JP5024218B2 - ターボ機械の燃焼チャンバ - Google Patents

Description

本発明は、環状燃焼チャンバを備える航空機ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械に関する。

ターボ機械の環状燃焼チャンバは、回転対称性を有する２つの内側および外側同軸壁を含み、それらの上流端部で堅固な環状チャンバ端部壁によって接続され、その下流端部に内側および外側ケーシングに取り付けるためのフランジを有する。また、ターボ機械の環状燃焼チャンバは、チャンバ端部壁に固定され燃焼チャンバの中または周囲に空気流を導くことを意図した上流の環状カウリングを含む。チャンバ端部壁およびカウリングは開口部を有し、空気のチャンバへの流入および燃焼チャンバ中に燃料を噴霧する噴射器の挿入を可能にする。

下流端部で、チャンバは燃焼チャンバの出口側に配置されたタービン部分の外側ケーシングに外側フランジによって接続される。

このチャンバが内側および外側ケーシングに搭載される方法、およびそれが取り付けられる方法はターボ機械の性能を低下させるいくつかの欠点を有する。

具体的に、チャンバの取り付け方法の理由により、噴射器は良好な燃焼に必要な最適方法でチャンバ中に配置することができない。具体的に、チャンバのさまざまな部品の連続的な固定、すなわち内側および外側回転壁のチャンバ端部壁への固定を行い、次いで内側および外側フランジのターボ機械のケーシングへの取り付けを行うことは、各部品の製造公差および組み立て公差が累積され、したがって、ケーシング内におけるチャンバ配置の不正確さを招く。その結果、噴射器はケーシングに正確に取り付けることができず、それらの先端は燃焼チャンバの軸に沿って正確にアライメントすることができず、これはチャンバ中に噴射された燃料が理想的な燃焼を行うことができず、ターボ機械の性能が低下することを意味する。

従来技術において、燃焼チャンバが発散するか、あるいは収束するか、すなわち、上流から下流にチャンバがターボ機械の軸から発散するか、あるいは軸に向かって収束するかによって燃焼チャンバの２つの種類が区別される。

一般に燃焼チャンバは外側ケーシング中に下流端部から搭載され、これは発散チャンバの場合、特別に困難ではない。

いくつかの場合において、収束燃焼チャンバはそれらが軸方向により少ない空間を占めるので、発散チャンバよりも好ましい。このようなチャンバを下流端部から外側ケーシングに搭載することは、チャンバの外側ケーシングの下流直径を拡大しなくてはならないことを意味し、したがって、径方向寸法の質量およびコスト増加になる。また、ケーシングの下流直径の増加は、チャンバの外側ケーシングとタービン部分の外側ケーシングとの間にミスアライメントを招き、空気力学的な性能が低下する。最終的に、上述の問題を回避するために上流端部からチャンバを取り付けることは、噴射器の取り付け領域の取り付け点でバイパス流中の燃焼チャンバ上流部分に取り付けられた内側および外側フランジに頼る必要があり、これは機械的な困難性とチャンバ周囲の空気流の問題を生じるため、実現性がない。

また、運転中に、チャンバと外側ケーシングとの間の温度差は、チャンバの軸状膨張の結果、チャンバの軸に対して噴射器のミスアライメントを招き、これは数ミリメートルの大きさになり得る。

本発明の主題はターボ機械であり、詳細には、従来技術の上述の欠点を簡単で効果的かつ経済的な方法で回避する収束環状チャンバを有するターボ機械に関する。

この目的のために、全てがターボ機械の軸に対して回転対称性を有し、燃料噴射手段が設けられた環状チャンバ端部壁によってその上流端部に接続された２つの径方向内側壁および径方向外側壁を含む環状燃焼チャンバを含むターボ機械が提案され、このターボ機械は燃焼チャンバの上流端部を外側ケーシングから懸架するための懸架手段を含み、これらの手段はその端部で燃焼チャンバの壁および外側ケーシングへ関節式に結合された（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ）少なくとも１つの連結ロッドを含み、燃焼チャンバの下流端部は可撓性接続部または取り付け台によって内側ケーシングまたは外側ケーシングに接続される。

