JP2005299668A - 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

ガスタービンエンジンを組立てるための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、ガスタービンエンジン用のステータベーン組立体を提供する。
【解決手段】 本ステータベーン組立体(30)は、複数のステータベーンセクタ(32)を含み、複数のステータベーンセクタの各々は、第1の円周方向間隔(S)が各セクタ内の隣接するステータベーンの各対間に形成されるように配向した等しい数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン(34)を含む。複数のステータベーンセクタは、第2の円周方向間隔(S)が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように互いに連結される。第2の円周方向間隔は、第1の円周方向間隔とは異なる。
【選択図】 図8

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ベーンセクタに関する。
少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、直列流れ配列で、ファン組立体、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを含む。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、まとめてコアエンジンと呼ばれることがある。少なくとも一部の公知の圧縮機は、ロータ又はディスクから半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードの列を含む。隣接するロータブレード列は、圧縮機ケーシングに固定された複数のステータベーン組立体によって分離される。各ステータベーン組立体は複数のステータベーンを含み、ステータベーンの各々は、隣接するロータブレード列間で延びる翼形部を含む。少なくとも一部の公知のステータベーン組立体は、円周方向に互いに接合された複数のステータベーンセグメント又はセクタを含む。一般的に、ステータベーンセクタは互いに同一であり、各ステータベーンセクタが等しいラジアル・アークにわたって延び、各ステータベーンセクタが等しい数のステータベーンを含むようになっている。
公知の翼形部は、該翼形部に関連した一連の固有振動数を有する。より具体的には、各翼形部は、該翼形部が通過することによってパルスとして感じられる伴流を空気ストリーム内に発生させる。ステータベーンの数と圧縮機の回転速度との組合せが、ロータブレードの固有振動数と一致する可能性がある。ステータベーン伴流(パルス)の数と圧縮機の回転速度の組合せは、ロータブレードの固有振動数と一致する可能性がある刺激を生成する。従って、ガスタービンエンジンの設計において、少なくとも1つの設計目標は、翼形部固有振動数の大部分を設計エンジン動作範囲外に保つことである。
誘起されるロータブレード振動を低減するために、少なくとも一部の公知のエンジンは、エンジンケーシング円周の周りでベーン間隔を変化させて、ロータブレード及びステータベーンの固有振動数を回避することを可能にし、或いはこれらの振動でのロータブレード共振応答の振幅を低下させる。より具体的には、そのような設計では、ステータベーンの数をステータベーン組立体の1つ又は複数のセクタ内で変化させる。ステータベーンの間隔は、セクタ毎で変化するが、各セクタ内のステータベーンは、互いに等しい間隔を保ち、かつ/又は等しいピッチで設計される。ステータベーンセクタ間のベーン間隔又はピッチを変化させることによって、ベーン伴流の振動数を変更して、隣接するロータブレード内に誘起される振動応答を低下させることを可能にする。しかしながら、その結果、円周方向区域のステータベーンセクタは、今や互いに異なるものとなり、特定の相対的順序で組立てなければならなくなる。従って、可変すなわち不均一ステータベーン間隔によりもたらされる利点は、ステータベーンセクタの誤組立によって減少又は完全に失われることになる。
特開2001−214705号公報
本発明の1つの態様では、ガスタービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、その各々が、第1の円周方向間隔が各セクタ内の隣接するステータベーンの各対間に形成されるように円周方向に間隔を置いて配置された等しい数のステータベーンを含む複数のステータベーンセクタを準備する段階と、第1の円周方向間隔とは異なる第2の円周方向間隔が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように複数のステータベーンセクタを互いに連結する段階とを含む。
別の態様では、ガスタービンエンジン用のステータベーン組立体を提供する。本ステータベーン組立体は、複数のステータベーンセクタを含み、複数のステータベーンセクタの各々は、第1の円周方向間隔が各セクタ内の隣接するステータベーンの各対間に形成されるように配向した等しい数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンを含む。複数のステータベーンセクタは、第2の円周方向間隔が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように互いに連結される。第2の円周方向間隔は、第1の円周方向間隔とは異なる。
さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供し、本ガスタービンエンジンは、環状の流路を形成する圧縮機を含む。圧縮機は、複数のロータブレードを含む、流路内に配置されたロータディスクと、ロータディスクの下流で流路内に配置されたステータベーン組立体とを含む。ステータベーン組立体は、複数のステータベーンセクタを含み、複数のステータベーンセクタの各々は、第1の円周方向間隔が各セクタ内で隣接するステータベーンの各対間に形成されるように配向した等しい数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンを含む。複数のステータベーンセクタは、第2の円周方向間隔が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように互いに連結される。第2の円周方向間隔は、第1の円周方向間隔とは異なる。
図1は、例示的なガスタービンエンジン10の概略図である。エンジン10は、低圧圧縮機12、高圧圧縮機14及び燃焼器組立体16を含む。エンジン10はまた、直列軸流関係に配列した高圧タービン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。
動作中、空気は、エンジン10の上流側28から低圧圧縮機12を通って流れる。加圧された空気がは、低圧圧縮機12から高圧圧縮機14に供給される。加圧空気は、次に燃焼器組立体16に送給され、燃焼器組立体16において、加圧空気は、燃料と混合されかつ発火される。燃焼ガスが燃焼器16から流れて、タービン18及び20を駆動する。
図2は、公知のステータベーン組立体30の概略端面図である。高圧圧縮機14は、そこを通る環状の流路を形成し、複数の円周方向に間隔を置いて配置されかつ半径方向に延びるロータブレード(図示せず)を有する少なくとも1つのロータディスク(図示せず)を含む。例えばステータベーン組立体30のようなステータベーン組立体は、ロータディスクに隣接しかつ該ロータディスクの下流に配置される。例示的な実施形態では、ステータベーン組立体30は、6つの円周方向区域のステータベーンセクタ32を含み、各ステータベーンセクタ32は、16個の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン34を含む。従って、例示的な実施形態では、ステータベーン組立体30は、該ステータベーン組立体30の円周の周りで隣接するステータベーン34の各対間に形成されたほぼ均一な円周方向又はピッチ間隔Sを有する合計96個のステータベーン34を含む。各ステータベーンセクタ32は、約60度のラジアル・アークAを含む。
図3は、隣接するロータブレード列(図示せず)に誘起される振動応力を低下させるのを可能にするために二分割型不均一ベーン間隔(バイセクタNUVS)を含む公知のステータベーン組立体40の概略端面図である。ステータベーン組立体40は線B−Bに沿って分割され、上半分42と下半分44とを含む。上半分42は、3つの円周方向区域のステータベーンセクタ46、48及び50を含み、その各々は同一でありかつ約60度のラジアル・アークAを含む。各上部ステータベーンセクタ46、48及び50は、円周方向に隣接するステータベーン34の各対間にほぼ均一なピッチ又は間隔Sを有する16個の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン34を含む。
ステータベーン組立体の下半分44は、3つの同一のステータベーンセクタ52、54及び56と1つの付加的ステータベーンセクタ58とを含む。ステータベーンセクタ52、54及び56の各々は、約46度のラジアル・アークAを有し、各々が、ピッチ間隔Sで円周方向に間隔を置いて配置された12個のステータベーン34を含む。ステータベーンセクタ58は、約42度のラジアル・アークAを有し、同様にピッチ間隔Sの11個のみのステータベーン34を含む。ステータベーン組立体40は、円周の半分がベーンセクタ46、48及び50内に形成されたピッチ間隔Sとは異なるピッチ間隔Sを有する状態で、合計95個のステータベーン34を有する。
ベーンセクタピッチ間隔Sをステータベーン組立体40の残りの部分に対して変化させて、ステータベーン組立体40のピッチ間隔に不均一性を生じさせることを可能にする。ステータベーン34の不均一ピッチ間隔は、ステータベーン34の空気ストリーム伴流によって隣接するロータ翼形部(図示せず)に誘起される励振作用を変更することを可能にし、またそれに関して、不均一間隔もまた、圧縮機14の回転速度とステータベーン34の数との組合せすなわちステータベーン・カウント(総数)により生じるロータブレードの振動応答を低下させることを可能にする。ステータベーン34の間隔を変化させることによって、ロータブレードが回転すると、ロータブレードの各々は、事実上異なるステータベーン・カウントと「見なせ」、圧縮機14の円周の周りでのステータベーン伴流の振動成分が効果的に変更されるようになる。
ステータベーン組立体40は、1つのみの不均一ステータベーンセクタ構成、すなわちバイセクタ(二分割型)として示している。しかしながら、ステータベーン組立体40のようなNUVSステータベーン組立体は、他の多数の不均一セクタ構成を含むことができることを理解されたい。組立体30のような他の公知のステータベーン組立体に比較すると、圧縮機14の円周の周りでベーンセクタのピッチ間隔を変化させた場合、ステータベーン組立体40のステータベーンセクタはもはや互いに同一ではなく、従ってステータベーン組立体40の誤組立の可能性が生じる。組立体内に不正確なセクタが設置された場合、又はステータベーンセクタが不適切に配向された場合、組立体40により生じる利点は、減少又は消滅することになる。
