JP6002325B2 - ガスタービンエンジンの分割フェアリング用のバックル接合部 - Google Patents

ガスタービンエンジンの分割フェアリング用のバックル接合部 Download PDF

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Description

本発明は、全体的にガスタービンエンジンに関し、より詳細にはそのようなエンジンの固定構造部材用のフェアリングに関する。
ガスタービンエンジンは、エンジンの回転シャフトを支持する軸受から外側ケーシングまでの構造負荷経路を提供し、エンジンの骨格構造を形成する、内側タービンフレームまたはタービン中央フレーム(「TCF:turbine center frame」)とも呼ばれる固定タービンフレームを含むことが多い。タービンフレームは一般的に、環状外側リングによって囲まれた中心に位置する環状のハブを含み、ハブおよびリングは半径方向に延在する複数のストラットによって相互連結される。タービンフレームは、タービンの燃焼ガス流路を横断し、それによって運転中に高温に曝される。そのようなフレームは、燃焼ガス流路に曝されない他の構造部材とは異なり、「高温フレーム」と呼ばれることが多い。
高温からこれらのフレームを保護するために、タービンフレームは通常、高い耐熱性材料でライニング加工され、フレーム構造を高温流路ガスから隔離する。ライナは、フレーム外側リングまたはケース、ハブ構造およびストラットを含む流路全体の被覆を提供しなければならない。
ストラットを保護するための1つの公知の構成は、個々のフェアリング/ノズル構成要素の前方部分および後方部分がストラットの周りで挟まれているインターロッキング分割フェアリングである。この配置は、フレームへの組み立て後にフェアリング半部分を一体に維持するために、略矩形のタブを受ける矩形の開口を含むバックルを有するタブーバックル(またはポストーバックル)連結組立体を使用する。このタブーバックル配置の実施例は、Manteigaらの米国特許第8,152,451号に記載されている。
従来技術の矩形ポスト/バックル構成は、フェアリング半部分を一体に固定するために効果的ではあるが、しかし、部材の整列および嵌合を保証するためにポストおよびバックルの緊密な公差の整合機械加工が必要であり、組立体を収容するためにバックル接合部内の公差間隙に依存する。これによって、組立時に、および作動中に間隙が発生し、潜在的な「前方に面する段差」または「後方に面する段差」および流路内への空気の漏出を生成する可能性がある。
したがって、流路段差を回避するために、確実に係止されるタービンのストラットフェアリング用のポストおよびバックル接合部の必要性がある。
米国特許第8,152,451号B2明細書
この必要性は、不整列を防止するためにせん断部材を含むポストおよびバックル連結配置を組み込むタービンフレーム用の分割フェアリング組立体を提供する本発明によって対処される。
本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジン内のストラット用のフェアリングが、内側バンドと、外側バンドと、内側バンドと外側バンドとの間に延在する中空の翼形部形ベーンであって、フェアリングが、内側バンド、外側バンド、およびベーンを通る略横断平面に沿って分割されて、前部品と後部品とを画定するようにし、ベーンが、前縁と後縁との間に延在する1対の離隔配置された側壁によって画定され、各側壁が横断平面によって前方部分と後方部分とに分割され、各側壁部分が半径方向内側に延在するポストを担持し、各ポストが対合面を含み、複数対のポストが互いに隣接して位置するようにポストが配置され、ポストの各対合面が互いに接する、中空の翼形部形ベーンと、1対のスロット付きバックルであって、各スロット付きバックルが1対のポストを囲み、一体に締め付け、機械要素が、対になったポストの対合面に係合して、対になったポストの相対的な半径方向の移動を阻止するようにする、1対のスロット付きバックルとを備える。
本発明は、添付の図面と併せて考察する以下の説明を参照することによって最も良く理解できるであろう。
本発明の一態様によって構成されたストラットフェアリングの斜視図である。 図1のストラットフェアリングの分解斜視図である。 図1のストラットフェアリングのバックルおよびポストの部分の概略平面図である。 図3のバックルおよびポストの部分切欠き側面図である。 本発明の一態様によって構成された別のストラットフェアリングの斜視図である。 図5のストラットフェアリングの分解斜視図である。 図6のストラットフェアリングのバックルおよびポストの部分の概略平面図である。 図5のストラットフェアリングのポストの部分の後方立面図である。
