JP5908608B2 - ターボシャフトエンジンの高温部の軸受支持体および関連するターボシャフトエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ターボシャフトエンジンの分野、特に、ターボシャフトエンジンの高温部用の少なくとも１つの軸受のための支持体であって、軸受を収容するための外側軸受座を組み入れる中央ハブと、中央ハブの周りの環状ケーシングセグメントと、前記中央ハブを前記環状ケーシングセグメントに接続する複数の半径方向アームとを備える支持体に関する。

本文脈において、用語「タービンエンジン」は、タービン内の作動流体の膨張によって前記作動流体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換するための任意の機械を意味するために使用される。下記の説明において、用語「上流の（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」および「下流の（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、タービンエンジン内の作動流体の通常の流れ方向に対して定義される。

通常、この種のタービンエンジンにおいては、作動流体は、ケーシングと中心軸の周りの少なくとも１つの回転軸との間の環状流路に収容される。前記回転軸は、前記環状流体流路が通過する少なくとも１つのタービンエンジンホイールと共に回転するように強いられる。ホイールを支持するために、回転軸は、少なくとも１つの軸受によって支持され、これは、軸受をタービンエンジンのケーシングに連結するために流体流路を半径方向に通過する複数のアームを有する軸受支持体によって支持される。

さまざまなタイプのタービンエンジンの中に、特にターボシャフトエンジンがある。ターボシャフトエンジンにおいては、圧縮機および燃焼室から下流に位置している少なくとも１つのタービンホイールが、エンジンによって発生される機械エネルギーを取り出すための出力軸に結合される。このことで、特に、ターボシャフトエンジンを、機械エネルギーが反応ノズルで膨張する燃焼ガスによって主として回収されるターボジェットと区別する。その結果として、ターボシャフトエンジンの高温部においては、すなわち燃焼室およびそれから下流においては、熱応力が、この種のエンジンのサイズと比べて大きい温度勾配のために厳しい。特に、高温部に位置している軸受および軸受支持体は、特に厳しい熱機械的応力を受ける。

軸線の動的応力に適応するために、および運転中の間、中心から外れて移動するいかなるタービンの傾向も抑えるために、高温下でも軸受支持体の高度の半径方向の剛性を得ることが望ましい。それにもかかわらず、軸受支持体のこの種の大きな剛性は、その寿命に負の影響を有する場合がある。

英国特許第１０１０４０１号明細書においては、中央ハブが半径方向および接線方向に傾斜するロッドによってタービンエンジンの環状ケーシングセグメントから吊り下げられる、タービンエンジンの高温部のための軸受支持体が説明されている。それにもかかわらず、ハブと環状ケーシングセクションとの間の熱機械的力に適応するために、これらのロッドの端部は、ヒンジで留められる。加えて、ロッドは、これらの同じ熱機械的力に適応するために環状ケーシングセクションに対して少し長手方向に移動し得る外側端部を有する管状フェアリングによって保護される。その結果として、その軸受支持体は、非常に複雑であり、それによって、高い生産コストおよび保守コストが生じる。

英国特許第１０１０４０１号明細書

本発明は、高温下でも高度の半径方向の剛性および曲げ剛性を得ることができ、同時に、それにもかかわらず良好な寿命を得、極めて簡便にそうすることができるターボシャフトエンジンの少なくとも１つの高温部の軸受のための支持体を提案しようと努める。

本発明の少なくとも１つの実施形態においては、前記半径方向アームは、軸方向および接線方向に傾斜され、中央ハブおよび環状ケーシングセグメントと一体として組み入れられる。この文脈において、用語「軸方向の傾斜」は、軸受の中心軸と一直線になった長手方向面において半径方向に対する傾斜を意味するように使用される。この文脈において、用語「接線方向の傾斜」は、軸受の中心軸に垂直な横断面において半径方向に対する傾斜を意味するように使用される。