図4は、隣接するセクタ端部ベーン64に形成された不均一ベーン間隔(NUVS)を含む例示的なステータベーン組立体60の概略端面図である。例示的な実施形態では、ステータベーン組立体60は、6つの円周方向区域のステータベーンセクタ62を含み、各ステータベーンセクタ62は、16個の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン34を含む。各ステータベーンセクタ62は、ステータベーン34と同一である1対の端部ステータベーン64を含み、組立てたステータベーン組立体60内には合計96個のステータベーン34が含まれ、各ステータベーンセクタ62は約60度のアークAを有するようになる。各ステータベーンセクタ62内では、隣接するステータベーン34間に均一ピッチ間隔Sが形成される。ピッチ間隔Sは、ステータベーンセクタ62の突合わせ端部66において、隣接する端部ベーン64間の形成されたピッチ間隔Sがピッチ間隔Sよりも大きくなるように調整される。
不均一ベーン間隔S及びSは、隣接するロータブレード(図示せず)に誘起される振動応力を低下させるのを可能にする。より具体的には、この振動応力の低下は、バイセクタNUVSステータベーン組立体40の振動応力低下と実質的に等しいが、組立体60の円周方向の周りで共通のステータベーンセクタ62を使用することが可能になり、組立体40に関連する誤組立の危険性に比較して、その誤組立の危険性が低減されるようになる。従って、ステータベーン数を変化させるのではなく、ピッチ間隔をSからSに変更することにより、圧縮機14の円周の周りでの励起振動における位相シフトを発生させることが可能になる。
図5は、ステータベーン組立体30の概略端面図である。図6は、図5に示したようなステータベーン組立体30の部分拡大図であり、ステータベーン組立体30の隣り合うステータベーンセクタの端部ベーン34A及び34Bにおけるステータベーンピッチ間隔Sを示す。より具体的には、ステータベーン組立体30は、セクタ線を除去した状態で示しており、また突合わせステータベーンセグメント32A及び32Bの部分は、拡大した状態で示している。ステータベーンセグメント32A及び32Bは各々、同一数のステータベーン34を含む。ステータベーン組立体30の場合、隣接する端部ベーン34A及び34B間に形成されたピッチ間隔Sは、各ステータベーンセクタ32A及び32B内の隣接するステータベーン34間に形成されたピッチ間隔と実質的に同一である。
図7は、ステータベーン組立体60の概略端面図である。図8は、図7に示したようなステータベーン組立体60の部分拡大図であり、隣り合うベーンセクタ62A及び62Bに形成された端部ステータベーン間隔Sを示す。ステータベーン組立体60は、セクタ線を除去した状態で示しており、突合わせステータベーンセグメント62A及び62Bの部分は、拡大した状態で示している。ステータベーンセグメント62A及び62Bは各々、端部ベーン64A及び64Bを含む同一数のステータベーン34を含む。ステータベーン組立体60の場合、隣接する端部ベーン64A及び64B間に形成されたピッチ間隔Sは、ステータベーンセクタ62A及び62B内の隣接するステータベーン34間に形成されたピッチ間隔Sよりも大きい。例示的な実施形態では、ピッチ間隔Sは、ピッチ間隔Sの約150%である。しかしながら、他の間隔比率もまた考えられることを理解されたい。
ステータベーン組立体60は、ステータベーン組立体60の誤組立のない組立を可能にする均一ステータベーンセクタ62を備えているが、ピーク応答においてステータベーン組立体40と実質的に同一の低下をもたらすことを示した。実例として、図2に示すような不均一ベーン間隔を持たない従来型のステータベーン組立体30は、テスト中に最大隣接ロータブレード振動応答を記録した。ステータベーン組立体40のようなバイセクタNUVSステータベーン組立体の場合、最大隣接ロータブレード振動応答は、ステータベーン組立体30におけるピーク応答の約68%まで低下した。
各ステータベーンセクタ62内では均一ステータベーンピッチ間隔Sを使用しかつステータベーンセクタ62(図4及び図8参照)の突合わせ端部66における端部ベーン間では大きいピッチ間隔Sを使用しているステータベーン組立体60の最大隣接ロータブレード振動応答は、ステータベーン組立体30で記録したピーク応答の約67%まで低下した。
ステータベーン組立体30、40及び60は、6つから7つの数のステータベーンセクタを有するものとして示している。いずれの構成においてもセクタの数は、各セクタの寸法又はベーン数に基づいて変化させることができることを理解されたい。明らかなように、セクタが大きくなればなるほど、円周方向ベーン組立体を形成するのに必要なセクタ数は少なくなる。実用的な観点から、各セクタが約90度にわたって延びる4つのセクタが、ステータベーン組立体を製作するのに妥当なステータベーンセクタの最小数であると考えられる。
実施において、ステータベーン組立体60は、適正な数の同一のステータベーンセクタ62を単に互いにグループにまとめることによって組立てられて完全な円周方向ステータベーン組立体60を形成し、次にこのステータベーン組立体60が、従来通りの方法を用いて圧縮機14の内側ケーシング(図示せず)に結合される。
上述のステータベーン組立体は、ステータベーンの励振作用によるロータブレードピーク振動応答を低下させるための費用効果がある方法を提供する。本装置は、バイセクタNUVSステータベーン組立体のブレード応答と実質的に等しいブレード応答における低下をもたらすが、ステータベーン組立体の誤組立の危険性を除去する共通のステータベーンセクタの使用を可能にし、全体エンジン部品数を削減する。
