JP4791809B2 - ガスタービンエンジンアセンブリおよびスラストアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジン及びガスタービンエンジンを組み立てる方法に関する。

少なくともいくつかの周知のガスタービンエンジンは、エンジンを通って流れる空気を圧縮する高圧圧縮機と、高温ガス流れを形成するために、内部で燃料が圧縮空気と混合され、点火される燃焼器と、高圧タービンとを含み、これらの構成要素は、流れ方向に直列に配列される。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、合わせてコアエンジンと呼ばれる場合もある。そのようなガスタービンエンジンは、コアエンジンにより発生される出力を、例えば、発電機などの被駆動構成要素へ伝達するための低圧タービン又は出力タービンを更に含んでもよい。

ガスタービンエンジンは、航空機、発電及び船舶を含めた数多くの用途で使用される。少なくともいくつかの周知のガスタービンエンジンは、２つのスラストマウントを含む。スラストマウントは、ガスタービンエンジンの外面と支持構造との間に結合される。エンジンの動作中、少なくともいくつかの周知のスラストマウントは、ガスタービンエンジンケーシングの少なくとも多少の構造ひずみ、すなわち、「円形から歪んだ」状態を引き起こすことがある。そのようなひずみは、ガスタービンエンジン内部のブレードチップ隙間を縮小する。更に、出力タービンがコアガスタービンエンジンに結合されるとき、荷重と幾何学的形状の結び付きによっても、幾分かの構造ひずみが起こり、その結果、ガスタービンエンジン内部のブレードチップ隙間が縮小される。

例えば、少なくともいくつかの出力タービン回転子により発生されるスラスト荷重は、ガスタービンエンジンにより発生されるスラストの方向とは逆の方向に、約２５０，０００ｌｂである。従って、動作中、出力タービンにより発生されるスラストは、エンジンスラストマウントへ伝達され、そのため、ガスタービンエンジンが構造ひずみを生じる可能性、すなわち、「円形からゆがんだ」形状になる可能性が増す。あるいは、出力タービンにより発生されるスラストは、出力タービンのスラスト軸受支持部へ伝達される場合もあり、これによっても、ガスタービンエンジンが構造ひずみを引き起こす可能性が増す。そのような構造ひずみを少なくするのを助けるために、少なくともいくつかの周知のタービンは、エンジンスラストマウントと出力タービンのスラスト軸受支持部との間の荷重の釣り合いを保つことを試みている。しかし、エンジンスラストマウントと出力タービンスラスト軸受支持部との間で、出力タービンのスラスト荷重の釣り合いが保たれたとしても、出力タービン回転子の荷重とガスタービンエンジンの残留荷重が重なり合って、コアガスタービンエンジンケーシングをひずませ、その結果、ガスタービンエンジン内部のブレードチップ隙間が縮小されてしまう。
米国特許第４，４３８，３３９号公報 米国特許第４，５７８，０１８号公報 米国特許第４，７３０，９７７号公報 米国特許第４，８６４，８１０号公報 米国特許第４，８７２，７６７号公報 米国特許第４，９５１，４６１号公報 米国特許第４，９６１，３１０号公報 米国特許第５，２７１，２１７号公報 米国特許第５，７３５，６６６号公報 米国特許第６，４９１，４９７■Ｂ１号公報 THOMAS WAKEMAN ET AL.; "Gas Turbine Engine Assembly and Method of Assembling Same"; Serial No. 11/006,924,Dkt. No. 138324, filed December 8, 2004; 17 pgs.

１つの面においては、ガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンに結合された出力タービンと、出力タービンに結合されたスラスト軸受とを含むガスタービンエンジンアセンブリを組み立てる方法が提供される。方法は、第１の半径を有する第１の環状部分を出力タービンに結合することと、第１の半径とは異なる第２の半径を有する第２の環状部分をスラスト軸受に結合することと、スラストアセンブリがほぼ円錐台の形状を有するように、第１の環状部分と第２の環状部分との間に、複数の構造部材を結合することとを含む。

別の面においては、ガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンに結合された出力タービンと、出力タービンに結合されたスラスト軸受とを含むガスタービンエンジンアセンブリのスラストアセンブリが提供される。スラストアセンブリは、出力タービンに結合され、第１の半径を有する第１の環状部分と、スラスト軸受に結合され、第１の半径とは異なる第２の半径を有する第２の環状部分と、スラストアセンブリがほぼ円錐台の形状を有するように、第１の環状部分と第２の環状部分との間に延出する複数の構造部材とを含む。

