JP4553093B2 - 燃焼器ドーム組立体とその製作方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【連邦政府後援研究開発に関する陳述】
アメリカ合衆国政府は、空軍省によって与えられた契約番号F33615−98−C−2903号に準拠し、本発明に或る一定の権利を有することができる。
【0002】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、そのようなエンジンにおいて使用される燃焼器ドーム組立体に関する。
【0003】
【発明の背景】
ガスタービンエンジンは、加圧空気を燃焼器へ供給する圧縮機を含み、燃焼器中で空気は燃料と混合され燃焼されて、高温燃焼ガスを発生する。これらのガスは、下流の1つ又はそれ以上のタービンに流れ、タービンはガスからエネルギを抽出して圧縮機を駆動し、飛行中の航空機に動力を供給するなどの有益な仕事を行なう。航空機エンジンにおいて使用される燃焼器は一般的に、その上流端でドーム組立体に接合される内側及び外側燃焼ライナを含む。ドーム組立体は、環状スペクタクル板と、その中に装着され、燃料/空気混合気を燃焼室へ導入する複数の円周方向に間隔を置いて配置される旋回翼組立体を含む。それぞれの旋回翼組立体は、そこから下流に延びて、燃料/空気混合気の過剰な分散を防止し、燃焼室の高温燃焼ガスからスペクタクル板を遮蔽するデフレクタを有する。
【0004】
一般的に、旋回翼組立体とデフレクタとスペクタクル板とは、ろう付けのような技法によって互いに接合される。1つの従来のドーム組立体においては、1つの作業で旋回翼組立体の外径がスペクタクル板中の開口部内へろう付けされ、また、別の作業でデフレクタが旋回翼組立体の内径内へろう付けされる。そのようなドーム組立体の製作は、幾つかの時間のかかる手順を必要とし、多数の治具と多くの高価な材料とを使用し、また比較的労働集約的である。例えば、最初の作業において、旋回翼組立体は、旋回翼組立体をスペクタクル板に仮付け溶接できるように、特別な治具を使用してスペクタクル板に固定される。この仮付け溶接治具がその後除去されて、溶接防止ペーストがスペクタクル板に塗布される。次いで、ろう付け用合金ペーストが、旋回翼組立体とスペクタクル板開口部との間の空隙に配置される。次に、組立体は、ろう付け用合金が溶融して空隙を充填するように、ろう付け用合金の融点を超える温度に加熱される。組立体は、次いで自然冷却され、ろう付け用合金が凝固し、スペクタクル板に対して旋回翼組立体を接合する。
【0005】
第2の作業において、溶接防止材料と2つの形態のろう付け用合金(焼結ろう付け用テープ及びろう付け用ロープ)がデフレクタに施される。次いで、デフレクタは、別の治具を使用して旋回翼組立体/スペクタクル板部分組立体内へ固定される。引き続く加熱段階の間における焼き付きを防止するために、この治具には乳状マグネシアが施される。この組立体はその後、ろう付け用合金が溶融し旋回翼組立体/デフレクタの接合面を充填するように、ろう付け用合金の融点を超える温度に加熱される。次いで、組立体は、自然冷却され、ろう付け用合金が凝固し、旋回翼組立体に対してデフレクタを接合する。治具はその後除去される。
【0006】
それぞれの異なった段階と、これら2つの作業中に使用される材料及び治具は、ドーム組立体を製作する上での複雑さと費用とを増大させる。更に、ろう付け用合金の充填ができるようにするためにある程度の公称空隙が存在するので、旋回翼組立体は、スペクタクル板内へ挿入された場合に中心合わせされていない。このことは、旋回翼組立体/スペクタクル板のろう付け接合用空隙が、その接合面の周囲周りに不均一になることを可能にする。最悪の場合には、旋回翼組立体がスペクタクル板に接触する。その結果、接触しているところではろう付け用空隙が存在せず、また、その接触場所の反対側では過剰な空隙が存在する。
【0007】
