(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体導管と第２流体導管とを結合する伸縮継手であって、前記第１導管に固着される第１スリーブを基端に有しそして第１ボールを末端に有する管形第１継手と、前記第２導管に固着される第２スリーブを基端に有し、そして前記第１ボールから軸方向に隔てられた第２ボールを末端に有する管形第２継手と、前記第１ボールを第１ソケット内で枢動し得るように受入れる第１ソケットと、前記第２ボールを第２ソケット内で枢動し得るように受入れる第２ソケットと、前記第１および第２ソケットと同軸的に配置されそして相対する第１および第２末端を有する管形ベローとからなり、前記ベロー第１端は前記第１ソケットに固着されそして前記ベロー第２端は前記第２ソケットに固着されて前記第１および第２ソケット間の移動差を許容しそして前記第１および第２ボールが両ソケット内で枢動し得るようになっている伸縮継手。
【請求項２】
第１基部を末端に有し、そして前記ベロー第１端に固着された筒形第１リムを反対側の基端に有する管形第１カップと、第２基部を末端に有し、そして前記ベロー第２端に固着された筒形第２リムを反対側の基端に有する管形第２カップと、前記第１カップに対して補完的でありそしてその中に着座し、そして前記第１ボールを枢動自在密封接触をなすように受入れる前記第１ソケットを画成する球形内面を有する環状第１シールと、前記第２カップに対して補完的でありそしてその中に着座し、そして前記第２ボールを枢動自在密封接触をなすように受入れる前記第２ソケットを画成する球形内面を有する環状第２シールとをさらに含む請求項１記載の継手。
【請求項３】
前記第１シールは、前記第１ソケットと同じ寸法をもつように設けられた筒形第１接近孔をさらに含み、この第１接近孔は前記第１ボールより大きく前記第１ボールを軸方向に受入れて前記第１ソケットに着座させ、また、前記第２シールは、前記第２ソケットと同じ寸法をもつように設けられた筒形第２接近孔をさらに含み、この第２接近孔は前記第２ボールより大きく前記第２ボールを軸方向に受入れて前記第２ソケットに着座させる請求項２記載の継手。
【請求項４】
前記第１および第２カップリムそれぞれに隣接して前記第１および第２ボールをそれぞれ前記第１および第２ソケット内に保持する第１および第２保持体をさらに含む請求項３記載の継手。
【請求項５】
それぞれの基端で前記第１および第２カップリムに固着された第１および第２入れ子式シュラウドをさらに含み、それぞれの末端は互いに重なり合って、前記ベローを伸縮させる前記第１および第２カップの軸方向差動を入れ子式に許容する、請求項４記載の継手。
【請求項６】
前記第１および第２シュラウドはそれぞれの前記末端に隣接する箇所で筒形でありそして両シュラウド相互の滑りばめをなすような寸法を有して前記軸方向差動時に前記継手の空気制動をもたらす請求項５記載の継手。
【請求項７】
前記第１および第２シュラウド基端それぞれにおいて画成されそして前記第１および第２カップリムに隣接する第１および第２リップをさらに含み、そして前記第１および第２保持体は前記リップ内に固定されて前記ボールと協働シールとを前記のそれぞれのカップ内に保持する、請求項５記載の継手。
【請求項８】
前記第１および第２保持体は、概してＶ形の半径方向断面を有し、そして前記のそれぞれのリップに隣接する第１脚と、前記のそれぞれのシールとボールに隣接する第２脚とを有する、請求項７記載の継手。
【請求項９】
前記ベローは軸方向に圧縮可能であり相反する方向の圧縮荷重を前記第１および第２カップにかけて前記第１および第２シールを前記第１および第２ボールと密封接触させる、請求項５記載の継手。
【請求項１０】
