JP2021500507A

JP2021500507A - ターボ機械ケーシング用冷却管の保持装置

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Publication number: JP2021500507A
Application number: JP2020523392A
Authority: JP
Inventors: デュラン，ディディエ・ノエル; ドゥラポルト，ニコラ; ベガン，アンソニー・ピエール
Original assignee: サフラン・エアクラフト・エンジンズ
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: US11098613B2; RU2020117058A; RU2020117058A3; EP3701128B1; CN111279053A; US20200362725A1; FR3073007B1; CA3079641A1; FR3073007A1; JP7219763B2; WO2019081861A1; CN111279053B; BR112020008196A2; EP3701128A1

Abstract

【課題】冷却管とケーシングの外被との間のクリアランスを制御するように、ケーシングの周囲に取り付ける間における、冷却管の位置の微細かつ精密な調整を可能にする保持装置を提案する。【解決手段】本発明は、ターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）に関し、ケーシング（１０）は、ターボ機械の軸線方向（Ｘ）の周りに延在し、保持装置（１０１）は、ケーシング（１０）と一体に作られるように構成された固定板（１０４）と、冷却管（１２０）の保持要素（１６０）とを備え、前記保持装置（１０１）は、前記固定板（１０４）に対する前記保持要素（１６０）の相対位置を調整し、保持要素（１６０）と固定板（１０４）との間の相対運動を吸収するように構成された調整手段（１８３、１５０、１７０）を備えることを特徴とする。

Description

発明の技術分野
本発明の技術分野は、一般的に言えばターボ機械であり、より詳細には、ターボ機械の異なる要素、特にターボ機械の低圧タービンケーシングの冷却である。

本発明は、より詳細には、ターボ機械の低圧タービンケーシングをエアジェットによって冷却するためのシステムの保持装置に関する。

発明の技術的背景
特定のケーシング、特に低圧タービンケーシングの冷却を確実にするために冷却装置が設けられており、この冷却装置は、冷却ランプとも呼ばれる冷却管のセットを含み、冷却管は、孔が開けられて、通常、ケーシングを囲んで前記ケーシングの外側に配置され、ターボ機械内のガス流の方向に関してターボ機械の上流で空気を吸い込むことによりケーシング外面に空気を送る。この冷却システムは、ケーシングの両側に配置された、冷却管を供給する二つの箱からさらに構成され、それによって、これらの箱はそれぞれケーシング外周の１／４以上を囲む冷却管へ空気を供給する。

ＬＰＴＣＣ（ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＴｕｒｂｉｎｅＣｌｅａｒａｎｃｅＣｏｎｔｒｏｌ、低圧タービンクリアランス制御）型の冷却システムが知られている。ＬＰＴＣＣシステムは、航空機エンジン用のＦＡＤＥＣ（ＦｕｌｌＡｕｔｈｏｒｉｔｙＤｉｇｉｔａｌＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌ、全自動デジタルエンジン制御）によって制御されることができ、これは能動制御とも称され、このシステムは、例えばＬＰＴＡＣＣと称される。ＦＡＤＥＣによって制御されない場合、ＬＰＴＣＣシステムの受動制御と称される。その主な機能は、低圧タービンケーシングの冷却のために二次流れから取られる空気の流量を調節することにより、低圧タービンの部品間のクリアランスを調整することである。

ＬＰＴＣＣまたはＬＰＴＡＣＣシステムの冷却管は、供給ボックスおよび固定板によってケーシング周りの所定の位置に保持され、ケーシングと一体化する。固定板は、一般に平板であり、その下部に、シャワーカラーとも呼ばれる固定カラーが固定される。固定カラーは冷却管を取り囲み、ケーシングの周囲での位置決めを保証する。

この目的のために、図１ａは、従来技術によるターボ機械の低圧タービンケーシングのための冷却システム１の第１の斜視図を示す。図１ａは、ターボ機械ケーシング２と、ケーシング２の冷却のための冷却システム１を示し、冷却システム１は複数の冷却管３、これら複数の冷却管に空気を供給する供給箱４、冷却管３をケーシング２周りの所定位置に保持する複数の固定板５を備えている。

図１ｂは、従来技術によるターボ機械ケーシング用冷却システム１の第２の斜視図を示す。図１ｂは、より詳細には、下部に複数のカラー６が固定された固定板を示しており、各カラー６は冷却管３を取り囲んでいる。

損傷の原因となり得る部品（固定カラー、冷却管、ケーシング）のいかなる接触をも避けるために、固定カラーまたは冷却管とケーシングの外殻との間に、（タービンの半径方向に）ある程度のクリアランスが設けられる。

