JP2004506113A - 懸架装置 - Google Patents

Abstract

一次構造体に設けられる環状の二次構造体の懸架装置は、構造体周囲の全体にわたり一様に配分される少なくとも３個の滑動ガイドを有するスポーク式センタリング装置の形式のものであり、各滑動ガイドは、構造体軸方向に対し交差する方向へのこれら構造体の少なくとも線形相対運動を可能としている。各滑動ガイドの線形運動の方向は、滑動ガイドの位置における構造体関連の半径方向に関し、半径方向及び接線方向成分を有する角度で延びている。
（図１）

Description

【０００１】
本発明は、請求項１における特徴の前提部分によると、一次構造体に設けられる環状の二次構造体の懸架装置もしくはサスペンション、特に、ガスタービンのケーシング構造体に設けられ高温ガスの作用を受けるステータ構造体の懸架装置であって、スポーク式センタリング装置と呼びうる形式の懸架装置に関するものである。
【０００２】
スポーク式センタリング装置は、主として環状又は管状である一次構造体に同様に環状の二次構造体を中心に懸架するために使用されている。この場合、互いに関係する構造体の半径方向相対運動は、同時に同心性を維持しながら、基本的に拘束力なしにかつ変形なしに可能でなければならない。この原則は、特に、２つの同心構造体の大きく異なる熱膨張を打ち消すべき場合には妥当である。二次構造体が比較的に可撓性であれば、換言すれば、低い寸法安定性を有していれば、二次構造体を懸架装置により可能な限り安定にすると共に剛化しなければならない。
【０００３】
ＤＥ １９８ ０７ ２４７ Ｃ２は、ロータ及びステータを有するターボ機械を開示しており、このターボ機械は、特別に設計された少なくとも１つの案内羽根リングを有している。案内羽根リングは、内側シュラウド（ｓｈｒｏｕｄ）に補強材を有し、またセグメント化された外側シュラウドを有する自立要素として設計されている。この案内羽根リングは、少なくとも３つの「スポーク」を有するスポーク式センタリング装置を介してターボ機械のケーシング内に配置される。スポーク式センタリング装置の滑動ガイドは軸受ブッシュ中に軸受ジャーナル（ｂｅａｒｉｎｇ ｊｏｕｒｎａｌ）を有しており、各滑動ガイドの線形運動方向は案内羽根リング及びケーシングに関して半径方向に延びている。
【０００４】
真直ぐの溝内を延びる滑動ブロックにより滑動ガイドを構築することも同様に一般化しており、運動の方向は、通常のように、組み合った構造体に関して半径方向に延びる。経験によると、従来のスポーク式センタリング装置の滑動要素には、顕著な摩耗がしばしば起こる。肉薄になった二次構造体に恒久的な変形がいずれ検出されることになった。これら両方の損傷形態は、理想的な対称回転状態下で生ずるよりも大きな力が滑動ガイドに明らかに発生することを示している。その原因は、恐らく、ガスタービンにおいて特に不均一なガス温度分布により起こりうる構造体の非回転対称膨張状態である。特に、多数の滑動ガイド、即ち「スポーク」を有する大直径の構造体に関して言えば、大きな拘束力が発生するリスクが増大する。幾何学的形状のため、運動方向の指向性が滑動ガイド毎に若干にすぎないが変化するので、それらの間にある二次構造体領域が膨張した場合に、摩擦角以下への降下により、双方の滑動ガイドにジャミング（ｊａｍｍｉｎｇ）が起こることがあり、その結果、構造体の自由な膨張が不可能になる。従来の半径方向スポーク式センタリング装置の更なる欠点は、これらの「軟性（ｓｏｆｔ）」二次構造体が、奇数の滑動ガイド（「スポーク」）が存在するときにのみ剛化されることである。
【０００５】
既知のスポーク式センタリング装置におけるこれらの欠点を考慮して、本発明の目的とするところは、少なくとも３個の異なる方向に指向した滑動ガイドを有するスポーク式センタリング装置の仕方で一次構造体に設けられた二次構造体のための懸架装置であって、拘束力、変形及び摩耗を防止もしくは大きく低減すると共に、偶数又は奇数の滑動ガイドが存在するか否かに関係なく、可撓性の二次構造体を剛化することを可能にする懸架装置を提供することである。
【０００６】
この目的は、請求項１の前提部分における一般的特徴に関連した特徴部分により達成される。
【０００７】
