JP2013040608A - ターボ機械荷重調整アセンブリ、支持されたターボ機械アセンブリ、およびターボ機械の支持方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ターボ機械内部の荷重を調整する支持機構を提供する。
【解決手段】 一例のターボ機械荷重調整アセンブリが、第１のロッド端部から第２のロッド端部へと延在する支持ロッドを含み、この支持ロッドがファンダクトとベアリングハウジングとを連結するとき、この支持ロッドは、ファンダクト、ベアリングハウジング、またはその両方に関して径方向に移動可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は概して荷重の調整に関し、特にターボ機械内部の荷重の調整に関する。

ターボ機械は、ファンセクション、圧縮機セクション、燃焼器セクション、およびタービンセクションなどの、複数のセクションを含む。ファンセクションを通じて空気がターボ機械へと流入する。圧縮機セクション内のエーロフォイルの列が回転して空気を圧縮し、次いで空気が燃料と混合されて燃焼器セクション内で燃焼される。燃焼生成物が膨張してタービンセクション内のエーロフォイルの列が軸を介して回転するように駆動される。ガスタービンエンジンはターボ機械の一例である。

ターボ機械のコンポーネントの支持は多くの場合、困難である。支持体は、極端な温度や、ブレードアウトの発生などの極端な荷重に直面する。

一例のターボ機械荷重調整アセンブリが、第１のロッド端部から第２のロッド端部へと延在する支持ロッドを含む。支持ロッドがファンダクトとベアリングハウジングとを連結するとき、この支持ロッドは、ファンダクト、ベアリングハウジング、またはその両方に関して径方向に移動可能である。

一例の支持されたターボ機械アセンブリが、軸を規定するファンダクトと、ファンダクトと同軸上に揃えられたベアリングハウジングと、を含む。支持機構がファンダクトをベアリングハウジングに連結する。支持機構は、前記軸を中心として周方向に分散された複数の支持ロッドを含む。支持ロッドはそれぞれ、ファンダクト、ベアリングハウジング、またはその両方に関して径方向に移動可能である。

一例のターボ機械の支持方法が、支持ロッドの径方向内側端部をベアリングハウジングに連結し、支持ロッドの径方向外側端部をファンダクトに連結することを含む。この方法は、例えばブレードアウトの発生時に経験する不均衡荷重時の径方向内側端部、径方向外側端部、またはその両方を分断するように支持ロッドを径方向に移動させることを含む。

開示の実施例の様々な特徴および利点が以下の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下のように簡単に説明する。

一例のガスタービンエンジンの概略図。 一例の支持機構を示す、図１の線２−２に沿った断面図。 図２の支持機構内部の着座した支持ロッドの端部の拡大図。 図２の支持機構内部の着座していない支持ロッドの端部の拡大図。 別の例の着座した支持ロッドの端部の拡大図。

図１は、ターボ機械の一例の形式の、ガスタービンエンジン２０を概略的に示す。ガスタービンエンジン２０は、本発明では概ねファンセクション２２と、圧縮機セクション２４と、燃焼器セクション２６と、タービンセクション２８と、ノズルセクション３０と、を搭載した２スプール型のターボファンとして記載する。

ファンセクション２２は空気をエンジン２０に流入させる。空気はバイパス流路３２またはコアエンジン流路３４に沿って移動する。ファンダクト３６は、バイパス流路３２の径方向外側境界線を規定する。ファンダクト３６はまた、コア流３４と、バイパス流３６と、シャフト４２と、の間の同心性を維持する荷重経路（ｌｏａｄｐａｔｈ）を規定する。ファンダクト３６は、ファンセクション２２およびノズルセクション３３からの軸方向荷重およびねじり荷重に対処するとともに、コア３４からバイパス３２への付加的な空力力や運動荷重（ｍａｎｅｕｖｅｒ ｌｏａｄ）に対処する。

