JP4860964B2

JP4860964B2 - ロータ組立体軸受をセンタリングするための装置

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Publication number: JP4860964B2
Application number: JP2005245801A
Authority: JP
Inventors: バリー・リン・アルマン; リチャード・レオン・ライフル; ジェリー・リン・ケイブ; デュアン・ハワード・アンステッド
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: US20060045404A1; EP1630357A2; US7384199B2; EP1630357A3; JP2006077764A

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンロータ組立体に関し、より具体的には、ガスタービンエンジンロータ組立体用の軸受組立体に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、ファンロータ組立体、圧縮機及びタービンを含む。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達し、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、一般的にインナレース及びアウタレース内に置かれた転動体を含む。

さらに、少なくとも幾つかの公知の軸受組立体は、軸受アウタレースに取付けられた複数の同一のばねを含む。このばねは、ロータシャフトの円周方向の周りに単一の列として等しい間隔を置いて配置されて、軸受に対して離散的な半径方向の剛性を与えかつ支持フレームに対してアウタレースをセンタリングする。ばねの第１の端部は、軸受組立体アウタレースに取付けられ、またばねの第２の端部は、支持フレームに結合したフランジに取付けられる。

運転中、エンジン内に不釣合いがあると、エンジンロータシャフトを半径方向に変位させることになる。シャフトの半径方向の変位は、軸受組立体に伝達される。ばねは、単一の円周方向列として配置されているので、各ばねの撓みは同じである。並行なすなわち２重の列構成は、より短い軸方向間隔を使用することによって、軸受組立体の重量を最適化することを可能にする。しかしながら、この構成はまた、ばねの曲げ応力を低下させ、従って疲労寿命を高める。この応力場において、一般的な単一列構成は、より多くのばね、より大きな材料強度、より大きな断面慣性及び／又は大きなばね長さを必要とする。その結果、軸受組立体の価格及び重量は増加することになる。

損傷を与える可能性がある半径方向の力の影響を最小にするために、多くの場合、ばね数、断面積及びばね長さが増大される。その結果、軸受組立体の価格及び重量もまた増加する。
特開２０００−１９９４０６号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンロータ用の軸受組立体を提供する。本軸受組立体は、インナレースと、アウタレース組立体と、転動体とを含む。アウタレース組立体は、本体と、本体に取付けられた複数の第１のばねと、複数の第２のばねとを含む。各第１のばねは、対応する第２のばねと半径方向に整列してばね対を形成する。アウタレース組立体はまた、複数の結合部材を含む。各結合部材は、ばね対の第１のばねの第１の端部と第２のばねの第１の端部との間で延びかつそれらを結合する。アウタレース組立体はさらに、フランジを含み、フランジに対して各第２のばねが取付けられる。

別の態様では、ロータ組立体を提供し、本ロータ組立体は、ロータシャフトとロータシャフトを支持フレーム上に支持するように構成された軸受組立体とを含む。軸受組立体は、インナレースと、アウタレース組立体と、転動体とを含む。アウタレース組立体は、本体と、本体に取付けられた複数の第１のばねと、複数の第２のばねとを含む。各第１のばねは、対応する第２のばねと半径方向に整列してばね対を形成する。アウタレース組立体はまた、複数の結合部材を含む。各結合部材は、ばね対の第１のばねの第１の端部と第２のばねの第１の端部との間で延びかつそれらを結合する。アウタレース組立体はさらに、フランジを含み、フランジに対して各第２のばねが取付けられる。

図１は、ファン組立体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、低圧タービン２０及びブースタ２２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の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。

運転中、空気はファン組立体１２を通って流れ、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に送られる。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、タービン２０は、ファン組立体１２を駆動する。

図２は、図１に示すエンジン１０のような、ガスタービンエンジンで使用することができるロータ及び軸受組立体４０の例示的な実施形態の断面図である。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購入可能なＧＥ９０型である。ロータ及び軸受組立体４０は、ロータディスク２６（図１に示す）とロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列（図１に示す）を支持するロータシャフト４２とを含む。ロータシャフト４２は、該ロータシャフト４２を支持する複数の軸受組立体４６によって構造支持フレーム４４に回転可能に固定される。

