JP2016211559A - 取付組立体及び取付組立体を備えたガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】高温環境での利用を可能にする取付組立体及び取付組立体を備えたガスタービンエンジンを提供すること。【解決手段】中央構造体を該中央構造体の周囲を少なくとも部分的に囲む外側構造体に取り付ける取付組立体であって、該取付組立体が、中央構造体又は外側構造体の一方内に設けられ、第１の貫通路を定めるブッシュと、第１の貫通路内に滑動可能に装着されて第２の貫通路を定めるブッシュ取付部材と、中央構造体又は外側構造体の他方に設けられたネジ付き通路と、第１の貫通路及び第２の貫通路を通過して、ネジ付き通路に螺入されるボルトと、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的に、取付組立体及び取付組立体を備えたガスタービンエンジンに関する。

タービンエンジン及び特にガス又は燃焼タービンエンジンは、エンジンを通って複数のタービンブレードに送られる燃焼ガスの流れからエネルギーを取り出す回転エンジンである。燃焼からの排気ガスは、高圧タービン及び低圧タービンを通って流れた後、排気ノズルを通じてタービンエンジンから出る。排気ノズル内にある排気ガス及び排気ノズルから出る排気ガスは、極めて高温である。排気ガスは、排気ノズルを含むタービンエンジンの構成要素に熱を伝達する。タービンエンジンの構成要素が排気ガスから熱を吸収すると、タービンエンジンの発熱が増大する。このような熱に耐えることができる構成要素を用いることが有用となる。

米国特許第８，５９０，３１６号明細書

１つの態様において、本発明の１つの実施形態は、中央構造体を該中央構造体の周囲を少なくとも部分的に囲む外側構造体に取り付ける取付組立体に関し、該取付組立体が、中央構造体又は外側構造体の一方内に設けられ、第１の貫通路を定めるブッシュと、第１の貫通路内に滑動可能に装着されて第２の貫通路を定めるブッシュ取付部材と、中央構造体又は外側構造体の他方に設けられたネジ付き通路と、ヘッドとネジ付き部分を含むシャンクとを有するボルトと、を備え、ボルトが、第１の貫通路及び第２の貫通路を通過して、ヘッドがブッシュ取付部材と当接し、ネジ付き部分がネジ付き通路に螺入される。

別の態様において、本発明の１つの実施形態は、ガスタービンエンジンに関し、該ガスタービンエンジンが、中央本体と、中央本体の周りを囲む支持構造体と、中央本体を中央構造体に動作可能に結合し、中央本体に冷却空気を流すことを可能にするよう構成された取付組立体と、を備え、該取付組立体が、中央本体又は支持構造体の一方に設けられ、第１の貫通路を定めるブッシュと、第１の貫通路内に滑動可能に装着されて第２の貫通路を定めるブッシュ取付部材と、中央本体又は支持構造体の他方に設けられたネジ付き通路と、ヘッドとネジ付き部分を含むシャンクとを有するボルトと、を含み、ボルトが第１の貫通路及び第２の貫通路を通過して、ヘッドがブッシュ取付部材と当接し、ネジ付き部分がネジ付き通路に螺入される。

航空機のガスタービンエンジンの概略断面図。 本発明の１つの実施形態による、取付組立体を含む図１のガスタービンエンジンの一部の断面図。 本発明の１つの態様による、複数の取付組立体を含む図２に示された中央本体及び支持構造体の斜視図。 図２の中央本体及び中央構造体並びに取付組立体の一部の断面図。 図４の取付組立体の一部の上面図。 図４に示す中央本体及び中央構造体並びに取付組立体の一部を通る空気流を示す図。

