JP5386078B2

JP5386078B2 - ガスタービンエンジン組立体及びロータ組立体

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Publication number: JP5386078B2
Application number: JP2007325424A
Authority: JP
Inventors: トーマス・オーリー・モニズ; ロバート・ジョセフ・オーランド
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: CA2613770A1; GB0724089D0; US7883311B2; GB2445074B; JP2008157232A; DE102007062496A1; GB2445074A; US20080152477A1

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはタービンエンジンで使用する軸受組立体に関する。

少なくとも幾つかの公知のエンジンは、複数の軸受組立体を含む。幾つかの公知の軸受組立体は、オイルで潤滑されており、その場合、オイルは潤滑用管路を用いて軸受組立体に供給される。潤滑用管路は一般に、エンジン全体にわたって延びて、エンジン内の利用可能スペースの量を減少させる。

さらに、少なくとも幾つかの公知のエンジンは、使用に先立ってある期間にわたり保管される。エンジン内のオイル潤滑式軸受組立体は、保管後に該軸受組立体が潤滑状態を保つようにするための保守整備を必要とすることになる。
米国特許第５，１０２，２３７号公報米国特許第３，９１５，５２１号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジン組立体を提供する。本ガスタービンエンジン組立体は、圧縮機ロータと、圧縮機ロータの上流に結合された圧縮機ステータと、軸受組立体と、第２の軸受組立体とを含む。軸受組立体は、圧縮機ロータを支持するように圧縮機ロータ及び圧縮機ステータ間に結合される。軸受組立体は、圧縮機ステータの一部分に結合された一対のフォイルスラスト軸受と、一対のフォイルスラスト軸受に対してほぼ同軸に結合された一対のばねパックとを含む。第２の軸受組立体は、軸受組立体の下流に結合されかつラジアルフォイル軸受を含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のロータ組立体を提供する。本ロータ組立体は、圧縮機ロータと、圧縮機ロータの上流に結合された圧縮機ステータと、実質的に圧縮機ロータ及び圧縮機ステータ間に結合された軸受組立体とを含む。軸受組立体は、圧縮機ロータを支持するように構成される。軸受組立体は、圧縮機ステータの一部分に結合された一対のフォイルスラスト軸受と、一対のフォイルスラスト軸受に対してほぼ同軸に結合された一対のばねパックとを含む。

またここでは、ガスタービンエンジンを組立てる方法を開示する。本ガスタービンエンジンは、圧縮機ロータ及び圧縮機ステータを備えた圧縮機組立体を含む。本方法は、一対のフォイルスラスト軸受及び一対のばねパックを備えた軸受組立体を圧縮機組立体の一部分内に結合して、圧縮機ロータを支持するのを可能にする段階を含む。本方法はさらに、その一対のフォイルスラスト軸受を、第１のスラスト軸受がステータの上流に結合されかつ第２のスラスト軸受がステータの下流に結合されるように、該ステータの一部分に結合する段階を含む。本方法はさらに、その一対のばねパックを、第１のばねパックが第１のスラスト軸受の上流に位置しかつ第２のばねパックが第２のスラスト軸受の下流に位置するように、その一対のフォイルスラスト軸受に対してほぼ同軸に結合して、エンジンの運転時に第１及び第２のスラスト軸受間での荷重移動を可能にする段階を含む。

図１は、コアガスタービンエンジン１０の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、高圧タービン１８及びシャフト２０を含み、シャフト２０は、高圧圧縮機１４と高圧タービン１８との間を結合する。圧縮機１４は、第１の圧縮機ロータ２２と該第１の圧縮機ロータ２２の下流に結合された隣接する第２の圧縮機ロータ２４とを含む。本明細書で使用する場合、第１及び第２の圧縮機ロータ２２及び２４は、圧縮機１４内のあらゆる２つの隣接するロータセクションとすることができる。各ロータ２２及び２４は、ロータディスクを含む。第１及び第２の圧縮機ロータ２２及び２４のディスク間にギャップ２５が形成される。この例示的な実施形態では、ギャップ２５は、約０．８インチである。

エンジン１０の運転時に、空気流５０は、エンジン１０に流入し、圧縮機１４を通して送られる。空気流５０は、第１の圧縮機ロータ２２を通して送られる。空気流５０の第１の部分５２は、第２の圧縮機ロータ２４を通して下流方向に送られ、そこで燃料と混合されかつ点火されて燃焼ガスを発生し、燃焼ガスは、最終的に吐出ノズル出口５４を通して下流方向に吐出される。空気流５０の第２の部分５６は、ギャップ２５を通して、かつ後で詳細に説明するような空気配向組立体内に送られる。

その上、この例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジン１０はさらに、後部フレーム２６及び中心体２８を含む。後部フレーム２６は、コアガスタービンエンジン１０の一部分の周りで円周方向に延びかつ高圧タービン１８から下流方向に延びる。中心体２８は、内部空気ダクト３０の周りで円周方向に延びかつタービン１８から下流方向に延びる。中心体２８は、後部フレーム２６から半径方向内側にかつダクト３０から半径方向外側に間隔を置いて配置される。