更に別の面においては、ガスタービンエンジンアセンブリが提供される。ガスタービンエンジンアセンブリは、第１の圧縮機、第１の圧縮機の下流側に位置する第２の圧縮機、及び第２の圧縮機と流れ連通する状態で結合されたタービンを含むガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンに結合された出力タービンと、出力タービンに結合されたスラスト軸受と、出力タービンとスラスト軸受との間に結合されたスラストアセンブリとを含む。スラスト軸受アセンブリは、出力タービンに結合され、第１の半径を有する第１の環状部分と、スラスト軸受に結合され、第１の半径とは異なる第２の半径を有する第２の環状部分と、スラストアセンブリがほぼ円錐台の形状を有するように、第１の環状部分と第２の環状部分との間に延出する複数の構造部材とを含む。

図１は、ガスタービンエンジンアセンブリ１０のブロック図である。ガスタービンエンジン１０は、低圧圧縮機又はブースタ１４と、高圧圧縮機１６と、燃焼器１８と、高圧タービン２０と、中圧タービン２２と、低圧タービン又は出力タービン２４とを含み、これらの構成要素は、流れ方向に、直列の関係で配列される。低圧圧縮機又はブースタ１４は、入口２６及び出口２８を有し、高圧圧縮機１６は、入口３０及び出口３２を含む。燃焼器１８は、高圧圧縮機の出口３２とほぼ一致する入口３４と、出口３６とを有する。この実施形態においては、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、General Electric Companyにより製造されたLMS100である。

高圧タービン２０は、第１の回転子軸４０によって高圧圧縮機１６に結合され、中圧タービン２２は、第２の回転子軸４２によって低圧圧縮機１４に結合される。回転子軸４０及び４２は、それぞれ、エンジンアセンブリ１０の長手方向中心軸４３に関して同軸に整列される。エンジンアセンブリ１０は、出力タービン軸４６に結合される発電機などの負荷４４を駆動するために使用されてもよい。あるいは、負荷は、回転子軸４２の前方延出部分（図示せず）に結合されてもよい。

この実施形態においては、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、中間冷却器熱交換器５０を更に含む。中間冷却器熱交換器５０は、高圧圧縮機１６に流入する空気の温度を低下するのを助けるために、低圧圧縮機又はブースタ１４と高圧圧縮機１６との間に配置される。中間冷却器を使用することは、高圧圧縮機により実行される仕事の量を減少しつつ、エンジンの効率を向上するのに好都合である。周知の中間冷却器熱交換器の少なくとも１つは、ブースタ圧縮機から排出される空気の流れを冷却するための冷却媒体５２として、周囲空気又は水を使用する。別の実施形態では、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、中間冷却器熱交換器５０を含まない。

動作中、低圧圧縮機の入口２６に取り込まれた周囲空気は、圧縮され、下流側の高圧圧縮機１６へ送られる。高圧圧縮機１６は、空気を更に圧縮し、高圧空気を燃焼器１８へ送り出す。燃焼器１８において、高圧空気は、燃料と混合され、その混合物は点火され、高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービン２０、２２及び２４を駆動するために、燃焼器１８から送り出される。特に、ガスタービンエンジンアセンブリ１０により発生されるスラストが、出力タービン２４を駆動するために使用されるように、出力タービン２４は、中圧タービン２２に空気力学的に結合される。更に、出力タービン２４は負荷４４に結合されるので、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、負荷４４も駆動する。この実施形態においては、負荷４４は、スラスト軸受５４を利用して出力タービン２４に結合されると共に、例えば、ペデスタル５８を利用して、支持構造５６に結合される。特に、ガスタービンエンジンアセンブリ１０がスラスト軸受５４とほぼ軸方向に整列され、従って、負荷４４とほぼ軸方向に整列されるように、出力タービン２４及び支持構造５６は、共に、中心軸４３に沿って結合される。この実施形態においては、出力タービンの回転子がコアガスタービンエンジンに空気力学的に結合されるように、コアガスタービンエンジンケーシングは、複数のファスナを使用して、出力タービンケーシングに機械的に結合される。

