JP2006266669A - ベアリングプレートアッセンブリ、旋回器アッセンブリ、燃料噴射器アッセンブリ用のベアリングプレート、スイベルおよびノズル先端ブッシング - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射ノズルの回転に適応する燃料噴射器用ベアリングプレートアッセンブリおよび旋回器アッセンブリを提供する。
【解決手段】タービンエンジンの燃料噴射器用ベアリングプレートアッセンブリは、レース８２に縁取られた開口部８０を備えたベアリングプレート３０を有する。スイベルボール９０は、レース８２内に受容され、レース８２に対して回転する。先端ブッシング１０８などの固定具により、レース８２からボール９０が外れないようになっている。燃料噴射ノズル３８は、ボール９０の開口部９８を通って延びる。エンジン運転中、ボール９０は、横方向および軸方向の軸を中心としたノズル３８の回転運動に対応するようにレース８２内で回転することができる。タブ６２は、旋回器２４のレール４８における中断部５６に配置される。リング６４は、溝５０に固定され、旋回器２４の面４６に対してプレート３０をクランプ留めする。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービンエンジン用燃料噴射器のベアリングプレートアッセンブリおよび空気旋回器アッセンブリに関し、特に、燃料噴射器の回転運動に対応するアッセンブリに関する。

現代における航空機用ガスタービンエンジンの燃焼器モジュールは、ケースに囲まれた環状（アニュラ型）の燃焼器を備える。燃焼器は、半径方向内側および外側のライナ、ならびにこれらのライナの前方端部間で半径方向に延びる隔壁を備える。一連の開口部が、隔壁を貫通している。隔壁の各開口部には、大きな中央開口部を備えた空気旋回器が配置される。比較的小さい円筒型の中央開口部を備えた燃料噴射器ベアリングプレートは、該ベアリングプレートが旋回器に対して滑動つまり“浮動”することができるように旋回器にクランプ留めされている。

燃焼器モジュールは、また、燃焼器に燃料を供給する燃料噴射器を備える。燃料噴射器は、ケースに固定されるとともに半径方向内側に突き出ているステムを備える。ステムと一体的に形成されたノズルは、ステムから実質的に垂直方向に延びるとともに、ベアリングプレートの円筒型開口部を通って突出している。ベアリングプレートを通って突出するノズル部分は、円筒型であるとともに、ベアリングプレート開口部の直径とほぼ等しい外径を有する。

エンジン運転中、燃焼用空気は、空気旋回器を通って燃焼器の前方端部に流入する。燃料噴射器から供給された燃料と空気が完全に混合するように、流入する空気が旋回器によって旋回する。完全に混合することにより、燃焼器からの望ましくない排気エミッションが最小限に抑えられる。また、旋回器により、燃焼器の前方端部に供給される空気量が調節される。過度の空気により燃焼炎が消炎してしまうため（リーンブロウアウト（希薄吹きとび）として知られている）、空気量を調節することが重要となる。タービンエンジンは、エンジンがアイドル状態やそれに近い状態で作動している場合、または高出力から急に減速した場合に、特にリーンブロウアウトが生じやすい。前述した燃料ノズルおよびベアリングプレート開口部がほぼ同じ大きさの直径であることにより、燃焼器においてリーンブロウアウトを生じやすくする空気漏れが防止される。

エンジン運転中、燃焼器の前方端部付近に位置する構成部品（空気旋回器および隔壁など）は、燃焼炎の近くにあるため高温にさらされる。燃料噴射器のステムおよびこのステムが取り付けられているケースは、相対的に低い温度にさらされる。この温度差により、これらの構成部品が異なって伸縮し、そのため、燃料ノズルが旋回器に対して半径方向および円周方向に相対的に変位する。前述のようにベアリングプレートが旋回器に滑動可能に取り付けられることにより、ノズル付近の不利益な空気漏れを防ぎ続けながら、ベアリングプレートが滑動してノズルの変位に対応することが可能である。

