JP5802386B2 - 振動数調整可能なブラケットレス流体マニホルド - Google Patents

Description

本発明は、総括的には流体操作に関し、より具体的には、ガスタービンエンジンにおける流体マニホルドのための装置及び方法に関する。

ガスタービンエンジンは、直列流れ関係で、高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンを有するターボ機械コア部を含む。コア部は、公知の方法で一次ガス流を発生させるように作動可能である。エンジンの構成に応じて、コア部は、ファン及び低圧タービンシステムと組合せて推進スラスト力を発生させることができ、或いはワークタービンと組合せて機械エネルギーを取出しかつ駆動シャフト又はプロペラを回転させることができる。

従来型のガスタービンエンジンでは、燃料は、燃焼器を囲む外部マニホルドに結合された燃料ノズルのアレイを通して燃焼器に導入される。運転中に、加圧燃料が、マニホルドに供給される。マニホルドは次に、加圧燃料を個々の燃料ノズルに分配する。そのようなマニホルドは一般的に、様々なチューブ及び取付け具で製作され、かつブラケット及びその他の取付けハードウェアにより燃焼器に固定される。そのようなマニホルドは、エンジン運転時に大きな振動を受ける。

熱膨張は、これらの燃料マニホルドにおける重要な設計基準である。燃料ノズルを支持したケースは、エンジンが暖機するにつれて膨張するが、マニホルド内の燃料の温度は、比較的低温のままである。様々な構成要素の異なる材料膨張率と組合さったこの温度差により、マニホルドに対して熱による荷重が生じる。疲労破壊を回避するためには、剛性、減衰性などのようなマニホルドの特性は、熱膨張に対する適切な適応性を備えながら、エンジン運転範囲内におけるマニホルドの固有振動数の1つ又はそれ以上の励振を回避するように設計しなければならない。

これらのマニホルドは、各特定エンジンモデルに特有のものである。このことは、大きな設計努力及び反復テストを必要として、高いエンジニアリングコストを生じることになる。さらに、典型的なジオメトリ及び大きな部品点数により、比較的大きなシステム重量が生じることになる。

米国特許第７，３７４，３９６号公報

これらの及びその他の従来技術の欠点は、本発明によって解決され、本発明は、振動数調整可能な流体マニホルド装置を提供する。

本発明の１つの態様によると、流体マニホルド装置は、（ａ）その各々が所定の角度配向で整列している間隔を置いて配置されたマニホルド取付け具のアレイと、（ｂ）その各々が２つの隣合うマニホルド取付け具の各々の１つのアームに結合された複数の湾曲チューブとを含む。各マニホルド取付け具は、（ｉ）管状ネック部と、（ｉｉ）ネック部の第１の端部から離れる方向に延びる一対の間隔を置いて配置された管状アームと、（ｉｉｉ）ネック部の第２の端部に連結されたカップリングとを含む。

本発明の別の態様によると、流体マニホルドを組立てる方法は、（ａ）その各々が、（ｉ）管状ネック部と、（ｉｉ）ネック部の第１の端部から離れる方向に延びる一対の間隔を置いて配置された管状アームと、（ｉｉｉ）ネック部の第２の端部に連結されたカップリングとを有する、間隔を置いて配置されたマニホルド取付け具のアレイを準備するステップと、（ｂ）各マニホルド取付け具を所定の角度配向に配置するステップと、（ｃ）複数の湾曲チューブを準備しかつ各チューブの１つの端部を２つの隣合うマニホルド取付け具の各々の１つのアームに結合するステップとを含み、（ｄ）組立てたマニホルドが、所定の第１の固有振動数を有するようにする。

本発明は、添付図面の図と関連させて行った以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。

本発明の態様により構成した流体マニホルドを組入れたガスタービンエンジンの概略半部分断面図。 それに取付けた流体マニホルドを示す、図１のエンジンの燃焼器の部分斜視図。 流体取付け具が第１の位置に据付けられた状態における、図２に示すマニホルドの平面図。 流体取付け具が第２の位置に据付けられた状態における、図２に示すマニホルドの平面図。 マニホルドの流体取付け具の１つの断面図。 図５の取付け具の平面図。 図５の取付け具の側面図。 図５の取付け具の後面図。 図５の取付け具の左側面図。 図５の取付け具の右側面図。

