JP4131380B2 - エレメント管の熱応力緩和支持構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエレメント管の支持構造にかかり、より詳細には、エレメント管をエレメント管と熱膨張量が異なる構造材に支持するための支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に航空機等に用いられる一般的なガスタービンエンジンの内部構造を示した。このガスタービンエンジン４０は、空気を取り入れるファン４１、取り入れた空気を圧縮する圧縮機４２、圧縮した空気により燃料を燃焼させる燃焼器４３、燃焼器の燃焼ガスによりファン４１および圧縮機４２を駆動するタービン４４等を備えている。
【０００３】
ファン４１でエンジン４０内に取り込まれた空気は、圧縮機４２、燃焼器４３およびタービン４４を通るコア流と、これらをバイパスするバイパス流とに分岐される。圧縮機４２で圧縮された空気（コア流）は、図示しない燃料供給装置から供給された燃料と混合して燃焼し、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは燃焼器後方のタービンロータ４４を回転させた後に、タービン後方から排出されその下流域においてバイパス流と混合される。コア流とバイパス流との混合ガスは、ジェットノズル４５から噴出されてその反動により推進力を発生させる。
【０００４】
図４に示したようにガスタービンエンジン４０内では、複数の部品の組み合わせにより円環状に形成された外周壁と内周壁とがコア流の流路をなし、エンジン中心部分にはタービンロータ４４の回転動力を圧縮機４２およびファン４１に伝達するタービンシャフト４６が設けられている。また内周壁の下流端部分にはエキゾーストコーン４７が取り付けられている。
【０００５】
タービンシャフト４６の下流端は、エキゾーストフレーム４８と呼ばれる構造体によりベアリングを介して支えられている。エキゾーストフレーム４８には、放射状に広がる複数のリヤサポートストラット４９が一体的に形成されており、このリヤサポートストラット４９が支柱となってエンジン中心部の後部をエンジン外周部と連結して支えている。なおリヤサポートストラットは、タービン後方から排出される燃焼ガスを整流する役割も有している。
【０００６】
リヤサポートストラット４９内には、タービンシャフト４６等と接触回転するベアリングに潤滑用のオイルを供給し、また、使用後に回収したオイルを排出するための金属性のオイルチューブや、このベアリングを収めたベアリングハウジングの外側に圧縮空気を送り込んで加圧してベアリングハウジングからのオイルの流出を防止するための金属性のエアチューブが貫通している（このオイルチューブやエアチューブを総称して「エレメント管」と呼ぶ。）。なお、エレメント管には各所にコネクタが設けられており、このコネクタによって複数の管が連結されて空気の供給系統やオイルの循環系統を構成している。
【０００７】
ここでタービン後方のコア流の流路には定常状態で６００℃程度の燃焼ガスが流れる一方、エレメント管内には２００〜３００℃以下のオイルや空気が流れている。そのため、何の機構も設けずに単にエレメント管をリヤサポートストラット４９を挟んだ状態でエキゾーストフレーム４８に固定すると、高温の燃焼ガスにさらされるエキゾーストフレーム（リヤサポートストラット）とコア流から隔離されかつ内部に比較的低温の流体を流すエレメント管との温度差に起因する熱膨張量の差から、エレメント管に大きな引っ張りの熱応力が作用してしまう。
【０００８】
