JP4841857B2 - 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エンジンで用いるベーンセクタに関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、直列流れ配列で、ファン組立体、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを含む。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、まとめてコアエンジンと呼ばれることがある。少なくとも一部の公知の圧縮機は、ロータ又はディスクから半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードの列を含む。隣接するロータブレード列は、圧縮機ケーシングに固定された複数のステータベーン組立体によって分離される。各ステータベーン組立体は複数のステータベーンを含み、ステータベーンの各々は、隣接するロータブレード列間で延びる翼形部を含む。少なくとも一部の公知のステータベーン組立体は、円周方向に互いに接合された複数のステータベーンセグメント又はセクタを含む。一般的に、ステータベーンセクタは互いに同一であり、各ステータベーンセクタが等しいラジアル・アークにわたって延び、各ステータベーンセクタが等しい数のステータベーンを含むようになっている。

公知の翼形部は、該翼形部に関連した一連の固有振動数を有する。より具体的には、各翼形部は、該翼形部が通過することによってパルスとして感じられる伴流を空気ストリーム内に発生させる。ステータベーンの数と圧縮機の回転速度との組合せが、ロータブレードの固有振動数と一致する可能性がある。ステータベーン伴流（パルス）の数と圧縮機の回転速度の組合せは、ロータブレードの固有振動数と一致する可能性がある刺激を生成する。従って、ガスタービンエンジンの設計において、少なくとも１つの設計目標は、翼形部固有振動数の大部分を設計エンジン動作範囲外に保つことである。

誘起されるロータブレード振動を低減するために、少なくとも一部の公知のエンジンは、エンジンケーシング円周の周りでベーン間隔を変化させて、ロータブレード及びステータベーンの固有振動数を回避することを可能にし、或いはこれらの振動でのロータブレード共振応答の振幅を低下させる。より具体的には、そのような設計では、ステータベーンの数をステータベーン組立体の１つ又は複数のセクタ内で変化させる。ステータベーンの間隔は、セクタ毎で変化するが、各セクタ内のステータベーンは、互いに等しい間隔を保ち、かつ／又は等しいピッチで設計される。ステータベーンセクタ間のベーン間隔又はピッチを変化させることによって、ベーン伴流の振動数を変更して、隣接するロータブレード内に誘起される振動応答を低下させることを可能にする。しかしながら、その結果、円周方向区域のステータベーンセクタは、今や互いに異なるものとなり、特定の相対的順序で組立てなければならなくなる。従って、可変すなわち不均一ステータベーン間隔によりもたらされる利点は、ステータベーンセクタの誤組立によって減少又は完全に失われることになる。
特開２００１−２１４７０５号公報

本発明の１つの態様では、ガスタービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、その各々が、第１の円周方向間隔が各セクタ内の隣接するステータベーンの各対間に形成されるように円周方向に間隔を置いて配置された等しい数のステータベーンを含む複数のステータベーンセクタを準備する段階と、第１の円周方向間隔とは異なる第２の円周方向間隔が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように複数のステータベーンセクタを互いに連結する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のステータベーン組立体を提供する。本ステータベーン組立体は、複数のステータベーンセクタを含み、複数のステータベーンセクタの各々は、第１の円周方向間隔が各セクタ内の隣接するステータベーンの各対間に形成されるように配向した等しい数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンを含む。複数のステータベーンセクタは、第２の円周方向間隔が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように互いに連結される。第２の円周方向間隔は、第１の円周方向間隔とは異なる。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供し、本ガスタービンエンジンは、環状の流路を形成する圧縮機を含む。圧縮機は、複数のロータブレードを含む、流路内に配置されたロータディスクと、ロータディスクの下流で流路内に配置されたステータベーン組立体とを含む。ステータベーン組立体は、複数のステータベーンセクタを含み、複数のステータベーンセクタの各々は、第１の円周方向間隔が各セクタ内で隣接するステータベーンの各対間に形成されるように配向した等しい数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンを含む。複数のステータベーンセクタは、第２の円周方向間隔が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように互いに連結される。第２の円周方向間隔は、第１の円周方向間隔とは異なる。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０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。エンジン１０はまた、直列軸流関係に配列した高圧タービン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。

