(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流端部と、下流端部と、インナ・ライナと、インナ・ライナから半径方向に離間してインナ・ライナとの間で上流端部と下流端部との間に環状の燃焼帯を形成するアウタ・ライナとを有するとともに、燃焼帯に空気を供給する供給領域を備えた環状燃焼器ヘッドを有する円環形燃焼室であって、前記環状燃焼器ヘッドが下流端部で前記供給領域を画定する半径方向に延びる隔壁を有し、この隔壁が上流面と下流面と上流面及び下流面を貫通して延びる隔壁の回りで周方向に離間した複数の開口部とを有し、隔壁の各々の開口部が軸線Abを有し且つ燃料ノズルを収容するように構成された円環形燃料室の隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリにおいて、
各々が前記隔壁に形成された対応する開口部内に配置された複数の燃料ノズルガイドであって、軸線Afの回りに配置されて対応する燃料ノズルを収容するために燃料ノズルガイドを貫通して軸線方向に延びる貫通孔を有し、前記隔壁の下流で軸線方向に離間して隔壁との間に半径方向に向いた冷却空気プリナムを形成し、前記隔壁を通り過ぎた第１の部材の上流で半径方向に延びて燃料ノズルガイドを燃料ノズルガイド・リテーナと係合させるとともに前記隔壁から半径方向内側に離間して隔壁との間に冷却空気を前記冷却空気のプリナムに供給するための第１の環状供給間隙を形成する複数の燃料ノズルガイドと、
各々の開口部に配置されて周方向で隣接するヒート・シールドと周方向で当接してヒート・シールド・アセンブリを形成するヒート・シールドであって、各々のヒート・シールドが前記半径方向に向いた冷却空気のプリナム内及び前記隔壁と前記燃料ノズルガイドとの間の前記第１の環状供給間隙内に配置され、前記ヒート・シールドが、前記プリナム内に配置されるとともに前記隔壁の下流面から軸線方向に離間してその下流面との間に第１の半径方向に延びる冷却空気流路を形成し、前記ノズルガイドの前記第１の部材から軸線方向に離間して前記第１の冷却空気流路の下流において前記第１の部材との間に第２の半径方向に延びる冷却空気流路を形成するとともに、前記環状の間隙内に配置されて前記環状間隙を前記第１の流路に冷却空気を直接供給する第１の環状供給オリフィスと前記第２の流路に冷却空気を直接供給する第２の環状供給オリフィスに分割する軸線方向に延びるリップを有するヒート・シールドと、
前記隔壁の前記上流面と対向し、前記燃料ノズルガイドに形成された貫通孔の軸線Afと一致する軸線Arを有するノズルガイド・リテーナとからなり、
前記燃料ノズル・リテーナが、前記燃料ノズルガイドに一体に連結されるとともに前記隔壁に対して軸線方向に前記アセンブリをトラップし、前記供給領域が前記第２の環状の間隙と連通して、この間隙を流れる流量が、前記燃焼室の作動状態下で前記ヒート・シールドを冷却するために前記隔壁内に衝突孔を使用することなく、前記第１及び第２の供給オリフィスを介して前記第１及び第２の冷却流路まで調整されることを特徴とする、隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリ。
【請求項２】
前記リップの半径方向の輪郭を定めることにより前記第１の環状オリフィスの半径方向の幅を選択的に変えることを特徴とする、請求項１に記載の隔壁とガイドのアセンブリ。
【請求項３】
前記ヒート・シールドの前記リップが、前記リップの回りに配置された半径方向に延びる複数のスペーサ部材を有し、これらのスペーサ部材が、前記隔壁に対して半径方向に前記ヒート・シールドを配置させ、前記隔壁から前記リップの一部を離間させることを特徴とする、請求項２に記載の隔壁のガイドのアセンブリ。
【請求項４】
さらに、前記ヒート・シールドが、前記プリナム内に配置され且つ前記隔壁及び前記燃料ノズルガイドから軸線方向に離間した第１の平面部材を有し、この平面部材が第１の複数のペデスタル及び第２の複数のペデスタルを有し、これらの第１及び第２の複数のペデスタルの各々が、軸線方向の高さを有するとともに前記平面部材から前記第１の半径方向流路内まで前記隔壁の方に向かって半径方向に延び、前記第２の複数のペデスタルが、前記第１の複数のペデスタルの軸線方向の高さより高い軸線方向の高さを有するとともに、前記第１のオリフィスから前記第１及び第２の複数のピン内まで延びて前記流れを前記ピンの列の中に案内する複数のリブを有することを特徴とする、請求項３に記載の隔壁とガイドのアセンブリ。
【請求項５】
前記燃料ノズルガイドが、前記ヒート・シールドから軸線方向に離間して前記第２の冷却空気流路を画定する第１の部材を有し、前記リブが、前記第１の部材が前記燃焼帯内の高温ガスから軸線方向下流の前記リブの位置を保護するように前記燃料ノズルガイドの前記第１の部材の半径方向の範囲以下の半径方向の範囲を有することを特徴とする、請求項４に記載の隔壁とガイドのアセンブリ。
【請求項６】
前記ノズルガイド・リテーナが、前記軸線Arの回りで周方向に延びて前記燃料ノズルガイドを収容する開口部を形成する円筒形のインナ・リングを有し、このインナ・リングが、軸線方向の長さRilと半径方向の幅Riwを有し、軸線方向の長さRilが半径方向の幅Riwの少なくとも３倍の長さであり、前記ノズルガイド・リテーナが、下流方向において前記インナ・リングから軸線方向に離間し且つ前記インナ・リング及び前記第２の部材から半径方向外側に離間してそれらの間に前記第１及び第２のオリフィスと直接連通する第２の環状の間隙を形成するアウタ・リングを有し、このアウタ・リングが、前記隔壁の上流面と摺動可能に係合するとともに、半径方向の幅Row及び軸線方向の長さRolを有し、半径方向の幅Rowが軸線方向の長さRolの少なくとも３倍であり、前記ノズルガイド・リテーナが、前記インナ・リングと前記アウタ・リングとの間に延びてインナ・リング及びアウタ・リングと一体に形成され且つ前記ノズルリテーナリングの回りに周方向に離間して配置される複数のストラット・アセンブリを有し、各々のストラット・アセンブリが少なくとも一つのストラットを有し、各々のストラットが前記インナ・リングとアウタ・リングとの間の半径方向の中間点において軸線方向の長さSlと周方向の幅Swを有し、前記ノズルガイド・リテーナが接近する流れに対して狭い断面を提供するように、前記軸線方向の長さSlが前記周方向の幅Swの少なくとも３倍であることを特徴とする、請求項１に記載の隔壁とガイドのアセンブリ。
