JP2006003072A - Ｃｍｃ連結部材によって金属ケーシング内に支持されるｃｍｃ製ガスタービン燃焼室 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ケーシング内にＣＭＣ壁を有する燃焼室を提供する。
【解決手段】
セラミック基質複合材料製の壁１２、１３を有する環状の燃焼室１０が、燃焼室にろう付けによって固定される連結部材５０、６０によって、金属ケーシング内側に取り付けられる。連結部材は、燃焼室１０を、ケーシングの内側および外側の金属シュラウド３０、４０に接合する、複数の内側連結タブ５０および複数の外側連結タブ６０を備え、各連結タブは、ろう付けによって燃焼室の壁１２、１３の外面に固定される第１の部分５２、６２を有し、連結タブの第１の部分は、燃焼室と連結部材との間のろう付けされた接合部が、互いに離間された１組の限られた領域５３、６３を占めるように、周囲方向に互いに離間される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンにおける金属ケーシングの内側にセラミック基質複合（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｓｉｔｅ、ＣＭＣ）材料製の壁を有する燃焼室を取り付けることに関する。本発明の適用分野は、より詳細には、産業用ガスタービン、および航空機用のターボジェットエンジンまたはターボプロップエンジンである。

ガスタービンの燃焼室は、金属で作られており、金属製の連結部材、フェルール、またはタブによって、金属ケーシングの内側に取り付けられる、または固定されるのが一般的である。前記壁を有効に冷却できることが確実である限り、燃焼室の壁に金属を使用することは適切である。しかしながら、ガスタービンの効率を向上し、かつ汚染物質の放出を減らすためには、燃焼室内の温度を上げる必要がある。したがって、最大限有効に冷却を行ったとしても、燃焼室の壁に金属を使用することは不適切になることがある。それゆえ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基質を有し、かつ高温で良好な強度を示す複合材料などのセラミック基質複合材料から、燃焼室の壁を作ることが提案されている。

熱膨張係数が異なるために、ＣＭＣ製燃焼室の金属ケーシングへの接合の問題が生じる。

弾性変形が可能な金属連結タングを使用して、ガスタービンのＣＭＣ製燃焼室の環状の内壁および外壁を、金属ケーシングの内側および外側金属シュラウドに接合することが、仏国特許第２８２５７８３号に提案されている。それらの金属タングの一端は、内側または外側の金属シュラウドに固定された金属フェルールに固定され、他端は、燃焼室の内壁または外壁の外面にろう付けされているＣＭＣフェルールに固定される。

したがって、燃焼室端部ではＣＭＣとＣＭＣとの接合、ケーシング端部では金属と金属との接合を有する可撓性の連結タングによって、燃焼室と金属ケーシングとの間の寸法が異なる変化に適応することが可能となる。しかしながら、ＣＭＣフェルールと燃焼室の環状壁との間のろう付け接合は、現実には困難である。有効なろう付け接合は、ろう付け材料が均一な厚みとなることを保証し、かつろう付けにおける有害な不連続部分を避けるために、よく制御されてともにろう付けされるべき表面間に間隔が必要となる。ＣＭＣ部品が製造される工程を仮定すると、残念ながらそれらの寸法公差は、金属部品の場合よりも大きい。したがって、ろう付けによってともに接合されるべき完全に環状の２つの表面の間で、均一な間隔を保証することは非常に難しい。
仏国特許第２８２５７８３号明細書

本発明の目的は、上記の問題を避けながら、金属ケーシング内にＣＭＣ壁を有する燃焼室を提供することである。

この目的は、セラミック基質複合材料で作られている壁を備えた環状の燃焼室を有するガスタービンであって、燃焼室が、連結部材によって金属ケーシングの内側に取り付けられ、連結部材が、ろう付けによって燃焼室に固定され、燃焼室をケーシングの内側および外側の金属シュラウドに接合する、ガスタービンによって達成される。本発明によるガスタービンにおいて、連結部材は、燃焼室を内側および外側の金属シュラウドに接合する、複数の内側連結タブおよび複数の外側連結タブを備え、各連結タブは、燃焼室の壁の外面にろう付けによって固定される第１の部分を有し、前記連結タブの第１の部分は、燃焼室と連結部材との間のろう付けされた接合部が、互いに離間された１組の限られた領域を介して提供されるように、周囲方向に互いに離間される。

ろう付けの領域の寸法を制限することによって、ともにろう付けされるべき表面部分の間の間隔を、より簡単に制御することが可能となり、その結果、ろう付けの厚さの不規則性を避けることができる。その結果、ろう付けによって有効に結合することが可能となる。

