、８２と同等である。コーナ部８６、８８は本体半径方向内側部分７４から周方向に延在する。詳述すると、面取りコーナ部８８は半径方向内側部分７４から下流方向に延在し、そして内側リベットバンド６２を本体半径方向内側部分７４に連結し、従って内側リベットバンド６２は本体半径方向内側部分７４から上流方向にほぼ垂直に延在する。さらに、面取りコーナ部８６は半径方向内側部分７４から下流方向に延在し、そして中央チャネル６６を本体半径方向内側部分７４に連結し、従って中央チャネル６６は半径方向内側部分７４から上流方向にほぼ垂直に延在する。
【００１３】
中央チャネル６６は半径方向外側部分７２と半径方向内側部分７４との間に延在し、そして複数の開口９０を有する。開口９０は空気流が眼鏡板４４を通流することを可能にする。
【００１４】
デフレクタ４２は眼鏡板本体７０に配設されそして本体７０の半径方向外側部分７２と半径方向内側部分７４とに固定されている。一実施例において、デフレクタ４２は眼鏡板本体７０にろう付けされる。デフレクタ４２は下流側９２と上流側（図２には示してない）を有する。デフレクタの上流側と下流側９２は互いにほぼ平行であり、そしてデフレクタ４２はデフレクタ上流側が眼鏡板本体７０と隣接するように眼鏡板本体７０に取付けられている。さらに詳述すると、デフレクタ４２は眼鏡板本体の半径方向外側部分７２と半径方向内側部分７４とに取付けられている。
【００１５】
デフレクタ４２は実質的に長方形であり、そして本体９６と１対の縁域９８、１００とを含んでいる。本体９６は実質的に平行な半径方向辺縁１０２、１０４間において半径方向に延在し、そして実質的に平行な張り辺縁１０６、１０８間において周方向に延在する。半径方向辺縁１０２、１０４と張り辺縁１０６、１０８は丸みを付けてある。縁域９８、１００は半径方向辺縁１０２、１０４間に延在しそして張り辺縁１０６、１０８に隣接している。縁域９８、１００はデフレクタ本体９６からコーナ部８０、８２、８６、８８の面取り角度にほぼ等しい角度（図示せず）で延在する。従って、各デフレクタ４２が眼鏡板本体７０に固定される時、縁域９８、１００は眼鏡板本体７０に平らに接して固定される。デフレクタ４２はまた円筒形スリーブ（図２には示してない）を有する。円筒形スリーブは開口１１０を有し、この開口は、デフレクタ４２が眼鏡板４４に取付けられた時、眼鏡板本体開口７８と同心的に合うような寸法を有する。
【００１６】
デフレクタ４２は超合金基材で製造され、そして断熱皮膜（図示せず）で覆われてガスタービンエンジン１０の運転時の熱的露出を減らす。物理的蒸着断熱皮膜（ＴＢＣ）がデフレクタ４２に施されデフレクタ４２の熱的保護をなしてデフレクタ４２の低サイクル疲労（ＬＣＦ）破損を最少にする。一実施例において、デフレクタ４２は、ミシガン州ホワイトホールのハウメット・ホワイトホール・キャスティング（Howmet Whitehall Casting）から入手し得る超合金基材ＲｅｎｅＮ５で製造される。耐酸化性ボンディングコートがデフレクタ４２に対しＴＢＣ層の下に施されてデフレクタ４２の有効寿命を延ばす。一実施例において、ボンディングコートは白金アルミナイドである。
【００１７】
ガスタービンエンジン１０の運転中、デフレクタ４２は眼鏡板４４を、燃焼器１６の燃焼域（図示せず）内で発生した高温ガスと火炎放射から保護する。断熱皮膜は、デフレクタ４２内の低サイクル疲労を減らし、またデフレクタ半径方向辺縁１０２、１０４とデフレクタ張り辺縁１０６、１０８が火炎放射と高温燃焼ガスへの長時間の露出の結果として亀裂を起こすことを防止する。白金アルミナイドはさらに、デフレクタ４２の製造に使用された基材合金を腐食に対して保護し、こうしてデフレクタ４２の寿命を延ばす。
【００１８】
図３はデフレクタ４２の上流側１２０の斜視図である。円筒形スリーブ１２２がデフレクタ４２の上流側１２０から上流方向に延在する。円筒形スリーブ１２２は内面１２４と外面１２６を有する。円筒形スリーブ１２２はデフレクタ本体９６から上流縁１２８まで上流方向にほぼ垂直に延在する。内面１２４は開口１１０の内径１３０を定めそして外面１２６は外径１３２を定める。内径１３０は燃料噴射ノズル（図示せず）を受入れるように定められる。内面１２４は止め部１３４を有し、この止め部は内面１２４から半径方向内方かつ周方向に延在する。止め部１３４と切欠き１３６が、燃料噴射ノズルをデフレクタ４２内に挿入し得る距離を制限する。切欠き１３６は円筒形スリーブ外面１２６から内面１２４まで、そして円筒形スリーブ上流縁１２８からデフレクタ本体９６に向かって延在する。
