JP4920198B2 - ガスタービンエンジンを組立てるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンで用いる可変ステータベーン組立体に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、コアエンジンを含み、コアエンジンは、直列の流れ配列で、エンジンに流入する空気流を加圧するファン組立体及び高圧圧縮機と、燃料及び空気の混合気を燃焼させる燃焼器と、燃焼器から流出する空気流から回転エネルギーを取り出す複数のロータブレードを各々が備えた低圧及び高圧タービンとを有する。高圧圧縮機組立体のような少なくとも一部の公知のロータ組立体は、複数の列の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを含み、隣接する列のロータブレードは、可変ステータベーン（ＶＳＶ）組立体の列によって分離される。より具体的には、複数の可変ステータベーン組立体は、ロータ組立体の周りで延びるケーシングに固定され、各列のＶＳＶ組立体は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された可変ベーンを含む。ロータブレードに対する各列のベーンの配向は、ロータ組立体を通る空気流を制御するために可変である。

少なくとも１つの公知の可変ステータベーン組立体は、可変ベーンの一部分の周りに部分的に配置されたトラニオンブッシュを含み、可変ベーンは、トラニオンブッシュを貫通して延びるようになる。各可変ベーンは、トリニオンブッシュがケーシングとベーンから延びる半径方向外側スピンドルとの間で延びかつ内側ブッシュが内側シュラウドとベーンから延びる半径方向内側スピンドルとの間で延びるようにして、ケーシングと内側シュラウドとの間で半径方向に結合される。より具体的に、また可変ベーンの半径方向内側に関して、内側シュラウドは、該内側シュラウドに形成されたそれぞれの穴を貫通して、半径方向内側スピンドル及び内側ブッシュに沿って形成された整合円筒形溝内に延びる複数の円筒形ピンによってＶＳＶ組立体に保持される。従って、各ピンと各ベーンとの間には線対線の接触のみが形成され、そのため、内側シュラウドが該内側シュラウドに結合された可変ベーンに対して回転するのを防止するために、シュラウド毎に２つのピンを用いなければならない。

各ピンと各可変ベーンとの間には線対線のシーリングのみが形成されるので、時の経過と共に、ピンと可変ベーンとの間の摩耗により、ＶＳＶ組立体内にガス漏洩経路が形成される可能性がある。このような漏洩は、高速高温空気によって生じる酸化及び腐食のためにブッシュの破損を招くおそれがある。さらに、いったんブッシュが破損すると、可変ベーンを通り抜ける漏洩の増大が起こり、そのことが結果的に対応するロータ性能の低下をもたらす。加えて、ブッシュの喪失は、ベーンとケーシング及び／又は内側シュラウドとの間を接触させることになり、そのことが、摩耗を引き起こし、エンジン分解整備コストを増大させることになる。
特開２００３−１９３９９９号公報

１つの態様では、ケーシング及び内側シュラウドを含むガスタービンエンジン用の可変ベーン組立体を組立てる方法を提供する。本方法は、少なくとも１つの機械加工面を有するその中に形成された溝を備えた半径方向内側スピンドルを含む少なくとも１つの可変ベーンを準備する段階と、半径方向内側スピンドルの少なくとも一部分が、内側シュラウドを貫通して半径方向に延びる開口を少なくとも部分的に貫通して挿入されるように、可変ベーンをケーシングと内側シュラウドとの間で半径方向に結合する段階とを含む。本方法はまた、スピンドルの機械加工面を内側シュラウドに結合されたリテーナと係合させることによって可変ベーンを内側シュラウドに固定する段階を含む。

