JP2008031983A - 排気ダクトアッセンブリおよびその組立方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】旋回排気ダクト用の冷却ライナで、ジョイントの数を最小にし、重量、整備要件、および複雑な組立を減らしながら、シーリング効率を上げる。
【解決手段】折りたたみ式装着ハンガシステム60をコルゲートの谷92に折りたたむと、各管状冷却ライナセグメント48,50,52の全体を、旋回排気ダクトのベアリングジョイントで生じる半径方向の障害物に当たらないように通すことができる。折りたたみを立ち上げると、それぞれの外側ダクトケースセグメント54,56,58に、外側から機械的に装着することができる。排気ダクトアッセンブリで、重量およびコストを減らし、ジョイントのシーリング効率を向上させ、ジョイントを最小化することができる。エンジンやライナハードウェアを取り外さずに、破損した留め具の交換ができるので、組立時間および修理時間を短縮することができる。
【選択図】図3
【解決手段】折りたたみ式装着ハンガシステム60をコルゲートの谷92に折りたたむと、各管状冷却ライナセグメント48,50,52の全体を、旋回排気ダクトのベアリングジョイントで生じる半径方向の障害物に当たらないように通すことができる。折りたたみを立ち上げると、それぞれの外側ダクトケースセグメント54,56,58に、外側から機械的に装着することができる。排気ダクトアッセンブリで、重量およびコストを減らし、ジョイントのシーリング効率を向上させ、ジョイントを最小化することができる。エンジンやライナハードウェアを取り外さずに、破損した留め具の交換ができるので、組立時間および修理時間を短縮することができる。
【選択図】図3
Description
本発明は冷却ライナを有するガスタービンエンジンに関し、より詳しくは、旋回排気ダクト内部で、周方向に配置される冷却ライナ用の装着ハンガシステムに関するものである。
なお、本発明は米国海軍との契約番号N00019−02−C−3003に基づき米国政府の支援の下になされたものであり、米国政府は所定の権利を有する。
エンジンの運転や性能を向上させるため、使用される排気ダクト冷却空気は慎重に分配される。冷却空気は概ねエンジンから引き出され、推力の生成に利用されないので、この引き出された冷却空気は、エンジン性能全体に不利益を及ぼす。現在のガスタービンエンジン排気ダクトでは、ライナは、エンジン作動媒体(排気ガス通路)と、エンジン外側ケースつまりダクトとの間に配置される。主にエンジン圧縮機から引き出される冷却空気は、冷却ライナとダクトの間を流れ、その後、排気ダクトの後端部に配置されたノズルのシールやフラップを覆いながら排出される。
さまざまな運転条件で大きなコア圧力勾配に影響されながらも、冷却ライナ内部で概ね環状の領域を適度に冷却し、正の圧力を維持するために、比較的多くの冷却空気が必要とされる。冷却空気流は、最も不利な運転条件時に発生する最も不利な圧力勾配に対して必要とされる空気流に基づいて通常決められる。また、近年の航空機は、ベアリング装置を介して連結された排気ダクトセグメント間の相対的旋回を使って方向を変えるような排気ダクトを備え、冷却ライナ設備をさらに複雑化している。
複数のダクトセグメントと複数の中間ベアリングシステムとに対処するために、多数の個別の冷却ライナセグメントが、ダクト上流にあるベアリング障害物を通過して組立ができるように、ダクト内部で組み立てられる。各ライナセグメントはダクトケースに個別に留められることが必要であり、各ライナセグメントは隣接するライナセグメントに対しシールされることが必要である。この結果、重量および余分な部品の生産を増やし、シーリング効率を失い、各個別のライナセグメントの間にある望ましくないジョイントの数を増やしている。
従って、冷却ライナセグメントジョイントの数を最小にし、重量、整備要件、および複雑な組立を減らすとともに、シーリング効率を上げることができる旋回排気ダクト用の冷却ライナアッセンブリが望まれている。
