JP4771650B2 - ガスタービンエンジンにおける静翼アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンにおける静翼を回転させる作動システムに関する。

最新の軸流ガスタービンエンジンにおける圧縮機は、一般的に可変静翼を装備している。図１及び図２は、静翼の機能を示す。これらの図は、ブレードの先端において外部から回転軸線の方向に、透明の壁面を有する圧縮機を見た図である。

これらの図は、一定の尺度に応じて描かれていないし、また細部において空気力学的に正確でもない。これらの図は、静翼を用いて該静翼の下流に設置された圧縮機段に流入する空気流の迎え角を変える原理を単に示す目的で表されている。

図１は、圧縮機の２つの段３及び６を示す。ベクトル９の方向に移動する流入空気は、第１段３により加圧される。ベクトル９は、紙面上で水平方向のものとして描かれている。しかしながら、第１段３において実際に見られる空気の方向は、（１）ベクトル９と（２）段３の速度とのベクトル和である。ベクトル１２は速度を表し、またベクトル１５はベクトル和を表す。

ベクトル１５は、第１段３が流入空気９に出会う特定の迎え角を表す。第１段３は、空気を加圧した後に、該空気をベクトル１８で表される異なる方向に吐出する。ベクトル１８がベクトル９と異なる方向にあるだけでなく、加圧過程のためにその速度もより大きなものとなる。ベクトル１８は、必ずしも第２段６に対する最適の迎え角を示すものではない。

可変静翼が解決策を提供する。可変案内静翼２４が設けられる場合、図２に示すように、図１のベクトル１８は、正確な迎え角を有する図２のベクトル１８Ａに変更されることができる。静翼２４は、段３及び段６と共に回転するものではないことを発明者は指摘しておく。それらの翼は、今から説明するように、個々の翼は枢動することができるが、静止している。

多くの形式の静翼は、該静翼により吐出空気を供給される圧縮機段における迎え角を調節するために、調節可能になっている。例えば、それら静翼は、矢印２７で示すように、軸線２６の周りで枢動することができる。

図３は、静翼を調節するための１つの機構を示し、また図４は、図３の多くの構成部品を簡略化した略図形式で示す。図３及び図４の軸線２６、すなわち静翼２４がその周りで枢動する軸線は、図２の軸線２６に対応する。レバー３６が、各静翼に接続される。任意の段における静翼の全てのレバーは、図３のリング３９及び４２のような可動リングに接続される。図４はリング３９を示す。

各リングは、軸線４５の周りで回転し、それによってその段の静翼を回転させる。ベルクランク４８のようなベルクランクが、各リングを回転させる。例えば、ベルクランク４８が図４の軸線４９の周りで回転すると、リンク５１が、リング３９を軸線４５の周りで回転させる。従って、クランク３６は、軸線２６の周りで回転し、それによって静翼２４を回転させる。

全てのベルクランクは、アーム５４に接続することによって、一斉に強制的に動かされる。後述するアクチュエータ６０が、図５の矢印６３で表されるリンク機構により一斉にベルクランクを動かす。
米国特許３４８７９９２号明細書 米国特許３６１４２５３号明細書 米国特許４２９５７８４号明細書 米国特許４４０９７８８号明細書 米国特許３８７３２３０号明細書 米国特許４７２０２３７号明細書 米国特許４７５５１０４号明細書 米国特許５５４９４４８号明細書

発明者は、この形式の構造を改良したものである。

本発明の１つの形態では、ガスタービンエンジンにおける調節可能な静翼の位置を調節する機械式アクチュエータは、従来技術と比較してエンジンの周囲において占める区域の寸法が縮小される。

発明者が上述のシステムにおいて確認した１つの問題点が、図６に示される。油圧アクチュエータ６０が図５に示す接線方向の位置に配置される場合、望ましくない幾つかの現象が起こる可能性がある。その１つは、累積した公差が位置決めにおける誤差を生じ、この誤差を取付け後の調節によって除去しなければならいことである。

例えば、アクチュエータ６０の取付けプレートにおける図６のボルト穴６４は、それらが対をなすボルト穴６６の場合と同様に、特定の位置に設置されるように設計される。しかしながら、不可避的な製作公差のために、両方の組の穴は僅かに誤った位置に設置されることになる。更に、軸線４９の位置もまた、同様な理由から僅かに誤った位置に設置されることになる。その上に、リンク機構６３を構成する構成部品もまた、僅かな寸法誤差を免れないであろう。

その結果、可変静翼は、それらの意図した設計位置から僅かにずれることになる。具体的な実施例として、アクチュエータ６０が油圧ピストンである場合、システムは、ピストン６０がその最も離れた位置に後退しているときに、静翼が特定の角度をとるように設計されることになる。実際には、ピストンがこの状態にある時のその角度には、僅かに誤差があることになる。

