JP6705624B2 - ライナー組立体及びタービュレーター製造方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示する主題は、ライナー組立体及びタービュレーター製造方法に関し、具体的には、燃焼器ライナーのためのタービュレーターの製造に関する。

通常、ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器及びタービンセクションを含む。吸入空気が圧縮機内で圧縮され、この圧縮空気を燃料と混合して燃料／空気混合物を形成し、この混合物を燃焼器内で燃焼して生成された生成物がタービンセクションに向けられる。タービンセクション内では、この生成物を膨張させて、動力又は電力に変換できる機械的エネルギーを生成する。

燃焼器は、多くの場合、燃焼が行われる内部を画成するように形成されたライナーを有する。ライナーは、燃焼器のヘッド端部側では端部カバーの一部によって取り囲まれ、燃焼器の下流端部側ではスリーブによって取り囲まれる。この端部カバーの一部とスリーブは、ライナーの外面の周囲に、空気流を可能にする１又はそれ以上の環状部を協働して画成する。この空気流は、ライナーの外面の周囲に設けられたタービュレーターの存在によって撹乱することができる。このような撹乱は、伝熱効果を高めてライナーから熱が除去されるようになり、高温による損傷を避けることができる。

一般に、タービュレーターは、ライナーの外面上に機械加工によって形成される。この機械加工は、所望の形状及びサイズのタービュレーターが形成されるまで、外面から段階的に材料を除去するものである。

本発明の１つの態様では、細長可撓性部材を張力下でライナー本体に付加配置するステップと、細長可撓性部材−ライナー本体接触面にろう付けペーストを供給するステップと、ろう付けペーストに対してろう付け処理を行って、細長可撓性部材をライナー本体に取り付けるステップとを含む、タービュレーター製造方法が提供される。

本発明の別の態様では、ライナー本体を直立姿勢で配置するステップと、ライナー本体に細長可撓性部材を張力下で螺旋状に巻設するステップと、細長可撓性部材−ライナー接触面の上隅にろう付けペーストを供給するステップと、ろう付けペーストに対してろう付け処理を行って、細長可撓性部材をライナー本体に取り付けるステップとを含むタービュレーター製造方法が提供される。

本発明のさらに別の態様では、外面を有するライナー本体と、外面上に張力下で付加配置された細長可撓性部材と、外面と細長可撓性部材との間の接触面に形成されたろう付け継手とを備えたライナー組立体が提供される。

これらの及びその他の利点及び特徴は、図面に関連して行う以下の説明からさらに明らかになる。

本発明と見なす主題については、本明細書の最後に請求項において具体的に指摘し、明確に特許請求する。本発明の上記の及びその他の特徴及び利点は、添付図面に関連して行う以下の詳細な説明から明らかである。

実施形態に係るライナー組立体を含むガスタービンエンジンの概略図である。 実施形態に係るライナー組立体の細長可撓性部材の断面図である。 実施形態に係るライナー組立体の細長可撓性部材の断面図である。 実施形態に係るライナー組立体の細長可撓性部材の断面図である。 実施形態に係るライナー組立体の細長可撓性部材の断面図である。 実施形態に係るライナー組立体の細長可撓性部材の断面図である。 実施形態に係るタービュレーター製造方法を示す図である。

詳細な説明において、本発明の実施形態は、図面を参照して利点及び特徴と共に例示的に説明される。

以下の説明は、ライナー組立体と、様々な構造又は形状の細長可撓性部材をライナー本体に付加配置し、細長可撓性部材−ライナー本体接触面の上隅にろう付けペーストを供給し、ろう付けペーストをろう付けすることによってライナー組立体を形成するタービュレーター製造方法とに関する。このようにして、約３０％少ない原材料、以前に見込まれていたよりも大幅に少ない時間（加工時間が１０時間から１時間に）、及び少ない廃棄材料でライナー組立体を形成することができる。

