JP2007212129A - ターボ機械の環状燃焼チャンバ - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバの各壁がいくつかの隣接する区画に分割され、各区画がチャンバ底部および取り付けフランジの１つに取り付けられる型式の、環状燃焼チャンバを提供する。
【解決手段】内壁と、外壁（２８）と、このチャンバの上流領域にこの壁の間に設置されたチャンバ底部（３０）と、チャンバ底部の下流に設置されてそれぞれこの壁をターボ機械の他の部分に取り付けることを可能にする２個の取り付けフランジ（２７、２９）とを含み、各壁がいくつかの隣接する区画（１２８）に分割され、各区画がチャンバ底部と取り付けフランジの１つに取り付けられる、ターボ機械の環状燃焼チャンバ（２４）。この隣接区画（１２８）はその横縁部で重なり合い、２個の隣接区画の間にある程度の半径方向の遊びが存在することが有利である。さらに、区画（１２８）の横縁部（１２８ａ、１２８ｂ）は、燃焼チャンバの主軸に対して円周方向に傾斜する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内壁と、外壁と、チャンバの上流領域でこれらの壁の間に設置されたチャンバ底部と、チャンバ底部の下流に設置されてそれぞれこの壁をターボ機械の他の部分、一般に燃焼チャンバを取り囲む内部および外部筐体に取り付けることを可能にする２個の取り付けフランジとを含む型式の、ターボ機械の環状燃焼チャンバに関する。

以前には、このチャンバの内壁および外壁は、金属または金属合金から作られ、それらがターボ機械の動作中に到達する温度に耐えうるように、これらの壁を冷却する必要があった。

今日、これらの壁の冷却に向けられる空気流を低減するために、壁は金属ではなくセラミック材料から作られる。セラミック材料は、高温度に耐えるにはより効率的であり、通常使用される金属よりも嵩密度が小さい。冷却空気と重量に関して得られる利得は、ターボ機械の効率を向上させる。用いられるセラミック材料は、その良好な機械的特性の理由で選択されるセラミックマトリックス複合体が好ましいことに留意されたい。

チャンバ底部と取り付けフランジに関して、現状の技術ではこれらの部品がセラミック材料ではなく金属または金属合金から作られることが必要であり、それによって、既知の立証された固定方法の使用が容易になり、取り付けフランジを燃焼チャンバの金属筐体へ、および噴射システムをチャンバ底部へ、固定することが可能になる。これらの固定は例えば、溶接またはボルト締めによって行うことができる。

壁を作るために用いられるセラミックは、しばしばチャンバ底部および上記フランジを作るために用いられる金属材料よりも約３倍低い膨張係数を有する。この大きさの差は、その組み立ておよびその動作の温度上昇の間に、組み立てられる部品に応力を発生させる。セラミック材料は性質的にやや脆いので、これらの応力は（フランジに十分可撓性がないならば）取り付けフランジまたは壁中に亀裂を招くことがある。

この問題を解決するために、仏国特許第２８５５２４９号明細書に記載された解決策はチャンバ底部をこの壁に接続する複数の可撓性固定ラグを提供することであり、これらのラグは部品間の膨張差に対して弾性的に変形することができる。

他の既知の解決策は、仏国特許第２８２５７８１号明細書および仏国特許第２８２５７８４号明細書に記載されており、これは、環状取り付けフランジを置き換えて、いくつかの弾力的に変形可能な可撓性固定ラグによって壁を燃焼チャンバの筐体に接続することである。

これらの従来技術文献の全てにおいて、燃焼チャンバの内壁および外壁はほぼ円錐形状に一体に作られる。
仏国特許発明第２８５５２４９号明細書 仏国特許発明第２８２５７８１号明細書 仏国特許発明第２８２５７８４号明細書

可撓性固定ラグによる既知の構造の主な欠点は、ターボ機械の動作中にこれらの固定ラグの動的挙動が悪いことであり、しばしばこれらのラグの変形と振動発生を制限する緩衝システムを提供する必要がある。

