JP4981273B2 - ターボ機械用の空力ファスナシールド - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンなどのターボ機械に関し、より具体的には、流体流路内への突出部と関連する温度上昇を最小にするための改良型のファスナシールドに関する。

本発明の出願人と同一出願人の特許文献１及び特許文献２は各々、これら特許ではガスタービンエンジンにおける「ウィンデージシールド」と呼んでいるファスナシールドの必要性及びその使用について記載している。具体的には、エンジンの効率は、より高いタービン入口温度で作動できるエンジンの能力と直接関係する。より高いタービン作動温度の必要性により、冷却空気をエンジンの様々な構成部品に供給して、該構成部品がエンジンに損傷を与える程度までの熱応力を受けずにより高い作動温度で作動するこができるようにすることが必要になる。

作動構成部品の温度を低下させるのに有効な温度で冷却空気を供給するために、冷却空気は、エンジンの圧縮機セクションから取り出され、様々な通路を介してタービンセクションに送られる。冷却空気はこれらの通路を通過する際に仕事入力を受けるので、冷却空気の温度は上昇する。冷却流体流における仕事に大きく影響を与えることが判った構成要素には、タービンの様々なセクションを互いに結合するのに使用するナット及びボルト頭部がある。これらのファスナ構成要素は、冷却空気通路内に突出して空力ドラグを発生させ、冷却流体がより多くの仕事を受ける状態で冷却流体の加熱を引き起こす。

上に引用した米国特許は、ガスタービンエンジンの性能を向上させたファスナシールドについて記載している。その中に記載したファスナシールドは、流体流路内に突出しかつ該流体流路内において頭部付きボルトで互いに結合されたフランジ継手の場合に特に有用である。

特許文献１に記載したファスナシールドは、ボルト頭部と上流フランジとの間に捕捉されたほぼＬ字形の輪郭を有する連続形リングを含む。シールドの捕捉フランジ部分には、Ｄ字形ボルト頭部を受けるように輪郭付けした複数の円周方向に間隔を置いて配置されたミルド・スロットが設けられる。これらのボルト頭部は、シールドの上流側捕捉部分と同一平面に取付けられ、従って開口したアクセス穴及び突出したボルトを排除する。Ｄ字形頭部と輪郭付きスロットとの組合せにより、ボルトにトルクを伝えるための手段が得られる。

Ｌ字形シールドの円筒形セクションは、合せフランジから下流方向に延びかつボルト継手のナット側部を通り過ぎてナットを通過して冷却空気を導き、それによってナットによる速度低下を最小にし、特許文献１の図３に示しているように、先行技術のフランジ継手に優る明確な改良を表している。

特許文献１に記載したファスナシールドはガスタービンエンジンの流体流路内のドラグ作用を低減するのに有効であるが、流体流路に面したファスナシールドの表面内に複数の輪郭付きスロットを機械加工して、ボルトの頭部がシールドの精密加工したスロット内に嵌合するようにしなければならない。さらに、記載しているファスナシールドは、ボルト止めフランジの反対側上のボルト頭部を通過して主流体流を導くという記載した目的に合わせて、流体流路内部での流体流の方向に平行に延びる部分を備えたＬ字形断面を有する。

しかしながら、この延長した部分は、二次的循環流体場のためにボルト頭部上の流れを排除しない。従って、流体流路内に延びておらず、また特別に設計したボルト頭部又は該ボルト頭部を受けるための複数の精密機械加工したスロットを必要とせず、さらには二次的流体流に対処するようなファスナシールドを得ることが望まれていた。

それ故に、特許文献２では、ほぼ矩形断面の連続形リングが提供されており、このリングは、その第１の表面上に複数の円周方向に間隔を置いて配置したアーチ形溝が形成されて、その溝内に位置させたボルト頭部を覆って配置することができるように配向される。リングを貫通して形成された複数の開口は、隣接する溝間の空間内の開口と整列される。開口の各々は、溝を含む側と反対側のリング外側上に座ぐり部分を有している。

フランジを互いに結合するボルトの少なくとも幾つかは、ボルト頭部を覆って所定位置にリングを保持するように開口においてリングを貫通して延びる。リングを貫通して延びるボルトは、座ぐり領域内に凹設された頭部を有し、ボルト頭部の頂部は、リングの外側面と同一平面になる。