アームの接線方向傾斜のために、および、それらが中央ハブおよび環状ケーシングセグメントと一体として組み入れられるために、これらのアームは、英国特許第１０１０４０１号明細書の支持体のロッドと同様に引っ張り−および−圧縮時にもっぱらそうする代わりに、曲げ時に軸受からそれらの半径方向負荷のほんの一部を伝達し、それによって、特に、ケーシングの半径方向アームの根元でケーシングの環状セグメントのいかなる半径方向窪みも防止する。そのうえ、軸方向傾斜は、半径方向負荷に対して曲げ時にアームを補強し、それによって、また支持体の半径方向の剛性の目に見えるほどのかなりの改善が実現される。したがって、非常に剛く、同時にそれにもかかわらずターボシャフトエンジンの高温部と同じように要求している熱機械的環境下でも良好な寿命を有する、軸受支持体を得ることができる。

特に、支持体は、前記環状ケーシングセグメントの軸方向端部に少なくとも１つのファスナーフランジをさらに含むことができ、各半径方向アームは、前記環状ケーシングセグメントの根元からファスナーフランジを有する軸方向端部に向かって軸方向に傾斜され得る。したがって、中央ハブのアームの根元においてよりも環状ケーシングセグメントのアームの根元において前記ファスナーフランジに対する半径方向アームのより大きな軸方向距離を得ることができる。環状ケーシングセグメントのこの軸方向距離は、半径方向アームとファスナーフランジとの間で一層効果的に機械的負荷および温度勾配を分布させる働きをし、それによって、その全体の剛性を損なうことなく支持体の寿命が増大する。環状ケーシングセグメントの各アームの根元の近くに力を分布させるために、前記ファスナーフランジは、前記環状ケーシングセグメントの上方に各半径方向アームの根元と位置合わせして接続され得る。これは、過度の力集中を生じることもある、前記根元の近くに環状ケーシングセグメントの過度の剛性を防止する。加えて、前記ファスナーフランジは、軸受の中心軸に垂直な平面に力を吸収するために、ペグ、または相補的ペグを受け入れるためのオリフィスなどの、少なくとも１つの確実な係合要素を有することができる。

特に、前面面積、重量、および支持体の半径方向の可撓性を過度に増大することを回避するために、および曲げ時にのみ半径方向アームに負荷をかけるのを回避するために、前記半径方向アームは、７０°よりも大きくない接線方向の傾斜角βを有することができる。

特に、支持体の軸方向範囲を過度に増大することを回避し、したがって曲げ時に半径方向アームに過度に負荷をかけるのを回避するために、前記半径方向アームは、４５°よりも大きくない軸方向の傾斜角αを有することができる。

特に、流体流路内で流れる流体に対する支持体の抵抗を低減するために、前記半径方向アームのそれぞれは、軸方向に対してある角度をなして取り付けられる流線形輪郭を有することができる。角度設定は、流れに対する輪郭の抵抗を低減するために、およびまた、横断面での輪郭の曲げ剛性を増大するために、流体流路に螺旋流の方向に位置するように輪郭を方向付ける。より詳細には、前記流線形輪郭は、３０°よりも大きくないピッチ角γを有することができる。

また、本発明は、少なくとも１つのこの種の軸受支持体を含むタービンエンジンに関する。特に、前記支持体は、ターボシャフトエンジンのタービンホイールに隣接して、かつそれから下流に位置していることができ、前記半径方向アームは、前記ケーシングセグメントから上流方向に軸方向に傾斜されることができ、それによって、支持体アームとタービンホイールとの間のオフセットを制限し、同時に、タービンホイールのブレード先端と環状ケーシングセグメントの半径方向アームの根元との間にある程度の軸方向間隔を得、それによって、振動性の空気力学的負荷が制限される。より詳細には、軸受支持体をタービンケーシングに固締するために、前記軸受支持体は、前記環状ケーシングセグメントの上流軸方向端部に位置しているファスナーフランジを含むことができる。このような環境下で、半径方向アームの軸方向傾斜により、また、ファスナーフランジと環状ケーシングセグメントの半径方向アームの根元との間に軸方向間隔を得ることができ、それによって、フランジと根元との間で熱的力および機械的力がよりよく分布される。

