JP4097994B2 - ２部分ｃｍｃ燃焼室のための結合部 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボマシンの特定の分野に関し、更に具体的には、ターボマシンの金属ケーシングの中にセラミックマトリックス複合材料（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、ＣＭＣ）タイプの複合材料から作られた燃焼室の組み立てによる問題に関する。
【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、特にその入口ノズル（ＨＰＴ（Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ）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、全て同じ材料、一般的には金属から作られる。しかし、特に高い燃焼温度を伴う或る特別の使用条件のもとでは、金属室は、熱の観点から全く適当でないことが明らかとなり、ＣＭＣタイプの高温複合材料に基づく燃焼室の使用が必要である。しかし、実施が困難であることおよび材料のコストは、そのような材料が、一般的に複合材料燃焼室自身での使用に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、普通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、ケーシングと燃焼室との間の結合に関して、また高圧タービンの入口におけるノズルのシーリングに関して、特に難しい問題を起こす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、それらの部品の様々な膨張係数によって引き起こされる変位を吸収できるケーシングへの燃焼室の取り付けを提案することによって、それらの欠点を軽減する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この目的は、金属材料のシェルを含み、前記シェルは、ガスフロー方向Ｆにおいて、燃料噴射アセンブリ、長手軸を有する複合材料燃焼室、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ノズルを含むターボマシンであって、前記複合材料燃焼室が、第１および第２の端を有する複数の可撓性金属タブによって、前記金属シェルの内側で定位置に保持され、前記第１の端は、第１の固定手段によって、前記金属シェルへ固定されたフランジ形成金属リングによって相互結合されており、前記第２の端の各々は、第２の固定手段によって、前記複合材料燃焼室および複合材料壁の一端へ固定されており、前記複合材料壁の他端は、前記ノズルへ固定され前記燃焼室と前記ノズルとの間でガス流をシーリングするシーリング要素の押圧面を形成し、前記金属固定用タブの可撓性が、前記複合材料燃焼室と前記金属シェルとの間で、高温時の膨張を径方向へ自由に起こさせ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】
この固定結合の特別の構造によって、従来技術のシステムにおける接触腐食に起因する様々な種類の摩耗を避けることができる。燃焼室と一列に置かれた複合材料の壁を使用して、流れをシーリングすることは、燃焼室の最初の構造を再構成することを可能にする。更に、従来技術のフランジに置き換えられた可撓性金属タブの存在は、特に評価することができる質量の軽減を生じる。これらのタブは、柔軟であることに加えて、金属部品と複合材料部品との間で高温時に現れる膨張差を容易に吸収することができ（膨張に起因する変位を吸収することによって）、同時に、燃焼室が、シェルの中で適切に保持されて良好に中心合わせされることを確実にする。
【０００６】
第１および第２の固定手段は、好ましくは複数のボルトから構成される。しかし、第２の固定手段は、クリンプ要素からも構成されることができる。前記シーリング要素は、円形「スプリングブレード」ガスケット型であることが有利である。それは、複数の較正された漏れ開口部を有することができる。
【０００７】
金属シェルが、２つの部分から作られる有利な実施形態では、前記可撓性金属タブの前記第１の端を相互結合する前記金属リングは、前記２つの部分の結合フランジの間に取り付けられる。代替の実施形態では、前記金属リングは、従来の固定手段によって前記環状シェルへ直接固定されることができる。
【０００８】
意図された実施形態に応じて、固定タブの前記第１の端は、ろう付け（又は溶接）によって前記フランジ形成金属リングへ固定されるか、前記金属リングと一体的に形成されることができる。
【０００９】
