JP4753491B2 - スワラ組立体のリテーナセグメント - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的にはかかるエンジンの燃焼器に圧縮空気を供給するためのスワラ組立体に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、圧縮空気を燃焼器に供給する圧縮機を備え、燃焼器内で空気が燃料と混合され点火されて高温の燃焼ガスを発生する。これらの燃焼ガスは下流の1つ又はそれ以上のタービンへと流れ、タービンは燃焼ガスからエネルギーを抽出し圧縮機に動力を供給しまた飛行中の航空機に動力を供給するなどの有用な仕事を提供する。燃料は、一般的に燃焼領域の一端に位置する複数の燃料ノズルを介して燃焼器に供給される。空気は、スワラ組立体として知られている周囲を取巻いている組立体を通って供給されるが、スワラ組立体は、空気と燃料が完全に混合するように空気に旋回運動を与える。スワラ組立体は、燃焼器の内側及び外側ライナの上流端に結合されているドームプレートに支持されており、各燃料ノズル先端はスワラ組立体の対応する1つに受入れられている。
【0003】
スワラ組立体は、圧縮機から出る空気流れの変動流及び圧力に起因する振動応力に耐えなければならない。振動は燃焼器構成部品内に交互に変化する応力を生じ、これ以外では熱あるいは圧力負荷から高い応力を受けることがない部品に高サイクル疲労故障を起こさせる可能性がある。ある従来のスワラ組立体には、1次スワラ及び別個の2次スワラを備えているものがある。1次スワラは、複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回ベーン又は空気通路を持っている。ベーン又は空気通路は、空気流に旋回運動を与えるようにスワラ組立体の軸方向中心線に対して角度を付けられている。2次スワラもまた、複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回ベーン又は空気通路を持っている。2次スワラのベーン又は通路は、燃料と空気の混合をさらに促進するために1次スワラと同方向又は反対方向の空気の旋回を生じるように角度を付けられている。1次スワラは、ドームプレートに固定支持されている2次スワラと滑り係合するように配置されている。この構造によって、1次スワラが燃料ノズルを受入れ、また燃料ノズルとドームプレートとの間の相対的運動を吸収することを可能にする。
【0004】
リテーナは1次スワラに適合し、2次スワラに溶接されて、2つのスワラを相互に係合させて保持する。リテーナの1つ形式は、金属板から円形の環状部品を打ち抜き加工されている。しかしながら、1次スワラのベーン又は通路を通る空気流は、2次スワラ及び燃料ノズルに対して1次スワラを回転させようとする反力を発生させる。回転を許すと、1次スワラは空気に必要な強さの旋回を伝えることができず、効果的な空気と燃料の混合が得られない。さらに、1次スワラの回転は、燃料ノズル先端に過大な磨耗を引起こす可能性がある。従って、従来のスワラ組立体では、1次スワラの回転は、1次スワラに少なくとも1つ又はそれ以上の外方に向かって延びるタブを設け、2次スワラの静止構造部分に係合させてスワラの相対的回転を制限することによって防止される。
【0005】
比較的近接した間隔のスワラ組立体を備えた燃焼器では、各スワラ組立体に対して2つの回転防止タブを用いることができる。回転防止タブを2つ設けると、単一タブの構造よりも接触面積が増加し、摩耗を減少させる。2つの回転防止タブを備えるスワラ組立体に対応するために、単一片のリテーナは1対のリテーナセグメントに置き換えられる。リテーナセグメントは各々、長さが180度よりも小さく、2次スワラに片持ち支持で溶接されている。リテーナセグメントは、リテーナセグメントの振動励起を引起こす不均一な圧力の流れの変化のために、溶接継手の亀裂発生を生じ易い。最も典型的には、そのような亀裂発生は、リテーナセグメントの端部に初めに生じる。