さらに、仏国特許第２８５５２４９号明細書において、チャンバ底部のレベルにある固定ラグの間には新鮮な空気が侵入する空間が残り、これは、例えば、不完全燃焼生成物および／または一酸化炭素などの汚染排出物の形成を促進することによって、燃焼チャンバの効率を低下させることがある。

本発明は、これらの欠点を克服することまたは少なくともそれらを軽減することを目的とし、その対象として、一方で内壁と外壁の間、他方でチャンバ底部と取り付けフランジ間の膨張差に適応することのできる、可撓性固定ラグを備える構造の代替構造を有する燃焼チャンバを提案する。

この目的を達成するために、本発明は、チャンバの各壁がいくつかの隣接する区画に分割され、各区画がチャンバ底部および取り付けフランジの１つに取り付けられることを特徴とする、前述の型式の環状燃焼チャンバを開示する。

壁を区画化することによって、壁はチャンバ底部および取り付けフランジの膨張（この膨張は壁の膨張よりも大きい）に対して変形することができる。例えば、チャンバ底部および／または取り付けフランジが膨張する（すなわち、その直径が増加する）温度上昇の際に、壁の隣接区画は円周方向に動いて離れるので、これらの壁の直径は増加する。したがって、これらの要素中に熱機械的応力が生成することが回避される。

壁区画は、チャンバ底部および取り付けフランジに可撓性取り付け具によって取り付けられるのではなく、逆に、これらの要素に、例えばボルト締めによって固定して取り付けられることが有利である。したがって、構造は可撓性固定ラグを有する構造よりも、動作中の動的挙動はより良好である。

壁区画に横縁部が設けられ、２個の隣接区画の横縁部が重なり合い、それによって外部から燃焼チャンバの内部への新鮮な空気の区画間の通路を制限することが有利である。実際に、それが制御されなければ、それらの空気の通路はチャンバ中へ過大な空気の侵入を招き、これは、例えば、不完全燃焼生成物及び一酸化炭素などの汚染排出物の形成を導き、それによってチャンバの効率を低下させる。他方、それが制御されれば、この空気の通路は以下に説明するように壁の冷却に用いることができる。

有利には、目的は内壁および外壁の内部表面を冷却することである。したがって、或る量の新鮮な空気がこれらの表面に到達する必要がある。

既知の解決策はこの壁に多数の小さな穿孔を形成することであり、これを通って所定量の新鮮な空気が通過する。これらは一般に多穿孔と呼ばれる。にもかかわらず、この解決策は、この壁の製造コストが非常に増加し、機械的挙動およびその損傷特性が顕著に低下するという欠点を有する。

このさらなる問題を改善するために、本発明の目的は、さらにコスト効率の高い多穿孔の代替を提案することである。

この目的は、２個の重なり合う隣接区画の間に或る程度の半径方向（すなわち、ターボ機械の回転軸に垂直方向）の遊びが存在することによって達成され、この遊びが、このチャンバの外部から内部へ新鮮な空気の通過を可能にして、少なくとも１個の区画の内部表面を冷却する。

このようにして、チャンバの外部から到達する新鮮な空気は、区画が互いに覆われているので、チャンバの内部に半径方向に侵入せず、少なくとも部分的に内壁および外壁の内部表面に沿って動くことによって円周方向に侵入し、それによってそれらを冷却する。さらに、この半径方向の遊びを調節することによって、チャンバの内部に入る冷却空気の量を制御することができる。

この冷却作用が与えられる壁の内部表面の表面積を増加させるために、区画の横縁部は燃焼チャンバの主軸に対して円周方向に傾斜し、この主軸はターボ機械の回転子の回転軸に一致する。

本特許出願において、チャンバ壁の表面上の或る点での円周方向は、ターボ機械の回転軸に垂直な面中のこの点で、壁の接線方向であると定義される。したがって、内壁および外壁が全体的に円錐形状であるとき、区画の横縁部は、この縁部が関連の壁の母線に対して傾斜するとき、ターボ機械の回転軸に対して円周方向に傾斜すると考えられる。

