JP4884102B2

JP4884102B2 - ガスタービンエンジン用の弁組立体

Info

Publication number: JP4884102B2
Application number: JP2006179377A
Authority: JP
Inventors: ドナルド・マイケル・コースメイアー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: JP2007064208A; EP1760271B1; CA2550458A1; EP1760271A3; CA2550458C; BRPI0602928B1; US7475532B2; US7818957B2; US20090035127A1; US20070234736A1; EP1760271A2; BRPI0602928A

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン用の弁組立体に関する。

少なくとも幾つかの公知の航空機用ガスタービンエンジンは、ファンと、圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンと、低圧タービンと、オーグメンタすなわち「アフタバーナ」とを含む。ファンに流入した空気流は、加圧される。ファンから流出した空気流は分割されて、一部分は圧縮機内に導かれ、またファンバイパス流と呼ばれる残りの部分はバイパス通路内に導かれて、圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを迂回する。圧縮機に流入した空気流は、加圧されて燃焼器に導かれ、燃焼器において空気流は燃料と混合されかつ点火されて、高圧及び低圧タービンの両方を駆動するために使用される高温燃焼ガスを発生する。さらに、少なくとも幾つかの公知ガスタービンエンジンは、オーグメンタ内で、ファンバイパス流の一部分を低圧タービンから流出した空気流と混合する。さらに、少なくとも幾つかのガスタービンエンジンは、オーグメンタに流入するファンバイパス流の少なくとも一部分を調整するように構成された弁組立体を含む。しかしながら、公知の弁組立体は、油圧アクチュエータによって駆動されるクランクアームを含む。従って、そのような弁組立体は、設計が比較的複雑であり、航空機のコスト及び重量を増加させ、従って航空機の燃料効率を低下させる。
米国特許第４，１７５，３８４号公報米国特許第５，３４３，６９７号公報

本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。

１つの態様では、加圧空気をガスタービンエンジンオーグメンタに流す方法を提供する。本方法は、環状スライド弁をガスタービンエンジン分離ライナに結合する段階と、環状スライド弁と弁座との間に空気流通路が形成されるように、該弁座をガスタービンエンジンディフューザに結合する段階と、加圧空気を環状スライド弁に導いてガスタービンエンジンオーグメンタに流れるファンバイパス空気の量を調整するのを可能にする段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用の環状スライド弁組立体を提供する。本環状スライド弁組立体は、ガスタービンエンジン分離ライナに結合された環状スライド弁と、環状スライド弁との間に空気流通路が形成されるように、ガスタービンエンジンディフューザに結合された弁座と、環状スライド弁に結合され、かつ加圧空気を該環状スライド弁に導いてガスタービンエンジンオーグメンタに流れるファンバイパス空気の量を調整するのを可能にするように構成された制御バルブとを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、ファンと、圧縮機と、圧縮機と流れ連通状態で結合されたタービンと、タービンを囲む外側ケーシングと、ファンと流れ連通状態になったオーグメンタと、ファンバイパス空気をオーグメンタに流すように構成された環状スライド弁組立体とを含む。環状スライド弁組立体は、環状スライド弁と、環状スライド弁との間に空気流通路が形成されるように配置された弁座と、環状スライド弁に結合され、かつ加圧空気を該環状スライド弁に導いてガスタービンエンジンオーグメンタに流れるファンバイパス空気の量を調整するのを可能にするように構成された制御バルブとを含む。

図１は、長手方向中心線１１を有する例示的な可変サイクルガスタービンエンジン１０の概略図である。図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）の拡大図である。ガスタービンエンジン１０は、周囲空気１４を受けるための環状入口１２と、軸方向流れ関係で環状入口１２に後続したファン組立体１６と、高圧圧縮機（ＨＰＣ）２０と、燃焼器２２と、高圧タービン（ＨＰＴ）２４と、低圧タービン（ＬＰＴ）２６と、オーグメンタ４２とを含む。ＨＰＴ２４は、第１のシャフト２８を介してＨＰＣ２０を駆動する。ＬＰＴ２６は、第２のシャフト３０によってファン組立体１６を駆動する。エンジン１０はさらに、内側ケーシング３４から間隔をおいて配置された外側ケーシング３２を含み、バイパスダクト３６を形成する内側ケーシング３４の前方セクション３５を含む。この例示的な実施形態では、オーグメンタ４２は、ディフューザ４４を含む。