このドーム組立体設計は、ペースト付きロープ形式のろう付け用合金を使用する。そのような材料は、50%のみがろう付け用合金であり、残りは結合剤である。このペースト付きロープがろう付け段階の間に液化された時、ろう付け用合金のみが残留してろう付け用空隙を充填するように、結合剤は焼き払われる。従って、ペースト付きロープ状のろう付け用合金は、体積的に50%しか有効でない。施されるろう付け用合金の量は、体積的に非効率的であることに加えて、ろう付け用合金ペーストは一般的に注入器を使用して人手によって施されることから、正確な制御が困難である。体積的にろう付け用合金を制御することは、燃焼器ドームの接合部を形成する上で重要である。合金が過剰だと、空隙を充填し、隣接表面へ溢れ出ることになり、溢れ出た場所で冷却孔および冷却表面強化部分が阻害される可能性のある。合金が少なすぎると、ろう付け用空隙中に空洞が残り、接合部が弱くなる。
【0008】
従って、製作が、より簡単で、時間がより掛からず、そして費用がより少ない燃焼器ドーム組立体が望まれている。
【0009】
【発明の概要】
上述の必要性は、円周内縁を定める開口部がその中に形成されたスペクタクル板と、円筒内面を定める少なくとも1つの旋回翼組立体と、円筒外面を定める少なくとも1つのデフレクタとを含む燃焼器ドーム組立体を提供する本発明によって満される。これらの部品は、デフレクタの円筒外面が、スペクタクル板の円周内縁に対して接合され、また旋回翼組立体の円筒内面に対して接合されるように配置される。
【0010】
ドーム組立体を製作する1つの好ましい方法は、接合用材料でできた第1リングをデフレクタの円筒外面上に配置する段階を含む。次いで、円筒外面は、第1リングがスペクタクル板の第1表面とデフレクタ上に形成された肩部との間に挟まれるように、スペクタクル板開口部内へ挿入される。次いで、接合用材料でできた第2リングが、デフレクタの円筒外面上に配置され、また接合用材料でできた第3リングが旋回翼組立体の円筒内面中に形成された環状溝内へ挿入される。次の段階は、第2リングがスペクタクル板の第2表面と旋回翼組立体の端部との間に挟まれ、また第3リングが円筒外面を囲むように、旋回翼組立体を円筒外面上に配置することである。次に、第1、第2及び第3リングは、第1、第2及び第3リングが溶融した接合用材料になるようにそれらの融点を超える温度に加熱される。この溶融した接合用材料は冷却されて接合部を完成する。
【0011】
本発明及び従来技術に優るその長所は、付随の図面を参照して以下の詳細説明及び添付の特許請求範囲を読むことにより明らかになるであろう。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明とみなされる対象は、本明細書の冒頭部分において特に指摘され、明確に特許請求されている。しかしながら、本発明は、付随図面の図に関連してなされる以下の説明を参照することで、もっとも良く理解できるであろう。
【0013】
同一の参照符号が様々な図にわたって同一の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で使用するのに適切なタイプの燃焼器10の前端を示し、燃焼器10はその中に燃焼室14を形成する中空本体12を含む。中空本体12は、ほぼ形状が環状であり、外側ライナ16及び内側ライナ18によって形成されている。中空本体12の上流端は、第1締結具22によって外側ライナ16へ取り付けられ、また第2締結具24によって内側ライナ18へ取り付けられたカウル20によってほぼ閉じられている。燃料及び加圧空気を導入するために、少なくとも1つの開口部26がカウル20中に形成される。加圧空気は、ほぼ図1の矢印Aによって示される方向に、圧縮機(図示せず)から燃焼器10内へ導入される。圧縮空気は、燃焼を支援するために主として開口部26を通って流れ、また部分的には中空本体12を囲む領域内へ流れ、そこで空気はライナ16、18及び更に下流のターボ機械の両方を冷却するために使用される。
【0014】