本発明の実施形態は、ガスタービンエンジンで使用する取付組立体に関する。本発明の実施形態の環境を説明する目的で、図１は、取付組立体に対する環境を形成する航空機用の例示的なガスタービンエンジン１０を示している。本明細書で記載される原理は、ターボプロップ、ターボジェット、及びターボファンエンジン、並びに他の移動体又は定置用途で使用するタービンエンジンにも等しく適用することができることは理解されるであろう。エンジン１０は、略長手方向に延びる軸線、すなわち前方１４から後方１６に延びる中心線１２を有する。エンジン１０は、下流側直列流れ関係で、ファン２０を含むファンセクション１８と、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機２４及び高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機セクション２２と、燃焼器３０を含む燃焼セクション２８と、ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６を含むタービンセクション３２と、排気セクション３８とを含む。

ファンセクション１８は、ファン２０を囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２の周りに半径方向に配置された複数のファンブレード４２を含む。

ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０、及びＨＰタービン３４は、燃焼ガスを発生するエンジン１０のコア４４を形成する。コア４４は、ファンケーシング４０と結合することができるコアケーシング４６により囲まれる。エンジン１０の中心線１２の周りに同軸方向に配置されたＨＰシャフト又はスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動可能に接続する。より大きな直径の環状ＨＰスプール４８内にエンジン１０の中心線１２の周りに同軸方向に配置されたＬＰシャフト又はスプール５０は、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４及びファン２０に駆動可能に接続する。

ＬＰ圧縮機２４及びＨＰ圧縮機２６はそれぞれ、複数の圧縮機段５２，５４を含み、ここでは圧縮機ブレード５６，５８のセットが固定圧縮機ベーン６０，６２（ノズルとも呼ばれる）の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体ストリームを圧縮又は加圧する。単一の圧縮機段５２，５４において、複数の圧縮機ブレード５６，５８は、リング状に設けることができ、また、ブレードプラットフォームからブレード先端まで中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができ、他方、対応する固定圧縮機ベーン６０，６２は、回転ブレード５６，５８の下流側に隣接して位置付けられる。図１に示されるブレード、ベーン、及び圧縮機段の数は、例証として選択されおり、他の数も実施可能である点に留意されたい。

ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６はそれぞれ、複数のタービン段６４，６６を含み、ここではタービンブレード６８，７０のセットが固定タービンベーン７２，７４（ノズルとも呼ばれる）の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体ストリームからエネルギーを取り出すようにする。単一のタービン段６４，６６において、複数のタービンブレード６８，７０をリング状に設けることができ、またブレードプラットフォームからブレード先端まで中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができ、他方、対応する固定タービンベーン７２，７４は、回転ブレード６８，７０の下流側に隣接して位置付けられる。

中央本体８０の形態の中央構造体は、低圧タービンセクションに装着される。中央本体８０は、排気セクション３８に含められ、排気セクション３８内の排気ガスにおいて生成される乱流を最小限にするのに利用される。

作動時には、回転ファン２０は、周囲空気をＬＰ圧縮機２４に供給し、次いで、該ＬＰ圧縮機２４は、加圧した周囲空気をＨＰ圧縮機２６に供給して、該ＨＰ圧縮機２６が周囲空気を更に加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧空気は、燃焼室３０において燃料と混合されて点火され、これにより燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスはＨＰタービン３４に放出され、該ＨＰタービン３４がこれらのガスから仕事を取り出して、ＨＰ圧縮機２６を駆動する。次いで、燃焼ガスは、ＬＰタービン３６に吐出され、該ＬＰタービン３６が追加の仕事を取り出して、ＬＰ圧縮機２４を駆動し、最終的に排気ガスは、排気セクション３８を介してエンジン１０から排出される。ＬＰタービン３６を駆動することにより、ＬＰスプール５０を駆動してファン２０及びＬＰ圧縮機２４を回転させる。

ファン２０によって供給される周囲空気の一部は、エンジンコア４４をバイパスし、エンジン１０の一部分、特に高温部分の冷却に使用され、及び／又は航空機の他の態様の冷却又は動力供給に用いることができる。タービンエンジンの関連において、エンジンの高温部分は通常、燃焼器３０、特にタービンセクション３２の下流側にあり、ＨＰタービン３４は、燃焼セクション２８の直ぐ下流側にあるときに最も高温の部分である。冷却流体の他の供給源は、限定ではないが、ＬＰ圧縮機２４又はＨＰ圧縮機２６から吐出される流体とすることができる。

