JP7430703B2 - ターボ機械用熱交換器およびその製造 - Google Patents

Description

本発明は熱交換器に関し、より詳細には航空機エンジンにおける油の冷却に関する。

図１は、他の可動部品または固定部品と擦れ合う可動部品を備えるダブルフローターボ機械１０を示しており、これらの接続は、例えば軸受である。摩擦による加熱によって破損しないように、部品には油が噴霧され、この油は、一方では加熱を制限し（または封じ込め）、他方では部品を潤滑して互いの頂部での部品の摺動をし易くする。

油は、熱交換器、特に、図２に示されるように、熱の交換を実行するように成形された、カーブしたパイプの形態の基盤を有する油／空気交換器１２を備えた回路の中を循環し、その中で、前記部品からの油が取り込まれ、その後冷却されてから、前記部品に再び注入される。図２に示される熱交換器１２は、二次空気流の流れのための環状流路を半径方向外向きまたは内側に境界を区切る環状フェルール１６の、半径方向の内面または外面（ターボ機械の長手方向軸線１４に対して）に取り付けられる環状熱交換器１２である。

図３は、図２に示されるように、熱交換器１２内で冷却される流体、特に油の循環の原理を概略的に示している。熱交換器１２は環状部分１８を備え、環状部分は、冷却すべき油の循環のための、第１の導管２２および第２の導管２４から形成される第１の回路２０と、第１の回路２０の第１の導管２２および第２の導管２４を解凍する油の循環のための、第１の導管２８および第２の導管３０から形成される第２の回路２６とを具備する。交換器１２は、ターボ機械の軸線１４の周りに延在する環状交換器である。図３には、方向Ｌにおける交換器１２の長手方向の寸法および、方向Ｃにおける交換器１２の円周方向の寸法が示されている。

そこに見ることができるように、第１の回路２０の第１の導管２２は、流体入口３２と第１の流体接続部材３４ａとの間に延在する第１の部分２２ａと、第２の流体接続部材３４ｂと出口３６との間に延在する第２の部分２２ｂとを含む。第１の回路２０の第２の導管２４は、第１の流体接続部材３４ａと第２の流体接続部材３４ｂとの間に延在する。このようにして、油は、流体入口３２から、第１の導管２２の第１の部分２２ａの中、第１の流体接続部材３４ａの中、第１の回路２０の第２の導管２４の中、流体接続用の第２の部材３４ｂの中、第１の導管２２の第２の部分２２ｂの中を流れ、その後、油の出口３６に向かって流れる。

第２の回路２６の第１の導管２８は、流体接続用の流体入口３２と第１の部材３４ａとの間に延在する第１の部分２８ａと、流体接続の第２の部材３４ｂと流体の出口３６との間に延在する第２の部分２８ｂとを備える。

第２の回路２６の第２の導管３０は、第１の流体接続部材３４ａと第２の流体接続部材３４ｂとの間に延在する。このようにして、油は、流体入口３２から、第１の導管２８の第１の部分２８ａに、第１の流体接続部材３４ａに、第２の導管３０に、第２の流体接続部材３４ｂに、第２の回路２６の第１の導管２８の第２の部分２８ｂに流れ、その後油の出口３６へと流れる。このように形成された第２の回路２６の油は、必要に応じて第１の回路２０の解凍を可能にすることができる。

そこに見ることができるように、接続部材３４ａ、３４ｂがこのように使用されて、第１の回路２０の第１の導管２２と第２の導管２４との間、および第２の回路２６の第１の導管２８と第２の導管３０との間の流体接続を行う。しかしながら、これらの部品には油再循環チャネルを含まれなければならないため、実現するのが難しくなっている。さらに、これらの接続部材３４ａ、３４ｂの構造的独立性のために、環状部分に溶接またはろう付けによってそれらを固定する必要があり、溶接またはろう付けは、第１の回路２０または第２の回路２６における油の流れを、たとえ部分的にでも阻止しないことが不可欠であるため、特に注意が必要である。したがって、時間と費用のかかる品質管理作業を設定する必要がある。さらに、これらの接続部材３４ａ、３４ｂを固定することで、それらを取り外すことができなくなり、これは、第１の回路２０および第２の回路２６を簡単に検査できることが望まれる場合には実用的ではない。最後に、環状空気流路の熱交換器１２の位置を考えると、シェルの直径を変更する必要がないように、その半径方向の寸法を制限することが不可欠であり、このことは、それに固定される他の部品に必然的に影響を与えることになる。

