JP3844809B2 - ガスタービンエンジン排気ノズル用末広フラップシール - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、一般にはエンジンノズルに関し、より詳細には、エンジンノズルのフラップ間を密封するシールに関する。
【０００２】
【発明の背景】
ガスタービンにより駆動される航空機において、先細／末広排気ノズルを具備するエンジンを装備することは利益あることである。先細／末広排気ノズルとは、末広部分の上流側に先細部分を有する排気ノズルをいう。したがって、このような先細／末広排気ノズルにおいて、エンジンのタービンセクションを出る排気ガスは、直径が漸次増大する末広部分を通過する前に、直径が漸次減少する先細部分を通過する。
【０００３】
そして、通常の先細／末広排気ノズルを装備するエンジンにおいて、先細及び末広の両部分はエンジンの長手方向軸線のまわりに対称である。また、末広部分は複数のフラップを包含し、これらのフラップは先細部分と末広部分との間の境界部にヒンジ止めされて、半径方向外向きに回転でき、これにより末広部分がエンジンの長手方向軸線から広がる角度を変化できるようになっている。更に、フラップシールが末広部分のフラップ間に設けられて、排気ガスがフラップ間から逃げるのを防止している。
【０００４】
しかして、以上述べた誘導自在な先細／末広排気ノズルを装備するガスタービンエンジンにおいては、末広部分の中心線が長手方向の中心線からそらされることにより、ピッチ・ヨースラスト誘導（ｐｉｔｃｈ ａｎｄ ｙａｗ ｔｈｒｕｓｔ ｖｅｃｔｏｒｉｎｇ）が行われる。すなわち、末広フラップがそらせられることにより、互いに関してのフラップの位置がそらせの方向及び大きさとに依存して変えられる。したがって、誘導されたノズルのある周囲区域では、フラップ間の間隔が減少して、これらのフラップがオーバラップし、これにより誘導操作中互いに機械的に損傷してしまう。また、他の周囲区域においては、フラップ間の間隔が増大して、フラップシールが強制的に複雑な幾何学的形状を呈するようにさせられるので、隣接するフラップ間の周囲間隔を適当な手段によってこの複雑な幾何学的形状に適応するようにしなければならない。しかして、いずれの場合であっても、ノズルの断面積は予想したものとは異なり、一定しない断面積となる。ノズルの性能特性がノズルの断面積とのど部の断面積との割合に依存することは、当業者であればわかるであろう。したがって、ノズル断面積が一定でなくなることは、好ましくない現象である。
【０００５】
以上述べたことから、複雑な幾何学的形状に適応できると共に、隣接するフラップ間の機械的損傷を防止し、かつ一定のノズル断面積を与えるのに有用な排気ノズル用フラップシールが要望されている。
【０００６】
【発明の開示】
本発明は、このような要望に応じてなされたものである。したがって、本発明の目的は、誘導自在な排気ノズルにおいて、隣接する末広フラップ間の機械的損傷を防止する末広フラップシールを提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、誘導自在な排気ノズルにおいて、複雑な幾何学的形状に適応できる末広フラップシールを提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、誘導自在な排気ノズルにおいて、一定のノズル断面積を与えるのに有用な末広フラップシールを提供することにある。
【０００９】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、次に述べるような、長手方向軸線を有するガスタービンエンジン排気ノズル用の末広フラップシールが提供される。すなわち、本発明によるガスタービンエンジン排気ノズル用末広フラップシールは、本体と、背部材と、フラップ位置ガイドとを包含する。フラップ位置ガイドは、末広フラップの角度がノズルの長手方向軸線に関してそらされていると関係なしに、隣接するフラップを分離し、これによりノズルの周囲にフラップを一層均等に分配する。
【００１０】
このような特徴を有する本発明の利益は、各フラップシールのフラップ位置ガイドが、隣接するフラップが互いにオーバラップするのを防止することにある。その結果として、フラップが互いに機械的に損傷するのを防止する。また、隣接するフラップを分離することにより、ノズルの周囲にフラップを一層均等に分配できる。そして、フラップを均等に分配できることは誘導自在な排気ノズルにおいて一定のノズル断面積を与えるのに有用であり、したがって一層一定の性能の排気ノズルを提供できる。