座ぐり部分は、ボルト頭部の周りにぴったり嵌合して流体流路内に露出しかつ流体流路内に乱れ招く可能性がある全ての空洞の領域を最小にする。リングは、ボルト頭部を覆ったその作動位置に置かれたときに、その中に溝が形成されたリングの下面が、フランジに対してぴったりと嵌合し、さらにリングの一端縁部が、それに対してフランジが取付けられた環状部材に当接するように設計される。これにより、流体がファスナシールドの下側を通過するのが防止される。

本発明は、高圧タービン前方シャフト領域にわたって温度をさらに低下させることによって、上述のファスナシールドに優る更なる利点をもたらす。

このことは、ファスナシールドを圧縮機吐出圧（ＣＤＰ）シールから分離することによって達成される。これにより、ＣＤＰシールを取外さないでファスナシールドを取外すことが可能になり、またファスナシールドがＣＤＰシールとは別個に熱膨張し、従って長期間にわたってＣＤＰシールのシール性能を維持することが可能になる。
米国特許第４１９０３９７号 特公平０７−７８３６３号

従って、本発明は、冷却媒体流路内におけるフランジ継手と関連する突出部、より具体的にはナット及びボルト突出部に起因する冷却流体流の温度上昇を最小にするような、ガスタービンエンジンで使用するための改良型のファスナシールドを提供する。

本発明によるファスナシールドにより、ＣＤＰシールへの直接的なナットの取付けを回避しながらＣＤＰシールに対する空力効果が得られる。このことにより次に、ボルト及びナットが焼付いた場合にエンジンを完全に分解しなければならない必要性が回避される。

上記の態様及び利点は、流体流路内に突出するボルト頭部及びナットを有するボルト頭部フランジ継手に使用するための改良型のファスナシールドにおいて達成される。本発明のシールドは、その一部が流体流路内に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたファスナ上における流体流によって発生する流体ドラグ及び加熱を低減するためにガスタービンエンジン内部の流体流路内で使用するためのファスナシールドを含む。

本ファスナシールドは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたボルト穴を有する半径方向に延びる下流側向きの取付けフランジを含み、該ボルト穴は、それを通してそれぞれのエンジン取付けボルトを受けかつ取付けフランジをタービンエンジンの構成要素に対して取付けるように配置される。湾曲した上流側向きのファスナシールドカバーが、取付けフランジに対して相隔たる関係で配置されて、ボルトの露出した上流側向き部分を少なくとも部分的に覆いかつ流体流から隔離し、それによって該ボルトのドラグ及びそれにより生じる加熱を低減するようにする。