区画間の半径方向に遊びが存在することは、それ自体、これらの区画中に多穿孔が存在することと両立することに留意されたい。

本発明およびその利点は、本発明による燃焼チャンバの非制限的な実施例の以下の詳細説明を読み取ることによって、より良く理解されるであろう。説明は添付の図面を参照する。

図１は、ターボ機械（ターボジェット、ターボプロップ、または地上ガスタービン）の一部分の軸状半断面図を示し、
・ターボ機械の回転子の回転軸に一致する主軸１０の、金属合金から作られた内部円形容器または内部筐体１２と、
・やはり金属合金から作られた同軸の外部円形容器または外部筐体１４と、
・上流のターボ機械の圧縮機（図示せず）から環状拡散導管１８を通って流入する、圧縮燃焼剤、一般に空気を受容する、２個の筐体１２と１４間の環状空間１６と、を含む。

空間１６は、燃焼チャンバの上流側から下流側（上流および下流は矢印Ｆで示したターボ機械内部のガスの通常流に対して定義される）にかけて、
・導管１８の周囲に均等に間隔を置く複数の噴射システム２０によって形成され、各々外部筐体１４上に固定された燃料噴射ノズル２２を含む、噴射組み立て体（簡略化のため、各噴射ノズル２２に付属する保持システム１９、混合器２１、および任意選択的な邪魔板２３は図１に示されないが、これらの部品は図２および図３に示される）と、
・両方とも軸１０に同軸である、半径方向内部の円形壁２６および半径方向外部の円形壁２８と、この燃焼チャンバの底部３０を構成し、それぞれ壁２６、２８の上流端部に取り付けられた２個の戻り３２および３４を含む横断壁とを含む、燃焼チャンバ２４であって、このチャンバ底部３０には貫通オリフィス４０が設けられて燃料と酸化剤の一部を燃焼チャンバに噴射することを容易にする、燃焼チャンバ２４と、
・それぞれ内壁２６と外壁２８を内部筐体１２と外部筐体１４に接続する、内部取り付けフランジ２７および外部取り付けフランジ２９と、
・高圧タービン入り口段（図示せず）を形成し、内部円形プラットフォーム４６と外部円形プラットフォーム４８の間に搭載された複数の固定翼４４を従来のように含む、金属合金から作られた環状分配器４２であって、分配器４２は適切な固定手段によってターボ機械の筐体１２および１４に固定される、環状分配器４２と、を含む。

チャンバ底部３０および取り付けフランジ２７と２９は金属合金から作られるが、チャンバ２４の壁２６と２８はセラミックマトリックス複合体材料から作られる。

壁２６と２８は、それぞれいくつかの隣接する区画１２６と１２８に分割される。各区画１２６（１２８）は一方でチャンバ底部３０に取り付けられ、他方で取り付けフランジ２７（２９）の１つに取り付けられる。これらの区画の少なくとも１個には多穿孔を設けることができる。

動作中に、チャンバ底部３０は主軸１０の回りを回転して、フランジ２７と２９に対して角度的に偏る傾向がある。これを防止するために、各壁区画１２６（１２８）はチャンバ底部３０または取り付けフランジ２７（２９）の１つと、少なくとも２点取り付けで取り付けられる。したがって、各区画１２６（１２８）はチャンバ底部および／またはこのフランジに対する旋回が防止され、それによって、チャンバ底部３０の角度の偏りが防止される。実施例において、各区画１２６（１２８）は、２個の取り付け点３６と３６’でチャンバ底部３０および取り付けフランジ２７（２９）に取り付けられる。

これら２点の取り付け点３６’の少なくとも１点は、ボルト５２を少なくとも１個の長円孔５０を通してボルト締めによって形成されることが有利である。この長円孔５０は、チャンバ底部３０の戻り３２（３４）、区画１２６（１２８）、またはこれらの２個の部品中に同時に形成することができる。この長円孔５０は円周方向に配向され、したがって、ボルト５２は図４に二重矢印Ｂで示したように孔５０内を円周方向に動くことができる。図に示した実施例において、取り付け点３６、３６’の全てはボルト締めによって形成されるが、２個の中でただ１個の固定点３６’は長円孔５０を通すボルト締めによって形成される。図を簡略化するために、図４だけがボルト５２を示す。

