JP5606781B2 - 冷却グランドを有するタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、冷却グランドのための取付け装置に関する。

一般的に、ガスタービンエンジンは、加圧空気及び燃料の混合気を燃焼させて高温燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、１以上の段のタービンブレードを通って流れて負荷及び／又は圧縮機のための動力を発生することができる。タービン内の高温の故に、タービンロータに対して冷却ガスを供給して、温度を制御するのを助けることができる。

米国特許第７０５５３０５号明細書

その技術的範囲が本来特許請求した本発明の範囲に見合った特定の実施形態を以下に要約する。これら実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこれら実施形態は、単に本発明の実施可能な形態の概要を示すことを意図するものである。実際に、本発明は、以下に記載した実施形態と同様である又は該実施形態とは異なる可能性がある様々な形態を包含することができる。

一実施形態では、本タービンエンジンは、シャフトの回転軸線に沿った通路を有する軸受ハウジングと、通路に対して冷却流体を移送するように構成された冷却グランドと、通路と略整列した状態で冷却グランドを取付けるように構成された取付け構造体とを含む。

別の実施形態では、本システムは、シャフトの回転軸線に沿った通路を有するロータ用の軸受ハウジングと、通路に対して冷却流体を移送するように構成された冷却グランドとを含み、冷却グランドは、軸受ハウジングに結合され、また冷却グランドは、回転軸線に沿って軸受ハウジングから機械的に間隔を置いて配置される。

別の実施形態では、本システムは、ロータの通路に対して冷却流体を移送するように構成された冷却グランドと、取付け構造体とを含む。取付け構造体は、ロータ軸受ハウジングに取付けるように構成された取付け部分と、冷却グランドを保持するように構成された支持部分と、取付け部分及び支持部分に結合されかつ冷却グランドをロータ軸受ハウジングから軸方向に間隔を置いて配置するように構成されたオフセット部分とを含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、一層良好に理解されるようになるであろう。

冷却グランドを使用することができるガスタービンエンジンの実施形態の流れの概略図。 長手方向軸線を通る断面で示した、図１のガスタービンエンジンの実施形態の断面図。 長手方向軸線を通る断面で示した、図１の排気セクションの実施形態の断面図。 軸受ハウジングに取付けられた冷却グランドの実施形態の斜視図。 取付け構造体に対してシムを適用して整列を可能にした状態になった、軸受ハウジングに取付けられた冷却グランドの斜視図。 軸受ハウジングに対して取付けた別の直接冷却グランドの斜視図。 冷却グランドの断面図。

本発明の１以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これら実施形態の簡潔な説明を行なうために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。あらゆる工学技術又は設計プロジェクトにおけるのと同様にあらゆるそのような実際の実施態様の開発では、多数の実施態様仕様の決定を行って、実施態様間で変化する可能性があるシステム関連及びビジネス関連制約条件の順守のような開発者の特定の目標を達成するようにしなければならないことを理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑なものとなりかつ時間がかかる可能性があるが、それにも拘わらず、本開示の利点を有する当業者には、設計、組立及び製造の定型業務であることになることを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を紹介する場合に、数詞のない表現は、その要素の１以上が存在することを意味しようとしている。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は、記載した要素以外の付加的要素が存在し得ることを包含しかつ意味することを意図している。

本開示は、回転及び固定タービンエンジン構成要素間で冷却流体を供給するグランド（ｇｌａｎｄ）を含むガスタービンエンジンを対象とする。回転タービンの高温ガス通路構成要素の蒸気冷却は、固定又は静止供給プレナムから回転ロータに冷却蒸気、例えば空気又は蒸気などを移送して、次にロータの高温ガス路構成要素に対して分配するようにすることを必要とする。冷却流体を効果的に移送することにより、冷却流体の圧力損失並びにガスタービン内への蒸気漏洩が最小になる。グランドシールを利用して、回転及び固定要素間に有効なシール接触配置を構成し、また回転シャフト及び固定蒸気タービンハウジング間でのシールを行なうことができる。タービンエンジン内におけるグランドシールは、該タービンエンジン内から大気への蒸気の漏洩を防止しながら排出口への加圧冷却流体の移送を可能にする、冷却流体用のパイプ又はその他の投入装置の連結部を含むことができる。