この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０はまた、バイパスダクト３６内に配置された分離ライナ６０を含む。より具体的には、分離ライナ６０は、バイパスダクト３６が第１のバイパスダクト６２と該第１のバイパスダクト６２から半径方向外側に位置する第２のバイパスダクト６４とに分離されるように、バイパスダクト３６内に配置される。従って、またこの例示的な実施形態では、バイパスダクト３６に流入したファンバイパス空気４１は、第１の空気流ストリーム６６と第２の空気流ストリーム６８とに分割される。ガスタービンエンジン１０はまた、第１のバイパスダクト６２を通って流れる第１の空気流ストリーム６６のボリュームを調整するのを可能にする弁組立体１００を含む。

図３は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で使用することができる第１の作動構成になっている例示的な弁組立体１００の概略図である。図４は、第２の作動構成になっている弁組立体１００の概略図である。弁組立体１００は、例示的なエンジン１０と組合せた状態で示しているが、弁組立体１００はまた、多様なガスタービンと組合せるでき、本明細書に記載した本発明の技術的範囲を限定するものではないことを理解されたい。

この例示的な実施形態では、スライド弁組立体１００は、分離ライナ６０に摺動可能に結合された環状スライド弁１１０と、ディフューザ４４に結合された環状弁座１１２とを含む。この例示的な実施形態では、弁座１１２は、例えばろう付け又は溶接法を用いてディフューザ４４に結合される。別の実施形態では、弁座１１２は、複数の機械式ファスナを使用してディフューザ４４に結合される。

この例示的な実施形態では、スライド弁１１０は、分離ライナ６０の半径方向内側表面１２０から半径方向内向きにかつ該半径方向内側表面１２０の周りで円周方向に延びる。より具体的には、スライド弁１１０は、該スライド弁１１０が分離ライナ６０に実質的に内接するように、ほぼ環状でありかつ該分離ライナ６０の内周の周りで延びる。スライド弁１１０は、半径方向内側表面１２２と半径方向外側表面１２４とを含む。この例示的な実施形態では、半径方向内側表面１２２は、第１の端部１２６から頂点１２８まで徐々にテーパし、また頂点１２８から第２の端部１３０まで徐々にテーパする。スライド弁１１０は、半径方向外側表面１２４内に形成された少なくとも１つの溝１３２と、該溝１３２内に少なくとも部分的に配置されてスライド弁１１０と分離ライナ６０との間にシール接触を形成するのを可能にするシール１３４とを含む。この例示的な実施形態では、シール１３４は、それに限定されないが、エラストマー複合材のような材料で製作される。

弁組立体１００はまた、スライド弁の第２の端部１３０に結合された後方シールハウジング１５０を含む。より具体的には、後方シールハウジング１５０は、該後方シールハウジング１５０が分離ライナ６０に実質的に内接するように、ほぼ環状でありかつ分離ライナ６０の内周の周りで延びる。後方シールハウジング１５０は、第１の端部１５４と第２の端部１５６とを有する本体部分１５２を含む。

この例示的な実施形態では、後方シールハウジング１５０はまた、パッキンケーシング１６０と、該パッキンケーシング１６０内に形成された溝１６４内に受けられたシール１６２とを含む。この例示的な実施形態では、溝１６４は、パッキンケーシング１６０が半径方向外向きに面するように、該パッキンケーシング１６０内に半径方向にかつ該パッキンケーシング１６０の外周の周りで延びるほぼＣ字形状の断面輪郭を有する。この例示的な実施形態では、シール１６２は、それに限定されないが、エラストマー複合材のような材料で製作される。

後方シールハウジング１５０はまた、ハウジング１７０と、該ハウジング１７０内に形成された溝１７４内に受けられた複数の排気ノズルフォロアリンク１７２とを含む。この例示的な実施形態では、溝１７４は、該溝１７４が軸方向後方に面するように、ハウジング１７０内に半径方向に延びるほぼＣ字形状の断面輪郭を有する。この例示的な実施形態では、本体部分１５２、パッキンケーシング１６０及びハウジング１７０は、互いが後方シールハウジング１５０を形成するように製作され、次にこの後方シールハウジング１５０は、例えば複数のファスナを使用してスライド弁１１０に結合される。別の実施形態では、後方シールハウジング１５０は、例えばろう付け及び／又は溶接法によってスライド弁１１０に結合される。さらに別の実施形態では、スライド弁１１０と後方シールハウジング１５０とは、一体的に単体構造として製作される。

