JP4800717B2 - ガスタービンエンジンのバランス修正方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンを含む組立体のバランス修正方法およびその装置に関する。

少なくとも公知のある種のガスタービンエンジンは、直列流構成では、圧縮機、燃焼器、高圧タービン、および低圧タービンを備える。圧縮機、燃焼器、および高圧タービンは、ガスジェネレータまたはコアエンジンと総称されることがある。圧縮空気は圧縮機から燃焼器へ導かれ、そこで燃料と混合され、点火される。燃焼ガスはタービンに導かれ、タービンは、圧縮機を駆動するとともに、飛行中の機体を推進するのに有効な仕事を生成し、または発電機などの負荷を駆動するためのエネルギーを燃焼ガスから取り出す。

タービンエンジンのバランスを修正することにより、エンジン作動中の振動による潜在的破壊力が回避し易くなる。バランス修正は、組立体を回転させ、各不釣合い量および位置を特定することにより達成される。そのとき、アンバランスを修正するために部材を付け加え、または取り外す。一般に、回転部品個々にバランスを修正し、それら部品を組み立てた後に、組立て中の累積アンバランスを修正するためにさらに組立体のバランス修正を行う。少なくともある種の用途では、低圧タービンまたはパワータービンは、さらにバランスを修正する必要を生じさせる他の回転部品と結合される。

少なくともある種のエンジン組立体では、パワータービンが発電機に結合されている。エンジンが船に搭載されたとき、エンジンと発電機は、周囲の船体に伝わる振動による潜在的損傷力の発生を防ぎやすくするために、搭載状態でフィールドバランス修正を行うことが望ましい。通常、振動を許容範囲に下げるために２平面によるバランスが推奨される。エンジンと発電機の組立体における２平面バランスでは、パワータービン後部の面とパワータービン前方の第２の面が、通常、バランス修正面として選択される。パワータービンの後部の面には、通常容易に接近できるが、前部のバランス修正面への接近は、接近性が良くないことがある。

たとえば、少なくともある種のエンジン組立体では、前部バランス修正面は、駆動シャフトを被うアクセスポートを通して接近できるだけである。さらに、少なくともある種のエンジン組立体では、フィールドバランス修正は、バランスウエイトをナットまたはボルトの下に取り付けるために、少なくとも部分的にボルト結合部を分解する必要があり得る。しかし、そのような結合部を分解することにより、再組立ての時に部品の位置が狂うと、実際には別のアンバランスを発生させることになり得る。
米国特許５，５４５，０１０号

一態様では、パワータービンを備えるガスタービンエンジン組立体のフィールドバランス修正方法が提供される。その方法は、パワータービンを負荷に結合することと、パワータービン後部の第１のバランス修正面を定めることと、パワータービン前方の第２のバランス修正面を定めることとを含む。バランス修正値は第１のバランス修正面および第２のバランス修正面それぞれについて決定される。第１のバランス修正面について決定されたバランス修正値に基づいて第１のバランス修正面にバランスウエイトを取り付け、第２のバランス修正面について決定されたバランス修正値に基づいて第２のバランス修正面にバランスウエイトを取り付けるが、そのとき、各バランスウエイトは、ボルトを取り外すことなしにそれぞれのボルト頭部に結合される。

別の態様では、ガスタービンエンジンを含む回転組立体をバランス修正するためのシステムが提供される。システムは、エンジンを回転負荷に結合するように構成された複数の結合具を備え、その結合具を介してエンジンからのトルクを回転負荷に伝達する。各結合具は、頭部、頭部から結合具の長手方向軸に沿って延びる細長いシャンク部、および頭部から結合具の長手方向軸に沿ってシャンク部とは反対側に延びるねじ付きスタッドを有する。バランスウエイトが、複数の結合具それぞれに結合されるように構成されている。

別の態様では、回転負荷、回転負荷に駆動的に結合されたガスタービンエンジン、およびバランス修正システムを有するバランス修正対象回転組立体を提供する。バランス修正システムは、組立体のバランス修正面に配置された複数の締結具を有する。各締結具は、エンジンからのトルクを回転負荷に伝達するために、エンジンを回転負荷に結合するように構成されている。各締結具は、頭部、頭部から締結具の長手方向軸に沿って延びる細長いシャンク部、および頭部から長手方向軸に沿ってシャンク部とは反対側に延びるスタッドを有する。バランスウエイトが、複数の締結具それぞれに結合されるように構成されている。