この型式の固定によって、チャンバ底部３０またはフランジ２７、２９が温度に応じて膨張または収縮するとき、固定点３６、３６’は互いに遠ざかりまたは近づいて、各壁区画１２６、１２８の熱機械的応力の発生が防止される。

ここで、図２および図５を参照して、２個の隣接壁区画１２８（１２６）の横縁部１２８ａ（１２６ａ）が重なり合う特別の方法を説明する。各区画１２８（１２６）は、その横縁部１２８ａ（１２６ａ）の１個に沿って、好ましくは実質上その長さ全体にわたって延在するリップ６０を含む。区画の他の横縁部はリップがなく、以降は単純縁部１２８ｂ（１２６ｂ）と呼ぶ。

リップ６０は区画１２８（１２６）の面（内部または外部）の１つに対して突出し、隣接区画の単純縁部１２８ｂ（１２６ｂ）を覆うことができる。言い換えれば、リップ６０は、区画１２８に対して半径方向に内側または外側へ偏っている。図５に示した実施例において、リップ６０は区画１２８の外部面に対して突出（外側へ）する。代りに、それは区画の内部表面に対して突出（内側へ）突出することができる。外部および内部面１２６、１２８は燃焼チャンバ２４のそれぞれ外部および内部に向かって曲げられる。

リップ６０は、区画１２８（１２６）の製造中、または製造後の機械加工段階で、直接形成することができる。また、リップ６０は、例えば、接合によって区画の横縁部１２８ａ（１２６ａ）に固定された小片からなることもできる。

異なる例において、図５に示すように、半径方向に正または負の遊びＪが、リップ６０と単純縁部１２８ｂ（１２６ｂ）の表面の間に存在する。それが正であれば、この遊びＪはチャンバ２４の矢印Ｆ’で示す外部から内部方向の新鮮な空気の通路を可能にする。この新鮮な空気は、リップ６０と単純縁部１２８ｂの間を通過し、次いで２個の隣接区画に存在する溝６６を通り、この溝６６の幅Ｌは区画１２８（１２６）の空間に対して可変である。実際に、幅Ｌは、チャンバ底部３０、取り付けフランジ２７、２９、及び壁部分１２６、１２８の間の膨張差の関数として変化する。したがって、チャンバ２４内部の温度が高いほど、区画１２８（１２６）は動いて離れ（Ｌが増加する）、冷却作用は良好である。したがって、チャンバ壁の冷却能力はチャンバ壁の温度に適合する。その冷却適合は、チャンバ内部の温度が低いとき、取り入れる冷却空気の量を低減させることができる。多穿孔だけを設けたシステムにはそれらの利点がない。

新鮮な空気はチャンバ２４の外側を図１の矢印Ｆの方向、すなわち、半径方向よりも軸方向に循環する。遊びＪおよび溝６６は、燃焼チャンバ２４に入る新鮮な空気Ｆ’の流れに対して比較的ばらつきの小さな通路を形成する。したがって、この空気流Ｆ’は、図１および図４に示したように、半径方向に対して十分の傾斜を保つので、一方でチャンバ２４内の燃焼行程の妨害を可能な限り少なくし、他方で、壁部分１２６、１２８の内部面に沿って新鮮な空気の保護膜を形成し、それによってこれらの部分の温度上昇を制限する。

本発明の他の態様および図２の参照において、区画１２６、１２８の横縁部１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂは、燃焼チャンバの主軸１０に対して円周方向に傾斜する。前に示唆したように、この円周方向の傾斜は壁１２６、１２８の母線Ｇに対する横縁部の角度ｙの傾斜に一致する。チャンバ２４の外部を循環する新鮮な空気の流れＦは、上流から下流方向へ移動する。横縁部１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、したがって新鮮な空気の取入れ溝６６が傾斜していることは、チャンバ２４に入る新鮮な空気流Ｆ’を、この横縁部が母線Ｇ上に配向されていた場合よりも大きな冷却ゾーンＺへ分配する働きをする。この冷却ゾーンＺは図２に影を付けて示される。横縁部１２６、１２８がより大きく傾斜するほど、ゾーンＺはより多く延在し、壁区画１２６、１２８の冷却はより良好である。