図１〜図６に、ライナー組立体１０を示す。ライナー組立体１０は、単独部品として提供することも、或いはガスタービンエンジン１の燃焼器組立体の一部として提供することもできる。後者の場合、ガスタービンエンジン１は、圧縮機２、燃焼器３及びタービンセクション４を含む。ガスタービンエンジン１の動作時には、圧縮機２内で吸入空気を圧縮し、この圧縮空気を燃料と混合して燃料／空気混合物を形成する。この燃料／空気混合物を燃焼器３内で燃焼して燃焼生成物を生成し、これをタービンセクション４に向ける。タービンセクション４内では、燃焼生成物を膨張させて、動力又は電力に変換できる機械的エネルギーを生成する。

ライナー組立体１０は、燃焼器３のライナーとしての機能を果たし、その容量内にライナー本体１１を含む。ライナー本体１１は、相対的に広いヘッド側末端部分１１０及び相対的に狭い下流側末端部分１１１を含む円錐台形状を有する。ライナー本体１１は、外面１２を有し、燃焼が行われる内部１３を画成するように形成される。ライナー本体１１は、燃焼器３のヘッド端部側では端部カバー１４の一部によって取り囲まれ、燃焼器３の下流端部側ではスリーブ１５によって取り囲まれる。この端部カバー１４の一部とスリーブ１５は、外面１２の周囲に、空気流を可能にする１又はそれ以上の環状部１６を協働して画成する。

図１に示すように、ライナー組立体１０は、外面１２上及びその周囲に少なくとも一時的に張力を保持した状態で付加配置された、金属ワイヤ、プラスチックワイヤ又は複合ワイヤなどの細長可撓性部材２０と、ろう付け継手３０とをさらに含む（図２〜図６を参照）。ろう付け継手３０が形成されると、ろう付け継手３０及び細長可撓性部材２０は、協働してタービュレーター３５を形成する。ろう付け継手３０は、外面１２と細長可撓性部材２０の間に画成される接触面４０（図２〜図６を参照）に形成される。従って、細長可撓性部材２０は、ライナー組立体１０のためのタービュレーター３５の少なくとも一部として機能し、１又はそれ以上の環状部１６内の空気流を撹乱する。

細長可撓性部材２０は、ライナー本体１１の周囲に配置して、ろう付け継手３０によって外面１２に（例えば、０．２５〜０．５インチのピッチ間隔範囲の）螺旋パターン又は別のパターンで単一の連続特徴又は複数の離散特徴として接続することができる。細長可撓性部材２０は、その対向する第１及び第２の端部２１及び２２などの所定の位置においてライナー本体１１にさらに接続又は溶接することができる。すなわち、ヘッド側末端部分１１０において細長可撓性部材２０の第１の端部２１をライナー本体１１に溶接又はタック溶接し、下流側末端部分１１１において細長可撓性部材２０の第２の端部２２をライナー本体１１に溶接又はタック溶接することができる。

実施形態では、ろう付け継手３０は、以下に限定されるわけではないが、ニッケル及びアルミニウム、及び／又はライナー本体１１とのろう付け加工適合性がある他のいずれかの材料を含む様々な材料を含むことができる。

図２〜図６に示すように、ろう付け継手３０は、疲労抵抗を高めるための凹状遷移部を含む丸みを帯びた断面形状３１を有する。特に、図３に示すように、ろう付け継手３０は、３つの漸近領域３０１、３０２、３０３を含むフィレット形状を有することができる。領域３０１は、細長可撓性部材２０から離れた方を向き、外面１２に沿って存在する。領域３０２は、外面１２から離れた方を向き、細長可撓性部材２０に沿って延びる。領域３０３は、接触面４０に向かって内側に向き、外面１２に沿って延びる。領域３０３は、表面欠陥及び加工公差の結果として接触面４０を通じて画成される孔４１を介してろう付け継手３０の反対側から延びる相補的領域３０３と接続することができる。