それにもかかわらず、たとえば、軸受支持体は、あるいはターボシャフトエンジンのタービンホイールに隣接して、かつそれから上流に選択的に位置していることができる。

加えて、ターボシャフトエンジンは、特に、少なくとも圧縮機と、燃焼室と、第１の回転軸によって少なくとも１つの圧縮機で回転するように結合される第１の燃焼ガスタービンと、第２の回転軸によって動力取出し部と共に回転するように結合される第２の燃焼ガスタービンとを備え、軸受支持体は、第２の回転軸のための軸受支持体であることができ、それによって、フリータービンの軸受支持体が通常この種のターボシャフトエンジンで受ける特に高い機械的力および熱的力を調整することができる。それにもかかわらず、代替えとしてまたは追加として、第１の回転軸の少なくとも１つの軸受支持体はまた、軸方向および接線方向に傾斜され、かつ場合によっては軸方向に対してある角度をなして傾けられる流線形輪郭を有するアームによって、同様にして構成され得る。

本発明は、非限定的な例として与えられる実施形態の次の詳細な説明を読むと、十分に理解されることができ、その利点が一層明らかになる。説明は、添付の図面を参照している。

ターボシャフトエンジンの概略長手方向断面図である。 本発明の実施形態の軸受支持体の概略長手方向断面図である。 線ＩＩＡ−ＩＩＡによる図２の支持体のアームの断面図である。 図２の軸受支持体の正面図である。 図２の軸受支持体の正面斜視図である。 図２の軸受支持体の詳細図である。

ターボシャフトエンジン１が、図１に示されている。ターボシャフトエンジン１は、ガス発生器セグメント２、およびフリータービンセグメント３を備える。ガス発生器セグメント２は、軸流圧縮機４と、ラジアル圧縮機５と、燃焼室６と、第１の燃焼ガスタービン７と、第１の燃焼ガスタービン７ならびに圧縮機４および５のホイールを回転可能に一緒に結合するための中心軸Ｘ上の第１の回転軸８とを備え、したがって、軸の回転は、エンジン１が運転中の間、圧縮機４および５を作動させる働きをする。ガス発生器セグメント２から下流に位置しているフリータービンセグメント３は、「フリータービン」と呼ばれる第２の燃焼ガスタービン９と、同じく中心軸Ｘに対して同心であり、かつフリータービン９を動力取出し部１１に連結する第２の回転軸１０とを備える。したがって、ターボシャフトエンジン１が運転中の間のフリータービン９のホイールの回転は、たとえばヘリコプタロータなどの、外部装置を作動させる働きをし得る。

回転軸８および１０は、軸受によって支持され、その軸受は、ガス流路１２を通過する複数の半径方向アームを備える軸受支持体によって支持される。特に、示されている実施形態のフリータービンセグメント３においては、第２の回転軸１０は、少なくとも１つの軸受１３によって支持され、これは、フリータービン９のホイール２２に隣接して、かつそれから下流に位置しており、かつ、一体に組み入れられている中央ハブ１５と、環状ケーシングセグメント１６と、中央ハブ１５を環状ケーシングセグメント１６に接続するためにガス流路１２を通過する複数の半径方向アーム１７、たとえば５つのアームとを備える軸受支持体１４によって支持される。軸受１３は、中央ハブ１５に形成される外側軸受座に、およびその上流軸方向端部に直接収容され、環状ケーシングセグメント１６は、軸受支持体１４をタービンケーシング１９に固締するための固締フランジ１８を有する。このファスナーフランジ１８は、支持体１４を固締するボルトを受承するためのオリフィス３０ばかりでなく、支持体１４を正確に位置決めできるようにする確実な係合を得るように、かつまた、特に前記ボルトを剪断させることを回避するために横断面で力を吸収するように、フランジ１８に面する表面に相補的オリフィスに収容されることになる突出ペグ３１も有する。