コアガスタービンエンジン１０はまた、ダクト３０を含む。ダクト３０は、該ダクト３０がシャフト２０内にほぼ同心に整列するように、該シャフト２０内に形成される。ダクト３０は、第１の圧縮機ロータ２２からエンジン１０の後方端部３３に形成された出口３２まで下流方向に延びる。この例示的な実施形態では、ダクト３０は、ほぼ一定の直径３４を有した状態で形成される。例えば、１つの実施形態では、直径３４は、約５インチである。それに代えて、直径３４は、エンジン１０を可能にするあらゆる寸法とすることができる。この例示的な実施形態では、高圧タービン１８は、高圧タービンディスク３６を含み、ディスク３６は、ダクト直径３４よりも大きい内径３８を有する。

この例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジン１０は、高圧タービン１８の下流に回転可能に結合された制御弁組立体４０を含む。この例示的な実施形態では、制御弁組立体４０はまた、アクチュエータ４２及び該アクチュエータ４２と弁本体４６との間で延びるステム４４を含む。この例示的な実施形態では、弁本体４６は、バタフライ弁４１である。別の実施形態では、弁本体４６は、ボール弁である。この例示的な実施形態では、アクチュエータ４２は、後部フレーム２６の半径方向外側面４３に結合されかつ油圧で作動する。別の実施形態では、アクチュエータ４２は、制御弁組立体４０が例えばそれに限定されないが電気的に又は空圧的に作動された状態で本明細書に記載するように機能するのを可能にする他のあらゆる手段によって作動する。この例示的な実施形態では、アクチュエータ４２は、自動的に作動する。別の実施形態では、アクチュエータ４２は、手動で作動させられる。この例示的な実施形態では、弁本体４６は、ステム４４に結合されて、該ステム４４の回転により弁本体４６の移動が制御されるようになる。ステム４４は、後部フレーム２６、中心体２８及びダクト３０を貫通して延びる。この例示的な実施形態では、本体４６は、ダクト３０内に回転可能に結合されて該ダクト３０を通る空気の流量を選択的に制御する。この例示的な実施形態では、本体４６は、ダクト３０の直径３４よりも僅かに小さい直径３９を有する。より具体的には、この例示的な実施形態では、制御弁組立体４０の作動は、空気配向組立体１００の作動に電気的に結合される。

図２は、空気配向組立体１００を備えたコアガスタービンエンジン１０の一部分の拡大断面図である。図３は、空気配向組立体１００の拡大斜視図である。この例示的な実施形態では、空気配向組立体１００は、圧縮機ロータ２２及び２４間に結合されて、ロータ２２から吐出された空気流を半径方向内向きに導いて内部空気ダクト３０を通るようにする。より具体的には、この例示的な実施形態では、組立体１００は、ロータ２２の下流側４７が組立体１００に結合されまたロータ２４の上流側４９が組立体１００に結合されるような、ギャップ２５内における所定の位置に結合される。

この例示的な実施形態では、空気配向組立体１００は、一対の環状リング１０２及び１０４とそれらリング間で延びる本体１０６とを含む。この例示的な実施形態では、リング１０２及び１０４は、それぞれ第１の圧縮機ロータ２２及び隣接する第２の圧縮機ロータ２４に結合される。リング１０２は、上流面１０７及び下流面１０８を含み、また同様に、リング１０４は、上流面１１０及び下流面１１２を含む。この例示的な実施形態では、リング１０２は、上流面１０７が第１の圧縮機ロータ２２に対して結合されるように該第１の圧縮機ロータ２２に結合される。この例示的な実施形態では、リング１０４は、下流面１１２が第２の圧縮機ロータ２４に対して結合されるように該第２の圧縮機ロータ２４の一部分に結合される。この例示的な実施形態では、下流面１０８及び上流面１１０は、空気が空気配向組立体１００を通って流れるための流路を形成する。リング１０２及び１０４は各々、該リングを貫通して延びる複数の開口部１１３を含む。より具体的には、開口部１１３は、上流面１０７及び１１０からそれぞれの下流面１０８及び１１２まで延びる。各開口部１１３は、該開口部を通して少なくとも１つの締結機構１１４を受けるような寸法にされて、複数のボルト又はファスナを使用してそれぞれリング１０２及び１０４をロータ２２及び２４に結合するのを可能にする。この例示的な実施形態では、リング１０２における開口部１１３は、製造時にリング１０４における開口部１１３と同心に整列している。

この例示的な実施形態では、リング１０２、１０４及び本体１０６は、互いに機械的に組立てるか又は溶接して空気配向組立体１００を形成する。この例示的な実施形態では、組立体１００は、互いに結合されて３６０°リングを形成する複数のリングセグメント１３０を含む。リングセグメント１３０は、単一本体１０６、リング１０２の部分１３２及びリング１０４の部分１３４を含む。例えば、３６０°リングは、その各々が１０°の角度を有する３６個のリングセグメント１３０を含むことができる。この例示的な実施形態では、リング１０２、１０４及び本体１０６は、リングセグメント１３０が遠心荷重の下で方向転換及び／又は回転しないように互いに固定される。

この例示的な実施形態では、本体１０６は、空気力学的形状である。より具体的には、この例示的な実施形態では、本体１０６は、リング１０２及び１０４間で延びかつ該リング１０２及び１０４に取り付けられた複数の翼形形状部材で形成される。さらに、この例示的な実施形態では、翼形形状部材１０６は、円周方向に間隔を置いて配置されて環状リング１１６を形成し、リング１１６がリング１０２及び１０４間で延びるようになる。この例示的な実施形態では、リング１０２及び１０４は、リング１１６と一体形に形成される。別の実施形態では、リング１０２及び１０４は、リング１１６に結合され、及び／又は翼形部形状部材１０６が、リング１１６に結合される。