【請求項７】
各々のストラットが、前記第２の環状間隙に対して、前記アウタ・リングの前記軸線方向の長さRolの２倍より小さい距離Sgだけ前記第２の半径方向の間隙内に半径方向に延びるように配置され、前記第２の環状の間隙内に延びる前記ストラットによる前記第２の環状の間隙の封鎖が流路断面積の10％より小さいことを特徴とする、請求項６に記載の隔壁及びガイドのアセンブリ。
【請求項８】
上流端部と、下流端部と、インナ・ライナと、インナ・ライナから半径方向に離間してインナ・ライナとの間で上流端部と下流端部との間に環状の燃焼帯を形成するアウタ・ライナとを有するとともに、燃焼帯に空気を供給する供給領域を備えた環状燃焼器ヘッドを有する円環形燃焼室であって、前記環状燃焼器ヘッドが下流端部で前記供給領域を画定する半径方向に延びる隔壁を有し、この隔壁が上流面と下流面と上流面及び下流面を貫通して延びる隔壁の回りで周方向に離間した複数の開口部とを有し、隔壁の各々の開口部が軸線Abを有し且つ燃料ノズルを収容するように構成された円環形燃焼室の隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリにおいて、
各々が前記隔壁に形成された対応する開口部内に配置された複数の燃料ノズルガイドであって、軸線Afの回りに配置されて対応する燃料ノズルを収容するために燃料ノズルガイドを貫通して軸線方向に延びる貫通孔を有し、前記隔壁の下流で軸線方向に離間して隔壁との間に半径方向に向いた冷却空気プリナムを形成し、前記隔壁を通り過ぎた第１の部材の上流で半径方向に延びて燃料ノズルガイドを燃料ノズルガイド・リテーナと係合させるとともに前記隔壁から半径方向内側に離間して隔壁との間に冷却空気を前記冷却空気のプリナムに供給するための第１の環状供給間隙を形成する複数の燃料ノズルガイドを有し、この燃料ノズルガイドが、
前記燃料ノズルガイドから半径方向に延びて前記燃焼帯から前記隔壁を保護するとともに、前記隔壁から軸線方向下流に離間して隔壁との間に半径方向に向いた冷却空気プリナムを形成し、且つ前記プリナム内まで軸線方向に延びて各対のランド間に溝を形成する半径方向に延びる複数のランドを有する第１の部材であって、さらに前記複数のランドの半径方向内側で前記第１の部材を貫通して延びる軸線方向に向いた複数の貫通孔を含む第１の部材と、
前記燃料ノズルガイドに形成された貫通孔の回りに周方向に配置され且つ前記隔壁を過ぎた前記第１の部材の上流で半径方向に延びて燃料ノズルガイド・リテーナと係合する第２の部材であって、前記隔壁から半径方向内側に離間して隔壁との間に前記冷却空気プリナムに冷却空気を供給する第１の環状供給間隙を形成する第２の部材と、を含み、
前記隔壁とノズルガイドのアセンブリが、さらに、各々の開口部に配置されて周方向で隣接するヒート・シールドと周方向で当接してヒート・シールド・アセンブリを形成するヒート・シールドであって、各々のヒート・シールドが前記半径方向に向いた冷却空気のプリナム内及び前記隔壁と前記燃料ノズルガイドとの間の前記第１の環状供給間隙内に配置されるヒート・シールドを有し、このシート・シールドが、
前記プリナム内に配置され且つ前記隔壁の下流面から軸線方向に離間して隔壁との間に半径方向に延びる第１の冷却空気流路を形成する第１の略平面部材であって、前記ノズルガイドの前記第１の部材から軸線方向に離間し且つ前記ランドと摺動可能に係合して前記第１の冷却空気流路の下流でランドとの間に半径方向に延びる第２の冷却空気流路を形成し、前記第２の環状流路が前記ランドによって分割され且つ前記ランド間に溝を貫通して延びる第１の略平面部材と、
前記環状間隙内に配置されて前記環状間隙を前記第１の流路に冷却空気を直接供給する第１の環状供給オリフィスと前記第２の流路に冷却空気を直接供給する第２の環状供給オリフィスに分割する第１の部材から軸線方向に延びるリップであって、このリップの周囲に配置されて半径方向に延びる多数のスペーサ部材を有し、これらのスペーサ部材が前記隔壁に対して半径方向に前記ヒート・シールドを配置させ且つ前記隔壁からリップの一部を離間させ、リップの半径方向の輪郭を定めることにより前記環状オリフィスの半径方向の幅を変えるリップと、を含み、
前記隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリが、第１の複数のペデスタルと第２の複数のペデスタルを有し、これらのペデスタルの各々が、軸線方向の高さを有するとともに前記略平面部材から前記第１の半径方向の流路内まで前記隔壁の方へ半径方向に延び、前記第２の複数のペデスタルが、前記第１の複数のペデスタルの軸線方向の高さより高い軸線方向の高さを有するとともに、前記第１の部材が軸線方向の下流方向でリブの位置を保護するように前記ノズルガイドの前記第１の部材の半径方向の範囲以下の半径方向の範囲で前記第１のオリフィスから前記複数のピン内まで延びる複数のリブを有し、
前記隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリが、前記燃料ノズルガイドの軸線Afと一致する軸線Arを有する前記隔壁の上流面に対向するノズルガイド・リテーナを有し、このノズルガイド・リテーナが、
前記軸線Arの回りで周方向に延びて前記ノズルガイドの前記第２の部材を収容する開口部を形成する円筒形のインナ・リングであって、軸線方向の長さRilと半径方向の幅Riwを有し、軸線方向の長さRilが半径方向の幅Riwの少なくとも３倍であるインナ・リングと、