本発明による短距離離陸垂直着陸(STOVL)型の航空機に使用される、連結部で動く排気ダクトアッセンブリは、エンジン排気ダクトの一部分を覆うようにこれから離れて延びている冷却ライナを備えている。冷却ライナは、多数のスティフナによって低温シートから離されている高温シートを有する。冷却ライナは折りたたみ式装着ハンガシステムを介して排気ダクトケースに装着される。
折りたたみ式ハンガシステムは、限られた取付用の空間を通すことができるように扁平な形状(折りたたみの上/下)をとることができる。一連の円筒状冷却ライナセグメント(内側)は組立が完了した3ベアリング旋回ダクト(外側)に挿入でき、この旋回ダクトは、3つのベアリング平面に沿って回転して、クルージング形態とホバリング形態とに変態することができる。
各円筒状冷却ライナセグメントは、折りたたみハンガシステムを折りたたんで断面積を小さくすることで、ダクトケース内で、ベアリングジョイントに当てずに通すことができる。ベアリングジョイントの障害物を過ぎると、折りたたみハンガシステムの折りたたみを立ち上げることで、冷却ライナをダクトケースに装着する。このように、各冷却ライナセグメントは、旋回ダクト部分間のみにジョイントを必要とする管状部材に形成することができる。
よって本発明は旋回排気ダクトに冷却ライナアッセンブリを提供し、重量、整備要件、および複雑な組立を減らしながら、シーリング効率を上げるように冷却ライナセグメントジョイントの数を最小にすることができる。
図1Aは、ガスタービンエンジン用の排気ダクトアッセンブリ20の断面図を、アフタバーナ操作時における標準的な開位置(想像線)と、アフタバーナ操作以外における標準的な閉位置(実線)と、の両方の位置で示す。本発明の最良の形態は、短距離離陸垂直着陸(STOVL)型の航空機に用いられる、連結部で動く排気ダクトに利用される。
排気ダクトアッセンブリ20は、コンバージェントフラップ領域22、スロート領域24、およびダイバージェントフラップ領域26を備えるコンバージェント‐ダイバージェント型のアッセンブリである。排気ダクトアッセンブリ20は、排気ノズル30と通じている排気ダクト部28を備える。
図示される排気ダクト部28は、3つのベアリング平面(P1,P2,P3)上で回転する3ベアリング旋回ダクト(3BSD)であり、排気ダクト軸Edがエンジン軸Eに沿ったクルージング形態(図1A)と、排気ダクト軸Edがエンジンダクト軸Eと交差するように折れ曲がったホバリング形態(図1B)とに、変態することができる。排気ダクト28の外壁は、エアロダイナミックエクスターナルフラップシステム34を備える排気ダクトケース32によって形作られる。
排気ダクト部28は、前方排気ダクトセグメント36、中間排気ダクトセグメント38、および後方排気ダクトセグメント40で構成される。前方排気ダクトセグメント36は、第1ベアリングジョイント42において軸Eを中心に回転でき、中間排気ダクトセグメント38は第2ベアリングジョイント44において前方排気ダクトセグメント36に対して回転でき、後方排気ダクトセグメント40は第3ベアリングジョイント46において中間排気ダクトセグメント38に対して回転できる。第1ベアリングジョイント42は第1ベアリング平面P1に沿って配置され、第2ベアリングジョイント44は第2ベアリング平面P2に沿って配置され、第3ベアリングジョイント46は第3ベアリング平面P3に沿って配置される。第2ベアリングジョイント44と第3ベアリングジョイント46とは、エンジン軸Eに対して非直角な角度で概ね配置される。
