JP3967633B2 - 燃焼室端部壁を固定するためのシステムを備える燃焼室 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボマシンの特別な分野に関し、更に具体的には、燃焼室の側壁が、セラミックマトリックス複合材料（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、ＣＭＣ）タイプの材料で作られているとき、前記側壁へターボマシン燃焼室の金属端部壁を取り付ける場合に生じる問題に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ターボジェットエンジン又はターボプロップエンジンにおいて、高圧タービン（Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ、ＨＰＴ）、および特にその入口ノズル、噴射システム、燃焼室、および前記燃焼室の環状シェルは、すべて金属タイプの材料で作られている。しかし、特に高い燃焼温度を使用する或る特定の条件のもとでは、全体的に金属から作られた燃焼室は、熱の見地から全く適当ではなく、ＣＭＣタイプの高温複合材料に基づいた燃焼室を使用することが必要である。しかし、これらの材料の加工に伴う困難性とその高いコストは、そのような材料の使用が、通常、燃焼室自身、および更に具体的にはその軸方向延長側壁へのみ限定されることを意味し、高温タービンの入口ノズル、噴射システム、および環状シェルは、普通は金属材料から作られ続けている。残念ながら、金属材料および複合材料は、非常に異なった熱膨張係数を有する。これは、燃焼室の複合材料側壁と燃焼室の金属端部壁との間の結合で、特に重大な問題を生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記金属端部壁と燃焼室の複合材料側壁との間の膨張係数の差異によって生じる移動を吸収できる、燃焼室への金属端部壁の取り付けを提案することによって、これらの欠点を軽減する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、複合材料の外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁、並びに金属材料の端部壁を有する環状燃焼室であって、前記側壁に対して径方向へ前記端部壁を自由に膨張可能とするために、前記端部壁が、複数の可撓性舌状物によって、前記内側側壁と前記外側側壁との間で定位置に保持され、前記複数の可撓性舌状物は、第１に固定手段によって前記側壁へ固定され、第２にろう付け又は溶接によって前記端部壁へ固定され、更に前記端部壁は、前記端部壁と前記側壁との間にシーリングを提供するシーリング手段を含むことを特徴とする環状燃焼室によって達成される。
【０００５】
可撓性舌状物に基づいたこの固定システムを使用することによって、燃焼室の金属端部壁の膨張は、複合材料の側壁を損傷することなく吸収される。舌状物は、端部壁とは対照的に殆ど膨張しない側壁に応力を加えることなく、端部壁の大きな膨張量に起因する力に順応することができる。
【０００６】
可撓性固定舌状物は、金属材料から作られ、固定手段は複数のボルト、好ましくは拘束ナット（ｃａｐｔｉｖｅ ｎｕｔ）を有するボルトによって構成される。
【０００７】
実施形態において、シーリング手段は、積層タイプの円形ガスケットを含み、このガスケットは、燃焼室の前記金属端部壁の円形溝の中に取り付けられ、燃焼室の対向する一方の前記側壁を押圧するように構成される。円形ガスケットは、好ましくはセクタへ分割され、前記金属端部壁へ固定された弾性要素によって、前記側壁へ押し付けられるように保持される。弾性要素は、スプリングブレードによって構成される。
【０００８】
代替の実施形態において、シーリング手段は、円形セグメントを含み、この円形セグメントは、前記側壁に対向して取り付けられ、燃焼室の前記金属端部壁の中の円形溝と協働するように構成される。円形シーリングセグメントは、好ましくは分割されている。
【０００９】
有利な実施形態において、可撓性固定舌状物は、前記固定手段によって前記側壁の一方又は他方へ固定された各第１の端、およびろう付け又は溶接によって燃焼室の前記端部壁へ固定された各第２の端を有する。そのような状況では、端部壁は、更に金属リングを有し、前記可撓性固定舌状物の第２の端は、前記金属リングへろう付け又は溶接される。
【００１０】
他の実施形態において、可撓性固定舌状物は、第１の結合手段によって一方の前記側壁へ固定された各第１の端、および第２の結合手段によって他方の前記側壁へ固定された各第２の端、およびろう付け又は溶接によって端部壁へ固定された中央部分を有する。可撓性固定舌状物は、連続する噴射ノズルの間に配置されることが有利である。
【００１１】
本発明の特徴および利点は、非限定的な記述および図面への参照を伴う以下の説明から、より良好に明らかになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１Ａは、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示し、次のものを含む。
