JP5208356B2 - 可変キャンバ及びスタッガ翼形部及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変キャンバ及びスタッガ翼形部を作り出す機械的方法に関する。

発電用途の場合、始動時間、送電需要応答時間及び維持率を制限することにより、電力需要が低下した時にガスタービンを停止するよりもその出力を低下させる方がしばしば有利であるような状況が生じる。産業用軸流ガスタービンは、圧縮機に入る空気流量を入口ガイドベーンで制御することによって出力レベルを調整する。

従来型の「入口ガイドベーン（ＩＧＶ）」は、軸流圧縮機の前方に設置された単一段の関節動作式翼形部（半径方向軸線の周りでの）である。ＩＧＶ翼弦が流入空気流と整列した、すなわち平行になった時に、最大空気流量が発生する。この流量は、ＩＧＶスタッガ角を空気力学的により閉鎖位置に回転させるにつれて減少する。開示の目的で、スタッガ角（Θ_{Ｓｔａｇｇｅｒ}）は、空気流速度ベクトルと相互結合した翼形部の前縁及び後縁を翼弦方向に接続した直線との間の角度として定義する。ＩＧＶの動作は、単純ではあるが空気力学的に効率が悪い。この点について、産業用ガスタービンは、全出力において最も効率的に運転されるように設計される。流入空気流を制限することによって出力レベルが低下するにつれて、効率もまた低下する。この効率損失は、従来型のＩＧＶ構成に関連した空気力学的非効率性に起因する。

従来型の可変形態圧縮機翼形部は、スタッガのみの変化又はキャンバのみの変化のいずれかに限定されている。この点に関しては、特許文献１及び特許文献２を参照されたい。このように、従来型の可変形態圧縮機翼形部は、可変キャンバ制御及び可変スタッガ制御の両方は備えていない。
米国特許第５３１４３０１号 米国特許第４９９５７８６号

本発明は、可変スタッガ及びキャンバ入口ガイドベーン翼形部構成による空気力学的最適空気流によって、出力ターンダウン運転効率を向上させる。

従って、本発明は、ガスタービンエンジン用の圧縮機ステータベーンとして具体化することができ、本圧縮機ステータベーンは、その各々が、ガスタービン圧縮機の外径ケース壁を貫通して延びるシャフト状部分を有し、共通の半径方向に向いた軸線の周りで関節動作するように取付けられた前縁部品及び後縁部品と、回転軸線に関して前縁部品を回転させることによって入口空気流ベクトルに対する該前縁部品の角度を選択的に変えるためのストラット歯車と、回転軸線の周りで後縁部品を選択的に回転させて空気流ベクトルに対する該後縁部品の角度を変えるためのフラップ歯車とを含む。本発明の実施形態では、それぞれの歯車によって駆動させて前縁部品及び後縁部品を位置決めするようになった段付き同期リングが設けられる。

本発明はまた、圧縮機ステータベーンのスタッガ角及びキャンバ角を変える方法として具体化することができ、本方法は、翼形部を準備する段階を含み、該翼形部は、その各々が、ガスタービン圧縮機の外径ケース壁を貫通して延びるシャフト状部分を有し、共通の半径方向に向いた軸線の周りで関節動作するように取付けられた前縁部品及び後縁部品と、回転軸線に関して前縁部品を回転させることによって、入口空気流ベクトルに対する該前縁部品の角度を選択的に変えるためのストラット歯車と、回転軸線の周りで後縁部品を選択的に回転させて空気流ベクトルに対する該後縁部品の角度を変えるためのフラップ歯車とを含み、本方法はさらに、ストラット歯車及びフラップ歯車を駆動して翼形部のスタッガ角及びキャンバ角を決定する段階を含む。例示的な実施形態では、それぞれの歯車によって駆動させて前縁部品及び後縁部品を位置決めするようになった段付き同期リングが設けられ、本方法はさらに、段付き同期リングを回転させてストラット歯車及びフラップ歯車を駆動する段階を含む。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面に関連して行った本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解されるであろう。

図１を参照すると、また上述したように、スタッガ角Θ_{Ｓｔａｇｇｅｒ}は、空気流速度ベクトルと相互結合した翼形部の前縁及び後縁を翼弦方向に接続した直線との間の角度として定義される。キャンバ（Θ_{Ｃａｍｂｅｒ}）は、前縁部品１２と後縁部品１４との間の角度として定義される。

