JP2013047515A - 環状ベアリング支持ダンパ、これを含むガスタービンエンジン、およびこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンのベアリング支持ダンパであって、相対的に広い周波数および振幅の範囲にわたって、線形の剛性および減衰プロファイルを提供し、能動的な潤滑供給を必要としないベアリング支持ダンパを提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンのローターベアリングは、ローターアセンブリをエンジンハウジング内に支持し、環状ベアリング支持ダンパは、ローターベアリングとエンジンハウジングとの間に位置決めされる。支持ダンパ６０は、減衰流体環部９４を備える環状ハウジングアセンブリ６２を含む。円周方向に離間するダンパピストン９０のアレイは、環状ハウジングアセンブリ６２に移動可能に連結され、減衰流体環部９４に流体連通する。ダンパピストン９０は、ローターベアリングに固定的に連結され、これと共に移動し、環部９４の周りで減衰流体の流れに力を与え、エンジンの動作中に、エンジンハウジングへの振動の伝達を低減させる。
【選択図】図３

Description

[0001]本発明は、概ね、振動ダンパに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンおよび他のタービン機械内での使用に好適な、非常に小型の環状ベアリング支持ダンパに関する。

[0002]ガスタービンエンジンを含む回転要素から発される振動は、乗客の快適さを損ない、スラスト出力および燃料効率を含むエンジンの性能の様々な側面を下げる。さらに、回転要素は、ローターシステムのフレキシブルモード周波数に整合する特定のスピードで回転するときに、過度な振動を生じさせることがあり、システム性能を損なわせ、あるいは要素を損傷させることがある。したがって、航空機胴体に伝達される前に、好ましくは、エンジンの静的構造またはハウジングへ伝達される前に、そのような振動を減衰させることが望まれる。また、ローターシステムのフレキシブルモード周波数に応答するのを制限するために振動を減衰させ、システム性能を最大化させ、システムへの損傷の可能性を避けることが望ましい。これらの理由のため、近年のガスタービンエンジンは、一般にスクイーズフィルムダンパ（squeeze film dampers, ＳＦＤｓ）を備え、これは、エンジンハウジングへの振動の伝達を減少させるとともに、ローターシステムフレキシブル周波数での応答を減少させるために、１つまたは複数のローターベアリングの周りに搭載される。スクイーズフィルムダンパは、典型的には、内側ジャーナルおよびダンパ外側ハウジングを含み、これらは、それぞれローターベアリングおよびエンジンハウジングに固定される。ジャーナルの内側周縁表面は、ダンパハウジングの外側円周方面から半径方向に環部を画定するように隔てられ、ここが減衰流体で満たされる。通常位置または設計位置において、ジャーナルおよびダンパハウジングは、概ね同軸であり、環部の幅は一定である。しかし、エンジンの動作中、ジャーナルは、ローターベアリングとともに、ダンパハウジングおよび静的エンジン構造に対して移動する。ジャーナルが、異なる偏心位置の間で、楕円または旋回タイプの運動経路に沿って移動すると、 環部の幾何形状が変化する。減衰流体は、減衰流体環内の寸法変化により連続的に変位し、ＳＦＤを通じた振動のエンジンハウジングへの伝達は、粘性損失および流体せん断により減衰される。

[0003]ＳＦＤｓは、ガスタービンエンジン内に配備するのに好適な相対的に小型で軽量のパッケージで、振動の減衰を提供する。しかし、ＳＦＤｓは、いくつかの側面で制限される。第１に、ＳＦＤｓは、能動的な液圧式装置であり、潤滑供給および配管を必要とし、これはガスタービンエンジンに望ましくない部品数、複雑さ、およびコストを加える。第２に、ＳＦＤの剛性および減衰プロファイルは、非常に非線形であり予測が困難である。したがって、所与のＳＦＤは、目標とするエンジンの臨界モードに対応する周波数においてピーク減衰を提供するように調整することができ、ＳＦＤは、他の動作周波数およびエンジン臨界モードにおいて最適より劣る減衰を提供することになる。さらに、エンジン臨界モードは、ローターの不均衡の変化とともに変化し、ＳＦＤsは、ガスタービンエンジンの動作寿命にわたる減衰振動において徐々に効率的でなくなり得る。さらなる制限として、ＳＦＤの剛性および減衰プロファイルは、本来的に関連しており、独立して調整できない。結果として、剛性を減少させおよびローターの中心線制御をある程度犠牲にすることなく、ＳＦＤの減衰特性を最適化することは困難である。不十分な中心線制御は、静的な負荷条件（たとえば重力降下または動作負荷）を打ち消すためのＳＦＤの能力を低下させ、また、一般にガスタービンエンジン内に大きな先端クリアランスの提供を必要とし、これは全体のエンジン効率を低下させる。ＳＦＤ減衰の線形性および剛性プロファイルのある程度の改良は、中心決めバネの追加により実現できる。しかし、バネにより中心決めされるＳＦＤは、それでも、理想的な剛性および減衰プロファイルより劣り、上述の他の欠点により制限されたままである。

[0004]したがって、上述の制限の少なくともいくつかを克服する、ガスタービンエンジンまたは他のタービン機械内での使用に適合的なベアリング支持ダンパの実施形態を提供することが望まれる。特に、相対的に広い周波数および振幅の範囲にわたって、実質的に線形の剛性および減衰プロファイルを提供し、能動的な潤滑供給を必要としないベアリング支持ダンパを提供することが望まれる。理想的には、そのようなベアリング支持ダンパの実施形態は、現存するガスタービンエンジンのプラットフォーム内にベアリング支持ダンパを容易に組み込めるように、非常に小型の外形を備える。また、そのようなベアリング支持ダンパを含むガスタービンエンジンの実施形態、および、ベアリング支持ダンパの製造方法を提供することが望まれる。本発明の実施形態の他の望ましい特徴および特性は、添付図面および上記の背景とともに、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

