JP4619061B2 - 燃焼器スワーラ組立体 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器に加圧空気を供給するためのスワーラ組立体に関する。

ガスタービンエンジンは、加圧空気を燃焼器に供給する圧縮機を含み、燃焼器において空気が燃料と混合され点火されて高温燃焼ガスを発生する。これらのガスは、下流方向に１つ又はそれ以上のタービンに流れ、タービンがガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を与えまた飛行中の航空機に動力を供給するような有用な仕事を行う。航空機用エンジンに用いる燃焼器においては、燃料は、一般的に燃焼帯の一端部に配置された複数の燃料ノズルを通して燃焼器に供給される。空気は、スワーラ組立体として知られている周囲の組立体を通して供給され、該スワーラ組立体は、空気に旋回運動を与えて該空気と燃料とを完全に混合させる。スワーラ組立体は、燃焼器の内側及び外側ライナの上流端部に結合されたドームプレートに取付けられ、また各燃料ノズル先端が、スワーラ組立体の対応する１つに受けられる。

１つの従来型のスワーラ組立体は、第１のスワーラ、第２のスワーラ及びリテーナを含む三部品組立体である。第１のスワーラは、複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回羽根又は空気通路を有する。羽根又は通路は、空気流に旋回運動を与えるようにスワーラ組立体の軸方向中心線に対して傾いている。第２のスワーラは、これも複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回羽根又は空気通路を有しているが、第１のスワーラの直ぐ下流に配置される。第２のスワーラの羽根又は通路は、第１のスワーラとは反対方向に旋回する空気の旋回を発生させて燃料及び空気の混合をさらに促進するように傾いている。リテーナは、第１のスワーラ上に嵌合しかつ第２のスワーラに溶接されて、これら２つのスワーラを互いに組合わされた状態に保持する。

第１のスワーラの羽根又は通路を通る空気流により、該第１のスワーラを第２のスワーラ及び燃料ノズルに対して回転させる傾向がある反力が生じる。しかしながら、回転するのを許している場合には、第１のスワーラは、空気に必要なレベルの旋回を与えることができず、空気及び燃料の効果的な混合が達成されないことになる。さらに、第１のスワーラの回転により、燃料ノズル先端に過度の摩耗が生じることになる。従って、従来型のスワーラ組立体においては、第１のスワーラに外向きに延びたタブを設けまた第２のスワーラにポストを設けて、タブをスワーラの相対回転を制限するようにポストに係合させることによって、第１のスワーラの回転を防止している。

しかしながら、ガスタービンエンジンの運転時に、燃焼器構造体は振動を発生し易く、また構成部品が大きな熱膨張を生じる。その結果、タブとポストとの間の相対運動が生じ、最後には修理を必要としメンテンス費用を増大させる大きな摩耗を引き起こす。修理作業には永久溶接されたリテーナの取外しが必要であるので、この修理作業は比較的困難である。さらに、摩耗したタブ及び／又はポストが折れて、タービン下流部分に損傷を引き起こす可能性もある。さらに、リテーナは、運転時に割れが発生し易く、頻繁に交換する必要がある。
特開２００１−２０１０４８号公報

従って、第１のスワーラの第２のスワーラに対する回転を防止又は好ましくは防止して頻繁な修理を排除することができ、また現場での組立及び分解が容易な改良型スワーラ組立体に対する必要性がある。

本発明はスワーラ組立体を提供し、本スワーラ組立体は、１）上面及び下面を有し、対向する第１及び第２の側端縁を有し、かつ中心に位置する開口部が形成されたほぼ正方形の基板と、２）上面及び中心開口部から延びるフェルールと、３）各側端縁の上面に沿った複数の突出部とを含むフェルール本体と、１）複数の斜めに向いた主通路を有する第１のスワールセクションと、２）ベンチュリと該ベンチュリの周りに同軸に配置された複数の反対方向に斜めに向いた二次通路とを含む第２のスワールセクションと、３）各々がベンチュリの両側に形成された内向きに延びるフランジを各々が含む一対のレールとを含む単体構造スワーラ本体とを含み、レールが、フェルール本体の対向する側端縁に沿った突出部に係合して、該フェルール本体と単体構造スワーラ本体とが分離するのを制限する。

