JP4400871B2 - ターボ機械のフレーム構造 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械シャフトを回転可能に支持するためのターボ機械フレーム部材に関する。より具体的には、本発明は、内側環状ハブと外側ケーシングと該ハブ及びケーシング間で延びる複数のストラットとを含み、該ストラットが外側ケーシングにボルト止めされて一層軽いがそれでも充分な剛性のあるフレーム構造を形成するターボ機械フレーム部材に関する。

圧縮機及びタービン又はファン及びタービンを支持する回転可能なシャフトを有するガスタービンエンジンのようなターボ機械は、支持フレーム内に収納された軸受に支持されたシャフトを有する。支持フレームは、その中に軸受を配置した内側環状ハブとエンジンの外面を画成する外側環状ケーシングとを含む。ハブ及びケーシングは、同心でありかつ半径方向に互いに間隔を置いて配置されて環状の流路を画成する。

内側ハブと外側ケーシングとの間には、ハブとケーシングとを相互結合する複数のほぼ半径方向に延びかつ円周方向に間隔を置いて配置された部材が設けられる。互いに固定結合されると、これらの構成部品は、駆動シャフトを回転可能に支持しまた環状の流路を画成するための剛性のある支持フレームを形成する。半径方向部材は、断面がほぼ翼形形状である外部表面を有しており、この翼形形状の翼弦は支持フレームのほぼ軸方向に延びて流れの妨害を最少にする。

圧縮機セクションにおけるようなガスタービンエンジンの比較的低温のセクションにおいて用いる場合には、支持フレームは、一体形構造として鋳造するか、或いは溶接又はその他の方法で互いに結合されて剛性のあるフレームを形成する鋳造部品又は金属薄板部品から製作することができる。しかしながら、そこではフレームがタービン駆動シャフトを支持している燃焼器の下流側におけるようなガスタービンエンジンのより高温のセクションでは、一般的に半径方向部材の内部に冷却空気を供給して、熱膨張を最少にしている。タービンセクションのフレーム内の半径方向部材は、内側ハブ及び外側ケーシングの１方又は両方にボルト止めされた細長い構造ストラットによって形成され、またこのストラットは該ストラットの周りに又は該ストラットを通して冷却空気が流れるのを可能にする貫通路を有することが多い。このような構造ストラットを用いる場合には、翼形形状の外側エンクロージャすなわちフェアリングを、構造ストラットの周りに設けることができる。

構造ストラットが、外側ケーシング又は内側ハブのどちらか一方にボルト止めされるか或いは一部のタービンフレーム構造においてはその両方にボルト止めされる場合には、ストラット端部は、クレビス装置にボルト止めすることができる。クレビス装置は、ボルト又は溶接によって外側ケーシング又は内側ハブに固定することができる。このようなボルト止めフレーム構造では、４本の継手ボルトを用いてクレビスを内側ハブ又は外側ケーシングにボルト止めすることは珍しいことではなく、またストラット及びクレビス継手に剛性をもたせるために２個の付加的なボルトを用いてストラット端部をクレビスにボルト止めすることになる。他の構造装置では、ストラットがストラット端部にボルト止めされたエンドキャップを含み、次ぎにこのエンドキャップが内側ハブ又は外側ケーシングにボルト止めされることになり、８個もの継手ボルトを用いることを必要とすることになる。ターボ機械フレーム部材の構成部品を組み立てるために多数の継手ボルトを用いることは、フレームの組立て及び分解時間を増大させることになり、さらにフレーム構造全体に大きな重量を加えることにもなる。

従って、フレーム構造の全体重量を最小にしながらフレームが受ける作動環境において必要な強度及び剛性が得られるターボ機械支持フレーム構造に対する必要性がある。

簡単に言えば、本発明の１つの態様によると、シャフトを回転可能に支持するための転り軸受を受けかつ支持する環状の内側ハブを含むターボ機械フレーム部材を提供する。円錐形をした環状の外側ケーシングが、内側ハブを囲みかつ該内側ハブから半径方向外方に間隔を置いて配置されて、該内側ハブとの間に環状の流路を画成する。複数のほぼ半径方向に延びかつ円周方向に間隔を置いて配置されたストラットが、内側ハブと外側ケーシングとの間に配置されかつ該内側ハブと外側ケーシングとを相互結合して実質的に剛性のあるターボ機械フレームを形成する。ストラットは外端面を有し、外側ケーシングを貫通しかつ該ストラットに形成されたボルト受け開口部内に内向きに延びる複数の継手ボルトによって外側ケーシングに結合される。バレルナットが、それぞれの継手ボルトと互いに係合するようにストラット内部に支持されて、ストラットの半径方向外端部と外側ケーシングの内面との間に緊密相互結合が確立されることを可能にする。

