JP3983603B2 - セラミックマトリックス材料よりなる燃料室のための構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボマシンの分野に関し、更に具体的には、セラミックマトリックス複合材料（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、ＣＭＣ）から作られた燃焼室を有するターボジェットエンジンにおける高圧タービンと燃焼室との間のインタフェースに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ターボマシンにおいて、高圧タービン（Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ、ＨＰＴ）および特にその入口ノズル、燃焼室、および前記燃焼室のケーシング（又はシェル）は、全て同じタイプの材料、一般的には金属タイプの材料で作られている。しかし、非常に高温になる或る特定の使用条件のもとでは、金属から作られた燃焼室は、熱の見地から全く不適当であり、ＣＭＣタイプの高温複合材料から作られた燃焼室を使用することが必要である。しかし、そのような材料の加工の困難性およびその費用は、そのような材料の使用が通常燃焼室自体に限定されることを意味し、従って高圧タービンの入口ノズルおよびケーシングは、普通は、依然として金属材料から作られる。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、高圧タービンの入口にあるノズルで特に重大なインタフェース問題を生じ、燃焼室のケーシングで結合問題を生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの部品の膨張係数の差異によって生じる変位を吸収する能力を有する、ケーシング−燃焼室結合を提案することによって、これらの欠点を軽減する。従って、本発明の目的は、特に製造するのに容易で簡単な形状の構造を提案することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、金属材料のシェルを含み、前記シェルが、ガスフロー方向Ｆに沿って、燃料噴射アセンブリ、複合材料の燃焼室、および高圧タービンの固定ブレード入口段を形成する金属材料のノズルを含み、前記ノズルが、前記シェルによって支持され、かつ第１の解放可能な固定手段によって前記シェルへ固定されたターボマシンであって、前記燃焼室が、前記シェルの内部で浮動式（ｆｌｏａｔｉｎｇ）に取り付けられ、かつ前記ノズルによってのみ定位置に保持され、更に第２の解放可能な固定手段によって前記ノズルへ弾性的に固定されていることを特徴とする、ターボマシンによって達成される。
【０００５】
このように、燃焼室とノズルとを直接結合（一体化）し、燃焼室とシェルとは結合しないことによって、前記燃焼室の製造はかなり簡単になり、同時に燃焼室とノズルとの間のシーリングが大きく改善される。更に、ガス流の良好なアライメントが運転中に生じ、これは高圧タービンへのガス供給を効果的にする。更に、燃焼室の通常のフランジ（これはシェルとの結合に使用される）を除去することによって、前記燃焼室、従ってターボマシンの重量を相当に軽減することもできる。
【０００６】
ノズルを燃焼室と一体化することによって、燃焼室とシェルとの間の相対的変位の問題はノズルへ移され、前記ノズルをシェルに対して径方向へ自由に膨張させるように構成された第１の解放可能な固定手段が設けられる。
【０００７】
好ましい実施形態において、前記第２の解放可能な固定手段は、第一に、ノズルの内側円形プラットフォームと前記シェルの内側環状壁を支持するように働くフランジとの間で締め付けられた、前記燃焼室の端で内側軸方向延長壁を保持する第１の保持手段、およびノズルの外側円形プラットフォームに対する弾性プレストレスを使用して前記燃焼室の端で外側軸方向延長壁を保持する第２の保持手段を含む。
【０００８】
好ましくは、前記支持フランジはセクタへ分割される。それは、高温時に、ノズルの前記内側円形プラットフォームと燃焼室の前記内側軸方向延長壁とが異なった膨張を生じるとき、それによって起こる周辺部の幾何学的差異を補償するためである。前記支持フランジは、シェルの前記内側環状壁のフランジと、前記第１の解放可能な固定手段によって前記フランジへ保持される金属材料のリングとの間に取り付けられる。
【０００９】
