JP2017520709A - ガスタービンエンジンのための軸受支持ハウジング - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン（１０）用の軸受支持ハウジング（３６）は、中心から外に向けて半径方向の順に、中心ボア（４６）を定める内側リング（５０）と、内側スロット（６０）のアレイを含む中間リング（５８）と、外側スロット（６４）のアレイを含む外側ウェブ（６２）と、を備え、内側スロット及び外側スロットが、中間リング（５８）及び外側ウェブ（６２）を接線方向に延びるビーム（７０）のアレイ及び半径方向に延びる内側及び外側ストラットに分割するような位置付け、サイズ及び形状にされ、軸受支持ハウジング（３６）が更に、外側リング（６６）を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンにおいて使用される軸受に関し、より詳細には、ガスタービンエンジン内に転動体軸受を装着するための軸受支持体に関する。

ガスタービンエンジンは、通常は転動体タイプである、複数の軸受にて回転するよう装着される１又はそれ以上のシャフトを含む。軸受は、加圧されて潤滑及び冷却のためのオイル流を備えた「サンプ」と呼ばれる外囲体内に密閉される。ガスタービンエンジンにおける軸受は通常、ローラ軸受とボール軸受の組み合わせである。

ガスタービンエンジンの主シャフト軸受は、作動範囲にわたってエンジンダイナミックスを適切に調整するために、特定の半径方向剛性を有した装着構造を必要とする。場合によっては、構造体における応力問題を生じることなく目標とする剛性に適合させることは困難である。

軸受装着構造体の１つの既知のタイプは、半径方向において基本的に（構成材料の本来の可撓性を除いては）堅固な円錐ハウジングである。別の既知のタイプの装着構造体は、軸受を懸架して半径方向で制御された偏位を許容する軸方向に延びるバネ式「フィンガー」の半径方向アレイを包含する。

特定のガスタービンエンジンの内部構成は、従来のコーン型マウントにより提供されるよりも剛性が低いが、バネ式フィンガーによって通常得られるものよりも剛性が大きい軸受マウントの半径方向剛性により恩恵を得ることができる。

米国特許出願公開第２０１３／１０８２０２号明細書

この要求は、複数の一体化された接線方向及び半径方向ビーム並びに組み込み式偏位制限器を含む軸受支持ハウジングを提供する本発明によって対処される。

本発明の１つの態様によれば、ガスタービンエンジン用の軸受支持ハウジングは、中心から外に向けて半径方向の順に、中心ボアを定める内側リングと、内側スロットのアレイを含む中間リングと、外側スロットのアレイを含む外側ウェブと、を備え、内側スロット及び外側スロットが、中間リング及び外側ウェブを接線方向に延びるビームのアレイ及び半径方向に延びる内側及び外側ストラットに分割するような位置付け、サイズ及び形状にされ、軸受支持ハウジングが更に、外側リングを備える。

本発明の別の態様によれば、内側リングは、軸方向に延びる内側リップを含む。

本発明の別の態様によれば、内側リングには、内側孔のアレイが穿孔される。

本発明の別の態様によれば、内側リングと中間リングとの間に環状内側ウェブが配置される。

本発明の別の態様によれば、内側ウェブには、重量軽減開口が穿孔される。

本発明の別の態様によれば、中間リングには、中間孔のアレイが穿孔される。

本発明の別の態様によれば、外側リングには、外側孔のアレイが穿孔される。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンの軸受装置は、固定フレームと、フレームに装着される環状の軸受支持ハウジングと、軸受支持ハウジングの中心ボアに装着される軸受と、軸受に装着されるシャフトと、を備え、軸受支持ハウジングが、フレームに対する軸受の半径方向移動の制限を可能にする複数の可撓性接線方向ビームを含む。

