JP2002227605A - ベーン - Google Patents

ベーン

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JP2002227605A JP2001387919A JP2001387919A JP2002227605A JP 2002227605 A JP2002227605 A JP 2002227605A JP 2001387919 A JP2001387919 A JP 2001387919A JP 2001387919 A JP2001387919 A JP 2001387919A JP 2002227605 A JP2002227605 A JP 2002227605A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ベーンの剛体部分（トラニオン）とベーンの
可撓体部分（エアフォイル）との間の移行領域において
応力が低減されたベーンを提供する。 【解決手段】 ベーン１０は、トラニオン部１２とエア
フォイル部１８を有している。ベーン１０のトラニオン
部１２とエアフォイル部１８の間に画定される移行領域
２２に近接するトラニオン部１２上に応力低減用アンダ
ーカット部２４を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ機械などに
おいて使用される、可変のベーンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンのようなターボ機
械は、１つまたは２つ以上のタービンモジュールを有し
ており、また、各タービンモジュールは、作動媒介流体
とエネルギーを交換するための複数のブレードとベーン
を有している。一部のベーンは固定式であってもよく、
また他のベーンは可変、つまりガスタービンエンジン内
で各位置の間を回転自在（ガスタービンエンジン中で回
転されていろいろの位置をとることが可能）なものであ
ってもよい。図７に、従来技術において公知である典型
的なベーンを示した。このベーンは、概略的には、トラ
ニオン部（ａ）とエアフォイル部（ｂ）とから構成され
ている。エアフォイル部は、前縁部（ｄ）と後縁部
（ｅ）とを有する。トラニオン部（ａ）は、トラニオン
部とエアフォイル部の間の移行領域（ｇ）の近傍に拡大
されたボタン部ないし突出部（ｆ）を有している。可変
のベーンは、運転の際には、エアフォイル部の前縁部の
位置を所要の通りに配置すべく、軸（ｃ）のまわりに回
転するように取り付けられる。通常は、可変のベーン
は、約４０°の角度範囲で回転される。
【０００３】ガスタービンエンジンのベーンは厳しい環
境のなかで動作しているので、著しく大きな静的および
振動的な応力に晒されている。従来技術の可変ベーンの
デザインにおいては、トラニオン部（つまり、可変ベー
ンの剛体部分）からベーンのエアフォイル部（つまり、
可変ベーンの可撓体部分）までの移行領域（ｇ）が大き
な応力に晒され、これが移行領域におけるベーンの破
壊、およびタービンエンジンの壊滅的な損害につながる
可能性がある。
【０００４】当然のことであるが、剛体部分（トラニオ
ン部）と可撓体部分（エアフォイル部）との間の移行領
域における応力を低減し、トラニオン部からエアフォイ
ル部までの移行領域において十分にスムースつまり円滑
で、また連続的な応力減少を提供するようなベーン形状
を提供することが非常に望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の主要
な目的は、可変のベーンの剛体部分（トラニオン）とベ
ーンの可撓体部分（エアフォイル）との間の移行領域に
おいて応力が低減されたベーンを提供することにある。
【０００６】本発明の他の目的は、可変ベーンの移行領
域において、可変ベーンの剛体（トラニオン）部分から
可撓体（エアフォイル）部分までの、円滑で連続的な応
力減少を提供することにある。
【０００７】本発明の更に他の目的は、ガスタービンエ
ンジンにおいて有用である、鋳造可能な可変ベーンを提
供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ベーン
