JP2009508032A - 改良されたベーン根元部を有するベーンアッセンブリ - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン（１０）のベーンアッセンブリ（２０）用のベーン（３０）は、このベーンの先端部（３４）の反対側に、エアフォイル部（３６）に接続されたベーン根元部（３２）を備える。ベーン根元部は、プラットホーム（４６）と、プラットホームおよびエアフォイル部を相互接続するボタン部（５８）と、を備える。ボタン部は、エアフォイル部の前縁（３８）および後縁（４０）からそれぞれ突出する比較的尖っていない前縁（６２）および比較的尖っていない後縁（６４）を有する。これらのベーンは、タービンケーシング（２４）の一連の開口部（７４）内に挿入されており、グロメット（６６）が、ボタン部と開口部との間に密封介入される。異物損傷が生じた場合、衝突したベーンがその衝撃後に後方に移動することがあるが、ボタン部の比較的尖っていない前縁（６２）および比較的尖っていない後縁（６４）が、このような場合にグロメットが切断される可能性を低減するように機能する。

Description

本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、特にエンジンファンまたは低圧圧縮機の下流においてガスタービンエンジン内に設けられる改良された入口ガイドベーンに関する。

本出願は、２００５年９月１２日に米国で出願された米国特許出願第１１／２２３，１２９号の一部継続であり、この出願を参考とする。

ガスタービンエンジンのベーンアッセンブリは、通常、高速圧縮機に入る空気流の渦を低減させるために、エンジンファンおよび／または低圧圧縮機の下流に設けられる。このようなガイドベーンアッセンブリは、最小重量を有しながら、異物損傷に対して耐性を有しなければならない。

ベーンを適所に保持するためにベーン根元部を受けるスロットが貫通して画定されるアウタシュラウドをエンジンケーシング内に設けることが知られている。このような構成では、グロメットは、通常、根元部に隣接するベーンエアフォイル部を囲み、これによって、ベーンをアウタシュラウドから隔離するようにスロット内に挿入される。しかし、異物損傷が生じた場合、衝突したベーンがその衝撃後に後方に移動し、鋭利にされる傾向のあるベーン縁部がグロメットを切断し、他の周囲部品を損傷する可能性がある。場合によっては、埋込用樹脂（ｐｏｔｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）のような接着剤が、グロメットと併用して、またはグロメットの代わりに用いられることもある。しかし、このような接着剤の使用は、一般的に、ベーンの据付けおよびベーンの取換えを複雑にする。さらに、ベーンを適所に保持するために用いられるアウタシュラウドは、ベーンをこのシュラウドに保持するために必要な接続部材と共に、エンジンの全重量を大きくし、これによって、エンジン性能に悪影響をもたらす。

このような状況から、改良したベーンアッセンブリが必要とされている。

従って、本発明の目的は、改良したベーンアッセンブリを提供することにある。

一態様では、本発明は、ガスタービンエンジンのベーンアッセンブリ用のベーンであって、インナシュラウドと係合するように適合された先端部と、先端部から延び、かつ細長い比較的鋭利な前縁および細長い比較的鋭利な後縁を画定するエアフォイル部と、先端部の反対側でエアフォイル部に接続されたベーン根元部であって、ベーン根元部が、アウタプラットホームと、プラットホームおよびエアフォイル部を相互接続するインナボタン部を備えており、ボタン部が、エアフォイル部の前縁および後縁からそれぞれ突出する比較的尖っていない前縁および比較的尖っていない後縁を有しており、プラットホームが、プラットホームの少なくとも横断方向に沿ってボタン部から突出するベーン根元部と、を備えるベーンを提供する。

他の態様では、本発明は、ロータの回転ブレードを囲むアウタケーシングを有するガスタービンエンジン用のベーンアッセンブリであって、ブレードの下流に配置されたアウタケーシングの管状壁部分であって、この管状壁部分を貫通して画定された一連の周方向において規則的に離間した開口部を有する管状壁部分と、壁部分の内側に壁部分と同心に配置されたインナシュラウドであって、インナシュラウドおよび壁部分が、これらの間に流路を画定するインナシュラウドと、各開口部内に密封係合され、かつ貫通して画定されたスロットを有するグロメットと、壁部分とインナシュラウドとの間に半径方向に延び、かつグロメットの各々に対応するベーンであって、ベーンの各々が、先端部とベーン根元部との間に延びるエアフォイル部を有し、先端部が、インナシュラウドに係合され、かつベーン根元部の少なくとも一部が、グロメットのスロット内に密封して受けられるベーンと、を備えるベーンアッセンブリを提供する。