提案された発明の目的は、特に、先行技術の前述の問題に対する簡素で効果的な解決策を提供することである。

したがって、例えば、ターボ機械のケーシングの環状シェルによって支持されることが意図された、ターボ機械の長手方向軸線の環状熱交換器が提案され、これは、環状方向に延在する少なくとも１つの第１の導管および少なくとも１つの第２の導管を備える第１の回路流体を具備する一体構造の環状部分を備え、第１の導管および第２の導管は、前記環状部分の第１の円周方向端部に形成された第１の空洞へと開口すること、ならびに、前記第１の端部と同じ高さに取り付けられ、第２の導管から第１の空洞へ、そしてその後第１の導管に流体が流れることを可能にするように構成された、取り外し可能な密封手段を備えることを特徴としている。

したがって、熱交換器の一端での流体接続は、流体接続部材によってではなく、環状部分の内部で直接実行されることができる。実際、ここで重要なのは、第１の回路の第１の導管と第２の導管との間の流体連通を確実にする空洞は、流体接続が溶接またははんだ付けによって固定される流体接続部材において行われる従来技術とは異なり、一体構造である環状部分に形成されることに留意されたい。

別の特徴によれば、環状部分は、長手方向に垂直な方向に第１の回路の第１の導管および第２の導管のいずれかの側に配置された、少なくとも１つの第１の導管および少なくとも１つの第２の導管を具備する第２の流体回路を備えることができ、第２の回路の第１の導管および第２の導管は、前記環状部分の第１の円周方向端部に形成された第２の空洞に開口しており、密封手段が同様に、前記第１の端部に取り付けられ、そのため、第２の回路の第２の導管から第２の空洞へ、そしてその後第２の回路の第１の導管に流体が流れることを可能にする。

第２の空洞は、第１の空洞の半径方向外側に形成されることができる。

第１の空洞は、第１の円周方向端部で円周方向に開口することができ、密封手段は、前記第１の空洞の開口部に取り付けられた第１の密封部材を備えることができる。

同様に、第２の空洞は、第１の円周方向端部で半径方向に開口することができ、密封手段は、前記第２の空洞の開口部に取り付けられた第２の密封部材を備えることができる。

したがって、本発明は、第１の回路および第２の回路を備える環状部分が押出成形によって作製され、押出成形後に空洞が適切に作製され、そして、それが、第１および第２の回路の第１の導管を第１および第２の回路の第２の導管と接続するための空洞を作製するために、その後の機械加工を実施するのに十分である場合に、とりわけ興味深いものである。これらの空洞は、環状部分の押出成形されたプリフォームの外側から作製され、第１および第２の回路の第１の導管と第２の導管との間に流体接続空洞を維持するために適切に密封される。

第２の回路の第１の導管および第２の導管は、環状部分の第１の端部で円周方向に開口するその端部で、第３の密封部材によって密封されることができる。

また、第２の部材はＬ字型にされることができ、その第１の部分は、第１および第２の回路の第１および第２の導管が開口する面にシールとして適用される。

この第２の器官は、第２の空洞を半径方向に密封するように、環状部分に取り付けられた第２の部分を有することができる。第２の器官は、好ましくは、環状部分に取り外し可能に取り付けられる。これは、例えばねじ止めによって行われることができる。

