JP2011508237A - タービンロータ組立体をバランスさせるための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

機械の回転部材における不均衡を減少させるためのバランシングシステム及び方法を提供する。本システムは、機械の固定部分の周りに配置された複数の振動センサと、複数の振動センサに通信結合されコントローラ組立体と、回転部材に結合されバランス組立体とを含み、バランス組立体は、コントローラ組立体と無線通信するように構成され、またバランス組立体は、コントローラ組立体から無線送信されたコマンドに応答して回転部材の重量分布を修正するように構成される。コントローラ組立体は、複数の振動センサからデータを受信すると共に該受信したデータを使用して回転部材における不均衡を決定するように構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明の分野は、総括的には回転ブレードシステムに関し、より具体的には、ロータ組立体を無線でバランスさせるための方法及びシステムに関する。

公知のガスタービンエンジンは、固定エンジン構造体に対して回転可能であるロータ組立体を含む。公知のロータ組立体は、中心シャフト、シャフトコーン、圧縮機ブレード及びディスク、タービンバケット及びホイール、並びに／或いは動的空気シールを備えた幾つかの回転構成要素を含む。各構成要素上には、静的な及び／又は動的な軸方向圧力が作用する。ロータ不均衡は、公知のロータ組立体において共通の振動発生源となる可能性がある。回転機械における不均衡は、回転ディスク又はシャフトの質量軸線が、回転軸線と実質的に一致しない場合に明らかに生じる可能性がある。そのような作動状態では、回転シャフト又はディスクは、その軸線の周りで回転しかつ軸受及び支持構造体に実質的に分散される遠心力を発生する。この遠心力は、非回転構造体に対してロータ回転速度と同期した振動周波数を誘起する可能性がある。その結果生じるロータ／ステータシステムの動的応答は、運動の振幅を引起こす可能性があり、或いはロータ、軸受及び／又は支持構造体の損傷を招く可能性がある。

不均衡による悪影響を減少させるために、少なくとも幾つかの公知のターボファンエンジンでは、手動でバランスさせている。そのような方法では、ロータ不均衡を相殺しかつシステムの力応答を許容可能レベルまで低下させるようにファンスピナ又は隣接する回転構造体内にウェイトを結合することによって、ファンをバランスさせている。振動測定を行ないかつそれを使用して、取付ける矯正ウェイトの配分（振幅及び位相）を計算する。次にエンジンを停止させかつ適切なロータ組立体構成要素に対して１つ又は複数の適切なウェイトを付加する。
次にエンジンをその全ロータ作動範囲にわたってサイクル作動させて、矯正ウェイトが許容可能レベルまで振動レベルを低下させるかどかを判定する。振動レベルが許容可能でない場合には、許容可能振動レベルが達成されるまでそのプロセスを繰り返す。そのようなバランシング方法は、エンジンをその全ロータ作動範囲にわたり数回サイクル作動させることを必要とする場合がある時間のかかるプロセスとなる可能性がある。さらに、この方法でファン組立体をバランスさせることは、熟練技術者を必要とし、多量の燃料を浪費し、かつエンジン運転時間の増加に基づいて環境上望ましくないエミッションの増大を生じさせる可能性がある。

米国特許出願公開第２００６／１７８７８０号公報

１つの態様では、機械の回転部材における不均衡を減少させるためのバランシングシステムを提供する。本システムは、機械の固定部分の周りに配置された複数の振動センサと、複数の振動センサに通信結合されコントローラ組立体と、回転部材に結合されバランス組立体とを含み、バランス組立体は、コントローラ組立体と無線通信するように構成され、またバランス組立体は、コントローラ組立体から無線送信されたコマンドに応答して回転部材の重量分布を修正するように構成される。コントローラ組立体は、複数の振動センサからデータを受信すると共に該受信したデータを使用して回転部材における不均衡を決定するように構成される。

