JP5237583B2 - 熱音響エンクロージャ及びガスタービンエンジン組立体 - Google Patents

Description

本発明は、作動中に熱と音エネルギーを発生する装置用のエンクロージャに関する。特に、船舶または工業等の用途に使用されるタービンエンジン用のエンクロージャに関する。

船舶または工業用途でパワーを生成するために使用されるガスタービンエンジンは、エンジン作動中に発生する雑音または音エネルギーのレベルを下げるとともに防火も提供するために、エンクロージャ内に収容されまたは実装される必要がある。代表的には、このようなエンクロージャの現在の設計は、質量が音を減衰する第１の要因であり、それゆえに質量が増大すると音減衰や伝送損失が増大する結果となるとの理論に基づいて重金属構造を有する。したがってこのエンクロージャの壁は、所望する音周波数減衰を達成するために多数の補強桁を有する重くて硬い多孔質金属板を含む。音響エネルギーを減衰しかつ熱伝達を低減するために減衰成分が添加される。その結果、音響エンクロージャが比較的重くなる。
米国特許出願第１０／９８７，６０６号明細書

航海用船舶等の輸送手段では、エンジンエンクロージャの法外な重さにより、船舶を推進するための燃料がさらに必要となる。従って、増強された音響特性と防火を兼ねたエンクロージャ壁を通した熱伝達を低減することのできる軽量エンクロージャを提供すると有利であり、また望ましい。

１態様において、エンクロージャ中空内装の少なくとも１部を限定する少なくとも１つの壁を有する装置用エンクロージャが提供される。壁は内パネルと外パネルとを有し、この内パネルはエンクロージャ中空内装から外側へと順次、貫通して延びる複数の穿孔を有する内シートと、内シートに連結された複数のパネル補剛部材と、複数のパネル補剛部材間に近接して配置された非金属吸音材料を有する少なくとも１つの内パネル吸音部材とを有し、外パネルはエンクロージャの外側から内側へと順次、離間した第１、第２壁を含む非金属複合材料を有する外パネルサンドイッチ部材と、第１、第２壁間に延設されてそれらの間に中空室を限定する複数の離間した横壁とを有し、内パネルの外表面が外パネルの外表面と実質同一平面となるように外パネルが内パネルに連結されている。

別の態様において、ガスタービンエンジン組立体が提供される。このガスタービンエンジン組立体は、第１壁、第２壁、第３壁および第４壁を含むエンクロージャを有する。各壁は内パネルと外パネルとを有し、内パネルはエンクロージャ中空内装から外側へと順次、貫通して延びる複数の穿孔を有する内シートと、内シートに連結された複数のパネル補剛部材と、複数のパネル補剛部材間に近接して配置された非金属吸音材料を含む少なくとも１つの内パネル吸音部材とを有し、外パネルはエンクロージャの外側から内側へと順次、離間した第１、第２壁を含む非金属複合材料を有する外パネルサンドイッチ部材と、第１、第２壁間に延設されてそれらの間に中空室を限定する複数の離間した横壁とを有し、内パネルの外表面が外パネルの外表面と実質同一平面となるように外パネルが内パネルに連結され、ガスタービンエンジンがエンクロージャ内に配置されている。

またここでは、ガスタービンエンジン組立体を組み立てるための方法が開示される。この方法は第１壁、第２壁、第３壁および第４壁を互いに連結してエンクロージャを形成することを含み、第１壁、第２壁、第３壁または第４壁の少なくとも１つが、内層と外層と内層、外層間に複数の離間した横壁とを含む第１パネルと、少なくとも１つの外層と第１音響材料とを含む第２パネルとを含み、第１パネルの外表面が第２パネルの外表面と同一平面となるように第１パネルが第２パネルに連結されており、ガスタービンエンジンの少なくとも１部がエンクロージャ内に収容されるようにガスタービンエンジンがエンクロージャ内に配置されている。

船舶用途で使用するためのガスタービンエンジンを実装または収容するために使用される現在のエンクロージャの設計は、重金属構造を用いて音響伝達損失要求を提供する。現在の先行技術によるエンクロージャの壁の１態様が、図１の略部分断面図に符号２で全体的に示してある。壁２は、エンクロージャ壁２の外側３から順次、重金属板４と、吹付け厚ゴム被覆材料５と、音響エネルギーの減衰を提供するために不織布補強材６（一般には薄膜外被材７を含む）と、エンクロージャの内側またはエンクロージャ中空内装１０に隣接して穿孔金属フェースシート８（貫通孔９を含む）とを含む。このような先行技術の構造を支持するのは、多数の重金属補剛桁（図示せず）である。このような現行設計の結果、特殊な音エネルギー減衰要求を満たすためにエンクロージャ構造が比較的重くなる。

