JP6674763B2 - 可変静翼操作装置 - Google Patents

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Description

本発明は、軸流圧縮機が備える可変静翼の取付角(迎え角)を変更する可変静翼の操作装置に関する。
ガスタービンエンジンは、空気を吸入・圧縮して高圧にする圧縮機と、その圧縮空気で燃料を燃焼させて高温・高圧のガスにする燃焼器と、その高温・高圧のガスを羽根車に激しく当てて当該羽根車を回転させるタービンとを基本構成として備えて、タービンから動力を取り出す原動機である。
ガスタービンエンジンの軸流式の圧縮機は、空気が回転軸と平行に流れる形式で、一般に、回転体の外周面に設けられた複数列の動翼と、ケーシングの内周面に設けられた複数列の静翼とを備えている。このような圧縮機では、静翼とこれに対し回転する動翼の作用によって、空気を吸入し、吸入した空気を圧縮して圧力を上昇させることができる。
上記構成の圧縮機において、空気の流れに応じて入口の案内翼及び初めの数列の静翼の取付角を変えて、動翼の迎え角を適切に設定するように構成されたものがある。また、タービンにおいても、圧縮機と同様に静翼の取付角及び動翼の迎え角を適切に変化させることが提案されている。例えば、特許文献1にはこの種の可変静翼の操作装置を備えたタービンが記載されている。
特許文献1の可変静翼操作装置は、各可変静翼の軸の先端部を貫通させて支持するケーシングと、個々の可変静翼の軸の先端部に取り付けた操作レバーと、ケーシングよりも一回り大きな径の回転リングと、回転リングに各操作レバーを枢着させるピンと、回転リングを回転運動させるアクチュエータとを備えている。この可変静翼操作装置は、回転リングとケーシングとの間に円周方向に等間隔で配置された複数の弾性体を更に備え、各弾性体の外側面に回転リングに半径方向に貫通した調心ボルトの先端を係合させ、且つ、各弾性体の内側をケーシングに押し当てている。
特開2004−124797号公報
上記のような圧縮機やタービンにおいて、ケーシングと回転リングに熱伸び差が生じることが知られている。例えば、タービンでは数ミリオーダー、圧縮機ではコンマ数ミリオーダーの熱伸び差が生じると言われている。このような心ずれは、静翼の取付角が、適性値から外れたり、複数の静翼間でばらついたりすることの原因となりうる。
特許文献1の可変静翼操作装置では、回転リングとケーシングとの間に配置された弾性体の弾性変形でケーシングと回転リングとの熱伸び差を吸収するようにしている。前述の通り、タービンの熱伸び差は圧縮機のそれと比較して桁違いに大きい。つまり、圧縮機では、熱伸び差への対処は必要であるものの、タービンと比較して小さい熱伸び差に対応できれば足りる。したがって、圧縮機では、タービンのように大きな熱伸び差に対応するための複雑な構造は要求されず、むしろ、比較的小さな熱伸び差に対応可能であって単純且つ小型化された構造が要求されている。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、単純且つ小型化可能な構造で回転リングとケーシングの心ずれを抑制する可変静翼操作装置を提供することにある。
本発明の一態様に係る可変静翼操作装置は、軸流圧縮機の静翼の取付角を操作する可変静翼操作装置であって、
前記静翼に連結されたアームと、
前記アームの一端に連結され、前記軸流圧縮機のケーシングの外壁との間に間隔をあけて当該ケーシングに外嵌された回転リングと、
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構と、
前記回転リングと前記ケーシングの外壁との間において、前記ケーシングの周囲に円周方向に並べられた複数の弾性体とを備え、
前記複数の弾性体の各々が、前記回転リング及び前記ケーシングの外壁のうち一方と締結され且つ他方と接触して、前記回転リングを半径方向外向きに付勢していることを特徴としている。
