JP4869554B2 - モデルに基づいてシュラウデッド・ベローズの剛性を求めるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には、シュラウデッド・ベローズに関し、より具体的には、シュラウデッド・ベローズを含む管システムの固有周波数応答を予測するために用いられるモデリング技術に関する。

シュラウデッド・ベローズすなわち密封式ボール管継手は、ガスタービンエンジンのダクト系統において、それらの間に関節接合を必要とする流体搬送用配管の隣接セクションを接合するのに用いられることが多い。シュラウデッド・ベローズは、配管の隣接セクション間で運動することができるにも拘わらずその中を通って流れる流体の漏れを防止するたわみ管継手を構成する。例えばエンジン作動時におけるダクト系統の熱膨張の結果として、このような運動が生じる可能性がある。

一般的にシュラウデッド・ベローズは、エンジン内部で該エンジンの周りの様々な位置に設置される。高サイクル疲労（ＨＣＦ）応力に耐えるようにシュラウデッド・ベローズ及び関連のハードウェアを設計するために、モデリング技術を用いてシュラウデッド・ベローズ部品を含むダクト系統の固有周波数応答を予測する。公知のモデリング技術は、シュラウデッド・ベローズ固有周波数応答を製造者提供の試験データに近付ける解析モデルを用いる。このような試験データは、一般的に静剛性部品試験から得られる。解析モデルには、該解析モデル内でシュラウデッド・ベローズを表すのに用いる様々なばね要素にばね定数を指定することによって、静剛性データを組入れている。ばね要素は、システムの固有周波数応答を解析的に求めるためのベローズ剛性入力を提供する。シュラウデッド・ベローズ固有周波数応答は静剛性試験データに基づいているので、解析モデルの性能には、シュラウデッド・ベローズの固有周波数応答を正確に推定する上で自ずと限界がある。

例示的な実施形態では、モデリング装置は、シュラウデッド・ベローズ部品を含む管サブシステムの固有周波数応答を正確に予測する。本モデリング装置は、静剛性部品試験データではなく動剛性部品データに基づいて指定した剛性係数をもつ標準的幾何学形状要素を用いて、シュラウデッド・ベローズの特性を特定する。この例示的な実施形態では、本モデリング装置は、適用したたわみ率をもつ管要素である標準的幾何学形状要素を用いてシュラウデッド・ベローズの特性を特定し、かつ回帰法を用いてたわみ率を求める。例示的な回帰方程式では、管システム直径、ベローズピッチ、システム作動圧力及び動的システム作動入力が考慮されている。本モデリング装置は、費用効果が良くかつ信頼がある方法で、シュラウデッド・ベローズ部品を含む管サブシステムの固有周波数応答を正確に予測するのを可能にする。

図１は、複数のシュラウデッド・ベローズ（被筒式ベローズ）１２を含む管サブシステム１０の正面概略図である。管サブシステム１０は、複数のロッド端リンク１６を用いてガスタービンエンジン１４の半径方向外側に取付けられる。ロッド端リンク１６は、エンジンケーシング２２の外面２０から半径方向外向きに延びる。各ロッド端リンク１６は、管サブシステム１０に固定するための円形ストラップ２４を含む。

管サブシステム１０は、互いに接合されて流路を形成する複数の配管セクション３０を含む。各ロッドリンクストラップ２４は、配管セクション３０の１つに固定され、その配管セクション３０をエンジンケーシング２２に固定する。各シュラウデッド・ベローズ１２は、以下にさらに詳細に説明するが、隣接する配管セクション３０間で流れ連通状態で接合されて、配管３０の隣接セクション間で実質的に漏れのない屈曲角形成部をもつたわみ管継手を構成する。さらに、ベローズ１２は、配管セクション３０を物理的にたわませるのに必要となる可能性があるたわみ性を管サブシステム１０与えて、エンジン１４の他の部品（図示せず）との間の据付けを容易にしまたエンジン作動時における配管セクション３０の熱膨張を吸収する。

図２は、第1の管３４を流れ連通した状態で第2の管３６と結合するために用いるシュラウデッド・ベローズ１２の一部を切欠いた側面図である。シュラウデッド・ベローズ１２は、隣接する管３４及び３６間での流体の漏れを防止しながら管３４及び３６間でのピボット運動又は関節運動を可能にする。第１の管３４は第１の直径３７を有し、また第２の管３６は第２の直径３８を有する。

シュラウデッド・ベローズ１２は、同軸の管状内側シュラウド４２を部分的に囲む管状外側シュラウド４０を含む。外側シュラウド４０は一体部品であり、第１の端部４４に、第１の管３４に取付けるための一体の円筒形スリーブ４６を含む。シュラウド４０はまた、第２の端部４８に一体の球状凹面形アニュラス５０を含む。

