JP5080044B2 - ガスタービンエンジン用犠牲的インナーシュラウドライナー - Google Patents

Description

（連邦政府出資の研究または開発に関する声明）
本発明は、米国空軍によるＦ３３６１５−９９−Ｄ−２０５１−００１０に基づき米国政府の支援を受けてなされたものである。米国政府は、本発明において明白な権利を有する。

本発明は、ガスタービンエンジン用シュラウドに関する。より詳細には、本発明は、ガスタービンエンジン用シュラウドのインナーライナーに関する。さらに詳細には、本発明は、エンジンの総重量、費用、およびベーントラニオンの摩耗を低減させるための、ガスタービンエンジンのシュラウド内に収容される黒鉛状炭素インナーライナーに関する。

ターボファンエンジンおよびその様々な構成部品の動作環境は、極めて過酷である。運転速度での正常な使用による振動は非常に激しい。また、構成部品のいくつかの動作温度は極めて高い。振動および高温のためにエンジン内で摩耗を受ける多数の構成部品の１つに、ベーンの様々なインナートラニオンがある。

現在、トラニオンは炭素鋼のスプリットブッシング（ｓｐｌｉｔ ｂｕｓｈｉｎｇ）内に受容されている。このスプリットブッシングは、炭素鋼のスプリットインナー（ｓｐｌｉｔ ｉｎｎｅｒ）シュラウド間に固定されている。摩耗時には、この炭素鋼のブッシングと炭素鋼のスプリットインナーとは互いに対抗して振動するため、ブッシングに収容されているベーン内径のトラニオンに著しい摩耗が生じる。トラニオンの摩耗によって、トラニオンの寿命が短縮するとともに、ベーン全体の交換／修繕が必要となるため、保守時間および経費が増大する。

従って、ベーントラニオンを保持するための犠牲的な黒鉛状炭素のライナーを収容することができ、それにより、トラニオン交換／修繕の経費、エンジンの総重量、ならびに維持および保守費を低減可能なシュラウドが要求されている。

本発明の目的は、低減された重量を有するエンジンシュラウドを提供することである。

また、本発明の目的は、チタンから製造されたエンジンのスプリットシュラウドを提供することである。

本発明の別の目的は、黒鉛材料の摩耗面を収容するように製造されたエンジンシュラウドを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、黒鉛状炭素のインナーライナーを収容するチタンシュラウドを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ベーントラニオン周囲の炭素鋼のスプリットブッシングの必要性を排除したチタンシュラウドを提供することである。

本発明の他の目的は、ベーントラニオンの修繕に関連する保守費を低減させることである。

本発明のさらに他の目的は、摩耗面に対して硬質コーティングを必要としないベーントラニオンを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、高温で動作可能な摩耗面を有するエンジンシュラウドを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、容易に再利用または交換可能な黒鉛状炭素のライナーを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ベーン寿命を増大させるエンジンシュラウドを提供することである。

本発明の上記その他の目的および利点は、それぞれが対向するポケット対を形成するインナーポケットを備えた環状シュラウド対を有する、エンジンのためのスプリットシュラウドシステムを提供する本発明によって達成される。本発明はまた、ライナー対の一方がポケット対の一方に収容され、ライナー対の他方がポケット対の他方に収容される、ライナー対も又備える。ライナー対のそれぞれは、複数のスロットを形成する相互に接合接触する面を備える。

エンジン用のスプリットシュラウドシステムは、それぞれが、インナーポケットの対を形成するインナーポケットを有する環状シュラウド対を有する。このポケット対のそれぞれは円形構造を確立するライナーセグメントを有する。このポケット対の一方のライナーセグメントは、該ポケット対の他方のライナーセグメントと対向してライナーセグメント対を形成する。各ライナーセグメント対の一方は、複数のスロットを形成する相互に接合接触する面を有する。これらのライナー部品並びに複数のスロットによって、エンジンが飛行運転状態にある間、トラニオンに起因する摩耗が許容されるようになる。