【００１９】
外径１３２は眼鏡板開口直径７９（図２に示してある）よりわずかに小さく定められる。従って、デフレクタ４２が眼鏡板４４（図２参照）に固定された時、デフレクタ円筒形スリーブ外面１２６は眼鏡板開口７８と周方向に接触する。
【００２０】
デフレクタ４２には複数の突起１４０が含まれ、デフレクタ上流側１２０でデフレクタ本体９６から外方に突出している。突起１４０は高密度パターン１４２に配設され、半径方向辺縁１０２、１０４間においてデフレクタ本体９６に分布している。突起１４０はまたデフレクタ張り辺縁１０６、１０８間にかつ縁域９８、１００にわたって存在する。突起１４０はまた、円筒形スリーブ１２２を囲んでいる周方向空所１５０から半径方向外方に分布して縁空所１５２を画成している。縁空所１５２はデフレクタ４２の周囲にあり、そして縁空所１５２と周方向空所１５０は、デフレクタ４２を眼鏡板４４にろう付けする区域として役立つ。
【００２１】
高密度パターン１４２において、隣合う突起１４０の中心（図示せず）は距離１５６だけ離れている。距離１５６により、デフレクタ本体９６の上流側１２０の表面積を増す間隔が高密度パターン１４２内に形成される。距離１５６は各突起１４０の高さ（図３に示してない）の約３倍に等しい。距離１５６はまた各突起１４０の半径（図３に示してない）の約３倍に等しい。
【００２２】
作用について説明すると、隣合う突起１４０の間隔はデフレクタ本体９６の上流側１２０の表面積を増す。燃焼器１６（図１参照）の燃焼域（図示せず）内の高温ガスへの露出の結果としてデフレクタ４２の温度が上昇するにつれ、デフレクタ４２からの熱伝達が突起１４０によって増加し、高密度パターン１４２に配設された突起１４０を含まないデフレクタ４２と比べて改善される。熱伝達改善の結果、デフレクタ４２の材料温度が低下する。
【００２３】
図４はデフレクタ突起１４０の拡大断面図である。突起１４０はバンプまたはエンハンスメント（隆起）として知られており、円筒形であり、デフレクタ本体９６から距離１６０だけ突出している。突起１４０には隅肉１６２が含まれ、突起１４０の基部１６４の周囲に周方向に延在する。各突起１４０の高さ１６６は各突起１４０の上面１６８と隅肉１６２との間で測定される。一実施例において、距離１６０は約０．０１７インチであり、隅肉１６２は約０．００５インチの半径を有するように寸法を定められ、そして突起高さ１６６は約０．０１５インチである。
【００２４】
各突起１４０はまた、突起１４０を周方向に囲んでいる側壁１７４の外面１７２に関して測定した直径１７０を有する。一実施例において、直径１７０は約０．０３０インチである。側壁１７４は突起基部１６４に隣接する隅肉１６２を有してテ−パがついており、そして丸み付き上縁１７８を有し、この上縁は約０．００５インチの半径を有し、側壁１７４と突起上面１６８との間に延在する。エンジン運転中、テ−パ付き隅肉１６２と丸み付き上縁１７８は、隅肉１６２と丸み付き上縁１７８を含まない突起と比べて、突起１４０に発生する放射負荷を減らす。その結果、デフレクタ突起１４０からの熱伝達が改善されそしてデフレクタ４２（図２と図３参照）の材料温度が低下する。
【００２５】
ガスタービンエンジンの上述の燃焼器は費用削減に有効でありそして信頼性が高い。燃焼器にはデフレクタアセンブリが含まれ、複数のデフレクタを含んでいる。各デフレクタには複数の突起が含まれ、デフレクタから外方に突出しておりそしてガスタービンエンジンの運転中燃焼器デフレクタからの熱伝達を容易にする。突起は高密度パターンに配置されそしてデフレクタは断熱皮膜で覆われるので、デフレクタ板からの熱伝達が改善される。熱伝達の増加の結果、デフレクタは比較的低い温度で作用する。断熱皮膜の結果、デフレクタ内の酸化と低サイクル疲労が減少する。すなわち、比較的低い温度でそして改善されたライフサイクルで作用する燃焼器デフレクタが提供される。
【００２６】