本発明の別の態様によれば、軸受支持ハウジングの一部が、軸受の半径方向偏位を所定の大きさに制限するよう構成されたボルト継手に捕捉される。

本発明の別の態様によれば、軸受支持ハウジングが、軸受の半径方向偏位を制限するようボルト継手のシールフランジと相互作用する内側リップを含む。

本発明の別の態様によれば、ボルト継手は、接線方向ビームのうちの１又はそれ以上に亀裂が生じた場合でも、ビームを単一の平面に維持するよう構成される。

本発明の別の態様によれば、固定フレームは、タービンフレームである。

本発明の別の態様によれば、軸受が転動体軸受である。

本発明の別の態様によれば、ボルト継手が、固定の環状空気シールと固定の環状サンプカバーとの間に中間リングを捕捉する。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することにより最もよく理解することができる。

本発明の１つの態様に従って構成されたシュラウド組立体を包含する代表的なガスタービンエンジンの概略半断面図。 本発明に従って構成されたサンプ及び軸受支持ハウジングの一部の概略断面図。 図２に示す軸受支持ハウジングの斜視図。 図３に示す軸受支持ハウジングの一部の後方立面図。 図２の一部の拡大図。

一般に、本発明は、高荷重事象の間に応力を軽減する偏位制限器を組み込むことにより応力及び製品寿命問題を回避しながら、所望の程度の半径方向可撓性をもたらす比較的薄い可撓性部材を組み込む軸受支持ハウジングを提供する。

ここで、種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０を半分の断面で概略的に描いている。エンジン１０は、長手方向又は中心軸線１１を有し、ファン１２と、低圧タービン（「ＬＰＴ」）１６とを含み、これらを総称して「低圧システム」と呼ばれる。ＬＰＴ１６は、「ＬＰシャフト」とも呼ばれる内側シャフト１８を通じてファン１２を駆動する。エンジン１０はまた、高圧圧縮機（「ＨＰＣ」）２０、燃焼器２２、及び高圧タービン（「ＨＰＴ」）２４を含み、総称して「ガス発生器」又は「コア」と呼ばれる。ＨＰＴ２４は、「ＨＰシャフト」とも呼ばれる外側シャフト２６を通じてＨＰＣ２０を駆動する。全体として、高圧及び低圧システムは、一次又はコア流れ並びにファン流又はバイパス流を発生させるよう既知の方式で作動することができる。例示のエンジン１０は、高バイパスターボファンエンジンであるが、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シャフトエンジン、並びに他の移動体又は定置応用で使用するタービンエンジンにも同様に適用することができる。

本明細書で使用される用語「軸方向」又は「長手方向」は、長手方向軸線１１に平行な方向を指し、「半径方向」は、軸方向に垂直な方向を指し、「接線方向」又は「円周方向」は、軸方向及び半径方向に対して相互に垂直な方向（図１における矢印「Ａ」、「Ｒ」及び「Ｔ」を参照）を指す点に留意されたい。本明細書で使用される用語「前方」又は「前部」は、エンジン１０を通過する空気流に対して相対的に上流側の位置を指し、用語「後方」又は「後部」は、エンジン１０を通過又は迂回する空気流において相対的に下流側の位置を指す。この流れ方向は、図１において矢印「Ｆ」で示されている。これらの方向に関する用語は、説明の際に便宜上使用されるに過ぎず、記載される構造体の特定の向きは必須ではない。

エンジン１０は、本明細書では総称してエンジンの「固定構造体」と呼ばれる機能的に非回転組立体に組み立てられる、種々のケーシング、シュラウド、及びフレームを備えた固定構造体を含む。この固定構造体を構成する固定構成要素の一部は、ファンフレーム２８、タービン中央フレーム３０、及びタービン後方フレーム３２である。