本発明によると、各滑動ガイドの線形運動方向は、構造体の半径方向に対して角度βで傾いているので、相対運動は、半径方向及び接線方向成分をもっている。滑動ガイドのジャミングは、その全ての欠点と共に、高信頼度で排除される。これは、二次構造体の均一及び不均一な寸法変化に当てはまる。二次構造体が均一に回転対称膨張もしくは収縮をする場合、二次構造体はまた運動学的理由のため一次構造体に関して若干の相対回転を行い、これは大抵の場合受け入れることができる。二次構造体が不均一な局部的に異なる膨張もしくは収縮をする場合、二次構造体は弾性変形して環状の形状からある程度変化する。しかし、これにより生ずる滑動ガイドの力は、従来の半径方向スポーク式センタリング装置のジャミング中よりも実質的に低い。寸法変化は、同様に許容限界の範囲内に保持される。寸法安定性を向上させる本発明の効果により、二次構造体を、従来の半径方向スポーク式センタリング装置の場合よりも、更に弾性がありかつ軽量に設計できるようになる。
【０００８】
請求項１による懸架装置の好適な実施例には従属請求項に記載のような特徴がある。
【０００９】
本発明について図面を参照して以下に詳細に説明する。言うまでもなく、簡略化した説明図では、縮尺どおりにはなっていない。
【００１０】
本発明を可能なかぎり簡単かつ明確に再現するために、図１及び図２による図解はできるだけ略図的にしている。スポーク式センタリング装置と呼ぶことができる懸架装置１は、円周回りに均等に配分された８個の滑動ガイド１０を備えており、従って、該滑動ガイドの間隔角度はいずれも４５度になる。懸架装置１により接続される構造体，即ち、一次構造体２及び二次構造体６は、図１の上側領域において斜線部分としてのみで実際に示されている。事実上環状の二次構造体６の代わりに、ここでは、剛な弦部材Ｓ１〜Ｓ８を有すると共に、滑動ガイド１０における弦部材間に継手を有する閉じた多角形が考えられている。構造体中心から延びる、いずれも４５度偏心した８本の半径方向直線は、弦部材継手に対する或いは弦部材継手における構造体関連の半径方向Ｒを示すにすぎず、構造要素を表わすものと理解してはならない。右側の上１／４領域における角二等分線（４５度）上の滑動ガイド１０は、この滑動ガイド１０の運動の直線方向Ｌが半径方向Ｒから角度βだけずれていて、従って、半径方向及び接線方向運動成分を実際に有していることを示している。高信頼度で滑動ガイド対のジャミングの恐れの必要がないように、選択された角度βは、滑動ガイド１０において予想される最大摩擦角αよりも大きいことが好ましい。関節式弦部材の多角形を有すると共に、その滑動ガイド１０が半径方向Ｒに対して角度βで時計方向に傾いている、概念的に簡略化したこの懸架装置１において、弦部材の長さの変化（膨張，収縮）は、前の方に時計方向に配置された弦部材端部のところで滑動部材の滑動運動になるが、その理由は、各弦部材に関し、いずれの場合も唯１つの滑動ガイドが摩擦角よりも著しく大きく弦部材の横断方向に対して傾いているのに対し、他の滑動ガイドは弦部材に対してほぼ交差しているためである。
【００１１】
これらの運動力学をもっと明確に理解するため、図１において上右側にある滑動ガイド１０についての詳細を付加的に述べる。滑動ガイドの位置における構造体関連の半径方向Ｒ，滑動ガイド１０の運動の直線方向Ｌ，並びに方向Ｒ及びＬ間の角度βに加えて、点線及び鎖線で表わされた、弦部材Ｓ８の直線延長部Ｖと、弦部材Ｓ８に対して９０度の角度での横断方向Ｔと、Ｌ及びＴ間の角度β_ｅｆｆとがあることが分かる。更に、網点は滑動ガイド１０の摩擦円錐と呼ばれる領域を示しており、その頂角は摩擦角αの２倍である。ここで、運動の方向Ｌは隣接する弦部材Ｓ７に対して垂直に延びるので、摩擦円錐は弦部材Ｓ７に関して鏡面対称である。延長線Ｖは完全に摩擦円錐の外にあるので、弦部材Ｓ８の長さ変化は、方向Ｌにおける弦部材Ｓ８及びＳ７間の「継手」が停止することなく限定された運動をすることになる。従って、理論的には、選択された角度β_ｅｆｆが摩擦角αよりも大きければ十分であろう。実際の均一二次構造体は簡単な関節式弦部材多角形とは異なった挙動をするので、安全上の理由で角度βも摩擦角αよりも大きくなければならない。
【００１２】
更に明確に理解するため、摩擦係数及び摩擦角のような用語についてこの際に簡単に述べておく。摩擦係数ｆ及び摩擦角αの関係は次の通りである。
ｆ＝ ｔａｎ α