上記可変静翼操作装置によれば、組付け時に複数の弾性体がケーシングと回転リングとの間で弾性変形することによって、ケーシングに対し回転リングが調心されると共に、機構的なガタつきがなくなる。また、回転リングとケーシングの熱伸び差を、ケーシングと回転リングとの間に設けられた複数の弾性体に吸収させることができる。更に、回転リングの回転時に、複数の弾性体が回転リング又はケーシングの外壁を摺動することによって、回転リングの回動が案内される。このように、単純且つ小型化可能な構造によって、ケーシングと回転リングの間の機構的なガタつきをなくすことができ、且つ熱伸びに対応することができる。
上記可変静翼操作装置において、前記複数の弾性体の各々は、軸方向の一方の端部が前記回転リングから突出していてよい。
これにより、回転リングと弾性体の結合部分とケーシングと弾性体の接触部分、又は、回転リングと弾性体の接触部分とケーシングと弾性体の結合部分が、軸流圧縮機の軸方向へズレているので、可変静翼操作装置の組付けやメンテナンスが容易である。
上記可変静翼操作装置において、前記複数の弾性体の少なくとも前記回転リング又は前記ケーシングの外壁と接触している部分が自己潤滑性を有する材料で構成されていてよい。
これにより、ケーシング又は回転リングと弾性体との間の摩擦が軽減され、駆動機構により回転リングに付与された荷重が滑らかに回転運動に変換される。
上記可変静翼操作装置において、前記ケーシングの外壁は円周方向に連続する周状突起を有し、前記複数の弾性体が前記周状突起の外周面に取り付けられ又は接触していてよい。
このように、周状突起の外周面は円周方向に連続し、回転リングも円周方向に連続しているので、周状突起の外周面と回転リングの一方に取り付けられる複数の弾性体の円周方向の位置に高い精度が要求されない。
上記可変静翼操作装置において、前記複数の弾性体の少なくとも1つと前記回転リングとの間に介挿されたスペーサを更に備えていてよい。
これにより、スペーサで回転リングをケーシングに調心することが可能であり、調心作業が容易となる。
本発明に係る可変静翼操作装置によれば、比較的単純且つ小型化可能な構造で回転リングとケーシングの心ずれを抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る可変静翼操作装置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。 可変静翼操作装置の概略構成を説明する圧縮機の一部断面図である。 可変静翼操作装置を圧縮機の軸方向から見た図である。 図2の一部詳細図である。 回転リングと弾性体を含む可変静翼操作装置の一部分を圧縮機の半径方向外側から見た図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。先ず、図1を参照して、本発明の一実施形態に係る可変静翼操作装置(以下、単に「操作装置7」ということがある)を採用したガスタービンエンジン1の概略構成について説明する。図1はガスタービンエンジン1の概略側面図であって、その一部を破断して内部構造が示されている。
ガスタービンエンジン1は、軸流圧縮機(以下、単に「圧縮機2」という)と、燃焼器13と、タービン14とを基本構成要素として備えている。このガスタービンエンジン1において、圧縮機2は空気Aを吸入して圧縮し、燃焼器13は圧縮機2から導入した圧縮空気で燃料Fを燃焼させて高温高圧の燃焼ガスGを発生させる。そして、その高温高圧の燃焼ガスGのエネルギーによりタービン14が駆動される。圧縮機2とタービン14は互いのロータが結合されており、タービン14の回転動力により、圧縮機2及び図示されない発電機などの負荷が駆動される。
次に、圧縮機2について詳細に説明する。圧縮機2は、外側のステータ4と、内側のロータ3とから成る、圧縮機2の軸方向(以下、単に「軸方向X」という)に延びる二重円筒構造を有している。ロータ3とステータ4の間には、吸い込んだ空気Aを圧縮する圧縮通路22が形成されている。
ステータ4は、ケーシング41と、ケーシング41の内周面において軸方向Xに並んだ複数の静翼列とから概ね構成されている。各静翼列は、円周方向に等間隔で並んだ複数の静翼40で形成されている。
ロータ3は、軸方向Xに並んだ複数のロータディスク31と、各ロータディスク31の外周縁において円周方向に等間隔で並んだ複数の動翼30とから概ね構成されている。円周方向に並んだ複数の動翼30によって一列の動翼列が形成されており、複数の動翼列が軸方向Xに並んでいる。静翼列と動翼列は軸方向Xに交互に配列されている。
