JP2013015312A - 複合デフレクタ／ミキサ保持器を有する燃焼器ドーム - Google Patents

Abstract

【課題】ミキサ及びデフレクタを確実に保持する、組み立てが簡単な燃焼器ドームアセンブリを提供する。
【解決手段】燃焼ドームアセンブリ３２は、ドームプレート３４と、ボデーと、管部分とを有するデフレクタ３８であって、下流側の面の近傍に配置され、ドームプレートに固定的に取り付けられ、前記管部分が開口内に受けられるデフレクタと、中心口を有する環状ボデーと、環状フランジと、スロットを画定する少なくとも１つのフックとを有する保持器３９であって、ドームプレートの前記上流側の面の近傍に配置され、ドームプレートに固定的に取り付けられ、フランジが開口内に受けられる保持器と、旋回ベーンの径方向配列と環状取り付けフランジとを含む。ミキサは上流側の面の近傍に配置され、取り付けフランジは保持器に当接する。保持タブはミキサが保持器から軸方向に引っ込むことを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は一般にガスタービンエンジンに関し、特にこのようなエンジンの燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンは、空気が燃料と混合され、高温燃焼ガスを生成するために燃焼される加圧空気を供給する圧縮機を含む。これらのガスは、そこからエネルギを抽出して圧縮機を駆動し、航行中の航空機の駆動などの有用労力を提供する１つ又は複数のタービンへと下流に流れる。航空機エンジンで使用される環状の燃焼器は通常は、上流側端部でドームアセンブリ又は単に「ドーム」に連結される内側と外側の燃焼ライナを含む。ドームアセンブリは環状のドームプレートと、内部に取り付けられて燃料／空気混合物を燃焼室内に取り入れる周囲方向に離間した複数のミキサアセンブリとを含む。各ミキサアセンブリは、燃料／空気混合物の過度の拡散を防止し、燃焼室の高温燃焼ガスからドームプレートを遮蔽するためにミキサアセンブリの下流から延びるデフレクタを有している。燃料噴射器ステムは各々のミキサアセンブリ内に延びている。

知られている１つのドーム構成では、デフレクタは（例えばろう付けによって）ドームプレートに堅固に取り付けられ、一方、ミキサはドームプレートに緩く取り付けられているので、ある程度の相対運動が可能である。燃料噴射器ステムが取り付けられるまで、ミキサは意図する位置からずれることがある。先行技術の設計は、旋回器を保持する保持タブなどの別個のボルト止め部品を使用することによってこの問題に対処している。それは複雑さ、及び燃焼器を組み立てるのに必要な時間を増大させ、ボルト締結部があるため動作中に燃焼器にかかる熱応力が高まることがある。

米国特許第７６５４０９１号

したがって、ミキサ及びデフレクタを確実に保持する、組み立てが簡単な燃焼器ドームアセンブリが必要とされる。

上記の必要性は、デフレクタに固定的に取り付けられ、対応するミキサに機械的に連結される保持器を有する燃焼器ドームアセンブリを提供する本発明によって対処される。

本発明の様態によれば、燃焼ドームアセンブリは、対向する上流側と下流側の面を有し、内部に開口が形成されている環状ドームプレートと、ボデーと、ボデーから軸方向に延びる管部分とを有するデフレクタであって、下流側の面の近傍に配置され、ドームプレートに固定的に取り付けられ、前記管部分が開口内に受けられるデフレクタと、中心口を有する環状ボデーと、中央口の周囲から軸方向に延びる環状フランジと、該ボデーから延びてスロットを画定する少なくとも１つのフックとを有する保持器であって、ドームプレートの前記上流側の面の近傍に配置され、ドームプレートに固定的に取り付けられ、フランジが開口内に受けられる保持器と、環状ミキサであって、旋回ベーンの径方向配列と環状取り付けフランジとを含み、保持タブが取り付けフランジから径方向外側に延び、ミキサは上流側の面の近傍に配置され、取り付けフランジは保持器に当接し、その一部は開口内に受けられ、保持タブはスロット内に嵌合してミキサが保持器から軸方向に引っ込むことを防止する構成の環状ミキサと、を含む。