前方排気ダクトセグメント36、中間排気ダクトセグメント38、および後方排気ダクトセグメント40の各排気ダクトセグメントは、燃焼ガスに晒される前方冷却ライナセグメント48、中間冷却ライナセグメント50、後方冷却ライナセグメント52と、折りたたみ式装着ハンガシステム60(図1D)を使って各冷却ライナセグメントから離れて配置される前方外側ダクトケースセグメント54、中間外側ダクトケースセグメント56、後方外側ダクトケースセグメント58とを備える。前方冷却ライナセグメント48、中間冷却ライナセグメント50、および後方冷却ライナセグメント52は、多数のスティフナ70(図1E)によってコルゲート状低温シート68から離れて配置される高温シート66を有するアッセンブリである、ということを理解されたい。ここで用いる「コルゲート」という語句は、多様な波面、あるいは平らでない面を意味し、実施例の図に開示した特定の「コルゲート」に限るものではない、ということを理解されたい。
折りたたみ式装着ハンガシステム60は、前方冷却ライナセグメント48の低温シート68、中間冷却ライナセグメント50の低温シート68、後方冷却ライナセグメント52の低温シート68と、それぞれの前方外側ダクトケースセグメント54、中間外側ダクトケースセグメント56、後方外側ダクトケースセグメント58と、の各間に装着される。折りたたみ式装着ハンガシステム60は、少なくとも部分的に、低温シート68と高温シート66との間の熱膨張差を許容する。前方冷却ライナセグメント48、中間冷却ライナセグメント50、後方冷却ライナセグメント52と、前方外側ダクトケース58、中間外側ダクトケース60、後方外側ダクトケース62との各間に、前方冷却ライナセグメント48、中間冷却ライナセグメント50、後方冷却ライナセグメント52を断熱するための冷却空気を通す環状通路を画定することも可能である。
折りたたみ式装着ハンガシステム60(図2A,図2B)を使う場合、前方外側ダクトケース54、中間外側ダクトケース56、後方外側ダクトケース58や第1,第2,第3ベアリングジョイント42,44,46を分解することなく、前方冷却ライナセグメント48、中間冷却ライナセグメント50、後方冷却ライナセグメント52を、それぞれ前方外側ダクトケース54、中間外側ダクトケース56、後方外側ダクトケース58の中に、組み立てたり分解するためには、各冷却ライナセグメントは完全な管状部材であることが望ましい。
折りたたみ式装着ハンガシステム60を折りたたむと(図2A)、各管状冷却ライナセグメント48,50,52の全体を、第1,第2,第3ベアリングジョイント42,44,46で生じる半径方向の障害物に当たらないように通すことができる。半径方向の障害物を過ぎてから、折りたたみ式装着ハンガシステム60の折りたたみを立ち上げると(図2B)、それぞれの外側ダクトケースセグメント54,56,58に、外側から機械的に装着することができる。結果として、排気ダクトアッセンブリ20で、重量およびコストを減らし、ジョイントのシーリング効率を向上させ、かつジョイントを最小化することができる。折りたたみ式装着ハンガシステム60は、前方冷却ライナセグメント48、中間冷却ライナセグメント50、後方冷却ライナセグメント52の各々の中に多数の列を備える。この多数の列の配置の詳細は、折りたたみ式ハンガシステム60の一列の一部にあたる1つのハンガアッセンブリ72について説明するが、どのハンガアッセンブリ72についても本質的に同じになる、ということを理解されたい。
図3は、前方冷却ライナセグメント48、中間冷却ライナセグメント50、後方冷却ライナセグメント52の低温シートと、それぞれの前方外側ダクトケース54、中間外側ダクトケース56、後方外側ダクトケース58との間に組み立てられる、折りたたみ式装着ハンガシステム60の一列の一部を示している。折りたたみ式装着ハンガシステム60は、ダクトケースに対するライナの軸方向の位置決めを提供し、軸方向の自由な熱膨張を吸収する。
折りたたみ式装着ハンガシステム60の各ハンガアッセンブリ72は、低温シートブラケット74、ピン76、ヒンジ78、ダクトブラケット80、Tボルト82、フランジブッシング84、およびネジ留め具86などで構成される。軸方向スティフナ88は、軸方向の剛性を高めて組立を簡単にするために、リベットなどを使って、多数のハンガアッセンブリ72に取り付けられることが望ましい。