図２は、支持ケージ１００を含む図１に示されるガスタービンエンジンの一部の側面図である。図３は、図２に示される支持ケージの斜視図である。図４は、図２に示される支持ケージの端面図である。実施形態においては、支持ケージ１００は、ゴリラケージとも呼ばれる。

実施形態においては、支持ケージ１００は、ほぼ円錐台形である。あるいは、ここで使用される円錐台という用語は、切頭円錐又は切頭四角錐として定義される。従って、支持ケージ１００は、ほぼ円形であり、第１の半径１１２を有する第１の部分１１０と、ほぼ円形であり、第２の半径１１６を有する第２の部分１１４とを含む。この実施形態においては、第１の半径１１２は、第２の半径１１６より大きい。

支持ケージ１００は、複数の構造部材１２０を更に含む。構造部材１２０は、第１の部分１１０と第２の部分１１４との間に延出し、第１の部分１１０及び第２の部分１１４にそれぞれ結合される。この実施形態においては、第１の部分１１０及び第２の部分１１４は、ほぼ円形である。各構造部材１２０は、タービンリアフレーム１２４とスラスト軸受ハウジング１２６との間に支持ケージ１１０を延出させるだけの長さ１２２を有する。さらに、実施形態においては、各構造部材１２０は、ほぼ同様の長さであるので、第１の部分１１０は、第２の部分１１４とほぼ平行である。実施形態においては、支持ケージ１００は、７つの構造部材１２０を含み、それらの構造部材１２０は、第１の部分１１０及び第２の部分１１４のそれぞれの周囲に沿って、ほぼ等間隔で配置される。あるいは、支持ケージ１００は、８つ以上又は６つ以下の構造部材を含む。

実施形態においては、支持ケージ１００は、第１の支持ケージ構造１１５及び第２の支持ケージ構造１１７を含む。特に、支持ケージ１００は、２つの部分１１５及び１１７に分割して製造され、支持ケージ１００をガスタービンエンジンアセンブリ１０に結合できるように、各々の構造は、複数の構造部材１２０を含む。一実施形態では、第１の支持ケージ構造１１５は、例えば、溶接手順を使用して、第２の支持ケージ構造１１７に結合される。別の実施形態においては、第１の支持ケージ構造１１５は、複数の機械ファスナを使用して、第２の支持ケージ構造１１７に結合される。この実施形態においては、第１の支持ケージ構造１１５は、出力タービンの中心軸に関して、少なくとも１８０°にわたり延出し、第２の支持ケージ構造１１７は、出力タービンの中心軸に関して、１８０°未満の角度にわたり延出する。別の実施形態では、第１の支持ケージ構造１１５及び第２の支持ケージ構造１１７は、それぞれ、出力タービンの中心軸に関して、１８０°ずつ延出する。

図５は、図２に示される支持ケージの一部の平面図である。特に、図５は、構造部材１２０の平面図である。図６は、図５に示される構造部材の側面図である。図７は、図５及び図６に示される構造部材１２０の一部の側面図である。各構造部材１２０は、第１の装着足部１５０と、第２の装着足部１５２と、結合部材１５４とを含む。結合部材１５４は、第１の装着足部１５０と第２の装着足部１５２との間に延出し、それらの足部にそれぞれ結合される。結合部材１５４は、幅１６０、厚さ１６２及び長さ１６４を有する。第１の装着足部１５０及び第２の装着足部１５２の各々は、第１の部分１７０と、第１の部分１７０に結合された第２の部分１７２とを含む。一実施形態においては、第１の部分１７０及び第２の部分１７２は、互いに一体に形成され、一体の第１の装着足部１５０及び第２の装着足部１５２を形成する。装着足部１５０及び１５２は、例えば、ろう付け及び／又は溶接手順によって、結合部材１５４にそれぞれ結合される。別の実施形態においては、第１の装着足部１５０、第２の装着足部１５２及び結合部材１５４は、互いに一体に製造され、各構造部材１２０を形成する。更に別の実施形態では、各構造部材１２０は、複数の部品から製造される。

