(57)【要約】【課題】  ガスタービンのトラニオンおよびブッシング（２３）の摩耗を低減させる電気黒鉛質ブッシングライナ（１１）の製造方法を提供する。【解決手段】  ブッシング（２３）の摩耗特性の改善方法は、内径を有する内側面と両端とを備えるブッシング（２３）を提供し、黒鉛基物質（１１）をブッシング（２３）の内側面の周囲に圧着させることを含む。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内径を有する内側面と両端とを備えるブッシングを提供する提供ステップと、
前記ブッシングの内側面の周囲に黒鉛基物質を圧着させる圧着ステップと、を含むことを特徴とするブッシングの摩耗特性の改善方法。
【請求項２】
提供ステップは、タービンエンジンのブッシングを提供することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
圧着ステップは、
前記ブッシングの内径にほぼ等しい外径を有する電気黒鉛質炭素ロッドを前記ブッシングに挿入し、
前記両端を超える前記電気黒鉛質炭素ロッドの部分を取り除き、
第１の直径を有する第１の孔をブッシング中心線に沿って前記電気黒鉛質炭素ロッドに掘削し、
第２の直径を有する第２の孔を成すように前記ブッシング中心線に沿って前記電気黒鉛質炭素ロッドの第１の孔を拡大して、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブを形成するステップをそれぞれ含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブの少なくとも１つの内側端部に面取部を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
面取部を形成するステップは、面取り角で延在する直線状の面取部を形成することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記直線状の面取部の形成は、該直線状の面取部を５°〜８５°の面取り角で形成することを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記直線状の面取部の形成は、該直線状の面取部を約４５°の面取り角で形成することを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブの少なくとも１つの内側端部に湾曲部を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項９】
提供ステップは、チタン基合金を含むブッシングを提供することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
内径を有する内側面と両端とを備えるブッシングと、
前記ブッシングの内側面の周囲に圧着された黒鉛基ライナ／スリーブと、を有することを特徴とする耐摩耗性ブッシング。
【請求項１１】
前記ブッシングは、タービンエンジンブッシングであることを特徴とする請求項１０記載の耐摩耗性ブッシング。
【請求項１２】
前記黒鉛基ライナ／スリーブは、電気黒鉛質炭素を含むことを特徴とする請求項１０記載の耐摩耗性ブッシング。
【請求項１３】
前記電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブは、少なくとも１つの内側端部に形成された面取部を含むことを特徴とする請求項１２記載の耐摩耗性ブッシング。
【請求項１４】
前記面取部は、面取り角で延在する直線状の面取部を含むことを特徴とする請求項１３記載の耐摩耗性ブッシング。
【請求項１５】
前記面取り角は、５°〜８５°であることを特徴とする請求項１４記載の耐摩耗性ブッシング。
【請求項１６】
前記面取り角は、約４５°であることを特徴とする請求項１５記載の耐摩耗性ブッシング。
【請求項１７】
前記電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブは、少なくとも１つの内側端部に形成された湾曲部を含むことを特徴とする請求項１３記載の耐摩耗性ブッシング。
【請求項１８】
前記ブッシングは、チタン基合金を含むことを特徴とする請求項１１記載の耐摩耗性ブッシング。
【請求項１９】
内径を有する内側面と両端とを備えるブッシングと、
トラニオンと、
前記トラニオンと前記ブッシングとに接触するように、前記ブッシングの内側面の周囲に圧着された黒鉛基ライナ／スリーブと、を有することを特徴とするブッシングアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンのトラニオンやブッシングの摩耗を低減させる電気黒鉛質ブッシングライナおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、高圧圧縮機の可変ベーンが、外径においてトラニオンブッシングによって支持されている。図１を参照すると、ブッシング２３を含むエンジン部分の構造が示されている。ブッシング２３は、トラニオン１５と圧縮機外側ケース２２との間に位置する。可変ベーン１７が、プラットフォーム２１を介してトラニオン１５に連結されており、可変ベーン１７の両側にはブレード１９が設けられている。同期リング１３が、トラニオン１５の回転を可能とするように連結されている。同期リング１３の回転によって、全ての可変ベーン１７が段ごとに同期して回転する。１つの段における全ての可変ベーン１７のベーン間の角度差が最小に保たれるとともに、流入するガスの流れに対して同一の角度に維持されることが重要である。エンジンの中心線２０を中心に位置する複数の同期リング１３が互いに連結されていることにより、各々の段におけるベーンの上述の僅かな角度差によってガスタービンエンジンに及ぼされる悪影響が拡大され、破壊的なサージが発生するおそれがある。従って、トラニオンブッシング２３の摩耗耐性は、エンジン中心線２０に対するベーン位置の維持に大きな影響を及ぼす。
【０００３】
