JP3649691B2 - ベーン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ機械などにおいて使用される、可変のベーンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンのようなターボ機械は、１つまたは２つ以上のタービンモジュールを有しており、また、各タービンモジュールは、作動媒介流体とエネルギーを交換するための複数のブレードとベーンを有している。一部のベーンは固定式であってもよく、また他のベーンは可変、つまりガスタービンエンジン内で各位置の間を回転自在（ガスタービンエンジン中で回転されていろいろの位置をとることが可能）なものであってもよい。図７に、従来技術において公知である典型的なベーンを示した。このベーンは、概略的には、トラニオン部（ａ）とエアフォイル部（ｂ）とから構成されている。エアフォイル部は、前縁部（ｄ）と後縁部（ｅ）とを有する。トラニオン部（ａ）は、トラニオン部とエアフォイル部の間の移行領域（ｇ）の近傍に拡大されたボタン部ないし突出部（ｆ）を有している。可変のベーンは、運転の際には、エアフォイル部の前縁部の位置を所要の通りに配置すべく、軸（ｃ）のまわりに回転するように取り付けられる。通常は、可変のベーンは、約４０°の角度範囲で回転される。
【０００３】
ガスタービンエンジンのベーンは厳しい環境のなかで動作しているので、著しく大きな静的および振動的な応力に晒されている。従来技術の可変ベーンのデザインにおいては、トラニオン部（つまり、可変ベーンの剛体部分）からベーンのエアフォイル部（つまり、可変ベーンの可撓体部分）までの移行領域（ｇ）が大きな応力に晒され、これが移行領域におけるベーンの破壊、およびタービンエンジンの壊滅的な損害につながる可能性がある。
【０００４】
当然のことであるが、剛体部分（トラニオン部）と可撓体部分（エアフォイル部）との間の移行領域における応力を低減し、トラニオン部からエアフォイル部までの移行領域において十分にスムースつまり円滑で、また連続的な応力減少を提供するようなベーン形状を提供することが非常に望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主要な目的は、可変のベーンの剛体部分（トラニオン）とベーンの可撓体部分（エアフォイル）との間の移行領域において応力が低減されたベーンを提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、可変ベーンの移行領域において、可変ベーンの剛体（トラニオン）部分から可撓体（エアフォイル）部分までの、円滑で連続的な応力減少を提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、ガスタービンエンジンにおいて有用である、鋳造可能な可変ベーンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ベーンはベーンの剛体部分と可撓体部分（エアフォイル部）との間の移行領域の近傍のベーンの剛体部分（トラニオン部）に、応力低減用（応力減少用）のアンダーカット部を備えている。アンダーカット部はベーンの剛体部分と可撓体部分との間の移行領域の部分で応力を低減するように機能する。ベーンの実際のデザインは、エンジンにおけるベーンの機能によって決定される。したがって、応力低減用アンダーカット部の形状は、任意の個々のベーンのデザインと、ガスタービンエンジンにおける機能に対して、移行領域における応力低減を最適化するようなものである。従って、応力低減用アンダーカット部の幅、曲率半径、深さ、移行領域からの位置、および側壁（両側壁）の角度は、ベーンの剛体部分と可撓体部分の間の移行領域における応力を最小化するように、パラメータが調整される。本発明によれば、剛体部分と可撓体部分の連接によって画定される移行領域の近傍の剛体部分に、複数の応力低減用アンダーカット部を設けることができる。ベーンがエアフォイル部の両側にトラニオン部を備えている場合は、応力低減用アンダーカット部はベーンの片方または両方のトラニオン部において、それぞれのトラニオン部とエアフォイル部の間の移行領域に近接する部分に設けられてもよい。これに加えて、アンダーカット部を受け入れるために、移行領域に隣接する片方または両方のトラニオン部に、１つまたは２つ以上の拡大されたボタン部（突出部）を設けてもよい。
【０００９】