リテーナセグメントが故障すると、燃料ノズル保全の実行時には取外し可能になる1次スワラを回収するために予定外のエンジン取外しを引起こす可能性がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従って、より耐久性があるリテーナセグメントを持つ改良されたスワラ組立体に対する要求がある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の要求は、相互に配置される第1及び第2部材を持つスワラ組立体を提供する本発明によって満たされる。2つの部材は、第2部材に結合され第1部材に係合している1つ又はそれ以上のリテーナセグメントによって滑り係合して保持される。リテーナセグメントは、内側及び外側の湾曲した縁部と第1及び第2端部を備える弓状部材である。各端部は、その中に形成された凹状の切込み(54)を持ち、リテーナセグメントの強制振動により発生する溶接継手及び曲げの応力を減少させる。
【0008】
本発明、及び従来の技術に優るその利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明及び付帯する特許請求の範囲を読むことにより明らかとなろう。
【0009】
【発明の実施の形態】
発明と見なされる主題は、本明細書の冒頭において具体的に指摘され明確に請求されている。しかしながら、本発明は、添付の図面と関連させて以下の説明を参照することによって、最も良く理解することができるであろう。
【0010】
図面においては、同一の参照番号が種々の図を通して同じ要素を示しているが、その図面を参照すると、図1は、ガスタービンエンジンでの使用に適した、その中の燃焼室14を構成する中空体12を備える形式の燃焼器10を示す。中空体12は、全体的に環状の形態をし、外側ライナ16及び内側ライナ18で構成されている。中空体12の上流端は、第1締結具22で外側ライナ16にまた第2締結具24で内側ライナ18に取り付けられているカウル20によって、実質的に閉じられている。燃料と圧縮空気を導入するために、少なくとも1つの開口部26がカウル20に形成されている。圧縮空気は、圧縮機(図示せず)から全般的に図1の矢印Aで示された方向に燃焼器10内に導入される。圧縮空気は、燃焼を支援するために主として開口部26を通って流れ、部分的には中空体12を取囲む領域内へと流れ、そこでライナ16,18及びさらに下流にあるターボ機械の両方を冷却するのに用いられる。
【0011】
外側及び内側ライナ16,18の上流端近くで、それらの間に配置され両ライナを互いに接続しているのは、環状のドームプレート28である。複数の円周方向に間隔を置いて配置されたスワラ組立体30(図1に1つのみ示す)が、ドームプレート28に支持されている。各スワラ組立体30は、複数の角度を付けて方向付けされた通路34を含む1次スワラ32を備えている。通路34は、空気流に旋回運動を与えるように、スワラ組立体30の軸方向中心線31に対して角度が付けられている。1次スワラ32はまた、同軸に燃料ノズル38を受入れる一体型のフェルール36を持っている。
【0012】
スワラ組立体30は、その下流で1次スワラ32と隣接し、ドームプレート28に固定され受入れられている2次スワラ40をさらに備えている。2次スワラ40は、ベンチュリ管42とベンチュリ管42の周りに同軸に配置された複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回ベーン44とを備えている。ベンチュリ管42と1次スワラ32のフェルール36は、両方ともスワラ組立体30の軸方向中心線31に同軸に位置合わせされている。開口部26からの空気は、通路34を通って流れる。通路34を出る旋回空気は、燃料ノズル38から噴射される燃料と、ベンチュリ管42の中へと流れながら混合するように相互作用し合う。次いで、2次旋回ベーン44は、反対方向に旋回する空気の旋回を与えるように作用し、この空気の旋回が燃料/空気の混合気と相互作用して、混合気をさらに霧化させ燃焼室14内での燃焼に備える。図1は、単一環状燃焼器における本発明のスワラ組立体を示しているが、本発明は、複数の環状燃焼器を含む他の形式にも同等に適用できることに注目されたい。また、本発明は、上記に説明した逆回転スワラ組立体に加えて同方向回転のスワラ組立体にも適用できることに注目されたい。