軸受支持体１４は、図２、図２Ａ、および図３から図５にさらに詳細に示されている。すなわち、図２においては、横断面に対して軸方向に半径方向アーム１７の傾斜角α、および、図３においては、半径方向に対して横断面に半径方向アーム１７の傾斜角βを見ることができる。示されている実施形態においては、環状の傾斜αは、４５°よりも小さいか、またはそれに等しいが、傾斜角βは、７０°よりも小さいか、またはそれに等しい。

各半径方向アーム１７は中空であり、それによって、潤滑流体導管２０が、タービンホイール２２の破壊を感知するためのセンサ２１と共にそれを通して通過できるようになる。半径方向アーム１７の軸方向傾斜角のため、半径方向アーム１７の内側根元とタービンホイール２２の内側根元との間のオフセットが、最小限に抑えられることができ、それによって、特に、センサ２１をタービンホイール２２に特に接近して配置することができる。そのうえ、半径方向アーム１７の外側根元において、比較的剛性であり、エンジン１が運転中の間は比較的冷たいままであるファスナーフランジ１８からの軸方向距離により、これらの外側根元とファスナーフランジ１８との間に熱的力および機械的力をよりよく分布できるようになる。そのうえ、この軸方向距離はまた、半径方向アーム１７の外側根元をタービンホイール２２のブレード先端２３から分離する働きをする。これらの外側根元に近い環状ケーシングセグメント１６の過度の剛性を回避するために、ファスナーフランジ１８は、それと共に位置合わせして接続され得る。

図３に見ることができるように、半径方向アーム１７の接線方向の傾斜角のために、軸受１３の半径方向負荷は、引っ張り−および−圧縮時ばかりでなく、一部が曲げ時にも半径方向アーム１７によって伝達され、したがって、半径方向アーム１７の外側根元において環状ケーシングセグメント１６を窪ませることを回避することができる。

次に図２Ａを参照して、いかに各半径方向アーム１７が、軸方向に対して角度をなして傾けられる主軸を有する流線形輪郭を有するかを見ることができる。示されている実施形態においては、輪郭のピッチ角γは、３０°よりも小さいか、またはそれに等しい。例示として、この場合輪郭の主軸を、タービンホイール２２から下流に向かってガスの流れ方向と位置合わせすることができ、それによって、流れに対する半径方向アーム１７の抵抗が低減される。同時に、このピッチ角は、軸受支持体１４の横断面において曲げ時に半径方向アームの剛性を増大させる。

中央ハブ１５は、半径方向アーム１７の根元が配置される外輪３２と、軸受１３の前記外側座を形成する内輪３３と、中央ハブ１５の前記外輪３２および内輪３３を共に接続する円錐壁３４とを含む。中央ハブ１５の重量を制限するために、これらの外輪３２および内輪３３、ならびに特に円錐壁３４は、すべて比較的薄肉であることができる。それにもかかわらず、中央ハブ１５が剛性であることを確保するために、円錐壁３４は、図５に特に示されるようにそれにもかかわらず半径方向リブ３５を有する。

運転時に、軸受支持体１４は、４００℃から７００℃の範囲にある温度を受ける場合があり、その温度は、通常、その半径方向内側および外側領域においてよりもガス流路の中心においての方が高い。それにもかかわらず、たとえば、ニッケル系またはコバルト系の耐熱合金の場合、示されている形状について、およびターボシャフトエンジンの代表的な寸法について、２０，０００ニュートン／メートル（Ｎ／ｍ）から８０，０００Ｎ／ｍ程度の、より詳細には６０，０００Ｎ／ｍから７０，０００Ｎ／ｍの範囲にある半径方向の剛性を得、同時に、良好な寿命、たとえば運転に関して少なくとも６４００時間（ｈ）を確保することができる。