コアエンジンダクト３８は、バイパス流路３２の径方向内側境界線を規定する。コアエンジンダクト３８はまたコアエンジン流路３４の径方向外側境界線を規定する。内側ケース４０はコアエンジン流路３４の径方向内側境界線を規定する。

コア流路に沿って移動する空気は圧縮機セクション２４で圧縮される。圧縮された空気は燃料と混合されて燃焼器セクション２６で燃焼される。次いで燃焼生成物がタービンセクション２８内で膨張してシャフトアセンブリ４２を回転させる。

シャフトアセンブリ４２は、概ね、複数のベアリングシステムを介してエンジン中央長手方向軸Ａを中心として回転自在に取付けられた低速スプールおよび高速スプールを含む。

ベアリングハウジング４４は、シャフトアセンブリ４２を回転自在に支持するベアリングシステムの一つを支持する。その他のベアリングハウジングは、エンジン１０内の他の場所にあるその他のベアリングシステムを支持する。特に、バイパス流路３２もしくはコアエンジン流路３４のいずれもベアリングハウジング４４内へは延在していない。また、ファンダクト３６およびベアリングハウジング４４はコアエンジン流路３４の如何なる部分もバイパス流路３２の如何なる部分も規定しない。

本発明の例はガスタービンエンジン２０を参照しながら記載するが、本発明に記載の概念はこうしたガスタービンエンジンでの使用に限定されないことを理解されたい。換言すれば、本発明の教示は他種のタービンエンジンおよび他種のターボ機械にも適用しうる。

図１を参照しながら図２〜４を参照すると、一例の支持機構７０がファンダクト３６をベアリングハウジング４４に結合する。支持機構７０は、軸Ａの周りに周方向に分散されるとともにファンダクト３６とベアリングハウジング４４との間に径方向に延在する複数の支持ロッドアセンブリ７２を含む。一例の支持機構７０は４つの支持ロッド７２を含む。その他の例ではその他の数の支持ロッド７２を含みうる。この例では、支持ロッド７２ａは、支持機構７０内の全ての支持ロッド７２を表す。

支持ロッド７２ａが第１のロッド端部７４から第２のロッド端部７６へと延在する。この例では、第１のロッド端部７４は径方向外側のロッド端部であり、第２のロッド端部７６は径方向内側のロッド端部である。第１のロッド端部７４は、支持体８０に対する着座位置（図３）と、非着座位置（図４）との間を移動可能なヘッド部７８を含む。ヘッド部７８が着座位置にあるとき、一例のヘッド部７８は支持体８０のソケット８２内に収容される。ヘッド部が非着座位置にあるとき、ヘッド部７８は支持体８０のソケット８２からずらされる。ヘッド部７８は支持ロッド７２の一部である。

第２のロッド端部７６が支持体９０のソケット８８内に収容されたヘッド部８６を含む。ヘッド部８６および支持体９０は、支持ロッド７２ａがファンダクト３６をベアリングハウジング４４に取り付けるときにヘッド部８６が支持体９０内に着座したままとなるように設計される。その他の例は、支持体８０に関して非着座位置に移動可能なヘッド部７８の代わりに、またはそれに加えて、支持体９０に関して非着座位置に移動可能なヘッド部８６を含みうる。

一例の支持体８０は、ファンダクト３６の径方向外側に対向する面９２に直接固定されたファンダクト支持体である。支持体８０に構築されたソケット８２により、ヘッド部７８を着座位置に配置しながら、支持ロッド７２ａが第１のロッド端部７４を中心として左右に回転できるようにする。この回転を可能にすることにより、２つのコンポーネントの間の相対的な熱成長や軸圧力荷重に関連する相対的な移動などの、ベアリングハウジング４４に対するファンダクト３６の移動に適応させる。支持ロッド７２ａの回転範囲は通常、約１〜２°である。

一例の支持体８０をファンダクト３６とは別の構造体として記載するが、別の例では、ファンダクト３６が支持体８０の一部を形成してもよい。例えば、ソケット８２は、ファンダクト３６の壁に形成される。

