JP2007024048A

JP2007024048A - 可変ベーンシュラウド、ステータベーン部、可変ベーンアッセンブリおよび可変ベーン

Info

Publication number: JP2007024048A
Application number: JP2006196389A
Authority: JP
Inventors: John A Giaimo; エー．ジャイモジョン; John P Tirone Iii; ピー．タイロンスリージョン
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2007-02-01
Also published as: EP1746258B1; EP1746258A3; EP1746258A2; CA2552673A1; IL176948A0; US7665959B2; CN1995719A; US20070020090A1

Abstract

【課題】軽量で、コンプレッサ部の外径を増加させずに、他の外部部品と干渉することがない可変ベーン同期機構を提供する。
【解決手段】内径側ベーンシュラウド１４が、可変ベーン２８の列の回転を等しくする同期機構を収容している。内径側ベーンシュラウド１４は、該ベーンシュラウド１４の円周方向に延びたギアラック３４を有する。可変ベーン２８が、その内径側の端部において、ベーンシュラウド１４に回転可能に取り付けられている。各々の可変ベーン２８は、内径側の端部にピニオンギア３８を備え、これがギアラック３４と噛み合う。個々の可変ベーン２８の中の一つが駆動源によって回転すると、可変ベーン列の中の他の可変ベーン２８が、ギアラック３８およびピニオンギアの噛み合いを介して等しい量回転する。
【選択図】図２Ａ

Description

この発明は、ガスタービンエンジンに関し、より詳しくは、ガスタービンエンジンに用いられる可変ステータベーンアッセンブリに関する。

本発明は、米国海軍による契約番号N00019-02-C-3003に基づく米国政府の支援によってなされたものであり、米国政府は本発明について所定の権利を有する。

この発明は、米国で同日に出願された下記の米国特許出願に関連する。J.GiaimoおよびJ.Tirone IIIが発明した「内径側ベーンシュラウド用の同期リング式可変ベーン同期機構」（整理番号U73.12-003）、J.GiaimoおよびJ.Tirone IIIが発明した「内径側ベーンシュラウド用のギアトレイン式可変ベーン同期機構」（整理番号U73.12-004）、J.GiaimoおよびJ.Tirone IIIが発明した「内径側可変ベーン駆動機構」（整理番号U73.12-005）、J.GiaimoおよびJ.Tirone IIIが発明した「可変ステータベーン用の軽量鋳造内径側ベーンシュラウド」（整理番号U73.12-006）。

ガスタービンエンジンは、圧縮した空気中の燃料を燃焼させて、高温でかつ圧力および密度が増大したガスを生成することにより動作する。高温ガスは、最終的には排気ノズルを通して押し出されるが、排気ノズルによって排出ガスの速度が増加し、航空機を推進する推力が生成される。また高温ガスは、ファンを回転させるためにタービンの駆動に用いられ、上記ファンによってガスタービンエンジンのコンプレッサ部へ空気が送られる。さらに高温ガスは、タービンの駆動により、コンプレッサ部内のロータブレードを駆動するためにも用いられ、このコンプレッサ部によって、燃焼室へ圧縮空気が供給される。このガスタービンエンジンのコンプレッサ部は、一般に、ロータブレードとステータベーンとからなる段を複数備えている。各々の段において、回転ブレードが静止しているベーンを通して空気を送る。各々のロータ／ステータの段により、空気の圧力および密度が増大する。ステータは、２つの目的つまり、空気の運動エネルギを圧力へ変換すること、ロータから流入してきた空気の流れの方向を変えて、次のコンプレッサ段へ案内すること、を果たしている。

ガスタービンエンジンによって推進する航空機の速度範囲は、コンプレッサ部で生成される空気圧力のレベルに直接に相関する。航空機の速度が変化すると、ガスタービンエンジンを通る空気流の速度が変化する。従って、後続のコンプレッサ段におけるロータブレードに対する空気の入射方向は、航空機の速度が異なると、違ったものとなる。ガスタービンエンジンの性能を全速度範囲に亘って（とりわけ高速／高圧領域において）より効率的に高める一つの方法は、可変ステータベーンを用いることであり、これにより、後続のコンプレッサ段におけるロータに対する空気流の入射方向を最適化することが可能である。