本発明を様々な特定実施例に関して説明したが、本発明の実施に当たり、本発明の範囲内で改変が可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼器を含むガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】図１に示した燃焼器に使用されるデフレクタアセンブリの下流側を下流から見た部分斜視図である。
【図３】図２に示したデフレクタアセンブリの上流側を上流から見た部分斜視図である。
【図４】図３に示したデフレクタに含まれるデフレクタ突起の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン
１６ 燃焼器
４０ デフレクタアセンブリ
４２ デフレクタ
４４ 眼鏡板
１０２、１０４ 半径方向辺縁
１０６、１０８ 張り辺縁
１１０ 開口
１２２ 円筒形スリーブ
１２８ 上流縁
１３４ 止め部
１３６ 切欠き
１４０ 突起
１４２ 高密度パターン
１５６ 距離
１６２ 隅肉
１６６ 高さ
１７４ 側壁
１７８ 上縁

Claims (11)

1. ガスタービンエンジン（１０）用の燃焼器（１６）であって、
   眼鏡板（４４）に取り付けられた複数のデフレクタ（４２）を含み、
   前記デフレクタ（４２）は、前記眼鏡板（４４）に隣接する上流側（１２０）を有し、
   前記上流側（１２０）は、該上流側から前記眼鏡板（４４）に向け延びる複数の円筒形突起（１４０）を備え、
   前記デフレクタ（４２）は、前記上流側（１２０）にボンディングコート材料を有し且つ断熱皮膜を有する、
   燃焼器（１６）。
2. 前記円筒形突起（１４０）の各々は、各突起（１４０）の基部（１６４）の周囲に周方向に延在する隅肉（１６２）を備える請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記円筒形突起（１４０）の各々が半径を有し、隣合う前記円筒形突起は、前記円筒形突起半径の３倍に等しい距離（１５６）だけ離れた高密度パターン（１４２）内に形成されている、請求項１記載の燃焼器（１６）。
4. 前記円筒形突起（１４０）の各々が高さ（１６６）を有し、前記高密度パターン（１４２）内の隣合う前記円筒形突起は前記円筒形突起高さの３倍に等しい距離（１５６）だけ離れている、請求項３記載の燃焼器（１６）。
5. 前記眼鏡板（４４）が燃焼器ドームである請求項１記載の燃焼器（１６）。
6. 前記円筒形突起（１４０）の各々は、テ−パ付き（１６２）および丸み（１７８）付き端縁を有する請求項１記載の燃焼器（１６）。
7. 前記デフレクタ（４２）は、平行な１対の半径方向辺縁（１０２、１０４）と、デフレクタの丸み付きの端縁全ての１対の張り辺縁（１０６、１０８）と、の間において延在する本体（９６）を含む
   請求項１記載の燃焼器（１６）。
8. ガスタービンエンジン燃焼器（１６）用のデフレクタ（４２）を製造する方法であって、
   上流側（１２０）及び下流側を含むデフレクタにして前記上流側から延びる複数の円筒形突起（１４０）を含むように前記デフレクタを鋳造する段階と、
   連通燃焼器内で眼鏡板（４４）又は燃焼器ドームに前記デフレクタを取り付けて、眼鏡板（４４）と燃焼器ドームとを連通させ、前記突起を前記ドームと前記デフレクタの上流側との間に位置させ、ガスタービンエンジン（１０）の運転中前記突起が前記デフレクタからの熱伝達を促進にするように形成する段階と、
   前記デフレクタ（４２）の上流側（１２０）に、ボンディングコート材料を施し、断熱皮膜を施す段階と
   を包含する方法。
9. 前記円筒形突起（１４０）の各々が高さ（１６６）を有し、前記突起は隣合う突起と前記突起高さの３倍に等しい距離（１５６）だけ離れるよう前記デフレクタ及び突起が鋳造される、請求項８に記載の方法。
10. 前記円筒形突起（１４０）の各々が半径を有し、
    前記デフレクタを鋳造する段階は、隣合う前記円筒形突起を、前記円筒形突起半径の３倍に等しい距離（１５６）だけ離れるよう鋳造する段階をさらに含む、請求項８記載の方法。
11. 前記デフレクタを鋳造する段階は、前記円筒形突起（１４０）がテ−パ付き（１６２）および丸み（１７８）付き端縁を有するように前記デフレクタを基材合金から鋳造する段階をさらに含む、請求項８に記載の方法。

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