内側及び外側シャフト１８及び２６は、図１において全体として「Ｂ」で示される幾つかの転動体軸受を用いて固定構造体に対して回転するよう装着される。ガスタービンエンジンにおける軸受Ｂは、通常、ローラ軸受とボール軸受の組み合わせである。軸受Ｂは、図１において全体として「Ｓ」で示された「サンプ」と呼ばれる、エンジン１０の１又はそれ以上の密閉部分に配置される。サンプＳは、加圧され、既知の方式で潤滑及び冷却のためオイル流を提供し且つ使用したオイル流を排出する手段に動作可能に結合される。

図２は、エンジン１０のサンプＳの一部を例示している。サンプ内では、外側シャフト２６は、タービン中央フレーム３０によって囲まれる。環状略円錐形の軸受支持ハウジング３６は、タービン中央フレーム３０の環状フレームフランジ３４に装着され、環状軸受アウターレース３８に半径方向内向きに延びる。アウターレース３８は、外側シャフト２６に装着される軸受インナーレース４０を囲む。転動体４２（この実施例において略円筒ローラ）のアレイは、インナーレース４０とアウターレース３８との間に配置される。全体として、インナーレース４０、転動体４２、及びアウターレース３８は、軸受４４を構成する。

図２及び図３で分かるように、軸受支持ハウジング３６は、環状の軸方向に延びる内側リップ４８によって定められる中心ボア４６を含む。内側リップ４８の半径方向外寄りには、内側孔５２のアレイが穿孔された環状の半径方向に延びる内側リング５０がある。内側リング５０の半径方向外寄りには内側ウェブ５４があり、任意選択的に、重量軽減孔５６のアレイにより穿孔することができる。内側ウェブ５４の半径方向外寄りには、環状の半径方向に延びる中間リング５８があり、内側スロット６０のアレイと交互にされた中間孔５９のアレイが穿孔されている。中間リング５８の半径方向外寄りには、外側スロット６４のアレイが穿孔された外側ウェブ６２がある。最後に、外側孔６８が穿孔された環状の半径方向に延びる外側リング６６がある。

内側及び外側スロット６０，６４は、中間リング５８及び外側ウェブ６２を複数の比較的細い可撓性部分に、詳細には、接線方向に延びるビーム７０のアレイ及び半径方向に延びる内側及び外側ストラット７２，７４それぞれに分割するような位置付け、サイズ、及び形状にされる。内側ストラット７２の各々には、中間孔５９のうちの１つが貫通している。

外側リング６６は、例示のボルト（及び付随のナット）など、外側孔６８を貫通する複数の機械的ファスナー７６を用いてフレームフランジ３４にクランプされる。中間リング５８は、例示のボルト及び付随するナットなどの複数の機械的ファスナー８４を用いて、固定の環状前方空気シール８０と固定の環状サンプカバー８２との間で中間ボルト継手７８にクランプされる。ファスナーは、前方空気シール８０及びサンプカバー８２において中間孔５９及び対応する孔を貫通する。中間リング５８の半径方向外側部分は、軸方向前方に延びて、前方空気シール８０のシールフランジ８８と軸方向に重なり合うリップ８６を定める。

内側リング５０は、例示のボルト（及び付随のナット）など、内側孔５２を通過する複数の機械的ファスナー９２を用いて、アウターレース３８のレースフランジ９０にクランプされる。ヘアピン形のアウターレース３８の略円筒形内側面９４は、中心ボア４６に半径方向で近接して軸方向に延びて、薄い環状のスクイーズフィルムスペースを協働して定める。既知の原理によれば、加圧オイルなどのダンパー流体は、スクイーズフィルムスペースに導入されて、軸受４４及び外側シャフト２６に対して減衰作用を提供することができる。

作動時には、外側シャフト２６は、タービン中央フレーム３０に対して半径方向Ｒの移動を受けて、半径方向偏位を生じ、外側シャフト２６とタービン中央フレーム３０とを相互接続する構成要素において機械的荷重を作用する。軸受支持ハウジング３６のビーム７０が存在することにより、内側ボア４６から外側フランジ６６までの機械的荷重経路の円周方向距離が増大する。従って、軸受支持ハウジング３６は、従来技術の直線状円錐ハウジングよりも低い半径方向剛性を有する。これにより、必要とされる軸受４４の可撓性及び半径方向偏位が可能となる。

