KR101574342B1 - 섹터로 분할된 내부 벽과 외부 벽을 갖춘 가스터빈 연소챔버 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세라믹 매트릭스 복합재료로 된 내부 벽(10)과, 외부 벽(20) 및, 내부 및 외부 벽에 연결된 챔버 단부 벽(30)을 구비한 환형상의 연소챔버에 관한 것이다. 탄성적으로 변형가능한 결합부재(17,27)는 내부 및 외부 챔버 벽을 내부 및 외부 금속 케이싱에 연결한다. 각 내부 및 외부 챔버 벽(10,20)은 길이방향의 선단을 따라 인접해 있는 섹터(100,200)로 외주방향으로 분할되되, 각 섹터는 이의 길이방향 선단에서 챔버로부터 외부를 향해 접혀지고 단부 벽으로부터 챔버의 반대쪽 단부까지 연속적으로 뻗어, 대응하는 챔버 벽의 외부면에서 떨어져 있는 뒤로 접혀진 가장자리(102,202)로 종렬될 U자형상의 단면부를 갖는다. 결합부재(17,27)는 섹터 가장자리에 체결되어 내부 및 외부 챔버 벽에 연결된다.

Description

섹터로 분할된 내부 벽과 외부 벽을 갖춘 가스터빈 연소챔버 {A gas turbine combustion chamber having inner and outer walls subdivided into sectors}
본 발명은 가스터빈에 관한 것으로, 특히 세라믹 매트릭스 복합재료(이하 CMC:ceramic matrix composite)로 제작된 내벽과 외벽을 구비한 환형상 연소챔버의 구조와 조립체에 관한 것이다. 본 발명의 응용 분야는 가스터빈 항공엔진과 산업용 가스터빈이다.
CMC의 열구조 특성 때문에, 다시 말하자면 고온에서 훌륭한 기계적 특성을 유지할 수 있기 때문에, 가스터빈 연소챔버 벽을 CMC를 사용하여 제작되도록 제안되었다. 특히 가스터빈 항공엔진에서, 높은 연소온도가 벽을 냉각하기 위해 사용될 공기의 유량을 줄여서 효율을 향상하고 오염 성분의 방출을 저감하기 위해 추구된다. 연소챔버는 유연한 결합부재를 수단으로 하여 내부 및 외부 금속 케이싱 사이에 장착되되, 다시 말하자면 부재들은 탄성적으로 변형가능하여, 금속부와 CMC부 사이에 발생하는 열에 의한 차동적인 크기 변동을 흡수할 수 있다. 미국 특허 제6 708 495호와 동 제7 234 306호가 참조될 수 있다.
CMC 재료는 내열성 섬유강화재로 구성되되, 예컨대 탄소 섬유 혹은 세라믹 섬유로 제작되며, 강화재는 세라믹 매트릭스로 치밀화된다. 복잡한 형상의 CMC부를 제작하기 위해서, 섬유 예비성형품은 제작될 부품의 형상에 가까운 형상으로 준비되고, 그런 다음에 예비성형품이 치밀화된다. 치밀화는 액체 처리 혹은 가스 처리, 또는 이들의 조합으로 실행될 수 있다. 액체 처리는 제작될 세라믹 매트릭스용 전구체를 함유하는 액체 조성물에 예비성형품을 침지하여 이루어지는바, 통상적으로 전구체가 용액으로 수지화되고, 그런 다음에 열분해 열처리는 수지가 경화된 후에 실행된다. 가스 처리는 미리 결정된 상황, 특히 온도와 압력하에서 가스상에 함유된 세라믹 전구체의 분해 또는 가스상의 조성물 사이에서 발생하는 반응으로 섬유에 고형 세라믹 침전물을 형성하고 예비성형품으로 확산하도록 주입된 반응가스상으로 오븐에 예비성형품을 안착하는, 화학증기침착(CVI)이다.
어떤 치밀화 공정이 사용되든, 툴링(tooling)은 예비성형품을 강화하기 위해 적어도 치밀화 초기 단계 중에 바람직한 형상으로 예비성형품을 지지하기 위해 필요하다.
가스터빈용 환형상의 연소챔버 벽 제작은 툴링을 필요로 하는데, 이는 복잡한 형상으로 되어 있다. 덧붙여서, CVI에 의한 치밀화를 예비성형하는 경우, 예비성형품은 치밀화 오븐의 상당한 공간을 점유할 수 있고, 오븐이 적재되는 방식으로 최적화되는 것이 바람직하다.