さらに他の態様では、本発明は、ガスタービンエンジン用のロータアッセンブリであって、回転ブレードと、回転ブレードを囲むアウタケーシングであって、ブレードの下流に、アウタケーシングを貫通して画定された一連の周方向において規則的に離間した開口部を有するアウタケーシングと、ブレードの下流において、アウタケーシングの内側にアウタケーシングと同心に配置されたインナシュラウドであって、インナシュラウドおよびアウタケーシングが、これらの間に流路を画定するインナシュラウドと、各開口部内に密封係合され、かつグロメットを貫通して画定されたスロットを有するグロメットと、アウタケーシングとインナシュラウドとの間に半径方向に延び、かつグロメットの各々に対応するベーンであって、ベーンの各々が、先端部とベーン根元部との間に延びるエアフォイル部を有し、先端部が、インナシュラウドに係合され、ベーン根元部の少なくとも一部が、グロメットのスロット内に密封嵌入されるベーンと、を備えるロータアッセンブリを提供する。

本発明の上記の態様および他の態様のさらなる詳細は、以下の詳細な説明および添付の図面から明らかになるだろう。

図１は、好ましくは亜音速飛行に用いられる形式のガスタービンエンジン１０を示している。ガスタービンエンジン１０は、一般的に、互いに直列に連通する、周囲空気を推進させるファン１２、空気を加圧する圧縮機セクション１４、圧縮空気を燃料と混合させ、点火して、環状流の高温燃焼ガスを生成する燃焼器１６および燃焼ガスからエネルギを抽出するタービンセクション１８を備える。

図２を参照すると、例えば、ファン１２または圧縮機セクション１４の低圧圧縮機（いずれも図１に示す）のロータアッセンブリは、エンジンケーシング２４に囲まれる回転ブレード２２を備える。ケーシング２４は、ブレード２２の下流に延びており、ベーンアッセンブリ２０の一部を形成する。ベーンアッセンブリ２０は、インナシュラウド２６および複数のベーン３０を備える。インナシュラウド２６は、回転ブレード２２の下流においてケーシング２４と同軸に配置されており、インナシュラウド２６およびケーシング２４は、これらの間に環状ガス流路２８を画定する。複数のベーン３０は、ロータブレード２２の下流において、アウタケーシング２４とインナシュラウド２６との間に半径方向に延びる。ベーン３０の各々は、ケーシング２４内に保持されたベーン根元部３２、インナシュラウド２６内に保持されるベーン先端部３４およびこれらの間に延びるエアフォイル部３６を備える。各ベーン３０のエアフォイル部３６は、ブレード２２から流れてベーンアッセンブリ２０内を通過する空気流が、前縁３８からベーンエアフォイル３６をわたって後縁４０に流れるように、比較的鋭利な前縁３８および比較的鋭利な後縁４０を画定する。

この説明の全体を通して、軸方向、半径方向および周方向は、それぞれ、エンジン１０の中心軸、半径および周囲に関して画定される。

図２および図３を参照すると、ベーン先端部３４は、２００５年９月１２日に米国で出願された本出願人による米国特許出願第１１／２２３，１４８号に開示されている特許出願を参照することにより、インナシュラウド２６（図２参照）の対応するウエブ４４と係合するために、前縁３８と後縁４０との間においてエアフォイル内に半径方向に延びる概ね長方形のスロット４２を備えてもよい。代替的に、ベーン先端部３４は、インナシュラウド２６と係合するのに適した任意の他の構成を有することもできる。

