JP2005282996A

JP2005282996A - 二重管構造

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Publication number: JP2005282996A
Application number: JP2004099507A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Oka; 尚志岡
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP4385822B2

Abstract

【課題】内管と外管との同軸度を高め、内管の摺動に基づく振動及び摺動摩耗を防止する。
【解決手段】内管２を外管３に対し支持する支持部材４Ａ，４Ｂを設け、これら支持部材を第１ピン７Ａ及び第２ピン７Ｂと、第１ピン穴８Ａ及び第２ピン穴８Ｂとから構成する。これらピン及びピン穴を内外管の共通の中心軸から延出する半径方向に沿って配置する。第１ピン７Ａと第１ピン穴８Ａとを、管周方向及び管軸方向に相対移動不可でピン軸方向に相対移動可能に嵌合し、第２ピン７Ｂと第２ピン穴８Ｂとを管周方向に相対移動不可で管軸方向及びピン軸方向に相対移動可能に嵌合する。内管と外管とが組立て直後から使用時に至るまで同軸に保たれる。摺動部は第２ピンと第２ピン穴との部分だけで、これによって振動及び摺動摩耗を大幅に抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は二重管構造に係り、特に、高温流体を流通させる流路を区画するための二重管構造に関する。

例えば航空機用ガスタービンエンジンの再燃焼器に見られるように、高温流体が流通される管状流路は、エンジン本体の温度上昇を低減することと、冷却空気の流路を確保するため、二重管構造を採用するのが一般的である。この構造においては、高温流体と直接接触する内側の管即ち内管と、外側の管即ち外管との間の熱膨張差を吸収する必要がある。

図８にこのような二重管構造の一例を示す。この構造は、高温流体を流通させるための内管５１、内管５１の外周側に配置される外管５２、及び内管５１を外管５２に対し間隔を隔てて支持すべく外管５２に取り付けられた複数の支持部材５３から構成される。

内管５１内に高温流体が流通されると、内管５１が外管５２よりも大きく熱膨張し、両者の間に熱膨張差が発生する。この熱膨張差を吸収するため、一般的には、支持部材５３を内管５１に摺動接触させる方法が採用されている。この場合、内管５１が外管５２より管軸方向に長く伸びようとすると、内管５１が支持部材５３に対し摺動し、内管５１の伸長が許容される。

また、図９を参照して、常温状態において支持部材５３と内管５１との間には隙間５４が設けられており、この隙間５４により、使用状態における内管５１の外管５２に対する拡径方向の膨張が許容されるようになっている。

一方、図１０を参照して、支持部材５３はバネ５５によって構成される場合もあり、例えばバネ５５の内径側端部が内管５１に摺動可能に接触される。この場合、内管５１の管軸方向の伸びはバネ５５と内管５１との摺動によって許容され、内管５１の拡径はバネ５５の圧縮変形によって許容される。バネ５５は内管５１と外管５２とを完全に連結している場合もあり、このときは内管５１の管軸方向の伸び及び拡径膨張がともにバネ５５の弾性変形によって許容される。

特許文献１には、内管に相当するライナーがその長手方向両端部において板バネで摺動可能に支持され、ライナーが、外管に相当するフロースリーブに対し相対的に管軸方向、管径方向及び拡径方向に移動でき、且つその管周方向の移動がストッパとＵ字型ピンとの組合せによって規制される構造が開示されている。

特開平１０−１６９９８７号公報（段落００５１〜００５４、図３）

しかしながら、前記のような一般的な摺動支持構造では、必然的に内管と支持部材との間に内管の拡径方向の熱膨張を許容するための隙間を設ける必要がある。従って、設計温度領域外（例えばエンジンの休止時、組立時等）では、内管と外管との中心軸の一致精度（即ち、同軸度）が低く、両者の間に図９及び図１０に示されるような軸ズレＸが生じてしまう。

また、設計温度領域内でも、内管が支持部材に対し比較的自由に管軸方向に摺動できるため、振動が発生しやすく、この振動による損傷が懸念されると共に、当該摺動部における摩耗も問題となる。