しかしながら、冷却管とケーシング外殻との間のクリアランスは、冷却管をケーシング外殻にできるだけ近い位置に配置し、その冷却を最適化するために、できるだけ最も制限されたものでなければならない。

実際には、特に部品の公差、動作中の振動現象、動作中の部品の膨張などの技術的、工学的制約は、接触により部品に損傷を与えうる固定カラー（または冷却管）と、特にケーシングの外殻との間のいかなる接触をも避けるように冷却管を移動させることを強いるものとなる。

現在の技術的困難さは、冷却システムを最も効率的なものにしながら、部品の摩耗を回避することを可能にする、冷却管の半径方向位置決めのための良好な妥協点を見つけることである。事実、最適なクリアランスを保証すること、および制御することは困難である。なぜならば、ケーシングおよび冷却管は大径の部分であり、管の保持に異なる中間部品が含まれ、これらは、公差の蓄積を引き起こし、その結果、最小許容クリアランスを増加させるからである。

特に小サイズのターボ機械での特定の制約により良く対応することを可能にする、異なる解決策が記載されている。このような解決策は、特に仏国特許発明第１２５８２３８号明細書、仏国特許発明第１３５１６７６号明細書および仏国特許発明第１４５４７９０号明細書に記載されている。

仏国特許発明第１４５４７９０号明細書は、例えば、冷却管の保持のための中間部品の数を減少させることによって、冷却管の位置決めをより良く制御することを可能にする解決策を記載している。このような解決策は、特に、各中間部品に関連する公差の累積を最小限に抑え、したがって、冷却管の位置決めをより良好に制御することを可能にする。

しかしながら、ある状況において、またある種のターボ機械の構成においては、既知の解決策が完全に満足できるものではなく、冷却効率の制約がクリアランスの低減を強いる。これらの状況では、固定カラーまたは冷却管とケーシング外被との間の接触が生じる可能性がある。

仏国特許発明第１２５８２３８号明細書仏国特許発明第１３５１６７６号明細書仏国特許発明第１４５４７９０号明細書

発明の概要
本発明は、特に組立部品の実際の寸法上の制約および試験キャンペーン中に決定されたエンジン性能の関数として、冷却管とケーシングの外被との間のクリアランスを制御するように、ケーシングの周囲に取り付ける間の、冷却管の位置のきめ細かくかつ精密な調整を可能にする保持装置を提案することにより、前述の問題に対する解決策を提供する。

この目的のために、本発明は、ターボ機械の、該ターボ機械の軸線方向周りに延在するケーシングの冷却システムの少なくとも一つの冷却管の保持装置に関するものであり、保持装置は、ケーシングおよび冷却管の保持要素と一体化するように構成された固定板を備え、前記保持装置が、前記固定板に対する前記保持要素の相対位置を調整し、保持要素と固定板との間の相対運動を吸収するように構成された調整手段を備えることを特徴とする。

前段落で言及した特徴とは別に、本発明に係る保持装置は、個別に、または技術的に可能なそのすべての組合せに従って考慮される、以下の中の１つまたは複数の相補的な特徴を有することができる。
− 前記固定板は開口部を備え、前記調整手段は、前記保持要素と一体の本体を備え、前記本体は前記開口部を通して並進移動可能である。
− 前記本体は、ねじ部を有する円筒形本体である。
− 前記調整手段は、前記固定板に対する前記保持要素の相対位置を調整するために、前記本体の前記ねじ部と協働するねじ止め要素を備える。
− ねじ止め要素はセルフロックナットである。
− 前記調整手段は、保持要素と固定板との間の相対運動を吸収する弾性復帰要素を備える。
− 前記保持要素は、前記少なくとも１つの冷却管の半径方向外側部分と一体的に接触して配置されるように構成される。
− 前記保持要素は、２本の冷却管と一体的に接触して配置されるように構成される。
− 前記開口部は、前記固定板の開口部の軸線に直交する平面内で前記保持要素の変位を可能にする形状を有する。
− 前記開口部は、長円形である。

また、本発明は、冷却管と、本発明に係る少なくとも１つの冷却管用保持装置とを備え、前記冷却管は、ろう付けによって前記保持装置と一体化されるターボ機械ケーシング用冷却システムに関する。

好ましくは、本発明に係るターボ機械ケーシングの冷却システムは、複数の冷却管と、複数の保持装置とを備え、該複数の各保持装置は、ケーシングに対する２つの隣接する冷却管の位置の同時保持および調整を確実にする。