図１は、搭載状態のガスタービンエンジン１０のブロック図であり、エンジン１０は、全体を符号１２で表わされている発電機などの負荷を駆動するのに使用されている。発電機１２はギャボックス部分１３を介して駆動されてもよい。以下、発電機１２に言及する場合はギャボックス部１３も含むものと理解されるべきである。直列流関係にあるエンジン１０は、低圧圧縮機またはブースタ１４、高圧圧縮機１６、燃焼器１８、高圧タービン２０、低圧または中間タービン２２、およびパワータービン２４を有する。低圧圧縮機またはブースタ１４は入口２６および出口２８を有する。高圧圧縮機１６は、入口３０および出口３２を有する。高圧圧縮機１６は、入口３０および出口３２を有する。燃焼器１８は、高圧圧縮機出口３２と実質的に一致する入口３４、および出口３６を有する。高圧タービン２０は、高圧圧縮機１６に第１の回転軸４０で結合され、低圧タービン２２は、低圧圧縮機１４に第２の回転軸４２で結合されている。回転軸４２は、第１の回転軸４０内に、エンジン１０の長手方向中心軸４３回りに同軸に配置されている。一実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナティ市ジェネラルエレクトリック社から市販されているＬＭ５００エンジンである。

作動中、外部空気が低圧圧縮機１４の入口２６に引き込まれ、そこで空気は圧縮され、低圧圧縮機１４から高圧圧縮機１６に供給される。高圧圧縮機１６は、空気をさらに圧縮し、高圧空気を燃焼器１８に送り出し、そこで高圧空気は燃料と混合され、点火されて高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼器１８から駆動タービン２０、２２、および２４に導かれる。

本発明を、ガスタービンエンジンによって駆動される発電機に関して以下に記述するが、以下の記述は例示的目的のためのみであり、本明細書に示された本発明のコンセプトの一適用可能例に過ぎないことが理解されるべきである。本発明の恩恵および利点は、エンジン１０のようなガスタービンエンジンによって駆動され得る他のタイプの負荷に対しても同等に生じ得るものであることが理解されるべきである。

エンジン１０の一実施形態では、パワータービン２４および低圧タービン２２は共に第２の回転軸４２に結合されている。発電機１２は第２の回転軸４２の前方延長軸４６に結合されている。エンジン１０はまた、エンジン１０の後部に配置され、パワータービン軸４４に駆動的に結合され得る負荷（図示せず）を駆動するのに用いることもできる。負荷をエンジン１０の前方に配置すると、負荷をエンジン１０の排気熱から離して配置できる利点が得られる。

エンジン１０および発電機１２が発電ユニット５０を形成する。エンジン１０と発電機１２は別々のユニットとしてバランス修正するが、エンジン１０および発電機１２を損傷し得る破壊的振動を回避し易くするために、発電ユニット５０をバランス修正することもまた必要である。２平面で発電ユニット５０をバランス修正することにより、発電ユニット５０の作動中の振動レベルを低減することが容易になる。

本発明の一実施形態では、第１または後部バランス修正面５２はパワータービン２４の後端５４に定められ、第２のバランス修正面５６はパワータービン２４の前方、前方延長軸４６と発電機１２の駆動または入力軸６０との間の継手５８位置に定められる。バランス修正面５６は、延長軸４６を継手５８に結合するボルト結合部７０（図２参照）を通って延在するように選択される。

従来は、バランス修正は、バランス修正面で、負荷を担持しているボルトシャンクからナットを取り外し、そのボルトにバランスウエイトまたはバランスワッシャを取り付け、ナットを元に戻すことにより、実施されてきた。これは、平面５２のような後部バランス修正面では、パワータービン２４へ接近し易いので容易に実施することができる。しかし、適用事例によっては、平面５６のような第２または前方バランス修正面のボルト結合部への接近が制限を受けることがある。

一実施形態では、作業員や他の品物が不注意で延長軸４６、継手５８、および駆動軸６０に接触してしまうことがないように、延長軸４６、継手５８、および駆動軸６０は、それら回転部品を蔽うために設けられたカバー６４（図２参照）中に格納されている。カバー６４には、第２のバランス修正面５６位置にポート６６を設けて、継手５８、延長軸４６の端部７２（図２参照）、および駆動軸６０に接近し易くしている。しかし、第２のバランス修正面５６位置の継手５８への接近性はかなり制限されるので、継手５８にバランスウエイトを取り付けるためにナットまたはボルトを取り外すのが難しい。