この例示的な実施形態では、排気ノズルフォロアリンク１７２は、分離ライナ６０にピボット動可能に結合され、後方シールハウジング１５０は、例えば複数の軸受１８２を使用して排気ノズルフォロアリンク１７２にピボット動可能に結合される。一般に「ドッグボーンリンク」と呼ばれる排気ノズルフォロアリンク１７２は、両端部に球面タイプ軸受、つまり「ユニボール」を備えたリンクである。より具体的には、スライド弁１１０は、該スライド弁１１０が長手方向中心線１１（図１に示す）とほぼ平行な第１の方向１９０及び／又は第２の方向１９２に作動可能になるように、後方シール組立体１５０を介して排気ノズルフォロアリンク１７２にピボット動可能に結合される。従って、作動時に、スライド弁１１０は、長手方向中心線１１に沿って前方向及び／又は後方向に移動可能である。

この例示的な実施形態では、弁座１１２は、ディフューザ４４の外側表面１８４から半径方向外向きにかつ該外側表面１８４の周りで円周方向に延びる。より具体的には、弁座１１２は、該弁座１１２がディフューザ４４に実質的に外接ように、ほぼ環状でありかつディフューザ４４の外周の周りで延びる。弁座１１２は、第１の端部２０２から第２の端部２０４まで延びる半径方向外側表面２００を含む。この例示的な実施形態では、外側表面２００は、第１の端部２０２から頂点２０６まで徐々にテーパし、また頂点２０６から第２の端部２０４までほぼ直線的である。より具体的には、スライド弁１１０は、弁座部分１１２と作動的に係合して、第１のバイパスダクト６２を通って流れる第１の空気流ストリーム６６のボリュームを調整するのを可能にするように構成される。

スライド弁組立体１００はまた、作動システム２２０を含む。この例示的な実施形態では、作動システム２２０は、制御又は作動バルブ２２２と、供給マニホルド２２４と、排出マニホルド２２６とを含む。この例示的な実施形態では、制御バルブ２２２は、弁組立体１００が実質的に閉鎖した第１の位置（図４に示す）から弁組立体１００が実質的に開放した第２の位置（図３に示す）までスライド弁１１０を移動させるように構成された二位置多流路作動バルブである。

より具体的には、制御バルブ２２２は、それに限定されないが、例えば圧縮機２０のような空気供給源に結合された空気供給入口２３０を含み、圧縮機２０から吐出された空気が入口２３０に流れるようになる。別の実施形態では、入口２３０は、それに限定されないが、空気圧縮機のような外部空気供給源に結合される。より具体的には、分離ライナ６０は、シールハウジング２６０と該シールハウジング２６０内に少なくとも部分的に配置されたシール２６２とを含み、シール２６２とスライド弁の半径方向外側表面１２４との間にシール接触が形成されるようになる。従って、シール２６２は、該シール２６２、シール１３４、分離ライナの半径方向内側表面１２０及びスライド弁の半径方向外側表面１２４間に画定された第１の空洞２７０と、該シール２６２、シール１６２、分離ライナの半径方向内側表面１２０及びスライド弁の半径方向外側表面１２４間に画定された第２の空洞２７２とを形成するのを可能にする。

作動時、また図３を参照すると、スライド弁１１０を後方向１９２に、つまり開放位置に移動させるのを可能にするために、加圧空気が、入口２３０及び供給マニホルド２２４を通して空洞２７２内に導かれる。空洞２７２内の加圧空気は、シール２６２及びシール１６２に対して反力を作用させ、従ってスライド弁１１０を後方向１９２に移動させる。それに代えて、図４に示すように、加圧空気が、入口２３０及びマニホルド２２６を通して空洞２７０内に導かれる。空洞２７０内の加圧空気は、シール２６２及びシール１３４に対して反力を作用させ、従ってスライド弁１１０を前方向１９０に移動させる。