この例示的な実施形態では、本体１０６の各部材は、ほぼ同一でありかつその各々は、翼形部前縁１１８及び翼形部後縁１２０を含む。さらに、各本体１０６は、第１の側壁１２２及び第２の側壁１２４を含む。第１の側壁１２２は、凸面形でありかつ各本体１０６の負圧側面を形成し、また第２の側壁１２４は、凹面形でありかつ各本体１０６の正圧側面を形成する。側壁１２２及び１２４は、各本体１０６の前縁１１８及び後縁１２０において互いに接合される。第１及び第２の側壁１２２及び１２４は、上流側リング１０２から下流側リングまでのスパンにわたって延びる。

コアガスタービンエンジン１０の組立て時に、高圧圧縮機１４は、シャフト２０に結合される。この例示的な実施形態では、空気配向組立体１００は、第１及び第２の圧縮機ロータ２２及び２４間に結合される。空気配向組立体１００は、ロータ２２及び２４に結合されるので、空気配向組立体１００は、圧縮機ロータ２２及び２４と共に回転する。

図２を参照すると、運転時に、空気流５０は、エンジン１０に流入しかつ第１の圧縮機ロータ２２を通して送られる。空気流５０の第１の部分５２は、第２の圧縮機ロータ２４を通して下流方向に送られ、そこで燃料と混合されかつ点火されて燃焼ガスを発生し、燃焼ガスは、最終的に吐出ノズル出口５４を通して下流方向に吐出される。空気流５０の第２の部分５６は、ギャップ２５を通してかつ空気配向組立体１００内に送られる。空気配向組立体１００は、空気流５６をダクト３０内に送る。この例示的な実施形態では、空気配向組立体１００は、空気流５６をそれぞれリング１０２及び１０４の表面１０８及び１１０にわたって送る。さらに、空気流５６は、側壁１２２及び１２４を通り過ぎるように導かれ、側壁１２２及び１２４は、空気流５６をダクト３０内に導く。空気流５６は、該空気流がダクト３０を通って流れる時にエンジン１０の構成部品を冷却する。空気流５６は、エンジン１０の作動及び効率に悪影響を与えずに該エンジン１０がより高いサイクル温度で運転するのを可能にする。より高いサイクル温度でエンジン１０を運転させることにより、一定のエンジン効率を維持しながらエンジン１０を縮小したエンジン寸法で製作することが可能になる。

エンジン１０の運転時に、弁組立体４０は、第１の作動位置４８（図１に示す）と第２の作動位置（図示せず）との間で移動可能である。この例示的な実施形態では、アクチュエータ４２は、油圧で駆動されかつ弁組立体４０を第１の作動位置４８と第２の作動位置との間で回転させるように自動的に作動する。第１の作動位置４８においては、空気ダクト３０を通って流れる空気流５６は、弁組立体４０の本体４６によって妨げられず、空気流５６が出口３２（図１に示す）を通って吐出されるようになる。この例示的な実施形態では、弁組立体４０は、エンジン１０が巡航状態で運転している間は、第１の作動位置４８に位置しており、
エンジン１０が大きなスラストを供給するようになる。

図４は、別の空気配向組立体２００を備えたコアガスタービンエンジン１０の一部分の拡大断面図である。図５は、空気配向組立体２００の拡大斜視図である。空気配向組立体２００は、第１及び第２の圧縮機ロータ２２及び２４間に結合されて、第１の圧縮機ロータ２２から吐出された空気流が内部空気ダクト３０を通るように半径方向内向きに送られるのを可能にする。空気配向組立体２００は、空気配向組立体１００と同様であり、従って図２の構成部品と同じである図４の構成部品は、図２で使用したのと同じ参照符号を使用して図４において説明している。

空気配向組立体２００は、第１及び第２の圧縮機ロータ２２及び２４間に結合される。この例示的な実施形態では、空気配向組立体２００は、リング１０２及び１０４を含みかつそれらリング間で延びる本体２０６を有する。本体２０６は、環状でありかつリング１０２及び１０４に対してほぼ垂直に配向される。この例示的な実施形態では、リング１０２及び１０４は、本体２０６と一体形に形成される。それに代えて、リング１０２及び１０４は、本体２０６に結合される。具体的には、この例示的な実施形態では、本体２０６は、該本体２０６を貫通して延びる複数の開口部２０８を含む。開口部２０８は、空気配向組立体２００を通して内部空気ダクト３０内に空気を導くような寸法及び配向にされる。この例示的な実施形態では、開口部２０８は、円形形状を有している。別の実施形態では、開口部２０８は、方形形状を有する。さらに別の実施形態では、開口部２０８は、空気配向組立体２００を通して空気５６を送るのを可能にするあらゆる好適な形状を有する。

