JP5095165B2 - ターボ機械の可変ピッチ翼用のピボットブッシュ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械用の可変ピッチ翼の一般的な分野に関し、より詳細には、そのような翼の案内ピボットのためのブッシュに関する。

ガスタービンを備えたターボ機械の高圧圧縮機は、典型的には、ターボ機械の作動速度に応じてガス流特性を変更するために調整可能なピッチ方位を持つ翼の複数の円形ステージを備えている。このような翼は可変ピッチ翼と呼ばれている。

所定のステージにおける各可変ピッチ翼は、その頂部でそれぞれの制御ピボットを有し、その根底部で案内ピボットを有する。制御ピボットがターボ機械のステータのケーシングを貫通し、制御部材と協働する。上記制御部材に作用することによって、対応するステージ段において翼の向きを変えることができる。各翼の案内ピボットは、ターボ機械の長手軸を中心とするターボ機械の内側リングにおける対応する凹部に取り付けられたブッシュ内で動くことができる。

翼が内側リングに組み付けられる場合、翼の案内ピボットを確実に調心することが重要である。このような中心合わせは、ブッシュと、ブッシュが取り付けられる内側リングの凹部とが、正確に同心であることによって達成される。翼のこの中心合わせの品質はまた、ターボ機械が作動する状態に関係なく維持されなければならない。

残念ながら、内側リングにおけるブッシュの公知の取付け法は、調心品質を確実に維持するための特定の配慮を全く含んでいない。したがって、翼の案内ピボットの中心合わせは、作動時において、特にピボット支持ブッシュと内側リングとが熱膨張係数の異なる材料でできている場合に、効果的でなくなる。

したがって、本発明の主な目的は、ターボ機械が作動している状態に関係なく、かつブッシュとブッシュが取り付けられる内側リングを形成するのに用いられる材料とは無関係に、翼案内ピボットの調心品質を恒久的に保証するのに適したブッシュを与えることによって、そのような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の可変ピッチ翼用のピボットブッシュを提供する。このブッシュはターボ機械のリング内の凹部に取り付けるためのもので、凹部の形状はブッシュの形状にほぼ相補的であって、ブッシュは、長手軸回りにほぼ管状の本体を備え、ブッシュは、ブッシュの管状本体は一端に第１の円錐カラーを備え、他端に第２の円錐カラーを備え、円錐面は第１および第２のカラーが相互に対向して配置されることによって画定されていることを特徴とする。

したがって、翼案内ピボットの調心は、ブッシュとブッシュが取り付けられるリングの凹部との間の二重円錐接続によって実現される。このような接続によって、ブッシュに対して膨張したリングの直径によるあらゆるオフセット移動が、リングが高さ方向で膨張してオフセットすることによって補正される。さらに、カラーによって画定される円錐面の間の接触位置は、ブッシュとリングの膨張とは無関係に、恒久的に維持される。すなわち、円錐カラーを支持するブッシュの両端部は、変位と同等の復元機能を実行する。したがって、ブレード案内ピボットが調心される品質が恒久的に維持される。

本発明の特定の特徴によれば、第１のカラーによって画定された円錐面の傾斜角度は、第２のカラーによって画定された円錐面の傾斜角度とほぼ一致している。さらに、各カラーによって画定された円錐面の傾斜角度は、３０°から６０°の範囲にあり、好ましくは４５°である。このような状況下で、両円錐カラーの平均直径は、両円錐カラーの間の長手方向距離とほぼ一致している。

本発明の別の特定の特徴によれば、ブッシュは、リング内の凹部で回転するのを防ぐための手段も含む。

このような回転防止手段は、両カラーの間のブッシュの管状本体に設けられた少なくとも１つの突出体の形状であり、この突出体は、ブッシュが取り付けられるリングの凹部に相補的な面と協働するほぼ平坦な面を画定している。

あるいは、円錐カラーは、ブッシュがリング内の凹部で回転するのを防ぐための部材と協働する、少なくとも１つのほぼ長手方向外側の突出体を備えることもできる。

別の代替案においては、円錐カラーのうち一方は回転防止板を含むことができ、回転防止板は、隣接するブッシュの回転防止板の対応面と接触するほぼ平坦な面を確立する少なくとも１つの面を備えている。

管状本体とブッシュの円錐カラーのうちの一方とは、ブッシュを凹部内に取り付けることを可能にするために、２つの異なった部品であってもよい。

本発明の別の特定の特徴によれば、ブッシュは、ブッシュが取り付けられるリングの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料で作製されてもよい。

本発明はまた、それぞれが可変ピッチ翼の案内ピボットを受け入れる役割を果たす複数の凹部を含んだターボ機械リングを提供し、リングは上述のような複数のブッシュをさらに含む。

