KR20040100994A - 연소실 단부벽과 연소실 측벽 사이에 유연한 연결이형성되어 있는 연소실 - Google Patents

연소실 단부벽과 연소실 측벽 사이에 유연한 연결이형성되어 있는 연소실 Download PDF

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구에르빌르필립페
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Abstract

본 발명은 X축의 터보기계용 환형 연소실에 관한 것으로, 이 연소실에는 연소실 단부벽이 내측벽 및 외측벽에 다수의 방사상 내측 부착고정부와 상기 연소실 단부벽(7)으로부터 상류 쪽으로 위치된 다수의 방사상 외측 부착고정부에 의해 내측벽과 외측벽에 각각의 부착고정부를 볼트로 조임으로써 고정되어 있다. 상기 다수의 부착고정부(20) 중 적어도 하나는 연소실 단부벽(7)에 고정된 링(21)과 일체로 되어 있고, 볼트조임부(19)를 지나 상류 쪽으로 뻗는 쌍으로 된 다수의 탭(22a, 22b)을 구비하며, 각 쌍에서 2개의 탭(22a,22b)은 볼트조임부(19)의 양측에 원주방향으로 위치되어 있고, 이 탭들의 상단부(23a,23b)에서, 상기 2개의 탭(22a,22b) 사이에서 뻗으며 인접한 내측벽(5)에 고정되기 위한 볼트조임부(19)가 있는 고정판(25)의 상단부(24)에 서로 연결된다.

Description

연소실 단부벽과 연소실 측벽 사이에 유연한 연결이 형성되어 있는 연소실{A combustion chamber having a flexible connection between a chamber end wall and a chamber side wall}
본 발명은 X축의 터보기계용 환형 연소실(annular combustion chamber)에 관한 것으로, 이 연소실은 방사상 내측벽과 방사상 외측벽 및 상기 연소실의 상류영역에 내측벽과 외측벽 사이에 위치된 연소실 단부벽으로 이루어져 있고, 상기 연소실 단부벽은 상기 내측벽 및 외측벽에 각각의 부착고정부를 볼트에 의해서 조여서 고정시키는 방법으로 상기 연소실단부로부터 상류 쪽에 위치된 다수의 방사상 내측 부착고정부와 다수의 방사상 외측 부착고정부에 의해서 상기 내측벽과 외측벽에 고정된다.
근래에는 연소실 단부벽과 내측벽 및 외측벽은 유사한 재료로 만들어지고, 비슷한 팽창계수를 가지며, 연소실 단부벽과 내측벽 및 외측벽 사이의 연결은 축방향으로 짧아 질 수 있는 부착고정부를 볼트로 강하게 조여서 이루어진다.
터보기계 특히, 항공기용 터보기계의 효율을 증가시키기 위해서, 고온의 연소실영역에서의 가스의 온도는 종래의 온도보다 더 높아지고 있으며, 내측벽 및 외측벽은 냉각공기의 막에 의해서 보호된다.
내측벽과 외측벽을 만들기 위해서 사용되는 것과 유사한 재료로 통상 만들어지는 연소실 단부벽이 매우 높은 온도로 인해서 비가역적인 수준의 변형을 확실히 겪지 않도록 하기 위해서, 연소실 단부벽은 방사상 내측벽 및 방사상 외측벽과는 다른 재료로 만들어질 수 있고, 이 재료는 고온을 견딜 수 있다. 이러한 환경아래에서, 연소실 단부벽을 구성하는 재료의 팽창계수는 내측벽과 외측벽을 구성하는재료의 팽창계수와는 다르며, 강하게 볼트로 조여진 즉, 짧은 고정부를 사용하는 상기 연소실 단부벽과 내측벽 및 외측벽 사이의 연결은 관련된 부재의 기계적 강도의 관점에서 상상할 수도 없다.
부착고정부는 볼트조임부와, 부착고정부가 연소실 단부벽에 고정되는 앵커점 (anchor point)사이의 방사상의 팽창차이가 증가함과 함께 응력의 증가를 겪게 되고, 이러한 응력은 앵커점과 볼트조임부 사이에서 부착고정부를 가로지르는 거리가 짧을 때 특별하게 커지게 된다.