一部の静翼40は取付角が可変な可変静翼であって、圧縮機2はこの可変静翼の取付角を操作する操作装置7を備えている。本実施形態に係る圧縮機2では、空気Aの入口から4列目までの静翼40が可変静翼に構成されている。なお、空気Aの入口から1列目の静翼40は、案内翼(ガイドベーン)と呼ばれることもある。
続いて、可変静翼及びその操作装置7について詳細に説明する。図2は可変静翼操作装置7の概略構成を説明する圧縮機2の一部断面図であり、図3は可変静翼操作装置7を圧縮機2の軸方向から見た図、図4は図2の一部詳細図、図5は回転リング42と弾性体8を含む可変静翼操作装置7の一部分を圧縮機2の半径方向外側から見た図である。
図2及び図4に示すように、可変静翼である静翼40には、翼軸43が一体的に結合されている。翼軸43は、ケーシング41を放射方向に貫いて、その先端が、ケーシング41の外壁から突出している。翼軸43がその軸心を中心として回動することによって、静翼40の取付角が変化する。
翼軸43のケーシング41からの突出端には、バネ座62、バネ体61、アーム44の基端部が順に嵌め込まれ、ナット63によって抜け止めされている。アーム44の基端部とケーシング41に介在するバネ体61によって、翼軸43の軸方向とアーム44の延伸方向が略直交するように付勢されている。また、翼軸43のアーム44が嵌入されている部分は回り止め形状を有しており、アーム44は翼軸43の軸心を中心として翼軸43及び静翼40と一体的に回転する。
ケーシング41の外周側には、円環状の回転リング42が可変静翼の各列に対応して設けられている。本実施形態においては、ケーシング41の外周側に圧縮機2の軸方向Xに並ぶ4つの回転リング42が設けられている。回転リング42は、ケーシング41の外壁との間に間隔をあけて当該ケーシング41に外嵌されている。
可変静翼の一列と対応する複数のアーム44の先端部の各々が、1つの回転リング42に連結されている。より詳細には、回転リング42は、その横断面形状がC字形状を成しており、このC字の開口にアーム44の先端部が嵌め込まれ、回転リング42及びアーム44の先端部を軸部材68が貫いている。
回転リング42は、駆動機構5により回動駆動される。或る列の回転リング42がケーシング41の外周に沿って回動すると、この回転リング42と連結された複数のアーム44が同期して操作され、その結果、その列の各静翼40が対応する翼軸43を中心として同期して回転して、当該静翼40の取付角を変化させる。本実施形態に係る操作装置7の駆動機構5は、圧縮機2が備える4列の可変静翼の取付角を一斉に変化させるために、全ての回転リング42を連動して駆動するように構成されている。駆動機構5の具体的な構成を以下に説明する。
図1〜3に示すように、ケーシング41の外壁に、圧縮機2の軸方向Xと平行に延びる連動軸49が支承されている。この連動軸49には、当該連動軸49と一体的に回転する4本の作動レバー50が設けられており、各作動レバー50に回転リング42がロッド51を介して連結されている。また、この連動軸49には、連動軸49と一体的に回転する駆動レバー52が設けられており、駆動レバー52にはこれを回転駆動するアクチュエータが連結されている。本実施形態に係るアクチュエータは、駆動源であるモータ53(又は油圧ユニット)と、シリンダ55と、モータ53に駆動されてシリンダ55から進退移動するロッド54とから成る。ロッド54の先端は駆動レバー52と連結され、シリンダ55はケーシング41の外壁に支持されている。
上記構成において、モータ53が作動してロッド54が進退移動すると、駆動レバー52及び各作動レバー50が連動軸49を中心として回転し、その結果、4つの回転リング42が一斉に回転動作する。これにより、各回転リング42に連結された各列の静翼40が連動して、その取付角が一斉に変化する。
なお、各ロッド51の長さは調整可能であって、ロッド51の長さを変えることによって作動レバー50の角度が調整可能である。また、1つの回転リング42に連結された1列の静翼40は、その取付角が、全て同一角度だけ変更される。可変静翼である各静翼40の取付角の変更角度は、列ごとに異なってよい。例えば、後列側の静翼40ほど変更角度が小さくなるように、駆動レバー52のレバー比などが適宜調整されてよい。
