JP2007154885A

JP2007154885A - ガスタービンエンジンの組立方法及び装置

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Publication number: JP2007154885A
Application number: JP2006323497A
Authority: JP
Inventors: David Christopher Zigan; デイビッド・クリストファー・ジガン; Brian C Brougher; ブライアン・シー・ブロウアー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: US20070119180A1; JP4869042B2; EP1793095A1; EP1793095B1; CA2568818A1; CA2568818C; DE602006008879D1; US7523616B2

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの組立方法及び装置を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジン１３の組立方法は、半径方向外側面から延びる複数の取付けブッシング１１２、１１４を備える軸対称構造体をガスタービンエンジン内に連結する工程と、ガスタービンエンジン内に軸対称構造体を固定しやすくするために、第１の個数の固定されたピン２００を各取付けブッシング内に少なくとも部分的に挿入する工程と、ガスタービンエンジン中心線軸３４に対して軸方向及び接線方向の両方に浮動するピンの各々が動きやすいように、第２の個数の浮動ピン２１０を各取付けブッシング内に少なくとも部分的に挿入する工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの組立方法及び装置に関する。

少なくとも既知のガスタービンエンジンの中には、例えば、燃焼器などの軸対称な構造体を備えるものがある。動作中には、この軸対称構造体と分割された流路構成部材との間の熱差動が、結果的に、軸対称構造体と分割された流路構成部材との間に熱応力を引き起こし得る。この分割流路構成部材と軸対称構造体との間に相対的に半径方向の可動部を設けると、かかる熱応力を低減しやすいが、このような配置は、ガスタービンエンジンの適切な動作を容易とするために、軸対称なハードウェアの少なくとも幾つかを、エンジンの中心線軸に対して実質的に同軸に維持することをより困難としてしまう。さらに、軸対称構造体と分割流路構成部材との間の熱差動によって、結果的に、軸対称構造体に過度な負荷がかかり、この軸対称構造体に比較的高いサイクル応力、及び／又は疲労亀裂を生じ得る。

例えば、図１に示すように、少なくとも１つの既存のガスタービンエンジンは、燃焼器４に連結された雌型ブッシング３と係合する半径方向に配向された複数のピン２を備える燃焼器ケーシングを備える。これらのピンは、燃焼器外側ケーシング５内に螺入され、この外側ケーシングが燃焼器を取り囲んでいる。動作時には、燃焼器は、燃焼器ケーシングよりもかなり熱くなり、半径方向に自在に延びる。
米国特許出願公開第２００３／０１８５６７４Ａ１号公報米国特許第４，６１４，０８２号公報米国特許第５，２１１，５４１号公報米国特許第５，４８３，７９２号公報米国特許第５，６２２，４７５号公報米国特許第６，９５１，１１２Ｂ２号公報

しかしながら、図１に示すように、ガスタービンエンジン内で燃焼器を組み立てるには、構成部材の寸法公差として、組立を可能とするために雄型ピンの雌型ブッシングへの嵌入における半径方向の隙間を要する。その結果、動作中には、ラジアルピンの一部のみが軸方向の負荷を支持し、接線方向の力に反応する。そのために、これらのラジアルピンは、燃焼器を支持するのに用いられる他のラジアルピンと比較して、より高い磨耗を受け得る。加えて、ピン、ブッシングの穿孔、又はこれら両方のいずれかが、若干でも寸法上の位置合わせ不良を生じていると、ブッシングの縁部及び／又はピンの端部のいずれかに負荷が集中され得る。このように、ピン及び／又はブッシングと最初に点接触しているところに負荷が集中すると、ブッシング及び／又はピンの磨耗が再び増す結果となり得る。

本発明の一形態においては、ガスタービンエンジンの組立方法が提供される。本方法は、半径方向外側面から延びる複数の取付けブッシングを備える軸対称構造体をガスタービンエンジン内に連結する工程と、ガスタービンエンジン内に軸対称構造体を固定しやすくするために、第１の個数の固定されたピンを各取付けブッシング内に少なくとも部分的に挿入する工程と、ガスタービンエンジンの中心線軸に対して軸方向及び接線方向の両方に各々の浮動するピンが動きやすいように、第２の個数の浮動するピンを各取付けブッシング内に少なくとも部分的に挿入する工程とを含む。

