JP2005180418A - ガスタービンエンジンを組立てるための方法及び装置 - Google Patents

ガスタービンエンジンを組立てるための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ガスタービンフレームスのトラットに用いるためのフェアリングを提供する。
【解決手段】 本フェアリングは、前縁84及び後縁86において互いに接合された第1の側壁80及び第2の側壁82を含み、第1及び第2の側壁間に少なくとも1つの冷却チャンバ88が形成されるようになった一体形の単一部品として鋳造される。本フェアリングは、少なくとも1つの隔壁94と少なくとも1つの分割線とを含む。少なくとも1つの隔壁は、第1及び第2の側壁と一体形に形成されかつ該第1及び第2の側壁間で延び、また少なくとも1つの分割線は、互いに取り外し可能に結合される前方部分144と別体の後方部分146とにフェアリングを分割する。
【選択図】図4

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンを組立てるための方法及び装置に関する。
公知のガスタービンエンジンは、軸受によって支持された少なくとも1つのロータシャフトを含み、該軸受は次に環状のフレームによって支持される。少なくとも一部の公知のタービンフレームは、環状のハブから半径方向外側に間隔を置いて配置された環状のケーシングを含む。複数の円周方向に間隔を置いて配置されたストラットが、環状のケーシングとハブとの間で延びる。より具体的には、少なくとも一部の公知のタービンエンジン内部では、ストラット、ケーシング及びハブが、互いに一体形に形成される。他の公知のタービンエンジンでは、ストラット及びケーシングのみが互いに一体形に形成された多部品フレームが用いられる。
ストラットの少なくとも一部はエンジン内部に形成された流路を貫通して延びるので、ストラットの少なくとも一部は、流路を通って流れる高温燃焼ガスからストラットを遮蔽するのを可能にするフェアリングによって囲まれかつ該フェアリングを貫通して延びる。より具体的には、流路内に配置したフェアリングの構造的健全性を増大するのを可能にするために、少なくとも一部の公知のフェアリングは、少なくとも1つの内部蛇行冷却通路を含む単一部品鋳造体として製作される。しかしながら、このようなフェアリングの空気流及び構造上設計要件は、ストラットのエンジンフレームに対する組立を複雑にするおそれがある。例えば、このようなフェアリングは単体構造であるので、フェアリングは、多部品フレームと共にしか用いることができない。より具体的には、各単体構造フェアリングは、各ストラットの内側端部の周りに位置決めし、各ストラットの片持ち端部に向かって半径方向外向きに滑動させ、そして複数の精密加工した固締/結合金具を用いて所定の位置に結合される。従って、多部品フレームに関連する付加的な組立及び結合金具のために、また構造要件を満たすのに必要となる場合がある公差のために、このようなフレームの製造及び組立は、他の公知のフレームに関するものよりも費用がかかりかつ時間がかかることになる。
米国特許5,634,767号公報 特開平06−235331号公報
1つの態様では、ガスタービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、一体形に形成された外側バンドと内側バンドと該外側及び内側バンド間で半径方向に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたストラットとを含むエンジンフレームを準備する段階と、一体形の単一部品鋳造体として形成されかつそれらの間に少なくとも1つ冷却チャンバが形成されるように前縁及び後縁において接合された第1の側壁及び第2の側壁を含む少なくとも1つのフェアリングを準備する段階とを含む。本方法はさらに、ストラットがフェアリングの少なくとも1つの冷却チャンバを貫通して延びるようにかつこの段階の間にフェアリングがストラットに沿って半径方向に滑動されるのではなくストラットの周りで軸方向に移動されるだけになるように、少なくとも1つのフェアリングを少なくとも1つのストラットの周りで結合する段階を含む。