可変ステータベーンは、一般に、外径側ファンケースと内径側ベーンシュラウドとの間に周方向に多数配列される。従来は、可変ステータベーンの同期機構がファンケースの外側に配置されていた。このようなシステムでは、コンプレッサ部全体の外径が増大し、望ましくないとともに、許容されない大きさになりうる。また、固定したステータベーンを備えたガスタービンエンジンを、可変ステータベーンを用いたものに改良することは常に不可能であった。ファンケースの外側に可変ベーン同期機構を後付けしようとすると、ファンケースの外側に位置するガスタービンエンジンの他の外部部品と干渉してしまう。これらの外部部品を他の位置へ移動することは通常不可能であり、あるいは高コストとなる。また、同期機構は、ガスタービンエンジンの重量増加を招く。従って、軽量で、かつコンプレッサ部の外径を増加させず、しかもガスタービンエンジンの他の外部部品と干渉することがない可変ベーン同期機構が必要とされている。

本発明では、内径側ベーンシュラウドが、可変ベーン列の回転を等しくする同期機構を収容している。内径側ベーンシュラウドは、該ベーンシュラウドの円周方向に延びたギアトラックを有する。可変ベーン列が、その内径側の端部において、ベーンシュラウドに回転可能に取り付けられている。各々の可変ベーンは、内径側の端部にピニオンギアを備え、これがギアトラックと噛み合う。個々の可変ベーンの中の一つが駆動源によって回転すると、可変ベーン列の中の他の可変ベーンが、ラックギアおよびピニオンギアの噛み合いを介して等しい量回転する。

図１は、本発明が適用されるガスタービンエンジンのステータベーン部１０の一部切欠の正面図を示している。ステータベーン部１０は、ファンケース１２と、ベーンシュラウド１４と、可変ベーン列１６と、アクチュエータ１８と、を備えている。ベーンシュラウド１４は、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０と後側ベーンシュラウドコンポーネント２２とを有し、これらが内径側ベーンソケット部２４を形成している。ソケット半部つまり凹部が、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２の各々に設けられ、ソケット部２４を形成している。図１では、ソケット部２４の内部を示すために、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０の一部のみが図示されている。

可変ベーン列１６は、駆動ベーン２６と複数の従動ベーン２８とから構成されている。これらの駆動ベーン２６と従動ベーン２８は、本発明のラックピニオン式可変ベーン同期機構により、内径側ベーンシュラウド１４の内側で連結されている。従って、アクチュエータ１８により駆動ベーン２６が回転すると、従動ベーン２８は同じ量回転する。

通常、従動ベーン２８はベーンシュラウド１４の全体を囲っている。明瞭化のために、ソケット部２４が見えるように、可変ベーン列１６の一部のみを図示している。駆動ベーン２６および従動ベーン２８は、ファンケース１２におけるステータベーン部１０の外径部ならびにベーンシュラウド１４におけるステータベーン部１０の内径部において、回転可能に取り付けられている。駆動ベーン２６の個数は、実施例によって異なり、１個だけでもよい。一実施例においては、可変ベーン列１６は、５２個の従動ベーン２８と２個の駆動ベーン２６とを備える。駆動ベーン２６は、可変ベーン列１６を構成する従動ベーン２８と類似した構造を有する。一実施例においては、駆動ベーン２６は、アクチュエータ１８から加わる力に耐えるように、頑丈な構造を有している。

内径側ベーンシュラウド１４は、該内径側ベーンシュラウドの全周よりも小さな大きさのコンポーネントとして構成することができる。一実施例においては、図１に示すように、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０は、内径側ベーンシュラウド１４の全周のほぼ１／６（つまり６０°）のセクションに区分されている。この場合、２つのセクションは、９個の半割状ソケット部２４を有し、１つのセクションは、８個の半割状ソケット部２４を有する。この小型化した前側ベーンシュラウドコンポーネント２０は、駆動ベーン２６および従動ベーン２８をソケット部２４に挿入するときに、駆動ベーン２６および従動ベーン２８の内径側端部の下での前側ベーンシュラウドコンポーネント２０の位置決めに寄与する。分割型ファンケースの設計に用いられる一実施例においては、後側ベーンシュラウドコンポーネント２２は、内径側ベーンシュラウド１４の全周のほぼ１／２（つまり１８０°）のセクションに区分されており、この場合は、各セクションが２６個の半割状ソケット部２４を有する。本発明のラックピニオン式可変ベーン同期機構は、小さなセグメントとして構成され、例えば分割型ファンケースの設計用に、ほぼ１／２（つまり１８０°）のセグメントとなっている。さらに、他の実施例においては、完全な環状のファンケースの設計用に、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２を、ラックピニオン式可変ベーン同期機構とともに、完全な環状（つまり３６０°）に構成することができる。