ところで、ケーシング41と回転リング42とでは、圧縮機2の動作中の熱伸びに差がある。より詳細には、ケーシング41は回転リング42と比較して大きく熱伸びする。このような熱伸びの差による、ケーシング41と回転リング42の心ずれを抑制するために、本実施形態に係る圧縮機2は以下に説明する構造を備えている。
図4に示すように、ケーシング41のうち各列の複数の翼軸43が挿通されている部分及びその周縁部は、円周方向に連続する周状突起411(環状リブ)となっている。この周状突起411の外周面はケーシング41のノーマルな外壁面よりも半径方向外側に位置する周状突出面412となっている。周状突起411より半径方向外側に突出した翼軸43に嵌められたアーム44は周状突出面412より外周側(即ち、圧縮機2の半径方向外側)に位置し、このアーム44と連結された回転リング42は周状突出面412より外周側に位置する。そして、回転リング42の圧縮機2の軸方向Xにおける位置は、周状突起411から軸方向Xへズレている。このようにして、回転リング42の内周とケーシング41のノーマルな外壁面との間が半径方向に離れている。
また、図3〜5に示すように、圧縮機2は、回転リング42の内周面の複数個所に取り付けられた弾性体8を有しており、これらの弾性体8がケーシング41の外壁と当接している。各弾性体8は、金属製薄板、所謂、板バネであって、弾性変形可能である。本実施形態においては、8個以上の弾性体8が回転リング42の内周面にバランス良く等間隔(等分割)で配置されている。
弾性体8の圧縮機2の軸方向Xの一方の端部8aは、ボルト及びナットから成る締結具81によって回転リング42に取り付けられている。このように、弾性体8は回転リング42に対し締結されているので、弾性体8の疲労時には、新たな弾性体8に容易に交換することができる。
弾性体8の圧縮機2の軸方向Xの他方の端部8bには滑り面8cが設けられており、この滑り面8cがケーシング41の周状突出面412と接触している。これにより、回転リング42がケーシング41の周りを回動するときに、弾性体8は、その端部8bがケーシング41の周状突出面412を摺動しながら回転リング42と一体的に回転する。
弾性体8は、少なくとも、ケーシング41の外壁と接触する部分である滑り面8cが自己潤滑性を有する材料から成る。つまり、弾性体8は、自己潤滑性を有する材料から成る滑り面8cと、例えば、鋼、鉄、ステンレスなどの金属から成る他の部分とから成る複合体であってよい。上記の「自己潤滑性を有する材料」として、例えば、焼付き防止作用を有する銅などの軟質金属が含まれたベース金属に固体潤滑剤を分散させて焼結したもの、上記ベース金属に固体潤滑剤を埋め込んだもの、これらに含油処理をさらに行ったものなどがある。固体潤滑剤は、摩擦面にせん断力の低い被膜を形成する材料のうち、例えば、耐高温特性を有する黒鉛(グラファイト)であってよい。また、上記の「自己潤滑性を有する材料」の摩擦係数は十分に低く、弾性体8の滑り面8cとケーシング41との外壁面との摩擦係数μが0.2以下であることが望ましい。上記のように、弾性体8の滑り面8cは自己潤滑性を有するので、弾性体8の滑り面8cとケーシング41の突出面との摩擦が軽減される。
圧縮機2の組立時には、予め弾性体8が取り付けられた回転リング42が、ケーシング41に組み付けられる。ここで、弾性体8の滑り面8cは、ケーシング41の外壁のうち周状突出面412と接触するように配置される。ケーシング41と回転リング42との間で円周方向に等間隔に配置された複数の弾性体8が回転リング42を半径方向外向きに付勢するように弾性変形し、それらの弾性変形がバランスされる結果、ケーシング41と回転リング42との半径方向の間隙Sが円周方向で一定範囲内となるように心出しされる。なお、複数の弾性体8で十分に心が出ない場合には、回転リング42と弾性体8との間にスペーサ48を介挿して、このスペーサ48によって心出しを補完するようにしてもよい。スペーサ48としては、例えば、シム板などの厚み調整の可能なものが使用されることが望ましい。