従来のベアリングプレートは、旋回器に対するノズルの並進移動に対しては効果的に対応するが、ノズルの角度方向の変化には即座に対応することができない。例えば、温度勾配、圧力負荷または他の影響により、ノズルや隔壁が横方向または半径方向に延びる軸を中心に回転した場合、ノズルおよびベアリングプレート中央開口部において、フレッティング摩耗が生じてしまう。この摩耗により、開口部を通って空気が漏れてしまい、その結果、燃焼器においてリーンブロウアウトが生じやすくなってしまう。極端な場合には、回転運動により、燃料ノズルが破損してしまう恐れがある。さらに、ノズルの回転運動により、旋回器からベアリングプレートが離れてしまう（バーピング（ｂｕｒｐｉｎｇ）として知られる）現象が起こり、それにより、ベアリングプレートと旋回器との間の平面的な境界面を通る望ましくない空気漏れが生じてしまう。
燃焼器の機械部品（例えば、隔壁および旋回器など）に対する燃料噴射ノズルの回転に適応する燃料噴射器のベアリングプレートアッセンブリおよび旋回器アッセンブリが必要である。

本発明の一実施例によると、ベアリングプレートアッセンブリは、燃料噴射器用開口部を備えたベアリングプレートを有する。燃料噴射器用開口部は、湾曲した内面を有するレースに縁取られている。レースの内面と形状が類似している外面を有するスイベルボールは、固定具により開口部内に捕捉される。エンジン運転中、スイベルボールは、スイベルボールを貫通して突き出た燃料噴射ノズルの回転に対応するようにレース内で回転することができる。

より詳細な実施例においては、湾曲面は球面形である。

より詳細な別の実施例においては、ベアリングプレートは、ベアリングプレートを旋回器に滑動可能に取付けやすくするタブを備える。

本発明の種々の実施例の前述および他の特徴は、以下に記載された発明を実施するための最良の形態の説明および添付の図面によりさらに明らかになるであろう。

図１では、ガスタービンエンジンのアニュラ型燃焼器が図示されている。このアニュラ型燃焼器は、アニュラ型燃焼室１６を画定するようにエンジン軸１４を囲んでいる内側ライナ１０および外側ライナ１２を有する。隔壁１８および隔壁用熱シールド２０は、これらのライナの前方端部の間で半径方向に延びている。環状のフードつまりドーム２２により、燃焼器の前方端部が覆われている。空気旋回器２４は、隔壁および熱シールドの中央開口部に配置されている。エンジン運転中、旋回器により、空気が半径方向かつ軸方向に燃焼室へと案内される。旋回羽根２６，２８の直列のセットにより、旋回器に流入する際に空気が旋回する。燃料噴射器用ベアリングプレート３０は、ベアリングプレートと旋回器との間のインターフェースつまり接触平面３２を通って空気が漏れないように十分密に、かつベアリングプレートが旋回器に対して半径方向および円周方向に滑動または浮動できる程度に緩く、旋回器の前方端部にクランプ留めされている。

燃料噴射器３４は、半径方向に延びるステム３６と、ステム３６と一体的であるとともにステムからほぼ垂直に延びるノズル３８と、を備える。ステムは、エンジンケース４０に固定されている。ノズルの少なくとも一部分４２は、円筒型である。

図２および図３では、空気旋回器アッセンブリおよび空気旋回器アッセンブリの構成部品であるベアリングプレートアッセンブリの好ましい実施形態が図示されている。旋回器２４は、前方面４６と、軸方向の幅Ｗ_Rを有するとともにセグメント化して円周方向に延びるレール４８と、を備える。溝５０は、レールの半径方向内側に面している表面に沿って円周方向に延びている。溝５０の後方縁部５２は、面４６から軸方向に距離Ｇだけオフセットしている。レールおよび溝は、円周方向に連続していてもよいが、好ましい実施形態においては、レールは、円周方向に等間隔に配置された３つの中断部分５６により、３つのセグメント５４に分割されている。各中断部分は、レールの軸方向の幅Ｗ_Rの全体に亘っていることが理想的である。別の実施例においては、図２Ａに図示したように、中断部分がウィンドウ５８形状であってもよい。

ベアリングプレートアッセンブリは、半径方向に突出した３つのタブ６２を備えたベアリングプレート３０を有する。各タブは、旋回器のレールにおける中断部分５６の１つに配置される。合じゃくり状のスプリット６５を備えたらせん状リング６４などのリテーナは、旋回器の面４６に対してベアリングプレートをクランプ留めするように溝５０に固定される。オフセットの距離Ｇによって異なるクランピング力により、ベアリングプレートと旋回器の面との間のインターフェースつまり接触平面３２（図１参照）を通って空気が漏れないように、ベアリングプレートが旋回器の面４６に対して十分堅固に押しつけられる。しかし、クランピング力は、熱膨張の差などの影響に応じて旋回器に対してベアリングプレートが半径方向および円周方向に滑動または浮動できる程度に弱くなっている。ベアリングプレートは、旋回器に対するベアリングプレートの実際の位置に関係なく、３つ全てのタブの外側縁部６６が常にリテーナの後側で軸方向に捕捉されるような寸法を有する。また、タブは、隣接するレールセグメント５４と協働して、旋回器に対するベアリングプレートの回転を制限する。過度の摩耗を防ぐために回転を制限することが望ましい。さらに、タブは、ベアリングプレートが振動して旋回器の面４６から局所的に離れる傾向に抵抗する。２つのタブと比べて３つのタブのほうが振動に対してより強い抵抗を示す。

