JP2000337385A - 可変ベーンシールおよびワッシャ材料 - Google Patents

可変ベーンシールおよびワッシャ材料

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステータベーンステムと圧縮機ケーシング間
の空気漏れを防ぐ軸受アセンブリを開発し、シールおよ
びワッシャの耐久性を高め部品寿命を長くする。 【解決手段】 タービンエンジンにおいてベーンステム
（２４６）とケーシング（２０６）との間をシールする
多層のシール（２０４）およびワッシャ（２２０）が提
供される。シール（２０４）およびワッシャ（２２０）
を、テフロン（登録商標）繊維およびガラス繊維のよう
な材料から製造し、ポリイミド樹脂で含浸する。このよ
うなシール（２０４）およびワッシャ（２２０）は耐久
性で、低い摩擦係数を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】この発明は、一般に軸受アセンブリに関
し、特に軸受アセンブリ材料に関する。
【０００２】
【背景技術】ガスタービンエンジンは、通常、高圧圧縮
機、燃焼器および高圧タービンを含む。高圧圧縮機で圧
縮空気をエンジンに流す一方、燃焼器で燃料をこの圧縮
空気と混合し、点火して高エネルギーガス流を形成す
る。高圧圧縮機、燃焼器および高圧タービンは、これら
を一緒にコアエンジンと呼ぶこともある。このようなガ
スタービンエンジンは、高圧圧縮機にさらに圧縮するた
め圧縮空気を供給する低圧圧縮機およびその低圧圧縮機
に空気を供給するファンも含む。
【０００３】高圧圧縮機は、代表的には、ロータをケー
シングで取り囲んだ構成である。ケーシングは代表的に
は、取り外し可能なように作成され、たとえばケーシン
グを２つの半部に形成し、これらを着脱自在に合体す
る。高圧圧縮機は複数の段を含み、各段が１列のロータ
ブレードと１列のステータベーンを含む。ケーシングで
ステータベーンを支持し、ロータでロータブレードを支
持する。ステータベーン列は、ロータブレード列の間に
位置し、空気流を下流のロータブレード列に差し向け
る。
【０００４】可変ステータベーンアセンブリを用いて、
圧縮機に流れる空気の量を制御して圧縮機の性能を最適
にする。各可変ステータベーンアセンブリの可変ステー
タベーンは、隣接するロータブレード間に延在する。可
変ステータベーンは軸線のまわりに回転可能である。可
変ステータベーンの向きにより圧縮機に流れる空気流を
変える。
【０００５】既知の可変ベーンアセンブリは、可変ベー
ン、トラニオンシールおよびワッシャを含む。可変ベー
ンアセンブリは高圧圧縮機ステータケーシングにボルト
止めされ、トラニオンシールおよびワッシャは、ケーシ
ングに貫通する開口を取り囲む。可変ベーンのベーンス
テムがケーシングの開口に貫通し、かつトラニオンシー
ルおよびワッシャに貫通する。シールおよびワッシャを
ここでは軸受アセンブリと呼ぶ。軸受アセンブリは、金
属と金属の接触を防止する低摩擦面を提供する。このよ
うな可変ベーンアセンブリには、ケーシングの開口を通
しての空気漏れ通路が生じる可能性がある。また、高速
高温空気は軸受アセンブリの酸化、侵食の原因となり、
これが軸受アセンブリ内の繊維の破損、そして最終的に
は可変ベーンアセンブリの破損につながる。
【０００６】軸受アセンブリが破損すると、開口を通し
ての漏れが増加し、その結果性能が劣化する。その上、
軸受アセンブリの破損により、ステータベーンとケーシ
ングが接触し、このため摩耗が起こり、エンジンのオー
バーホールコストが増大する。
【０００７】したがって、ステータベーンステムと圧縮
機ケーシング間の空気漏れを減らすかなくす性能特性を
有する材料から製造した軸受アセンブリを開発すること
が望まれている。また、シールおよびワッシャ組成物の
耐久性を高めて部品寿命を長くすることも望まれてい
る。
