JP2009209934A

JP2009209934A - ガスタービンエンジンの流体流調整方法および装置

Info

Publication number: JP2009209934A
Application number: JP2009043296A
Authority: JP
Inventors: Mark Douglas Swinford; マーク・ダグラス・スウィンフォード
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2009-09-17
Also published as: EP2096268A2; CN101520003A; EP2096268A3; US8128057B2; US20090217986A1

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの流体流調整装置を提供する。
【解決手段】バルブアセンブリ１０４は、軸線を有する本体１２０と、本体に取り付けられた、内部に流体が流れる流管１２２を有しており、この流管は、第１屈曲部１７２と第２屈曲部１７４とを有する。バルブアセンブリはさらに、前記軸線と垂直な回転軸１３６を有する流管に取り付けられたバルブ１３４と、本体および回転軸に取り付けられるとともに前記軸線と平行なピストン１４２とを有しても良い。
【選択図】図６

Description

本発明は概してガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの流体流を調整するのに使用されるバルブアセンブリに関する。

通常、ガスタービンエンジンは、圧縮機と、燃焼器と、少なくとも１つのタービンとを含む。圧縮機によって空気が圧縮され、燃料と混合されて燃焼器に運ばれる。混合気がそこで点火されて高温燃焼ガスが発生し、燃焼ガスはタービンに運ばれる。タービンは燃焼ガスからエネルギーを抽出して、圧縮機に動力を供給するだけでなく、飛行中の航空機を推進したり、発電機等の負荷に動力を供給したりするための有効な仕事を発生させることができる。

ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機およびタービンの周りに円周方向に延在するエンジンケーシングを含む。少なくとも一部の既知のエンジンの内部では、ケーシングの外面に連結された複数のダクトおよびバルブを用いてエンジンの１つの領域から流体流を運んで、エンジンの別の領域で使用したり、機外へ排出したりする。例えば、そのようなダクトおよびバルブは、環境管理システム（ＥＣＳ）の一部を形成することがある。

少なくとも一部の既知のバルブアセンブリは、高温および／または高圧状態にある流体流を制御するのに使用される。そのようなバルブアセンブリは、配管の隣接する部分の間に連結される略円筒バルブ本体を含む。バルブ本体は、バルブを通る流体流を制御するように選択的に位置決めすることができるバルブ密封機構を含む。より詳細には、少なくとも一部の既知のバルブは、バルブ本体の外部に配置され、バルブ密封機構を選択的に位置決めするのに必要な原動力を供給するようにバルブ密封機構に連結されるピストン／シリンダ装置を含む。

ピストン／シリンダ装置は主バルブ本体からオフセットしているので、バルブアセンブリの重心は、一般的にバルブ本体の中心軸線からある距離だけずれている。そのような重心偏心は、エンジン作動時に、バルブアセンブリ、隣接する配管および支持ブラケットに曲げ応力を誘発する場合がある。用途によっては、ピストン／シリンダ装置の物理的寸法および重量もまた、エンジン設計のダクト経路指定段階での問題点を示すことがある。

一部の既知のバルブアセンブリは、バルブ密封機構に通じる配管に屈曲部を設けることによって、これらの問題を克服しようと努力してきた。この変更の目的は、バルブ密封機構をピストンと垂直に配向し、さらに力伝達ピンをピストン移動方向と垂直に配向することであった。しかしながら、この設計は、ピストンとバルブ密封機構の中間でウィッシュボーン構成を使う必要がある。ウィッシュボーンによって振動姿態が生じ、結果的に好ましくない摩耗問題または部品応力につながることがある。ウィッシュボーンはまた接続ピン用のスロットも含んでおり、埃や水分が作動キャビティに入り込むことが可能になってしまう。

一例示的実施形態において、バルブアセンブリは、軸線を有する本体と、該本体に取り付けられた、内部に流体が流れる流管であって、第１屈曲部および第２屈曲部を有する該流管とを含む。該バルブアセンブリは、該軸線と垂直な回転軸を有する該流管に取り付けられたバルブと、該本体および該回転軸に取り付けられており、該軸線と平行なピストンとをさらに含む。

別の例示的実施形態において、バルブアセンブリは、軸線を有する本体と、該本体に取り付けられた、内部に流体が流れる流管とを含む。該バルブアセンブリは、該軸線と略垂直な回転軸であって、該回転軸と平行であり該軸線を通過するとともに平面からオフセットされる該回転軸を有する該流管に取り付けられたバルブをさらに含む。