本発明として見なされる主題を、特許請求の範囲に具体的に指摘しかつ明確に請求している。しかしながら、本発明は、添付の図面の図と共になされる以下の説明を参照することによって最も良く理解することができ、また図において同一の参照符号が様々な図を通して同じ要素を表している。

図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジンに用いるのに適した種類の燃焼器１０の前方端部を示し、その中に燃焼室を画成する中空の本体１２を含む。中空の本体１２は、形状がほぼ環状であり、外側ライナ１６及び内側ライナ１８によって形成される。中空の本体１２の上流端部は、カウル２０によって実質的に閉鎖され、カウル２０は、第１の固締具２２によって外側ライナ１６に取付けられまた第２の固締具２４によって内側ライナ１８に取付けられる。少なくとも１つの開口２６が、カウル２０内に形成されて燃料及び加圧空気を導入する。加圧空気は、全体として図１の矢印Ａで示す方向に圧縮機（図示せず）から燃焼器１０内に導入される。加圧空気は、主として開口２６を通して流れて燃焼を支援し、また一部は中空の本体１２を囲む領域内に流れ、両方のライナ１６、１８とさらに下流のターボ機械を冷却するのに用いられる。

その上流端部の付近で外側及び内側ライナ１６、１８との間に配置されかつそれらライナを互いに結合するのは、環状ドームプレート２８である。複数の円周方向に間隔を置いて配置されたスワーラ組立体３０（１つを図１に示す）が、ドームプレート２８内に取付けられる。各スワーラ組立体３０は、燃料ノズル４４を同軸に受ける中央開口部４２を備えたフェルール４８を有するフェルール本体３４と、単体構造スワーラ本体５０とを含む。単体構造スワーラ本体は、ドームプレート２８内に固定的に受けられる。

単体構造スワーラ本体５０は第１のスワーラセクション３６を含み、第１のスワーラセクション３６は、複数の斜めに向いた主通路３８を画成する複数の円周方向に間隔を置いて配置された第１の旋回羽根４０を有する。主通路３８は、スワーラ組立体３０の軸方向中心線３２に対して傾斜しており、中心線３２に対して接線方向の第１の方向の旋回運動を空気流に与えるようになっている。単体構造スワーラ本体５０はさらに、第２のスワーラセクション５６を含み、第２のスワーラセクション５６は、ベンチュリ５４と該ベンチュリの周りに同軸に配置された複数の反対方向に傾斜しかつ斜めに向いた二次通路５８を画成する複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回羽根６０とを有する。第１のスワーラセクション３６及び第２のスワーラセクション５６は、中間隔壁６４によって剛結合され単体構造の本体を形成して、この２つのセクション間の動きを排除する。ベンチュリ５４とフェルール４８の中央開口部４２とは、両方ともスワーラ組立体３０の軸方向中心線３２と同軸に整列される。

開口２６からの空気の一部分は、主通路３８内に流入しかつ該主通路を通過する。主通路３８を流出する旋回空気は、燃料ノズル４４から噴射された燃料と相互作用し、空気及び燃料がベンチュリ５４内に流入しかつ該ベンチュリを通過するとき燃料と混合する。二次通路５８は、開口２６からの空気の別の部分を導いて、中心線３２に対して反対方向の接線方向に旋回させ、その空気は、ベンチュリ５４を出る燃料／空気混合気と相互作用して、該燃料／空気混合気をさらに噴霧化し、燃焼室１４内で燃焼するための混合気を準備する。

図１は、単一アニュラ型燃焼器における本発明のスワーラ組立体を示しているが、本発明は、多重アニュラ型燃焼器を含む他の種類の燃焼器にも同様に適用可能であることに留意されたい。

