JP2008025579A - 燃焼室の壁の換気システム - Google Patents

燃焼室の壁の換気システム Download PDF

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Abstract

【課題】換気システムの性能を改善し、タービンエンジンの性能を低下させるような乱流や流れの剥離、大きな負荷損失といった従来技術の不都合を回避すること。
【解決手段】ディフューザ(12)により燃焼室(14)に空気を供給する遠心圧縮機(10)を含む、タービンエンジン内の燃焼室の壁の換気システムであって、このシステムは、燃焼室とディフューザの上流末端部(26)との間に半径方向に配置された環状ケース(90)を含み、このケースが、ディフューザから出る空気流を案内するための半径方向外側の壁(92)と、ディフューザから出る空気が出るための通路(88)をディフューザの末端部と共に画定する半径方向内側の壁(94)とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、遠心圧縮機と、環状燃焼室に空気を供給するディフューザとを含む、タービンエンジン内の燃焼室の壁の換気システムに関する。
一般に、タービンエンジンの環状燃焼室は、外側カウリングにより画定される環状スペース内に配置され、このカウリングは、遠心圧縮機のロータまたはインペラに沿って下流に延びる環状末端部を備えた、ディフューザを支持する。
ディフューザから出る空気は、主に、燃焼室に入って燃料と混合されてから燃焼し、二次的に、燃焼室を迂回して、燃焼室の主要希釈穴と、燃焼室の下流に配置されるタービンの換気および/または空冷のための噴射手段とに供給されるように構成される(たとえば米国特許出願公開第5555721号明細書参照)。
米国特許出願公開第5555721号明細書
燃焼室とディフューザの末端部との間を通って燃焼室を迂回する空気は、ガイドが行われず、タービンエンジンの性能を低下させるような乱流や、流れの剥離、大きな負荷損失を被る。
圧縮機から出る空気流量のわずかな部分はディフューザ内を通過せず、圧縮機のインペラとディフューザの末端部との間に形成される半径方向の環状通路を流れる。この空気は、インペラとディフューザの末端部との間の粘性のせん断を理由として比較的高温である。
本発明は、特に、これらの換気システムの性能を改善し、従来技術の不都合を回避することを目的とする。
このため、本発明は、ディフューザにより環状燃焼室に空気を供給する遠心圧縮機を含み、ディフューザが、半径方向外側の端で圧縮機の出口と連通して空気を流す半径方向環状の空気通路を形成するために、遠心圧縮機のインペラに沿って下流に延びるほぼL字型断面の環状末端部を含む、タービンエンジン内の燃焼室の壁の換気システムを提案し、このシステムは、環状ケースが、燃焼室とディフューザの末端部との間に半径方向に配置されて、ディフューザから、燃焼室の出口の付近およびディフューザの末端部の下流端の付近まで軸方向に延びており、このケースが、ディフューザから出る空気流を燃焼室の半径方向内側の壁に沿ってガイドするための半径方向外側の回転壁と、ディフューザから出る空気が通るための環状通路をディフューザの末端部と共に画定する半径方向内側の回転壁とを含むことを特徴とする。
本発明によるケースは、燃焼室の内壁に沿って剥離がなく、負荷損失が最小の、安定した空気流を保証するので、空気噴射手段と、燃焼室の内壁の主要希釈穴との空気供給を最適化することができる。
本発明によるケースとディフューザの末端部との間で流れる空気は、さらに、ディフューザの末端部の冷却および換気を行うので、圧縮機から出て圧縮機のインペラとディフューザの末端部との間を通る空気のせん断により発生する熱の一部を吸収できる。
好適には、ケースの半径方向外側の壁が、燃焼室の内壁にほぼ平行に延び、ケースの半径方向内側の壁が、ディフューザの末端部にほぼ平行に延びる。
有利には、ケースの回転壁が、それらの動作時の変形を制限するための圧力均衡穴を含む。
本発明の好適な実施形態では、ケースが、それぞれ、ディフューザと、燃焼室の内壁の環状リングとに心合わせされて支持される円筒形の上流縁および円筒形の下流縁を含む。
ケースの上流縁および下流縁は、それぞれ、ディフューザと、燃焼室の内壁の環状リングとに、焼きばめ固定可能である。
有利には、ケースの円筒形の上流縁が、刻みをつけられていて、ディフューザから出る空気を、ディフューザの末端部に沿った空気通路に供給する穴を形成する。