従って、アクチュエータ６０の取付け後に、様々な調節がなされなければならない。これらの調節は、取付け技術者の時間を消費する。

更に、アクチュエータ６０の取付けプラットホーム６８は、ベルクランク４８を支持する取付け部材（図示せず）とは全く異なる構成部品に接続される場合がある。これら２つの構成部品を相互接続することもまた、直ぐ上に述べた累積することの問題を免れない可能性がある。

直ぐ上に述べた累積の問題に加えて、図６の構成は、別の特性を有する。作動において、取付けプラットホーム６８を支持するケーシング７０は、温度変化のために寸法が変化することになる。この変化は、アクチュエータ６０とベルクランク４８との間の距離を変化させ、少なくとも２つ変化を引き起こす。１つは、ケーシング７０の直径の変化により生じる。もう１つは、軸方向長さの変化、つまり、図４における軸線４５に沿った距離の変化により生じる。これらの変化は、システムの伝達関数すなわちゲインを変化させる。

本発明は、図７に示し、また図９に簡略斜視図で示す装置を用いることによりこれらの特性の多くを緩和するか又は除去する。図７は、トルクチューブ７１を含み、このトルクチューブ７１は軸線７３の周りで回転する。４つのクレビス７６が、トルクチューブ７１に固定される。クレビスは、図４におけるリンク５１のようなリンクに接続される。各リンクは、図4に示すリング３９のようなリングに接続される。

トルクチューブ７１は、基板８５に支持された軸受７９及び８２により支持される。クランク８８が、トルクチューブ７１に取付けられ、かつリンク９３によりベルクランク９１の１つのアーム９０に接続される。ターンバックル９６により、リンク９３の長さの調節が可能になる。

ベルクランクの他のアーム９９は、ロッド１０２に接続され、このロッド１０２が油圧アクチュエータ１０５により動かされる。油圧アクチュエータ１０５は、軸線１０８の周りで枢動する。

図に示す全ての構成部品は、基板８５により直接又は間接的に支持される。図７の装置における幾つかの顕著な特徴を、図８から図１１までを参照して以下に説明する。

幾何学平面１１０が、図１０において重ねられる。ベルクランク９１は、平面１１０内に含まれる矢印１１３で示すように、平面１１０内で回転する。つまり、ベルクランク９１の軸線１１６は、平面１１０に対して垂直である。平面１１０は、角度１２１で示すように、基板８５の領域１１８に対して傾斜している。角度１２１の大きさは、基板８５が取付けられるエンジンの大きさに応じて決まることになるが、ここでは便宜上約３０度の角度であると仮定することにする。

油圧アクチュエータ１０５もまた、矢印１２４で示すように、平面１１０内で動く。つまり、作動中に、アクチュエータ１０５は、その取付けクレビス１３０の軸線１２７の周りで枢動する。ロッド１０２上のあらゆる点が矢印１２４で表される弧を描いて動く。弧は、平面１１０内に位置する。軸線１２７は、平面１１０に対して垂直でありかつ軸線１１６と平行である。

従って、作動中に、３つの構成部品は、平面１１０内に維持される。油圧アクチュエータ１０５は、軸線１２７の周りで揺動する。ロッド１０２は、矢印１４０の方向に動くが、平面１１０と同一の平面内に維持される。ベルクランク９１は、矢印１１３で示すように回転し、平面１１０内に維持される。

他の構成部品は、異なる平面内で動く。図１１は、トルクチューブ７１の軸線７３に対して垂直である平面１５０を示す。クランク８８は、この平面１５０内で回転する。しかしながら、クランク８８をベルクランク９１に連結するリンク９３は、図１２及び図１３に示すように、この平面１５０内に維持されない。

リンク９６の端部９６Ａは、図１０における平面１１０内に維持されるか又は該平面１１０と平行に移動することが分かる。リンク９６の他端部９６Ｂは、図１１における平面１５０内に維持される。しかしながら、リンク９６の本体は、複雑な種類の動きに沿って動き、単一の平面内に維持されないか又は単一軸線に沿って動かない。

換言すれば、端部９６Ａは、図１０における平面１１０内で弧を描く。端部９６Ｂは、図１１における平面１５０内で弧を描く。平面１１０及び平面１５０は、互いに垂直である。

一部の状況では、空間を節約するために、アクチュエータ１０５を、図１１における円筒部１７５によりほぼ示される位置に移動させることが望ましい場合がある。

第２の特徴は、図７におけるターンバックル９６がいったん調節されると、図７の組立体全体を、エンジンに取付けることができることである。図５におけるリンク５１の調節が必要とされる場合があるが、その組立体内ではどの連結機構に対してもそれ以上の調節は必要とされない。