コアガスタービンエンジン１０の組立て時に、高圧圧縮機１４は、シャフト２０に結合される。この例示的な実施形態では、空気配向組立体２００は、第１及び第２の圧縮機ロータ２２及び２４間に結合されて第１の圧縮機ロータ２２から吐出された空気が内部空気ダクト３０を通るように内向きに送られるのを可能にする。空気配向組立体２００はロータ２２及び２４に結合されるので、空気配向組立体２００は、圧縮機ロータ２２及び２４と共に回転する。この例示的な実施形態では、空気配向組立体２００は、ボルト又はファスナのような複数の締結機構１１４を用いて第１及び第２の圧縮機ロータ２２及び２４に結合される。各開口部１１３は、少なくとも１つの締結機構１１４を受けるような寸法にされる。この例示的な実施形態では、少なくとも１つのスリーブ２２０が、リング１０２の開口部１１３とリング１０４の同心に整列した開口部１１３との間に結合される。この例示的な実施形態では、スリーブ２２０は、リング１０２及び１０４間に溶接される。この例示的な実施形態では、締結機構１１４は、リング１０２の開口部１１３、リング１０４の同心に整列した開口部１１３及びスリーブ２２０を貫通して延び、スリーブ２２０が、締結機構１１４に生じるおそれがある曲げ応力を減少させる。

図４を参照すると、運転時に、空気流５０は、エンジン１０に流入しかつ第１の圧縮機ロータ２２を通して送られる。空気流５０の第１の部分５２は、第２の圧縮機ロータ２４を通して下流方向に送られ、そこで燃料と混合されかつ点火されて燃焼ガスを発生し、燃焼ガスは、最終的に吐出ノズル出口５４を通して下流方向に吐出される。空気流５０の第２の部分５６は、ギャップ２５を通してかつ空気配向組立体２００内に送られる。空気配向組立体２００は、空気流５６をダクト３０内に送る。この例示的な実施形態では、空気配向組立体２００は、空気流５６をそれぞれリング１０２及び１０４の表面１０８及び１１０にわたって送る。さらに、空気流５６は、開口部２０８を通して導かれ、開口部２０８は、空気流５６をダクト３０内に導く。空気流５６は、該空気流がダクト３０を通って流れる時にエンジン１０の構成部品を冷却する。空気流５６は、エンジン１０の運転及び効率に悪影響を与えずに該エンジン１０がより高いサイクル温度で運転するのを可能にする。より高いサイクル温度でエンジン１０を運転させることにより、一定のエンジン効率を維持しながらエンジン１０を縮小したエンジン寸法で製作することが可能になる。

図６は、軸受組立体３００を備えたコアガスタービンエンジン１０の一部分の拡大断面図である。この例示的な実施形態では、エンジン１０はさらに、該エンジン１０の前方端部の一部分内に配置された軸受組立体３００を含む。

この例示的な実施形態では、エンジン１０はさらに、圧縮機１４（図１に示す）を実質的に囲むケーシング３０２を含む。エンジン１０はさらに、ケーシング３０２及び中央ハブ３０８間で延びる入口案内ベーン３０４及び前方フレーム３０６を含む。入口案内ベーン３０４は、エンジン１０の入口内に配置されかつエンジン１０に流入する空気流を圧縮機１４に導く。

前方フレーム３０６及び中央ハブ３０８は、軸受組立体３００を支持し、軸受組立体３００は次に、圧縮機１４をその回転を可能にするように支持する。図６に示すように、この例示的な実施形態では、軸受組立体３００は、実質的に圧縮機ステータ３１２と圧縮機ロータ３１４との間に結合される。圧縮機ロータ３１４は、圧縮機ステータ３１２の下流に結合される。ステータ３１２及びロータ３１４は、ほぼＴ字状断面を有する交差部３１６を形成する。

具体的には、圧縮機ロータ３１４は、圧縮機ロータ２２の前方シャフト３３３と一体形に形成され、この前方シャフト３３３は次に、圧縮機１４を回転させる。シャフト３３３は、半径方向外側面３２９及び対向する半径方向内側面３３１を含む。

具体的には、ステータ３１２は、第１の部分３２０及び該第１の部分３２０の半径方向内側に結合された第２の部分３２２を含む。この例示的な実施形態では、ステータ３１２の第１の部分３２０は、ステータ３１２が非回転部材となるように結合機構３１８を用いてハブ３０８の一部分に結合される。第１の部分３２０は、締結機構３２４を用いて第２の部分３２２に結合される。第２の部分３２２は、第１の部分３２６及びほぼ垂直な第２の部分３２８を含む。第２の部分３２８は、軸方向上流面３３０及び対向する軸方向下流面３３２を含む。

この例示的な実施形態では、軸受組立体３００は、実質的に圧縮機ステータ３１２とロータ３１４との間に結合されかつエンジン１０の前方端部におけるエンジン間隙を保持するのを可能にする。具体的には、軸受組立体３００は、一対のアキシャルフォイルスラスト軸受を有し、この一対のアキシャルフォイルスラスト軸受は、第２の部分３２８の上流面３３０に隣接して結合された第１のアキシャルフォイルスラスト軸受３３４と、第２の部分３２８の下流面３３２に隣接して結合された第２のアキシャルフォイルスラスト軸受３３６とを含む。以下でより詳細に説明するように、この一対のアキシャルフォイルスラスト軸受は、前方及び後方スラスト荷重を制御する。軸受組立体３００はさらに、軸受３３４及び３３６に結合された一対のばねパックを含む。この一対のばねパックは、第１の軸受３３４に結合された第１のばねパック３３８と第２の軸受３３６に結合された第２のばねパック３４０とを含む。軸受組立体３００はさらに、ばねパック３３８及び３４０に結合されて軸受組立体３００を収容したハウジングを含む。ハウジングは、ばねパック３３８に結合された第１の部分３５２とばねパック３４０に結合された第２の部分３５４とを含む。例えばスパナナットのような結合機構３５５により、ハウジング、ばねパック及びアキシャルフォイルスラスト軸受はロータ３１４の一部分に結合される。軸受組立体３００はまた、ロータ３１４の半径方向外側に結合されたラジアルフォイル軸受３５６を含む。