有利には、前記第１の解放可能な固定手段は、前記支持フランジのそれぞれ対応する長円孔を通るスクリューシャンクを有する複数のボルトを含み、前記スクリューシャンクはそれぞれショルダを設けられ、前記リングとシェルの内側環状壁の前記フランジとの間で前記支持フランジが滑るように、前記リングは前記ショルダを押圧している。
【００１０】
ターボマシンにシーリングを提供するため、シェルの内側環状壁の前記フランジは、オメガ型円形シールガスケットを収容する円形溝を有する。前記ガスケットは、シェルの内側環状壁の前記フランジと前記支持フランジとの間にシーリングを提供する。同様に、有利に燃焼室の前記外側端部壁へろう付けされる複合材料のリングは、第２の保持手段によって、ノズルの前記外側円形プラットフォームに対して弾性プレストレスで保持される。前記リングは、オメガ型の円形シーリングガスケットを収容する円形溝を有し、前記ガスケットは、燃焼室の前記外側端部壁とノズルの前記円形外側プラットフォームとの間にシーリングを提供する。
【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１は、ターボジェットエンジン又はターボプロップエンジン（本明細書では一般的に「ターボマシン」と呼ばれる）の中央部分を軸方向に切断したときの半分を示す。そこには、次の部分が含まれる。
【００１３】
長手方向軸１０を有する金属材料の外側環状壁（又は外側ケーシング）１２、および外側環状壁１２と同軸で、同じく金属材料から作られた内側環状壁（又は内側ケーシング）１４を有するシェル。
【００１４】
シェルの２つの環状壁１２および１４の間にあって、一般的なガスフロー方向Ｆを規定する環状拡散ダクト１８を介して、ターボマシンの上流側圧縮機（図示されていない）から来る圧縮された酸化剤、一般的には空気を収容する環状空間１６。
【００１５】
ガスフローの方向において、この空間１６は、第一に、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、次にＣＭＣタイプ又は他の同様なタイプ（例えばカーボン）の高温複合材料から作られた燃焼室２４、最後に高圧タービン（図示されていない）の入口段を形成する金属から作られ、通常、外側円形プラットフォーム４６と内側円形プラットフォーム４８との間に取り付けられた複数の固定ブレード４４を含む環状ノズル４２を含む。噴射システム２０は、ダクト１８の周りに規則的に配分される。各々の噴射システムは、外側環状ケーシング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、各々の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図示されていない）。燃焼室２４は、外側軸方向延長側壁２６、内側軸方向延長側壁２８、および横断長延端部壁３０によって形成される。外側軸方向延長側壁２６および内側軸方向長延側壁２８の双方は、軸１０の周りで同軸に配置され、横断延長端部壁３０は、適切な手段（例えば、フラットヘッドを有する金属又は耐火性のボルト）によって、側壁２６および２８の上流側端３６および３８へ固定されたマージン３２および３４を有する。更に、前記端部壁３０は、燃料および酸化剤の一部分が、燃焼室２４の中へ噴射されることを可能にする開口部４０を設けられている。環状ノズル４２は、ターボマシンの環状シェルへ固定された支持手段４９に載っている。環状ノズル４２は、好ましくは複数のボルト５０によって構成された第１の解放可能な固定手段によって、環状シェルへ固定されている。
【００１６】
本発明において、燃焼室は、環状シェルの内部で浮動式に取り付けられ、ノズルによってのみ定位置に保持され、第２の解放可能な固定手段によって弾力的にノズルへ固定される。第２の解放可能な固定手段は、第一に、燃焼室の端（その上流側端３８から離れている）で、ノズルの内側円形プラットフォーム４８と内側環状シェル１４の支持体として働くフランジ５６との間へ、内側軸方向延長側壁部分５４を締め付ける第１の保持手段５２、および前記燃焼室の上流側端３６から遠い燃焼室の端で、ノズルの外側円形プラットフォーム４６に対して弾性プレストレス６０で、外側軸方向延長側壁部分６２を保持する第２の保持手段５８を含む。支持フランジ５６は、内側環状シェル１４のフランジ６４と第１の解放可能な固定手段５０によって前記フランジへ保持された金属リング６６との間に取り付けられている。
【００１７】
