JP2004076693A - 燃焼器ライナのシール構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差を吸収して、燃焼器ライナを良好にシールすることができる燃焼器ライナのシール構造を提供する。
【解決手段】本発明の燃焼器ライナのシール構造Ｋは、燃焼器ライナＬとその周囲構造物との間隙をシールする燃焼器ライナＬのシール構造Ｋであって、前記周囲構造物に設けられ燃焼器ライナＬの外周壁と接触して前記間隙をシールする環状のシール部材１０，４０を備え、前記シール部材１０，４０が、複数のセグメントシール部材１１，４１から形成されてなることを特徴とする。この場合、各セグメントシール部材１１，４１がシールサポート部材２０，５０との連結部１３，４３を有し、該連結部１３，４３が付勢手段３０，６０により付勢されることにより、前記各セグメントシール部材１１，４１が燃焼器ライナＬの外周壁と接触させられてなるのが好ましい。
【選択図】 図２
【解決手段】本発明の燃焼器ライナのシール構造Ｋは、燃焼器ライナＬとその周囲構造物との間隙をシールする燃焼器ライナＬのシール構造Ｋであって、前記周囲構造物に設けられ燃焼器ライナＬの外周壁と接触して前記間隙をシールする環状のシール部材１０，４０を備え、前記シール部材１０，４０が、複数のセグメントシール部材１１，４１から形成されてなることを特徴とする。この場合、各セグメントシール部材１１，４１がシールサポート部材２０，５０との連結部１３，４３を有し、該連結部１３，４３が付勢手段３０，６０により付勢されることにより、前記各セグメントシール部材１１，４１が燃焼器ライナＬの外周壁と接触させられてなるのが好ましい。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器ライナのシール構造に関する。さらに詳しくは、例えば航空機エンジンに用いられるガスタービンの燃焼器ライナに好適な燃焼器ライナのシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属材料よりも耐熱性に優れたＣＭＣ（Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｍａｔｒｉｃｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；繊維強化セラミック複合材料）などのセラミック材料の開発が進んでおり、これに伴って、そのようなセラミック材料を燃焼器ライナに用いるための研究が行われるようになってきている。すなわち、従来の金属材料からなる燃焼器ライナにおいては、耐熱性が低く冷却用空気を大幅に削減することが困難であるが、耐熱性の高いセラミック材料を燃焼器ライナに用いることによって、冷却用空気量を減少させて熱効率の向上を図ることができるとともに、余剰の冷却用空気を希薄燃焼に利用することによって、窒素酸化物の排出を低減できるという利点があるからである。
【０００３】
ところが、セラミック材料は一般的に脆く、また、線膨張係数も金属材料より小さいため、燃焼時には金属部品からなる周囲構造物との間に大きな熱伸び差が生じることになる。このため、燃焼器ライナと周囲構造物との間にシールを施すような場合にはその熱伸び差を吸収できるような構造が求められることになる。
【０００４】
従来の燃焼器ライナのシール構造として、特許第２８５２１１０号公報には、図１３に示すように、予混合器１０１とライナ１０２との間を板ばね１０３によりシールし、予混合器１０１とライナ１０２との間の相対的変位を板ばね１０３の弾性変形により吸収するようにしたシール構造が記載されている。また、特開平８−２８５２８４号公報には、ライナとトランジションピースとの間を板ばねによりシールするシール構造が記載されている。
【０００５】
このように、従来、燃焼器ライナのシール構造として板ばねを用いて燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差を吸収する構成が多い。ところが、この場合にはばねに発生する応力が過大とならないように、またライナに大きな荷重を与えないようにバネ剛性を小さくする必要があり、このためばね長さを大きくとる必要がある。
【０００６】
特に、ＣＭＣ材料は金属との熱伸び差が大きいために、ＣＭＣ製ライナを板ばねによりシールするには板ばねの長さを大きくする必要があり、大きな設置スペースが必要となる。これは、省スペース、軽量化が重要とされる航空機エンジンのガスタービンに適用される場合に大きな不利を招くことになる。
【０００７】
また、長大な板ばねは熱変形が大きくなり、より高温となるＣＭＣ製ライナのシールとして適用する場合、安定したシール機能を維持することが困難になる。また、前掲した各従来例においては、板ばねが燃焼器ライナと直接接するものとされるため、より高温となるＣＭＣ製ライナのシールとして適用する場合にはクリープ変形により弾性力が失われて短期間の内にシール機能が損なわれてしまうといった懸念もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差を吸収して、燃焼器ライナを良好にシールすることができる燃焼器ライナのシール構造を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃焼器ライナのシール構造は、燃焼器ライナとその周囲構造物との間隙をシールする燃焼器ライナのシール構造であって、前記周囲構造物に設けられ燃焼器ライナの外周壁と接触して前記間隙をシールする環状のシール部材を備え、前記シール部材が、複数のセグメントシール部材から形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、各セグメントシール部材がシールサポート部材との連結部を有し、該連結部が付勢手段により付勢されることにより、前記各セグメントシール部材が燃焼器ライナの外周壁と接触させられてなるのが好ましい。