本発明の構造、作動及び利点は、添付の図面と共になされる以下の説明を考慮することにより、さらに明らかになるであろう。

図面、特にその図１を参照すると、典型的なターボ機械フレーム部材１０の四分円区域を一般的全体形態で示している。構造は、中心軸線１２と玉軸受又はローラ軸受とすることができる転り軸受（図示せず）を収納して圧縮機と軸流タービンとの間で延びる駆動シャフト（図示せず）を回転可能に支持する内側環状ハブ１４とを有する環状の構造である。内側ハブ１４の半径方向外方には、内側ハブ１４と同心でありかつ該内側ハブ１４の直径よりも大きい直径を有する環状の外側ケーシング１６が配置される。複数のほぼ半径方向に延びかつ円周方向に間隔を置いて配置されたストラット１８が、内側ハブ１４と外側ケーシング１８との間で延びかつ該内側ハブ１４を外側ケーシング１８に相互結合してフレーム部材１０を形成する。ストラット１８は一般的に、断面が流線形で翼形形式の形状でありかつその翼弦がほぼエンジンの縦方向軸線の方向に延びており、内側ハブ１４と外側ケーシング１６との間に画成された環状の流路２０を通ってガスが自由に流れるのを妨害するのを最少にする。駆動シャフトを支持するための軸受の数に応じて、エンジンは、該エンジンの縦方向軸線に沿って互いに間隔を置いて配置された３つ又はそれ以上のフレーム部材を有することができる。

本明細書で用いる場合、「軸方向」という用語は、エンジンの縦方向軸線及びフレーム部材の中心軸線に平行又はほぼ平行である方向を意味する。同様に、「半径方向」という用語は、エンジンの縦方向軸線に対してほぼ放射方向である方向を意味し、また「接線方向」という用語は、エンジンの縦方向軸線に対してほぼ横方向に向いた方向を意味する。

構造の幾つかの要素を相互結合するのに必要な継手ボルトの数を最少にする改良型のターボ機械フレーム構造の実施形態を、図２及び図３に示す。環状の内側ハブ２２は、軸方向に延びる内側リング２４と、内側リング２４から半径方向外方に間隔を置いて配置された軸方向に延びる同心の外側リング２６と、１対の軸方向に間隔を置いて配置されかつ半径方向に延びる側壁２８とを含み、閉鎖型の中空リングを形成する。１対の軸方向に間隔を置いて配置されかつ半径方向に延びるクレビス３２、３４を含む継手部材３０は、外側リング２６の最外側面上に支持される。継手部材３０は、外側リング２６の軸方向に延びる最外側面と例えば鋳造によって一体形に形成することができ、又は外側リング２６の軸方向に延びる最外側面に溶接された別個の要素とすることができる。これに代えて、継手部材３０は、外側リング２６の最外側面にボルト止めされた別個の要素とすることもできる。クレビス３２、３４は各々、フレーム中心軸線に対して接線方向に延びて構造ストラット３８を内側ハブ２２に結合するためのそれぞれの継手ボルト３６を受ける１対の整列した貫通穴を含む。継手ボルト３６は、ストラット３８内の半径方向最内側の継手ボルト貫通穴をクレビス３２及び３４内に設けた対応する貫通穴に確実に整列させる開きボルトとするのが有利である。

ストラット３８は、図４に断面で示しているが、ほぼ長方形の断面を有することができ、またストラット３８の長手方向に該ストラット全体わたって沿いかつ該ストラットを完全に貫通して延びる内部軸方向通路を含む細長い中空の管状部材である。通路４０は、冷却空気がストラット３８を通って流れるのを可能にし、さらに内側ハブ２２と組合わされた軸受（図示せず）の潤滑油用とすることができる図６に示す導管４２のような管状導管が該ストラット３８内を貫通するのを可能にする。ストラット３８は、内側ハブ２２に結合された継手部材３０から半径方向外向きに延びて、外側ケーシング４４の内面と接触しかつ該外側ケーシング４４と相互結合する。図示するように、外側ケーシング４４は、内側ハブ２２の中心軸線に対して軸方向に傾斜した環状の部材である。さらに、ストラット３８の最外側端面４６も同様にフレームの軸方向に傾斜しており、外側ケーシング４４の内面の傾斜に適合して、ストラット３８が外側ケーシングの内面に直接にゼロ隙間接触するのを可能にする。

