(57)【要約】【課題】軸方向に変位可能なスラスト軸受を含むターボ機械内のクリアランスを制御する作動システム。【解決手段】軸方向に変位可能なスラスト軸受は、固定部品に対して回転部品を軸方向に変位させて、固定部品と回転部品との間のクリアランスを制御するように構成される。システムは、軸方向に変位可能なスラスト軸受に結合され、クリアランスを制御するため軸方向に変位可能なスラスト軸受を作動させる複数のアクチュエータを含む。複数のアクチュエータは、ゼロモーメントを維持するためアクチュエータ故障の場合に直径方向に対向するアクチュエータを停止させる。トポグラフィネットワークにおいて、直径方向に対向する各アクチュエータ対は、単一制御ラインに結合される。代替のトポグラフィネットワークにおいて、交互のアクチュエータは、単一制御ラインに結合される。【選択図】図１
2015165133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械内のクリアランスを制御する作動システムであって、
固定部品に対して回転部品を軸方向に変位させて、前記固定部品と前記回転部品との間のクリアランスを制御するように構成される少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を含むシャフト軸受と、
前記少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受に結合され、前記クリアランスを制御するため前記少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を作動させるように構成される複数のアクチュエータとを備え、
それにより、前記複数のアクチュエータは、ゼロモーメントを維持するため、アクチュエータ故障の場合に、直径方向に対向するアクチュエータを停止させるように構成される、作動システム。
【請求項２】
１つ又は複数のアクチュエータを使用する少なくとも３つの作動点を含む、請求項１記載の作動システム。
【請求項３】
前記複数のアクチュエータは、前記少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受に対して円周方向に配置され、前記スラスト軸受の周りに実質的に対称に構成され、複数の制御ラインを介して前記スラスト軸受に結合される、請求項１記載の作動システム。
【請求項４】
前記複数のアクチュエータは、トポグラフィネットワークを画定する前記複数の制御ラインに結合され、アクチュエータ故障の場合、直径方向に対向するアクチュエータが停止する、請求項３記載の作動システム。
【請求項５】
直径方向に対向する各アクチュエータ対は、単一制御ラインに結合される、請求項４記載の作動システム。
【請求項６】
アクチュエータの各対は、別個の制御ラインに接続される、請求項５記載の作動システム。
【請求項７】
交互のアクチュエータは、単一制御ラインに結合される、請求項４記載の作動システム。
【請求項８】
交互のアクチュエータの第１のグループは、第１の制御ラインに結合され、交互のアクチュエータの第２のグループは、第２の制御ラインに結合される、請求項７記載の作動システム。
【請求項９】
前記複数のアクチュエータは、トポグラフィネットワークを画定する複数の油圧制御ラインに結合された油圧アクチュエータである、請求項３記載の作動システム。
【請求項１０】
ターボ機械であって、
内側壁を含む固定部品と、
複数のロータブレードであって、それぞれが、前記内側壁に向かって面するブレード先端を有し、それぞれの前記ブレード先端と前記内側壁との間に形成されるクリアランスを有する、複数のロータブレードを保持する回転部品と、
前記固定部品に対して前記回転部品を軸方向に変位させて、前記固定部品と前記回転部品との間のクリアランスを制御するように構成される少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を含むシャフト軸受と、
前記スラスト軸受に対して円周方向に配置され、複数の制御ラインを介して前記スラスト軸受に結合される複数のアクチュエータであって、前記クリアランスを制御するため前記少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を作動させ、ゼロモーメントを維持するためアクチュエータ故障の場合に、直径方向に対向するアクチュエータを停止させるように構成される、複数のアクチュエータとを備える、ターボ機械。
【請求項１１】
前記複数のアクチュエータは、前記少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受に対して円周方向に配置され、トポグラフィネットワークを画定するため、複数の制御ラインを介して前記スラスト軸受に結合される、請求項１０記載のターボ機械。
【請求項１２】