そこで従来は例えばエキゾーストフレーム部分の側面透過図である図５（ａ）に示したように、エキゾーストフレーム４８の深部（図中５１：固定支持部）およびリヤサポートストラット４９の先端（図中５２）に固定したエレメント管２にＵ字状の迂回部分５３を設け、この部分をたわみ代とすることで熱膨張の差を吸収させる構造や、エレメント管２の一端をエキゾーストフレーム４８の固定支持部５１に固定する一方、他端を固定せずにエレメント管２がリヤサポートストラット４９の先端と摺動するように、具体的には図５（ｂ）に示したようにエレメント管２がリヤサポートストラット４９を貫通する箇所の外周にコブ状に突起する突起部５４を設け当該部分をリヤサポートストラット先端５２の貫通穴５６の内周面と当接した状態で摺動させて熱応力を緩和する支持構造が採用されていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５（ａ）の構造ではエレメント管２を迂回させてＵ字状の迂回部分５３を形成するためのスペースが必要となるとともに、エレメント管２の固有振動数が低くなる結果共振の発生という新たな問題が生じ、そのためエレメント管を支持するための支持構造５５を追加しなければならなかった。また、迂回部分５３および支持構造５５の追加によってエンジンの重量が増加するという問題があった。
一方図５（ｂ）の構造では、エレメント管２をエキゾーストフレーム４８に組み付ける場合に組付誤差等が生じた場合には突起部５４に片当たりが生じ、局部的に摩耗が進行することがあった。リヤサポートストラット４９とエレメント管２との摺動箇所に修理が必要となる摩耗が生じた場合には、エレメント管２を適当な箇所で切断して新たなエレメント管に交換していたが、エキゾーストフレーム４８内でのかかる作業は容易ではなかった。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、簡易かつ低廉に実施可能な構造によって、主として熱膨張の差に起因してエレメント管に作用する熱応力を緩和することができ、かつ、メンテナンス性に優れたエレメント管の支持構造を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため本発明は、エレメント管（２）を熱膨張量が異なる構造材（４）に支持するためのエレメント管の熱応力緩和支持構造であって、
該エレメント管の外周に形成された鍔状に広がるフランジ部（６）と、該フランジ部の外径とほぼ同じ内径を有し前記構造材に着脱可能に取り付けられた筒状のスリーブ（８）と、により構成され、
前記エレメント管が非接触に構造材を貫通し、前記フランジ部の外周端がスリーブの内周面に摺動可能に当接してエレメント管を構造材に支持し、
前記スリーブ（８）は、前記フランジ部（６）よりも摩耗しやすい材料で製作される、ことを特徴とするエレメント管の熱応力緩和支持構造を提供する。
【００１２】
本発明は、構造材に内部にオイル等の流体を流すエレメント管を支持する場合に、熱膨張量の差に起因してエレメント管に作用する熱応力を緩和するための支持構造を提供するものである。本発明では、エレメント管の外周全周に鍔状に突起するフランジ部を形成し、このフランジ部の外周端を、構造材に着脱可能に取り付けた筒状のスリーブの内周面と当接させてエレメント管を構造材に支持し、また、当接させた状態を保ちながら摺動可能とすることにより構造材とエレメント管との熱膨張量の差をこの摺動動作によって緩和させることができる。なおスリーブは着脱可能であるため、摺動動作によって摩耗した場合にはこれを新たなスリーブに交換することができる。
また、スリーブをフランジ部よりも摩耗しやすい材料で製作することにより、当接・摺動による摩耗は主にスリーブに生じるため、スリーブが摩耗した場合でも容易にこれを交換することができる。なお、フランジ部は通常エレメント管に溶接により取り付けられ着脱することはできないためスリーブを優先的に摩耗させることとした。
【００１３】
また、上記問題を解決するため本発明は、エレメント管（２）を熱膨張量が異なる構造材（４）に支持するためのエレメント管の熱応力緩和支持構造であって、
該エレメント管の外周に形成された鍔状に広がるフランジ部（６）と、該フランジ部の外径とほぼ同じ内径を有し前記構造材に着脱可能に取り付けられた筒状のスリーブ（８）と、により構成され、
前記エレメント管が非接触に構造材を貫通し、前記フランジ部の外周端がスリーブの内周面に摺動可能に当接してエレメント管を構造材に支持し、
前記スリーブ（８）には前記構造材（４）にボルト（１４）を用いて固定するための貫通孔（１６）が形成されており、該貫通孔はボルトのネジ部分と遊びをもつ内径を有し、かつ、ボルトヘッドの外径は貫通孔の内径よりも大きく形成され、スリーブを前記遊びの範囲内で任意の位置に固定する、ことを特徴とするエレメント管の熱応力緩和支持構造を提供する。
