JP2008513688A - 柔軟性熱シールドおよびその方法 - Google Patents

Abstract

熱シールド（３０）は、部品の少なくとも一部の周りに適合するように構成、配置された柔軟性内部ジャケット（３２）と、前記内部ジャケット（３２）の周りに適合するように構成、配置された外部ジャケット（３４）と、を備える。前記外部ジャケット（３４）は、ロウ材ワイヤ（３８）を交差させた網目状ワイヤ（３６）の少なくとも一つの層を備える。前記外部ジャケット（３４）は、製造中に部品に取り付けられる際に非直線的な形状に適合するように、実質的に柔軟性をもつように設計されている。一旦熱シールド（３０）が所定の位置に取り付けられた後、ロウ材ワイヤ（３８）を溶融させて接着点（４０）を形成させるように熱シールド（３０）を加熱することが望ましい。冷却後、接着点（４０）が外部ジャケット（３４）を幾分硬化させる。

Description

本発明は一般に熱シールドに関するもので、特にガスタービンエンジン用途に適応した改良型柔軟性熱シールドと、熱シールドを部品に取り付けるための方法に関する。

ガスタービンエンジンの燃料ノズルやこれに類似する極度の熱に曝される部品の過熱を緩和するため、断熱と過熱防止の目的で熱シールドが一般的に取り付けられる。

熱シールドの設計に際し、エンジニアは多くの課題に遭遇する。例えば、熱シールドが取り付けられるべき部品のいくつかは非直線的な形状を有している場合がある。したがって、このような部品への熱シールドの取付けは複雑で高価である。課題のもう一つは、例えばガスタービンエンジンの部品などのある部品が、運転中に強い振動下に置かれるということである。このような振動により、熱シールドが部品から外れる、ないしは好適な位置からずれると言った結果を招く。

従って、改善された熱シールドおよびこの熱シールドを部品に取り付けるための改善された方法を提供することが必要である。

一つの態様では、本発明は、部品用の熱シールドを提供するとともに、この熱シールドが、
前記部品の少なくとも一部の周りに適合するように構成、配置されるとともに、網目状断熱材の少なくとも一つの層を備えた柔軟性内部ジャケットと、
前記内部ジャケットの周りに適合するように構成、配置されるとともに、ロウ材ワイヤを交差させた網目状ワイヤの少なくとも一つの層を備えた柔軟性外部ジャケットと、を備える。

別の態様では、本発明は、部品用の熱シールドを提供するとともに、前記部品が、前記熱シールドで覆われる少なくとも一部を有し、前記熱シールドが、
前記部品の前記一部を覆う柔軟性断熱内部ジャケットと、
前記熱シールドの両端間において前記内部ジャケットを覆うとともに網目状ワイヤを備えた外部ジャケットであって、前記網目状ワイヤにおけるワイヤ間の接点のうち少なくとも幾つかがロウ材ワイヤにより形成される接着点によって接着される外部ジャケットと、を備える。

さらに別の態様では、本発明は、部品に熱シールドを取付ける方法を提供するとともに、この方法が、
柔軟性内部断熱ジャケットと、網目状ワイヤから形成されるとともにこの網目状ワイヤと交差する複数のロウ材ワイヤを更に備えた柔軟性外部ジャケットと、を前記部品の両端部の間に提供するステップと、
前記部品の両端部に前記外部ジャケットの両端部を固定するステップと、
前記ロウ材ワイヤを溶融させて接着点を形成させるようにこのロウ材ワイヤを加熱するステップと、
前記接着点が凝固するまで冷却するステップと、を備えてなる。

これらの態様の更なる詳細ならびに本発明のその他の態様は、以下の詳細な記載および図から明らかになるだろう。

図1は、亜音速飛行での使用に好適に提供されるタイプのガスタービンエンジン１０の一例を示し、概ね、周囲空気が推進されるファン１２と、前記空気を圧縮する多段式コンプレッサ１４と、前記圧縮空気が燃料と混合されて点火され、高温燃焼ガスの環状の流れを発生させる燃焼器１６と、前記燃焼ガスからエネルギーを抽出するタービンセクション１８と、が流体的に連通して直列に配置される。この図は、本発明が用いられうる環境の一例を示す。

図２は、熱シールドのない燃料ノズル２０を示している。この燃料ノズル２０は、本発明の柔軟性のある熱シールドを備えることができる非直線形状の部位を有する部品の一例である。燃料ノズル２０は、ガスタービンエンジン１０の燃焼器１６に隣接して配置される。この燃料ノズル２０は、熱シールドを必要とするステム２２を備える。ステム２２は不規則な断面を有する多くの角部を持つ。この場合、熱シールド３０がステム２２の両端部の間に備えられるが、この場合の両端部はカラー部２４，２６の形態である。これらカラー部２４，２６は、熱シールドの連結点として好適に使用される。