直径方向に対向する各アクチュエータ対は、単一制御ラインに結合される、請求項１１記載のターボ機械。
【請求項１３】
アクチュエータの各対は、別個の制御ラインに接続される、請求項１２記載のターボ機械。
【請求項１４】
交互のアクチュエータは、単一制御ラインに結合される、請求項１１記載のターボ機械。
【請求項１５】
交互のアクチュエータの第１のグループは、第１の制御ラインに結合され、交互のアクチュエータの第２のグループは、第２の制御ラインに結合される、請求項１４記載のターボ機械。
【請求項１６】
前記クリアランスは、前記回転部品と前記固定部品との間の半径方向クリアランス又は軸方向クリアランスである、請求項１０記載のターボ機械。
【請求項１７】
ターボ機械内のクリアランスを制御するためスラスト軸受を作動させる方法であって、前記方法が、
作動システムの信頼性と前記作動システムを介してシャフト軸受に結合された複数のアクチュエータの信頼性との間の関係を画定することであって、前記シャフト軸受は、固定部品に対して回転部品を軸方向に変位させて、前記固定部品と前記回転部品との間のクリアランスを制御するように構成される少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を含む、画定すること、
前記作動システムと前記アクチュエータとの間の前記確定された信頼性関係に基づいて前記複数のアクチュエータの作動のためのトポグラフィネットワークを確定すること、及び、
前記アクチュエータと前記スラスト軸受との間に構成された機械的支持を介して前記スラスト軸受を軸方向に作動させることを含み、
それにより、前記複数のアクチュエータは、ゼロモーメントを維持するため、アクチュエータ故障の場合に、直径方向に対向するアクチュエータを停止させるように構成される、方法。
【請求項１８】
前記複数のアクチュエータは、トポグラフィネットワークを画定する複数の制御ラインに結合され、アクチュエータ故障の場合、直径方向に対向するアクチュエータが停止する、請求項１７記載のスラスト軸受を作動させる方法。
【請求項１９】
直径方向に対向する各アクチュエータは、単一制御ラインに結合される、請求項１８記載のスラスト軸受を作動させる方法。
【請求項２０】
交互のアクチュエータは、単一制御ラインに結合される、請求項１８記載のスラスト軸受を作動させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、一般に、ターボ機械におけるクリアランス制御に関する。より具体的には、主題は、ターボ機械内のクリアランスを制御するためのスラスト軸受作動のための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械内のロータのブレード先端と固定部分との間のクリアランスを最小にすることは、ブレード先端の周りの作動流体の漏洩を低減するために望ましい。
【０００３】
ブレード先端クリアランスによる損失は、低い効率及び高い燃料消費をもたらす。機械の動作寿命中、ブレード先端クリアランスは、回転ブレードと固定ケーシングとの間の機械的摩擦により経時的に増加し、それによって、機械の性能に悪影響を及ぼす。
【０００４】
機械の動作中にクリアランスを動的に変更することが時として望ましい。幾つかの既存のブレード先端クリアランス調整機構は、複雑なリンク部を含み、また、かなりの重量に寄与し、かつ／又は、機械の動作のためにかなりの量のパワーを必要とする。
【０００５】
回転機械内のブレード先端クリアランスを制御するためのスラスト軸受作動のためのシステム及び方法を改善することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８５５０７６７号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの例示的な実施形態によれば、ターボ機械内のクリアランスを制御する作動システムが開示される。システムは、固定部品に対して回転部品を軸方向に変位させて、固定部品と回転部品との間のクリアランスを制御するように構成される少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を含むシャフト軸受と、少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受に結合され、クリアランスを制御するため少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を作動させるように構成される複数のアクチュエータとを含む。複数のアクチュエータは、ゼロモーメントを維持するため、アクチュエータ故障の場合に、直径方向に対向するアクチュエータを停止させるように構成される。
【０００８】