動作中、空気は、エンジン１０の上流側２８から低圧圧縮機１２を通って流れる。加圧された空気がは、低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。加圧空気は、次に燃焼器組立体１６に送給され、燃焼器組立体１６において、加圧空気は、燃料と混合されかつ発火される。燃焼ガスが燃焼器１６から流れて、タービン１８及び２０を駆動する。

図２は、公知のステータベーン組立体３０の概略端面図である。高圧圧縮機１４は、そこを通る環状の流路を形成し、複数の円周方向に間隔を置いて配置されかつ半径方向に延びるロータブレード（図示せず）を有する少なくとも１つのロータディスク（図示せず）を含む。例えばステータベーン組立体３０のようなステータベーン組立体は、ロータディスクに隣接しかつ該ロータディスクの下流に配置される。例示的な実施形態では、ステータベーン組立体３０は、６つの円周方向区域のステータベーンセクタ３２を含み、各ステータベーンセクタ３２は、１６個の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン３４を含む。従って、例示的な実施形態では、ステータベーン組立体３０は、該ステータベーン組立体３０の円周の周りで隣接するステータベーン３４の各対間に形成されたほぼ均一な円周方向又はピッチ間隔Ｓ_１を有する合計９６個のステータベーン３４を含む。各ステータベーンセクタ３２は、約６０度のラジアル・アークＡ_１を含む。

図３は、隣接するロータブレード列（図示せず）に誘起される振動応力を低下させるのを可能にするために二分割型不均一ベーン間隔（バイセクタＮＵＶＳ）を含む公知のステータベーン組立体４０の概略端面図である。ステータベーン組立体４０は線Ｂ−Ｂに沿って分割され、上半分４２と下半分４４とを含む。上半分４２は、３つの円周方向区域のステータベーンセクタ４６、４８及び５０を含み、その各々は同一でありかつ約６０度のラジアル・アークＡ_２を含む。各上部ステータベーンセクタ４６、４８及び５０は、円周方向に隣接するステータベーン３４の各対間にほぼ均一なピッチ又は間隔Ｓ_１を有する１６個の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン３４を含む。

ステータベーン組立体の下半分４４は、３つの同一のステータベーンセクタ５２、５４及び５６と１つの付加的ステータベーンセクタ５８とを含む。ステータベーンセクタ５２、５４及び５６の各々は、約４６度のラジアル・アークＡ_３を有し、各々が、ピッチ間隔Ｓ_２で円周方向に間隔を置いて配置された１２個のステータベーン３４を含む。ステータベーンセクタ５８は、約４２度のラジアル・アークＡ_４を有し、同様にピッチ間隔Ｓ_２の１１個のみのステータベーン３４を含む。ステータベーン組立体４０は、円周の半分がベーンセクタ４６、４８及び５０内に形成されたピッチ間隔Ｓ_１とは異なるピッチ間隔Ｓ_２を有する状態で、合計９５個のステータベーン３４を有する。

ベーンセクタピッチ間隔Ｓ_２をステータベーン組立体４０の残りの部分に対して変化させて、ステータベーン組立体４０のピッチ間隔に不均一性を生じさせることを可能にする。ステータベーン３４の不均一ピッチ間隔は、ステータベーン３４の空気ストリーム伴流によって隣接するロータ翼形部（図示せず）に誘起される励振作用を変更することを可能にし、またそれに関して、不均一間隔もまた、圧縮機１４の回転速度とステータベーン３４の数との組合せすなわちステータベーン・カウント（総数）により生じるロータブレードの振動応答を低下させることを可能にする。ステータベーン３４の間隔を変化させることによって、ロータブレードが回転すると、ロータブレードの各々は、事実上異なるステータベーン・カウントと「見なせ」、圧縮機１４の円周の周りでのステータベーン伴流の振動成分が効果的に変更されるようになる。