様々な実施形態では、細長可撓性部材２０は、角のある断面形状（図２の矩形ワイヤ２０を参照）、又は丸みを帯びた断面形状（図３〜図６の円形ワイヤ２０を参照）を有することができる。いずれの場合にも、細長可撓性部材２０の成形方法の決定は、限定するわけではないが、熱伝達要件を含む様々な要因に従って行われる。

図４〜図６に示すように、ライナー組立体１０は、追加ワイヤ２３及び追加ろう付け継手３１を含むことができる。追加ワイヤ２３は、既付加配置ワイヤ２０に隣接して、外面１２上及びその周囲に少なくとも一時的に張力を保持した状態で付加配置する（図４を参照）ことも、或いは１又はそれ以上の既付加配置ワイヤ２０、２３上及びその周囲に、第２のレベルの追加ワイヤ２３０として少なくとも一時的に張力を保持した状態で付加配置する（図５及び図６を参照）こともできる。追加ろう付け継手３１は、外面１２と追加ワイヤ２３との間の接触面（図４を参照）、又は既付加配置ワイヤ２０、２３と第２のレベルの追加ワイヤ２３０との間の接触面（図５及び図６を参照）に形成される。

以下、図７を参照しながらタービュレーター製造方法について説明する。この方法は、ライナー本体１１を回転治具５０上に実質的に直立姿勢で配置し、細長可撓性部材２０をライナー本体１１上及びその周囲に少なくとも一時的に張力を保持した状態で螺旋状に巻設するステップを含む。回転治具５０は、ライナー本体１１の重量を直接支持する固定具５１を含むことができる。また、回転治具５０は、ライナー本体１１の遠位端における追加固定具５２と対を成すこともできる。

細長可撓性部材２０の螺旋状の巻設は、最初に細長可撓性部材２０の第１及び第２の端部２１及び２２（図１を参照）の少なくとも一方をライナー本体１１に溶接（例えば、タック溶接）することによって行うことができる。その後、細長可撓性部材２０の少なくとも一方の端部をライナー本体１１に溶接して固定支持した状態で、サーボモーター５３を用いて治具５０を回転させると同時に、ライナー本体１１の長手方向軸Ａに沿って細長可撓性部材スプール６０を動かすことによって螺旋状の巻設を進行させる。細長可撓性部材スプール６０は、ホイール６２が回転自在に配置された車軸６１を含み、このホイール６２上に細長可撓性部材２０が部分的に巻設される。従って、治具５０を回転させるとライナー本体１１が回転し、これによって細長可撓性部材の長さが、ガイド部６３を介した供給作用においてホイール６２から引き寄せられるようになる。別の実施形態では、ライナー本体１１を別の配向で配置することができ、このような場合、細長可撓性部材スプール６０の動きは、依然として長手方向軸Ａに沿って方向付けられる。

図７に示すように、この方法は、細長可撓性部材−ライナー接触面４０の上隅にノズル７１を介してろう付けペースト７０を供給するステップと、細長可撓性部材２０をライナー本体１１に取り付けてタービュレーター３５を形成するために、例えば真空オーブン８０内でろう付けペースト７０に対してろう付け処理を行うステップとをさらに含むことができる。このろう付け処理中に、ろう付けペースト７０は、表面欠陥及び加工公差の結果として接触面４０を通じて画成される孔４１に浸透して細長可撓性部材２０の両側にろう付け継手３０を形成し、或いは細長可撓性部材２０外面の周囲を流れる。

図４〜図６の追加ワイヤ２３、２３０及び追加ろう付け継手３１については、図７に示す方法を必要に応じて繰り返して所望のタービュレーター３５の形状を形作ることができる。

