JP2005171986A - Method for improving wear characteristics of bushing and wear-resistant bushing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービンのトラニオンやブッシングの摩耗を低減させる電気黒鉛質ブッシングライナおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to an electro-graphitic bushing liner that reduces wear of trunnions and bushings of a gas turbine, and a method for manufacturing the same.
ガスタービンエンジンでは、高圧圧縮機の可変ベーンが、外径においてトラニオンブッシングによって支持されている。図1を参照すると、ブッシング23を含むエンジン部分の構造が示されている。ブッシング23は、トラニオン15と圧縮機外側ケース22との間に位置する。可変ベーン17が、プラットフォーム21を介してトラニオン15に連結されており、可変ベーン17の両側にはブレード19が設けられている。同期リング13が、トラニオン15の回転を可能とするように連結されている。同期リング13の回転によって、全ての可変ベーン17が段ごとに同期して回転する。1つの段における全ての可変ベーン17のベーン間の角度差が最小に保たれるとともに、流入するガスの流れに対して同一の角度に維持されることが重要である。エンジンの中心線20を中心に位置する複数の同期リング13が互いに連結されていることにより、各々の段におけるベーンの上述の僅かな角度差によってガスタービンエンジンに及ぼされる悪影響が拡大され、破壊的なサージが発生するおそれがある。従って、トラニオンブッシング23の摩耗耐性は、エンジン中心線20に対するベーン位置の維持に大きな影響を及ぼす。
In a gas turbine engine, a variable vane of a high-pressure compressor is supported by a trunnion bushing at the outer diameter. Referring to FIG. 1, the structure of the engine part including the
ブッシング23は、圧縮機外側ケース22に押し込まれるとともに、典型的に耐摩耗性でかつ低摩擦の材料で形成されるブッシングライナ24によって内側面の周囲が覆われている。典型的には、ブッシングライナ24は、ブッシング23の内径に接着される(厚さ0.018インチでかつポリイミド樹脂で溶浸された組紐状炭素繊維の)織物ライナである。残念ながら、ポリイミド樹脂組紐状炭素繊維からなるブッシングライナ24は、最新式の高性能圧縮機の高温および高荷重に耐えることができない。このような織物ライナが接着されたブッシング23では、長時間の露出によりライナが急速に劣化してトラニオン15とブッシング23との金属間接触が生じるので、現時点では650°F〜700°Fがピークの航行に制限されている。このような金属間接触は、トラニオン15およびブッシング23を摩耗させて両方の物理的形状を変更するおそれがある。部品の形状が変わるので、ブッシング23と圧縮機外側ケース22との間のはめ合いのきつさも同様に変化する。このような形状変化は、最終的に可変ベーン17の角変位につながる。このような可変ベーン17の変位は、破壊的でありうる。具体的には、可変ベーン17が隣接ベーンに対して6°よりも大きく変位した場合には、破壊的なサージが発生しうる。従って、トラニオン15とブッシング23とは、形状を保持して可変ベーン17の角度を一定に維持することが最も重要である。
The
従って、高温で材料が破損されることなく、かつブッシング23とトラニオン15のはめ合いおよび方向を維持するように機能する、ブッシングライナ24が取り付けられたブッシング23が求められている。
Accordingly, there is a need for a
本発明の目的は、ガスタービンのトラニオンおよびブッシングの摩耗を低減させる電気黒鉛質ブッシングライナおよびその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an electrographitic bushing liner that reduces wear of trunnions and bushings of a gas turbine, and a method for manufacturing the same.
本発明に係るブッシングの摩耗特性の改善方法は、内径を有する内側面と両端とを備えるブッシングを提供し、黒鉛基物質をブッシングの内側面の周囲に圧着させることを含む。 A method for improving wear characteristics of a bushing according to the present invention includes providing a bushing having an inner surface having an inner diameter and both ends, and pressing a graphite base material around the inner surface of the bushing.
また、本発明に係る耐摩耗性のブッシングは、内径を有する内側面と両端とを備えるブッシングと、ブッシングの内側面の周囲に圧着された黒鉛基ライナ/スリーブと、を含む。 The wear-resistant bushing according to the present invention includes a bushing having an inner surface having an inner diameter and both ends, and a graphite-based liner / sleeve pressed around the inner surface of the bushing.
さらに、本発明に係るブッシングアセンブリは、内径を有する内側面と両端とを備えるブッシングと、トラニオンと、トラニオンとブッシングとに接触するようにブッシングの内側面の周囲に圧着された黒鉛基ライナ/スリーブと、を含む。 Further, the bushing assembly according to the present invention includes a bushing having an inner surface having an inner diameter and both ends, a trunnion, and a graphite-based liner / sleeve press-fitted around the inner surface of the bushing so as to contact the trunnion and the bushing. And including.
