JP4482732B2 - ガスタービンエンジンを組立てるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンに使用する案内羽根組立体に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に圧縮システムを含み、該システムは、空気などの作動流体を加圧する単一圧縮機又は異なる速度で回転する複数圧縮機からなる。加圧された空気は燃焼器に導かれ、該燃焼器において空気は燃料と混合され点火されて燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスがタービンに導かれる。タービンは燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給するほか、飛行中の航空機を推進し、或いは発電機や船舶プロペラなどの負荷に動力を供給するような有用な仕事を行う。

多数の公知の圧縮機は、出口案内羽根組立体を含む。出口案内羽根は翼形状の断面を有する。公知の出口案内羽根（ＯＧＶ）組立体は、圧縮機出口の周りでほぼ均一な間隔をおいて配置された複数の周方向に間隔をおいた羽根を含む。公知のＯＧＶ組立体はさらに、圧縮システム及びＯＧＶ組立体に構造的支持を与える複数のストラットを含む。

運転時、ストラットによって生じる閉塞により、該ストラットの上流に不均一な流れ場を誘起し、各ストラットの前端縁近傍にエンジンの運転に悪影響を及ぼすおそれがある局部的高圧領域を発生する場合がある。さらに、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンでは、可変ブリード弁（ＯＧＶ）ドアが開くと、不均一な流れ場圧力が増大し、その影響を受けた領域がさらに上流側に拡大する。出口羽根組立体の直ぐ上流のロータブレード列に付加的な応力を生じさせることになる。

ロータ組立体に対する応力を減少させるのを可能にするために、少なくとも一部の公知のエンジンでは、ＶＢＶドアの作動を制限している。応力を所定限界値以下に維持するのを可能にするために、他の公知のエンジンでは、羽根に対するストラットの割合を変更し、出口案内羽根とストラットとの間の流れ方向スペースを増大し、及び／又は複数の形状の異なる出口案内羽根を使用している。
米国特許第 1534721 号明細書 米国特許第 3006603 号明細書 米国特許第3169747 号明細書 米国特許第 4492518 号明細書 米国特許第 4874287 号明細書 米国特許第 4989406 号明細書 米国特許第 5249921 号明細書 米国特許第 5984631 号明細書 米国特許第 6139259 号明細書 米国特許第 6371725 号明細書 米国特許第 6439838 号明細書 米国特許第 6554569 号明細書 米国特許第 6789998 号明細書 米国特許出願公開第2002/0182058 号明細書 米国特許出願公開第 2003/0152459 号明細書 欧州特許出願公開第 1111191号明細書

本発明の１つの態様では、ガスタービンを組立てる方法を提供し、本組立方法は、それらの間に環状の流路が画成されるように内側エンジンケーシングを外側エンジンケーシングに結合する段階と、内側及び外側ケーシング間に複数の周方向に間隔を置いた支持ストラットを結合する段階と、第１の案内羽根と第２の案内羽根との間に第１の周方向スペースが画成されかつ第２の案内羽根と第３の案内羽根との間に第２の周方向スペースが画成されるように支持ストラットの上流の流路内に複数の周方向に間隔をおいた出口案内羽根を結合する段階とを含む。

本発明の別の態様では、ガスタービンエンジン用の案内羽根組立体を提供する。本案内羽根組立体は、少なくとも第１、第２及び第３の案内羽根を備えた複数の周方向に間隔をおいた案内羽根を含む。第２の案内羽根は、第１及び第３の案内羽根間に配置される。複数の案内羽根は、第１及び第２の案内羽根間に第１の周方向スペースが画成されかつ第２及び第３の案内羽根間に第２の周方向スペースが画成されるように配向される。第２の周方向スペースは、第１の周方向スペースとは異なっている。

本発明のさらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供し、本エンジンは、内側及び外側エンジンケーシングよって境界づけられた環状の圧縮機吐出流路と該流路内に配置された複数の周方向に間隔をおいた案内羽根とを含む。複数の案内羽根は、少なくとも第１、第２及び第３の案内羽根を含む。第２の案内羽根は、第１及び第３の案内羽根間に配置される。複数の案内羽根は、第１及び第２の案内羽根間に第１の周方向スペースが画成されかつ第２及び第３の案内羽根間に第２の周方向スペースが画成されるように配向され、第２の周方向スペースは、第１の周方向スペースとは異なっている。