【0013】
1次スワラ32は、フェルール36がその前方側に形成されている基盤部46を含む。基盤部46の後方側は、下流に面する平面表面を構成している。2次スワラ40は、上流に面する平面表面を構成している基盤部48を含み、この平面表面が、スワラ組立体30が組み立てられたとき1次スワラ32の平面表面に滑り係合する。ベンチュリ管42は軸方向(スワラ組立体30の軸方向中心線31に関して)に2次基盤部分48から下流に延在し、上記の通り、旋回ベーン44がベンチュリ管42を取巻いて同軸に配置されている。
【0014】
1次及び2次スワラ32及び40は、ベンチュリ管42の互いに反対側で2次スワラ40に結合されている2つのリテーナセグメント50によって滑り係合して保持される。具体的には、リテーナセグメント50は2次基盤部48の上流に面した平面表面に結合(好ましくは溶接によって)され、1次スワラ32の基盤部46に係合している。リテーナセグメント50は、2つのスワラ32及び40の相対的な軸方向の動きは防ぎながら、2次スワラ40に対する1次スワラ32の限られた範囲の横方向の動きは許すように配置されている。この構成は、フェルール36が燃料ノズルと同軸に位置合わせされて受入れられることができるように、1次スワラ32が横方向に浮遊しあるいは移動することを許すが、一方、スワラ組立体30がエンジン内に取り付けられている間、2つのスワラ32及び40の係合が外れるのを防止する。浮動する1次スワラ32はまた、エンジンの運転中に燃料ノズル38とドームプレート28との間の相対的な動きを吸収する。
【0015】
ここで1次スワラ32を取り去ったスワラ組立体30を示している図2を参照すると、リテーナセグメント50が比較的狭い幅を持つ弓状部材であることが分かる。各リテーナセグメント50は180度未満の円弧を構成し、平行曲線をなす半径方向(スワラの中心線31に関して)内側及び外側縁部を持つ。外側縁部の曲率半径は2次スワラ40の基盤部48によって定められる曲率半径とぴったり一致している。各リテーナセグメント50は、2次基盤部48の上流に向いた平面表面上に形成された2つの湾曲した軸方向に延びる隆条52の対応する1つと片持ち支持で結合されている。隆条52は上流に面した平面表面の周辺部に沿って位置し、ベンチュリ管42の互いに反対側に配置されている。リテーナセグメント50は、その外側縁部が第2基盤部48の外側縁部と実質的に同一面になるように配置される。
【0016】
リテーナセグメント50はスカラップ状の端部を備えている。即ち、各端部は、図3に見られるように、リテーナセグメント50の内側縁部が、外側縁部によって構成される円弧A2より小さい円弧A1を構成するように、その中に形成された凹状の切込み54を持つ。ある好ましい幾何学形状では、各切込み54は、曲線部分及び内側縁部に隣接する直線部分を持ち、リテーナセグメント50の外側隅部に先端部56を構成している。先端部56の幅wは、2次スワラ40の隆条52の幅と等しいことが好ましい。スカラップ状の端部は、片持ち支持のリテーナセグメント50の強制振動により発生する溶接継手及び曲げの応力を減少させる。また、曲線の切込み54は、従来のリテーナセグメントにおいて過去からの記録で大半の亀裂が最初に生じる場所であるリテーナセグメント50の隅部の応力集中要因を減少させる。スカラップ状端部は、またリテーナセグメント50の共振振動数をわずかに変更し、このことにより溶接継手及び曲げの応力にプラスの影響を与えることができる。
【0017】
凹状切込み54の寸法は、適切に溶接継手及び曲げの応力を軽減させるのに十分な大きさにすべきである。端部領域58(即ち、リテーナセグメント50の切込み54が形成される部分)が画定する面積A(図3参照)が切込み54が画定する面積Bよりも小さくなるように、切込み54の寸法が定められることが好まい。ある好ましい実施形態では、リテーナセグメント50は、外側縁部が約3.2センチメートルの曲率半径を持ち、内側縁部が約2.4センチメートルの曲率半径を持つように寸法が定められる。各先端56は約0.1センチメートルの幅wを持つ。各凹状切込み54は約0.25センチメートルの深さdを持ち、曲線部分は約0.5センチメートルの半径rを成している。