したがって、本発明を利用して、一方で遊びＪと溝６６の幅Ｌを調節し、他方で主軸１０に対するこれらの溝の傾斜ｙを調節することによって、壁１２６、１２８の冷却を制御することが可能である。

本発明による燃焼チャンバを備えるターボ機械の一部分の軸方向半断面概略図である。 図１の燃焼チャンバを上流から見た部分斜視図である。 図１の燃焼チャンバを下流から見た部分斜視図である。 図２の燃焼チャンバの面ＩＶ−ＩＶの軸方向半断面図である。 図２に参照マークＶで示した詳細図である。

符号の説明

１０ 主軸
１２ 内部筐体
１４ 外部筐体
１６ 環状空間
１８ 環状拡散導管
１９ 保持システム
２０ 噴射システム
２１ 混合器
２２ 燃料噴射ノズル
２３ 邪魔板
２４ 燃焼チャンバ
２６ 半径方向内部の円形壁
２７ 内部取り付けフランジ
２８ 半径方向外部の円形壁
２９ 外部取り付けフランジ
３０ 底部
３２、３４ 戻り
３６、３６’ 取り付け点
４０ 貫通オリフィス
４２ 環状分配器
４４ 固定翼
４６ 内部円形プラットフォーム
４８ 外部円形プラットフォーム
５０ 長円孔
５２ ボルト
６０ リップ
６６ 溝
１２６、１２８ 区画
１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ 横縁部

Claims (9)

1. 主軸（１０）を有し、内壁（２６）と、外壁（２８）と、チャンバの上流領域で前記壁の間に設置されたチャンバ底部（３０）と、チャンバ底部の下流に設置されてそれぞれ前記壁をターボ機械の他の部分（１２、１４）に取り付けることを可能にする２個の取り付けフランジ（２７、２９）とを含む、ターボ機械の環状燃焼チャンバ（２４）であって、各壁がいくつかの隣接する区画（１２６、１２８）に分割され、各区画がチャンバ底部（３０）と取り付けフランジ（２７、２９）の１つに取り付けられ、区画の横縁部（１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ）は前記主軸（１０）に対して円周方向に傾斜することを特徴とする、燃焼チャンバ。
2. ２個の隣接区画の横縁部（１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ）が重なり合う、請求項１に記載の燃焼チャンバ。
3. ２個の重なり合う隣接区画（１２６、１２８）の間に半径方向の遊び（Ｊ）が存在し、この遊びが前記チャンバの外部から内部への新鮮な空気（Ｆ’）の通路を可能にする、請求項２に記載の燃焼チャンバ。
4. 各区画（１２６、１２８）がその横縁部（１２６ａ、１２８ａ）の１つに沿って延在するリップ（６０）を含み、このリップが区画の面の１つに対して突出し、隣接区画の横縁部（１２６ｂ、１２８ｂ）を覆う、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼チャンバ。
5. 各壁区画（１２６、１２８）が、チャンバ底部（３０）または取り付けフランジ（２７、２９）の１つに、少なくとも２個の取り付け点（３６、３６’）で取り付けられる、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. 少なくとも１個の前記取り付け点（３６’）が、少なくとも１個の長円孔（５０）を通したボルト締め（５２）による取り付けである、請求項５に記載の燃焼チャンバ。
7. チャンバ底部（３０）および取り付けフランジ（２７、２９）が金属から作られ、壁区画（１２６、１２８）がセラミックマトリックス複合体材料から作られる、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃焼チャンバ。
8. 区画（１２６、１２８）の少なくとも１個に多穿孔が設けられる、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. 請求項１から８のいずれか一項に記載の燃焼チャンバ（２４）を含む、ターボ機械。

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