[0005]ガスタービンエンジンの実施形態が提供される。一実施形態において、ガスタービンエンジンは、エンジンハウジング、エンジンハウジング内に配置されるローターアセンブリ、およびエンジンハウジング内のローターアセンブリを支持するローターベアリングを含む。ローターベアリングとエンジンハウジングとの間に。環状ベアリング支持ダンパが位置決めされる。支持ダンパは、エンジンハウジングに固定的に連結される環状ハウジングアセンブリ、環状ハウジングアセンブリ内に形成される減衰流体で満たされる減衰流体環部、および、環状ハウジングアセンブリに動作可能に連結され、減衰流体環部と流体連通する、円周方向に隔てられるダンパピストンのアレイ、を含む。円周方向に隔てられるダンパピストンのアレイは、ローターベアリングに固定的に連結され、それとともに動き、ガスタービンエンジンの動作中に減衰流体環部の周りで減衰流体の流れに力を与え、ガスタービンエンジンへの振動の伝達を減少させる。

[0006] 静的構造とベアリング支持回転要素との間に位置決めされるように構成される環状ベアリング支持ダンパの実施形態がさらに提供される。一実施形態において、環状減衰支持部は、静的構造に固定的に連結されるように構成される環状ハウジングアセンブリと、環状ハウジングアセンブリ内に形成され、減衰流体で充填可能な減衰流体環部と、環状ハウジングアセンブリに動作可能に連結され、減衰流体環部と流体連通する、円周方向に隔てられるダンパピストンのアレイと、を含む。円周方向に隔てられるダンパピストンのアレイは、ベアリングに固定的に連結され、それとともに動き、回転要素の回転中に、減衰流体環部の周りの減衰流体の流れに力を与え、ベアリングと静的構造との間に伝達される振動を減衰させる。

[0007]さらに、環状ベアリング支持ダンパを製造する方法の実施形態が提供される。一実施形態において、本方法は、減衰流体環部を備える環状ハウジングアセンブリを提供するステップと、減衰流体環部に流体連通する、円周方向に隔てられる減衰ピストンのアレイを配置するステップと、環状ハウジングアセンブリと円周方向に隔てられる減衰ピストンのアレイとの間に複数のベローズを密封式に連結させるステップと、を含む。

[0008]以下の図面とともに本発明の少なくとも１つの例が説明される。図面において同様の符号は同様の要素を示す。

多数のローターベアリングを含む例示的なガスタービンエンジンの機能的な概略図である。 本発明の例示的な実施形態による、図１に示されるガスタービンエンジン内での使用に適合的な環状ベアリング支持ダンパの斜視図である。 本発明の例示的な実施形態による、図１に示されるガスタービンエンジン内での使用に適合的な環状ベアリング支持ダンパの分解図である。 例示的な充填ポート装置を示す、図２、３に示される環状ベアリング支持ダンパの一部の断面図である。 図２−４に示される環状ベアリング支持ダンパの一部の切り出し図であり、支持ダンパに含まれるダンパピストンの詳細を示す図である。 図２−４に示される環状ベアリング支持ダンパの一部の断面図であり、支持ダンパに含まれるダンパピストンの詳細を示す図である。 図２−６に示される環状ベアリング支持ダンパが多軸３パラメータ振動分離装置として機能する方法を示す機能的な概略図である。 本発明のさらなる例示的な実施形態による環状ベアリング支持ダンパの長手平面に沿って切り出された断面図である。 本発明のさらなる例示的な実施形態による環状ベアリング支持ダンパの半径平面に沿って切り出された断面図である。

[0015]以下の詳細な説明は、本来的に単なる例示であり、本発明を制限、あるは本発明の用途や使用を制限することを意図するものではない。さらに、上述の背景または以下の詳細な説明で示されるいかなる理論にも結び付けられる意図はない。

[0016]以下は、環状支持ダンパの例示的な実施形態を説明し、これは、多軸３パラメータ装置として機能し、複数の自由度、より具体的には、支持ダンパ内に入れ子にされるベアリングに対して全ての半径方向において、実質的に線形の減衰および剛性プロファイルを提供する。有利には、環状ベアリング支持ダンパは受動的液圧装置であり、これは、能動的な潤滑供給および配管を必要としない。さらに、環状ベアリング支持ダンパは、非常に小型で軽量である。これらの理由のため、環状ベアリング支持ダンパの実施形態は、特にガスタービンエンジン内での配備に好適であり、以下に説明される。この好ましい用途にも関わらず、本明細書で説明される環状ベアリング支持ダンパの実施形態は、いかなる意味でも特定の用途での使用に限定されず、ローターのダイナミクスおよびローターアセンブリの中心線制御を最適化するために、制御され、ベアリング支持位置において線形のベアリング剛性および減衰特性が望まれるような任意の回転機械内で使用できる。具体例として、環状ベアリング支持ダンパの実施形態は、ターボ過給機のような他のタイプのタービン機械内での使用に好適である。