図２は、タービンセクション３２の支持構造体８２への中央本体８０の取り付けの詳細事項を示している。中央本体８０は、限定ではないが、セラミックマトリックス複合材を含む何れかの好適な材料から形成することができる。中央本体８０は、排気セクション内で高温に晒されるので、このような高温に対して好適な材料であることが必要となる。

支持構造体８２は、限定ではないが、コアケーシング４６を含むガスタービンエンジン１０の残りの部分に中央本体８０を動作可能に結合するための何れかの好適な構造体とすることができる。図２の例示的な実施例において、中央構造体は、図１のＨＰタービンベーン７４を支持する、ガスタービンエンジン１０のタービン排気フレームを含むことができる。例示的な実施例において、中央本体８０は、取付組立体８６を介して支持構造体８２のブラケット８４に取り付けられる。

図３に良好に例示されるように、支持構造体８２は、中央本体８０の周りを囲むことができ、複数の取付組立体８６を利用して、中央本体８０を支持構造体８２に装着することができる。複数の取付組立体８６は、中央本体８０及び支持構造体８２の周りに円周方向に離間して配置することができる。

図４は、取付組立体８６の拡大図を示し、また、中央本体８０を支持構造体８２に取り付けられたブラケット８４にどのように動作可能に結合するかを示している。ブラケット８４は、支持構造体８２の一部と一体的に形成することができ、又は、図示のように支持構造体の一部にボルト締めすることができる。何れにしても、ブラケット８４は、たわみを制限するため剛性の材料から形成することができる。

ブッシュ８８は、中央本体８０における開口９０内に設けられるように示されている。ブッシュ８８は、ストップ部を形成するショルダ８９において終端する円筒体８７と、第１の貫通路９２を定めることができる内部９１とを含むことができる。例示の実施例において、ブッシュ８８を中央本体８０に接してクランプするために、ワッシャ９４及びファスナー９６が利用される。ワッシャ９４は、ベベルワッシャ（皿バネ）を含む何らかの好適なワッシャとすることができる。ワッシャ９４は、中央本体８０に作用するクランプ荷重を、クランプ要素及び被クランプ要素の寸法上の累積及び熱成長を考慮に入れた最小設計意図値に制御することができる。あらゆる好適なファスナー９６を利用することができるが、ファスナーは、ワイヤ９８及びワイヤカラー１００を含むものとして例示されている。或いは、ファスナー９６は、ネジ付きナットを含むことができる。このような事例では、ブッシュ８８は、ネジ付き部分を含み、ネジ付きナットは、ワッシャ９４の圧縮を制御するためにブッシュ８８上の機械的ストップ部に衝突するまでブッシュ８８上に螺入されるようになる。

ブッシュ取付部材１０２は、ブッシュ８８によって定められた第１の貫通路９２内に滑動可能に装着することができる。ブッシュ取付部材１０２は、第２の貫通路１０４を定めることができる。

ネジ付き通路１１２は、支持構造体８２上に設けられるように示されており、取付組立体８６内に含めることができる。より具体的には、ナット１１０は、ブラケット８４上に装着されるように示され、ネジ付き通路１１２を形成するネジ付き開口を含む。ナット１１０は、限定ではないが、ナット１１０をブラケット８４にリベット留めすることを含む、あらゆる好適な方法でブラケット８４に装着することができる。

ヘッド１２２とネジ付き部分１２６を備えたシャンク１２４とを有するボルト１２６はまた、取付組立体８６に含めることもできる。ボルト１２０は、第１の貫通路９２及び第２の貫通路１０４の両方を通過することができる。ボルト１２０のヘッド１２２は、ブッシュ取付部材１０２に当接し、ネジ付き部分１２６は、ナット１１０のネジ付き開口１１２内に螺入されて、中央本体８０を支持構造体８２に拘束又は固定する。例示のように、ボルト１２０はまた、長さにわたって延びる第３の貫通路１２８を含むことができる。第３の貫通路１２８は、中央構造体８０の内部から、支持構造体８２に含まれる中央本体８０の外部までの流路を定める。