本発明のさらに他の形態では、ガスタービンエンジンが提供される。本ガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジン内に配置され、半径方向外側面から延びる複数の取付けブッシングを備える軸対称構造体と、ガスタービンエンジン内に軸対称構造体を固定しやすくするために、各取付けブッシング内に少なくとも部分的に挿入される第１の個数の固定されたピンと、ガスタービンエンジンの中心線軸に対して軸方向及び接線方向の両方にそれぞれが可動するように、各取付けブッシング内に少なくとも部分的に挿入された第２の個数の浮動するピンとを備える。

図２は、ファン組立体１２を備えるガスタービンエンジン組立体１０と、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、及び高圧タービン１８を備えるコアエンジン１３の概略を示している。例示的実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０は、低圧タービン２０、及び昇圧機２２をも備える。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外側に延びる一連のファン翼２４を備える。ガスタービンエンジン組立体１０は、吸気側２７と排気側２９とを有する。一実施形態では、ガスタービンエンジンは、ジェネラルエレクトリック社、シンシナティ、オハイオ州から入手可能であるＣＦ６−５０である。ファン組立体１２、低圧タービン２０、及び昇圧機２２は、第１のロータ軸３１により連結されており、高圧圧縮機１４及び高圧タービン１８は、第２のロータ軸３３により連結されている。

動作中には、空気は、ガスタービンエンジン組立体１０を通って延びる中心線軸３４に実質的に平行な方向に軸方向にファン組立体１２を通って流れ、圧縮空気が高圧圧縮機１４に供給される。そして、高度に圧縮された空気が燃焼器１６に運搬される。燃焼器１６からの空気流（図２に図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、第１のロータ軸３１を介してファン組立体１２を駆動する。

図３は、図２に示した燃焼器１６の断面図である。例示的実施形態では、燃焼器１６は、環状外側ライナ４０、環状内側ライナ４２、外側ライナ４０と内側ライナ４２との間に延びる燃焼器ドーム組立体４４をそれぞれ備える。

外側ライナ４０と内側ライナ４２とは、燃焼器ケーシング４６から半径方向内側に離間され、燃焼室４８を画定する。一般に、燃焼器ケーシング４６は、環状であり、図１に示した高圧圧縮機１４などの圧縮機の出口５０から下流側に延びる。外側ライナ４０と燃焼器ケーシング４６は、外側通路５２を画定し、内側ライナ４２と内側支持構造体（図示せず）は、内側通路５４を画定する。外側及び内側ライナ４０及び４２は、燃焼室４８から下流側に配置されたタービン入口ノズル５８までそれぞれ延びている。

例示的実施形態では、燃焼器ドーム組立体４４は、単一な環状構造で配列されている。他の形態では、燃焼器ドーム組立体４４は、二重の環状構造で配列されている。さらに他の形態では、燃焼器ドーム組立体４４は、３重の環状構造で配列されている。例示的実施形態では、燃焼器ドーム組立体４４は、燃焼器１６の上流側端部に構造上の支持体を提供する。より具体的には、ガスタービンエンジン組立体１０は、燃焼器ドーム組立体４４を用いて、コアガスタービンエンジン１３内に燃焼器１６を固定しやすくするための取付け組立体を備える。

図４には、初期の組立中に、燃焼器１６などの軸対称構造体を、ガスタービンエンジン組立体１０などのガスタービンエンジン内に固定するのに用い得る例示的取付け組立体１００が示されている。図５は、最終的な組立中における取付け組立体１００の第２の図である。図６は、図４及び図５に示された位置合わせ用のピンの断面図である。なお、本文では、取付け組立体を例示的ガスタービンエンジン組立体１０に対して記載しているが、取付け組立体は、幅広い種類のガスタービンエンジンにおいて軸対称構造体を装備及び／又は位置合わせするのに用い得るものであることは、理解されるべきである。

