JP5736443B1

JP5736443B1 - 可変静翼機構

Info

Publication number: JP5736443B1
Application number: JP2013262426A
Authority: JP
Inventors: 拓也池口; 健太郎中山
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: EP3085967A1; CN105829732A; US20160290361A1; WO2015093243A1; US10364828B2; JP2015117657A; EP3085967A4; EP3085967B1

Abstract

【課題】耐久性に優れ、簡単な構造で低コストな軸流圧縮機の可変静翼機構を提供する。【解決手段】軸流圧縮機２の静翼２７の取付角度を調節する可変静翼機構であって、静翼２７に連結されたアーム４４と、アーム４４の一端部４４ｂに連結されて軸流圧縮機２のケーシング２４の外周に位置する回転リング４２と、回転リング４２を回転させることにより、アーム４４を介して静翼２７を回動させる駆動機５３と、ケーシング２４に取り付けられた摩擦パッド６７とを備え、回転リング４２が摩擦パッド６７に摩擦接触している。【選択図】図５

Description

本発明は、ガスタービンエンジン、ターボ冷凍機などで用いられる軸流圧縮機の静翼の取付角度を調節する可変静翼機構に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、気体を圧縮するために軸流圧縮機が用いられている。ガスタービンエンジンでは吸い込んだ空気を軸流圧縮機によって高圧に圧縮し、燃焼器へ導かれる。燃焼器で燃焼した高温高圧ガスはタービンで回転エネルギとして回収されたのちに排出される。ガスタービンの圧縮機は、エンジン起動中に旋回失速と呼ばれる不安定状態となる。このような不安定状態で、ガスタービンエンジンを長時間運転すると、エンジン始動渋滞となり、起動完了できない。

これを回避する方法として、圧縮機中間段での抽気や前方段の可変静翼機構を採用している。このうち、可変静翼機構は、１つないし２つのアクチェータによって静翼を支持するリングを駆動し、静翼の周方向に対する角度のばらつきを抑えようとするものがある（先行文献１，２）。

特開２０１３−９６３４１号特開２０１０−１８２１号

しかしながら、特許文献１，２に示される可変静翼機構の場合、静翼の取付角度を調節できるように静翼を支持するリングをローラによって移動可能に支持している。このため、構造が複雑となってコスト高であるうえ、経年劣化によるローラのへたりが発生しやすく、ローラの交換頻度が高くなる。

本発明の目的は、耐久性に優れ、簡単な構造で低コストな軸流圧縮機の可変静翼機構を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係る可変静翼機構は、軸流圧縮機の静翼の取付角度を調節する可変静翼機構であって、前記静翼に連結されたアームと、前記アームの一端部に連結されて前記軸流圧縮機のケーシングの外周に位置する回転リングと、前記回転リングを回転させることにより、前記アームを介して前記静翼を回動させる駆動機と、前記ケーシングに取り付けられた摩擦パッドとを備え、前記回転リングが前記摩擦パッドに摩擦接触する。

この構成によれば、駆動機によって回転リングが回転し、この回転リングの回転によりアームを介して静翼が回動し、静翼の取付角度が調節される。その際、前記回転リングがケーシングに取り付けた摩擦パッドに摩擦接触しているので、前記回転リングの過回転を阻止して静翼の取付角度を適正に調節できる。また、へたりやすいローラを使用せず、かつ摩擦係数の小さい摩擦パッドを使用しているので、耐久性に優れ、構造も簡単であるから、コストダウンも図れる。

本発明の可変静翼機構において、前記回転リングは横断面形状がＵ字形であり、径方向に対向する外側リング片と内側リング片との間に前記アームの一端部が挿入されており、前記両リング片を連結する連結片の径方向内端部に前記摩擦パッドに接触する接触片が形成された構成とすることができる。この構成によれば、簡単な構造で回転リングの過回転を効果的に阻止して静翼の取付角度を正確に調節できる。

本発明の可変静翼機構において、前記アームの一端部は前記回転リングに設けた球面座を介して前記回転リングに連結されていることが好ましい。この構成によれば、回転リングの回転によりアームが回動する際、アームの一端部が前記回転リングに設けた球面座を介して連結されているので、アームの回動が円滑になる。