以上、ステータベーン組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。ステータベーン組立体は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各組立体の構成要素及び概念は本明細書で説明した他の構成要素及び概念から独立してかつ別個に使用することができる。例えば、各ステータベーン組立体構成要素はまた、他のステータベーン構成要素と組合せて使用することができる。
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。
例示的なガスタービンエンジンの概略図。 公知のステータベーン組立体の概略端面図。 バイセクタ型不均一ベーン間隔(NUVS)を備えた公知のステータベーン組立体の概略端面図。 隣接するセクタ端部ベーンにおける不均一ベーン間隔(NUVS)を有する例示的なステータベーン組立体の概略端面図。 図2に示す公知のステータベーン組立体の概略端面図。 隣接するベーンセクタにおける端部ステータベーン間隔を示す、図5に示すステータベーン組立体の部分拡大図。 図4に示すステータベーン組立体の概略端面図。 隣接するベーンセクタにおける端部ステータベーン間隔を示す、図7に示すステータベーン組立体の部分拡大図。
符号の説明
10 ガスタービンエンジン
12、14 圧縮機
30、60 ステータベーン組立体
32、62 ステータベーンセクタ
34 ステータベーン
34A、34B、64、64A、64B セクタ端部ベーン
、A、A、A ラジアル・アーク
、S ピッチ間隔
、S 端部ステータベーン間隔

Claims (10)

  1. ガスタービンエンジン(10)用のステータベーン組立体(30)であって、
    複数のステータベーンセクタ(32)を含み、
    前記複数のステータベーンセクタの各々が、第1の円周方向間隔(S)が各セクタ内の隣接するステータベーンの各対間に形成されるように配向した等しい数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン(34)を含み、
    前記複数のステータベーンセクタが、第2の円周方向間隔(S)が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように互いに連結され、
    前記第2の円周方向間隔が、前記第1の円周方向間隔とは異なる、
    ステータベーン組立体。
  2. 前記複数のステータベーンセクタ(32)の各々が、第1の端部と対向する第2の端部とをさらに含み、
    前記第1及び第2の端部の各々が、端部ステータベーン(64)を含み、
    隣接するステータベーンセクタが、それぞれのステータベーンセクタに結合した隣接する端部ステータベーンが第2の円周方向間隔(S)で分離されるように互いに連結されている、請求項1記載のステータベーン組立体(30)。
  3. 前記複数のステータベーンセクタ(32)が、互いに連結されて円周方向組立体を形成している、請求項1記載のステータベーン組立体(30)。
  4. 前記ステータベーンセクタ(32)の各々が、エンジン(10)を通って延びる流路の一部分を形成している、請求項1記載のステータベーン組立体(30)。
  5. 前記複数のステータベーンセクタ(32)が、少なくとも4つのステータベーンセクタを含む、請求項1記載のステータベーン組立体(30)。
  6. 前記第2の円周方向間隔(S)が、前記第1の円周方向間隔(S)よりも大きい、請求項1記載のステータベーン組立体(30)。
  7. 前記第2の円周方向間隔(S)が、前記第1の円周方向間隔(S)の約150%である、請求項1記載のステータベーン組立体(30)。
  8. ロータディスクが、複数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、前記第2の円周方向間隔(S)が、前記複数のロータブレードに誘起される振動応答を低下させるのを可能にする、請求項4記載のステータベーン組立体(30)。
  9. ロータディスクが、複数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、前記第2の円周方向間隔(S)が、ベーン伴流における位相シフトの誘起を促進して、前記複数のロータブレードの振動応答を低下させるのを可能にする、請求項4記載のステータベーン組立体(30)。
  10. 環状の流路を形成する圧縮機(12、14)を含み、前記圧縮機が、
    複数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む、前記流路内に配置されたロータディスクと、
    複数のステータベーンセクタ(32)を含む、前記ロータディスクの下流で前記流路内に配置されたステータベーン組立体(30)と、を含み、
    前記複数のステータベーンセクタの各々が、第1の円周方向間隔(S)が各セクタ内の隣接するステータベーンの各対間に形成されるように配向した等しい数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン(34)を含み、
    前記複数のステータベーンセクタが、第2の円周方向間隔(S)が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように互いに連結され、
    前記第2の円周方向間隔が、前記第1の円周方向間隔とは異なる、
    ガスタービンエンジン(10)。
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