有利には、ケースは、横方向に並置された2個の半シェルから形成され、これによりタービンエンジンへのケースの組立が容易になる。円筒形のリングは、この2個の半シェルを組立保持するために、ケースの円筒形の下流縁に軸方向に係合され、たとえば溶接により固定され得る。
本発明は、また、上記のような換気システムを含むことを特徴とする、航空機のターボジェットエンジンまたはターボプロップエンジン等のタービンエンジンに関する。
本発明は、さらに、タービンエンジンの燃焼室の壁の換気システム用のケースに関し、このケースは、互いの内部に延びる同軸の2個の回転壁を含み、これらの壁の上流端が、上流に向かって配向された軸方向円筒形の縁により互いに結合され、これらの壁の下流端が、下流に向かって配向された軸方向円筒形の縁によって互いに結合されることを特徴とする。
本発明の実施形態によれば、ケースの半径方向外側の壁は、ほぼ円錐台形であり、半径方向内側の壁は、ほぼU字型の断面を有する。有利には、これらの壁が、動作時に圧力均衡をとるための穴を含む。
組立を容易にするために、ケースは、ケースの円筒形の下流縁に軸方向に係合されてたとえば溶接により固定される円筒形のリングによって組立保持可能な、横に並置された2個の半シェルから形成される。
添付図面に関して限定的ではなく例としてなされた以下の説明を読めば、本発明はいっそう理解され、本発明の他の細部、特徴、および長所が明らかになるであろう。
最初に、航空機のターボジェットエンジンまたはターボプロップエンジン等のタービンエンジンの一部を示す図1を参照する。この図は、タービンエンジンの内部でガスが流れる方向に、上流から下流に向かって、遠心圧縮機10と、ディフューザ12と、燃焼室14とを含む。
遠心圧縮機10の入口18は、タービンエンジンの軸にほぼ平行に上流に向かって配向され、出口20は、タービンエンジンの軸にほぼ垂直に外側に向かって配向されてディフューザ12の半径方向の部分22と一直線に揃えられている。ディフューザはほぼ90°のクランク形であり、半径方向の部分22に接続される軸方向の出口部分24を含み、この出口部分は、外側カウリング28に沿って延びて半径方向の下流端で燃焼室14の入口の外側に通じている。
ディフューザ12は、圧縮機10と、ディフューザ12と、燃焼室14とを外側から囲む外側カウリング28により支持されている。
ディフューザ12は、外側カウリング28にねじナットタイプの適切な手段により固定されるほぼ円筒形の上流カバー30を含む。
ディフューザ12は、また、ほぼL字型断面の下流の環状末端部26を含み、この末端部は、ディフューザの入口22から内側に延びる半径方向上流の部分36と、この半径方向上流の部分36の半径方向内側の端から下流に延びて、燃焼室14の下流に配置される構成部品内で換気および/または冷却空気を噴射する手段42に固定される環状フランジ40を下流端に含む、ほぼ円筒形の下流部分とを備えている。
ディフューザの末端部の半径方向上流の部分36は、遠心圧縮機の「インペラ」とも呼ばれるロータの下流で、このインペラに沿ってインペラから短い距離のところに延びて、遠心圧縮機の出口20と半径方向外側の端で連通する半径方向の環状通路70を形成する。
燃焼室14は、互いの内部に延びて上流端で燃焼室の底壁48に結合される2個の同軸の回転壁44、46を含み、これらの回転壁44、46、48は、噴射装置(図示せず)により燃料が内部に導かれる環状エンクロージャを互いの間に画定する。
燃焼室の半径方向外側の壁44は、その下流端で外側カウリング28に固定され、半径方向内側の壁46は、その下流端で円錐台形のリング52に接続される。このリングは、その半径方向内側の端に、上記の空気噴射手段42への固定用の環状の内側フランジ54を含む。
空気噴射手段42は、環状のダクト64を含み、このダクトは、その半径方向外側の上流端で、末端部のフランジ40の下流と、リング52のフランジ54の上流とにそれぞれ通じ、その下流端で軸方向下流に通じている。空気噴射手段42の上流端部分は、フランジ40、54の対応する穴を通って延びるねじナットタイプの手段のための通過穴66を含む。
遠心圧縮機10から出る空気流量のわずかな部分は、圧縮機のインペラとディフューザの末端部26との間に形成された半径方向の通路70を通る。この空気(矢印72)は、ディフューザの末端部26の付近でインペラの回転により発生する大きなせん断応力を受けるので、空気の温度が上昇し、インペラおよび末端部が加熱される。
ディフューザ12から出る空気(矢印74)は、一部は燃焼室14に供給され(矢印76)、一部は、燃焼室14を迂回する環状の内側流路78および外側流路80に供給される(矢印82)。
外側の流路80は、外側カウリング28と燃焼室の外壁44との間に形成され、この流路を通る空気は、燃焼室の下流に配置される構成部品(図示せず)の冷却および/または換気に用いられる。
