JP5911863B2 - ターボ機械の枢動羽根を制御するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の枢動羽根を制御するための装置に関し、さらに詳しくは、枢動ばねを同期方式にて制御するための装置に関する。

ターボ機械において、圧縮部を通過するガスの流れおよび流れの方向をターボ機械の動作速度に応じて調節するために、１つ以上のステータ羽根段を利用することが知られている。これらのステータ羽根段は、複数の羽根（可変ピッチベーンとしても知られる）を備えており、これらの羽根が、これらの羽根のピッチ角をターボ機械の動作速度に応じて変更できるよう、これらの羽根をステータへと接続するこれらの羽根の軸を中心にして枢動可能である。

ターボ機械の枢動羽根を制御するための公知の装置は、通常は、ターボ機械の軸を中心にして少なくとも９０°（９０度の角度）にわたって方位角方向に分布し、ターボ機械の軸に対して実質的に半径方向に向けられている複数の枢動羽根と、羽根の枢動を制御するための制御リング部とを備えており、各々の羽根がリンクによって制御リング部へと接続され、制御リング部が一式のリンクによってターボ機械の軸の周囲に保持されている。

軸流圧縮機を有するターボ機械においては、羽根がターボ機械の軸を中心にして半径方向に向けられ、半径方向のそれぞれの軸を中心にして枢動可能である。用語「実質的に半径方向に向けられ」が、羽根の枢動の中心となる半径方向の軸がターボ機械の軸と４５°〜９０°の範囲にある角度を形成するあらゆる構成を包含することに気付くべきである。

さらに、用語「リング部」が、完全なリングまたは単なるリングの一部分のどちらも包含するように使用されていることに気付くべきである。

リング部が、通常は、リング部をターボ機械の軸を中心にして一方向または反対の方向に回転させるアクチュエータによって制御される。この形式の装置の動きは複雑かつきわめて精密であり、精密なすき間が順守されない場合、装置が静的に不定になる可能性がある（すなわち、引っかかって動かなくなる）。これは、特に、ターボ機械の軸に対するリング部の配置および心出しにおける厳しい制約を意味する。すなわち、これらの位置から少し外れるだけで、きわめて簡単に制御装置の全体に高度の応力が加わり、制御装置が引っかかって動かなくなる可能性がある。この心出し（あるいは、より一般的には位置決め）の問題は、装置の種々の部品の間の熱膨張の相違によってさらに悪化する。

本発明の目的は、上述の欠点を少なくとも部分的に改善することにある。

本発明は、上記の目的を、少なくとも２つのリンクが、それぞれのボールジョイント接続部によってリング部へと接続され、残りのリンクの各々が、それぞれの摺動枢支接続部によってリング部へと接続されるということによって達成する。

枢支接続部（または、枢動のみの接続部）は、回転の自由度を１つだけしか持たず、残りのすべての自由度（２つの回転の自由度および３つの平行移動の自由度）が阻止されている接続部である。摺動枢支接続部は、枢動の回転軸に沿った平行移動の自由度が許されている枢支接続部である。したがって、摺動枢支接続部は、回転の１つの自由度および平行移動の１つの自由度による運動を許す一方で、残りの４つの自由度（平行移動の２つの自由度および回転の２つの自由度）は阻止される。ボールジョイント接続部は、回転の３つの自由度を有する一方で、平行移動の自由度は阻止される接続部である。

したがって、枢支接続部が、それらの枢支軸の方向に沿って摺動でき、したがって枢支軸に対して横方向に作用する力だけを被ることを、理解できるであろう。結果として、リング部の重量は、大部分がボールジョイント接続部によって支持される。枢支接続部は、摺動接続部であるため、リング部の重量の一部だけを引き受け、その割合は、重力の方向に対する摺動枢支接続部の向きに応じて決まる。羽根が半径方向に向けられているため、摺動枢支接続部は、リング部を半径方向および方位角方向について案内するように機能する。換言すると、すべてのリンクがリング部の保持に貢献するが、リング部は、大部分はボールジョイント接続部によって保持される。

