JP4436504B2 - ガスタービンエンジン用ファンデカップラー装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は概括的にはファン支持装置に関するものであり、さらに具体的には、ガスタービンエンジンのファンの平衡異常に対するファンデカップラー装置に関する。
【０００２】
ガスタービンエンジンは、ファンセクション、圧縮機セクション、燃焼器セクション及びタービンセクションを含んでいる。シャフトはタービンセクションを軸方向に貫通していてロータを回転させる。ロータは多段ディスクを含んでいる。各ディスクは、ガス流路を横断して半径方向に延在するブレードを複数円周方向に離隔して有している。ロータ支持構造は、Ｎｏ．１軸受と呼ばれることの多い軸受から延在した支持コーンを含んでいるのが通例である。
【０００３】
大きな鳥の衝突、ファンブレード脱落その他の大きなファン平衡異常の際、エンジンの骨組、フランジ、エンジンフレーム及び台座を通して伝わる構造的な荷重は非常に大きくなることがある。典型的には、こうした荷重は、装置を頑丈にするとともに、エンジンの運転速度よりも格段に高いファン臨界速度を設定することによって補償される。その結果、構造的な荷重が減少し、全体の構造はこの減少した荷重を見込んで製造されている。しかし、潜在的ファン平衡異常に対するかかる補償によって、構造は所望の重さよりも重くなることがある。
【０００４】
従って、ガスタービンエンジンにさほど重量を加えずに、大きなファン平衡異常を適切に処理できる支持構造装置を提供することが望ましい。さらに、この支持構造装置がコスト的にも有効であることが望ましい。
【０００５】
【発明の概要】
上記その他の目的は、破損点の低減した部材を含むガスタービンエンジン用支持構造によって達成することができる。一つの実施形態では、タービンエンジンは支持アームを有する支持コーンを含む。支持アームは低圧シャフトとロータの間に延在しており、支持コーンの残りの部分の破損点よりも低い破損点を有するヒューズを含んでいる。ヒューズは上記支持アームの２つの部分を接続するボルトを含んでいる。ボルトは、２つの部分の間に配置されたセグメントスペーサを貫通する。ボルトは、予定の平衡異常荷重と一致するように選定された破損点を有している。
【０００６】
高圧シャフトは、ボルト破損後に低圧シャフトを軸方向及び半径方向に支持するスタブシャフトを含んでいる。軸方向開口が低圧シャフトの一部分とスタブシャフトの間に延在する。この開口は、ボルト破損後に低圧シャフトがスタブシャフトに向かって移動できるようにする。低圧シャフトがスタブシャフトに向かって移動すると、両シャフトは互いに接触する位置となり、両シャフトは共通の速度まで減速される。低圧シャフトとスタブシャフトは、少なくとも部分的には両シャフト間の摩擦によって、同じ速度で回転し続ける。
【０００７】
ボルトが破損するまでは、スタブシャフトと低圧シャフトの間に半径方向開口が存在する。この半径方向開口は、ヒューズ破損後に、低圧ロータ装置が半径方向に自由に撓めるようにする。高圧ロータディスクと低圧シャフトの間の半径方向開口は、ロータディスクの先端にあるボアがボルト破損後に低圧シャフトと接触できるようにする。低圧シャフトがスタブシャフトと接触することで、高圧ロータの回転が減速される。
【０００８】
ヒューズを含んだ支持コーンが構造的な荷重経路における破損点となって、この破損点が大きな平衡異常時に構造装置を「柔軟化」させて、低圧シャフトが高圧シャフトに対し軸方向及び半径方向に移動できるようにする。この破損点が、構造装置に伝わる全体的なピーク荷重を減少させる。構造装置は、大きな平衡異常荷重を処理すべく強化されていた従来の構造装置よりも、軽量化されるとともに低コスト化される。
【０００９】
【発明の詳しい説明】
