JP3998494B2 - 交換可能なアフタバーナ熱シールド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には航空機ガスタービンエンジン用のアフタバーナに関し、具体的には、アフタバーナの燃料噴射管のための容易に交換可能な熱シールドに関する。
【0002】
【従来の技術】
後燃焼させることすなわち再加熱することは、タービンエンジンの基本推力を増大させる1つの方法である。アフタバーナは、コアエンジンの後方に位置するタービン排気ガス及びエンジンバイパス空気の流れに熱エネルギーを加えることにより推力を増大させる。アフタバーナは、ガスの流れの中に燃料を分散させるための噴射バーとして知られている幾つかの燃料噴射管を含む。各管は、外壁から半径方向内方にエンジン排気中に延びており、燃料を供給するための多数の噴射オリフィスを有する。アフタバーナはまた、保炎器として知られる火炎安定装置を含み、減少したガス速度をする領域を創り出して有効燃焼を助長する。アフタバーナは、一般的に、バイパス空気の流れの1部をタービン排気ガスと混合して性能を向上させるミキサダクトすなわちミキサの直近に配置される。ミキサダクトは、シュートとして知られる、複数の円周方向に間隔を置いて配置された流路を備える円筒形のシェルであり、バイパス空気をタービン排気ガスの流れの中に送り込む。
【0003】
アフタバーナの燃料噴射管の各々は、管を取り囲み、管に沿って冷却空気を送り込むための内部チャンネルを有するハウジング、すなわち熱シールドにより保護される。複数の孔が、噴射オリフィスと位置合わせされて熱シールドに沿って間隔を置いて配置され、燃料が管からガス流中に噴射されることを可能にする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
熱シールドは、焼損、熱サイクル疲労またはコークス化残滓のために定期的に交換される。理想的には、熱シールドは、航空機運航停止時間を最少限にするために、短時間で交換できるようにすべきである。不都合なことに、一部の種類の熱シールドは、容易に交換できないために、修理するのに長時間を必要とする。例えば、一部の熱シールドを取り外すために十分に近づけるようにする前に、オーグメンタ組立体全体が、先ずエンジンから取り外さなければならない。別の設計では、熱シールドは、溶接などで支持構造体に恒久的に取り付けられている。これらの熱シールドの交換は、多くの時間と費用を必要とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
一般に、本発明の熱シールドは、タービンエンジン・アフタバーナの燃料噴射管を保護する。アフタバーナは、ほぼ円筒形の外壁と、外壁から内方に間隔を置いて配置され、タービン排気ガスを流すためのコアダクトと冷却空気を流すためのバイパスダクトとの間の境界を形成するダクト部材とを有する。燃料噴射管は、ダクト部材の開口を通して外壁から内方へコアダクトまで延びている。燃料噴射管の第1の部分はバイパスダクト内に位置し、また燃料噴射管の第2の部分はコアダクト内に位置する。熱シールドは、ダクト部材に取り付けられるようになっており、コアダクト内に熱シールドを支持するための基板を含む。基板は、第1の取付面を備える前面、基板を貫通して延びる第1の固締具穴、及び基板中の凹部を有する。ハウジングが、燃料噴射管の第2の部分を取り囲んでいる。ハウジングは、燃料噴射管を受け入れるためにその1端が開口しているその中の内部チャンネル、第2の取付面、第2の固締具穴、及びハウジングから突出しているタブを有する。タブは、基板の凹部によって受け入れられる寸法と形状にされている。タブが凹部によって受け入れられ、取付面が係合され、また第2の固締具穴が、固締具を挿入してハウジングを基板に固定することができるように、第1の固締具穴と同心に位置合わせされて配置される基板上の取り付け位置で、ハウジングは基板に取り外し可能に固定されることができる。
【0006】
