JP3984101B2 - 可撓性結合スリーブによるターボマシンのｃｍｃ燃焼室のための取り付け - 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）材料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いて、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、全て金属タイプの材料から作られる。しかし、非常に高い燃焼温度を伴う或る特定の使用条件のもとでは、金属燃焼室の使用は、熱の見地から全く不適当であることが判明し、ＣＭＣタイプの高温複合材料に基づいた燃焼室の使用が必要である。しかし、そのような材料の加工が困難であること、および原料コストは、それらの使用が、通常、燃焼室自体へ限定されることを意味し、高圧タービンの入口ノズルおよびケーシングは、通常では依然として金属材料から作られている。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。その結果、高温タービンへの入口にあるノズルとのインタフェースに関して、またケーシングと燃焼室との間の結合に関して、特に重大な空気力学的問題が起こる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これら部品の膨張係数の差異によって引き起される変位を吸収できるケーシング−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。本発明の他の目的は、形状が単純で、製造が特に容易な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、前記シェルは、ガスフローの方向Ｆにおいて、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を有する入口段を形成する金属材料のセクタ分割ノズルを含む、ターボマシンであって、前記燃焼室が、金属材料のセクタ分割可撓性スリーブによって定位置に保持され、前記スリーブは、第１の固定手段によって前記燃焼室へ固定された第１の端を有し、また第２の固定手段によって前記シェルへ固定されフランジを形成する第２の端を有することを特徴とするターボマシンによって達成される。更に、前記第１の固定手段は、前記燃焼室を前記セクタ分割ノズルへ結合するように働く。
【０００５】
このように、燃焼室をノズルへ直接取り付ける（一体化する）ことによって、運転中のガス流のミスアライメントが避けられ（従って、高圧タービンへのより良好なガス供給が保証され）、同時に燃焼室とノズルとの間のシーリングが改善される。更に、セクタ分割可撓性スリーブのシステムを介してシェルへ結合することは、重くて硬いフランジを有する従来の結合装置と比較して、燃焼室の重量を相当に軽減する。
【０００６】
第１の固定手段は、好ましくは複数のボルトによって構成される。可撓性セクタ分割金属スリーブは、冷却流体の通過を可能にする通気開口部を有し、また前記通気開口部の上流側端で終端する複数の並列セクタ分割スロットを有する。セクタ分割スロットは、複合材料から作られた燃焼室と金属材料から作られたシェルとの間に存在する、相対的熱膨張を補償する大きさを有する。
【０００７】
ターボマシンが、金属材料の外側および内側環状壁を有するシェルを含み、前記外側および内側環状壁が、前記外側および内側環状壁の間に空間を画定し、前記空間が、ガスフローの方向Ｆにおいて、燃料噴射アセンブリと、外側軸方向延長側壁、内側軸方向延長側壁、および横断延長端部壁から形成された複合材料の環状燃焼室と、外側セクタ分割円形プラットフォームおよび内側セクタ分割円形プラットフォームの間に取り付けられた、複数の固定ブレードによって形成された金属材料のセクタ分割環状ノズルとを、連続して収容する好ましい実施形態では、燃焼室の前記外側および内側側壁の下流側端は、金属材料の外側および内側可撓性スリーブによって定位置に保持され、前記スリーブは、第１の固定手段によって前記外側および内側下流側端へ固定された第１の端を有し、また第２の固定手段によって前記外側および内側環状シェルへ固定されてフランジを形成する第２の端を有する。
【０００８】
これらの第１の固定手段は、ノズルの前記内側セクタ分割円形プラットフォームと内側セクタ分割可撓性スリーブの前記第１の端との間に、燃焼室の内側側壁の前記下流側端部分を保持する第１の保持手段を含み、またノズルの前記外側セクタ分割円形プラットフォームと外側セクタ分割可撓性スリーブの前記第１の端との間に、燃焼室の外側側壁の前記下流側端部分を保持する第２の保持手段を含むことが有利である。
【０００９】
好ましくは、内側セクタ分割可撓性スリーブの前記第１の端は、シェルの内側環状壁のガスケットに対する押圧面として働くフランジ形成下流側部分を有する。
【００１０】
ターボマシンの中でシーリングを提供するため、シェルの前記内側環状壁は、オメガ型の円形ガスケットを収容するのに適した円形溝を含むフランジを有する。前記円形ガスケットは、前記フランジおよびシェルの内側環状壁と前記フランジ形成下流側部分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による以下の説明から、より充分に明らかになる。
【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（以下の説明では、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し、以下のものを含む。
【００１３】
長手方向軸１０の周りに金属材料の外側環状壁（又はケーシング）１２を有し、またそれと同軸で同様に金属材料から作られた内側環状壁（又はケーシング）１４を有するシェル。
【００１４】
前記シェルの２つの環状壁１２および１４の間に広がり、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、一般的には空気を受け取る環状空間１６。