図１は、低圧圧縮機１０４及び低圧タービン１０６に取り付けられた低圧シャフト１０２を含んだ周知のガスタービンエンジン１００の概略図である。低圧圧縮機１０４は複数のロータ１０８と複数のステーター１１０を含んでいる。低圧タービン１０６は複数のロータ１１２と複数のステーター１１０を含んでいる。ステーター１１０及び１１４は原動機１００のフレーム１１６に接続されている。ロータ１０８，１１２は低圧シャフト１０２に接続されていて、低圧タービンロータ１１２が回転すると低圧圧縮機ロータ１０８も回転するようになっている。
【００１０】
Ｎｏ．１軸受支持コーン１１８はロータ１０８と低圧シャフト１０２を支持している。軸受支持コーン１１８は、第１端部１２２と第２端部１２４とをもつＮｏ．１軸受支持アーム１２０を含んでいる。第１端部１２２は、低圧シャフト１０２と接触するＮｏ．１玉軸受１２６に接続されている。第２端部１２４はファンフレームハブ１２８に接続されている。軸受支持アーム１２０は低圧シャフト１０２を軸方向及び半径方向に支持する。
【００１１】
エンジン１００は、高圧圧縮機１３２及び高圧タービン１３４に取り付けられた高圧シャフト１３０も含んでいる。高圧圧縮機１３２は１以上のロータ１３６と複数のステーター１３８を含んでいる。高圧タービン１３４も１以上のロータ１４０と複数のステーター１４２を含んでいる。ステーター１３８，１４２は原動機１００のフレーム１１６に接続されている。ロータ１３６、１４０は高圧シャフト１３０に接続されていて、高圧タービンロータ１４０が回転すると高圧圧縮機ロータ１３６も回転するようになっている。
【００１２】
高圧シャフト１３０と低圧シャフト１０２は実質的に同心であって、高圧シャフト１３０が低圧シャフト１０２の外側に配置されている。高圧シャフト１３０は、エンジン１００のフレーム１１６と接触する軸受１４４，１４６を含んでいる。高圧シャフト１３０は、平常運転中低圧シャフト１０２とは接触せずに自由に回転できるようになっている。
【００１３】
図２は本発明の一つの実施形態によるファンデカップラー装置２０１を含んだガスタービンエンジン２００の一部の概略図である。エンジン２００は、低圧圧縮機２０４及び低圧タービン（図示せず）に取り付けられた低圧シャフト２０２を含んでいる。低圧圧縮機２０４は複数のロータ２０２と複数のフランジ２０８を含んでいる。低圧タービンも複数のロータ（図示せず）と複数のステーター（図示せず）を含んでいる。圧縮機ロータ２０６及びタービンロータは低圧シャフト２０２に接続されていて、低圧タービンロータが回転すると低圧圧縮機ロータ２０６も回転するようになっている。
【００１４】
Ｎｏ．１軸受支持コーン２１０はロータ２０６及び低圧シャフト２０２を支持している。軸受支持コーン２１０は、第１部分２１４と第２部分２１６とをもつＮｏ．１軸受支持アーム２１２を含んでいる。第１部分２１４は低圧シャフト２０２と接触するＮｏ．１軸受２１８に接続されている。第１部分２１４はＮｏ．１軸受２１８とヒューズ２２０の間に延在している。一つの実施形態では、軸受２１８は玉軸受である。第２部分２１６はファンフレームハブ２２２に接続されていて、ファンフレームハブ２２２とヒューズ２２０の間に延在する。軸受支持アーム２１２は低圧シャフト２０２を軸方向及び半径方向に支持している。ヒューズ２２０は、支持コーンの残りの部分の破損点よりも低い破損点を有している。このように低い破損点をもつことで、大きな平衡異常の際に、残りの支持コーンが破損する前に、ヒューズ２２０が破損できる。ヒューズ２２０の破損によって、残りの支持コーンに対する構造的荷重が減少する。以下、ヒューズ２２０についてさらに詳しく説明する。
【００１５】
Ｎｏ．２軸受支持アーム２２４は第１端部２２６と第２端部２２８を有している。第１端部２２６は低圧シャフト２０２と接触するＮｏ．２軸受２３０に接続されている。一つの実施形態では、Ｎｏ．２軸受２３０はころ軸受である。支持アーム２２４の第２端部２２８はファンフレームハブ２２２に取り付けられ、低圧シャフト２０２にさらに安定性を加える。
【００１６】
