JP4729299B2

JP4729299B2 - タービンエンジンシェルの半径方向間隙を最適化するための方法

Info

Publication number: JP4729299B2
Application number: JP2004372999A
Authority: JP
Inventors: ジャン・クリストファー・シリング; ダニエル・エドワード・モールマン; バリー・リン・アルマン; アンソニー・ドゥルヒホルツ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: EP1548238B1; US20050138806A1; US7260892B2; JP2005188515A; EP1548238A3; CN1648419A; EP1548238A2; CN100458106C

Description

本出願は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、軸流ガスタービンエンジンシステムで用いる構造シェルに関する。

軸流ガスタービンエンジンは、一般的にファンロータ組立体、ブースタ組立体、圧縮機及びタービンのような複数の第２の部材を含む。ファンロータ組立体は、ロータシャフトから半径方向外向きに延びるファンブレードの配列を備えたファンを含む。ロータシャフトは、タービンから圧縮機及びファンに動力及び回転運動を伝え、複数の軸受組立体で長手方向に支持される。軸受組立体は、ロータシャフトを支持し、一般的に内側レース及び外側レース内に設置された転動体を含む。

構造ケーシングは、それらの間に半径方向間隙が形成されるようにターボ機械の周りで延びる。それに限定されないが、回転シールと固定部材との間、軸受転動体と軸受レースとの間、軸受レースとダンパハウジングとの間及び／又はロータブレードと周囲ケーシングとの間の間隙のような、タービンエンジン内部に形成された不適当な間隙は、関連するターボ機械の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、第２の部材はケーシングと該第２の部材との間に形成された間隙を変化させる可能性がある変形を生じるおそれがあるので、エンジン運転時にこのような間隙の制御を維持することが難しい場合がある。例えば、ファン組立体の場合には、エンジンによって発生した軸方向スラストが、ファン組立体とエンジンフレームとの間を結合するスラストリンクによって作用する可能性がある。スラストリンクは、フレームを葉形のパターンに楕円変形させる可能性があり、それがエンジン構造体によって減衰されないで、むしろファンフレームの前方及び後方の取付け構造体内に伝搬する可能性がある。

エンジン運転時に実質的に一定の間隙を維持するのを可能にするために、ＧＥ９０−１１５型エンジンに使用されているような少なくとも幾つかの公知の高圧圧縮機ケーシング及び軸受ハウジングでは、組立て時にケースすなわち臨界ボアを円形外の状態（事前に葉形にした状態として知られている）に直接オフセットして研削することによってこのようなスラスト加重偏向を吸収している。スラスト荷重による変形により、楕円に製造した形状が必然的に相殺され、ケースボアが、半径方向にそれぞれのロータ対ステータ間隙及び／又は軸受間隙を維持することが可能になるように、所定の運転スラスト位置で実質的に円形の状態を呈するようになる。しかしながら、このような構成部品を直接機械加工することは、臨界ボア形状が得られるまで幾度も繰り返すことになる時間の掛かる工程となるおそれがある。
特開２００１−３３６５２０号公報

１つの態様では、タービンエンジン用のステータ組立体を組立てる方法を提供する。本方法は、第１の端部及び第２の端部を含む片持ちシェルを設ける段階と、第２の部材をタービンエンジン内部に結合する段階と、シェルの内面の機械加工に方向性を持たせないで第２の部材と片持ちシェルとの半径方向間に不均一な円周方向に沿った半径方向間隙ギャップを形成し、該円周方向に沿った半径方向間隙ギャップが組立て時に実質的に不均一なままの状態でシェルが第２の部材の少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるように、該シェルをフレームに結合する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、
第２の部材をガスタービンエンジン内部に結合する段階と、直接機械加工せずに第２の部材とシェルとの間に不均一な円周方向に沿った半径方向間隙ギャップを形成し、組立て時に該円周方向に沿った半径方向ギャップが不均一なままの状態でシェルが第２の部材の周りで円周方向に延びるように、フレームに対する第１の端部及び第２の端部を有する片持ちシェルをエンジン内部に結合する段階とを含む。

図１は、ファン組立体１２と、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を備えたコアエンジン１３とを含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８と、低圧タービン２０と、ブースタ２２とを含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の配列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のゼネラル・エレクトリック社から入手可能なＧＥ９０型である。ファン組立体１２とタービン２０とは、第１のロータシャフト３１によって結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータシャフト３２によって結合される。

運転時に、空気は、エンジン１０を通る中心軸線３４にほぼ平行な方向にファン組立体１２を通って軸方向に流れ、加圧された空気は、高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送り込まれる。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、またタービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２を駆動する。

