(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器ライナとその周囲構造物との間隙をシールする燃焼器ライナのシール構造であって、
前記周囲構造物に設けられ燃焼器ライナの外周壁と接触して前記間隙をシールする環状のシール部材を備え、
前記シール部材が、複数のセグメントシール部材から形成され、
環状弾性体からなる付勢手段によって、各セグメントシール部材が外周壁に向かって付勢されてなることを特徴とする燃焼器ライナのシール構造。
【請求項２】
各セグメントシール部材が、所定範囲に亘って変位自在に支持されてなることを特徴とする請求項１記載の燃焼器ライナのシール構造。
【請求項３】
環状弾性体が、周方向の一箇所で切断されてなることを特徴とする請求項１記載の燃焼器ライナのシール構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器ライナのシール構造に関する。さらに詳しくは、例えば航空機エンジンに用いられるガスタービンの燃焼器ライナに好適な燃焼器ライナのシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属材料よりも耐熱性に優れたＣＭＣ（Ｃｅｒａｍｉｃｓ  Ｍａｔｒｉｃｓ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；繊維強化セラミック複合材料）などのセラミック材料の開発が進んでおり、これに伴って、そのようなセラミック材料を燃焼器ライナに用いるための研究が行われるようになってきている。すなわち、従来の金属材料からなる燃焼器ライナにおいては、耐熱性が低く冷却用空気を大幅に削減することが困難であるが、耐熱性の高いセラミック材料を燃焼器ライナに用いることによって、冷却用空気量を減少させて熱効率の向上を図ることができるとともに、余剰の冷却用空気を希薄燃焼に利用することによって窒素酸化物の排出を低減できるという利点があるからである。
【０００３】
ところが、セラミック材料は一般的に脆く、また、線膨張係数も金属材料より小さいため、燃焼時には金属部品からなる周囲構造物との間に大きな熱伸び差が生じることになる。このため、燃焼器ライナと周囲構造物との間にシールを施すような場合にはその熱伸び差を吸収できるような構造が求められることになる。
【０００４】
従来の燃焼器ライナのシール構造として、特許第２８５２１１０号公報には、図９に示すように、予混合器１０１とライナ１０２との間を板ばね１０３によりシールし、予混合器１０１とライナ１０２との間の相対的変位を板ばね１０３の弾性変形により吸収するようにしたシール構造が記載されている。また、特開平８−２８５２８４号公報には、ライナとトランジションピースとの間を板ばねによりシールするシール構造が記載されている。
【０００５】
このように、従来より、燃焼器ライナのシール構造として板バネの弾性力を利用したものが多い。ところが、この方法では、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差に起因して板バネに発生する応力が増大したり、ライナに加わる荷重が過大とならないように、板バネのバネ剛性を小さくし、バネ長さを大きく取るなどの工夫が必要となる。
【０００６】
特に、燃焼器ライナにセラミック材料を用いる場合には、燃焼器ライナと金属材料からなる周囲構造物との熱伸び差が非常に大きくなるので、板バネを用いてシールするためには板バネの長さを相当長くする必要があり、設置スペースが大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
これは、省スペースおよび軽量化が最重要課題の一つとされる航空機分野では大きな不利を招くことになる。また、板バネを長くした場合には、その熱変形も大きくなり、特に、金属材料よりも高温となるＣＭＣ材料でライナを形成した場合には、安定したシール機能を維持することが困難になってしまうという問題もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差を吸収して、燃焼器ライナを良好にシールすることができる燃焼器ライナのシール構造を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃焼器ライナのシール構造は、燃焼器ライナとその周囲構造物との間隙をシールする燃焼器ライナのシール構造であって、前記周囲構造物に設けられ燃焼器ライナの外周壁と接触して前記間隙をシールする環状のシール部材を備え、前記シール部材が、複数のセグメントシール部材から形成され、環状弾性体からなる付勢手段によって、各セグメントシール部材が外周壁に向かって付勢されてなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