방사상 팽창에서 소정의 차이에 대한 이러한 응력을 감소시키기 위해서, 아치형이고 볼트의 너트 주위를 방사상으로 돌아서 뻗는 유연한 고정부를 사용하여서 앵커점과 볼트조임부 사이에서 부착고정부를 가로지르는 거리를 증가시키는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 유연한 부착고정부는 연소실 단부벽으로부터 상류 쪽에 위치된 구획부(enclosure)에서 많은 공간을 차지하고, 여기에서 상류는 일반적인 상류에 대해서 하류 쪽이나 연소실을 통과하는 가스유동의 출구유동방향으로의 입구로 정의된다.
안타깝게도, 인젝터 시스템의 존재 때문에 상기 구획부에서의 유용한 공간이 제한된다.
본 발명은 상기한 단점을 극복하기 위해서 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 방사상 방향으로 과도한 공간을 차지하지 않는 많은 부재들 사이에서 방사상 팽창의 다른 정도를 수용하기 위해서 필요한 유연성이 있는 새로운 부착고정부를 제공하는 것이다.
도 1은 그 단면이 축선X를 포함하는 방사면이고 연소실이 본 발명에 따라서 연소실의 단부벽을 부착시키기 위한 부착고정부를 포함하는 터보기계용 연소실의 반단면도이고,
도 2는 본 발명의 부착고정부의 부분사시도,
도 3은 연소실의 방사상 내측벽에 한 쌍의 탭을 부착하기 위한 부착시스템을 도시하는 도 4의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도,
도 4는 화살표 V를 따라서 도시된 도 3의 부착시스템의 평면도,
도 5는 도 3과 유사한 도면으로 연소실의 방사상 내측벽에 대하여 연소실의 단부벽에서 탭의 앵커점이 방사상으로 수축할 때 탭과 고정판이 각각 겪게 되는 변형을 도시하는 도면,
도 6은 도 3과 유사한 도면으로 연소실의 방사상 내측벽에 대하여 연소실의 단부벽에서의 탭의 부착점이 방사상으로 팽창할 때 탭과 고정판이 각각 겪게 되는 변형을 도시하는 도면이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 연소실은 다수의 부착고정부 중 적어도 하나가 연소실 단부벽에 고정된 링과 일체로 되어 있고, 볼트조임부를 넘어서 상류 쪽으로 뻗는 쌍으로 된 다수의 탭을 구비하며, 각 쌍에서 2개의 탭은 볼트조임부의 양측에 원주방향으로 위치되어 있고 이 탭들의 상단부에서, 상기 2개의 탭 사이에서 뻗으며 인접한 내측벽에 고정되기 위한 볼트조임부가 있는 고정판의 상단부에 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.
부착고정부의 상기와 같은 배치는 작은 축방향의 확장을 가지는 종래의 강한 부착고정부와 비교하여, 본 발명의 부착고정부의 방사상 확장이 특별하게 증가되지 않도록 하면서 볼트조임부와 고정판의 상단부 사이의 거리의 2배인 탭의 앵커점과 볼트조임부 사이에서 부착고정부를 가로지르는 거리를 증가시킨다.
또한, 쌍으로 된 상기 탭의 상단부와, 이와 연결된 고정판의 상단부는 방사상의 굽힘 응력을 견디기 위해서 여분의 두께부를 포함한다.
또한, 상기 각 탭은 여분의 두께부의 부근에 위치된 구멍으로 연통된 슬롯에 의해서 고정판으로부터 분리된다. 이러한 구멍은 형상 응력집중을 더 두꺼운 두께부에 가깝게 감소시킬 수 있다.
또한, 이러한 상황에서 상기 부재들을 일체로 할 수 있게 하기 위해서, 상기 탭은 링과 볼트조임부 사이에서 S자형이다. 또한, 이 S자형부는 탭의 앵커점과 볼트조임부 사이에서 부착고정부를 가로지르는 거리를 증가시키기 때문에 탭의 유연성을 개선시킨다.
