JP4641713B2

JP4641713B2 - 可変バイパス弁システムを支持するための方法及び装置

Info

Publication number: JP4641713B2
Application number: JP2003320784A
Authority: JP
Inventors: ケネス・アラン・バシェルデル; ドナルド・ジェームズ・ウェルティ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2023-09-12
Also published as: US6742324B2; JP2004108364A; EP1398464A3; CN1492129A; EP1398464A2; CN100523438C; US20040050071A1

Description

本出願は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンに用いられる可変バイパス弁システムに関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、コアエンジンの上流に位置するファンを含み、該コアエンジンは、直列の流れ関係で、低圧圧縮機すなわちブースタと、高圧圧縮機とを含む。低圧圧縮機及び高圧圧縮機は、ファンを通して燃焼器に流入する空気流を、該空気流がブースタの入口セクション及び吐出口セクションを通り次いで高圧圧縮機の入口セクション及び吐出口セクションを通って移動する状態で、圧縮する。ブースタは、特定の設計スロットル設定値以上では、高圧圧縮機に最適の空気流を供給するのを可能にするように設計される。設計を外れたスロットル設定値では、ブースタは、高圧圧縮機が流すことができるよりも多量の空気を供給する場合があり、エンジン内に非定常空気流を生じる可能性がある。

非定常空気流の影響を軽減するのを助けるために、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンでは、非定常空気流の状態にある間に、バイパスドアを回転させて開き、ブースタ空気流を流出させて高圧圧縮機を迂回させる可変ブリード弁（ＶＢＶ）システムを含む。ブリードドア及び弁は、ブースタ及び高圧圧縮機が結果的に空気力学的失速を生じるのを防止するのを助ける。少なくとも一部の公知のＶＢＶシステムでは、ブースタフレーム構造体から延びる専用のリング支持体により支持されたユニゾンリングを含む。構造支持体は、作動荷重がかかる間に、ユニゾンリングが過度に変形するのを防止するのを助ける。ユニゾンリングが過度に変形すれば、ＶＢＶシステム内に高い応力を生じさせる可能性があり、それにより時の経過とともにＶＢＶシステムの早期破損を招く可能性がある。

ユニゾンリングは、２個のアクチュエータ・ベルクランク及び１０個のドア・ベルクランクに接続される。油圧アクチュエータの作用によるアクチュエータ・ベルクランクの回転により、リングを回転させ、従って次にドアが回転する。ベルクランクは、クレビス及び球面軸受アタッチメントを介してドアに接続される。ベルクランクに対するリングの連結部において、環状ブッシュが、各ベルクランクとユニゾンリングとの間で延び、かつ各環状ブッシュと各ベルクランクとの間に所定の間隙が形成されるように、ベルクランクに対して配置される。

専用のリング支持体を備える公知のＶＢＶシステムを組立てることは、リングＩＤ（内径）と専用の支持体との間の間隙の幅が最小にされるのが促進されるので、時間がかかりかつ面倒な工程になる可能性がある。間隙が小さくなるにつれて、専用の支持体を含むブースタの組立ては、該支持体がユニゾンリングの内径の内側に挿入されなければならないので、より難しくなる。しかしながら、間隙が過度に大きい場合には、リングが、システム応力を最小にするのに十分なようには支持されないことになる。その上に、少なくとも一部の公知のシステムでは、ブッシュに対するベルクランクの間隙の幅が、作動の間に環状ブッシュと各ベルクランクとの間の接触を最少にするのを助けるのに十分な大きさになるように、予め定められる。しかしながら、間隙を拡大することは、ＶＢＶシステムの全体寸法が増大させ、そのことによりＶＢＶシステムのコスト及び重量を増加させることになる。

間隙の幅が最適化された場合、ＶＢＶシステムを組立てることは、時間がかかりかつ面倒な工程になる可能性がある。具体的には、少なくとも一部の公知のシステムでは、間隙の幅は、作動の間に環状ブッシュと各ベルクランクとの間の接触を最少にするのを助けるのに十分な大きさになるように、予め定められる。しかしながら、間隙を拡大することは、ＶＢＶシステムの全体寸法が増大させ、そのことによりＶＢＶシステムのコスト及び重量を増加させる。一方、間隙の幅を最小にすることにより、専用の構造支持体の有効性は増大するが、縮小された幅は、ＶＢＶの組立てを更に難しくし、またベルクランクと環状ブッシュとの間の望ましくない接触の機会を増加させことにもなる。
米国特許３６３８４２８号明細書米国特許３８９８７９９号明細書米国特許４２９２８０２号明細書米国特許４４０９７８８号明細書米国特許４８１７３７８号明細書米国特許５１２３２４０号明細書米国特許５１３６８４０号明細書米国特許５２６９１３５号明細書米国特許５７９４４３２号明細書米国特許６２９２７６３号明細書米国特許６４０２４８７号明細書