、各セグメントシール部材が、所定範囲に亘って変位自在に支持されてなるのが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、各セグメントシール部材が、前記外周壁と常に線接触するよう形成されたシール面を有してなるのが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、環状弾性体が、周方向の一箇所で切断されてなるのが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の燃焼器ライナのシール構造においては、環状弾性体の脱落防止が図られてなるのが好ましい。
【００１５】
【作用】
本発明は前記のごとく構成されているので、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差が大きい場合にも、燃焼器ライナに過大な荷重を与えることなく良好にシールすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１７】
図１に、本発明の一実施形態にかかる燃焼器ライナのシール構造が適用されたアンニュラ型燃焼器の概略図を示し、このアンニュラ型燃焼器（以下、単に燃焼器という）Ａは、例えば航空機エンジンとして用いられるガスタービンの燃焼器とされ、燃焼室Ｂと、燃焼室Ｂを覆うように配設されるケースＣとを備えてなるものとされる。
【００１８】
内部にメインバーナＢＭおよびパイロットバーナＢＰが配設された燃焼室Ｂは、ドームＤと外側ライナＬ１および内側ライナＬ２とで区画される、軸方向に伸ばされたドーナッツ形状とされている。また、各ライナＬ１、Ｌ２は、例えばＣＭＣ（Ｃｅｒａｍｉｃｓ  Ｍａｔｒｉｃｓ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；繊維強化セラミック複合材料）などのセラミック材料から形成されている。そして、各ライナＬ１、Ｌ２とケースＣとの間隙は、冷却空気の流通路Ｅとされている。
【００１９】
外側ライナＬ１はドーナッツ形状の外周側壁部を形成し、軸方向片側壁部を形成するドームＤとの接合部分である基端部から中間部までの径一定の水平部Ｌ１ａと、中間部から後端部にかけて径が徐々に小さくされているテーパ部Ｌ１ｂとから形成されるものとされる。テーパ部Ｌ１ｂは、後端部で後述する外側シール構造Ｋ１を介してタービン入口外側周壁部材Ｗ１と接続されている。
【００２０】
一方、ドーナッツ形状の内周側壁部を形成する内側ライナＬ２は、基端部から所定長さに亘って径一定とされる小径水平部Ｌ２ａと、これに続き径が徐々に大きくされている逆テーパ部Ｌ２ｂと、これに続き所定長さに亘って径一定とされる大径水平部Ｌ２ｃとから形成されるものとされる。大径水平部Ｌ２ｃは後述する内側シール構造Ｋ２を介してタービン入口周壁部材Ｗ２と接続されている。
【００２１】
そして、外側ライナＬ１および内側ライナＬ２との各後端部の間隙が燃焼器出口Ｇとされている。すなわち、燃焼器出口Ｇは、ドーナッツ形状の軸方向他方片側を全周に亘って開口するようにして形成されている。
【００２２】
しかして、シール構造Ｋは流通路Ｅを流れる冷却空気の燃焼室Ｂへの漏れをシールし、外側ライナＬ１の後端部をシールする外側シール構造Ｋ１と内側ライナＬ２の後端部をシールする内側シール構造Ｋ２とからなるものとされる。
【００２３】
以下、各シール構造Ｋ１，Ｋ２について説明する。
【００２４】
外側シール構造Ｋ１は、図２に示すように、ケースＣなどの周囲構造物に固定される外側シールサポート部材１０と、外側シール部材２０と、外側シール部材２０を外側ライナＬ１の外周壁に向かって付勢する付勢手段としての外側リテーナリング（環状弾性体）３０とを主要構成要素として備えてなる。
【００２５】
図３に、外側シールサポート部材１０の詳細を示す。このシールサポート部材１０は環状部材とされ、ケースＣに固定されるラジアル方向に形成された固定部１１と、この固定部１１内端から内側に向けかつ流通路Ｅ下流方向に湾曲形成されている中間部１２と、この中間部１２内端から内側に向けかつその下部が外側ライナＬ１の後端部に向けて延伸形成されている接続部１３と、この接続部１３の先端からラジアル方向に形成されているシール部材２０を支持するシール部材支持部１４とから構成される。
【００２６】
中間部１２には、図３に示すように、周方向に所定間隔で、冷却空気を下流側に流通させる空気流通孔１２ａが多数設けられている。
【００２７】
シール部材支持部１４には、図３に示すように、ラジアル方向に突出部１４ａが所定間隔で所定数（本実施形態では後述するセグメントシール部材２１と同数）設けられ、その突出部１４ａに長孔からなるシール部材支持用ボルト挿通孔１４ｂが設けられている。
【００２８】
