JP6439001B2 - 柔軟な端部取付け具を有するフィーダダクトアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、柔軟な端部取付け具を有するフィーダダクトアセンブリに関する。

タービンエンジン、特にガスタービンエンジンまたは燃焼タービンエンジンは、エンジンを通過する、すなわち、複数の回転ブレードと固定ベーンの対を含む一連の圧縮機段を通過し、燃焼器を通過し、次いで、やはり多数の回転ブレードと固定ベーンの対を含む多数のタービン段にまで通過する燃焼ガスの流れからエネルギーを取り出す回転式エンジンである。

フィーダダクトアセンブリが、タービンエンジンの周りに設けられ、タービンエンジンへ行き来する様々な作動流体の流れのための導管を備える。作動流体の１つがブリード空気（ｂｌｅｅｄ ａｉｒ）である。圧縮機段においてブリード空気が生成され、圧縮機からフィーダダクトを通して取り出される。ガスタービンエンジン内の圧縮機段からのブリード空気は、様々な方法で利用することができる。例えば、ブリード空気は、航空機キャビンに圧力をかけ、航空機の重要な部分を不凍に保つことができる、または残りのエンジンを始動するために使用することができる。圧縮機からブリード空気を取り出すために使用されるフィーダダクトアセンブリの構成は、動荷重下での剛性、および熱負荷下での柔軟性を必要とする。現在のシステムは、柔軟性の要件を満たすためにダクト内に玉継手または軸継手を使用しており、これらの継手は、システムの重量を増加させることによりシステムの動的性能を損なう。

ガスタービンエンジンは、陸上および海上での移動ならびに発電に使用されてきたが、ヘリコプタを含む飛行機などの航空用途に最も一般的に使用されている。飛行機では、ガスタービンエンジンは航空機の推進に使用される。

一態様では、本発明の諸実施形態は、柔軟な端部取付け具を備える、ガスタービンエンジン用のフィーダダクトアセンブリに関し、フィーダダクトアセンブリは、ガスタービンエンジンへの流体入口を画定する端部取付け具と、流体入口に流体結合されるフィーダダクトと、フィーダダクトを端部取付け具に流体密封するシールと、フィーダダクトを端部取付け具に固定する動的マウント（ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｕｎｔ）と、を含む。

別の態様では、本発明の諸実施形態は、フィーダダクトアセンブリに関し、フィーダダクトアセンブリは、インタフェースフランジを有する端部取付け具と、末端部および周縁フランジを有するフィーダダクトと、フィーダダクトを取り囲みかつインタフェースフランジと周縁フランジとの間に配置される周シールを有する中間フランジと、周縁フランジの一部分を挟む少なくとも１対の付勢要素と、周縁フランジおよび中間フランジを端部取付け具に固定し、１対の付勢要素を圧縮する締結具と、を備える。

別の態様では、本発明の諸実施形態は、ガスタービンエンジンの端部取付け具にフィーダダクトを固定する方法に関し、この方法は、フィーダダクトの末端部を端部取付け具に柔軟に取り付けながらも、フィーダダクトの末端部を端部取付け具に流体密封することを含む。

本明細書に記載の様々な態様によるガスタービンエンジンの概略断面図である。 本明細書に記載の様々な態様によるガスタービンエンジンに利用することができる例示的なフィーダダクトアセンブリの概略的な組立図である。 本明細書に記載の様々な態様によるガスタービンエンジンに利用することができる例示的なフィーダダクトアセンブリの概略分解図である。 本明細書に記載の様々な態様によるガスタービンエンジンに利用することができる例示的なフィーダダクトアセンブリの概略断面図である。

本発明の上述した実施形態は、タービンエンジン内の空気流の経路を定めることに関連するシステム、方法、およびその他の装置に関する。例示の目的で、本発明は、航空機ガスタービンエンジンに関して説明する。しかしながら、本発明は、それに限定されるものではなく、非航空機用途、例えば、他のモバイル用途、非モバイルの工業用途、商業用途、および住宅用途に汎用性があり得ることが理解されよう。

