JP2007024050A - 内径側可変ベーン駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ファンケースを分割できるように２つの同期機構を連動させる。
【解決手段】ガスタービンエンジンのステータベーン部において、第１の可変ベーン列および第２の可変ベーン列を各々駆動するために、可変ベーン駆動機構は、第１の駆動ベーンアームと第２の駆動ベーンアームとから構成される。第１の駆動ベーンアーム３８Ａおよび第２の駆動ベーンアーム３８Ｂは、リンク部３６によって、第１の端部において互いに結合される。第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームは、第２の端部において、第１および第２の可変ベーン列の各々の第１および第２の駆動ベーン２０Ａ，２０Ｂに結合される。第１の駆動ベーンアームと第２の駆動ベーンアームは、一方に結合されている１つの駆動源１８に一斉に反応する。
【選択図】図２

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-C3003 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の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ラックアンドピニオン式可変ベーン同期機構」（整理番号U73.12-002）、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ーン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「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に変換すること、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１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角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。同期機構は、外部の駆動源に応答して個々のステータベーンを同時に回転させる。

ある条件においては、ガスタービンエンジンのメンテナンスを促進するために、上半部と下半部とにコンプレッサ部を分割することが有利である。例えば、軍事的な適用においては、完全に分解することが軽率であるような離れた位置で、メンテナンスが行わなければならない場合は、特に有利である。しかしながら、コンプレッサ部を半分に分割する際には、同期機構も、別々に分離しなければならない。このことにより、全てのステータベーンが一斉に作動するように、２つの同期機構が一体に駆動される必要がある。外側ケースに位置する同期機構は、容易に作業することができ、かつ互いに接合することができる。しかしながら、内径側の同期機構の場合には、同期機構の取付後は、作業することができない。従って、分割型の内径側同期機構が必要とされている。

本発明は、ガスタービンエンジンのステータベーン部の第１の可変ベーン列および第２の可変ベーン列を各々駆動するための、第１のベーンアームおよび第２のベーンアームを含む。第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームは、リンクを介して、第１の端部で互いに結合する。第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームは、各々、第１の可変ベーン列の第１の駆動ベーンおよび第２の可変ベーン列の第２の駆動ベーンに、第２の端部で結合している。第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームは、第１の駆動ベーンアームまたは第２の駆動ベーンアームの一方に結合している単一の駆動源に一斉に応答する。

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の後方から見た図である。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、を備える。ステータベーン列１６は、駆動ベーン２０Ａ，２０Ｂと、従動ベーン２２Ａ，２２Ｂと、から構成されている。通常、従動ベーン２８は、ベーンシュラウド１４を完全に囲む。明確化のために、可変ステータベーン列１６の一部分のみ示す。駆動ベーン２０および従動ベーン２８は、ファンケース１２と内径側のベーンシュラウド１４における各々の軸の周りを回転する。駆動ベーン２０Ａ，２０Ｂは、各々の外径側の端部で、直接にアクチュエータ１８に結合している。駆動ベーン２０Ａ，２０Ｂは、上述した関連する同時継続中の出願に記載されているように、可変ベーン同期機構によってベーンシュラウド１４内側で結合されている。従って、アクチュエータ１８が、駆動ベーン２６を回転させると、従動ベーン２８が同じ角度回転する。

ステータベーン部１０は、第１および第２のサブアッセンブリに分割される。ファンケース１２は、第１のファンケースコンポーネント２４Ａと第２のファンケースコンポーネント２４Ｂとから構成される。ベーンシュラウド１４は、同様に、第１のベーンシュラウドコンポーネント２６Ａと第２のベーンシュラウドコンポーネント２６Ｂとから構成される。さらに、ステータベーン列１６は、第１のベーン列コンポーネント２８Ａと第２のベーン列コンポーネント２８Ｂとから構成される。一実施例においては、ファンケースコンポーネント、ベーンシュラウドコンポーネントおよびベーン列コンポーネントは、分割型ファンの配置に適用される上段アッセンブリおよび下段アッセンブリを備える。第１および第２のサブアッセンブリは、第１の分割線３０Ａおよび第２の分割線３０Ｂにおいて一体となる。第１のベーン列コンポーネント２８Ａおよび第２のベーン列コンポーネント２８Ｂは、互いに独立して作動する。ベーンシュラウド１４内に保持された同期機構は、第１の分割線３０Ａおよび第２の分割線３０Ｂにより不連続が生じるので、第１のベーン列コンポーネント２８Ａと第２のベーン列コンポーネント２８Ｂとが同期回転しない。

