JP5175081B2 - 燃焼室の端壁のためのデフレクタ、デフレクタを有する燃焼室、およびそれらを備えるタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジン用の燃焼室の技術分野に関する。詳細には、燃焼室の端壁のための熱保護シールドまたはデフレクタを目的としている。また、少なくとも１つのそのようなデフレクタを備えた燃焼室を目的としている。最終的に、そのような燃焼室および／または少なくとも１つのそのようなデフレクタを備えたタービンエンジンを目的としている。

以下の全体を通して、用語「軸方向の」、「径方向の」、および「横方向の」は、それぞれタービンエンジンの軸方向、径方向、および横断面に対応し、用語「上流側」および「下流側」は、それぞれタービンエンジン内のガス流の方向に対応する。

従来の「ダイバージェント」燃焼室は、図１１に示される。図１１は、燃焼室の一方の半分を示す軸方向断面であり、他方の半分は、タービンエンジンの軸（図示せず）に対する対称性によって得られる。燃焼室１１０は、外部ケーシング１３２および内部ケーシング１３４間に画定される環状空間である拡散室１３０内に含まれ、この環状空間内に、環状の拡散ダクト１３６によりコンプレッサ（図示せず）から上流側で生じる圧縮された酸化剤が導入される。

この従来の「ダイバージェント」燃焼室１１０は、外壁１１２および内壁１１４を備え、これら外壁１１２および内壁１１４は、同軸であり、実質的に円錐形であり、円錐角αで上流側から下流側に外側に広がる。燃焼室１１０の外壁１１２および内壁１１４は、燃焼室の端壁１１６により燃焼室の上流側端に向かって相互に接続される。

燃焼室の端壁１１６は、２つの実質的に横断面間に延び、一方、下流側から上流側に外側に広がる、実質的に円錐台構成要素である。燃焼室の端壁１１６は、燃焼室１１０の２つの外壁１１２および内壁１１４それぞれに接続される。燃焼室１１０の小さな傾斜のため、燃焼室の端壁１１６は、小さな円錐状テーパを有する。噴射システム１１８が設けられ、噴射システム１１８を、燃焼反応が発生する燃焼室１１０の上流側端に燃料を導入するインジェクタ１２０が通る。

これらの燃焼反応は、燃焼室の端壁１１６の方向に下流側から上流側に放射熱の影響を与える。この燃焼室の端壁１１６が熱のために損傷を受けることを防止するために、デフレクタとも称される熱保護シールド１２２が設けられる。これらのデフレクタ１２２は、燃焼室の端壁１１６の内面に蝋付けすることにより配置されかつ固定される実質的に平らな板である。これらデフレクタ１２２は、燃焼室の端壁１１６に穴を開けられた冷却開口１２４を通して、燃焼室１１０に入る冷却空気ジェットにより冷却される。上流側から下流側に流れるこれらの空気ジェットは、燃焼室フェアリング（ｆａｉｒｉｎｇ）１２６により案内され、冷却開口１２４を通過して燃焼室の端壁１１６を横切り、デフレクタ１２２の上流側面に衝突する。

「コンバージェント」燃焼室のより最近の設計では、燃焼室の外壁および内壁は、上述の従来の「ダイバージェント」燃焼室の場合のように、上流側から下流側ではなく、下流側から上流側に外側に広がることにより傾けられる。これらの「コンバージェント」燃焼室は、「ダイバージェント」燃焼室の円錐角αより大きな円錐角αを有することがある。

燃焼室のそのように大きな傾斜は、燃焼室の端壁の円錐状テーパ、および燃焼室の端壁に対するデフレクタの位置に影響を与える。そのような燃焼室は、軸方向断面で図１２に部分的に示されている。この図１２は、タービンエンジンの軸と平行な軸方向１００、燃焼室１１０の主方向２００、およびこれらの２つの軸１００、２００間の角度αを示している。燃焼室１１０の大きな傾斜のため、燃焼室の端壁１１６は、従来の燃焼室の端壁より大きな円錐状テーパを有する。燃焼室の端壁１１６の傾斜が大きいときだけではなく、インジェクタ１２０がより少数で存在する、および／または燃焼室１１０が、小さな直径を有するときも、それは、燃焼室の端壁と平板デフレクタの間の距離Ｄに影響を与える。図１２に示された軸方向断面の平面において、燃焼室の端壁１１６とデフレクタ１２２の間の距離Ｄは、一定に見える。しかし、図１２の平面ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩでの断面である図１３に示されるとおり、この距離Ｄは、燃焼室の端壁１１６の周辺母線を越えて延びると、１つの点に減少して、燃焼室の端壁１１６およびデフレクタ１２２が、接触することがある。これらの構成要素間のそのような接触は、燃焼室におけるデフレクタの適正なアセンブリに対して有害である。燃焼室の端壁１１６とデフレクタ１２２間の距離Ｄが、一定ではないという事実は、前記デフレクタ１２２の良好な冷却に対して好ましくない。