図、特に図１を参照する。飛行中の航空機に動力を供給する、または、発電装置に動力を供給するために使用される軸流ガスタービンエンジン１０が示されている。エンジン１０は、概して、直流に連通されたファンモジュール１５と、高圧圧縮機２０と、燃焼器２５と、高圧タービン３０と、低圧タービン３５とを備える。燃焼器２５は燃焼ガスを発生させ、このガスは続いて高圧タービン３０に送られ、ここで膨張されて高圧タービン３０を駆動し、次いで、ガスは低圧タービン３５に送られ、ここでさらに膨張されて低圧タービン３５を駆動する。高圧タービン３０は、第１のロータ軸４０を介して高圧圧縮機２０に駆動可能に連結されており、低圧タービン３５は、第２のロータ軸４５を介してファンモジュール１５に駆動可能に連結されている。

図２と３を参照すると、高圧圧縮機２０は、圧縮時にエンジン１０と航空機で使用するガス流を送り込むために使用される、一連の可変かつ固定された静翼段５５，６０，６５を通常備える。各段５５，６０，６５の環の寸法形状は、後続のエンジンの段で使用する空気を圧縮するように次第に小さくされている。圧縮機の段５５あるいは第４段は、円周方向に配置された複数の片持ち式インレットガイドベーン７０で形成されている。圧縮機２０の各段は、円周方向に配置された１組のベーン７０を備え、これらのベーンは、圧縮機２０の圧縮機ケース７５とベーンのシュラウド８０との間に保持されている。シュラウド８０は、高圧圧縮機２０の空力的流路の境界を形成する。シュラウド８０は、全てのベーン７０の段５５，６０，６５を保持する、圧縮機２０の内周の周りにあますとこなく完全に延在している複数のシュラウドセグメント８５を有する。

図４の従来技術を参照すると、ベーン９０は、エンジン内部に最も近いその端部にインナートラニオン９５を備える。インナートラニオン９５は、硬化鋼（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｓｔｅｅｌ）などの非常に硬質な材料から作製され、通常、硬質被膜が適用されている。インナートラニオン９５を用いて、ベーン９０をベーンのインナーシュラウド１００内に保持する一方で、ベーン９０はトラニオン９５を中心に回転することが可能となる。ベーンのインナーシュラウド１００は、それぞれが炭素鋼などの材料から作製された２つの同一部分を有する。スプリット（割り ｓｐｌｉｔ）ブッシング１０５にインナートラニオン９５を収容してから、このスプリットブッシングをベーンのインナーシュラウド１００内に配置して、そのシュラウドによりブッシングを保持する。スプリットブッシング１０５は炭素鋼などの材料から作製される。同様に、アウターブッシング（図示せず）を用いて、圧縮機ケース７５内にベーンが保持されている。ボルト１２０とナット１２５によって、シュラウド１００の一部分が軸方向で固定されている。

エンジン１０の運転中、高圧圧縮機２０の作動に伴う一定な空力的圧力による力により、インナーシュラウドに対して、静翼ケースの方に向かって負荷がかかる。さらに、ブッシング１０５とインナートラニオン９５との間の振動により、極度の応力並びに摩擦が生じる。そのため、互いに接触している構成部品の面同士の間が高温になり、摩耗や酸化を引き起こすおそれがある。

本発明の図５〜図７を参照すると、ベーン１３０は、スプリットシュラウド、即ちライナー１４０内に格納された、ブッシングのないインナートラニオン１３５を有する。トラニオン１３５は、好ましくはチタンなどの強度のある軽量材料から作製される。トラニオン１３５は、アウターベアリング面１４５を有する。ライナー１４０は、好ましくは黒鉛状炭素などの材料から作製され、複数の部品１５０ａ，１５０ｂを有する、全く同一な２つの構成部品を有する。部品１５０ａは対向面１５５ａ，１５５ｂを有し、部品１５０ｂは対向面１６０ａ，１６０ｂを有する。面１５５ｂ，１６０ｂは、部品１５０ａ，１５０ｂが完全に組み立てられると、複数のスロット１５８を形成する。シュラウド１６５は、２つの部分１７０ａ，１７０ｂを備える多数の構成部品を有する。シュラウド部分１７０ａはライナー部品１５０ａを受容し、シュラウド部分１７０ｂはライナーセグメント１５０ｂを受容する。シュラウド部分１７０ａはポケット１８５ａを形成し、シュラウド部分１７０ｂはポケット１８５ｂを形成する。ライナー１４０の部品１５０ａ，１５０ｂは、それぞれがポケット１８５ａ，１８５ｂ内への摩擦ばめである。一連のボルト１７５とナット１８０により、シュラウド部分とライナー部品とが一緒に固定されている。