【００１１】
また、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、付勢手段が、一対の二又Ｕ字状板ばねを取付部材で連結してなるものとされてなるのが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、各セグメントシール部材が、所定範囲に亘って変位自在にシールサポート部材に支持されてなるのが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、取付部材がセグメントシール部材との当接面を有し、該当接面の二又Ｕ字状板ばねの二又部に対応する位置にボルト挿通孔が形成されてなるのが好ましい。
【００１４】
【作用】
本発明は前記のごとく構成されているので、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差が大きい場合にも、燃焼器ライナに過大な荷重を与えることなく良好にシールすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１６】
図１に、本発明の一実施形態にかかる燃焼器ライナのシール構造が適用された燃焼器の概略図を示す。この燃焼器Ａは、航空機エンジン等に用いられるガスタービンの燃焼器とされ、ドーナッツ状をした一体の燃焼室１、外側ケース２、燃焼器ライナＬ（Ｌ１、Ｌ２）および内側ケース３とを備えてなるアンニュラ型燃焼器とされる。
【００１７】
内部にメインバーナ１ａおよびパイロットバーナ１ｂが配設される燃焼室１は、ＣＭＣ（Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｍａｔｒｉｃｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；繊維強化セラミック複合材料）などのセラミック材料からなる大径および小径の各環状の外側ライナＬ１および内側ライナＬ２と、各ライナＬ１、Ｌ２の一端がそれぞれ接続される金属製のドームＤとで区画されている。また、各ライナＬ１、Ｌ２と外側ケース２および内側ケース３との間には、冷却空気の流通路４Ａ、４Ｂが形成されている。
【００１８】
外側ライナＬ１は燃焼室１の外周壁を構成しており、ドームＤとの接続部分である基端部から中間部までの径一定の水平部Ｌ１ａと、中間部から終端部にかけて径が徐々に小さくされているテーパ部Ｌ１ｂとから構成されている。
【００１９】
一方、内側ライナＬ２は燃焼室１の内周壁を構成しており、ドームＤとの接続部分である基端部から所定長さに亘って径一定とされる小径水平部Ｌ２ａと、これに続き径が徐々に大きくされている逆テーパ部Ｌ２ｂと、これに続き所定長さに亘って径一定とされる終端部までの大径水平部Ｌ２ｃとから構成される。
【００２０】
そして、外側ライナＬ１および内側ライナＬ２の各終端部の間隙が燃焼器出口Ｇとされ、この出口Ｇとタービン入口Ｈとの接続部分に、流通路４Ａ、４Ｂからの冷却空気の漏入を防止するシール構造Ｋが設けられるものとされる。
【００２１】
シール構造Ｋは、図２に示すように、外側ライナＬ１とタービン入口外周壁Ｗ１との接続部分をシールする外側シール構造Ｋ１と、内側ライナＬ２とタービン入口内周壁Ｗ２との接続部分をシールする内側シール構造Ｋ２とから構成される。
【００２２】
外側シール構造Ｋ１は、シール部材（以下、外側シール部材ともいう）１０と、外側ケース２に設けられシール部材１０を可動的に支持するシールサポート部材（以下、外側シールサポート部材という）２０と、シール部材１０を外側ライナＬ１の外周壁に向かって付勢する付勢手段としてのリテーナ（以下、外側リテーナともいう）３０とを主要構成要素として備えてなる。
【００２３】
一方、内側シール構造Ｋ２は、シール部材（以下、内側シール部材ともいう）４０と、内側ケース３に設けられシール部材４０を可動的に支持するシールサポート部材（以下、内側シールサポート部材という）５０と、シール部材４０を内側ライナＬ２に向かって付勢する付勢手段としてのリテーナ（以下、内側リテーナともいう）６０とを主要構成要素として備えてなるものとされる。
【００２４】
以下、外側シール構造Ｋ１および内側シール構造Ｋ２を順次詳細に説明する。
【００２５】
図３および図４に、外側シール構造Ｋ１の外側シール部材１０の詳細を示す。図３に、外側シール部材１０を構成するセグメントシール１１を示す。図４に、セグメントシール１１が外側シール部材１０を形成するように配設された様子を示す。
【００２６】
外側シール部材１０は、外側ライナＬ１と終端部において全周に亘って接する金属製の環状部材とされ、外側ライナＬ１との熱伸び差に拘わらず常に良好なシール機能を発揮するように複数のセグメントシール１１から構成されている。
【００２７】