ステータベーン組立体４０は、１つのみの不均一ステータベーンセクタ構成、すなわちバイセクタ（二分割型）として示している。しかしながら、ステータベーン組立体４０のようなＮＵＶＳステータベーン組立体は、他の多数の不均一セクタ構成を含むことができることを理解されたい。組立体３０のような他の公知のステータベーン組立体に比較すると、圧縮機１４の円周の周りでベーンセクタのピッチ間隔を変化させた場合、ステータベーン組立体４０のステータベーンセクタはもはや互いに同一ではなく、従ってステータベーン組立体４０の誤組立の可能性が生じる。組立体内に不正確なセクタが設置された場合、又はステータベーンセクタが不適切に配向された場合、組立体４０により生じる利点は、減少又は消滅することになる。

図４は、隣接するセクタ端部ベーン６４に形成された不均一ベーン間隔（ＮＵＶＳ）を含む例示的なステータベーン組立体６０の概略端面図である。例示的な実施形態では、ステータベーン組立体６０は、６つの円周方向区域のステータベーンセクタ６２を含み、各ステータベーンセクタ６２は、１６個の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン３４を含む。各ステータベーンセクタ６２は、ステータベーン３４と同一である１対の端部ステータベーン６４を含み、組立てたステータベーン組立体６０内には合計９６個のステータベーン３４が含まれ、各ステータベーンセクタ６２は約６０度のアークＡ_１を有するようになる。各ステータベーンセクタ６２内では、隣接するステータベーン３４間に均一ピッチ間隔Ｓ_３が形成される。ピッチ間隔Ｓ_３は、ステータベーンセクタ６２の突合わせ端部６６において、隣接する端部ベーン６４間の形成されたピッチ間隔Ｓ_４がピッチ間隔Ｓ_３よりも大きくなるように調整される。

不均一ベーン間隔Ｓ_３及びＳ_４は、隣接するロータブレード（図示せず）に誘起される振動応力を低下させるのを可能にする。より具体的には、この振動応力の低下は、バイセクタＮＵＶＳステータベーン組立体４０の振動応力低下と実質的に等しいが、組立体６０の円周方向の周りで共通のステータベーンセクタ６２を使用することが可能になり、組立体４０に関連する誤組立の危険性に比較して、その誤組立の危険性が低減されるようになる。従って、ステータベーン数を変化させるのではなく、ピッチ間隔をＳ_３からＳ_４に変更することにより、圧縮機１４の円周の周りでの励起振動における位相シフトを発生させることが可能になる。

図５は、ステータベーン組立体３０の概略端面図である。図６は、図５に示したようなステータベーン組立体３０の部分拡大図であり、ステータベーン組立体３０の隣り合うステータベーンセクタの端部ベーン３４Ａ及び３４Ｂにおけるステータベーンピッチ間隔Ｓ_１を示す。より具体的には、ステータベーン組立体３０は、セクタ線を除去した状態で示しており、また突合わせステータベーンセグメント３２Ａ及び３２Ｂの部分は、拡大した状態で示している。ステータベーンセグメント３２Ａ及び３２Ｂは各々、同一数のステータベーン３４を含む。ステータベーン組立体３０の場合、隣接する端部ベーン３４Ａ及び３４Ｂ間に形成されたピッチ間隔Ｓ_１は、各ステータベーンセクタ３２Ａ及び３２Ｂ内の隣接するステータベーン３４間に形成されたピッチ間隔と実質的に同一である。