使用中、トラニオン面１４５は、ライナー面１５５ｂ，１６０ｂと相互作用する。これら面の間で発生する強い圧力は摩耗の原因となるが、この圧力がベーンのトラニオンではなく黒鉛状炭素ライナーによって吸収されることになる。この黒鉛状炭素ライナーはベーンの犠牲である。ライナー１４０の黒鉛状炭素材料は、酸化することなく動作温度に耐え得る。さらに、黒鉛状炭素材料は自己潤滑性であるので、トラニオン面１４５に対する摩耗は低減するか、または排除される。さらに、黒鉛状炭素材料のこの自己潤滑性によって、トラニオン面１４５に硬質コーティング剤を適用する必要がなくなる。

黒鉛状炭素ライナー１４０は、円周方向において位置を変えたり、あるいは軸方向において反転させたりして再使用することもできる。ライナー１４０は、比較的大型の構成部品であり、その機能を損なうことなく適当な機械類で容易に機械加工またはミル加工することができる。対照的に、ブッシング１０５を黒鉛状炭素から作製した場合には、ブッシングの形状が複雑でサイズが小さく、かつ分割する必要があるので、正確に、または経済的に機械加工することができないことがある。

黒鉛状炭素のライナー１４０を用いることによって、ベーントラニオンの摩耗は低減されることになる。さらに、２つのライナー構成部品１５０ａ，１５０ｂのそれぞれは、反転させて、面１５５ｂと１６０ｂとが対向するように、対向するシュラウド部分１７０ｂ，１７０ａ中に再挿入することができるため、ライナー１４０の動作寿命を延ばすことができる。従って、インナーライナー部品１５０ａ，１５０ｂは、予め機械加工された面１５５ｂ，１６０ｂが露出された状態を維持するように、対向するシュラウド部分に再挿入することができる。このように反転して再挿入することにより、第１の期間中に摩耗しなかった対向する面の側が、第２の運転期間中に露出されて使用されるため、ライナーの耐用寿命がさらに延びることになる。あるいは、予め機械加工せず、露出させていなかった面１５５ａ，１６０ａを露出させ、機械加工して使用することもできる。

ライナーの面１５５ｂ，１６０ｂは、運転中、トラニオン面１４５に対して滑らかさを与える。黒鉛状炭素のライナー１４０は、ベーントラニオンの摩耗を低減するため、第１の期間の後、トラニオンには最低限の修繕だけを要することになる。

シュラウド１６５は、ライナー１４０を受容するインナーポケット１８５ａ，１８５ｂを有するように機械加工されている。シュラウド１６５は、炭素鋼などの強度を有する軽量材料から作製することができ、チタンなどが好ましい。シュラウドにチタンなどの材料を用いることによって、エンジンの総重量が大幅に低減される。さらに、軽量であることにより、相互に接触する面同士における摩耗の度合いが低減することになる。

本発明の開示を１つまたは複数の例示的な実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、実施形態の要素に換えて等価物を使用することもできることが当業者には理解されよう。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本開示の教示に適合させるように様々な変更を行うこともできる。従って、本発明を実施するのに考慮された最良の形態として開示した特定の１つ（または複数）の実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内に含まれる全ての実施形態を包含するものである。

本発明のターボファンエンジンの部分切欠断面図。 図１のターファンエンジンのシュラウドとベーンを示す、具体的には、本発明の第４，第５，第６段を示す部分断面図。 図１のエンジンのシュラウドとベーンを示す、ターボファンエンジンの部分切欠透視図。 従来技術によるシュラウドと、ベーンと、ブッシング構成の分解透視図。 本発明のシュラウド、黒鉛状炭素のライナー、およびベーンの分解透視図。 本発明の黒鉛状炭素のライナーを備えたシュラウドの断面図。 本発明の黒鉛状炭素のライナーを備えたシュラウドの部分透視図。