例示的な実施形態では、各軸受組立体４６は、対になったレース５０と転動体５２とを含む。１つの実施形態では、軸受組立体４６は、油膜ダンパを含む。対になったレース５０は、アウタレース５４とアウタレース５４から半径方向内側にあるインナレース５６とを含む。転動体５２は、インナレース５６とアウタレース５４との間に置かれる。軸受組立体４６は、ロータシャフト４２及び軸受支持体４４によって半径方向に境界付けられた環状の密封区画５８内に封入される。

支持フレーム４４は、環状の支持スリーブ７０とアウタレース５４内に形成された複数の溝７４内に収容するような寸法にされた複数のリング７２とを含む。アウタレース５４は、該レース５４と環状の支持スリーブ７０との間にギャップ７５が形成されるように位置決めされる。

アウタレース５４の面８４は、転がり接触状態で転動体５２を受ける。インナレース５６は、内側面９０と転がり接触状態で転動体５２を受ける内面９２とを含む。インナレース５６は、インナレース内表面９０が陥凹部９６の外表面９８に隣接するようにシャフト４２の陥凹部９６内に固定される。

また、図３及び図４を参照すると、アウタレース５４は、本体１００とエンジン１０の周りで円周方向に延びる複数のばね１０２とを含む。より具体的には、アウタレース５４は、複数の第１のばね１０４と、複数の第２のばね１０６と、複数の結合部材１０８とを含む。ばね１０４及び１０６は、エンジン１０の周りで列の形態で（図４に示す）円周方向に延びる。

各第１のばね１０４は、前端部１１０と、後端部１１２と、それらの間で延びる本体１１４とを含む。各第１のばね前端部１１０は、アウタレース本体１００の下流側面１１６に結合されて、第１のばね本体１１４がアウタレース本体１００から下流方向に延びるようになる。より具体的には、各第１のばね１０４は、転動体５２から外側に半径方向距離１１８を置いて取付けられる。各第１のばね後端部１１２は、環状の区画５８内において、アウタレース本体１００の下流で対応する結合部材１０８に結合される。１つの例示的な実施形態では、結合部材１０８は、第３のばねである。

各第２のばね１０６は、前端部１２１と、後端部１２２と、それらの間で延びる本体１２４とを含む。各第２のばねの前端部１２１は、締結具１２８によって支持フレームに結合されたフランジ１２６に取付けられて、第２のばねの本体１２４が支持フレーム４４から下流方向に延びるようになる。さらに、締結具１２８によりフランジ１２６が支持フレーム４４に固定されると、その時アウタレース５４は、所定の位置で支持フレーム４４に固定される。

各第２のばね１０６は、転動体５２から外側に半径方向距離１３０を置いて取付けられる。半径方向距離１３０は、半径方向距離１１８よりも大きい。各第２のばね後端部１２２は、環状の区画５８内において、アウタレース本体１００の下流で対応する結合部材１０８に結合されて、結合部材１０８が対応するばね１０４及び１０６間で延びかつばね対１２０を形成するようになる。別の実施形態では、結合部材１０８は、該結合部材１０８がばね１０４及び１０６に対して比較的弾性があるので、第３のばねとして考えることができる。図２〜図４に示す例示的な実施形態では、アウタレース本体１００、第１のばね１０４、第２のばね１０６及び結合部材１０８は、１つの部品として形成される。別の実施形態では、アウタレース本体１００、第１のばね１０４、第２のばね１０６及び結合部材１０８は、任意の適当な方法、例えば締結具及び／又は溶接によって取付けられる別個の部品として形成される。

この例示的な実施形態では、各第１のばね本体１１４は、矩形断面を有し、第１の側面１３４、第２の側面１３６、第３の側面１３８及び第４の側面１４０を含む。第１の側面１３４は、第３の側面１３８にほぼ平行であり、また第２の側面１３６は、第４の側面１４０にほぼ平行である。さらに、各第２のばね本体１２４は、矩形断面を有し、第１の側面１４２、第２の側面１４４、第３の側面１４６及び第４の側面１４８を含み、第１の側面１４２は、第３の側面１４６にほぼ平行であり、また第２の側面１４４は、第４の側面１４８にほぼ平行である。各第１のばね本体１１４の断面積は、前端部１１０から後端部１１２までほぼ同一であり、また各第２のばね本体１２４の断面積は、前端部１２１から後端部１２２までほぼ同一である。別の実施形態では、ばね本体１１４及び１２４は、多角形断面、円形断面又は楕円形断面を有することができる。