또한, 상기 탭은 공진이 발생했을 때 연소실 단부벽이 상기 내측벽에 대하여 이동할 수 있는 정도를 제한하기 위해서, 적어도 S자형부의 부근에서 인접한 내측벽을 지지하는 데에 적절하다.
본 발명의 다른 특징과 장점은 첨부도면을 참조로 하여 다음의 설명으로 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 케이싱의 내벽(3)과 외벽(4) 사이의 노즐(2)로부터 하류에 위치된 축선 X를 가지는 터보기계용 환형 연소실(1)을 도시한다. 본 설명에서, 상류와 하류는 연소실(1)을 통과하는 가스의 일반적인 유동방향에 대해서 정의된다.
연소실(1)은 방사상의 내측벽(5)과, 방사상의 외측벽(6) 및, 연소실(1)의 상류영역에서 방사상의 내측벽(5)과 방사상의 외측벽(6) 사이에서 뻗는 연소실 단부벽(7)에 의해서 한정된다.
방사상의 내측벽(5)은 케이싱의 내벽(3)의 바깥쪽에 방사상으로 위치되고, 연소실(1)의 하류영역에서의 희석과 터빈을 냉각하기 위해서 사용되는 공기가 흐르도록 하는 내측 환형 채널(8)을 상기 내벽과 함께 한정한다.
방사상의 외측벽(6)은 케이싱의 외벽(4)의 안쪽에 방사상으로 위치되고 마찬가지로 희석과 터빈의 고정익(stator;도시되지 않음)을 냉각시키기 위한 공기가 흐르도록 하는 외측 환형 채널(9)을 상기 외벽과 함께 한정한다.
연소실 단부벽(7)은 방사상의 내측벽(5)과 방사상의 외측벽(6)에 의해서 한정되는 환형 체적을 연료관(11)이 인젝터 및 연소실 단부벽(7)을 위한 부착고정부와 함께 수용되는 상류영역(10)과 연소가 발생되는 하류영역(12)으로 나눈다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연소실 단부벽(7)의 양 끝부분(7a,7b)은 연소실 단부벽(7)과 상기 내ㆍ외측벽(5,6)사이에서 차동(差動)적인 방사상의 팽창을 허용하기 위한 간극부(13a,13b)에 의해서 방사상의 내측벽(5)과 방사상의 외측벽(6)으로부터 각각 떨어져 있다.
연소실 단부벽(7)의 외측 끝부분(7b)은 상류부분(6a)에 형성된 구멍과 부착고정부(14)에 형성된 구멍을 통과하는 볼트(16)를 조이는 너트(15)의 주위를 둥글게 도는 아치형태인 다수의 유연한 부착고정부(14)에 의해서 방사상의 외측벽(6)의 상류부분(6a)에 고정된다. 이러한 배치는 상류영역(10)의 방사상의 외측부분에 유용한 공간이 있기 때문에 가능하다.
대조적으로, 상류영역(10)의 방사상의 내측부분에는 연소실 단부벽(7)의 방사상 내측 끝부분(7a)이 도 1에서 도면부호 14로 도시된 것과 같은 아치형태의 다수의 부착고정부에 의해서 방사상 내측벽(5)의 상류부분(5a)에 고정될 수 있는 유용한 공간이 없다
또한, 방사상 내측 끝부분(7a)을 방사상 내측벽(5)에 볼트(17)와 너트(18)를 사용하는 종래의 브라켓(bracket) 모양의 부착고정부에 의해서 고정시키는 것은 만약, 연소실 단부벽(7)이 방사상 내측벽(5)과 다른 팽창계수를 가지는 재료로 만들어지거나 연소실 단부벽(7)이 내측벽(5)이 겪는 것보다 더 높은 온도를 겪는다면 생각할 수도 없다.