미국 특허 제4 907 411호는 연소챔버를 기재하는바, 벽은 세라믹 패널로 길이방향과 외주방향으로 분할된다. 길이방향 단부에서, 패널은 뒤로 접혀져 채널 구획부를 형성하고 외부 금속 케이싱에 체결된 환형상 금속부로 지지되며, 이들 사이 에 끼워 넣어진 단열부재를 채널 구획부에 맞물린다.
미국 특허 제3 956 886호는 세라믹 타일(tile)의 형태로 제작된 연소챔버 벽을 도시한다. 타일은 내부 및 외부 금속 케이싱에 체결된 금속부로 한정된 하우징에 삽입된 채널구의 접혀진 선단을 보여줄 수 있어, 차동적인 팽창인 경우에 다소 부적절한 조립체를 제작한다.
유럽 특허 제1 635 118호는 고온 가스에 노출될 챔버 벽을 제작하기 위해 CMC 타일을 사용하도록 제안되는바, 이 타일은 챔버 벽에서 이격된 지지구조물로 지지된다. 타일은 챔버 벽과 지지구조물 사이에 공간으로 뻗고, 지지구조물을 관통하여 뻗은 탭을 형성하여 외측면에 연결된다. 이러한 연결은 고정적이고 지지구조물을 외측면에 상당한 공간을 점유한다. 더욱이, 추가 케이싱이 밀봉을 제공하기 위해서 필요로 한다.
본 발명의 목적은 전술된 단점들을 극복하기 위한 것으로, 이러한 목적을 위해서 본 발명은 가스터빈 연소챔버 조립체를 구비하는데, 이는, 내부 금속 케이싱과; 외부 금속 케이싱; 세라믹 매트릭스 복합재료로 된 내부 벽과 외부 벽, 내부 벽과 외부 벽에 연결된 챔버 단부벽을 갖춘 환형상의 연소챔버; 및, 각각 내부 금속 케이싱과 외부 금속 케이싱에 내부 벽과 외부 벽을 연결하는 탄성적으로 변형가능한 결합부재;로 이루어지는데,
이 조립체에서, 본 발명에 따라 챔버의 각기 내부 벽과 외부 벽은 길이방향의 선단을 따라 인접해 있는 섹터로 외주방향으로 분할되되, 각 섹터는 챔버 단부벽으로부터 챔버의 반대쪽 단부까지 연속되어 뻗고, 각 섹터는 챔버로부터 길이방향의 선단을 지나 외부를 향해 접혀져 U자형상의 단면을 갖는 부분을 형성하며, 대응하는 챔버 벽의 외부면에서 이격되어진 접혀진 후면 가장자리로 종결되고, 결합부재는 섹터의 가장자리에 체결되어 챔버의 내부 벽과 외부 벽에 연결된다.
섹터로 연소챔버 벽을 분할하는 것은 제작될 부품의 크기를 제한할 수 있고, 그 형상의 복잡함을 제한하여, 이들의 제조비용이 줄어든다. 덧붙여서, 금속 케이싱과 CMC 연소챔버 벽 사이의 크기에 차동적인 변동이 결합부재의 탄성변형과 챔버 섹터의 뒤로 접혀진 길이방향 선단으로 용이하면서 효과적으로 수용될 수 있다. 추가로, 결합부재는 챔버 벽과 금속 케이싱 사이의 틈새로 배치되며, 이들은 챔버 둘레로 흐르는 공기로 냉각된다.
바람직하기로, 결합부재는 실제로 오메가(Ω) 형상의 브릿지 형태로 되어 있는데, 각 브릿지는 내부와 외부 금속 케이싱 중 하나에 연결된 상부와, 대응하는 내부 벽 혹은 외부 챔버 벽의 인접한 2개의 섹터의 인접한 가장자리에 연결될 받침부(feet)를 갖는다. 그러므로 결합부재는 인접해 있는 챔버 벽 섹터 사이를 연결한다.
바람직하기로, 결합부재는 섹터의 가장자리의 외부면에, 다시 말하자면 고온에 노출된 섹터의 내부면에서 더 이격된 위치에 체결된다.
특별한 실시예에서, 각각 내부 벽 또는 외부 벽 섹터는 제1 및 하나 이상의 제2결합부재를 수단으로 하여 대응하는 내부 또는 외부 금속 케이싱에 가장자리를 통해 연결된다. 그런 다음에, 제2결합부재와 대응하는 챔버 벽 섹터 가장자리 사이의 연결은 길이방향으로 이완부(弛緩部分)(slack)를 구비한다.