特に、図２を参照すると、ベーン根元部３２は、内側圧力面４８および対向する外側面５０を画定するエンドプラットホーム４６を備える。外側面５０は、ストラップホルダ５２を備える。ベーンアッセンブリ２０の一部として組み込まれた場合、多数のベーン３０の１つのストラップホルダ５２は、残りのベーン３０のストラップホルダ５２と周方向において一直線に並んで配置される。図３に示される特定の実施形態では、ストラップホルダ５２は、ベーン３０をベーンアッセンブリ２０のアウタケーシング２４内の適所に締付けて保持するために用いられる対応する締付けストラップ８６または他の部材を受ける外側面５０に画定された周方向溝５４の形態にある。図７は、代替的構成を有するストラップホルダ５２’を示している。ストラップホルダ５２’は、外側面５０から半径方向外側に延びる２つの互いに軸方向に離間した細長フィンガ５６を含む。これらのストラップホルダ５２，５２’の代替的構成が用いられてもよい。

図３を再び参照すると、ベーン根元部３２は、プラットホーム４６の内側圧力面４８から内側に延びて、かつエアフォイル部３６に接続される内側リセス部つまりボタン部５８をさらに備える。プラットホーム４６は、ベーン３０の少なくとも１つの横断方向に沿って、すなわち、ベーン３０の長手方向軸６０と実質的に直交する面において、かつベーンブレードの前後方向と実質的に直交する方向において、ボタン部５８から突出する。特定の実施形態では、プラットホーム４６は、その全周にわたってボタン部５８から外側に突出する。ボタン部５８は、ベーン３０の少なくとも１つの横断方向に沿ってエアフォイル部３６から突出しており、特にその全周にわたってエアフォイル部３６から突出する。従って、プラットホーム４６に隣接してエアフォイル部およびプラットホームを相互接続するリセス部５８は、外側のプラットホームよりも短い距離だけエアフォイルの輪郭から突出する。換言すると、根元部３２の内側に凹んだボタン部５８およびルート部３２のプラットホーム４６の両方が、エアフォイルから外側に突出するが、プラットホーム４６は、内側リセス部５８よりもさらに突出する。従って、ルート部は、その全周にわたって段付きの形状を画定する。図示される実施形態では、ボタン部５８は、エアフォイル部３６の形状に概ね対応する形状（すなわち、横断輪郭）を有する。

以下、内側リセス部５８を総称的にボタン部と呼ぶ。ボタン部５８は、エアフォイル部３６の前縁３８および後縁４０からそれぞれ突出する比較的尖っていない前縁６２および後縁６４を備える。ボタン部５８は、鋭利な縁部のない輪郭を有する。使用する場合、ボタン部５８は、アウタグロメット６６内に受けられる（図７参照）。ベーン３０とグロメット６６との間の接触は、鋭利な縁部のないベーンボタン部５８を介して生じるので、組立中および／または航空機に異物の衝撃が加えられた場合に生じるグロメット６６を引裂く危険性が、例えば、一般的にエアフォイルの比較的鋭利な前縁および比較的鋭利な後縁を囲む従来技術によるグロメットを引裂く危険性と比較して少なくなる。

図６を参照すると、ケーシング２４は、流路２８の範囲を定める内側面７０およびその対向する外側面７２を有する外周壁６８を有する。このケーシング壁６８に、ベーン受入れ開口部７４が貫通して画定される。ベーン受入れ開口部７４は、ケーシング２４の周囲に規則正しく分配される。各開口部７４は、ベーン３０のボタン部５８の形状に概ね対応する形状を有しているが、ボタン部５８よりも大きいが、対応するベーンのプラットホーム４６が通過できないように構成される。

図４および図５を参照すると、各アウタグロメット６６は、周辺部７６を有する。この周辺部７６は、対応するベーン３０のプラットホーム４６の内側圧力面４８と密封係合するのに適するように構成された外側面７８と、対応する開口部７４の周囲に沿ってケーシング壁６８の外側面７２と密封係合するのに適するように構成された内側面８０（図５参照）と、を画定する。周辺部７６は、この周辺部７６に画定されたスロット８２と、スロット８２の周囲に沿って半径方向内側に延びるリップ８４と、を有する。スロット８２およびリップ８４は、それぞれ、対応するベーン３０のボタン部５８を密封して受け、かつ密封して囲むように構成される。また、リップ８４は、ボタン部５８の周囲に沿って、ケーシング壁６８の対応する開口部７４の周辺と密封係合するように構成される。グロメット６６の周辺部７６およびリップ８４は、ボタン部５８の輪郭およびベーン３０のエアフォイル部３６の輪郭に追従する形状を有し、これによって、グロメット６６の容積および重量を最小限に抑える。グロメット６６は、対応するボタン部５８の周囲への設置を容易にするために、柔軟で伸張性のある材料、例えば、シリコーンゴムから作製される。特定の実施形態では、グロメット６６は、射出成形プロセスによって作製される。