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。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１Ａ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」の用語が使用される）の中央部分を軸方向に切断したときの半分を示し、第１の実施形態では、以下のものを含む。
【００１１】
金属材料の２つの部分１２ａおよび１２ｂから作られ、長手方向軸１０を有する外側環状シェル（又は外側ケーシング）。
【００１２】
外側環状シェルと同軸で、同様に２つの部分１４ａおよび１４ｂを含み、同じく金属材料から作られた内側環状シェル（又は内側ケーシング）。
【００１３】
ガスの一般的なフロー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、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ため、２つのシェル１２ａ、１２ｂと１４ａ、１４ｂとの間に存在する環状空間１６。
【００１４】
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を含み、次に、例えば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、最後に金属材料の環状ノズル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、各々の噴射システムは、外側環状シェル１２の上流側部分１２ａ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。外側軸方向延長側壁２６および内側軸方向延長側壁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スクリューを有する金属又は耐火性のボルトによって、前記側壁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。この端部壁３０は、特に燃料を酸化剤の一部分と一緒に、燃焼室２４の中へ噴射させる開口部４０を設けられる。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。
【００１５】
ノズルは、好ましくは複数のボルト５０によって構成される第１の取り外し可能な固定手段によって、ターボマシンの内側環状シェルの下流側部分１４ｂへ固定され、ターボマシンの外側環状シェルへ固定された支持手段４９に載っている。
【００１６】
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の中に形成された貫通開口部５４および５６も設けられる。貫通開口部は、燃焼室２４の両方の側を圧縮された酸化剤を使用して、高圧タービンのロータの入口でノズルの固定ブレード４６を冷却する。圧縮された酸化剤は、拡散ダクト１８の出口で利用可能であり、２つのフローＦ１およびＦ２で流れる。
【００１７】
燃焼室２４は、ターボマシンを形成する他の部品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、ターボマシンを形成する他の部品は、金属から作られているからである。本発明によれば、燃焼室２４は、内側および外側環状シェルの間で、燃焼室の周りで規則的に配置された複数の可撓性タブ５８および６０によって、そのシェルの内側で定位置へ確実に保持される。これら固定タブの第１の部分（タブ５８を参照）は、外側環状シェル１２ａ、１２ｂと燃焼室の外側軸方向壁２６との間に取り付けられ、第２の部分は、（タブ６０のように）内側環状シェル１４ａ、１４ｂと燃焼室の内側軸方向壁２８の間に取り付けられる。例として、タブの数は、噴射ノズルの数に等しいか、その倍数に等しくされてよい。
【００１８】
金属材料の各々の可撓性固定タブは、図１Ｂに示されるように、実質的に三角形の形状であるか、単一のブレード（図示されていないが、任意に一定の幅を有する）で構成されてよく、第１の端６２および６４で、金属リング６６ａおよび６６ｂへ溶接又はろう付けされる。金属リング６６ａおよび６６ｂは、フランジを形成し、第１の固定手段５２および６８によって、内側および外側金属環状シェルの一方又は他方へ（金属リング６６ａ又は６６ｂが、どこに置かれているかに応じて）確実に固定される。フランジによるこの固定は、これらのタブが金属シェルに保持されることを容易にするためである。好ましい実施形態において、これらのタブおよび金属リングは、一緒になって単一の金属部品を形成する。
【００１９】