바람직하기로, 밀봉 개스킷은 인접한 내부 혹은 외부 챔버 벽 섹터 사이에 끼워 넣어지는데, 예컨대 인접해 있는 2개의 섹터의 뒤로 접혀진 길이방향 선단의 맞닿은 만곡부 사이에 끼워 넣어진다.
각 개스킷은 X자 또는 8자 형상의 단면을 보인다.
바람직하기로, 각 개스킷은 세라믹 재료로 적어도 부분적으로 치밀화될 수 있는 내열성 섬유의 섬유 구조물로 이루어진다.
또 바람직하기로, 부재들은 개스킷이 안착된 사이에서 챔버 벽 섹터의 길이방향 선단에 대해서 길이방향으로 각 개스킷을 보유한다.
특별한 실시예에서, 챔버 단부 벽은 이에 연결된 내부 및 외부 챔버 벽 섹터 를 갖춘 내부 및 외부 환형상의 플랜지를 구비한다.
각 챔버 벽 섹터는 섹터와 챔버 단부 벽 사이의 연결부로부터 상류로 뻗은 카울(cowl) 섹터를 형성한 부분과 일체로 제작될 수 있다.
변형예로서, 카울-형성부는 연결부로부터 챔버 단부 벽으로 내부 및 외부 챔버 벽을 상류로 길이연장하는바, 카울-형성부는 챔버 벽 섹터로부터 거리를 두고 챔버 단부 벽의 내부 및 외부 환형상의 플랜지로 체결된다.
본 발명은 또한 위에서 한정된 바와 같이 연소챔버 조립체에 구비된 가스터빈 항공엔진을 구비한다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 섹터로 연소챔버 벽을 분할하는 것은 제작될 부품의 크기를 제한할 수 있고, 그 형상의 복잡함을 제한하여, 이들의 제조비용이 줄어든다. 덧붙여서, 금속 케이싱과 CMC 연소챔버 벽 사이의 크기에 차동적인 변동이 결합부재의 탄성변형과 챔버 섹터의 뒤로 접혀진 길이방향 선단으로 용이하면서 효과적으로 수용될 수 있다.
본 발명의 실시예가 가스터빈 항공엔진의 적용하여 아래에 기술된다.
그럼에도 불구하고, 본 발명은 또한 다른 항공엔진 혹은 산업용 터빈을 위한 가스터빈 연소챔버에 적용할 수 있다.
도 1은 가스 스트림의 흐름방향을 상류에서 하류로 하는 2개의 스풀(spool) 가스터빈 항공엔진의 개략도로서, 팬(2)과; 고압(HP) 압축기(3); 연소챔버(1); 고 압(HP) 터빈(4); 및 저압(LP) 터빈(5);으로 이루어지는데, 고압 및 저압 터빈은 개별적인 샤프트로 고압 압축기와 팬에 연결된다.
도 2에 매우 개략적으로 도시되었듯이, 연소챔버는 축(A)에 대해 환형상으로 되어 있고, 내부 환형상 벽(10)과, 외부 환형상 벽(20), 및 내부와 외부 환형상 벽(10,20)에 연결된 챔버 단부 벽(30)으로 되어 있다. 단부 벽(30)은 연소챔버의 상류 단부를 한정하고 연소챔버로 연료와 공기를 주입할 수 있는 인젝터(도시되지 않음)을 수용하기 위해 축(A) 둘레로 분포되어 있는 개구부(32)를 구비한다. 내부 및 외부 벽(10,20)은 단부 벽(30)을 지나 각각 내부 및 외부 카울(12,22)로 뻗어, 연소챔버 둘레로 흐르는 공기를 채널링(channeling)하도록 한다.
연소챔버의 내부와 외부 벽(10,20)은 세라믹 매트릭스 복합재료(CMC)로 제작된다. 단부 벽(30)은 또한 CMC로 제작되되, 단부 벽은 내부와 외부 벽(10,,20)과 동일한 재료로 제작되는 것이 바람직하며, 이외에도 내부와 외부 벽(10,20)이 노출되는 온도보다 낮은 온도에서 노출되기 때문에 금속으로 제작될 수 있다.
