JP4612939B2 - ガスタービンエンジンの通風ダクトを連結する方法と組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概してガスタービンエンジンに関するものであり、具体的にはガスタービンエンジンのねじを用いない通風ダクトの連結に関する。
【０００２】
【従来の技術】
飛行機を飛行させるのに利用されるターボファンガスタービンエンジンは、一般的に連続流通関係に、ファン、低圧圧縮機つまり増圧機、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを含む。燃焼器は燃焼ガスを生じ、燃焼ガスは続いて高圧タービンに送られ、そこで膨張して高圧タービンを駆動し、次に、低圧タービンへ送られ、さらに膨張して低圧タービンを駆動する。高圧タービンは第１のロータ軸を介して高圧圧縮機に動力を伝えるように連結され、低圧タービンは第２のロータ軸を介してファン及び増圧機に動力を伝えるように連結されている。
【０００３】
第１のロータ軸は一般的には圧縮機後軸及び圧縮機前軸を含むいくつかの部位で作られており、圧縮機後軸は高圧タービンロータに連結される。圧縮機後軸は後部円筒形部分、前部円錐形部分を備える。円錐形部分の前端は高圧圧縮機の最終段のディスクに連結される。管状の通風ダクトが圧縮機前軸から圧縮機後軸まで延びる。通風ダクトには複数の開口部があり、ファンまたは増圧機から抽気された空気をそこから受け入れ、空気は次に、圧縮機後軸の円筒形部分で画成されたボアを通って下流に導かれ、後部油だめを加圧する。
【０００４】
慣用的な配置のひとつでは、通風ダクトはねじ式連結で圧縮機後軸に連結される。通風ダクトは、後軸の開口孔に形成された雌ねじにねじ込まれ強固に係合する雄ねじを備えている。しかし、エンジン作動中、特に離陸時には圧縮機後軸に加わる負荷と熱環境のため、圧縮機後軸は通風ダクトより急速に半径方向に大きくなる。ねじ結合部が、円錐形の角度が比較的急であるため急速に膨張する後軸の円錐形部分に近接しているので、熱膨張はねじ結合部で特に急速に起こる。この膨張差によりねじ結合部にゆるみが生じ、結合部が可動となり、ねじが損傷したりひびが入ることがある。また、ねじ結合構造では、通風ダクトに振動及び曲げ応力が集中し、疲労破壊が起こることがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、通風ダクトを支えつつ、熱膨張差に耐えるねじを用いない通風ダクトの連結が必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題は、本発明で提供するガスタービンエンジンにおける通風ダクトを圧縮機後軸に連結する連結組立体及び方法で解決される。この連結組立体は、圧縮機後軸を含み、この圧縮機後軸はその中に形成された中央開口孔を有し、さらに開口孔内に配設された保持リング、及び一端を開口孔に挿入された通風ダクトを含む。保持リングは第１の組のタブを有し、通風ダクトは第２の組のタブを有する。通風ダクトは、第１の組のタブが第２の組のタブとかみ合うように保持リングに対して配置される。
【０００７】
本発明及び本発明の先行技術より有利な点は、添付の図面を参照しながら、以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読むことにより明らかとなる。
【０００８】
本発明と考えられる内容は、明細書の冒頭部分で特に指摘し、明確に特許請求している。しかし、本発明は、添付の図面ととも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。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図面では各参照番号は種々の図面を通して同じ要素を示しており、図１は高バイパス比ターボファンエンジン１０の縦断面図を示す。エンジン１０は、縦方向の中心軸線１２の周りに連続軸流に連通して、ファン１４，増圧機１６，高圧圧縮機１８，燃焼器２０，高圧タービン２２，及び低圧タービン２４を含む。高圧タービン２２は第１のロータ軸２６で高圧圧縮機１８に動力を伝えるように連結され、低圧タービン２４は第１のロータ軸２６の中に配置されている第２のロータ軸２８で増圧機１６及びファン１４の両方に動力を伝えるように連結されている。