別の態様では、ガスタービンフレームのストラットに用いるためのフェアリングを提供する。本フェアリングは、一体形の単一部品として鋳造されかつそれらの間に少なくとも1つの冷却チャンバが形成されるように前縁及び後縁において互いに接合された第1の側壁及び第2の側壁を含む。本フェアリングは、少なくとも1つの隔壁と少なくとも1つの分割線とを含む。少なくとも1つの隔壁は、第1及び第2の側壁と一体形に形成されかつ該第1及び第2の側壁間で延びる。少なくとも1つの分割線は、互いに取り外し可能に結合される前方部分と別体の後方部分とにフェアリングを分割する。
さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本エンジンは、エンジンフレームと少なくとも1つのフェアリングとを含む。エンジンフレームは、外側バンドと、内側バンドと、該外側及び内側バンド間で半径方向に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたストラットとを含む。複数のストラットは、外側及び内側バンドと一体形に形成される。少なくとも1つのフェアリングは、それぞれのストラットが少なくとも1つのフェアリングを貫通して延びるように複数のストラットの1つの周りで結合されるように構成される。フェアリングは、一体形の単一部品として形成されかつそれらの間に少なくとも1つの冷却チャンバが形成されるように前縁及び後縁において互いに接合された第1の側壁及び第2の側壁を含む。フェアリングはさらに、少なくとも1つの隔壁と少なくとも1つの分割線とを含む。少なくとも1つの隔壁は、第1及び第2の側壁間で延びる。少なくとも1つの分割線は、互いに取り外し可能に結合される前方部分と別体の後方部分とにフェアリングを分離する。
図1は、ファン組立体12と高圧圧縮機14及び燃焼器16を備えたコアエンジン13とを含むガスタービンエンジン10の概略図である。エンジン10はさらに、高圧タービン18、低圧タービン20及びブースター22を含む。ファン組立体12は、ロータディスク26から半径方向外向きに延びるファンブレード24の配列を含む。エンジン10は、吸気側28と排気側30とを有する。1つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のゼネラル・エレクトリック社から入手可能なGE90型である。ファン組立体12とタービン20とは第1のロータシャフト31によって結合され、また圧縮機14とタービン18とは第2のロータシャフト32によって結合される。
作動時に、空気は、エンジン10を通って延びる中心軸線34にほぼ平行な方向にファン組立体12を通って流れ、加圧された空気が高圧圧縮機14に供給される。高度に加圧された空気が、燃焼器16に送られる。燃焼器16からの空気流(図1には図示せず)は、タービン18及び20を駆動し、またタービン20はシャフト31によってファン組立体12を駆動する。
図2は、ガスタービンエンジン10に用いることができる例示的なタービンフレーム40の後方から前方に見た図である。図3は、タービンフレーム40を含むエンジン10の例示的な部分断面側面図である。エンジン10は、ロータディスク44に結合されたロータブレード42の列を含む。フレーム40及びディスク44は、エンジン10を通って延びる縦方向すなわち軸方向中心軸線46の周りにほぼ同軸に配置され、それ自体、燃焼器16のような燃焼器(図2にも図3にも図示せず)から吐出される高温燃焼ガス48と流れ連通している。
タービンフレーム40は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されかつ半径方向に延びる支持ストラット50を含む。各ストラット50は、半径方向外側リングすなわちバンド52と半径方向内側ハブすなわちバンド54との間で延びる。この例示的な実施形態では、フレーム40は、ストラット50及びバンド52、54と一体形に鋳造される。この例示的な実施形態では、外側バンド52は、エンジン10の環状のケーシング56に固定結合され、また内側バンド54は、環状の軸受支持体58に固定結合される。ストラット50及び軸受支持体58は、エンジン作動時に生じるロータ負荷を伝達するための比較的剛性のある組立体を形成する。
各ストラット50は、後でより詳細に説明するように、エンジン10を通って流れる燃焼ガスから各ストラット50を遮蔽するのを可能にするフェアリング60を貫通して延びる。この例示的な実施形態では、各フェアリング60は、耐熱性鋳造合金で製作される。さらに、冷却流体を、各ストラット50内に形成した内部冷却チャンバ(図2にも図3にも図示せず)内に流して、各ストラット50及びフェアリング60の作動温度を低下させるのを可能にする。
