JP5126505B2 - 可変ピッチブレードの制御 - Google Patents

Description

本発明は、可変ピッチブレードの制御に関し、特に、ターボ機械圧縮機における可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置に関する。

航空機のターボ機械は従来、圧縮機、燃焼室およびタービンを備える。タービンの役割は、圧縮機を回転すると同時に、燃焼室を出る熱気から圧力エネルギの一部を引き出し、それを機械的エネルギに変換することである。

軸流圧縮機は、回転部分、ロータ、固定部分、ステータ、シュラウド、ケーシングからなり、ステータおよびケーシングは、互いに固定して取り付けられる。ロータは、可動ブレードが円周方向のアレイに取り付けられる複数のディスクの組立体からなるドラムを備える。ステータは、円周方向のアレイでケーシングまたはリングに取り付けられる複数のブレードからなる。ステータブレードと呼ばれるステータの固定ブレードの各アレイは、同期リングを形成する。可動ブレードのアレイおよび固定ブレードのアレイは、圧縮機段を形成する。

圧縮機において、速度に左右されるターボ機械の効率およびサージマージンを最適化するために、ステータブレードの１つまたは複数のアレイは、可変ピッチを有してもよく、すなわちこれらのブレードの迎え角は、飛行状態に応じて変化する。

可変ピッチブレードのピボットを制御するための既知の装置は、ターボ機械のケーシングの周囲に制御リングと、複数のレバーまたはリンクロッドと、を備えることがよくある。各レバーは、一方では、その回転軸がターボ機械の旋回軸に対して半径方向に向けられるブレードに固定して取り付けられるピボットに強固に装着される第１の端部と、他方では制御リングに連結される第２の端部と、を備える。ブレードの角度位置の同期調整は、ターボ機械の軸を中心にして制御リングを回転することによって得られる。そのようなシステムが、参考文献のＵＳ５０２４５８０の図１に示されている。

ブレードのピボットは、ケーシングに通常形成され、ターボ機械の軸に対して半径方向に向けられる孔に配置される。ピッチを変化させるために、制御リング、レバーおよびピボットの移動は、これらの部品の接触領域を損傷にさらし、この損傷はターボ機械の振動によってさらに悪化される。部品の機械的強度、その結果として耐用年数に悪影響を及ぼすピーニングの圧力のために、最も著しい摩耗は、ピボットと孔との間で認められる。さらに、ブレードのピッチにおける精度の部分損失または全損失は、ターボ機械の正確な動作、および特にその効率に悪影響を及ぼす。

ピボットと孔との間の摩耗を削減するために、これらの部品の間に、軸受およびドライ潤滑の役割を果たす１つまたは複数の円筒ブシュを挿入することが既知の慣例である。円筒ブシュの例は、参考文献のＥＰ１５００７９１の種々の図面に示されている。これらの円筒ブシュに関して用いられる材料は一般に、２つの族、すなわち有機系および無機系に由来する。温度条件が可能である場合、すなわち約３００度未満である場合には、有機材料が通常用いられる。このほかに、無機材料が好ましい。

これらの円筒ブシュの効率を改善するためには、材料またはコーティングの観点から種々の解決策が提案されており、特に参考文献のＥＰ１５８４８２７、ＵＳ２００５０２３２７５７およびＵＳ２００６００２９４９４に記載されている。しかし、これらの解決策は全て、耐久性が限られている。したがって、これらの円筒ブシュを定期的に交換することが必要であり、これには、ターボ機械を取り外す困難な作業を伴う。航空機の分野では、ターボ機械を取り外すことなく、４００００時間を超える飛行時間という方針が、航空会社によって必要とされる。そのような耐用年数は、技術的に実現が困難であり、複雑で費用のかかる構成を必要とする。

また、１つの自在軸受を用いて、ブレードピボットを案内することは、参考文献のＧＢ８２５５４７、ＦＲ１３２５２６１およびＵＳ３４７１１２６から知られている慣例である。しかし、１つのブレードピボットの使用は、耐用年数および機械的摩耗の削減を十分に最適化しない。
米国特許第５０２４５８０号明細書 欧州特許第１５００７９１号明細書 欧州特許第１５８４８２７号明細書 米国特許第２００５０２３２７５７号明細書 米国特許第２００６００２９４９４号明細書 英国特許第８２５５４７号明細書 仏国特許第１３２５２６１号明細書 米国特許第３４７１１２６号明細書