図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器組立体１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はさらに、直列の軸流関係で配置された高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは第１のシャフト２４によって連結され、また圧縮機１４とタービン１８とは第２のシャフト２６によって連結される。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＧＥ９０型エンジンである。

図２は、低圧圧縮機１２と高圧圧縮機１４とを相互連結したコアダクト１３を示す。コアダクト１３は、複数の出口案内羽根１３０と、ブリード空気をガス流路から取り出す可変ブリード弁ドア１５と、複数の間隔を置いて配置した支持ストラット１７とを含む。

運転中、空気は、エンジン１０の上流側３２から低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は、低圧圧縮機１２からコアダクト１３を通して高圧圧縮機１４に供給される。加圧された空気は、次に燃焼器組立体１６に送給され、該燃焼器組立体１６において空気は燃料と混合され点火される。燃焼ガスは、燃焼器１６から導かれてタービン１８及び２０を駆動する。

図３は、高圧圧縮機１４の一部の概略図である。圧縮機１４は、その各々がロータブレード５２の列とステータベーン７４の列とを備えた複数の段５０を含む。ロータブレード５２は、ロータディスク５８によって支持され、ロータシャフト２６に連結される。ステータケーシング６２はロータブレード５２及びステータベーン組立体５６の周りで周方向に延びて、ステータベーン７４がケーシング６２によって支持されるようになる。

図４は、エンジン１０（図１に示す）に使用する例示的な出口案内羽根組立体１００の一部の正面斜視図である。出口案内羽根（ＯＧＶ）組立体１００は、それぞれ上部及び下部取付フランジ１１０及び１２０間でほぼ半径方向に延びかつ圧縮機１４の周りで周方向に間隔を置いて配置された複数の出口案内羽根１３０を含む。１つの実施形態では、ＯＧＶ組立体１００は、その内部でフランジ１１０及び１２０が羽根１３０に結合されたアーチ形セグメントの形態で構成される。別の実施形態では、ＯＧＶ組立体１００は一体形の組立体として形成される。

図５は、エンジン１０（図１に示す）に使用する例示的な支持ストラット組立体２００の一部の正面斜視図である。支持ストラット組立体２００は、それぞれ上部及び下部取付フランジ２１０及び２２０間で延びる複数のストラット２３０を含む。ストラット組立体２００は、エンジン１０内で各種構成部品の配向を保つのを可能にするために使用される該エンジン１０の各種フレーム及びサポート組立体のうちの１つである。より具体的には、この種フレーム及びサポート組立体は、固定構成部品を相互連結し、ロータ軸受支持体を形成する。支持ストラット組立体２００は、ストラット２３０が圧縮機１４の出口の周りで半径方向に間隔をおいて配置されかつ圧縮機１４の出口（図示せず）からの流路１４０を横切って延びるように、該圧縮機１４の出口に隣接して結合される。ＯＧＶ組立体１００は、支持ストラット組立体２００の上流に配置されかつ該支持ストラット組立体２００によって支持される。案内羽根１３０もまた、圧縮機１４の出口からの流路１４０を横切って延びている。

図６は、ガスタービン１０（図１に示す）に使用できる出口案内羽根組立体５００の概略図である。図７は、案内羽根組立体５００内に含まれる案内羽根５０２の拡大図である。案内羽根組立体５００は、圧縮機出口流路１４０を横切って延びる複数の周方向に間隔をおいた案内羽根５０２を含む。各案内羽根５０２は、前縁５０８及び後縁５１０において互いに接合された一対の側壁５０４及び５０６を含む。各案内羽根５０２の弦線５１２が、それぞれ各前縁及び後縁５０８及び５１０間で延びる。