組み立てられた排気ダクト部28(図1D)の中に、前方冷却ライナセグメント48、中間冷却ライナセグメント50、および後方冷却ライナセグメント52を組み立てるために、前方冷却ライナセグメント48、中間冷却ライナセグメント50、後方冷却ライナセグメント52のそれぞれのコルゲート低温シート68は、多数のコルゲートの谷92に、矩形(rectilinear)の開口90が開けられている。予備組立されたピンヒンジ低温シートブラケットアッセンブリ94(図4A)は、低温シートの開口90(図4A)に差し込まれ、低温シートブラケット74がコルゲート状の谷92に並ぶように、90°だけ回される(図4B)。各低温シートブラケット74は、効果的な荷重経路となるライナのコルゲートによって与えられる、頑丈な幾何学構造上に配置される。ピン76のインタフェイスとなるピンヒンジ低温ブラケットアッセンブリ94は、中実のリベットなどの留め具96や接着剤などで取り付けられる。
図5Aに示すように、ピンヒンジ低温シートブラケットアッセンブリ94が取り付けられると、ダクトブラケット80が各ヒンジ78に付けられ、中実リベットなどの留め具98や接着剤などで固定される。一列のダクトブラケット80を連結する軸方向スティフナ88も、同じ留め具98で固定されることが望ましい(図5B)。ピンヒンジ低温シートブラケットアッセンブリ94はスライダの特性を有し、ダクトブラケット80の折りたたみを立ち上げた状態で(図6)、ダクトブラケット80を各ダクトケース54,56,58の内径の範囲に通すことができる。
折りたたみ式装着ハンガシステム60はコルゲートの谷に折りたたむこともできて(図2A)、管状冷却ライナ48,50,52全体を、排気ダクト部の上流にあるベアリングジョイント42,44,46の障害物に当たらないように通すことができる。これを3つの冷却ライナで順に行うか、または管状冷却ライナ48,50,52を一緒に組み立ててから、1つのサブアッセンブリとして排気ダクト部28の中へ挿入することもできる(図1C)。ベアリングジョイント42,44,46の障害物を過ぎてから、折りたたみ式装着ハンガシステム60の折りたたみを立ち上げて(図2B)、各ダクトケース54,56,58に機械的な装着をすることができる。
図7Aは、折りたたみ式装着ハンガーシステム60が、折りたたみを立ち上げられて(図2B)、それぞれのダクトケース54,56,58に外側から機械的に装着されることを示している。各ダクトケース54,56,58は、低温シート開口90(図4A)に対応して同様に配置された、望ましくは縦長で矩形のダクトケース開口100を有する。生産ライナにおいては、詳しくは金属製w/リベットのリベットホールが用いられ、開口が一対一対応するように通し番号が使われる。
ハンガアッセンブリ72の列全体の折りたたみを簡単に立ち上げる軸方向スティフナを使って、ハンガアッセンブリシステム60の折りたたみが立ち上げられると、Tボルト82がダクトケース開口100を通されて、矩形のダクトブラケット開口102へ差し込まれる。矩形のダクトブラケット開口102は、ダクトケース開口100と実質的に同じ寸法で、周方向に合致することに注意されたい。ただし、開口の寸法や形状をさまざまに変えても、本発明と同様に利用されうることを理解されたい。
その後、ダクトブラケット開口102の内部で、Tボルト82が90°だけ回されて、ダクトブラケット80の中でTボルト82が軸方向に固定される(図7B)。ダクトブラケット開口102の下方にあるダクトブラケット80の突起部104は、Tボルト82がダクトブラケット80の内部で自由に動かないようにしている(図8A,図8B)。