例示的実施形態では、取付け組立体１００は、複数の半径方向に配向された位置合わせ用のピン１１０を備え、各ピンがそれぞれねじ山付きのブッシング１１２を通して挿入され、燃焼器１６に連結された各雌型ブッシング１１４に係合する。この組立中には、位置合わせ用のピン１１０は、燃焼器１６を取り囲む燃焼器外側ケーシング１１６に螺入される。

より具体的には、各位置合わせ用のピン１１０は、第１の部分１２０と第２の部分１２２と第３の部分１２４とを備える。例示的実施形態では、これら部分１２０、１２２、及び１２４は、単一の位置合わせ用のピン１１０として形成される。第１の部分１２０は、エンジンの組立中に位置合わせ用のピン１１０を保持するために操作者により用いられる第１の端部１３０と、第２の部分１２２に連結される第２の端部１３２とを備える。第１の端部１３０は、操作者が端部を保持可能となるように構成された形状を有し、例えば、位置合わせ用のピン１１０を保持するために、操作者がレンチを使用可能とする少なくとも２つの平坦面１３４を備え得る。また、第１の部分１２０は、本文でさらに詳細を説明する保持装置を受け止めるような大きさとされた複数のねじ山１３６をも備える。

第２の部分１２２は、第１の部分の第２の端部１３２と連結される第１の端部１４０と、第３の部分１２４に連結される第２の端部１４２とを備える。第２の部分１２２は、この第２の部分１２２が本文でさらに説明する保持ブッシング１１２を通して挿入され得るような大きさの直径１４４を有する。さらに、第２の部分１２２は、第１の部分１２０及び第３の部分１２４が、図４及び図５に示したように、ブッシング１１２から外側に延び得るような大きさとされる長さ１４６を有する。

第３の部分１２４は、第２の部分の第２の端部１４２に連結される第１の端部１５０と、ブッシング１１４に少なくとも部分的に挿入される第２の端部１５２とを備える。第３の部分１２４は、第２の端部１５２に近接して連結されたクラウン部１５４を備える。例示的実施形態では、クラウン部１５４は、第３の部分１２４と一体的に形成され、このため、第１及び第２の部分１２２及び１２４のそれぞれに一体的に形成される。クラウン部１５４は、少なくとも部分的に第３の部分の第１の端部１５０に向かって、第３の部分の第２の端部１５２から延びている。より具体的には、クラウン部１５４は、第２の端部１５２で第１の直径１６０を有する。その後、クラウン部１５４は、第１の端部１５０の方向に頂点まで外側に次第にテーパを有する。ここで、クラウン部１５４は、第１の直径１６０よりも大きい第２の直径１６２を有する。そして、クラウン部１５４は、当該クラウン部の直径が第２の端部１５２の直径、すなわち直径１６０とほぼ等しくなるまで、第１の端部１５０の方向に内側に次第にテーパを有する。

例示的実施形態では、クラウン部１５４、すなわち、ブッシング１１４と係合する位置合わせ用のピン１１０のクラウン面は、ブッシングの直径の軸にピンの中心線の位置合わせ不良を生じやすいが、従来技術における点接触よりもむしろ線接触を維持するため、より優れた磨耗面を提供する。さらに、クラウン部１５４は、比較的大きな２インチ以上の部分半径により画定され、ラジアルピンへの少量の磨耗が生じた場合に、線接触が比較的大きな領域に亘った接触となるようになされている。そのため、この大きな領域が、軸／接線方向の燃焼器負荷から結果的に生じる接触応力のレベルを低減するのに役立ち、これにより、磨耗をさらに抑制し、耐久性を向上させるのに役立つようになる。

また、第３の部分１２４は、第３の部分の第１の端部１５０に近接して連結された出入台又は肩部１６４を備える。例示的実施形態では、肩部１６４は、ブッシング１１２の内径１６８よりも大きい直径１６６を有する。