一例の支持体９０は、ベアリングハウジング４４の外側に対向する面に直接固定されたベアリングハウジング支持体である。支持体９０に構築されたソケット８８により、第２のロッド端部７６を中心とした支持ロッド７２ａの回転を可能にする。支持体がベアリングハウジング４４とは別の構造体となるのではなく、ベアリングハウジング４４が一例の支持体９０の一部を形成してもよい。

ヘッド部７８がソケット８２内に着座し、ヘッド部８６がソケット８８内に着座するとき、ファンダクト３６およびベアリングハウジング４４の円周方向に揃えられた部分の間の径方向距離はｄである。支持ロッド７２ａが、ファンダクト３６とベアリングハウジング４４との間の径方向距離が、ファンダクト３６がベアリングハウジング４４から離間される距離ｄを越えて増大するのを防ぐため、一例の支持ロッド７２ａがファンダクト３６とベアリングハウジング４４とを連結しているとみなされる。

特に、ヘッド部７８は（ヘッド部７８がソケット８２から径方向に離間される）非着座位置に移動可能なため、ファンダクト３６とベアリングハウジング４４とは、支持ロッド７２ａに連結された状態で距離ｄよりも近い方向に移動することができる、したがって、支持ロッド７２ａは、２つのコンポーネント間の距離を強固に固定することなくファンダクト３６とベアリングハウジング４４とを連結する、可撓性連結を提供する。

支持ロッド７２ａの第１のロッド端部７４がファンダクト３６内に構築された開口部９６を通して延在する。開口部９６の直径は、第１のロッド端部７４を中心とした支持ロッド７２ａの１〜２°の回転を許容するように十分大きい。

支持ロッド７２ａはまたコアエンジンダクト３８および内側ケース４０の開口部を通して延在する。支持ロッド７２ａは、コアエンジンダクト３８と内側ケース４０とを連結するストラット９４を通して延在してもよい。

通常運転時および多くの異常運転時に支持構造７０はベアリングハウジング４４とファンダクト３６とを支持する。一例の異常運転では、エンジン２０内でのブレードアウトの発生によりベアリングハウジング４４の一部がファンダクト３６に向かって径方向外側に移動する。支持ロッド７２ａのヘッド部７８は支持体８０から非着座位置へと移動することができるため、ベアリングハウジング４４がファンダクトから外れてしまうことなく支持ロッド７２ａがこの動きを許容することができる。

エンジン２０の通常運転時には、支持ロッド７２ａには荷重がかかっており、ヘッド部７８は着座位置にある。この例では、支持ロッド７２ａには、通常運転時にヘッド部７８が非着座位置とならないようにする相対的に高い予荷重が加わる。一例のヘッド部７８はブレードアウトの発生時に経験する不均衡荷重に関連した非常に高い荷重においてのみ非着座状態となる。

ブレードアウトの発生による荷重は通常ベアリングハウジング４４に集中した荷重である。シャフトアセンブリ４２が回転するに従い、集中荷重が軸Ａを中心として回転する。支持機構７０は、荷重に対して円周方向に最も近い支持ロッド７２ａを着座位置から非着座位置へと移動させることにより、ブレードアウトの発生に関連する回転荷重に対処する。着座していない支持機構７０の特定の支持ロッド７２は荷重とともに軸Ａの周りを円周方向に移動する。同時に１つ以上の支持ロッド７２が非着座位置となる。

支持ロッド７２の厚さおよび材質は支持ロッド７２の引張強度に基づいて決定される。引張強度は例えばブレードアウトの発生時でさえベアリングハウジング４４をファンダクト３６に連結し続ける支持ロッド７２の能力に影響を及ぼす。