【００１４】
本発明は、構造材に内部にオイル等の流体を流すエレメント管を支持する場合に、熱膨張量の差に起因してエレメント管に作用する熱応力を緩和するための支持構造を提供するものである。本発明では、エレメント管の外周全周に鍔状に突起するフランジ部を形成し、このフランジ部の外周端を、構造材に着脱可能に取り付けた筒状のスリーブの内周面と当接させてエレメント管を構造材に支持し、また、当接させた状態を保ちながら摺動可能とすることにより構造材とエレメント管との熱膨張量の差をこの摺動動作によって緩和させることができる。なおスリーブは着脱可能であるため、摺動動作によって摩耗した場合にはこれを新たなスリーブに交換することができる。
また、エレメント管を構造材に組み付ける場合に若干の組付誤差等が生じた場合にも、スリーブを最適位置にずらしてボルト固定することができるため、スリーブ内周面とフランジ部との片当たりをなくし、これにより局部的な摩耗の進行を防止するとともに、構造材にエレメント管を適切に支持することができる。
【００１５】
前記エレメント管（２）の一端部にエレメント管の外径よりも大きな外径のコネクタ（１２）が設けられている場合において、前記フランジ部（６）の外径および前記スリーブ（８）の内径を、コネクタの外径よりも大きく形成してエレメント管の一端部からのスリーブの交換を可能とする、ことが好ましい。
【００１６】
オイルや空気等を内部に流すエレメント管は、一般に通常複数の管がその端部でコネクタ（継手）を介して連結されて構成されており、コネクタはエレメント管よりも大きな外径を有しエレメント管の一端部に固定されて取り付けられている。本発明ではかかるエレメント管において、筒状のスリーブの内径をコネクタの外径よりも大きくし、フランジ部の外径もこれに合わせることによって、コネクタが取り付けられたエレメント管の一端部のコネクタを通してのスリーブ交換を可能としている。
【００１７】
本発明の好ましい実施例では、前記スリーブ（８）には前記構造材（４）にボルト（１４）を用いて固定するための貫通孔（１６）が形成されており、該貫通孔はボルトのネジ部分と遊びをもつ内径を有し、かつ、ボルトヘッドの外径は貫通孔の内径よりも大きく形成され、スリーブを前記遊びの範囲内で任意の位置に固定する、ものとする。
【００１８】
本発明によれば、エレメント管を構造材に組み付ける場合に若干の組付誤差等が生じた場合にも、スリーブを最適位置にずらしてボルト固定することができるため、スリーブ内周面とフランジ部との片当たりをなくし、これにより局部的な摩耗の進行を防止するとともに、構造材にエレメント管を適切に支持することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るエレメント管の熱応力緩和支持構造の好ましい実施例について図面を用いて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
ガスタービンエンジンのギア、ベアリング、スプライン等の回転部品はその摩耗や変形等を抑え回転運動をスムーズに行わせるためにその潤滑・冷却が必要となる。一般的なガスタービンエンジンではオイルをエンジンに供給し、このオイルをまたオイルタンクに戻すという再循環方式をとっているため、エンジン内にはオイルを各所に供給しまたこれを循環させるためのエレメント管が張り巡らされている。
【００２１】
ガスタービンエンジン１０内部を透過して表した斜視図図１に示したようにタービンシャフト４６は、構造材（４）であるエキゾーストフレーム４８によりローラータイプのベアリング１１を介して支持されており、これらのベアリングには潤滑・冷却用のオイルが供給されるようになっている。
【００２２】
ガスタービンエンジンの滑油系統をより詳細に説明すると、コア流（燃焼ガス）の流路の外側に設けられたオイルタンク１２からポンプ１３によって吸い出されたオイルは、フィード用のエレメント管２ａを通してエキゾーストフレーム４８にタービンシャフト４６を回転支持するベアリング１１に供給される。ベアリングの潤滑・冷却を行ったオイルはその後に回収され、リターン用のエレメント管２ｂを通してオイルクーラ１４に運ばれて燃料と空気によって冷却された後にオイルタンク１２に送り戻される。