図１は、航空機用のガスタービンエンジン１０の概略断面図である。エンジン１０は、前方１４から後方１６にかけて延びる概して長手方向に延びる軸線または中心線１２を有する。エンジン１０は、下流側直列流れ関係で、ファン２０を含むファンセクション１８と、ブースタもしくは低圧（ＬＰ）圧縮機２４および高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機セクション２２と、燃焼器３０を含む燃焼セクション２８と、ＨＰタービン３４およびＬＰタービン３６を含むタービンセクション３２と、排気セクション３８と、を備える。

ファンセクション１８は、ファン２０を取り囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２の周りに半径方向に配置された複数のファンブレード４２を含む。ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０、およびＨＰタービン３４は、燃焼ガスを生成するエンジン１０のコア４４を形成している。コア４４はコアケーシング４６によって取り囲まれ、コアケーシング４６はファンケーシング４０に結合することができる。

エンジン１０の中心線１２の周りに同軸に配置されたＨＰシャフトまたはスプール４８が、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動可能に連結する。ＬＰシャフトまたはスプール５０が、大径環状ＨＰスプール４８内にエンジン１０の中心線１２の周りに同軸に配置されており、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４およびファン２０に駆動可能に連結する。スプール４８、５０のいずれかまたは両方に取り付けられかつこれと共に回転するエンジン１０の各部分は、個々にまたは集合的にロータ５１とも呼ばれる。

ＬＰ圧縮機２４およびＨＰ圧縮機２６はそれぞれ複数の圧縮機段５２、５４を含み、圧縮機段５２、５４では、１組の圧縮機ブレード５６、５８が対応する組の静的圧縮機ベーン６０、６２（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、その段を通過する流体の流れを圧縮または加圧する。単一の圧縮機段５２、５４において、複数の圧縮機ブレード５６、５８はリング状に設けられ、ブレードプラットフォームからブレード先端にかけて中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができるが、対応する静的圧縮機ベーン６０、６２は回転ブレード５６、５８の下流側に隣接して配置される。図１に示されているブレード、ベーン、および圧縮機段の数は、説明のためにのみ選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。圧縮機の段のためのブレード５６、５８はそれぞれディスク５３に取り付けることができ、ディスク５３は、ＨＰスプール４８およびＬＰスプール５０の対応するスプールに取り付けられ、各段は独自のディスクを有している。ベーン６０、６２は、ロータ５１の周りに円周方向に配置してコアケーシング４６に取り付けられる。

ＨＰタービン３４およびＬＰタービン３６はそれぞれ複数のタービン段６４、６６を含み、タービン段６４、６６では、１組のタービンブレード６８、７０がそれぞれ対応する１組の静的タービンベーン７２、７４（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、その段を通過する流体の流れからエネルギーを取り出す。単一のタービン段６４、６６において、複数のタービンブレード６８、７０はリング状に設けられ、ブレードプラットフォームからブレード先端にかけて中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができるが、対応する静的タービンベーン７２、７４は回転ブレード６８、７０の上流側に隣接して配置される。図１に示されているブレード、ベーン、およびタービン段の数は、説明のためにのみ選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。

動作中、回転ファン２０は周囲空気をＬＰ圧縮機２４に供給し、次いで、ＬＰ圧縮機２４は加圧された周囲空気をＨＰ圧縮機２６に供給し、ＨＰ圧縮機２６は周囲空気をさらに加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧空気は、燃焼器３０内で燃料と混合され点火され、それによって燃焼ガスを生成する。これらのガスから一部の仕事がＨＰタービン３４によって取り出され、この仕事はＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスはＬＰタービン３６内に放出され、ＬＰタービン３６は、追加の仕事を取り出してＬＰ圧縮機２４を駆動し、排ガスは最終的に排気セクション３８を通ってエンジン１０から放出される。ＬＰタービン３６の駆動によりＬＰスプール５０が駆動されて、ファン２０およびＬＰ圧縮機２４を回転させる。

圧縮機セクション２２からの空気の一部は、１つまたは複数のフィーダダクトアセンブリ８０を通って抜き取られ、ＨＰタービン３４などの部分、特に高温部分の冷却に使用することができ、かつ／または、発電するか、またはキャビン冷暖房システムや除氷システムなどの航空機の環境システムを動かすために使用することができる。タービンエンジンの状況で、エンジンの高温部分は、通常は燃焼器３０、特にタービンセクション３２の下流側にあり、ＨＰタービン３４は、燃焼セクション２８のすぐ下流側にあるので、最も熱い部分である。これらの目的のために圧縮機から抜き取られ使用される空気は、ブリード空気として知られている。