本発明の１つの好ましい実施形態によると、取付けフランジ及びファスナシールドカバーは、一体形成される。

本発明の別の好ましい実施形態によると、取付けフランジ及びシールドカバーは、結合したセグメント化アーチ形構成要素を含む。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、ファスナシールドは、単一の一体形成環状構成要素を含む。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、タービンエンジンの回転構成要素は、半径方向に延びるディフューザフレームフランジを含む。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、湾曲したシールドカバーは、末端に向かって流体流の方向と反対に軸方向上流方向にかつ半径方向外向きに同時に延びた漸増曲面を特徴とするベルマウス形状を有する。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、末端は、ボルトの延長長手方向軸線によって定まる平面内に位置する。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、その一部が流体流路内に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたファスナ上における流体流によって発生する流体ドラグ及び加熱を低減するためにガスタービンエンジン内部の流体流路内で使用するためのファスナシールドを提供する。本ファスナシールドは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたボルト穴を有する半径方向に延びる下流側向きの取付けフランジを含み、該ボルト穴は、それを通してそれぞれのエンジン取付けボルトを受けかつ取付けフランジをタービンエンジンの構成要素に対して取付けるように配置される。湾曲した上流側向きのファスナシールドカバーが、取付けフランジと一体形成されかつ該取付けフランジに対して相隔たる関係で配置されて、ボルトの露出した上流側向き部分を少なくとも部分的に覆いかつ流体流から隔離し、それによって該ボルトのドラグ及びそれにより生じる加熱を低減するようにする。湾曲したシールドカバーは、ボルトの延長長手方向軸線によって定まる平面内に位置する末端に向かって流体流の方向と反対に軸方向上流方向にかつ半径方向外向きに同時に延びた漸増曲面を特徴とするベルマウス形状を有する。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、取付けフランジ及びシールドカバーは、複数のアーチ形構成要素を形成するようにセグメント化される。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、タービンエンジンの回転構成要素は、半径方向に延びるディフューザフレームフランジを含む。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、タービンエンジンは、低バイパスターボファン式エンジンを含む。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、その一部が流体流路内に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたファスナ上における流体流によって発生する流体ドラグ及び加熱を低減するためにガスタービンエンジン内部の流体流路内で使用するためのファスナシールドを提供する。本ファスナシールドは、全体として環状の半径方向に延びる下流側向きの取付けフランジを形成するように結合された複数のアーチ形構成要素を含み、該取付けフランジは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたボルト穴を有し、該ボルト穴は、それを通してそれぞれのエンジン取付けボルトを受けかつ取付けフランジをタービンエンジンの構成要素に対して取付けるように配置される。湾曲した上流側向きのファスナシールドカバーが、取付けフランジに対して相隔たる関係で配置されて、ボルトの露出した上流側向き部分を少なくとも部分的に覆いかつ流体流から隔離し、それによって該ボルトのドラグ及びそれにより生じる加熱を低減するようにする。湾曲したシールドカバーは、ボルトの延長長手方向軸線によって定まる平面内に位置する末端に向かって流体流の方向と反対に軸方向上流方向にかつ半径方向外向きに同時に延びた漸増曲面を特徴とするベルマウス形状を有する。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、取付けフランジ及びファスナシールドカバーは、一体形成される。

本発明のさらに別の実施形態によると、末端は、ボルトの延長長手方向軸線によって定まる平面内に位置する。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、タービンエンジンの回転構成要素は、半径方向に延びるディフューザフレームフランジを含む。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、流体流路内に延びるファスナの一部分は、ボルトの末端部分と該末端部分上に配置されたナットとを含む。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、タービンエンジンは、低バイパスターボファン式エンジンを含む。

本発明の他の態様は、以下の図面と関連させて本発明を読み進むことにより明らかになるであろう。

次ぎに、具体的に図面を参照すると、米国特許第４１９０３９７号及び特公平０７−７８３６３号を引用して上述したような先行技術のファスナシールドを、それぞれ図１及び図２において参照符号Ａ及びＢで示している。

本発明によるファスナシールドを組込んだガスタービンエンジンは、図３に示し、全体を参照符号１０で示している。エンジン１０は、該エンジン１０の作動構成部品を囲む環状の外側ケーシング１２を含む。エンジン１０は、長手方向軸線１１を有し、その軸線の周りでエンジン１０の幾つかの回転構成部品が回転する。その内部に空気を吸い込む空気入口１４が設けられる。空気は、ファン１７を含むファンセクション１６に流入し、ファンセクション１６内部で入口空気の圧力及び速度を増大させる。ファンセクション１６は、ファンケーシング１８によって囲まれた多段ファン１７を含む。

ファン出口空気は、多段ファン１７から流出して環状の分割器２０に流れ、分割器２０は、ファン出口空気ストリームをバイパス空気流ストリーム１９とコアエンジン空気流ストリーム２１とに分割する。バイパス空気流ストリーム１９は、コアエンジン２４を取り囲みかつ該コアエンジンから外側に間隔を置いて配置された環状のバイパスダクト２２内に流入しかつ該環状のバイパスダクト２２を通って流れる。コアエンジン空気流ストリーム２１は、コアエンジン２４の環状の入口２６内に流入する。

