JP3776828B2 - ターボ機械 - Google Patents

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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から、Tよりも小さな厚みT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から、フィンが後縁部18に近づくにつれ厚みTへテーパーがつけられているものである。ここで厚みTはTよりも大きい。加えて、厚みT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)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)から前記後縁部の近傍の厚み(T)にテーパーがつけられており、さらにT>TおよびT>T 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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