[0017]図１は、例示的な実施形態によるガスタービンエンジン（ＧＴＥ）２０の機能的な概略図である。例として、ＧＴＥ２０は、エンジンケース２２、吸気セクション２４、コンプレッサセクション２６、燃焼セクション２８、タービンセクション３０、および排気セクション３２を含む３スプールターボファンエンジンとして図１に示されている。吸気セクション２４は、ファンケース３６内に取り付けられるファン３４を含む。コンプレッサセクション２６は、１つ以上のコンプレッサ（たとえば、中間圧力（ＩＰ）コンプレッサ３８および高圧力（ＨＰ）コンプレッサ４０）を含み、タービンセクション３０は、軸方向流れに直列に配置される１つ以上のタービン（たとえあば、ＨＰタービン４２、およびＩＰタービン４４、および低圧力（ＬＰ）タービン４６）を含む。ＨＰコンプレッサ４０およびＨＰタービン４２は、ＨＰシャフトまたはスプール４８の対向する端部上に取り付けられる。ＩＰコンプレッサ３８およびＩＰタービン４４は、ＩＰスプール５０の対向する端部に取り付けられる。ファン３４およびＬＰタービン４６は、ＬＰスプール５２の対向する端部に取り付けられる。ＬＰスプール５２、ＩＰスプール、およびＨＰスプール４８は同軸である。すなわち、ＬＰスプール５２は、ＩＰスプールを通って提供される長手方向チャネルを通って延びるようにすることができ、ＩＰスプール５０はＨＰスプール４８を通して提供される長手方向チャネルを通って延びるようにすることができる。複数のローターベアリング５６は、ＬＰスプール５２、ＩＰスプール５０、およびＨＰスプール４８の周りに様々な位置で配置され、エンジンの動作中に、スプール４８、５０、５２の高速回転を促進する。特定の構成に限定されないが、ローターベアリング５６は、それぞれ、典型的には、ボールベアリングまたはローラーベアリングのような回転要素ベアリングの形態をとり、これは、外側スリーブまたはカートリッジ内に配置されてもされなくてもよい。ベアリング５６は、様々な内側壁または非回転構造要素あるいはＧＴＥ２０内に提供される構造に取り付けられ、これらは、部分的にまた一般的に図１で符号５７により示される。エンジンケース２２とともにそのような非回転構造要素は、ここでは集合的に「エンジンハウジング」と称される。スプール４８、５０、５２、およびそこに取り付けられる、駆動される要素は、ここでは集合的に「ローターアセンブリ」と称される。

[0018]図１に示され、本稿で説明されるように、ＧＴＥ２０は例として提供される。本発明の実施形態は、様々なタイプのガスタービンエンジンに等しく適用できることを理解できるであろう。これには、限定するわけではないが、他のタイプのターボファン、ターボプロップ、ターボシャフト、ターボジェットエンジンなどが含まれる。さらに、ＧＴＥ２０の具体的な構造は、異なる実施形態により様々な構造となる。たとえば、いくつかの実施形態において、開放ローター構成を採用でき、この場合、ファン３４は外側ファンケース内に取り付けられない。他の実施形態において、ＧＴＥ２０は、軸方向コンプレッサの代わりに半径方向に配置される（遠心性の）コンプレッサを採用することができる。ローターベアリング５６の数、配置、およびタイプは、当然にＧＴＥ２０の異なる実施形態において変化し、たとえばＧＴＥ２０内に含まれるスプールの数などの様々な設計パラ−メタに応じて変化する。以下に主として航空機に搭載されるものとして説明されるが、ＧＴＥ２０は、特定のプラットフォームに搭載されるように限定されず、他のタイプの車両（たとえば、船舶、地上車両、戦車など）上に搭載することもでき、補助的なパワーユニット内、または工業用発電機内に含まれるようにすることもできる。

[0019]ＧＴＥ２０の動作中、空気は吸気セクション２４内に引き寄せられ、吸気ファン３４により加速される。加速された空気の一部は、前方スラストを生成するために、ファンケース３６とエンジンカウルとの間に配置されるバイパスセクションを通って導かれる。ファン３４から排気された空気の残りの部分は、コンプレッサセクション２６内に導かれ、ＩＰコンプレッサ３８およびＨＰコンプレッサ４０により圧縮される。圧縮された空気は、その後、燃焼領域２８内に流れ、ここで空気は燃料と混合され、複数の燃焼器（図１には１つだけ示されている）により燃焼される。燃焼した空気は急激に膨張し、タービンセクション３０を通って流れて、それによりタービン４２、４４、４６を回転させる。タービン４２、４４、４６の回転（および、それゆえスプール４８、５０、５２の回転）は、それぞれＨＰコンプレッサ４０、ＩＰコンプレッサ３８、およびファン３４の回転を駆動する。最後に、タービンセクション３０を通過した後、空気は、排気セクション３２に取り付けられる排気ノズル５８を通って排気され、追加の前方スラストを提供する。

[0020]ローターの不均衡、ベアリングの不完全性等により、スプール４８、５０、５２の回転中に振動が生成されて、ローターベアリング、エンジンハウジングを通って伝達され、最終的に航空機の胴体に伝達される。上述したように、回転要素の振動は、振動を客室に伝達されることがあり、乗客の快適さを損ない、エンジンの性能を低下させ、ローターベアリングおよび他のエンジン要素の動作寿命を制限する。それゆえ、ローターベアリング５６からエンジンハウジングへの振動とともに、ローター要素の振動を最小化するために、ＧＴＥ２０は、さらに、少なくとも１つのローターベアリング５６の周りに配置される少なくとも１つの環状ダンパベアリング支持を備える。従来のバネ中心決めスクイーズフィルムダンパと異なり、環状ダンパベアリング支持は、ＧＴＥ２０の動作範囲にわたって実質的に線形の減衰および剛性プロファイルを提供する、受動的な液圧装置を提供する。環状ベアリング支持ダンパの第１の例は、図２−７とともに以下で説明され、環状ベアリング支持ダンパの第２の例は、図８、９とともに以下で説明される。