図２において、フェルール本体３４は、上面６３及び下面６５を有する平坦な部材として示した基板６２を有しており、この基板６２は、対向する側端縁４６及び４７を含む周囲及び外端縁を画成する。フェルール本体３４はまた、基板６２の上面６３に形成されかつ中央開口部４２を有するフェルール４８を含む。基板６２は、一般的に形状がほぼ正方形であり、フェルール４８が中央に位置している。フェルール本体３４は、一般的にフェルール４８の中心線３２を通りかつ第１の軸線Ｘ又は第２の軸線Ｙのいずれかを通る平面に対して実質的に対称である。フェルール４８がそれから延びる基板６２の第１の面は、スワーラ組立体３０が燃焼器１０内に適当に配置されたとき、上流方向に面する。複数の一段高くなった突出部７０が、基板６２の周辺部に沿った外端縁の一部分を占め、一般的にフェルール４８の対向する側端縁４６及び４７に沿って基板６２の上面６３に形成される。より具体的には、突出部７０は、ほぼ同じパターン及び構成で各側端縁４５、４６、４７及び４９の一部分に形成される。図２の実施形態は、基板６２の各コーナ部８８に配置されかつ各コーナ部から内向きに各側端縁の全長の一部分においてだけ延びる突出部７０を示す。

図３において、第１のスワーラセクション３６は、これもまた中央開口部５２の周りで周囲又は外端縁を形成した平坦な部材である基板７４を含む。基板７４は、スワーラ組立体３０が組立てられたときフェルール本体３４（図２に示す）の下面６５に対面する上流面を有する。複数の第１の旋回羽根４０が、開口部５２の周りで円周方向に配置された複数の主通路３８を画成する。旋回羽根４０は、基板７４の下流面と中間隔壁６４とを互いに結合する。中間隔壁６４は、ベンチュリ５４を形成する内端縁により画成された中央開口部を有する。ベンチュリ５４は、中間隔壁６４の内端縁から軸方向（スワーラ組立体３０の軸方向中心線３２に対して）下流方向に延びる。単体構造スワーラ本体５０の第２のスワーラセクション５６は、ベンチュリ５４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第２の旋回羽根６０によって画成された二次通路５８を含む。

一対のリテーナレール７６が、基板７４の上流面から軸方向外向きに延びる。各リテーナレール７６は、基板７４の外端縁に沿って開口部５２の両側に設置されて、互いにほぼ平行に配列されるようになる。各リテーナレール７６は、内向きに向いた（すなわち、スワーラ組立体３０の軸方向中心線３２に向いた）フランジ７８をその上に含み、該フランジはフェルール本体３４の基板６２の突出部７０の上面と係合する。フランジ７８の基板７４の上面からの間隔は、フェルール本体３４が摺動して所定位置になるための隙間を形成するのに充分な大きさである。フェルール本体３４がフェルール４８の中心線３２を通りかつ図４に示す第１の軸線Ｘ又は第２の軸線Ｙのいずれかを通る平面に関して対称であることにより、フェルール本体３４は、その配向に関係無く単体構造スワーラ本体５０内に正確に挿入されることが可能になる。

単体構造スワーラ本体５０はさらに、基板７４の外端縁に形成されかつ該基板７４の第１の面から軸方向外向きに延びる止めタブ８２を含む。止めタブは、単体構造と組立てられた位置でフェルール本体３４を拘束するように構成される。止めタブ８２は、リテーナレール７６に対して垂直に延びた、基板７４の外端縁に設置された平らな面として示されている。溶接タブ８４もまた、基板７４の外端縁に形成されるが、該外端縁からほぼ半径方向外向きに延びる。一般的に、溶接タブ８４は、単体構造スワーラ本体５０の基板７４と同一平面内にあり、フェルール本体３４の基板６２がレール７２の下方で摺動して基板７４と向き合う位置になることを可能にする。溶接タブ８４は、ベンチュリ５４の止めタブ８２から反対側に設置されて、タック溶接部８６（図４に示す）と協働して単体構造スワール本体５０と組立てられた位置でフェルール本体３４を拘束するように構成される。

それぞれフェルール本体３４及び単体構造スワーラ本体５０の基板６２及び７４は、実質的に同じ形状を有しているが、単体構造スワーラ本体５０の基板７４のほうがわずかに大きい。図４に示すように、スワーラ組立体３０は、フェルール本体３４を単体構造スワーラ本体５０と係合するように摺動させることによって組立てられて、基板６２及び７４が実質的に同一平面内で互いに対面するようになる。