すなわち、図３に示すように、セグメントシール１１は前掲した環状部材を周方向に所定長さで切り分けた形状とされ、図４に示すように、外側シール部材１０は複数のセグメントシール１１を所定の間隙Ｐ１を空けて周方向に並べるようにして形成される。
【００２８】
以下、図３を参照してセグメントシール１１の具体的な構成を説明する。セグメントシール１１は、外側ライナＬ１と線接触するようにしてシールするシール部１２と、シール部１２が片側表面に設けられるとともに、シールサポート部材２０と連結される平板状の連結部１３とから構成される。
【００２９】
シール部１２は、セグメントシール１１の長手方向（図の横方向）に延びるように全長に亘って形成される、断面が外側シール部材１０における外径側に向かって湾曲された半円弧状の突条とされる。シール部１２はこの半円弧の外周側表面で外側ライナＬ１と線接触するものとされる。すなわち、シール部１２は内側ライナＬ２と線接触するシール面１２ａを有するものとされる。なお、シール部１２の断面形状は半円弧状に限らず外側ライナＬ１外周壁と線接触する形状であればよい（例えば、鉤形）。
【００３０】
連結部１３は、外側ライナＬ１の径に対応する曲率が幅方向両側に付けられた長板状部材とされ、一側（外側シール部材１０における外径側）に突出部１３ａが設けられるものとされる。突出部１３ａには、長孔からなるボルト挿通孔１３ｂがラジアル方向に設けられており、これに挿通されるボルト１４によってセグメントシール１１がシールサポート部材２０に燃焼器Ａの径方向に所定範囲で変位可能に連結される。
【００３１】
すなわち、図５に示すように、ボルト挿通孔１３ｂに挿通されるボルト１４には円筒状のスペーサ１５が嵌装されるものとされ、これによって所定の間隙を確保しつつセグメントシール１１がシールサポート部材２０と連結される。
【００３２】
次に、図６を参照して外側シールサポート部材２０を説明する。
【００３３】
外側シールサポート部材２０は金属製の環状部材とされ、ケース２に固定されるラジアル方向に形成された固定部２１と、この固定部２１内端から内側に向けかつ流通路４Ａの下流方向に湾曲形成されている中間部２２と、この中間部２２内端から内側に向けかつその下部が外側ライナＬ１の後端部に向けて延伸形成されている接続部２３と、この接続部２３の先端からラジアル方向に形成されているシール部材支持部２４とから構成される。
【００３４】
固定部２１は、外側シールサポート部材２０を外側ケース２に固定するためのボルト２５（図２参照）の挿通孔２１ｂが周方向に等間隔で並ぶように多数設けられるものとされる。
【００３５】
中間部２２は、周方向に所定間隔で、冷却空気を下流側に流通させる空気流通孔２２ａが多数設けられるものとされる。
【００３６】
シール部材支持部２４は、周方向に等間隔で並ぶように所定数（セグメントシール１１と同数）の突出部２４ａが形成されており、各突出部２４ａにはボルト１４が挿通される丸孔のボルト挿通孔２４ｂが設けられるものとされる。
【００３７】
次に、図７および図８を参照して内側シール部材４０を説明する。図７に、内側シール部材４０を構成するセグメントシール４１を示す。図８に、セグメントシール４１が内側シール部材４０を形成するように配設された様子を示す。
【００３８】
内側シール部材４０は、内側ライナＬ２と終端部において全周に亘って接する金属製の環状部材とされ、内側ライナＬ２との熱伸び差に拘わらず常に良好なシール機能を発揮するように複数のセグメントシール４１から構成されている。
【００３９】
すなわち、図７に示すように、セグメントシール４１は前掲した環状部材を周方向に所定長さで切り分けた形状とされ、図８に示すように、内側シール部材４０は複数のセグメントシール４１を所定の間隙Ｐ２を空けて周方向に並べるようにして形成される。
【００４０】
以下、図７を参照してセグメントシール４１の具体的な構成を説明する。
【００４１】
セグメントシール４１は、内側ライナＬ２と線接触するようにしてシールするシール部４２と、シール部４２が連続的に形成されるとともに、シールサポート部材５０と連結される平板状の連結部４３とから構成される。
【００４２】
シール部４２は、連結部４３から外周側に延びるように断面鉤形に湾曲させるようにして形成されている。すなわち、シール部４２は、内側ライナＬ２と線接触するシール面４２ａを有するものとされる。
【００４３】
連結部４３は、内側ライナＬ２の径に対応する曲率が幅方向両側に付けられた長板状部材とされ、一側（内側シール部材４０における内径側）に突出部４３ａが設けられるものとされる。突出部４３ａには、長孔からなるボルト挿通孔４３ｂがラジアル方向に設けられており、これに挿通されるボルト４４によってセグメントシール４１がシールサポート部材５０に燃焼器Ａの径方向に所定範囲で変位可能に連結される。
【００４４】
すなわち、図９に示すように、ボルト挿通孔４３ｂに挿通されるボルト４４には円筒状のスペーサ４５が嵌装されるものとされ、これによって所定の間隙を確保しつつセグメントシール４１がシールサポート部材５０と連結される。
【００４５】
次に、図１０、図１１および図１２を参照して、内側リテーナ（付勢手段）６０を説明する。図１０および図１１にリテーナ６０の形状を斜視図で示し、図１２にリテーナ６０の展開図を示す。
【００４６】