図２は、エンジン１０内部で用いることができる環状の片持ちシェル４０の例示的な概略図である。シェル４０は、非支持端部４２と、結合端部４４と、それらの間で延びる一体の本体４６とを含む。結合端部４４は、本体４６から半径方向に延びるフランジ４８を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、フランジ４８は、本体４６からほぼ垂直に延び、かつフランジ面５０と、結合面５２と、それらの間で延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された開口５４とを含む。開口５４は各々、シェル４０を構造支持体（図２には図示せず）に結合するための該開口を貫通する固締具（図２には図示せず）を受ける寸法にされる。

フランジ４８は、内面６０と半径方向外端縁６２との間で半径方向に延びる。この例示的な実施形態では、フランジ内面６０には、構造支持体に対してシェル４０及びフランジ４８を整列させるのを可能にするフランジラベットすなわち半径方向ポジショナ６４が一体に形成される。別の実施形態では、フランジ半径方向端縁６２には、フランジラベット６４が形成される。

本体４６は、外面７０と、対向する内面７２とを含む。内面７０には、シェル４０がエンジン１０内部でかつ第２の部材の周りに結合された時に、各々が少なくとも部分的にシェル半径方向間隙を形成する複数の軸方向平面Φ_Ａ、Φ_B及びΦ_Ｃが形成される。１つの実施形態では、第２の部材は、ロータ組立体内部の構成部品である。別の実施形態では、第２の部材は、固定構造体内部の構成部品である。

図３は、片持ちシェル１００と、ブースタシェル１０１と、ファンロータ組立体１２とを含むガスタービンエンジン１０の一部分の断面図である。図４は、区域４に沿って取った、ガスタービンエンジン１０の一部分の拡大図である。図５は、区域５に沿って取った、エンジン１０で用いる軸受組立体１０２の一部分の拡大図である。図６は、シェル１００の前端面図である。

本明細書で用いる場合、用語「シェル」は、その厚さと比較して大きな長さ及び直径を有する任意の構造構成部品を含むことができる。例えば、シェルは、軸受ハウジングに限定するのではなく、ブースタケーシング、外側ブースタシェル、固定シール支持体、又は本明細書に述べるように機能しかつシェルと第２の部材との間に所望の半径方向間隙を形成するようにエンジン１０内部に結合された任意の構造構成部品とすることができる。軸受ハウジングは、単に例示を目的としてのものであり、従って、用語「シェル」の定義及び／又は意味を決して限定しようとするものではない。さらに、本明細書では本発明をガスタービンエンジンと関連させて、より具体的にはガスタービンエンジン用の軸受組立体での使用について説明しているが、本発明は、他のガスタービンエンジン構成部品及び同様に他のタービンエンジンにも適用可能であることを理解されたい。従って、本発明の実施は、ガスタービンエンジン用の軸受ハウジングに限定されるものではない。

ロータシャフト３１は、ファンロータディスク２６に回転可能に結合され、ロータシャフト３１を支持する複数の軸受組立体１０２によって構造フレーム１０４に固定される。この例示的な実施形態では、軸受組立体１０２は、対になったレース１１０と転動体１１２とを含み、それらは各々、フレーム１０４によって形成された軸受ハウジングボア１３８内に配置される。

軸受ハウジングすなわちシェル１００は、上流端部１２０と、下流端部１２２と、それらの間で延びるシェル本体１２４とを含む。シェル本体１２４は、外面１２８と対向する内面１３０とを含む。内面１３０は、シェル１００がエンジン１０内部に結合された時に、少なくとも部分的にシェル半径方向間隙１３４を形成する。具体的には、シェル１００がエンジン１０内部に結合されると、シェル内面１３０と軸受ハウジングボア１３８内の軸受組立体１０２の軸受外側レース１１４との間に円周方向に沿って半径方向間隙１３４が形成される。

シェル下流端部１２２は、本体１２４から半径方向外向きに延びるフランジ１４０を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、フランジ１４０は、本体１２４からほぼ垂直に延び、かつフランジ面１４２と、結合面１４４と、それらの間で延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された開口１４６とを含む。開口１４６は各々、シェル１００をファン支持フレーム１０４に結合するための該開口を貫通する固締具１５０を受ける寸法にされる。より具体的には、この例示的な実施形態では、シェル１００がファン支持フレーム１０４に結合された時に、ガスケット１５２が、フランジ面１４２とフレーム１０４との間で延びる。