そのようなグランドは、タービンロータの後方端部に、例えば排気フレーム内などに対して取付けケージ又は取付け構造体を直接適用することによって所定の位置に固定することができる。特定の実施形態では、以下に説明するように、取付け組立体（例えば、グランド及び取付け構造体）は、該グランドがロータシャフトの軸線と同心に整列するように軸受ハウジングに対して適用することができる。この配置により、一般的に軸受ハウジングではなくて排気ハウジングに対して各冷却供給パイプを別個に整列させかつ取付ける従来技術の冷却グランド取付け構造体に関連する複雑さ、労力及び材料コストが減少する。加えて、軸受ハウジングに対してグランド取付け組立体を直接取付けた場合には、グランド対ロータの整列は、構造上、ロータに対する軸受ハウジングの整列に関連する。従って、ロータに対して軸受ハウジングが略整列している場合には、グランドもまた略整列することになる。そのような配置により、グランドについての別個の整列ステップを排除することができる。加えて、そのような整列により、漏洩を生じる可能性があるロータに対するグランドの相対運動はロータに対する軸受ハウジングの相対運動のみにより決まることになるので、エンジン性能の改善を得ることができる。言い換えると、冷却グランド及び軸受を直接連結する又は一体化することにより、取付け及び整列プロセスは、冷却グランドを別個に取付けかつ整列させることに関連する複数ステップではなくて単一のステップに低減される。従って、統合した冷却グランド及び軸受を備えた開示した実施形態は、初期の整列作業及びその後の整列の保守作業を簡略化する。

特定の実施形態では、グランドは、取付け構造体を介して軸受ハウジングから熱的に分離される。取付け構造体は軸受ハウジングに直接接触することができるが、グランド自体は、軸受ハウジングと直接接触することができない。そのような配置は、軸受内のオイルと比べて一般的により高温であるロータ冷却空気を熱的に分離して、軸受ハウジング内のオイルのコークス化を防止する。

図１は、本明細書に示すような冷却グランドを使用することができるガスタービンエンジン１２を含む例示的なシステム１０のブロック図である。特定の実施形態では、システム１０は、航空機、船舶、機関車、発電システム、又はそれらの組合せを含むことができる。この図示したガスタービンエンジン１２は、吸気セクション１６、圧縮機１８、燃焼器セクション２０、タービン２２及び排気セクション２４を含む。タービン２２は、シャフト２６を介して圧縮機１８に駆動結合され、シャフトは、回転軸線２７に沿って回転する。

矢印で示すように、空気は、吸気セクション１６を通ってガスタービンエンジン１２に流入しかつ圧縮機１８内に流れることができ、圧縮機１８は、燃焼器セクション２０に流入する前に空気を加圧する。この図示した燃焼器セクション２０は、圧縮機１８及びタービン２２間でシャフト２６の周りに同心に又は環状に配置された燃焼器ハウジング２８を含む。圧縮機１８からの加圧空気は、燃焼器３０に流入し、燃焼器３０内において、加圧空気は、燃料と混合されかつ燃焼してタービン２２を駆動することができる。

燃焼器セクション２０からの高温燃焼ガスは、タービン２２を通って流れて、シャフト２６を介して圧縮機１８を駆動する。例えば、燃焼ガスは、タービン２２内でタービンロータブレードに原動力を付加して、シャフト２６を回転させることができる。タービン２２を通って流れた後に、高温燃焼ガスは、排気セクション２４を通ってガスタービンエンジン１２から流出することができる。冷却流体供給源４７からの冷却流体は、軸受ハウジング３６に取付けられた冷却グランド取付け組立体４４を介してタービンエンジン２２の高温構成要素に移送することができ、この場合に、組立体４４及び軸受ハウジング３６は、排気セクション２４の部品である。実施形態では、冷却流体供給源は、例えば周囲空気の外部供給源とすることができる。他の実施形態では、冷却流体は、タービンエンジンの低温部分から抽出することができる。