別の実施形態によれば、ターボ機械が開示される。ターボ機械は、固定部品と回転部品と複数のロータブレードとシャフト軸受と複数のアクチュエータとを含む。固定部品は内側壁を含む。回転部品は、それぞれが、内側壁に向かって面するブレード先端を有し、それぞれの前記ブレード先端と前記内側壁との間に形成されるクリアランスを有する、複数のロータブレードを保持する。シャフト軸受は、固定部品に対して回転部品を軸方向に変位させて、固定部品と回転部品との間のクリアランスを制御するように構成される少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を含む。複数のアクチュエータは、スラスト軸受に対して円周方向に配置され、複数の制御ラインを介してスラスト軸受に結合される。複数のアクチュエータは、クリアランスを制御するため少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を作動させ、ゼロモーメントを維持するためアクチュエータ故障の場合に、直径方向に対向するアクチュエータを停止させるように構成される。
【０００９】
本技法の別の態様によれば、ターボ機械内のクリアランスを制御するためスラスト軸受を作動させる方法が開示される。方法は、作動システムの信頼性と作動システムを介してシャフト軸受に結合された複数のアクチュエータの信頼性との間の関係を画定することを含む。シャフト軸受は、固定部品に対して回転部品を軸方向に変位させて、固定部品と回転部品との間のクリアランスを制御するように構成される少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受を含む。次に、トポグラフィネットワークが、作動システムとアクチュエータとの間の確定された信頼性関係に基づいて複数のアクチュエータの作動のために確定される。スラスト軸受は、次に、アクチュエータとスラスト軸受との間に構成された機械的支持を介して軸方向に作動される。複数のアクチュエータは、ゼロモーメントを維持するため、アクチュエータ故障の場合に、直径方向に対向するアクチュエータを停止させるように構成される。
【００１０】
本発明のこれらのまたその他の特徴及び態様は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書で示されるか又は述べられる１つ又は複数の実施形態によるエンジンの線図である。
【図２】本明細書で示されるか又は述べられる１つ又は複数の実施形態による、クリアランスを制御するためのスラスト軸受作動のためのシステム及び方法を示す、図１のエンジンの一部分の線図である。
【図３】本明細書で示されるか又は述べられる１つ又は複数の実施形態による、クリアランスを制御するためのスラスト軸受作動のためのシステム及び方法を示す、図１のエンジンの一部分の線図である。
【図４】本明細書で示されるか又は述べられる１つ又は複数の実施形態による、大きなシステム偏向を回避し、スラスト軸受作動システムの負荷共有不均等を減少させるための、調節可能なアクチュエータ構成及び構造剛性を示すスラスト軸受及びアクチュエータ構成の略図である。
【図５】本明細書で示されるか又は述べられる１つ又は複数の実施形態による、クリアランスを制御するための、スラスト軸受作動の推奨される安全ファクタに対する構造剛性を示すグラフィカルプロットである。
【図６】例示的な実施形態による、クリアランスを制御するためのスラスト軸受作動のためのシステム及び方法のトポグラフィネットワークの線図である。
【図７】本明細書で示されるか又は述べられる１つ又は複数の実施形態による、クリアランスを制御するためのスラスト軸受作動のためのシステム及び方法の別のトポグラフィネットワークの線図である。
【図８】本明細書で示されるか又は述べられる１つ又は複数の実施形態による、クリアランスを制御するためのスラスト軸受作動のための方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態は、ターボ機械内のクリアランスを制御するためのスラスト軸受作動のためのシステム及び方法に関する。本明細書で使用されるとき、スラスト軸受作動のためのシステム及び方法は、限定はしないが、ターボジェット、ターボファン、ターボ推進エンジン、航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービン、及び圧縮機等の種々のタイプのターボ機械用途に適用可能である。更に、本明細書で使用されるとき、「ある（a）」、「ある（an）」、及び「それ（the）」等の単数形は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数の指示物を含む。
【００１３】