연소챔버는 탄성적으로 변형가능한 결합수단(도 2에 도시되지 않음)을 수단으로 내부 금속 케이싱(15)과 외부 금속 케이싱(25) 사이에서 지지되되, 결합수단이 내부 케이싱(15)을 내부 벽(10)에 연결하고 외부 케이싱(25)을 외부 벽(20)에 연결한다. 유연한 결합수단은 케이싱(15)과 내부 벽(10) 사이에 그리고 케이싱(25)과 외부 벽(20) 사이에 공간(16,26)으로 뻗으며, 이 공간은 연소챔버 둘레로 흐르는 냉각공기의 스트림(화살표 f)을 운반한다. 예컨대 금속으로 제작된 결합부재의 유연성이 CMC 챔버 벽과 금속 케이싱 사이의 열에 의한 차동적인 크기 변동을 흡수 할 수 있다.
하류 단부에서, 연소챔버의 배출구는 고압 터빈의 주입 단계를 구성하는 고압 터빈 노즐(40)의 주입구에 연결된다. 노즐(40)은 축(A) 둘레로 소정의 각도로 분포된 다수의 고정 베인(vane;42)으로 이루어진다. 베인(42)은 연소챔버로부터 나오는 가스 스트림을 위해 노즐(40)을 통해 덕트로 흐르게 형성하는 내부면을 갖춘 각각의 내부 및 외부 벽 또는 플랫폼(44,46)에 방사상 단부에서 고정된다.
연소챔버로부터의 배출구와 고압 터빈 노즐까지 주입구 사이의 연결부에서, 밀봉이 내부 및 외부 환형상 립(54,56)으로 구비된다. 립(54)은 내부 벽(10)의 외부면에 대해서 지지되거나 체결되는 한쪽 단부와 벽(44)의 환형상 림에 대해 지지되는 다른쪽 단부를 구비한다. 립(56)은 외부 벽(20)의 외부면에 대해 지지되거나 체결되는 한쪽 단부와 벽(46)의 환형상 림에 대해 지지되는 다른쪽 단부를 구비한다.
전술된 바와 같이 연소챔버 조립체는 그 자체가 이미 널리 알려져 있다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 그리고 본 발명에 따라, 연소챔버의 내부 및 외부 벽(10,20)는 각각 인접해 있는 섹터(100,200)로서 외주방향으로 분할되되, 각 섹터는 챔버의 전체 축의 길이부, 다시 말하자면 챔버의 단부 벽에서 챔버의 하류 단부까지 연속적으로 뻗는다.
길이방향 선단을 따라, 섹터(100)는 챔버의 외부를 향해 접혀져 U자형상의 단면을 갖고 내부 챔버 벽(10)의 외부면에서 이격된 뒤로 접혀지고 실제로 평행한 가장자리(102)로 마감되는 부분을 형성한다. 가장자리(102)는 만곡부(104)로서 섹 터(100)의 잔여부분에 연결된다. 밀봉 개스킷(13)은 인접해 있는 섹터(100)의 맞닿은 길이방향 선단의 만곡부(104) 사이에 끼워 넣어진다. 개스킷(13)은 상부를 매개로 만곡부(104)를 관통하고 상기 상부 사이에 위치된 개스킷(13)의 부분을 관통하는 핀(14)을 수단으로 하여 안착되게 고정된다.
내부 선단을 따라, 챔버 단부 벽(30)이 환형상 플랜지(34)를 형성하도록 상류로 접혀지며, 섹터(100)는 나사 혹은 볼트(도시되지 않음)와 같은 기계적 체결수단으로 체결된다.
내부 카울(12)은 섹터(100)와 일체로 제작되고 단부 벽(30)과의 연결부를 지나 섹터(100)를 상류로 뻗게 형성된 인접 섹터(120)로 외주방향으로 분할된다. 섹터(100)의 길이방향 선단은 외주 둘레로 뻗고, 단부 벽(30)과 연소챔버의 하류 단부 사이로 뻗은 섹터(100)의 부분에서만 만곡부(104)와 가장자리(102)를 형성하도록 뒤로 접혀진다.
내부 벽(10)과 내부 금속 케이싱(15) 사이의 연결부는 정위치에서 상호적으로 섹터(100)를 보유지지를 돕는 탄성적으로 변형가능한 결합부재(17)로 구비된다. 결합부재(17)는 하나 이상의 원주 열에 배치되고, 각 섹터(100)의 가장자리(102)는 적어도 하나의 결합부재로 금속 케이싱(15)에 연결된다. 결합부재의 적어도 하나의 원주 열은 섹터(100)의 하류 단부의 주변에 구비되되, 섹터가 챔버의 상류 단부에서 단부 벽(30)에 체결된다. 적어도 하나의 다른 원주 열은 그럼에도 불구하고 섹터(100) 사이에 훌륭한 상호보유를 확실하게 하기 위해 구비될 수 있다. 도시된 실례에서, 결합부재(17)의 제2 원주 열은 챔버의 단부 벽에 근접하게 구비된다.