【００１１】
本発明の他の利益は、誘導自在なノズルの運動学的エンベロープを最大にするのに有用であることである。すなわち、フラップをノズルの周囲に一層均等に分配することにより、隣接するフラップ間の干渉が減少し、これによりノズルが末広り状に広がり得る運動学的エンベロープが大きくなる。
【００１２】
本発明の以上述べた目的、特徴及び利益は添付図面を参照して詳述する下記の最良の形態の実施例についての説明から一層明らかになるであろう。
【００１３】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照するに、ガスタービンエンジンは排気ノズル１０を包含し、この排気ノズル１０は末広部分１４の上流側に先細部分１２を包含する。これら先細及び末広の両部分１２及び１４は、エンジンの長手方向軸線１６のまわりに対称的に配置されている。ただし、末広部分１４は長手方向軸線１６から選択的にそらすことができる。図２は、エンジンの長手方向軸線１６から角度θだけそれている末広部分１４を概略的に示している。
【００１４】
再び図１において、末広部分１４は、それぞれ、一方の端で先細部分１２に枢動可能に取付けられている複数のフラップ１８及びフラップシール２０を包含する。第１の機械式リンケージ２２が、これらのフラップ１８及びフラップシール２０を一緒に連結し、フラップ１８を駆動することによりフラップシール２０を同様に駆動できるようになっている。フラップ１８の各々に取付けられている第２の機械式リンケージ２４はフラップ１８及びフラップシール２０を長手方向軸線１６のまわり、又はこの長手方向軸線１６に関してそれている軸線のまわり、若しくはその両方に駆動する。
【００１５】
次に図３及び図４を参照するに、各フラップシール２０は本体２６と、背部材２８と、複数のフェースセグメント３０と、複数のフラップ位置ガイド３１（図５又は図６を参照）とを包含する。図３は、フラップシール２０のホット側を示している。このフラップシール２０のホット側は、エンジンを出る排気ガスに直接さらされる側と定義されている。また、フラップシール２０のコールド側は、排気ガスに直接さらされるホット側と反対側の、フラップシール２０の側と定義されている。本体２６は、図３に示されるように、前端３３と後端３５との間を延びる長さと定義されている長さ３２と、幅３４とを有する。本体２６は、更に、本体２６に形成されて本体２６の幅３４にわたって延びている複数の波形部３６（特に、図５又は図６を参照）と、第１のチャンネル３８と、第２のチャンネル４０（特に、図７を参照）とを包含する。なお、波形の幾何学的形状は図５、図６及び図８に示される形状と異なる形状にすることができるものである。
【００１６】
次に図７を参照するに、第１のチャンネル３８及び第２のチャンネル４０は、本体２６を形成するシート状金属の両縁を“Ｕ”字状に折曲げることによって、本体２６の幅の両縁４２，４４に沿って形成される。“Ｕ”字状の壁４６は、本体２６に沿って長手方向に延びている。そして、好適な実施例によれば、所定の厚さを有するスペーサ４８が、各チャンネル３８，４０に挿入され、適所にスポット溶接されている。
【００１７】
次に図８及び図９を参照するに、各フェースセグメント３０は中間部分５０を包含し、この中間部分５０は内側表面５２と、外側表面５４と、第１の縁５６と、第２の縁５８と、第１の端６０と、第２の端６２とを有する。第１及び第２の縁５６，５８は、互いに平行であると共に、第１及び第２の端６０，６２に対して実質的に垂直である。各フェースセグメント３０は、更に、第１のフランジ６４と、第２のフランジ６６とを包含する。第１のフランジ６４は、中間部分５０の第１の縁５６に設けられている。第２のフランジ６６は、中間部分５０の第２の縁５８に設けられている。そして、好適な実施例によれば、第１及び第２のフランジ６４，６６は、フェースセグメント３０の両側部分を中間部分５０から折曲げることによって形成される。したがって、フェースセグメント３０はシート状の金属ブランクから形成することができる。
【００１８】