本発明はまた、ターボ機械圧縮機、および上述のような少なくとも１つのリングを含むターボ機械を提供する。

本発明の他の特徴および利点が、それに限定されることなく一実施形態を示した添付の図面を参照してなされる以下の説明から明らかである。

図１を参照すると、ターボ機械の高圧圧縮機の可変ピッチ翼２が、ターボ機械の長手軸Ｘ−Ｘを中心とする円形ステージに振り分けられ、それらは、ターボ機械のロータに固定された可動ブレード（図示せず）のステージ間に配置されている。

円形ステージの各可変ピッチ翼２は、ターボ機械の長手軸Ｘ−Ｘに対して半径方向にある主軸Ｙ−Ｙに沿って延びている。翼２は、制御ピボット６（または先端ピボット）の半径方向外側端部（または翼頂部）および案内ピボット８（または底部ピボット）の半径方向内側端部（または翼付け根）で終端する、エアフォイル４の形状である。

主軸Ｙ−Ｙを中心とする可変ピッチ翼２の制御ピボット６は、ターボ機械の環状ステータケーシング１０を貫通しており、制御部材と協働して翼のピッチを変える。より正確には、各翼２の制御ピボット６は、ステータケーシング１０の外側に半径方向に突出し、頭部１２で終端している。頭部１２は制御ロッド１４の一端を頭部に結合し、ロッドの他端はターボ機械の長手軸Ｘ−Ｘを中心とする制御リング１６と協働する。

ロッド１４と制御リング１６とは、翼のピッチを制御するための部材を形成している。ターボ機械の長手軸Ｘ−Ｘ回りに制御リング１６を回転させることは、制御ロッド１４を回転させ、したがって高圧圧縮機の所定ステージでの全可変ピッチ翼２のピッチを同時に変化させるのに役立つ。

主軸Ｙ−Ｙを中心とする可変ピッチ翼２の案内ピボット８は、中空のブッシュ１８の内側で回転するためのものである。

各ブッシュ１８は、ターボ機械の高圧圧縮機の内側リング２２に形成された凹部２０内に取り付けられ、リングはターボ機械の長手軸Ｘ−Ｘを中心とし、ブッシュと凹部とは実質的に相補的な形状である。

さらに、フェルールを形成する追加のブッシュ（図示せず）を翼２の各案内ピボット８の周りにしっかりと取り付けることができる。例えばほぼ円筒形のこのような追加のブッシュは、翼案内ピボットとブッシュとの間に置かれる。これは、ブッシュの早期の磨耗を回避するよう働く。

図２に示されるとおり、ブッシュ１８は翼の案内ピボット８を受け入れる、長手軸Ｚ−Ｚを有するほぼ管状の本体２４を備える。

本発明によれば、ブッシュ１８の管状本体２４は、一端に第１の円錐カラー（または肩部）２６を備え、他端に第２の円錐カラー２８を備え、各円錐面は、相互に対向して配置された第１および第２のカラーによって画定されている。

したがって、円錐カラー２６、２８は、その長手軸Ｚ−Ｚに対して管状本体２４から半径方向外側に突出している。円錐カラー２６、２８は、ほぼ同一の平均直径ｄを示し、それらの間の平均の長手方向高さはｈで示されている。

上記で説明したとおり、ブッシュ１８が取り付けられる凹部２０は、ブッシュに対して実質的に相補的な形状であり、すなわちブッシュの管状本体２４を貫通するための中心孔と、それに接してブッシュの円錐カラーを支持する２つの円錐面とを備える。

本発明のブッシュ１８と、ブッシュが取り付けられる内側リング２２とは、熱膨張係数の異なる材料で作製することができる。例として、ブッシュをスチールで製作し、内側リングをアルミニウムで製作することもできる。

ブッシュ１８をリングの凹部に取り付けることを可能にするために、ブッシュの管状本体２４と円錐カラーのうちの一方とは、図１および図２に示されるように２つの別個の部品の形態であってもよい（これらの図では、別個のカラーとは第２カラー２８である）。このような状態において、ブッシュの管状本体２４がその凹部内に取り付けられると、カラーは管状本体の周りの所定の位置に置かれ、その後任意の適切な手段（圧着、溶接、ボルト締めなど）によって管状本体に固定される。

第１カラー２６および第２カラー２８によってそれぞれ画定された円錐面の傾斜角度は、ほぼ同一である。この傾斜角度は、ブッシュの管状本体を横切って延びる平面に対して（すなわち、その長手軸に垂直な平面に対して）測定され、有利には３０°から６０°の範囲にあり、好ましくは４５°である。