【００１３】
長手方向軸１０の周りで環状になった外側シェル（又は外側ケーシング）１２。
【００１４】
同軸の環状内側シェル（又は内側ケーシング）１４。
【００１５】
２つのシェル１２および１４の間で広がり、ターボマシンの上流側の圧縮機（図示されていない）から、一般的なガスフローＦを規定する環状拡散ダクト１８（拡散スクリーン１８ａを有する）を介して来る、圧縮された酸化剤、一般的には空気を受け取る環状空間１６。
【００１６】
ガスフロー方向において、この空間１６は、最初に複数の噴射システム２０によって形成された噴射アセンブリを含み、続いて環状燃焼室２４を含み、最後に高圧タービンの入口段を形成する環状ノズル（図示されていない）を含む。噴射システム２０は、ダクト１８の周りへ規則的に配置される。噴射システムの各々は、環状外側シェル１２へ固定された燃料噴射ノズル２２を含む（図を簡単にするため、各噴射ノズルに関連づけられたミキサおよびデフレクタは、省略されている）。環状燃焼室２４は、軸１０の周りに同軸で配置されて、ＣＭＣタイプ又はその他（例えばカーボン）の高温複合材料から作られた、外側軸方向延長側壁２６および内側軸方向延長側壁２８、並びに金属材料から作られて燃焼室の端部壁を形成する横断延長壁３０から形成される。端部壁は、噴射システムを収容する開口３２を設けられている。図示された実施形態において、燃焼室の内壁２８を、フローＦに対して上流側へ延長した内側キャップ３３が存在することに注意すべきである。対照的に、外側キャップ３４は、燃焼室の外壁２６に直接一体化されることができる。
【００１７】
燃焼室の金属端部壁３０は、燃焼室の内側側壁２８および外側側壁２６の熱膨張係数とは非常に異なった熱膨張係数を有する。なぜなら、内側側壁２８および外側側壁２６は、複合材料から作られているからである。本発明によれば、端部壁３０は、複数の可撓性舌状物３６および３８によって、側壁の間で定位置へ確実に保持される。可撓性舌状物３６および３８は、燃料噴射ノズル２２の間へ規則的に配置される（例えば、図４を参照）。これら固定舌状物の第１の組（舌状物３６を参照）は、金属端部壁３０と外側側壁２６との間に取り付けられ、これら舌状物の第２の組（舌状物３８を参照）は、金属端部壁３０と内側側壁２８との間に取り付けられる。各可撓性固定舌状物は、金属材料から作られ、好ましくは、任意に一定の幅を有する薄いブレードで構成されている。このブレードは、２つの端の各々に取り付け点を有する。
【００１８】
図１Ａに示される第１の実施形態では（更に図１Ｂの詳細図を参照）、固定舌状物の第１の端４２および４４は、第１の固定手段４６および４８によって、燃焼室の内側側壁２８および外側側壁２６の一方又は他方へ固定され、第２の端５０および５２は、好ましくは溶接又はろう付けによって金属リング５４および５６へ固定される。金属リング５４および５６は、それら自体燃焼室の金属端部壁３０へろう付け又は溶接される。この結合によって、径方向で殆ど動かない複合材料から作られた側壁に損傷を与えることなく、燃焼室端部壁の膨張を吸収することができる。
【００１９】
噴射ノズルに対してオフセットされた位置に置かれる第１の固定手段は、ボルトタイプであること有利である。アクセス、従って組立および分解を容易にするため、これらのボルトは、好ましくは、拘束ナットタイプが選択される。
【００２０】
外側側壁又は内側側壁と金属リングとの間のシーリングは、金属リングの円形溝６２および６４に取り付けられた、各積層型円形ガスケット５８および６０によって提供される。このシーリングリングは、セクタへ分割されることが有利であり、その上流側部分には、対応するリム６６および６８を有する。リム６６および６８は、燃焼室の対向する側壁２６および２８に対してトロイダル状に押し付けられる。ガスケットは、好ましくはスプリングブレードによって構成された、弾性要素７０および７２によって側壁へ押し付けられ、リングへ固定された複数のペグ７４および７６によって定位置に保持される。燃焼室端部壁の外側周辺端７８（および金属リングの対応する端）の周りのクリアランスは、運転中に、金属リングが、複合材料の外側側壁２６に対して押し付けられないように、更には、外側側壁２６と接触しないように構成されていることに注意すべきである。同様に、燃焼室端部壁が加熱されたときの膨張は、端部壁を内側側壁から引き離す作用を有することを前提として、内側側壁２８とのシーリングを提供するガスケット６０は、プレストレスを与えられていることに注意すべきである。
【００２１】
図２は、金属端部壁と燃焼室複合材料側壁との結合の第１の変形を示す。この変形において、端部壁および固定舌状物を支持する金属リングは、単一の部品８０を構成し、舌状物の第２の端５０および５２は、部品８０へ直接ろう付け又は溶接される。この単一の部品は、当然のことながら、前述したシーリング手段を含む。
【００２２】
