JP2009507156A - 柔軟性のある燃料マニホールド用の流体静力学的流動バリア - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン用の燃料マニホールドセグメント（３４）は、金属性編組層（５０）によって囲まれるポリマーチューブ（４８）を備える。高温圧縮状態下においてチューブ取付け具（４２）との継手個所におけるチューブ（４８）のポリマー材料が金属性編組層（５０）に流入するのを防ぐ手段（５６）が設けられる。

Description

本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンに関し、さらに詳細には、ガスタービンエンジンに用いられる改良型燃料マニホールドアッセンブリに関する。

ガスタービンエンジンは、高温高圧燃焼ガスを生成するためにエンジン燃料を高圧空気と共に燃焼させる燃焼器セクションにおいて特に、極めて高い温度で運転されねばならない。これらのガスは、燃焼器の下流において、ガスの運動エネルギがエンジンに動力をもたらすタービンセクションによって用いられる。従って、より効果的なエンジン性能を得るには、燃焼ガスの温度を高めることが望ましい。にもかかわらず、このような高温環境では、エンジン燃料システムの耐久性、特に、燃焼器の周囲に配置される柔軟性を必要とする燃料マニホールドアッセンブリの耐久性が問題になる。例えば、このような柔軟性を必要とする燃料マニホールドアッセンブリからの燃料漏れ、特に、その継手からの燃料漏れは、常に、エンジン設計者にとっては関心事になる。

このような状況から、ガスタービンエンジン用の燃料マニホールドアッセンブリからの燃料漏れを防ぎ、その耐久性を高めるために、ガスタービンエンジン用の改良された燃料マニホールドアッセンブリを提供することが必要とされている。

従って、本発明の目的は、ガスタービンエンジンの燃料システム用の改良された燃料マニホールドアッセンブリを提供することにある。

一態様では、本発明は、ガスタービンエンジンンの燃料システムの燃料マニホールドセグメントを提供し、この燃料マニホールドセグメントは、ポリマー材料のコア層と、このコア層を囲みかつコア層の実質的に全長に亘って延びる金属性編組層と、を含む複合チューブを備える。燃料マニホールドセグメントは、高温圧縮状態下においてチューブ取付け具との継手個所におけるコア層のポリマー材料が金属性編組層に亘って流入するのを防ぐ手段を備える。

他の態様では、本発明は、複数の燃料噴射器に燃料を分配するために、ガスタービンエンジンの燃焼器の周囲に配置可能な燃料マニホールドアッセンブリを提供する。マニホールドアッセンブリは、燃料噴射器のそれぞれに接続される複数の燃料噴射器基部と、燃料噴射器基部のそれぞれを相互接続する複数のマニホールドセグメントと、を備える。マニホールドセグメントの各々は、耐火スリーブおよびこの耐火スリーブ内に延びる複合チューブを備える。複合チューブは、テフロン（登録商標）材料を含むコア層を備え、複合チューブは、燃料噴射器基部の１つとの継手を有するコア層と、このコア層を囲む金属性編組層と、高温圧縮状態下においてコア層の継手におけるテフロン（登録商標）材料が金属性編組層に亘って流入するのを防ぐように、コア層と前記金属性編組層との間に配置された流体静力学的（ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ）流動バリアと、を備える。

さらに他の態様では、本発明は、燃料マニホールドセグメントの製造方法であって、（ａ）テフロン（登録商標）のチューブを準備するステップと、（ｂ）準備したチューブの周囲に、流体静力学的流動バリアを設けるステップと、（ｃ）流体静力学的流動バリアの周囲に、金属性編組層を加えるステップと、を含む方法を提供する。