前記インナ・リングから軸線方向下流に離間し且つ前記インナ・リング及び前記第２の部材から半径方向外側に離間してそれらの間に前記第１及び第２のオリフィスと直接連通する第２の環状の間隙を形成するアウタ・リングであって、前記隔壁の上流面と摺動可能に係合するとともに、半径方向の幅Rowと軸線方向の長さRolを有し且つ半径方向の幅Rowが軸線方向の長さRolの少なくとも３倍の長さであるアウタ・リングと、
前記インナ・リングとアウタ・リングとの間に延び且つ前記インナ・リング及び前記アウタ・リングと一体に形成されるとともに前記ノズルリテーナリングの周囲に離間して配置される複数のストラット・アセンブリであって、各々のストラット・アセンブリが少なくとも一つのストラットを有し、各々のストラットが前記インナ・リングとアウタ・リングとの間の半径方向の中間点において軸線方向の長さSlと周方向の幅Swを有し、軸線方向の長さSlが周方向の幅Swの少なくとも３倍であり、各々のストラットが、前記アウタ・リングの軸線方向の長さRolの２倍より短い距離だけ前記第２の半径方向の間隙内に半径方向に延びるように前記第２の環状の間隙に対して配置される複数のストラット・アセンブリと、を有し、
前記燃料ノズル・リテーナの前記アウタ・リングが、前記燃料ノズルガイドに一体に連結され、前記隔壁に対して軸線方向に前記アセンブリをトラップし、前記第２の環状の間隙内に延びる前記ストラットによる前記第２の環状の間隙の封鎖が流路断面積５％より小さく、前記供給領域が前記第２の環状の間隙と連通し、前記間隙を流れる流量が、前記燃焼室の作動状態下で前記隔壁及びヒート・シールドを冷却するために衝突孔を使用することなく、前記オリフィスを介して前記冷却流路まで調整されることを特徴とする、隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリ。
【請求項９】
上流端部と、下流端部と、インナ・ライナと、インナ・ライナから半径方向に離間してインナ・ライナとの間で上流端部と下流端部との間に環状の燃焼帯を形成するアウタ・ライナとを有するとともに、燃焼帯に空気を供給する供給領域を備えた環状燃焼器ヘッドを有する円環形燃焼室であって、前記環状燃焼器ヘッドが下流端部で前記供給領域を画定する半径方向に延びる隔壁を有し、この隔壁が上流面と下流面と上流面及び下流面を貫通して延びる隔壁の回りで周方向に離間した複数の開口部とを有し、隔壁の各々の開口部が軸線Abを有し且つ前記隔壁の上流面と対向する燃料ノズルを収容するように構成された円環形燃焼室の隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリのノズルガイド・リテーナであって、前記燃料ノズルガイドの軸線Afと一致する軸線Arを有するノズルガイド・リテーナにおいて、
前記軸線Arの回りで周方向に延びてリテーナを前記ノズルガイドに取付けるための開口部を形成する円筒形のインナ・リングであって、軸線方向の長さRilと半径方向の幅Riwを有し、軸線方向の長さRilが半径方向の幅Riwの少なくとも３倍であるインナ・リングと、
前記インナ・リングから軸線方向下流に離間し且つ前記インナ・リングから半径方向外側に離間して配置されるとともに、円筒形の開口部を有するアウタ・リングであって、隔壁の上流面と摺動可能に係合できるとともに、半径方向の幅Rowと軸線方向の長さRolを有し且つ半径方向の幅Rowが軸線方向の長さRolの少なくとも３倍の長さであるアウタ・リングと、
前記インナ・リングとアウタ・リングとの間に延び且つ前記インナ・リング及び前記アウタ・リングと一体に形成されるとともに前記ノズルリテーナリングの周囲に離間して配置される複数のストラット・アセンブリであって、各々のストラット・アセンブリが少なくとも一つのストラットを有し、各々のストラットが前記インナ・リングとアウタ・リングとの間の半径方向の中間点において軸線方向の長さSlと周方向の幅Swを有し、軸線方向の長さSlが周方向の幅Swの少なくとも３倍である複数のストラット・アセンブリとからなり、
前記燃料ノズル・リテーナの前記アウタ・リングを前記ストラットを介して燃料ノズルガイドに一体に連結することができ、前記隔壁に対して軸線方向に前記アセンブリをトラップし、前記供給領域が前記円筒形の開口部と連通することができ、前記ストラットの接近する流れに対する軸線方向の断面が小さいことを特徴とする、ノズルガイド・リテーナ。
【請求項１０】
各々のストラットが、前記円筒形の開口部の封鎖を避けるために前記アウタ・リングの軸線方向の長さRolの２倍より短い距離Sgだけ前記円筒形の開口部内に延びるように前記円筒形の開口部に対して配置されることを特徴とする、請求項９に記載の円環形燃焼室の隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリのノズルガイド・リテーナ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼室に関し、詳しくは、燃焼室内において燃料ノズルを収容する燃焼器の隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリに関する。
背景技術
今日の航空機の動力として軸流ガスタービンエンジンが使用されている。典型的な軸流ガスタービンエンジンは、圧縮部と燃焼部とタービン部を含む。ガスタービンエンジンのこれらの部分を通って軸線方向に作動媒体ガス流の流路が延びている。
作動媒体ガスは、流路に沿って流れると、圧縮部で圧縮され、燃焼室まで流れて燃料と混合される。作動媒体ガスと燃料は、燃焼して作動媒体ガスにエネルギーを加える。作動媒体ガスは、タービン部を通って膨張し、有用な仕事を生じて圧縮部に動力を与え、航空機エンジンの場合には、航空機に動力を与える。
