JP2017166482A - 不均一なベーン間隔 - Google Patents

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Abstract

【課題】関連する製造及び在庫費用を伴う多数のベーンセクター構成を必要とする可能性を回避する。【解決手段】不均一に離間されたベーン15の円形列11は、隣接するベーン15の唯一の第1及び第2のグループと、隣接ベーン15の間の同じでない第1の間隔及び第2の間隔とを含み、第1の間隔は第2の間隔よりも大きい。第2のグループは、3つの隣接ベーンのみを備える。第2の間隔は、不均一に離間されたステータベーン15間隔を設計するため設計パラメータとして使用される名目上の間隔よりも小さい。円形列11はセクター化することができる。円形列のための不均一なベーン間隔を設計する方法は、名目上の均一な間隔を決定し、ベーン15の名目上の均一な間隔から第1及び第2の間隔を形成することを含む。【選択図】図1

Description

本発明は、航空機ガスタービンエンジンのステータベーンに関し、より具体的には、不均一なベーン間隔に関する。
通常、ステータベーンは、航空機ガスタービンエンジンの圧縮機及びファン、並びに一部のタービン設計において使用される。一般的に、非回転すなわち固定ステータベーンは、ファン、圧縮機、及びタービンのロータブレードの下流側又は上流側に配置される。これらのベーンは、ロータに入る又は離れる接線方向の流れ成分に影響を与え、流体の静圧を増加させかつ流れ角度を下流側ロータに適したレベルに設定することができる。非回転固定ステータベーンは、これらの角度を変更させ得る可変ステータベーンとすること、又は流入するガス流に対してこれらの角度が固定で変更できないステータベーンとすることができる。
ベーンにおける翼形部は、これらと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、空気ストリームにおいて、通過する翼形部によってパルスとして感じられる伴流を発生させる。ステータベーンの伴流(パルス)数と圧縮機の回転速度の組み合わせは、ロータブレードの固有振動数と一致する可能性のある励振を発生させる。翼形部の固有振動数の大部分を設計エンジン運転範囲外に維持することが極めて望ましい。
非均一なベーン間隔(NUVS)設計は、ロータブレードの誘起振動を減少させるために開発されてきた。NUVS設計は、エンジンケーシングの円周周りのベーン間隔を変えて、ロータブレード及びステータベーンの固有振動数の回避を可能にし、又はこれらの振動数でのロータブレードの共振応答の振幅を減少させるようにする。より具体的には、このような設計では、ステータベーンの数は、ステータベーン組立体の1又は2以上のセクターで変えられる。ステータベーンの間隔は、セクター毎に変えることができるが、各セクター内のステータベーンは、互いに対して等間隔で維持され、及び/又は等しいピッチで設計される。ステータベーンの各セクター間のベーン間隔又はピッチを変化させると、ベーン伴流の振動数が変化し、隣接ロータブレードに誘起される振動応答を減少させることができる。一部の従来の不均一なベーン間隔設計は、圧縮機の性能及び作動性の問題を引き起こす可能性がある。一部の従来の不均一なベーン間隔設計は、関連する製造及び在庫費用を伴う多数のベーンセクター構成を必要とする可能性がある。
従って、多数のベーンセクター構成及び/又は圧縮機の性能及び作動性の問題を回避する不均一なベーン間隔圧縮機設計を行うことが望まれる。
米国特許第8678752号明細書
ガスタービンエンジンの不均一に離間されたベーンのリング又は円形列は、リング又は円形列において全てのベーンを含む第1のグループ及び第2のグループと、隣接するベーンの唯一の第1のグループ及び唯一の第2のグループと、それぞれ第1のグループ及び第2のグループにおける隣接するベーンの間の同じでない第1の間隔及び第2の間隔とを含み、第1の間隔は第2の間隔よりも大きい。
第2のグループは、3つの隣接するベーンのみと、ベーンの2つの隣接するペアのみと、2つの隣接するペアの各々におけるベーンの各々の間の第2の間隔と、を含むことができる。ステータベーンの名目上の均一な間隔は、不均一に離間されたステータベーンの間隔を設計するための設計パラメータとして使用でき、第2の間隔は、名目上の間隔よりも約25%−35%だけ小さい。ガスタービンエンジンリング又は円形列はセクター化することができる。ガスタービンエンジンリング又は円形列は、約9から14のセクター及びセクター毎に約8から16のベーンを含むことができる。
