KR20130004303A - 터빈 엔진용 접합부를 갖는 유연한 후방 베어링 마운팅 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈 엔진의 하나 이상의 샤프트 베어링(8)을 장착하기 위한 부분으로 형성되고, 마운팅 부분을 위한 접합부를 형성하는 지지 부분(11)으로 형성되는 조립체에 관한 것이다. 상기 마운팅 부분은 하나 이상의 채널(2)을 포함하고, 상기 채널을 통해 엔진 가스가 통과하며, 게다가, 상기 마운팅 부분은 상기 베어링을 보유하는 하우징 및 엔진의 외부 구조물(10)에 상기 채널을 연결할 수 있는 연결 부분(3, 4)을 포함한다. 하나 이상의 연결 부분은 상기 채널(2)의 반경방향 움직임이 가능하도록 유연하며, 상기 반경방향 움직임의 크기는 상기 지지 부분(11)에 의해 지지된 접합부(12, 22) 상으로 들어가는 마운팅 부분의 하나 이상의 요소(2, 3)에 의해 제한된다. 상기 지지 부품(11)은 터빈 슈라우드(11b)를 터빈 엔진의 터빈 휠(6)과 정렬시키기 위해 터빈 엔진의 회전축의 방향에 대해 종방향으로 연장된다.

Description

터빈 엔진용 접합부를 갖는 유연한 후방 베어링 마운팅{FLEXIBLE REAR BEARING MOUNTING, HAVING AN ABUTMENT, FOR A TURBINE ENGINE}

본 발명의 분야는 항공용 터보머신(aeronautical turbomachine)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 회전 샤프트의 베어링의 장착에 기여하는 이의 부품에 관한 것이다.

단일-스풀(single-spool) 또는 다-스풀(multi-spool)인 항공용 터보머신은 일반적으로 베어링 마운팅으로 알려진 하나 이상의 구조적 부품을 포함하고, 상기 베어링 마운팅은 베어링 또는 베어링들을 지지하며, 상기 베어링 상에서 이들 스풀의 회전 샤프트가 회전한다. 이러한 부품은 또한 터보샤프트 엔진의 경우 자유 터빈에 의해 구동되는 파워 샤프트를 지지할 수 있다. 후방 베어링에 대한 베어링 마운팅의 경우에, 이 마운팅이 저온 구역에 배치되는 플랜지에 의해 엔진의 외부 케이싱에 부착되기 때문에 상대적으로 높은 열 응력에 노출되고, 반면, 덕트의 형태인 이의 중앙 부분은 이를 통과하는 엔진으로부터의 가스를 가지며, 이에 따라 특히 고온인 구역에 배치된다. 엔진의 내측을 향하여 이 마운팅은 회전 샤프트를 장착하기 위한 베어링이 배치되는 케이싱을 형성하는 일련의 부품에 부착된다. 게다가, 이들 케이싱은 상대적으로 저온의 구역에 배치되며, 이는 베어링 윤활 오일 및 엔진 냉각 공기가 제공되기 때문이다. 따라서, 이러한 마운팅을 구현하는 다양한 부분들 사이의 온도 차이로 인해 작동 중에 발생되는 차동 반경방향 움직임이 고려되어야 한다.

이를 위해, 후방 베어링용 마운팅은 일반적으로 환형 덕트의 형태를 가지며, 이 환형 덕트를 통해 가스가 이동하고, 이를 가로질러 구조적 암이 이동하며, 이 덕트는 헤어핀으로 공지된 복합적인 기하학적 형상에 따라 2개의 부분에 의해 외측 및 내측을 향하여 연장된다. 이들 헤어핀은 외부 부분에 대해 베어링을 지지하는 강성의 중앙 부분을 연결하고 동시에 온도 차이에 의해 야기된 반경방향 움직임을 가능하게 한다. 종래 기술의 현재의 상태에서, 이들 헤어핀은 이의 유연성을 향상시키는 동시에 베어링이 충분한 강성을 가질 수 있도록 축대칭성이거나 또는 부분적으로 천공된다.