例示的なガスタービンエンジンの底面図である。バルブアセンブリの一例示的実施形態の斜視図である。バルブアセンブリの一例示的実施形態の外側部分の分解斜視図である。バルブアセンブリの一例示的実施形態の内側部分の分解斜視図である。バルブアセンブリの一例示的実施形態の側面図である。図５の６−６断面線に沿ったバルブアセンブリの一例示的実施形態の断面図である。流体流を調整する方法の一例示的実施形態を示すフローチャートである。

図１は、１つ以上のバルブアセンブリ１０４を含む複数のダクト１０２を有するガスタービンエンジン１００の底面図である。エンジン１００は、圧縮機１０６と、燃焼器１０８と、タービン１１０とを含む。エンジン１００はまた、破線で示すさらなるタービン１１２およびファンアセンブリ１１４も含む。一例示的実施形態において、ダクト１０２およびバルブアセンブリ１０４は、過渡抽気システム１１６の一部を形成することができる。より詳細には、ダクト１０２およびバルブアセンブリ１０４は、それぞれ高温および／または高圧状態の流体流をエンジン１００の１つの領域から別の領域で用いるために円滑に運んで制御する。例えば、一例示的実施形態において、ダクト１０２およびバルブアセンブリ１０４を流れる流体は、華氏８００度を超える作動温度および／または３００ＰＳＩを超える作動圧力を有する。

次に、図２〜図６を参照すると、バルブアセンブリ１０４は、第２本体１２０を部分的または完全に取り囲むことができる第１本体１１８を含む。第１本体１１８および第２本体１２０は、バルブアセンブリ１０４の構成要素を収容および支持するための環状構造とされる。流管１２２は、支持体１２４によって第２本体１２０の内部に支持される。第１本体１１８、第２本体１２０および流管１２２は当該技術で周知の任意の直径にすることができ、全体を通して同じ直径にしても、あるいは長さに沿って一箇所または複数箇所で変更してもよい。支持体１２４は、流管１２２が流管１２２を流れる流体の温度および圧力の変化によって膨張および収縮し、さらに振動の誘導負荷を支持することができるような、当該技術で周知の任意の構造にすることができる。一例示的実施形態では、支持体１２４は金属薄板の成形部分品であって、第１端部１２６が第２本体１２０に、第２端部１２７が流管１２２に取り付けられる。一例示的実施形態では、支持体１２４は２つ以上の部分品として形成してもよく、１つが第２本体１２０の入口側に取り付けられ、１つが第２本体１２０の出口側に取り付けられる。

流管１２２は、流管１２２を流れる流体を受け入れるための入口１３０を有する入口部分１２８と、流管１２２の下流に流体を受け渡すための出口１３３を有する出口部分１３２とを含む。バルブ１３４は、流管１２２の内部に配置される。バルブ１３４は、当該技術で周知の任意の形式のバルブにすることができる。一例示的実施形態では、バルブ１３４はバタフライバルブである。バルブ１３４は、開放位置、閉鎖位置、およびその間のどこかに選択的に位置決めすることができる。回転軸１３６は、バルブ１３４を流管１２２に接続して、バルブ１３４を選択的に位置決めすることができる。回転軸１３６はバルブ１３４を貫通して、軸受アセンブリ１３８を介して流管１２２に接続している。回転軸１３６は、第１本体１１８および第２本体１２０の軸線に略垂直である。回転軸１３６はまた、回転軸１３６と平行で、第１本体１１８および第２本体１２０の中心を通過する平面からオフセットされる。