拡散ダクト１８の出口で、少なくとも２つの別々のフローＦ１およびＦ２として分かれた圧縮された酸化剤を、燃焼室２４の両方の側へ通すための（そして、特に燃焼室を冷却するため）貫通開口部６８および７０が、ノズル４２の外側金属プラットフォーム４６および内側金属プラットフォーム４８に形成され、それによってロータの高圧タービンの入口でノズルの固定ブレード４４が冷却される。
【００１８】
燃焼室２４は、他の部品は金属で作られているために、ターボマシンを構成している他の部品の熱膨張係数と非常に異なった熱膨張係数を有し、また特に、燃焼室が固定されているノズル４２の熱膨張係数、および環状シェル１２および１４の熱膨張係数と非常に異なった熱膨張係数を有するので、第１の解放可能な固定手段５０は、高温時にノズルを環状シェルに対して径方向へ自由に膨張させるように構成される。それを可能にするため、支持フランジ５６は、複数のボルト５０のスクリューシャンクと協働する長円孔７２を開けられる。前記スクリューシャンクは、リング６６によって押圧されるショルダ７４を有し、リングと内側環状シェル１４のフランジ６４との間で支持フランジが滑るようになっている。更に、このフランジはセクタへ分割される。それは、高温時にノズルの内側円形プラットフォーム４８と燃焼室の内側軸方向延長壁２８および５４との間で異なった膨張が生じ、それによって起こる周辺部の幾何学的差異を補償するためである。
【００１９】
燃焼室とタービンとの間のガスフローをシーリングするため、内側環状シェルのフランジ６４は、オメガ型円形ガスケット７８を収容する円形溝７６を有する。ガスケット７８は、内側環状シェルのこのフランジ６４と支持フランジ５６との間にシーリングを提供する。このようにして、圧縮機から来て、Ｆ２を介して燃焼室を取り巻く圧縮された酸化剤のフローは、オリフィス７０を介してのみタービンへ入ることができる。同様に、ノズルの外側円形プラットフォーム４６は、円形溝８２を設けられたフランジ８０を有する。円形溝８２は、スプリングブレードガスケット８４を収容する。スプリングブレードガスケット８４は、外側環状シェル１２と接触する１つの端を有し、フローＦ１に対してシーリングを提供する。
【００２０】
燃焼室２４とノズル４２との間のシーリングは、同様にオメガ型円形ガスケット８６によって、燃焼室の端における外壁６２とノズルの外側円形プラットフォーム４６との間に提供される。ガスケット８６は、複合材料リング９０の円形溝８８の中に取り付けられる。リング９０は、燃焼室の端で外壁６２へろう付けされるのが有利であり、第２の保持手段５８によって、ノズルの外側円形プラットフォーム４６に対して弾性プレストレス（例えば、スプリング６０によって得られる）で保持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボマシンの中央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２】高圧タービンと燃焼室との間の、ノズルの内側プラットフォームを介する結合を示す詳細斜視図である。
【図３】高圧タービンと燃焼室との間の、ノズルの外側プラットフォームを介する結合を示す詳細斜視図である。
【図４】図１の線ＩＶ沿って見た図である。
【符号の説明】
１０ 長手方向軸
１２ 外側環状壁
１４ 内側環状壁
１６ 環状空間
１８ 拡散ダクト
２０ 噴射システム
２２ 燃料噴射ノズル
２４ 燃焼室
２６ 外側軸方向延長側壁
２８ 内側軸方向延長側壁
３０ 横断延長端部壁
３２、３４ マージン
３６、３８ 上流側端
４０、６８、７０ 開口部
４２ 環状ノズル
４４ 固定ブレード
４６ 外側円形プラットフォーム
４８ 内側円形プラットフォーム
４９ 支持手段
５０ ボルト
５２、５８ 保持手段
５４ 内側軸方向延長側壁部分
５６ 支持フランジ
６０ 弾性プレストレス
６２ 外壁
６４、８０ フランジ
６６ 金属リング
６８、７０ 開口部
７２ 長円孔
７４ ショルダ
７６、８２、８８ 円形溝
７８、８６ オメガ型円形ガスケット
８４ スプリングブレードガスケット
９０ 複合材料リング
Ｆ ガスフロー方向
Ｆ１、Ｆ２ ガスフロー

Claims (10)

1. 金属材料のシェル（１２、１４）を含み、前記シェルは、ガスフロー方向Ｆに沿って、燃料噴射アセンブリ（２０、２２）、複合材料の燃焼室（２４）、および高圧タービンの固定ブレード入口段（４４）を形成する金属材料のノズル（４２）を含み、前記ノズルは、前記シェルによって支持され、かつ第１の解放可能な固定手段（５０）によって前記シェルへ固定されるターボマシンであって、前記燃焼室が、前記シェルの内部で浮動式に取り付けられ、かつ前記ノズルによってのみ定位置に保持され、更に第２の解放可能な固定手段（５２、５８、６０）によって前記ノズルへ弾性的に固定されていることを特徴とするターボマシン。