本発明は、可変スタッガ及びキャンバ翼形部１０を利用することによって、軸流タービンにおける空気力学的に効率の良い空気流制御を提供する。本発明の例示的な実施形態では、これは、その各々が共通の半径方向に向いた軸線１６の周りで関節運動するように取付けられた、以下においてストラットと呼ぶ前縁部品１２と以下においてフラップと呼ぶ後縁部品１４とを含む２部品型翼形部を設けることによって達成される。

図２に示すように、本発明の例示的な実施形態では、ストラット及びフラップは、相互連結ヒンジ１８を形成する。ストラット１２及びフラップ１４は、翼形部の半径方向端部に設置され、この実施形態では段付き同期リング２４によって駆動されるストラット歯車２０及びフラップ歯車２２によって位置決めされる。

段付き同期リング２４は、エンジン中心線４２の周りで回転する完全フープ構造体である。より具体的には、図２、図４及び図５を参照すると、本発明の実施形態では、従来型のリングは、半径方向にオフセットし（図４）かつ軸方向に段付きにした（図２）第２の歯列が加えられた点で変更されている。同期リング上の２列の歯は、ストラット歯車及びフラップ歯車と噛み合う。リングは、一般的にはＩＧＶ歯車の後方に配置され、従ってこのリングの前向き面は、ＩＧＶ歯車の各々と順次に噛み合う歯を有する（図４及び図５）。以前の産業用タービン装置では、リングは、ＩＧＶ上の単一の歯車と噛み合い、従ってその前向き面上にただ１列のみの噛み合い歯を備えていた。同期リングをＩＧＶ歯車の前方に配置した場合には、リングの歯は、前面上ではなく後面上に設けることになることに注目されたい。

図５に示すように、リングの回転運動は、ピボット結合４６を介してリングに結合された直線作動装置４４によって制御される。リングは、該リングに接触する、圧縮機ケーシング上の精密許容差の隆起部（図示せず）によって圧縮機ケーシングの周りに半径方向に配置される。同期リングが作動すると、同期リングはエンジン中心線４２の周りで回転し、これは次に、同一の移動距離だけストラット歯車及びフラップ歯車の両方を回転させる。ストラット歯車及びフラップ歯車は異なる半径になっているので、これら歯車は異なる角度だけ回転することになる。

フラップ１４は、内径ケース壁２８に係合するフラップ内径ボタン２６と、外径ケース壁３２に係合するフラップ外径ボタン３０と、フラップシャフト３４と、フラップ歯車２２とを含む。図示した実施形態では、フラップシャフトは、フラップ歯車の回転運動を、フラップとフラップ歯車との間に固定配置されたフラップ外径ボタンを介してフラップに伝達する。他方、ストラット１２は、図２に仮想線で示すように、該ストラットのヒンジ部３８に固定されかつフラップヒンジ部材４０、フラップ外径ボタン３０、フラップシャフト３４及びフラップ歯車２２の中心穴を貫通して回転可能に配置された半径方向に延びるシャフト構造体３６によってストラット歯車２０に相互結合される。

図２の概略図では、フラップ１４は、それぞれの内径及び外径ボタン２６、３０を介して内径及び外径ケースセグメント２８、３２に接触し、それにより必要な軸方向及び接線方向の位置的制約を与えられる翼形部部品である。ストラット翼形部は、相互連結ヒンジ１８及びストラットシャフト３６によってフラップに結合される。しかしながら、必要又は望ましいと思われる場合には、ストラットは、制約形状部を含むこともできる。そのような構成では、次にフラップは、相互連結ヒンジ及びフラップシャフトによってストラットに結合されることになる。従って、図示したシャフト及びヒンジ構成は、ストラットとフラップとを逆にすることができることを理解されたい。共通の半径方向の回転軸線に対してフラップ及びストラットを結合する相互連結ヒンジ部３８、４０は、荷重支持能力を与え、最大の耐久性をもたらし、また空気漏れを最少にするような寸法にするのが有利である。