エンジンの中心軸線周りに同軸に配置されるドーム組立体27は、外側及び内側ライナ16、18の上流端近くで外側及び内側ライナ16、18の間に設置され、それらを相互連結する。ドーム組立体27は、環状のスペクタクル板28と、該スペクタクル板28中に装着される複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回翼組立体30(1つのみを図1に示す)とを含む。スペクタクル板28は、第1及び第2締結具22、24によって外側及び内側ライナ16、18に取り付けられる。各旋回翼組立体30は、複数の角度を付けられた旋回ベーン34を含む一次旋回翼32を備える。ベーン34は、空気流に対して旋回運動を与えるように、旋回翼組立体30の軸方向中心線31に対して傾斜している。口金36は、一次旋回翼32の前端上にゆるく装着され、燃料ノズル38を同軸に受け入れる。
【0015】
旋回翼組立体30は、一次旋回翼32の下流側でそれに隣接する二次旋回翼40を更に含み、またスペクタクル板28に対して固定される。二次旋回翼40は、ベンチュリ42と、ベンチュリ42の周りに同軸に配置された複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回ベーン44とを含む。ベンチュリ42と一次旋回翼32の口金36とは、両方とも旋回翼組立体30の軸方向中心線31と同軸に位置合せされる。開口部26からの空気は、一次旋回ベーン34を通って流れる。ベーン34を出ていく旋回空気は、燃料ノズル38から噴射される燃料と相互作用して、ベンチュリ42内へ流れ込むときに混合する。その後、二次旋回ベーン44が反対方向に旋回する空気の旋回を与えるように作用し、燃料/空気混合気と相互作用してその混合気を更に霧化し、燃焼室14における燃焼に備える。各旋回翼組立体30は、そこから下流に延びるデフレクタ46を有し、燃料/空気混合気の過剰な分散を防止し、スペクタクル板28を燃焼室14における高温燃焼ガスから遮蔽する。
【0016】
図1は単一環状燃焼器における燃焼器ドーム組立体を示すが、本発明は、多重環状燃焼器を含む別のタイプの燃焼器に対しても等しく適用可能であることに注目されたい。本発明はまた、別のタイプの旋回翼組立体に対しても同じく適用可能であることに注目されたい。
【0017】
図2及び図3には、ドーム組立体27を更に詳細に示す。スペクタクル板28は、その中に形成され円周方向に間隔を置いて配置された複数の円形の開口部を含む。旋回翼組立体30の1つとデフレクタ46の1つとは、各開口部における接合部によってスペクタクル板28に固定接合される。各スペクタクル板開口部は、所定の内径を有する円周内縁48(図3)を定める。各旋回翼組立体30は、二次旋回翼40の後端から軸方向に延びる円筒フランジ50を有する。各フランジ50は、好ましくはスペクタクル板開口部の内径に等しい所定の内径を有する円筒内面52を定める。環状溝54は、フランジの前端と後端との中間で各フランジ50の円筒内面52中に形成される。各旋回翼組立体30は、円筒フランジ50がスペクタクル板開口部と同軸に位置合せされ、フランジ50の後端がスペクタクル板28の前面に隣接するように、対応するスペクタクル板開口部に対して配置される。
【0018】
各デフレクタ46は、管状装着部分56及び一体的に形成されたフレア部分58を含む。各管状装着部分56は、所定の外径を有する円筒外面60を定める。円筒外面60は、管状装着部分56の前端から、管状装着部分56とフレア部分58との結合部近くに設けられる前方に面する環状肩部62まで軸方向に延びる。管状装着部分56は、フレア部分58がスペクタクル板28の後方に配置されるように、スペクタクル板開口部のそれぞれの開口部と、対応する旋回翼組立体30の円筒フランジ50との中に同軸に配置される。スペクタクル板28の後面は、環状肩部62に隣接し、また、円筒フランジ50の前端と管状装着部分56とは、互いに同軸に位置合せされるのが好ましい。
【0019】
円筒外面60は、刻み目が付けられる。即ち、一連の小さな隆条もしくはビードが付けられる。この刻み目は、一般的に菱形模様であるが、勿論他の刻み目模様も可能である。もしくは、円筒外面60に代えて、円周内縁48及び円筒内面52に刻み目をつけることもできる。しかしながら、円筒外面60は、2つの内面に比べて格段に刻み目を付けるのが容易であることから、円筒外面60の方が刻み目をつけるのに好ましい表面である。同様に、前述の環状溝54は、円筒内面52の代わりに円筒外面60中に形成することもできる。しかしながら、この場合、フランジ50が管状装着部分56に比較して厚さが実質的に厚いことから、円筒内面52の方が好ましい。