ここで、複数の図を通して同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本開示による例示的な航空機エンジン組立体１０の略図である。参照符号１２は、中心線軸１２を示し得る。例示的な実施形態では、エンジン組立体１０は、ファン組立体１４、ブースタ圧縮機１６、コアガスタービンエンジン１８、並びにファン組立体１４及びブースタ圧縮機１６に結合され得る低圧タービン２０を含む。ファン組立体１４は、ファンロータディスク２４から実質的に半径方向に外向きに延在する複数のロータファンブレード２２並びにロータファンブレード２２の下流に位置決めされ得る複数の出口ガイドベーン２６を含む。コアガスタービンエンジン１８は、高圧圧縮機２８、燃焼器３０、及び高圧タービン３２を含む。ブースタ圧縮機１６は、複数の回転部品、より具体的には、第１の駆動シャフト３８に結合された圧縮機ロータディスク３６から実質的に半径方向外向きに延在する複数のロータブレード３４を含む。高圧圧縮機２８及び高圧タービン３２は、第２の駆動シャフト４０によって共に結合される。高圧タービン３２は、複数の回転部品、より具体的にはロータ４２、及び、複数の固定部品、より具体的にはステータ４４を含む。エンジン組立体１０はまた、吸気側４６、コアエンジン排気側４８、及びファン排気側５０を含む。
【００１４】
動作中、ファン組立体１４は、吸気側４６を通ってエンジン組立体１０に入る空気を圧縮する。ファン組立体１４から出る空気流は、空気流の一部分５２が圧縮空気流としてブースタ圧縮機１６に流入し、空気流の残りの部分５４がブースタ圧縮機１６及びコアガスタービンエンジン１８をバイパスし、バイパス空気としてファン排気側５０を通ってエンジン組立体１０から出るように分割される。複数のロータブレード３４は、空気流５２を圧縮し圧縮された空気流５２をコアガスタービンエンジン１８に向けて送出する。更に、空気流５２は更に、高圧圧縮機２８によって圧縮され、燃焼器３０に送出される。更に、燃焼器３０からの圧縮空気流は、回転する高圧タービン３２及び低圧タービン２０を駆動し、コアエンジン排気側４８を通ってエンジン組立体１０から出る。
【００１５】
例えば、図１のロータ４２及びステータ４４等のロータとステータとの間等、回転部品と固定部品との間の漏洩が制御されなければならないほとんど全てのタービン場所でシールが使用される。したがって、エンジン組立体１０は、前述のシールにおける漏洩を防止するため回転部品と固定部品との間のクリアランスを能動的に制御するスラスト軸受作動システムを含む。ターボ機械におけるシール設計及びクリアランス制御のためのシステム及び方法は、同じ譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組込まれる、Ｔｒｉｖｅｄｉ等によって２０１２年８月２８日に出願された、「Ｓｅａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｃｌｅａｒａｎｃｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｔｒａｔｅｇｙ  ｆｏｒ  Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｓ」という名称の、米国特許出願シリアル番号第１３／５９６，３８６号及び代理人文書整理番号第２５８５７０−１号に詳細に記載される。
【００１６】
図２は、図１のエンジン１０で利用され得るような回転機械、例えばタービン６０の一部分の線図である。示すように、回転機械は、或る例示的な実施形態による、前述のシール等のシールにおける漏洩を防止するため回転部品と固定部品との間のクリアランスを制御するスラスト軸受作動システム６２を含む。或る実施形態では、スラスト軸受作動システム６２は、（ここで述べる）スラスト軸受に作動を提供する（ここで述べる）複数のアクチュエータを含む。図２に最もよく示すように、スラスト軸受作動システム６２は、回転機械６０の図１のロータ４２等の回転部品６６と固定部品６８との間のクリアランス６４を能動的に制御するスラスト軸受作動を提供するために使用される。回転部品６６は、複数のロータブレード６１を保持し、複数のロータブレードのそれぞれが、内側壁６５に向かって面するブレード先端６３を有し、それぞれの前記ブレード先端６３と前記内側壁６５との間に形成されるクリアランス６４を有する。或る実施形態では、クリアランス６４は、回転機械６０内の回転部品６６と固定部品６８との間の軸方向クリアランスである。別の実施形態では、クリアランス６４は、回転機械６０内の回転部品６６と固定部品６８との間の半径方向クリアランスである。ターボ機械内のクリアランス６４を推定し制御するためのシステム及び方法は、同じ譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組込まれる、Ｔｕｒｎｑｕｉｓｔ等によって２０１３年１２月１８日に出願された、「Ｓｙｓｔｅｍ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｃｌｅａｒａｎｃｅ  ｉｎ  ａ  Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅ」という名称の、米国特許出願シリアル番号第１４／１３２，３１３号及び代理人文書整理番号第２７２３５２−１号に詳細に記載される。