前記第１および第２シールは前記第１および第２カップに圧入された黒鉛からなり、そして両シールは前記保持体の除去後前記ボールを前記ソケットから取外した後別個に交換可能である、請求項５記載の継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般的にはガスタービンエンジンに関し、特に、流体導通構成部の熱的移動差に対処するためのガスタービンエンジン内の伸縮継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、空気を圧縮する圧縮機を含み、圧縮空気は燃焼器内で燃料と適当に混ぜられかつ点火されて高温燃焼ガスとなり、燃焼ガスは下流に流れて一つ以上のタービンを通る。タービンの様々な構成部が、冷却用空気として使用されるために圧縮機から抽出された圧縮空気の一部分を用いることにより冷却される。圧縮機から抽出された冷却空気は、適当な導管と継手を通って、冷却を要する様々な構成部に導かれ、導管の多くは運転中熱的差動と振動を生じる。
【０００３】
抽気系において使用されるような流体導通継手は、相対枢動を許容するボールソケット継手を包含する様々な従来形態をとり、このような継手はまた、導管の隣合う端間の並進動差を許容する従来の形状を有する。しかし、伝統的な黒鉛玉継手は、運転中に継手に生じる様々な枢動差と並進動差と、振動とにより望ましくない漏れを起こしやすい。玉継手が運転中摩耗するにつれ、継手からの漏れはますます問題となり、結局伝統的な黒鉛玉継手は高い費用で交換しなければならなくなる。
【０００４】
【発明の概要】
伸縮継手が、ベローにより互いに結合された１対の管形継手を含み、両管形継手間の移動差を許容する。両管形継手はそれぞれの末端にボールを有し、両ボールは、ベローの両端に固着された補完ソケットと係合する。ボールとソケットはさらに枢動に適する。ベローにより圧力とばね力がソケットをそれぞれのボールに係合させ、こうして、動作中、ボールをソケット内に連続的に着座させそして漏止めに有効な密封を維持する。
【０００５】
本発明は、好適実施例により、他の目的および利点とともに、添付図面と関連する以下の詳述においてさらに詳細に説明されている。
【０００６】
【実施例の記載】
図１は航空機ターボファンガスタービンエンジン１０の一例の軸方向部分断面略図である。エンジン１０は、直流連通をなすファン１０ａと低圧圧縮機１０ｂと高圧圧縮機１０ｃと燃焼器１０ｄと高圧タービン１０ｅと低圧タービン１０ｆとを含み、これらは１対の回転軸により一緒に連結されて作動し、そして従来の形状と機能を有する。運転中、空気１２は下流に流れてファン１０ａを通りそして圧縮機１０ｂ、１０ｃにおいて圧縮され、圧縮空気の大部分は燃焼器１０ｄ内で燃料と適当に混ぜられかつ点火されて燃焼ガスとなり、燃焼ガスはタービン１０ｅ、１０ｆを通流して飛行中エンジン動力を発生する。
【０００７】
図１に示した実施例では、低圧タービン１０ｆの選択された構成部が従来の仕方で冷却され、そして高圧圧縮機１０ｃの適当な一段から抽出された圧縮空気１２の一部分を供給される。この空気部分は冷却空気１２ｂとして抽気系を経て低圧タービン１０ｆに達する。
抽気系には多数の構成部からなる環状の空気マニホルド１４が含まれ、冷却空気１２ｂを受入れそして低圧タービン１０ｆ内の様々な構成部に冷却空気を適当に配分する。図２は、仮想線で示した低圧タービン１０ｆを囲むマニホルド１４の実施例を示す。冷却空気１２ｂは従来の入口１４ａを経てマニホルド１４内に適切に導かれる。この空気はマニホルド１４から従来の出口１４ｂを通って低圧タービン１０ｆ内に放出される。出口１４ｂは、半径方向内方に延在しかつ軸方向に傾斜している管形のものである。冷却空気１２ｂは、総括的に１６で示した相互連接流体導管を通ってマニホルド１４内に全周にわたって分布する。本発明の一実施例によれば、複数の伸縮継手１８がマニホルド１４の全周にわたってマニホルド出口１４ｂの隣合うものの間に周方向に隔設され、運転中の伸縮による熱的差動を許容する。代替的に、伸縮継手１８を各マニホルド出口１４ｂに配設してもよく、その一つを図２の１２時の位置に仮想線で示す。いずれの実施例でも、伸縮継手１８は、連接導管の隣合う部分間に多自由度（ＭＤＦ）運動をもたらすような同じ形状を有する。
【０００８】
さらに詳述すると、図３は伸縮継手１８の一例を示し、この場合、互いに連接される導管は、片側から継手１８に入る第１導管１６ａおよび反対側から継手１８に入る第２導管１６ｂと定められている。この実施例において、継手１８はその中と導管１６ａ、１６ｂ間に冷却空気１２ｂを通す。図４は伸縮継手１８自体の切除斜視図である。