図３は本発明の好適な実施形態による熱シールド３０が、図２に示した燃料ノズル２０のステム２２上に取り付けられた状態を示す。この場合、ステム２２のほぼ全体が熱シールド３０により覆われている。

熱シールド３０は、ステム２２の周りに適合するように構成され配置された柔軟性内部ジャケット３２を備える。この内部ジャケット３２は、少なくとも一層の網目状断熱材、好ましくはセラミックファイバの織物の層を備える。セラミックファイバの内部に閉じ込められた空気は、素材の断熱力を増加させる役割を果たす。多くの層を追加すれば、熱シールド３０の断熱が強化されるであろう。網状素材もしくは当該層に選択される素材の形状は、特定の動作パラメータに適合するよう決められたものである。また、「網目状の断熱材」という表現は広義で解釈されることを意図しており、織物、ブレーディングもしくはインターレース材料のような断熱材の、柔軟性のある織物のような層を形成するあらゆる技術を含むことを理解すべきである。

好ましくは、内部ジャケット３２は実質的に円筒形に製造される。内部ジャケット３２が柔軟性をもつという事実により非直線部分にも容易に適合させることができる。しかし内部ジャケット３２は必ずしも純粋に円筒状の形である必要は無く、複雑な形状の部品の場合には特にそうである。

熱シールド３０はまた、内部ジャケット３２の周りに適合するように構成され配置された外部ジャケット３４を備える。外部ジャケット３４は内部ジャケット３２に保護および強度を与えるために使用される。これにより、内部ジャケット３２を所定の位置に保持することも可能になる。外部ジャケット３４は、図４ａ，５ａに概略的に示されるように、少なくとも一層の網目状ワイヤ３６からなり、それらのワイヤにはロウ材ワイヤ３８が断続的に交差する。網状素材または網目状ワイヤに選択された素材の形状は、特定の動作パラメータに適合するよう決められたものである。また、「網目状のワイヤ」という表現は、広義で解釈されることを意図しており、織物、ブレーディングまたはインターレースなどの織り合わされたワイヤを形成するあらゆる技術を含んでいることに留意されたい。

図４ａ，５ａに示されるように、網目状ワイヤ３６は、ロウ材ワイヤ３８と断続的に交差する。ロウ材ワイヤ３８は数箇所で網目状ワイヤ３６と交差する。外部ジャケット３４は、製造中に部品に取り付けられる際に非直線的な形状に適合するように、実質的に柔軟性をもつように設計されている。しかしながら、一旦熱シールド３０が所定の位置に取り付けられた後、好適には熱シールド３０は加熱され(例えば高温の炉内などで)、ロウ材ワイヤ３８を溶融させて接着点４０を形成させる。従って、熱が加えられてロウ材ワイヤが融点に達すると、ロウ材は表面張力によって流れ、二つ以上の網目状ワイヤが交差する接着点４０を形成する。この接着点４０は図４ｂ，５ｂに示されている。一旦冷却されると、接着点４０により外部ジャケットは幾分「硬化される」。

ロウ材ワイヤ３８は、使用される位置における作動温度を十分に上回る融解温度を有することが好ましい。例えば、１０００〜１２００°Ｆの環境の中で機能するように設計された熱シールドであれば、好ましい融解温度は約１８００°Ｆである。網目状ワイヤ３６もまた、作動環境の温度に耐えることができる耐熱性に優れた素材からつくられている。この素材の融点は、ロウ付け素材の融点より高い。

図４ａ，５ａに示されるように、外部ジャケット３４の設計には様々な型の網目状ワイヤが選択可能である。同様に、ロウ材ワイヤ３８の数および位置は剛性と耐久性の点から実際の必要性に依存する。接着点４０の密度はまた、熱シールド３０の周りで異なりうる。例えば、熱シールド３０の端部における接着点４０の密度は、中間部分の密度より高い方が好ましい。

熱シールド３０と部品との間の機械的結合は、ガスタービンエンジン中で通常生じる苛酷な環境のような作動環境に耐えるのに十分な強度を持たなければならない。とりわけ、ガスタービンエンジン中で使用される熱シールド３０は、極度の振動に耐えることができなければならない。この問題の好ましい解決策は、外部ジャケット３４自体を使用して、熱シールド３０の端部を部品に固定することである。この目的を達成する一つの方法は、外部ジャケット３４が接着点４０によって硬化されるまで、外部ジャケット３４の端部を所定の位置に保持することである。網目状ワイヤ３６の幾つかを一緒にスポット溶接することが、使用される好ましい手法である。一方、外部締付けリング(図示せず)を使用して、組み立て中に熱シールド３０の外部ジャケット３４の端部を部品の締付け面に押し付けても良い。製造工程後も熱シールド３０上に据付けられる常置の締付けリングを使用することも可能である。