さらに、リテーナレールは、フェルール本体３４の基板６２の対向する側端縁４６、４７に充分に対面してフェルール本体３４の単体構造スワーラ本体５０に対する回転を防止するように構成することができる。側端縁４６、４７に沿った突出部７０の上面７２もまた、リテーナレールフランジ７８と係合して、フェルール本体３４及び単体構造スワーラ本体５０を共に軸方向に保持する。リテーナレール７６もまた、基板６２及び７４により定まる平面内にある図４に軸線Ｘとして表した第１の軸線に沿った、フェルール本体３４の単体構造スワーラ本体５０に対する横方向の動きを制限する。つまり、この２つのリテーナレール７６は、Ｘ方向に充分に間隔を置いて配置されて、フェルール本体３４の単体構造スワーラ本体５０に対する制限された横方向の動きを可能にする。同様に、止めタブ８２とフェルール本体３４及び単体構造スワーラ本体５０の組立後に溶接タブ８４に施工されたタック溶接部８６とは、これもまた基板６２及び７４により定まる平面内にある、軸線Ｘに対して垂直な図４に軸線Ｙとして表した第２の軸線に沿った、フェルール本体３４の横方向の動きを制限する働きをする。この場合、止めタブ８２及びタック溶接部８６は、Ｙ方向に充分に間隔を置いて配置されて、フェルール本体３４の単体構造スワーラ本体５０に対する制限された横方向の動きを可能にする。この構成により、フェルール本体３４が横方向に浮動又は移動することが可能になり、フェルール４８は、燃料ノズル４４と同軸に整列されかつ該燃料ノズルを受けることができるが、その他の点では、スワーラ組立体３０が燃焼器１０内に取付けられる間に、フェルール本体３４及び単体構造スワーラ本体５０が、非係合になるのを防止するようになる。

フランジ７８には、参考文献として本明細書に組み入れられた米国特許第６４２７４３５号に記載されたようなスカラップ状の端部が設けられる。図３に示すように、フランジ７８の端部は、切欠き部８０として形成され、この切欠き部が片持ち状フランジ７８の強制振動により起こる溶接部応力及び曲げ応力を減少させる。湾曲した切欠き部８０はさらに、従来型のリテーナセグメントにおいて大部分の割れが始まる部位であるフランジのコーナ部における応力集中要因を減少させる。

いったんスワーラ組立体３０が燃焼器１０内に取付けられると、燃料ノズル４４は、フェルール本体３４を中心合わせしかつ２つのリテーナレール７６間で所定位置にフェルール本体３４を保持する。従って、スワーラ組立体３０が燃焼器１０内に取付けられると、リテーナレールフランジ７８、止めタブ８２及びタック溶接部８６は、一般的にそれ以上なんの機能も果たさない。

さらに、エンジン運転時における圧縮機からの空気流は、フェルール本体３４を単体構造スワーラ本体５０に押し付けて保持する。

本発明の二部品組立体は、フェルール用の別個のリテーナをスワーラに対して溶接するための固定及びセットアップ装置が排除されるので、費用を節減しかつ製造を容易にする。現場での修理の間にフェルール本体３４を取外すのに、以前のように永久溶接されたリテーナを取外すのではなく小さなタック溶接部８６を除去する必要があるだけであるので、スワーラ組立体の修理が、より容易になる。突出部７０は、リテーナレール７６のフランジ７８との接触面積を著しく少なくし、このことにより摩耗が突出部７０のみに発生することになるように位置を制限し、従って摩耗及び修理の位置をより良好に制御することが可能になる。突出部７０の上面７２の小さい接触面積はまた、フェルール本体３４と単体構造のスワール本体５０のレール７６及びフランジ７８との間の摩擦力を著しく減少させ、エンジンの運転時に組立体内部でのフェルール本体３４の動きが容易になるように改善する。

本発明の特定の実施形態を説明してきたが、特許請求の範囲に記載した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、それら実施形態に対して様々な変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。

