(57)【要約】      （修正有）【課題】ブレードの振動応力を軽減する。【解決手段】圧縮機１８用の可変入口ガイドベーン機構３０は、圧縮機の入口を画定するケース４０と、このケース内に同軸に配置された少なくとも１つのベーン支持体と、各々のベーン３８がケースと少なくとも１つのベーン支持体との間に枢着された、ケースの周囲に周方向に配置された複数のベーンと、この複数のベーンの少なくとも幾つかを非対称のパターンでケースの周囲で枢動させるように構成されたアクチュエータ機構４４、４６とを有する。圧縮機用の可変入口ガイドベーン機構を制御する方法は、複数のベーンの少なくとも幾つかをケースの周囲で非対称のパターンで枢動させるステップを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１８）用の可変入口ガイドベーン機構（３０）であって、
前記圧縮機の入口を画定するケース（４０）と、
前記ケース内に同軸に配置された少なくとも１つのベーン支持体（６；４１）と、
各々のベーンが前記ケースと前記少なくとも１つのベーン支持体との間に枢着された、前記ケースの周囲に周方向に配置された複数のベーン（４；３８）と、
前記複数のベーンの少なくとも幾つかを非対称のパターンで前記ケースの周囲で枢動させるように構成されたアクチュエータ機構（４４、４６；８）と、を有する可変入口ガイドベーン機構。
【請求項２】
前記アクチュエータ機構（４４、４６；８）は、前記ベーンが完全に閉じた位置から完全に開いた位置へと枢動している間、非線形スケジュールに従って、又は交番する線形スケジュールに従って前記ベーンを枢動させるように構成された、請求項１に記載の可変入口ガイドベーン機構。
【請求項３】
前記複数のベーン（４；３８）は、流れが前記複数のベーンからの分離を開始する時点で非線形スケジュール又は交番する線形スケジュールに従って枢動される、請求項２に記載の可変入口ガイドベーン機構。
【請求項４】
前記アクチュエータ機構（４４、４６；８）は、前記流れが前記複数のベーンに完全に付着しているか或いは前記複数のベーンから実質的に分離している場合、線形スケジュールに従って前記ベーンを枢動させて、前記ケースの周囲に軸対称のパターンを形成するように構成された、請求項３に記載の可変入口ガイドベーン機構。
【請求項５】
前記少なくとも１つのベーン支持体（４１）は複数のベーン支持体（４２）から成り、前記複数のベーンは前記ケースと前記複数のベーン支持体との間に枢着されており、前記アクチュエータ機構（４４、４６）は、前記複数のベーン支持体のサブセットの前記複数のベーンを前記ケースの周囲で非対称のパターンで枢動させると共に前記複数のベーン支持体の残りのベーンを前記ケースの周囲で軸対称のパターンで枢動させて、前記ベーンから流れ分離パターンを形成するように構成された、請求項１に記載の可変入口ガイドベーン機構。
【請求項６】
前記流れ分離パターンは、ターボファンエンジンのロータブレードの共振周波数に近い周波数において前記流れに少ない航空力学的な刺激しか生じないように構成される、請求項５に記載の可変入口ガイドベーン機構。
【請求項７】
前記アクチュエータ機構（４４、４６）は、
各々のレバーアームがベーンに接続された複数のレバーアーム（５６）と、
各々のリンクアームが前記複数のレバーアームのサブセットに接続された複数のリンクアーム（５８）と、
各々のアクチュエータがリンクアームに接続されており該リンクアームを介して前記レバーアームを枢動させる、複数のアクチュエータ（４４、４６）とを有する、請求項１に記載の可変入口ガイドベーン機構。
【請求項８】
前記アクチュエータ機構は、
各ベーンに備えられたギヤ（９）と、
各ギヤに係合するラック（３）と、
前記ラックを前記ギヤに対して移動させて、前記ベーンを枢動させるように構成されたアクチュエータ（８）とを有する、請求項１に記載の可変入口ガイドベーン機構。
【請求項９】
前記機構が圧縮機（１８）を更に有する、請求項１に記載の可変入口ガイドベーン機構。
【請求項１０】
前記機構がエンジン（１０）を更に有する、請求項９に記載の可変入口ガイドベーン機構。
【請求項１１】