本発明の目的は、これらの欠点を克服することであり、本発明は、燃焼室の端壁とこのデフレクタとの距離Ｄが、一定に維持されるように構成される、燃焼室の端壁のための熱保護シールドまたはデフレクタを提供する。

第１の態様によれば、本発明は、穴を備えるプレートの形態を取る、タービンエンジンの燃焼室の端壁のためのデフレクタに関する。

第１の実施形態によれば、前記プレートは、円錐軸を中心とする回転円錐面の一部分であり、前記プレートは、実質的な凹面および実質的な凸面を有し、前記プレートは、４つの側面を備える輪郭を有し、４つの側面のうちの２つの第１の側面は、前記円錐軸に中心合わせされた同心の円弧であり、４つの側面のうちの２つの第２の側面は、前記第１の側面を接続する前記円錐の母線の一部である。

第２の実施形態によれば、前記デフレクタは、第１の実施形態のすべての特徴を備え、加えて、前記穴を取り囲む中央領域と、前記中心領域を取り囲む周辺領域とを備え、前記中央領域は、前記凹面と同一側に平面を有する。

第２の実施形態の第１の変形形態によれば、前記中央領域は、実質的に円形である。第２の実施形態のこの第１の変形形態によれば、前記デフレクタは、前記周辺領域と前記中央領域との間に接続領域を有する。

第２の実施形態の第２の変形形態によれば、前記中央領域は、２つの縁部により境界付けられる平面部分であり、２つの縁部は、前記第２の側面と平行である前記円錐の母線の一部である。

第１の実施形態および第２の実施形態の２つの変形形態に共通する方法で、デフレクタを形成するプレートの前記第１の側面は、デフレクタの凹面と同一側に延びるリップをそれぞれ備える。

第１の実施形態および第２の実施形態の２つの変形形態に共通する方法で、前記デフレクタはさらに、角度位置決め手段を備える。実施形態の１つの形態によれば、前記角度位置決め手段は、ロッキングキーを受け入れることが意図されるロッキングキー溝を備える。実施形態のこの同一形態によれば、これらはまた、前記デフレクタに形成されるロッキングキー溝と協働することが意図されるロッキングキーを備える。

第２の態様によれば、本発明は、第１の態様による少なくとも１つのデフレクタを備える燃焼室に関する。

好ましくは、前記デフレクタは、燃焼室の端壁に蝋付けすることにより固定される。

前記燃焼室は、さらに角度位置決め手段を備える。前記角度位置決め手段は、ロッキングキーを受け入れることが意図される第１のロッキングキー溝を備える。これらはさらに、ストップフィンガーと協働することが意図される第２のロッキングキー溝を備える。

好ましくは、前記燃焼室は、外壁および内壁を有する「コンバージェント」燃焼室であり、外壁および内壁は、同軸で実質的に円錐台であり、下流側から上流側に外側に広がることにより傾斜する。

第３の態様によれば、本発明は、第１の態様による燃焼室、および／または第２の態様による少なくとも１つのデフレクタを備える、タービンエンジンに関する。

本発明は、非限定の表示により与えられ、および添付図面により示される本発明の１つの特定の実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより良好に理解される。

最初に図１を参照すると、軸方向１００に延び、かつ燃焼室１０を備える、タービンエンジン２の一部が示されている。この「コンバージェント」燃焼室１０は、同軸で実質的に円錐台状である、外壁１２および内壁１４を備える。

燃焼室１０は、外部ケーシング３２と内部ケーシング３４との間で画定される環状空間である拡散室３０内に含まれ、この環状空間内に、環状拡散ダクト３６によりコンプレッサ（図示せず）から上流側で生じる圧縮された酸化剤が導入される。

燃焼室１０の外壁１２および内壁１４は、燃焼室の端壁１６により燃焼室の上流側端に向かって相互に接続され、燃焼室の端壁１６は、２つの実質的に横断面間に延び、一方、上流側から下流側に外側に広がる、実質的に円錐台構成要素である。燃焼室の端壁１６は、燃焼室１０の２つの外壁１２および内壁１４それぞれと接続される。噴射システム１８が設けられ、噴射システム１８を、外部ケーシング３２を横断し、かつ燃焼反応が発生する燃焼室１０の上流側端で燃料を導入するインジェクタ２０が通る。