様々な図面全体を通して同じ参照符号が同じ要素を示している図面を参照すると、図1は、例えば構造ストラットまたは構造フレームの供給管を囲み、保護するために、ガスタービンエンジン内での使用に適合したストラットフェアリング10を図示する。ストラットフェアリング10は、弧状外側バンド14と弧状内側バンド16との間に支持されている翼形部形ベーン12を含む。内側バンド16および外側バンド14は、軸方向に細長く、それらがタービンフレームを通る流路の部分を画定するように成型されている。
ベーン12は、軸方向に細長く、前縁20と後縁22との間に延在する離隔配置された側壁18を含む。側壁18は、ガスタービンエンジンのストラットまたは公知の型の他の類似の構造(図示せず)用の空気力学的フェアリングを形成するように成形されている。内側バンド16、外側バンド14およびベーン12を含むストラットフェアリング10の構成要素は、概ね共通の横断平面に沿って分割され、その結果、ストラットフェアリング10は前部品24および後部品26を含む(図2参照)。各側壁18は、前方部分および後方部分に分割されている。
前部品24および後部品26は、コバルト基またはニッケル基の「超合金」などの高温作動に適した金属合金から鋳造され、公知の方法によって、一方向凝固(DS:directionally solidified)または単結晶(SX:single−crystal)のような特定の結晶構造で鋳造することができる。適切な1つの材料の実施例は、市販のRENE N4として公知のニッケル基合金である。
側壁18間の内部側方間隔は、前部品24がストラットまたは他の構造体を越えて前方から後方に軸方向に摺動可能であり、後部品26がストラットまたは他の構造体を越えて前方から後方に軸方向に摺動可能であるように、選択される。これによって、タービンフレームを解体せずに、またはストラットを取り外さずに、前部品24および後部品26が取り付け可能または取り外し可能になる。側壁18の内側側方内部面には、自由な軸方向の摺動を妨げる突起、フック、ボスまたは他の要素が実質的に全くない。
選択的に、前部品24の対合面28および後部品26の対合面30は、冷却空気の漏出または高温流路ガスの吸込みを阻止する手段として、少なくとも部分的に非平面である形状を有することができる。
前部品24および後部品26を互いに固定するための手段が提供される。図示の実施例では、前部品24は、その後方面28に隣接して略半径内側方向に延在するポスト32を含み、後部品26は、その前方面30に直接隣接して略半径内側方向に延在するポスト34を含む。組み立てられる場合、ポスト32および34は、金属製バックル38のスロット36の中に受けられる。(組立を可能にするために、ポスト32および34は、エンジン中心線に厳密に半径方向ではなく、むしろエンジンを通る吃水線断面に垂直な方向に配向可能であり、すなわちポスト32および34は互いに略平行になるということに留意されたい。)
ポスト32および34ならびにバックル38は、自己整列型であり、構成部品の厳密な整合機械加工を必要としない「トライポッド」接触構成を画定するように一体的に構成され得る。
各ポスト32は、前部品/後部品分割線に面する対合面40、対合面40の反対側の圧力面42、および1対の離隔配置された側面44を含む。圧力面42は、エンジン半径方向「R」(前部品/後部品分割線に対して平行でもある)に対して鋭角「A」で配置されている。対合面40は、その中に形成された横溝41を含む(図示の実施例では、溝は半円形断面形状を有する)。溝41の軸線は、エンジンを通る吃水線断面に平行に延在する。溝41は、以下により詳細に説明する穴開け作業中に形成される。
各ポスト34は、前部品/後部品分割線に面する対合面46、および1対の離隔配置された側部のフランク面48を含む。フランク面48は、「V」字形状を形成するように配向されており、それらは対合面46と併せて、平面視で略三角形状を形成する。フランク面48は、半径方向「R」に対して略平行に延在する。対合面46は、その中に形成された横溝43を含む(図示の実施例では、溝は半円形断面形状を有する)。溝43の軸線は、エンジンを通る吃水線断面に平行に延在する。溝43は、以下により詳細に説明する穴開け作業中に形成される。