[0021]図２は、本発明の例示的な実施形態による環状ベアリング支持ダンパ６０を示す斜視図である。環状ベアリング支持ダンパ６０は、環状ハウジングアセンブリ６２および中心決めバネ６４を含む。図２に示されるように、中心決めバネ６４は、浮遊端部６６および対向する固定端部６８を備える管状バネケージ（一般に「リスかご」と称される）の形態をとる。軸方向に延びる多数の可撓性ビーム７０は、浮遊端部６６を固定端部６８に接続する。ＧＥＴ２０（図１）内に取り付けられる場合、固定端部６８は、エンジンハウジング内に含まれる取り付け構造に固定または他の方法で取り付けられる。たとえば、固定端部６８は、複数の開口７２を含むように機械加工することができ、開口７２が複数のボルトまたは他の固定具（図示せず）を受け入れ、固定端部６８をガスタービンエンジン内の内側壁に取り付ける。可撓性ビーム７０は、中心決めバネ６４に高い程度の軸方向剛性を与え、一方で、バネ６４が半径方向に偏向するのを許容し、エンジンの動作中に固定端部６８と浮遊端部６６との間の相対運動を可能にする。図示の例において、可撓性ビーム７０は、概ね３時および９時の位置にグループ化され、それぞれが矩形の断面形状を備え、中心決めバネ６４に、水平方向よりも垂直方向により大きな剛性を与える。中心決めバネ６４は、従来のバネ中心決めされるスクイーズフィルムダンパ内で使用される中心決めバネに類似するものとすることができ、また、いくつかの実施形態においては、中心決めバネ６４は、以下でより詳細に説明されるように、第２機械加工により容易に入手できるスクイーズフィルムダンパの中心決めバネから形成することができる。

[0022]固定端部６８と対照的に、中心決めバネ６４の浮遊端部６６は、静的なエンジン構造に直接的には取り付けられず、支持ダンパ６０（図２ではハウジングアセンブリ６２により隠れており、図３、５、６とともに以下で説明する）を含む円周方向に隔てられたダンパピストンのアレイに固定的に連結される。中心決めバネ６４の浮遊端部６６は、図１に全体的に示されるベアリング５６の１つのようなローターベアリングを係合的に受け入れるようにサイズおよび形状が決められる。組み立て中、ローターベアリングの最外要素（たとえば外側リング）の外側周縁表面が浮遊端部６６の内側周縁表面に接触するように、ローターベアリングは、浮遊端部６６により画定される円筒形開口部内に係合的に挿入される。ローターベアリングは、任意の捕獲方法または手段を用いて、浮遊端部６６内に保持されるようにすることができ、たとえば以下で説明されるタイプの熱嵌合技術を用いることができる。明確さのために図２には示されていないが、少なくとも１つのローターシャフトまたはスプール（たとえば、図１に示されるスプール４８、５８、５２）は、中心決めバネ６４の長手方向チャネルを通って延び、ベアリング支持ダンパ６０を通って延び、また、浮遊端部６６内に入れ子にされるローターベアリングを通って延びる。ローターベアリングは、ベアリング支持ダンパ６０を通って延びるスプール（または同軸スプール）を支持する。中心決めバネ６４の半径方向のコンプライアンスのため、ローターベアリングは、エンジンハウジング内でローターベアリングおよびローターアセンブリとともに半径方向に移動することができる。中心決めバネ６４は、浮遊端部６６を弾性的にバイアスし、それゆえ、ローターベアリングおよびローターアセンブリは、半径方向の変位の後にエンジンの中心位置に戻り、エンジンの動作中にローターアセンブリの最適な位置決めを維持するのを助ける。

[0023]支持ダンパ６０がガスタービンエンジン内に搭載される場合、環状ハウジングアセンブリ６２は、エンジンハウジング内に含まれる内部静的構造に取り付けられる。図示の例において、複数の開口７６がハウジングアセンブリ６２の半径面に提供され、ハウジングアセンブリ６２が、ガスタービンエンジン内に設けられる対応する取り付け構造（たとえば係合内壁）にボルト固定されるようにすることができる。注目すべきことに、限られた数の開口７６は、ガスタービンエンジンにこのような方法で取り付けることができ、一方、他の開口７６は、単に重量軽減の目的のために、環状ハウジングアセンブリ６２に設けることができる。環状ハウジングアセンブリ６２の内側周壁と中心決めバネ６４の浮遊端部６６の外側環状表面との間に、比較的に小さな環状クリアランスまたは半径方向ギャップ７８が設けられる。半径ギャップ７８は、浮遊端部６６の半径方向運動を可能にし、それゆえ、浮遊端部６６により保持される図示しないベアリングの、環状ハウジングアセンブリ６２および静的エンジン構造またはハウジングに対する半径方向の運動を可能にする。ギャップ７８の幅は、比較的に狭いものとすることができるが、環状ベアリング支持ダンパ６０により提供される比較的に高い剛性および線形の減衰特性の観点から、浮遊端部６６と環状ハウジングアセンブリ６２との間に、限られた量の半径方向変位が必要とされる。

[0024]図３は、環状ベアリング支持ダンパ６０および内側環状部材８０の分解図であり、これは、中心決めバネ６４の浮遊端部６６内に位置決めすることができる。内側環状部材８０は、好ましくは、ベアリング支持ダンパ６０内に入れ子にされるローターベアリングの外側リングとして機能するが、代わりに、内側環状部材は、浮遊端部６６と浮遊端部６６内に保持されるローターベアリングとの間に位置決めされる介在構造要素（たとえばアダプタスリーブ）として機能するようにすることができる。環状ハウジングアセンブリ６２は、２つの係合部材から組み立てられ、すなわち、環状ハウジング中心部品８２および環状カバー部品から組み立てられる。環状ハウジング中心部品８２は、内側リング部８６および２つの対向する側壁８８を含む。対向する側壁８８は、内側リング部８６から半径方向外側に延び、環状チャネルを側方に拘束し、これは、ハウジング中心部品８２の内側リング部８６に外接する。組み立て中、カバー部品８４は、環状ハウジング中心部品８２の周りに位置決めされこれを囲み、環状ハウジングアセンブリ６２内に減衰流体環部９４を画定する。環部９４を囲う密封シールまたは少なくとも液密シールを形成するために、カバー部品８４は、組み立て中に、側壁８８の外側周縁に溶接することができる。ハウジング中心部品８２およびカバー部品８４は同心に固定的に結合されるので、減衰流体環部９４の形状は、従来のスクイーズフィルムダンパの可変形状の環部とは対照的に、ベアリングダンパ６０の動作を通して一定のままである。減衰流体環９４は、支持ダンパ６０を通る長手方向面に沿って切り出した場合に、矩形断面の形状を備えることができ、減衰流体環部９４の軸方向の幅は、環９４の半径方向の高さの数倍大きい。