以上、環状スライド弁組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。具体的には、ガスタービンエンジンは、オーグメンタの軸方向前方に位置した環状スライド弁組立体を含み、この環状スライド弁組立体は、ファンバイパス空気が２つの別個の空気ストリームに分離されると、内側ファンバイパス空気ストリームを環状スライド弁の前後運動によって制御するようにする。例えば、ＳＴＯＶＬ（短距離垂直離着陸）モード中には、弁組立体を閉鎖位置に維持して、少量の空気がオーグメンタに流れ、それによってオーグメンタに流入しない空気をＳＴＯＶＬのために使用することを可能にするようにし、他方、通常の飛行中には、弁組立体を開放位置に位置させて、オーグメンタに流れる空気の量を増加させ、それによって前進推力を増大させるようにする。従って、本明細書に記載した弁組立体は、この例示的な実施形態では、完全後方での最大流路面積又は完全前方での最小流路面積のいずれかになる二位置弁である。別の実施形態では、環状スライド弁は、バイパス空気の量を調整するのを可能にするために複数の位置に位置させることができる調整弁である。さらに、空気弁組立体を利用することにより、少なくとも１つの公知の油圧アクチュエータ駆動システムを排除することによって航空機の重量を低減することが可能になる。

以上、環状スライド弁組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。スライド弁組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろスライド弁組立体の構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。例えば、スライド弁組立体は、あらゆるガスタービンエンジンにおいて利用することができ、或いはガスタービンエンジンの他の弁組立体と組合せて利用することができる。

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で実施することができることは、当業者には明らかであろう。

例示的な可変サイクルガスタービンエンジンの概略図。図１に示す例示的な可変サイクルガスタービンエンジンの一部分の拡大概略図。図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる第１の作動構成になっている例示的な弁組立体の概略図。第２の作動構成になっている、図３に示す弁組立体の概略図。

符号の説明

１０ガスタービンエンジン
１１長手方向中心線
１２環状入口
１４周囲空気
１６ファン組立体
２０高圧圧縮機（ＨＰＣ）
２２燃焼器
２４高圧タービン（ＨＰＴ）
２６低圧タービン（ＬＰＴ）
２８第１のシャフト
３０第２のシャフト
３２外側ケーシング
３４内側ケーシング
３５前方セクション
３６バイパスダクト
４１ファンバイパス空気
４２オーグメンタ
４４ディフューザ
６０分離ライナ
６２第１のバイパスダクト
６４第２のバイパスダクト
６６第１の空気流ストリーム
６８第２の空気流ストリーム
１００スライド弁組立体
１１０スライド弁
１１２環状弁座
１２０ライナの半径方向内側表面
１２２半径方向内側表面
１２４弁の半径方向外側表面
１２６第１の端部
１２８頂点
１３０スライド弁の第２の端部
１３２溝
１３４シール
１５０後方シールハウジング
１５２本体部分
１５４第１の端部
１５６第２の端部
１６０パッキンケーシング
１６２シール
１６４溝
１７０ハウジング
１７２排気ノズルフォロアリンク
１７４溝
１８０ファスナ
１８２軸受
１８４外側表面
１９０第１の方向
１９０前方向
１９２後方向
１９２第２の方向
２００半径方向外側表面
２０２第１の端部
２０４第２の端部
２０６頂点
２２０作動システム
２２２制御又は作動バルブ
２２４供給マニホルド
２２４供給マニホルド
２２６排出マニホルド
２３０空気供給口
２６０シールハウジング
２６２シール
２７０第１の空洞
２７２第２の空洞