作動媒体ガスは、燃料と共に燃焼室内で燃焼する。燃焼室は、作動媒体ガスの燃焼帯を提供すると共に、作動媒体ガスからの放射熱伝達からガスタービンエンジンの内部を保護している。このような燃焼室の典型的な例の一つが、William G.Suligaに付与されて本発明の譲受人に譲渡された「ガスタービンエンジンの燃料ノズルガイド構造及びリテーナ」という発明の名称の米国特許第4,870,818号に示されている。
この米国特許では、燃焼室は、インナ・ライナ14とアウタ・ライナ16を有している。燃焼室の上流端部の回りには、ドーム形のヘッドアセンブリ18が周方向に延びている。ヘッドは、燃焼室の主要部品である周方向に延びるドーム20を有する。ドームには、燃焼室に圧縮機からの空気を供給できるようにするとともに、燃料ノズルのような燃料供給手段を受け入れられるようにする複数の開口部が形成されている。ヘッドは、燃焼室のインナ・ライナからアウタ・ライナまで延びる略平面の隔壁を有する。隔壁には複数の開口部が形成され、各々の開口部は、ドームに形成された対応する開口部と連通して、燃料ノズルが燃焼室内まで延びることができるようにしている。隔壁に形成された各々の開口部は、参照軸線Abを有している。
また、燃焼室は、燃料ノズルガイド44のような小さい部品も含んでいる。燃料ノズルガイドは、隔壁に形成された対応する開口部内に配置されている。燃料ノズルガイドは、燃料ノズルと共に移動し、隔壁に対して摺動して、構成要素間で異なる割合で生ずる構成要素の熱の増大を調節する。燃料ノズルガイドは、その燃料ノズルガイドに形成された貫通孔によって燃料ノズルを収容することができる。
燃料ノズルガイドは、隔壁と平行に延びて隔壁を燃焼帯から保護するヒート・シールド46と、このヒート・シールドから隔壁の上流側まで軸線方向に延びる部材を有している。燃料ノズルガイドの上流端部には、リテーナリング52が取付けられている。リテーナリングは、隔壁の上流側と摺動可能に係合して隔壁上で燃料ノズルガイドを軸線方向にトラップする。隔壁と燃料ノズルガイドとの間には、間隙が設けられ、燃料ノズルが隔壁に対して摺動できるようにしている。特に、この摺動により、ガスタービンエンジンの作動状態中において、隔壁と燃料ノズル（及び燃料ノズルガイド）とインナ・ライナ及びアウタ・ライナとの間の熱膨張差が調節される。
Melvin H.Zeisserに付与されて本発明の譲受人に譲渡された「燃焼器の隔壁のヒート・シールド・アセンブリ」という発明の名称の米国特許第4,934,145号には、燃焼室の他の例が示されている。また、Dennis J.Sullivanに付与されて本発明の譲受人に譲渡された「燃焼器の扇形デフレクタ」という発明の名称の米国特許第4,914,918号にも同様の構造が示されている。
Zeisserの実施例では、燃料ノズルガイド86にヒート・シールド部が設けられている。ヒート・シールド部は、隔壁と平行に半径方向に延びて、隔壁と燃料ノズルとの間に冷却空気のプリナム（冷却空気が充満した空間）を形成する。このプリナム内に別体のヒート・シールドが配置されている。別体のヒート・シールドは、隔壁との間に延びる１つの密閉端部を有する第１の流路を画定するとともに、燃料ノズルガイドとの間に延びる２つの開放端部を有する第２の下流の流路を画定する。これらの流路は、燃焼室のこの領域に冷却空気を導入するために半径方向に延びている。従って、ヒート・シールドの最も内側の端部は、プリナムから上流の半径方向に延びる流路をシールするように延びている。
従って、軸線方向に延びる上流の流路に冷却空気を供給するために、隔壁を貫通する複数の冷却空気孔46が必要である。隔壁に形成される冷却空気孔の大きさは、ヒート・シールドに衝突冷却を与える大きさに設定される。冷却空気孔は、空気を半径方向内側に向けるために、上流の流路の密閉端部の方に曲げられている。冷却空気は、インピンジメント・ジェットを通過してヒート・シールドの周辺まで半径方向外側に流れ、燃焼室内に排出される。また、冷却空気は、燃料ノズルガイドを貫通する流路を介して、ヒート・シールドと燃料ノズルガイドのヒート・シールドとの間の軸線方向下流の流路に供給される。
上記のような技術があるが、科学者及び技術者は、設計上の柔軟性があり、隔壁アセンブリの適当な位置に冷却空気を供給する隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリを開発しようとしている。
発明の開示
本発明の一部は、隔壁に形成された衝突孔（インピンジメント・ホール）を介して隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリに冷却空気を供給するには幾つかの本質的な制限があるという認識に基づいている。特に、それは冷却スキームの再設計を困難にし、そのような再設計又は変更は、燃焼室内の大きなアセンブリの交換を必要とする。また、本発明の一部は、燃料ノズルガイド・リテーナの現在の設計では燃料ノズルガイドの付近までの冷却空気の流れの大部分を妨げるという認識に基づいている。
本発明によれば、隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリは、隔壁から軸線方向に離間して半径方向に向いたプリナムを形成し且つ隔壁から半径方向内側に離間してプリナムのための第１の環状供給間隙を提供する燃料ノズルガイドを含むとともに、プリナム及び環状供給間隙内に配置されてそれらの間に一対の軸線方向に離間した複数の冷却空気流路を形成するヒート・シールドを含む。冷却空気流路は、環状供給間隙から半径方向外側に延びるとともに、各々の冷却空気流路には、ヒート・シールドによって画定される環状供給間隙内において環状オリフィスから冷却空気が直接供給される。