有利には、内側連結タブおよび外側連結タブの第１の部分は、それぞれ連続した内側および外側端部フェルールによって一体化され、燃焼室と燃焼室の直ぐ下流側にある高圧タービンノズルとの間の環状のシーリングガスケットの支持面（ｂｅａｒｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）を画定する。

また有利には、内側および外側の端部フェルールは、それぞれセラミック基質複合材料で作られており、かつ内側または外側連結タブとともに単一部品として作られる。

内側および外側の端部フェルールが、燃焼室の内壁および外壁のそれぞれ外面にろう付けによって接合されることができ、ろう付けは、内側および外側フェルールと燃焼室の内壁と外壁との間のシーリングを提供するために、連続する周囲領域に沿って行われる。

機械的な接合が、連結タブと燃焼室の壁との間のろう付けによって行われるので、燃焼室の壁への端部フェルールのろう付けは、周囲方向のシーリングを提供するだけに作用する。したがって、より制御しやすいように、機械的な接合の場合に可能であるよりも狭い幅でろう付けを行う。

知られている方法で、燃焼室の内壁と外壁は、複数の穿孔部を呈し、燃焼室と金属ケーシングとの間の空間内にある燃焼室の周りに、冷却流が流れることを可能にし、燃焼室壁の内面に保護膜を維持する。連結タブと燃焼室の壁との間のろう付け領域は、互いに離間されるので、それらのろう付け領域の間には、燃焼室壁を貫通する多くの穿孔部が影響を受けないでいる領域が残されている。

それにもかかわらず、有利には、穿孔部は、穿孔部によって供給されない領域を呈する燃焼室壁の内面を避けるように、連結部材（ＣＭＣ連結タブおよび／またはＣＭＣ端部フェルール）と燃焼室の壁とのろう付けされた領域を貫通して作られることができる。

一実施形態では、セラミック基質複合材料の各連結タブは、金属ケーシングに固定された第２の端部を有する。

別の実施形態では、セラミック基質複合材料製の内側および外側連結タブは、それぞれ内側および外側の可撓性のある金属連結部品によって、金属ケーシングに接合される。そのような情況の下に、有利には、内側および外側連結部品は、内側および外側の金属連結タブを備え、各内側および外側の金属連結タブは、セラミック基質複合材料製の連結タブの第２の端部に接合される第１の端部を有する。内側および外側の金属連結タブは、第２の端部を有することができ、第２の端部は、内側および外側の金属シュラウドに自身固定されている内側および外側の金属フェルールとそれぞれ一体化される、内側および外側の金属フェルールに固定される。

本発明は、添付の図面を参照し、制限しない指示によって与えられる以下の記述を読むと、よりよく理解されるであろう。

図１は、環状の燃焼室１０と、燃焼室１０の直ぐ下流側に配置された高圧タービンノズル２０と、内側の金属シュラウド３０および外側の金属シュラウド４０を備える金属ケーシングと、金属ケーシングの内側に燃焼室１０を保持する内側の連結タブ５０および外側の連結タブ６０とを備える、ガスタービンの一部分の軸方向の片側断面図である。以降、用語「上流側」と「下流側」は、燃焼室１０からのガスの流れの流れ方向（矢印Ｆ）に関連して使用される。

燃焼室１０は、共通軸１１を共有する内側の環状壁１２と外側の環状壁１３、および壁１２と１３に固定された端部壁１４とによって画定される。知られている方法で、端部壁１４は、軸１１の周りに分布された開口１４ａを呈し、燃焼室１０に燃料と酸化剤を噴射するインジェクタを収納する。燃焼室１０の壁１２と１３は、ＣＭＣ、例えば、ＳｉＣ基質を有する複合材料で作られており、また、任意に壁１４も同じ材料で作られる。

タービンの入口段を構成する高圧タービンノズル２０は、軸１１の周りに角度分布される複数の固定ベーンを有する。それらの固定ベーンは、エアフォイル２１を備え、エアフォイル２１の両端が、並置されたリングセクタの形態で内側プラットフォーム２２および外側プラットフォーム２３に固定される。対応する各プラットフォーム２２、２３の対は、１つ以上のエアフォイル２１に結合されることができる。プラットフォーム２２および２３の内面は、燃焼室から流入するガス流用のノズル内の流路の境界を画定する。