シェル１００は、シェル下流端部１２２においてフランジ継手１６０内で固締具１５０によってフレーム１０４に結合される。この例示的な実施形態では、フランジ継手１６０は、ラベット１６２を含み、該ラベット１６２は、シェル１００がフレーム１０４に対してほぼ同軸に整列されるようにファンフレーム１０４に対して該シェル１００を半径方向に位置決めするのを可能にする。開口１６４は、円周方向に間隔を置いて配置され、かつ該開口を貫通して固締具１５０を受ける寸法にされる。１つの実施形態では、ラベット１６２は、ラベット６４（図２に示す）のようなフランジラベットに対して合わさるような輪郭にされて、フレーム１０４に対してシェル１００を整列させるのを可能にする。

軸受ハウジングすなわちシェル１００がファンフレーム１０４に結合された後に、「円形外の状態」としても知られている、図６に示す双葉形のラジアル形状１８０のような非円形である事前に葉形にしたボア形状が、ボア１３８内部のシェル本体１２４に生じるようになる。別の実施形態では、三葉形のボア形状のようなその他の事前に葉形にした形状が、ボア１３８内部のシェル本体１２４に生じることが可能になる。従って、組立て時に、軸受ハウジングすなわちシェル１００がファンフレーム１０４に固定されると、不均一な円周方向に沿った半径方向間隙が、シェル本体１２４と軸受外側レース１１４との間に形成される。これと対照的に、エンジン１０の運転時には、より詳細には後述するように、円周方向に沿った半径方向間隙は、実質的に均一になる。この例示的な実施形態では、不均一な円周方向に沿った半径方向間隙は、ボア１３８内部のシェル本体１２４のほぼ軸方向長さ全体にわたって生じる。別の実施形態では、円周方向に沿った半径方向間隙は、ボア１３８内部のシェル本体１２４にわたって異なる軸方向位置において変化する。

事前に葉形にした形状１８０及び／又は形成した異なる半径方向間隙は、シェルハウジング内面１３０を直接機械加工する結果として形成されるのではなく、むしろ、より詳細には後述するように、ボア１３８内部の内面１３０を直接機械加工せずに形成される。１つの実施形態では、フレーム整列ラベット１６２は、シェル１００がファンフレーム１０４に結合される時にシェル本体１２４と軸受外側レース１１４との間に形成される所望の不均一な円周方向に沿った半径方向間隙が組立て時に生じるように、所望の事前に葉形にしたラジアル形状に機械加工される。別の実施形態では、ラベット６４及び／又はフランジ半径方向外端縁に対して形成されたラベットのようなフランジラベットは、シェル１００がファンフレーム１０４に結合される時に非円形フランジラベットとファンフレーム１０４との間の接合面が、シェル本体１２４と軸受外側レース１１４との間に組立て時に不均一なままである円周方向に沿った半径方向間隙を生じるように、所望の事前に葉形にしたラジアル形状に機械加工される。

さらに別の実施形態では、フランジ面１４２は、該面１４２がもはやシェル本体１２４に対して実質的に垂直ではなく、むしろ該フランジ面１４２の軸方向にわたって実質的に非平面に形成されるように、機械加工される。従って、フランジ面１４２が固締具１５０でファンフレーム１０４に当接して結合された時に、トルクを加えた固締具により、シェル１００が強制的にファンフレーム１０４に対して実質的に平坦にされて、変形した形状がシェル本体１２４を介して伝わり、シェル本体１２４と軸受外側レース１１４との間に生じた円周方向に沿った半径方向間隙がエンジン１０の組立て時に不均一なままになるようになる。

さらに別の実施形態では、フランジ継手１６０上に形成したフランジ面１５３は、該面１５３がもはやシェル本体１２４に対して実質的に垂直ではなく、むしろフランジ面１５３の軸方向にわたって実質的に非平面に形成されるように、機械加工される。従って、フランジ面１５３が固締具１５０でシェル本体１２４に当接して結合された時に、トルクを加えた固締具により、シェル１００が強制的にファンフレーム１０４に対して実質的に平坦にされて、変形した形状がシェル本体１２４を介して伝わり、シェル本体１２４と軸受外側レース１１４との間に生じた円周方向に沿った半径方向間隙がエンジン１０の組立て時に不均一なままになるようになる。

同様に、さらに別の実施形態では、フランジ面１４２は実質的にシェル本体１２４に対して垂直なままであるが、ガスケットの軸方向にわたって延びる可変厚さを有する、ガスケット１５２のようなガスケットが、フランジ面１４２と合わせフランジ継手１６０との間に挿入される。従って、フランジ面１４２が固締具１５０でガスケット１５２を介してファンフレーム１０４に対して結合された時に、トルクを加えた固締具により、シェル１００がガスケット１５２に対して強制的に押付けられて、変形した形状がシェル本体１２４を介して伝わり、シェル本体１２４と軸受外側レース１１４との間にエンジン１０の組立て時に不均一な円周方向に沿った半径方向間隙が生じるようになる。