別の態様では、ガスタービンエンジンにおけるロータをバランスさせる方法を提供する。本方法は、ロータにバランス組立体を結合するステップと、ロータの不均衡を測定するステップと、測定した不均衡を減少させるのを可能にする力ベクトルを決定するステップと、バランス組立体に移動コマンドを無線送信するステップと、移動コマンドを使用してバランス組立体の重量分布を修正するステップと、不均衡が最少になった状態になるのが可能になるまで前述のステップを反復的に実行するステップとを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンロータに回転可能に結合されたバランス組立体を提供する。本組立体は、第１のバランス部材と、第１のバランス部材がその半径方向外側に位置する第２のバランス部材と、第１及び第２のバランス部材の少なくとも１つを支持するように構成された少なくとも１つの軸受とを含む。

バランス組立体を備えた例示的なターボファンエンジン組立体の断面図。 図１に示すターボファンエンジン組立体で使用する例示的なバランス組立体の例示的な概略断面図。 図２に示すバランス組立体の一部分の概略断面図。 図３に示しかつ線４−４に沿って取ったバランス組立体の端面断面図。 図３に示しかつ線４−４に沿って取ったバランス組立体の端面断面図でありまたバランス組立体と関連する例示的な力ベクトルを示す図。 図３に示しかつ線４−４に沿って取ったバランス組立体の端面断面図でありまたバランシング反復法に従うバランス組立体と関連する例示的な力ベクトルを示す図。

図１は、長手方向軸線１１を有する例示的なガスタービンエンジン１０を示している。エンジン１０は、ファン組立体１２、該ファン組立体１２の下流に結合されたコアガスタービンエンジンセクション１４、及び該コアガスタービンエンジンセクション１４の下流に結合された低圧タービン１６を含む。この例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジンセクション１４は、複数段ブースタ圧縮機１７、高圧圧縮機１８、燃焼器２０及び高圧タービン２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２４から半径方向外向きに延びる複数のファンブレード２３、ファンシュラウド２６、ファンスピナ２８、及びファンシュラウド２６を支持する複数の円周方向に間隔を置いて配置された出口案内ベーン３０を含む。ファンスピナ２８は、スピナ支持ブラケット３１に結合される。エンジン１０はまた、入口３２及び排出口３４を含む。この例示的な実施形態では、低圧タービン１６及びブースタ圧縮機１７は、第１の駆動シャフト３６を介して互いに結合され、また高圧圧縮機１８及び高圧タービン２２は、第２の駆動シャフト３８を介して互いに結合される。

作動中に、空気が、エンジン入口３２内に吸込まれかつブースタ圧縮機１７及び高圧圧縮機１８により加圧される。加圧空気は、燃焼器２０に送られ、燃焼器２０において、加圧空気は、燃料と混合されかつ点火燃焼されて空気流を生成し、この空気流は、高圧タービン２２及び低圧タービン１６を通って流れ、排出口３４を通って流出する。

図２は、エンジン１０で使用するバランシングシステム５０の拡大概略断面図である。この例示的な実施形態では、バランシングシステム５０は、少なくとも２つの支持部材１０２によってエンジン１０内に着脱可能に結合されたバランス組立体１００を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、支持部材１０２は、第１の端部１０３においてバランス組立体フランジ１０４に結合され、また第２の端部１０８においてファンスピナ２８及びスピナ支持ブラケット３１間に結合される。支持部材１０２は、例えば溶接によるようなあらゆる結合方法によって或いは本明細書で説明するようにバランス組立体１００が機能するのを可能にするあらゆるその他の方法によって、該バランス組立体１００に結合することができる。別の実施形態では、バランス組立体１００は、ファンスピナ２８と一体形に形成し或いは該ファンスピナ２８に永久結合して、ファンスピナ２８及びバランス組立体１００が、単一ユニットとしてエンジン１０内で取外しかつ／又は取付けることができるようにすることができる。

