JP4582471B2 - タービンフレーム組立体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には軸受及び軸を支持するためのガスタービンエンジン中のフレームに関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、軸受により支持される1つまたはそれ以上のロータ軸を含み、軸受は次いで環状のフレームにより支持される。フレームは、環状のハブから半径方向外方に間隔を置いて配置される環状のケーシングを含み、それらの間に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置される支柱を備える。支柱は、例えば、共通の鋳込みでケーシング及びハブと一体に形成されるかまたはそれらに適当にボルト止めされることが可能である。いずれの形状構成でも、全体のフレームは、運転中にそのたわみを最少にするようにロータ軸を支持するための適当な構造上の剛性を備えなければならない。
【0003】
支柱は、それを通して加圧された冷却空気が通りハブ中に導かれる中空の断面を有する。加圧空気は、ハブ中の穴を通して高圧及び低圧のタービンに対してロータパージをもたらす。空気は、また後部高圧タービン軸受を支持する支柱の内側に収納される管に加えて、支柱及びハブに対しても冷却を施す。支柱及びハブの内部の加圧空気が、漏れにより失われないようにすることが重要である。もし漏れが起これば、ロータ空洞温度に悪影響を及ぼすであろう。
【0004】
ボルト止めされたタービンフレーム組立体の1つの例は、12の支柱端部の各々において8つのボルトで外側ケースに接続された外方の支柱端部を有するGE90タービン中央フレーム(TCF)である。ケース及び支柱端部の間の相対的な動きを最少にするために、ケース及び支柱端部の穴の範囲から外れる各位置で剪断ボルトが用いられる。製造中にケース穴及び支柱穴の間の同心性を確保するために、各支柱はケースに対して配置されて、各穴は単一パスでケース及び支柱を貫通して機械加工される。次いで支柱がケースから分離されて、予め機械加工された各貫通穴をパイロットとして用いて、後続のねじタップ加工及びインサート装着のための座ぐり形状が機械加工される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
支柱のより接近可能な側から座ぐりを機械加工することができ、結果としてタービンフレームがより生産性が高く再製作性も高くしかもより安価な設計及び製造になるのが望ましい。
【0006】
【課題を解決するための手段】
環状タービンフレームは、軸方向中心線軸の周りに同軸に配置され、かつ複数の円周方向に間隔を置いて配置された第1ポートを有する半径方向外側ケーシングなどの第1リングを含む。複数の円周方向に間隔を置いて配置された中空の支柱は、対応する複数のカラーにより第1リングに半径方向に結合される。各ストラットは、半径方向に対向する第1及び第2端部、並びにそれらの間に延びる貫通流路を有する。カラーの各々は、支柱第1端部のうちの関連する1つと第1リングとの間に第1ポートのうちの関連する1つと位置合わせされて配置されて、支柱を第1リングに取外し可能に結合する。
【0007】
カラーの各々は、第1リングに当接して配置され、基部を第1リングに取外し可能に結合するそれを貫通する取付けボルトを受入れる複数のカラー取付け穴を有する基部を含む。基部は、第1ポートと位置合わせされた中央開口を有している。各カラー取付け穴は、カラー取付け穴の半径方向外方部分中に穴座ぐりを有している。カラー取付け穴の半径方向内方部分は、内側及び外側ねじ付き表面を含むねじ付きインサートを受入れて保持するためにねじが切られている。ワッシャが穴座ぐり中に配置され、取付けボルトは、第1リングを貫通して設けられた第1リング穴及びワッシャを貫通して配置され、インサートの内側ねじ付き表面にねじ込まれている。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の特性を示すものと考えられる新規な特徴が、特許請求の範囲に記載されて特定される。本発明を、添付の図面と共により詳細に述べる。