図１に関して上述したように、空気は、図２に示すように吸気セクション１６を通って流入しかつ圧縮機１８によって加圧することができる。圧縮機１８からの加圧空気は次に、燃焼器セクション２０内に導くことができ、燃焼器セクション２０において、加圧空気は、燃料ガスと混合することができる。加圧空気及び燃料ガスの混合気は一般的に、燃焼器セクション２０内で燃焼させて、高温かつ高圧燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスを使用してタービン２２内でトルクを発生させることができる。従って、エンジンのタービンセクション２２は、可動部品と高温ガスとを含む。高温ガスは、排気セクション２４から外方に放出することができる。シャフト２６を含む可動部品は、軸受ハウジング３６によって支持されかつ該軸受ハウジング３６内で回転するように構成することができ、軸受ハウジング３６は、排気フレーム内側バレル４０内で支持体３８によって排気セクション２４に結合することができる。一般的に、シャフト２６は、該シャフト２６の両端部において軸受ハウジングによって支持することができる。軸受ハウジング３６は、その上でシャフトが回転することができる湾曲構造体を有することができる。軸受ハウジング３６は、シャフトの効率的な回転を可能にするような潤滑オイルを含むことができる。以下に詳細に説明するように、軸受ハウジングに直接取付けた冷却グランド取付け構造体は、冷却グランドが冷却流体をシャフト２６及び軸受ハウジングに供給するのを可能にすることができる。

排気セクション２４は、タービンセクション２２から延在する排気ステータとして組立てることができる。図３における断面図に示すように、排気セクション２４は、該排気セクション２４の流路を貫通した支持ストラット３９を備えた外側排気フレーム３８を含むことができる。加えて、排気セクション２４は、空洞４２を囲む内側ハウジングバレル４０を含むことができる。ロータシャフト２６を囲むロータ軸受ハウジング３６は、支持体３７によって内側ハウジングバレルに結合することができる。軸受ハウジング３６は、ハウジング内でロータ軸受に潤滑流体を戻す様々な通路を含むことができる。軸受ハウジング３６は、本明細書に示した取付け構造体によって、該ハウジング３６内でロータ軸受に対して冷却空気を供給する冷却グランド４８に結合することができる。

図４は、グランド取付け組立体４４がその後方端部に取付けられた状態になった軸受ハウジング３６の実施形態の斜視図である。グランド取付け組立体４４は、ここでは取付けケージとして示す取付け構造体４６と、冷却グランド４８とを含む。冷却グランド４８は、取付け構造体４６の環帯５０によって支持されかつ軸受ハウジング３６の通路４９と略整列した状態で保持される。ロータ２２（図示せず）は、軸受ハウジング３６から延在して冷却グランド４８内で回転することができる。通路４９は、回転シャフト２６の軸線と略整列した状態にすることができる。取付け構造体４６は、環帯５０及び冷却グランド４８を軸受ハウジング３６との直接接触状態からオフセットさせるリブ５２を含む。リブ５２は、冷却グランド４８を軸受ハウジング３６から略熱的に分離するようなあらゆる適当な寸法及び材料組成とすることができる。取付け構造体４６はまた、通路４９と同心に整列させることができる環帯として図４に示す、取付け部分５４を含むことができる。従って、取付け部分５４は、軸受ハウジング３６の外面上への該取付け部分５４の配置により冷却グランド４８及び通路４９との同心整列が可能になるような適当な寸法及び形状とすることができる。

特定の実施形態では、冷却グランド４８及び取付け構造体４６は、分離可能な構成要素とすることができるか、又は単一の一体構造構成要素とすることができる。一般的に、取付け構造体４６は、冷却グランド４８の荷重を支持することが可能である鋳造金属のような材料で構成することができる。取付け構造体４６は、該取付け構造体４６を軸受ハウジング３６の外面に取付けることができる締結具、例えばボルトなどに適した予め穿孔した孔を含むことができる。同様に、軸受ハウジング３６は、対応する予め穿孔した孔、例えばねじ付きボルト受口などを含むことができる。予め穿孔した孔の存在は、取付け組立体４４の適正な整列に役立つことができる。取付け構造体４６はまた、該構造体をグランド及び／又は軸受ハウジングと同心に組立てるようにするラベット或いはガイドのような整列機構を有することができる。