図８は、スタッキング軸線５１６を示す案内羽根５０２の概略図である。側壁５０４及び５０６は、内側基部５０７から外端部（図示せず）まで半径方向外向きに延びる。図７に示す断面は、側壁５０４及び５０６に対して垂直方向である。案内羽根５０２の基部５０７から外端部までの各このような断面において、前縁５０８から後縁５１０まで羽根をほぼ二分する中線５１４を定める。スタッキングポイント５１３を、中線５１３に沿った前縁５０８及び後縁５１０間のほぼ中間位置に定める。スタッキング軸線は、スタッキングポイント５１３を通って羽根５０２の基部５０７から外端部まで羽根５０２の全長に沿って形成される線に沿って延びる。

案内羽根組立体５００はコアダクト１３（図２に示す）内に配置され、該コアダクト１３はさらに、出口流路１４０を横切って延びる複数のストラット５２０を含む。各ストラット５２０は、案内羽根５０２の下流に結合され、その各々が前端縁５２２と後端縁５２４とを含む。各ストラット５２０の弦線５２６は、それぞれ各ストラットの前端縁及び後端縁５２２及び５２４間で延びる。より具体的には、ストラット５２０は、隣接するストラット５２０間に画成された周方向スペース５２８がコアダクト１３内でほぼ均一になるように流路１４０を横切って配置される。

全体的には、隣接する案内羽根５０２間に画成される周方向スペース５３０は、案内羽根組立体５００の周りでほぼ均一である。しかしながら、各それぞれのストラット５２０の直ぐ上流では、隣接する４つの案内羽根５３２、５３４、５３６及び５３８は、以下さらに詳細に説明するように、不均一な周方向スペースで結合され、スタッガ状態になっている。より具体的には、案内羽根５３２、５３４、５３６及び５３８は他の案内羽根５０２と同一の構造になっているが、該羽根５３２、５３４、５３６及び５３８は、羽根５０２とは異なった配向になっている。具体的には、羽根５３２及び５３４間に画成された第一の周方向スペース５４０は、均一なスペース５３０とほぼ等しい。しかしながら、隣接する羽根５３４及び５３６間に画成された第２の周方向スペース５４２は、第１の周方向スペース５４０とは異なっている。この例示的実施形態では、第２の周方向スペース５４２は、第１の周方向スペース５４０よりも少なくとも３０％幅広になっている。第３の案内羽根５３６及び隣接する案内羽根５３８間に画成された第３の周方向スペース５４４は、第１の周方向スペース５４０にほぼ等しい。

案内羽根５３２、５３４、５３６及び５３８はまた、第２の羽根５３４を通って延びるスタッキング軸線が流路１４０の方向においてストラット５２０のうちの少なくとも１つの前端縁５２２とほぼ整列するように周方向に配向される。さらに、案内羽根５３４及び５３６は、残りの案内羽根５０２とほぼ平行に位置合わせされているが、第１の案内羽根５３２及び第４の案内羽根５３８は、案内羽根５０２に対して測定した角度θでオフセットした又はスタッガした状態で配向されている。従って、第１及び第４の案内羽根５３２及び５３８は、それぞれ残りの案内羽根５０２の配向に対して斜めに位置合わせされている。１つの実施形態では、羽根５３２及び５３８は、少なくとも約１度の角度θでオフセットされている。別の実施形態では、第１の案内羽根５３２は、少なくとも約１度の負の角度θでオフセットされて、第１の案内羽根５３２が流路軸線に対してより開いた配向になるようになっており、また第４の案内羽根５３８は、少なくとも約１度の正の角度θでオフセットされて、第４の案内羽根５３８が流路軸線に対してより閉じた配向になるようになっている。

運転時、羽根５３４及び５３６間の周方向スペース５４２を増大させることにより、各ストラット５２０を通過する空気流に対して付加的な誘導をもたらし、それによって各ストラット５２０の両側に作用する圧力差を減少させる。より具体的には、周方向スペース５４２を増大させることにより、羽根ストラット結合に起因する不均一な圧力場の伝播を低下させるのを可能にする。さらに、拡大した周方向スペース５４２により、組立体５００内部に含まれる羽根５０２の数が周方向で削減され、従って案内羽根組立体５００の全体重量を軽減する。１つの実施形態では、案内羽根組立体５００は、５％以上少ない羽根５０２を含む。