上記の説明は、単なる例示を意図するものであり、上記の実施形態が開示された発明の範囲から逸脱することなく変更されうることを当業者であれば理解できるであろう。例えば、本発明を用いた熱遮蔽は、その他多くの部品に有利に使用することができるため、燃料ノズルに限定されない。熱シールドの設計において、円筒形以外の形も使用することができる。平らなもしくは管状でない熱シールドの使用もまた可能である。断熱材はセラミックファイバに制限されない。硬化させる必要はないが、必要に応じて断続溶接すなわちスポット溶接や高温エポキシ樹脂など、その他の手段によって行ってもよい。部品への外部ジャケットの固定は、ステム２２の端部２４，２６に外部ジャケット３４を取付ける外部リングもしくはその他の技術を用いて行なうことができる。幾つかの異なる材料から作られた網目状ワイヤと、やはり幾つかの異なる材料から作られたロウ付け線材を使用しても、同じ熱シールドが製造される。ストリップ状の材料のその他の構成も用いられうるため、ワイヤを使う必要は全くない。ストリップ同士をまとめて、結合力があるが柔軟性のある材料もしくは織物の状態に保持する任意の適切な方法が用いられうる。本開示の検討を踏まえて、本発明の範囲内における更にその他の変更が当業者にとっては明らかであり、かかる変更は付記の特許請求の範囲に含まれるものである。

本発明が使用可能な一般的な状況の一例を示す、一般的なガスタービンエンジンの図である。 熱シールドのない燃料ノズルの概略的な側面図である。 本発明の好適な実施形態による熱シールドを備えた図２の燃料ノズルの部分的な破断図である。 ロウ材ワイヤが溶融される前の、ロウ材ワイヤが交差する網目状ワイヤの概略図である。 ロウ材ワイヤの溶融により形成される接着点を有する網目状ワイヤを示す図４ａと同様の図である。 ロウ材ワイヤが別の形態に配置された状態を示す図４ａと同様の図である。 ロウ材ワイヤの溶融により形成される接着点を有する網目状ワイヤを示す図５ａと同様の図である。

Claims (13)

1. 部品用の熱シールドであって、
   前記部品の少なくとも一部の周りに適合するように構成、配置されるとともに、網目状断熱材の少なくとも一つの層を備えた柔軟性内部ジャケットと、
   前記内部ジャケットの周りに適合するように構成、配置されるとともに、ロウ材ワイヤを交差させた網目状ワイヤの少なくとも一つの層を備えた柔軟性外部ジャケットと、
   を備えた熱シールド。
2. 前記断熱材が、セラミックファイバを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱シールド。
3. 前記内部ジャケットおよび外部ジャケットが、実質的に円筒形であることを特徴とする請求項１に記載の熱シールド。
4. 前記部品が、燃料ノズルのステム部であることを特徴とする請求項１に記載の熱シールド。
5. 前記内部ジャケットおよび外部ジャケットが、非直線的な形状を有することを特徴とする請求項１に記載の熱シールド。
6. 部品用の熱シールドであって、前記部品が、前記熱シールドで覆われる少なくとも一部を有し、前記熱シールドが、
   前記部品の前記少なくとも一部を覆う柔軟性断熱内部ジャケットと、
   前記熱シールドの両端間において前記内部ジャケットを覆うとともに網目状ワイヤを備えた外部ジャケットであって、前記網目状ワイヤにおけるワイヤ間の接点のうち少なくとも幾つかがロウ材ワイヤにより形成される接着点によって接着される外部ジャケットと、
   を備えた熱シールド。
7. 前記熱シールドの両端部の各々で、前記外部ジャケットが前記部品に固定されることを特徴とする請求項６に記載の熱シールド。
8. 前記外部ジャケットが、前記両端部の間の中間部分における接着点よりも高密度の接着点を有する両端部分を備えることを特徴とする請求項７に記載の熱シールド。
9. 前記内部ジャケットおよび外部ジャケットが、非直線的な形状を有することを特徴とする請求項６に記載の熱シールド。
10. 部品に熱シールドを取付ける方法であって、
    柔軟性内部断熱ジャケットと、網目状ワイヤから形成されるとともにこの網目状ワイヤと交差する複数のロウ材ワイヤを更に備えた柔軟性外部ジャケットと、を前記部品の両端部の間に提供するステップと、
    前記部品の両端部に前記外部ジャケットの両端部を固定するステップと、
    前記ロウ材ワイヤを溶融させて接着点を形成させるようにこのロウ材ワイヤを加熱するステップと、
    前記接着点が凝固するまで冷却するステップと、
    を備えた取付け方法。
11. 前記内部ジャケットおよび外部ジャケットが、前記部品上に同時に提供されることを特徴とする請求項１０に記載の取付け方法。
12. 前記内部ジャケットが、前記外部ジャケットより先に前記部品上に提供されることを特徴とする請求項１０に記載の取付け方法。
13. 前記部品の両端部に前記外部ジャケットの両端部を固定するステップが、前記ロウ材ワイヤが溶融される前に前記網目状ワイヤの幾つかを一緒にスポット溶接するステップを備えることを特徴とする請求項１０に記載の取付け方法。

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