図７は、アキシャルフォイルスラスト軸受３３４及び３３６の拡大斜視図である。具体的には、アキシャルフォイルスラスト軸受３３４は、スラストランナ３３５及び環状ばね板３３９を含む。この例示的な実施形態では、ばね板３３９は、その形状が環状でありかつ複数のばね部分３４９、すなわちフォイル部分とノッチ３４７とを含む。この例示的な実施形態では、スラストランナ３３５及び環状ばね板３３９は、それらの間に間隔が形成された状態で結合される。同様に、アキシャルフォイルスラスト軸受３３６は、スラストランナ３３７及び環状ばね板３４３を含む。この例示的な実施形態では、ばね板３４３は、その形状が環状でありかつ複数のばね部分３４９、すなわちフォイル部分とノッチ３４７とを含む。この例示的な実施形態では、スラストランナ３３７及び環状ばね板３４３は、それらの間に間隔が形成された状態で互いに結合される。

より具体的には、図７に示すように、環状ばね板３３９は、第２の部分３２８の上流面３３０に結合され、またスラストランナ３３５は、上流側で環状ばね板３３９に結合される。この例示的な実施形態では、環状ばね板３４３は、第２の部分３２８の下流面３３２に結合され、またスラストランナ３３７は、下流側で環状ばね板３４３に結合される。

図８は、ばねパック３３８及び３４０並びにハウジングの拡大断面図である。具体的には、各ばねパック３３８及び３４０は、一対のカップ状ばねワッシャを含む。各ばねパック３３８及び３４０は、ばねワッシャ３４２及び３４４を含む。この例示的な実施形態では、ワッシャは、Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅばねワッシャである。具体的には、各ワッシャ３４２及び３４４は、微円錐形形状を有しかつ第１の表面３４６及び対向する第２の表面３４８を含む。第１の表面３４６は、互いに隣接させて順次に（連続的に）結合されて軸受組立体３００に対して予荷重を与える。第１のばねパック３３８のワッシャ３４４の第２の表面３４８は、軸受３３４のスラストランナ３３７に結合され、また第２のばねパック３４０のワッシャ３４２の第２の表面３４８は、軸受３４４のスラストランナ３３５に結合される。ワッシャ３４２及び３４４を連続的に結合することは、一対のばねを直列に結合することに類似しており、より大きな撓みを有する小さいばね定数を生じるようになる。さらに、ワッシャ３４２及び３４４を連続的に結合することにより、様々な用途に合わせて特定のばね定数及び撓み特性を設計することができるような、設計の自由度が得られる。

軸受組立体３００はさらに、ばねパック３３８及び３４０に結合されて軸受組立体３００を収容するハウジングを含む。ハウジングは、ばねパック３３８に結合された第１の部分３５２とばねパック３４０に結合された第２の部分３５４とを含む。結合機構３５５は、それらを貫通して延びることによってハウジング、ばねパック及びアキシャルフォイルスラスト軸受を互いに隣接させて同軸に結合する。この例示的な実施形態では、結合機構３５５は、ボルト又はスパナナットである。結合機構３５５はさらに、ハウジング、ばねパック及びアキシャルフォイルスラスト軸受を所定の予荷重でロータ３１４のシャフト３３３の一部分に結合して軸受組立体３００に対してスラストを与える。予荷重は、荷重を加えて、軸受組立体３００があらゆる運転状態時に適正に作動することになるようにする。

さらに、軸受組立体３００は、ステータ３１２及びロータ３１４の一部分間に結合されたラジアルフォイル軸受３５６を含む。軸受３５６は、半径方向外側面３５８及び対向する半径方向内側面３６０を含む。この例示的な実施形態では、外側面３５８は、ステータ３１２の第１の部分３２０の半径方向外側にかつ該第１の部分にほぼ隣接して配置される。内側面３６０は、例えばスパナナットのような締結機構３６２を用いてシャフト３３３の一部分に結合される。

ハウジングの第１の部分３５２は、ばねパック３３８に結合され、またハウジングの第２の部分３５４は、ばねパック３４０に結合される。具体的には、第１及び第２の部分３５２及び３５４は、ワッシャ３４２の第２の表面３４８に結合される。ハウジングは、軸受組立体３００を収容し、また結合機構３５５は、ハウジング、ばねパック及びアキシャルフォイルスラスト軸受をロータ３１４の一部分に結合する。結合機構３５５は、軸受組立体を押圧状態に保持する。