以上に説明したように、本実施形態の可変静翼の操作装置7は、圧縮機2の静翼40の取付角を操作する可変静翼操作装置であって、静翼40に連結されたアーム44と、アーム44の一端に連結され、圧縮機2のケーシング41の外壁との間に間隔をあけて当該ケーシング41に外嵌された回転リング42と、回転リング42を回転させることによりアーム44を介して静翼を回動させる駆動機構5と、回転リング42とケーシング41の外壁との間において、ケーシング41の周囲に円周方向に並べられた複数の弾性体8とを備えている。複数の弾性体8の各々は、回転リング42に取り付けられ且つケーシング41の外壁に接触して回転リング42を半径方向外向きに付勢している。
上記操作装置7によれば、回転リング42が回動する際には複数の弾性体8がケーシング41の外壁を摺動する。これにより、回転リング42は、ケーシング41と同心を維持ながらその周りをガタツキなく回動することができる。ガタツキの抑制により、操作装置7を動作させてから静翼40の取付角が実際に変更されるまでの反応時間の遅延が低減され、操作装置7の素早い動作が確保される。ひいては、ガスタービンエンジン1の安定動作範囲の拡大に寄与することができる。
また、上記操作装置7によれば、ケーシング41と回転リング42の熱伸びの差は弾性体8の弾性変形によって吸収されるので、ケーシング41と回転リング42の心ずれが抑制される。心ずれの抑制により、静翼40の取付角の操作量と変化量が適切な対応が維持され、変化量のバラツキが軽減され、操作装置7の正確な動作が確保される。ひいては、ガスタービンエンジン1の性能の維持、動作の安定化、安定動作範囲の拡大に寄与することができる。
更に、上記操作装置7によれば、ケーシング41と回転リング42の半径方向の間には複数の弾性体8が存在すれば足り、熱伸び差を吸収するための構造の単純化及び小型化が実現されている。そして、複数の弾性体8は、ケーシング41に回転リング42を支持させることができれば、その形状や回転リング42への取付位置に高い精度が要求されない。そのため、回転リング42に複数の弾性体8を取り付けてから、これをケーシング41の周囲に配設することができる。加えて、ケーシング41の周囲に回転リング42を配置すると、複数の弾性体8が弾性変形してケーシング41に対する回転リング42の心出しが半ば自動的に行われる。これらにより弾性体8及び回転リング42のケーシング41への組み付けに際して高い位置精度が要求されず、且つ、心出し作業が容易であるので、操作装置7の組付けは、例えば特許文献1に記載された従来の技術と比較して、容易である。
また、上記実施形態に係る可変静翼の操作装置7では、複数の弾性体8の各々は、圧縮機2の軸方向Xの一方の端部8aが回転リング42に取り付けられており、軸方向Xの他方の端部8bは回転リング42よりも軸方向Xへ突出しており、その突出部分がケーシング41の外壁と接触している。
上記構成によれば、回転リング42と弾性体8の結合部分と、ケーシング41と弾性体8の接触部分とが、圧縮機2の軸方向Xへズレているので、操作装置7の組付けやメンテナンスが容易である。
また、上記実施形態に係る可変静翼の操作装置7では、複数の弾性体8の少なくともケーシング41の外壁と接触している部分(即ち、滑り面8c)が自己潤滑性を有する材料で構成されている。
上記構成によれば、ケーシング41の弾性体8との間の摩擦が軽減され、駆動機構5により回転リング42に付与された荷重が滑らかに回転運動に変換される。
また、上記実施形態に係る可変静翼の操作装置7では、ケーシング41の外壁は円周方向に連続する周状突起411を有し、複数の弾性体8が周状突起411の外周面(即ち、周状突出面412)と接触している。
上記構成によれば、周状突出面412は円周方向に連続し、回転リング42も円周方向に連続しているので、回転リング42に取り付けられる弾性体8の円周方向の位置に高い精度が要求されない。よって、回転リング42に弾性体8を取り付ける際、及び、回転リング42をケーシング41に外嵌する際に、円周方向の位置に高い精度が要求されず、操作装置7の組付けが容易となる。