さらに他の態様では、本発明は、燃料マニホールド継手の燃料漏れを阻止し、燃料マニホールド継手の温度耐久性を改良する方法を提供し、継手は、燃料噴射器基部の取付け具部分を、金属性編組層によって囲まれたポリマー材料のコア層を有する複合チューブの開口端内に挿入することによって画定され、取付け具部分は、複合チューブを取付け具部分に圧縮するリテーナによって適所に保持される。この方法は、高温圧縮状態下において、継手個所におけるコア層のポリマー材料が金属性編組層に亘って流入するのを防ぐように、少なくとも継手の個所において、コア層とその周囲の金属性編組層との間に流体静力学的流動バリアを加える、ことを含む。

本発明の上記の態様および他の態様のさらなる詳細は、以下の詳細な説明および添付の図面から明らかになるだろう。

図１には、本発明の応用例に関する実施形態を含むターボファンエンジンへの本発明の典型的な用途が、概略的に示されている。ターボファンエンジンは、ハウジングまたはナセル１０と、シャフト１９に接続するファン１４、低圧圧縮機１６、および低圧タービン１８を備える総称的に符号１２で示される低圧スプールアッセンブリと、シャフト２５に接続する高圧圧縮機２２および高圧タービン２４を備える総称的に符号２０で示される高圧スプールアッセンブリと、を備える。タービン２４，１８に動力をもたらす高温燃焼ガスを生成する環状燃焼器２６が設けられる。点火によって燃焼させる燃料を燃焼器２６内に分配するために、例えば、複数の燃料噴射器２９および燃料マニホールドアッセンブリ３０を備えるエンジン燃料システムが設けられる。

ガスタービンエンジンの運転に特有の問題の１つは、燃焼の領域内に生じる高温の影響である。これらの高温は、エンジン部品に極めて大きい熱応力をもたらす。さらに重要なのは、高温によって生じる安全上の問題が、エンジン設計者によって十分に考慮されねばならないことである。燃料漏れの検討は、特に、燃焼器２６を囲む領域において重要になる。すなわち、エンジン燃料システムは、安全性および信頼性の高い方法によって、運転されねばならない。典型的なガスタービンエンジンでは、環状燃焼器２６の周囲の温度は、８００°Ｆを超える。

図１〜３を参照すると、燃料マニホールドアッセンブリ３０、好ましくは、柔軟性のある燃料マニホールドアッセンブリは、エンジン燃料システムの一部をなし、燃料マニホールドアッセンブリ３０に取り付けられ、かつ燃焼器２６内に延びる燃料噴射器２８に燃料を分配するように、燃焼器２６の周囲に配置可能である。燃料マニホールドアッセンブリ３０は、それぞれの燃料噴射器２８（１つのみが図２に示される）に接続される複数の燃料噴射器基部３２を備える。それぞれの燃料噴射器基部３２を相互接続する複数のマニホールドセグメント３４が設けられる。さらに、燃料マニホールドアッセンブリ３０は、入口継手３６を備える。入口継手３６は、好ましくは、隣接する２つのマニホールドセグメント３４に接続される対向した２つの開口端を有するＴ字状の３方向継手であり、第３の開口端においては、燃料供給チューブ３８に連結されるように構成される。従って、燃料は、燃料供給チューブ３８を介して燃料マニホールドアッセンブリ３０内に送り込まれ、マニホールドアッセンブリ３０内に画定され、かつ各マニホールドセグメント３４および各燃料噴射器基部３２に亘って延びる燃料通路４０（図３を参照）によって、個々の燃料噴射器２８内に導かれ、次いで、燃焼器２６内に噴射され、点火かつ燃焼される。

燃料噴射器基部３２も、好ましくは、Ｔ字状の３方向継手であり、一対のマニホールドセグメント３４にそれぞれ接続される一対のチューブ取付け具４２（１つのみが図３に示される）をなす対向する２つの開口端を有する。燃料噴射器基部３２の第３の開口端４４は、個々の燃料噴射器２８に接続されるように構成される。