ストラット３８の半径方向最外側端部に隣接して、１対の軸方向に間隔を置いて配置されかつ横方向に延びる貫通穴４８が設けられ、該貫通穴４８の各々は、ストラット３８の半径方向最外側面から内方に間隔を置いて配置されている。１対の穴５０が、貫通穴４８のそれぞれ１つと連通するように、ストラット端面４６から内向きに延びる。ストラット３８の外側ケーシング４４との結合は、外側ケーシング４４内に形成されたそれぞれのボルト孔を貫通した継手ボルト５２によって行われる。ボルト５２は、穴５０を通してそれぞれの貫通穴４８内に延びる。外側ケーシング内のボルト孔は、ストラット３８の上端部で穴５０と整列して、継手ボルト５２のシャンク部が、外側ケーシングのボルト孔を貫通して貫通穴４８内に延びる。

図３で最も良く分かるように、各貫通穴４８内部には、貫通穴４８の表面湾曲にほぼ一致する表面湾曲を有するバレルナット５４が配置される。その点に関しては、貫通穴４８は、継手ボルト５２の外端部を受けるのに充分な大きさの直径を有する。本出願の目的の場合、「バレルナット」という用語は、図３の端面図に示すように、ほぼ半円形の断面を有する半円形円筒体に近似した形態を有するナットを意味する。バレルナット５４は、外側のほぼ円筒形表面から半円形円筒体の本体を貫通して内向きに延びて平坦なほぼ直径内側表面で終るネジ付き穴を含む。

図２及び図３に示すように、外側ケーシング４４は、その外向きの面上にネジ付き孔を有する１つ又はそれ以上の外向きに延びるボス５６を含み、付加的又は付属構成部品を外側ケーシング４４の外側に取付けることを可能にすることができる。例えば、ボス５６内のネジ付き孔内に延びるボルトによって冷却空気マニホルドを外側ケーシング４４に取付けて、冷却空気をストラット３８の内部に導入にすることを可能にすることができる。

図５は、ストラット３８の内側半径方向端部を受けるための１対の並列クレビス３２、３４を有する継手部材３０の拡大部分図である。部材３０は、継手ボルト３６がそれを通して延びてストラット３８を継手部材３０に固定結合する複数対の整列した孔６０、６２を含む。貫通開口５８が、継手部材３０の基部に設けられて、ストラット内部通路４０と内側ハブ２２の内部との間を連通して冷却空気流の通路を形成するのを可能にする。

図６は、周囲の構造に組付けられてガスタービンエンジン用タービンフレームを形成した、図２及び図３に示したフレーム部材を示す断面図である。内側ハブ２２と外側ケーシング４４との間でストラット３８を囲んで滑らかでかつ徐々に湾曲した空気力学的外部表面を画成した空気力学的形状の外側ハウジングすなわちフェアリング６４を設けて、環状の上流流路６６からフェアリング６４を越えて流れる高温ガスに対する流れの妨害及び乱流を最少にする。さらに、図６には、外側ケーシング４４を通り、ストラット３８の内部通路４０を通り、さらに内側ハブ２２を通って、該内側ハブ２２内に延びる潤滑油導管４２を示している。

外側ケーシング４４の外面には、例えば上流の圧縮機段からのような冷却空気の供給源と連通した冷却空気マニホルド６８が取付けられる。図２及び図３で最も良く分かるように、外側ケーシング４４は、ストラット３８内の内部通路４０と整列した開口７０を含む。冷却空気は、ダクトを介してマニホルド６８に導かれ、ストラットの内側通路４０内に流入しかつ該内側通路４０を通り抜けて流れ、内側ハブ２２によって画成された環状の空間内に流入して、軸受を冷却することができる。

単一のストラットのみを説明してきたが、幾つかのこのようなストラットを円周方向に配置して図１に四分の一のセクションで示した全体構造を有する完全なフレーム構造を形成することは、当業者には明らかであろう。

