JP2006349336A - ターボ機械の環状の燃焼チャンバの組み立て - Google Patents

Abstract

【課題】動作中に軸方向の壁に対するチャンバの端壁の自由な膨張を実現し、チャンバの端壁が受ける振動を効果的にダンピングする組立体システムを提供する。
【解決手段】環状の燃焼チャンバ１０は、軸方向の壁とは異なる熱膨張係数を有するチャンバの端壁３０によって相互接続される軸方向の壁２８を備え、チャンバの端壁には、軸方向の壁の端部分に締結システム３６によって固定される、複数の内側および外側の締結タブ３４が設けられる。各締結システムは、ボルト４０、ボルトの一方の端部に締め付けられるナット４６、およびナットと対応する軸方向の壁の端部分との間でボルトの周りに配置される案内面ブッシング４８を備え、軸方向の壁に対してチャンバの端壁３０が動作において径方向に自由に膨張することができるように、ナットと軸方向の壁の端部分との間に、定められた量の径方向のクリアランスＪが設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ機械の燃焼チャンバの分野に一般的に関わる。本発明は、特に、チャンバの軸方向の壁と端壁とが異なる熱膨張係数の材料よりなる、環状の燃焼チャンバを組み立てることで生ずる問題に関する。

航空分野では、ターボ機械、特に、その燃焼チャンバの様々な構成要素を形成する際に、金属の代わりにセラミックマトリクス複合体（ＣＭＣ）タイプの高温複合材料を使用することが、益々一般的になっている。全体的に金属より形成される燃焼チャンバの使用は、燃焼ガスが非常に高温であるため、熱の観点から全く適していない。これにより、燃焼チャンバの寿命は減少される。

しかしながら、複合材料は非常に高価であり、高レベルの機械的応力を受けたときの強度は比較的低い。従って、このような材料の使用は、通常、燃焼チャンバの軸方向の壁に限定され、上流側端で軸方向の壁を一体化する径方向の壁（即ち、チャンバの端壁）は、通常金属より引き続き形成される。

残念なことに、金属と複合材料は、非常に異なる熱膨張係数を有する。それにより、複合材料よりなる軸方向の壁と、金属よりなるチャンバの端壁との間で燃焼チャンバを組み立てるシステムにおいて問題が生ずる。特に、壁の機械的強度の観点から、従来のボルトシステムを用いることはもはや不可能である。

上述の欠点を克服するために、欧州特許出願公開第１４７９９７５号は、チャンバの端壁に固定され、軸方向の壁への固定を可能にする締結タブを用いることを開示する。この解決策は有利であるが、多数の不都合な点も有する。特に、このような組立体システムは、十分に自由な膨張を可能にしない一方で、動作中にチャンバの端壁が受ける振動を効果的にダンピングする。その結果、締結タブは、動作中、組立体の機械的強度、特に、複合体の強度に特に悪影響を及ぼす、非常に高いレベルの曲げ応力を受ける。
欧州特許出願公開第１４７９９７５号明細書

したがって、本発明は、上述の欠点を主に緩和するために、動作中に軸方向の壁に対するチャンバの端壁の自由な膨張を実現し、チャンバの端壁が受ける振動を効果的にダンピングする、組立体システムを提供することを目的とする。

このために、本発明は、環状の燃焼チャンバを提供し、この環状の燃焼チャンバは、軸方向の壁とは異なる熱膨張係数を有するチャンバの端壁によって上流側端が一緒に接続される、外側および内側の軸方向の壁を備え、前記チャンバの端壁には、内側および外側の軸方向の壁の上流側端部分に締結システムによってそれぞれ固定される、複数の内側および外側の締結タブが設けられ、各締結システムが、一つの締結タブおよび対応する軸方向の壁の上流側端を通るボルト、および締結ボルトの一方の端部に締め付けられるナットを含み、各締結システムが、ナットと対応する軸方向の壁の端部分との間で締結ボルトの周りに配置される案内面ブッシングをさらに備え、軸方向の壁に対してチャンバの端壁が径方向に自由に膨張することができるよう、ナットと軸方向の壁の端部分との間に、定められた量の径方向のクリアランスが設けられることを特徴とする。