【0018】
より小さいリテーナの端部領域58は、リテーナセグメント50を隆条52に溶接するための溶接準備を改善する。端部領域58に存在する材料が少ないので、材料は溶接作業中によりよく「消費」される。従って、溶接継手は一般的に、端部でより強く、不連続部即ち亀裂の開始点がない。このことが、上記のように従来のリテーナセグメントで通常亀裂が発生する端部領域において、継手を強化する。溶接継手は、従来のリテーナセグメントに通常用いられるような全長に沿ったほぼ70%溶込溶接ではなくて、リテーナセグメント50の全長に沿った100%溶込溶接であることが好ましい。
【0019】
リテーナセグメント50は、例えばニッケル基又はコバルト基合金のような、ガスタービンエンジンのタービンセクションでの使用に適している高温度合金で作られていることが好ましい。その耐高サイクル疲労性の故に特に好ましい一つの商業的に入手可能な材料に、ニッケル基合金Hastalloy Xがある。リテーナセグメント50の厚さは、適用領域によって決定され、リテーナセグメント50の共振振動数がエンジンの作動振動数の範囲の外にあるようにする必要がある。一般的には、リテーナセグメント50は剛性と強度を与えるために、従来のリテーナセグメントよりも多少厚いものとなる。
【0020】
図4は別のスワラ組立体130を示し、1次スワラ132及び2次スワラ140がドームプレート128に固定されている単一スワラ本体160として一体型に形成されている。1次スワラ132は、中央開口部の周りに配置された第1の複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回ベーン134を備えており、また2次スワラ140はベンチュリ管142及びベンチュリ管142の周りに同軸に配置された第2の複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回ベーン144を備えている。第1の実施形態のように、第1旋回ベーン134を通って入る空気は、ベンチュリ管142に旋回して入る。この旋回する空気は、燃料ノズル(図4には示さず)から噴射される燃料と、ベンチュリ管142の中へと流れながら混合するように相互作用し合う。次いで、2次旋回ベーン144は、同方向又は反対方向に旋回する空気の旋回を与えるように作用し、この空気の旋回が燃料/空気の混合気と相互作用して、混合気をさらに霧化させる。
【0021】
スワラ組立体130は、スワラ本体160の前方端に取り付けられ燃料ノズルを受入れる別個のフェルール136を備えている。フェルール136は、スワラ本体160の上流に面する平面表面に滑り係合する下流に面する平面表面を備えている。フェルール136は、その互いに対向する側でスワラ本体160に結合された2つのリテーナセグメント150によって、スワラ本体160に滑り係合して保持される。具体的には、リテーナセグメント150は、スワラ本体160の上流に面した平面表面上に形成された2つの隆条152に片持ち支持で結合(好ましくは溶接によって)されている。リテーナセグメント150は、フェルール136とスワラ本体160の相対的な軸方向の動きを防ぐが、フェルール136のスワラ本体160に対する限られた範囲の横方向の動きを許すように、フェルール136に係合している。この構成は、フェルール136が燃料ノズルを受入れることができるように横方向に浮遊しあるいは移動することを許すが、一方、スワラ組立体130がエンジン内に取り付けられている間、フェルール136とスワラ本体160の係合が外れるのを防止する。浮動するフェルール136はまた、エンジンの運転中に燃料ノズルとドームプレート128との間の相対的な動きを吸収する。
【0022】
リテーナセグメント150は、上記に説明し図3に示すリテーナセグメントと、それらがスカラップ状端部をもつ湾曲した部品である点において同一である。各端部は、リテーナセグメント150の内側縁部が構成する円弧が、外側縁部によって構成される円弧よりも小さくなるように形成された凹状の切込みを持つ。スカラップ状端部は、第1の実施形態に関して上記で説明したものと同様に、片持ち支持のリテーナセグメント150の強制振動により発生する溶接継手及び曲げの応力を減少させる。