また、取付け組立体１００は、位置合わせ用のピン１１０の少なくとも一部と第１の部分にネジ止め可能に連結された保持ナット１７２とを取り囲む大きさとされた座金１７０を備え、位置合わせ用のピン１１０がブッシング１１２に固定しやすいようになされている。

組立中には、位置合わせ用のピンの第３の部分１２４は、燃焼器外側ケーシング１１６の開口部に挿入され、クラウン部１５４の少なくとも一部がブッシング１１４に接触するように、少なくとも部分的にブッシング１１４に挿入される。より具体的には、位置合わせ用のピン１１０のクラウン部１５４は、まさに、ブッシング１１４に比較的近接して直径方向に嵌合される。したがって、燃焼器ブッシング１１４の寸法公差が、位置合わせ用のピン１１０とブッシング１１２との間に画定される空間１８０により設けられる軸方向及び接線方向の隙間によりもたらされており、すなわち、ブッシング１１２内に位置合わせ用のピンが「浮いている」。組立中には、隙間１８０によって、位置合わせ用のピン１１０が、燃焼器のブッシング１１４と係合可能となり、ケーシングに対して接線及び軸方向に「家を探す」ことが可能となる。そして、燃焼器に対して半径方向に位置合わせ用のピンを固定する保持ブッシング１１２が装備される。その後、座金１７０及び保持ナット１７２は、位置合わせ用のピン１１０に連結され、この軸／接線位置に位置合わせ用のピン１１０を固定する。

その結果、従来技術の設計で必要なピン／ブッシングの隙間は、減少され、全てのピンが軸方向及び接線方向の印加された負荷を分担するため、任意の軸対称構造のピン搭載接続において、従来技術で示したような、わずか２、３個のピンで軸方向及び接線方向の印加負荷を分担する場合よりもむしろ、耐磨耗力及び耐久性が向上する。さらに、クラウンピンの界面は、耐摩耗力の追加的な向上を示す。

図７は、例えば、燃焼器１６などの軸対称構造体をガスタービンエンジン内に固定しやすくするために、取付け組立体１００に用いることができる固定されたピン２００の断面図である。例示的実施形態では、固定されたピン２００は、実質的にＴ字状の断面外形を有し、固定されたピン２００の少なくとも一部が、ドームボス１１２内に少なくとも部分的に挿入される各雌型ブッシング１１４内に、少なくとも部分的に挿入されるようになされている。

より具体的には、固定された各位置合わせ用のピン２００は、実質的にＴ字状断面外形を有し、ブッシング１１４内に固定された位置合わせ用のピン２００を固定するのに用いられるヘッド部２２０と、ヘッド部２２０に連結される第１の端部２２４、及びブッシング１１４内に少なくとも部分的に挿入される第２の端部２２６を有するネジ山付き軸部２２２とを備える。

より具体的には、図８を参照すると、組立中において、例えば、燃焼器１６などの軸対称構造体は、ガスタービンエンジン内に位置する。ガスタービンエンジン内に燃焼器１６を位置合わせ及び／又は固定しやすくするには、固定された各位置合わせ用のピン２００は、燃焼器外側ケーシング１１６を通して画定される開口部２３０内に螺入され、このケーシングは、第２の端部２２６がブッシング１１４内に実質的に固定されるように燃焼器１６を取り囲む。例示的実施形態では、第１の個数の浮動するピン２１０と第２の個数の固定されたピン２００を用いて、ガスタービンエンジン内に燃焼器１６を位置合わせする。例えば、一実施形態では、３つの固定されたピン２００が、各第２の端部２２６を実質的に各ブッシング１１４内に固定するように、各開口部２３０にそれぞれ螺入される。より具体的には、図８に示すように、３つの固定されたピン２００が、組立中に燃焼器１６を実質的な固定位置に固定しやすくするために、各隣接する固定されたピン２００から約１２０度離れて配置される。そして、開口部２３０の残りは、浮動するピン２１０を装備するのに用いられ、その後、これらピンが、ガスタービンエンジンの中心線軸に対して、軸方向及び接線方向の両方向に燃焼器が動きやすいように、トルクが与えられ及び／又は締め付けられる。