[0025]環部９４がシリコンベースオイルのような減衰流体で満たされるようにするために、支持ダンパ６０はさらに充填ポート装置を備える。図４は、ハウジング中心部品８２の断面図であり、ハウジング中心部品８２に形成される充填チャネル１２０を含む充填ポート装置の例を示している。充填チャネル１２０は、入口１２０、出口１２４、および拡大スロート１２６を含み、これは、円錐座部１２８を形成するようい半径方向内側にテーパーが付けられている。入口１２２は、ハウジング中心部品の側壁８８を通って形成され、ハウジングアセンブリ６２の外部からの手動アクセスを可能にし、出口１２４は、内側リング部８６の外側周縁表面に形成され、減衰流体を減衰流体環部９４内へ導く。減衰流体環部９４の充填の後、充填チャネル１２０は、たとえば圧縮要素１３０（たとえば銅球）の円錐座部１２８に対する変形によりシールされる。図４に示されるように、圧縮要素１３０は、セットスクリュー１３２を回転させることで円錐座部１２８に対してシール式に変形することができ、これは、拡大スロート１２６内に係合可能に位置決めされる。明確さのために図２−４には示されていないが、環状ベアリング支持ダンパ６０は、熱補償システム（たとえば、バネ付勢プランジャまたは内部ベローズ）を含むことができ、ガスタービンエンジンの動作中の流体の温度変化による減衰流体の体積変化に対処する。

[0026]図２、３を参照すると、ダンパピストン９０のアレイは、支持ダンパ６０の円周の周りで所定の角度間隔で間隔が隔てられる。ダンパピストン９０は、ハウジング中心部品８２の内側リング部分８６を通って設けられる複数の半径方向開口部９２内に受け入れられる。半径方向開口部９２は、各ピストン９０の最内端部が中心決めバネ６４の浮遊端部６６に直接的に固定できるように、また、各ピストンの反対側の端部（すなわち、ヘッド）がハウジング中心部品８２の内側リング部材８６を通して位置決めされて環部９４内の減衰流体に露出されるように、ダンパピストン９０を位置決めすることを可能にする。以下で図５、６とともに説明するように、ダンパピストン９０は、浮遊端部６６に固定的に取り付けられ、これとともに、環状ハウジングアセンブリ６２および静的エンジン構造に対して移動する。所与の半径方向への浮遊端部６６の運動は、それぞれの開口部９２内でのピストン９０の並進および側方の両方の運動を生じさせることになる。複数のベローズ１０４は、ダンパピストン９０とハウジング中心部品８２との間でシール式に結合され、減衰流体が環部９４から漏れるのを防止し、一方で、ピストン９０の並進および側方の運動を許容し、これらは図５、６とともに以下でさらに説明される。

[0027]図５、６は、それぞれ環状支持ダンパ６０の一部（図示されないカバー部品８４）の切断図および断面図であり、１つのダンパピストン９０および対応するベローズ１０４を拡大して示している。図から見てとれるように、ダンパピストン９０は、ピストンシャフト１００およびピストンキャップ１０２を含み、これはシャフト１００の半径方向外側端部に固定されている。ピストンキャップ１０２の反対側のピストンシャフト１００の端部は、中心決めバネ６４の浮遊端部６６に固定される。ピストンシャフト１００が浮遊端部６６に取り付けられる具体的な方法は、異なる実施形態により様々であろう。たとえば、複数の固定具開口部７４は、浮遊端部６６を通して設けることができ、これは、環状ハウジングアセンブリ６２が浮遊端部６６に関して適切に位置決めされロックされたときにシャフト１００に整合する。複数の固定具１０８は、その後、ピストンシャフト１００に設けられた開口部７４およびボア１０６内に配置され、ダンパピストン９０を中心決めバネ６４の浮遊端部６６に固定する。そのような、取り付けインターフェースは、浮遊端部６６が半径方向に移動するときに、ダンパピストン９０が中心決めバネ６４の浮遊端部６６により押され、また、引っ張られるようにする。

[0028]ピストンキャップ１０２は動作表面１１８を備え、これは環部９４内に収容される減衰流体に露出されて流体連通する。例示的な実施形態において、ピストンキャップ１０２は、円形の平面形状を備えるディスク形状本体の形態をとり、これは、ハウジング中心部品８２の内側リングピストン８６に設けられる概ね半径開口部９２の形状に一致する。相対的に狭い環状ギャップまたは円周クリアランス１１６がピストンキャップ１０２の周りに設けられ、開口部９２内でのピストン９０の側方運動を可能にする。図示の例において、動作表面１１８は、内側リング部８６の周縁表面と実質的同一面となり、環状支持ダンパ６０が通常位置または設計位置にあるときに、減衰流体環９４の内側周縁を結合する。動作表面１１８は、好ましくは、緩やかな傾斜の凸形状の外側形状（図６に最もよく示されている）を備え、減衰流体が内側リング部８６の外側周縁表面および動作表面１１８を流れるときに、実質的に中断されない遷移を提供する。

[0029]ベローズ１０４は、ピストンキャップ１０２をハウジング中心部品８２にシール式に連結し、具体的には、ピストンキャップ１０２の下側を、ダンパピストン９０が収容される開口部９２を画定する中心部品８２の内側周縁表面にシール式に結合する。符号１１０で示されるように、ベローズ１０４の半径方向の内側エッジは、開口部９２に設けられる内側周辺棚部１１２に第１周縁溶接結合によりシール式に結合することができる。同様に、ベローズの半径方向外側のエッジは、第２周縁溶接結合によりピストンキャップ１０２の下側にシール式に結合することができる。図示の例において、ベローズ１０４は、外部的に圧力を加えられ、すなわち、ベローズ１０４の外側表面は環９４内の減衰流体に露出され、一方、ベローズ１０４の内側表面は周囲の空気に露出される。ピストンキャップ１０２の場合のように、周縁クリアランス１１６がベローズ１０４の周りに設けられ、側方の偏向を可能にする。ベローズを形成する材料の選択、壁の厚さの偏向、および、ベローズ内に含まれるひだの数の変更により、ベローズ１０４の側方および軸方向の剛性は所望により調整することができる。ベローズ１０は、必須ではないが好ましくは、相対的に高温度に耐性がある相対的に軽量の金属または合金から形成される。