第２の端７０および７２では、各々のタブは、第２の固定手段７４および７６を介して、第１にセラミック複合材料燃焼室の外側軸方向壁２６および内側軸方向壁２８の下流側端８８および９０へ固定され、第２にセラミック複合材料壁７８ａおよび７８ｂの１つの端へ固定される。セラミック複合材料壁７８ａおよび７８ｂは、外側および内側軸方向壁の各々と一列になって、燃焼室の一種の第２の部分を形成する。この第２の部分は、シーリング要素の押圧面の形成をする反対の端を有する。シーリング要素は、ノズルへ固定されて、燃焼室２４とノズル４２との間でガス流に対するシーリングを提供する。
【００２０】
図１Ａに示される本発明の実施形態において、タブ７０および７２の第２の端、燃焼室の壁の下流側端、および燃焼室の第２の部分を形成するセラミック複合材料壁の第１の端の間の結合は、組立および分解を容易にし、タブのサイズを制限するため、単にボルト、好ましくは拘束ナット（ｃａｐｔｉｖｅ ｎｕｔ）型のボルトを使用して行われる。タブの第１の端６２および６４を相互結合する金属リング６６ａおよび６６ｂは、好ましくは、内側および外側環状シェルの上流側部分１２ａ、１４ａおよび下流側部分１２ｂ、１４ｂの間にある、既存の結合フランジの間に締め付けられ、第１の固定手段５２および６８によって確実に保持される。第１の固定手段５２および６８は、好ましくは、同様にボルト型である。第２の固定手段７４および７６を形成するボルトのフラットヘッドスクリューを「埋め込ませる」ため、セラミック複合材料の座金７４ａおよび７６ａが設けられることに注意すべきである。
【００２１】
燃焼室２４とノズル４２との間のガス流は、円形「スプリングブレード」ガスケット８０および８２によってシーリングされる。ガスケット８０および８２は、ノズルの外側プラットフォーム４６および内側プラットフォーム４８の各々の溝８４および８６に取り付けられ、前記円形シーリングガスケットの押圧面を形成するセラミック複合材料壁７８ａおよび７８ｂの第２の端部分を直接押圧している。ガスケットは、ノズルへ固定されたブレードスプリング型９２および９４の弾性要素によって、複合材料壁の前記第２の端へ押し付けられる。この構成によって、燃焼室２４とノズル４２との間で、高温流の完全な連続性が確保される。しかし、複合材料壁によってノズル４６の下に作り出されたデッドゾーン（ｄｅａｄ ｚｏｎｅ）を冷却するため、較正された漏れ開口部１１０（図１Ｃにのみ示される）が、ガスケット８０および８２を通して有利に設けられる。
【００２２】
燃焼室とタービンとの間のガスフローは、第１に、ノズルの内側円形プラットフォーム４８と直接接触するように、内側環状シェル１４のフランジの円形溝９８の中に取り付けられたオメガ型円形シーリングガスケット９６によってシーリングされ、第２に、ノズル４６の外側円形プラットフォーム４６の円形溝１０２の中に取り付けられ、外側環状シェルの下流側部分１２ｂの円形突起１０４と直接接触する１つの端を有する、他の円形スプリングブレードガスケット１００によってシーリングされる。
【００２３】
図１Ｃは、前述した実施形態の第１の変形を示す。この変形において、燃焼室２４の下流側端９０にあるタブは、クリンプ結合によって固定され（タブ６０のみが示される）、ボルト７６は、クリンプ要素７６ｂによって置き換えられている。この構成では、クリンプ要素を介して冷却を達成することが可能であり、従って、スプリングブレードガスケット８０および８２を通る較正された開口部を設ける必要はない。
【００２４】
図２に示される変形では、ろう付け（又は溶接）によって燃焼室２６の外側軸方向壁の固定タブ５８の第１の端６２を相互結合するフランジ形成金属リング６６ａは、もはやフランジの間には取り付けられず、それ自身、外側環状シェル１２を押圧する中心合わせキー要素１０６へろう付け（又は溶接）される。
【００２５】
図３に示される他の変形では、ろう付け（又は溶接）によって燃焼室２８の内側軸方向壁の固定タブ６０の第１の端６４を相互結合するフランジ形成金属リング６６ｂは、もはやフランジの間に取り付けられず、例えばボルト型の従来の固定手段１０８によって、内側環状シェル１４へ単純に直接固定される。
【００２６】
前述した全ての構成において、固定タブの可撓性は、複合材料燃焼室と金属環状シェルとの間で、高温時に現れる熱膨張の差異を吸収し、燃焼室の保持および定位置を継続させる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態におけるターボマシンの中央領域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における要素の詳細を示す斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ａにおける要素の詳細を示す断面図である。
【図２】第１Ａの代替結合構成として、図１Ａの一部分を示す拡大図である。