Claims (19)

1. それぞれが、対向するポケット対を形成するインナーポケットを含む、環状シュラウド対と、
   ライナー対であって、そのライナー対の一方が前記ポケット対の一方内に収容され、かつ、そのライナー対の他方が前記ポケット対の他方内に収容される、ライナー対とを含んでなり、
   前記ライナー対のそれぞれが、複数のスロットを形成する互いに接触する面を有することを特徴とする、ガスタービンエンジン用スプリットシュラウドシステム。
2. 前記ライナー対のそれぞれが複数のセグメントを含んでなり、前記シュラウド対のそれぞれが複数のセグメントを含み、前記ライナー対の各々の各セグメントが、前記互いに接触する面において複数のスロットを形成することを特徴とする、請求項１に記載のスプリットシュラウドシステム。
3. 前記複数のスロットのそれぞれが円形の断面を有することを特徴とする、請求項１に記載のスプリットシュラウドシステム。
4. 前記複数のスロットのそれぞれが、ターボファンのベーンの内径トラニオンを受容するような寸法に作られることを特徴とする、請求項２に記載のスプリットシュラウドシステム。
5. 前記ライナー対の前記それぞれが、黒鉛状炭素材料から作製されることを特徴とする、請求項１に記載のスプリットシュラウドシステム。
6. 前記環状シュラウド対が、硬化鋼材料から作製される、請求項１に記載の分割エンジンシュラウドシステム。
7. 前記環状シュラウド対のそれぞれがチタン材料から作製されることを特徴とする、請求項１に記載のスプリットシュラウドシステム。
8. 前記ライナー対のそれぞれが、前記シュラウドのインナーポケットの１つ内に圧入されることを特徴とする、請求項１に記載のスプリットシュラウドシステム。
9. 前記複数のライナー部品のそれぞれが取り外し可能であり、かつ、前記ポケット対の他方に再挿入することができることを特徴とする、請求項２に記載のスプリットシュラウドシステム。
10. 環状シュラウド対を含んでなり、該環状シュラウド対はそれぞれがインナーポケット対を形成するインナーポケットを有し、前記インナーポケット対のそれぞれは、円形構造を形成するライナー部品を備え、前記インナーポケット対の一方のライナー部品は、前記インナーポケット対の他方のライナー部品と対向してライナー部品対を形成し、前記各ライナー部品対の一方は、ベーンのトラニオンを受容するための複数のスロットを形成する、相互に接合接触する面を有し、
    前記ライナー部品と前記複数のスロットとは、エンジンが飛行動作状態にある間に前記トラニオンによって生じる摩耗を受容することを特徴とする、ガスタービンエンジン用スプリットシュラウドシステム。
11. 前記複数のスロットのそれぞれが、円形の断面を有することを特徴とする、請求項１０に記載のスプリットシュラウドシステム。
12. 前記複数のスロットのそれぞれが、ターボファンのベーンの内径トラニオンを収容するような寸法に作られることを特徴とする、請求項１０に記載のスプリットシュラウドシステム。
13. 前記ライナー部品対の前記それぞれが、黒鉛状炭素材料から作製されることを特徴とする、請求項１０に記載のスプリットシュラウドシステム。
14. 前記環状シュラウド対が、硬化鋼材料から作製されることを特徴とする、請求項１０に記載のスプリットシュラウドシステム。
15. 前記環状シュラウド対が、チタン材料から作製されることを特徴とする、請求項１０に記載のスプリットシュラウドシステム。
16. 前記ライナー部品対のそれぞれが、前記シュラウドのインナーポケットの１つ内に圧入されることを特徴とする、請求項１０に記載のスプリットシュラウドシステム。
17. 前記複数のライナー部品のそれぞれが取り外し可能であり、かつ、前記ポケット対の他方に再挿入することができることを特徴とする、請求項１０に記載のスプリットシュラウドシステム。
18. 前記ライナーの各々が環状であることを特徴とする請求項１に記載のスプリットシュラウドシステム。
19. 前記インナーポケットの各々が環状であることを特徴とする請求項１０に記載のスプリットシュラウドシステム。

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