１つの態様では、ガスタービンエンジンの可変バイパス弁システムを組立てる方法が、提供される。該方法は、ユニゾンリングを、該ユニゾンリングが構造フレームから半径方向外側に位置するようにガスタービンエンジンの内部で円周方向に、配置する段階と、少なくとも１つのベルクランクを、ユニゾンリングが該少なくとも１つのベルクランクによってのみ半径方向に支持されるように、該ユニゾンリングに連結する段階と、少なくとも１つのベルクランクを、構造フレームに結合されたベルクランク支持体に連結する段階とを含む。

本発明の別の態様では、ガスタービンエンジン用の可変バイパス弁（ＶＢＶ）システムが提供される。該ＶＢＶシステムは、ガスタービンエンジンの内部で円周方向に間隔を置いて配置された複数のベルクランクと、複数のベルクランクの位置を制御するように該複数のベルクランクに連結された環状のユニゾンリングとを含む。ユニゾンリングは、複数のベルクランクによってのみ半径方向に支持されている。

更に別の態様では、ガスタービンエンジンが提供される。該ガスタービンは、
構造フレームとエンジンの少なくとも一部を通って流れる空気を選択的に制御するための可変バイパス弁（ＶＢＶ）システムとを含む。構造フレームは、ガスタービンエンジンの内部で円周方向に延びる。可変バイパス弁（ＶＢＶ）システムは、構造フレームに回転可能に連結された少なくとも１つのベルクランクと、該ベルクランクによってのみ半径方向に支持されるように該ベルクランクに連結された環状のユニゾンリングとを含む。ユニゾンリングは、ベルクランクの作動の位置を選択的に制御するようになっている。

図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０は更に、高圧タービン１８、及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２及びタービン２０は、第1のロータシャフト２４によって結合され、また圧縮機１４及びタービン１８は、第２のロータシャフト２６によって結合される。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナチのGeneral Electric Aircraft Enginesから入手可能なＧＥ９０型エンジンである。別の実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチのGeneral Electric Aircraft Enginesから入手可能なＣＦ６型エンジンである。

作動中、空気は、低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は、低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。次いで、加圧空気は、燃焼器１６に供給され、燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動する。

図２は、エンジン１０に用いることができる可変バイパス弁（ＶＢＶ）システム５０の部分図である。図３は、可変バイパス弁（ＶＢＶ）システム５０の一部の拡大断面図である。ＶＢＶシステム５０は、ユニゾンリング５２と、複数のベルクランク５４と、複数のベルクランク支持体５６と、複数のバイパスドア６０とを含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、システム５０は、エンジン１０の内部で円周方向に間隔を置いて配置された１２個のベルクランク５４を含む。各ベルクランク５４は、上流側端部７０と、下流側端部７２と、それらの間で延びかつ端部７０と端部７２との間で固有の半径方向の剛性を有する本体７４とを含む。ベルクランク５４は、本体７４がエンジン１０の中心対称軸線（図示せず）とほぼ平行に延びるように配置される。

各ベルクランクの上流側端部７０は、ベルクランク５４の半径方向外側面８２と半径方向内側面８４との間で延びる軸受レース８０を含む。軸受レース８０は、軸受要素８５を収容し、該軸受要素は、それを通してファスナ８８を受け入れるような寸法にされた内径８６を有する。この例示的な実施形態では、ファスナ８８は、ねじが切られている。各ベルクランクの下流側端部７２は、エンジンのファンフレーム９０に固定結合された各それぞれのベルクランク支持体５６に連結され、またアクチュエータ・クレビス９１によって少なくとも１つのアクチュエータ８９に回転可能に連結される。ドア・クレビス９２は、ベルクランク５４の作動により次にバイパスドア６０の回転が生じるように、該ベルクランク５４と各それぞれのバイパスドア６０との間に連結される。