【００２３】
図２に本発明の支持構造によってエレメント管２がエキゾーストフレーム４８（構造材４）に取り付けられた様子を透過して示した。エキゾーストフレーム４８には中空構造を有するリヤサポートストラット４９が一体的に形成されており、リヤサポートストラット４９内にはコア流の流路の外側から内側にオイルを導くエレメント管２が貫通して配置されている。
【００２４】
リヤサポートストラット４９内を貫通する直線状のエレメント管（第２エレメント管２ｂ）は一端がオイルタンクからエンジン後方までオイルを導く第１エレメント管２ａと連結され、他端がエンジン中心部のベアリング室にまでつながる第３エレメント管２ｃと連結されている。
第１エレメント管２ａおよび第３エレメント管２ｃと第２エレメント管２ｂとの連結箇所には、エレメント管の外径よりも大径のコネクタ１２が設けられ、第１エレメント管２ａと第２エレメント管２ｂとを連結する第１コネクタ１２ａは第２エレメント管２ｂの先端に固定され、第２エレメント管２ｂと第３エレメント管２ｃとを連結する第２コネクタ１２ｂは第３エレメント管２ｃの先端に固定されている。そのため、第２エレメント管２ｂの取り付けはエンジンの外側から内側に向けてリヤサポートストラット４９に挿入して行われることになる。
第３エレメント管２ｃは固定支持部５１によってしっかりとエキゾーストフレーム４８の深部に固定される一方、これに連結される第２エレメント管２ｂは以下に説明する特別な支持構造によってリヤサポートストラット先端５２に支持されている。
【００２５】
図２の丸で囲んだ部分の拡大図（図の上段）に示したように、円管である第２エレメント管２ｂの外周には第１コネクタ１２ａの外径よりも大きな外径で円形鍔状に広がるフランジ部６が溶接加工により形成されており（フランジ部を着脱式とする構成も可能である）、第２エレメント管２ｂはリヤサポートストラット先端５２を非接触に貫通している。リヤサポートストラット先端には第２エレメント管２ｂのフランジ部６の外径とほぼ同じ内径を有する筒状のスリーブ８が第２エレメント管を取り囲むようにして着脱可能に取り付けられている。
リヤサポートストラット先端５２にスリーブ８が取り付けられた状態で、リヤサポートストラットに挿入された第２エレメント管２ｂのフランジ部６の外周端はスリーブ８の内周面に摺動可能に当接して第２エレメント管２ｂをリヤサポートストラット先端５２（エキゾーストフレーム）に支持している。ここでフランジ部６の外周端は滑らかな曲面に形成されており、スリーブ８の内周面と線接触している。
【００２６】
図３（下段の図は上段の図のＸ−Ｘ断面図）に示したようにスリーブ８にはスリーブをリヤサポートストラット先端５２にボルト１４により固定するための複数の貫通孔１６（図では２つ）が形成されている。この貫通孔１６の内径はボルト１４のネジ部分と遊びをもって形成され、かつ、ボルトヘッドの外径よりも小さく形成されているため、スリーブ８をその遊びの範囲内で任意の位置にずらして固定することができる。
【００２７】
以上の構造により、高温の燃焼ガスを整流する熱膨張量の大きなリヤサポートストラット４９に、比較的低温のオイルを流し熱膨張量の小さな第２エレメント管２ｂを貫通させた状態で支持した場合であっても、スリーブ８内周面を第２エレメント管のフランジ部６の外周端が摺動することによって両者の熱膨張量の差が吸収され、エレメント管に作用することとなる熱応力が緩衝される。
【００２８】
また、フランジ部６の外周端とスリーブ８の内周面との摺動動作の繰り返しによりスリーブの内周面が摩耗した場合にも、第１コネクタ１２ａを通して新たなスリーブに交換することができる。
さらに、スリーブ８は上述のように一定の範囲内で任意にずらして固定することができるため、第２エレメント管２ｂをエキゾーストフレーム４８に組み付ける場合に若干の組付誤差等が生じた場合であっても、スリーブ８を適当な位置にずらしてボルト固定することにより、スリーブ内周面とフランジ部との片当たりをなくし、これにより局部的な摩耗の進行を防止することができる。