チャンバは外側ケーシングからチャンバの上流端部で懸架され、したがって、チャンバは上流端部から外側ケーシングへ搭載することが可能になり、外側ケーシングの下流直径を拡大する必要性が回避される。チャンバの外側ケーシングとタービン部分の外側ケーシングのアライメントはターボ機械の空気力学的性能を高める。その上流端部からチャンバを懸架することはその上流部分の位置を改善し、したがって、噴射器の先端をチャンバ端部壁の孔に正確にアライメントすることを可能にし、したがって、燃料の燃焼を最適化する。チャンバの下流端部を外側および内側ケーシングに接続するフランジの省略によって、ターボ機械の質量を低減することが可能になる。

連結ロッドは、噴射器および燃焼チャンバの上流部分の機構周辺部に完全に組み込むことができ、燃焼チャンバ周囲を流れる空気流を妨害しない。１つ以上の連結ロッドを用いてチャンバを外側ケーシングに接続することによって、チャンバに加わる動作上の径方向応力を省くことが可能になる。

連結ロッドはターボ機械の軸を通る面に存在することが有利である。

本発明の他の特徴によれば、連結ロッドの１つの端部は外側回転壁の上流端部に関節式に結合され、その他の端部は外側ケーシングに付属する外側に突出するボス中に収容されて関節式に結合される。連結ロッドの各端部は、それぞれチャンバの外側壁または外側ケーシングに付属するクレビス中の孔に搭載された円筒状ピンの横断軸の周りに関節式に結合される。

連結ロッドとチャンバとの間の関節式な結合は、この部分がチャンバの他の部分よりも冷たいので、外側回転壁の上流端部に配置され、運転中にチャンバが昇温する際のクレビスの変形を制限することを可能にし、したがって、チャンバに対する噴射器の位置を最適化する。

案内ブッシングをクレビス中の孔に嵌め込み、外側回転壁に付属するクレビス中のピンの正しい位置、したがって外側ケーシングへのチャンバの最適配置を保証することができる。

他の特徴によれば、連結ロッドの端部はこれらのピンが通るボールスイベルによって円筒状ピン上に関節式に結合される。

クレビス中に固定されたボールスイベルを挿入することによってクレビス中でピンが旋回することが可能になり、それによって部品の形状のあらゆる欠陥および外側ケーシングに対するチャンバの固定のあらゆる欠点を補償することが可能になる。

本発明の好ましい実施形態において、燃焼チャンバはチャンバの外側壁の上部半円周に分配された３つの連結ロッドを含み、１つの連結ロッドはターボ機械の軸を通過する縦面に存在し、他の２つの連結ロッドはこの縦面の各々の側に対称的に配置される。

連結ロッドはターボ機械の軸に実質的に平行とすることができ、したがって燃焼チャンバの軸状動きを制限し、チャンバが運転中に昇温する際にチャンバに対する噴射器の位置を最適化することが可能である。

本発明の他の特徴によれば、連結ロッドは長さを調節するための手段、例えば、ネジ手段を含むことができ、チャンバの位置をケーシング内で最適化することができる。

連結ロッドは、噴射器がチャンバに対して配置される精度を高めるように、燃料噴射器間のチャンバの外側壁に接続するのが有利である。

本発明の他の特徴によれば、燃焼チャンバの外側壁および内側壁の少なくとも１つは、下流端部で外側または内側ケーシングに接続するための、あるいは着座するための可撓性部品を含む。可撓性接続部品はチャンバに溶接またはろう付けされ、ケーシングに実質的に径方向に着座する。

可撓性部品を使用することによって、ターボ機械の運転中にチャンバ出口での振動を制限することが可能になる。このような部品は、機械的耐性の大部分が燃焼チャンバ上流の懸架手段によってもたらされるので、従来技術のフランジよりも軽量な材料から作ることができる。