内側の金属シュラウド３０は、それぞれ内向きフランジ３１ａと３２ａをともにボルト締めすることによって連結した、２つの部分３１および３２からなる。同様に、外側の金属シュラウド４０は、それぞれ外向きフランジ４１ａと４２ａをともにボルト締めすることによって連結した、２つの部分４１と４２を備える。燃焼室１０の内壁１２と内側シュラウド３０との間の空間３３と、燃焼室１０の外壁１３と外側のシュラウド４０との間の空間４３は、燃焼室１０の周りを流れる冷却空気（矢印ｆ）の二次流れを搬送する。

ノズル２０は、セクタに細分されかつ内側プラットフォーム２２に固定される径方向フランジ２４と、内側シュラウド３０の下流側端にある径方向フランジ３４との間で、ボルト締め２５による機械的接合によって取り付けられる。例えば、「オメガ」タイプの環状のシーリングガスケット３６が、空間３３の下流側端部を漏れのないよう閉じる。ガスケット３６は、フランジ３４の上流側の面に形成されたハウジング内に収納され、フランジ２４の下流側の面に対し押圧される。空間４３は、例えば、ストリップタイプのシーリングガスケット４６によって、下流側端部において漏れのないよう閉じられる。ガスケット４６は、セクタに細分されかつ外側プラットフォーム２３と一体化される環状フランジ２６で、環状ハウジング２６ａにピン４６ａによって保持される。ガスケット４６は、ケーシング４０と一体化される径方向フランジ４４の上流側の面に形成されたリブ４４ａに押圧される。

図１から図３の実施形態では、連結タブ５０と６０は、ＣＭＣで作られ、好ましくは、燃焼室１０の壁１２と１３の材料と同じ材料である。

各連結タブ５０は、ボルトで内側金属シュラウド３０に接合されている端部５１を有する。その内面には、シュラウドは、ねじが切ってあるロッド３７を担持し、ロッド３７は、連結タブ５０の端部５１内に形成された孔５１ａを通り、かつロッド３７に係合するナット３８を有する。同様に、各連結タブ６０は、外側金属シュラウド４０にボルト止めされている端部６１を有する。その内面では、このシュラウドが、ねじが切ってあるロッド４７を担持し、ロッド４７は、連結タブ６０の端部６１内に形成された孔６１ａを通り、ロッド４７に係合するナット４８を有する。

連結タブ５０は、燃焼室の下流側端部近辺において、ろう付けによって燃焼室１０の内壁の外面に接合されている端部５２を呈する。連結タブ５０の端部５２は、内側フェルール５４と一体化される。フェルール５４は、燃焼室の壁１２の外面にろう付けされている上流側環状部分５４ａと、上流側環状部分５４ａに対して鈍角をなして接合されている下流側部分５４ｂとを有する。その下流側端部で、フェルール５４は、例えばストリップタイプの環状シーリングガスケット３８に当接する。ガスケット３８は、フランジ２８の環状ハウジング２８ａ内でピン３８ａによって保持され、フランジ２８は、セクタに細分され、かつ上流側端部近辺のプラットフォーム２２と一体化される。

同様に、連結タブ６０は、上流側部分６２を呈し、上流側部分６２は、燃焼室の下流側端部近辺において、燃焼室１０の外壁１３の外面にろう付けすることによって接合される。連結タブの端部６２は、外側フェルール６４と一体化される。フェルール６４は、ろう付けによって燃焼室１０の壁１３の外面に接合される上流側環状部分６４ａと、上流側部分６４ａに対して鈍角をなして接合される下流側部分６４ｂとを有する。その下流側端部で、フェルール６４は、例えばストリップタイプの環状シーリングガスケット４８に当接する。ガスケット４８は、フランジ２９の環状ハウジング４９ａ内でピン４８ａによって保持され、フランジ２９は、セクタに細分され、かつ上流側端部近辺のプラットフォーム２３と一体化される。

有利には、連結タブ５０とフェルール５４は、連結タブ６０とフェルール６４同様に単一部品として作られる。連結タブ５０と６０は、ＣＭＣで作られている燃焼室の壁と、金属で作られているシュラウド３０と４０との間の異なる寸法差に適応するのに必要な可撓性を呈するように、形状が空間３３と４３を通って延びる部分に沿って曲げられるか、または折り曲げられる。

燃焼室は、本質的には、連結タブ５０と６０の端部５２と６２におけるろう付けによって保持される。連続する円周方向のろう付けに比較して、極端な困難を伴わずにともにろう付けされる表面の間の間隔を制御可能なように、ろう付け領域５３と６３を限定する。