加えて、フランジ部６の外周端が滑らかな曲面に形成されスリーブ８の内周面と線接触することで、両者の摺動も滑らかに行われる。
【００２９】
またスリーブ８は、フランジ部６よりも摩耗しやすい材料で製作される。スリーブ８をフランジ部６よりも摩耗しやすい材料で製作することで、摺動による摩耗を交換が容易なスリーブに優先して生じさせることができる。
【００３０】
なお本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。上述した実施例はガスタービンエンジンについてのものであるが、本発明は例えば高温の蒸気を内部に通すボイラの配管を比較的低温のボイラ筐体に支持する場合などにも応用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、簡易かつ低廉に実施可能な構造によって、主として熱膨張の差に起因してエレメント管に作用する熱応力を緩和することができ、かつ、メンテナンス性にも優れたエレメント管の熱応力緩和支持構造が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジン内部を透過して表した斜視図である。
【図２】本発明の支持構造によってエレメント管がエキゾーストフレームに取り付けられた様子を示した図である。
【図３】本発明に用いるスリーブの構造を表した図である。
【図４】一般的なガスタービンエンジンの内部構造を示した図である。
【図５】従来例によるエレメント管の支持構造を説明するためのエキゾーストフレーム部分の側面透過図である。
【符号の説明】
２，２ａ，２ｂ，２ｃ エレメント管
４ 構造材
６ フランジ部
８ スリーブ
１２，１２ａ，１２ｂ コネクタ
１４ ボルト
１６ 貫通孔
４０ ガスタービンエンジン
４１ ファン
４２ 圧縮機
４３ 燃焼器
４４ タービン
４５ ジェットノズル
４６ タービンシャフト
４７ エキゾーストコーン
４８ エキゾーストフレーム
４９ リヤサポートストラット
５１ 固定支持部
５２ リヤサポートストラット先端
５３ 迂回部分
５４ 突起部
５５ 支持構造
５６ 貫通穴

Claims (3)

1. エレメント管（２）を熱膨張量が異なる構造材（４）に支持するためのエレメント管の熱応力緩和支持構造であって、
   該エレメント管の外周に形成された鍔状に広がるフランジ部（６）と、該フランジ部の外径とほぼ同じ内径を有し前記構造材に着脱可能に取り付けられた筒状のスリーブ（８）と、により構成され、
   前記エレメント管が非接触に構造材を貫通し、前記フランジ部の外周端がスリーブの内周面に摺動可能に当接してエレメント管を構造材に支持し、
   前記スリーブ（８）は、前記フランジ部（６）よりも摩耗しやすい材料で製作される、ことを特徴とするエレメント管の熱応力緩和支持構造。
2. エレメント管（２）を熱膨張量が異なる構造材（４）に支持するためのエレメント管の熱応力緩和支持構造であって、
   該エレメント管の外周に形成された鍔状に広がるフランジ部（６）と、該フランジ部の外径とほぼ同じ内径を有し前記構造材に着脱可能に取り付けられた筒状のスリーブ（８）と、により構成され、
   前記エレメント管が非接触に構造材を貫通し、前記フランジ部の外周端がスリーブの内周面に摺動可能に当接してエレメント管を構造材に支持し、
   前記スリーブ（８）には前記構造材（４）にボルト（１４）を用いて固定するための貫通孔（１６）が形成されており、該貫通孔はボルトのネジ部分と遊びをもつ内径を有し、かつ、ボルトヘッドの外径は貫通孔の内径よりも大きく形成され、スリーブを前記遊びの範囲内で任意の位置に固定する、ことを特徴とするエレメント管の熱応力緩和支持構造。
3. 前記エレメント管（２）の一端部にエレメント管の外径よりも大きな外径のコネクタ（１２）が設けられている場合において、
   前記フランジ部（６）の外径および前記スリーブ（８）の内径を、コネクタの外径よりも大きく形成してエレメント管の一端部からのスリーブの交換を可能とする、ことを特徴とする請求項１または２に記載のエレメント管の熱応力緩和支持構造。

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