理想的には、リテーナは、図示したらせん状リング６４であり、溝５０に取付けを容易にするように半径方向に圧縮することができ、あるいは、中断部分５６を介して円周方向にリングを溝に入れることができる。従来のスナップリングなどのリテーナの他の形状を用いてもよい。

また、あまり好ましくはないが、ベアリングプレートを旋回器にクランプ留めする他の方法が、十分な結果をもたらす場合もある。図４では、ベアリングプレート３０ａを軸方向に捕捉するように保持プレート６８が溶接接合部６９で旋回器に溶接されている旋回器アッセンブリが図示されている。図５および図６では、ベアリングプレート３０ｂおよび旋回器２４ｂからそれぞれ半径方向に突き出ているクレビス７０，７２が図示されている。Ｔ字状のピン７４は、テール７６およびクロスバー７８をそれぞれ備える。各ピンのテール７６は、対応するクレビスのスロットを通って延びるとともに、ベアリングプレートを旋回器に滑動可能にクランプ留めするようにベアリングプレートのクレビス７０に溶接またはろう付けされる。ベアリングプレートは平面３２（図１参照）に接触するように制限されているが、ベアリングプレートが線７９に対して平行かつ垂直に移動できるように、旋回器のクレビス７２のスロットは円周方向に幅広くなっている。

図２および図３を再び参照すると、ベアリングプレート３０は、僅かに軸方向に延びているレース８２に縁取られた中央開口部８０を有する。レースの半径方向内側の内面８４は、湾曲面であり、具体的には球面形の面である。直径方向の反対側に対向する２組の挿入スロット８６は、レースの前方端部に設けられている。各スロットは、円周方向の幅Ｗ_Sを有する。一実施例においては、図５に見られるように挿入スロットを１組だけ設けてもよい。

さらに図７を参照すると、スイベルボール９０は、前方端部９２，後方端部９４、湾曲した外面９６および円筒型の中央開口部９８を備える。外面９６は、レース内面８４と同じ形状であり、そのため曲率中心Ｃを備えた球面形の面であることが望ましい。面取り部１００により、開口部９８の前方端部が縁取られている。スイベルボールは、ベアリングプレートレースの前方端部における挿入スロット８６の円周方向の幅Ｗ_Sより僅かに短い軸方向の長さＬを有する。技術者により、スイベルボールの長さＬが、挿入スロット８６の複数のペアのうちの１つのペアの幅Ｗ_Sと同じ方向に整列するように位置合わされ、スイベルボールが取り付けられる。次いで、技術者により、挿入スロットを介してスイベルボールがレースに挿入されて、図７に図示した組付け位置までスイベルボールが９０度回転される。組付けられた状態では、スイベルボールは、レース内面８４とスイベルボール外面９６との間を通って空気が漏れないようにベアリングプレートレースの内側に密に嵌合されている。

ベアリングプレートおよびスイベルボールは、ステライト（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ）６Ｂまたはステライト３１のコバルトベース合金（それぞれＡＭＳ規格５８９４および５３８２）で製造されており、これらの合金は、高温下で低い摩擦係数を示す。

スイベルボールは、スイベルボール軸１０６に垂直でかつ球面形の外面９６の中心Ｃを通る平面１０４を中心として、非対称である。外面９６は、平面から前方へ距離Ｄ_Fだけ延びるとともに、平面から後方へ距離Ｄ_Aだけ延びており、距離Ｄ_Aは距離Ｄ_Fより長い。非対称であることにより、スイベルボールの軸方向の長さが短くなる。このことは、空間が貴重であり、余分な重量は常に望ましくない航空機エンジンにおいては重要である。非対称（Ｄ_Fより距離Ｄ_Aが長い）の極性により、平面１０４の前方に比べて平面後方における外面９６の面積がより大きくなる。これは、エンジン運転中にスイベルボールが局所的な圧力差により後方（図７の右側方向）に追いやられるため重要である。平面１０４から後方のより大きな表面積により、結果として生じた負荷をレース内面８４のより広い範囲に亘って伝え、そにより、スイベルボールおよびレースにかかる応力が減少する。