第３の特徴は、図６におけるケーシング７０の寸法の熱的変化が、（１）図７におけるロッド１０２の軸方向位置と（２）トルクチューブ７１の角位置との間での伝達関数又はゲインへ実質的に全く影響しないことである。主な理由は、いかなるそのような膨張も図７における基板８５を単に移動させるだけであることによる。しかしながら、その膨張により、基板８５上に支持されたロッド１０２及びトルクチューブ７１のような個々の構成部品間の相対的な寸法が変化することはない。

図１４は、本発明の１つの実施形態を示す。線形油圧アクチュエータ２００が、楕円２０２により表されるガスタービンエンジン上に配置される。アクチュエータ２００の運動軸線２０５は、エンジン２０２の回転軸線４５と平行である。

回転軸線７３を有するトルクチューブ７１は、該軸線７３が軸線２０５と平行になるように配置される。トルクチューブ７１は、リンクを動かすクレビス７６を含み、そのうちの１つ５１のみが示されている。各リンク５１は、そのうちの１つ３９のみが示されているリングを制御し、そのリングの動きにより、図示されていないクランク系を介して静翼角度が変えられる。

アクチュエータ２００の直線運動は、変換器２１０によりトルクチューブの回転運動に変換される。数多くの形式の変換器２１０が可能である。図７はベルクランクを示す。スコッチヨークを用いることができる。歯車及びプーリが利用できる。

図１５から図１７までは、直線−回転変換器の別の形式を示す。図１５には、シャフト２３３内における螺旋状スロット２３０の形態をとるカム２２５が、示されている。図１６に示すように歯状突起２３７がスロット２３０に係合している、カムフォロア２３５が示されている。カム２２５は、回転を抑制されている。

アクチュエータ１０５が、フォロア２３５内にまた該フォロア２３５から外にカム２２５を動かし、それによってフォロア２３５を回転させる。フォロア２３５は、図１７において矢印２４０で示すように、いずれも図示されてはいないが、リンク、歯車、クランク、又は類似のものによりトルクチューブ（図示せず）に接続される。１つの実施形態では、図１７のアクチュエータ１０５は、図１１における位置２５０に配置される。カム２２５及びフォロア２３５は、トルクチューブ７１の内部に配置される。

図１０における角度１２１は、リンク９３の作用線をクランク８８の端部と整合させるために存在する。つまり、角度１２１がゼロであれば、リンク９３の作用線はトルクチューブ７１の軸線７３と交差することになる。トルクチューブ７１を回転させるためのモーメントアームが、全く存在しないことになる。

リンク９３の作用線のためのモーメントアームを得るには、他の解決方法も可能である。図１８では、延長部分２５０が、ベルクランク９１に付加される。図１９では、ベルクランク９１は、先端２５６を上昇させるために、矢印２５５で示すようにロッド１０２（図示せず）の軸線１０３の周りで回転される。つまり、それによって先端２５６は、軸線７３及び軸線１０３を含む平面から外に動かされる。

図２０では、軸線１０３は、矢印２６０で示すように回転される。この回転は、図８における眼２６５により見た図である図２１において、おそらくより明確に分かる。図２１では、軸線１０３は、反時計回りに回転され、それによってベルクランク９１を上昇させる。

クレビス７６は、トルクチューブ７１上の角度位置に関して調節可能であり、また高さが調節可能である。例えば、図２２におけるクレビス７６Ａは、破線２７０又は破線２７５により示すように、設置されることができる。異なるクレビスをトルクチューブ７１上の異なる角度位置に設置することで、図３におけるリング３９のようなリング間のそれらが作動する相対位相角の調節が可能になる。

高さの調節は、シム２８０を加えることにより達せられる。シム当たり１０ミルの範囲の極めて僅かな調節が考えられる。シムは、クレビスの移動の曲率半径を増大させ、それによって図３及び図４におけるリンク５１に類似したリンクの揺動の振幅を増大させる。

セクタ３０５に含まれる図８の装置は、図３及び図４におけるリンク５１を調節するのに必要とされる全てのものを含む。図３から図６までの従来技術の装置では、リンク５１を調節するのに必要とされる装置は、ベルクランク４８と同期バー５４とを含む。