さらに、枢支接続部が摺動接続部であるため、リング部がターボ機械の軸に心出しされた位置から移動しても（すなわち、リング部がターボ機械の軸に心出しされた位置から半径方向に移動しても）、枢支接続部および枢支接続部に接続されたリンクに生じる力は、わずかまたは皆無である。好都合には、この移動が、例えばリング部の幾何学的構成における基準点の角度および位置を最適化することによって、最小限にされる。

加えて、リング部が、基本的に２つのボールジョイント接続部によって心出しされた位置の周囲に保持されるため、リング部を心出しされた位置の周囲に充分に正確に配置して、羽根の同期した枢動について確実かつ精密な制御をもたらすことができるとともに、この心出しされた位置の周囲のリング部の小さな移動に対応することもできる。本発明の発明者は、リング部における枢支部の回転軸と羽根の回転軸とがターボ機械の軸の近傍で交わる場合に、心出しが最適化され、移動が最小化されることに気が付いた。

したがって、本発明の制御装置は、先行技術の装置において必要とされるリング部の心出しを回避することを可能にする。

さらに、そのような心出しの必要を回避することにより、先行技術の装置に見られる種類の追加の設定システムを設置する必要がない。したがって、本発明の制御装置は、先行技術の装置よりも重量が軽く、より安価である。

リング部の回転運動が、制御手段によって駆動され、例えばリング部の一点に２つのボールジョイント接続部によって案内される接線方向の移動を付与するアクチュエータによって駆動されることに、気付くべきである。これらのボールジョイント接続部は、ターボ機械の軸の周囲にある角度間隔にて配置され、この角度間隔が、リング部とリンクとの間のボールジョイント接続の点の平行移動での運動が防止されているということと組み合わさって、リング部をターボ機械の軸を中心にして主として回転運動するように制約する。リング部の半径方向の平行移動は、リングを中心からずらすように働くが、それでもなお制御の精度という意味では容認可能である。一変形例においては、これらの心ずれの移動を制限し、リング部の回転の案内においてボールジョイント接続部を補助するために、摺動枢支接続部のうちの１つが、枢動のみの接続部を形成すべく摺動にての移動ができないようにされる。

さらに、枢支接続部は、摺動枢支接続部（または、枢動のみの接続部）と比べ、より重量が大きく、摩耗の影響を受けやすい。一部のリンクにおける少数の枢支接続部の使用を、残りのリンクの摺動枢支接続部（または、枢動のみの接続部）と組み合わせることによって、制御装置の重量が軽減される一方で、先行技術の制御装置（特に、ボールジョイント接続部または摺動ボールジョイント接続部だけを使用する装置）と比べて信頼性が改善される。これは、この制御装置が取り付けられた（あるいは、取り付けられる）ターボ機械の性能の向上に貢献する。

好ましくは、２つのボールジョイント接続部が、方位角において約９０°だけ離れている。

ターボ機械の軸を中心とする２つのボールジョイントの間のこの角度間隔は、羽根の制御の際に各々の接続部に加わる力を最小にするように機能する。９０°の角度間隔は、各々のボールジョイント接続部が、各々の力の垂直成分を支持するために他方のボールジョイント接続部とは別個独立に機能することで、特に円形の装置において力を一様な方式で分配することを可能にする。

さらに、このボールジョイント接続部の９０°配置は、リング部の回転移動の案内を改善する。

好都合には、それぞれのボールジョイント接続部によってリング部へと接続された２つのリンクが、剛体である一方で、それぞれの摺動枢支接続部によってリング部へと接続されたリンクが、弾性的に変形できるようにより可撓である。

ここで、剛体リンクが、リング移動の第１の制御位置から第２の制御位置への移動において弾性変形することがない一方で、より可撓なリンクは、リング部の第１の制御位置から第２の制御位置への移動の際に弾性的に変形する傾向にあることを、理解できるであろう。当然ながら、用語「より可撓」は、剛体リンクよりも可撓であることを意味して使用されている。換言すると、摺動枢支接続部によってリング部へと接続されたリンクが、ボールジョイント接続部によってリング部へと接続されたリンクよりも可撓である。