第2のグループは、ベーンの1又は2以上の隣接するペアを含む2又は3以上の隣接するベーンを含み、第2の間隔は、ベーンの1又は2以上隣接するペアの各々の間の間隔である。
スタービンエンジン組立体は、固定及び/又は可変の不均一に離間されたベーンの1又は2以上のリング又は円形列を含むガスタービンエンジンセクションと、1又は2以上のリング又は円形列の各々において全てのベーンを含む第1のグループ及び第2のグループと、1又は2以上のリング又は円形列の各々における隣接するベーンの唯一の第1のグループ及び唯一の第2のグループと、それぞれ第1のグループ及び第2のグループにおける隣接するベーンの間の同じでない第1の間隔及び第2の間隔とを含み、第1の間隔は第2の間隔よりも大きい。
不均一に離間されたガスタービンエンジンベーンのリング又は円形列のための不均一なベーン間隔を設計する方法は、360度の名目上の均一な間隔Sパターンを決定するステップと、名目上の均一に相隔たるベーンの1つの暫定的なペアを離間して広げ、ベーンの残りをより隣接して移動させ、残りのベーンは、第1の間隔でもって全て均等に離間され、暫定的なペアの間の1つの大きな間隙又は暫定的な大きな間隔を作り、追加のベーンを1つの大きな間隙又は暫定的な大きな間隔の中に挿入して、第1の間隔より小さい第2の間隔を有する2つの隣接する同じ幅狭の間隙又は間隔を形成するステップと、を含む。
不均一なベーン間隔(NUVS)のステータベーンを備えたガスタービンエンジン高圧圧縮機の概略図。 不均一に離間されたステータベーンの列の軸方向概略図。 図2に示す不均一に離間されたステータベーンの列の拡大された軸方向概略図。 図2に示す不均一に離間されたステータベーンの列の設計方法に使用でき等間隔又は均一に相隔たるステータベーン間隔設計の軸方向概略図。 図2に示す不均一に離間されたステータベーンの列の設計方法に使用できる図3に示す設計に基づいた後続の相隔たるステータベーン間隔設計の軸方向概略図。 図2に示す不均一に離間されたステータベーンの列のセクター化された実施形態の2つの隣接するセクターの一部の軸方向概略図。 図2に示す不均一に離間されたステータベーンの他の軸方向概略図。
図1は、図2に示す不均一なベーン間隔(NUVS)のステータベーン15の少なくとも1つのリング又は円形列11を備えた例示的なガスタービンエンジン高圧圧縮機18を示す。不均一なベーン間隔(NUVS)を有することができる入口可変ステータベーン16のリング又は円形列13は、圧縮機18に配置して示されており、ガスが圧縮機18の流路20を通って下流Dに流れて回転ブレード50の第1及び第2の列47、48に入る方向を最適にするために使用される。固定又は可変ステータベーン15の円形列11は、長手方向又は軸方向中心軸線12の周りで軸対称である。
高圧圧縮機18は、通常、長手方向又は軸方向中心軸線12の周りでほぼ軸対称である。不均一なベーン間隔(NUVS)を有することができる入口可変ステータベーン16のリング又は円形列13は、圧縮機18内に配置され、ガスが圧縮機18の流路20を通って下流Dに流れて回転ブレード50の第1及び第2の列47、48に入る方向を最適にするために使用される。本明細書に開示される不均一なベーン間隔を備えたステータベーン15の例示的な実施形態は、高圧圧縮機18に関連するが、本明細書に開示される不均一なベーン間隔を備えた類似のステータベーン15は、他の圧縮機セクション、並びにガスタービンエンジンのファン及びタービンセクションに利用することができる。圧縮機ケーシング61は、ステータベーン15を含むステータベーン組立体56を半径方向外側で支持する。
図1及び2を参照すると、少なくとも1つのステータベーン組立体56又はステータベーン15の円形列11は、複数のステータベーン15を含む。各ステータベーン15は、ケーシング61と内側リング81との間で半径方向に配置された翼形部31を有し、内側リング81はケーシング61から半径方向内向きに離間する。翼形部31は、翼形部外端72から翼形部内端73まで翼形部の翼長SPに沿って内向きに延びる。ステータベーンは、可変式とすることができ、図1に示すようにこれらの角度を変更させることができる。