この例示的な実施形態では、バランス組立体１００は、２つの回転バランス部材１１０及び１１２を含む。バランス部材１１０は、第１のモータ１１４によって回転させられ、またバランス部材１１２は、第２のモータ１１６によって回転させられる。バランス部材１１０及び１１２の両方は、中心軸線１１９を有する中心ロータ１１８に沿ってほぼ同心に配設される。バランス組立体１００はまた、内部制御組立体１２０を含む。制御組立体１２０、バランス部材１１０及び１１２、並びにモータ１１４及び１１６は、ハウジング１２２に収納される。この例示的な実施形態では、モータ１１４及び１１６は、ステッパモータである。それに代えて、モータ１１４及び１１６は、バランス組立体１００が本明細書で説明するように機能するのを可能にするあらゆる動力源とすることができる。さらに、内部制御組立体１２０は、受信機１２４、プロセッサ１２６、電源１２８、及びアンテナ１２９を含む。使用時には、また下記でより詳細に説明するように、内部制御組立体１２０は、バランス組立体１００を調整する。

さらに、バランシングシステム５０はまた、プロセッサ２０２、トランシーバ２０４、及びアンテナ２０６を備えたコントローラ組立体２００を含む。この例示的な実施形態では、コントローラ組立体２００は、エンジン１０内に結合された複数の振動センサ２１０（図１に示す）と無線通信状態で結合される。コントローラ組立体２００はまた、バランス組立体内部制御組立体１２０と無線通信状態で結合される。作動中に、コントローラ組立体２００は、バランス組立体内部制御組立体１２０にコマンドを発して、下記でより詳細に説明するバランス解決策の計算の状態でバランス部材１１０及び１１２を回転させるのを可能にする。この例示的な実施形態では、コントローラ組立体２００及び内部制御組立体１２０は、閉ループシステムを形成して、コントローラ組立体２００から内部制御組立体１２０にコマンドが送信されると該内部制御組立体１２０が該コントローラ組立体２００に位置応答を送信して戻すようにする。別の実施形態では、コントローラ組立体２００及び内部制御組立体１２０は、開ループシステムを形成して、コントローラ組立体が、エンジン１０の周りに配置された振動センサ２１０からの入力だけに依存しかつ反復方式で内部制御組立体１２０にコマンドを送信するようにする。

図３は、バランス組立体１００の断面図でありかつバランス部材１１０及び１１２のコントローラ組立体を示している。この例示的な実施形態では、下記で説明するように、バランス部材１１０及び１１２は、ほぼ同心に整列しかつその各々が半径方向偏心重量分布を有する。バランス部材１１０及び１１２は、エンジン１０内にバランス組立体１００を結合した時に、バランス部材１１０がバランス部材１１２の半径方向外側に位置するように配設される。複数の軸受組立体１３０及び１３２が、それぞれバランス部材１１０及び１１２に対して支持及び安定性を与える。この例示的な実施形態では、軸受組立体１３０及び１３２はまた、バランス組立体１００に半径方向支持を与える。内部支持体１３４が、組立体ハウジング１２２（図２に示す）からほぼ垂直方向内向きに延びて、バランス組立体１００に対して付加的な軸方向及び半径方向支持を与えるのを可能にする。さらに、この例示的な実施形態では、回転バランス部材１１０及び１１２並びに軸受組立体１３０及び１３２は、軸受組立体１３０が内部支持体１３４及びバランス部材１１２間で回転支持を与えるように、また軸受組立体１３２がバランス部材１１０及びバランス部材１１２間で回転支持を与えるように同一の軸方向平面内に配設される。それに代えて、バランス部材１１０及び１１２並びに軸受組立体１３０及び１３２は、バランス組立体１００が本明細書で説明するように機能するのを可能にするあらゆる構成で配設することができる。

図４は、バランス組立体１００の端面断面図を示している。この例示的な実施形態では、バランス部材１１０は、偏心オフセット質量中心１４０を有する。同様に、バランス部材１１２は、偏心オフセット質量中心１４２を有する。各バランス部材１１０及び１１２は、該バランス部材１１０及び１１２が時計方向１４４又は反時計方向１４６に回転することができるように、ロータ１１８及び中心軸線１１９の周りに回転可能に結合される。それに代えて、バランス部材１１０及び１１２並びに軸受組立体１３０及び１３２は、バランシングシステム５０が本明細書で説明するように機能するのを可能にするあらゆる構成でバランス組立体１００に結合することができる。