弾性的に変形することによって、摺動枢支接続部によってリング部へと接続されたリンクが、制御装置に加わる力を引き受ける。さらに、力を引き受けることによって、この弾性変形が、これらのリンクの取り付け点の相対移動に追加の自由度を許すことによって、装置の運動が引っかかって動かなくなることがないように保証する。これが、特に、摺動枢支接続部によって制限されているが、ボールジョイント接続部によって許される回転運動を許容する。結果として、これらの弾性変形が、摺動枢支接続部への過度の応力を防止し、摺動枢支接続部を摩耗現象から保護する。さらに、これらの変形は、第１の制御位置と第２の制御位置との間のリング部の回転移動をより容易にする。結果として、制御アクチュエータによって生成される力が、より小さくてもよい。さらに、リング部の心ずれがより小さくなることで、羽根一式の枢動の制御の同期の精度がさらに向上する。

加えて、ボールジョイント接続部が、リング部を保持する接続部であるため、それらの接続部へと接続されたリンクが、特にリング部の制御の運動の際に弾性的に変形することなくリング部をターボ機械の軸上の実質的に心出しされた位置（すなわち、心出しされ、あるいは心出しされた位置のすぐ近く）に保持するために充分に堅固である。

さらに、剛体リンクは、ボールジョイント接続部によってリング部へと接続されているため、摺動枢支接続部を介してリング部へと接続されたリンクに加わるものと同様のねじりモーメントを被ることがない。各々の剛体リンクの２つの取り付け点の相対の回転移動は、剛体リンクのボールジョイント接続部によって補償される。

ボールジョイント接続部によって得られる運動の制御の改善という観点からの利点が、ボールジョイント接続部のかなりの重量および摩耗しやすさによって相殺されることに、気付くべきである。この理由で、本発明の発明者は、剛体リンクへと接続されたボールジョイント接続部の数が、最小限（すなわち、２つ）であり、他の接続部が、より可撓な（好ましくは、ねじりの弾性変形が可能な）リンクへと接続された摺動枢支接続部である制御装置を設計した。

好都合には、より可撓なリンクは、ねじりおよび曲げにて弾性変形可能である。

これは、枢動接続部および枢動接続部へと接続された剛体リンクにおいて生じうる引っかかりを補償し、リング部の運動を容易にする一方で、摺動枢支接続部およびボールジョイント接続部の近傍の機械的な応力を軽減することを可能にする。

以下では、用語「弾性リンク」が、より可撓であって弾性変形可能なリンクを指して使用される一方で、「剛体リンク」は、当然ながら、剛体であるリンクを指して使用される。

さらに本発明は、上述のとおりの本発明の枢動羽根制御装置を備えるターボ機械を提供する。

本発明およびその利点を、あくまでも本発明を限定するものではない例として与えられる実施形態についての以下の詳細な説明を検討することで、さらに良好に理解することができる。説明は、添付の図面を参照する。

本発明の制御装置の実施形態の一部分の斜視図である。 図１に示したとおりの摺動枢支接続部を有する弾性リンクを備えるアセンブリの分解斜視図である。 図１のボールジョイント接続部を有する剛体リンクを備えるアセンブリの分解斜視図である。 制御リングの回転の際の弾性リンクの移動を示している。 図４の矢印Ｖに沿って見た図である。 制御リングの回転の際の剛体リンクの移動を示している。 本発明の枢動羽根制御装置が取り付けられたターボ機械を示している。

図１が、ターボ機械において枢動羽根を制御するための本発明の装置の実施形態を示している。この実施形態において、羽根は、ターボ機械の軸に対して半径方向に向けられている。図示の図は、一部分の図であり、装置全体は、ターボ機械（図示せず）の軸Ａの周囲を３６０°にわたって広がっている。この軸Ａが、長手方向を定めている。半径方向および方位角方向が、軸Ａに対して定められる。