ロータブレード誘起振動の振幅を低減するために、図2及び2Aに示すように、少なくとも1つの可変ステータベーン組立体56又はステータベーン15の円形列11は、それぞれベーン15の第1のグループG1及び第2のグループG2における各ベーン15の間で、同じでない第1の間隔S1及び第2の間隔S2で示される不均一なベーン間隔を備える。本明細書に例示するように、例示的な第1の間隔S1は、例示的な第2の間隔S2よりも大きい。同じでない第1の間隔S1及び第2の間隔S2は、各ベーン15の間の円弧又は直線距離である。第1のグループG1及び第2のグループG2の隣接するベーン15は、それらの間でそれぞれ同じ第1の間隔S1及び第2の間隔S2を有する。
S1、S2は、ベーン15の隣接するペア17の間で円弧Cに沿って円周方向で測定することができる。円弧Cは、軸方向中心軸線12上に共通の原点19を有しかつそれぞれベーン15の隣接するペア17を通過する、隣接する半径Rのペアの間で延びる。S1、S2は、円弧Cと、隣接する半径Rの隣接するペア17との交点Iから直線的に測定することができ、隣接する半径Rは、軸方向中心軸線12上で共通の原点19を有する。
また、不均一なベーン間隔は、各ベーン15の間の角度で測定される角度を形成することができる。不均一なベーン間隔は、図2に示すように、ベーン15のそれぞれ第1のグループG1及び第2のグループG2における各ベーン15の間で測定した、同じでない第1の角度A1及び第2の角度A2で示すことができる。半径Rは、ベーン15の中心線Lに沿うことができ、同じでない第1の角度A1及び第2の角度A2は、隣接する半径Rの間で測定することができる。
不均一に離間されたステータベーン15の円形列11における本明細書に示す不均一なベーン間隔の例示的な実施形態は、単一の第1のグループG1のみ及び単一の第2のグループG2のみを含む。各グループの一方は、幅広に離間されたステータベーン15を含み、他のグループは幅狭に離間されたステータベーン15を含む。図2に示す不均一に離間されたステータベーン15の円形列11の実施形態は、幅広に離間されたベーン15を含む単一の第1のグループG1を示す。また、図2は、幅狭に離間されたベーン15を含む単一の第2のグループG2を示す。3つの幅狭に離間されたベーン15だけが各ベーン15の間で第2の間隔S2で相隔たる。他の実施形態では、図6に示すように、各ベーン15の間で第2の間隔S2で相隔たる2つの幅狭に離間されたベーン15を有することができる。一般に、不均一に離間されたステータベーン15の円形列11は、それらの間に第2の小さな又は狭い間隔S2を有する、2又は3以上の幅狭に相隔たるベーン15の第2のグループG2を含む。
当該間隔設計において、1つの方法は、360度で等しい又は均一な間隔Sパターンで開始することができる。均一な間隔Sは、名目上の間隔であり、不均一に離間されたステータベーン15の間隔を設計するために使用される設計パラメータである。図4は、設計方法の後続ステップを示し、ここでは、図3に示す相隔たるベーン15の暫定的ペア24が離間して広がり、残りの全てのベーン26は、図2に示すような第1の間隔S1でもってより隣接して均一に離間し、結果として、相隔たるベーン15の暫定的ペア24の間に1つの大きな間隙33又は暫定的な大きな間隔S3を作る。第1の間隔S1は、名目上の又は均一な間隔Sよりも幾分小さい。次に、追加のベーン28を1つの大きな間隙33又は暫定的な大きな間隔S3に挿入して、2つの等しい幅狭の間隙又は間隔32に変える。この間隔32は、図2の3つの幅狭の相隔たる隣接するベーン21による第2の間隔S2で表示又は例示される。第2の間隔S2は、名目上の又は均一な間隔Sよりも実質的に小さい。本明細書に記載の実施形態において、第2の間隔S2は、名目上の又は均一な間隔Sの約65%−75%である。換言すると、第2の間隔S2は、名目上の又は均一な間隔Sよりも約25%−35%小さい。
図5に示すように、不均一なベーン間隔を備えたステータベーン15のリング又は円形列11は、分割部40によって分割された第1のセクター36及び第2のセクター38で示すようにセクター化することができる。図5に示す不均一に離間されたステータベーンの列のセクター化された実施形態は、複数のセクターと各セクターにおける複数のベーン15を含むことができる。本明細書に記載の例示的な実施形態は、ガスタービンエンジンの圧縮機段毎に9から14のセクター、及びセクター毎に8−16のベーンを含む。