本発明の目的は、向上した耐用年数を有する可変ピッチブレードのピボットを制御し、接触領域に加えられる負荷の削減を可能にするための装置を提供することである。

本発明の別の目的は、ピボットと孔との間の漏れを削減することである。これらの漏れは、ターボ機械の総効率を低減し、圧縮機の外側に位置している調整手段に損傷を及ぼす可能性さえある。

したがって、本発明は、特に、制御レバーと、下端部および上端部を備え、上記上端部が制御レバーに連結されているピボットと、を備える可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置に関する。本発明によれば、この装置は、２つの自在軸受を備え、第１の自在軸受がピボットの下端部に配置され、第２の自在軸受がピボットの上端部に配置されている。

本発明はまた、回転軸（Ｙ）を有するケーシングを備え、上記回転軸（Ｙ）に対して垂直方向に向けられたラジアル軸（Ｘ）に沿って構成される少なくとも１つの孔を備えるステータに関する。本発明によれば、このステータはまた、
少なくとも１つのブレード‐ピボット制御装置と、
ケーシングの内側に配置されたラジアル軸（Ｘ）に沿って向けられる少なくとも１つのブレードと、を備え、上記ブレードは上記ピボットの下端部を介してピボットに固定して取り付けられており、
自在軸受が孔の内側に配置されている。

本発明はまた、そのようなステータを備える圧縮機および上記圧縮機を備えるターボ機械に関する。

好都合なことに、本発明によって提案された装置は、接触領域に加えられる負荷を実質的に削減可能である。次に、摩耗に耐えることができるより広範囲な材料を用いることを考えることも可能となる。

本発明の他の利点および特徴は、非限定例として提供される添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読めば、明白となるであろう。

図１は、ターボ機械ケーシングの回転軸（Ｙ）に対して半径方向に向けられる軸（Ｘ）に沿ってブレード１のピッチを制御するための装置を示す。ピボット３は、ブレード１の延長部に位置し、同一の軸（Ｘ）に沿って向けられる。ブレード１およびピボット３は、プレート１１によって分離され、ケーシング５の外装（ｆａｃｉｎｇ）５１に配置され、そばに位置している空気力学的流れの一部を再構成してもよい。

下端部３１および上端部３２を備えるピボット３は、下端部４１および上端部４２を備え通常ケーシング５に構成される孔４の中に配置される。したがって、孔４は、その端部４１および４２のそれぞれに、外装４４、すなわち、各自在軸受７を受け入れるように設計された円筒ハウジングを備えてもよい。孔４における自在軸受７の取り付けは、焼嵌め、溶接、ろう接または任意の他の等価な方法によって実行されてもよい。好ましくは、自在軸受７は、ブレード１の装着前に取り付けられる。

ターボ機械の分野において、回転部品との関連で、それぞれ「外」および「内」の代わりに、「上」および「下」を用いることが一般的である。

制御レバー２の第１の端部２１にピボット３を確実に連結するために、ピボット３は、その第２の端部３２に、ナット３４およびワッシャ３５と相互作用するように設計されたネジ棒３３を備える。制御レバー２の第２の端部２２は、制御リング（図示せず）に連結される。第２のワッシャ６もまた、制御レバー２と孔４の第２の上端部４２との間に配置されてもよい。ピボット３と制御レバー２との間の他の連結手段は、結局のところ、本発明の原理を妥協することなく考えられることができる。軸（Ｘ）に沿ったピボット３の回転は、ブレード１のピッチを変更することを可能にする。

本発明によれば、装置は、２つの自在軸受７を備え、第１の自在軸受７は、ピボット３の下端部３１に配置され、第２の自在軸受７は、ピボット３の上端部３２に配置される。

自在軸受７は、図２にさらに詳細に示されている。自在軸受７は、円筒内面７１ｉおよび外球面７１ｅを備える内レース７１と、内球面７２ｉおよび円筒外面７２ｅを備える外レース７２と、を備える。レース７１および７２は、球状接触面７１ｅおよび７２ｉのおかげで、自在連結部を形成し、これは球状連結部とも呼ばれ、すなわち、３つの異なる軸に沿って３つの回転移動を可能にする連結部である。ピボット３は、自在軸受７を横切り、内レース７１の円筒内面７１ｉと接触状態にある。自在軸受７は、軸（Ｘ）に沿った回転においてピボット３を案内する。自在軸受７は、例えばポリイミドなどの有機材料で構成されてもよく、または金属またはセラミック材料から構成されてもよい。