マニホールドセグメント３４の各々は、複合チューブ４６を備える。複合チューブ４６は、ポリマー材料、好ましくは、テフロン（登録商標）材料のコア層４８、およびコア層４８を囲んでコア層４８の実質的に全長に亘って延びる金属性編組層、好ましくは、ステンレス鋼編組層５０、を有する。テフロン（登録商標）材料のコア層４８およびステンレス鋼の編組層５０は、複合チューブに必要な柔軟性をもたらし、従って、燃料マニホールドアッセンブリが柔軟になる。複合チューブ４６は、燃料噴射機部３２の１つのチューブ取付け具４２を複合チューブ４６の１つの開口端に挿入することによって、燃料噴射器基部３２に接続される。この接続は、リテーナ、好ましくは、複合チューブ４６の端部をチューブ取付け具４２に圧縮するように圧着されるスエージ加工されたフェルール（Ｆｅｒｒｕｌｅ；口金）５２によって、保持される。

複合チューブ４６を囲んで複合チューブ４６の実質的に全長に亘って延びるように、耐火スリーブ５４を設けると好ましい。図２では、複合チューブ４６のステンレス鋼編組層５０を示すために、マニホールドセグメント３４の１つの耐火スリーブ５４を除去する。耐火スリーブ５４の機能については、以下、さらに詳細に説明する。

前述したように、燃料マニホールドアッセンブリは、燃焼器２６の周囲に配置され、従って、高温状態下で作動する。このような高温状態下では、複合チューブ４６のコア層４８のテフロン（登録商標）材料、特に、スエージ加工されたフェルール５２によって圧縮されたチューブ取付け具４２との継手の位置におけるコア層４８の端部のテフロン（登録商標）材料は、いくらかの塑性流動性を呈し、ステンレス鋼編組層５０の細孔内に流入する傾向にある。このことが、マニホールドセグメントと燃料噴射器基部との間における継手部分の燃料漏れ機構であることが判明し、これは、継手間の漏れ機構に対する従来の工業的な解釈とは異なっている。

従って、本発明の一実施形態によれば、コア層４８のポリマー材料、すなわち、テフロン（登録商標）材料の塑性流動を阻止する手段、好ましくは、流体静力学的流動バリア、例えば、薄い金属フォイル５６が設けられる。薄い金属フォイル５６は、テフロン（登録商標）材料のコア層４８とステンレス鋼編組層５０との間に配置され、コア層４８を囲んでコア層４８の実質的に全長に亘って延びる。薄い金属フォイル５６は、温度が４５０°Ｆを超えると、加圧下で変形し、ステンレス鋼編組層５０の細孔内へのテフロン（登録商標）材料の塑性流動を制限し、これによって、マニホールドセグメント３４と燃料噴射器基部３２のチューブ取付け具４２との間の継手からの燃料漏れを効果的に阻止する。

本発明の他の実施形態によれば、金属フォイル５６の代替として、耐高温性の種類のポリマー材料の薄層が、コア層４８のテフロン（登録商標）材料の塑性流動を阻止する流体静力学的流動バリアを形成するのに用いられてもよい。

薄い金属フォイル５６のような流体静力学的流動バリアは、継手の位置を覆うために開口端部においてコア層を囲む必要があるので、複合チューブ４６を製造する際に、コア層４８を囲んでコア層４８の実質的に全長に亘って延びるように、金属フォイル５６の層を、テフロン（登録商標）材料のコア層４８とステンレス鋼編組層５０との間に設けると便利である。このような製造時における便利さに加え、薄い金属フォイル５６をコア層４８の実質的に全長に亘って延ばすと、複合チューブ４６の全体の温度耐久性が高まるので、有利でもある。