図２を参照すると、例示的なフィーダダクトアセンブリ８０が示され、動的マウント９０によって端部取付け具８４に結合されたフィーダダクト８２を備える。動的マウント９０は、フィーダダクト８２が端部取付け具８４に対して依然として流体連通を維持しながら自由に動くことができるように、フィーダダクト８２を端部取付け具８４に結合する。動的マウント９０により、フィーダダクト８２は、端部取付け具８４に対して往復運動ならびに枢動することを含めて、軸方向に動くことができる。したがって、フィーダダクト８２を複数の方向に動かす傾向がある振動および他の可変力は、端部取付け具８４との連結部を疲労させずに吸収される。動的マウント９０がフィーダダクト８２と端部取付け具８４との接合部に配置されるので、動的マウント９０はフィーダダクト８２に付加質量を加えず、これは、フィーダダクト８２に作用する振動および他の力も受けるばね上質量（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｍａｓｓ）として機能することができる。動的マウント９０は、Ｅ型シール、ばねシステム、圧縮シールなどの、フィーダダクト８２を端部取付け具８４に結合することができる任意の機構の形をとることができる。

図３を参照すると、動的マウント９０は、フィーダダクト８２および端部取付け具８４の環境における動的マウント９０の詳細をよりよく説明するために分解して示されている。フィーダダクト８２は末端部１００で終端しており、フィーダダクト８２の末端部１００が端部取付け具８４に向かって進んでフィーダダクトアセンブリとなり得るように、末端部１００から間隔をあけて配置された外部ダクトフランジ９４または周縁フランジを有する。端部取付け具８４は、流体入口８６を画定する面フランジ１０２またはインタフェースフランジを備える。動的マウント９０は、ダクトフランジ９４を面フランジ１０２に動的に固定する。動的に固定することにより、フィーダダクト８２が、端部取付け具８４に対して往復運動または枢動することを含めて、少なくとも軸方向に動くことを許容されながらも、フィーダダクト８２と端部取付け具８４との間の流体連結は維持されることを意味する。この意味で、ダクトフランジ９４および面フランジ１０２は、動的マウント９０の構成要素と見なすことができる。

動的マウント９０は、圧縮可能なシールとすることができるシール９６を保持するシールフランジ８８とシールフランジ８８をダクトフランジ９４および面フランジ１０２に動的に結合する付勢要素９８（例えば、ばねなど）とを有するシールアセンブリをさらに含む。

締結具１０４が、ダクトフランジ９４、付勢要素９８、シールフランジ８８、および面フランジ１０２を集合的なユニットとして保持する。ダクトフランジ９４、シールフランジ８８、および面フランジ１０２はすべて、締結具１０４が挿通する取付開口部８７を備える。同様に、付勢要素９８は、締結具１０４が挿通する開口を有する。

付勢要素９８は、ダクトフランジ９４の周りに複数の対で配置することができる。例えば、付勢要素９８は４つの皿ばね対（図３に示す）を含むことができ、各対はフランジ８８、９４、１０２の各角に配置される。しかし、他の配置も考えられ、フィーダダクトの形状およびサイズに応じて異なる。

シールフランジ８８は、ダクトフランジ９４と面フランジ１０２との間に配置され、中間フランジまたはカラー９２を備えることができる。カラー９２の内面は、シール９６が配置される周溝９３を有することができる。シール９６または周シールは、任意のシールとすることができ、ここではダイヤフラムシールとして示されており、ダイヤフラムシールにより、フィーダダクト８２が端部取付け具８４に対して動的に動くときにシールはフィーダダクト８２に接触したままとすることができる。

図４を参照すると、フィーダダクトアセンブリ８０は組立後の状態で示されており、組立後の状態では、末端部１００がシールフランジ８８のカラー９２を挿通し、端部取付け具８４の流体入口８６まで開放することにより、フィーダダクト８２を流体入口８６に流体結合するように機能する。この組立後の状態では、シール９６は、フィーダダクト８２を端部取付け具８４に対して流体密封するために、フィーダダクト８２の外側に対してカラー９２によって圧縮保持される。