従って、使用時に、各グロメット６６は、図７に示されるように、周辺部７６がプラットホーム４６の内側圧力面４８に支えられた状態で、対応するベーン３０のボタン部５８の周囲に伸張されて設置される。特定の実施形態では、グロメット６６は、プラットホーム４６がグロメットスロット８２を貫通するように伸張され、適所に配置された場合に解放され、これによって、リップ８４が、わずかに伸張した状態でボタン部５８を囲み、ボタン部５８に対する密封係合を保証する。次いで、ベーン３０は、ケーシング壁６８の対応する開口部７４を通してケーシング２４内に挿入され、ベーン先端部３４がインナシュラウド２６と係合すると共に、グロメットリップ８４が開口部７４の周辺と係合するまで半径方向内側に移動される。次いで、図８に示されるように、ケーシング２４の周囲に沿って、ストラップ８６が、ベーンプラットホーム４６の一直線に並んだストラップホルダ５２，５２’に配置される。ストラップ８６は、各グロメット６６の周辺部７６が対応するプラットホーム４６の内側圧力面４８とケーシング壁６８の外側面７２との間に十分に圧縮されるまで、締め付けられ、これによって、ベーン３０とケーシング２４との間の接続部を密封する。代替的に、ストラップ以外のベーン保持機構が、ベーン３０をアウタケーシング２４と密封係合して保持するために用いられてもよい。

従って、ベーンアッセンブリ２０のベーン３０は、付加的なアウタシュラウドを必要とすることなく、ケーシング２４に直接取り付けられる。従って、損傷したベーンは、ストラップ８６を簡単に取り外し、損傷したベーンをケーシング壁６８の対応する開口部７４から外側に滑らせて外し、新しいベーンを開口部７４に通して適所に滑らせて嵌め込み、ストラップ８６を置き換えることによって、エンジン１０の全体を分解する必要もなく置き換えられる。付加的なアウタシュラウドを用いる従来技術の構成では、このようにベーン３０をエンジン１０の全体を分解せずに置き換えるのは、容易ではない。

尖っていないボタン部５８は、グロメット６６と接触する鋭利な縁部が排除されているので、ベーン３０によるグロメット６６の損傷の危険性を最小限に抑えることができる。拡大したボタン部５８によって、ケーシング壁６８の対応する開口部７４がベーン３０のエアフォイル部３６および先端部３４よりも実質的に大きくなるので、ベーン３０を開口部７４に通して容易に設置することができる。

このベーンアッセンブリ２０によれば、ベーン根元部３２を保持する接着剤または埋込用樹脂を必要としないので、コストを低減し、製造作業および保守作業を簡素化することができる。

また、アウタシュラウドが存在しないことによって、エンジン１０の全重量が低減される。さらに、ケーシング壁６８に画定された大きな開口部７４によって、ケーシング２４の重量が低減される。また、アウタシュラウドと併用される従来技術によるケーシングに対して、ケーシング壁６８の厚みが薄くなるので、ケーシング２４の重量がさらに低減されると共に、万一異物損傷またはファンブレード故障が生じた場合、エンジン１０の閉込め区域とエンジンマウントとの間に伝達される負荷が減衰される。ケーシング２４をこのように軽量にすることによって、エンジン１０の全重量を低減させ、これによって、エンジン性能を改良することができる。

上記の説明は、単なる例示にすぎず、当業者であれば、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対して変更がなされ得ることを認めるであろう。例えば、本発明は、ファンおよび低圧圧縮機以外のロータアッセンブリのケーシング内に収容されるベーンアッセンブリに適用されてもよい。この開示を検討することによって、本発明の範囲内に含まれる他の修正も当業者には明らかであろう。このような修正は、特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。

