JP2007212130A - ターボ機械の環状燃焼チャンバ - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ底部がいくつかの隣接する区画に分割され、各区画がこの壁に取り付けられることを特徴とす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、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（３０）とを含む、ターボ機械の環状燃焼チャンバであって、チャンバ底部（３０）はいくつかの隣接区画（１３０）に分割され、各区画はこの壁（２８）に取り付けられ、これらの区画（１３０）は２個の隣接区画の横縁部（１３０ａ、１３０ｂ）が重なり合うような横縁部を有する。さらに正確には、各区画（１３０）はその横縁部（１３０ａ）の１つに沿って延在するリップ（６０）を含み、このリップはこの区画の面の１つに対して突出し、隣接区画の横縁部（１３０ｂ）を覆う。
【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の壁の間に設置されたチャンバ底部とを含む型式の、ターボ機械の環状燃焼チャンバに関する。一般に、チャンバ底部の下流に設置された２個の取り付けフランジは、この壁をターボ機械の他の部分、しばしば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。

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。空気の冷却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および高温でのこれらの特性を保つ能力の理由で選択される、通常ＣＭＣｓと呼ばれるセラミックマトリックス複合体であることが好ましい。

チャンバ底部に関して、こ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好ましく、それによって、溶接などの既知の立証された固定方法の使用が容易になり、他の部品（一般に燃料噴射システム及び偏向器）をチャンバ底部に固定することが可能になる。

壁を作るために用いられるセラミック材料は、チャンバ底部を作るために用いられる金属材料よりも約３倍低い膨張係数をしばしば有するので、内壁および外壁は、チャンバの運転温度の変動中にチャンバ底部よりも膨張と収縮が少ない。言い換えれば、チャンバ底部の内径と外径および壁直径の変化の差は、チャンバの動作中にこれらの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、これらの応力は壁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（１個の環状小片）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の関数として弾性的に変形することができる。
仏国特許発明第２８５５２４９号明細書

可撓性固定ラグによるこの種の構造の主な欠点は、ターボ機械の動作中にこれらの可撓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、固定ラグの間には新鮮な空気が燃焼チャンバに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、仏国特許第２８５５２４９号明細書に記載された可撓性固定ラグを備える構造の代替構造を有する、チャンバ底部および内壁と外壁の間の膨張差に適応することのできる燃焼チャンバを提案する。

この目的を達成するための本発明の対象物は、チャンバ底部がいくつかの隣接する区画に分割され、各区画がこの壁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である。

したがって、チャンバ底部の区画の横縁部はチャンバの動作温度の変動に応じて互いに変位し、温度が上昇するとき、各区画は膨張し区画の横縁部は互いに近づくが、温度が低下するとき、区画の横縁部は互いに動いて離れる。このようにして、温度が変化するとき、チャンバ底部の内径と外径は、チャンバ底部が１個の環状小片から作られた場合よりも変化が小さく、チャンバの底部と壁の間に発生する応力はより少ない。

チャンバの最大動作温度で、区画の横縁部は互いに可能な限り近づく。それらが接触し、それによって、それらの間のチャンバの外側から内側への新鮮な空気の通路を、顕著に制限または防止することが有利である。

区画は、２個の隣接区画が重なり合うような横縁部を有することが有利である。これは区画間に良好な密封を得ることを可能にする。区画が動いて離れる（または互いに近づく）とき、この横縁部は互いの上を滑り、区画間の密封性が保たれる。一実施形態によれば、各区画はその横縁部の１つに沿って延在するリップを含み、このリップはこの区画の１つの面（上流または下流）に対して突出し、隣接区画の横縁部を覆う。

上述のように、本発明は、チャンバ底部が金属または金属合金から作られ、内壁および外壁がセラミック材料、特にＣＭＣから作られるとき、特に効果的である。しかし、本発明は、他の場合、例えば金属材料から作られたチャンバ底部および壁を有する場合、またはセラミック材料から作られたチャンバ底部および壁を有する場合にも適用することができる。壁とチャンバ底部間の膨張差に関する問題が重要ではない、または存在しないこれらの後者の実施例において、チャンバ底部が区画化されることは底部を壁に組み立てるために有益である。特に、区画が単一ブロックの環状チャンバ底部よりも可撓性があるので、これらの部品の間にはその組み立て中の応力発生が少ない。この組み立ては、例えば、ボルト締めによって行われる。これらの部品がその取り付け点で破壊する危険性はこのようにして低減される。

本発明およびその利点は、例示のために示されて本発明を制限することのない、本発明による燃焼チャンバの実施例の以下の詳細な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。

