JP4653013B2 - ターボ機械における可変ピッチのステータベーンの段を制御するためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械における可変ピッチベーンの段を制御する一般分野に関する。

ターボ機械において、ターボ機械の運転速度に応じて、圧縮部を通過するガスの流れ方向および流量を調整するために、ステータベーンの１つ以上の段を使用することが知られている。このような各ステータベーンの段は、ベーンをステータに連結するそれぞれのピンを中心として旋回させることができる、複数のベーン（可変ピッチベーンとして知られている）を備え、ベーンのピッチ角が、ターボ機械の運転速度に応じて変更されることができる。

可変ピッチベーンの段を制御するための知られている装置は、一般に、ターボ機械のケーシングを取り巻いているリングの形をしている制御部材と、複数のリンクまたはレバーとを備え、各リンクは、ヒンジを介して制御リングに連結される第１の端部と、それぞれのベーンのピボットに取り付けられる第２の端部とを有する。駆動アクチュエータが、ターボ機械の軸を中心として制御リングを回転させるために、制御リングに連結される。リングがターボ機械軸を中心にして回転すると、段のすべてのベーンが、それらの角位置を同時に変化させる。

可変ピッチのベーンの軸方向にずれている２つの段が、同期的方法によって制御されることになると、駆動アクチュエータによって駆動されるリングから、別の段の制御リングまで回転運動を伝えるために、同期バーを使用することもまた知られている。ターボ機械のケーシングに旋回可能に取り付けられ、かつ最初に同期バーに、そして次にそれぞれの制御リングに連結されるベルクランクを介して、この運動が伝えられる。

その制御システムは、リーダ段（ｌｅａｄｅｒ ｓｔａｇｅ）におけるベーンのピッチ角に応じて、従動段におけるベーンのピッチ角を描く曲線の形で示されることができる、様々な被制御段における運動を発生させる。上記のタイプの制御システムによって、「相関」曲線と呼ばれるこのような曲線は、変動するが漸進するだけである傾斜を示すことができる。このようにして、そのタイプの制御システムは、簡潔な方法でだけベーン段を制御するために使用されることができる。

しかしながら、ベーンのピッチの必要な制御関係を制御する空力的要件が、より複雑になりつつあり、より頻繁になっている。このような制御は、変動が、もはや単に漸進する傾斜であるだけでなく、形状において正弦波と同様の曲線状の部分を含む、相関曲線をもたらす。

文献欧州特許第０９０９８８０号明細書は、非線型の制御関係を得ることのできる可変ピッチ装置を記載している。その装置において、リーダ段の各リンクが、溝および溝内をスライドするスタッドを有する連結部を介して、対応する制御リングに連結される。それでもやはり、いかなる種類の制御関係をも再現することが出来ないため、その制御システムは、満足できるものではない。
欧州特許第０９０９８８０号明細書

したがって、本発明の主要な目的は、その複雑さに関係なく、任意のタイプのベーンのピッチ関係を提供することが可能な制御システムを提案することによって、これらの欠点を軽減することである。

この目的を達成するために、本発明は、ターボ機械における可変ピッチのステータベーンの２つの段を制御するためのシステムを提供し、各段は、ターボ機械のケーシングにそれぞれ旋回可能に取り付けられる複数のベーンと、ケーシングを取り巻き、それぞれのレバーを介して段の各ベーンに連結される制御リングとから形成され、制御システムは、ケーシングに旋回可能に取り付けられるリーダ部材を介して、一方の段の制御リングを回転させるための駆動要素と、駆動要素によって駆動される制御リングの回転運動を、ケーシングに旋回可能に取り付けられる従動部材を介して他方の段の制御リングに伝えるための同期バーとを含み、制御システムは、従動部材と従動リングとの間に挿置された追加のピボット部材をさらに備え、この追加のピボット部材は、従動部材に旋回可能に取り付けられ、かつケーシングに固着されたスロット内をスライドするホイールによってケーシングに連結されることを特徴とする。

「従動リング」という用語は、従動部材からの駆動をうけて回転する制御リングを意味するために使用される。

本発明の有利な配置において、スロットは、所望のピッチ関係と公称ピッチ関係との間の行路差を補正するように定められる形状および方向を呈する。追加のピボット部材を含まない従来の制御システムによって、漸進する傾斜の相関曲線が得られるピッチ関係を含めるために、「公称ピッチ関係」という用語が使用される。