本発明の態様は、壁に対して高い減衰と補剛特性を提供するために繊維強化成分を含む主に非金属複合材料を利用して作製された壁構成要素を含むことにより重金属壁および支持部を削減する。その結果、より軽量の支持フレームが構造的に強く、さらに軽量のエンクロージャを提供するのに使用することができ、防火および面内剪断負荷能力とともに、強化された音響特性を有し、エンクロージャ壁を通した熱伝達を低減する。

本発明は、図面の他の図を参照してさらに容易に理解できる。図２は、吸気部分１２とエンジン部分１４と排気部分１６とを含む例示的ガスタービンエンジン１１の略図である。エンジン部分１４は、少なくとも１つの圧縮機１８と燃焼器２０と高圧タービン２２と低圧タービン２４とを直列に結合して有する。吸気部分１２は吸気口２６を含み、排気部分１６は排気ノズル２８を含む。１実施形態では、エンジン１１が、オハイオ州シンシナティのゼネラル・エレクトリック株式会社からの市販で入手可能なＬＭ２５００エンジンである。圧縮機１８とタービン２２は第１シャフト３０で連結されており、タービン２４と被動負荷３２は第２シャフト３４で連結されている。

作動中、空気はエンジン吸気口２６を通して圧縮機１８に流入して圧縮される。圧縮された空気は次に燃焼器２０へ導かれ、そこで燃料と混合されて点火される。燃焼器２０からの空気流はタービン２２、２４を回転させ、ガスタービンエンジン１１の排気ノズル２８から排出される。

図３は例示的モジュール組立体３６の斜視図である。モジュール組立体３６はあらゆるガスタービンエンジンを囲い込むのに使用できるのではあるが、例示的実施形態においてモジュール組立体３６はガスタービンエンジン１１を囲い込むのに使用されている。例示的実施形態においてモジュール組立体３６は第１壁４０と、第１壁４０に連結された第２壁４２と、第２壁４２に連結された第３壁４４と、第３壁４４および第１壁４０に連結された第４壁４６とを含み、モジュール組立体３６はエンジン組立体１１を囲い込むのに適切な寸法であるほぼ長方形のエンクロージャを限定する。さら詳しく説明すると、第１壁４０は第３壁４４に対して実質平行であり、つまり第２、第４壁４２、４６それぞれに対して実質垂直である。第２壁４２は第４壁４６に対して実質平行であり、第１、第３壁４０、４４それぞれに対して実質垂直である。例示的実施形態においてモジュール組立体３６も同様に天井４８と床５０を含み、天井と床はエンジン組立体１１がモジュール組立体３６の内部に完全に囲い込まれるように第１、第２、第３、第４壁４０、４２、４４、４６の上面または下面にそれぞれ連結されている。

図４の略斜視部分断面図と図４の５−５線に沿った図５の略部分断面図は、本発明の１実施形態による壁４０として全体的に図示されたエンクロージャ壁を表す。本発明は壁４０に関して述べられているが、壁４２、４４、４６、天井４８または床５０は、以下で説明される方法および装置を使用して作製することができると理解されたい。壁４０は、全体に符号６０とした内パネルと全体に符号６２とした外パネルを有する。

内パネル６０は、エンクロージャ中空内装１０から外側へと順次、代表的には鋼等の金属からなる内パネル内シート７０を中空内装１０に含み、貫通した複数の穿孔７２を有する。シート７０の内パネル吸音部材７４は実質的に市販で入手可能な非金属吸音材料からなり、例えばポリマーフォームまたは多孔質材料であり、一般にポリウレタン、ロックウール、フェノール樹脂、メラミン樹脂等の材料からなる。図４、図５に示す部材７４は、音減衰にとって望ましい同一材料または各種材料からなる複数の層を含む。一般に部材７４は例えば金属化ポリマー材料からなる薄膜外被材７６を有する。内パネル６０はさらに、実質的に非金属材料、例えば繊維強化樹脂マトリックスからなる内パネル外シート７８を有する。例示的実施形態において内パネル６０も、内パネル内シート７０と内パネル外シート７８との間で連結された複数のパネル補剛部材８２を有する。例示的実施形態において各補剛部材８２は比較的軽量な複合材料または金属材料から作製されたＩ形桁である。好ましくは各補剛部材８２は、壁４０に対して軽量さと強度との組合せを提供するために実質的に例えば繊維強化等の非金属複合材料からなる。選択的に、「Ｚ」形通路等の他の形状も使用できるのではあるが、各補剛部材８２は吸音部材７４の近くで一般に「Ｃ」形通路を形成することができる。