本発明の可変静翼機構において、前記摩擦パッドと前記ケーシングとの間にシムが介挿されていることが好ましい。この構成によれば、厚みの異なるシムを使用することで摩擦パッドの高さ調整が容易に行える。

本発明の可変静翼機構において、前記摩擦パッドは締結部材により前記ケーシングに着脱自在に取り付けられており、前記回転リングにおける前記締結部材の径方向外方に対向する位置に、前記締結部材を操作する工具を挿通させる工具挿通孔が設けられていることが好ましい。この構成によれば、回転リングやアームを取り外すことなく、工具挿通孔から工具を挿入して摩擦パッドの締結部材を緩めることにより、摩擦パッドまたはシムを容易に交換できる。

本発明の可変静翼機構において、前記摩擦パッドは締結部材を緩めた状態で径方向と直交する方向に着脱自在に設定されていることが好ましい。この構成によれば、摩擦パッドを径方向と直交する方向から挿入または引き抜くことにより、ケーシングに対して容易かつ迅速に着脱できる。

本発明の可変静翼機構において、さらに、前記駆動機は単一の電動アクチュエータであり、前記ケーシングの上部に設置されていることが好ましい。この構成によれば、電動アクチュエータは一般に油圧シリンダよりも軽量で、しかもケーシングの上部に位置するので、狭い下部に位置する場合よりも、組付け・分解の作業性が良好となる。

本発明によれば、駆動機によって回転する回転リングがケーシングに取り付けた摩擦パッドに摩擦接触しているので、回転リングの過回転を阻止して静翼の取付角度を適正に調節できる。また、へたりやすいローラを使用せず、かつ摩擦係数の小さい摩擦パッドを使用しているので、耐久性に優れ、構造も簡単であるからコストダウンも図れる。

本発明の可変静翼機構を採用したガスタービンエンジンを示す一部を破断した概略側面図である。軸流圧縮機の静翼の翼列を示す周方向断面図である。図１の可変静翼機構の部分を拡大して詳細に示した縦断面図である。図３のIV−IV線断面図である。図３の要部である可変静翼機構の拡大図である。同可変静翼機構の正面図である。摩擦パッドの平面図である。（ａ）はシムを示す平面図、（ｂ）はシムの組付状態を示す平面図である。ケーシングへの回転リングの取付状態を拡大して示す側面図である。図９の平面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は可変静翼機構を採用したガスタービンエンジンを示す一部を破断した概略側面図を示す。同図において、ガスタービンエンジン１は、軸流圧縮機２で空気を圧縮して燃焼器３に導くとともに、都市ガスのようなガス燃料を、燃焼器３内に噴射して燃焼させ、その高温高圧の燃焼ガスのエネルギによりタービン４を駆動させる構成になっている。このタービン４は軸流圧縮機２を駆動するとともに、図示しない発電機を駆動する。

軸流圧縮機２は、回転軸２２の外周面に配設された多数個の動翼２３と、ケーシング２４の内周面に複数段に配設された静翼２７との組合せにより、吸気筒２８から吸入した空気Ａを圧縮して、その圧縮空気を環状に形成された車室２９に送給する。

燃焼器３は、環状の車室２９に、その周方向に沿って複数個（例えば６個）が等間隔で配設されており、車室２９内で圧縮空気が、矢印ａで示すように、先端側から流入してスワーラ３３により旋回流とされたのちに燃焼器３内の燃焼領域に導かれるとともに、矢印ｂで示すように、燃焼器３の周壁の希釈孔（図示せず）から燃焼器３内に噴射され、この燃料が圧縮空気と混合されて燃焼し、その高温高圧の燃焼ガスＧがタービン４に送られる。

軸流圧縮機２には流入空気量を調節する空気量調節機構４１が設けられている。この空気量調節機構４は、図２に示すように、静翼２７の流出角αを変更するよう、軸流圧縮機２の周方向断面における静翼２７の取付角度θを調整することにより、軸流圧縮機２の流入空気量を調節するようになっている。ここで、上記の取付角度θは、静翼２７の周方向線Ｈと翼弦Ｌ（前縁と後縁を結ぶライン）とがなす角度であり、この取付角度θを調整して流出角αが大きくなるように変更すると、空気の軸流速度が小さくなり、軸流圧縮機２への流入空気量が減少する。空気量調節機構４１は、軸流圧縮機２の最前段から４番目までの４つの静翼２７の取付角度を調整する。