【００１７】
先に示したように、ラビリンスシール（図示せず）等のシールは、回転部品６６と固定部品６８との間に配設される。シールは、シールの両側で高圧領域から低圧領域への流体の流れに対して比較的多くの障壁部、すなわち、歯状部を配置することによって機能することができ、各障壁部によって流体が蛇行経路をたどり、それにより、圧力低下が生じる。回転部品６６は、動作中、方向矢印で示すように回転シャフト７０を介して軸方向に自由に移動する。ここで図３を参照すると、動作中、回転シャフト７０及び回転部品６６が加熱されるにつれて、回転シャフト７０は、軸方向に矢印６７で示すように軸方向に「成長（grow）」して、アクティブスラスト軸受７２から離れて変位する。回転シャフト７０、したがって回転部品６６（図２）の軸方向移動は、複数のアクチュエータ７４によって制御され、アクティブスラスト軸受７２に対して軸方向の回転シャフト７０及び回転部品６６の成長と相対的である。より詳細には、回転シャフト７０、したがって回転部品６６（図２）の軸方向移動は、１つ又は複数のアクチュエータ７４を使用して、少なくとも３つの作動点を含む複数のアクチュエータ７４によって制御される。新規のスラスト軸受作動システム６２及び方法（以下でより詳細に述べる）は、この軸方向変位の作動を提供する、したがって、必要に応じて開閉するための回転部品６６と固定部品６８との間の半径方向クリアランスを提供する。一実施形態によれば、また、先に述べたように、本明細書で開示される新規のスラスト軸受作動システム及び方法は、回転部品に対して軸方向自由度を提供し、それにより、回転部品と固定部品との間に設けられる半径方向クリアランス及び軸方向クリアランスの調整を可能にする。
【００１８】
図２の回転機械６０は、動作サイクル中に複数の動作条件を示す。一実施形態では、動作条件は長いロータ条件である。長いロータ条件は、回転機械６０の過渡的動作条件であり、１つの特定の実施形態では、回転機械６０は、シャットダウン条件から定常状態条件への遷移を受ける。長いロータ条件中、回転機械６０の回転部品６６は、スラスト軸受７２（図３）に対して軸方向に沿ってかつ半径方向に沿って熱的に拡張し、シェル成長（「ケース拡張（case expansion）」とも呼ばれる）をもたらす。このステージ中、回転部品６６は、固定部品６８に比べて最も長い。定常状態エンジン動作が達成されると、固定部品６８に対して軸方向に成長又は伸長した回転部品６６は、軸方向矢印６７で示すように、軸方向に調整されて、回転部品６６と固定部品６８との間に形成されるクリアランス６４を「閉鎖する（close）」。回転部品６６のこの軸方向調整は、回転部品６６と固定部品６８との間の半径方向クリアランスを閉鎖する。
【００１９】
別の実施形態では、動作条件は短いロータ条件である。短いロータ条件は、回転機械６０の過渡的動作条件であり、１つの特定の実施形態では、回転機械６０は、定常状態条件からシャットダウン条件への遷移を受ける。短いロータ条件中、回転機械６０の回転部品６６は、スラスト軸受７２（図３）に対して軸方向に沿ってかつ半径方向に沿って熱的に収縮し、シェル収縮（「ケース収縮（case contraction）」とも呼ばれる）をもたらす。外側ケーシングの熱収縮の継続時間は、回転機械６０の回転部品６６の熱収縮の継続時間に比較して比較的速い。長いロータ動作条件及び短いロータ動作条件に関して、ステータ又はロータの熱応答が、機械の設計に応じて速いか又は遅い可能性があることが予想される。
【００２０】
回転機械６０の動作中、クリアランス制御機構は、動作サイクル全体を通して複数の動作条件についてクリアランス６４を維持するように構成される。本明細書で開示されるように、クリアランス制御機構は、複数のアクチュエータ７４（図３）を含む、スラスト軸受作動システム６２によって制御され得る。或る例示的な実施形態では、複数のクリアランスプロファイルは、回転機械６０の複数の動作条件について生成され得る。クリアランス制御機構は、その後、回転機械６０について構成され、複数の動作条件について、生成された複数のクリアランスプロファイルに基づいて制御され得る。
【００２１】