軸受センタリング部分組立体の第１及び第２のばね本体１１４及び１２４は各々、それぞれ内面１５０及び１５２を含む。この例示的な実施形態では、各面１５０及び１５２はほぼ平面でありかつばね本体１１４及び１２４はほぼ平行であるので、軸受センタリング部分組立体のばね１０４及び１０６間の距離１５４は、ほぼ一定に保たれる。別の実施形態では、ばね本体１１４及び１２４は、平行でなく、距離１５４は、前端部１１０及び１２１から後端部１１２及び１２２まで変化することができる。

エンジン運転中、この例示的な実施形態では、エンジン１００に不釣合いがあると、ファン組立体１２（図１に示す）及び軸受組立体４６に大きな半径方向の力が加わることになる。より具体的には、エンジン運転中の大きなロータの撓みにより、アウタレース５４の半径方向の移動が生じることになる。この半径方向の力は、ばね１０２を通して支持フレーム４４に伝達される。より具体的には、ロータの撓みの結果としてアウタレース本体１００に強制的に半径方向外向きの力が加わると、第１のばね１０４はアウタレース本体１００に取付けられているので、半径方向の移動は、第１のばね１０４に伝達される。

その上、ばね１０４及び１０６は結合部材１０８によって結合されているので、半径方向の力は次に、第２のばね１０６を通して支持フレーム４４に伝達される。より具体的には、ばね１０４及び１０６は結合部材１０８によって結合されているので、ロータシャフト４２が撓むと、ばね１０４は、ばね１０６が半径方向に変位する距離と等しい距離だけ半径方向に変位する。

ばね１０４及び１０６の撓み量の合計は、アウタレース本体１００における全撓み量と等しい。半径方向の全剛性（トータルばね定数）は、

で与えられる。
ここで、Ｋ_１は、ばね１０４のばね定数、Ｋ_２は、ばね１０６のばね定数、そしてＫ_ｔは、アウタレース５４のトータルばね定数である。別の実施形態では、結合部材１０８は、第３のばねであり、Ｋ_３は、結合部材１０８のばね定数とすれば、半径方向のトータルばね定数は、

によって与えられる。

第１のばね１０４及び第２のばね１０６は、それぞれエンジン１０の周りで列１６０及び１６２の形態で円周方向に延びる。より具体的には、ばね１０４及び１０６は、図４に示すように、各第１のばね１０４が各対応する第２のばね１０６に対して半径方向に整列しかつ各対応する結合部材１０８によって第２のばね１０６に結合されるように、円周方向に配向される。その結果、アウタレース本体１００を回転防止していない場合には、円周方向の力がアウタレース本体１００から伝達された時に、ばね１０４及び１０６の両方には曲げが生じ、等しい量だけ長さが減少する。円周方向の力は、レース５４と支持スリーブ７０との間の半径方向ギャップ７５が消滅又は最低になるほどロータ不釣合い荷重が大きい時に、発生する。このことにより、転動体５２の軸受インナレース面９２上での正味の軸方向移動すなわち変位が実質的にゼロに等しくなるようになる。

さらに、ばね１０２は直列に結合されているので、ばね１０４及び１０６は、所定の系剛性において、各ばねの撓みが全撓みの半分であることから、直列結合していないばね（図示せず）よりも応力がおよそ５０％少なくなる。このことにより、所定のロータ不釣合い荷重に対してより長い疲労寿命が可能になる。