本明細書では本発明の好ましく例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、当業者であれば、本明細書の教示から本発明の他の修正が明らかになる筈であり、従って、全てのこのような修正は、本発明の技術思想及び技術的内に属するものとして特許請求の範囲において保護されることが望まれる。従って、本特許により保護されることを望むものは、特許請求の範囲に記載し且つ特定した発明である。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
[実施態様1]
ガスタービンエンジンの不均一に離間されたベーンのリング又は円形列であって、
上記リング又は円形列において全てのベーンを含む第1のグループ及び第2のグループと、
隣接するベーンの唯一の第1のグループ及び唯一の第2のグループと、
それぞれ上記第1のグループ及び上記第2のグループにおける上記隣接するベーンの間の同じでない第1の間隔及び第2の間隔と、
を備え、上記第1の間隔は上記第2の間隔よりも大きい、ガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様2]
3つの隣接するベーンのみと、上記ベーンの2つの隣接するペアのみとを含む第2のグループをさらに備え、上記第2の間隔は、上記2つの隣接するペアの各々における上記ベーンの各々の間の間隔である、実施態様1に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様3]
不均一に離間されたステータベーンの間隔を設計するための設計パラメータとして使用されるステータベーンの名目上の均一な間隔をさらに備え、上記第2の間隔は、上記名目上の間隔よりも約25%−35%だけ小さい、実施態様2に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様4]
セクター化された上記ガスタービンエンジンのリング又は円形列をさらに備える、実施態様3に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様5]
約9から14のセクターと、セクター毎に約8から16のベーンとを含む上記ガスタービンエンジンリング又は円形列をさらに備える、実施態様4に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様6]
セクター化された上記ガスタービンエンジンのリング又は円形列をさらに備える、実施態様1に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様7]
約9から14のセクターと、セクター毎に約8から16のベーンとを含む上記ガスタービンエンジンリング又は円形列をさらに備える、実施態様6に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様8]
上記ベーンの1又は2以上の隣接するペアを含む1又は2以上の隣接するベーンの上記第2のグループをさらに備え、上記第2の間隔は、それぞれ上記ベーンの上記1又は2以上の隣接するペアの各々の間の間隔である、実施態様1に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様9]
セクター化された上記ガスタービンエンジンのリング又は円形列をさらに備える、実施態様8に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様10]
約9から14のセクターと、セクター毎に約8から16のベーンとを含む上記ガスタービンエンジンリング又は円形列をさらに備える、実施態様9に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
[実施態様11]
スタービンエンジン組立体であって、
固定及び/又は可変の不均一に離間されたベーンの1又は2以上のリング又は円形列を含むガスタービンエンジンセクションと、
1又は2以上のリング又は円形列の各々において全てのベーンを含む第1のグループ及び第2のグループと、
上記1又は2以上のリング又は円形列の各々における隣接するベーンの唯一の第1のグループ及び唯一の第2のグループと、
それぞれ上記第1のグループ及び上記第2のグループにおける上記隣接するベーンの間の同じでない第1の間隔及び第2の間隔と、