次に、外側シール部材２０を説明する。
【００２９】
外側シール部材２０は、図４に示すように、所定数のセグメントシール部材２１から構成される。すなわち、シール部材２０は、外側ライナＬ１外周壁と全周に亘って線接触してシールする環状部材を、ラジアル方向に所定間隔で分割した構造とされる各セグメントシール部材２１によって形成される。
【００３０】
より具体的には、セグメントシール部材２１は、シールサポート部材１０のシール部材支持部１４と当接する平板状の当接部２２と、シール部２３とから構成される。
【００３１】
当接部２２の突出部２２ａ裏面（シール部材支持部１４側）には、シール部材２０をシール部材支持部１４に支持させる、シール部材支持用ボルト挿通孔１４ｂに挿通される支持用ボルト２２ｂが突設されている。
【００３２】
シール部２３は、当接部２２の表面（反シール部材支持部１４側）２２ｃにセグメントシール部材２１の全長に亘って形成され、その形態は基底部２３ａから外周側に湾曲しつつ延びる突条部材とされている。
【００３３】
そして、図２に示すように、セグメントシール部材２１は、支持用ボルト２２ｂがスペーサ２２ｄ（図４（ｂ）参照）を嵌装した状態でシール部材支持用ボルト挿通孔１４ｂに挿通され、例えば、ナット２２ｅにより留められるものとされる。これによって、セグメントシール部材２１がシールサポート部材１０に固定されてしまうことなく、支持用ボルト２２ｂが長孔からなるボルト挿通孔１４ｂ内部で変位する範囲内で、変位自在にシールサポート部材１０によって支持される。
【００３４】
外側リテーナリング（環状弾性体）３０は、シール部２３の湾曲部分２３ｂと係合されて、各セグメントシール部材２１を外側ライナＬ１外周壁に向かって付勢する。また、外側リテーナリング（環状弾性体）３０は、周方向で一箇所切断されており、これによって外側ライナＬ１と周囲構造物との熱伸び差に拘わらず、適度なバネ圧力で各セグメントシール部材２１を付勢することが可能となる。なお、運転中における外側リテーナリング３０の湾曲部分からの脱落を防止するため、図２に示すように、外側リテーナリング押え３１が湾曲部分２３ｂの開口端を跨いで数個設けられている。
【００３５】
図５に、シールサポート部材１０に各セグメントシール部材２１を支持させた様子を示す。
【００３６】
次に、内側シール構造Ｋ２を説明する。
【００３７】
内側シール構造Ｋ２は、図６に示すように、ケースＣなどの周囲構造物に固定され周囲構造物と内側ライナＬ２とを接続する内側シールサポート部材４０と、内側シール部材５０と、内側シール部材５０を内側ライナＬ２外周壁に向かって付勢する付勢手段としての内側リテーナリング（環状弾性体）６０とを主要構成要素として備えてなる。
【００３８】
内側シールサポート部材４０は環状部材とされ、図６に示すように、ケースＣに固定されるラジアル方向に形成された固定部４１と、この固定部４１外端から外側に向けてかつ流通路Ｅ上流に向けて斜めに延伸形成されている中間部４２と、この中間部４２外端からラジアル方向に形成されているシール部材５０を支持するシール部材支持部４３とから構成される。
【００３９】
中間部４２には、周方向に所定間隔で、冷却用空気を下流側に流通させる空気流通孔４２ａが多数設けられている。
【００４０】
内側シール部材支持部４３にはシール部材支持用ボルト４３ａが周方向に所定間隔で所定数（本実施形態では後掲の内側セグメントシール部材５１と同数）設けられている。
【００４１】
次に、内側シール部材５０を説明する。
【００４２】
内側シール部材５０は、図７に示すように、所定数のセグメントシール部材５１から構成される。すなわち、シール部材５０は、内側ライナＬ２外周壁と全周に亘って線接触しシールする環状部材を、周方向に所定間隔で分割した構造とされる各セグメントシール部材５１によって形成される。
【００４３】
より具体的には、セグメントシール部材５１は、シールサポート部材４０のシール部材支持部４３と当接する平板状の当接部５２と、シール部５３とから構成される。
【００４４】
当接部５２の突出部５２ａには、シール部材５０をシール部材支持部４３に支持させる、シール部材支持用ボルト４３ａが挿通される長孔からなる支持用ボルト挿通孔５２ｂが設けられている。
【００４５】
シール部５３は、当接部５２から外周側に延びるように断面鉤形に湾曲させるようにして形成されている。すなわち、シール部５３は内側ライナＬ２と線接触するシール面を有するものとされる。
【００４６】
そして、図６に示すように、セグメントシール部材５１は、支持用ボルト４３ａがスペーサ５２ｃを嵌装した状態で支持用ボルト挿通孔５２ｂに挿通され、例えばナット５４により留められるものとされる。これによって、セグメントシール部材５１がシールサポート部材４０に固定されてしまうことなく、支持用ボルト４３ａが長孔からなる支持用ボルト挿通孔５２ｂ内部で変位する範囲内で変位自在にシールサポート部材４０によって支持することが可能となる。
