JP5107148B2 - タービンエンジンの排気カウリング - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジンの排気カウリングに関する。本発明は、陸上または航空用のあらゆるタイプのタービンエンジンに関し、特に航空機のタービンエンジンに関する。

より詳しくは、本発明は、
軸にセンタリングされ、上流面と下流面との各々に、ハブと同軸の環状フランジ（ａｎｎｕｌａｒ ｅｎｄｐｌａｔｅ）を支持するハブと、
ハブと同軸の外部シュラウドと、
上記ハブと上記シュラウドとを接続する複数のアームとを含み、各アームが互いに反対側に第１および第２の側面を有し、
ハブと外部シュラウドとが径方向に長さＬだけ隔てられており、
径方向の断面で、各アームの第１の側面が、各フランジの外周の接線と鋭角をなし、この鋭角が６０〜８５°であり、各アームの第１の側面が接続部分により各フランジに接続されている、タービンエンジンの排気カウリングに関する。

本願では、上流および下流は、タービンエンジンを通る流体の通常の流れ方向（上流から下流）に対して定義される。さらに、軸方向は、タービンエンジンのロータの回転軸Ａの方向に対応し、径方向は軸Ａに垂直な方向である。同様に、軸方向の面は、回転軸Ａを含む面であり、径方向は、軸Ａに対して垂直な面である。さらに、反対の指示がない限り、内部および外部という形容詞は、一つの要素の内側部分（すなわち径方向内側部分）が同じ要素の外側部分（すなわち径方向外側部分）よりも軸Ａに近くなるように、径方向を基準として用いられる。

添付図１から図３は、上記のタイプの排気カウリングの一例を挙げている。

図１は、ターボジェットエンジンのロータの回転軸Ａに沿った、二つの本体からなる二重流のターボジェットエンジン１の断面図である。ターボジェットエンジン１は、上流から下流に向って、ファン２と、低圧コンプレッサ４と、高圧コンプレッサ６と、高圧タービン８と、低圧タービン１０と、上記排気カウリング１２とを含む。

従って、カウリング１２は、低圧タービン１０の下流に配置される。カウリング１２は、ターボジェットエンジンを通過する流体の第１の流路を画定する役割を果たす。さらに、カウリング１２は、ターボジェットエンジンのロータを支持し、ロータとステータとの同心性を確保する。また、ターボジェットエンジンの軸受に注油されるオイルの供給および排出は、カウリング１２を介して行われる。

図２および図３を参照すると、カウリング１２は、
軸Ａにセンタリングされ、上流面と下流面とで、ハブ１４と同軸の上流の環状フランジ１６と下流の環状フランジ１８とを支持するハブ１４と、
ハブ１４と同軸の外部シュラウド２０と、
ハブ１４とシュラウド２０とを接続する複数のアーム２２（図示された例では１６個のアーム）とを含む。

上流の環状フランジ１６と下流の環状フランジ１８とは径方向の面にほぼ含まれ、シュラウド２０に向って外側に延びている。

各アーム２２は、互いに反対側に第１の側面２２ａと第２の側面２２ｂとを有する。径方向の面では、図３に示したように、各アーム２２の第１の側面２２ａが、各フランジ１６、１８の外周の接線と鋭角「ａ」をなし、この鋭角「ａ」が６０〜８５°である。さらに、各アーム２２の第１の側面２２ａは、接続部分２４により各フランジ１６、１８に接続される。

今日知られている排気カウリングの寿命は不十分であるとみなされており、本発明は、この寿命を延ばすことを目的としている。

本発明に至る研究において、発明者は、ターボジェットエンジンの動作時に排気カウリングが外部シュラウドとハブとの間の温度勾配による作用を受け、この温度勾配が接続部分に応力を発生し、こうした接続部分で達する応力レベルが高いと、カウリングの寿命が短くなることを発見した。

現在まで、知られている排気カウリングでは、径方向の断面におけるこの接続部分の輪郭が、半径３ｍｍの円弧により画定されていた。

本発明は、接続部分における応力レベルを下げ、従って排気カウリングの寿命を延ばすように最適化された輪郭を有する接続部分を備えた、上記タイプの排気カウリングを提案する。