Claims

ガスタービンエンジン分離ライナ（６０）に結合された環状スライド弁（１１０）と、
前記環状スライド弁との間に空気流通路が形成されるように、ガスタービンエンジンディフューザ（４４）に結合された弁座（１１２）と、
前記環状スライド弁に結合された作動制御バルブ（２２２）と、を含み、
前記制御バルブが、加圧空気を前記環状スライド弁に導いてガスタービンエンジンオーグメンタ（４２）に流れるファンバイパス空気の量を調整するのを可能にするように構成されている、
ガスタービンエンジン（１０）用の環状スライド弁組立体（１００）。
前記環状スライド弁（１１０）とガスタービンエンジン分離ライナ（６０）との間に結合された第１のシール部材と、
前記環状スライド弁とガスタービンエンジン分離ライナとの間に第１の空洞（２７０）が形成されるように、該環状スライド弁とガスタービンエンジン分離ライナとの間に結合された第２のシール部材と、
前記環状スライド弁とガスタービンエンジン分離ライナとの間に第２の空洞（２７２）が形成されるように、該環状スライド弁とガスタービンエンジン分離ライナとの間に結合された第３のシール部材と、
をさらに含む、請求項１記載の環状スライド弁組立体（１００）。
前記制御バルブ（２２２）が、加圧空気を前記第１及び第２の空洞の少なくとも１つ内に導いて軸方向前方向（１９０）及び軸方向後方向（１９２）の少なくとも１つの方向に前記環状スライド弁（１１０）を移動させるのを可能にするように構成されている、請求項２記載の環状スライド弁組立体（１００）。
前記環状スライド弁（１１０）に結合された後方シールハウジング（１５０）をさらに含み、前記第３のシール部材が、前記環状スライド弁とガスタービンエンジン分離ライナ（６０）との間にシール（１６２）が形成されるように、前記後方シールハウジング内に少なくとも部分的に配置されている、請求項２記載の環状スライド弁組立体（１００）。
前記後方シールハウジング（１５０）とガスタービンエンジン分離ライナ（６０）との間に結合されて前方向（１９０）及び後方向（１９２）の少なくとも１つの方向に前記環状スライド弁（１１０）を移動させるのを可能にする少なくとも１つのフォロアリンクをさらに含む、請求項４記載の環状スライド弁組立体（１００）。
前記後方シールハウジング（１５０）が、
本体部分（１５２）と、
前記本体部分に結合され、かつ前記第３のシール部材を受けるように構成されたほぼＵ字形状の断面輪郭を有するパッキンケーシング（１６０）と、
前記本体部分に結合され、ほぼＵ字形状の断面輪郭を有し、かつその内部に前記少なくとも１つのフォロアリンクが少なくとも部分的に配置されたハウジング（１７０）と、を含む、
請求項５に記載の環状スライド弁組立体（１００）。
圧縮機と、
前記圧縮機と流れ連通状態で結合されたタービンと、
前記圧縮機及びタービンを囲む外側ケーシング（３２）と、
前記圧縮機と流れ連通状態になったオーグメンタ（４２）と、
加圧空気を前記圧縮機から前記オーグメンタに流すように構成された環状スライド弁組立体（１００）と、
を含み、前記環状スライド弁組立体が、
環状スライド弁（１１０）と、
前記環状スライド弁との間に空気流通路が形成されるように配置された弁座（１１２）と、
前記環状スライド弁に結合され、かつ加圧空気を該環状スライド弁に導いてガスタービンエンジンオーグメンタに流れるファンバイパス空気（４１）の量を調整するのを可能にするように構成された制御バルブ（２２２）と、を含む、
ガスタービンエンジン（１０）。
前記圧縮機及びタービンを囲む外側ケーシング（３２）と、
前記外側ケーシングの半径方向内側に結合され、かつそれに対して前記弁座（１１２）が結合されたディフューザ（４４）と、
前記外側ケーシングとディフューザとの間に結合され、かつそれに対して前記環状スライド弁（１１０）が結合された分離ライナ（６０）と、
をさらに含む、請求項７記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記環状スライド弁組立体（１００）が、
前記環状スライド弁（１１０）と分離ライナ（６０）との間に結合された第１のシール部材と、
前記環状スライド弁と分離ライナとの間に第１の空洞（２７０）が形成されるように、該環状スライド弁と分離ライナとの間に結合された第２のシール部材と、
前記環状スライド弁と分離ライナとの間に第２の空洞（２７２）が形成されるように、該環状スライド弁と分離ライナとの間に結合された第３のシール部材と、をさらに含む、
請求項７記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記制御バルブ（２２２）が、加圧空気を前記第１の空洞（２７０）及び第２の空洞（２７２）の少なくとも１つ内に導いて軸方向前方向（１９０）及び軸方向後方向（１９２）の少なくとも１つの方向に前記環状スライド弁（１１０）を移動させるのを可能にするように構成されている、請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。