ステータベーン部１０は、一般的に、ガスタービンエンジンのコンプレッサ部内で、ロータブレード部の下流つまり後方に位置する。前段のロータブレード部ないしはファンによって、空気がステータベーン部１０内に押し込まれる。ステータベーン部１０を通過した空気は、通常、さらに設けられたロータブレード部へと流れる。駆動ベーン２６および従動ベーン２８は、ガスタービンエンジンのコンプレッサ部を通る空気の流れを制御するために、各々の放射状の位置の上で回転する。本発明のラックピニオン式可変ベーン同期機構は、これらの回転を連係させる。

図２Ａは、図１の矢印Ａと矢印Ｃとの間におけるステータベーン部１０のセグメントを示す前面図であって、ファンケースを取り除くとともに、内径側ベーンシュラウドを矢印Ｂと矢印Ｃとの間で取り除いた状態で示す。内径側ベーンシュラウド１４は、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２からなる。前側ベーンシュラウドコンポーネント２０および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２は、一体となって、従動ベーン２８の内径側トラニオン３０を受けるソケット部２４を形成する。従動ベーン２８は、ファンケースのボス部（図１には図示せず）内で回転する外径側トラニオン３２を備えている。本発明のラックピニオン式同期機構は、内径側ベーンシュラウド１４の内側に位置している。このラックピニオン式同期機構は、ソケット部２４を通して見えているギアラック３４を含む。このギアラック３４は、後側ベーンシュラウドコンポーネント２２内にスライド可能に配置され、かつ内径側トラニオン３０と噛み合うことができるレベル位置にある。

図２Ｂは、図１の矢印Ａと矢印Ｂとの間における内径側ベーンシュラウド１４のセグメントの前面を一部切り欠いて示す図である。ラックピニオン式同期機構は、ギアラック３４とギアトラック３６とを有する。ギアトラック３６は、後側ベーンシュラウドコンポーネント２２の前方へ向かう面に位置している。従動ベーン２８の内径側トラニオン３０が、内径側ベーンシュラウド１４のソケット部２４内に挿入されている。前側ベーンシュラウドコンポーネント２０の切り欠いた部分により、ソケット部２４の内部が示されている。ソケット部２４は、内径側トラニオン３０と合致する形状を有し、組み立てられた内径側ベーンシュラウド１４内に内径側トラニオン３０が固定保持されるとともに、ソケット部２４内で回転可能となっている。ギアトラック３６は、ギアラック３４が内径側トラニオン３０と噛み合うように、ソケット部２４を通るレベル位置において、後側ベーンシュラウドコンポーネント２２に切欠形成されている。ギアラック３４は、そのギア歯が前方へ
向かった状態でギアトラック３６内にスライド可能に配置されており、内径側トラニオン３０のピニオンギアと噛み合うようになっている。一実施例においては、ギアラック３４およびギアトラック３６が、内径側ベーンシュラウド１４の全周に亘って延び、単一の連続したラックおよびトラックのセグメント（つまり３６０°）を形成する。他の実施例においては、ギアラック３４およびギアトラック３６が、小さなセグメントとして構成され、例えば分割型ファンケースの設計用に、ほぼ１／２（つまり１８０°）のセグメントとなっている。

図３Ａは、図２Ａの線Ｄ−Ｄから見た本発明のラックピニオン式機構の拡大図を示す。前側ベーンシュラウドコンポーネント２０および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２によって内径側ベーンシュラウド１４が構成される。ギアラック３４は、ラックギア歯４２を有する。内径側トラニオン３０は、円弧状ギア歯セグメント４０を備えたピニオンギア３８を有している。内径側トラニオン３０は、また、ボタン部４４を備えており、このボタン部４４は、従動ベーン２８をソケット部２４内側で回転可能に支持するために用いられる。

ピニオンギア３８は、内径側トラニオン３０の後方へ向かう部分に位置している。ピニオンギア３８は、該ピニオンギア３８がギアトラック３６内に挿入可能なように、内径側トラニオン３０に沿って配置されている。ピニオンギア３８は、ラックギア歯４２と噛み合う円弧状ギア歯セグメント４０を備える。ギアラック３４は、ベーンシュラウド１４の周囲に延びたギアトラック３６内で自由にスライドする。ギアラック３４は、ギアトラック３６内でベーンシュラウド１４の全周に亘り連続的に回転可能である。ラックギア歯４２は、ギアラック３４の前方面の全周に亘って形成されている。