はベーンの剛体部分と可撓体部分（エアフォイル部）と
の間の移行領域の近傍のベーンの剛体部分（トラニオン
部）に、応力低減用（応力減少用）のアンダーカット部
を備えている。アンダーカット部はベーンの剛体部分と
可撓体部分との間の移行領域の部分で応力を低減するよ
うに機能する。ベーンの実際のデザインは、エンジンに
おけるベーンの機能によって決定される。したがって、
応力低減用アンダーカット部の形状は、任意の個々のベ
ーンのデザインと、ガスタービンエンジンにおける機能
に対して、移行領域における応力低減を最適化するよう
なものである。従って、応力低減用アンダーカット部の
幅、曲率半径、深さ、移行領域からの位置、および側壁
（両側壁）の角度は、ベーンの剛体部分と可撓体部分の
間の移行領域における応力を最小化するように、パラメ
ータが調整される。本発明によれば、剛体部分と可撓体
部分の連接によって画定される移行領域の近傍の剛体部
分に、複数の応力低減用アンダーカット部を設けること
ができる。ベーンがエアフォイル部の両側にトラニオン
部を備えている場合は、応力低減用アンダーカット部は
ベーンの片方または両方のトラニオン部において、それ
ぞれのトラニオン部とエアフォイル部の間の移行領域に
近接する部分に設けられてもよい。これに加えて、アン
ダーカット部を受け入れるために、移行領域に隣接する
片方または両方のトラニオン部に、１つまたは２つ以上
の拡大されたボタン部（突出部）を設けてもよい。
【０００９】本発明によるベーンのデザイン（設計ない
しレイアウト）は、多くの利点を提供する。第１に、応
力低減用アンダーカット部を設けることでベーンの移行
領域における応力減少が円滑かつ連続的になることか
ら、移行領域の応力を減少させるために通常用いられ
る、エアフォイル部を肉厚とする必要性が大幅に減少す
る。これにより、ベーンの重量節減が図れる。第２に、
このデザインによってエアフォイルを現在一般的に行わ
れている鍛造のかわりに鋳造で作ることができ、これに
よって製造原価の大幅な節約が図られる。
【００１０】本発明のベーンの上記の特長および利点
は、以下に説明する実施の形態および添付の図面から、
さらに明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１のベーンないしベーンのデザ
インは、図７に図示される従来技術のベーンないしベー
ンのデザインを改良したものである。図１のベーン１０
は、トラニオン部１２とエアフォイル部１４を含んでい
る。エアフォイル部１４は、前縁部１６と後縁部１８を
有している。トラニオン部１２は、エアフォイル部１４
の片側または両側において、トラニオン部１２とエアフ
ォイル部１４の間の移行領域２２の近傍に拡大されたボ
タン部（突出部）２０をさらに有している。
【００１２】本発明によれば、トラニオン部１２には、
少なくとも１つの移行領域２２の近傍のトラニオン部１
２において、少なくとも１つの応力低減用アンダーカッ
ト部２４が設けられている。本発明によれば、移行領域
の近傍に応力低減用アンダーカット部を設けることによ
って、ベーンのトラニオン部からベーンのエアフォイル
部までの移行領域にわたって、十分に円滑で連続的な応
力減少が得られることが分かった。応力低減用アンダー
カット部の形状は、個々のベーン設計とガスタービンエ
ンジンの機能に対して、移行領域における応力減少が十
分円滑で連続的であるように、応力減少を最適化するよ
うなものである。従って、図６を参照すれば、応力低減
用アンダーカット部の幅ｗ、側壁から底部壁までの曲率
半径ｒ１、底部壁の曲率半径ｒ２、深さｄ，移行領域に
対する相対位置ｌ、および側壁の角度αは、ベーンの剛
体部分（トラニオン部）と可撓体部分（エアフォイル
部）の間の移行領域における応力を最小化するようにパ
ラメータが調整される。応力低減用アンダーカットの底
部壁が曲率半径ｒ２を有し、アンダーカットの側壁から
底部壁への移行領域がまた曲率半径ｒ１を有するという
ことが、本発明にとって重要である。アンダーカット溝
の側壁から底部壁までに鋭角があると、応力集中が起こ
って望ましくない。
【００１３】図３に示した本発明の他の実施例によれ
ば、ベーンにより規定される機能に応じて、移行領域に
