JP3776828B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ機械に関し、特にターボ機械のベーンの改良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、一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体ないし動作媒体である流体（作動媒体流体）とエネルギーを交換するための複数のブレードおよびベーンを有している。一部のベーンは固定であっても良く、また、他のベーンは可変、即ちガスタービンエンジン内において回転自在で種々の位置をとることが可能であってもよい。従来技術において知られている代表的なベーンは、図５に示されているように、一般的には、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）とを有している。トラニオン部（ａ）は、トラニオンとエアフォイルの間の移行領域（ｇ）の近傍に拡大されたボタン部つまり拡大ボタン部（ｆ）を有している。この回転自在なベーンつまり可変ベーンは、運転時において、エアフォイルの前縁部に所望の位置をとらせることができるように、軸（ｃ）を中心として回転するように取り付けられる。一般的には、この種の可変ベーンは約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下で作動するので、非常に大きな静的および振動的な応力に晒される。従来技術の可変ベーンの設計においては、トラニオン部（可変ベーンの剛体部分）からベーンのエアフォイル部（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、これにより移行領域におけるベーンの破損ないし破壊、およびこれに伴うタービンエンジン（ガスタービンエンジン）の破局的な損傷が起きる可能性がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
当然のことであるが、剛体部分であるトラニオンと可撓体部分であるエアフォイルとの間の移行領域における応力を低減し、また、トラニオン部からエアフォイル部への移行領域において実質的に滑らか、つまりスムーズで連続的な応力減少を行うことができるベーン形状を提供することがのぞまれている。
【０００５】
従って、本発明の主要な目的は、可変ベーンの剛体部分であるトラニオン部と可撓体部分であるエアフォイル部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である。
【０００６】
本発明の他の目的は、可変ベーンの上記移行領域において、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）部分までにおいて緩やかで連続的な応力減少を行い得るベーンを提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、ベーンの加圧側（圧力側）から吸込側への気流を防止ないし抑制できるベーンを提供することである。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、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である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ベーンはトラニオン部とエアフォイル部とを有してなり、またエアフォイル部は前縁部と後縁部と一対の側辺部とによって画定される。側辺部の一つ以上は、トラニオン部の近傍からエアフォイル部の後縁部に向かって延在するフィンを有している。フィンはトラニオン部から後縁部に厚みのテーパーがつけられている。つまり、フィンの厚さはトラニオン部から後縁部に次第に細くなっている。フィンは、エアフォイルの上面および底面の上部および／または下部に延在させてもよい。フィンは側辺部の一方または両方の一部上に形成することもできる。
【００１０】
本発明によるベーンのデザインつまり設計により多くの利点が提供される。第１に、フィンを設けることでトラニオン部からエアフォイル部までの移行部を滑らかなものとできる。この移行部はエアフォイル自体よりも厚い断面を有し、これによって、フィン構造のないエアフォイルでは通常発生する応力が低減される。第１に、本発明のベーンのエアフォイル上のフィンのデザインつまり設計によって、エアフォイルの加圧側からエアフォイルの吸込側への望ましくない気流を実質的になくすことができる。
【００１１】
本発明のベーンの上記の特徴および利点は、以下に説明する本発明の実施の最良の形態、および添付図面からさらに明らかになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１および図２に図示されたベーン１０は、トラニオン部１２とエアフォイル部１４とを備える。エアフォイル部１４は、前縁部１６と、後縁部１８と、対向する側辺部２０および２２とを有し、これらによって上面２４と底面２６とを有するエアフォイル部１４が規定される。
【００１３】
図１および図２に示されるように、トラニオン部１２は、拡大部２８（以下、「ボタン部」と称する。）を有している。側辺部２０および２２はこのボタン部２８から延出している。ここで、トラニオン部１２は、ボタン部２８とシャフト部（軸部）とから構成される。なお、図３および図４の実施形態から分かるように、この拡大されたボタン部を省き、エアフォイルの側辺部をトラニオン部のシャフト部（軸部）から直接的に延出させる構造とすることもできる。
【００１４】
再び図１および図２の実施例を参照すると、側辺部２２にはフィン（フィン構造部）３０が設けられている。このフィン３０には、トラニオン部の近傍の領域の厚みＴ_１から、Ｔ_１よりも小さな厚みＴ_２へテーパーがつけられている。図１に示されたように、フィン３０は、エアフォイルの上面の上部に延在する部分３２と、エアフォイルの底面２６の下部に延在する部分３４とを有している。側辺部２０にはトラニオン部からエアフォイルの後縁部に向かってフィン３０と同様にテーパーがつけられているフィン４０が示されているが、このフィン４０はエアフォイルの底面２６の下部にだけ延在している。なお、ジェットエンジンにおけるベーンへの特別な用途ないし適用例に応じて、フィン４０をフィン３０と同じ構造としてもよいし、あるいは、フィン３０および４０をエアフォイルの上面の上部にのみ延在させてもよいことは勿論である。
【００１５】
上述したように、フィンは、トラニオン部１２近傍の厚みＴ_１から、フィンが後縁部１８に近づくにつれ厚みＴ_２へテーパーがつけられているものである。ここで厚みＴ_１はＴ_２よりも大きい。加えて、厚みＴ_１は、フィン３０および／または４０に隣接するエアフォイルの厚みＴ_Ａよりも厚い。
【００１６】
図２に最もよく示されるように、フィン３０は、上面５０と、フィン３０の上面５０からエアフォイルの上面２４まで側辺部２２に対して鋭角に延在する側壁部５２とを有している。この側壁部５２は、フィンからエアフォイルまで漸次的ないし緩やかな移行部を形成し、これにより、エアフォイル１４の側壁と上面２４との結合部における応力集中を実質的になくすことができる。
【００１７】
図３および図４に、本発明に係わるベーンの第２の実施形態を示した。これら図３と図４を参照すると、図１および図２に示された拡大されたボタン部２８が省かれている。図３および図４のベーンは、それ以外は図１および図２に図示されたベーンと同じ構造である。また、図１および図２の場合と同様に、フィンは、側辺部２０と２２の一方または両方にあってもよく、またエアフォイル１４の上側部分および下側部分の上方ないし下方（つまり、上側部分の上部または下側部分の下部）に延在させてもよく、つまりエアフォイル１４の上方および下方に延在させてもよい。また、図１および図２の場合と同様に、このフィンは、トラニオン部からエアフォイル部まで滑らかな移行が可能であり、エアフォイルの加圧側からエアフォイルの吸込側への気流を実質的になくすことができる。
【００１８】
ここで、上記の気流を実質的になくせる点について、図１および図２を参照して説明する。まず、エアフォイルの加圧側Ｐ、同じく吸入側Ｓは、図１および図２に図示した通りである。そして、加圧側Ｐから吸入側Ｓへの気流は、これがガスタービンエンジンの効率を低減することから、好ましくないものである。本実施形態の場合、上記の側辺部２０、２２がエアロフォイル１４の側部回りの流れを阻止ないし妨げることを補助するように機能することから、加圧側Ｐから吸入側Ｓへの上記の好ましくない気流を実質的になくすことができる。図３および図４の実施形態の場合も同様にして、側辺部２０、２２によって上記気流を実質的になくせる。
【００１９】
以上、本発明の好ましい各実施形態を説明および図示して説明したが、これら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、部品配置および作動の詳細において容易に改変され得るものであり、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より規定される技術思想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】本発明に係わるベーンの底面図である。
【図２】本発明に係わるベーンの上面図である。
【図３】本発明に係わるベーンの第２の実施形態を示した底面図である。
【図４】図３のベーンの上面図である。
【図５】従来技術における公知のベーンを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、２２ 側辺部
２４ 上面
２６ 底面
２８ ボタン部
３０、４０ フィン