つぎに、本発明の第1実施形態に係る空気量調節機構４１について、要部の縦断面図である図３、および図３のIV−IV線断面図である図４を参照しながら説明する。図３に示すように、この実施形態では、軸流圧縮機２のケーシング２４の周方向に沿って並んだ多数個の静翼２７を1段として、４段の静翼２７を連動してその取付角度θを調整するようになっている。横断面形状がＵ字形となった円環状の回転リング４２が、各段の静翼２７の配列位置に近接した位置において、ケーシング２４の外部にその周方向に沿って回転自在に設けられている。静翼２７は、その中心軸４３の先端（図３の上端）にアーム４４の基端部４４ａが嵌め込み固定されており、アーム４４の先端部である一端部４４ｂに前記回転リング４２が連結されている。

各段の回転リング４２は連動して回転されるようになっており、その機構について説明する。軸流圧縮機２の軸方向に沿ったシャフト４９が、各回転リング４２にまたがるように外側に位置して、その両端部をケーシング２４に回転自在に支持されている。このシャフト４９には4本の作動レバー５０が各回転リング４２に対向して固定されている。

図４に示すように、各作動レバー５０の自由端と回転リング４２とは、これらに両端部を回転自在に取り付けられたターンバックル５１によりそれぞれ連結されている。また、シャフト４９には、単一の駆動レバー５２の基端部が固定されており、この駆動レバー５２の自由端に、電動アクチュエータ３０が連結されている。電動アクチュエータ３０は、電動モータ５３と、これに駆動されて進退するロッド５４とを、円筒状のケース５５内に収納したものである。ケース５５がブラケット３１を介してケーシング２４の外面に支持され、ロッド５４の先端部が駆動レバー５２の自由端に回転自在に連結されている。

したがって、空気量調節機構４１の駆動源である電動モータ５３が作動して、例えばロッド５４が図４のＤ１方向に進出すると、駆動レバー５２が同図の矢印Ｑ１方向に回動してシャフト４９を回転させるので、このシャフト４９に固定されている各作動レバー５０が、同図の矢印Ｑ２方向に回動して、ターンバックル５１を介し、対応する回転リング４２を押圧するようにして回転させる。それにより、図３に示す各回転リング４２にそれぞれ連結されている各段の静翼２７が互いに連動して回動し、所定の取付角度θ(図２)に調整される。

なお、ターンバックル５１は、設置時にその長さを調整することにより、作動レバー５０の角度を調整できるようになっている。また、一つの回転リング４２に連結された１段分の静翼２７は、その取付角度θが、すべて同一角度だけ調整される。この調整角度は、段ごとに異なり、例えば、後段側の静翼２７ほど調整角度が小さくなるよう、作動レバー５０、駆動レバー５２のレバー比などが設定されている。

図５および図６により、図３の要部である可変静翼機構の詳細を説明する。図５に示すように、各静翼２７に設けられた中心軸４３の外周にコイルスプリングからなるばね体６１とその受け座６２が嵌め込まれ、その先端にアーム４４の軸孔５６が嵌め込まれ、ナットのような締結部材６３により前記アーム４４の基端部４４ａと中心軸４３とが連結されている。この状態で、ケーシング２４の外周面上の取付面２４aに対するアーム４４の傾斜がばね体６１により抑制される。

横断面形状がＵ字形である回転リング４２は、径方向（図５の上下方向）に対向する外側リング片４２ａおよび内側リング片４２ｂと、これら両リング片４２ａ，４２ｂを連結する連結片４２ｃとを有し、連結片４２ｃの径方向内端部に接触片４２ｄが下方に突出して形成されている。前記両リング片４２ａ，４２ｂの間にアーム４４の一端部４４ｂが挿入され、回転リング４２に設けた球面座６５を介して回転リング４２に連結されている。球面座６５は、径方向に中心線Ｃ１を有するボルトのような軸支持部材６８により回転リング４２に支持されている。