バックル38は、前方端50、後方端52、内側面54、外側面56、側面58および側面60を有する一体構造である。スロット62はバックル38の中に形成され、内側面54から外側面56に延在する。スロット62は、前方端50に隣接する前方壁64、および後方端52に隣接する1対のフランク壁66を含む。前方壁64は、略平面であり、外側面56に対して鋭角で傾斜している。取り付けられる場合、前方壁64は、ポスト32の圧力面42に略平行に位置するように傾斜している。各フランク壁66は、略平面である。取り付けられる場合、フランク壁66は、ポスト34のフランク面48に略平行に位置するように配向されている。フランク壁66が、「V」字形状を形成するように配向されており、フランク壁66は前方壁64と併せて、外側面56からの平面視で略三角形状を形成する。移行壁68が、フランク壁66および前方壁64を相互連結する。組み立てられる場合、ポスト32の側面44とスロット62との間に実質的に接触がないように、スロット62は寸法調整され、成形されている。
図3を参照すると、前部品24および後部品26を互いに組み立てる場合、各ポスト32の対合面40は、対応するポスト34の対合面46に接触する。バックル38のスロット62は、ポスト32および34を受ける。スロット62のフランク壁66は、ポスト34の対応するフランク面48を支持し、スロット62の前方壁64は、ポスト32の対応する圧力面42を支持する。バックル38が前部品24および後部品26に向かって略半径方向に移動されるにつれて、圧力面42の相互作用によってバックル38をフランク面48に対して押し付け、2つのポスト32と34との間、ならびにバックル38とポスト32および34との間の実質的にすべての遊隙を除去する。ポスト32および34ならびにスロット62が名目上特定される寸法に整合しない範囲において、バックル38は、より大きいまたはより小さい程度にポスト32および34に対して単に押し付けられる。
バックル38が乾式嵌合され、またはすべての組み立て遊隙が除去されてしまうと、バックル38は一時的にポスト34に固定される。例えば、バックル38は、ポスト34に仮溶接され得る。別法として、穴は、バックル38およびポスト34を通って線状穴開け加工されることが可能であり、圧入バックルピン70が取り付けられる。次いで前部品24を取り外すことができ、バックル38は、例えば公知のろう付け工程によって、ポスト34に強固に固定される。
バックル38がポスト34に一旦固定されてしまうと、前部品24および後部品26は再び組み立てられる。次いでバックル38の前方部分、およびポスト32とポスト34との間の分割線が線状穴開け加工され、その結果、バックル38の前方部分内に穴72および74が生じる(図3参照)。線状穴開け加工作業が、前述の溝41および43を形成する。次いで圧入せん断ピン76が、取り付けられ、溝41および43ではなく穴72に係合する。選択的に、穴74は、杭で固定され、または加締められることができる。せん断ピン76は、せん断部材の代表的な例である。角キーなどの他の種類の機械要素が、円形横断面のせん断ピン76の代わりにせん断部材として使用され得る。
次いでストラットフェアリング10をエンジン内に組み立てるために、後部品26がストラット(図示せず)を越えて軸方向前方に摺動される。次に、前部品24が、ストラットを越えて軸方向後方に摺動され、枢動され、その結果ポスト32がスロット62に係合する。
次いで、せん断ピン76が完全に定位置の中に打ち込まれ、その結果、せん断ピン76は、溝41および43、ならびに穴72および74に係合する。加締められた穴74は、せん断ピン76のための二次的な保持要素として作用する。別法として、せん断ピン76は、定位置の中に打ち込まれる後に、杭で支えられ、または加締められることが可能である。
最後に、前部品24および後部品26の半径方向外側端が、対合フランジ80を通って取り付けられるせん断ボルト78または他の類似の締め具によって一体に固定される(図2参照)。せん断ピン76が定位置にない場合でも、圧力面42とスロット62の前方壁64との間の相互作用が、前部品24の移動を抑える。前部品24が運転中に移動するならば、前部品24は、望ましくない前方に面する段差ではなく、燃焼ガス流路に対して後方に面する段差を生成する位置にのみ移動することができる。
前部品24および後部品26が、定位置のせん断ピン76を用いて組み立てられる場合、せん断ピン76と溝41および43との間の相互作用が、前部品24および後部品26の相対的な半径方向の移動を抑え、または阻止する(図4参照)。この構成は、前部品が運転中に移動することを防止し、したがって、燃焼ガス流路に対して前方に面する段差および後方に面する段差の両方を回避する。せん断ピン要素および先細要素は、個別にまたは組み合わせて組み込むことができることに留意されたい。