図３Ｂは、ほぼステータベーン部１０の中心から見た図２Ａのラックピニオン式機構の底面図を示している。内径側ベーンシュラウド１４は、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２からなり、これらが、内径側トラニオン３０およびギアラック３４の周囲を締め付ける。前側ベーンシュラウドコンポーネント２０および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２がラックピニオン式同期機構とともに互いに結合した状態では、ラックギア歯４２と円弧状ギア歯セグメント４０とが互いに噛み合う。常に円弧状ギア歯セグメント４０の一部のみがラックギア歯４２と噛み合っている。これにより、常に、従動ベーン２８が回転し、かつギア歯の噛み合い状態が維持される。図３Ｂに示した実施例においては、従動ベーン２８が中央位置つまり０点位置にあるときに、円弧状ギア歯セグメント４０の中央にある歯がラックギア歯４２と噛み合う。上記の中央位置は、設計要求に応じて、あるいは、アクチュエータ１８と接続したときのその向きに応じて、変化し得る。

ギアラック３４は、内径側ベーンシュラウド１４内にスライド可能に収容される。駆動ベーン２６がアクチュエータ１８により回転したときに、ギアラック３４によって従動ベーン２８の回転が同期する。例えば、駆動ベーン２６が時計回り方向（図３Ｂにおいて）に回転したとすると、ギアラック３４は図左方へ押される。そして、ギアラック３４は、ラックギア歯４２および円弧状ギア歯セグメント４０を介して、ピニオンギア３８を図左方へ押す。これにより、ステータベーン列１６の従動ベーン２８は、時計回り方向に同様に回転する。従って、ガスタービンエンジンの後続の部分へ流入すべくステータベーン部１０を流れ出る空気流の方向を、このラックピニオン式可変ベーン同期機構を用いて制御することができる。

ギアラック３４およびピニオンギア３８は全ての従動ベーン２８を同じように連結しており、従動ベーン２８の列の中の任意のものを駆動ベーン２６として選択することが可能である。一実施例においては、駆動ベーン２６として選択される従動ベーン２８は、アクチュエータ１８から加わる力に耐えるように、頑丈な構造を有している。

駆動ベーン２６ならびに従動ベーン２８の回転量は、アクチュエータのストロークの長さ、使用される歯の数、円弧状ギア歯セグメント４０の曲率、その他の当該技術分野で知られている要素に依存する。本発明では、これらの要素の変更によって、特定の設計要求に適応することができる。

以上、この発明の一実施例について説明したが、当業者であれば自明なように、本発明の範囲内でその形態や細部を変更することができる。

本発明が適用されるガスタービンエンジンのステータベーン部の一部切欠の正面図。図１の矢印Ａ，Ｃ間のステータベーン部のセグメントの前面を、ファンケースを取り除くとともに内径側ベーンシュラウドを矢印Ｂ，Ｃ間で取り除いた状態で示す図。図１の矢印Ａ，Ｂ間の内径側ベーンシュラウドのセグメントの前面を一部切り欠いて示す図。図２Ａの線Ｄ−Ｄから見た本発明のラックピニオン式機構の拡大図。ほぼステータベーン部の中心から見た図２Ａのラックピニオン式機構の底面図。

