JP5642366B2 - ステータリングの構成 - Google Patents

Description

本発明は広義にはガスタービンエンジンに関し、具体的にはガスタービンエンジンで使用する固有のステータリング構成に関する。

幾つかの公知の圧縮機は、複数のステータ静翼を有するステータ静翼アセンブリを含み、ステータ静翼の各々は、隣接するロータ動翼列間に延びる翼形部を含む。幾つかの公知のステータ静翼アセンブリは複数のステータリングを含み、その各々は、圧縮機ケーシングの円周方向スロットに結合される。幾つかの公知のステータリングは、円周方向に共に結合された複数のセグメントを含む。少なくとも幾つかの公知のステータリングは同一のセグメントを使用する。

幾つかの公知の翼形部は、一連の固有周波数と関連付けられる。より具体的には、ステータの数と圧縮機の回転速度の組合せは、振動応力を含む可能性のあるロータ動翼の固有周波数と一致する場合がある。固有周波数の回避を可能にするため、すなわち振動応力を低減するためには、幾つかの公知のガスタービンエンジンは、不均一静翼間隔（ＮＵＶＳ；non-uniform vane spacing）を導入する。しかしながら、ＮＵＶＳステータリング及び個々のセグメントの様々な構成は、アセンブリの特定の配列を必要とする。不適切なステータリングアセンブリは、高い応力及び／又は回転翼形部の故障を生じる可能性があり、そのいずれもが、最終的には強制運転停止につながる可能性がある。従って、ＮＵＶＳを組み込むことにより得られる利点は、ステータ静翼アセンブリを誤って組み立てることによって削減され、又は完全に失われる場合がある。

ＮＵＶＳステータ静翼アセンブリの適切な組み立てを可能にするために、幾つかの公知のステータリングは、ステータリング当たりにより多くのセグメントを組み込み、或いは、ステータリング外側直径内に整合スロットを圧縮機ケーシング内のピンと共に組み込む。しかしながら、これらの公知の実施形態を単独で導入しても、ステータ静翼アセンブリの組み立てに有効なＭｕｒｐｈｙプルーフを施すにことにはならない。本出願で使用される場合、Ｍｕｒｐｈｙプルーフは、誤り、誤用、又は故障の可能性を低減するためにデバイスを修正することを意味するものとして定義される。

本発明は、前の実施形態とは関係のない組立プロセスをＭｕｒｐｈｙプルーフ可能にし、修正することなく既存のケーシングに容易に改造される固有のステータリング構成を包含する。

米国特許第４９２５３６５号明細書 米国特許第６２０００９１号明細書 米国特許第６９８４１０８号明細書 米国特許出願公開第２００８／０２８２５４１号明細書 米国特許出願公開第２００９／００４１５８０号明細書

一実施形態では、ステータリングを組み立てる方法が提供される。本方法は、第１のカット部が形成された第１の円周方向端部と、第１のカット部に相補的な第２のカット部が形成された第２の円周方向端部とを有する第１のセグメントを含む第１の複数のセグメントを提供する段階と、第３のカット部が形成された第１の円周方向端部と、第３のカット部に相補的な第４のカット部が形成された第２の円周方向端部とを有する第２のセグメントを含む第２の複数のセグメントを提供する段階と、第１の複数のセグメントを第２の複数のセグメントに円周方向に結合する段階とを含む。

別の実施形態では、圧縮機用いるステータリングが提供される。ステータリングは、第１のカット部が形成された第１の円周方向端部と、第１のカット部に相補的な第２のカット部が形成された第２の円周方向端部とを有する第１のセグメントを含み、互いに円周方向に結合するように構成された第１の複数のセグメントと、第３のカット部が形成された第１の円周方向端部と、第３のカット部に相補的な第４のカット部が形成された第２の円周方向端部とを有する第２のセグメントを含み、互いに円周方向に結合するように構成された第２の複数のセグメントとを備える。