別の態様では、ケーシングを含むガスタービンエンジン用の可変ベーン組立体を提供する。本可変ベーン組立体は、可変ベーンとリテーナとを含む。可変ベーンは、半径方向内側スピンドルと半径方向外側スピンドルとを含む。半径方向内側及び外側スピンドルは、ベーンをガスタービンエンジン内部に回転可能に結合するように構成される。半径方向内側及び半径方向外側スピンドルの少なくとも１つは、少なくとも１つの機械加工面を含むその中に形成された少なくとも１つの溝を含む。リテーナは、溝の少なくとも１つの機械加工面に係合して可変ベーンをガスタービンエンジン内部にしっかりと結合する。リテーナは、可変ベーンの摩耗を減少させるのを可能にするように構成される。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本エンジンは、ロータシャフトと複数の列のロータブレードとを含むロータと、ロータブレードを囲むケーシングと、可変ベーン組立体とを含む。可変ベーン組立体は、少なくとも１つの列の円周方向に間隔を置いて配置された可変ベーンとリテーナ組立体とを含む。少なくとも１つの列の可変ベーンは、ケーシングに回転可能に結合されかつ複数の列のロータブレードの隣接する対間で延びる。可変ベーンの各々は、該ベーンをガスタービンエンジン内部に回転可能に結合するように構成された半径方向内側スピンドルを含む。半径方向内側スピンドルの各々は、その中に形成されかつ少なくとも１つの機械加工面を有する少なくとも１つの溝を含み、リテーナ組立体は、各スピンドル溝の少なくとも１つの機械加工面に係合して各可変ベーンをガスタービンエンジン内部にしっかりと結合するための少なくとも１つのリテーナを含む。各リテーナは、可変ベーンの各々の摩耗を減少させるのを可能にするように構成される。

図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６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及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２４によって連結され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２６によって連結される。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ＣＦ６型である。

運転中、空気は、低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動した後にガスタービンエンジン１０から流出する。

図２は、圧縮機１４のようなガスタービンエンジンロータ組立体３０の部分拡大概略図である。図３は、ロータ組立体３０内部に結合することができる可変ステータベーン組立体４４の拡大分解図である。図４は、線４−４に沿って取った、可変ステータベーン組立体３０の一部分の断面図である。ロータ組立体１４は、複数の段を含み、各段は、ロータブレード４０の列と可変ステータベーン（ＶＳＶ）組立体４４の列とを含む。この例示的な実施形態では、ロータブレード４０は、ロータディスク４６によって支持され、ロータシャフト２６に結合される。ロータシャフト２６は、圧縮機１４の周りで円周方向に延びかつ可変ステータベーン組立体４４を支持するケーシング５０によって囲まれる。

各可変ステータベーン組立体４４は、ベーンプラットホーム５６からほぼ垂直に延びる半径方向外側ベーンステム又はスピンドル５４を備えた可変ベーン５２を含む低ボス型ベーン組立体である。より具体的には、ベーンプラットホーム５６は、可変ベーン５２とスピンドル５４との間で延びる。各スピンドル５４は、ケーシング５０内に形成されたそれぞれの開口５８を貫通して延びて、可変ベーン５２がケーシング５０に結合されるのを可能にする。ケーシング５０は、複数の開口５８を含む。レバーアーム６０は、各可変ベーン５２から延び、圧縮機１４を通る流路に対するベーン５２の配向を変えるように可変ベーン５２を選択的に回転させるのに使用されて、圧縮機１４を通る空気流の制御を向上させるのを可能にする。

各可変ステータベーン５２はまた、半径方向内側ベーンプラットホーム７２からほぼ垂直に延びる半径方向内側ベーンステム又はスピンドル７０を含む。より具体的には、ベーンプラットホーム７２は、可変ベーン５２とスピンドル７０との間で延び、スピンドル７０の外径Ｄ_２よりも大きい外径Ｄ_１を有する。より詳細に後述するように、各スピンドル７０は、内側シュラウド組立体７８内に形成されたそれぞれの開口９４を貫通して延びる。

溝８０が、プラットホーム７２とスピンドル７０の半径方向内端部８４との間でスピンドル７０内に形成される。溝８０は、スピンドル７０の周りでほぼ円周方向に延び、ほぼ平坦な少なくとも１つの機械加工面８６を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、溝８０は、対向しかつほぼ平行な一対の機械加工面８６で形成される。従って、溝８０は、スピンドル７０を、溝８０とプラットホーム７２との間で延びる中間部分８７と溝８０から半径方向内端部８４まで延びる半径方向内側部分８８とに分割する。この例示的な実施形態では、面８６は、スピンドル外径Ｄ_２よりも小さい直径Ｄ_４を有する溝８０によって定まる距離Ｄ_３だけ分離される。

この例示的な実施形態では、シュラウド組立体７８は、該シュラウド組立体７８がエンジン１０内部でほぼ円周方向に延びるように互いに突合せた複数の円弧形シュラウドセグメント９０から形成される。別の実施形態では、シュラウド組立体７８は、環状のシュラウド部材から形成される。各シュラウドセグメント９０は、シュラウドセグメント９０の半径方向外面９６とシュラウドセグメント９０の半径方向内面９８との間で該シュラウドセグメント９０を半径方向に貫通して延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステム開口９４を含む。各シュラウドセグメント９０はまた、該シュラウドセグメント９０を少なくとも部分的に貫通してシュラウドセグメント９０の下流側面１０２からシュラウドセグメント９０の上流側面１０４に向かってほぼ軸方向に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたリテーナ開口１００を含む。