チャンバの内側壁の下流端部は、可撓性環状フランジによって内側ケーシングに接続することができる。

ターボ機械の軸に向かって収束する環状燃焼チャンバの場合、これは外側ケーシング内部の上流端部から搭載することができる。

本発明は、添付図面を参照して非制限的な例として与えられる以下の説明を読むことによって、良好に理解され本発明の他の詳細、利点および特徴が明らかになる。

最初に、従来技術による収束環状燃焼チャンバ１０を描く図１を参照すれば、高圧圧縮機（図示せず）の出口側に搭載された遠心ディフューザ１２は、２つの同軸ケーシングによって境界を定められる環状空間１３に空気を供給し、その１つ１４はターボ機械の軸１６に対して径方向内側であるケーシングであり、他の１つ１８は径方向外側ケーシングであり燃焼チャンバ１０を収容する。この燃焼チャンバ１０は外側ケーシング２２によって取り囲まれるタービン部分２０の上流に搭載されて、内側２４および外側２６の２つの実質的に円筒状で同軸の回転壁と、上流方向に延在する環状カウリング３０が取り付けられる上流環状チャンバ端部壁２８を含む。壁２４、２６の下流端部は、それぞれ環状フランジ３２および３４によってケーシング１４および１８に接続される。径方向内側回転壁２４および外側回転壁２６の上流端部は、チャンバ端部壁２８およびカウリング３０の外側リムの径方向内側壁および径方向外側リムにそれぞれボルト３６によって取り付けられる。

チャンバ端部壁２８は、燃焼チャンバ１０中に開口しこのチャンバ１０の軸４０に沿って導かれる噴射器先端３８を支持する。各噴射器３８はカウリング３０の孔を通って延在し、カウリング３０の上流外側縁部の周りに固定されたクランク部分を有し、外側ケーシング１８によって支持された燃料供給手段４２に接続される。これらの供給手段４２は、外側ケーシング１８に付属するボス４４に取り付けられる。

動作中に、高圧圧縮機によって提供されディフューザ１２を出る空気流はカウリング３０によって案内されて、カウリング３０の入口オリフィスを通過する部分およびチャンバ端部壁２８中の対応する孔４６を通過する部分に分れ（矢印Ａ）、燃焼チャンバ１０および燃焼チャンバ１０を迂回しまたはその周囲を流れる２つの部分（矢印Ｂ）へと流入する。

知られている技術において、燃焼チャンバ１０は下流端部から搭載され、その下流フランジ３２、３４によって外側ケーシング１８、２２および内側ケーシング１４に取り付けられる。チャンバが図１に示した収束チャンバ１０であるとき、外側ケーシング１８の下流直径Ｒ１がチャンバ端部壁２８の直径Ｒ２よりも大きく、したがって質量、サイズおよびコストの増大を招くように外側ケーシング１８の下流直径が拡大されない限り、チャンバを内側ケーシング１４と外側ケーシング１８との間に挿入するのは不可能である。また、この直径の拡大は外側ケーシング１８と２２との間のミスアライメントを招き、したがって、外側壁２６と外側ケーシング１８、２２との間に形成されるストリーム中の空気の流れを妨害する。

燃焼チャンバの上流取り付けは、これが発散燃焼チャンバであれ収束燃焼チャンバであれ、下流取り付けに用いられたフランジと類似のフランジを用いて行うことはできない。これは、このような取り付けが、チャンバ１０を迂回する領域内におけるフランジの利用可能性を仮定しており、このようなフランジの存在は空気の流れを妨害し、噴射器３８の取り付け領域内にこのようなフランジの取り付けを必要とし、困難なく達成することができないからである。

本発明によれば、既に述べたものと一緒にこれらの欠点は、図２に示すように、燃焼チャンバ４８がその上流端部で懸架手段によって外側ケーシング１８に接続されるというおかげで回避される。

これらの懸架手段は、ターボ機械の軸１６を通る面に存在する少なくとも１つの連結ロッド５０を含み、連結ロッドの端部は燃焼チャンバ４８の外側壁２６と外側ケーシング１８に関節式に結合される。チャンバ４８の上流の連結ロッド５０の使用は、外側ケーシング１８と２２との間のアライメントを再び確立し、したがって、顕著な重量節約が可能である。さらに、連結ロッド５０はチャンバ４８を迂回する空気の流れ（矢印Ｂ）を妨害しない。

各連結ロッド５０は、その各端部に孔５２を含み、各孔の中に穴を含むボールスイベル５４が挿入され、それを９０°回転することによって孔５２中の位置が保持される。

各連結ロッド５０の上流端部は、外側回転壁１８に付属する２つのクレビス５６間に挿入され、実質的に径方向に動く（図３および図４）。各クレビス５６は、連結ロッド５０を取り付けるために用いられる隣接クレビス５６中の孔にアライメントした横断孔を有する。各クレビスの径方向の内側部分は、平坦な表面のリム５５を含む。ブッシング５８は、各孔に搭載され、互いに面するクレビス５６のこれらの面上にリム６０を形成するように嵌め込まれる。連結ロッド５０は、クレビス５６中の孔および連結ロッド５０に付属するボールスイベル５４の穴の中に挿入されたピン６２を用いて取り付けられる。ピン６２は、固定ナット６６を受け取るネジ付き端部６４を有し、他の端部は２つの平坦部を備えるヘッド６８を有し、その１つはターボ機械の運転中にピン６２が回転してそのネジが緩むのを防止するようにクレビスのリム５５と協働する。