【0009】
本発明の好ましい例示的な実施形態であると考えられるものをここに述べるが、本発明の他の変形形態が本明細書の教示から当業者には明らかになるはずであり、従って、本発明の技術思想及び技術的範囲内にある全てのかかる変形形態が添付の特許請求の範囲で保護されることが望まれる。
【0010】
図1に概略的に示すのは、軸方向つまり長手方向の中心線軸12を有する例示的なガスタービンエンジン10の1部分である。中心線軸12の周りに一連に流れ連通して配置されるのは、ファン、圧縮機、及び燃焼器(全て図示せず)、高圧タービン(HPT)20及び低圧タービン(LPT)22である。第1軸(図示せず)が圧縮機をHPT20に結合し、また第2軸26がファンをLPTに結合する。運転中、空気がファンに入り、空気の1部分が圧縮機中で圧縮されて燃焼器に流れ、そこで空気は燃料と混合されて点火され燃焼ガス30を発生し、燃焼ガス30はHPT20及びLPTを通して下流に流れエネルギーを抽出されて、第1及び第2軸を回転させる。
【0011】
本発明の1つの実施形態に従ってタービン中央フレームとして図示される環状タービンフレーム32は、軸受34を支持し、軸受34が次に第2軸26の1端を回転を可能になるように支持する。タービンフレームは、またHPT軸(図示せず)の後端を支持するためにも使用される。タービンフレーム32は、HPT20の下流に配置され、従って、そこを通って流れる燃焼ガス30から保護されなければならない。
【0012】
図1及び図2に示すタービンフレーム32は、中心線軸12の周りに同軸に配置され、例えばケーシング36として図示された半径方向外側の第1構造リングを含む。フレーム32はまた、例えば中心線軸12の周りに第1リングまたはケーシング36と同軸に配置されかつそれから半径方向内方に間隔を置いて配置されたハブ38として図示された、半径方向内側の第2構造リングを含む。複数の円周方向に間隔を置いて配置された中空の支柱40は、ケーシング36及びハブ38の間に半径方向に延び、それらに取外し可能に固定結合される。
【0013】
フレーム32はまた、複数の通常の整形板42を含み、その各々が支柱40の関連する1つを囲繞しタービンフレーム32を通って流れる燃焼ガス30から支柱を保護する。軸受34をその中央穴で支持する概ね円錐形の油だめ部材44が、ハブ38に結合される。支柱40の各々は、第1または外方端部41及び半径方向に対向する第2または内方端部43を含み、細長い中央部分45がそれらの間に延びている。支柱40は中空であり、外方端部41から支柱40を貫通してまた中央部分45を貫通して内方端部43まで完全に延びる貫通流路46を含む。
【0014】
ケーシング36は、それを貫通して半径方向に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置され第1ポート48を含み、またハブ38はそれを貫通して半径方向に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置され第2ポート50を含む。ここに図示する例示的な実施形態においては、支柱40の内方端部43は、ボルト接続でハブ38に取外し可能に固定結合され、他の実施形態では、支柱40の内方端部43は、溶接によりハブ38に固着されるか、または共通の鋳込みでハブ38と一体形成される。この実施形態においては、支柱40の外方端部41はケーシング36に取外し可能に固定結合される。他の実施形態においては、支柱の外方端部41は、例えば、本発明に従って支柱の内方端部43がハブ38に取外し可能に結合された状態で、共通の鋳込みでケーシング36に一体に結合されることが可能である。
【0015】