本発明の一実施例によれば、隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリは、ノズルガイド・リテーナを含む。ノズルガイド・リテーナは、隔壁の表面と摺動可能に係合するリングを有するとともに、燃料ノズルガイドから半径方向に離間して、燃料ノズルガイドとの間に第１の環状間隙と直接連通する第２の環状間隙を形成する。第２の環状間隙は、リングから内側に延びて燃料ノズルガイドを支持する構造によって実質的にふさがれない。
本発明の主な特徴は、燃料ノズルを収容するための燃料ノズルガイドを有する隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリである。燃料ノズルガイドは、隔壁から軸線方向に離間して隔壁との間に冷却空気プリナムを形成する第１の部材を有する。もう一つの主な特徴は、冷却空気プリナム内に配置されて、冷却空気プリナムを燃料ノズルガイドから離間して半径方向に延びる第１の流路と第２の流路に分割するヒート・シールドである。他の特徴は、隔壁から半径方向に離間した燃料ノズルガイド上の部材である。ヒート・シールドは、隔壁と燃料ノズルガイドとの間で半径方向の間隙内に延びて、その間隙を第１の環状オリフィスと第２の環状オリフィスに分割する。一つの実施例では、ヒート・シールドと隔壁との間の流路の冷却空気の流れを分配するために第１の環状オリフィスの半径方向の幅が変えられる。冷却空気は、ヒート・シールド上の複数のレールと環状オリフィスによってヒート・シールドと隔壁との間の予め選択された位置に供給される。
一つの実施例では、燃料ノズルガイド・リテーナが隔壁の上流側に配置される。燃料ノズルガイド・リテーナは、横方向に延びるアウタ・リングを有するとともに、燃料ノズルガイドに取付けられたインナ・リングを有する。インナ・リングは、ストラットによってアウタ・リングに取付けられる。アウタ・リングは、燃料ノズルガイドから半径方向に離間して第２の環状の間隙を提供する。第２の環状の間隙は、第１の環状の間隙と直接連通するとともに、アウタ・リングから延びる支持ストラットによって実質的にふさがれない。
本発明の主な利点は、燃焼室の作動寿命が長く、隔壁と燃料ノズルガイドとの間の熱の増大の差を調節するために摺動可能な燃料ノズルガイド構造により、燃焼室への燃料ノズルの組立てが容易なことである。他の利点は、ヒート・シールド、燃料ノズルガイド及び隔壁などの構成要素を貫通する冷却流路のために衝突冷却を使用することなく、これらの構成要素の最も内側の位置に冷却空気を供給することにより、隔壁と燃料ノズルガイドのアセンブリの耐用年数が長いことである。また、流れの妨げを最小にするとともに、隔壁から燃料ノズルガイドを適当に支持するノズルガイド・リテーナを介する冷却空気の流れが一様であるという利点もある。他の利点は、隔壁を通過する衝突冷却を使用し且つ冷却スキームを変更するために燃焼室の隔壁の再設計又は交換を必要とする構造と比べて、ヒート・シールドのような燃焼室の小さな部材を取り替えることにより冷却スキームを容易に変更できることである。
本発明の上記特徴及び利点は、以下の発明の最良の実施形態の詳細な説明及び添付図面を考慮すれば、さらに明瞭になるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、航空機の動力装置の概略側面図であり、航空機の翼の一部と、翼から延びるパイロンと、ナセルと、ナセル内に配置されたガスタービンエンジンを示している。
図２は、図１に示すガスタービンエンジンの燃焼室の一部の分解図であり、燃焼室内の隔壁に対する燃料ノズルガイドと燃料ノズルガイド・リテーナとヒート・シールドの関係を示している。
図３は、図２の分解図に対応する部分分解図である。
図４は、図２及び図３に示す燃焼室の一部の側面図であり、燃料ノズルと燃焼室アセンブリの一部を示すために一部を取り除いて断面を示している。
図4Aは、図４の一部の拡大図であり、燃料ノズルガイドと、燃料ノズルガイド・リテーナと、隔壁と、隔壁と燃料ノズルガイドの間に配置されるヒート・シールドとの関係をさらに詳細に示している。
図５は、図４の５−５線断面図であり、隔壁と燃料ノズルガイド・リテーナの部分は取り除いている。
発明の最良の実施形態
図１は、ガスタービンエンジン10のような軸流回転機械の概略図である。ガスタービンエンジンは、圧縮部12と、燃焼部14と、タービン部16を含む。これらの部分は、ガスタービンエンジンの軸線Aeの回りに配置されている。ガスタービンエンジンのこれらの部分を貫通して、作動媒体ガス18の流路が軸線方向に延びている。
燃焼部14は、圧縮部から供給される作動媒体ガスのプリナム（作動媒体ガスが充満した空間）22を含む。このプリナムは、ガスタービンエンジンの軸線Aeの回りに周方向に延びている。プリナム内には、上流端部26と下流端部28を有する円環形燃焼室24が配置されている。
円環形燃焼室24は、ガスタービンエンジンの軸線Aeの回りに周方向に延びるインナ・ライナ32を含む。また、インナ・ライナ32から半径方向に離間してインナ・ライナとの間に燃焼帯を形成するアウタ・ライナ34が配置されている。燃焼帯は、上流端部と下流端部との間に配置されている。
円環形燃焼室24は、燃焼室の上流端部に環状の燃焼器ヘッド38を含む。燃焼器ヘッド38は、周方向に延びるドーム42と、ドームから軸線方向に離間して燃焼帯に空気を供給する供給領域44を形成する半径方向に延びる（図示しない）隔壁とを含む。ガスタービンエンジンの内部の回りには、複数の燃料ノズル46が周方向に離間して配置されている。各々の燃料ノズルは、燃焼室内部の燃焼帯に燃料を供給するために、隔壁を貫通して燃焼器ヘッド内に延びている。
図２は、図１に示す燃焼器ヘッド38の分解図である。各々の燃料ノズル46に隣接して配置され且つ隔壁48に隣接する領域に冷却空気を供給する幾つかの構成要素の関係を示すために、燃焼器ヘッド38を部分的に取り除いて示している。冷却後、空気は燃焼帯36に供給される。燃焼器ヘッド38は、ドーム42に周方向に離間した複数の開口部52を有するとともに、隔壁48に開口部54を有する。隔壁48の開口部54は、燃料ノズル46を燃焼室24に挿入できるようにするために、ドーム42の開口部52と軸方向に位置合わせされている。隔壁48の各々の開口部54は軸線Abを有し、隔壁48は上流面56と下流面58を有する。