さらに別の実施形態では、シェル１００は、改造した公知の機械加工拘束固定具を用いて製造される。より具体的には、シェル１００を製造するのに用いる少なくとも幾つかの公知の機械加工拘束固定具は、フレーム整列ラベット１６２と実質的に合わさるように構成される。このような機械加工拘束固定具は、ラベットと合わさる固定具の部分が、製造のためにシェルを固定具に結合する前に所望の事前に葉形にした形状に形状変更されるように改造される。次に、シェル１００は、内面１３２が実質的に円形の隣接する端部１２０及びシェル本体１２４として形成されるように機械加工される。従って、シェル１００が機械加工拘束固定具から取外されると、シェル１００と実質的に円形のフレーム整列ラベット１６２との間の接合面は、組立て時にシェル本体１２４と軸受外側レース１１４との間に所望の不均一な円周方向に沿った半径方向間隙を生じる。

所望の不均一な円周方向に沿った半径方向間隙は、本明細書に記載した製造方法のみを用いて製造されることに限定はされるものではなく、むしろ組立て時に事前に葉形にしたシェルボア形状を達成する、臨界ボア１３８を直接機械加工しない他の方法を用いることができることに注目されたい。本明細書に記載した製造方法は、軸受ハウジングシェル１００に限定されるものではなく、むしろ本製造方法はシェル１００に対する例示としてのみ記載したものであることにも注目されたい。

エンジン１０の運転時に、半径方向間隙１３４を変える可能性があるエンジン１０内部の変形は、シェル１００によって実質的に吸収される。より具体的には、第２の間隙は、エンジン１０の組立て時及び非運転時には不均一なままであるが、所定のエンジン運転状態での運転時には、シェルの事前に葉形にした形状が、エンジン１０によって生じたスラスト偏向を相殺し、ハウジングボア１３８内部で実質的に円形になるように変形する。従って、このようなエンジン運転時に、シェル本体１２４と軸受外側レース１１４との間に実質的に均一な半径方向間隙が生じる。

この例示的な実施形態では、シェルの事前に葉形にした形状の変形により、外側レース１１４とシェル１００との間で軸受外側レース１１４の外周の周りに一定量のダンパ軸受油膜を形成することが可能になり、ダンパ性能及び軸受有効寿命を各々増大させることが可能になる。シェル１００がブースタケーシング及び／又は圧縮機ケーシングである他の実施形態では、シェル１００の変形は、ブレード対ケースの流路間隙及び／又は摺擦を最小にするのを可能にし、従って、関連するブースタ及び／又は圧縮機の性能を向上させることを可能にする。付加的な実施形態では、シェル１００の用途に応じて、シェル１００の変形は、ベーン対ロータのシール間隙及び摺擦を最小にするのを可能にし、従って、エンジン性能全体を向上させるのを可能にすることができる。それに代えて、またシェル１００の用途に応じて、シェル１００の変形は、ハウジングボアに対して締まり嵌めになった（半径方向間隙がない）外側レースを含む実質的に円形の軸受ハウジングを得ることを可能にする。このような実施形態内では、軸受外側レースは、特定の運転時点では実質的に円形のままであり、従って、軸受有効寿命を増大させるのを可能にする。

上述のシェルは、費用効果がありかつ高い信頼性がある。各シェルは、構造フレームに結合されて、シェル内部に生じた事前に葉形にした形状が、エンジンの非運転期間の間に特定の軸方向位置で不均一なままである間隙ギャップを形成する。より具体的には、シェル内面は、不均一な円周方向に沿った半径方向ギャップを形成するように直接機械加工されるのではなく、むしろ事前に葉形にしたシェルボア形状は、モニターされている臨界ボアから離れたシェルに対して事前に葉形にした形状を生じさせることによって組立て時に形成される。エンジン運転時に、シェルは、スラスト偏向、熱偏向及び／又はエンジン或いは航空機の運転から起きた他の偏向に応答して変形し、結果としてエンジン運転時に間隙ギャップを最適化することができる。その結果、事前に葉形にした形状により、エンジンが運転されているときに、構造組立体の有効寿命及び性能を向上させるのを可能にする。