図６に示すように、ケーシング２４の外周面に設けた台座３５上に、ボルトのような締結部材６６により摩擦パッド６７が着脱自在に取り付けられている。摩擦パッド６７は、例えばケーシング２４の周方向に等間隔で８つ設けられ、その外面に回転リング４２の接触片４２ｄの下面である接触面が接触する。回転リング４２がステンレス鋼であるのに対し、摩擦パッド６７の表面材料は、例えば、黒鉛系の固体潤滑剤である。

図７は摩擦パッド６７の平面図を示す。同図に示すように、この摩擦パッド６７には、複数（例えば２つ）の平行な溝６９が、摩擦パッド６７の前側の一辺から中央部まで延びて形成されており、各溝６９の奥部に、締結部材６６の頭部を挿入させる凹所７０が形成されている。締結部材６６を溝６９に挿通させ、図５のケーシング２４のねじ孔７２にねじ込むことにより、摩擦パッド６７がケーシング２４上に取り付けられている。前記溝６９の存在により、締結部材６６を緩めることで、摩擦パッド６７を溝６９と平行な方向Ａ，Ｂ、つまりガスタービンエンジン１の径方向と直交する方向に移動させて、回転リング４２の下側へ挿入および引き抜きが可能である。

図８（ａ）はシム７３を示しており、同図の左側に示すように、摩擦パッド６７とほぼ同形状となっており、複数（例えば２つ）の平行な溝７４が形成されている。このシム７３を、図７の摩擦パッド６７の下側にＡ方向に差し込むことにより、図８（ｂ）のようにセットされる。このシム７３はその厚みを適宜変更することにより、摩擦パッド６７の高さ、つまり摩擦パッド６７の外面の径方向位置を任意に調整できる。前記Ａ方向およびＢ方向はガスタービンエンジン１の軸方向に合致している。

図９および図１０は、本発明の第２実施形態を示す正面図である。図９に示すように、ケーシング２４における球面座６５，６５間の位置に、摩擦パッド７３がボルトのような締結部材６６によって取り付けられている。軸支持部材６８の頭部の下側に、隣接する軸支持部材６８と一緒に回り止めを行う回り止めプレート７７が装着されている。

図１０に示すように、回転リング４２における、締結部材６６に径方向外側で対向する位置に、周方向に長い長孔からなる工具挿通孔７５が貫通して形成されている。この工具挿通孔７５からドライバのような工具を差し込んで締結部材６６の締め付けおよび弛緩を行う。摩擦パッド６７が摩耗した場合の摩擦パッド６７または／およびシム７３の交換時には、工具挿通孔７５から差し込んだ工具によって締結部材６６を緩めて、摩擦パッド６７やシム７３を容易に交換できる。

上述のとおり、図４の可変静翼機構４１は、電動モータ５３の作動によって回転リング４２が回転して、図３に示す静翼２７取付角度が調節される際、図５に示す回転リング４２の接触片４２ｄが、ケーシング２４に取り付けた摩擦パッド６７に摩擦接触しながら回転するので、大きな摩擦抵抗によって回転リング４２の過回転が阻止される。これにより、静翼２７の取付角度を適正に調節できる。また、へたりやすいローラを使用せず、かつ摩擦係数の小さい摩擦パッドを使用しているので、耐久性に優れ、構造も簡単であるからコストダウンも図れる。

また、回転リング４２は横断面形状がＵ字形であり、径方向に対向する外側および内側リング片４２ａ，４２ｂの間にアーム４４の一端部４４ｂが挿入されており、前記両リング片４２ａ，４２ｂを連結する連結片４２ｃの径方向内端部に、摩擦パッド６７に接触する接触片４２ｄが形成されているので、簡単な構造で回転リング４２の過回転を効果的に阻止して、静翼２７の取付角度を正確に調節できる。

さらに、アーム４４の一端部４４ｂは回転リング４２に設けた球面座６５を介して前記回転リング４２に連結されているので、回転リング４２の回転によりアーム４４が回動する際、アーム４４は中心軸４３の軸方向に対して若干傾斜するが、このような傾斜移動が円滑になされる。

摩擦パッド６７とケーシング２４との間にシム７３を介挿しているので、厚みの異なるシム７３を使用することで摩擦パッド６７の高さ調整が容易に行える。特に、摩擦パッド６７が摩耗した場合に、シム７３を厚いものに交換することにより、摩擦パッド６７の高さ、すなわち外面の位置を、適正な位置に戻すことができる。