本発明は、主に、好ましくは電気黒鉛質炭素(electro−graphitic carbon)である黒鉛基物質からなるスリーブが圧入されたブッシング23を開示している。従来技術ではブッシング23の内径に接着されたポリイミド樹脂組紐状炭素繊維が使用されているのに対し、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は本発明のブッシング23の内径に圧入されている。本発明の電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は、約1050°Fの温度でも重大な破損が生じない。さらに、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は、自己潤滑式であるとともにブッシング23の内径とトラニオン15との間に適切な距離を維持する。これにより、本発明のブッシング23は、高温で長時間動作するとともに、その形状を維持して可変ベーンの望ましくない撓みを防止する。
The present invention discloses a bushing 23 into which a sleeve made of a graphite-based material, preferably electro-graphitic carbon, is press-fitted. In the prior art, a polyimide resin braided carbon fiber bonded to the inner diameter of the
図3を参照すると、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11が本発明のブッシング23に圧入される好適な方法が示されている。好適実施例では、ブッシング23の内径53に等しい直径を有する電気黒鉛質炭素ロッド51が、電気黒鉛質炭素ロッド51の両端が垂線35を超えて延びるようにブッシング23の内部に挿入される。垂線35は、ブッシング23の両端においてブッシング23の側方から直角に延びる。電気黒鉛質炭素ロッド51をブッシング23の内部に挿入した後、電気黒鉛質炭素ロッド51はそれぞれの端部で垂線35に沿って終端となるように切断または他の方法で機械加工される。続いて、電気黒鉛質炭素ロッド51は、ドリル孔直径41を有する孔を形成するようにブッシング中心線31に沿って掘削される。ドリル孔直径41を有する孔を形成するように掘削した後で、この孔をさらに拡大して、リーマ孔直径43に等しい直径を有するとともにブッシング中心線31に沿って延在する孔を形成する。これにより、リーマ孔直径43とブッシング内径53との間の差は、ブッシング23の内径に圧着される電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11の厚みと等しくなる。
Referring to FIG. 3, a preferred method is shown in which the electrographitic carbon liner /
このように形成された電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は、面取りまたは他の方法で機械加工することが好ましい。電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11が、いずれかの側で垂線に平行に延長されると、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11が損傷するおそれが高くなる。動作時には、可変ベーン17からトラニオン15とブッシング23に伝達される応力はかなり大きくなりうる。これらの力は、ブッシング中心線31に対して平行でなくなるように、トラニオン15とブッシング23とを振り子様に振動させる。この振動により、垂線35に最も近い電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11の端部に過酷な応力が加わる。電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11の内側端部が直角のままであれば、このような力は電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11の欠けや他の破損を引き起こしうる。よって、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11の内側端部に面取部37を機械加工することが好ましい。好適実施例では、垂線35から角度θで延在する電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11の面取り面55の角度θは5°〜85°である。最も好適には、面取り角θは約45°である。面取り角θで直線状に延在する面取り面55を示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。むしろ、本発明は、面取り面55が機械加工されうる全ての形状を広く含むものであり、曲線も含まれるがこれに限定されない。本発明の1つの実施例では、ブッシング23はチタン基合金から形成される。
The electrographitic carbon liner /
動作時には、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11がはめ込まれた本発明のブッシング23は、40時間を超える動作時間後にもトラニオン15の摩耗が見られなかった。トラニオン15がブッシング23に対して回転するとともに移動して電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11を実質的に摩耗させるにつれて、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11はトラニオン15の外側面に形成された空隙に付着してこれらの空隙を塞いだ。電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は、このように自己潤滑式でかつ非常に安定した滑らかな黒鉛間の接触面を提供する。さらに、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11の黒鉛がトラニオン15の周囲に分配されるので、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11の全体的な体積は変わらない。このため、トラニオン15とブッシング23との間には、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11の元の厚さに等しい一定の間隔が維持される。ブッシング23に対するトラニオン15の形状が一定に保たれるので、可変ベーン17の望ましくない撓みが防止される。
In operation, the bushing 23 of the present invention fitted with the electrographitic carbon liner /
図4a,図4bを参照すると、当該技術で周知のブッシングライナによって生じる経時的な摩耗がグラフで示されている。図4aで明らかなように、750°Fにおける4時間の動作後には、ブッシングライナの内径側および外径側の両方が約0.008インチ〜0.014インチの摩耗を示した。同様に、図4bで明らかなように、4時間の動作後のトラニオン15の摩耗は約0.0005インチである。
Referring to FIGS. 4a and 4b, there is a graphical representation of wear over time caused by a bushing liner known in the art. As can be seen in FIG. 4a, after 4 hours of operation at 750 ° F., both the inner and outer diameter sides of the bushing liner exhibited wear of about 0.008 inches to 0.014 inches. Similarly, as can be seen in FIG. 4b, the wear of the