エンジン作動時に、バランシングシステム５０は、エンジン１０におけるバランス解決策を自動的に決定するために無線通信を利用する。バランス組立体１００は、本明細書で説明するようにロータ１１８に結合され、また振動センサ２１０は、エンジン１０の周りに配置される。この例示的な実施形態では、振動センサ２１０は、加速度計、及びファン組立体１２の回転位置を測定するために使用するキーフェーザ（図示せず）を含む。キーフェーザを使用して、ファンスピナ２８に対する位相基準を設定しかつ振動センサ２１０からの信号を較正する。

図５及び図６は、バランス組立体３００の端面断面図を示しておりまたバランス組立体３００と関連する例示的な力ベクトルを示している。バランス組立体３００は、バランス組立体１００（図１〜図４に示す）とほぼ同様であり、またバランス組立体１００の構成要素と同一であるバランス組立体３００における構成要素は、図１〜図４で使用した同じ参照符号を使用して図５及び図６において示している。従って、バランス組立体３００は、中心軸線１１９の周りに配設されたバランス部材１１０及び１１２並びにそれぞれの質量中心１４０及び１４２を含む。

この例示的な実施形態では、各それぞれのバランス部材１１０及び１１２の質量中心１４０及び１４２は、バランシングプロセスの開始時点において１８０°離れて配設される。それに代えて、各それぞれのバランス部材１１０及び１１２の質量中心１４０及び１４２は、本明細書で説明するようにバランス組立体３００が機能するのを可能にするあらゆる角度位置に配置することができる。バランス組立体３００は、例示的な力ベクトル３０５を有し、また各バランス部材１１０及び１１２は、それぞれ力ベクトル３１０及び３２０を有する。図５に示すように、この例示的な実施形態では、例示的な合力ベクトル３３０は、バランス組立体３００における既知のベクトル和３４０により決定される。

コントローラ組立体２００に送信された振動信号は、プロセッサ２０２によってデジタルフィルタ処理されてロータ速度振動数が得られる。振動送信時に、振動センサ２１０は、コントローラ組立体２００に信号を無線送信し、この信号は、コントローラ組立体２００内に設置されたトランシーバ２０４によって受信される。コントローラ組立体プロセッサ２０２は、振動センサ２１０から受信した振動データに基づいてコマンド信号を発生しかつ該コマンド信号をバランス組立体受信機１２４に送信する。モータ１１４及び１１６の起動は、コントローラ組立体２００からのコマンドによって制御される。

図６は、バランス組立体３００の端面断面図を示しておりまたバランシング反復法に従うバランス組立体３００と関連する例示的な力ベクトルを示している。より具体的には、またこの例示的な実施形態では、モータ１１４及び１１６は、バランス部材１１０及び１１２を回転させて、各それぞれのバランス部材１１０及び１１２の質量中心１４０及び／又は１４２がファンスピナ２８の回転速度に対する決定角度位置に配設されるようにする。バランス部材１１０及び１１２は、力ベクトル３０５を減少させるのを可能にするように調整される。合力ベクトル３３０は、ここでも同様に、例示的なバランシング反復法に従うバランス組立体３００における既知のベクトル和３４０により決定される。

この例示的な実施形態では、コントローラ組立体２００は、最小自乗法アルゴリズムを使用してバランス解決策を計算する。バランス解決策を計算するために、アルゴリズムは、単純最小自乗法を使用して振動センサにおける残留振動レベルを最少にするのを可能にし、次いで加重最小自乗法を使用して反して、作動ロータ速度の範囲にわたる複数センサからの振動応答に照らして最大残留振動を減少させるのを可能にする。それに代えて、バランス解決策は、バランス組立体３００が本明細書で説明するように機能するのを可能にするあらゆる方法によって計算することができる。

この例示的な実施形態では、許容可能振動レベルを生じさせる反復法に続いて、コントローラ組立体プロセッサ２０２は、取付けるバランスウェイトの量及びバランスウェイトの取付けのためのファンスピナに対する相対角度位置、或いは振動レベルを低下させるのを可能にするあらゆる回転エンジン構造体を含む最終バランス解決策を出力する。この時点において、バランス組立体は、エンジン１０から取外され、かつ決定した相対角度位置においてエンジン１０内に適切なバランスウェイトが配置される。