図１Ｂは、本発明が適用されたガスタービンエンジンのステータベーン部１０の側面図を示す。第１のファンケースコンポーネント２４Ａと第２のファンケースコンポーネント２４Ｂは、分割線３０Ａにおいて一体となる。第１のファンケースコンポーネント２４Ａは、第１のベーン列コンポーネント２８Ａを含む。第２のファンケースコンポーネントは、第２のベーン列コンポーネント２８Ｂを含む。第１のベーン列コンポーネント２８Ａおよび第２のベーン列コンポーネント２８Ｂは、各々の内部同期機構を用いて、独立して同調される。アクチュエータ１８は、第１のベーン列コンポーネント２８Ａおよび第２のベーン列コンポーネント２８Ｂをアームアッセンブリ３４で駆動させる。アームアッセンブリ３４は、第１のベーン列コンポーネント２８Ａと第２のベーン列コンポーネント２８Ｂの双方をアクチュエータ１８に結合するリンク部３６を備える。

図２は、図１Ｂに示されるアームアッセンブリ３４の斜視図の拡大図を示す。アームアッセンブリ３４は、リンク部３６と、第１のアーム３８Ａと、第２のアーム３８Ｂと、を備える。リンク部３６は、第１のファンケース２４Ａと第２のファンケース２４Ｂとを分離するために、第１のアーム３８Ａもしくは第２のアーム３８Ｂから、取り外すことができる。第１のファンケース部２４Ａおよび第２のファンケース部２４Ｂは、継ぎ目線３０Ａにおいて一体となる。

第１の可変ステータベーン列２８Ａは、各々の外径側端部において第１のファンケース部２４Ａ内で旋回する第１のステータベーン２２Ａを備える。個々のいずれかのベーン（例えば、駆動ベーン２０Ａ）が回転するときに、第１のステータベーン２２Ａの全てが一斉に回転するように、第１のステータベーン２２Ａは、第１のベーンシュラウド２４Ａ内側で同期機構によって結合される。第２の可変ステータベーン列２８Ｂは、各々の外径側の端部において第２のファンケース部分２４Ｂ内で、旋回する第２のステータベーン２２Ｂを備える。個々のいずれかのベーン（例えば、駆動ベーン２０Ｂ）が回転するときに、第２のステータベーン２２Ｂの全てが一斉に回転するように、第２のステータベーン２２Ｂは、第２のベーンシュラウド２４Ｂ内側で同期機構によって結合される。第１の可変ステータベーン列２８Ａおよび第２の可変ステータベーン列２８Ｂは、互いに独立して作動する。同期機構の例は、上述した同時係属中の出願に記載されている。

アクチュエータ１８は、アクチュエータ１８の上下の動き（図２に示すように）を生じさせる駆動機構（図示せず）に結合される。第２の可変ステータベーン列２８Ｂは、第２のアーム３８Ｂでアクチュエータ１８に結合される。アクチュエータ１８が、駆動機構によって上下するときに、駆動ベーン２０Ｂは、これに対応して回転する。駆動ベーン２０Ｂが、分割線３０Ａに隣接もしくは付近に選択されることが好ましい。第２のアーム３８Ｂは、ステータベーン２０Ｂを回転させるモーメントアームとなる。駆動ベーン２０Ｂを回転させると、さらに、第２の従動ベーン２２Ｂが、第２のベーンシュラウド２６Ｂ内の同期機構によって回転する。

第１の可変ステータベーン列２８Ａは、第１のアーム３８Ａに駆動ベーン２０Ａを介して結合される。第１のアーム３８Ａは、リンク部３６によって第２のアーム３８Ｂに結合される。第２のアーム３８Ｂは、アクチュエータによって回転し、リンク部３６は、第１のアーム３８Ａを回転させる。第１のアーム３８Ａは、駆動ベーン２０Ａを回転するモーメントアームとなる。駆動ベーン２０Ａは、分割線３０Ａに隣接もしくは付近に配置されることが好ましい。駆動ベーン２０Ａを回転させると、さらに、従動ベーン２２Ａが、第２のベーンシュラウド２６Ａ内の同期機構によって回転する。従って、１つのアクチュエータつまりアクチュエータ１８が、第１の可変ステータベーン列２８Ａおよび第２のステータベーン列２８Ｂの双方を駆動する。

