JPH0648092B2 - 燃焼室構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、ガスタービンエンジン、特にガスタービンエ
ンジンに用いる燃焼室に関する。

ガスタービンエンジン効率は種々のパラメータの関数で
あり、特に燃焼室内に達成し得る温度およびエンジンの
種々の要素を冷却するために分流しなければならない空
気の量の関数である。現在、高温にさらされない、従っ
てそれに伴なう熱応力を受けないエンジンの要素により
構造的荷重を支えれば、エンジンの構造的一体性が改良
される。

燃焼室内に達成し得る温度を高めようとする試みでは、
種々の材料および合金を燃焼室の構成に用いることが提
案されている。熱の作用に対して特に有効な抵抗性を呈
する２つの材料は酸化物分散強化材料と種々のセラミッ
クである。もう一つの有効な材料としてコロンビウムの
耐熱コーティングがある。しかし、前者の材料および幾
つかの他の材料に関する主な欠点は、溶接が困難である
か実用的でないことである。本発明は燃焼室にコロンビ
ウム被覆を用いる場合に特に適切であるが、本発明の思
想はもっと広く適用可能である。

上述のような耐熱材料を適用する効果は、一層高い温度
に達することが可能になるのに加えて、運転中に燃焼室
に導びく必要のある冷却流体の量を少くすることができ
ることである。このように冷却流体の量を減少するとエ
ンジンの動作効率を増大できる。

過去におけるガスタービンエンジンの構造的損傷には、
エンジンの構造的荷重支持部分が燃焼の高温度に伴なう
熱応力にさらされる結果として生じるものがあった。燃
焼室（燃焼熱に直接さらされる）がライナに関連する構
造的荷重を支えることを必要とするようなやり方で燃焼
室を形成すると、このような損傷につながることもあっ
た。本発明の構造を用いれば、燃焼室のライナを、燃焼
室を囲むフレームに関連する構造的荷重から隔離するこ
とにより、これらの問題を解決することができる。

本発明のもう一つの特徴として、構造用フレームおよび
関連要素を完全に分離する必要なしに、個々のライナリ
ングを容易に取り外すことができる。このことから、長
期間の使用で摩耗または疲労したライナリングを新しい
ライナリングに取換えたり、まだ有効寿命のある個々の
ライナリングを補修したりできる。燃焼室が実質的にユ
ニット化された構造に形成されていて、燃焼室のほんの
一部分に損傷や摩耗が生じて大きな部品もしくはその全
体を取り換える必要があった従来の装置と比べて、上記
の取換、補修可能なことは大きなコスト節減になる。

発明の要約 従って、本発明の主要目的は、燃焼室に関連する熱的応
力および構造的応力をそれぞれ負担する別々の部材を設
けることにより、構造的完全さを改良した、ガスタービ
ンエンジン用燃焼室を提供することにある。

本発明の別の目的は、ライナを複数のリングから形成し
て補修および取換を容易かつ効果的にし、改良ライナ材
料を従来の製作法での欠点なしに利用できるガスタービ
ンエンジン用の燃焼室を提供することにある。

これらの目的および他の目的が以下の詳細な説明から明
らかになるであろうが、このような目的を達成するため
に本発明では、複数の環状リングから形成したライナを
用いる。これらのリングは互に入れ子式に協働するとと
もに、関連するばね部材と突起および止め部材の組合せ
よりなる保持手段とにより弾性協働関係で、リングを囲
む構造用フレームと協働する。１実施態様では、ばね手
段がほぼＵ字形断面の弾性部材よりなり、Ｕ字の片方の
脚部上に突起を支持し、他方の脚部が関連するリングと
協働する。軸線方向に隣接するライナリングは順次積み
重なり、各リングの前縁がＵ字形弾性部材の両脚部間に
はさまれている。