図２は、エンジン１０と発電機１２を駆動的に連結するために、発電機１２と延長軸４６を結合する例示的ボルト継手結合部７０の概略図である。より詳細には、ボルト結合部７０は、駆動軸６０（図１参照）に連結されている継手５８に延長軸４６を結合する。延長軸４６は、円周取付けフランジ７４を備える前方取付け端部７２、および複数のシール７８を備えるディスク７６を有する。一実施形態では、シール７８は、駆動軸カバー６４の内面に形成されたシール面（図示せず）に対向して封止することによって、継手および駆動軸カバー６４内の継手５８の領域へのガスの漏れ込みを最小限に抑えるように働くラビリンスまたはナイフエッジシールである。シール７８はまた、低圧タービン２２、パワータービン２４、および低圧圧縮機１４を含む低圧ロータ系のスラストバランスを確立するのも援ける。取付けフランジ７４は、そこから前方に延びる円周リップ８２および合わせ面８４を備える。リップ８２は、第１または外側半径Ｒ_１、および半径Ｒ_１より小さい第２または内側半径Ｒ_２を有する。一実施形態ではリップ８２は連続であるが、他の実施形態ではリップ８２は間欠的であり得る。

継手５８は、合わせ面９０をもつ円周継手フランジ８８を有する。継手フランジ８８は、継手フランジ８８がリップ８２内に受けられるような寸法の外側半径Ｒ_３を有し、それにより継手フランジ合わせ面９０は延長軸４６の合わせ面８４に衝合する。結合ボルト１００および結合ナット１０２は、結合フランジ８８と延長軸取付けフランジ７４とを一体に保持するために設けられている。

図３は、図２に示された結合ボルト１００の平面図である。ボルト１００は、肩部１０８を含むボルト頭部１０６を有する。細長いシャンク部１１０が、ボルト１００の長手方向軸１１２に沿って肩部１０８から延びる。シャンク部１１０には、第２のバランス修正面５６位置でボルト結合部７０（図２）を形成するために、ナット１０２が取り付けられる。シャンク部１１０および結合ナット１０２は、ボルト継手７０の負荷担持部材である。シャンク部１１０は、エンジン１０から発電機１２へ負荷駆動トルクを伝達する。シャンク部１１０および結合ナット１０２はまた、ボルト結合部７０で継手５８と延長軸４６を一体に保持する締付力を与える。ボルト１００はまた、ボルト頭部１０６から長手方向軸１１２に沿ってシャンク部１１０に対して反対の方向に延びるスタッド１２０を有する。例示的実施形態では、スタッド１２０は、ボルト頭部１０６と一体に形成される。

ボルト頭部１０６およびスタッド１２０は、駆動軸カバー６４のアクセスポート６６を通って接近することができる。スタッド１２０は、バランスウエイトまたはバランスワッシャ１２２（図２参照）を取り付けられるように構成されている。バランスワッシャ１２２は、エンジンと発電機の組立体５０をバランス修正するのに必要な、第２のバランス修正面５６位置でのバランス重量修正をもたらすように計算された所定の重量のものが選択される。保持ナット１２４（図２参照）は、バランス修正ワッシャ１２２をスタッド１２０上に保持するために用いられる。バランスワッシャ１２２は、当技術分野で公知の現在用いられている様々な平坦形状やカップ形状いずれのバランスワッシャでもよい。

運用においては、エンジン１０は、発電機１２に結合される前に組み立てられ、バランス修正される。エンジン１０は、次いで発電機１２に結合され、組立体５０が駆動され、アンバランスが測定される。次いで、パワータービン２４後部の第１のバランス修正面５２およびパワータービン２４前方の第２のバランス修正面５６のバランス修正値が計算される。前方バランス修正面５６では、必要な修正をもたらすバランスウエイトが選択され、必要に応じて１つまたは複数のボルト頭部１０６上に取り付けられる。ボルト１００へは、駆動軸カバー６４のポート６６を通して接近できる。

上記のバランス修正システムは、現場に搭載された発電システムの最終トリムバランス修正を容易にする。バランス修正システムは、荷重を担持しているボルトのシャンク部から荷重を担持しているナットを取り外すことなく、バランスウエイトまたはワッシャをボルトの頭に取付け、固定することができるようにボルトの頭に一体に形成されたスタッドを有するボルトを備える。

ガスタービンエンジンを有する発電機組立体用のバランス修正システムの例示的実施形態が上記に詳細に記述されている。システムおよび組立体の構成要素は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されることはなく、各システムの構成要素は、本明細書に記載されている他の構成要素とは独立に、個々に用いることができる。各システムおよび組立体の構成要素は、他のシステムおよび組立体と組み合わせて用いることもできる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して記述してきたが、本発明は、特許請求の範囲の精神および範囲を逸脱することなく変更を行って実施できることが当業者には理解されよう。特許請求の範囲に示された参照番号は、本発明の範囲を限定するものではなく、それらを容易に理解するためのものである。