エンジンのファンフレーム９０は、エンジン１０の内部で、低圧圧縮機１２と高圧圧縮機１４と（図１に示す）の間で延びる流路１００の周りで円周方向に延びる。バイパスドア６０は、アイドリング、低出力運転及び過渡的負荷状態の間に高圧圧縮機１４に流入する空気流を調節するように選択的に作動可能である。より具体的には、図２に示すように閉鎖位置では、ドア６０は、ファンフレーム９０とシール状態で接触し、空気が高圧圧縮機１４を迂回するのを実質的に阻止する。

ベルクランク５４は、各ベルクランク支持体５６から上流側に延びてユニゾンリング５２と連結される。ユニゾンリング５２は、環状であり、半径方向外側部分１１０及び半径方向内側部分１１２を含む。この例示的な実施形態では、部分１１０及び１１２は、ほぼ同一であり、またほぼ平行になっている。各部分１１０及び１１２は、それぞれ該部分１１０及び１１２を貫通して延びる複数の開口１１４及び１１６を含む。部分１１０及び１１２は、各組の開口１１４及び１１６がほぼ同心に整合されるように、配置される。ユニゾンリングの部分１１０及び１１２は、ベルクランクの上流側端部７０の厚さｔ₁より大きい距離１２０だけ間隔を置いて配置される。

複数の環状ブッシュ１３０が、各部分の開口１１４及び１１６内に挿入される。より具体的には、各環状ブッシュ１３０は、ほぼ円筒形の部分１３２と該部分１３２から放射方向外向きに延びる環状のリップ部１３４とを含む。従って、リップ部１３４の外径Ｄ₁及びＤ₅は、円筒形部分１３２の外径Ｄ₂及びＤ₆よりも大きい。更に、リップ部の外径Ｄ₁及びＤ₅は、各ユニゾンリングの開口１１４及び１１６のそれぞれの直径Ｄ₃及びＤ₄よりも大きく、また円筒形部分の直径Ｄ₂及びＤ₆は、ユニゾンリングの開口径Ｄ₃及びＤ₄よりも僅かに大きい。従って、各環状ブッシュの円筒形部分１３２は、各ブッシュの環状リップ部１３４が各ユニゾンリングの部分１１０及び１１２の外面１４０に接触した状態で、少なくともその一部が各ユニゾンリングの開口１１４及び１１６の内部に受け入れられる。各環状ブッシュ１３０は更に、該環状ブッシュを貫通して延び、それを通してファスナ８８を受け入れるような寸法にされた開口１４２を含む。

ベルクランク軸受１５０が、各ベルクランクの上流側端部の軸受レース８０内部に挿入される。この例示的な実施形態では、軸受１５０は、球面軸受であり、高い軸方向荷重能力を有する。球面軸受１５０は、ベルクランクの上流側端部の厚さｔ₁より大きい高さｈ₁を有し、従って軸受１５０は、各ベルクランクの側面８２及び８４からそれぞれの軸受の半径方向外側接触面１５６及び軸受半径方向内側接触面１５８まで距離１５４だけ外向きに延びる。

間隙１６０が、各環状ブッシュ１３０と各それぞれの軸受接触面１５６及び１５８との間に形成される。間隙１６０は、組立て時における構成部品の公差の累積を吸収するのを助け、またベルクランク軸受１５０の名目量の半径方向移動を可能にする。

エンジン運転の間に、ＶＢＶシステム５０が作動されて、空気流を流出させ、高圧圧縮機１４を迂回させることが可能になる。具体的には、バイパスドア６０を選択的に作動させることにより、エンジン１０の内部の空気力学的失速を防止するのを助ける。より具体的には、ユニゾンリング５２が作動されると、ベルクランク５４が回転されて、ユニゾンリング５２の作動方向に応じて、開放位置から閉鎖位置に又はその逆にバイパスドア６０を回転させる。更に、リング５２が作動されると、ベルクランクの球面軸受の半径方向外側接触面１５６又は該軸受の半径方向内側接触面１５８が、それぞれの環状ブッシュ１３０に接触して、追加の専用の構造支持体を用いることなくユニゾンリング５２に対して半径方向の支持を与えるのを助ける。より具体的には、ＶＢＶシステム５０に生じる荷重に応じて、球面ベルクランク軸受１５０の間隙１６０が、最小となり、軸受１５０を環状ブッシュ１３０に対して「ボトムアウト（底をつき当てる）」させ、ユニゾンリング５２に対して付加的な半径方向支持を与えることが可能になる。