内側流路78は、燃焼室の底壁48とディフューザの半径方向の部分22との間に形成され、この流路を通る空気は、空気噴射手段42に供給される流量と、燃焼室の主要希釈穴(図示せず)を通る流量とに分割される。
従来技術では、内側流路78を流れる空気はガイドされず、タービンエンジンの性能を低下させる乱流や流れの剥離、大きな負荷損失を被っていた。
本発明によるシステムは、ディフューザの末端部26と燃焼室の内壁46との間で、この末端部26と燃焼室14との間に半径方向に配置される環状のケースにより、安定した空気が流れる流路86、88を形成することによって、上記の欠点を解消することができる。
図1、2に示された実施例では、環状ケース90が、内部に向かって下流に延びるほぼ円錐台形の半径方向外側の回転壁92と、ほぼU字型の断面を有する半径方向内側の壁94とを含む。
外壁92は、燃焼室を内側から迂回する空気流量82の一部96をガイドするために、燃焼室の内壁46にほぼ平行であって、この壁から離れて延びている。この流路86内の空気は、ケースの外壁92と燃焼室の壁46とによって一定方向に導かれるので、剥離を回避し、乱流および負荷損失を制限できる。
ケースのU字型の内壁94は、末端部の半径方向の部分36に平行であって、その部分から短い距離のところにある環状の上流部分98を含み、この上流部分は、その半径方向外側の端で、上流に向かって配向された円筒縁104に、外壁92の上流端と共に結合されている。内壁94は、また、末端部26を中心としてそこから短い距離のところに延びる中間円筒部分100と、空気噴射手段42を中心として外側下流に延びて、その下流端により、下流に向かって配向された円筒形の縁106に外壁92の下流端と共に結合される、ほぼ円錐台形の環状の下流部分102とを含む。
ケースの上流縁104は、ディフューザの入口22の半径方向内側の端に形成されて下流に通じる環状の溝108に、下流から係合され、下流の縁106は、燃焼室のリング52の上流に向かって配向された円筒形の縁110に取り付けられる。溝108および縁110は、以下に詳しく説明するように、ケースを支持して心合わせすることができる。
ケースの上流縁104は、刻みを入れたタイプであり、ケースの軸を中心として規則正しく配分されて非中空部分114と交互に配置されたノッチまたは切欠き112を含む(図2)。切欠き112は、空気が通るための通過穴を形成し、それらの軸方向の寸法は、ディフューザの溝108の軸方向の寸法より大きくされており、それによって、内部から燃焼室を迂回する空気流量82の一部116がこれらの切欠きを介して通過し、ケースの内壁94とディフューザの末端部26との間を流れて双方を冷却し、その後、噴射手段42を供給することができるようにされている。
この空気116により、特に、動作時に、圧縮機のインペラと末端部26との間のせん断空気72の著しい温度上昇にさらされるディフューザの末端部26を、換気および冷却可能である。そのため、末端部26は、このせん断により発生する熱の大部分を吸収し、それによって、圧縮機インペラの加熱を制限し、その寿命を延ばすことができる。
ケース90は、横に並置された少なくとも2個の半シェル117からなり(図2)、これらの半シェルは、ケースの円筒形の下流縁106に係合されて、たとえば溶接によりこの縁に固定される円筒形のリング118により保持される(図1)。
ケース90は、次のようにタービンエンジンに取り付けられる。
ディフューザ12を遠心圧縮機10に取り付けた後で、噴射手段42および燃焼室14をディフューザの末端部26に組み付ける前に、互いに分離されている2個の半シェル117を末端部26の両側に横方向に持っていって並置し、次いでリング118をケースの下流縁106に軸方向に係合して固定する。その後、ディフューザの溝108にケース90の縁104をはめ込む。噴射手段42をディフューザの末端部のフランジ40に組み立ててから、燃焼室を上流側に移動させてそのリング52により噴射手段42に固定し、リング52の上流縁110をケースの下流縁106の半径方向内側に係合させてケースを心合わせする。
ケース90は、リング118をはずして上記の操作を逆方向に繰り返すことによって分解可能である。
ケース90は、動作時に、高温で、溝108および縁110に焼きばめ固定される。そのために、ケースの縁104、106が室温で有する内径は、それぞれ、溝108の内径および縁110の外径未満である。溝108および縁110へのケースの焼きばめは、動作時の熱膨張により実施される。
ケースの回転壁92、94は、好適には、ケースの内部および外部の圧力のバランスを取るように、通過穴(図2に点線で示した穴120)を含む。