この例示的な実施形態では、各シュラウドセグメントステム開口９４は、陥凹部分１１０、底部分１１２及びそれらの間で延びる本体部分１１４を含む。陥凹部分１１０は、その中にプラットホーム７２を受け、ベーン５２が内側シュラウド組立体７８に固定されると、プラットホーム７２の半径方向外面１１６がシュラウド半径方向外面９６とほぼ同一平面になるように、該陥凹部分を通してスピンドル７０を受ける寸法にされる。従って、陥凹部分１１０は、プラットホーム７２の断面輪郭とほぼ同じ断面輪郭を有する。この例示的な実施形態では、陥凹部分１１０は、ほぼ円形である。

開口本体部分１１４は、陥凹部分１１０から延び、それを通してスピンドル７０を受ける寸法にされる。より具体的には、可変ベーン５２が内側シュラウド組立体７８に固定されると、より詳細には後述する内側ブッシュ１２０の少なくとも一部分が、スピンドル７０、より具体的にはスピンドル部分８７を囲む。従って、ステム開口本体部分１１４は、その中にスピンドル７０と内側ブッシュ１２０の本体部分１２２とを受ける寸法にされる。さらに、ステム開口本体部分１１４は、内側ブッシュ本体部分１２２の外面１２４によって定まる断面輪郭とほぼ同じ断面輪郭を有する。この例示的な実施形態では、ステム開口本体部分１１４は、ほぼ円形の断面輪郭を有する。

開口底部分１１２は、本体部分１１４から延び、その中にスピンドル７０の少なくとも一部分を受ける寸法にされる。より具体的には、可変ベーン５２が内側シュラウド組立体７８に固定されると、内側ブッシュ１２０の少なくとも一部分は、スピンドル部分８８を囲む。従って、ステム開口底部分１１２は、その中にスピンドル７０と内側ブッシュ１２０の基部部分１３０とを受ける寸法にされる。さらに、ステム開口底部分１１２は、内側ブッシュ基部部分１３０の断面輪郭によって定まる断面輪郭にほぼ同じ断面輪郭を有する。この例示的な実施形態では、ステム開口底部分１１２は、ほぼ矩形の断面輪郭を有し、従って、底部分１１２は、シュラウド組立体７８及び可変ベーン組立体４４に対して内側ブッシュ１２０を配向するのを可能にする。

この例示的な実施形態では、内側ブッシュ１２０は、中心対称線軸１３８に関してほぼ対称であり、またブッシュ１２０は、比較的低い摩耗及び摩擦特性を有する耐摩耗性材料で製作される。１つの実施形態では、ブッシュ１２０は、それに限定されないが、Ｖｅｓｐｅｌのようなポリイミド材料で製作される。別の実施形態では、ブッシュ１２０は、金属材料で製作される。ブッシュ本体部分１２２は、ブッシュ基部部分１３０から半径方向外向きに延び、本体部分１２２を貫通して弦方向に延びかつ距離１４１だけ分離された一対のほぼ平行なスロット１４０を含む。距離１４１は、溝８０によって定まる直径Ｄ_４にほぼ等しい。より具体的には、この例示的な実施形態では、本体部分１２２は、トロイダル断面を有し、内面１４２とほぼ平行な外面１４４とを含む。内面１４２は、その中に空洞１４６を形成し、またスロット１４０は、本体部分１２２を横切りかつ空洞１４６を貫通して延びる。この例示的な実施形態では、各スロット１４２は、同一であり、本体部分表面１４２及び１４４内のほぼ矩形の断面輪郭によって形成される。

ブッシュ基部部分１３０は、ブッシュ本体部分１２２から延び、内面１５０と外面１５２とを含む。この例示的な実施形態では、内面１５０は、ほぼ円形であり、スピンドル径方向外側部分直径Ｄ_２よりも僅かに大きい直径（図示せず）を有する。さらに、この例示的な実施形態では、外面１５２は、ほぼ矩形であり、ステム開口底部分１１２によって定まる周辺よりも僅かに小さい周辺を形成する。従って、ステム開口底部分１１４は、シュラウド組立体７８及びベーン組立体４４に対してブッシュ基部部分１３０及び内側ブッシュ１２０を配向するのを可能にする。