【図３】第２の代替結合構成として、図１Ａの他の一部分を示す拡大図である。
【符号の説明】
１０ 長手方向軸
１２ 外側環状シェル
１２ａ、１２ｂ 外側環状シェルの一部分
１４ 内側環状シェル
１４ａ、１４ｂ 内側環状シェルの一部分
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 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 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、６８、７４、７６、１０８ 固定手段
５４、５６ 貫通開口部
５８、６０ 可撓性タブ
６２、６４、７０、７２ 端
６６ａ、６６ｂ 金属リング
７４ａ、７６ａ 座金
７６ｂ クリンプ要素
７８ａ、７８ｂ セラミック複合材料壁
８０、８２ 円形スプリングブレードガスケット
８４、８６ 溝
８８、９０ 下流側端
９２、９４ ブレードスプリング型弾性要素
９６ オメガ型円形シーリングガスケット
９８、１０２ 円形溝
１００ 円形スプリングブレードガスケット
１０４ 円形突起
１０６ 中心合わせキー要素
１１０ 漏れ開口部
Ｆ ガスフロー方向
Ｆ１、Ｆ２ ガスフロー

Claims (9)

1. 金属材料のシェル（１２ａ、１２ｂ；１４ａ、１４ｂ）を含み、前記シェルは、ガスフロー方向Ｆにおいて、燃料噴射アセンブリ（２０、２２）、長手方向軸（１０）を有するセラミックマトリックス複合材料燃焼室（２４）、および高圧タービンの固定ブレード入口段（４４）を形成する金属ノズル（４２）を含むターボマシンであって、前記セラミックマトリックス複合材料燃焼室が、該セラミックマトリックス複合材料燃焼室の周りで規則的に配置された複数の可撓性金属タブ（５８、６０）によって、前記シェルの内側で定位置に保持され、該複数の可撓性金属タブはそれぞれ第１および第２の端（６２、６４；７０、７２）を有し、複数の前記第１の端は、第１の固定手段（５２、６８、１０８）により前記シェルへ固定されたフランジ形成金属リング（６６ａ、６６ｂ）によって相互結合され、前記第２の端の各々は、第２の固定手段（７４、７６）によって、前記セラミックマトリックス複合材料燃焼室（２６、２８）および該セラミックマトリックス複合材料燃焼室の壁と一列になっているセラミックマトリックス複合材料壁（７８ａ、７８ｂ）の一端へ固定され、前記セラミックマトリックス複合材料壁の他端は、前記金属ノズルへ固定され前記セラミックマトリックス複合材料燃焼室と前記金属ノズルとの間でガス流のシーリングを提供するシーリング要素（８０、８２）の押圧面を形成し、前記可撓性金属タブの可撓性が、高温時に生じる前記複合材料燃焼室と前記シェルとの間の径方向の膨張差を補償することを特徴とするターボマシン。
2. 前記第１および第２の固定手段が、複数のボルトによって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン。
3. 前記シェルが、２つの部分（１２ａ、１２ｂ；１４ａ、１４ｂ）から作られ、前記可撓性金属タブの前記第１の端を相互結合する前記フランジ形成金属リングが、前記２つの部分の結合フランジの間に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン。
4. 前記可撓性金属タブの前記第１の端を相互結合する前記フランジ形成金属リングが、固定手段（１０８）によって前記シェルへ直接固定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。
5. 可撓性金属タブの前記第１の端が、ろう付け又は溶接によって前記フランジ形成金属リングへ固定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。
6. 可撓性金属タブの前記第１の端が、前記フランジ形成金属リングと一体的に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン。
7. 前記第２の固定手段が、クリンプ要素（７６ｂ）によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン。
8. 前記シーリング要素が、円形スプリングブレードガスケット型（８０、８２）であることを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン。
9. 前記円形スプリングブレードガスケットが、複数の較正された漏れ開口部（１１０）を含むことを特徴とする、請求項８に記載のターボマシン。

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