バックル―ポスト接合部は、せん断ピン76を押して、ポスト32および34との係合から外すことによって分解可能である。この目的のために、従来のチェーンピン工具(図示せず)に類似した簡単な手動または動力付きピン押圧型工具を使用することができる。
図5および図6は、代替のストラットフェアリング110を図示する。材料の選択を含めて、その構成は、ポストの構成以外は前述のストラットフェアリング10と実質的に同一である。詳細に特に説明しないストラットフェアリング110の要素は、ストラットフェアリング10の相当する要素と同一であると考えることができる。ストラットフェアリング110は、翼形部形ベーン112、外側バンド114、および内側バンド116を含み、共通の横断面に概ね沿って分割されて、前部品124および後部品126を画定する。
前部品124は、その後方面128に隣接して略半径内側方向に延在するポスト132を含み、後部品126は、その前方面130に直接隣接して略半径内側方向に延在するポスト134を含む。組み立てられる場合、ポスト132および134は、金属製バックル138のスロットの中に受けられる。(組立を可能にするために、ポスト132および134は、エンジン中心線に厳密に半径方向ではなく、むしろエンジンを通る吃水線断面に垂直な方向に配向可能であり、すなわちポスト132および134は互いに略平行になるということに留意されたい。)
ポスト132および134ならびにバックル138は、前述のように「トライポッド」接触構成を画定するように一体に構成され得る。
各ポスト132は、前部品/後部品分割線に面する対合面140を含む。対合面140は、平面の対合面140の残部に対して、軸方向に突出または陥凹している少なくとも1つの要素を画定する整列要素141を組み込む。図示の実施例では、整列要素141は、「S字形断面」またはS字形状輪郭または類似の形状(図7参照)である。S字形断面の軸線は、エンジンを通る吃水線断面に対して垂直に延在し、前部品124を後部品126から分割するために使用される同じ切断工程中に形成され得る。
各ポスト134は、前部品/後部品分割線に面する対合面146を含む。対合面146は、平面の対合面146の残部に対して、軸方向に突出または陥凹している少なくとも1つの要素を画定する整列要素143を組み込む。図示の実施例では、整列要素143は、「S字形断面」またはS字形状輪郭または類似の形状(図7参照)である。S字形断面の軸線は、エンジンを通る吃水線断面に対して垂直に延在し、前部品124を後部品126から分割するために使用される同じ切断工程中に形成され得る。整列要素143は、ポスト132の整列要素141に対して相補的である。
バックル138は、その中に形成されるスロット162を含む一体構造である。前部品124および後部品126を互いに組み立てる場合、各ポスト132の対合面140は、対応するポスト134の対合面146に接触する。バックル138のスロット162は、ポスト132および134を受ける。
バックル138が乾式嵌合され、またはすべての組み立て遊隙が除去されてしまうと、バックル138は一時的にポスト134に固定される。例えば、バックル138は、ポスト134に仮溶接され得る。別法として、穴は、バックル138およびポスト134を通って線状穴開け加工されることが可能であり、圧入バックルピン170が取り付けられる。次いで前部品124を取り外すことができ、バックル138は、例えば公知のろう付け工程によって、ポスト134に強固に固定される。
次いでストラットフェアリング110をエンジン内に組み立てるために、後部品126がストラットを越えて軸方向前方に摺動される。次に、前部品124が、ストラットを越えて軸方向後方に摺動され、枢動され、その結果ポスト132がスロット162に係合する。
最後に、前部品124および後部品126の半径方向外側端が、対合フランジ180を通って取り付けられるせん断ボルト178または他の類似の締め具によって一体に固定される(図6参照)。前部品124および後部品126が組み立てられる場合、整列要素141と143との間の相互作用が、後部品126に対する前部品124の半径方向の移動を抑える。より詳細には、図8に示すように、整列要素141の長軸「L」と半径方向Rとの間にゼロではない角度θが存在する。
この関係が、前部品124と後部品126との半径方向の相対的移動を防止または阻止する干渉状態を生成し、したがって燃焼ガス流路に対して前方に面する段差および後方に面する段差の両方を回避する。
本明細書に説明するバックル―ポスト構成は、分割フェアリングの内周端、外周端または両方の端に採用可能であることに留意されたい。