本質的ではないが、自在軸受７の内レース７１およびピボット３は、互いに対する回転を防止されてもよい。この回転阻止は、種々の方法で獲得されてもよい。図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って構成される断面は、いくつかの実施例３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄおよび３Ｅによって、自在軸受７とピボットとの間の連結部を示す。

図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃにおいて示される第１の実施例によれば、回転阻止は、ピボット３がその外面に少なくとも１つの平坦部３６を備え、内レース７１の内側形状が合致する形状であるという事実によって獲得される。

図３Ｂおよび図３Ｅにおいて示される第２の実施例によれば、回転阻止は、ピボット３がほぞ形状３７を有するという事実と、内レース７１の内面がほぞ穴形状３７を有するという事実とによって獲得される。

図３Ｄにおいて示される第３の実施例によれば、回転阻止は、ピボット３および自在軸受７の内レース７１の内面が、合致する四角形の断面を有するという事実とによって獲得される。

ピボット３と自在軸受７の内レース７１の内面７１ｉとの間の振動を制限するために、減衰または接着手段７３が、これらの２つの部品の間に挿入されてもよく、例えば、ＲＴＶ（室温加硫）型のシリコーンエラストマなどのプラスチック、すなわち、低温重合されることができるシリコーンから構成されるフィルムである。この手段はまた、ピボット３における摩耗を防止することも可能である。

上記で説明された本発明に適用されることができる変形例は、自在軸受７およびケーシング５に対して正確にピボット３を位置決めするために、増大する直径の断面３９を有する端部をピボット３に備えることにある。この変形例は、図４に示されている。

装置の動作がプレート１１とケーシング外装５１との間またはプレート１１と自在軸受７の外レース７２との間との間の接触によって動きを妨げないように、十分なクリアランスが、ブレード１のプレート１１と自在軸受７との間に維持されなければならない。

１つの回転移動を可能にするピボット連結部を、３つの回転移動を可能にする自在連結部に置き換えることは、接触領域に加えられる負荷を低減することを可能にすることを、計算は示している。これらの計算は、接触時にポアソン比０．３およびヤング率２０００００Ｍｐａを有する２つの同一材料を考慮して行った。

内側シリンダ／外側シリンダの接触に対応するピボットを中心として配置される円筒ブシュの場合には、以下の値が選択された。内部シリンダ直径が１５．７２ｍｍであり、外部シリンダ直径が１５．６１２ｍｍであり、クリアランスが０．１０８である。ブレードの傾斜、すなわち与えられる空気力学的な力の作用下で、その軸（Ｘ）に対するブレードの傾きと部品との位置合わせに基づいて、１から４ｍｍにある長さにわたって、接触が行われる。極端な条件、例えば、そのような装置を取り付けた航空機の離陸時において、円筒ブシュの位置合わせに基づき、接触圧力は８４Ｍｐａから１６７Ｍｐａまで変化するということが計算によって分かった。

わずかに改変した孔において、円筒ブシュを、その内径が７．９４ｍｍであり、その外径が１４．２７ｍｍである内レースと、その外径が１９．０５ｍｍである外レースで、２つのレースの間のクリアランスが０．０１８ｍｍである自在軸受に置き換えることは、同一の動作条件において、接触圧力が４０Ｍｐａであることが計算によって分かった。したがって、本発明のおかげで、試験下で観察された最小の好ましい条件の大きさの少なくとも半分、場合によっては４分の１である接触圧力が獲得される。

本発明による自在軸受７を用いた可変ピッチブレードを制御するための装置において、漏れは、円筒ブシュを用いた可変ピッチブレードを制御するための装置より小さい。これは、自在軸受７の内レース７１と外レース７２との間のクリアランスがきわめて小さいという事実によって説明される。したがって、本発明はまた、ピボットと孔との間の漏れを削減することを可能にする。その結果、ターボ機械の効率が向上される。