【０００９】
本発明の一実施例によれば、ＭＤＦ継手１８には管形第１継手２０が含まれ、その基端に筒形の第１スリーブ２０ａを有し、このスリーブは、例えば溶接またはろう付けにより第１導管１６ａの端に従来のように固着される。第１継手２０の反対側の末端には第１ボール２０ｂが設けられ、これは円滑な凸形環状外面を有する切頭球形部である。同様に、実質的に同等の管形第２継手２２がその基端に筒形の第２スリーブ２２ａを有し、このスリーブは第２導管１６ｂの対応端に固着される。第２継手２２はその末端に第２ボール２２ｂを有し、このボールも切頭球形部で、やはり円滑な凸形環状外面を有する。
【００１０】
第１ソケット２４が第１ボール２０ｂを同ソケット内で枢動と回動、またはねじり運動をなし得るように受入れ、そして補完形状を有し、このソケットも、合わせ環状凹形内面を有する切頭球形部の形態をなしている。同様の第２ソケット２６が第２ボール２２ｂを同ソケット内で枢動と回動、またはねじり運動をなし得るように受入れ、第２ソケット２６は形状が第２ボール２２ｂに対して補完的であり、やはり合わせ凹形円滑内面を有する切頭球形部である。
【００１１】
第１および第２継手２０、２２は軸方向に相隔てられ、そして管形ベロー２８が両継手間に延在しそして第１および第２ソケット２４、２６と同軸的に配置されている。ベロー２８は、軸方向に相対する第１および第２末端２８ａ、２８ｂを有し、第１端２８ａは第１ソケット２４に密封状に固着され、そして第２端２８ｂも同様に第２ソケット２６に密封状に固着されている。このようにして、ベロー２８はソケット２４、２６と協働ボール２０ｂ、２２ｂを一緒に密封連結してそれらの間の軸方向差動を許容する。別の差動もソケット２４、２６間で許容され、ボール２０ｂ、２２ｂはそれぞれ第１および第２ソケット２４、２６内で枢動と回転が可能である。こうして、多自由度（ＭＤＦ）伸縮継手１８が得られ、連結する第１および第２導管１６ａ、１６ｂ間のかなりの差動を許容する。また、継手１８からの冷却空気１２ｂの漏れの阻止に有効な密封もなされる。
【００１２】
さらに詳述すると、ベロー２８は適当なばね定数をもつように寸法と形状を定められ、組立て中、最初に圧縮された後、相反する方向の圧縮荷重をソケット２４、２６にかけてそれぞれのボール２０ｂ、２２ｂのソケット内の着座を維持し得る。ソケット２４、２６は単に適当な金属製でよく、この金属はそれだけ、あるいは市販の銅ニッケルインジウムまたはニッケル黒鉛のような適当な耐摩耗性溶射被覆を有するものでよい。しかし、別の交換可能な密封部材を用いることにより、優れた密封を長期間にわたって保ち得る。
【００１３】
さらに詳述すると、伸縮継手１８には好ましくは管形第１スリーブまたはカップ３０が含まれ、第１ボール２０ｂを囲み、そしてその末端に中央孔付きの平らな円板形の第１基部３０ａを有しそして反対側の基端に筒形の第１リム３０ｂを有する。この第１リムは、例えば従来の抵抗溶接によりベロー第１端２８ａに適当に固着される。同様に、管形の第２スリーブまたはカップ３２が第２ボール２２ｂを囲み、そしてその末端に中央孔付きの平らな円板形の第２基部３２ａを有しそして反対側の基端に筒形の第２リム３２ｂを有する。この第２リムは、例えば抵抗溶接によりベロー第２端２８ｂに適当に固着される。
【００１４】
交換可能な環状第１シール３４が、第１カップ３０の内側と補完的な形状を有してその中に適当に着座しており、そして球形内面を有し、この内面は第１ボール２０ｂを枢動自在密封接触をなすように受入れる第１ソケット２４を画成している。同様に、交換可能な環状第２シール３６が、第２カップ３２の内側と補完的な形状を有してその中に適当に着座しており、そして球形内面を有し、この内面は第２ボール２２ｂを枢動自在密封接触をなすように受入れる第２ソケット２６を画成している。第１および第２シール３４、３６は、それぞれのボール２０ｂ、２２ｂへの効果的な滑り密封ばめに役立つ任意の従来材料で形成され得る。航空機エンジン環境用の図３に示した実施例において、シール３４、３６は好ましくは第１および第２カップ３０、３２それぞれに簡単に圧入された従来の黒鉛シールであり、そして第１および第２ボール２０ｂ、２２ｂをそれぞれ第１および第２ソケット２４、２６から取外した後、別個に交換可能である。このように、シール３４、３６は使用中必要に応じてただちに交換することができる。