さらに、図１０に示されたようなバネ５５による支持構造だと、長期の使用によってバネ５５のへたりが発生し、設計温度領域内においても同軸度が保てない虞がある。

航空機用ガスタービンエンジンの再燃焼器などのように、内管と外管との間のスペースを冷却空気を流すための冷却流路として用いる場合、軸ズレが生じると冷却空気の流れに偏りが生じ、圧力損失増大の原因になるほか、所望の冷却性能が得られなくなる可能性がある。また、上記のごとき軸のズレあるいは、軸の傾きが生じるとエンジンの性能が低下する可能性がある。

そこで本発明の目的は、内管と外管との同軸度を高めると共に、振動及び摺動摩耗を抑制し得る二重管構造を提供することにある。

本発明によれば、高温流体を流通させるための内管と、内管の外周側に配置される外管と、前記内管を前記外管に対し間隔を隔てて支持するための支持部材とを備えた二重管構造において、前記支持部材を、管軸方向に互いに離間され管周方向に複数ずつ設けられた第１支持部材と第２支持部材とから構成し、前記第１支持部材及び前記第２支持部材を、前記内管及び外管の一方に設けられた第１ピン及び第２ピンと、前記内管及び外管の他方に設けられ前記第１ピン及び前記第２ピンがそれぞれ嵌合される第１ピン穴及び第２ピン穴とからそれぞれ構成し、前記第１ピン及び前記第１ピン穴並びに前記第２ピン及び前記第２ピン穴を、それぞれ互いの嵌め合い状態において前記内管と前記外管とが同軸配置された場合の共通の中心軸から延出する半径方向に沿うよう配置し、前記第１ピンと前記第１ピン穴とを、管周方向及び管軸方向に相対移動せぬよう、かつピン軸方向に相対移動できるよう嵌め合わせ、前記第２ピンと前記第２ピン穴とを、管周方向に相対移動せぬよう、かつ管軸方向及びピン軸方向に相対移動できるよう嵌め合わせたことを特徴とする二重管構造が提供される。

好ましくは、前記第１ピンと前記第１ピン穴とが最小の嵌め合い隙間をもって嵌め合わされ、これによって前記第１ピンと前記第１ピン穴とがピン径方向に相対移動できず、ピン軸方向にのみ相対移動可能である。

また好ましくは、前記第２ピンと前記第２ピン穴とが、管周方向に最小の嵌め合い隙間をもってかつ管軸方向に大きな嵌め合い隙間をもって嵌め合わされ、これによって前記第２ピンと前記第２ピン穴とが管周方向に相対移動できず、管軸方向及びピン軸方向に相対移動可能である。

また好ましくは、前記第２ピン穴が、管軸方向に伸長された長穴からなる。

また好ましくは、前記第１ピン穴及び前記第２ピン穴が前記内管に設けられ、前記第１ピン及び前記第２ピンは、前記外管に設けられた第１ピン挿通穴及び第２ピン挿通穴にそれぞれ挿通されて前記第１ピン穴及び前記第２ピン穴にそれぞれ嵌合された後、前記外管に取り付けられるものであり、前記第１ピン挿通穴及び前記第２ピン挿通穴は、これらと前記第１ピン穴及び前記第２ピン穴との位置ズレを吸収すべく、前記第１ピン及び前記第２ピンの外径より大きい内径を有する。

本発明によれば、内管と外管とが組立て直後から使用時に至るまで常に同軸に保たれる。従って、内管と外管との同軸度を著しく高めることができる。また、管軸方向の摺動部は第２ピンと第２ピン穴との部分だけである。よって振動及び摺動摩耗を従来構造に比べて大幅に抑制することができる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１及び図２に本実施形態に係る二重管構造を示す。図示されるように二重管構造１は、内部に高温流体を流通させるための内管２と、内管２の外周側に配置される外管３と、内管２を外管３に対し間隔を隔てて支持するための支持部材４とを備える。この二重管構造は航空機用ガスタービンエンジンの再燃焼器に適用されるものであり、内管２と外管３との間の隙間は冷却空気を流通させるための冷却通路５となっている。