好ましい実施例の説明 第１図に示した燃焼室は、種々の形式のうちの代表的な
ターボ機関の燃焼室部分の基本要素を、本発明に特有の
実質的改良点とともに例示するものである。当業界でよ
く知られているように、大気空気は燃焼室１０に、左側
から高圧圧縮機（図示せず）の下流の燃料／空気入口１
２を通って入る。燃焼室１０は燃焼領域１４を限定し、
また入口１２内に配置された燃料ノズル１６を含む。裏
あて部材２０を含む高強度構造用フレーム１８が燃焼領
域１４を包囲している。典型的な態様では、ノズル１６
からの燃料と入口１２から入ってくる空気とを燃焼領域
１４内で混合して燃焼させる。燃焼生成物を第１図の右
方へ、出口１９からタービン翼列２１を横切って吐出す
る。タービンブレードはこうして出てくる燃焼生成物か
らエネルギーを抽出して、上流の圧縮機に動力を与える
回転自在なシャフトをまわす役目を果す。燃焼生成物の
残りの噴流が第１図の左方への推力を発生する。

本発明による燃焼室の製造を残りの図面を参照しながら
さらに具体的に説明する。図示の裏あて部材２０を含む
フレーム１８は、軸線方向に離間した半径方向段部２２
と、燃焼室の上流端から下流端に向って徐々にテーパが
付けられていることにより半径が次第に増加しているこ
とがわかる。各段部２２には１対の円周方向に延在する
肩部２４および２６が設けられており、両者間に実質的
に円周方向に延在するスロット２８を形成している。こ
のスロット２８は、後述するように、燃焼室部材を保持
するための止め部材を構成する。

本発明の主目的に従って、複数の個別のライナリング３
０が設けられる。これらのライナリング３０は構造用フ
レーム１８と協働して燃焼室の形状を完成する。ライナ
リング３０の構造用フレーム１８のまわりへの配置を容
易にするために、フレームに対してライナリングを位置
決めおよび固定するための装着手段を設ける。この装着
手段は記述したスロットすなわち止め部材２８を含む。
更に第３図に図示した本発明の態様では、各ライナリン
グは前縁３２と後縁３４を含み、止め部材２８と協働す
る実質的に半径方向に伸びる突起３６を支持する。突起
３６と止め部材２８とは一緒に組合わさって、フレーム
と協働してライナリングの位置を保持する保持手段を構
成する。

さらに、装着手段は第３図に示すばね３８のような可撓
性手段を含む。保持手段と可撓性手段とは一緒に組合わ
さって、燃焼室の動作中ライナリング３０をフレーム１
８に対してほぼ所定の位置以内に保持する。

構造的には、突起３６をほぼＵ字形断面のばね３８の片
方の脚部に配置し、他方の脚部をライナリング３０にそ
の後縁３４付近で剛固に取付ける。個々のライナリング
をフレーム１８に対して所定位置に配置するときには、
突起３６をそのライナリングに向って半径方向に動かし
て関連するばね３８をそらせ、すなわちばねに予備荷重
を与え、突起３６を止め部材（スロット）２８に対して
保持位置にスナップ式にはめ入れる。

軸線方向における隣接するライナリング３０間の協働関
係は、複数のライナリングが入れ子式に積みなって燃焼
領域１４を限定するようになっている。第３図の実施例
では、軸線方向の協働関係は、各ライナリング３０の後
縁３４がその下流側のライナリングの前縁３２を、ほぼ
Ｕ字形断面の弾性部材すなわち３８の両脚部間にサンド
イッチ状にはさんだ関係で、受けて保持するようになっ
ている。言い換えると、各下流側のライナリングの前縁
がＵ字形弾性部材（３８）の両脚部間に突入し、両脚部
間の空所内に保持される。