上述したように、段付き同期リング２４は、従来型のリングの改良として形成することができる。現行の同期リングは、従来型のＩＧＶ装置の１つの歯車のみと噛み合うが、本発明の実施形態において提供した段付き同期リングは、ストラット歯車及びフラップ歯車の両方と噛み合う。フラップ歯車及びストラット歯車の半径は、作動システムによって同期リングを接線方向にステップ作動させたときのスタッガ及びキャンバ関係を決定する。

従って、図３を参照すると、

であって、ここで、Ｒ_{Ｓｔｒｕｔ}はストラット歯車の半径寸法であり、またＤ_Ｓｙｎｃは同期リングの円運動の円弧長である。

同様に、

であって、ここで、Ｒ_Ｆｌａｐはフラップ歯車の半径寸法であり、またＤ_ｓｙｎｃは、この場合もまた同期リングの円運動の円弧長である。

図１を参照すると、スタッガ角及びキャンバ角は、ストラット及びフラップの配向から次式のように決定することができる。

ここで、Ｘ_ａ、Ｙ_ａは前縁部品の先端の座標であり、Ｘ_ｂ、Ｙ_ｂは後縁部品の先端の座標であり、Ｃ_Ｆｌａｐは後縁部品の長さであり、またＣ_{Ｓｔｒｕｔ}は前縁部品の長さである。

本発明を具体化した可変スタッガ及びキャンバ入口ガイドベーン空気流構成は、空気力学的損失を低下させた出力ターンダウン運転、圧縮機運転性の向上、共通の関節運動軸線での動作の単純性、及び最終的に従来型の作動システムに対して小さな変更しか必要としないことを含む大きな利点をもたらす。

本発明を現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また、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。

本発明を具体化した２部品型可変スタッガ及びキャンバ翼形部の概略図。 本発明を具体化した可変スタッガ及びキャンバ入口ガイドベーンの接線方向概略図。 可変スタッガ及びキャンバ翼形部の幾何学的関係を示す、図１と同様な概略図。 図２に示す可変スタッガ及びキャンバ入口ガイドベーンの軸方向概略図。 前方から見た、段付き同期リングの軸方向概略図。

符号の説明

１０ 可変スタッガ及びキャンバ翼形部
１２ 前縁部品
１４ 後縁部品
１６ 共通の半径方向軸線
１８ 相互連結ヒンジ
２０ ストラット歯車
２２ フラップ歯車
２４ 段付き同期リング
２６ フラップ内径ボタン
２８ 内径ケース壁
３０ フラップ外径ボタン
３２ 外径ケース壁
３４ フラップシャフト
３６ ストラットシャフト
４２ エンジン中心線
４４ 直線作動装置

Claims (11)