도 2내지 도 4에서 도시된 것처럼, 방사상으로 내측에 있고 연소실단부벽(7)의 끝부분(7a)에 가까운 본 발명의 부착고정부(20)는 상기 연소실 단부벽(7)에 용접되어 있는 링(21)과 일체로 되어 있고, 볼트(17)와 너트(18)가 함께 조여지는 볼트조임부(19)를 지나서 상류영역(10)의 방사상의 내측부분에 있는 상류로 뻗는 쌍으로 된 다수의 탭(22a,22b)으로 이루어져 있으며, 이 쌍으로 된 양 탭(22a,22b)은 볼트조임부(19)의 양측에 위치되고 이들의 상단부(23a,23b)에서 상기 양 탭(22a,22b)의 사이에 위치되고 양 탭(22a,22b)의 상단부와 같은 평면에서 뻗는 고정판(25)의 상단부(24)에 서로 연결되어 있다.
또한, 탭(22a,22b)은 서로 반대방향으로 굽어지는 양 굽힘부(27,28)에 의해서 이루어지는 S자형부(26)가 있고, 방사상 내측의 굽힘부(28)는 볼트조임부(19)로부터 약간 하류 쪽으로 위치되고 방사상 내측벽(5)의 방사상 외측면에 지지된다.
탭(22a,22b)은 탭(22a,22b)의 상단부(23a,23b)와 고정판(25)의 상단부(24) 부근에 위치된 구멍(31a,31b)으로 연통하는 슬롯(30a,30b)에 의해서 고정판(25)의 끝부분(29a,29b)으로부터 분리되어 있다.
구멍(31a,31b)의 직경은 이 영역에서의 응력을 제한하는 데에 충분한 직경이다. 또한, 탭(22a,22b)의 상단부(23a,23b)와 고정판(25)의 상단부(24)는 탭(22a,22b)과 고정판(25) 사이의 연결이 끊어지는 위험을 막기 위해서 상당한 여분의 두께를 제공한다. 고정판(25)은 볼트(17)가 지나가는 관통구멍(32)을 포함한다.
양 탭(22a,22b)은 방사상 외측의 굽힘부(27)로부터 하류 쪽으로 함께 연결되어 방사상 내측벽(5)의 상류부분(5a)과 실질적으로 평행한 이음부(33)를 형성한다.
이음부(33)의 양측에서, 링(21)은 먼저 간극부(13a)의 두께만큼의 거리로 방사상 내측벽(5)과 떨어져서 위치되어 있는 방사상 내측의 입술부(34)가 있고, 2번째로 방사상 외측의 입술부(35)가 있다.
링(21)의 이음부(33)의 앵커점(36)과 방사상 내측벽(5) 사이에 방사상의 팽창차이가 없다면, 굽힙부(28)로부터 위쪽으로 위치된 탭(22a,22b)은 방사상 내측벽(5)의 외측면을 누른다. 이러한 관계가 고정판(25)에도 적용된다. 이러한 정지위치나, 부착고정부(20)에 어떠한 응력도 없는 위치가 도 5와 도 6에 점선으로 도시되어 있다.
만약, 내측벽(5)이 도 5에 도시된 것처럼 연소실 단부벽(7)보다 더 큰 팽창계수를 가진다면, 온도가 상승할 때 앵커점(36)은 내측벽(5)쪽으로 거리d를 이동하고 고정판의 상단부(24)와 함께 탭(22a,22b)의 상단부(23a,23b)가 거리 d'를 내측벽에서 떨어져서 이동하는 동안 탭(22a,22b)의 상단부분은 내측벽(5)을 지지하는 굽힘부(28)를 축으로 선회한다. 탭(22a,22b)의 하단부분은 방사상 내측벽에 더 가깝게 이동한다. 이와 같은 배치는 탭(22a,22b)의 변형과, 공진이 발생했을 때 내측벽(5)에 대하여 연소실 단부벽(7)이 이동할 수 있는 곳까지의 확장을 제한하도록 한다.
이와 반대로, 만약 연소실 단부벽(7)이 방사상 내측벽(5)의 팽창계수보다 더 큰 팽창계수를 갖는다면, 도 6에 도시된 것처럼 이음부(33)의 앵커점(36)은 거리d를 내측벽(5)으로부터 떨어져서 이동한다. 탭(22a,22b)의 세트는 내측벽(5)으로부터 떨어져서 이동하고 고정판(25)은 도 6에 도시된 것과 비슷한 형상을 한다.