Claims

ガスタービンエンジン用の可変ベーンシュラウドであって、
可変ベーン列の内径側の端部を受ける内径側ベーンシュラウドと、
上記の可変ベーン列の内径側の端部と連係するように可変ベーンシュラウド内に配置され、可変ベーン列を構成する個々の可変ベーンの回転を等しくする同期機構と、
を備えたことを特徴とする可変ベーンシュラウド。
上記同期機構は、
ギア歯の列を有し、上記内径側ベーンシュラウドを周方向に通ったギアトラック内に回転可能に配置されたラックと、
ギア溝内で上記ラックのギア歯と噛み合うように上記可変ベーン列の内径側の端部に配置された複数のピニオンギアと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の可変ベーンシュラウド。
上記内径側ベーンシュラウドは、前側ベーンシュラウドコンポーネントと後側ベーンシュラウドコンポーネントとから構成されることを特徴とする請求項２に記載の可変ベーンシュラウド。
上記前側ベーンシュラウドコンポーネントおよび後側ベーンシュラウドコンポーネントが、上記可変ベーン列の上記の内径側の端部を受けるソケット部を備えることを特徴とする請求項３に記載の可変ベーンシュラウド。
上記後側ベーンシュラウドコンポーネントがギアトラックを有することを特徴とする請求項３に記載の可変ベーンシュラウド。
ラック溝を有する内径側ベーンシュラウドと、
上記内径側ベーンシュラウド内で回転する内径側の端部および上記ラック溝に係合するピニオンを有する駆動ベーンと、
上記内径側ベーンシュラウド内で回転する内径側の端部および上記ラック溝に係合するピニオンを各々が有する複数の従動ベーンと、
上記駆動ベーンおよび従動ベーンの上記ピニオンと噛み合うように上記ラック溝内にスライド可能に配置されたラックと、
を備え、上記駆動ベーンがある量回転したときに上記ラックにより複数の従動ベーンが等量回転するように構成されていることを特徴とする可変ベーンアッセンブリ。
上記内径側ベーンシュラウドは、前側ベーンシュラウドコンポーネントと後側ベーンシュラウドコンポーネントとから構成されることを特徴とする請求項６に記載の可変ベーンアッセンブリ。
上記後側ベーンシュラウドコンポーネントが上記ラック溝を有することを特徴とする請求項７に記載の可変ベーンアッセンブリ。
上記前側ベーンシュラウドコンポーネントおよび後側ベーンシュラウドコンポーネントが、駆動ベーンおよび複数の従動ベーンの上記の内径側の端部を受けるソケット部を備えることを特徴とする請求項７に記載の可変ベーンアッセンブリ。
ギアトラックを有する内径側ベーンシュラウドと、
外径側ファンケースと、
上記内径側ベーンシュラウド内で回転する第１の内径側の端部と、上記外径側ファンケース内で回転する第１の外径側の端部と、上記ギアトラック内で回転する第１の円弧状ギアセグメントと、を備えてなる駆動ベーンと、
上記駆動ベーンの上記の外径側の端部を回転するアクチュエータと、
各々が、上記外径側ファンケース内で回転する第２の外径側の端部と、上記内径側ベーンシュラウド内で回転する第２の内径側の端部と、上記ギアトラック内で回転する第２の円弧状ギアセグメントと、を備えてなる複数の従動ベーンと、
上記第１の円弧状ギアセグメントおよび第２の円弧状ギアセグメントと噛み合うように上記ギアトラック内にスライド可能に配置されたギア歯列を有するギアラックと、
を備え、上記駆動ベーンが上記アクチュエータによりある量回転したときに上記ギアラックおよび第２の円弧状ギアセグメントにより複数の従動ベーンが等量回転するように構成されていることを特徴とする、ガスタービンエンジン用のステータベーン部。
上記内径側ベーンシュラウドは、前側ベーンシュラウドコンポーネントと後側ベーンシュラウドコンポーネントとから構成されることを特徴とする請求項１０に記載のステータベーン部。
上記後側ベーンシュラウドコンポーネントが上記ギアトラックを有することを特徴とする請求項１０に記載のステータベーン部。
上記前側ベーンシュラウドコンポーネントおよび後側ベーンシュラウドコンポーネントが、上記の第１の内径側の端部および第２の内径側の端部を受けるソケット部を備えることを特徴とする請求項１２に記載のステータベーン部。
上記の第１の内径側の端部および第２の内径側の端部は、上記内径側ベーンシュラウド内で回転するボタン部を有することを特徴とする請求項１２に記載のステータベーン部。
内径側ベーンシュラウドと外径側ファンケースとの間に周方向に配列された複数の回転可能なステータベーンを有する可変ベーンアッセンブリであって、
各々の回転可能なステータベーンの内径側の端部に支持されたピニオンギアと、
複数の回転可能なステータベーンを同期回転させるように上記ピニオンギアと噛み合う周方向のギアラックと、
を備えたことを特徴とする可変ベーンアッセンブリ。
上記内径側ベーンシュラウドは、前側ベーンシュラウドコンポーネントと後側ベーンシュラウドコンポーネントとから構成されることを特徴とする請求項１５に記載の可変ベーンアッセンブリ。
上記後側ベーンシュラウドコンポーネントがギアトラックを有することを特徴とする請求項１６に記載の可変ベーンアッセンブリ。
上記前側ベーンシュラウドコンポーネントおよび後側ベーンシュラウドコンポーネントが、上記可変ベーンの上記の内径側の端部を受けるソケット部を備えることを特徴とする請求項１６に記載の可変ベーンアッセンブリ。
外径側ファンケースと内径側ベーンシュラウドとを有するガスタービンエンジン用の可変ベーンであって、
ブレード部と、
上記ファンケース内で回転する外径側の端部と、
上記内径側ベーンシュラウド内で回転する内径側の端部と、
上記内径側の端部の側面に沿って設けられたピニオンギアと、
を備えてなる可変ベーン。
上記内径側の端部は、内径側ベーンシュラウド内で回転する内径側トラニオンを含むことを特徴とする請求項１９に記載の可変ベーン。
上記外径側の端部は、外径側ファンケース内で回転する外径側トラニオンを含むことを特徴とする請求項１９に記載の可変ベーン。
上記内径側の端部は、可変ベーンを内径側ベーンシュラウド内で回転可能に固定するボタン部を有することを特徴とする請求項１９に記載の可変ベーン。