柔軟であるがプレストレストされた締結タブが設けられることにより、ナットと軸方向の壁との間に定められた量の径方向のクリアランスが設けられる締結システムと組み合わせて、燃焼チャンバが受ける振動のダンピングを改善し、同時に軸方向の壁に対するチャンバの端壁の動作中の膨張の影響を減衰する効果が得られる。その結果、締結タブは、少量の曲げ応力だけを動作中に受ける。

本発明の有利な構成では、各締結タブは、対応する案内面ブッシングおよび締結ボルトが通る金属よりなるワッシャを含み、ブッシングは金属よりなる。ブッシングと締結タブとの間の接触は、金属対金属タイプである。このような接触により、摩耗がはるかに少なくなり、セラミック対金属タイプの磨り減った接触部を修理することと比べて、修理のコストが制限されるといった利点が得られる。

本発明の別の有利な構成によると、締結タブのワッシャと、対応する案内面ブッシングとの間の接触は、略トロイド形である。このタイプの接触は、ジャミング現象を回避しながら、ブッシングと締結タブとの間の滑りを容易化するといった利点を有する。

本発明の更なる別の構成によると、各締結タブのワッシャは、前記ワッシャと対応する案内面ブッシングとの間の接触領域を増大させるように、より大きい厚さを有する。したがって、接触力は、より広い領域にわたって広められ、ブッシングと締結タブとの間の接触摩耗が減少される。

最初の動作段階において、各締結タブが、動的安定性のためにチャンバの端壁に剛性を与えるよう、同じ組立体プレストレスを呈することが好ましい。

締結システムは、軸方向の壁に対するチャンバの端壁の径方向に膨張する段階の間に、振動をダンピングする手段を更に含んでよい。このような手段は、ナットと対応する締結タブとの間で案内面ブッシングの周りに配置される、コイルまたはブレードタイプのスプリングを備えることができる。

チャンバの端壁と軸方向の壁との間に密閉性を与える手段が、さらに設けられてもよい。これらの手段は、締結タブと対応する軸方向の壁の端部分との間に形成される環状の溝に取り付けられ、軸方向の壁の前記端部分に対してトロイド形に押し付けられる縁を含む、ストリップタイプの円形のガスケットよりなることができる。

有利には、複合材料よりなる内側キャップおよび外側キャップは、端部分からそれぞれの軸方向の壁を上流側に延在させ、各締結ボルトは、また対応するキャップに形成されるオリフィスを通る。

本発明は、上述の通り、環状の燃焼チャンバの内側および外側の軸方向の壁に、チャンバの端壁を締結するシステムを更に提供する。

本発明の他の特徴および利点は、限定する特徴を有さない、実施形態を示す添付の図面を参照して以下の説明から明らかとなるであろう。

図１は、環境におけるターボ機械の燃焼チャンバ１０の軸方向部分横断面図である。

外側の環状シュラウド（または外側ケーシング）１２、および外側の環状シュラウドと同軸の内側の環状シュラウド（または内側ケーシング）１４は、ターボ機械の軸Ｘ−Ｘに中心合わせされる。これら二つのシュラウド間に形成される環状の空間１６は、環状の拡散ダクト１８を介して、ターボ機械の圧縮機（図示せず）から入来する一般的なストリームＦで圧縮された空気を受ける。この空気は、チャンバ１０における燃料の燃焼用である。

複数の注入システム２０は、拡散ダクト１８の周りに規則的に分配され、環状の空間１６に開口される。各注入システムには、外側のシュラウド１２に固定される燃料注入ノズル２２が設けられる。図を簡略化するために、各注入ノズルと関連付けられるミクサおよびデフレクタは省略される。

ターボ機械の燃焼チャンバ１０は、希釈および冷却用空気の流れを受ける外側シュラウド１２と内側のシュラウド１４との間に、それぞれ環状チャネル２４を残すように、環状空間１６内に取り付けられる。チャンバは環状であり、外側の軸方向の壁２６と、外側の壁と同軸の内側の軸方向の壁２８とによって構成される。これら軸方向の壁２６および２８は、ターボ機械の軸Ｘ−Ｘに中心合わせされる。

チャンバの端壁を構成する横断方向の壁３０は、燃焼チャンバの軸方向の壁２６および２８の上流側端を相互接続する。チャンバの端壁３０には、燃料注入ノズル２２が通る複数の開口部３２が設けられる。

チャンバの端壁３０と、軸方向の壁２６および２８とは、非常に異なる熱膨張係数を有する材料よりなる。例えば、軸方向の壁は、ＣＭＣタイプ、または他のタイプの高温セラミック材料よりなり、一方、チャンバの端壁は、金属材料よりなる。

