JP3984104B2 - ターボマシン内のｃｍｃ燃焼室の壁への金属キャップの固定 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボマシンの特定の分野に関し、更に具体的には、ターボマシンにおける燃焼室の側壁が、セラミックマトリックス複合材料（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、ＣＭＣ）タイプの複合材料で作られるとき、前記燃焼室の前記側壁と燃焼室の金属端部壁とを組み立てることにより提起される問題に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ターボジェットエンジン又はターボプロップエンジンにおいて、高圧タービン、特にその入口ノズル（Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｉｒｂｉｎｅ、ＨＰＴノズル）、噴射システム、燃焼室、および前記燃焼室のケーシング（シェルとも呼ばれる）は、全て金属材料から作られる。しかし、特に高い燃焼温度を伴う或る特定の使用条件のもとでは、完全に金属から作られた燃焼室は、熱の見地から全く不適当であることが判明し、ＣＭＣタイプの高温複合材料に基づいた燃焼室の使用が必要である。しかし、これらの材料は非常に高価であり、大きな機械的応力に耐えることができないので、それらの材料は、一般的に、燃焼室自体、更に具体的には、その軸方向延長側壁だけに限定され、高温タービンの入口ノズル、噴射システム、およびケーシングは、普通は依然として金属材料から作られている。残念ながら、金属材料および複合材料は、非常に異なる熱膨張係数を有する。これは、燃焼室の複合材料側壁と金属端部壁とをともに結合するとき、特に難しい問題を生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃焼室の金属端部壁と複合材料側壁との異なった膨張係数によって生じる変位を吸収することができる、金属端部壁の取り付けを提案することによって、これらの欠点を軽減する。従って、本発明の目的は、良好な動的作用および良好なシーリングを実現する取り付けを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、複合材料の外側および内側軸方向延長側壁、および金属材料の端部壁を含み、前記端部壁は、固定手段によって前記外側および内側側壁で定位置に保持される環状燃焼室であって、前記固定手段は環状空洞を貫通し、前記環状空洞は、前記外側および内側側壁の円筒状端部を収容するように構成され、また前記端部壁の周辺端と下流側へ折り返された対面部分との間に作り出され、運転中に、前記端部壁と前記側壁との間で径方向への自由な膨張を起こさせるように、所定量のクリアランスＪが、前記周辺端と前記外側および内側側壁の対面する面との間に設けられることを特徴とする、燃焼室によって達成される。
【０００５】
単にボルトおよびスライド取り付け手段によるこの固定システムを使用することによって、金属端部壁の膨張は、複合材料の壁を損傷することなく吸収される。
【０００６】
固定手段は、複数のボルト、好ましくは拘束ナット（ｃａｐｔｉｖｅ−ｎｕｔ）を有するボルトによって構成される。
【０００７】
外側および内側側壁は、複数の孔を設けられることが有利であり、前記複数の孔は、一度固定手段が前記端部壁へ取り付けられると、前記固定手段と協働するように構成される。
【０００８】
好ましい実施形態において、端部壁は、更に、前記端部壁と前記側壁との間にシーリングを確保する手段を含むことができる。シーリング手段は、「スプリングブレード」型円形ガスケットを含み、この円形ガスケットは、前記金属端部壁の円形溝に取り付けられ、対面する燃焼室の前記対面する側壁を押圧するように構成される。前記「スプリングブレード」円形ガスケットは、その下流側部分に、好ましくはリムを含む。このリムは、燃焼室の前記対面する側壁をトロイダル式に押圧するように構成される。前記円形シールガスケットは、セクタへ分割され、前記金属端部壁へ固定された弾性要素によって、前記側壁に抗して保持される必要がある。弾性要素は、ブレードスプリングによって構成される。
【０００９】
有利な実施形態において、端部壁は、更に、金属材料の内側および外側キャップを一体化することができる。前記内側および外側キャップは、その周辺端を上流側へ延長し、動的作用に対する更に良好な制御をする。
【００１０】
本発明の特徴および利点は、非限定的な記述および図面への参照による以下の説明から、より解りやすくなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１Ａおよび図２Ａは、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示し、以下のものを含む。
【００１２】
長手方向軸１０を有する外側環状シェル（又は外側ケーシング）１２。
【００１３】
外側環状シェルと同軸の内側環状シェル（又は内側ケーシング）１４。