先に示したように、複数のアクチュエータ７４は、回転部品６６の軸方向移動の制御を可能にする。アクチュエータ７４は、スラスト軸受支持体７３及び制御ライン７６を介して、少なくとも１つの軸方向に変位可能なスラスト軸受７２を含むシャフト軸受７１に結合されて、アクチュエータ７４間の均一な負荷共有を保証しながら、システム偏向を最小にする。或る実施形態では、アクチュエータ７４は、油圧アクチュエータとして構成される。或る代替の実施形態では、アクチュエータ７４は、電磁アクチュエータ、又は、回転部品６６の軸方向移動の制御を提供することが可能な任意の他のタイプのアクチュエータとして構成される。付属品システムの構造剛性は、システム偏向及びアクチュエータ７４間の負荷共有不均等を最小にするように調節される。剛性マージン及び偏向要件は、設計慣行の一部として決定され、適切な構造剛性は、このために開発された解析ツールを使用して選択される。スラスト軸受支持体７３を介したスラスト軸受７２に対するアクチュエータ７４の結合の設計は、その剛性が、アクチュエータ７４間の負荷共有が均等化されるまで小さく、その後高くなるようなものである。より具体的に図４を参照すると、概略的に示されるのは、それぞれ長さＬP1、ＬP2、ＬP3、及びＬP4を有するＡ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４と表示された４つのアクチュエータ７４である。示すように、スラスト軸受支持体７３の構造剛性は、方向矢印で示すように大きなシステム偏向を回避すると共に、負荷共有不均等を減少させるために設計段階で調節可能である。アクチュエータの長さの差が小さいため、軸受支持体７３に加えられる負荷は、４つのアクチュエータＡ１とＡ２とＡ３とＡ４との間で不均等に共有されることになる。安全率（最大負荷／平均負荷）によって定義される負荷共有の変動性の程度は、アクチュエータ７４の剛性の関数である。アクチュエータ７４は、柔軟である場合、ＬP1＝ＬP2＝ＬP3＝ＬP4になるまで比較的小さな負荷の下で偏向し、更なる負荷が、全てのアクチュエータ７４の間で均等に共有されることになる。アクチュエータ７４が剛性である場合、ＬP1＝ＬP2＝ＬP3＝ＬP4になる前に負荷の大部分が必要とされる。
【００２２】
図５には、本明細書で述べる或る実施形態による、スラスト軸受作動システム、より詳細にはスラスト軸受支持体７３（図４）の、要求される安全率（軸８４上にプロットされる）に関する構造剛性（軸８２上にプロットされる）を示す、全体的に８０で参照されるグラフィカルプロットが示される。図５は、構造剛性（軸８２上にプロットされる）並びにアクチュエータ７４の間の寸法不一致に負荷共有不均等がどのように関連するかを示す。負荷共有におけるいずれの不均等も、アクチュエータ７４の負荷担持能力に関する安全率（軸８４上にプロットされる）を有することによって補償されなければならない。例えば、或る実施形態では、最大負荷／平均負荷＝１．２であり、アクチュエータ７４によって担持される公称負荷が１０００Ｎである場合、アクチュエータ７４は、不均等を考慮するため、２０％の率（１２００Ｎ）だけ過剰設計される必要があることになる。したがって、最大負荷／平均負荷もまた、アクチュエータ７４について要求される安全率である。こうして、図５は、システムについて剛性、公差、及びサイズ（安全率）を設定する。
【００２３】
図５に示すように、曲線８６、８７、８８、８９、及び９０は、製造不完全性（公差）の増加するレベルについて、要求される安全率対構造剛性を示す。より詳細には、第１の事例研究（プロットされた点／ライン８６で示す）におけるスラスト軸受支持体の設計剛性は、要求される安全率が増加するにつれて、構造剛性が増加することを示す。比較すると、示す更なる事例研究は、第２の事例研究（プロットされた点／ライン８７で示す）、第３の事例研究（プロットされた点／ライン８８で示す）、第４の事例研究（プロットされた点／ライン８９で示す）、及び第５の事例研究（プロットされた点／ライン９０で示す）においてスラスト軸受支持体の設計剛性を示し、事例研究１〜５は、製造不完全性の増加するレベルを示す。プロットされた各ライン８６〜９０は、構造剛性及び製造不完全性に伴って、要求される安全率が増加することを示す。偏向要件は、構造剛性が下方閾値９２を超えなければならないことを規定する（dictate）。達成可能な最悪及び最良事例の製造公差はライン８６及び８８で示される。達成可能な最大安全率は、構造剛性に上限を提供する右側の垂直ライン９４を設定する。したがって、クロスハッチングエリア９６は、作動支持システムが理想的に設計される設計空間として特定される。
【００２４】