【００１５】
さらに詳述すると、第１および第２シール３４、３６は好ましくは互いに同じもので、それぞれ、第１および第２ソケット２４、２６の入口と同じ寸法をもつように設けられた筒形接近孔３４ａ、３６ａを有する。第１および第２接近孔３４ａ、３６ａはそれぞれ直径が第１および第２ボール２０ｂ、２２ｂの直径より適度に大きく、組立て中ボール２０ｂ、２２ｂを軸方向に受入れて第１および第２ソケット２４、２６それぞれに着座させ得る。
【００１６】
両ボールをそれぞれのソケットに保持するために、割りリング形の第１および第２保持体３８、４０がそれぞれ第１および第２カップリム３０ｂ、３２ｂに隣接して配置され、第１および第２ボール２０ｂ、２２ｂをそれぞれ第１および第２ソケット２４、２６内に保持する。保持体３８、４０はまたシール３４、３６をそれぞれのカップ３０、３２内に保持する。
【００１７】
図３に示すように、ボール２０ｂ、２２ｂはそれぞれ、従来のボールソケット継手構成において、対応ソケット２４、２６内で自由にねじれ状に枢動または回動し得る。ソケット２４、２６は、相対する端において第１および第２カップ３０、３２に接合された共通ベロー２８を介して、互いにたわみ自在に連結されている。こうすると、両ボール２０ｂ、２２ｂはまた相互に対して軸方向に並進し得るとともに半径方向において横方向に動き得る。従って、その結果得られる伸縮継手１８は、第１および第２導管１６ａ、１６ｂの対応端に接合された２つの捕捉されたボール２０ｂ、２２ｂ間のかなりの多自由度運動を許容して、組立てを容易にするとともに、伸縮を含む両導管間の熱的移動差に対処し得る。さらに、両ボールソケット継手とそれらの間のベロー２８は導管１６ａ、１６ｂ間の冷却空気１２ｂの効果的な密封を保証し、この密封は、ボール２０ｂ、２２ｂが摩耗により、黒鉛シール３４、３６に形成されたそれぞれのソケット２４、２６に食い込むにつれ、時の経過とともに良くなり得る。伸縮差発生中にボールがそれぞれのソケット内で枢動および（または）回転するにつれ、ソケット２４、２６によって画成された座は自己更新作用をなす。なぜなら座の擦傷または摩耗がそれぞれのボール２０ｂ、２２ｂの着座を改善するからである。
【００１８】
さらに、ベロー２８は本来たわみ可能であり軸方向に圧縮可能であるから、組立て中、最初に圧縮されると、相反する方向の圧縮荷重を第１および第２カップ３０、３２にかけて第１および第２シール３４、３６を第１および第２ボール２０ｂ、２２ｂと密封接触させ得る。これにより両ボールはそれぞれのソケット内にしっかり着座する。また、伸縮継手１８内の冷却空気１２ｂ自体の圧力がさらに力をカップ３０、３２の基部に作用させてシール３４、３６をボール２０ｂ、２２ｂにさらに密着させ両ボールの圧力着座を改善する。従って、導管１６ａ、１６ｂおよび両導管の端に接合されたそれぞれのボール間の熱的移動差にかかわらず、有効かつ永続的な密封が継手１８の有用寿命中保たれる。
【００１９】
ベロー２８は、第１および第２入れ子式環状シュラウド４２、４４を設けることにより、損傷から保護され得る。シュラウド４２、４４はそれぞれ基端において第１および第２カップリム３０ｂ、３２ｂに固着される。図３に示した実施例では、シュラウド４２、４４の基端はベロー２８の両端を囲みそしてベローの両端に従来のように抵抗溶接され、ベローの両端はカップ３０、３２に抵抗溶接される。シュラウド４２、４４の末端は好ましくは適当な軸方向距離だけ互いに重なり合って、ベロー２８を伸縮させる第１および第２カップ３０、３２の軸方向差動を入れ子式に許容する。
【００２０】