エンジン２００は、高圧圧縮機２３４及び高圧タービン（図示せず）に取り付けられた高圧シャフト２３２も含んでいる。高圧圧縮機２３４はディスク２３８を含めた１以上のロータ２３６と複数のステーター（図示せず）とを含んでいる。高圧タービン（図示せず）も１以上のロータ（図示せず）と複数のステーター（図示せず）を含んでいる。ロータ２３６は高圧シャフト２３２に接続されていて、高圧タービンロータが回転すると高圧圧縮機ロータ２３６も回転するようになっている。高圧シャフト２３２及び低圧シャフト２０２は実質的に同心であって、高圧シャフト２３２が低圧シャフト２０２の外側に配置されている。
【００１７】
Ｎｏ．３軸受支持体２４０は第１端部２４２と第２端部２４４を有している。第１端部２４２は、高圧シャフト２３２と接触するＮｏ．３軸受２４６及び高圧シャフト２３２と接触する第２Ｎｏ．３軸受２４８に接続されている。一つの実施形態では、最初のＮｏ．３軸受２４６は玉軸受であり、２番目のＮｏ．３軸受２４８はころ軸受である。第２端部２４４はファンフレームハブ２２２に接続されている。支持体２４０は高圧シャフト２３２を支持している。
【００１８】
図３は、Ｎｏ．１軸受支持コーン２１０の一部分の概略図であって、ヒューズ２２０を示している。支持アームの第１部分２１４は、第１開口（図示せず）のある第１フランジ２５０を含んでいる。この開口はフランジ２５０を貫通している。支持アームの第２部分２１６は第２開口（図示せず）を含んでいる。第２開口は第２部分２１６を貫通している。スペーサ２５４が第１フランジ２５０と第２フランジ２５２の間に配置されていて、それらと隣接している。一つの実施形態では、スペーサ２５４はセグメントスペーサであって、ヒューズ２２０の破損時に、ヒューズ２２０からスペーサ２５４が外れ易くなっている。スペーサ２５４がヒューズ２２０から外れた後は、第１部分２１４と第２部分２１６の間の運動は自由である。第３開口（図示せず）がスペーサ２５４を貫通している。このスペーサ開口は、第１部分の開口及び第２部分の開口と整合している。ボルト２５６が第１フランジ２５０、スペーサ２５４及び第２フランジ２５２の各開口を貫通している。ボルト２５６は、予定の力に設定された破損点を有している。この予定力は予定の平衡異常荷重と一致する。動作中、エンジン２００に大きなファン平衡異常が発生し、この荷重が予定の平衡異常荷重より大きければ、ボルト２５６が破損して、第１フランジ２５０が第２フランジ２５２に対して移動できるようになる。ナット２５８はボルト２５６と協働して、ボルト２５６を第１フランジ２５０、スペーサ２５４及び第２フランジ２５２と接触した状態に保つ。一つの実施形態では、シールアーム２５８が第１部分２１４の第１フランジ２５０のところから延在しており、フランジ２５２に隣接して第２部分２１６と接触する。
【００１９】
空気管２６０が第１軸受２１８とファンフレームハブ２２２の間に延在する。給油管２６２がＮｏ．１軸受２１８から支持アーム２１２に沿って延在している。給油管２６２は、ヒューズ２２０の下流に位置するボルト２６４によって支持アーム２１２に接続されている。シールアーム２５８は溝２６６を含んでいて、Ｏリング２６８が溝２６６内に配置されている。溝２６６とＯリング２６８が支持アーム２１２の第２部分２１６と協働して、支持アーム２１２に対するシールになる。このシールは、給油管２６２内の油がヒューズ２２０と接触するのを防止する。
【００２０】
図４はエンジン２００の高圧シャフト２３２及び低圧シャフト２０２の部分概略図である。低圧シャフト２０２は低圧圧縮機（図示せず）と低圧タービン（図示せず）の間に延在している。高圧シャフト２３２は、上流端部２７２と下流端部２７４と内側面２７６を有するスタブシャフト２７０を含んでいる。低圧シャフト２０２は、軸受２３０から下流側に延在していてスタブシャフト２７０手前の下流端部２８０を終端とするリップ２７８を含んでいる。下流端部２８０はスタブシャフト２７０から軸方向に予備選定距離だけずれていて、そのため、スタブシャフト２７０の上流端部２７２とリップ２７８の下流端部２８０の間には軸方向の間隙Ａがある。