図３および図４には、第２の変形が示される。これらの変形では、舌状物８２の単一の組のみが存在する。各舌状物は、第１の結合手段８６によって外側側壁２６へ固定された第１の端８４、および第２の結合手段９０によって内側側壁２８へ固定された第２の端８８を有する。これら第１および第２の結合手段は、ボルトタイプであることが有利である。舌状物は更に、燃焼室端部壁へろう付け（又は溶接）される。この燃焼室端部壁は、前述した変形の単一部品８０によって形成されることができる。当然のことながら、このろう付けは、噴射器のための開口３２の間にあるギャップで行われる。
【００２３】
図５Ａは、第２の実施形態を示す（図５Ｂの詳細図も参照されたい）。この実施形態において、外側側壁２６又は内側側壁２８と燃焼室の端部壁３０との間のシーリングは、もはやスプリングブレードタイプの円形ガスケットではなく、開放分割円形セグメント９２および９４によって提供される。セグメント９２および９４は、側壁へ密着して取り付けられ、金属リング５４および５６の円形溝９６および９８と協働する、ガスケットカバリングシステムを設けられる。外側セグメント９２を収容する溝９６の底部のクリアランスは、運転中に、金属リングが複合材料の外側側壁２６、又はセグメント９２の内面９２ａのいずれとも接触しないように構成される。同様に、内壁のセグメント９４はプレストレスを与えられる。なぜなら、燃焼室端部壁が加熱されたときの膨張は、燃焼室端部壁を内側側壁から引き離す作用を有するからである。
【００２４】
その他の点では、第１の実施形態と同じように、固定舌状物３６および３８の第１の端４２および４４は、第１の固定手段４２および４８を介して、燃焼室の外側側壁２６および内側側壁２８の一方又は他方へ固定され、同時に、第２の端５０および５２は、好ましくはろう付け又は溶接によって金属リング５４および５６へ固定される。金属リング５４および５６は、それら自身燃焼室の金属端部壁３０へろう付け又は溶接される。
【００２５】
図６は、第２の実施形態の第１の変形を示す。この変形において、燃焼室端部壁および固定舌状物を支持する金属リングは、単一の部品１００を含む。部品１００は、そこへ直接ろう付け又は溶接された舌状物５０および５２の第２の端を有する。この単一の部品は、当然のことながら、前述したセグメントシーリング手段を含む。
【００２６】
第２の変形は、図７に示される。この変形では、舌状物１０２の単一の組のみが存在する。各舌状物は、第１の結合手段１０６によって外側側壁２６へ固定された第１の端１０４、および第２の結合手段１１０によって内側側壁２８へ固定された第２の端１０８を有する。これら第１および第２の固定手段は、ボルトタイプであることが有利である。更に、舌状物は、燃焼室端部壁へろう付け（又は溶接）される。端部壁は、例えば前述した変形の単一部品１００によって形成されることができる。このろう付けは、当然のことながら、噴射器の開口３２の間のギャップで行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明のアセンブリの第１の実施形態を組み込んだ、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示す概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａのアセンブリの詳細図である。
【図２】本発明のアセンブリの第１の実施形態の第１の変形を組み込んだ、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示す概略図である。
【図３】本発明のアセンブリの第１の実施形態の第２の変形を組み込んだ、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示す概略図である。
【図４】噴射ノズルと固定舌状物の交互の配置を示す部分端面図である。
【図５Ａ】本発明のアセンブリの第２の実施形態を組み込んだ、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示す概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａのアセンブリの詳細図である。
【図６】本発明のアセンブリの第２の実施形態の第１の変形を組み込んだ、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示す概略図である。
【図７】本発明のアセンブリの第２の実施形態の第２の変形を組み込んだ、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 長手方向軸
１２ 外側シェル
１４ 内側シェル
１６ 環状空間
１８ 環状拡散ダクト
１８ａ 拡散スクリーン
２０ 噴射システム
２２ 燃料噴射ノズル
２４ 環状燃焼室
２６ 外側軸方向延長側壁
２８ 内側軸方向延長側壁
３０ 横断延長壁
３２ 開口
３３ 内側キャップ
３４ 外側キャップ
３６、３８ 可撓性舌状物
４２、４４、５０、５２、８４、８８、１０４、１０８ 端
４６、４８ 固定手段
５４、５６ 金属リング
５８、６０ 積層タイプ円形ガスケット
６２、６４、９６、９８ 円形溝
６６、６８ リム
７０、７２ 弾性要素
７４、７６ ペグ
７８ 外側周辺端
８０、１００ 単一部品
８２、１０２ 舌状物の組
８６、９０、１０６、１１０ 結合手段