取付組立体８６は、中央本体８０を支持構造体８２に動作可能に結合するのにあらゆる好適な方式で形成することができることは理解されるであろう。１つの実施形態において、ブッシュ８８の内部９１は円筒形とすることができ、ブッシュ取付部材１０２は、ブッシュ８８とブッシュ取付部材１０２との間で旋回継手を可能にする少なくとも部分的に丸みのある断面を有する環状ショルダを有することができる。これによりブッシュ８８とブッシュ取付部材１０２との間で旋回継手が可能になる。本取付組立体は、ブッシュ８８とブッシュ取付部材１０２との間で旋回継手に起因して、各ブッシュ８８にて転倒モーメントを与えることなく、このプラグ荷重を支持構造体８２に伝達することができる。１つの実施形態において、ブッシュ取付部材１０２の上側直径１３２は、半径方向偏心度が０．０２５インチで偏心することができる。図５は、取付組立体８６の上面図であり、ブッシュ取付部材１０２の偏心度をより良好に示している。ブッシュ取付部材１０２の上側直径１３２が偏心していることを良好に例示するために、ボルト１２０は取り外されている。

再度図４を参照すると、例えば、ブッシュ取付部材１０２の他の全ての特徴要素を含めたブッシュ取付部材１０２の他の特徴要素は、ボルト１２０の軸線１３４と同心とすることができる。ブッシュ取付部材１０２の上側直径１３２と、ブッシュ８８の内部９１の直径との間のクリアランスは極めて小さくすることができる。非限定的な実施例として、このクリアランスは、約０．００３インチとすることができる。ブッシュ取付部材１０２の突出部１３６と、ブラケット８４の円周方向スロット１３８との間のクリアランスは、同じ大きさのものとすることができる。ブッシュ取付部材の偏心度を利用して、中央本体８０の軸方向位置の調整を可能にすると共に、取付組立体８６の種々の特徴要素の位置公差に適応することができる。このことには、中央本体８０の前方端部と支持構造体８２の後方端部との間の軸方向距離を設定するのに既知の厚さのシム（図示せず）を使用できることが含まれる。中央本体８０が軸方向に位置付けられた後で、ブッシュ取付部材１０２を所定位置に挿入することができる。開口全てが理論上の位置にある場合、調整する必要はない。一部の開口が製造公差の範囲内で所定位置からずれている場合には、ブッシュ取付部材１０２をブラケット８４の円周方向スロット１３８において円周方向に並進するようにボルト中心線の周りに転回させることができる。これらの調整によって、ブッシュ取付部材１０２は、ブッシュ８８の内部９１及びブラケット８４の円周方向スロット１３８の両方と係合できるようになる。

代替として、ブッシュ取付部材１０２は、該ブッシュ取付部材１０２の他の特徴要素と同心の上側直径１３２を有することができる。このような場合、ブラケット８４のスロット１３８は、小さなクリアランス開口を有するように修正でき、他方、複数の取付組立体８６の他のブラケット８４の一部は、大きなクリアランス孔を有する。この代替形態は、中央本体８０の軸方向位置の調整をすることは可能ではないが、設置者は、どのような追加の調整をすることもなく単にブッシュ取付部材１０２を所定位置に差し込むだけでよいので、組み立てがより容易になる。このような場合、ブッシュ取付部材１０２及びボルト１２２は単一部品として形成することができる。

図６においてより明確に示されるように、中央本体８０と支持構造体８２の一部の間に制御ギャップ１４０が配置される。圧縮機抽気などの冷却流を取付組立体８６に提供する空気流は、矢印で例示されている。１つの空気流１５０が、支持構造体８２と中央本体８０との間のギャップ１４０を通って流れる。別の空気流１５２が、ボルト１２０内の第３の貫通路に沿って流れる。