内管２と外管３とは断面円形で、管軸方向に等しい長さを有すると共に、互いの両端が同じ管軸方向の位置に位置される。内管２には矢示されるように高温流体が図１の左側から右側に向かって流され、よって図１の左側が上流側、右側が下流側である。

支持部材４は、管軸方向に互いに離間され管周方向に複数ずつ設けられた第１支持部材４Ａと第２支持部材４Ｂとから構成されている。第１支持部材４Ａは上流側に配置され、第２支持部材４Ｂは下流側に配置される。これら第１支持部材４Ａと第２支持部材４Ｂとは、外管３に設けられた第１ピン７Ａ及び第２ピン７Ｂと、内管２に設けられ第１ピン７Ａ及び第２ピン７Ｂがそれぞれ嵌合される第１ピン穴８Ａ及び第２ピン穴８Ｂとからそれぞれ構成される。

図２は、管軸方向における第１支持部材４Ａの位置と第２支持部材４Ｂの位置との断面を示すものとして共通に用いられる。つまりこれらの断面は同一に描かれる。そして図２は設計温度外ないし運転領域外の状態、より詳しくは組立直後の状態を示している。ここで第２支持部材４Ｂは、詳しくは後述するが、第２ピン穴８Ｂの形状を除いて第１支持部材４Ａと同一の構成である。従って以下、第１支持部材４Ａに関して詳細に述べることとし、第２支持部材４Ｂについては相違部を主に説明すると共に適宜添字Ｂを用い、詳細な説明は省略する。

第１支持部材４Ａは、管周方向に等間隔で４つ設けられ、上下左右に位置される。第１ピン穴８Ａは、内管２の厚肉部９Ａに設けられ、管径方向外側に開放された有底かつ断面円形の穴である。

第１ピン７Ａは、第１ピン穴８Ａと同じく断面円形とされ、外径側の端部に外管３に取り付けられるための第１フランジ１０Ａを有する。外管３には、第１ピン穴８Ａと符合する位置に、第１ピン７Ａを挿通させるための第１ピン挿通穴１１Ａが設けられ、この第１ピン挿通穴１１Ａは外管３の厚肉部１２Ａに貫通形成される。組立時には、第１ピン７Ａが管径方向外側から第１ピン挿通穴１１Ａに挿通されて第１ピン穴８Ａに嵌合され、第１フランジ１０Ａが厚肉部１２Ａに着座固定される。固定方法は、取り外しを考慮しないならば溶接やリベット止めでも構わないが、本実施形態では着脱による利便性を考慮してボルト止めとされる。

図３に詳細に示されるように、ボルト１３は、第１フランジ１０Ａのボルト挿通穴１４を挿通された後、厚肉部１２Ａのネジ穴１５に螺合締結される。このようなボルト締結部は第１フランジ１０Ａの周方向に複数設けられるものである。

特に、図２の状態では、内管２と外管３とが同軸配置されており、共通の中心軸Ｏを有する。そして第１ピン７Ａと第１ピン穴８Ａとは、互いの嵌め合い状態において共通の中心軸Ｏから延出する半径方向に沿って配置され、言い換えれば第１ピン７Ａと第１ピン穴８Ａとの軸心がその半径上に位置される。なおこの点は第２ピン７Ｂと第２ピン穴８Ｂについても同様である。

そして、第１ピン７Ａと第１ピン穴８Ａとは、管周方向及び管軸方向に相対移動せぬよう、かつピン軸方向に相対移動できるよう嵌め合わされている。より具体的には、第１ピン７Ａと第１ピン穴８Ａとは最小の嵌め合い隙間をもって嵌め合わされる。即ち、比較的きつく、タイトな嵌め合いである（圧入程度ではない）。これによって第１ピン７Ａと第１ピン穴８Ａとは、ピン径方向（即ち、管軸方向及び管周方向）に相対移動できず、ピン軸方向（即ち、内管２の拡縮径方向）にのみ相対移動できる。実際には、内管２の熱膨張量が外管３の熱膨張量より大きいので、第１ピン穴８Ａが第１ピン７Ａに対し挿抜方向にのみ移動することになる。そして図示されるように、組立直後の状態では第１ピン７Ａの端面と第１ピン穴８Ａの底面との間に隙間１６が形成され、この隙間１６により内管２の熱膨張が許容される。