ビーム７０における最大曲げ応力を制限するために、中間ボルト継手７８は、軸受４４の半径方向偏位を所定の大きさに制限するよう構成される。より具体的には、軸受４４が非偏位位置にあるときには、図５に最もよく示されるように、軸方向リップ８６と隣接するシールフランジ８８は、半径方向ギャップ「Ｇ」を定める。作動時には、軸受４４及びビーム７０が半径方向Ｒで外寄りに偏位すると、ボルト８４及び前方空気シール５８もまた外寄りに移動し、ギャップ「Ｇ」を閉鎖する。ギャップＧが完全に閉鎖されると、シールフランジ８８が軸方向リップ８６と当接し、軸受４４の更なる半径方向移動及びビーム７０の更なる偏位の両方を阻止する。

一部の状況下では、接線方向ビーム７０の１又はそれ以上が亀裂を生じ、分離する可能性がある。図４は、例示的な亀裂「Ｃ」が貫通した状態のビーム７０を示している。軸受支持ハウジング３６及び中間ボルト継手７８は、このような亀裂に対して耐性のある設計を提示する。より具体的には、これらは、亀裂形成が起こった場合に、軸方向、半径方向及び接線方向での軸受支持ハウジング３６の内寄り部分の保持を提供し且つ偏位を制限するよう構成される。図５で分かるように、前方空気シール８０及びサンプカバー８２は、半径方向Ｒでビーム７０と重なり合う。これは、破断部品の前方又は後方移動に抗する押し込み停止部を提供する。

図４及び図５で分かるように、ボルト継手７８は、単一平面において中間フランジ５８のセクション全てを維持する。従って、例えビーム７０のうちの１つに亀裂が生じた場合でも、半径方向荷重の機械的荷重経路が、内側ストラット７２からビーム７０にわたって隣接する外側ストラット７４まで提示されることになる。

最後に、接線方向では、荷重経路は、亀裂ビーム７０（図４においては７０Ａで表記される）の半分から、ビーム７０の他方の半分へ、次いで隣接する外側ストラット７４までが提示され、破断部品の接線方向の移動を阻止する。

本明細書で記載される軸受支持装置は、従来技術と比べて幾つかの利点を有する。本軸受支持装置は、応力及び製品寿命要件に適合しながら、所要の軸受マウント剛性を提供し、また、軸受装着の重量軽減の解決策を提供する。本軸受支持装置はまた、高荷重事象中の構造体における最大応力を制限する偏位制限器を包含する。本構成は耐障害性があり、破壊が生じた場合に本構造体が維持される。

以上、ガスタービンエンジン用の軸受支持ハウジングを説明した。本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴の全て、及び／又はそのように開示された何れかの方法又はプロセスのステップの全ては、このような特徴及び／又はステップの少なくとも一部が互いに排他的である組み合わせを除いて、あらゆる組み合わせで結合することができる。

本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される各特徴は、明示的に別途規定のない限り、同じ、等価の又は同様の目的を提供する代替の特徴で置き換えることができる。従って、明示的に別途規定のない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の等価又は同様の特徴のうちの１つの実施例に過ぎない。

本発明は、上述の１又は複数の実施形態の詳細事項に限定されない。本発明は、本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴のうちの何れかの新規の特徴又は何れかの新規の組み合わせ、又はこのように開示される何れかの方法又はプロセスのステップのうちの何れかの新規のステップ又は何れかの新規の組み合わせに拡張することができる。

１０ ガスタービンエンジン
３６ 軸受支持ハウジング
４６ 中心ボア
５０ 内側リング
５８ 中間リング
６０ 内側スロット
６２ 外側ウェブ
６４ 外側スロット
６６ 外側リング
７０ ビーム