第２図および第３図からわかるように、突起３６よびス
ロット２８はそれぞれライナリング３０およびフレーム
１８のほぼ円周方向に延在する。さらに、各ライナリン
グ３０はばね３８と突起３６の組合せを含み、フレーム
１８は複数の離間した止め部材すなわちスロット２８を
含む。従って、上述したのと同様のやり方で、複数のラ
イナリング３０を所定位置に配置して保持することがで
きる。本発明の主目的に従って、ライナリングが長期間
の使用中にすり減ったり損傷したりしたら、個々のライ
ナリングを簡単に取り外しできるように、上述した装着
手順を逆にすることができる。従って、本発明によれ
ば、実用中の燃焼室ライナの妥当な安価なメインテナン
スが可能になる。

燃焼室の全体的動作についてはすでに説明した。この動
作と本発明の機能とを関係づけるために、燃焼室ライナ
に対する空気力学的および熱的効果を考察する。空気力
学的には、燃焼領域１４内にはそこで燃焼するガスの膨
脹により非常に大きいガス速度が得られる。従って、個
々のライナリング３０に大きな静的および動的圧力が加
わる。これらの左力は直接構造用フレーム１８に伝達さ
れ、フレーム１８は燃焼室に関連した機械的力の大部分
を支える役目を果す。

熱的には、燃焼領域１４内で燃焼するガスは極めて高い
温度に達し、個々のライナリング３０は直接この高温に
さらされる。（リングの冷却はリングの半径方向外側面
に対する冷却空気の衝突による冷却と、燃焼領域１４に
面するライナリングの側面の空気膜冷却との組合せによ
って行うことができる。別の冷却方式を採用することも
できるが、冷却するライナリングへの熱衝撃は極めて大
きい）。この問題を軽減するために、本発明では有効な
熱特性を呈するコロンビウム被覆材料を使用することが
できる。

多くの耐熱材料は残念なことに構造的荷重を支えるのに
適していない性質を有する。本発明によれば、個々のラ
イナリング３０は構造的な力に耐えることを要求されな
い。構造的な力は直接にフレーム１８に伝達されるから
である。同様に、フレーム１８の材料、即ち高強度材料
は、必ずしも燃焼領域１４内での燃焼熱にさらされるの
に適した材料である必要はない。本発明によれば、構造
用フレーム１８は高温に直接さらされず、ライナリング
３０により高温から隔離されている。従って、この発明
の結果として、高強度材料および耐熱材料をそれぞれ機
械的および熱的応力のかかる区域に、互に悪影響を及ぼ
すことなく適用することができる。

本発明に適当なコロンビウム被覆材料の特徴は、熱膨脹
係数が低いことである。フレーム材料の熱膨脹係数はそ
れより著しく高くできる。従って、燃焼室の過渡的な動
作の間、ライナリング３０およびフレーム１８の熱膨脹
をかなり効果的に相互に整合させることができ、従って
ライナリング３０の膨脹に伴なう機械的応力またはフー
プ応力がフレーム１８に悪影響を及ぼさない。ライナリ
ング３０に加わる熱的作用に伴なった機械的応力からフ
レーム１８をさらに隔離するのに、上述した装着手段は
特に適したものである。

この目的のために、フレーム１８上にライナリング３０
を取付けると複数のライナリングが入れ子式に配置さ
れ、各ライナリングはフレームから離間している。各ラ
イナリング３０は、その前縁３２と軸線方向に隣接する
上流側のライナリングの後縁３４との係合により、その
前縁３２の所で、この離間関係に維持される。。各ライ
ナリングの後縁３４は弾性部材すなわちばね３８により
フレーム１８から所定の距離に維持される。個々のライ
ナリング３０の熱膨脹によりライナリングがばね３８を
押しまげ、これによりフレーム１８に対するライナリン
グ３０の半径方向位置の調節を行う。従って、リング３
０からフレーム１８に加えられる機械的力の影響は著し
く軽減される。同様に、構造的な力によりフレーム１８
がたわむと、このたわみはライナリング３０に直接伝達
されず、むしろ一部分がばね３８の曲げにより吸収され
る。