도시된 실례에서, 결합부재(17)는 내부 금속 케이싱(15)에 체결될 상부(17a)와 인접해 있는 2개의 섹터(100)의 가장자리(102)의 외부면에 체결되게 받침부(17d,17e)에서 마감되는 브랜치(17b,17c)를 갖춘 Ω(오메가)형상을 갖는 브릿지 형태로 되어 있다. 결합부재는 볼트, 나사체결 또는 리벳으로 금속 케이싱(15)과 가장자리(102)를 체결할 수 있다. 받침부(17d,17e)를 체결하기 위해서, 가장자리(102)는 가장자리의 잔여부보다 큰 거리 외주로 뻗은 탭(102b,도 5)를 형성하고, (탭-형성 영역(102a)에서 떨어진) 가장자리(102)의 외주 크기는 매우 작을 수 있다.
길이방향 선단을 따라서, 섹터(200)가 외부 벽(20)을 형성하여 밀폐방식으로 서로 연결된다. 섹터(100)와 유사한 방식으로, 섹터(200)는 길이방향 선단을 따라 외부로 접혀져 U자형상 단면을 갖고 챔버 외부 벽(20)의 외부면에서 떨어져 있는 뒤로 접혀진 가장자리(202)로 마감되어 실제로 평행하게 된다. 가장자리(202)는 만곡부(204)에 의해 섹터(200)의 잔여부분에 연결된다. 밀봉 개스킷(23)은 만곡부(204)와 인접한 섹터(200)의 접해 있는 길이방향 선단 사이에 끼워 넣어진다. 개스킷(23)은 개스킷(13)이 핀(14)으로 정위치에 고정되듯이 동일한 방식으로 핀(24)을 수단으로 하여 정위치에 고정된다.
외부 선단을 따라서, 챔버 단부 벽(30)은 상류로 접혀져 환형상 플랜지(36)를 형성하고, 섹터(200)는 나사 혹은 볼트(도시되지 않음)와 같은 기계 체결부재로 체결된다.
외부 카울(22)은 섹터(200)와 일체로 제작되고 챔버 단부 벽(30)에 연결을 지나 상류로 향하는 섹터(200)의 연장부로 형성되어 인접한 섹터(220)로 외주방향으로 분할된다. 섹터(200)의 길이방향 선단은 연소챔버의 하류 단부와 단부 벽(30) 사이로 뻗은 섹터(200)의 길이부의 일부에서만 만곡부(204)와 가장자리(202)를 형성하도록 뒤로 접혀진다.
외부 벽(20)과 외부 금속 케이싱(25) 사이의 연결부는 상호적으로 섹터(200)를 보유지지하는 탄성적으로 변형가능한 결합부재(27)로 구비된다. 결합부재(27)는 결합부재(17)와 같이 동일한 방식으로 하나 이상의 원주 열에 배치되고, 각 섹터(200)의 가장자리(202)는 적어도 하나의 결합부재로 금속 케이싱(25)에 연결된다.
도시된 실례에서, 결합부재(27)는 결합부재(17)와 동일하게 Ω(오메가)형상을 갖는 브릿지 형태로 되어 있으며, 금속 케이싱(25)에 체결될 상부(27a)와 인접해 있는 2개의 섹터(200)의 가장자리(202)의 외부면에 체결된 받침부(27d,27e)에서 마감되는 브랜치(27b,27c)를 구비한다. 결합부재는 볼트, 나사체결 또는 리벳으로 금속 케이싱(25)과 가장자리(202)를 체결할 수 있다. 가장자리(102)와 동일한 방식으로, 가장자리(202)는 결합부재(27)의 받침부(27d,27e)를 체결하도록 탭(202a)을 형성하고, 가장자리의 외주 크기(탭-형성 영역(202a) 외부)는 탭의 크기보다 훨씬 작을 수 있다.