図１０および図１１に示すように、リテーナ６０は、それぞれがセグメントシール４１を内側ライナＬ２外周壁に向かって付勢する付勢手段を構成する２組の板ばね６１、６２を、１つの取付部６３と一体的に形成するようにして構成されている。すなわち、リテーナ６０は、図１２に示す形状の金属板を塑性加工するようにしてなる、中間部６１ａ、６２ａでＵ字形に折り返すようにして形成される各Ｕ字状板ばね６１、６２と、板ばね６１、６２と連続的に形成される取付部６３とから構成されている。
【００４７】
板ばね６１、６２は、ボルト４４の締め付け等を容易とするように、ほぼ全長に亘る長孔状の刳り抜き６１ｂ、６２ｂが形成されている。つまり、板ばね６１、６２は、二又Ｕ字状板ばねとされている。また、板ばね６１、６２は、終端部６１ｃ、６２ｃがセグメントシール４１の突出部４３ａの頂部と当接してセグメントシール４１を内側ライナＬ２外周壁に向かって押圧する押圧部を形成するものとされる。
【００４８】
取付部６３は、内側ライナＬ２の内径に対応する曲率が幅方向両側に付けられた細長板状とされ、セグメントシール４１をシールサポート部材５０に連結する前掲したボルト４４が挿通される丸孔のボルト挿通孔６３ａ，６３ａが、板ばね６１、６２の刳り抜き６１ｂ、６２ｂの延長位置、つまり二又Ｕ字状板ばねの二又位置に対応させて穿設されてなるものとされる。このように、リテーナ６０をシールサポート部材５０に２箇所でボルト止めする構成とすることによって、リテーナ６０がセグメントシール４１と連れ回りするのを防止することが可能となる。
【００４９】
また、外側ライナＬ１のリテーナ３０は、曲率が逆とされている他は内側ライナＬ２のリテーナ６０と同様とされる。
【００５０】
このように、この実施形態のシール構造Ｋにおいては、所定数のセグメントシール１１、４１からシール部材１０、４０が形成されるので、燃焼時にシール部材１０、４０に過大な熱応力または熱変形が発生せず、耐熱性に優れるが故に、金属製の燃焼器ライナよりもより高温となるＣＭＣ製の燃焼器ライナにおいても安定したシール機能を発揮させることが可能となる。
【００５１】
また、シール部材１０、４０のシール面がライナと線接触するように形成されているので、シール部材１０、４０のライナからの受熱量が小さく、また、各セグメントシール１１、４１間の間隙を介した適度の冷却空気の漏れがあるので、シール部材１０、４０が過熱されるのを防ぎ、耐久性が確保される。
【００５２】
また、付勢手段としてのリテーナ３０，６０は、バネ剛性およびばね長さをともに小さくするようにＵ字状に折り返した形状とされ、これによりライナＬと周囲構造物との熱伸び差が大きい場合にも、その熱伸び差を吸収してシール機能を維持しつつ、ライナＬに与える荷重を小さくすることも容易となる。
【００５３】
また、付勢手段であるリテーナ３０，６０が直接ライナに接していないため、高温によるクリープ変形が防止されて安定したシール機能を維持することが可能となる。
【００５４】
また、１つのセグメントシール１１、４１に対応してばね特性のばらつきが少ない形状とされた各板ばねが設けられるので、全周で均一なシール特性を実現することが容易となる。
【００５５】
さらに、タービン回転時には、ライナＬの外側と内側との圧力差によって各セグメントシール部材２１、５１が各ライナＬ１，Ｌ２に押し付けられるので、更に安定したシール機能を発揮させることも可能となる。
【００５６】
さらに、難加工のセラミック材料からなるライナ側には多くの加工を要しないので、製作が容易となる。
【００５７】
さらに、耐熱性に優れたセラミック材料から燃焼器ライナを形成することで、冷却用空気を削減し、熱効率の向上および余剰空気を希薄燃焼に用いることで窒素酸化物の排出も低減できる。
【００５８】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、本実施形態では外側シール構造Ｋ１において、外側シールサポート部材１０には接続部２３が設けられているが、適用される燃焼器の構造によっては接続部２３を省略することもできる。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差が大きい場合にも、燃焼器ライナに過大な荷重を与えることなく良好にシールすることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼器ライナのシール構造が適用された燃焼器の概略図である。
【図２】同シール構造の概略図である。
【図３】外側シール部材の詳細図であって、同（ａ）は背面を示し、同（ｂ）は断面を示す。
【図４】外側シール構造の部分背面図である。
【図５】外側シール構造の詳細図である。
【図６】外側シールサポート部材の詳細図であって、同（ａ）はシール部材支持部の正面を示し、同（ｂ）は外側シールサポート部材の断面を示し、同（ｃ）は外側シールサポート部材の背面を示す。
【図７】内側シール部材の詳細図であって、同（ａ）は背面を示し、同（ｂ）は断面を示す。
【図８】内側シール構造の部分背面図である。
【図９】内側シール構造の詳細図である。
【図１０】内側リテーナの形状を示す斜視図である。
【図１１】内側リテーナの形状を示す斜視図であって、図１０における視線を１８０度転換した様子を示す。
【図１２】内側リテーナを展開した平面図である。
【図１３】特許第２８５２１１０号公報に提案されているシール構造であって、同（ａ）は断面図を示し、同（ｂ）は一部切欠き斜視図を示す。
【符号の説明】
Ａ アンニュラ型燃焼器