【０００８】
【発明の概要】このような目的を達成するために、本発
明は、ベーンステムとケーシングの間をシールする多層
軸受アセンブリを提供する。１実施態様では、軸受アセ
ンブリは、開口を取り囲むようにケーシング上に配置さ
れたワッシャおよびシールを含む。ベーンステムは開口
および軸受アセンブリに貫通する。軸受アセンブリの各
要素の外側層を、低摩擦係数を与える材料の組合せから
製造する。
【０００９】シールは、ステータベーンがステータケー
シングに接触するのを防止し、空気流が開口から外に出
るのを防止する。ワッシャは、スペーサとケーシングの
接触を防止し、また空気流が開口から外に出るのを防止
する。したがって、軸受アセンブリは、ステータケーシ
ングの開口を通って逃げ出す空気流に対して二重の障壁
を与える。
【００１０】シールおよびワッシャは、望ましい性能特
性を有し、低い摩擦係数を与える複数の材料の組合せ、
たとえばポリイミド樹脂で含浸したテフロン繊維とガラ
ス繊維の組合せから製造する。さらに、軸受アセンブリ
材料はステータベーンアセンブリの使用寿命を大幅に延
長し、ステータケーシングの開口を通しての空気の漏れ
を減らす。さらに、軸受アセンブリは、タービンエンジ
ンの効率を改善するとともに、ステータケーシング、ス
テータベーンおよびスペーサ間の金属と金属の接触に起
因するオーバーホールコストを低減する。
【００１１】
【好適な実施態様】図１は、タービンエンジン（図示せ
ず）用の高圧圧縮機１００の一部を示す断面図である。
この圧縮機１００は複数の段１０２を含み、各段１０２
は一列のロータブレード１０４と一列の可変ステータベ
ーンアセンブリ１０６とを含む。ロータブレード１０４
は、代表的には、ロータディスク１０８で支持され、ロ
ータシャフト１１０に連結されている。ロータシャフト
１１０は、高圧タービン（図示せず）に連結された高圧
シャフトである。ロータシャフト１１０は、可変ステー
タベーンアセンブリ１０６を支持するステータケーシン
グ１１２で包囲されている。
【００１２】各可変ステータベーンアセンブリ１０６
は、可変ベーン１１４およびベーンステム１１６を含
む。ベーンステム１１６はケーシング１１２の開口１１
８から突出する。可変ベーンアセンブリ１０６はさら
に、可変ベーン１１４から延在するレバーアーム１２０
を含み、これは可変ベーン１１４を回転するのに使用さ
れる。圧縮機１００内の流路に対するベーン１１４の向
きにより、流路の空気流を制御する。可変ベーンアセン
ブリ１０６のいくつかはケーシング１１２にボルト１２
２により固着されている。
【００１３】可変ベーンアセンブリ１０６は圧縮機１０
０を通る空気流を制御する。しかし、可変ベーンアセン
ブリ１０６は、空気流に関して、たとえば開口１１８を
通して圧縮機１００から外に出る潜在的通路も提供す
る。開口１１８を通して空気流が失なわれると、圧縮機
１００の効率が低下する。
【００１４】図２は、本発明の１実施例による可変ベー
ンアセンブリ２００の断面図である。この可変ベーンア
センブリ２００は可変ベーン２０２を含む。可変ベーン
２０２上にシール２０４が配置されている。ケーシング
２０６は可変ベーン２０２を支持し、第１凹所２０８、
内側部分２１０および第２凹所２１２を含む。内側部分
２１０により開口２１４が形成される。
【００１５】シール２０４は第１部分２１６および第２
部分２１８を含む。シールの第１部分２１６はケーシン
グの第１凹所２０８と直接接触しており、可変ベーン２
０２をケーシング２０６から分離している。シールの第
２部分２１８はケーシングの内側部分２１０に接触し、
可変ベーン２０２をケーシング２０６から分離してい
る。本実施例では、シールの第１部分２１６がケーシン
グの第１凹所２０８のほぼ全長に延在する。さらに、シ
ールの第２部分２１８がケーシングの第２凹所２１２の
ほぼ全長に延在し、シールの第１部分２１６にほぼ垂直
