(57)【要約】【課題】比較的広い温度範囲に亘ってセラミック部品と金属部品との間にしっかりした嵌め合わせを提供しかつ維持する燃焼器アッセンブリが提供される。【解決手段】燃焼器アッセンブリは、セラミックセクション１８を受け入れる軸方向スロット３４を有する金属セクション１６を含む。クランプ３６が、軸方向スロット３４の周りに受け止められて、金属セクション１６とセラミックセクション１８とを一緒に固定する。金属セクション１６上のタブ６８と、金属セクション１６およびセラミックセクション１８間のガスケット８０と、クランプ３６内のばね４４とが、金属セクション１６とセラミックセクション１８との間の熱膨張差より大きな量で変形して、クランプ３６の締め付け力を維持する。【選択図】図２
2007113906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線を画定しかつ軸方向スロットを含む金属セクションと、
軸方向スロット内へ受け入れられるセラミックセクションと、
を備えることを特徴とする燃焼器アッセンブリ。
【請求項２】
前記金属セクションは、第一の直径セクションと、この第一の直径セクションより小さな第二の直径セクションとを含み、前記軸方向スロットは、第二の直径セクションと、第一の直径セクションから軸方向に延在するタブとの間に存在することを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項３】
環状セクションは、セラミックセクションを受け入れる軸方向サブスロットを含むことを特徴とする請求項２記載のアッセンブリ。
【請求項４】
前記タブは、径方向に弾性的に変形可能であることを特徴とする請求項２記載のアッセンブリ。
【請求項５】
少なくとも一つの前記タブが、セラミックセクション内の開口部に対応するタブ開口部を含むことを特徴とする請求項４記載のアッセンブリ。
【請求項６】
前記タブとセラミックセクションとの間にガスケットをさらに備えることを特徴とする請求項４記載のアッセンブリ。
【請求項７】
前記軸方向スロットの周りにクランプをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項８】
出口ダクトに固定される支持リングであって、それを通してセラミックセクションを受け入れる支持リングと、この支持リングおよびセラミックセクション間にあるセラミックシールとをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項９】
金属セクションと、
セラミックセクションと、
金属セクションとセラミックセクションの周縁周りに受け止められて金属セクションとセラミックセクションとを一緒に固定するクランプと、
を備えることを特徴とする燃焼器アッセンブリ。
【請求項１０】
前記金属セクションは、長手方向軸線を画定し、前記クランプは、径方向に固定力を与えることを特徴とする請求項９記載のアッセンブリ。
【請求項１１】
前記クランプ、金属セクションおよびセラミックセクションを通して受け入れられて相対的な軸方向および周方向の移動を抑える留め具をさらに備えることを特徴とする請求項９記載のアッセンブリ。
【請求項１２】
前記留め具と少なくともセラミックセクションとの間にガスケットをさらに備えることを特徴とする請求項１１記載のアッセンブリ。
【請求項１３】
前記留め具は、内部冷却通路を含むことを特徴とする請求項１１記載のアッセンブリ。
【請求項１４】
前記クランプは、ねじ付き留め具およびナットで互いに固定される少なくとも第一のセクションと第二のセクションとを含むことを特徴とする請求項９記載のアッセンブリ。
【請求項１５】
前記ねじ付き留め具とナットの間に少なくとも一つのばねをさらに備えることを特徴とする請求項１４記載のアッセンブリ。
【請求項１６】
前記ねじ付き留め具とナットの間に複数のばねをさらに備えることを特徴とする請求項１５記載のアッセンブリ。
【請求項１７】
前記金属セクションとセラミックセクションとの間にばねガスケットをさらに備えることを特徴とする請求項９記載のアッセンブリ。
【請求項１８】
前記クランプは、約４×１０-6／°Ｆと約６×１０-6／°Ｆの間の第一の熱膨張係数を有する第一の材料で作成されることを特徴とする請求項１７記載のアッセンブリ。
【請求項１９】
前記ばねガスケットは、第一の熱膨張係数より大きな第二の熱膨張係数を有する第二の材料で作成されることを特徴とする請求項１８記載のアッセンブリ。
【請求項２０】
前記金属セクションは、セラミックセクションを受け入れる軸方向スロットを含み、前記クランプは、軸方向スロットの周りに受け止められることを特徴とする請求項９記載のアッセンブリ。
【請求項２１】