上記のシステム及び方法は、ユーザの介入なしにかつ複数振動測定及びバランスショット反復のためにエンジンを停止及び始動させることを必要とせずにファンのバランス解決策を迅速に決定する自動化手段を提供するオートバランサを使用して、ガスタービンエンジンにおけるロータブレードの自動バランシングを可能にする。さらに、この自動バランシングシステムは、多くの燃料節約及び労働コスト節約を達成しかつエンジン運転時間の減少に基づいてＣＯ_２エミッションを大幅に低減する機会をもたらす。その結果、上述のバランシングシステムにより、多くの利点を得ることが可能になる。

本明細書で説明したシステム及び方法は、ガスタービンエンジンロータ用のバランス組立体に関して説明しているが、本システム及び方法は、そのようなバランス組立体に限定されるものではないことを理解されたい。同様に、図示した本システム構成要素は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、それらシステム構成要素は、本明細書で説明したその他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。

本明細書で使用する場合に、数詞のない表現で記載した要素及びステップは、そうでないことを明確に記載していない限り、複数の要素又はステップを除外するものではないとして理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴形状部も同様に組入れた付加的な実施形態の存在を除外するものとして解釈されることを意図していない。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の修正で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

１０ ガスタービンエンジン
１１ 長手方向軸線
１２ ファン組立体
１４ コアガスタービンエンジンセクション
１６ 低圧タービン
１７ 複数段ブースタ圧縮機
１８ 高圧圧縮機
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン
２３ ファンブレード
２４ ロータディスク
２６ ファンシュラウド
２８ ファンスピナ
３０ 出口案内ベーン
３１ スピナ支持ブラケット
３２ エンジン入口
３４ 排出口
３６ 第１の駆動シャフト
３８ 第２の駆動シャフト
５０ バランシングシステム
１００ バランス組立体
１０２ 支持部材
１０３ 第１の端部
１０４ バランス組立体フランジ
１０８ 第２の端部
１１０ 回転バランス部材
１１２ 回転バランス部材
１１４ 第１のモータ
１１６ 第２のモータ
１１８ 中心ロータ
１１９ 中心軸線
１２０ 内部制御組立体
１２２ ハウジング
１２４ 受信機
１２６ プロセッサ
１２８ 電源
１２９ アンテナ
１３０ 軸受組立体
１３２ 軸受組立体
１３４ 内部支持体
１４０ 偏心オフセット質量中心（バランス部材１１０の）
１４２ 偏心オフセット質量中心（バランス部材１１２の）
１４４ 時計方向
１４６ 反時計方向
２００ コントローラ組立体
２０２ プロセッサ
２０４ トランシーバ
２０６ アンテナ
２１０ 振動センサ
３００ バランス組立体
３０５ 力ベクトル
３１０ 力ベクトル
３２０ 力ベクトル
３３０ 合力ベクトル
３４０ ベクトル和

Claims (20)