取付け構造体４６は、熱的分離状態で、例えば軸線２７に沿って軸受ハウジングから軸方向に間隔を置いた状態などで冷却グランド４８を保持する。そのような配置により、相対的に低温の軸受ハウジング３６への相対的に高温の冷却グランド４８からの熱伝達を減少させる利点を得ることができる。言い換えると、冷却グランド空気は、より高温に曝された場合に焼尽するか又はコークス状態になるおそれがある潤滑オイルのような軸受の特定の部分よりも相対的に高温である。例えば、冷却グランドは、ロータ冷却媒体として１０００°Ｆの蒸気を使用することができ、これは、一般的に１６０°Ｆ又はそれ以下とすることができるオイルを使用する軸受ハウジングより非常に高温である。加えて、冷却グランド４８はまた、排気セクション２４のハウジングに直接接触しないような方法で保持することができる。取付け構造体４６は、その中では冷却グランド４８が軸受ハウジング３６と直接接触状態になる可能性がある組立体に比べて、冷却グランド４８から軸受ハウジング３６への熱伝達を少なくとも約１０％ほど、少なくとも約２０％ほど、少なくとも約３０％ほど、少なくとも約４０％ほど、少なくとも約５０％ほど、少なくとも約６０％ほど、少なくとも約７０％ほど、少なくとも約８０％ほど、又は少なくとも約９０％ほど減少させることができる。さらに、取付け構造体４６は、熱伝達を最小にするように設計することができる。そのために、取付け構造体４６は、それから軸受ハウジング３６への熱伝達を最小にするように比較的薄くしたリブ５２を含むことができる。リブ５２間の切取り空間５３は、より大きい切取り空間５３が軸受ハウジング３６への熱伝達量をさらに減少させることができるので、相対的に大きくすることができる。実施形態では、切取り空間５３の表面積の、取付け構造体４６の外周部５７に沿ったリブ５２の表面積に対する比率は、少なくとも約２：１、少なくとも約３：１、又は少なくとも約４：１とすることができる。特定の実施形態では、リブ５２はまた、リブ自体の中に切取り領域を含むことができる。

リブ５２はまた、冷却グランド４８から熱を消散させる放熱板として作用することができる。実施形態では、リブ５２は、該リブから直角に延在して冷却グランド４８からの熱エネルギーの移送を可能にするフィン又は他の構造体を含むことができる。

図５は、取付け構造体４６及び軸受ハウジング３６間にシム５６を適用して、冷却グランド４８を通路４９と整列させた取付け組立体４４の実施形態の斜視図である。冷却グランド４８の微調整整列を最適化するシム５６の使用により、整列プロセスを単純化することができる。例えば、冷却グランド４８及び取付け構造体４６は、通路４９と略整列した状態で軸受ハウジングに取付けることができる。これは、シャフト回転軸線２７に沿って環状取付け部分５４を通路４９と同心に又は同軸に略整列させることによって達成することができる。大まかな整列後に、取付け構造体４６及び軸受ハウジング３６間の空間内にシム５６を挿入することによってあらゆる不整列を補正して、通路４９の軸線に沿った軸方向整列を保証することができる。実施形態では、着脱可能なシム５６を使用するのではなく、取付け部分５４には、例えばスロット又はタブなどのガイド、或いは軸受ハウジング３６上の対応する構造と噛合うことができるその他の構造を含むことができる。噛合わせ後に、整列は、ガイドを締付ける、緩める、又は他の方法で調整することによって最適化することができる。取付け構造体４６及び軸受ハウジング３６間に適用したシムにより、軸受ハウジング及び冷却グランド間の軸方向距離を変化させることができる。加えて、軸受ハウジングは、軸受ハウジング３６から突出したシム調整耳部５８又はジブ５５によって整列させて、軸受がロータに同心になるように軸受ハウジングをステータ支持体５９に整列させることができる。軸受ハウジング３６から突出することができる耳部５８は、４つの側辺のいずれに対してもシム（挿入による）調整して、軸受ハウジングを垂直方向又は軸方向に整列させるようにすることができる。軸受ハウジングに対してグランドを堅固にかつ同心に取付けることにより、シム５６との単純な軸方向調整を可能にすることができる。

図６は、部分ケージ６０を使用して、軸受ハウジング３６から熱的分離状態で冷却グランド４８を保持した取付け組立体４４の別の実施形態の斜視図である。部分ケージ６０は、ここでは２つの半環状構造体６４として示す、該部分ケージを軸受ハウジング３６に対して固定する取付け部分５４を含むことができる。リブ５８は、半環状構造体の周りで周方向に間隔を置いて配置されて耳部６２を支持することができる。耳部６２は一般的に、回転軸線２７に沿って軸受ハウジング３６から熱的分離状態で冷却グランド４８を保持することができる。部分ケージ６０は、耳部６２が冷却グランド４８を完全には包囲していないので、冷却グランド４８への熱伝達を減少させることができる。