本発明の別の態様によれば、燃焼器ドームの組み立て方法は、対向する上流側と下流側の面を有し、内部に開口が形成されている環状ドームプレートを備えるステップと、ボデーと、ボデーから軸方向に延びる管部分とを有するデフレクタを備えるステップと、下流側の面の近傍でデフレクタをドームプレートに固定的に取り付け、管部分が開口内に受けられるステップと、中心口を有する環状ボデーと、中心口の周囲から軸方向に延びる環状フランジと、ボデーから延びてスロットを画成する少なくとも１つのフックと、を有する保持器を備えるステップと、上流側の面の近傍で保持器をドームプレートに固定的に取り付け、フランジが開口内に受けられるステップと、旋回ベーンの径方向配列と環状取り付けフランジとを含む環状ミキサを備えるステップであって、保持タブが取り付けフランジから径方向外側に延びるステップと、取り付けフランジが保持器に当接し、保持タブがフックから離間するようにミキサをドームプレートの上流側の面の近傍に取り付けるステップと、ミキサを回転させ、保持タブがフックのスロットに係合して、ミキサが保持器から軸方向に引っ込むことを防止するステップと、を含む。

本発明は添付図面と合わせて以下の説明を参照することによって最も明解に理解し得る。

本発明の態様により構成された燃焼器ドームアセンブリを含むガスタービンエンジン燃焼器の概略断面図である。 図１のドームアセンブリの一部の断面斜視図である。 図１のドームアセンブリの一部の前面図である。 図１のドームアセンブリの保持器の斜視図である。 第１の組み立てステップ中のドームの一部の概略断面図である。 第２の組み立てステップ中のドームの概略断面図である。

様々な図で同一の参照番号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン内で使用するのに適し、内部の燃焼室１４を画成する中空ボデー１２を含むタイプの燃焼器１０を示す。中空ボデー１２は形状が略環状であり、外ライナ１６と内ライナ１８とによって画定されている。中空ボデー１２の上流側の端部は、第１のファスナ列２２によって外ライナ１６に取り付けられ、且つ第２のファスナ列２４によって内ライナ１８に取り付けられるカウル２０によって概ね閉鎖されている。燃料と圧縮空気とを取りこむために少なくとも１つの開口部２６がカウル２０内に形成されている。圧縮空気は燃焼器１０内に誘導され、圧縮機（図示せず）から図１に矢印「Ａ」で概略的に示された方向に取り込まれる。圧縮空気は燃焼を助けるために主として開口部２６を通過し、一部は中空ボデー１２を囲む領域に入り、そこでライナ１６と１８の両方と、下流のターボ機械を冷却するために使用される。燃料噴射器ステム２８の配列が、燃焼器１０を囲み、開口部２６を通って延びるケーシング３０内に取り付けられている。

内外のライナ１６、１８の間に位置し、これらを上流端の近傍で相互に連結するドームアセンブリ３２がエンジンの中心線軸の周囲に同軸に配置されている。ドームアセンブリ３２は、対向する上流側と下流側の面３１及び３３を有する環状ドームプレート３４を含む。複数の開口３６がドームプレート内に形成されている（各々の燃料噴射器ステム２８に１つの開口３６が設けられている。）ドームプレート３４は第１及び第２のファスナ列２２、２４を介して外ライナと内ライナ１６、１８とに取り付けられている。複数のデフレクタ３８がそのドームプレート３４、下流側の面３３の近傍に取り付けられている。デフレクタ３８の目的は、燃料噴射／空気混合物の過度の拡散を防止し、ドームプレート３４を燃焼室１４内の高温燃焼ガスから遮蔽することである。保持器３９は各々のデフレクタ３８をドームプレート３４に固定する。（旋回器とも呼ばれる）ミキサ４０はドームプレート３４内の各々の開口３６内に受けられ、各ミキサ４０は燃料噴射器ステム２８の遠端部を受ける。

図１は単一の環状燃焼器内の燃焼器ドームアセンブリを示しているが、本発明は多重環状燃焼器を含む別のタイプの燃焼器にも等しく応用できることに留意されたい。更に、本発明は別のタイプの旋回器アセンブリにも応用できることに留意されたい。

図２に最も明解に示されるように、各デフレクタ３８は前面及び後面４４、４６とを有するプレート上のボデー４２を有している。全てのデフレクタ３８が実質的に同一であるという理解に基づいて、１つのデフレクタ３８だけが詳細に示されている。ボデー４２の径方向内側と外側の部分は軸方向後方に、且つ径方向外側に延び、延長パネル４８と５０とをそれぞれ画定する。ボデー４２の後面４６と延長パネル４８及び５０とは保護層５２（図５を参照）を含むことができる。保護層５２は、例えば既知のタイプの耐環境性コーティング、又は熱障壁コーティング（「ＴＢＣ」）であってよい。環状の管部分５４の外表面はボデー４２から軸方向に延びている。管部分５４の外表面５６は、ドームプレート３４内の開口３６内に密に適合するサイズとされている。管部分５４の内表面５８はミキサの開口を画定する。管部分５４の遠端部の近傍の内表面５８の部分はさねはぎ又はノッチ６２を画定する。デフレクタ３８は、ドームプレート３４に固定的に取り付けられている。本明細書で用いる「固定的に」という用語は、互いに「固定的に」取り付けられる２つの構成部品が燃焼器１０の通常の動作中に互いに相対運動しないことを意味する。