フェルール５４、６４の部分５４ａ、６４ａと、燃焼室１０の壁１２、１３とのろう付け接合部それぞれは、周囲方向に連続して延びる。これらのろう付け接合部は、燃焼室１０とタービンノズル２０との界面を通る冷却流が制御されることなく噴射されることを避けるように、空間３３、４３と燃焼室１０の下流側端部との間のシーリングを提供する作用をする。そのような接合部は、燃焼室を機械的に保持する必要はない。その理由は、この機能を、連結タブ５０、６０の部分５２、６２におけるろう付けによって提供するからである。したがって、フェルール５４、６４と、燃焼室１０の壁１２、１３との間の結合領域５５と６５の幅を制限することができる。またその結果、ともにろう付けされるべき表面の間の間隔を制御することが非常に容易になる。フェルール５４、６４と燃焼室１０との間のろう付け接合部は、角変位の場合、連結タブ５０と６０の安定性に寄与する。

ＣＭＣ製の部品をろう付けすることは、知られている技術である。特に、ろう付けされる部品が炭化ケイ素基質複合材料製であるとき、連結タブ５０、６０と燃焼室１０との間の接合、およびフェルール５４、６４と燃焼室１０との間の接合の両方に関して、フランスの公共団体によって「Ｃｏｍｍｉｓｓａｒｉａｔ ａ ｌ’Ｅｎｅｒｇｉｅ Ａｔｏｍｉｑｕｅ」（原子力庁）が開発した「ＢｒａＳｉＣ」、またはＷｅｓｇｏ Ｍｅｔａｌｓ社の「ＴｉＣｕｓｉｌ」といった材料を使用して、ろう付けを行うことが可能である。

燃焼室１０の壁１２と１３には、複数の穿孔部があってもよく、壁１２、１３の内面に沿う冷却フィルムを維持するために、冷却空気が、空間３３、４３から壁１２、１３の内面まで流れることが可能にする。図２と図３にのみに、穿孔部１２ａ、１３ａが一部示されている。ろう付けされた領域５３と６３との間の間隙には、複数の穿孔部を設けることのできる燃焼室壁の部分が残っており、したがって、壁の熱保護が高められる。また、必要に応じて、複数の穿孔部が、連結タブ５０、６０のろう付けされた端部５２、６２および燃焼室１０の壁を通って、およびフェルール５４、６４と燃焼室１０の壁との間のろう付け部分を通って設けられることができる。例えば、レーザ加工による従来の方法によるろう付けの後、これらの複数の穿孔部を作ることができる。図２と図３にのみに、このような穿孔部１２ｂ、１２ｃ、および１３ｂ、１３ｃが一部示されている。

図４から図６は、本質的には、ＣＭＣ連結タブ５０、６０の端部５１、６１が、直接にではなく、可撓性または弾性的に変形可能な金属タブを介して、金属シュラウド３０、４０に接合されている点で、図１から図３の実施形態とは異なる一実施形態を示す。図１から図３の実施形態と図４から図６の実施形態に共通する要素には、同じ参照符号が与えられ、記述を繰り返すことはしない。

各金属タブ５５は、対応するタブ５０の一方の端５１にボルト締め（５７）によって接合された端部５６を有し、他方の端は、環状の金属フェルール５８と一体化されている。このフェルールは、フランジの３１ａと３２ａの間に締め付けられることによってシュラウド３０に接合されている環状のフランジ５９を構成する。

各金属タブ６５は、対応するタブ６０の一方の端６１にボルト締め（６７）によって接合された端部６６を有し、他方の端は、環状の金属フェルール６８と一体化されている。このフェルールは、孔６８ａを有し、ねじが切ってあるロッド４５が孔６８ａを通し、ロッド４５は、シュラウド４０に固定され、かつロッド４５に係合するナット４６を有する。

フェルール５８をシュラウド３０に接合するときと同じ方法で、すなわち、フランジ４１ａと４２ａとの間に締め付けられているフランジによって、シュラウド４０にフェルール６８を接合することができることは言うまでもない。逆に、フェルール６８をシュラウド４０に接合するのと同じ方法で、シュラウド３０にフェルール５８をボルト締めによって接合することができる。

有利には、金属タブ５５は、フェルール５８とともに単一部品として作られる。同様のことが、金属タブ６５とフェルール６８にも当てはまる。

金属タブ５５、６５は、ＣＭＣ製のタブ５０と６０の不十分と考えられる能力を増強して、弾性的に変形させるのに役立つ。必要な程度の弾性変形または可撓性を呈するためには、ほぼＳ形（タブ５５）、またはＶ形（タブ６５）の輪郭が得られるように、タブ５５、６５を、曲げるまたは折り曲げる。