追加のピボット部材は、公称ピッチ関係に対する行路差のみを考慮する差動ガイド要素を構成する。換言すれば、本発明のシステムにおけるホイールは、所望のピッチ関係と公称ピッチ関係との間に存在する差異を調整することのみ必要とする。その結果、制御システムによって、従来の制御システムを使用して得られることができないベーンのピッチ関係を得ることができる。

本発明の別の有利な規定によれば、追加のピボット部材は、第１の制御ロッドを介して従動リングに連結される第１のアームと、前記ホイールを介してケーシングに連結される第２のアームを有する。

さらに別の有利な規定によれば、従動部材は、追加のピボット部材に旋回可能に連結される第１のアームと、同期バーの一端部に連結される第２のアームとを有する。その構成において、リーダ部材は、第２の制御ロッドを介してリーダ段のリングに連結される第１のアームと、従動部材に連結される端部と反対側の同期バーの端部に連結される第２のアームと、駆動要素に連結される第３のアームとを有する。

本発明の別の特徴および利点は、特徴を限定することなく実施形態を示す添付図面を参照して、以下の記述により明らかになる。

図１は、たとえばターボ機械の圧縮機に属する可変ピッチベーンの２つの段１０および１０’の部分を示す。圧縮機は、ターボ機械の軸Ｘ−Ｘの中心に置かれる環状のステータケーシング１２（またはシュライド）を備える。ベーンの段１０および１０’は、互いに軸方向にずれている。

各段は、ターボ機械の軸Ｘ−Ｘを中心として径方向に配置される複数のベーン１４および１４’を備える。ベーン１４および１４’は、ケーシング１２を貫通するそれぞれのピン１６および１６’（またはピボット）を中心に旋回するように取り付けられる。

可変ピッチベーン１４および１４’の各ピン１６および１６’は、制御レバーまたはリンク１８および１８’の一端部に連結され、制御レバーまたはリンク１８および１８’の他端部は、制御リング２２および２２’から径方向に突出するピン２０および２０’を中心にヒンジで留められる。

制御リングは、ケーシング１２を取り囲み、ターボ機械の軸Ｘ−Ｘの中心に置かれる。その結果、ベーン１４および１４’の角位置は、ターボ機械の軸Ｘ−Ｘを中心にそれぞれの制御領域２２および２２’を、同期した方法で回転させることにより変更される。

本発明のシステムは、ターボ機械の軸Ｘ−Ｘを中心に制御リング２２および２２’が、同期した方法で回転することを制御するように作用する。本発明のシステムは、アクチュエータタイプの駆動要素２４を備え、この駆動要素２４は、ケーシング１２に固着され、ターボ機械のケーシング１２の支持部２８に旋回可能に取り付けられるベルクランクタイプのリーダ部材２６を介して、一方の段１０の制御リング２２を回転させる。

同期バー３０は、アクチュエータ２４（リーダリングと呼ばれる）によって駆動されるリング２２の回転運動を、ケーシング１２の支持部２８に同様に旋回可能に取り付けられるベルクランクタイプの従動部材２６’を介して、別の段１０’のリング２２’（従動リングと呼ばれる）に伝えるように作用する。

ターンバックルタイプの制御ロッド３２および３２’は、駆動クランク２６および従動クランク２６’からの運動を、リング２２および２２’に伝えるように作用する。これらのロッドは、連結フォーク２７および２７’を介して固着されるリングに対して接線方向に延びる。それらの反対端部では、ロッド３２および３２’は、リーダクランク２６および従動クランク２６’のそれぞれのアーム（または分岐部）３４および３６に固着され、そこにヒンジで留められる。

制御システムの同期バー３０は、リーダクランク２６および従動クランク２６’の２つの別のアーム３８および４０それぞれを結合し、そこにヒンジで留められる。アクチュエータ２４は、ロッド３２が固着されているアーム３４と反対側のリーダクランク２６の第３のアーム４２にヒンジで留められる。

本発明の制御システムは、また、従動部材２６’と従動リング２２’との間に挿置される、追加のピボット部材４４（あるいは追加のクランク）も含む。追加のクランクは、従動クランク２６’に旋回可能に取り付けられ、ケーシングに固着されるスロット４８内でスライドするホイール４６によって、ケーシング１２に連結される。