【0020】
円筒外面60の外径(刻み目の頂上によって定められる)は、スペクタクル板開口部及び円筒フランジ50の内径にほぼ等しい。従って、各円筒外面60は、対応するスペクタクル板開口部及び円筒フランジ50と締まり嵌めを構成する。旋回翼組立体30及びデフレクタ46は従って、個別の治具による固定もしくは仮付け溶接を行なうことなく、スペクタクル板28に対して接合できる。デフレクタ46はまた、対応するスペクタクル板開口部及び旋回翼組立体30に対して自動的に中心合わせされ、それによって不均一な空隙を除去する。以下に説明するように、刻み目の谷は、接合用材料が、各デフレクタ46とスペクタクル板28及びに対応する旋回翼組立体30との間の全接合面の周りに流れることができるようにする。
【0021】
旋回翼組立体30及びデフレクタ46は、スペクタクル板28に対してろう付けもしくは半田付けのような類似の接合技法によって接合されるのが好ましい。1つの作業で各旋回翼組立体の外面をスペクタクル板に接合し、その後別の作業で各デフレクタを対応する旋回翼組立体の内径内に接合するのではなくて、スペクタクル板28と、旋回翼組立体30と、デフレクタ46とは、治具による固定を必要とすることなく単一の作業で互いに接合される。
【0022】
ドーム組立体27を製作するための好ましい方法は、各接合部に対して、接合用材料でできた2つのフォイル状リングと、接合用材料でできたソリッド状リングとを使用する。このフォイル状リングは、ワッシャのような形状の薄いシート状部品である。ソリッド状リングは、それより実質的に厚めであり、各円筒フランジ50内部に形成された環状溝54中に受け入れられる寸法にされる。半田金属のような接合用材料、溶接用材料及び流動可能な非金属接着剤を使用することもできるが、この接合用材料は、スペクタクル板28と、旋回翼組立体30と、デフレクタ46とが製作された材料または材料類よりも低い融点を有するろう付け用合金であることが好ましい。例えば、スペクタクル板28と、旋回翼組立体30と、デフレクタ46とが全て、約52重量パーセントのコバルト、23重量パーセントのクロム、10重量パーセントのニッケル、7重量パーセントのタングステン、3.5重量パーセントのタンタル、残部がニッケルと不純物である公称組成を有する超合金Mar−M−509、もしくは約52重量パーセントのコバルト、20重量パーセントのクロム、10重量パーセントのニッケル、15重量パーセントのタングステン、残部がニッケルと不純物である公称組成を有する超合金L605で作られるとした場合、その時は好ましいろう付け用合金は、約94重量パーセントのニッケル、3.5重量パーセントのシリコン、1.8重量パーセントのホウ素、残部が不純物である公称組成を有するAMS4779である。フォイル状及びソリッド状ろう付け用合金リングは全て、ほぼ100%のろう付け用合金で作られ、また、各フォイル状リング及び各ソリッド状リングは同一体積を有するように、精密に製作される部品である。例えば、フォイル状リングは、打ち抜きシートから製作でき、また、ソリッド状リングは引き抜き線とすることができる。このことにより、施されるろう付け用合金の体積及び場所についての一貫した正確な制御が可能になり、接合領域が有するろう付け用合金が過剰もしくは過少となることを防止する。
【0023】
図4に示すように、第1段階は、デフレクタ46のうちの最初のデフレクタの管状装着部分56上に、環状肩部62に当てて第1フォイル状ろう付け用合金リング64を配置することである。次いで、デフレクタ46は、第1フォイル状ろう付け用合金リング64がスペクタクル板28の後面と環状肩部62との間に挟まれるように、そのスペクタクル板開口部内へ挿入される。上述のように、デフレクタ46の円筒外面60は、対応するスペクタクル板開口部と締まり嵌めを構成する。この締まり嵌めの挿入は、圧力嵌め、もしくは、挿入に先立ってスペクタクル板開口部に接触するようにデフレクタ46を冷却する、もしくは挿入に先立って開口部を拡大するようにスペクタクル板28を加熱する、或いはそれらの組合せのような他の公知の技法によって行なうこともできる。