ブッシング２３は、圧縮機外側ケース２２に押し込まれるとともに、典型的に耐摩耗性でかつ低摩擦の材料で形成されるブッシングライナ２４によって内側面の周囲が覆われている。典型的には、ブッシングライナ２４は、ブッシング２３の内径に接着される（厚さ０．０１８インチでかつポリイミド樹脂で溶浸された組紐状炭素繊維の）織物ライナである。残念ながら、ポリイミド樹脂組紐状炭素繊維からなるブッシングライナ２４は、最新式の高性能圧縮機の高温および高荷重に耐えることができない。このような織物ライナが接着されたブッシング２３では、長時間の露出によりライナが急速に劣化してトラニオン１５とブッシング２３との金属間接触が生じるので、現時点では６５０°Ｆ〜７００°Ｆがピークの航行に制限されている。このような金属間接触は、トラニオン１５およびブッシング２３を摩耗させて両方の物理的形状を変更するおそれがある。部品の形状が変わるので、ブッシング２３と圧縮機外側ケース２２との間のはめ合いのきつさも同様に変化する。このような形状変化は、最終的に可変ベーン１７の角変位につながる。このような可変ベーン１７の変位は、破壊的でありうる。具体的には、可変ベーン１７が隣接ベーンに対して６°よりも大きく変位した場合には、破壊的なサージが発生しうる。従って、トラニオン１５とブッシング２３とは、形状を保持して可変ベーン１７の角度を一定に維持することが最も重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、高温で材料が破損されることなく、かつブッシング２３とトラニオン１５のはめ合いおよび方向を維持するように機能する、ブッシングライナ２４が取り付けられたブッシング２３が求められている。
【０００５】
本発明の目的は、ガスタービンのトラニオンおよびブッシングの摩耗を低減させる電気黒鉛質ブッシングライナおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るブッシングの摩耗特性の改善方法は、内径を有する内側面と両端とを備えるブッシングを提供し、黒鉛基物質をブッシングの内側面の周囲に圧着させることを含む。
【０００７】
また、本発明に係る耐摩耗性のブッシングは、内径を有する内側面と両端とを備えるブッシングと、ブッシングの内側面の周囲に圧着された黒鉛基ライナ／スリーブと、を含む。
【０００８】
さらに、本発明に係るブッシングアセンブリは、内径を有する内側面と両端とを備えるブッシングと、トラニオンと、トラニオンとブッシングとに接触するようにブッシングの内側面の周囲に圧着された黒鉛基ライナ／スリーブと、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、主に、好ましくは電気黒鉛質炭素（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｇｒａｐｈｉｔｉｃ  ｃａｒｂｏｎ）である黒鉛基物質からなるスリーブが圧入されたブッシング２３を開示している。従来技術ではブッシング２３の内径に接着されたポリイミド樹脂組紐状炭素繊維が使用されているのに対し、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は本発明のブッシング２３の内径に圧入されている。本発明の電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は、約１０５０°Ｆの温度でも重大な破損が生じない。さらに、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は、自己潤滑式であるとともにブッシング２３の内径とトラニオン１５との間に適切な距離を維持する。これにより、本発明のブッシング２３は、高温で長時間動作するとともに、その形状を維持して可変ベーンの望ましくない撓みを防止する。
【００１０】
図３を参照すると、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１が本発明のブッシング２３に圧入される好適な方法が示されている。好適実施例では、ブッシング２３の内径５３に等しい直径を有する電気黒鉛質炭素ロッド５１が、電気黒鉛質炭素ロッド５１の両端が垂線３５を超えて延びるようにブッシング２３の内部に挿入される。垂線３５は、ブッシング２３の両端においてブッシング２３の側方から直角に延びる。電気黒鉛質炭素ロッド５１をブッシング２３の内部に挿入した後、電気黒鉛質炭素ロッド５１はそれぞれの端部で垂線３５に沿って終端となるように切断または他の方法で機械加工される。続いて、電気黒鉛質炭素ロッド５１は、ドリル孔直径４１を有する孔を形成するようにブッシング中心線３１に沿って掘削される。ドリル孔直径４１を有する孔を形成するように掘削した後で、この孔をさらに拡大して、リーマ孔直径４３に等しい直径を有するとともにブッシング中心線３１に沿って延在する孔を形成する。これにより、リーマ孔直径４３とブッシング内径５３との間の差は、ブッシング２３の内径に圧着される電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１の厚みと等しくなる。
【００１１】
このように形成された電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は、面取りまたは他の方法で機械加工することが好ましい。電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１が、いずれかの側で垂線に平行に延長されると、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１が損傷するおそれが高くなる。動作時には、可変ベーン１７からトラニオン１５とブッシング２３に伝達される応力はかなり大きくなりうる。これらの力は、ブッシング中心線３１に対して平行でなくなるように、トラニオン１５とブッシング２３とを振り子様に振動させる。この振動により、垂線３５に最も近い電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１の端部に過酷な応力が加わる。電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１の内側端部が直角のままであれば、このような力は電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１の欠けや他の破損を引き起こしうる。よって、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１の内側端部に面取部３７を機械加工することが好ましい。好適実施例では、垂線３５から角度θで延在する電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１の面取り面５５の角度θは５°〜８５°である。最も好適には、面取り角θは約４５°である。面取り角θで直線状に延在する面取り面５５を示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。むしろ、本発明は、面取り面５５が機械加工されうる全ての形状を広く含むものであり、曲線も含まれるがこれに限定されない。本発明の１つの実施例では、ブッシング２３はチタン基合金から形成される。