本発明は、任意の型式のターボ機械、すなわちターボジェット、ターボプロップ、地上ガスタービンなどに使用することが意図される。以下の実施例は特に航空機ターボジェットエンジンに関する。

図１はターボジェットエンジンの一部分の軸方向半断面図を示し、これは、
・ターボジェットエンジンの回転軸に一致する主軸１０の内部円形容器または内部筐体１２と、
・内部筐体１２に同軸の円形外部容器または外部筐体１４と、
・上流のターボジェットエンジンの圧縮機（図示せず）から環状拡散導管１８を通って流入する圧縮酸化剤、一般に空気を受容する、２個の筐体１２と１４の間の環状空間１６と、を含む。

空間１６は、上流側から下流側（上流および下流は矢印Ｆで示したターボジェットエンジン内部のガスの通常流の方向に対して定義される）にかけて、
・以下に説明する燃焼チャンバ２４中に燃料を噴射するための噴射組み立て体であって、この噴射組み立て体が、チャンバ２４の上流に均等に分配されて各々外部筐体１４上に固定された燃料噴射ノズル２２を含む複数の噴射システム２０によって形成され、噴射ノズル２２が、保持システム１９によってチャンバ２４および混合器２１に接続される（簡略化のため、これら後者の部品は図１に示されないが、これらは図２から図４に示される）、噴射組み立て体と、
・両方とも軸１０に同軸の、半径方向の内部円形壁２６と半径方向外部円形壁２８、および、このチャンバの底部３０を構成してそれぞれ壁２６、２８の上流端部に取り付けられた横断壁とを含む燃焼チャンバ２４であって、チャンバ底部３０には貫通オリフィス４０が設けられて、ノズル２２を経由して燃料、および混合器２１を経由して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、適切な固定手段によってターボ機械の筐体１２および１４に固定される分配器４２と、を含む。

チャンバ底部３０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、またはＣＭＣから作られる。

チャンバ底部３０は、いくつかの隣接する区画１３０に分割される。各区画１３０は軸１０に実質上垂直に配向され、少なくとも１個の貫通オリフィス４０が形成された中央部分１３３を有する。この中央部分１３３は、実質上軸１０に配向されてそれぞれ内壁２６と外壁２８に取り付けられた２個の戻り１３２、１３４を経由して、その底部と頂部に延在する。

図２を参照して、２個の隣接区画１３０の横縁部１３０ａ、１３０ｂが重なり合う特別の方法を説明する。各区画１３０はその横縁部１３０ａの１つに沿って、好ましくは実質上中央部分１３３の長さ全体にわたり延在するリップ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１３０ｂと呼ぶ。

リップ６０は区画１３０の中央部分に対して上流または下流に突出するので、隣接区画の単純縁部１３０ｂを覆うことができる。図４に示した実施例において、リップ６０は区画１３０の上流面の側に突出し、必要であれば、その下流面に邪魔板２３を搭載することを可能にする。

リップ６０は、区画１３０の製造中、またはその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、溶接（ロウ付け）によって区画の横縁部１３０ａに固定された小片からなることもできる。

区画１３０がチャンバ２４の動作温度の降下に従って互いに動いて離れるとき、区画の横縁部１３０ａおよびリップ６０は隣接区画の単純横縁部１３０ｂから動いて離れる。リップ６０は、区画１３０が動いて離れるとき、区画間に過度に大きな円周方向の遊びの形成を避けるために、十分広く作られる。リップ６０が十分広くて、区画１３０間の円周方向の遊びがゼロまたは負であるとき、区画１３０間の新鮮な空気の通路は妨げられる（または少なくとも大きく制限される）。

再び、区画間の新鮮な空気の通路を制限するために、リップ６０の下流（又は上流）面が隣接する単純横縁部１３０ｂの上流（または下流）面に接触するように設置される。しかし、この接触に伴う摩擦が過剰であり、区画１３０の相対的変位を悪化させるならば、区画１３０間の密封性を犠牲にして、わずかな軸方向の遊びをこれらの面の間に残すことができる。

本発明の他の態様によれば、壁１３０の各区画は、固定を確実にするために２個の取り付け点３６、３６’で壁２６、２８の少なくとも１個に取り付けられる。これは、区画１３０がこの壁に対してその取り付け点３６、３６’の１つの回りで旋回するのを防止することを可能にする。実施例において、各区画１３０は、壁２６、２８の各々に２個の取り付け点３６、３６’で取り付けられる。