更に別の実施形態では、ガスタービンエンジンで用いる圧縮機が提供される。圧縮機は、圧縮機ケーシングと、該圧縮機ケーシングに結合されたステータリングとを含む。ステータリングは、第１のカット部が形成された第１の円周方向端部と、第１のカット部に相補的な第２のカット部が形成された第２の円周方向端部とを有する第１のセグメントを含み、互いに円周方向に結合するように構成された第１の複数のセグメントと、第３のカット部が形成された第１の円周方向端部と、第３のカット部に相補的な第４のカット部が形成された第２の円周方向端部とを有する第２のセグメントを含み、互いに円周方向に結合するように構成された第２の複数のセグメントとを備える。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示す例示的なガスタービンエンジンの複数の段を通って定められる公知の空気流路の概略図。 図１に示す例示的なガスタービンエンジンと共に使用される不均一静翼間隔を組み込んだ公知のステータリングの概略端面図。 図１に示す例示的なガスタービンエンジンと共に使用される、円周方向端部上に十分に考慮されて定められた第１の幾何形状を組み込む第１の複数のセグメントと、円周方向端部上に十分に考慮されて定められた第２の幾何形状を組み込む第２の複数のセグメントとを含む例示的なステータリングの概略端面図。 図４に示す第１の複数のセグメントと共に使用される例示的なセグメントの斜視図。 図５に示す例示的なセグメントの平面図。 図４に示す第２の複数のセグメントと共に使用される例示的なセグメントの斜視図。 図７に示す例示的なセグメントの平面図。 図４に示す、第１の複数のセグメントを第２の複数のセグメントに結合するのに使用される第１の例示的な結合セグメントの平面図。 図４に示す、第１の複数のセグメントを第２の複数のセグメントに結合するのに使用される第２の例示的な結合セグメントの平面図。

本明細書で記載されるシステム及び方法は、円周方向端部上で十分に考慮して定められた幾何形状を含むセグメントを組み込むことによって、ステータ静翼アセンブリの適切な組み立てを可能にする。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。ガスタービンエンジン１０は、直列の軸流構成で、圧縮機１２、燃焼器１６、及びタービン２０を含む。圧縮機１２及びタービン２０は結合されてシャフト２４を駆動する。

運転中、エンジン１０の上流側の空気２８は圧縮機１２に流入し、該圧縮機１２が空気を加圧する。加圧された空気は燃焼器アセンブリ１６に送られ、該タービン２０が空気流から機械的回転エネルギーを取り出して、駆動シャフト２４を回転させる。

図２は、圧縮機１２の複数の段を通って延びる公知の流路６０の概略端面図である。例示的な実施形態では、圧縮機１２は１７の圧縮機段を含む。この例示的な実施形態は、本発明をどのようにも限定することを意図するものではなく、本発明は、何らかの数の段に限定されない点に留意されたい。

圧縮機１２の各段は、ロータホイール５１に結合された複数の円周方向に離間したロータ動翼２２と、固定圧縮機ケーシング５９に結合された複数の円周方向に離間したステータ静翼２３とを含む。ステータ静翼２３は各々、隣接するロータ動翼２２の隣接する列間に延びる翼形部（符号なし）を含む。例示的な実施形態では、ロータ動翼２２は、ロータホイール５１から半径方向外向きに延びる。駆動シャフト５８はロータホイール５１に結合される。ステータ静翼２３及びロータ動翼２２は、空気流路６０内に位置付けられる。

運転中、駆動シャフト５８はロータホイール５１を駆動する。ロータ動翼２２は、ステータ静翼２３と協働して、空気流路６０に運動エネルギーを与え、これにより圧縮機１２内の空気圧を増大させることが可能となる。

図３は、ガスタービンエンジン１０内に不均一静翼間隔（ＮＵＶＳ）を組み込む公知のステータ静翼アセンブリ４０の概略端面図である。圧縮機１２は、環状流路を定め、半径方向外向きに延びる複数の円周方向に離間したロータ動翼２２を有する少なくとも１つのロータホイール５１を含む。ステータ静翼アセンブリ４０は、ロータホイール５１に隣接し且つこれから下流側にある。例示的な実施形態では、ステータ静翼アセンブリ４０は、線Ｂ−Ｂに沿って分割された、上半部分４２と下半部分４４とを含む。