内側シュラウド４２は、第１の端部５２に、第２の管３６に取付けるための円筒形スリーブ５４を含む。シュラウド４２は、第２の端部５６に一体の球状凸面形アニュラス５８を含む。凸面形アニュラス５８の外径（図示せず）は、凹面形アニュラス５０の内径（図示せず）とほぼ等しいので、内側シュラウド凸面形アニュラス５８は、外側シュラウド凹面形アニュラス５０と摺動可能に接触する。

管状ベローズ７４は、内側及び外側シュラウドの中心軸線（図示せず）と同軸である。ベローズ７４は、内側シュラウド４２とベローズライナ７５との間に位置し、それぞれ配管の第１及び第２の部品３４及び３６をそれらの間での限られたピボット運動を許しながら密封状態で結合することを可能にする。ベローズ７４は、複数の軸方向に間隔を置いて配置された回旋部７６を含み、この回旋部７６により、それぞれ内側及び外側シュラウド４２及び４０間のたわみシールが可能になる。隣接する回旋部７６の対応する部分が、ベローズ７４のピッチ８０を定める。

図３は、シュラウデッド・ベローズ１２（図１及び図２に示す）を含む、管サブシステム１０（図１に示す）のような管サブシステムの固有周波数応答をモデリング（モデル化）する方法のフローチャート１００である。本方法は、キーボード及びディスプレイのようなインターフェイス（図示せず）、プロセッサ並びにメモリを含む、パーソナル・コンピュータ又はワークステーションのようなコンピュータ（図示せず）上で実行できる。

最初に、管サブシステム特性を示す入力値が、選択される（Ｓ１１０）。より具体的には、動的作動条件入力（Ｓ１１４）及びシュラウデッド・ベローズ幾何学形状入力（Ｓ１１６）に対する値が、選択される。この例示的な実施形態では、動的作動条件入力（Ｓ１１４）は、少なくとも管サブシステム１０（図１及び図２に示す）の作動圧力及び振動環境を表すデータを含み、シュラウデッド・ベローズ幾何学形状入力（Ｓ１１６）は、ベローズピッチ８０（図２に示す）及びベローズ接合管直径３７及び３８（図２に示す）を表すデータを含む。このような入力（Ｓ１１４）及び（Ｓ１１６）は、例えばオペレータによって選択される。

次ぎに、解析される管サブシステム１０の剛性係数が、求められる（Ｓ１２０）。シュラウデッド・ベローズ１２（図１及び図２に示す）を静剛性部品試験データに基づいて指定したばね定数をもつばね要素としてモデル化するのに代えて、シュラウデッド・ベローズ１２は、動剛性部品試験データに基づいて指定した剛性係数をもつ標準的幾何学形状を用いて特性が特定される。剛性係数は、特定のシュラウデッド・ベローズ要素の動剛性を設定するように選択的に調整することができる有限要素入力である。剛性係数は、管サブシステム直径３７及び３８、システム作動圧力、ベローズピッチ８０、並びに動的システム作動入力が考慮された回帰方程式を用いて求められる（Ｓ１２０）。

回帰方程式は、幾つかの異なるシュラウデッド・ベローズ構成を試験した結果として得られた動剛性試験データに基づいている。各異なるシュラウデッド・ベローズ構成は、特定のシュラウデッド・ベローズ構成に対する特有の剛性係数を求め、管サブシステム解析モデルを作り出すように解析的にモデル化することができる。モデル化がそれに基づいてなされた動剛性試験データを反映させて、広範な範囲の管サブシステム寸法及び作動条件に対して剛性係数回帰方程式を用いることができる。管サブシステム解析モデル内で、適当な剛性係数が標準的幾何学形状ベローズ要素に入力される（Ｓ１２４）。

この例示的な実施形態では、シュラウデッド・ベローズ１２は、適用したたわみ率である剛性係数をもつ管要素である標準的幾何学形状要素を用いて特性が特定される。たわみ率は、有限要素解析での管要素の固有周波数応答を振動部品試験の固有周波数応答に一致させることによってたわみ率を最適化する対話方式を用いて求められた。標準的管要素に指定したたわみ率を、ベローズ要素の解析的固有周波数応答がベローズ試験部品の固有周波数応答と等しくなるまで、徐々に増大するように変化させた。例えば、１つの実施形態では、およそ一定の２ｇ振動環境内でおよそ１００ｐｓｉａに予圧されたシステム内部で片持ち支持した１２インチの直線状管セクション（図示せず）に中心合わせした直径３インチのシュラウデッド・ベローズが、１６６Ｈｚの固有周波数応答を生じた。有限要素解析を用いておよそ０．３２８のたわみ率を指定することで解析モデルがほぼ同じ作動条件のもとでの部品試験片と同一の固有周波数応答を生じることを可能にしたことを判定して、試験部品をモデル化した。