別の態様では、本発明の組合せは、ミキサシュート及びガスタービンエンジンのアフタバーナのための取り付け可能な熱シールドを含む。アフタバーナは、ほぼ円筒形の外壁と、外壁から内方に間隔を置いて配置され、タービン排気ガスを流すためのコアダクトと冷却空気を流すための冷却ダクトとの間の境界を形成するダクト部材と、外壁から内方へコアダクトまで延びている燃料噴射管とを有する。管の第1の部分は冷却ダクト内に位置し、また管の第2の部分はコアダクト内に位置する。ミキサシュートは、冷却空気を冷却ダクトからタービン排気ガスの流れの中に送り込むように、ダクト部材からコアダクト内に延びる通路を含む。熱シールドは、取り付け位置でシュートに取り外し可能に取り付けることができるハウジングを含む。ハウジングは、燃料噴射管を受け入れて取り囲む内部チャンネルと、固締具を受け入れて取り付け位置でハウジングを取り外し可能にシュートに取り付けるための、ハウジング中の少なくとも1つの固締具穴とを有する。
【0007】
本発明の他の特徴は、一部は明らかであり、また一部は以下の説明で指摘されるであろう。
【0008】
対応する参照符号は、図面の幾つかの図を通して対応する部分を示す。
【0009】
【発明の実施の形態】
ここで図面、特に図1及び図2を参照すると、本発明の熱シールドが、全体を符号20で示されている。熱シールド20は、従来の航空機ガスタービンエンジン26のアフタバーナ、すなわちオーグメンタ24内に取り付けられた燃料噴射管22(図2)を保護する。熱シールド20は、基板28及び取り外し可能に基板に取り付けられるハウジング30の2つの構成部品を含む。ハウジング30は、燃料噴射管22を取り囲み、また損傷した場合には、容易に交換可能である。
【0010】
図1に示すように、エンジン26は、中心軸線32の周りにあって大体円筒形の形状をしており、その長さに沿って順次に、ファン34、圧縮機36、燃焼器38、タービン40、アフタバーナ24、及び排気ノズル42を含む。本明細書にさらに述べる場合を除いて、エンジン26は、通常の構成を有する。アフタバーナ24は、航空機の加速、操縦性、及び/または速度を高める必要に応じて、エンジンの推力を増大させるために設けられる。アフタバーナ24は、ほぼ円筒形の外壁44及び外壁の内側に間隔を置いて配置されたライナ46を有する。空気は、中央のコアダクト48及び外側のバイパスダクト50からアフタバーナ24に入る。コアダクト48は、タービン排気ガスを送り込み、またバイパスダクト50は、圧縮機36、燃焼器38、及びタービン40を迂回してきたファン34からの空気を送り込む。バイパスダクト50を通って移動する空気の1部は、冷却空気を排気ノズル42に供給するために、外壁44及びライナ46により形成された冷却空気流路52に入る。
【0011】
エンジンの全ての出力設定において、タービン排気ガスの温度は、バイパス空気の温度よりもかなり高い。外壁44及びライナ46は、一般的に高温に曝されるのに耐えるようには設計されていないので、バイパス空気により冷却される。バイパス空気は、ファン34から取り出されるのが好ましいが、その場合にはバイパス空気をファン空気と呼ぶこともできる。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、圧縮機抽気口、ラム取り入れダクト、または冷媒循環装置が冷却空気の発生源となる場合があることを理解されたい。エンジン26は、コアダクト48の中央に後部センタボディ54を有する。後部センタボディ54は、中央通気管56を有するほぼ円錐形のシェルである。
【0012】
図2に示すように、アフタバーナ24はまた、コアダクト48とバイパスダクト50との間に配置された全体を符号58で示したミキサを含み、該ミキサがバイパスダクトを通して移動する冷却空気の流れの1部分をコアダクトを通して移動するタービン排気ガスと混合する。ミキサ58は、バイパスダクト50からの冷却空気の1部をコアダクト48中のタービン排気ガスの流れに送り込むための、少なくとも1つの通路すなわちシュート60を有する環状のシェルである。ミキサ58は、エンジンダクトの周囲の周りに複数のシュート60、例えば16個の均等に間隔を置いて配置されたシュートを有することが好ましい。
【0013】