ヘッド部７８を非着座位置にすることにより、ブレードアウトの発生に関連した荷重を、支持機構７０のその他の支持ロッド７２およびその他の構造に支持させる。ブレードアウトの発生に伴う荷重は、非線形の階段状変化を有するより長い荷重経路（ｌｏａｄ ｐａｔｈ）をたどることを余儀なくされる。従来技術の固定された取り付けに比べて、支持機構７０はより低いコア支持ばね定数（ｓｐｒｉｎｇ ｒａｔｅ）を有する。支持ばね定数を低くするほど、より多くの不均衡荷重が屈曲コアケースに吸収されるため、最大伝達動荷重が低くなる。（羽根損失のない）通常の不均衡や航空機の機動のより低い荷重時には、支持ロッド７２の予荷重がヘッド部７８を着座させ続け、システムのばね定数は線形のままとなる。

この例では、支持ロッド７２ａはネジ棒を含み、ヘッド部７８，８６は、ネジ棒にねじ込まれた、穿孔されたねじ山のついた球体である。

一例のヘッド部７８は着座位置から非着座位置へと移動したときにファンダクト３６に関して径方向外側方向に移動するが、別の例のヘッド部が径方向内側に移動してもよい。換言すれば、支持ロッド７２のその他の例は、ベアリングハウジング４４またはファンダクトに関して径方向内側方向に移動するヘッド部を含みうる。

さらに、一例のヘッド部７８，８６は球形であるが、別の例の支持ロッド９８は平板またはその他の種類の構造の一つ以上のヘッド部１００（図５）を含みうる。

開示の実施例の特徴は、従来の設計に比べて荷重、特にブレードアウトの発生に関連する荷重をより効果的に分散させる支持機構を含む。したがって、より低い降伏特性の材料、および相対的に薄い支持ロッドを、支持機構内に用いることができる。支持機構はブレードアウトの発生時には塑性変形しない。

開示の例のもう一つの特徴は、ブレードアウトの発生に関連する荷重を、従来の剛性支持体よりも長い荷重経路に沿って移動させるように分散させることである。支持ロッドを非着座位置にすることにより、支持構造体のばね定数を非線形の階段状変化に低減し、より多くの不均衡荷重がエンジンのその他の領域に吸収されるため、最大伝達動荷重が低くなる。より低いコア支持ばね定数の非線形の段階的低下により、近傍の構造体（例えば、軸受支持体４４）や支持ロッド７２に亘る荷重の動的伝達率を低減する。したがって、より軽量の構造を用いることができる。

上記の記載は本質的に限定的なものではなく例示に過ぎない。本発明の真意を逸脱することなく開示の実施例に対する種々の変形や修正が当業者にとって明らかとなるであろう。したがって、本発明に付与される法的保護の範囲は付記の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定される。

３２…バイパス流路
３４…コアエンジン流路
３６…ファンダクト
３８…コアエンジンダクト
４０…内側ケース
４４…ベアリングハウジング
７０…支持機構
７２…支持ロッド
７４…第１のロッド端部
７６…第２のロッド端部
７８…ヘッド部
８０…支持体
８６…ヘッド部
８８…ソケット
９０…支持体
９２…径方向外側面

Claims (17)