図９は、ラジアルフォイル軸受３５６の拡大正面図である。軸受３５６は、締結機構３６２を用いてロータ３１４に結合される。具体的には、この例示的な実施形態では、フォイル軸受３５６は、対になったレース４３０及び少なくとも１つのフォイル要素４３２を含む。対になったレース４３０は、外側レース４３４及び該外側レース４３４から半径方向内側に位置する内側レース４３６を含む。フォイル要素４３２は、内側レース４３６及び外側レース４３４間で延びかつその各々は、各々が外側レース４３４に取り付けられて該外側レース４３４に対して内側レース４３６が回転するのを可能にする複数のコンプライアス性金属フォイル要素４３２を含む。この例示的な実施形態では、フォイル軸受３５６は、ロータ上に作用する動作荷重の影響を低減すると同時に、ロータ間の間隙制御及びシールを向上させるのを可能にする。さらに、ガスタービンエンジン１０内でフォイル軸受を使用することにより、該フォイル軸受が、潤滑を必要とせず、ＤＮ速度限界（Ｄは、ミリメータデ表わした軸受ボアの直径と定義され、またＮは、毎分当りの回転数で表わした軸受の最高速度と定義される）が全くなく、保守整備を全く必要とせず、また自動式の流体力学的「フロートオンエア」装置であるので、ガスタービンエンジンの製作コストを低減するのを可能にする。

図１に示すように、軸受組立体４００は、軸受組立体３００の軸受３５６とほぼ同じである軸受４０２を含む。ラジアルフォイル軸受４０２は、例えばスパナナットのような締結機構４４２を用いて高圧タービンディスク３６の一部分に結合される。

軸受組立体３００及び４００は、エンジン１０が最小制御要件で運転することができるように該エンジン内で共同して機能する。軸受組立体３００及び４００は、エンジン１０の複雑さ及びコストを軽減する無給油軸受組立体である。軸受組立体３００及び４００内でのオイルの必要性を排除することにより、軸受組立体３００及び４００が潤滑状態を保つのに必要な保守整備を回避することによって、エンジン１０は該エンジンの寿命要件を満たすことが可能になる。さらに、軸受組立体３００及び４００内でのオイルの必要性を排除することにより、あらゆる潤滑用管路が除去されかつダクト３０内の利用可能スペースが増加する。さらに、軸受組立体３００及び４００は、より弾性があり、従って他の公知の軸受組立体ほど簡単には損傷しない。

軸受組立体３００の組立て時に、ロータ３１４を含むロータ２２は、シャフト２０に結合され、またステータ３１２の第１の部分３２０は、ハブ３０８と一体形に形成される。結合機構３５５は、軸受組立体３００をステータ３１２の第２の部分３２２の一部分３２８に結合する。具体的には、結合機構３５５は、それぞれ軸受３３４及び３３６をステータ３１２の第２の部分３２２に結合し、ばねパック３３８及び３４０を軸受３３４及び３３６に結合し、またハウジングの一部分３５２及び３５４をばねパック３３８及び３４０に結合する。結合機構３５５は、所定の予荷重で軸受組立体３００を結合して、該軸受組立体３００に対してスラストを与える。予荷重は、荷重を加えて、軸受組立体３００があらゆる運転状態時に適正に作動することになるようにする。軸受組立体３００の一部分及びステータ３１２の第２の部分３２２を互いに結合した後に、ステータ３１２の第２の部分３２２は、機構３２４によりステータ３１２の第１の部分３２０に結合される。

さらに、次に、フォイル軸受３５６が、締結機構３６２を用いてロータ３１４のシャフト３３３の一部分に対して半径方向外側で結合され、フォイル軸受３５６の外側面３５８が、ステータ３１２の一部分３２０にほぼ隣接して配置されるようになる。

軸受組立体４００の組立て時に、ラジアルフォイル軸受４０２は、例えばスパナナットのような締結機構４４２を用いて高圧タービンディスク３６の一部分に結合される。

運転時に、エンジン１０は、軸受組立体３００及び４００を潤滑するオイルがない状態で運転する。アキシャルフォイルスラスト軸受３３４及び３３６は、エンジン１０のスラストに対して反作用する。具体的には、各軸受３３４及び３３６の部材間に形成された間隔は、運転時に例えば空気のような流体で満たされる。スラストランナ３３５は、ばね板３３９に対して高速度で回転するので、各軸受３４及び３３６を通して流体圧力が発生して流体フィルムを形成する。同様に、スラストランナ３３７は、ばね板３４３に対して高速度で回転するので、各軸受３３４及び３３６を通して流体圧力が発生して流体フィルムを形成する。フォイルスラスト軸受３３４及び３３６の荷重能力は、それぞれスラストランナ３３５及び３３７間に形成された流体フィルムによって作用する流体力学的圧力を有する軸受のコンプライアンス性に応じて決まる。ばね板３３９及び３４３は、軸受３３４及び３３６に高い流体力学的特性を与える。軸受３３４及び３３６は、安定かつ制御した荷重の下で最も良好に機能する。ばねパック３３８及び３４０は、実質的に軸受３３４及び３３６と同時に回転して軸受３３４及び３３６全体にわたって一定のスラスト荷重を発生させ、軸受組立体３００の流体力学的特性をさらに向上させる。ばねパック３３８及び３４０並びに軸受３３４及び３３６は、前方及び後方方向３５０及び３５１（図６に示す）の両方向においてクッション作用及び／又は減衰作用をもたらすことによって運転時における変化に適応する。具体的には、様々な運転状態時に、前方スラストが発生すると、軸受３３６が前方荷重を受け、軸受３３４の荷重は減少する。例えば、軸受３３６は、全スラスト時に前方荷重を受ける。同様に、後方スラストが発生すると、軸受３３４が荷重を受け、軸受３３６の荷重は減少する。さらに、軸受３３４及び３３６と共にばねパック３３８及び３４０は、初期エンジン始動時に生じる大きなＧ荷重に対する高い耐性がある。流体力学的特性を高めることにより、極めて大きな荷重状態の下での作動の改善が得られる。