図９に示す第２実施形態では、回転リング４２における締結部材６６の径方向外方に対向する位置に、締結部材６６を操作する工具を挿通させる工具挿通孔７５を設けているので、回転リング４２やアーム４４を取り外すことなく、工具挿通孔７５からドライバのような工具を挿入して締結部材６６を緩めることにより、摩擦パッド６７またはシム７３を容易に交換できる。

図７に示すように、摩擦パッド６７およびシム７３は、締結部材６６(図６)を緩めた状態で径方向と直交する方向に着脱自在であるから、摩擦パッド６７を径方向と直交する方向から挿入（Ａ方向）または引き抜く（Ｂ方向）ことにより、ケーシング２４に対して容易かつ迅速に着脱できる。

図４に示すように、静翼２７の取付角度を調節する駆動機として単一の電動アクチュエータ３０を用い、この電動アクチュエータ３０をケーシング２４の上部に設置している。電動アクチュエータ３０は一般に油圧シリンダよりも軽量で、しかもケーシング２４の上部に位置するので、床面との間隔が狭い下部に位置する場合よりも、電動アクチュエータ３０のガスタービンエンジン１への組付け・分解の作業性が良好となる。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。

１…ガスタービンエンジン
２…軸流圧縮機
２２…回転軸
２３…動翼
２４…ケーシング
２７…静翼
３０…電動アクチュエータ（駆動機）
４１…可変静翼機構
４２…回転リング
４２ａ，４２ｂ…径方向に対向するリング片
４２ｃ…連結片
４２ｄ…接触片
４３…中心軸
４４…アーム
４４ａ…一端部
５３…電動モータ
６５…球面座
６６…締結部材
６７…摩擦パッド
７３…シム
７５…工具挿通孔

Claims

軸流圧縮機の静翼の取付角度を調節する可変静翼機構であって、
前記静翼に連結されたアームと、
前記アームの一端部に連結されて前記軸流圧縮機のケーシングの外周に位置する回転リングと、
前記回転リングを回転させることにより、前記アームを介して前記静翼を回動させる駆動機と、
締結部材により前記ケーシングに着脱自在に取り付けられた摩擦パッドとを備え、
前記回転リングが前記摩擦パッドに摩擦接触しており、
前記摩擦パッドは複数の平行な溝を有し、前記締結部材を緩めた状態で前記溝と平行な方向に挿入および引き抜きが可能に設定されている可変静翼機構。
請求項１に記載の可変静翼機構において、前記回転リングは横断面形状がＵ字形であり、径方向に対向する外側リング片と内側リング片との間に前記アームの一端部が挿入されており、前記両リング片を連結する連結片の径方向内端部に前記摩擦パッドに接触する接触片が形成されている可変静翼機構。
請求項１または２に記載の可変静翼機構において、前記アームの一端部は前記回転リングに設けた球面座を介して前記回転リングに連結されている可変静翼機構。
請求項１から３のいずれか一項に記載の可変静翼機構において、前記摩擦パッドと前記ケーシングとの間にシムが介挿されている可変静翼機構。
軸流圧縮機の静翼の取付角度を調節する可変静翼機構であって、
前記静翼に連結されたアームと、
前記アームの一端部に連結されて前記軸流圧縮機のケーシングの外周に位置する回転リングと、
前記回転リングを回転させることにより、前記アームを介して前記静翼を回動させる駆動機と、
締結部材により前記ケーシングに着脱自在に取り付けられた摩擦パッドとを備え、
前記回転リングが前記摩擦パッドに摩擦接触しており、
前記回転リングにおける前記締結部材の径方向外方に対向する位置に、前記締結部材を操作する工具を挿通させる工具挿通孔が設けられている可変静翼機構。
請求項５に記載の可変静翼機構において、前記摩擦パッドは締結部材を緩めた状態で径方向と直交する方向に着脱自在に設定されている可変静翼機構。
請求項１から６のいずれか一項に記載の可変静翼機構において、前記駆動機は単一の電動アクチュエータである、前記ケーシングの上部に設置されている可変静翼機構。