フェアリング60は、それぞれの半径方向外側及び内側端部62、64において対応する環状の外側及び内側ライナ66、68に結合される。ライナ66、68は、その間に燃焼ガス48の流れを閉じ込め、従ってそれに応じてエンジン作動時に燃焼ガス48によって加熱される。フェアリング60及びライナ66、68は、それぞれのバンド52、54によって支持されて、それらの間の実質的に自由な温度ムーブメント差を吸収する。
この例示的な実施形態では、タービンフレーム40はさらに、それぞれ外側及び内側ライナ66、68に結合されかつ該外側及び内側ライナ間で延びる複数のベーン70を含み、各ベーン70が、隣接する円周方向に間隔を置いて配置されたフェアリング60間に配置されるようになっている。従って、この例示的な実施形態では、エンジンフレーム40は、フレーム40の周囲の周りにほぼ一様に間隔を置いて配置された9個のフェアリング60及びストラット50と、円周方向に間隔を置いて配置されたストラット50の各それぞれの対間でほぼ等間隔に配置された9個のベーン70とを含む。ベーン70は、それを貫通して全くストラット50が延びていない点を除いては、構成がフェアリング60と実質的に同一である。別の実施形態では、フレーム40は如何なるベーン70も全く含まない。
図4は、フェアリング60の断面図である。図5は、区域5−5に沿って取った、フェアリング60の一部分の拡大図である。各フェアリング60は、第1の側壁80と該第1の側壁80から間隔を置いて配置された第2の側壁82とを含む。第1の側壁80は、フェアリング端部62、64(図2及び図3に示す)間で長手方向に延びて、フェアリング60の正圧側面を形成する。第2の側壁82もまた、フェアリング端部62、64間で長手方向に延びて、フェアリング60の負圧側面を形成する。側壁80、82は、フェアリング60の前縁84と軸方向に間隔を置いて配置された後縁とにおいて接合されて、フェアリング60内部に冷却チャンバ88が形成されるようになる。より具体的には、各側壁80、82は、内面90及び対向する外面92を有する。外面92は、ガス流路面を形成する。冷却チャンバ88は、内面90によって形成され、側壁80、82間に境界づけられる。
この例示的な実施形態では、冷却チャンバ88は、冷却空洞88を複数の冷却チャンバ88に区画する複数の内部リブ又は隔壁94を含む。具体的には、この例示的な実施形態では、フェアリング60は、側壁80、82及び内部壁94が一体形に形成された単一部品鋳造体である。より具体的には、翼形部は、前縁冷却チャンバ100、後縁冷却チャンバ102及び少なくとも1つの中間冷却チャンバ104を含む。1つの実施形態では、前縁冷却チャンバ100は、それぞれ後縁及び中間冷却チャンバ102、104と流れ連通している。この例示的な実施形態では、チャンバ88の少なくとも一部分は、蛇行冷却通路として構成される。
前縁冷却チャンバ100は、フェアリング60を貫通して長手方向すなわち半径方向に延び、かつ側壁80、82とフェアリング前縁84とによって境界づけられる。各中間冷却チャンバ104は、前縁冷却チャンバ100と後縁冷却チャンバ102との間に位置し、側壁80、82と前縁隔壁110及び中間隔壁112とによって境界づけられる。この例示的な実施形態では、中間隔壁112は、フェアリング60の翼弦中央(図示せず)から僅かに後方に位置する。後縁冷却チャンバ102は、フェアリング60を貫通して長手方向すなわち半径方向に延び、かつ側壁80、82とフェアリング後縁86とによって境界づけられる。
前縁隔壁110及び中間隔壁112は、側壁80、82間で延びる。より具体的には、中間隔壁112には、外端部分114、116の対とその間で延びる本体部分とが一体形に形成される。この例示的な実施形態では、本体部分118の厚さTは、端部114、116間でほぼ一定であり、また各端部114、116は、本体厚さTよりも厚くなっている厚さTを有する。1つの実施形態では、端部厚さTは、それに限定されないが、公知の処理法、例えば公知の溶接法によって付加材料120を隔壁112に結合することによって形成される。別の実施形態では、隔壁厚さTは、鋳造工程の間に隔壁112と一体形に形成される。より具体的には、このような処理においては、材料120を現用フェアリング隔壁に結合して現用エンジンフェアリングを改造することができ、或いはそれに代えて、エンジンフレームのフェアリングを製作する間に隔壁の一体形部分として鋳造することができる。