これら第１及び第２のフランジ６４，６６は、複数のフェースセグメント３０が互いに隣接して配置されたときに、一方のフェースセグメント３０の第１のフランジ６４が隣接する他方のフェースセグメント３０の第２のフランジ６６に連結するように、互いに組合う幾何学的形状とされている。図８は、第１及び第２のフランジ６４，６６の好適な形を示す。すなわち、第１のフランジ６４は中間部分５０に対して垂直である。そして、第２のフランジ６６は、“Ｌ”字状である。すなわち、第２のフランジ６６は、中間部分５０に対して垂直な第１の部分６８と、中間部分５０に対して平行な第２の部分７０とから成る。
【００１９】
再び図３を参照するに、端フェースセグメント７２は第１及び第２のフランジ６４，６６（図８を参照）の一方のみを包含し、中間部分５０を有する形に延ばされている。この端フェースセグメント７２が本体２６に組立てられると、端フェースセグメント７２と本体２６とはフラップシール２０を枢動可能に取付けるためのヒンジ手段７６を受入れるポケット７４（点線で示されている）を形成する。米国特許第５，２３８，１８９号明細書は、このようなヒンジ手段７６の一例を開示している。
【００２０】
次に図９及び図１０を参照するに、好適な実施例によれば、フェースセグメント３０は、更に、第１の縁５６、又は第２の縁５８、若しくはその両方に沿って延びるスカラップ７８を包含する。このスカラップ７８は、各フェースセグメント３０の第１の縁５６と第２の縁５８との間の距離を減少すると共に、このフェースセグメント３０の第１及び第２の縁５６，５８と他の隣接するフェースセグメント３０の第２及び第１の縁５８，５６との間の距離をそれぞれ増大して、フラップシール２０のより大きな熱膨張を許容する。スカラップ７８は、例えば、もしフラップシール２０がその全体長さに沿って中央部分に急激な熱勾配を受けるような場合には、すべてのフェースセグメント３０の中央部分に設けることができる。しかし、選択的に、もし熱勾配がフラップシール２０の特定区域に非常に高く生じる場合には、該特定区域のフェースセグメント３０にのみスカラップ７８を設けて、該特定区域においてより大きな熱膨張を許容できるようにすることができる。図９は、フェースセグメント３０の両端６０，６２の近くに形成したスカラップ７８が、これら両端６０，６２近くの熱膨張を許容すると共に、チャンネル３８，４０内におけるフェースセグメントの移動を容易にしている例を示している。
【００２１】
再び図５及び図６を参照するに、背部材２８は、本体２６のコールド側に取付けられている剛直な部材により形成されている。より詳細には、背部材２８は、本体２６の波形部３６に従来公知の適当な手段によって取付けられる。そして、背部材２８はフラップシール２０をリンケージ２４（図１を参照）に取付けるための手段８０を包含する。リンケージ２４は、前述したように、フラップ１８とフラップシール２０とを一緒に接続する。そして、図５に示される本発明の一実施例によれば、フラップ位置ガイド３１がフラップシール取付け手段８０とシール２０の本体２６の後端３５との間の位置で背部材２８に取付けられている。このフラップ位置ガイド３１は、ノズルの誘導位置と関係なく隣接するフラップ１８を分離するのに十分な距離でもって本体２０から外へ延びている。図６はこのフラップ位置ガイド３１の他の実施例を示し、ガイド３１はフラップシール取付け手段８０とシール２０の本体２６の後端３５との間の位置で背板２８に一体に形成されている。
【００２２】
また図８を参照するに、組立において、フェースセグメント３０はスポット溶接９０（図３も参照）によって本体２６の波形部３６に取付けられる。フェースセグメント３０は、その第１のフランジ６４と他の隣接するフェースセグメント３０の第２のフランジ６６とが所定の隙間８２により分離されて組み重ねられるような寸法にされて配置される。隙間８２は、一対の隣接するフェースセグメント３０に予想される熱膨張を許容するような寸法とされている。一対の隣接するフェースセグメント３０の一方の第１のフランジ６４と他方のフェースセグメント３０の第２のフランジ６６との組合う幾何学的形状により、ガスが一対の隣接するフェースセグメント３０間を通り、フェースセグメント３０の外側表面５４に沿って通るのを実質的に防止できる。
【００２３】