である。シール２０４は可変ベーン２０２がケーシング
２０６に直接接触するのを防止する。
【００１６】可変ベーンアセンブリ２００はさらにワッ
シャ２２０を含む。本実施例では、ワッシャ２２０はほ
ぼ平坦で、内径表面２２２および外径表面２２４を含
む。具体的には、ワッシャ２２０は第１壁２２６および
第２壁２２８を有し、その厚み２３０は内径表面２２２
から外径表面２２４までほぼ一定である。ワッシャ２２
０はケーシングの第２凹所２１２と直接接触しており、
ケーシングの第２凹所２１２のほぼ全長に延在する。
【００１７】可変ベーンアセンブリ２００は、ワッシャ
２２０と接触しているスペーサ２３２を含む。ワッシャ
２２０はスペーサ２３２とケーシングの第２凹所２１２
との接触を防止する。スペーサ２３２は第１部分２３４
および第２部分２３６を含む。スペーサの第１部分２３
４はワッシャ２２０と接触し、その長さがワッシャ２２
０の半径方向長さにほぼ等しい。スペーサ２３２はワッ
シャ２２０によりシール２０４から分離されている。本
実施例では、シール２０４とワッシャ２２０は互いに接
触しない。ワッシャ２２０はスペーサ２３２がケーシン
グ２０６に接触するのを防止する。
【００１８】可変ベーン２０２はまた、第１部分２３
８、外側部分２４２を有するレッジ２４０およびスペー
サ着座部２４４を含む。レッジ２４０はベーンステム２
４６を包囲している。ベーンステム２４６とレッジ２４
０はケーシング２０６の開口２１４中に延びる。シール
の第２部分２１８がケーシング２０６の内側部分２１０
に沿って延在する。シールの第２部分２１８は、レッジ
の外側部分２４２がケーシングの内側部分２１０に接触
するのを防止する。
【００１９】可変ベーンアセンブリ２００は、ベーンス
テム２４６のまわりに配置され、スペーサ２３２に接触
したレバーアーム２４８も含む。レバーアーム２４８を
用いて、可変ベーン２０２の角度を調節し、したがって
圧縮機に流れる空気流を変更する。
【００２０】さらに、可変ベーンアセンブリ２００は、
レバーアーム２４８に接触したスリーブ２５０およびス
リーブ２５０に接触したレバーアームナット２５２を含
む。レバーアームナット２５２はベーンステム２４６と
協働し、可変ベーンアセンブリ２００をケーシング２０
６と接触状態に維持する。
【００２１】可変ベーンアセンブリ２００を組み立てる
には、シール２０４を可変ベーン２０２の上に、シール
第１部分２１６および第２部分２１８が可変ベーン２０
２に接触しかつ互いにほぼ垂直になるように、配置す
る。可変ベーン２０２およびシール２０４は開口２１４
中に延びる。
【００２２】ワッシャ２２０をケーシング２０６の上に
シール２０４に隣接させて配置する。スペーサ２３２を
可変ベーン２０２の上に位置させ、ワッシャ２２０と接
触させる。レバーアーム２４８をベーンステム２４６の
上に位置させ、スペーサ２３２と接触させる。スリーブ
２５０をベーンステム２４６の上に位置させ、レバーア
ーム２４８と接触させる。最後に、レバーアームナット
２５２をベーンステム２４６の上に位置させ、スリーブ
２５０と接触させる。
【００２３】ワッシャ２２０およびシール２０４は、可
変ベーンアセンブリ２００に用いる軸受アセンブリを形
成し、たとえば高圧圧縮機に用いることができる。もち
ろん、ワッシャ２２０およびシール２０４を、ロータベ
ーンアセンブリ、低圧圧縮機可変ベーンアセンブリ、高
圧タービン、低圧タービンなどの他の環境に使用しても
よい。
【００２４】図３は、軸受要素３００の断面図である。
この軸受要素３００は、たとえば、図２に示す可変ベー
ンアセンブリ２００のような可変ベーンアセンブリにお
いて、ワッシャ２２０および／またはシール２０４とし
て使用することができる。もちろん、この軸受要素３０
０は、耐久性と低い摩擦係数が望まれるあらゆる軸受ア
センブリに使用することができる。
【００２５】軸受要素３００は第１層３０２、第２層３