【００１５】
この空間１６は、ガスフロー方向において、最初に、複数の噴射システム２０から作られた噴射アセンブリを含み、次に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燃焼室２４を含み、最後に金属材料から作られた環状ノズル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置され、その各々は、外側環状シェル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省略されている）。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、および横断延長端部壁３０によって形成される。双方の側壁は軸１０の周りで同軸である。前記端部壁３０は、任意の適切な手段、例えば耐火性又は金属のフラットヘッドボルトによって、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を有し、特に燃料および酸化剤の一部分を燃焼室２４へ噴射させるための開口部４０を設けられている。環状ノズル４２は、高圧タービン（図示されていない）の入口段を形成し、通常、外側セクタ分割円形プラットフォーム４６および内側セクタ分割円形プラットフォーム４８の間に取り付けられた複数の固定ブレード４４を含む。
【００１６】
本発明において、燃焼室２６、２８は、金属材料の可撓性スリーブ５６および６０によって定位置に保持される。可撓性スリーブ５６および６０は、第１の固定手段５０および５２によって、燃焼室の側壁の下流側端２６ａおよび２８ａへ固定された第１の端５６ａおよび６０ａ、並びに第２の固定手段５４および５８によって、シェル１２および１４へ固定されてフランジを形成する第２の端５６ｂおよび６０ｂを有する。この可撓性スリーブは、ＣＭＣ燃焼室と金属シェルとの間の膨張差を補償するため部分的にセクタへ分割されている。更に、第１の固定手段５０および５２は、燃焼室の側壁２６および２８の間にノズル４２を保持するように働く。従って、燃焼室の外側側壁の下流側端２６ａは、ノズルの外側プラットフォーム４６と金属材料の外側セクタ分割可撓性スリーブの第１の端６０ａとの間に取り付けられている。外側セクタ分割可撓性スリーブのフランジを形成する第２の端６０ｂは、外側環状シェル１２へ固定され、従って３つの要素、即ち、外側軸方向壁の下流側端、ノズルの外側プラットフォーム、および外側セクタ分割可撓性スリーブの第１の端から作られているアセンブリは、第１の固定手段によって一緒に締め付けられて保持されている。同様に、燃焼室の内側側壁の下流側端２８ａは、ノズルの内側プラットフォーム４８と金属材料の内側セクタ分割可撓性スリーブの第１の端５６ａとの間に取り付けられる。内側セクタ分割可撓性スリーブのフランジを形成する第２の端５６ｂは、内側環状シェル１４へ固定され、３つの要素、即ち、内側軸方向壁の下流側端、ノズルの内側プラットフォーム、および内側セクタ分割可撓性スリーブの第１の端によって形成されるアセンブリは、第１の固定手段によって一緒に締め付けられて保持されている。
【００１７】
これらの第１の固定手段は、ノズルの内側セクタ分割円形プラットフォーム４８と内側金属セクタ分割可撓性スリーブ５６の第１の端５６ａとの間に挟まれた、燃焼室の内側側壁２８の下流側端２８（即ち、その上流側端３８から離れている）を保持する第１の保持手段５０、およびノズルの外側セクタ分割円形プラットフォーム４６と外側金属セクタ分割可撓性スリーブ６０の第１の端６０ａとの間に挟まれた、燃焼室の外側側壁の下流側端２６ａ（即ち、上流側端３６から離れている）を保持する第２の保持手段５２を含む。
【００１８】
同様に、第２の固定手段は、第一に、内側セクタ分割可撓性スリーブの上流側フランジ５６ｂを、内側環状シェル１４へ固定する第１の結合手段５４、および外側セクタ分割可撓性スリーブの上流側フランジ６０ｂを、外側環状シェル１２へ固定する第２の結合手段５８を含む。
【００１９】
第１の保持手段５０および第２の保持手段５２、並びに第１の結合手段５４および第２の結合手段５８は、それぞれ複数のボルトによって構成されることが有利である。
【００２０】
内側金属可撓性スリーブ５６の第１の端５６ａは、フランジを形成する下流側部分６６を設けられることが有利である。下流側部分６６は、前記内側環状シェルのフランジ６４の中に取り付けられたガスケットの押圧面として働く。
【００２１】
更に、拡散ダクト１８の出口で利用可能であり、２つの流れＦ１およびＦ２に分かれて、燃焼室のいずれかの側へ流れる圧縮された酸化剤を使用することによって、高圧タービンのロータへの入口でノズルの固定ブレード４４を冷却させるため、貫通開口部６８および７０も、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の中に形成される。これらの冷却流は、最初に、内側および外側金属セクタ分割可撓性スリーブの様々なセクタの間を通され、更に、これらスリーブを通して形成された通気開口部５６ｃおよび６０ｃを介して通される。通気開口部５６ｃおよび６０ｃは、隣接したセクタを分離するスロット７２および７４（例えば、図２を参照）の中にある。これらのセクタ分割スロットは、複合材料燃焼室と金属材料シェルとの間に存在する、熱膨張を補償するように決定されるような大きさである。
【００２２】
燃焼室とタービンへの入口ノズルとの間を流れるガス流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、内側環状シェルの前記フランジと内側金属スリーブ５６のフランジ形成下流側端６６との間にシーリングを提供する。従って、圧縮機からＦ２を介して燃焼室を通過する圧縮された酸化剤のフローは、開口部７０を通過することによってのみ（セクタ分割スロット７２および通気開口部５６ｃを通過した後に）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。ガスケット８４の１つの端は、流れＦ１のシーリングを提供するため外側環状シェル１２と接触する。従って流れＦ１は、開口部６８を通って（セクタ分割スロット７４および通気開口部６０ｃを通過した後に）流れるように強制される。