本発明の一実施形態では、チューブ製造プロセスにおいて、燃料マニホールドセグメント３４用の複合チューブ４６を製造することができ、まず、テフロン（登録商標）材料（または他のポリマー材料）のチューブの断片を準備し、次いで、流体静力学的流動バリア層、例えば、薄い金属フォイル５６を、準備したチューブの断片の周囲に設ける。最後に、ステンレス鋼編組層５０を流体静力学的流動バリアの周囲に加える。複合チューブ４６は、所定長さに切断され、マニホールドセグメント３４として用いられる。好ましくは、マニホールドセグメント３２の１つとしての複合チューブ４６の各断片は、耐火スリーブ５４内に挿入される。耐火スリーブ５４は、複合チューブ４６の長さと実質的に等しい長さを有するが、複合チューブ４６の開口端の周囲に取り付けられる個々のスエージ加工されたフェルール５２を収容するために、対向する両端では、直径が拡大される。燃料噴射器基部３２のチューブ取付け具４２が複合チューブ４６内の開口端に挿入された後、スエージ加工されたフェルール５２が取り付けられ、複合チューブ４６の開口端と燃料噴射器基部３２のチューブ取付け具４２との継手を固定する。

耐火スリーブ５４は、好ましくは、珪素材料から製造される。珪素製耐火スリーブは、火災が生じた際に、燃焼して局所的な熱エネルギを迅速に吸収するので、消火材として機能する。

入口継手３６とマニホールドセグメント３４の開口端との間の接続は、マニホールドセグメント３４の開口端と燃料噴射器基部３２のチューブ取付け具４２との継手と同じように構成されているので、繰り返して説明しない。

本発明は、燃料マニホールドアッセンブリ３０の継手の燃料漏れの危険を効果的に低減させ、これによって、燃料マニホールドアッセンブリ３０の温度耐久性を向上させる。従って、燃料マニホールドアッセンブリ３０を高温で運転する燃料システムに用いることができる。

前述の説明は、単なる例示にすぎず、当業者であれば、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対する変更がなされ得ることを認めるだろう。例えば、本発明は、本発明の用途を示す例としてのみ用いられたターボファンガスタービンエンジンのみならず、どのような形式のガスタービンエンジンにも適用される。スエージ加工されたフェルールは、マニホールドセグメントの開口端と燃料噴射器基部のチューブ取付け具との継手を固定するリテーナの例として用いられる。この目的のリテーナおよび締付け具は、当技術分野において周知であり、スエージ加工されたフェルールの代替として、本発明の他の実施形態に用いられ得るクランプ、ネジ付きコネクタなどの多くの変更例を有する。本発明の範囲内に含まれるさらに他の修正も、この開示を検討すれば、当業者には明らかだろう。このような修正は、特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。

本発明の用途を示す、例示的なターボファンガスタービンエンジンの概略的な断面図である。 本発明の一実施形態による燃料マニホールドアッセンブリの斜視図である。 図２の燃料マニホールドアッセンブリの実施形態に用いられる燃料マニホールドセグメントの部分断面図である。