本発明によるベーンのデザイン（設計ないしレイアウト）は、多くの利点を提供する。第１に、応力低減用アンダーカット部を設けることでベーンの移行領域における応力減少が円滑かつ連続的になることから、移行領域の応力を減少させるために通常用いられる、エアフォイル部を肉厚とする必要性が大幅に減少する。これにより、ベーンの重量節減が図れる。第２に、このデザインによってエアフォイルを現在一般的に行われている鍛造のかわりに鋳造で作ることができ、これによって製造原価の大幅な節約が図られる。
【００１０】
本発明のベーンの上記の特長および利点は、以下に説明する実施の形態および添付の図面から、さらに明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１のベーンないしベーンのデザインは、図７に図示される従来技術のベーンないしベーンのデザインを改良したものである。図１のベーン１０は、トラニオン部１２とエアフォイル部１４を含んでいる。エアフォイル部１４は、前縁部１６と後縁部１８を有している。トラニオン部１２は、エアフォイル部１４の片側または両側において、トラニオン部１２とエアフォイル部１４の間の移行領域２２の近傍に拡大されたボタン部（突出部）２０をさらに有している。
【００１２】
本発明によれば、トラニオン部１２には、少なくとも１つの移行領域２２の近傍のトラニオン部１２において、少なくとも１つの応力低減用アンダーカット部２４が設けられている。本発明によれば、移行領域の近傍に応力低減用アンダーカット部を設けることによって、ベーンのトラニオン部からベーンのエアフォイル部までの移行領域にわたって、十分に円滑で連続的な応力減少が得られることが分かった。応力低減用アンダーカット部の形状は、個々のベーン設計とガスタービンエンジンの機能に対して、移行領域における応力減少が十分円滑で連続的であるように、応力減少を最適化するようなものである。従って、図６を参照すれば、応力低減用アンダーカット部の幅ｗ、側壁から底部壁までの曲率半径ｒ_１、底部壁の曲率半径ｒ_２、深さｄ，移行領域に対する相対位置ｌ、および側壁の角度αは、ベーンの剛体部分（トラニオン部）と可撓体部分（エアフォイル部）の間の移行領域における応力を最小化するようにパラメータが調整される。応力低減用アンダーカットの底部壁が曲率半径ｒ_２を有し、アンダーカットの側壁から底部壁への移行領域がまた曲率半径ｒ_１を有するということが、本発明にとって重要である。アンダーカット溝の側壁から底部壁までに鋭角があると、応力集中が起こって望ましくない。
【００１３】
図３に示した本発明の他の実施例によれば、ベーンにより規定される機能に応じて、移行領域における応力を十分に円滑かつ連続的に低減するのに複数の応力低減用アンダーカット部２４、２４’を必要とする場合もある。図３から分かるように、複数の応力低減用アンダーカット部が互いに隣接して設けられる場合は、異なる深さのアンダーカット（つまり溝）をトラニオン部上に連続して（続けて）配置するのが好ましい。この場合、図３に示したように、第１のアンダーカット２４’は、第２のアンダーカット２４と移行領域２２との間に設けられ、その深さは第２のアンダーカット２４より深い。図３に示された複数の応力低減用アンダーカット部の配置は、一部のベーンのデザイン形状にとって有効である。ここでも、個々のベーンのデザイン（設計）およびターボ機械における機能に依存して、応力低減用アンダーカット部の数とその形状、すなわち半径、深さ、位置および側壁角度（両側壁角度）は移行領域２２の応力を最小化するようなものである。図示は省略したが、応力低減用アンダーカット部は図１から図３に示されるエアフォイル部の両側に、それぞれの移行領域に近接して設けられてもよいことは理解されるであろう。
【００１４】
図４および図５に本発明によるベーン設計の第２の実施例を示した。図４および図５から分かるように、応力低減用アンダーカット部４４はトラニオン部４２上に、ベーン４０のトラニオン部４２とエアフォイル部４６の間の移行領域に近接して設けられている。図４および図５のベーン４０のデザインは図１から３に図示されるような拡大されたボタン部を有しない。
【００１５】
移行領域からの距離に関するアンダーカット溝の位置は、上述のように個々のベーンのデザインとターボ機械での機能に依存して変わり得るが、応力低減用アンダーカット部がトラニオン部上でエアフォイル部の前縁部から遠い位置にあり、可変ベーンが３０ないし５０°の作動角度範囲で回転しても、応力低減用アンダーカット部がエアフォイルを流過する空気にさらされないことが保証されるような寸法になっていることが重要である。このことは、前縁部からの空気流の優先的流路が応力低減用アンダーカット部を通るのを防ぐことによって、ベーンの正常な作動を保証するために重要である。従って、応力低減用アンダーカット部は、トラニオン部上で、前縁部よりも後縁部に接近した位置、つまり後縁部寄りの位置に配置されている。
【００１６】