図４及び６に最も明解に示されるように、各保持器３９は中心口６６を有する環状ボデー６４を有している。全ての保持器３９が実質的に同一であるとの理解に基づき、１つの保持器３９だけが詳細に示されている。環状フランジ６８は中心口６６の周囲から軸方向後方に延びている。凹面の環状溝７０がボデー６４とフランジ６８との間の交差部、すなわち「コーナー」内に形成されている。保持器３９は少なくとも１つのフック７２を含んでいる。フック７２は断面が概ね「Ｕ」形であり、ボデー６４の外側周辺縁部から延びる第１の径方向脚部７４と、第１の径方向縁部７４の遠端部から軸方向外側に延びる軸方向脚部７６と、軸方向脚部７６から径方向内側に延びる第２の径方向脚部７８とを有している。脚部７４、７６及び７８は全体として空隙又はスロット８０を画定する。保持器３９はドームプレート３４、デフレクタ３８、又はその両方に固定的に取り付けられ、フランジ６８の遠端部はさねはぎ又はノッチ６２内に受けられている。

（図２及び３に示される）各ミキサ４０は、略円筒形の前部分及び後部分８２、８４を有する環状の構成部品である。全てのミキサ４０が実質的に同一であるという理解に基づいて１つのミキサ４０だけが詳細に示されている。前部分８２は角度をなして配向される旋回ベーン８６の径方向配列を含んでいる。旋回ベーン８６は、ミキサ４０内に流入する気流に旋回運動を与えるように、ミキサ４０の軸方向の中心線「Ｂ」に対して角度をなしている。環状取り付けフランジ８８は２つの部分８２及び８４の接合部で径方向外側に延びている。１つ又は複数の回転防止タブ９０は、取り付けフランジ８８から径方向外側に延びている。エンジンの動作中、旋回ベーン８６に加わる空気力は固定的な構成部品であることを意図するミキサ４０を回転させようとする。したがって、回転防止タブ９０の目的は、このような回転を防止することである。これらのタブは隣接するミキサ４０上の対応するタブに当接して、ミキサ４０の完全な「リング」が互いに相互的に回転防止することによってこの機能を果たす。取り付けフランジ８８は更に、少なくとも１つのアセンブリ回転防止機能を組み込んでいる。アセンブリ回転防止機能の目的は、ミキサ４０の回転を制限するが、完全には排除しないことである。図示した実施例では、アセンブリ回転防止機能は取り付けフランジ８８内に形成されたノッチ９２を設け、これは以下により詳細に記載するように溶接部と相互作用する。最後に、１つ又は複数の保持タブ９４が取り付けフランジ８８から径方向外側に延びている。

ドームアセンブリ３２の組み立ては以下のように進行する。図５に示されるように、第１のステップは、第１のろう付け合金リング９６をドームプレート３４の下流側の面３３に形成された環状ノッチ９８内に配置するステップである。第１のろう付け合金リング９６は、これが取り付けられる構成部品よりも融点が低い既知のタイプのろう付け合金からなっている。ろう付け材料は粉末、ペースト、テープ又はリングなどの様々な形態で供給されてもよい。これらの幾つかは、ろう付け合金自体に加えて１つ又は複数の充填材を含んでいてもよい。次いで第１のろう付け合金リング９６がドームプレート３４の後面とデフレクタ３８の環状ショルダ１００との間に挟まれるように、デフレクタ３８がそのドームプレート開口３６内に挿入される。オプションとして、デフレクタ３８の外表面のサイズは、これをドームプレート３４の開口３６に干渉嵌めするようなサイズでもよい。干渉嵌めがなされる場合は、挿入は圧入、又は挿入前にデフレクタ３８を収縮させるためにこれを冷却すること、又は挿入前に開口部を膨張するためにドームプレート３４を加熱すること、又はその組み合わせなどのその他の知られている技術で達成されてもよい。