０４および第３層３０６を含む。第２層３０４は第１側
面３１０および第２側面３１８を有する。第１層３０２
は内面３１２および外面３０８を有する。同様に、第３
層３０６は内面３１６および外面３１４を有する。
【００２６】第１層３０２および第３層３０６は、テフ
ロン繊維とガラス繊維を織ってマットとしたものから形
成する。第２層３０４は、ガラス繊維を同様に織ってマ
ットとしたものから形成する。第１層３０２および第３
層３０６の作成に用いるテフロンおよびガラス繊維の製
織は、外面３１４および３０８がほとんどテフロン繊維
となり、一方内面３１２および３１６がほとんどガラス
繊維となるようにする。外面３１４および３０８のテフ
ロン繊維は軸受要素３００の低い摩擦係数を高め、内面
３１２および３１６のガラス繊維は第１層３０２および
第３層３０６の第２層３０４への結合を良くする。ある
いは、層３０２，３０４，３０６を、第１層３０２およ
び第３層３０６をテフロン繊維および炭素繊維から作成
し、第２層３０４を炭素繊維から作成して編組してもよ
い。
【００２７】第１層３０２、第２層３０４および第３層
３０６は、軸受要素３００の耐久性を高め、摩擦係数を
低くするのに適当なポリイミド樹脂で含浸する。ポリイ
ミド樹脂としては、デュポン社（E.I. duPont de Ne
mours and Company, Wilmington, Delaware）から市
販されているＮＲ−１５０、マベリック社（MaverickCo
rporation, Cincinnati, Ohio）から市販されている
ＭＶＫ−１９、ウィットフォード社（Whitford Corpor
ation, West Chester, Pennsylvania）から市販され
ているＸｙｌａｎ１０１０、Ｉ．Ｓ．Ｔ．アメリカ社
（I.S.T. America, Chula Vista, California）から
市販されているＳｋｙｂｏｎｄ−７０３、サイテック工
業社（Cytec Industries, Inc., West Paterson, N
ew Jersey）から市販されているＰＭＲ−１５などが適
当である。
【００２８】軸受要素３００を形成するには、ポリイミ
ド樹脂を第１層３０２、第２層３０４および第３層３０
６に含浸させ、硬化する。第１層３０２、第２層３０４
および第３層３０６を互いに接触関係に配置し、ついで
互いに結合させて軸受要素３００を形成する。
【００２９】さらに、テフロン粉末をポリイミド樹脂に
添加して、軸受要素３００の耐久性を高めるとともに、
摩擦係数を低くすることもできる。テフロン粉末、Ｍｏ
Ｓ2粒子またはこれらの混合物を含有するポリイミド樹
脂の最終被膜を用いて、さらに軸受要素３００の耐久性
を高めるとともに、摩擦係数を低くすることもできる。
あるいは、ポリイミド樹脂の含浸前に、第１層３０２、
第２層３０４および第３層３０６をプラズマエッチング
し、樹脂の軸受要素３００への結合を増強することがで
きる。
【００３０】第１層３０２、第２層３０４および第３層
３０６を形成するのに用いるガラス繊維は、通常、エポ
キシなどのサイズ材料で被覆する。サイズ材料はシラン
などの他の適当な材料としてもよい。あるいは、第１層
３０２、第２層３０４および第３層３０６を形成するの
に用いるガラス繊維の代わりに石英繊維を用いてもよ
い。
【００３１】軸受アセンブリはステータケーシングを通
る空気流を大幅に限定し、この結果可変ベーンアセンブ
リの使用寿命が長くなる。開口を通しての空気の漏れが
抑制されるか防止されるので、タービンエンジンの効率
が上昇する。さらに、ケーシング、可変ベーンおよびス
ペーサ間の接触がいちじるしく軽減されるかなくなるの
で、タービンエンジン全体、特に圧縮機のオーバーホー
ルコストも低くなる。
【００３２】本発明の種々の実施態様についての以上の
説明から、本発明の目的が達成されていることが明らか