より具体的に図６及び７を参照すると、本明細書で開示するスラスト軸受作動システム６２（図２）の複数のアクチュエータ７４に関連するネットワークトポロジー及び関連するオペレーショナル及びリバージョンロジックが示される。示すように、この特定の実施形態では、１０〜１２のアクチュエータ７４が、スラスト軸受７２に対して円周方向に配置され、複数の制御ライン７６を介してスラスト軸受７２に結合される。代替の実施形態で、任意の数のアクチュエータ７４がスラスト軸受作動システムに組込まれ得ることが予想される。或る例示的な実施形態では、１０〜１２のアクチュエータ７４のうちの少なくとも６つが任意の所与の時間に動作可能でなければならないという要件が設定され得る。この数は、機械のサイズの関数であることになる。オペレーショナルロジックは、アクチュエータ７４が故障する場合、直径方向に対向するアクチュエータ７４も、ゼロモーメントを維持するため停止されることを命令する。アクチュエータ７４及び制御ライン７６の相対的信頼性及び絶対的信頼性に基づいて、２つのトポロジー（ここで述べる）が最適である。両方のトポロジーにおいて、アクチュエータ７４が故障する場合、直径方向に対向するアクチュエータ７４が、ゼロモーメントを維持するため停止される。したがって、ネットワークトポロジーは信頼性について最適化される。
【００２５】
図６には、システム信頼性がアクチュエータの信頼性より高いときに、又は、両方とも信頼性がある（例として、両方について０．９９の信頼度数値の）場合に使用するための第１のトポロジーネットワーク１００が概略的に示される。複数のアクチュエータ７４を含み、より具体的には１０の個々のアクチュエータ７４を含むように構成されるトポロジーネットワーク１００が示される。アクチュエータ７４は、スラスト軸受７２の周りに実質的に対称に構成される。示す構成では、直径方向に対向する各アクチュエータ対は単一制御ライン７６に結合される。より詳細には、示すように、直径方向に対向するアクチュエータ１０２の第１の対は、第１の制御ライン１０４に結合される。直径方向に対向するアクチュエータ１０６の第２の対は、第２の制御ライン１０８に結合される。直径方向に対向するアクチュエータ１１０の第３の対は、第３の制御ライン１１２に結合される。直径方向に対向するアクチュエータ１１４の第４の対は、第４の制御ライン１１６に結合される。直径方向に対向するアクチュエータ１１８の第５の対は、第５の制御ライン１２０に結合される。トポロジーネットワーク１５０内の作動システム信頼性についての式の例は、
【００２６】
【数１】
2015165133.tif 000003
で示される。ここで、ｐはシステムの故障率を示し、ｑはアクチュエータの故障率を示し、ｊは０から２までの指数であり、Ｃは組合せ「選択（choose）」関数である。信頼性についてのより単純な又はより複雑な表現が可能であることが留意される。前提は、部品レベル故障率ｐ及びｑを使用して、組合せ及び確率を使用してシステムレベル故障率を取得することである。
【００２７】
図７には、アクチュエータ７４の信頼性がシステム信頼性より高いときに、又は、両方とも信頼性がない場合に使用するための第２のトポロジーネットワーク１５０が概略的に示される。複数のアクチュエータ７４を含み、より具体的には１２の個々のアクチュエータ７４を含むように構成されるトポロジーネットワーク１５０が示される。アクチュエータ７４は、スラスト軸受７２の周りに実質的に対称に構成される。示す構成では、交互のアクチュエータ７４は、単一制御ライン７６に結合される。より詳細には、示すように、交互のアクチュエータ１５２の第１のグループは第１の制御ライン１５４に結合される。交互のアクチュエータ１５６の第２のグループは第２の制御ライン１５８に結合される。トポロジーネットワーク１５０内の作動システム信頼性は、式
【００２８】
【数２】
2015165133.tif 000004
で示される。ここで、ｐはシステムの故障率を示し、ｑはアクチュエータの故障率を示し、ｊは０から２までの指数であり、Ｃは組合せ「選択」関数である。信頼性についてのより単純な又はより複雑な表現が考えられることが留意される。前提は、部品レベル故障率ｐ及びｑを使用して、組合せ及び確率を使用してシステムレベル故障率を取得することである。
【００２９】
先に示したように、アクチュエータ７４が故障する場合等、本明細書で開示されるスラスト軸受作動システムの故障イベント中に、トポロジーネットワーク１００又は１５０は、ゼロモーメントを維持するため直径方向に対向するアクチュエータ７４の停止を可能にし、したがって、大きなシステム偏向及び負荷共有不均等を回避する。
【００３０】
図８は、或る例示的な実施形態による、固定部品と回転部品との間のクリアランスを制御するためのスラスト軸受作動のための方法を示すフローチャート１７０を示す。方法は、ステップ１７２にて、アクチュエータの信頼性に対するシステムの信頼性を確定することを含む。次に、ステップ１７４にて、システムとアクチュエータとの間の確定された信頼性関係に基づいて、複数のアクチュエータの作動のためのトポグラフィネットワークが確定される。ステップ１７６にて、アクチュエータ及びトポグラフィネットワークに応答して、アクチュエータとスラスト軸受との間の機械的支持体を介して、スラスト軸受が、次に、固定部品と回転部品との間の所望のクリアランスになるよう軸方向に作動される。
【００３１】