【0023】
上記で、高い耐久性を有する改善されたスワラ組立体を説明してきた。本発明の具体的な実施形態を説明してきたが、特許請求の範囲に記載した本発明の技術思想及び技術的範囲から離れることなく種々の変更が可能であることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 スワラ組立体の1つの実施形態を示す燃焼器の前方部分の軸方向断面図。
【図2】 図1の1次スワラを取り去ったスワラ組立体の斜視図。
【図3】 図2のリテーナセグメントの平面図。
【図4】 スワラ組立体の別の実施形態を示す軸方向断面図。
【符号の説明】
30 スワラ組立体
40 2次スワラ
42 ベンチュリ管
48 基盤部
50 リテーナセグメント
52 隆条
54 凹状の切込み
Claims (11)
- ガスタービンのスワラ組立体(30)のリテーナセグメント(50)であって、
内側及び外側の湾曲した縁部と、各々がその中に形成された凹状の切込み(54)を持つ第1及び第2端部とを備える弓状部材を含み、
前記内側縁部が第1の円弧を構成し、前記外側縁部が第2の円弧を構成し、前記第1の円弧の中心角が前記第2の円弧の中心角より小さい
ことを特徴とする、リテーナセグメント(50)。 - 前記リテーナセグメント(50)の各端部が第1の面積を画定する端部領域(58)を持ち、各切込み(54)が第2の面積を画定し、前記第1の面積が前記第2の面積より小さいことを特徴とする請求項1に記載のリテーナセグメント(50)。
- 第1部材(32,36)と、前記第1部材(32,36)と滑り係合するように配置された第2部材(40,160)と、前記第2部材(40,160)に結合され、前記第1部材(32,36)に係合し、内側及び外側の湾曲した縁部と第1及び第2端部とを備え、各端部がその中に形成された凹状の切込み(54)を持つ弓状部材である少なくとも1つのリテーナセグメント(50)と、を含み、
前記内側縁部が第1の円弧を構成し、前記外側縁部が第2の円弧を構成し、前記第1の円弧の中心角が前記第2の円弧の中心角より小さい
ことを特徴とするスワラ組立体(30)。 - 前記内側縁部が第1の円弧を構成し、前記外側縁部が第2の円弧を構成し、前記第1の円弧が前記第2の円弧より小さいことを特徴とする請求項3に記載のスワラ組立体(30)。
- 前記リテーナセグメント(50)の各端部が第1の面積を画定する端部領域(58)を持ち、各切込み(54)が第2の面積を画定し、前記第1の面積が前記第2の面積より小さいことを特徴とする請求項3に記載のスワラ組立体(30)。
- 前記第2部材(40,160)が周辺部及び前記周辺部に沿ってその上に形成された隆条を備え、前記リテーナセグメント(50)が前記隆条に片持ち支持で溶接されることを特徴とする請求項3に記載のスワラ組立体(30)。
- 前記リテーナセグメント(50)が前記隆条に100%溶込溶接で溶接されていることを特徴とする請求項6に記載のスワラ組立体。
- 前記第2部材(40,160)に結合され、前記第1部材(32,36)に係合し、内側及び外側の湾曲した縁部と第1及び第2端部とを備え、各端部がその中に形成された凹状の切込み(54)を持つ弓状部材である第2リテーナセグメント(50)をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載のスワラ組立体。
- 前記第2リテーナセグメント(50)が、前記第2部材(40,160)上の前記第1のリテーナセグメント(50)の反対側に位置することを特徴とする請求項8に記載のスワラ組立体。
- 前記第1部材(32,36)が1次スワラ(32)であり、前記第2部材(40,160)が2次スワラ(40)であることを特徴とする請求項3に記載のスワラ組立体。
- 前記第1部材(32,36)がフェルール(36)であり、前記第2部材(40,160)がスワラ本体であることを特徴とする請求項3に記載のスワラ組立体。
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