更に図７及び図９を参照するに、フェースセグメント３０の第１及び第２の端６０，６２はそれぞれ第１及び第２のチャンネル３８，４０（図７を参照）内を移動するのが自由である。また、第１及び第２のチャンネル３８，４０内のフェースセグメント３０の第１及び第２の端６０，６２よりも奥のところにそれぞれ設けられているスペーサ４８は、フェースセグメント３０の束縛を防止するのに十分なチャンネル隙間８４を維持するのに役立つ。このスペーサ４８は、また、組立中フェースセグメント３０を位置決めするのに役立つ。
【００２４】
以上本発明をその実施例に関して図示し詳述してきたけれども、請求した本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更ができることは当業者にとって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジン用排気ノズルの一部分を示す斜視図である。
【図２】排気ノズルを概略的に示す図である。
【図３】本発明の好適な実施例によるフラップシールのホット側を示す図である。
【図４】図３に示されるフラップシールのコールド側を示す図である。
【図５】本発明の一実施例によるフラップ位置ガイドを示す、フラップシールの一部断面側面図である。
【図６】本発明の他の実施例による位置ガイドを示す、フラップシールの一部断面側面図である。
【図７】図３に示されるフラップシールの断面図である。
【図８】図５の矢印８−８の部分を拡大して詳細に示す断面図である。
【図９】本発明の一実施例によるフェースセグメント構造を示す、フラップシールのホット側の部分図である。
【図１０】本発明の他の実施例によるフェースセグメント構造を示す、フラップシールのホット側の部分図である。
【符号の説明】
１０ 排気ノズル
１２ 先細部分
１４ 末広部分
１６ 長手方向軸線
１８ フラップ
２０ フラップシール
２２ 第１の機械式リンケージ
２４ 第２の機械式リンケージ
２６ 本体
２８ 背部材
３０ フェースセグメント
３１ フラップ位置ガイド
３２ 長さ
３４ 幅
３６ 波形部
３８ 第１のチャンネル
４０ 第２のチャンネル
４２ 幅縁
４４ 幅縁
４６ Ｕ字状の壁
４８ スペーサ
５０ 中間部分
５２ 内側表面
５４ 外側表面
５６ 第１の縁
５８ 第２の縁
６０ 第１の端
６２ 第２の端
６４ 第１のフランジ
６６ 第２のフランジ
６８ 第１の部分
７０ 第２の部分
７２ 端フェースセグメント
７４ ポケット
７６ ヒンジ手段
７８ スカラップ
８０ フラップシール取付け手段
８２ 隙間
８４ チャンネル隙間
９０ スポット溶接

Claims (10)

1. 長手方向軸線を有するガスタービン排気ノズル用末広フラップシール（２０）において、
   複数の波形部（３６）を有する本体（２６）であって、前記波形部が前記本体に形成されるとともに前記本体の幅に亘って延びる本体と、
   前記本体の第１の側に取付けられて前記本体の長さに沿って延びる背部材（２８）と、
   を包含し、
   前記本体が、
   第１のチャンネル（３８）及び第２のチャンネル（４０）と、
   前記本体の前記第１の側に設けられて前記本体の後端に隣接するフラップ位置ガイド（３１）と、
   をさらに備え、
   前記チャンネルの各々が、前記本体に沿って長さ方向に延びる壁部を有するとともに、前記幅の各側にそれぞれ設けられ、
   前記フラップ位置ガイドが、使用時にノズルの誘導位置と関係なく隣接するフラップを隔てるように十分な距離を有して前記本体から半径方向外側に延びるとともに、前記背部材に取付けられることを特徴とする末広フラップシール。
2. 請求項１記載の末広フラップシールにおいて、前記フラップ位置ガイド（３１）が前記背部材（２８）に一体に形成されている、末広フラップシール。
3. 請求項１または２記載の末広フラップシールにおいて、更に、複数のフェースセグメント（３０）を包含し、各フェースセグメントが、前記背部材（２８）が取付けられている前記第 1 の側と反対側である前記本体の他方の側に取付けられていると共に、第１の端と第２の端とを有し、これらの各端が厚さを有し、かつ前記フェースセグメント（３０）の第１及び第２の端（６０，６２）が、それぞれ前記第１及び第２のチャンネル（３８，４０）内に自由に受入られて、これらのチャンネル内で移動できるようにした、末広フラップシール。