制御装置１０は、ステータ１４に枢動可能に取り付けられた複数の羽根１２を備えている。各々の羽根１２の枢支軸Ｂが、半径方向を向いている。羽根１２の各々が、枢動のみの接続２３を介し、すなわち許容される唯一の運動（すなわち、自由度）が軸Ｂを中心とする回転運動である枢支接続を介して、ステータ１４に取り付けられている。

羽根１２の各々は、リンクを介して制御リング１６へと接続されている。各々の剛体リンク１８が、羽根１２をボールジョイント接続部２０を介してリング１６へと接続する一方で、各々の弾性リンク１９が、羽根１２を摺動枢支接続部２２を介してリング１６へと接続している。全体としての装置１０が、２つの剛体リンク１８および２つのボールジョイントリンク２０を有する。２つの剛体リンク１８は、方位角において軸Ａを中心にして９０°だけ離れている。したがって、２つの剛体リンク１８は、方位角において９０°だけ離れて位置する２枚の羽根１２へと接続され、やはり方位角において９０°だけ離れて位置する２つのボールジョイント接続部２０によって、リング１６へと接続されている。

摺動枢支部２２が許容する運動（すなわち、自由度）が、軸Ｃを中心とする回転運動および軸Ｃに沿った平行移動であることに、気付くべきである。

また、剛体リンク１８と比べて弾性リンク１９に与えられる可撓性が、特に弾性リンク１９の中央部の外形１９ｄが剛体リンク１８の外形１８ｄよりも細い（図２および図３を参照）ことに起因することに、気付くべきである。

図１は、まずはリング１６を、羽根１２の第１の制御位置に相当する実線で示し、さらにリング１６を、第２の制御位置に相当する破線で示している。リング１６を第１の制御位置から第２の制御位置へと動かすために、リング１６へと接続されたアクチュエータ（図示せず）が、アクチュエータとリングとの間の接続点へと、リングの方位角方向に対して接線方向である平行移動の運動を加え、結果としてリング１６が、ボールジョイント接続部２０によって軸Ａの周囲に保持されているがゆえに、方位角方向に動かされる。結果として、リング１６が、軸Ａを中心にしてある角度だけ回転する。

リング１６の方位角方向の運動の際に、リング１６を支持するリンク１８および１９が枢動することで、リング１６に軸Ａに沿った平行移動の運動が加わることに、気付くべきである。この例では、第１の制御位置が、リンク１８および１９がリング１６およびステータ１４に対して実質的に垂直である位置に相当し、第２の位置におけるリンクの位置が、リング１６を軸Ａに沿ってステータ１４に向かって移動させる。ステータ１４がターボ機械（図示せず）において不動であるため、リング１６がステータ１４に対して移動する必要がある。この移動が、図４、図５、および図６において矢印ＩＩによって示されている。

図２が、枢支リンク２３によってケーシング１４に取り付けられた羽根１２を弾性リンク１９および摺動枢支接続部２２を介してリング１６に接続するためのシステムの分解斜視図である。

羽根２２が、枢支接続部２３によってケーシング１４に取り付けられている。羽根１２のロッド１２ａが、ステータ１４のブシュ１４ａに係合し、ステータ１４と羽根１２との間の枢支接続部を形成している。さらにリンク１９が、羽根１２に直接接続されている。ロッド１２ａが、リンク１９の小穴１９ａに係合し、ナット２４およびリンク１９の両面に押し付けられるワッシャによって固定されている。さらに、ナット２４は、ロッド１２ａの段部１２ｃをブシュ１４ａの端部１４ｂに当接させることによって、羽根１２のステータ１４に対する平行移動を阻止することを可能にする。ロッド１２ａに形成された平坦部１２ｂが、対をなす形状を介してリンク１９の小穴１９ａと協働し、羽根１２をリンク１９と回転運動するように結合させる。

リンク１９の小穴１９ａとは反対側の端部に形成された小穴１９ｂが、摺動枢支接続部２２によってリング１６へと接続される。小穴１９ｂおよびリンク１９に押し付けられたワッシャを貫いて延びるねじ２２ａが、リンク１９をロッド２２ｂへと接続するように機能する。ねじ２２ａが、リング１６のブシュ１６ａに係合したロッド２２ｂにねじ込まれる。ロッド２２ｂは、ブシュ１６ａにおいて、軸Ｃに沿って自由に摺動でき、軸Ｃを中心にして枢動できる。