【００１０】
図２には、第１のロータ軸２６が圧縮機前軸３０及び圧縮機後軸３２を含む様子を示す。複数の高圧圧縮機ロータディスク３４が圧縮機前軸３０と圧縮機後軸３２との間に連結され、圧縮機前軸３０及び圧縮機後軸３２とともに回転する。圧縮機後軸３２は円筒形の後部３６及び円錐形の前部４０を含み、前部４０は最終段のロータディスク３４に連結する。円筒形の後部３６は高圧タービン２２のタービンロータ（図２には示していないが、第１のロータ軸２６の一部である）に連結する。管状の通風ダクト４２は圧縮機前軸３０と圧縮機後軸３２との間に延びる。通風ダクト４２には開口部４４があり、ファン１４または増圧機１６から抽気された空気を取り込む。次に、取り込まれた空気は圧縮機後軸３２の円筒形部分３６により画成されたボア４６を通って下流に運ばれ、タービンロータの穴を通って下流の油だめ４８（図１）を加圧する。
【００１１】
エンジン１０の作動中には、外気がエンジンの吸気口に入り、本明細書ではこの外気の第１部分を主空気流と呼ぶことにしており、主空気流はファン１４、増圧機１６及び高圧圧縮機１８を通り、各要素を連続して通るたびに加圧される。上述の通り、空気の一部はファン１４または増圧機１６から抽気され、通風ダクト４２の開口部４４を通り、下流の油だめ４８を加圧する。次に、主空気流は燃焼器２０に入り、圧縮した空気を燃料と混合し燃焼して、高エネルギ流である高温の燃焼ガスを効率よく提供する。高エネルギのガス流は高圧タービン２２に入り、膨張してエネルギが抽出されて高圧圧縮機１８を駆動し、次に、低圧タービン２４に入り、さらに膨張してエネルギが抽出されてファン１４及び増圧機１６を駆動する。外気の第２部分つまりバイパス空気流は、環状ダクト５２を通ってエンジン１０から排出される前に、ファン１４及びファンの出口ガイドベーン５０（図１）を通ることにより、相当なエンジン推力を提供する。
【００１２】
エンジン１０は非ねじ連結組立体５４を含み、非ねじ連結体５４は通風ダクト４２の後端部を圧縮機後軸３２に連結する。図３から図５に示す通り、連結組立体５４の主要素は圧縮機後軸３２、通風ダクト４２及び保持リング５６である。保持リング５６及び通風ダクト４２の後端部はいずれも、圧縮機後軸３２の開口孔４６に配置され、それらは通風ダクト４２が圧縮機後軸３２によりしっかりと支持されるように互いに係合している。
【００１３】
圧縮機後軸３２は開口孔４６の内面に形成された陥凹部５８を有し、保持リング５６及び通風ダクト４２を受け止めている。陥凹部５８は、開口孔４６の前端から開口孔４６内で後方にある距離離れて位置する前方に向いた環状の保持リップ６０まで延在している。保持リング５６は、保持リップ６０に近接する陥凹部５８の円筒形の内面との間に隙間のできない大きさで、陥凹部５８に圧入される。保持リング５６の後端部は、保持リップ６０に当接しているため、後方向への軸線方向の動きを阻止され、また、保持リング５６は、開口孔４６に圧入されているため、圧縮機後軸３２に対して回転しない。保持リング５６は開口孔４６内で十分後方に位置している（円錐部分４０から十分に離れている）ので、圧縮機後軸３２の熱膨張差による影響が減少するため、保持リング５６に圧入ばめを利用することが実現できる。
【００１４】
３つ１組のタブ６２が、保持リング５６の前端部から軸線方向外側に延びている。図４及び図５に最もよく示されている通り、タブ６２はそれぞれ幅が約６０度であり、保持リング５６の周囲に等間隔に配置されている。したがって、３つの刻み目６４も幅が約６０度となり、タブ６２の間に規定される。
【００１５】