その結果、ＶＢＶシステムを通る荷重経路１７０が、当該技術において公知のようにブースタフランジに直接伝達されることからベルクランク５４及びベルクランク支持体５６を通してファンフレーム９０に伝達されることに変化する。その上に、リング５２は、ユニゾンリング５２の周辺から下流側に延びる１２個のベルクランク５４によって半径方向に支持されているために、リング５２に伝達される荷重が、他の公知のＶＢＶシステムと比較してＶＢＶシステム５０を通してより一様に分散されるのを助け、従ってシステム５０に生じる応力が一層小さくなる。

ＶＢＶシステム５０の組立て時に、ユニゾンリング５２と干渉する専用の支持体が存在しないため、ユニゾンリング５２が取付けられた後にエンジン１０の内部に取付けられる構成部品を専用の支持体の周りで上手に通過させる必要がないので、エンジン１０の組立て時間を短縮し、かつ労働集約的作業を減少させることが可能になる。更に、専用の支持体が必要とされないために、ＶＢＶシステム５０は、組立てコスト及び全体的なエンジン重量を削減するのを可能にする。

上述のガスタービンエンジン用の可変バイパス弁システムは、コスト効果がありかつ信頼性がある。本発明の可変バイパス弁システムは、ユニゾンリングがベルクランクによってのみ半径方向に支持されるようになったユニゾンリングを含む。従って、可変バイパス弁システムは、いかなる専用のユニゾンリング支持体をも備えないので、このためエンジンの組立てコスト及び全体的な重量が削減される。その上に、可変バイパス弁システムは１２個のベルクランクを含むために、該システムは、作動の間にユニゾンリングから伝達される荷重が、ユニゾンリングを通して一様に分散されるのを助けるように、ベルクランクによって半径方向に支持される。その結果、可変バイパス弁システムは、コスト効果がありかつ信頼性がある方法で、エンジンの有効寿命を延ばすことのを可能にする。

可変バイパス弁システムの例示的な実施形態を、上に詳細に説明した。本発明のシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるのではなく、むしろ、各組立体の構成部品は、本明細書に説明した他の構成部品から独立してまた別個に用いることができる。各可変バイパス弁の構成部品はまた、他の可変バイパス弁の構成部品と組合せて用いることもできる。

本発明を、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。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。

ガスタービンエンジンの概略図。図１に示すエンジンに用いることができる可変バイパス弁システムの部分図。図２に示す可変バイパス弁システムの一部の拡大断面図。

符号の説明

１０ガスタービンエンジン
５０ＶＢＶシステム
５２ユニゾンリング
５４ベルクランク
５６ベルクランク支持体
６０バイパスドア
７０ベルクランクの上流側端部
７２ベルクランクの下流側端部
７４ベルクランクの本体
８８ファスナ
８９アクチュエータ
９０ファンフレーム
９１アクチュエータ・クレビス