上記の出口案内羽根組立体は、ＯＧＶ段と支持ストラット組立体との間の近接した結合に起因する圧力場作用を軽減するコスト効果のある方法を提供する。本装置は、羽根組立体の直ぐ上流のブレード列における最大ブレード応力を大きく減少させ、同時にエンジン性能の向上とエンジン重量及びコストの削減という付加的利点をもたらす。

以上、案内羽根組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。案内羽根組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各組立体の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用できる。例えば、各案内羽根組立体の構成部品はまた、他の案内羽根の構成部品と組み合わせて使用することもできる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概略図。 ブースタとＶＢＶドアを備えたコアダクトとの概略図。 図１に示すエンジンに使用する高圧圧縮機の一部の概略図。 図１に示すエンジンに使用する例示的な出口案内弁組立体の一部の正面斜視図。 図１に示すエンジンに使用する例示的な支持ストラット組立体の一部の正面斜視図。 図１に示すエンジンに使用できる出口案内羽根組立体の概略図。 図６に示す案内羽根の拡大図。 図７の案内羽根のスタッキング軸線を示す概略図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 低圧圧縮機
１３ コアダクト
１４ 高圧圧縮機
１５ 可変ブリード弁ドア
１７、５２０ 支持ストラット
１３０、５０２、５３２、５３４、５３６、５３８ 出口案内羽根
１４０ 圧縮機出口流路
５００ 出口案内羽根組立体
５２２ ストラットの前端縁
５２４ ストラットの後端縁
５２６ ストラットの弦線
５２８ ストラット間の周方向スペース
５３０、５４０、５４２、５４４ 案内羽根間の周方向スペース
θ オフセット角度

Claims (5)

1. ガスタービンエンジン（１０）用の案内羽根組立体（１００）であって、少なくとも第１、第２、第３及び第４の案内羽根（５３２、５３４、５３６、５３８）を備えかつ前記第２の案内羽根（５３４）が前記第１及び第３の案内羽根（５３２、５３６）間に位置する複数の周方向に間隔をおいた案内羽根（５０２）を含み、前記複数の案内羽根（５０２）は、前記第１及び第２の案内羽根（５３２、５３４）間に第１の周方向スペース（５４０）が画成されかつ前記第２及び第３の案内羽根（５３４、５３６）間に前記第１の周方向スペース（５４０）とは異なる第２の周方向スペース（５４２）が画成されるように配向されており、
   前記第２の案内羽根（５３４）が前記第３の案内羽根（５３６）に対してほぼ平行であり、前記第１及び第４の案内羽根（５３２、５３８）が前記第２及び第３の案内羽根（５３４、５３６）に対して斜めに位置合わせされている、案内羽根組立体（１００）。
2. 前記複数の案内羽根（５０２）の下流に配置された複数の周方向に間隔をおいた支持ストラット（５０２）をさらに含み、前記第２の案内羽根（５３４）を通って延びるスタッキング軸線（５１６）が、流路（１４０）の方向において前記複数のストラット（５２０）のうちの少なくとも１つの前端縁（５２２）とほぼ整列するようになっている、請求項１記載の案内羽根組立体（１００）。
3. 前記第４の案内羽根（５３８）が前記第３の案内羽根（５３６）に隣接し、前記第３の案内羽根が前記第２及び第４の案内羽根（５３４、５３８）間に位置しかつ前記第３及び第４の案内羽根（５３４、５３８）間に画成された第３の周方向スペース（５４４）が前記第１の周方向スペース（５４０）とほぼ等しくなるようになっている、請求項２記載の案内羽根組立体（１００）。
4. 前記第１及び第４の案内羽根（５０２、５０４）が、前記第２及び第３の案内羽根（５３４、５３６）から少なくとも１度だけオフセットしている、請求項１記載の案内羽根組立体（１００）。
5. 前記第２の周方向スペース（５４２）が、前記第１の周方向スペース（５４０）よりも少なくとも３０％幅広になっている、請求項１記載の案内羽根組立体（１００）。

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