Ｋ シール構造
Ｌ ライナ
１ 燃焼室
１０ 外側シール部材
１１、４１ セグメントシール
３０、６０ リテーナ（付勢手段）
３１，３２ 二又Ｕ字状板ばね
４０ 内側シール部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器ライナのシール構造に関する。さらに詳しくは、例えば航空機エンジンに用いられるガスタービンの燃焼器ライナに好適な燃焼器ライナのシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属材料よりも耐熱性に優れたＣＭＣ（Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｍａｔｒｉｃｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；繊維強化セラミック複合材料）などのセラミック材料の開発が進んでおり、これに伴って、そのようなセラミック材料を燃焼器ライナに用いるための研究が行われるようになってきている。すなわち、従来の金属材料からなる燃焼器ライナにおいては、耐熱性が低く冷却用空気を大幅に削減することが困難であるが、耐熱性の高いセラミック材料を燃焼器ライナに用いることによって、冷却用空気量を減少させて熱効率の向上を図ることができるとともに、余剰の冷却用空気を希薄燃焼に利用することによって、窒素酸化物の排出を低減できるという利点があるからである。
【０００３】
ところが、セラミック材料は一般的に脆く、また、線膨張係数も金属材料より小さいため、燃焼時には金属部品からなる周囲構造物との間に大きな熱伸び差が生じることになる。このため、燃焼器ライナと周囲構造物との間にシールを施すような場合にはその熱伸び差を吸収できるような構造が求められることになる。
【０００４】
従来の燃焼器ライナのシール構造として、特許第２８５２１１０号公報には、図１３に示すように、予混合器１０１とライナ１０２との間を板ばね１０３によりシールし、予混合器１０１とライナ１０２との間の相対的変位を板ばね１０３の弾性変形により吸収するようにしたシール構造が記載されている。また、特開平８−２８５２８４号公報には、ライナとトランジションピースとの間を板ばねによりシールするシール構造が記載されている。
【０００５】
このように、従来、燃焼器ライナのシール構造として板ばねを用いて燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差を吸収する構成が多い。ところが、この場合にはばねに発生する応力が過大とならないように、またライナに大きな荷重を与えないようにバネ剛性を小さくする必要があり、このためばね長さを大きくとる必要がある。
【０００６】
特に、ＣＭＣ材料は金属との熱伸び差が大きいために、ＣＭＣ製ライナを板ばねによりシールするには板ばねの長さを大きくする必要があり、大きな設置スペースが必要となる。これは、省スペース、軽量化が重要とされる航空機エンジンのガスタービンに適用される場合に大きな不利を招くことになる。
【０００７】
また、長大な板ばねは熱変形が大きくなり、より高温となるＣＭＣ製ライナのシールとして適用する場合、安定したシール機能を維持することが困難になる。また、前掲した各従来例においては、板ばねが燃焼器ライナと直接接するものとされるため、より高温となるＣＭＣ製ライナのシールとして適用する場合にはクリープ変形により弾性力が失われて短期間の内にシール機能が損なわれてしまうといった懸念もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差を吸収して、燃焼器ライナを良好にシールすることができる燃焼器ライナのシール構造を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃焼器ライナのシール構造は、燃焼器ライナとその周囲構造物との間隙をシールする燃焼器ライナのシール構造であって、前記周囲構造物に設けられ燃焼器ライナの外周壁と接触して前記間隙をシールする環状のシール部材を備え、前記シール部材が、複数のセグメントシール部材から形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、各セグメントシール部材がシールサポート部材との連結部を有し、該連結部が付勢手段により付勢されることにより、前記各セグメントシール部材が燃焼器ライナの外周壁と接触させられてなるのが好ましい。
【００１１】
また、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、付勢手段が、一対の二又Ｕ字状板ばねを取付部材で連結してなるものとされてなるのが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、各セグメントシール部材が、所定範囲に亘って変位自在にシールサポート部材に支持されてなるのが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、取付部材がセグメントシール部材との当接面を有し、該当接面の二又Ｕ字状板ばねの二又部に対応する位置にボルト挿通孔が形成されてなるのが好ましい。
【００１４】
【作用】