本発明の実施形態を示すガスタービンの軸方向の片側部分断面図である。 燃焼室とケーシングとの間の連結部材を示し、それらの連結部材が図１の実施形態による燃焼室の壁にろう付けによって接合される状況を示す部分斜視図である。 燃焼室とケーシングとの間の連結部材を示し、それらの連結部材が図１の実施形態による燃焼室の壁にろう付けによって接合される状況を示す部分斜視図である。 本発明の別の実施形態を示すガスタービンの軸方向の片側部分断面図である。 燃焼室とケーシングとの間の連結部材を示し、それらの連結部材が図４の実施形態による燃焼室の壁とろう付け接合される状況を示す部分斜視図である。 燃焼室とケーシングとの間の連結部材を示し、それらの連結部材が図４の実施形態による燃焼室の壁とろう付け接合される状況を示す部分斜視図である。

符号の説明

１０ 燃焼室
１２、１３ 燃焼室壁
２０ 高圧タービンノズル
３０、４０ 金属シュラウド
３８、４８ シーリングガスケット
５０、６０ 連結部材
５１、６１ 第２の端部
５２、６２ 第１の部分
５３、６３ 領域
５４、６４ 端部フェルール
５５、６５ 金属連結タブ
５６、６６ 第１の端部
５８、６８ フェルール

Claims (9)

1. セラミック基質複合材料で作られている壁（１２、１３）を備えた環状の燃焼室（１０）を有するガスタービンであって、該燃焼室（１０）が、連結部材（５０、６０）によって金属ケーシング内側に取り付けられ、該連結部材（５０、６０）が、ろう付けによって燃焼室に固定され、燃焼室を金属ケーシングの内側および外側の金属シュラウド（３０、４０）に接合し、
   連結部材が、燃焼室（１０）を内側および外側の金属シュラウド（３０、４０）それぞれに接合する、複数の内側連結タブ（５０）および複数の外側連結タブ（６０）を備え、各連結タブが、燃焼室の壁（１２、１３）の外面にろう付けによって固定された第１の部分（５２、６２）を有し、前記連結タブの第１の部分は、燃焼室と連結部材との間のろう付けされた接合部が、互いに離間された１組の限られた領域（５３、６３）を介して提供されるように、周囲方向に互いに離間されることを特徴とする、ガスタービン。
2. 内側連結タブおよび外側連結タブの第１の部分（５２、６２）が、それぞれ連続した内側および外側の端部フェルール（５４、６４）と一体化され、燃焼室（１０）と燃焼室の直ぐ下流側にある高圧タービンノズル（２０）との間の環状のシーリングガスケット（３８、４８）の支持面を画定することを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
3. 内側および外側の端部フェルール（５４、６４）が、それぞれセラミック基質複合材料で作られ、かつ内側または外側連結タブ（５０、６０）とともに単一部品として作られることを特徴とする、請求項２に記載のガスタービン。
4. 内側および外側の端部フェルール（５４、６４）が、燃焼室の内側および外側壁（１２、１３）それぞれの外面にろう付けによって接合され、ろう付けが、連続した周囲領域（５５、６５）に沿って行われることを特徴とする、請求項２または３に記載のガスタービン。
5. 燃焼室の壁の内面に沿って冷却空気を流す穿孔部が、連結部材と燃焼室の壁がともにろう付けされた領域を通って形成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のガスタービン。
6. セラミック基質複合材料製の各連結タブ（５０、６０）が、金属ケーシングに固定された第２の端部（５１、６１）を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のガスタービン。
7. セラミック基質複合材料製の内側および外側連結タブ（５０、６０）が、それぞれ内側および外側の可撓性の金属連結部品を介して金属ケーシングに接合されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のガスタービン。
8. 内側および外側の金属連結部品が、内側および外側の金属連結タブ（５５、６５）を備え、該内側および外側の金属連結タブ（５５、６５）それぞれが、セラミック基質複合材料で作られた連結タブの第２の端部（５１、６１）に接合された第１の端部（５６、６６）を有することを特徴とする、請求項７に記載のガスタービン。
9. 内側および外側の金属連結タブ（５５、６５）が、内側および外側の金属シュラウド（３０、４０）に固定されるそれぞれ内側および外側の金属フェルール（５８、６８）と一体化された第２の端部を有することを特徴とする、請求項８に記載のガスタービン。

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