섹터(100,200;섹터(120,220)와 일체로 각각 형성된)는 세라믹 매트릭스로 치밀화된 내열성 섬유로 제작된 섬유강화재를 갖춘 세라믹 매트릭스 복합재료로 제작된다. 섬유강화재의 섬유는 탄소 또는 세라믹일 수 있고, 예컨대 열분해 탄소(PyC) 또는 질화붕소(BN)의 간기(interphase)가 강화섬유 및 세라믹 매트릭스 사이에 끼워 넣어질 수 있다. 섬유강화재는 직물 또는 시트와 같은 섬유 플리에(ply)를 겹쳐놓거나 3차원적으로 짜여져 제작될 수 있다. 세라믹 매트릭스는 탄화규소(silicon carbide) 또는 다른 세라믹 카바이드, 질화물(nitride) 또는 산화물로 제작될 수 있고, 자기치유 매트릭스 상(self-healing matrix phase), 다시 말하자면 소정의 온도에서 페이스트 상태로 포획되어 틈새를 치유할 수 있는 상을 구비할 수 있다. 자기치유 매트릭스를 갖는 CMC재료는 미국 특허 제5 965 266호, 동 제6 291 058호, 및 동 6 068 930호에 기재된다.
간기는 CVI로 강화섬유 상에 쌓여질 수 있다. 세라믹 매트릭스 치밀화를 실행하기 위해, CVI 치밀화 공정 또는 액체 공정 또는 실제로 반응공정(용융된 금속에 침지)을 실행할 수 있다. CMC 부품을 제작하는 공정은 이미 널리 알려져 있다. 특히, 제1치밀화단계는 섬유강화재를 강화하여 실행될 수 있으며, 동시에 툴링을 수단으로 하여 바람직한 형태로 유지되고, 그런 다음에 치밀화는 이러한 지지 툴링없이도 지속된다.
챔버 단부 벽(30)은 단일 환형상 부로 되어 있고 금속으로 제작될 수 있으며, 섹터(100,200)와 금속으로 제작된 단부 벽(30)의 플랜지(34,36) 사이를 기계 체결부재에 의한 이러한 연결이 "냉각"영역에 구비되기 때문에 가능하다.
개스킷(13,23)은 내열성 섬유로 제작된 섬유구조물의 형태로 제작될 수 있다. 세라믹 섬유, 예컨대 탄화규소 또는 세라믹 카바이드, 질화물, 산화물의 섬유로 제작된 치밀화되지 않은 섬유구조물을 사용할 수 있는바, 섬유구조물은 예컨대 짜기 또는 꼬기로 얻어진다. 또한, CVI 또는 액체 공정으로 획득된 세라믹 매트릭스로 적어도 부분적으로 치밀화된 내열성 섬유(탄소섬유 혹은 세라믹 섬유)로 제작된 섬유구조물을 사용할 수 있다.
도 5의 실시 예에서, 캐스킷(13, 23)이 8자 형상으로 되어 있다. 도 6과 같이 변형되어, 밀봉 캐스킷(13, 23)은 X자 형상일 수 있다.
캐스킷(13, 23)이 공간(16, 26)에 "냉각"영역에 위치된 판(14, 24)로 정위치에 고정되기 때문에, 핀은 금속으로 제작될 수 있다.
탄성적으로 변형가능한 결합부재(17,27)는 바람직한 유연성을 부여하기 위해서 얇은 두께의 금속으로 제작된다. 결합부재가 2개의 섹터(100 또는 200)와 공동으로 되어 있지 않고, 예컨대 특정 유연한 부착물을 매개로 하여 금속 케이싱(15,25)에 각 탭(102a,202a)을 연결할 수 있다. 섹터(100,200)와 금속 케이싱(15,25) 사이에 결합부재가 섹터(100,200) 사이의 상호 지지력을 발휘하기 위해 압축응력(prestress)를 줄 수 있다.
결합부재와 금속 케이싱 사이, 그리고 결합부재와 섹터(100,200) 사이의 기계적 연결은 이들이 공간(16,26)의 "냉각"영역에 위치되기 때문에 금속으로 제작된 나사, 볼트 또는 리벳으로 구비될 수 있다.
결합부재(17,27)의 다수의 원주 열이 구비될 경우, 이 열 중 하나의 부재, 예컨대 챔버의 하류 단부에 최인접한 열은 가장자리(102,202)에 체결되고 어떠한 이완부를 구비하지 않고서 금속 케이싱(15,25)에 체결되는 한편, 다른 열의 부재들은 길이방향으로 차동적인 크기 변동을 수용하기 위해서 길이방향으로 이완부와 체결된다.