本発明は前記のごとく構成されているので、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差が大きい場合にも、燃焼器ライナに過大な荷重を与えることなく良好にシールすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１６】
図１に、本発明の一実施形態にかかる燃焼器ライナのシール構造が適用された燃焼器の概略図を示す。この燃焼器Ａは、航空機エンジン等に用いられるガスタービンの燃焼器とされ、ドーナッツ状をした一体の燃焼室１、外側ケース２、燃焼器ライナＬ（Ｌ１、Ｌ２）および内側ケース３とを備えてなるアンニュラ型燃焼器とされる。
【００１７】
内部にメインバーナ１ａおよびパイロットバーナ１ｂが配設される燃焼室１は、ＣＭＣ（Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｍａｔｒｉｃｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；繊維強化セラミック複合材料）などのセラミック材料からなる大径および小径の各環状の外側ライナＬ１および内側ライナＬ２と、各ライナＬ１、Ｌ２の一端がそれぞれ接続される金属製のドームＤとで区画されている。また、各ライナＬ１、Ｌ２と外側ケース２および内側ケース３との間には、冷却空気の流通路４Ａ、４Ｂが形成されている。
【００１８】
外側ライナＬ１は燃焼室１の外周壁を構成しており、ドームＤとの接続部分である基端部から中間部までの径一定の水平部Ｌ１ａと、中間部から終端部にかけて径が徐々に小さくされているテーパ部Ｌ１ｂとから構成されている。
【００１９】
一方、内側ライナＬ２は燃焼室１の内周壁を構成しており、ドームＤとの接続部分である基端部から所定長さに亘って径一定とされる小径水平部Ｌ２ａと、これに続き径が徐々に大きくされている逆テーパ部Ｌ２ｂと、これに続き所定長さに亘って径一定とされる終端部までの大径水平部Ｌ２ｃとから構成される。
【００２０】
そして、外側ライナＬ１および内側ライナＬ２の各終端部の間隙が燃焼器出口Ｇとされ、この出口Ｇとタービン入口Ｈとの接続部分に、流通路４Ａ、４Ｂからの冷却空気の漏入を防止するシール構造Ｋが設けられるものとされる。
【００２１】
シール構造Ｋは、図２に示すように、外側ライナＬ１とタービン入口外周壁Ｗ１との接続部分をシールする外側シール構造Ｋ１と、内側ライナＬ２とタービン入口内周壁Ｗ２との接続部分をシールする内側シール構造Ｋ２とから構成される。
【００２２】
外側シール構造Ｋ１は、シール部材（以下、外側シール部材ともいう）１０と、外側ケース２に設けられシール部材１０を可動的に支持するシールサポート部材（以下、外側シールサポート部材という）２０と、シール部材１０を外側ライナＬ１の外周壁に向かって付勢する付勢手段としてのリテーナ（以下、外側リテーナともいう）３０とを主要構成要素として備えてなる。
【００２３】
一方、内側シール構造Ｋ２は、シール部材（以下、内側シール部材ともいう）４０と、内側ケース３に設けられシール部材４０を可動的に支持するシールサポート部材（以下、内側シールサポート部材という）５０と、シール部材４０を内側ライナＬ２に向かって付勢する付勢手段としてのリテーナ（以下、内側リテーナともいう）６０とを主要構成要素として備えてなるものとされる。
【００２４】
以下、外側シール構造Ｋ１および内側シール構造Ｋ２を順次詳細に説明する。
【００２５】
図３および図４に、外側シール構造Ｋ１の外側シール部材１０の詳細を示す。図３に、外側シール部材１０を構成するセグメントシール１１を示す。図４に、セグメントシール１１が外側シール部材１０を形成するように配設された様子を示す。
【００２６】
外側シール部材１０は、外側ライナＬ１と終端部において全周に亘って接する金属製の環状部材とされ、外側ライナＬ１との熱伸び差に拘わらず常に良好なシール機能を発揮するように複数のセグメントシール１１から構成されている。
【００２７】
すなわち、図３に示すように、セグメントシール１１は前掲した環状部材を周方向に所定長さで切り分けた形状とされ、図４に示すように、外側シール部材１０は複数のセグメントシール１１を所定の間隙Ｐ１を空けて周方向に並べるようにして形成される。
【００２８】
以下、図３を参照してセグメントシール１１の具体的な構成を説明する。セグメントシール１１は、外側ライナＬ１と線接触するようにしてシールするシール部１２と、シール部１２が片側表面に設けられるとともに、シールサポート部材２０と連結される平板状の連結部１３とから構成される。
【００２９】
シール部１２は、セグメントシール１１の長手方向（図の横方向）に延びるように全長に亘って形成される、断面が外側シール部材１０における外径側に向かって湾曲された半円弧状の突条とされる。シール部１２はこの半円弧の外周側表面で外側ライナＬ１と線接触するものとされる。すなわち、シール部１２は内側ライナＬ２と線接触するシール面１２ａを有するものとされる。なお、シール部１２の断面形状は半円弧状に限らず外側ライナＬ１外周壁と線接触する形状であればよい（例えば、鉤形）。
【００３０】
連結部１３は、外側ライナＬ１の径に対応する曲率が幅方向両側に付けられた長板状部材とされ、一側（外側シール部材１０における外径側）に突出部１３ａが設けられるものとされる。突出部１３ａには、長孔からなるボルト挿通孔１３ｂがラジアル方向に設けられており、これに挿通されるボルト１４によってセグメントシール１１がシールサポート部材２０に燃焼器Ａの径方向に所定範囲で変位可能に連結される。