2. 前記第１の解放可能な固定手段は、前記ノズルが、前記シェルに対して径方向へ自由に膨張可能であるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン。
3. 前記第２の解放可能な固定手段が、第一に、ノズルの内側円形プラットフォーム（４８）と前記シェルの内側環状壁（１４）を支持するように働くフランジ（５６）との間で締め付けられた、前記燃焼室の端で内側軸方向延長壁（５４）を保持する第１の保持手段（５２）、およびノズルの外側円形プラットフォーム（４６）に対して、弾性プレストレス（６０）を使用して前記燃焼室の端で外側軸方向延長壁（６２）を保持する第２の保持手段（５８）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン。
4. 前記支持フランジが、セクタへ分割され、ノズルの前記内側円形プラットフォームと燃焼室の前記内側軸方向延長壁との間で、高温時に存在する異なった膨張から生じる周辺の幾何学的差異を補償することを特徴とする、請求項３に記載のターボマシン。
5. 前記支持フランジが、シェルの前記内側環状壁のフランジ（６４）と前記第１の解放可能な固定手段によって前記フランジに対して保持された金属材料のリング（６６）との間に取り付けられることを特徴とする、請求項３に記載のターボマシン。
6. 前記第１の解放可能な固定手段が、複数のボルト（５０）を含み、前記ボルト（５０）は、前記支持フランジの対応する長円孔（７２）を通るスクリューシャンクを有し、前記スクリューシャンクは、それぞれのショルダ（７４）を設けられ、前記リングとシェルの内側環状壁の前記フランジとの間で前記支持フランジを滑らせるように、前記リングは前記ショルダを押圧していることを特徴とする、請求項５に記載のターボマシン。
7. シェルの内側環状壁の前記フランジが、オメガ型円形シーリングガスケット（７８）を収容する円形溝（７６）を有し、前記ガスケット（７８）は、シェルの内側環状壁の前記フランジと前記支持フランジとの間にシーリングを提供することを特徴とする、請求項６に記載のターボマシン。
8. 更に、複合材料のリング（９０）を含み、前記リング（９０）は、有利に燃焼室の端で前記外側軸方向延長壁（６２）へろう付けされ、かつ前記第２の保持手段によって、ノズルの前記外側円形プラットフォームに対して弾性プレストレス（６０）で保持されることを特徴とする、請求項３に記載のターボマシン。
9. 前記リングが、オメガ型円形シールガスケット（８６）を収容する円形溝（８８）を有し、前記ガスケット（８６）は、燃焼室の端にある前記外側軸方向延長壁（６２）とノズルの前記外側円形プラットフォームとの間にシーリングを提供することを特徴とする、請求項８に記載のターボマシン。
10. 外側環状シェル（１２）および内側環状シェル（１４）を含み、前記外側環状シェルおよび内側環状シェルは、前記外側環状シェルおよび内側環状シェルの間に空間（１６）を画定し、前記空間は、ガスフロー方向Ｆに沿って、第一に、外側軸方向延長側壁（２６）、内側軸方向延長側壁（２８）、および横断延長端部壁（３０）によって形成される複合材料の環状燃焼室（２４）を収容し、第二に、セクタへ分割されて、外側円形プラットフォーム（４６）と内側円形プラットフォーム（４８）との間に取り付けられた複数の固定ブレード（４４）を含む金属材料の環状ノズル（４２）を連続して収容するターボマシンであって、燃焼室の前記外側および内側軸方向長延側壁の自由端部分（５４、６２）が、前記環状ノズルの前記外側および内側円形プラットフォーム（４６、４８）へ結合され、燃焼室の端における前記内側軸方向延長側壁部分（５４）が、第１の保持手段（５２）によって、環状ノズルの前記内側円形プラットフォームと前記内側環状シェルのために支持体として働くフランジ（５６）との間で締め付けられており、燃焼室の端における前記外側軸方向延長側壁部分（６２）が、第２の保持手段（５８）によって、環状ノズルの前記外側円形プラットフォームに対して弾性プレストレス（６０）で保持されていることを特徴とするターボマシン。

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