以下、再び図２を参照しながらさらなる又は別の実施形態について説明する。例えば、細長可撓性部材２０が図２に示す角のある断面形状を有している場合のように、細長可撓性部材２０が外面１２との間に拡大された接触面を形成するように構成されている場合には、ろう付け継手３０を、外側部分３０４と、細長可撓性部材２０と外面１２の間の拡大された接触面に沿って延びる内側部分３０５とを含むように形成することができる。さらなる例として、細長可撓性部材２０は、内部スペース３１１を画成するように形成された内部接面３１０を含むことができ、細長可撓性部材２０は、実質的に中空とすること、或いは何らかの好適な種類又は組成の溶加材で満たすことができる。

上述したさらなる又は別の実施形態については、図２を参照しながら説明したが、本明細書で説明した他の全ての実施形態に適用可能であると理解されるであろう。従って、細長可撓性部材２０は、図３〜図６の丸みを帯びた断面形状を有している場合にも、内部接面３１０を含んで実質的に中空とすること、或いは溶加材で満たすことができる。さらに、内部スペース３１１の断面形状は、細長可撓性部材２０が図２に示す角のある断面形状を有している場合に内部スペース３１１が丸みを帯びることができるように、またこの逆も可能であるように、細長可撓性部材２０の断面形状を全体として模倣する必要はない。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に限定されるものでないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、上述してはいないが本発明の思想及び範囲に見合ったあらゆる数の変形形態、代替形態、置換形態又は同等構成を含むように修正することができる。また、本発明の様々な実施形態について説明したが、本発明の態様は、説明した実施形態の一部のみを含むこともできる。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１ ガスタービンエンジン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービンセクション
１０ ライナー組立体
１１ ライナー本体
１２ 外面
１３ 内部
１４ 端部カバー
１５ スリーブ
１６ 環状部
２０ 可撓性部材
２１ 第１の端部
２２ 第２の端部
２３ 追加ワイヤ
２３０ 第２のレベルの追加ワイヤ
３０ ろう付け継手
３１ 追加ろう付け継手
３０１、３０２、３０３ 漸近領域
３０４ 外側部材
３０５ 内側部分
３１０ 内部接面
３１１ 内部スペース
３５ タービュレーター
４０ 接触面
４１ 孔
５０ 治具
５１ 固定具
５２ 追加固定具
５３ サーボモーター
６０ スプール
６１ 車軸
６２ ホイール
６３ ガイド部
７０ ろう付けペースト
７１ ノズル
１１０ ヘッド側末端部分
１１１ 下流側末端部分

Claims (14)

