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

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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