【0024】
次に、第2フォイル状ろう付け用合金リング66が、図5に示すように、管状装着部分56上に、スペクタクル板28の前面に当てて配置される。図6に示すように、ソリッド状ろう付け用合金リング68が、旋回翼組立体30のうちの最初の旋回翼組立体における環状溝54内へ挿入される。次いで、円筒フランジ50が、スペクタクル板28から前方へ延びる管状装着部分56の部分の上に配置される。旋回翼組立体30は、第2フォイル状ろう付け用合金リング66がスペクタクル板28の前面と円筒フランジ50の端部との間に挟まれ、ソリッド状ろう付け用合金リング68が管状装着部分56の円筒外面60を囲むように、スペクタクル板28及びデフレクタ46(図2に示すように)に対して配置される。円筒外面60はまた、円筒フランジ50と締まり嵌めを構成する。この締まり嵌めによって、スペクタクル板28と、旋回翼組立体30と、デフレクタ46とは、全て互いに固定された関係で保持される。従って、個別の治具で固定することもしくは仮付け溶接することを用いながら部品を互いに永久的に接合する必要がない。
【0025】
前述の段階は、旋回翼組立体30の各々及びその対応するデフレクタ46に対して繰り返される。全ての旋回翼組立体30及びデフレクタ46がこのようにしてスペクタクル板28上に装着されると、ろう付け用合金リング64、66及び68は、ろう付け用合金の融点を超える温度に加熱(一般的に組立体全体を加熱することによって)される。ろう付け用合金は融解し各接合部全体にわたって流れる。刻み目がつけられた外側面60に形成された谷が、この融解したろう付け用合金が、毛管現象によって、デフレクタ46とスペクタクル板28及び対応する旋回翼組立体30の間の接合面全体にわたって流れることを可能にする。このリフローろう付け用合金は引き続きその融点以下の温度に冷却される。ろう付け用合金は凝固し、その結果スペクタクル板28と、旋回翼組立体30と、デフレクタ46とを互いに接合する。具体的には、各デフレクタ46の円筒外面60は、対応する円周内縁48に対して接合され、円筒内面52に対して接合される。また、円筒フランジ50の後端は、スペクタクル板28の前面に対して接合される。
【0026】
上述のように、殆ど100%がろう付け用合金である、精密に製作されたろう付け用合金リング64、66及び68を使用することによって、施されるろう付け用合金の体積及び場所について一貫した正確な制御が得られる。このことは、接合領域が有するろう付け用合金が過剰もしくは過少になることを防止する。即ち、溶融したろう付け用合金は、溢れ出ることなく円筒外面60と円周内縁48及び円筒内面52との間の接合面を充填する。同様に、円筒フランジ50の後端とスペクタクル板28の前面との間の接合面が、溢れ出ることなく充填される。結果として、隣接表面に溶接防止材を使用する必要がない。
【0027】
以上、スペクタクル板と、旋回翼と、デフレクタとを互いに接合するための、改善された接合部を有する燃焼器ドーム組立体を説明してきた。この改善された接合部は、ドーム組立体の生産性を大いに向上させる。具体的には、3つのドーム組立体部品は、多くの治具を使用する多くの作業ではなくて、治具で固定することのない単一作業で互いに接合される。更に、この改善された接合部は、従来のドーム組立体接合部に比較して、使用原材料がより少なく、必要な製作時間がより少なく、また、より体積的に有効である。この改善された接合部はまた、接合される部品を互いに対して自動的に中心合わせし、それによって不均一かつ弱体な接合部を回避する。その結果、製作する上でより簡単でより安価なドーム組立体が得られる。
【0028】
本発明の特定の実施形態を説明してきたが、これら実施形態に対して、添付の特許請求の範囲に記載する本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更形態をなし得ることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の燃焼器ドーム組立体の1実施形態を示す燃焼器の前方部分の軸方向断面図。
【図2】 図1の燃焼器ドーム組立体の拡大断面図。