図１および図２に示すように、チャンバの端壁３０は、それぞれボルトタイプの締結システム３６を用いて、軸方向の壁２６、２８の上流側端部分にそれぞれ固定される、複数の内側および外側の柔軟な締結タブ３４を端部に有する。

締結タブ３４は、例えば溶接によって、チャンバの端壁３０に固定されるそれぞれリング３８と一体化された柔軟なトングの形態にある。締結タブ３４は、締結システム３６を超えて上流側に延在し、燃焼チャンバの全周にわたって規則的に分配されている。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、各締結システム３６は、対応する締結タブ３４および対応する軸方向の壁２６、２８の上流側端部分にそれぞれ形成されるオリフィス４２、４４を通る締結ボルト４０を備える。ナット４６は、締結ボルト４０の端部の一つに締め付けられる。

本発明において、各締結システム３６は、締め付けナット４６と燃焼チャンバの対応する軸方向の壁２６、２８の上流側端部分との間で、締結ボルト４０の周りに配置される案内面ブッシング４８を更に含む。更に、ナット４６と軸方向の壁２６、２８の上流側端部分との間に、定められた径方向のクリアランスＪが設けられる。したがって、案内面ブッシング４８は、クリアランスＪを収容するに好適な径方向の高さを示す。

燃焼チャンバの各締結システム３６では、クリアランスＪは、動作において、軸方向の壁２６、２８に対して径方向にチャンバの端壁３０が自由に膨張することを可能にする。このような膨張は、チャンバの端壁３０が、軸方向の壁２６、２８よりもはるかに大きい熱膨張係数を示すため、必要である。

軸受ワッシャ５０は、そのような軸受ワッシャ５０と対応する締結タブ３４の対向する面の間にクリアランスＪが設けられるよう、締め付けナット４６と案内面ブッシング４８との間に介在され得る。軸受ワッシャ５０の存在は不可欠でないが、動作において軸受接触を改善するように作用する。

このような構造によると、各締結タブ３４は、いわゆる「低温動作」位置といわゆる「高温動作」位置との間で、対応するブッシング４８上で摺動されるに好適である。

燃焼チャンバを組み立てる際、締結タブ３４は、動的安定性のためにある量の剛性をチャンバの端壁に与えるよう、案内面ブッシング４８の肩部４８ａを押圧するようプレストレスがかけられるように取り付けられる。低温動作段階（図３Ａ）の間、即ち、チャンバの端壁３０と軸方向の壁２６、２８との間の膨張差が、締結タブ３４の組立体プレストレスを克服するに十分でない動作段階の間では、タブは、肩部４８ａに対して押し付けられたままである。

高温動作段階（図３Ｂ）の間、即ち、チャンバの端壁３０と軸方向の壁２６、２８との間の膨張差が、締結タブ３４の組立体プレストレスを補償する動作段階では、各タブは、対応するブッシング４８に沿って径方向に摺動し、軸受ワッシャ５０と（または、ワッシャが存在しない場合には、締め付けナット４６と）当接する。

従って、クリアランスＪおよび組立体タブ３４の組立体プレストレスは、ターボ機械の動作段階に応じて、タブが、案内面ブッシング４８の肩部４８ａおよび軸受ワッシャ５０に対しても当接することを可能にするように、大きさが決められる。従って、クリアランスＪの径方向の高さは、チャンバの端壁３０が振動的に安定することを確実にするために、締結タブ３４に対して十分な張力を得るよう定められる。

本発明の有利な特徴によると、各締結タブ３４は、締結ボルト４０および対応する案内面ブッシング４８が中を通る、金属材料よりなるワッシャ５２を有し、ブッシングも同様に金属よりなる。この特徴により、ブッシング４８と締結タブ３４との間で金属対金属の接触を実現することが可能となり、セラミック対金属タイプの接触よりもはるかに摩耗が少なくなる。

更に、金属ワッシャ５２は、高度の摩耗の場合により簡単に交換できるよう、対応する締結タブ３４に有利に溶接される。

本発明の別の有利な特徴によると、各締結タブ４５の金属ワッシャ５２と対応する案内面ブッシング３４との間の接触は、略トロイド形である。このため、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、締結タブ３４の金属ワッシャ５２によって形成されるオリフィス４２は、形状が略トロイド形である。この特徴は、ジャミング現象を制限することで、ブッシング４８と締結タブ３４との間の滑りを容易にするといった利点を有する。