熱的に不整合なセクションを一緒に固定する方法であって、
少なくとも二つの変形部材を径方向に弾性的に変形させて、第一のセクションおよび第二のセクション間の径方向の熱膨張差より大きな量の変形を協同して提供して、これら第一のセクションおよび第二のセクション間に固定力を少なくとも部分的に維持する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
第一のセクションおよび第二のセクションの一方の上で軸方向に延在するタブと、ばねと、ガスケットとを弾性的に変形させることを含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼エンジンに関し、より詳細には、セラミック燃焼器カンと金属セクションとの間に特有なアタッチメントを有する燃焼器アッセンブリに関する。
【０００２】
本発明は、米国海軍研究局と結ばれた契約第Ｎ０００１４−０３−Ｃ−０４７７号により米国政府援助のもとでなされた。従って米国政府は、本発明について一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
航空機に使用される燃焼エンジンなどの従来の燃焼エンジンは、航空機を推進するため燃料と圧縮空気の混合物を燃焼させるのに燃焼器を用いる。燃料・空気混合物の燃焼において生成される望ましくない放出生成物を低減するために、燃料・空気混合物が燃焼する温度を低減するのが望ましい。これには、高い割合の空気を燃料と混合すること（すなわち、「リーン（ｌｅａｎ）」混合物）が必要とされる。このようなリーン混合物によって、燃焼器を冷却するのに利用できる空気の量が低減し、燃焼器の温度が上昇する。完全に金属で作成された燃焼器では、温度上昇は、金属の望ましい作動温度を超えることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セラミック材料は、優れた高温耐性を与えるものであり、高温に耐える燃焼器に使用することが考えられてきた。不利なことには、セラミックスの熱膨張係数は一般に、金属のものよりかなり低く、これによって、航空機エンジンの作動中にセラミック製の部品と金属製の部品との間に熱応力が生じることがある。さらに、セラミックと金属の熱膨張係数の差によって、溶接または接合などといった通常の接続方法が効果のないものとなる。
【０００５】
従って、比較的広い温度範囲に亘ってセラミック部品と金属部品との間にしっかりした嵌め合わせを提供しかつ維持する燃焼器アッセンブリの必要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、金属とセラミックの熱膨張差を吸収する金属セクションとセラミックセクションとの間に特有なアタッチメントを含む燃焼器アッセンブリである。
【０００７】
本発明による例示的な燃焼器アッセンブリは、セラミックセクションを受け入れる軸方向開口部を有する金属セクションを含む。クランプ（ｃｌａｍｐ）が、軸方向開口部の周りに受け止められて、金属セクションとセラミックセクションとを一緒に固定する。金属セクション上のタブと、金属セクションおよびセラミックセクション間のガスケットと、クランプ内のばねとが、径方向に変形し、協同して熱膨張差を相殺して、締め付け力（ｃｌａｍｐｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）を維持する。
【０００８】
熱的に不整合（ｍｉｓｍａｔｃｈ）なセクションを一緒に固定するこれらの方法の例は、少なくとも二つの変形部材を径方向に弾性的に変形させて、金属およびセラミックセクション間の径方向の熱膨張差より大きな量の変形を協同して提供して、これらのセクション間に固定力を維持する、ステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のさまざまな特徴および利点は、現在好ましい実施態様の以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は、図面の簡単な説明に簡潔に記載できる。
【００１０】
図１は、例えば航空機用ガスタービンエンジン内で使用される一例の燃焼セクション１０の選択された部分を例示する。この例では、ガスタービンエンジンの燃焼器セクション１０は、空気と燃料の混合物を点火装置１４へ供給する空気燃料混合装置１２を含む。空気燃料混合装置１２と点火装置１４とは、金属セクション１６内に受け入れられる。金属セクション１６は、セラミックカン（ｃｅｒａｍｉｃ  ｃａｎ）１８に固定され、セラミックカン１８は、点火された燃料・空気混合物の燃焼生成物を受け取る。セラミックカン１８は、燃焼生成物を移行ダクト２０を通してガスタービンエンジンのタービンセクション（図示せず）内へ導く。