各連結ロッド５０の下流端部は外側ケーシングに付属するボス７２中に挿入され、このボスは外側に向かって突出しＬ字形状を有する。ボス７２は２つの同軸孔を有し、ボス７２の内部にリム６０を形成するようにその中にブッシング５８が嵌め込まれる。クレビス５６と同じようにボスは平坦な部分７４を含み、その１つはネジ付きピン６２に付属する平坦部７０と嵌合することが意図される。ロックナット６６は、ボス７２の孔および連結ロッド５０に付属するボールスイベル５４の穴の中にネジ付きピン６２の位置を保持する。

図３に示すように、ボス７２は２つの連続する噴射器３８の間に延在し、噴射器３８が燃焼チャンバ４８に対して非常に正確に配置されるように、連結ロッド５０を噴射器３８に可能な限り近く設置することが可能になる。したがって、燃料の最適燃焼のために噴射器３８の貫入を良好に制御することが可能である。

ボールスイベル５４は、ブッシング５８のクランプスカート６０によって各々の側に不動化される。これらのブッシング５８は、ピン６２を非常に良好に孔の中に配置させる。また、ボス７２に付属するブッシング５８は燃焼チャンバ４８を迂回する空気に対する封止も提供する（図５から図７）。

連結ロッド５０はターボ機械の軸１６に実質的に平行に向けられ、したがって、燃焼チャンバ４８の軸方向の動きを制限することが可能である。関節式に結合された連結ロッド５０を使用することによって、チャンバ４８に加わる運転中の径方向応力を吸収することが可能になる。

連結ロッド５０を燃焼チャンバ４８の最も冷たい領域に相当する外側壁２６の上流端部に取り付けることによって、クレビス上のチャンバ４８の熱膨張の効果を制限し、したがって、噴射器３８とチャンバ４８の軸４０との間のアライメントを維持し、燃料の燃焼を最適化することを可能にする。

チャンバ４８からの出口での振動を制限するために、可撓性部品７６が外側回転壁２６の下流端部と外側ケーシング１８との間に搭載される。この部品７６は、その内側端部で外側壁２６に溶接またはろう付けされた環状リム７８、および外側に延在して、その外側端部で外側ケーシング１８の内側表面に着座するリム８２に接続された分岐８０を含む。

ターボ機械が動いていないとき、可撓性部品７６は外側回転壁２６と外側ケーシング１８との間でわずかに予備応力を受ける。ターボ機械が動いているとき、可撓性部品７６はチャンバ出口で振動を少なくとも部分的に吸収する。接続されない外側端部を有する可撓性部品７６の特殊な形状は、外側ケーシング１８と外側壁２６との間の永久的な接触を保証する。

図面に描かれた実施形態において、内側回転壁２４は環状フランジ３２によって内側ケーシング１４に接続される。

本発明の代替の形態において、２つの内側回転壁２４および外側回転壁２６は可撓性部品７６によって内側ケーシング１４と外側ケーシング１８にそれぞれ接続される。

図８に示した本発明の特定の実施形態において、チャンバはチャンバ４８の外側壁２６の上部半円周の周りに分配された３つの連結ロッド５０によって外側ケーシングに接続される。１つの連結ロッド８４はターボ機械の軸１６を通る縦面に配置され、他の２つの連結ロッド８６、８８はこの縦面に対して対称的に配置される。２つの対称的な連結ロッド８６、８８はその懸架機能を最適に行うように、連結ロッド８４から約８０°の角度をなす。

連結ロッド５０は、チャンバのケーシング内への最適固定を保証するために長さ調節ネジを含むことができるのが有利である。

代替の形態において、連結ロッド５０の上流の取り付けは外側ケーシング１８上であり、連結ロッド５０の下流取り付けはチャンバ４８の外側壁２６上である。

本発明は、上流端部から挿入することが可能になるように収束燃焼チャンバを備えるターボ機械に用いるのに特に有益であるが、チャンバに対して配置される噴射器の配置の精度を高めるために発散燃焼チャンバに用いることもできる。