図３は、本発明のアームアッセンブリ３４の上側から見た図を示す。第１のアーム３８Ａは、駆動ベーン２０Ａの外径側の端部に結合される。第１のアーム３８Ａは、第１のファンケース部２４Ａにほぼ平行、かつ第２のアーム３８Ｂとほぼ同一平面にある。第１のアーム３８Ａおよび下段のアーム３８Ｂの特定の寸法および位置は、アクチュエータ１８の駆動機構や特定の駆動が要求される特定の可変ベーン列などを含むガスタービンエンジンの他の外部のコンポーネントの位置によって決定される。

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後側から見た図。 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側面図。 図１Ｂに示される本発明の駆動機構の斜視図の拡大図。 本発明の駆動機構を上側から見た図。

符号の説明

１８…アクチュエータ
２０Ａ，２０Ｂ…駆動ベーン
２８Ａ，２８Ｂ…従動ベーン
３６…リンク部
３８Ａ，３８Ｂ…ベーンアーム

Claims (12)

1. 第１の可変ベーン列を有する第１のファンケースおよび第２の可変ベーン列を有する第２のファンケースを備えるタービンエンジン用可変ステータベーンの駆動システムにおいて、
   第１の可変ベーン列の第１の駆動ベーンに回転力を加えるための第１の駆動ベーンアームと、
   第２の可変ベーン列の第２の駆動ベーンに回転力を加えるための第２の駆動ベーンアームと、
   第１および第２の可変ベーン列の回転を連動させるように、第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームを結合するためのリンク部と、
   を備えることを特徴とするタービンエンジン用可変ステータベーンの駆動システム。
2. 第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームが、
   可変ベーンの外径側の端部と結合するように構成された第１の端部と、
   リンク部および駆動源に結合するように構成された第２の端部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用可変ステータベーンの駆動システム。
3. 第１のファンケースおよび第２のファンケースが、分割線で結合されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用可変ステータベーンの駆動システム。
4. 第１の駆動ベーンが、第１のファンケースの分割線に隣接して配置されることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン用可変ステータベーンの駆動システム。
5. 第２の駆動ベーンが、第２のファンケースの分割線に隣接して配置されることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン用可変ステータベーンの駆動システム。
6. リンク部が、第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームから取り外すことが可能であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用可変ステータベーンの駆動システム。
7. タービンエンジン用の可変ベーンアッセンブリにおいて、
   第１のファンケースと、第１の内径側ベーンシュラウドと、第１のファンケースと第１の内径側の端部との間に回転可能に配置された第１の駆動ベーンと、第１のファンケースと第１の内径側ベーンシュラウドとの間に回転可能に配置された第１の従動ベーン列と、第１の駆動ベーンを回転させるための第１の駆動ベーンアームと、を備える第１のアッセンブリと、
   第２のファンケースと、第２の内径側ベーンシュラウドと、第２のファンケースと第２の内径側のベーンシュラウドとの間に回転可能に配置された第２の駆動ベーンと、第２のファンケースと第２の内径側ベーンシュラウドとの間に回転可能に配置された第２の従動ベーン列と、第２の駆動ベーンを回転させるための第２の駆動ベーンアームと、を備える第２のアッセンブリと、
   アクチュエータと、
   第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームを結合させるためのリンク部と、を備え、一方の駆動ベーンが、アクチュエータによりある角度回転されるときに、他方の駆動ベーンが同じ角度回転し、従って、第１および第２の可変ベーン列の双方の回転が連動するように構成されていることを特徴とするタービンエンジン用ステータベーン部。
8. 第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームが、
   駆動ベーンに結合するように構成された第１の端部と、
   リンク部およびアクチュエータに結合するように構成された第２の端部と、
   を備えることを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジン用ステータベーン部。
9. 第１のファンケースと第２のファンケースとが、分割線において結合されていることを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジン用ステータベーン部。
10. 第１の駆動ベーンが、第1のファンケースの分割線に隣接して配置されることを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジン用ステータベーン部。
11. 第２の駆動ベーンが、第２のファンケースの分割線に隣接して配置されることを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジン用ステータベーン部。
12. リンク部が、第１の駆動ベーンアームおよび第２の駆動ベーンアームから取り外し可能であることを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジン用ステータベーン部。

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