図2を参照すると、少なくとも1つの燃料噴射管22が、外壁44から内方にコアダクト48の内側の片持ち梁状の端部62まで延びる。燃料噴射管22はまた、噴射バーとも呼ばれ、外壁44の外側に設置された燃料マニホルド及び分配器(図示せず)から始まる。管22は、ミキサ58を通り抜け、シュートの内壁66中の全体を64で示した開口を通してコアダクト48に入る、連続した単壁のパイプであることが好ましい。燃料噴射管22の第1の外側部分は、ほぼバイパスダクト52内に位置しており、そこで比較的低温のバイパス空気に曝される。第2の内側部分は、ほぼコアダクト48内に位置しており、そこで比較的高温のタービン排気ガスに曝される。コアダクト48内の幾つかの半径方向位置で燃料をタービン排気ガスに供給するために、複数の噴射オリフィス70が燃料噴射管22の内側部分に沿って配置される。
【0014】
代表的なラジアル形のアフタバーナには、アフタバーナ24の周囲の周りに均等な角度間隔で配置された複数の燃料噴射管22がある。例えば、アフタバーナの周囲の周りに均等な角度間隔で配置された16個の燃料噴射管22がある場合がある。各管22は、ミキサ58のミキサシュート60と対応する円周方向の位置にあるので、各管はシュートを貫いて、壁66の開口64を通してコアダクト48中に延びる。第2の組の燃料噴射管72(図1に部分的に示す)が、シュート60の間で円周方向に間隔を置いて配置されており、それらはほぼその全長に沿ってコア空気に曝される。本発明の熱シールド20は、主として最初に述べた組のそれらの燃料噴射管を保護するようにされている。しかしながら、熱シールド20は、本発明の範囲から逸脱することなく第2の組の管72に用いることができることが分かる。
【0015】
管22の各々は、燃料をシュート60内のバイパス空気に供給するための、第2のより短い燃料噴射管76と対になっている。第2の管76は、シュート60内の幾つかの半径方向位置で燃料を供給するために管に沿って配置された噴射オリフィス78を有する。アフタバーナ24の作動が開始されると、燃料がまず燃料噴射管22を通してコアダクトに供給され、続いて第2の燃料噴射管76を通してバイパスダクトに供給される。
【0016】
図3を参照して、基板28は、コアダクト48内に熱シールド20を支持するように構成されている。基板28は、熱シールド20をミキサシュート60の壁66に取り付けるための全体的に薄い輪郭の本体である。基板28の外面80は、基板が、基板の外側リム82全周を接触させて壁66にしっかりと係合することができるように、シュート60に一致する輪郭を持つ。基板28は、外側リム82をシュートの壁66に溶接することなどによりシュート60に固定状態に取り付けられる。他の非固定の取り付け方法も本発明の範囲から逸脱しないことを理解されたい。ハウジング30と違って、基板28は、その薄い輪郭、冷却されたミキサシュート60の直近にそれが位置していること、またそれがハウジングよりも炎から大きく離れていることから、アフタバーナ作動中に損傷を受けない。基板28は、シュートの壁66の開口64を覆う位置でシュート60上に設置される。好ましい実施形態において、基板28は、ミキサシュート60に取り付けられるように構成されているが、基板は、本発明の範囲から逸脱することなく、ライナ46または外壁44のような任意のダクト部材に取り付けられるように構成されてもよいことが分かる。
【0017】
基板28の内面84は、ハウジング30を取り付けるための第1の取付面86を含む。ハウジング30が、後述するように、ハウジングを面に対して平行に移動させることにより基板上に配置されることができるように、第1の取付面86は平坦であることが好ましい。しかしながら、平坦でない取付面も実施可能である。第1の固締具穴88は、基板28を貫通して外面80から第1の取付面86のほぼ中央において内面84まで延びる。凹部90がハウジング30上の対応するタブ92を受け入れるように基板28内に形成される。凹部90は、第1の取付面86に隣接して配置される。固締具穴88及び凹部90の別の構成及び配置も、本発明の範囲から逸脱するものではない。
【0018】
基板28は、基板を貫通して外面80から内面84まで延びる第1の開口94及び第2の開口96を有する。両開口94、96は、ハウジング及び燃料噴射管22を冷却するために、バイパス空気をシュート60からハウジング30まで導くように構成される。第1の開口94は、燃料噴射管22を受け入れるように配置される。2つの横フィン98が、第1の開口94を横切って取り付けられて、燃料噴射管22が、第1の開口の間違った領域を通して設置され、そこから管がさらに間違ってハウジング中に挿入されることになるのを防止する。