ここで、αはｆの正接の逆関数である。
α＝ ｉｎｖ ｔａｎ ｆ
【００１３】
ｆについての以下の値を技術専門辞典から得ることができる。
固体摩擦　　　　　　　　　　ｆ
金属／金属　　　　　　　　　０．３ ÷ １．５
セラミック／セラミック　　　０．２ ÷ １．５
プラスチック／金属　　　　　０．２ ÷ １．５
境界摩擦　　　　　　　　　　０．１ ÷ ０．２
混合摩擦（ｍｉｘｅｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎ）　　０．０１ ÷ ０．１
流体摩擦　　　　　　　　　　▲≒▼０．０１
【００１４】
実際の所定摩擦係数で次の摩擦角が得られる。
ｆ　　　　　　　　　　　　　α
０．２　　　　　　　　　　　 １１．３°
０．３　　　　　　　　　　　 １６．７°
０．５　　　　　　　　　　　 ２６．６°
１．０　　　　　　　　　　　 ４５．０°
【００１５】
８個の「スポーク」を有する図示の懸架装置１に関しては、角度βは、２２．５度に達する。この傾斜角は最大摩擦係数ｆ＜０．４について十分であることが好ましい。もっと高い摩擦の場合、半径に対する傾斜角βはそれに応じて増加されるべきである。
【００１６】
図１は、２倍の弦部材Ｓ１〜Ｓ８を、正確に言うと実線及び点線の直線のように示している。実線の弦部材多角形は二次構造体６の「低温」収縮状態を表わしている。点線の大きな方の弦部材多角形は二次構造体６の「高温」均等膨張状態を表わしている。この場合、一次構造体２は簡単にするために幾何学的形状が常に変わらないとすることができるので、一次構造体に属する滑動ガイド１０の部分は移動しない。全弦部材の膨張もしくは収縮が同一の場合、弦部材多角形の関節もしくは結合の角度は明らかに変化しないままである。これは、実際の二次構造体６に関して、その直径が変化するがその形状（環状）は変わらず、一次構造体２に関する同心位置もまたそのままであることを意味している。また、実線位置から点線位置への過渡状態では、弦部材多角形、従って二次構造体は、特に滑動ガイド１０の角度βの結果として、角度γにわたる時計方向への小回転運動を行うことが分かる。実際の適用例においては、本発明によるこの若干の回転は、原則として、構造体の諸機能にとって重要ではない。
【００１７】
図１とは対称的に、図２は、弦部材の非対称膨張を示している。ターボ機械が実際に使用される場合、流れ断面積全体にわたって高い非対称温度分布を有する運転状態が起こりうる。従って、図２によると、基本的に弦部材Ｓ１のみが熱膨張を受けることになる。この場合、弦部材Ｓ１及びＳ８間の「継手」にある滑動ガイド１０は、角度βで右側へ斜め上方に可撓運動を行う。この場合、弦部材Ｓ８は、その右側の「継手」回りに弦部材Ｓ７に関して協調して枢回するが、実際にはその長さに変化はない。これらの滑動ガイド１０により予め決められる運動力学の結果として、弦部材Ｓ１及びＳ８間の滑動ガイド１０が、弦部材Ｓ８の弦長を同じに留めて、右側上方に運動することにより、弦部材Ｓ８及びＳ７間の滑動ガイド１０が左側下方へ無視しうる程度の運動をするにすぎず、これは図２に実質的に図示することができない。従って、事実上、弦部材Ｓ８は、弦部材Ｓ７に関するその「継手」回りに枢回運動のみを行い、弦部材Ｓ７はその所定位置に弦部材Ｓ２と同様に留まる。しかしながら、弦部材Ｓ２及びＳ１，Ｓ１及びＳ８，並びにＳ８及びＳ７間の「関節の角度」は変化することが分かる。これは、実際の二次構造体６の点からみると、それは非対称に変形されており、もはや正確な円形ではないことを意味している。しかしながら、この場合、寸法及び形状の実際の変化は概して小さいので、機能及び機械的負荷に対する該変化の影響は無視することができる。本発明がない場合に起こる拘束力及び変形は、一般的により有害であろう。
【００１８】
図３〜図５は、本発明に従った傾斜角度βを有する実際の滑動ガイド１１〜１３の実施例を示している。
【００１９】
図３は、スロット１７内に滑動ブロック１４を備えた滑動ガイド１１を示している。このスロット１７は、一次構造体３に一体化されており、滑動ブロック１４は、二次構造体７にしっかり結合されるか、或いは後者から作り上げられる。滑動ガイド１４は、丸い角部を備えかつスロット１７内に滑動表面隙間を備えて念入りに図示されている。作動中、例えば非対称の構造体変形の場合、スロット１７における滑動ブロック１４に対する若干の傾き運動が生じうるので、隙間及び角部の丸み付けは過大の摩擦、摩耗及びジャミングを防止するように企図されている。