他方、第２支持部材４Ｂにおいては、第２ピン７Ｂと第２ピン穴８Ｂとが、管周方向に相対移動せぬよう、かつ管軸方向及びピン軸方向に相対移動できるよう嵌め合わされている。

第２ピン７Ｂと第２ピン穴８Ｂとは、管周方向に最小の嵌め合い隙間をもって嵌め合わされ、管軸方向に大きな嵌め合い隙間をもって嵌め合わされる。より具体的には、図４に示されるように、第２ピン穴８Ｂが管軸方向Ｐに伸長された長穴１７からなっており、長穴１７の管周方向Ｑの幅は第２ピン７Ｂの外径とほぼ等しくされ、長穴１７の管軸方向Ｐの長さは第２ピン７Ｂの外径より著しく大きくされる。従って、管周方向Ｑの嵌め合いについては第１支持部材４Ａの場合と同様に比較的きつく、タイトである。こうして第２ピン７Ｂと第２ピン穴８Ｂとは、管周方向に相対移動できず、管軸方向及びピン軸方向には相対移動できる。

実際には、内管２の熱膨張量が外管３の熱膨張量より大きいので、第２ピン穴８Ｂが第２ピン７Ｂに対し管軸方向及びピン軸方向に移動することになる。ここで図示されるように、組立直後の状態では、ピン軸方向の前記隙間１６が形成されると共に、少なくとも第２ピン７Ｂの管軸方向上流側（第１支持部材４Ａ側）に、第２ピン穴８Ｂとの間の大きな隙間１８が形成される。この隙間により内管２の外管３に対する管軸方向の相対的な伸びないし管軸方向下流側への移動が許容される。

図３に示されるように、第１ピン挿通穴１１Ａの穴径Ｄは、第１ピン７Ａのピン径ｄより大きくされる。これは後に詳述するが、製造公差及び組立公差に基づく第１ピン穴８Ａ及び第１ピン挿通穴１１Ａの位置ズレないし芯ズレを吸収するためである。つまり、第１ピン７Ａは第１ピン挿通穴１１Ａの中で芯ズレ状態で位置することができ、このような自由度のある配置を許容すべく、ボルト挿通穴１４の穴径もボルト１３の外径より大きくされる。なおこれらの点は第２支持部材４Ｂについても同様である。

さて、以上のように構成された二重管構造にあっては、まず、組立段階において組立てを完了した時点で、すでに内管２と外管３との中心軸が一致する（図２の状態）。そして内管２は外管３に対し、管軸方向、管周方向及び管径方向のいずれにも拘束され、移動することができない。従って内管２が外管３に対し下方に落ちるようなこともない。このように図８乃至図１０に示されたような従来技術とは明らかに相違する。

そして、エンジンが運転され、内管２が高温流体からの熱伝達により熱膨張するときも、同軸性は保たれる。そして内管２は外管３に対し管周方向に移動できない（つまり回転できない）。他方、隙間１６により内管２の拡径方向の熱膨張は許容される。即ち、同軸性を保ったまま内管２を管径方向に膨張、収縮させることができる。

一方、このときの管軸方向の相対移動については、上流側の第１支持部材４Ａによっては禁止され、下流側の第２支持部材４Ｂによっては許容される。第２支持部材４Ｂにおいては隙間１８があり、第２ピン穴８Ｂが第２ピン７Ｂに対し下流側に摺動できるからである。つまり、内管２は第１支持部材４Ａの位置で管軸方向に固定されるが、それ以外の位置では伸長可能である。こうして同軸性を保ったまま内管２を管軸方向に伸長、収縮させることができる。

このように、いずれの状態においても内管２と外管３との中心軸を一致させることができ、極めて高い同軸度を得ることができる。そして内管２を管軸方向の一箇所（第１支持部材４Ａの位置）で固定できるので、従来のように内管が自由に動ける構造よりも全体としての剛性を高められ、振動を抑制し、振動による損傷を未然に防止できる。