【0019】
ハウジング30は、燃料噴射管22の第2の部分を取り囲み、コアダクト48中のタービン排気ガスの熱からそれを遮蔽する。図7から図9までを参照して、ハウジング30は、ハウジングを越えて流れるタービン排気ガス流中の流れの乱れ及び圧力損失を最少限にするために、全体として薄い翼形の形状を有する。
【0020】
第2の取付面100及び第2の固締具穴102が、ハウジングを片持ち梁状の構成で基板28上に取り付けるために、ハウジングに配置される。第2の取付面100は、基板28の第1の取付面86に極めて一致する形状にされる。タブ92が凹部90の中に受け入れられ、取付面86、100が面と面で係合され、また第2の固締具穴102が、ボルト104(図3)のような固締具を挿入してハウジングを基板に固定することができるように、第1の固締具穴88と同心に位置合わせされて配置される基板上の取り付け位置(図2)で、ハウジング30は基板28に固定されることができる。第2の固締具穴102には、ねじが切られており、戻り止めインサート(図示せず)が装着されるのが好ましい。ボルト104は、その頭部がシュート60の内側に置かれて冷却空気に曝された状態で熱から保護され、従って長時間にわたる運転中に焼け付く可能性は少ない。
【0021】
タブ92は、第2の取付面100から延び、ほぼ同じ平面内にあって、しかもタブは基板の凹部90によって受け入れられるような寸法と形状に作られる。
タブ92は、凹部90の最大長さより短くなっているので、ハウジング30は軸方向に熱膨張できる。従って、ハウジング30は、基板28及びミキサシュート60に熱によりロックされることはない。タブ92は、第2の固締具穴102から間隔を置いた状態でハウジング上に配置される。タブを越えて延長したとすると、タブの縦方向軸線が第2の固締具穴を通過するように、タブ92は、第2の固締具穴102とほぼ一直線に縦方向に延びる。この構成により、タブ92が凹部90の内側に係合することが可能になり、ボルト固締具104の長手方向軸線と一致する回転軸線の周りでのハウジング30の基板28に対するいかなる回転も防止される。このことによって、しっかりと取り付けられ、しかもハウジング30を基板28に固定する時、ボルト104はハウジングの回転を誘発することなく締め付けることができるという利点をもたらす。
【0022】
ハウジング30は、燃料噴射管22を取り囲み、かつ冷却空気をハウジングを通して導くために、ハウジングを貫いて延びる第1の内部チャンネル106を有するように形成される。チャンネル106は、第2の取付面100に燃料噴射管を受け入れるための開口を有する。図8及び図9に示すように、チャンネル106は、ほぼ円形の中央部分108、及び中央部分に隣接するより幅広の端部分110を有する。中央部分108は、燃料噴射管22を受け入れる寸法に作られる。チャンネルの端部分110は、冷却空気がハウジング30を通してかつ燃料噴射管22に沿って流れてハウジング及び管から熱を除去することを可能にする。冷却空気は、ミキサシュート60から基板28を通り抜けてハウジングのチャンネル106中に流れ込む。複数の開口112(図7)が、燃料噴射管22の噴射オリフィス70と位置合わせされるように、内部チャンネル106の中央部分108に沿って間隔を置いて配置されて、燃料が管からガス流中に供給されるのを可能にする。ハウジング30は、ハウジングの前縁を冷却し、また燃料噴射管22を追加冷却するための第2の内部チャンネル114(図8及び図9)を有する。第2のチャンネル114は、2つのセグメントに分岐されており、その各々が第2の取付面上に(第2の固締具穴の両側で)開口を有する。2つのセグメントは、ハウジングの内部で結合されて1つのチャンネル114になる。
【0023】
第2の取付面100の第1及び第2の内部チャンネル106、114の開口と第1の取付面86の第1及び第2の開口94、96とは、ハウジングが取り付け位置で基板に固定されると、位置合わせされるように配置されている。従って、バイパスダクト50は、ハウジング中の第1及び第2の内部チャンネル106、114と流体連通する。第1及び第2の内部チャンネル106、114は、ハウジングの全長にわたって延びているので、冷却空気は全体にわたって流れてハウジング及び燃料噴射管22全体を冷却する。通気孔(図示せず)が、ハウジングの端部116において各チャンネルから延びており、冷却空気はハウジングからタービン排気ガスの流れの中に流出することができる。