様々な図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１は、例示的なガスタービンエンジン１０を示しており、ガスタービンエンジン１０は、まとめて「低圧システム」と呼ばれる、ファン１２、低圧圧縮機又は「ブースタ」１４及び低圧タービン（「ＬＰＴ」）１６を有し、またまとめて「ガスジェネレータ」又は「コア部」と呼ばれる、高圧圧縮機（「ＨＰＣ」）１８、燃焼器２０及び高圧タービン（「ＨＰＴ」）２２を有する。同時に、高圧及び低圧システムは、公知の方法で一次又はコア流並びにファン流又はバイパス流を発生させるように作動可能である。図示したエンジン１０は高バイパスターボファンエンジンであるが、本明細書に記載した原理は、ターボプロップ、ターボジェット及びターボシャフトエンジン、並びに他の車両又は定置式用途において使用されるタービンエンジンに同様に適用可能である。本発明の原理はまた、耐振動性流体マニホルドを必要とするようなその他の領域にも同様に適用可能である。

燃焼器２０は、該燃焼器２０を囲むマニホルド２６に結合された燃料ノズル２４の半径方向アレイを含む。運転中に、加圧燃料が、公知のタイプのハイドロメカニカルユニット、ＦＭＵ、ＰＭＵ又はＦＡＤＥＣシステムのような燃料計量システム（図示せず）によってマニホルド２６に供給される。燃料は次に、マニホルド２６によって個々の燃料ノズル２４に分配される。この図示した実施例は、単段マニホルド及び燃料ノズルを示しているが、本発明の原理は複数回路システムにも同様に適用可能であることを理解されたい。

マニホルド２６は、図２により詳細に示している。燃焼器２０のケーシング２８は、燃料ノズル２４の入口ステム３０が該ケーシング２８から突出した状態になっているのを見ることができる。各入口ステム３０には、公知のタイプの入口取付け具３２が組入れられる。この図示した実施例では、ノズル入口ステム３０は、ほぼ半径方向にケーシング２８を貫通し、また入口取付け具３２は、ほぼ軸方向に延びる。各入口取付け具３２に結合されているのは、マニホルド取付け具３４である。マニホルド取付け具３４は、チューブ３６によって相互連結される。この図示した実施例では、各チューブ３６は、平面図で見た時にほぼ「Ｃ字」形になっておりかつ一定の曲率半径を有する。１つ又はそれ以上の供給チューブ３７が、マニホルド２６に結合され、従来タイプの燃料計量及び制御システム（図示せず）から該マニホルド２６内への燃料流を可能にする働きをする。最も一般的には、マニホルド２６及びその付属構成要素は、鉄基又はニッケル基合金のような金属合金で製造されることになる。

図５〜図１０は、マニホルド取付け具３４の１つをより詳細に示している。マニホルド取付け具３４は、管状中央ネック部３８及び該ネック部３８から延びる２つの間隔を置いて配置されたほぼ平行な管状アーム４０を備えた状態のほぼ「Ｙ字」形になっている。本明細書で使用する場合に、「管状」という用語は、それを通る流体流のためのボリュームを囲む壁を有する部材を意味し、純粋な円形断面又は一定の壁厚さを有する構造を必ずしも意味するものではない。ネック部３８は、カップリング４２に連結される。

カップリング４２は、ネック部３８に連結された第１の端部４６と、座部４８を形成した第２の端部とを含む。入口ステム３０に連結されると、座部４８は、該座部４８と相補形になった形状を有する入口取付け具３２のボールノーズ部５０を受ける。溝５３が、ボールノーズ部５０に隣接して入口取付け具３２の円筒形表面内に形成されかつ内側部材４４に対してシールする弾性シーリング要素５５を受ける。この図示した実施例では、シーリング要素５５は、Ｏ−リングである。内側部材４４の外表面は、環状ショルダ部５１を含む。カラー５２が、内側部材４４を囲みかつショルダ部５１に係合した環状の半径方向内向きに延びるフランジ５４を含む。カラー５２の内面は、入口取付け具３２のネジ山５７に噛合った状態で係合したネジ山５６を含む。カラー５２の外面は、多角形平坦面又はその他の好適なレンチ表面６０に形成される。漏れのない継手を形成する限り、その他のタイプのカップリング構成を使用して、入口取付け具３２に対してマニホルド取付け具３４を結合することができる。

図３で最も良く分るように、チューブ３６は、連続的に湾曲して、「Ｕ字」又は「Ｃ字」形を形成するようになる。この実施例では、チューブ３６は、一定の曲率半径を有するが、この態様は、必要に応じて特定の用途に適するように変更することができる。各チューブ３６は、隣合うマニホルド取付け具３４のアーム４０に連結された両端部５８を有する。チューブ３６は、例えば熱的又は機械的接合、接着剤、或いは機械的ジョイント又はファスナの使用によって確実な漏れのない継手を形成するあらゆる方法でマニホルド取付け具３４に連結することができる。図示するように、チューブ３６は、マニホルド取付け具３４との間に、公知の方法で互いにロウ付け又は溶接された突合せ継手６２（図５参照）を形成する。