また、例示的実施形態では、エンジン組立中に燃焼器を固定するために３つの固定されたピン２００を用いることを記載しているが、１８０度離された任意の２つの固定されたピン２００を用いてもよいことは、理解されるべきである。さらに、９０度ごと離された４つのピンをも用い得る。

その結果、従来技術の設計で必要なピン／ブッシングの隙間は、減少され、全てのピンが軸方向及び接線方向の印加された負荷を分担するため、任意の軸対称構造のピン搭載接続において、従来技術で示したような、わずか２、３個のピンで軸方向及び接線方向の印加負荷を分担する場合よりもむしろ、耐磨耗力及び耐久性が向上する。さらに、各浮動するピンのクラウンピン界面は、耐摩耗力の追加的な向上を示す。

分割された流路の内部に配置されたハードウェア用の上記支持配列は、分割された流路構成部材に対して、ガスタービンの内部支持ハードウェアを位置合わせするための費用効率の良い信頼性のある手段を提供する。より具体的には、本文に記載の本発明は、ハイブリッド配置又は混合配置を備え、ここでエンジンケース又は支持構造体内への燃焼器の適切な配向の位置付け又は設定は、少数のピンの総数（例えば、２又は３）が「一定の」多様性を有することによりもたらされるものである。「浮動」型ピンの残りは、浮動するピンの概念が提供するピンの隙間に入る挿入部の寸法の低減により、均一な装着が容易となるように、装備されトルクが与えられ又は締め付けられる。

その結果、本文に記載の本発明によれば、一組のプラグ／ねじ又はカバークランプ／ボルトの少なくとも一方を用いて浮動するピンを固定するのに先立って、浮動するピンの設計が燃焼器を軸方向又は接線方向に可動させる能力を本質的に有するため、エンジンに対して（軸方向及び接線方向に）燃焼器を正確に配置しやすくなる。また、本文に記載の本発明は、ガスタービン内に燃焼器を搭載するのに固定型のピンのみを用いる既知の概念と比較して、ピンの磨耗を低減しやすい。その結果、浮動型ピンは、より均一な挿入とピン接触を可能とし、これにより、固定されたピンにより初期の位置合わせがなされた後に組み立てられ所定位置にロックされるようになされた浮動するピンの設計をバランスさせることにより、磨耗を低減する。

以上、ガスタービンエンジンの軸対称構造体の位置合わせ組立体の例示的実施形態について、詳細を説明した。図示された位置合わせ組立体は、本文で記載した特定の実施形態のものに限定されず、むしろ、各位置合わせ組立体の構成部材が、本文で記載された他の構成部材とは独立して別個に用いられ得るものである。例えば、本文では、燃焼器を説明したが、位置合わせ組立体は、燃焼器とは異なるハードウェアに対して多様な内部構造体ハードウェアを位置合わせするのにも用い得る。

以上、本発明について、様々な特定の実施形態に基づき記載してきたが、当業者は、本発明が特許請求の範囲の真の趣旨及び範囲内において変更を伴って実施され得るものであることを理解するであろう。

従来技術のラジアルピンを示す断面図である。例示的ガスタービンエンジンを示す概略図である。図１に示したガスタービンエンジンの一部を示す断面図である。初期組立中において、図１に示したガスタービンエンジンで用いられ得る例示的取付け組立体を示す断面図である。最終的な組立中において、図４に示した取付け組立体を示す断面図である。図４及び図５に示した取付け組立体の一部を示す断面図である。図１に示したガスタービンエンジンで用いられ得る例示的固定されたピンを示す断面図である。複数の浮動するピンと複数の固定されたピンとを備える例示的燃焼器の端部を示す図である。

