JP4582472B2 - タービンフレーム組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
【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】
支柱は、支柱及びハブの間のいかなる相対的動きも防止する堅固な剪断接続を行なうクレビスと拡張可能な２つのボルトとで、ハブに接続される。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中空の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。拡張可能なボルトは、支柱をハブに対してシールしないので、支柱及びハブの間の加圧空気の漏れを防止することが望ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決しようとするものである。
【０００７】
【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ポートを備えるリングを有する。複数の円周方向に間隔を置いて配置された支柱は、リング上のクレビスにより半径方向にリングに結合される。各支柱は、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。 流路の各々は、ポートの対応する１つと位置合わせされている。ポートの各々は、ポート内に肩部を形成する、ポートの半径方向外方部分中のポート座ぐりを有している。シールが、肩部及び支柱の間でポート座ぐり内に配置される。
【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、連続し中断され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環状部材を確保した状態で、これら環状部材がポート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の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との間のフレームの接近が困難な領域の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の穴座ぐり８０との締めしろを常に保証するであろう。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深さに機械加工し、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をハブ３８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、内方端部４３及びハブ座ぐり１４８の肩部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の間で中空の貫通流路４６からの加圧された冷却空気１６０が漏れるのをシールする。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、支柱及びハブの間にシール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、組立て作業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り）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、フレーム毎及び所定のフレーム内での支柱毎に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適応される。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 (4)

1. 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ポートを有するリングと、
   各々が半径方向に対向する第１端部及び第２端部、並びにそれらの間に延びる貫通流路（４６）を有する、前記リング上のクレビスによって前記リングに半径方向に結合された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、
   前記流路（４６）の各々は、前記ポートの対応する１つと位置合わせされており、前記ポートの各々は、前記ポート内に肩部（１５６）を形成する、前記ポートの半径方向外方部分（８２）中のポート座ぐりを有しており、
   シール（１５０）が、前記肩部（１５６）及び前記支柱（４０）の間で前記ポート座ぐり内に配置される、
   ことを特徴とする環状タービンフレーム（３２）。
2. 前記支柱（４０）は、前記リング上のクレビス（１４４）により前記リングに取外し可能に固定結合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）。
3. 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１に記載の環状タービンフレーム（３２）。
4. 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１に記載の環状タービンフレーム（３２）。

Images