[0030]図２−５に示され、図２、３において最もよく示される例示的な実施形態において、環状ベアリング支持ダンパ６０は、４個のダンパピストン９０および４個の対応するベローズ１０４を含み、これらはダンパ６０の中心線について対称に配置され、約９０度の間隔で隔てられる。この構造的な配置の結果として、２つのダンパピストン９０は、第１直径に沿って直径方向の反対側またはベアリング支持ダンパ６０の対向関係に配置され、また、２つのダンパピストン９０は、実質的に第１直径に垂直なベアリング支持ダンパ６０の第２の直径に沿って直径方向の反対または対向関係に配置される。換言すれば、ベアリング支持ダンパ６０は、直交する第１および第２の軸に沿って対向するピストン９０のペアを２つ含み、これらの軸は、ダンパ６０の中心線に実質的に直交し、より一般的には、ＧＴＥ２０（図１に示される）の中心線に直交する。上述したように、各ダンパピストン９０と対応する開口部９２の内側との間に周縁クリアランスが提供され、ピストン９０の限られた側方運動を可能にする。このようにして、直径方向に対向するピストン９０の所与のペアは、側方に偏向することができ、中心決めバネ６４の浮遊端部６６が任意の半径方向に移動するときに、直径方向に対向するピストン９０の他のペアの軸方向運動（拡張および収縮）に対処する。さらなる実施形態において、環状ベアリング支持ダンパ６０は、より多くのまたは少ない数のピストンおよびベローズを含むことができ、ダンパ６０の周縁に規則的な間隔で隔てるようにしてもしなくてもよい。

[0031]中心決めバネ６４の浮遊端部６６の運動、および、より一般的には浮遊端部６６内に保持されたベアリングおよびスプールの任意の所与の変形方向における運動は、少なくとも１つのダンパピストン９０の、ベアリング支持ダンパ６０の中心線から離れるような軸方向の運動を生じさせ、また、同時に、対向するダンパピストン９０の、ベアリング支持ダンパ６０の中心線に向かう軸方向の運動を生じさせる。同時に、対向するダンパピストンは、ダンパ６０の中心線から軸方向に離れるように運動し、半径方向開口部９２内に引っ込み、変位した減衰流体に収容または対応する。ダンパピストン９０の運動は、減衰流体環９４の周りで減衰流体を流れさせ、ローターベアリングから周囲のエンジン構造へ伝達される振動を減衰させる。環９４の形状が一定なので、また、ピストン９０の運動範囲が相対的に限られているので、環状支持ダンパ６０は、ＧＴＥ２０（図１）の動作周波数および振幅範囲にわたって実質的に均一な、または線形の減衰を提供することができる。ハウジング中心部品８２および中心決めバネ６４の浮遊端部６６は、接触するように構成することができ、浮遊端部６６およびダンパピストン９０の任意の所与の半径方向の変位を、予め決定された最大閾値に制限するハードストップを提供する。

[0032]環状ベアリング支持ダンパ６０は、複数の自由度で減衰を提供する３パラメータ装置と称することもでき、すなわち、全ての半径方向に３パラメータ減衰を提供する減衰装置である。さらに、この点を強調すると、図７は、静的（非回転）エンジンハウジング部材１４０とスプール４０の周りに位置決めされる回転ベアリング５６との間のベアリング支持ダンパ６０を機能的に概略図示している。ベアリング支持ダンパ６０は、複数の３パラメータダンパ１４４として機能し、これは、ローターベアリング５６の周りに円周方向に位置決めされ、ベアリング５６およびスプール４８の長手方向軸に実質的に直交する、実質的に垂直な軸に沿って減衰を提供する。各３パラメータ装置１４４は、以下の機械的要素を含む。すなわち、（ｉ）エンジンハウジング１４０とローターベアリング５６との間に、それゆえローターアセンブリに連結される主バネ部材Ｋ_Ａ、（ｉｉ）ハウジング１４０とベアリング５６との間に、第１バネ部材Ｋ_Ａに並列に連結される調整バネ部材Ｋ_Ｂ、（ｉｉｉ）第１バネ部材Ｋ_Ａに並列に、また、第２バネ部材Ｋ_Ｂに直列に、エンジンハウジング１４０とベアリング５６との間に連結されるダンパＣ_Ａを含む。図示の例示的な実施形態において、Ｋ_Ａは中心決めバネ６４（図２、３、５）により支配的にまたは全体的に決定され、Ｋ_Ｂは、ベローズ１０４を含む、環状ハウジングアセンブリ６２とエンジンハウジングとの間の、意図的な調整バネに直列な、体積剛性アセンブリの組み合わせにより支配的にまたは全体的に決定され、Ｃ_Ａは、減衰流体環９４、円周方向に離間されるダンパピストン９０のアレイ、および支持ダンパ６０の他の要素により形成されるダンパにより支配的にまたは全体的に決定される。減衰されない装置および２パラメータ装置と比べると、３パラメータ装置は、より高い周波数において振動力の有意に低い伝達性を提供する。伝達性は以下の式で表現することができる。

式１
ここで、ローターアセンブリが振動源であり、エンジンハウジングが分離される本体である場合、Ｔ（ω）は伝達性であり、Ｘ_{ｏｕｔｐｕｔ}（ω）は出力運動（図７において矢印１４８で表される）、Ｘ_{ｉｎｐｕｔ}（ω）は入力運動（図７において矢印１４６で表される）である。逆に、振動がエンジンハウジングからローターアセンブリへ伝達される場合（すなわち、ローターアセンブリが分離される本体である場合）、入力運動は、支持ダンパ６０へ付与されるエンジンハウジングの運動であり、出力運動はローターアセンブリに生じる励起である。

