JP2006510865A - 改善されたシーリング並びに制振効果を有する燃焼器の低コストフローティング・カラー - Google Patents

Abstract

ガスタービン・エンジンの燃焼器と燃料ノズル間を制振しシーリングするためのフローティング・カラー・アッセンブリ。燃焼器は外側周辺アバット面を有するノズル開口部を有し、ノズルは燃焼器に相対してエンジン・コアに固定された内部燃料マニホールドと一体である。ノズルはノズル開口部に位置合わせされた円筒状ボディと該ノズル・ボディから横手方向に延びる肩部を有する。環状のフローティング・カラーはアバット面と径方向にスライド係合するよう適合した燃焼器面、円筒状ボディと軸方向にスライド係合するよう適合した中央アパーチャ及び外側ベアリング面を有する。ウェイブばねがフローティング・カラーの外側ベアリング面とノズル肩部の内側面の間に設けられ、シーリング係合を維持し、制振し、かつノズルと燃焼器間の相対的回転を妨害する一方で軸方向及び径方向の相対変位に適応する。

Description

本発明は、ガスタービン・エンジンの燃焼器と燃料ノズルとの間の振動を減衰し、かつシーリングするためのフローティング・カラー・アッセンブリに関する。

フローティング・カラーは、ガスタービン・エンジンのエンジン燃焼器壁内の開口部に設けられる燃料ノズルをシールするのに使用される。燃料ノズルは、フローティング・カラーを通って突出しており、フローティング・カラーは燃焼器壁中の開口部において熱膨張並びに収縮に対処するのに必要な相対運動に適応するよう設けられる。ほとんどの従来設計における燃焼器は、圧縮空気が充満するプレナム内で支持される比較的薄肉のシートメタル構造体である。圧縮空気は、通常ノズル中の種々の開口部を通って入り、渦流効果を発生し、燃焼器中の開口部を通って冷却フィルムを形成して燃焼器内に噴霧される燃料エアロゾルと混合される。

燃料ノズルは、片持ち梁状に取り付けられた燃料管の内側端部に設けることができ、個々の燃料管はエンジン・コア構造体にそれぞれ別個に固定され、外部の燃料供給マニホールドを介して液体燃料を供給する。あるいは又、燃料ノズルを内部の燃料供給マニホールドアッセンブリから燃焼器に接続するよう延在させることもできる。これまでの従来技術においては、熱膨張及び収縮に起因したノズルと燃焼器間の軸方向及び径方向における相対運動に適応し、かつプレナムから燃焼器に入る空気流を制御するべく、フローティング・カラーを使用しなければならなかった。従来のフローティング・カラーの欠点とは、空気流の渦流や振動によってフローティング・カラーが回転するのを防ぐのに複雑な回転防止装置が必要な場合が多々あることである。回転が継続すると、ノズル表面が損耗するのが早くなるため、そのような継続回転を、回転を防ぐ一方で熱膨張と収縮に適応するようなある程度の径方向と軸方向の運動を可能にする固定装置で防止する。

従来のカラーは又、ノズルが、ノズルからエンジンコア構造体の距離において固定される細い片持ち梁状に取り付けられた燃料管の端部に支持される場合が多いため、かなりの振動により燃焼器壁の振動によるフレッティング（ｆｒｅｔｔｉｎｇ）にさらされる。

ピーターソン等の米国特許第４，３２２，９４５号明細書には、回転防止装置を内在させた慣用的な燃料ノズルヒートシールドが開示されている。

ベン−ポラットの米国特許第４，４５４，７１１号明細書には、ノズル燃料供給管と燃焼器間の相対運動に適応させる手段の別例が開示されている。ベン−ポラットの発明では、比較的複雑なアッセンブリにスプリング入りの取付台に設けられた球状の玉継手が開示されている。