装着足部の第１の部分１７０は、結合部材の幅１６０とほぼ等しい幅１８２及び結合部材の厚さ１６２とほぼ等しい厚さ１８４を有する第１の端部１８０を含む。装着足部の第１の部分１７０は、第１の端部の幅１８２より広い幅１９２及び第１の端部の厚さ１８４より薄い厚さ１９４を有する第２の端部１９０を含む。従って、この実施形態においては、第１の部分１７０は、結合部材１２０の幅１６０及び厚さ１６２とほぼ等しい幅１８２及び厚さ１８４を有する。更に、第１の部分１７０の幅は、第１の端部１８０から第２の端部１９０に向かって徐々に広くなり、厚さは、第１の端部１８０から第２の端部１９０に向かって徐々に減少する。

装着足部の第２の部分１７２は、第１の部分の幅１９２とほぼ等しい幅２０２及び第１の部分の厚さ１９４とほぼ等しい厚さ２０４を有する第１の端部２００を含む。装着足部の第２の部分１７２は、幅２０２とほぼ等しい幅２１２及び厚さ２０４とほぼ等しい厚さ２１４を有する第２の端部２１０を含む。従って、この実施形態においては、第２の部分１７２は、第１の端部２００と第２の端部２１０との間で互いにほぼ等しい幅２００及び厚さ２０４を有する。

実施形態においては、支持ケージ１００は、相対的に高い引っ張り応力、優れた延性（ＬＣＦ能力）及び中程度の強度を有し、相対的に安価であるAISI4140鋼などの材料から製造されるが、材料は、この特定の鋼に限定されない。実施形態においては、構造部材１２０は、軸方向に撓み、従って、ガスタービンエンジンアセンブリ１０と出力タービン２４との間のスラスト荷重を吸収する。別の実施形態では、構造部材１２０は、第１の部分１１０及び第２の部分１１４とはそれぞれ異なる金属材料から製造される。

組み立て中、支持ケージ１００は、出力タービンのスラスト軸受スラストハウジング１２６と、出力タービン２４の内面２５２との間に結合される。特に、第１の部分１１０は、出力タービンフレーム後部内側フランジ２５４に結合され、第２の部分１１４は、スラスト軸受ハウジング１２６の外面に結合される。実施形態においては、支持ケージ１００は、例えば、ナット及びボルトなどの複数の機械ファスナを使用して、ガスタービンエンジンアセンブリ１０に結合される。別の実施形態では、支持ケージ１００は、例えば、溶接及びろう付けの手順を使用して、ガスタービンエンジンアセンブリ１０に結合される。

使用中、支持ケージ１００は、出力タービンにより発生されるスラスト荷重を減少させるのを助ける。特に、支持ケージ１００は、出力タービンにより発生されるスラスト荷重の一部をガスタービンエンジンに伝達することにより、スラスト荷重の釣り合いを保つのを助ける。例えば、実施形態においては、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、軸方向前方に向かって、約２６０，０００ｌｂｓのスラストを発生する。一方、出力タービン２４は、軸方向後方に向かって、約２４０，０００ｌｂｓを発生する。従って、支持ケージ１００を使用して、出力タービン２４をスラスト軸受５４に結合することにより、エンジンの中心線におけるガスタービンエンジンアセンブリ１０と出力タービン２４との間の総ガスタービンアセンブリスラスト流れは、容易に平衡状態に保たれ、それにより、側面装着型スラスト支持部を利用する周知のガスタービンエンジンにおいて見られたスラスト荷重のひずみは減少する。更に、支持ケージ１００は、ガスタービンエンジンの構造ひずみを減少し、それにより、ガスタービンエンジン内部のブレードチップ隙間を改善するのにも好都合である。

以上説明した支持ケージは、出力タービンのスラスト荷重を出力タービンのスラスト軸受からガスタービンエンジンのスラストマウントへ伝達するために、ほぼ円錐台の形状を含み、費用効率に優れ、信頼性の高いスラストアセンブリを提供する。従って、出力タービンのスラスト軸受とガスタービンエンジンとの間に、費用効率よく、スラスト経路が形成される。

以上、スラストアセンブリの一実施形態を詳細に説明した。スラストアセンブリは、ここで説明された特定の実施形態に限定されず、アセンブリの構成要素は、ここで説明された他の構成要素とは関係なく、それらとは別個に利用されてもよい。更に、ここで説明されたスラストアセンブリは、多様なガスタービンエンジンと組み合わせても使用できる。

本発明を様々な特定の実施形態によって説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で、変形を伴って本発明を実施できることは、当業者には認識されるであろう。