図７は、ステータベーン組立体６０の概略端面図である。図８は、図７に示したようなステータベーン組立体６０の部分拡大図であり、隣り合うベーンセクタ６２Ａ及び６２Ｂに形成された端部ステータベーン間隔Ｓ_４を示す。ステータベーン組立体６０は、セクタ線を除去した状態で示しており、突合わせステータベーンセグメント６２Ａ及び６２Ｂの部分は、拡大した状態で示している。ステータベーンセグメント６２Ａ及び６２Ｂは各々、端部ベーン６４Ａ及び６４Ｂを含む同一数のステータベーン３４を含む。ステータベーン組立体６０の場合、隣接する端部ベーン６４Ａ及び６４Ｂ間に形成されたピッチ間隔Ｓ_４は、ステータベーンセクタ６２Ａ及び６２Ｂ内の隣接するステータベーン３４間に形成されたピッチ間隔Ｓ_３よりも大きい。例示的な実施形態では、ピッチ間隔Ｓ_４は、ピッチ間隔Ｓ_３の約１５０％である。しかしながら、他の間隔比率もまた考えられることを理解されたい。

ステータベーン組立体６０は、ステータベーン組立体６０の誤組立のない組立を可能にする均一ステータベーンセクタ６２を備えているが、ピーク応答においてステータベーン組立体４０と実質的に同一の低下をもたらすことを示した。実例として、図２に示すような不均一ベーン間隔を持たない従来型のステータベーン組立体３０は、テスト中に最大隣接ロータブレード振動応答を記録した。ステータベーン組立体４０のようなバイセクタＮＵＶＳステータベーン組立体の場合、最大隣接ロータブレード振動応答は、ステータベーン組立体３０におけるピーク応答の約６８％まで低下した。

各ステータベーンセクタ６２内では均一ステータベーンピッチ間隔Ｓ_３を使用しかつステータベーンセクタ６２（図４及び図８参照）の突合わせ端部６６における端部ベーン間では大きいピッチ間隔Ｓ_４を使用しているステータベーン組立体６０の最大隣接ロータブレード振動応答は、ステータベーン組立体３０で記録したピーク応答の約６７％まで低下した。

ステータベーン組立体３０、４０及び６０は、６つから７つの数のステータベーンセクタを有するものとして示している。いずれの構成においてもセクタの数は、各セクタの寸法又はベーン数に基づいて変化させることができることを理解されたい。明らかなように、セクタが大きくなればなるほど、円周方向ベーン組立体を形成するのに必要なセクタ数は少なくなる。実用的な観点から、各セクタが約９０度にわたって延びる４つのセクタが、ステータベーン組立体を製作するのに妥当なステータベーンセクタの最小数であると考えられる。

実施において、ステータベーン組立体６０は、適正な数の同一のステータベーンセクタ６２を単に互いにグループにまとめることによって組立てられて完全な円周方向ステータベーン組立体６０を形成し、次にこのステータベーン組立体６０が、従来通りの方法を用いて圧縮機１４の内側ケーシング（図示せず）に結合される。

上述のステータベーン組立体は、ステータベーンの励振作用によるロータブレードピーク振動応答を低下させるための費用効果がある方法を提供する。本装置は、バイセクタＮＵＶＳステータベーン組立体のブレード応答と実質的に等しいブレード応答における低下をもたらすが、ステータベーン組立体の誤組立の危険性を除去する共通のステータベーンセクタの使用を可能にし、全体エンジン部品数を削減する。