図示しかつ説明したようなフレーム構造は、別々の構成部品から強度がありかつ剛性のあるフレームを提供することを可能にする。本フレーム構造はまた、以前の設計と比較してより軽い全体フレーム重量になるように最少の継手ボルトを有するフレーム構造を提供する。その上に、支持ストラットの半径方向外面と同様に外側ケーシングがエンジン縦方向軸線に対して傾斜しているので、ストラットの外側ケーシングに対するボルト結合は、ゼロ公差の相互結合とすることができる。その点に関しては、ストラットの半径方向外面を外側ケーシングの内面と結合するボルトを締め付けると、ボルトが、ストラットの端部を外側ケーシングに対して緊密に引き寄せることになる。外側ケーシングがエンジン縦方向軸線に対して傾斜していない円筒形状である場合には、ゼロ公差相互結合をもたらすように正確には当接しない構成部品を形成することになる半径方向の製作公差のために、外側ケーシングにおいて緊密なゼロ公差相互結合を得ることは、一層困難である。

本発明の特定の実施形態を図示しかつ説明してきたが、本発明の技術思想から逸脱することなく様々な変更及び改良を加えることができることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

典型的なターボ機械フレーム構造の四分円区域の正面図。 ケーシング及びハブにボルト止めされたストラットを示すターボ機械フレームの実施形態の流れ方向下流方向に見た部分斜視図。 図２に示すターボ機械フレームの実施形態の上流方向に見た部分斜視図。 図２に示すターボ機械フレームの実施形態の軸方向セクションの部分断面図。 図２に示すクレビス装置の部分上面斜視図。 図２の線６−６に沿った断面図。

符号の説明

２２ 内側ハブ
２４ 内側リング
２６ 外側リング
２８ 側壁
３０ 継手部材
３２、３４ クレビス
３６ 継手ボルト
３８ ストラット
４４ 外側ケーシング
４６ ストラットの最外側端面
４８ 貫通穴
５０ 穴
５２ 継手ボルト
５４ バレルナット
５６ ボス
７０ 開口

Claims (10)

1. ａ）シャフトを回転可能に支持するための転り軸受を受けかつ支持する環状の内側ハブ（１４）と、
   ｂ）内側ハブ（１４）を囲みかつ該内側ハブから半径方向外方に間隔を置いて配置されて該内側ハブとの間に環状の流路（２０）を画成する円錐形をした環状の外側ケーシング（１６）と、
   ｃ）内側ハブ（１４）と外側ケーシング（１６）との間に配置されかつ該内側ハブと外側ケーシングとを相互結合して実質的に剛性のあるターボ機械フレームを形成する複数のほぼ半径方向に延びかつ円周方向に間隔を置いて配置されたストラット（３８）と、
   を含み、
   前記ストラット（３８）が傾斜した半径方向外端面を有し、前記外側ケーシング（１６）を貫通しかつ前記ストラット（３８）に形成されたボルト受け開口部（４８）内に内向きに延びる複数の継手ボルト（５２）と前記それぞれの継手ボルト（５２）と互いに係合するように前記ストラット（３８）内部に支持されたバレルナット（５４）とによって前記外側ケーシング（１６）に結合されて、前記ストラット（３８）の半径方向外端部と前記外側ケーシング（１６）の内面との間に緊密相互結合が確立されることを可能にする、
   ターボ機械フレーム部材（１０）。
2. 前記ストラット（３８）が中空であり、該ストラットを貫通して長手方向に延びる流れ通路（４０）を含む、請求項１記載のターボ機械フレーム部材（１０）。
3. 前記ストラット（３８）が前記内側ハブ（１４）にボルト止めされている、請求項１記載のターボ機械フレーム部材（１０）。
4. 内側ハブボルト（３６）が開きボルトである、請求項３記載のターボ機械フレーム部材（１０）。
5. 前記ストラット（３８）が、前記ハブと一体形になった継手部材（３４）によって前記内側ハブ（１４）に結合されている、請求項１記載のターボ機械フレーム部材（１０）。
6. 前記継手ボルト（５２）が、前記外側ケーシング（１６）の外面に対してほぼ垂直に延びている、請求項１記載のターボ機械フレーム部材（１０）。
7. 前記ストラット（３８）を囲みかつ密閉する空気力学的外部形状のフェアリング（６４）を含む、請求項１記載のターボ機械フレーム部材（１０）。
8. 前記バレルナット（５４）がほぼ半円形断面を有する、請求項１記載のターボ機械フレーム部材（１０）。
9. 前記バレルナット（５４）が、前記ボルト受け開口部（４８）に接触する湾曲表面を有する、請求項１記載のターボ機械フレーム部材（１０）。
10. 前記ボルト受け開口部（４８）が、前記バレルナット（５４）の湾曲表面に一致する湾曲を有する、請求項９記載のターボ機械フレーム部材（１０）。

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