[0033]環状ベアリング支持ダンパ６０のアセンブリは、以下のように機能してもよい。開始のため、中心決めバネ６４（図２、３）を生成することができる。中心決めバネ６４は、二次機械加工により、従来のバネ中心決めされるスクイーズフィルムダンパに用いられるタイプの現存する中心決めバネから有利に製造される。特に、浮遊端部６６の内側直径および外側直径は、たとえばフライス削りにより微細調整することができ、および／または、固定具開口部７４（図３）は、ドリル加工することができ、または浮遊端部６６を通して、他の方法で形成することができ、ダンパピストン９０（図３、５、６）の取り付けを容易にする。中心決めバネ６４（図２、３）の製造後、ハウジング中心部品８２を、たとえば環またはリング形状ブランクの機械加工から製造することができる。ダンパピストン９０は、その後、連続的に、ハウジング中心部品８２内に予め形成された半径開口部９２内に取り付けられ、ベローズ１０４をハウジング中心部品８２に溶接することができる。ベローズ１０４は、この接合部においてダンパピストン９０のキャップ１０２に溶接することができ、または、代替的に、予め溶接された状態で販売者から購入することができる。環状カバー部品８４（図２、３）は、その後、ハウジング中心部品８２の周りに位置決めされて溶接され、環部９４を密封して閉じる。熱補償システムを、予め存在するポート内に取り付けることができ、ハウジングアセンブリ６２に適切に溶接することができる。

[0034]例示的な組み立てプロセスを続けると、減衰流体環部９４は、次に、充填ポート装置９６（図４）を通して環部９４に導入される減衰流体で満たされ、これは前述した方法で密封することができる（すなわち、セットスクリュー１３２を回転させて銅ボールを円錐座部１２８に対して変形させ、図４に示されるような金属−金属のシールを形成する）。完全に組み立てられ減衰ピストンを含むハウジングアセンブリ６２は、中心決めバネ６４の浮遊端部６６の周りに位置決めすることができる。ハウジングアセンブリ６２は、浮遊端部６６に対して適切な角度方向または時計位置に回転させることができ、減衰ピストン９０（図５、６）のシャフト１００内に設けられるボア１０６に開口部７４を整合させる。環状ベアリング支持ダンパ６０の組み立てを完成させるため、固定具（たとえば、ソケットハードキャップスクリュー）を用い、中心決めバネ６４の浮遊端部６６を、ダンパピストン９０のシャフト１００に固定することができる。支持ダンパ６０の組み立て後、内側環状部材または内側ベアリングリング８０は、浮遊端部６６内に設けられる円筒形開口部内に取り付けることができ、たとえば、熱嵌合技術を用いることができ、ここで、内側ベアリングリン部８０は組み立て前に実質的に冷却され、その後、動作温度において膨張させられてインターフェース嵌合を形成し、内側ベアリング８０と中心決めバネ６４との間に堅固な接続を提供する。ローターベアリングの残りの部分は、その後、中心決めバネ６４内におよびベアリング支持ダンパ６０を通って延びるスプール（または同軸の複数のスプール）の周りに組み立てることができる。最後に、アセンブリの全体は、部分的に構築されたガスタービンエンジン内に位置決めされ、環状ハウジングアセンブリ６２および中心決めバネ６４の固定端部６８はエンジンハウジングに固定される。上述の例は例示であり、環状ベアリング支持ダンパ６０が組み立てられ、および、ガスタービンエンジン内に取り付けられる具体的な方法は、異なる実施形態において様々となり得る。

[0035]上記のように環状ベアリング支持ダンパの例示的な実施形態が提供され、これは、ガスタービンエンジン内に含まれ、従来のバネ中心決めスクイーズフィルムダンパと同様の空間を占め、優れた減衰および剛性の特性を備える。また、上記は、そのような環状ベアリング支持ダンパの例示的な製造方法を提供した。上述の実施形態において、環状ベアリング支持ダンパは、ローターベアリングから独立して製造されたが、これは必ずしも必要なことではない。代替的に、さらなる実施形態において、環状ベアリング支持ダンパは、中心決めバネの浮遊端部の内側周縁表面がローターベアリングの外側リングとして機能するように設計することができる。そのような環状ベアリング支持ダンパの例が、図８、９とともに以下で説明される。

[0036]図８、９は、本発明のさらなる例示的な実施形態による、それぞれ、長手方向面および半径平面に沿って切り出された環状ベアリング支持ダンパ１６０（部分的に図示）の断面図である。多くの点において、環状ベアリング支持ダンパ１６０は、図１−７とともに説明した環状ベアリング支持ダンパ６０と類似している。たとえば、環状ベアリング支持ダンパ１６０は、固定端部１６３、浮遊端部１６４、および端部１６３、１６４の間を延びる複数の可撓性ビーム１６６を備える中心決めバネ１６２を含み、また、浮遊端部１６４の周りに位置決めされ、半径ギャップ１７０によりそこから離間されるダンパハウジングアセンブリ１６８を含み、また、支持ダンパ１６０の長手方向軸の周りに円周方向に隔てられるダンパピストン１７２のアレイ（図８、９には１つだけ示され、以下で説明される）を含む。前述の場合と同様に、ダンパピストン１７２は、拡大ピストンヘッドまたはキャップ１７４およびピストンシャフト１７６を含む。ダンパピストン１７２は、ダンパハウジングアセンブリ１６８内に設けられる区画１８０内に収容される。ベローズ１７８は、ダンパヒストン１７２をダンパハウジングアセンブリ１６８に密封連結させる。特に、ベローズ１７８の第１端部は、区画１８０の内側表面に密封接合され（たとえば円周方向に溶接され）、ベローズ１７８の反対の端部は、ピストンキャップ１７４の下側に密封接合される（たとえば円周方向に溶接される）。ピストンキャップ１７４は、ダンパハウジングアセンブリ１６８内に設けられる減衰流体環部１８２の外側周縁部に流体連通して結合する。