【0024】
熱シールド20の基板28及びハウジング30は、鋳造可能なコバルト合金(例えば、Mar−M−509)またはニッケル基合金(例えば、INCONEL)(INCONELは、ウェストバージニア州ハンティングトンのInco Alloys International,Inc.の登録商標である)のような適当な高温材料で形成されるのが好ましい。
【0025】
作動において、熱シールド20は、エンジン26の運転中に燃料噴射管を保護するために用いられる。取り付け位置において、ハウジングは、第1及び第2の取付面86、100が係合され、またタブ92が凹部90の中に挿入された状態で、ボルト固締具104によって基板28に固定される。基板28は、ミキサシュート60の壁66の開口64を覆って壁に固定状態で取り付けられる。ハウジングの内部チャンネル106、114は、チャンネルの開口が基板28の開口94、96と位置合わせされた状態で、バイパスダクト50から冷却空気を受け入れて熱を除去する。取付面86、100を面と面とを合わせて係合することで、係合個所での冷却空気の漏洩はほとんどなくなる。
【0026】
ハウジング30が損傷した場合には、ハウジングは容易に交換可能である。先ず、エンジン26を航空機から取り外して、外壁44の外側に近づくことができるようにする。燃料噴射管22は、それを外側から半径方向外方に引っ張り、ハウジング30から摺動させて取り出すことにより取り外される。ボルト104を取り外して、タブ92が凹部90から引き抜かれるように、損傷したハウジング30を第1及び第2の取付面86、100にほぼ平行な方向に摺動させる。ハウジング30は、エンジンダクト内の位置から近づくことができる。その時、ハウジング30は基板28から自由になっているので取り外すことができる。第1の取付面86に平行な方向に沿って、取付面が係合しタブ92が凹部90の中に挿入される取り付け位置までハウジング及び第2取付面100を摺動させることによって、新しいハウジング30が取り付けられる。ボルト104が、ミキサシュート60内の所定位置で、基板の背面80の固締具穴88中に挿入される。ボルト104は、ハウジング30の第2の固締具穴102中に延びており、またボルトが締め付けられるとき、ハウジングの回転はタブ92が凹部90の中に嵌合していることにより防止される。次に、燃料噴射管22が、基板28及びハウジング内の第1の内部チャンネル106の円形の中央部分108を通して組立体中に挿入される。
【0027】
注目に値するのは、ハウジング30を交換するのに、十分に近づくためにミキサ58あるいはアフタバーナ28の他の構成部品を取り外したり分解したりすることを必要としないことである。さらに、熱シールド20は構造が簡単であり、ただ1個の固締具で交換が比較的に素早くできて、修理の時間及び費用を削減する。
【0028】
本発明又はその好ましい実施形態の構成要素を説明するとき、例えば2つあるいは複数などの特定の数詞を持たない用語は、1つ又はそれ以上の要素があることを意味するものである。「含む」、「備える」及び「有する」の用語は、包含することを意図するものであり、挙げられている要素以外に他の要素を含むことができることを意味する。
【0029】
本発明の技術的範囲から離れることなく、上記の構成において様々な変更を行なうことができるので、上記説明に含まれ、あるいは添付図面に示される全ての事項は、例示として解釈されるべきものであって、限定的意味をもたない。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ラジアル形のアフタバーナを有する航空機ガスタービンエンジンの縦方向概略断面図。
【図2】 本発明による熱シールドを有するエンジンのアフタバーナセクションのさらに詳細を示す、図1の1部拡大図。
【図3】 基板と交換可能なハウジングを含む熱シールドの分解斜視図。
【図4】 熱シールドの基板の外側平面図。
【図5】 熱シールドの基板の側面図。
【図6】 熱シールドの基板の内側平面図。
【図7】 熱シールドのハウジングの側面図。
【図8】 ハウジングの上面図。
【図9】 図7の線9−9による断面図。