以上、ステータベーン組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。ステータベーン組立体は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各組立体の構成要素及び概念は本明細書で説明した他の構成要素及び概念から独立してかつ別個に使用することができる。例えば、各ステータベーン組立体構成要素はまた、他のステータベーン構成要素と組合せて使用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは、当業者には明らかであろう。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。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 公知のステータベーン組立体の概略端面図。 バイセクタ型不均一ベーン間隔（ＮＵＶＳ）を備えた公知のステータベーン組立体の概略端面図。 隣接するセクタ端部ベーンにおける不均一ベーン間隔（ＮＵＶＳ）を有する例示的なステータベーン組立体の概略端面図。 図２に示す公知のステータベーン組立体の概略端面図。 隣接するベーンセクタにおける端部ステータベーン間隔を示す、図５に示すステータベーン組立体の部分拡大図。 図４に示すステータベーン組立体の概略端面図。 隣接するベーンセクタにおける端部ステータベーン間隔を示す、図７に示すステータベーン組立体の部分拡大図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２、１４ 圧縮機
３０、６０ ステータベーン組立体
３２、６２ ステータベーンセクタ
３４ ステータベーン
３４Ａ、３４Ｂ、６４、６４Ａ、６４Ｂ セクタ端部ベーン
Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４ ラジアル・アーク
Ｓ_１、Ｓ_３ ピッチ間隔
Ｓ_２、Ｓ_４ 端部ステータベーン間隔

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン（１０）用のステータベーン組立体（３０）であって、
   複数のステータベーンセクタ（３２）を含み、
   前記複数のステータベーンセクタの各々が、第１の円周方向間隔（Ｓ ₃ ）が各セクタ内の隣接するステータベーンの各対間に形成されるように配向した等しい数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン（３４）を含み、
   前記複数のステータベーンセクタが、第２の円周方向間隔（Ｓ ₄ ）が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように互いに連結され、
   前記第２の円周方向間隔（Ｓ ₄ ）が、前記第１の円周方向間隔とは異なり、前記第１の円周方向間隔（Ｓ ₃ ）の１５０％であることを特徴とする、ステータベーン組立体。
2. 前記複数のステータベーンセクタ（３２）の各々が、第１の端部と対向する第２の端部とをさらに含み、
   前記第１及び第２の端部の各々が、端部ステータベーン（６４）を含み、
   隣接するステータベーンセクタが、それぞれのステータベーンセクタに結合した隣接する端部ステータベーンが第２の円周方向間隔（Ｓ ₄ ）で分離されるように互いに連結されている、請求項１記載のステータベーン組立体（３０）。
3. 前記複数のステータベーンセクタ（３２）が、互いに連結されて円周方向組立体を形成している、請求項１記載のステータベーン組立体（３０）。
4. 前記ステータベーンセクタ（３２）の各々が、エンジン（１０）を通って延びる流路の一部分を形成している、請求項１記載のステータベーン組立体（３０）。
5. 前記複数のステータベーンセクタ（３２）が、少なくとも４つのステータベーンセクタを含む、請求項１記載のステータベーン組立体（３０）。
6. ロータディスクが、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを含み、前記第２の円周方向間隔（Ｓ ₄ ）が、前記複数のロータブレードに誘起される振動応答を低下させるのを可能にする、請求項４記載のステータベーン組立体（３０）。
7. ロータディスクが、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを含み、前記第２の円周方向間隔（Ｓ ₄ ）が、ベーン伴流における位相シフトの誘起を促進して、前記複数のロータブレードの振動応答を低下させるのを可能にする、請求項４記載のステータベーン組立体（３０）。
8. 環状の流路を形成する圧縮機（１２、１４）を含み、前記圧縮機が、
   複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを含む、前記流路内に配置されたロータディスクと、
   複数のステータベーンセクタ（３２）を含む、前記ロータディスクの下流で前記流路内に配置されたステータベーン組立体（３０）と、を含み、
   前記複数のステータベーンセクタの各々が、第１の円周方向間隔（Ｓ ₃ ）が各セクタ内の隣接するステータベーンの各対間に形成されるように配向した等しい数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン（３４）を含み、
   前記複数のステータベーンセクタが、第２の円周方向間隔（Ｓ ₄ ）が隣接するセクタに結合した隣接するステータベーンの各対間に形成されるように互いに連結され、
   前記第２の円周方向間隔（Ｓ ₄ ）が、前記第１の円周方向間隔とは異なり、前記第１の円周方向間隔（Ｓ ₃ ）の１５０％であることを特徴とする、ガスタービンエンジン（１０）。
   

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