通風ダクト４２は、その後端部を開口孔４６に挿入して配置される。通風ダクト４２及び圧縮機後軸３２は、それぞれ円筒形の外面及び内面を持っており、それぞれの面は半径方向のわずかな隙間をもって重なっている。通風ダクト４２の円筒形の内面にはコーティング６６が施されており、コーティング６６は第２のロータ軸２８の緩衝軸受けとして働く。さらに、通風ダクト４２の円筒形の外面には耐摩耗コーティング及び乾燥潤滑コーティングが施されている。開口孔４６にも乾燥潤滑コーティングが施されている。通風ダクト４２は、その後端部から軸線方向外側に延びる３つ１組のタブ６８を有している。保持リングタブ６２と同様に、通風ダクトタブ６８はそれぞれ幅が約６０度で、通風ダクト４２の周囲に等間隔で配置されており、それらの間に幅が６０度の３つの刻み目７０を規定する。１組のタブ６２及び１組のタブ６８はそれぞれ３つのタブで構成されているものとして示しているが、これら組は異なる数のタブで構成してもよいことは明らかである。
【００１６】
通風ダクトタブ６８は２つの目的で使用される。ひとつは開口孔４６内で通風ダクト４２の後端部を支持することであり、もうひとつは通風ダクト４２が圧縮機後部軸３２に対して回転するのを防ぐことである。通風ダクトタブ６８は、通風ダクト４２が圧縮機後軸３２とともに回転するときに起こる半径方向の歪みにより、通風ダクト４２を支持する。詳細には、タブ６８は個別で連続していないので、回転している間タブ６８に作用する遠心力は通風ダクト４２の円筒形の本体部分で支持され、このことが本体部分をいくらか三角形状に変形させる。この変形により、通風ダクト４２と圧縮機後軸３２との間の隙間が狭まり、通風ダクト４２を支持し中心合わせする。
【００１７】
図４に最もよく示されている通り、通風ダクトタブ６８が保持リングタブ６２とかみ合うように、保持リング５６に対して通風ダクト４２を円周方向に位置決めすることにより、相対回転が阻止される。すなわち、通風ダクトタブ６８は保持リングの刻み目６４にぴったり合い、保持リングタブ６２は通風ダクトの刻み目７０にぴったり合う。保持リング５６は、開口孔４６に圧入されることによって、圧縮機後軸３２に対して回転を固定されており、互いにかみ合うタブ６２及びタブ６８は通風ダクト４２と圧縮機後軸３２との間のどのような相対回転も阻止する。
【００１８】
図３に示すとおり、通風ダクトタブ６８は保持リングタブ６２より軸線方向に長い。このため、通風ダクトタブ６８の端部が保持リング刻み目６４の底面に接触する。この接触により、必要な軸線方向の荷重が得られ、通風ダクト４２が実質的に軸線方向に移動するのを阻止する。通風ダクト４２は、保持リング５６が保持リップ６０により軸線方向に固定されているため、後方向に移動できない。通風ダクト４２は、通風ダクトの前端部が通常圧縮機前軸３０に連結されているため、開口孔４６から抜け落ちるほど（つまり２組のタブ６２及びタブ６８がはずれるほど）前方に移動できない。保持リングタブ６２は長さが短いため、通風ダクトの刻み目７０の底面に接触しない。保持リングタブ６２の各前端と通風ダクトの刻み目７０の各底面との間に得られる隙間７２により、通風ダクトタブ６８の隅肉半径が大きくできる。この配置は逆に、保持リングタブ６２が通風ダクトの刻み目７０の底面に接触し、通風ダクトタブ６８の各後端と保持リングの刻み目６４の各底面との間に隙間が形成されてもよいことに注意する必要がある。このように、保持リングタブ６２が大きい半径の隅肉を有してもよい。しかし、通風ダクト４２には保持リング５６より大きな応力がかかるため、通風ダクトタブ６８が大きい半径の隅肉を有することが好ましい。
【００１９】
タブ６８のわずかに前方の通風ダクト４２の円筒形の外表面に、外側の溝７４が形成される。溝７４は通風ダクト４２の周囲に延び、密封ワイヤ７６を受け入れる。密封ワイヤ７６は、開口孔４６の陥凹部５８に接触することにより、通風ダクト４２と圧縮機後軸３２との間からの望ましくない空気の漏れを防ぐ。
【００２０】
本発明の連結組立体５４は、通風ダクト４２を圧縮機後軸３２内に中心合わせし支持する。連結組立体５４は通風ダクト４２を半径方向に支持するが、通風ダクト４２の後端部の曲げまたは振動に対しては堅く固定しないため、通風ダクト４２の曲げ応力または振動応力を減少させる。連結組立体５４には、応力を局部に集中することになるような通風ダクト／保持リング界面の前に構造特徴がないため、曲げ応力及び振動応力はさらに減少する。さらに、連結組立体５４は従来の連結構造より半径方向の必要な空間が小さいため、通風ダクト４２の壁から開口孔４６へなめらかに移行し、また、通風ダクト／保持リング界面を圧縮機後軸３２のより後方に位置させることが可能となり、熱膨張差の影響が減少する。