1. 回転部材をバランスさせるのに使用するためのバランシングシステムであって、
   前記回転部材の振動を検知するように配置された複数の振動センサと、
   前記複数の振動センサに通信結合されかつ該複数の振動センサからデータを受信すると共に該受信したデータに基づいて前記回転部材における不均衡を決定するように構成されたコントローラ組立体と、
   前記回転部材に結合されかつ前記コントローラ組立体と無線通信するように構成されたバランス組立体と、を含み、
   前記バランス組立体が、前記コントローラ組立体から送信されたコマンドに応答して前記回転部材の重量分布を修正するように構成される、
   バランシングシステム。
2. 前記コントローラ組立体及びバランス組立体が、閉ループシステムを形成する、請求項１記載のバランシングシステム。
3. 前記バランス組立体が、少なくとも２つのほぼ同心に整列したバランスディスクをさらに含み、
   前記バランスディスクの各々が、半径方向偏心重量分布を含む、
   請求項１又は２に記載のバランシングシステム。
4. 前記バランス組立体が、前記コントローラ組立体と無線通信するように構成されたステッパモータをさらに含み、
   前記ステッパモータが、前記コントローラ組立体から無線送信されたコマンドに応答して前記バランスディスクの位置を調整するように構成される、
   請求項３記載のバランシングシステム。
5. 前記バランスディスクの第１のバランスディスクが、該バランスディスクの第２のバランスディスクの半径方向外側に位置し、
   前記第１及び第２のバランスディスクが、互いにほぼ同一平面上に整列した軸受によって支持される、
   請求項３記載のバランシングシステム。
6. 前記コントローラ組立体が、
   前記バランスディスクの位置を制御するコマンド信号を発生するように構成されたプロセッサと、
   前記プロセッサに通信結合された送信機と、をさらに含む、
   請求項４記載のバランシングシステム。
7. 前記複数の振動センサが、前記回転部材の回転位置を測定するように構成される、請求項１乃至６のいずれか１項記載のバランシングシステム。
8. ガスタービンエンジンにおけるロータをバランスさせる方法であって、
   前記ロータにバランス組立体を結合するステップと、
   前記ロータの不均衡を測定するステップと、
   前記測定した不均衡を減少させるのを可能にする力ベクトルを決定するステップと、
   前記バランス組立体に移動コマンドを無線送信するステップと、
   前記移動コマンドを使用して前記バランス組立体の重量分布を修正しかつ該修正した重量分布により前記ロータの不均衡を減少させるのを可能にするステップと、を含む、
   方法。
9. バランスウェイトの量及び該バランスウェイトの取付けのための相対角度位置を含むバランス解決策をディスプレイに出力するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記相対角度位置において前記バランスウェイトを前記ロータに結合するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 前記不均衡を測定するステップが、
    前記回転部材の角度位置を測定するステップと、
    複数の振動センサからデータを受信するステップと、
    前記受信したデータに基づいて前記回転部材における不均衡を決定するステップと、をさらに含む、
    請求項８乃至１０のいずれか１項記載の方法。
12. 前記力ベクトルを決定するステップが、前記バランス組立体の位置を制御するコマンド信号を発生するステップをさらに含む、請求項８乃至１１のいずれか１項記載の方法。
13. 前記移動コマンドを送信するステップが、前記バランス組立体に結合された受信機に該移動コマンドを送信するステップをさらに含む、請求項８乃至１２のいずれか１項記載の方法。
14. 前記重量分布を修正するステップが、前記移動コマンドに応答して互いに対して及び前記ロータに対しての少なくとも１つで前記バランス部材を移動させるステップをさらに含む、請求項８乃至１３のいずれか１項記載の方法。
15. ガスタービンエンジンロータに回転可能に結合されたバランス組立体であって、
    前記ロータに回転可能に結合された第１のバランス部材と、
    前記第１のバランス部材がその半径方向外側に位置する第２のバランス部材と、
    前記第１及び第２のバランス部材の少なくとも１つを支持するように構成された少なくとも１つの軸受と、を含む、
    バランス組立体。
16. コントローラ組立体と無線通信するように構成された少なくとも１つの受信機をさらに含み、
    前記少なくとも１つの受信機が、前記第１及び第２のバランス部材の少なくとも１つを回転位置決めするのを可能にする、
    請求項１５記載のバランス組立体。
17. 前記少なくとも１つの受信機が、ステッパモータを含む、請求項１６記載のバランス組立体。
18. 作動時に該組立体を保護するように構成されたハウジングをさらに含む、
    請求項１５乃至１７のいずれか１項記載のバランス組立体。
19. 前記第１及び第２のバランス部材が、それぞれ第１及び第２のバランスディスクを含み、
    前記第１及び第２のバランスディスクが、互いにほぼ同軸に配置される、
    請求項１５乃至１８のいずれか１項記載のバランス組立体。
20. 前記第１及び第２のバランス部材が、それぞれ第１及び第２のバランスディスクを含み、
    前記第１及び第２のバランスディスクが、半径方向偏心重量分布を含む、
    請求項１５乃至１８のいずれか１項記載のバランス組立体。

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