を備え、上記第1の間隔は上記第2の間隔よりも大きい、ガスタービンエンジン組立体。
[実施態様12]
3つの隣接するベーンのみと、上記ベーンの2つの隣接するペアのみとを含む第2のグループをさらに備え、上記第2の間隔は、上記2つの隣接するペアの各々における上記ベーンの各々の間の間隔である、実施態様11に記載のガスタービンエンジン組立体。
[実施態様13]
不均一に離間されたステータベーンの間隔を設計するための設計パラメータとして使用されるステータベーンの名目上の均一な間隔をさらに備え、上記第2の間隔は、上記名目上の間隔よりも約25%−35%だけ小さい、実施態様11に記載のガスタービンエンジン組立体。
[実施態様14]
セクター化された上記ガスタービンエンジンのリング又は円形列をさらに備える、実施態様13に記載のガスタービンエンジン組立体。
[実施態様15]
約9から14のセクターと、セクター毎に約8から16のベーンとを含む上記ガスタービンエンジンリング又は円形列をさらに備える、実施態様14に記載のガスタービンエンジン組立体。
[実施態様16]
セクター化された上記ガスタービンエンジンのリング又は円形列をさらに備える、実施態様11に記載のガスタービンエンジン組立体。
[実施態様17]
約9から14のセクターと、セクター毎に約8から16のベーンとを含む上記ガスタービンエンジンリング又は円形列をさらに備える、実施態様16に記載のガスタービンエンジン組立体。
[実施態様18]
不均一に離間されたガスタービンエンジンベーンのリング又は円形列のための不均一なベーン間隔を設計する方法であって、
360度の名目上の均一な間隔Sパターンを決定するステップと、
上記名目上の均一に相隔たるベーンの1つの暫定的なペアを離間して広げ、上記ベーンの残りをより隣接して移動させ、上記残りのベーンは、第1の間隔でもって全て均等に離間され、上記暫定的なペアの間の1つの大きな間隙又は暫定的な大きな間隔を作り、上記追加のベーンを上記1つの大きな間隙又は暫定的な大きな間隔の中に挿入して、上記第1の間隔より小さい第2の間隔を有する2つの隣接する同じ幅狭の間隙又は間隔を形成するステップと、
を含む方法。
[実施態様19]
上記名目上の均一な間隔より約25%−35%だけ小さい上記第2の間隔をさらに備える、実施態様18に記載の方法。
[実施態様20]
セクター化された上記ガスタービンエンジンのリング又は円形列をさらに備える、実施態様19に記載の方法。
10 ガスタービンエンジン組立体
11 円形列
12 軸方向中心軸線
13 円形列
15 ステータベーン
16 入口可変ステータベーン
17 隣接するペア
18 高圧圧縮機
19 共通の原点
20 圧縮機流路
21 隣接するベーン
24 暫定的なペア
26 残りのベーン
28 追加のベーン
31 翼形部
32 2つの幅狭な間隙又は間隔
33 1つの大きな間隙
36 第1のセクター
38 第2のセクター
40 分割部
47 第1の列
48 第2の列
50 ブレード
56 ステータベーン組立体
61 圧縮機ケーシング
72 翼形部外端
73 翼形部内端
81 内側リング
C 円弧
D 下流側
I 交点
L 中心線
R 隣接する半径
SP 翼長
A1 第1の角度
A2 第2の角度
G1 第1のグループ
G2 第2のグループ
S 均一又は名目上のベーン間隔
S1 第1の間隔
S2 第2の間隔
S3 暫定的な大きな間隔

Claims (12)

  1. ガスタービンエンジンの不均一に離間されたベーン(15)のリング又は円形列(11)であって、
    前記リング又は円形列(11)において全てのベーン(15)を含む第1のグループ及び第2のグループ(G1、G2)と、
    隣接するベーン(15)の唯一の第1のグループ(G1)及び唯一の第2のグループ(G2)と、
    それぞれ前記第1のグループ及び前記第2のグループ(G1、G2)における前記隣接するベーン(15)の間の同じでない第1の間隔及び第2の間隔(S1、S2)と、
    を備え、前記第1の間隔(S1)は前記第2の間隔(S2)よりも大きい、ガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)。
  2. 3つの隣接するベーン(15)のみと、前記ベーン(15)の隣接する2つのペア(17)のみとを含む第2のグループ(G2)をさらに備え、前記第2の間隔(S2)は、前記2つの隣接するペア(17)の各々における前記ベーン(15)の各々の間の間隔である、請求項1に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)。