게다가, 후방 베어링 마운팅을 통합하는 설계의 특정 경우에, 이 마운팅을 설계할 때 구현되는 2가지의 상반된 대상이 있으며, 우선적으로 로드 인자 하에서 로터가 이동하는 정도를 제한하고 샤프트 이동의 사이징(sizing)을 조정하기 위해 충분한 강성을 가져야 하며(이는 터보머신이 이의 회전축에 대해 가로방향의 가속도에 노출되는 것을 의미함), 둘째로 하부 및 외측 헤어핀의 사이징을 통하여 베어링 마운팅이 부품의 수명 연장의 관점에서 충분히 유연해야 한다.

주물(casting) 또는 모두 용접된 구조물인 이 부품은 복잡하고, 따라서 높은 제조 비용이 야기되며, 게다가, 이의 기계적 내구성은 상당한 추가 비용을 발생시킬 수 있으며, 여러 차례의 수리 또는 조기 마모(premature)로 인해 부품들을 폐기할 필요가 있다. 부품의 내구성을 향상시키기 위해, 이러한 부품은 이의 헤어핀에서 최대의 가능한 유연성을 갖도록 설계되는 동시에 전체 조립체가 충분히 강성이어서 이를 지지하는 샤프트의 이동 정렬을 유지시키는 것이 중요하다.

이러한 부품의 실시예는 특허 출원 제GB952774호 또는 제FR1346653호에 의해 제시되지만, 이들 부품은 원하는 유연성을 보장하는 유일의 기능을 갖는 특정-목적의 부품들을 조합시킴으로써 제조된다. 이들 부품은 터빈 이동 부분에 대한 높은 듀티 통합(duty integration)을 포함하지 않는다.

본 발명의 목적은 터빈 모듈 내에 있는 부품의 개수를 최대로 줄이면서 제조될 수 있고, 회전 샤프트의 베어링의 안정적인 보유를 제공하며, 향상된 수면을 갖는 후방 베어링 마운팅을 제공함으로써 이러한 목적에 부합시키는 데 있다. 터빈 모듈은 독립적인 터보머신 하위조립체를 구성하도록 서로 조합되는 하나 이상의 터빈 휠을 포함하는 부품들의 조립체이며, 따라서, 이 하위조립체는 기계적으로 독립적인 단일의 부분으로서 터보머신으로부터 제거되거나 또는 그 외의 다른 모듈과 조립될 수 있다.

이를 위해, 본 발명은 조립체를 제공하는데, 이 조립체는 터보머신 샤프트(turbomachine shaft)의 하나 이상의 베어링을 장착하기 위한 마운팅 부품 및 상기 마운팅 부품용 접합부(abutment)를 형성하는 지지 부품으로 구성되고, 상기 마운팅 부품은 하나 이상의 덕트를 포함하고 상기 덕트를 통해 엔진으로부터의 가스가 이동하며, 상기 마운팅 부품은 엔진의 외부 구조물 및 베어링이 있는 케이싱에 상기 덕트를 연결할 수 있는 연결 부품을 포함하고, 하나 이상의 연결 부품은 샤프트의 회전축의 배향에 대해 상기 덕트의 반경방향 움직임을 허용하도록 유연하고, 상기 반경방향 움직임의 크기는 상기 지지 부품과 이어져 있는 접합부와 접촉하는 마운팅 부품의 하나 이상의 요소에 의해 제한되며, 상기 지지 부품은 터빈 슈라우드를 터보머신의 터빈 휠과 대향하도록 배치하기 위해 터보머신의 회전축의 방향에 대해 종방향으로 연장된다.