図３が、枢支接続部２３によってケーシング１４に取り付けられた羽根１２を剛体リンク１８およびボールジョイント接続部２０を介してリング１６に接続するシステムの分解斜視図である。

枢支接続部２３は、上述した枢支接続部と同様である。図３においては、この接続部２３を構成する構成要素が、組み立てられた状態で図示されている。

ボールジョイント接続部２０が、剛体リンク１８をリング１６へと接続する。リング１６へとねじ込まれるねじ山付きのロッド２０ｂの球状の末端部２０ａが、剛体リンク１８の小穴１８ｂに係合し、対をなす形状を介して小穴１８ｂと協働する。このようにして、すべての回転運動（すなわち、回転における３つの自由度のすべて）が、剛体リンク１８とリング１６との間に許される。

図４および図５が、リング１６（図４には示されていない）へと接続された弾性リンク１９の端部の運動を示している。実線が、リング１６が図１の第１の制御位置にあるときの各構成要素の位置に相当する一方で、破線が、リングが図１の第２の制御位置にあるときの各構成要素の位置に相当する。

第１の制御位置から第２の制御位置へと向かうリング１６の運動の際に、弾性リンク１９の小穴１９ｂの中心に相当する基準点１９ｃが、位置Ｐ１から位置Ｐ２へと移動する。

したがって、位置Ｐ１から位置Ｐ２への移動のために、基準点１９ｃの全体としての移動は、２つの基本的運動で構成される。この結果として、羽根２２が矢印Ｒ（図４を参照）によって示されるとおりに枢動する。

第１の基本的運動は、矢印Ｉによって示されており、ターボ機械の軸Ａを中心とするリング１６の回転に対応し、おそらくは（アクチュエータおよび剛体リンク１８によってもたらされる）剛体の平行移動を伴う。この回転移動は、矢印Ｔによって示されるように弾性リンク１９にねじり変形を加える。摺動枢支部２２の軸Ｃが、リングに対しては位置合わせされた状態を保つが、枢支部２３の軸Ｂに対しては位置合わせ状態を保たず、したがってリンク１９に２つの小穴１９ａおよび１９ｂの間を延びる軸（または、リンク１９の軸）を中心とする回転運動を実行させる。小穴１９ａおよび１９ｂは、リンク１９の軸の方向を中心とする回転を行なうことができないため、リンク１９がねじりを被る。

この運動Ｉが、アクチュエータ（図示せず）およびリング１６を案内する剛体リンク１８によってリング１６へと与えられることに、気付くべきである。

第２の基本的運動は、矢印ＩＩによって示され、上述のようなターボ機械の軸Ａに沿った軸方向の平行移動に相当する。

点１９ｃとリング１６との間の相対移動も生じる。この相対移動が、矢印ＩＩＩによって示されている。リング１６の外周の位置が、図４においてロッド２２ｂ上の線２６によって示されている。運動Ｉの際に、たとえリンク１９が弾性的に変形可能であっても、リンク１９は、点１９ｃをリング１６が第１の制御位置にあるときに点１９ｃが占める平面と同じ平面に保とうとする。さらに、運動Ｉの際に、摺動枢支接続部２２を介してリンク１９へと接続されたリング１６は、点１９ｃが第１の制御位置において位置する平面から遠ざかるように移動する。これは、矩形の基準枠において、ホイールの外周に配置された点について、ホイールが回転するときの点の座標のうちの１つの従来の往復移動に相当する。図５において、この相対移動ＩＩＩが、リング１６の摺動枢支接続部２２の平面に位置する部位のシートの下方移動に相当する。この相対移動が、摺動枢支接続部２２の摺動の性質によって可能にされる。