例示的な実施形態では、上半部分４２は、円周方向に離間した３つの同じセグメント４６、４８、５０を含む。上半部分セグメント４６、４８、５０は各々、１６個の円周方向に離間したステータ静翼３４を含み、このステータ静翼３４は、円周方向に隣接したステータ静翼３４の各ペアの間に定められる実質に均一なピッチ間隔Ｓ１で配向される。

例示的な実施形態では、下半部分４４は、４つの円周方向に離間したセグメント５２、５４、５６、５８を含む。下半部分セグメント５２、５４、５６は、同一であり、各々が約４６°の半径方向円弧Ａ３を含む。例示的な実施形態では、下半部分セグメント５２、５４、５６は各々、円周方向に隣接するステータ静翼３４の各ペア間に定められる実質的に不均一なピッチ間隔Ｓ２を有する１２個の円周方向に離間したステータ静翼３４を含む。更に、例示的な実施形態では、下半部分セグメント５８は、約４２°の半径方向円弧Ａ４を含み、実質的に均一なピッチ間隔Ｓ２を有する１１個の円周方向に離間したステータ静翼３４を含む。

従って、例示的な公知の実施形態では、ステータ静翼アセンブリ４０は、合計で９５個のステータ静翼３４を含み、ピッチ間隔Ｓ１の上半部分４２と、ピッチ間隔Ｓ２の下半部分４４とを有し、各ピッチは、ステータ静翼アセンブリ４０の円周周りで円周方向に隣接するステータ静翼３４の各ペアの間に定められる。

図４〜１０は、例示的なセグメント８２、８４、８６、８８を示し、これらは、以下で詳細に説明するように、各セグメント８２、８４、８６、８８の円周方向端部上で十分に考慮して定められた幾何形状６２及び６４を含み、これによりステータリングアセンブリ８０の適切な組み立てが可能になる。

図４は、下半部分９２及び上半部分９４を含む例示的なステータリングアセンブリ８０を示し、下半部分９２及び上半部分９４は、第１の接合部及び第２の接合部９８で結合するよう構成されている。

例示的な実施形態では、下半部分９２は第１の複数のセグメント８２を含み、上半部分９４は第２の複数のセグメント８４、８６、８８を含む。第１の複数のセグメント８２はまた、複数の下半部分セグメントとも呼ばれ、第２の複数のセグメント８４、８６、８８はまた、上半部分セグメント８４、及び結合セグメント８６、８８と呼ばれる。結合セグメント８６は、接合部９６に近接して位置付けられ、結合セグメント８８は、接合部９８に近接して位置付けられる。代替の実施形態では、上半部分９４は、複数の上半部分セグメント８４及び結合セグメント８６、８８を含む。別の代替の実施形態では、下半部分９２は、少なくとも１つの下半部分セグメント８２及び結合セグメント８６を含み、上半部分９４は、少なくとも１つの上半部分セグメント８４及び結合セグメント８８を含む。この例示的な実施形態は、本発明をどのようにも限定することを意図するものではなく、本発明は、何らかの数のセグメント又はセクションに限定されない点に留意されたい。

図５及び６は、例示的な下半部分セグメント８２を示し、図７及び８は、例示的な上半部分セグメント８４を示している。下半部分セグメント８２は、第１のカット部６２ａが形成された第１の円周方向端部と、第１のカット部６２ａに相補的な第２のカット部６２ｂが形成された第２の円周方向端部とを含む。下半部分セグメント８２は、他の下半部分セグメント８２に円周方向に結合するよう構成されている。上半部分セグメント８４は、第３のカット部６４ａが形成された第１の円周方向端部と、第３のカット部６４ａに相補的な第４のカット部６４ｂが形成された第２の円周方向端部とを含む。上半部分セグメント８４は、他の上半部分セグメント８４に円周方向に結合するよう構成されている。この例示的な実施形態は、本発明をどのようにも限定することを意図するものではなく、本発明は、何らかの数の固有のカット部に限定されない点に留意されたい。