そのため、本発明は、
軸にセンタリングされ、上流面と下流面との各々に、ハブと同軸の環状フランジを支持するハブと、
ハブと同軸の外部シュラウドと、
上記ハブと上記シュラウドとを接続する複数のアームとを含み、各アームが互いに反対側に第１および第２の側面を有し、
ハブと外部シュラウドとが径方向に長さＬだけ隔てられており、
径方向の断面で、各アームの第１の側面が、各フランジの外周の接線と鋭角をなし、この鋭角が６０〜８５°であり、各アームの第１の側面が各フランジに結合された、タービンエンジンの排気カウリングを目的とし、
各アームの第１の側面は、Ｎが１０以上の整数であるとき、Ｎ個の制御点を通るスプラインにより径方向の断面の輪郭が決定される接続基部により、各フランジに接続されており、これらのＮ個の制御点は、
上記径方向の断面で、第１の側面を延長する直線と一方のフランジの外周との交点をＯとし、
第１の直線区間Ｈが、交点Ｏを起点として、上記径方向の断面で上記第１の側面を延長する直線に沿って延び、この区間が、長さＬの３〜１５％の長さｌ１を有し、この区間がＮ＋１個の点Ｈ（１）、Ｈ（２）、．．．、Ｈ（Ｎ＋１）によりＮ個の等しい区間に分割され、点Ｈ（Ｎ＋１）が点Ｏと一致し、
第２の直線区間Ｂが、交点Ｏを起点として、上記径方向の断面で上記フランジの外周における交点Ｏの接線に沿って延び、この区間が、長さｌ１の２５％〜５０％の長さｌ２を有し、この区間が、Ｎ＋１個の点Ｂ（１）、Ｂ（２）、．．．、Ｂ（Ｎ＋１）によりＮ個の等しい区間に分割され、点Ｂ（Ｎ＋１）が、交点Ｏから最も離れており、
それぞれ点Ｂ（１）とＨ（１）、Ｂ（２）とＨ（２）、．．．、Ｂ（Ｎ＋１）とＨ（Ｎ＋１）とを結ぶＮ＋１個の直線をＤ（１）、Ｄ（２）、．．．、Ｄ（Ｎ＋１）とし、上記Ｎ個の制御点がＤ（１）とＤ（２）、Ｄ（２）とＤ（３）、．．．、Ｄ（Ｎ）とＤ（Ｎ＋１）との交点であるように、決定されることを特徴とする。

参考として、長さＬは、ハブとカウリングの外部シュラウドとを隔てる径方向の距離である。

従って、本発明によれば、接続基部の輪郭は、特に２個のパラメータｌ１およびｌ２の選択により決定されるスプライン（またはスプライン曲線）である。

長さｌ１は、接続基部の輪郭を十分に広げて接続基部に適切に応力を配分するように、３％を上回るように選択される。このような適切な配分が、低い応力レベルの条件となり、従ってカウリングの寿命を改善する。さらに、長さｌ１が３％未満である場合は、特にカウリングが鋳造品であるとき、接続基部の実現可能性の問題が発生することがある。

長さｌ１は、ハブとアームとの接続をあまりに剛性化しすぎないように、またカウリングの質量を制限するように、長さＬの１５％未満に選択する。

同様に、長さｌ２は、接続部分に適切に応力を配分するように、また、特に鋳造品の接続基部の実現可能性を保証するように、長さｌ１の２５％より大きく選択する。長さｌ２は、ハブと、関与するアームとの結合をあまりに剛性化しすぎないように、またカウリングの質量を制限するように、長さｌ１の５０％未満に選択する。

考慮された接続基部の輪郭の形状すなわちスプラインは、同様に、接続基部における応力配分を最適化し、それによって接続基部の応力レベルを最小にしてカウリングの寿命を改善する役割を果たす。

本発明およびその長所は、本発明による排気カウリングの一例についての以下の詳細な説明を読めば、いっそう理解されるであろう。この詳細な説明は、添付図面を参照しながらなされる。

図１から図３については前述の説明の通りであり、本発明のタイプの排気カウリングの一例を示している。本発明は、特に、各アーム２２の第１の側面２２ａとハブ１４の各環状フランジ１６、１８との間の接続部分を対象とする（図３、図４参照）。

このような接続部分２４を、この部分２４を通る径方向の断面において、図４に断面で詳しく示した。この図４では、アーム２２の第１の側面２２ａと下流の環状フランジ１８の外周との間にある接続部分２４が、スプラインＳにより輪郭を画定される接続基部であることが分かる。

このスプラインＳはＮ個の制御点を通過し、Ｎは、ここでは１０である。これらのＮ個の制御点は次のように決定される。図４の径方向の断面で、第１の側面２２ａを延長する直線と下流の環状フランジ１８の外周との交点をＯとする。図４の断面で点Ｏを起点として第１の側面２２ａを延長する直線に沿って第１の直線区間Ｈを選択する。この区間Ｈは長さｌ１である。この長さｌ１は、長さＬ（図３参照）の３〜１５％として選択される。この区間Ｈを１１個の点Ｈ１、Ｈ２、Ｈ．．．、Ｈ１１により１０個の等しい区間に分割する。図４に示したように点Ｈ１１は点Ｏと一致する。次に、点Ｏを起点として、図４の断面で下流の環状フランジ１８の外周で交点Ｏの接線に沿った第２の区間Ｂを選択する。区間Ｂは一般に、長さが、環状フランジの円形の外周の長さよりもずっと短く、この区間は、この外周の非常に近くに留まり、図４では外周と一致しているように見える。区間Ｂの長さｌ２は、長さｌ１の２５〜５０％になるように選択される。この区間は、１１個の点Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂ１１により１０個の等しい区間に分割され、点Ｂ１１は、図４に示したように点Ｏから最も離れている。次いで、点Ｂ１とＨ１、Ｂ２とＨ２、．．．、Ｂ１１とＨ１１とをそれぞれ結ぶ１１個の直線Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄ１１を引く（直線Ｄ１は区間Ｈを含み、直線Ｄ１１は区間Ｂを含むことが分かる）。次に、直線Ｄ１とＤ２、Ｄ２とＤ３、．．．、Ｄ１０とＤ１１との間に交点を記す。このようにして、図４では×で示された１０個の交点が得られる。最後に、これらの１０個の制御点にスプラインＳを通す。