ピストンアセンブリ１４０は、回転軸１３６およびバルブ１３４を作動させるのに使用される。ピストン１４２は、第１本体１１８と第２本体１２０の間に配置される。作動流体をピストン１４２に供給するために、ポート１４４が第１本体１１８に接続される。ポート１４４は、流体の圧力降下が最小限に抑えられるように配置される。作動キャビティ１４８を密封するために、ピストン１４２に近接して複数のシール１４６が配置される。作動キャビティ１４８は、バルブ１３４を作動させるための作動流体で満たされている。ピストン１４２は、ピストンロッド１５０に接続される。このピストンロッド１５０の周囲に、ブッシング１５１が配置される。ブッシング１５１は、ピストンロッド１５０を案内および密封する。ピストン１４２と反対側のピストンロッド１５０の端部に、ピストンロッドクレビス１５２が配置される。ピストン１４２、ピストンロッド１５０、ブッシング１５１およびピストンロッドクレビス１５２は、第１本体１１８および第２本体１２０の軸線と平行になるように配列される。リンクアーム１５４は、一端がピン１５６によってピストンロッドクレビス１５２に、他端がピン１５７によって回転軸クランクアーム１５８に接続される。回転軸クランクアーム１５８は、回転軸１３６の一端に接続される。回転軸クランクアーム１５８は、この回転軸クランクアーム１５８が回転する時に回転軸１３６が回転するように接続される。ピストンアセンブリ１４０は、ピストン１４２の周囲のピストン力のバランスを取るように、ピストンロッド１５０から１８０度の位置に配置された第２のピストンロッド１６４を有する。ピストンロッド１６４は、上述したのと同様の構成でピストン１４２に接続される。ピストンロッド１６４には、ブッシング１６５、ピストンロッドクレビス１６６、リンクアーム１６８および回転軸クランクアーム１７０が付随する。ピストンロッド１５０、１６４は各々が、ピストン１４２の直線力を回転軸１３６の回転力に変換して、回転軸１３６を回転させることによって、ピストン１４２の運動に応じてバルブ１３４を開閉させることができる。

流管１２２は、第１屈曲部１７２および第２屈曲部１７４を含む。第１屈曲部１７２によって、回転軸１３６がピストンロッド１５０および１６４を通過する平面からオフセットされるように、回転軸１３６を位置決めすることができる。第２屈曲部１７４によって、バルブ１３４をピストンロッド１５０および１６４の中央に置くことができる。これにより、回転軸クランクアーム１５８および１７０をピストンロッド１５０および１６４と実質的に一直線に並べることができる。そのような構成によって、ウィッシュボーンアセンブリを必要とすることなく、回転軸１３６とピストンロッド１５０および１６４を直接接続することができる。

ピストンアセンブリ１４０に隣接して、センサ１７６が配置される。センサ１７６は、バルブ１３４の位置に関するフィードバックをエンジンに提供するために、ピストン１４２の位置を検出するように配置される。当該技術で周知の任意の位置センサを使用することができる。一例示的実施形態では、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）が使用される。センサ１７６は、Ｌ型ブラケット１７８によってピストンロッド１５０、１６２に取り付けられる。なお、センサがピストン１４２の位置を検出することができるのであれば、任意の取付器具を用いてもよい。

図７に示すように、使用中、流体は流管１２２の入口１３０を通って流れる（ステップ２００）。流体は、第１屈曲部１７２において流管１２２の内部で方向を変える（ステップ２０２）。流体は、第２屈曲部１７４において流管１２２の内部で二度目に方向を変える（ステップ２０４）。作動流体は、ポート１４４から作動キャビティ１４８へ流れる（ステップ２０６）。当該技術で周知の任意の作動流体を用いることができる。作動流体によって、ピストン１４２はバルブ１３４に向かって軸方向に動かされる（ステップ２０８）。ピストンロッド１５０、１６４およびピストンロッドクレビス１５２、１６６もまた、ピストン１４２の運動に伴ってバルブ１３４に向かって軸方向に動くことになる（ステップ２１０）。直線力はさらに、リンクアーム１５４、１６８を介して回転軸クランクアーム１５８、１７０に伝達される（ステップ２１２）。回転軸クランクアーム１５８、１７０の直線力が回転力として回転軸１３６に伝達されることによって、回転軸１３６および付属のバルブ１３４が回転させられる（ステップ２１４）。バルブ１３４は、開放から閉鎖へ、閉鎖から開放へ、または中間のどこかへ切り替わるように作動する。第２のポート１８０が作動流体を作動キャビティ１４８に供給することによって、ポート１４４が出口として機能し、バルブ１３４を閉鎖する。バルブ１３４は、失速状態、エンジンの後方部への高圧流の再分配、燃焼器に対する入口圧力の低下、エンジンの凍結防止、翼の凍結防止、羽根先端隙間の制御、航空機の環境管理システムおよび／または補助動力装置への空気の供給、またはそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、さまざまな理由で作動する。初期位置は、開閉どちらでもよい。ピストン１４２、ピストンロッド１５０、ピストンロッドクレビス１５２、リンクアーム１５４および回転軸クランクアーム１５８が軸方向に一直線に並ぶので、回転軸およびバルブに伝達される力がより直接的でバランスの取れたものとなり、従ってバルブに付加される過渡力が低下する。