本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、数多くの置き換え及び変更を行うことができる。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軸流圧縮機における回転ブレードを示す図。 静翼が圧縮機ブレード６の段に入る空気の迎え角を調節することができる方法を示す図。 可変静翼の配列の簡略斜視図。 図３に示す装置の１部の簡略図。 従来技術に見られる接線方向に取付けられたアクチュエータ６０を示す図。 従来技術に見られる接線方向に取付けられたアクチュエータ６０を示す図。 本発明の１つの形態を示す図。 図７の矢印８−８に沿って取られた、図７の装置を示す図。 様々な特徴を強調して示した、図７の装置の簡略斜視図。 様々な特徴を強調して示した、図７の装置の簡略斜視図。 様々な特徴を強調して示した、図７の装置の簡略斜視図。 本発明の幾つかの構成部品が受ける運動特性の一部を示す図。 本発明の幾つかの構成部品が受ける運動特性の一部を示す図。 本発明の１つの形態を示す図。 図７のベルクランク９１と置き換えることができる機構を示す図。 図７のベルクランク９１と置き換えることができる機構を示す図。 図７のベルクランク９１と置き換えることができる機構を示す図。 図７の装置の変更形態を示す図。 図７の装置の変更形態を示す図。 図７の装置の変更形態を示す図。 図７の装置の変更形態を示す図。 様々な特徴を強調して示した、図７の装置の簡略斜視図。

符号の説明

７１ トルクチューブ
７３ トルクチューブの軸線
７６ クレビス
７９、８２ 軸受
８５ 基板
８８ クランク
９０ ベルクランクの第１のアーム
９１ ベルクランク
９３ リンク
９６ ターンバックル
９９ ベルクランクの第２のアーム
１０２ ロッド
１０５ 油圧アクチュエータ

Claims (3)

1. エンジン軸線（４５）を有するガスタービンエンジン（２０２）における静翼角度を調節するための装置であって、
   （ａ）前記エンジン軸線（４５）と平行なチューブ軸線（７３）を有する回転可能なトルクチューブ（７１）と、
   （ｂ）前記トルクチューブ（７１）の回転に応じて静翼角度の変化を生じさせるための手段と、
   （ｃ）ロッド（１０２）を直線運動で動かす、前記チューブ軸線（７３）と平行な油圧アクチュエータ（２００）と、
   （ｄ）前記ロッド（１０２）の前記直線運動を前記トルクチューブ（７１）の回転運動に変換する変換器（２１０）と、
   を含み、
   前記変換器（２１０）が、カム（２３０）及びフォロア（２３５）を含み、
   前記カム（２３０）は、シャフト（２３３）及び該シャフトに設けられた螺旋状スロット（２３０）からなり、
   前記フォロア（２３５）が前記螺旋状スロットと係合する歯状突起（２３７）を備える
   むことを特徴とする装置。
2. （ａ）軸線（７３）の周りで回転可能なトルクチューブ（７１）と、
   （ｂ）ロッド（１０２）を前記軸線（７３）と平行に動かす線形油圧アクチュエータ（２００）と、
   （ｃ）前記ロッド（１０２）を前記トルクチューブ（７１）に接続して、該ロッド（１０２）の動きにより前記トルクチューブ（７１）を回転させる第１のリンク機構（２１０）と、
   （ｄ）ガスタービンエンジン（２０２）の静翼（２４）を作動させるそれぞれのリング（３９）に各々が接続されている、前記トルクチューブ（７１）に連結された１つ又はそれ以上の第２のリンク機構（５１）と、
   を含み、
   前記第１のリンク機構（２１０）が、カム（２３０）及びフォロア（２３５）を含む変換器（２１０）であり、
   前記カム（２３０）は、シャフト（２３３）及び該シャフトに設けられた螺旋状スロット（２３０）からなり、
   前記フォロア（２３５）が前記螺旋状スロットと係合する歯状突起（２３７）を備える
   ことを特徴とする装置。
3. （ａ）回転軸線（４５）を有する軸流ガスタービンエンジン（２０２）と、
   （ｂ）前記回転軸線（４５）と平行である運動軸線（２０５）を有する線形アクチュエータ（２００）と、
   （ｃ）前記回転軸線（４５）及び前記運動軸線（２０５）の両方と平行であるチューブ軸線（７３）を有するトルクチューブ（７１）と、
   （ｄ）前記トルクチューブ（７１）に取付けられた複数のクレビス（７６）と、
   （ｅ）静翼（２４）の組を回転させるそれぞれのリング（３９）に各クレビス（７６）を連結するリンク（５１）と、
   （ｆ）前記線形アクチュエータ（２００）の直線運動を前記トルクチューブの回転運動に変換し、それによって前記リングを回転させるための手段（２１０）と、
   を含み、
   前記リングを回転させるための前記手段（２１０）が、カム（２３０）及びフォロア（２３５）を含む変換器（２１０）であり、
   前記カム（２３０）は、シャフト（２３３）及び該シャフトに設けられた螺旋状スロット（２３０）からなり、
   前記フォロア（２３５）が前記螺旋状スロットと係合する歯状突起（２３７）を備える
   ことを特徴とするシステム。

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