【００１２】
動作時には、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１がはめ込まれた本発明のブッシング２３は、４０時間を超える動作時間後にもトラニオン１５の摩耗が見られなかった。トラニオン１５がブッシング２３に対して回転するとともに移動して電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１を実質的に摩耗させるにつれて、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１はトラニオン１５の外側面に形成された空隙に付着してこれらの空隙を塞いだ。電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は、このように自己潤滑式でかつ非常に安定した滑らかな黒鉛間の接触面を提供する。さらに、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１の黒鉛がトラニオン１５の周囲に分配されるので、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１の全体的な体積は変わらない。このため、トラニオン１５とブッシング２３との間には、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１の元の厚さに等しい一定の間隔が維持される。ブッシング２３に対するトラニオン１５の形状が一定に保たれるので、可変ベーン１７の望ましくない撓みが防止される。
【００１３】
図４ａ，図４ｂを参照すると、当該技術で周知のブッシングライナによって生じる経時的な摩耗がグラフで示されている。図４ａで明らかなように、７５０°Ｆにおける４時間の動作後には、ブッシングライナの内径側および外径側の両方が約０．００８インチ〜０．０１４インチの摩耗を示した。同様に、図４ｂで明らかなように、４時間の動作後のトラニオン１５の摩耗は約０．０００５インチである。
【００１４】
これに対して、図５ａ，図５ｂを参照すると、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１を使用した場合の摩耗がグラフで示されている。図５ａで明らかなように、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は、４０時間の動作後における内径および外径の摩耗が約０．００４インチである。しかし、図５ｂから明らかなように、４０時間を過ぎてもトラニオン１５は摩耗を示さない。これは、上述のように、黒鉛が電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１から分離してトラニオン１５を保護するようにトラニオン１５に再度付着するからである。従って、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は摩耗するが、摩耗した材料はトラニオン１５とブッシング２３の他の場所に再度付着するのでこれらの部品間のはめ合い形状が変更されない。よって、電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１が摩耗する一方でトラニオン１５は識別可能な摩耗を全く示さない。
【００１５】
７００°Ｆで行われた追加の試験により、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は、８時間にわたって当該技術で周知のブッシングライナに比べて３倍の摩耗耐性を示すことが確認された。電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は、１０５０°Ｆの温度でも、７００°Ｆで８時間動作した同等の重合樹脂繊維ブッシングライナの摩耗のわずか６０％で２４時間動作した。
【００１６】
さらに、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は、金属製ブッシング２３に接着ではなく圧着されているので、押し出して新品のライナと交換することができる。これにより、修理されたブッシング２３は、新しいブッシングの約２５％のコストでエンジンの全寿命にわたって再使用できる。また、本発明の電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ１１は、非常に小さい公差で機械加工することができる。ブッシングライナを接着する当該技術で周知の現行の方法は、本発明の黒鉛ライナよりも公差が制御しにくい接着された織物を使用している。本発明による改善された公差の制御により、摩耗が低減されるとともに可変ベーンの位置精度が改善される。
【００１７】
本発明によって、上述の目的、手段、および利点を満たして、ガスタービンのトラニオンおよびブッシングの摩耗を低減させる電気黒鉛質ブッシングライナおよびその製造方法が提供されたことが明らかである。本発明を具体的な実施例に関して説明したが、当業者には上述の説明から他の代替物、改良、および変更が明らかであろう。よって、本発明は、請求の範囲に含まれるこのような代替物、改良、および変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るガスタービンエンジンのブッシングアセンブリの説明図である。
【図２】本発明に係る電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブの断面図である。
【図３】本発明に係る電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブの機械加工寸法を示す断面図である。
【図４ａ】従来技術のブッシングライナの摩耗を示すグラフである。
【図４ｂ】従来技術のトラニオンの摩耗を示すグラフである。
【図５ａ】本発明に係る電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブの摩耗を示すグラフである。
【図５ｂ】本発明に係るトラニオンの摩耗を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
１１…電気黒鉛質炭素ライナ／スリーブ
２３…ブッシング
３１…ブッシング中心線
３５…垂線
３７…面取り部
５５…面取り面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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