コアエンジン２４は、入口２６の下流に配置されかつ該入口２６に流入した空気の圧力をさらに増大させる働きをする軸流圧縮機２８を含む。高圧空気は、圧縮機２８から流出して環状の燃焼室３０に流入し、この燃焼室３０内には、燃料源（図示せず）から複数のそれぞれの円周方向に間隔を置いて配置された燃料ノズル３２を介して燃料が噴射される。燃料・空気混合気は点火されて、圧縮機２８から流出した加圧空気の温度を上昇させ、それによって該加圧空気にエネルギーを付加する。得られた高温度燃焼生成物は、燃焼室３０から流れて第１の高圧タービン３４を駆動し、第１の高圧タービン３４は、圧縮機２８に結合されており、従って圧縮機２８を回転させる。高圧タービン３４から流出した後に、燃焼生成物は次ぎに、第２の低圧タービン３６に向かって流れかつ該第２の低圧タービン３６に流入し、第２の低圧タービン３６は、多段ファン１７に結合されており、従って多段ファン１７を回転させる。低圧タービン３６から流出した燃焼生成物は次ぎに、管状ケーシング４１によって囲まれたオーグメンタ４０内に流入しかつ該オーグメンタ４０を通って流れて、バイパスダクト２２からオーグメンタ４０内に流入したバイパス空気流と混合する。コアエンジンの空気及び燃焼生成物の質量流並びにバイパス空気流は共に、図示するように収束ー発散ノズルである排気ノズル４４を介してエンジン１０から流出して推進スラストを発生する。

オーグメントモードでは、付加燃料が、低圧タービン３６の下流の位置でコアエンジン２４内に導入される。燃料はまた、エンジン長手方向軸線１１に沿ったほぼ同一位置でバイパス空気ストリーム内にも導入される。これに関連して、それぞれコアエンジン空気流ストリーム２１及びバイパス流ストリーム内に火炎ホルダ３８及び４２を設けて、それぞれコアエンジン及びバイパス流ストリーム１９及び２１の各々内の火炎面を安定させる。

上記の説明は、ガスタービンエンジンを表しているが、これに限定することを意味するものではなく、本発明は、あらゆるガスタービンエンジンに適用することができ、多様なターボファン式エンジンに限定することを意味するものではないことは、次の説明から明らかであろう。例えば、この主題の発明は、ガスターボジェット式エンジン及び最新の複合サイクル式エンジンの両方に適用可能である。

次ぎに、図４〜図７を参照すると、本発明の実施形態によるファスナシールド１００は、環状のリング１０２を含み、環状リング１０２は、ボルト１０７用の複数のボルト穴１０６を有する半径方向に延びる下流側向きの（下流側に面した）取付けフランジ１０４と、半径方向に延びる上流側向きのアーチ形ファスナシールドカバー１０８とを備えた断面を有する。ファスナシールド１００は、図示するようにセグメント１００Ａ〜Ｆで形成するか又は図示していないが単一の環状構成で製作することができる。セグメント化構成は、エンジン１０の全周の一部分のみを含む修理を、その修理を行うことが必要なセグメント又は複数のセグメントのみを取外すことによって行うことができるという利点をもたらす。

図５及び図６に最もよく示しているように、シールド１００は、ナット１１３の各々内に形成されたショルダ部１１１を含む。ナット１１３は、ナットシールド１０８のボルト穴の座ぐり内にスエージングした、該ナット１１３と一体形のスウェージングカラーを使用して、該ナットシールド１０８に取付けられる。

次ぎに図７を参照すると、湾曲したファスナシールドカバー１０８の形状は、「ベルマウス」形状として特徴づけることができ、末端に向かって流体流の方向と反対に軸方向上流方向にかつ半径方向外向きに同時に延びた漸増曲面となっている。

シールド１００は、下流方向に延びかつ出口案内ベーン１２２の段と一体形成された壁１２０との組合せで作用する。出口案内ベーン１２２は、図示するように、上流側の軸流圧縮機２８と下流側の燃焼室３０との間に適当な関係でディフューザ内側フレーム１２６を支持する。前述のように、ガスタービンエンジン１０のタービン部分３４は一般的に、圧縮機２８で加圧した空気によって冷却される。この冷却媒体空気は、ディフューザ内側フレーム１２６内のＣＤＰブローカ穴（図示せず）を通してエンジン空気流ストリーム２１から取り出される。

冷却媒体流量は、回転シール部分１３６と固定シール部分１３８とを含む圧縮機吐出圧（ＣＤＰ）シールによって調量される。ＣＤＰ固定シール部分１３８は、その上にハニカムシール１４２を結合した剛性のＣＤＰシールサポート１４０を含む。ＣＤＰ固定シール部分１３８は、半径方向に延びるディフューザフレームフランジ１２６Ａ及び１３９によって支持される。ＣＤＰ回転シール部分１３６は、図示するように、ロータ部材１３０とシャフト１５０との間に捕捉されかつハニカムシール１４２から緊密に間隔を置いて配置された複数の軸方向に間隔を置いた環状のラビリンスシール歯１５４を含む。