より正確には、追加のクランク４４は、第１のアーム５０を有し、第１のアーム５０は、従動リング２２’のための制御ロッド３２’にヒンジで留められることにより連結される一端部と、従動部材２６’に旋回可能に取り付けられる他端部とを備える。追加のクランクは、また第２のアーム５２を有し、第２のアーム５２は、従動部材２６’に旋回可能に取り付けられる一端部と、ホイール４６に取り付けられる反対側の端部とを備える。追加のクランクの第１のアーム５０および第２のアーム５２は、互いに固定されている。換言すれば、これら２つのアーム５０および５２の間の角度は、一定であり不変である。ホイール４６は、ターボ機械のケーシング１２に固着される支持部５４にある所定の行路を追従するスロット４８内でスライドする。

図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、制御システムが、以下のように動く。すなわち、アクチュエータ２４を作動させることにより、リーダクランク２６が回転し、その結果、従動クランク２６’が同期バー３０を介して回転する。クランク２６および２６’が、それぞれのピボットを中心としてケーシング１２上で回転するとき、クランクは、次にそれぞれのロッド３２および３２’を駆動し、ついで、ターボ機械の軸Ｘ−Ｘを中心として一方向にあるいは他方向にリング２２および２２’が回転する。上述のように、リングを回転させることによって、各段１０および１０’のベーン１４および１４’の角位置が、制御レバー１８および１８’を介して同期した方法で変化する。

さらにまた、従動クランク２６’が回転することにより、追加のクランク４４が、従動クランク上にあるクランク４４自体のピボット軸を中心として回転する。このことにより、ホイール４６がスロット４８内でスライドし、したがって、ホイールが取り付けられる追加のクランク４４のアーム５２を動かす効果がある。この運動により、ついで、ロッド３２’が連結される追加のクランクの他方のアーム５０が動く。

ホイール４６がスライドするスロット４８で定められる行路は、従動リング２２’の変位を決定し、したがって、従動段１０’のベーン１４’に対するピッチ関係を決定することが理解される。換言すれば、スロットの形状および方向は、従動段のベーンのピッチ関係を変更し、したがって、リーダ段１０のベーン１４のピッチ角に応じて、従動段１０’のベーン１４’のピッチ角を描く相関曲線を変更する。

図３を参照しつつ、以下、どのようにしてスロット４８の形状および方向が予め決定されるかを記載する。この図は、相関曲線１００および１０２、すなわち、リーダ段１０のベーン１４のピッチ角（度）に応じて、従動段１０’のベーン１４’のピッチ角（度）を描く曲線を示す。

相関曲線１００（実線）は、空力的要件を満たすために、これらの２つの段のベーンのピッチに適用されるべき曲線である。この曲線は複雑である、すなわち、特に、形状において正弦波に類似する曲線部分を含む。

この相関曲線から始めると、漸進する傾斜を有し、適用されるべき相関曲線１００に可能な限り接近する公称相関曲線１０２（鎖線）を選択することが可能である。このような公称曲線に基づくピッチ関係は、従動クランクおよびリーダクランクと、クランクを相互に連結している同期バーとを有する、従来の技術の知られている制御システムを使用して簡単に得られることができ、そのシステムにおいては、従動リングの制御ロッドが、従動クランクのアームのうちの１つに直接連結される。リーダクランクおよび従動部クランクの相対位置に応じて、そのタイプの制御装置は、相関曲線がいくぶん漸進的である（時には直線である）知られているピッチ関係を提供する。それらの知られている公称曲線の中で、最も近い曲線は、単に平均値を算出する（グラフでまたは数値的に）だけで選択され、全体の角度範囲に適用されるべき曲線に対して最もわずかな差を有する曲線が、最も近い曲線であると考えられる。

ついで、追加のクランクのためのスロットの形状および方向は、適用されることになる相関曲線１００と公称相関曲線１０２との間の全体の角範囲にわたって存在する差ｅに応じて算出されるため、ホイールがこれらの差を補正する。この算出は、グラフによるまたは数値による方法によって、行われることができる。簡潔な環状円弧の形状を有するスロットが、選択された公称相関曲線と一致する、適用するための相関曲線に対応していることを理解されたい。