【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図である。
【図２】ノズルの内側プラットフォームにおいて、高圧タービンと燃焼室との間の結合を示す詳細斜視図である。
【図３】ノズルの外側プラットフォームにおいて、高圧タービンと燃焼室との間の結合を示す詳細斜視図である。
【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 環状拡散ダクト
２０ 噴射システム
２２ 燃料噴射ノズル
２４ 燃焼室
２６、２８ 側壁
２６ａ、２８ａ 下流側端
３０ 端部壁
３２、３４ マージン
３６、３８ 上流側端
４０ 開口部
４２ 環状ノズル
４４ 固定ブレード
４６ 外側セクタ分割円形プラットフォーム
４８ 内側セクタ分割円形プラットフォーム
５０、５２、５４、５８ 固定手段
５６、６０ 可撓性スリーブ
５６ａ、５６ｂ、６０ａ、６０ｂ 端
５６ｃ、６０ｃ、６８、７０ 通気開口部
６４、８０ フランジ
６６ フランジ形成下流側部分
７２、７４ スロット
７６、８２ 円形溝
７８ 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
Ｆ ガスフロー方向
Ｆ１、Ｆ２ 流れ

Claims (9)

1. 金属材料のシェル（１２、１４）を含み、前記シェルは、ガスフローの方向Ｆにおいて、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（４４）を有する入口段を形成する金属材料のセクタ分割ノズル（４２）を含むターボマシンであって、前記燃焼室が、金属材料のセクタ分割可撓性スリーブ（５６、６０）によって定位置に保持され、前記スリーブは、第１の固定手段（５０、５２）によって前記燃焼室へ固定された第１の端（５６ａ、６０ａ）を有し、また第２の固定手段（５４、５８）によって前記シェルへ固定されフランジを形成する第２の端（５６ｂ、６０ｂ）を有し、更に、前記第１の固定手段が、前記燃焼室と前記セクタ分割ノズルとの間の結合も提供することを特徴とするターボマシン。
2. 前記第１の固定手段が、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に記載のターボマシン。
3. 前記金属セクタ分割可撓性スリーブが、冷却流体を通過させる通気開口部（５６ｃ、６０ｃ）を有することを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン。
4. 前記金属セクタ分割可撓性スリーブが、前記通気開口部の上流側端で終端する複数の並列セクタ分割スロット（７２、７４）を有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. 前記セクタ分割スロットが、複合材料の燃焼室と金属材料のシェルとの間に存在する熱膨張を補償する大きさを有することを特徴とする、請求項４に記載のターボマシン。
6. 金属材料の外側および内側環状壁（１２、１４）を有するシェルを含み、前記外側および内側環状壁は、前記外側および内側環状壁の間に空間（１６）を画定し、前記空間は、ガスフローの方向Ｆにおいて、燃料噴射アセンブリ（２０；２２）と、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）によって形成された複合材料の環状燃焼室（２４）と、外側セクタ分割円形プラットフォーム（４６）および内側セクタ分割円形プラットフォーム（４８）の間に取り付けられた、複数の固定ブレード（４４）によって形成された金属材料のセクタ分割環状ノズル（４２）と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側壁の下流側端（２６ａ、２８ａ）が、金属材料の外側および内側セクタ分割可撓性スリーブ（５６、６０）によって定位置に保持され、前記スリーブは、第１の固定手段（５０、５２）によって、前記外側および内側下流側端へ固定された第１の端（５６ａ、６０ａ）を有し、また第２の固定手段（５４、５８）によって、前記外側および内側環状シェルへ固定されてフランジを形成する第２の端（５６ｂ、６０ｂ）を有し、
   内側セクタ分割可撓性スリーブの前記第１の端が、シェルの前記内側環状壁のガスケット（７８）に対する押圧面として働くフランジ形成下流側部分（６６）を有することを特徴とするターボマシン。
7. 前記第１の固定手段が、第１に、ノズルの前記内側セクタ分割円形プラットフォームと内側セクタ分割可撓性スリーブの前記第１の端との間で、燃焼室の内側側壁の前記下流側端を保持する第１の保持手段（５０）を含み、また第２に、ノズルの前記外側セクタ分割円形プラットフォームと外側セクタ分割可撓性スリーブの前記第１の端との間で、燃焼室の外側側壁の前記下流側端を保持する第２の保持手段（５２）を含むことを特徴とする、請求項６に記載のターボマシン。
8. 前記第１および第２の保持手段の各々が、それぞれ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７に記載のターボマシン。
9. シェルの前記内側環状壁は、円形溝（７６）を有するフランジ（６４）を含み、前記円形溝（７６）は、シェルの内側環状壁の前記フランジと前記フランジ形成下流側部分との間にシーリングを提供するオメガ型円形ガスケット（７８）を収容することを特徴とする、請求項６に記載のターボマシン。

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