さらに、端部114、116は、ほぼ矩形断面輪郭を有するものとして示しているが、端部114、116は、ほぼ矩形断面輪郭を有するものに限定はされないことに注目されたい。例えば、別の実施形態では、端部114、116は、面取りされて、ほぼ三角形断面輪郭を有する。
この例示的な実施形態では、付加材料120は、端部114、116に隣接して隔壁112の後側面130に対してのみ付加されて、材料120が、隔壁118からかつ側壁内面90から延びるようになる。別の実施形態では、付加材料120は、端部114、116に隣接して隔壁112の前側面132に付加される。さらに別の実施形態では、付加材料120は、端部114、116に隣接して隔壁112のそれぞれの前側面132及び/又は後側面130に付加される。1つの実施形態では、隔壁118は、フェアリング端部62、64間でフェアリング60の長手方向全体にわたって完全には延びていないが、付加材料120は、フェアリング60の長手方向全体にわたってかつ側壁内面90に沿って付加されて、材料120の断面輪郭が、端部62、64間でフェアリング60の長手方向全体にわたってほぼ一定になるようになっている。
フェアリング60にはまた、単一鋳造体から二部品フェアリングを作製するように分割線140が形成され、これによって、後でより詳細に説明するように、各それぞれのストラット50の周りにフェアリング60を結合するのを可能にする。具体的には、分割線140は、中間冷却チャンバ104を通して側壁80から側壁82まで延び、フェアリング60を前方部分144と後方部分146とに分割する。より具体的には、分割線140は、中間隔壁112の直ぐ上流の中間冷却チャンバ104を通って延びる。
この例示的な実施形態では、分割線140は、互いの鏡像である切れ目150、152の対を含む。具体的には、切れ目150は、側壁80を貫いてそれぞれ側壁内面90及び外面92間で延び、同様に切れ目152は、側壁82を貫いてそれぞれ側壁内面90及び外面92間で延びる。より具体的には、この例示的な実施形態では、各切れ目150、152は、少なくとも部分的に付加材料120を貫いて延びる。
この例示的な実施形態では、各切れ目150、152は、それぞれフェアリング前方及び後方部分144、146を結合するのを可能にするタング・アンド・グルーブ継手構成156を形成する。別の実施形態では、前方及び後方部分144、146は、他の継手構成を用いて互いに結合される。さらに、別の実施形態では、切れ目150、152は、互いの鏡像になっていない。
この例示的な実施形態では、各切れ目150、152は、各それぞれの中間隔壁端部114、116に対してほぼ中央の位置において側壁外面92から内向きに延びる。より具体的には、この例示的な実施形態では、各切れ目150、152は、各側壁80、82の厚さTにほぼ等しい距離Dだけ内向きに延びる。次いで各切れ目150、152は、半円形部分160が隔壁材料120内に形成されるように、所定の曲率半径Rで後向きに延びる。次いで各切れ目150、152は、隔壁112を貫いてほぼ軸方向に隔壁前側面132まで延ばされる。従って、各切れ目150、152は、各ガス流路面92に沿ってそれぞれ後方に面する段部164、166を形成する。
保持溝170が、各半円形部分160と隔壁前側面132との間で各切れ目150、152内に形成される。各溝170は、後でより詳細に説明するように、各切れ目150、152に対してオフセットさせて、フェアリング部分144、146を互いに結合した時に分割線140に沿ってシーリングするのを可能にする。さらに、各溝170は各切れ目150、152に対してオフセットしているので、分割線140は、該線140に沿って間隔を置いた4つのシーリング位置180に分割される。
フェアリング60の製作時、最初に各フェアリング60は、一体形に形成した単一鋳造体として鋳造される。次ぎに分割線140が、フェアリング60内に形成される。具体的には、この例示的な実施形態では、各切れ目150、152は、一次放電加工(EDM)ワイヤによって形成され、また二次EDMワイヤを用いて溝170を形成する。さらに、シーリング位置180を形成するのに加えて、各切れ目150、152に対して溝170をオフセットさせることによって、ワイヤEDM切断カーフを補正することが可能になる。各溝170は、フェアリング部分144、146間のシールリングを可能にするロッキングワイヤ174をその中に受ける大きさにされる。