그 뒤, 부품의 반경방향 강성은 접합부와 접촉하는지의 여부에 따라 변화하고, 또한 접합부와 상호작용하지 않을 때 상당한 유연성을 제공한다. 부품이 접합부와 접촉하지 않을 때, 대부분의 열기계 피로 로딩이 발생되기 때문에, 발생된 응력이 더 적어지고 수명이 증가되는 부품이 수득된다. 접합부와 접촉하지 않을 때 수득되는 증가된 유연성은 시차 열 팽창에 노출되는 부품의 전체 거동을 향상시킨다. 터보머신의 구조물에 연결된 반경방향 접합부는 베어링 마운팅의 요소들 중 하나의 요소를 이 접합부와 접촉시킴으로써 항공기 조종 또는 자이로스코프 로딩 유형의 로딩과 연계되는 비-축대칭성 추가 움직임을 제한하기 위해 추가된다.

이들 연결 부품, 또는 헤어핀은 완전한 부품의 일체 부분을 형성하거나 또는 상기 덕트에 부착될 수 있다.

그러나, 베어링 마운팅의 부분(덕트 또는 구조적 헤어핀)과 접합부의 영구적인 접촉 시에도, 시차 열 팽창과 연계된 로딩 하에서 구조적 헤어핀의 수명을 최적화시킬 수 있으며, 이는 부품들이 서로 확고히 연결되지 않기 때문이다(슬라이딩 접촉). 그 뒤, 피레팅(fretting) 및 마모 현상이 관찰될 수 있지만 이는 다양한 부품의 기능 또는 특히 반경방향 강성에 대한 효과의 영속성에 주요한 영향을 미치지 못한다.

터빈 모듈의 제조를 단순화하고 사용되는 부품의 개수를 줄이기 위해, 접합부는 터보머신의 터빈 휠에 대향하게 위치된 터빈 슈라우드의 종방향 신장부로 구성되는, 엔진의 외부 구조물의 플랜지에 부착된 지지 부품의 단부에 배치된다.

따라서, 지지 부품 및 외부 구조물을 연결하기 위한 연결 부품은 터보머신의 외부 구조물의 동일한 플랜지에 고정되도록 구성된다.

일 특정 실시예에서, 접합부는 외부 구조물에 연결하기 위한 연결 부품들 중 하나의 연결 부품과 상호작용한다.

또 다른 특정 실시예에서, 접합부는 덕트와 직접 상호작용한다.

또 다른 특정 실시예에서, 접합부는 상기 베어링을 지지하는 케이싱에 연결하기 위한 연결 부품과 상호작용한다.

또 다른 특정 실시예에서, 마운팅 부품은 외부 구조물에 연결하기 위해 연결 부품과 상호작용하는 접합부 및 상기 베어링과 이어져 있는 케이싱에 연결하기 위해 연결 부품과 상호작용하는 접합부를 포함한다.

본 발명은 또한 전술된 바와 같이, 회전 샤프트의 베어링 중 하나의 베어링을 장착하기 위한 하나 이상의 마운팅 부품을 포함하는 터보머신에 관한 것이다.

본 발명은 보다 잘 이해될 것이며, 그 외의 다른 목적, 세부사항, 특징 및 이의 이점이 첨부된 예시적인 도면에 따라 단순히 예시적이고 비제한적인 실시예에 의해 주어지는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라서 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.

기술 내용에서, 용어, 반경방향, 축방향 및 종방향은 터모머신의 회전축에 관한 것인 반면 용어 업스트림 및 다운스트림은 이 동일한 터보머신을 통해 가스가 흐르는 방향을 지칭한다.

도 1은 종래 기술의 실시예에 따르는, 헤어핀을 갖는 후방 베어링 마운팅의 사시도.
도 2는 헤어핀 내에 베어링 마운팅을 포함하는 터빈 엔진의 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따르는 터빈 엔진의 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 터빈 엔진의 단면도.

도 1에는 미국 특허 제5161940호에 기재된 바와 같이 베어링 마운팅(bearing mounting)이 도시된다. 이 특허의 실시예에서, 유연한 케이지 기술(flexible cage technology)이 기술된 베어링 마운팅에만 적용되고, 흐름 경로 덕트의 일부분을 포함하는 베어링 마운팅에 대해 확장되지 않는다. 이는 이들 부품들이 이의 설계 및 엔지니어링에 관한 추가 기술적 곤란성, 즉 열기계 로딩(loading) 및 공기 역학적 성능 하에서 수명에 관한 최적화에 대한 추가 기술적 연관성이 있기 때문이다.