本発明のスワーラ組立体を有する燃焼器の前方部分の軸方向断面図。 本発明のスワーラ組立体用のフェルール本体の斜視図。 本発明のスワーラ組立体用の単体構造スワーラ本体の斜視図。 本発明の組立てられたスワーラ組立体の斜視図。

符号の説明

１０ 燃焼器
１４ 燃焼室
１６ 外側ライナ
１８ 内側ライナ
２０ カウル
２６ カウルの開口
２８ ドームプレート
３０ スワーラ組立体
３２ 軸方向中心線
３４ フェルール本体
３６ 第１のスワーラセクション
４２ 中央開口部
４４ 燃料ノズル
４８ フェルール
５０ 単体構造スワーラ本体
５４ ベンチュリ
５６ 第２のスワーラセクション
６２ フェルール本体の基板
６４ 中間隔壁
７０ 突出部
７６ リテーナレール
７８ リテーナレールフランジ

Claims (10)

1. フェルール本体（３４）と単体構造スワーラ本体（５０）とを含み、
   前記フェルール本体（３４）が、
   １）上面（６３）及び下面（６５）を有し、対向する第１（４６）及び第２（４７）の側端縁を有し、かつ中央に位置する開口部（４２）が形成された４つのコーナ部（８８）を有する方形の基板（６２）と、
   ２）前記上面（６３）及び中央開口部（４２）から延びるフェルール（４８）と、
   ３）前記各コーナ部に設けられ、各側端縁（４６、４７）の上面（６３）に沿った４つの突出部（７０）と、を含み、
   前記単体構造スワーラ本体（５０）が、
   １）複数の斜めに向いた主通路（３８）を有する第１のスワールセクション（３６）と、
   ２）ベンチュリ（５４）と前記ベンチュリ（５４）の周りに同軸に配置された複数の反対方向に斜めに向いた二次通路（５８）とを含む第２のスワールセクション（５６）と、
   ３）各々が前記ベンチュリ（５４）の両側に形成された内向きに延びるフランジ（７８）を各々が含む一対のレール（７６）と、を含み、
   前記レール（７６）が、前記フェルール本体（３４）の対向する側端縁（４６、４７）に沿った前記突出部（７０）に係合して、該フェルール本体と前記単体構造スワーラ本体（５０）とが分離するのを制限する、
   スワーラ組立体（３０）。
2. 前記単体構造スワーラ本体（５０）に形成された止めタブ（８２）をさらに含む、請求項１記載のスワーラ組立体（３０）。
3. 前記止めタブ（８２）が、前記単体構造スワーラ本体の外端縁に形成されている、請求項２記載のスワーラ組立体（３０）。
4. 前記止めタブ（８２）が、前記レール（７６）に対して垂直な平らな面を画成している、請求項３記載のスワーラ組立体（３０）。
5. 前記単体構造スワーラ本体（５０）に施工されたタック溶接部（８６）をさらに含み、前記タック溶接部（８６）が、前記止めタブ（８２）から間隔を置いて配置されて、前記フェルール本体（３４）の前記単体構造スワーラ本体（５０）に対する制限された横方向の動きを可能にするようになっている、請求項３記載のスワーラ組立体（３０）。
6. 前記単体構造スワーラ本体（５０）に形成された溶接タブ（８４）をさらに含み、前記タック溶接部（８６）が、前記溶接タブ（８４）に施工されている、請求項５記載のスワーラ組立体（３０）。
7. 前記一対のレール（７６）が互いに平行である、請求項１記載のスワーラ組立体（３０）。
8. 前記一対のレール（７６）が、間隔を置いて配置されて、前記フェルール本体（３４）の前記単体構造スワーラ本体（５０）に対する制限された横方向の動きを可能にするようになっている、請求項１記載のスワーラ組立体（３０）。
9. 前記フェルール本体（３４）が、前記フェルール（３４）の中心線（３２）を通りかつ第１の軸線Ｘ又は第２の軸線Ｙのいずれかを通る平面に対して対称である、請求項１記載のスワーラ組立体（３０）。
10. 前記フランジ（７８）の端部は、湾曲した切欠き部（８０）を備える請求項１乃至の９いずれか１項に記載のスワーラ組立体（３０）。

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