도 5와 도 6에 도시된 형상에서, 탭(22a,22b)의 상단부(23a,23b)와 구멍(31a,31b)으로부터 상류에 위치된 고정판(25) 사이의 연결은 방사상의 굽힘력을 받기 때문에, 상기 상단부의 여분의 두께에서 높은 수준의 응력을 발생시킨다.
당해 업자는 전술된 부착고정부(20)가 연소실 단부벽(7)의 방사상 외측 끝부분(7a)을 부착고정부(14)를 사용하는 대신에 방사상 외측벽(6)에 고정시키는 데에 사용할 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 방사상 방향으로 과도한 공간을 차지하지 않는 많은 부재들 사이에서 방사상 팽창의 다른 정도를 수용하기 위해서 필요한 유연성이 있는 부착고정부를 제공하여서 연소실 단부벽을 내측벽 및 외측벽과 다른 재료로 만들어서 나타나는 방사상의 팽창차이를 허용하기 때문에 보다 높은 온도에 견딜 수 있도록 연소실 단부벽을 제작할 수 있게 하여 결과적으로 터보기계의 효율을 증가시키는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 방사상의 내측벽(5)과 방사상의 외측벽(6) 및 연소실의 상류영역에 상기 내측벽(5) 및 외측벽(6) 사이에 위치된 연소실 단부벽(7)으로 이루어져 있고, 상기 연소실 단부벽은 상기 내측벽(5) 및 외측벽(6)에 다수의 방사상 내측 부착고정부와 상기 연소실 단부벽(7)으로부터 상류에 위치된 다수의 방사상 외측 부착고정부에 의해 상기 내측벽과 외측벽에 각각의 부착고정부를 볼트로 조임으로써 고정되는 X축의 터보기계용 환형 연소실에 있어서,
    상기 연소실은 상기 다수의 부착고정부(20) 중 적어도 하나가 상기 연소실 단부벽(7)에 고정된 링(21)과 일체로 되어 있고, 볼트조임부(19)를 지나 상류 쪽으로 뻗는 쌍으로 된 다수의 탭(22a,22b)을 구비하며, 각 쌍에서 2개의 탭(22a,22b)은 볼트조임부(19)의 양측에 원주방향으로 위치되어 있고, 이 탭들의 상단부(23a,23b)에서, 상기 2개의 탭(22a,22b) 사이에서 뻗으며 인접한 내측벽(5)에 고정되기 위한 볼트조임부(19)가 있는 고정판(25)의 상단부(24)에 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 연소실.
  2. 제 1항에 있어서, 쌍으로 된 상기 탭(22a,22b)의 상단부(23a,23b)와 이와 연결된 고정판(25)의 상단부(24)는 방사상의 굽힘 응력을 견디기 위해서 여분의 두께부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 각 탭(22a,22b)은 여분의 두께부의 부근에 위치된 구멍(31a,31b)으로 연통된 슬롯(30a,30b)에 의해서 고정판(25)으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 연소실.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탭(22a,22b)은 상기 링(21)과 볼트조임부(19) 사이에서 S자형인 것을 특징으로 하는 연소실.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 탭(22a,22b)은 공진이 발생했을 때 연소실 단부벽(7)이 상기 내측벽(5)에 대하여 이동할 수 있는 정도를 제한하기 위해서 적어도 S자형부(26)의 부근에서 인접한 내측벽(5)을 지지하는 데에 적절한 것을 특징으로 하는 연소실.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 링(21)은 용접에 의해서 상기 연소실 단부벽(7)에 고정되는 것을 특징으로 하는 연소실.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 링(21)은 연소실 단부벽(7)의 방사상 내측 끝부분(7a)에 용접되고 상기 연소실 단부벽(7)과 내측벽(5) 사이에서 방사상의 팽창차이를 보상하도록 하는 간극부(13a)에 의해서 방사상 내측벽(5)으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 연소실.
KR1020040035647A 2003-05-20 2004-05-19 연소실 단부벽과 연소실 측벽 사이에 유연한 연결이형성되어 있는 연소실 KR20040100994A (ko)

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