ガスタービンエンジンの一部を断面で示した側面図である。 図１に示されるようなガスタービンエンジン内における本発明の特定の実施形態によるガイドベーンアッセンブリの側断面図である。 図２のベーンアッセンブリのベーンの側斜視図である。 図２のベーンアッセンブリのアウタグロメットの上斜視図である。 図４のグロメットの前斜視図である。 図２のベーンアッセンブリの一部を形成するアウタケーシングをベーンアッセンブリの点線で概略的に示されるインナシュラウドと共に示す斜視図である。 図２のベーンアッセンブリに用いられる代替的なベーンの側斜視図である。 図２のベーンアッセンブリの斜視図である。

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンのベーンアッセンブリ用のベーンであって、
   インナシュラウドと係合するように適合された先端部と、
   前記先端部から延び、かつ細長い比較的鋭利な前縁および細長い比較的鋭利な後縁を画定するエアフォイル部と、
   前記先端部の反対側で前記エアフォイル部に接続されたベーン根元部と、
   を備え、
   前記ベーン根元部が、アウタプラットホームと、該プラットホームおよび前記エアフォイル部を相互接続するインナボタン部を備え、該ボタン部が、前記エアフォイル部の前記前縁および前記後縁からそれぞれ突出する比較的尖っていない前縁および比較的尖っていない後縁を有し、前記プラットホームが、該プラットホームの少なくとも横断方向に沿って前記ボタン部から突出することを特徴とするベーン。
2. 前記ボタン部が、前記エアフォイル部の輪郭と対応する輪郭を有することを特徴とする請求項１に記載のベーン。
3. 前記ボタン部が、該ボタン部の全周にわたって、前記エアフォイル部から突出することを特徴とする請求項１に記載のベーン。
4. 前記アウタプラットホームが、該アウタプラットホームの全周にわたって、前記ボタン部から外側に突出することを特徴とする請求項３に記載のベーン。
5. 前記プラットホームが、前記ボタン部の反対側に画定された外側面を有し、該プラットホームが、締付けストラップを受けるために前記外側面内に画定されたストラップホルダを備えることを特徴とする請求項１に記載のベーン。
6. ロータの回転ブレードを囲むアウタケーシングを有するガスタービンエンジン用のベーンアッセンブリであって、
   前記ブレードの下流に配置された前記アウタケーシングの管状壁部分であって、貫通して画定された一連の周方向において規則的に離間した開口部を有する、管状壁部分と、
   前記壁部分の内側に該壁部分と同心に配置され、かつ前記壁部分との間に流路を画定するインナシュラウドと、
   各開口部内に密封係合され、かつ貫通して画定されたスロットを有するグロメットと、
   前記壁部分と前記インナシュラウドとの間に半径方向に延び、かつ前記グロメットの各々に対応するベーンであって、各々が、先端部とベーン根元部との間に延びるエアフォイル部を有し、前記先端部が、前記インナシュラウドに係合され、前記ベーン根元部の少なくとも一部が、前記グロメットの前記スロット内に密封して受けられる、ベーンと、
   を備えるベーンアッセンブリ。
7. 前記ベーン根元部の前記少なくとも一部が、鋭利な縁部を有しないことを特徴とする請求項６に記載のベーンアッセンブリ。
8. 前記ベーン根元部が、アウタプラットホームと、該プラットホームおよび前記エアフォイル部を相互接続するインナボタン部を備え、前記プラットホームが、前記アウタケーシングの外側に配置されると共に、前記プラットホームが前記対応する開口部を貫通することができない構成を有し、前記エアフォイル部は、該エアフォイル部が前記グロメットの前記スロットを貫通することができる構成を有し、前記ボタン部が、前記グロメットの前記スロット内に密封して受けられることを特徴とする請求項６に記載のベーンアッセンブリ。