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンンの燃料システムの燃料マニホールドセグメントであって、ポリマー材料のコア層および前記コア層を囲んで前記コア層の実質的に全長に亘って延びる金属性編組層を備える複合チューブと、高温圧縮状態下においてチューブ取付け具との継手個所における前記コア層の前記ポリマー材料が前記金属性編組層に亘って流入するのを防ぐ手段と、を備えることを特徴とする燃料マニホールドセグメント。
2. 前記手段は、前記コア層と前記金属性編組層との間に配置されて前記コア層を囲む流体静力学的流動金属バリアから構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料マニホールド。
3. 前記複合チューブを囲む耐火スリーブをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料マニホールドセグメント。
4. 前記手段が、前記コア層と前記金属性編組層との間に配置されて前記コア層を囲んで前記コア層の実質的に全長に亘って延びる金属フォイルの層から構成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料マニホールドセグメント。
5. 前記手段が、前記コア層と前記金属性編組層との間に配置されて前記コア層を囲んで前記コア層の実質的に全長に亘って延びるポリマー材料の層から構成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料マニホールドセグメント。
6. 前記コア層が、テフロン（登録商標）材料から製造されることを特徴とする請求項１に記載の燃料マニホールドセグメント。
7. 前記耐火スリーブが、珪素材料から製造されることを特徴とする請求項１に記載の燃料マニホールドセグメント。
8. 前記金属性編組層が、ステンレス鋼から製造されることを特徴とする請求項１に記載の燃料マニホールドセグメント。
9. 複数の燃料噴射器に燃料を分配するために、ガスタービンエンジンの燃焼器の周囲に配置可能な燃料マニホールドアッセンブリであって、
   前記燃料噴射器のそれぞれに接続される複数の燃料噴射器基部と、
   前記燃料噴射器基部のそれぞれを相互接続する複数のマニホールドセグメントであって、各々、耐火スリーブおよび前記耐火スリーブ内に延びる複合チューブを備える、複数のマニホールドセグメントと、
   を備え、
   前記複合チューブが、
   テフロン（登録商標）材料を含むコア層であって、前記燃料噴射器基部の１つとの継手を有するコア層と、
   前記コア層を囲む金属性編組層と、
   高温圧縮状態下において前記コア層の継手における前記コア層の前記テフロン（登録商標）材料が前記金属性編組層に亘って流入するのを防ぐために、前記コア層と前記金属性編組層との間に配置された流体静力学的流動バリアと、
   を備えることを特徴とする燃料マニホールドアッセンブリ。
10. 前記燃料噴射器基部の各々が、１対の取付け部分を備え、前記取付け部分の各々が、前記マニホールドセグメントの端部に挿入され、リテーナによって適所に保持されることを特徴とする請求項９に記載の燃料マニホールドアッセンブリ。
11. 前記リテーナが、前記金属性編組層と前記耐火スリーブとの間に配置され、前記複合チューブの前記端部を前記取付け具部分に圧縮することを特徴とする請求項１０に記載の燃料マニホールドアッセンブリ。
12. 前記流体静力学的流動バリアが、前記コア層を囲んで前記コア層の実質的に全長に亘って延びる金属フォイルの層から構成されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料マニホールドアッセンブリ。
13. 前記流体静力学的流動バリアが、前記コア層を囲んで前記コア層の実質的に全長に亘って延びるポリマー材料の層から構成されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料マニホールドアッセンブリ。
14. 前記耐火スリーブが、珪素材料を含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃料マニホールドアッセンブリ。
15. 燃料マニホールドセグメントの製造方法であって、
    （ａ）テフロン（登録商標）のチューブの断片を準備するステップと、
    （ｂ）前記準備したチューブの断片の周囲に、流体静力学的流動バリアを設けるステップと、
    （ｃ）前記流体静力学的流動バリアの周囲に、金属性編組層を加えるステップと、
    を含むことを特徴とする燃料マニホールドセグメントの製造方法。
16. （ｄ）前記金属性編組層の周囲に、耐火スリーブを設けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃料マニホールドセグメントの製造方法。
17. 前記ステップ（ｂ）が、前記チューブの周囲に金属フォイルの層を設けることによって実施されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料マニホールドセグメントの製造方法。
18. 前記ステップ（ｂ）が、ポリマー材料の層を設けることによって実施されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料マニホールドセグメントの製造方法。
19. 燃料マニホールド継手の燃料漏れを阻止し、前記燃料マニホールド継手の温度耐久性を改良する方法であって、
    前記継手は、燃料噴射器基部の取付け具部分を、金属性編組層によって囲まれたポリマー材料のコア層を有する複合チューブの開口端内に挿入することによって画定され、前記取付け具部分は、前記複合チューブを前記取付け具部分に圧縮するリテーナによって適所に保持され、高温圧縮状態下において、継手個所における前記コア層の前記ポリマー材料が前記金属性編組層に亘って流入するのを防ぐように、少なくとも前記継手個所において、前記コア層とその周囲の前記金属性編組層との間に配置される流体静力学的流動バリアを加える、ことを含むことを特徴とする方法。
20. 前記複合チューブの製造時において、前記流体静力学的流動バリアを加えることが、前記コア層と前記金属性編組層との間に、前記コア層の実質的に全長に亘って延びるように金属フォイルを加えることによって、実施されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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