複数の燃料ノズルガイド62の各々は、軸線Afの回りの隔壁48に形成された対応する開口部内に配置されている。各々の燃料ノズルガイドには、対応する燃料ノズルを収容できるように、その燃料ノズルガイドを貫通して軸線方向に延びる貫通孔64が形成されている。燃料ノズルガイド62は、その燃料ノズルガイドから半径方向に延びる第１の部材66と、その燃料ノズルガイドの貫通孔の回りに周方向に配置される第２の部材68とを含む。第２の部材68は、第１の部材66から隔壁48を貫通して半径方向上流に延びて、隔壁48の上流に取付け点を提供する。
燃焼室内部の回りには、複数のヒート・シールド72が配置されている。各々のヒート・シールドは、隣接するヒート・シールドと周囲で当接して、ヒート・シールド・アセンブリを形成している。ヒート・シールド・アセンブリは、隔壁の下流の燃焼室内部の回りに延びている。各々のヒート・シールドは、燃料ノズルガイド62と隔壁48との間に配置されている。ヒート・シールドは、隔壁に対して横方向に延びる第１の略平面部材74を含む。第１の略平面部材は、その略平面部材から軸線方向に延びる４つのボルト状部材76を有する。これらの部材により、ヒート・シールドが隔壁に形成された対応する貫通孔78と係合するようになっている。第１の略平面部材は、短いペデスタル82と長いペデスタル84によって示される異なる高さの複数のピン状ペデスタルを有する。
第１の略平面部材74には、燃料ノズルガイドの第２の部材を収容する貫通孔86が形成されている。リップ88が、第１の部材から軸線方向に且つ第１の部材の貫通孔の回りで周方向に延びている。リップ88は、そのリップから延び且つ半径方向の幅が変化した複数の突出部90を有する。第１の略平面部材の中央部分には、複数のリブ92がリップから外側に延びている。
隔壁48の上流側には、ノズルガイドのリテーナ94、即ち、ノズルガイド・リテーナが配置されている。ノズルガイド・リテーナは軸線Arを有する。ノズルガイド・リテーナは、軸線方向に延びる外側の横方向リング96と、半径方向に延びる内側の円筒形リング98を含む。軸線方向のリングから円筒形リングを支持するために、軸線方向のリングから円筒形リングまで複数のストラット102が延びている。円筒形部材から複数のタブ104が延びて、燃料ノズルの挿入中に円筒形部材が燃料ノズルを案内できるようにしている。隔壁48は、燃料ノズル・リテーナの向きを合わせるとともに燃料ノズル・リテーナの周方向の移動を防ぐための局部周方向留め金具106を有する。
図３は、図２に示す隔壁48と燃料ノズルガイド62との組立てを示す部分組立図である。燃料ノズルガイドの第２の部材68は、隔壁から距離G1だけ半径方向に離間して配置されている。ヒート・シールドのリップ88は、隔壁と燃料ノズルガイドとの間の環状の間隙G1の中に延びている。これは、この領域内の冷却空気用の第１のオリフィス108と第２のオリフィス112を形成している。ヒート・シールドは、隔壁に固定されて第１のオリフィス108の大きさを固定する。図示されたようなボルト状部材は、隔壁を貫通して延び、ボルトのような適当な留め具によって隔壁に取付けられ、ヒート・シールドを取付ける手段の一例を提供する。
ノズルガイド・リテーナ94は、隔壁56の上流面と対向している。リテーナの軸線Arは、隔壁の貫通孔の軸線Abと一致している。リテーナのインナ・リング98は、軸線方向の長さRilと半径方向の幅Riwを有する。軸線方向の長さRilは、半径方向の幅Riwの少なくとも３倍の長さである。アウタ・リング96は、下流方向においてインナ・リングから軸線方向に離間するとともに、インナ・リングから半径方向外側に離間して配置されている。アウタ・リングは、燃料ノズルガイド・リテーナを隔壁の上流面と摺動可能に係合させるようになっている。アウタ・リングは、半径方向の幅Rowと軸方向の長さRolを有する。半径方向の幅Rowは、軸線方向の長さRolの少なくとも３倍である。
インナ・リング98とアウタ・リング96の間には、複数のストラット・アセンブリ114が延びている。各々のストラット・アセンブリは、インナ・リング及びアウタ・リングと一体になっている。ストラット・アセンブリは、ノズルリテーナリングの回りで周方向に離間して配置されている。各々のストラット・アセンブリは、少なくとも一つのストラット102を有し、図示された実施例では、３つのストラット・アセンブリが、周方向に距離Scだけ離間した２つのストラットを有している。円周方向の幅C1の一対のストラットによって、ノズルガイド・リテーナが、半径方向に摺動し、隔壁の上流面に取付けられた止め金具106と摺動可能に係合するようになっている。これにより、ノズルガイド・リテーナ94に対する隔壁48の相対的な半径方向の移動が可能になるが、隔壁に対するノズルガイド・リテーナの周方向の移動は抑制される。インナ・リング98及びストラット・アセンブリ114は、接近する流れに対する上流方向前面の断面を非常に小さくしている。各々のストラットは、インナ・リングとアウタ・リングとの間のストラット・アセンブリの中間点において、軸線方向の長さS1と周方向の幅Swを有する。軸線方向の長さS1は、周方向の幅Swの少なくとも３倍である。
図４は、図２及び図３に示す燃料ノズルガイド62、ヒート・シールド72及びノズルガイド・リテーナ94が組立てられた様子を示す図である。図４は、燃料ノズル46及び周方向止め金具106に対するこれらの構成要素の関係を示している。この図からわかるように、リテーナのタブ104は、燃料ノズルガイドに形成された貫通孔64にノズルが入るときのノズルのガイドを提供する。