さらに、エンジン１０の運転時に、軸受組立体３００のフォイル軸受３５６は、ロータ３１４及び次に圧縮機１４がステータ３１２に対して一定の相対半径方向位置を維持するように、ロータ２２の回転時に発生する半径方向力を吸収する。より具体的には、運転時にロータ３１４及び圧縮機１４は強制的に半径方向外向きに押されるので、ロータ３１４のあらゆる半径方向移動はステータ３１２に伝達されて、該ロータ３１４及び圧縮機１４が、ステータ３１２に対して一定の相対半径方向位置内に保持されるようになる。

エンジン１０の運転時に、フォイル軸受組立体４００及び軸受４０２は、軸受３５６とほぼ同様に作動して、軸受組立体４００が、タービン１８の回転時に発生する半径方向力を吸収するようになる。軸受組立体３００及び４００は、それぞれエンジン１０の前方及び後方端部におけるエンジン間隙を可能にするように作動する。

本明細書に説明したエンジン１０を組立てる方法は、１つの実施形態では、一対のフォイルスラスト軸受及び一対のばねパックを備えた軸受組立体を圧縮機組立体の一部分内に結合して、圧縮機ロータを支持するのを可能にする段階を含む。本方法はさらに、その一対のフォイルスラスト軸受を、第１のスラスト軸受がステータの上流に結合されかつ第２のスラスト軸受がステータの下流に結合されるように、該ステータの一部分に結合する段階を含む。本方法はさらに、その一対のばねパックを、第１のばねパックが第１のスラスト軸受の上流に位置しかつ第２のばねパックが第２のスラスト軸受の下流に位置するように、その一対のフォイルスラスト軸受に対してほぼ同軸に結合して、エンジンの運転時に第１及び第２のスラスト軸受間での荷重移動を可能にする段階を含む。

上述の軸受組立体は、エンジンのダクト内のスペースを増大させると同時に、エンジン効率を維持するのを可能にする。上述の軸受組立体はまた、他の公知の軸受組立体よりも損傷及び荷重に対してよりも対応力がある。さらに、本明細書に説明した軸受組立体は、エンジンの寿命要件に適合する。本軸受組立体はさらに、エンジンを組立てるコスト及び複雑さを低減するのを可能にする。

以上、軸受組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。各軸受組立体は、本明細書に説明した特定の実施形態での使用に限定されるものではなく、むしろ、各軸受組立体は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。さらに、本発明は、詳細に上述した軸受組立体の実施形態に限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で、その他の軸受組立体の変形形態を利用することができる。

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行することができることは当業者には明らかであろう。

例示的なコアガスタービンエンジンの断面図。図１に示す例示的なコアガスタービンエンジンの一部分の拡大断面図。図２に示すコアガスタービンエンジンで使用する空気配向組立体の拡大斜視図。別の空気配向組立体を備えた、図１に示すコアガスタービンエンジンの一部分の拡大断面図。図４に示す空気配向組立体の拡大斜視図。図１に示すコアガスタービンで使用する軸受組立体の拡大断面図。図６に示す軸受組立体の一部分の拡大斜視図。図６に示すスラスト軸受の一部分の拡大断面図。図６に示すラジアル軸受組立体の一部分の拡大正面図。

符号の説明

１０コアガスタービンエンジン
１４高圧圧縮機
１６燃焼器
１８高圧タービン
２０シャフト
２２第１の圧縮機ロータ
２４第２の圧縮機ロータ
２５ギャップ
２６後部フレーム
２８中心体
３０ダクト
３２出口
３３後方端部
３４直径
３６高圧タービンディスク
３８内径
３９直径
４０弁組立体
４１バタフライ弁
４２アクチュエータ
４３半径方向外側面
４４ステム
４６弁本体
４７下流側
４８第１の作動位置
４９上流側
５０空気流
５２第１の部分
５４吐出ノズル出口
５６第２の部分
１００空気配向組立体
１０２リング
１０４リング
１０６単一本体
１０７上流面
１０８下流面
１１０上流面
１１２下流面
１１３開口部
１１４締結機構
１１６リング
１１８翼形部前縁
１２０翼形部後縁
１２２第１の側壁
１２４第２の側壁
１３０リングセグメント
１３２部分
１３４部分
２００空気配向組立体
２０６本体
２０８開口部
２２０スリーブ
３００軸受組立体
３０２ケーシング
３０４入口案内ベーン
３０６前方フレーム
３０８ハブ
３１２ステータ
３１４圧縮機ロータ
３１６交差部
３１８結合機構
３２０第１の部分
３２２第２の部分
３２４締結機構
３２６第１の部分
３２８第２の部分
３２９半径方向外側面
３３０上流面
３３１半径方向内側面
３３２下流面
３３３前方シャフト
３３４軸受
３３５スラストランナ
３３６軸受
３３７スラストランナ
３３８ばねパック
３３９環状ばね板
３４０ばねパック
３４２ばねワッシャ
３４３環状ばね板
３４４ワッシャ
３４６第１の表面
３４７ノッチ
３４８第２の表面
３４９ばね部分
３５０後方方向
３５１前方方向
３５２第１の部分
３５４第２の部分
３５５結合機構
３５６ラジアルフォイル軸受
３５８外側面
３６０内側面
３６２締結機構
４００軸受組立体
４０２フォイル軸受
４３０対になったレース
４３２フォイル要素
４３４外側レース
４３６内側レース
４４２締結機構