1. タービュレーターの製造方法であって、
   ライナー本体を直立姿勢で配置するステップであって、ライナー本体の長手軸が回転治具上で鉛直方向に向く、前記ステップと、
   細長可撓性部材の端部をライナー本体に溶接することによりスプールから細長可撓性部材を張力下でライナー本体に付加配置し、細長可撓性部材の張力を維持しながら細長可撓性部材をライナー本体に巻設するステップと、
   細長可撓性部材−ライナー本体接触面にろう付けペーストを供給するステップと、
   ろう付けペーストに対してろう付け処理を行って、細長可撓性部材をライナー本体に取り付けるステップと
   を含む、方法。
2. タービュレーターの製造方法であって、
   細長可撓性部材を張力下でライナー本体に付加配置するステップと、
   細長可撓性部材−ライナー本体接触面にろう付けペーストを供給するステップと、
   ろう付けペーストに対してろう付け処理を行って、細長可撓性部材をライナー本体に取り付けるステップと
   を含み、
   細長可撓性部材を張力下で付加配置するステップが、
   ライナー本体を回転治具上に直立姿勢で配置するステップと、
   細長可撓性部材スプール内に部分的に含まれて細長可撓性部材スプールから供給されるように配置された細長可撓性部材の端部をライナー本体に溶接するステップと、
   治具を回転させるステップと、
   細長可撓性部材の張力を維持しながら、細長可撓性部材スプールをライナー本体の長手方向軸に沿って動かすステップと
   を含む、方法。
3. タービュレーターの製造方法であって、
   細長可撓性部材を張力下でライナー本体に付加配置するステップと、
   細長可撓性部材−ライナー本体接触面にろう付けペーストを供給するステップと、
   ろう付けペーストに対してろう付け処理を行って、細長可撓性部材をライナー本体に取り付けるステップと
   を含み、
   既付加配置ワイヤの近傍のライナー本体又は既付加配置ワイヤ上に、追加ワイヤを張力下で付加配置するステップと、
   追加ワイヤ−ライナー本体／既付加配置ワイヤ接触面の上隅にろう付けペーストを供給するステップと
   をさらに含む、方法。
4. 供給ステップが、巻設ステップの最中又は後に行われる、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. ろう付け処理を行うステップが真空中で完遂される、請求項４記載の方法。
6. タービュレーター製造方法であって、
   ライナー本体を直立姿勢で配置するステップであって、ライナー本体の長手軸が回転治具上で鉛直方向に向く、前記ステップと、
   ライナー本体の長手軸の周りで細長可撓性部材スプールを移動させることによりライナー本体に細長可撓性部材を張力下で螺旋状に巻設するステップであって、細長可撓性部材の一部が細長可撓性部材スプールに含まれ、細長可撓性部材が細長可撓性部材スプールから供給可能である、前記ステップと、
   細長可撓性部材とライナー本体との接触面の上隅にろう付けペーストを供給するステップと、
   ろう付けペーストに対してろう付け処理を行って、細長可撓性部材をライナー本体に取り付けるステップと
   を含む、方法。
7. タービュレーター製造方法であって、
   ライナー本体を直立姿勢で配置するステップと、
   ライナー本体に細長可撓性部材を張力下で螺旋状に巻設するステップと、
   細長可撓性部材−ライナー接触面の上隅にろう付けペーストを供給するステップと、
   ろう付けペーストに対してろう付け処理を行って、細長可撓性部材をライナー本体に取り付けるステップと
   を含み、
   ライナー本体を配置するステップが、ライナー本体を回転治具上に配置するステップを含み、細長可撓性部材を螺旋状に巻設するステップは、
   治具を回転させるステップと、
   細長可撓性部材を部分的に含み、細長可撓性部材を供給可能な細長可撓性部材スプールを、ライナー本体の長手方向軸に沿って動かすステップと
   を含む、方法。
8. タービュレーター製造方法であって、
   ライナー本体を直立姿勢で配置するステップと、
   ライナー本体に細長可撓性部材を張力下で螺旋状に巻設するステップと、
   細長可撓性部材−ライナー接触面の上隅にろう付けペーストを供給するステップと、
   ろう付けペーストに対してろう付け処理を行って、細長可撓性部材をライナー本体に取り付けるステップと
   を含み、
   既巻設ワイヤ近傍のライナー本体に第２のワイヤを張力下で巻設するステップと、
   第２のワイヤ−ライナー接触面の上隅にろう付けペーストを供給するステップと
   をさらに含む、方法。
9. 既巻設ワイヤ上に第３のワイヤを張力下で巻設するステップと、
   第３のワイヤ−既巻設ワイヤ接触面の上隅にろう付けペーストを供給するステップと
   をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 細長可撓性部材を螺旋状に巻設するステップが、細長可撓性部材の両端部をライナー本体に溶接するステップを含む、請求項６乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 供給ステップが、巻設ステップの最中又は後に行われる、請求項６乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. ろう付け処理を行うステップが真空中で完遂される、請求項６乃至１１のいずれかに記載の方法。
13. 細長可撓性部材が中空である、請求項６乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. ライナー組立体であって、
    外面を有するライナー本体と、
    外面上に張力下で付加配置された細長可撓性部材と、
    外面と細長可撓性部材との間の接触面に形成されたろう付け継手と、
    既付加配置ワイヤの近傍の外面又は既付加配置ワイヤ上に張力下で付加配置された追加ワイヤと、
    外面と追加ワイヤとの間の接触面又は既付加配置ワイヤと追加ワイヤとの間の接触面に形成された追加ろう付け継手と
    を含む、ライナー組立体。