本発明はまた、ケーシングに対して半径方向外側に配置された、本発明に係る冷却システムを備えることを特徴とする、ターボ機械の低圧タービンケーシングに関する。

本発明およびその様々な用途は、以下の説明を読み、それに付随する図面を検討することによって、より良く理解されるであろう。

図面は、例示の目的のためにのみ提示され、決して本発明を限定するものではない。

従来技術に係るターボ機械ケーシング用冷却システムの第１の斜視図である。図１ａに示すターボ機械ケーシング用冷却システムの第２の斜視図を示す。タービンケーシングの周囲に取り付けられた、本発明に係るエアジェットによる冷却システムの例示的な実施形態の部分断面図である。

特に断らない限り、異なる図面に現れる同じ要素は、単一の参照符号を有する。

発明の少なくとも１つの実施形態の詳細な説明
図１ａおよび図１ｂは、既に技術的背景として記載されている。

図２は、ターボ機械タービンケーシング１０の周囲に取り付けられた、本発明に係るエアジェットによる冷却システム１００の例示的な実施形態の部分断面図である。図２に表わす例示的な実施形態では、ケーシング１０は低圧タービンケーシングである。

本発明に係る冷却システム１００は、以下を備える。
− ケーシング１０の周囲に取り付けられた複数の冷却管１２０（隣接する２つの管のみが図２に示されている）。
− ケーシング１０の周りの冷却管１２０の位置決めおよび保持のための冷却管１２０の保持装置１０１。

示される例における冷却システム１００は、ＬＰＴＡＣＣ（低圧タービン能動クリアランス制御）冷却装置である。通常、図２には示されていない２つの供給ボックスにより、冷却管１２０および保持装置１０１は、低圧タービンケーシング１０の冷却システム１００を構成する。このようなシステムは、本発明の範囲を超えることなく、ＬＰＴＣＣ冷却装置にも適用することができる。

従来、２つの冷却管１２０は、図２では見えない小さな開口部を有している。運転時には、供給ボックスは、ケーシング１０に対して比較的新しい空気を冷却管１２０に供給し、冷却管１２０は、ケーシング１０の外面１１に、小さな開口部（図２では見えない）を通して利用可能な空気を送る。典型的には、２つの供給ボックスは、ケーシング１０上に直径方向に反対となるように配置される。したがって、冷却管１２０の各区域には、ケーシング１０の４分の１回転未満で配置された供給ボックスによって空気が供給され、これにより、冷却管１２０の考えられる区域にかかわらず、冷却管１２０の小さな開口部を介して送られる十分な空気流量を有することが可能となる。

保持装置１０１は、特に、主要部１０５と、第１の端部１０６と、第２の端部（図示せず）とを有する固定板１０４を備える。固定板１０４は、前記固定板１０４の端部と一体となった中間パネル１０７を介してケーシング１０上に一体化されている。固定板１０４は、例えばリベット止めによって、またはその代わりにボルト止めによって、中間パネル１０７と一体になっている。

ケーシング１０は、本体１３および横方向縁部１４（単一の縁部が図２に示されている）を有する。各中間パネル１０５は、例えばリベット止めまたはボルト止めによって、ケーシング１０の側方縁部１４のレベルでケーシング１０上に一体化される。

固定板１０４の主要部１０５は、外面１１８と、内面１１９と、少なくとも１つの貫通開口部１０８とを有する。固定板１０４の主要部１０５は、例えば、仏国特許発明第１２５８２３８号明細書に示されるような凹部を有する１つまたは複数の部分を備えることができる。各部分は全体的に平坦であり、主要部１０５の幅の全部に亘って延在し、２つの連続した部分は、主壁１０４が、その異なる部分のおかげでケーシング１０の一般的な形状に従い、かつそれらが互いにおよび／または２つの端部のそれぞれと形成する角度に従うような角度を形成する。

保持装置１０１は、冷却管１２０の板固定１０４に対する相対的位置を調整すること、および冷却管１２０と固定板１０４との間の相対的な動きを吸収することを可能にする調整手段を備える。調整手段は、前記少なくとも１つの開口部１０８を横切る本体１５０を備える。本体１５０は、例えば円筒形状である。本体１５０は、前記開口部１０８を通って、より正確には、開口部１０８によって、または開口部１０８が設けられる部分によって形成される平面を横切る方向に沿って、並進運動可能である。固定板１０８に対する本体１５０の相対位置は、以下に詳述するねじ止め要素１８３を介して調節可能である。