内パネル６０に関連して、符号８４として全体的に示した内パネル固定手段は、例えば代表的にはボルト、スタッド、ナット、スペーサおよび加圧板として示されている。しかしながら、固定手段は界面接合型または接着型材料を含むことができる。固定手段８４は、内パネル内シート７０、吸音材料７４および内パネル外シート７８を順次保持することができ、内パネル６０内に補剛部材８２を保持することができる。

外パネル６２は、エンクロージャ３６の外側３から内側へと順次、実質的に非金属複合材料からなる符号９０として全体的に示された外パネルサンドイッチ部材を含み、好ましくは剛性強化のため繊維強化されている。サンドイッチ部材９０は、それぞれ離間したサンドイッチ部材である第１、第２壁９２、９４と、これらの間に複数の離間した横壁９６とを含み、これらはそれらの間に複数の中空室９８を限定している。例示的実施形態において外パネル６２も複数の耐熱、耐火および／または吸音コア１００を含み、これらのコアは内壁９２と外壁９４との間にそれぞれ配置されている。さらに詳しく説明すれば、各コア１００は離間した横壁９６の間に配置されており、そのなかに各中空室９８がある。選択的に、外パネル６２はコア１００を含まない。例示的実施形態において各コア１００は、市販で入手可能な非金属材料、例えばポリマーフォームまたは多孔質材料を用いて作製されており、一般にポリウレタン、ロックウール、フェノール樹脂、メラミン樹脂等の材料からなる。

壁４０の組立中、内パネル６０は固定手段８４を用いて外パネル６２に連結されている。具体的に説明すると、内パネル吸音部材７４の外表面が第２パネル第２壁９２の外表面と同一平面となるように内パネル６０は外パネル６２に連結されている。つまり内パネル６０の外表面は外パネル６２の外表面に接触しまたはそれと同一平面にある。選択的に、壁の構造剛性をさらに増しおよび／または壁を通した雑音伝送低下を容易にするために、内パネル外シート７８がパネル６０、６２間に挿入されている。

ここに述べられた比較的軽量のエンクロージャ壁は、３つの個別に最適化された構造要素を１つの一体化された構造に統合する。さらにエンクロージャ壁は、公知のエンクロージャ壁と比較して、音響能力および構造能力を向上している。例えば、作動中、ガスタービンエンジンから放出される音はまず、多層吸音シートで裏打ちされた有孔または固体フェースシートを含む内パネル構造体の表面に当たる。つまり多層吸音シートは補剛材によって水平室または垂直室に分割しておくことができる。こうして、内パネルは音響吸収特性および伝送損失特性を提供する。

つまりエンクロージャ壁は内パネルと外パネルを音響的に絶縁する複数の桁を利用して作製される内部骨格構造を有し、エンクロージャの主要な構造上の支持を提供する。内パネルと外パネルは、機械式絶縁固定手段で桁に固定され、またはシーラントまたは接着剤で接合される。使用中、外パネルは音響伝送損失特性を提供し、熱流を低減し、防火と面内剪断負荷能力を提供する。具体的に説明すると、外パネルは、例えばフォームまたはハニカム等の媒体によって分離された１対の複合フェースシートを含むサンドイッチ状構造として作製されている。例示的実施形態においてフェースシートは、フォームおよびリブ補剛材の両方によって接合されている。リブ間の通路は中空とすることができ、フォームまたは他の吸音媒体で満たされている。複合材料およびサンドイッチ構造の高い減衰・剛性特性により、効率的で軽量の伝送損失構造を提供することが容易となる。別の実施形態において壁構造は比較的薄い金属板を含むことができ、この金属板は外パネルに連結されて、伝送損失をさらに増大させ、つまり防火および外的損傷保護を提供する。サンドイッチパネルに連結された複合材の低い横熱伝導率が、熱流の削減を容易にするとともに比較的低い外部温度も提供する。

その結果、ここで説明されたエンクロージャ壁はエンジンモジュール構造全体の重さを削減し、音響特性向上を提供し、同様に、公知のエンクロージャ壁と比較して外壁温度の低下および防火を提供する。こうして本発明は、主に非金属材料の配置および使用によって、音損失特性と耐熱、耐炎性とともに軽量化と構造安定性との著しく改善された組合せを有するエンクロージャを提供する。本発明が特定の実施例、材料および構造に関して説明されたのではあるが、それらは本発明の範囲を明確にすることを意図されたのであり、いずれかに限定することを意図されたものではないと理解されたい。音・熱エネルギー、材料およびエンクロージャに関する当該技術の専門家なら、本発明が添付した特許請求の範囲から逸脱することなく変更および修正可能であることを理解するであろう。