【符号の説明】
20 熱シールド
22 燃料噴射管
28 基板
30 ハウジング
44 外壁
46 ライナ
48 コアダクト
50 バイパスダクト
54 後部センタボディ
58 ダクト部材
60 シュート
64 シュートの内壁の開口
66 シュートの内壁
70 噴射オリフィス
76 第2の燃料噴射管
Claims (10)
- タービンエンジン・アフタバーナ(24)の燃料噴射管(22)を保護するための熱シールド(20)であって、
前記アフタバーナは、ほぼ円筒形の外壁(44)と、該外壁から内方に間隔を置いて配置され、タービン排気ガスを流すためのコアダクト(48)と冷却空気を流すためのバイパスダクト(50)との間の境界を形成するダクト部材(58)とを有しており、
前記燃料噴射管は、前記ダクト部材の開口(64)を通して前記外壁から内方へ前記コアダクトまで延びており、その第1の部分が前記バイパスダクト(50)内に位置し、またその第2の部分が前記コアダクト(48)内に位置しており、該熱シールドは、
前記ダクト部材(58)に取り付けられるようになっており、第1の取付面(86)を備える内面(84)、それを貫通して延びる第1の固締具穴(88)、及びその中の凹部(90)を有する、前記コアダクト(48)内に該熱シールドを支持するための基板(28)と、
前記燃料噴射管を受け入れるためにその1端が開口しているその中の内部チャンネル(106)、第2の取付面(100)、第2の固締具穴(102)、及びそれから突出しているタブ(92)を有し、該タブが前記基板(28)の前記凹部(90)の中に受け入れられる寸法と形状にされている、前記燃料噴射管(22)の第2の部分を取り囲むためのハウジング(30)と、を含んでおり、
前記タブ(92)が前記凹部(90)の中に受け入れられ、前記取付面(86、100)が係合され、また前記第2の固締具穴(102)が、固締具(104)を挿入して前記ハウジングを前記基板に固定することができるように、前記第1の固締具穴(88)と同心に位置合わせされて配置される前記基板上の取り付け位置で、前記ハウジング(30)は該基板(28)に取り外し可能に固定されることができる、
ことを特徴とする熱シールド(20)。 - 前記タブ(92)は、前記第2の固締具穴(102)から間隔を置いた状態で前記ハウジング(30)上に配置され、前記タブ(92)が前記凹部(90)の中で前記基板(28)と係合することで、前記ハウジングが前記取り付け位置にある時に、該ハウジング(30)が前記基板(28)に対して回転するのを防止するように構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の熱シールド(20)。
- 前記タブ(92)は、前記第2の取付面(100)から延びていることを特徴とする、請求項2に記載の熱シールド(20)。
- 前記タブ(92)は、前記第2の固締具穴(102)と一直線になる方向に縦方向に延びていることを特徴とする、請求項3に記載の熱シールド(20)。
- 前記第1及び第2の取付面(86、100)は、ほぼ平坦であることを特徴とする、請求項1に記載の熱シールド(20)。
- 前記第1及び第2の固締具穴(88、102)は、それぞれ前記第1及び第2の取付面(86、100)に設けられることを特徴とする、請求項5に記載の熱シールド(20)。
- 前記基板(28)は、薄い輪郭を有することを特徴とする、請求項1に記載の熱シールド(20)。
- 前記基板(28)は、前記燃料噴射管(22)を受け入れるためのそれを貫通して延びる開口(94)を有することを特徴とする、請求項1に記載の熱シールド(20)。
- 前記ハウジング(30)の前記内部チャンネル(106)は、第1の内部チャンネルを含み、前記熱シールドは、その1端が前記第2の取付面(100)に開口している第2の内部チャンネル(114)をさらに含み、該第2の内部チャンネル(114)は、前記バイパスダクト(50)から冷却空気の流れを受け入れて、該流れを前記ハウジング(30)に沿って導くためのものであることを特徴とする、請求項1に記載の熱シールド(20)。
- タービンエンジン(26)と組合わされることを特徴とする、請求項1に記載の熱シールド(20)。
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