好ましくは、追加のクランクのためのスロットの形状および方向は、追加のクランクによって支えられたホイールが、ホイールの、したがってベーンのピッチがいかなる不安定な位置にも存在しないように、円弧部上に位置しないことを保証するためのものである。

したがって、本発明の制御システムは、適用される相関曲線と公称相関曲線との間の行路差のみを考慮する差動ガイド要素を含む。これにより、ピッチ関係の複雑さに関係なく、任意のタイプのピッチ関係を容易に再現可能となる。本発明の利点は、特に、カムを用いた案内装置を直接使用することにより相関曲線を得ようとせずに、その代わりとして、公称相関曲線に対する行路差だけを再現するホイールを使用することによって得るという事実にある。

本発明は、適切な数の多数の同期バーを使用することにより、２つの段よりも多くのいくつかのベーン段を制御するために実施され得ることを理解されたい。選択される配置に応じて、バーは、連続している、すなわち近接したクランクを相互に連結しているか、または、共通クランクに延びるように相互に平行であってもよい。

本発明の実施形態における制御システムの断片斜視図である。 ２つの異なる位置にある図１の制御システムを示す。 ２つの異なる位置にある図１の制御システムを示す。 本発明の制御システムによって得られる、考えられる１つのピッチ関係を示す相関曲線である。

符号の説明

１０、１０’ 段
１２ ケーシング
１４、１４’ ベーン
１６、１６’、２０、２０’ ピン
１８、１８’ 制御レバー
２２、２２’ 制御リング
２４ 駆動要素
２６ リーダ部材
２６’ 従動部材
２７、２７’ 連結フォーク
２８ 支持部
３０ 同期バー
３２、３２’ 制御ロッド
３４、３６、３８、４０、４２ アーム
４４ ピボット部材
４６ ホイール
４８ スロット
１００ 相関曲線
１０２ 公称相関曲線

Claims (5)

1. ターボ機械における可変ピッチのステータベーン（１４、１４’）の２つの段（１０、１０’）を制御するための制御システムであって、
   各段（１０、１０’）が、ターボ機械のケーシング（１２）に各々旋回可能に取り付けられる複数のベーン（１４、１４’）と、ケーシングを取り巻き、それぞれのレバー（１８、１８’）を介して段のベーン（１４、１４’）のそれぞれに連結される制御リング（２２、２２’）とから形成され、
   制御システムが、ケーシング（１２）に旋回可能に取り付けられるリーダ部材（２６）を介して、一方の段（１０）の制御リング（２２）を回転させるための駆動要素（２４）と、駆動要素（２４）によって駆動される制御リング（２２）の回転運動を、ケーシングに旋回可能に取り付けられる従動部材（２６’）を介して他方の段（１０’）の制御リング（２２’）に伝えるための同期バー（３０）とを含み、
   前記制御システムが、従動部材（２６’）と従動リング（２２’）との間に挿置される追加のピボット部材（４４）をさらに備え、前記追加のピボット部材が、従動部材（２６’）に旋回可能に取り付けられ、かつケーシングに固着されるスロット（４８）内をスライドするホイール（４６）によってケーシング（１２）に連結されていることを特徴とする、制御システム。
2. スロット（４８）が、所望のピッチ関係と公称ピッチ関係との間の行路差を補正するように定められる形状および方向を呈する、請求項１に記載の制御システム。
3. 追加のピボット部材（４４）が、第１の制御ロッド（３２’）を介して従動リング（２２’）に連結される第１のアーム（５０）と、前記ホイール（４６）を介してケーシング（１２）に連結される第２のアーム（５２）とを有する、請求項１または２に記載の制御システム。
4. 従動部材（２６’）が、追加のピボット部材（４４）に旋回可能に連結される第１のアーム（３６）と、同期バー（３０）の一端部に連結される第２のアーム（４０）とを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の制御システム。
5. リーダ部材（２６）が、第２の制御ロッド（３２）を介してリーダ段（１０）の制御リング（２２）に連結される第１のアーム（３４）と、従動部材（２６’）に連結される端部と反対側の同期バー（３０）の端部に連結される第２のアーム（３８）と、駆動要素（２４）に連結される第３のアーム（４２）とを有する、請求項４に記載の制御システム。

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