シュラウドリテーナ開口１００は、シュラウドセグメント下流側面１０２からシュラウドセグメント上流側面１０４に向かってシュラウドセグメント９０内にほぼ軸方向に延びる。この例示的な実施形態では、開口１００は、ブッシュスロット１４０によって定まる断面輪郭にほぼ等しい寸法にされたほぼ矩形の断面輪郭で形成される。従って、シュラウドリテーナ開口１００は、スロット距離１４１にほぼ等しい距離１６０だけ間隔を置いて配置される。可変ベーン５２が各シュラウドセグメント９０に完全に結合されると、開口１００及びスロット１４０は、互いにほぼ同心に整列される。

シュラウドリテーナ開口１００は、シュラウドセグメント９０の凹設部分１６２から内向きに延びる。シュラウドセグメント凹設部分１６２は、より詳細には後述するリテーナ１８０の一部分をその中に受ける寸法にされて、リテーナ１８０をシュラウドセグメント９０に結合すると、リテーナ１８０の外面１８２が、シュラウド下流側面１０２の外面１８４と同一平面になる。

リテーナ１８０は、ほぼ平行でありかつリテーナ基部１９０からほぼ垂直方向外向きに延びる一対のリテーナアーム１８８を含む。この例示的な実施形態では、各アーム１８８は、ほぼ矩形形状であり、スピンドル機械加工面８６に係合するように構成されたほぼ平坦な表面１９４を含む。

ベーン組立体４４の組立時において、最初に可変ベーン半径方向内側スピンドル７０が、それぞれのセグメントステム開口９４を通してシュラウドセグメント９０の半径方向外側２００からシュラウドセグメント９０の半径方向内側２０２に向かって挿入される。開口９４内に嵌め込まれると、ベーンプラットホーム７２は、開口陥凹部分１１０内に受けられて、プラットホーム半径方向外面１１６がシュラウド半径方向外面９６とほぼ同一平面になる。さらに、開口９４内に完全に嵌め込まれると、スピンドル溝８０は、シュラウドリテーナ開口１００に対して同心に整列される。

次に、内側ブッシュ１２０が、シュラウドセグメント半径方向内側２０２から同一のセグメント開口９４内に挿入されて、ブッシュ１２０がベーンスピンドル７０の周りでかつスピンドル７０とシュラウドセグメント９０との間で延びるようになる。より具体的には、ブッシュ１２０が開口９４内に完全に挿入されると、ブッシュ本体部分１２２は、スピンドル中間部分８７を囲み、またブッシュ基部部分１３０は、スピンドル外側部分８８を囲む。さらに、開口９４内に完全に嵌め込まれると、ブッシュスロット１４０は、シュラウドリテーナ開口１００に対して同心に整列される。

次に、リテーナ１８０が、シュラウドセグメントリテーナ開口１００内に摺動可能に結合されて、ブッシュ１２０及びシュラウドセグメント９０をベーン５２に固定する。より具体的には、開口１００内部に完全に嵌め込まれると、リテーナアーム１８８は各々、ブッシュスロット１４０を貫通して延びて、スピンドル７０の両側の溝機械加工面８６に係合する。従って、ベーンスピンドル７０の各側面に沿った一対のほぼ平坦な表面間に接触が生じ、それによってベーン５２に対するシュラウドセグメント９０の回転を少なくするのを可能にする。従って、ベーン５２は、本質的にリテーナアーム１８８内に捕捉されて、エンジン運転中にベーン５２の横方向の動きを減少させることが可能になる。さらに、フォーク状リテーナ設計により、半径方向に薄いシュラウドが得られ、このシュラウドは、圧力負荷が作用する面積がより小さくなり、従って外側スピンドル５４に生じる曲げモーメントを低下させるのを可能にする。従って、リテーナ１８０とベーン５２との間の摩耗を減少させ、従ってベーン組立体４４の有効寿命を延ばすことが可能になる。

運転中に、リテーナ１８０は、ブッシュ１２０を所定の位置に固定してベーンスピンドル７０とシュラウド組立体７８との間の空気漏洩を低減し、また可変ベーン５２及びシュラウドセグメント９０が低摩擦表面で分離されるようにすることを可能にする。リテーナ１８０とスピンドル機械加工面８６との間の半径方向の固定により、可変ベーン５２に対する内側シュラウドセグメント９０の相対回転を減少させることが可能になる。その結果、エンジン分解整備コスを低減することが可能になる。