Tボルト82が回されて所定の位置に置かれ、フランジブッシング84がダクトケース開口100に差し込まれると、ブッシングタブ106が、矩形のダクトブラケット開口102に差し込まれて、Tボルト82が使用目的以外の方向を向かないように回転を抑制する(図8A)。フランジブッシング84は、ダクトケース開口100に対応する内側フランジ108(図8A)を備えていることが望ましく、この内側フランジ108も、Tボルト82が使用目的以外の方向を向かないように回転を抑制し、かつダクトケース開口100をシールする(図8A,図8B)。ダクトブラケット80とそれぞれのダクトケース54,56,58との接触面(図7C,図8A,図8B)は、排気ダクト部28への荷重経路を効果的に伝えることができるほど、比較的に広い面積をもつ。
Tボルト82の矩形の頭部の形状も、ダクトブラケットのごく小さな開口102を通る範囲内で、比較的に広い接触面を得られるように、できる限り大きく作られることが望ましい。
その後、ネジ留め具86がTボルト82にネジ留めされて、装着が完了する。フランジブッシング84のフランジタブ106、内部フランジ108のそれぞれが、矩形のダクトブラケット開口102、および矩形のケース開口100に係合することにより、留め具のトルク作用に対して、回転を抑制する働きもする。
折りたたみ式装着ハンガシステム60のすべての留め作業が、前方外側ダクトケース54、中間外側ダクトケース56、後方外側ダクトケース58の外部から(外側から)なされる。従って、すべての留め具86は、エンジン構成要素やライナ構成要素を分解しなくても、外部から簡単に交換することができる。これは機内の空間が限られているところで適用する際に、特に望ましい特性である。本発明の装置は、留め具の破損を最小にできる見込みもあり、エンジンやライナハードウェアを取り外さずに、破損した留め具の交換ができるので、組立時間および修理時間を短縮することができる。
特定のステップ手順が示され、説明され、請求されているが、本発明と別の方法が示されるのでない限り、いかなる順序であれ、分けられたり組み合わせられたものであれ、本発明から導かれるステップは恩恵を受けることを理解されたい。
以上の説明は、この範囲に限定される例というよりも、模範例である。上記の教示を踏まえることで、本発明の多くの修正および変更が可能である。
20…排気ダクトアッセンブリ
28…排気ダクト部
60…折りたたみ式装着ハンガシステム
72…ハンガアッセンブリ
74…低温シートブラケット
94…ピンヒンジ低温ブラケットアッセンブリ
28…排気ダクト部
60…折りたたみ式装着ハンガシステム
72…ハンガアッセンブリ
74…低温シートブラケット
94…ピンヒンジ低温ブラケットアッセンブリ
Claims (20)
- 排気ダクトケースセグメントと、
冷却ライナセグメントと、
上記排気ダクトケースセグメントと上記冷却ライナセグメントとの間に装着できる折りたたみ式装着ハンガシステムと、
を含むことを特徴とする、ガスタービンエンジン用の排気ダクトアッセンブリ。 - 上記冷却ライナセグメントが円筒状部材であることを特徴とする、請求項1に記載の排気ダクトアッセンブリ。
- 上記排気ダクトケースセグメントがベアリングジョイントを支持することを特徴とする、請求項1に記載の排気ダクトアッセンブリ。
- 上記冷却ライナセグメントが、高温シートと、低温シートと、上記高温シートを上記低温シートにつなぐ多数のスティフナと、を含むことを特徴とする、請求項1に記載の排気ダクトアッセンブリ。
- 上記折りたたみ式装着ハンガシステムが、上記冷却ライナセグメントのコルゲート状の低温シートを通して少なくとも部分的に延びることを特徴とする、請求項1に記載の排気ダクトアッセンブリ。
- 上記折りたたみ式装着ハンガシステムが、上記コルゲート状低温シートの谷の中に、少なくとも部分的に折りたたまれることを特徴とする、請求項5に記載の排気ダクトアッセンブリ。
- 第1内径を画定する第1排気ダクトケースセグメントと、
第2排気ダクトケースセグメントと、
上記第1排気ダクトケースセグメントと上記第2排気ダクトケースセグメントとの間に位置し、上記第1内径より小さい第2内径を画定するベアリングジョイントと、