도 2에는 헤어핀-유형의 베어링 마운팅을 포함하는 터빈 엔진의 가스 생성기의 고-압 터빈의 다운스트림에 위치된 부분이 도시된다. 이 베어링 마운팅은 단지 조종 및 정상 작동 중에 샤프트의 이동을 유지시킴으로써 반경방향 강성 대상물에 의해 허용된 정도까지 천공되는 구조적 헤어핀을 갖는다. 가스 생성기로부터의 가스는 내부 헤어핀(4)에 의해 베어링 케이싱에 그리고 외부 헤어핀(3)에 의해 엔진의 외부 구조물에 연결되는 터빈들 사이에서 덕트(2)를 통과한다. 조립체는 터빈들 사이에 덕트(2)를 포함하고, 2개의 헤어핀(3, 4)은 엔진의 후방 베어링 마운팅(1)으로 구성된다. 후방 베어링 마운팅의 다운스트림에서 가스는 자유 터빈(5)의 노즐 가이드 베인을 통과하고, 그 뒤 자유 터빈 휠(6)을 통해 이의 에너지가 전달된다. 자유 터빈 휠은 엔진으로부터 동력을 회복시키는 2개의 베어링(7, 8)에 의해 구조물에 대해 회전하는 구동 샤프트(9)에 기계적으로 연결된다. 이들 2개의 베어링은 자체적으로 엔진 구조물로서 형성되고, 이에 대해 후방 베어링 마운팅(1)에 의해 연결된다.

종래 기술의 이 형상에서, 상부 헤어핀은 베어링 마운팅에 대해 약간의 유연성(flexibility)을 제공하기만 정확한 한계 내에서 베어링의 보유 또는 부품의 반경방향 강성을 부여하지 않도록 이의 주변만이 다소 천공된다. 따라서, 베어링 마운팅의 헤어핀의 유연성은 상대적으로 제한되며, 그 결과 이의 움직임의 자유는 열기계 원인(thermomechanical origin)의 반경방향 로딩에 응답하기에 충분하지 못하고, 따라서 베어링 마운팅은 충분하지 못한 내구성을 갖는다.

이제, 도 3을 참조하면, 도 3에는 본 발명의 제1 실시예가 도시된다. 상부 헤어핀(3)은 외측 측면에서 엔진의 구조물의 플랜지(10)에 부착되고, 상기 플랜지에 또한 자유 터빈의 터빈 슈라우드(turbine shroud, 11)가 부착되며, 터빈 슈라우드는 후방 신장부(11b)에 의해 터빈 휠(6)에서 가스 흐름 경로의 외측을 향하여 반경방향 밀봉을 제공하는 부품이다. 제1 실시예에서, 터빈 슈라우드(11)는 또한 엔진의 전방을 향하여 플랜지(10)로부터 연장되는 환형 형태의 전방 신장부(11a)를 가지며, 이의 전방 단부에서 반경방향 접합부(12)를 형성하는 부품을 가지며, 상기 반경방향 접합부 상에서 변형 시에 헤어핀(3)이 차단되고 엔진의 회전 축의 방향으로 이동한다. 접합부(12)의 추가는 헤어핀(3)이 외부 플랜지와 덕트 사이의 시차 열 팽창을 흡수할 수 있는 이의 능력과 이의 유연성을 향상시키기 위해 바를 이용한 케이지(cage)의 방식으로 상당한 정도로 천공될 수 있다.