【００１１】
燃焼セクション１０内の火炎温度分布は、点火装置１４近くの前端部が相対的に低温の火炎を有しかつセラミックカン１８および移行ダクト２０近くの後端部が相対的に高温の火炎を有するようになっている。相対的に低温の火炎近くに金属セクション１６を、相対的に高温の火炎近くにセラミックカン１８を用いることによって、従来知られる燃焼器アッセンブリ内で生成される望ましくない一酸化炭素放出物を低減するという利点が得られる。従来知られる燃焼器アッセンブリでは、燃焼セクション１０内の燃焼生成物の冷却の際に一酸化炭素が生成される。図示する例では、セラミックカン１８のセラミック材料は、金属材料ほど冷却が必要ではない。セラミックカン１８では冷却が少ないので、金属製カンを用いる従来知られる燃焼器アッセンブリに比較して生成される一酸化炭素が少ない。さらに、セラミックカン１８のセラミック材料は、金属より密度が小さく、従って、セラミックカンと共にタービンジェットエンジンを用いる航空機の重量は低減される。さらに、より低温の火炎部分近くに相対的に安価な金属セクション１６（セラミックセクションに比較して）を用いることで、燃焼セクション１０の費用が低減される。
【００１２】
図２は、燃焼セクション１０の選択された部分の分解図を示す。金属セクション１６は、前部３０と、この前部３０に溶接された環状部３２とを含む。環状部３２は、セラミックカン１８を受け入れる軸方向スロット３４とタブ６８とを有する。
【００１３】
クランプ３６が軸方向スロット３４およびタブ６８の周りに受け止められて、金属セクション１６とセラミックカン１８とを一緒に固定する。この例のクランプ３６は、ボルト４０ａおよび４０ｂと、ナット４２ａおよび４２ｂとによって一緒に固定される第一のセクション３８ａと、第二のセクション３８ｂとを含む。代替として、クランプ３６は、三つ以上のセクションから作成することができる。ベルヴィル（Ｂｅｌｌｖｉｌｌｅ）ワッシャなどといったばね４４が、ナット４２ａおよび４２ｂと第二のセクション３８ｂのフランジ４３との間のボルト４０ａおよび４０ｂ上に受け止められる。ばね４４は、以下に説明するように、ボルト４０ａおよび４０ｂに張力を維持して、金属セクション１６およびセラミックカン１８の周りのクランプ３６の締め付け力を維持する。好ましくは、クランプ３６は、比較的薄くかつ細く、それによって、クランプ３６は締め付け力が加えられるときに弾性的に伸びる。
【００１４】
随意に、クランプ３６は、相対的に低い熱膨張の材料で作成される。一例では、クランプ３６は、セラミックカン１８を形成するセラミック材料の熱膨張係数のほぼ二倍の熱膨張係数を有する合金で作成される。これによって、クランプ３６とセラミックカン１８との間の熱膨張差のいくらかを低減して締め付け荷重を維持するという利点が得られる。
【００１５】
セラミックカン１８の後端部４６が、ボス５０ａおよび５０ｂにおいて移行ダクト２０に固定される支持リング４８を通して受け入れられる。支持リング４８は、セラミックカン１８に比較して相対的に低い剛性を有し、従って、径方向にセラミックカン１８に導入する熱応力が最小になる。
【００１６】
セラミックロープなどといったシール５２が、セラミックカン１８と支持リング４８との間に収容されて、航空機のタービンセクション（図示せず）から燃焼セクション１０をシールする。支持リング４８、シール５２、およびセラミックカン１８の間の嵌め合わせは、比較的緩く、それによって、支持リング４８とシール５２とは、高温作動中にセラミックカン１８の軸方向熱膨張をそれほど束縛しない。
【００１７】
図３を参照すると、ばね４４は、ドーム状になっており、外面５４と内面５６とを含む。好ましくは、ばね４４は、ニッケル基合金などの高温合金で作成される。ボルト４０ａおよび４０ｂがそれぞれのナット４２ａおよび４２ｂで締められると、ばね４４は、略平坦な形状へと方向Ｄに圧縮される。既知のように、ばね４４はドーム形状へと元に戻るように偏倚（ｂｉａｓ）される。平坦な形状では、ドーム形状へのばね４４の偏倚によって、ボルト４０ａおよび４０ｂに張力が掛けられる。
【００１８】
ばね４４は並列に積層され、そこでは、各ばね４４の外面５４は同じ方向を向いている。代替として、ばね４４は直列に積層されることができ、そこでは、連続するばね４４の外面５４が互いに向き合っている。並列に積層されたばね４４によって、ボルト４０ａおよび４０ｂに掛けられる張力は増加し、一方、直列に積層されたばね４４によって、より低い張力で、より大きな撓みが得られる。好ましくは、ばね４４は、さまざまな温度範囲に亘って所望の締め付け荷重を維持するために、クランプ３６とセラミックカン１８との間の熱膨張差の予想量よりは締め付けの際により撓むように構成される。この説明があれば、当業者は、その特定の必要を満足する適切なばね４４の構成を理解できるであろう。