[0037]支持ダンパ６０に含まれるダンパピストン９０のように、ダンパピストン１７２は、中心決めバネ１６２の浮遊端部１６４に固定的に連結される。しかし、図３、５、６とともに上述したダンパピストン９０と比べると、ダンパピストン１７２は、端部１６４の内側リング部材を通して浮遊端部１６４に接続されない。代わりに、ピストンシャフト１７６が、ピストンキャップ１７４から半径方向外側に延び、ダンパハウジングアセンブリ１６８内に設けられた半径開口部１８４を通る。浮遊端部１６４から延びるコネクタアーム１８６（たとえば実質的にＬ形状延長部）は、ピストンシャフト１７６の突出端部に取り付けられる。このようにして、浮遊端部１６４の内側周縁表面を通る開口部の形成が避けられ、これは、浮遊端部１６４の内側周縁表面が、中心決めバネ１６２の浮遊端部１６４内に取り付けられる回転要素ベアリング（図示せず）の外側レースとして機能することを可能とする。

[0038]上記のように、環状ベアリング支持ダンパの実施形態が提供された。上述のベアリング支持ダンパは、能動的な潤滑供給を必要とせず、また、従来のスクイーズフィルムダンパの場合と比較して、ガスタービンエンジンの全体のコスト、部品数、複雑さ低減する。さらなる利点として、上述の環状ベアリング支持ダンパは、ガスタービンエンジンの動作周波数範囲にわたり実質的に線形の減衰および剛性プロファイルを提供するように調整できる。また、環状ベアリング支持ダンパは、剛性および減衰プロファイルの独立した調整を可能にする。環状ベアリング支持ダンパは、臨界モードにおいてまたはそれを通って動作するときでも、ガスタービンエンジンの全動作範囲にわたって、ローターが発生させる振動のエンジンハウジングへの伝達を有意に低減することができ、また、それゆえ、航空機の胴体への振動の伝達を低減できる。さらなる利点として、上述のベアリング支持ダンパは、高い、予測可能な、また線形の剛性を提供し、ローターアセンブリの変位を最小化し、改良された中心線制御を提供する。これは、ガスタービンエンジンを、よりよい反作用静的負荷条件（たとえば重力サグまたは動作負荷）に設計できるようにし、また、チップクリアランスを減少させることでエンジン性能を向上させることを可能にする。ガスタービンエンジンとともに説明したが、環状支持ダンパの実施形態は、ターボチャージャおよびタービン機械一般を含む他のタイプの回転機械内での使用にも適合的であることを強調しておく。

[0039]上述の詳細な説明において少なくとも１つの例示的な実施形態が説明されたが、多数の変形例が存在し得ることを理解されたい。また、１つまたは複数の例示的な実施形態は単なる例示であり、本発明の範囲、用途、構成をいかなる意味でも限定することを意図するものではないことを理解されたい。むしろ、上述の詳細な説明は、当業者に本発明の例示的な実施形態を実行する便宜的なロードマップを提供するものである。添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態で説明された要素の機能および構成を様々に変更できることを理解されたい。

Claims (3)

1. ガスタービンエンジン（２０）であって、
   エンジンハウジング（１４０）と、
   前記エンジンハウジング（１４０）内に配置されるローターアセンブリと、
   前記エンジンハウジング（１４０）内の前記ローターアセンブリを支持するローターベアリング（５６）と、
   前記ローターベアリング（５６）と前記エンジンハウジング（１４０）との間に配置される環状ベアリング支持ダンパ（６０、１６０）と、を有し、
   前記環状ベアリング支持ダンパ（６０、１６０）は、
   前記エンジンハウジング（１４０）に固定的に連結される環状ハウジングアセンブリ（６２、１６８）と、
   前記環状ハウジングアセンブリ（６２、１６８）内に形成され、減衰流体を充填することができる減衰流体環部（９４、１８２）と、
   前記環状ハウジングアセンブリ（６２、１６８）に移動可能に連結され、前記減衰流体環部（９４、１８２）に流体連通する、円周方向に離間するダンパピストン（９０、１７２）のアレイと、を有し、円周方向に離間するダンパピストン（９０、１７２）のアレイは、前記ローターベアリング（５６）に固定的に連結され、これと共に移動し、ガスタービンエンジン（２０）の動作中に、前記減衰流体環部（９４、１８２）の周りでの減衰流体の流れに力を与え、前記エンジンハウジング（１４０）への振動の伝達を低減させる、ガスタービンエンジン。
2. 請求項１に記載のガスタービンエンジン（２０）であって、前記環状ベアリング支持ダンパ（６０、１６０）は、前記ローターベアリング（５６）に外接する３パラメータ装置（１４４）である、ガスタービンエンジン。
3. 請求項１に記載のガスタービンエンジン（２０）であって、環状ハウジングアセンブリ（６２、１６８）は、
   前記減衰流体環部（９４、１８２）を画定する周縁壁と、
   前記周縁壁に形成され、前記円周方向に離間されるダンパピストン（９０、１７２）のアレイを収容する複数の半径方向開口部（９２）と、を有し、
   円周方向に離間するダンパピストン（９０、１７２）のアレイは、
   複数のピストンキャップ（１０２、１７４）を有し、前記ピストンキャップの各々は、浮遊端部（６６、１６４）に固定的に連結され、
   前記アレイは、前記複数のピストンキャップ（１０２、１７４）を前記環状ハウジングアセンブリ（６２、１６８）に密封式に連結させる複数のベローズ（１０４、１７８）を有する、ガスタービンエンジン。

Images