【００２１】
以上、非ねじ通風ダクト連結体を説明した。本発明の特定の実施例を説明したが、当業者には、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の技術思想と技術的範囲から離れることなく種々の変更を行うことができることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の通風ダクト連結を組み込んだターボファンエンジンの部分概略断面図。
【図２】 図１に示すエンジンの高圧圧縮機部分の横断面図。
【図３】 本発明の通風ダクト連結の詳細破断断面図。
【図４】 図３の通風ダクト連結の通風ダクト及び保持リングの等角図。
【図５】 図４に示す通風ダクト及び保持リングの組み立て分解等角図。

Claims (9)

1. 圧縮機前軸（３０）と、
   連結組立体（５４）であって
   開口孔（４６）を画成する軸部材、
   前記開口孔（４６）に配置され、第１の組のタブ（６２）を有する保持リング（５６）、及び
   第２の組のタブ（６８）を有し、前記第１の組のタブ（６２）が前記第２の組のタブ（６８）とかみ合うように前記保持リング（５６）に対して配置されたダクト（４２）
   を含んでなる、連結組立体（５４）と、
   前記軸部材を含む圧縮機後軸（３２）と
   を備える、ガスタービンエンジン。
2. 前記保持リング（５６）が軸部材（３２）に対して回転を固定されてなる、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 前記第２の組のタブ（６８）の各タブが前記保持リング（５６）に接触する端部を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
4. 前記開口孔（４６）が、前記保持リング（５６）及び前記ダクト（４２）を受け入れるためにそれに設けられた陥凹部（５８）を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
5. 前記軸部材（３２）と前記ダクト（４２）との間に配置された密封ワイヤ（７６）をさらに含んでなる、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
6. 前記第１の組のタブ（６２）の前記タブが前記保持リング（５６）の１端から軸線方向に延びている、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
7. 前記第２の組のタブ（６８）の前記タブが前記ダクト（４２）の一端から軸線方向に延びている、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
8. 前記第２の組のタブ（６８）が、前記ダクト（４２）に遠心荷重による半径方向の歪みを生じさせ、前記ダクトを前記開口孔（４６）に支持する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
9. ガスタービンエンジンにおいて、通風ダクト（４２）を開口孔（４６）を有する圧縮機後軸（３２）に連結する方法であって、
   第１の組のタブ（６２）を有する保持リング（５６）を前記開口孔（４６）に挿入する段階、
   前記通風ダクト（４２）の第１端部に第２の組のタブ（６８）を設ける段階、及び、
   前記通風ダクト（４２）の前記第１端部を前記開口孔（４６）に挿入し、かつ、前記保持リング（５６）に対して前記通風ダクト（４２）を位置決めし、前記第１の組のタブ（６２）を前記第２の組のタブ（６８）にかみ合わせる段階
   を含んでなる方法。

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