本発明の更に別の有利な特徴によると、各締結タブ３４の金属ワッシャ５２は、ワッシャと対応する案内面ブッシング４８との間の接触領域を増大させ、これら二つの素子の間の接触摩耗を減少させるために、対応するタブよりも大きい厚さを有する。

案内面ブッシング４８に肩部４８ａが設けられることで、第一に、ブッシング４８と締結タブ３４との間の接触力を広げ（それにより摩耗を減少させ）、第二に、締結タブの金属ワッシャ５２と金属対金属の接触を提供するように作用することが分かる。

図４および図５に示すように、締結システム３６は、軸方向の壁２６、２８に対して、チャンバの端壁３０の径方向の膨張を「自由」にしておくことで、エンジンの全ての動作段階間に振動をダンピングする手段を更に含むことができる。

図４の実施の形態では、これらのダンパ手段は、各締結システム３６に対して、軸受ワッシャ５０（または、ワッシャが無い場合には締め付けナット４６）と、対応する締結タブ３４の金属ワッシャ５２との間、即ち径方向のクリアランスＪを占有して、案内面ブッシング４８の周りに配置されるコイルばね５４を備える。

図５に示す別の実施の形態では、ダンパ手段は、各締結システム３６に対して、軸受ワッシャ５０と、対応する締結タブ３４の金属ワッシャ５２との間、即ち径方向のクリアランスＪを占有して、案内面ブッシング４８の周りに同様に配置されるスプリングブレード５６を備える。

更に、チャンバの端壁３０と軸方向の壁２６、２８との間の密閉を確実にする手段が設けられ得る。図示するように、各締結システム３６に対して、このような手段は、締結タブ３４と対応する軸方向の壁２６、２８の上流側端部分との間に形成される環状の溝６０に取り付けられる、ストリップタイプの円形のガスケット５８の形態にある。

密閉ガスケット５８は、軸方向の壁２６、２８の端部分の対向する壁に対して、トロイド形に押し付けられる縁６２を有する。ガスケットは、スプリングブレードタイプの弾力素子６４によって壁に押し付けられ、締結タブ３４に固定される複数のペグ６６によって、定位置で保持される。

このような構成によると、密閉ガスケット５８は、チャンバの端壁３０の方向に制限されるため、環状チャネル２４における空気の流れを妨げない。

本発明の燃焼チャンバは、燃焼チャンバの軸方向の壁２６、２８と同じ材料よりなり（即ち、複合材料の場合）、軸方向の壁２６および２８のそれぞれの端部分を上流側に延在させる、内側キャップ（またはフェアリング）６８および外側キャップ（またはフェアリング）７０を含むことができる。このような状況下では、締結システム３６の各ボルト４０は、また、対応するキャップ６８、７０に形成されるオリフィス７２を通る。

図１に示すように、キャップは、チャンバの軸方向の壁２６、２８に直接的に一体化されてもよく（図１の外側キャップ７０の場合のように）、軸方向の壁とは別個のものであってもよい（内側キャップ６８の場合のように）。

本発明により、径方向のクリアランスが定められている締結システムと締結タブを関連付けることは、多数の利点を有する。特に、締結タブは、その柔軟性により、燃焼チャンバが受ける振動をダンピングし、締結システムにおける径方向のクリアランスの存在により、動作中にタブが滑ることを可能にし、それにより、受ける曲げ応力を大きく減少させるように作用する。このように、取り付けの際に、適切なプレストレスを有する柔軟な締結タブを使用することにより、燃焼チャンバの軸方向の壁を形成する複合材料の完全性の劣化が回避される。更に、ブッシングと締結タブとの間の摺動接触は、金属部品を介して行われるため、劣化が制限される。摩耗が生ずると、これらの部品は、各締結タブの金属ワッシャを交換することだけが必要であるため、修理するのがより簡単になる。最後に、従来技術から知られているシステムと比べて、本発明の解決策は、著しく重量を削減する。

本発明のターボ機械の燃焼チャンバの部分横面図である。 図１の燃焼チャンバのための締結システムを示す部分斜視図である。 低温で動作する、図２の締結システムを示す断面図である。 高温で動作する、図２の締結システムを示す断面図である。 ダンパ手段を備える図２の締結システムの断面図である。 別のダンパ手段を備える図２の締結システムの断面図である。