燃料ノズル先端ブッシング１０８は、スイベルボールが挿入スロットから外れてベアリングプレートレースから離脱する方向に回転しないように固定具として機能する。ブッシングは、スイベルボールの開口部９８の直径とほぼ同じ大きさの直径を有する半径方向外側の円筒面１１０を備える。さらに、ブッシングは、燃料噴射ノズル３８の円筒型部分４２の直径とほぼ同じ大きさの直径を有する半径方向内側の円筒面１１２を備える。面取り部１２０により、円筒面１１２の前方端部が縁取られている。耳部１１４は、ブッシングの前方端部から半径方向にレース面１１６に近接して延びている。ブッシングの後方端部は、柔軟に変形可能である。組立作業中に、技術者により、耳部１１４が挿入スロット８６に入るまでブッシングはスイベルボールの中央開口部内に押し込まれる。スイベルボールの面取り部１００により、ブッシングが開口部に案内される。次いで、技術者により、ブッシングの後方端部によりスイベルボールの後方端部が捕捉されるようにブッシング後方端部が変形される。図７では、変形した状態のブッシングが実線で図示され、変形していない状態のブッシングが点線で図示されている。ブッシングは、ヘインズ（Ｈａｙｎｅｓ）２５のコバルトベース合金（ＡＭＳ規格５７５９）で製造されている。

前述のようにブッシングが取付けられた状態で、スイベルボールは、レース内で回転することができるが、挿入スロット８６からスイベルボールが外れるほどは回転しない。耳部１１４がレース面１１６に接触してさらなる回転に抵抗するため、スイベルボールは過度に回転しない。例えば、図７のスイベルボールが、図の平面に対して垂直であるとともに中心Ｃを通って延びる軸を中心に時計方向に回転する場合、（図の上部付近に位置する）耳部は、レース面１１６に接触し、それにより、さらなる回転が生じない。

図５および図６では、リング１１８の形状をした別の固定具が図示されており、この固定具は、ベアリングプレートに溶接、ろう付けまたは他の方法で固定されている。リング１１８は、スイベルボールが過度に回転しないように半径方向に十分に厚くなっている。リング１１８は、本発明の別の実施例として示されているが、図１，２，３および図７の好ましい実施例において用いてもよい。

図７では、スイベルボールの円筒型の中央開口部９８を通って延びる燃料噴射ノズルの円筒型部分４２を備えた燃料噴射器アッセンブリが図示されている。円筒型開口部９８の直径は、空気漏れを防ぐように、燃料噴射器の円筒型部分４２の直径とほぼ同じ大きさである。面取り部１２０により、燃料ノズルを開口部９８に組み付けることが容易になる。エンジン運転中、ベアリングプレートは、熱膨張の差または他の影響によるノズルの動きに対応するように旋回器に対して半径方向および円周方向に移動することができる。スイベルボールは、ノズルの回転に対応するようにベアリングプレートレース内で中心Ｃを中心に回転することができる。

本発明をアニュラ型の燃焼器において用いられるものとして説明してきたが、カン型およびカニュラ型の燃焼器などの他の燃焼器構造にも適用することができる。

特定の実施例を参照して本発明を図示、説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく種々の形態および細部の変更がなされることを理解されるであろう

本発明による空気旋回器アッセンブリおよびベアリングプレートアッセンブリの好ましい実施形態を示すタービンエンジンのアニュラ型燃焼器の前方端部の側方断面図。 図１のアッセンブリの分解斜視図。 別の形態を示す図２の旋回器の斜視図。 図１のアッセンブリの組立斜視図。 ベアリングプレートを空気旋回器に滑動可能に固定する別の方法を示す斜視図。 ベアリングプレートを空気旋回器に滑動可能に固定するさらに別の方法を示す分解図。 ベアリングプレートを空気旋回器に滑動可能に固定するさらに別の方法を示す組立図。 本発明のベアリングプレートアッセンブリの好ましい実施形態のさらなる細部を示す拡大側方断面図。

Claims (22)