本明細書に説明する分割フェアリング構成は、従来技術の設計に勝る複数の利点を有し、それらの利点には以下の点が含まれる。1)製造公差を軽減し、費用を低減する。2)案内係合によって組み立てを容易にし、費用を低減する。3)接合部の自立整列によって、ゼロクリアランス嵌合をもたらす。4)流路間隙を最小にし、摩耗を軽減する。5)流路間隙を通る漏出を低減し、エンジン性能を改善する。6)流路内の前方に面する段差を回避し、エンジン性能を改善する。
本発明は、生産性、組み立て、および分割線での漏出損失の制限を促進する整合された嵌合を達成するために必要となる、ポストおよびバックルに要求される従来の厳密な公差を回避する。提案する本発明は、分割線で流路内への空気力学的に望ましくない段差を防止するという追加の利点を提供し、一方でバックル―ポスト組立間隙を更に低減して、流路内に漏出する後方側での空気加圧を低減することをもたらす。
公差が緩和され、組立が容易になることによって、費用が低減される。本発明は、正確な整合機械加工された単一部品とは対照的に、「鋳放し」バックルの利用を可能にする。
上記にガスタービンエンジン用の分割フェアリング接合部を説明した。本発明の特定の実施形態を説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明に対する様々な修正形態が作製可能であることは当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の好適な実施形態の上記の説明、および本発明を実施するための最良の形態は、説明の目的のみのために提供され、限定する目的で提供されるのではない。
10 ストラットフェアリング
12 翼形部形ベーン
14 外側バンド
16 内側バンド
18 側壁
20 前縁
22 後縁
24 前部品
26 後部品
28 対合面(後方面)
30 対合面(前方面)
32 ポスト
34 ポスト
36 スロット
38 バックル
40 対合面
41 横溝
42 圧力面
43 横溝
44 側面
46 対合面
48 フランク面
50 前方端
52 後方端
54 内側面
56 外側面
60 側面
62 スロット
64 前方壁
66 フランク壁
68 移行壁
70 バックルピン
72 穴
74 穴
76 せん断ピン(機械要素)
78 せん断ボルト
80 対向フランジ
110 ストラットフェアリング
112 翼形部形ベーン
114 外側バンド
116 内側バンド
124 前部品
126 後部品
128 後方面
130 前方面
132 ポスト
134 ポスト
138 バックル
140 対合面
141 整列要素
143 整列要素(機械要素)
146 対合面
162 スロット
170 バックルピン
178 せん断ボルト
180 対向フランジ

Claims (15)

  1. ガスタービンエンジン内のストラット用のフェアリング(10、110)であって、
    内側バンド(16、116)と、
    外側バンド(14、114)と、
    前記内側バンド(16、116)と前記外側バンド(14、114)との間に延在する中空の翼形部形ベーン(12、112)であって、前記フェアリング(10、110)が、前記内側バンド(16、116)、前記外側バンド(14、114)、および前記ベーン(12、112)を通る略横断平面に沿って分割されて、前部品(24、124)と後部品(26、126)とを画定するようにし、前記ベーン(12、112)が、前縁と後縁との間に延在する1対の離隔配置された側壁(18)によって画定され、各前記側壁(18)が前記横断平面によって前方部分と後方部分とに分割され、各前記側壁(18)部分が半径方向内側に延在するポスト(32、34、132、134)を担持し、各ポスト(32、34、132、134)が対合面(40、46、140、146)を含み、複数対の前記ポスト(32、34、132、134)が互いに隣接して位置するように前記ポスト(32、34、132、134)が配置され、前記ポスト(32、34、132、134)の各対合面(40、46、140、146)が互いに接する、中空の翼形部形ベーン(12、112)と、
    1対のスロット付きバックル(38、138)であって、各スロット付きバックル(38、138)が1対の前記ポスト(32、34、132、134)を囲んで該1対のポストを一体に締め付けた状態で固定しており、機械要素(76、143)が、前記対になったポスト(32、34、132、134)の前記対合面(40、46、140、146)に係合されており、前記対になったポスト(32、34、132、134)の相対的な半径方向の移動を阻止している、1対の前記スロット付きバックル(38、138)と
    を備える、フェアリング(10、110)。