例示的な実施形態では、第１のカット部６２ａ及び第２のカット部６２ｂは実質的に同等であり、第３のカット部６４ａ及び第４のカット部６４ｂは実質的に同等である。より具体的には、例示的な実施形態では、第１のカット部６２ａ及び第２のカット部６２ｂは、下半部分セグメント８２の弓状側部６６に実質的に垂直であり、第３のカット部６４ａ及び第４のカット部６４ｂは、上半部分セグメント８４の弓状側部６６に対して傾斜している。この例示的な実施形態は、本発明をどのようにも限定することを意図するものではなく、本発明は、どのような固有のカット部にも限定されず、むしろ、直線状、角度付き、及びステップ状のカット部を含む、誤り、誤用、又は故障の可能性を低減できるあらゆるカット部を含むことができる。

図９は例示的な結合セグメント８６を示し、図１０は例示的な結合セグメント８８を示している。上述のように、結合セグメント８６、８８は、それぞれ接合部９６、９８に近接して位置付けられ、各結合セグメント８６、８８は、下半部分９２を上半部分９４に結合するよう構成されている。従って、各結合セグメント８６、８８は、下半部分セグメント８２に結合するよう構成された、第１のカット部６２ａ及び第２のカット部６２ｂの少なくとも１つと、上半部分セグメント８４に結合するよう構成された、第３のカット部６４ａ及び第４のカット部６４ｂの少なくとも１つとを含む。

例示的な実施形態では、各結合セグメント８６、８８は、垂直端部カット部６２と傾斜端部カット部６４とを含み、垂直端部カット部６２は下半部分セグメント８２に結合するよう構成され、傾斜端部カット部６４は上半部分セグメント８４に結合するよう構成される。

セグメント８２、８４、８６、８８の円周方向端部上で十分に考慮されて定められた幾何形状６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂを使用すると、円周方向端部カット部６２を有する１つのセグメントと円周方向端部カット部６４を有する別のセグメントとの取り付けが阻止されることによって、ステータリング８０を適切に組み立てることが可能になる。例えば、例示的な実施形態では、それぞれの円周方向端部カット部６２、６４が異なり、結果として目に見えるずれを生じるので、セグメント８２は、セグメント８４と互いに接触して組み合わされないことになる。

更に、十分に考慮されて定められた幾何形状６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂは、圧縮機ケーシングの物理的要件とは無関係であるので、ステータリング８０の取り付けに対応するために圧縮機ケーシングの変更は必要ではない。このような物理的要件には、限定ではないが、１セグメント当たりの静翼の数、静翼間隔、ステータリング半部分当たりのセグメント数、及びステータリング当たりのセグメント数が含まれる。従って、ケーシングを修正することなく既存のステータリングに改造を行うことができる。

本明細書に記載された固有のステータ静翼構成の方法、装置、及びシステムは、ガスタービンエンジンの運転を可能にする。より具体的には、固有のステータ静翼構成は、ステータアセンブリの組み立てを可能にする。本明細書で記載され又は例示された方法、装置、又はシステムの実施は、燃料ノズルベローズの交換にも、全体的にガスタービンエンジンにも限定されるものではない。むしろ、本明細書で記載され又は例示された方法、装置、又はシステムは、本明細書に記載の他の要素及び／又は段階とは独立して別個に利用することができる。

本明細書は、その最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、当業者が、何らかのデバイス又はシステムを実施及び利用すること、並びに包含される何らかの方法を実施することを含めて、本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定められ、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。本明細書では特定の用語が利用されているが、これらは、限定の目的ではなく、一般的及び説明的な意味でのみ用いられる。本発明の原理によれば、各図面のあらゆる特徴は、他の何れかの図面の何らかの特徴と併せて参照し及び／又は特許請求することができる。

本発明は、種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明は請求項の精神及び範囲内にある修正形態で実施することができる点は理解されるであろう。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１６ 燃焼器
２０ タービン
２２ ロータ動翼
２３ ステータ静翼
２４ 駆動シャフト
２８ 空気
３４ ステータ静翼
４０ ステータ静翼アセンブリ
４２ 上半部分
４４ 下半部分
４６， ４８， ５０ 上半部分セグメント
５１ ロータホイール
５２， ５４， ５６， ５８ 下半部分セグメント
５９ 固定圧縮機ケーシング
６０ 空気流路
６２ａ 第１のカット部
６２ｂ 第２のカット部
６４ａ 第３のカット部
６４ｂ 第４のカット部
６６ 弓状側部
８０ ステータリングアセンブリ
８２ 下半部分セグメント
８４ 上半部分セグメント
８６ 第１の結合セグメント
８８ 第２の結合セグメント
９２ 下半部分
９４ 上半部分
９６ 第１の接合部
９８ 第２の接合部