Claims (6)

1. 少なくとも一つの回転自在なベーンを有するターボ機械において、
   前記回転自在なベーンはトラニオン部とエアフォイル部とを有してなり、
   前記エアフォイル部は前縁部と後縁部と一対の側辺部とを有し、これらによって、上面と、底面と、側辺部の近傍の厚み（Ｔ_Ａ）とを有する前記エアフォイル部が画定されており、
   前記一対の側辺部のそれぞれはフィンを備え、前記フィンは前記トラニオン部の近傍から前記エアフォイル部の前記後縁部に向かって延在しており、また前記フィンは前記トラニオン部の近傍の厚み（Ｔ_１）から前記後縁部の近傍の厚み（Ｔ_２）にテーパーがつけられており、さらにＴ_１＞Ｔ_２およびＴ_１＞Ｔ_Ａ であり、および
   前記トラニオン部は一対のボタン部を有するシャフト部を有してなり、前記フィンは各ボタン部から延在している、ことを特徴とするターボ機械。
2. 前記フィンは上面と側壁部とを備え、前記側壁部は前記上面から前記エアフォイル部の上面へ鋭角に延在しており、これにより前記フィンから前記エアフォイル部への緩やかな移行部が形成されている、ことを特徴とする請求項１記載のターボ機械。
3. 前記フィンの底部は前記エアフォイル部の底面の下方に延在している、ことを特徴とする請求項１記載のターボ機械。
4. 各フィンの厚みＴ_１が実質的に同じである、ことを特徴とする請求項２記載のターボ機械。
5. 各フィンの厚みＴ_１が異なっている、ことを特徴とする請求項２記載のターボ機械。
6. 前記フィンは、前記トラニオン部からの移行領域を画定しており、また前記移行領域の区域におけるベーン上の応力を低減する、ことを特徴とする請求項１記載のターボ機械。

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