탄성적으로, 특히 탭(102a,202a)을 매개로 변형되게 섹터(100,200)의 가장자리(101,202)의 능력과 조합된 결합부재(17,27)의 유연성은 CMC 벽(10,20)과 금속 케이싱(15,25) 사이에서 발생하는 열에 의한 차동적동 크기 변동을 용이하게 보상할 수 있다.
도 7은 카울(12,22)이 섹터(100,200)에서 개별적으로 만들어진 변형예를 도시한 것이다. 그런 다음에 카울(12,22)은 금속으로 제작될 수 있고 단일 부품으로 제작될 수 있다. 카울은 섹터(100,200)의 상류 단부와 같은 방식으로 챔버 단부 벽(30)의 플랜지(34,36)에 예컨대 금속 볼트 또는 나사를 수단으로 하여 체결된다.
연소챔버의 하류 단부와 터빈 노즐 사이의 밀봉을 제공하는 한 방법이 도 8에 도시된다.
환형상 밀봉 립(56)이 예컨대 금속으로 제작된다. 이는 외부 벽(20)과 동일한 방식으로 인접한 섹터(560)를 외주방향으로 분할한다. 각 립 섹터(560)의 상류부(560a)는 대응하는 벽 섹터(200)의 외부면에 대해 지지되거나 체결된다. 체결은 납땜으로 이루어질 수 있다. 립 섹터(560)는 상류부(560a)로부터 벽 섹터(200)의 외부면에서 점진적으로 벗어나는 하류부(560b)로 뻗는다.
유연한 금속 설부(57;舌部)는 벽 섹터(200)의 하류에 인접하게 위치된 연결탭(202a)에 한쪽 단부가 체결되되, 이러한 체결은 브릿지 받침대(27)에 체결되어 이루어질 수 있다. 다른쪽 단부에서는, 유연한 설부(57)가 립 섹터(560)의 하류부(560b)에 대해 지지한다. 설부(57)는 립 섹터(560)에 탄성력을 가하고, 동시에 벽 섹터(200)의 외부면과 터빈 노즐(도 2)의 벽(46)의 환형상 림에 대해 지지되도록 만곡되어 압축응력을 준다.
내부 환형상 밀봉 립(54)은 립(56)과 동일한 방식으로 인접한 섹터로 외주 방향으로 분할되되, 각 립 섹터는 대응하는 벽 섹터(100)에 대해 체결되거나 지지되며, 립 섹터(560)와 동일한 방식으로 금속 설부로 병합된다.
전술된 실시예에서, 연소챔버의 내부 및 외부 벽의 형성되는 섹터의 갯수는 변형하는 CMC 재료 섬유강화재의 수용능력에 의존하므로, 제조되는 동안에 섹터의 형상에 적합하게 될 수 있다.
결과적으로, 섬유강화재의 변형도가 낮춰지거나 가해질 변형이 커질 때, 특히 카울이 섹터와 병합되면, 도 2 내지 도 6에 도시된 실시예와 같이 섹터의 갯수가 많아질 것이다.
따라서, 각 챔버 벽을 위한 섹터의 갯수는 챔버 단부 벽에 인젝터 하우징의 각도를 갖는 피치와 1배 이상, 예컨대 인젝터 하우징의 각도를 갖는 피치의 1배, 2배 또는 3배에 대응하는 각도로 각 섹터를 채우는 방식으로 선택될 수 있다.
도시된 실례에서, 섹터의 갯수는 인젝터 하우징의 갯수와 동일하다.
본 발명은 첨부도면을 참조로 하여 이에 국한되지 않고 상세한 설명을 더욱 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 가스터빈 항공엔진의 개략도이다.
도 2는 예컨대 도 1에 도시된 유형의 가스터빈 엔진에서 연소챔버와 이의 주변부의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연소챔버 조립체를 도시한 것으로, 아래에서 바라보며 도시한 일부분을 절취한 사시도이다.
도 4는 도 3의 연소챔버의 일부를 확대한 사시도이다.
도 5는 동등하게 확대한 도 4의 상세 사시도이다.
도 6은 밀봉 개스킷의 변형 실시예를 도시한 도 5와 유사한 도면이다.
도 7은 단부 벽으로부터 연소챔버의 벽을 상류로 길이연장한 카울의 변형예를 도시한 도 4와 유사한 도면이다.