Claims (9)

1. 圧縮機で用いるステータリング（８０）であって、
   第１のカット部（６２ａ）が形成された第１の円周方向端部と、第１のカット部に相補的な第２のカット部（６２ｂ）が形成された第２の円周方向端部とを有する第１のセグメントを含み、互いに円周方向に結合するように構成された第１の複数のセグメント（８２）と、
   第３のカット部（６４ａ）が形成された第１の円周方向端部と、第３のカット部に相補的な第４のカット部（６４ｂ）が形成された第２の円周方向端部とを有する第２のセグメントを含み、互いに円周方向に結合するように構成された第２の複数のセグメント（８４）と
   を備えるステータリング（８０）であって、第１のカット部（６２ａ）、第２のカット部（６２ｂ）、第３のカット部（６４ａ）及び第４のカット部（６４ｂ）の形状が、前記ステータリング（８０）の組立をＭｕｒｐｈｙプルーフ可能にするものである、ステータリング（８０）。
2. 第１の複数のセグメント（８２）が、第３のカット部（６４ａ）及び第４のカット部（６４ｂ）の少なくとも１つが形成された第１の円周方向端部と、第２のカット部（６２ｂ）が形成された第２の円周方向端部とを有する第１の結合セグメント（８６）を更に含む、請求項１記載のステータリングアセンブリ（８０）。
3. 第１の複数のセグメント（８２）が、第１のカット部（６２ａ）が形成された第１の円周方向端部と、第３のカット部（６４ａ）及び第４のカット部（６４ｂ）の少なくとも１つが形成された第２の円周方向端部とを有する第２の結合セグメント（８８）を更に含む、請求項２記載のステータリングアセンブリ（８０）。
4. 第２の複数のセグメント（８４）が、第１のカット部（６２ａ）が形成された第１の円周方向端部と、第３のカット部（６４ａ）及び第４のカット部（６４ｂ）の少なくとも１つが形成された第２の円周方向端部とを有する第２の結合セグメント（８８）を更に含む、請求項２記載のステータリングアセンブリ（８０）。
5. 第２の複数のセグメント（８４）の各セグメントが、第３のカット部（６４ａ）が形成された第１の円周方向端部と、第４のカット部（６４ｂ）が形成された第２の円周方向端部とを含む、請求項１記載のステータリングアセンブリ（８０）。
6. 第１のカット部（６２ａ）が第２のカット部（６２ｂ）と実質的に同等である、請求項１記載のステータリングアセンブリ（８０）。
7. 第３のカット部（６４ａ）が第４のカット部（６４ｂ）と実質的に同等である、請求項１記載のステータリングアセンブリ（８０）。
8. 圧縮機ケーシング（５９）と、
   前記圧縮機ケーシングに結合された請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のステータリング（８０）と
   を備えるガスタービンエンジン（１０）で用いる圧縮機（１２）。
9. ステータリング（８０）の組立方法であって、
   第１のカット部（６２ａ）が形成された第１の円周方向端部と、第１のカット部に相補的な第２のカット部（６２ｂ）が形成された第２の円周方向端部とを有する第１のセグメントを含む第１の複数のセグメント（８２）を用意する段階と、
   第３のカット部（６４ａ）が形成された第１の円周方向端部と、第３のカット部に相補的な第４のカット部（６４ｂ）が形成された第２の円周方向端部とを有する第２のセグメントを含む第２の複数のセグメント（８４）を用意する段階と、
   第１の複数のセグメント（８２）を第２の複数のセグメント（８４）とに円周方向に結合する段階と
   を含んでいて、第１のカット部（６２ａ）、第２のカット部（６２ｂ）、第３のカット部（６４ａ）及び第４のカット部（６４ｂ）の形状が、前記ステータリング（８０）の組立をＭｕｒｐｈｙプルーフ可能にするものである、方法。
   

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