【００３１】
すなわち、図５に示すように、ボルト挿通孔１３ｂに挿通されるボルト１４には円筒状のスペーサ１５が嵌装されるものとされ、これによって所定の間隙を確保しつつセグメントシール１１がシールサポート部材２０と連結される。
【００３２】
次に、図６を参照して外側シールサポート部材２０を説明する。
【００３３】
外側シールサポート部材２０は金属製の環状部材とされ、ケース２に固定されるラジアル方向に形成された固定部２１と、この固定部２１内端から内側に向けかつ流通路４Ａの下流方向に湾曲形成されている中間部２２と、この中間部２２内端から内側に向けかつその下部が外側ライナＬ１の後端部に向けて延伸形成されている接続部２３と、この接続部２３の先端からラジアル方向に形成されているシール部材支持部２４とから構成される。
【００３４】
固定部２１は、外側シールサポート部材２０を外側ケース２に固定するためのボルト２５（図２参照）の挿通孔２１ｂが周方向に等間隔で並ぶように多数設けられるものとされる。
【００３５】
中間部２２は、周方向に所定間隔で、冷却空気を下流側に流通させる空気流通孔２２ａが多数設けられるものとされる。
【００３６】
シール部材支持部２４は、周方向に等間隔で並ぶように所定数（セグメントシール１１と同数）の突出部２４ａが形成されており、各突出部２４ａにはボルト１４が挿通される丸孔のボルト挿通孔２４ｂが設けられるものとされる。
【００３７】
次に、図７および図８を参照して内側シール部材４０を説明する。図７に、内側シール部材４０を構成するセグメントシール４１を示す。図８に、セグメントシール４１が内側シール部材４０を形成するように配設された様子を示す。
【００３８】
内側シール部材４０は、内側ライナＬ２と終端部において全周に亘って接する金属製の環状部材とされ、内側ライナＬ２との熱伸び差に拘わらず常に良好なシール機能を発揮するように複数のセグメントシール４１から構成されている。
【００３９】
すなわち、図７に示すように、セグメントシール４１は前掲した環状部材を周方向に所定長さで切り分けた形状とされ、図８に示すように、内側シール部材４０は複数のセグメントシール４１を所定の間隙Ｐ２を空けて周方向に並べるようにして形成される。
【００４０】
以下、図７を参照してセグメントシール４１の具体的な構成を説明する。
【００４１】
セグメントシール４１は、内側ライナＬ２と線接触するようにしてシールするシール部４２と、シール部４２が連続的に形成されるとともに、シールサポート部材５０と連結される平板状の連結部４３とから構成される。
【００４２】
シール部４２は、連結部４３から外周側に延びるように断面鉤形に湾曲させるようにして形成されている。すなわち、シール部４２は、内側ライナＬ２と線接触するシール面４２ａを有するものとされる。
【００４３】
連結部４３は、内側ライナＬ２の径に対応する曲率が幅方向両側に付けられた長板状部材とされ、一側（内側シール部材４０における内径側）に突出部４３ａが設けられるものとされる。突出部４３ａには、長孔からなるボルト挿通孔４３ｂがラジアル方向に設けられており、これに挿通されるボルト４４によってセグメントシール４１がシールサポート部材５０に燃焼器Ａの径方向に所定範囲で変位可能に連結される。
【００４４】
すなわち、図９に示すように、ボルト挿通孔４３ｂに挿通されるボルト４４には円筒状のスペーサ４５が嵌装されるものとされ、これによって所定の間隙を確保しつつセグメントシール４１がシールサポート部材５０と連結される。
【００４５】
次に、図１０、図１１および図１２を参照して、内側リテーナ（付勢手段）６０を説明する。図１０および図１１にリテーナ６０の形状を斜視図で示し、図１２にリテーナ６０の展開図を示す。
【００４６】
図１０および図１１に示すように、リテーナ６０は、それぞれがセグメントシール４１を内側ライナＬ２外周壁に向かって付勢する付勢手段を構成する２組の板ばね６１、６２を、１つの取付部６３と一体的に形成するようにして構成されている。すなわち、リテーナ６０は、図１２に示す形状の金属板を塑性加工するようにしてなる、中間部６１ａ、６２ａでＵ字形に折り返すようにして形成される各Ｕ字状板ばね６１、６２と、板ばね６１、６２と連続的に形成される取付部６３とから構成されている。
【００４７】
板ばね６１、６２は、ボルト４４の締め付け等を容易とするように、ほぼ全長に亘る長孔状の刳り抜き６１ｂ、６２ｂが形成されている。つまり、板ばね６１、６２は、二又Ｕ字状板ばねとされている。また、板ばね６１、６２は、終端部６１ｃ、６２ｃがセグメントシール４１の突出部４３ａの頂部と当接してセグメントシール４１を内側ライナＬ２外周壁に向かって押圧する押圧部を形成するものとされる。
【００４８】
取付部６３は、内側ライナＬ２の内径に対応する曲率が幅方向両側に付けられた細長板状とされ、セグメントシール４１をシールサポート部材５０に連結する前掲したボルト４４が挿通される丸孔のボルト挿通孔６３ａ，６３ａが、板ばね６１、６２の刳り抜き６１ｂ、６２ｂの延長位置、つまり二又Ｕ字状板ばねの二又位置に対応させて穿設されてなるものとされる。このように、リテーナ６０をシールサポート部材５０に２箇所でボルト止めする構成とすることによって、リテーナ６０がセグメントシール４１と連れ回りするのを防止することが可能となる。
【００４９】