上記のステップは各々１つのデフレクタ３８について繰り返される。このようにして全てのデフレクタ３８がドームプレート３４に取り付けられると、第１のろう付け合金リング９６は（例えばアセンブリ全体を加熱することによって）ろう付け合金の融点以上の温度まで加熱される。溶解したろう付け合金はもう管作用によってデフレクタ３８とドームプレート３４との境界を通って流れる。ろう付け合金はその融点以下の温度まで大幅に冷却される。ろう付け合金は固化し、それによってドームプレート３４とデフレクタ３８とを互いに接合する。ろうが適切に流出したことを確認するため、継目の前端部を目視で監査することができる。

次いで、図６に示されるように、保持器３９のフランジ６８上に、溝７０に対して第２のろう付け合金リング１０２が配置される。次いで保持器３９は、第２のろう付け合金リング１０２がドームプレート３４の前表面と保持器３９との間に挟まれるようにデフレクタの開口３６に挿入される。フランジ６８はデフレクタ３８のさねはぎ又はノッチ６２内に嵌め込まれる。オプションとして、フランジ６８の外表面のサイズは、これをさねはぎ又はノッチ６２に干渉嵌めするようなサイズでもよい。干渉嵌めがなされる場合は、挿入は圧入、又は挿入前に保持器３９を収縮させるためにこれを冷却すること、又は挿入前に開口部を膨張するためにデフレクタ３８を加熱すること、又はその組み合わせなどのその他の知られている技術で達成されてもよい。

上記のステップは各々１つの保持器３９、およびこれらに対応するデフレクタ３８について繰り返される。このようにして全ての保持器３９がデフレクタ３８に取り付けられると、組み立ては第２のろう付けサイクルに入る。（これは第１のろう付けサイクルについて前述したように実行されてもよい。）ろうが適切に流出したことを確認するため、各々のデフレクタ３８と保持器３９の間の継目の後端部を目視で監査することができる。取り付けられた保持器３９は、デフレクタとドームプレート３とのろう付け継目の保持を補助する。

ろう付け作業の完了後、ミキサ４０がドームプレート３４内に取り付けられる。図２及び３を参照すると、各々のミキサ４０が開口３６を通って挿入され、取り付けフランジ８８は保持器３９に当接し、保持タブ９４はフック７２から離間している。次いでミキサは、保持タブ９４がフック７２によって形成されるスロット８０に入るまで回転される。この位置で軸方向移動は不可能である。次いで保持器３９とミキサ４０との間に回転防止構造が取り付けられる。図示した実施例では、軸方向に突起する仮付け溶接１０４が、ミキサ４０の取り付けフランジ８８内のノッチ９２内に位置する保持器３９の前面上に配置される。回転防止構造はミキサ４０のある程度の回転を意図的に許容するが、ミキサ４０がフック７２から離脱するまで十分に回転することを防止する。回転を制限するため、溶接１０４の代わりに、構成部品のピーニング、据え込み、ファスナ、クリップなどの代替形態を使用することもできよう。

上記のように組み立てられると、ミキサ４０はドームプレート３４に保持され、燃料噴射器ステム２８の取り付けなどの更なる取り扱いや組み立てステップによって外れることはない。

本明細書に記載の燃焼器ドームアセンブリには、先行技術の設計よりも幾つかの利点がある。これによって重複するろう付け継目が形成されると同時に、ミキサ保持機能をももたらす。これに対して、先行技術の設計では、ミキサを保持するために別個のボルト止めされた構成部品が必要である。それによって複雑さが増し、燃焼器を組み立てるために日重要な時間も増す。ボルト止めされた継目がないので熱質量が少なく、それによってドームアセンブリ内の熱応力が低減する。ドームプレート３４は航空機の航行中に相対たわみを受けにくいので、ミキサの保持器をカウル又はボルト止めされた継目からドームプレート３４上に移動させることによって付加的な安定性も達成される。

これまでガスタービンエンジン用の燃焼器ドームアセンブリを記載した。本発明の特定の実施形態を記載したが、本発明の趣旨と範囲から逸脱せずに様々な修正が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の好ましい実施形態、及び本発明を実施する最良の形態の上記の説明は例示目的のために過ぎず、限定する目的ではない。

Claims (18)