マニホルド構成は、単一のタイプのマニホルド取付け具３４を多様な異なる角度配向で入口ステム３０に結合しかつ次に選択した配向に適したチューブ３６により相互連結することができるという意味では、「モジュール式」である。マニホルド取付け具３４を公称位置から時計方向又は反時計方向に「捩ること」によって、設計者は、隣合う燃料ノズル２４間のチューブ長さを効果的に増大又は減少させ、その結果として、マニホルドの固有振動数を変化させるつまり「調整する」ようにすることができる。より小型のエンジンは一般的に、より高い運転振動数を有し、かつ一般的により少ない全体熱膨張を生じる。より大型のエンジンは一般的に、より低い運転振動数を有し、かつ一般的により多い全体熱膨張を生じる。マニホルドの固有振動数を調整することができることにより、１つのエンジンモデルを別のモデルと比較した場合に従来技術において見られる典型的なシステム再設計なしに、各エンジンの特定の要求に合わせて該マニホルドの固有振動数を設計することが可能になる。

例えば、図３は、マニホルド取付け具３４を第１の角度配向に回転させたつまり「時計方向に回した」状態におけるマニホルド２６の一部分を示している。説明のために、矢印は、その中にアーム４０が位置する平面を示している。この位置では、２つの隣合う取付け具３４の連結したアーム間の「Ｓ１」で示す側方間隔は、比較的小さく、またアーム４０を相互連結した「Ｒ１」で示すチューブ３６の半径も、同様に比較的小さい。その結果、マニホルド２６の第１の固有振動数は、比較的高い。チューブ３６は、従来技術の設計と比較すると比較的短いポイント間距離にわたって延びるので、該チューブ３６をケーシング２８に取付けるための別個のブラケットは必要でない。

図４は、図３に示す構造と同一の構造のマニホルド取付け具３４を使用して組立てたマニホルド２６’の一部分を示している。図４におけるマニホルド取付け具３４は、第２の角度配向に回転されつまり「時計方向に回され」ている。矢印は、その中にアーム４０が位置する平面を示しており、この平面は、図３に示す位置から離れる方向に約６０°の位置にある。この位置では、連結した取付け具アーム間の「Ｓ２」で示す側方間隔は、間隔Ｓ１よりも大きく、またアーム４０を相互連結したチューブ３６’の半径は、同様にチューブ３６の半径よりも比較的大きい。例えば、チューブ３６’の半径Ｒ２は、チューブ３６の半径Ｒ１の約１．２５倍とすることができる。その結果、マニホルド２６’の第１の固有振動数は、マニホルド２６の第１の固有振動数よりも約２５％低くなると計算される。この実施例では、Ｒ２のチューブ半径によりマニホルド２６’に作用する熱による荷重によって生じる応力は、Ｒ１のチューブ半径によりマニホルド２６に作用する熱による荷重によって生じる応力よりもその大きさが約１５％低くなると計算される。マニホルド取付け具３４の位置は、設計要件によって定まるものとして無限に可変である。

設計プロセスの一部として、例えば有限要素解析ソフトウェアのようなツールを使用して、マニホルドの振動特性が解析されることになり、また次に必要な固有振動数に基づいて、取付け配向及びチューブ半径が選択されることになる。マニホルド取付け具３４が多くの異なるマニホルド２６に対して共通であるので、設計プロセスは、従来技術に比較して大幅に簡略化される。チューブ３６は、マニホルド取付け具３４の幾つかのデフォルト配向に対応した１つ又はそれ以上の「ストック」長さとして製作することができる。

本明細書に記載した流体マニホルド２６は、従来型の設計に優る幾つかの利点を有する。特定の構成に応じて、本マニホルド２６は、従来技術のマニホルドシステム設計のような多くの部品の１／１０ほどもの少ない部品を含むことができる。本マニホルド２６は、従来技術のマニホルドシステムの場合の約半分ほどのみの重量とすることができ、かつ減少した部品エンベロープを有するものとすることができる。その設計の簡略性により、設計段階時間もまた、短縮されることになる。

以上の説明は、振動数調整可能な流体マニホルドを説明している。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずにそれらの実施形態に対して様々な修正を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態についての上記の説明は、例示の目的で示すものであって、限定を目的とするものではない。