上記で説明された実施形態は、取付組立体によって支持構造体と中央本体との間の異なる熱成長が可能になることを含めて、様々な利点をもたらす。提供される別の利点として、中央本体の前方端部と支持構造体の嵌合特徴要素との間の制御ギャップを許容することにより、取付組立体が冷却流を調量すること、及び組立体のボルトがその長さに沿って円筒形の冷却通路を含むことである。このことにより、取付組立体自体の冷却が可能になると同時に、中央本体の冷却も可能になる。その結果、必要な冷却流及び重量を最小限にしながら、典型的な金属設計よりも高温の環境で動作できることなどの利点がもたらされる。

従来の中央本体の設計では、中央本体上のブッシュにボルト締めされる柔軟なブラケットを用いており、ハードウェア冷却を必要とする高温で作動する環境では利用できなかった。上述の実施形態はまた、従来の柔軟なブラケット取付体であれば、それ自体が機能不全となるか又は中央本体に取り付けられたブッシュに大きな転倒モーメントを伝達するのとは異なり、高いプラグ荷重に耐えることができる。上述の実施形態はまた、ブッシュ取付部材とブッシュとの間に旋回継手を含むことができる。更にまた、これまでの中央本体設計は、従来的な金属設計であり、上述の実施形態は、セラミックマトリックス材料を利用することを可能にし、これにより重量軽減を含めた材料系に伴う利点をもたらす。

上記で記載された範囲に留まらず、種々の実施形態の様々な特徴要素及び構造は、必要に応じて互いに組み合わせて用いることができる。実施形態の全てにおいてある特徴要素が例示されていない場合があることは、存在しなくてもよいとみなされることを意味するのではなく、説明を簡潔にするためになされたものである。従って、異なる実施形態の種々の特徴要素は、新しい実施形態が明示的に説明されているかどうかに関わらず、新しい実施形態を形成するために必要に応じて組み合わせて適合させることができる。本明細書で記載される特徴要素の全ての組み合わせ又は置き換えは、本開示によって保護される。更にまた、本発明の実施形態は、ガスタービンエンジン１０の環境において説明してきたが、取付組立体は、あらゆる好適な中央構造体を周囲を少なくとも部分的に囲む外側構造体に該中央構造体を取り付けるのに利用できることは理解されるであろう。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を含む場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 中心線
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファンセクション
２０ ファン
２２ 圧縮機セクション
２４ 低圧（ＬＰ）圧縮機
２６ 高圧（ＨＰ）圧縮機
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３２ タービンセクション
３４ ＨＰタービン
３６ ＬＰタービン
３８ 排気セクション
４０ ファンケーシング
４２ ファンブレード
４４ コア
４６ コアケーシング
４８ スプール
５２ 圧縮機段
５４ 圧縮機段
５６ 圧縮機ブレード
５８ 圧縮機ブレード
６０ 圧縮機ベーン
６２ 圧縮機ベーン
６４ タービン段
６６ タービン段
６８ タービンブレード
７０ タービンブレード
７２ タービンベーン
７４ タービンベーン
８０ 中央本体
８２ 支持構造体
８４ ブラケット
８６ 取付組立体
８７ 円筒体
８８ ブッシュ
８９ ショルダ
９０ 開口
９１ 内部
９２ 第１の貫通路
９４ ワッシャ
９６ ファスナー
９８ ワイヤ
１００ ワイヤカラー
１０２ ブッシュ取付部材
１０４ 第２の貫通路
１１０ ナット
１１２ ネジ付き通路
１２０ ボルト
１２２ ヘッド
１２４ シャンク
１２６ ネジ付き部分
１２８ 第３の貫通路
１３０ 環状ショルダ
１３２ 上側直径
１３４ 軸線
１３６ 突出部
１３８ スロット
１４０ ギャップ
１５０ 空気流
１５２ 空気流

Claims (16)