ガスタービンエンジンの一例のブロック図である。 支持ケージを含む、図１に示されるガスタービンエンジンの一部の側面図である。 図２に示される支持ケージの斜視図である。 図２に示される支持ケージの端面図である。 図２に示される支持ケージの一部の平面図である。 図５に示される支持ケージの一部の側面図である。 図５及び図６に示される結合部材の一部の側面図である。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジンアセンブリ、１４…低圧圧縮機、１６…高圧圧縮機、１８…燃焼器、２０…高圧タービン、２２…中圧タービン、２４…出力タービン、５４…スラスト軸受、１００…支持ケージ、１１０…（支持ケージの）第１の部分、１１２…第２の部分、１２０…構造部材、１５０…第１の装着足部、１５２…第２の装着足部、１５４…結合部材

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１０）と、前記ガスタービンエンジンに結合された出力タービン（２４）と、前記出力タービンに結合されたスラスト軸受（５４）とを含むガスタービンエンジンアセンブリのスラストアセンブリ（１００）において、
   前記出力タービンに結合され、第１の半径（１１２）を有する第１の環状部分（１１０）と；
   前記スラスト軸受に結合され、前記第１の半径とは異なる第２の半径（１１６）を有する第２の環状部分（１１４）と；
   前記スラストアセンブリがほぼ円錐台の形状を有するように、前記第１の環状部分と前記第２の環状部分との間に延出する複数の構造部材（１２０）とを具備するスラストアセンブリ（１００）。
2. 前記第１の半径（１１２）は、前記第２の半径（１１６）より大きい請求項１記載のスラストアセンブリ（１００）。
3. 前記第１の環状部分（１１０）、前記第２の環状部分（１１４）及び前記構造部材（１２０）は、一体に形成される請求項１記載のスラストアセンブリ（１００）。
4. 前記構造部材（１２０）は、
   第１の装着足部（１５０）と；
   第２の装着足部（１５２）と；
   前記第１の装着足部と前記第２の装着足部との間に延出し、前記第１の装着足部及び前記第２の装着足部に結合された結合部材（１５４）とを具備する請求項１記載のスラストアセンブリ（１００）。
5. 前記第１の装着足部（１５０）は、前記第１の環状部分（１１０）に結合され、前記第２の装着足部（１５２）は、前記第２の環状部分（１１４）に結合される請求項４記載のスラストアセンブリ（１００）。
6. 前記結合部材（１５４）は、幅（１６０）及び厚さ（１６２）を有し、
   前記第１の装着足部は、第１の端部（１８０）及び第２の端部（１９０）を具備し、
   前記第１の端部は、前記結合部材の幅及び厚さとほぼ同様である幅（１８２）及び厚さ（１８４）を有し、前記第２の端部は、前記結合部材の幅より相当に広い幅（１９２）及び前記結合部材の厚さより相当に薄い厚さ（１９４）を有する請求項４記載のスラストアセンブリ（１００）。
7. 前記スラストアセンブリは、前記結合部材（１５４）を７つ具備する請求項４記載のスラストアセンブリ（１００）。
8. 第１の圧縮機（１４）と、前記第１の圧縮機の下流側に位置する第２の圧縮機（１６）と、前記第２の圧縮機と流れ連通する状態で結合されたタービン（２０）とを具備するガスタービンエンジン（１０）と；
   前記ガスタービンエンジンに結合された出力タービン（２４）と；
   前記出力タービンに結合されたスラスト軸受（５４）と；
   前記出力タービンと前記スラスト軸受との間に結合されたスラストアセンブリ（１００）とを具備し、前記スラストアセンブリは、
   前記出力タービンに結合され、第１の半径（１１２）を有する第１の環状部分（１１０）と；
   前記スラスト軸受に結合され、前記第１の半径とは異なる第２の半径（１１６）を有する第２の環状部分（１１４）と；
   前記スラストアセンブリがほぼ円錐台の形状を有するように、前記第１の環状部分と前記第２の環状部分との間に延出する複数の構造部材（１２０）とを具備するガスタービンエンジンアセンブリ。
9. 前記第１の半径（１１２）は、前記第２の半径（１１６）より大きい請求項８記載のガスタービンエンジンアセンブリ。
10. 前記第１の環状部分（１１０）、前記第２の環状部分（１１４）及び前記構造部材（１２０）は、一体に形成される請求項８記載のガスタービンエンジンアセンブリ。

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