本発明の別の目的はまた、
回転軸（Ｙ）を備え、上記軸（Ｙ）に対して垂直に向けられたラジアル軸（Ｘ）に沿って構成される少なくとも１つの孔４を備えるケーシング５と、
可変ピッチブレードのピボットを制御するための少なくとも１つの装置と、
ケーシング５の内側に配置され、ラジアル軸（Ｘ）に沿って向けられた少なくとも１つのブレード１と、を備え、上記ブレード１は上記ピボット３の下端部３２を介してピボット３に固定して取り付けられており、
自在軸受７が孔４の内側に配置されているステータに関する。

本発明はまた、そのようなステータを備える圧縮機９１および図５に示されるようにそのような圧縮機９１を備えるターボ機械９に関する。

本発明による可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置を示す。 自在軸受を示す。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って構成される断面を示し、自在軸受と一変形例によるピボットとの間の連結部を詳細に示す。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って構成される断面を示し、自在軸受と一変形例によるピボットとの間の連結部を詳細に示す。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って構成される断面を示し、自在軸受と一変形例によるピボットとの間の連結部を詳細に示す。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って構成される断面を示し、自在軸受と一変形例によるピボットとの間の連結部を詳細に示す。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って構成される断面を示し、自在軸受と一変形例によるピボットとの間の連結部を詳細に示す。 本発明による可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置の変形例の詳細を示す。 ターボ機械を示す。

符号の説明

１ ブレード
２ 制御レバー
３ ピボット
４ 孔
５ ケーシング
６、３５ ワッシャ
７ 自在軸受
９ ターボ機械
１１ プレート
２１、２２ 制御レバーの端部
３１ ピボットの下端部
３２ ピボットの上端部
３３ ネジ棒
３４ ナット
３６ ピボットの外面における平坦部
３７ ほぞ穴
３９ ピボットの増大する直径の断面
４１、４２ 孔の端部
４４ 孔の外装
５１ ケーシングの外装
７１、７２ 内レース
７１ｅ 外球面
７１ｉ 円筒内面
７２ｅ 円筒外球面
７２ｉ 内球面
７３ 防振または接着手段
９１ 圧縮機
Ｘ ラジアル軸
Ｙ ターボ機械ケーシングの回転軸

Claims (13)

1. 可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置であって、
   制御レバーと、
   下端部および上端部を備え、前記上端部が制御レバーに連結されているブレードピボットと、を備え、
   前記装置は、２つの自在軸受を備え、第１の自在軸受がピボットの下端部に配置され、第２の自在軸受がピボットの上端部に配置されている、可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置。
2. 少なくとも１つの自在軸受は、自在連結部を形成する内レースおよび外レースを備える、請求項１に記載の可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置。
3. 自在軸受の内レースおよびピボットが、互いに対する回転を防止される、請求項２に記載の可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置。
4. ピボットは、その外面に少なくとも１つの平坦部を備え、内レースの内面は、合致する形状を備える、請求項３に記載の可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置。
5. ピボットは、ほぞ形状を有し、内レースの内面は、ほぞ穴形状を有する、請求項３に記載の可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置。
6. ピボットおよび自在軸受の内レースは、合致する正方形状の断面を有する、請求項３に記載の可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置。
7. プラスチックフィルムが、ピボットと自在軸受の内レースの内面との間に挿入される、請求項３から６のいずれか一項に記載の可変ピッチブレードのピボットを制御するための装置。
8. 回転軸を有するケーシングを備え、前記回転軸に対して垂直方向に向けられたラジアル軸に沿って構成される少なくとも１つの孔を備えるステータであって、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の少なくとも１つの制御装置と、
   ケーシングの内側に配置されたラジアル軸に沿って向けられる少なくとも１つのブレードと、を備え、前記ブレードはピボットの下端部を介して前記ピボットに固定して取り付けられており、
   自在軸受が孔の内側に配置されている、ステータ。
9. 孔が、自在軸受を受け入れるように設計された少なくとも１つの外装を備える、請求項８に記載のステータ。
10. 孔における自在軸受の取り付けが、焼嵌め、溶接またはろう接によって実行されてもよい、請求項８または９に記載のステータ。
11. ピボットの下端部が、増大する直径を有する、請求項８から１０のいずれか一項に記載のステータ。
12. 請求項８から１１のいずれか一項に記載のステータを備える、圧縮機。
13. 請求項１２に記載の圧縮機を備える、ターボ機械。

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