おける応力を十分に円滑かつ連続的に低減するのに複数
の応力低減用アンダーカット部２４、２４’を必要とす
る場合もある。図３から分かるように、複数の応力低減
用アンダーカット部が互いに隣接して設けられる場合
は、異なる深さのアンダーカット（つまり溝）をトラニ
オン部上に連続して（続けて）配置するのが好ましい。
この場合、図３に示したように、第１のアンダーカット
２４’は、第２のアンダーカット２４と移行領域２２と
の間に設けられ、その深さは第２のアンダーカット２４
より深い。図３に示された複数の応力低減用アンダーカ
ット部の配置は、一部のベーンのデザイン形状にとって
有効である。ここでも、個々のベーンのデザイン（設
計）およびターボ機械における機能に依存して、応力低
減用アンダーカット部の数とその形状、すなわち半径、
深さ、位置および側壁角度（両側壁角度）は移行領域２
２の応力を最小化するようなものである。図示は省略し
たが、応力低減用アンダーカット部は図１から図３に示
されるエアフォイル部の両側に、それぞれの移行領域に
近接して設けられてもよいことは理解されるであろう。
【００１４】図４および図５に本発明によるベーン設計
の第２の実施例を示した。図４および図５から分かるよ
うに、応力低減用アンダーカット部４４はトラニオン部
４２上に、ベーン４０のトラニオン部４２とエアフォイ
ル部４６の間の移行領域に近接して設けられている。図
４および図５のベーン４０のデザインは図１から３に図
示されるような拡大されたボタン部を有しない。
【００１５】移行領域からの距離に関するアンダーカッ
ト溝の位置は、上述のように個々のベーンのデザインと
ターボ機械での機能に依存して変わり得るが、応力低減
用アンダーカット部がトラニオン部上でエアフォイル部
の前縁部から遠い位置にあり、可変ベーンが３０ないし
５０°の作動角度範囲で回転しても、応力低減用アンダ
ーカット部がエアフォイルを流過する空気にさらされな
いことが保証されるような寸法になっていることが重要
である。このことは、前縁部からの空気流の優先的流路
が応力低減用アンダーカット部を通るのを防ぐことによ
って、ベーンの正常な作動を保証するために重要であ
る。従って、応力低減用アンダーカット部は、トラニオ
ン部上で、前縁部よりも後縁部に接近した位置、つまり
後縁部寄りの位置に配置されている。
【００１６】本発明によるベーンのデザインは多くの利
点を提供する。第１に、応力低減用アンダーカット部を
設けることでトラニオン部とエアフォイル部の間のベー
ンの移行領域における応力減少が円滑かつ連続的となる
ので、従来技術のベーンのデザインにおいて移行領域の
応力を減少させるために通常用いられる、肉厚にされた
エアフォイルの必要性が大いに減少する。従ってベーン
の寿命が大幅に延び、壊滅的ないし破局的な破壊の可能
性が減少する。肉厚にされたベーンを避けることによ
り、本発明のベーンのデザインでは全体として重量節減
が得られるので望ましい。第２に、本発明によるベーン
のデザインにおいては、従来技術において現在必要とさ
れる鍛造にかわって鋳造が可能になる。鋳造は鍛造より
はるかに安価なので、ベーンの製造においてかなりの原
価低減が実現される。
【００１７】上述した説明および図示は単に本発明の最
良の実施形態を説明するためのものに過ぎず、またこれ
らは形状、寸法、部品配置および動作の詳細において容
易に改変することができることから、本発明はこれらに
限定されるものではない。よって、本発明は特許請求の
範囲に画定される主旨および範囲を逸脱しないすべての
改変を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるベーン（のデザイン）の斜視図で
ある。
【図２】図１のベーン（のデザイン）の部分的な上面図
である。
【図３】本発明によるベーン（のデザイン）の第２の実
施例の部分的な上面図である。
【図４】本発明によるベーン（のデザイン）の第３の実
施例の斜視図である。
【図５】図４のベーン（のデザイン）の部分的な上面図
である。
【図６】本発明による応力低減用アンダーカット部の拡
大図である。
【図７】従来技術において公知のベーン（のデザイン）
を例示した説明図である。
【符号の説明】