従って、分割線140が形成されると、各フェアリング60は、各ストラット50の片持ち状端部から半径方向外向きに滑動させなければならないのではなく各ストラット50の周りで軸方向に結合することができる。より具体的には、分割線140は、一体形に形成した単一部品フレーム40に結合することができる二部品フェアリング60を形成すので、多部品フレーム構造は必要でなくなる。具体的には、分割線140が形成されると、フェアリング前方部分144は、フェアリング後方部分146に取り外し可能に結合される。従って、組立時、フェアリング後方部分146は、それぞれのストラット50を遮蔽しかつロッキングワイヤ174を各シール溝170内に位置させるように、それぞれのストラット50に対して配置することができる。次ぎに、後方部分146に対してフェアリング前方部分144を軸方向に結合して、ストラット50がその中に遮蔽されるようにフェアリング60の設置を完成する。各ロッキングワイヤ174は、フェアリング部分144、146間のシーリングを可能にして、各継手156を通る流体漏洩を減少させることが可能になるようにする。
従って、多部品フレーム組立体に関連する組立費用及び時間と比較して、その組立費用及び時間を低減することが可能になる。さらに、分割線140により、より費用のかかる多部品フレーム組立体を必要とせずに、フェアリング60を形成するのに耐熱鋳造合金材料が用いることも可能になる。
そのうえ、フェアリング60はさらに、1つのストラット50から取り外し可能でありかつ別のストラット50上に容易に組立てることができるという点で再利用可能である。前方及び後方フェアリング部分144、146は各ストラット50の周りで軸方向に組立てることができるので、フェアリング60は、多部品フレーム構造体を排除するのを可能にするだけでなく、多部品フレーム組立体に用いるロッキング機構及び/又は結合金具を排除するのを可能にする。従って、フェアリング60を組込むことは、費用及びサイクルの両方の点と共に金具製造及び開発サイクルによる設計課題を軽減するのを可能にする。
上述のエンジンフレームのフェアリングは、費用効果がありかつ高い信頼性がある。各フェアリングは、一体形に形成した単一部品エンジンフレームの周りで軸方向に結合される。従って、多部品エンジンフレームと関連する費用のかかる結合金具は排除される。そのうえ、本明細書中で記載したように用いるために現用フェアリングを改造することができる。その結果、費用及びサイクルの両方の点と共に結合金具及び製造開発サイクルに関連する設計課題を最少にするのを可能にするフェアリング設計が得られる。
以上、エンジンフレームの例示的な実施形態を詳細に説明している。図示したエンジンフレームは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ本明細書に記載したフェアリングは、本明細書に説明したガスタービンエンジンフレームから独立してかつ別個に利用することができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図1に示すタービンエンジンに用いることができる例示的なタービンフレームの後方から前方に見た図。 図2に示すタービンフレームを含む、図1に示すタービンエンジンの部分断面側面図。 図3に示すタービンフレームに用いることができる例示的なフェアリングの断面図。 区域5−5に沿って取った、図4に示すフェアリングの一部分の拡大図。
符号の説明
10 ガスタービンエンジン
40 タービンフレーム
42 ロータブレード
44 ロータディスク
50 支持ストラット
52 外側バンド
54 内側バンド
56 ケーシング
58 軸受支持体
60 フェアリング
62 フェアリングの半径方向外側端部
64 フェアリングの半径方向内側端部
66 外側ライナ
68 内側ライナ
80 フェアリングの第1の側壁
82 フェアリングの第2の側壁
94 フェアリングの隔壁
140 分割線
144 フェアリングの前方部分
146 フェアリングの後方部分

Claims (10)

  1. ガスタービンフレームのストラット(50)に用いるためのフェアリング(60)であって、
    それらの間に少なくとも1つの冷却チャンバ(88)が形成されるように前縁(84)及び後縁(86)において互いに接合された第1の側壁(80)及び第2の側壁(82)を含む一体形の単一部品として鋳造され、