1. ガスタービンエンジン用の圧縮機ステータベーンであって、
   その各々が、前記ガスタービン圧縮機の外径ケース壁（３２）を貫通して延びるシャフト状部分（３６、３４）を有し、共通の半径方向に向いた軸線（１６）の周りで関節動作するように取付けられた前縁部品（１２）及び後縁部品（１４）と、
   前記回転軸線に関して前記前縁部品を回転させることによって、入口空気流ベクトルに対する該前縁部品の角度を選択的に変えるためのストラット歯車（２０）と、
   前記回転軸線の周りで前記後縁部品を選択的に回転させて前記空気流ベクトルに対する該後縁部品の角度を変えるためのフラップ歯車（２２）と、
   前記フラップ歯車（２２）及びストラット歯車（２０）が異なる半径を有し、それによってスタッガ対キャンバの幾何学的関係を決定し、
   前記ストラット歯車（２０）及びフラップ歯車（２２）それぞれを駆動させることによって、前記前縁部品（１２）及び後縁部品（１４）をそれぞれ位置決めする段を有する段付き同期リング（２４）と
   を含む圧縮機ステータベーン。
2. 前記段付き同期リング（２４）が、エンジン中心線（４２）の周りで回転する完全フープ構造体である、請求項１記載の圧縮機ステータベーン。
3. スタッガ角が、次式に従って決定され、
   ここで、Ｘ_a、Ｙ_aは前記前縁部品の先端の座標であり、またＸ_b、Ｙ_bは前記後縁部品の先端の座標である、
   請求項１又は請求項２記載の圧縮機ステータベーン。
4. キャンバ角が、次式に従って決定され、
   ここで、Ｘ_a、Ｙ_aは前記前縁部品の先端の座標であり、Ｘ_b、Ｙ_bは前記後縁部品の先端の座標であり、Ｃ_Flapは前記後縁部品の長さであり、またＣ_Strutは前記前縁部品の長さである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の圧縮機ステータベーン。
5. 前記前縁部品（１２）のシャフト状部分（３６）が、前記後縁部品（１４）のシャフト状部分（３４）内に嵌合している、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の圧縮機ステータベーン。
6. 前記前縁部品（１２）と前記後縁部品（１４）とが、ストラットヒンジ部（３８）とフラップヒンジ部材（４０）とからなる相互連結ヒンジ（１８）を形成していて、前記後縁部品（１４）が、内径ケース壁（２８）に係合するフラップ内径ボタン（２６）と、外径ケース壁（３２）に係合するフラップ外径ボタン（３０）と、前記シャフト状部分（３４）と、フラップ歯車（２２）とを含んでおり、前記前縁部品（１２）のシャフト状部分（３６）が、前記ストラットヒンジ部（３８）に固定されているとともに、フラップヒンジ部材（４０）、フラップ外径ボタン（３０）、前記後縁部品（１４）のシャフト状部分（３４）及びフラップ歯車（２２）の中心穴を貫通してストラット歯車（２０）に相互結合されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の圧縮機ステータベーン。
7. 圧縮機ステータベーン（１０）のスタッガ角及びキャンバ角を変える方法であって、
   翼形部を準備する段階であって、前記翼形部が、
   その各々が、前記ガスタービン圧縮機の外径ケース壁（３２）を貫通して延びるシャフト状部分（３６、３４）を有し、共通の半径方向に向いた軸線（１６）の周りで関節動作するように取付けられた前縁部品（１２）及び後縁部品（１４）と、
   前記回転軸線に関して前記前縁部品を回転させることによって、入口空気流ベクトルに対する該前縁部品の角度を選択的に変えるためのストラット歯車（２０）と、
   前記回転軸線の周りで前記後縁部品を選択的に回転させて前記空気流ベクトルに対する該後縁部品の角度を変えるためのフラップ歯車（２２）と、
   前記フラップ歯車（２２）及びストラット歯車（２０）が異なる半径を有してそれによってスタッガ対キャンバの幾何学的関係を決定し、かつストラット歯車（２０）及びフラップ歯車（２２）それぞれを駆動させることによって、前記前縁部品（１２）及び後縁部品（１４）をそれぞれ位置決めする段を有する段付き同期リング（２４）と
   を含む、段階と、
   前記ストラット歯車及びフラップ歯車を駆動して前記翼形部（１０）のスタッガ角及びキャンバ角を決定する段階と
   を含む、方法。
8. 前記段付き同期リング（２４）が、エンジン中心線（４２）の周りで回転する完全フープ構造体である、請求項７記載の方法。
9. 前記スタッガ角が、次式に従って決定され、
   ここで、Ｘ_a、Ｙ_aは前記前縁部品の先端の座標であり、またＸ_b、Ｙ_bは前記後縁部品の先端の座標である、
   請求項７又は請求項８記載の方法。
10. 前記キャンバ角が、次式に従って決定され、
    ここで、Ｘ_a、Ｙ_aは前記前縁部品の先端の座標であり、Ｘ_b、Ｙ_bは前記後縁部品の先端の座標であり、Ｃ_Flapは前記後縁部品の長さであり、またＣ_Strutは前記前縁部品の長さである、
    請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
11. 前記前縁部品（１２）と前記後縁部品（１４）とが、ストラットヒンジ部（３８）とフラップヒンジ部材（４０）とからなる相互連結ヒンジ（１８）を形成していて、前記後縁部品（１４）が、内径ケース壁（２８）に係合するフラップ内径ボタン（２６）と、外径ケース壁（３２）に係合するフラップ外径ボタン（３０）と、前記シャフト状部分（３４）と、フラップ歯車（２２）とを含んでおり、前記前縁部品（１２）のシャフト状部分（３６）が、前記ストラットヒンジ部（３８）に固定されているとともに、フラップヒンジ部材（４０）、フラップ外径ボタン（３０）、前記後縁部品（１４）のシャフト状部分（３４）及びフラップ歯車（２２）の中心穴を貫通してストラット歯車（２０）に相互結合されている、請求項７乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法。