図３に示した実施例において、シュラウド４２、４４の末端部は好ましくは筒形でありそして直径が両シュラウド相互の滑り密接ばめに適するように定められ、軸方向差動時に継手１８の空気制動をもたらす。これにより、シュラウド４２、４４とベロー２８との間の空間は適当に囲まれ、そのためのシュラウド４２、４４の入れ子式はめ合いが、上記空間内に閉じ込められた空気の圧縮または膨張をもたらし、それに応じて、重なり合う継ぎ目部間に空気の漏れまたは突進が生じ独特な空気制動をもたらす。ガスタービンエンジンの振動発生環境において、この空気制動は伸縮継手１８の振動応答を効果的に減らし得る。シュラウド４２、４４の重なり合いはまたベロー２８の横曲げを抑制し、第１および第２導管１６ａ、１６ｂ間の横方向ずれは、主として、両ソケット内のそれぞれのボールの枢動により許容される。ベロー２８の横曲げの防止はベローの有用寿命を延ばし得る。
【００２１】
シュラウド４２、４４は、一実施例において、保持体３８、４０を捕捉するために利用され得る。図３に示すように、シュラウド４２、４４はそれぞれ基端に第１および第２一体リップ４２ａ、４４ａを有する。これらのリップはシュラウド４２、４４の端の塑性圧延により簡単に形成することができ、リップの全周にわたって適当な半径を有する。リップ４２ａ、４４ａは好ましくはそれぞれ第１および第２カップリム３０ｂ、３２ｂから軸方向に隔てられるので、保持体３８、４０は両リップ内に固定されてボール２０ｂ、２２ｂとそれらの協働シール３４、３６とをそれぞれのカップ３０、３２内に保持し得る。図３に示した好適実施例において、保持体３８、４０はそれぞれ、概してＶ形の半径方向断面を有し、そしてそれぞれのリップ４２ａ、４４ａに隣接しかつそれによって捕捉される第１脚と、それぞれのシール３４、３６とボール２０ｂ、２２ｂに隣接する第２脚とを有する。傾斜した脚はそれぞれのボール２０ｂ、２２ｂの背後側に概して平行であり、大きな接触表面積を有して両ボールをそれぞれのソケット内に保持する。また、保持体３８、４０は適当な金属薄板で形成され継手１８の重量を減らし得る。割り形保持体３８、４０は、リップ４２ａ、４４ａによって画成されたそれぞれのオリフィスを経て簡単に除去され得る。従って、その後それぞれのボールをそれらのソケットから除去してシール３４、３６に接近でき、次いで所望に応じて両シールを除去しかつ交換し得る。
【００２２】
図３に示した継手１８の包絡面は、所望に応じ、ベロー２８を両カップ３０、３２間に軸方向に配置し直すこと（図示せず）によって減らすことができる。従来のフローライナ（図示せず）をカップ３０、３２の中央オリフィス間に設置してもよく、こうして圧力降下を減らしそして内側からのベロー２８の損傷のおそれを減らし得る。
【００２３】
以上、本発明の好適実施例と考えられるものを説明したが、それらの様々な改変が本発明の範囲内で可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】低圧タービンを囲む環状マニホルドに圧縮空気の一部分を導いて低圧タービンを冷却する抽気系を有する航空機ターボファンガスタービンエンジンの一例を示す。
【図２】図１に示した低圧タービンを囲む関節状空気マニホルドの一例の、線２−２にほぼ沿う半径方向図で、本発明の一実施例による複数の伸縮継手を示す。
【図３】図２に示した伸縮継手の一つの実施例の線３−３にほぼ沿う断面立面図である。
【図４】図２と図３に示した伸縮継手の一例の部分切除斜視図である。
【符号の説明】
１６ａ  第１導管
１６ｂ  第２導管
１８  伸縮継手
２０  第１管形継手
２０ａ  第１スリーブ
２０ｂ  第１ボール
２２  第２管形継手
２２ａ  第２スリーブ
２２ｂ  第２ボール
２４  第１ソケット
２６  第２ソケット
２８  ベロー
３０  第１カップ
３０ａ  第１基部
３０ｂ  第１リム
３２  第２カップ
３２ａ  第２基部
３２ｂ  第２リム
３４  第１シール
３４ａ  第１接近孔
３６  第２シール
３６ａ  第２接近孔
３８  第１保持体
４０  第２保持体
４２  第１シュラウド
４２ａ  第１リップ
４４  第２シュラウド
４４ａ  第２リップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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