次ぎに管サブシステム解析モデルを解いて（Ｓ１３０）、管サブシステム固有周波数応答を求めるか又は予測する。その結果、シュラウデッド・ベローズ動的応答のより正確な推定が可能になるので、シュラウデッド・ベローズ管サブシステムは、より信頼性がある設計にすることができる。

１つの実施形態では、管サブシステムは、オハイオ州シンシナチ所在のgeneral Electric Aircraft Enginesから入手可能なＣＦ３４−８型航空機エンジン冷却システム（図示せず）であり、ＣＦ−３４−８型航空機エンジン冷却システムの管システム固有周波数応答が予測される（Ｓ１３２）。回帰方程式は、振動環境入力（Ｓ１１４）、作動圧力（Ｓ１１４）、管システム直径３７及び３８並びにベローズピッチ情報８０を用いて、ＣＦ３４−８型航空機エンジンダクト系統内に含まれるベローズ要素１２のたわみ率を求める（Ｓ１２０）。回帰方程式は、管ベローズ要素に指定されるべきたわみ率を求める（Ｓ１２０）。有限要素解析を解くことにより、特定のエンジン振動環境に対するＣＦ３４−８型航空機エンジンダクト系統の固有周波数応答を得ることができる。得られた固有周波数応答により、ダクト支持体の位置を決定することが可能になる。

上述のモデリング方法は、費用効果が良くかつ正確である。本モデリング方法は、回帰方程式を用いることによってシュラウデッド・ベローズの剛性をシミュレーションしかつ予測する。複数のシュラウデッド・ベローズ構成の動剛性試験データに基づいた回帰方程式により、動剛性試験データに基づいて指定したたわみ率をもつ標準的幾何学形状要素を用いてシュラウデッド・ベローズの特性を特定することが可能になる。その結果、本モデリング装置は、費用効果が良くかつ信頼がある方法で、シュラウデッド・ベローズ部品を含む管サブシステムの固有周波数応答を予測するのを可能にする。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更形態で実施できることは、当業者には明らかであろう。

複数のシュラウデッド・ベローズを含む管サブシステムの正面概略図。 図１に示す管サブシステムに用いるシュラウデッド・ベローズの一部を切欠いた側面図。 図１に示す管サブシステムのような管サブシステムの固有周波数応答をモデル化する方法のフローチャート。

符号の説明

１０ 管サブシステム
１２ シュラウデッド・ベローズ
１４ ガスタービンエンジン
１６ ロッド端リンク
２０ エンジンケーシングの外面
２２ エンジンケーシング
２４ 円形ストラップ
３０ 配管セクション

Claims (8)

1. シュラウデッド・ベローズ（１２）部品の振動に対する固有周波数応答を予測する（１３２）方法であって、
   動剛性部品試験データに基づく回帰方程式を用いて、前記シュラウデッド・ベローズ部品の剛性係数を求める（１２０）ステップ、
   前記求めた剛性係数をコンピュータモデルに入力し、前記剛性係数に基づき、たわみ率と標準的幾何学形状を適用して、固有周波数応答を予測するステップ、
   前記固有周波数応答に基づいてダクト支持体の位置を決定するステップ、
   を含む方法。
2. 前記シュラウデッド・ベローズ（１２）部品は、隣接する配管セクション間で流れ連通状態で接合され、該隣接する配管セクション間で漏れのない屈曲角形成部をもつたわみ管継手を構成し、前記配管セクションの熱膨張を吸収する、請求項１記載の方法。
3. 少なくとも作動圧力及び振動環境を前記モデルに入力するステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
4. ベローズピッチ（８０）及び接合管直径（３７）のうちの少なくとも１つを含む幾何学形状を前記モデルに入力するステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. シュラウデッド・ベローズ（１２）部品の振動に対する固有周波数応答を求める装置であって、
   プロセッサを含み、
   該プロセッサが、
   動剛性部品試験データに基づく回帰方程式を用いて、前記シュラウデッド・ベローズ部品の剛性係数を求め（１２０）、
   前記求めた剛性係数をコンピュータモデルに入力し、前記剛性係数に基づき、たわみ率と標準的幾何学形状を適用して、固有周波数応答を予測し、
   前記固有周波数応答に基づいてダクト支持体の位置を決定するように構成されている装置。
6. 前記幾何学形状が、ベローズピッチ（８０）及び接合管直径（３７）のうちの少なくとも１つを含む、請求項５記載のモデリング装置。
7. 前記プロセッサが、シュラウデッド・ベローズ幾何学形状入力（１１６）及び動的作動条件入力（１１４）を前記モデルに入力するように構成されている、請求項５または６記載のモデリング装置。
8. 前記シュラウデッド・ベローズ（１２）部品は、隣接する配管セクション間で流れ連通状態で接合され、該隣接する配管セクション間で漏れのない屈曲角形成部をもつたわみ管継手を構成し、前記配管セクションの熱膨張を吸収する、請求項５乃至７のいずれかに記載の装置。

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