本発明はまた、上記の熱交換器を製造するためのプロセスにも関係しており、これは以下の、
ａ）環状部分のプリフォームを、プリフォームが第１の回路の第１の導管および第２の導管を備えるように成形されたダイを利用して、押出成形によって得るステップと、
ｂ）環状部分の第１の円周方向端部に第１の空洞を作製するステップと、
ｃ）第２の導管から、第１の空洞へ、そしてその後第１の導管に流体が流れることを可能にするように、前記第１の端部に取り外し可能な密封手段を取り付けるステップと、
を備える。

さらに、この方法は、プリフォームが第２の回路の第１の導管および第２の導管を含むようにダイが成形されるようなものとすることができる。

本発明は、添付の図面を参照して、非限定的な例としてなされた以下の説明を読むときによりよく理解され、本発明の他の詳細、特徴および利点が見えてくるであろう。

既知の技術によるターボ機械の概略斜視図である。 図１のターボ機械に取り付けられた環状熱交換器の一部の概略斜視図である。 図２の交換器およびその中の油の流れの概略図である。 本発明による熱交換器の第１の端部の概略斜視図である。 熱交換器の前記端部に取り付けられた密封部材の概略斜視図である。 熱交換器の前記端部に取り付けられた密封部材の概略斜視図である。 別の密封部材が前記端部に取り付けられた交換器の第１の端部の概略斜視図である。 交換器の第１の端部の分解組立図を含む概略斜視図である。 熱交換器の前記第１の端部の概略断面図であり、油の循環が示されている図である。

ここで、本発明による熱交換器１２ａを表す図４から図６を参照する。図３を参照して説明したものと同様に、交換器１２ａは、互いに実質的に平行な複数の第１の導管３８および第２の導管４０を具備する油の第１の流体回路３７を同様に備える環状部分１８を備え、第１の導管３８は、第１および第２の部分３８ｂを備える。交換器１２ａはまた、平行である第１の導管４４および第２の導管４６を備える第２の流体解凍回路４２を備え、第１の導管４４は、第１の部分（見えない）および第２の部分４４ｂを備える。

第１および第２の回路３７、４２の第１の導管３８、４４および第２の導管４０、４２は、図３を参照して前述したものと非常に類似しており、熱交換器の円周方向端部での互いに対する流体接続のみがそれとは異なっている。また、熱交換器の第１の円周方向端部１３に関して説明することは、第２の反対側の円周方向端部にも有効である。したがって、説明は、第１の回路３７の第１の導管４４の第２の部分４４ｂおよび第１の回路３７の第２の導管４０を使用して、ならびに第２の回路４２の第１の導管４４の第２の部分４４ｂおよび第２の導管４６を使用して、交換器１２ａの第１の円周方向端部１３に関してのみ行われ、示される。

したがって、本発明は、熱交換器の環状部分１８の構造的に独立した接続部材を使用する必要なしに、第１の回路３７の第１の導管３８と第２の導管４０の流体接続、ならびに第２の回路４２の第１の導管４４と第２の導管４６の流体接続を実現することを提案する。

熱交換器１２ａを達成するために、まず最初に、例えばアルミニウム合金などの良好な熱伝導体である材料で作られている交換器１２ａの環状部分１８のプリフォームを入手する。このために、第１の回路３７の第１の導管３８および第２の導管４０と、第２の回路４２の第１の導管４４および第２の導管４６を同時に得ることを可能にするダイが使用される。このステップの終わりに、第１の回路３７および第２の回路４２の第１の導管３８、４４および第２の導管４０、４６は、環状部分１８の第１の端部１３から第２の端部まで延在し、前記両端部で円周方向に開口している。第２の後続のステップでは、第１の空洞４８および第２の空洞５０が、第１の円周方向端部１３に形成される。第１の空洞４８は円周方向に開口しており、第１の回路３７の第１の導管３８の第２の部分３８ｂおよび第２の導管４０は第１の空洞４８へと開口している。第２の空洞５０は、半径方向に、より具体的には半径方向外向きに開口している。この第２の空洞５０は、長手方向軸線Ｌに沿って細長形状を有する。この第２の空洞５０は、その２つの軸線方向端部で、１つは、第２の回路４２の第１の導管４４の第２の部分４４ｂにあり、もう１つは第２の導管４６にある２つの穴５２の開口部に接続されている（図７および図８）。