また、外側ライナＬ１のリテーナ３０は、曲率が逆とされている他は内側ライナＬ２のリテーナ６０と同様とされる。
【００５０】
このように、この実施形態のシール構造Ｋにおいては、所定数のセグメントシール１１、４１からシール部材１０、４０が形成されるので、燃焼時にシール部材１０、４０に過大な熱応力または熱変形が発生せず、耐熱性に優れるが故に、金属製の燃焼器ライナよりもより高温となるＣＭＣ製の燃焼器ライナにおいても安定したシール機能を発揮させることが可能となる。
【００５１】
また、シール部材１０、４０のシール面がライナと線接触するように形成されているので、シール部材１０、４０のライナからの受熱量が小さく、また、各セグメントシール１１、４１間の間隙を介した適度の冷却空気の漏れがあるので、シール部材１０、４０が過熱されるのを防ぎ、耐久性が確保される。
【００５２】
また、付勢手段としてのリテーナ３０，６０は、バネ剛性およびばね長さをともに小さくするようにＵ字状に折り返した形状とされ、これによりライナＬと周囲構造物との熱伸び差が大きい場合にも、その熱伸び差を吸収してシール機能を維持しつつ、ライナＬに与える荷重を小さくすることも容易となる。
【００５３】
また、付勢手段であるリテーナ３０，６０が直接ライナに接していないため、高温によるクリープ変形が防止されて安定したシール機能を維持することが可能となる。
【００５４】
また、１つのセグメントシール１１、４１に対応してばね特性のばらつきが少ない形状とされた各板ばねが設けられるので、全周で均一なシール特性を実現することが容易となる。
【００５５】
さらに、タービン回転時には、ライナＬの外側と内側との圧力差によって各セグメントシール部材２１、５１が各ライナＬ１，Ｌ２に押し付けられるので、更に安定したシール機能を発揮させることも可能となる。
【００５６】
さらに、難加工のセラミック材料からなるライナ側には多くの加工を要しないので、製作が容易となる。
【００５７】
さらに、耐熱性に優れたセラミック材料から燃焼器ライナを形成することで、冷却用空気を削減し、熱効率の向上および余剰空気を希薄燃焼に用いることで窒素酸化物の排出も低減できる。
【００５８】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、本実施形態では外側シール構造Ｋ１において、外側シールサポート部材１０には接続部２３が設けられているが、適用される燃焼器の構造によっては接続部２３を省略することもできる。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差が大きい場合にも、燃焼器ライナに過大な荷重を与えることなく良好にシールすることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼器ライナのシール構造が適用された燃焼器の概略図である。
【図２】同シール構造の概略図である。
【図３】外側シール部材の詳細図であって、同（ａ）は背面を示し、同（ｂ）は断面を示す。
【図４】外側シール構造の部分背面図である。
【図５】外側シール構造の詳細図である。
【図６】外側シールサポート部材の詳細図であって、同（ａ）はシール部材支持部の正面を示し、同（ｂ）は外側シールサポート部材の断面を示し、同（ｃ）は外側シールサポート部材の背面を示す。
【図７】内側シール部材の詳細図であって、同（ａ）は背面を示し、同（ｂ）は断面を示す。
【図８】内側シール構造の部分背面図である。
【図９】内側シール構造の詳細図である。
【図１０】内側リテーナの形状を示す斜視図である。
【図１１】内側リテーナの形状を示す斜視図であって、図１０における視線を１８０度転換した様子を示す。
【図１２】内側リテーナを展開した平面図である。
【図１３】特許第２８５２１１０号公報に提案されているシール構造であって、同（ａ）は断面図を示し、同（ｂ）は一部切欠き斜視図を示す。
【符号の説明】
Ａ アンニュラ型燃焼器
Ｋ シール構造
Ｌ ライナ
１ 燃焼室
１０ 外側シール部材
１１、４１ セグメントシール
３０、６０ リテーナ（付勢手段）
３１，３２ 二又Ｕ字状板ばね
４０ 内側シール部材
Claims (5)
- 燃焼器ライナとその周囲構造物との間隙をシールする燃焼器ライナのシール構造であって、
前記周囲構造物に設けられ燃焼器ライナの外周壁と接触して前記間隙をシールする環状のシール部材を備え、
前記シール部材が、複数のセグメントシール部材から形成されてなることを特徴とする燃焼器ライナのシール構造。 - 各セグメントシール部材がシールサポート部材との連結部を有し、該連結部が付勢手段により付勢されることにより、前記各セグメントシール部材が燃焼器ライナの外周壁と接触させられてなることを特徴とする請求項１記載の燃焼器ライナのシール構造。
- 付勢手段が、一対の二又Ｕ字状板ばねを取付部材で連結してなるものとされてなることを特徴とする請求項２記載の燃焼器ライナのシール構造。
- 各セグメントシール部材が、所定範囲に亘って変位自在にシールサポート部材に支持されてなることを特徴とする請求項２記載の燃焼器ライナのシール構造。
- 取付部材がセグメントシール部材との当接面を有し、該当接面の二又Ｕ字状板ばねの二又部に対応する位置にボルト挿通孔が形成されてなることを特徴とする請求項３記載の燃焼器ライナのシール構造。
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