円筒形状の本体１５０は、第１の端部１５１および第２の端部１５２を有する。第２の端部１５２は、少なくとも１つの冷却管１２０の係合を可能にする保持要素１６０と一体である。保持要素１６０は、例えば、予め形成された保持板である。

図２に示される例示的な実施形態によれば、保持板１６０は、例えば、成形によって得られ、全体的に平坦な中央部分１６１と、２つの隣接する冷却管１２０の環状形状を少なくとも部分的に包み込み、覆うように意図されたハーフリング形状の２つの端部１６２、１６３とを有する。冷却管１２０は、例えばろう付けによって保持板１６０上に一体化される。保持板１６０は、冷却管をその半径方向外側の部分のレベル、すなわち固定板１０４側に一体化することを好適に可能にし、特に、冷却管１２０とケーシング１０との間に一部または付加的な要素が存在しないようにし、冷却の最適化を図るために、冷却管１２０をケーシング１０にさらに近づけることを可能にする。

有利には、保持板１６０は、冷却管の周囲を少なくとも部分的および、冷却管１２０の半径方向外側の部分、特に、固定板１０４に対向する冷却管の周囲を一意的に覆う。

有利には、図示されるような保持板１６０は、同一で独特の保持板１６０によって、一体の２つの冷却管１２０を作ることを可能にする。この実施形態では、２つの円周方向に隣接する冷却管の保持および位置決めは、固定板１０４に一意に１つの開口部１０８を形成することによって達成される。したがって、所与の数の冷却管を有する所与のターボ機械では、本発明に係る固定板１０４は、従来技術による固定板よりも少ない開口部１０８および、より少ない係合区域を有することになる。しかしながら、ケーシング１０に対する冷却管１２０の半径方向位置の調整精度を向上させるように、個別に一体の冷却管を作ることを可能にする保持要素を作製することも想定される。

図２に示される例示的な実施形態によれば、円筒形本体１５０の第２の端部１５２は、円筒形カップ１５３を有し、その回転軸線は、円筒形本体１５０の長手軸線に沿って配向されている。円筒状カップ１５３は、例えば、ろう付けによって形本体１５０と一体化される。

円筒状カップ１５３は、特に、軸受要素を形成し、保持要素１６０のろう付けのための十分な接触面を形成することを可能にする。

一方、円筒状カップ１５３は、リターンスプリング１７０のための軸受要素を形成する。図２に示される例示的な実施形態では、リターンスプリング１７０は、固定板の下に、より正確には、円筒形本体１５０の第２の端部１５２の円筒形カップ１５３と固定板１０４の内面１１９との間に取り付けられた圧縮ばねである。第１のワッシャ１８１は、リターンスプリング１７０と固定板１０４の内面１１９との間に介挿される。したがって、リターンスプリング１７０は、特に摩耗現象を回避するために、第１のワッシャ１８１上に直接負荷され、固定板１０４上には負荷されない。

リターンスプリング１７０は、円筒形本体１５０および、したがって冷却管１２０のための保持要素１６０の位置の調整に関与する弾性要素であり、冷却管１２０と固定板１０４との間の相対的な移動、特に冷却システムの異なる要素とケーシング１０との間の膨張差に起因する相対的移動を吸収することを可能にする。リターンスプリング１７０はまた、ターボ機械の振動を吸収することを可能にし、それによって、作動中の冷却システムの破損を回避する。

固定板１０４の外面１１８のレベルでは、ナットのようなねじ止め要素１８３が、例えば本体１５０の第１の端部１５１のレベルに設けられた円筒形本体１５０のねじ部と協働する。ねじ止め要素１８３は、振動の影響下でその任意の回転を回避することを可能にする固定手段を有する。ねじ止め要素１８３は、例えば、セルフロックナットである。

リターンスプリング１７０と、本体１５０のねじ部と協働するナット１８３は、保持装置１０１の調整手段を形成し、固定板１０４ならびにケーシング１０に対する、保持要素１６０および冷却管の位置を修正することを可能にする。

有利には、第２のワッシャ１８２は、ナット１８３と固定板１０４の外面１１８との間に介挿され、それによってナット１８３の基部が第２のワッシャ１８２と接触し、特に摩耗現象を回避するために固定板１０４と直接接触しないようにする。

固定板１０４に設けられた少なくとも１つの開口部１０８は、長円形状の開口部であることが好適であり、したがって、動作中にケーシング１０に対して冷却管１２０の膨張差を可能にするような方法で、開口部１０８の軸線に直交する平面内で、円筒形本体１５０および保持要素１６０の変位を可能にする。