本発明の目的は、ノズルと燃焼器の間で軸方向と径方向の両方において摩擦を提供することによって燃料ノズルと燃焼器間の振動を機械的に減衰することである。

本発明の別の目的は、ノズルと燃焼器間の振動を機械的に減衰することによって高い振動性応力の発生を防止することである。

本発明のさらなる目的は、本開示、図面並びに以下の本発明の説明を検討することによって明らかとなろう。

本発明は、ガスタービン・エンジンの燃焼器と燃料ノズル間において振動を減衰しかつシーリングするためのフローティング・カラー・アッセンブリを提供する。燃焼器は、外側周辺に接触面（ａｂｕｔｍｅｎｔ）を有するノズル開口部を有し、ノズルは燃料管のカンチレバー端部に取り付けられ、その反対側はエンジン・コアに固定されている。ノズルはノズル開口部に整合した円筒状ボディを有し、ノズル・ボディから横方向に延びるショルダーを有する。環状のフローティング・カラーは、径方向において接触面と摺動係合するよう取り付けられる燃焼器面、円筒状ボディと軸方向において摺動係合するよう取り付けられる中央アパーチャ、及び外側ベアリング面を有する。フローティング・カラーの外側ベアリング面と、ノズルのショルダーの内側面の間に、密閉係合を維持し、制振し、かつノズルと燃焼器間の相対運動を妨害し、一方で軸方向及び径方向における相対的な移動に適応するために、ウェイブばねが設けられる。

本発明を容易に理解するために、添付の図面で本発明の実施態様を例示する。

本発明のさらなる詳細、並びに利点は以下の詳細な説明から明らかとなろう。

図１は、ターボファン・ガスタービン・エンジンの軸方向断面図を示す。しかしながら、本発明は、ノズル・フローティング・カラー及び燃焼器、並びにタービン・セクションを有するターボシャフト、ターボプロップ、あるいは補助動力装置などのいずれの型のエンジンにも同様に適用できることは理解すべきであろう。エンジンに吸入された空気は、ファンケーシング２のファン動翼１を通って、バイパスダクト３を通る外側環流と、軸流圧縮機４と遠心圧縮機５を通る内側流に分かれる。圧縮空気はディフューザ６を通って遠心圧縮機５から排気され燃焼器８の周囲を囲うプレナム７内に収容される。燃料は、燃料管９を介して燃焼器８に供給され、ノズルを通って燃焼器８内に噴霧されるとプレナム７からの空気と混ざって混合気となって点火される。プレナム７内の圧縮空気の一部は燃焼器壁のオリフィスを通って燃焼器８中に入り、燃焼器壁に沿って冷却空気のカーテンを形成するか、あるいは最終的に冷却に使用され、燃焼器からの高温ガスと混ざり、排気としてエンジン尾部から排出される前にノズルガイド・ベーン１０とタービン１１を通る。

図２に示すように、燃料ノズル１２は燃焼器８のノズル開口部内に設けられる。燃料ノズル１２は、燃料管９の内側端部に取り付けられる。燃料管９の外側端部１３は、エンジン・コア１４に固定され、外部のマニホールド（図示せず）を介して燃料を供給する。図２に示す従来設計は、比較的薄肉の燃焼器８と片持ち梁状に取り付けられた燃料管９の間の相対的な熱膨張と収縮、特に燃料ノズル１２と燃焼器８の末端壁間における振動に適応しなければならない。上述のように、従来の回転防止装置は従来技術において使用されるが、設計を複雑にする。

図３は、燃焼器壁１６に取り付けられた、本発明によるフローティング・カラー・アッセンブリ１７を有する燃料ノズル１５を示す。図３は、中央ボア２０を通って液体燃料流を提供する燃料供給スロット１９を有する環状内部燃料マニホールド１８の断面図を示す。プレナム７からの圧縮空気は、開口部２１を通って導入され、燃料送り出しポート２２を通って導入される霧状の燃料と混ざり、該開口部２１を通って導入された圧縮空気と共に渦効果を生じる。

ノズル１５は、燃焼壁１６中のノズル開口部２５と位置合わせされた円筒状ボディ２４を有する。ノズル開口部２５は、外側周辺のアバット面２６で周囲を囲われており、実施態様においてはこれは平坦な環状面として示されている。ノズル１５は又、円筒状ボディ２４から横手方向に延びる肩部２７を備える。図３に示す実施態様において、ノズル１５の軸２８はノズル開口部２５の中心線上で整列しているが、軸方向並びに径方向の相対移動が様々な運転状態の間中において振動及び熱膨張と収縮に起因して生じることは理解すべきである。