符号の説明

１０ 燃焼チャンバ
１２ 外側の環状シュラウド
１４ 内側の環状シュラウド
１６ 環状の空間
１８ 拡散ダクト
２０ 注入システム
２２ 燃料注入ノズル
２４ 環状チャネル
２６ 外側の軸方向の壁
２８ 内側の軸方向の壁
３０ 横断方向の壁
３２ 開口部
３４ 締結タブ
３６ 締結システム
３８ リング
４０ 締結ボルト
４２、４４、７２ オリフィス
４５ 締結タブ
４６ ナット
４８ 案内面ブッシング
４８ａ 肩部
５０ 軸受ワッシャ
５２ 金属ワッシャ
５６ スプリングブレード
５８ 密閉ガスケット
６０ 環状の溝
６２ 縁
６４ 弾力素子
６６ ペグ
６８ 内側キャップ
７０ 外側キャップ

Claims (10)

1. 環状の燃焼チャンバ（１０）であり、軸方向の壁（２６、２８）とは異なる熱膨張係数を有するチャンバの端壁（３０）によって上流側端が一緒に接続される、外側および内側の軸方向の壁（２６、２８）を備え、前記チャンバの端壁（３０）には、内側および外側の軸方向の壁（２６、２８）の上流側端部分に締結システム（３６）によってそれぞれ固定される、複数の内側および外側の締結タブ（３４）が設けられ、各締結システム（３６）が、一つの締結タブ（３４）および対応する軸方向の壁（２６、２８）の上流側端を通るボルト（４０）、および締結ボルトの一方の端部に締め付けられるナット（４６）を含む、環状の燃焼チャンバ（１０）であって、
   各締結システム（３６）が、ナット（４６）と対応する軸方向の壁（２６、２８）の端部分との間で締結ボルト（４０）の周りに配置される案内面ブッシング（４８）をさらに備え、
   軸方向の壁（２６、２８）に対してチャンバの端壁（３０）が径方向に自由に膨張することができるよう、ナットと軸方向の壁の端部分との間に、定められた量の径方向のクリアランス（Ｊ）が設けられることを特徴とする、燃焼チャンバ。
2. 各締結タブ（３４）が、対応する案内面ブッシング（４８）および締結ボルト（４０）が通る金属よりなるワッシャ（５２）を含み、ブッシング（４８）が金属よりなる、請求項１に記載の燃焼チャンバ。
3. 締結タブ（３４）のワッシャ（５２）と、対応する案内面ブッシング（４８）との間の接触が、略トロイド形である、請求項２に記載の燃焼チャンバ。
4. 各締結タブ（３４）のワッシャ（５２）が、前記ワッシャと対応する案内面ブッシング（４８）との間の接触領域を増大させるように、より大きい厚さを有する、請求項２または３に記載の燃焼チャンバ。
5. 各締結タブ（３４）が、動的安定性のためにチャンバの端壁（３０）に剛性を与えるように、組立体プレストレスを呈する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃焼チャンバ。
6. 締結システム（３６）が、軸方向の壁（２６、２８）に対するチャンバの端壁（３０）の振動をダンピングする手段（５４、５６）を更に含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼チャンバ。
7. ダンパ手段が、ナット（４６）と対応する締結タブ（３４）との間で案内面ブッシング（４８）の周りに配置される、コイルまたはブレードタイプのスプリング（５４または５６）により構成される、請求項６に記載の燃焼チャンバ。
8. チャンバの端壁（３０）と軸方向の壁（２６、２８）との間に密閉性を与えること（５８、６２）を更に含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃焼チャンバ。
9. 密閉手段が、ストリップタイプの円形のガスケット（５８）を備え、該ガスケット（５８）が、締結タブ（３４）と対応する軸方向の壁（２６、２８）の端部分との間に形成される環状の溝（６０）に取り付けられ、軸方向の壁の前記端部分に対してトロイド形に押し付けられる縁（６２）を含む、請求項８に記載の燃焼チャンバ。
10. 端部分からそれぞれ軸方向の壁（２６、２８）を上流側に延在させる、内側キャップ（６８）および外側キャップ（７０）を更に含み、各締結ボルト（３６）が、対応するキャップに形成されるオリフィス（７２）も通る、請求項１から９のいずれか一項に記載の燃焼チャンバ。

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