したがって、本発明に係る保持装置により、ナット１８３の単純な回転によって、ケーシング１０に対する保持要素１６０、したがって冷却管１２０の相対位置を正確に修正することが可能である。円筒形本体の第１の端部１５１に設けられたねじ山が右ねじを有する場合、ナット１８３のねじ込みにより、冷却管１２０がケーシング１０から離れる方向に移動し、冷却管１２０とケーシング１０との間のクリアランスＪが増大する。逆に、ナット１８３を緩めることによって、冷却管１２０がケーシング１０に近づき、次いで、冷却管１２０とケーシング１０との間のクリアランスＪが減少する。リターンスプリング１７０は、ナット１８３がワッシャ１８２上に常時軸受けされるように、特に冷却管１２０の正しい位置決めを保証するように、保持要素１６０に一定の押し付け力を発揮させることを可能にする。

このように、本発明に係る保持装置１０１は、冷却管を完全に囲む固定カラーを排除することによって、ケーシング１０と各冷却管１２０または数本の冷却管１２０のグループ（例えば、図２に代表されるような２本の冷却管）との間のクリアランスＪを制御することによって、精密で単純で効率的な調整を達成することを可能にする。したがって、本発明に係る保持装置は、ケーシング１０に対する冷却管１２０の制御された位置決めを、個別の方法（すなわち、管毎に）またはグループ化された方法（複数の冷却管のグループ毎に）で保証することを可能にする。本発明により、冷却管１２０の位置決めが制御され、これにより、冷却管１２０とケーシング１０との間の接触、ひいてはケーシング１０の磨耗のリスクを最小限に抑えながら、ケーシングの冷却を改善することが可能となる。

Claims

ターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）であって、前記ケーシング（１０）は、前記ターボ機械の軸線方向（Ｘ）周りに延在し、前記保持装置（１０１）は、前記ケーシング（１０）と一体となるように構成された固定板（１０４）と、前記冷却管（１２０）用保持要素（１６０）とを備え、前記保持装置（１０１）は、前記固定板（１０４）に対する前記保持要素（１６０）の相対位置を調整し、前記保持要素（１６０）と前記固定板（１０４）との間の相対移動を吸収するように構成された調整手段（１８３、１５０、１７０）を備えることを特徴とする、保持装置（１０１）。
前記固定板（１０４）が開口部（１０８）を備え、前記調整手段（１８３、１５０、１７０）が前記保持要素（１６０）と一体化した本体（１５０）を備え、前記本体（１５０）が前記開口部（１０８）を通って並進移動可能であることを特徴とする、請求項１に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）。
前記本体（１５０）がねじ部（１５１）を有する円筒体であることを特徴とする、請求項２に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）。
前記調整手段（１８３、１５０、１７０）が、前記固定板（１０４）に対する前記保持要素（１６０）の相対位置を調整するために、前記本体（１５０）の前記ねじ山部分と協働するねじ止め要素（１８３）を備えることを特徴とする、請求項３に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）。
前記ねじ止め要素（１８３）がセルフロックナットであることを特徴とする、請求項４に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）。
前記調整手段（１８３、１５０、１７０）が、保持要素（１６０）と固定板（１０４）との間の相対運動を吸収する弾性戻し要素（１７０）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）。
前記保持要素（１６０）が、前記少なくとも１つの冷却管（１２０）の半径方向外側部分と一体的に接触して配置されるように構成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）。
前記保持要素（１６０）が２つの冷却管（１２０）と一体的に接触して配置されるように構成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）。
前記開口部（１０８）が、前記固定板（１０４）の開口部（１０８）の軸線に直交する平面内で前記保持要素（１０）の変位を可能にする形状を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）。
前記開口部（１０８）が長円形であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）の冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）。
ターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）であって、
− 冷却管（１２０）と、
− 請求項１〜１０のいずれかに記載の少なくとも１つの冷却管（１２０）用の保持装置（１０１）と、
を備え、
前記冷却管（１２０）は、ろう付けによって前記保持装置（１０１）と一体化されている、冷却システム（１００）。
複数の冷却管（１２０）と、複数の保持装置（１０１）とを備え、前記複数の保持装置（１０１）それぞれが、２つの隣接する冷却管（１２０）の位置の同時保持および調整を確実にすることを特徴とする、請求項１１に記載のターボ機械ケーシング（１０）の冷却システム（１００）。
前記ケーシング（１０）に対して半径方向外側に配置された請求項１１〜１２のいずれかに記載の冷却システムを備えることを特徴とする、ターボ機械用低圧タービンのケーシング（１０）。