Claims (19)

1. ガスタービンエンジン（１０）用の軸受支持ハウジング（３６）であって、該軸受支持ハウジングが中心から外に向けて半径方向の順に、
   中心ボア（４６）を定める内側リング（５０）と、
   内側スロット（６０）のアレイを含む中間リング（５８）と、
   外側スロット（６４）のアレイを含む外側ウェブ（６２）と、
   を備え、
   前記内側スロット及び外側スロットが、前記中間リング（５８）及び前記外側ウェブ（６２）を接線方向に延びるビーム（７０）のアレイ及び半径方向に延びる内側及び外側ストラットに分割するような位置付け、サイズ及び形状にされ、
   前記軸受支持ハウジング（３６）が更に、
   外側リング（６６）を備える、軸受支持ハウジング（３６）。
2. 前記内側リング（５０）が、軸方向に延びる内側リップ（４８）を含む、請求項１に記載の軸受支持ハウジング（３６）。
3. 前記内側リング（５０）には、内側孔（５２）のアレイが穿孔される、請求項１に記載の軸受支持ハウジング（３６）。
4. 前記内側リング（５０）と前記中間リング（５８）との間に環状内側ウェブ（５４）が配置される、請求項１に記載の軸受支持ハウジング（３６）。
5. 前記内側ウェブ（５４）には、重量軽減開口（５６）が穿孔される、請求項４に記載の軸受支持ハウジング（３６）。
6. 前記中間リング（５８）には、中間孔（５９）のアレイが穿孔される、請求項１に記載の軸受支持ハウジング（３６）。
7. 前記外側リング（６６）には、外側孔（６８）のアレイが穿孔される、請求項１に記載の軸受支持ハウジング（３６）。
8. ガスタービンエンジン（１０）の軸受装置であって、
   固定フレーム（３０）と、
   前記フレームに装着される環状の軸受支持ハウジング（３６）と、
   前記軸受支持ハウジング（３６）の中心ボア（４６）に装着される軸受（４４）と、
   前記軸受に装着されるシャフト（２６）と、
   を備え、前記軸受支持ハウジング（３６）が、前記フレーム（３０）に対する前記軸受（４４）の半径方向移動の制限を可能にする複数の可撓性接線方向ビーム（７０）を含む、軸受装置。
9. 前記軸受支持ハウジング（３６）の一部が、前記軸受（４４）の半径方向偏位を所定の大きさに制限するよう構成されたボルト継手（７８）に捕捉される、請求項８に記載の装置。
10. 前記軸受支持ハウジング（３６）が、前記軸受（４４）の半径方向偏位を制限するよう前記ボルト継手（７８）のシールフランジ（８８）と相互作用する内側リップ（４８）を含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記ボルト継手（７８）は、前記接線方向ビーム（７０）のうちの１又はそれ以上に亀裂が生じた場合でも、前記ビーム（７０）を単一の平面に維持するよう構成される、請求項９に記載の装置。
12. 前記内側リング（５０）には、内側孔（５２）のアレイが穿孔される、請求項８に記載の装置。
13. 前記内側リング（５０）と前記中間リング（５８）との間に環状内側ウェブ（５４）が配置される、請求項８に記載の装置。
14. 前記内側ウェブ（５４）には、重量軽減開口（５６）が穿孔される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記中間リング（５８）には、中間孔（５９）のアレイが穿孔される、請求項８に記載の装置。
16. 前記外側リング（６６）には、外側孔（６８）のアレイが穿孔される、請求項８に記載の装置。
17. 前記固定フレーム（３０）がタービンフレームである、請求項８に記載の装置。
18. 前記軸受（４４）が転動体軸受である、請求項８に記載の装置。
19. 前記ボルト継手が、固定の環状空気シール（８０）と固定の環状サンプカバー（８２）との間に前記中間リング（５８）を捕捉する、請求項９に記載の装置。