4. 請求項３記載の末広フラップシールにおいて、前記フェースセグメント（３０）の各々が、中間部分（５０）と、第１のフランジ（６４）と、第２のフランジ（６６）とを包含し、前記中間部分が、内側表面（５２）と、外側表面（５４）と、第１の縁（５６）と、第２の縁（５８）とを有し、これらの縁が、互いに平行であると共に前記第１及び第２の端（６０，６２）に対して実質的に垂直であり、また前記第１のフランジが、前記中間部分の第１の縁（５６）に設けられ、更に前記第２のフランジが、前記中間部分の第２の縁（５８）に設けられ、かつ２つのフェースセグメントが互いに隣接して配置されたときに、一方のフェースセグメントの第１のフランジと他方のフェースセグメントの第２のフランジとが組合う幾何学的形状とされ、これにより、一方のフェースセグメントの第１のフランジが他方の隣接するフェースセグメントの第２のフランジに連結すると共に、これらのフランジがそれらの幾何学的形状に沿う所定の隙間（８２）により隔てられている、末広フラップシール。
5. 請求項４記載の末広フラップシールにおいて、前記第１のフランジ（６４）が前記中間部分（５０）の前記内側表面（５２）から実質的に垂直方向に延びており、また前記第２のフランジ（６６）が前記中間部分（５０）の前記内側表面（５２）から延びているＬ字形の幾何学的形状から成る、末広フラップシール。
6. 請求項４または５記載の末広フラップシールにおいて、前記フェースセグメント（３０）が更に前記第１及び第２の縁（５６，５８）の一方に沿って延びるスカラップ（７８）を包含し、これにより、各フェースセグメントの第１の縁と第２の縁との間の距離を減少すると共に、このフェースセグメントの第１及び第２の縁と他の隣接するフェースセグメントの第２及び第１の縁との間の距離をそれぞれ増大して、シールのより大きな熱膨張を許容してなる、末広フラップシール。
7. 請求項６記載の末広フラップシールにおいて、前記フェースセグメント（３０）の各端における第１の縁と第２の縁（５６，５８）との間の距離が前記フェースセグメントの他の部分における第１の縁と第２の縁との間の最大距離よりも小さい、末広フラップシール。
8. 請求項３〜７のいずれかに記載の末広フラップシールにおいて、更に、前記フェースセグメント（３０）の端の厚さと等しいか又は該厚さよりも大きい厚さを有するスペーサ（４８）を包含し、このスペーサが前記第１及び第２のチャンネル（３８，４０）内の、フェースセグメントの第１及び第２の端よりも奥のところにそれぞれ受入れられて固定され、これにより、前記フェースセグメントの第１及び第２の端が前記第１及び第２のチャンネル内で束縛されるのを防止するのに十分離れた距離の間隔を前記チャンネルの壁に置くようにしてなる、末広フラップシール。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の末広フラップシールにおいて、前記チャンネル（３８，４０）が前記本体の全体長さに沿って連続して延びている、末広フラップシール。
10. ガスタービンエンジン用排気ノズル（１０）において、
    先細部分（１２）と、
    末広部分（１４）と、
    を包含し、
    前記先細部分及び前記末広部分が、長手方向軸のまわりに設けられていると共に互いに枢動可能に取付けられ、
    前記末広部分が、
    前記先細部分（１２）に枢動可能に取付けられた複数のフラップ（１８）と、
    複数のシール（２０）と、
    前記フラップ（１８）及び前記シール（２０）を一緒に機械的に連結する手段（２２）と、
    前記フラップ及び前記シールを前記排気ノズルの前記長手方向軸線まわりに駆動すると共に前記シールを前記長手方向軸線からそれた軸線のまわりに駆動する手段（２４）と、を包含し、
    前記シールの各々が、
    前端と後端との間を延びる長さ及び幅を有する本体（２６）と、
    前記本体の第１の側に取付けられて前記本体の長さに沿って延びる背部材（２８）と、
    前記本体の前記第１の側に設けられて前記本体の後端に隣接するフラップ位置ガイド（３１）と、を包含し、
    前記フラップ位置ガイドが、ノズルの誘導位置と関係なく隣接するフラップを隔てるのに十分な距離でもって前記本体から半径方向外側へ延びることを特徴とするガスタービンエンジン用排気ノズル。

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