上記のロータ組立体は、コスト効果がありかつ高い信頼性がある。ロータ組立体は、エンジン支持フレーム及び軸受組立体への動的半径方向力を減少させ、その結果、エンジンの有効寿命及び性能を高めることができる。さらに、ばねのトータルばね定数を指定することにより、構造的に調整し、特定の飛行ポイントにおける動的応答を低下させることが可能になる。このことにより、エンジンの長い有効寿命及び向上した性能が得られる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、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することができることは、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に示すガスタービンエンジンで使用するロータ組立体の例示的な実施形態の概略断面図。図２に示す軸受センタリング部分組立体の１部分の概略斜視図。図２に示す軸受センタリング部分組立体の１部分の概略半径方向図。

符号の説明

４２ロータシャフト
４４支持フレーム
４６軸受組立体
５２転動体
５４アウタレース
５６インナレース
５８環状の密封区画
７０支持スリーブ
１０２ばね
１０４第１のばね
１０６第２のばね
１０８結合部材
１１４第１のばね本体
１２０ばね対
１２４第２のばね本体
１２６フランジ

Claims

ガスタービンエンジン（４０）用の軸受組立体（４６）であって、
インナレース（５６）と、
アウタレース組立体（５４）と、
転動体（５２）と、を含み、前記アウタレース組立体（５４）が、
本体（１００）と、
前記本体に取付けられた複数の第１のばね（１０４）と、
対応する１つと各前記第１のばねが半径方向に整列してばね対（１２０）を形成した、複数の第２のばね（１０６）と、
その各々が前記ばね対の第１のばね（１０４）の第１の端部（１１２）と第２のばね（１０６）の第１の端部（１２２）との間で延びかつそれらを結合する複数の結合部材（１０８）と、
それに対して前記第２のばねが取付けられた、フランジ（１２６）と、
を含み、
前記結合部材（１０８）のそれぞれから前記第１及び第２のばね（１０４、１０６）のそれぞれにばね力が伝達されることを特徴とする、軸受組立体。
各前記第１のばね（１０４）が、多角形、円形又は楕円形断面を含み、また各前記第２のばね（１０６）が、多角形、円形又は楕円形断面を含む、請求項１記載の軸受組立体（４６）。
各前記第１のばね（１０４）が矩形断面を含み、また各前記第２のばね（１０６）が矩形断面を含む、請求項１記載の軸受組立体（４６）。
各前記第１のばね（１０４）が、第１の側面（１３４）、第２の側面（１３６）、第３の側面（１３８）及び第４の側面（１４０）を含み、前記第１の側面が前記第３の側面に平行であり、前記第２の側面が前記第４の側面に平行であり、また各前記第２のばね（１０６）が、第１の側面（１４２）、第２の側面（１４４）、第３の側面（１４６）及び第４の側面（１４８）を含み、前記第１の側面が前記第３の側面に平行であり、前記第２の側面が前記第４の側面に平行である、請求項３記載の軸受組立体（４６）。
各前記第１のばね（１０４）の断面積が、該第１のばねの第１の端部（１１２）から第２の端部（１１０）まで同一であり、また各前記第２のばね（１０６）の断面積が、該第２のばね（１２２）の第１の端部（１６４）から第２の端部まで同一である、請求項２記載の軸受組立体（４６）。
各前記第１のばね（１０４）の断面積が、該第１のばねの第１の端部（１１２）から第２の端部（１１０）まで変化し、また各前記第２のばね（１０６）の断面積が、該第２のばねの第１の端部（１２４）から第２の端部（１２２）まで変化している、請求項２記載の軸受組立体（４６）。
前記ばね対（１２０）の各第１のばね（１０４）及び第２のばね（１０６）が平行である、請求項１記載の軸受組立体（４６）。
前記ばね対（１２０）の各第１のばね（１０４）及び第２のばね（１０６）が平行でない、請求項１記載の軸受組立体（４６）。
前記ばね対（１２０）の各結合部材（１０８）が第３のばねを含む、請求項１記載の軸受組立体（４６）。
前記複数の第２のばね（１０６）が、前記転動体（５２）から第１の半径方向距離（１３０）に位置し、また前記複数の第１のばね（１０４）が、前記転動体（５２）から第２の半径方向距離（１１８）に位置し、前記第２の半径方向距離が、前記第１の半径方向距離よりも大きい、請求項１記載の軸受組立体（４６）。