【００１４】
２つのシェル１２および１４の間で広がり、ターボマシンの上流側圧縮機（図示されていない）から、一般的なガスフローＦを規定する環状拡散ダクト１８（拡散スクリーン１８ａを有する）を介して来る、圧縮された酸化剤、一般的には空気を収容する環状空間１６。
【００１５】
ガスフローの方向において、この空間１６は、最初に複数の噴射システム２０によって形成された噴射アセンブリを含み、続いて環状燃焼室２４を含み、最後に高圧タービンの入口段を形成する環状ノズル（図示されていない）を含む。複数の噴射システム２０は、ダクト１８の周りへ規則的に配置される。噴射システムの各々は、外側環状シェル１２へ固定された燃料噴射ノズル２２を含む（図を簡単にするため、各々の噴射ノズルに関連づけられたミキサおよびデフレクタは省略されている）。環状燃焼室２４は、両方共に軸１０の周りで同軸に配置されて、ＣＭＣタイプ又は他のタイプ（例えばカーボン）の高温複合材料から作られた、外側軸方向延長側壁２６および内側軸方向延長側壁２８、および金属材料から作られて燃焼室の端部壁を形成し、噴射システムの一部分が固定される開口３２を設けられた、横断延長端部壁３０から形成される。
【００１６】
図示された２つの実施形態において、燃焼室の外壁２６を上流側へ（フローＦに対して）延長する外側フェアリング（又はキャップ）３４、および燃焼室の内壁２８を上流側へ（フローＦに対して）延長する内側フェアリング（又はキャップ）３６は、端部壁３０へ直接一体化され、従って前記端部壁と同様に金属材料から作られる（燃焼室の上流側端の一般的形状を更に単純化し、従って燃焼室は簡単な円筒状部分によって構成されることができる）。当然のことながら、燃焼室の側壁の２つの上流側端を相互結合する１つのフェアリング（トロイダル形状の単一部品のキャップ）を有する構成（従って、噴射ノズル２２が通ることのできる開口を設けられる）も考えることができる。
【００１７】
本発明に従えば、燃焼室の複合材料外側側壁２６および内側側壁２８とは非常に異なる熱膨張係数を有する、燃焼室の金属環状端部壁３０は、長手方向軸１０の周りで規則的に配置された複数の固定手段３８および４０によって、側壁の上流側円筒状端部の定位置に保持される。固定手段は、環状空洞４２および４４を貫通する。環状空洞４２および４４は、側壁の円筒状端部を収容するように構成され、側壁３０の周辺端とキャップ３４および３６を下流側へ延長して対面する折り返し部分４６および４８との間に作り出される。
【００１８】
図１Ａで概略的に示され、また図１Ｂで詳細に示される第１の実施形態において、固定手段３８および４０は、拘束ナットタイプの複数の金属ボルトによって形成される。即ち、各々の金属ボルトはスクリュー３８ａ、ナット３８ｂ、および端部壁３０に固定され（有利には、スポット溶接によって）、ナットが回転しないようにする保持器３８ｃを含む。このタイプのボルトを使用すれば、特別の工具（例えばプライヤー）を使用してナットの回転を防止する必要なしに、単にスクリューを回転することによって、（組み立ての間の）締め付けが直接的に得られる。前記ナットの回転防止は、保持器によって非常に簡単に達成される。更に、分解も、逆の方法で単にスクリューを緩めることによって、非常に簡単に達成されることができる。
【００１９】
外側側壁２６および内側側壁２８の内面と端部壁３０の対面する周辺端との間のクリアランスＪの量は、運転中に、金属キャップと複合材料側壁との間で自由な膨張を起こさせるように計算される。このクリアランスにより、径方向への変位が非常に小さい複合材料側壁を損傷することなく、端部壁の膨張が吸収されるようになる。対応する空洞４２および４４の中に受け取られる外壁２６および内壁２８を含む二重中心合わせシステムは、端部壁の相対的シーリングを確実にし、同時に組み立ての間（低温時）および巡航速度での飛行中（高温時）に、軸方向の保持を提供する。
【００２０】
端部壁と側壁との組み立てを容易にするため、前記側壁は、ブシュ３８ｄおよび４０ｄを収容するように構成された孔２６ａおよび２８ｂを設けられる。前もって端部壁に取り付けられた固定手段３８および４０のスクリューシャフトは、前記ブシュを通る。スクリューとキャップ３４および３６との永続的接触は、前記組み立ての間に、締め付けトルクが失われる危険を制限する。側壁２６および２８が、端部壁３０の膨張中にスライドするブシュは、前記側壁の中心合わせおよび支持を更に向上させる。
【００２１】
図２Ａは、第２の実施形態を概略的に示し、図２Ｂはその詳細を示す。この実施形態において、「スプリングブレード」型円形ガスケット５０および５２が、円形溝５４および５６の中に取り付けられる。円形溝５４および５６は、外側又は内側側壁２６および２８と端部壁３０との間で良好なシーリングを保証するため、外側又は内側キャップ３６の折り返し部分４６および４８の下流側端に形成される。シーリングガスケットは、その下流側部分にリム５８および６０を有する。リム５８および６０は、燃焼室の対面する側壁２６および２８をトロイダル式に押圧するように構成される。ガスケットは、弾性要素６２および６４、好ましくはブレードスプリングによって壁に対して押し付けられ、キャップの下流側端へ固定された複数のペグ６６および６８によって定位置に保持される。