圧縮機（１８）の入口を画定するケース（４０）と、前記ケース内に同軸に配置された少なくとも１つのベーン支持体（６；４１）と、各々のベーンが前記ケースと前記少なくとも１つのベーン支持体との間に枢着された、前記ケースの周囲に周方向に配置された複数のベーン（４；３８）と、前記複数のベーンの少なくとも幾つかを枢動させるように構成されたアクチュエータ機構（４４、４６；８）とを有する圧縮機（１８）用の可変入口ガイドベーン機構（３０）を制御する方法であって、
前記ケースの周囲で非対称のパターンで前記複数のベーンの少なくとも幾つかを枢動させるステップを含む方法。
【請求項１２】
前記ベーンを非対称のパターンで枢動させるステップは、前記複数のベーンの少なくとも幾つかが完全に閉じた位置から完全に開いた位置へと枢動している間、非線形スケジュール又は交番する線形スケジュールに従って前記複数のベーンの少なくとも幾つかを枢動させるステップを含み、前記複数のベーンの少なくとも幾つかは、流れが前記複数のベーンからの分離を開始する時点で前記非線形スケジュール又は交番する線形スケジュールに従って枢動される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記流れが前記複数のベーンに完全に付着しているか或いは前記複数のベーンから実質的に分離している場合、線形スケジュールに従って前記複数のベーンの少なくとも幾つかを枢動させて、前記ケースの周囲に軸対称のパターンを形成するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのベーン支持体が複数のベーンシュラウド（４２）から成り、前記複数のベーンは前記ケースと前記複数のベーンシュラウドとの間に枢着されている、請求項１１に記載の方法であって、
前記複数のベーンシュラウドのサブセットの前記複数のベーンを前記ケースの周囲で非対称のパターンで枢動させて前記複数のベーンシュラウドの残りのベーンを前記ケースの周囲で軸対称のパターンで枢動させ、前記複数のベーンから流れ分離パターンを形成するステップを更に含む方法。
【請求項１５】
前記流れ分離パターンは、ターボファンエンジン（１０）のロータブレードの共振周波数に近い周波数において前記流れに少ない航空力学的刺激しか生じないように構成される、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばガスタービンエンジンの圧縮機等の圧縮機に流入する流れの制御に用いる可変入口ガイドベーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
航行中の航空機に動力を与えるターボファンガスタービンエンジンは、大抵、ファン、低圧圧縮機又はブースタ、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン、及び低圧タービンを、直列に流体連通した状態で含む。燃焼器は高圧タービンに連続的に導かれる燃焼ガスを生成し、燃焼ガスはそこで膨張して高圧タービンを駆動させ、次いで低圧タービンに導かれ、そこで更に膨張して低圧タービンを駆動させる。高圧タービンは第１のロータシャフトを介して高圧圧縮機に駆動的に接続され、低圧タービンは第２のロータシャフトを介してファンとブースタの双方に駆動的に接続される。
【０００３】
高圧圧縮機は、大抵、エンジン及び航空機の用途で空気圧縮に用いる一連のステータベーン段を含む。ブースタに隣接する第１の圧縮機段は、周方向に配置された複数の片持ち入口ガイドベーンから成る入口ガイドベーン段である。入口ガイドベーンは動力供給と失速回避の目的で、制御システムによって作動し、空気の流れを最適化する。ガイドベーンは、ステータケースと内部のベーンシュラウドとの間に保持される。ステータケースはエンジンケースに結合される。ステータケースとシュラウドとの間の空間によって、高圧圧縮機を通過する空気の容積が定まる。シュラウドは、高圧圧縮機の航空力学的な流路の境界を画定する。
【０００４】