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン
１４ 低圧圧縮機又はブースタ
１６ 低圧タービン（ＬＰＴ）
１８ 高圧圧縮機（ＨＰＣ）
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン（ＨＰＴ）
２４ 燃料ノズル
２６、２６’ マニホルド
２８ ケーシング
３０ 入口ステム
３２ 入口取付け具
３４ マニホルド取付け具
３６、３６’ チューブ
３７ 供給チューブ
３８ ネック部
４０ アーム
４２ カップリング
４４ 内側部材
４６ 内側部材の第１の端部
４８ 座部
５０ ボールノーズ部
５１ ショルダ部
５２ カラー
５３ 溝
５４ カラーのフランジ
５５ 弾性シーリング要素
５６ カラーのネジ山
５７ 入口取付け具のネジ山
５８ チューブの端部
６０ 多角形平坦面又はレンチ表面
６２ 突合せ継手
Ｓ１、Ｓ２ 連結したアーム間の側方間隔
Ｒ１、Ｒ２ チューブの半径

Claims (11)

1. 流体マニホルド装置であって、
   （ａ）間隔を置いて配置されたマニホルド取付け具（３４）のアレイと、
   （ｂ）その各々が２つの隣合う前記マニホルド取付け具（３４）の各々の１つのアームに結合された複数の湾曲チューブ（３６）と、
   を含み、
   各前記マニホルド取付け具（３４）が、
   （ｉ）ほぼ管状のネック部（３８）と、
   （ｉｉ）前記ネック部（３８）の第１の端部から離れる方向に延びる一対の間隔を置いて配置されたほぼ管状のアーム（４０）と、
   （ｉｉｉ）前記ネック部（３８）の第２の端部に連結されたカップリング（４２）と、
   を含み、
   前記アームと前記ネック部とでＹ字状を形成し、
   前記アーム及び前記ネック部は、前記カップリングに対し１部材として回転可能であり、
   前記カップリングの各々は、ガスタービンエンジンの燃焼器に設けられた燃料ノズル入口ステム（３０）に連結される、装置。
2. 前記カップリング（４２）が、内側部材（４４）と該内側部材（４４）を囲むカラー（５２）とを含む、請求項１記載の装置。
3. 前記カラー（５２）が、ネジ付きでありかつ前記内側部材（４４）のショルダ部（５１）に対して支持された環状フランジ（５４）を含む、請求項２記載の装置。
4. 各前記入口ステム（３０）が、入口取付け具を含み、前記入口取付け具が、
   （ａ）前記カップリング（４２）の内側部材（４４）によって形成された座部と相補形になった形状を有するボールノーズ部（５０）と、
   （ｂ）該入口取付け具の外表面の溝内に配置された弾性シーリング要素（５５）と、を含む、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 各前記チューブ（３６）が、一定の曲率半径を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記チューブ（３６）の端部が、前記マニホルド取付け具（３４）のアーム（４０）に固定結合される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 流体マニホルドを組立てる方法であって、
   （ａ）その各々が、（ｉ）ほぼ管状のネック部（３８）と、（ｉｉ）前記ネック部（３８）の第１の端部から離れる方向に延びる一対の間隔を置いて配置されたほぼ管状のアーム（４０）であって前記ネック部とＹ字状を形成するアーム（４０）と、（ｉｉｉ）前記ネック部（３８）の第２の端部に連結されたカップリング（４２）であって、該カップリングの各々がガスタービンエンジンの燃焼器に設けられた燃料ノズル入口ステム（３０）に連結され且つ前記アーム及び前記ネック部が該カップリング（４２）に対し１部材として回転可能であるカップリング（４２）とを含む、間隔を置いて配置されたマニホルド取付け具（３４）のアレイを準備するステップと、
   （ｂ）複数の湾曲チューブ（３６）を準備しかつ各該チューブ（３６）の１つの端部を２つの隣合う前記マニホルド取付け具（３４）の各々の１つのアームに結合するステップと、
   （ｃ）前記組立てたマニホルドが、所定の第１の固有振動数を有するように、各前記マニホルド取付け具（３４）を所定の角度配向に配置するステップと
   を含む、方法。
8. 前記カップリング（４２）が、内側部材（４４）と該内側部材（４４）を囲むカラー（５２）とを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記カラー（５２）が、ネジ付きでありかつ前記内側部材（４４）のショルダ部（５１）に対して支持された環状フランジ（５４）を含む、請求項８記載の方法。
   
10. 各前記入口ステム（３０）が、入口取付け具を含み、前記入口取付け具が、
    （ａ）前記カップリング（４２）の内側部材（４４）によって形成された座部と相補形になった形状を有するボールノーズ部（５０）と、
    （ｂ）該入口取付け具の外表面の溝内に配置された弾性シーリング要素（５５）と、を含む、
    請求項７乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記チューブ（３６）の端部が、前記マニホルド取付け具（３４）のアーム（４０）に固定結合される、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
    

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