上述の運動Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、および変形Ｔが、集合体の運動の理解を単純にするための集合体の全体の運動および弾性リンク１９の全体の変形のより単純な運動への分解に相当することに、気付くべきである。それでもなお、全体的な運動において、弾性リンク１９が（矢印ＩＩＩの方向に沿ったリング１６の剛体の移動を補償するために）曲げにても変形し、各々の弾性リンク１９の全体としての弾性変形（すなわち、曲げ変形およびねじり変形）が、アクチュエータおよび剛体リンク１８によってもたらされるリング１６の全体としての剛体の（矢印Ｉおよび矢印ＩＩＩの方向の）移動を補償するように機能することを、忘れてはならない。

図６が、リング１６（図示せず）へと接続された剛体リンク１８の端部の移動を示している。実線が、リング１６が図１の第１の制御位置にあるときの各構成要素の位置に相当する一方で、破線が、リングが図１の第２の制御位置にあるときの各構成要素の位置に相当する。

第１の制御位置から第２の制御位置へと向かうリング１６の運動の際に、剛体リンク１８の小穴１８ｂの中心に相当する基準点１８ｃが、位置Ｐ３から位置Ｐ４へと移動する。

したがって、位置Ｐ３から位置Ｐ４への移動のために、基準点１８ｃの全体としての移動を、上述の運動と同様であって矢印ＩおよびＩＩによって示されている２つの基本的運動ＩおよびＩＩとして分解することができる。

リンク１８がボールジョイント接続部２０を介してリング１６へと接続されているため、リンク１８がねじりモーメントを被ることはない。結果として、リンク１９と異なり、リンク１８はねじり変形を生じることがない。さらに、リンク１９は、制御装置１０の通常の動作において曲げ変形を避けるために充分に堅固である。換言すると、この例において、第１の制御位置から第２の制御位置への移動のために、リンク１８は弾性変形することがない。したがって、図４および図５に示した弾性リンク１９の点１９ｃと異なり、剛体リンク１８の点１８ｃは、図４および図５の矢印ＩＩＩに沿って移動することがない。

図７が、枢動羽根を制御するための上述の装置１０が取り付けられたターボ機械１００を示している。

本発明の技術的範囲を越えることなく、制御装置をヘリコプタのタービンエンジンに取り付けることも可能である。

Claims (6)

1. ターボ機械の軸（Ａ）を中心にして少なくとも９０°にわたって方位角方向に分布し、ターボ機械の軸（Ａ）に対して実質的に半径方向に向けられている複数の枢動羽根（１２）と、羽根（１２）の枢動を制御するための制御リング部（１６）とを有しており、各々の羽根（１２）がリンク（１８、１９）によって制御リング部（１６）へと接続され、制御リング部（１６）が一式のリンク（１８、１９）によってターボ機械の軸（Ａ）の周囲に保持されている、ターボ機械の枢動羽根を制御するための制御装置（１０）であって、
   少なくとも２つのリンク（１８）が、それぞれのボールジョイント接続部（２０）によってリング部（１６）へと接続され、残りのリンク（１９）の各々が、リング部（１６）に対して実質的に半径方向に方向づけられたそれぞれの摺動枢支接続部（２２）によってリング部へと接続されていることを特徴とする、制御装置。
2. ２つのボールジョイント接続部（２０）が、方位角において約９０°だけ離れていることを特徴とする、請求項１に記載の制御装置（１０）。
3. それぞれのボールジョイント接続部（２０）によってリング部（１６）へと接続された２つのリンク（１８）が、剛体であり、それぞれの摺動枢支接続部（２２）によってリング部（１６）へと接続されたリンク（１９）が、弾性的に変形できるようにより可撓であることを特徴とする、請求項１または２に記載の制御装置（１０）。
4. より可撓なリンク（１９）が、ねじりおよび曲げにて弾性的に変形できることを特徴とする、請求項３に記載の制御装置（１０）。
5. 少なくとも２つの摺動枢支接続部（２２）が存在しており、摺動枢支接続部（２２）のうちの１つが、枢動のみの接続部を形成すべく摺動にての移動ができないようにされていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置（１０）。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の枢動羽根制御装置（１０）が取り付けられたターボ機械（１００）。

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