エンジンによっては、入口ガイドベーンと下流側のその他のステータベーンは、１つ又は複数の制御可能なベーンアクチュエータの動作によって可変的に作動する。ベーンの外側のトラニオン又はスピンドルは、ステータケースを通り、レバーアームに結合される。レバーアームは、ベーンアクチュエータに接続された作動リングに結合される。１つ又は複数のベーンアクチュエータは、各圧縮機段の周方向に配置された一連のステータベーンを動かす。このベーンは、外側のトラニオンに嵌め込まれたブシュ、ワッシャ、及びロックナットを組み合わせたものによってステータケースに保持される。
【０００５】
可変ガイドベーンは、圧縮機に流入する流れの制御に用いられ、流れの需要に応じて開閉するようにスケジュールされている。流量が少ない状態においては、可変ガイドベーンは分離された流れ状態で動作し、流量が比較的多い状態においては、可変ガイドベーンは非分離の流れ状態で動作する。開閉スケジュールに沿った可変ガイドベーンの動作中、流れの分離が始まる領域が存在する。この領域を「分離開始（ｏｎｓｅｔ  ｏｆ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）」領域とする。入口の歪みにより、流速は均一ではない。この不均一さによって、各ベーンが分離開始領域に到達するまでの時間差が生じることがある。この状態に関連する周方向のパターンによって、強い高調波の刺激が生じ、これが一因となって、こうした励振に影響されやすい回転ブレードが振動する。このような刺激によって、ブレードの共振が存在する領域に強い高調波部分が生じ、ブレードに振動応力がかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７２２３０６６Ｂ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
圧縮機用の可変入口ガイドベーン機構を制御する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態によると、圧縮機用の可変入口ガイドベーン機構は圧縮機の入口を画定するケースと、このケース内に同軸に配置された少なくとも１つのベーン支持体と、各々のベーンがケースと少なくとも１つのベーン支持体との間に枢着された、ケースの周囲に周方向に配置された複数のベーンと、ケースの周囲に非対称パターンで複数のベーンの少なくとも幾つかを枢動させるように構成されたアクチュエータ機構とを有する。
【０００９】
本発明の別の実施形態によると、圧縮機の入口を画定するケースと、このケース内に同軸に配置された少なくとも１つのベーン支持体と、各々のベーンがケースと少なくとも１つのベーン支持体との間に枢着された、ケースの周囲に周方向に配置された複数のベーンと、ケースの周囲に非対称パターンで複数のベーンの少なくとも幾つかを枢動させるように構成されたアクチュエータ機構とを有する圧縮機用の可変入口ガイドベーン機構を制御する方法を提供する。この方法は、ケースの周囲において複数のベーンの少なくとも幾つかを非対称パターンで枢動させるステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】入口ガイドベーン制御システムの実施形態を適用したターボファンエンジンの部分概略断面図である。
【図２】図１のエンジンの高圧圧縮機部分の部分破断斜視図である。
【図３】図１のエンジンの入口ガイドベーン制御システムの部分分解斜視図である。
【図４】入口ガイドベーン及びベーン−シュラウド結合部の側面図である。
【図５】本発明の別の実施形態による入口ガイドベーン機構とアクチュエータ機構の概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態による入口ガイドベーン機構とアクチュエータ機構の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
同一の参照符号で同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、ターボファンエンジン１０の縦断面図を示す。エンジン１０は、長手中心軸１２の周りに軸方向に直列に流体連通するファン１４、ブースタ１６、高圧圧縮機１８、燃焼器２０、高圧タービン２２、及び低圧タービン２４を含む。高圧タービン２２は、第１のロータシャフト２６で高圧圧縮機１８に駆動的に接続され、低圧タービン２４は第１のロータシャフト２６内に配置された第２のロータシャフト２８でブースタ１６とファン１４の双方に駆動的に接続される。