本発明によるベーンのデザインは多くの利点を提供する。第１に、応力低減用アンダーカット部を設けることでトラニオン部とエアフォイル部の間のベーンの移行領域における応力減少が円滑かつ連続的となるので、従来技術のベーンのデザインにおいて移行領域の応力を減少させるために通常用いられる、肉厚にされたエアフォイルの必要性が大いに減少する。従ってベーンの寿命が大幅に延び、壊滅的ないし破局的な破壊の可能性が減少する。肉厚にされたベーンを避けることにより、本発明のベーンのデザインでは全体として重量節減が得られるので望ましい。第２に、本発明によるベーンのデザインにおいては、従来技術において現在必要とされる鍛造にかわって鋳造が可能になる。鋳造は鍛造よりはるかに安価なので、ベーンの製造においてかなりの原価低減が実現される。
【００１７】
上述した説明および図示は単に本発明の最良の実施形態を説明するためのものに過ぎず、またこれらは形状、寸法、部品配置および動作の詳細において容易に改変することができることから、本発明はこれらに限定されるものではない。よって、本発明は特許請求の範囲に画定される主旨および範囲を逸脱しないすべての改変を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるベーン（のデザイン）の斜視図である。
【図２】図１のベーン（のデザイン）の部分的な上面図である。
【図３】本発明によるベーン（のデザイン）の第２の実施例の部分的な上面図である。
【図４】本発明によるベーン（のデザイン）の第３の実施例の斜視図である。
【図５】図４のベーン（のデザイン）の部分的な上面図である。
【図６】本発明による応力低減用アンダーカット部の拡大図である。
【図７】従来技術において公知のベーン（のデザイン）を例示した説明図である。
【符号の説明】
１０ ベーン
１２ トラニオン部
１４ エアフォイル部
１６ 前縁部
１８ 後縁部
２０ ボタン部
２２ 移行領域
２４ 応力低減用アンダーカット

Claims (14)

1. トラニオン部と、
   移行領域を画定する位置において前記トラニオン部に接続されたエアフォイル部と、
   前記トラニオン部から前記エアフォイル部への前記移行領域において実質的に円滑で連続的な応力減少を提供するために、前記移行領域に近接して前記トラニオン部に設けられた応力低減用アンダーカット部とを有してなり、および
   前記エアフォイル部が前縁部と後縁部とを有してなり、また前記応力低減用アンダーカット部が前記前縁部よりも前記後縁部に接近して配置されている、ことを特徴とするベーン。
2. 前記トラニオン部が、シャフト部と、前記移行領域の近傍の拡大されたボタン部とを含んでなり、前記応力低減用アンダーカット部が前記ボタン部上に位置している、ことを特徴とする請求項１記載のベーン。
3. 前記エアフォイル部が前縁部と後縁部とを有してなり、また前記応力低減用アンダーカット部が前記前縁部よりも前記後縁部に接近して位置している、ことを特徴とする請求項２記載のベーン。
4. 前記応力低減用アンダーカット部が、両側壁と、所定の曲率半径を有する湾曲した移行領域によって前記両側壁に接続された底部壁と、によって画定された溝である、ことを特徴とする請求項１記載のベーン。
5. 前記底部壁が所定の曲率半径を有している、ことを特徴とする請求項４記載のベーン。
6. 前記両側壁が実質的に平行である、ことを特徴とする請求項５記載のベーン。
7. 前記両側壁が底部壁から所定の角度で放射状に広がっているものである、ことを特徴とする請求項５記載のベーン。
8. 前記応力低減用アンダーカット部が、ベーンのデザインおよび機能に依存した、所定の幅、深さ、および前記移行領域からの位置を有している、ことを特徴とする請求項６または７記載のベーン。
9. ベーンがターボ機械に用いられるものである、ことを特徴とする請求項８記載のベーン。
10. ベーンがガスタービンエンジンに用いられるものである、ことを特徴とする請求項８記載のベーン。
11. 前記トラニオン部が複数の応力低減用アンダーカット部を備えている、ことを特徴とする請求項１記載のベーン。
12. 前記複数の応力低減用アンダーカット部が、前記トラニオン部上に連続して配置された、深さの異なる少なくとも２つのアンダーカットである、ことを特徴とする請求項１１記載のベーン。
13. 第１のアンダーカットは第２のアンダーカットより大きな深さであり、また第１のアンダーカットは第２のアンダーカットと前記移行領域との間に位置する、ことを特徴とする請求項１２記載のベーン。
14. ベーンが鋳造金属によって形成されたものである、ことを特徴とする請求項１記載のベーン。

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