環状のフローティング・カラー２９は、プレナム７から入ってくる制御されていない圧縮空気から、燃焼器壁１６を効果的にシールするために、アバット面２６と径方向のすべり係合するよう適合した燃焼器面３０と、ノズル１５の円筒状ボディ２４と軸方向のすべり係合するよう適合した中央アパーチャ３１を有する。このように、プレナム７からの圧縮空気は開口部２１及び燃焼壁１６内のその他の開口部（図示せず）に方向付けられる。

フローティング・カラー２９の外側ベアリング面３２とノズル肩部２７の内側面との間にはウェイブばね３３が設けられる。内部燃料供給マニホールド１８は、ノズル１５と一体であり、かつノズル１５を燃焼器８に対して相対的な位置で支持する。ウェイブばね３３の付勢力は、フローティング・カラー２９とアバット面２６間の密閉係合を維持しながら、ノズル１５と燃焼器壁１６の間の軸方向及び径方向における相対移動に適応する。ウェイブばね３３の付勢力は又、フローティング・カラー２９とノズル１５の円筒状面２４の間の係合も維持する。

ウェイブばね３３の付勢力は、さらに、エンジンの全運転範囲間中、ノズル１５と燃焼器壁１６の間の振動状態を機械的に減衰する。振動を減衰することにより、高い振動応力の生成が防止されると共に、ノズル１５と燃焼器壁１６間のフレッティングも抑制される。ウェイブばね３３は、ノズル１５と燃焼器壁１６の間の相対移動に対して軸方向にバイアスした抵抗力を提供し、ノズル１５の円筒面２４とフローティング・カラー２９の中央アパーチャ３１の間に摩擦接触をもたらす。鉛製のウェイブばね３３の軸方向における弾性力は、振動並びに熱による変位の軸方向成分を抑制する。

フローティング・カラー２９の外側ベアリング面３２とウェイブばね３３の係合面の間の径方向の平面における摩擦力と、燃料ノズル１５の肩部２７の内側面とウェイブばね３３の係合面の間の径方向の摩擦力は、ノズル１５と燃焼器壁１６の間におけるいずれの相対的な偏位又は振動の径方向成分を抑制するのに十分である。ウェイブばね３３によって生じる径方向の摩擦力は又、フローティング・カラー２９への回転防止装置の必要性を排除するのに十分である。

従って、本発明のフローティング・カラー・アッセンブリ１７は、ノズル１５と燃焼器壁１６との間の熱膨張及び収縮による軸方向並びに径方向の運動を調整する。ウェイブばね３３の付勢力は、プレナム７から燃焼器８内部への圧縮空気流をコントロールする燃焼器壁１６のシーリングを提供する。フローティング・カラー・アッセンブリ１７は、フレッティングを排除するよう径方向の摩擦力を生じるため、従来のフローティング・カラーの複雑な回転防止装置の必要性をなくす。摩擦力は又、ノズル１５の円筒状ボディ２４とフローティング・カラー２９の中央アパーチャ３１の間で軸方向において生じ、この摩擦力はウェイブばね３３の弾性力と共に、振動モードの軸方向成分を抑制するよう働く。ウェイブばね３３によって生じる径方向の摩擦力は、振動モードの径方向成分を抑制することによってノズル１５と燃焼器壁１６に生じる振動応力を減衰する。

上述の説明は、現在本発明者が考慮する特定の好ましい実施態様に関するものであるが、本発明はその広い観点において、ここに開示の機械的かつ機能的に同等な要素を包含することは理解されたい。

図１は、一般的な構成要素の配置を示し、かつ燃焼器とエンジンコアに取り付けられた燃料管の配置を示す、典型的なターボファン・ガスタービン・エンジンによる軸方向の断面図である。 図２は、外側のエンジンケーシング壁に固定された燃料管に取り付けられたノズルを有する従来の燃焼器の詳細な軸方向断面図である。 図３は、本発明による、燃焼器壁と、フローティング・カラーを備えるノズルの軸方向断面図である。 図４は、フローティング・カラー・アッセンブリの概略的な拡大図である。