図３Ａおよび図３Ｂは、ブッシュのカラーによって画定された円錐面の傾斜角度値を選択する理由を示している。

図３Ａの例では、ブッシュ１８のカラー２６、２８の平均直径ｄ１は、それらの間の長手方向距離ｈ１とほぼ同一になるように選択されている。

この選択に基づき、ブッシュ１８に対するリング２２の直径の膨張δｄ１によるあらゆるオフセット移動が、リングの高さにおける膨張δｈ１によるオフセットによって確実に補正されるためには、カラー２６、２８によって画定される円錐面の傾斜角度θ１は４５°でなければならない。

図３Ｂの例では、ブッシュ１８のカラー２６、２８の平均直径ｄ２は、それらの間の長手方向距離ｈ２よりも大きくなるように選択される。

この結果、ブッシュ１８に対するリング２２の直径の膨張δｄ２によるあらゆるオフセット移動が、リングの高さにおける膨張δｈ２によるオフセット移動によって確実に補正されるためには、カラー２６、２８によって画定される円錐面の傾斜角度θ２は４５°未満でなければならない。

したがって、ブッシュのカラーによって画定される円錐面の傾斜角度に対して選択される値は、ブッシュのカラーの平均直径ｄとそれらの間の長手方向距離ｈとの間の比率に依存する。

本発明の有利な特徴によれば、ブッシュ１８はさらに、ブッシュが取り付けられるリング２２の凹部２０内でブッシュが回転するのを防ぐ手段を含む。凹部内のブッシュ用のこのような回転防止手段は、種々の方法で具体化できる。

したがって、図４に示されるこれらの手段の実施形態においては、ブッシュ１８の管状本体２４は円錐カラー２６、２８の間に突出体３０を含み、突出体３０はブッシュが取り付けられるリング内の凹部の相補的な面と協働するために、少なくとも１つのほぼ平坦な面３１を画定する。

より正確には、ブッシュ１８の管状本体２４は、長手軸Ｚ−Ｚに対して管状本体から半径方向外側に突出する４つの平らな矩形面３１を有する。これらの矩形面３１は、リングの凹部内に形成された相補的な矩形面と協働する。

図５および図６に示される回転防止手段の別の実施形態においては、円錐カラーのうちの一方（この場合第２カラー２８）は、各ブッシュの長手軸Ｚ−Ｚに沿って延びる少なくとも１つの外側突出体３２を有する。この外側突出体は、リング２２内の凹部２０でブッシュ１８が回転するのを防ぐための回転防止部材３４、３４’と協働するように働く。

ブッシュの各円錐カラーの外側突出体２２には、より詳細には、ターボ機械の長手軸に対して接線方向に延びる溝またはスロットが設けられている。ほぼ矩形の直角断面の回転防止フープ３４、３４’は、ブッシュ１８内に形成されたスロットに取り付けられる。フープ３４、３４’はブッシュがそれらの凹部内で回転するのを防ぐ。

フープを確実にブッシュに取り付けることを可能にするために、回転防止フープ３４、３４’は分割されている。したがって、図５に示す実施形態においては、回転防止フープ３４は２つの自由端の間の開放切断部３８を有する。次に、この実施形態においては、開放切断部３８がブッシュ１８のうちの１つと同一高さになり、その結果フープが外れる危険性を回避するために、フープ３４の回転を停止するための突出体４０を備える必要がある。

代替として（図６）、回転防止フープ３４’には、２つの自由端に、フープの部分よりも小さい直角断面の延長部４２を設けることができ、延長部４２は、フープがブッシュ１８に取り付けられると重なるように配置される。したがって、一旦取り付けられると、回転防止フープ３４’は開放切断部を表さない。この結果、フープの回転を停止するための突出体は何ら必要としない。さらに、開放切断部が存在しないことにより、回転防止フープの機械的強度が向上する。

図７および図８は、ブッシュがリング内のそれらの凹部で回転するのを防ぐ手段の別の実施形態を示している。

これらの実施形態においては、ブッシュ１８は、各ブッシュに対する個別の方法ではなく、ブッシュ間の相互の結合によってリング２２内の凹部で回転するのを防止される。

このようにするために、ブッシュ１８の円錐カラー２６、２８のうち１つは、隣接するブッシュの回転防止板４４、４６の対応面４８、５０と接触するほぼ平面を形成する、少なくとも１つの面４８、５０を備えた回転防止板４４、４６を含む。回転防止板４４、４６は、ブッシュの円錐カラー２６、２８と一体に形成することができる。

図７において、回転防止板４４はほぼ矩形である。同様に、図８の別の実施形態では、回転防止板４６は同じようにほぼ矩形であるが、隣接するブッシュの平面４６の相補的なノッチ４６ｂに受け入れられるタブ４６ａも有している。ノッチに受け入れられるタブが存在することによって、平面５０の接触面積が増加し、それによって回転防止効果が増す。