本発明によるデフレクタ２２の第１の実施形態は、図２に概略的に斜視図により示されている。このデフレクタ２２は、円錐の錐面の一部であるプレートの形態を取り、この円錐は、円錐軸３００および円錐角αを有する。使用中、前記デフレクタ２２が、燃焼室の端壁１６に取り付けられると、前記円錐軸３００は、実質的にタービンエンジンの軸１００と一致する。デフレクタ２２は、凹面６２および凸面６４を有し、また４つの側面７２、７４、７６、７８を有する輪郭を有する。これらの４つの側面のうちの２つの側面７２、７６は、同じ軸３００を有する同心の平行円弧である。これらの４つの側面のうちの他の２つの側面７４、７８は、２つの円弧状の側面７２、７６を接続する円錐の母線の一部である。第１の実施形態によるデフレクタ２２は、実質的に、デフレクタ２２が燃焼室の端壁１６に取り付けられると、燃焼室の端壁１６の噴射システム１８と対向して位置することが意図された中央噴射穴４０を備える。前記噴射穴４０は、隆起した縁部を備える穴である、すなわち、デフレクタ２２の上流側面と同一側で隆起する縁部４０２を備える。

本発明によるデフレクタ２２のこの第１の実施形態は、図３に示され、この図３は、噴射ボウル２０６が配置される噴射システム１８の領域における燃焼室の端壁１６の一部分を示している。燃焼室の端壁１６は、大きな円錐テーパを有する（図１参照）。デフレクタ２２は、燃焼室１０の内側に向かって燃焼室の端壁１６と平行に配置される。燃焼室の端壁１６の円錐の曲率と類似する、デフレクタ２２の円錐の曲率の結果として、前記デフレクタ２２は、前記燃焼室の端壁１６と平行である。

このようなデフレクタ２２の１つの利点は、前記デフレクタ２２と燃焼室の端壁１６との間の距離Ｄが、実質的に前記デフレクタ２２の面全体に対して一定である事実にある。その結果、そのようなデフレクタ２２は、燃焼室の端壁１６に形成される冷却開口２４を通過後にデフレクタに衝突する、空気流れにより十分に冷却できる。

図３は、また噴射ボウル２０６に対するデフレクタ２２の相対位置を示している。

噴射ボウル２０６は、軸２００の周りに向けられている。噴射ボウル２０６は、取付けリム２１０を自体で備えるフランジ２０８を備え、取付けリム２１０は、第１のリング５０とデフレクタ２２の噴射穴４０の縁部４０２との間に軸方向に保持される。この噴射システム１８の周りでは、燃焼室の端壁１６は、デフレクタ２２の噴射穴４０の縁部４０２の外側肩部２２６と、第２のリング５２との間に固定され、第２のリング５２自体は、デフレクタ２２の噴射穴４０の縁部４０２における外側周辺溝４０４に蝋付けすることにより固定される。第２のリング５２は、また、第１のリング５０がはめ込まれる内側肩部を有し、２つのリング５０、５２は、溶接ビード５４により一体に固定される。

このアセンブリは、フランジ２０８が、軸２００と垂直な平面で僅かに動くことができるようなものである。したがって、噴射ボウル２０６は、軸２００に対して僅かな横方向の遊びを許容され、これにより、噴射ボウル２０６が所定の位置にある場合であっても、空気流れは、噴射穴４０を通して入ることができる。図に矢印６０により示されたこれらの空気流れは、デフレクタ２２の噴射穴４０の縁部４０２を冷却する機能を有し、この縁部４０２は、燃焼室の端壁１６の冷却開口２４を通過する冷却空気が到達できない、デフレクタ２２の比較的厚い領域を構成する。

噴射ボウル２０６は、また燃焼室１０の内側に位置するカラー２２０を備え、このカラーは、チャネル２２２によりフランジ２０８から分離され、実質的にデフレクタ２２の噴射穴４０の縁部４０２の内面と垂直になるまで、取付けリム２１０と平行に延びる。

図４は、図３の拡大詳細図を示している。より正確には、図４は、デフレクタ２２の噴射穴４０の縁部４０２、およびまたフランジ２０８、噴射ボウル２０６のカラー２２０およびチャネル２２２を示している。デフレクタ２２のもはや平坦ではない円錐形状のために、デフレクタ２２の内面は、フランジ２０８の内面に対して偏っているように見える。この偏りまたはステップは、図４で符号Ｍにより示されている。このステップＭの存在は、例えば、渦の形態で、矢印６０により示された冷却ジェットの流れに乱れを生じることがあり、デフレクタ２２の噴射穴４０の隆起した縁部４０２の冷却に影響を与える傾向がある状態を生じることがある。