以上、不均一な円周方向に沿った半径方向間隙が形成されるような事前に葉形にした形状をシェルに対して生じさせるシェル及び方法の例示的な実施形態を詳細に説明した。例示したシェルは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、シェルは、本明細書に記載したガスタービンエンジン構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。例えば、シェルはまた、他のタービンエンジンシステムと組み合わせて用いることもできる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、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施できることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概略図。図１に示すエンジン内部に用いることができる片持ちシェルの例示的な概略図。少なくとも１つのシェルを含む、図１に示すガスタービンエンジンの一部分の断面図。区域４に沿って取った、図３に示すガスタービンエンジンの一部分の拡大図。区域５に沿って取った、図３に示す軸受組立体の一部分の拡大図。図３に示すシェルの前端面図。

符号の説明

１０ガスタービンエンジン
１２ファン組立体
２２ブースタ
２６ロータディスク
３１第１のロータシャフト
１００片持ちシェル
１０４構造フレーム
１１０対になったレース
１１２転動体
１２０シェル上流端部
１２２シェル下流端部
１２４シェル本体

Claims

タービンエンジン（１０）用のステータ組立体を組立てる方法であって、
第１の端部（１２０）及び第２の端部（１２２）を含む片持ちシェル（１００）を設ける段階と、
第２の部材（１０２）をタービンエンジン内部に結合する段階と、
前記シェルの内面（１３０）に直接機械加工しないで第２の部材と片持ちシェルとの半径方向間に不均一な円周方向に沿った半径方向間隙ギャップ（１３４）を形成し、前記円周方向に沿った半径方向間隙ギャップがエンジンを運転していない時に実質的に不均一なままの状態で前記シェルが第２の部材の少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるように、該シェルをフレーム（１０４）に結合する段階と、
を含む方法。
前記シェル（１００）が第２の部材（１０２）の少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるように該シェルをフレーム（１０４）に結合する前記段階が、前記不均一な半径方向間隙ギャップ（１３４）が所定のロータ作動時にシェルと第２の部材との間で円周方向に実質的に均一になるように、該シェルをフレームに結合する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
前記片持ちシェル（１００）の少なくとも１つの端部（１２０又は１２２）が、前記エンジンフレーム（１０４）に対してシェルを整列させるのを可能にするのに用いるラベット（１６２）を含み、前記シェルが第２の部材（１０２）の少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるように該シェルをフレームに結合する前記段階が、実質的に非円形の合わせ面が前記ラベットによって形成されるように、該シェルラベットを形成する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
実質的に非円形の合わせ面が前記ラベットによって形成されるように該シェルラベット（１６２）を形成する前記段階が、事前に非円形にしたラジアル形状を備えた該ラベットの合わせ面を形成する段階をさらに含む、請求項３記載の方法。
前記シェル（１００）が第２の部材（１０２）の少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるように該シェルをフレーム（１０４）に結合する前記段階が、前記シェルをエンジンフレームフランジ面に当接して結合した時に不均一な円周方向に沿った半径方向間隙（１３４）が生じるように、エンジンフレーム上に形成したフランジ面（１４４）を機械加工する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
前記エンジンフレーム（１０４）が、該エンジンフレームに対してシェルを整列させるのを可能にするのに用いるラベット（１６２）を含み、前記シェルが第２の部材の少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるように該シェルをフレームに結合する前記段階が、実質的に非円形の合わせ面が前記フレームラベットによって形成されるように、該フレームラベットを機械加工する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
前記フレームラベット（１６２）にほぼ合致する所望の事前に非円形にした形状を有する機械加工拘束固定具に前記シェル（１００）を結合する段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
前記シェルの第１の端部（１２０）及び前記シェルの第２の端部（１２２）の少なくとも１つが、フランジ面（１４２）を含み、前記シェル（１００）が第２の部材（１０２）の少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるように該シェルをフレーム（１０４）に結合する前記段階が、前記シェルをエンジンフレームに結合した時に不均一な円周方向に沿った半径方向間隙（１３４）が生じるように、前記フランジ面を機械加工する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
前記シェル（１００）が第２の部材（１０２）の少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるように該シェルをフレーム（１０４）に結合する前記段階が、エンジン運転時にシェルと第２の部材との間の半径方向間隙（１３４）を最小にするのを可能にするように、該シェルをエンジンフレームに結合する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
前記シェルの第１の端部（１２０）及び前記シェルの第２の端部（１２２）の少なくとも１つが、フランジ面（１４２）を含み、前記シェル（１００）が第２の部材（１０２）の少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるように該シェルをフレーム（１０４）に結合する前記段階が、前記シェルをエンジンフレームに結合した時に不均一な円周方向に沿った半径方向間隙（１３４）が形成されるように、該シェルフランジ面と該フレームとの間に円周方向に変化する厚さを有する部材（１５２）を配置する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。