9. 前記ベーン根元部の一部が、前記ケーシングの外側に配置され、該ベーン根元部の一部内にストラップホルダを画定し、前記ベーンアッセンブリが、前記ベーンの各々の前記ストラップホルダ内に受けられ、かつ前記アウタケーシングを緊密に囲む締付けストラップをさらに備え、前記ストラップが、前記アウタケーシングの外側に配置された前記ベーン根元部の一部に、内向きの力を生じさせることを特徴とする請求項６に記載のベーンアッセンブリ。
10. 前記プラットホームが、前記ボタン部の反対側において該プラットホーム内に画定されたストラップホルダを有し、前記ベーンアッセンブリが、前記ベーンの各々の前記プラットホームにおける前記ストラップホルダ内に受けられ、かつ前記アウタケーシングを囲む締付けストラップをさらに備え、該ストラップが、前記ベーンの前記プラットホームに内向きの力を生じさせることを特徴とする請求項８に記載のベーンアッセンブリ。
11. 前記グロメットが、前記開口部の周囲に延び、かつ前記アウタケーシングと前記プラットホームとの間に圧縮される部分を有することを特徴とする請求項１０に記載のベーンアッセンブリ。
12. 前記ボタン部が、前記エアフォイル部の輪郭と対応する輪郭を有することを特徴とする請求項８に記載のベーンアッセンブリ。
13. 前記ボタン部が、該ボタン部の全周にわたって前記エアフォイル部から突出することを特徴とする請求項８に記載のベーンアッセンブリ。
14. 前記アウタプラットホームが、該アウタプラットホームの全周にわたって前記ボタン部から突出することを特徴とする請求項１３に記載のベーンアッセンブリ。
15. ガスタービンエンジン用のロータアッセンブリであって、
    回転ブレードと、
    前記回転ブレードを囲むアウタケーシングであって、前記ブレードの下流に、前記アウタケーシングを貫通して画定された一連の周方向において規則的に離間した開口部を有する、アウタケーシングと、
    前記ブレードの下流において、前記アウタケーシングの内側に該アウタケーシングと同心に配置され、かつ前記アウタケーシングとの間に流路を画定するインナシュラウドと、
    各開口部内に密封係合され、かつ貫通して画定されたスロットを有するグロメットと、
    前記アウタケーシングと前記インナシュラウドとの間に半径方向に延び、かつ前記グロメットの各々に対応するベーンであって、各々が、先端部とベーン根元部との間に延びるエアフォイル部を有し、前記先端部が、前記インナシュラウドに係合され、前記ベーン根元部の少なくとも一部が、前記グロメットの前記スロット内に密封して受けられる、ベーンと、
    を備えるロータアッセンブリ。
16. 前記ベーン根元部の前記少なくとも一部が、鋭利な縁部を有しないことを特徴とする請求項１５に記載のロータアッセンブリ。
17. 前記ベーン根元部が、プラットホームと、該プラットホームおよび前記エアフォイル部を相互接続するボタン部を備え、前記プラットホームが、前記アウタケーシングの外側に配置されると共に、前記プラットホームが前記対応する開口部を貫通することができない構成を有し、前記エアフォイル部が、前記エアフォイル部が前記グロメットの前記スロットを貫通することができる構成を有し、前記ボタン部が、前記グロメットの前記スロット内に密封して受けられることを特徴とする請求項１５に記載のロータアッセンブリ。
18. 前記ベーン根元部の一部が、前記ケーシングの外側に配置され、該ベーン根元部の一部内にストラップホルダを画定し、前記ベーンアッセンブリが、前記ベーンの各々の前記ストラップホルダ内に受けられ、かつ前記アウタケーシングを緊密に囲む締付けストラップをさらに備え、前記ストラップが、前記アウタケーシングの外側に配置された前記ベーン根元部の一部に、内向きの力を生じさせることを特徴とする請求項１５に記載のロータアッセンブリ。
19. 前記ベーン根元部の前記少なくとも一部が、前記エアフォイル部の輪郭と対応する輪郭を有するボタン部であり、該ボタン部が、鋭利な縁部を有しないことを特徴とする請求項１５に記載のロータアッセンブリ。
20. 前記ボタン部が、該ボタン部の全周にわたって、前記エアフォイル部から突出することを特徴とする請求項１９に記載のロータアッセンブリ。

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