  2. 各前記対合面(40、46、140、146)が、その中に形成された横溝(41、43)を含み、せん断部材が、各バックル(38、138)を横に通過し、前記対になったポスト(32、34、132、134)の前記対合面(40、46、140、146)の中の前記横溝(41、43)に係合して、前記対になったポスト(32、34、132、134)の相対的な軸方向の移動を阻止するようにする、請求項1に記載のフェアリング(10、110)。
  3. 前記せん断部材が、円形断面のピン(76)である、請求項2に記載のフェアリング(10、110)。
  4. 各前記対合面(40、46、140、146)が、平面の前記対合面(40、46、140、146)の残部に対して、軸方向に突出または陥凹している少なくとも1つの整列要素(143)を含み、複数対の前記ポスト(32、34、132、134)が互いに隣接して位置するように、前記ポスト(32、34、132、134)が配置され、前記各整列要素(141、143)が互いに係合するように、各前記対合面(40、46、140、146)が互いに接する、請求項1に記載のフェアリング(10、110)。
  5. 前記整列要素(141、143)が、S字形状輪郭である、請求項4に記載のフェアリング(10、110)。
  6. 前記整列要素(141、143)の長軸と半径方向との間にゼロではない角度が存在し、相対的な半径方向の移動を防止する干渉状態を画定する、請求項4に記載のフェアリング(10、110)。
  7. 隣接するポスト(32、34、132、134)の各対が、少なくとも2つの平行ではない面を含み、
    各対の隣接するポスト(32、34、132、134)が、トライポッド接触構成で対応する前記バックル(38、138)のスロット(62、162)に接触する、
    請求項1に記載のフェアリング(10、110)。
  8. 前記後部品(26、126)の各側壁部分の前記ポスト(34、134)が、対合面(46、146)と、前記対合面(46、146)の反対側の1対のフランク面(48)とを含み、前記フランク面(48)が、「V」字形状を形成するように配向されている、請求項1に記載のフェアリング(10、110)。
  9. 前記前部品(24、124)の各側壁部分の前記ポスト(32、132)が、対合面(40、140)と、前記対合面(40、46、140、146)の反対側の圧力面(42)と、前記圧力面(42)に隣接する1対の離隔配置された側面(44)とを含み、前記圧力面(42)が、前記横断平面に対して鋭角で配置されている、請求項1に記載のフェアリング(10、110)。
  10. 前記スロット(62、162)が、前記ポスト(32、132)の側面(44)と前記スロット(62、162)と接触させない寸法及び形状を有している、請求項9に記載のフェアリング(10、110)。
  11. 前記バックル(38、138)が、前方端、後方端、内側面、外側面および側面を含む一体構造であり、
    スロット(62、162)が、前記バックル(38、138)の中に形成され、前記内側面から前記外側面に延在し、前記スロット(62、162)が、前記前方端に隣接する前方壁と、前記後方壁に隣接する1対のフランク壁とを含み、
    前記フランク壁が「V」字形状を形成するように配向され、前記フランク壁は前記前方壁と併せて、前記外側面からの平面視で略三角形状を形成する、請求項1に記載のフェアリング(10、110)。
  12. 前記バックル(38、138)の前方壁が、略平坦であり、鋭角で前記外側面に傾斜して、取り付けられる場合に前記ポスト(32、34、132、134)の圧力面に略平行に位置するようにし、前記バックル(38、138)の各前記フランク壁が、略平坦であり、前記フランク壁が、取り付けられる場合に前記ポスト(32、34、132、134)のフランク面に略平行に位置するように配向されている、請求項11に記載のフェアリング(10、110)。
  13. ピン(70)が、前記バックル(38、138)および少なくとも1つの前記ポスト(32、34、132、134)を貫通する、請求項1に記載のフェアリング(10、110)。
  14. 前記側壁(18)の対合面が、非平面形状を含む、請求項1に記載のフェアリング(10、110)。
  15. 前記スロット付バックル(38、138)が、前記後部品(26、126)の前記ポスト(32、34、132、134)にろう付けによって固定される、請求項1に記載のフェアリング(10、110)。
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