これに対して、図5a,図5bを参照すると、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11を使用した場合の摩耗がグラフで示されている。図5aで明らかなように、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は、40時間の動作後における内径および外径の摩耗が約0.004インチである。しかし、図5bから明らかなように、40時間を過ぎてもトラニオン15は摩耗を示さない。これは、上述のように、黒鉛が電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11から分離してトラニオン15を保護するようにトラニオン15に再度付着するからである。従って、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は摩耗するが、摩耗した材料はトラニオン15とブッシング23の他の場所に再度付着するのでこれらの部品間のはめ合い形状が変更されない。よって、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11が摩耗する一方でトラニオン15は識別可能な摩耗を全く示さない。
In contrast, with reference to FIGS. 5a and 5b, there is a graphical representation of wear when using the electrographitic carbon liner /
700°Fで行われた追加の試験により、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は、8時間にわたって当該技術で周知のブッシングライナに比べて3倍の摩耗耐性を示すことが確認された。電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は、1050°Fの温度でも、700°Fで8時間動作した同等の重合樹脂繊維ブッシングライナの摩耗のわずか60%で24時間動作した。
Additional tests conducted at 700 ° F. confirmed that the electrographitic carbon liner /
さらに、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は、金属製ブッシング23に接着ではなく圧着されているので、押し出して新品のライナと交換することができる。これにより、修理されたブッシング23は、新しいブッシングの約25%のコストでエンジンの全寿命にわたって再使用できる。また、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ11は、非常に小さい公差で機械加工することができる。ブッシングライナを接着する当該技術で周知の現行の方法は、本発明の黒鉛ライナよりも公差が制御しにくい接着された織物を使用している。本発明による改善された公差の制御により、摩耗が低減されるとともに可変ベーンの位置精度が改善される。
Further, since the electrographitic carbon liner /
本発明によって、上述の目的、手段、および利点を満たして、ガスタービンのトラニオンおよびブッシングの摩耗を低減させる電気黒鉛質ブッシングライナおよびその製造方法が提供されたことが明らかである。本発明を具体的な実施例に関して説明したが、当業者には上述の説明から他の代替物、改良、および変更が明らかであろう。よって、本発明は、請求の範囲に含まれるこのような代替物、改良、および変更を含むものである。 It is apparent that the present invention has provided an electrographitic bushing liner and method of manufacturing the same that satisfies the above-mentioned objects, means, and advantages and reduces wear of the gas turbine trunnion and bushing. Although the invention has been described with reference to specific embodiments, other alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art from the foregoing description. Accordingly, the present invention includes such alternatives, modifications and variations that fall within the scope of the appended claims.
11…電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブ
23…ブッシング
31…ブッシング中心線
35…垂線
37…面取り部
55…面取り面
11 ... Electrographitic carbon liner /
Claims (19)
前記ブッシングの内側面の周囲に黒鉛基物質を圧着させる圧着ステップと、を含むことを特徴とするブッシングの摩耗特性の改善方法。 Providing a bushing comprising an inner surface having an inner diameter and both ends;
A crimping step of crimping a graphite base material around the inner surface of the bushing.
前記ブッシングの内径にほぼ等しい外径を有する電気黒鉛質炭素ロッドを前記ブッシングに挿入し、
前記両端を超える前記電気黒鉛質炭素ロッドの部分を取り除き、
第1の直径を有する第1の孔をブッシング中心線に沿って前記電気黒鉛質炭素ロッドに掘削し、
第2の直径を有する第2の孔を成すように前記ブッシング中心線に沿って前記電気黒鉛質炭素ロッドの第1の孔を拡大して、電気黒鉛質炭素ライナ/スリーブを形成するステップをそれぞれ含むことを特徴とする請求項1記載の方法。 The crimping step is
Inserting an electrographitic carbon rod having an outer diameter approximately equal to the inner diameter of the bushing into the bushing;
Removing the portion of the electrographitic carbon rod beyond the ends,
Drilling a first hole having a first diameter into the electrographitic carbon rod along a bushing centerline;
Enlarging the first hole of the electrographitic carbon rod along the bushing centerline to form a second hole having a second diameter to form an electrographitic carbon liner / sleeve, respectively. The method of claim 1 comprising:
前記ブッシングの内側面の周囲に圧着された黒鉛基ライナ/スリーブと、を有することを特徴とする耐摩耗性ブッシング。 A bushing comprising an inner surface having an inner diameter and both ends;
A wear-resistant bushing comprising: a graphite-based liner / sleeve crimped around the inner surface of the bushing.
トラニオンと、
前記トラニオンと前記ブッシングとに接触するように、前記ブッシングの内側面の周囲に圧着された黒鉛基ライナ/スリーブと、を有することを特徴とするブッシングアセンブリ。 A bushing comprising an inner surface having an inner diameter and both ends;
Trunnion,
A bushing assembly, comprising: a graphite-based liner / sleeve crimped around an inner surface of the bushing so as to contact the trunnion and the bushing.
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