ライナリング３０をフレーム１８に対する軸線方向位置
から移動させようとする力に対して、突起３６およびス
ロット２８を含む保持手段が反作用をなしてその力に耐
える。従って、本発明を用いる結果として、燃焼室を、
軸線方向および半径方向両方の所定の位置以内にしっか
り保持された個別のほぼ環状のライナリングから形成す
ることができる。ライナリングは適当な耐熱材料（この
材料が溶接その他の加工に実用的でない場合でも）から
つくることができる。さらに、保持手段および可撓性の
半径方向装着手段によってライナリングは信頼性よく所
定位置に保持される。

本発明の他の実施例を第４図および第５図に示す。この
実施例の構造は最初の実施例に関して説明した構造とは
異なるが、その動作は実質的に同様である。フレーム１
８′には止め部材すなわちスロット２８′を形成する肩
部２４′および２６′が設けられている。ほぼ環状ライ
ナリング３０′がばね手段５０を備え、このばね手段５
０は個々のライナリング３０′とフレーム１８′との間
に延びるほぼ指状の弾性部材またはばね５２の形態をと
っている。ばね手段５０はライナリングの後縁３４′付
近に設けられ、後縁３４′をフレーム１８′から所定の
空間５４だけ離すように作用する。これらの指状ばね５
２は、上述したＵ字形ばねと同様に、たわんでフレーム
に対するライナリングの半径方向位置の変化を吸収する
作用をなす。その上、各ライナリング３０′の後縁３
４′はその下流側のライナリングの前縁３２′と協働
し、前縁３２′を空間５４内に受入れて保持する。

ライナリング３０′をフレームに対して軸線方向に位置
決めするために、各ばね手段５０はフレーム肩部２６′
とほぼ同じ方向に突出するほぼ半径方向の肩部５６を含
む。スロット２８′内に保持バンド６０が配置される。
この保持バンド６０は、このバンドが接触するフレーム
肩部２４′に対する肩部５６の軸線方向の移動を阻止す
る作用をなす。燃焼室の製作時には、ばね手段５０の個
々の指状ばね５２を曲げ、すなわち予備荷重をかける。
さらに、燃焼室の動作中、熱的および機械的応力により
押されるにつれて、これらの指はさらに曲げられ、ライ
ナリング３０′とフレーム１８′との間の空間調整を補
正する。本発明のこの実施例もフレーム１８′をライナ
リング３０′に関連する熱的応力から実質的に隔離する
ことができ、同様にライナリング３００′をフレーム１
８′に関連する構造的応力から隔離する。

また、燃焼室の製作順序を逆にすることは容易であり、
保持バンド５６を取去り、組立順序を逆にたどることに
より、個々のライナリング３０′をフレーム１８′との
協働関係から抜き出すことができる。