本明細書において、本発明の例示的実施形態を、当業者による実現および活用のための最良の態様を含めて開示した。本発明の特許可能な範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されるとともに、当業者に想起可能なその他の実施例も包含する。かかるその他の実施例は、添付の特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または添付の特許請求の範囲の文言と実質的に相違なく同等な構成要素を含む場合、本発明の範疇にあるとみなされる。

１００ガスタービンエンジン
１０２ダクト
１０４バルブアセンブリ
１０６圧縮機
１０８燃焼器
１１０タービン
１１２タービン
１１４ファンアセンブリ
１１６過渡抽気システム
１１８第１本体
１２０第２本体
１２２流管
１２４支持体
１２６第１端部
１２７第２端部
１２８入口部分
１３０入口
１３２出口部分
１３３出口
１３４バルブ
１３６回転軸
１３８軸受アセンブリ
１４０ピストンアセンブリ
１４２ピストン
１４４ポート
１４６シール
１４８作動キャビティ
１５０ピストンロッド
１５１ブッシング
１５２ピストンロッドクレビス
１５４リンクアーム
１５６ピン
１５７ピン
１５８回転軸クランクアーム
１６４ピストンロッド
１６５ブッシング
１６６ピストンロッドクレビス
１６８リンクアーム
１７０回転軸クランクアーム
１７２第１屈曲部
１７４第２屈曲部
１７６センサ
１７８Ｌ型ブラケット
２００ステップ
２０２ステップ
２０４ステップ
２０６ステップ
２０８ステップ
２１０ステップ
２１２ステップ
２１４ステップ

Claims

バルブアセンブリ（１０４）であって、
軸線を有する本体（１２０）と、
前記本体（１２０）に取り付けられた、内部に流体が流れる流管（１２２）であって、第１屈曲部（１７２）および第２屈曲部（１７４）を有する前記流管（１２２）と、
前記軸線と垂直な回転軸（１３６）を有する前記流管（１２２）に取り付けられたバルブ（１３４）と、
前記本体（１２０）および前記回転軸（１３６）に取り付けられるとともに、前記軸線と並行なピストン（１４２）とを含む、バルブアセンブリ（１０４）。
前記ピストン（１４２）と前記回転軸（１３６）の間に配置されたピストンロッド（１５０）をさらに含む、請求項１に記載のバルブアセンブリ（１０４）。
前記ピストンロッド（１５０）の一端に配置されたピストンロッドクレビス（１５２）をさらに含む、請求項２に記載のバルブアセンブリ（１０４）。
前記ピストンロッド（１５０）と前記回転軸（１３６）の間に配置されたリンクアーム（１５４）をさらに含む、請求項３に記載のバルブアセンブリ（１０４）。
前記回転軸（１３６）が回転軸クランクアーム（１５８）を有しており、前記リンクアーム（１５４）が前記ピストンロッドクレビス（１５２）と前記回転軸クランクアーム（１５８）の間に延在する、請求項４に記載のバルブアセンブリ（１０４）。
前記ピストンロッド（１５０）、前記ピストンロッドクレビス（１５２）、前記リンクアーム（１５４）および前記回転軸クランクアーム（１５８）が前記軸線と平行である、請求項５に記載のバルブアセンブリ（１０４）。
前記ピストンロッド（１５０）に取り付けられた、前記ピストン（１４２）の位置を検出するセンサ（１７６）をさらに含む、請求項６に記載のバルブアセンブリ（１０４）。
前記本体（１２０）と前記ピストン（１４２）の間に配置された作動キャビティ（１４８）をさらに含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のバルブアセンブリ（１０４）。
前記本体（１２０）に取り付けられた、前記作動キャビティ（１４８）と流体連通するポート（１４４）をさらに含む、請求項８に記載のバルブアセンブリ（１０４）。
前記本体（１２０）と前記流管（１２２）の間に配置された支持体（１２４）をさらに含む、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のバルブアセンブリ（１０４）。