1. 第１のロッド端部から第２のロッド端部へと延在する支持ロッドを備えたターボ機械荷重調整アセンブリであって、
   前記支持ロッドがファンダクトとベアリングハウジングとを連結するときに、該支持ロッドは、前記ファンダクト、前記ベアリングハウジング、またはその両方に関して径方向に移動可能であることを特徴とするターボ機械荷重調整アセンブリ。
2. 前記支持ロッドが前記ファンダクトと前記ベアリングハウジングとを連結するとき、前記支持ロッドが、着座位置と、非着座位置との間を径方向に移動可能であり、
   前記支持ロッドは、該支持ロッドが前記着座位置にあるときに支持体のソケット内に収容され、かつ、該支持ロッドが前記非着座位置にあるときに前記支持体の前記ソケットからずらされる、ヘッド部を含むことを特徴とする請求項１に記載のターボ機械荷重調整アセンブリ。
3. 前記支持体が、前記ファンダクトの径方向外側面に直接取付けられたファンダクト支持体であることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械荷重調整アセンブリ。
4. 前記支持体が、前記ベアリングハウジングの径方向外側面に直接取付けられたベアリングハウジング支持体であることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械荷重調整アセンブリ。
5. 前記支持ロッドが着座位置にあるとき、前記支持ロッドが前記支持体に関して前記ヘッド部を中心として回転可能であることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械荷重調整アセンブリ。
6. 前記支持ロッドが着座位置にあるとき、および前記支持ロッドが非着座位置にあるときに、前記支持ロッドが前記ファンダクトと前記ベアリングハウジングとを連結することを特徴とする請求項２に記載のターボ機械荷重調整アセンブリ。
7. 前記第１のロッド端部は、前記ファンダクトが前記ベアリングハウジングから第１の径方向距離だけ離間されたときにファンダクトソケットに収容される第１のヘッド部を含み、
   前記第２のロッド端部は、前記ファンダクトが前記ベアリングハウジングから前記第１の径方向距離だけ離間されたときにベアリングハウジングソケットに収容される第２のヘッド部を含み、
   前記第１のヘッド部、前記第２のヘッド部、またはその両方は、前記ファンダクトが前記ベアリングハウジングから前記第１の径方向距離よりも小さい第２の径方向距離だけ離間されたときに、前記ファンダクトソケットまたは前記ベアリングハウジングソケットからずらされることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械荷重調整アセンブリ。
8. 前記支持ロッドがネジ棒を備えることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械荷重調整アセンブリ。
9. 前記支持ロッドが、前記ファンダクトに設けられた開口部を通して延在するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械荷重調整アセンブリ。
10. 前記ファンダクトを前記ベアリングハウジングに連結するときに、前記支持ロッドが前記ベアリングハウジングに対して前記ファンダクトを固定することを特徴とする請求項１に記載のターボ機械荷重調整アセンブリ。
11. 軸に沿って延在するファンダクトと、
    前記ファンダクトと同軸上に揃えられたベアリングハウジングと、
    前記ファンダクトを前記ベアリングハウジングに連結する支持機構と、
    を備え、
    前記支持機構は、前記軸を中心として周方向に分散された複数の支持ロッドを含み、前記複数の支持ロッドの各々は、前記ファンダクトを前記ベアリングハウジングに連結しながら、前記ファンダクト、前記ベアリングハウジング、またはその両方に関して径方向に移動可能であることを特徴とする支持されたターボ機械アセンブリ。
12. 前記複数の支持ロッドの各々が、径方向外側端部と、径方向内側端部と、を有し、前記径方向外側端部がファンダクト支持構造体のソケット内で支持され、前記径方向内側端部がベアリング支持構造体のソケット内で支持されることを特徴とする請求項１１に記載の支持されたターボ機械アセンブリ。
13. 前記複数の支持ロッドの各々が、前記ファンダクトに設けられた各々の開口部を通して径方向に延在することを特徴とする請求項１１に記載の支持されたターボ機械アセンブリ。
14. 前記複数の支持ロッドの各々が、径方向外側端部と、径方向内側端部と、を有し、前記径方向外側端部が、前記ファンダクトに関して着座位置と、非着座位置との間を移動可能であることを特徴とする請求項１１に記載の支持されたターボ機械アセンブリ。
15. 支持ロッドにより、ファンダクトをベアリングハウジングに連結し、
    前記支持ロッドの端部を、ファンダクト支持体またはベアリングハウジング支持体のソケット内に着座させ、
    前記支持ロッドにより前記ファンダクトを前記ベアリングハウジングに連結しながら、前記支持ロッドの前記端部を前記ソケットから非着座状態にすることを含んだ、ターボ機械の支持方法。
16. 前記ファンダクトと前記ベアリングハウジングとの間の径方向距離を減少させることにより、前記端部を前記非着座状態にすることを特徴とする請求項１５に記載のターボ機械の支持方法。
17. 前記着座時に、前記支持ロッドを、前記端部を中心として回転させることを特徴とする請求項１５に記載のターボ機械の支持方法。

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