図７から図８、および図９から図１０は、それぞれ、上述の第１の実施形態の改良を構成する、デフレクタ２２の第２の実施形態の第１の変形形態および第２の変形形態を示す。すでに述べられたデフレクタ２２の第１の実施形態の特徴は、また、これらの図７から１０に示されている第２の実施形態の２つの変形形態の特徴である。

第２の実施形態の１つまたは他の変形形態によるデフレクタ２２は、噴射穴４０を取り囲む中央領域９０と、デフレクタ２２の縁部７２、７４、７６、７８まで、中央領域９０を囲む周辺領域９２とを有する。周辺領域９２は、凹状の円錐面を有する。

図７および図８に示された第２の実施形態の第１の変形形態によれば、前記中央領域９０は、円形であり平面を有し、一方、周辺領域９２は、凹状の円錐面を有する。接続領域９４は、前記中央領域９０および前記周辺領域９２を接続する。

図９および図１０に示された第２の実施形態の第２の変形形態によれば、前記中央領域９０は、前記デフレクタ２２の輪郭の直線側面７４、７８と実質的に平行な２つの縁部９６、９８間に含まれ、前記デフレクタ２２の輪郭の円弧状側面７２、７６まで延びる。中央領域９０は、平面を有する。言い換えると、２つの縁部９６、９８は、前記中央領域９０の平面と周辺領域９２の凹状の円錐面との間に、交差部を形成する。

第２の実施形態の第１の変形形態および第２の変形形態に共通する方法で、中央領域９０は、デフレクタ２２のくぼみと同一面上に平面を有する。

図５に示されるとおり、および図３および図４に示された第１の実施形態のデフレクタと類似する方法で、前記デフレクタ２２と燃焼室の端壁１６との間の距離Ｄは、実質的に前記デフレクタ２２の面全体について一定である。したがって、デフレクタ２２は、燃焼室の端壁１６に形成された冷却開口２４を通過した後に、デフレクタに衝突する空気流れにより十分に冷却されることができる。さらに、中央領域９０の平面性のため、冷却空気流れ６０は、乱流により乱されることなく、ボウル２０６の外側から噴射開口４０を通って流れることができる。その結果、デフレクタ２２の噴射穴４０の隆起した縁部４０２の冷却が十分になされる。この理由は、第１の実施形態の構成とは異なり、中央領域９０の平面およびボウル２０６のフランジ２０８の内面は、実質的に同一平面上に位置しているからである。

さらに、図７および図９に示されるとおり、デフレクタ２２を形成するプレートの２つの円弧状側面７２、７６は、デフレクタの凹面６２と同一側面に延びるリップ８０をそれぞれ備える。この特徴は、第１の実施形態および第２の実施形態の２つの変形形態に共通である。デフレクタ２２のリップ８０は、燃焼室１０の外壁１２および内壁１４を冷却するために、冷却開口２４からのデフレクタ２２を冷却するための空気を案内することによって、冷却フィルムを生成する機能を有する。

さらに、デフレクタ２２は、第１の角度位置決め手段および第２の角度位置決め手段からなる角度位置決め手段を備える。この特徴は、第１の実施形態および第２の実施形態の２つの変形形態に共通である。

図６は、第１の角度位置決め手段８２、８４を示し、第１の角度位置決め手段８２、８４は、それぞれ燃焼室の端壁１６、デフレクタ２２、および第２リング５２に形成される３つ部分を備える第１のロッキングキー溝８２と、キー８４とを備える。前記第１のロッキングキー溝８２にキー８４を挿入することにより、燃焼室の端壁１６に対する第２のリング５２およびデフレクタ２２の相対的な回転を防止する。

図５は、第２のリング５２に形成される第２のロッキングキー溝８６と、噴射ボウル２０６に固定されるストップフィンガー８８とを備える第２の角度位置決め手段８６、８８を示している。前記第２のロッキングキー溝８６にストップフィンガー８８を挿入することにより、第２のリング５２に対する噴射ボウル２０６の相対的な回転を防止する。

このように、これらの４つの角度位置決め手段８２、８４、８６、８８間の協働により、燃焼室の端壁１６に対するデフレクタ２２の相対的な回転を防止できる。したがって、デフレクタ２２および燃焼室の端壁１６は、相互に正確に位置決定されて維持され、これらの平行度は維持され、距離Ｄは一定に保たれる。