1. 燃焼器ドームアセンブリであって、
   対向する上流側と下流側の面を有し、内部に開口が形成されている、環状ドームプレートと、
   ボデーと、該ボデーから軸方向に延びる管部分とを有するデフレクタであって、前記下流側の面の近傍に配置され、前記ドームプレートに固定的に取り付けられ、前記管部分が開口内に受けられるデフレクタと、
   中心口を有する環状ボデーと、中央口の周囲から軸方向に延びる環状フランジと、該ボデーから延びてスロットを画定する少なくとも１つのフックとを有する保持器であって、前記ドームプレートの前記上流側の面の近傍に配置され、前記ドームプレートに固定的に取り付けられ、前記フランジが開口内に受けられる保持器と、
   環状ミキサであって、旋回ベーンの径方向配列と環状取り付けフランジとを含み、保持タブが前記取り付けフランジから径方向外側に延び、前記ミキサは上流側の面の近傍に配置され、前記取り付けフランジが前記保持器に当接し、その一部は開口内に受けられ、前記保持タブが前記スロット内に嵌合してミキサが保持器から軸方向に引っ込むことを防止する構成の環状ミキサと、を含むドームアセンブリ。
2. 前記フックの断面が概ねＵ形であり、前記ボデーの外側周辺縁部から延びる第１の径方向脚部と、前記第１の径方向縁部の遠端部から軸方向外側に延びる軸方向脚部と、前記軸方向脚部から径方向内側に延びる第２の径方向脚部とを有し、前記脚部が共同で前記スロットを画定する請求項１に記載のドームアセンブリ。
3. 環状ノッチが、前記開口を囲む前記ドームプレートの下流面内に形成される請求項１に記載のドームアセンブリ。
4. 前記デフレクタの前記管部内表面が、前記保持器の前記フランジを受けるように構成されたさねはぎを画定する請求項１に記載のドームアセンブリ。
5. 前記保持器のフランジの遠端部が前記さねはぎ内に受けられる請求項４に記載のドームアセンブリ。
6. 凹面の環状溝が前記保持器の前記ボデーと前記フランジとの間に画定された内部コーナーに形成される請求項１に記載のドームアセンブリ。
7. 前記ミキサが、前記取り付けフランジから径方向外側に延びる少なくとも１つの回転防止タブを含む請求項１に記載のドームアセンブリ。
8. 前記ミキサが前記保持器に対して前記フックが離脱するのに十分な程度に回転することを防止する手段を更に含む請求項１に記載のドームアセンブリ。
9. 前記ミキサの前記取り付けフランジが内部に形成されたノッチを含む請求項１に記載のドームアセンブリ。
10. 前記保持器の前記ボデー上の前記ノッチ内に溶接突起部が形成される請求項９に記載のドームアセンブリ。
11. 前記デフレクタの前記ボデーの径方向内側と外側の部分が軸方向後方、及び径方向外側に延びて延長パネルを画定する請求項１に記載のドームアセンブリ。
12. 複数のデフレクタ、保持器、及びミキサを含む請求項１に記載のドームアセンブリ。
13. 燃焼器ドームの組み立て方法であって、
    対向する上流側と下流側の面を有し、内部に開口が形成されている環状ドームプレートを備えるステップと、
    ボデーと、ボデーから軸方向に延びる管部分とを有するデフレクタを備えるステップと 、前記下流側の面の近傍で前記デフレクタを前記ドームプレートに固定的に取り付け、 前記管部分が前記開口内に受けられるステップと、
    中心口を有する環状ボデーと、中心口の周囲から軸方向に延びる環状フランジと、ボ デーから延びてスロットを画成する少なくとも１つのフックと、を有する保持器を備え るステップと、
    前記上流側の面の近傍で前記保持器を前記ドームプレートに固定的に取り付け、前記 フランジが前記開口内に受けられるステップと、
    旋回ベーンの径方向配列と前記環状取り付けフランジとを含む環状ミキサを備えるス テップであって、保持タブが前記取り付けフランジから径方向外側に延びるステップと 、
    前記取り付けフランジが保持器に当接し、前記保持タブが前記フックから離間するよう に前記ミキサを前記ドームプレートの前記上流側の面の近傍に取り付けるステップと、
    前記ミキサを回転させ、前記保持タブがフックのスロットに係合して、前記ミキサが 前記保持器から軸方向に引っ込むことを防止するステップと、を含む方法。
14. 前記ミキサと前記保持器との間に回転防止機構を取り付けるステップをさらに備え、これが前記ミキサのある程度の回転を意図的に許容するが、前記ミキサが前記フックから離脱するまで十分に回転することを防止する請求項１３に記載の方法。
15. 前記回転防止機能が、前記ミキサの前記取り付けフランジ内のノッチに配置された前記保持器の前記ボデーに施される仮付け溶接である請求項１４に記載の方法。
16. 前記デフレクタがろう付けによって前記ドームプレートに固定的に取り付けられる請求項１３に記載の方法。
17. 前記ミキサがろう付けによって前記ドームプレートに固定的に取り付けられる請求項１３に記載の方法。
18. 前記デフレクタの前記管部分の内表面がさねはぎを画成し、前記保持器の前記フランジがその内部に挿入される請求項１３に記載の方法。

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