複数のカラー52が、支柱の外方端部41を囲繞しそれと一体に形成され、支柱の外方端部41をケーシング36に取外し可能に結合する。カラー52は、支柱の外方端部41と一体に形成されるように図示されているが、カラーは、本明細書に参考文献として組み込まれる米国特許第5,292,227号及び第5,438,756号に開示されるように、クレビス形状で別体にすることができる。カラー52は、支柱の外方端部41をケーシング36に取外し可能に結合する。他の実施形態(図示せず)においては、カラー52を用いて、内方端部43をハブ38に取外し可能に結合することができる。いずれの構成においても、カラー52の各々は、支柱の外方及び内方端部41及び43の関連する1つと関連するリング即ちケーシング36またはハブ38との間で第1または第2ポート48,50の関連するポートと位置合わせされて配置され、支柱40を第1または第2リング即ちケーシング36またはハブ38に取外し可能に結合し、荷重を担持するとともにそれを介してアクセスできるようにする。
【0016】
図3に示す例示的な実施形態においては、カラー52の各々は、ケーシング36の内周に当接して配置された弓形状の基部54である。複数のケーシング穴55が、例えば8つの各穴が示されるが、基部54中の複数のカラー取付け穴56と位置合わせされ、それを通して関連する複数の取付けボルト58を受入れ、基部54をケーシング36に取外し可能に固定結合する。基部54は、第1ポート48の関連する1つと位置合わせされた中央開口60を含む。
【0017】
図2を参照すれば、ケーシング36は、カラー52及び第1ポート48の軸方向両側に配置された、一対の軸方向に間隔を置いて設けられた環状の補強リブ72を含み、支柱40とケーシング36との間の荷重を担持する。補強リブ72は、連続し中断しない環状部材であり、補強リブ72により支柱40が接続される実質的に剛性のある環状部材を確保した状態で、環状部材はポート48またはケーシング36に結合された支柱40のどちらかにより中断されることなくフープ応力方向の荷重を担持し、その結果、荷重をハブ38から支柱40を通してまたカラー52を通してケーシング36に伝達することができる。
【0018】
図3及び図4を参照すれば、基部54は、8つの取付けボルト58によりケーシング36に剛的に取付けられ、従って、支柱40を支柱外方端部41によりケーシングに剛的に接続する。カラー52の弓形状の基部54を貫通する各カラー取付け穴56は、取付け穴の半径方向外方部分82中に穴座ぐり80を含む。内側及び外側ねじ付き表面86及び88をそれぞれ有するねじが切られた中空のインサート84が、取付けボルト58を固定するために用いられる。カラー取付け穴56の半径方向内方部分90にはねじが切られており、その中に配置されるインサート84を受入れ保持する。ワッシャ94が、圧入で座ぐり80内に配置される。取付けボルト58は、一直線にドリル加工されたケーシング穴55、ワッシャ94、及び取付け穴56を貫通して配置され、インサート84の内側ねじ付き表面86中にねじ込まれる。この組立体は、組立て者が基部54と支柱の外方端部41との間のフレーム領域への接近が困難なケーシングの半径方向内部ではなく、ケーシング36の半径方向外部からボルト58をねじ込み、締めることを可能にする。
【0019】
取付けボルト58は、取付け穴56をシールし、従って、ケーシング穴55及びケーシング36を通して燃焼ガス30が漏れるのを防止する。ワッシャ94は、支柱40及びワッシャが圧入される基部54よりも高い熱膨張係数を備える材料から作られるべきである。熱膨張の違いが、エンジン運転中にワッシャが穴座ぐり80に常に接触していることを保証するであろう。本発明の1つの利点は、穴座ぐり80並びに内側及び外側ねじ付き表面86及び88上のねじが、外方支柱端部41のより接近可能な側であるケーシング36の半径方向外部から機械加工されることを可能にすることである。これは、生産性がより高くより費用が安上がりなタービンフレームの設計である。インサートは、ケーシング36の半径方向外部から取付けられる。図5及び図6を参照すれば、インサートキー120が、それぞれインサート84の位置合わせされた半径方向に延びる一致したキーインサート穴スロット122及びケーシング穴55の内方部分90に沿う穴スロット124を通して半径方向に配置される。インサートキー120は、エンジン振動により抜出るのを防止するワッシャ94により正規の位置に捕捉される。ワッシャには、厳しい許容誤差直径及び同心性が要求されるあるが、このことが、ワッシャが支柱による円周方向及び軸方向の荷重を担持し、その荷重をケーシング36上の環状補強リブ72に伝達するのに役立つ。