先行技術による現在の構造の略部分断面図である。 例示的ガスタービンエンジンンの略図である。 図２に示すガスタービンエンジンを含む例示的ガスタービンモジュールエンクロージャ組立体の斜視図である。 本発明の実施形態によるエンクロージャ壁の略斜視部分断面図である。 図４の５−５線に沿った壁の略部分断面図である。

符号の説明

２ エンクロージャ壁
３ 外側
４ 重金属板
５ 厚ゴム被覆材料
６ 不織布補強材
７ 薄膜外被材
８ 金属フェースシート
９ 孔
１０ エンクロージャ中空内装
１１ ガスタービンエンジン
１２ 吸気部分
１４ エンジン部分
１６ 排気部分
１８ 圧縮機
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン
２４ 低圧タービン
２６ 吸気口
２８ 排気ノズル
３０ 第１シャフト
３２ 被動負荷
３４ 第２シャフト
３６ モジュール組立体
４０ 第１壁
４２ 第２壁
４４ 第３壁
４６ 第４壁
４８ 天井
５０ 床
６０ 内パネル
６２ 外パネル
７０ 内パネル内シート
７２ 穿孔
７４ パネル吸音部材
７６ 薄膜外被材
７８ 内パネル外シート
８２ 補剛部材
８４ 固定手段
９０ サンドイッチ部材
９２ 内壁
９４ 外壁
９６ 横壁
９８ 中空室
１００ 吸音コア

Claims (6)

1. 装置用のエンクロージャ（３６）であって、前記エンクロージャが少なくとも１つの壁（４０）を有し、この壁がエンクロージャ中空内装（１０）の少なくとも一部を限定し、
   前記壁が、内パネル（６０）と外パネル（６２）とを有し、
   前記内パネル（６０）は、エンクロージャ中空内装から外側へと順次、貫通して延びる複数の穿孔（７２）を有する内シート（７０）と、前記内シートに連結された複数のパネル補剛部材（８２）と、前記複数のパネル補剛部材間で隣接して配置された非金属吸音材料からなる少なくとも１つの内パネル吸音部材（７４）とを有し、
   前記外パネル（６２）は、エンクロージャの外側から内側へと順次、離間した第１、第２壁（９４、９２）を含む非金属複合材料を有する外パネルサンドイッチ部材（９０）と、前記第１、第２壁の間に延設されてそれらの間に中空室を限定する複数の離間した横壁（９６）とを有し、前記少なくとも１つの内パネル吸音部材（７４）の外表面が、前記外パネルの前記第２壁（９２）の外表面と実質同一平面となるように前記外パネルが前記内パネルに固定されている
   エンクロージャ。
2. さらに、前記パネル補剛部材（８２）が非金属複合材料からなる、請求項１記載のエンクロージャ（３６）。
3. さらに、多孔質非金属材料を用いて作製された少なくとも１つのコア（１００）を有し、前記コアが各サンドイッチ部材中空室（９８）内に配置されている、請求項１記載のエンクロージャ（３６）。
4. 前記内パネル吸音部材（７４）が、それぞれ非金属吸音材料からなる複数の層を有する、請求項１記載のエンクロージャ（３６）。
5. 前記内パネル内シート（７０）が金属材料を用いて作製されており、前記吸音部材（７４）がそれぞれ非金属材料からなる複数の層を有し、前記パネル補剛部材（８２）が非金属複合材料からなる、請求項１記載のエンクロージャ（３６）。
6. ガスタービンエンジン組立体であって、
   第１壁（４０）、第２壁（４２）、第３壁（４４）および第４壁（４６）を含むエンクロージャ（３６）と、前記エンクロージャ内に配置されたガスタービンエンジン（１１）とを有し、
   前記各壁が、内パネル（６０）と外パネル（６２）とを有し、
   前記内パネル（６０）は、エンクロージャ中空内装（１０）から外側へと順次、貫通して延びる複数の穿孔（７２）を有する内シート（７０）と、前記内シートに連結された複数のパネル補剛部材（８２）と、前記複数のパネル補剛部材の間で隣接して配置された非金属吸音材料を有する少なくとも１つの内パネル吸音部材（７４）とを有し、
   前記外パネル（６２）は、エンクロージャの外側から内側へと順次、離間した第１、第２壁（９４、９２）を含む非金属複合材料を有する外パネルサンドイッチ部材（９０）と、前記第１、第２壁の間に延設されてそれらの間に中空室を限定する複数の離間した横壁（９６）とを有し、少なくとも１つの内パネル吸音部材の外表面が前記外パネルの前記第２壁（９２）の外表面と実質同一平面となるように前記外パネルが前記内パネルに固定されている、
   ガスタービンエンジン組立体。
   

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