符号の説明

１６…燃焼器壁
１７…フローティング・カラー・アッセンブリ
１８…内部燃料供給マニホールド
２６…アバット面
２７…肩部
２９…フローティング・カラー
３３…ウェイブばね

Claims (13)

1. ガスタービン・エンジンの燃焼器と燃料ノズルの間の制振かつシーリングのためのフローティング・カラー・アッセンブリであって、該燃焼器は外側周辺接触面を有するノズル開口部を有し、該ノズルは前記ノズル開口部と位置合わせされたボディと、該ボディから横手方向に延びる肩部を有し、
   前記接触面と径方向にスライド係合するよう適合された燃焼器面と、前記円筒状ボディと軸方向にスライド係合するよう適合された中央アパーチャと、外側ベアリング面を有するフローティング・カラーと、及び
   前記フローティング・カラーの該外側ベアリング面と該ノズル肩部の内側面との間に設けられ、シーリング係合を維持し、制振し、かつ該ノズルと該燃焼器間の相対的回転を妨害する一方で軸方向及び径方向の相対変位に適合する付勢手段、
   とを含んでなることを特徴とする、フローティング・カラー・アッセンブリ。
2. 前記付勢手段が、前記ノズルを前記燃焼器から離間するよう付勢することを特徴とする請求項１記載のフローティング・カラー・アッセンブリ。
3. 前記付勢手段がばねを含んでなることを特徴とする請求項１記載のフローティング・カラー・アッセンブリ。
4. 前記ばねが、ウェイブばねであることを特徴とする、請求項３記載のフローティング・カラー・アッセンブリ。
5. 前記付勢手段が、前記ノズル・ボディと弾性的にかみ合うことを特徴とする、請求項１記載のフローティング・カラー・アッセンブリ。
6. ガスタービン・エンジンの燃焼器のためのフローティング・カラー・アッセンブリであって、該燃焼器は外側周辺接触面を有するノズル開口部を有し、該ノズルは前記ノズル開口部と位置合わせされたボディと、該ボディから横手方向に延びる肩部を有し、
   前記接触面と径方向にスライド係合するよう適合された燃焼器面と、前記ノズルボディと軸方向にスライド係合するよう適合された中央アパーチャと、外側ベアリング面を有するフローティング・カラーと、及び
   前記フローティング・カラーの該外側ベアリング面と該ノズル肩部の内側面との間に設けられ、該ノズルを該燃焼器から離間するよう付勢する付勢手段、
   とを含んでなることを特徴とする、フローティング・カラー・アッセンブリ。
7. 前記付勢手段がばねを含むことを特徴とする、請求項６記載のフローティング・カラー・アッセンブリ。
8. 前記ばねがであることを特徴とする、請求項７記載のフローティング・カラー・アッセンブリ。
9. 前記付勢手段が、前記ノズルの該ボディと弾性的に係合することを特徴とする請求項６記載のフローティング・カラー・アッセンブリ。
10. 外側周辺接触面を備えるノズル開口部を有する燃焼器を備えるガスタービン・エンジン用の燃料ノズル・アッセンブリであって、
    前記ノズル開口部と位置合わせされたボディと、該ボディから横手方向に延びる肩部を有する燃料ノズルと、及び
    前記接触面と径方向にスライド係合するよう適合された燃焼器面と、前記ノズルボディと軸方向にスライド係合するよう適合された中央アパーチャと、弾性部分を有するカラー・アッセンブリとを含んでなり、
    前記弾性部分は、前記燃料ノズル・アッセンブリが該燃焼器と組み立てられた際に該ノズルを該燃焼器から離間するよう付勢することを特徴とする、燃料ノズル・アッセンブリ。
11. 前記付勢手段がばねを含むことを特徴とする請求項１０記載の燃料ノズル・アッセンブリ。
12. 前記ばねがウェイブばねであることを特徴とする請求項１１記載の燃料ノズル・アッセンブリ。
13. 前記付勢手段が前記ノズルの該ボディと弾性的に係合することを特徴とする、請求項１０記載の燃料ノズル・アッセンブリ。

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