上記第1排気ダクトケースセグメントと上記冷却ライナセグメントとの間に装着され、上記第2内径より小さい外側直径を画定するように折りたたむことができる折りたたみ式装着ハンガシステムと、
を備えることを特徴とする、ガスタービンエンジン用の旋回排気ダクトアッセンブリ。 - 上記第1排気ダクトケースセグメントが円筒状部材であり、上記第2排気ダクトケースセグメントが円筒状部材であることを特徴とする、請求項7に記載の排気ダクトアッセンブリ。
- 上記冷却ライナセグメントが円筒状部材であることを特徴とする、請求項8に記載の排気ダクトアッセンブリ。
- 上記折りたたみ装着ハンガシステムが、多数のハンガブラケットアッセンブリの多数の列を含むことを特徴とする、請求項7に記載の排気ダクトアッセンブリ。
- 上記多数の列の少なくとも1列の中で、上記多数のハンガブラケットアッセンブリの少なくとも2つが、軸方向スティフナを介して一体に取り付けられていることを特徴とする、請求項10に記載の排気ダクトアッセンブリ。
- ガスタービンエンジン用の旋回排気ダクトアッセンブリの組立方法であって、
(A)第1排気ダクトケースセグメントを、この第1排気ダクトケースセグメントの内径より小さい内径を画定するベアリングジョイントを介して第2排気ダクトケースセグメントに組み付けるステップと、
(B)冷却ライナセグメントに装着することができる折りたたみ式装着ハンガシステムを折りたたむステップと、
(C)ベアリングジョイントを通して、第1排気ダクトケースセグメント内部で冷却ライナを位置決めするステップと、
(D)折りたたみ式装着ハンガアッセンブリの折りたたみを立ち上げるステップと、
(E)折りたたみ式装着ハンガシステムを第1排気ダクトケースセグメントに装着するステップと、
を備えることを特徴とする組立方法。 - 上記ステップ(A)は、第1排気ダクトケースの長手方向軸に対して非垂直な平面上に、ベアリングジョイントを位置決めするステップをさらに備えることを特徴とする、請求項12に記載の組立方法。
- 上記ステップ(B)は、冷却ライナセグメントの接線方向に、折りたたみ装着ハンガシステムを折りたたむことを特徴とする、請求項12に記載の組立方法。
- 上記ステップ(B)は、上記折りたたみ式装着ハンガシステムが、上記冷却ライナセグメントの低温シートのコルゲートの中に少なくとも部分的に受け入れられるように折りたたむことを特徴とする、請求項12に記載の組立方法。
- 上記ステップ(D)は、各々が多数のハンガアッセンブリを含む列ごとに折りたたみを立ち上げることを特徴とする、請求項12に記載の組立方法。
- 上記ステップ(E)は、折りたたみ式装着ハンガシステムを第1排気ダクトケースの外側から装着することを特徴とする、請求項12に記載の組立方法。
- 上記ステップ(E)は、
(a)上記第1排気ダクトケースにあるダクト開口にTボルトを通すステップと、
(b)折りたたみ式装着ハンガシステムの折りたたみ式装着ハンガアッセンブリのダクトブラケットと係合するように、上記Tボルトを回すステップと、
(c)ダクト開口とダクトブラケットの中に少なくとも部分的に入るようにフランジブッシングを位置決めするステップと、
(d)上記フランジブッシングの真上で留め具をTボルトにネジ留めするステップと、
をさらに備えることを特徴とする、請求項17に記載の組立方法。 - 上記ステップ(c)が、
(I)上記ダクトブラケットへ入る上記Tボルトの回転を上記フランジブッシングを使って抑制するステップ
をさらに備えることを特徴とする、請求項18に記載の組立方法。 - 上記ステップ(I)が、
(i)Tボルトの頭部をフランジブッシングで捕まえて、所定の回転方向位置に置くステップ
をさらに備えることを特徴とする、請求項19に記載の組立方法。
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