なお、上記実施形態では、弾性体8が接触しているケーシング41の周状突起411と、静翼40の翼軸43を支持するケーシング41の厚肉部とが共用されている。このように、弾性体8の接触部のためにケーシング41の既存の構成を利用することができ、ケーシング41の設計変更が少なくて済む。更に、本実施形態に係る操作装置7の構造を、新規の圧縮機2に限らず、既存の圧縮機2にも適用することが可能である。
また、上記実施形態に係る可変装置の操作装置7では、複数の弾性体8の少なくとも1つと回転リング42との間に介挿されたスペーサ48を更に備えている。
上記構成によれば、スペーサ48に回転リング42や弾性体8の製造誤差を吸収させることができるので、これらに高い部品精度が要求されない。また、スペーサ48で回転リング42をケーシング41に調心することが可能であり、調心作業が容易となる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
例えば、上記の可変静翼の操作装置7は圧縮機2に適用されているが、同様の可変静翼を備えた軸流タービンに適用されてもよい。
また、例えば、上記の可変静翼の操作装置7では、複数の弾性体8は回転リング42に取り付けられ且つケーシング41の外壁に接触して摺動しているが、複数の弾性体8がケーシング41の外壁に取り付けられ且つ回転リング42に接触して摺動するように構成されていてもよい。この構成においても、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。この場合、弾性体8の軸方向Xの一方の端部8aが回転リング42に接触し且つ軸方向Xの他方の端部8bが回転リング42よりも軸方向Xへ突出しており、この突出部分がケーシング41の外壁に取り付けられる。ここで、弾性体8はケーシング41の周状突出面412に取り付けられていてよい。そして、弾性体8の回転リング42と接触している部分が滑り面となり、ここが潤滑性を有する材料で構成される。
なお、上記説明は、本願発明の実施形態の例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
1 :ガスタービンエンジン
2 :圧縮機
3 :ロータ
4 :ステータ
5 :駆動機構
7 :可変静翼操作装置
8 :弾性体
8a :端部
8b :端部
8c :滑り面
30 :動翼
31 :ロータディスク
40 :静翼
41 :ケーシング
42 :回転リング
43 :翼軸
44 :アーム
48 :スペーサ
411 :周状突起
412 :周状突出面

Claims (5)

  1. 軸流圧縮機の静翼の取付角を操作する可変静翼操作装置であって、
    前記静翼に連結されたアームと、
    前記アームの一端に連結され、前記軸流圧縮機のケーシングの外壁との間に間隔をあけて当該ケーシングに外嵌された回転リングと、
    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構と、
    前記回転リングと前記ケーシングの外壁との間において、前記ケーシングの周囲に円周方向に並べられた複数の弾性体とを備え、
    前記複数の弾性体の各々が、前記回転リング及び前記ケーシングの外壁のうち一方と締結され且つ他方と接触して、前記回転リングを半径方向外向きに付勢している、
    可変静翼操作装置。
  2. 前記複数の弾性体の各々は、軸方向の一方の端部が前記回転リングから突出している、
    請求項1に記載の可変静翼操作装置。
  3. 前記複数の弾性体の少なくとも前記回転リング又は前記ケーシングの外壁と接触している部分が自己潤滑性を有する材料で構成されている、
    請求項1又は2に記載の可変静翼操作装置。
  4. 前記ケーシングの外壁は円周方向に連続する周状突起を有し、前記複数の弾性体が前記周状突起の外周面に接触して又は取り付けられている、
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の可変静翼操作装置。
  5. 前記複数の弾性体の少なくとも1つと前記回転リングとの間に介挿されたスペーサを更に備えている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の可変静翼操作装置。
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