Claims

圧縮機ロータ（３１４）と、
前記圧縮機ロータの上流に結合された圧縮機ステータ（３１２）と、
前記圧縮機ロータ及び圧縮機ステータ間に結合されて該圧縮機ロータを支持するようになった軸受組立体（３００）と、
を含み、前記軸受組立体が、
前記圧縮機ステータの一部分に結合された一対のフォイルスラスト軸受（３３４、３３６）と、
前記一対のフォイルスラスト軸受に対してほぼ同軸に結合された一対のばねパック（３３８、３４０）と、
前記軸受組立体の下流に結合されかつラジアルフォイル軸受（４０２）を備えた第２の軸受組立体（４００）と、を含む、
ガスタービンエンジン組立体。
前記圧縮機ステータ（３１２）が、第１の部分（３２０）及び前記第１の部分の半径方向内側に結合された第２の部分（３２２）を含み、
前記第２の部分が、軸方向に延びる部分（３２６）と該軸方向に延びる部分からほぼ垂直に半径方向に延びる部分（３２８）とを含み、
前記半径方向に延びる部分（３２８）が、軸方向上流面（３３０）及び対向する軸方向下流面（３３２）を含み、
前記圧縮機ロータが、半径方向外側面（３２９）及び対向する半径方向内側面（３３１）を含む、
請求項１記載のガスタービンエンジン組立体。
前記一対のフォイルスラスト軸受（３３４、３３６）が、
前記半径方向に延びる部分（３２８）の前記軸方向上流面（３３０）に結合された第１のフォイルスラスト軸受（３３４）と、
前記半径方向に延びる部分（３２８）の前記軸方向下流面（３３２）に結合された第２のフォイルスラスト軸受（３３６）と
からなる、請求項２記載のガスタービンエンジン組立体。
前記軸受組立体（３００）が、
前記第１のフォイルスラスト軸受（３３４）の上流に結合された第１のばねパック（３３８）と、
前記第２のフォイルスラスト軸受（３３６）の下流に結合された第２のばねパック（３４０）と、をさらに含む、
請求項３記載のガスタービンエンジン組立体。
各前記ばねパック（３３８、３４０）が、少なくとも第１のワッシャ（３４２）及び第２のワッシャ（３４４）を含み、
前記第１のワッシャ及び第２のワッシャの各々が、第１の表面（３４６）及び対向する第２の表面（３４８）を含む、
請求項４記載のガスタービンエンジン組立体。
ケーシング（３０２）と、
中央ハブ（３０８）と、
前記ケーシング（３０２）及び前記中央ハブ（３０８）との間で延び該中央ハブ（３０８）と共に前記軸受組立体（３００）を支持する前方フレーム（３０６）と、
前記圧縮機ステータ（３１２）が非回転部材となるように該圧縮機ステータ（３１２）の前記第１の部分（３２０）を前記ハブ（３０８）の一部分に結合するようになった結合機構（３１８、３５３）と
をさらに含む、請求項２記載のガスタービンエンジン組立体。
前記軸受組立体（３００）が、第２の半径方向外側面（３５８）及び第２の半径方向内側面（３６０）を備えたラジアルフォイル軸受（３５６）をさらに含み、
前記軸受組立体が、前記ラジアルフォイル軸受を前記圧縮機ロータ（３１４）の一部分に結合するスパナナット（３５５）をさらに含み、
前記第２の半径方向外側面が、前記圧縮機ステータ（３１２）の第１の部分（３２０）に隣接して結合される、
請求項１記載のガスタービンエンジン組立体。
ガスタービンエンジン用のロータ組立体であって、
圧縮機ロータ（３１４）と、
前記圧縮機ロータの上流に結合された圧縮機ステータ（３１２）と、
前記圧縮機ロータ及び圧縮機ステータ間に結合されて該圧縮機ロータを支持するようになった軸受組立体（３００）と、を含み、
前記軸受組立体が、前記圧縮機ステータの一部分に結合された一対のフォイルスラスト軸受（３３４、３３６）と、前記一対のフォイルスラスト軸受に対してほぼ同軸に結合された一対のばねパック（３３８、３４０）とを含む、
ロータ組立体。
前記圧縮機ステータ（３１２）が、第１の部分（３２０）及び前記第１の部分の半径方向内側に結合された第２の部分（３２２）を含み、
前記第２の部分が、軸方向に延びる部分（３２６）と該軸方向に延びる部分からほぼ垂直に半径方向に延びる部分（３２８）とを含み、
前記半径方向に延びる部分（３２８）が、軸方向上流面（３３０）及び対向する軸方向下流面（３３２）を含み、
前記圧縮機ロータが、半径方向外側面（３２９）及び対向する半径方向内側面（３３１）を含む、
請求項８記載のロータ組立体。
前記一対のフォイルスラスト軸受（３３４、３３６）が、
前記半径方向に延びる部分（３２８）の前記軸方向上流面（３３０）に結合された第１のフォイルスラスト軸受（３３４）と、
前記半径方向に延びる部分（３２８）の前記軸方向下流面（３３２）に結合された第２のフォイルスラスト軸受（３３６）と
からなる、請求項９記載のロータ組立体。