軸方向の間隙Ａは、低圧シャフト２０２が下流端部２８０で後方に移動して、スタブシャフト２７０の上流端部２７２と接触できるような寸法である。スタブシャフト２７０は、大きなファン平衡異常の後で起こる低圧シャフト２０２に対して予想される入口ラム荷重の際に、低圧シャフト２０２を支持する。一つの実施形態では、リップ２７８の下流端部２８０とスタブシャフト２７０の上流端部２７２とが対合面を含んでいて、低圧シャフト２０２と高圧シャフト２３２との係合を向上させる。シールアーム２８２がリップ２７８から、軸方向の間隙Ａを横切って、上流端部２７２下流のスタブシャフト２７０まで延在している。複数のシール歯２８４がシールアーム２８２から延在してスタブシャフト２７２と接触し、シールアーム２８２とスタブシャフト２７０の外側面の間に空気シールを与える。この空気シールは、油及び溜まり空気が平常運転中に軸方向間隙Ａを通して流れるのを防止する。
【００２１】
スタブシャフト２７０の内側面２７６は、低圧シャフト２０２から予備選定距離だけずれていて、内側面２７６と低圧シャフト２０２の間には半径方向の間隙Ｂがある。半径方向の間隙Ｂにより、ヒューズ２２０破損後、低圧シャフト２０２が半径方向に自由に撓むことができるようになる。この半径方向の自由な撓みは、ピーク荷重の減少を最大限にしながら、風車平衡異常荷重を最小限に抑える。スタブシャフト２７０が、ヒューズ２２０の破損後に、上流端部２７２の下流の位置で、低圧シャフト２０２を支持する。スタブシャフト２７０による低圧シャフト２０２の支持によって、低圧シャフト２０２の臨界速度は予想される風車速度よりも十分高くなり、ピーク荷重の減少を最大にしながら、風車平衡異常荷重を最小限に抑える。
【００２２】
スタブシャフト２７０の下流端部２７４はロータディスク２３８に接続されている。ロータディスク２３８は低圧シャフト２０２から予備選定距離だけずれていて、ロータディスク２３８と低圧シャフト２０２の間には半径方向の間隙Ｃがある。半径方向の間隙Ｃによって、ヒューズ２２０破損後に、ロータディスク２３８が低圧シャフト２０２に接触できるようになる。ディスク２３８が低圧シャフト２０２と接触することでディスク２３８の回転が減速される。
【００２３】
摩擦皮膜２８６が、スタブシャフト２７０、圧縮機ロータディスク２３８及び低圧シャフト２０２の部分に施工される。摩擦皮膜２８６は、スタブシャフト２７０と低圧シャフト２０２が同等の速度で回転し始めるまでの短期間の間、低圧シャフト２０２、スタブシャフト２７０及びディスク２３８における発熱を低減する。一つの実施形態では、摩擦皮膜２８６は、上流端部２７２の内側面２７６、及び低圧シャフト２０２の対応部分に施工される。また、摩擦皮膜２８６はロータディスク２３８及び低圧シャフト２０２の対応部分に施工される。さらに、摩擦皮膜２８６は、平衡異常後に軸２７０と軸２０２の間で予想される接触点に対応する内側面２７６及び低圧シャフト２０２の部分にも施工できる。一つの実施形態では、摩擦皮膜２８６はアルミニウム−青銅の溶射皮膜である。
【００２４】
ヒューズ付き支持アーム２１２を含む支持コーン２１０は、低圧ロータ２０６の大きな平衡異常撓みの際に、第１フランジ２５０及び第２フランジ２５２が相互に自由に動けるようになっている。加えて、スタブシャフト２７０が、デカップリング後に、低圧シャフト２０２を半径方向及び軸方向に支持する。さらに、低圧シャフト２０２の臨界速度は、高圧シャフト２３２と低圧シャフト２０２の接触点の場所、高圧シャフト２３２と低圧シャフト２０２の間の半径方向の間隙の大きさ、及び両シャフトのスチフネスにより、予想風車速度よりも格段に高い。さらに、高圧シャフト２３２及び低圧シャフト２０２の摩擦皮膜２８６が、軸２３２，２０２が同じ速度で回転するまでの短期間の間、軸２３２，２０２における発熱を低減する。
【００２５】