発電機を含む、例示的ガスタービンエンジンのブロック図である。 図１に示されるガスタービンエンジンおよび発電機と共に用い得る例示的ボルト結合継手の概略図である。 図２に示される結合ボルトの平面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 発電機
１３ ギャボックス部分
１４ 低圧圧縮機またはブースタ
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼器
２０ 高圧タービン
２２ 低圧または中間タービン
２４ パワータービン
２６ 入口
２８ 出口
３０ 入口
３２ 出口
３４ 入口
３６ 出口
４０ 第１の回転軸
４２ 第２の回転軸
４３ 長手方向中心軸
４４ パワータービン軸
４６ 前方延長軸
５０ 発電ユニット
５２ 後部バランス修正面
５４ パワータービンの後端
５６ 第２のバランス修正面、前方バランス修正面
５８ 継手
６０ 駆動または入力軸
６４ 駆動軸カバー
６６ アクセスポート
７０ ボルト結合部
７２ 延長軸の端部、前方取付け端部
７４ 円周取付けフランジ
７６ ディスク
７８ シール
８２ 円周リップ
８４ 合わせ面
８８ 継手フランジ
９０ 合わせ面
１００ 結合ボルト
１０２ 結合ナット
１０６ ボルト頭部
１０８ 肩部
１１０ シャンク部
１１２ ボルトの長手方向軸
１２０ スタッド
１２２ バランスワッシャ
１２４ 保持ナット

Claims (10)

1. 複数の結合具を介してエンジンからのトルクを回転負荷（１２）に伝達するために、フランジ（８８）およびディスク（７６）を含むエンジンを前記回転負荷に結合するように構成された複数の結合具（１００）であって、前記各結合具が、頭部（１０６）、前記頭部から前記結合具の長手方向軸（１１２）に沿って延びる細長いシャンク部（１１０）、および前記頭部から前記長手方向軸に沿って前記シャンク部とは反対側に延びるねじ付きスタッド（１２０）を備える結合具（１００）と、
   前記複数の結合具のそれぞれに結合されるように構成されたバランスウエイト（１２２）と
   を備え、
   前記ねじ付きスタッド（１２０）は、前記バランスウエイトの一部が前記フランジ（８８）に接触するような前記結合具に対する位置に該バランスウエイトを保持する、ガスタービンエンジン（１０）を含む回転組立体（５０）をバランス修正するためのシステム。
2. 前記スタッド（１２０）が前記頭部（１０６）と一体に形成される、請求項１記載のシステム。
3. 前記結合具（１００）がボルトを備える、請求項１記載のシステム。
4. 前記バランスウエイト（１２２）を保持するために前記スタッド（１２０）上に取り付けられるナット（１２４）をさらに備える、請求項１記載のシステム。
5. 前記バランスウエイト（１２２）が、バランス修正面（５２、５６）での不釣合いを相殺する重量を有するように選択される、請求項１記載のシステム。
6. 回転負荷（１２）と、
   前記負荷に駆動的に結合された、フランジ（８８）およびディスク（７６）を含むガスタービンエンジン（１０）と、
   バランス修正システムと、
   を備えるバランス修正対象回転組立体（５０）であって、
   前記バランス修正システムが、
   前記組立体のバランス修正面（５２、５６）に配置された複数の締結具（１００）であって、前記エンジンからのトルクを前記回転負荷に伝達するために、前記エンジンを前記回転負荷に結合するようにそれぞれが構成され、頭部（１０６）、前記頭部から前記締結具の長手方向軸（１１２）に沿って延びる細長いシャンク部（１１０）、および前記頭部から前記長手方向軸に沿って前記シャンク部とは反対側に延びるスタッド（１２０）をそれぞれが備える締結具（１００）と、
   前記複数の締結具のそれぞれに結合されるように構成されたバランスウエイト（１２２）と
   を備え、
   前記ねじ付きスタッド（１２０）は、前記バランスウエイトの一部が前記フランジ（８８）に接触するような前記結合具に対する位置に該バランスウエイトを保持する、バランス修正対象回転組立体（５０）。
7. 前記バランスウエイト（１２２）が、前記バランス修正面（５２、５６）で前記組立体のバランス修正を可能にするように寸法設定されている、請求項６記載のバランス修正対象回転組立体（５０）。
8. 前記バランス修正システムが、前記バランスウエイト（１２２）を前記スタッド（１２０）上に保持するための保持ナット（１２４）をさらに備える、請求項６記載のバランス修正対象回転組立体（５０）。
9. 前記エンジン（１０）を前記負荷（１２）に結合するための継手（５８）をさらに備え、前記バランス修正面（５２、５６）が前記継手位置にボルト結合部（７０）を備える、請求項６記載のバランス修正対象回転組立体（５０）。
10. 前記エンジン（１０）がパワータービン（２４）を有し、前記バランス修正面（５２、５６）が、前記パワータービンの後部にある第１のバランス修正面（５２）および前記パワータービンの前方にある第２のバランス修正面（５６）を含む、請求項６記載のバランス修正対象回転組立体（５０）。

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