第１の回路３７および第２の回路４２のそれぞれにおいて油の循環を可能にすることを達成するために、密封手段が追加される。これらの密封手段は、第１の密封部材５４、第２の密封部材５６および第３の密封部材５８を備える。

図５Ｂに見られる第１の密封部材５４は、長手方向Ｌに細長形状を有し、シール（図示せず）が取り付けられる環状溝６０を備える。この第１の密封部材５４は、第１の空洞４８に取り付けられ、その一方の面が第１の回路３７の第１の導管３８の第２の部分３８ｂの出口および第２の導管４０の出口の反対側に来るように、ただしそれらを閉鎖しないように寸法が決められて、第２の導管４０から第２の導管３８の第２の部分３８ｂへの油の流れを可能にする。シールは油の漏出を防ぐ。

第３の密封部材５８は、環状部分１８の第１の端部１３で、第２の回路４２の第１の導管４４の第２の部分４４ｂの出口および第２の回路４２の第２の導管４６の出口に挿入される。第３の部材５８のそれぞれは、第１の部材５４に関して記載されたものと同様の方法でシール（図示せず）が取り付けられる環状溝６２を備え、その機能は全く同じである。

第２の部材５６は、第２の空洞５０の出口を閉鎖することを可能にし、より具体的にはそれを半径方向に覆うことを可能にする。環状溝６４が、第２の空洞５０の出口の周囲を囲むように形成される。環状溝６４は、シール（図示せず）を受容することが意図されている。第２の部材５６は、第１の部材５４および第３の部材５８上に円周方向に適用されるようになることが意図された、実質的に平坦な第１の部分５６ａを備えるＬ字型を有する。それはまた、その半径方向の内面（軸線１４の方向）に、第２の部材５６が環状部分１８に取り付けられている場合、円周方向に第２の空洞５０のいずれかの側に配置された第１のボス６６ａおよび第２のボス６６ｂを有する第２の部分５６ｂを備える。第１のボス６６ａおよび第２のボス６６ｂは、それぞれ、環状部分１８の半径方向の外面上に形成された第１の凹部６８ａおよび第２の凹部６８ｂと協働する。第１の凹部６８ａおよび第２の凹部６８ｂは、第２の空洞５０のいずれかの側に円周方向に形成される。したがって、第２の部材５６の第２の部分５６ｂが環状部分１８の第１の端部１３に取り付けられるとき、ボス６６ａ、６６ｂは、環状部分１８上の第２の部材５６の円周方向の固定を確実にする。固定ねじが第２の部分を通過し、環状部分１８にねじ込まれ、第１のねじ７０ａは第１のボス６６ａを通り、第２のねじ７０ｂは第２のボス６６ｂを通り、第３のねじ７０ｃは、第１のボス６６ａおよび第２のボス６６ｂから離れた第２の部材５６の第２の部分５６ｂの領域を通過する。

上記の実施形態によれば、密封手段は取り外すことが可能であり、必要に応じて交換器を検査することができる。さらに、本発明が固定ねじの単独使用に限定されないように、他の取り外し可能な固定手段を使用することができる。取り外し可能な剛性の取り付け／接続手段は、迅速な組み立ておよび分解を可能にしなければならないことが理解される。

交換器１２ａの第２の端部において、第１の端部で上に露出したものと同じ流体接続技術を使用したい場合、このように、押出成形ステップの後に、第２の端部に第１の空洞４８および第２の空洞５０を形成し、上記のような密封手段を追加することが可能である。

また、交換器１２ａがターボ機械の半径方向内側の環状シェルに取り付けられている場合、第２の空洞（複数可）５０は半径方向内向きに開放する場合もある。

Claims (9)