本発明が特定の実施形態を参照して説明されているが、さまざまな改造や変更が、特許請求の範囲に規定される本発明の一般的な範囲を逸脱することなくこれらの例に適用され得ることが明らかである。したがって、説明および図面は、限定するものではなく例示するものであるという意味で考えられるべきである。

Claims (14)

1. ターボシャフトエンジンの高温部用の少なくとも１つの軸受（１３）のための支持体（１４）であって、前記軸受（１３）を収容するための外側軸受座を組み入れた少なくとも中央ハブ（１５）と、中央ハブ（１５）の周りの環状ケーシングセグメント（１６）と、前記中央ハブ（１５）を前記環状ケーシングセグメント（１６）に接続する複数の半径方向アーム（１７）とを少なくとも備えており、前記半径方向アーム（１７）が、軸方向および接線方向に傾斜され、中央ハブ（１５）および環状ケーシングセグメント（１６）と単一部品として一体に形成されていることを特徴とする、前記支持体（１４）。
2. 前記環状ケーシングセグメント（１６）の軸方向端部に少なくとも１つのファスナーフランジ（１８）をさらに含み、各半径方向アーム（１７）が、前記環状ケーシングセグメント（１６）の根元からファスナーフランジ（１８）を有する軸方向端部に向かって軸方向に傾斜される、請求項１に記載の支持体（１４）。
3. 前記ファスナーフランジ（１８）が、前記環状ケーシングセグメント（１６）の外側に各半径方向アーム（１７）の根元と位置合わせして接続されている、請求項２に記載の支持体（１４）。
4. 前記ファスナーフランジ（１８）が、軸受の中心軸に垂直な平面に力を吸収するための少なくとも１つの確実な係合要素（３１）を有する、請求項２または請求項３に記載の支持体（１４）。
5. 前記中央ハブ（１５）が、半径方向アーム（１７）の根元が位置している外輪（３２）と、前記外側軸受座を形成する内輪（３３）と、中央ハブ（１５）の前記内輪および外輪を一緒に接続する円錐壁（３４）とを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の支持体（１４）。
6. 前記円錐壁（３４）が、半径方向リブ（３５）を有する、請求項５に記載の支持体（１４）。
7. 前記半径方向アーム（１７）が、７０°よりも大きくない接線方向の傾斜角（β）を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の支持体（１４）。
8. 前記半径方向アーム（１７）が、４５°よりも大きくない軸方向の傾斜角（α）を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の支持体（１４）。
9. 前記半径方向アーム（１７）のそれぞれが、軸方向に対してある角度をなして傾けられる流線形輪郭を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の支持体（１４）。
10. 前記流線形輪郭が、３０°よりも大きくないピッチ角（γ）を有する、請求項５に記載の支持体（１４）。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の支持体（１４）を少なくとも１つ含む、ターボシャフトエンジン（１）。
12. 前記支持体（１４）が、ターボシャフトエンジン（１）のタービンホイールに隣接して、かつそれから下流に位置しており、前記半径方向アーム（１７）が、前記環状ケーシングセグメント（１６）から上流方向に軸方向に傾斜される、請求項１１に記載のターボシャフトエンジン（１）。
13. 前記支持体（１４）が、前記環状ケーシングセグメント（１６）の上流軸方向端部に位置しているファスナーフランジ（１８）を含む、請求項１２に記載のターボシャフトエンジン（１）。
14. 少なくとも圧縮機（４、５）と、燃焼室（６）と、第１の回転軸（８）によって少なくとも１つの圧縮機（４、５）で回転するように結合される第１の燃焼ガスタービン（７）と、第２の回転軸（１０）によって動力取出し部で回転するように結合される第２の燃焼ガスタービン（９）とを備え、前記一体の支持体（１４）が、前記第２の回転軸（１０）の少なくとも１つの軸受（１３）を支持する、請求項１１から１３のいずれか一項に記載のターボシャフトエンジン（１）。

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