1. 中央構造体（８２）を該中央構造体の周囲を少なくとも部分的に囲む外側構造体に取り付ける取付組立体（８６）であって、
   前記中央構造体又は前記外側構造体の一方内に設けられ、第１の貫通路（９２）を定めるブッシュ（８８）と、
   前記第１の貫通路内に滑動可能に装着されて第２の貫通路（１０４）を定めるブッシュ取付部材（１０２）と、
   前記中央構造体又は前記外側構造体の他方に設けられたネジ付き通路（１１２）と、
   ヘッド（１２２）とネジ付き部分（１２６）を含むシャンク（１２４）とを有するボルト（１２０）と、
   を備え、前記ボルトが、前記第１の貫通路及び前記第２の貫通路を通過して、前記ヘッドが前記ブッシュ取付部材と当接し、前記ネジ付き部分が前記ネジ付き通路に螺入される、取付組立体（８６）。
2. 前記ブッシュを前記中央構造体にクランプするベベルワッシャ（９４）を更に備える、請求項１に記載の取付組立体（８６）。
3. 前記ボルトが更に、長さにわたって延びる第３の貫通路（１２８）を含み、該第３の貫通路が、前記中央構造体から前記外側構造体までの流路を定める、請求項１に記載の取付組立体（８６）。
4. 前記ブッシュが、ストップ部を形成するショルダ（８９）において終端する円筒体（８７）を有する、請求項１に記載の取付組立体（８６）。
5. 前記ブッシュが、円筒形の内部（９１）を有する、請求項１に記載の取付組立体（８６）。
6. 前記ブッシュ取付部材が、前記ブッシュと前記ブッシュ取付部材との間で旋回継手を可能にする丸みのある表面を含む環状ショルダを有する、請求項５に記載の取付組立体（８６）。
7. 前記ネジ付き通路を形成するネジ付き開口を有するナット（１１０）を更に備える、請求項１に記載の取付組立体（８６）。
8. 前記ブッシュ取付部材の上側部分が偏心しており、これにより前記中央構造体の軸方向位置の調整が可能となる、請求項１に記載の取付組立体（８６）。
9. 前記ブッシュ取付部材の他の特徴要素が、前記ボルトの軸線と同心である、請求項８に記載の取付組立体（８６）。
10. 前記ブッシュ取付部材の上側部分が、前記ブッシュ取付部材の他の特徴要素と同心である、請求項１に記載の取付組立体（８６）。
11. ガスタービンエンジン（１０）であって、
    中央本体（８０）と、
    前記中央本体の周りを囲む支持構造体（８２）と、
    前記中央本体を前記中央構造体に動作可能に結合し、前記中央本体に冷却空気を流すことを可能にするよう構成された取付組立体（８６）と、
    を備え、前記取付組立体が、
    前記中央本体又は前記支持構造体の一方に設けられ、第１の貫通路（９２）を定めるブッシュ（８８）と、
    前記第１の貫通路内に滑動可能に装着されて第２の貫通路（１０４）を定めるブッシュ取付部材（１０２）と、
    前記中央本体又は前記支持構造体の他方に設けられたネジ付き通路（１１２）と、
    ヘッド（１２２）とネジ付き部分（１２６）を含むシャンク（１２４）とを有するボルト（１２０）と、
    を含み、前記ボルトが、前記第１の貫通路及び前記第２の貫通路を通過して、前記ヘッドが前記ブッシュ取付部材と当接し、前記ネジ付き部分が前記ネジ付き通路に螺入される、ガスタービンエンジン（１０）。
12. 前記中央本体及び前記支持構造体の周りで複数の取付組立体が円周方向に離間して配置される、請求項１１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
13. 前記ボルトが更に、長さにわたって延びる第３の貫通路（１２８）を含む、請求項１１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
14. 前記中央本体と前記支持構造体の一部の間に制御ギャップが配置される、請求項１１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
15. 前記支持構造体が、前記ガスタービンエンジンの排気フレームを含む、請求項１１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
16. 前記中央本体が、セラミックマトリックス材から形成される、請求項１１に記載のガスタービンエンジン（１０）。