【図3】 図2の円3で囲まれた燃焼器ドーム組立体の部分の拡大詳細図。
【図4】 燃焼器ドーム組立体の製作における1つの段階を示す、軸方向断面図。
【図5】 燃焼器ドーム組立体の製作における別の段階を示す、軸方向断面図。
【図6】 燃焼器ドーム組立体の製作における更に別の段階を示す、軸方向断面図。
【符号の説明】
27 燃焼器ドーム組立体
28 スペクタクル板
30 旋回翼組立体
46 デフレクタ
48 円周内縁
52 円筒内面
54 環状溝
56 管状装着部分
58 フレア部分
60 円筒外面
64 第1リング
66 第2リング
68 第3リング

Claims (8)

  1. 円周内縁(48)を定める開口部を形成したスペクタクル板(28)と、
    円筒内面(52)を定める円筒フランジ(50)を有する旋回翼組立体(30)と、
    前記スペクタクル板開口部及び前記円筒フランジ(50)内に配置され、円筒外面(60)を定める管状装着部分(56)と、
    フレア部分(58)とを有するデフレクタ(46)と、
    前記円筒外面(60)と前記円周内縁(48)との間、及び前記円筒外面(60)と前記円筒内面(52)との間に配置される接合用材料と、
    を含むことを特徴とする燃焼器ドーム組立体(27)。
  2. 前記円筒フランジ(50)は、前記円筒内面(52)中に形成された環状溝(54)を有することを特徴とする、請求項1に記載の燃焼器ドーム組立体(27)。
  3. 前記接合用材料は、ろう付け用合金であることを特徴とする、請求項1に記載の燃焼器ドーム組立体(27)。
  4. 前記デフレクタ(46)は、前記スペクタクル板(28)の第1表面に隣接する肩部(62)を有することを特徴とする、請求項1に記載の燃焼器ドーム組立体(27)。
  5. 前記円筒フランジ(50)は、前記スペクタクル板(28)の第2表面に隣接する端部を有し、該円筒フランジ(50)端部と前記スペクタクル板(28)の前記第2表面との間に配置される接合用材料を更に含むことを特徴とする、請求項4に記載の燃焼器ドーム組立体(27)。
  6. 前記円筒外面(60)は、刻み目が付けられることを特徴とする、請求項1に記載の燃焼器ドーム組立体(27)。
  7. 前記円筒外面(60)は、前記円周内縁(48)及び前記円筒内面(52)と締まり嵌めを構成することを特徴とする、請求項6に記載の燃焼器ドーム組立体(27)。
  8. 燃焼器ドーム組立体(27)を製作する方法であって、
    開口部を形成したスペクタクル板(28)を設ける段階と、
    環状溝(54)を形成した円筒内面(52)を定める円筒フランジ(50)を有する旋回翼組立体(30)を設ける段階と、
    円筒外面(60)を定め、その上に肩部(62)を形成し管状装着部分(56)と、フレア部分(58)とを有するデフレクタ(46)を設ける段階と、
    接合用材料でできた第1リング(64)を前記管状装着部分(56)上に配置する段階と、
    前記第1リング(64)が前記スペクタクル板(28)の第1表面と前記肩部(62)との間に挟まれるように、前記管状装着部分(56)を前記スペクタクル板開口部内へ挿入する段階と、
    接合用材料でできた第2リング(66)を前記管状装着部分(56)上に配置する段階と、
    接合用材料でできた第3リング(68)を前記環状溝(54)内へ挿入する段階と、
    前記第2リング(66)が前記スペクタクル板(28)の第2表面と前記円筒フランジ(50)の端部との間に挟まれ、また前記第3リング(68)が前記管状装着部分(56)を囲むように、前記円筒フランジ(50)を前記管状装着部分(56)上に配置する段階と、
    前記第1、第2及び第3リング(64、66、68)が溶融した接合用材料になるように、前記第1、第2及び第3リング(64、66、68)をそれらの融点を上回る温度に加熱する段階と、
    前記溶融した接合用材料を冷却する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
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