【0020】
本発明の別の利点は、ワッシャが組立て/分解の損耗の大部分を受持つことである。ワッシャの材料は、外側ケースより硬度が低く、組立て中に部品が位置合わせされていない場合または長期間の運転により変形した場合に、ケースより先に撓んだり/損耗したりするであろう。ワッシャが所望の限度を越えて損耗した場合には、ワッシャは従来技術のフレーム組立体に比べて比較的に安い費用で容易に交換することが可能である。
【0021】
本発明の方法の例として、12の支柱端部の各々で8つの剪断ボルトにより外側ケーシングに接続されている、GE90タービン中央フレーム(TCF)外方支柱端部を参照されたい。ケース及び支柱端部の間の相対的な動きを最少にするために、剪断ボルトが各位置で用いられる。製造の際には、各支柱は、ケーシング36に対して組立て位置に置かれ、ケーシング穴55及びカラー取付け穴56の各々の対が、単一のパスでケーシング及び支柱基部54を貫通して機械加工され、ケーシング及び支柱基部中の穴の間の同心性並びに組立ての際にそれらが適切に位置合わせされることを保証する。次いで、支柱はケーシングから分離され、予め機械加工された各貫通カラー取付け穴56がパイロットとして用いられて、カラー穴の半径方向外方部分82中に座ぐり80を支柱端部の基準面に対して指定された厚さに機械加工し、その後のねじタップ加工及びインサート装着に備える。次いで、カラー取付け穴56の半径方向内方部分90は、タップ加工処理で拡大されねじ切りされる。ねじが切られた中空のインサート84は、セルフブローチ加工され、好ましくない回転を防止するために少なくとも1つのキーを備えるようにキーが設けられる。ねじ切りされた中空のインサート84は、座ぐり80の底部102と同一平面に取付けられ、外側ねじ付き表面88がカラー取付け穴56のねじが切られた半径方向内方部分90にねじ込まれる。次いで、ワッシャ94が、座ぐり80中に圧入され、座ぐり底部102により保持される。全てのインサート及びワッシャが取付けられると、外側ケーシングが外方支柱端部41に組み付けられる。次いで、ボルト58がケーシング穴55を通して取付けられ、インサート84中にねじ込まれる。
【0022】
図1、図2及び図8を参照すると、支柱40の各々の内方端部43は、フレーム32のハブ38に取外し可能に接続される。ここに図示される例示的な実施形態においては、拡張可能なボルト140が用いられて、図9により詳細に示されるように、内方端部43をケーシング36上に取付けられた半径方向外方に延びるクレビス144に接続する。基部54は、ハブ38上の第1ポート50に位置合わせされた中央開口158を有する。競走トラック形状をしたハブ座ぐり148が、第2ポート50の周りの基部54中に機械加工される。図10に示されるシール150が、ハブ座ぐり148の内方端部43及び肩部156の間に配置され、それによって支柱40の各々の内方端部43及びフレーム32のハブ38の間の中空の貫通流路46からの加圧された冷却空気160の漏れをシールする。
ここに図示される例示的な実施形態中のシール150は、金属製で変形可能であり、華氏1000度までの温度に耐えて機能することができる。
【0023】
競走トラック形状をしたハブ座ぐり148は、各支柱端部接続位置170でハブ38中に機械加工される。シール150は、手の押圧力を用いてハブ座ぐり148中に設置される。シール150は、新しい部品製造の時点でやや外方に湾曲させてあるので、支柱40がない状態でハブ座ぐり148中に保持される。このことが支柱40をハブ38に組み付けるのに役立つ。支柱40は、拡張可能なボルト140のうちの前方ボルト172を最初に取付け、次いで前方ボルトの周りに支柱を回転させ、従って、支柱及びハブの間のシール150を圧縮し、次いで拡張可能なボルトのうちの後方ボルト174を取付けることことにより、ハブ38に取付けられる。次いで、拡張可能なボルトは指定公差の範囲内でトルク締めされる。シール150が取付けられると、シールの1部分が見えるようになるので、組立て要員がシールがあるのを確認できる。シールは、空洞内部での組み付けの向きに関係なく(つまり、シールは上下反対に取付け可能である)適当に機能するように設計される。製作公差により、支柱端部及びハブ座ぐりの間の間隙は、フレームからフレーム及び所定のフレーム内での支柱から支柱で変化する可能性がある。シールは、様々な間隙について適当に機能する(最大の漏洩限度を満たす)ように設計される。シールは、初めに最小の間隙の空洞中に取付けられ、後に最大限の許容間隙の空洞中に取付けられる場合にも、適切に機能する。