図４を参照して説明されたブッシュの回転防止手段の実施形態と比較すると、板を使用することによって、ブッシュが取り付けられるリングが軽い材料（例えばアルミニウム）でできている場合にハンマリング現象を回避するという利点を示す。回転防止板があるために、ブッシュはリングには負荷をかけない（負荷力は隣接するブッシュの板の間に加えられる）。

回転防止板を形成するのに別の形状も考えられることはいうまでもない。特に、板の重量を低減する目的で、板は形状を工夫することができる。

本発明の環境における本発明のブッシュの断面図である。 図１のブッシュの分解組立斜視図である。 本発明の別の実施形態を構成するブッシュの部分図である。 本発明の別の実施形態を構成するブッシュの部分図である。 回転防止手段が設けられた本発明のブッシュの斜視図である。 本発明の別の実施形態を構成する、ブッシュを備えた部分的なリングの斜視図である。 本発明の別の実施形態を構成する、ブッシュを備えた部分的なリングの斜視図である。 本発明の別の実施形態を構成する、ブッシュを備えた部分的なリングの斜視図である。 本発明の別の実施形態を構成する、ブッシュを備えた部分的なリングの斜視図である。

符号の説明

２ 可変ピッチ翼
４ エアフォイル
６ 制御ピボット
８ 案内ピボット
１０ 環状ステータケーシング
１２ 頭部
１４ 制御ロッド
１６ 制御リング
１８ 中空のブッシュ
２０ 凹部
２２ 内側リング
２４ 管状本体
２６ 第１円錐カラー
２８ 第２円錐カラー
３０、４０ 突出体
３１ 平らな矩形面
３４、３４’ 回転防止部材
３８ 開放切断部
４２ 延長部
４４、４６ 回転防止板
４６ａ タブ
４６ｂ ノッチ
４８、５０ 対応面

Claims (10)

1. ターボ機械の可変ピッチ翼用のピボットブッシュ（１８）であって、
   ブッシュ（１８）は、ターボ機械のリング（２２）内の凹部（２０）に取り付けられ、凹部の形状はブッシュの形状とほぼ相補的であり、ブッシュは、長手軸（Ｚ−Ｚ）回りにほぼ管状の本体（２４）を備え、ブッシュは、
   ブッシュの管状の本体（２４）が一端に第１円錐カラー（２６）を備え、他端に第２円錐カラー（２８）を備え、第１および第２円錐カラー（２６、２８）によって画定された円錐面が相互に対向して配置され、
   ブッシュがリング（２２）の凹部（２０）で回転するのを防ぐために、前記第１および第２円錐カラー（２６、２８）のうちの一方が、回転防止フープ（３４、３４’）と協働する少なくとも１つのほぼ長手方向の外側突出体（３２）を備え、
   ブッシュの前記外側突出体（３２）が、ブッシュの長手軸（Ｚ−Ｚ）に沿って延び、かつターボ機械の長手軸（Ｘ−Ｘ）に対して接線方向に延びる溝またはスロットが設けられ、前記回転防止フープ（３４、３４’）が、前記溝内に取り付けられたことを特徴とする、ピボットブッシュ。
2. 第１円錐カラー（２６）によって画定される円錐面の傾斜角度が、第２円錐カラー（２８）によって画定される円錐面の傾斜角度とほぼ同一である、請求項１に記載のブッシュ。
3. 第１および第２円錐カラー（２６、２８）によって画定された円錐面の傾斜角度（θ１、θ２）が３０°から６０°の範囲にある、請求項２に記載のブッシュ。
4. 第１および第２円錐カラー（２６、２８）によって画定された円錐面の傾斜角度（θ１）が４５°である、請求項３に記載のブッシュ。
5. 第１および第２円錐カラー（２６、２８）の平均直径（ｄ）が、それらの間の長手方向距離（ｈ）とほぼ同一である、請求項４に記載のブッシュ。
6. ブッシュが、ブッシュが取り付けられるリング（２２）の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料からできている、請求項１から５のいずれか一項に記載のブッシュ。
7. 管状本体（２４）と第１および第２円錐カラー（２６、２８）のうちの一方とが、２つの別個の部品である、請求項１から６のいずれか一項に記載のブッシュ。
8. それぞれが可変ピッチ翼（２）の案内ピボット（８）を受け入れる複数の凹部（２０）を含んだターボ機械リング（２２）であって、
   リングが、請求項１から７のいずれか一項に記載の複数のブッシュ（１８）をさらに含み、それぞれのブッシュが前記凹部の１つ１つの中に取り付けられていることを特徴とする、ターボ機械リング。
9. 請求項８に記載の少なくとも１つのリング（２２）を含むターボ機械圧縮機。
10. 請求項８に記載の少なくとも１つのリング（２２）を含むターボ機械。

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