本発明による換気システムの概略的な軸方向部分断面図である。 図1のシステムの環状ケースを下流から見た概略的な組立分解斜視図である。
符号の説明
10 遠心圧縮機
12 ディフューザ
14 環状燃焼室
26 末端部
30 上流カバー
46 燃焼室の半径方向内側の壁
52 環状リング
88 通路
90 環状ケース
92、94 回転壁
104 円筒形の上流縁
106 円筒形の下流縁
117 半シェル
118 円筒形のリング
120 圧力均衡穴

Claims (14)

  1. ディフューザ(12)により環状燃焼室(14)に空気を供給する遠心圧縮機(10)を含み、ディフューザが、半径方向外側の端で圧縮機の出口と連通して空気が流れる半径方向環状の通路を形成するために、遠心圧縮機のインペラに沿って下流に延びるほぼL字型断面の環状末端部(26)を含む、タービンエンジン内の燃焼室の壁の換気システムであって、環状ケース(90)が、燃焼室とディフューザの末端部との間に半径方向に配置されて、ディフューザから、燃焼室の出口の付近およびディフューザの末端部の下流端の付近まで軸方向に延びており、このケースが、ディフューザから出る空気流を燃焼室の半径方向内側の壁(46)に沿って案内するための半径方向外側の回転壁(92)と、ディフューザから出る空気が通るための環状通路(88)をディフューザの末端部と共に画定する半径方向内側の回転壁(94)とを含むことを特徴とする、システム。
  2. ケース(90)が、互いに横方向に組み立てられる2個の半シェルから形成されることを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
  3. ケースの半径方向外側の壁(92)が、燃焼室の内壁(46)にほぼ平行に延びることを特徴とする、請求項1または2に記載のシステム。
  4. ケースの半径方向内側の壁(94)が、ディフューザの末端部(26)にほぼ平行に延びることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム。
  5. ケースの回転壁(92、94)が、圧力均衡穴(120)を含むことを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム。
  6. ケースが、それぞれ、ディフューザ(12)と、燃焼室の内壁(46)の環状リング(52)とに心合わせされて支持される円筒形の上流縁(104)および円筒形の下流縁(106)を含むことを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム。
  7. ケースの上流縁および下流縁(104、106)が、それぞれ、ディフューザ(12)と、燃焼室の内壁(46)の環状リング(52)とに、焼きばめ固定されることを特徴とする、請求項6に記載のシステム。
  8. ケースの円筒形の上流縁(104)が、刻みをつけられていて、ディフューザから出る空気を、ディフューザの末端部(26)に沿った空気通路(88)に供給する穴を形成することを特徴とする、請求項6または7に記載のシステム。
  9. ケースが、ケースの円筒形の下流縁(106)に軸方向に係合されてたとえば溶接により固定される、円筒形のリング(118)により固定されることを特徴とする、請求項6から8のいずれか一項に記載のシステム。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載の換気システムを含むことを特徴とする、タービンエンジン。
  11. 互いの内部に延びる同軸の2個の回転壁(92、94)を含み、これらの壁の上流端が、上流に向かって配向された円筒形の軸方向の縁(104)により互いに結合され、これらの壁の下流端が、下流に向かって配向された円筒形の軸方向の縁(106)によって互いに結合されることを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載の換気システムのための環状ケース。
  12. 半径方向外側の壁(92)が、ほぼ円錐台形であり、半径方向内側の壁(94)が、ほぼU字型の断面を有することを特徴とする、請求項11に記載のケース。
  13. 回転壁(92、94)が、穴(120)を含むことを特徴とする、請求項11または12に記載のケース。
  14. 横に並置された2個の半シェル(117)から形成されることを特徴とする、請求項11から13のいずれか一項に記載のケース。
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