【００１９】
図４を参照すると、セラミックカン１８は、環状部３２と前方セクション３０との間の軸方向スロット３４内へ受け入れられる。環状セクション３２は、前方セクション３０上に溶接される。一例では、環状セクション３２は、中実の環状リングから機械加工されており、セラミックカン１８を受け入れる軸方向サブスロット６６を含む。軸方向サブスロット６６によって、セラミックカン１８と金属セクション１６との間に径方向にコンプライアンスが与えられる。これによって、金属セクション１６とセラミックカン１８とを一緒に固定するのが助けられる。
【００２０】
環状セクション３２は、前方セクション３０からセラミックカン１８の周りに軸方向に延在する複数のタブ６８を含む。図示する例では、タブの一つは、セラミックカン１８内の開口部７２と、クランプ３６の第二のセクション３８ｂ内の開口部７３とに対応する開口部７０を含む。ピン７４が、開口部７０、７２および７３を通して受け入れられて、セラミックカン１８と金属セクション１６とを一緒に固定し、それらの間での軸方向の移動を抑える。好ましくは、ピン７４は、燃焼セクション１０の組み立ての前にクランプ３６に溶接される。
【００２１】
好ましくは、ピン７４は、金属または金属合金で作成される。ピン７４は、空気を通過させる冷却通路７６を含む。空気はピン７４を内部から冷却し、この留め具の温度をその金属または合金の所望の作動温度より低く維持する。
【００２２】
ブシュ７８が、ピン７４と、セラミックカン１８の開口部７２との間に受け入れられる。ブシュ７８は、ピン７４とセラミックカン１８との間の応力を均一に分散させ、比較的大きな応力集中を防止する。
【００２３】
ガスケット８０が、タブ６８とセラミックカン１８との間に収容される。クランプ３６が締め付けられると、ガスケット８０は径方向に圧縮される。
【００２４】
クランプ３６が金属セクション１６とセラミックカン１８の周りに締め付けられると、ばね４４、タブ６８およびガスケット８０は、径方向に撓む。それぞれは、ばねとして機能し、クランプ３６に張力偏倚を与える。タブ６８は、クランプ３６を締め付ける際に図４の方向Ｒに沿って径方向内向きに湾曲し、クランプ３６に張力を掛けるように径方向外向きに曲がろうとする傾向がある。ガスケット８０は、圧縮され、減圧するよう試み、径方向にタブ６８に張力を与え、これによって、クランプ３６に偏倚張力を与える。ばね４４は撓んでクランプ３６に偏倚張力を与える。
【００２５】
比較的高い温度で作動する際、金属セクション１６はセラミックカン１８より多く熱的に膨張する。クランプ３６は、同様に金属材料で作成されており、同様にセラミック１８より多く熱膨張する。金属セクション１６とクランプ３６とが熱膨張すると、締め付け力は低下する。図示する例では、ばね４４、ガスケット８０およびタブ６８が、金属セクション１６とセラミックカン１８との間の径方向の熱膨張差より大きい組み合わされた量だけ径方向に撓む。これによって、クランプ３６の第一のセクション３８ａと第二のセクション３８ｂとの間に締め付け力を維持するという利点が得られる。すなわち、金属部品は、セラミック部品より多く熱的に膨張し、ばね部材（すなわち、タブ６８、ガスケット８０およびばね４４）が、熱膨張の差を相殺して、締め付け力を少なくとも部分的に維持する。
【００２６】
本発明の好ましい実施態様を開示したとはいえ、当業者ならば、本発明の範囲内に特定の変形物が含まれることを理解するであろう。その理由で、本発明の範囲および内容を決定するために添付の特許請求の範囲を吟味する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】一例の燃焼セクションの斜視図である。
【図２】図１に示す燃焼セクションの選択された部分の分解図である。
【図３】一例のばねワッシャの断面図である。
【図４】金属セクションとセラミックカンとの間のアタッチメントの概略断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０…燃焼セクション
１２…混合装置
１６…金属セクション
１８…セラミックカン
３４…軸方向スロット
３６…クランプ
３８ａ…第一のセクション
３８ｂ…第二のセクション
４４…ばね
６８…タブ
８０…ガスケット
【図１】
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【図２】
2007113906.tif 000004
【図３】
2007113906.tif 000005
【図４】
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