本発明の様々な実施形態についての以上の説明から、本発明の目的が達成されることは明らかである。本発明を詳細に説明し例示してきたが、それらは単に例示を目的としたものにすぎず、本発明を限定するものでないことは自明である。従って、本発明の技術範囲は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来周知のガスタービンエンジンの概略図。
【図２】 本発明の一つの実施形態によるガスタービンエンジンの一部の概略図。
【図３】 図２に示したガスタービンエンジンの支持構造のヒューズの概略図。
【図４】 図２に示したガスタービンエンジンの高圧シャフト及び低圧シャフトの一部分の概略図。

Claims (6)

1. ガスタービンエンジン（２００）用のファンデカップラー装置（２０１）であって、
   当該ファンデカップラー装置（２０１）が、低圧シャフト（２０２）；
   上記低圧シャフトと同心で、上流端部（２７２）とロータディスク（２３８）とを含む高圧シャフト（２３２）；
   上記低圧シャフトに接続したロータ（２３６）；及び
   上記ロータを支持するため、上記低圧シャフトに接続した支持コーン（２１０）であって、該支持コーンの残りの部分の破損点よりも低い破損点をもつヒューズ（２２０）を含んでいる支持コーン
   を含み、
   前記高圧シャフト（２３２）が、上記ヒューズ（２２０）の破損後に低圧シャフト（２０２）を支持するように構成されており、該低圧シャフトが高圧シャフトから軸方向に第１の予備選定距離だけずれたリップ（２７８）を含んでいて、該第１予備選定距離は前記ヒューズ（２２０）破損後に前記低圧シャフトが後方に移動して前記高圧シャフトに接触できるように選定されている、
   ファンデカップラー装置（２０１）。
2. 前記ヒューズ（２２０）が、貫通した第１開口を含む第１フランジ（２５０）；上記第１フランジに隣接し、貫通した第２開口を含むセグメントスペーサ（２５４）；上記スペーサに隣接していて、貫通した第３開口を含む第２フランジ（２５２）；及び上記第１フランジと上記スペーサと第２フランジを貫通したボルト（２５６）であって、予定の平衡異常荷重に設定された破損点を有するボルト（２５６）を含んでなる、請求項１記載のファンデカップラー装置（２０１）。
3. 高圧シャフト（２３２）が低圧シャフト（２０２）から第２予備選定距離だけずれていて、該第２予備選定距離はヒューズ（２２０）破損後に低圧シャフト部材が半径方向に自由に撓めるように選定されている、請求項１記載のファンデカップラー装置（２０１）。
4. 前記高圧シャフト（２３２）はスタブシャフト（２７０）を含み、
   前記スタブシャフト（２７０）は前記ロータディスク（２３８）に接続された下流端部（２７４）を備え、
   前記ロータディスク（２３８）は前記低圧シャフト（２０２）から第３予備選定距離だけずれており、前記ロータディスク（２３８）と前記低圧シャフト（２０２）の間には半径方向の間隙（Ｃ）が形成され、該間隙（Ｃ）によって、前記ヒューズ（２２０）破損後に、前記ロータディスク（２３８）が前記低圧シャフト（２０２）に接触できるようになり、前記ディスク（２３８）が前記低圧シャフト（２０２）と接触することで前記ディスク（２３８）の回転が減速される、請求項３記載のファンデカップラー装置（２０１）。
5. 高圧シャフト（２３２）は、低圧シャフト及び高圧シャフトに対する荷重を最小限に抑えるべく低圧シャフト（２０２）の固有振動数を風車動作範囲よりも十分高く保つように、半径方向及び軸方向に構成されている、請求項３記載のファンデカップラー装置（２０１）。
6. 低圧シャフトが少なくともその一部分に摩擦皮膜を含んでおり、ロータディスクが少なくともその一部分に摩擦皮膜を含んでおり、低圧シャフトの摩擦皮膜が、低圧シャフトの撓んだ際にロータディスクの摩擦皮膜と接触する位置にある、請求項４記載のファンデカップラー装置（２０１）。

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