上述の可変ベーン組立体は、費用効果がありかつ高い信頼性がある。ＶＳＶ組立体は、その上に形成されたほぼ平坦な機械加工面を有するスピンドルを備えた可変ベーンを含む。ＶＳＶ組立体はまた、保持接触が線対線の接触だけで生じるのではなく一対の機械加工面に沿ってかつスピンドルの対向する側面に沿って生じるような方法で、内側シュラウドセグメントを貫通して結合するリテーナを含む。従って、リテーナとベーンとの間に発生する摩耗が減少する。その結果、リテーナ設計は、費用効果がありかつ信頼性がある方法でＶＳＶ組立体の有効寿命を延ばすのを可能にする。

以上、ＶＳＶ組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。本システムは、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、各組立体の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立しかつ別個に利用することができる。各リテーナ構成部品はまた、他のＶＳＶ構成部品と組合せてまたＶＳＶ組立体の他の構成と組合せて使用することができる。

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可能であることは、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。 例示的なガスタービンエンジンロータ組立体の部分概略図。 図２に示す可変ステータベーン組立体の一部分の拡大分解図。 線４−４に沿って取った、図３に示す可変ステータベーン組立体の一部分の断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１４ 高圧圧縮機
２４、２６ ロータシャフト
４０ ロータブレード
４４ 可変ステータベーン組立体
４６ ロータディスク
５０ ケーシング
５２ 可変ベーン
５４ 半径方向外側スピンドル
５６ ベーンプラットホーム
５８ 開口
６０ レバーアーム
７０ 半径方向内側スピンドル
８０ スピンドルの溝
９０ シュラウドセグメント
１２０ ブッシュ
１８０ リテーナ

Claims (4)

1. ケーシング（５０）を含むガスタービンエンジン（１０）用の可変ベーン組立体（４４）であって、
   半径方向内側スピンドル（７０）と半径方向外側スピンドル（５４）とを備えた可変ベーン（５２）を含み、
   前記半径方向内側及び半径方向外側スピンドルが、前記ベーンをガスタービンエンジン内部に回転可能に結合するように構成され、前記半径方向内側スピンドルが、少なくとも１つの機械加工面（８６）を含むその中に形成された少なくとも１つの溝（８０）を含み、
   該可変ベーン組立体（４４）がさらに、前記溝の少なくとも１つの機械加工面（８６）に係合して前記可変ベーンをガスタービンエンジン内部にしっかりと結合するためのリテーナ（１８０）を含み、
   前記リテーナが、前記可変ベーン（５２）の少なくとも２つの対向する側面に接触するように構成されており、
   前記可変ベーン組立体（４４）は、前記半径方向内側スピンドルの少なくとも一部分の周りで円周方向に延びるブッシュ（１２０）をさらに含み、
   前記ブッシュが、本体（１２２）と前記本体から延びかつ前記可変ベーンに対する該ブッシュの回転を防止するための基部（１３０）とを含み、
   前記リテーナ（１８０）が、リテーナベース（１９０）と該リテーナベースからほぼ垂直方向外向きに延びる一対の平行なアーム（１８８）とを備え、
   前記リテーナ（１８０）の少なくとも一部分が、前記ブッシュ（１２０）の一部分を貫通して延びており、
   前記アームが、前記ブッシュに設けられた一対のスロット（１４０）を貫通して延びて前記溝の機械加工面（８６）に係合する
   ことを特徴とする、可変ベーン組立体（４４）。
   
2. 前記ブッシュ基部（１３０）が、前記ブッシュ本体（１２２）の断面輪郭とは異なる断面輪郭を有する、請求項１記載の可変ベーン組立体（４４）。
3. 前記少なくとも１つの溝（８０）が、一対の対向する機械加工面（８６）を含み、各前記アームが、前記対向する機械加工面のそれぞれの面に係合するように構成されて、前記ベーンスピンドルが、前記一対の対向するアーム間に保持されるようになっている、請求項１又は２記載の可変ベーン組立体（４４）。
4. ロータシャフト（２４）と複数の列のロータブレード（４０）とを含むロータ（３０）と、
   前記ロータブレードを囲むケーシング（５０）と、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の可変ベーン組立体（４４）と、
   を含む、ガスタービンエンジン（１０）。

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