従来技術によるターボ機械の燃焼チャンバの軸断面の片側の概略図である。 本発明によるターボ機械の燃焼チャンバの軸断面の片側の概略図である。 本発明による燃焼チャンバを懸架するためのシステムを下流端部からみた概略的展開斜視図である。 本発明による燃焼チャンバおよびその懸架システムの一部を上流端部から斜視した部分概略図である。 本発明による燃焼チャンバを懸架するシステムを拡大尺度でみた概略的部分側面図である。 図５の燃焼チャンバの上流部分のＡ−Ａ部の断面図である。 図５の燃焼チャンバの上流部分のＢ−Ｂ部の断面図である。 連結ロッドの角度分配を示す燃焼チャンバの概略的断面図である。

符号の説明

１０、４８ 燃焼チャンバ
１２ 遠心ディフューザ
１３、１４ 環状空間
１６、４０ 軸
１８、２２ ケーシング
２０ タービン部分
２２ 外側ケーシング
２４ 内側壁
２６ 外側壁
２８ 上流環状チャンバ端部壁
３０ 環状カウリング
３２、３４ 環状フランジ
３６ ボルト
３８ 噴射器先端
４２ 燃料供給手段
４４、７２ ボス
４６、５２ 孔
５０、８４、８６、８８ 連結ロッド
５４ ボールスイベル
５５、６０、７８ リム
５６ クレビス
５８ ブッシング
６０ クランプスカート
６２ ネジ付きピン
６４ ネジ付き端部
６６ 固定ナット
６８ ヘッド
７０、７４ 平坦部分
７６ 可撓性部品
８０ 分岐

Claims (14)

1. 径方向内側壁および径方向外側壁を含み、これらの壁がターボ機械の軸に対して回転対称性を有し、これらの壁の上流端部で燃料噴射手段を設けられた環状チャンバ端部壁によって接続された、環状燃焼チャンバを含むターボ機械であって、ターボ機械が燃焼チャンバの上流端部を外側ケーシングから懸架するための懸架手段を含み、これらの手段が少なくとも１つの連結ロッドを含み、該ロッドがその端部で燃焼チャンバの壁および外側ケーシングへ関節式に結合され、燃焼チャンバの下流端部が可撓性接続部または取り付け台によって内側ケーシングまたは外側ケーシングに接続される、ターボ機械。
2. 連結ロッドがターボ機械の軸を通る面に存在する、請求項１に記載のターボ機械。
3. 連結ロッドの１つの端部が外側回転壁の上流端部に関節式に結合され、その他の端部が外側ケーシングに付属する外方向に突出するボスに収容されて関節式に結合される、請求項１に記載のターボ機械。
4. 連結ロッドの各端部が、それぞれチャンバの外側壁または外側ケーシングに付属するクレビス中の孔に搭載された円筒状ピンの横断軸周囲に関節式に結合される、請求項１に記載のターボ機械。
5. 案内ブッシングがクレビス中の孔の中に嵌め込まれる、請求項４に記載のターボ機械。
6. 連結ロッドの端部が、ボールスイベルによって円筒状ピンに関節式に結合され、そこを通ってこれらのピンが通過する、請求項４に記載のターボ機械。
7. チャンバの外側壁の上部半円周に分配された３つの連結ロッドを含み、１つの連結ロッドがターボ機械の軸を通る縦面に存在し、他の２つの連結ロッドがこの縦面の各側に対称に配置される、請求項１に記載のターボ機械。
8. 各連結ロッドがターボ機械の軸に実質的に平行である、請求項１に記載のターボ機械。
9. 各連結ロッドが長さを調節する手段、例えばネジ手段を含む、請求項１に記載のターボ機械。
10. 各連結ロッドが燃料噴射器間のチャンバの外側壁に接続される、請求項１に記載のターボ機械。
11. チャンバの外側壁および内側壁である壁の少なくとも１つがその下流端部に外側または内側ケーシングに接続または着座するための可撓性部品を含む、請求項１に記載のターボ機械。
12. 可撓性接続部品がチャンバに溶接またはろう付けされ、ケーシングに実質的に径方向に着座する、請求項１１に記載のターボ機械。
13. チャンバの内側壁の下流端部が可撓性環状フランジによって内側ケーシングに接続される、請求項１に記載のターボ機械。
14. 環状燃焼チャンバが収束し外側ケーシング内部の上流端部から搭載される、請求項１に記載のターボ機械。

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