また同時に、同軸性の向上により、常に正確な冷却通路５の形状を確保でき、所望の冷却性能及びエンジン性能を維持することが可能となる。

本構造において管軸方向の摺動部は第２支持部材４Ｂの第２ピン穴８Ｂと第２ピン７Ｂとの間だけである。従って摩耗箇所は最少となる。仮に問題となる程の摩耗が生じたとしても、第２ピン７Ｂをより大径のものに交換すれば再び初期の性能を維持することができる。

もちろん、摩耗のみならず、いかなる経年劣化が生じた場合でも第１ピン７Ａ及び第２ピン７Ｂを交換できるので、初期性能を維持することが可能である。

さらに本構造は組立性を向上した点にも特徴がある。即ち、内管２と外管３とは別々に製作されるので、製造公差や組立公差に基づくピン穴８Ａ，８Ｂ及びピン挿通穴１１Ａ，１１Ｂの芯ズレが発生する場合もある。しかし、ピン挿通穴１１Ａ，１１Ｂの穴径Ｄがピン７Ａ，７Ｂの外径ｄより大きくされるので、このような芯ズレがあってもピン７Ａ，７Ｂをピン穴８Ａ，８Ｂに差し込むことができる。そしてボルト挿通穴１４の穴径もボルト１３の外径より大きくされるので、ピン７Ａ，７Ｂがピン挿通穴１１Ａ，１１Ｂに対し芯ズレした状態でもピン７Ａ，７Ｂを固定することができる。このように、本構造は組立作業性に極めて優れている。

本構造では、第１及び第２ピン７Ａ，７Ｂが外管３に設けられ、第１及び第２ピン穴８Ａ，８Ｂが内管２に設けられているので、使用状態において内管２の拡径或いは縮径を阻害しないという利点もある。即ち、これと逆の配置にすると、ピン７Ａ，７Ｂに内管２の熱が直接伝達し、ピン７Ａ，７Ｂがピン穴８Ａ，８Ｂより大きく熱膨張し、嵌め合いがきつくなって内管２の拡径が阻害される虞がある。本実施形態ではピン穴８Ａ，８Ｂがピン７Ａ，７Ｂより大きく熱膨張し、嵌め合いが緩む方向なので、内管２の拡縮径が常に可能である。またピン７Ａ，７Ｂが、外部に露出するフランジ１０Ａ，１０Ｂを有するので、ピン７Ａ，７Ｂの冷却が良好となり、内管２の拡縮径阻害防止の一助となる。

もっとも、このような問題が生じないのであれば逆の配置とすることは一向に差し支えない。例えば、冷却通路５における冷却により嵌め合い状態が安定している場合である。

本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、前記実施形態は図５に示されるように上下左右の軸に沿って９０°間隔で支持部材４（第１支持部材４Ａ及び第２支持部材４Ｂ）を配置するものであったが、図６に示されるように支持部材４を斜めの軸に沿って配置してもよい。この図示例は上下左右の軸に対し４５°傾斜された軸に沿って４つの支持部材４をそれぞれ配置した例である。このような傾斜軸に沿った配置は前記実施形態よりむしろ好ましい可能性がある。内管２の支持荷重をより均等に４つの支持部材４に分散させられるからである。或いは、図７に示されるように、６つの支持部材４を周方向等間隔で配置しても良い。このように支持部材の数は２以上ならいくつでもよく、その配置位置、間隔等も特に限定されない。

また、前記実施形態とは逆に、上流側に第２支持部材を、下流側に第１支持部材を配置することもできる。管軸方向における支持部材の設置箇所をさらに増やしてもよい（例えば３箇所）。この場合、いずれか一箇所は内管の管軸方向の移動を規制する第１支持部材とし、他の箇所はその移動を許容する第２支持部材とするのがよい。こうすることでさらに長い二重管構造にも対応可能となる。