したがって、本明細書には、大きなシステム偏向及び負荷共有不均等を回避しながら、クリアランス制御を作動させるという目的を持つターボ機械スラスト軸受用のスラスト軸受作動システムが開示される。本明細書で開示されるスラスト軸受作動システムは、信頼性の最適化という更なる利益を有するターボ機械スラスト軸受を軸方向に作動させる代替の手段を提供する。本明細書で開示されるスラスト軸受作動システムは、クリアランス制御を可能にし、シール摩擦及び漏洩の可能性の低減をもたらし、そして、ターボ機械の占有面積を増加させることなく又はターボ機械に対して過剰のオペレーショナルリスクを付加することなく、ターボ機械性能の増加及びより大きなオペレーショナル柔軟性をもたらす。本明細書で開示される例示的な実施形態は、スラスト軸受作動システムがターボ機械内のクリアランスをリアルタイムに制御することを可能にする。
【００３２】
上述した全てのこうした目的又は利点が、任意の特定の実施形態に従って達成され得るわけでないことが理解される。そのため、例えば、本明細書で述べるシステム及び技法が、本明細書で教示又は提案され得る他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示される１つの利点又は利点のグループを達成又は改善するように具現化又は実施され得ることを当業者は認識するであろう。
【００３３】
制限された数の実施形態だけに関連して本技術が詳細に述べられたが、本明細書がこうして開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本技術は、これまでに延べられていないが、特許請求項の精神及び範囲にふさわしい、任意の数の変形、変更、置換、又は等価配置構成を組込むよう修正される可能性がある。更に、本技術の種々の実施形態が述べられたが、本明細書の態様が、述べた実施形態の一部だけを含む得ることが理解される。したがって、本明細書は、先の説明によって制限されるとものとみなされるのではなく、添付特許請求項の範囲によって制限されるだけである。新しいものとして特許請求され、米国の特許証によって保護されることを所望されるものは、添付特許請求の範囲である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  航空機エンジン組立体
１２  中心線軸
１４  ファン組立体
１６  ブースタ圧縮機
１８  コアガスタービンエンジン
２０  低圧タービン
２２  ロータファンブレード
２４  ファンロータディスク
２６  出口ガイドベーン
２８  高圧圧縮機
３０  燃焼器
３２  高圧タービン
３４  複数のロータブレード
３６  圧縮機ロータディスク
３８  第１の駆動シャフト
４０  第２の駆動シャフト
４２  回転部品
４４  固定部品
４６  吸気側
４８  コアエンジン排気側
５０  ファン排気側
５２  空気流の一部分
５４  空気流の残りの部分
６０  回転機械
６１  複数のロータブレード
６２  スラスト軸受作動システム
６３  ブレード先端
６４  クリアランス
６６  回転部品
６７  方向矢印
６８  固定部品
７０  回転シャフト
７１  シャフト軸受
７２  スラスト軸受
７４  アクチュエータ
７６  制御ライン
８０  グラフィカルプロット
８２  ｘ−軸
８４  ｙ−軸
８６  プロットされた点／ライン
８７  プロットされた点／ライン
８８  プロットされた点／ライン
８９  プロットされた点／ライン
９０  プロットされた点／ライン
９２  下方閾値
９４  垂直ライン
９６  クロスハッチングエリア
１００  第１のトポグラフィネットワーク
１０２  直径方向に対向するアクチュエータの第１の対
１０４  第１の制御ライン
１０６  直径方向に対向するアクチュエータの第２の対
１０８  第２の制御ライン
１１０  直径方向に対向するアクチュエータの第３の対
１１２  第３の制御ライン
１１４  直径方向に対向するアクチュエータの第４の対
１１６  第４の制御ライン
１１８  直径方向に対向するアクチュエータの第５の対
１２０  第５の制御ライン
１５０  第２のトポグラフィネットワーク
１５２  交互のアクチュエータの第１のグループ
１５４  第１の制御ライン
１５６  交互のアクチュエータの第２のグループ
１５８  第２の制御ライン
【図１】
2015165133.tif 000005
【図２】
2015165133.tif 000006
【図３】
2015165133.tif 000007
【図４】
2015165133.tif 000008
【図５】
2015165133.tif 000009
【図６】
2015165133.tif 000010
【図７】
2015165133.tif 000011
【図８】
2015165133.tif 000012
【外国語明細書】
2015165133000001.pdf