図4Aは、図４の4A−4A線で切断した図４の一部の拡大図である。燃料ノズルガイド62の第１の部材66は、ガイドから半径方向に延びて、燃焼帯36から隔壁48を保護する。第１の部材は、隔壁から軸線方向下流に離間して、隔壁との間に半径方向に向いた冷却空気プリナム116を形成している。半径方向に延びる複数のランド118が、上流方向のプリナム内へ軸線方向に延びており、各々の対のランドの間に溝122を形成している。ランドの半径方向内側では、軸線方向に向いた複数の貫通孔が第１の部材を貫通して延びている。
燃料ノズルガイドの第２の部材68は、隔壁48を過ぎて第１の部材66の上流で半径方向に延び、ガイドが燃料ノズルガイド・リテーナ94と係合できるようにしている。第２の部材は、隔壁から半径方向内側に離間して延びており、それらの間に第１の環状の間隙G1を形成している。第１の環状の間隙G1は、プリナム116に直接隣接して、プリナムに直接冷却空気を供給する。
ヒート・シールド72は、半径方向に向いた冷却空気プリナム116内に配置され、隔壁48と燃料ノズルガイド62との間の第１の環状の間隙G1内まで延びている。ヒート・シールドは、第１の略平面部材74を有する。第１の略平面部材は、プリナム内に配置され、隔壁の下流面58から軸線方向に離間して、その下流面との間に半径方向に延びる第１の冷却空気流路126を形成している。第１の略平面部材は、燃料ノズルガイド62の第１の部材66から軸線方向に離間し、ランド118と摺動可能に係合して、それらの間に半径方向に延びる第２の冷却空気流路128を形成している。第２の流路128は、第１の冷却空気流路126の下流に配置されている。第２の環状流路は、ランドによって分割され、ランド間の溝122を貫通して延びている。
ヒート・シールド72上のリップ88は、第１の略平面部材74から軸線方向に延びている。このリップ88は、第１の環状間隙G1内に配置されている。リップ88は、第１の環状の間隙G1を、第１の流路126に冷却空気を直接供給する第１の環状の供給オリフィス108と、第２の流路128に冷却空気を直接供給する第２の環状の供給オリフィス112に分割する。第１の略平面部材の第２の複数のペデスタル84が図示されている。これらのペデスタルの軸線方向の高さは、第１の複数のペデスタルの軸線方向の高さよりも高くなっている。第２の複数のペデスタルは、第１の略平面部材から延びて、隔壁の下流面58と摺動可能に係合している。ヒート・シールドのエッジ132は裏面に示されている。
図４では、第１の複数のペデスタルの一部とエッジを取り除いて、第１のオリフィス108に隣接する領域からペデスタル内まで延びる複数のリブ92の一つを示している。リブ92は、燃料ノズルガイドの第１の部材66の半径方向の範囲を越えていない。その結果、燃料ノズルガイドは、その燃料ノズルガイドの軸線方向下流にある高温の燃料ガスからリブの位置を保護している。
ノズルガイド・リテーナ94は、隔壁48の上流面56と対向している。リテーナの軸線Arは、隔壁に形成された貫通孔の軸線Abと一致している。リテーナのインナ・リング98は、燃料ノズルガイド62に一体に取付けられている。ノズルガイド・リテーナのアウタ・リング96は、隔壁の上流面56と摺動可能に係合している。
アウタ・リング96は、インナ・リング98及び燃料ノズルガイドの第２の部材68から半径方向外側に離間して、それらの間に第２の環状の間隙G2を形成している。第２の環状の間隙G2は、第１のオリフィス108及び第２のオリフィス112と直接連通している。このように直接連通するのは、第２の環状の間隙G2が、第１及び第２のオリフィスへの入口に直接隣接しているからである。
複数のストラット・アセンブリ114は、インナ・リング98とアウタ・リング96の間に延びており、図では単一のストラット102が示されている。上述したように、各々のストラットは、インナ・リングとアウタ・リングの間の中間点において、軸線方向の長さS1と周方向の幅Swを有している。各々のストラットは、第２の環状の間隙G2に対して、ストラットがアウタ・リングの軸線方向の高さRolの２倍より小さい距離Sgだけ第２の環状の間隙G2内まで半径方向に延びるように配置されている。従って、第２の環状の間隙は、その第２の環状の間隙に入る流れを殆ど妨げない。
図５は、図４の５−５線断面図である。燃料ノズル46及び燃料ガイド・リテーナ94の一部を取り除いて、第１の環状の間隙G1に対するヒート・シールド72上のリップ88の関係と、第２の環状の間隙G2に対する燃料ガイド・リテーナ94の関係を示している。前述したように、ストラット102は、接近する流れに対する軸線方向の断面を小さくするのみならず、第２の環状の間隙G2内まで最小の範囲Sgだけ延びている。これは、第２の環状の間隙G2が第１のオリフィス108及び第２のオリフィス112と直接連通するので重要である。
また、図５は、第１の環状の間隙G1を第１の環状オリフィス108と第２の環状オリフィス112に分割するヒート・シールド72上のリップ88をより詳細に示している。リップ88は、複数の半径方向に延びる突出部90、即ち、リップの周囲の周りに配置されたスペーサ部材を有している。スペーサ部材は、ヒート・シールドを隔壁48に対して半径方向に配置させ、環状オリフィス108を形成するためにリップの残りを隔壁から離間させている。リップ88の半径方向の輪郭を定めて、第１の環状オリフィスの半径方向の幅を選択的に変化させる。この輪郭は、特に、ヒート・シールドの必要とされる領域に冷却空気の流れを分配するように選択される。ヒート・シールド上のリブ92は、リップまで延びて、流量調整された冷却空気を第１の環状流路内の適当な位置に導入する溝部を提供する。
ストラット・アセンブリ114は、ノズルガイド・リテーナ94の回りで４つの略等間隔の位置に周方向に離間して配置されている。これらのストラット・アセンブリのうちの３つは、ストラット102の対から形成される。ストラット・アセンブリは、隔壁上の周方向止め金具と半径方向及び軸線方向に摺動可能に係合する。アウタ・リング96は、その位置でさえぎられてこの係合を調整する。他の２組のストラット・アセンブリは、切断線Ｃに沿って互いに対向している。この位置でリテーナを切断することにより、リングを２つのハーフ部に分割して、隔壁に形成された開口部52への挿入を容易にしている。挿入時において、２つのハーフ部は、直接あるいは燃料ノズルガイドに連結されることにより、互いに連結される。