【００４７】
内側リテーナリング（環状弾性体）６０は、シール部５３の鉤形部分５３ａと係合されて、各セグメントシール部材５１を内側ライナＬ２外周壁に向かって付勢する。また、内側リテーナリング（環状弾性体）６０は、周方向で一箇所切断されており、これによって内側ライナＬ２と周囲構造物との熱伸び差に拘わらず適度なバネ圧力で各セグメントシール部材５１を付勢することが可能となる。なお、運転中における内側リテーナリング６０の鉤形部分５３ａからの脱落を防止するため、図６に示すように、内側リテーナリング押え６１が鉤形部分５３ａの開口端を跨いで数箇設けられている。
【００４８】
このように、この実施形態のシール構造Ｋにおいては、所定数のセグメントシール部材２１、５１から環状のシール部材２０、５０が形成されるので、燃焼時にシール部材２０、５０に過大な熱応力または熱変形が発生せず、耐熱性に優れるが故に、金属製の燃焼器ライナよりもより高温となるＣＭＣ製の燃焼器ライナにおいても安定したシール機能を発揮させることが可能となる。
【００４９】
また、シール部材２０、５０のシール面がライナと線接触するように形成されているので、シール部材２０、５０のライナからの受熱量が小さく、また、各セグメントシール部材２１、５１間の間隙を介した適度の冷却空気の漏れがあるので、シール部材２０、５０が過熱されるのを防ぎ、耐久性が確保される。
【００５０】
さらに、付勢手段としてのリテーナリング３０，６０は、バネ剛性を小さくすることができるため、ライナＬと周囲構造物との熱伸び差が大きい場合にも、その熱伸び差を吸収してシール機能を維持しつつ、ライナＬに与える荷重を小さくすることも容易となる。
【００５１】
さらに、タービン回転時には、ライナＬの外側と内側との圧力差によって各セグメントシール部材２１、５１が各ライナＬ１，Ｌ２に押し付けられるので、更に安定したシール機能を発揮させることも可能となる。
【００５２】
さらに、難加工のセラミック材料からなるライナ側には多くの加工を要しないので、製作が容易となる。
【００５３】
さらに、耐熱性に優れたセラミック材料から燃焼器ライナを形成することで、冷却用空気を削減し、熱効率の向上および余剰空気を希薄燃焼に用いることで窒素酸化物の排出も低減できる。
【００５４】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、本実施形態では外側シール構造Ｋ１において、外側シールサポート部材１０には接続部１３が設けられているが、適用される燃焼器の構造によっては接続部１３を省略することもできる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、燃焼器ライナと周囲構造物との熱伸び差が大きい場合にも、燃焼器ライナに過大な荷重を与えることなく良好にシールすることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼器ライナのシール構造が適用された燃焼器の概略図である。
【図２】外側シール構造の詳細図である。
【図３】外側シールサポート部材の詳細図であって、同（ａ）はシール部材支持部の正面を示し、同（ｂ）は外側シールサポート部材の断面を示し、同（ｃ）は外側シールサポート部材の背面を示す。
【図４】外側シール部材の詳細図であって、同（ａ）は背面を示し、同（ｂ）は断面を示す。
【図５】外側シール構造の部分背面図である。
【図６】内側シール構造の詳細図である。
【図７】内側シール部材の詳細図であって、同（ａ）は正面を示し、同（ｂ）は断面を示す。
【図８】内側シール構造の部分正面図である。
【図９】特許第２８５２１１０号公報に提案されているシール構造であって、同（ａ）は断面図を示し、同（ｂ）は一部切欠き斜視図を示す。
【符号の説明】
１０      外側シールサポート部材
２０      外側シール部材
３０      外側リテーナリング（環状弾性体）
４０      内側シールサポート部材
５０      内側シール部材
６０      内側リテーナリング（環状弾性体）
Ａ      アンニュラ型燃焼器
Ｂ      燃焼室
Ｋ      シール構造
Ｌ      ライナ
【図１】
0003600912.tif 000002
【図２】
0003600912.tif 000003
【図３】
0003600912.tif 000004
【図４】
0003600912.tif 000005
【図５】
0003600912.tif 000006
【図６】
0003600912.tif 000007
【図７】
0003600912.tif 000008
【図８】
0003600912.tif 000009
【図９】
0003600912.tif 000010