【0024】
支柱及びハブの間の漏れが、許容できるレベルまで最少化される。支柱及びハブの製作公差は、シールの変形可能な性質により吸収される。シールは、組み付けの方向に関係なく適切に機能し、他の支柱位置でまた他の類似のタービン中央フレームで再使用可能である。一旦取付けられれば、目が届くようになりシールがあるのを確認できる。
【0025】
本発明の好ましい例示的な実施形態であると考えられるものをここに説明してきたが、本発明の他の変形形態が本明細書の教示から当業者には明らかになるはずであり、従って、本発明の技術思想及び技術的範囲に属する全ての変形形態が添付の特許請求の範囲で保護されることが望まれる。
【0026】
従って、本出願により保護されることを望むものは、特許請求の範囲に記載され特定される発明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の例示的な実施形態のタービン中央フレーム組立体を備えるガスタービンエンジンの1部分の長手方向断面図。
【図2】図1のタービン中央フレーム組立体の斜視図。
【図3】図2のタービン中央フレーム組立体の内側の支柱及びケーシングの斜視図。
【図4】図3の支柱の半径方向外方端部の半径方向外方に見た斜視図。
【図5】図3の支柱の半径方向外方端部の半径方向内方に見た斜視図。
【図6】インサートにねじ込まれたボルト、及び図5に示された支柱基部中の取付け穴にインサートを固定するために用いられるキーに沿って切断した、ケーシング及び支柱組立体の1部の断面図。
【図7】図5に示された支柱基部中の取付け穴のインサートにねじ込まれたボルトに沿って切断した、ケーシング及び支柱組立体の1部分の断面図。
【図8】図2の支柱及びハブの半径方向内方端部の半径方向内方に見た斜視図。
【図9】支柱の半径方向内方端部が除去された、図8のハブの半径方向内方に見た斜視図。
【図10】図2のハブ及び支柱のハブ及び半径方向内方端部の線図で表した断面図。
【符号の説明】
12 中心線軸
32 タービンフレーム
36 第1リング(ケーシング)
38 第2リング(ハブ)
40 支柱
48 第1ポート
50 第2ポート
55 ケーシング穴
58 取付けボルト
72 補強リブ
140 ボルト
144 クレビス
Claims (9)
- 軸方向中心線軸(12)の周りに同軸に配置され、かつ複数の円周方向に間隔を置いて配置された第1ポート(48)を有する第1リングと、
対応する複数のカラー(52)により前記第1リングに半径方向に結合され、その各々が半径方向に対向する第1及び第2端部、並びにそれらの間に延びる貫通流路(46)を有する複数の円周方向に間隔を置いて配置された支柱(40)と、を含み、
前記カラー(52)の各々は、前記支柱第1端部のうちの関連する1つと前記第1リングとの間に前記第1ポート(48)のうちの関連する1つと位置合わせされて配置されて、前記支柱(40)を前記第1リングに取外し可能に結合し、
前記カラー(52)の各々は、
前記第1リングに当接して配置され、前記第1ポート(48)と位置合わせされた中央開口(60)を有する基部(54)を前記第1リングに取外し可能に結合するそれを貫通する取付けボルト(58)を受入れる複数のカラー取付け穴(56)を有する基部(54)を含み、
各カラー取付け穴(56)は、前記カラー取付け穴(56)の半径方向外方部分(82)中に穴座ぐり(80)を有しており、
前記カラー取付け穴(56)の半径方向内方部分(90)は、ねじ付きインサートを受入れて保持するためにねじが切られており、
前記ねじ付き中空インサートは、内側及び外側ねじ付き表面(86,88)を含んでおり、
ワッシャ(94)が、前記穴座ぐり(80)中に配置されており、