１０ ベーン １２ トラニオン部 １４ エアフォイル部 １６ 前縁部 １８ 後縁部 ２０ ボタン部 ２２ 移行領域 ２４ 応力低減用アンダーカット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マチュー ニコルソン アメリカ合衆国，コネチカット 06033, グラストンベリー，タルコット ロード 79 (72)発明者 ポール ダブル． デュースラー アメリカ合衆国，コネチカット 06040, マンチェスター，オーバーン ロード 40 Ｆターム(参考） 3G002 GA07 GA11 GB00 3G071 AA02 BA26 DA16

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 トラニオン部と、 移行領域を画定する位置において前記トラニオン部に接
    続されたエアフォイル部と、 前記トラニオン部から前記エアフォイル部への前記移行
    領域において実質的に円滑で連続的な応力減少を提供す
    るために、前記移行領域に近接して前記トラニオン部に
    設けられた応力低減用アンダーカット部とを有してな
    る、ことを特徴とするベーン。
  2. 【請求項２】 前記トラニオン部が、シャフト部と、前
    記移行領域の近傍の拡大されたボタン部とを含んでな
    り、前記応力低減用アンダーカット部が前記ボタン部上
    に位置している、ことを特徴とする請求項１記載のベー
    ン。
  3. 【請求項３】 前記エアフォイル部が前縁部と後縁部と
    を有してなり、また前記応力低減用アンダーカット部が
    前記前縁部よりも前記後縁部に接近して配置されてい
    る、ことを特徴とする請求項１記載のベーン。
  4. 【請求項４】 前記エアフォイル部が前縁部と後縁部と
    を有してなり、また前記応力低減用アンダーカット部が
    前記前縁部よりも前記後縁部に接近して位置している、
    ことを特徴とする請求項２記載のベーン。
  5. 【請求項５】 前記応力低減用アンダーカット部が、両
    側壁と、所定の曲率半径を有する湾曲した移行領域によ
    って前記両側壁に接続された底部壁と、によって画定さ
    れた溝である、ことを特徴とする請求項１記載のベー
    ン。
  6. 【請求項６】 前記底部壁が所定の曲率半径を有してい
    る、ことを特徴とする請求項５記載のベーン。
  7. 【請求項７】 前記両側壁が実質的に平行である、こと
    を特徴とする請求項６記載のベーン。
  8. 【請求項８】 前記両側壁が底部壁から所定の角度で放
    射状に広がっているものである、ことを特徴とする請求
    項６記載のベーン。
  9. 【請求項９】 前記応力低減用アンダーカット部が、ベ
    ーンのデザインおよび機能に依存した、所定の幅、深
    さ、および前記移行領域からの位置を有している、こと
    を特徴とする請求項７または８記載のベーン。
  10. 【請求項１０】 ベーンがターボ機械に用いられるもの
    である、ことを特徴とする請求項９記載のベーン。
  11. 【請求項１１】 ベーンがガスタービンエンジンに用い
    られるものである、ことを特徴とする請求項９記載のベ
    ーン。
  12. 【請求項１２】 前記トラニオン部が複数の応力低減用
    アンダーカット部を備えている、ことを特徴とする請求
    項１記載のベーン。
  13. 【請求項１３】 前記複数の応力低減用アンダーカット
    部が、前記トラニオン部上に連続して配置された、深さ
    の異なる少なくとも２つのアンダーカットである、こと
    を特徴とする請求項１２記載のベーン。
  14. 【請求項１４】 第１のアンダーカットは第２のアンダ
    ーカットより大きな深さであり、また第１のアンダーカ
    ットは第２のアンダーカットと前記移行領域との間に位
    置する、ことを特徴とする請求項１３記載のベーン。
  15. 【請求項１５】 ベーンが鋳造金属によって形成された
    ものである、ことを特徴とする請求項１記載のベーン。
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