例として、図示されたタイプの排気カウリングの寸法は次のようになる。
シュラウド２０の内径：１０００ｍｍ
環状フランジ１６、１８の外径：４６５ｍｍ
シュラウド２０の位置におけるアーム２２の間隔：２００ｍｍ
長さＬ：５３５ｍｍ（１０００−４６５）
長さｌ１：４０ｍｍ（すなわちＬの約７．５％）
長さｌ２：１６ｍｍ（すなわちｌ１の４０％）

ターボジェットエンジンのロータの回転軸Ａに沿って、航空機のターボジェットエンジンの一例を示す軸方向断面図である。 本発明による排気カウリングの一例を示す前方斜視図である。 図２の排気カウリングの背面図であり、この図３は、軸Ａに対して垂直な径方向の面にある。 ハブの下流の環状フランジと、カウリングの構造アームの第１の側面との間にある接続基部の詳細を、この接続基部を通る径方向の断面で示す詳細図である。

符号の説明

１ ターボジェットエンジン
２ ファン
４ 低圧コンプレッサ
６ 高圧コンプレッサ
８ 高圧タービン
１０ 低圧タービン
１２ 排気カウリング
１４ ハブ
１６、１８ 環状フランジ
２０ シュラウド
２２ アーム
２２ａ 第１の側面
２４ 接続部分

Claims (2)

1. 軸（Ａ）にセンタリングされ、上流面と下流面との各々に、ハブと同軸の環状フランジ（１６、１８）を支持するハブ（１４）と、
   ハブと同軸の外部シュラウド（２０）と、
   前記ハブと前記シュラウドとを接続する複数のアーム（２２）とを含み、各アームが互いに反対側に第１および第２の側面（２２ａ、２２ｂ）を有し、ハブと外部シュラウドとが径方向に長さＬだけ隔てられており、
   径方向の断面で、各アームの第１の側面（２２ａ）が、各フランジ（１６、１８）の外周の接線と鋭角（ａ）をなし、この鋭角（ａ）が、６０〜８５°である、タービンエンジンの排気カウリング（１２）であって、
   各アームの第１の側面（２２ａ）は、Ｎが１０以上の整数であるとき、Ｎ個の制御点を通るスプラインにより径方向の断面の輪郭が決定される接続基部により、各フランジ（１６、１８）に接続されており、これらのＮ個の制御点は、
   前記径方向の断面で、第１の側面を延長する直線と、一方のフランジの外周との交点をＯとし、
   第１の直線区間（Ｈ）が、交点Ｏを起点として、前記径方向の断面で前記第１の側面を延長する直線に沿って延び、この区間が、長さＬの３〜１５％の長さｌ１を有し、この区間が、Ｎ＋１個の点Ｈ（１）、Ｈ（２）、．．．、Ｈ（Ｎ＋１）によりＮ個の等しい区間に分割され、点Ｈ（Ｎ＋１）が点Ｏと一致し、
   第２の直線区間（Ｂ）が、交点Ｏを起点として、前記径方向の断面で前記フランジの外周における交点Ｏの接線に沿って延び、この区間が、長さｌ１の２５％〜５０％の長さを有し、この区間が、Ｎ＋１個の点Ｂ（１）、Ｂ（２）、．．．、Ｂ（Ｎ＋１）によりＮ個の等しい区間に分割され、点Ｂ（Ｎ＋１）が、交点Ｏから最も離れており、
   それぞれ点Ｂ（１）とＨ（１）、Ｂ（２）とＨ（２）、．．．、Ｂ（Ｎ＋１）とＨ（Ｎ＋１）とを結ぶＮ＋１個の直線をＤ（１）、Ｄ（２）、．．．、Ｄ（Ｎ＋１）とし、前記Ｎ個の制御点がＤ（１）とＤ（２）、Ｄ（２）とＤ（３）、．．．、Ｄ（Ｎ）とＤ（Ｎ＋１）との交点であるように、決定されることを特徴とする、排気カウリング。
2. 請求項１に記載の排気カウリングを含むタービンエンジン。

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