９２、９４ 開放分割円形セグメント
９２ａ 内面
Ｆ ガスフロー方向

Claims (14)

1. セラミックマトリックス複合材料の外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁（２６、２８）、並びに金属材料の端部壁（３０、８０、１００）を有する環状燃焼室であって、前記外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁に対して径方向へ前記端部壁を自由に膨張可能とするために、前記端部壁は、複数の可撓性舌状物（３６、３８、８２、１０２）によって前記内側軸方向延長側壁と外側軸方向延長側壁との間で定位置に保持され、前記可撓性舌状物（３６、３８、８２、１０２）は、第１に固定手段（４６、４８、８６、９０、１０６、１１０）によって前記外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁へ固定され、第２にろう付け又は溶接によって前記端部壁へ固定され、前記端部壁は、前記端部壁と前記外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁との間にシーリングを提供するシーリング手段（５８、６０、９２、９４）を更に含むことを特徴とする環状燃焼室。
2. 前記可撓性舌状物が、金属材料から作られていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
3. 前記固定手段が、複数のボルト、好ましくは拘束ナットを有する複数のボルトによって構成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
4. 前記シーリング手段が、前記端部壁の円形溝（６２、６４）の中に取り付けられて、燃焼室の対向する前記外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁（２６、２８）の一方へ押し付けられるように構成された、積層タイプの円形ガスケット（５８、６０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
5. 前記円形ガスケットが、セクタへ分割されていることを特徴とする、請求項４に記載の燃焼室。
6. 前記円形ガスケットが、燃焼室の前記端部壁へ固定された弾性要素（７０、７２）によって、前記外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁へ押し付けられるように保持されることを特徴とする、請求項４に記載の燃焼室。
7. 前記弾性要素が、スプリングブレードによって構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の燃焼室。
8. 前記シーリング手段が、前記外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁の一方に対向して取り付けられ、前記端部壁の円形溝（９６、９８）と協働するように構成されている、円形セグメント（９２、９４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
9. 前記円形セグメントが、分割されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃焼室。
10. 前記各可撓性舌状物（３６、３８）が、前記固定手段によって前記外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁の一方又は他方へ固定された第１の端（４２、４４）、およびろう付け又は溶接によって前記端部壁へ固定された第２の端（５０、５２）を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
11. 前記端部壁が更に、金属リング（５４、５６）を含み、前記金属リング（５４、５６）は、該金属リング（５４、５６）へろう付け又は溶接された前記可撓性舌状物の前記第２の端を有することを特徴とする、請求項１０に記載の燃焼室。
12. 各可撓性舌状物（８２、１０２）が、第１の結合手段（８６、１０６）によって前記外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁の一方へ固定された第１の端（８４、１０４）、第２の結合手段（９０、１１０）によって前記外側軸方向延長側壁および内側軸方向延長側壁の他方へ固定された第２の端（８８、１０８）、およびろう付け又は溶接によって端部壁（８０、１００）へ固定された中央部分を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
13. 前記可撓性舌状物が、隣り合う噴射ノズル（２２）の間に配置されることを特徴とする、請求項１２に記載の燃焼室。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃焼室を有するターボマシン。

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