組立中において、ヒート・シールド72は、隔壁に形成された対応する貫通孔78を貫通して延びる４つの支柱状ボルト部材76と共に、隔壁48に挿入される。ナット138のような締め金具をボルトに取付けてヒート・シールドを隔壁に固定し、締め金具により第１の複数のペデスタル及びリブを隔壁に押し付ける。他の実施例として、これらのリブ又はペデスタルは、第１の複数のペデスタル82のように、隔壁からわずかに離間して配置してもよい。ヒート・シールドのリップ上のスペーサ部材90は、隔壁に対してリップを正確に配置させて、第１のオリフィス108及び第２のオリフィス112を形成する。その後、燃料ノズルガイド62は、隔壁の上流側56まで隔壁内に挿入される。ノズルガイド・リテーナ94は、溶接、接着又は機械的手段によって燃料ノズルガイドに一体に取付けられる。
燃料ノズルリテーナ94と隔壁48と燃料ノズルガイドとヒート・シールド72との間の摺動可能な係合により、燃料ノズルガイド・アセンブリが摺動して、動作中における隔壁構造と隣接する構造との間の熱の増大の差を調整することができる。また、この構造は、取付工程中における燃料ノズル46のわずかなアライメントの調節を可能にする。
ヒート・シールドに対するガイドの摺動により、第２の半径方向の流路128への冷却の流れを遮断しない。第２の環状オリフィス112の大きさは、第１の環状オリフィスよりもかなり大きくなっている。これにより、燃料ノズルがヒート・シールド上のリップ88の直径内で移動することができ、第２の環状オリフィスの有効な流れの面積を変えることはない。これは、オリフィスの半径方向の幅が局部的に変化しても起こり、例えば、燃料ノズルガイドが一方の側に移動するときに、対応する間隙は他方の側で開いているので、より小さくなる。第２の環状オリフィスの大きさは、局部的な小さな間隙がリップに隣接して生じ得る流れの不均一分配を防止している。
第１の環状オリフィス108の外形は正確に定められ、冷却空気が必要な位置に適当な量だけ分配されるように固定される。一つの場所を冷却し過ぎると、燃焼帯中の高温の作動媒体ガスから隔壁を保護する略平面部材に、熱応力を引き起す可能性がある。本発明の構成では、流量調節オリフィスと関連してペデスタル及びリブを使用し、図２に示すようなスペーサ90又はボルト状部材76、あるいはスペーサとボルト状部材の両方を使用してヒート・シールドの半径方向の位置を固定することにより、予め定められた流れの分配を行い易くしている。
本発明の利点は、特に、第１及び第２の冷却空気流路の最も内側の部分にある環状の間隙G1の位置である。冷却空気の流れは、第１の流路と第２の流路の最も内側の部分に分配され、予め定められた流れの形で半径方向外側に流れる。これは、半径方向外側に延びる流れの形を崩壊するインピンジメント・ジェットを使用することなく、最も内側の位置に冷却の流れを供給する。また、隔壁を通る衝突冷却がなければ、流れの形をより正確に計算でき、流れの形に延びるインピンジメント・ジェットを有する構造よりも良い冷却スキームになる。
この構造は、燃料ノズルガイド・アセンブリのこの臨界的な位置に冷却空気を豊富に供給する。この豊富な供給の一部は、燃料ノズルガイド・リテーナ94と燃料ノズルガイド62との間に延びる殆ど妨げにならない第１の環状の間隙G2によって可能になる。第２の環状の間隙G2内に延びるストラット102による障害は、第２の環状の間隙の流路断面積の10％以下、実施例では５％以下である。第２の環状の間隙の流路断面積の90％以上（実施例では95％以上）が、第１の環状オリフィス108内に冷却空気を導入するために利用できる。従って、リテーナの存在により、間隙G2内の流れへの衝撃を最小にし、この間隙は実質的に冷却空気の流れの妨げにならない。また、ストラット・アセンブリは、周方向に狭く、軸線方向に長く、供給領域から第２の環状の間隙までの流れの妨げを少なくしている。
ノズルガイド・リテーナの容積に対する表面積は、従来のリテーナより小さく設計され、装置を容易に鋳造できる物品とし、Hastaloy X（Aerospace Material Specification 5646）のような材料を使用することができる。これにより、燃料ノズルガイド・リテーナを軽量の開いた構造にすることができるとともに、その構造に十分な強度を与えることができる。
本発明の構造の重要な利点は、リップの外形又はスペーサの大きさ又は周方向の範囲を変えるだけで、冷却の流れの形を容易に変更できることである。これにより、エンジンの長時間の動作寿命中に生ずる問題を解決できる設計を容易に改善できる。従来では、これは、隔壁に形成された衝突冷却孔の再分配を必要としたため、隔壁のような主要なアセンブリを変更することなく達成することが困難であった。
本発明の構造の他の利点は、燃料ノズルガイド62がヒート・シールド72を遮蔽することである。燃料ノズルガイドの第１の部材66の半径方向の範囲は、ヒート・シールド上のリブ92の範囲と少なくとも同じか、あるいはそれよりも大きい間隔になっている。これは、これらの位置でヒート・シールドが割れる可能性を減少させ、リブがヒート・シールドの保護される部分を越えて延びる構造と比べて耐久性を増大させている。
以上、本発明の詳細な実施例について本発明を説明したが、本発明の意図及び範囲から外れることなく、形態及びその詳細を様々に変更し、削除し、追加できることが当業者に理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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