図７は、例示的な冷却グランド４８の断面図である。冷却グランド４８は、それを通して冷却流体が流れることができる内部通路６６を形成することができる。冷却グランド４８はまた、冷却流体のロータセクション２２への移送を可能にするあらゆる適当な数のスクロール６８を含むことができる。スクロールは、あらゆる数の冷却流体流入パイプ（図示せず）と流体連通状態になっていて、ロータに冷却流体を供給するようにすることができる。冷却グランド４８は、取付け構造体、例えば取付け構造体４６などに適合するような寸法及び形状にされた環状くぼみ又はチャネル７０を外部表面７２上に含むことができる。パイプフランジ７４は、グランド４８に対するロータ冷却流体取付け部を含んでいて冷却流体が通路８０を介してロータに流入することができるようになる供給源、例えばパイプなどのための取付け箇所を構成する。冷却グランドは、シャフト２６に対してグランドをシールするシール７６及び７８を含むことができる。過剰な又は漏洩した流体は、空洞６８内に捕捉することができる。加えて、冷却グランド４８は、ロータに対する付加的な冷却回路を形成することが可能であるものを１以上含むことができる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１０ システム
１２ ガスタービンエンジン
１６ 吸気セクション
１８ 圧縮機
２０ 燃焼器セクション
２２ タービン
２４ 排気セクション
２６ シャフト
２７ 回転軸線
２８ 燃焼器ハウジング
３０ 燃焼器
３６ 軸受ハウジング
３７ 支持体
３８ 支持体／外側排気フレーム
３９ 支持ストラット
４０ 内側ハウジングバレル
４２ 空洞
４４ 冷却グランド取付け組立体
４６ 取付け構造体
４７ 冷却流体供給源
４８ 冷却グランド
４９ 通路
５０ 環帯
５２ リブ
５３ 切取り空間
５４ 取付け部分
５５ ジブ
５６ シム
５７ 外周部
５８ シム調整耳部／リブ
５９ ステータ支持体
６０ 部分ケージ
６２ 耳部
６４ 半環状構造
６６ 内部通路
６８ スクロール／空洞
７０ 環状くぼみ又はチャネル
７２ 外部表面
７４ パイプフランジ
７６、７８ シール
８０ 通路

Claims (10)

1. シャフト（２６）の回転軸線（２７）に沿った通路（４９）を有する軸受ハウジング（３６）と、
   前記通路（４９）に対して冷却流体を移送するように構成された冷却グランド（４８）と、
   前記通路（４９）と整列した状態でかつ軸受ハウジングから間隔を置いて前記冷却グランド（４８）を取付けるように構成された取付け構造体（４６）と
   を備えるタービンエンジン（１２）。
2. 前記取付け構造体（４６）が、前記軸受ハウジング（３６）に対して前記冷却グランド（４８）を直接結合する、請求項１記載のタービンエンジン（１２）。
3. 前記軸受ハウジング（３６）と取付け構造体（４６）との間に配置されかつ前記冷却グランド（４８）を前記通路（４９）と整列させるように構成された１以上のシム（５６）或いはガイドを含む、請求項１又は請求項２記載のタービンエンジン（１２）。
4. 前記軸受ハウジング（３６）を前記取付け構造体（４６）と同心に整列させるように構成された１以上のラベット（５４）を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービンエンジン（１２）。
5. 前記取付け構造体（４６）と冷却グランド（４８）が互いに分離可能である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービンエンジン（１２）。
6. 前記取付け構造体（４６）及び冷却グランド（４８）が互いに一体形である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービンエンジン（１２）。
7. 前記軸受ハウジング（３６）及び／又は冷却グランド（４８）に結合された圧縮機（１８）、燃焼器（３０）、タービン（２２）又はそれらの組合せを含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービンエンジン（１２）。
8. シャフト（２６）の回転軸線（２７）に沿った通路（４９）を有するロータ用の軸受ハウジング（３６）と、
   前記通路（４９）に対して冷却流体を移送するように構成された冷却グランド（４８）と
   を備えるシステムであって、前記冷却グランド（４８）が前記軸受ハウジング（３６）に結合され、前記冷却グランド（４８）が前記回転軸線（２７）に沿って前記軸受ハウジング（３６）から機械的に間隔を置いて配置されている、システム。
9. 前記冷却グランド（４８）が、前記通路（４９）と整列した状態で前記軸受ハウジング（３６）に結合される、請求項８記載のシステム。
10. 前記冷却グランド（４８）が、リブ（５２）によって前記軸受ハウジング（３６）から機械的に間隔を置いて配置されいている、請求項８又は請求項９記載のシステム。
    

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