【００２０】
図４は、一次構造体４に一体化されたスロット１８を備えると共に、滑動ブロック１５を備えた滑動ガイド１２を同様に示しているが、図３とは対称的に、滑動ブロック１５は、二次構造体８にしっかり結合された軸１６の回りに枢回可能である。これにより、構造体４及び８の僅かな相対回転が容易に可能である。スロット１８内の滑動ブロック１５の嵌合は、十分に自由な遊びを有しかつ精確に行うことができる。
【００２１】
最後に、図５は、ブッシュ２１内にピン１９を備えた滑動ガイド１３を示している。ここでは、該ピン１９は一次構造体５にしっかり結合されており、円筒形のブッシュ２１は二次構造体９の厚肉部に一体化されている。ピン１９の外側表面２０は、構造体回転中のジャミングもしくは縁部応力を回避するために、凸形状でありかつ回転方向に対称の形状を有している。この凸形状は、極端な場合、球形状に一致していてよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】８個の滑動ガイドを有する懸架装置の横断面を示し、二次構造体の異なる２つの回転方向対称膨張状態を再現している。
【図２】二次構造体が非対称膨張している図１による懸架装置の部分横断面を示している。
【図３】剛な滑動ブロック及びスロットを備えた滑動ガイドを示している。
【図４】枢回可能の滑動ブロック及びスロットを備えた滑動ガイドを示している。
【図５】ピン及びブッシュを備えた滑動ガイドを示している。

Claims (6)

1. 一次構造体に設けられる環状の二次構造体の懸架装置（ｓｕｓｐｅｎｔｉｏｎ）、特に、ガスタービンのケーシング構造体に設けられ高温ガスの作用を受けるステータ構造体の懸架装置であって、少なくとも３個の滑動ガイドを有するスポーク式センタリング装置と呼びうる形式のものであり、該少なくとも３個の滑動ガイドは、等しい角間隔で構造体周囲全体に配分されると共に、各滑動ガイドは、前記一次構造体及び前記二次構造体の軸方向に対し交差する方向へ該一次構造体及び該二次構造体間の少なくとも線形相対運動を可能としており、線形運動の方向は、前記滑動ガイドの前記角間隔に相当する角度だけ１つの滑動ガイドから次の滑動ガイドへと変化する前記懸架装置において、前記滑動ガイドの位置における構造体関連の半径方向（Ｒ）に関する各滑動ガイド（１０〜１３）の前記線形運動の方向（Ｌ）は、半径方向及び接線方向成分を有する角度（β）で延びていることを特徴とする懸架装置。
2. 前記角度（β）は、各滑動ガイド（１０〜１３）に予測される最大摩擦角（α）の関数として定義されることを特徴とする請求項１に記載の懸架装置。
3. それぞれの滑動ガイド（１０〜１３）は、滑動ブロック（１４，１５）とスロット（１７，１８）、又は、ピン（１９）とブッシュ（２１）を含んでおり、それぞれの場合、前記滑動ブロック（１４，１５）又は前記ピン（１９）は、前記２つの構造体（２〜５；６〜９）のうちの一方に結合され、前記スロット（１７，１８）又は前記ブッシュ（２１）は、前記２つの構造体（２〜５；６〜９）のうちの他方に結合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の懸架装置。
4. 各滑動ガイドの前記滑動ブロックは、凸状に湾曲した滑動表面を有していること、又は、各滑動ガイド（１３）の前記ピン（１９）は、凸状の外側表面（２０）を有していることを特徴とする請求項３に記載の懸架装置。
5. 各滑動ガイド（１２）の前記滑動ブロック（１５）は、前記一次及び二次構造体（４；８）の軸方向に方向付けられた軸（１６）の回りに枢回可能に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の懸架装置。
6. 一方が他方の上を滑動する２つの要素のうちの少なくとも１つ、即ち、滑動ブロック（１４，１５），スロット（１７，１８）、又は、ピン（１９），ブッシュ（２１）は、耐摩耗性の金属及び／又はセラミック製滑動表面被覆を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の懸架装置。