도 4를 참조하면, 도 4에는 본 발명의 제2 실시예가 도시된다. 제1 실시예와 동일한 베어링 마운팅의 이들 요소는 재차 기술되지 않고 동일한 도면 부호로 도시된다. 헤어핀(3)은 터빈 슈라우드(11)와 같이 플랜지(10)에 동일한 방식으로 부착된다. 이 구성에서, 이 슈라우드는 단지 하나의 신장부(11b)를 가지며, 터빈 휠(6)의 영역에서 신장부(11a)는 배제된다. 그러나, 엔진의 전방 방향으로 연장되고 플랜지(10)에 부착되는 환형 형상의 지지 부품(21)이 추가된다. 이전과 같이, 이는 외부 헤어핀(3)을 향하기보다는 베어링 마운팅(1)의 덕트(2)의 후방 단부 영역에 위치되는 반경방향 접합부(22)에서 말단을 이룬다. 이는 엔진의 외측을 향한 이동이 방지되는 것처럼 도시되지만 일 실시예에서 접합부는 환형 형상이고 유사한 방식으로 거동하며, 도면에 도시된 접합부의 일부를 사용하거나 또는 이에 대해 직경방향으로 마주보는 부분을 사용하여 차단됨으로써 베어링 마운팅의 움직임을 제한한다.

제1 실시예 또는 제2 실시예가 고려되든지, 접합부(12 또는 22)는 엔진이 작동되지 않고 이 구성이 필수적이지 않은 상태에서 상부 헤어핀(3) 또는 덕트(2)의 일부분에 대해 다소 후퇴될 수 있다(set back)(이는 도면에 도시되지 않음). 이 후퇴에 따라 베어링 마운팅(1)은 헤어핀(3, 4)의 유연성의 결과로서 열기계 로딩 하에서 반경방향으로 이동할 수 있다. 이 움직임은 제1 실시예에서 상부 헤어핀(3) 또는 제2 실시예에서 덕트(2)가 대응하는 접합부와 접촉하지 않는 한 가능하다. 이를 초과하여, 항공기 조종 유형의 로딩과 연계된 베어링 마운팅의 임의의 가로방향 움직임은 대응하는 접합부에 의해 제한되고, 헤어핀에 의해 허여된 베어링 마운팅(1)의 반경방향 움직임의 유연성은 접합되기 때문에 배제된다.

터빈 슈라우드(11) 또는 지지 부품(21)의 신장부(11a)이든지 간에, 전방 신장부의 강성은 대응하는 접합부(12 또는 22)와 접합할 때 베어링 마운팅(1)의 가로방향 움직임을 중단시키기에 충분히 큰 것은 상당히 자명하다.

제1 실시예에 따라 본 발명이 작동되는 방식이 이제 기술될 것이다. 제2 실시예에 따른 작동은 정확히 동일하다.

작동 중에, 베어링 마운팅(1)은 항공기에 적용된 로드 인자(load factor)의 효과 하에서 또는 열 기계 로딩의 효과 하에서 이동할 수 있다. 이 이동은 응력이 베어링 마운팅의 주연부 주위에 균등하게 분포될 때 환형 형태(열기계 변형에 따른 경우) 또는 비-축대칭성 형태(로드 인자의 경우) 발생될 수 있다. 본 발명이 유연한 케이지의 형태인 헤어핀(3, 4)은 더 큰 유연성을 허여하기 위해 종래 기술에서보다 더욱 슬롯형이다. 그 결과, 베어링 마운팅(1)은 접합부(12)에 접촉하지 않는 한 이들 응력에 응답하여 더욱 자유롭게 이동한다. 이에 따라, 응력은 헤어핀 내에서 발생되지 않고, 더욱 우수한 피로 저항도 및 연장된 수명이 제공된다. 증가된 유연성에 의해 허용된 제1 변형 이후에, 헤어핀(3)은 추가 로딩이 있을 때, 현저하게는 항공기가 조종 시에 환형 섹터들 중 적어도 하나의 환형 섹터 상에서 접합부(12)와 접촉한다. 접합부와 베어링 마운팅 사이의 후퇴는 최적화되어 이들 2개의 부품이 단족으로 열기계 로딩 하에서 서로 접촉하지 않는다. 덕트(2)의 움직임에 대한 이 한계점(limit)은 베어링 마운팅을 전체적으로 강성의 상태로 유지시키고 가능한 엔진의 대칭축과 밀접하게 샤프트를 정렬된 상태로 유지시키기 위한 필요에 의해 구성된다.