本発明は、また上述のとおり、燃焼室の端壁１６および少なくとも１つのデフレクタ２２を備える燃焼室１０に関する。好ましくは、前記デフレクタ２２は、前記燃焼室の端壁１６への蝋付けにより固定される。

燃焼室の一方の半分を示し、他方の半分は軸対称性によって得られる、「コンバージェント」燃焼室を含むタービンエンジンの一部の軸方向断面図である。 斜視図による概略的な本発明によるデフレクタを示す。 軸方向断面で示された、本発明の第１の実施形態による「コンバージェント」燃焼室およびデフレクタの一部を示す。 図３の詳細な拡大図である。 軸方向断面で示された、本発明の第２の実施形態に対する図３と類似する第１の角度位置決め手段を示す。 軸方向断面における、別の角度位置決め手段を示す。 第２の実施形態の第１の変形形態の斜視図である。 図７の平面ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩでの断面図である。 第２の実施形態の第２の変形形態の斜視図である。 図９の平面Ｘ−Ｘでの断面図である。 従来技術の「ダイバージェント」燃焼室の軸方向断面図である。 軸方向断面で示された、従来技術の「コンバージェント」燃焼室および平面のデフレクタの拡大部分図を示す。 図１２における矢印ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩの方向の断面で示された、従来技術の「コンバージェント」燃焼室および平面のデフレクタの拡大部分図を示す。

符号の説明

２ タービンエンジン
１０、１１０ 燃焼室
１２、１１２ 外壁
１４、１１４ 内壁
１６、１１６ 端壁
１８ 噴射システム
２０、１２０ インジェクタ
２２ デフレクタ
２４ 冷却開口
３０、１３０ 拡散室
３２、１３２ 外部ケーシング
３４、１３４ 内部ケーシング
３６、１３６ 拡散ダクト
４０ 噴射穴
４３ 溶接ビード
５０ 第１のリング
５２ 第２のリング
６０ 矢印
６２ 凹面
６４ 凸面
７２、７４、７６、７８ 側面
８０ リップ
８２、８４、８６、８８ 角度位置決め手段
９０ 中央領域
９２ 周辺領域
９４ 接続領域
９６、９８、４０２ 縁部
１００、２００ 軸
１２２ 熱保護シールド
１２４ 冷却開口
１２６ フェアリング
２０６ 噴射ボウル
２０８ フランジ
２１０ 取付けリム
２２０ カラー
２２２ チャネル
２２６ 外側肩部
３００ 円錐軸

Claims (9)

1. 同軸で円錐台であり、かつ下流側から上流側に外側に広がることにより傾斜する外壁および内壁と、
   燃焼室の上流端において外壁および内壁を接続する、燃焼室の端壁と、
   中央噴射穴を備えたプレートの形態を取る、前記端壁に設置された少なくとも１つのデフレクタと
   を有するコンバージェント燃焼室であって、
   前記デフレクタが、円錐軸を中心とする回転円錐面の一部分であって、凹面および凸面を有し、さらに、前記デフレクタが、４つの側面を有する輪郭を有し、４つの側面のうちの２つの第１の側面は、前記円錐軸に中心合わせされた同心の円弧であり、４つの側面のうちの２つの第２の側面は、前記第１の側面を接続する前記円錐の母線の一部であり、
   前記デフレクタが、前記穴を取り囲む中央領域と、前記中央領域を取り囲む周辺領域とを備え、前記中央領域が、前記凹面と同一側に平面を有し、
   前記中央領域が、２つの縁部により境界付けられる平面部分であり、２つの縁部が、前記第２の側面と平行である前記円錐の母線の一部である、燃焼室。
2. 前記中央領域が、円形である。請求項１に記載の燃焼室。
3. 前記周辺領域と前記中央領域との間に接続領域を有する、請求項２に記載の燃焼室。
4. デフレクタを形成するプレートの前記第１の側面が、デフレクタの凹面と同一側に延びるリップをそれぞれ備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼室。
5. 前記デフレクタが、燃焼室の端壁に蝋付けすることにより固定される、請求項１に記載の燃焼室。
6. 角度位置決め手段をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼室。
7. 前記角度位置決め手段が、ロッキングキーを受け入れることが意図される第１のロッキングキー溝を備える、請求項６に記載の燃焼室。
8. 前記角度位置決め手段が、ストップフィンガーと協働することが意図される第２のロッキングキー溝を備える、請求項６または７に記載の燃焼室。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の燃焼室を備える、タービンエンジン。

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