前記取付けボルト(58)は、前記第1リングを貫通して設けられた第1リング穴及び前記ワッシャ(94)を貫通して配置され、前記インサートの前記ねじが切られた内側ねじ付き表面(86)にねじ込まれている、
ことを特徴とする環状タービンフレーム(32)。 - 前記カラー(52)は、前記支柱第1端部と一体に形成されることを特徴とする請求項1に記載の環状タービンフレーム(32)。
- 前記第1リングは、前記カラー(52)の軸方向両側に配置される連続し中断しない環状補強リブ(72)を有することを特徴とする請求項2に記載の環状タービンフレーム(32)。
- 軸方向中心線軸(12)の周りに同軸に配置され、かつ複数の円周方向に間隔を置いて配置された第1ポート(48)を有する半径方向外側リングと、
対応する複数のカラー(52)により前記外側リングに半径方向に結合され、その各々が半径方向に対向する第1及び第2端部、並びにそれらの間に延びる貫通流路(46)を有する複数の円周方向に間隔を置いて配置された支柱(40)と、を含み、
前記カラー(52)の各々は、前記支柱第1端部のうちの関連する1つと前記外側リングとの間に前記第1ポート(48)のうちの関連する1つと位置合わせされて配置されて、前記支柱(40)を前記外側リングに取外し可能に結合し、
前記カラー(52)の各々は、
前記外側リングに当接して配置され、前記第1ポート(48)と位置合わせされた中央開口(60)を有する基部(54)を前記外側リングに取外し可能に結合するそれを貫通する取付けボルト(58)を受入れる複数のカラー取付け穴(56)を有する基部(54)を含み、
各カラー取付け穴(56)は、前記カラー取付け穴(56)の半径方向外方部分(82)中に穴座ぐり(80)を有しており、
前記カラー取付け穴(56)の半径方向内方部分(90)は、ねじ付きインサートを受入れて保持するためにねじが切られており、
前記ねじ付き中空インサートは、内側及び外側ねじ付き表面(86,88)を含んでおり、
ワッシャ(94)が、前記穴座ぐり(80)中に配置されており、
前記取付けボルト(58)は、前記外側リングを貫通して設けられた外側リング穴及び前記ワッシャ(94)を貫通して配置され、前記インサートの前記ねじが切られた内側ねじ付き表面(86)にねじ込まれており、さらに
前記外側リングから半径方向内方に間隔を置いて前記中心線軸(12)の周りに同軸に配置され、かつそれを貫通して半径方向に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された第2ポート(50)を有する半径方向内側リングを含み、
前記複数の円周方向に間隔を置いて配置された支柱(40)は、前記内側リングに結合されており、
前記流路(46)は、前記第2ポート(50)の対応する1つと位置合わせされており、
前記第2ポート(50)の各々は、前記第2ポート(50)内の肩部(156)を形成する、前記第2ポート(50)の半径方向外方部分(82)中のポート座ぐりを有しており、
前記肩部(156)及び前記支柱(40)の前記第2端部(43)との間の前記ポート座ぐりの内部に配置されたシール(150)をさらに含む、
ことを特徴とする環状タービンフレーム(32)。 - 前記ポート座ぐりは、競走トラック形状をしていることを特徴とする請求項4に記載の環状タービンフレーム(32)。
- 前記シール(150)は、金属製で変形可能であることを特徴とする請求項4に記載の環状タービンフレーム(32)。
- 前記シール(150)は、538℃(華氏1000度)までの温度に耐えて機能することができることを特徴とする請求項6に記載の環状タービンフレーム(32)。
- 前記円周方向に間隔を置いて配置された支柱(40)は、前記内側リング上のクレビス(144)に前記ボルト(58)により半径方向に結合されることを特徴とする請求項4に記載の環状タービンフレーム(32)。
- 前記外側リングはケーシング(36)であり、前記内側リングはハブ(38)であることを特徴とする請求項8に記載の環状タービンフレーム(32)。
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