그러나, 이 한계점에 도달되지 않는 한, 베어링 마운팅은 헤어핀(3, 4)의 유연성의 결과로서 더욱 자유롭게 변형될 수 있다. 반면, 종래 기술에서는, 헤어핀의 유연성이 더 낮고, 응력은 더 신속하게 높은 수준에 도달되어 피로 수명에 이롭지 못하고, 본 발명에서는 이러한 전개는 후속 단계에서 발생된다. 그 결과, 베어링 마운팅(2)의 수명이 매우 현저히 향상된다.

이 향상된 베어링 마운팅의 작동은 엔진이 전체 주변에 걸쳐서 연장되는 접합부(12 또는 22)에 따라 설명된다. 본 발명은 뿐만 아니라 이 주변 주위에 균등하게 분포된 복수의 접합부에 따라 구현될 수 있다. 환형 형상으로 도시된 접합부(12, 22)는 필수적으로 축대칭성 부품(axisymmetric component)은 아니며, 이의 열기계 거동을 최적화하기 위해 축대칭의 분할부(천공, 슬롯)를 가질 수 있다.

본 발명이 다수의 특정 실시예에 따라 기술될지라도, 본 발명의 범위 내에 있는 기술된 수단의 모든 기술적 균등물 및 이의 조합을 포함하는 것은 매우 자명하다.

Claims (7)

1. 터보머신 샤프트(turbomachine shaft)의 하나 이상의 베어링(7, 8)을 장착하기 위한 마운팅 부품 및 상기 마운팅 부품용 접합부를 형성하는 지지 부품(11, 21)으로 구성되는 조립체로서, 상기 마운팅 부품은 하나 이상의 덕트(2)를 포함하고 상기 덕트를 통해 엔진으로부터의 가스가 이동하며, 상기 마운팅 부품은 엔진의 외부 구조물(10) 및 베어링이 있는 케이싱에 상기 덕트를 연결할 수 있는 연결 부품(3, 4)을 포함하고, 하나 이상의 연결 부품은 샤프트의 회전축의 배향에 대해 상기 덕트(2)의 반경방향 움직임을 허용하도록 유연하고, 상기 반경방향 움직임의 크기는 상기 지지 부품(11, 21)과 이어져 있는 접합부(12, 22)와 접촉하는 마운팅 부품의 하나 이상의 요소(2, 3, 4)에 의해 제한되며, 상기 지지 부품(11)은 터빈 슈라우드(11b)를 터보머신의 터빈 휠(6)과 대향하도록 배치하기 위해 터보머신의 회전축의 방향에 대해 종방향으로 연장되는 조립체.
2. 제1항에 있어서, 지지 부품(11)과 외부 구조물에 연결하기 위한 연결 부품(3)은 터보머신의 외부 구조물의 동일한 플랜지(10)에 고정되는 조립체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 접합부(12)는 외부 구조물에 연결하기 위하여 연결 부품(3)과 상호작용하는 조립체.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 접합부(22)는 상기 덕트(2)의 벽과 직접 상호작용하는 조립체.
5. 제1항에 있어서, 접합부는 상기 베어링과 이어져 있는 케이싱에 연결하기 위해 연결 부품(4)과 상호작용하는 조립체.
6. 제1항에 있어서, 외부 구조물에 연결하기 위해 연결 부품(3)과 상호작용하는 접합부(12, 22) 및 상기 베어링과 이어져 있는 케이싱에 연결하기 위해 연결 부품(4)과 상호작용하는 접합부를 포함하는 조립체.
7. 전항들 중 어느 한 항에 따르는 회전 샤프트의 베어링들 중 하나의 베어링을 장착하기 위해 하나 이상의 마운팅 부품을 포함하는 터보머신.

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