【００２２】
前述の説明で、端部壁の周辺端と側壁の内面との間に存在するクリアランスは、複合材料側壁に損傷を与えることなく、端部壁の膨張が吸収されるように決定されることが分かる。外側側壁とのシーリングを確実にするガスケットは、低温時にプレストレスを与えられ、内壁とのシーリングを確実にするガスケットは、単に接触するだけである。高温時には、金属端部壁と内壁および外壁との間の膨張差の結果として、逆のことが起こる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明のアセンブリの第１の実施形態を組み込んだ、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示す概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａのアセンブリの詳細図である。
【図２Ａ】本発明のアセンブリの第２の実施形態を組み込んだ、ターボマシンの噴射部分を軸方向に切断したときの半分を示す略図である。
【図２Ｂ】図２Ａのアセンブリの詳細図である。
【符号の説明】
１０ 長手方向軸
１２ 外側環状シェル
１４ 内側環状シェル
１６ 環状空間
１８ 環状拡散ダクト
１８ａ 拡散スクリーン
２０ 噴射システム
２２ 燃料噴射ノズル
２４ 環状燃焼室
２６ 外側軸方向延長側壁
２６ａ、２８ａ 孔
２８ 内側軸方向延長側壁
３０ 横断延長端部壁
３２ 開口
３４ 外側フェアリング
３６ 内側フェアリング
３８、４０ 固定手段
３８ａ、４０ａ スクリュー
３８ｂ、４０ｂ ナット
３８ｃ、４０ｃ 保持器
３８ｄ、４０ｄ ブシュ
４２、４４ 環状空洞
４６、４８ 折り返し部分
５０、５２ 「スプリングブレード」型円形ガスケット
５４、５６ 円形溝
５８、６０ リム
６２、６４ 弾性要素
６６、６８ ペグ
Ｆ ガスフロー
Ｊ クリアランス

Claims (10)

1. 複合材料の外側および内側軸方向延長側壁（２６、２８）、および金属材料の端部壁（３０）を含み、前記端部壁は、固定手段（３８、４０）によって前記外側および内側側壁で定位置に保持される環状燃焼室であって、前記固定手段は、環状空洞（４２、４４）を貫通し、前記環状空洞は、前記外側および内側側壁の円筒状端部を収容するように構成され、また前記端部壁の周辺端と下流側へ折り返された対面部分（４６、４８）の間に作り出され、所定量のクリアランスＪが、運転中に、前記端部壁と前記側壁との間で径方向への自由な膨張を起こさせるように、前記周辺端と前記外側および内側側壁の対面する面との間に設けられ、前記端部壁が更に、前記端部壁と前記側壁との間でシーリングを確保する手段（５０から６８）を含むことを特徴とする燃焼室。
2. 前記固定手段には、複数のボルト、好ましくは拘束ナットボルトによって構成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
3. 前記外側および内側側壁が、複数の孔（２６ａ、２８ｂ）を設けられ、前記複数の孔は、一度前記固定手段が前記端部壁に取り付けられると、前記固定手段と協働するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
4. 前記シーリング手段が、「スプリングブレード」型円形ガスケット（５０、５２）を含み、前記ガスケットは、前記金属端部壁の円形溝（５４、５６）に取り付けられて、対面する燃焼室の前記対面する側壁を押圧するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼室。
5. 前記「スプリングブレード」円形ガスケットが、下流側部分にリム（５８、６０）を含み、前記リムは、燃焼室の前記対面する側壁をトロイダル式に押圧するように構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の燃焼室。
6. 前記円形シーリングガスケットが、セクタへ分割されていることを特徴とする、請求項４に記載の燃焼室。
7. 前記円形シーリングガスケットは、前記金属端部壁に固定された弾性要素（６２、６４）によって前記側壁に対して保持されることを特徴とする、請求項４に記載の燃焼室。
8. 前記弾性要素が、ブレードスプリングによって構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃焼室。
9. 前記端部壁が、金属材料の内側および外側キャップ（３４、３６）を一体化し、前記内側および外側キャップは、周辺端を上流側へ延長していることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の燃焼室を備えるターボマシン。

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