【００１２】
エンジン１０の動作中、周囲空気は、ファン１４、ブースタ１６、及び圧縮機１８を通過して連続的に圧縮される。周囲空気の幾分かは補助機能用に抽出されるが、主な加圧された空気流は、燃焼器２０に流入し、そこで燃料と混合され燃焼して、高エネルギの高温燃焼ガス流を提供する。高エネルギガス流は、高圧タービン２２を通過し、そこで更に膨張して第１のロータシャフト２６を駆動させるエネルギが抽出される。ガス流は、次いで、低圧タービン２４を通過し、そこで第２のロータシャフト２８、ひいてはファン１４を駆動させるエネルギが抽出される。燃焼廃棄物と未使用のガスは、排気ダクトを経てエンジン１０から排出される。
【００１３】
図２〜４を参照すると、圧縮機１８は、入口ガイドベーン段３０と、それに続く一組の可変ベーンステータ段３２、３４、及び３６とを含む。各段３０、３２、３４、３６の環状方向の寸法は、後続のエンジン段で使用する空気を圧縮するために次第に小さくなる。圧縮機１８の各段は、圧縮機１８のステータケース４０とベーンシュラウド４１との間に捕捉された、周方向に配置された一組のベーン３８を含む。図３に示すように、シュラウド４１は一組のシュラウドセクション４２から成る。シュラウドが図示及び記載されているが、圧縮機１８はシュラウドを含む必要はなく、ベーン３８は、ステータケース４０と、例えば内部ステータ構造又はケーシング、或いはリング、或いはエンジンの軸受支持部材等の支持体との間に支持されてもよい。
【００１４】
ベーン３８は、一組の可変ベーンアクチュエータ４４、４６によって可変的に作動する。ベーン３８は、ステータケース４０を介して、ベーンの外側のトラニオン４８によってアクチュエータ４４、４６に結合される。外側のトラニオン４８は、ステータケースのポート５０を通り、内側のブシュ５２及び外側のナット５４によって保持される。レバーアーム５６が、ブシュ５２と外側のナット５４との間に捕捉されている。レバーアーム５６は、リンクアーム５８を介してベーンアクチュエータ４４、４６に結合される。
【００１５】
図３及び４を参照すると、ベーン３８の回転は更に、ベーン３８の複数組を内側のベーンシュラウドセクション４２のそれぞれに結合することによっても可能になる。各シュラウドセクション４２は複数のシュラウドポート６０を含み、各ポート６０はベーン３８各々の内側のトラニオン６２を受け入れるように構成される。内側のトラニオン６２は、溝ショルダを有するシュラウドポート溝６６内にある接触ショルダ又はトラニオンボタン６４を含む。内側のトラニオン６２は、先ず、ポート６０に適合するシュラウドブシュ６８を使用してポート６０内に捕捉される。シュラウドワッシャ７０は、トラニオンボタン６４のブシュ面と、シュラウドブシュ６８のトラニオン面との間に中間接触領域を形成する。ワッシャ７０によって、シュラウドセクション４２の上方移動が防止され、その捕捉部品と内側のトラニオン６２との間の捕捉接触領域がかなり拡大する。これによって、ガイドベーンシステムの寿命が延び、メインテナンスの負担が軽くなる。
【００１６】
シュラウドセクション４２は更に、シュラウドのシールリテーナ７４とも結合される。リテーナ７４は、図３に示すように、圧縮機１８の内周全体のほぼ半分にわたって延在し、シュラウドセクション４２の群を、ひいてはベーン３８の群を効果的に結合する。その結果、相互に接続された片持ちベーン３８にスポーク効果が生ずる。リテーナ７４のスパンによっても、シュラウドセクション４２が圧縮機１８の内側の空間から下方へ、より移動しにくくなる。こうして、シュラウド−ベーン境界への作動及び振動の作用が軽減される。
【００１７】
図５及び６を参照すると、別の実施形態による可変入口ガイドベーン機構は、外側のベーン支持体１と内側のベーン支持体６とを有する。各ガイドベーン４は、外側のベーン支持体１によって枢支されたベーンのトラニオン上に備えられたピニオン９を含む。ラック３が周囲の支持部材２に接続され、図６に示すようにガイドベーン機構の各ピニオン９と係合する。外側のベーン支持体１は、ファスナ部材７によってステータケースに接続され、内側のベーン支持体６は内側のカバー部材５によって覆われる。