1. 湾曲形状の内面を有するレースにより縁取られた貫通した開口部を有するベアリングプレートと、
   前記レース内に嵌合し、かつ前記レースの内面と同じ湾曲形状を有するスイベルボールと、
   前記レースから前記スイベルボールが外れないようにする固定具と、
   を備えるベアリングプレートアッセンブリ。
2. 前記湾曲形状が、球面形であることを特徴とする請求項１に記載のベアリングプレートアッセンブリ。
3. 前記レースが、組立中に前記スイベルボールを受ける複数の挿入スロットを備えることを特徴とする請求項１に記載のベアリングプレートアッセンブリ。
4. 前記固定具が、前記スイベルボールに囲まれたブッシングからなることを特徴とする請求項１に記載のベアリングプレートアッセンブリ。
5. 前記レースが、複数の挿入スロットを備え、前記ブッシングの一方の端部が、前記挿入スロットの１つに受容される少なくとも１つの耳部を有し、前記ブッシングのもう一方の端部が、前記スイベルボールを捕捉するように変形されることを特徴とする請求項４に記載のベアリングプレートアッセンブリ。
6. 前記固定具が、前記ベアリングプレートに固定されるリングからなることを特徴とする請求項１に記載のベアリングプレートアッセンブリ。
7. 前記ベアリングプレートが、空気旋回器に対する前記ベアリングプレートの取付けを容易にするタブを備えることを特徴とする請求項１に記載のベアリングプレートアッセンブリ。
8. 前記スイベルボールが、非対称であることを特徴とする請求項１に記載のベアリングプレートアッセンブリ。
9. 前記スイベルボールが、前記スイベルボールを貫通する開口部を有し、前記開口部が、軸を取り囲み、前記スイベルボールが、前方端部と、後方端部と、中心を有する球面形の外面と、を備え、前記外面が、前記軸に垂直であるとともに前記中心を通る平面から前方へ軸方向距離Ｄ_Fだけ延び、さらに、前記外面が、前記平面から後方へ軸方向距離Ｄ_Aだけ延び、Ｄ_AがＤ_Fより長いことを特徴とする請求項１または８に記載のベアリングプレートアッセンブリ。
10. 円周方向に延びる溝を備えた円周方向に延びるレールを有する流体旋回器と、
    半径方向に延びるタブを備えたベアリングプレートと、
    前記ベアリングプレートを前記旋回器に滑動可能にクランプ留めするように前記溝および前記タブと協働するリテーナと、
    を備える旋回器アッセンブリ。
11. 前記リテーナが、前記溝に受容されるリングであることを特徴とする請求項１０に記載の旋回器アッセンブリ。
12. 前記リングが、らせん状リングであることを特徴とする請求項１１に記載の旋回器アッセンブリ。
13. 前記レールが、円周方向にセグメントに分割され、前記タブが、前記旋回器に対する前記ベアリングプレートの回転を制限するように前記セグメントと協働することを特徴とする請求項１０に記載の旋回器アッセンブリ。
14. 前記レールが、軸方向の幅を有し、各中断部分が、前記レールの軸方向の幅の全体に亘っていることを特徴とする請求項１３に記載の旋回器アッセンブリ。
15. ３つのタブおよび３つの中断部分を備える請求項１４に記載の旋回器アッセンブリ。
16. 燃料噴射器アッセンブリ用のベアリングプレートであって、前記ベアリングプレートが、前記ベアリングプレートを貫通するとともにレースによって縁取られた開口部を備え、前記レースが、球面形の内面を有する燃料噴射器アッセンブリ用のベアリングプレート。
17. 半径方向に突出しているタブを備える請求項１６に記載のベアリングプレート。
18. 挿入スロットを備える請求項１６に記載のベアリングプレート。
19. 燃料噴射器アッセンブリ用のスイベルボールであって、前記スイベルボールが、球面形の外面と、前記スイベルボールを貫通する開口部と、を備える燃料噴射器アッセンブリ用のスイベルボール。
20. 前記スイベルボールが、軸および中心を有し、前記外面が、前記軸に垂直であるとともに前記中心を通る平面を中心として非対称であることを特徴とする請求項１９に記載のスイベルボール。
21. 燃料噴射器アッセンブリ用のノズル先端ブッシングであって、前記ブッシングが、円筒型部分を備えた燃料噴射ノズルを受ける円筒型の内面を有し、前記内面が、前記ノズル円筒型部分の直径とほぼ同じ大きさの直径を有し、前記ブッシングが、柔軟に変形可能な後方端部を有する燃料噴射器アッセンブリ用のノズル先端ブッシング。
22. 前記ブッシングの前方端部から半径方向に延びる耳部を備える請求項２１に記載のノズル先端ブッシング。
    

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