動的マウント９０は、フィーダダクト８２を端部取付け具８４に、整列された取付開口部８７を挿通する締結具１０４、付勢要素９８、ダクトフランジ９４、シールフランジ８８、および面フランジ１０２で動的に固定して、ダクトフランジ９４を付勢要素９８で圧縮保持するとともに、ダクトフランジ９４およびシールフランジ８８を端部取付け具８４の面フランジ１０２に固定する。

付勢要素９８は、ダクトフランジ９４の両側に圧縮状態で保持されて、付勢要素９８の間に置かれたダクトフランジ９４の複合構造を形成すると、ダクトフランジ９４は、端部取付け具８４に拘束されながら付勢要素９８の間に挟まれた状態になり、それにより、ダクトフランジ９４はフィーダダクト８２の動きに応じて付勢要素９８に対して動くことが可能になる。付勢要素９８がダクトフランジ９４のそれぞれの側で圧縮状態にあるとき、対向するばね力は、ダクトフランジ９４を偏倚させて中立位置に戻す。したがって、フィーダダクト８２の中立位置から外れる動きは、フィーダダクト８２の動きによって引き起こされ得るものであり、付勢要素９８によって無効にされ、次いで、付勢要素９８はダクトフランジ９４をダクトフランジ９４の中立位置に戻し、この位置では、対向するばね力はダクトフランジ９４のそれぞれの側で実質的に等しい。

より具体的には、力がフィーダダクト８２に作用すると、フィーダダクト８２の結果として生じる動きが、矢印Ａで示されているダクトフランジ９４の動きを引き起こす。この動きは付勢要素９８によって無効にされて、ダクトフランジ９４を中立位置に戻す。外力がフィーダダクト８２に作用する方向に応じて、ダクトフランジ９４は、端部取付け具８４に対して軸方向に動かされ、往復運動させられることもある。ダクトフランジ９４は端部取付け具８４に対して枢動することも可能である。例えば、図４において、ダクトフランジ９４の最上部は、図４で見て左側に動くことができ、ダクトフランジ９４の最下部は、図４で見て右側に動くことができる。この枢動運動は、図４に関して前後に枢動するものと考えることができる。図４の画像の内外に左右に枢動することもできる。これらの２つの動きを組み合わせることもできる。これらの動きはすべて、付勢要素９８によって無効にされる。

この構造的配置構成では、フィーダダクトをガスタービンエンジンの端部取付け具に固定する方法は、フィーダダクト８２の末端部１００を端部取付け具８４に柔軟に取り付けながらも、フィーダダクト８２の末端部１００を端部取付け具８４に流体密封することを含む。フィーダダクト８２の末端部１００を端部取付け具８４に流体密封することは、フィーダダクトを端部取付け具に対して周方向に密封することを含み、フィーダダクト８２の末端部１００を端部取付け具８４に柔軟に取り付けることは、フィーダダクトの末端部１００の一部を端部取付け具に圧縮保持することを含む。

本明細書では、最良の形態を含めて本発明を開示するために、それにまた、当業者が、任意の装置またはシステムを製作し使用すること、および任意の組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を実施できるようにするために、例を使用している。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が想起する他の例を含むことがある。そのような他の例は、その例が特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、またはその例が特許請求の範囲の文言との実質的に差異のない等価構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。

１０ エンジン
１２ 中心線
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファンセクション
２０ ファン
２２ 圧縮機セクション
２４ 低圧圧縮機
２６ 高圧圧縮機
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３２ タービンセクション
３４ 高圧タービン
３６ 低圧タービン
３８ 排気セクション
４０ ファンケーシング
４２ ファンブレード
４４ コア
４６ コアケーシング
４８ 高圧スプール
５０ 低圧スプール
５１ ロータ
５２ 低圧圧縮機段
５３ ディスク
５４ 高圧圧縮機段
５６ 低圧圧縮機ブレード
５８ 高圧圧縮機ブレード
６０ 低圧圧縮機ベーン
６２ 高圧圧縮機ベーン
６４ 高圧タービン段
６６ 低圧タービン段
６８ 高圧タービンブレード
７０ 低圧タービンブレード
７２ 高圧タービンベーン
７４ 低圧タービンベーン
７６ 加圧された周囲空気
８０ フィーダダクトアセンブリ
８２ フィーダダクト
８４ 端部取付け具
８６ 流体入口
８７ 取付開口部
８８ シールフランジ
９０ 動的マウント
９２ カラー
９３ 周溝
９４ 外フランジ
９６ 圧縮可能なシール
９８ ばね
１００ 末端部
１０２ 面フランジ
１０４ 締結具要素