である。本発明を具体的に説明し図示したが、これは例
示にすぎず、限定と解すべきものではない。本発明の要
旨は、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】タービンエンジン用の高圧圧縮機の一部を示す
線図である。
【図２】本発明の１実施例による軸受アセンブリを含む
可変ベーンアセンブリの断面図である。
【図３】図２に示した軸受要素の層を示す断面図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェイン・レイ・ボウエン アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、グレッグ・ドライブ、9242番 (72)発明者 デービット・バークレイ・ヘスター アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、ウエスト・チェスター・ロー ド、7426番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の層（３０２，３０４，３０６）を
    備え、これらのうち少なくとも１層がテフロン繊維、ガ
    ラス繊維、炭素繊維のうち少なくとも１種またはそれら
    の組合せからなる複数の材料から形成され、 前記層が少なくとも１種のポリイミド樹脂で含浸された
    軸受要素（３００）。
  2. 【請求項２】 前記ガラス繊維が、エポキシ被覆材、シ
    ラン被覆材またはこれらの組合せからなるサイズ材料で
    被覆された、請求項１に記載の軸受要素（３００）。
  3. 【請求項３】 前記層それぞれが前記複数の繊維材料の
    織物マットからなる、請求項２に記載の軸受要素（３０
    ０）。
  4. 【請求項４】 前記複数の層が、テフロン繊維およびガ
    ラス繊維の織物マットからなる第１層（３０２）と、ガ
    ラス繊維の織物マットからなる第２層（３０４）と、テ
    フロン繊維およびガラス繊維の織物マットからなる第３
    層（３０６）とを含む、請求項１に記載の軸受要素（３
    ００）。
  5. 【請求項５】 前記軸受要素がワッシャおよびシールの
    少なくとも一方を構成する、請求項１に記載の軸受要素
    （３００）。
  6. 【請求項６】 第１材料と第２材料の組合せから複数の
    層（３０２，３０４，３０６）を形成し、 これらの複数の層から軸受要素を形成し、そして軸受要
    素にテフロンを含有するポリイミド樹脂を含浸する工程
    を含む軸受要素（３００）の製造方法。
  7. 【請求項７】 第１材料および第２材料がテフロン繊
    維、ガラス繊維、炭素繊維のうち少なくとも１種または
    それらの組合せからなる、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記複数の層を形成する工程が、 第１材料からなる第１層（３０２）を形成する工程、 第２材料からなる第２層（３０４）を形成する工程、お
    よび第１材料からなる第３層（３０６）を形成する工程
    を含む、請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 さらに、軸受要素を、テフロン粉末、Ｍ
    ｏＳ2粒子またはこれらの混合物を含有するポリイミド
    樹脂で被覆する工程を含む、請求項６に記載の製造方
    法。
  10. 【請求項１０】 第１層（３０２）がテフロン繊維およ
    びガラス繊維を含み、 第２層（３０４）がガラス繊維を含み、 第３層（３０６）がテフロン繊維およびガラス繊維を含
    み、 ガラス繊維がエポキシサイズ剤で被覆された、請求項８
    に記載の方法。
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