本発明の好適実施例について説明したが、本発明の要旨
は特許請求の範囲に記載した通りである。ここに開示し
た構造の多数の変更例が本発明の要旨を逸脱せぬ範囲内
で可能であることは、当業者には明らかであろう。例え
ば、ばね部材および保持手段は、ここに開示した目的に
等しく適合する機能を持つ任意の構造形状をもって構成
することができる。これらの変形および他の同様の変更
も本発明の一部として包含されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスタービンエンジンの燃焼室の
簡略化した断面図、 第２図は本発明の第１実施例による１つのライナリング
を構造用フレームの一部との協働関係において示す斜視
図、 第３図は本発明の第１実施例のライナリングの相互関係
および構造用フレームとの協働関係を示す断面図、 第４図は本発明の第２実施例による１つのライナリング
を構造用フレームの一部との協働関係において示す斜視
図、そして 第５図は本発明の第４図に示す第２実施例のライナリン
グとその隣接する類似のライナリングおよび構造用フレ
ームとの協働関係を示す断面図である。 １０……燃焼室、１８……フレーム、２８，２８′……
スロット（止め部材）、３０、３０′……ライナリン
グ、３２，３２′……前縁、３４，３４′……後縁、３
６……突起、３８……ばね、５０……ばね手段、５２…
…指状ばね、５４……空間、６０……保持バンド。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンエンジン用の燃焼室におい
   て、燃焼させるべき燃料と空気を受入れる入口、 燃焼生成物を吐出する出口、 上記の入口と出口との間に配置された高強度構造用フレ
   ーム手段、 上記フレーム手段とは構造上独立であるが、上記フレー
   ム手段と協働して燃焼領域を限定するライナ手段であっ
   て、複数の相互に隣接する連続環状リングを含むライナ
   手段、および 上記リングの少なくとも１つを位置決めする手段であっ
   て、該リングにより支持された可撓性手段ならびに該可
   撓性手段と協働して該リングを上記フレーム手段に対し
   てほぼ所定の位置以内に保持する保持手段を含む手段を
   有し、 上記保持手段が突起とこの突起を受入れる止め部材とを
   含み、上記フレーム手段がその円周方向に延在する複数
   の間隔をあけて設けた止め部材を含み、上記突起が、上
   記止め部材の１つの中に配置されて上記リングの１つと
   協働する保持バンドを含み、上記可撓性手段が、上記リ
   ングのそれぞれと上記フレーム手段との間に延在して上
   記リングの後縁を上記フレーム手段から所定の空間だけ
   離間させる指状弾性部材を含み、軸方向に隣接するリン
   グの前縁が上記空間内に突入して上記空間内に保持され
   ていることを特徴とする燃焼室。
2. 【請求項２】上記弾性部材が関連するリングのほぼ円周
   方向に延在し、上記止め部材が上記フレーム手段のほぼ
   円周方向に延在するスロットを含む特許請求の範囲第１
   項記載の燃焼室。
3. 【請求項３】ガスタービンエンジン用の燃焼室におい
   て、燃焼させるべき燃料と空気を受入れる入口、 燃焼生成物を吐出する出口、 上記の入口と出口との間に配置された高強度構造用フレ
   ーム手段、 上記フレーム手段とは構造上独立であるが、上記フレー
   ム手段と協働して燃焼領域を限定するライナ手段であっ
   て、複数の相互に隣接する連続環状リングを含むライナ
   手段、および 上記リングを上記フレーム手段に対してほぼ所定の位置
   以内に位置決めする装着手段であって、突起と、上記フ
   レーム手段により支持されて上記突起を受入れる止め部
   材と、一方の脚部に上記突起が設けられ、他方の脚部が
   関連するリングと協働するほぼＵ字形の弾性部材とを含
   む装着手段を有し、軸方向に隣接するリングの前縁が上
   記弾性部材の両脚部の間に突入していることを特徴とす
   る燃焼室。
4. 【請求項４】上記弾性部材が関連するリングのほぼ円周
   方向に延在し、上記止め部材が上記フレーム手段のほぼ
   円周方向に延在するスロットを含む特許請求の範囲第３
   項記載の燃焼室。
5. 【請求項５】ガスタービンエンジン用の燃焼室におい
   て、燃焼させるべき燃料と空気を受入れる入口、 燃焼生成物を吐出する出口、 上記の入口と出口との間に配置された高強度構造用フレ
   ーム手段、 上記フレーム手段とは構造上独立であるが、上記フレー
   ム手段と協働して燃焼領域を限定するライナ手段であっ
   て、複数の相互に隣接する連続環状リングを含むライナ
   手段、および 上記リングの少なくとも１つを位置決めする手段であっ
   て、該リングにより支持された可撓性手段ならびに該可
   撓性手段と協働して該リングを上記フレーム手段に対し
   てほぼ所定の位置以内に保持する保持手段を含む手段を
   有し、 上記保持手段が突起とこの突起を受入れる止め部材とを
   含み、上記フレーム手段がその円周方向に延在する複数
   の間隔をあけて設けた止め部材を含み、上記突起が、上
   記止め部材の１つの中に配置されて上記リングの１つと
   協働する保持バンドを含んでいることを特徴とする燃焼
   室。