도 8은 연소챔버에서의 배출구와 고압 터빈 노즐의 주입구 사이를 밀봉하는 실시예를 도시한 도면이다.

Claims (14)

  1. 내부 금속 케이싱(15)과;
    외부 금속 케이싱(25);
    세라믹 매트릭스 복합재료의 내부 벽(10) 및 외부 벽(20)과, 상기 내부 벽과 외부 벽에 연결된 챔버 단부 벽(30)을 갖춘 환형상 연소챔버; 및
    상기 챔버의 내부 벽과 외부 벽을 상기 내부 금속 케이싱과 외부 금속 케이싱에 연결하는 탄성적으로 변형가능한 결합부재(17,27);로 이루어진 가스터빈 연소챔버 조립체에 있어서,
    상기 챔버의 각 내부 벽과 외부 벽(10,20)은 길이방향 선단을 따라 인접해 있는 섹터(100,200)로 외주방향으로 분할되고, 상기 각 섹터는 상기 챔버 단부 벽에서 상기 챔버의 반대쪽 단부까지 연속적으로 뻗고, 각 섹터는 상기 챔버로부터 그 길이방향 선단을 매개로 외부로 접혀져 U자형상 단면을 갖는 부분을 형성하고 대응하는 챔버 벽의 외부면에서 이격된 뒤로 접혀진 가장자리(102,202)로 마무리되며, 상기 결합부재(17,27)는 상기 섹터의 가장자리에 체결되어 상기 챔버의 내부 벽과 외부 벽에 연결되는 것을 특징으로 하는, 가스터빈 연소챔버 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합부재(17,27)는 실제로 오메가(Ω)형상의 브릿지 형태로 되어 있고, 이 브릿지는 상기 금속 내부 케이싱과 외부 금속 케이싱 중 하나에 연결된 상부(17a,17b)와 상기 대응하는 내부 챔버 벽 또는 외부 챔버 벽의 인접해 있는 2개의 섹터의 인접한 가장자리에 연결된 받침부(17d,17d,27d,27e)를 구비하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합부재(17,27)는 상기 섹터의 가장자리(102,202)의 외부면에 체결되는 것을 특징으로 하는 조립체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 각 내부 챔버 벽 섹터 또는 외부 챔버 벽 섹터(100,200)는 이의 가장자리에서 제1 및 제2결합부재를 수단으로 하여 상기 대응하는 내부 금속 케이싱 또는 외부 금속 케이싱을 연결하고, 상기 제2결합부재와 상기 대응하는 챔버 벽 섹터 가장자리 사이의 연결부는 길이방향으로 이완부를 구비하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    밀봉 개스킷(13,23)은 인접해 있는 내부 챔버 벽 섹터 또는 외부 챔버 벽 섹터 사이에 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 개스킷(13,23)은 인접해 있는 2개의 섹터의 뒤로 접혀진 길이방향 선단의 마주보는 만곡부(104,204) 사이에 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 조립체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 개스킷(13,23)은 X자 혹은 8자 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 조립체.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 개스킷(13,23)은 내열성 섬유의 섬유 구조물로 이루어진 것을 특징으로 하는 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 섬유 구조물은 세라믹 재료로 적어도 부분적으로 치밀화되는 것을 특징으로 하는 조립체.
  10. 제6항에 있어서,
    핀(14,24)은 상기 개스킷이 안착된 사이에서 상기 챔버 벽 섹터의 길이방향 선단에 대해 길이방향으로 각 개스킷(13,23)을 고정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 조립체.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 챔버 단부 벽(30)은 상기 내부 챔버 벽 섹터와 외부 챔버 벽 섹터에 연결될 내부 및 외부 환형상 플랜지(34,36)를 구비하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 각 챔버 벽 섹터(100,200)는 연결부로부터 상기 섹터와 챔버 단부 벽(30) 사이로 상류방향으로 뻗은 카울(cowl) 섹터(120,220)를 형성하는 부분과 일체로 제작되는 것을 특징으로 하는 조립체.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    카울 형상부(12,22)는 상기 챔버 단부 벽과의 연결부에서 상기 챔버 단부 벽으로 내부 및 외부 챔버 벽을 상류로 뻗고, 상기 카울 형상부는 상기 챔버 벽 섹터와 구분되고 상기 챔버 단부 벽(30)의 내부 및 외부 환형상 플랜지(34,36)에 체결되는 것을 특징으로 하는 조립체.
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 연소챔버를 구비한 가스터빈 엔진.
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