  3. 不均一に離間されたステータベーン(15)の間隔を設計するための設計パラメータとして使用されるステータベーン(15)の名目上の均一な間隔(S)をさらに備え、前記第2の間隔(S2)は、前記名目上の間隔(S)よりも約25%−35%だけ小さい、請求項2に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)。
  4. セクター化された前記ガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)をさらに備える、請求項3に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)。
  5. 約9から14のセクター(36、38)と、セクター(36、38)毎に約8から16のベーン(15)とを含む前記ガスタービンエンジンリング又は円形列(11)をさらに備える、請求項4に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)。
  6. セクター化された前記ガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)をさらに備える、請求項1に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)。
  7. 約9から14のセクター(36、38)と、セクター(36、38)毎に約8から16のベーンとを含む前記ガスタービンエンジンリング又は円形列(11)をさらに備える、請求項6に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)。
  8. 前記ベーン(15)の1又は2以上の隣接するペア(17)を含む1又は2以上の隣接するベーン(15)を含む前記第2のグループ(G2)をさらに備え、前記第2の間隔(S2)は、それぞれ前記ベーン(15)の前記1又は2以上の隣接するペア(17)の各々の間の間隔である、請求項1に記載のガスタービンエンジンのリング又は円形列。
  9. スタービンエンジン組立体(10)であって、
    固定及び/又は可変の不均一に離間されたベーン(15)の1又は2以上のリング又は円形列(11)を含むガスタービンエンジンセクションと、
    1又は2以上のリング又は円形列(11)の各々において全てのベーン(15)を含む第1のグループ及び第2のグループ(G1、G2)と、
    前記1又は2以上のリング又は円形列(11)の各々における隣接するベーン(15)の唯一の第1のグループ(G1)及び唯一の第2のグループ(G2)と、
    それぞれ前記第1のグループ及び前記第2のグループ(G1、G2)における前記隣接するベーン(15)の間の同じでない第1の間隔及び第2の間隔(S1、S2)と、
    を備え、前記第1の間隔(S1)は前記第2の間隔(S2)よりも大きい、ガスタービンエンジン組立体。
  10. 不均一に離間されたガスタービンエンジンベーン(15)のリング又は円形列(11)のための不均一なベーン間隔を設計する方法であって、
    360度の名目上の均一な間隔Sパターンを決定するステップと、
    前記名目上の均一に相隔たるベーン(15)の1つの暫定的なペア(24)を離間して広げ、前記ベーン(26)の残りをより隣接して移動させ、前記残りのベーン(26)は、第1の間隔(S1)でもって全て均等に離間され、前記暫定的なペア(24)の間の1つの大きな間隙(33)又は暫定的な大きな間隔(S3)を作り、前記追加のベーン(28)を前記1つの大きな間隙(33)又は暫定的な大きな間隔(S3)の中に挿入して、前記第1の間隔(S1)より小さい第2の間隔(S2)を有する2つの隣接する同じ幅狭の間隙又は間隔(32)を形成するステップと、
    を含む方法。
  11. 前記名目上の均一な間隔(S)より約25%−35%だけ小さい前記第2の間隔(S2)をさらに備える、請求項10に記載の方法。
  12. セクター化された前記ガスタービンエンジンのリング又は円形列(11)をさらに備える、請求項11に記載の方法。
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