第１及び第２ピン並びに第１及び第２ピン穴の断面形状は前記実施形態のような円形或いは長円形でなくても良い。例えば角形或いは長方形とすることが可能である。

本発明は航空機用ガスタービンエンジンの再燃焼器以外にも適用可能である。このように本発明は特許請求の範囲によって規定される本発明の思想内で様々な実施形態、変形例及び応用例等を採り得るものである。

本発明の好適実施形態に係る二重管構造を示す部分縦断側面図である。図１の２−２線断面図である。支持部材の周辺構造を示す縦断正面図である。第２ピンと第２ピン穴との嵌め合い状態を示す概略図である。本実施形態の支持部材の配置を示す概略正面図である。支持部材の他の配置を示す概略正面図である。支持部材の他の配置を示す概略正面図である。従来の二重管構造の一例を示す斜視図である。同正面図である。従来の二重管構造の他の例を示す正面図である。

符号の説明

１二重管構造
２内管
３外管
４支持部材
４Ａ第１支持部材
４Ｂ第２支持部材
７Ａ第１ピン
７Ｂ第２ピン
８Ａ第１ピン穴
８Ｂ第２ピン穴
１１Ａ第１ピン挿通穴
１１Ｂ第２ピン挿通穴
１７長穴
Ｄ第１及び第２ピン挿通穴の内径
ｄ第１及び第２ピンの外径
Ｏ内管と外管の共通の中心軸

Claims

高温流体を流通させるための内管と、該内管の外周側に配置される外管と、前記内管を前記外管に対し間隔を隔てて支持するための支持部材とを備えた二重管構造において、
前記支持部材を、管軸方向に互いに離間され管周方向に複数ずつ設けられた第１支持部材と第２支持部材とから構成し、
前記第１支持部材及び前記第２支持部材を、前記内管及び外管の一方に設けられた第１ピン及び第２ピンと、前記内管及び外管の他方に設けられ前記第１ピン及び前記第２ピンがそれぞれ嵌合される第１ピン穴及び第２ピン穴とからそれぞれ構成し、
前記第１ピン及び前記第１ピン穴並びに前記第２ピン及び前記第２ピン穴を、それぞれ互いの嵌め合い状態において前記内管と前記外管とが同軸配置された場合の共通の中心軸から延出する半径方向に沿うよう配置し、
前記第１ピンと前記第１ピン穴とを、管周方向及び管軸方向に相対移動せぬよう、かつピン軸方向に相対移動できるよう嵌め合わせ、
前記第２ピンと前記第２ピン穴とを、管周方向に相対移動せぬよう、かつ管軸方向及びピン軸方向に相対移動できるよう嵌め合わせた
ことを特徴とする二重管構造。
前記第１ピンと前記第１ピン穴とが最小の嵌め合い隙間をもって嵌め合わされ、これによって前記第１ピンと前記第１ピン穴とがピン径方向に相対移動できず、ピン軸方向にのみ相対移動可能である請求項１記載の二重管構造。
前記第２ピンと前記第２ピン穴とが、管周方向に最小の嵌め合い隙間をもってかつ管軸方向に大きな嵌め合い隙間をもって嵌め合わされ、これによって前記第２ピンと前記第２ピン穴とが管周方向に相対移動できず、管軸方向及びピン軸方向に相対移動可能である請求項１又は２記載の二重管構造。
前記第２ピン穴が、管軸方向に伸長された長穴からなる請求項１乃至３いずれかに記載の二重管構造。
前記第１ピン穴及び前記第２ピン穴が前記内管に設けられ、前記第１ピン及び前記第２ピンは、前記外管に設けられた第１ピン挿通穴及び第２ピン挿通穴にそれぞれ挿通されて前記第１ピン穴及び前記第２ピン穴にそれぞれ嵌合された後、前記外管に取り付けられるものであり、前記第１ピン挿通穴及び前記第２ピン挿通穴は、これらと前記第１ピン穴及び前記第２ピン穴との位置ズレを吸収すべく、前記第１ピン及び前記第２ピンの外径より大きい内径を有する請求項１乃至４いずれかに記載の二重管構造。