Claims

ガスタービンエンジンに可変バイパス弁システム（５０）を組立てる方法であって、
ユニゾンリング（５２）を、該ユニゾンリングが構造フレーム（９０）から半径方向外側に位置してガスタービンエンジン（１０）の内部で円周方向に延びるように、配置する段階と、
少なくとも１つのベルクランク（５４）を、前記ユニゾンリングが該少なくとも１つのベルクランクによってのみ半径方向に支持されるように、前記ユニゾンリングに連結する段階と、
前記少なくとも１つのベルクランクを、前記構造フレームに結合されたベルクランク支持体（５６）に連結する段階と、
を含み、
少なくとも１つのベルクランク（５４）を前記ユニゾンリング（５２）に連結する前記段階が、
球面軸受（１５０）を前記少なくとも１つのベルクランクの端部（７０）に結合する段階と、
前記ユニゾンリングを、前記球面軸受を介して前記少なくとも１つのベルクランクに連結する段階と、
を更に含み、
前記ベルクランク（５４）を前記ユニゾンリングに連結する段階は、内部に前記球面軸受（１５０）が挿入される軸受レース（８０）を含む前記ベルクランク（５４）と、前記ユニゾンリング（５２）との間で延びる少なくとも１つのブッシュ（１３０）を設け、前記ユニゾンリングが該ベルクランクによってのみ半径方向に支持されるように、前記ベルクランク（５４）を前記ユニゾンリングに連結し、
前記ベルクランクをベルクランク支持体（５６）に連結する段階は、前記ブッシュ（１３０）と前記球面軸受（１５０）の半径方向接触面（１５６、１５８）との間に、作動の間に前記ベルクランク（５４）が前記ブッシュ（１３０）に接触するような間隙（１６０）を形成する
ことを特徴とする方法。
少なくとも１つのベルクランク（５４）を前記ユニゾンリング（５２）に連結する前記段階が、少なくとも１つのブッシュ（１３０）を、該ブッシュが前記ユニゾンリングと前記少なくとも１つのベルクランクとの間で延びるように、前記ユニゾンリングに結合する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
少なくとも１つのベルクランク（５４）を前記ユニゾンリング（５２）に連結する前記段階が、前記ユニゾンリングを、該ユニゾンリング内の開口（１１４）を貫通しかつ前記少なくとも１つのベルクランク内の開口を貫通して延びるねじ付きファスナ（８８）を用いて、前記ベルクランクに連結する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
ガスタービンエンジン（１０）用の可変バイパス弁システム（５０）であって、
前記ガスタービンエンジンの内部で円周方向に間隔を置いて配置された複数のベルクランク（５４）と、
前記複数のベルクランクの作動を制御するように該複数のベルクランクに連結され、かつ該複数のベルクランクによってのみ半径方向に支持された環状のユニゾンリング（５２）と、
前記少なくとも１つのベルクランクの端部（７０）を前記ユニゾンリングに連結する球面軸受（１５０）と
を含み、
各前記ベルクランクの上流側端部（７０）が、それを貫通して延びる軸受レース（８０）を含み、
前記球面軸受（１５０）は、各前記ベルクランクの上流側端部の前記軸受レース内部に挿入され、
該可変バイパス弁システムが、
前記ベルクランク（５４）と前記ユニゾンリング（５２）との間で延びる少なくとも１つのブッシュ（１３０）と、
前記ブッシュ（１３０）と前記球面軸受（１５６）の半径方向接触面（１５６、１５８）との間に形成された間隙（１６０）と
を更に有し、
前記間隙は、作動の間に、前記ベルクランク（５４）が前記少なくとも１つのブッシュ（１３０）に接触するように構成されている
ことを特徴とする可変バイパス弁システム（５０）。
各前記ベルクランク（５４）が、上流側端部（７０）と下流側端部（７２）とを含み、前記ユニゾンリング（５２）が、前記複数のベルクランクを作動させるように各前記ベルクランクの上流側端部に連結されていることを特徴とする、請求項４に記載の可変バイパス弁システム（５０）。
各前記ユニゾンリング（５２）が、ねじ付きファスナ（８８）によって各前記ベルクランクの上流側端部（７０）に連結されていることを特徴とする、請求項５に記載の可変バイパス弁システム（５０）。
ガスタービンエンジンの内部で円周方向に延びる構造フレーム（９０）と、
該ガスタービンエンジンの少なくとも一部を通って流れる空気を選択的に制御するための可変バイパス弁システム（５０）と、を含み、
前記可変バイパス弁システムが、前記構造フレームに回転可能に連結された少なくとも１つのベルクランク（５４）と、前記少なくとも１つのベルクランクによってのみ半径方向に支持されように該少なくとも１つのベルクランクに連結され、かつ前記少なくとも１つのベルクランクの作動を選択的に制御するようにされた環状のユニゾンリング（５２）と、
前記少なくとも１つのベルクランクの端部（７０）を前記ユニゾンリングに連結する球面軸受（１５０）と
を含み、
各前記ベルクランクの上流側端部（７０）が、それを貫通して延びる軸受レース（８０）を含み、
前記球面軸受（１５０）は、各前記ベルクランクの上流側端部の前記軸受レース内部に挿入され、
前記可変バイパス弁システムが、
前記ベルクランク（５４）と前記ユニゾンリング（５２）との間で延びる少なくとも１つのブッシュ（１３０）と、
前記ブッシュ（１３０）と前記球面軸受（１５６）の半径方向接触面（１５６、１５８）との間に形成された間隙（１６０）と
を有し、
前記間隙は、作動の間に、前記ベルクランク（５４）が前記少なくとも１つのブッシュ（１３０）に接触するように構成されている
ことを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
前記可変バイパス弁システムのユニゾンリング（５２）が、生じた荷重経路（１７０）を前記少なくとも１つのベルクランク（５４）を通して前記構造フレーム（９０）に伝達するように構成されていることを特徴とする、請求項７に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記可変バイパス弁システムのユニゾンリング（５２）が、ねじ付きファスナ（８８）によって前記少なくとも１つのベルクランク（５４）の端部に連結されていることを特徴とする、請求項８に記載のガスタービンエンジン（１０）。