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン（１０）用のフィーダダクトアセンブリ（８０）であって、
   前記ガスタービンエンジンへの流体入口（８６）を画定する端部取付け具（８４）と、
   前記流体入口に流体結合されるフィーダダクト（８２）と、
   前記フィーダダクトを前記端部取付け具に流体密封するシール（９６）と、
   前記フィーダダクトを前記端部取付け具に固定する動的マウント（９０）と、
   周溝（９３）を有するカラー（９２）と、
   を含み、
   前記シールが、前記フィーダダクトを取り囲む圧縮可能なシールを含み、
   前記圧縮可能なシールが前記周溝内に配置され、
   前記圧縮可能なシールがダイヤフラムシールである、フィーダダクトアセンブリ（８０）。
2. 前記動的マウントが、少なくとも１つの付勢要素（９８）を備え、
   前記少なくとも１つの付勢要素が、前記フィーダダクトの一部分と前記シールまたは前記端部取付け具の少なくとも一方との間に圧縮保持され、
   前記少なくとも１つの付勢要素が、前記フィーダダクトと前記シールとの間に圧縮保持される、請求項１に記載のフィーダダクトアセンブリ（８０）。
3. 前記フィーダダクトが外フランジ（９４）を備え、前記端部取付け具が面フランジ（１０２）を有し、前記シールが前記外フランジと前記面フランジとの間に配置され、
   前記動的マウントが、前記外フランジと前記シールとの間に配置される少なくとも１つの付勢要素（９８）を含み、
   前記少なくとも１つの付勢要素が、前記外フランジを挟む少なくとも１つのばね対を備え、
   前記付勢要素の間に前記外フランジを圧縮保持するように前記ばね対、前記外フランジ、前記シール、および前記面フランジを固定する締結具（１０４）をさらに備える、請求項１または２に記載のフィーダダクトアセンブリ（８０）。
4. 前記シールが、前記フィーダダクトを内周溝で取り囲む周シールを備え、前記内周溝内に周囲ダイヤフラムが配置される、請求項３に記載のフィーダダクトアセンブリ（８０）。
5. 前記フィーダダクトが末端部（１００）を有し、前記外フランジが前記末端部から間隔をあけて配置される、請求項３に記載のフィーダダクトアセンブリ（８０）
6. フィーダダクトアセンブリ（８０）であって、
   インタフェースフランジ（１０２）を有する端部取付け具（８４）と、
   末端部（１００）および前記末端部から間隔をあけて配置された周縁フランジ（９４）を有するフィーダダクト（８２）と、
   前記フィーダダクトを取り囲みかつ前記インタフェースフランジと前記周縁フランジとの間に配置される周シール（９６）を有する中間フランジ（９２）と、
   前記周縁フランジの一部分を挟む少なくとも１対の付勢要素（９８）と、
   前記周縁フランジおよび前記中間フランジを前記端部取付け具に固定し、前記１対の付勢要素を圧縮する締結具（１０４）と、
   を備え、
   前記少なくとも１対の付勢要素が、前記フィーダダクトの外側の周りに配置される複数対の付勢要素（９８）を含み、
   前記少なくとも１対の付勢要素が１対の皿ばねを含み、
   前記周シールが、前記中間フランジの内面上の周溝（９３）内に配置されるダイヤフラムシールを含む、フィーダダクトアセンブリ（８０）。
7. ガスタービンエンジン（１０）の端部取付け具（８４）にフィーダダクト（８２）を固定する方法であって、
   前記フィーダダクトの末端部（１００）を前記端部取付け具に柔軟に取り付けるステップと、
   前記フィーダダクトの前記末端部を前記フィーダダクトを取り囲む圧縮可能なシールにより、周溝（９３）を有するカラー（９２）を備える前記端部取付け具に流体密封するステップと、
   を含み、
   前記圧縮可能なシールが前記周溝内に配置される、方法。
8. 前記流体密封するステップが、前記フィーダダクトを前記端部取付け具に対して周方向に密封することを含み、
   前記柔軟に取り付けるステップが、前記フィーダダクトの前記末端部の一部を前記端部取付け具に圧縮保持することを含む、請求項７に記載の方法。