【００１８】
周囲の支持部材２は、周囲の支部材２を回転させて、ラック３がピニオン９を介して入口ガイドベーン４を枢動させるように構成されたアクチュエータ８に接続される。ラック３は、ベーンの開／閉スケジュールを非対称に変更するように構成される。ラック３は、開閉範囲部分全体にわたって不均一である。
【００１９】
可変ベーンアクチュエータを作動させ、ベーンの開／閉スケジュールを（周方向で）非対称に変更することによって、ブレードから好ましい高調波を発生するパターンへと流れの分離を開始させ、回転ブレードにかかる刺激を軽減又は可能であれば除去することができる。ベーンの開／閉スケジュールには、非対称性が分離開始領域のみに適用されるように、非線形スケジュールを用いてもよい。代替的に、双線形スケジュールを与えるために交番の（異なる）線形スケジュールを用いてもよい。分離開始の領域を越えると、この非対称性は用いられず、完全に分離された又は完全に非分離の流れ領域にベーンが対称に位置することによってこれらの状態に関連する高調波部分が最小限に抑えられる。
【００２０】
周方向の位置に応じて開／閉スケジュールを変更することによって、周方向に分離の開始を制御できる。その結果として生じる高調波刺激は、分離パターンを用いて制御され、ブレードの共振がある領域の強い高調波部分をなくし、ひいてはこの刺激の影響を受けやすいブレードの振動応力を軽減できる。
【００２１】
ベーンの開／閉スケジュールの非線形性によって、段内の別のベーンに対する各ベーンの位置が周方向に変化し、ロータブレードの共振周波数に近い周波数にある航空力学的な刺激の低減に繋がる分離パターンが形成される。スケジュールの非線形性は、ベーンが完全に付着した流れから完全に分離した流れへと移行する狭いスケジュール領域にわたって、すなわち分離開始の領域で適用される。流れが完全に分離する（ベーンが完全に閉じた）か或いは完全に付着する（ベーンが完全に開いた）別のベーン位置においては、ベーンの開／閉スケジュールは、軸対称のパターンが得られる線形であり、こうしたより均等な状態において刺激が最小になり、動作効率が最大になる。
【００２２】
上記の実施形態はリンク機構によって可変アクチュエータに接続された個々の入口ガイドベーンに接続されたレバーアームによって入口ガイドベーンに接続された可変アクチュエータを含むが、ベーンの開／閉スケジュールを非線形性にするために、ギヤ機構又は楕円カムなどの別のベーン開／閉機構を使用してもよい。
【００２３】
現時点で最も実用的且つ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は開示の実施形態に限定されることなく、むしろ、添付の特許請求の範囲に含まれる様々な改変及び等価の措置も包含するものとする。
【符号の説明】
【００２４】
１  外側のベーン支持体
２  周方向の支持部材
３  ラック
４  ガイドベーン
５  内側のカバー部材
６  内側のベーン支持体
７  締結部材
８  アクチュエータ
９  ピニオン
１０  ターボファンエンジン
１２  長手方向の中心軸
１４  ファン
１６  ブースタ
１８  高圧圧縮機
２０  燃焼器
２２  高圧タービン
２４  低圧タービン
２６  第１のロータシャフト
２８  第２のロータシャフト
３０  入口ガイドベーン段
３２  可変ベーンステータ段
３４  可変ベーンステータ段
３６  可変ベーンステータ段
３８  ベーン
４０  ステータケース
４１  ベーンシュラウド
４２  シュラウドセクション
４４  可変ベーンアクチュエータ
４６  可変ベーンアクチュエータ
４８  ベーンの外側のトラニオン
５０  ステータケースポート
５２  内側ブシュ
５４  外側ナット
５６  レバーアーム
５８  リンクアーム
６０  シュラウドポート
６２  内側のトラニオン
６４  接触ショルダ／トラニオンボタン
６６  シュラウドポート溝
６８  シュラウドブシュ
７０  シュラウドワッシャ
７４  シュラウドシールリテーナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
2011149425000001.pdf