    少なくとも1つの隔壁(94)と少なくとも1つの分割線(150)とを含み、
    前記少なくとも1つの隔壁が、前記第1及び第2の側壁と一体形に形成されかつ該第1及び第2の側壁間で延びており、
    前記少なくとも1つの分割線が、互いに取り外し可能に結合される前方部分(144)と別体の後方部分(146)とに該フェアリングを分割している、
    フェアリング(60)。
  2. 前記少なくとも1つの隔壁(94)が、本体(118)と前記フェアリング側壁(80、82)の各々の内面(90)から延びる対向する端部(114、116)の対とを含み、
    前記本体が、前記対向する端部間で延びかつ該本体の前側面(132)及び後側面(130)間で測定した第1の厚さ(T)を有し、
    前記対向する端部の各々が、各該端部の前側面及び後側面間で測定した第2の厚さ(T)を有し、
    前記第2の厚さが、前記第1の厚さとは異なっている、
    請求項1記載のフェアリング(60)。
  3. 各前記端部の第2の厚さ(T)が、前記本体の第1の厚さ(T)よりも厚くなっている、請求項2記載のフェアリング(60)。
  4. 前記分割線(150)が、前記対向する端部(114、116)の各々を貫いて少なくとも部分的に延びている、請求項2記載のフェアリング(60)。
  5. 該フェアリングが、ストラット(50)の周りで軸方向に結合されるよう構成されて、前記ストラットが該フェアリングの少なくとも1つの冷却チャンバ(88)内に少なくとも部分的に収容されるようになっている、請求項1記載のフェアリング(60)。
  6. 前記分割線(150)が、少なくとも1つの保持溝(170)をさらに含み、
    前記保持溝が、該フェアリングの前方及び後方部分(144、146)間のシーリングを高めるのを可能にするように前記分割線からオフセットしている、
    請求項1記載のフェアリング(60)。
  7. 該フェアリングの前方及び後方部分(144、146)間に配置された少なくとも1つのシールワイヤ(174)をさらに含み、
    前記シールワイヤが、該フェアリングの前方及び後方部分間のシーリングを高めるのを可能にする、
    請求項1記載のフェアリング(60)。
  8. 外側バンド(52)と、内側バンド(54)と、前記外側及び内側バンド間で半径方向に延びかつ該外側及び内側バンドと一体形に形成された複数の円周方向に間隔を置いて配置されたストラット(50)とを含むエンジンフレーム(40)と、
    それぞれのストラットがそれを貫通して延びるように前記複数のストラットの1つの周りで結合されるように構成された少なくとも1つフェアリング(60)と、
    を含み、
    前記フェアリングが、一体形の単一部品として形成されかつそれらの間に少なくとも1つの冷却チャンバ(88)が形成されるように前縁(84)及び後縁(86)において互いに接合された第1の側壁(80)及び第2の側壁(82)を含み、前記フェアリングがさらに、少なくとも1つの隔壁(94)と少なくとも1つの分割線(150)とを含み、前記少なくとも1つの隔壁が、前記第1及び第2の側壁間で延びており、前記少なくとも1つの分割線が、互いに取り外し可能に結合される前方部分(144)と別体の後方部分(146)とに前記フェアリングを分離している、
    ガスタービンエンジン(10)。
  9. 前記フェアリングの少なくとも1つの隔壁(94)が、本体(118)と前記フェアリング側壁(80、82)の各々の内面(90)から延びる対向する端部(114、116)の対とを含み、前記本体が、前記対向する端部間で延びかつ該本体の前側面(132)及び後側面(130)間で測定した第1の厚さ(T)を有し、前記対向する端部の各々が、各該端部の前側面及び後側面間で測定した第2の厚さ(T)を有し、前記第2の厚さが、前記第1の厚さよりも厚くなっている、請求項8記載のガスタービンエンジン(10)。
  10. 前記フェアリングの少なくとも1つの分割線(150)が、該分割線の残りの部分からオフセットした少なくとも1つの保持溝(170)をさらに含み、前記少なくとも1つの保持溝が、前記フェアリングの前方及び後方部分(144、146)間のシーリングを高めるのを可能にする、請求項8記載のガスタービンエンジン(10)。
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