区画１３０を壁２６、２８に取り付けるために、この２個の取り付け点３６、３６’が互いに近づく、または動いて離れる（チャンバ底部の円周方向に応じて）ことの可能な取り付けシステムを用いることが有利である。このようにして、区画１３０の膨張（または収縮）によって取り付け点３６、３６’が動いて離れる（または互いに近づく）とき、問題になる壁中の応力が防止される。

それらの取り付けシステムは、例えば、少なくとも１個の長円孔５０と協働するボルト５２であり、その幅は実質上ボルト５２のシャンクの直径に一致する。この長円孔５０はチャンバ底部１３０の区画の戻り１３２（１３４）中、壁２６（２８）中、またはこれらの２個の部分に同時に形成することができる。実施例において、長円孔５０は戻り１３２、１３４中にのみ形成することが選択された。壁２６、２８中に作られた孔は全て円筒状であり、用いられるボルト５２のシャンクの直径に一致する直径を有する。

両方の長円孔５０は、円周方向に配向され（すなわち、各孔の長さは環状チャンバ底部３０の円周上に配向される）、したがって、この孔５０と協働するボルト５２は、二重矢印Ｂで示すように孔５０の内部で円周方向に変位することができる。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個の中の１個の取り付け点３６’だけが長円孔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、ボルト５２の全ては示されない。

チャンバ底部３０の区画１３０が金属材料、一般に耐熱金属合金から作られるならば、その上に、例えば、溶接（ロウ付け）によって、保持システム１９および混合器２１などの燃料噴射システム２０の様々な部品を固定することが容易である。さらに、必要であれば、各区画１３０の下流壁上に、燃焼チャンバ中の高温ガスに対して区画１３０を保護するように設計された邪魔板２３を搭載することも可能である。それらの邪魔板２３は任意選択的であり、その存在は主として区画１３０を作るのに用いられる材料の固有の耐高温性に依存する。

本発明による燃焼チャンバを備えるターボ機械の部分の軸方向半断面概略図である。 図１の燃焼チャンバ底部を上流から見た部分斜視図である。 図２のチャンバ底部の２個の区画を上流から見た詳細な斜視図である。 図２のチャンバ底部の１個の区画を下流から見た詳細な斜視図である。

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 半径方向内部円形壁
２７ 内部取り付けフランジ
２８ 半径方向外部円形壁
２９ 外部取り付けフランジ
３０ 燃焼チャンバの底部
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
１３０ 区画
１３０ａ、１３０ｂ 横縁部
１３２、１３４ 戻り
１３３ 中央部分

Claims (9)

1. 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）とを含む、ターボ機械の環状燃焼チャンバ（２４）であって、チャンバ底部（３０）はいくつかの区画（１３０）に分割され、各区画は前記内壁および外壁（２６、２８）に取り付けられ、前記区画（１３０）は２個の隣接区画の横縁部が重なり合うような横縁部（１３０ａ、１３０ｂ）を有することを特徴とする、環状燃焼チャンバ。
2. 各区画（１３０）が、その横縁部（１３０ａ）の１つに沿って延在するリップ（６０）を含み、このリップがこの区画の面の１つに対して突出して隣接区画の横縁部（１３０ｂ）を覆う、請求項１に記載の環状燃焼チャンバ。
3. 各区画（１３０）が、それぞれ前記内壁（２６）および外壁（２８）に取り付けられた２個の戻り（１３２、１３４）によって延在する中央部分（１３３）を有し、前記リップ（６０）が、実質上中央部分（１３３）の長さ全体にわたって延在する、請求項２に記載の環状燃焼チャンバ。
4. 各区画（１３０）が、少なくとも１個の壁（２６、２８）に２個の取り付け点（３６、３６’）で取り付けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の環状燃焼チャンバ。
5. 前記２個の取り付け点（３６、３６’）が互いに近づきまたはさらに離れることを可能にする、前記区画（１３０）を前記少なくとも１個の壁（２６、２８）に取り付けるシステムを含む、請求項４に記載の環状燃焼チャンバ。
6. 前記取り付けシステムが、少なくとも１個の長円孔（５０）を通すボルト締めによる取り付けである、請求項５に記載の環状燃焼チャンバ。
7. チャンバ底部（３０）が金属または金属合金から作られ、壁（２６、２８）がセラミック材料から作られる、請求項１から６のいずれか一項に記載の環状燃焼チャンバ。
8. チャンバ底部（３０）の各区画（１３０）に邪魔板（２３）が設けられることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の環状燃焼チャンバ。
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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