所望の冷却媒体流の調量した量を得るために、またさらにエンジン全体性能の低下を最小にするために、ＣＤＰシール１３４は、ラビリンスシール歯１５４と固定ハニカムシール１４２との間の最小運転間隙で作動するように設計される。ファスナシールド１００は、ボルト穴１０６と整列しかつ合さったフランジ１２６Ａ及び１３９とを通って緊密に間隔を置いた関係で延びるボルト１０７を湾曲したファスナシールドカバー１０８が覆って上流側に面した状態で、配置される。ボルト１０７は、各ボルト１０７の頭部１０７Ａが下流方向に配置されまたボルト１０７のシャンクが該シャンク上にナット１１３が螺合されかつ正確にトルク締めされて上流側に面した状態で、前方に突出する。ナット１１３は、ボルト穴１０６の背面側座ぐり内にスエージングされる。ワッシャ１０７Ｃは、ファスナシールド１００をフランジ１２６Ａから間隔を置いて配置する。このようにして、ファスナシールドカバー１０８は、滑らかな漸増曲面を形成し、ガス流体流は、エンジン１０内で下流方向に移動しながら、この曲面に対して斜めに衝突する。

ファスナシールド１００は、ＣＤＰ固定シール部分１３８とボルト１０７の頭部１０７Ａを覆うナットシールド「Ａ」とから分離した構成要素であることに注目されたい。

以上、空力ファスナシールドを説明している。本発明の様々な細部は、本発明の技術的範囲内から逸脱することなく変更することができる。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。

米国特許第４１９０３９７号の図３に示されまた上述したような先行技術のガスタービンエンジン用ファスナシールドの部分垂直断面図。 特公平０７−７８３６３号の図５に示されたような別の先行技術のガスタービンエンジン用ファスナシールドの部分垂直断面図。 本発明の実施形態によるファスナシールドを組込んだガスタービンエンジンの全体長手方向断面図。 本発明の実施形態によるファスナシールドの第１の下流側の斜視図。 図４に示すファスナシールドの単一のセグメントの拡大図。 本発明の実施形態によるファスナシールドの第２の上流側の斜視図。 図４のファスナシールドの部分垂直断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１００ ファスナシールド
１０２ 環状リング
１０４ 取付けフランジ
１０７ ボルト
１０７Ａ ボルト頭部
１０８ ファスナシールドカバー
１１３ ナット
１２２ 出口案内ベーン
１２６ ディフューザ内側フレーム
１２６Ａ ディフューザフレームフランジ
１３４ ＣＤＰシール
１３６ 回転シール部
１３８ 固定シール部
１３９ ディフューザフレームフランジ
１６０ ファスナ
「Ａ」 ナットシールド

Claims (1)

1. その一部が流体流路内に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたファスナ（１６０）上における流体流によって発生する流体ドラグ及び加熱を低減するためにガスタービンエンジン（１０）内部の流体流路内で使用するためのファスナシールド（１００）であって、
   （ａ）半径方向に延びる下流側向きの取付けフランジ（１０４）を含み、前記取付けフランジ（１０４）が、それを通してそれぞれのエンジン取付けボルト（１６０）を受けかつ該取付けフランジ（１０４）をタービンエンジン（１０）の構成要素に対して取付けるように配置された複数の円周方向に間隔を置いたボルト穴（１０６）を有し、該ファスナシールド（１００）がさらに、
   （ｂ）湾曲した上流側向きのファスナシールドカバー（１０８）を含み、前記ファスナシールドカバー（１０８）が、前記ボルト（１６０）の露出した上流側向き部分を少なくとも部分的に覆いかつ流体流から隔離し、それによって該ボルト（１６０）のドラグ及びそれにより生じる加熱を低減するように、前記取付けフランジ（１０４）に対して相隔たる関係で配置されており、
   前記タービンエンジンの構成要素が、前記取付けフランジから軸方向に間隔を置いて配置された半径方向に延びるディフューザフレームフランジ（１２６Ａ及び１３９）を含む
   ことを特徴とするファスナシールド（１００）。
   

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