符号の説明

２ピン
３ブッシング
４燃焼器
５燃焼器外側ケーシング
１０ガスタービンエンジン組立体
１２ファン組立体
１３ガスタービンエンジン
１４高圧圧縮機
１６燃焼器
１８高圧タービン
２０低圧タービン
２２昇圧機
２４ファン翼
２６ロータディスク
２７吸気側
２９排気側
３１第１のロータ軸
３３第２のロータ軸
３４中心線軸
４０外側ライナ
４２内側ライナ
４４燃焼器ドーム組立体
４６燃焼器ケーシング
４８燃焼室
５０出口
５２外側通路
５４内側通路
５８タービン入口ノズル
１００取付け組立体
１１０位置合わせ用のピン
１１２ブッシング
１１４ブッシング
１１６燃焼器外側ケーシング
１２０第１の部分
１２２第２の部分
１２４第３の部分
１３０第１の端部
１３２第２の端部
１３４平坦面
１３６ねじ山
１４０第１の端部
１４２第２の端部
１４４直径
１４６長さ
１５０第１の端部
１５２第２の端部
１５４クラウン部
１６０第１の直径
１６２第２の直径
１６４肩部
１６６直径
１６８内径
１７０座金
１７２保持ナット
１８０隙間
２００固定された（位置合わせ用の）ピン
２１０浮動する（位置合わせ用の）ピン
２２０ヘッド部
２２２軸部
２２４第１の端部
２２６第２の端部
２３０開口部

Claims

ガスタービンエンジン（１３）であって、
前記ガスタービンエンジン内に配置され、半径方向外側面から延びる複数の取付けブッシング（１１２、１１４）を備える軸対称構造体と、
ガスタービンエンジン内に前記軸対称構造体を固定しやすくするために、各取付けブッシング内に少なくとも部分的に挿入される第１の個数の固定されたピン（２００）と、
ガスタービンエンジンの中心線軸（３４）に対して軸方向及び接線方向の両方にそれぞれが可動するように、各取付けブッシング内に少なくとも部分的に挿入される第２の個数の浮動するピン（２１０）とを備えるガスタービンエンジン（１３）。
前記各浮動するピン（２１０）は、各該浮動するピンが前記軸対称構造体に軸方向及び接線方向の両方の支持を提供するように、各取付けブッシング（１１２）内に少なくとも部分的に挿入されるクラウン面を備える請求項１に記載のガスタービンエンジン（１３）。
前記軸対称構造体は、燃焼器（４）を備え、各前記浮動するピン（２１０）は、各該浮動するピンが燃焼器に軸方向及び接線方向の両方の支持を提供するように、各燃焼器の取付けブッシング（１１２）内に少なくとも部分的に挿入されるクラウン面を備える請求項１に記載のガスタービンエンジン（１３）。
浮動するピン（２１０）の前記第２の個数は、固定されたピン（２００）の前記第１の個数よりも多い請求項１に記載のガスタービンエンジン（１３）。
各前記固定されたピン（２００）は、隣接する固定されたピンから約１２０度離されている請求項１に記載のガスタービンエンジン（１３）。
各前記固定されたピン（２００）は、隣接する固定されたピンから約１８０度離されている請求項１に記載のガスタービンエンジン（１３）。
前記燃焼器に各前記浮動するピン（２１０）を固定するのに用いられるねじ山付き留め具をさらに備える請求項３に記載のガスタービンエンジン（１３）。
各前記浮動するピン（２１０）は、肩部（１６４）を備え、各前記浮動するピンは、前記ねじ山付き留め具が前記ねじ山付きブッシング（１１２）に対して前記肩部を固定するように、前記燃焼器の外側ライナ（４０）に固定される請求項３に記載のガスタービンエンジン（１３）。
各前記浮動するピン（２１０）の一部が第１の直径（１６０）を有し、前記ねじ山付きブッシング（１１２）は、第１の直径よりも大きい第２の直径（１６２）を有する請求項８に記載のガスタービンエンジン（１３）。
各前記浮動するピン（２１０）は、前記ねじ山付きブッシング（１１２）に少なくとも部分的に挿入されるヘッド部（２２０）を備え、各前記浮動するピンは、前記ヘッド部が前記ねじ山付きブッシング内でガスタービンエンジンの中心線軸（３４）に対して軸方向及び接線方向の両方に可動となるように、ねじ山付きプラグを用いて前記ねじ山付きブッシングに固定される請求項３に記載のガスタービンエンジン（１３）。