1. 長手方向軸線（Ｌ）を備え、ターボ機械のケーシングの環状シェルによって支持されることが意図された、ターボ機械用の環状熱交換器（１２ａ）であって、環状方向に延在する、少なくとも１つの第１の導管（３８）および少なくとも１つの第２の導管（４０）を備える第１の流体回路（３７）を具備する一体式の環状部分（１８）を備え、第１の導管（３８）および第２の導管（４０）は、前記環状部分（１８）の第１の円周方向端部（１３）に形成された第１の空洞（４８）へと開口すること、ならびに、前記第１の円周方向端部（１３）に取り付けられ、第２の導管（４０）から第１の空洞（４８）へ、かつその後第１の導管（３８）に流体が流れることを可能にするように構成された、取り外し可能な密封手段を備え、
   長手方向（Ｌ）に垂直な円周方向方向に、第１の回路（３７）の第１の導管（３８）および第２の導管（４０）のいずれかの側に配置された、少なくとも１つの第１の導管（４４）および少なくとも１つの第２の導管（４６）を備える第２の流体回路（４２）を備え、第２の回路（４２）の第１の導管（４４）および第２の導管（４６）は、前記環状部分（１８）の第１の円周方向端部（１３）に形成された第２の空洞（５０）であって、長手方向軸線（Ｌ）および円周方向に対して垂直な方向に第１の空洞（４８）の半径方向外側に配置されている第２の空洞（５０）に開口しており、第２の回路（４２）の第２の導管（４６）から第２の空洞（５０）へ、その後第２の回路（４２）の第１の導管（４４）に流体が流れることを可能にするように、密封手段が同様に前記第１の円周方向端部（１３）に取り付けられていることを特徴とする、交換器。
2. 第１の空洞（４８）は、第１の円周方向端部（１３）と同じ高さで円周方向に開口し、密封手段は、前記第１の空洞（４８）の出口に取り付けられた第１の密封部材（５４）を備える、請求項１に記載の交換器。
3. 第２の空洞（５０）は、第１の円周方向端部（１３）の円周方向で半径方向に開口し、密封手段は、前記第２の空洞（５０）の出口に取り付けられた第２の密封部材（５６）を備える、請求項１または請求項２に記載の交換器。
4. 第２の回路（４２）の第１の導管（４４）および第２の導管（４６）は、環状部分（１８）の第１の円周方向端部（１３）で円周方向に開口するそれらの端部を密封する第３の部材（５８）によって閉鎖される、請求項１～３のいずれか一項に記載の交換器。
5. 第２の部材（５６）はＬ字型を有し、第１の部分（５６ａ）は、第１の回路（３７）および第２の回路（４２）の第１の導管（３８、４４）および第２の導管（４０、４６）が開口する面にシールとして取り付けられている、請求項３、または請求項３および４に記載の交換器。
6. 第２の部材（５６）は、第２の空洞（５０）を閉鎖するように環状部分（１８）に取り付けられた第２の部分（５６ｂ）を有する、請求項５に記載の交換器。
7. 第２の部材（５６）は、環状部分（１８）に取り外し可能に取り付けられている、請求項５または６に記載の交換器。
8. 第２の部材（５６）は、環状部分（１８）にねじ止めされることによって固定される、請求項７に記載の交換器。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の交換器の製造方法であって、
   ａ）環状部分（１８）のプリフォームを、プリフォームが第１の回路（３７）の第１の導管（３８）および第２の導管（４０）を備えるように成形されたダイを利用して、押出成形によって得るステップと、
   ｂ）環状部分（１８）の第１の円周方向端部（１３）の高さに第１の空洞（４８）を作製するステップと、
   ｃ）第２の導管（４０）から、第１の空洞（４８）へ、次いで第１の導管（３８）に流体が流れることを可能にするように、前記第１の円周方向端部（１３）に取り外し可能な密封手段を取り付けるステップと、を備える方法。

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